JPH076384B2 - 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、ウオータジヤケツ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
部の冷却を行う内燃機関の沸騰冷却装置に関し、特に大
気開放したリザーバタンクを介して系内圧力を略大気圧
に保つようにした形式の沸騰冷却装置の改良に関する。

従来の技術 本出願人は、ウオータジヤケツ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
し、ウオータジヤケツトで発した冷媒蒸気をコンデンサ
に導いて凝縮させた後、液面センサの検出に基づく冷媒
供給ポンプの作動によつて再度ウオータジヤケツトへ補
給するようにした沸騰冷却装置を種々提案している（例
えば特開昭60−36712号公報、特開昭60−36715号公報
等）。このものでは、コンデンサを強制冷却する冷却フ
アンとして電動式フアンを用い、ウォータジャケットに
設けた温度センサに基づいて強制冷却風を調節すること
で系内温度を制御している。

また本出願人は、複雑な温度制御等を行わずに非常に簡
素化したものとして、大気開放型の沸騰冷却装置も提案
している（特願昭60−147814号等）。これは、大気開放
されたリザーバタンクとコンデンサロアタンクとを常時
連通状態とし、コンデンサやウオータジヤケツト等から
なる系内を略大気圧に保つようにしたものであり、リザ
ーバタンクとコンデンサの間で液相冷媒が自由に移動で
きるので、コンデンサの放熱量と機関発熱量とが平衡す
るようにコンデンサ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ことができるのである。そし
て、車両走行風が得られないアイドリング時等の凝縮性
能を確保するために、やはり電動式冷却フアンを設け、
例えばロアタンク内の冷媒温度が高まつたときに強制冷
却風を与えるように構成している。

発明の解決しようとする問題点 上記のような大気開放型の沸騰冷却装置にあつては、種
々の運転条件においてコンデンサ放熱量が機関発熱量を
上廻るように適当な余裕を見込んでコンデンサの放熱面
積を設計するのであるが、例えば高地での冷媒沸点の低
下によるコンデンサ放熱能力の低下や、外気温が非常に
高温になつた場合、あるいは極端な高負荷運転を継続し
た場合など極めて稀な悪条件が重なると、コンデンサ放
熱量が機関発熱量を下廻り、リザーバタンクに冷媒蒸気
が噴出する虞れがある。また、この蒸気の噴出を完全に
防止するためには、コンデンサは非常に大型なものとな
つてしまう。

そこで、この発明は、冷却系を基本的には大気開放型に
するとともに、コンデンサ放熱量が不十分なときに冷媒
沸点を高めてコンデンサ放熱量を増大させるようにした
ものである。

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、所定レベル
に液面検出手段が設けられ、かつ液相冷媒が貯留される
ウォータジャケットと、上記ウォータジャケットで発生
した冷媒蒸気が導入され、かつ下部のロアタンクに凝縮
した液相冷媒が貯留されるコンデンサと、このコンデン
サで凝縮した液相冷媒を上記ウォータジャケットに補給
する冷媒供給ポンプと、上記液面検出手段の検出に基づ
き、ウォータジャケット内の液面位置を所定レベルに保
つように上記冷媒供給ポンプを制御するポンプ制御手段
と、上記ロアタンクとの間で液相冷媒が自由に往来する
ように該ロアタンクに常時連通し、かつ大気連通路を介
して大気に開放されたリザーバタンクと、上記ウォータ
ジャケット内の冷媒温度を検出する第１温度センサと、
上記ロアタンクの冷媒温度を検出する第２温度センサ
と、上記大気連通路に配設され、かつ該大気連通路を閉
する電磁弁と、第1,第２温度センサの検出温度の温度差
が所定値より大きなときに上記電磁弁を開状態に保ち、
かつ所定値以下のときに閉作動させる電磁弁制御手段と
を備えて構成されている。

作用 通常の運転状態においてはコンデンサの放熱量が機関発
熱量よりも大きく確保されるので、コンデンサでの過冷
却度を示す第1,第２温度センサの温度差は十分に大き
い。そのため、電磁弁は開状態にあり、リザーバタンク
内が大気開放されているので、コンデンサやウオータジ
ヤケツト等の内部の圧力は略大気圧に保たれ、格別な温
度制御を要さずに機関温度が安定に維持される。一方、
種々の悪条件によりコンデンサの放熱量が機関発熱量に
対し相対的に小さくなると、コンデンサでの過冷却度が
小さくなつてロアタンク内の冷媒温度は上昇する。そし
て、ウォータジャケット内の冷媒温度つまり略大気圧下
での冷媒沸との温度差が所定値以下となると電磁弁が閉
作動する。この電磁弁の閉作動によつて内部の圧力は多
少上昇し、冷媒沸点が高まる。そのため、コンデンサの
限られた放熱面積での放熱量が増大する。これにより、
コンデンサの放熱量と機関発熱量とは再び平衡するよう
になる。その後、機関発熱量の低下等により検出温度差
が大きくなれば、再び電磁弁は開放される。

実施例 第１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はウオータジヤケツト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。

上記ウオータジヤケツト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の両者に亘つて形成されたも
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複数の蒸気出
口７が設けられている。この蒸気出口７は、気液分離機
能を持つ蒸気マニホルド８によつて互いに集合された上
で、蒸気通路９を介してコンデンサ３の上部入口3aに連
通している。尚、10は、気液分離により捕捉した液相冷
媒をウオータジヤケツト２に戻す冷媒回収通路である。
また上記ウオータジヤケツト２の所定レベル、具体的に
はシリンダヘッド６側の略中間の高さ位置に、液相冷媒
の有無によつてON・OFF信号を発する例えばロードスイ
ツチを用いたフロート式液面センサ11が配設されてお
り、かつこれより下方つまり通常液相冷媒中に没する位
置に、サーミスタ等からなる第１温度センサ12が配設さ
れている。

コンデンサ３は、上記入口3aを有するアツパタンク13
と、上下方向に沿つた微細なチユーブを主体としたコア
部14と、このコア部14で凝縮された液相冷媒を一時貯留
るロアタンク15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アン16
が臨設されている。また上記ロアタンク15には、その内
部の冷媒温度を検出するサーミスタ等からなる第２温度
センサ17が配設されている。

21は、上記液面センサ11の設定レベルと略等しい高さ位
置に配設されたリザーバタンクであつて、これは大気連
通路22を介して上部空間が大気に開放されているととも
に、第１冷媒循環通路23を介してロアタンク15に接続さ
れ、かつ冷媒供給ポンプ４が介装された第２冷媒循環通
路24を介してウオータジヤケツト２に接続されている。
尚、25はウオータジヤケツト２からリザーバタンク21へ
の冷媒の逆流を阻止する逆止弁である。また上記大気連
通路22には、常開型の電磁弁26が介装されている。

27は、冷媒供給ポンプ4,冷却アン16および電磁弁26の制
御を司る制御装置であつて、これは所謂マイクロコンピ
ユーからなり、後述するような所定のプログラムに従つ
て一連の制御を行つている。

次に、第２図上記制御装置27によつて実行される制御の
内容を示すフローチヤートであつて、以下、このフロー
チヤートを参照して上記のように構成された沸騰冷却装
置の作動を説する。

先ず機関の停止状態においては、ウオータジヤケツト２
やコンデンサ３の内部が液相冷媒（例えばエチレングリ
コール水溶液等）で満たされており、かつリザーバタン
ク21には多少の液相冷媒が残存している。この状態で機
関が始動すると、ウオータジヤケツト２内の冷媒は滞留
状態にあるので、速やかに温度上昇し、やがて沸騰が始
まる。ここで、始動直後は当然のことながら第１温度セ
ンサ12の検出温度Ｔ_Ｅと第２温度センサ17の検出温度Ｔ
_Ｃとの温度差（Ｔ_Ｅ−Ｔ_Ｃ）は小さいが、ウオータジヤ
ケツト２内冷媒温度Ｔ_Ｅが80℃以上となるまでは、温度
の大小に拘らず電磁弁26の閉作動および冷却フアン16の
作動は行われない（ステツプ１）。

沸騰が始まると、発生蒸気圧によつて系内の圧力が高ま
り、コンデンサ３のロアタンク15からリザーバタンク21
に余剰冷媒が徐々に押し出されて、ウオータジヤケツト
２の上部らびにコンデンサ３の上部に気相冷媒領が拡大
して行く。そして沸騰によりウオータジヤケツト２内の
冷媒液面が液面センサ11の設定レベル以下に低下する
と、ステツプ15〜17の制御によつて冷媒供給ポンプ４が
間欠的に作動し、リザーバタンク21からウオータジヤケ
ツト２へ液相冷媒を補給する。この結果、ウオータジヤ
ケツト２内の冷媒液面は、以後機関停止に至るまで略一
定に保たれる。

尚、この実施例ではコンデンサ３で凝縮した液相冷媒が
リザーバタンク21を経由してウオータジヤケツト２に戻
される形となつているが、コンデンサ３のロアタンク５
から直接ウオータジヤケツト２に供給する構成としても
良い。

またコンデンサ３の上部に気相冷媒領域が拡大するに従
つてコンデンサ３の放熱能力が増大するので、この放熱
能力と機関発熱量とが平衡した位置にコンデンサ３の液
面位置が定まる。つまり機関の負荷や車両走行風などに
応じてコンデンサ３の液面位置が自然に上下動しつつ機
関温度を略一定に保つ。尚、ウオータジヤケツト２等の
内部の圧力はリザーバタンク21を介して略大気圧に保た
れるので、機関温度は概ね大気圧下での冷媒沸点とな
る。そして、高負荷時などにコンデンサ３内の液面位置
がかなり低下して過冷却度が小さくなると、具体的には
温度差（Ｔ_Ｅ−Ｔ_Ｃ）が８℃以下となると冷却フアンが
作動開始し、コンデンサ３を強制冷却する（ステツプ2,
7）。この冷却フアン16の作動は、温度差（Ｔ_Ｅ−
Ｔ_Ｃ）が10℃にまで拡大したら停止する（ステツプ2,
9）。

このように、通常は電磁弁26が開いた状態で冷却の沸騰
・凝縮を利用した冷却が行われる。尚、フローチヤート
中のフラグは電磁弁26の開閉状態に対応し、「０」が
「開」を、「１」が「閉」を夫々示す。

これに対し、万一何らかの原因でコンデンサ３の放熱能
力が機関発熱量を下廻るような状態となると、コンデン
サ３の冷媒液面が最大限に低下し、コンデンサ３での過
冷却度が小くなる。そして、検出された温度差（Ｔ_Ｅ−
Ｔ_Ｃ）が４℃以下となつた時点で電磁弁26が閉じ、リザ
ーバタンク21が密閉される（ステツプ2,5）。そのた
め、コンデンサ３等の内部の圧力が上昇し、冷媒沸点の
上昇を来すので、コンデンサ３に流入する冷媒蒸気の温
度が高まり、コンデンサ３の放熱能力が増大する。この
結果、機関温度が僅かに上昇した状態でコンデンサ３の
放熱能力と機関発熱量と再び平衡することになり、冷媒
蒸気の噴出あるいは機関温度の過度の上昇が確実に回避
される。尚、沸騰状態では、コンデンサ３入口側の蒸気
温度とウオータジヤケツト２内の冷媒温度とは略等し
く、従つて上記のように温度差（Ｔ_Ｅ−Ｔ_Ｃ）を用いれ
ば、例えば高地で大気圧下の冷媒沸点が低下したような
場合でも、コンデンサ３の冷媒液面が限界付近まで低下
したことを精度良く検出することができ、過度の余裕を
見込む必要がない。

また、上記のように電磁弁26が一旦閉じた場合には、そ
の閉じた瞬間のウオータジヤケツト２内冷媒温度Ｔ_EOを
記憶（ステツプ６）しておき、運転条件の変化等により
ウオータジヤケツト２内の冷媒温度Ｔ_Ｅがこれよりも３
℃低くなつた時点で電磁弁26を開状態に復帰させるよう
になつている。尚、何らかの故障等で放熱量の増大が図
れず、ウオータジヤケツト２の冷媒温度Ｔ_Ｅが過度に昇
温（例えば120℃）した場合にも電磁弁26が開かれる
（ステツプ11,13）。

また機関停止後は一定時間（例えば30秒間）上述した制
御が継続され、機関停止後の過熱を防止している（ステ
ツプ18〜20）。そして、一定時間後に電源がOFFとな
り、一連の制御が終了する（ステツプ21）。この電源OF
Fにより、電磁弁26は開状態を保つので、ウオータジヤ
ケツト２やコンデンサ３の内部は最終的に液相冷媒で満
たされた状態となる。

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、リザーバタンクを介して系内
圧力を略大気圧に保つようにしたものにおいて、コンデ
ンサを過度に大型化せずとも冷媒蒸気の噴出や機関の過
熱を確実に防止できる。またウオータジヤケツト内冷媒
温度とコンデンサロアタンク内冷媒温度との温度差に基
づき電磁弁を制御しているので、気圧の高低等に影響さ
れずに、コンデンサの冷媒液面が限界付近まで低下した
ことを精度良く検出することができる。

【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
はこの実施例における制御の内容を示すフローチヤーで
ある。 １……内燃機関、２……ウオータジヤケツト、３……コ
ンデンサ、４……冷媒供給ポンプ、11……液面センサ、
12……第１温度センサ、15……ロアタンク、16……冷却
フアン、17……第２温度センサ、21……リザーバタン
ク、22……大気連通路、26……電磁弁、27……制御装
置。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】所定レベルに液面検出手段が設けられ、か
   つ液相冷媒が貯留されるウォータジャケットと、上記ウ
   ォータジャケットで発生した冷媒蒸気が導入され、かつ
   下部のロアタンクに凝縮した液相冷媒が貯留されるコン
   デンサと、このコンデンサで凝縮した液相冷媒を上記ウ
   ォータジャケットに補給する冷媒供給ポンプと、上記液
   面検出手段の検出に基づき、ウォータジャケット内の液
   面位置を所定レベルに保つように上記冷媒供給ポンプを
   制御するポンプ制御手段と、上記ロアタンクとの間で液
   相冷媒が自由に往来するように該ロアタンクに常時連通
   し、かつ大気連通路を介して大気に開放されたリザーバ
   タンクと、上記ウォータジャケット内の冷媒温度を検出
   する第１温度センサと、上記ロアタンク内の冷媒温度を
   検出する第２温度センサと、上記大気連通路に配設さ
   れ、かつ該大気連通路を開閉する電磁弁と、第1,第２温
   度センサの検出温度の温度差が所定値より大きなときに
   上記電磁弁を開状態に保ち、かつ所定値以下のときに閉
   作動させる電磁弁制御手段とを備えてなる内燃機関の沸
   騰冷却装置。