JP2009216262A

JP2009216262A - 沸騰冷却装置及び冷却方法

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Publication number: JP2009216262A
Application number: JP2008058044A
Authority: JP
Inventors: Naomi Ohara; 尚己大原; Hideto Kubo; 秀人久保; Takashi Fuji; 敬司藤; Hirohisa Kato; 裕久加藤; Yasunari Akiyama; 泰有秋山; Fumihiko Ishiguro; 文彦石黒
Original assignee: Toyota Industries Corp
Current assignee: Toyota Industries Corp
Priority date: 2008-03-07
Filing date: 2008-03-07
Publication date: 2009-09-24
Anticipated expiration: 2028-03-07
Also published as: JP5326302B2

Abstract

【課題】熱交換器全体としての冷却能力を低下させることなく、冷媒圧送手段の動力消費量を低減する。
【解決手段】沸騰冷却装置１９は、一部が沸騰した状態で排出された第１〜第３冷媒を冷媒液化部２４に導き、冷媒液化部２４で液化された液冷媒を熱交換器２０に供給する第１〜第３循環流路２１〜２３を備えている。第１〜第３循環流路２１〜２３の第１〜第３供給流路５６〜５８には、冷媒液化部２４で液化された液冷媒を圧送する第１〜第３ポンプ５９〜６１が設けられている。コントロールユニット６８は、熱交換器２０の第１〜第３冷媒排出配管３３〜３５から排出されるＥＧＲガスの目標温度を設定する。コントロールユニット６８は、ＥＧＲガスを目標温度にまで冷却することができ、なおかつ第１〜第３ポンプ５９〜６１の消費電力が最少となるように第１〜第３冷媒流路４３〜４５を流れる第１〜第３冷媒の流量を制御する。
【選択図】図４

Description

本発明は、沸騰冷却装置及び冷却方法に係り、詳しくは流体を冷却する沸騰冷却装置及び冷却方法に関する。

被冷却流体を冷却する冷却装置として、液冷媒が沸騰するときの蒸発潜熱を利用して被冷却流体を冷却する沸騰冷却装置がある。沸騰冷却装置では、被冷却流体を冷却する際に、液冷媒の一部が沸騰して蒸気化しながら冷却を行うため、液冷媒が沸騰せずに、単に液冷媒と被冷却流体との温度差によって冷却を行う方式に比較して冷却装置の体格が同じでも冷却能力が向上する。

また、従来、蒸発器、凝縮器、循環水ポンプ及び循環水流量制御弁で構成された複数の熱交換ユニットを備え、加熱側ヒートパイプに各ユニットの凝縮器を設けるとともに被加熱側ヒートパイプに各ユニットの蒸発器を設けたセパレート型ヒートパイプの制御装置が提案されている（例えば、特許文献１参照）。図６に示すように、特許文献１に記載のセパレート型ヒートパイプの制御装置では、加熱側ヒートパイプ９０の上流側における排ガス温度及び排ガス流量と、被加熱側ヒートパイプ９１の上流側におけるＢガス温度及びＢガス流量とを考慮して、システムに要求される熱交換量を算出する。そして、算出した熱交換量から各ユニット９２，９３に対する基準流量を関数９４にて設定するとともに、循環水制御弁９６，９７の開度を操作して冷媒の流量を基準流量に調整し、凝縮器９８，９９において蒸気とＢガスとを熱交換させてＢガスを加熱する。また、基準流量は、熱交換量が過大または過小となる制御性の悪い領域で運転されないように決定されるか、負圧運転とならないように決定される。
特開昭６１−２５２４９３号公報

ところが、特許文献１には、熱交換量から各ユニット９２，９３を循環する冷媒の流量を決定することについては記載されているが、各ユニット９２，９３において循環する冷媒の流量の総量について考慮する記載はない。そして、特許文献１に記載のセパレート型ヒートパイプの制御装置において、各ユニット９２，９３における冷媒の流量の総量を考慮しないと、例えば、一方のユニット９２における基準流量を他方のユニット９３における基準流量に比べて過度に大きく設定してしまい、各ユニット９２，９３における基準流量の総量が無駄に多くなることがある。そして、この場合、冷媒圧送手段としての循環ポンプ１００，１０１が余分な冷媒を圧送することになるため、循環ポンプ１００，１０１は無駄に動力を消費してしまうという欠点がある。

本発明は、前記の問題に鑑みてなされたものであり、熱交換器全体としての冷却能力を低下させることなく、冷媒圧送手段の動力消費量を低減することができる沸騰冷却装置を提供することにある。

前記の目的を達成するため、請求項１に記載の発明は、被冷却流体が流れる被冷却流体流路及び前記被冷却流体を目標状態となるように冷却する液相の冷媒が流れる独立した複数の冷媒流路が隔壁で区画されるとともに、前記複数の冷媒流路が前記被冷却流体流路の上流側から下流側に並ぶように形成された熱交換器と、沸騰した冷媒を液化する冷媒液化部と、前記熱交換器から一部が沸騰した状態で排出された冷媒を前記冷媒液化部に導くとともに前記冷媒液化部で液化された冷媒を前記熱交換器に供給する循環流路とを備えた沸騰冷却装置において、前記冷媒液化部と前記熱交換器との間の前記循環流路に設けられ、前記冷媒を圧送する冷媒圧送手段と、前記各冷媒流路を流れるそれぞれの冷媒の流量を制御する冷媒制御手段と、前記各冷媒流路の流量を、前記被冷却流体を前記目標状態になるまで冷却することができ、なおかつ前記冷媒圧送手段の消費動力が最少となる流量に設定する冷媒流量設定手段と、前記各冷媒流路を流れる前記冷媒の流量が前記冷媒流量設定手段により設定された流量となるように前記冷媒制御手段を制御する制御手段と、を備えたことを要旨とする。

この発明では、目標状態にまで被冷却流体を冷却することができるという条件を満たしたうえで冷媒圧送手段の消費動力が最少となるように各冷媒流路を流れる冷媒の流量を制御する。したがって、冷媒圧送手段が無駄に多量の冷媒を圧送して動力を消費するような事態が生じることを抑制でき、冷媒圧送手段の動力消費量を低減することができる。

なお、請求項１における冷媒圧送手段は冷媒制御手段を兼ねていても良い。
請求項２に記載の発明は、請求項１に記載の発明において、前記制御手段は、前記各冷媒流路を流れる前記冷媒の総量が最少となるように前記冷媒制御手段を制御することを要旨とする。

この発明では、冷媒圧送手段は各冷媒流路を流れる冷媒の総量を考慮して、各冷媒流路を流れる冷媒の流量を制御するため、冷媒圧送手段の動力消費量を最少にすることができる。

請求項３に記載の発明は、請求項１又は請求項２に記載の発明において、前記冷媒流路は前記被冷却流体流路との間で熱交換を行う熱交換面を有し、前記被冷却流体流路の上流側に配置された前記冷媒流路ほど、単位熱交換面積当たりの冷媒流量が多いことを要旨とする。

被冷却流体流路の上流側における被冷却流体であるほど温度は高いが、この発明では、被冷却流体流路の上流側に配置された冷媒流路ほど、多くの冷媒を流すことができるため、各冷媒流路における冷媒の沸騰状態を適切な状態にすることができる。

請求項４に記載の発明は、請求項１〜請求項３のいずれか一項に記載の発明において、前記沸騰冷却装置は車両に搭載されるものであり、前記被冷却流体は内燃機関の排ガスの一部を前記内燃機関の吸気側に戻して使用されるＥＧＲガスであるとともに前記内燃機関は複数の運転モードのうちいずれかの運転モードで運転され、前記内燃機関の運転モードを設定するとともに、前記設定した運転モードの情報を前記冷媒流量設定手段に出力する運転モード設定手段とを更に備え、前記冷媒流量設定手段は、前記運転モードと前記各冷媒流路に流す冷媒の目標流量との関係を示すマップを備え、前記マップを参照して冷媒流量を設定することを要旨とする。

内燃機関の運転モードが切り替わると、ＥＧＲガスの量や温度が変化することがあるが、この発明では、運転モードに合わせて適切に各冷媒流路を流れる冷媒の流量を制御することができる。

請求項５に記載の発明は、被冷却流体が流れる被冷却流体流路及び前記被冷却流体を目標状態となるように冷却する液相の冷媒が流れる独立した複数の冷媒流路が隔壁で区画されるとともに、前記複数の冷媒流路が前記被冷却流体流路の上流側から下流側に並ぶように形成された熱交換器と、沸騰した冷媒を液化する冷媒液化部と、前記熱交換器から一部が沸騰した状態で排出された冷媒を前記冷媒液化部に導くとともに前記冷媒液化部で液化された冷媒を前記熱交換器に供給する循環流路とを備えた沸騰冷却装置において、前記冷媒液化部と前記熱交換器との間の前記循環流路に設けられ、前記冷媒を圧送する冷媒圧送手段と、前記各冷媒流路を流れるそれぞれの冷媒の圧力を制御する冷媒制御手段と、前記各冷媒流路を流れる冷媒の圧力を、前記被冷却流体を目標状態になるまで冷却することができ、なおかつ前記冷媒圧送手段の消費動力が最少となる圧力に設定する冷媒圧力設定手段と、前記各冷媒流路を流れる前記冷媒の圧力が前記冷媒圧力設定手段により設定された圧力となるように前記冷媒制御手段を制御する制御手段と、を備えたことを要旨とする。

この発明では、制御手段は、目標状態にまで被冷却流体を冷却できるという条件を満たしたうえで冷媒圧送手段の消費動力が最少となるように各冷媒流路を流れる冷媒の圧力を制御する。したがって、冷媒圧送手段が冷媒を圧送する際に無駄な負荷が作用することを抑制して、冷媒圧送手段の動力消費量を低減することができる。

請求項６に記載の発明は、請求項１〜請求項５のいずれか一項に記載の発明において、前記沸騰冷却装置は車両に搭載されるものであり、前記被冷却流体は、内燃機関の排ガスの一部を前記内燃機関の吸気側に戻して使用されるＥＧＲガスであるとともに前記内燃機関は複数の運転モードのうちいずれかの運転モードで運転され、前記熱交換器の被冷却流体出口部から排出される被冷却流体の目標温度を設定する目標温度設定手段と、前記内燃機関の運転モードを設定するとともに、前記設定した運転モードの情報を前記目標温度設定手段に出力する運転モード設定手段を更に備え、前記目標温度設定手段は前記内燃機関の運転モードと前記目標温度との関係を示すマップを備え、前記マップを参照して前記目標温度を設定することを要旨とする。

この発明では、内燃機関の運転モードにあわせて適切な制御を行うことができる。そして、目標温度を内燃機関の運転モードに応じて設定することで、ＥＧＲガスを内燃機関の運転モードに適した温度にまで冷却して内燃機関の吸気側に供給することができる。

請求項７に記載の発明は、請求項１〜請求項６のいずれか一項に記載の発明において、前記循環流路は前記冷媒流路と共に独立した経路を形成するように前記複数の冷媒流路と同じ数設けられ、前記各循環流路には沸点の異なる冷媒が流通していることを要旨とする。

この発明では、被冷却流体流路を流れる被冷却流体は、上流側の温度が高く、下流側の温度は上流側に比べて低くなっているが、この発明では、被冷却流体流路の上流側の冷媒流路には沸点の高い冷媒を流し、被冷却流体流路の下流側の冷媒流路には沸点の低い冷媒を流すことができる。したがって、被冷却流体流路を流れる被冷却流体のうち、上流側における被冷却流体は沸点の高い冷媒と熱交換を行い、下流側における被冷却流体は沸点の低い冷媒と熱交換を行うことができる。その結果、被冷却流体流路の上流側と下流側とで被冷却流体の温度が大きく異なっても、各冷媒流路を流れる冷媒の沸騰状態を好ましい状態にすることができ、各循環流路に同じ冷媒を流す場合に比べて効率的に被冷却流体の冷却を行うことができる。

請求項８に記載の発明は、被冷却流体が流れる被冷却流体流路及び前記被冷却流体を目標状態となるように冷却する液相の冷媒が流れる独立した複数の冷媒流路が隔壁で区画されるとともに、前記複数の冷媒流路が前記被冷却流体流路の上流側から下流側に並ぶように形成された熱交換器と、沸騰した冷媒を液化する冷媒液化部と、前記熱交換器から一部が沸騰した状態で排出された冷媒を前記冷媒液化部に導くとともに前記冷媒液化部で液化された冷媒を前記熱交換器に供給する循環流路とを備えた沸騰冷却装置を用い、被冷却流体と冷媒との熱交換を行って前記冷媒の一部を沸騰させることで前記被冷却流体の冷却を行う冷却方法であって、前記各冷媒流路を流れる冷媒の目標流量を、前記被冷却流体を前記目標状態にまで冷却することができ、なおかつ前記冷媒圧送手段の消費動力が最少となる量に設定し、前記目標流量となるように前記各冷媒流路を流れる冷媒の流量を制御して、前記各冷媒流路に冷媒を流し、前記熱交換器から排出された冷媒を冷媒液化部に導いた後、前記冷媒液化部で液化し、液化した冷媒を前記熱交換器に再び供給して、循環使用することを要旨とする。

この発明では、各冷媒流路を流れる冷媒の流量は、被冷却流体を目標状態にまで冷却し、なおかつ、その冷媒圧送手段の消費動力が最少になるような流量に制御される。したがって、冷媒圧送手段が無駄に動力を消費するような事態が生じることを抑制でき、冷媒圧送手段の動力消費量を低減することができる。

本発明によれば、熱交換器全体としての冷却能力を低下させることなく、冷媒圧送手段の動力消費量を低減することができる。

以下、本発明を具体化した一実施形態を図１〜図４にしたがって説明する。
図１に示すように、内燃機関１１の排気通路１２には、排ガスの一部を吸気側としての吸気通路１３へと再循環させる排気再循環（以下、ＥＧＲという）システム１４が設けられている。ＥＧＲシステム１４は、図示しない排気浄化触媒よりも上流側の排気通路１２と、吸気通路１３とを連通するＥＧＲ通路１５を設けている。なお、排気浄化触媒よりも上流側の排気通路１２を構成する管には排ガス温度センサ１６が設けられている。

ＥＧＲ通路１５には、排気通路１２から吸気通路１３に再循環させるＥＧＲガスの量を調整するＥＧＲバルブ１７が設けられている。ＥＧＲバルブ１７は、その開度がマイクロコンピュータを中心として構成されたＥＣＵ（Engine Control Unit）１８によって制御される。ＥＣＵ１８は、内燃機関１１の運転モードとＥＧＲガスの量との関係を示すマップを有するとともに、そのマップに基づいてＥＧＲバルブ１７の開度を制御する。なお、運転モードとは、例えば、アイドリング状態の運転、発進してから２０ｋｍ／ｈに至る加速状態、速度２０ｋｍ／ｈにおける定速状態、速度７０ｋｍ／ｈにおける定速状態等の車両の運転条件を示す指標である。そして、ＥＧＲシステム１４は、沸点の異なる第１冷媒、第２冷媒、第３冷媒を循環使用するとともに、ＥＧＲガスと第１〜第３冷媒とを熱交換させ、冷媒の一部を沸騰させてＥＧＲ通路１５を流れるＥＧＲガスを冷却する沸騰冷却装置１９を備えている。なお、第１冷媒としては水、第２冷媒としては第１冷媒よりも沸点の高い液体、第３冷媒としては第２冷媒よりも沸点の高い液体が使用されている。

沸騰冷却装置１９においては、ＥＧＲ通路１５の途中に第１〜第３冷媒とＥＧＲガスとの熱交換を行うＥＧＲクーラーとしての熱交換器２０が設けられている。熱交換器２０には、ＥＧＲ通路１５からＥＧＲガスが導入されるとともに、第１，第２，第３循環流路２１，２２，２３を循環する第１〜第３冷媒が冷媒液化部２４で液化された後に導入される。なお、冷媒液化部２４には、例えば公知の構成のコンデンサが使用されている。そして、図２（ａ）に示すように、熱交換器２０には、略直方体状のハウジング２５の第１端部２５ａにＥＧＲ通路１５の入口側通路２６と接続される被冷却流体入口部としてのＥＧＲガス導入配管２７が設けられている。また、熱交換器２０には、ハウジング２５の第２端部２５ｂにＥＧＲ通路１５の出口側通路２８と接続される被冷却流体出口部としてのＥＧＲガス排出配管２９が設けられている。ハウジング２５には、図２（ａ）における下部に入口部としての第１，第２，及び第３冷媒導入配管３０，３１，３２が第１端部２５ａ側から順に等間隔に設けられるとともに、図２（ａ）における上部に出口部としての第１，第２，及び第３冷媒排出配管３３，３４，３５が第１端部２５ａ側から順に等間隔に設けられている。そして、ハウジング２５は、直方体状の熱交換部３６を収容している。

図２（ｂ）に示すように、熱交換部３６は、図２（ｂ）における左右両側に開口する扁平な複数のＥＧＲガス流路用筒体３７と、図２（ｂ）における上下両側に開口する扁平な複数の冷媒流路用筒体３８とによって構成されている。そして、複数のＥＧＲガス流路用筒体３７と複数の冷媒流路用筒体３８とは、熱交換器２０の幅方向（図２（ｂ）で示す矢印Ｙ１方向）において交互に配置されるとともに、例えば、溶接により互いに固着されている。

図３（ａ）に示すように、複数のＥＧＲガス流路用筒体３７は四角筒状に形成されるとともに、その内側部分でＥＧＲガス流路３９を構成している。ＥＧＲガス流路用筒体３７の第１端部２５ａ側の開口はＥＧＲガス流路３９の入口３９ａとして構成されるとともに、第２端部２５ｂ側の開口はＥＧＲガス流路３９の出口３９ｂとして構成されている。

各ＥＧＲガス流路３９は、その入口３９ａがハウジング２５の第１端部２５ａと熱交換部３６との間に形成されたＥＧＲガス導入部４０を介してＥＧＲガス導入配管２７と連通している。また、各ＥＧＲガス流路３９は、その出口３９ｂがハウジング２５の第２端部２５ｂと熱交換部３６との間に形成されたＥＧＲガス排出部４１を介してＥＧＲガス排出配管２９と連通している。熱交換器２０において、ＥＧＲガス導入配管２７からＥＧＲガス導入部４０に導入されたＥＧＲガスは各ＥＧＲガス流路３９に流入した後、各ＥＧＲガス流路３９からＥＧＲガス排出部４１を介してＥＧＲガス排出配管２９へ排出されるように構成されている。

一方、各冷媒流路用筒体３８には、その内部にＥＧＲガスの流れ方向に間隔を空けて二つの隔壁４２が平行に設けられることでその内部に独立した状態の第１，第２，及び第３冷媒流路４３，４４，４５がＥＧＲガス流路３９の上流側から下流側（ＥＧＲガスの流れ方向）に並ぶように形成されている。

第１〜第３冷媒流路４３〜４５は、それぞれ順にＥＧＲガス流路３９の上流部４６、中流部４７、下流部４８と対応している。各第１冷媒流路４３、各第２冷媒流路４４、各第３冷媒流路４５は、それぞれ各ＥＧＲガス流路３９を間に挟んで平行に形成されるとともにＥＧＲガス流路３９との間で熱交換を行う熱交換面を有している。

図３（ｂ）に示すように、全ての第１冷媒流路４３は、その入口４３ａがハウジング２５の底部２５ｃと熱交換部３６との間に形成された第１冷媒導入部４９を介して第１冷媒導入配管３０と連通している。全ての第１冷媒流路４３は、その出口４３ｂがハウジング２５の上部２５ｄと熱交換部３６との間に形成された第１冷媒排出部６２を介して第１冷媒排出配管３３と連通している。また、同様に、全ての第２冷媒流路４４及び全ての第３冷媒流路４５は、それぞれの入口がハウジング２５の底部２５ｃと熱交換部３６との間に形成された図示しない第２冷媒導入部及び図示しない第３冷媒導入部を介して第２冷媒導入配管３１及び第３冷媒導入配管３２と連通している。更に、全ての第２冷媒流路４４及び全ての第３冷媒流路４５は、それぞれの出口がハウジング２５の上部２５ｄと熱交換部３６との間に形成された図示しない第２冷媒導入部及び第３冷媒導入部を介して第２冷媒排出配管３４及び第３冷媒排出配管３５と連通している。なお、第１〜第３冷媒導入部の間、及び第１〜第３冷媒排出部の間にはそれぞれ図示しない隔壁が設けられることで別々の空間となっている。なお、図３（ａ）及び（ｂ）は、熱交換器２０を構成する各部材を模式的に示したものであり、図示の都合上、それぞれの部材の幅、長さ、厚さ等の寸法比は、図２（ａ）及び（ｂ）で示す各部材の幅、長さ、厚さ等の寸法比とは異なっている。

図４に示すように、第１〜第３冷媒排出配管３３〜３５は、第１〜第３循環流路２１〜２３の第１，第２，及び第３戻し流路５０，５１，５２を介して冷媒液化部２４の入口に接続されている。第１〜第３戻し流路５０〜５２には、それぞれ第１〜第３冷媒流路４３〜４５を流れる第１〜第３冷媒の圧力を調整する第１，第２，及び第３圧力制御弁５３，５４，５５が設けられている。

また、冷媒液化部２４の出口は、第１，第２，及び第３供給流路５６，５７，５８を介して第１，第２，及び第３冷媒導入配管３０〜３２に接続されている。なお、第１循環流路２１及び第１冷媒流路４３、第２循環流路２２及び第２冷媒流路４４、第３循環流路２３及び第３冷媒流路４５は、それぞれ共同して、一つの独立した経路を構成している。そして、第１〜第３供給流路５６〜５８には、第１〜第３循環流路２１〜２３において第１〜第３冷媒を循環させる第１，第２，及び第３ポンプ５９，６０，６１が設けられている。第１〜第３ポンプ５９〜６１には、第１〜第３ポンプ５９〜６１の順に容量が大きいポンプが用いられている。第１〜第３ポンプ５９〜６１よりも下流側の第１〜第３供給流路５６〜５８には、第１〜第３ポンプ５９〜６１から第１〜第３冷媒導入配管３０〜３２に流入する冷媒の流量の微調整を行う第１，第２，及び第３流量制御弁６５，６６，６７が設けられている。

第１〜第３圧力制御弁５３〜５５及び第１〜第３流量制御弁６５〜６７は、コントロールユニット６８からの指令によって開度が制御されるように構成されている。また、第１〜第３ポンプ５９〜６１は、目標温度設定手段、冷媒流量設定手段及び制御手段としてのコントロールユニット６８からの指令によって第１〜第３冷媒の吐出量及び吐出圧が制御されるように構成されている。コントロールユニット６８は、中央処理制御装置（ＣＰＵ）を備えるマイクロコンピュータによって構成されている。また、第１〜第３流量制御弁６５〜６７、及び第１〜第３ポンプ５９〜６１によって、第１〜第３冷媒流路４３〜４５を流れる第１〜第３冷媒の流量を制御する冷媒制御手段が構成されている。コントロールユニット６８には、運転モード設定手段としてのＥＣＵ１８から内燃機関１１の運転モードが入力されるとともに、入力された運転モードに基づいて入口側通路２６を流れるＥＧＲガスの流量を把握するように構成されている。また、コントロールユニット６８には、第１冷媒排出部６２及び第２，第３冷媒排出部に対応するようにハウジング２５の外壁面２５ｅ（図２（ａ）参照）に設けられた第１，第２，第３温度センサ６９，７０，７１によって熱交換器２０から排出される第１〜第３冷媒の温度の検出信号が入力される。更に、コントロールユニット６８には、ＥＧＲガス排出配管２９（図２（ａ）参照）に設けられた出口側温度センサ７２の検出信号が入力される。

コントロールユニット６８は、内燃機関１１の運転モードと目標出口温度との関係を示す第１マップを記憶したメモリを備えている。また、メモリは、第１マップの他に、コントロールユニット６８が第１〜第３ポンプ５９〜６１、第１〜第３圧力制御弁５３〜５５、第１〜第３流量制御弁６５〜６７を制御する際に参照する第２マップ、第３マップ、第４マップ、第５マップを記憶している。第２マップは、出口側温度センサ７２によって検出されたＥＧＲガス温度と目標出口温度との間の温度差及び入口側通路２６に流入したＥＧＲガスの流量と、第１〜第３冷媒流路４３〜４５を流れる第１〜第３冷媒の第１〜第３目標流量と、の関係を示している。第２マップにおいて、温度差と第１〜第３目標流量とは、ＥＧＲガスの流量が一定で温度差が大きくなった場合には第１目標流量、第２目標流量、第３目標流量の順に優先的に増加するように関連付けられている。また、第２マップにおいて、温度差と第１〜第３目標流量とは、ＥＧＲガスの流量が一定で温度差が小さくなった場合には第３目標流量、第２目標流量、第１目標流量の順に優先的に減少するように関連付けられている。一方、第２マップにおいて、ＥＧＲガスの流量と第１〜第３目標流量とは、温度差が一定でＥＧＲガスの流量が増加した場合には第１目標流量、第２目標流量、第３目標流量の順に優先的に増加するように関連付けられている。また、第２マップにおいて、ＥＧＲガスの流量と第１〜第３目標流量とは、温度差が一定でＥＧＲガスの流量が減少した場合には第３目標流量、第２目標流量、第１目標流量の順に優先的に減少するように関連付けられている。

第３マップは、第１〜第３冷媒の温度変化と第１〜第３冷媒の沸騰が過剰に起きるときの関係、及び第１〜第３冷媒の温度変化と第１〜第３冷媒の沸騰が不足するときの関係を示している。なお、第１〜第３冷媒の温度変化と、第１〜第３冷媒流路４３〜４５を流れる実際の第１〜第３冷媒の沸騰状態との関係は、予め実験により求められている。

第４マップは、ＥＧＲ通路１５の入口側通路２６に流入するＥＧＲガスの温度、ＥＧＲガスの流量及び第１〜第３冷媒の圧力と、第１〜第３冷媒流路４３〜４５を流れる第１〜第３冷媒の上限流量及び下限流量との関係を示している。なお、第１〜第３冷媒の下限流量は、動力消費量が過剰にならないような状態で各第１〜第３ポンプ６５〜６７の作動状態を保つことができる流量に設定されている。第１〜第３冷媒の上限流量とは、第１〜第３冷媒とＥＧＲガスとの間において目的とする熱交換率を得ることができる上限の流量のことである。そして、ＥＧＲガス流路３９の入口側通路２６を流れるＥＧＲガスの温度、ＥＧＲガスの流量及び第１〜第３冷媒の圧力と対応する下限流量及び上限流量が、予め実験又は計算によって求められている。また、第５マップは第１〜第３冷媒の圧力と沸点との関係を示している。

次に前記のように構成された沸騰冷却装置１９の作用を説明する。
内燃機関１１が始動すると、ＥＣＵ１８は、マップを参照し運転モードに基づいてＥＧＲバルブ１７を開く。すると、内燃機関１１の排出ガスの一部がＥＧＲ通路１５にＥＧＲガスとして流入し、ＥＧＲガスは熱交換器２０に向かって進む。ＥＧＲガスは、ＥＧＲガス導入配管２７から熱交換器２０内のＥＧＲガス導入部４０に流れ込んだ後、熱交換部３６の各ＥＧＲガス流路３９に流入する。そして、ＥＧＲガス流路３９内を出口３９ｂに向かって進み、出口３９ｂからＥＧＲガス排出部４１に流出するまでの間に、熱の一部がＥＧＲガス流路用筒体３７の隔壁３７ａ及び冷媒流路用筒体３８の隔壁３８ａを介して液冷媒に奪われて冷却される。冷却されたＥＧＲガスは、ＥＧＲガス排出配管２９及びＥＧＲ通路１５を介して内燃機関１１の吸気通路１３に供給される。

内燃機関１１が始動すると、コントロールユニット６８はＥＣＵ１８から運転モード信号が入力され、第１マップを参照して運転モードに基づいて熱交換器２０による冷却後のＥＧＲガスの目標出口温度を決定する。コントロールユニット６８は、排ガス温度センサ１６によって検出された排ガス温度と目標出口温度との温度差を算出し、その後、第２マップを参照して算出した温度差及びＥＧＲガスの流量に基づいて第１〜第３冷媒の第１〜第３目標流量を選択する。なお、このとき、コントロールユニット６８は、選択した第１〜第３冷媒の第１〜第３目標流量の合計値を演算して、第１〜第３冷媒の第１〜第３目標流量を決定することで、第１〜第３目標流量の総和を最小とする。そして、コントロールユニット６８は、第１〜第３冷媒の第１〜第３目標流量に基づいて第１〜第３ポンプ５９〜６１を制御して、第１〜第３ポンプ５９〜６１が第１〜第３冷媒を第１〜第３冷媒流路４３〜４５に向けて圧送することで第１〜第３冷媒流路４３〜４５における第１〜第３冷媒の流量は第１〜第３目標流量となる。このとき、第１〜第３ポンプ５９〜６１の消費動力は最少となる。そして、ＥＧＲガス流路３９の上流側に配置された第１〜第３冷媒流路４３〜４５を流れる第１〜第３冷媒である程、単位熱交換面積当たりの流量が多くなっている。

第１〜第３冷媒は、第１〜第３ポンプ５９〜６１により第１〜第３循環流路２１〜２３を強制的に循環させられている。そして、冷媒液化部２４から送り出された液相の第１〜第３冷媒、即ち、液冷媒は、第１〜第３供給流路５６〜５８を介して熱交換器２０へ導かれる。熱交換器２０へ導かれた液相の第１〜第３冷媒は、第１〜第３冷媒導入配管３０〜３２及び第１〜第３冷媒導入部を介して第１〜第３冷媒流路４３〜４５に流入する。第１〜第３冷媒流路４３〜４５に流入した液相の第１〜第３冷媒は、第１〜第３冷媒流路４３〜４５を流れる間に、ＥＧＲガスの熱により一部が沸騰する状態になり液相の冷媒と気相の冷媒とが混合した状態で第１〜第３冷媒流路４３〜４５の冷媒出口に向かって移動する。そして、第１〜第３冷媒は、第１〜第３冷媒排出部及び第１〜第３冷媒排出配管３３〜３５を介して第１〜第３戻し流路５０〜５２へ排出されて冷媒液化部２４へ移動し、冷媒液化部２４で蒸気が凝縮されて液冷媒になった後、熱交換器２０へ再循環される。

また、ＥＣＵ１８は、第１〜第３冷媒が循環使用されている間に内燃機関１１の運転モードを切り替えると、切り替えた運転モード信号をコントロールユニット６８に出力する。コントロールユニット６８は、切り替わり後の運転モード信号を入力すると、第１マップを参照し、切り替わり後の運転モードに基づいて目標出口温度を更新する。その後、コントロールユニット６８は、温度差を算出し、第２マップを参照して算出した温度差に基づいて第１〜第３目標流量を更新する。そして、更新後の第１〜第３目標流量に基づいて第１〜第３ポンプ５９〜６１を制御し、第１〜第３冷媒の流量を切り替わり後の運転モードに適した流量となるように変更する。

また、コントロールユニット６８は、第１〜第３冷媒を循環使用している間、第１〜第３温度センサ６９〜７１からの検出信号によって熱交換器２０から排出される第１〜第３冷媒の温度変化をモニタリングするとともに第３マップを参照して第１〜第３冷媒の沸騰状態を把握している。そして、コントロールユニット６８は、第１冷媒の温度変化に基づいて第１冷媒流路４３において第１冷媒の沸騰が過剰になると予測した場合には第１ポンプ５９からの吐出量を増加させる。そして、第１ポンプ５９からの吐出量の増加だけで対応できないときには第１圧力制御弁５３の開度を小さくして第１冷媒の圧力を高める。また、コントロールユニット６８は、第１冷媒の沸騰が不足すると予測した場合には第１ポンプ５９からの吐出量を減少させる。第１ポンプ５９からの吐出量の減少だけで対応できないときには第１圧力制御弁５３の開度を大きくして第１冷媒の圧力を低下させる。なお、過剰な沸騰とは、熱交換率が急速に低下するような沸騰のことであり、例えば、第１冷媒流路４３を流れる第１冷媒中の気泡率が体積として８０％以上になった場合のことを意味する。

同様に、コントロールユニット６８は、第２冷媒及び第３冷媒の温度変化に基づいて、第２，第３冷媒流路４４，４５を流れる第２，第３冷媒の沸騰状況が過剰又は不足になるか予測する。そして、コントロールユニット６８は、沸騰が過剰になると予測した場合には第２，第３ポンプ６０，６１からの吐出量を増加させる。第２，第３ポンプ６０，６１からの吐出量の増加だけで対応できないときには第２，第３圧力制御弁５４，５５の開度を小さくして第２，第３冷媒の圧力を上げる。また、コントロールユニット６８は、沸騰が不足すると予測した場合には第２，第３ポンプ６０，６１からの吐出量を減少させる。第２，第３ポンプ６０，６１からの吐出量を減少させるだけで対応できないときには第２，第３圧力制御弁５４，５５の開度を大きくして第２，第３冷媒の圧力を下げる。

コントロールユニット６８は、第１〜第３冷媒の温度変化から第１〜第３冷媒の沸騰状態が目的とする沸騰状態になっていると判断した場合、次に、内燃機関１１の排ガス温度に基づいて第１〜第３冷媒の沸騰状態を予測して、第１〜第３冷媒の流量を制御する。

この場合、コントロールユニット６８は、排ガス温度センサ１６から入力される検出信号に基づいて排ガスの温度を把握している。コントロールユニット６８は、内燃機関１１が同じ運転モードで運転されている間に、排ガスの温度から第１〜第３冷媒流路４３〜４５において過剰な沸騰が起こると予測した場合には、第１冷媒流路４３を流れる第１冷媒の流量を増加させる。そして、第１冷媒の流量が上限流量に達したら第２冷媒の流量を増加させ、第２冷媒の流量が上限流量に達したら第３冷媒の流量を増加させる。また、コントロールユニット６８は、内燃機関１１が同じ運転モードで運転されている間に、排ガスの温度から第１〜第３冷媒流路４３〜４５において沸騰が不足すると予測した場合には、第３冷媒流路４５を流れる第３冷媒の流量を減少させる。そして、第３冷媒の流量が下限流量に達したら第２冷媒の流量を減少させ、第２冷媒の流量が下限流量に達したら第１冷媒の流量を減少させる。

更に、コントロールユニット６８は、内燃機関１１からの排ガス温度に基づいて第１〜第３冷媒の沸騰状態が目的とする沸騰状態になっていると判断した場合、ＥＧＲガスに対しての冷却状態を把握して、第１〜第３冷媒の流量を制御する。

この場合、コントロールユニット６８は、熱交換器２０から排出される第１〜第３冷媒の温度変化及び圧力をモニタリングして第１〜第３冷媒によるＥＧＲガスに対しての冷却状態を把握する。なお、コントロールユニット６８は、第１〜第３冷媒の圧力を第１〜第３ポンプ５９〜６１及び第１〜第３圧力制御弁５３〜５５の制御状態から推定する。そして、コントロールユニット６８は、第１冷媒の温度変化及び圧力のモニタリング中に第１冷媒によるＥＧＲガスに対する冷却が過剰であると判断した場合、第２ポンプ６０を制御して第２ポンプ６０からの吐出量を減少させる。また、コントロールユニット６８は、第１冷媒によるＥＧＲガスに対する冷却が不足していると判断した場合、第２ポンプ６０を制御して第２ポンプ６０からの吐出量を増加させる。なお、第２ポンプ６０の吐出量を調整するだけではＥＧＲガスに対する冷却状態を目的とする状態に制御しきれないときには、第２圧力制御弁５４の開度を調整して対応する。

同様に、コントロールユニット６８は、第２冷媒の温度変化と圧力とを考慮して、第２冷媒によるＥＧＲガスに対する冷却が過剰であると判断した場合、第３ポンプ６１を制御して第３ポンプ６１からの吐出量を減少させる。また、コントロールユニット６８は、第２冷媒によるＥＧＲガスに対する冷却が不足であると判断した場合、第３ポンプ６１を制御して第３ポンプ６１からの吐出量を増加させる。なお、第３ポンプ６１の吐出量を調整するだけではＥＧＲガスに対する冷却状態を目的とする状態に制御しきれないときには、第３圧力制御弁５５の開度を調整して対応する。

コントロールユニット６８は、第１〜第３ポンプ５９〜６１の駆動中、目標出口温度と出口側温度センサ７２による検出結果とを比較して、ＥＧＲガスの出口温度が目標出口温度よりも高いと判断した場合、各冷媒流路４３，４４，４５を流れる第１冷媒、第２冷媒、第３冷媒の順で優先的に流量を増加させる。すなわち、コントロールユニット６８は、第４マップを参照して、第１冷媒の流量が上限流量となるまでは、第１ポンプ５９からの吐出量を増加させ、第１冷媒の流量が上限流量となると、次に、第２ポンプ６０からの吐出量を増加させる。更に、コントロールユニット６８は、第２冷媒の流量が上限流量となるまでは、第２ポンプ６０からの吐出量を増加させ、第２冷媒の流量が上限流量となると、次に、第３ポンプ６１からの吐出量を増加させる。

また、コントロールユニット６８は、目標出口温度と出口側温度センサ７２による検出結果とを比較して、ＥＧＲガスの出口温度が目標出口温度よりも低いと判断した場合、各冷媒流路４３〜４５を流れる第３冷媒、第２冷媒、第１冷媒の順で優先的に流量を減少させる。すなわち、コントロールユニット６８は、第４マップを参照して、第３冷媒の流量が下限流量となるまでは、第３ポンプ６１からの吐出量を減少させ、第３冷媒の流量が下限流量となると、次に、第２ポンプ６０からの吐出量を減少させる。同様に、コントロールユニット６８は、第４マップを参照して、第２冷媒の流量が下限流量となるまでは、第２ポンプ６０からの吐出量を減少させ、第２冷媒の流量が下限流量となると、次に、第１ポンプ５９からの吐出量を減少させる。

第１〜第３冷媒流路４３〜４５を流れる第１〜第３冷媒は、隔壁３８ａと接触している部分が沸騰して蒸気となり、その蒸発潜熱としてＥＧＲガスから熱を奪う。このとき、ＥＧＲガスの温度はＥＧＲガス流路３９の上流部４６、中流部４７、下流部４８に向かうにつれて下がるが、第１冷媒流路４３を流れる第１冷媒、第２冷媒流路４４を流れる第２冷媒、第３冷媒流路４５を流れる第３冷媒の順に、その流量が小さい。したがって、第１〜第３冷媒流路では第１〜第３冷媒の沸騰が起き、第１〜第３冷媒は効率よく蒸発潜熱としてＥＧＲガスから熱を奪うことができる。

この実施形態では、以下の効果を得ることができる。
（１）沸騰冷却装置１９は、ＥＧＲ通路１５に設けられた熱交換器２０と、熱交換器２０から一部が沸騰した状態で排出された第１〜第３冷媒を冷媒液化部２４に導くとともに冷媒液化部２４で液化された液冷媒を第１〜第３冷媒流路４３〜４５に再循環させる第１〜第３循環流路２１〜２３とを備えている。そして、第１〜第３循環流路２１〜２３には、それぞれ第１〜第３ポンプ５９〜６１が設けられている。コントロールユニット６８は、内燃機関１１の運転時、第２マップから選択した第１〜第３目標流量の合計値を演算して、第１〜第３目標流量として決定し、第１〜第３目標流量の総量を最小とする。したがって、第１〜第３冷媒流路４３〜４５を流れる第１〜第３冷媒の総量を考慮して第１〜第３ポンプ５９〜６１を制御できる。そのため、第１〜第３ポンプ５９〜６１が無駄に多量の第１〜第３冷媒を圧送して動力を消費するような事態が生じることを抑制でき、第１〜第３ポンプ５９〜６１の動力消費量を最少にすることができる。

（２）沸騰冷却装置１９においては、ＥＧＲガスと熱交換を行う第１〜第３冷媒の流量を、上流部４６、中流部４７、及び下流部４８におけるＥＧＲガスの温度に応じて変えることができる。したがって、第１〜第３冷媒は、効率よくＥＧＲガスから熱を奪うことができる。

（３）コントロールユニット６８は、ＥＣＵ１８からの運転モード信号が入力されるとともに、第１マップを参照して運転モードに基づいて目標出口温度を決定する。したがって、コントロールユニット６８は、運転モードからＥＧＲ通路１５に流入するＥＧＲガスの温度や流量を把握できるため、ＥＧＲガスの温度や流量を検出するセンサを設けなくともよい。そして、ＥＧＲガスの温度を運転モードにあう温度にまで冷却して、内燃機関１１に戻すことができる。

（４）それぞれ独立した第１〜第３循環流路２１〜２３は、第１〜第３冷媒導入配管３０〜３２及び第１〜第３冷媒排出配管３３〜３５に接続されている。そして、第１循環流路２１及び第１冷媒流路４３、第２循環流路２２及び第３冷媒流路４４、第３循環流路２３及び第３冷媒流路４５が、それぞれ共同して一つの独立した経路を構成している。そして、第１〜第３循環流路２１〜２３には沸点の異なる第１〜第３冷媒が流通するとともに、第１冷媒は第２冷媒よりも沸点が高く、第２冷媒は第３冷媒よりも沸点が高い。したがって、ＥＧＲガス流路３９の上流部４６と下流部４８とでＥＧＲガスの温度が大きく異なっても、第１〜第３冷媒流路４３〜４５における沸騰状態を好ましい状態にすることができ、第１〜第３冷媒流路４３〜４５に同じ冷媒を流す場合に比べて効率的にＥＧＲガスの冷却を行うことができる。

（６）ＥＧＲガス流路３９を流れるＥＧＲガスは、上流側である程、温度は高くなっている。そして、ＥＧＲガス流路３９の上流側に配置された第１〜第３冷媒流路４３〜４５を流れる第１〜第３冷媒である程、単位熱交換面積当たりの流量が多くなっている。したがって、第１〜第３冷媒流路４３〜４５を流れる第１〜第３冷媒の沸騰状態を適切な状態にすることができる。

（７）コントロールユニット６８は、第１〜第３温度センサ６９〜７１によって熱交換器２０から排出される第１〜第３冷媒の温度変化をモニタリングして第１〜第３冷媒の沸騰状態を把握する。そして、コントロールユニット６８は、第１〜第３冷媒の温度変化に基づいて過剰な沸騰が起こることを予測した場合には第１〜第３ポンプ５９〜６１の吐出量を増加させる。また、コントロールユニット６８は、沸騰が不足することを予測した場合には第１〜第３ポンプ５９〜６１の吐出量を減少させる。したがって、第１〜第３冷媒流路４３〜４５における沸騰状態を適切な状態に保持できるため、効率的にＥＧＲガスの冷却を行うことができる。

（８）コントロールユニット６８は、排ガス温度センサ１６によって排ガスの温度を把握する。そして、内燃機関１１が同じ運転モードで運転されている間に、コントロールユニット６８は、排ガスの温度から第１〜第３冷媒流路４３〜４５において過剰な沸騰が起きると予測した場合には、第１冷媒、第２冷媒、第３冷媒の順に流量を増加させる。また、内燃機関１１が同じ運転モードで運転されている間に、コントロールユニット６８は、第１〜第３冷媒流路４３〜４５において沸騰が不足すると予測した場合には、第３冷媒、第２冷媒、第１冷媒の順に流量を減少させる。したがって、より効率的にＥＧＲガスを冷却することができる。

（９）コントロールユニット６８は、熱交換器２０から排出される第１〜第３冷媒の温度変化及び圧力をモニタリングして第１〜第３冷媒によるＥＧＲガスに対しての冷却状態を把握する。コントロールユニット６８は、第１冷媒によるＥＧＲガスに対しての冷却状態に応じて、第２冷媒の流量を制御する。したがって、第１冷媒によるＥＧＲガスの冷却が過剰又は不足であっても、その分、第２冷媒流路４４を流れる第２冷媒の流量を調整して補うことができる。また、コントロールユニット６８は、第２冷媒によるＥＧＲガスに対しての冷却状態に応じて、第３冷媒の流量を制御する。したがって、第２冷媒によるＥＧＲガスの冷却が過剰又は不足であっても、その分、第３冷媒流路４５を流れる第３冷媒の流量を調整することで補うことができる。その結果、熱交換器２０から排出されるＥＧＲガスの温度と目標出口温度との間の誤差を小さくすることができる。

（１０）コントロールユニット６８は、目標出口温度と出口側温度センサ７２による検出結果とを比較してフィードバック制御を行うことで、第１〜第３冷媒流路４３〜４５を流れる第１〜第３冷媒の流量を制御する。したがって、熱交換器２０において、ＥＧＲガスをより正確に目標出口温度にまで冷却することができる。

実施形態は前記に限定されるものではなく、例えば、次のように構成してもよい。
○ 運転モードから、直接、第１〜第３冷媒の第１〜第３目標流量を設定してもよい。例えば、コントロールユニット６８のメモリに、運転モードと第１〜第３冷媒の第１〜第３目標流量との関係を示すマップを記憶させてもよい。そして、ＥＣＵ１８からコントロールユニット６８に運転モード信号が出力されると、コントロールユニット６８は、マップを参照し入力された運転モードに基づいて第１〜第３目標流量を選択し、第１〜第３目標流量の合計値を演算して、第１〜第３目標流量を決定する。

○ 運転モードの代わりにＥＣＵ１８から入力される内燃機関１１の負荷状況に基づいて第１〜第３冷媒の流量を制御してもよい。例えば、車両が上り道や下り道を走行するときの内燃機関１１の負荷状況と、第１〜第３目標流量との関係を示すマップをコントロールユニット６８のメモリに記憶させる。そして、コントロールユニット６８はＥＣＵ１８から内燃機関１１の負荷状況に関する情報が入力されると、マップを参照して第１〜第３冷媒の第１〜第３目標流量を選択し、選択した第１〜第３目標流量の合計値を演算して、第１〜第３目標流量を決定する。なお、ＥＣＵ１８は、内燃機関１１の運転状態に基づいて内燃機関１１の負荷状況を把握できるように構成されている。

○ 排ガス温度センサを省略してもよい。例えば、ＥＣＵ１８から入力される運転モード信号に基づいて熱交換器２０に流入するＥＧＲガス温度を予測して、第１〜第３ポンプ５９〜６１を制御してもよい。

○ コントロールユニット６８が第１〜第３目標流量の合計値を演算する処理を行わなくとも、第１〜第３目標流量の総和が最小となるように構成してもよい。この場合、例えば、排ガス温度と目標出口温度との温度差及びＥＧＲガスの流量と第１〜第３目標流量とを一義的に関連付けて第２マップに記憶させる。そして、排ガス温度と目標出口温度との温度差及びＥＧＲガスの流量に基づいて第２マップを参照し第１〜第３目標流量を選択した場合に、第１〜第３目標流量の総量が最小となるように関連付ければよい。

○ 排ガス温度と目標出口温度との温度差を演算しなくともよい。この場合、例えば、コントロールユニット６８は、メモリに第１〜第３冷媒とＥＧＲガスとの間の熱交換量と、第１〜第３目標流量との関係を示すマップを記憶させる。そして、コントロールユニット６８は、目標出口温度を決定すると、ＥＧＲガス温度及び流量と目標出口温度とから必要な熱交換量を演算し、その後、マップを参照して熱交換量に基づいて第１〜第３目標流量を選択する。次に、選択した第１〜第３目標流量の合計値を演算して、第１〜第３目標流量を決定する。

○ コントロールユニットから直接、第１〜第３ポンプに制御指令を入力する代わりに、第１〜第３流量制御弁の開度を制御することで、第１〜第３ポンプの吐出量を調整してもよい。例えば、第１〜第３ポンプとして非容積ポンプを用いることで、第１〜第３流量制御弁６５〜６７の開度を変えれば第１〜第３ポンプからの吐出量を変えることができるように構成してもよい。この場合、コントロールユニット６８は第１〜第３目標流量を決定すると、第１〜第３流量制御弁６５〜６７の開度を調整することで第１〜第３流量制御弁６５〜６７と第１〜第３ポンプ５９〜６１との間の流路の圧力を制御する。すると、第１〜第３流量制御弁６５〜６７と第１〜第３ポンプ５９〜６１との間の流路における圧力が変化し、その圧力の変化に伴って第１〜第３ポンプ５９〜６１からの吐出量が変わる。したがって、第１〜第３ポンプ５９〜６１に制御指令を入力しなくとも、第１〜第３冷媒流路４３〜４５を流れる第１〜第３冷媒の流量を第１〜第３目標流量に制御することができる。

○ 循環流路として、独立した複数の流路を設けなくともよい。第１〜第３冷媒流路４３〜４５に同じ種類の冷媒を流すのであれば、一つの循環流路によって、熱交換器２０の第１〜第３冷媒排出配管３３〜３５から排出された冷媒を冷媒液化部２４に戻し、冷媒液化部２４から熱交換器２０の第１〜第３冷媒導入配管３０〜３２に供給してもよい。この場合、例えば、図５に示すように、冷媒液化部２４の出口から第１〜第３冷媒導入配管３０〜３２に向かう途中で３つの流路に分岐する供給流路８０と、第１〜第３冷媒排出配管３３〜３５から冷媒液化部２４の入口に向かう途中で一つの流路になる戻し流路８１とによって構成される循環流路８３を設けてもよい。そして、冷媒液化部２４の出口と供給流路８０の分岐部８０ａとの間の流路に冷媒制御手段及び冷媒圧送手段としての一つのポンプ８４を設ける。コントロールユニット６８は、第１〜第３冷媒を循環使用している間、排ガスと目標出口温度との温度差を算出し、第２マップを参照して温度差に基づいて第１〜第３目標流量を選択し、第１〜第３冷媒の第１〜第３目標流量の合計値を演算して、最小となった値をポンプ８４の目標吐出量として設定してポンプ８４を制御する。コントロールユニット６８は、第１〜第３目標流量となるように第１〜第３流量制御弁８５〜８７の開度を制御する。

○ 目標出口温度と熱交換器２０から排出されるＥＧＲガスの実際の温度との間の許容誤差が大きい沸騰冷却装置であるならば、第１〜第３温度センサを省略してもよい。この場合、第１〜第３冷媒の温度変化をモニタリングして行う制御方法以外の制御方法によって第１〜第３冷媒流路４３〜４５を流れる第１〜第３冷媒の流量の総量が少なくなるように制御すればよい。

○ 第１〜第３流量制御弁を省略してもよい。第１〜第３ポンプ５９〜６１の吐出量の調整だけで十分に第１〜第３冷媒流路４３〜４５を流れる第１〜第３冷媒の流量を調整できるのであれば、第１〜第３流量制御弁６５〜６７は必要ない。

○ 冷媒流路の数を変更してもよい。熱交換器には冷媒流路が少なくとも２つ以上設けられていればよいため、例えば、熱交換器に第１冷媒流路と第２冷媒流路とを形成するだけでもよいし、熱交換器に４つ以上の冷媒流路を形成してもよい。

○ 第１〜第３ポンプの動力消費量の低減を実行する方法は、第１〜第３冷媒流路を流れる第１〜第３冷媒の流量の総量を少なくする場合に限らず、第１〜第３冷媒流路を流れる第１〜第３冷媒の圧力を制御することで実行してもよい。この場合、冷媒圧力設定手段としてのコントロールユニット６８には、メモリに排ガス温度と目標出口温度との温度差及びＥＧＲガスの流量と、第１〜第３目標圧力との関係を示すマップを記憶する。コントロールユニット６８は、内燃機関１１の運転時にマップを参照し、排ガス温度と目標出口温度との温度差及びＥＧＲガスの流量に基づいて第１〜第３ポンプから吐出する第１〜第３冷媒の目標圧力を選択する。このとき、コントロールユニット６８は、選択した第１〜第３冷媒の第１〜第３目標圧力の合計値を演算して、第１〜第３冷媒の第１〜第３目標圧力として決定するため、第１〜第３目標圧力の総和は最少になる。そして、コントロールユニット６８は、第１〜第３冷媒流路４３〜４５を流れる第１〜第３冷媒の圧力の総和を考慮して第１〜第３冷媒の圧力を制御するため、第１〜第３ポンプ５９〜６１が第１〜第３冷媒を圧送する際に第１〜第３ポンプ５９〜６１に無駄な負荷が作用することを抑制して、第１〜第３ポンプ５９〜６１全体の動力消費量を最少にすることができる。そして、コントロールユニット６８は、第１〜第３冷媒流路４３〜４５を流れる第１〜第３冷媒毎にその圧力を変えることができる。コントロールユニット６８は、第１〜第ポンプ５９〜６１を制御して、第１冷媒の圧力を第２冷媒の圧力よりも高くし、第２冷媒の圧力を第３冷媒の圧力よりも高くすることで、ＥＧＲガスは下流側に向かうにつれて沸点の低い冷媒と熱交換を行うように設定する。このように設定すれば、第１〜第３冷媒は、効率よくＥＧＲガスから熱を奪うことができる。
○ 冷媒の圧力を制御する場合には、ポンプの消費動力が最少となるように各冷媒通路の冷媒の圧力を制御するのであれば、圧力の総和を最少とすることには限定されない。その場合、ポンプの消費動力が最少になるような各冷媒通路の冷媒の圧力は、実験により事前に求めておいても良いし、随時計算により求めても良い。

○ 目標温度を設定する方法を変更してもよく、運転モードから目標温度を設定する代わりに排ガス温度から目標温度を設定してもよい。例えば、コントロールユニット６８のメモリに排ガス温度と目標温度との関係を示すマップを記憶させ、排ガス温度センサ１６から排ガス温度を検出すると、マップを参照して排ガス温度に基づき目標温度を決定するようにしてもよい。

○ 熱交換部の構成を変更してもよい。例えば、隣り合うＥＧＲガス流路用筒体３７の隔壁３７ａと冷媒流路用筒体３８の隔壁３８ａとを共通化して、一つの隔壁としてもよい。この場合、被冷却流体と冷媒との間に存在する隔壁の厚みを薄くできるため、被冷却流体と冷媒との熱交換率を上げることができる。また、ＥＧＲガス流路や冷媒流路は四角であることに限定されず、例えば円形であってもよい。さらに、複数のＥＧＲガス流路や複数の冷媒流路がそれぞれ平行であることに限定されない。

○ 冷媒流路用筒体を用いて第１〜第３冷媒流路４３〜４５を構成する場合、第１〜第３冷媒流路４３〜４５のセットを複数設けることに限らず、１セットのみとしてもよい。
○ ＥＧＲガス流路用筒体を用いてＥＧＲガス流路３９を構成する場合、ＥＧＲガス流路３９を複数に限らず、１つとしてもよい。

○ 第１〜第３冷媒の種類は特に限定されず、また、第１〜第３冷媒が全て同じ種類の冷媒であっても良い。
○ 沸騰冷却装置１９は、ＥＧＲガスを冷却する装置として使用する場合に限らず、冷却を必要とする気体の冷却、あるいは液体の冷却に使用してもよい。

○ 第１〜第３ポンプは全て同じ容量のポンプを用いても良い。
○ 圧力制御弁を省略して、ポンプと流量制御弁の組み合わせにより冷媒流量のみを制御したり、又は、流量制御弁を省略して、ポンプと圧力制御弁の組み合わせにより冷媒の圧力のみを制御するようにしてもよい。

○ ポンプは吐出量及び吐出圧のどちらか一方のみを制御でき他方は固定されたものであってもよい。
○ ＥＧＲガスを目標温度まで冷却でき、なおかつ、冷媒圧送手段の消費動力を最少にできるのであれば、第１〜第３目標流量に優先順位をつけたり、冷媒流量の総量を最少にすることには限定されない。各冷媒流路の冷媒流量をどのような量にすれば、ＥＧＲガスを目標温度まで冷却でき、なおかつ、冷媒圧送手段の消費動力を最少にできるかは、実験により事前に求めておいても良いし、随時計算して求めても良い。

○ ポンプは熱交換器の下流にのみ配置してもよい。
○ 冷媒の圧力の制御方法としては、ＥＧＲガスの温度が高い場合には冷媒の圧力を上げることで冷媒の沸点を上昇させるというように、最適な沸点となるように圧力を制御するようにしても良い。

○ ＥＧＲガスが目標温度になるように制御していたが、目標温度の代わりに、例えば、目標密度や目標圧力を目標状態として使用しても良い。

本実施形態の沸騰冷却装置を示す概略構成図。（ａ）はＥＧＲクーラーの模式斜視図、（ｂ）は熱交換部の模式斜視図。（ａ）はＥＧＲクーラーの模式断面図、（ｂ）は（ａ）のＡ−Ａ線模式部分断面図。沸騰冷却装置の制御構成を示す概略構成図。別の実施形態における沸騰冷却装置の制御構成を示す概略構成図。従来技術を示す概略構成図。

符号の説明

１１…内燃機関、１８…運転モード設定手段としてのＥＣＵ、１９…沸騰冷却装置、２０…熱交換器、２１…第１循環流路、２２…第２循環流路、２３…第３循環流路、２４…冷媒液化部、２９…被冷却流体出口部としてのＥＧＲガス排出配管、３０〜３２…第１〜第３冷媒導入配管、３３〜３５…第１〜第３冷媒排出配管、３６…熱交換部、３９…被冷却流体流路としてのＥＧＲガス流路、４３〜４５…第１〜第３冷媒流路、５９〜６１…冷媒制御手段及び冷媒圧送手段としての第１〜第３ポンプ、６５〜６７…冷媒制御手段としての第１〜第３流量制御弁、６８…制御手段、目標温度設定手段及び冷媒流量設定手段としてのコントロールユニット、８４…冷媒制御手段及び冷媒圧送手段としてのポンプ。

Claims

被冷却流体が流れる被冷却流体流路及び前記被冷却流体を目標状態となるように冷却する液相の冷媒が流れる独立した複数の冷媒流路が隔壁で区画されるとともに、前記複数の冷媒流路が前記被冷却流体流路の上流側から下流側に並ぶように形成された熱交換器と、沸騰した冷媒を液化する冷媒液化部と、前記熱交換器から一部が沸騰した状態で排出された冷媒を前記冷媒液化部に導くとともに前記冷媒液化部で液化された冷媒を前記熱交換器に供給する循環流路とを備えた沸騰冷却装置において、
前記冷媒液化部と前記熱交換器との間の前記循環流路に設けられ、前記冷媒を圧送する冷媒圧送手段と、
前記各冷媒流路を流れるそれぞれの冷媒の流量を制御する冷媒制御手段と、
前記各冷媒流路の流量を、前記被冷却流体を前記目標状態になるまで冷却することができ、なおかつ前記冷媒圧送手段の消費動力が最少となる流量に設定する冷媒流量設定手段と、
前記各冷媒流路を流れる前記冷媒の流量が前記冷媒流量設定手段により設定された流量となるように前記冷媒制御手段を制御する制御手段と、を備えたことを特徴とする沸騰冷却装置。
前記制御手段は、前記各冷媒流路を流れる前記冷媒の総量が最少となるように前記冷媒制御手段を制御する請求項１に記載の沸騰冷却装置。
前記冷媒流路は前記被冷却流体流路との間で熱交換を行う熱交換面を有し、前記被冷却流体流路の上流側に配置された前記冷媒流路ほど、単位熱交換面積当たりの冷媒流量が多い請求項１又は請求項２に記載の沸騰冷却装置。
前記沸騰冷却装置は車両に搭載されるものであり、
前記被冷却流体は内燃機関の排ガスの一部を前記内燃機関の吸気側に戻して使用されるＥＧＲガスであるとともに前記内燃機関は複数の運転モードのうちいずれかの運転モードで運転され、
前記内燃機関の運転モードを設定するとともに、前記設定した運転モードの情報を前記冷媒流量設定手段に出力する運転モード設定手段を更に備え、
前記冷媒流量設定手段は、前記運転モードと前記各冷媒流路に流す冷媒の目標流量との関係を示すマップを備え、前記マップを参照して冷媒流量を設定する請求項１〜請求項３のいずれか一項に記載の沸騰冷却装置。
被冷却流体が流れる被冷却流体流路及び前記被冷却流体を目標状態となるように冷却する液相の冷媒が流れる独立した複数の冷媒流路が隔壁で区画されるとともに、前記複数の冷媒流路が前記被冷却流体流路の上流側から下流側に並ぶように形成された熱交換器と、沸騰した冷媒を液化する冷媒液化部と、前記熱交換器から一部が沸騰した状態で排出された冷媒を前記冷媒液化部に導くとともに前記冷媒液化部で液化された冷媒を前記熱交換器に供給する循環流路とを備えた沸騰冷却装置において、
前記冷媒液化部と前記熱交換器との間の前記循環流路に設けられ、前記冷媒を圧送する冷媒圧送手段と、
前記各冷媒流路を流れるそれぞれの冷媒の圧力を制御する冷媒制御手段と、
前記各冷媒流路を流れる冷媒の圧力を、前記被冷却流体を目標状態になるまで冷却することができ、なおかつ前記冷媒圧送手段の消費動力が最少となる圧力に設定する冷媒圧力設定手段と、
前記各冷媒流路を流れる前記冷媒の圧力が前記冷媒圧力設定手段により設定された圧力となるように前記冷媒制御手段を制御する制御手段と、を備えたことを特徴とする沸騰冷却装置。
前記沸騰冷却装置は車両に搭載されるものであり、
前記被冷却流体は、内燃機関の排ガスの一部を前記内燃機関の吸気側に戻して使用されるＥＧＲガスであるとともに前記内燃機関は複数の運転モードのうちいずれかの運転モードで運転され、
前記熱交換器の被冷却流体出口部から排出される被冷却流体の目標温度を設定する目標温度設定手段と、
前記内燃機関の運転モードを設定するとともに、前記設定した運転モードの情報を前記目標温度設定手段に出力する運転モード設定手段とを更に備え、
前記目標温度設定手段は前記内燃機関の運転モードと前記目標温度との関係を示すマップを備え、前記マップを参照して前記目標温度を設定する請求項１〜請求項５のいずれか一項に記載の沸騰冷却装置。
前記循環流路は前記冷媒流路と共に独立した経路を形成するように前記複数の冷媒流路と同じ数設けられ、
前記各循環流路には沸点の異なる冷媒が流通している請求項１〜請求項６のいずれか一項に記載の沸騰冷却装置。
被冷却流体が流れる被冷却流体流路及び前記被冷却流体を目標状態となるように冷却する液相の冷媒が流れる独立した複数の冷媒流路が隔壁で区画されるとともに、前記複数の冷媒流路が前記被冷却流体流路の上流側から下流側に並ぶように形成された熱交換器と、沸騰した冷媒を液化する冷媒液化部と、前記熱交換器から一部が沸騰した状態で排出された冷媒を前記冷媒液化部に導くとともに前記冷媒液化部で液化された冷媒を前記熱交換器に供給する循環流路とを備えた沸騰冷却装置を用い、被冷却流体と冷媒との熱交換を行って前記冷媒の一部を沸騰させることで前記被冷却流体の冷却を行う冷却方法であって、
前記各冷媒流路を流れる冷媒の目標流量を、前記被冷却流体を前記目標状態にまで冷却することができ、なおかつ冷媒圧送手段の消費動力が最少となる量に設定し、前記目標流量となるように前記各冷媒流路を流れる冷媒の流量を制御して、前記各冷媒流路に冷媒を流し、
前記熱交換器から排出された冷媒を冷媒液化部に導いた後、前記冷媒液化部で液化し、液化した冷媒を前記熱交換器に再び供給して、循環使用することを特徴とする冷却方法。