JPS6183415A - 自動車用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〉 本発明は、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機関のウォータジャケット内で沸騰
気化させて機関の冷却を行うと共に、冷媒の一部を車室
内暖房に供するようにした自動車用内燃機関の沸騰冷却
装置に関する。

〈従来の技術〉 自動車用内燃機関に用いられている周知の水冷式冷却装
置にあっては、ウォータジャケットの水入口部と水出口
部との間などで相当な温度差を生じ、均一な冷却を実現
することが難しいと共に、ラジェータにおける熱交換効
率に自ずから限界があることからラジェータや冷却ファ
ンが大型にならざるを得ない。しかも、冷却系内に多量
の冷却水が必要であることから、冷間始動時の暖機完了
までに時間がかかると共に、機関運転状態に応じた温度
制御を応答性良く行うことができない。

また一般に、この種の冷却装置には車室内暖房用のヒー
タコアが付設され、機関から出た高温冷却水の通流によ
ってプロアで送風される空気を加熱するように構成され
ているが、この温水式ヒータにあっては、上述したよう
に冷却水が十分に暖まるまで時間がかかることから始動
時の暖房性能の立ち上がりが遅く、かつ長い下り坂では
暖房性能が低下するなどの欠点が指摘されている。

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５７−６
２９１２号公報において、冷却水の沸騰気化により機関
の冷却を行うと共に、その発生蒸気をヒータの熱源とし
て利用するようにした沸騰冷却装置が提案されている。

これは、ウォータジャケット内に貯留した液相冷媒（冷
却水）を沸騰気化させ、その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、上記分離
タンク内に電動ポンプにより圧送し、該分離タンクとウ
ォータジャケットとの間の自重による自然循環によって
ウォータジャケット内の液面を所定レベルに保つように
構成されたものであって、更に発生蒸気の一部をコンデ
ンサに至る前にヒータコアにバイパスさせて車室内暖房
に供している。この相変化を伴う冷却装置によれば、冷
却水の単純な温度変化を利用した水冷式のものに比べて
極めて少量の冷却水の循環で要求放熱量を満足でき、か
つコンデンサにおける熱交換効率が水冷式のラジェータ
に比べて大幅に向上し、更には機関各部の温度分布の均
一化という点でも温かに有利となる。

〈発明が解決しようとする問題点〉 しかしながら、このような沸騰冷却装置の採用により暖
機特性が向上しまたヒータコアへ供給される冷媒の温度
が高くなると、通常運転時のヒータ吹出し温度は良好と
なるものの、高負荷運転時、あるいは冷媒として水に５
０％程度不凍液を混入させて使用した時には、ヒータコ
ア人口温度が高くなり、吹出し温度が高くなり過ぎると
いう問題点があった。

そこで本発明は、沸騰冷却装置の高温冷媒を利用して通
常運転時に良好な暖房性能が得られるようにすると共に
、ヒータコア入口温度の過度の上昇によるヒータ吹出し
温度の過度の上昇を防止し、常に快適な暖房性能が得ら
れるようにすることを目的とする。

〈問題点を解決するための手段〉 本発明は、上記の目的を達成するため、上部に蒸気出口
を有する機関のウォータジャケットと、上記蒸気出口に
接続されると共に下部に液化冷媒を一時貯留する冷媒タ
ンクを有するコンデンサと、上記冷媒タンクと上記ウオ
ークジャケットとの間に設けられた冷媒供給ポンプとを
備えてなる自動車用内燃機関の沸騰冷却装置において、
上記ウォータジャケットからの冷媒取出口に接続された
車室暖房用のヒータコアと、このヒータコアとウォータ
ジャケットへの冷媒戻し口との間に設けられたヒータ用
ポンプとを設け、更に、このポンプ出口とヒータコア入
口とを連絡する連絡路と、この連絡路を流れる冷媒の流
量を冷媒の温度に応じて制御する制御弁とを設けてなる
。

く作用〉 こうして、通常は、機関のウォータジャケットからの冷
媒取出口からヒータコア、ポンプ、ウォータジャケット
への冷媒戻し口の順で冷媒を循環させ、ヒータコアにウ
ォータジャケット内で高温となった冷媒（蒸気も含む）
を供給して、十分な暖房効果を得る一方、ヒータコア入
口温度が過大に上昇したときには、ポンプ出口とヒータ
コア入口とを連絡する連絡路を制御弁により開通させ、
ポンプ出口からの低温冷媒をヒータコアに供給するよう
にして、ヒータコア入口温度の上昇を抑え、ヒータ吹出
し温度の過大な上昇を防止する。

〈実施例〉 第１図は本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はウォータジャケソト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。

上記ウオークジャケット２は、内燃機関１のシリンダ及
び燃焼室の外周部を包囲するようにシリンダブロック５
及びシリンダへソド６の両者に亘っ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
ると共に、その上部の適宜な位置に蒸気出ロアが設けら
れている。この藤気出ロア１よ、接続管８及び蒸気通路
９を介してコンデンサ３の後述するアッパタンク１１に
連通しており、かつ上記接続管８には、冷媒循環系の最
上部となる排出管取付部８ａが上方に立ち上がった形で
形成されていると共に、その上端開口をキャップ１０が
密閉している。

上記コンデンサ３は、上記蒸気通路９が接続されるアッ
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
を一時貯留する冷媒タンクとしてのロアタンク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
受は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ァン１４を備えている。ま
た、上記ロアタンク１３は、その比較的下部に冷媒循環
通路１５の一端が接続されていると共に、これより上部
に後述する第２補助冷媒通路３０の一端が接続されてい
る。上記冷媒循環通路１５は、その他端が上記ウォータ
ジャケット２のシリンダヘッド６側の冷媒人口１６に接
続されたもので、中間部には、後述する第２電磁弁３１
と、上記冷媒供給ポンプ４とが介装されている。

以上のウォータジャケット２−コンデンサ３→ロアタン
ク１３−第２電磁弁３１−冷媒供給ポンプ４−ウォータ
ジャケット２の経路によって冷媒の循環系が構成され、
通常運転時にはこの循環系内で、例えば水に若干の添加
物を加えた冷媒が沸騰・凝縮を繰り返しながら循環する
ことになる。

また、上記循環系には更にヒータコア１７と電動式のヒ
ータ用ポンプ１８とが付設され、冷媒経路の一部を構成
している。すなわち、上記し−タコア１７は、コンデン
サ３と同様に上下方向に沿った複数の微細なチューブを
主体とし、その上部の入口１７ａは上記ウォータジャケ
ット２のシリンダヘッド６側に設けられた冷媒取出口１
９とヒータ用冷媒導入通路２０により接続され、かつ下
部の出口１７ｂがポンプ１８の人口１８ａに接続されて
いる。そして、ポンプ１８の出口１８ｂは冷媒戻し通路
２１により上記ウォータジャケット２のシリンダブロッ
ク５側の下部に設けられた冷媒戻し口２２に接続されて
いる。

ここで、冷媒戻し通路２１のポンプエ８下流と冷媒４人
通路２０とは連絡路２３により接続され、冷媒４人通路
２０と連絡路２３との接続部に制御弁２４が介装されて
いる。

上記制御弁２４は、冷媒の温度に応じて作動するもので
、低温時には連絡路２３を遮断して冷媒導入通路２０を
連通状態（実線矢印）に維持し、高温時には冷媒導入通
路２０を遮断して連絡路２３とヒータコア人口１７ａと
を連通させる（破線矢印）。

具体的には、第２図及び第３図に示すように、側壁に連
絡路２３の接続口１０１を有する筒状本体１００の内部
にケース１０２が配置され、そのフランジ部１０３は摺
動自在となっている。そして、ケース１０２とその中心
部に設けられた弾性スリーブ１０４との間にワックス１
０５が封入され、弾性スリーブ１０４内にはピストン１
０６の一端が挿入されている。そして、ピストン１０６
の他端はサポート１０７を介して本体１００の内壁に固
定されている。そして、ケース１０２を囲繞してフラン
ジ部１０３に案内筒１０８が固定され、案内筒１０８の
外側に配置してフランジ部１０３に作用させたスプリン
グ１０９によりケース１０２は弁座１１０から離間する
方向に図で右方に付勢されている。そして、フランジ部
１０３のケース１０２外壁と案内筒１０８との間の部分
には流通路１１１が形成されている。

尚、上記ヒータコア１７は、例えば第４図に示すような
空調装置に組み込んで使用される。すなわち、４１は冷
房用のエバポレータ、４２は送風用ブロワ、４３は内気
取入口４４と外気取入口４５とを選択的に切換える内外
気切換用ダンパ、４６は加熱空気量を調節するエアミッ
クスダンパ、４７は車外に通じる排熱口４８を開閉する
排熱用ダンパ、４９はデフロスタ吹出口５０へ至るデフ
ロスタ用空気の流量を調節するデフロスタダンパ、５１
は第１吹出口５２と第２吹出口５３を切換える吹出口切
換用ダンパである。

次に２５はリザーバタンクを示し、このリザーバタンク
２５は上記循環系の系外に設けられて予備液相冷媒を貯
留するものであって、通気機能を有するキャップ２６を
介して大気に開放されていると共に、上記循環系の最上
端つまり接続管８の排出管取付部８ａよりも高位置に液
面を確保し得るように車両の比較的高所に設置されてい
る。そして、排出管取付部８ａには、系内の空気を排出
するための空気排出通路２７が接続されており、かつ空
気排出時に同時に溢れ出た液相冷媒を回収するために、
上記空気排出通路２７の先端部がリザーバタンク２５内
に挿入され、その比較的上部に開口している。そして、
上記空気排出通路２７には、常閉型の第１電磁弁２８が
介装されている。

また、リザーバタンク２５の底部に、第１補助冷媒通路
２９と第２補助冷媒通路３０とが接続されている。上記
第１補助冷媒通路２９は三方弁である第２電磁弁３１を
介して上述した冷媒循環通路１５の冷媒供給ポンプ４上
流側（吸入側）に接続されている。

上記第２電磁弁３１は、非通電時には冷媒循環通路１５
を遮断して上記第１補助冷媒通路２９と冷媒供給ポンプ
４とを連通しく流路Ａ）、通電時には上記第１補助冷媒
通路２９を遮断して冷媒循環通路１５を連通状態（流路
Ｂ）に維持するものである。そして、上記第２補助冷媒
通路３０は上述したようにロアタンク１３に接続されて
いて、その途中には常開型の第３電磁弁３２が介装され
ている。

上記各電磁弁２８．３１．３２、冷媒供給ポンプ４、冷
却ファン１４及びヒータ用ポンプ１８は、マイクロコン
ピュータを用いた制御装置３３によって駆動制御される
もので、具体的には、ウォータジャケット２に設けた第
１液面センサ３４．温度センサ３５゜ロアタンク１３に
設けた第２液面センサ３６．及び循環系最上部に設けた
負圧スイッチ３７の各検出信号に基づいて後述する制御
が行われる。３８はハソテリ、３９はイーグニッション
スイッチ、４０はヒータ用ポンプである。

ここで上記第１．第２液面センサ３４．３６は例えばリ
ードスイッチを利用したフロート弐センサ等が用いられ
、冷媒液面が設定レベルに達しているか否かをオン・オ
フ的に検出するものであって、第１液面センサ３４はそ
の検出レベルがシリンダヘッド６の略中間程度の高さ位
置に設定され、かつ第２液面センサ３６はその検出レベ
ルが第２補助冷媒通路３０の開口よりも僅かに上方の高
さ位置に設定されている。また温度センサ３５は例えば
サーミスタ等からなり、上記第１液面センサ３４の若干
下方位置つまり通常液相冷媒内に没入する位置に設けら
れて、ウォータジャケット２内の冷媒温度を検出してい
る。また負圧スイッチ３７は、大気圧と系内圧力との差
圧に応動するダイヤフラムを用いたもので、高地、低地
等に拘らず使用環境下における大気圧に対し系内が負圧
であるか否かを検出しており、具体的には一３０ｍｍＨ
ｇ〜−５０ｍｍ１１ｇ程度に作動圧を設定しである。

上記の−ように構成された沸騰冷却装置の基本的な冷却
メカニズムを説明すると、通常ウォータジャケット２内
には所定レベルつまり第１液面センサ３４の設定レベル
まで液相冷媒が貯留されているのであるが、この液相冷
媒は、機関の燃焼熱によって加熱されると、そのときの
系内の圧力に応じた沸点に達したところで沸騰を開始し
、気化潜熱を奪って蒸発気化する。このとき、冷媒はウ
ォータジャケット２内の高温部で特に活発に沸騰して多
量の熱を奪うので、燃焼室近傍など通常高温化し易い部
位も均一な温度に保たれ、つまり温度差の少ない効果的
な冷却を行えることになる。

そして、ウォータジャケット２内で発生した冷媒蒸気は
、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液化する。このコン
デンサ３においては、高温蒸気と外気との間で良好な熱
交換が行われ、通常の水冷式冷却装置のラジェータに比
較して蟲かに放熱効率が優れたものとなる。また、液化
した冷媒は、コンデンサ３下部のロアタンク１３に一時
貯留されると共に、ここから冷媒供給ポンプ４によって
、ウォータジャケット２内液面を所定レベル以上に保つ
ように再びウオークジャケット２へ循環供給される。

このように、基本的には空気を除去した密閉循環系内に
所定量の冷媒が封入され、この冷媒が沸騰・凝縮のサイ
クルを繰り返しつつ循環して、効率の良い沸騰冷却が行
われる。

また、ヒータスイッチ４０がオン操作されると、ヒータ
用ポンプ１８が作動し、ウォータジャケット２のシリン
ダへラド６側から冷媒の一部がヒータ用冷媒導入通路２
０を介してヒータコア１７に導かれ、ここで車室内暖房
用の空気を暖めると同時に、その熱交換により温度低下
する。そして、温度低下した冷媒はポンプ１８により冷
媒戻し通路２１を介してウォータジャケット２のシリン
ダブロック５例の下部に専かれ、再びウォータジャケッ
ト２の冷却に使用される。

ここで、冷媒のヒータ３フ１フ人ロ温度が比較的低温の
ときは、制御弁２４が第２図囚の状態にあって、連絡路
２３を遮断し、冷媒導入通路２０を連通状態にしている
ので、上述のように冷媒が流れるが、冷媒のヒータ３フ
１フ人ロ温度が所定温度を越えると、制御弁２４におい
て、ワックス１０５が液化膨張し、弾性スリーブ１０４
を介してピストン１０５を押出す。しかし、ピストン１
０６は固定されているので、ケース１０２が図で左行し
、弁座１１０に着座する。すなわち、第２図■の状態と
なって、冷媒導入通路２０が遮断され、連絡路２３がヒ
ータコア１７の人口１７ａとつながるようになる。する
と、ヒータコア１７の出口１７ｂからの温度低下した冷
媒がポンプ１８により連絡路２３を通ってヒータコア１
７の入口１７ａに再循環され、ヒータ３フ１フ人ロ温度
が適温に維持されるので、ヒータ吹出し温度の過大な上
昇が防止される。

一方、循環系外に設けられたリザーバタンク２５には、
循環系内全体を十分に満水にし得る量の予備液相冷媒が
貯留されるようになっており、始動時にこの予備液相冷
媒を一旦循環系内に導入して空気を排出した後に、余剰
冷媒がリザーバタンク２５に戻されて上述した封入冷媒
量が所定量に規定される。また過冷却時には同様に予備
液相冷媒を系内に導入してコンデンサ３の放熱面積を狭
める制御が行われ、その後温度回復時にやはり余剰冷媒
がリザーバタンク２５に戻されて封入冷媒量が所定量に
規定される。そして、このように余剰冷媒を排出して冷
媒循環系を密閉する際にセンサの誤作動あるいは旋回時
の液相冷媒の片寄り等により所定量以上の冷媒が封入さ
れた場合には、通常運転時の制御の中で、その冷媒量過
多を検出し、上述した余剰冷媒をリザーバタンク２５に
戻すという動作を再度行って、冷媒量過多の下で運転が
継続されることを回避するのである。

次に上記制御装置３３において実行される具体的な制御
を第５図〜第１３図のフローチャートに基づいて説明す
る。

第５図は制御の概要を示すフローチャートであって、機
関の始動（イグニッションキー○Ｎ）により制御が開始
すると、所定のイニシャライズ処　理（ステップＩ）を
行った後に、先ずその始動が初期始動であるか再始動で
あるか、具体的には温度センサ３５による検出温度が設
定温度（例えば４５℃）より高いか否かを判断する（ス
テップ２）。

設定温度以下つまり未暖機状態の初期始動であれば空気
排出制御（ステップ３）を経てから余剰冷媒排出制御（
ステップ４）へ進み、以後は通常運転制御（ステ、ブ５
）及び負圧防止制御（ステップ６）をキーＯＦＦ時まで
繰り返し行う。一方、ステップ２で設定温度以上の場合
、つまり再始動時には経時的な空気の侵入が考えられな
いので空気排出は行わずに余剰冷媒排出制御（ステップ
４）へ進む。

また、その制御中にキーＯＦＦの信号が入力されると、
第６図に示す割込み制御ルーチンが実行され、キーＯＦ
　Ｆ　ｍ制御（ステップ７）による一定の処理を経た後
に電源がＯＦＦとなって一連の制御が終了する。

第７図はステップ３の空気排出制御のフローチ　。

ヤードを示すもので、先ずステップ１１で第１電磁弁２
８を開、第２電磁弁３１をＯＦＦ　（流路Ａ）、第３電
磁弁３２を閉と夫々した後に、冷媒供給ポンプ４をＯＮ
とする（ステップ１２）。これにより、リザーバタンク
２５内の予備液相冷媒が第１補助冷媒通路２９を介して
循環系内に導入される。これは、ステップ１３でソフト
ウェアタイマＴ１による所定時間、具体的には系内を満
水にするに十分なように予め設定された数秒ないし数十
秒程度の間、継続される。従って、系内に残存していた
空気は、系上部に集められた後、空気排出通路２７を介
して系外のりサーバタンク２５側に強制的に排出される
。

また、系内から空気が無くなると、上記空気排出通路２
７から液相冷媒が溢れ出るが、これは全てリザーバタン
ク２５に回収される。そして、所定時間経過した時点で
冷媒供給ポンプ４をＯＦＦ　（ステップ１４）とする。

すなわち、この時点でヒータコア１７を含め循環系内か
らは空気が完全に排出されたことになる。

尚、ステップ１３の判別に代えて、循環系最上部に更に
液面センサを設け、その液面の有無の検出に基づき、系
内が実際に満水となるまで冷媒供給ポンプ４を駆動する
ように構成しても良い。

第８図及び第９図は、空気排出後の満水状態（系内が液
相冷媒で満たされた状態）あるいは再始動時の系内の一
部が気相冷媒領域となっている状態で実行されるステッ
プ４の余剰冷媒排出制御のフローチャートを示す。これ
は基本的には、ウォータジャケット２内での沸騰開始に
よる発生蒸気圧を利用して余剰の液相冷媒を系外のりザ
ーバタンク２５に押し出してやるのであるが、このとき
種々の条件によりロアタンク１３内の液面が先に設定レ
ベルにまで低下する場合（冷間始動時には通常この状態
になる）と、ウォータジャケット２内（シリンダヘッド
内）の液面が先に設定レベルにまで低下する場合（再始
動時に起り易い状態である）とがあり、ロアタンク１３
内の液面が先に低下した場合には主に第８図の手順によ
って、またウォータジャケット２内の液面が先に低下し
た場合には主に第９図の手順によって夫々処理している
。

先ず第８図のステップ２１で第１電磁弁２８を閉、第２
電磁弁３１をＯＮ（流路Ｂ）、第３電磁弁３２を開とす
る。これにより、系内が第２補助冷媒通路３０を介して
リザーバタンク２５に連通された状態となる。この状態
で、ステップ２２の判別とステップ２９の判別とを繰り
返し、ロアタンク１３内の液面とウォータジャケット２
内の液面とを監視する。

発生蒸気圧による液相冷媒の排出によって、ロアタンク
１３内の液面が先に設定レベルにまで低下した場合には
、系外に蒸気が排出されないように第３電磁弁３２を閉
じ（ステップ２４）、ステップ２５〜ステツプ２８に示
す温度制御を開始する。ここでステップ２５の設定温度
算出は、機関の種々の運転条件信号を入力として目標温
度を設定するもので、例えば熱効率向上を重視した市街
地走行域では１１０℃程度に、ノッキング等の異常燃焼
が発生し易い高負荷域等では１００°Ｃ程度に夫々設定
される。

この状態で、ステップ２９によりウォータジャケット２
内の液面の監視を継続し、ウォータジャケット２内の余
剰液相冷媒を〔ウォータジャケット２内で沸騰−コンデ
ンサ３で凝縮〕の形でロアタンク１３側へ移動させる。

そしてロアタンク１３内の液面が設定レベル以上に高ま
るとステップ２２の判別により冷却ファン１４をＯＦＦ
　（ステップ３１）とした状態で第３電磁弁３２を開い
て（ステップ３２）ロアタンク１３から系外のりザーバ
タンク２５へ余剰液相冷媒を排出し、かつこれによりロ
アタンク１３内液面が低下したら再び第３電磁弁３２を
閉じる（ステップ２４）。すなわち、この第３電磁弁３
２の開閉の繰り返しにより徐々に余剰液相冷媒が系外に
排出されることになり、その後ウォータジャケット２内
液面が設定レベルにまで低下した時点で第９図のステッ
プ３３へ進む。尚、第３電磁弁３２を閉として待機して
いる間に、走行風等を受けて系内が過冷になるおそれが
あるが、負圧スイッチ３７により系内が負圧状態である
ことを検出（ステップ２３）シた場合には、第３電磁弁
３２を開いて（ステップ３２）逆にリザーバタンク２５
から液相冷媒を導入し、系内圧力を略大気圧に回復させ
て機関の過冷を防止する。

また、ステップ３３では第３電磁弁３２が閉じた状態に
あれば直ちに制御を終了し、他方、開いた状態にあれば
、その時点でロアタンク１３の液面が設定レベル以上で
あることを意味するので、ステップ３４〜ステツプ３６
でウォータジャケット２内の液面を制御しつつロアタン
ク１３の液面が低下するのを待ち、設定レベルにまで低
下した時点（ステップ３７）で第３電磁弁３２を閉じて
制御を終了する。

以上の制御が終了した時点で、循環系内に所定量の冷媒
が封入されたことになり、基本的にはウォータジャケッ
ト２及びロアタンク１３の設定レベルまでを液相冷媒が
占め、残部を気相冷媒が満たした状態となっている。

一方、ウォータジャケット２内の液面が先に低下した場
合には、ステップ２９の判別によりステップ３０．３３
を経てステップ３４へ進む。以後は、第３電磁弁３２を
開いた状態のまま、ステップ３４〜ステツプ３７を繰り
返してウォータジャケット２内の液面を設定レベルに制
御しつつロアタンク１３内の液面を監視する。そして、
同様にロアタンク１３内液面が設定レベルにまで低下し
た時点で第３電磁弁３２を閉じて（ステップ３８）制御
を終了する。尚、この場合の待機の間は、循環系が開放
された状態であるから、冷却ファン１４による温度制御
を要さずに一定温度に維持される。

次に第１０図及び第１１図は、上記のように系内に所定
量の冷媒が封入された段階で実行されるステップ５の通
常運転制御のフローチャートを示す。

この通常運転制御は、系内の温度制御と、ウォータジャ
ケット２側の液相冷媒量とロアタンク１３側の液相冷媒
量とを調整する液面制御と、系内に封入された冷媒量の
過不足を検知して排出２補給を行う冷媒過多回避制御及
び冷媒過少回避制御からなる。

先ずステップ４１で、その時点の運転条件に対応した目
標温度を設定し、ステップ４２〜ステツプ４４で実際の
温度が目標温度に対し±０．５℃の範囲となるように冷
却ファン１４をＯＮ、ＯＦＦ制御する。

この沸騰冷却装置では、送風の有無による凝縮の促進あ
るいは抑制が系内の圧力変化となって直ちにウオークジ
ャケット２内の冷媒沸点に影響を及ぼすので、機関温度
を極めて応答性良くかつ高精度に制御できる。

一方、液面制御はステップ４５以下のステップによって
処理している。これは、ウォータジャケット２内の液面
を設定レベルに保つことを優先的に考慮し、かつ一定条
件下に限り、ウォータジャケット２内液面が設定レベル
以上となることを許容してロアタンク１３内の液面をも
制御対象としている。具体的には、ステップ４５でウォ
ータジャケット２内の液面が設定レベル以下であると判
断した場合には冷媒供給ポンプ４をＯＮ（ステップ４７
）とし、ロアタンク１３からウォータジャケット２へ液
相冷媒を循環供給する。この液相冷媒の供給は、少なく
とも以後ステップ４５でウォータジャケット２内液面が
設定レベルに達したと判断されるまではｗＥ続される。

そして設定レベルに達した時点で系内温度が目標値に略
合致して（ステップ５０）いればロアタンク１３内液面
を考慮せずに直ちに冷媒供給ポンプ４を０ＦＦ（ステッ
プ５４）とする。しかしステップ５０で系内温度が目標
値よりも１．５°Ｃ以上高くなっていれば、ステップ５
１−ステップ５２−ステップ４７の手順でロアタンク１
３内液面が設定レベルに低下するまで冷媒供給ポンプ４
の駆動を継続する（同時にウォータジャケット２内の液
面は設定レベル以上となる）。これは、ウォータジャケ
ット２内の液面を一定に保っていても、沸騰状態が変化
することによりウォータジャケット２内の液相冷媒中の
蒸気泡の割合が増大すると、ロアタンク１３内の液面が
高くなり、コンデンサコア部１２に達して実質的な放熱
面積を狭めることがあるので、系内湯度が目標値＋１．
５°Ｃ以上のときにはコンデンサ３側の液面を強制的に
下げて放熱面積を拡張するのである。

次に封入冷媒の過多回避制御であるが、これは上記の液
面制御を利用して過多の検出を行っている。具体的には
、上記のように一定の温度条件（ステップ５０）の下で
は、コンデンサ３の放熱面積を拡張すべくステフジ５１
０判別によりロアタンク１３内の液面を制御対象として
冷媒供給ポンプ４を駆動するのであるが、ステップ５２
でそのポンプＯＮ状態のＩ！続続開間ソフトウェアタイ
マＴ２により監視し、これが設定時間、例えば１０秒以
上であるときには封入冷媒量が過多であると判断する。

すなわち、ウォータジャケット２側の液面レベルのみを
制御している状態では、冷媒過多の場合の余剰液相冷媒
が総てロアタンク１３側に偏在しており、これを冷媒供
給ポンプ４の駆動によってウオークジャケット２側へ移
動させることになるので、その移動に過度に時間を要す
る場合には封入冷媒量が過多なのである。そして、ここ
で過多と判断した場合には、第１１図のステップ５６〜
ステツプ５８で、冷媒供給ポンプ４．冷却ファン１４を
停止し、かつソフトウェアタイマＴ２をクリアした後に
、前述した余剰冷媒排出制御（第８図）に再度進む。

これにより、前述した処理手順に従って封入冷媒量の調
整が再度行われ、余分に系内に存在していた冷媒はリザ
ーバタンク２５に排出される。

以上のように、冷媒過多回避が行われることにより、コ
ンデンサ３にウォータジャケット２から多量の液相冷媒
が蒸気と共に流入して放熱効率を低下させてしまう現象
が防止され、冷却不良や冷却ファン１４の駆動頻度の増
加を未然に防止できる。

また、このように冷媒量過多により放熱効率が低下する
と、系内温度が上昇しようとする結果、上述したコンデ
ンサ３放熱面積の拡張制御が必ず行われ、その際に冷媒
量過多を検出し得るので、確実かつ合理的に冷媒量過多
の回避が行えるのである。尚、封入冷媒が過多となるの
は、前述した余剰冷媒排出制御（ステップ４）や後述す
る負圧防止制御（ステップ６）において、第３電磁弁３
２により冷媒循環系を密閉する際に、第１．第２液面セ
ンサ３４．３６が振動等により誤作動したわ、車両の急
停車、急旋回等により液相冷媒が片寄って誤検出するこ
となどが原因である。

一方、この実施例においては、封入冷媒の過多回避と共
に、過少回避をも行っている。封入冷媒が過少となる原
因は、過多と同様の誤検出の他、シール部から冷媒が漏
出して徐々に冷媒量が不足となる場合もある。

これは、前述の液面制御において、ウォータジャケット
２内の液面が設定レベル以下となった場合にステップ４
５の判別により冷媒供給ポンプ４を○Ｎとしているので
あるが、その際に、ステップ４６で設定レベル以下の状
態の継続時間をソフトウェアタイマＴ、により監視し、
これが設定時間、例えば１０秒以上であるときには封入
冷媒量が過少であると判断して第２電磁弁３１をＯＦＦ
　（流路Ａ）とする（ステップ５５）。すなわち、上記
の設定時間は、封入冷媒量が適切である場合の制御系と
しての応答性を考慮して設定された値であり、冷媒量が
充足していれば、これを越えることがない。

尚、更に厳格に行うならば負荷等の条件を加えて上記の
時間を可変的に設定するようにしても良い。

そして上記のように第２電磁弁３１を流路Ａとしたとき
、同時に冷媒供給ポンプ４はＯＮ状態（ステップ４７）
のままであるから、リザーバタンク２５の予備液相冷媒
が系内に強制的に補給される。これは、ウォータジャケ
ット２内の液面が設定レベルに達するまで′ｍ続される
。設定レベルに達した時点でステップ４８．ステップ４
９により、補給を停止し、かつステップ４６のソフトウ
ェアタイマＴ３をクリアする。

以上のように、冷媒過少回避は液相冷媒のロアタンク１
３からウォータジャケット２への循環供給の度に判断し
て随時冷媒補給を行うので、封入冷媒量の不足により燃
焼室壁が露出してしまうようなことがない。

次に第１２図は、上記の通常運転制御（ステップ５）に
続いて行われる負圧防止制御（ステップ６）のフローチ
ャートを示す。これは、車両走行風が強過ぎるような場
合の減圧沸騰による過冷却現象を防止するためのもので
、系内温度が９７°Ｃ以下（ステップ６１）でかつ系内
が外気圧に対して実際に負圧（ステップ６２）になって
いることを条件として行われる。尚、圧力条件のみでは
、冷媒の大気圧下での沸点が１００℃以上の場合（水に
不凍液を加えたような場合）に、系を密閉したままでの
１００℃近傍の温度制御が不可能となり、また温度条件
のみでは外気圧の変化により系開放時に蒸気の噴出を生
じるおそれがある。

上記の両条件が満たされた場合には、ステップ６３で第
３電磁弁３２を開とし、系内をリザーバタンり２５に対
し連通状態とする。これにより、負圧化している系内に
、リザーバタンク２５から液相冷媒が導入され、系内の
圧力が略大気圧に回復する結果、ウォータジャケット２
内の液相冷媒の沸点が上昇する。また、・ステップ６４
〜ステツプ６６によりウォータジャケット２内の液面は
設定レベルに制御され続けるのでリザーバタンク２５か
ら流入した液相冷媒によってコンデンサ３の液面のみが
高くなる。そのためコンデンサ３の放熱量が低下し、自
然に機関発熱量と釣り合うようにコンデンサ３内の液面
レベルが上下変動することになる。

上記の系開放状態は、系内が正圧（ステップ６７）とな
り、かつロアタンク１３の液面が設定レベルに低下する
（ステップ６８）まで継続される。つまり車両走行風の
低下あるいは負荷の増大などによって機関発熱量が増大
すると、蒸気圧の上昇によって系内から液相冷媒が徐々
に排出され、ロアタンク１３の液面が設定レベルに低下
した時点で第３電磁弁３２を閉じて（ステップ６９）、
この負圧防止制御を終了する。これにより冷媒循環系は
再び所定量の冷媒を封入した状態で密閉され、再度前述
の通常運転制御（第１０図）を繰り返すのである。そし
て、上記のように冷媒循環系を閉じたときに誤検出等に
より封入冷媒に過不足が生じていた場合には、やはり前
述した冷媒過少回避、過多回避によって処理される。

第１３図は、機関のイグニッションキーがＯＦＦ操作さ
れた場合に割込処理されるキーＯＦＦ制御（ステップ７
）を示している。

先ずステップ７４の温度判断により、系内湯度が比較的
低い（例えば７５℃以下）場合には直ちに電源をＯＦＦ
　（ステップ８３）とするが、これより高温である場合
にはソフトウェアタイマＴ４の設定により最大１０秒程
度冷却ファン１４を駆動して強制冷却（ステップ７６〜
ステツプ７８）シ、かつ系内が冷えて負圧になる（ステ
ップ８２）まで待機する。

また、この間もウォータジャケット２内の液面制御を継
続する（ステップ７９〜ステンプ８１）。そして系内が
負圧化した時点で電源をＯＦＦ　（ステップ８３）とし
、一連の制御が総て終了する。この電ｔ１．ＯＦＦによ
り常閉型である第１電磁弁２８は閉に、第２電磁弁３１
は流路Ａに、常開型である第３電磁弁３２は開となるた
め、系内の温度低下つまり圧力低下に伴ってリザーバタ
ンク２５から第２補助冷媒通路３０を介して予備液相冷
媒が導入され、最終的には系全体が液相冷媒で満たされ
た状態となって次の始動に備えることになる。また上記
の予備液相冷媒の導入の際には、ロアタンク１３からコ
ア部１２を経由して系内に流入するので、運転中に何ら
かの原因で僅かに空気が侵入して微細なコンデンサチュ
ーブ内に付着した場合でも、系上方へ確実な排出が行え
る。

一方、上記のキーＯＦＦ制御中に再度・イグニッション
キーがＯＮ操作される場合もあるが、この場合にはステ
ップ７３の判断によりステップ８４へ進み、予め退避さ
せた（ステップ７１）情報Ｇこ基づいて、キーＯＦＦ前
に進行していた制御状態に復帰させる。

尚、この実施例では、制御弁２４としてワックスを用い
たものを示したが、バイメタルを用いたものでもよい。

また、温度センサと弁とを独立させ、電磁弁を用いて、
温度センサからの信号に応じ例えばデユーティ制御によ
り流量比を制御するようにしてもよい。

また、この実施例ではヒータコア１７からウォータジャ
ケット２のクリソダブロック５側に冷媒を戻しているが
、シリンダヘッド６側に戻してシリンダヘッド６の冷却
効果を高めるようにしてもよい。

ところでまた、この実施例では、ウォータジャケット２
．コンデンサ３及び冷媒供給ポンプ４からなる冷媒の循
環系をヒータコア１７への冷媒の循環系と共に通常運転
時に密閉循環系としている。

これは次の理由による。

近年、例えば特開昭５７−６２９１２号公報において、
沸騰冷却装置が提案されていることは既に述べたが、実
際には実用化されるには至っていない。

その最も大きな問題は、冷媒の循環系から不凝縮気体で
ある空気を完全に除去することが難しく、残留空気によ
って冷却性能が著しく低下し、またヒータコアでの熱交
換効率が低下する惧れのあることである。すなわち、上
記公報に記載のものは、冷媒の循環系が一部で大気に開
放されており、発生蒸気圧によって空気を系外に押し出
すものであるから、蒸気化した冷媒の流出が伴うと共に
、必ずしも完全な除去を行うことができず、特にコンデ
ンサコアやヒータコアを効率の良い微細なチューブにて
構成したような場合には、その内部に空気が滞留し易い
。

しかも、このように冷媒の循環系を大気に開放したもの
では、ウォータジャケット内の冷媒の沸点が固定的に定
められてしまい、機関運転状態に応じた温度制御が実現
できないばかりか、始動直後の冷媒温度の立ち上がりが
遅く、なかなか機関温度が安定しない。

このため、ヒータコアにも始動直後には十分な温度の冷
媒が供給されず、温度上昇後も供給冷媒の温度が安定し
ないので、立ち上がりの良好な安定した暖房性能が得ら
れない。特に、上記公報に記載のもののようにウォータ
ジャケットと分離タンクとの間で液相冷媒を自然循環さ
せて分離タンク上部から蒸気を取出す構成では、冷間始
動時に分離タンク内の液相冷媒をも含めて冷媒全体が沸
点近くに高温化しなければヒータコアに十分な蒸気が供
給されず、従って暖房性能の立ち上がりが良好なものと
はならない。

そこで、この実施例では、通常運転時に密閉循環系を構
成し、その循環系内から不凝縮気体である空気を確実に
除去できるようにして、冷却性能の信頼性、安定性の向
上を図ると共に、暖房性能についても負荷によって変わ
るものの常に安定した高温冷媒をヒータコアに供給して
、立ち上がりが良好で安定した十分高温の温風が得られ
るようにしている。

そして、上記の密閉循環系の実現のため、実施例の説明
で明らかなように次のような構成を採用している。すな
わち、上記循環系の系外に設けられかつ予備液相冷媒を
貯留するりザーバタンクと、このリザーバタンクから上
記循環系内に空気排出用の液相冷媒を導入する冷媒導入
手段と、この冷媒が導入された循環系内から所定量の冷
媒を残して余剰冷媒を上記リザーバタンク２５に排出す
る冷媒排出手段と、上記循環系の最上部に接続され、か
つ上記冷媒の導入の際に開路され、排出の際に閉路され
る空気排出通路とを設けることで、循環系内から不凝縮
気体である空気を確実に除去できるようにして、密閉循
環系を達成し、冷却性能の信頼性、安定性の向上と、暖
房性能の向上とを図っている。但し、密閉循環系のシス
テム構成は、これに限るものではなく、例えば特願昭５
８−２２８１４５号あるいは特願昭５９−１４０３７８
号などに示されるような構成でもよい。

〈発明の効果〉 以上説明したように本発明によれば、ヒータコアへの供
給冷媒の温度を略一定に制御することができ、通常状態
において沸騰冷却装置を利用した十分な暖房効果を得る
ことができることは勿論、高負荷運転時などに暖房の効
きすぎを防止して、常に快適な車室内暖房を確保できる
という効果が得られる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明に係る沸騰冷却装置の一実施例を示す構
成図、第２図囚、０は作動状態別に示す制御弁の断面図
、第３図は第２図［Ｆ］のｍ−ｍ断面図、第４図はヒー
タコアが組込まれる空調装置の例を示す構成図、第５図
〜第１３図はこの実施例における制御内容を示すフロー
チャートである。 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・・・冷却ファン　　１５・・
・冷媒循環通路　　１７・・・ヒータコア　　１日・・
・ヒータ用ポンプ　　１９・・・冷媒取出口　　２０・
・・冷媒導入通路２１・・・冷媒戻し通路　　２２・・
・冷媒戻し口　　２３・・・連絡路　　２４・・・制御
弁　　２５・・・リザーバタンク２７・・・空気排出通
路　　２８．３１．３２・・・電磁弁３３・・・制御装
置　　３４・・・第１液面センサ　　３５・・・温度セ
ンサ　　３６・・・第２液面センサ　　１０５・・・ワ
ノクス 第２図（Ａ） 第　２　図（Ｂ） 第３図 第５図 第６図 第７図

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. （１）上部に蒸気出口を有する機関のウォータジャケッ
   トと、上記蒸気出口に接続されると共に下部に液化冷媒
   を一時貯留する冷媒タンクを有するコンデンサと、上記
   冷媒タンクと上記ウォータジャケットとの間に設けられ
   た冷媒供給ポンプとを備えてなる自動車用内燃機関の沸
   騰冷却装置において、上記ウォータジャケットからの冷
   媒取出口に接続された車室暖房用のヒータコアと、この
   ヒータコアとウォータジャケットへの冷媒戻し口との間
   に設けられたヒータ用ポンプとを有し、更に、このポン
   プ出口とヒータコア入口とを連絡する連絡路と、この連
   絡路を流れる冷媒の流量を冷媒の温度に応じて制御する
   制御弁とを有することを特徴とする自動車用内燃機関の
   沸騰冷却装置。
2. （２）機関のウォータジャケット、コンデンサ及び冷媒
   供給ポンプを含む冷媒の循環系がヒータコアへの冷媒の
   循環系と共に通常運転時に密閉循環系を構成することを
   特徴とする特許請求の範囲第１項記載の自動車用内燃機
   関の沸騰冷却装置。
3. （３）冷媒取出口が機関のウォータジャケットのシリン
   ダヘッド側に設けられていることを特徴とする特許請求
   の範囲第１項又は第２項記載の自動車用内燃機関の沸騰
   冷却装置。