JPS6210414A - 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ジャケット内ｌこ
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ｉこした内燃機関の
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
ｌこあっては、ラジェータでの熱交換効率に自から限界
があり、大盤のラジェータが必要であるとともに、ウォ
ータジャケットにおいても大波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４７−５
０１９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。しかし、特公昭４７−５０１９号
公報ｔこ記載の装置は、ウォータジャケットの上壁面に
コンデンサを立設し、ウォータジャケットから立ち上が
った発生蒸気がコンデンサに自然に流入するとともに、
凝縮した液相冷媒がそのままウォータジャケットに滴下
するようにした構成であって、コンデンサの下方から上
昇して来る蒸気流によって、コンデンサ内で凝縮した液
滴もコンデンサの外部に押し出してしまう虞れがある、
などウォータジャケットで保有する冷媒量やコンデンサ
の放熱量などが非常に不安定なものであり、安定した冷
却が必要な自動車用機関などには到底適用できない。ま
た特開昭５７−６２９１２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を介してコンデ
ンサに導入するとともｌこ、液化した冷媒をポンプによ
って−Ｈ分離タンクに圧送し、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が自然ｌこ等しくなるこ
とを利用してウォータジャケット内へ分離タンクから冷
媒を補給するように構成したものであるから、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く、
燃焼室壁等が局部的に冷却不良となる虞れがある。

これｌこ対し、水出１願人は、ウォータジャケットとコ
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
冷媒循環系を形成するとともに、上記ウォータジャケッ
トの所定レベルに液面センサを配設し、ウォータジャケ
ットで発生した冷媒蒸気をコンデンサに導いて凝縮させ
た後、上記液面センサの検出に基づく冷媒供給ポンプの
間欠的な作動によって再度ウォータジャケットに補給し
て、ウォータジャケット内の冷媒液面を所定レベル（こ
保つようｌこした沸騰冷却装置を稲々提案している（例
えば特開昭６０−３６７１２号公報、特開昭６０−３６
７１５号公報等）。

発明が解決しようとする問題点 しかしながら、このように液面センサの検出薯こよって
冷媒供給ポンプを制御する構成では、液面センサやその
制御系統ｌこ高い信頼性ならびに耐久性が求められるこ
とから装置の簡素化、低コスト化が困雛である。また上
記特開昭６０−３６７１２号公報および特開昭６０−３
６７１５号公報の装置では、冷媒循環系の最上部に、電
磁弁を備えた空気排出通路を接続してあり、系外のりザ
ーバタンクから上記冷媒供給ポンプを用いて系内ｆこ液
相冷媒を強制的に導入し、系内を一旦液相冷媒で満たす
ことによって空気の排出を行うようにしてい°るため、
装置全体の構成や制御が一層複雑なものとなってしまう
。

問題点を解決するための手段 この発明に糸る内燃機関の沸騰？′＃却装置は、上部に
蒸気出口を有し、かつ所定レベルに一つあるいは複数の
余剰冷媒排出口が開口形成されるとともに、この所定レ
ベルまで液相冷媒が貯留されるウォータジャケットと、
このウオータンヤグ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、上記ロアタンクと上記ウォータジャケ
ットとの間に配設され、かつウォータジャケット内冷媒
温度が所定の暖機光子【品度ｌこ達したときに作動開始
する冷媒供給ポンプと、上記余剰冷媒排出口と上記ロア
タンクとを連通し、上記ウォータジャケットから溢れた
液相冷媒が通流するオーバフロー通路と、上記ロアタン
クｌこ補助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を備えて構成されている。

作　　用 暖機が完了した通常運転時（こけ、冷媒はウォータジャ
ケット内で沸騰気化し、その際の気化ａ熱で各部を冷却
するとともに、コンデンサに流入して凝縮し、ロアタン
クｌと集められる。冷媒供給ポンプは、このロアタンク
からウォータジャケットに連続的に液相冷媒を供給して
おり、ウォータジャケットの余剰冷媒排出口から溢れ出
た液相冷媒はオーバフロー通路を通して、高低差ならび
にウォータジャケット側とコンデンサ側との若干の圧力
差によりロアタンクに自然に戻される。この結果、ウォ
ータジャケット内の冷媒液面は常ｌこ所定レベルに維持
される。

一万、上述のように冷媒の沸騰・凝縮が行われる系内に
、多少の空気が残存していたとすると、その空気は蒸気
流によってコンデンサ下部に自然に集められ、かつここ
から補助冷媒通路を通して蒸気に押し出される形で系外
憂こ排出される。

また機関停止後は、リザーバタンクとロアタンクとが常
時連通しているので、ウォータジャケットやコンデンサ
等からなる系内の温度低下つまり圧力低下に伴ってリザ
ーバタンクから系内に液相冷媒が流入し、最終的ｌこは
系全体が液相冷媒で満たされた状態となって空気侵入が
防止される。

次に始動後は、ウォータジャケット内で沸騰が開始する
結果、系内から液相冷媒がリザーバタンクに自然に押し
出され、系上部に必要な蒸気空間が確保される。ここで
、冷媒供給ポンプは、所定の暖機完了温度に達するまで
停止しているので、ウォータジャケット内の冷媒は滞溜
状態ζこ保たれ、速やかな暖機の進行が図れる。

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、■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ｌこ、その上部の適宜な位置ｌこ蒸気比ロ
アが設けられている。この蒸気比ロアは、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
部となる冷媒注入部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。

また上記ウォータジャケット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ぢいて、一
つあるいは同一レベルに並んだ複数個の余剰冷媒排出口
１１が開口形成されている。

尚、１２は、上記ウォータジャケット２にヒータ用通路
１３を介して接続された車室１４暖房用のと−タコアで
あり、その下流側に、図示せぬヒータスイッチに連動し
て作動するヒータ用ポンプ１５が設けられている。

上記コンデンサ３は、上記人口３ａを有するアッパタン
ク１６と、上下方向ｌこ沿った微細なチューブを主体と
したコア部１７と、このコア部１７で凝縮された液化冷
媒を一時貯留するロアタンク１８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１９を備えている。また上記ロアタンク
１８の底部に冷媒循環通路２０の一端が接続されており
、かつこの冷媒循環通路２０の他端が上記ウォータジャ
ケット２のシリンダブロック５側に設けた冷媒人口２ａ
に接続されている。そして、上記冷媒循環通路２０の中
間部には、上記の冷媒供給ポンプ４が介装されている。

この冷媒供給ポンプ４の冷媒流量は、高速高負荷時にお
ける最大蒸気発生量および液滴のままウォータジャケッ
ト２から持ち出される冷媒波を考慮して、最大−こ必要
な冷媒循環量を若干上層る程度ｌこ設定されている。

また上記ロアタンク１８は、クォータジャケット２０余
剰冷媒排出口１１の高さ位置に対し相対的に低位置に配
設されており、かっオーバフロー通路２１を介して上記
余剰冷媒排出口１１に連通している。

このオーバフロー通路２１は、蒸気発生量の少ない゛低
負荷時等においても確実に液相冷媒を戻し得るように通
路断面積等が設定されている。

ｎ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ックで
あって、これは通気機能を有するキャップ２４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をこ設置されており、かつロア
タンク１８の比較的上部に接続された補助冷媒通路５を
介して常時ロアタンク１８に連通している。

また上記冷媒供給ポンプ４は、ウォータジャケット２の
適宜位置に配設した第１温度スイッチ２６を介して電源
に接続され、かつ冷却ファン１９はロアタンク１８に配
設した第２ｍ度スイッチ２７を介して電源に接続されて
いる。上記第１．第２温度スイッチ２６　、２７は何れ
も所定温度以下のときにＯＦＦ’、所定温度以上のとき
にＯＮとなるもので、その作動温度は、高地における冷
媒沸点よりも低くかつ暖機が完了したとみなせる温度、
例えば８３℃程度に設定されている。

次に上記のように構成された沸騰冷却装置の作動につい
て説明する。

先ず機関の停止状態においては、冷媒循環系の全体が液
相冷媒（例えば二手レンゲリコール水溶液）で満たされ
ており、かつリザーバタンク詔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、ウォータジ
ャケット２内の冷媒がやがて沸騰を開始し、ウォータジ
ャケット２の上部ならびｌζコンデンサ３上邪に徐々に
気相冷媒領域が形成されて行くとともｆこ、沸騰による
内圧の上昇によって系内から液相冷媒がリザーバタンク
２３１こ徐々に押し出される。ここで冷媒供給ボ、ンプ
４は暖機完了温度まで停止状態を保つので、ウォータジ
ャケット２内の冷媒は滞留状態のまま熱を受け、従って
速やかな暖機が可能である。また沸騰開始時点では冷媒
供給ボン：ｊ４が確実に作動を開始しており、ウォータ
ジャケット２内の冷媒液面が所定レベル以下に低下する
ことはない。

コンデンサ３の上部に気相冷媒領域が拡大するニ従って
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
置が定まり、以後は、機関の負荷や車両走行風等に応じ
てコンデンサ３の液面位置が自然に上下動しつつ系内温
度を略一定に保つ。冷却ファン１９は、ロアタンク１８
内の冷媒温度が高まると作動開始し、コンデンサ３を強
制冷却する。また、冷媒供給ポンプ４は機関運転中常時
ロアタンク１８からウォータジャケット２へ液相冷媒を
供給しており、かつ余剰の液相冷媒はオーバフロー通路
２１を介してロアタンク１８に戻るので、ウォータジャ
ケット２内の冷媒液面は常に所定レベルに確実ｌこ維持
される。

コンデンサ３の最大放熱能力は１機関発熱量を下層るこ
とのないように設定されているため、ロアタンク１８と
リザーバタンクｎとが常時連通していても蒸気の流出を
生じることはないが、系内ｌこ不凝縮気体である空気が
侵入していると、コンデンサ３の放熱能力が低下するこ
とがある。この場合、空気は冷媒蒸気に押されてコンデ
ンサ３の下方Ｉこ滞留する傾向にあるから、コンデンサ
３の放熱能力の低下によりコンデンサ３内の冷媒液面が
下がったときに、補助冷媒通路δを通してリザーバタン
ク２３に押し出され、つまり自然ｌこ排出される。尚、
空気とともζこ若干の冷媒蒸気が流出するが、これはリ
ザーバタフタ２３内で凝縮して回収される。

また機関停止後は、系内の温度低下による圧力低下に伴
って、リザーバタック２３から系内ｉＣ舐相冷媒が移動
し、最終的には系内全体が次イ目冷媒で満たされた状態
となって停止中の空２の侵入が防止される。尚、コンデ
ンサ３で凝縮される冷媒は、不凍液成分（エチレングリ
コール等）を殆ど含まない純水に近いものとなるが、上
記のよう（こオーバフロー通路２１を介してウォータジ
ャケット２からロアタンク１８ｊこ液相冷媒が戻される
ので、不凍液成分の偏在が防止され、運転中の沸点の変
動や厳寒地ｌこおけるコンデンサ３等の凍結の虞れがな
い。

発明の効果 以上の説明で明らかなようｌこ、この発明に係る内燃機
関の沸騰冷却装置ｌこよれば、複雑な制御回路や多数の
電磁弁等を用いない極めて簡単な構成でもって、冷媒の
沸騰・＃縮すイクルを利用した冷却効率や温度の均−性
等ζこ優れた冷却を実現できる。また急速暖機が可能で
あり、かつ空気の侵入に対しても格別の作動を行わせる
ことなく自動的に排出でき、信頓性や安全性ｌこ優れた
ものとなる。

【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、ＩＩ・・・余剰
冷媒排出口、１８・・・ロアタンク％１９・・・冷却フ
ァン、２１・・オーバフロー通路、ｎ・・リザーバタン
ク、２５・・・補助冷媒通路、２６・・・第１温度スイ
ッチ、２７・・・第２温度スイッチ。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. （１）上部に蒸気出口を有し、かつ所定レベルに一つあ
   るいは複数の余剰冷媒排出口が開口形成されるとともに
   、この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、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、上記ロアタンクと上記ウ
   ォータジャケットとの間に配設され、かつウォータジャ
   ケット内冷媒温度が所定の暖機完了温度に達したときに
   作動開始する冷媒供給ポンプと、上記余剰冷媒排出口と
   上記ロアタンクとを連通し、上記ウォータジャケットか
   ら溢れた液相冷媒が通流するオーバフロー通路と、上記
   ロアタンクに補助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を備えてなる内燃機
   関の沸騰冷却装置。