JPS60128923A - 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
水を循環させる一水冷冷却装置は、ラジェータの能率及
び寸法上の制限並びに水の熱容量の関係上、要求放熱量
を満足させるためには大量の冷却水を循環させる必要が
あり、このためにウォータポンプが大きな駆動損失にｔ
Ｊつており、またエンジン運転状態に応じて冷却水を適
温に可変制御するのは困難であった。

一方、特公昭５７−５７６０８！米国特許４３６７６９
９号により、水の気化潜熱を利用して小量の冷却水循環
量でエンジン冷却を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
冷却水をエンジン発生熱で沸騰させ、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
冷却を行々うようにした・ものであるが、いずれも冷却
水蒸気が流通する径路を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
ンテナンス上の問題のほか、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
々どによシ、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ょシ沸点を制御してエ
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図によシ説明すると、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；
ンデンサ２３がらの液化冷媒を貯留するタンク、２５は
タンク２４の貯留冷媒をクォータジャケット２２へと戻
す供給ポンプ、２６はコンデンサ２３に強制冷却風を供
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のシリンダ及び
燃焼室を包囲するようにシリンダブロック２１　ａ及び
シリンダヘッド２１ｂにかけて形成され、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２２ａ
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を介してコンデンサ入口部３Ｏに連通してい
る。前記冷媒注入管２９は冷媒が循還する径路の最上部
に位置し、上方に立ち上つ−た注入口部２９ａ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、冷媒通路２８′（
ｌｌ−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る位置に
設けられ、冷却ファン２６はその前面または背面側に位
置してコンデンサ２３に強制冷却風を供給する。また、
供給ポンプ２５は冷媒通路２８の途中に位蓋し、後述す
る制御系統からの指令に基づいてタンク２４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、共に電動式である
。

５０は上記供給ポンプ２５並びに冷却ファン２６の作動
を司る制御回路であシ、シリンダヘッド２１ｂ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
ン運転状態を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５ｏ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
した場合には供給ポンプ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量（標準量
）は、ウォータジャケット２２に前述のようにして所定
液面レベルにまで冷媒が確保された状態でコンデンサ２
３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
等を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、前記実温度との比較に基づいてそのときの運
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の作動または停止を制御する。

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し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を開始し、
気化潜熱を奪って蒸発気化する。

コツトき、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＃１は均一の温度に保たれる。この
ことから、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々る。

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２２ａか
らコンデンサ２３へと流れ、コンデンサ２３での外気と
の熱交換によシ冷却されて凝集液化し、遂次タンク２４
に貯留される。

コンデンサ２３で液化しタンク２４に貯留されり冷媒は
、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−ポンプ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２２＆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２２ｍと同程度
の容量の液相冷媒が貯留され、その内部は通気機能を有
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３４１ｉ−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
する。

エンジン停止後に電磁弁３４ｔ−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外空気が
侵入するのを確実に防止できる。

なお、上記状態からエンジンを始動すると、燃□焼熱を
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の冷媒液量は供給ポンプ２５の補
給作動によシ所定値に維持されるので、見かけ上は＝ン
デンｆ′、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を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。

以上のように、こ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
を常に最適カ温度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響を及
ばず冷却系内への空気の侵入については、冷媒の液置換
によシ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、この沸騰冷却装置によると、コンデンサ２３
の放熱量が雰囲気の熱的条件に応じて敏感に変化するた
め、エンジンの運転状態の変化に即応した温度制御が可
能に表る反面、寒冷地や降板走行時など低温条件が持続
したときに過冷却に陥〕やずいという問題が生じる。

過冷却を防止するためには、例えばコンデンサ２３の前
面にシャッターを設けて走行冷却風の流量を制限したシ
、コンデンサ２３の内部に一時的に冷媒液を導入して有
効放熱面積を減じる等の対策が考えられるが、これらの
対策を施した場合、制御系統の構成が複雑化するのは避
けられない。

（発明の目的） 本発明はこのような問題点を解消することを目的として
なされたもので、過冷却をひき起こさないコンデンサ放
熱面積の適正値を与える。

（発明の開示） 一般に熱交換装置の性能は、熱媒体の温度差、流速、熱
伝達率等が一定とすれば、受熱媒体と放熱媒体との間の
接触面積によって大きく左右されるが、自動車用ラジェ
ータやコンデンサのように冷却風に対向するように設置
される略平板状の放熱器にあっては、そのコア部（放熱
部）の総放熱面積では々く、冷却風に対する前面面積と
放熱量との間に強い相関が見られる。

つまシ、例えば第２図に示したように正面から見て矩形
のコンデンサ２３（またはラジ、エータ）では、冷媒が
通るチューブ及び放熱フィンからガるコア部Ｃの高さ’
４１−Ａ、幅’ｔＢとすると、コア部Ｃの面積はＡＸＢ
とカるが、この面積ＡＸＢと放熱量との間に略比例的な
関係が生じるのである。

本発明は、このような経験的事実を前提として、上記沸
騰冷却装置においてコンデンサのコア部前面面積を次の
（１）式のように定めたことを特徴とするものであり、
これによシ上記目的を達成した。

Ｓ　＜　０．０１４８ｆ５（ｍ’）・・・（１）ただし
Ｓはコア部前面面積、Ｐは当該コンデンサが適用される
エンジンの最大馬力値（ＪＩＳ）である。

次に上記（１）式の意義について訝明する。

第３図に示した一般的な水循環冷却装置では、ウォータ
ジャケット１とラジェータ２との間の冷却水の循環をサ
ーモスタット・クル１３を介して制御し、冷却水温度が
ある程度以上になった場合にサーモスタットパルプ３が
開いて高温の冷却水をラジェータ２で放熱し、適当力水
温を保つようにしている。

第４図はこのような冷却装置におけるラジェータ前面面
ｆｆＦＳと水温制御特性との関係を示したもので、図示
したようにＳ＝Ｏ，０１４８戸Ｃｄ’）の場合はかろう
じて過熱を回避できるが、実際にはエンジンルームの熱
はけや実走行時に起りうる悪条件等を考慮して余裕を見
込む必要があるので、これよりも大きな前面面積を採る
ようにしている。

これに対して、沸騰冷却装置ではコンデンサの前面面積
ヲ（１）式に示したように最大でも０．０１４８４ｍ’
に設定することが安定した冷却性能を発揮させるための
条件になる。

これは、言うまでもなく沸騰冷却の冷却効率が水循環冷
却よりも高いからに他々らガい。

第５図はエンジンシリンダ壁の温度と冷却水温との関係
を示したものであるが、図示したように水循環冷却にお
ける水温８５℃のときと同等の冷却性能が沸騰冷却では
水温１００℃で得られる。これは、沸騰冷却では冷却面
から冷媒への熱伝達率が極めて高くなるからである。

一方、放熱側に着目すると、高温の冷、媒蒸気がコンデ
、ンサチュー１に接触して滴状ないし膜状に凝縮すると
きの熱伝達も良好であり、液相のまま放熱する場合と比
較して２０％以上も熱伝達率が向上する。しかも、沸騰
冷却では第５図により説明したように比較的高温の冷媒
で水循環冷却と同等の冷却性能が得られ、従って冷媒蒸
気と外気との温度差が大きく寿るのでコンデンサでの放
熱効率は著しく高いものとなる。

このため、仮に沸騰冷却装置のコンデンサを水循環冷却
のラジェータと同等の寸法にした場合は放熱過多、つま
シ過冷却となってエンジン熱効率の悪化を招くことにな
る。

（１）式はこのような知見に基づき、多くの実験を重ね
た結果得られたもの′″′Ｃあり、この条件式を満足ス
るようにコンデンサのコア部前面面積ｓ’ｔ−設定する
ことにより過冷却をひき起こしにくい安定した冷却性能
を発揮する沸騰冷却装置を構成できるのである。

なお、既に述べたように沸騰冷却装置ではコンデンサへ
の強制冷却風の供給により速やかにその放熱を促し、必
要な放熱を行なうことができる。

従って、コンデンサ前面面積Ｓがエンジン出力に対しで
ある程度過小である分には問題音生じない。

（発明の効果） 以上のように、本発明は沸騰冷却装置のコンデンサ寸法
に適正値を与えて過冷却の問題を解消したので、安定し
た冷却性能が得られる。また、過冷却対策としての諸手
段が不要になるので、冷却装置の構造簡略化に貢献する
。

なお、本発明によれば、コンデンサの大きさが従来のラ
ジェータに比して著しく小さくなることを意味しており
、従って車両のエンジンルーム容積を縮小したり各種補
機類のレイアラトラ合理化したりすることが容易に々す
、あるいは車体造形上の自由度が増すという効果が生ま
れる。

【図面の簡単な説明】

第１図は沸騰冷却装置の概略図、第２図はそのコンデン
サの形状例を示す正面図である。第３図は水循環冷却装
置の概略図、第４図はその冷却性能を各種ラジェータ寸
法について表わした性能線図である。第５図は同等冷却
性能発揮−の沸騰冷却装置と水循環冷却装置の冷却水温
の差異を説明するための温度図である。 ２１・・・エンジン（本体）、２２・・・ウォータジャ
ケット、２３・・・コンデンサ、２５・・・供給ポンプ
、２６・・・冷却ファン、２７・・・蒸気通路、２８・
・・冷媒通路、３４・・・電磁弁、４°１・・・補助タ
ンク、Ｃ・・・コンデンサコア部。 特許出願人　日産自動車株式会社

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 大部分を液相冷媒で満たし九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を上部の冷媒蒸
   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
   相冷媒ヲ桐留した補助タンク管弁手段を介して前記閉回
   路に接続し、さらにコンデンサからの液化冷媒をクォー
   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、エンジンの最大出方をＰ馬ヵ、前記コンデンサ
   のコア部前面面積ｔ−Ｓとするとき、次の条件：Ｓ≦（
   Ｍ）１４８ρ（−）を満足するように前記面積Ｓを設定
   したことを特徴とするエンジンの沸騰冷却装置。