JPS61201815A - 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】 産業上の利用分野 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、その沸騰気化に工す内燃機関各
部の冷却を行うとともに、発生した冷媒蒸気なコンデン
サにより凝縮して再利用する工うにした内燃機関の沸騰
冷却装置に関する。

従来の技術 内燃機関の冷却装置として、従前の水冷式冷却装置に代
えて、冷媒（冷却水）の沸騰、凝縮のサイクルを利用し
た沸騰冷却装置が特公昭５７−５７６０８号公報等にお
いて提案されているが、本出願人にこれを更に発展させ
たものとして、コンデンサの放熱量を可変制御すること
で密閉した系内の冷媒沸点を高精度に制御し得る工うに
した沸騰冷却装置を先に提案している（特願昭５９＝１
４０３７８号等）。これは、液相冷媒が所定レベルまで
貯留され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
するとと毛に、その系外にリザーバタンクを設けたもの
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、流路切換用の三方電磁弁と組
み合せて、コンデンサとリザーバタンクとの間で液相冷
媒を両方向に強制的に移動できる工うに構成しである。

そして、系内温度が目標温度Ｊり低いときには、リザー
バタンクからコンデンサ内に液相冷媒を強制導入してコ
ンデンサ内液面位置を高め、また目標温度エリ高いとき
には、コンデンサからリザーバタンクに液相冷媒な強制
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、機関発熱量と
コンデンサ放熱量とを平衡させる工うにしているのであ
る。

また上記の工うに密閉した系内で冷媒の沸騰。

凝縮サイクルを行わせるためには、系内から不凝縮気体
である空気を除去する必要があるので、上記沸騰冷却装
置では、系最上部に電磁弁を備えた空気排出通路を設け
、始動時に上記冷媒供給ポンプを用いてリザーバタンク
から系内に液相冷媒を送り込み、上記空気排出通路を通
して系外へ空気を押し出す工うにしているとともに、リ
ザーバタンク底部とコンデンサ下部とを、常開型電磁弁
を備えた冷媒通路にて接続し、キー０ＦＦｖｉの圧力低
下に伴い系内に自然に液相冷媒を吸引させ、系全体が液
相冷媒で満たされた状態な廻つ工うに構成しである。

発明が解決しょうとする問題点 上記構成において、冷媒供給ポンプは上記のコンデンサ
内液面制御のほかコンデンサからウォータジャケットヘ
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、この場合に揚程。

流量ともに比較的大きく確保する必要があり、系内の飽
和温度近い冷媒を圧送する際にポンプ吸入謁でキャビテ
ーションが発生し易い。特に、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等のキャビテーション
の面で不利な形式が用いられることになり、かつその流
路中に流路切換用の電磁弁が介在するので通路抵抗が増
大し、キャビテーションが一層発生し易い。

また上記の構成では、空気排出通路中の電磁弁と、キー
０ＦＦｖｋの冷媒導入用の電磁弁と、ポンプの流路切換
用の三方電磁弁との少なくとも３個の電磁弁が必要であ
り、異物の混入などによる作動不良の確率がそれだけ高
くなってしまい、侶傾注の確保が難しい。

問題点を解決するだめの手段 この発明は、上記の問題点を解決するために、コンデン
サの下部とウォータジャケットとを連通した冷媒循環通
路と、コンデンサの下部とリザーバタンクとを連通した
補助冷媒通路とを、夫々別個に設けるとともに、夫々に
独立した冷媒循環ポンプと温度制御用ポンプを配設した
ものであって、その流路中に流路切換用等の電磁弁は設
けられていない。また、系最上部に一端が接続された空
気排出通路の他端をリザーバタンクの底部に接続し、か
つここに介装される電磁弁を機関停止時に開弁する工う
に構成することに工って、機関停止後の冷媒導入用の電
磁弁ならびにその通路を省略している。

作用 ウォータジャケットとコンデンサと冷媒循環ポンプから
なる冷媒循環系に基本的に密閉状態に保たれており、ウ
ォータジャケット内で液相冷媒が沸騰気化し、かつ発生
蒸気がコンデンサで凝縮することにエリ、気化潜熱を利
用した冷却作用が行われる。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工っ
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
出される、これにエリコンデンサの実質的放熱面積とな
る気相冷媒領域が拡大する。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の逆方向への駆動Ｃ：工っ
てリザーバタンクからコンテンサ内へ液相冷媒が強制導
入される。これにエリ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。また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
プに工っで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たれる。

一方、機関の始動直後には、上記温度制御用ポンプ１ニ
エつてリザーバタンクから系内へ液相冷媒が強制導入さ
れ、同時に空気排出通路の電磁弁が開かれて系内から空
気が押し出される。

また機関の停止後は、空気排出通路の電磁弁が開かれキ
＃るので、系内の温度低下つまり圧力低下に伴ってリザ
ーバタンクから系内に液相冷媒が導入され、最終的に系
内が液相冷媒で満たされた状態となって空気の侵入が防
止される。

実施例 図にこの発明に係るＳ騰冷却装置の一実施例を示すもの
で、同図において、１σウオータジヤケツト２を備えた
内燃機関、３に上記ウォータジャケット２で発生した冷
媒蒸気を凝縮するだめのコンデンサである。

上記ウォータジャケット２に、内燃機関１のシリンダお
工び燃焼室の外周部を包囲する工う１ニジリンダブロツ
ク４お工びシリングヘッド５０両者に亘って形成された
もので、通常気相空間となる上部が各気筒で互いに連通
しているとともに、その上部の適宜な位置に蒸気出口６
が設けられている。この蒸気出口６＃″ｒｓ　ａ続管７
おＬび蒸気通路８を介してコンデンサ３の上部入口３＆
に連通している。

上記コンデンサ３は、上記人口３ａを有するアッパタン
ク１０と、上下方向に沿った微細なチューブを主体とし
たコア部１１と、このコア部１１で凝縮された液化冷媒
を一時貯留するロアタンク１２とから構成されたもので
、例えば車両前部など車両走行風な受は得る位置に設置
され、更Ｃ；その前面あるいけ背面に、強制冷却用の電
動式冷却ファン１３を備えている。また、上記ロアタン
ク１２σ、冷媒循環通路１４を介して上記ウォータジャ
ケット２の冷媒入口２ａに接続されており、かつその通
路中：；、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、揚程工すも
流量を重視し、かつキャビテーションを生じにくい形式
のものが使用される。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Ｃニエつて、通常密
閉状態とされる冷媒循環系が構成されている。

２１ニ、上記冷媒循環系の外部に設けられたリザーバタ
ンクであって、これは通気機能を有するキャップｎを介
して大気に開放されているととも書＝、上記ウォータジ
ャケット２に対し比較的高所に設置され、かつその底部
から補助冷媒通路２３と空気排出通路２４とが導出され
ている。上記補助冷媒通路２３ニ、先端が上記ロアタン
ク１２の下部に接続されており、かつその通路中にｍ度
制御用ボング２５が介装されている。この温度制御用ポ
ンプ２５ハ、揚程を重視し、かつ正逆両方向（図の入方
向おＬびＢ方向）に液相冷媒な圧送できる形式のもの、
例えばギヤポンプ、トロコイドポンプ、カスケードポン
プ等が用いられている。また、上記空気排出通路２４＃
″ｊ、先端が冷媒循環系の最上部となる接続管７の上壁
面に接続されており、かつその通路中に常開型電磁弁２
６が介装されている。

上記冷媒循環ポンプ１５．温度制御用ポンプ２５゜電磁
弁２６お工び冷却ファン１３ば、所謂マイクロコンピュ
ータシステムを用いた制御装置１ｌ１３］によって駆動
制御されるもので、具体的には、ウォータジャケット２
に設けた＠ｌ液面センサ３２．温度センサ３３ト、ロア
タンク１２に設けた第２液面センサ３４と、循環系最上
部に設けた負圧スイッチ３５の各検出信号に基づいて染
述する制御が行われる。

ここで上記第１．８ｇ２液面センサ３２　、３４け例え
ばリードスイッチを利用したフロート式センサ等が用い
られ、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液面センサ３２
ハその検出レベルがシリンダヘッド５の略中間程間の高
さ位置に設定され、かつ第２液面センサ３４ニその検出
レベルが冷媒循環通路１４および補助冷媒通路２３の開
口エリも僅かに上方の高さ位置に設定されている。また
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内の適宜な位置に設けられて、ウォータ
ジャケット２内の冷媒温度を検出している。また負圧ス
イッチ３５ニ、大気圧と系内圧力との差圧に応動するダ
イヤプラムを用いたもので、高地、低地等に拘らず使用
環境下における大気圧に対し系内が負圧であるか否かを
検出しており、具体的にｎ　−３０ｔｐｍＨｇ〜−５０
１ＷＩＨｇ程度に作動圧を設定しである。

尚、その他機関運転条件を検出するための各種センサに
ついては図示していない。

次に上記沸騰冷却製蓋の制御について説明する。

先ず機関が始動すると、系内な一旦液相冷媒（例えば水
と不凍液の混合液）で満たして不凝縮気体である空気を
排出する。すなわち、電磁弁２６を「開」とした状態で
温度制御用ポンプ２５を「Ｂ方向」に一定時間駆動し、
系外のりザーバメンク２１から系内に液相冷媒を強制的
に導入する。この結果、系内ζ二残存していた空気は系
上部に集められた後、空気排出通路りを介して系外に排
出される。

系内が液相冷媒で満たされるに十分な時間（例えば数１
０秒種度）が経過したら、電磁弁２６を「閉」、温度制
御用ポンプ２５をＯＦＦ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
、速やかに温度上昇する。尚、温間センサ３３による検
出温度が５０’Ｃ程度に上昇するまで上記電磁弁２６を
「開」状態としておいても良い。その後、検出温度が目
標温度を超えたら、温度制御用ポンプ２５を「Ａ方向」
に駆動し、コンデンサ３からリザーバタンク２１へ液相
冷媒を排出する。これに工りウォータジャケット２内で
減圧沸騰が生じ、ウォータジャケット２上部お工びコン
デンサ３上部に徐々に気相冷媒領域が拡大する。

上記目標温度に、機関の負荷や回転数などの運転条件に
応じて、例えば８０〜１１０℃穆度の範囲内で逐次最適
に設定される。尚、目標温度が相当に高い場合にけ、目
標温度に達する前に沸騰が開始し、蒸気圧に工って温度
制御用ポンプ２５を通して若干の液相冷媒がリザーバタ
ンク２１に押し出される。また、沸騰の結果、ウォータ
ジャケット２内の冷媒液面が第１液面センサ３２め設定
レベルを下廻ったら、冷媒循環ポンプ１５をＯＮとし、
ロアタンクルからウォータジャケット２へ液相冷媒を補
給する。

以上のように暖機制御がなされて検出温度が一旦目標温
度まで上昇した後は、冷媒循環ポンプ１５のＯＮ、ＯＦ
Ｆによるウォータジャケット２内の冷媒液面の維持と、
コンデンサ３内の冷媒液面の上下動による温度制御とが
キーＯＦＦ’Ｖｆまで繰り返し行われる。丁なわち、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、ウォータラケット２内の冷
媒液面を室に設定レベルに維持する。一方、検出温度が
目標温度エリ高い場合には、温度制御用ポンプ部を［Ａ
方向」に駆動し、コンデンサ３からリザーバタンク２１
へ液相冷媒ｌ排出してコンデンサ３内の冷媒液面を低下
させる。これにエリ、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Ｔるので、直ちに沸
点の低下を来して系内温度が速やかに低下する。また逆
に検出温度が目標温度工す低い場合には、温度制御用ポ
ンプ２５を「Ｂ方向」に駆動し、リザーバタンク２１　
ｖｈらコンデンサ３へ液相冷媒を導入してコンデンサ３
内の冷媒液面を上昇させる。これにエリ、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れ、系
内温度は速やかに上昇する。このコンデンサ３内の冷媒
液面の上昇、下降の繰り返しに工って、任意の沸点つま
り目標温度の下で、コンデンサ３の放熱能力と機関発熱
量とを平衡させることができ、高精度な温度制御が実現
できる。尚、コンデンサ３の冷媒液面かに２液面センサ
あの設定レベルまで低下した場合には、蒸気の流出を防
止するために液相冷媒の排出な停止し、かつ冷却ファン
１３をＯＮとして、強制冷却風に工す凝縮の促進な行う
。

また機関停と陵は、一定時間冷却ファン１３を駆動して
強制冷却し、負圧スイッチ部に工り系内が実際に負圧に
なったことを検出した段階で電源がＯＦＦとなる。電源
ＯＦＦにエリ常開型の電磁弁２６が「開」となるので、
ｉ度低下つまり圧力低下に伴ってリザーバタンク２１か
ら空気排出通路２４を通して系内に液相冷媒が導入され
る。最終的には系内が略完全に液相冷媒で溝だされた状
態となって停正中の空気侵入が防とされる。

発明の効果 以上の説明で明らかなＬうに、この発明に係る内燃機関
の沸騰冷却ｖｃｍにおいては、コンデンサ内の冷媒液面
を強制的に上昇、下降させることに二って高精度かつ応
答性の良い温度制御が賽現できる。そして、ウォータジ
ャケットへの冷媒補給な行う冷媒循環ポンプとコンデン
サへの冷媒導入。

排出を行う温度制御用ポンプとを夫々別個に設けたので
、夫々の％性に合った形式のポンプを選択でき、キャビ
テーションの対策が容易になるとともに、夫々の流路中
に電磁弁が全く介在しないので、その流路抵抗に起因し
たキャビテーションの発生を防とできる。また、装置全
体におけるアクチュエータ類が、冷媒循環ポンプと温度
制御用ポンプと１個の電磁弁のみとなるので、構成が簡
素でかつ信頼性の高いものとなる。

【図面の簡単な説明】

図はこの発明の一実施例を示す構成説明図である。 １・・・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
却ファン、１４・・・冷媒循環通路、１５・・・冷媒循
環ポンプ、２１・・・リザーバタンク、２３・・・補助
冷媒通路、２４・・・空気排出通路、２５・・・温度制
御用ポンプ、２６・・・電磁弁、３１・・・制＠装置、
３２・・・ｌ！１液面センサ、羽・・・温度センサ、あ
・・・第２液面センサ、３５・・・負圧スイッチ。

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を連通した冷媒
   循環通路に介装され、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の底部とを連通した補助冷媒通
   路に介装され、かつ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、下降させるべく液相
   冷媒を導入、排出する温度制御用ポンプと、上記冷媒循
   環系の最上部と上記リザーバタンクの底部とを連通した
   空気排出通路に介装され、かつ上記温度制御用ポンプを
   用いた空気排出時ならびに機関停止時に開弁される電磁
   弁とを備えてなる内燃機関の沸騰冷却装置。