JPS6036714A - 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］ 本発明はエンジンを冷媒の沸騰気化潜熱を用いて冷却す
る装置に関し、とくに冷却系内の圧力を適正に制御する
ものである。

（技術的背景） エンジンの冷却概念として、冷媒（冷却水）が沸騰時に
熱源から奪う大きな気化潜熱を利用してエンジンを冷却
する、いわゆる沸騰（蒸発）冷却システムが知られてお
、０、これによれば通常の液冷却に比べて要求冷媒量が
減少し、冷却ジャケットやコンデンサの小型化がはかれ
るという利点がある。

第１図は特開昭５１−１３７０４４号公報に開示された
従来の沸騰冷却装置である。

エンジン本体１のウォータジャケット２と、ラジェータ
（コンデンサ）３とは、上部空間４から蒸気を導く蒸気
通路５と、下部の凝縮冷却水を戻す冷却水通路６とにぶ
り結ばれた閉回路全構成する。

エンジン本体１の発生熱を奪って蒸発した冷却水は、蒸
気となってラジェータ３に向かい、ラジェータ３により
冷やされ凝縮して再びウォータジャケット２へと戻され
る。

冷却水が上部空間４で沸騰蒸発するときに太きな気化潜
熱を必要とするため、冷却水容量が小さくてもエンジン
本体１の冷却性能は劣らないのである。

ところで冷却系の内部に空気が混入していると。

温度」二昇によジ系内の圧力が高まり沸７点が上昇し、
気化潜熱による冷却特性全活用しにくくなるし、また系
内の空気をすつかｐ除去すると、エンジンの停止にエリ
温度が低下したときに系内が真空になジ、−ヒｄ１［通
路５，６葡構成するホース類がつぶれたりする。

そこて゛、蒸気通路５の上部に大気と連通するプリーザ
ち７全設け、ここに水滴は通さないが空気だけ全通すフ
ィルタ８を設けることにより、エンジン停止にもとづき
系内が負圧化したときに外気を吸入し、エンジン作動時
に発生蒸気で系内圧力が上昇したときは空気を逃がして
系内金はぼ大気圧に保つ↓うにしている。

しかしこのように冷却系内に外気全吸排している構成で
は、系内の圧力は常に大気圧に維持されるため、例えば
、エンジン負荷の小さい領域などオーバヒートの心配の
ないときに冷却系の温度を相対的に高めてエンジンの冷
却損失を減らし、燃費の改善金はかろうとしても冷却水
の沸点が１００℃となってそれ以上の温度（例えば１１
０〜１２０℃）に高めることができないし、またフィル
タ８は水滴は通さなくても空気工Ｖ分子量の小さい水蒸
気は通してしまい、除々に冷却水が洩れ、したがって定
期的に冷却水を補充する必要が生じ、メンテナンスが煩
雑となる。

したがって、基本的には冷却系内を完全に外気と遮断す
ることがαｆしいのであるが、エンジン冷却時の系内負
圧化の問題が解消されない限９、その実用化は困難であ
る。

（発明の目的） 本発明はとの工うな問題に着目してなされたものであっ
て、エンジンの冷却時には外部から冷媒を冷却系内に吸
入させ、またエンジンノ′Ｊ転中は内圧により過剰冷媒
全押し出すことに、ｒ、ジ、冷却系内の負圧化全回避す
るとともに、冷却系内全完全に外気と遮断し、冷却効率
の向上と蒸発冷媒の漏洩防止をはかるものである。

また本発明はコンデンサの過冷却に伴う系内の圧力低下
時にも外部から冷媒を吸、大して、エンジンの冷え過ぎ
を防止するものである。

さらに本発明はコンデンサ金熱交換率のすぐれｔ気相冷
却とすることにエリ、コンデンサの小型化をはかること
も目的とする。

（発明の構成並びに作用） エン・シンのウォータジャケットと、冷却ファンで冷却
されるコンデンサとは上部の冷媒蒸気金導く通路及び下
部の凝縮冷媒會戻す通路で連通して閉回路全構成する。

戻し通路の途中には冷媒のりデーパタンクからの通路會
邂磁弁を介して連通し、かつこのＦ′流に位置してウォ
ータジャケットの冷媒液面レベル全コンデンサとは独立
して規定値に保つように冷媒上ウォータジャケットに医
り込むフィードボンデ全介装する。

上記閉回路の蒸気圧力を検出する圧力センサを設け、系
内が負圧化したときなど電磁弁全開いてリザーパメンク
からの冷媒全吸入させるように制５　−− 御する制御手段全役ける。

したがって、冷媒はウォータジャケット内で沸騰蒸発し
てエンジン発生熱を奪い、その蒸気がコンデンサに工９
冷却凝縮され、再びウォータジャケットに戻されるので
あジ、コンデンサを冷却する冷却ファンの駆動を制御し
°Ｃ系内の圧力全調整して沸騰温度を制御し、負圧時に
はりデーパタンクから冷媒を吸入してコンデンサの熱交
換率全調整するとともに、エンジン停止時の負圧化にも
とづくホース類のつぶれなど全防止する。

（実施例） 第２図、第３図は本発明の実施例を示す断面図である。

シリンダブロック１０とシリンダヘッド１１には燃焼室
１２を収り囲む工うにして、ウォータジャケット１３が
形成される。ウォータジャケット１３の上部には蒸気通
路１４が接続され、この蒸気通路１４はコンデンサ１５
の上部のアッパータンク１６に連通ずる。

コンデンサ１５は車両の走行風に、ｌ：って冷却を受け
るが、同時に冷却ファン（例えば電動ファン）１７によ
っても強制冷却される。

コンデンサ１５の下部のロアタンク１８から凝縮冷媒を
ウオータノヤケッ）１３に循環させるための戻し通路１
９が設けられる。

戻し通路１９にはフィードポンプ（例えば電動ポンプ）
２０が介装してあり、このフィードポンプ２０を駆動し
たときだけウォータジャケット１３に冷却液が送り込ま
れ、ウォータジャケット１３とコンデンサ１５の液面レ
ベルは互に独立して制御される。

２１はウォータジャケット１３の規準液面Ｈ１＞検出す
る液面センサ、２２はロアタンク１８の規準液面Ｈ＋ｉ
ｉｆ”検出する液面センナであり、これらの検出信号は
、ウォータジャケット１３の内部の冷媒温度を検出する
液温センサ２３の検出信号とともに制御回路２４に入力
される。

前記戻し通路１９の途中には、オリフィス２７の下流に
冷媒全貯えたりデーパタンク２５からの補給通路２６が
接続し、この通路２６の途中には電磁弁２８が介装され
る。

蒸気通路１４の蒸気圧力を検出する手段として。

通路内圧力が大気圧以下（負圧）になったときに作動す
る負圧スイッチ２９が設けられ、との検出負圧信号も上
記制御回路２４に入力される。

コンデンサ１５を冷やす冷却ファン１７、戻し通路１９
のフィードポンプ２０及び補給通路２６の電磁弁２８は
、後述するように制御回路２４からの信号で作動が制御
される、 なお、リザーバタンク２５の上部には、外気導通孔付キ
ャップ３０が嵌められ、タンクＦＦ３を大気圧を保つよ
うになっている。

前記蒸気通路１４の最上部に位置して空気抜取口３２が
設けられ、この空気抜取口３２は通路３３を介してリザ
ーバタンク２５の気相部に接続し５その途中に電磁弁３
４が介装される。

３５は空気抜敗時の最上液面レベルを検出して制御回路
２４に出力する液面センサを示す。

制御回路２４には図ボはしないが、エンジンの運転状態
を検出する手段１例えば吸入負圧センサや回転数センサ
からの信号を入力させ、運転状態に応じて上記各部材を
コントロールする。

次にその動作を含めて全体的な作用を説明する。

エンジンの通常運転状態では、後述するが第２図のよう
に冷媒（冷却液）の液面が保たれ、すなわちウォータジ
ャケット１３の上部には適尚な蒸発空間が形成されると
ともに、コンデンサ１５の内部は気相冷却が行われるよ
うにロアタンク１８まで液位が下がり、ウォータジャケ
ット１３の冷媒はエンジンの発生熱を奪って沸騰冷却し
、その蒸気はコンデンサ１５にエフ冷やされ凝縮してロ
アタンク１８に滴下する。

冷媒の沸騰にエルクォータジャケット１３の液面が規準
値Ｈｌｌエフ下がったことを液面センサ２１が検出する
と、制御回路２４がフィードポンプ２０を回転させ、戻
し通路１９から凝縮冷媒を液面がＨｌに回復するまで送
り込む。

エンジンの要求冷却温度はエンジン負荷によって異り、
エンジン高速高負荷域など熱負荷の大きい領域では低く
（例えば冷媒温度で１００℃）、これに対して、熱負荷
の小さいエンジン低負荷域では高く（例えば同じく１２
０℃）なる。

したがって高負荷域ガど液温センサ２３の検出温度が設
定値に達すると、制御回路２４は冷却ファン１７を回転
してコンデンサ１５の熱交換を促して蒸発冷媒の液化を
増大させる。

コンデンサ１５は気相冷却のため、従来の液相冷却に比
べて３０〜５０％も放熱効率が良く、＃気の冷却により
系内圧力を略大気圧に保ち、冷媒の沸点を１００℃前後
に維持し、これにニジエンジンの焼付やノツキンダＩＪ
止する。

これに対してエンジンの焼付きなどの心配の少ない低負
荷域では、設定温産金上昇させて冷却損失を減らし燃費
を向上させる。

コンデンサ１５での熱交換を抑制するように冷却ファン
１７の回転を止めると、冷却系内は発生蒸気ＶｃＬり圧
力が上昇して沸点が高まる。

このため、冷媒の温度は沸点に応じて高まり、例えば１
２０℃に達した時点で、この温度を維持するように冷却
ファン１７０回転がフィードバック制御されるのである
。

これらの温度制御は冷媒の沸騰気化潜熱が大きいために
、きわめて区、答よく行われるのであり。

運転状態の変化にすばやく対応できる。

一方、下ジ坂を高速走行するときなど、冷却ファン１７
全向わさなくても走行風で蒸気の凝縮が進み系内が負圧
化する。

この負圧が所定値以下になると負圧スイッチ２９がオノ
に々ジ、同時に制御回路２４にエリｔＬ磁弁２８が開か
れる。これに工９リリ１−バタンク２５から冷媒が吸い
込まれ、第３図の工う（′Ｃ１コンデンザ１５のＣ夜曲
が上昇する。

このため、コンデンサ１５は気相部分が減少してその放
熱能力が低下し、エンジンの過冷却を防ぐとともにホー
ス類がつぶれるの全防止したり。

系内に大気が吸引されるのを回避する なお、このように冷媒全吸入してロアタンク１８の液面
レペ？シＨ２が規準値ニジも高くなっている状態では、
１「磁４Ｆ２８は開弁状ｊ訳に保たれ、したがって運転
状態の変化により負圧が回復して系内の圧力が一ヒ昇す
ると、コンデンサ１５の冷媒が内圧で押し出され、リザ
ーバタンク２５へと戻るのであり、規準レベル■■２に
復帰した時点で電磁弁２８が閉じ、通常状態ＶＣ移行す
る。

次にエンジンが停止して系内が冷えると発生蒸気の凝縮
に伴って内圧が低下し、やがて負圧化しようとする。し
かしエンジンの停止に伴い電磁弁２８への通電が遮断さ
れて電磁弁２８が開くため。

リザーバタンク２５から系内に冷媒が吸入され、エンシ
ンの冷却が進むにつれ系内の全てに冷媒が充満する。

このようにしてエンジン停止後も冷却系内の負圧化が防
止できるのである。

ところで、冷却系内の一部に空気が存在しでいると、空
気によってコンデンサ１５での放熱あるいはウォータジ
ャケット１３での沸騰が阻害され、熱交換効率が低下す
る。

このようなときに系内の空気抜きを行うのであるが、制
御回路２４では暖機運転中を含めて１例えば検出した液
温か５０℃以下でかつ液面センサ３５のレベルに冷媒の
レベルが到達していないときは、系内に空気が残ってい
ると判断する。このような場合に、制御回路２４は電磁
弁３４全開弁するとともに電動ポンプ２０會駆動するが
、このとき電磁弁２８も開いているため、リザーバタン
ク２５からの冷媒が戻し通路１９に吸入され、ウォータ
ジャク”シト１３ｆＣ冷媒を送り込む。

このため、最上部の空気抜取口３４から系内の空気全弁
し出しながら液面が上昇し、やがて液面センサ３５が水
没する。

この時点で電磁弁３４を閉じるとともにフィードポンプ
２０の駆動全停止し、空気抜き全終了する。

続いてエンジンの暖機に伴い液温か上昇すると、系内の
蒸気圧により余剰冷媒は補給通路２６を逆流してリザー
バタンク２５に戻され、コンデンサ１５の液面が規準値
に達したときに電磁弁２８を閉じ、通常運転の状態に復
帰する。

なお、暖機運転は系内の冷却液が従来の液冷却に比べて
大幅に少ないため、暖機時間が著しく短縮される１、 なお、上記実施例では高負荷域での設定温度を１００℃
にしであるが、冷却ファン１７による強制冷却で系内圧
力を大気圧以下に下げ、沸点ｔ９０’あるいは８０℃と
低下させることにニジ、さらに低くすることも可能であ
る。

（発明の効果） この工うに本発明は冷却系内全完全に閉回路として大気
の出入ジを遮断したため、冷却効率が同上するとともに
エンジン負荷に応じての温度設定が自由に行える。

またコンデンサは熱交換にすぐれた気相冷却を行えるた
め、その小型化、軽量化がはかれる。

エンジンコーステイング時などコンデンサの過冷却やエ
ンジン停止にもとづく系内負圧化に対しては、外部から
冷媒全吸込むことで対処でき、コーステイング時のエン
ジンの過冷却を回避するとともに負圧化によるホース類
のつぶれや外気の系内への吸込み全防止する。

冷媒が外部へと漏洩しないため、冷媒の定期的な補充が
不必要で、メンテナンスが容易になるという効果もある
。

【図面の簡単な説明】

第１図は従来装置の断面図、第２図は本発明の実施例を
示す断面図、第３図は同じくその作動状態を示す断面図
である。 １０・・・シリンダブロック、１１・・・シリンダヘッ
ト”、１２・・・燃焼室％　１３・・・ウォータジャケ
ット、１４・・・蒸気通路、１５・・・コンデンサ、１
７・・・冷却ファン、１８・・・ロアタンク、１９・・
・戻し通路。 ２０・・・フィードポンプ、２１．２２．３５・・・液
面センサ、２３・・・液温センサ、２４・・・制御回路
。 ２５・・・リザーバタンク、２８・・パ１蜂弁、２９・
・・負圧スイッチ、３２・・・空気抜取口、３３・・・
電磁弁。 特許出願人　日産自動車株式会社 −１３＝ 第１図 第２図 ９乙 第３図

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. エンジンのウォータジャケットと、冷却ファンで強制冷
   却されるコンデンサとを、上部の冷媒蒸気を流す通路及
   び下部の凝縮冷媒を戻す通路で連通して閉回路を構成し
   、上記戻し通路の途中に冷媒のりザーバタンクからの通
   路を電磁弁を介して連通し、かつウォータジャケットの
   液位全コンデンサとは独立して規定値に保つように冷媒
   を送り込むフィードボンデを戻し通路に介装する一方、
   上記閉回路の圧力を検出する手段を設け、検出圧力に応
   じて電磁弁全開閉する制御手段金膜けたことを特徴とす
   るエンジンの沸騰冷却装置。