JPS6183445A - 沸騰冷却装置の異常検出装置 - 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、ウォータジャケット内の所定レベルまで液
相冷媒を貯留しておき、その沸騰気化により内燃機関各
部の冷Ｒを行うとともに、発生した冷媒蒸気金コンデン
サにより凝縮して再利用するようにした内燃機関の沸騰
冷却装置に関し、特にその液面センサの故障や冷媒供給
ポンプの故障等の異常を検出する異常検出装置に関する
。

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・凝縮のサイクルを利
用した沸騰冷却装置が、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
法でウォータジャケッ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は期待
できず、高温部位の気相中への露出による過熱の虞れが
あるなど、信頼性、安全性に乏しい。

これ罠対し、本出願人は冷媒供給ポンプを用いてウォー
タジャケット内の冷媒液面ヲ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（例えば特願昭
５８−１４５４７０号、特願昭５８−２２８１４８号、
特願昭５９−１００１５６号、特願昭５９−１４０３７
８号等）。これはウォータジャケットとコンデンサと冷
媒供給ポンプとを主体として密閉した冷媒循環系を構成
するとともに、上記ウォータジャケットの設定レベルに
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（例えば水と不凍液の混合液）を貯留して
おいて、その沸騰気化により各部の冷却を行っている。

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作動する冷媒供給ポンプによって再
度ウォータジャケットに循環供給し、その冷媒液面を上
記設定レベルに維持する構成となっている。このように
冷媒供給ポンプを用いてウォータジャケット内の冷媒液
面を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ろことになり、燃焼室壁
等高温部位の露出を防止し、かつウォータジャケット上
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。

発明が解決しようとする問題点 上記のような沸騰冷却装置においては、液頁センサの故
障や冷媒供給ポンプの故障など万一の場合に備えて７エ
イルセーフ的な機構が不可欠である。例えばフロート式
液面センサのフロートが固着してＯＮ状態のままとなる
と冷媒供給ポンプが全く作動せずに冷媒液面が徐々に低
下してしまい、排気ボート壁や燃焼室壁等が気相領域中
に露出して急激に昇温し、憂慮すべき事態となる。これ
は、冷媒供給ポンプの故障あるいはシール部からの冷媒
の漏洩などによっても起こり得るもので、各部の溶損や
熱歪の発生など機関に致命的な損傷を与えることになる
ので、確実に回避し得るようにしなければならない。

ここで上記のような原因による異常過熱を最も直接的に
検知するＫは、シリンダヘッドやシリンダブロックの熱
負荷の高い部位、例えば排気ボート壁ヤ吸排気バルブシ
ートの間などに温度センサを投げて、その温度を監視す
れば良いのであるが、単に絶対的な温度のみに注目した
場合には、結果として、異常発生時に排気ボート壁等が
実際に危険温度近くにまで昇温するのを待つ形となり、
熱歪の発生等を未然に防止する上で十分でない。とりわ
け、異常過熱を検知した後に冷媒の補給等の過熱回避動
作を直ちに行ったとしても、排気ボート壁等を冷却する
まで罠は若干の時間的遅れを伴うので、それまでに相当
に高温化してしまう虞れがある。

問題点を解決するだめの手段 この発明に係る沸騰冷却装置の異常検出装置は、シリン
ダヘッドあるいはシリンダブロックの比較的熱負荷の高
い部位、例えば排気ボート壁や吸排気バルブシート間あ
るいはディーゼル機関の副燃焼室近傍等に熱電対等の温
度センサを投げ、この温度センサの検出温度から、その
変化速度を求めるとともに、固定的もしくは可変的に与
えられる設定値と上記変化速反とを比較して、異常の有
無を判断するように構成したものである。

作用 沸騰冷却装置の特徴として、高温部位で積極的に沸騰が
生じることから各部の温度分布が非常に均一になり、か
つ負荷変動等による発熱量変化に対しても各部の温度を
その圧力下での沸点に安定的に維持することができる。

従って、冷媒液面が設定レベルに維持されて正規の制御
が行われていれば、温度センサが検出する温度の変化速
度は比較的小さい。これに対し、液面センサの故障等に
より冷媒液面が過度に低下するようなことがあると、排
気ボート壁等の熱負荷の高い部位は急激に温度上昇しよ
うとする。従って、その温度上昇速度を監視すれば絶対
的な温度が殆ど上昇することのない間に、異常過熱を予
測的に検知することができ、異常回避動作を実際に危険
温度に達する以前に開始させることが可能となる。尚、
異常検知時の具体的な回避動作としては、例えば冷媒供
給ポンプによる強制的な冷媒補給、冷却ファンによる強
制冷却、警報による運転者への報知、他の制御手段への
切換、あるいは燃料カットなどによる発熱量自体の抑制
などから適宜に選択される。

実施例 第１図はこの発明に係る異常検出装置を備えた沸騰冷却
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を備えてなる内燃機関、３は気相冷媒
ｔ−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。

上記ウォータジャケット２は、内燃機関１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、通常気相空間となる上部が各気前で互いに連通し
ているとともに、その上部の適宜な位置に蒸気比ロアが
設けられている。この蒸気比ロアは、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
れているとともに、その上部開口をキャップ１０が密閉
している。

上記コンデ／ｆ′３は、上記入口３ａｔ−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１２と、このコア＄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／り１
３は、その比較的下部に冷媒循環通路１５の一端が接続
されているとともに、これより上部に第１補助冷媒通路
１６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側に設げた冷媒人口２ａに接続されており、その通
路中に三方型の第２電磁弁１７を備えているとともに、
この第２電磁弁１７とロアタンク１３との間に上記冷媒
供給ポンプ４が介装されている。

２１は、上記ウォータジャケット２やコンデンサ３ｆ、
主体とした密閉系の外部に設けられたりザーバタンクで
あって、これは通気機能を有するキャップ２２′ｔ−介
して大気に開放されているとともに、上記ウォータジャ
ケット２と略等しい高さ位置に設置され、かつその底部
に、上記の第１補助冷媒通路１６と第２補助冷媒通路２
３とが接続されている。上記第１補助冷媒通路１６は、
その通路中に常開型の第３電磁弁２４ｆｔ備えており、
上記第２補助冷媒通路２３は、第２電磁弁１７を介して
冷媒循環通路１５に接続されている。上記第２１１！磁
弁１７は、励磁状態では冷媒循環通路１５ｔｉ断してリ
ザーバタンク２１とロアタンク１３との間を連通状態と
しく流路Ａ）、非励磁状態では第２補助冷媒通路２３を
遮断して冷媒循環通路１５を連通状態（流路Ｂ）とする
ものである。そして、上記冷媒供給ポンプ４としては、
正逆両方向に液相冷媒全圧送できるものが用いられてお
り、上記の流路Ａの状態で冷媒供給ポンプ４′ｔ−正方
向に駆動すればロアタンク１３からリザーバタンク２１
へ液相冷媒を強制排出でき、逆方向に駆動すればリザー
バタンク２１からロアタンク１３へ液相冷媒全強制導入
でき、更に流路Ｂの状態で冷媒供給ポンプ４ｔ−正方向
に駆動すればロアタンク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とができる。

一方、上述した密閉系の最上部となる排出管取付ｍｓ　
ａには、系内の空気を排出するだめの空気排出通路２５
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２５の先端
部がリザーバタンク２１内に開口している。そして、上
記空気排出通路２５には、常閉型の第１電磁弁２６が介
装されている。

上記各電磁弁２６，１７．２４と冷媒供給ポンプ４およ
び冷却ファン１４は、所謂マイクロコンピュータシステ
ムを用いた制御装置３１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３２．完１温度センサ３３．ロアタンク１３に投
げた第２液面セ／す３４および循環系最上部九設けた負
圧スイッチ３５の各検出信号に基づいて後述する制御が
行われる。

ここで上記第１．第２液面センサ３２，３４は例えばリ
ードスイッチを利用したフロート式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七オンφオ
フ的に検出するものであって、第１液面センサ３２はそ
の検出レベルがシリンダヘッド６の略中間描度の高さ位
置に設定され、かつ第２液面センサ３４はその検出レベ
ルが第１補助冷媒通路１６の開口よりも僅かに上方の高
さ位置く設定されている。また第１温度センサ３３は例
えばサーミスタ等からなり、上記第１ｆｆ而七ンサ３２
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内の冷媒温度全検出
している。また負圧スイッチ３５は、大気圧と系内圧力
との差圧に応動するダイヤプ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、具体的には一３０
ＢＨｇ〜−５０ｔｎｘＨｇ程度に作動圧を設定しである
。

一方、異常検出装置を構成する温度センサとして、熱電
対からなる第２温度センサ３６がシリンダヘッド６の排
気ボート３７近傍に埋設されており、かつ異常発生時に
運転者に報知するために、ブザーあるいはランプ等の警
報器３８が車室内に設けられている。尚、第２温度セン
サ３６の取付位置は、第１図では模式的に示しているに
過ぎず、実際には冷媒液面位置の変動に対する温度変化
等を考慮して最適位置く配役される。

次に上記制御装置３１において実行される制御の内容に
つ（・て説明する。

第２図は制御の概要を示すフローチャートであっテ、機
関の始動（イグニッションキー０Ｎ）Ｋより制御が開始
すると、所定のイニシャライズ処理を行った後に、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
は第１温度セン？３３によ、る検出温度が所定温度（Ｎ
えば４５℃）より高いか否かを判断する（ステップ２）
。所定温度以下つまり未暖機状態の初期始動であればス
テップ３の空気排出制御を経℃からステップ４の暖機制
御へ進み、以後は温度制御、液面制御、コンデンサ内水
位低下制御、コンポンサ内水位上昇制御からなる通常運
転モードの制御ループ（ステップ５〜ステツプ１０）を
キーＯＦＦ時まで繰り返し行う。一方、ステップ２で所
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制御（ステップ３）は
省略する。キーＯＦＦの信号が入力されると、第３図の
割込み制御ルーチンによりキーＯＦＦ制御が実行され、
その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。

また上記の制御中に、第４図に示したフェイルセーフ制
御ルーチンが一定時間毎に割込処理され、第１液面七ン
サ３２の故障等による異常過熱の検知ならびに回避を行
っている。

以下、空気排出制御から順を追って説明する。

機関の始動の際には、通常系内は液相冷媒（例えば水と
不凍液の混合液）で殆ど満たされた状態にある。空気排
出制御は、この状態から更に系内金完全に満水状態とす
ることによって空気を排出するものであり、第１電磁弁
２６を「開」、第２電磁弁１７ｔ−ｒ流路Ａ」、第３電
磁弁２４ｔ−「閉」とした状態で冷媒供給ポンプ４ｔ−
逆方向へ駆動し、リザーバタンク２１内の液相冷媒を第
２補助冷媒過路２３を介して系内に導入する。これは、
所定時間、具体的には系内を満水くするに十分なよ５に
予めソフトウェアタイマに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２５を介し
て系外に排出される。次に暖機制御（ステップ４）へ進
む。

暖機制御では、先ず第１電磁弁２６ｔ−ｒ閉」、第２電
磁弁１７ｔ−ｒ流路Ｂ」、第３電磁弁２４ｔ−「開」と
し、ロアタンク１３とリザーバタンク２１とを連通状態
に保つ。暖機制御に進んで来た時点では、コンデンサ３
内は当然液相冷媒で満たされた状態にあるから、コンデ
ンサ３の放熱能力は極めて低く抑制され、その結果、ウ
ォータジャケット２内の冷媒温度が速やかに上昇して、
やがて沸騰が始まる。暖機制御は、上記の連通状態を保
ったまま第１温度センサ３３の検出温度が設定温度を上
部るまで＃模するものであり、例えば「設定温度＋２．
０℃」となった時点で第３１［磁弁２４ｆ。

閉じて次の通常４６モードに移行する。ここで目標とな
る設定温度は、機関の負荷や回転速度等の運転条件に応
じて、例えば８０〜１１０℃程度の範囲内で可質的に設
定される。また、設定温度が略１００℃を越える場合な
どでは、発生蒸気正によって系内の液相冷媒がリザーバ
タンク２１に押し出される結果、冷媒温度が設定温度に
達する前にウォータジャケット２内の液面やロアタ：／
り１３内の液面が過度に低下するので、何れか一方の液
面が第１ｆ面センサ３２あるいは第２液面センサ３４の
設定レベルを下廻ったときには直ちに第３電磁弁２４を
閉じて、この制＃ｔ−終了する。

＠機制御の終了後は、前述したようにステップ５〜ステ
ップ１００通常運転モードの制御ループが繰り返される
ことになる。温度制御（ステップ５〕は、系内温度金高
精度に制御すべく「設定温度±０．５℃」において冷却
ファン１４を０Ｎ−ＯＦＦ制御するものである。液面側
＃（ステップ６）は、第１液画センサ３２の検出信号に
基づいて冷媒供給ポンプ４をＯＮ・０ＦＦ（正転）制御
するものであり、コンデンサ３側からウォータジャケッ
ト２へ液相冷媒を補給して冷媒液面を設定レベルに維持
する。

また系内の温度が目標とする設定温度から比較的太き（
離れた場合には、ステラ１フ０判別に基づいてコンデン
サ内水位低下制御あるいはコンデンサ内水位上昇制御が
行われ、コンデンサ３の実。

質的放熱面積の拡大あるいは縮小を行う。

コンデンサ内水位低下制御は、第２電磁弁１７を「流路
Ａ」とした状態で冷媒供給ポンプ４を正転方向に瓜動す
ることによって、コンデンサ３内の液相冷媒＝、　ＩＪ
ザーパタンク２１側へ強制的に排出し、コンデンサ３内
の液面を低下させて放熱能力を高めるものである。この
冷媒排出は検出温度が例えば「設定温度＋１．０℃」に
低下するまで継続され、以後は再び温度制御（ステップ
５）と液面制御（ステップ６）のみが実行される。尚、
冷媒排出中にウォータジャケット２内の冷媒液面が設定
レベル以下圧低下した場合には、一時的に第２電磁弁１
７ｔ−「流路Ｂ」に切換えて冷媒補給を行う。また、万
一コンデンサ３内の液面が第２液　　′面３４による設
定レベルにまで低下してしまった場合には、蒸気の流出
を防止するために、直ちにこの制御を終了する。

コンデンサ内水位上昇制御は、逆にリザーバタンク２１
内の液相冷媒をコンデンサ３側に導入してコンデンサ３
内の液面を上昇させることにより放熱能力全抑制する制
御である。具体的には、・このとき系内が気圧（負圧ス
イッチ３５の検出による）であれば、単に第３電磁弁２
４を「開」として系内外の圧力差により冷媒導入を行い
、正圧であれば、第２電磁弁２７を「流路Ａ」として冷
媒供給ポンプ４を逆方向に駆動し、強制的に冷媒導入を
行う。この冷媒導入は、検出温度が例えば「設定温度−
３，０℃」に上昇するまで継続される。

このように通常運転モードにおいては、コンデンサ３内
の水位制御および冷却ファン１４のＯＮ・ＯＦＦによっ
て系内温度が常に設定温度に高精度に追従して制御され
、またウォータジャケット２内の冷媒液面は常に設定レ
ベル近傍に維持される。

またキーＯＦＦ後に実行されるキーＯＦＦ制御では、コ
ンデンサ３内の液相冷媒を一旦リザーバタンク２１側へ
強制排出し、コンデンサ３の放熱量を最大限に拡張する
とともに、１０秒程度冷却ファン１４を駆動して強制冷
却し、系内が十分に温度低下するかあるいは１分根度経
過した段階で電源をＯＦＦとする。これによって第３電
磁弁２４が「開」となり、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２１から液相冷媒が自然に導
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。

以上で一連の制御が終了することになるが、飼えば通常
運転モードに移行した後、第１液面七ンサ３２が動作不
良となって冷媒補給が正しく行われなかったような場合
には、第４図に示すフェイルセーフ制御−よって異常過
熱が回避される。これはステップ２１の判断により通常
運転モードにあるときにのみ行われ、つまり各部の温度
が未だ安定していない未暖機状態では異常判断は行わな
い。先ず第２温度センサ３６が検出した排気ボート３７
近傍の温度を、予め設定した危険温１Ｔａ（例えば２０
０〜３００°Ｃ程度）と比較し、万一この危険温度を越
えている場合には、直ちにステップ２９〜３２の異常回
避動作を実行する。また危険温度Ｔａ以下である場合に
は微小な時間差金持った口およびｔ２のタイミングで排
気ボート温度ＴＩ、Ｔ２を読み込み（ステップ２４〜２
６）、これから温度の変化速度（第５図ζ照）１−演算
する。ここで上記のように冷媒補給が正しく行われずに
冷媒液面が低下していたとすると、その変化速度は大き
く、つまり急激な温度上昇の兆候を生じるので、予め実
験的に求めた設定値と比較（ステップ２８）することに
より、絶対的な温度の高低に拘らず異常状態であること
を直ちに検知することができる。尚、上記の設定値は運
転条件等に応じた可変的な値であっても良い。

異常な温度上昇であることを検知した場合には、第２電
磁弁１７１ｒ、「流路Ｂ」として冷媒供給ポンプ４ｔ−
正方向に駆動し、ロアタンク１３からウォータジャケッ
ト２に液相冷媒を補給するとともに、冷却ファン１４ｔ
″ＯＮとして凝縮を促進する。また、これと同時に警報
器３８が駆動され、運転者に対する警告が行われる（ス
テップ２９〜３２）。

発明の効果 以上の説明で明らかなように、この発明に係る沸騰冷却
装置の異常検出装置によれば、液面センサの故障等によ
る液相冷媒不足が生じた場合に、その異常発生全実際に
過度の温度上昇が生じる以前に予測的に検出することが
でき、この種の冷却装置における安全性、信頼性の向上
が図れる。

【図面の簡単な説明】

第１図はこの発明の一実施例を示す構成説明図、第２図
、第３図および第４図はその制御の内容を示すフローチ
ャート、第５図は温度変化の一例を示す説明図である。 １・・・内燃機関、２・・・ウォータジャケット、３・
・・コンデンサ、４・−・冷媒供給ポンプ、１４・・・
冷却ファン、１５・・・冷媒循環通路、１６・・・第１
補助冷媒通路、１７・・・第２電磁弁、２１・・・リザ
ーバタンク、２３・・・第２補助冷媒通路、２４・・・
第３電磁弁、２５・・・空気排出通路、２６・・・第１
電磁弁、３１・・制御装置、３２・・・第１液面センサ
、３３・・・第１温度センサ、３４・・第２液面センサ
、３６・・・４ｇ２温区センサ、３８・・・警報器。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. （１）シリンダヘッドおよびシリンダブロックに形成さ
   れ、かつ液面センサにより規定された設定レベルまで液
   相冷媒が貯留されるウォータジャケットと、ここで発生
   した冷媒蒸気を外気により凝縮するコンデンサと、上記
   液面センサの検出信号に基づき、冷媒液面を上記設定レ
   ベルに維持するように上記コンデンサで凝縮された液相
   冷媒をウォータジャケットに循環供給する冷媒供給ポン
   プとを備えてなる内燃機関の沸騰冷却装置において、上
   記シリンダヘッドあるいはシリンダブロックの比較的熱
   負荷の高い部位に装着された温度センサと、この温度セ
   ンサの検出温度から、その変化速度を求める手段と、上
   記変化速度を設定値と比較して異常の有無を判断する比
   較手段とからなる沸騰冷却装置の異常検出装置。