JPS6116222A - 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】 （産業上の利用分野） この発明は、冷却液の気化潜熱を利用したエンジンの沸
騰冷却装置に関する。

（従来の技術） 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
水を循環させる従来の水冷式冷却装置は、ランエータの
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、このためにつオータポンプが大きな駆動損
失となり、また冷却水温度をエンジン運転状態に応じて
最適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号により、水の気化潜熱を利用して少量の冷却水循
環量でエンノン冷却を行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
冷却水をエンジンの発生熱で沸Ｉｌ！させ、発生蒸気を
放熱器で液化してジャケットに戻すというサイクルで冷
却を行うようにしたものである。しかしながら、いずれ
も冷却水蒸気が流通する経路を大気に連通させて圧力変
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他、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
の変動幅が大きい自動車用エンジン１こは適用し難いと
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
等により、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よい冷却を行えるようにし
た沸騰冷却装置を提案している。

これを第４図に基づいて説明すると、１はエンジン本体
、２はシリングブロック３及びシリングへラド４にかけ
て形成されたウォータジャケット、５はつオークジャケ
ット２の上部に所定の空間部を残しで充填された冷却液
（冷媒）である。

冷却液５はエンジンの熱を吸収して所定の温度、に達す
ると沸騰しはじめ、気化潜熱を奪いながら蒸発する。そ
して、この蒸発冷却液（蒸気）はウオークジャケット２
の上部に接続する蒸気通路６を介して熱交換用のコンデ
ンサ７に導かれる。

コンデンサ７には冷却風を送る冷却ファン（電動ファン
）８が取り付けられ、その風量に応じて蒸発冷却液は放
熱及び冷却され、もとの液相に凝縮されたのちロワタン
ク９に貯留される。

つオークジャケット２には液面センサ１０が設置され、
冷却液５の蒸発に伴い液面がある程度下がると、制御回
路１１によりフオータノヤケット２の戻り通路（冷媒通
路）１゛２に介装した供給ポンプ１３が駆動される。こ
のポンプ１３により、ロワタンク９内の冷却液５を電磁
弁２５を介してつオークジャケット２へと循環するよう
にして閉回路の冷却系を構成する。

また、制御回路１１は、冷却液温度を検出する温度セン
サ１４と、エンジン回転、アクセル開度、燃料供給量等
を検出する図示しない各センサからの信号に基づいて、
前記冷却ファン８を駆動制御し、エンジンの冷却温度を
運転条件に応じて最適値に設定する。つまり、冷却系内
は閉回路となっているため、系内の圧力を変化させるこ
とにより冷却液の沸点を上下させることができる。

例えば、エンジンの発熱量が比較的少ない低負荷時には
、冷却ファン８の風量を減らしてコンデンサ７での放熱
、凝縮をある程度抑制し、冷却系内の圧力を大気圧以上
に高めることにより、冷却液５の沸点を上昇させる。こ
れにより、エンジンの冷却液温度を高めに維持して（例
えば１２０℃）、冷却損失の低減を図る。

これに対して、エンジンの発熱量が多い高負荷時には、
冷却ファン８の風量を増やしてコンデンサ７での放熱、
凝縮を促進する。これにより系内の圧力を大気圧以下に
して冷却液５の沸７αを下降させ、エンジンの冷却液温
度を低めに保って（例えば９０℃）、良好な冷却状態を
確保する。

液体の沸騰気化潜熱は極めて大きく、また冷却液蒸気が
コンデンサ７で凝縮液化すると鰺の放熱効率は従来のラ
ジェータによる液相での放熱とは比較にならないほど高
いので、少量の冷却液で容易にエンジン冷却が可能にな
ると共に、その温度を運転状態に応じて応答良（制御す
ることができ、従って優れた冷却性能が得られるのであ
る。

他方、このような閉回路状の冷却装置では、エンジンが
停止して冷却液の温度が常温近くにまで下がった場合、
それまで気相であった冷却液が液化して系内の圧力が相
当に低下し、この結果外部から無用な空気が侵入する恐
れがある。

このため、補助通路１５．Ｉ６及び電磁弁１７゜１８を
介してつオータジャケ・ント２に接続する補　”助タン
ク１９が設けられ、エンノン停止時に補助通路１５を開
き、低下した系内圧力と大気圧とのに基づいて、補助タ
ンク１つに貯えた補填用の冷却液を液面センサ２０の検
出レベルまで導入させるようになっている。

また、系内圧力の低下により外部からつオークジャケッ
ト２に空気が侵入した場合、これを排除するように、前
記蒸気通路６の上部に空気通路２１と電磁弁２２が設け
られ、例えばエンジン始動初期等に空気通路２１、補助
通路１６を開くとともに供給ポンプ１３を駆動し、補助
タンク１９から冷却液を強制的に送り込んで余分の空気
を排出しつつ冷却液面を所定のレベルに合わせる。この
空気は補助タンク１９の上部空気層に導かれ、フィルタ
２３を介して外部に排出される。

そして、この状態において、エンジンの始動により冷却
液の温度が上昇し所定の温度に達すると、冷却液は沸騰
、蒸発を始めるが、このとき液面センサ１０．２４の検
出レベルに応じて補助通路１５を開き、冷却液を大気圧
で沸騰、蒸発させ、その蒸発圧力によって補填された分
の冷却液を補助タンク１９へと押し戻す。

この場合、供給ポンプ１３は液面センサ１０に応じて駆
動され、ジャケット２内の液面レベルを適正値に保つよ
うにロワタンク９から冷却液を送り、ロワタンク９内の
液面が所定レベルになると停止される。

これにより、蒸発圧力を大気圧に保ちながら系内の冷却
液を適正量に復帰及び設定するのである。

従って、系内への空気の侵入は防止され、コンデンサ７
での熱交換効率が良好に維持される。

このようにして、常に沸騰冷却の的確な冷却作用が得ら
れ、その高い冷却性能が維持されるとともに、前記冷却
ファン８の風景に応じて冷却液の沸点圧力を大気圧以下
に任意に下げることができ、前述したようにエンノンの
高負荷時等に冷却液温度を１００℃以下（冷媒として水
を使用した場合）に設定することも可能になっている。

また、上記装置では、少量の冷却液でエンジン冷却が可
能であるから、ウォータジャケット２はもちろん、コン
デンサ７、供給ポンプ１３等も小さくてすみ、冷却系の
小型化、軽量化を図れる。

さらに、エンジンの暖機時間が短縮するとともにコンデ
ンサ７での放熱効率が高いことから、冷却ファンの駆動
動力も′僅かであり、騒音並びに燃費の改善をも図れる
という利点がある。

（発明が解決しようとする問題、克） ところで、このような沸騰冷却装置では、つオークジャ
ケット２内で発生した蒸気がそのまま蒸気通路６を介し
てコンデンサ７に流入する構造となっていたため、その
蒸気と共に液相の冷却液がノヤケット２から流れ出して
コンデンサ７に達することがある。

これは、例えば冷却液の沸点が低くなっている場合には
沸騰が活発に行なわれることから、冷却液がその沸騰蒸
気の流れに押されてコンデンサ７へと流入しやすいので
ある。

コンデンサ７では、高温の蒸気から放熱面への直接的な
熱伝達により極めで高い放−熱効率が得られるのであっ
て、これに液状のままの冷却液が侵入すると、前記熱伝
達が妨げられるとともに放熱面積が減少するため効率の
悪化を招く。このことにより、所期の冷却性能が望めな
くなるばかりでなく冷却能力の低下に伴う冷却ファン８
と、ジャケット２の液面低下による供給ポンプ１３のそ
れぞれの作動機会が増加するため燃費にも悪影響を及ぼ
す。

なお、上記米国特許にはコンデンサへの冷媒の流入を避
けるために拡張室型の気液分離器を設ける点が開示され
ているが、この種の気液分離手段は大形になるため車両
への搭載性に難を生じやすい。

この発明は、上述のような問題点に着目してなされたも
ので、大形になりがちな気液分離手段を設けることなし
くこ、ウォータツヤケントからコンデンサへと流れる過
程で冷媒蒸気流の中がら液相冷媒を分離して、蒸気のみ
をコンデンサに導入することを目的とする。

（問題点を解決するための手段） この発明では、」二連したように大部分な液相冷媒で満
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
ったコンデンサとを、上部の冷媒蒸気を流す蒸気通路と
コンデンサからの液化冷媒を供給ポンプを介して戻す冷
媒通路とで連通して冷媒が循環する閉回路を形成したエ
ンジンの沸騰冷却ＩＪ＆置において、前記蒸気通路の底
面に液相冷媒を捕集する液留部を形成するとともに、こ
の液留部を前記ウォータジャケットの液相部分に連通す
るバイパス通路を設けた。

（作用） 比較的質量の大きい液滴状の冷媒は、つオークジャケッ
トを出るとすぐに蒸気通路の底面に落下し、その＊ま蒸
気の流れに押されてコンデンサの方向へと向かうが、こ
の壁流をなす液状冷媒は蒸気通路底面に形成した液留部
に捕集され、バイパス通路を介してつオークジャケット
へと戻される。

このようにして、つオークジャケットから液状のまま流
出した冷媒は大部分がコンデンサへと達することなくジ
ャケットへと返されるのであり、従ってコンデンサへは
蒸気のみが導入される。

（実施例） 以下、この発明の実施例を図面に基づいて説明する。な
お、第４図と実質的に同一の部分には同一の符号を付し
て示すことにする。

第１図において、３０は蒸気通路６の中間部分を下方に
屈曲してエルボ状に形成しだ液留部、３１は前記液留部
３０とウォータジャケット２とを連通するバイパス通路
である。

液留部３０は、蒸気通路６の底面に沿って流れてきた液
状冷媒を一時的に捕集し、これを重力に基づいてバイパ
ス通路３１及びつオークジャケット２へと導入するので
あり、従ってこの場合ノヤケット２内の冷媒液面位置よ
りも高位に設ける。

また、バイパス通路３１は、その出口端３１Ａをつオー
クジャケット２の下端部等できるだけ低温の部分に開口
するように設けて、冷媒沸騰部分の局所的な圧力変動の
影響でバイパス通路３１を介しての液状冷媒の還流が妨
げられないように図る。

なお、図において３２はコンデンサ７の上部とジャケッ
ト２の空間部分とを連通する空気通路である。エンノン
停止後に上述したように補助タンク１９からの導入冷媒
で冷却系内を満たすわけであるが、このときもし系内に
空気が混入していた場合、蒸気通路６の一部が低くなっ
ているためコンデンサ７側の空気はジャケット２側へ抜
けると１は限らない。そこで、前記通路３２を設°けて
確実にエア抜きができるようにしたものである。ちなみ
に、キャブオーバ型阜両やミッドシップエンンン車では
エンノンとコンデンサの位置が離れるためエア抜きが困
難になることが考えられるが、この場合はコンデンサに
独立してエア抜きの通路及びこれを開閉する電磁弁を設
けて、エンジン側の電磁弁（２２）と同時に開閉するよ
うにするとよい。

第２図にこの発明の他の実施例を示す。これは、はぼ直
線的な蒸気通路６の底面にバスタブ状の液留部３３を形
成するとともに、この液留部３３とつオークジャケット
２とを連通するバイパス通路３１の途中に例えば電動式
のポンプ３４を介装し、液留部３３に溜まった液状の冷
媒を強制的にジャケット２へと戻すようにした点で第１
図と異なる。

この実施例によれば、蒸気通路６が直線状であるのでエ
ア抜用の通路（３２）は必ずしも設ける必要がなく、ま
たポンプ３４を介して液状冷媒を圧送するようにしたの
でバイパス通路３１を細（できると同時に系内の冷媒総
量を比較的少なくすることができる。

なお、ポンプ３４は、例えば液留部３３に液面センサ１
０と同様のセンサ（図示せず）を設けて、液留部３３に
ある程度冷媒液が溜まったら作動するように図る。

第４図にこの発明に関する実験結果を示す。

全負荷２８０　Ｏｒｐｍ以下の運転域ではエンジンの発
熱量がそれほど多くないため激しい沸騰は起こらず、従
って液状のままコンデンサへと達する冷媒が少ないため
、この運転域でのコンデンサ伝熱面の熱通過率に関して
先行例（第４図）とこの発明との間に大島な差は見られ
ない。

その反面、２８０Ｏｒｐｍ以上の全負荷高速運転時には
冷媒の圧力及び温度を下げて沸騰を促す一方でエンジン
の発熱量が多くなるため極めて活発な沸騰が起こり、こ
れに原因してコンデンサに流れる冷媒蒸気の２倍以上の
重量の冷媒が液状のままつオークジャケットからコンデ
ンサへと持ち去られる。このため、先行例ではコンデン
サの効率が急速に悪化するので、図示したようにコンデ
ンサ７側への風速を高めても放熱量の顕者な増加が見ら
れなくなり、言い替えれば冷却ファンの負担が非常に大
きくなるとともに温度制御性が低下する。また、上述し
たように冷媒の総循環量が正常時の３倍以上にもなるの
で供給ポンプの負担も増加し、場合によってはその大型
化が必要になる。

これに対して、この発明によれば蒸気通路中の液状冷媒
が分離除去され、蒸気のみがコンデンサに導入されるた
めその高効率を維持でき、このため比較的少量の風速増
加で大きな冷却作用を確保できるとともに、冷媒循環量
は必要最小限で済む。

（発明の効果） 従って、この発明によれば、沸騰冷却に特有の効率の高
い冷却性能を保証できるとともに、冷却ファンや供給ポ
ンプの負担を軽減して燃費を改善できるという効果が得
られる。

また、この発明では大型の気液分離手段を用いないので
車両搭載性の点でも有利である。

【図面の簡単な説明】

第１図はこの発明の第１実施例の概略構成図、第２図は
同じく第２実施例の概略構成図、第３図はその効果を先
行技術例との比較において示した説明図である。第４図
は先行技術例の概略構成図である。 ２・・・ウォータジャケット、６・・・蒸気通路、７・
・・コンデンサ、８・・・冷却ファン、１１・・・制御
回路、１２・・・冷媒通路、１３・・・供給ポンプ、１
７，１８゜２２．２５・・・電磁弁、１９・・・補助タ
ンク、３０，３３・・・液留部、３１・・・バイパス通
路、３４・・・ポンプ。 特許出願人　　　日産自動車株式会社 第３図 コア前面凰禮、　ｒｒ□／ｓｅｃ 第４図

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、大部分を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を、上部の
   冷媒蒸気を流す蒸気通路とコンデンサからの液化冷媒を
   供給ポンプを介して戻す冷媒通路とで連通して冷媒が循
   環する閉回路を形成したエンジンの沸騰冷却装置におい
   て、前記蒸気通路の底面に液相冷媒を捕集する液留部を
   形成するとともに、この液留部を前記ウォータジャケッ
   トの液相部分に連通するバイパス通路を設けたことを特
   徴とするエンジンの沸騰冷却装置。 ２、液留部は、蒸気通路の中間部分を下方に屈曲してエ
   ルボ状に形成したことを特徴とする特許請求の範囲第１
   項に記載のエンジンの沸騰冷却装置。