JPS61160513A - 内燃機関の沸騰冷却装置 - 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】 産業上の利用分計 この発明に、ウォータジャケット内の所定レベルまで液
相冷媒を貯留しておき、その５ｌｌｌＩＩ気化にＬ＃）
内燃機関各部の冷却を行うとともに、発生した冷媒蒸気
をコンデンサに二９４Ｉ縮して再利用する工うにし７ｉ
Ｃ同燃ａ浦の沸騰冷却装置に関する。

従来の技術 内燃機関の冷却袋【直として、従前の水冷式冷却装置に
代えて、冷媒（冷却水）のｓｍ−凝縮のサイクルを利用
し１４１！！冷却装置が特公昭５７−５７６０８号公報
等において提案さ１ているが。

本出顧人にこｆｌｋ更に発展させ九ものとして、コンデ
ンサの放熱量を可変側−することで密閉した系内の冷媒
沸点を高精度に制御し得る：うにした沸ｍ冷却装置を先
に提案している（特願昭５９−１４０３７８号等）。こ
ｆＬは、欣相冷媒が所定しペルまで貯留さｎるウォータ
ジャケットと、ここで発生した冷媒蒸気を凝縮するコン
デンサと、このコンデンサの下部から上記ウォータジャ
ケットに液相冷媒を循環供給する冷媒供給ポンプとを主
体として□密閉した冷媒循環系を形成するとともに。

その系外にリザーバタンクを設は九ものであって、上記
冷媒供給ポンプとして正逆両方向に送給可能な電動ポン
プを用い、流路切換用の１磁弁と組み合せて、コンデン
サとリザーバタンクとの閣で液相冷媒を両方向に強制的
に移動できる二うに構成しである。そして、系内温度が
目標温度二タ低いときには、リザーバタンクからコンデ
ンサ内に液相冷媒？強制導入してコンデンサ同液面位置
を高め、ま九目標温度より高いときには、コンデンサか
らリザーバタンクに液相冷媒を強制排出してコンデンサ
内液面位置を下げ、実質的な放熱面積となる気相領域の
縮小、拡大を図って、１関発熱量とコンデンサ放熱量と
ｔ平衡させるＬうにしているのである。

発明が解決し二うとする問題点 上記構成において、冷媒供給ポンプは上記のコンデンサ
同液面制御のほかコンデンサからウォータジャケットへ
液相冷媒を補給するという本来的な機能を果している訳
であるが、高負荷時においてはウォータジャケット内の
液相冷媒が蒸気流とともに液滴状態の１１持ち出さｎる
こともあって応答性良く冷媒を補給するには比較的流電
の大きい大型のポンプが必要である。従って、ポンプ入
口でキャビテーションが発生し易く、？Ｉ？ｒ媒の内骨
な送給が損わｆＬｍジ、耐久性の低下を招く虞ｎがあつ
九。！＃に十分な揚程を有し、かつ正逆両方向に圧送可
能なポンプとしてカスケード型ポンプ尋が用いらｎ、し
かも、その流路中に流路切換用のｔａ弁が介在する九め
、キャビテーションが一層発生し易く、その防止が実用
化の大きな障害となってい九〇 問題点を解決する九めの手段 この発明は、上記の間噛点を解決する九めに。

コンデンサからウォータジャケットへ液相冷媒を補給す
る冷媒循環ポンプと、コンデンサとりザーバタンクとの
間の液相冷媒の導入・排出を行う温度制御用ポンプとｔ
夫々別個に設け、上記冷媒循環ポンプは単一方向へのみ
冷媒を４；＃給する構成とし、かつ温度制御用ポンプは
正逆両方向へ冷媒を供給する構成とじ九ものである。

作用 ウォータジャケットとコンデンサとは基本的に密閉状態
に保九ｎておジ、ウォータジャケット内で液相冷媒がＳ
騰気化し、かつ発生蒸気がコンデンサで凝縮することに
Ｊ：９．気化壱Ｍｔ−利用した冷却作用が行わｒしる。

ここで系内の冷媒温度が目標温度を上廻っているときに
は温度制御用ポンプに１ってコンデンサ内からリザーバ
タンクへ液相冷媒が強制排出さｎる。ｃｒｔ、ｒｃｃり
系内圧力が低下すると同時に、コンデンサの実質的放熱
面積となる気相冷媒＠域が拡大する。逆に目標温度を下
廻っているときには温度制御用ポンプに工ってリザーバ
タンクからコンデンサ内へ液相冷媒が強制導入さｎる。

こ几にＬり系内圧力が高まると同時に、コンデンサの実
質的放熱面積となる気相冷媒領域が縮小する。この結果
、系内圧力が直ちに変動し、ウォータジャケット内の冷
媒沸点が応答性良く変化する。ま九ウォータジャケット
内の冷媒液面が所定レベル以下となったときには、独立
した冷媒循環ポンプに工ってコンデンサからウォータジ
ャケットへ液相冷媒が補給され、常にその液面位置が略
一定に保九ｎる。

実施例 図にこの発明に係る沸ＩＩＩ冷却装置の一実施例を示す
もので、同図において、ｌにウォータジャケット２會備
え九円５１ａ機関、３は上記ウォータジャケット２で発
生した冷媒ｆｌｋ気′ｔ−凝縮する之めのコンデンサで
ある。

上記ウォータジャケット２は、内ｔ５機関１のシリンダ
および燃焼室の外周部を包囲する工うにシリンダブロッ
ク４お工びシリンダヘッド５０両者に亘って形成さｎ九
もので１通常気相空間となる上部が各気量で互いに連通
しているとともに、その上部の適宜な位置に蒸気出口６
が設けら几ている。この蒸気出口６は、！Ｉ！続管７お
Ｌび蒸気通路８ｔ−介してコンデンサ３の上部人口３ａ
に連通しており、かつ上記Ｗ：続管７には、冷媒ｍａｔ
系の最上部となる排出管取付部７ａが上方に立ち上かつ
ｔ形で形成さルているとともに、その上部開口をキャッ
プ９が密閉している。

上記コンデンサ３に、上記人口３ａｉ有するアッパタン
クｌＯと、上下方向に沿つ九徽純なチューブを主体とし
たコア部１１と、このコア部１１で凝縮さｎ九液化冷媒
？一時貯留するロアタンク１２とから構成さｌｒＬ九も
ので１例えばＪＩＬｖｉＩ−前部など皿両走行＋１會受
は得る位置に設置され、史にその前置あるいは背面に１
強制冷却用の電動式冷却ファン１３を備えている。まｆ
Ｐ：、、上記ロアタンク１２は、冷媒循環通路１４ｆｔ
介して上記ウォータジャケット２の冷媒入口２ａ＆’Ｃ
＠ｙＡさｎており。

かつその通路中に、ロアタンク１２からウォータジャケ
ット２へ液相冷媒を圧送する冷媒循環ポンプ１５が介装
され、ている。尚、この冷媒循環ポンプ１５としては、
揚程Ｌｖも流量を重視し、かつキャビテーションを生じ
にくい形式のものが１！２！用さｎる。１以上のウォー
タジャケット２とコンデンサ３と冷媒循環ポンプ１５と
に１って１通常密閉状態とさｎる冷媒循環系が構成さ１
ている。

２１は、上記冷媒循環系の外部に設けらｒＬ九リザーバ
タンクであって、こｆＬニ通気機能を有するキャップ２
２を介して大気に開放さｎているとともに、上記ウォー
タジャケット２とｉ＠等しい高さ位置に設置され、かつ
そのｒｊＩ！部から纂ｌ補助冷媒通Ｗ＆２３が導出さ几
ている。上記纂１補助冷媒通ｌ路２３は、先端が上記ロ
アタンク１２の下部に接続さｎているとともに、その通
路中に常閉型の第１１ｉ１Ｅａ弁２４お工び温度制御用
ポツプ２５がブｒ鋭さｎている。ま九、こ几らｔバイパ
スするＬつな形で纂２補助冷媒通路２６が分岐形成さｎ
ており。

かつこの萬２補助冷媒通路２６に框、常開型の累２ｔｆ
ｌｉ弁２７が介装さｎている。上記温度制御用ポンプ２
５框、＊程をム硯し、かつ正逆両刀同（図のＡ１同お工
びＢ方向）に液相冷媒全圧送できる形式のもの１例えば
ギヤポンプ、トロコイドポンプ、カスケードポンプ等が
用いらｎている。同。

上記温度制御用ポンプ２５に直列に配置されている＠　
１　ｔｆｉ弁２４は、単にポンプ停止時の冷媒の通流全
阻止する九めのもので、温度制御用ポンプ２５のＯＮ、
ＯＦＦと同時に開閉さｎる。

ま九、上述し７を密閉系の最上部となる排出管取付部７
ａＫは、系内の空気を排出する九めの空気排出通路ｚ８
が接続さｎておプ、かつ空気排出時に同時に溢れ出九液
相冷媒全回収する九めに、上記空気排出通路２８の先端
部がリザーバタンク２１内に開口している。そして、上
記空気排出通路２８には、常閉型の第３直研弁２９が介
装さｎている。

上記各１凪弁２４．２７．２９と冷媒循環ポンプ１５．
温度制御用ポンプ２５おＬび冷却ファン１３ｒ１．所ｍ
マイクロコンピュータシステムを用イ九？ＩＩＩＪ御ｆ
ｉｆｉ３１１ｃ！って１１１ｍ　？！！［Ｉ　ＩＩＩさ
ｎるもので。

具体的にに、ウォータジャケット２に設けｍ、！！１液
而セ面サ３２．＠度センサ３３．ロアタンク１２に設は
之第２夜面センサ３４お工び循環系最上部に設は之負圧
スイッチ３５の各検出信号に基づいて後述する制御が行
わｎる。

ここで上記第１．第２液面センナ３２．３４は例えばリ
ードスイッチを利用したフロート式センナ等が用いらｎ
、冷媒液面が設定レベルに達しているか否かをオン・オ
フ的に検出するものであって、＄１液面センナ３２はそ
の検出レベルがシリンダヘッド５の略中間程度の高さ位
置に設定さｎ。

かつ第２ｇ面センサ３４はその検出レベルが冷媒循環通
Ｗ＆１４お二び＠ｌ補助冷媒通路２３の開口Ｌｔ）も僅
かに上方の高さ位置ＶＣ設定さｎている。

を九温度センサ３３は例えばサーミスタ等からなり、ウ
ォータジャケット２同の適宜な位Ｊｉｔに設けらｆＬ’
″Ｃ，ウォータジャケット２円の冷媒ａ度を検出してい
る。ｉ九負圧スイッチ３５は、大気圧と系内圧力との差
圧に応動するダイヤプラムを用い九もので、高地、低地
等に拘らず１更用環境下における大気圧に対し系内が負
圧であるか否か？検出しており、具体的には−３０ｌｌ
ｌＨｇ−−５０語Ｈ３程度に作動圧を設定しである。

尚、その惟機関運転条件を検出する定めの各種センサに
ついては１示していない。

次に上記沸騰冷却装置の制御について説明する。

先ず機関が始動すると、系内金−且液相冷媒（例えば水
と不凍液の混合液）で項九して不凝縮気体である空気を
排出するつすなわち、第１電磁弁２４を「開」、第２電
磁弁２７勿「閉」、第３シ磁弁２ｇ２「開」として、＠
度制御用ポンプ２５ｔ「Ｂ方向」に一定時間駆動し、系
外のりザーバタンク２１から系内に液相冷媒ｔ−強制的
に送り送む。

この結果、系内に残存してい７ｔｇ！、ｆｉは系上部に
集めらｎ友後、空気排出通路２８を介して系外に排出さ
ｎる。

系内が液相冷媒でｍ九さルるに十分な時間（例えば数ｌ
Ｏ秒程度）が経過し几ら、第ｘ？を硼弁２４を「閉」、
温度制御用ポンプ２５１ＯＦＦ、４２を出弁２７を「開
」、第３１ｔ６１ＥＩ弁２９を「閉」として、そのまま
待機する。ウォータジャケット２内の液相冷媒は滞留状
態にあるので、速やかに温度上昇し、その後、＠度セン
サ３３による検出温度が目標温度に達したら、第２に４
Ｂ弁２７會「閉」として系内を密閉する。上記目標温度
は、ａ−の負荷や回転数などの運転条件に応じて１例え
ば８０〜１１０℃糧度の範囲内で逐次最適に設定さｎる
。

尚、目標温度が常圧下での冷媒沸点りりも高い場合には
、この暖機運転中に沸騰が開始し、蒸気圧にＬつて余剰
の液相冷媒が＠　２　［ｆｉＢ弁２弁上７して排出さｎ
るので、コンデンサ３内の冷媒液面が第２液面センサ３
４の設定レベルまで低下したら。

直ちに系内を密閉する。ま九、沸騰の結果、ウォータジ
ャケット２内の冷媒液面が第１敵面センデ３２の設定レ
ベルを下部つ九ら、ＰＩ？ｒ媒循環ポンプＩＳｔ″ＯＮ
とし、ロアタンク１２からウォータジャケット２へ液相
冷媒ｔｎｌｉ！する。

以上の暖機制御が終了して系内ｅ密閉した後に。

冷媒循環ポンプ１５のＯＮ　、　ＯＦＦ　ｉＣよるウォ
ータジャケット２内の冷媒液面の維持と、冷却ファン１
３のＯＮ・ＯＦＦお工びコンデンサ３円の冷媒液面の上
下動による温度制御とがキーＯＦ’Ｆ　＃　１で繰り返
し行わｎる。すなわち、冷媒供給ポンプ１５を第１液面
センサ３２の検出信号に基づいてＯＮ。

ＯＦＦ制御し、ウォータジャケット２１７３の冷媒ｇＬ
Ｏｉ［ｉを常に設定レベルに維持する。ｉ几冷却ファン
１３は、「目標温度±０．５°Ｃｊ糧度の比較的微細な
温度範囲でＯＮ・ＯＦＦ制御する。こｎｖｃｘってコン
デンサ３における凝縮性能の比較的！＆細な調整が応答
性良く行わｎる。−万、検出温度が目標温度から比較的
大きく（例えば２〜４℃穐度）ｉｌｌ；ｒＬ九場合には
、リザーバタンク２１とコンデンサ３゛との間で液相冷
媒を強制的に導入・排出する。例えば検出温度が目標温
度より高い場合には、第１電磁弁２４を「開」とすると
ともに温度制御用ポンプ２５ｔ−Ａ方向へ駆動し、コン
デンサ３内の冷媒液ｒｆ１を低下させる。こｎに工り、
系内圧力が直接に低下するとともに、コンデンサ３の放
熱能力が増大するので、直ちに沸点の低下全米して系内
温度が速やかに低下する。ま之逆に検出ｍ度が目標温度
：り低い場合には、温度制御用ポンプ２５ｔＢ方向へ駆
動し、コンデンサ３内の冷媒液面を上昇させる。こｎｖ
ｃｘり、系内圧力の加圧ならびにコンデンサ３の放熱能
力の抑制が行わｎ、系同温度は速やかに上昇する。すな
わち、系内圧力を負圧もしくは正圧の任意の圧力とし次
状態でＳ＊・凝縮のサイクルを行わせることができる。

まｔ機関停止後は、電源ＯＦＦに伴って常開型電ａ弁で
ある藁２電磁弁２フが「開」に、常閉型電母弁である第
３電磁弁２９が「閉」になるので。

温度低下つまり圧力低下に伜ってリザーバタンク２１か
ら液相冷媒が系内に＃動する。最終的には系内が略完全
に液相冷媒でＷＦ２丸さ几九状悪となって停止中の空気
侵入が防止さ几る。

発明の効果 以上の説明で明らかな二うに、この発明に係る内燃機関
の沸騰冷却−￥＆置においては、コンデンサ内の冷媒液
Ｉｆｒを強制的に上昇・下降させることによって高精度
かつ応答性の良い温度１１制御が実現できる。そして、
ウォータジャケットへの冷媒補給を行う冷媒循環ポンプ
とコンデンサへの冷媒導入・排出上行う温度制御用ポン
プと？夫々別個に設は九ので、夫々の特性に合つ素形式
のポンプ’ｔＡ択でき、ｄＰキャビテーション対策が容
易になる。ま九夫々別個に設は九ことにより冷媒循環ポ
ンプの流路中に流路切換用の電磁弁を設ける必要がなく
。

その流路抵抗に起因したキャビテーションの発生を防止
できる。

表口面の簡単な説明 図はこの発明の一実施例を示す構成説明図である。

ｌ・・・内燃機関、２・・・ウォータジャケット、３・
・・コンデンサ、１２・・・ロアタンク、１３°°°冷
却フアン、１４・・・冷媒循環通路、１５・・・冷媒循
環ポンプ。

２１・・・リザーバタンク、２３・・・第１補助冷媒通
路。

２４・・・第１電伍弁、２５・・・温度制御用ポンプ。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. （１）液面センサにて規定される所定レベルまで液相冷
   媒が貯留されるウォータジャケットと、このウォータジ
   ャケットで発生した冷媒蒸気が導入され、かつ下部に凝
   縮した液相冷媒が集められるコンデンサと、このコンデ
   ンサの下部と上記ウォータジャケットとの間に配設され
   、かつ上記液面センサの検出に基づいてコンデンサから
   ウォータジャケットへ液相冷媒を補給する冷媒循環ポン
   プと、上記ウォータジャケットとコンデンサと冷媒循環
   ポンプとを主体とした密閉された冷媒循環系に対し、そ
   の外部に設けられたリザーバタンクと、上記ウォータジ
   ャケット内の冷媒温度を直接もしくは間接に検出する温
   度検出手段と、上記コンデンサの下部と上記リザーバタ
   ンクとの間に配設され、検出温度と目標温度との比較に
   基づきコンデンサ内の液面位置を上昇・下降させるべく
   リザーバタンクとコンデンサとの間で液相冷媒を導入・
   排出する温度制御用ポンプとを備えてなる内燃機関の沸
   騰冷却装置。