JPH0141813B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 ａ 技術分野 本発明は冷却液の沸騰気化潜熱によりエンジン
冷却を行うようにした沸騰冷却装置に関する。

ｂ 技術的背景 エンジンの熱効率上、燃焼室等の壁温を材料の
耐久性及び耐ノツク性等に支障を生じない範囲で
できるだけ高くした方が好ましいことは良く知ら
れているが、従来の水冷式エンジンではエンジン
の冷却水ジヤケツトとラジエータとの間に冷却水
を循環させ、冷却水の温度に依存して開閉するサ
ーモスタツトにより冷却水の循環径路を切換える
という単純な構成を採つていたため実質的にはエ
ンジンの過熱を防止する程度の効果しか期待でき
ず、言い換えれば運転状態に応じた最高温度制御
は困難であつた。

このような観点から、例えば特開昭58−5449号
等に見られるように、燃焼室壁面温度を検出して
これを冷却水ポンプ駆動用の電動機にフイードバ
ツクし、運転状態に応じた適正温度が得られるよ
うに冷却水循環量を連続可変制御する装置が提案
されているが、この種の装置は根本的にはラジエ
ータにおいて外気に放熱した冷却水をウオータジ
ヤケツトに戻してエンジンを冷却するという液相
循環冷却であることに変わりはないので、放熱効
率の面からは従来の常識的な水冷方式と選ぶとこ
ろがなく、すなわち多量の冷却水を循環させる必
要から冷却水ポンプが大きな駆動損失となり、ま
た運転状態が激しく変化する自動車用エンジン等
に対しては応答よく温度制御をするのが困難であ
る等の問題を残すものであつた。

これに対して、冷却水の沸騰気化潜熱により少
量の冷却水で要求放熱量を確保しうるようにした
装置として、例えば特公昭57−57608号に見られ
るような沸騰冷却装置が提案されている。

これは、第１図に示したようにエンジン１のウ
オータジヤケツト２とラジエータ３の下部を通路
４で連通して内部に充填した冷却水の液面レベル
を各々で同一になるように図つたうえで、燃焼熱
により沸騰気化した冷却水蒸気をジヤケツト２の
上部空間５及び蒸気通路６を介してラジエータ３
に導入し、ラジエータ３で冷却された蒸気の凝縮
液化分だけ通路４を介してウオータジヤケツト２
へと冷却水が戻るようにした自然循環による冷却
系を形成している。

このような冷却装置によると、冷却水の沸騰気
化潜熱によりシリンダ壁等からの吸熱がなされる
ため、冷却水の液相での熱容量に依存した一般的
な循環冷却に比較して冷却水容量が少なくて済
み、またエンジン高温部から沸騰が始まるため多
気筒機関でもムラなく冷却できる等の利点が得ら
れる。

しかしながらその反面、この種の冷却装置によ
るとラジエータ３がウオータジヤケツト２と同レ
ベルで冷却水が満たされていて、液相の冷却水と
外気との間で熱交換することになるため冷却シス
テムとしての放熱効率は必ずしも向上するわけで
はなく、また系内の圧力を常に一定に保つように
していることもあつて、冷却性能を可変制御する
のは困難であつた。

さらにこの装置では冷却水の沸点つまり冷却熱
量を安定化するために上述のように系内の圧力を
一定に保つようにしており、この目的から蒸気通
路６と大気との間で気体の通過のみを許容する選
択透過性フイルタ７を介して圧力のやりとりをす
るようにしているが、この結果として冷却水の沸
騰気化によつて系内圧力が高まつたときに蒸気の
一部が外部へと逃げることになるため定期的に冷
却水を補給する必要を生じ、またエンジン停止後
の温度低下に伴つて系内圧力が低下すると外部か
ら空気を吸い込むため以後冷却性能が悪化する等
の問題を生じることが考えられる。

ｃ 発明の目的 本発明はこのような技術的背景の下に創案され
たもので、エンジン運転状態の変化に即応した最
適冷却状態に制御して熱効率を向上するととも
に、冷却系としての効率をも高めて軽量小型化の
要求に応え、さらにメンテナンスを不要とした沸
騰冷却式エンジンを提供することを目的とする。

ｄ 発明の開示 上記目的を達成するために本発明では、エンジ
ンのウオータジヤケツト内で発生した冷媒蒸気を
冷却液化するコンデンサと、コンデンサで液化し
た冷媒を一時貯留するロワタンクと、ロワタンク
の液状冷媒を再びウオータジヤケツトに戻す電動
ポンプと、コンデンサに強制冷却風を供給する電
動フアンとを設け、ウオータジヤケツトに封入し
た冷媒の液面レベルが所定値になるように電動ポ
ンプを制御して、コンデンサでは温度差の大きい
冷媒蒸気と外気との間で熱交換を行なわせること
により放熱効率を高めるとともに、電動フアンを
介してコンデンサでの冷媒凝縮量つまり系内の圧
力及び冷媒の沸点を変化させることによりエンジ
ン運転状態ないし運転域に応じた最適温度に制御
しうるように図る一方、さらに外部に冷媒を貯留
した補助タンクを設け、ウオータジヤケツト及び
コンデンサ間の冷却系内に外気が侵入した場合は
エンジン停止時に補助タンクの液状冷媒を導入し
て系内を冷媒で満たすことにより侵入空気を排出
して、冷却装置がつねに所期の性能を発揮しうる
ようにした。

以下、本発明の実施例を図面に基づいて説明す
る。

ｅ 実施例 第２図または第３図において、２１はエンジン
（本体）、２２はそのウオータジヤケツト、２３は
コンデンサ、２４はコンデンサ２３の下部に連通
するロワタンク、２５は電動ポンプ、２６は電動
フアンである。

ウオータジヤケツト２２はエンジン２１のシリ
ンダ及び燃焼室の外周部を包囲するようにシリン
ダブロツク２１ａ及びシリンダヘツド２１ｂにか
けて形成され、その内部には上方に冷媒蒸気で満
たされる適当な空間（気相空間）２２ａが残る程
度に液相冷媒が封入されている。なお、多気筒エ
ンジンでは前記気相空間２２ａは各気筒部間で相
互に連通している。

ウオータジヤケツト２２は、その気相空間に面
して接続した冷媒注入管２２ｂ及び蒸気通路２７
を介してコンデンサ入口部２３ａに連通してい
る。前記冷媒注入管２２ｂは冷媒が循環する径路
の最上部に位置し、上方に立ち上つた注入口部２
２ｃはキヤツプ２２ｄで密閉される。

ロワタンク２４は、途中に電動ポンプ２５を介
装した冷媒通路２８を介してウオータジヤケツト
２２下部の冷媒入口部２２ｅに接続される。

コンデンサ２３は車両走行時に走行が流通する
位置に設けられ、電動フアン２６はその前面また
は背面側に位置してコンデンサ２３に強制冷却風
を供給する。

３０は上記電動ポンプ２５並びに電動フアン２
６の作動を司る制御回路（第３図）であり、シリ
ンダヘツド２１ｂに設けられた液面センサ３１
と、同じく温度センサ３２及びエンジン運転状態
を検出するその他の検出手段（図示せず）と共に
制御系統を形成している。

液面センサ３１は、その検出部が冷媒液に浸る
が気相空間２２ａに露出するかに応じてオンオフ
的に出力が変化し、制御回路３０はこの出力の変
化に基づいて、冷媒液面が液面センサ３１の位置
に応じた所定値よりも低下した場合には電動ポン
プ２５を駆動して再び所定液面レベルに達するま
でロワタンク２４の貯留冷媒をウオータジヤケツ
ト２２に補給する。このため、ウオータジヤケツ
ト２２内には常時所定量の冷媒が確保される。な
お、この冷却系内に注入される液相冷媒の全容量
は、ウオータジヤケツト２２に前述のようにして
所定液面レベルにまで冷媒が確保された状態でコ
ンデンサ２３の内部がほぼ気相状態になる程度に
設定されている。

一方温度センサ３２は、冷媒の温度または圧力
からエンジン温度を検出し、エンジン温度に応じ
た出力を実温度信号として制御回路３０に付与す
るもので、制御回路３０はこの温度センサ３２か
らの実温度の検出値と共に、エンジン回転、スロ
ツトル開度、燃料供給量等を周知のセンサ類を介
して検出してエンジンの運転状態を判別し、前記
実温度との比較に基づいて運転状態に応じた適正
なエンジン温になるように電動フアン２６の作動
または停止を制御する。

エンジン運転状態と制御温度値との関係は、こ
れをエンジンの仕様や目的・用途に応じて自由に
設定できることは言うまでもないが、一般に自動
車用エンジンでは比較的負荷並びにエンジン回転
が低い市街地走行域と、それ以外の高速または高
負荷域とに分けて、市街地走行域では温度を上げ
て熱効率を高め、高速・高負荷域では温度を下げ
て異常燃焼等を防止するように図る。

上記に基づく冷却系統としての基本的な作用に
ついて説明すると、ウオータジヤケツト２２内の
液相冷媒は、エンジン燃焼熱をうけて加熱される
と、そのときの系内の圧力に応じた沸点に達した
ところで沸騰を開始し、気化潜熱を奪つて蒸発気
化する。このとき、冷媒はエンジン２１の高温部
ほど盛んに沸騰して気化潜熱相当分の冷却を行な
うことになるため、燃焼室やシリンダ壁はほぼ均
一の温度に保たれ、具体的には異常燃焼を促すホ
ツトスポツトが発生しにくくなるため燃焼室等の
温度を全体的に高めることが可能になる。

上記沸騰冷却作用の結果発生した冷媒蒸気は蒸
気通路２７を介してコンデンサ２３内に侵入し、
外気との熱交換により冷却されて液化し、逐次ロ
ワタンク２４に貯留される。この場合、既述した
ようにコンデンサ２３の内部は気相状に保たれ、
高温の冷媒蒸気がコンデンサ２３を構成する金属
面との間の良好な熱伝達状態の下に外気で冷やさ
れることになるため、液相で放熱する場合よりも
大幅に放熱効率が高められ、従つてコンデンサ２
３並びに電動フアンは従来よりも著しく小型のも
のを使用することができる。

そして、コンデンサ２３で液化しロワタンク２
４に貯留された冷媒は、ウオータジヤケツト２２
での液面レベルの低下に伴う電動ポンプ２５の作
動により再びウオータジヤケツト２２へと戻され
るのであり、以上の繰り返しにより沸騰冷却が続
けられる。

ところで、総排気量1800c.c.のガソリンエンジン
を4000rpmで全開運転しているときの要求放熱量
は、毎分400kcal以上にもなり、これを冷却水の
液相循環冷却で全うするための冷却水の要求循環
量Ｑは、ラジエータの入口温度を88℃、同出口温
度を84℃、水の比熱を１とすると、Ｑ＝
400／（88−84）×１≒110Kg、つまり毎分約110に達 する。これに対して沸騰冷却では、冷媒として水
を使用した場合、その気化潜熱が約539kcal／Kg
であるから、液相冷媒の要求循環量は毎分数百c.c.
にすぎない。これにより、電動ポンプ２５は小型
のものを小電流で駆動でき、その制御が容易にな
るとともに、特に駆動損失が水循環冷却における
エンジン駆動のウオータポンプに較べて大幅に減
少するので、同一温度下でも著しい燃費の改善に
なる。

次に、温度制御に伴う冷却系統の作用を説明す
るにあたり、まず制御系統の動作概念の一例を説
明する。

制御系統は、先に述べたように電動フアン２６
の作動を制御することにより最終的にエンジン温
度がそのときの運転状態に応じた目標値になるよ
うに動作するのであるが、このためにまず、エン
ジンの回転速度と負荷の関係から運転状態を判定
し、比較的回転速度及び負荷が小さい市街地走行
域では制御温度目標値T₀として予め設定された
高温側目標値T_H（例えば、T_H＝110℃相当）を選
択し、それ以外の高速または高負荷域では同じく
T₀として低温側目標値T_L（例えば、T_L＝90℃相
当）を選択する。

次に、上記最終的な目標値T₀と実際のエンジ
ン温Taとを比較し、TaT₀のときは電動フアン
２６を駆動してコンデンサ２３に冷却風を供給
し、これを積極的に冷却する。その反対に、Ta
＜Toのときは電動フアン２６を停止してコンデ
ンサ２３を自然冷却状態に置く。制御系統はこの
ような動作を周期的または継続的に繰り返し実行
してエンジン温を制御するのであり、これに呼応
して冷却系統は次のように作用する。

すなわち、本発明ではコンデンサ２３の内部を
気相に保つて放熱効率を高めたことから、電動フ
アン２６により強制冷却風が供給されたときにこ
れに速やかに反応してコンデンサ２３内の冷媒蒸
気の液化が促され、このため系内の圧力が低下し
て液相冷媒の沸点も下降し、従つてエンジン温も
相応に低下していく。その反面、電動フアン２６
が停止すると、ことに市街地走行時のように車速
が低くて走行風が不足する条件下ではコンデンサ
２３での放熱量が減少してその内部での冷媒の液
化量よりもウオータジヤケツト２２での沸騰気化
量の方が上まわることになるため、系内の圧力が
上昇してエンジン温度が高められていく。

このようにして、エンジン２１はその温度を低
速・低負荷域では高く、高速または高負荷域では
低くという具合に応答よく変化させる。高速、高
負荷域ではエンジン温度を抑えることによりノツ
キングやデトネーシヨンなどの異常燃焼を回避で
きることは勿論、常用される市街地走行域でエン
ジンを適度な高温に保つことにより冷却損失を減
らして燃料消費率を高められる等の効果が得られ
ることは言うまでもない。なお、特にデイーゼル
エンジンではアイドリング時などの低速回転時に
燃焼室を高温に保つことにより、噴射燃料の着火
遅れ期間が減少し、言い換えれば予混合燃焼の割
合が少なくなるためシリンダ内圧の立上りが緩や
かになつて騒音、振動が減少するとともに、平均
有効圧が高められて燃費の一層の改善につなが
る。

本発明は、このような沸騰冷却装置において、
さらに系内に侵入した空気を排除することを直接
的な目的として、エンジン停止時に外部から液状
冷媒を導入するようにしたことが特徴であり、次
にこの点を説明する。

第２図または第３図において、５０はエンジン
運転時にウオータジヤケツト２２とロワタンク２
４の液面間に生じる気相空間２２ａの容積と同程
度の量の液状冷媒を貯留する補助タンク、５１は
補助タンク５０と冷却系統の冷媒通路２８とを連
通する第１補助通路、５２は補助タンク５０とエ
ンジンウオータジヤケツト２２とを連通する第２
補助通路、５３は電動ポンプ２５の吸込側をロワ
タンク２４側の通路２８または第１補助通路５１
に選択的に連通する第１電磁弁（三方弁）、５４
は第２補助通路５２を開閉する第２電磁弁、５５
は気相空間２２ａの頂部付近を大気側に開放また
は閉止する第３電磁弁である。

補助タンク５０は通気機能を有するフイルター
付キヤツプ５０ａを介してその内部が大気圧に保
たれており、第３電磁弁５５はこの補助タンク５
０の内部上方空間部と気相空間２２ａの頂部にあ
たる冷媒注入口部２２ｃとを連通する空気通路５
６の途中に介装される。

また、第１電磁弁５３は非通電時にはロワタン
ク２４と電動ポンプ２５とを連通しているが、通
電されると第１補助通路５１を介して補助タンク
５０を電動ポンプ２５の吸込側に接続する。これ
に対して、第２電磁弁５４は非通電時開弁保持、
通電時閉弁であり、第３電磁弁５５は非通電時閉
弁保持、通電時開弁という設定である。

なお、５７は第２電磁弁５４と補助タンク５０
との間に位置するように第２補助通路５２の途中
に介装された手動コツクであり、エンジン組立後
に、このコツク５７を閉じた状態でキヤツプ２２
ｄを外し、注入口部２２ｃの口元ほぼ一杯まで液
状冷媒を注入する。冷媒を注入した後は、キヤツ
プ２２ｄを締め込み、手動コツク５７を開いてお
く。

上記各電磁弁５３〜５５の開閉または切換えを
司る制御系統としては、既述した液面センサ３１
と温度センサ３２に加え、ロワタンク２４の冷媒
液面位置を検出する第２の液面センサ５８と、注
入口部２２ｃにてエンジン停止時の冷媒量を検出
する第３の液面センサ５９とが設けられ、制御回
路は前記各センサからの信号に基づいて以下のよ
うな制御動作を行なう。

すなわち、エンジン冷機時には先じ述べたよう
にして冷却系内は液状冷媒で満たされているわけ
であるが、この状態からエンジン２１を始動する
とウオータジヤケツト２２内の冷媒が燃焼熱で加
熱されて次第に気化しはじめる。この間、制御回
路３０は各電磁弁５３〜５５への通電を断つてお
り、つまり第１電磁弁５３はロワタンク２４と電
動ポンプ２５とを連通し、第２電磁弁５４は開、
第３電磁弁５５は閉となつている。このため、冷
媒の気化とともに系内の圧力が上昇し、これに伴
つてウオータジヤケツト２２内の液状冷媒が第２
補助通路５２を介して補助タンク５０へと押し出
されていく。

このようにして、エンジン２１を始動するとウ
オータジヤケツト２２内の冷媒液面レベルが次第
に低下していくのであるが、液面レベルが第１の
液面センサ３１で検出される位置よりも低下する
と電動ポンプ２５が作動してロワタンク２４から
冷媒を補充するためウオータジヤケツト２２内の
冷媒液面レベルはそれ以上には低下せず、見かけ
上はコンデンサ２３側の冷媒が補助タンク５０へ
と押し出されるようになつて、その液面レベルを
低下させていく。

そして、コンデンサ２３内の液面レベルがさら
に低下して、やがて第２の液面センサ５８が空間
に面する程度にまでなると、これを検知して制御
回路３０は第２電磁弁５４に通電し、これを閉じ
る。この結果、冷却系統は第２図に示したように
標準量の冷媒で満たされた状態になり、以後は先
に述べた温度制御動作に従つて冷却機能を発揮す
ることになる。

なお、始動時には上述したようにして系内の冷
媒液面レベルが低下していく過程でコンデンサ２
３の内部が液相になつていることから、その放熱
量は気相状態時（第２図）に較べて著しく減少す
る。このため、エンジン２１の発生熱が徒らに外
部へと逃げることがなく、従つて暖機は短時間で
完了する。

次に、第２図の状態からエンジン２１を停止す
ると、制御回路３０は温度センサ３２からの信号
に基づいてエンジン温度が例えば50℃以下にまで
低下したところで第２電磁弁５４への通電を停止
して第２補助通路５２を開く。

一方、このとき系内ではエンジン停止後の温度
低下に伴つて冷媒蒸気が凝縮液化し、内部が負圧
下しているため、第２補助通路５２が開くと補助
タンク５０の貯留冷媒がウオータジヤケツト２２
へと導入され、最終的には系内への外気の侵入が
ない限りほぼ第３の液面センサ５９のレベルまで
液状冷媒で満たされることになる。

これに反して、もし系内にある程度以上の外気
が侵入していた場合には、その分だけ系内の負圧
化が阻害されるため、補助タンク５０からの冷媒
の導入はその液面が液面センサ５９に達する以前
に終了することになる。

このような場合、制御回路３０は例えば温度セ
ンサ３２からの信号値が変化しなくなつたことな
どからエンジン２１が常温に落ちついたことを判
定したのち、あるいは冷機始動の直後に、第３の
液面センサ５９を介して系内の液面レベルが規定
値に達していないことを検知し、第１電磁弁５３
に通電して第１補助通路５１を電動ポンプ２５の
吸込側に切換接続するとともに電動ポンプ２５を
駆動して補助タンク５０の液状冷媒をウオータジ
ヤケツト２２に圧送する。また、このとき同時に
第２、第３電磁弁５４，５５にも通電して、第２
補助通路５２を閉じてウオータジヤケツト２２か
ら補助タンク５０へと冷媒が逆流するのを防止す
るとともに、気相空間頂部にあたる注入口部２２
ｃを補助タンク５０の空間部つまり大気側に開放
する。この結果、系内の液面レベルが次第に上昇
するとともに侵入空気は外部（補助タンク５０）
へと排出される。このエア抜き制御は系内の液面
レベルが規定値に達するまで続けられ、すなわち
第３の液面センサ５９で検出されるレベルに達し
たところで各電磁弁５３〜５５及び電動ポンプ２
５への通電を断つて終了する。

このようにして、冷却系内に有害な空気が侵入
していた場合には、エンジン停止後あるいは始動
直後にこれを自動的に排除する動作がなされ、従
つて冷却装置の性能が特別な維持管理作業を要す
ることなく長期間にわたつて保証されるのであ
る。

ｆ 発明の効果 以上説明してきたように、本発明によれば冷媒
蒸気を液化するコンデンサの内部を基本的には気
相状態に維持して放熱効率を高めるとともに、こ
の高効率のコンデンサへの冷却風量を電動フアン
を介して変化させることにより冷媒液の沸点を制
御するようにしたので、エンジンシステムとして
の大幅な軽量小型化を達成できるとともに、運転
状態に応じた適正温度に速やかに制御することが
でき、従つて燃費効率を有効に高めることができ
る。

さらに本発明では、エンジン停止時等に外部の
補助タンクから液状冷媒を導入して冷却系内を冷
媒で満たすことにより系内に外気が侵入するのを
防止するとともに、外気が侵入していた場合には
これを排除するようにしたので、冷却装置として
の信頼性、安定性がさらに向上し、加えてメンテ
ナンスが容易になるという効果が生じる。

【図面の簡単な説明】

第１図は従来例の概略構成図である。第２図は
本発明の一実施例の概略構成図、第３図は同じく
制御系統の構成を含み、かつ異なる作用状態を示
す概略構成図である。 ２１…エンジン（本体）、２２…ウオータジヤ
ケツト、２２ａ…気相空間、２２ｂ…冷媒注入
管、２３…コンデンサ、２４…ロワタンク、２５
…電動ポンプ、２６…電動フアン、２８…冷媒通
路、３０…制御回路、３１，５８，５９…液面セ
ンサ、３２…温度センサ、５０…補助タンク、５
１…第１補助通路、５２…第２補助通路、５３…
第１電磁弁、５４…第２電磁弁、５５…第３電磁
弁。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. １ エンジンウオータジヤケツトからの冷媒蒸気
   を冷却液化するコンデンサと、このコンデンサか
   らの液化冷媒を一時貯留するロワタンクと、ロワ
   タンクの液化冷媒をウオータジヤケツトに戻す電
   動ポンプと、コンデンサに強制冷却風を供給する
   電動フアンと、エンジン温度を検出して所定の高
   温時に電動フアンを駆動する回路並びにウオータ
   ジヤケツトの冷媒液面レベルを検出して液面レベ
   ル低下時に所定レベルに達するまで電動ポンプを
   駆動する回路を有する制御系統とを設け、かつ液
   状冷媒は所定液面レベルを満たした条件下でウオ
   ータジヤケツトの内部上方及びコンデンサの内部
   略全域が気相空間となる程度の量を封入したエン
   ジンの沸騰冷却装置において、少なくとも気相空
   間と同程度の容量の液状冷媒を貯留する補助タン
   クと、補助タンクの液状冷媒を電動ポンプとロワ
   タンクとの間の冷媒通路に導入する第１補助通路
   と、電動ポンプの吸込側をロワタンク側の冷媒通
   路または第１補助通路の何れかに選択的に連通す
   る第１電磁弁と、補助タンクの液状冷媒をウオー
   タジヤケツトに導入する第２補助通路と、第２補
   助通路を開閉する第２電磁弁と、気相空間の頂部
   付近を大気に開放または閉止する第３電磁弁を設
   けるとともに、エンジン状態と冷却系内の液状冷
   媒量に応じて前記各電磁弁を切換制御する制御系
   統を形成したことを特徴とするエンジンの沸騰冷
   却装置。