JP2010133640A - 沸騰冷却装置 - Google Patents

Abstract

【課題】モータを用いることなく冷媒循環用の冷媒ポンプを駆動することができる沸騰冷却装置を提供する。
【解決手段】熱交換器１１が、内燃機関１の排気系から給気系へ再循環されるＥＧＲガスが流れるＥＧＲガスの通路４に設けられ、液相の冷媒の一部が沸騰気化するときの潜熱にてＥＧＲガスを冷却する。冷媒ポンプ１５が、熱交換器１１を通過した冷媒を熱交換器１１に再び循環させるための通路２０に設けられている。ＥＧＲガスの通路４にＥＧＲガスの通過により回転駆動するタービン３０が設けられ、動力伝達手段３１によりタービン３０による回転力を冷媒ポンプ１５に伝えて冷媒ポンプ１５が駆動する。
【選択図】図１

Description

本発明は、沸騰冷却装置に係り、詳しくは、熱交換器において液相の冷媒の一部が沸騰気化するときの潜熱にてＥＧＲガスを冷却する沸騰冷却装置に関するものである。

沸騰冷却装置において、熱交換器とコンデンサとレシーバと循環ポンプとの間を冷媒通路でつなぎ、循環ポンプを電動モータにて駆動して冷媒を循環させている（例えば、特許文献１）。
特開平１１−３３７１９３号公報

ところが、冷媒を循環させるためのポンプを駆動させるために専用の動力源としてモータが必要となっている。
本発明は、このような背景の下になされたものであり、その目的は、モータを用いることなく冷媒循環用の冷媒ポンプを駆動することができる沸騰冷却装置を提供することにある。

請求項１に記載の発明では、内燃機関の排気系から給気系へ再循環されるＥＧＲガスが流れるＥＧＲガスの通路に設けられ、液相の冷媒の一部が沸騰気化するときの潜熱にて前記ＥＧＲガスを冷却する熱交換器と、前記熱交換器を通過した前記冷媒を前記熱交換器に再び循環させるための通路と、前記冷媒を前記熱交換器に再び循環させるための通路に設けられた冷媒ポンプと、前記ＥＧＲガスの通路に設けられ、前記ＥＧＲガスの通過により回転駆動するタービンと、前記タービンによる回転力を前記冷媒ポンプに伝えて当該冷媒ポンプを駆動する動力伝達手段と、を備えたことを要旨とする。

請求項１に記載の発明によれば、ＥＧＲガスのエネルギーを利用して冷媒ポンプを駆動することができる。また、ＥＧＲガスが流れるときが冷媒ポンプを駆動させる必要があるときなので、ＥＧＲガスで冷媒ポンプを駆動することにより冷媒ポンプを必要なときに駆動することができる。

請求項２に記載の発明では、内燃機関の排気系から給気系へ再循環されるＥＧＲガスが流れるＥＧＲガスの通路に設けられ、液相の冷媒の一部が沸騰気化するときの潜熱にて前記ＥＧＲガスを冷却する熱交換器と、前記熱交換器を通過した前記冷媒を前記熱交換器に再び循環させるための通路と、前記冷媒を前記熱交換器に再び循環させるための通路に設けられた冷媒ポンプと、前記内燃機関の排気ガスの通路に設けられ、前記排気ガスの通過により回転駆動するタービンと、前記タービンによる回転力を前記冷媒ポンプに伝えて当該冷媒ポンプを駆動する動力伝達手段と、を備えたことを要旨とする。

請求項２に記載の発明によれば、排気ガスのエネルギーを利用して冷媒ポンプを駆動することができる。
請求項３に記載の発明では、請求項１または２に記載の沸騰冷却装置において、前記熱交換器を通過した冷媒を凝縮するコンデンサを更に備え、前記動力伝達手段により駆動される冷媒ポンプは、前記コンデンサの冷媒出口と前記熱交換器の冷媒入口を連結する冷媒通路に設けられた凝縮冷媒循環用の冷媒ポンプであることを要旨とする。

請求項３に記載の発明によれば、ＥＧＲガスのエネルギーまたは排気ガスのエネルギーを利用して、コンデンサにより凝縮された液相の冷媒を熱交換器の冷媒入口に供給するためのポンプを駆動することができる。

請求項４に記載の発明では、請求項１または２に記載の沸騰冷却装置において、前記熱交換器から気液２相の冷媒が供給され、気相の冷媒と液相の冷媒とに分離する気液分離器と、前記気液分離器で分離された気相の冷媒が供給されるコンデンサとを更に備え、前記動力伝達手段により駆動される冷媒ポンプは、前記気液分離器の液相冷媒出口と前記熱交換器の冷媒入口を連結する冷媒通路に設けられた液相分離冷媒循環用の冷媒ポンプであることを要旨とする。

請求項４に記載の発明によれば、ＥＧＲガスのエネルギーまたは排気ガスのエネルギーのエネルギーを利用して気液分離器によって分離した液相の冷媒を熱交換器の冷媒入口側に戻すことができる。

請求項５に記載の発明では、請求項１または２に記載の沸騰冷却装置において、前記熱交換器を通過した冷媒を凝縮するコンデンサを更に備え、前記動力伝達手段により駆動される冷媒ポンプは、前記熱交換器の冷媒出口とコンデンサの冷媒入口を連結する冷媒通路に設けられ、前記熱交換器の内部において気化した冷媒を抜くための気化冷媒抜取用の冷媒ポンプであることを要旨とする。

請求項５に記載の発明によれば、ＥＧＲガスのエネルギーまたは排気ガスのエネルギーを利用して熱交換器の内部において気化した冷媒を抜くことができる。
請求項６に記載の発明では、請求項４に記載の沸騰冷却装置において、前記コンデンサの冷媒出口と前記熱交換器の冷媒入口を連結する冷媒通路に設けられた凝縮冷媒循環用の冷媒ポンプも前記動力伝達手段により駆動されることを要旨とする。

請求項６に記載の発明によれば、ＥＧＲガスのエネルギーまたは排気ガスのエネルギーを利用して、コンデンサにより凝縮された液相の冷媒を熱交換器の冷媒入口に供給するためのポンプも駆動することができる。

請求項７に記載の発明では、請求項５に記載の沸騰冷却装置において、前記コンデンサの冷媒出口と前記熱交換器の冷媒入口を連結する冷媒通路に設けられた凝縮冷媒循環用の冷媒ポンプも前記動力伝達手段により駆動されることを要旨とする。

請求項７に記載の発明によれば、ＥＧＲガスのエネルギーまたは排気ガスのエネルギーを利用して、コンデンサにより凝縮された液相の冷媒を熱交換器の冷媒入口に供給するためのポンプも駆動することができる。

請求項８に記載の発明では、請求項１，３〜７のいずれか１項に記載の沸騰冷却装置において、前記タービンを、前記ＥＧＲガスの通路における前記熱交換器の上流側に設けたことを要旨とする。

請求項８に記載の発明によれば、タービンを、ＥＧＲガスの通路における熱交換器の上流側に設けることにより熱交換器に入るＥＧＲガスの温度を下げることができる。

本発明によれば、モータを用いることなく冷媒循環用の冷媒ポンプを駆動することができる。

（第１の実施の形態）
以下、本発明を具体化した第１の実施の形態を図１，２を用いて説明する。
排気ガス再循環装置（ＥＧＲ：ｅｘｈａｕｓｔ ｇａｓ ｒｅｃｉｒｃｕｌａｔｉｏｎ）は、内燃機関の排気ガスの一部を排気系から吸気系に再循環させる装置であって、図１に示すように、内燃機関１の排気通路３と吸気通路２とを連通するＥＧＲ通路４を備えている。ＥＧＲ通路４には、排気通路３から吸気通路２に再循環させるＥＧＲガスの量を調整するＥＧＲバルブ５が設けられている。ＥＧＲバルブ５は、図示しないエンジンＥＣＵによって内燃機関１の運転状態に応じた開度に制御される。

排気ガス再循環装置には、ＥＧＲガスの冷却装置（ＥＧＲクーラ）として沸騰冷却装置１０が設けられている。この沸騰冷却装置１０では、冷媒を循環使用するとともに、被冷却流体としてのＥＧＲガスと冷媒とを熱交換させ、冷媒の一部を沸騰させてＥＧＲ通路４を流れるＥＧＲガスを冷却する。冷媒として水が使用されている。

沸騰冷却装置１０は、沸騰冷却用熱交換器１１と気液分離器１２とコンデンサ１３と冷媒タンク１４と冷媒ポンプ１５と合流器１６を備えている。冷媒通路２０により、これら各機器、即ち、沸騰冷却用熱交換器１１と気液分離器１２、気液分離器１２とコンデンサ１３、コンデンサ１３と冷媒タンク１４、冷媒タンク１４と冷媒ポンプ１５、冷媒ポンプ１５と合流器１６、合流器１６と沸騰冷却用熱交換器１１が、それぞれ連結されている。これにより、冷媒を循環することができるようになっている。

ＥＧＲ通路４の途中には、冷媒とＥＧＲガスとの熱交換を行う沸騰冷却用熱交換器１１が設けられている。沸騰冷却用熱交換器１１は、二重管式の熱交換器であって、内管中をＥＧＲガスが流れるとともに内管と外管との間を冷媒が流れる。そして、伝熱は内管中を流れるＥＧＲガスと、内管と外管との間を流れる冷媒との間で行われる。また、二種類の流体の流れる方向は反対方向、即ち、向流（対向流）となっている。

このように、沸騰冷却用熱交換器１１は、内燃機関１の排気系から排気ガスの一部が取り出されて内燃機関１の給気系へ再循環されるＥＧＲガスが供給され、液相の冷媒の一部が沸騰気化するときの潜熱にてＥＧＲガスを冷却する。つまり、沸騰冷却用熱交換器１１は、内燃機関１の排気系から給気系へ再循環されるＥＧＲガスが流れるＥＧＲガスの通路４に設けられ、液相の冷媒の一部が沸騰気化するときの潜熱にてＥＧＲガスを冷却する。

気液分離器１２には、熱交換器１１から気液２相の冷媒が供給され、気相の冷媒と液相の冷媒とに分離して気相の冷媒がコンデンサ１３に供給される。気液分離器１２の具体的構造としては、熱交換器１１からの気液２相の冷媒を、例えば旋回流にして液相の冷媒を分離して液相の冷媒をタンク部に蓄えるようにしている。

コンデンサ１３には気液分離器１２から気相の冷媒が供給されるとともに冷却用空気が供給され、冷媒と冷却用空気との間で熱交換が行われる。その結果、冷媒が凝縮されて液相の冷媒が送出される。なお、空冷式のコンデンサではなくエンジン冷却水により冷媒を凝縮する水冷式としてもよい。

冷媒タンク１４にはコンデンサ１３により凝縮された液相の冷媒が蓄えられる。冷媒を循環させるための通路２０には冷媒ポンプ１５が設けられ、凝縮冷媒循環用の冷媒ポンプ１５は、冷媒タンク１４に蓄えられた液相の冷媒を、合流器１６を介して熱交換器１１の冷媒入口１１ａに供給するためのものである。つまり、熱交換器１１を通過した冷媒を熱交換器１１に再び循環させるための通路２０と、冷媒を熱交換器１１に再び循環させるための通路２０に設けられた冷媒ポンプ１５とを備えている。

気液分離器１２の液相冷媒出口は冷媒通路２１により合流器１６と接続されている。合流器１６の構造について、図２に示すように、管路１６ａにはポンプ１５からの液相冷媒が熱交換器１１に向って流れる。管路１６ａに対し管路１６ｂの先端部が挿入され、管路１６ｂは冷媒通路２１により気液分離器１２と接続されている。管路１６ａの内部において管路１６ｂが突出していることにより流速ｖ２が速くなり管路１６ｂ内において吸引力Ｆ１が発生する。この吸引力Ｆ１により気液分離器１２から液相冷媒が吸引され、ポンプ１５からの液相冷媒と合流して熱交換器１１に送られる。気液分離器１２で分離される気体と液体の重量の比は、例えば、一対一（５０％ずつ）である。

なお、図１の冷媒通路２１にはバルブ１７が設けられ、バルブ１７は、図示しないエンジンＥＣＵによって開度が制御される。具体的には、エンジンＥＣＵは気液分離器１２に蓄えられた液相の冷媒の量をレベルセンサでモニタしており、液相の冷媒のレベル（量）が所定値以下になるとバルブ１７を閉じる。これにより、冷媒通路２１に液相の冷媒のみを流すようにしている。

ＥＧＲガスの通路４における熱交換器１１よりも上流側にはタービン３０が設けられ、タービン３０はＥＧＲガスの通過により回転駆動する。タービン３０と凝縮冷媒循環用の冷媒ポンプ１５とは動力伝達手段３１により連結されている。動力伝達手段３１は、タービン３０による回転力を冷媒ポンプ１５に伝えて冷媒ポンプ１５を駆動する。詳しくは、動力伝達手段３１は、タービン３０の回転出力軸とポンプ１５の回転入力軸との間で回転力を伝達するものであり、シャフトとギヤの組み合わせ、あるいは、シャフトのみで構成される。また、はすば歯車等の各種ギヤを用いたり歯数の異なるギヤを噛み合わせることにより、回転数を変えたりトルクを変えたり回転軸の方向を変えることができる。

次に、沸騰冷却装置１０の作用を説明する。
図１の内燃機関１が始動すると、運転状態に基づいてＥＧＲバルブ５およびバルブ１７が開かれる。すると、内燃機関１の排気ガスの一部がＥＧＲ通路４にＥＧＲガスとして流入し、ＥＧＲガスは沸騰冷却用熱交換器１１に向かって進む。ＥＧＲガスは、沸騰冷却用熱交換器１１の内部の通過時において、熱の一部が液冷媒に奪われて冷却される。冷却されたＥＧＲガスは、ＥＧＲ通路４を介して内燃機関１の吸気通路２に供給される。このように、熱交換器１１に対してＥＧＲガスが供給され、液相の冷媒の一部が沸騰気化するときの潜熱にてＥＧＲガスを冷却する。

一方、気液分離器１２は、熱交換器１１から気液２相の冷媒が供給され、気相の冷媒と液相の冷媒とに分離して気相の冷媒がコンデンサ１３に供給される。
また、タービン３０がＥＧＲガスの通過により回転駆動する。動力伝達手段３１によりタービン３０による回転力が冷媒ポンプ１５に伝えられて冷媒ポンプ１５が駆動する。冷媒ポンプ１５の駆動により熱交換器１１における冷媒入口１１ａと冷媒出口１１ｂとの間で冷媒が循環される。

このようにして、ＥＧＲガスの流れを利用してタービン３０を回し、その動力を利用してポンプ１５を駆動して、コンデンサ１３によって凝縮して冷媒タンク１４に溜まった液相の冷媒を熱交換器１１に供給する。よって、冷媒ポンプ１５を駆動するための電動モータは不要となる。

上記実施形態によれば、以下のような効果を得ることができる。
（１）ＥＧＲガスの通路４にタービン３０を設け、動力伝達手段３１によりタービン３０による回転力を冷媒ポンプ１５に伝えて冷媒ポンプ１５を駆動させることにより、ＥＧＲガスのエネルギーを利用して冷媒ポンプ１５を駆動することができる。よって、モータを用いることなく冷媒循環用の冷媒ポンプ１５を駆動することができる。また、ＥＧＲガスが流れるときが冷媒ポンプ１５を駆動させる必要があるときなので、ＥＧＲガスで冷媒ポンプ１５を駆動することにより冷媒ポンプ１５を必要なときに駆動することができる。

（２）冷媒ポンプ１５は、熱交換器１１を通過した冷媒を凝縮するコンデンサ１３による液相の冷媒を熱交換器１１の冷媒入口１１ａに供給するための凝縮冷媒循環用の冷媒ポンプである。即ち、熱交換器１１を通過した冷媒を凝縮するコンデンサ１３を備え、動力伝達手段３１により駆動される冷媒ポンプ１５は、コンデンサ１３の冷媒出口と熱交換器１１の冷媒入口を連結する冷媒通路２０に設けられた凝縮冷媒循環用の冷媒ポンプである。よって、ＥＧＲガスのエネルギーを利用して、コンデンサ１３により凝縮された液相の冷媒を熱交換器１１の冷媒入口１１ａに供給するポンプ１５を駆動することができる。

この場合において、ＥＧＲガスが多いときに冷媒を多く循環させることが必要となるので、タービン３０にて冷媒ポンプ１５を駆動することは特に有用となる。
（３）タービン３０を、ＥＧＲガスの通路４における熱交換器１１の上流側に設けた。よって、ＥＧＲガスの流動エネルギー（運動エネルギー）は熱交換器１１の上流の方が大きいので、エネルギーレベルの高い熱交換器入口にタービン３０を設けた方がエネルギー効率が良い。また、タービン３０によってＥＧＲガスの熱エネルギーが運動エネルギーに変換されることによりＥＧＲガスの温度が下がるが、タービン３０を熱交換器１１の上流側に設けた場合、タービン３０を熱交換器１１の下流側に設けた場合よりもタービン３０によるＥＧＲガス温度の低下量を大きくすることができるので、目標ＥＧＲ温度までＥＧＲガスを冷却しようとした際、熱交換器１１で低下させないといけない温度幅を小さくすることができる。また、熱交換器１１でＥＧＲガスを冷却しすぎた場合には凝縮水が発生するが、このような状況においてタービン３０が熱交換器１１の下流側に設置されているとタービン３０に凝縮水が入って羽根車の破損を招く可能性があるが、熱交換器１１の上流側にタービン３０があると、熱交換器１１でＥＧＲガスを冷却しすぎた場合の不具合を回避することができる。具体的な数値を挙げて説明する。例えば、ＥＧＲガスにおける熱交換器１１の入口での温度が４００℃、熱交換器１１の出口での温度が１９０℃となるように設計した場合において、内燃機関１の運転の変化等により熱交換器１１でＥＧＲガスを過剰に冷却した結果としてＥＧＲガスにおける熱交換器１１での出口温度が８０℃ぐらいになると、凝縮水が発生する。この場合にもタービン３０が熱交換器１１の上流側に設置されているとタービン３０に凝縮水が入ることはない。また、熱交換器１１の上流側にタービン３０を配置した方が（冷却前の方が）、高温の膨張したガスで（流速が大きなガスで）タービン３０を速く回転することができ、これにより、出力を大きくすることができる。
（第２の実施の形態）
次に、第２の実施の形態を、第１の実施の形態との相違点を中心に説明する。

図３には、図１に代わる本実施形態における排気ガス再循環装置および沸騰冷却装置の概略構成を示す。
図３において、図１での冷媒ポンプ１５は電動モータ１９により駆動する構成となっている。一方、冷媒通路２１における気液分離器１２とバルブ１７の間には液相分離冷媒循環用の冷媒ポンプ１８が設けられている。液相分離冷媒循環用の冷媒ポンプ１８は、気液分離器１２で分離された液相の冷媒を熱交換器１１の冷媒入口１１ａ側に戻すためのものである。タービン３０とポンプ１８とは動力伝達手段３１により連結されている。動力伝達手段３１により、タービン３０による回転力がポンプ１８に伝えられ、ポンプ１８が駆動する。

このようにして、ＥＧＲガスの流れを利用してタービン３０を回し、その動力を利用してポンプ１８を駆動して熱交換器１１の出口で分離した液相の冷媒を熱交換器１１の冷媒入口１１ａの直前に戻す。

以上のように、動力伝達手段３１により駆動する冷媒ポンプ１８は、気液分離器１２で分離された液相の冷媒を熱交換器１１の冷媒入口１１ａ側に戻すための液相分離冷媒循環用の冷媒ポンプである。即ち、熱交換器１１から気液２相の冷媒が供給され、気相の冷媒と液相の冷媒とに分離する気液分離器１２と、気液分離器１２で分離された気相の冷媒が供給されるコンデンサ１３とを備え、動力伝達手段３１により駆動される冷媒ポンプ１８は、気液分離器１２の液相冷媒出口と熱交換器１１の冷媒入口を連結する冷媒通路２１に設けられた液相分離冷媒循環用の冷媒ポンプである。よって、ＥＧＲガスのエネルギーを利用して気液分離器１２によって分離した液相の冷媒を熱交換器１１の冷媒入口１１ａ側に戻すことができる。

つまり、沸騰冷却装置の熱交換器では循環する冷媒が一部未沸騰のまま液体状態で熱交換器から出てくる。未沸騰の液は冷却（熱輸送）にあまり寄与せずに循環しているだけである。この液はシステム全体に循環させることは無駄であり、新しい循環には新しい動力が必要となるが、熱交換器１１から出てくる未沸騰の冷媒を気液分離器１２で分離して熱交換器入口に戻す。その循環の動力にＥＧＲガスのエネルギーを利用して気液分離器１２によって分離した液相の冷媒を熱交換器１１の冷媒入口１１ａ側に戻すことができる。
（第３の実施の形態）
次に、第３の実施の形態を、第１の実施の形態との相違点を中心に説明する。

図４には、図１に代わる本実施形態における排気ガス再循環装置および沸騰冷却装置の概略構成を示す。
図４において、ＥＧＲガスの通路４における熱交換器１１よりも下流側にはタービン３０が設けられ、タービン３０はＥＧＲガスの通過により回転駆動する。タービン３０と凝縮冷媒循環用の冷媒ポンプ１５とは動力伝達手段３１により連結されている。動力伝達手段３１はタービン３０による回転力を冷媒ポンプ１５に伝えて冷媒ポンプ１５を駆動させる。

このように、タービン３０にて冷媒ポンプ１５を駆動して冷媒ポンプ１５をモータレスとしてもよい。
タービンを熱交換器後方に持ってきたことにより、タービンへの耐熱の要求が下がり、より安価な軽量材料の使用が可能となる。
（第４の実施の形態）
次に、第４の実施の形態を、第１の実施の形態との相違点を中心に説明する。

図５には、図１に代わる本実施形態における排気ガス再循環装置および沸騰冷却装置の概略構成を示す。
図５において、沸騰冷却用熱交換器１１は、二重管式の熱交換器であって、内管中をＥＧＲガスが流れるとともに内管と外管との間を冷媒が流れる。さらに、二種類の流体の流れる方向は同一方向、即ち、並流（並行流）となっている。

並行流にすることで高温の入口部に新しい冷媒が供給されるのでよい。
（第５の実施の形態）
次に、第５の実施の形態を、第２の実施の形態との相違点を中心に説明する。

図６には、図３に代わる本実施形態における排気ガス再循環装置および沸騰冷却装置の概略構成を示す。
図６において、タービン３０から動力伝達手段３１がポンプ１５およびポンプ１８に延びている。ポンプ１５はコンデンサ１３により凝縮された液相の冷媒を熱交換器１１の冷媒入口１１ａに供給するための凝縮冷媒循環用の冷媒ポンプである。

以上のように、動力伝達手段３１により駆動する冷媒ポンプは、液相分離冷媒循環用の冷媒ポンプ１８に加えポンプ１５も駆動することができる（コンデンサ１３の冷媒出口と熱交換器１１の冷媒入口を連結する冷媒通路２０に設けられた凝縮冷媒循環用の冷媒ポンプ１５も動力伝達手段３１により駆動される）。即ち、ＥＧＲガスのエネルギーを利用してコンデンサ１３により凝縮された液相の冷媒を熱交換器１１の冷媒入口１１ａに供給するポンプ１５も駆動することができる。
（第６の実施の形態）
次に、第６の実施の形態を、第１の実施の形態との相違点を中心に説明する。

図７には、図１に代わる本実施形態における排気ガス再循環装置および沸騰冷却装置の概略構成を示す。
図７においてコンデンサ１３と冷媒タンク１４とをつなぐ冷媒通路２０には冷媒ポンプ２５が設けられている。冷媒ポンプ２５はコンデンサ１３で凝縮した液相の冷媒を冷媒タンク１４に供給するためのものである。タービン３０と冷媒ポンプ２５とは動力伝達手段３１により連結されている。動力伝達手段３１により、タービン３０による回転力が冷媒ポンプ２５に伝えられ、冷媒ポンプ１５が駆動する。

このように、タービン３０にて冷媒ポンプ２５を駆動してコンデンサ１３で凝縮した液相の冷媒を冷媒タンク１４に供給するようにしてもよい。つまり、冷媒ポンプ２５をモータレスとしてもよい。

コンデンサ１３の出口にポンプ２５を付けることでコンデンサ１３内に溜まった凝縮液を強制的に排出することができ、コンデンサの性能低下を抑制することができる。
（第７の実施の形態）
次に、第７の実施の形態を、第１の実施の形態との相違点を中心に説明する。

図８には、図１に代わる本実施形態における排気ガス再循環装置および沸騰冷却装置の概略構成を示す。
図８において、ＥＧＲ通路４には図１でのタービン３０は設けられていない。一方、内燃機関１の排気ガスの通路３におけるＥＧＲ通路４との分岐点よりも上流側にはタービン３２が設けられ、タービン３２は排気ガスの通過により回転駆動する。タービン３２と凝縮冷媒循環用の冷媒ポンプ１５とは動力伝達手段３１により連結されている。動力伝達手段３１はタービン３２による回転力を冷媒ポンプ１５に伝えて冷媒ポンプ１５を駆動させる。つまり、排気ガスのエネルギーを利用して、コンデンサ１３により凝縮された液相の冷媒を熱交換器１１の冷媒入口１１ａに供給する冷媒ポンプ１５を駆動する。

タービンの設置場所として図１のようにＥＧＲガス通路と図８のように排気ガス通路との比較において、図８のように排気ガス通路ではタービンが内燃機関の排気ガスの負荷となり出力が低下しやすいが、図１のようにＥＧＲガス通路にタービンを設けることは内燃機関の排気ガスの負荷にならず内燃機関の出力低下を抑制することができる。

ここで、図８に示したタービン３２を用いて動力伝達手段３１を介して図３に示した液相分離冷媒循環用の冷媒ポンプ１８を駆動してもよい。また、図８に示したタービン３２を用いて図６で示したポンプ１８およびポンプ１５を駆動してもよい。
（第８の実施の形態）
次に、第８の実施の形態を、第１の実施の形態との相違点を中心に説明する。

図９には、図１に代わる本実施形態における排気ガス再循環装置および沸騰冷却装置の概略構成を示す。
図９において、図１での気液分離器１２は設けられていない。一方、熱交換器１１からコンデンサ１３への冷媒通路２０に気化冷媒抜取用の冷媒ポンプ４０が設けられている。即ち、熱交換器１１を通過した冷媒を凝縮するコンデンサ１３を備え、動力伝達手段３１により駆動される冷媒ポンプ４０は、熱交換器１１の冷媒出口とコンデンサ１３の冷媒入口を連結する冷媒通路２０に設けられ、熱交換器１１の内部において気化した冷媒を抜くための気化冷媒抜取用の冷媒ポンプである。ポンプ４０により熱交換器１１の内部において気化した冷媒を抜くことができる。タービン３０とポンプ４０とは動力伝達手段３１により連結され、動力伝達手段３１により、タービン３０の回転力がポンプ４０に伝えられる。

これにより、熱交換器１１の冷媒出口１１ｂの圧力を一定にすることができる。例えば、熱交換器１１の冷媒入口１１ａで９０℃、１気圧、冷媒出口１１ｂで１００℃で沸騰すべきところを１気圧以上で沸騰すると内部圧力が上がる。このような場合において熱交換器１１の冷媒出口１１ｂでの冷媒が１１０℃、１．１気圧であっても、冷媒ポンプ４０により強制的に吸引することにより１００℃、１気圧にすることができる。これより冷却効率がよい。

以上のように、動力伝達手段３１により駆動する冷媒ポンプ４０は、熱交換器１１からコンデンサ１３への冷媒通路２０に設けられ、熱交換器１１の内部において気化した冷媒を抜くための気化冷媒抜取用の冷媒ポンプである。よって、ＥＧＲガスのエネルギーを利用して熱交換器１１の内部において気化した冷媒を抜くことができる。

詳しくは、沸騰冷却装置の熱交換器において、沸騰温度の制御が難しく冷却能力を全て発揮することができていない。また、熱交換器で、構造上冷媒の通りの悪い場合、熱交換器の内部に蒸気が溜まり内部圧力の上昇を招き熱交換能力が低下する。そこで、沸騰冷却装置の熱交換器において、沸騰温度が熱交換器の冷却能力を左右するパラメーターの一つとなるが、沸騰温度は圧力により制御することができる。この圧力を制御（熱交換器の内部圧力を低下）するため、熱交換器１１の冷媒出口にポンプ４０を取り付け、熱交換器１１の内部の蒸気を除去する。その結果、熱交換器１１の内部の冷媒を取り除くことにより、熱交換器１１の内部の圧力が高くなることを抑制し、沸点の上昇を抑え熱交換性能を向上することができる。また、ＥＧＲガスの流れを利用したシステムにすることで、冷媒ポンプ４０を駆動するための電動モータが不要となる。

また、ＥＧＲガスが流れているときが熱交換器で蒸気を抜きたいときであるのでＥＧＲガスで冷媒ポンプ４０を駆動する構成はより好ましい。即ち、ＥＧＲガスの流量が大きいときには循環する冷媒流量が大きいので、２つを連動させることにより、より好ましいものとなる。

ここで、図８で示したタービン３２を用いて図９の冷媒ポンプ４０を駆動する構成とし、排気ガスのエネルギーを利用して熱交換器１１の内部において気化した冷媒を抜くようにしてもよい。
（第９の実施の形態）
次に、第９の実施の形態を、第８の実施の形態との相違点を中心に説明する。

図１０には、図９に代わる本実施形態における排気ガス再循環装置および沸騰冷却装置の概略構成を示す。
図１０において、ＥＧＲガスの通路４における熱交換器１１よりも下流側にはタービン３０が設けられ、ＥＧＲガスの通過により回転駆動する。タービン３０とポンプ４０とは動力伝達手段３１により連結され、動力伝達手段３１によってタービン３０による回転力がポンプ４０に伝えられ、冷媒ポンプ４０が駆動する。
（第１０の実施の形態）
次に、第１０の実施の形態を、第８の実施の形態との相違点を中心に説明する。

図１１には、図９に代わる本実施形態における排気ガス再循環装置および沸騰冷却装置の概略構成を示す。
図１１において、タービン３０から動力伝達手段３１がポンプ１５およびポンプ４０に延びている。ポンプ１５はコンデンサ１３により凝縮された液相の冷媒を熱交換器１１の冷媒入口１１ａに供給するための凝縮冷媒循環用の冷媒ポンプである。

以上のように、動力伝達手段３１により駆動する冷媒ポンプは、気化冷媒抜取用の冷媒ポンプ４０に加えポンプ１５も駆動することができる。即ち、ＥＧＲガスのエネルギーを利用して、コンデンサ１３により凝縮された液相の冷媒を熱交換器１１の冷媒入口１１ａに供給するポンプ１５も駆動することができる。つまり、コンデンサ１３の冷媒出口と熱交換器１１の冷媒入口を連結する冷媒通路２０に設けられた凝縮冷媒循環用の冷媒ポンプ１５も動力伝達手段３１により駆動される。

ここで、図８に示したタービン３２で、図１１に示したポンプ４０およびポンプ１５を駆動してもよい。
（第１１の実施の形態）
次に、第１１の実施の形態を、第８の実施の形態との相違点を中心に説明する。

図１２には、図９に代わる本実施形態における排気ガス再循環装置および沸騰冷却装置の概略構成を示す。
図１２において、沸騰冷却用熱交換器１１は、二重管式の熱交換器であって、内管中をＥＧＲガスが流れるとともに内管と外管との間を冷媒が流れる。さらに、二種類の流体の流れる方向は同一方向、即ち、並流（並向流）となっている。

本発明は上記各実施形態に限定されるものではなく、例えば、次のように具体化してもよい。
・沸騰冷却用熱交換器１１は、二種類の流体は向流または並流であったが、直交流であってもよい。

・図１，４，５，７，８における気液分離器１２、通路２１、バルブ１７は無くてもよい。
・タービンからの動力伝達にはギア、ベルト、クラッチ、などを使用し、使用条件に合わせ動力を調整する機能を持たせてもよい。

・沸騰冷却装置１０に冷媒を循環させたくないときに、ポンプ１５を停止させてしまうとタービンも回転しなくなりタービンが排気ガスに対する抵抗になってしまうため、ポンプ１５の出口から出た冷媒がポンプ１５の入口に循環するバイパス通路を設け、沸騰冷却装置１０に冷媒を循環させたくないときにはポンプ１５から出た冷媒をバイパス通路に循環させるようにしてもよい。また、タービンをバイパスする通路とそのバイパス通路に開閉弁を設け、ポンプ１５の停止時に、バイパス通路に設けた開閉弁を開くようにしてもよい。

第１の実施の形態における排気ガス再循環装置および沸騰冷却装置の概略構成図。 合流器の概略断面図。 第２の実施の形態における排気ガス再循環装置および沸騰冷却装置の概略構成図。 第３の実施の形態における排気ガス再循環装置および沸騰冷却装置の概略構成図。 第４の実施の形態における排気ガス再循環装置および沸騰冷却装置の概略構成図。 第５の実施の形態における排気ガス再循環装置および沸騰冷却装置の概略構成図。 第６の実施の形態における排気ガス再循環装置および沸騰冷却装置の概略構成図。 第７の実施の形態における排気ガス再循環装置および沸騰冷却装置の概略構成図。 第８の実施の形態における排気ガス再循環装置および沸騰冷却装置の概略構成図。 第９の実施の形態における排気ガス再循環装置および沸騰冷却装置の概略構成図。 第１０の実施の形態における排気ガス再循環装置および沸騰冷却装置の概略構成図。 第１１の実施の形態における排気ガス再循環装置および沸騰冷却装置の概略構成図。

符号の説明

１…内燃機関、３…排気ガスの通路、４…ＥＧＲガスの通路、１１…熱交換器、１１ａ…冷媒入口、１１ｂ…冷媒出口、１２…気液分離器、１３…コンデンサ、１５…冷媒ポンプ、１８…冷媒ポンプ、２５…冷媒ポンプ、３０…タービン、３１…動力伝達手段、３２…タービン、４０…冷媒ポンプ。

Claims (8)

1. 内燃機関の排気系から給気系へ再循環されるＥＧＲガスが流れるＥＧＲガスの通路に設けられ、液相の冷媒の一部が沸騰気化するときの潜熱にて前記ＥＧＲガスを冷却する熱交換器と、
   前記熱交換器を通過した前記冷媒を前記熱交換器に再び循環させるための通路と、
   前記冷媒を前記熱交換器に再び循環させるための通路に設けられた冷媒ポンプと、
   前記ＥＧＲガスの通路に設けられ、前記ＥＧＲガスの通過により回転駆動するタービンと、
   前記タービンによる回転力を前記冷媒ポンプに伝えて当該冷媒ポンプを駆動する動力伝達手段と、
   を備えたことを特徴とする沸騰冷却装置。
2. 内燃機関の排気系から給気系へ再循環されるＥＧＲガスが流れるＥＧＲガスの通路に設けられ、液相の冷媒の一部が沸騰気化するときの潜熱にて前記ＥＧＲガスを冷却する熱交換器と、
   前記熱交換器を通過した前記冷媒を前記熱交換器に再び循環させるための通路と、
   前記冷媒を前記熱交換器に再び循環させるための通路に設けられた冷媒ポンプと、
   前記内燃機関の排気ガスの通路に設けられ、前記排気ガスの通過により回転駆動するタービンと、
   前記タービンによる回転力を前記冷媒ポンプに伝えて当該冷媒ポンプを駆動する動力伝達手段と、
   を備えたことを特徴とする沸騰冷却装置。
3. 前記熱交換器を通過した冷媒を凝縮するコンデンサを更に備え、
   前記動力伝達手段により駆動される冷媒ポンプは、前記コンデンサの冷媒出口と前記熱交換器の冷媒入口を連結する冷媒通路に設けられた凝縮冷媒循環用の冷媒ポンプであることを特徴とする請求項１または２に記載の沸騰冷却装置。
4. 前記熱交換器から気液２相の冷媒が供給され、気相の冷媒と液相の冷媒とに分離する気液分離器と、
   前記気液分離器で分離された気相の冷媒が供給されるコンデンサとを更に備え、
   前記動力伝達手段により駆動される冷媒ポンプは、前記気液分離器の液相冷媒出口と前記熱交換器の冷媒入口を連結する冷媒通路に設けられた液相分離冷媒循環用の冷媒ポンプであることを特徴とする請求項１または２に記載の沸騰冷却装置。
5. 前記熱交換器を通過した冷媒を凝縮するコンデンサを更に備え、
   前記動力伝達手段により駆動される冷媒ポンプは、前記熱交換器の冷媒出口とコンデンサの冷媒入口を連結する冷媒通路に設けられ、前記熱交換器の内部において気化した冷媒を抜くための気化冷媒抜取用の冷媒ポンプであることを特徴とする請求項１または２に記載の沸騰冷却装置。
6. 前記コンデンサの冷媒出口と前記熱交換器の冷媒入口を連結する冷媒通路に設けられた凝縮冷媒循環用の冷媒ポンプも前記動力伝達手段により駆動されることを特徴とする請求項４に記載の沸騰冷却装置。
7. 前記コンデンサの冷媒出口と前記熱交換器の冷媒入口を連結する冷媒通路に設けられた凝縮冷媒循環用の冷媒ポンプも前記動力伝達手段により駆動されることを特徴とする請求項５に記載の沸騰冷却装置。
8. 前記タービンを、前記ＥＧＲガスの通路における前記熱交換器の上流側に設けたことを特徴とする請求項１，３〜７のいずれか１項に記載の沸騰冷却装置。

Images