JPS62237021A - 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、その沸騰気化により内燃機関各
部の冷却を行う内燃機関の沸騰冷却装置に関し、特に大
気開放したリザーバタンクを介して系内圧力を略大気圧
に保つようにした形式の沸騰冷却装置の改良に関する。

従来の技術 本出願人は、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閉ループ状の冷・媒循壌系を形
成し、ウォータジャケットで発生し九冷媒蒸気會コンデ
ンサに導いて凝縮させた後、液面センサの検出に基づく
冷媒供給ポンプの作動によって再度ウォータジャケット
へ補給するようにした沸騰冷却装置を種々提案している
（例えば特開昭６０−３６７１２号公報、特開昭６０　
−３６７１５号公報等）。このものでは、コンデンサを
強制冷却する冷却ファンとして電動式ファンを用い、ウ
ォータジャケットに設は友！１度センサに基づいて強制
冷却風を調節することで系内温度を制御している。

１九本出願人は、ａｍな湯度制御等を行わずに非常に簡
素比したものとして、大気開放型の沸騰冷却装置も提案
している（特願昭６０−１４７８１４号等）。これは、
大気開放されたりザーバタンクとコンデンサロアタンク
と全常時連通状態とし、コンデンサやウォータジャケッ
ト等からなる系内を略大気圧に保つようにしたものであ
り、リザーバタンクとコンデンサの間で液相冷媒が自由
に移動できるので、コンデンサの放熱量と機関発熱量と
が平衡する工うにコンデンサ内の液面位置が自然に上下
動しクク系内＠度を略一定に保つことができるのである
。そして、車両走行１虱が得られないアイドリンク時等
の凝縮性能を確保する九めに、やはり電動式冷却ファン
を設け、例えばロアタンク内の冷媒温度が高１つ之とき
に強制冷却Ｋを与えて、常にコンデンサ放熱量が機関発
熱量を下部ることのないようにしている。

発明が解決しようとする問題点 上記のようにコンデンサを強制冷却する電動式冷却ファ
ン金偏え友ものでは、機関停止後にこの冷却７７ン全一
定時間あるいは機関温度が一定温度に低下するまで駆動
することによって機関の速やかな温度低下を図ることが
可能である。

しかし、リザーバタンクを介して系内圧力を略大気圧に
保つようにした大気開放型の沸騰冷却装置においては、
機関停止時の運転条件によってコンデンサ内の液面位置
が一定でないため、冷却ファンによる強制冷却は必ずし
も効果的でない。具体的には、コンデンサ内が液相冷媒
で略満たされているような状態では、強制冷却風を与え
てもウォータジャケット側の冷媒温［ｔ−速やかに低下
させることは困難であシ、車載バ呼テリ等の無駄な消ｇ
！を招くばかりで再始動性の悪化等を十分に防止するこ
とができない。

問題点ｔ−解決する次めの手段 入され、かつ下部のロアタンクに凝縮し几液相冷媒が貯
留されるコンデンサと、このコンデンサのロアタ／りと
常時連通し、かつ大気に開放されたリザーバタンクと、
このリザーバタンクから上記ウォータシャケｑトヘ液相
冷媒金補給する冷媒供給ボンダと、上記コンデンサに臨
設された冷却７７ンと全備えてなる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内の冷媒温屁ヲ
検出する第１温度センサと、上記ロアタンク内の冷媒温
度を検出する第２温度センサとを設け、機関停止後に両
者の温度差が所定値以上の場合は上記冷媒供給ポンプが
、所定値以下の場＆は上記冷却ファンが夫々作動する二
うにｒみ成し九ことを特徴とする。

作用 コンデンサ内の冷媒液面が比較的高い場合には、コンデ
ンサにおける冷媒の過冷却度が大きく保たれ、両温度セ
ンサの検出温度の温度差は大きい。

この場合には、冷却ファンによる強制冷却風は効果が少
ないので、冷却ファンを停止させ、冷媒供給ポンプによ
ってリザーバタンク内の低温液相冷媒をウォータジャケ
ット内に送り込み、速やかな＠度低下を図る。一方、コ
ンデンサ内の冷媒液面が低く、内部の殆どが気相冷媒領
域となっている場合には、両臨度センサの検出温度の＠
度差は小さい。この場合には、冷却ファンを作動させ、
コンデンサの凝ＲＮヲ促進させることで機関温度の低下
を図る。

実施例 第１図はこの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、６は気相冷媒ｔ−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のシリンダお
よび燃焼室の外周部を撓曲するようにシリンダブロック
５お工びシリンダヘプト６の両省に亘って形成され友も
ので、通常気相空間となる上部が谷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複数の蒸気比
ロアが設けられている。この蒸気比ロアは、気液分離機
能を待つ蒸気マニホルド８によって互いに集合された上
で、蒸気通路９を介してコンデンサ３の上部人口６ａに
連通している。尚、１０は、気液分離により捕捉した液
相冷媒をウォータジャケット２に戻す冷媒回収通路であ
る。１７′ｃ上記ウオータジヤケツト２０所定レベル、
具体的にはシリンダヘッド６側の略中間の高さ位置に、
液相冷媒の有無に工っでＯＮ・ＯＦ　Ｆ信号を発する例
えばリードスイッチを用いたフロート式液面セ／す１１
が配設されており、かつこれより下方つ筐り通常液相冷
媒中に没する位置に、サーミスタ等からなる第１ｍ度セ
ンサ１２が配設されている。

コンデンサ６は、上記人口６ａ’ｅ！するアブバタンク
１３と、上下方向に沿った微細なチューブを主体とし九
コア部１４と、このコア部１４で凝縮された液相冷媒を
一時貯留するロアタンク１５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金堂は得る位置に設置さ
れ、更に七の前面あるいは背面に、強制冷却用の電動式
冷却ファン１６が臨設されている。１九上記ロアタンク
１５には、その内部の冷媒温度を検出するサーミスタ等
からなる第２昌度センサ１７が配設されている。

２１は、上記液面センサ１１の設定レベルと略等しい高
さ位置に配設されたリザーバタンクであって、これは大
気連通路２２を介して上部空間が大気に開放されている
とともに、第１冷媒循壊通路２６を介してロアタンク１
５に接続され、かつ冷媒供給ポンプ４が介装された第２
冷媒循壊通路２４を介してウォータジャケット２に接続
されている。尚、２５はウォータジャケット２からリザ
ーバタンク２１への冷媒の逆流を阻止する逆止弁である
。１ｆｃ上記大気連通路２２には、常開型の電磁弁２６
が介装されている。

２７は、冷媒供給ポンプ４．冷却ファン１６および電磁
弁２６の制御を司る制御装置であって、これは所謂マイ
クロコンピュータからなり、後述するような所定のプロ
グラムに従って一連の制御を行っている。

次に、第２図は上記制御装置２７によって実行される制
御の概要金示すフローチャートであって、以下、このフ
ローチャートを参照して上記の１５に構成された沸騰冷
却装置の作動を説明する。

先ず機関の停止状態においては、ウォータジャケット２
やコンデンサ６の内部が液相冷媒（例えばエチレングリ
コール水溶液等）で満たされており、かつリザーバタン
ク２１には多少の液相冷媒が残存している。この状態で
機関が始動すると、ウォータジャケット２内の冷媒は滞
留状態にあるので、速やかに温度上昇し、やがて沸騰が
始まる。

ここで、始動直後は轟然のことながら第１温度センサ１
２の検出温度ＴＥと第２ａ度センサ１７の検出温度Ｔｃ
との温度差（ＴＥ−Ｔｃ　）は小さいが、ウォータジャ
ケット２内冷媒臨度Ｔｇが８０℃以上となるまでは、温
度差の大小に拘らずｔ＠弁２６の閉作動および冷却ファ
ン１６の作動は行われない（ステップ１）。

沸騰が始まると、発生蒸気圧によって系内の圧力が高１
９、コンデンサ３のロアタンク１５からリザーバタンク
２１に余剰冷媒が徐々に押し出されて、ウォータジャケ
ット２の上部ならびにコンデンサ３の上部に気相冷媒領
域が拡大して行く。

そして沸騰によりウォータジャケット２内の冷媒液面が
液面センサ１１の設定レベル以下に低下すると、ステッ
プ１５〜１７の制御によって冷媒供給ボンズ４が間欠的
に作動し、リザーバタンク２１からウォータジャケット
２へ液相冷媒全補給する。

この結果、ウォータジャケット２内の冷媒液面は、以後
機関停止に至るまで略一定に保定れる。

１次コンデンサ６の上部に気相冷媒領域が拡大するに従
ってコンデンサ３の放熱能力が増大するので、この放熱
能力と機関発熱量とが平衡した位置にコンデンサ６の液
面位置が定する。りｌり機関の負荷や車両走行風などに
応じてコンデンサ３の液面位置が自然に上下動しクク機
関温度を略一定に保つ。尚、ウォータジャケット２等の
内部の圧力はリザーバタンク２１を弁して略大気圧に保
定れるので、機関温度は概ね大気圧下での冷媒沸点とな
る。そして、高負荷時などにコンデンサ６内の液面位置
がかなり低下して過冷却度が小さくなると、具体的には
温度差（ＴＥ　−Ｔｃ　）が８℃以下となると冷却ファ
ン１６が作動開始し、コンデンサ６を強制冷却する（ス
テップ２，７）。この冷却ファン１６の作動は、温度差
（ＴＩ　−Ｔｃ　）が１０℃に１で拡大したら停止する
（ステップ２，９）。

このように、通常は電磁弁２６が開いｔ状態で冷媒の沸
騰・凝縮を利用した冷却が行われる。尚、フローチャー
ト中の７ラグに電磁弁２６の開閉状態に対応し、ＩＯＪ
が「開」を、「１」が「閉」全夫々示す。

これに対し、万−何らかの原因でコンデンサ３の放熱能
力が機関発熱量を下層るような状態となると、コンデン
サ３の冷媒液面が最大限に低下し、コンデンサ３での過
冷却度が小さくなる。そして、検出され九温度差（ＴＥ
　−Ｔｃ　）が４℃以下となりｔ時点で電磁弁２６が閉
じ、リザーノくタンク２１が密閉される（ステーＦ７２
．５）。七の几め、コンデンサ６等の内部の圧力が上昇
し、冷媒沸点の上昇を来すので、コンデンサ６に流入す
る冷媒蒸気の温度が高１す、コンデンサ３の放熱能力が
増大する。この結果、機関温度が僅かに上昇し次状態で
コンデンサ６の放熱能力と機関発熱量とが再び平衡する
ことになり、冷媒蒸気の噴出あるいは機関温度の過度の
上昇が確実に回避される。尚、沸騰状態では、コンデン
サ３人口側の蒸気温度とウォータジャケット２内の冷媒
温度とは略等しく、従って上記のように温度差（ＴＥ　
−Ｔｃ　）を用いれば、例えば高地で大気圧下の冷媒沸
点が低下したような場合でも、コンデンサ６の冷媒液面
が限界付近まで低下し之ことを精度良く検出することが
できる。

１友、上記のように電磁弁２６か一旦閉じた場合には、
その閉じ几瞬閲のウォータジャケット２内冷媒温度Ｔｇ
ｏｔ記憶（ステップ６）しておき、運転条件の変化等に
よりウォータジャケット２内の冷媒温度ＴＩがこれより
も３℃低くなっ九時点で電磁弁２６金開状態に復帰させ
るようになっている。尚、何らかの故障等で放熱量の増
大が図れず、ウォータジャケット２内の冷媒温度Ｔｚが
過度に昇１１！（例えば１２０℃ンレ几場合にも電磁弁
２６が開かれる（ステーｙ７１１．１３）。

次に、機関停止後の制御を第３図のフローチャートを参
照して説明する。第３図のフローチャートは、一定時間
毎に割込処理されるもので、機関が停止しているか否か
を常に新刊じている（ステップ２１）。

上述しｔような沸騰の開始後に機関が停止すると、ウォ
ータジャケット２内の冷媒温度ＴＩは８５℃以上（ステ
ザブ２３）の高温であるから、電磁弁２６が閉じてリザ
ーバタンク２１が密閉される（ステップ２４）とともに
、温度差（ＴＩ　−Ｔｃ　）に基づいて適当な冷却手段
が選択される（ステップ２５）。温度差（ＴＥ　−Ｔｃ
　）が１０℃以下であれば、上述したようにコンデンサ
６内の液面位置が比較的低い状態にあるので、冷却ファ
ン１６が作動し、コンデンサ６ｔ−強制冷却する（ステ
ップ２６）。

尚、その間ウォータジャケット２内の冷媒液面はステッ
プ２７〜２９による冷媒供給ポンプ４の作動によって所
定レベルに保たれる。一方、温度差（Ｔｉｃ　−Ｔｃ　
）が１０〜２０℃の範囲内であれば、コンデンサ３内の
液面位置が比較的高く、冷却７アン１６による強制冷却
は効果が少ないので、冷却ファン１６が停止する（ステ
ップ３３）とともに、冷媒供給ポンプ４が液面位置と無
関係に作動する（ステップ３２）。これによって、リザ
ーバタンク２１内の低温液相冷媒がウォータジャケット
２内に連続的に供給され、機関温度つｌリウオータジャ
ケブト２内の冷媒温度Ｔｇは速やかに低下する。

″を友、この実施例では、リザーバタンク２１内が電磁
弁２６によって密閉されているので、上記のように冷媒
供給ポンプ４が作動すると、リザーバタンク２１内に生
じる負圧によってコンデンサ６内の液相冷媒がリザーバ
タンク２１に排出される。

従って、コンデンサ６の気相冷媒領域が拡大し、その放
熱量が増大する九め、一層速やかな温度低下が因れる。

上記の冷却ファン１６もしくは冷媒供給ポンプ４の作動
は、ウォータジャケット２内温度ＴＫが８５℃以下に低
下しくステップ２３）、あるいは機関停止後３０秒経過
（ステラ７３１，２２）Ｌ九段階で終了し、電源がＯＦ
　Ｆとなる（ステザブ３４）。

尚、温度差（ＴＩ−Ｔｃ）が２０℃以上である場合（ス
テップ２５）にも電源がＯＦＦとなる。この電源ＯＦＦ
により、電磁弁２６は開状態となるので、ウォータジャ
ケット２やコンデンサ６の内部は最終的に液相冷媒で満
たされ次状態となる。尚、電源ＯＦＦに至る前に再始動
された場合には、電磁弁２６が直ちに開かれ（ステップ
３０．３５）、前述した第２図の制御に復帰する。

次に第４〜６図は、リザーバタンク２１の電磁弁２６を
省略し、リザーバタンク２１上部空ｆｉｌ大気連通孔２
２ａｔ−介して常に大気に開放し九実施例を示している
。

この実施例では、高負荷時等に温度差（ＴＥ−ＴＣ）が
小さくなっ几場今に冷却ファン１６の作動のみが行われ
る（ステップ４３〜４５）とともに、機関停止後は、リ
ザーバタンク２１金開放し次状態の１１、冷却ファン１
６の作動もしくは冷媒供給ポンプ４の作動が行われる（
ステップ５５．６０Ｊ。

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
の沸騰冷却装置においては、機関停止後に、適切な冷却
手段で機関温度全速やかに低下させることができ、機関
近傍の各種部品の熱的劣化や再始動性の悪化全防止でき
る。そして、冷却ファンが無駄に作動することがないた
め、車載バゴテリの過大な消費やファン騒音の増大金招
く虞れがない。

【図面の簡単な説明】

第１図はこの発明の一実施例を示す構成説明図、第２図
および第３図はこの実施例における制御の内容金示すフ
ローチャート、第４図はこの発明の異なる実施例を示す
構成説明図、第５図および第６図はこの実施例における
制御の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、１１・・・
液面センサ、１２・・・第１温度センサ、１５・・・ロ
アタンク、１６・・・冷却ファン、１７・・・第２温度
センサ、２１・・・リザーバタンク、２２・・・大気連
通路、２６・・・電磁弁、２７・・・制御装置。 第２図 第３図 第４図 （−一ヲ 第５図

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. （１）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、かつ下部のロアタンクに凝縮した液相冷
   媒が貯留されるコンデンサと、このコンデンサのロアタ
   ンクと常時連通し、かつ大気に開放されたリザーバタン
   クと、このリザーバタンクから上記ウォータジャケット
   へ液相冷媒を補給する冷媒供給ポンプと、上記コンデン
   サに臨設された冷却ファンとを備えてなる内燃機関の沸
   騰冷却装置において、上記ウォータジャケット内の冷媒
   温度を検出する第１温度センサと、上記ロアタンク内の
   冷媒温度を検出する第２温度センサとを設け、機関停止
   後に両者の温度差が所定値以上の場合は上記冷媒供給ポ
   ンプが、所定値以下の場合は上記冷却ファンが夫々作動
   するように構成したことを特徴とする内燃機関の沸騰冷
   却装置。