JPH0456129B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 産業上の利用分野 この発明は、コンデンサからウオータジヤケツ
ト内に循環供給した液相冷媒をウオータジヤケツ
ト内で沸騰気化させて内燃機関の冷却を行うよう
にした内燃機関の沸騰冷却装置に関する。

従来技術 自動車用機関等に用いられている周知の水冷式
冷却装置にあつては、ラジエータでの熱交換効率
に自から限界があり、大型のラジエータが必要で
あるとともに、ウオータジヤケツトにおいても大
量の冷却水を循環させなければ局部的に過熱を生
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つて
もウオータジヤケツ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
特開昭57−57608号公報に記載のものが知られて
いる。これは基本的には、ウオータジヤケツト内
に適宜なレベルまで液相冷媒を貯留しておき、該
ウオータジヤケツト内でその液相冷媒を沸騰気化
させて燃焼熱を奪うとともに、発生蒸気を分離タ
ンクを介してコンデンサに導いて放熱液化させた
後に、分離タンクを介して再度ウオータジヤケツ
ト内に循環供給するものであつて、冷却水の単純
な温度変化と異なり相変化を伴う気化潜熱を利用
することによつて、極めて少量の冷媒の循環で要
求放熱量を満足できるとともに、上記コンデンサ
における熱交換効率が従来の方式のラジエータに
比較して大幅に向上し、更にはウオータジヤケツ
ト内で均一な冷却が実現できる等の可能性があ
る。

また、本出願人は上記公報に記載の冷却装置を
更に発展させたものとして、ウオータジヤケツ
ト，コンデンサ，冷媒供給ポンプを主体として密
閉された冷媒循環系を形成し、不凝縮気体である
空気を除去した上記循環系内に所定量の冷媒を封
入して、その系内で沸騰・凝縮のサイクルを効率
良く行わせるようにした沸騰冷却装置を先に提案
している（例えば特願昭58−53787）。

ところで、この種の沸騰冷却装置において、そ
の冷却により維持される機関温度、換言すればウ
オータジヤケツト内の温度は、系内圧力に応じた
冷媒の沸点に依存することになるが、例えば冷媒
として水に不凍液であるエチレングリコールを混
合したような複数成分の混合液を用いた場合に
は、ウオータジヤケツトでの沸騰の際に分溜さ
れ、ウオータジヤケツト内に残る成分の濃度が変
化して沸点の変動を生じ、所期の温度制御に支障
を来す惧れがあつた。因みに、水にエチレングリ
コールを混合したものでは、純水の常圧下での沸
点が100℃であるのに対し、エチレングリコール
濃度30％で103℃、50％で150℃、60％では114℃
にもなり、純水となる凝縮水を貯留する冷媒タン
クの容量が比較的大きい場合などには、運転開始
直後と長時間運転後とで機関温度が著しく異なる
ものとなつてしまうのである。

発明の目的 この発明は上記のような問題に鑑みてなされた
もので、その目的とするところは、ウオータジヤ
ケツト内の液相冷媒成分と、凝縮後の冷媒が集め
られる冷媒タンク内の液相冷媒成分とを、常に略
等しいものに維持するようにして上述した沸点の
変動を防止し、これにより安定した温度制御を実
現することができる沸騰冷却装置を提供すること
にある。

発明の概要 この発明に係る内燃機関の沸騰冷却装置は、上
部に蒸気出口を有し、かつ液相冷媒が貯留される
ウオータジヤケツトと、上記蒸気出口に接続され
るとともに、下部に液化冷媒を一時貯留する冷媒
タンクを備えたコンデンサと、上記冷媒タンクの
冷媒取出口と上記ウオータジヤケツトの冷媒入口
とを接続した冷媒循環通路と、上記冷媒タンクお
よび上記ウオータジヤケツトの少くとも一方に設
けられた液面検出手段と、上記冷媒循環通路に介
装され、かつ上記液面検出手段の検出に基づきウ
オータジヤケツト内液面を上記冷媒タンク内液面
よりも高位な所定レベルに保つように駆動制御さ
れる冷媒供給ポンプと、ウオータジヤケツトの上
記所定レベル以下の位置に設けた冷媒取出口と上
記冷媒タンクに設けた冷媒入口とを接続した冷媒
混合通路とを備えて構成されたものであつて、ウ
オータジヤケツト内に貯留された冷媒は、ここで
沸騰気化した後、蒸気となつてコンデンサに流入
し、外気による冷却によつて凝縮液化され、下部
の冷媒タンクに一旦集められるとともに、ここか
ら冷媒供給ポンプによつて再びウオータジヤケツ
ト内に循環供給されることになり、この冷媒の沸
騰・凝縮サイクルの繰り返しにより気化潜熱を利
用した極めて効率の良い冷却が実現できる。一
方、上記冷媒供給ポンプにより維持されるウオー
タジヤケツト内の液面レベルは冷媒タンク内の液
面レベルよりも高位に設定されており、この高低
差によつてウオータジヤケツト内の液相冷媒の一
部が冷媒混合通路を介して冷媒タンクに導入され
る。従つて冷媒タンク内の冷媒成分とウオータジ
ヤケツト内の冷媒成分とが常に略均質に保たれ、
冷媒成分変化による沸点の変動が防止されるので
ある。

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
リンダブロツク５およびシリンダヘツド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蒸気出口７が設けられてい
る。この蒸気出口７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、かつ冷媒循環系の最上部となる上記接続
管８の上壁面の開口をキヤツプ１０が密閉してい
る。

上記コンデンサ３は、上記入口３ａを有するア
ツパタンク１１と、上下方向の微細なチユーブを
主体としたコア部１２と、このコア部１２で凝縮
された液化冷媒を一時貯留するロアタンク１３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
１４を備えている。また上記ロアタンク１３は、
第２図に詳示するように、下部側面の略中央に冷
媒取出口１３ａを有するとともに、下部側面の一
端部に冷媒入口１３ｂを有し、両者間に、底部か
ら立ち上がつた仕切板１５が設けられている。

一方、上記ウオータジヤケツト２の側壁には、
下部に冷媒入口２ａが、また比較的上部に冷媒取
出口２ｂが夫々開口形成されており、ロアタンク
１３の冷媒取出口１３ａと上記冷媒入口２ａとが
冷媒循環通路１６を介して接続され、またロアタ
ンク１３の冷媒入口１３ｂと上記冷媒取出口２ｂ
とが冷媒混合通路１７を介して接続されている。
そして、上記冷媒循環通路１６に冷媒供給ポンプ
４が介装されているとともに、上記冷媒混合通路
１７に流量規制用のオリフイス１８が設けられて
いる。

次に２１は冷媒循環系の系外に設けられた大気
開放のリザーバタンクであつて、その底部から導
出された第１補助冷媒通路２２先端が三方型の第
１電磁弁２３を介して冷媒循環通路１６に接続さ
れている。上記第１電磁弁２３は通電時には第１
補助冷媒通路２２を冷媒供給ポンプ４吸入側に連
通し（流路Ａ）、かつ非通電時には第１補助冷媒
通路２２を遮断して冷媒循環通路１６を連通状態
（流路Ｂ）とするものである。また同じくリザー
バタンク２１底部から導出された第２補助冷媒通
路２４は、常開型の第２電磁弁２５を介してウオ
ータジヤケツト２下部に接続されている。

一方、冷媒循環系最上部にある接続管８の上壁
部には、常閉型の第３電磁弁２６を備えた空気排
出通路２７が接続され、その先端は上記リザーバ
タンク２１内に開口している。

またセンサ類として、ウオータジヤケツト２の
所定レベルおよびロアタンク１３の所定レベルに
夫々第１液面センサ２８、第２液面センサ２９が
配設されているとともに、上記第１液面センサ２
８の若干下方位置に温度センサ３０が設けられて
いる。尚、ウオータジヤケツト２側の所定レベル
はロアタンク１３側の所定レベルに対し車載状態
において十分に高位となるように設定されてお
り、かつ前述した冷媒取出口２ｂはこの所定レベ
ルよりも低い位置にある。またロアタンク１３に
おいては、その所定レベルよりも若干低い高さに
前述した仕切板１５の上端縁が位置している。

３１は制御装置を示し、上記のセンサ類の信号
に基づき、各電磁弁２３，２５，２６と冷却フア
ン１４と冷媒供給ポンプ４の制御を行つている。

上記のように構成された冷却装置の作用を説明
すると、通常の運転状態では、ウオータジヤケツ
ト２→コンデンサ３→ロアタンク１３→冷媒供給
ポンプ４→ウオータジヤケツト２の経路で密閉さ
れた冷媒循環系が構成され、その内部で、例えば
水にエチレングリコールおよび若干の防錆剤を加
えた冷媒が沸騰・凝縮を繰り返しながら循環す
る。具体的には、ウオータジヤケツト２内の所定
レベルつまり第１液面センサ２８の設定レベルま
でを液相冷媒が占め、他方ロアタンク１３内の所
定レベルつまり第２液面センサ２９の設定レベル
までを液相冷媒が占め、残部の上方空間は気相冷
媒領域となるように通常の封入冷媒量が規定され
ており、ウオータジヤケツト２内に貯留された冷
媒は機関の燃焼熱を受けて沸騰し、この結果各部
の温度差の少ない効果的な冷却が行われる。ウオ
ータジヤケツト２内で発生した冷媒蒸気つまり水
蒸気は、蒸気通路９を介してコンデンサ３に導か
れ、ここで外気との熱交換により冷却されて凝縮
され、純水となつてロアタンク１３に回収され
る。このとき、冷却フアン１４は温度センサ３０
の検出温度に基づいて駆動制御され、コンデンサ
３における凝縮を調整して系内圧力つまり冷媒沸
点を制御し、ウオータジヤケツト２内の温度を目
標値（機関運転条件に応じて可変設定することが
可能である）に保つように作用する。このよう
に、ウオータジヤケツト２側で沸騰が、コンデン
サ３側で凝縮が夫々行われる結果、ウオータジヤ
ケツト２内の液面レベルは徐々に低下し、他方ロ
アタンク１３内の液面レベルは徐々に上昇するこ
とになるが、ウオータジヤケツト２内の液面レベ
ルが第１液面センサ２８の設定レベル以下になつ
たとき、あるいはロアタンク１３内の液面レベル
が第２液面センサ２９の設定レベル以上になつた
ときには、冷媒供給ポンプ４が駆動され、ロアタ
ンク１３内からウオータジヤケツト２へ液相冷媒
を循環供給して、夫々の液相冷媒量を所期の状態
に維持する。

一方、ウオータジヤケツト内に貯留されている
液相冷媒の一部は、冷媒取出口２ｂから液相のま
ま取り出され、液面高低差により冷媒混合通路１
７を介してロアタンク１３内に導入される。つま
り、分溜作用によりエチレングリコール等の濃度
が高まつたウオータジヤケツト２内の冷媒が、ロ
アタンク１３内の凝縮冷媒と混合される。またロ
アタンク１３からは、上述したように凝縮冷媒が
冷媒供給ポンプ４によりウオータジヤケツト２内
に供給されることになるが、内部の仕切板１５に
より冷媒取入口１３ｂから流入した冷媒の直接的
な還流が阻止されて比較的純水に近い冷媒のみが
ウオータジヤケツト２に戻される。従つて、ウオ
ータジヤケツト２内の冷媒成分とロアタンク１３
内の平均的冷媒成分との均質化が図れ、換言すれ
ば、ウオータジヤケツト２内の液相冷媒成分が運
転前と何ら変わらずに維持されるのである。

また、循環系外に設けられたリザーバタンク２
１は、循環系内を十分に満水にし得る量の予備液
相冷媒を貯留したもので、この予備液相冷媒を循
環系内との間で適宜に移動させることによつて、
循環系からの空気の排出、機関停止時の系内の常
圧化および冷媒の自動補給等が行われる。すなわ
ち、系内に何らかの原因で不凝縮気体である空気
が溜まつた場合には、第１電磁弁２３を流路Ａ側
に切換えるとともに第３電磁弁２６を開弁して、
系内が一旦満水状態となるように一定時間冷媒供
給ポンプ４を駆動することによつて、空気のの確
実な排出が実現できる。また、機関停止時には、
第２電磁弁２５を開いて系内に予備液相冷媒を吸
込ませることによつて、系内を略常圧に維持で
き、つまり系内が負圧化した場合に生じ易い空気
の侵入やシール部の劣化・損傷等を防止できる。
これらの系内を満水とした状態からは、運転開始
時に第２電磁弁２５を開いて、系内での発生蒸気
圧を利用して余剰冷媒を排出し、所定の冷媒量に
調整するのである。

尚、機関停止時に直ちに冷媒供給ポンプ４を停
止すると冷媒混合通路１７によりウオータジヤケ
ツト２内の液面レベルが低下して高温壁面が露出
する惧れがあるので、一定期間前述した液面制御
を継続する必要がある。また、上記のような液面
低下を防止するために、上記冷媒混合通路１７に
電磁弁を介装し、機関停止時に該通路１７を閉路
するように構成しても良い。

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おいては、冷媒として
例えば水に不凍液を混合したような混合液を用い
た場合でも、沸騰、凝縮の繰り返しによるウオー
タジヤケツト内の液相冷媒成分の変化を生じるこ
とがなく、これに伴う沸点の変動を防止して機関
温度を安定的に制御することが可能となる。

【図面の簡単な説明】

第１図はこの発明に係る沸騰冷却装置の一実施
例を示す構成説明図、第２図はそのコンデンサの
一部切欠断面図である。 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、７…蒸気出
口、８…接続管、９…蒸気通路、１３…ロアタン
ク、１４…冷却フアン、１５…仕切板、１６…冷
媒循環通路、１７…冷媒混合通路、１８…オリフ
イス、２１…リザーバタンク、２２…第１補助冷
媒通路、２３…第１電磁弁、２４…第２補助冷媒
通路、２５…第２電磁弁、２６…第３電磁弁、２
７…空気排出通路、２８…第１液面センサ、２９
…第２液面センサ、３０…温度センサ、３１…制
御装置。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ 上部に蒸気出口を有し、かつ液相冷媒が貯留
   されるウオータジヤケツトと、上記蒸気出口に接
   続されるとともに、下部に液化冷媒を一時貯留す
   る冷媒タンクを備えたコンデンサと、上記冷媒タ
   ンクの冷媒取出口と上記ウオータジヤケツトの冷
   媒入口とを接続した冷媒循環通路と、上記冷媒タ
   ンクおよび上記ウオータジヤケツトの少くとも一
   方に設けられた液面検出手段と、上記冷媒循環通
   路に介装され、かつ上記液面検出手段の検出に基
   づきウオータジヤケツト内液面を上記冷媒タンク
   内液面よりも高位な所定レベルに保つように駆動
   制御される冷媒供給ポンプ、ウオータジヤケツト
   の上記所定レベル以下の位置に設けた冷媒取出口
   と上記冷媒タンクに設けた冷媒入口とを接続した
   冷媒混合通路とを備えてなる内燃機関の沸騰冷却
   装置。 ２ 上記冷媒タンクは、その底部に上記冷媒取出
   口と上記冷媒入口とを隔てる仕切板が設けられて
   いることを特徴とする特許請求の範囲第１項記載
   の内燃機関の沸騰冷却装置。