JPS6183444A - 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 この発明は、ウォータジャケット内に貯留された液相冷
媒の沸騰気化潜熱を利用して冷却を行う内燃機関の沸騰
冷却装置に関する。

従来の技術 自動車用機関等の冷却装置として、従前の水冷式冷却装
置に代えて冷媒（冷却水ンの沸騰−＃縮の丈イクルを伴
う沸騰冷却装置が、例えば特公昭５７−５７６０８号公
報や特開昭５７−６２９１２号公報などに記載されてい
るが、これらは冷却水の自重による自然循環的な方法で
ウォータジャケット内の液面レベルが調節されるもので
あるため、安定した液面位ｔを確保することは期待でき
ず、高温部位の気相中への露出による過熱の虞れがある
など、信頼性、安全性に乏しい。

これに対し１本出願人は冷媒供給ポンプを用いてウォー
タジャケット内の冷媒液面を所定レベルに制御するよう
ＫしたＳＳ冷却装置を鍾々提案している（例えば特願昭
５８−１４５４７０号、特願昭５８−２２８１４８号、
特願昭５９−１００１５６号、特願昭５９−１４０８７
８号等）。これはウォータジャケットとコンデンサと冷
媒供給ポンプとを主体として密閉し次冷媒循環系を構成
するとともに、上記ウォータジャケットの設定レベルに
対応して液面センナを装着したもので、この設定レベル
１で液相冷媒（例えば水と不凍液の混合液）を貯留して
おいて、その沸騰気化により各部の冷却を行っている。

そして発生蒸気をコンデンサに導いて凝縮し、コンデン
サ下部に液相冷媒として回収した後、上記液面センナの
検出信号に基づいて作動する冷媒供給ポンプによって再
度ウォータジャケットに循環供給し、その冷媒液面を上
記設定レベルに維持する構成となっている。

このように冷媒供給ポンプを用いてウォータジャケット
内の冷媒液面を強制的に制御することにエフ、負荷条件
等が変化しても液面を確実に設定レベルに維持できるこ
とになり、燃焼室壁等高温部位の露出を防止し、かつウ
ォータジャケット上部に適宜な蒸気空間を確保して、安
定した冷却性能を発揮できるのである。

ところで、上記液面センナとしては、具体的には永久磁
石を備え九７１’２−トの上下動によってリードスイッ
チｉＯＮ・ＯＦＦ’させるようにしｆｃ７０−ト式ｉ面
七ン丈が用いられており、第６図に示すように内燃機関
８１のウォータジャケット８２の側方に液面検出用バイ
パス通路８５金設けるとともに、その通路中に上記の液
面上ンサ８４ｔ−配設し、バイパス通路８８中に現われ
た被検出液面が所定レベルＬＫ遜しているか否かｔ−Ｏ
Ｎ・ＯＦＦ’的に検出している。そして、前述し次沸騰
冷却装置では、この検出信号に基づいて冷媒供給ポンプ
ｔ−ＯＮ・ＯＦＦ制御し、冷媒液面を上記所定レベルＬ
に維持するようにしている。

発明が解決しようとする問題点 しかし、上記のようにフロート式液面センナの検出液面
を基準とした方式にあっては、静的な状態においては正
しい液面制御をなし得るものの、実際にウォータジャケ
ット８２内の冷媒が沸騰している状態では、次のような
甑々の問題が６９、必ずしも理想的な制御が実現できな
い。先ず、上記バイパス通路８８は、下端８８１がウォ
ータジャケット８２の下部に、上端８８ｂがウォータジ
ャケット８２上部の蒸気空間に夫々連通されるのである
が、その上端８８ｂの開口付近の過渡的な圧力変動や蒸
気流速の変化などによって、バイパス進路ａ８内の被検
出ａ面がウォータジャケット８２内の液相冷媒量と無関
係に変動してし１い、誤差を生じ易い。１次ウォータジ
ャケット８２内の液相冷媒が激しく沸騰している状態で
は、液相領域と気相領域とを明確に区切る工りな厳密な
意味での“液面１は存在し得なくなり、相当広い範囲に
亘って両者が渾然となっている。この状態では、バイパ
ス通路８８内に見掛は上の平均的な液面位置が示される
にすぎない。従って、激しく沸騰している状態でこの見
掛は上の液面位置を所定レベルに維持するよりに制御す
ると、液相冷媒を相当多く含んだ部分が上記所定レベル
よりもかなり上方１で位置することになり、実質的な蒸
気空間が狭められる。この結果、蒸気流に伴った液相冷
媒の持ち出し量が増大するという不具合がある。

また一方、冷媒として例えば水を用いた場合の熱伝達率
とボイド率（液相中に占める蒸気泡の体積割合）との関
係に着目すると、第５図に示すように、完全な液相（つ
１シボイド率が０となる）であるＬ９も、ボイド率が８
０〜６０チ程度の気液二相状態の方が熱伝熱率に優れて
いる。従って、高負荷時にはシリンダヘッドの燃焼室壁
や排気ボート壁など熱負荷の高い部分を、上記範囲のボ
イド式液面センナによるものでは、十分な余裕全見込む
必要もあって完全な液相に近いボイド率の低い部分のみ
が、その熱負荷の高い部分の冷却に用いられることにな
ジ、この点でも好ましいものではない。

問題点を解決するための手段 この発明は上記の工うな種々の問題点に鑑みてなされた
もので、沸騰状態にある液相冷媒中のボイド″４を検出
するボイド率検出装置の検出部を、ウォータジャケット
の所定レベルに直接に配設し、この検出部におけるボイ
ド率が所定値となるように、電動ポンプ等からなる冷媒
供給機構による冷媒補給量を制御することを特徴として
いる。上記ボイド率検出装置としては、例えば一対の電
極間の電気伝導率が気泡の通過で変化することを利用し
友ものや、対向配置し之発光部、受光部間の透過率が気
泡の多少によって変化することを利用し友光学式のもの
などが用いられる。ＬＬ上記の所定レベルとしては、シ
リンダヘッドの高温部位、例えば燃焼室壁や排気ボート
壁あるいはディーゼル機関では副燃焼室壁などの高さ位
置を考慮して設定される。

作用 沸騰状態にある液相冷媒の表面部分では、前述したよう
に液相と気相とが渾然となっているが、この気液二相状
態の中で、当然のことながら、下部はどボイド率が低く
、上部はどボイド率が高い。

ここでボイド率検出装置は、予め固定的に定めた所定レ
ベルにおけるボイド率を検出しており、仮に冷媒補給を
行わずに放置し九とすれば、液相冷媒が徐々に失われる
結果、所定レベルにおけるボイド率は徐々に高くなる。

またウォータジャケット内に液相冷媒を補給すれば、気
液二相状態に６る表面部分が全体として上昇するので、
所定レベルにおけるボイド率は低くなる。冷媒供給機構
は、その所定レベルにおけるボイド率が所定値（ある程
度の幅を有する値であっても艮い）を維持するように、
冷媒補給量を制御する。これは具体的には、ＯＮ・ＯＦ
Ｆ的な制御であっても良く、また流量を連続的に変化さ
せるようにしても良い。尚、制御目標とするボイド率の
値は、各ボイド率における熱伝達率等を考慮して定めら
れる。

実施例 第１図はこの発明に係る沸騰冷却装置の全体構成を示す
構成説明図であって、１はウォータジャケット２を備え
た内燃機関、８は気相冷媒を凝縮するためのコンデンサ
、傷は正逆可能な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、シリンダブロック５およ
びシリンダヘッド６の両者に亘って形成され、その上部
の適宜な位置に蒸気比ロアが設けられている。そして、
このウォータジャケット２の所定レベル、具体的にはシ
リンダヘッド６の燃焼室壁等高温部位を覆う程度の高さ
位置に、後述するボイド率検出装置の検出部８がウォー
タジャケットｚ内に直接露出した形で配設されている。

また９はウォータジャケットＺ内の冷媒温度を検出する
温度センサである。

コンデンサ８は、上記蒸気比ロアに接続管１０および蒸
気通路１１１：介して連通したアッパタンク１２と、上
下方向に沿つ友微細なチューブを主体としたコア部１８
と、このコア部１８で凝縮された液化冷媒を一時貯留す
るロアタンク１４とから構成されており、車両前部など
車両走行風を受は得る位置に設置され、かつその前面も
しくは背面に強制冷却用の電動式冷却７ア／１５を備え
ている。また上記ロアタンク１４には、該ロアタンク１
４内の液相冷媒の有無を判別するためにフロート式セン
サ等からなる液面上ン丈１６が装着されておジ、上記接
続管１０には系内圧力が負圧であるか否かｔ″判別る九
めのダイヤフラム式負圧スイッチ１７が装着されている
。

１８は、その通路中に上記冷媒供給ポンプ４を備えた冷
媒循環通路であって、一端が上記ロアタンク１４１の底
部に接続され、かつ他端がウォータジャケット２の冷媒
供給口ｚ＆に接続されている。

以上のウォータジャケット２、コンテンｔ８、゛冷媒循
環通路１８等によって閉ループ状の冷媒循環系が構成さ
れており、通常の運転状態においては、ウォータジャケ
ット２の所定レベル近傍１で液相冷媒（例えば水と不凍
液との混合液）が貯留され、その沸騰によって各部を冷
却する。そして発生蒸気はコンデンサ８において凝縮さ
れてロアタンク１４に一旦集められるとともに、ボイド
率検出部８におけるボイド率に応じて０Ｎ−ＯＦＦ制間
される冷媒循環ポンプ４によって再度ウォータジャケッ
ト２に補給される。つ１す、上記の系内で冷媒が沸騰会
凝縮を繰ｐ返しつつ循環し、気化潜熱を利用した機関の
冷却２行うのでおる。

また２１は、始動時の空気排出や通常運転時のコンデン
サ８の放熱量制御のために、冷媒循環系の系外に設けら
れたりザーバタンクを示している。

このリザーバタンクｚ１は、通気機能を有するキャップ
２２ｔ−介して大気に開放されているとともに、底部に
第１補助冷媒通路ｚ８と第２補助冷媒通路２４とが接続
されており、第１補助冷媒通路２８は常開型の第１を磁
弁２５を介して上記ロブタンク１４に接続され、”ｆ′
ＩｔＯ：、第２補助冷媒通路２４は「流路人」、「流路
Ｂ」に切換可能な三方型の第２！を磁弁２６１に介して
上記冷媒循環通路に接続されている。そして、系最上部
には、常閉型の第８電磁ｆＰ２７ｔ−備えた空気排出通
路２８が接続されている。すなわち、機関−始動時には
、上記第８電磁弁２７全開いた状態で、冷媒供給ポンプ
４の逆方向への駆動によシリザーバタンク２１から系内
へ液相冷媒を強制的に送９込み、系内金一旦完全な満水
状態として空気排出が行わ几る。ｌた、運転中は温度セ
／す９の検出に基づいて、コンデンサ８からリザーバタ
ンク２１への液相冷媒の強制排出あるいはリザーバタン
ク２１からコンデンサ８への液相冷媒の強制導入が行わ
れ、実質的な放熱面積を可変制御して冷却ファン１５と
併せた高精度な温度制御を実現している。

次に第２図は、ボイド率検出装置の検出部８の構成を示
している。このボイド率検出装置は、冷媒の液相と気相
との電気伝導率の差を利用したもので、ウォータジャケ
ラｌ−２内に突出配置さｎた略り字形の支持体８ａの先
端に先端部通極８ｂを有するとともに、基部上面に外周
部１１億８ｃ’に有し、両者間に微小′１流を通電して
、その電極間電圧を測定している。液相と気相とでは、
電気伝導率が異なるので、例えば第２図に符号Ａとして
示すような気泡が両電極８ｂ、８ｃ間を通過すると、電
極間電圧は例えば第８図のように変化する。ボイド率検
出装置は、このようにして得られ比検出信号（第４図の
（ａ）　）　ｔ−第４図の（ｂ）のように波形整形して
液相冷媒が接触している期間と蒸気泡が接触している期
間とに区分し、単位時間当りの両者の割合をボイド率と
して求めるのである。そして、図示せぬ冷媒供給ポンプ
もの制御装置においては、検出したボイド率と制御目標
値とを比較し、ボイド率が高いときには冷媒供給ポンプ
４’ｉＯＮとして液相冷媒をウォータジャケット２に補
給し、常にボイド率奮略一定に保っている。惜、ここで
制御目標値となるボイド率は、第５図に示す熱伝達率と
限界熱流束とを考慮して例えば８０〜４１５チ程度の範
囲内で定められる。すなわら、ボイド率が５０多前後を
越えると、冷却に必要な熱流束を確保で＠なくなる虞れ
がｆｔ）り、逆にボイド率が低い領域では熱伝達率が低
くなり、好１しくない。

このように設定することにより、所定レベルの近傍およ
びそれより若干下方に位置する燃焼室壁や排気ポート壁
などで、非常に優れ比熱伝達率を確保できるとともに、
所謂膜沸騰状態となって過熱を生じることが確実に防止
される。

上記のように、所定レベルにおいて冷媒のボイド率が一
定に保たれれば、その所定レベル以下の範囲では確実に
過熱を防止できることになり、フロート式液面七ンテに
よる場合のように過度に余裕を見込んで、その制御レベ
ルを設定する必要がない。そして、激しく沸騰を生じて
いる場合でも、液相冷媒表面が実質的に上昇して冷媒持
ち出し量が増大するといった不具合がない。また、ボイ
ド率検出部８がウォータジャケットｚ内の冷媒の状態を
直接に検出しているのであるから、冷媒蒸気の圧力や流
速といった他の要因に全く影響を受けることがない。

尚、上述のような制御の結果、実際に検出されるボイド
率は略一定の値となるから、仮に過度に高いボイド率が
検出され次場合には、冷媒供給ボン１ｔの故障あるいは
冷媒の漏洩などの異常発生であると判断することができ
る。すなわら、７０−ト式液面七ンブの場合と異なり、
層面管理と同時に異常発生の有無を監視することが容易
に行えるのである。

発明の効果 以上の説明で明らかなように、この発明に係る内燃機関
の沸騰冷却装置は、所定レベルにおけるボイド率が所定
値となるようにウォータジャケットへの冷媒補給量を制
御する構成であるから、ウォータジャケット内に貯留さ
れる液相冷媒−ｉｔ過不足なく常に最適に制御でき、沸
騰が激しくなった状態でも、局部的な過熱や冷媒量過多
による蒸気流に伴つ九液相冷媒の持ち出しなどを生じる
ことがない。そして、熱伝達率が良好となる範囲のボイ
ド率にある冷媒を有効に使って燃焼室壁等熱負荷の高い
部位の効果的な冷却を実現できる。

【図面の簡単な説明】

第１図はこの発明に係る沸騰冷却装置全体の構成を示す
構成説明図、第２図はボイド率検出装置の検出部ｔ−ｇ
略的に示す説明図、第８図はその検出部を蒸気泡が通過
した際の信号波形図、第４図はボイド率測定原理を説明
するイぎ号波形図、第５図は冷媒のボイド率と熱伝達率
、限界熱流束との関係を示す特性図、第６図は従来に２
けるウォータジャケット内の冷媒液面の検出機構を示す
説明図である。 ｌ・・・内燃機関、２・・・ウォータジャケット、８・
・・コンデンサ、４・・・冷媒供給ボンダ、８・・・検
出部、８ｂ・・・先端部電極、８ｃ・・・外周部電極、
９・・・温度セン丈、１８・・・冷媒循環通路、ｚｌ・
・・リザーバタンク、２５・・・第ＬＩＥ磁弁、２６・
・・第２ｇｔ磁弁、２７・・・第ａ１１Ｌ磁弁。 外２名

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. （１）上部に蒸気出口を有し、かつ内部に液相冷媒が貯
   留されるウォータジャケットと、上記蒸気出口に接続さ
   れ、上記ウォータジャケットで発生した冷媒蒸気を凝縮
   するコンデンサと、このコンデンサで凝縮した液相冷媒
   を上記ウォータジャケットに補給する冷媒供給機構とを
   備えてなる内燃機関の沸騰冷却装置において、沸騰状態
   にある液相冷媒中のボイド率を検出するボイド率検出装
   置の検出部を、上記ウォータジャケットの所定レベルに
   配設し、この検出部におけるボイド率が所定値となるよ
   うに上記冷媒供給機構による冷媒補給量を制御すること
   を特徴とする内燃機関の沸騰冷却装置。