JPS618419A - 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、コンデンサからウォータンヤヶット内に循
環供給した液相冷媒をウォータ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九内燃機関の沸騰
冷却装置に関する。

従来の技術 自動車用機関等に用いられている周知の水冷式冷却装置
にあっては、ランエータでの熱交換効率に自から限界が
あり、大型のラジェータが必要であるとともに、ウオー
タンヤケットにおいても大量の冷却水を循環させなけれ
ば局部的な過熱を生じ易いことから装置全体としての小
型軽量化が難しい。しかも相当に多量な冷却水の循環に
よってもウォータジャケット内を均一な温度分布とする
ことができない。

このような点から、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５７−５
７６０８号公報や特開昭５７−６２９１２号公報に記載
のものが知られている。

発明が解決しようとする問題点 しかし、特公昭５７−５７６０８号公報に記載の装置は
、冷媒循環系の上部つまシ蒸気空間部分を外部に開放し
几構成である友め、継続、的な蒸気の流出を生じ、冷媒
の頻繁な補給が必要であって、実用機関には列置適用す
ることができない。ま几特開昭５７−８２９１２号公報
に記載の装置は、ウォータジャケットの発生蒸気を分離
タンクラ介してコンデ／すに導入するとともに、液化し
次冷媒を一旦上記分離タンクにポンプによシ圧送し、該
分離タンク内液面と上記ウォータジャケット内液面とを
自然に等しく保つように構成したものであるため、その
構成が比較的複雑であるとともに、ウォータジャケット
内の液面レベルが過渡的に不安定化し易いものとなり、
燃焼室壁等が局部的に冷却不良となる虞れがある。この
発明は、このような従来の問題点の解決を目的としてい
る。

問題点を解決する友めの手段 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、かつ適宜なレベルに第１液面センサが設け
られたウォータジャケットと、上記蒸気出口に接続され
るとともに、下部に液化冷媒を一時貯留する冷媒タンク
を一体もしくは別体に備えた冷媒凝縮用のコンデンサと
、上記冷媒り／りの適宜なレベルに設けられた第２液面
センサと、上記コンデンサに強制冷却風を供給すべくコ
ンデンサの約面あるいは背面に臨設され、かつ系内温度
、例えばウォータジャケット内の冷媒温度に基づいて駆
動制御される冷却ファ／と、上記冷媒タンクの下部、具
体的には上記第２液面センサの設定レベルよりも下方位
置に冷媒通路を介して常時連通され、かつ大気に開放さ
れたリザーバタンクと、上記第１液面センサの検出に基
づいてウォータジャケット内の冷媒液面を一定に保つよ
うに上記冷媒タンクからウォータジャケットに液相冷媒
を循環供給する冷媒供給手段と、上記第２液面センサの
検出に基づいて上記リザーバタンクからウォータジャケ
ットに過剰に液相冷媒を強制導入する冷媒強制導入手段
とを備えて構成され友ものである。上記冷媒供給手段お
よび冷媒強制導入手段は、例えば両者に共用される電動
ポンプと、その流路を切換える電磁弁などにて構成する
ことができる。

作用 上記の構成において、冷媒は基本的にはウォータジャケ
ット→コ／デ／す→冷媒タンク→冷媒供給手段→ウォー
タジャケットの経路でｓａ・凝縮のサイクルを繰シ返し
つつ循環し、気化潜熱を利用した効率の良い冷却が行わ
れる。具体的には、ウォータジャケット内に貯留された
冷媒は機関の熱を受けて沸騰し、蒸気となってコンデン
サに流入する。コンデ／すでは、外気による冷却で、冷
媒が凝縮され、下部の冷媒タンクに集められる。

ここで冷却ファンは、系内温度に基づいて、自然風によ
る凝縮作用を補うように作用する。また、ウォータジャ
ケット内での沸騰によりウォータジャケット内の冷媒液
面が徐々に低下することになるが、これを常に第１液面
センサの設定レベルに保つように、冷媒供給手段によっ
て冷媒タンクからウォータジャケットに液相冷媒が循環
供給される。

一方、上記冷媒タンクはその下部で系外のりザーハタン
クに連通しており、かつこのリザーバタンクは大気に開
放されているものであるから、コンデンサ内の冷媒液面
が機関発熱量に応じて上下に変動し、コンデンサの放熱
量と機関発熱量とが常に平衡する。すなわち、発生蒸気
量の増大によって系内圧力が高まると、コンデ／す内か
ら液相冷媒がリザーバタンタに押し出されるが、これに
よりコンデンサの実質的放熱面積となる気相領域が拡大
し、放熱量が増大する。また逆に発生蒸気量よシも放熱
による凝縮量が上部ると、系内圧力が下がってリザーバ
タンクからコンデ／す側へ液相冷媒が移動し、コンデン
サ内の冷媒液面が上昇して放熱量を抑制するのである。

このような作用の結果、ウォータジャケット内の冷媒の
沸点が常に一定範囲内に維持され、極めて安定し交冷却
性能が得られる。ま次発生蒸気はりザーバタ／りに直接
に噴出することはなく、従って外部に失われる冷媒量は
極めて少ない。。

また、何らかの原因で放熱性能カミ低下し几り、外気圧
の低い高地で沸点が低くなったようなときに、コンデン
サ内の冷媒液面が第２液面センサの設定レベルにまで低
下してしまうことがあるが、この場合に、冷媒強制導入
手段によってリザーバタンク内の低温液相冷媒がウォー
タジャケット内に導入され、蒸気発生を抑制するととも
に、ウォータジャケットから溢れ出る形で液相のままコ
ンデ／す内を通して冷媒量／りに送り込まれ、その液面
を高めて蒸気の噴出を防止するのである。

実施例 第１図はこの考案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ためのコン
デ／す、４は電動式、の冷媒供給ポツプを夫々示してい
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１こ
もので、通常気相空間と欧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蒸気量ロア
が設けられている。この蒸気量ロアは、接続管８および
蒸気通路９を弁じてコンデ／す３の上部人口３ａに連通
しており、かつ上記接続管８には、キャップｌＯにて誓
閉された冷媒注入口８ａが設けられて・いる。

上記コンデンサ３は、上記入口３８を有するアツパタ／
り１１と、上下方向の＃細なチューブを主体としたコア
部［２と、このコア部１２で凝縮された液・１と冷媒を
一時貯留するロアタ／り１３とから構成され念もので、
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、更にその前面あるいは背面に、強制冷却用の電動式
冷却ファン１４を備えている。また、上記ロアタンク１
３は、その比較的下部に冷媒取出口１３　ａを有すると
ともに、この冷媒な出口１３　ａに連結し几冷媒循環通
路１５を介して上記ウォータジャケット２下部の冷媒入
口２８に接続されており、かつ上記冷媒循環通路１５に
冷媒供給ポンプ４が介装されている。

以上のウォータジャケット２→コ／デ／す３→ロアタン
ク１３→冷媒供給ポツプ４→ウオータジヤケツト２の経
路によって冷媒の循環系が構成され、通常運転時にはこ
の循環系内で、例えば水に若干の添加物を加えた冷媒が
沸騰・凝縮を繰〕返しながら循環することになる。

また上記ウォータジャケット２およびロアタ／り１３の
夫々適宜なレベルには、第１液面センサ１６、第２液面
センサ１７が設けられており、冷媒液面がその設定レベ
ルまで達しているか否かをＯＮ・ＯＦＦ的に検出してい
る。そして温度センサ１８は上記第１液面七／す１６の
若干下方位置っまｐ通常液相冷媒中に没する位置に取シ
付けられている。

次に、２１は上記循環系の系外に設けられて適宜な量の
液相冷媒を貯留したりザーバタ／夕を示し、このリザー
バタンク２１は通気機能を有するキャップ２２ｔ−弁し
て大気に開放さｎているとともに、上記ウォータジャケ
ット２よシも部位置に液面を確保し得るように車両の比
較的高所に設置され、かつその底部から第１補助冷媒通
路ると第２補助冷媒通路Ｕが導出されている。上記第１
補助冷媒通路ｎの先端は、上記ロアタンク１３の下部、
具体的には第２液面七ンサ１７の設定レベルよりも乍方
に接続されておシ、この第１補助冷媒通路２３を介して
リザーバタンク２１とロアタ／り【３とが常時連通状態
にある。また第２補助冷媒通路あの先端は、三方型の第
１電磁弁２５を介して上記冷媒循環通路１５のロアタ／
り１３−冷媒供給ボッ１４間に接続されている。上記第
１電磁弁５は、非通電時にロアタ／りＩ３と冷媒供給ポ
ンプ４とを連通しく流路Ａ）、通電時にリザーバタンク
２１と冷媒供給ポンプ４とを連通（流路Ｂ）するもので
ある。尚、この三方型の第１電磁弁５に代えて、第２図
に示すように常開型電磁弁３１と常閉型電磁弁３２とを
組み合わせて用い友構成も可能である。

一方、上述し九循環系の最上部である接続管８には、系
内の空気を排出する九めの空気排出通路部が接続されて
おシ、かつ空気排出時に同時に溢れ出た液相冷媒を回収
するために、上記空気排出通路部の先端部がリザーバタ
ンク２１内に挿入され、その比較的上部に開口している
。そして、上記空気排出通路部には、常閉型の第２電磁
弁ｎが介装されている。

公は、マイクロコンピュータシステムからなる制量装置
を示しておシ、第１．第２電磁弁δ、２７、冷媒供給ボ
／プ４、冷却ファ／１４を所定のプログラムに従って副
脚している。

次に上記構成の沸騰冷却装置の作用を、機関の始動から
停止に至るまでの流れに沿って説明す、る。

先ず、機関の始動に際してイグニッションキーがＯＮ操
作されると、温度センサ１８の検出温度に基づいて初期
始動（例えば５０℃以下の場＠）であるか再始動（例え
ば５０℃以上の場合）であるか判断し、初期始動であれ
ば空気排出制御を経てから通常運転制御に移行し、また
再始動であれば静時的な空気侵入が考えられないので、
直ちに通常運転制御を行う。

上記空気排出制御は、冷媒循環系内を一旦完全に液相冷
媒で満九して不凝縮気体である空気を排出しようとする
ものであり、具体的には、一定時間（例えば数秒〜数十
秒程度）の間、第１電磁弁５を「流路Ｂ」に、第２電磁
弁２７を「開」にするとともに、冷媒供給ボ／ブ４を駆
動して、リザーバタンク２１から、系内に液相冷媒を強
制導入する。

これによって、系内に侵入してい几空気は系上部に集め
られ、空気排出制御局を介して系外に押し出される。そ
して、一定時間経過後、第１電磁弁δは「流路Ａ」、第
２電磁弁Ｉは「閉」となシ、通常運転制御へ移行する。

通常運転制御は、ウォータジャケット２内の液面レベル
に基づく冷媒供給ポンプ４のＯＮ・ＯＦＦ制御と、ウォ
ータジャケット２内の冷媒温度に基づく冷却ファン１４
のＯＮ・ＯＦＦ制阿８からなる。

冷媒供給ボ／プ４の１ｉｌｌＪ　Ｈは、蒸気発生によシ
系上部に気相空間が拡大してウォータジャケット２内の
冷媒液面が第１液面七ンサ１６の設定レベルにまで低下
した段階で開始され、ロアタンク１３からウォータジャ
ケット２に液相冷媒を循環供給することによって常にそ
の液面レベルを第１液面七／す１６の設定レベルに維持
している。

このときコンデンサ３内の冷媒液面は、前述したように
機関発熱量とコンデ／す３放熱量とが平衡するように自
然に上下に変動するのであるが、系内圧力が高くなって
冷媒の沸点が設定温度よりも高くなると、コンデ／す３
の放熱ｆを増大させるべく冷却ファン１４が駆動される
。すなわち、これらの作用の協働によってウォータジャ
ケット２内の温度は設定温度近傍に安定的に維持される
。

また、コンデンサ３内の冷媒液面が万一ロアタンク１３
内の第２液面七／す１７の設定レベルにまで低下した場
合には、異常回避制御を行う。これ゛は、冷却ファ／１
４を温度条件に拘らずＯＮとして凝縮の促進を図るとと
もに、第１電磁弁２５を「流路Ｂ」、冷媒供給ポンプ４
’ｉＯＮとしてリザーバタンク２１からウォータジャケ
ット２内に液相冷媒を強制導入し、蒸気比ロアからコン
デ／す３側へ溢れ出させて（図中に想儂線で示す）ロア
タ／り１３内の液面レベルを回復させるものである。こ
のときリザーバタンク２１から系内に導入される液相冷
媒は温度が低いので、ウォータジャケット２内での沸騰
は抑制され、ま九ロアタンク１３からリザーバタンク２
１への蒸気の噴出や燃焼案壁面の露出などを回避できる
。

一方、キーＯＦＦ時には、遅れて発生する蒸気の噴出を
防止する几めに、一定時間冷却ファ／１４を駆動した後
に電源がＯＦＦとなる。この電源ＯＦＦ状態では、第２
電磁弁ｎは「閉」となるから、温度低下に伴って系内圧
力が低下し、リザーバタンク２１から系内に液相冷媒が
移動する。最終的には、系内が液相冷媒で完全に満たさ
れた状態となシ、空気の侵入を許容することなく次の運
転に備えることになる。

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
の沸騰冷却装置においては、基本的に系内で冷媒が循環
使用され、外部に蒸気となって失われることがないので
、リザーバタンク内に予め適当に液相冷媒を入れておけ
ば頻繁に補給する必要はない。また、ウォータジャケッ
ト内の冷媒液面が常に安定的に維持されるとともに、コ
ンデンサ内の液面変動によって放熱量と発熱量の平衡が
保たれる結果、冷却不良等を生じることなく極めて安定
した冷却性能を発揮することができる０

【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
はその一部を変更した実施例を示す要部のみの構成説明
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、５・・・シ
リンダブロック、６・・・シリンダヘッド、７・・・蒸
気出口、１３・・・ロアタンク、１４・・・冷却ファン
、１５・・・冷媒循環通路、１６・・・第１液面センサ
、１７・・・第２液面センサ、１８・・・温度センサ、
２１・・・リザーバタンク、る・・・第１補助冷媒通路
、ス・・・第２補助冷媒通路、５・・・第１電磁弁、ｎ
・・・第２電磁弁、羽・・・１ｌＩＩＪ御装置。 外２名

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. （１）上部に蒸気出口を有し、かつ適宜なレベルに第１
   液面センサが設けられたウォータジャケットと、上記蒸
   気出口に接続されるとともに、下部に液化冷媒を一時貯
   留する冷媒タンクを備えたコンデンサと、上記冷媒タン
   クの適宜なレベルに設けられた第２液面センサと、上記
   コンデンサに臨設され、かつ系内温度に基づいて駆動制
   御される冷却ファンと、上記冷媒タンクの下部に常時連
   通され、かつ大気に開放されたリザーバタンクと、上記
   第１液面センサの検出に基づいてウォータジャケット内
   の冷媒液面を一定に保つように上記冷媒タンクからウォ
   ータジャケットに液相冷媒を循環供給する冷媒供給手段
   と、上記第２液面センサの検出に基づいて上記リザーバ
   タンクからウォータジャケットに過剰に液相冷媒を強制
   導入する冷媒強制導入手段とを備えてなる内燃機関の沸
   騰冷却装置。