JPS6183426A - 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、内燃機関のウォータジャケット、コンデンサ
及び冷媒供給ポンプにより密閉された冷媒循環系を構成
し、ウォータジャケットに貯留された液相冷媒の沸騰気
化により内燃機関の冷却を行う沸騰冷却装置に関し、特
に冷媒供給ポンプでのキャビテーションの発生に対処し
得るようにした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。

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号公報参照）
、これは基本的には、ウォータジャケット内で液相冷媒
（冷却水）を沸騰気化させ、その発生蒸気を外部のコン
デンサに導いて凝縮液化させた後に、再度ウォータジャ
ケント内に循環供給する構成であって、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媒の
循環で要求放熱量を満足でき、かつコンデンサを従来の
ラジェータよりも大巾に小型化でき、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。

ところが、このように種々の利点を有すると考えられて
いる沸騰冷却装置も実際には実用化されるに至っていな
い。すなわち上記特公昭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からである。

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５９−１００１５７号、特願昭５９−１４０３７
８号等）。これらの装置では、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てあり、機関運転中
は、冷媒供給ポンプによりウオーク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
るのである。

〈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にあっては、飽
和温度付近で冷媒を循環させるため、冷媒供給ポンプの
入口側抵抗の存在等により、冷媒供給ポンプにおいて、
キャビテーョンが発生する恐れがあった。このようなキ
ャビテーョンが発生すれば、冷媒供給ポンプによるウォ
ータジャケットへの液相冷媒の供給が不能になって、ウ
ォータジャケント内の液面を所定レベルに維持できなく
なり、次第に液面が低下して、燃焼室壁等が露出し、機
関の焼付き等の原因になる。

そこで本発明は、ポンプ・キャビテーションの発生時に
これを速やかに回避できるようにす゛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、第１図に示すよ
うに、機関のウォータジャケット２と、コンデンサ１０
と、冷媒供給ポンプ１６とからなる通常運転時に密閉さ
れる冷媒循環系を備え、更に系外にリザーバタンク１８
を備える沸騰冷却装置において、上記コンデンサ１０下
部の冷媒タンク１３と上記リザーバタンク１８とを弁装
置２５を介して連絡し、また上記リザーバタンク１８と
上記冷媒供給ポンプ１６の入口側とを弁装Ｗ２７を介し
て連絡し、更に、上記冷媒供給ポンプ１６でのキャビテ
ーョンの発生を検出するキャビテーション検出手段Ａと
、キャビテーション検出時に上記各弁装置２５．２７に
より上記冷媒タンク１３と上記リザーバタンク１８とを
連通させると共に上記リザーバタンク１８と上記冷媒供
給ポンプ１６の入口側とを連通させる切換手段Ｂとを設
けるようにしたものである。

〈作用〉 すなわち、キャビテーション検出手段Ａによるポンプ・
キャビテーションの検出時には、切換手段Ｂにより、一
方の弁装置２５を開放して冷媒タンク１３内をリザーバ
タンク２５に連通させて系内が冷媒過多になるのを防止
しつつ、他方の弁装置２７を切換えてリザーバタンク１
８から比較的低温の液相冷媒が冷媒供給ポンプ１Ｇに導
かれるようにし、ポンプ１６人口の冷媒温度を低下させ
て、これによりポンプ・キャビテーションを回避し、ウ
オークジャケット２への液相冷媒の補給を可能にするの
である。

〈実施例〉 第２図は本発明に係る沸肱冷却装置の一実施例を示して
いる。

第２図において、１は内燃機関、２はウォータジャケッ
トを示している。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３及びシリンダへフド４の両者に亘うて形成
されたもので、通常気相空間となる上部の適宜位置に複
数の蒸気出口５が設けられている。これらの蒸気出口５
は゛蒸気マニホールド６を介して蒸気通路７に連通し、
この蒸気通路７は後述するコンデンサ１０のアッパタン
ク１１に連通している。また、蒸気マニホールド６には
、冷媒循環系の最上部となる空気排出部８が上方に立上
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９が密閉している。

コンデンサ１０は、蒸気通路７が接続されるアッパタン
ク１１と、上下方向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で凝縮されだ液化冷媒を一時
貯留するロアタンク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のため電動式の冷
却ファン１４を備えている。そして、ロアタンク１３に
はその下部に冷媒循環通路１５の一端が接続されている
。冷媒循環通路１５の途中には、後述する第４電磁弁２
７と、電動式の冷媒供給ポンプ１６と、後述する第２電
磁弁２３とが介装され、冷媒循環通路１５の他端はウォ
ータジャケット２のシリンダへラド４側の冷媒人口１７
に接続されている。

以上のウォータジャケット２−蒸気通路７−コンデンサ
１０−冷媒循環通路１５．冷媒供給ポンプ１６−ウォー
タジャケット２の経路によって冷媒循環系が構成されて
いる。

次に１８はリザーバタンクを示し、このリザーバタンク
１８は上記冷媒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、ウォータジャケット２と略等
しい高さ位置に設置され、通気機能を有するキャップ１
９を介して大気に開放されている。

そして、上記冷媒循環系の最上部となる蒸気マニホール
ド６の空気排出部８に、系内の空気を排出するため、常
閉型の第１電磁弁２０を介して空気排出通路２１を接続
し、かつ空気排出時に同時に溢れ出る液相冷媒を回収す
るため、この空気排出通路２１の先端部をリザーバタン
ク１８内に開口させである。

リザーバタンク１８の底部には補助冷媒通路２２が接続
され、この補助冷媒通路２２は三方弁である第２電磁弁
２３を介して冷媒供給ポンプ１６下流の冷媒循環通路１
５に接続されている。第２電磁弁２３は、冷媒循環系を
密閉する通常の状態では補助冷媒通路２２を遮断して冷
媒循環通路１５を連通状態（流路ａ）にし、切換えられ
た状態では冷媒循環通路１５のウオークジャケット２側
を遮断し、補助冷媒通路２２によりロアタンク１３とリ
ザーバタンク１８とを冷媒供給ポンプ１６を介して連通
状態（流路ｂ）にするものである。ここで、冷媒供給ポ
ンプ１６としては、正逆両方向に液相冷媒を圧送できる
ものが用いられており、第２電磁弁２３が流路ａの状態
で冷媒供給ポンプ１６を正方向に駆動すれば、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
することができ、第２電磁弁２３が流路すの状態で冷媒
供給ポンプ１６を正方向に駆動すれば、ロアタンク１３
からリザーバタンク１８へ液相冷媒を強制的に排出でき
、逆方向に駆動すれば、リザーバタンク１８からロアタ
ンク１３へ液相冷媒を強制的に導入できる。

リザーバタンク１８の底部にはまた補助冷媒通路２４が
接続され、この補助冷媒通路２４はロアタンク１３の比
較的上部に接続されている。そして、その途中には第３
電磁弁２５が介装されている。

リザーバタンク１８の底部には更に補助冷媒通路２６が
接続され、この補助冷媒通路２６は三方弁である第４電
磁弁２７を介して冷媒供給ポンプ１６上流の冷媒循環通
路１５に接続されている。第４電磁弁２７は、通常の状
態では補助冷媒通路２６を遮断して冷媒循環通路１５を
連通状態（流路Ｃ）にし、後述の如く切換えられると冷
媒循環通路１５のロアタンク１３側を遮断し、リザーバ
タンク１８を補助冷媒通路２６を介して冷媒供給ポンプ
１６の上流側に接続状態（流路ｄ）にするものである。

上記各電磁弁２０．２３．２５．２７、冷媒供給ポンプ
１６及び冷却ファン１４は、マイクロコンピュータ内蔵
の制御装置４０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４
１、ロアタンク１３に設けた第２液面センサ４２、ウォ
ータジャケット２に設けた温度センサ４３、空気排出部
８に設けた負圧スイッチ４４等の各検出信号に基づいて
後述する制御が行われ葛。

尚、第１及び第２液面センサ４１．４２は、例えばリー
ドスイッチを利用したフロート式センサ等を用いて冷媒
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４１はその検出レ
ベルがシリンダへラド４の略中間程度の高さ位置に設定
され、第２液面センサ４２はその検出レベルが補助冷媒
通路２４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４３は第１液面センサ４１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す
るようになっている。また、負圧スイッチ４４はダイア
フラムを用いたもので、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オン、オフ的に検出するよ
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、通常運転時は、第１電磁弁２０
が閉、第２電磁弁２３が流路ａ、第３電磁弁２５が閉、
また第４電磁弁２７が流路Ｃの状態となって、冷媒循環
系が密閉され、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４１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が行われる。

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７を介してコンデンサ１０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。そして
、液化した冷媒はコンデンサ１０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１６
によって、ウォータジャケット２内の液面を所定レベル
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。

次に機関始動時から通常運転に至る制御の概要を第３図
のフローチャートを参照しつつ説明゛すると、機関始動
時には、先ず空気排出制御（Ｒ１）を行う（但し冷間始
動時のみ）。これは、第１電磁弁２０を開、第２電磁弁
２３を流路ｂ、第３電磁弁２５を閉として、冷媒供給ポ
ンプ１６を所定時間逆転駆動することにより、系外のり
ザーバタンク１８から補助冷媒通路２２を通じて液相冷
媒を系内に導入して、系内を完全に満水状態にし、系内
に残存していた空気を系上部に集めて空気排出通路２１
を通じリザーバタンク１８に排出させる。

次に暖機制御（Ｒ２）を行う。これは、第１電磁弁２０
を閉、第２電磁弁２３を流路ａ、第３電磁弁２５を開と
して、ロアタンク１３とリザーバタンク１８とを連通状
態、すなわち系内を大気開放したまま、待機する。そし
て、ウォータジャケット２内での沸騰開始により系内の
余剰冷媒をロアタンク１３がら補助冷媒通路２４を通じ
てリザーバタンク１８に排出させる。そして、ウォータ
ジャケット２内の冷媒温度が目標温度に達するか、ウォ
ータジャケット２若しくはロアタンク１３内の液面のい
ずれかが設定レベル以下となった時点で、第３電磁弁２
５を閉として、系内を密閉状態にする。

以降は、温度制御、液面制御等の制御ループを機関停止
まで繰返し行う。

温度制御（Ｒ３）は、ウォータジャケット２内の冷媒温
度が目標温度となるよう冷却ファン１４を０Ｎ−ＯＦＦ
するものであり、液面制御（Ｒ４）は、ウォータジャケ
ット２内の液面レベルに応じて冷媒供給ポンプ１６をＯ
Ｎ・ＯＦＦ　（正転・停止）し、液相冷媒の循環供給に
よりウォータジャケフト２内の液面を設定レベル以上に
保つものである。

この場合、系内温度が所定範囲内にあって、しかもロア
タンク１３内の液面が設定レベル以下である限り、系内
を密閉状態にしたまま上記の制御が繰返えされる。

また、ウォータシャケ・ノド２内の冷媒温度が目標温度
を大きく上回った場合で、かつロアタンク１３内の液面
が設定レベル以上の場合は、コンデンサ１０の放熱面積
を実質的に拡張するため、コンデンサ内液面低下側１ｌ
ｌ（Ｒ５）を行う。これは、密閉状態から冷媒供給ポン
プ１６を正転駆動し、゛ウォータジャケット２内の液面
のレベルに応じて第２電磁弁２３を切換え、ウォータジ
ャケット２内の液面を確保しながら、ロアタンク１３内
の液相冷媒をリザーバタンク１８に排出して、コンデン
サ１０の放熱面積を拡張する。

また、ウォータジャケット２内の冷媒温度が目標温度を
大きく下回っている場合は、コンデンサ１０の放熱面積
を実質的に縮小するため、コンデンサ内液面上昇側？１
１１１（Ｒ６）を行う。これは、系内が負圧の場合は、
第３電磁弁２５を開として、リザーバタンク１８よりロ
アタンク１３に液相冷媒を導入し、また、系内が正圧の
場合は、第２電磁弁２３を流路すにすると共に、冷媒供
給ポンプ１６を逆転駆動して、リザーバタンク１８より
系内に液相冷媒を導入する。

尚、各制御の詳細は特願昭５９−１４０３７８号に記載
されている。

一方、かかる制御中、所定時間毎に第４図に示すフロー
チャートに従ってポンプ・キャビテーション検出の割込
みルーチンが実行される。

このポンプ・キャビテーション検出ルーチンについて説
明すると、ステップ１　（図ではＳｌ）でポンプ１６に
対しＯＮ指令が発せられているか否かを判定し、ＮＯの
場合はこのルーチンを終了する。

ステップ１でＹＥＳの場合は、ステップ２へ進んでポン
プ１６のモータ電流値Ｉを読込む。具体的にはポンプ１
６のモータの接地端子側に電流検出用抵抗５０を介装し
ておき、その端子電圧Ｖ＝ＩＲを検出すればよい。次に
ステップ３で検出電流値■を予め定めた下限値Ｉ　ｍｉ
ｎと比較する。

ステップ３での判定で、ｌ　＞　ｌｍ１ｎであれば、正
常であるとみなして、このルーチンを終了する。

しかし、Ｉ≦Ｉ　ｍｉｎの場合は、キャビテーションの
発生によりポンプ１６が空回りし、負荷の減少により電
流値が減少した結果であるとみなし、第５図のフローチ
ャートに示すポンプ・キャビテーション回避ルーチンへ
制御を移す。

尚、この実施例ではポンプ１６でのキャビテーションの
発生をモータ電流値から検出するようにしたが、光電式
ピックアンプ等を用いてポンプ１゛６の回転速度を測定
し、回転速度が予め定めた上限値以上のときにポンプ・
キャビテーションによる空回りであると判断し、キャビ
テーション回避ルーチンへ制御を移してもよい。又は、
ポンプ１６を所定時間以上運転してもウォータジャケッ
ト２内の液面が設定レベルに達しない場合を検出し、こ
れをポンプ１６でのキャビテーション発生によるものと
みなして、キャビテーション回避ルーチンへ制御を移す
ようにしてもよい。

第５図のポンプ・キャビテーション回避ルーチンについ
て説明すると、ステップ１１で第３電磁弁２５を開とし
、ステップ１２で第４電磁弁２７を流路ｄの状態に切換
える。そして、ステップ１３で冷媒供給ポンプ１６をＯ
ＮＬ、正転させる。

これにより、リザーバタンク１８内の比較的低温の液相
冷媒が補助冷媒通路２６を通じて冷媒供給ポンプ１６の
入口側に導かれ、ポンプ１６人口の冷媒温度が低下させ
られ、キャビテーションが回避される。そして、冷媒供
給ポンプ１６により液相冷媒がウォータジャケット２に
補給される。また、ロアタンク１３は第３電磁弁２５が
開となることにより補助冷媒通路２４を介してリザーバ
タンク１８と連通ずるので、系内の余剰冷媒が排出され
、系内が冷媒過多となるのが防止される。

そして、ステップ１４で第１液面センサ４１からの信号
に基づいてウォータジャケット２内の液面が設定レベル
以上であるか否かを判定しており、設定レベル以上とな
った段階で次のステップへ進む。

すなわち、ステップ１５で冷媒供給ポンプ１６を○ＦＦ
し、ステップ１６で第３電磁弁２５を閉、ステップ１７
で第４電磁弁２７を流路Ｃとし、元の密閉状態に戻して
、このルーチンを終了する。

尚、この実施例は、特願昭５９−１４０３７８号にて提
案したシステムに第４電磁弁２７を追加し、既存の第３
電磁弁２５と新規の第４電磁弁２７とを制御してポンプ
・キャビテーションを回避するものであるが、特願昭５
９−１００１５７号にて提案したシステムに適用する場
合は、第２電磁弁が冷媒供給ポンプの入口側に設けられ
ているので、第２電磁弁と第３電磁弁とを制御すること
で、゛弁装置を追加することな（、ソフトウェアのみの
対応にて、ポンプ・キャビテーションを回避することが
できる。

〈発明の効果〉 以上説明したように本発明によれば、沸騰冷却装置の密
閉冷媒循環系における冷媒供給ポンプでのキャビテーシ
ョンの発生時に、冷媒供給ポンプの入口側へ系外のりザ
ーバタンクから低温の液相冷媒を導入してキャビテーシ
ョンを回避することができ、キャビテーションによる冷
媒供給ポンプの空回りの継続によりウォータジャケット
内の液面が大巾に低下して燃焼室壁等が露出し焼付き等
を生じるのを未然に防止でき、効率の良い冷却を行うこ
とができる沸騰冷却装置の安全性を向上させ、その価値
を更に高め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図は本発明の構成を示すブロック図、第２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３図
は制御の概要を示すフローチャート、第４図はポンプ・
キャビテーション検出ルーチンのフローチャート、第５
図はポンプ・キャビテーション回避ルーチンのフローチ
ャートである。 １・・・内燃機関　　２・・・ウォータジャケット５・
・・蒸気出口　　７・・・蒸気通路　　１０・・・コン
デンサ　　１３・・・ロアタンク　　１５・・・冷媒循
環通路１６・・・冷媒供給ポンプ　　１７・・・冷媒人
口　　１８・・・リザーバタンク　　２０・・・第１電
磁弁　　２３・・・第２電磁弁　　２５・・・第３電磁
弁　　２７・・・第４電磁弁４０・・・制御装置　　４
１・・・第１液面センサ　　４２・・・第２液面センサ
　　４３・・・温度センサ　　５０・・・電流検出用抵
抗

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 液相冷媒を貯留すると共に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て気
   相冷媒を凝縮液化すると共に下部に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通常運
   転時に密閉される冷媒循環系を備え、更に系外に予備液
   相冷媒を貯留するリザーバタンクを備える内燃機関の沸
   騰冷却装置において、上記冷媒タンクと上記リザーバタ
   ンクとを弁装置を介して連絡し、また上記リザーバタン
   クと上記冷媒供給ポンプの入口側とを弁装置を介して連
   絡し、更に、上記冷媒供給ポンプでのキャビテーョンの
   発生を検出するキャビテーション検出手段と、キャビテ
   ーション検出時に上記各弁装置により上記冷媒タンクと
   上記リザーバタンクとを連通させると共に上記リザーバ
   タンクと上記冷媒供給ポンプの入口側とを連通させる切
   換手段とを設けたことを特徴とする内燃機関の沸騰冷却
   装置。