JPS6287608A

JPS6287608A - 内燃機関の沸騰冷却装置

Info

Publication number: JPS6287608A
Application number: JP22821785A
Authority: JP
Inventors: Teruaki Ishikawa; 輝昭石川
Original assignee: Nissan Motor Co Ltd
Current assignee: Nissan Motor Co Ltd
Priority date: 1985-10-14
Filing date: 1985-10-14
Publication date: 1987-04-22

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】童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
部の冷却を行うとともに、発生した冷媒蒸気をコンデン
サにより凝縮して再度ウォータジャケットへ供給するよ
うにした内燃機関の沸騰冷却装置に関する。

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環系を形成
し、ウォータジャケットで発生した冷媒蒸気をコンデン
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
供給するようにした沸騰冷却装置を糧々提案している（
例えば特開昭６０−３６７１２号公報、特開昭６０−３
６７１５号公報等）。この沸騰冷却装置においては、流
水式の冷却装置と異なりウオータジャケット内に液相冷
媒が滞留した状態で燃焼熱を受けるので、暖機に畳する
時間を短縮できることが利点の一つとなっている。

そして本出願人は、更に一層の急速暖機を実現するため
に、機関停止中ウォータジャケット内の冷媒液面を低位
に保っておき、そのままの′＃、態で暖機運転を行わせ
るようにした沸騰冷却装置を先に提案している（特願昭
５９−１００１５８号）。

発明が解決しようとする問題点しかし、上記のように機関停止中ウォータジャケット内
の冷媒液面を下げて上部に空気を導入した状態にしてお
くと、ウォータジャケット内壁面等が長期間空気に晒ら
されることになり、各部の酸化、腐食を招く虞れがある
。

また、上記の先願の装置では、ウォータジャケット内か
らリザーバタンクに水頭差を利用して液相冷媒を排出し
、ウォータジャケット内の冷媒液面を低く保つようにし
ているので、リザーバタンクをウォータジャケットに対
し比較的低い位置に配置する必要があり、リザーバタン
クの取付位置が著しく制約されてしまう。

問題点を解決するための手段この発明に係わる内燃機関の沸騰冷却装置は、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
て構成され、かつ機関停止中は液相冷媒で満たされた状
態にある冷媒循環系と、この冷媒循環系の外部に設けら
れ、かつ大気開放されたリザーバタンクと、上記ウォー
タジャケットにヒータ用通路を介して接続され、かつヒ
ータ用ポンプによってウォータジャケットから液相冷媒
が循環供給される車室暖房用ヒータコアと、上記ヒータ
用ポンプの下流側に配設され、かつこのヒータ用ポンプ
の吐出ポートを上記ウォータジャケットあるいは上記リ
ザーバタンクに選択的に連通させる流路切換機構と、上
記ウォータジャケットの上部と大気との間を開閉する開
閉弁とを備え、機関の冷間始動時に上記ヒータ用ポンプ
を用いてウォータジャケット内からリザーバタンクに液
相冷媒を排出するように構成したことを特徴としている
。

作用機関停止中はウォータジャケット等からなる令妹循環系
が液相冷媒で満たされている。

機関が冷間状態で始動すると、開閉弁は開作動し、かつ
流路切換機構はヒータ用ポンプの吐出ポートをリザーバ
タンクに連通させた状態となり、この状態でヒータ用ポ
ンプが作動する。従って、ウォータジャケット内から液
相冷媒がリザーバタンクに強制的に排出され、かつウォ
ータジャケット上部には空気が導入される。この冷媒の
排出は、冷媒液面が所定レベルまで低下したことを検出
する液面センサの信号、あるいは所定時間好適したこと
を検出するタイマの（Ｔｈ号などに基づいて終了する。

この冷媒排出の結果、ウォータジャケット内の保有冷媒
量が少なく、かつ上部を空気で断熱した状態で機関の暖
機が行われることになり、急速に暖機が進行する。

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、３は気相冷媒を凝縮するだめのコン
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包囲するようにシリンダブロック
５およびシリンダヘッド６の両者に亘って形成されたも
ので、通常気相空間となる上部が各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臼
ロアが設けられている。この蒸気臼ロアは、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’ｉ
介してコンデンサ３の上部入口３ｍに連通している。

また１０は車室内に設けられた暖房用のヒータコアであ
り、上部入口がヒータ入口通路１１を介してウォータジ
ャケット２のシリンダブロック５側に接続され、かつ下
部出口がヒータ出口通路１２を介してシリンダヘッド６
側に接続されている。そして上記ヒータ出口通路１２に
、液相冷媒をウォータジャケット２とヒータコア１０と
の間で循環させるためのヒータ用ポンプ１３が介装され
ている。尚、１４はヒータ用ポンプ１３の吐出側から分
岐して上記蒸気マニホルド８に接続された冷媒混合用通
路であり、冬季すなわちヒータ使用時に冷媒中の不凍液
成分の偏在を防止すべく少量の液相冷媒をコンデンサ３
に送り込む機能を果している。

上記コンデンサ３は、上記人口３１を有するアッパタン
ク１５ト、上下方向に泊った微細なチューブを主体とし
たコア部１６と、このコア部１６　テ凝ｍされた液化冷
媒を一時貯留するａアタンク１７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殺
除され、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１８を備えている。また、上記ロアタン
ク１７は、その比較的下部に冷媒循環通路１９の一端が
接続されているとともに、これより上部に第１補助冷媒
通路印の一端が接続されている。上記冷媒循環通路１９
は、その他端が上記ウォータジャケット２のシリンダブ
ロック６上部に設けた冷媒入口２ａｌＣ接続されており
、その通路中に上記冷媒供給ポンプ４が介装されている
とともに、この冷媒供給ポンプ４の吐出側に三方型電磁
弁からなる第２電磁升２１が介装されている。

３１は、上記ウォータジャケット２やコンデンサ３を主
体とした冷媒循環系の外部に設けられたリザーバタンク
であって、これは通気機能を有するキャップ羽を介して
大気に開放されているとともに、上記ウォータジャケッ
ト２と略等しい高さ位置に設置され、かつその底部に、
上記の第１補助冷媒通路加および第２１第３補助冷媒通
路：３３　、３４が接続されている。上記第１補助冷媒
通路には、その通路中に常開型の第３電砒９Ｐあ全備え
ている。

上記第２補助冷媒通路おは、流路切換用の三方型電磁弁
からなる第４電磁弁３６を介して、ヒータ出口通路１２
のヒータコアｌＯとヒータ用ポンプ１３との間に接続さ
れている。また第３補助冷媒通路３４は、上記第２電磁
升２１を介して冷媒循環通路１９に接続されている。こ
こで上記第２を磁弁２１は、冷媒供給ポンプ４の吐出ポ
ートを第３補助冷媒通路あを介してリザーバタンク３１
に連通させる「流路Ａ」と、冷媒循環通路１９を介して
ウォータジャケット２ＩＣ連通させる「流路Ｂ」とに切
換可能に構成されている。また上記第４電磁弁あは、ヒ
ータ用ポンプ１３の吸入ポートを第２補助冷媒通路おを
介してリザーバタンク３１に連通させる「流路Ａ」と、
ヒータ出口通路１２を介してヒータコア１０に連通させ
る「流路Ｂ」とに切換可能に構成されている。

更に上記第２補助冷媒通路おには、第４補助冷媒通路３
７が分岐形成されており、この第４補助冷媒通路３７は
流路切換機構となる三方型の第５電磁弁関を介して、ヒ
ータ出口通路１２のヒータ用ポンプ１３とウォータジャ
ケット２との間に接続されている。上記ｉ　５　を磁弁
あは、ヒータ用ポンプ１３の吐出ポートをヒータ出口通
路１２を介してウォータジャケット２に連通させる「流
路Ａ」と、第４補助冷媒通路３７を介してリザーバタン
ク３１に連通させる「流路Ｂ」とに切換可能に構成され
ている。

一方、上述した冷媒循環系の最上部となる蒸気マニホル
ド８上壁部には、系内への空気の導入ならびに系内から
の空気の排出のための空気通路３９が接続されており、
かつその先端部は、リザーバタ／り３１内の上部空間に
開口している。そして、上記空気通路３９には、開閉弁
として常閉型の第１電磁弁４０が介装されている。

上記各電磁弁３８　、２１　、３５　、３６　、４０と
ヒータ用ポンプ１３と冷媒供給ポンプ４および冷却ファ
ン１８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４１によって制御されるものであり、センサ類
として、ウォータジャケット２の所定レベルに配設され
た第１液面センサ４２と、ウォータジャケット２の適宜
位置に配設された温度センサ４３と、ロアタンク１７の
比較的上部に配設された第２液面センサＩと、循環系最
上部に配設されたダイヤプラム式負圧スイッチ４５と、
ヒータコア１０の冷媒出口に配設されたヒータ用温度セ
ンサ４６とを備えている。

次に上記沸騰冷却装置の制御の概略ならびに各部の作動
について説明する。

先ず機関の始動前においては、系内が液相冷媒（例えば
エチレングリコール水溶液）で路溝たされており、かつ
リザーバタンク３１には液相冷媒が僅かに残存している
。機関が始動すると、再始動時、具体的には系内温度が
４５℃以上である場合を除き、急速暖機制御が実行され
、系内に一旦空気を導入して暖機を促進させた後、不凝
縮気体である空気の排出を行う。

第２図はこの急速暖機制御の詳細を示すフローチャート
であって、初めに第１電磁升４０を「開」、第３電磁升
あを「閉」、第２電磁升２１、第４電磁升謁および第５
電磁弁３８を夫々「流路Ｂ」とし、かつヒータ用ポンプ
１３を作動させる（ステップ１゜２）。これによりウォ
ータジャケット２内の液相冷媒がヒータコア１０を経て
第４補助冷媒通路３７からリザーバタンク３１に強制的
に排出され、かつ同時にウォータジャケット２上部に空
気通路Ｉを通して空気が導入される。この冷媒の排出は
、所定時間、具体的には第１液面センサ４２の設定レベ
ル近傍まで液面が低下するように予め設定した時間継続
される（ステップ３）。所定時間経過したら、ヒータ用
ポンプ１３を停止し、かつ第５［磁９Ｆ３８を「流路Ａ
」として、その状態で温度上昇を待つ（ステップ６．７
）。尚、運転条件によって冷媒排出中に冷媒温度が例え
ば６０℃に貧した場合には、冷媒排出は中止する（ステ
ップ４〕。

上記のように冷媒排出を行うことによって、ウォータジ
ャケット２内に保有する冷媒量が少なくなり、かつウォ
ータジャケット２上部を空襲で断熱した状態で暖機運転
がなされる。従って、ウォータジャケット２内の冷媒温
度は急速に上昇する。

冷媒温度が９１℃に達したら、第４電磁弁謁を「流路Ａ
」とし、かつヒータ用ポンプ１３を作動させて（ステッ
プｉｏ　、　１１　）　、リザーバタンク３１から系内
に液相冷媒を強制的に導入し、空気通路３９を通して空
気を排出する。またリザーバタンク３１からの冷媒導入
によりウォータジャケット２内の冷媒温度が８９℃以下
に低下した場合には、温度が回復するまで冷媒導入を中
断しくステップ６．７）、過度の温度低下を回避する。

そして、この冷媒導入による空気排出は、最終的にその
積算時間が所定値に達するまで行われる（ステップ８　
＊　９　、１２）。

これは系内が液相冷媒で満たされるに十分なように設定
された時間であり、これによって系内から不凝縮気体で
ある空気が完全に排出される。

尚、冷媒供給ポンプ４として正逆転可能なボ／ブを用い
、その逆転によってリザーバタンク３１から系内に液相
冷媒を導入するようにしても良い。

以上の急速暖機制御が終了したら第１電磁升４０を「閉
」、第３電磁升あを「開」、第４電磁升３６を「流路Ｂ
」とし、更に温度センサ４３による検出温度が目標温度
に達したら第３１１１磁弁あを「閉」として系内を密閉
する。上記目標温度は、冷媒の常圧下での沸点を超えな
い範囲内、例えば８０〜１０５℃程度の範囲内において
機関の負荷や回転速度等の運転条件に応じて逐次最適に
設定される。

このようにして暖機が完了し、系内を密閉した後は、冷
媒供給ポンプ４のＯＮ、ＯＦＦによるウォータジャケッ
ト２内の冷媒液面の維持と、冷却ファン１８のＯＮ　、
ＯＦＦおよびコンデンサ３内の冷媒液面の上昇、下降に
よる温度制御とがキーＯＦＦ時捷で繰り返し実行されて
、冷媒の沸騰。

凝縮サイクルを利用した効率の良い冷却が行われの結果
、その冷媒液面が第１液闇センサ４２の設定レベルを下
廻ったら、第２電磁９Ｐ２１を「流路Ｂ」とした状態で
冷媒供給ポンプ４をＯＮとし、ロアタ７り１７からウォ
ータジャケット２へ液相冷媒を補給する。尚、ロアタン
ク１７に液相冷媒が存在しない場合などには心安に応じ
てヒータ用ポンプ１３を利用してリザーバタンク３１か
ら液相冷媒を補給する。これによりウォータジャケット
２内の冷媒液面は常に第１液面センサ４２の設定レベル
近傍に維持される。また冷却ファン１８は、「目標温度
上０．５℃」程度の比較的微細な温度範囲でＯＮ。

ＯＦ　Ｆ　ｌ！ＩＩ御する。これによってコンデンサ３
における凝縮性能の比較的微細な調整が応答住良〈行わ
れる。また、検出温度が目標温度から比較的大きく（例
えば２〜４℃程度）離れた場合には、リザーバタンク３
１とコンデンサ３との間で液相冷媒を移動させてコンデ
ンサ３の実質的な放熱面積を可変制御する。具体的には
、検出温度が目標温度よシ高ければ、第２を磁弁２１金
「流路Ａ」とした計訃ヤ冷罰２＋１鉛ゼソブＡＶ↑ｈ妨
釦冷岸を排出１７、コンデンサ３内の冷媒液面を低下さ
せる。これによりコンデンサ３の放熱能力が増大し、直
ちに沸点の低下を来して系内温度が速やかに低下する。

尚、上述したように目標温度は常圧下での冷媒沸点よシ
も低く設定されるので、通常は始動後コンデンサ３内か
ら適宜な量の液相冷媒が排出された段階で初めて減圧沸
騰を生じることになる。逆に検出温度が目標温度より低
ければ、第３電磁弁おを「開」とし、系内外の圧力差を
利用してリザーバタンク３１からコンデンサ３に液相冷
媒を導入し、その冷媒液面を上昇させる。これにょシコ
ンデンサ３の放熱能力が抑制され、系内温度は速やかに
上昇する。すなわち、系内温度を車両走行風等の外乱に
影響されずに高精度に可変制御できる。

尚、冬季などに図示せぬヒータスイッチがＯＮ操作され
ればヒータポンプ１３が作動し、ウォータジャケット２
内の高温液相冷媒がヒータコア１０に循環供給される。

次に機関停止後は、電源ＯＦＦに伴って常開型電磁弁で
ある第１電磁弁関が「閉」に、常開型電磁弁である第３
電磁升おが「開」になる。従って、温度低下つ甘り圧力
低下に伴ってリザーバタンク３１から液相冷媒が系内に
移動し、Ｒ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、停止中の系内負圧化によるシールの損
傷等が防止される。そして、ウォータジャケット２内壁
面等が液相冷媒で覆われた状態を保つので、酸化、腐食
の虞れがない。

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、ウォータジャケット内に保
有する液相冷媒を減少させ、かつ上部を空気で断熱した
状態として急速暖機を火現することができる。そして機
関停止中はウォータジャケットの内部に空気が導入され
ていないので、酸化、腐食といった不具合を生じること
がない。

またモータ用ポンプを用いてウォータジャケットからリ
ザーバタンクへ液相冷媒を強制的に排出するので、リザ
ーバタンクの取付位置が伊Ｊら制約されない。

【図面の簡単な説明】

第１図はこの発明の一実雄例を示す構成説明図、第２図
はこの実施例における制御の要部を示すフローチャート
である。１・・・内燃１Ｌ　２・・・ウォータジャケット、３・
・・コンデンサ、４・・・冷媒＃鞄ポンプ、８・・・蒸
ｉマ＝ホルト、ｌＯ・・・ヒータコア、１３・・・ヒー
タ用ポンプ、１７・・・ロアタンク、１８・・・冷却フ
ァン、１９・・・冷媒循環通路、ｍ・・・第１補助冷媒
通路、２１・・・第２’ｆｌａ升、３１・・・リザーバ
タンク、３３・・・第２補助冷媒通路、詞・・・第３補
助冷媒通路、お・・・第３電磁弁、あ・・・第４電磁升
、３７・・・第４補助冷媒通路、謔・・・第５電磁升、
３９・・・空気通路、４０・・・第１電磁弁、４１・・
・制御装置、４２・・・第１液面センサ、４３・・・温
度センサ、４４・・・第２液面センサ、４５・・・負圧
スイッチ。第２図

Claims

【特許請求の範囲】

（１）ウォータジャケットとコンデンサと冷媒供給ポン
プとを主体として構成され、かつ機関停止中は液相冷媒
で満たされた状態にある冷媒循環系と、この冷媒循環系
の外部に設けられ、かつ大気開放されたリザーバタンク
と、上記ウォータジャケットにヒータ用通路を介して接
続され、かつヒータ用ポンプによつてウォータジャケッ
トから液相冷媒が循環供給される車室暖房用ヒータコア
と、上記ヒータ用ポンプの下流側に配設され、かつこの
ヒータ用ポンプの吐出ポートを上記ウォータジャケット
あるいは上記リザーバタンクに選択的に連通させる流路
切換機構と、上記ウォータジャケットの上部と大気との
間を開閉する開閉弁とを備え、機関の冷間始動時に、上
記ヒータ用ポンプを用いてウォータジャケット内からリ
ザーバタンクに液相冷媒を排出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。