JPH0476009B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 産業上の利用分野 この発明は、ウオータジヤケツト内の所定レベ
ルまで液相冷媒を貯留しておき、その沸騰気化に
より内燃機関各部の冷却を行うとともに、発生し
た冷媒蒸気をコンデンサにより凝縮して再利用す
るようにした内燃機関の沸騰冷却装置に関する。

従来の技術 自動車用機関等の冷却装置として、従前の水冷
式冷却装置に代えて冷媒（冷却水）沸騰・凝縮の
サイクルを利用した沸騰冷却装置が、例えば特開
昭57−62912号公報に記載されている。この従来
の装置は、ウオータジヤケツトと分離タンクとで
自然循環的に液相冷媒の液面位置を調整するとと
もに、分離タンクからコンデンサに冷媒蒸気を導
いて凝縮させた後に再び分離タンクに電動ポンプ
にて戻すように構成されており、また系内温度を
安定的に維持するために、コンデンサ下流側を常
時大気に開放して系内圧力を略大気圧とし、かつ
コンデンサに臨設したフアンのON・OFFによつ
て凝縮量の調整を図つている。

また一方、本出願人はウオータジヤケツトとコ
ンデンサとを主体として通常密閉状態となる冷媒
循環系を構成し、かつその系外に設けたリザーバ
タンクの液相冷媒を利用して系内の完全な空気排
出と高精度な温度制御とを実現した内燃機関の沸
騰冷却装置を先に提案している（特願昭59−
100156号，特願昭59−140378号）。これは始動時
にリザーバタンクから系内に液相冷媒を送り込ん
で一旦満水状態とし、その後蒸気発生とともに空
気の侵入を防止しつつ余剰の冷媒をリザーバタン
クに戻すことで空気を完全に除去し、また運転中
は、リザーバタンクとコンデンサとの間で系内温
度に応じて強制的な冷媒の導入，排出を行い、コ
ンデンサ内の冷媒液面高さつまり実質的な放熱部
となる気相冷媒領域の面積を可変制御して、コン
デンサ放熱量を制御するようにしたものである。

発明が解決しようとする問題点 上記の特開昭57−62912号公報に記載の装置で
は、分離タンクを介して液面調整を行つているの
で、配管や構成が比較的複雑であるとともに、装
置全体として保有する冷媒量が非常に多くなり、
車載の装置としてはスペース的，重量的に好まし
くない。またコンデンサ下流側が常時大気に開放
されているので僅かながらも継続的な冷媒蒸気の
損失を生じ、特に高負荷時に多量の冷媒蒸気をそ
のまま流出させないためには、コンデンサチユー
ブ出口側の端部の相当な範囲で既に液相状態とな
つていることが必要であるから、コンデンサ全体
を気相領域として有効に利用することができな
い。しかも、常時大気に開放したこの構成では、
機関発熱量が急激に増大したような場合に、コン
デンサ内から速やかにかつ完全に空気を押し出す
ことは困難である。従つて、コンデンサは機関の
最大発熱量に比して相当に余裕を見込んだ下型の
ものとなつてしまう。

一方、本出願人が先に提案した後者の装置にあ
つては、系を密閉した状態で運転されるので高負
荷時にコンデンサ全体を総て気相空間として有効
に利用することができ、しかも確実に空気が除去
されるためコンデンサを大幅に小型化できる。し
かし、空気排出のための液相冷媒が余分に存在す
るので、やはり装置全体で保有する冷媒量が比較
的多く、特に満水状態で暖機運転されるので、暖
機完了がそれだけ遅くなつてしまう。また系最上
部に空気排出用の通路や電磁弁が必要であり、構
造の単純化に限界があつた。

この発明は、それ程高精度な温度制御が要求さ
れない場合に好適なものとして、構造が単純でか
つ小型であり、しかも非常に少ない冷媒量で運転
でき、かつ急速暖機が可能な内燃機関の沸騰冷却
装置を提供しようとするものである。

問題点を解決するための手段 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、かつ所定レベルに液面セン
サが設けられたウオータジヤケツトと、上記蒸気
出口に接続され、かつ下部に凝縮した液相冷媒が
集められるコンデンサと、上記コンデンサ下部か
ら上記ウオータジヤケツトへ上記液面センサの検
出信号に応じて液相冷媒を補給する冷媒供給ポン
プとを備えており、これらのウオータジヤケツ
ト，コンデンサ，冷媒供給ポンプによつて密閉さ
れた冷媒循環系が構成されている。またこの冷媒
循環系の系内の異常高温状態を系内温度もしくは
系内圧力から検知する手段と、同じく異常低温状
態を検知する手段とを備えており、具体的には系
内温度を検出する温度センサや系内圧力を検出す
る圧力センサ等が設けられている。そして、上記
異常高温時にコンデンサ下部を大気中に連通開放
し、コンデンサ内からの空気の流出を許容する空
気排出機構と、上記異常低温時にコンデンサを大
気中に連通開放し、コンデンサ内への空気の流入
を許容する空気導入機構とを備えており、これら
は具体的には電磁弁等を用いて構成されている。

作 用 上記の沸騰冷却装置においては、始動時には格
別な空気排出動作を行わず、ウオータジヤケツト
の所定レベルまで液相冷媒（例えば水と不凍液と
の混合液）を貯留し、かつコンデンサの大部分お
よびウオータジヤケツトの上部に空気が入いつた
状態で運転を開始する。沸騰が開始する段階では
系内が密閉状態となつており、その中で冷媒の沸
騰・凝縮が繰り返される。このとき、コンデンサ
の一部は空気によつて覆われ、有効放熱面積が狭
められているが、その条件の下で機関発熱量とコ
ンデンサ放熱量とが略平衡すれば、そのまま密閉
状態が継続される。

ここで高負荷運転の長時間の継続などにより系
内が異常高温となると空気排出機構が作動し、コ
ンデンサ下部が大気中に連通される。従つて、コ
ンデンサ内に溜まつていた空気が内部の蒸気圧に
よつて一気に押し出され、コンデンサの有効放熱
面積が拡大する。一方、逆に下り坂走行などによ
り系内が異常低温となると空気導入機構が作動
し、コンデンサが一部で大気中に連通される。従
つて減圧状態にあるコンデンサ内に空気が吸引さ
れ、コンデンサの一部を覆つて有効放熱面積が減
少する。このような作動の繰り返しによつて、系
内の温度は確実に一定範囲内に維持される。

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
ている。また１０は、例えばリードスイツチを利
用したフロート式センサ等からなる第１液面セン
サ、１１は冷媒温度を検出するサーミスタ等を用
いた温度センサであつて、上記第１液面センサ１
０がウオータジヤケツト２の所定レベルに対応し
て装着されているとともに、これより下方位置つ
まり通常液相冷媒領域となる位置に上記温度セン
サ１１が装着されている。

上記コンデンサ３は、上記入口３ａを有するア
ツパタンク１２と、上下方向に沿つた微細なチユ
ーブを主体としたコア部１３と、このコア部１３
で凝縮された液化冷媒を一時貯留するロアタンク
１４とから構成されており、例えば車両前部など
車両走行風を受け取る位置に設置され、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１５を備えている。また上記ロアタンク１４
は、その比較的下部に冷媒循環通路１６の一端が
接続されているとともに、これより上部に空気通
路１７の一端が接続されている。上記冷媒循環通
路１６は、その他端が上記ウオータジヤケツト２
のシリンダヘツド６側に設けた冷媒入口２ａに接
続されており、その通路中に三方型の第１電磁弁
１８を備えているとともに、この第１電磁弁１８
とロアタンク１４との間に上記冷媒供給ポンプ４
が介装されている。また上記ロアタンク１４に
は、その検出レベルが上記空気通路１７の開口付
近に設定された同様にフロート式センサ等からな
る第２液面センサ１９が装着されている。

２０は、上記ウオータジヤケツト２やコンデン
サ３等を主体とした冷媒循環系の外部に設けられ
たリザーバタンクであつて、これは通気機能を有
するキヤツプ２１を介して大気に開放されている
とともに、上記ウオータジヤケツト２と略等しい
高さ位置に設置され、かつその底部に補助冷媒通
路２２が接続されている。上記補助冷媒通路２２
の先端は、上記の三方型第１電磁弁１８を介して
冷媒循環通路１６に接続されており、上記第１電
磁弁１８は、励磁状態では冷媒循環通路１６を遮
断してリザーバタンク２０とロアタンク１４との
間を連通状態とし（流路Ａ）、非励磁状態では補
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）とする構成となつている。そし
て、上記冷媒供給ポンプ４としては、正逆両方向
に液相冷媒を圧送できるものが用いられており、
上記の流路Ａの状態で冷媒供給ポンプ４を正方向
に駆動すればロアタンク１４からリザーバタンク
２０へ液相冷媒を強制排出でき、逆方向に駆動す
ればリザーバタンク２０からロアタンク１４へ液
相冷媒を強制導入でき、更に流路Ｂの状態で冷媒
供給ポンプ４を正方向に駆動すればロアタンク１
４からウオータジヤケツト２へ液相冷媒を循環供
給することが可能である。

また上記空気通路１７の先端は、上記リザーバ
タンク２０の上部空間に開口しており、かつその
通路中には、空気導入機構と空気排出機構とを兼
ねる常開型の第２電磁弁２３が介装されている。

上記の各電磁弁１８，２３と冷媒供給ポンプ４
および冷却フアン１５は、所謂マイクロコンピユ
ータシステムを用いた図示せぬ制御装置によつて
所定のプログラムに従つて制御される。

第２図〜第６図は、その制御の内容を示すフロ
ーチヤートであつて、以下、機関の始動から停止
までの流れに沿つてこれを説明する。尚、図中第
１，第２電磁弁１８，２３を夫々「電磁弁」，
「電磁弁」と略記してある。また第１，第２液
面センサ１０，１９の「ON」，「OFF」は冷媒液
面が所定レベル以上にあるか否かを意味する。

第２図および第３図は制御の概要を示すメイン
フローチヤートであつて、機関の始動（イグニツ
シヨンキーON）により制御が開始すると、ステ
ツプ１のイニシヤライズ処理を行つた後に一旦第
１電磁弁１８を「流路Ｂ」，第２電磁弁２３を
「閉」（ステツプ２）とし、ステツプ３の液面制御
を実行する。尚、この機関始動の際には、ウオー
タジヤケツト２の所定レベル近傍まで液相冷媒
（例えば水と不凍液の混合液）が存在し、その上
部およびコンデンサ３の大部分は空気で占められ
ている。

上記液面制御（以下ステツプ９，ステツプ４５
も同様である）は、第４図に示すような処理手順
によつてウオータジヤケツト２内の冷媒液面を所
定レベルに維持する制御である。すなわち、冷媒
液面が所定レベルに達していないときには、先ず
冷媒供給ポンプ４を正方向に駆動してロアタンク
１４からウオータジヤケツト２へ液相冷媒を供給
する（ステツプ２１〜２４）。この結果冷媒液面
が所定レベルに回復すれば冷媒供給を終了（ステ
ツプ３１，３２）するが、補給すべき液相冷媒が
ロアタンク１４に存在しない場合が考えられるの
で、冷媒供給ポンプ４の作動時間が10秒継続した
場合には、冷媒供給ポンプ４の逆方向駆動により
リザーバタンク２０からロアタンク１４内へ５秒
間液相冷媒を送り込み（ステツプ２４〜３０）、
その後再度ウオータジヤケツト２へロアタンク１
４から冷媒補給を行うようにしている。

上記の液面制御を経てステツプ４で冷媒温度を
判別するが、冷間始動の場合は80℃以下であるか
ら第２電磁弁２３が「開」（ステツプ５）となり、
この状態で冷媒温度が80℃に上昇するまで待機す
る。このとき、ウオータジヤケツト２内の液相冷
媒は滞留状態のままであり、かつウオータジヤケ
ツト２内に存在する冷媒量が通常の流水式冷却装
置の場合などに比べて相当に少ないので、非常に
短時間で温度上昇が生じ、急速暖機を実現でき
る。

その後、冷媒温度が80℃に上昇したら（ステツ
プ４）、第２電磁弁２３が「閉」（ステツプ６）と
なり、以後、密閉した系内で冷媒の沸騰・凝縮の
サイクルが繰り返される。すなわち、コンデンサ
３内には多少の空気が存在した状態となつている
が、その状態でのコンデンサ３の放熱量と機関発
熱量とが略平衡している限り、ステツプ３の液面
制御によるウオータジヤケツト２への冷媒補給の
みが行われる。

ここで高負荷運転を長時間継続するなどして放
熱量と機関発熱量との平衡が大きく崩れ、冷媒温
度が「設定温度＋２℃」以上となつた場合には第
２図のステツプ７以降へ進む。尚、一連の制御の
間、第３図に示すように一定時間毎に第６図の割
込処理ルーチンが実行され、そのステツプ６０に
おいて、機関運転条件に応じて80℃〜110℃程度
の範囲内で上記の設定温度が算出される。上記の
ように「設定温度＋２℃」以上となると、原則と
してステツプ１５の高温回避制御へ進むが、それ
に先立つてコンデンサ３内に余分な液相冷媒が溜
まつていないか確認し（ステツプ８）、放熱面積
を狭める余分な液相冷媒が存在している場合には
第１電磁弁１８を「流路Ａ」として冷媒供給ポン
プ４により系外のリザーバタンク２０へ排出する
（ステツプ９〜１１）。

第５図は上記高温回避制御を示す。この制御に
進んで来ても系内温度が更に「設定温度＋４℃」
に上昇するまでは特に、新たな動作は行わない
（ステツプ４８，４９）。「設定温度＋４℃」を越
えると、冷却フアン１５をON（ステツプ４２）
とし、コンデンサ３における凝縮を促進する。こ
れにより、「設定温度＋４℃」以下に低下すれば
冷却フアン１５をOFF（ステツプ４８）とする。

また冷却フアン１５の作動のみで足らずに、更
に冷媒温度が115℃以上（ステツプ４１）となつ
たときには第２電磁弁２３を「開」とし、ロアタ
ンク１４を空気通路１７を介して大気に開放する
（ステツプ４４〜４７）。このとき、系内圧力は相
当に高圧であるから、コンデンサ３の微細なチユ
ーブに溜まつていた空気がロアタンク１４を通し
てリザーバタンク２０側へ一気に押し出される。
従つて、コンデンサ３の有効放熱面積が拡大し、
かつこれと同時に系内圧力も急激に低下するの
で、通常は極く短時間で冷媒温度が低下する。冷
媒温度が115℃以下（ステツプ４１）となれば第
２電磁弁２３が「閉」（ステツプ４２）となつて
再び密閉系による運転が行われる。ここで上述の
空気排出の際に空気とともに若干の冷媒蒸気が流
出するが、空気は冷媒蒸気の圧力によつてコンデ
ンサチユーブの下部に既に集められており、冷媒
蒸気より先に空気が確実に押し出されるととも
に、通常は極く短時間で温度低下して第２電磁弁
２３が閉じ、かつ一部の蒸気はリザーバタンク２
０内で凝縮して滴下するので、実際に外部に失わ
れる冷媒量は非常に少ない。しかも、一旦空気排
出が実行されれば、再度空気が導入されない限り
は異常高温となる頻度は少ないので、運転中に減
少する冷媒量は実用上殆ど問題とならない。

一方、第２電磁弁２３を開いても冷媒温度が低
下せずに、115℃以上の状態が60秒（ステツプ４
７）以上継続したときには、何らかの異常による
ものであるから、警報ブザーあるいは警告灯等に
よる異常警報を出力（ステツプ５０）し、運転者
に異常を報知する。通常は運転者がこれに従つて
アクセル開度を小さくするなどの対応を行うの
で、やがて冷媒温度は低下する。

尚、上記の第２電磁弁２３の「開」の間もステ
ツプ４５において前述した液面制御がなされ、ウ
オータジヤケツト２内の冷媒液面は設定レベルに
維持される。

上記の空気排出によつてコンデンサ３の有効放
熱面積が拡大した後、その条件の下でコンデンサ
３の放熱量と機関発熱量とが略平衡し、具体的に
は冷媒温度が80℃〜「設定温度＋２℃」（ステツ
プ４）の範囲内にあれば、前述したように、以後
密閉した系内でステツプ３の液面制御のみによつ
て運転が継続される。

一方、長い下り坂の走行などを行つた場合に、
機関発熱量がコンデンサ３の放熱量を大きく下廻
ることがあるが、この結果、冷媒温度が過度に低
下して80℃以下（ステツ４）となつたときには、
第２電磁弁２３を「開」としてロアタンク１４を
大気に開放する（ステツプ５）。このとき、系内
圧力は負圧状態にあるから、空気通路１７を介し
てコンデンサ３内に空気が流入し、そのチユーブ
の一部を覆つて有効放熱面積を狭める。従つてコ
ンデンサ３の放熱量が減少し、速やかに温度回復
が図れる。この空気導入の結果、冷媒温度が80℃
以上となれば再び系を密閉（ステツプ６）して運
転が行われる。

以上のように、暖機完了後は基本的には冷媒循
環系を密閉した状態にて冷媒の沸騰・凝縮のサイ
クルによる冷却が行われる。そして、コンデンサ
３の放熱量と機関発熱量との平衡が大きく崩れて
無視できない程度の異常高温，異常低温となつた
ときに、系内外の圧力差を利用した空気の排出，
導入によつてコンデンサ３の放熱量を制御し、冷
媒温度つまり機関温度を確実に一定の範囲内に維
持するのである。

次に第６図は、一定時間毎に実行される割込処
理を示すフローチヤートであつて、ステツプ５２
の判別によりキーON状態であれば設定温度の更
新（ステツプ６０）を行い、またキーOFF信号
が入力された場合にはステツプ５３以降のキー
OFF制御を行う。

これは、先ず設定温度を80℃にセツト（ステツ
プ５４）することによつてステツプ８〜１１によ
る冷媒排出動作を行わせ、コンデンサ３の放熱能
力を十分に利用するようにするとともに、最大10
秒間冷却フアン１５を駆動して強制冷却（ステツ
プ５５，５６、ステツプ４２）し、系内が十分に
低い温度（例えば80℃）になる（ステツプ５３）
か、系内が負圧状態になる（ステツプ５７）か、
あるいは一定時間（例えば１分）経過したこと
（ステツプ５８）を条件として電源をOFF（ステ
ツプ５９）とする。この電源OFFにより常開型
電磁弁である第２電磁弁２３が「開」となつて系
内は大気に開放される。また、この電源OFFま
では液面制御（ステツプ３）が継続されるので、
ウオータジヤケツト２の冷媒液面は所定レベルに
維持され、この状態で次の始動に備えることにな
る。

尚、上記実施例では第２電磁弁２３および空気
通路１７を、空気排出および空気導入の双方に兼
用しているが、勿論夫々単独に電磁弁等を設けて
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、ウオータジ
ヤケツトとコンデンサとを主体とした極めて単純
な冷媒循環系でもつて密閉状態のまま冷媒の沸
騰・凝縮のサイクルを行わせることができ、高負
荷時にコンデンサ全体を気相状態として有効に利
用することが可能である。そして、空気排出の必
要時には系内圧力を利用して瞬時にかつ確実に空
気を押し出すことができるので、結局、冷媒の損
失は非常に少なく、また機関発熱量が急激に増大
したような場合にも十分に対応でき、コンデンサ
を過度に大型化する必要がない。

更に、装置全体として保有する冷媒量が非常に
少なくて済み、自動車用機関等にとつて有利であ
るとともに、始動時には最少限の冷媒のみに熱を
与えるので暖機時間が非常に短い。

【図面の簡単な説明】

第１図はこの発明の一実施例を示す構成説明
図、第２図，第３図，第４図，第５図および第６
図はこの実施例おける制御の内容を示すフローチ
ヤートである。 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、１０
……第１液面センサ、１１……温度センサ、１５
……冷却フアン、１６……冷媒循環通路、１７…
…空気通路、１８……第１電磁弁、２０……リザ
ーバタンク、２２……補助冷媒通路、２３……第
２電磁弁。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. １ 上部に蒸気出口を有し、かつ所定レベルに液
   面センサが設けられたウオータジヤケツトと、上
   記蒸気出口に接続され、かつ下部に凝縮した液相
   冷媒が集められるコンデンサと、上記コンデンサ
   の下部から上記ウオータジヤケツトへ上記液面セ
   ンサの検出信号に応じて液相冷媒を補給する冷媒
   供給ポンプと、上記ウオータジヤケツト，コンデ
   ンサ等からなる密閉された冷媒循環系の系内異常
   高温状態を系内温度もしくは系内圧力から検知す
   る手段と、同じく系内異常低温状態を検知する手
   段と、上記異常高温時にコンデンサ下部を大気中
   に連通開放し、コンデンサ内からの空気の流出を
   許容する空気排出機構と、上記異常低温時にコン
   デンサを大気中に連通開放し、コンデンサ内への
   空気の流入を許容する空気導入機構とを備えてな
   る内燃機関の沸騰冷却装置。