JPS61123712A - 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
冷媒の沸騰気化線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 自動雇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）の沸騰・凝縮の廿イクルを利
用した沸騰冷却装置が、例えば特Ｇ［１５７−６２９１
２号公報多こ記載されている。

この従来の装置は、ウォータジャケットと分離タンクと
を略等しい高さに設置し、両者間で自然循環的に液相冷
媒の液面位置を調整するとともに、分離タンクからコン
デンサに冷媒蒸気を導いて凝縮させ、水溜め内に集めた
液相冷媒を、常時駆動される電動ポンプにて再び分離タ
ンクに戻すように構成されている。また系内１度を安定
的ｌζ維持するために、コンデンサ下流側を虐待大気に
開放して系内圧力を略大気圧としている。

また一方１本出願人は密閉系内で冷媒の沸騰・凝縮のチ
イクルを行わせるとともに、冷媒供絽ポンプを用いてウ
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
ようにした沸騰冷却装置を種々提案している（例えば特
願昭５８−１４５４７０号、特願昭５８−２２８１４８
号、特願昭５９−１００１５６号、特願昭５９−１４０
３７８号等）、これはウォータジャケットとコンデン井
と冷媒供給ポンプとを主体として密閉した冷媒循環系を
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サを装着したもので、この設定レ
ベルまで液相冷媒（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タンせに導いて凝縮し、コン
デンナ下部に液相冷媒として回収した後、上記液面セン
サの検出信号に基づいて例えばＯＮ、ＯＦ？　制御され
る冷媒供給ポンプｌζ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。

発明が解決しようとする問題点 上記の特開昭５７−６２９１２号公報に記載の装置では
、分離タンクを介して自重による自然循環的な方法で液
面調整を行っているめで、配管や構成が比較的複雑であ
るとともに、装置全体として保有する冷媒量が非常に多
くなり、スペース的。

重量的に好ましくない。しかも、この自重による方法で
は、過渡時に安定した液面位置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ｂｏ これに対し、本出願入が先に提案した沸騰冷却装置のよ
うにウォータジャケット内の冷媒液面を強制的に制御す
れば、負荷条件等が変化しても液面を確実に設定レベル
に維持できること番こなり、燃焼室壁等高傷部位の露出
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。しかし
、冷媒供給ポンプ自体の制御によって循環量を調節する
ためには、冷媒供給ポンプとして電動式ポンプを用いる
必鯖があり、従前の水冷式冷却製蓋における所謂ウォー
タポンプのような形式に比べてコストが嵩むとともに、
消費電力が比較的大きい。

また１分離タンクを介さずにウォータジャケットを直接
にコンデンサに連通させた場合、高負荷時などにウォー
タジャケットから蒸気とともに冷媒液滴が持ち出され、
コンデンサの熱交換効率を低下させるとともに、上記冷
媒供給ポンプの負担が急激Ｉζ増大するという問題があ
る。これに対処するには、クォータジャケットとコンデ
ンサとの閏の蒸気通路中に、液流の流れを阻止する液相
冷媒回収器を設けて、ここからウォータジャケット等に
送り戻せば良いのであるが、上記冷媒供給ポンプと別個
に電動式ポンプを設けるとすると、コストならびに消費
電力が更に増大することになり、また制御システムも複
雑なものとなる。

この発明は、先に提案した上記のような沸騰冷却装置を
更に発展させたものであり１機関出力によって常時駆動
される簡易な冷媒供給ポンプを利用して、ウォータジャ
ケット内の冷媒液面の強制的な制御と、ウォータジャケ
ットから持ち出されだ液滴の回収とを実現し、構成の闇
素化ならびに消費電力の軽減を図ることを目的としてい
る。

問題点を解決するための手段 この発明に係る内燃機関の沸騰冷却装置は、上部に蒸気
出口を有し、かつ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、上記
蒸気出口に蒸気通路を介して接続され、かつ下部に凝縮
した液相冷媒が貯留されるコンデンサと、上記；ンデン
ナの下部と上記ウォータジャケットとを連通した冷媒循
環通路と、この冷媒循環通路に介装され、かつ機関出力
によって常時駆動される冷媒供給ポンプと、上記コンタ
ンせの下部と上記冷媒供給ポンプとの間に介装され、上
記液面センサの検出信号に応じて上記冷媒循環通路を開
閉する開閉弁と、上記蒸気通路に介装された液相冷媒回
収器と、この液相冷媒回収器と上記冷媒供給ポンプの吸
入側とを連通した冷媒回収通路とを備えて構成される。

作　　用 ウォータジャケット内ｌζ貯留されている液相冷媒は、
機関の燃焼熱を受けて沸騰し１機関名部を冷却する。そ
して発生した冷媒蒸気はコンデンサに案内されて凝縮す
る。この沸騰によってウォータジャケット内の冷媒液面
が所定レベル以下となると、液面センせの検出信号ｌこ
より開閉弁が開作動し、常時駆動されている冷媒供給ポ
ンプによってコンデンサからウォータジャケットへ液相
冷媒が循環供給される。この結果、ウォータジャケット
内の液面レベルは常に略一定に保たれる。−万、発生蒸
気とともにウォータジャケットから持ち出された冷媒液
滴は蒸気通路中の液相冷媒回収器によって捕捉回収され
る。そして、直ちに冷媒供給ポンプによってウォータジ
ャケットに送り戻される。

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は上記ウォータジャ
ケット２およびコンデンサ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を示している。

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。このウォ
ータジャケット２内には、通常第１液面セン−１−８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、かつ内
部の適宜位置に温度セン＋９が装着されている。また内
燃機関１の前端部には冷媒供給ポンプ１０が装着され、
その吐出ポートｌＱａが上記ウォータジャケット２下部
の冷媒供給口２ａにＷ！続されている。上記冷媒供給ポ
ンプ１０は１周知のウォータポンプと同様の遠心式ポン
プであって、ブー１）１および図示せぬベルトを介して
機関クランク軸に連動し％機関出力によって常時駆動さ
れる構成となっている。

尚、同一発熱量の機関で比較した場合に周知の水冷式冷
却装管におけるウォータポンプの１／１０　程度の容量
があれば十分であり、非常に小型の冷媒供給ポンプ【０
を使用することができる。

コンアン４Ｆ３は、上記蒸気比ロアに蒸気通路１２を介
して連通したアッパタンク１３と、上下方向に沿った微
細な千ユープを主体としたコア部１４と、液化冷媒を一
時貯留するロアタンク１５とからなり、厘両前部などム
両走行風を受は取る位置に設置され、かつその前面もし
くは背面に強制冷却用の電動式冷却ファンＩ６を備えて
いる。また上記ロアタンク１５は、所定レベルに第２液
面セン＋１７を有し、かつ底部に冷媒循環通路１８なら
びに第１補助冷婁通路１９の一端が夫々接続されている
。上記冷媒循環通路１８は、その他端が上記冷媒供給ポ
ンプ１０の吸入ポー）　ＩＱ　ｂに接続されており、か
つ中間部に。

三方型の第１′屯磁弁２０ならびに開閉弁として機能す
る常開型の第２ｔｆ！ｉ弁２１が介装されている。上記
第１を自弁２０は、冷媒循環通路１８を連通させる流路
Ａの状態と、冷媒循環通路１８を遮断して第２補助冷媒
通路２２を冷媒供給ポンプ１０側に連通させる流路Ｂの
状態とに切換可能となっている。

リザーバタンク４は、系内の空気排出等に用いる予備の
液相冷媒を貯留するもので、通気機能をＭするキャップ
２３を介して大気ｌこ開放されているとともに、その底
部に、上記第１補助冷媒通路１９と第２補助冷媒通路２
２とが夫々接続されている。

上記第１補助冷、媒通路１９０通路中には、常開型の第
３ｆｉｆａ弁２４が介装されている。

−万、上記蒸気通路１２は、例えばゴムホース等にて構
成されており、その途中に液相冷媒回収器５が介装され
ている。この液相冷媒回収器２５は、蒸気通路１２の底
部に沿って流れる液相冷媒の流れを阻止するように、例
えば屈曲部あるｈは仕切壁等を設けたもので、液相冷媒
が集められる底部に冷媒回収通路２６の一端が開口して
おり、かつ上記冷媒回収通路２６の他端は冷媒供給ポン
プ１０の吸入ボートｔａ　ｂに接続されている。そして
、上記冷媒回収通路２６の吸入ボート１０ｂとの接続前
近傍には、ｔｍアク千ユエータ２７に連動して開閉する
バタフライ弁２８が設けられている。

また上記液相冷媒回収器２５は、冷媒循環系の最上部ｌ
こ位置し、その上壁部に空気排出通路２９が接続されて
いる。この空気排出通路２９は、先端がリザーバタンク
４内に開口し、かっ１）！！路中に常閉型の第４電磁弁
３０が介装されている。

上記の沸騰冷却装置は、所鎮マイクロコンピュータシス
テムを用いた制御装置３１によって所定のプログラムに
従って制御されるものであり、以下。

その制御について説明する。

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。すなわち、第１電磁
弁四を「流路Ｂ」、第２電磁弁２１を「開」、第３’ｉ
ｔ磁弁２４を「閉」、第４寛磁弁３０を「開」、バタフ
ライ弁あを「閉」の状態に一定時間保持する。始動と同
時に冷媒供給ポンプ１０が作＠開始しているので、系外
のりザーバタンタ４から系内に液相冷媒が強制的に送り
込まれる。この結果、系内に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２９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＆）が経過したら、第１′亀磁弁２０を「流路人
」、第２電磁弁２１を「閉」、第３電磁弁Ｕを「開」、
第４電出弁３０を「閉」とし、そのまま待機する。やが
て、ウォータジャケット２内寸沸騰が始まり、その発生
蒸気圧によって系内から余剰の冷媒が第３電磁弁Ｕを介
してリザーバタンク４に排出される。このとき、ウォー
タジャケット２内の冷媒液面が第１液面セン−１−８の
設定レベル以下となると、第２・電磁弁２１が開作動し
、ロアタンク１５から冷媒供給ポンプ１０により液相冷
媒が供給されて、冷媒液面を設定レベルに維持する。

そして、ａアタック１５の冷媒液面が第２液面セン４＝
１７の位置まで低下した段階で第３１）ｔ磁弁２４が噛
」となり、つまり系内が密閉されて定常的な運転状態と
なる。尚１以上の余剰冷媒の排出の間、バタフライ弁路
は「閉」となっているため、冷媒供給ポンプ１０が作動
していてもウォータジャケット２内の液相冷媒はｌＩＩ
！留状態にあり、従って速やかな暖機が実現できる。

以後は、第１液面セン４＃−８の検出信号に基づいて第
２１ｔｌｉａ弁２１が開閉し、つまり液相冷媒の循環供
給を許容あるいは遮断して、ウォータジャケット２同の
冷媒液面を設定レベルに維持する。尚。

バタフライ弁２８は、常に「開」となるように制御して
も良いが、望ましくは第２電磁弁２１の「開」時に「閉
」とし、冷媒供給ポンプ１０の吸入側通路を明確に切換
えるようにする。これにより液面の回復が一層迅速なも
のとなる。また冷却ファン１６は、温度七ン−＠−９の
検出信号に基づいてＯＮ・ＯＦＦ制御され、コンアン＋
３における凝縮を適宜促進して系内偏度を目標温度に維
持する。

また、ウォータジャケット２の蒸気出ロアからは蒸気流
に伴って冷媒液滴が流出するが、この流出した冷媒液滴
は蒸気通路１２内で気相冷媒から分離して蒸気通路１２
底部を液流となって流れて行くため、液相冷媒回収器２
５によって捕捉される。そして、常時作動し続けている
冷媒供給ポンプＩＯによって、直ちにウォータジャケッ
ト２に戻される。

従って、コンアン−１−３には常に気相冷媒のみが導入
されることになり、その放熱能力を常に最大限に確保で
きる。

一方、下り坂の走行などにより系内温度が過度に低下し
た場合には、第３　”ｒｆｆ、自弁２４を「開」とする
。これにより系内が略大気圧に維持されると同時に、コ
ンテン−１−３内にリザーバタンク４から液相冷媒が自
然に導入されて、放熱量が抑制される。

そして、その後負荷の増大などにより系内の温度。

圧力が回復すれば、その蒸気圧によって余剰の液相冷媒
が第３電磁弁冴を介して１）ザーパタンク４に自然に排
出される。この冷媒排出により系内冷媒量が所定量とな
った段階で第３１！磁弁２４が閉じられ、再び系内を密
閉した運転状態に移行する。

また機関停止後は、電源０ＦＩＦ　Ｊこより常開型岨自
弁である第３電磁弁２４が開弁状態となるので、温度低
下つまり系内の圧力低下に伴ってリザーバタング４から
液相冷媒が系内に移動する。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説明したが、この発明はこ
れに限定されるものではない。例えば。

冷媒供給ポンプ１０として他の形式のポンプを用いるこ
とも可能であり、また電磁弁の配置等も適宜変更するこ
とができる。

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
の沸騰冷却装置においては、従来のように大型の分離タ
ンクを必要とせず、かつ冷媒液面を液面センサを利用し
て強制的に設定レベルに制御しているので、装置全体の
小型化が図れるとともに、過渡時にあっても安定した冷
却性能を確保できる。また、ウォータジャケットから蒸
気流に伴って持ち出された冷媒液滴を強制的にウォータ
ジャケット番こ回収するので、コンデンサの放熱性能の
低下やウォータジャケット内の冷媒液面の急激な低下を
招来する虞れがない。そして、これらの強制的な冷媒の
送給が、単一の機械駆動式ポンプによって行われるので
、構成の簡素化、部品コストの低減が図れるとともに、
消費電力の増大を回避することができる。

【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・・・内燃慢関％２・・・ウォータジャケット、３・
・・コンタン４）１４・・・リザーバタンク、８・・・
第１液−センせ、９・・・温度セン＋、ＩＯ・・・冷媒
供給ポンプ。 １２・・・蒸気通路、１６・・・冷却ファン、１８・・
・冷媒循環通路、２１・・・第２′シ磁弁、２５・・・
液相冷媒回収器、２６・・・冷媒回収通路、あ・・・バ
タフライ弁、２９・・・空気排出血路、３１・・・制御
装置。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. （１）上部に蒸気出口を有し、かつ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、上記蒸気出口に蒸気通路を介して接続され
   、かつ下部に凝縮した液相冷媒が貯留されるコンデンサ
   と、上記コンデンサの下部と上記ウォータジャケットと
   を連通した冷媒循環通路と、この冷媒循環通路に介装さ
   れ、かつ機関出力によつて常時駆動される冷媒供給ポン
   プと、上記コンデンサの下部と上記冷媒供給ポンプとの
   間に介装され、上記液面センサの検出信号に応じて上記
   冷媒循環通路を開閉する開閉弁と、上記蒸気通路に介装
   された液相冷媒回収器と、この液相冷媒回収器と上記冷
   媒供給ポンプの吸入側とを連通した冷媒回収通路とを備
   えてなる内燃機関の沸騰冷却装置。