JP2010053732A

JP2010053732A - 冷却装置

Info

Publication number: JP2010053732A
Application number: JP2008217965A
Authority: JP
Inventors: Osamu Shintani; 治新谷
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2008-08-27
Filing date: 2008-08-27
Publication date: 2010-03-11

Abstract

【課題】簡易な構成で熱回収および放出性能を得ることのできる冷却装置を提供する。
【解決手段】エンジンへの冷却水の循環と、保温容器４１、保温容器４１内の高温部となる高い位置に開口する第１の内管４２、および保温容器４１内の低温部となる低い位置に開口する第２の内管４３を備えた蓄熱タンク４への冷却水の循環とを共通のポンプ３で行なう冷却装置であって、温水回収時にエンジンＥからの冷却水を第１の内管４２に供給するとともに第２の内管４３からエンジンＥへ冷却水を供給させる一方、温水供給時にエンジンＥからの冷却水を第２の内管４３に供給するとともに第１の内管４２からエンジンＥへ冷却水を供給させるように、循環経路を切り替えるための切替弁５を含む。
【選択図】図１

Description

本発明は、内燃機関（以下、「エンジン」ともいう。）の暖機促進を図る冷却装置に関する。

たとえば、特許文献１には、水冷式内燃機関の冷却水をウォータポンプにて循環するように構成した車両用内燃機関の冷却系装置において、水冷式内燃機関から流出した冷却水を保温貯蔵し、重力方向下方側に冷却水が流出入する開口部を有する蓄熱タンクと、水冷式内燃機関から流出した冷却水を蓄熱タンクを経て水冷式内燃機関に還流させるタンク水路とを有し、水冷式内燃機関の暖機運転時に蓄熱タンクから流出する冷却水温度が所定温度を超えているときは、タンク水路を開き、水冷式内燃機関の暖機運転時に蓄熱タンクから流出する冷却水温度が所定温度以下のときは、タンク水路を閉じるようにした技術が開示されている。

その他の関連技術として、以下の技術が提案されている。

特許文献２には、２台のウォータポンプを切り替えて蓄熱タンクの入口と出口を入れ替えることによって、エンジンからの温水回収時の流量を絞る技術が開示されている。

また、特許文献３には、エンジン停止後の所定時間経過後に蓄熱を開始する技術が開示されている。

さらに、特許文献４には、蓄熱タンクの入口と出口を切り替えて高温媒体のシリンダブロックとシリンダヘッドとのいずれかへの供給を優先的に行なう技術が開示されている。

さらにまた、特許文献５には、蓄熱水の温度に応じてウォータポンプの出力を変更する技術が開示されている。
特開平１０−７１８３８号公報特開２００４−６０５８０号公報特開２００６−２９１９６号公報特開２００５−１９４９１０号公報特開２００５−９０２９８号公報

しかしながら、上記特許文献１に記載の技術では、蓄熱タンクへの回収と排出を同時に行なう場合において、蓄熱タンクへの冷却水の流入が蓄熱タンク内の低温部となる低い位置から行なわれる一方で、ウォータポンプへの供給が蓄熱タンクの高温部となる高い位置から行なわれる。そのため、熱回収率が低下する。

ところで、従来の冷却装置において、ショートトリップなどで回収温水の熱エネルギーが不足する場合、イグニションスイッチがＯＦＦされた後に電動ウォータポンプで温水が回収されるので、以下の問題点が指摘されている。

水の温度差（比重）による自然対流を考慮していないため、回収温水の熱エネルギーが小さくなる。これは、イグニションスイッチのＯＦＦ後の温水回収に時間をかけず、かつ、蓄熱タンク内の高い位置の配管から回収していないからである。そうすると、金属高温部分から水への熱伝達は局部的に行なわれ、熱い水と冷たい水の分布ができ、イグニションスイッチのＯＦＦ後は水の温度差（比重）による自然対流で熱い水は蓄熱タンク内の高い位置に集中する。

また、金属部分の熱エネルギーを回収できないため、回収温水の熱エネルギーが小さくなる。これは、イグニションスイッチのＯＦＦ後の温水回収に時間をかけていないからである。そうすると、金属高温部分から水への熱伝達に時間がかかり、温水回収によって、高温金属にやや冷たい水が接触するので再度熱伝達が行なわれる。

本発明は、上記技術的課題に鑑みなされたもので、簡易な構成で熱回収および放出性能を得ることのできる冷却装置の提供を主たる目的とする。

本発明にかかる冷却装置は、内燃機関への冷却水の循環と、保温容器、保温容器内の高温部となる高い位置に開口する第１の内管、および保温容器内の低温部となる低い位置に開口する第２の内管を備えた蓄熱タンクへの冷却水の循環とを共通のポンプで行なう冷却装置であって、温水回収時に上記内燃機関からの冷却水を上記第１の内管に供給するとともに上記第２の内管から上記内燃機関へ冷却水を供給させる一方、温水供給時に上記内燃機関からの冷却水を上記第２の内管に供給するとともに上記第１の内管から上記内燃機関へ冷却水を供給させるように、循環経路を切り替えるための制御弁を含む。

上記構成によれば、１台のポンプと制御弁とで熱回収および熱放出が可能であるので、簡易な構成で熱回収および熱放出性能を得ることができる。特に、温水回収時には、蓄熱タンク上部の比較的温度の高い冷却水が内燃機関に供給されるので、暖機性能の向上を図ることができる。一方、温水回収時には、蓄熱タンク下部の比較的温度の低い冷却水が内燃機関に供給されることによって、比較的温度の高い蓄熱タンク上部の冷却水が保温されるので、保温効果が向上する。

本発明によれば、簡易な構成で熱回収および放出性能を得ることのできる冷却装置の提供が可能となる。

以下、本発明の実施の形態を添付図面に基づいて詳細に説明する。

＜全体構成＞
図１〜図３に、本発明の実施の形態にかかる冷却装置の冷却水循環経路の概略を示す回路図を示す。なお、図１は温水供給時の冷却水の循環経路を示し、図２は暖機過程運転中および車両停止時の冷却水の循環経路を示し、図３は温水回収時の冷却水の循環経路を示している。

これらの図に示すように、本実施の形態にかかる冷却装置の冷却水循環経路には、ラジエータ１、サーモスタット２、電動ウォータポンプ３、蓄熱タンク４、切替弁５、ヒータコア６、ならびにこれら各機器１，２，３，４，５，６を接続する配管およびホースＨ１，Ｈ２，Ｈ３，Ｈ４，Ｈ５，Ｈ６，Ｈ７，Ｈ８が備えられている。

具体的には、ラジエータ１のロアタンク１１とサーモスタット２とは、ロアホースＨ１によって接続されており、ウォータポンプ３の吐出口は、エンジンＥに形成されたウォータジャケット７に連通している。このウォータジャケット７では、電動ウォータポンプ３からの冷却水がシリンダブロック側のウォータジャケット７１を経た後、シリンダヘッド側のウォータジャケット７２に導入され、その後、第１および第２の取り出し管Ｈ２，Ｈ３によってエンジンＥから取り出される。

第１および第２の取り出し管Ｈ２，Ｈ３は、切替弁５を介して接続されている。

第２の取り出し管Ｈ３は、ラジエータ１側およびヒータコア６側に２方向に分岐されている。この第２の取り出し管Ｈ３の一方は、導入ホースＨ４によってヒータコア６に接続され、他方は、アッパホースＨ５によってラジエータ１のアッパタンク１２に接続されている。

ヒータコア６とウォータポンプ３の吸入側とは、ヒータ用排出ホースＨ６によって接続されている。

蓄熱タンク４と切替弁５とは、第１および第２の接続ホースＨ７，Ｈ８によって接続されている。

以下、本冷却装置の冷却水循環経路を構成している各機器の構成および機能について簡単に説明する。

ラジエータ１は、ダウンフロータイプのものであり、アッパタンク１２とロアタンク１１との間にラジエータコア１３が備えられている。これにより、エンジンＥからアッパホースＨ５を経てアッパタンク１２に回収された冷却水がロアタンク１１に向けてラジエータコア１３の内部を流下する際に外気（走行風や冷却ファンの駆動による送風）との間で熱交換を行ない、外気に放熱することで冷却水が冷却されるようになっている。

アッパタンク１２には、ラジエータキャップ１４が着脱自在に装着されている。このラジエータキャップ１４は、冷却水循環経路の内圧を大気圧以上に維持することにより冷却水の沸点を高くしてラジエータコア１３での熱交換効率を高める機能を有している。また、ラジエータキャップ１４は、冷却水循環経路への注水時や冷却水循環経路からのエア抜き作業時にはアッパタンク１２から取り外される。これにより、ラジエータ１の注水口が開放されて冷却水循環経路が大気に連通する。

サーモスタット２は、冷却水循環経路の水路を切り替えることによって冷却水の温度を調整するものであって、たとえば、内部に封入されたワックスの熱膨張を利用し、内装されたバルブが冷却水温度に応じて開閉される機構を備えている。そして、エンジンＥの冷間時、すなわち冷却水温度が比較的低い場合には、サーモスタット２のバルブが閉鎖して、ラジエータ１のロアタンク１１とウォータポンプ３との間の水路を遮断し、ラジエータ１に冷却水を流さないことでエンジンＥの暖機運転の早期完了を図るようになっている。一方、エンジンＥの暖機完了後、すなわち冷却水温度が比較的高い場合には、サーモスタット２のバルブが開放して、ラジエータ１のロアタンク１１とウォータポンプ３との間の水路を開放し、ラジエータ１に冷却水の一部を流すことでその冷却水が回収した熱をラジエータ１によって大気に放出するようにしている。

電動ウォータポンプ３は、冷却水循環経路内に水流を発生させるためのものであって、従来公知の構造を有している。この電動ウォータポンプ３のＯＮ／ＯＦＦは、図４に示すＥＣＵ１００によって制御される。

蓄熱タンク４は、保温容器４１と、保温容器４１内の高温部となる高い位置に開口する第１の内管４２と、保温容器４１内の低温部となる低い位置に開口する第２の内管４３とを備えている。第１の内管４２は、第１の接続ホースＨ７を介して切替弁５に接続されている。一方、第２の内管４３は、第２の接続ホースＨ８を介して切替弁５に接続されている。

切替弁５は、図３に示すように、温水回収時にエンジンＥからの冷却水を第１の内管４２に供給するとともに第２の内管４３からエンジンＥへ冷却水を供給させる一方、図１に示すように、温水供給時にエンジンＥからの冷却水を第２の内管４３に供給するとともに第１の内管４２からエンジンＥへ冷却水を供給させるように、循環経路を切り替えるためのロータリ弁であって、第１、第２および第３の連通路５１，５２，５３が形成されている。切替弁５は、正転ＯＮのときに図１に示す接続状態となり、ＯＦＦのときに図２に示す接続状態になり、逆転ＯＮのときに図３に示す接続状態となる。この切替弁５のＯＮ／ＯＦＦは、図４に示すＥＣＵ１００により制御される。

ヒータコア６は、冷却水の熱を利用して車室内を暖房するためのものであって、エアコンディショナの送風ダクトに臨んでいる。すなわち、車室内の暖房時には送風ダクト内を流れる空調風をヒータコア６に通過させて温風として車室内に供給する一方、それ以外（たとえば、冷房時）では空調風がヒータコア６をバイパスするようになっている。

＜電気的構成＞
図４は冷却装置の電気的構成を示すブロック図である。

図４を参照して、本冷却装置は、ＥＣＵ（ＥｌｅｃｔｒｉｃＣｏｎｔｒｏｌＵｎｉｔ）１００を含む。このＥＣＵ１００は、本冷却装置の制御中枢を司るものであって、内部にＣＰＵ、ＲＯＭ、ＲＡＭおよびバックアップＲＡＭなどを有している。

ＥＣＵ１００には、第１及び第２の水温センサ１０１，１０２からの検出信号、ならびにイグニションスイッチ１０３のＯＮ／ＯＦＦ信号が与えられる。これらの信号などに基づいて、ＥＣＵ１００は、電動ウォータポンプ３および切替弁５を制御する。

第１の水温センサ１０１は、エンジンＥの出口水温を検出するためのセンサであって、図１〜図３に示すように、シリンダヘッド側のウォータジャケット７２の出口側に臨ませてある。一方、第２の水温センサ１０２は、切替弁５の出口水温を検出するためのセンサであって、切替弁５の出口側に配置されている。

＜動作＞
本冷却装置では、エンジンＥへの冷却水の循環と、蓄熱タンク４への冷却水の循環とが共通の電動ウォータポンプ３で行なわれる。

（動作１）
エンジンＥの始動時または始動前の温水供給時には、ＥＣＵ１００は、電動ウォータポンプ３のＯＮに加えて、切替弁５を正転ＯＮする。そうすると、切替弁５が、図２の状態から時計周りに回転し、図１に示すように、第２の連通路５２が蓄熱タンク４の上部に開口する第１の内管４２に接続された第１の接続ホースＨ７および第２の取り出し管Ｈ３の両者に接続するとともに第３の連通路５３が蓄熱タンク４の下部に開口する第２の内管４３に接続された第２の接続ホースＨ８および第１の取り出し管Ｈ２の両者に接続する。その結果、エンジンＥからの冷却水を第２の内管４３に供給するとともに第１の内管４２からエンジンＥへ冷却水を供給させるように、循環経路が切り替えられる。これにより、蓄熱タンク４の上部から高温の水が排出されるとともに蓄熱タンク４の下部から低温の水が蓄積される。蓄熱タンク４から排出された高温の水は、ヒータコア６を経由して電動ウォータポンプ３に供給されてエンジンＥ内に吐き出される。

（動作２）
ＥＣＵ１００が電動ウォータポンプ３をＯＮする一方で切替弁５をＯＦＦしている間は、図２に示すように、第１の連通路５１が第１および第２の取り出し管Ｈ２，Ｈ３に接続する。そうすると、エンジン冷却水は、ヒータコア６および電動ウォータポンプ３を経由してエンジンＥ内に流入される。このとき、単に暖機運転中である場合には、蓄熱タンク４が遮断されて蓄熱タンク４内に低温の水が閉じ込められる。一方、温水回収後の暖機運転中および車両停止時にあっては、蓄熱タンク４が遮断されて蓄熱タンク４内に高温の水が閉じ込められる。

（動作３）
暖機運転中およびイグニションスイッチ１０３のＯＦＦ後の温水回収時には、ＥＣＵ１００は、ＥＣＵ１００は、電動ウォータポンプ３のＯＮに加えて、切替弁５を逆転ＯＮする。そうすると、切替弁５が、図２の状態から反時計周りに回転し、図３に示すように、第２の連通路５２が蓄熱タンク４の上部に開口する第１の内管４２に接続された第１の接続ホースＨ７および第１の取り出し管Ｈ２に接続するとともに第３の連通路５３が蓄熱タンク４の下部に開口する第２の内管４３に接続された第２の接続ホースＨ８および第２の取り出し管Ｈ３に接続する。その結果、エンジンＥからの冷却水を第１の内管４２に供給するとともに第２の内管４３からエンジンＥへ冷却水を供給させるように、循環経路が切り替えられる。これにより、蓄熱タンク４の上部から高温の水が蓄熱タンク４内に蓄積され、蓄熱タンク４の下部から低温の水が排出される。蓄熱タンク４から排出された低温の水は、ヒータコア６を経由して電動ウォータポンプ３に供給されてエンジンＥ内に吐き出される。

＜制御手順＞
図５は温水回収動作に関する制御手順を示すフローチャートである。このフローチャートにしたがうと、１台の電動ウォータポンプ３によって、温水給水時には熱い水が蓄熱タンク４の上部から排出され、イグニションスイッチ１０３がＯＦＦされたときの回収は熱い水を蓄熱タンク４の上部から溜めることが可能となる。

図５を参照して、まず、ＥＣＵ１００は、イグニションスイッチ１０３がＯＦＦされるのを待つ（ステップＳ１）。

イグニションスイッチ１０３がＯＦＦされると、ＥＣＵ１００は、温水回収が完了したか否かを判断する(ステップＳ２)。この判断は、走行中に高水温であったか、または第２の水温センサ１０２の検出温度（切替弁５の出口側水温）が第１の水温センサ１０１の検出温度（エンジンＥの出口側水温）以上であるか否かを判断することによって達成される。すなわち、走行中に高水温であった場合、または第２の水温センサ１０２の検出温度（切替弁５の出口側水温）が第１の水温センサ１０１の検出温度（エンジンＥの出口側水温）以上である場合に、ＥＣＵ１００は、温水回収完了と判断する。温水回収が完了したと判断すると、ＥＣＵ１００は、処理を終了する。これに対し、温水回収が未完了であると判断すると、ＥＣＵ１００は、一定時間経過するのを待つ（ステップＳ３）。

一定時間が経過すると、ＥＣＵ１００は、一定時間の間、上記の動作１のように電動ウォータポンプ３および切替弁５を駆動させて温水回収を行なう（ステップＳ４およびＳ５）。

一定時間が経過すると、ＥＣＵ１００は、電動ウォータポンプ３および切替弁５をＯＦＦして温水回収を停止し（ステップＳ６）、その後、再び処理をステップＳ２に戻す。

＜作用・効果＞
本実施の形態によると、以下の作用・効果を奏する。

温水回収時にエンジンＥからの冷却水を蓄熱タンク４の上部に開口した第１の内管４２に供給するとともに蓄熱タンク４の下部に開口した第２の内管４３からエンジンＥへ冷却水を供給させる一方で、温水供給時にエンジンＥからの冷却水を上記第２の内管４３に供給するとともに上記第１の内管４２からエンジンＥへ冷却水を供給させるように、循環経路が切り替られるので、１台の電動ウォータポンプ３と切替弁５とで熱回収および熱放出が可能となる。その結果、簡易な構成で熱回収および熱放出性能を得ることができる。

特に、温水回収時には、蓄熱タンク４の上部の比較的温度の高い冷却水がエンジンＥに供給されるので、暖機性能の向上を図ることができる。一方、温水回収時には、蓄熱タンク４の下部の比較的温度の低い冷却水がエンジンＥに供給されることによって、比較的温度の高い蓄熱タンク４の上部の冷却水が保温されるので、保温効果が向上する。

なお、本発明は上記実施の形態に限定されるものではなく、本明細書に添付の特許請求の範囲内での種々の設計変更および修正を加え得ることは勿論である。

本発明の実施の形態にかかる冷却水循環装置において温水供給時の冷却水の循環経路を示す図である。同冷却水循環装置において暖機過程運転中および車両停止時の冷却水の循環経路を示す図である。同冷却装置において温水回収時の冷却水の循環経路を示す図である。同冷却装置の電気的構成を示すブロック図である。温水回収動作に関する制御手順を示すフローチャートである。

符号の説明

Ｅエンジン
３電動ウォータポンプ
４蓄熱タンク
４１保温容器
４２第１の内管
４３第２の内管
５切替弁

Claims

内燃機関への冷却水の循環と、保温容器、保温容器内の高温部となる高い位置に開口する第１の内管、および保温容器内の低温部となる低い位置に開口する第２の内管を備えた蓄熱タンクへの冷却水の循環とを共通のポンプで行なう冷却装置であって、
温水回収時に上記内燃機関からの冷却水を上記第１の内管に供給するとともに上記第２の内管から上記内燃機関へ冷却水を供給させる一方、温水供給時に上記内燃機関からの冷却水を上記第２の内管に供給するとともに上記第１の内管から上記内燃機関へ冷却水を供給させるように、循環経路を切り替えるための制御弁を含むことを特徴とする冷却装置。