JP5929974B2 - 沸騰冷却装置 - Google Patents

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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。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２０１０−２２３１１６号公報
ところで、ランキンサイクルが備えるタービン等の膨張器を効率よく利用するためには、膨張器の上流側の圧力は高い方がよく、大気圧以上とすることが求められる。すなわち、内燃機関の沸騰冷却によって得られた蒸気を利用するランキンサイクルの効率を向上するために内燃機関側の圧力も高められる。ところで、内燃機関の作動流体、すなわち、冷媒としては、例えば、水やＬＬＣ（long life coolant）、エチルアルコールなど、水と沸点が近いものが選定される。冷媒として水を選定した場合、１気圧における冷媒の沸騰温度は１００℃となり、２気圧では１２０℃となる。内燃機関では、潤滑オイルや、トランスミッション系のオイル等、冷媒を利用した各種の冷却が行われることがある。例えば、内燃機関を循環する潤滑オイルの温度は、一般的に冷媒よりも、さらに１０〜３０℃程度高くなる。このため、潤滑オイルを冷却対象として冷媒との熱交換により冷却する場合、高温の冷媒の温度以下に潤滑オイルの温度を低下させることはできず、潤滑オイルの劣化や内燃機関の摺動部における焼き付きの可能性がある。
そこで、本明細書開示の沸騰冷却装置は、内燃機関を冷却する冷媒と熱交換することによって冷却される冷却対象を適切に冷却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、内燃機関の内部に形成され、沸騰することによって前記内燃機関を冷却する冷媒が流通する冷媒通路と、前記内燃機関において沸騰した冷媒によって駆動される膨張器と、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冷媒を冷却するコンデンサと、前記冷媒と熱交換することによって冷却対象を冷却する熱交換部と、を備え、前記冷媒が循環する経路において、前記膨張器及び前記コンデンサを含む低圧領域と、前記低圧領域以外の高圧領域を形成し、前記熱交換部には、液相の冷媒が流通する箇所に接続された通路が接続されるとともに、前記低圧領域に接続された通路が接続されている。熱交換部を低圧領域と接続することにより熱交換部において沸騰冷却が起こりやすい状態とする。これにより、熱交換部を沸騰冷却状態とし、ランキンサイクルを活用する状態においても冷却対象を適切に冷却することができる。
沸騰冷却装置は、前記熱交換部に接続されるとともに液相の冷媒が流通する箇所に接続された通路に、当該通路を流通する液相の冷媒の量を調整する調量弁を備えてもよい。調量弁を備えることにより、熱交換部内の冷媒量を調整し、熱交換部における沸騰冷却を実現しやすくする。
沸騰冷却装置は、前記低圧領域に接続された通路から分岐し、前記内燃機関の内部に形成された冷媒通路と連通する通路と、当該通路の前記低圧領域に接続された通路からの分岐点に、前記低圧領域側を開通させる状態と、前記内燃機関の内部に形成された冷媒通路側を開通させる状態とを切り替える制御弁を備えてもよい。これにより、冷媒の沸騰による気化潜熱を利用した沸騰冷却状態と、液相の冷媒により熱を奪って冷却する液体冷却状態とを切り替えることができる。
沸騰冷却装置は、前記内燃機関の暖機時には、前記制御弁を前記内燃機関の内部に形成された冷媒通路側を開通させる状態に切り替えてもよい。内燃機関の暖機時に液体冷却状態とし、内燃機関の暖機時において冷却対象よりも温度が上昇しやすい冷媒を利用して冷却対象の早期暖機を実現することができる。
沸騰冷却装置は、前記内燃機関が、高回転状態又は高負荷状態であるときに、前記制御弁を前記内燃機関の内部に形成された冷媒通路側を開通させる状態に切り替えてもよい。これにより、内燃機関が高回転状態又は高負荷状態であるときに、ランキンサイクルの作動を停止させて、内燃機関及び熱交換部における液体冷却を行う。ランキンサイクルを停止させた状態では、冷媒の圧力が低下し、沸点も低下することから、冷媒の温度も下がり、冷却対象を適切に冷却することができる。
沸騰冷却装置は、前記内燃機関の内部に形成された冷媒通路と前記膨張器とを接続する経路から分岐し、前記膨張器をバイパスして前記コンデンサに接続するバイパス通路と、当該バイパス通路の前記冷媒通路と前記膨張器とを接続する経路からの分岐点に、前記膨張器側を開通させる状態と、前記バイパス通路を開通させる状態とを切り替える制御弁を備えてもよい。沸騰冷却状態が選択されたときにバイパス通路に蒸気が流入することを回避することができるとともに、液体冷却状態が選択されたときに、液相の冷媒をコンデンサに送り、冷媒を冷却することができる。
本明細書開示の沸騰冷却装置によれば、内燃機関を冷却する冷媒と熱交換することによって冷却される冷却対象を適切に冷却することができる。
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は沸騰冷却状態の沸騰冷却装置の概略構成を示す説明図である。 図４は液体冷却状態の沸騰冷却装置の概略構成を示す説明図である。 図５は調量弁の開度を決定するマップの一例である。 図６は沸騰冷却から液体冷却に切り替える際に参照される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、内燃機関１０に組み込まれた実施形態の沸騰冷却装置１００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。内燃機関１０は、吸気系及び排気系を備え、排気系には、エキゾーストマニホールド１０ａが含まれる。内燃機関１０は、オイルパン１０ｂを備える。オイルパン１０ｂには、油温センサ１０ｂ１が設けられている。油温センサ１０ｂ１は、オイルパン１０ｂの内部に貯留されるオイルの温度を検出する。沸騰冷却装置１００は、内燃機関１０の内部に形成され、沸騰することによって内燃機関１０を冷却する冷媒が流通する冷媒通路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、水やＬＬＣ（long life coolant）、エチルアルコール等、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。沸騰冷却装置１００は、冷媒通路１２を流通する冷媒を沸騰させることによって内燃機関１０を冷却する沸騰冷却状態と、液相の冷媒により熱を持ち去ることによって内燃機関１０を冷却する液体冷却状態の二つの冷却態様を実現することができる。沸騰冷却装置１００が沸騰冷却状態となっているときは、発生した蒸気の利用による廃熱回収が行われるランキンサイクルを形成する。
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通路１３が接続されている。第１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通路１３内を流通する冷媒の温度を計測する。第１通路１３の他端は、気液分離器１４に接続されている。第１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４通路１５が接続されている。第４通路１５には、気液分離器１４を通過した蒸気が流れ込む。第４通路１５の他端には、膨張器の一例であるタービン１８が配置されている。第４通路１５の気液分離器１４とタービン１８との間には、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１８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１８には、例えばタービン１８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１８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。なお、排気ガスの流通経路に対して、過熱器１６と排気熱蒸気発生器２０とを入れ替えてもよい。すなわち、排気ガスの流通経路に対して、過熱器１６を排気熱蒸気発生器２０よりも上流側に配置し、過熱器１６を通過した排気ガスを排気熱蒸気発生器２０に導入するようにしてもよい。
第１通路１３からは、第２通路１３１が分岐している。第２通路１３１の他端は、後に説明する第１３通路３３に接続されている。また、第１通路１３は、第２通路１３１との分岐点よりも下流側で第３通路１３２と分岐している。第３通路１３２の他端１３２ａは、後に説明するコンデンサ（以下、ＣＤＮと表記する場合がある）２４の入口２４ａに接続されている。第３通路１３２は、後に説明するタービン１８をバイパスするバイパス通路として機能する。すなわち、第３通路１３２は、内燃機関１０の内部に形成された冷媒通路１２とタービン１８とを接続する経路１３及び経路１５から分岐し、タービン１８をバイパスしてコンデンサ２４に接続するバイパス通路となる。第１通路１３と第３通路１３２との分岐点には、第１三方弁１３ｂが設けられている。第１三方弁１３ｂは、タービン１８側を開通させる状態と、バイパス通路である第３通路１３２を開通させる状態とを切り替える制御弁に相当する。従って、第１三方弁１３ｂは、冷媒通路１２の出口１２ａから排出された冷媒をそのまま第１通路１３を通過させて気液分離器１４に冷媒を導入するか、第３通路１３２を通過させてタービン１８をバイパスしてコンデンサ２４に導入するかを選択する。第１三方弁１３ｂ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。
このように、内燃機関１０とタービン１８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５通路１９が接続されている。気液分離器１４の下端には、分離された液相の冷媒が貯留されているため、第５通路１９には、常時、液相の冷媒が流通している。第５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６通路２１が接続されている。この第６通路２１にも、第５通路１９と同様に常時、液相の冷媒が流通している。第６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。排気熱蒸気発生器２０については、後に詳述する。
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の諸元は、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。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の諸元は、少なくともこれらの条件を考慮して決定される。なお、また、気液分離器１４は、重力により液相の冷媒が第１ウォーターポンプ１９ａや排気熱蒸気発生器２０に供給される位置に設定されている。
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１７の周囲に設けられている。排気熱蒸気発生器２０は、排気管１７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７通路２２が接続されている。第７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７通路２２内を流通する冷媒の温度を計測する。第７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１８の下流側にタービン１８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。すなわち、コンデンサ２４は、タービン１８の下流に配置され、タービン１８を通過した冷媒を冷却する。また、コンデンサ２４は、バイパス通路である第３通路１３２を通過した冷媒も冷却する。沸騰冷却装置１００が液体冷却状態となっているときは、液相の冷媒を冷却する。コンデンサ２４には、タービン１８の下流側に設けられた第８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。また、沸騰冷却装置１００が液体冷却状態となっているときには、コンデンサ２４は、通常の車両に搭載されているラジエータと同様に液相冷媒を冷却する。第８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１８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へ放出する第９通路２６が接続されている。すなわち、第９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。この第９通路２６には、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へ供給する第１０通路２７が接続されている。この、第１０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。
このような沸騰冷却装置１００は、冷媒が循環する経路において、タービン１８及びコンデンサ２４を含む低圧領域と、低圧領域以外の高圧領域に区分けすることができる。具体的に、冷媒通路１２からタービン１８の入口までの通路、すなわち第１通路１３及び第４通路１５は高圧の蒸気が流通しており、タービン１８を通過することによって蒸気の圧力は徐々に低下する。従って、タービン１８からコンデンサ２４を含む領域は圧力が低い低圧領域に含まれる。なお、コンデンサ２４及びキャッチタンク２５の下流側では、第２ウォーターポンプ２７ａにより、気液分離器１４、さらには、内燃機関１０に向かって冷媒が圧送されるため、高圧領域に含まれるものとする。
沸騰冷却装置１００は、熱交換部の一例であるオイルクーラ（以下、ＥＯＣと表記することがある）３０を備える。オイルクーラ３０は、冷媒と熱交換することによって冷却対象である潤滑オイルを冷却する。オイルクーラ３０には、オイルフィルタ３１が接続されている。オイルクーラ３０は、第１口部３０ａと第２口部３０ｂを備える。オイルクーラ３０の内部において、第１口部３０ａと第２口部３０ｂとを繋ぐ通路には、冷媒が流通する。第１口部３０ａには、第１２通路３２が接続されている。第１２通路３２は、第５通路１９から分岐している。より具体的には、気液分離器１４と第１ウォーターポンプ１９ａとの間で分離している。第１口部３０ａは、常時、液相の冷媒が流通する箇所から接続されていることが求められる。また、沸騰冷却装置１００が液体冷却状態となり、オイルクーラ３０内を流通する冷媒も第１ウォーターポンプ１９ａによって循環させることを考慮すると、第５通路１９のウォーターポンプ１９ａよりも上流側から分岐していることが望ましい。第１２通路３２には、調量弁３２ａが設けられている。調量弁３２ａは、第１２通路３２を流れる液相の冷媒の量を調整する。すなわち、調量弁３２ａは、第１口部３０ａを介してオイルクーラ３０内に導入される液相冷媒の量を調整する。調量弁３２ａ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２口部３０ｂには、第１３通路３３が接続されている。第１３通路３３の他端は、コンデンサ２４の入口２４ａに接続されている。具体的に、第１３通路３３の他端は、第３通路１３２と合流し、これにより、コンデンサ２４の入口２４ａに接続された状態となっている。これにより、第１３通路３３は、低圧領域に接続された状態となっている。なお、第１口部３０ａと第２口部３０ｂは、冷媒の流通方向によって冷媒の入口となったり、出口となったりすることがある。具体的に、沸騰冷却装置１００が沸騰冷却状態となっているときは、第１口部３０ａが入口となり、第２口部３０ｂが出口となる。一方、沸騰冷却装置１００が液体冷却状態となっているときは、第２口部３０ｂが入口となり、第１口部３０ａが出口となる。
第１３通路３３には、第１通路１３から分岐した第２通路１３１が接続されている。すなわち、第２通路１３１は、第１３通路３３から分岐し、内燃機関１０の内部に形成された冷媒通路１２と連通する通路となる。第２通路１３１の第１３通路３３への接続点、換言すれば、第２通路１３１の第１３通路３３からの分岐点には、第２三方弁３３ａが設けられている。第２三方弁３３ａは、低圧領域側を開通させる状態と、内燃機関１０の内部に形成された冷媒通路１２側を開通させる状態とを切り替える制御弁に相当する。従って、第２三方弁３３ａは、第２口部３３ｂを冷媒通路１２の出口１２ａと接続するか、コンデンサ２４の入口２４ａに接続するかの選択をする。第２三方弁３３ａ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。
オイルクーラ３０は、オイル導入口３０ｃとオイル排出口３０ｄを備える。オイル導入口３０ｃは、オイルパン１０ｂと接続されており、オイルパン１０ｂ内のオイルをオイルクーラ３０内に導入する。オイル排出口３０ｄは、内燃機関１０においてオイルの供給が必要となる各部へオイルを供給するオイル通路と接続されている。このようなオイルクーラ３０により、オイルを冷却することができる。
なお、本実施形態では、潤滑オイルを冷却するオイルクーラ３０を熱交換部としているが、例えば、ＡＴＦ（Automatic Transmission Fluid）やミッションオイルを冷却対象とするクーラを熱交換部としてもよい。
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。沸騰冷却装置１００において実施される制御の概略を説明すると、以下の如くである。まず、内燃機関１０は、その暖機時には、第２三方弁３３ａを内燃機関１０の内部に形成された冷媒通路１２側を開通させる状態に切り替える。また、内燃機関１０が、高回転状態又は高負荷状態であるときに、第２三方弁３３ａを内燃機関１０の内部に形成された冷媒通路１２側を開通させる状態に切り替える。そして、これら以外の場合には、第２三方弁３３ａを、低圧領域側を開通させる状態とする。以下、制御の一例につき、詳細に説明する。
まず、内燃機関１０が備えるイグニションがＯＮにされ、内燃機関１０が始動すると、一連の制御が開始される。まず、ステップＳ１では、内燃機関の回転数ＮＥが高回転判定閾値ＮＥ１よりも高く、かつ、冷媒の温度Ｔｗが暖機判定温度Ｔｗ１よりも高いか否かを判断する。ステップＳ１では、ステップＳ２以下で行われる主として冷間始動の制御を行うか、ステップＳ１１以下で行われる主として内燃機関再始動時の制御を行うかを判断する。ここで、内燃機関再始動時は、稼働していた内燃機関１０が一旦停止し、再度、始動したような状況を想定している。より具体的には、内燃機関１０が暖機完了状態まで到達して停止し、その後、冷却される以前に再度始動したような場合が内燃機関再始動時として想定される。また、暖機完了後の内燃機関１０が一旦停止しないような場合であっても、ステップＳ１において判断される所定の条件を満たした場合には、ステップＳ１１以下の処理が行われる。本実施形態の沸騰冷却装置１００は、沸騰冷却状態と液体冷却状態を切り替えるが、高回転判定閾値ＮＥ１は、液体冷却状態が選択されるための閾値である。また、暖機判定温度Ｔｗ１は、内燃機関１０が暖機完了したか否かを判断する閾値となる。冷媒の温度Ｔｗは第１温度センサ１３ａによって取得する。
ステップＳ１でＮＯと判断したとき、すなわち、内燃機関１０の回転数ＮＥ、冷媒の温度Ｔｗの少なくともいずれか一方が所定の条件を満たしていないときは、ステップＳ２へ進む。ステップＳ２では、冷媒の温度Ｔｗが暖機判定温度Ｔｗ１以下であるか否かを判断する。ステップＳ２でＮＯと判断したとき、すなわち、内燃機関１０の暖機が完了していると判断したときは、ステップＳ３へ進む。ステップＳ２でＮＯと判断したときは、内燃機関１０の暖機が完了したとして、沸騰冷却装置１００を沸騰冷却状態とする。沸騰冷却装置１００が、沸騰冷却状態となるときは、内燃機関１０のみでなく、オイルクーラ３０も沸騰冷却によって冷却される。ステップＳ３では、図３に示すように、第１開閉弁１５ａを開弁する。このとき、第１三方弁１３ｂは、図３中、黒塗りで示すようにバイパス通路である第３通路１３２を閉鎖し、気液分離器１４に通じる第１通路１３を開通した状態としている。これにより、内燃機関１０で徐々に発生した蒸気が気液分離器１４に送られる状態となっている。内燃機関１０の暖機が完了した状態で第１開閉弁１５ａを開弁すると、気液分離器１４内に貯留され、液相と分離された気相の冷媒が過熱器１６に送られる。また、第１開閉弁１５ａが開弁すると、気液分離器１４よりも上流側の圧力が低下し、より蒸気が発生しやすい状態となり、継続的に発生する蒸気が過熱器１６に送られる。ステップＳ３に引き続いて行われるステップＳ４では、図３に示すように調量弁３２ａが全閉状態とされる。これにより、液相冷媒のオイルクーラ（ＥＯＣ）３０への流入が停止する。そして、調量弁３２ａの閉弁措置とともに、第２三方弁３３ａの状態を、オイルクーラ３０とコンデンサ２４とが流通する状態とする。すなわち、オイルクーラ３０が低圧領域に接続された状態とする。これにより、オイルクーラ３０内の圧力が低下し、オイルクーラ３０内が低圧沸騰状態となって沸騰冷却が行われる。このとき、調量弁３２ａが全閉状態とされており、オイルクーラ３０内の冷媒の量は減少しやすい状態となっているため、オイルクーラ３０は、沸騰冷却により効果的に温度が低下する。なお、このとき、第２三方弁３３ａは、図３中、黒塗りで示すように、第３通路１３２を閉鎖した状態となっている。このため、内燃機関１０で発生した蒸気は、第１３通路３３に合流することなく、第１通路１３を通じて気液分離器１４に送られる。ステップＳ３の処理とステップＳ４の処理は、同時に行われてもよいし、順番を入れ替えてもよい。ステップＳ３及びステップＳ４の処理が行われた後は、ステップＳ６へ進む。
一方、ステップＳ２でＹＥＳと判断したとき、すなわち、内燃機関１０の暖機が完了していないと判断したときは、ステップＳ５へ進む。ステップＳ２でＹＥＳと判断したときは、内燃機関１０の暖機が完了していないとして、沸騰冷却装置１００を液体冷却状態とする。ここで、便宜上、液体冷却状態と称しているが、内燃機関１０の暖機状態のときは、液相の冷媒を内燃機関１０内に循環させる意味合いが強い。このように内燃機関１０が暖機状態のときは、内燃機関１０内に形成された冷媒通路１２だけでなく、オイルクーラ３０内にも液相の冷媒を通過させて、顕熱による潤滑オイルの冷却を行う。内燃機関１０が暖機状態にあるときに、液体冷却状態とすることにより、冷却対象である潤滑オイルよりも温度上昇しやすい冷媒と潤滑オイルとの熱交換が行われる。これにより、潤滑オイルの昇温を補助し、早期の暖機完了を図ることができる。ステップＳ５では、図４に示すように調量弁３２ａが全開状態とされる。これにより、液相冷媒のオイルクーラ（ＥＯＣ）３０への流入が継続する。そして、調量弁３２ａの開弁措置とともに、第２三方弁３３ａの状態を、オイルクーラ３０とウォータージャケット（ＷＪ）、すなわち、冷媒通路１２とが流通する状態とする。このように、内燃機関１０の暖機時には、制御弁に相当する第２三方弁３３ａを内燃機関１０の内部に形成された冷媒通路１２側を開通させる状態に切り替える。これにより、オイルクーラ３０、冷媒通路１２を含む液相冷媒の循環経路が形成される。すなわち、図４に示すように、オイルクーラ及び冷媒通路１２を含む循環経路に、図４において反時計回りとなる液相冷媒の流れができる。液相冷媒は、第１ウォーターポンプ１９ａによって循環する。このとき、図４中、黒塗りで示すように、第１三方弁１３ｂは、第１通路１３を閉鎖した状態となり、気液分離器１４やタービン１８をバイパスする第３通路１３２を開通させる。これにより、液相の冷媒がコンデンサ２４に流れ込む。このとき、コンデンサ２４は、ラジエータとして機能し、液相冷媒を冷却する状態となる。ステップＳ５の処理を終了した後は、再びステップＳ２からの処理を繰り返す。
ステップＳ４の処理を終了した後は、ステップＳ６へ進む。ステップＳ６では、潤滑オイルの温度Ｔｏが上限温度Ｔｏｈｉｇｈ以下であるか否かを判断する。潤滑オイルの温度Ｔｏは、油温センサ１０ｂ１により取得される。上限温度Ｔｏｈｉｇｈは、ＥＣＵ２８内のメモリに内蔵されている。上限温度Ｔｏｈｉｇｈは、潤滑オイルの性能を保証する油温として規定されている。ステップＳ６でＹＥＳと判断したときは、ステップＳ７へ進む。一方、ステップＳ６でＮＯと判断したときは、ステップＳ１０へ進む。すなわち、潤滑オイルの温度Ｔｏが上限温度Ｔｏｈｉｇｈを超えているときはステップＳ１０へ進む。ステップＳ１０では、調量弁３２ａを全開にする。これにより、液相冷媒をオイルクーラ３０に導入し、潤滑オイルの冷却を促進する。ステップＳ１０で調量弁３２ａを全開とした後は、ステップＳ６でＹＥＳと判断されるまで、調量弁３２ａの全開状態を維持する。
ステップＳ７では、潤滑オイルの温度Ｔｏが、冷媒の温度Ｔｗ以上であり、冷媒の温度Ｔｗよりもわずかに高い温度、すなわち、Ｔｗ＋α以下となっているか否かを判断する。この条件は、潤滑オイルが冷媒から必要以上に熱を奪わないようにするために設定されている。具体的に、例えば、潤滑オイルの温度Ｔｏが冷媒の温度Ｔｗよりも低い場合、冷媒が有する熱がオイルクーラ３０において潤滑オイルに奪われてしまう。オイルクーラ３０で奪われた熱はコンデンサ２４において捨てられることになる。すなわち、冷媒の熱がコンデンサ２４において捨てられることになる。この結果、冷媒が蒸発することよって生成される蒸気量が減り、タービン出力が低下する。そこで、冷媒の熱量が潤滑オイルに奪われないようにするためにステップＳ７における判断を行う。
ステップＳ７でＮＯと判断したときは、ステップＳ８へ進む。一方、ステップＳ７でＹＥＳと判断したときは、未だ、潤滑オイルが適切な温度に到達していないとしてステップＳ６からの処理を繰り返す。
ステップＳ８では、冷媒の温度Ｔｗ+αと潤滑オイルの温度Ｔｏとの差に基づいて、調量弁３２ａの開度を調節する。具体的には、図５に示すマップを参照して調量弁３２ａの開度を調整する。Ｔｗ+αとＴｏとの差が大きいほど、調量弁３２ａの開度は大きくなる。すなわち、潤滑オイルの温度Ｔｏが温度Ｔｗ＋αより高い場合に、Ｔｗ+αとＴｏとの差が大きいほど、調量弁３２ａの開度を大きくして潤滑オイルの冷却を促進している。なお、ステップＳ８における処理は、ステップＳ７においてＮＯと判断したときに行われるため、Ｔｗ+αとＴｏとの差は必ず０以上となる。このマップを参照したフィードバック制御を行うことにより、潤滑オイルの温度Ｔｏが適切な範囲に収まる。なお、ステップＳ７の判断では、Ｔ０＜ＴｗのときもＮＯと判定され、ステップＳ８が実行される。Ｔ０＜Ｔｗであるときは、図５に示すマップにおいて、横軸の値は、−（マイナス）を示すことになるが、横軸の値が小さくなるに従って調量弁開度は小さくなる。調量弁開度が小さくなると冷媒と潤滑オイルとの熱交換が抑制され、冷媒の熱が潤滑オイルに奪われる状況が改善される。
ステップＳ８で調量弁３２ａの開度調整を行った後は、ステップＳ９へ進む。ステップＳ９では、内燃機関１０が停止したか否かを判断する。この処理は、一連の制御を終了する条件となるものであり、ステップＳ９においてＮＯと判断したときは、ステップＳ１からの処理を繰り返し、一方、ステップＳ９においてＹＥＳと判断したときは、一連の処理は終了する（エンド）。
一方、ステップＳ１でＹＥＳと判断したときは、ステップＳ１１へ進む。すなわち、内燃機関１０の回転数ＮＥ、冷媒の温度Ｔｗの双方が所定の条件を満たしているときは、ステップＳ１１へ進む。ステップＳ１１では、内燃機関の回転数ＮＥが高回転判定閾値ＮＥ１よりも高く、かつ、冷媒の温度Ｔｗが暖機判定温度Ｔｗ１よりも高い状態がｔ１秒継続したか否かを判断する。ここで、ｔ１秒の計測は、計時部２８ａによって行われる。計時部２８ａは、回転数ＮＥが高回転判定閾値ＮＥ１を超え、かつ、温度Ｔｗが暖機判定温度Ｔｗ１を超えると計時を開始する。時間ｔ１の長さは適宜決定することができる。このようにｔ１秒の経過を条件としているのは、安定した制御を行うためである。ステップＳ１１の判断は、沸騰冷却と液体冷却との切替条件の判断となるが、例えば、内燃機関の回転数ＮＥがわずかでも高回転判定閾値ＮＥ１を超えたら冷却態様を変更することとなると、制御の切替頻度が増し、安定した制御が実現されないからである。
ステップＳ１１でＮＯと判断したときは、ステップＳ２へ進み、ステップＳ２以降の処理を行う。ステップＳ２以降の処理については、すでに説明しているため省略する。一方、ステップＳ１１でＹＥＳと判断したときは、ステップＳ１２へ進む。ステップＳ１２の処理は、ステップＳ５の処理と共通する。すなわち、ステップＳ１２では、液体冷却状態に切り替える。このように、内燃機関１０が、高回転状態であるときは、制御弁に相当する第２三方弁３３ａを内燃機関１０の内部に形成された冷媒通路１２側を開通させる状態に切り替える。なお、本実施形態では、内燃機関１０が高回転判定閾値ＮＥ１以上を維持する高回転状態のときに液体冷却に切り替えているが、内燃機関１０が高負荷状態であるときに液体冷却に切り替えるようにしてもよい。この場合、図６に示すマップを参照し、液体冷却移行閾値を超えて高負荷領域に入り、この状態が所定期間継続されたときに液体冷却に切り替えるようにする。これにより、ランキンサイクルの作動を停止させて、内燃機関１０及び熱交換部であるオイルクーラ（ＥＯＣ）３０における液体冷却を行う。ランキンサイクルを停止させた状態では、冷媒の圧力が低下し、沸点も低下することから、冷媒の温度も下がり、冷却対象である潤滑オイルを適切に冷却することができる。
ステップＳ１２の処理を終えた後は、ステップＳ１３へ進む。ステップＳ１３では、内燃機関１０の回転数ＮＥが低回転判定閾値ＮＥ２以下の状態がｔ２秒継続したか否かを判断する。ここで、ＮＥ１＞ＮＥ２の関係を有する。ｔ２秒の計測は、計時部２８ａによって行われる。計時部２８ａは、低回転判定閾値ＮＥ２を下回ると計時を開始する。時間ｔ２の長さは適宜決定することができる。このようにｔ２秒の経過を条件としているのは、高回転判定閾値ＮＥ１について判断するときにｔ１秒の経過が条件とされているのと同様に、安定した制御を行うためである。なお、内燃機関１０の負荷状態に応じて冷却態様を切り替える場合には、図６に示すマップを参照し、高負荷領域から沸騰冷却移行閾値を超えて低負荷領域に入り、この状態が所定期間継続されたときに、沸騰冷却に切り替えるようにする。
ステップＳ１３において、ＮＯと判断したときは、ステップＳ１２からの処理を繰り返す。ステップＳ１３でＹＥＳと判断したときは、ステップＳ１４へ進む。ステップＳ１４では、沸騰冷却状態に戻す。ステップＳ１４における具体的な処理は、ステップＳ４と共通するため、その詳細な説明は省略する。
ステップＳ１４の処理の後は、ステップＳ６以降の処理を行う。ステップＳ６以降の処理については、すでに説明しているため、その詳細な説明は省略する。
以上説明したように、本実施形態の沸騰冷却装置１００では、内燃機関１０を冷却する冷媒と熱交換することによって冷却される冷却対象である潤滑オイルを適切に冷却することができる。なお、本実施形態の沸騰冷却装置１００は、潤滑オイルを沸騰冷却によって冷却することができるため、必要であれば、内燃機関１０内を循環する冷媒よりも低温となるように制御することも可能である。冷媒との熱交換により潤滑オイルを冷却する場合は、潤滑オイルの温度を冷媒の温度よりも低くすることはできないため、沸騰冷却を利用して潤滑オイルを冷媒よりも低温とすることは、本実施形態の沸騰冷却装置１００の利点となる。
なお、第２三方弁３３ａを廃止し、常時、オイルクーラ３０とコンデンサ２４とを接続した状態とした構成とすることもできる。この場合、内燃機関１０の暖機時においても調量弁３２ａを全閉にする。このような構成とすると、暖機時において冷媒による潤滑オイルの昇温作用を放棄することとなるが、沸騰冷却装置１００の構成を簡易なものとすることができる。
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
１８ タービン（膨張器）
２０ 排気熱蒸気発生器
２４ コンデンサ
２７ａ 第２ウォーターポンプ
２８ ＥＣＵ
２８ａ 計時部
３２ａ 調量弁
３３ 第１３通路
３３ａ 第２三方弁

Claims (6)

  1. 内燃機関の内部に形成され、沸騰することによって前記内燃機関を冷却する冷媒が流通する冷媒通路と、
    前記内燃機関において沸騰した冷媒によって駆動される膨張器と、
    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冷媒を冷却するコンデンサと、
    液相の前記冷媒によって冷却対象を冷却する液体冷却状態と、前記冷媒を沸騰させることで前記冷却対象を冷却する沸騰冷却状態とを切り替え可能に設けられた熱交換部と、
    を備え、
    前記冷媒が循環する経路において、前記膨張器及び前記コンデンサを含む低圧領域と、前記低圧領域以外の高圧領域を形成し、
    前記熱交換部には、液相の冷媒が流通する箇所に接続された通路が接続されるとともに、前記低圧領域に接続された通路が接続された沸騰冷却装置。
  2. 前記熱交換部に接続されるとともに液相の冷媒が流通する箇所に接続された通路に、当該通路を流通する液相の冷媒の量を調整する調量弁を備えた請求項１に記載の沸騰冷却装置。
  3. 前記低圧領域に接続された通路から分岐し、前記内燃機関の内部に形成された冷媒通路と連通する通路と、当該通路の前記低圧領域に接続された通路からの分岐点に、前記低圧領域側を開通させる状態と、前記内燃機関の内部に形成された冷媒通路側を開通させる状態とを切り替える制御弁を備える請求項１に記載の沸騰冷却装置。
  4. 前記内燃機関の暖機時には、前記制御弁を前記内燃機関の内部に形成された冷媒通路側を開通させる状態に切り替える請求項３に記載の沸騰冷却装置。
  5. 前記内燃機関が、高回転状態又は高負荷状態であるときに、前記制御弁を前記内燃機関の内部に形成された冷媒通路側を開通させる状態に切り替える請求項３に記載の沸騰冷却装置。
  6. 前記内燃機関の内部に形成された冷媒通路と前記膨張器とを接続する経路から分岐し、前記膨張器をバイパスして前記コンデンサに接続するバイパス通路と、当該バイパス通路の前記冷媒通路と前記膨張器とを接続する経路からの分岐点に、前記膨張器側を開通させる状態と、前記バイパス通路を開通させる状態とを切り替える制御弁を備える請求項１乃至５のいずれか一項に記載の沸騰冷却装置。
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