JPS6296722A - 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、液相冷媒を冷媒ジャケット内で沸騰気化させ
て内燃機関の冷却を行う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〉 潜熱を利用した熱交換効率の向上、高温度冷却による燃
料消費率の向上、燃焼室壁の均一温度冷却、制御の容易
性及び装置の小型軽量化等の観点から、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おり、例
えば特公昭４７−５０１９号公報や特開昭５７−６２９
１２号公報に記載のものが知られている。しかし、特公
昭４７−５０１９号公報に記載の装置は、冷媒ジャケッ
トの上壁面にコンデンサを立設し、冷媒ジャケットから
立ち上がった発生蒸気がコンデンサに自然に流入すると
ともに、凝縮した液相冷媒がそのまま冷媒ジャケットに
滴下するようにした構成であって、コンデンサの下方か
ら上昇してくる蒸気流によって、コンデンサ内で凝縮し
た液滴もコンデンサの外部に押し出してしまうおそれが
ある、など冷媒ジャケットで保有する冷媒量やコンデン
サの放熱量などが非常に不安定なものであり、安定した
冷却が必要な自動車用機関などには到底適用できない。

また特開昭５７−６２９１２号公報に記載の装置は、冷
媒ジャケットの発生蒸気を分離タンクを介してコンデン
サに導入するとともに、液化した冷媒をポンプによって
一旦分離タンクに圧送し、該分離タンク内液面と上記冷
媒ジャケット内液面とが自然に等しくなることを利用し
て冷媒ジャケット内へ分離タンクから冷媒を補給するよ
うに構成したものであるから、冷媒ジャケット内の液面
レベルが過渡的に不安定化し易く、燃焼室壁等が局部的
に冷却不良となるおそれがある。

これに対し、本出願人は、冷媒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
系を形成するとともに、上記冷媒ジャケットの所定レベ
ルに液面スイッチ或いは温度スイッチを配設し、冷媒ジ
ャケットで発生した冷媒蒸気をコンデンサに導いてその
ロワータンクに凝縮させた後、上記スイッチの検出に基
づく冷媒供給ポンプの作動によって再度冷媒ジャケット
に補給して、冷媒ジャケット内の冷媒液面を所定レベル
に保つ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６０−３６
７１５号公報等）。

しかし、これらのものはいずれも液面スイッチ或いは温
度スイッチの検出信号に基づき各種電磁弁及び冷媒供給
ポンプを電子制御することにより、あらゆる機関の運転
条件を考慮した沸騰冷却装置の制御システムを提供する
ものであるから、高い信頼性ならびに耐久性、安全性が
要求されるものであって、この点からして装置の簡素化
、低コスト化が困難である。

またこれらのものは、特にコンデンサ下部のロワータン
クに凝縮して貯留される液相冷媒を冷媒供給ポンプを介
して機関の冷媒シャケ７）に導く構成を採用しているが
、ロワータンク内の液相冷媒量即ち液面レベルは、コン
デンサの放熱能力を左右するのに対し、冷媒供給ポンプ
は機関の冷媒ジャケット内の液相冷媒レベル若しくは冷
媒温度に応じて作動するから、ロワータンク内の液相冷
媒レベルが大きく変動し、コンデンサにおける放熱量を
大きく変化させるおそれがある。かかる放熱量の変化は
気相冷媒（蒸気）圧力を変動させ、ひいては冷媒ジャケ
ット内の液相冷媒の沸点を変動させて機関温度が不安定
になり易い。

また車両運転状況によって、例えば旋回時等にはロワー
タンク内液相冷媒に横Ｇが加わり液面が片寄った場合或
いはコンデンサの冷却性異常等で例えば機関高速高負荷
運転時又は走行風が不足する機関アイドリング運転時に
、コンデンサ内の凝縮液化能力が低下し、気相冷媒がロ
ワータンク内にまで侵入しリザーバタンク内へ放出され
るような場合、ロワータンク内の気相冷媒を供給ポンプ
が吸い込み、一時的に液相冷媒の供給ができなくなると
いったように冷媒供給が不安定になり易い。

このため前者の装置の簡素化を図ることを目的として本
出願人は新しく特願［６０−１４７８１３号を提案した
。これを第２図により説明するが、このものでもやはり
後者の不都合を除去できないでおり、更には新たな他の
不都合も発生している。

即ち第２図に示す沸騰冷却装置は、暖機が完了した通常
運転時には、冷媒は冷媒ジャケット１内で沸騰気化し、
その際の気化潜熱で各部を冷却した後、コンデンサ２に
流入して凝縮し、ロワータンク３に貯留される。冷媒供
給ポンプ４は、冷媒ジャケット１に配設された温度スイ
ッチ５が検出する冷媒温度に基づいて、ロワータンク３
から冷媒ジャケット１に連続的に液相冷媒を供給する。

冷媒ジャケット１の余剰冷媒排出口６から溢れ出た液相
冷媒はオーバーフロー通路７を通して、高低差ならびに
若干の圧力差によりロワータンク３に自然に戻される。

この結果、冷媒ジャケット１内の冷媒液面は常に所定レ
ベルに維持される。リザーバタンク８内の冷媒は、機関
停止時等に系内の圧力低下に伴って系内に流入し、最終
的には系全体が液相冷媒で満たされる。機関始動後は、
冷媒ジャケット１内で沸騰が開始する結果、系内の圧力
が上昇して液相冷媒がリザーバタンク８に自然に押し出
され、系上部に必要な蒸気空間が確りされる。ここで、
冷媒供給ポンプ４は、所定の暖機完了温度に達するまで
停止しているので、冷媒ジャケット１内の冷媒は滞留状
態に保たれ、速やかな暖機の進行を図る。

〈発明が解決しようとする問題点〉 しかしながら、上記の如き制御系統並びに全体構成を簡
素化した沸騰冷却装置によると、冷媒供給ポンプ４は冷
媒ジャケット１内の冷媒温度が所定値以上に上昇したと
きに作動して、ロワータンク３内の凝縮冷媒を冷媒ジャ
ケット１内に圧送するから、該冷媒圧送量はコンデンサ
２の放熱能力即ちロワータンク３内の冷媒レベルに無関
係となる。従って、車両が横Ｇを受けてロワータンク３
内の液相冷媒に偏りが生じたり、コンデンサ２が放熱性
異常等を生じコンデンサ２にて完全に気相冷媒が凝縮液
化せずリザーバタンク８に気相冷媒が出てしまうような
場合、ロワータンク３内の液相冷媒量が少ないため短時
間のうちに機関へ液相冷媒の供給ができなくなる。然も
新たに冷媒ジャケット１内の液面制御にオーバーフロー
通路７を設けて全体装置を簡略化しようと試みたから、
冷媒ジャケット１からの加熱された冷媒のオーバーフロ
ー流がロワータンク３内の冷媒レベルを変動させて上記
不都合を更に助長させる結果となり、また高熱冷媒によ
り冷媒供給ポンプ４がキャビテーションを生じるおそれ
が発生し易いという新たな問題点も提起されるようにな
った。

本発明は上記に鑑み、機関への液相冷媒供給を常に安定
させ、コンデンサ冷却不良或いは車両旋回という問題が
起きてもこれにより直ちに機関への液相冷媒供給が不能
となることのない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〉 そのために本発明に係る内燃機関の沸騰冷却装置では上
部に蒸気出口を有しがっ所定レベルにまで液相冷媒が貯
留される冷媒ジャケットと、該冷媒ジャケット内の適正
レベル位置に設けられ液相冷媒と気相冷媒とを区別して
検出する液面検出手段と、前記冷媒ジャケットから発生
した気相冷媒が上部に導入され下部から凝縮液相冷媒が
取り出されるコンデンサと、前記凝縮液相冷媒を一時貯
溜する大気開放型のリザーバタンクと、前記液面検出手
段が気相冷媒を検出した信号に基づいて作動され、リザ
ーバタンク内の液相冷媒を前記冷媒ジャケットに圧送す
る冷媒供給ポンプと、を備えて構成する。

く作用〉 上記構成によると、通常運転時は、冷媒ジャケット内の
冷媒は燃焼室壁から吸熱して沸騰し、その気化潜熱によ
り熱交換効率良く燃焼室壁を冷却する。該冷却作用は局
所的に高熱部分がある場合はこの部分に激しく沸騰がな
されて集中的に冷却がなされ均一温度分布となる。気相
冷媒（蒸気）はコンデンサにおいて潜熱を大量に放熱し
て凝縮するから熱交換効率が良くコンデンサの小型化が
図れる。凝縮液相冷媒は直接ではなく、大容量のリザー
バタンクに一旦貯留された後に液面スイッチの出力に基
づいて冷媒ジャケット内の液相冷媒レベルを一定レベル
に保持すべく冷媒供給ポンプの作動により冷媒ジャケッ
ト内に還流されるので車両走行状態によって冷媒供給が
不良となったりコンデンサ冷却性能異常等により直ちに
液相冷媒供給ができなくなるようなことがなく安定して
供給が可能となる。

冷媒ジャケット内の液相冷媒の沸騰温度即ち蒸気圧力は
リザーバタンクにかかる大気圧により決まり、液相冷媒
供給ポンプの作動にては沸騰温度は変化せず常に冷媒沸
騰温度を略一定に安定することが可能となる。

〈実施例〉 以下に本発明の実施例を第１図に基づいて説明する。

内燃機関１１は冷媒が貯留される冷媒ジャケット１２を
備えており、コンデンサ１３は冷媒ジャケット１２から
送られる気相冷媒を凝縮してその凝縮液相冷媒を下部の
ロワータンク１４内に貯留する。ロワータンク１４内の
液相冷媒はリザーバタンク１５に一旦貯留された後に冷
媒供給ポンプ１６を介して前記冷媒ジャケット１２内に
還流される。冷媒供給ポンプ１６は、冷媒ジャケット１
の所定高さ位置に設けられ気相冷媒と液相冷媒とを区別
して検出する液面検出手段としての液面スイッチ１７の
検出信号に基づいて作動及び作動停止を行う。これが本
発明の概略的構成である。

前記冷媒ジャケット１２は、内燃機関１１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１
８及びシリンダヘッド１９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
ていると共に、その上部の適宜な位置に蒸気出口２工が
設けられている。蒸気出口２１は、接続管２２及び蒸気
通路２３を介してコンデンサ１３の上部入口１３ａに連
通しており、かつ上記接続管２２には、冷媒循環系の最
上部から大気開放路２４が上方に立ち上がった形で形成
され、該大気開放路２４に電磁弁２５が介装されている
。

また前記冷媒ジャケット１２の所定レベル、具体的には
シリンダヘッド１９側の燃焼室上方の略中間の高さ位置
において、前記液面スイッチ１７が配役されている。尚
、２６は上記冷媒ジャケット１２にヒータ用通路２７を
介して接続された車室２８暖房用のヒータコアであり、
その下流側に、図示せぬヒータスイッチに連動して作動
するヒータ用ポンプ２９が設けられている。

コンデンサ１３は、上部人口１３ａを有するアッパタン
ク３１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３２と、このコア部３２で凝縮された液相冷媒
を一時貯留するロワータンク１４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、更にその前面或いは背面に、強制冷却用の電動
式冷却ファン３３を備えている。

ロワータンク１４の比較的上部に冷媒循環通路３４の一
端が接続されており、他端がリザーバタンク１５に連通
接続されている。

リザーバタンク１５は、その上壁に通気性を有する冷媒
供給用キャップ３５が着脱自由に設けられる。

リザーバタンク１５には、電磁弁２５を開弁した状態で
、大気開放路２４及びキャンプ３５から空気が全体系内
に入り込み、液相冷媒液面レベルが均一になって、冷媒
ジャケット１２内の液面スイッチ１７配設レベルに位置
するような量の冷媒が供給される。

リザーバタンク１５の底部には冷媒循環通路３６の一端
が接続されており、かつこの他端が冷媒ジャケット１２
のシリンダブロック１８側に設けた冷媒人口１２ａに接
続され、中間部には、冷媒供給ポンプ１６が介装されて
いる。冷媒供給ポンプ１６の冷媒流量は、高速高負荷時
における最大蒸気発生量及び液滴のまま冷媒ジャケット
１２から持ち出される冷媒量を考慮して、最大に必要な
冷媒循環量を若干上回る程度に設定されている。

前記電磁弁２５は常閉型であり開閉は図示しないイグニ
ッションスイッチと連動しイグニッションスイッチオン
では、シリンダヘッド１９内の冷媒ジャケット１２に設
けた温度スイッチ４１のオン・オフに基づいて行われる
。温度スイッチ４１は例えば４５℃に設定され、該設定
温度以下でオンとなり電磁弁２５を開弁する。またイグ
ニッションスイッチオフでは電磁弁２５は常閉型である
ので閉弁している。

冷却ファン３３はロワータンク３内に設けた温度スイッ
チ４２のオン・オフに基づいて行われる。温度スイッチ
４２が設定値以上であることを検出すると冷却ファン３
３を回転作動させて、コンデンサ２の放熱作用を増大す
る。

蒸気出口２１には蒸気流とともに持ち出される液相冷媒
がコンデンサ２へ流入することを防ぐため、液相冷媒を
回収するよう冷媒ジャケット１２に連結された液相冷媒
回収通路４３を設けた構造となっている。

次に上記のように構成された沸騰冷却装置の作動につい
て説明する。

先ず機関停止では電磁弁２５は閉弁している。そこから
機関始動（イグニッションスイッチオン）すると、冷媒
ジャケット１２内の温度が４５℃以下の場合温度スイッ
チ４１がオンとなるため電磁弁２５が開弁する。従って
循環系内には大気開放路２４及びリザーバタンク１５の
キャップ３５を通じて大気が導入され、リザーバタンク
１５．コンデンサ１３及び冷媒ジャケット１２内に液面
レベルを同一として液相冷媒（例えばエチレングリコー
ル水溶液）が平衡する。

冷媒ジャケット１２内冷媒は機関運転にともない吸熱し
温度上昇する。この時冷媒ジャケット１２内に余分な冷
媒がない、即ち受熱容量が少なくかつ冷媒はただ留って
いるだけなので短時間で暖機することができる。ヒータ
を使う低外気温状態においても同様で極低温の場合には
余分な冷媒に熱を加えずかつ液相冷媒に接する冷媒ジャ
ケット１２の壁面部分が少ないので外壁から放熱する量
も少なくヒータ性能の向上を図ることができる。また初
期に入れた冷媒量が少なく電磁弁２５が開弁じて平衡す
る位置が冷媒ジャケット１２内の液面スイッチ１７より
低位となると冷媒供給ポンプ１６が作動し冷媒を補給す
るので確実に燃焼壁を冷却することができる。

暖機が進み冷媒ジャケット１２内の液相冷媒が４５℃の
設定温度を超えるようになると、電磁弁２５が大気開放
路２４を閉鎖する。従って冷媒循環系はリザーバタンク
１５のキャップ３５を通じてのみ大気開放された閉ルー
プ冷媒循環系となる。冷媒温度が更に上昇すると、冷媒
ジャケット１２内の冷媒がやがて沸騰を開始し、冷媒ジ
ャケット１２の上部ならびにコンデンサ１３上部に徐々
に気相冷媒領域が形成されてい（とともに、沸騰による
内圧の上昇によって系内から液相冷媒が冷媒循環通路３
６を介してリザーバタンク１５内に徐々に押し出される
。

ところで機関始動時に冷媒循環系上部に導入されていた
不凝縮気体である空気は冷媒沸騰後気相冷媒に押されて
コンデンサ１３に導かれる。これによりコンデンサ１３
の放熱能力が低下するが、空気は更に押し下げられ冷媒
循環通路３４を通ってリザーバタンク１５に押し出され
る。つまり空気は自然排出されるわけである。尚、空気
と共に若干の気相冷媒もリザーバタンク１５内に流出す
るが、これは該タンク１５内で凝縮して回収される。

このようにしてコンデンサ１３の上部に気相冷媒領域が
拡大するに従ってコンデンサ１３の放熱能力が増大する
ので、この放熱量と気相冷媒圧力即ち機関の発熱量（液
相冷媒が激しく沸騰して蒸気が多く発生すると冷媒ジャ
ケット１２内の冷媒液面が低下しこれを検出した液面ス
イッチ１７の出力により冷媒供給ポンプ１６が作動し、
液相冷媒を冷媒ジャケット１２内に供給するが、結果的
に冷媒ジャケット１２内の液相冷媒温度は上昇すること
がなく略一定値に保持される）とが平衡した位置にコン
デンサ１３内の液面位置が定まり、以後は、機関の負荷
変動による発熱量の増大成いは車両走行風、冷却ファン
３３の風量等に応じて、コンデンサ１３内の液面位置が
自然に上下動しつつ系内温度を略一定に保つ。冷却ファ
ン３３は、ロワータンク１４内の冷媒温度が高まると温
度スイッチ４２の検出信号により作動開始し、コンデン
サ１３を強制冷却する。ロワータンク１４内の冷媒温度
はコンデンサ１３の使用度合の状況（気相冷媒がコンデ
ンサコア部３２に占める割合）を表し、坂道のように走
行風が少なく機関発熱量が大きい場合や、アイドリング
時のように走行風がない場合はロワ−タンク１４内冷媒
温度は高温となる。ここでロワータンク１４の温度スイ
ッチ４２の作動温度設定をコンデンサ１３の使用度合が
最大限となる温度（最大使用時のロワ−タンク１４液相
冷媒温度は気相冷媒温度付近となる）　９０℃〜１００
℃程度で冷却ファン３３を作動させる。従って機関運転
時のほとんどは冷却ファン３３が作動せず必要最小限の
時のみ作動することになるので電気負荷の低減が可能と
なり騒音の低減も可能となる。また、冷媒供給ポンプ１
６は液面スイッチ１７の検出信号に応じてリザーバタン
ク１５から冷媒ジャケラ１−１２へ液相冷媒を供給して
おり、冷媒ジャケット１２内の冷媒液面は常に所定レベ
ルに確実に維持される。

ここにおいて本発明では上記の如くロワータンク１４内
の冷媒でなく、リザーバタンク１５の冷媒を冷媒ジャケ
ット１２に供給している。リザーバタンク１５はこの中
の冷媒量がロワータンク１４に比べて充分多いように構
成されているので、リザーバタンク１５からの冷媒持ち
出しはロワータンク１４の液相冷媒量即ち冷媒液面に影
響を与えない。これにより車両が旋回して横Ｇを受はロ
ワータンク１４内の液相冷媒レベルが傾いても、或いは
機関高速高負荷運転時又は走行風が不足する機関アイド
リング運転時に、コンデンサ１３の冷却異常でコンデン
サ１３内の凝縮液化能力が低下し、気相冷媒がロワータ
ンク１４内にまで侵入しても、これはリザーバタンク１
５内へ放出されるだけで、リザーバタンク１５から冷媒
ジャケット１２内への液相冷媒供給は安定してなされる
。

また機関停止（イグニッションスイッチオフ）後は電磁
弁２５は弁閉となり系内の放熱温度低下による蒸気圧力
低下に伴って、リザーバタンク１５から系内に液相冷媒
が移動し最終的には系内が満水状態となる。これにより
始動時に導入した空気が排出されてコンデンサ１３の内
面が腐食することはない。この段階において液相冷媒温
度が４５℃以上にてホットリスタートをする場合には急
速暖機をする必要がないので電磁弁２５は弁閉のままと
するが、冷間時で液相冷媒温度が４５℃以下では電磁弁
２５を弁開とし再び系内に空気を導入し急速暖機を行う
ようにする。

上記のように本実施例では系内に積極的に空気を導入す
るようにしたことからリザーバタンク１５内の冷媒量を
少なくできひいてはリザーバタンク１５を小型化できる
。

また冷媒ジャケット１２に冷媒を供給するのにリザーバ
タンク１５から冷媒を取り出すようにしたから、コンデ
ンサ１３のロワータンク１４を実質的に省略しても、冷
媒供給ポンプ１６の作動によりコンデンサ１３内の液相
冷媒レベル制御に悪影響を及ぼさない、従ってコンデン
サ１３は極めて小型化することが可能となる。

〈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
の沸騰冷却装置によれば、複雑な制御回路や多数の電磁
弁等を用いない極めて簡単な構成でもって、冷媒の沸騰
・凝縮サイクルを利用した冷却効率や温度の均−性等に
優れた冷却を実現できる。

また冷媒ジャケットにリザーバタンクから冷媒を供給す
るようにしたため機関冷却に最も大切な液相冷媒の冷媒
ジャケットへの補給を常に安定して行うことができる。

更に機関始動時には冷媒ジャケット内に冷却に必要最小
限の液相冷媒しか貯留されないため、急速暖機が可能で
あり、かつ空気の侵入に対しても格別の作動を行うこと
なく自然的に排出でき信頼性及び安全性に優れたものと
なる。また冷却ファンの作動もコンデンサを十分活用し
た状態で行なえることから冷却ファンの依存度が少なく
省電力低騒音化が可能となる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の一実施例を示す概略構成説明図、第２
図は従来例の概略構成説明図である。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 上部に蒸気出口を有しかつ所定レベルにまで液相冷媒が
   貯留される冷媒ジャケットと、 該冷媒ジャケット内の適正レベル位置に設けられ液相冷
   媒と気相冷媒とを区別して検出する液面検出手段と、 前記冷媒ジャケットから発生した気相冷媒が上部に導入
   され下部から凝縮液相冷媒が取り出されるコンデンサと
   、 前記凝縮液相冷媒を一時貯溜する大気開放型のリザーバ
   タンクと、 前記液面検出手段が気相冷媒を検出した信号に基づいて
   作動され、リザーバタンク内の液相冷媒を前記冷媒ジャ
   ケットに圧送する冷媒供給ポンプと、 を備えたことを特徴とする内燃機関の沸騰冷却装置。