JPS6119443B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

本発明が関連する技術分野は、自動車の機関、
空調、中間冷却、燃料の過給、燃料の冷却および
給気冷却の分野である。 自動車の（熱）機関から生じる廃熱は、燃料の
化学的エネルギを機械的エネルギに変換する熱力
学の必然的結果である。実際に、実用的な機関に
おいては、燃料の発熱量の大部分は機関本体から
除去されねばならず、その結果機関の排気および
冷却における必然的要件が生じる。この熱は実際
には機関自体の内部でこれ以上仕事を行うために
直接利用できるのではなく、二段膨張又は過給措
置等による機関内部および加熱、冷却（空調）又
は他の補助的動力使途等による機関外部の相方に
おける比較的高いレベルの利用度を得る種々の手
段によつて間接的に利用可能である。第１の用途
においては、廃熱は機関の入力条件を変更するた
め即ち出力に回収した動力を付加させてその結果
出力の増加および（又は）燃料経済性をもたらす
ための動力を提供する。後者の場合には、さもな
ければこれ以上の原動機軸馬力を要しかつそのた
め余分な燃料を要することになる場合に廃熱エネ
ルギ副生物を置換することにより機関動力におけ
る節減を意味する。 本発明は、改良された機関冷却方式を廃熱駆動
ヒートポンプ方式と組合せるに止まらず、２つの
タイプの廃熱性能の増強方法の組合せをも可能に
するものである。特に、高効率の等温のジヤケツ
ト冷却方式が核沸騰熱伝達により得られ、正にラ
ンキン動力サイクル態様で作用するジエツト・タ
イプの熱コンプレツサに対する運動流体を生じ
る。これから生じた動力は、各種媒体を加熱又は
冷却するため使用することができる逆ランキン・
サイクル（蒸気圧縮）の作用を構成する。特に重
要な用途は機関の吸気の冷却加熱である。他の用
途は車両の乗客又は貨物の環境の冷却および加温
である。いくつかの事例により本発明の用途を例
示する。 米国内では、自家用車が最も大きなエネルギ消
費物の種別の１つである。自動車の燃料消費の大
きな部分は空調器の使用の増加に依る。更に、空
調装置は自家用車の当初コストの大きな部分を占
有する。このような装置は、一般に、機械的に機
関に結合され付加要素としてそれ自体でまとまつ
た往復運動ピストン形コンプレツサが設けられる
のが一般である。車両重量および機関出力が増加
すると燃料消費が増加し、その割合は15％にも達
する。 一方、自動車用機関から生じる廃熱はコストと
は略々無関係に利用可能で、比較的高いエネルギ
準位の用途に依存する。アイドリング運転中でさ
え数分の内にテール・パイプの温度は約260℃を
越える。火花点火機関の全燃料消費の発熱量の完
全に40％はテール・パイプから放出される。走行
条件においては、約650℃を越える排ガス温度が
生じる。機関の材料温度は、機関の正常状態を確
保するため冷却システムによつて約65乃至175℃
の範囲内に維持されねばならない。 従つて、機関の廃熱の効率の高い利用手段を講
じてその経済的な利点を得ることが望ましい。本
発明は、自動車の機関の温度を有効かつ経済的に
制御し、機関から余分な軸動力を必要とすること
なく機関により生じたさもなければ無駄になる熱
を利用して乗客の快適性制御のための冷暖房を行
う手段を提供する。本発明を乗用車に応用すれ
ば、空調を用いながら約0.845乃至1690Km/にも
達する走行性能の改善が得られる。 過給式内燃機関は比馬力において顕著な利得が
生じる。しかし、吸気圧縮の結果は圧縮に伴なう
吸気温度の上昇により大きく減殺され得る。吸気
温度が高いと、過給による動力の回収を減衰させ
る許りでなく、機関入口温度が高ければ回収され
た排気エネルギの更に大きな部分が軸動力に寄与
せずに熱として機関各部に移動するために機関冷
却要件を強化することにもなる。更に、その結果
として、火花点火機関を使用する場合は、機関の
オクタン価要件を増加させることになる。 吸気の冷却、即ち中間冷却、後段冷却又は蒸発
冷却が、通常高性能過給方式において採用されて
いる。蒸発冷却、例えば、レーサおよび航空機の
場合の如き過剰燃料又は水の噴射を用いると、燃
料消費および（又は）動力損失が大きくなる結果
となる。時に後段冷却と呼ばれる中間冷却は、吸
気系統において大きな熱伝達表面積および容積を
必要とする。このため、通常は嵩が大きく高価な
熱交換器を含み、吸気溜めの容積は機関のスロツ
トル応答が悪影響を受ける程大きくなる。又、比
較的低温の媒体および放熱装置も必要となる。熱
を逃がすのに用いる比較的低温の媒体が周囲の空
気間であるならば、十分な吸気冷却のために必要
な熱の流れを達成するためには、車両の抵抗とな
る前面積および（又は）動力を非常に大きくする
ことが必要となる。 中間冷却を用いなければ、吸気の圧縮から生じ
るトルク利得は、水銀柱で1524mmの圧力下で圧力
の約半分だけが実施可能である如き減衰効果を生
じる。圧力の付加が大きければ大きい程中間冷却
の効率は大きくなる。 舶用機関の場合には、これらの問題は水が放熱
のために容易に使用できるため回避される。この
媒体は、低温（通常周囲の空気より低温）、高熱
容量、高熱伝達率およびポンプ圧送特性に優れて
いるという所望の特性を有する。 しかし、周囲の空気のヒート・シンクしか使用
できない他の運転用途においては、従来の方法に
よつて十分な吸気冷却量を達成しようとすれば実
質的な問題が生じることになる。インタークーラ
においては機関のジヤケツト冷却水が中間的な熱
伝達媒体として使用されるが、放熱系統（ラジエ
ータ）において分担されねばならない機関冷却負
荷、および熱伝達に伴う感知し得る温度変化の故
にその効率は限定される。「直接」又は「間接」
のタイプの別個の感応冷媒ループの場合も同様に
限定される。熱気圧縮冷凍法によるヒートポンプ
方式の場合は、周囲媒体ヒート・シンクおよび温
度勾配の相方の制限をも克服する。しかし、もし
機関の軸により駆動されるならば熱的な長所を大
き減殺することになるヒートポンプの駆動のため
十分な量の動力が必要とされる。 従来技術を検討すると、機関の冷却および廃熱
利用の両者においていくつかの試みが見出され
る。Perrineの米国特許第2327451号は、空調用の
蒸気圧縮サイクルを駆動する噴射エゼクタ内に冷
媒作用流体のための熱交換器／ボイラを挿置する
ことにより、機関から出て来る従来の冷却水から
機関冷却ジヤケツトのある廃熱を回収するための
システムを開示している。冷媒作用流体、ボイラ
および凝縮器を含む採用された中間熱伝達の故
に、Perrineのシステムは利用できるジヤケツト
の熱の極く一部しか利用できず、従つて使用効率
（温度水準）は非常に低下する。Ophir等の米国
特許第3922877号は、ジヤケツト水の代りに機関
の排気が別体の冷媒ボイラ／熱交換器と接触させ
られるPerrineの特許と類似のシステムを開示す
る。PerrineおよびOphir等の特許は機関のラジ
エータと同じ気流中におかれた別個の冷媒凝縮器
を用いているため、その両者が機関の冷却を阻害
している。Nevcombeの米国特許第2353966号
は、揮発性の冷媒を用いて直接機関シリンダ、
油、吸気、混合気その他の媒体を冷却し、機関排
気と別個の燃焼ガスの組合せを用いてエゼクタ式
蒸気コンプレツサを作動させるシステムを示して
いる。Newcombeのシステムは、システムの最も
低温のレベルに機関冷却ジヤケツトを定置させ、
放熱の温度レベルを周囲温度迄引上げる目的のた
めの蒸気圧縮用にヒートポンプ方式を採用して航
空機の冷却用として寸法および前面面積を減少さ
せるものである。このシステムを駆動するための
作用流体を生じるため余分の燃料を焼やさなけれ
ばならない。Newcombeの米国特許第2360969号
においては類似のシステムが開示されるが、この
場合機関のジヤケツト内に生じた蒸気の圧力およ
び温度を上げてスーパーチヤージヤに結合された
蒸気タービンを駆動するためエゼクタが使用され
ている。この場合、回収された熱はヒートポンプ
作用の代りに混合気の圧縮のために使用される。
Allisonの米国特許第2404778号では、機関ジヤケ
ツトをボイラ又は蒸発器としてではなく予熱器と
して使用し、排気がエゼクタ内の冷媒作用流体が
蒸発させる蒸発熱を提供する。前記Ophir等の特
許と同様に、Allisonのシステムは排気熱で加熱
されたボイラーの特に大きな熱伝達面を必要と
し、冷媒材料を分解温度におくことになる。 本発明においては、ヒートポンプ作用のための
動力は機械のジヤケツトの熱の回収から得た。 特に、冷却モードにおいては、気化された冷媒
流体は噴射エゼクタを介して凝縮器／ラジエータ
内に送られるが、一部の流体は凝縮器から冷媒蒸
発器として作用する熱交換器に分離される。この
分離された部分は熱交換器内で気化されて冷凍作
用を生じ、次に噴射エゼクタを介して噴射によつ
て凝縮器へ戻される。蒸気線と液体線（復熱）を
交又させた熱交換器により、又以下に説明する如
くサーモスタツト制御部の作用によつて、高い効
率を（必要に応じて）得ることができる。回転式
コンプレツサに結合された高圧蒸気駆動の回転式
膨張器（例、タービン又はピストン機関）の軸
は、望ましい実施態様として以下に示される前述
の静圧式の噴射エゼクタの回転形である。 加熱モードにおいては、高温高圧の蒸気が直接
機関から熱交換器へ、更に凝縮器へと逆の方向に
伝達される。このモードにおいては、熱交換器
（コンデイシヨナ）は凝縮器として作用して加熱
効果を生じる。 冷却加熱は適当な弁機構によつて選択される。
両方のモードが回路から閉鎖されると、ポンプは
圧力を逃がすバイパス弁その他の手段、例えば第
１１図に示す可変面積形制御エゼクタを介して機
関と凝縮器／ラジエータ間の閉鎖回路内に冷媒を
循環させ、最大冷媒圧力従つて機関ジヤケツト温
度を圧力調整セツテイングと対応する飽和値に限
定することができる。更に、常開形のサーモスタ
ツト作用により制御された弁の使用によつて機関
の冷媒をバイパスさせて始動時の暖機運転を促進
させることができる。加熱又は冷却モードが何れ
も適正な機関ジヤケツト温度を維持するに十分な
熱を放散しない時、余分の冷媒蒸気は自動的にエ
ゼクタおよび（又は）熱交換器の周囲から全ての
機関ジヤケツトの廃熱を周囲に放出するに十分な
容量を有する凝縮器／ラジエータに対してバイパ
スされる。機関ジヤケツトの温度も又、第１１図
に示した面積可変形ノズルエゼクタの使用によつ
て維持することもできる。又、サーモスタツト形
膨張弁を用いて、冷媒が排気に対し十分な露出を
有する場合に機関／排気ジヤケツトからの最大過
熱を制限するため少量の液体をバイパスする。 本発明によれば、過大な軸動力、車両の前面面
積、過剰の燃料、又は余分な使用可能な蒸発材に
よることなく、80％を超える混合気冷却効率を得
ることができる。水銀柱1524mmの圧力下では、コ
ンプレツサの放出温度は約180℃となり、爆熱が
避けられ機関の冷却が維持できることを前提とす
れば、機関トルクの100％を僅かに上廻る増加が
得られる。もし圧縮熱の80％が中間冷却により除
去される（効率80％）ならば、タービン過給によ
るトルクの利得は、非実用的なオクタン価および
冷却上の要件の増大を招くことなく殆んど倍増さ
れ得る。 本発明の別の特徴は、混合気の冷却の他に、他
の多くの冷却加熱機能が蒸気および液体の並列回
路を付加することにより同時に得ることが可能で
あることである。 本発明は、周囲の空気のヒート・シンクを用い
る従来の直接および間接の中間冷却法に優る基本
的な熱的な利点を提供するものである。開示され
るヒートポンプ法の熱的な長所は下記の３つの基
本的な漸新な特徴の故である。 即ち、 １ 潜熱伝達機構は、流量、熱送達表面積と容
積、および冷媒と吸気間に必要な全温度差を最
小限度に抑制する。 ２ ヒートポンプ効果は、インタークーラ内で低
い冷媒温度とラジエータ内で高い冷媒温度を得
る。 ３ 機関ジヤケツト内の熱伝達は、高性能、高出
力の用途における機関の保全性に十分な利益を
与える少なくとも全般的な温度変化において可
能な限り最大の熱伝達を生じる核沸騰のための
殆んど最適の条件を生じる。 特に、本発明は、改良された自動車用機関冷却
システムを、機関からの廃熱を利用して凝縮器を
通過して機関へ再び圧送される冷媒液体を気化さ
せるランキン・サイクルのヒートポンプ・システ
ムと組合せるものである。本システムではフアン
ベルト駆動又は電気的に駆動される従来のものよ
り小形の冷却ポンプを使用するが、この他には空
調に対して今日必要とされるベアリング、ベル
ト、可動シール、潤滑剤、クラツチその他の機械
的特徴の如き高速の回転形又は往復形のコンプレ
ツサ部品はない。従つて、装置のサービス寿命を
制限する要因となる疲労および漏洩が除去され
る。更に、機関の冷媒が冷却用ジヤケツト内で液
相から気相への変化を生じるため、冷媒流体に対
する高い熱伝達率の結果機関部品の温度は非常に
均一になり、このため熱による歪み、腐食、ホツ
トスポツト、剥離、潤滑剤の分解が減少し、従つ
て機関の疲労を少なくする。高性能のロータリ
（ヴアンケル）機関において、特にアルミニユー
ム構造が用いられる時、高い熱伝達特性は特に有
効である。乗用車の排気成分を減少させる上で暖
機運転が短縮される特性は有効である。最後に、
廃熱で駆動を行う特徴によれば、空調又は混合気
冷却のための出力軸動力の負担増を除くものであ
り、これにより車両の燃料経済性を改善する。 一般に、本発明は、シリンダ燃焼室内での内部
燃焼作用と、逆ランキン・サイクルのヒートポン
プを駆動するランキン・サイクル動力系統に対す
る動力蒸気を提供するボイラとして作用する冷却
ジヤケツト・スペースにより表示される外燃作用
とを含む複合機関である。この動力系統は、機関
の冷媒、動力サイクルの作用流体およびヒートポ
ンプ作用流体が同じ流体である点で独想的であ
る。 更に詳細に添付図面について説明すれば、第１
図はタービン過給された車両用機関に使用すべき
本発明のシステムの簡略図を示し、第２図乃至第
６図は以下に詳細に論述する如く車室の空調と機
関の冷却を組合せるシステムを示している。本発
明の一般概念は、典型的な市販の冷媒である
Refrigerant11に対する典型的な温度、圧力およ
び流れを示した第１図に示されている。第１図
は、圧縮により加熱された吸気を冷却すると共に
燃料、室内の空気等の諸要素を補助的に冷却する
ため噴流で駆動されるヒートポンプを付勢するた
め機関の廃熱を回収するために本システムがどの
ように用いられるかを示している。種々の温度で
利用可能なヒートポンプ容量を有効に使用するた
めには、各々が各蒸発器、インタークーラ、補助
クーラ等に対する所要の揚程を得るよう構成され
る複数個の噴流ポンプを使用することが望ましい
ことが判つた。 第１図に示されたシステムにおいては、ラジエ
ータ（凝縮器）１００からの中程度に加圧された
冷媒液体の大部分は、ポンプ１０６とオリフイス
を内蔵した管路１０４を介して機関の冷却ジヤケ
ツト・マニフオールド１０２内に圧送される。ポ
ンプの流出分は燃料オリフイス１０５を通過させ
られるが、このオリフイスはポンプがジヤケツト
内の圧力よりも十分に高い圧力で作動してポンプ
が冷却用ジヤケツト内で沸騰する冷媒により生じ
る圧力の変動の影響を受けることなく作用するこ
とができるようにする。冷却用ジヤケツト１０２
は、高圧の冷媒蒸気を生じるためのボイラとして
機能し、過熱蒸気を生じるよう構成された公知の
ものでよい。凝縮器１００からの中程度の圧力の
冷媒液体の小部分は管路１０８を経由し、管路１
１２内の絞り弁を経て熱交換器（蒸発器）１１４
内において低い圧力にまで膨張させられる。この
低圧力域では、冷媒液体は熱交換器１１４内で蒸
発させられて冷却効果を生じ、この効果により熱
交換器１１４内を流過する低圧の冷媒液体と熱交
換作用関係にある管路１１５を介して供給された
吸気コンプレツサの放出分が冷却される。 蒸発器１１４からの低圧の冷媒蒸気の流出分
は、機関の冷却ジヤケツト１０２から管路１２２
を経て放出された高圧の過熱蒸気により駆動され
る噴射エゼクタ１２０により蒸発器から管路１１
８を介して吸出される。過熱された冷却ジヤケツ
トの流れの一部は補助噴射ポンプ１２４の駆動の
ため使用され、このポンプは第１図にクーラ１２
６として示される補助クーラ、例えば空調器、燃
料クーラ等と関連して使用される。噴射ポンプ１
２０は公知の構造のものでよいが、最も広い作動
条件範囲にわたり２次流体と同伴交換するために
最大の駆動エネルギを運動エネルギに変換するた
め第１１図に示す如き面積可変形噴射エゼクタが
望ましい。 第１１図に示される面積可変形の１次ノズルエ
ゼクタは、ノズルのスロート部１３０内に配置さ
れ、軸方向に運動可能でありかつサーボ・アクチ
ユエータ１３２が配置された円錐形状のプラグ即
ちスパイク・ノズル体部１２８を含んでいる。こ
のように、噴射ポンプの作用は、スロート区域を
利用可能な流れに整合させるようノズル体部１２
８に作用する簡単な直動形の上流側の圧力および
（又は）温度位置サーボ１３２によつて自動的に
制御される。ノズル・プラグ１２８の位置の制御
は、下流側の圧力分岐、ばねの圧縮力、ダイアフ
ラムの抵抗および上流側の静的圧力に基く平衡力
により得られる。ノズル・プラグ１２８の均衡位
置は、ばねを装填した調整ねじ１３４により調整
可能である。１次流体の入口１３６と２次流体入
口１３８は第１１図に示された可変ノズル噴射ポ
ンプにおいて変更されるが、実質的には第１図に
示される公知のポンプ１２０と同じ目的を達成す
る。第１１図には差圧制御の一形態を示したが、
ノズル制御を行うためには他の種々なシステム・
パラメータが使用できることが明らかである。 冷却ジヤケツト（ボイラ）１０２からの高温高
圧蒸気と、噴射ポンプ内の熱交換器（蒸発器）１
１４からの低温低圧蒸気とを混合すれば、その結
果、基本的には空冷凝縮器であるラジエータ１０
０内で冷却凝縮された管路１４０内の高温の中程
の圧力の蒸気流出分となる。凝縮器１００からの
凝縮液は受容器１４４に貯溜され、ここから機関
の冷却ジヤケツト１０２と蒸発器１１４を経て管
路１４６内を循環される。熱交換器１１４は、管
路１１９における加熱弁１１７を開放して高温の
冷媒蒸気を熱交換器１１４内に通過させることに
より冷媒と熱交換関係に流過する液体１１５を加
熱するためにも使用できるが、この場合この熱交
換器は凝縮器として作用する。このような加熱作
用は、例えば、極端な周囲条件即ち冷寒始動条件
において機関の吸入混合気を予熱するためにも有
効である。圧力調整用バイパス弁１４８は管路１
５０に配置して機関冷却ジヤケツト１０２とラジ
エータ１００間の閉鎖回路内の冷媒の直接の循環
作用を許容して最大機関ジヤケツト圧力を、従つ
て温度を制限することができる。 本発明については、これ迄は吸気の冷却（第１
図）に関して、又以下においては空調に関して詳
細に説明するが、この両方の冷却機能は、機関の
冷却ジヤケツト１０２から高温高圧の作用蒸気を
提供するための補助噴射ポンプ１２４と管路１５
２の提供によつて１つの系内に組合せることもで
きる。凝縮器（ラジエータ）からの中程度の圧力
の液体は、内部での蒸発およびその結果の冷却の
ため絞り弁１５６を用いて管路１５４を経て補助
クーラ１２６に絞り込むことができる。補助クー
ラ（蒸発器）内に生じた低温低圧の蒸気は噴射抽
出器１２４によつて管路１５８を介してこれから
抽出され、混合蒸気は管路１６０を介してラジエ
ータ１００に再循環される。機関の吸気の冷却の
ため使用された本システムの効率を更に示すた
め、第１図には典型的な流体圧力および温度を示
す。同図に示された温度と圧力は管路の温度およ
び圧力損失は計算に入れない。 第２図によれば、本システムは自動車の機関冷
却システムを内蔵し、これにより自動車の機関１
４と凝縮器／ラジエータ１６はそれぞれ閉鎖回路
内で実施される冷媒流体の蒸発および凝縮を行
う。機関１４の頭部およびブロツク冷却ブロツク
２０は公知の方法で内部の管路を形成する芯部
（腔部）を有し、冷媒流体を供給するため冷却ジ
ヤケツト入口に配管１８が接続されている。機関
の排気マニフオールド２２は、舶用機関において
一般的である如くにジヤケツトが設けられる。排
気マニフオールドのジヤケツトも又配管２４によ
り頭部およびブロツクの冷却ジヤケツト２０から
供給される冷媒流体の伝達のための管路を提供す
るよう芯部がある場合には排気熱はごく僅しか回
収されないが、エゼクタの性能を高め得る別の蒸
気の過熱を生じるためにはこの構成は有効であ
る。 第２図に示されたシステムは、機関の排熱が凝
縮器１６を介して周囲に放出される循環モードを
示している。この循環モードにおいては、システ
ムは車室を冷却も加温もしないが、この場合適正
な機関温度に対して必要な割合で機関の廃熱を除
去するには不十分であつて、第２図に示す如く別
の手段で除去されねばならない。 循環、冷却および加熱の各モードにおける冷媒
液体の流れをそれぞれ第４図、第５図、第６図に
示し、各図はシステムの各作用モードの説明にお
いて第２図と関連して引用される。更に、第３図
の熱力学作用説明は冷却および加熱モードの説明
において引用される。 第２図および第４図において、ソレノイド弁３
０と３２は循環モードにおいて閉鎖され、その結
果第２図に示される如くシステムの左側のみが作
用状態にある。最初に、機関は冷却状態にあり、
ポンプ３４により駆動される冷媒液体は配管３８
（以下に説明する冷却モードにおいて機能的な回
収熱交換器を介して）および常開のサーモスタツ
ト弁４２を経てバイパス配管４０を介して圧送さ
れる。サーモスタツト弁４２を介するバイパスは
機関の暖機を促進するように機関の冷却を制限す
る。サーモスタツト弁４２は、点線４４で示す如
く機関温度を感知し、機関の暖機運転後閉鎖して
冷媒流体がその時配管１８と２４を経て機関冷却
ジヤケツト２０とジヤケツトを設けた排気マニフ
オールド２２を通過するようにする。 冷媒液体は機関の冷却ジヤケツト２０とジヤケ
ツトを設けた排気マニフオールド２２により蒸発
させられ、蒸気として配管４６を介して圧力バイ
パス弁４８へ送られる。圧力バイパス弁４８は、
５０で示される如く配管４６内の圧力に応答して
開口し、冷媒蒸気が４路の配管の交叉部５４を介
して凝縮器１６に対し配管５２を介して伝達され
ることを可能にする。弁３０と３２の閉路の結
果、前記交叉部５４を経由する唯一の経路は凝縮
器１６に至る。冷媒液体が凝縮器１６を通過する
時凝縮されて受容器５６に蓄積され、次にここか
ら配管５８を経てポンプ３４に送られてこのサイ
クルを反復し、機関の冷却により生じた熱は機関
が駆動するフアン９１により凝縮器／ラジエータ
１６を通つて引張られる周囲空気８９に放出され
る。冷媒液体蒸気は、第３図の点１に示される如
く排気マニフオールドのジヤケツト２２において
過熱される。この過熱の程度の制御は、液体が充
填された毛管センサーによつて９４で示される如
く蒸気温度に応答する修正作用を行うサーモスタ
ツト膨張弁９３により行われ、それぞれ機関のジ
ヤケツトおよび排気マニフオールド・ジヤケツト
に受取られた熱入力の割合の如何に拘わらず予め
設定された過熱増分を維持するため必要な排気マ
ニフオールド・ジヤケツトに直接冷媒液体の進入
を許容する。 空調器２６を構成するコイル（図示せず）の両
端で条件付けられた空気を快適になるよう吹出す
電動フアン２８（図示しない装置により駆動）を
含む空調器が設けられる。この空調器２６は、以
下に更に詳細に説明するように、冷却操作モード
の間は蒸発器として作用し、加熱モードの間は凝
縮器として作用する。以下に説明するように、ソ
レノイド弁３０と３２の適当な作用により、気化
された冷媒流体、例えばトリクロロフルオロメタ
ン（Refrigerant11）が冷却モードの間は凝縮器
１６から空調器２６へ、或いは加熱モードの間は
機関２０から空調器２６へ送られる。ポンプ３４
は、３６で示される如く機関２０により機械的に
駆動されるが、図示されない手段によつて電気的
に駆動され、凝縮された冷媒流体を凝縮器／ラジ
エータ１６から機関２０へ送る。 冷却作用モードは、第３図と共に第２図および
第５図を参照することによつて最もよく説明する
ことができる。第３図においては、本装置の各地
点における圧力およびエンタルピーを冷媒液体に
ついての蒸気／液体の均衡線６０に関してプロツ
トした。この線の左側の各点、例えば点６，７，
１１，１２（および加熱モードにおける点Ｃ）は
冷媒流体が液相にある装置の位置を示す。このカ
ーブ内の各区域、例えば点８（および加熱モード
に対する点ｂ）は冷媒流体が蒸気および液体の混
合物である装置における各点を表す。カーブの右
側に対する各点、例えば点１〜５，９および１０
（および加熱モードにおける点ａ）は冷媒流体が
過熱蒸気である装置における各点を表す。 冷却モードにおける作用においては、本システ
ムは、配管６４により弁３０に接続される噴射エ
ゼクタ６２の形態のアスピレータを含み、冷媒蒸
気を配管６８を経て熱交換器即ち回収熱交換器６
６に送る。噴射エゼクタは公知であり、本文に参
考のため引用される「冷凍科学および技術におけ
る進歩」第２巻（1967）1225〜1238頁に掲載され
るCavallini等の「フツ化炭化水素噴射冷媒プラ
ントにおける実験研究」なる論文を参照された
い。熱交換器６６は、高い（圧力）側の回収熱交
換器として図面に引用され、機械の冷媒（冷凍
剤）の供給液体に対する伝達による圧縮の残留熱
システムの高い（圧力）側からの回収を可能す
る。この時冷媒蒸気は凝縮器１６内を交叉点を通
つて受容器に対して伝送され、殆んどはポンプ３
４に再び戻される。 凝縮器１６からの冷媒液体の小部分は、エゼク
タ６２と凝縮器１６の両端の並列回路を構成す
る。配管により空調器２６を経て分散される。こ
の並列回路は低（圧）側の回収熱交換器７０を含
み、この熱交換器には配管７２を経て凝縮された
冷媒流体の一部が導かれ、次に配管７４を経てサ
ーモスタツト膨張弁即ち絞り弁７６および配管７
８を経て空調器２６内に導かれる。サーモスタツ
ト膨張弁７６は、８０で示される如く空調器２６
の冷媒出口側で検出される冷媒の過熱温度上昇に
従つて流量を増加するよう制御される。空調器２
６は蒸発器として作用して冷媒流体を気化させ、
これによりフアン２８により循環される空調され
た空気８１を冷却する。 配管８２と８４は、空調器２６を低圧側の回収
熱交換器７０を介してエゼクタ６２に接続し、そ
の結果エゼクタ６２を流れる冷媒の主な流れは本
システムの低圧側からの流れを生じ、空調器２６
から冷媒蒸気を吸出す。３路のソレノイド弁３２
は、冷媒蒸気を配管８２内に指向するように第２
図に示される位置から45゜時計方向に回転される
位置にある。冷媒蒸気は受容器５６からの凝縮さ
れた冷媒液体と熱交換して軽く冷却するため低圧
側の回収熱交換器７０内に引込まれ、次に配管８
４を介してエゼクタ６２へ至り回路を完了する。 流体の流動する間、第３図の熱力学作用図にお
ける点１〜１２について更に詳細に述べれば機関
の冷却ジヤケツト２０およびジヤケツトを設けた
排気マニフオールド２２により加熱された冷媒は
ソレノイド弁３０を介して１においてエゼクタ６
２の１次ノズルに入り、２におけるシステムの低
圧側へ超音速的に膨張され、システムの低圧側９
からの流れを誘引して回収熱交換器７０を介して
７における冷媒の蒸発器を吸引する。この２つの
流れは合成され、３においてエゼクタ６２内で混
合し、高圧側の回収熱交換器６６を介してシステ
ムの中間圧力域に対して４で分散する。高圧側か
らの圧縮による残留熱の一部は、残りの過熱、潜
熱およびおそらくはある顕熱（亜冷却）が周囲の
空気により抽出されて受容器５６においてその時
保持される６において冷媒を凝縮する５において
凝縮器１６に冷媒流体が流入する前に、１１〜１
２における高圧側の回収熱交換器６６における機
関の供給液体に伝達により回収される。この僅か
に冷却された冷媒液体の大部分は、回収熱交換器
６６を介してシステムの高圧レベル点１１〜１２
におけるポンプ３４により機関に戻される。残部
は、空調器２６から出た蒸気との熱交換により更
に７において軽く冷却するため低圧側の回収熱交
換器７０を通過し、８においてシステムの低圧レ
ベルにおける空調器２６に対して絞られて低温度
側において蒸発のその潜熱を利用させる。 次に、第２図および第３図と関連して第６図に
よれば、加熱操作モードにおいては、ソレノイド
弁３０は閉鎖され、３路の中心閉鎖ソレノイド弁
３２はエゼクタ６２がシステムから閉鎖されるよ
うに第２図に示した位置から反時計方向に45゜回
転される。このモードにおいては、機関の冷却ジ
ヤケツト２０およびジヤケツトを設けた排気マニ
フオールド２２により蒸発させられる冷媒流体は
配管８６を介してこの時反対方向に空調器２６を
通るように送られる。空調器２６はこの時冷媒に
対して凝縮器として作用し、フアン２８の作用力
によりこれを流過する空気に対してその凝縮の潜
熱を与える加熱作用を生じる。この部分的に凝縮
された冷媒は次に配管７８内に送られるが、配管
８８および逆止弁９０を介して膨張弁７６をバイ
パスする。冷媒は配管９２によつて配管の交点５
４に導かれ、ここから凝縮器１６に送られる。冷
媒は、他の作用モードと同じ前述の態様で受容器
５６とポンプ３４を介して高圧側へ戻される。 流体の流動の間、第３図の熱力学作用図におけ
る点ａ，ｂ，ｃについて更に詳細に述べれば、３
路のソレノイド弁３２と隣接する点ａの過熱され
た冷媒蒸気が空調器２６に送られ、ここでその一
部が凝縮し、点ｂに進み逆止弁９０、凝縮器を経
て点ｃに至り、ポンプ３４を経て点ｃへ、更に再
び機関へ送られるのである。 弁３０と３２を制御するソレノイドの簡単な操
作によつて冷却モードから加熱モードへ切換え、
或いは冷却又は加熱の何れのモードへも切換えな
いことが簡単にできることは明らかであろう。冷
却容量の変更は、空気温度サーモスタツト（図示
せず）からの要求により弁３０を反復操作するこ
とにより行うことができる。加熱容量の変更は弁
３０を閉鎖して弁３２を反復操作することにより
同様に行うことができる。調整された空気の加温
も冷却も必要としない場合、弁３０と３２は共に
全てのポートに対して閉鎖され、高い側の圧力
（および温度）は圧力バイパス弁４８の圧力調整
設定点迄漂遊することが許される。直接凝縮器／
ラジエータ１６に対して十分な冷媒が循環され、
機関１４の廃熱全量を凝縮器／ラジエータ１６を
介して周囲に放出し、周囲の空気はフアン９１の
力によりこの凝縮器／ラジエータを流過するよう
循環させられる。冷媒ポンプ３４は機関が運転し
ている間は連続的に運転し、圧力バイパス弁４８
と共に機関のジヤケツトの最高温度を所定レベル
に制限するよう作用する。 エゼクタ６２の断熱効率およびシステムの全性
能係数（COP）は、第１表に示す如く仮設のサ
イクル条件および冷媒（デユポン社のフレオン
11）を用いて計算することができる。

【表】 エゼクタ６２の全熱量比は下記で得られる。 nej全圧縮エネルギ／利用できる運動エネルギ(1) ＝（ｈ_４−ｈ_１０）（Ｇ_１＋Ｇ_１０）／（ｈ_１−ｈ_２
）Ｇ_１ 但し、接尾数字（以下においても同じ）は第２
図および第３図の位置を示し、ｈはエンタルピ、
Ｇは質量流量である。 エゼクタ６２におけるエネルギの均衡から、 G₁₀h₁₀−G₁h₁＝（G₁＋G₁₀）h₄ (2) 低圧側の蒸気の単位質量G₁₀＝１とすれば、式
(2)から、 G₁＝ｈ_４−ｈ_１０／ｈ_１−ｈ_４ 表１に示された特性値を用いて、 G₁＝２７４−２３７／２９３−２７４＝２ 式(1)から、 nej＝２７４−２３７／２９３−２３３×３／２＝0.9
2 エゼクタ６２の断熱効率は、 nad＝（ｈ_４−ｈ_１０／ｈ_１−ｈ_２・Ｇ_Ｖ／Ｇ_Ｓ）＝
３７／６０×１／２＝0.308 この条件下での冷却効果は、 Ｑ_ref＝（h₉−h₈）G₁₀＝161×１＝161KJ となる。 冷凍システムへの機関の正味熱入力は、 Ｑ_io＝（h₁−h₁₂）G₁＝188×２＝376KJ となる。 システムの全性能係数は、 COP＝Ｑ_ｒｅｆ／Ｑ_ｉｏ＝１６１／３７６＝0.426 典型的な冷却容量および機械的な蒸気圧縮冷凍
法との比較は、表２に示す如く自動車の設備の典
型的な走行特性を仮定することにより決定するこ
とができる。 表 ２ 路面馬力（KW） 22.4 比燃料消費（SFC）（ｇ/KW・hr） 304 速度（Km/hr） 72 燃料消費（Km/） 7.6 燃料発熱量（HV）（KJ/Kg） 46520 燃料濃度（Kg/） 0.719 排気温度（℃） 540 シリンダ全体温度（℃） 120 前記の自動車の装置から利用可能な潜在的冷却
容量を最初に決定すれば、機関に対する全入力熱
量は、 Ｑ_F＝RHP×SFC×HV＝22.4×304×46.520 ＝317000 KJ/hr その内の約半分が排気システムを介して通過さ
れる。 機関の廃熱の25％以上は540℃の排気ガス122℃
のシリンダ壁面から78乃至140℃の冷媒により経
済的には回収されないものと仮定すれば、約
79130KJ/hrがボイラ（機関の冷却ジヤケツト）
内の冷媒に付加される。 従つて、４℃の蒸発器（空調器２０）における
正味冷凍能力は、 Ｑ_ref＝COP×Ｑ_io ＝0.426×79130＝33710KJ/hr ＝2.66トン 82℃（絶対圧552KPa）の空調器温度における
正味加熱容量は79130KJ/hrとなる。 軸で測定したCOPの値３を有する従来の機械
的な蒸気圧縮冷凍法は、略々下記の如きコンプレ
ツサの軸入力（HPc）を必要とする。即ち、 HPc＝Ｑ_ｒｅｆ／２５４５ＣＯＰ＝３３７１０／３６
００×３＝3.12KW 機関におけるこの余計な荷重は下記の如き動力
要件の増加を招く結果となる。即ち、 ３．１２／２２．４＋３．１２×100＝12.2％ 同時に燃料消費は変らない。 表３は第２図のシステムの典型的な機械的特性
を示す。

【表】 機関のポンプの荷重は下記の如き動力必要量を
生じる。 ０．１３３／２２．４−０．１３３×100＝0.59（％
） これは冷却のみのためのその時の圧送必要量を
略々相殺し、その結果軸抵抗馬力の変化は無視で
きる。 従つて、有効な空気冷却加熱システムが無視で
きる軸馬力しか必要としないことが判るであろ
う。更に、実質的に剥離、腐食および凍結を生じ
ず、重量および嵩が小さく、温度制御および均等
性を改善することにより機関の性能および寿命を
向上する蒸発流体を内蔵する密閉された機関冷却
システムが提供される。 特定の炭化ハロゲン系統の冷媒を用いた望まし
い一実施態様について示したが、他の種々の材料
の使用が可能なことは明らかである。本システム
において有効な冷媒流体を化学的に安定し、沸点
が一定の誘電性流体であり、例えば、水、アンモ
ニア、不活性の有機性材料、例えば市販の炭化ハ
ロゲン、アルコール等、およびこれ等の共沸混合
物である。 第７図によれば、内燃機関性能を改善するター
ビン過給および中間冷却の効率が示される。又、
中間冷却の利点を生じる典型的なタービン・コン
プレツサの放出温度特性も示される。圧縮された
吸気からの全圧縮熱を除去（完全中間冷却）すれ
ば、水銀柱1524mmの圧力下での最大トルクが２倍
以上となる。第８図に更に詳細に示す如く、イン
タークーラの効率が２倍（50％から100％）にな
ると、水銀柱1524mm迄過給された機関のトルクは
殆んど３倍に増加し得る。 もし他の全ての熱伝達因子が等しいものとすれ
ば、効率は下式に従うインタークーラにおいて使
用される熱吸収媒体の温度に依存する。即ち、 Ｅ＝Ｔｈ_１−Ｔｈ_２／Ｔｈ_１−Ｔｃ_１ 但し、Th₁とTh₂はインタークーラの前後の吸
気温度であり、Tc₁はインタークーラの入口にお
ける冷却媒体の温度である。もしTc₁が周囲温
度、即ち初期吸気温度（圧縮前）であれば、効率
の関係式はインタークーラにより除去される吸気
圧縮エネルギの程度を示す。周囲の空気よりも低
い冷媒入口温度は、除去される吸気圧縮エネルギ
の100％を越える中間冷却効率をもたらし得る。
本システムの熱ポンプ特性は、通常の周囲空気ヒ
ート・シンク法（第９図参照）と比較してその中
間冷却能力を非常の増加するこのような周囲空気
より低い冷媒温度を生じることが可能である。 第９図は、周囲空気の放熱作用を用いる２つの
従来の方法と比較した吸気冷却に用いられた本シ
ステムの構成要素の温度分布を示す。本システム
の潜熱伝達特性の値は、効率を向上させ寸法を縮
小するインタークーラにおける全温度差を大きく
する上で実質的な熱的利点を有するものであるこ
とを明瞭に示す。冷媒温度を周囲温度より低下さ
せる本システムの熱ポンプ効果の能力は更に熱容
量上の利点を増進するものである。第９図は、機
関のジヤケツトおよび凝縮器／ラジエータ内の冷
媒の略々等温の温度分布の如き本システムのいく
つかの他の特性を示す。この等温特性は、相が変
化する（機関のジヤケツトでは蒸発、ラジエータ
では凝縮）作用流体の潜熱容量に依るものであ
る。その結果、周囲への放熱のため、ラジエータ
寸法を最小限度に抑える高い平均温度レベルが得
られる。機関のジヤケツトにおける等温条件は機
関の各部において均等な温度を有するために有益
であり、この状態が更に応力や変形を軽減し、よ
り厳しい公差および構造的な裕度を可能にして材
料温度が高くなる。 第１０図は、核沸騰が生じる結果機関のジヤケ
ツト内に得られる典型的な熱伝達特性を示す。比
較のため、従来の対流水冷却法についても示す。
核沸騰の値は明確に示され、比較できる温度差に
おける熱伝達率の10倍以上であることが示され
る。この特性のため、機関温度の均一性および構
造の保全性の更なる改善につながる。 機関の冷媒として沸騰する有機性の作用流体は
多くの利点をもたらすものであることが判つた。
その第１は、これらの流体は臨界圧力が若干低
く、所要の機関冷媒温度において沸騰圧は臨界圧
力の明らかな一部となる。このため、蒸気対液体
の体積比を実質的に減少させ、このため蒸発によ
る蒸気の体積割合を小さくさせ、沸騰が進むにつ
れて更に高い濡れ面レベルを可能にする。更に、
有機体は小さな気泡接触角を生じる小さな界面張
力特性を有し、このため小さな蒸気体積変化と組
合わされて気泡寸法を小さくし、広範囲の条件に
わたり核沸騰体系を維持する。このことは、最も
広い作用条件範囲にわたつて高いピークの熱フラ
ツクスが比較的低い温度差において可能になるこ
とを意味する。 本発明については本文において特にある特定の
実施態様に関して記述したが、本発明は本文に示
した詳細に限定すべきものではなく頭書の特許請
求の範囲における全ての範囲およびその相当内容
を包含すべきものである。

【図面の簡単な説明】

第１図は系内の各地点で生じる典型的な流れ、
温度および圧力を示す本発明により構成された高
性能機関用の吸気冷却システムの部分断面図、第
２図は本発明により構成された空調システムを示
す図、第３図は実線で冷却モードを、点線で加熱
モードを示す本システムの使用時に生じる各過程
を示す図、第４図は冷却および加温モードが回路
から閉鎖され機関冷却のみが要求される時の冷媒
の流れを示す図、第５図は空調の冷却モードの間
冷媒流体の流れを示す図、第６図は空調の加温モ
ードの間の冷媒流体の流れを示す図、第７図は機
関性能に対するタービン過給および吸気冷却の値
を示しかつ本発明により達成可能なインタークー
ラの効率の重要度を示す相対トルクと温度対加圧
力の関係を示すグラフ、第８図はインタークーラ
の効率の値を更に詳細に示す加圧力の種々のレベ
ルにおけるタービン過給機関のトルクの改善度対
インタークーラの効率の関係を示すグラフ、第９
図は本発明により構成されたシステムの構成要素
における温度分布と従来技術のインタークーラ・
システムにおいて一般的な温度分布との比較を示
すグラフ、第１０図はピーク熱フラツクスと「焼
損」温度差を示す種々の条件における核沸騰状態
の種々の流体に対する熱伝達の膜係数対壁と流体
の温度差を示すグラフ、および第１１図は本発明
の一実施態様において使用される可変面積ノズル
を有する噴射エゼクタの別の実施例を示す図であ
る。 ２０……機関冷却ジヤケツト、２２……排気マ
ニフオールド、２６……空調器、２８……フア
ン、３０，３２……弁、３４……ポンプ、６２…
…噴射エゼクタ、６６，７０……回収熱交換器、
７６……絞り弁、８９……周囲空気、９１……フ
アン、１００……ラジエータ（凝縮器）、１０２
……冷却ジヤケツト・マニフオールド、１０６…
…ポンプ、１１４……熱交換器、１２０……噴射
エゼクタ、１２４……噴射ポンプ、１２６……ク
ーラ、１２８……ノズル体部、１３２……サー
ボ・アクチユエータ、１４８……バイパス弁、１
５６……絞り弁。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ 内燃機関の冷却系統と、廃熱を利用して熱的
   な空調作用を生じるランキン・サイクルヒートポ
   ンプに対する熱源を組合せる熱調整装置におい
   て、 閉鎖された流体回路装置と、 冷却ジヤケツトを含む内燃機関と、 前記回路装置内の蒸発性冷媒液体と、 蒸発した冷媒液体を凝縮する凝縮装置と、 凝縮された冷媒液体を前記凝縮装置から加圧状
   態で前記機関冷却ジヤケツト内に送り、これによ
   り前記機関を冷却し、又これにより前記冷媒液体
   を加熱気化させる装置と、 調整されるべき流体を前記冷媒液体と熱交換関
   係に流過させる装置を含む熱交換装置と、 前記熱交換装置からの前記冷媒流体の流れを前
   記凝縮装置内へ伝送するための駆動流体として前
   記の気化された冷却ジヤケツト流を使用する駆動
   装置と、 前記冷却ジヤケツトからの前記の気化された冷
   媒の流れおよび圧力を制御して前記機関冷却ジヤ
   ケツトと前記の調整された流体の温度を制御する
   装置とを設けることを特徴とする熱調整装置。 ２ 前記凝縮装置からの凝縮された冷媒流体を前
   記熱交換装置内の冷媒を蒸発させる比較的低い圧
   力で熱交換装置内に送る装置を設けることを特徴
   とする特許請求の範囲１項記載の装置。 ３ 前記機関のジヤケツトからの気化された冷媒
   を前記熱交換装置内へ送り、これにより前記の気
   化した冷媒を熱交換装置内で凝縮する装置を設け
   ることを特徴とする特許請求の範囲１項記載の装
   置。 ４ 前記駆動装置が前記機関冷却ジヤケツトから
   の駆動流体としての気化した冷媒液体によつて駆
   動される噴射エゼクタであることを特徴とする特
   許請求の範囲１項記載の装置。 ５ 前記冷却ジヤケツトからの前記の気化した冷
   媒の流量と圧力を制御する前記装置が前記噴射エ
   ゼクタに対する面積可変ノズル制御部を含むこと
   を特徴とする特許請求の範囲４項記載の装置。 ６ 前記凝縮装置からの凝縮された冷媒液体を前
   記機関の冷却ジヤケツトに対して伝送する装置が
   ポンプであることを特徴とする特許請求の範囲１
   項記載の装置。 ７ 前記噴射エゼクタに対する１次流体が前記機
   関冷却ジヤケツトからの気化された冷媒の流れで
   あり、２次流体が前記熱交換装置からの気化した
   流れであることを特徴とする特許請求の範囲４項
   記載の装置。 ８ 前記の調整されるべき流体が機関の吸気であ
   ることを特徴とする特許請求の範囲１項記載の装
   置。 ９ 前記機関の吸気が前記内燃機関からの排気に
   よつて駆動されるタービン過給器により圧縮され
   加熱され、この圧縮された吸気は前記熱交換装置
   において冷却されることを特徴とする特許請求の
   範囲８項記載の装置。 １０ 前記の調整されるべき流体が車室内の空気
   であることを特徴とする特許請求の範囲１項記載
   の装置。 １１ 前記の熱交換装置に送られる凝縮冷媒の流
   量および圧力が絞り弁によつて制御されることを
   特徴とする特許請求の範囲２項記載の装置。 １２ 自動車用機関からの廃熱を利用して冷却効
   果を生じる機関冷却装置を含んだ熱調整装置にお
   いて、 閉鎖された流体回路装置と、 冷却用ジヤケツトを含むターボ過給される自動
   車用機関と、 前記回路装置内の蒸発性の機関冷却流体と、 前記機関冷却ジヤケツト内で気化した前記冷媒
   流体を凝縮する凝縮装置と、 機関の吸気冷却装置と、 前記凝縮装置からの凝縮した冷媒の小部分を前
   記吸気冷却装置へ伝送し、前記機関吸気冷却装置
   内の凝縮した冷媒の小部分を低圧で気化させこの
   気化した冷媒との熱交換で機関吸気を冷却する装
   置と、 前記凝縮装置からの前記の凝縮された冷媒流体
   の大部分を比較的高い圧力で前記機関冷却ジヤケ
   ツトへ伝送し、これにより前記機関を冷却し前記
   冷媒流体を気化させる装置と、 前記吸気冷却装置内で気化した前記冷媒を前記
   凝縮装置へ伝送するため前記気化した冷却ジヤケ
   ツトからの流れを駆動流体として使用する駆動装
   置とを設けることを特徴とする熱調整装置。 １３ 前記駆動装置が噴射エゼクタであることを
   特徴とする特許請求の範囲１２項記載の装置。 １４ 前記噴射エゼクタを経由する流体の流れを
   変化させる装置を設けることを特徴とする特許請
   求の範囲１３項記載の装置。 １５ 前記の流れを変化させる装置が前記エゼク
   タの１次ノズルに運動自在に配されたプラグ弁を
   含むことを特徴とする特許請求の範囲１４項記載
   の装置。 １６ 補助冷却装置と、 前記凝縮装置からの前記の凝縮した冷媒液体の
   一部をその内部で気化させるため前記補助冷却装
   置内へ伝送する装置と、 異なる２次圧力比で作用する第２の噴射エゼク
   タと、 前記機関冷却ジヤケツト内で気化した冷媒流体
   の一部を前記第２の噴射エゼクタに伝送する装置
   と、 前記補助冷却装置から気化した冷媒を吸出装置
   と、 前記第２のエゼクタからの混合された排出分を
   前記凝縮装置へ戻す装置とを設けることを特徴と
   する特許請求の範囲１２項記載の装置。