JPH0692731B2 - 内燃機関の沸騰冷却装置 - Google Patents

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利用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 内燃機関の冷却装置として、従前の水冷式冷却装置に代
えて、冷媒（冷却水）の沸騰・凝縮のサイクルを利用し
た沸騰冷却装置が特公昭57−57608号公報等において提
案されているが、本出願人はこれを更に発展させ、十分
に実用に供し得るものとして既に種々の出願（例えば特
願昭58−145470号，特願昭58−228146号，特願昭59−10
0156号等）を行っている。これは、液相冷媒が所定レベ
ルまで貯留されるウォータジャケットと、このウォータ
ジャケット上部の蒸気出口に蒸気通路を介して接続され
たコンデンサと、液化した冷媒が一時貯留されるコンデ
ンサ下部から上記ウォータジャケットに液相冷媒を循環
供給する冷媒供給ポンプとを主体として、密閉した冷媒
循環系を形成した構成であって、例えば始動時に系外の
リザーバタンクと冷媒循環系内との間で液相冷媒を移動
させることにより不凝縮気体である空気の排出を実現す
る一方、機関運転中はウォータジャケット内の冷媒液面
を液面センサにより監視して上記冷媒供給ポンプを制御
し、上記液面を所定レベルに維持するようにしたもので
ある。この冷媒の相変化に伴う潜熱を利用した沸騰冷却
装置によれば、熱交換効率の飛躍的な向上が図れ、しか
も各部を冷媒沸点に均一に冷却することができる。

発明が解決しようとする問題点 ところで、この種の沸騰冷却装置における冷媒として
は、その取扱いの容易さや気化潜熱の大きさあるいは価
格等の点で、水に不凍液としてエチレングリコール等を
混合し、かつ若干の紡錆剤を添加したものを用いること
が考えられているのであるが、例えばエチレングリコー
ルの水溶液は非共沸混合物であるため、その水溶液の蒸
気にはエチレングリコールが殆ど含まれず、水蒸気のみ
となる。例えばエチレングリコールの50％（重量％）水
溶液の蒸気にはエチレングリコールは２％程度しか含ま
れない。

従って、上記の沸騰冷却装置を継続的に運転すると、ウ
ォータジャケット内にエチレングリコールが多く偏在
し、コンデンサ側ではエチレングリコール濃度が非常に
小さくなる。そのため、冬季にコンデンサ内部で凍結し
てコンデンサを破損したり、電磁弁や冷媒供給ポンプが
凍結して作動不良を生じたりする虞れがある。

尚、上記沸騰冷却装置では、機関停止後にリザーバタン
クから冷媒循環系内に液相冷媒を移動させ、最終的に略
満水状態を保つようになっているが、このリザーバタン
ク内の液相冷媒は、機関の通常運転中にコンデンサの液
面制御に伴って該コンデンサ側のロアタンクとの間で移
動を繰り返しているものであるから、長時間運転を継続
すると、やはりエチレングリコール濃度が非常に薄くな
る。そのため、このエチレングリコール濃度が薄くなっ
たリザーバタンク内の液相冷媒が機関停止後にコンデン
サ側へ導入されたとしても、機関停止中のエチレングリ
コールの偏在は防止できない。特に、コンデンサからウ
ォータジャケットへ液相冷媒を送る冷媒循環通路におい
ては、冷媒供給ポンプが大きな通路抵抗となり、従っ
て、機関停止後にリザーバタンク側から系内へ液相冷媒
が移動する際に、その多くがコンデンサ側を通り、該冷
媒循環通路内の液相冷媒（ここでもエチレングリコール
濃度は薄くなっている）はあまり動かないため、エチレ
ングリコール濃度の薄い液相冷媒が該冷媒循環通路内や
ポンプ内に残存してしまい、機関停止中の凍結が生じ易
い。また、コンデンサのチューブも細く形成されている
ので、リザーバタンク内から液相冷媒が移動して一旦満
水状態となった後は、エチレングリコールの速やかな拡
散は到底期待できず、そのため、エチレングリコールの
偏在が解消される前に凍結，破損が生じてしまう恐れが
ある。

また、機関停止後のみならず、凍結が問題となるような
寒地での運転では、冷媒循環量が少なくなり、また過冷
却防止のためコンデンサ内の液面が高く制御された状態
となるので、コンデンサ側に液相冷媒が長く滞在するこ
とになる。そのため、コンデンサを機関から離して設置
したような場合には、コンデンサ出口部での冷媒温度が
かなり低くなる可能性があり、長時間の運転でエチレン
グリコール濃度が偏ると、外気温によっては運転中であ
ってもコンデンサ出口付近で凍結が起こり得る。

問題点を解決するための手段 この発明は上記のような冷媒中の不凍液成分の偏在を防
止するために、ウォータジャケット内の液相冷媒を車室
暖房用ヒータコアに循環させるヒータ用ポンプを備えた
ものにおいて、上記ヒータ用ポンプの吐出側においてヒ
ータ用冷媒通路から冷媒混合用通路を分岐形成し、その
先端をコンデンサの入口側に接続したことを特徴とす
る。

作用 ヒータ用ポンプはヒータスイッチに連動して暖房必要時
に駆動されるのであるが、冷媒の凍結を生じるような状
況であれば、機関運転時に必ず暖房が求められるので、
ヒータ用ポンプは駆動される。このヒータ用ポンプの駆
動によって、ウォータジャケット内の液相冷媒がヒータ
コアを通流する。そして一部の液相冷媒がヒータ用冷媒
通路から分流して冷媒混合用通路に流れ込み、コンデン
サに送られる。これによりコンデンサ側での不凍液成分
の濃度低下が抑制される。

実施例 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ためのコンデン
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蒸気出口７が
設けられている。この蒸気出口７は、接続管８および蒸
気通路９を介してコンデンサ３の上部入口3aに連通して
おり、かつ上記接続管８には、冷媒循環系の最上部とな
る排出管取付部8aが上方に立ち上がった形で形成されて
いるとともに、その上部開口をキャップ10が密閉してい
る。

上記コンデンサ３は、上記入口3aを有するアッパタンク
11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12と、このコア部12で凝縮された液化冷媒を一時貯
留するロアタンク13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け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13は、その比
較的下部に冷媒循環通路15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16の一端が接続
されている。上記冷媒循環通路15は、その他端が上記ウ
ォータジャケット２のシリンダヘッド６側に設けた冷媒
入口2aに接続されており、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の吸入側，吐出側の夫々に、流路切換手段として三方
型電磁弁からなる第４電磁弁17および第２電磁弁18が介
装されている。

21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22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16および第2,第３補助冷媒通路2
3,24が接続されている。上記第１補助冷媒通路16は、そ
の通路中に常開型の第３電磁弁25を備えている。また上
記第２補助冷媒通路23は第４電磁弁17を介して、また第
３補助冷媒通路24は第２電磁弁18を介して冷媒循環通路
15に接続されている。上記第４電磁弁17は、冷媒供給ポ
ンプ４の吸入ポートを冷媒循環通路15を介してロアタン
ク13に連通させる「流路Ｃ」と、第２補助冷媒通路23を
介してリザーバタンク21に連通させる「流路Ｄ」とに切
換可能に構成されている。上記第２電磁弁18は、冷媒供
給ポンプ４の吐出ポートを冷媒循環通路15を介してウォ
ータジャケット２に連通させる「流路Ｂ」と、第３補助
冷媒通路24を介してリザーバタンク21に連通させる「流
路Ａ」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排出管取付部
8aには、系内の空気を排出するための空気排出通路26が
接続されており、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26の先端部が
リザーバタンク21内に開口している。そして、上記空気
排出通路26には、常閉型の第１電磁弁27が介装されてい
る。

上記各電磁弁27,18,25,17と冷媒供給ポンプ４および冷
却ファン14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31によって駆動制御されるもので、具体的
には、ウォータジャケット２に設けた第１液面センサ3
2、温度センサ33,ロアタンク13に設けた第２液面センサ
34および循環系最上部に設けた負圧スイッチ35の各検出
信号に基づいて後述する制御が行われる。

ここで上記第1,第２液面センサ32,34は例えばリードス
イッチを利用したフロート式センサ等が用いられ、冷媒
液面が設定レベルに達しているか否かをオン・オフ的に
検出するものであって、第１液面センサ32はその検出レ
ベルがシリンダヘッド６の略中間程度の高さ位置に設定
され、かつ第２液面センサ34はその検出レベルが第１補
助冷媒通路16の開口よりも僅かに上方の高さ位置に設定
されている。また温度センサ33は例えばサーミスタ等か
らなり、通常液相冷媒内に没入する位置あるいは気相冷
媒領域となる位置に設けられて、ウォータジャケット２
内の冷媒温度を検出している。また負圧スイッチ35は、
大気圧と系内圧力との差圧に応動するダイヤフラムを用
いたもので、高地，低地等に拘らず使用環境下における
大気圧に対し系内が負圧であるか否かを検出しており、
具体的には−30mmHg〜−50mmHg程度に作動圧を設定して
ある。

尚、その他機関運転条件を検出するための各種センサに
ついては図示していない。

また41は車室42内に設けられた暖房用のヒータコアであ
り、下部の冷媒入口がヒータ入口通路43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
つ上部の冷媒出口がヒータ出口通路44を介してシリンダ
ヘッド６側の通常液相冷媒領域となる部分に接続されて
いる。45は液相冷媒をウォータジャケット２とヒータコ
ア41との間で循環させるためのヒータ用ポンプであっ
て、ヒータ出口通路44に介装されている。そして、この
ヒータ用ポンプ45の吐出側においてヒータ出口通路44か
ら比較的細い冷媒混合用通路46が分岐形成されており、
かつその先端がコンデンサ３上流の接続管８に接続され
ている。尚、上記ヒータ用ポンプ45をヒータ入口通路43
に設けるようにしても良い。また上記ヒータ用ポンプ45
は図示せぬヒータスイッチに連動して作動する構成とな
っている。

次に上記沸騰冷却装置の制御ならびに各部の作動につい
て説明する。

先ず機関が始動すると、系内を一旦液相冷媒（例えば30
〜50％程度のエチレングリコール水溶液が用いられる）
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27を「開」、第２電磁弁18を「流路
Ｂ」、第３電磁弁25を「閉」、第４電磁弁17を「流路
Ｄ」として、冷媒供給ポンプ４を一定時間駆動し、系外
のリザーバタンク21から系内に液相冷媒を強制的に送り
込む。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26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10
秒程度）が経過したら第１電磁弁27を「閉」、第３電磁
弁25を「開」、冷媒供給ポンプ40をOFFとして、そのま
ま待機する。ウォータジャケット２内の液相冷媒は滞留
状態にあるので、速やかに温度上昇する。その後、温度
センサ23による検出温度が目標温度に達したら、第３電
磁弁25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。尚、ヒータ
スイッチがONであればヒータ用ポンプ45が作動するが、
この状態ではウォータジャケット２側でのみ冷媒が循環
し、コンデンサ３側へは流れないので、暖機を遅らせる
虞れはない。

以上の暖機制御が終了して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14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時ま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る。すなわ
ち、ウォータジャケット２内での沸騰の結果、その冷媒
液面が第１液面センサ32の設定レベルを下廻ったら、第
２電磁弁18を「流路Ｂ」、第４電磁弁17を「流路Ｃ」と
した状態で冷媒供給ポンプ４をONとし、ロアタンク13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13に液相冷媒が存在しない場合などには必要に
応じて第４電磁弁17を「流路Ｄ」としてリザーバタンク
21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32の設定レベ
ル近傍に維持される。また冷却ファン14は、「目標温度
±0.5℃」程度の比較的微細な温度範囲でON・OFF制御す
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性良く行われる。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21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り高
ければ、第２電磁弁18を「流路Ａ」、第４電磁弁17を
「流路Ｃ」とした状態で冷媒供給ポンプ４により液相冷
媒を排出し、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りも低く
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25を「開」とし、系内外の圧力差を利用
してリザーバタンク21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。これによりコンデン
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。

一方、冬季などに図示せぬヒータスイッチがON操作され
ればヒータ用ポンプ45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41に循環供給される。そ
して、ヒータコア41からウォータジャケット２へ戻る液
相冷媒の一部がヒータ出口通路44から冷媒混合用通路46
に分流し、接続管８に導かれる。この接続管８に導かれ
た液相冷媒は、蒸気通路９を流れる蒸気流によってコン
デンサ３に送られる。すなわち、エチレングリコール濃
度の高いウォータジャケット２内の冷媒が少量づつコン
デンサ３側の冷媒に混合されることになり、その濃度の
均一化が図れる。尚、冷媒混合用通路46を細く形成する
代わりにオリフィスを設けて流量調整することも可能で
ある。

次に機関停止後は、電源OFFに伴って常閉型電磁弁であ
る第１電磁弁27が「閉」に、常開型電磁弁である第３電
磁弁25が「開」になる。従って、温度低下つまり圧力低
下に伴ってリザーバタンク21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。ここで、
上述のように運転中にウォータジャケット２内の冷媒が
少量づつコンデンサ３に送り込まれているので、両者に
おけるエチレングリコール濃度の差は比較的小さく保た
れる。この結果、機関停止中における冷媒の凍結を確実
に防止できる。

以上、この発明の一実施例を詳細に説明したが、この発
明は上記実施例に限定されず、種々の形式の沸騰冷却装
置として構成することができる。また冷媒としてエチレ
ングリコール水溶液以外のものを使用する場合にも適用
できることは言うまでもない。

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、冷媒中の不凍液成分の偏在
に起因するコンデンサや冷却供給ポンプ等各部での冷媒
の凍結を確実に防止できる。またヒータ用ポンプを利用
して冷媒導入が行われるので、凍結が生じるような状況
での格別の操作が不要であるとともに、部品点数の増加
が防止され、かつ夏季等における無駄な作動を生じるこ
とがない。

【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、９……蒸気通路、13
……ロアタンク、14……冷却ファン、15……冷媒循環通
路、16……第１補助冷媒通路、17……第４電磁弁、18…
…第２電磁弁、21……リザーバタンク、23……第２補助
冷媒通路、24……第３補助冷媒通路、25……第３電磁
弁、26……空気排出通路、27……第１電磁弁、31……制
御装置、32……第１液面センサ、33……温度センサ、34
……第２液面センサ、35……負圧スイッチ、41……ヒー
タコア、43……ヒータ入口通路、44……ヒータ出口通
路、45……ヒータ用ポンプ、46……冷媒混合用通路。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】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、このウォータジャケットで発生した
   冷媒蒸気が導入されるコンデンサと、このコンデンサと
   上記ウォータジャケットとの間に配設され、かつ上記ウ
   ォータジャケット内の冷媒液面を上記所定レベルに維持
   するようにコンデンサからウォータジャケットへ液相冷
   媒を補給する冷媒供給ポンプと、上記ウォータジャケッ
   ト内の液相冷媒を車室暖房用ヒータコアに循環させるヒ
   ータ用ポンプとを備えてなる内燃機関の沸騰冷却装置に
   おいて、上記ヒータ用ポンプの吐出側においてヒータ用
   冷媒通路から冷媒混合用通路を分岐形成し、その先端を
   上記コンデンサの入口側に接続したことを特徴とする内
   燃機関の沸騰冷却装置。