JPS62618A

JPS62618A - 内燃機関の沸騰冷却装置

Info

Publication number: JPS62618A
Application number: JP14107585A
Authority: JP
Inventors: Yoshimasa Hayashi; 義正林
Original assignee: Nissan Motor Co Ltd
Current assignee: Nissan Motor Co Ltd
Priority date: 1985-06-27
Filing date: 1985-06-27
Publication date: 1987-01-06

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液相冷媒を貯留し
ておき、その沸騰気化により内燃機関の冷却を行うとと
もに１発生した冷媒蒸気をコンデンサｌこより凝縮して
再利用するようｌこした内燃機関の沸騰冷却装置に関す
る。

従来の技術内燃機関の温度は、周知のように機関の熱効率や充填効
率あるいは耐ノツク性能などをこ直接に影響するほか、
油粘性による摩擦損失などに影響し、機関の燃料消費率
や最大出力あるいは騒音の大小などを左右°する要因と
なる。しかし、従来の一般的な水冷式冷却装置にあって
は、サーモスタットにて流路を切換えることにより暖機
時の過度の冷却を防止している程度に過ぎず、温度制御
はなされていないに等しい。また、′磁動ファンの０Ｎ
−ＯＦＦにより温度制御を行おうとしても、冷却系内に
多量の冷却水が循環しており、その全体の温度、変化を
待たなければならないので、負荷や回転速度等運転条件
に応じて可変的に設定した目標温度に応答性良く追従さ
せることは全く不可能であり、上述した熱効率等を考慮
した高精度な温度制御は到底実現できない。

一方、上記のような冷却水の単純な温度変化を利用した
冷却装置に対し、冷媒（冷却水）の液相−気相の相変化
を利用した冷却装置も種々提案されている（例えば特公
昭５７−５７６０８号公報。

特開昭５７−６２９１２号公報等）。これは基本的には
、ウォータジャケット内で貯留状態にある液相冷媒を沸
騰させ、その発生蒸気を外部のコンデンサ（ラジェータ
）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って、ウォータジャケット
内の各部の温度を冷媒沸点に均一に維持できるとともに
、コンデンサにおける１！ｊ５９．換効率を飛綱的に向
上させ得る利点が指摘されている。

発明が解決しようとする問題点しかし、上記従来の沸騰冷却装置は、ウォータジャケッ
トやコンデンサ等からなる系の一部を常時大気に連通さ
せた構成であり、従って、機関温度は常に大気圧下での
冷媒沸点に限定されてしまい、それ以外の温度に制御す
ることができない。

特に高地等では気圧の低下が機関温度に直接影響し、過
冷却状態となる虞れもある。また常時大気に連通してい
るため、運転中は継続的な冷媒蒸気の流出を伴い、冷媒
量の頻繁な点検、補充が必要となる欠点もある。

問題点を解決するための手段この発明は上記の問題点を解決するために、冷媒循環系
を密閉構造とし、かつ系内圧力を変化させることで機関
温度を任意の温度に制御し得るようにしたものである。

すなわち、この発明に係る内燃機関の沸騰冷却装置は、
液面センサにて規定される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、かつ下部に凝縮した
液相冷媒が集められるコンデンサと、とのコンデンサの
下部と上記ウォータジャケットとの間に配設され、かつ
上記液面センサの検出信号に基づいてコンデンサからウ
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、上記の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た冷媒循環系の系外に設けられ、か
つ密閉されたリザーバタンクと、上記コンデンサの下部
と上記リザーバタンクの下部とを常時連通する補助冷媒
通路と、上記ウォータジャケット内の冷媒温度を直接も
しくは間接に検出する温度検出手段と、この検出温度と
目一温度との比較に基づき上記リザーバタンク内の圧力
を加圧もしくは減圧する空気ポンプとを備えて構成され
ている。

作用ウォータジャケットとコンデンサと冷媒供給ポンプから
なる冷媒循環系は外気に対し密閉状態に保たれており、
ウォータジャケット内で液相冷媒が沸騰気化し、かつ発
生蒸気がコンデンサで凝縮することにより、気化潜熱を
利用した冷却が行われる。ここでコンデンサは、その下
部が系外のりザーバタンクと連通しているため、上部が
気相冷媒領域でかつ下部が液相冷媒領域となっており、
機関発熱量とコンデンサ放熱量とが平衡するように、そ
の液面位置が自然に定まる。例えば機関発熱量が増大す
ると、系内圧力が上昇しようとしてコンデンサの液相冷
媒がリザーバタンクに押し出され、気相冷媒領域の拡大
によりコンデンサ放熱量が増大する。また車両走行風の
増大などでコンデンサ放熱量が増大すると、冷媒凝縮量
が蒸気発生量を上廻って系内圧力が低下しようとし、コ
ンデンサ内にリザーバタンクから液相冷媒が流入するの
でコンデンサ放熱量が減少する。つまり機関の負荷や車
両走行風等に応じてコンデンサ３の液面位置が自然に上
下動しつつ系内圧力をリザーバタンク内の圧力と略等し
く保ち、この結果、リザーバタンク内の圧力に応じて定
まる沸点に、系内温度が安定的に維持される。

そして、空気ポンプは検出温度が目標温度を下廻ってい
るときにはリザーバタンク内の圧力を加圧し、逆に目標
温度を上廻っているききには減圧する。従って、系内圧
力もこれに伴って変動し、系内沸点が速やかに上昇もし
くは下降することになる。

実施例図はこの発明の一実施例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、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、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出ロアが設けられている。このウォ
ータジャケット２内には、通常第１液面センサ８により
規定される設定レベルまで液相冷媒（例えば水と不凍液
の混合液）が貯留されるようになっており、かつその適
宜位置に、温度検出手段としてサーミスタ等からなる温
度センサ９が装着されている。

コンデンサ３は、上記蒸気出ロアに接続管１ｏおよび蒸
気通路１１を介して連通したアッパタンク１２と、上下
方向に沿った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
ロアタンク１４とから構成されたもので、車体の前部等
に車両走行風を受は得るように設置され・更にその背面
ｌこ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、所定レベルに第２液面七ン
サ１６を有し、かつ底部に冷媒循環通路１７の一端が接
続されているとともに、上記所定レベルより若干下方に
第１補助冷媒通路１８の一端が接続されている。上記冷
媒循環通路１７は、その他端が上記ウォータジャケット
２の下部の冷媒入口２５Ｌに接続されており、かつ中間
部に上記冷媒供給ポンプ４が介装されている。

以上のつ゛オークジャケット２．コンデンサ３゜冷媒循
環通路１７および冷媒供給ポンプ４によって、外気に対
し密閉状態となった冷媒循環系が構成されている。尚、
１９は、この冷媒循環系内が負圧であるか否かを検出す
るダイヤフラム式負圧スイッチである。

次に２１は冷媒循環系の糸外に設けられたりザーバタン
クであって、上面に冷媒注入用のキャップ２２を有し、
かつ外気に対し密閉状態となっている。

このリザーバタンク２１の底部には、上記の第１補助冷
媒通路１８が接続されているとともに、第２補助冷媒通
路器が接続されており、かつ上部には加圧・減圧用の圧
力制御通路２４が接続されている。

上記第２補助冷媒通路２３は、リザーバタンク２１から
系内に冷媒を強制導入する際に使用されるもので、三方
型の第１電磁弁２５を介して冷媒循環通路１７の冷媒供
給ポンプ４上流側に接続されており、第１電磁弁２５が
図示するように「流路Ａ」の状態では閉路され、また「
流路Ｂ」の状態では、冷媒供給ポンプ４吸入側をリザー
バタンク２１に連通させる構成となっている。

また上記冷媒循環系の最上部となる接続管１０上部ζこ
空気排出通路２６の一端が接続されており、この空気排
出通路２６は先端がリザーバタンク２１内に開口してい
るとともに、その通路中に常閉型の第２電磁弁２７を備
えている。

一方、上記圧力制御通路２４は、電動式空気ポンプ２８
の吸入側通路２９および吐出側通路３０に接続されてお
り、かつ吸入側、吐出側の両通路２９　、３０には、三
方盤の第３電磁弁３１および第４を１弁３２が介装され
ている。上記第３電磁弁３１は、吸入側通路２９を圧力
制御通路２４に連通させ（流路Ｃ）、あるいはエアフィ
ルタ３３を介して大気に連通させる（流路Ｄ）構成であ
り、また第４電磁弁３２は、吐出側通路３０を圧力制御
通路２４に連通させ、（流路Ｅ′）。

あるいは大気に連通させる（流路Ｆ）構成となっている
。また上記圧力制御通路２４は、先端にエアフィルタ別
を備えた大気開放用通路３５が分岐して形成されており
、かつこの大気開放用通路３５には常閉型の第５電磁弁
３６が介装されている。

上記の各電磁弁２５　、２７　、３１　、３２　、３６
や冷媒供給ポンプ４等は、所謂マイクロコンピュータシ
ステムを用いた制御装置３７によって所定のプログラム
ｌこ従って制御されるものであり、以下、その制御を簡
単に説明する。

先ず機関が始動すると、系内を一旦液相冷媒で満たして
不凝縮気体である空気を排出する。すなゎち、第２電磁
弁２７および第５電磁弁３６を「開」、第１電磁弁２５
を「流路Ｂ」とした状態で冷媒供給ボンダ４を一定時間
駆動し、リザーバタンク２１から系内に液相冷媒を強制
的に導入する。この結果、系内ｌこ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２６を介して系外
に排出される。

系内が液相冷媒で満たされるに十分な時間（例えば数１
０秒程度）が経過したら、第２電磁弁２７を「閉」、第
１電磁弁２５を「流路人」、冷媒供給ポンプ４をＯＦ’
Ｆとして、そのまま待機する。クォータジャケット２内
の液相冷媒は滞留状態にあるので、速やかに温度上昇す
る。温度センサ９による検出温度が目標温度を越えたら
、第５電磁弁３６を「閉」とし、リザーバタンク２１内
の圧力を外気から遮断するとともに、空気ポンプ２８を
作動させてリザーバタンク２１内を減圧する。これｌこ
伴い第１補助冷媒通路１８を介してリザーバタンク２１
と連通している系内の圧力も低下するので、その目標温
度の下でウォータジャケット２内の冷媒が減圧沸騰を開
始し、系上部に徐々に気相冷媒領域が拡大するとともに
、余剰の液相冷媒がリザーバタンク２１に押し出されて
来る。そしてコン、アンサ３内に気相冷媒領域が拡大し
て凝縮作用が行われ、その凝ｓｉｔが発生蒸気量を上廻
ると系内温度が低下しようとするので、空気ポンプ拐を
停止する。尚、空気ポンプ２８による減圧は、第３電磁
弁３１を「流路０」、第４電磁弁３２を「流路Ｙ」とし
た状態で行われ、後述する加圧は夫々「流路Ｄ」、「流
路Ｅ」と切り換えた状態で行われる。また空気ポンプ四
を停止する場合は夫々「流路Ｃ」、「流路Ｅ」とする。

上記の目標温度は、機関の負荷や回転数などの運転条件
に応じて、例えば８０〜１ｉ０℃程度の範囲内で逐次最
適に設定されるものである。尚、上記の暖機運転中の目
標温度が大気開放下での冷媒沸点を越えている場合には
、目標温度に達する前Ｉこ第５電磁弁３６を「閉」とし
て、発生蒸気圧を利用して系内圧を高め、更に必要な場
合ｌこは空気ポンプあによる加圧を行って、目標温度の
下で加圧沸騰を行わせる。一方、沸騰の結果、ウォータ
ジャケット２内の冷媒液面が第１液面センサ８の設定レ
ベルを下廻ったら、冷媒循環ポンプ４をＯＮとし、ロア
タンク１４からウォータシャケ゛ント２へ液相冷媒を補
給する。

以上のように暖機制御がなされて検出温度が一旦目標温
度まで上昇した後は、冷媒供給ポンプ４のＯＮ・ＯＩｌ
’ｌＦによるウォータジャケット２内の冷媒液面の維持
と、空気ポンプ２８を用Ｇ）た１ノザーノ（タンク２１
内圧力の加圧・減圧による温度制御とが機関停止時まで
繰り返し実行される。すなわち、冷媒供給ポンプ４を第
１液面センサ８の検出信号に基づいてＯＮ・ＯＦＦ　　
制御し、ウォータジャケット２内の冷媒液面を常に設定
レベルに維持する。一方、温度センサ９による検出温度
が目標温度より高い場合番こは、第３電磁弁３１を「流
路Ｃ」、第４電磁弁３２を「流路Ｆ」とした状態で空気
ポンプ２８を作動させ、リザーバタンク２１内を減圧す
る。これにより、系内圧力が直ちに低下するとともに、
リザーバタンク２１内圧力と系内圧力とが平衡するよう
にコンデンサ３内の冷媒液面が低下するので、コンデン
サ３の放熱能力が増大し、直ちに系内沸点の低下を来し
て系内温度が速やかに低下する。

検出温度が目標温度に達したら、空気ポンプ２８は停止
し、リザーバタンク２１内は密閉状態に保つ。

また逆に検出温度が目標温度より低い場合には、第３電
磁弁３１を［流路ＤＪ　、第４電磁弁を「流路Ｅ」とし
た状態で空気ポンプ２８を作動させ、リザーバタンク２
１内を加圧する。これにより系内圧力が直ちに上昇する
とともに、コンデンサ３内の冷媒液面が上昇して放熱能
力が抑制され、系内温度は速やかｌこ上昇する。このよ
うζこ、リザーバタンク２１内の加圧・減圧の繰り返し
によって、任意の沸点つまり目標温度の下で、コンデン
サ３の放熱能力と機関発熱量とを平衡させることができ
、高精度な温度制御が実現できる。

また、高負荷運転時などにおいて、コンデンサ３の冷媒
液面が第２液面センサ１６の設定レベルにまで低下した
場合には、冷却ファン１５をＯＮとして強制冷却風によ
る凝縮を促進する。尚、温度センサ９の検出温度Ｉこ基
づいて冷却ファン１５をＯＮ・ＯＦ’Ｆ制御することも
可能であり、この場合には第２液面センサ１６を省略す
ることもできる。

また機関停止後は、一定時間冷却ファン１５を駆動して
強制冷却し、負圧スイッチ１９により系内が実際に負圧
になったことを検出した段階で電源が０ＦＩＦとなる。

この電源０？Ｆ′により常開型電磁弁である第５電磁弁
３６が「開」、常閉型電磁弁である第２電磁弁２７が「
閉」となるので、系内の温度低下つまり圧力低下Ｊこ伴
って、大気開放されたリザーバタンク２１から系内に液
相冷媒が導入され、最終的には系内が略完全に液相冷媒
で満たされた状態となって停止中の空気侵入が防止され
る。

以上、この発明の一実施例を詳細に説明したが、この発
明はこれに限定されるものではなく、種々の変更が可能
である。例えば上記実施例では単一の空気ポンプ２８を
第３．第４を１弁３１　、３２の流路切換により加圧・
減圧に兼用しているが、夫々に専用の空気ポンプを設け
ても良く、あるいは正逆転可能な空気ポンプにより加圧
・減圧を行うようにしても良い。７尚、上記実施例のよ
うに第３．第４電磁弁３１　、３２により流路切換を行
う場合でも・これらの電磁弁３１　、３２は冷媒が通流
することがないので、冷媒中の異物によるスティックの
虞れがなく、かつ空気用として比較的小型のもので済む
。

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
の沸騰冷却装置によれば、空気ポンプによりリザーバタ
ンク内の圧力を加圧・減圧することｌこよって高精度で
かつ応答性の良い温度制御が実現できる。またウォータ
ジャケットやコンデンサを主体とした冷媒循環系がリザ
ーバタンクとともに外部から完全に遮断されているため
、機関の運転中に冷媒の損失が生じることがなく、従来
のような頻繁な点検・補充を必要としない。

【図面の簡単な説明】

図はこの発明の一実施例を示す構成説明図である。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、８・・・第
１液面センサ、９・・・温度センサ、１４・・・ロアタ
ンク、１８・・・第１補助冷媒通路、２１・・・リザー
バタンク、２４・・・圧力制御通路、２８・１．空気ポ
ンプ、３１・・・第３電磁弁、３２・・・第４電磁弁、
３７・・・制御装置。

Claims

【特許請求の範囲】

（１）液面センサにて規定される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、かつ下部に凝
縮した液相冷媒が集められるコンデンサと、このコンデ
ンサの下部と上記ウォータジャケットとの間に配設され
、かつ上記液面センサの検出信号に基づいてコンデンサ
から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、上記の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た冷媒循環系の系外に設けら
れ、かつ密閉されたリザーバタンクと、上記コンデンサ
の下部と上記リザーバタンクの下部とを常時連通する補
助冷媒通路と、上記ウォータジャケット内の冷媒温度を
直接もしくは間接に検出する温度検出手段と、この検出
温度と目標温度との比較に基づき上記リザーバタンク内
の圧力を加圧もしくは減圧する空気ポンプとを備えてな
る内燃機関の沸騰冷却装置。