JPS60108527A - エンジンの沸騰冷却装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 （技術分野） この発明は、液相冷媒の沸騰気化に基づいてエンジンを
冷却する沸騰冷却装置の改良に関する。

（技術的背景） エンジンウォータジャケットとラジェータとの間で冷却
水を循環させる水冷冷却装置は、ラジェータの能率及び
寸法上の制限並びに水の熱容折の関係上、要求放熱量を
満足させるためには大部の冷却水を循環させる必要があ
り、このためにウォーターノブが大きな駆動損失になっ
ており、またエンジン運転状態に応じて冷却水全適温に
可変制御するのは困難であった。

一方、特公昭５７−５７６０８号や米国特許４３６７６
９９号によジ、水の気化階熱奮利用して小量の冷却水循
環量でエンジン冷却全行なえるようにした冷却装置が提
案されている。これらは、ウォータジャケットに貯留し
た冷却水をエンシフノ発生熱で沸騰させ１発生蒸気を放
熱器で液化してウォータジャケットに戻すというサイク
ルで冷却を行なうようにしたものであるが、いずれも冷
却水蒸気が流通する径路全大気に連通して圧力変動を避
ける構造をとっているため、冷却水が消耗しやすい等の
メンテナンス上Ｏ問題のは〃）、エンジン温度が大気圧
下での冷却水の沸点に固定化されるので要求放熱量の変
動中が大きい自動車用エンジン等には適用し難いという
問題点があった。

これに対して本出願人は、特願昭５８−１４５４６７号
などにより、閉ループ状の冷却回路内に液相冷媒を封入
し、その圧力を変化させることにより沸点を制御してエ
ンジン運転状態に応じた効率の良い冷却を行なえるよう
にした沸騰冷却装置を提案している。

これを第１図により説明すると、図において２１はエン
ジン（本体）、２２は大部分が水等の液相冷媒で満たさ
れるウォータジャケット、２３はウォータジャケット２
２からの冷媒蒸気を冷却液化するコンデンサ、２４はコ
ンデンサ２３〃）らの液化冷媒を貯留するタンク、２５
はタンク２４の貯留冷媒ヲ、ウォータジャケット２２へ
と戻す供給ポンプ、２６はコンデンサ２３に強制冷却風
全供給する冷却ファンである。

ウォータジャケット２２はエンジン２１のシリンタ及ヒ
燃焼室を包囲するようにシリンダブロック２１ａ及びシ
リンダヘット”２１ｂにρ１けて形成され、その内部に
は所定量の液相冷媒が封入されている。ウォータジャケ
ット２２の上方部分は冷媒蒸気が充満する気相空間２２
ａになっている。

なお、多気筒エンジンでは前記気相空間２２ａは各気筒
部間で相互に連通される。

ウォータジャケット２２は、その気相空間２２ａに面し
て接続した冷媒注入管（蒸気マニホールド”）２９及び
蒸気通路２７′ｆｆ：介してコンデンザ入口部３０に連
通している。前記冷媒注入ｗ２９は冷媒が循環する径路
の最上部に位１６１シ、上方に立ち上った注入口部２９
ａはキャップ２９ｂで密閉される。

コンデンサ２３の下部タンク２４は、冷媒朋路２８全介
してウォータジャケット２２に連通し、ウォータジャケ
ット２２とコンデンサ２３との間で冷媒が循環する閉回
路を形成する。

コンデンサ２３は自動車の場合走行風が流通す風を供給
する。また、供給ボンデ２５は冷媒通路２８の途中に位
置し、後述する制御系統からの指令に基づいてタンク２
４に貯った液相冷媒をウォータジャケット２２へと圧送
する。なお、冷却ファン２６と供給ポンプ２５は、共に
電動式または電磁クラッチ等を介してエンジン２１によ
り駆動される機械式のものが適用される。

５０は上記供給ポンプ２５並びに冷却ファン２６の作動
金司る制御回路であり、シリンダヘッド２１、　ｂに設
けられた液面センサ３１と同じく温度センサ３２及びエ
ンジン運転状態全検出するその他の手段（図示せず）と
ともに制御系統を形成している。

液面センサ３１は、その検出部に対する冷媒液面の位置
に応じてオンオフ的に出力が変化する一種のスイッチで
ある。制御回路５０はこの出力の変化に基づいて、冷媒
液面が液面センサ３１の位置に応じた所定値よりも低下
した場合には供給ボンデ２５を駆動して再び所定液面レ
ベルに達するまでタンク２４の貯留冷媒をウォータジャ
ケット２２に補給する。このため、ウォータジャケット
２２には常に所定量以上の冷媒液が確保される。

なお、この冷却系内に封入される液相冷媒の標準量は、
クォータジャケット２２に前述のようにして所定液面レ
ベルに１で冷媒が確保された状態でコンデンサ２３の内
部が気相状態になる程度に設定されている。

温度センサ３２は、冷媒の温度または圧力からエンジン
温度を検出し、エンジン温度に応じた出力を実温度信号
として制御回路５０に付与する。

制御回路５０はこの温度センサ３２からの実温度の検出
値とともにエンジン回転、スロットル開度、燃料供給量
等全周知のセンサ類を介し検出してエンジンの運転状態
を判別し、耐１記実ｒ晶度との比較に基づいてそのと戸
の運転状態に応じた所定のエンジン温度になるように冷
却ファン２６の作動または停止全制御する。

エンジン運転状態と制御温度値との関係は、これをエン
ジンの仕様や目的、用途に応じて自由に設定できること
は言うまでもないが、一般に自動車用エンジンでは市街
地走行時のように負荷または回転速度が低い運転域では
比較的高温に保ち。

高速高負荷域では温度が低下する。ように図る。

上記構成に基づく冷却系統とじての基本的な作用につい
て説明すると、ウォータジャケット２２内の液相冷媒は
、エンジン燃焼熱をうけて加熱されると、そのときの系
内の圧力に応じた沸点に達したところで沸騰全開始し、
気化潜熱を奪って蒸発気化する。

このとき、冷媒はエンジン２１の高温部はど盛んに沸騰
して気化潜熱相当分の冷却を行なうことになるので、燃
焼室やシリンダ壁はほぼ均一の温度に保たれる。このこ
と刀）ら、異常燃焼等の不都合を生じない限界温度の近
くにまで燃焼室全体の温度を高めることが可能になる。

上記沸騰冷却作用の結果発生した冷媒蒸気は蒸気通路２
７を介してウォータジャケット２２の気相空間２２　ａ
　からコンデンサ２３へと流れ、コンデンサ２３での外
気との熱交換により冷却されて凝集液化し、逐次タンク
２４に貯留される。

この場合、既述したようにコンデンサ２３の内部は気相
になっており、高温の冷媒蒸気がコンデンサ２３ｉ構成
する金属面との間の良好な熱伝達状態の下に温度差の大
きい外気で冷やされることになるため、液相で放熱する
場合よりも大幅に放熱効率が高められる。因みに、この
ことからコンデンサ２３並びに冷却ファン２６は従来よ
りも著しく小型のもの全使用できる。

コンデンサ２３で液化しタンク２４に貯留された冷媒は
、ウォータジャケット２２での冷媒液面レベルの低下に
伴う供給ボンデ２５の作動により再びウォータジャケッ
ト２２へと戻されるのであり、以上の繰り返しにより沸
騰冷却が続けられる。

一方、このような閉回路状の沸騰・冷却装置では、エン
ジン停止時には系内が必ず負圧化する。

そこでこの負圧化対策として、外部に設けた補助タンク
４１の液相冷媒で気相空間２２ａを置き換えるようにし
である。

補助タンク４１には少なくとも気相空間２２ａと同程度
の容置の液相冷媒が貯留され、その内部は１市気機能を
有するキャップ４１ａを介して大気圧が導入される。

この補助タンク４１は、途中に電磁弁３４を介装した補
助通路３７を介してウォータジャケット２２に連通ずる
。

エンジン停止後に電磁弁３４を開くと、温度低下に伴う
圧力の減少に基づいて補助タンク４１の貯留冷媒が系内
へと導入され、やがて系内の空間部分は大部分が液相冷
媒で置換されることになる。

これにより、エンジン停止時に冷却系内に有害な空気が
侵入するの全確実に防止できる。

なお、上記状態〃）らエンジンを始動すると、燃焼熱全
うけて沸騰気化した冷媒蒸気の圧力で系内の液相冷媒は
補助通路３７及び補助タンク４１へと押し戻される。ウ
ォータジャケット２２の冷媒液量は供給ボンデ２５の補
給作動により所定値に維持されるので、見かけ上はコン
デンサ２３の液量のみが減少してその液面レベルが低下
していく。

やがてコンデンサ２３の内部が気相になると、タンク２
４の液面レベルからこれ全検知した液面センサ３９から
の信号に基づいて電磁弁３４が閉じ。

以後は既述した沸騰冷却を行う。

さらに、この装置では、もし系内に空気が侵入した場合
にはこれを排除するために、補助タンク４１と冷媒液通
路２８と金弟２の補助通路３６全介して連通可能とし、
空気侵入時には三方電磁弁３３全介して供給ポンプ２５
の吸込側全下部タンク２４側から補助通路３６へと切り
−換えるとともに供給ポンプ２５を駆動して補助タンク
４１の冷媒をウォータジャケット２２へと圧送する。こ
のとき、冷却系回路の最頂部を補助タンク４１の内部（
大気圧）に連通ずる通路３８の電磁弁３５全開いて、侵
入空気全排出する。

このエア抜き作動は、冷却系回路の最頂部にあたる冷媒
注入管２９に液面センサ４０に設け、冷機時の冷媒液面
を検出して行なう。つまり、冷機時には先に述べたよう
にして系内が液相冷媒で満たされるわけであるが、もし
系内に空気が侵入していれば、その分だけ冷媒の導入量
が減少して空間が残り、言い換えれば液面センサ４０の
レベルに達する前に冷媒の導入が終了する。従って、例
えば冷機始動直後に液面センサ４０を介して空気の侵入
全検出できるわけである。

そして、上記供給ポンプ２５の作動によって冷媒液面レ
ベルが液面センサ４０の位置に達したところで１ｍ路３
６．３８を閉じてエア抜きを終了する。

以上のように、との沸騰冷却装置はエンジンの運転状態
に応じて速やかに放熱量を制御でき、従ってエンジンを
常に最適な温厩条件で運転できるので燃費の向上や出力
の増強に大きく貢献し、さらに放熱効率に悪影＃全及ぼ
す冷却系内への空気の侵入については、冷媒の液置換に
より自己管理的にこれを防止しているので、極めて実用
性が高いという特徴がある。

ところで、この沸騰冷却装置では、既に述べたようにウ
ォータジャケット２２の冷媒液面レベルが常に一定にな
るようにしているが、この液面レベルが過小気味である
と高負荷運転に移行して大量の熱流束が生じたときにこ
れを吸収しきれずに。

燃焼室冷却面に巨大な気泡が生じ」冷媒液が波動現象（
スラッキング）を起こしやすくなる。この現象が起こる
と冷却面が空間に露出するため放熱不足に陥って、短時
間のうちにエンジンが過熱してしまう。このため、液面
レベルはある程度高くしておく必要があるのだが、そう
すると熱発生の少ない低負荷時に冷却面上の液圧に抗し
て発生した蒸気が突沸音引き起こし、液状のままの冷媒
がコンデンサ２３に流れ込んでその放熱性能全悪化させ
る等の不都合を起こすおそれが生じる。

このように、ジャケット２２の液面レベル’ｌｆ−一定
に保つことは、要求負荷の変化中がそれほど大きくない
エンジンでは問題にならないにしても、必ずしも安定し
た冷却性能全保証することにはならない。

なお付言すると、先に掲げた米国特許４３６７６９９号
の沸騰冷却装置では、ウォータジャケラ）　Ｚ）−ラの
冷媒を蒸気と液体とに分離する容器内において液状冷媒
の液面レベルが変化するようになっているが、これは暖
機前後の温度変化に伴う冷媒の膨張収縮に原因して自ず
と起る現象にすぎず、従ってウォータジャケット内の冷
媒液面レベルが負荷状態に応じて変化するわけではない
ので上記問題全解決するものではない。

（発明の目的） 本発明はこのような沸騰冷却装置に特有の問題点に着目
してなされたもので、ウォータジャケットの液面レベル
を低負荷時には低く、高負荷時には高くという具合に可
変制御することにより上記問題点を解消することを目的
とする。

（発明の開示） 上記目的全達成するために本発明では、冷媒蒸気が流れ
る蒸気通路及びコンデンサを迂回してウォータジャケッ
トの冷媒液全供給ポンプの上流側に導入するバイパス通
路を設け、低負荷時には前記バイノやス通路へとウォー
タジャケットの余剰冷媒を逃がすことにより液面レベル
を低位置に抑えるように図る一方、バイパス通路の途中
にエンジンの負荷状態に応動する切換弁全介装し、高負
荷時にはこの切換弁を閉じてウォータジャケットηλら
の冷媒液のオーバフローを抑制することにより、液面レ
ベルを高めるようにした。

以下、本発明を図示実施例に基づいて説明する。

ただし、第１図と実質的に同一の部分には同一の符号上
付して示すことにする。

（実施例） 第２図において、６７はパイ・ぐス通路、７０は切換弁
である。

バイパス通路６７は、この場合蒸気通路２７よりもやや
低位−置にて蒸気マニホールド２９に開口し、ウォータ
ジャケット２２とコンデンサ２３下部のタンク２４とを
連通する。

一方、切換弁７０は、２４７４７通路６７の途中に介装
したバタフライ弁７１と、エンジン吸気通路６９（図示
しない吸気絞り弁よりも下流側）に発生する吸入負圧に
応動するダイアフラム装装置７１と〃）ら々り、高負荷
時はバネ７３の弾発力に基づいてバタフライ弁７１全閉
弁保持しているが、吸入負圧が発達する低負荷時にはノ
々ネ７３に抗してバタフライ弁７１を開く。

切換弁７０としては他に電磁弁等を適用してもよいこと
は言うまでもない。また、ディーゼルエンジンの場合は
燃料噴射−ンデのコア　）　０−　ルレバー等の作動全
利用してパイ・ぐス通路６７を開閉することができる。

その他の点については第１図と同様であるので、同一の
部分に同一の符号を付して説明全省略するわ次に、上記
構成に基づく作用について説明する。

エンジン低負荷時には先に述べたようにして切換弁７０
が開くので、パイｉ４ス通路６８′（ｌｌ−介してウォ
ータジャケット２２の上部付近とタンク２４とが連通し
ている。

従って、供給ポンプ２５を介してウォータジャケット２
２へと導入された液相冷媒のうち沸騰冷却作用により蒸
発しなη）つた余剰分の冷媒液は、バイパス通路６７へ
と溢れてタンク２４へと戻る。

つまり蒸気通路２７及びコンデンサ２３を迂回して供給
ボンデ２５の上流側へと直接戻される。

このバイパス通路６７へのオーバフローに基づいて、ウ
ォータジャケット２２の液面レベルはほぼ２４７４７通
路６７の入口部高さに等しい低位置（Ｌｌ）に制御され
る。

このため、低負荷時には燃焼室壁等の冷却面上で円滑に
微小気泡が発生する好ましい沸騰冷却状態が得られる。

その反面、高負荷時には切換弁７０が閉じてバイパス通
路６７を遮断するので、ウォータジャケット２２の冷媒
液量が増加し、シ〃・も沸騰が活発になって液相冷媒の
児〃≧け上の谷状が増すため液面レベルは蒸気通路２７
及びコンデンサ２３へのオーバフローによって規制され
る高位置（Ｌｈ）ｔで速やかに上昇する。

このようにして額面レベルが上昇する結果、ウォータジ
ャケット２２の冷却熱容漬に余裕が生じ−るので、スラ
ッギングの発生及び過熱が確実に回避される。

ところで、この実施例では上述したように高負荷時の液
面レベルＬｈをコンデンサ２３側へのオーバフローに基
づいて制御するようにしであるが、これは供給ボンデ２
５の吐出能力との兼ね合いで必ずしもコンデンサ２３の
放熱性能に悪影４１ヲ及はすことにはならない。

具体的には、エンジン総排気量１．８００　ｃｃで供給
ポンプ２５の吐出量１ｔ／―とすると、低負荷〜部分負
荷時に蒸発せずにバイパス通路６７へと流れる冷媒液量
が０．３〜０．９５　ｔ／ｍであるのに対して、詞負荷
時には沸騰気化が活発になるので、液状のま゛まコンデ
ンサ２３に流れ込む量は０．１〜０．３　ｔ／ｍ程度に
すぎない。つ！、ジ、供給ポンプ２５の性能をコンデン
サ２３への液流量が過大に々らないように決定すればよ
いのである。

もちろん、Ｌｈｉ制御するにはこれに限らず１例えば第
２のバイパス通路を設け−たり、第１図のように液面セ
ンサ３１を介して供給ボンデ２５の作動全制御しタフす
ることによっても可能であるが、この実施例のように構
成するのが構造的に最も簡潔であり５たつ制御も容易で
ある。

（発明の効果） 以上のように本発明によれば、ウォータジャケットの液
面レベルを低負荷時には低くして突沸やこれに原因する
冷却性能の低下を防ぎ、高負荷時には高液面レベルにし
てスラッギングの発生及び過熱全回避するようにしたの
で、負荷変動の激しいエンジンにあっても安定した沸騰
冷却作用が得られるという効果を生じる。

し炉も本発明によれば、上記液面レベルの可変制御ヲバ
イパス通路へのオーバフロー及びオーバフローの規制に
より行なうようにしたので、液面レベル制御を極めて容
易に行なうことができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は沸騰冷却装置の先行技術例の概略図である。第
２図は本発明の一実施例の概略図である。 ２１・・・エンジン（本体）％２１ａ・・・シリンダブ
ロック、２１ｂ・・・シリンダヘッド、２２・・・ウォ
ータジャケット、２２ａ・・・気＃Ｉ空間、２３・・・
コンｒンサ、２４・・・タンク、２５・・・供給ポンプ
、２６・・冷却ファン、２７・・・蒸気通路、２８・・
・冷媒通路、２９・・・冷媒注入管（蒸気マニホールド
）、３３゜３４．３５・・・電磁弁、４１・・・補助タ
ンク、５０・・制御面１，６７・・・バイパス通路、７
０・・・切換弁。 特許出願人　日産自動車株式会社 第１図

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 大部公金液相冷媒で満たしたエンジンウォータジャケッ
   トと内部を気相状に保ったコンデンサと全上部の冷媒蒸
   気を流す蒸気通路と下部の液化冷媒を流す冷媒通路とで
   連通して冷媒が循環する閉回路を形成するとともに、液
   相冷媒を貯留した補助タンクを弁手段を介して前記閉回
   路に接続し、さらにコンデンサη）らの液化冷媒をウォ
   ータジャケットに供給する供給ポンプとコンデンサに強
   制冷却風を供給する冷却ファンとを設けた沸騰冷却装置
   において、蒸気通路及びコンデンサを迂回してウォータ
   ジャケットの余剰冷媒液を供給ポンプの上流側に導入す
   るバイノやス通路をウォータジャケットに対して高負荷
   時の所定液面レベルより下方に開口接続するとともに、
   エンジン負荷に応動して高負荷時に前記バイパス通路を
   閉じる切換弁を設けたことを特徴とするエンジンの沸騰
   冷却装置。