JPH0341051Y2 - - Google Patents

Description

【考案の詳細な説明】 （産業上の利用分野） この考案は、冷媒の気化潜熱を利用した内燃機
関の沸騰冷却装置に関する。

（従来の技術） エンジンウオータジヤケツトとラジエータとの
間で冷却水を循環させる水冷冷却装置は、ラジエ
ータの能率や水の熱容量等の関係上、要求放熱量
を満足させるためには大量の冷却水を循環させる
必要があり、このためにウオータポンプが大きな
駆動損失になつていた。

そこで、冷却水の気化潜熱を利用して少量の冷
却水循環量でエンジン冷却を行えるようにした冷
却装置が提案されている。これはウオータジヤケ
ツトに貯溜した冷却水（液相冷媒）をエンジン発
生熱で沸騰させ、この発生蒸気を放熱器（コンデ
ンサ）で凝縮液化してウオータジヤケツトに戻す
というサイクルで冷却を行うものである（特開昭
56−32027号、公表特許公報昭60−500140号等参
照）。

（考案が解決しようとする問題点） しかしながら、このような冷却装置では、ウオ
ータジヤケツトの冷媒液面上方やコンデンサ内の
気相空間に空気が混在するため、ウオータジヤケ
ツトで発生した冷媒蒸気がコンデンサに流入して
も、空気の介在によりコンデンサの冷媒蒸気の凝
縮がはかどらず、エンジンの冷却を十分に行なえ
ないことがある。

この考案は、沸騰冷却装置におけるこのような
問題点を解決すべく、冷却系内の空気を排除する
機能を備えた沸騰冷却装置を提供することを目的
とする。

（問題点を解決するための手段） この考案は、大部分を液相冷媒で満たしたエン
ジンウオータジヤケツトと内部を気相状に保つた
コンデンサとを、冷媒蒸気を流す蒸気通路と液化
冷媒を戻す冷媒通路とで連通して冷媒が循環する
閉回路を形成した内燃機関の沸騰冷却装置におい
て、所定の液相冷媒を貯溜した補助タンクを設
け、この補助タンクの液中に開口する空気排出通
路を前記コンデンサの下部に接続し、該空気排出
通路に開閉弁を介装するとともに、コンデンサの
前面及び背面の外気温度を検出する手段と、該温
度検出手段の検出した前面と背面の温度差により
前記開閉弁を開閉制御する手段とを備えている。

（作用） ウオータジヤケツト内の冷媒が沸騰して蒸気が
発生し始めると、この蒸気は蒸気通路を通つて上
方のコンデンサに流入し、それに伴つて系内の空
気が押し出され、コンデンサ下部に接続した空気
排出通路から補助タンクの液相中に排出される。
空気と一緒に排出される蒸気は補助タンクの液相
中で凝縮し、空気のみが補助タンクの液相上方の
外気の中に放出される。

この過程において、空気がコンデンサ内部に残
留している間はコンデンサ中の蒸気の凝縮は不活
発であり、コンデンサと外気との熱交換も少な
く、コンデンサを通過する冷却風の温度がさほど
上昇しないので、コンデンサの前面と背面に設け
た温度検出手段の検出温度の差は比較的小さい。
空気排出が完了してコンデンサ内部に蒸気が充満
すると、蒸気の凝縮が活発になり、コンデンサの
放熱が盛んになつてコンデンサを通り抜ける冷却
風の温度が上昇することから、コンデンサの前面
と背面における検出温度の差が拡大する。制御手
段はこれらの検出温度の差を設定値と比較するこ
とにより、コンデンサに空気が残留している間は
開閉弁を開状態に保ち、空気の排出が完了すると
開閉弁を閉じて系内を閉回路化する。以後、コン
デンサは空気の排除された閉回路内に発生する冷
媒蒸気のみを効率良く冷却する。

（実施例） 第１図及び第２図にこの考案の実施例を示す。

第１図において、１はエンジン（本体）、２は
大部分が水等の液相冷媒で満たされるウオータジ
ヤケツト、３はウオータジヤケツト２からの冷媒
蒸気を冷却液化するコンデンサ、４はコンデンサ
３に冷却風を供給する冷却フアンである。

ウオータジヤケツト２はエンジン１のシリンダ
及び燃焼室を包囲するようにシリンダブロツクか
らシリンダヘツドにかけて形成され、コンデンサ
３はウオータジヤケツト２よりも上方に配置され
る。

ウオータジヤケツト２は上部の気相空間に開口
する蒸気通路５を介してコンデンサ３の入口部
（上部）６と連通し、コンデンサ３の出口部（下
部）７が冷媒通路８を介してウオータジヤケツト
２の液相中に連通して冷却系を構成する。

蒸気通路５の途中には気液分離用のウオータト
ラツプ９が設置され、ウオータトラツプ９と、ウ
オータジヤケツト２の間に逆止弁１０を介装した
戻り通路１１が形成される。また、冷媒通路８の
途中にはウオータジヤケツト２内の冷媒液面が冷
媒蒸気の圧力により低下することのないように逆
止弁１２を設ける。

一方、系外に所定量の液相冷媒を貯溜した補助
タンク１３が設けられ、この補助タンク１３の液
中に開口して前記コンデンサ３の下部７に接続す
る空気排出通路１４と、補助タンク１３の所定の
位置（液面付近）に開口して前記ウオータトラツ
プ９上方の蒸気通路５に接続する吸入通路１５と
が形成される。なお、補助タンク１３は上部の空
気抜き口１９を介して外気と連通する。

空気排出通路１４には逆止弁１６と電磁弁によ
る開閉弁１７を介装し、コンデンサ３の下部７の
前面及び背面に温度検出手段として温度センサー
２１Ａ及び２１Ｂをそれぞれ取り付ける。温度セ
ンサー２１Ａと２１Ｂはセンサー周囲の外気温度
を検出して、制御手段であるコントロールユニツ
ト２３にそれぞれ信号出力する。コントロールユ
ニツト２３は、温度センサー２１Ａと２１Ｂの検
出温度の差が設定値（例えば５〜10℃）以上にな
ると、空気排出通路１４の開閉弁（電磁弁）１７
の電源を導通してこれを閉弁し、設定値以下にな
ると開弁する。

また、吸入通路１５に蒸気通路５内の圧力が負
圧のときに負圧に応じて吸入通路１５を開く負圧
応動弁１８を介装する。

そして、ウオータジヤケツト２近傍の蒸気通路
５に冷媒蒸気の圧力に応じて導通する圧力スイツ
チ２０を設置する。圧力スイツチ２０は、蒸気の
圧力が設定値に達すると、電源と前記冷却フアン
４との間に設けたリレー２２を作動させて冷却フ
アン４を駆動し、設定値よりも低くなると冷却フ
アン４を停止する。

なお、２４はウオータジヤケツト２内の冷媒液
面の下限レベルを検出するレベルセンサーで、冷
媒液面がレベルセンサー２４の位まで下がると、
警報装置２５を作動させるようになつている。

また、蒸気通路５には系内の蒸発量が異常に増
加した場合に、圧力上昇によつて系内が損傷する
のを防止するため、リリーフバルブ２６を設け
る。

次に作用を説明する。

エンジンを始動すると、エンジン発生熱を受け
てウオータジヤケツト２内の冷媒の温度が上昇
し、やがて冷媒が沸騰し始めると、気化潜熱を奪
いながら蒸気を発生する。この蒸気はウオータジ
ヤケツト２から蒸気通路５を通つて上方のコンデ
ンサ３へと流入するが、これに伴つて気相空間に
滞留していた空気がコンデンサ３の下部７の方向
へ押しやられる。コンデンサ３の中に至つた蒸気
はコンデンサ３の冷却作用で凝縮するが、コンデ
ンサ下部７では空気が残留しているために蒸気の
凝縮は起こらず、コンデンサ３から外気への放熱
が少ないため、コンデンサ下部７を通り抜ける冷
却風の温度はほとんど上昇しない。したがつて、
この段階ではコンデンサ下部の前面と背面におけ
る外気の温度差は小さい。この時、温度センサー
２１Ａと２１Ｂからの温度信号を受けたコントロ
ールユニツト２３は第２図のフローチヤートに示
すように、これらの検出温度の差と設定値との大
小を比較するが、温度差が設定値を下回るため
に、開閉弁１７の電源は導通されず、開閉弁１７
は開状態に保持される。そのため、コンデンサ下
部７に残留する空気は冷媒蒸気に押されて空気排
出通路１４から補助タンク１３の液相中に排出さ
れる。排出された空気は貯留液の中を浮上し、空
気抜き口１９を介して外気と連通する液面上の空
気の中に放出される。空気排出通路１４から補助
タンク１３内へは空気とともに若干の蒸気も排出
されるが、蒸気は貯留液の中で凝縮し貯留液中に
回収される。

このようにして、コンデンサ３の内部は空気を
追い出しながら上部６から徐々に蒸気に満たされ
る。そして、全部の空気が追い出されると蒸気は
コンデンサ下部７にまで充満し、下部７において
蒸気の凝縮が始まると、この部分からの放熱が盛
んになり、冷却風との熱交換が活発に行なわれる
結果、下部７の前面と背面の温度差が拡大する。
こうして温度センサー２１Ａと２１Ｂの検出温度
の差が設定値より大きくなると、コントロールユ
ニツト２３は開閉弁１７の電源を導通して空気排
出通路１５を閉じる。つまり、気相空間からの空
気排除が完了した時点で開閉弁１７が閉じて冷却
系は閉回路となる。

この状態で通常の冷却運転に入るが、閉回路中
の気相空間から空気が排除されているため、コン
デンサ３は冷媒蒸気にみを冷却することになり、
冷媒蒸気は効率良く凝縮液化される。

コンデンサ３で液化した冷媒は、コンデンサ下
部７から冷媒通路８を介して重力により落下し、
逆止弁１２を介して下方のウオータジヤケツト２
へと戻される。このため、ポンプ等を用いずに冷
媒を循環でき、装置の構造が簡略化するととも
に、ポンプ動力や冷媒循環のための制御も不要で
ある。

そして運転中、蒸気量がそれほど多くない時に
は、走行風のみでコンデンサ３の冷却を行ない、
蒸気量が増加して蒸気の圧力が所定圧に達する
と、圧力スイツチ２０の導通により冷却フアン４
が駆動され、強制冷却風によつてコンデンサ３内
の蒸気の放熱、凝縮をさらに促進する。したがつ
て、冷却フアン４の駆動のための動力負担を最小
限に抑えながら、エンジンの冷却を応答良く的確
に行なうことができる。

エンジンを停止すると、エンジンの発熱が止ま
り、系内の温度が徐々に低下するが、この時系内
の気相空間が蒸気のみであるため、蒸気の凝縮に
より系内の圧力が大きく低下する。その場合には
圧力低下に応じて吸入通路１５の負担応動弁１８
が開き、吸入通路１５が補助タンク１３内の空気
を吸入することにより系内の負圧化を防止する。
この時、補助タンク１３の貯留液面は、エンジン
始動時の空気排出に伴つて補助タンク１３の液中
に排出された蒸気により、僅かに上昇しているた
め、エンジン始動前の貯留液面付近に開口する吸
入通路１５はこの上昇分の冷媒を空気と一緒に吸
入して系内に回収する。これにより系内の冷媒は
常に適性量に保持される。

なお、コンデンサ３の前面と背面における外気
の温度差は冷却風の強さやコンデンサ３の手前の
冷却風温度の影響される。すなわち、冷却風が強
いほど、またコンデンサ３手前の冷却風温度が高
いほど、コンデンサ３の前面と背面の温度差は小
さくなる。第３図はこの関係をグラフに示したも
のであり、ここにおいて縦軸はコンデンサ３の前
面及び背面の温度差、横軸は冷却風の風速であ
る。コンデンサ３の温度は冷媒蒸気の凝縮により
冷媒の沸点の付近で安定するので、例えばこれを
100℃とすると、冷却風の風速が小さいほどコン
デンサ３を通過した冷却風の温度は上昇し、背面
の温度はコンデンサ３の温度（100℃）に近づく。
したがつて、例えば図示されるように前面温度が
45℃の場合は風速が小さいほど前面と背面の温度
差は55℃に近くなり、風速が増加すると温度差は
低下する。また前面温度が35℃の場合の前、背面
の温度差は上限の65℃から同様に風速増加につれ
て低下する。コンデンサ３の前面と背面の温度差
がこれに満たない場合、とまり図中の曲線の下側
の領域はコンデンサ３内に空気が混入しているこ
とを示す。

そこで、第３図のグラフのデータをコントロー
ルユニツト２３に予め記憶させておき、冷却フア
ン４にフアン回転数を検出する回転センサーを取
り付け、その出力を風速信号としてコントロール
ユニツト２３に入力し、コントロールユニツト２
３はこの風速信号と温度センサー２１Ａからの温
度信号とを記憶データと照合して、コンデンサ下
部７の前面と背面の温度差の設定値を決定し、温
度センサー２１Ａと２１Ｂの検出温度の差をこの
設定値と比較することにより、開閉弁１７の開閉
を行なえば、開閉弁１７の制御精度が一層向上
し、冷却系内からの空気排除の完了と開閉弁１７
の開閉タイミングをより正確に合わせることがで
きる。

（考案の効果） 以上のようにこの考案は、コンデンサ下部と補
助タンクを連通する空気排出通路に開閉弁を介装
し、コンデンサの前面と背面の温度差により開閉
弁を開閉する温度検出手段と制御手段とを備えた
ため、冷却系内の気相空間の空気がエンジンの始
動直後に発生する冷媒蒸気に押されてコンデンサ
下部から空気排出通路を通じて補助タンクに排出
されるとともに、空気の排除が完了すると、コン
デンサ内部に蒸気が充満して凝縮が活発化し、そ
の結果コンデンサと冷却風との熱交換が盛んにな
つてコンデンサの前面と背面の温度差が拡大する
ことにより、開閉弁が閉じて系内が閉回路化され
る。そのため、コンデンサは閉回路中の空気を含
まない冷媒蒸気のみを冷却することになり、液化
能力が向上するので、冷媒の蒸発、凝縮のサイク
ルがスムーズになり、エンジンの冷却をより効果
的に行なうことができる。

【図面の簡単な説明】

第１図はこの考案の実施例を示す沸騰冷却装置
の構成図、第２図は同実施例中の開閉弁の開閉動
作を司るコントロールユニツトの作用を説明した
フローチヤート、第３図はコンデンサの前面及び
背面の温度差と冷却風の風速との関係を説明する
グラフである。 １……エンジン、２……ウオータジヤケツト、
３……コンデンサ、５……蒸気通路、７……コン
デンサ下部、８……冷媒通路、１３……補助タン
ク、１４……空気排出通路、１７……開閉弁、２
１Ａ，Ｂ……温度センサー、２３……コントロー
ルユニツト。

Claims (1)

【実用新案登録請求の範囲】
1. 大部分を液相冷媒で満たしたエンジンウオータ
   ジヤケツトと内部を気相状に保つたコンデンサと
   を、冷媒蒸気を流す蒸気通路と液化冷媒を戻す冷
   媒通路とで連通して冷媒が循環する閉回路を形成
   した内燃機関の沸騰冷却装置において、所定の液
   相冷媒を貯溜した補助タンクを設け、この補助タ
   ンクの液中に開口する空気排出通路を前記コンデ
   ンサの下部に接続し、該空気排出通路に開閉弁を
   介装するとともに、コンデンサの前面及び背面の
   外気温度を検出する手段と、該温度検出手段の検
   出した前面と背面の温度差により前記開閉弁を開
   閉制御する手段とを備えたことを特徴とする内燃
   機関の沸騰冷却装置。