JPS60125720A - 内燃機関の沸騰冷却装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 産業上の利用分野 この発明は、コンデンサからウォータジャケット内に循
環供給した液相冷媒をウォータジャケット内で沸騰気化
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
にあっては、ラジェータでの熱交換効率に自から限界が
あり、大型のラジェータが必要であるとともに、ウォー
タジャケッ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＊ｐｉな冷却水の循環
によってもウォータジャケット内を均一なｆ１Ｍ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５７−５
７６０８号公報に記載のものが知られている。これは基
本的には、ウォータジャケット内に適宜なレベルまで液
相冷媒を貯留しておき、該ウォータジャケット内でその
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ォータジャケ
ット内に循環供給するものであって、冷却水の単純な温
度変化と異なり相変化を伴う気化情熱を利用することに
よって、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
来の方式のラジェータに比較して大幅に向上し、更罠は
ウォータジャケッ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、ウォータジャケット。

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、不鍼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５８−５３７
８７）。

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、換自°すればウォータジャケ
ット内の湛１屍は、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伸液である
エチレングリコールを混合したような検数成分の混合液
を用いた場合には、ウォータジャケットでの沸騰の際に
分溜され、ウォータジャケット内に残る成分の１ｆｆｌ
ｌ＆が変化して沸点の変動を生じ、所期の感度制御に支
障を米す惧れがあった。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
Ｃであるのに対し、エチレングリコール濃度３０優で１
０３Ｃ，５０１で１０５”Ｃ，６０１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ってしまうので
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、ウォータジャケット内の液相
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、かっ液相冷媒が貯留されるウォータジャケ
ットと、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ォータジャケッ
トの冷媒人口とを接続した冷媒循環通路と、上記冷媒タ
ンクおよび上記ウォータジャケットの少（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ォータジャケ
ッ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
ォータジャケッ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って、
ウォータジャケット内に貯留された冷媒は、ここで沸騰
気化した後、蒸気となってコンデンサに流入し、外気に
よる冷却によって凝縮液化され、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っ
て褥びウォータジャケッ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
化漕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ォータジャケッ
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、この高低差によってウォータジャ
ケッ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。

従って冷媒タンク内の冷媒成分とウォータジャケット内
の冷媒成分とが常に略均質に保たれ、冷媒成分変化によ
る沸点の変動力Ｓ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はウォータジャケット２を備
えてなる内燃４表関、３は気相冷媒を凝縮するだめのコ
ンデンサ、４は畦動式）冷媒供給ポンプを夫々示してい
る。

上記ウォータジャケット２は、内燃機関ｌのシリンダお
よび燃焼室の外周部を也囲するようにシリンダブロック
５およびシリンダヘッド６の両者に亘って形成されたも
ので、通常気相９聞となる上部ｈ３谷気尚で互いに連通
しているとともに、その上部の適宜な位置に蒸気量ロア
が設けられている。この蒸気量ロアは、接続管８および
蒸気通路９を介してコンデンサ３の上部人口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Ｑ開口をキャップ１０が密閉している。

上記コンデンサ３は、上記入口３ａを有するアッパタン
ク１１と、上下方向の微細なチューブを主体としたコア
部Ｔ２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＋ｔ　動式
冷却ファン１４を備えている。また上記ロアタンク■３
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１３　＆を有するとともに、下部側面の一端部に
冷媒入口１３　ｂを有し、両者間に、底部から立ち上が
った仕切板１５が設けられている。

一方、上記ウォータジャケット２の側壁には、下部に冷
媒人口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■３の冷媒取出口１３
　ａと上記冷媒人口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の冷媒人口１３　ｂと上
記冷媒取出口２ｂとか冷媒混合通路１７を介して接続さ
れている。そして、上記冷媒循環通路１６に冷媒洪凶ポ
ンプ４が介装されているとともに、上記冷媒混合通路１
７に流量規制用のオリフィス１８が設けられている。

次に２１は冷媒循環系の糸外に設けられた大気開放のり
ザーバタンクであって、その１氏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１１４Ｘ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′亀磁弁２３は通電時には第１補助冷媒通路２
２を冷媒供給ポンプ４吸入側に連通しく流路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亀磁弁２５を介してウォ
ータジャケット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の土壁部には、
常閉型の第３・１磁ヲＰ２６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、ウォータジャケット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ｔｆ＋：！４１液面センサ２８の若干下方位置に
渦１紺センサ３０か設けられている。尚、ウォータジャ
ケット２側の所定レベルはロアタンク１３側の所定レベ
ルに対し一単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■３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１１　Ｌ、ている。

：；１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と冷却ファン１４と
冷媒供給ポンプ４の制御を行っている。

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、ウォータジャケット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、ウォータジャケット２内の所定レベルつま
り第１液而センサ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側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か占め、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、ウォータジャケット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。ウォータジャ
ケット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＋
ｌ’Ａ９換により冷却されて凝縮され、純水となってロ
アタック■３に回収される。このとき、冷却ファン１４
は渦度センサ３０の検出渦ｊ庭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、ウォータジャケット２内の湯度を目
標１１１（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。このよりに、ウォー
タジャケット２側Ｃ沸１１＋ｔが、コンデンサ３側で凝
縮が夫々行われる結果、ウォータジャケット２内の液面
レベルは保々に低下し、他方ロアタンク１３内の＊ｍレ
ベルは保々に上列することになるが、ウォータジャケッ
ト２内の液面レベルが第１液而センサあの設定レベル以
下になったとき、あるいはロアタ／り１３内の液面レベ
ルが第２液而センサ２９の設定レベル以上になったとき
には、冷媒供給ポンプ４が駆動され、ロアタンク１３内
からウォータジャケット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、ウォータジャケッ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１鴨低差により冷媒混合通路１７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ａｉが高まったウォータジャケット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■３からは、上述したように凝縮冷媒
が冷媒供給ポンプ４によりウォータジャケット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Ｊ３　ｂから流入した冷媒の直接的な還流が阻止さ
れて比叡的純水に近い冷媒のみがウォータジャケット２
に戻される。従って、ウォータジャケット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、ウォータジャケット２内の液相冷媒成
分が運転前と何ら変わらｒに維持されるのである。

また、ｖｋ環系外に設けられたリザーバタンク２１は、
循Ｉｖｌ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
１蓮亘に移動させることによって、循環系からの空気の
排出０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、系内に伺らかの原因で不凝縮
気体である空気が溜まった場合には、；π１区磁弁２３
を流路Ａ側に切換えるとともに第３′畦磁弁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
給ボンブ４を駆動することによって、空気の確実な排出
が実現できる。また、機関停止時には、第２醒磁弁２５
を開いて系内に予備液相冷媒を吸込ませることによって
、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によりウォータジャケット２内の液面
レベルが低下して高温壁面が露出する慣れがあるので、
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に電磁弁を弁装し、礫関伜止時に該１ｍ路１
７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ォータジャケット内の液相冷媒成
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・・・ウォータジャケット、３・
・・コンデンサ、４・・・冷媒供絽ポンプ、７・・・蒸
気出口、８・・・接続管、９・・・蒸気通路、１３・・
・ロアタンク、１４・・・冷却ファン、１５・・・仕切
板、１６　冷媒循環通路、１７・・・冷媒混合通路、１
８・・・オリフィス、２１・・・リザーバタンク、２２
・・・第１補助冷媒通路、２３・・・第１電磁弁、２４
・・ル２補助冷媒通路、２１５・・・′＄、２螺磁弁、
２６・・２１！　３　＝諷磁弁、２１・・空気排出１ｍ
路、２８・・・第１液面センサ、２９・・ｊＪ２液面セ
ンサ、３（ト・・温度センサ、３１・・・制御装置。

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. （１）山上部に蒸気出口を有し、かつ液相冷媒が貯留さ
   れるウォータジャケットと、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
   記ウォータジャケットの冷媒入口とを接続した冷媒丸環
   通路と、上記冷媒タンクおよび上記ウォータジャケット
   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
   づきウォータジャケット内液面を上記冷媒タンク内液面
   よりも尚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、ウォータジャケッ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. （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。