JPS61155614A - 自動車用内燃機関の冷却装置 - 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】 〔産業上の利用分野〕 本発明は、自動車等の車両に用いられる内燃機関の冷却
装置に関するものである。

〔従来の技術〕

近年、自動車等の内燃機関は高出力化か−）低燃費化の
傾向にある。高出力化の面で、その冷却系への要求は、
冷却性能の向上である。これは、例えば、ラジェータの
容積増大や冷却風量増大のための電動ファン大容量化又
は力、プリングファンの性能向上環により対応している
。ところが、低燃費化の面で、軽量化のニーズが強く、
又、ｃＤ低減をねらったスラントノーズ化等により、ラ
ジェータの容積の増大は望めず、又、電動ファン大容量
等においても内燃機関の動力損失を増大し、ひいては、
内燃機関の燃料消費率を増大する原因の一つになる。

そこで、実開昭５９−１６５９１８号公報、実開昭５９
−１６５９１９号公報等に、内燃機関の動力損失を増大
することな（内燃機関を冷却する冷却装置が考案されて
いる。これは、内燃機関より排出される排気ガスの排気
エネルギーを回転力に変換するパワータービン、ランキ
ン機関の如き廃熱回収機関を有し、前記廃熱回収機関に
よって内燃機関の冷却用ファンを回転駆動する構成であ
る。

ところが本発明者等が、上述のものを実用化する上での
検討を行った結果、次に説明する如くの問題点があり実
用化されるには相当の時間を要するであろうと判断され
る。即ち、上記廃熱回収機関は、排気ガスが排出される
排気系の管路内に設けられるため、常に高温の排気ガス
にさらされているとともに、排気ガスの脈動を受けるこ
とになる。このため、上述のものは、パワータービン、
もしくは熱回収機関の材質の選定、あるいはパワーター
ビンの冷却方法、内燃機関の排気ガスの背圧への影響等
の種々の問題点を勘案する必要がある。また、現在自動
車に搭載されているターボチャヂャー（排気ガスの排気
エネルギーをタービンによって回収し、そのタービンか
らの出力によってコンプレフサを駆動せしめて強制的に
吸入空気を内燃機関へ送るもの）のタービンを、上記パ
ワータービンとして利用すると仮定しても、このタービ
ンによって得られる低トルク・高速回転の回転力は、現
在一般に使用されている冷却ファンを駆動するには不充
分である。即ち、冷却ファンを駆動するに必要な回転力
は、高トルク・低速回転であるからである。また、ター
ボチャヂャー等に用いられるタービンの回転力を、冷却
ファンの駆動源として利用するには、上記のことより高
比率の減速機が必要となり、冷却装置としては大型なも
のとなってしまう等の多くの問題がある。

〔発明が解決しようとする問題点〕

そこで本発明は上記の点に鑑みてなされるもので、その
解決しようとする問題点は、内燃機関の動力損失を増大
することなく内燃機関を冷却する新規な冷却機関を提供
することになる。

〔問題点を解決するための手段〕

上記問題点を解決するための手段として、本発明の内燃
機関冷却装置は、内燃機関の外形を形成するハウジング
と、このハウジングから外部へ放出される熱エネルギー
を受熱して低沸点作動媒体に伝達すル熱交換器と、この
受熱器から送出された低沸点作動媒体の断熱膨張でもっ
て回転力を得る回転駆動装置と、前記回転駆動装置から
排出された低沸点作動媒体を冷却して凝縮する凝縮装置
と、この凝縮装置からの低沸点作動媒体を圧縮して前記
熱交換器へ送出する圧縮機と、前記回転駆動装置から得
られる回転力によって前記凝縮装置を冷却する回転ファ
ンとを具備することを特徴とする。

〔作　用〕

上記手段によって、従来は内燃機関のハウジングから外
部に放出されていた熱エネルギー、もしくは冷却水に熱
交換されていた熱エネルギーを熱交換器を介して低沸点
作動媒体に伝達し、この低沸点作動媒体の断熱膨張によ
って得られるエネルギーを回転駆動装置で回転力に変換
し、且つこの回転力でもって回転ファンを駆動すること
により、低沸点作動媒体臼らを凝縮装置で冷却凝縮する
ことが可能となる。

（実施例〕 以下に本発明の第１実施例を第１図に基づいて説明する
。

第１図は、自動車のエンジ室内に配置される状態での冷
却装置を示す概略構成図であって、図中符号１はガソリ
ンエンジン、ディーゼルエンジン等の公知の内燃機関で
ある。内燃機関ｌのハウジングにはウォータージャケッ
トが設けられており、このウォータージャケット内の冷
却水によって内燃機関は冷却される。このウォーターシ
ャケ、トの冷却水出口は、冷却水道管を経て熱交換器２
の放熱部に連通接続され、ウォータージャケットの冷却
水入口は冷却水ポンプ３及び冷却水道管を経て熱交換器
２の放熱部に連通接続されている。冷却水ポンプ３は、
内燃機関の（省略）クランク軸に連結されて、回転駆動
されることによって冷却水を循環させる。

次に、熱交換器２、回転駆動装置４、回転ファン５、凝
縮装置６、圧縮機７とを含む冷却サイクルについて説明
する。凝縮装置６はエンジン室内の最も前方に配置され
、かつ回転駆動装置４、回転ファンはその後方に配置さ
れている。この冷却サイクル中には、低溝点作動媒体で
あるフロン１１が封入されている。

熱交換器２は、シェルアンドチューブ式の熱交換器で、
冷却水の流通する放熱部２ａと、フロンが流通する受熱
交換器部２ｂがあり、両者の間で熱交換される。熱交換
器２の受熱交１１！器部２ｂに設けられる媒体出口は、
媒体導管を介して回転駆動装置４の入口ポートに連通接
続されている。

回転駆動装置４は、例えばマルチヘーン（可動翼式）エ
キスパンダで、ロータとベーンとによって区画形成され
た空間に高温、高圧のフロンを導入することにより、回
転駆動力に変換するものである。即ち、エキスパンダ４
の入口ポートより最小容積の前記空間に流入したフロン
は、前記空間の容積を増大することにより、ロータに回
転力を発生させ、その空間が最大容積となったときこの
フロンは吐出ポートより吐出されるものである。

この種のエキスパンダは、比較的（タービン型エキスパ
ンダと比較すると）低回転・高トルクの回転力を受ける
ことができる。このようにしてロータに得られた回転力
は、シャツ１−４２を介して外部へ出力される。シャフ
ト４ａには、後述する凝縮装置６を冷却するための回転
ファンが直結されている。

エキスパンダ４の吐出ボートは、媒体導管を介して凝縮
装置いわゆるコンデンサ６に連通接続され、フロンはコ
ンデンサ６によって冷却液化される。コンデンサ６は、
媒体導管を介して圧縮機７（例えば電動式の渦巻き式ポ
ンプ）に連通接続されており、圧縮機４はフロンを高圧
に圧縮する。

圧縮機４から吐出される高圧フロンは、媒体導管を介し
て熱交換器２の受熱交換器部２ｂの下部の媒体入口へ導
かれて、上述冷凍サイクル内を循環゛（閉回路）する。

次に、上述の構成に基づいてその作動を説明する一内燃
機関ｌのウォータージャケット内で熱交換して高温とな
った冷却水は、熱交換器２において、フロンと熱交換す
る。ここでフロンは第２図において（第２図は圧力Ｐと
エンタルピーｉの関係図）点ａから点すへ状態変化、す
なわち高圧の液相から高温、高圧の過熱蒸気相のフロン
ガスへ状態変化する。この過熱蒸気となったフロンガス
は、エキスパンダ４にて等エントロピー変化、すなわち
断熱膨張してシャフトに仕事量Ｗしく第２図中、点すか
ら点Ｃへの変化）の回転力を出力する。このシャフトの
回転力は回転ファン５を回転させて、コンデンサ６の前
方より後方へ向かって（図中左から右へ）冷却風を送風
させる（もしくはコンデンサ６の前方に回転ファン５を
配設して、コンデンサ６の前方から後方へ向かって冷却
風を送風・する）またエキスパンダ４にて断熱膨張した
フロンガスは、コンデンサ６により冷却されて凝縮して
再び液相　（第２図中、点Ｃから点ｄへの変化）となり
、圧縮機７によって圧縮加圧（第２図中、点ｄから点ａ
への変化）される。そしてフロンは再び熱交換ａ２へ圧
送された後、上述のサイクルを繰り返すことになる。

以上述べた様に、内燃機関のハウジングより放出される
熱エネルギーを、冷却サイクルのフロンと熱交換するこ
とによって冷却するとともに、フロンが得たエネルギー
によって、送風ファン５を回転させて冷却風を発生させ
、その冷却風でもってフロン自体をコンデンサ５で冷却
凝縮することになる。つまり、従来では内燃機関のハウ
ジングより外部に放出されていた熱エネルギー、すなわ
ちウォータージャケント内にて高温の冷却水に熱交換し
てラジェータによって排熱（放熱）していた熱エネルギ
ー、もしくはハウジングより直接大気に放熱していた熱
エネルギー、これを有効な熱源として利用することがで
きる。その上、冷却サイクルの回転駆動装置４で、得ら
れる回転力によってファン５を回転し、その結果得られ
る冷却風でそのサイクルの媒体臼らを冷却することが可
能となる。

次に第２実施例を第３図に基づいて説明する。

この実施例は、第１実施例における熱交換器２を廃止し
、内燃機関のウォーターシャケ・ノドを代用したもので
ある。他の構成・作動は第１実施例と同様である。すな
わち、内燃機関のウォータージャケット内にて、フロン
が内燃機関と熱交換して、過熱蒸気相となることによっ
て内燃機関を冷却する構成である。

上述の実施例において低沸点作動媒体としてフロンＲ−
１１を用いたが、フロンＲ−１２、フロンＲ−１１３、
アンモニア等のものであっても良い。また上述のエキス
パンダはマルナヘーンタイプのものであったが、低融点
作動媒体の断熱膨張を利用して回転力を得るものであれ
ば良く、他にローリングピストン式、ラジアルタービン
式等のものであっても良い。

また上述の実施例においては、図示していないが、内燃
機関が始動時等にあって冷却する必要がない場合は回転
駆動装置によって得られた回転を、クラッチ等の伝達手
段によって選択的に取り出すことによって、他の被駆動
装置例えばオルタネータ等の発電機を駆動することもで
きることは言うまでもない。

〔発明の効果〕

以上述べた様に、内燃機関のハウジングから放出する熱
エネルギーを、低沸点作動媒体に伝達し、この低沸点作
動媒体の断熱膨張によって得られるエネルギーを回転駆
動装置で回転力に変換し、且つこの回転力でもって回転
ファンを駆動するこにより冷却風を発生させ、この冷却
風でもって低沸点作動媒体を凝縮装置にて冷却凝縮する
ことができるようになる。従って以下の様な効果を有す
る。

１、現在の自動車用冷却装置において、内燃機関のハウ
ジングから放出される熱エネルギーは、冷却水と熱交換
された後、冷却水をラジェータによって冷却する時、直
結ファンや電動ファン等の冷却ファンが必要となり、そ
の為内燃機関の動力を必要としていた。すなわち、ラジ
ェータを冷却する冷却ファンは、内燃機関のクランク軸
或いはバッテリ電源とする電動機の出力軸に駆動され、
内燃機関の動力出力或いは電動機の動力出力により回転
駆動されるようになっている。またバッテリ電源も、結
局は内燃機関の動力出力により発電機番回転駆動させて
発生する電力を蓄電するものであるため、内燃機関の動
力損失を増大するものであった。故に現在の自動車用内
燃機関の冷却装置は必ず内燃機関動力損失を伴なうこと
なく、内燃機関を冷却することは不可能であった。

これに対して本発明は、内燃機関の排熱のうち、現在で
は全く利用されていない内燃機関のハウジングより放出
される熱エネルギーを、冷却システムとして有効に利用
したため、内燃機関の動力損失を増大することなく内燃
機関を冷却することが可能となり、このため、内燃機関
の燃料消費量を減少することが可能となる。

２、また、内燃機関の排熱のうち高温の排気ガスの排気
エネルギーを利用して冷却ファンを駆動して内燃機関を
冷却するものに対して、本発明は、比較的低温のハウジ
ングからの放熱エネルギーを利用しているので、セラミ
ック等の耐熱材料の選択もすることなく十分な耐久性を
確保できるとともに、エンジンルーム内の他の部品への
影響を小さく抑えることができる。また、排気ガスによ
って回転駆動するパワータービンによって冷却ファンを
駆動する際には、高比率の減速機が必要になるとともに
、その回転トルク、回転数の制御が複雑になるのに対し
て、本発明は低沸点作動媒体によって回転駆動される回
転駆動装置の出力軸からの出力が、・比較的（パワータ
ービンを比較して）低回転数・高トルクとなるため、前
記出力軸に回転ファンを直結することができる。

３、さらに、内燃機関のハウジングから放出される熱エ
ネルギー量、またはこのエネルギーを利用する本発明の
冷却装置の回転ファンの回転数は、内燃機関の負荷及び
回転数に略比例する関係にある。また一方において、内
燃機関の必要冷却熱量もその負荷及び回転数に略比例す
る関係にある。

従って、本発明の回転ファンの回転数は、内燃機関の負
荷及び回転数すなわちその必要冷却熱量に応じて回転駆
動される。このため、本発明は内燃機関の負荷及び回転
数が変化しても、特別な制御することもなくその変化に
対応して内燃機関を適温に冷却することが可能となるで
あろう。

【図面の簡単な説明】

ある。 １・・・内燃機関、２・・・熱交換器、４・・・回転駆
動装置、５・・・回転ファン、６・・・凝縮装置、７・
・・圧縮機。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、内燃機関の外形を形成するハウジングと、このハウ
   ジングから外部へ放出される熱エネルギーを受熱して低
   沸点作動媒体に伝達する熱交換器と、この受熱器から送
   出された低沸点作動媒体の断熱膨張でもって回転力を得
   る回転駆動装置と、前記回転駆動装置から排出された低
   沸点作動媒体を冷却して凝縮する凝縮装置と、この凝縮
   装置からの低沸点作動媒体を圧縮して前記熱交換器へ送
   出する圧縮機と、前記回転駆動装置から得られる回転力
   によって前記凝縮装置を冷却する回転ファンとを具備す
   ることを特徴とする自動車用内燃機関の冷却装置。 ２、前記熱交換器は、内燃機関のハウジングにあるウォ
   ータージャケット内で受熱した冷却水と、前記低融点作
   動媒体との間において熱交換することを特徴とする特許
   請求の範囲第１項記載の自動車用内燃機関の冷却装置。 ３、前記熱交換器は、内燃機関のウォータージャケット
   内で内燃機関と前記低融点作動媒体とが熱交換すること
   を特徴とする、特許請求の範囲第１項記載の自動車用内
   燃機関の冷却装置。