JPH0248663Y2 - - Google Patents

Description

【考案の詳細な説明】 （産業上の利用分野） この考案は、冷媒の気化潜熱を利用した内燃機
関の沸騰冷却装置に関する。

（従来の技術） エンジンウオータジヤケツトとラジエータとの
間で冷却水を循環させる水冷冷却装置は、ラジエ
ータの能率及び寸法上の制限並びに水の熱容量の
関係上、要求放熱量を満足させるためには大量の
冷却水を循環させる必要があり、このためにウオ
ータポンプが大きな駆動損失になつており、また
エンジン運転条件に応じて冷却水を適温に可変制
御するのは困難である。

一方、実開昭57−18714号等により、水の気化
潜熱を利用して少量の冷却水循環量でエンジン冷
却を行えるようにした冷却装置が提案されてい
る。これは、ウオータジヤケツトに貯溜した冷却
水をエンジン発生熱で沸騰させ、発生蒸気を放熱
器で液化してウオータジヤケツトに戻すというサ
イクルで冷却を行うようにしたものであるが、冷
却水蒸気が流通する経路を大気に連通して圧力変
動を避ける構造となつているため、冷却水の沸点
を変化させることができず、やはりエンジン運転
条件に応じて可変的な温度制御を行うことは難し
かつた。

そこで、液相冷媒（冷却水）を貯溜したウオー
タジヤケツトと、このウオータジヤケツトにて生
じた冷媒蒸気を冷却化するコンデンサとを、外部
に対して密閉的に接続して冷却閉回路を構成し、
ウオータジヤケツト内の圧力を可変制御すること
により液相冷媒の沸点を任意かつ速やかに変化さ
せ、運転条件に応じた応答性の良い温度制御を実
現した沸騰冷却装置が考えられている（特願昭58
−145467号等）。

（考案が解決しようとする問題点） ところで、このような冷却装置では、少量の冷
却液でエンジンの冷却が行えるため、ウオータジ
ヤケツトやコンデンサ等も小さくてすみ、冷却系
の小型化、軽量化が図れるのと共に、エンジンの
暖機時間を短縮することができるという利点があ
る。

しかしこの場合、暖機時間の短縮が図れるとい
つても、ウオータジヤケツト内の冷却液を暖めな
がら暖機するため、まだ相当の暖機時間が必要で
あつた。

この考案はこのよううな問題点に着目してなさ
れたもので、さらに暖機時間の短縮化を図ること
を目的とする。

（問題点を解決するための手段） そのため、この考案は、大部分を液相冷媒で満
たしたエンジンウオータジヤケツトと内部を気相
状に保つたコンデンサとを、上部の冷媒蒸気を流
す蒸気通路とコンデンサからの液化冷媒を供給ポ
ンプを介して戻す冷媒通路とで連通して冷媒が循
環する閉回路を形成し、コンデンサに強制冷却風
を供給する冷却フアンを設けた内燃機関の沸騰冷
却装置において、途中に電磁弁及び電動ポンプを
介装した通路を介してエンジンウオータジヤケツ
トに連通される補助タンクを設けると共に、エン
ジン運転状態を検出する手段と、エンジン始動時
にウオータジヤケツト内の液相冷媒を補助タンク
に抜きとるように、上記電磁弁及び電動ポンプの
駆動をそれぞれ制御する手段とを設ける。

（作用） 従つて、ウオータジヤケツト内の液相冷媒はエ
ンジン始動時に電磁弁及び電動ポンプを介して補
助タンクに抜きとられるため、その分、機関温度
が速やかに上昇し、デイーゼル機関にあつては、
白煙や臭いの発生量も低減する。

（実施例） 第１図はこの考案に係る沸騰冷却装置の一実施
例を示すもので、まず基本的構造を説明すると、
１はエンジン（本体）、２は大部分が水等の液相
冷媒で満たされるウオータジヤケツト、３はウオ
ータジヤケツト２からの冷媒蒸気を冷却液化する
コンデンサ、４はコンデンサ３からの液化冷媒を
貯溜するロワタンク、５はロワタンク４の貯溜冷
媒をウオータジヤケツト２へと戻す供給ポンプ、
６はコンデンサ３に強制冷却風を供給する冷却フ
アンである。

ウオータジヤケツト２はエンジン１のシリンダ
及び燃焼室を包囲するようにシリンダブロツク１
ａ及びシリンダヘツド１ｂにかけて形成され、そ
の内部には所定量の液相冷媒が封入されている。
ウオータジヤケツト２の上方部分は冷媒蒸気が充
満する気相空間になつており、多気筒エンジンで
は前記気相空間は各気筒部間で相互に連通され
る。

ウオータジヤケツト２は、その気相空間に面し
て接続した蒸気通路７を介してコンデンサ入口部
に連通している。

コンデンサ３のロワタンク４は、冷媒通路８を
介してウオータジヤケツト２に連通し、ウオータ
ジヤケツト２とコンデンサ３との間で冷媒が循環
する閉回路を形成する。

コンデンサ３は自動車の場合走行風が流通する
位置に設けられ、冷却フアン６はその前面または
背面側に位置してコンデンサ３に強制冷却風を供
給する。供給ポンプ５は冷媒通路８の途中に位置
し、後述する制御系統からの指令に基づいてロワ
タンク４に溜つた液相冷媒をウオータジヤケツト
２へと圧送する。なお、冷却フアン６と供給ポン
プ５は、共に電動式である。

１０は上記供給ポンプ５並びに冷却フアン６の
作動を司る制御回路であり、シリンダヘツド１ｂ
に設けられた液面センサ１１と蒸気通路７に設け
られた温度センサ１２と同じく差圧センサ９及び
エンジン運転状態を検出するその他の手段（図示
せず）とともに制御系統を形成している。

液面センサ１１は、その検出部に対する冷媒液
面の位置に応じてオンオフ的に出力が変化する一
種のスイツチである。制御回路１０はこの出力の
変化に基づいて、冷媒液面が液面センサ１１の位
置に応じた所定値よりも低下した場合には供給ポ
ンプ５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４の貯溜冷媒をウオータジヤケツト
２に補給する。このため、ウオータジヤケツト２
には常に所定量以上の冷媒液が確保される。な
お、この冷却案内に封入される液相冷媒の量（標
準量）は、ウオータジヤケツト２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３の内部が気相状態になる程度に設
定されている。

温度センサ１２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１０に付与する。

制御回路１０はこの温度センサ１２からの実温
度の検出値とともにエンジン回転、燃料供給量等
の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
そのときの運転状態に応じた所定のエンジン温度
になるように冷却フアン６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
車用エンジンでは市街地走行時のように負荷また
は回転速度が低い運転域では比較的高温に保ち、
高速高負荷域では温度が低下するように図る。

上記構成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２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１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うことにな
るので、燃焼室やシリンダ壁はほぼ均一の温度に
保たれる。このことから、異常燃焼等の不都合を
生じない限界温度の近くにまで燃焼室全体の温度
を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７を介してウオータジヤケツト２の気相空
間からコンデンサ３へと流れ、コンデンサ３での
外気との熱交換により冷却されて凝集液化し、逐
次ロワタンク４に貯溜される。

この場合、既述したようにコンデンサ３の内部
は気相になつており、高温の冷媒蒸気がコンデン
サ３を構成する金属面との間の良好な熱伝達状態
の下に温度差の大きい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
率が高められる。因みに、このことからコンデン
サ３並びに冷却フアン６は著しく小型のものを使
用できる。

コンデンサ３で液化しロワタンク４に貯溜され
た冷媒は、ウオータジヤケツト２での冷媒液面レ
ベルの低下に伴う供給ポンプ５の作動により再び
ウオータジヤケツト２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。

このようにして、エンジンの運転状態に応じて
速やかに放熱量を制御でき、したがつてエンジン
を常に最適な温度条件で運転できるので、燃費の
向上や出力の増強が図れる。

ところで、このような閉回路状の沸騰冷却装置
では、エンジン停止時には系内が必ず負圧化す
る。そこでこの負圧化対策として、外部に設けた
リザーバタンク１３の液相冷媒で系内の気相空間
を置き換えるようにしてある。

リザーバタンク１３には少なくとも気相空間と
同程度の容量の液相冷媒が貯溜され、その内部は
通気機能を有するキヤツプ１３ａを介して大気圧
が導入される。

このリザーバタンク１３は、途中に電磁弁１４
を介装した補助通路１５を介してロワタンク４に
連通する。

エンジン停止後に前記差圧センサ９の検出に基
づいて電磁弁１４と開くと、温度低下に伴う圧力
の減少に応じてリザーバタンク１３の貯溜冷媒が
系内へと導入され、やがて系内の空間部分は大部
分が液相冷媒で置換されることになる。

これにより、エンジン停止時に冷却系内に有害
な空気が侵入するのを確実に防止できる。

そして、上記状態からエンジンを始動すると、
燃焼熱をうけて沸騰気化した冷媒蒸気の圧力で系
内の液相冷媒は補助通路１５及びリザーバタンク
１３へと押し戻される。ウオータジヤケツト２の
冷媒液量は供給ポンプ５の補給作動により所定値
に維持されるので、ほぼコンデンサ３の液量のみ
が減少してその液面レベルが低下していく。やが
てコンデンサ３の内部が気相になると、ロワタン
ク４の液面レベルからこれを検知した液面センサ
１６からの信号に基づいて電磁弁１４が閉じ、以
後は既述した沸騰冷却を行う。

また、この装置では、もし系内に空気が侵入し
た場合にはこれを排除するために、リザーバタン
ク１３と冷媒通路８とを第２の補助通路１７を介
して連通可能とし、エンジン始動直後等に三方電
磁弁１８を介して供給ポンプ５の吸込側をロワタ
ンク４側から補助通路１７へと切り換えるととも
に供給ポンプ５を駆動してリザーバタンク１３の
冷媒をウオータジヤケツト２へと圧送する。この
とき、冷却系回路の最頂部をリザーバタンク１３
の内部（大気圧）に連通する通路１９の電磁弁２
０を開いて、侵入空気を排出する。

一方、冷却運転中、走行風による冷却効果が大
きく冷却フアン６が停止しているにもかかわらず
エンジン温度が設定温度に達しない場合、補助通
路１５の電磁弁１４を開いてリザーバタンク１３
の貯溜冷媒をコンデンサ３に導入し、コンデンサ
３の放熱面積を減少する。

これにより、エンジンの過冷却を防止すると共
に、運転中、系内の負圧化による空気の侵入も防
止する。

さらに、この装置では、何らかの原因で系内の
温度が異常高温となつた場合、電磁弁１４を開い
て系内を大気圧下に開放する。

従つて、高圧の蒸気が若干の液相冷媒とともに
ロワタンク４からリザーバタンク１３に排出され
ることにより、系内の圧力が低下し、これに伴つ
て温度が低下される。なお、排出された蒸気はリ
ザーバタンク１３の液相冷媒中に放出されるの
で、大気中に失われる量は極めて少ない。

そして、このような沸騰冷却装置において前記
リザーバタンク１３は途中に電磁弁３０、電動ポ
ンプ３１（ポンプ負荷信号を出力する）及び流量
制御弁３２を介装した冷媒回収通路３３を介し
て、エンジンウオータジヤケツト２に連通され
る。

この場合、冷媒回収通路３３のウオータジヤケ
ツト側開口部３３ａは、後述のように、リザーバ
タンク１３に抜きとつた液相冷媒を戻すときに、
ウオータジヤケツト２に流入する冷媒によつてシ
リンダ壁が急冷されないように、第２図のように
ピストン下死点での燃焼室よりもさらに低い位置
（ウオータジヤケツト２内の低温部）に設定され
る。

また、制御系統には既述の各種センサのほかに
シリンダ壁温を検出する温度センサ３５（壁温セ
ンサ）が設けられる。

そして、制御回路１０はシリンダ壁温信号に基
づいて、暖機運転時にウオータジヤケツト２内の
液相冷媒を一時的にリザーバタンク１３に抜きと
るように電磁弁３０、電動ポンプ３１及び流量制
御弁３２等の駆動を制御する。

具体的には、暖機運転の開始を検出すると、電
磁弁２０を開いて冷却系内を大気圧下に開放する
と同時に、電磁弁３０を開き電動ポンプ３１を駆
動して、ウオータジヤケツト２内の液相冷媒をリ
ザーバタンク１３にくみ上げる。

ウオータジヤケツト２内の液面レベルが通路開
口部３３ａにまで低下し、電動ポンプ３１のポン
プ負荷が急激に下がると、電動ポンプ３１を停止
して電磁弁３０を閉じる。この状態で、シリンダ
壁はウオータジヤケツト２内がほとんど空のため
に、燃焼熱を受けて速やかに温度が上昇する。そ
して、シリンダ壁温が設定値、例えば80℃以上に
なると、電磁弁３０を開き、電動ポンプ３１を駆
動（冷媒抜取り時と逆回転）して、リザーバタン
ク１３内の冷媒をウオータジヤケツト２に戻す。
この時、制御回路１０は流量制御弁３２を介して
冷媒回収通路３３を流れる冷媒の流量をシリンダ
壁温に応じて加減する。

ウオータジヤケツト２内の液面レベルが所定レ
ベルに達すると、液面センサ１１の検出に基づい
て、電磁弁３０を閉じて電動ポンプ３１を停止す
る。ついで、既述のように補助通路１７の電磁弁
１８を開き、供給ポンプ５を駆動してリザーバタ
ンク１３内の貯溜冷媒をウオータジヤケツト２に
圧送することにより、冷却系内の空気を電磁弁２
０を介してリザーバタンク１３側に排除した後、
通常の沸騰冷却制御へと移行する。

なお、この空気抜き作用は、電動ポンプ３１を
そのまま利用して行うこともできる。

このように、暖機運転時にウオータジヤケツト
２内の液相冷媒をリザーバタンク１３に一時的に
抜きとる（つまり、ウオータジヤケツト２内はほ
とんど空の状態になる）ようにしたので、従来の
場合に比べて機関温度が速やかに上昇し、暖機時
間の大幅な短縮が図れると共に、例えば第３図の
ように、白煙濃度も急速に低下する。

（考案の効果） 以上要するにこの考案によれば、暖機運転時に
エンジンウオータジヤケツト内の液相冷媒を補助
タンクに一時的に抜きとるようにしたので、暖機
性能が著しく向上するという効果が得られる。

【図面の簡単な説明】

第１図はこの実施例を示す構成断面図、第２図
はその一部拡大断面図、第３図は同じく白煙濃度
特性図である。 ２……ウオータジヤケツト、３……コンデン
サ、５……供給ポンプ、６……冷却フアン、７…
…蒸気通路、８……冷媒通路、１０……制御回
路、３０……電磁弁、３１……電動ポンプ、３３
……冷媒回収通路。

Claims (1)

【実用新案登録請求の範囲】
1. 大部分を液相冷媒で満たしたエンジンウオータ
   ジヤケツトと内部を気相状に保つたコンデンサと
   を、上部の冷媒蒸気を流す蒸気通路とコンデンサ
   からの液化冷媒を供給ポンプを介して戻す冷媒通
   路とで連通して冷媒が循環する閉回路を形成し、
   コンデンサに強制冷却風を供給する冷却フアンを
   設けた内燃機関の沸騰冷却装置において、途中に
   電磁弁及び電動ポンプを介装した通路を介してエ
   ンジンウオータジヤケツトに連通される補助タン
   クを設けると共に、エンジン運転状態を検出する
   手段と、エンジン始動時にウオータジヤケツト内
   の液相冷媒を補助タンクに抜きとるように、上記
   電磁弁及び電動ポンプの駆動をそれぞれ制御する
   手段とを設けたことを特徴とする内燃機関の沸騰
   冷却装置。