JPS6183420A

JPS6183420A - 自動車用内燃機関の沸騰冷却装置

Info

Publication number: JPS6183420A
Application number: JP59202943A
Authority: JP
Inventors: Yoshimasa Hayashi; 義正林
Original assignee: Nissan Motor Co Ltd
Current assignee: Nissan Motor Co Ltd
Priority date: 1984-09-29
Filing date: 1984-09-29
Publication date: 1986-04-28
Also published as: US4605163A

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、外部のコイデンサから機関のウォータジャケ
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と共に、冷媒
の一部を車室内暖房に供する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、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（行うことができない。

また一般に、この種の冷却装置には車室内暖房用のヒー
タコアが付設され、機関から出た高温冷却水の通流によ
ってプロアで送風される空気を加熱するように構成され
ているが、上述したように冷却水が十分に暖まるまで時
間がかかることから始動時の暖房性能の立ち上がりが遅
く、かつ長い下り坂等では暖房性能が低下するなどの欠
点が指摘されている。

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おり、例えば特開昭５７−６
２９１２号公報において、外部のコンデンサから機関の
ウォータジャケット内に循環供給した液相冷媒（冷却水
）をウォータジャケット内で沸騰気化させて機関の冷却
を行うと共に、その冷媒をヒータコアの熱源として利用
するようにした沸騰冷却装置が提案されている。この相
変化を伴う冷却装置によれば、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、かつコンデンサにおける
熱交換効率が水冷式のラジェータに比べて大幅に向上し
、更には機関各部の温度分布の均一化という点でも蟲か
に有利となる。また、暖機特性が向上し、かつヒータコ
アへ供給される冷媒の温度も高くなるので、暖機性能も
向上する。

〈発明が解決しようとする問題点〉しかしながら、このような沸騰冷却装置を採用しその冷
媒の一部をヒータコアに導いて車室内暖房に供する場合
、ヒータコアへの冷媒取出口をシリンダヘッド側のウォ
ータジャケットに設けると、冷間時には、シリンダヘッ
ド側のウォータジャケットの高温の液相冷媒を導入でき
ることで暖房性能は良好となるものの、高温時には、ウ
ォータジャケット内での液相冷媒の沸騰気化が激しくな
り、発生する薄気が気泡となって全て液相冷媒中を通っ
て浮上していくが、液相冷媒中に含まれる気泡の存在割
合（気泡率）を考えるとシリンダヘッド側はど高い気泡
率となるため、シリンダヘッド側からヒータコアに冷媒
を取出すと、この気泡を吸込んでヒータコアでの熱交換
効率を低下させてしまい、十分な暖房性能が得られない
ことがあるという問題点があった。

そこで本発明は、沸騰冷却装置を採用する場合に、機関
のウォータジャケットからヒータコアへ高温の液相冷媒
を確実に取出して、常に快適な暖房性能が得られるよう
にすることを目的とする。

く問題点を解決するための手段〉本発明は、上記の目的を達成するため、ヒータコアへの
冷媒取出口をシリンダヘッド側のウォータジャケットの
液面下の部分とシリンダブロック側のウォータジャケッ
トの部分とにそれぞれ設け、これらの冷媒取出口を冷媒
温度に応じ選択的にヒータコアの入口部へ接続する冷媒
取出口切換装置を設けてなる。

く作用〉こうして、冷媒取出口切換装置により、冷間時にはシリ
ンダヘッド側の冷媒取出口から高温の液相冷媒をヒータ
コアに導入するようにし、高温時に気泡が激しく発生し
出すと、シリンダブロック側の冷媒取出口から気泡を含
まない液相冷媒をヒータコアに導入するようにし、これ
により常に良好な暖房性能を得るのである。

〈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
び燃焼室め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に形成されたもので、シリンダブ
ロック側ウォータジャケット２Ａとシリンダヘッド側ウ
ォータジャケット２Ｂとは複数の連通孔２Ｃを介して互
いに連通し、実質的に一体になっている。そして、シリ
ンダヘッド側ウォータジャケット２Ｂの気相空間となる
上部の適宜な位置に藤気出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１２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１０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１１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１２と、上下方向の微細なチューブを主体とし
たコア部１３と、このコア部１３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１４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１５を備えている。ま
た、上記ロアタンク１４は、その比較的下部に冷媒循環
通路１６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３０の一端が接続されてい
る。上記冷媒循環通路１６は、その他端が上記ウォータ
ジャケット２の冷媒人口１７に接続されたもので、中間
部には、後述する第２電磁弁３１と、上記冷媒供給ポン
プ４とが介装されている。尚、冷媒人口１７はシリンダ
ブロック側ウォータジャケット２Ａに設けてもよいし、
シリンダヘッド側ウォータジャケット２Ｂに設けてもよ
い。

以上のウォータジャケット２−蒸気通路９−コンデンサ
３−ロアタンク１４−第２電磁弁３１−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。

また、上記循環系には更にヒータコア４０と電動□式の
ヒータ用ポンプ４１とが付設され、冷媒経路の一部を構
成している。すなわち、シリンダヘッド側ウォータジャ
ケット２Ｂの液面下となる部分とシリンダブロック側ウ
ォータジャケット２Ａとにそれぞれ冷媒取出口４２．４
３が形成され、これらの冷媒取出口４２．４３は冷媒取
出口切換装置としての切換弁４４を介してヒータコア４
０の入口部に接続された冷媒導入通路４５に接続されて
いる。そして、ヒータコア４０の出口部とポンプ４１の
入口部とが接続さ°れ、ポンプ４１の出口部は冷媒戻し
通路４６によりウォータジャケット２の冷媒戻し口４７
に接続されている。尚、ヒータコア４０は、コンデンサ
３と同様に上下方向に沿った複数の微細なチューブを主
体として構成されたもので、ブロア４８から送風される
空気を加熱して車室内に吹出させる。

上記切換弁４４は、冷媒の温度に応じて作動するもので
、低温時にはシリンダブロック５側の冷媒取出口４３を
遮断してシリンダヘッド６側の冷媒取出口４２と冷媒導
入通路４５とを連通状態に維持し、高温時にはシリンダ
ヘッド６側の冷媒取出口４２を遮断してシリンダブロッ
ク５側の冷媒取出口４３と冷媒導入通路４５とを連通さ
せる。

具体的には、第２図に示すように、本体５０の内部にフ
ランジ状に弁体５１を形成したケース５２を配置してあ
り、ケース５２とその中心部に設けられた弾性スリーブ
５３との間にワックス５４を封入し、弾性スリーブ５３
内に本体５０に固定されたピストン５５の一端を挿入し
である。そして、ケース５２にスプリング５６を作用さ
せて弁体５１が冷媒取出口４３側の弁座５７に着座する
よう付勢してあり、温度上昇によるワックス５４の膨張
によってケース５２が図で上方に移動し、弁体５１が冷
媒取出口４２側の弁座５８に着座するようにしである。

次に２５はリザーバタンクを示し、このリザーバタンク
２５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２６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１０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１０には、系内の空気を排出
するための空気排出通路２７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２７の先端部がリザーバタンク２５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２７には第１電磁弁２８が介
装されている。

また、リザーバタンク２５の底部に、第１補助冷媒通路
２９と第２補助冷媒通路３０とが接続されている。上記
第１補助冷媒通路２９は三方弁である第２電磁弁３１を
介して上述した冷媒循環通路１６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３１は、−位置で冷媒循環通路１６を遮
断して上記第１補助冷媒通路２９と冷媒供給ポンプ４と
を連通しく流路Ａ）、他位置で上記第１補助冷媒通路２
９を遮断して冷媒循環通路１６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３
０は上述したようにロアタンク１４に接続されていて、
その途中には第３電磁弁３２が介装されている。

上記各電磁弁２８．３１．３２、冷媒供給ポンプ４及び
冷却ファン１５は、マイクロコンピュータを用いた制御
装置３３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３４．温
度センサ３５．ロアタンク１４に設けた第２液面センサ
３６．及び循環系最上部に設けた負圧スイッチ３７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３４．３６は例工ばリ
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、第１液面センサ３４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３６はその検出レベ
ルが第２補助冷媒通路３０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３５は例えば
サーミスタ等からなり、上記第１液面センサ３４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３７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。

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。通常は第１電磁弁２８が閉じ、第
２電磁弁３１が流路Ｂに切換えられ、第３電磁弁３２が
閉じている。そして、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３４．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縮液化する。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
較して温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１４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。

また、図示しないヒータスイッチがオン操作されると、
ヒータ用ポンプ４１が作動し、ウォータジャケット２か
ら冷媒の一部が冷媒導入通路４５を介してヒータコア４
０に導かれ、ここで車室内暖房用の空気を暖めると同時
に、その熱交換により温度低下する。そして、温度低下
した冷媒はポンプ４１により冷媒戻し通路４６を介して
ウォータジャケット２に戻され、再びウォータジャケッ
ト２の冷却に使用される。

ここで、冷間時、すなわちウォータジャケット２内の冷
媒の温度が比較的低温のときは、切換弁４４が第２図の
状態にあって、シリンダブロック５側の冷媒取出口４３
を遮断し、シリンダヘッド６側の冷媒取出口４２と冷媒
導入通路４５とを連通状態にしているので、シリンダヘ
ッド６側の冷媒取出口４２からの高温の液相冷媒がヒー
タコア４０に導かれ、十分な暖房性能が得られる。

また、高温時にはシリンダヘッド側ウォータジャケット
２Ｂ内では気泡が激しく発生するが、このときには冷媒
の温度上昇により、切換弁４４において、ワックス５４
が液化膨張し、弾性スリーブ５３を介してピストン５５
を押出す。しかし、ビス゛トン５５は固定されているの
で、ケース５２が図で上方に移動し、この結果、弁体５
１が冷媒取出口４３側の弁座５７から離れ、冷媒取出口
４２側の弁座５８に着座する。これにより、シリンダヘ
ッド６側の冷媒取出口４２が遮断され、シリンダブロッ
ク５例の冷媒取出口４３と冷媒導入通路４５とが連通状
態になるので、シリンダブロック５側の冷媒取出口４３
から液相冷媒がヒータコア４０に導かれる。このように
気泡が激しく発生する高温時には比較的気泡の少ないシ
リンダブロック５側から液相冷媒を取出してヒータコア
４０に供給し、十分な暖房性能を得るのである。

尚、ヒータコア４０からポンプ４１により冷媒をウォー
タジャケット２に戻す際、シリンダブロック側ウォータ
ジャケット２Ａに戻すようにしてもよいが、この例では
シリンダヘッド６に冷媒戻し口４７を設けて、シリンダ
ヘッド側つォータジャケッ）２Ｂへ戻すようにして、シ
リンダヘッド６の高温部の冷却を助長するようにし、か
つ戻した液相冷媒を速やかに昇温させるようにしている
。

一方、循環系外に設けられたリザーバタンク２５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、かかる空気
排出制御の後、余剰冷媒をリザーバタンク２５に戻して
封入冷媒量を所定量に規定する余剰冷媒排出制御を行う
。その後は通常運転制御をキーＯＦＦ時まで繰り返して
行う。

上記各制御の概要を述べると、空気排出制御時は、第１
電磁弁２８を開、第２電磁弁３１を流路Ａ、第３電磁弁
３２を閉とし、かつ冷媒供給ポンプ４を所定１時間ＯＮ
として、リザーバタンク２５から第１補助冷媒通路２９
を通じて循環系内に予備液相冷媒を導入し、循環系内の
空気を空気排出通路２７を通じてリザーバタンク２５に
排出する。

余剰冷媒排出制御時は、先ず、第１電磁弁２８を閉、第
２電磁弁３１を流路Ｂ、第３電磁弁３２を開として循環
系内を第２補助冷媒通路３０を介してリザーバタンク２
５に連通させる。そして、ウォータジャケット２内での
沸騰開始による発生蒸気圧を利用して余剰液相冷媒を系
外のりザーバタンク２５に押し出し、温度センサ３５か
らの信号によって冷媒温度を設定温度に維持させるべく
冷却ファン１５をＯＮ、ＯＦＦ制御する一方、第１液面
センサ３４゜第２液面センサ３６からの信号に基づいて
ウォータジャケット２内液面及びロアタンク１４内液面
が所定のレベルになるように、第３電磁弁３２の開閉制
御と冷媒循環ポンプ４のＯＮ、ＯＦＦ制御を行う。

次に通常運転制御は、基本的には第１電磁弁２８を閉、
第２電磁弁３１を流路Ｂ、第３電磁弁３２を閉として、
温度センサ３５からの信号によって冷媒温度を設定温度
に維持させるべく冷却ファン１５をＯＮ、ＯＦＦ制御し
て行う系内の温度制御と、第１液面センサ３４及び第２
液面センサ３６からの信号に基づいて、ウォータジャケ
ット２内液面及びロアタンク１４内液面が所定のレベル
になるように、冷媒供給ポンプ４のＯＮ、ＯＦＦ制御を
行う液面制御とからなる。そして、系内に封入された冷
媒量が過多であると判断したときは、上記の余剰冷媒排
出制御を再度行って余剰液相冷媒を系外に排出し、過少
であると判断したときは、第２電磁弁３１を流路Ａに切
換えた上で冷媒供給ポンプ４を作動させ、リザーバタン
ク２５から系内へ冷媒を補給する。また、同時に負圧ス
イッチ３７により系内が負圧状態になったか否かを監視
していて、所定温度以下で負圧状態となった場合は、第
２電磁弁３１を開として、系内をリザーバタンク２５に
連通させ、負圧防止制御を行う。

以上、各制御の概要を説明したが、詳細は特願昭５９−
１００１５７号に記載されている。また、特願昭５８−
２２８１４５号あるいは特願昭５９−１４０３７８号等
の如きシステム構成をとること勿論可能である。

（発明の効果〉以上説明したように本発明によれば、シリンダヘッド側
ウォータジャケットとシリンダブロック側ウォータジャ
ケットとにそれぞれ冷媒取出口を設け、これらの冷媒取
出口を冷媒温度に応じ切換えてヒータコアの入口部へ接
続するようにしたので、冷間時にはシリンダヘッド側か
ら高温の液相冷媒を取出し、高温時にはシリンダブロッ
ク側から気泡を含まない液相冷媒を取出すことができ、
常に快適な暖房性能を得ることができるという効果が得
られる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の一実施例を示す沸騰冷却装置の構成図
、第２図は第１図中の切換弁の詳細図である。

Claims

【特許請求の範囲】

（１）シリンダプロタグとシリンダヘッドとに亘って形
成されて液相冷媒を貯留すると共に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た気相冷媒凝縮用のコンデンサとを
備え、上記コンデンサから上記ウォータジャケット内に
循環供給した液相冷媒を上記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と共に、冷媒の一部を車
室内暖房用のヒータコアに導いて車室内暖房に供するよ
うにした自動車用内燃機関の沸騰冷却装置において、上
記ヒータコアへの冷媒取出口をシリンダヘッド側のウォ
ータジャケットの液面下の部分とシリンダブロック側の
ウォータジャケットの部分とに設け、これらの冷媒取出
口を冷媒温度に応じ選択的に上記ヒータコアの入口部へ
接続する冷媒取出口切換装置を設けたことを特徴とする
自動車用内燃機関の沸騰冷却装置。
（２）上記ヒータコアからの冷媒戻し通路がシリンダヘ
ッド側のウォータジャケットの部分に接続されてなる特
許請求の範囲第１項記載の自動車用内燃機関の沸騰冷却
装置。