JPH08200973A - ２系統冷却用熱交換器と該２系統冷却用熱交換器を利用したエンジンの２系統冷却装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 冷却効率のよい２系統冷却用の熱交換器、お
よび、それをもちいた冷却装置を提供すること。 【構成】 所定温度以上に加熱されると蒸発する第１作
動流体Ｓ１を内封した第１ヒートパイプ２と、第１作動
流体Ｓ１より低い所定温度以上に加熱されると蒸発する
第２作動流体Ｓ２を内封した第２ヒートパイプ３を長手
軸方向端部で連結し、第１ヒートパイプ２のみを覆う第
１熱交換室５と、第１ヒートパイプ２と第２ヒートパイ
プ３の両方を連結部分を挟んで連続的に覆う第２熱交換
室６を配設し、第２熱交換室６の外部の第２ヒートパイ
プ３の外表面に放熱部材１５を配設し、第１熱交換室５
には第１冷却液Ｒ１を、第２熱交換室６には第２冷却液
Ｒ２を流通せしめる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は２系統冷却用熱交換器、
および２系統冷却用熱交換器を用いたエンジンの２系統
冷却装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】エンジン、特に自動車用エンジンにおい
ては、通常、エンジンのシリンダヘッド部とシリンダブ
ロック部には１個のサーモスタットによって制御された
同じ冷却液が流れる。しかしながら、エンジンのシリン
ダヘッド部はノッキング防止、あるいは充填効率向上の
ために低い温度で冷却することが望ましく、逆にシリン
ダブロック部はフリクション低減、あるいはＨＣ（ハイ
ドロカーボン）低減のために比較的高い温度で冷却する
ことが望ましい。

【０００３】この様な観点から、シリンダヘッド部とシ
リンダブロック部を異なる温度で冷却する２系統冷却装
置が提案されており、例えば、実開昭５０−１０９４０
号公報に開示されたものがある。ところが、同公報の装
置では２個のラジエータ、２個のサーモスタット、２個
のウォータポンプを必要とする。一方、液体入口と液体
出口とを有する液体チャンバと、液体チャンバの内部か
ら外部へと延びる直管状ヒートパイプと、直管状ヒート
パイプに連通し、直管状ヒートパイプの外周を螺旋状に
取り巻く螺旋状ヒートパイプから成るコンパクトな熱交
換器が特開平６−１５９８８８号公報に開示されてい
る。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】そこで、特開平６−１
５９８８８号公報に開示された熱交換器を２個並列に配
置して、実開昭５０−１０９４０号公報に開示された様
な２系統冷却装置を構成することが考えられる。ところ
が、この場合、シリンダヘッド部側の熱交換器では放熱
部の温度と冷却媒体、例えば空気の温度、との差が小さ
いためにシリンダブロック側の熱交換器に比べて冷却効
率が悪いという問題がある。本発明は、上記問題に鑑
み、冷却効率の良い２系統冷却用熱交換器およびそれを
用いた冷却装置を提供することを目的とする。

【０００５】

【課題を解決するための手段】本発明の請求項１によれ
ば、所定の温度以上に加熱されると沸騰する第１作動流
体を内封した第１ヒートパイプと、前記第１ヒートパイ
プと長手軸方向端部で連結され、前記第１作動流体より
低い所定の温度以上に加熱されると沸騰する第２作動流
体を内封した第２ヒートパイプと、前記第１ヒートパイ
プのみを覆う様に配設された第１熱交換室と、前記第１
ヒートパイプと前記第２ヒートパイプの両方を連結部分
を挟んで連続的に覆う様に配設された第２熱交換室と、
前記第２熱交換室の外部で前記第２ヒートパイプの外表
面に取り付けられた放熱部材とから成り、前記第１熱交
換室に冷却すべき第１冷却液を通過せしめ、前記第２熱
交換室に冷却すべき第２冷却液を通過せしめることを特
徴とする２系統冷却用熱交換器が提供される。

【０００６】本発明の請求項２によれば、所定の温度以
上に加熱されると沸騰する第１作動流体を内封した第１
ヒートパイプと、前記第１ヒートパイプと長手軸方向端
部で連結され、前記第１作動流体より低い所定の温度以
上に加熱されると沸騰する第２作動流体を内封した第２
ヒートパイプと、前記第１ヒートパイプのみを覆う様に
配設された第１熱交換室と、前記第１ヒートパイプと前
記第２ヒートパイプの両方を連結部分を挟んで連続的に
覆う様に配設された第２熱交換室と、前記第２熱交換室
の外部で前記第２ヒートパイプの外表面に取り付けられ
た放熱部材とから成る２系統冷却用熱交換器の、前記第
１熱交換室にエンジンのシリンダブロック部を冷却する
シリンダブロック冷却液を通過せしめ、前記第２熱交換
室にエンジンのシリンダヘッド部を冷却するシリンダヘ
ッド冷却液を通過せしめて成るエンジンの２系統冷却装
置が提供される。

【０００７】

【作用】本発明の請求項１では、第１冷却液の温度が第
１作動流体の作動温度よりも高い場合には、第１ヒート
パイプに内封された第１作動流体は第１熱交換室内部で
第１冷却液の熱を奪って沸騰して第２熱交換室内部に達
し、そこで第２冷却液によって冷却されて液化して第１
熱交換室内部に戻る。第２冷却液の温度が第２作動流体
の作動温度よりも高い場合には、第２ヒートパイプに内
封された第２作動流体は第２熱交換室内部で第２冷却液
の熱を奪って沸騰して外表面に放熱部材が取り付けられ
ている部分に達し、そこで空気によって冷却されて液化
して第２熱交換室内部に戻る。

【０００８】本発明の請求項２では、第１冷却液がエン
ジンのシリンダブロック部で熱を奪い請求項１の熱交換
器の第１熱交換室に導入される。その温度が第１作動流
体の作動温度よりも高い場合には、第１熱交換室内で上
記の様な熱交換がおこなわれ第１冷却液は冷却されて再
びエンジンのシリンダブロック部内の水通路に戻る。ま
た、第２冷却液はエンジンのシリンダヘッド部で熱を奪
い請求項１の熱交換器の第２熱交換室に導入される。そ
の温度が第２作動流体の作動温度よりも高い場合には、
第２熱交換室内で上記の様な熱交換がおこなわれ第２冷
却液は冷却されて再びエンジンのシリンダヘッド部内の
水通路に戻る。また、第２冷却液の温度が第１冷却液の
温度よりも高い場合、熱伝導により、第２冷却液から、
第１ヒートパイプの本体を介して第１冷却液に熱が伝わ
り、第１冷却液が暖められ、暖められた第１冷却液は、
エンジンのシリンダブロック部を暖める。

【０００９】

【実施例】図１は本発明による熱交換器の実施例の断面
図である。図１において、１は２系統冷却用熱交換器の
全体を示しており、第１作動流体Ｓ１を内封した管状の
第１ヒートパイプ２と、第１作動流体Ｓ１よりも沸騰温
度の低い第２作動流体Ｓ２を内封した同じく管状の第２
ヒートパイプ２が結合部４において連結されている。２
ａおよび３ａは、いわゆるウィックであって、それぞれ
第１ヒートパイプ２と第２ヒートパイプ３の内部に管壁
から隙間を設けて配設されていて毛細管作用をおこなう
ものであり、具体的には例えば金網である。また、第１
冷却液Ｒ１を取り入れる入口５ｉと排出する出口５ｏが
取り付けられた第１熱交換室５と、冷却される第２冷却
液Ｒ２を取り入れる入口６ｉと排出する出口６ｏが取り
付けられた第２熱交換室６は結合部７において連結され
ている。

【００１０】電動モータ８が第１冷却室５の端部に取り
付けられていて、電動モータ８の回転軸（図示しない）
は第１ヒートパイプ２と連結されている。第１ヒートパ
イプ２および第２ヒートパイプ３はシール部材９、１
０、１１を介して第１熱交換室５および第２熱交換室６
に回転自在に支持されていて電動モータ８によって一体
的に回転する。

【００１１】スパイラルフィン１２は第１ヒートパイプ
２に固定的に取り付けられていて第１ヒートパイプ２が
電動モータ８により回転せしめられると第１冷却液Ｒ１
を第１熱交換室５の入口５ｉから出口５ｏに移送すると
共に第１冷却液Ｒ１の熱を第１作動流体Ｓ１に伝達す
る。スパイラルフィン１３は第１ヒートパイプ２に固定
的に取り付けられていて第１ヒートパイプ２が電動モー
タ８により回転せしめられると第２冷却液Ｒ２を第２熱
交換室６の入口６ｉから第１ヒートパイプ２と第２ヒー
トパイプ３の結合部４のところまで移送すると共に第１
作動流体Ｓ１の熱を第２冷却液体Ｒ２に伝達する。スパ
イラルフィン１４は第２ヒートパイプ３に固定的に取り
付けられていて第２ヒートパイプ３が電動モータ８によ
り回転せしめられると第２冷却液Ｒ２を第１ヒートパイ
プ２と第２ヒートパイプ３の結合部４のところから第２
熱交換室６の出口６ｏまで移送すると共に第２冷却液Ｒ
２の熱を第２作動流体Ｓ２に伝達する。フィン１５は第
２ヒートパイプ３に固定的に取り付けられていて第２ヒ
ートパイプ３が電動モータ８により回転せしめられると
一緒に回転し第２作動流体Ｓ２の熱を外部に放熱する。

【００１２】図２は、第１作動流体Ｓ１と第２作動流体
Ｓ２の温度に対する作動特性であって、同図に示される
様に、それぞれの作動流体の熱流量は作動流体の沸騰に
よりある温度から急激に増加するが、それ以下の温度で
も作動流体の蒸発特性、パイプによる熱伝導により、わ
ずかではあるが存在する。

【００１３】図３は上記の様に構成された熱交換器を組
み込んだ冷却装置の実施例であって、自動車のエンジン
の冷却装置を示している。図３において、１００はエン
ジンであって、エンジン１００はヘッドガスケット１１
０を介して結合されたシリンダブロック１２０とシリン
ダヘッド１３０から構成されている。

【００１４】シリンダブロック１２０とシリンダヘッド
１３０の内部には互いに独立した冷却液通路が配設され
ていて（図示しない）、シリンダブロック１２０の冷却
液通路１２０ａの入口１２０ｉは熱交換器１の第１熱交
換室５の出口５ｏと連通され、出口１２０ｏは熱交換器
１の第１熱交換室５の入口５ｉと連通され、シリンダヘ
ッド１３０の冷却液通路１３０ａの入口１３０ｉは熱交
換器１の第２熱交換室６の出口６ｏと連通され、出口１
３０ｏは熱交換器１の第２熱交換室６の入口６ｉと連通
されている。したがって、シリンダブロック１２０を冷
却する第１冷却液Ｒ１とシリンダヘッド１３０を冷却す
る第２冷却液Ｒ２は互いに混じり合うことなく、それぞ
れ独立した閉じた冷却回路を循環する。

【００１５】次に上記の冷却装置の作動を説明する。初
めに、第１冷却液Ｒ１と第２冷却液Ｒ２の温度の上がり
方を説明する。図４に示したのが第１冷却液Ｒ１と第２
冷却液Ｒ２の温度の上がり方であって、シリンダヘッド
部の方がシリンダブロック部よりも発熱量が大きいの
で、シリンダヘッド部を冷却する第２冷却液Ｒ２の方が
立ち上がりが速く、シリンダブロック部を冷却する第１
冷却液Ｒ１の方が立ち上がりが遅い。ただし、定常状態
では作動温度が高い側にある第１作動流体Ｓ１により制
御される第１冷却液Ｒ１の方が、作動温度が低い側にあ
る第２作動流体Ｓ２により制御される第２冷却液Ｒ２よ
りも高い。

【００１６】初めに、定常状態について説明する。モー
タ８により回転せしめられるスパイラルフィン１２によ
って熱交換器１の第１熱交換室５の出口５ｏから送出さ
れた、冷却終了直後の、系の中で最も低い温度状態の第
１冷却液Ｒ１は、入口１２０ｉからエンジン１００のシ
リンダブロック１２０の内部の水通路１２０ａに入り、
そこでシリンダブロック１２０の熱を奪った後、出口１
２０ｏから排出されて、再び入口５ｉから熱交換器１の
第１熱交換室５に入る。

【００１７】定常状態においては、第１熱交換室５に入
った第１冷却液Ｒ１の温度が第１ヒートパイプ２に内封
された第１作動流体Ｓ１の沸点よりも高く、第１冷却液
Ｒ１の熱はスパイラルフィン１１および第１ヒートパイ
プ１を介して第１作動流体Ｓ１に伝達される。すると、
第１作動流体Ｓ１は第１冷却液Ｒ１から蒸発熱を奪って
沸騰し、蒸気となって第１ヒートパイプ１の内部を上方
に移動する。そして、第１冷却液Ｒ１は熱が奪われ温度
が下がり、冷却された状態で再び出口５ｏから出てい
く。

【００１８】一方、モータ８により回転せしめられるス
パイラルフィン１３、１４によって熱交換器１の第２熱
交換室６の出口６ｏから送出された冷却終了直後の、系
の中で最も低い温度状態の第２冷却液Ｒ２は、ウォータ
ポンプ１４０によって入口１３０ｉからエンジン１００
のシリンダヘッド１３０の内部の水通路１３０ａに送り
込まれ、そこでシリンダヘッド１３０の熱を奪った後、
出口１３０ｏから排出されて、再び入口６ｉから熱交換
器１の第２熱交換室６に入る。

【００１９】第１ヒートパイプ１の上方部分は第２熱交
換室６の内部にあり、外部表面は上記の様に循環する第
２冷却液Ｒ２に接している。定常状態においては、その
領域における第２冷却液の温度が、前記沸騰した第１作
動流体Ｓ１の温度よりも低く、第１作動流体Ｓ１は冷却
されて凝縮し液体となって第１ヒートパイプ１の管璧を
伝って下方部分に落下する。

【００２０】一方、第１作動流体Ｓ１から奪った熱によ
って温度上昇した第２冷却液Ｒ２はさらに結合部３より
も上側に移動する。すると、第２ヒートパイプ２に内封
された第２作動流体Ｓ２は第２冷却液Ｒ２から蒸発熱を
奪って沸騰し、蒸気となって第２ヒートパイプ３の内部
を上方に移動する。そして、第２冷却液Ｒ２は熱が奪わ
れ温度が下がり、冷却された状態で再び出口５ｏから出
ていく。

【００２１】第２作動流体Ｓ２は沸騰して気体となって
第２ヒートパイプ３の内部を上方に移動し、第２ヒート
パイプ３のフィン１５が取り付けられた部分に達する。
フィン１４の周囲の空気の温度が蒸発した第２作動流体
Ｓ２の温度よりも低いと周囲の空気がフィン１５および
第２ヒートパイプ３を介して第２作動流体Ｓ２から熱を
奪い、第２作動流体Ｓ２は凝縮し液体となって第２ヒー
トパイプ３の管璧を伝って下方部分に落下する。したが
って、第１ヒートパイプ２は第１冷却液Ｒ１からの熱を
第２冷却液Ｒ２に放熱するため、空気に放熱するよりも
熱伝達率がはるかに大きく、第１ヒートパイプ２の放熱
部、すなわち、第２冷却液Ｒ２と接触する部分をコンパ
クトにすることができる。一方、第２冷却液Ｒ２は、第
１冷却液Ｒ１からの熱が加わるために温度が上昇し、第
２ヒートパイプ３の受熱量が大きくなり、第２作動流体
Ｓ２の沸騰による蒸発量が増大する。その結果、第２ヒ
ートパイプ３の放熱部が単位時間に受ける熱量は大きく
なり、特開平６−１５９８８８号公報に開示された熱交
換器を単純に２個並列に配置して使用した場合のそれぞ
れのヒートパイプを合わせた放熱量と同一とする場合に
は放熱部をコンパクトにすることができる。

【００２２】一方、エンジンが冷態で始動されて暖機さ
れる場合は以下の様になる。エンジンのシリンダヘッド
部はシリンダブロック部よりも発熱量が大きいのでシリ
ンダヘッド部のまわりの冷却液通路を通る第２冷却液Ｒ
２の方が先に温度が上昇していく。ここで、第１作動流
体Ｓ１の作動特性は図２に示す様な特性を有している。
したがって、第２冷却液Ｒ２の温度が上昇すると、熱伝
導により、第１ヒートパイプ２の本体を介して第１冷却
液に熱が移動する。また、第１作動流体Ｓ１が第２冷却
液Ｒ２により若干蒸発し、第１冷却液Ｒ１に熱を奪われ
て凝縮することにより、第１冷却液Ｒ１への蒸発による
熱移動もおこなわれる。その結果、第１冷却液が第２冷
却液によって加熱され、第２冷却液の温度上昇が促進さ
れる。上記の様に、先に温度が上昇した第２冷却液はシ
リンダブロック壁に熱を与えるのでシリンダブロックの
内部を流れるオイルの粘度を下げ結果的にエンジンのフ
リクションを低減する。さらに、上記の様にヒートパイ
プがサーモスタットの役割を果たすため、従来の様に複
数のサーモスタットを冷却系路中に介在させる必要がな
くなり、冷却液の流通抵抗が減少する。

【００２３】上記の様に本実施例によれば、エンジン暖
機時には、シリンダヘッド側を流れる冷却液の熱をシリ
ンダブロック側を流れる冷却液に与えることが可能で、
２系統の冷却回路の放熱部を完全に分離した２系統冷却
装置に比べるとシリンダブロック側を流れる冷却液の温
度上昇を早めることが可能である。また、本実施例では
２つの熱交換器が一体化されていて、さらに１個の電気
モータで２系統の冷却液の循環と、放熱フィンの回転を
おこなっており部品点数が低減され、取り付け工数が低
減されているが、逆に、ヒートパイプを固定しておいて
別途設けたウォータポンプにより冷却液の循環をおこな
い、別途設けた送風機によって放熱フィンから熱を奪う
様にすれば制御性を向上することが可能である。

【００２４】

【発明の効果】本発明の請求項１による熱交換器では、
２系統の冷却液の温度の高い方から低い方への熱の伝達
がおこなわれるため熱伝導効率が良い。温度の低い冷却
液は温度の高い冷却液から熱を受け、空気との温度差が
大きくなるため、放熱量が増大する。そのため、熱交換
器をコンパクトにすることが可能である。また、請求項
２による冷却装置では、エンジン暖機時には、シリンダ
ヘッド部の熱をシリンダブロック部に伝達できるので、
シリンダブロックの暖機性が向上し、シリンダブロック
部のフリクションの増加を防止することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明による２系統冷却用熱交換器の構造を示
す図である。

【図２】作動流体の作動特性を示す図である。

【図３】図１の２系統冷却用熱交換器を用いた冷却装置
の全体図である。

【図４】シリンダブロック部を冷却する第１冷却液と、
シリンダヘッド部を冷却する第２冷却液の冷態始動後の
温度変化を示す図である。

【符号の説明】

１…２系統冷却用熱交換器 ２…第１ヒートパイプ ３…第２ヒートパイプ ５…第１熱交換室 ５ｉ…第１熱交換室の入口 ５ｏ…第１熱交換室の出口 ６…第２熱交換室 ６ｉ…第２熱交換室の入口 ６ｏ…第２熱交換室の出口 ８…モータ ９、１０、１１…シール部材 １２…スパイラルフィン １３…スパイラルフィン １４…スパイラルフィン １５…フィン １００…エンジン １１０…ヘッドガスケット １２０…シリンダブロック部 １２０ａ…シリンダブロック部の冷却液通路 １２０ｉ…シリンダブロック部の冷却液通路の入口 １２０ｏ…シリンダブロック部の冷却液通路の出口 １３０…シリンダヘッド部 １３０ａ…シリンダヘッド部の冷却液通路 １３０ｉ…シリンダヘッド部の冷却液通路の入口 １３０ｏ…シリンダヘッド部の冷却液通路の出口

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 所定の温度以上に加熱されると沸騰する
   第１作動流体を内封した第１ヒートパイプと、 前記第１ヒートパイプと長手軸方向端部で連結され、前
   記第１作動流体より低い所定の温度以上に加熱されると
   沸騰する第２作動流体を内封した第２ヒートパイプと、 前記第１ヒートパイプのみを覆う様に配設された第１熱
   交換室と、 前記第１ヒートパイプと前記第２ヒートパイプの両方を
   連結部分を挟んで連続的に覆う様に配設された第２熱交
   換室と、 前記第２熱交換室の外部で前記第２ヒートパイプの外表
   面に取り付けられた放熱部材とから成り、 前記第１熱交換室に冷却すべき第１冷却液を通過せし
   め、 前記第２熱交換室に冷却すべき第２冷却液を通過せしめ
   ることを特徴とする２系統冷却用熱交換器。
2. 【請求項２】 所定の温度以上に加熱されると沸騰する
   第１作動流体を内封した第１ヒートパイプと、 前記第１ヒートパイプと長手軸方向端部で連結され、前
   記第１作動流体より低い所定の温度以上に加熱されると
   沸騰する第２作動流体を内封した第２ヒートパイプと、 前記第１ヒートパイプのみを覆う様に配設された第１熱
   交換室と、 前記第１ヒートパイプと前記第２ヒートパイプの両方を
   連結部分を挟んで連続的に覆う様に配設された第２熱交
   換室と、 前記第２熱交換室の外部で前記第２ヒートパイプの外表
   面に取り付けられた放熱部材とから成る２系統冷却用熱
   交換器の、 前記第１熱交換室にエンジンのシリンダブロック部を冷
   却するシリンダブロック冷却液を通過せしめ、 前記第２熱交換室にエンジンのシリンダヘッド部を冷却
   するシリンダヘッド冷却液を通過せしめて成るエンジン
   の２系統冷却装置。