(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
内燃機関の内部に形成された冷媒通路と、
前記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と、
前記気液分離器で分離した気相冷媒を液相冷媒に戻すコンデンサと、
前記コンデンサと前記冷媒通路とを接続する第１通路と、
前記第１通路の途中で分岐して前記気液分離器と接続される第２通路と、
前記第１通路と前記第２通路との接続部と、前記冷媒通路の間に設けられ、前記内燃機関の運転中に前記第１通路から前記冷媒通路に液相冷媒を送る第１ウォーターポンプと、
前記接続部と前記コンデンサの間に設けられた第２ウォーターポンプと、
前記第２通路、または、前記接続部と前記冷媒通路の間の前記第１通路に設けられ、液相冷媒の実温度を測定する実温度測定手段と、
前記気液分離器内の気相冷媒の圧力に基づいて、前記第１ウォーターポンプから前記冷媒通路に送られる液相冷媒の沸騰温度を算出する沸騰温度算出手段と、
前記実温度が前記沸騰温度よりも高い場合に、前記第２ウォーターポンプを駆動して前記コンデンサから前記第１ウォーターポンプに液相冷媒を送る冷媒送液手段と、
を備えることを特徴とする沸騰冷却装置。
【請求項２】
前記気液分離器で分離した気相冷媒の熱エネルギーを回収する回収手段を更に備えることを特徴とする請求項１に記載の沸騰冷却装置。
【請求項３】
前記気液分離器と前記コンデンサを接続する通路であって、前記気液分離器の上方から前記回収手段を経由させて前記コンデンサに気相冷媒を送る第３通路と、
前記気液分離器と前記コンデンサを接続する通路であって、前記気液分離器の下方から前記コンデンサに液相冷媒を送る第４通路と、
前記第４通路に設けられ、前記第４通路を開閉する制御弁と、
前記気液分離器の液相冷媒の液面が、前記第３通路との接続箇所よりも下方、かつ、前記第４通路との接続箇所よりも上方の第１位置まで上昇した場合に、前記第４通路を開くように前記制御弁を制御して前記気液分離器から前記コンデンサに液相冷媒を送る冷媒リーク手段と、
を備えることを特徴とする請求項２に記載の沸騰冷却装置。
【請求項４】
前記気液分離器の液相冷媒の液面が前記第１位置よりも下方の第２位置まで低下した場合に、前記第２ウォーターポンプを駆動して前記コンデンサから前記気液分離器に液相冷媒を送る冷媒補充手段を更に備えることを特徴とする請求項３に記載の沸騰冷却装置。
【請求項５】
前記実温度測定手段が、前記接続部と前記冷媒通路の間の前記第１通路に設けられることを特徴とする請求項１乃至４何れか１項に記載の沸騰冷却装置。
【請求項６】
前記冷媒送液手段が、前記実温度が前記沸騰温度よりも所定温度以上高い場合に、前記第２ウォーターポンプを駆動することを特徴とする請求項１乃至５何れか１項に記載の沸騰冷却装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、沸騰冷却装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、例えば特開２００８−２４８７０３号公報や特開昭６１−２７５５２２号公報には、内燃機関の内部に形成した冷媒通路（例えばウォータージャケット）に流す冷媒の沸騰気化熱を利用して当該内燃機関の冷却を行う沸騰冷却装置が開示されている。この沸騰冷却装置において、冷媒通路は冷媒を循環させる閉回路の一部を構成しており、当該閉回路の途中にはコンデンサとウォーターポンプが設けられている。冷媒通路から排出された気相冷媒は、コンデンサで冷やされて液相冷媒に戻り、ウォーターポンプよって冷媒通路に送られる。
【０００３】
また、特許第５００３７２５号には、冷媒通路とコンデンサの間に、冷媒通路から排出された冷媒を気相冷媒と液相冷媒に分離する気液分離器を備える沸騰冷却装置が開示されている。この沸騰冷却装置では、冷媒通路、気液分離器および第１ウォーターポンプが冷媒を循環させる閉回路の一部を構成している。気液分離器内の液相冷媒は第１ウォーターポンプによって冷媒通路に送られる。また、この沸騰冷却装置において、コンデンサは、気液分離器との間で冷媒を循環させる別の閉回路の一部を構成している。気液分離器で分離された気相冷媒はコンデンサで冷やされて液相冷媒に戻り、第２ウォーターポンプによって気液分離器に送られる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００８−２４８７０３号公報
【特許文献２】特許第５００３７２５号
【特許文献３】特開昭６１−２７５５２２号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
ところで、特許第５００３７２５号の沸騰冷却装置では、気液分離器内が急激に減圧された場合に、気液分離器内の液相冷媒に激しい沸騰が発生することがある。ここで、気液分離器は第１ウォーターポンプに接続されていることから、気液分離器内の液相冷媒に激しい沸騰が発生すると、第１ウォーターポンプの直上流の液相冷媒にも激しい沸騰が発生する可能性がある。第１ウォーターポンプの直上流の液相冷媒に激しい沸騰が発生すると、第１ウォーターポンプが空転し、第１ウォーターポンプから冷媒通路に送られるはずの冷媒流量が減少するので、エンジンの冷却が不十分となるという問題がある。
【０００６】
この発明は、上述の課題を解決するためになされたものである。即ち、内燃機関の内部に形成した冷媒通路に液相冷媒を送るウォーターポンプの直上流において激しい沸騰が発生するのを未然に防止することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
上述の課題を解決するため、第１の発明は、沸騰冷却装置であって、
内燃機関の内部に形成された冷媒通路と、
前記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と、
前記気液分離器で分離した気相冷媒を液相冷媒に戻すコンデンサと、
前記コンデンサと前記冷媒通路とを接続する第１通路と、
前記第１通路の途中で分岐して前記気液分離器と接続される第２通路と、
前記第１通路と前記第２通路との接続部と、前記冷媒通路の間に設けられ、前記内燃機関の運転中に前記第１通路から前記冷媒通路に液相冷媒を送る第１ウォーターポンプと、
前記接続部と前記コンデンサの間に設けられた第２ウォーターポンプと、
前記第２通路、または、前記接続部と前記冷媒通路の間の前記第１通路に設けられ、液相冷媒の実温度を測定する実温度測定手段と、
前記気液分離器内の気相冷媒の圧力に基づいて、前記第１ウォーターポンプから前記冷媒通路に送られる液相冷媒の沸騰温度を算出する沸騰温度算出手段と、
前記実温度が前記沸騰温度よりも高い場合に、前記第２ウォーターポンプを駆動して前記コンデンサから前記第１ウォーターポンプに液相冷媒を送る冷媒送液手段と、
を備えることを特徴とする。
【０００８】
第２の発明は、第１の発明において、
前記気液分離器で分離した気相冷媒の熱エネルギーを回収する回収手段を更に備えることを特徴とする。
【０００９】
第３の発明は、第２の発明において、
前記気液分離器と前記コンデンサを接続する通路であって、前記気液分離器の上方から前記回収手段を経由させて前記コンデンサに気相冷媒を送る第３通路と、
前記気液分離器と前記コンデンサを接続する通路であって、前記気液分離器の下方から前記コンデンサに液相冷媒を送る第４通路と、
前記第４通路に設けられ、前記第４通路を開閉する制御弁と、
前記気液分離器の液相冷媒の液面が、前記第３通路との接続箇所よりも下方、かつ、前記第４通路との接続箇所よりも上方の第１位置まで上昇した場合に、前記第４通路を開くように前記制御弁を制御して前記気液分離器から前記コンデンサに液相冷媒を送る冷媒リーク手段と、
を特徴とする。
【００１０】
第４の発明は、第３の発明において、
前記気液分離器の液相冷媒の液面が前記第１位置よりも下方の第２位置まで低下した場合に、前記第２ウォーターポンプを駆動して前記コンデンサから前記気液分離器に液相冷媒を送る冷媒補充手段を更に備えることを特徴とする。
【００１１】
第５の発明は、第１乃至第４の発明の何れかにおいて、
前記実温度測定手段が、前記接続部と前記冷媒通路の間の前記第１通路に設けられることを特徴とする。
【００１２】
第６の発明は、第１乃至第５の発明の何れかにおいて、
前記冷媒送液手段が、前記実温度が前記沸騰温度よりも所定温度以上高い場合に、前記第２ウォーターポンプを駆動することを特徴とする。
【発明の効果】
【００１３】
第１の発明によれば、第２通路、または、前記接続部と前記冷媒通路の間の前記第１通路で測定した液相冷媒の実温度が第１ウォーターポンプから冷媒通路に送られる液相冷媒の沸騰温度よりも高い場合に、第２ウォーターポンプを駆動してコンデンサから第１ウォーターポンプに液相冷媒を送ることができる。従って、第１ウォーターポンプの直上流での液相冷媒の激しい沸騰を未然に防止できる。
【００１４】
第２の発明によれば、気液分離器で分離した気相冷媒の熱エネルギーを回収することができる。従って、内燃機関の燃費を向上させることが可能となる。
【００１５】
第３の発明によれば、気液分離器の液相冷媒の液面が、第３通路との接続箇所よりも下方、かつ、第４通路との接続箇所よりも上方の第１位置まで上昇した場合に、第４通路を開くように制御弁を制御して、気液分離器からコンデンサに液相冷媒を送ることができる。従って、気液分離器から液相冷媒をリークさせて、気液分離器から液相冷媒が溢れて第３通路や回収手段に流入するのを未然に防止できる。
【００１６】
第４の発明によれば、気液分離器の液相冷媒の液面が第１位置よりも下方の第２位置まで低下した場合に、第２ウォーターポンプを駆動してコンデンサから気液分離器に液相冷媒を送ることができる。従って、気液分離器に液相冷媒を補充して、気液分離器内の液相冷媒が極度に減少するのを防止できる。
【００１７】
第５の発明によれば、接続部と冷媒通路の間の第１通路に実温度測定手段を設けたので、第１ウォーターポンプから冷媒通路に送られる液相冷媒の実温度を正確に測定できる。
【００１８】
第６の発明によれば、実温度が沸騰温度よりも所定温度以上高い場合に第２ウォーターポンプを駆動するので、第２ウォーターポンプによる送液頻度を最小限に留めて第１ウォーターポンプから冷媒通路に送られる液相冷媒の温度を沸点近傍に保つことが可能となる。従って、冷媒通路内で液相冷媒を沸騰させ易くすることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１９】
【図１】実施の形態の沸騰冷却装置１００の構成を説明するための図である。
【図２】ＷＰ４４の通常モードでの制御ルーチンを示すフローチャートである。
【図３】レベルセンサ５０のＯＮ・ＯＦＦ機能の概略を示した図である。
【図４】冷媒の三相図である。
【図５】ＷＰ２２の直上流での液相冷媒の沸騰挙動を説明するための図である。
【図６】ＷＰ２２の直上流の液相冷媒の沸騰温度Ｔ１の算出手法を説明するための図である。
【図７】ＷＰ２２内での冷媒の圧力変化を説明するための図である。
【図８】ＷＰ４４の沸騰モードでの制御を説明するためのタイミングチャートである。
【図９】ＷＰ４４の沸騰モードでの制御ルーチンを示すフローチャートである。
【図１０】制御弁６０の開閉制御を説明するためのタイミングチャートである。
【図１１】制御弁６０の制御ルーチンを示すフローチャートである。
【図１２】本発明に適用可能な他の沸騰冷却装置２００の構成を示した図である。
【発明を実施するための形態】
【００２０】
以下、図１乃至図１２を参照しながら、この発明の実施の形態について説明する。尚、各図において共通する要素には、同一の符号を付して重複する説明を省略する。また、以下の実施の形態によりこの発明が限定されるものではない。
【００２１】
［装置構成の説明］
図１は、実施の形態の沸騰冷却装置１００の構成を説明するための図である。図１に示すように、沸騰冷却装置１００は、内燃機関としてのエンジン１０の内部に形成された冷媒通路１２を備えている。冷媒通路１２内を流通する冷媒がエンジン１０の熱を受け取って沸騰することにより、エンジン１０が冷却される。冷媒通路１２は、エンジン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、エンジン１０の内部に冷媒を流通可能な通路であれば特に限定されない。また、冷媒通路１２内を流通させる冷媒は、エンジン１０の熱を受け取って沸騰するものであれば特に限定されない。
【００２２】
冷媒通路１２は、冷媒通路１４を介して気液分離器１６に接続されている。冷媒通路１４は、エンジン１０のシリンダブロックの上方に形成された冷媒通路１２の出口に接続されており、高温および高圧に耐えうる管またはホースによって構成されている。気液分離器１６は、冷媒通路１２から排出されて気液分離器１６に流入した冷媒を液相冷媒と気相冷媒とに分離するように構成されている。気液分離器１６は、冷媒通路１８を介して冷媒通路２０と接続されている。冷媒通路２０は、エンジン１０のシリンダブロックの下方に形成された冷媒通路１２の入口に接続されている。
【００２３】
冷媒通路１８が冷媒通路２０に接続する接続部６６と、冷媒通路１２の間の冷媒通路２０には、ＷＰ（ウォーターポンプ）２２が設けられている。ＷＰ２２は、エンジン１０のクランクシャフトを駆動源とする機械式のポンプであるが、電動式の遠心型ポンプを使用することもできる。気液分離器１６で分離された液相冷媒の一部は、冷媒通路１８，２０を経由してＷＰ２２に流入し、ＷＰ２２の駆動により冷媒通路１２に送られる。
【００２４】
また、沸騰冷却装置１００は、排気熱蒸気発生器２４を備えている。排気熱蒸気発生器２４は、エンジン１０の排気通路（図示しない）に設けられている。排気熱蒸気発生器２４は気液分離器１６と、冷媒通路１８，２６および冷媒通路２８を介して接続されている。気液分離器１６で分離された液相冷媒が、冷媒通路１８，２６を経由して排気熱蒸気発生器２４に流入すると、その一部が排気熱により蒸気となる。蒸気が混合した液相冷媒は、排気熱蒸気発生器２４から冷媒通路２８を経由して気液分離器１６に流入する。冷媒通路２８から気液分離器１６に流入した冷媒は、気液分離器１６において液相冷媒と気相冷媒とに分離される。
【００２５】
また、沸騰冷却装置１００は、過熱器３０と超音速ノズル３２とタービン３４を備えている。過熱器３０は、上記排気通路の排気熱蒸気発生器２４よりも上流側に設けられている。また、過熱器３０は、気液分離器１６の上方にその入口が取り付けられた冷媒通路３６を介して気液分離器１６と接続されている。気液分離器１６で分離された気相冷媒が冷媒通路３６を経由して過熱器３０に流入すると、排気熱により過熱蒸気となる。過熱蒸気は冷媒通路３８を経由して超音速ノズル３２に流入し、タービン３４に噴きつけられる。過熱蒸気が噴きつけられることで、タービン３４が回転する。タービン３４には発電機（図示しない）が接続されているので、タービン３４が回転すると発電機において電気が発生する。発生した電気は蓄電池（図示しない）に蓄えられる。なお、タービン３４に減速機（図示しない）を接続し、この減速機を介してエンジン１０をアシストするように構成してもよい。
【００２６】
また、沸騰冷却装置１００は、コンデンサ４０とキャッチタンク４２とＷＰ４４を備えている。コンデンサ４０は冷媒通路４８を介してタービン３４と接続されている。冷媒通路４８を経由してタービン３４からコンデンサ４０に流入した気相冷媒は、コンデンサ４０において冷却されて液相冷媒に戻り、キャッチタンク４２に一時的に貯留される。ＷＰ４４は、キャッチタンク４２に貯留された液相冷媒を冷媒通路２０に送るための電動式のポンプであり、低圧領域（例えば１０〜２０ｋＰａＧ）から常圧領域（例えば１００ｋＰａＧ）までの液相冷媒を送液可能に構成されている。
【００２７】
詳細は後述するが、ＷＰ４４の駆動（通常モード）のＯＮ・ＯＦＦは、気液分離器１６の液相冷媒の液面高さを検知するレベルセンサ５０からのＯＮ・ＯＦＦ信号に基づいて制御される。また、ＷＰ４４の駆動（沸騰モード）のＯＮ・ＯＦＦは、気液分離器１６内の圧力を測定する測圧部（例えば圧力センサ）５２の出力と、ＷＰ２２に流入する液相冷媒の温度を測定する測温部（例えば温度センサ）５４の出力とに基づいて制御される。なお、気液分離器１６において、測圧部５２は後述のレベルセンサ６４よりも上方に設けられている。測温部５４はＷＰ２２の直上流の冷媒通路２０に設けられている。
【００２８】
ＷＰ４４を駆動すると、キャッチタンク４２内の液相冷媒が冷媒通路２０から各種装置に送られる。具体的に、キャッチタンク４２内の液相冷媒は、冷媒通路２０を経由してＷＰ２２に送られ、冷媒通路２０、接続部６６、冷媒通路１８を経由して気液分離器１６に送られ、冷媒通路２０，接続部６６、冷媒通路１８，２６を経由して排気熱蒸気発生器２４に送られる。
【００２９】
また、沸騰冷却装置１００は、逆止弁４６を備えている。逆止弁４６を設けることで、接続部６６側からＷＰ４４側への液相冷媒の逆流が防止されている。
【００３０】
上述の通り、液相冷媒はエンジン１０、排気熱蒸気発生器２４や過熱器３０においてエンジン１０からの廃熱を受け取り、高温高圧の気相冷媒となる。タービン３４に接続された発電機や蓄電池は、この気相冷媒が受け取った熱エネルギーを電気エネルギーに変換して回収する。タービン３４に減速機を接続した場合、この減速機は、気相冷媒の熱エネルギーを機械的動力として回収する。このような熱エネルギーの回収により、エンジン１０の燃費を向上させることが可能となる。タービン３４通過後の気相冷媒はコンデンサ４０において再び液相冷媒に戻され、ＷＰ２２，４４の駆動によりエンジン１０、排気熱蒸気発生器２４や過熱器３０に送られる。このように、沸騰冷却装置１００は、ランキンサイクルシステムとしても機能している。
【００３１】
また、沸騰冷却装置１００は、気液分離器１６の気相中の圧力を減圧するための圧力逃がし弁５６を備えている。圧力逃がし弁５６は、例えば電磁弁であり、過熱器３０、超音速ノズル３２やタービン３４をバイパスして気液分離器１６とコンデンサ４０を接続する冷媒通路５８に設けられている。圧力逃がし弁５６を開くと、気液分離器１６の気相冷媒が過熱器３０等を経由せずに冷媒通路５８を経由してコンデンサ４０に流入し、これにより気液分離器１６内の圧力が低下する。
【００３２】
また、沸騰冷却装置１００は、気液分離器１６内の液相冷媒をコンデンサ４０にリークするための制御弁６０を備えている。制御弁６０は、例えば電磁弁であり、気液分離器１６の下方にその入口が取り付けられた冷媒通路６２を介してコンデンサ４０と接続されている。制御弁６０の駆動のＯＮ・ＯＦＦは、レベルセンサ５０よりも上方に設けられ、気液分離器１６の液相冷媒の液面高さを検出するレベルセンサ６４からのＯＮ・ＯＦＦ信号に基づいて制御される（詳細は後述）。制御弁６０を開くと、気液分離器１６の液相冷媒が冷媒通路６２を経由してコンデンサ４０に流入する。
【００３３】
また、沸騰冷却装置１００は、ＥＣＵ（Electronic Control Unit）７０を備えている。ＥＣＵ７０は、少なくとも入出力インタフェースとメモリとＣＰＵとを備えている。入出力インタフェースは、各種センサからセンサ信号を取り込むとともに、アクチュエータに対して操作信号を出力するために設けられる。ＥＣＵ７０が信号を取り込むセンサには、レベルセンサ５０，６４、測圧部５２や測温部５４が含まれる。ＥＣＵ７０が操作信号を出すアクチュエータには、ＷＰ４４、圧力逃がし弁５６や制御弁６０が含まれる。メモリには、各種制御プログラム、各種マップ等が記憶されている。ＣＰＵは、制御プログラム等をメモリから読み出して実行し、ＥＣＵ７０が取り込んだセンサ信号に基づいて操作信号を生成する。
【００３４】
［実施の形態の特徴］
ＥＣＵ７０による制御には、ＷＰ４４の駆動制御（通常モードおよび沸騰モードでの制御）、圧力逃がし弁５６や制御弁６０の開閉制御が含まれる。先ず、ＷＰ４４の通常モードでの制御について説明する。ＥＣＵ７０によるＷＰ４４の通常モードでの制御は、気液分離器１６内の液相冷媒が減少した場合に、キャッチタンク４２内の液相冷媒を気液分離器１６に補充する目的で行われるものであり、レベルセンサ５０からのＯＮ・ＯＦＦ信号に基づいて行われる。
【００３５】
図２は、ＷＰ４４の通常モードでの制御ルーチンを示すフローチャートである。なお、図２に示すルーチンにおいて、先ず、ＥＣＵ７０は、エンジン１０の運転がＯＮとされているか否かを判定する（ステップＳ１０）。ＥＣＵ７０は、エンジン１０の運転がＯＮとされているか否かを、冷媒通路１２内の冷媒温度が所定温度以上であるか否かにより判断する。エンジン１０の冷媒温度は、冷媒通路１４または気液分離器１６に別途設けた温度センサから求めてもよく、測圧部５２の出力に基づいて求めてもよい。本ステップにおいて、エンジン１０の運転がＯＮとされていないと判定された場合、ＥＣＵ７０は本ルーチンを終了する。
【００３６】
ステップＳ１０において、エンジン１０の運転がＯＮとされていると判定された場合、ＥＣＵ７０は、レベルセンサ５０がＯＮとされているか否かを判定する（ステップＳ１２）。ＥＣＵ７０は、レベルセンサ５０がＯＮとされているか否かをレベルセンサ５０からのＯＮ・ＯＦＦ信号に基づいて判断する。図３は、レベルセンサ５０のＯＮ・ＯＦＦ機能の概略を示した図である。図３に示すように、気液分離器１６の液相冷媒の液面高さがレベルセンサ５０の位置よりも低い場合にレベルセンサ５０はＯＮ信号を発し、液面高さがレベルセンサ５０の位置以上となった場合にレベルセンサ５０はＯＦＦ信号を発する。本ステップにおいて、ＯＦＦ信号が検出された場合、ＥＣＵ７０はステップＳ２０に進む。
【００３７】
ステップＳ１２において、ＯＮ信号が検出された場合、ＥＣＵ７０はＷＰ４４の駆動を開始し（ステップＳ１４）、レベルセンサ５０がＯＦＦとされているか否かを判定する（ステップＳ１６）。ステップＳ１６において、ＯＮ信号が検出された場合、ＥＣＵ７０はステップＳ１４に戻る。つまり、気液分離器１６の液相冷媒の液面高さがレベルセンサ５０の位置以上となるまで、ＷＰ４４の駆動が継続される。ステップＳ１６においてＯＦＦ信号が検出された場合、ＥＣＵ７０はＷＰ４４の駆動を停止し（ステップＳ１８）、ステップＳ２０に進む。
【００３８】
ステップＳ２０において、ＥＣＵ７０は、エンジン１０の運転がＯＦＦとされたか否かを判定する。ＥＣＵ７０は、エンジン１０の運転がＯＦＦとされたか否かを、冷媒通路１２内の冷媒温度が所定温度未満であるか否かにより判断する。本ステップの処理は、ステップＳ１０の処理と正反対の処理である。本ステップにおいて、エンジン１０の運転がＯＦＦとされていないと判定された場合、ＥＣＵ７０はステップＳ１２に戻る。本ステップにおいて、エンジン１０の運転がＯＦＦとされたと判定された場合、ＥＣＵ７０は本ルーチンを終了する。
【００３９】
次に、圧力逃がし弁５６の開閉制御について説明する。ＥＣＵ７０による圧力逃がし弁５６の開閉制御は、気液分離器１６の気相中の圧力を減圧する目的で行われるものである。この制御では、具体的に、気液分離器１６の気相中の圧力が常圧〜高圧領域（例えば１００〜２００ｋＰａＧ）を下回る場合は圧力逃がし弁５６を閉じ、所定圧力（例えば２００ｋＰａＧ）以上の場合に圧力逃がし弁５６を開くものである。なお、気液分離器１６の気相中の圧力は、測圧部５２、または、圧力逃がし弁５６よりも上流側（気液分離器１６側）の冷媒通路５８に別途設けた圧力センサから検出される。
【００４０】
次に、ＷＰ４４の沸騰モードでの制御について説明する。図４は、冷媒の三相図である。図４に示すように、冷媒の状態は圧力と温度に依存しており、図中に示す液体状態Ｃを保つためには、圧力一定であれば温度を下げ、温度一定であれば圧力を上げる必要がある。また、図中に示す液体と気体の境界線は、飽和蒸気圧曲線を表しており、圧力に応じて冷媒が沸騰する温度（以下「沸騰温度」と称す。）が変化することを示している。
【００４１】
圧力逃がし弁５６よりも下流側（コンデンサ４０側）の冷媒通路５８内の圧力は常圧以下であるため、圧力逃がし弁５６を開くと、気液分離器１６内が急激に減圧される。気液分離器１６内が急激に減圧されると、気液分離器１６内の液相冷媒の沸騰温度が急速に低下する。気液分離器１６内の液相冷媒の沸騰温度が、冷媒通路１２に送られる液相冷媒の実際の温度（以下「実温度」と称す。）を下回ると、気液分離器１６内の液相冷媒が沸騰する。また、気液分離器１６内の液相冷媒の沸騰温度と実温度の差が大きいと、気液分離器１６内の液相冷媒が激しく沸騰する。
【００４２】
このような液相冷媒の激しい沸騰は、ＷＰ２２の直上流の冷媒通路２０においても同様に起こる。何故なら、冷媒通路２０が冷媒通路１８を介して気液分離器１６と接続されているからである。図５は、ＷＰ２２の直上流での液相冷媒の沸騰挙動を説明するための図である。時刻ｔ１から時刻ｔ２まで圧力逃がし弁５６を開いたとする。このとき、気液分離器１６内の圧力の低下に伴い、ＷＰ２２の直上流の液相冷媒の沸騰温度Ｔ１（破線）が降下する。また、沸騰温度Ｔ１がＷＰ２２の直上流の液相冷媒の実温度Ｔ２（測温部５４温度：実線）を下回ると、ＷＰ２２の直上流の液相冷媒が沸騰する。また、実温度Ｔ２と沸騰温度Ｔ１の差ΔＴが大きくなると、ＷＰ２２の直上流の液相冷媒が激しく沸騰する。
【００４３】
図１に示したように、気液分離器１６はＷＰ２２よりも上方に設けられている。そのため、気液分離器１６内の液相冷媒が激しく沸騰していたとしても、ＷＰ２２の直上流の液相冷媒の沸騰が比較的穏やかである場合がある。ＷＰ２２の直上流の液相冷媒の沸騰が比較的穏やかである場合には、ＷＰ２２に送られる液相冷媒の流量に多少の変動が生じるものの、ＷＰ２２の駆動に及ぼす影響は小さい。しかし、気液分離器１６内の液相冷媒と同様にＷＰ２２の直上流の液相冷媒が激しく沸騰した場合には、ＷＰ２２に送られる液相冷媒の流量が大きく低下してＷＰ２２が空転することになる。ＷＰ２２が空転すれば、冷媒通路１２に送られる液相冷媒の流量も大きく低下してしまい、エンジン１０の冷却が不十分となってしまう。ＷＰ４４の沸騰モードでの制御は、このような不具合の発生を未然に防止する目的で行われるものである。
【００４４】
ＷＰ４４の沸騰モードでの制御の詳細について、図６乃至図９を参照しながら説明する。図６は、ＷＰ２２の直上流の液相冷媒の沸騰温度Ｔ１の算出手法を説明するための図である。この沸騰温度Ｔ１の算出では、先ず、図６に示すように、測圧部５２で測定した圧力（つまり、気液分離器１６内の気相冷媒の圧力）Ｐ１に対し、ヘッド差（気液分離器１６とＷＰ２２の高低差を意味する。以下同じ。）に応じた圧力Ｐ２に基づく補正が行われる。ヘッド差に応じた圧力Ｐ２は、冷媒の比重γ、高低差ｈ、冷媒通路１８，２０の断面積Ａの積として表される（Ｐ２＝γ×ｈ×Ａ）。なお、圧力Ｐ２は、エンジン１０の運転状態に殆ど依存しないので、定数として組み込まれる。
【００４５】
また、図６に示すように、沸騰温度Ｔ１の算出では、測圧部５２で測定した圧力Ｐ１に対し、ＷＰ２２内での冷媒の圧力減少に応じた圧力Ｐ３に基づく補正が行われる。図７は、ＷＰ２２内での冷媒の圧力変化を説明するための図である。図７の上段に示すように、ＷＰ２２の入口部２２ａから吸い込まれた冷媒は、ポンプ羽根２１の回転に伴い圧縮されて、出口部２２ｂから吐出される。また図７の下段に示すように、ＷＰ２２に吸い込まれた冷媒の圧力は、ポンプ羽根２１前（つまり、図７（ｉｉ）の位置）において最も低くなる。圧力Ｐ３は、この吸い込み圧（ｉ）と最低圧（ｉｉ）の差に相当する。圧力Ｐ３はＷＰ２２の回転速度（つまり、エンジン１０の回転速度）に依存する。
【００４６】
そして、図６に示すように、圧力Ｐ１に対して圧力Ｐ２と圧力Ｐ３に基づく補正を行い、補正後の圧力Ｐ４を飽和蒸気圧曲線に適用することで、沸騰温度Ｔ１が算出される。なお、沸騰温度Ｔ１の算出に必要な圧力Ｐ２、ＷＰ２２の回転速度と圧力Ｐ３との関係を示したマップや、飽和蒸気圧曲線を近似した演算式等については、予めＥＣＵ７０のメモリ内に記憶されているものとする。
【００４７】
図８は、ＷＰ４４の沸騰モードでの制御を説明するためのタイミングチャートである。図８に示す時刻ｔ１および時刻ｔ２は、図５に示した各タイミングに対応している。図８に示すように、時刻ｔ３および時刻ｔ４においてＷＰ４４を駆動する。この時刻ｔ３および時刻ｔ４は、実温度Ｔ２と沸騰温度Ｔ１の差ΔＴが所定温度Ｔ３以上となったタイミングに相当する。ＷＰ４４を駆動すれば、キャッチタンク４２内の液相冷媒をＷＰ２２に送ることができるので、ＷＰ２２の直上流の液相冷媒の実温度Ｔ２を下げることができる。よって、ＷＰ２２の直上流の液相冷媒の激しい沸騰を未然に防止することが可能となる。なお、所定温度Ｔ３については、予めＥＣＵ７０のメモリ内に記憶されているものとする。
【００４８】
図９は、ＷＰ４４の沸騰モードでの制御ルーチンを示すフローチャートである。なお、図９に示す制御ルーチンは、図２に示した制御ルーチンとは独立に実行される。図９に示すルーチンにおいて、先ず、ＥＣＵ７０は、エンジン１０の運転がＯＮとされているか否かを判定する（ステップＳ２２）。本ステップの処理は、図２のステップＳ１０の処理と同一である。本ステップにおいて、エンジン１０の運転がＯＮとされていないと判定された場合、ＥＣＵ７０は本ルーチンを終了する。
【００４９】
ステップＳ２２において、エンジン１０の運転がＯＮとされていると判定された場合、ＥＣＵ７０は圧力Ｐ１を測定し（ステップＳ２４）、沸騰温度Ｔ１を算出し（ステップＳ２６）、実温度Ｔ２を測定する（ステップＳ２８）。ステップＳ２４の圧力Ｐ１は、測圧部５２の出力に基づいて測定され、ステップＳ２８の実温度Ｔ２は、測温部５４の出力に基づいて測定される。ステップＳ２６の沸騰温度Ｔ１を算出する手法については、図６で説明した通りである。
【００５０】
続いて、ＥＣＵ７０は、実温度Ｔ２と沸騰温度Ｔ１の差ΔＴが所定温度Ｔ３以上であるか否かを判定する（ステップＳ３０）。差ΔＴが所定温度Ｔ３未満である場合、ＥＣＵ７０はステップＳ２４の処理に戻る。差ΔＴが所定温度Ｔ３以上である場合、ＥＣＵ７０はＷＰ４４の駆動を開始し（ステップＳ３２）、実温度Ｔ２と沸騰温度Ｔ１の差ΔＴが所定温度Ｔ３未満であるか否かを判定する（ステップＳ３４）。ステップＳ３４の処理は、ステップＳ３０の処理と正反対の処理である。ステップＳ３４において、差ΔＴが所定温度Ｔ３以上であると判定された場合、ＥＣＵ７０はステップＳ３２に戻る。つまり、差ΔＴが所定温度Ｔ３未満となるまで、ＷＰ４４の駆動が継続される。
【００５１】
ステップＳ３４において、差ΔＴが所定温度Ｔ３未満であると判定された場合、ＥＣＵ７０はＷＰ４４の駆動を停止し（ステップＳ３６）、エンジン１０の運転がＯＦＦとされたか否かを判定する（ステップＳ３８）。本ステップの処理は、図２のステップＳ２０の処理と同一である。本ステップにおいて、エンジン１０の運転がＯＦＦとされていないと判定された場合、ＥＣＵ７０はステップＳ２４に戻る。本ステップにおいて、エンジン１０の運転がＯＦＦとされたと判定された場合、ＥＣＵ７０は本ルーチンを終了する。
【００５２】
最後に、制御弁６０の開閉制御について説明する。上述したＷＰ４４の沸騰モードでの制御を行うと、ＷＰ２２の直上流だけでなく、気液分離器１６にも液相冷媒が送られるので、気液分離器１６の液相冷媒の液面高さが上昇する。気液分離器１６とコンデンサ４０を接続する２つの経路（つまり、冷媒通路３６，３８，４８および冷媒通路５８）が気相冷媒しか流せないという構造上、ＷＰ４４の沸騰モードでの制御を実行することで、気液分離器１６から溢れた液相冷媒が２つの経路を経由して常圧系に流入してしまう可能性がある。制御弁６０の開閉制御は、このような不具合の発生を未然に防止する目的で行われるものである。
【００５３】
図１０は、制御弁６０の開閉制御を説明するためのタイミングチャートである。時刻ｔ５において気液分離器１６の液相冷媒の液面高さがレベルセンサ６４の位置Ｈ１に到達したとする。ここで、レベルセンサ６４の仕様は、レベルセンサ５０の仕様と同様であるため（図３参照）、レベルセンサ６４は時刻ｔ５においてＯＦＦ信号を発する。ＯＦＦ信号を受けて制御弁６０を開き、気液分離器１６の液相冷媒を冷媒通路６２経由でコンデンサ４０に送る。これにより、気液分離器１６の液相冷媒の液面高さを低下させる。そして、液面高さが位置Ｈ１よりも低くなった時刻ｔ６においてレベルセンサ６４はＯＮ信号を発し、ＯＮ信号を受けて制御弁６０を閉じる。
【００５４】
図１１は、制御弁６０の制御ルーチンを示すフローチャートである。なお、図１１に示す制御ルーチンは、図２や図９に示した制御ルーチンとは独立に実行される。図１１に示すルーチンにおいて、先ず、ＥＣＵ７０は、エンジン１０の運転がＯＮとされているか否かを判定する（ステップＳ４０）。本ステップの処理は、図２のステップＳ１０の処理と同一である。本ステップにおいて、エンジン１０の運転がＯＮとされていないと判定された場合、ＥＣＵ７０は本ルーチンを終了する。
【００５５】
ステップＳ４０において、エンジン１０の運転がＯＮとされていると判定された場合、ＥＣＵ７０は、レベルセンサ６４がＯＦＦとされているか否かを判定する（ステップＳ４２）。ＥＣＵ７０は、レベルセンサ６４がＯＮとされているか否かをレベルセンサ６４からのＯＮ・ＯＦＦ信号に基づいて判断する。本ステップにおいて、ＯＮ信号が検出された場合、ＥＣＵ７０はステップＳ５０に進む。
【００５６】
ステップＳ４２において、ＯＦＦ信号が検出された場合、ＥＣＵ７０は制御弁６０を開き（ステップＳ４４）、レベルセンサ６４がＯＮとされているか否かを判定する（ステップＳ４６）。ステップＳ４６において、ＯＦＦ信号が検出された場合、ＥＣＵ７０はステップＳ４４に戻る。つまり、気液分離器１６の液相冷媒の液面高さがレベルセンサ６４の位置よりも低くなるまで、制御弁６０を開く状態が維持される。ステップＳ４６においてＯＮ信号が検出された場合、ＥＣＵ７０は制御弁６０を閉じ（ステップＳ４８）、ステップＳ５０に進む。
【００５７】
ステップＳ５０において、ＥＣＵ７０は、エンジン１０の運転がＯＦＦとされたか否かを判定する。本ステップの処理は、図２のステップＳ２０の処理と同一である。本ステップにおいて、エンジン１０の運転がＯＦＦとされていないと判定された場合、ＥＣＵ７０はステップＳ４２に戻る。本ステップにおいて、エンジン１０の運転がＯＦＦとされたと判定された場合、ＥＣＵ７０は本ルーチンを終了する。
【００５８】
以上説明したように、本実施の形態によれば、エンジン１０の運転中、つまり、エンジン１０の沸騰冷却中の各種制御により、次のような効果を得ることができる。即ち、ＷＰ４４の通常モードでの制御により、キャッチタンク４２内の液相冷媒を気液分離器１６に補充できる。また、圧力逃がし弁５６の開閉制御により、気液分離器１６の気相中の圧力が極めて高圧になるのを防止できる。また、ＷＰ４４の沸騰モードでの制御により、キャッチタンク４２内の液相冷媒をＷＰ２２の直上流に供給できるので、ＷＰ２２の直上流での液相冷媒の激しい沸騰を未然に防止できる。また、制御弁６０の開閉制御により、気液分離器１６から溢れた液相冷媒が２つの経路を経由して常圧系に流入するのを未然に防止できる。
【００５９】
なお、上記実施の形態においては、冷媒通路１２が上記第１の発明における「冷媒通路」に、エンジン１０が同発明における「内燃機関」に、冷媒通路２０が同発明における「第１通路」に、冷媒通路１８が同発明における「第２通路」に、ＷＰ２２が同発明における「第１ウォーターポンプ」に、ＷＰ４４が同発明における「第２ウォーターポンプ」に、測温部５４が同発明における「実温度測定手段」に、それぞれ相当している。
また、上記実施の形態においては、ＥＣＵ７０が図９のステップＳ２４，Ｓ２６の処理を実行することにより上記第１の発明における「沸騰温度算出手段」が、同図のステップＳ３２の処理を実行することにより同発明における「冷媒送液手段」が、それぞれ実現されている。
【００６０】
また、上記実施の形態においては、過熱器３０、超音速ノズル３２、タービン３４、発電機および蓄電池が上記第２の発明における「回収手段」に相当している。
【００６１】
また、上記実施の形態においては、冷媒通路３６，３８，４８が上記第３の発明における「第３通路」に、冷媒通路６２が同発明における「第４通路」に、レベルセンサ６４の位置が同発明における「第１位置」に、それぞれ相当している。
また、上記実施の形態においては、ＥＣＵ７０が図１１のステップＳ４４の処理を実行することにより上記第３の発明における「冷媒リーク手段」が実現されている。
【００６２】
また、上記実施の形態においては、レベルセンサ５０の位置が上記第４の発明における「第２位置」に相当している。
また、上記実施の形態においては、ＥＣＵ７０が図２のステップＳ１４の処理を実行することにより上記第４の発明における「冷媒補充手段」が実現されている。
【００６３】
ところで、上記実施の形態においては、レベルセンサ５０，６４からのＯＮ・ＯＦＦ信号に基づいてＷＰ４４の通常モードでの制御や制御弁６０の開閉制御を行った。しかし、レベルセンサ５０，６４の機能を集約した単一のレベルセンサの信号に基づいて、これらの制御を行ってもよい。図１２は、本発明に適用可能な他の沸騰冷却装置２００の構成を示した図である。図１２に示すように、気液分離器１６には、レベルセンサ６８が設けられている。レベルセンサ６８は、気液分離器１６の液相冷媒の液面高さに従って検知部が上下移動するように構成されており、これにより液面高さをリアルタイムで検出するものである。
【００６４】
また、上記実施の形態においては、測温部５４はＷＰ２２の直上流の冷媒通路２０に設けた。但し、ＷＰ２２から冷媒通路１２に送られる液相冷媒の実温度を測定できることができればよいので、ＷＰ２２に測温部５４を直接取り付けてもよいし、ＷＰ２２の直下流の冷媒通路２０に測温部５４を設けてもよい。更には、冷媒通路１８に測温部５４を設けてもよい。
【００６５】
また、上記実施の形態においては、ＷＰ４４の沸騰モードでの制御において、実温度Ｔ２と沸騰温度Ｔ１の差ΔＴが所定温度Ｔ３以上である場合にＷＰ２２を駆動した。この理由は、実温度Ｔ２が沸騰温度Ｔ１を多少上回ったとしても、ＷＰ２２の直上流の液相冷媒の沸騰は比較的穏やかであり、ＷＰ２２の駆動に及ぼす影響は小さいからである。また別の理由は、ＷＰ４４の駆動頻度を最小限に留めてＷＰ２２から冷媒通路１２に送る液相冷媒の温度を沸点近傍に保ち、これにより冷媒通路１２内で液相冷媒を沸騰させ易くすることができるからである。但し、ＷＰ２２から冷媒通路１２に送る液相冷媒の流量を厳密に制御するような場合は、所定温度Ｔ３を略ゼロに近い値に設定してＷＰ２２を沸騰モードで頻繁に駆動させることが望ましい。
【符号の説明】
【００６６】
１０  エンジン
１２，１４，１８，２０，２６，２８，３６，３８，４８，５８，６２  冷媒通路
１６  気液分離器
２２，４４  ＷＰ（ウォーターポンプ）
２４  排気熱蒸気発生器
３０  過熱器
３２  超音速ノズル
３４  タービン
４０  コンデンサ
４２  キャッチタンク
４６  逆止弁
５０，６４，６８  レベルセンサ
５６  圧力逃がし弁
６０  制御弁
６６  接続部
７０  ＥＣＵ
１００，２００  沸騰冷却装置
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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