JPH06102976B2 - 内燃機関の沸騰冷却装置 - 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に貯留された液相冷
媒の沸騰気化潜熱を利用して冷却を行なう内燃機関の沸
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）の沸騰、凝縮のサイクルを伴
う沸騰冷却装置が、例えば特公昭57-57608号公報や特開
昭57-62912号公報などに記載されているが、これらは冷
却水の自重による自然循環的な方法でウオータジヤケツ
ト内の液面レベルが調節されるものであるため、安定し
た液面位置を確保することが期待できず、高温部位の気
相中への露出による過熱の恐れがあるなど、信頼性、安
全性に乏しい。

これに対し、本出願人は冷媒供給手段例えば冷媒供給ポ
ンプを用いてウオータジヤケツト内の冷媒液面を所定レ
ベルに制御するようにした沸騰冷却装置を種々提案して
いる（例えば特開昭60-36712号公報、特開昭60-36715号
公報、特開昭60-243321号公報等）。これはウオータジ
ヤケツトとコンデンサと冷媒供給ポンプ等を主体として
冷媒循環系を構成するとともに、上記ウオータジヤケツ
トの設定レベルに対応して液面センサを装着したもの
で、この設定レベルまで液相冷媒（例えばエチレングリ
コール水溶液）を貯留しておいて、その沸騰気化により
各部の冷却を行なつている。そして発生蒸気をコンデン
サに導いて凝縮し、コンデンサ下部に液相冷媒として回
収した後、上記液面センサの検出信号に基づいてON,OFF
作動する冷媒供給ポンプによつて再度ウオータジヤケツ
トに循環供給し、その冷媒液面を上記設定レベルに維持
する構成となつている。このように冷媒供給ポンプを用
いてウオータジヤケツト内の冷媒液面を強制的に制御す
ることにより、負荷条件等が変化しても液面を確実に設
定レベルに維持できることになり、燃焼室壁等高温部位
の露出を防止し、かつウオータジヤケツト上部に適宜な
蒸気空間を確保して、安定した冷却性能を発揮できるの
である。なお、このほか冷媒供給手段として機関出力に
よつて常時駆動される機械式ポンプと電磁弁とを用い、
液面センサの検出信号に基づく電磁弁の開閉によつて同
様にウオータジヤケツト内の冷媒液面を制御するように
したものもある。

発明が解決しようとする問題点 上記のように冷媒供給ポンプや電磁弁のON,OFF動作によ
つてウオータジヤケツト内の冷媒液面を制御するもので
は、当然のことながら、そのON,OFFの切換に際し、ヒス
テリシスが与えられる。ここでヒステリシスとは、液面
が下降して行く際にポンプがONとなる液面位置と、液面
が上昇して行く際にポンプがOFFとなる液面位置との
差、つまり不感帯となる範囲を指すが、実際には、液面
センサにより単一の基準液面レベルが設定されているた
め、液面センサのOFF状態（基準レベル以下の状態）が
所定時間継続したときにポンプをON作動させるととも
に、液面センサのON状態（基準レベル以上の状態）が所
定時間継続したときにポンプを停止させるように制御プ
ログラムを構成することで、実質的なヒステリシスの付
与を実現し、制御のハンチングを抑制している。つま
り、上記の所定時間の長短がヒステリシスの大小に相当
する。

しかし、上記従来の沸騰冷却装置においては、そのヒス
テリシスは、液面センサの応答性などから決定され、常
に一定のものとなつている。

従つてヒステリシスを比較的小さく設定すると、冷媒供
給ポンプや電磁弁の作動頻度が多くなり、耐久性を損な
うという問題がある。とりわけ直流モータを用いた電動
ポンプではブラシの摩耗が著しいものとなる。また逆に
ヒステリシスを比較的大きく設定すると、コンデンサ能
力に余裕のある冬季などコンデンサ下部の液相冷媒温度
が低いときに、ウオータジヤケツト内に低温液相冷媒が
一時に多量に供給されることになり、この結果、ウオー
タジヤケツト内温度のハンチングが大きくなり、例えば
ウオータジヤケツト内冷媒を車室暖房用ヒータの熱源と
した場合に、ヒータ吹出温度が不安定となる。

問題点を解決するための手段 この発明は、上記の問題点を解決するために、コンデン
サ側の冷媒温度に応じてヒステリシスを可変的に設定す
るようにしたものである。すわなち、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
内部に液相冷媒が貯留されるウオータジヤケツト１と、
このウオータジヤケツト１で発生した冷媒蒸気が導入さ
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２と、このコンデンサ２で凝縮した液相冷媒を上記ウ
オータジヤケツト１に補給する冷媒供給手段３と、上記
コンデンサ２の下部の液相冷媒温度を検出する温度セン
サ４と、上記ウオータジヤケツト１に配設され、冷媒液
面が所定レベルに達しているか否かを検出する液面セン
サ５と、この液面センサ５の検出信号に基づき液面が所
定レベル以下となっている状態の継続時間を計測する第
１タイマ手段９と、この第１タイマ手段９の計測時間が
第１設定時間以上となったときに上記冷媒供給手段３を
作動開始させる作動信号発生手段６と、上記液面センサ
５の検出信号に基づき液面が所定レベル以上となってい
る状態の継続時間を計測する第２タイマ手段10と、この
第２タイマ手段10の計測時間が第２設定時間以上となっ
たときに上記冷媒供給手段３を停止させる停止信号発生
手段７と、上記温度センサ４の検出温度に基づき、上記
第１設定時間を、低温時に相対的に短く、かつ高温時に
相対的に長くなるように可変設定する第１の設定時間可
変設定手段8Aと、上記温度センサ４の検出温度に基づ
き、上記第２設定時間を、低温時に相対的に短く、かつ
高温時に相対的に長くなるように可変設定する第２の設
定時間可変設定手段8Bと、を備えて構成されている。

作用 始動直後あるいは寒冷時における運転などでコンデンサ
２下部の液相冷媒温度が低い場合には、ヒステリシスつ
まり第１設定時間と第２設定時間は比較的短く設定され
る。従つてウオータジヤケツト１には液相冷媒がごく少
量ずつ供給されることになり、ウオータジヤケツト１内
冷媒温度のハンチングは非常に小さくなる。またウオー
タジヤケツト内冷媒温度のハンチングが問題とならない
ようなコンデンサ２内冷媒温度の高温時には、第１設定
時間と第２設定時間は比較的長く設定される。従つて、
この場合には冷媒供給ポンプや電磁弁などからなる冷媒
供給手段３の作動頻度は少なくなる。

実施例 第２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、11はウオータジヤケツト12を備
えてなる内燃機関、13は気相冷媒を凝縮するためのコン
デンサ、14は冷媒供給手段として電動式の冷媒供給ポン
プをそれぞれ示している。

上記ウオータジヤケツト12は内燃機関11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15
およびシリンダヘツド16の両者にわたつて形成されたも
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17が
設けられている。この蒸気出口17は接続管18および蒸気
通路19を介してコンデンサ13の上部入口13aに連通して
おり、かつ上記接続管18には、冷媒注入用のキヤツプ20
が設けられている。また上記ウオータジヤケツト12の所
定レベル、具体的にはシリンダヘツド16側のほぼ中間の
高さ位置に、液相冷媒の有無によつてON,OFF信号を発す
る例えばリードスイツチを用いたフロート式液面センサ
21が配設されており、かつこれより下方つまり通常液相
冷媒中に没する位置にサーミスタ等からなる第１温度セ
ンサ22が配設されている。

また23は、上記ウオータジヤケツト12にヒータ用通路24
を介して接続された車室25暖房用のヒータコアであり、
その下流側に、図示せぬヒータスイツチに連動して作動
するヒータ用ポンプ26が設けられている。

コンデンサ13は、上記入口13aを有するアツパタンク27
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28と、このコア部28で凝縮された液相冷媒を一時貯留
するロアタンク29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、さらに
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30が臨設されている。また上記ロアタンク29には、そ
の内部の冷媒温度を検出するサーミスタ等からなる第２
温度センサ31が配設されている。

32は、上記コンデンサ13の内容積とほぼ等しい容積を有
するリザーバタンクであつて、これは大気連通路33を介
して上部空間が大気に開放されているとともに第１冷媒
循環通路34を介してロアタンク29に接続され、かつ冷媒
供給ポンプ14が介装された第２冷媒循環通路35を介して
ウオータジヤケツト12に接続されている。なお、36はウ
オータジヤケツト12からリザーバタンク32への冷媒の逆
流を阻止する逆止弁である。また上記大気連通路33には
常開型の電磁弁37が介装されている。

38は、冷媒供給ポンプ14や電磁弁37等の制御をつかさど
る制御装置であつて、これはいわゆるマイクロコンピユ
ータシステムからなり、後述するような所定のプログラ
ムに従つて一連の制御を行なつている。

次に、第３図，第４図は上記制御装置38によつて実行さ
れる制御の内容を示すフローチヤートであつて、以下、
このフローチヤートを参照して上記のように構成された
沸騰冷却装置の作動を説明する。

まず機関の停止状態においては、ウオータジヤケツト12
内の液面センサ21の設定レベル付近までを液相冷媒（例
えばエチレングリコール水溶液）が占め、その上部には
空気が流入している。またコンデンサ13はほぼ全体が液
相冷媒で満たされており、かつリザーバタンク32は空の
状態となつている。

この状態で機関が始動すると、ウオータジヤケツト12内
の冷媒は、その冷媒量が少ないとともに滞留状態にあ
り、しかも上部が空気で断熱されているので、すみやか
に温度上昇し、やがて沸騰が始まる。ここでウオータジ
ヤケツト12内の冷媒温度TEが85℃に達するまでは、冷却
フアン30は作動しない（ステツプ12,13）。

沸騰が始まるとコンデンサ13内の液相冷媒は蒸気圧によ
つて徐々にリザーバタンク32に排出され、上部に気相冷
媒領域が拡大していく。このときウオータジヤケツト12
内部に残存していた空気は、蒸気流に押されてコンデン
サ13の下方に集まるので、第１冷媒循環通路34を通して
リザーバタンク32に自然に押し出される。なお、通常は
電磁弁37は開状態にあり、リザーバタンク32は大気に開
放されている。そして、沸騰によりウオータジヤケツト
12内の冷媒液面が液面センサ21の設定レベル以下に低下
してくると、ステツプ１〜11の液面制御によつて冷媒供
給ポンプ14が間欠的に作動し、リザーバタンク32からウ
オータジヤケツト12へ液相冷媒を補給する。これによつ
て、ウオータジヤケツト２内の冷媒液面は、以後機関停
止に至るまでほぼ一定に保たれる。具体的には、冷媒供
給ポンプ14は液面センサ21のOFF信号が第１設定時間T1
以上継続したときに作動開始し（ステツプ５〜８）、ま
た液面センサ21のON信号が第２設定時間T2以上継続した
ときに停止（ステツプ5,9〜11）する。そして上記第１
設定時間T1および第２設定時間T2は、第２温度センサ31
が検出するロアタンク29内の冷媒温度TCが５℃以下であ
ればそれぞれ0.1秒および0.6秒に、冷媒温度TCが５〜30
℃であればそれぞれ0.6秒および2.0秒に、また冷媒温度
TCが30℃以上であればそれぞれ1.0秒および2.5秒に設定
される（ステツプ１〜４）。すなわち、ロアタンク29内
冷媒温度TCが低いときには、ヒステリシスが小さくな
り、ごく少量ずつ冷媒供給が行なわれる。従つてウオー
タジヤケツト12内の冷媒温度のハンチングが防止され、
ヒータコア23に供給される冷媒温度も非常に安定したも
のとなる。また、ロアタンク29内冷媒温度TCが十分に高
い状態では、ヒステリシスが大きく与えられ、冷媒供給
ポンプ14の作動頻度が低減する。従つて、冷媒供給ポン
プ14の駆動モータにおけるブラシの摩耗が抑制され、耐
久性が向上する。なお、この実施例では第１設定時間T1
および第２設定時間T2を冷媒温度TCに応じて３段階に切
り替えているが、さらに細かく切り替え、あるいは連続
的に変化させるようにすることが可能であることはいう
までもない。

一方、コンデンサ13の上部に気相冷媒領域が拡大するに
従つてコンデンサ13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13の
液面位置が定まる。つまり機関の負荷や車両走行風など
に応じてコンデンサ13の液面位置が自然に上下動しつつ
機関温度を略一定に保つ。なお、ウオータジヤケツト12
等の内部の圧力はリザーバタンク32を介してほぼ大気圧
に保たれるので、機関温度はおおむね大気圧下での冷媒
沸点となる。そして、高負荷時などにコンデンサ13の液
面位置がかなり低下して過冷却度が小さくなると、具体
的にはウオータジヤケツト12内冷媒温度TEとロアタンク
29内冷媒温度TCとの温度差（TE−TC）が10℃以下となる
と冷却フアン30が作動開始し、コンデンサ13を強制冷却
する（ステツプ14,19）。この冷却フアン30の作動は、
温度差（TE−TC）が15℃にまで拡大したら停止する（ス
テツプ14,20）。

このように、通常は電磁弁37が開いた状態で冷媒の沸
騰，凝縮を利用した冷却が行なわれる。なお、フローチ
ヤート中のフラグは電磁弁37の開閉状態に対応し、
「０」が「開」を、「１」が「閉」をそれぞれ示す。

そして、何らかの原因でコンデンサ13の放熱能力が機関
発熱量を下回るような状態となると、コンデンサ13の冷
媒液面が最大限に低下し、コンデンサ13での過冷却度が
小さくなる。この場合、検出された温度差（TE−TC）が
５℃以下となつた時点で電磁弁37が閉じ、リザーバタン
ク32が密閉される（ステツプ14,17）。そのため、コン
デンサ13等の内部の圧力が上昇し、冷媒沸点の上昇をき
たすので、コンデンサ13に流入する冷媒蒸気の温度が高
まり、コンデンサ13の放熱能力が増大する。この結果、
機関温度が僅かに上昇した状態でコンデンサ13の放熱能
力と機関発熱量とが再び平衡することになり、冷媒蒸気
の噴出あるいは機関温度の過度の上昇が確実に回避され
る。

また、上記のように電磁弁37が一旦閉じた場合には、そ
の閉じた瞬間のウオータジヤケツト12内冷媒温度TE0を
記憶（ステツプ18）しておき、運転条件の変化等により
ウオータジヤケツト12内の冷媒温度TEがこれよりも３℃
低くなつた時点で電磁弁37を開状態に復帰させるように
なつている。なお、何らかの原因でウオータジヤケツト
12内冷媒温度TEが過度に昇温（例えば120℃）した場合
にも電磁弁37が開かれる（ステツプ22〜25）。

次に、機関を停止すると、一定時間毎に割り込み処理さ
れる第４図のフローチヤートに従つて冷媒液面の制御
（ステツプ37〜43）ならびに冷却フアン30の制御（ステ
ツプ35,36）が継続され、機関停止後の冷媒蒸気の噴出
や局部的な過熱が防止される。ここでは、冷媒供給ポン
プ14のON,OFFのヒステリシスは固定的に与えられてい
る。なお、この間、コンデンサ13の気相冷媒領域を確保
するために電磁弁37は閉じられる（ステツプ34）。ま
た、温度差（TE−TC）が10〜20℃である場合には、コン
デンサ13内の冷媒液面が高く、冷却フアン30による強制
冷却が効果的でないため、まず冷媒供給ポンプ14を作動
させて、リザーバタンク32側の低温液相冷媒をウオータ
ジヤケツト12内に混入するとともに、コンデンサ13の気
相冷媒領域の拡大を図るようにしている（ステツプ44,4
5）。

そして、最終的に電源がOFF（ステツプ46）となつて一
連の制御が終了する。なお、この電源OFFによつて電磁
弁37が開状態となるので、ウオータジヤケツト12内部の
温度低下に伴つてリザーバタンク32内の液相冷媒がコン
デンサ13内に移動し、さらには空気が吸引されてウオー
タジヤケツト12上部を満たす。

以上、この発明の一実施例を説明したが、この発明は上
記実施例に限定されず、種々の変更が可能である。例え
ば上記実施例では、コンデンサ13で凝縮した液相冷媒を
リザーバタンク32を経てウオータジヤケツト12に補給す
る構成となつているが、リザーバタンク32を独立させ、
ロアタンク29から直接ウオータジヤケツト12に補給する
構成としてもよい。また、冷媒供給ポンプとして機関出
力によつて常時駆動される機械式ポンプを用い、その冷
媒供給を電磁弁で制御するように構成することも可能で
ある。

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、コンデンサ下部の冷媒温度
に応じて冷媒供給手段のON,OFF作動のヒステリシスが適
宜に設定されるので、冬季などにおけるウオータジヤケ
ツト内冷媒温度のハンチングを防止でき、ヒータ吹出温
度の安定化を図ることができるとともに、冷媒供給ポン
プ等冷媒供給手段の作動頻度を低減させることができ、
冷媒供給ポンプ等の耐久性向上を図ることができる。

【図面の簡単な説明】

第１図はこの発明の構成を示す機能ブロツク図、第２図
はこの発明に係る内燃機関の沸騰冷却装置の一実施例を
示す構成説明図、第３図および第４図はこの実施例にお
ける制御の内容を示すフローチヤートである。 １……ウオータジヤケツト、２……コンデンサ、３……
冷媒供給手段、４……温度センサ、５……液面センサ、
６……作動信号発生手段、７……停止信号発生手段、８
……ヒステリシス設定手段。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】上部に蒸気出口を有し、かつ内部に液相冷
   媒が貯留されるウオータジヤケツトと、このウオータジ
   ヤケツトで発生した冷媒蒸気が導入され、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、このコンデ
   ンサで凝縮した液相冷媒を上記ウオータジヤケツトに補
   給する冷媒供給手段と、上記コンデンサの下部の液相冷
   媒温度を検出する温度センサと、上記ウオータジヤケツ
   トに配設され、冷媒液面が所定レベルに達しているか否
   かを検出する液面センサと、この液面センサの検出信号
   に基づき液面が所定レベル以下となっている状態の継続
   時間を計測する第１タイマ手段と、この第１タイマ手段
   の計測時間が第１設定時間以上となったときに上記冷媒
   供給手段を作動開始させる作動信号発生手段と、上記液
   面センサの検出信号に基づき液面が所定レベル以上とな
   っている状態の継続時間を計測する第２タイマ手段と、
   この第２タイマ手段の計測時間が第２設定時間以上とな
   ったときに上記冷媒供給手段を停止させる停止信号発生
   手段と、上記温度センサの検出温度に基づき、上記第１
   設定時間を、低温時に相対的に短く、かつ高温時に相対
   的に長くなるように可変設定する第１の設定時間可変設
   定手段と、上記温度センサの検出温度に基づき、上記第
   ２設定時間を、低温時に相対的に短く、かつ高温時に相
   対的に長くなるように可変設定する第２の設定時間可変
   設定手段と、を備えてなる内燃機関の沸騰冷却装置。