JP6237486B2

JP6237486B2 - 沸騰冷却装置

Info

Publication number: JP6237486B2
Application number: JP2014123552A
Authority: JP
Inventors: 日出夫小林
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2014-06-16
Filing date: 2014-06-16
Publication date: 2017-11-29
Anticipated expiration: 2034-06-16
Also published as: JP2016003599A

Description

本発明は、沸騰冷却装置に関する。

内燃機関の冷却装置として、内燃機関の内部に形成された冷媒通路（例えばウォータージャケット）を流れる冷媒の沸騰気化熱を利用して冷却を行う沸騰冷却装置が知られている。沸騰冷却装置では、例えば冷媒通路に気液分離器が接続されている。気液分離器は、冷媒通路から排出された冷媒を液相冷媒と気相冷媒とに分離する。気液分離器で分離された液相冷媒は、ウォーターポンプによって冷却対象である内燃機関に送られる。このような沸騰冷却装置をランキンサイクルと組み合わせた提案として、例えば特許文献１が知られている。

特開２０１０−２８５８９３号公報

ところで、内燃機関に組み込まれる沸騰冷却装置によって発生した蒸気をランキンサイクルで利用しようした場合、気液分離器を通過した後の気相冷媒によってタービン等の膨張器が駆動される。このため、気液分離器を通過した後の気相冷媒に液相冷媒が含まれていると、膨張器が損傷する可能性がある。気液分離器内の液相冷媒の量が適切に管理されていないと、気液分離器を通過した後の気相冷媒に液相冷媒が混入してしまう可能性が高まると考えられる。

そこで、本明細書開示の沸騰冷却装置は、気液分離器内の液相冷媒の量を適切に制御することを課題とする。

かかる課題を解決するために、本明細書に開示された沸騰冷却装置は、内部に形成された冷媒通路内を流通する冷媒が沸騰することにより冷却される内燃機関と、前記内燃機関と膨張器との間に配置され、前記内燃機関から排出された前記冷媒を液相冷媒と気相冷媒とに分離する気液分離器と、前記気液分離器内の液面高さを計測する液面センサと、前記膨張器の下流側に配置され、前記膨張器を通過した前記気相冷媒を冷却して液相冷媒にするコンデンサと、前記コンデンサによって冷却された液相冷媒を貯留するキャッチタンクと、前記気液分離器内の液相冷媒を前記キャッチタンクへ放出する冷媒放出通路と、前記冷媒放出通路に設けられた制御弁と、前記液面センサの計測値に基づいて前記制御弁の開閉制御を行う制御部と、を備える。これにより、気液分離器内の液相冷媒の量を制御し、膨張器に供給される蒸気、すなわち、気相冷媒に液相冷媒が混入することを抑制することができる。

本明細書に開示された沸騰冷却装置は、前記キャッチタンク内の液相冷媒を前記気液分離器へ供給する冷媒供給通路と、前記冷媒供給通路に設けられ、前記液面センサの計測値に基づき前記制御部によって駆動制御されるウォーターポンプと、をさらに備えるようにしてもよい。より適切に気液分離器内の液相冷媒量を制御することができる。

また、前記キャッチタンクは、負圧系統に接続するようにしてもよい。これにより、迅速にキャッチタンク内の圧力を低下させ、気液分離器内との圧力差によって、気液分離器内の液相冷媒をキャッチタンクへ排出することができる。

本明細書開示の沸騰冷却装置によれば、気液分離器内の液相冷媒の量を適切に制御することができる。

図１は実施形態の沸騰冷却装置の概略構成を示す説明図である。図２は実施形態の沸騰冷却装置の制御の一例を示すフロー図である。図３は内燃機関の負荷を示すマップの一例である。

以下、本発明の実施形態について、添付図面を参照しつつ説明する。ただし、図面中、各部の寸法、比率等は、実際のものと完全に一致するようには図示されていない場合がある。また、図面によっては細部が省略されて描かれている場合もある。

（実施形態）
まず、図１を参照しつつ、実施形態の内燃機関の制御装置について説明する。図１は、実施形態の沸騰冷却装置１００の概略構成を示す説明図である。沸騰冷却装置１００は、内燃機関１０の内部に形成された冷媒通路１２を備える。冷媒通路１２は、例えば内燃機関１０の気筒周囲に形成されたウォータージャケットであるが、冷媒通路１２内の冷媒によって内燃機関１０を冷却することが可能であればその他の形態でもよい。冷媒通路１２内を流通する冷媒が内燃機関１０の熱を吸熱して沸騰することにより、内燃機関１０が冷却される。冷媒通路１２内を流れる冷媒は、内燃機関１０の熱を吸熱して沸騰する液体であれば特に限定されない。本実施形態では、水とエチレングリコールを混合した冷媒を用いている。

冷媒通路１２は、内燃機関１０が備えるシリンダヘッドに出口１２ａが設けられており、この出口１２ａには、第１蒸気通路１３が接続されている。第１蒸気通路１３には第１温度センサ１３ａが設けられている。第１温度センサ１３ａは、第１蒸気通路１３内を流通する冷媒の温度を計測する。第１蒸気通路１３の他端は、気液分離器１４に接続されている。第１蒸気通路１３内を流通する冷媒は、主として冷媒通路１２で蒸気化した気相冷媒であるが、液相冷媒が混在することもある。気液分離器１４は、蒸気出口１４ａを備える。蒸気出口１４ａには、第２蒸気通路１５が接続されている。第２蒸気通路１５の他端には、膨張器の一例であるタービン１７が配置されている。気液分離器１４とタービン１７との間の第２蒸気通路１５には、過熱器１６が設けられている。過熱器１６は、後に説明する排気熱蒸気発生器２０を通過した後の排気ガスが供給されることにより、気液分離器１４を通過した後の蒸気にさらに熱を付与する。タービン１７は、過熱器１６から流入した過熱蒸気によって、駆動される。タービン１７には、例えばタービン１７の駆動力を利用して発電を行う発電機が接続される。これにより、内燃機関１０の廃熱を回収することができる。タービン１７の駆動力は、内燃機関１０の駆動力の補助として用いてもよい。このように、本実施形態の沸騰冷却装置１００は、ランキンサイクルとしても機能する。

このように、内燃機関１０とタービン１７との間に配置された気液分離器１４は、内燃機関１０から排出された冷媒を液相冷媒と気相冷媒とに分離する。気液分離器１４は、下側に分離された液相冷媒が貯留される。気液分離器１４の蒸気出口１４ａと過熱器１６との間には、第１開閉弁１５ａが設けられている。第１開閉弁１５ａは、電磁弁であり制御部に相当するＥＣＵ２８に電気的に接続されている。第１開閉弁１５ａが閉弁状態とされると、気液分離器１４からの蒸気の排出が停止する。気液分離器１４の下端には、第１液相冷媒出口１４ｂと第２液相冷媒出口１４ｃが設けられている。第１液相冷媒出口１４ｂには、第１液相冷媒通路１９が接続されている。第１液相冷媒通路１９には、第１ウォーターポンプ（ＷＰ）１９ａが設けられている。第１ウォーターポンプ１９ａは、内燃機関１０内に形成された冷媒通路１２に液相冷媒を供給する。第２液相冷媒出口１４ｃには、第２液相冷媒通路２１が接続されている。第２液相冷媒通路２１の他端は、排気熱蒸気発生器２０に接続されており、排気熱蒸気発生器２０に液相冷媒を供給する。気液分離器１４は、内部の液面高さ、すなわち、貯留された液相冷媒の高さを計測する液面センサ１４ｄを備える。液面センサ１４ｄは、ＥＣＵ２８に電気的に接続されている。

気液分離器１４には、液相の冷媒を排出する排出口１４ｅが設けられている。排出口１４ｅには、後に説明するように、冷媒放出通路２６が接続される。排出口１４ｅの直径及びその設置箇所は、液面センサ１４ｄを用いて制御される液面高さに対応させて設けられている。すなわち、排出口１４ｅの諸言は、液面センサ１４ｄを用いて制御される液面高さ、換言すれば、上限液面及び下限液面を実現できるように設定されている。排出口１４ｅの高さは、液面センサ１４ｄより上方で、液面が排出口１４ｅと同じ高さとなっても液相冷媒が膨張器であるタービン１７に流入することがない高さに設定されている。ただし、仮に、排出口１４ｅが、所望の液面よりも非常に高い位置に設定されると、気液分離器１４内の液相冷媒を適切に排出できず、この結果、気液分離器１４の容積を大きく設定しなければならなくなる。これとは逆に、排出口１４ｅが、所望の液面よりも非常に低い位置に設定されると液相冷媒を排出しすぎることになり、内燃機関１０に供給する液相冷媒が不足して、内燃機関１０の冷却不足を招く可能性がある。排出口１４ｅの諸言は、少なくともこれらの条件を考慮して決定される。

上述のように本実施形態の沸騰冷却装置１００は、排気熱蒸気発生器２０を備える。排気熱蒸気発生器２０は、内燃機関１０が備えるエキゾーストマニホールド１０ａに接続された排気管１８の周囲に設けられている。排気熱蒸気発生器２０は、排気管１８を通じて排出される排気ガスを介して内燃機関１０の廃熱を利用し、蒸気を発生させる。これにより、内燃機関１０の廃熱が有効利用される。排気熱蒸気発生器２０は、内燃機関１０を冷却するために必須ではないが、これを備えることにより、装置全体として廃熱回収の効率を向上させることができる。

排気熱蒸気発生器２０は、出口２０ａを備える。この出口２０ａには、第２蒸気通路２２が接続されている。第２蒸気通路２２には第２温度センサ２２ａが設けられている。第２温度センサ２２ａは、第２蒸気通路２２内を流通する冷媒の温度を計測する。第２蒸気通路２２の他端は、気液分離器１４に接続されている。第２蒸気通路２２内を流通する冷媒は、主として排気熱蒸気発生器２０で蒸気化した気相冷媒であるが、液相冷媒が混在することがある。このように、気液分離器１４は、内燃機関１０で沸騰した冷媒だけでなく、排気熱蒸気発生器２０から排出された冷媒も液相冷媒と気相冷媒とに分離する。

沸騰冷却装置１００は、タービン１７の下流側にタービン１７を通過した気相冷媒を冷却して液相冷媒にするコンデンサ２４を備える。コンデンサ２４には、タービン１７の下流側に設けられた第３蒸気通路２３の他端が接続されている。コンデンサ２４は、熱交換器であり、冷媒と熱交換を行い、冷媒を冷却することにより、気相冷媒を液相冷媒に戻す。第３蒸気通路２３には、一方弁２３ａが設けられており、蒸気がコンデンサ２４側からタービン１７側へ逆流しないようになっている。

沸騰冷却装置１００は、コンデンサ２４によって冷却された液相冷媒、すなわち、気相冷媒から液相冷媒に戻された冷媒を貯留するキャッチタンク２５を備える。キャッチタンク２５は、上側に冷媒入口２５ａを備え、下側に冷媒出口２５ｂを備える。冷媒入口２５ａには、気液分離器１４内の液相冷媒をキャッチタンク２５へ放出する冷媒放出通路２６が接続されている。すなわち、冷媒放出通路２６は、気液分離器１４が備える排出口１４ｅに接続されている。この冷媒放出通路２６には、制御弁に相当する第２開閉弁２６ａが設けられている。第２開閉弁２６ａは、電磁弁でありＥＣＵ２８に電気的に接続されている。冷媒出口２５ｂには、キャッチタンク２５内の液相冷媒を気液分離器１４へ供給する冷媒供給通路２７が接続されている。この、冷媒供給通路２７は、第２ウォーターポンプ（ＷＰ）２７ａが設けられている。第２ウォーターポンプ２７ａは電気式であり、ＥＣＵ２８に電気的に接続されており、液面センサ１４ｄの計測値に基づきＥＣＵ２８によって駆動制御される。第２ウォーターポンプ２７ａには容積型ポンプが採用されている。

コンデンサ２４の上端側には、第１接続パイプ３０を介してリザーブタンク２９と接続されている。リザーブタンク２９は、液相冷媒を貯留する。リザーブタンク２９の下端は、第２接続パイプ３１により、キャッチタンク２５と接続されている。第２接続パイプ３１には、第３開閉弁３１ａが設けられている。第３開閉弁３１ａは、電磁弁であり、ＥＣＵ２８と電気的に接続されている。第３開閉弁３１ａを開弁すると、リザーブタンク２９内の液相冷媒をキャッチタンク２５内に補充することができる。すなわち、リザーブタンク２９内の液相冷媒は、キャッチタンク２５や、キャッチタンク２５と接続された他の箇所における冷媒量が不足しているときに、補充される。沸騰冷却が行われていない状態の沸騰冷却装置１００では、液相冷媒を循環させることがある。このように液相冷媒を循環させるときに、コンデンサ２４は、ラジエータとして機能することができる。コンデンサ２４をラジエータとして機能させる場合に、リザーブタンク２９からコンデンサ２４に液相冷媒を供給できるようになっている。

リザーブタンク２９は、第３接続パイプ３２を介して負圧部３３へ接続されている。ここで、本実施形態における負圧部３３は、内燃機関１０の吸気系統で負圧発生する箇所である。なお、負圧部３３として排気ポンプ等、負圧を利用する箇所を選定し、これらにリザーブタンク２９を接続するようにしてもよい。第３接続パイプ３２には、第４開閉弁３２ａが設けられている。第４開閉弁３２ａは、電磁弁であり、ＥＣＵ２８と電気的に接続されている。第４開閉弁３２ａが開弁すると、コンデンサ２４からキャッチタンク２５にかけての領域の圧力が低下する。この状態で第２開閉弁２６ａを開弁すると、気液分離器１４内の圧力とキャッチタンク２５内の圧力との差によって気液分離器１４内の液相冷媒が、キャッチタンク２５へ排出される。なお、ランキンサイクルを形成する沸騰冷却装置１００において、タービン１７の下流側に位置するコンデンサ２４やキャッチタンク２５は、その上流側と比較して低圧状態となるが、負圧部３３と接続することにより、コンデンサ２４やキャッチタンク２５をより圧力が低い状態とすることができる。

沸騰冷却装置１００は、制御部としてのＥＣＵ２８を備える。ＥＣＵ２８は、上述のように、各種センサ、各種開閉弁等に接続されており、各部の動作を制御する。ＥＣＵ２８の制御は、ＣＰＵ（Central Processing Unit）等のハードウエアとＲＯＭ（Read Only Memory）等に記憶されたソフトウエアとの協働によって実行される。ＥＣＵ２８は、計時部２８ａを備える。計時部２８ａは、後に説明する制御の一例において、時間の計測を行う。

つぎに、図２及び図３を参照しつつ、沸騰冷却装置１００において実施される制御の一例について説明する。図２は実施形態の沸騰冷却装置１００の制御の一例を示すフロー図である。図３は内燃機関の負荷を示すマップの一例である。

沸騰冷却装置１００における制御は、内燃機関１０が始動することによって開始される。内燃機関１０が始動したら、まず、第４開閉弁３２ａを開弁しておく（ステップＳ０）。これにより、負圧部３３と連通されたリザーブタンク２９、コンデンサ２４及びキャッチタンク２５内を低圧にする。なお、第４開閉弁３２ａの開弁は、内燃機関１０が完全に始動した後でなく、例えば、イグニションがオンとされたタイミングで行ってもよい。また、このタイミングと同時に、または、多少前後するタイミングで内燃機関１０各部の温度を計測しておく。ステップＳ０に引き続き、また、これと同時に行われるテップＳ１では、内燃機関１０が冷間始動状態であるか否かを判断する。本実施形態では、冷媒通路１２に設置された温度センサの計測値に基づいて判定しているが、第１温度センサ１３ａや第２温度センサ２２ａによる計測値を用いて判断してもよい。要は、内燃機関１０の暖機状態を判断することができれば、どのような手段を採用してもよい。暖機完了か否かは、冷媒が所定の閾値を超えたか否かによって判断する。ステップＳ１でＹＥＳと判断したとき、すなわち、内燃機関１０が冷間始動であるときは、ステップＳ２において、第２温度センサ２２ａの計測値が閾値Ｔ１以下であるか否かを判断する。ステップＳ２でＹＥＳと判断したときはステップＳ３へ進む。ステップＳ３では、第１温度センサ１３ａの計測値が閾値Ｔ１以下であるか否かを判断する。ステップＳ３でＹＥＳと判断したときは、ステップＳ４へ進む。ステップＳ４では、第１開閉弁１５ａ及び第２開閉弁２６ａを共に閉弁状態とする。ステップＳ４の措置を行った後は、再び、ステップＳ２からの措置を繰り返す。これは、内燃機関１０の暖機が完了し、液相冷媒が気相冷媒に変化できる状態になるのを待機するためである。

一方、ステップＳ２でＮＯと判断した場合とステップＳ３でＮＯと判断したときは、いずれもステップＳ５へ進む。ステップＳ５では、第１開閉弁１５ａの閉弁状態を維持しつつ、第２開閉弁２６ａを開弁する。これにより、圧力が低い状態となっているキャッチタンク２５と気液分離器１４とが連通された状態となる。この結果、気液分離器１４と第１蒸気通路１３で接続された冷媒通路１２や、気液分離器１４と第２蒸気通路２２で接続された排気熱蒸気発生器２０における液相冷媒の沸騰が開始される。これは、内燃機関１０や排気熱蒸気発生器２０内の液相冷媒は、温度が上昇している状態で、冷媒通路１２や排気熱蒸気発生器２０の圧力を低下させると、沸騰しやすくなるためである。なお、内燃機関１０と排気熱蒸気発生器２０とを比較すると、高温の排気ガスと接し、かつ、熱容量が小さい排気熱蒸気発生器２０の方が、温度上昇が早い傾向がある。このため、本実施形態では、排気熱蒸気発生器２０側の第２温度センサ２２ａの計測値に基づく暖機判断（ステップＳ２）を第１温度センサ１３ａの計測値に基づく暖機判断（ステップＳ３）に先行して行っている。

ステップＳ５において、第２開閉弁２６ａが開弁され、冷媒通路１２や排気熱蒸気発生器２０において、沸騰が開始されると、沸騰により押された液相冷媒が排出口１４ｅを通じて冷媒放出通路２６へ押し出される。押し出された液相冷媒は、キャッチタンク２５へ送られる。

ステップＳ５に引き続き行われるステップＳ６では、液面センサ１４ｄにより下限液面に到達したことが検出されたか否かを判断する。ステップＳ６でＮＯと判断したときは、ステップＳ６でＹＥＳと判断するまでその処理を繰り返す。すなわち。下限液面に到達したか否かを監視する。

ステップＳ６でＹＥＳと判断したときは、ステップＳ７へ進む。ステップＳ７では、第１開閉弁１５ａを開弁し、第２開閉弁２６ａを閉弁する。第１開閉弁１５ａが開弁されることにより、気液分離器１４、過熱器１６、さらにはタービン１７が連通する状態となり、気相冷媒、すなわち、蒸気によりタービン１７が駆動されるようになる。このとき、気液分離器１４内の液面高さは、下限液面に制御されている。このため、液相冷媒が過熱器１６やタービン１７側に流出することが抑制される。仮に、排気ガスが導入されて高温となっている過熱器１６に液相冷媒が流入すると、過熱器１６が蒸発潜熱により急激に冷却され、過熱器１６を構成する部材に大きな温度分布が生じ、熱歪で過熱器１６が破損する可能性がある。過熱器１６への液体冷媒の流入が回避されれば、このような事態が抑制される。また、仮に、液相冷媒がタービン１７に流入すると、高速で回転するタービンに液相冷媒が衝突し、タービン１７の出力が低下したり、翼が破損したりする可能性がある。タービン１７への液体冷媒の流入が回避されれば、このような事態が抑制される。

過熱器１６やタービン１７への液相冷媒の流入を抑制するために、仮に、冷間始動後において冷媒通路１２や排気熱蒸気発生器２０内で沸騰が発生する前に予め液相冷媒の量を減らしておくことが考えられる。しかしながら、このように事前に液相冷媒の量を減らしてしまうと、冷媒通路１２や排気熱蒸気発生器２０の構成壁の一部が液相冷媒から露出する。この結果、温度分布が発生して、熱歪等に起因する各部の破損の可能性がある。このため、事前に液相冷媒の量を減らしておく措置を採用することはできない。そこで、沸騰が開始されたタイミングで気液分離器１４に設けた排出口１４ｅから液相冷媒を排出することで、過熱器１６やタービン１７への液相冷媒の流入や、液相冷媒の不足による冷媒通路１２や排気熱蒸気発生器２０の露出を回避できる。

なお、ステップＳ７において、第２開閉弁２６ａを閉弁するのは、気相冷媒である蒸気がキャッチタンク２５側へ流出することを回避するためである。

ステップＳ７に引き続き、ステップＳ８では、計時部２８ａによるカウントを開始し、ステップＳ９において、第２ウォーターポンプ２７ａの駆動を開始する。計時部２８ａは、第２ウォーターポンプ２７ａの駆動時間を計測する。ステップＳ９に引き続き行われるステップＳ１０では、液面センサ１４ｄにより上限液面を検出したか否かを判断する。ステップＳ１０でＮＯと判断したときは、ステップＳ９からの処理を繰り返す。すなわち、第２ウォーターポンプ２７ａの駆動を継続する。ステップＳ１０でＹＥＳと判断したときは、ステップＳ１１へ進む。ステップＳ１１では、第２ウォーターポンプ２７ａを停止するとともに、計時部２８ａによるカウントを停止する。このように、第２ウォーターポンプ２７ａを駆動するのは、沸騰で減少した液相冷媒を補うためである。すなわち、気液分離器１４は、第１液相冷媒通路１９を介して冷媒通路１２と連通し、第２液相冷媒通路２１を介して排気熱蒸気発生器２０と連通している。そして、冷媒通路１２や排気熱蒸気発生器２０に液相冷媒を供給する。このため、気液分離器１４内の液相冷媒は減少する。第２ウォーターポンプ２７ａを駆動することにより、この減少分を補うことができる。

ステップＳ１２では、下限液面から上限液面までの到達時間が基準送水時間ｔ１よりも短いか否かを判断する。基準送水時間ｔ１は、予め、ＥＣＵ２８内に記憶されている。ここで、基準送水時間ｔ１とは、第２ウォーターポンプ２７ａを駆動することによって下限液面から上限液面に到達する量の液相冷媒を供給したときに、必要となる時間である。従って、液面の変化が第２ウォーターポンプ２７ａによる液相冷媒の供給によってのみ起こると仮定すると、基準送水時間ｔ１が経過することにより液面は下限液面から上限液面に到達することになる。従って、下限液面から上限液面までの到達時間が基準送水時間ｔ１よりも短かった場合は、液相冷媒を増やす他の原因があることが考えられる。ここで、液相冷媒を増やす原因として考えられるのは、冷媒通路１２や排気熱蒸気発生器２０からの液相冷媒の流入である。例えば、液相冷媒の温度が低く、実際には冷媒通路１２や排気熱蒸気発生器２０内で沸騰していなかったが、ステップＳ７において第１開閉弁１５ａを開弁し、気液分離器１４内の圧力がさらに下がることで沸騰が開始された場合が想定される。そこで、本実施形態では、ステップＳ１２でＹＥＳと判断したときは、ステップＳ１３において第１開閉弁１５ａとともに第２開閉弁２６ａを開弁する。これにより、気液分離器１４内の液相冷媒をキャッチタンク２５側へ排出することができる。なお、第２ウォーターポンプ２７ａが駆動されていない状態で気液分離器１４内の液相冷媒が増加した場合も同様の現象が生じていると判断して、第２開閉弁２６ａを開弁する措置を取ることができる。

一方、ステップＳ１２でＮＯと判断したときは、ステップＳ１３の処置をスキップしてステップＳ１４へ進む。

ステップＳ１２又はステップＳ１３に引き続き行われるステップＳ１４では、再び、液面センサ１４ｄにより下限液面を検出したか否かを判断する。ステップＳ１４でＮＯと判断したときは、ステップＳ１１からの処理を繰り返す。一方、ステップＳ１４でＹＥＳと判断したときは、ステップＳ１５においてイグニションがオフとされたか否かを判断する。これは、一連の制御を終了させるか否かを判断するための措置であり、ステップＳ１５でＹＥＳと判断したときは、一連の処置は終了となる（エンド）。一方、ステップＳ１５でＮＯと判断したときは、ステップＳ８からの処理を繰り返す。

このように、気液分離器１４内の液相冷媒の液面高さを制御することにより、液面高さを上限液面と下限液面との間の適正範囲内に収まるようにすることができる。

つぎに、ステップＳ１でＮＯと判断したとき、すなわち、内燃機関１０の暖機が完了した状態であるときについて説明する。ステップＳ１でＮＯと判断したときは、ステップＳ１６へ進む。ステップＳ１６〜Ｓ２４の措置は、内燃機関１０がどのような状態であっても、気液分離器１４内の液相冷媒の量が適切に制御されるように、優先的に行われる割り込み制御について規定している。ステップＳ１６では、第１開閉弁１５ａを開弁し、第２開閉弁２６ａを閉弁しておく。すなわち、内燃機関１０は、すでに暖機が完了しており、気相冷媒をタービン１７に供給可能な状態になっている。そこで、第１開閉弁１５ａを開弁し、蒸気をタービン１７に供給する状態とする。このとき、蒸気がキャッチタンク２５側に流出しないように第２開閉弁２６ａは閉弁しておく。

ステップＳ１６に引き続き行われるステップＳ１７では、内燃機関１０の稼働状態の変化について判断する。具体的に、急激な高負荷への変化があったか否かを判断する。図３を参照すると、例えば、アイドリング状態を含む低負荷領域と高負荷領域が規定されている。ＥＣＵ２８は、低負荷領域から高負荷領域への変化があったときに、その変化が予め定められた閾値ｔ２よりも短かったか否かを判断する。変化時間が閾値ｔ２よりも短かった場合は、急激な高負荷への変化があったとしてステップＳ１７においてＹＥＳと判断する。ステップＳ１７でＹＥＳと判断したときは、ステップＳ１８へ進む。なお、ステップＳ１７でＮＯと判断したときは、ステップＳ８以降の措置に移行する。

ステップＳ１８では、計時部２８ａによるカウントを開始し、これと同時にまたは、これに引き続いて第２ウォーターポンプ２７ａを停止する（ステップＳ１９）。そして、ステップＳ２０で液面センサ１４ｄにより上限液面を検出したか否かを判断する。ステップＳ２０でＹＥＳと判断したときは、ステップＳ２１でカウントを停止する。ステップＳ２１でカウントを停止した後は、ステップＳ２２において、閾値ｔ３以内で上限液面に到達したか否かを判断する。ここで、閾値ｔ３は、内燃機関１０が図３に示す低負荷領域にあるときの液面高さから上限液面に到達するまでの標準的な時間として予め適合により定められた値である。ステップＳ２２でＹＥＳと判断したときは、その後、ステップＳ８以降の措置に移行する。

ステップＳ２２でＹＥＳと判断したときは、ステップＳ２３へ進む。ステップＳ２３では、第１開閉弁１５ａとともに第２開閉弁２６ａを開弁する。ステップＳ１３の場合と同様に、気液分離器１４内の液相冷媒をキャッチタンク２５側へ排出することができる。ステップＳ３に引き続き行われるステップＳ２４では、液面センサ１４ｄが下限液面を検出したか否かを判断する。ステップＳ２４でＮＯと判断したときは、ステップＳ２３からの措置を繰り返す。ステップＳ２４でＹＥＳと判断したときは、内燃機関１０が急激に高負荷領域に変化したことに起因する現象が終息したと考えることができるため、その後、ステップＳ８以降の措置に移行する。

ここで、第２ウォーターポンプ２７ａを停止しているにも関わらず、気液分離器１４内の液面が上昇する理由について説明する。内燃機関１０の暖機後であっても、内燃機関１０がアイドル状態等の極低負荷の状態であると、蒸気発生量が極端に減少する。このため、冷媒通路１２や排気熱蒸気発生器２０の圧力が低下する。この結果、気液分離器１４から冷媒通路１２や排気熱蒸気発生器２０へ液相冷媒が流れ込み、冷媒通路１２や排気熱蒸気発生器２０は、液相冷媒で満たされてしまう。一方、冷媒通路１２や排気熱蒸気発生器２０に液相冷媒を送り込んだ気液分離器１４内の液相冷媒は減少する。この結果、液面センサ１４ｄの検出値に基づいて第２ウォーターポンプ２７ａが駆動され、キャッチタンク２５内の液相冷媒が気液分離器１４内に供給されるため、冷媒通路１２や排気熱蒸気発生器２０が含まれる系の液相冷媒量が増えてしまう。このような状態から、内燃機関１０が急激に高負荷状態となると、発生した蒸気とともに液相冷媒も気液分離器１４内へ押し出され、ひいては、液相冷媒が過熱器１６やタービン１７に流入する可能性が高くなる。液相冷媒は、蒸発により、徐々に減少するが、気液分離器１４内の液相冷媒を急激に減少させることは困難である。そこで、ステップＳ２３において第２開閉弁２６ａを開弁することにより気液分離器１４内の液相冷媒をキャッチタンク２５へ排出する。

内燃機関１０が車両搭載用である場合、負荷の急激な変化は頻繁に生じうるが、ステップＳ１６からステップＳ２４までの制御を割り込ませることにより、気液分離器１４内の液相冷媒の量を適切に制御することができる。

上記実施形態は本発明を実施するための例にすぎず、本発明はこれらに限定されるものではなく、これらの実施例を種々変形することは本発明の範囲内であり、更に本発明の範囲内において、他の様々な実施例が可能であることは上記記載から自明である。

１０内燃機関
１２冷媒通路（ウォータージャケット）
１３第１蒸気通路
１４気液分離器
１４ａ蒸気出口
１４ｂ第１液相冷媒出口
１４ｃ第２液相冷媒出口
１４ｄ液面センサ
１４ｅ排出口
１５第２蒸気通路
１５ａ第１開閉弁
１６過熱器
１７タービン（膨張器）
２０排気熱蒸気発生器
２４コンデンサ
２５キャッチタンク
２７ａ第２ウォーターポンプ
２８ＥＣＵ
２８ａ計時部

Claims

内部に形成された冷媒通路内を流通する冷媒が沸騰することにより冷却される内燃機関と、
前記内燃機関と膨張器との間に配置され、前記内燃機関から排出された前記冷媒を液相冷媒と気相冷媒とに分離する気液分離器と、
前記気液分離器内の液面高さを計測する液面センサと、
前記膨張器の下流側に配置され、前記膨張器を通過した前記気相冷媒を冷却して液相冷媒にするコンデンサと、
前記コンデンサによって冷却された液相冷媒を貯留するキャッチタンクと、
前記気液分離器内の液相冷媒を前記キャッチタンクへ放出する冷媒放出通路と、
前記冷媒放出通路に設けられた制御弁と、
前記液面センサの計測値に基づいて前記制御弁の開閉制御を行う制御部と、
前記キャッチタンク内の液相冷媒を前記気液分離器へ供給する冷媒供給通路と、
前記冷媒供給通路に設けられ、前記液面センサの計測値に基づき前記制御部によって駆動制御されるウォーターポンプと、を備え、
前記制御部は、前記内燃機関の暖機が完了したと判断したときに、前記制御弁を開弁し、その後、前記液面センサの計測値に基づいて、前記液面高さが下限液面に達したと判断したときに、前記制御弁を閉弁しつつ前記ウォーターポンプを駆動し、その後、前記液面センサの計測値に基づいて、前記液面高さが上限液面に達したと判断したときに、前記ウォーターポンプの駆動を停止する制御を行う沸騰冷却装置。
前記キャッチタンクは、負圧系統に接続された請求項１に記載の沸騰冷却装置。