JPS6183424A - 内燃機関の沸騰冷却装置におけるポンプ異常対策装置 - 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、機関のウォータジャケットに所定レベルまで
液相冷媒を貯留してその沸騰気化により効率の良い機関
の冷却を行い、発生蒸気をコンデンサにより凝縮液化し
てポンプによりウォータジャケットに循環供給するよう
にした内燃機関の沸騰冷却装置において、ポンプの異常
時に冷媒の循環機能を確保するためのポンプ異常対策装
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。

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いる（例えば特公昭５７−５
７６０８号公報、特開昭５７−６２９１２号公報参照）
。これは基本的には、ウォータジャケット内で液相冷媒
（冷却水）を沸騰気化させ、その発生蒸気を外部のコン
デンサに導いて凝縮液化させた後に、再度ウォータジャ
ケット内に循環供給する構成であって、この冷媒の相変
化を利用した冷却装置によれば、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、かつコンデンサを従来
のラジェータよりも大巾に小型化でき、しかも機関各部
の温度分布の均一化が図れる等の利点が指摘されている
。

但し、このように種々の利点を有すると考えられている
沸騰冷却装置も実際には実用化されるに至っていない。

すなわち上記特公昭５７−５７６０８号公報や特開昭５
７−６２９１２号公報等に記載のものは、冷媒循環系が
一部で大気に開放された非密閉構造となっており、蒸気
化した冷媒の損失が実用上無視できない程度に大きく、
しかも系内から不凝縮気体である空気を完全に除去する
ことが困難であるため、残留空気によって冷却性能が著
しく低下する等の問題を有していたからである。

本出願人は上記のような実情に鑑み、密閉した冷媒循環
系内に所定量の冷媒を封入して沸騰・凝縮のサイクルを
行わせるようにした沸騰冷却装置を先に提案している（
特願昭５９−１００１５７号、特願昭５９−１４０３７
８号等）。これらの装置では、例えば始動時に系内を一
旦液相冷媒で満たした後に空気の侵入を防止しつつ余剰
冷媒をリザーバタンクに排出することによって密閉系内
に所定量の冷媒を封入するようにしてあり、機関運転中
は、冷媒供給ポンプによりウォータジャケットに発生蒸
気相当分の液相冷媒を循環供給し、常に所定レベル以上
に液相冷媒の液面を保って燃焼室壁等の確実な冷却を図
るのである。

また、沸騰冷却装置を用いて車室内暖房を行う場合は、
ウォータジャケットに冷媒取出口と冷媒戻し口とを設け
て、冷媒取出口をヒータコア入口に接続し、ヒータコア
出口をヒータ用ポンプを介して冷媒戻し口に接続するこ
とで、立上がりが良好で安定した暖房性能が得られる。

〈発明が解決しようとする問題点〉 ところで、このような沸騰冷却装置にあっては、ウォー
タジャケット内の液面を監視していて、常に所定レベル
付近になるよう冷媒供給ポンプの流量を制御するから、
冷媒供給ポンプとして、゛機関駆動されるメカニカルポ
ンプを用いることは困難であり、電動式のポンプを用い
る必要がある。しかし、電動式のポンプは、メカニカル
ポンプに比べ、ゴミ等の噛込みが原因でスティック状態
となることも多い。

また、沸騰冷却装置では高温冷媒が流れるため、ポンプ
入口でのキャビテーションの発生の恐れもある。

このようなポンプの作動不良が発生した場合は、ウォー
タジャケット内の液面を所定レベルに維持できなくなり
、次第に液面が低下して、燃焼室壁等が露出し、機関の
焼付き等の原因になる。

そこで本発明は、冷媒供給ポンプの異常時にウォータジ
ャケットへの液相冷媒の補給を可能にして、最低限の動
作を確保することのできる沸騰冷却装置のポンプ異常対
策装置を提供することを目的とする。

く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、冷媒供給ポンプ
の異常時にヒータ用ポンプを利用してウォータジャケッ
トに液相冷媒を補給できるようにしたものである。

具体的には、第１図に示すように、液相冷媒を貯留する
と共に上部に蒸気出口を有する機関のウォータジャケッ
ト２と、上記蒸気出口に接続されて気相冷媒を凝縮液化
すると共に下部に冷媒タンク１３を有するコンデンサ１
０と、上記冷媒タンク１３と上記ウォータジャケット２
との間に設けられた電動式の冷媒供給ポンプ１６とを備
え、更に上記つオークジャケット２からの冷媒取出口に
接続された車室内暖房用のヒータコア１８と、このヒー
タコア１８と上記ウォータジャケット２への冷媒戻し口
との間に設けられたヒータ用ポンプ２２とを備える内燃
機関の沸騰冷却装置において、上記冷媒タンク１３から
の配管を上記ヒータ用ポンプ２２の上流側に切換弁２５
を介して接続する一方、上記冷媒供給ポンプ１６の異常
を検出するポンプ異常検出手段ａと、異常検出時に上記
切換弁２５により上記冷媒タンク１３と上記ヒータ用ポ
ンプ２２の上流側とを連通させて冷媒循環経路を切換え
る切換手段すと、異常検出時に上記ヒータ用ポンプ２２
を強制的に制御するヒータ用ポンプ強制制御手段Ｃとを
設けるようにしたものである。尚、切換弁２５は図示破
線の如くヒータコア１日より上流側に設けてもよい。

〈作用〉 すなわち、ポンプ異常検出手段ａにより冷媒供給ポンプ
１６の異常が検出されたときには、切換手段すにより切
換弁２５を作動させてコンデンサ１０側の冷媒タンク１
３をヒータ用ポンプ２２の上流側に連通させ、またヒー
タ用ポンプ強制制御手段Ｃによりヒータ用ポンプ２２を
作動させて、このヒータ用ポンプ２２によりウォータジ
ャケント２内に液相冷媒を補給するのである。

〈実施例〉 第２図は本発明に係る沸騰冷却装置の一実施例を示して
いる。

第２図において、１は内燃機関、２はウォータジャケッ
トを示している。ウォータジャケット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３及びシリンダヘッド４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の適宜位置に複
数の蒸気出口５が設けられている。これらの蒸気出口５
は蒸気マニホールド６を介して蒸気通路７に連通し、こ
の蒸気通路７は後述するコンデンサ１０のアッパタンク
１１に連通している。また、蒸気マニホールド６には、
冷媒循環系の最上部となる空気排出部８が上方に立上が
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９が密閉している。

コンデンサ１０は、蒸気通路７が接続されるア。

バタンク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
を一時貯留するロアタンク１３（必ずしもコンデンサ１
０と一体であることを要しない。）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のため
電動式の冷却ファン１４を備えている。そして、ロアタ
ンク１３にはその下部に冷媒循環通路１５の一端が接続
されている。

冷媒循環通路１５の途中には電動式の冷媒供給゛ポンプ
１６と、後述する第２電磁弁３６とが介装され、冷媒循
環通路１５の他端はウォータジャケット２のシリンダヘ
ッド４側の冷媒人口１７に接続されている。

以上のウォータシャケ・ノド２−蒸気通路７−コンデン
サ１〇−冷媒循環通路１５（冷媒供給ポンプ１６゜第２
電磁弁３６）−ウォータジャケット２の経路によって冷
媒Ｗｉ環系が構成されている。

また、上記冷媒循環系には更に車室内暖房用のヒータコ
ア１日が付設され、冷媒循環経路の一部を構成している
。ヒータコア１８は、コンデンサ１０と同様に上下方向
の微細なチューブを主体としており、その上部の入口１
８ａにはウォータジャケット２のシリンダブロック３側
に設けた冷媒取出口１９からのヒータ用冷媒通路２０が
接続されている。そして、ヒータコア１８の下部の出口
１８ｂからのヒータ用冷媒通路２１の途中にはヒータ用
ポンプ２２が介装され、この冷媒通路２１はウォータジ
ャケット２のシリンダヘッド４側に設けた冷媒戻し口２
３に接続されている。尚、２４はプロワを示している。

ここで、ヒータ用ポンプ２２上流のヒータ用冷媒通路２
１には電磁三方弁である切換弁２５が介装されている。

そして、ロアタンク１３の下部からの補助冷媒循環通路
２６を切換弁２５を介してヒータ用ポンプ２２上流のヒ
ータ用冷媒通路２１に接続しである。

この切換弁２５は、通常の状態では補助冷媒循環通路２
６を遮断してヒータ用冷媒通路２１を連通状態（流路Ｘ
）にし、後述の如く切換えられるとヒータ用冷媒通路２
１を遮断して補助冷媒循環通路２６をヒータ用ポンプ２
２に接続状態（流路Ｙ）にするものである。

次に３０はリザーバタンクを示し、このリザーバタンク
３０は上記冷媒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、ウォータジャケット２と略等
しい高さ位置に設置され、通気機能を有するキャップ３
１を介して大気に開放されている。

そして、上記冷媒循環系の最上部となる蒸気マニホール
ド６の空気排出部８に、系内の空気を排出するため、常
閉型の第１電磁弁３２を介して空気排出通路３３を接続
し、かつ空気排出時に同時２こ溢れ出る液相冷媒を回収
するため、この空気排出通路３３の先端部をリザーバタ
ンク３０内に開口させである。

また、リザーバタンク３０の底部には補助冷媒通路３４
．３５が接続されている。一方の補助冷媒通路３４は三
方弁である第２電磁弁３６を介して冷媒循環通路１５に
接続されている。第２電磁弁３６は、消磁状態では冷媒
循環通路１５を遮断して補助冷媒通路３４によりロアタ
ンク１３とリザーバタンク３０とを冷媒供給ポンプ１６
を介して連通状Ｂ（流路Ａ）にし、励磁状態では補助冷
媒通路３４を遮断して冷媒循環通路１５を連通状態（流
路Ｂ）にするものである。

ここで、冷媒供給ポンプ１６としては、正逆両方向に液
相冷媒を圧送できるものが用いられており、第２電磁弁
３６が流路Ａの状態で冷媒供給ポンプ１６を正方向に駆
動すれば、ロアタンク１３からリザーバタンク１８へ液
相冷媒を強制的に排出でき、逆方向に駆動すれば、リザ
ーバタンク３０からロアタンク１３へ液相冷媒を強制的
に導入でき、更に第２電磁弁３６が流路Ｂの状態で冷媒
供給ポンプ１６を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。

また、他方の補助冷媒通路３５はロアタンク１３の比較
的上部に接続されていて、その途中には第３電磁弁３７
が介装されている。

上記各電磁弁３２．３６．３７、冷媒供給ポンプ１６、
冷却ファン１４、ヒータ用ポンプ２２及び切換弁２５は
、マイクロコンピュータ内蔵の制御装置４０によって駆
動側、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４１、ロアタンク１３に設
けた第２液面センサ４２、ウォータジャケット２に設け
た温度センサ４３、空気排出部８に設けた負圧スイッチ
４４等の各検出信号に基づいて後述する制御が行われる
。４５はバッテリ、４６はイグニッションスイッチ、４
７はヒータスイッチである。

尚、第１及び第２液面センサ４１．４２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を用いて冷媒
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４１はその検出レ
ベルがシリンダヘッド４の略中間程度の高さ位置に設定
され、第２液面センサ４２はその検出レベルが補助冷媒
通路３５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４３は第１液面センサ４１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す
るようになっている。また、負圧スイッチ４４は大気圧
と系内圧力との差圧に応動するダイアフラムを用いたも
ので、使用環境下における大気圧に対し系内が負圧であ
るか否かをオンオフ的に検出するようになっている。

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４１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
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７を介してコンデンサ１０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。そして
、液化した冷媒はコンデンサ１０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１６
によって、ウオータジヤケブト２内の液面を所定レベル
以上に保つように再びウォータジャケット２へ循環供給
される。

また、ヒータスイッチ４７がオン操作されると、ヒータ
用ポンプ２２が作動し、ウォータジャケット２から冷媒
の一部がヒータ用冷媒通路２０を介してヒータコア１８
に４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
た冷媒はヒータ用ポンプ２２によりヒータ用冷媒通路２
１を通じてウォータジャケット２に戻され、再びウォー
タジャケット２の冷却に使用される。

次に制御の概要を第３図のフローチャートを参照しつつ
説明すると、機関始動時に先ず空気排出制御（Ｒ１）を
行う（但し冷間始動時のみ）。これは、第１電磁弁３２
を開、第２電磁弁３６を流路Ａ、第３電磁弁３７を閉と
して、冷媒供給ポンプ１６を所定時間逆転駆動すること
により、系外のりザーバタンク３０から補助冷媒通路３
４を通じて液相冷媒を系内に導入して、系内を完全に満
水状態にし、系内に残存していた空気を系上部に集めて
空気排出通路３３を通じリザーバタンク３０に排出させ
る。

次に暖機制御（Ｒ２）を行う。これは、第１電磁弁３２
を閉、第２電磁弁３６を流路Ｂ、第３電磁弁３７を開と
して、ロアタンク１３とリザーバタンク３０とを連通状
態、すなわち系内を大気開放したまま、待機する。そし
て、ウォータジャケット２内での沸騰開始により系内の
余剰冷媒をロアタンク１３から補助冷媒通路３５を通じ
てリザーバタンク３０に排出させる。そして、ウォータ
ジャケット２内の冷媒温度が目標温度に達するか、ウォ
ータジャケット２若しくはロアタンク１３内の液面のい
ずれかが設定レベル以下となった時点で、第３電磁弁３
７を閉として、系内を密閉状態にする。

以降は、温度制御（ファン制御〉、液面制御（ポンプ制
御）等の制御ループを機関停止まで繰返し行う。

温度制御（Ｒ３）は、ウォータジャケット２内の冷媒温
度が目標温度となるよう冷却ファン１４をＯＮ・ＯＦＦ
するものであり、液面制御（Ｒ４）は、ウォータジャケ
ット２内の液面レベルに応じて冷媒供給ポンプ１６をＯ
Ｎ・ＯＦＦ　（正転・停止）し、液相冷媒の循環供給に
よりウォータジャケット２内の液面を設定レベル以上に
保つものである。

この場合、系内温度が所定範囲内にあって、しかもロア
タンク１３内の液面が設定レベル以下である限り、系内
を密閉状態にしたまま上記の制御が繰返えされる。

また、ウォータシャケ・シト２内の冷媒温度が目標温度
を大きく上回った場合で、かつロアタンク１３内の液面
が設定レベル以上の場合は、コンデンサ１０の放熱面積
を実質的に拡張するため、コンデンサ内液面低下制御（
Ｒ５）を行う。これは、密閉状態から冷媒供給ポンプ１
６を正転駆動し、ウォータジャケット２内の液面のレベ
ルに応じて第２電磁弁３６を切換え、ウォータジャケッ
ト２内の液面を確保しながら、ロアタンク１３内の液相
冷媒をリザーバタンク３０に排出して、コンデンサ１０
の放熱面積を拡張する。

また、ウォータジャケット２内の冷媒温度が目標温度を
太き（下回っている場合は、コンデンサ１０の放熱面積
を実質的に縮小するため、コンデンサ内液面上昇制御（
Ｒ６）を行う。これは、系内が負圧の場合は、第３電磁
弁３７を開として、リザーバタンク１８よりロアタンク
１３に液相冷媒を導入し、また、系内が正圧の場合は、
第２電磁弁３６を流路Ａにすると共に、冷媒供給ポンプ
１６を逆転駆動して、リザーバタンク３０より系内に液
相冷媒を導入する。

尚、各制御の詳細は特願昭５９−１４０３７８号に記載
されている。

一方、かかる制御中、所定時間毎に第４図に示すフロー
チャートに従ってポンプ異常検出の割込みルーチンが実
行される。・ このポンプ異常検出ルーチンについて説明すると、ステ
ップ１　（図ではＳｌ）でポンプ１６に対しＯＮ指令が
発せられているか否かを判定し、ＮＯの場合はこのルー
チンを終了する。

ステップ１でＹＥＳの場合は、ステップ２へ進んで冷媒
供給ポンプ１６のモータ電流値Ｉを読込む。

具体的には冷媒供給ポンプ１６のモータの接地端子側に
電流検出用抵抗５０を介装しておき、その端子電圧Ｖ＝
ＩＲを検出すればよい。次にステップ３で検出電流値Ｉ
を予め定めた上限値Ｉ　ｍａｘ及び下限値１ｍ１ｎと比
較する。

ステップ３での判定で、ｌｍ１ｎ≦Ｉ≦Ｉ　ｍａｘであ
れば、正常であるとみなして、このルーチンを終了する
。

しかし、Ｉ＜ｌｍ１ｎの場合は、断線等の他、キャビテ
ーションの発生による冷媒供給ポンプ１６の空回り等で
あると考えられ、異常であるので、第５図のフローチャ
ートに示すポンプ異常処理ルーチンへ制御を移す。

また、Ｉ　＞　Ｉ　ｍａｘの場合は、冷媒供給ポンプ１
６へのゴミ等の噛込みによるスティック状態等であると
考えられ、異常であるので、同様に第５図のフローチャ
ートに示すポンプ異常処理ルーチンへ制御を移す。

このポンプ異常処理ルーチンについて説明すると、ステ
ップ１１で冷媒供給ポンプ１６に対しＯＦＦ指令を発し
、次のステップ１２で切換弁２５をＯＮにして、該切換
弁２５を流路Ｙの状態に切換える。以降は、ステップ１
３で第１液面センサ４１からの検出信号に基づいてウォ
ータジャケット２内の液面が設定レベル以上であるか否
かを判定し、設定レベル未満の場合はステップ１４でヒ
ータ用ポンプ２２をＯＮさせ、設定レベル以上となった
場合にステップ１５でヒータ用ポンプ２２をＯＦＦにす
る。

このように冷媒供給ポンプ１６の異常時には、切換弁２
５を切換えて、コンデンサｌＯのロアタンク１３から補
助冷媒循環通路２６によりヒータ用ポンプ２２に液相冷
媒を導き、ヒータスイッチ４７とは無関係にウォータジ
ャケット２内の液面のレベルに応じてヒータ用ポンプ２
２を０Ｎ−ＯＦＦして、ウォータジャケット２内の液面
を設定レベル以上に保つのである。

但し、このポンプ異常処理ルーチンは冷媒循環系を密閉
している状態で実行される。また、この異常処理ルーチ
ンの実行中はウオーニングランプ等により異常表示を行
い、運転者に警報を発する必要のあることは言うまでも
ない。

尚、この実施例では、冷媒供給ポンプ１６の異常をモー
タ電流値から検出するようにしたが、光電式ピックアッ
プ等を用いてポンプ１６の回転速度を測定し、回転速度
から異常の有無を判定するようにしてもよいし、また、
冷媒供給ポンプ１６を所定時間以上ＯＮさせてもウォー
タジャケット２内の液面が設定レベルに達しない場合な
どを検出し、これを異常とみなしてもよく、ポンプ異常
検出については種々の方法が考えられる。

〈発明の効果） 以上説明したように本発明によれば、沸騰冷却装置にお
ける冷媒供給ポンプの異常時にヒータ用ポンプを利用し
てウォータジャケットへ液相冷媒を補給することができ
るようになるので、冷媒供給ポンプの作動不良のｍｘに
よりウォータジャケット内の液面が大巾に低下して燃焼
室壁等が露出し焼付き等を生じるのを未然に防止でき、
効率の良い冷却を行うことのできる沸騰冷却装置の安全
性を向上させ、その価値を更に高めることができるとい
う効果が得られる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の構成を示すブロック図、第２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３図
は制御の概要を示すフローチャート、第４図はポンプ異
常検出ルーチンのフローチャート、第５図はポンプ異常
処理ルーチンの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５・
・・蒸気出口　　７・・・蒸気通路　　１０・・・コン
デンサ　　１３・・・ロアタンク　　１５・・・冷媒循
環通路１６・・・冷媒供給ポンプ　　１７・・・冷媒入
口　　１８・・・ヒータコア　　２０．２１・・・ヒー
タ用冷媒通路　　２２・・・ヒータ用ポンプ　　２５・
・・切換弁　　２６・・・補助冷媒循環通路　　３０・
・・リザーバタンク　　３２・・・第１電磁弁　　３６
・・・第２電磁弁　　３７・・・第３電磁弁４０・・・
制御装置　　４工・・・第１液面センサ　　４２・・・
第２液面センサ　　４３・・・温度センサ　　５０・・
・電流検出用抵抗

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 液相冷媒を貯留すると共に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て気
   相冷媒を凝縮液化すると共に下部に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電動式の冷媒供給ポンプとを備え
   、更に上記ウォータジャケットからの冷媒取出口に接続
   された車室内暖房用のヒータコアと、このヒータコアと
   上記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備える内燃機関の沸騰冷却装置
   において、上記冷媒タンクからの配管を上記ヒータ用ポ
   ンプの上流側に切換弁を介して接続する一方、上記冷媒
   供給ポンプの異常を検出するポンプ異常検出手段と、異
   常検出時に上記切換弁により上記冷媒タンクと上記ヒー
   タ用ポンプの上流側とを連通させて冷媒循環経路を切換
   える切換手段と、異常検出時に上記ヒータ用ポンプを強
   制的に制御するヒータ用ポンプ強制制御手段とを設けた
   ことを特徴とするポンプ異常対策装置。