JPS6183417A - 自動車用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〉 本発明は、コンデンサからウォータジャケット内に循環
供給した液相冷媒を機関のウォータジャケット内で沸騰
気化させて機関の冷却を行うようにした自動車用内燃機
関の沸騰冷却装置に関する。

〈従来の技術〉 自動車用内燃機関に用いられている周知の水冷式冷却装
置にあっては、ウォータジャケットの水入口部と水出口
部との間などで相当な温度差を生じ、均一な冷却を実現
することが難しいと共に、ラジェータにおける熱交換効
率に自ずから限界があることからラジェータや冷却ファ
ンが大型にならざるを得ない。しかも１．冷却系内に多
量の冷却水が必要であることから、冷間始動時の暖機完
了までに時間がかかると共に、機関運転状態に応じた温
度制御を応答性良く行うことができない。

このような点から、近年、冷却水の沸騰気化潜熱を利用
した冷却装置が注目されている（例えば特公昭５７−５
７６０８号公報、特開昭５７−６２９１２号公報等参照
）。これは、ウォータジャケット内に貯留した液相冷媒
（冷却水）を沸騰気化させ、その発生蒸気を外部のコン
デンサに導いて放熱液化させた後に、再度ウォータジャ
ケット内に循環供給する構成である。この冷媒の相変化
を利用した冷却装置によれば、冷却水の単純な温度変化
を利用した水冷式のものに比べて極めて少量の冷却水の
循環で要求放熱量を満足でき、かつコンデンサを従来の
水冷式のラジェータに比べて大幅に小型化でき、しかも
、機関各部の温度分布の均一化が図れる等の利点が指摘
されている゛。

しかしながら、このように種々の利点を有すると考えら
れている沸騰冷却式の冷却装置も実際には実用化される
に至っていない。即ち、上記特公昭５７−５７６０８号
公報や特開昭５７−６２９１２号公報等に記載のものは
、冷媒循環系が一部で大気に開放された非密閉構造とな
っており、蒸気化した冷媒の損失が実用上無視できない
程度に大きく、しかも系内から不凝縮気体である空気を
完全に除去することが困難であるため、残留空気によっ
て冷却性能が著しく低下する等の問題を有していた。

本出願人は上記のような実情に鑑み、密閉した冷媒循環
系内に所定量の冷媒を封入して沸騰・凝縮のサイクルを
行わせるようにした沸騰冷却装置を先に提案している（
特願昭５８−１４５４７０号等）。これは、例えば始動
時に系内を一旦液相冷媒で満たした後に空気の侵入を防
止しつつ余剰冷媒をリザーバタンクに排出することによ
って密閉系内に所定量の冷媒を封入するようにしたもの
であり、機関運転中は、冷媒供給ポンプによりウォータ
ジャケットに発生蒸気相当分の液相冷媒を循環供給し、
常に所定レベル以上に液相冷媒の液面を保って燃焼室壁
等の確実な冷却を図っている。

〈発明が解決しようとする問題点〉 ところで、かかる沸騰冷却装置においては、シリンダヘ
ッド例のウォータジャケットで冷媒の沸騰により発生す
る気泡の勢いで液相冷媒が吹き上げられて蒸気出口から
冷媒蒸気と共に流出してコンデンサに持ち込まれること
があり、コンデンサの放熱効率を低下させて冷却性能を
低下させるおそれがある。

特に、渦流室を備えたディーゼルエンジンのシリンダヘ
ッド等ウォータジャケットが狭小に入り込んだ構造のも
のでは、気泡が狭いジャケット部分に集束して上昇する
勢いが強（なり、液相冷媒の持ち出し量は増大し、冷却
性能の低下を著しくさせる。

一方、シリンダヘッドの吸・排気ポート間や渦流室周辺
は熱負荷が大きいため、冷媒を強制的に供給しなければ
十分に壁温をさげることが困難である。

このため、コンデンサを経て冷却された低温の冷媒をシ
リンダヘッド側に戻すことも考えられるが、このように
しても冷媒供給ポンプの停止中は冷媒が戻されないため
、上記熱負荷の大きな部分の壁温か上昇し、耐久上問題
があるのみならず、この高熱部分で冷媒の異常上昇を生
じ易くなり、気泡の発生が活発となって、更に上記した
液相冷媒の持ち出し量を増加させるという悪循環を招く
結果となる。

本発明は、上記の問題点に着目してなされたもので、シ
リンダヘッド側ウォータジャケットからコンデンサへの
液相冷媒の持ち出しを防止してコンデンサ部での冷却不
良を防止すると同時に、シリンダヘッド側ウォータジャ
ケット内の冷却効果を積極的に高められるようにした自
動車用内燃機関の沸騰冷却装置を提供することを目的と
する。

く問題点を解決するための手段〉 このため本発明は、シリンダヘッド上部に蒸気出口を有
する機関のウォータジャケットと、上記蒸気出口にｔ釘
続されると共に下部に液化冷媒を一時貯留する冷媒タン
クを有するコンデンサと、上記冷媒タンクと上記ウォー
タジャケットとの間に設けられた冷媒供給ポンプとから
なる密閉された冷媒循環系を備えてなる自動車用内燃機
関の沸騰冷却装置において、上記ウォータジャケットの
蒸気出口とコンデンサの蒸気入口との間に介装された気
液分離器と、この気液分離器とシリンダヘッドに形成さ
れたウォータジャケットへの冷媒戻し口とを連絡して接
続された冷媒戻し通路と、前記気液分離器によって分離
された液相冷媒を連続的に圧送してシリンダヘッド内の
ウォータジャケットへ戻す冷媒戻し用ポンプとを備えた
構成とする〈作用〉 かかる構成により、機関のウォータジャケットから持ち
出された液相冷媒は、気液分離器において分離されポン
プによりウォータジャケットに回収されるので、コンデ
ンサの冷却不良を防止でき、また気液分離器に貯留され
て冷却された液相冷媒がウォータジャケットに連続的に
戻されることによりシリンダヘッド高熱部の冷却効果も
高められる。

〈実施例〉 第１図は本発明に係る沸騰冷却装置の一実施例を示すも
ので、同図において、１はウォータジャケット２を備え
てなる内燃機関、３は気相冷媒を凝縮するためのコンデ
ンサ、４は電動式の冷媒供給ポンプを夫々示している。

上記ウォータジャケット２は、内燃機関１のシリンダ及
び燃焼室の外周部を包囲するようにシリンダブロック５
及びシリンダヘッド６の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
ると共に、その上部の適宜な位置に蒸気比ロアが設けら
れている。この蒸気比ロアは、接続管８及び蒸気通路９
を介してコンデンサ３の後述するアッパタンク１１に連
通しており、かつ上記接続管８には、冷媒循環系の最上
部となる排出管取付部８ａが上方に立ち上がった形で形
成されていると共に、その上端開口をキャップ１０が密
閉している。

上記コンデンサ３は、上記蒸気通路９が接続されるアッ
パタンク１１と、上下方間の微細なチューブを主体とし
たコア部１２と、このコア部１２で凝縮された液化冷媒
を一時貯留する冷媒タンクとしてのロアタンク１３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を
受は得る位置に設置され、更にその前面あるいは背面に
、強制冷却用の電動式冷却ファン１４を備えている。ま
た、上記ロアタンク１３は、その比較的下部に冷媒循環
通路１５の一端が接続されていると共に、これより上部
に後述する第２補助冷媒通路２２の一端が接続されてい
る。上記冷媒循環通路１５は、その他端が上記ウォータ
ジャケット２のシリンダブロック５下部に形成された冷
媒人口１６に接続されたもので、中間部には、後述する
第２電磁弁２３と、上記冷媒供給ポンプ４とが介装され
ている。

以上のウォータジャケット２−コンデンサ３−ロアタン
ク１３−第２電磁弁２３−冷媒供給ボンプ４−ウォータ
ジャケット２の経路によって冷媒の循環系が構成され、
通常運転時にはこの循環系内で、例えば水に若干の添加
物を加えた冷媒が沸騰・凝縮を繰り返しながら循環する
ことになる。

次に１７はリザーバタンクを示し、このリザーバタンク
１７は上記循環系の系外に設けられて予備液相冷媒を貯
留するものであって、通気機能を有するキャップ１８を
介して大気に開放されていると共に、上記循環系の最上
端つまり接続管８の排出管取付部８ａよりも高位置に液
面を確保し得るように車両の比較的高所に設置されてい
る。そして、排出管取付部８ａには、系内の空気を排出
するための空気排出通路１９が接続されており、かつ空
気排出時に同時に溢れ出た液相冷媒を回収するために、
上記空気排出通路１９の先端部がリザーバタンク１７内
に挿入され、その比較的上部に開口している。そして、
上記空気排出通路１９には、常閉型の第１電磁弁２０が
介装されている。

また、リザーバタンク１７の底部に、第１補助冷媒通路
２１と第２補助冷媒通路２２とが接続されている。上記
第１補助冷媒通路２１は三方弁である第２電磁弁２３を
介して上述した冷媒循環通路１５の冷媒供給ポンプ４上
流側（吸入側）に接続されている。

上記第２電磁弁２３は、非通電時には冷媒循環通路１５
を遮断して上記第１補助冷媒通路２１と冷媒供給ポンプ
４とを連通しく流路Ａ）、通電時には上記第１補助冷媒
通路２１を遮断して冷媒循環通路１５を連通状態（流路
Ｂ）に維持するものである。そして、上記第２補助冷媒
通路２２は上述したようにロアタンク１３に接続されて
いて、その途中には常開型の第３電磁弁３２が介装され
ている。

上記各電磁弁２０．２３．２４、冷媒供給ポンプ４、冷
却ファン１４及び後述する冷媒戻し用ポンプ３３は、マ
イクロコンピュータを用いた制御装置２５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
に設けた第１液面センサ２６．温度センサ２７．ロアタ
ンク１３に設けた第２液面センサ２８゜及び循環系に設
けた負圧スイッチ２９の各検出信号に基づいて後述する
制御が行われる。

ここで上記第１、第２液面センサ２６．２８は例えばリ
ードスイッチを利用したフロート式セン゛す等が用いら
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、第１液面センサ２６は
その検出レベルがシリンダヘッド６の略中間程度の高さ
位置に設定され、かつ第２液面センサ２８はその検出レ
ベルが第２補助冷媒通路２２の開口よりも僅かに上方の
高さ位置に設定されている。また温度センサ２７は例え
ばサーミスタ等からなり、上記第１液面センサ２８の若
干下方位置つまり通常液相冷媒内に没入する位置に設け
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２９は、大気圧と系内圧力との
差圧に応動するダイヤフ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、具体的には一３０ｍｍ
Ｈｇ　〜−５０ｍｍＨｇ程度に作動圧を設定しである。

また、前記蒸気通路９の途中には、気液分離器３０が介
装され、この気液分離器３０の下端に開口された分離液
出口とシリンダヘッド６下部のウォータジャケット２に
形成された冷媒戻し口３１とを結んで冷媒戻し通路３２
が接続される。この冷媒戻し通路３２の途中には冷媒戻
し用ポンプ３３が介装されている。

ここで、上記気液分離器３０はチャンバ内部の上部空間
を仕切るバッフルプレート３０ａが設けられ、このパン
フルブレート３０ａに当たって分離した液相冷媒を分離
器３０底部に貯留するようになっている。また、冷媒戻
し用ポンプ３３は機関１の運転中継続して運転されて分
離器３０底部に貯留する液相冷媒を連続して高温となる
排気バルブ近傍へ向けて開口した冷媒戻し口３１側へ圧
送するようになっている。

上記のように構成された沸騰冷却装置の基本的な冷却メ
カニズムを説明すると、通常ウォータジャケット２内に
は所定レベルつまり第１液面センサ２６の設定レベルま
で液相冷媒が貯留されているのであるが、この液相冷媒
は、機関の燃焼熱によって加熱されると、そのときの系
内の圧力に応じた沸点に達したところで沸騰を開始し、
気化潜熱を奪って蒸発気化する。このとき、冷媒はウォ
ータジャケット２内の高温部で特に活発に沸騰して多量
の熱を奪うので、燃焼室近傍など通常高温化し易い部位
も均一な温度に保たれ、つまり温度差の少ない効果的な
冷却を行えることになる。

そして、ウォータジャケット２内で発生した冷媒蒸気は
、蒸気通路９を介してコンデンサ３に導かれ、ここで外
気との熱交換により冷却されて凝！ｉ？ｉ液化する。こ
のコンデンサ３においては、高温蒸気と外気との間で良
好な熱交換が行われ、通常の水冷式冷却装置のラジェー
タに比較して海かに放熱効率が優れたものとなる。また
、液化した冷媒は、コンデンサ３下部のロアタンク１３
に一時貯留されると共に、ここから冷媒供給ポンプ４に
よって、ウォータジャケット２内液面を所定レベル以上
に保つように再びウォータジャケット２へ循環供給され
る。

このように、基本的には空気を除去した密閉循環系内に
所定量の冷媒が封入され、この冷媒が沸騰・凝縮のサイ
クルを繰り返しつつ循環して、効率の良い沸騰冷却が行
われる。

一方、循環系外に設けられたリザーバタンク１７には、
循環系内全体を十分に満水にし得る量の予備液相冷媒が
貯留されるようになっており、始動時にこの予備液相冷
媒を一旦循環系内に導入して空気を排出した後に、余剰
冷媒がリザーバタンク１７に戻されて上述した封入冷媒
量が所定量に規定される。また過冷却時には同様に予備
液相冷媒を系内に導入してコンデンサ３の放熱面積を狭
める制御が行われ、その後温度回復時にやはり余剰冷媒
がリザーバタンク１７に戻されて封入冷媒量が所定量に
規定される。そして、このように余剰冷媒を排出して冷
媒循環系を密閉する際にセンサの誤作動あるいは旋回時
の液相冷媒の片寄り等により所定量以上の冷媒が封入さ
れた場合には、通常運転時の制御の中で、その冷媒量過
多を検出し、上述した余剰冷媒をリザーバタンク１７に
戻すという動作を再度行って、冷媒量過多の下で運転が
継続されることを回避するのである。

次に上記制御装置２５において実行される具体的な制御
を第２図〜第１０図のフローチャートに′基づいて説明
する。

第２図は制御の概要を示すフローチャートであって、機
関の始動（イグニッションキーＯＮ）により制御が開始
すると、所定のイニシャライズ処理（ステップ１）を行
った後に、先ずその始動が初期始動であるか再始動であ
るか、具体的には温度センサ２７による検出温度が設定
温度（例えば４５℃）より高いか否かを判断する（ステ
ップ２）。

設定温度以下つまり未暖機状態の初期始動であれば空気
排出制御（ステップ３）を経てから余剰冷媒排出制御（
ステップ４）へ進み、以後は通常運転制御（ステップ５
）及び負圧防止制御（ステップ６）をキーＯＦＦ時まで
繰り返し行う。一方、ステップ２で設定温度以上の場合
、つまり再始動時には経時的な空気の侵入が考えられな
いので空気排出は行わずに余剰冷媒排出制御（ステップ
４）へ進む。

また、その制御中にキーＯＦＦの信号が入力されると、
第３図に示す割込み制御ルーチンが実行され、キーＯＦ
Ｆ制御（ステップ７）による一定の処理を経た後に電源
がＯＦＦとなって一連の制御が終了する。

第４図はステップ３の空気排出制御のフローチャートを
示すもので、先ずステップ１１で第１電磁弁２０を開、
第２電磁弁２３をＯＦＦ　（流路Ａ）、第３電磁弁２４
を閉と夫々した後に、冷媒供給ポンプ４をＯＮとする（
ステップ１２）。これにより、リザーバタンク１７内の
予備液相冷媒が第１補助冷媒通路２１を介して循環系内
に導入される。これは、ステップ１３でソフトウェアタ
イマＴ１による所定時間、具体的には系内を満水にする
に十分なように予め設定された数秒ないし数十秒程度の
間、継続される。従って、系内に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１９を介して系外
のりザーバタンク１７側に強制的に排出される。

また、系内がら空気が無くなると、上記空気排出通路１
９から液相冷媒が溢れ出るが、これは全てリザーバタン
ク１７に回収される。そして、所定時間経過した時点で
冷媒供給ポンプ４をＯＦＦ　（ステップ１４）とする。

すなわち、この時点で循環系内からは空気が完全に排出
されたことになる。

尚、ステップ１３の判別に代えて、循環系最上部に更に
液面センサを設け、その液面の有無の検出に基づき、系
内が実際に満水となるまで冷媒供給ポンプ４を駆動する
ように構成しても良い。

第５図及び第６図は、空気排出後の満水状態（系内が液
相冷媒で満たされた状態）あるいは再始動時の系内の一
部が気相冷媒領域となっている状態で実行されるステ・
ノブ４の余剰冷媒排出制御のフローチャートを示す。こ
れは基本的には、ウォータジャケット２内での沸謄開始
による発生蒸気圧を利用して余剰の液相冷媒を系外のり
ザーバタンク１７に押し出してやるのであるが、このと
き種々の条件によりロアタンク１３内の液面が先に設定
レベルにまで低下する場合（冷間始動時には通常この状
態になる）と、ウォータジャケット２内（シリンダヘッ
ド内）の液面が先に設定レベルにまで低下する場合（再
始動時に起り易い状態である）とがあり、ロアタンク１
３内の液面が先に低下した場合には主に第５図の手順に
よって、またウォータジャケット２内の液面が先に低下
した場合には主に第６図の手順によって夫々処理してい
る。

先ず第５図のステップ２１で第１電磁弁２０を閉、第２
電磁弁２３をＯＮ（流路Ｂ）、第３電磁弁２４を開とす
る。これにより、系内が第２補助冷媒通路２２を介して
リザーバタンク１７に連通された状態となる。この状態
で、ステップ２２の判別とステップ２９の判別とを繰り
返し、ロアタンク１３内の液面とウォータジャケット２
内の液面とを監視する。

発生蒸気圧による液相冷媒の排出によって、ロアタンク
１３内の液面が先に設定レベルにまで低下した場合には
、系外に蒸気が排出されないように第３電磁弁２４を閉
じ（ステップ２４）、ステ・７プ２５〜ステツプ２８に
示す温度制御を開始する。ここでステップ２５の設定温
度算出は、機関の種々の運転条件信号を人力として目標
温度を設定するもので、例えば熱効率向上を重視した市
街地走行域では１０５°Ｃ程度に、ノッキング等の異常
燃焼が発生し易い高負荷域等では１００℃程度に夫々設
定される。

この状態で、ステップ２９によりウォータジャケット２
内の液面の監視を継続し、ウォータジャケット２内の余
剰液相冷媒を〔ウォータジャケット２内で沸騰→コンデ
ンサ３で凝縮〕の形でロアタンク１３側へ移動させる。

そしてロアタンク１３内の液面が設定レベル以上に高ま
るとステップ２２の判別により冷却ファン１４をＯＦＦ
　（ステップ３１）とした状態で第３電磁弁２４を開い
て（ステップ３２）ロアタンク１３から系外のりザーハ
タンク１７へ余剰液相冷媒を排出し、かつこれによりロ
アタンク１３内液面が低下したら再び第３電磁弁２４を
閉じる（ステップ２４）。すなわち、この第３電磁弁２
４の開閉の繰り返しにより徐々に余剰液相冷媒が系外に
排出されることになり、その後ウォータジャケット２内
液面が設定レベルにまで低下した時点で第６図のステッ
プ３３へ進む。尚、第３電磁弁２４を閉として待機して
いる間に、走行風等を受けて系内が過冷になるおそれが
あるが、負圧スイッチ２９により系内が負圧状態である
ことを検出（ステップ２３）シた場合には、第３電磁弁
２４を開いて（ステップ３２）逆にリザーバタンク１７
から液相冷媒を導入し、系内圧力を略大気圧に回復させ
て機関の過冷を防止する。

また、ステップ３３では第３電磁弁２４が閉じた状態に
あれば直ちに制御を終了し、他方、開いた状態にあれば
、その時点でロアタンク１３の液面が設定レベル以上で
あることを意味するので、ステップ３４〜ステツプ３６
でウォータジャケット２内の液面を制御しつつロアタン
ク１３の液面が低下するのを待ち、設定レベルにまで低
下した時点（ステップ３７）で第３電磁弁２４を閉じて
制御を終了する（ステップ３８）。以上の制御が終了し
た時点で、循環系内に所定量の冷媒が封入されたことに
なり、基本的にはウォータジャケット２及びロアタンク
１３の設定レベルまでを液相冷媒が占め、残部を気相冷
媒が満たした状態となっている。

一方、ウォータジャケット２内の液面が先に低下した場
合には、ステップ２９の判別によりステップ３０．３３
を経てステップ３４へ進む。以後は、第３電磁弁２４を
開いた状態のまま、ステップ３４〜ステツプ３７を繰り
返してウォータジャケット２討の液面を設定レベルに制
御しつつロアタンク１３内の液面を監視する。そして、
同様にロアタンク１３内液面が設定レベルにまで低下し
た時点で第３電磁弁２４を閉して（ステップ３８）制御
を終了する。尚、この場合の待機の間は、循環系が開放
された状態であるから、冷却ファン１４による温度制御
を要さずに一定温度に維持される。

次に第７図及び第８図は、上記のように系内に所定量の
冷媒が封入された段階で実行されるステップ５の通常運
転制御のフローチャートを示す。

この通常運転制御は、系内の温度制御と、ウォータジャ
ケット２側の液相冷媒量とロアタンク１３側の液相冷媒
量とを調整する液面制御と、系内に封入された冷媒量の
過不足を検知して排出、補給を行う冷媒過多回避制御及
び冷媒過少回避制御からなる。

先ずステップ４１で、その時点の運転条件に対応した目
標温度を設定し、ステップ４２〜ステツプ４４で実際の
温度が目標温度に対し±０．５°Ｃの範囲となるように
冷却ファン１４をＯＮ、ＯＦＦ制御する。

この沸騰冷却装置では、送風の有無による凝縮の促進あ
るいは抑制が系内の圧力変化となって直ちにウォータジ
ャケット２内の冷媒沸点に影響を及ぼすので、機関温度
を極めて応答性良くかつ高精度に制御できる。

一方、液面制御はステップ４５以下のステップによって
処理している。これは、ウォータジャケット２内の液面
を設定レベルに保つことを優先的に考慮し、かつ一定条
件下に限り、ウォータジャケソト２内液面が設定レベル
以上となることを許容してロアタンク１３内の液面をも
制御対象としている。具体的には、ステップ４５でウォ
ータジャケット２内の液面が設定レベル以下であると判
断した場合には冷媒供給ポンプ４をＯＮ（ステップ４７
）とし、ロアタンク１３からウォータジャケット２へ液
相冷媒を循環供給する。この液相冷媒の供給は、少なく
とも以後ステップ４５でウォータジャケット２内液面が
設定レベルに達したと判断されるまでは′ｍ続される。

そして設定レベルに達した時点で系内温度が目標値に略
合致して（ステップ５０）いればロアタンク１３内液面
を考慮せずに直ちに冷媒供給ポンプ４をＯＦＦ　（ステ
ップ５４）とする。しかしステップ５０で系内湯度が目
標値よりも１．５℃以上高くなっていれば、ステップ５
１−ステップ５２−ステップ４７の手順でロアタンク１
３内液面が設定レベルに低下するまで冷媒供給ポンプ４
の駆動を継続する（同時にウォータジャケット２内の液
面は設定レベル以上となる）。これば、ウォータシャケ
・ノド２内の液面を一定に保っていても、沸騰状態が変
化することによりウォータジャケット２内の液相冷媒中
の蒸気泡の割合が増大すると、ロアタンク１３内の液面
が高くなり、コンデンサコア部１２に達して実質的な放
熱面積を狭めることがあるので、系内温度が目標値＋１
．５℃以上のときにはコンデンサ３側の液面を強制的に
下げて放熱面積を拡張するのである。

次に封入冷媒の過多回避制御であるが、これは上記の液
面制御を利用して過多の検出を行っている。具体的には
、上記のように一定の温度条件（ステップ５０）の下で
は、コンデンサ３の放熱面積を拡張すべくステップ５１
の判別によりコアタンク１３内の液面を制御対象として
冷媒供給ポンプ４を駆動するのであるが、ステップ５２
でそのポンプＯＮ状態の継続時間をソフトウェアタイマ
Ｔ２により監視し、これが設定時間、例えば１０秒以上
であるときには封入冷媒量が過多であると判断する。

すなわち、ウォータジャケット２例の液面レベルのみを
制御している状態では、冷媒過多の場合の余剰液相冷媒
が総てロアタンク１３側に偏在しており、これを冷媒供
給ポンプ′４の駆動によってウォータジャケット２側へ
移動させることになるので、その移動に過度に時間を要
する場合には封入冷媒量が過多なのである。そして、こ
こで過多と判断した場合には、第８図のステップ５６〜
ステツプ５８で、冷媒供給ポンプ４．冷却ファン１４を
停止し、かつソフトウェアタイマＴ２をクリアした後に
、前述した余剰冷媒排出制御（第５図）に再度進む。

これにより、前述した処理手順に従って封入冷媒量の調
整が再度行われ、余分に系内に存在していた冷媒はリザ
ーバタンク１７に排出される。

以上のように、冷媒過多回避が行われることにより、コ
ンデンサ３にウォータジャケット２から多量の液相冷媒
が蒸気と共に流入して放熱効率を低下させてしまう現象
が防止され、冷却不良や冷却ファン１４の駆動頻度の増
加を未然に防止できる。

また、このように冷媒量過多により放熱効率が低下する
と、系内温度が上昇しようとする結果、上述したコンデ
ンサ３放熱面積の拡張制御が必ず行われ、その際に冷媒
量過多を検出し得るので、確実かつ合理的に冷媒量過多
の回避が行えるのである。尚、封入冷媒が過多となるの
は、前述した余剰冷媒排出制御（ステップ４）や後述す
る負圧防止制御（ステップ６）において、第３電磁弁２
４により冷媒循環系を密閉する際に、第１．第２液面セ
ンサ２６．２Ｂが振動等により誤作動したり、車両の急
停車、急旋回等により液相冷媒が片寄って誤検出するこ
となどが原因である。

一方、この実施例においては、封入冷媒の過多回避と共
に、過少回避をも行っている。封入冷媒が過少となる原
因は、過多と同様の誤検出の他、シール部から冷媒が漏
出して徐々に冷媒量が不足となる場合もある。

これは、前述の液面制御において、ウォータジャケット
２内の液面が設定レベル以下となった場合にステップ４
５の判別により冷媒供給ポンプ４をＯＮとしているので
あるが、その際に、ステップ４６で設定レベル以下の状
態の継続時間をソフトウェアタイマＴ３により監視し、
これが設定時間、例えば１０秒以上であるときには封入
冷媒量が過少であると判断して第２電磁弁２３をＯＦＦ
　（流路Ａ）とする（ステップ５５）。すなわち、上記
の設定時間は、封入冷媒量が適切である場合の制御系と
しての応答性を考慮して設定された値であり、冷媒量が
充足していれば、これを越えることがない。

尚、更に厳格に行うならば負荷等の条件を加えて上記の
時間を可変的に設定するようにしても良い。

そして上記のように第２電磁弁２３を流路Ａとしたとき
、同時に冷媒供給ポンプ４はＯＮ状態（ステップ４７）
のままであるから、リザーバタンク１７の予備液相冷媒
が系内に強制的に補給される。゛これは、ウォータジャ
ケット２内の液面が設定レベルに達するまで継続される
。設定レベルに達した時点でステップ４８．ステップ４
９により、補給を停止し、かつステップ４６のソフトウ
ェアタイマＴ、をクリアする。

以上のように、冷媒過少回避は液相冷媒のロアタンク１
３からウォータジャケット２への循環供給の度に判断し
て随時冷媒補給を行うので、封入冷媒量の不足により燃
焼室壁が露出してしまうようなことがない。

次に第９図は、上記の通常運転制御（ステップ５）に続
いて行われる負圧防止制御（ステップ６）のフローチャ
ートを示す。これは、車両走行風が強過ぎるような場合
の減圧沸騰による過冷却現象を防止するためのもので、
系内温度が９７℃以下（ステップ６１）でかつ系内が外
気圧に対して実際に負圧（ステップ６２）になっている
ことを条件として行われる。尚、圧力条件のみでは、冷
媒の大気圧下での沸点が１００℃以上の場合（水に不凍
液を加えたような場合）に、系を密閉したままでの１０
０℃近傍の温度制御が不可能となり、また温度条件のみ
では外気圧の変化により系開放時に蒸気の噴出を生じる
おそれがある。

上記の両条件が満たされた場合には、ステップ６３で第
３電磁弁２４を開とし、系内をリザーバタンク２５に対
し連通状態とする。これにより、負圧化している系内に
、リザーバタンク１７から液相冷媒が導入され、系内の
圧力が略大気圧に回復する結果、ウォータジャケット２
内の液相冷媒の沸点が上昇する。また、ステップ６４〜
ステツプ６６によりウォータジャケット２内の液面は設
定レベルに制御され続けるのでリザーバタンク１７から
流入した液相冷媒によってコンデンサ３の液面のみが高
くなる。そのためコンデンサ３の放熱量が低下し、自然
に機関発熱量と釣り合うようにコンデンサ３内の液面レ
ベルが上下変動することになる。

上記の系開放状態は、系内が正圧（ステップ６７）とな
り、かつロアタンク１３の液面が設定レベルに低下する
（ステップ６８）まで継続される。つまり車両走行風の
低下あるいは負荷の増大などによって機関発熱量が増大
すると、蒸気圧の上昇によって系内から液相冷媒が徐々
に排出され、ロアタンク１３の液面が設定レベルに低下
した時点で第３電磁弁２４を閉じて（ステップ６９）、
この負圧防止制御を終了する。これにより冷媒循環系は
再び所定■の冷媒を封入した状態で密閉され、再度前述
の通常運転制御（第７図）を繰り返すのである。そして
、上記のように冷媒循環系を閉じたときに誤検出等に−
より封入冷媒に過不足が生じていた場合には、やはり前
述した冷媒過少回避、過多回避によって処理される。

第１０図は、機関のイグニッションキーがＯＦＦ操作さ
れた場合に割込処理されるキーＯＦＦ制御（ステップ７
）を示している。

先ずステップ７４の温度判断により、系内温度が比較的
低い（例えば７５℃以下）場合には直ちに電源をＯＦＦ
　（ステップ８３）とするが、これより高温である場合
にはソフトウェアタイマＴ４の設定により最大１０秒程
度冷却ファン１４を駆動して強制冷却（ステップ７６〜
ステツプ７８）シ、かつ系内が冷えて負圧になる（ステ
ップ８２）まで待機する。

また、この間もウォータジャケット２内の液面制御を継
続する（ステップ７９〜ステツプ８１）。そして系内が
負圧化した時点で電源をＯＦＦ　（ステップ８３）とし
、一連の制御が総て終了する。この電源ＯＦＦにより常
閉型である第１電磁弁２０は閉に、第２電磁弁２３は流
路Ａに、常開型である第３電磁弁２４は開となるため、
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
１７から第２補助冷媒通路２２を介して予備液相冷媒が
専大され、最終的には系全体が液相冷媒で満たされた状
態となって次の始動に備えることになる。また上記の予
備液相冷媒の導入の際には、ロアタンク１３からコア部
１２を経由して系内に流入するので、運転中に何らかの
原因で僅かに空気が侵入して微細なコンデンサチューブ
内に付着した場合でも、系上方へ確実な排出が行える。

一方、上記のキーＯＦＦ制御中に再度イグニッションキ
ーがＯＮ操作される場合もあるが、この場合にはステッ
プ７３の判断によりステップ８４゛へ進み、予め退避さ
せた（ステップ７１）情報に基づいて、キーＯＦＦ前に
進行していた制御状態に復帰させる。

次に本発明に係る冷媒の気液分離及び分離された液相冷
媒の戻し制御について説明する。

シリンダヘッド６内のウォータジャケット２で冷媒の沸
騰により生ずる気泡によって液相冷媒が吹き上げられ、
その一部は蒸気比ロアから気相冷媒と共に蒸気通路９へ
持ち出されるが、蒸気通路９に介装された気液分離器３
０のバッフルプレート３０ａに当たって流下し、気液分
離器３０底部に貯留する。

一方、イグニッションスイッチのＯＮ操作等を検出して
機関運転中制御装置２５からの出力により冷媒戻し用ポ
ンプ３３が連続して運転される。したがって、気液分離
器３０で分離貯留された液相冷媒は、冷媒戻し通路３２
を介して冷媒戻し口３１から連続的にシリンダヘッド６
例のウォータジャケット２内に戻される。

これにより、コンデンサ３への液相冷媒の持ち出しが防
止されてコンデンサ３の放熱効率の低下を防止でき、機
関１全体の冷却性能を良好に維持できると共に、気液分
離器３０から冷媒戻し通路３２を経由する間に冷却され
た低温の冷媒が、高熱側のシリンダヘッド６内のウォー
タジャケット２に戻されるため、シリンダへラド６の高
熱部を効果的に冷却でき、耐久性が向上する。

特に、冷媒戻し通路３２をシリンダヘッド６の高熱部、
例えば、各気筒の吸・排気ボート間や、点火栓またディ
ーゼル機関の場合は副燃焼室の周辺に向けて設ければ、
これら高熱部の冷却性能はより向上する。尚、この場合
気筒毎に複数個の冷媒戻し口３１を形成することになる
ので、冷媒戻し通路３２の下流部分をマニホールド状に
形成すればよい。

また、高負荷時はシリンダヘッド６の温度上昇が大であ
るため、沸騰が活発となり、液相冷媒の持ち出し量が増
加するが、これに伴って気液分離器３０から戻される液
相冷媒の量が増大して冷却効果が高められ、冷媒温度を
安定状態に維持で゛きるという極めて合理的な冷却制御
が行われる。

尚、上記冷媒温度の安定化のためにも冷媒戻し用ポンプ
３３は機関運転中′ｍ続して運転されることが好ましく
、したがって機関駆動式のポンプを使用してもよい。但
し、本実施例の如く電動式ポンプを使用する場合、高負
荷時のみ作ｖＪさせて消費電力節減を図ることもできる
。

更に、この実施例では、ウォータジャケット２゜コンデ
ンサ３及び冷媒供給ポンプ４からなる冷媒の循環系を通
常運転時に密閉循環系としている。

すなわち、上記循環系の系外に設けられかつ予備液相冷
媒を貯留するリザーバタンク１７と、このリザーバタン
ク１７から上記循環系内に空気排出用の液相冷媒を導入
する冷媒導入手段と、この冷媒が導入された循環系内か
ら所定量の冷媒を残して余剰冷媒を上記リザーバタンク
１７に排出する冷媒排出手段と、上記循環系の最上部に
接続され、かつ上記冷媒の導入の際に開路され、排出の
際に閉路される空気排出通路とを設けることで、循環系
内から不凝縮気体である空気を確実に除去できるように
して、密閉循環系を達成し、冷却性能の信頼性、安定性
の向上を図っている。但し、密閉循環系のシステム構成
は、これに限るものではなく、例えば特願昭５８−２２
８１４５号あるいは特願昭５９−１４０３７８号などに
示されるような構成でもよい。

〈発明の効果〉 以上説明したように本発明によれば、シリンダヘッドの
ウォータジャケットから持ち出される液相冷媒を気液分
離器によって分離した後、ウォータジャケットに戻すよ
うにしたため、コンデンサへの液相冷媒持ち出しによる
放熱効率の低下を防止して機関全体としての冷却性能を
向上できると同時に、低温の冷媒がウォータジャケット
に戻される結果、シリンダヘッド高熱部が効果的に冷却
されて耐久性を向上できる等の優れた効果が得られる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明に係る沸騰冷却装置の一実施例を示す構
成図、第２図〜第１０図はこの実施例における制御内容
を示すフローチャートである。 １・・・内燃機関　　２・・・ウォータジャケット３・
・・コンデンサ　　４・・・冷媒供給ポンプ７・・・蒸
気出口　　８・・・接続管　　９・・・蒸気通路１３・
・・ロアタンク　　１４・・・冷却ファン　　１５・・
・冷媒循環通路　　１７・・・リザーバタンク　　１９
・・・空気排出通路　　２０．２３．２４・・・電磁弁
　　２５・・・制御装置３０・・・気液分離器　　３１
・・・冷媒戻し口　　３２・・・冷媒戻し通路　　３３
・・・冷媒戻し用ポンプ第２図 第３図 第４図 σ支コ 第６図

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. シリンダヘッド上部に蒸気出口を有する機関のウォータ
   ジャケットと、上記蒸気出口に接続されると共に下部に
   液化冷媒を一時貯留する冷媒タンクを有するコンデンサ
   と、上記冷媒タンクと上記ウォータジャケットとの間に
   設けられた冷媒供給ポンプとからなる密閉された冷媒循
   環系を備えてなる自動車用内燃機関の沸騰冷却装置にお
   いて、上記ウォータジャケットの蒸気出口とコンデンサ
   の蒸気入口との間に介装された気液分離器と、この気液
   分離器とシリンダヘッドに形成されたウォータジャケッ
   トへの冷媒戻し口とを連絡して接続された冷媒戻し通路
   と、前記気液分離器によって分離された液相冷媒を連続
   的に圧送してシリンダヘッド内のウォータジャケットへ
   戻す冷媒戻し用ポンプとを備えたことを特徴とする自動
   車用内燃機関の沸騰冷却装置。