(57)【要約】【課題】エンジンの暖機完了後においてはシステム内を減圧し、尚且つ、エンジンの完了前においてはシステム内の圧力を大気圧相当まで上昇させることが可能なランキンサイクルシステムを提供する。【解決手段】エンジン１０の暖機完了前はランキンサイクルシステム１００の熱源側の圧力を大気圧相当に維持し、エンジン１０の暖機完了後は同熱源側を減圧して飽和蒸気圧以下とすべく、切り離し弁３３，３８、ガス導入弁５８および真空ポンプ５４を制御する。切り離し弁３３，３８は、システム１００の熱源側と冷却側とを切り離す制御弁である。ガス導入弁５８は、気液分離器１６の気相部とガスタンク５３を接続する冷媒管５７に設けられている。真空ポンプ５４は、キャッチタンク４４の気相部とガスタンク５３を接続する冷媒管５１に設けられている。【選択図】図１
2018059421.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
エンジンの廃熱により液相から気相に変化する冷媒が流れる熱源側流路と、
前記熱源側流路と共に閉流路を形成し、気相冷媒を液相冷媒に戻す冷却側流路と、
前記熱源側流路と前記冷却側流路とを接続しまたは遮断する第１制御弁と、
前記熱源側流路の気相部と前記冷却側流路の気相部とを接続する接続流路と、
前記接続流路に設けられ、前記熱源側流路および前記冷却側流路を流れる気相冷媒とガスを貯蔵可能なガスタンクと、
前記接続流路の前記ガスタンクと前記冷却側流路の気相部との間に設けられ、前記冷却側流路の気相部の気相冷媒とガスを前記ガスタンクに送る真空ポンプと、
前記接続流路の前記ガスタンクと前記熱源側流路の気相部との間に設けられ、前記ガスタンクと前記熱源側流路の気相部とを接続しまたは遮断する第２制御弁と、
前記エンジンの暖機完了前は前記熱源側流路内の圧力を第１圧力まで上昇させ、前記エンジンの暖機完了後から少なくとも前記エンジンでの液相冷媒の沸騰が始まるまでは前記熱源側流路内の圧力を前記第１圧力よりも低い第２圧力まで低下させるように、前記第１制御弁、前記第２制御弁および前記真空ポンプを制御する制御装置と、
を備えることを特徴とするランキンサイクルシステム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ランキンサイクルシステムに関する。
【背景技術】
【０００２】
特許文献１には、エンジンの稼動に伴って発生する廃熱を回収するランキンサイクルシステムに関する技術が開示されている。このランキンサイクルシステムでは、エンジンの廃熱により液相冷媒を沸騰させて気相冷媒（蒸気）に変化させ、膨張器によって膨張させることによって仕事を取り出し、その後、気相冷媒を凝縮させて液相冷媒に戻すことが行われる。また、このランキンサイクルシステムでは、エンジンの暖機時に、沸点の異なる二種類の冷媒の導入が切り替えられている。具体的には、エンジンの暖機完了前は低沸点の冷媒が、エンジンの暖機完了後は高沸点の冷媒が、それぞれランキンサイクルシステムに導入されている。
【０００３】
エンジンの暖機時にランキンサイクルシステムに低沸点の冷媒を導入すれば、同システムに高沸点の冷媒を導入する場合に比べてより早く気相冷媒を発生できる。そのため、エンジンの冷間始動時において短時間でランキンサイクルを開始させることができる。加えて、エンジンの暖機完了後に高沸点の冷媒をランキンサイクルシステムに導入すれば、同システムに低沸点の冷媒を導入する場合に比べて同システム内の圧力を下げることができる。そのため、ランキンサイクルシステムを安定的に稼働させることもできる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２０１４−０９２０４２号公報
【特許文献２】特開２０１５−２３２２７３号公報
【特許文献３】特開２０１３−１８１３９４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、気相冷媒の発生と凝縮が繰り返されるランキンサイクルの性質上、ランキンサイクルシステムが閉じられた構成とされていることが望ましい。また、このランキンサイクルを効率化するためには、ランキンサイクルシステム内が減圧されていることが望ましい。反面、エンジンの暖機完了前は、ランキンサイクルシステム内の圧力が高いことが望ましい。この理由は、エンジンの暖機完了前のランキンサイクルシステム内が減圧されていると、液相冷媒の沸騰が低温で始まってしまい、液相冷媒の沸騰が一旦始まればそれ自身の温度上昇が止まるので、エンジンの暖機に時間を要してしまうためである。この問題は、特許文献１のランキンサイクルシステム内を常に減圧した場合にも起こり得る。
【０００６】
仮に、エンジンの暖機完了前において一時的にランキンサイクルシステムを開放すれば、同システム内の圧力を大気圧相当まで上昇させることができる。しかし、エンジンの暖機中にランキンサイクルシステムを開放すれば、同システム内の気相冷媒が大気中に放出されてしまうので、冷媒量が減ってしまうおそれがある。また、ランキンサイクルシステムを開放すれば、大気中の酸素等が同システム内に流入して同システムの構成部品を腐食し、または、同システムの冷媒を劣化させるおそれもある。以上のことから、エンジンの暖機完了後においてはランキンサイクルシステム内を減圧し、尚且つ、エンジンの完了前においては同システム内の圧力を大気圧相当まで上昇させるための改良が望まれていると言える。
【０００７】
本発明は、上述した課題に鑑みてなされたものであり、その目的は、エンジンの暖機完了後においてはシステム内を減圧し、尚且つ、エンジンの暖機完了前においてはシステム内の圧力を大気圧相当まで上昇させることが可能なランキンサイクルシステムを提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明は、上記の目的を達成するためのランキンサイクルシステムであって、熱源側流路と、冷却側流路と、第１制御弁と、接続流路と、ガスタンクと、真空ポンプと、第２制御弁と、制御装置と、を備えている。前記熱源側流路は、エンジンの廃熱により液相から気相に変化する冷媒が流れるように構成されている。前記冷却側流路は、前記熱源側流路と共に閉流路を形成し、気相冷媒を液相冷媒に戻すように構成されている。前記第１制御弁は、前記熱源側流路と前記冷却側流路とを接続しまたは遮断するように構成されている。前記接続流路は、前記熱源側流路の気相部と前記冷却側流路の気相部とを接続するように構成されている。前記ガスタンクは、前記接続流路に設けられ、前記熱源側流路および前記冷却側流路を流れる気相冷媒とガスを貯蔵可能に構成されている。前記真空ポンプは、前記接続流路の前記ガスタンクと前記冷却側流路の気相部との間に設けられ、前記冷却側流路の気相部の気相冷媒とガスを前記ガスタンクに送るように構成されている。前記第２制御弁は、前記接続流路の前記ガスタンクと前記熱源側流路の気相部との間に設けられ、前記ガスタンクと前記熱源側流路の気相部とを接続しまたは遮断するように構成されている。前記制御装置は、前記エンジンの暖機完了前は前記熱源側流路内の圧力を第１圧力まで上昇させ、前記エンジンの暖機完了後から少なくとも前記エンジンでの液相冷媒の沸騰が始まるまでは前記熱源側流路内の圧力を前記第１圧力よりも低い第２圧力まで低下させるように、前記第１制御弁、前記第２制御弁および前記真空ポンプを制御する。
【発明の効果】
【０００９】
本発明によれば、エンジンの暖機完了前はガスタンクからのガス供給によって熱源側流路内の圧力を第１圧力まで上昇させ、エンジンの暖機完了後から少なくともエンジンでの液相冷媒の沸騰が始まるまではガスタンクへのガス回収によって熱源側流路内の圧力を第１圧力よりも低い第２圧力まで低下させることができる。そのため、仮に第１圧力を大気圧相当の圧力に設定すれば、エンジンの暖機完了前においては熱源側流路内の圧力を大気圧相当まで上昇させて液相冷媒の沸騰を抑えることができる。従って、エンジンの暖機を早期完了することができる。また、エンジンの暖機完了後には熱源側流路内の圧力を大気圧相当の圧力よりも低下させて液相冷媒の沸騰を促進することもできる。従って、ランキンサイクルの早期開始を実現することもできる。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
【図１】本発明の実施の形態１のランキンサイクルシステム１００の構成例を示す図である。
【図２】図１に示したシステム１００の熱源側と冷却側の、エンジン１０の冷間始動時における内部状態を説明するための図である。
【図３】図１に示したシステム１００の熱源側と冷却側の、エンジン１０の停止時における内部状態を説明するための図である。
【図４】図１に示したエンジン１０の冷間始動時における切り離し弁３３，３８および真空ポンプ５４の制御と、各種物理量の推移とを説明するタイミングチャートである。
【図５】図１に示したエンジン１０の停止時における切り離し弁３３，３８およびガス導入弁５８の制御と、各種物理量の推移とを説明するタイミングチャートである。
【図６】エンジン１０の停止後にシステム１００の熱源側の圧力Ｐｈの調整を行わない場合の問題点を説明する図である。
【図７】図１に示したＥＣＵ７０において実行される、エンジン１０の冷間始動時における処理の一例を説明するフローチャートである。
【図８】図１に示したＥＣＵ７０において実行される、エンジン１０の停止時における処理の一例を説明するフローチャートである。
【図９】本発明の実施の形態２のランキンサイクルシステム２００の構成例を示す図である。
【図１０】図９に示したＥＣＵ７０において実行される、エンジン１０の暖機完了後における処理の一例を説明するフローチャートである。
【図１１】本発明の実施の形態３のランキンサイクルシステム３００の構成例を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１１】
以下、図面を参照して本発明の実施の形態について説明する。ただし、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。なお、以下に示す実施の形態において各要素の個数、数量、量、範囲等の数に言及した場合、特に明示した場合や原理的に明らかにその数に特定される場合を除いて、その言及した数に、この発明が限定されるものではない。また、以下に示す実施の形態において説明する構造やステップ等は、特に明示した場合や明らかに原理的にそれに特定される場合を除いて、この発明に必ずしも必須のものではない。
【００１２】
実施の形態１．
１．ランキンサイクルシステムの構成
図１は、本発明の実施の形態１のランキンサイクルシステム（以下単に「システム」ともいう。）１００の構成例を示す図である。図１に示すシステム１００は、内燃機関（以下単に「エンジン」ともいう。）１０を備えている。エンジン１０の種別や構造には限定はない。ただし、エンジン１０のシリンダブロックおよびシリンダヘッドには、エンジン１０の冷媒（一例として水）が流れる冷媒流路１２が形成されている。冷媒流路１２は、エンジン１０の冷媒が循環する閉流路の一部を構成するものであり、シリンダの周囲を囲むウォータージャケットを含んでいる。エンジン１０は、冷媒流路１２を流れる冷媒との熱交換によって冷却される。
【００１３】
システム１００によるエンジン１０の冷却モードには、通常冷却と沸騰冷却がある。通常冷却では、冷媒流路１２を流れる冷媒の温度が沸点まで達しないように流量を調整し、冷媒流路１２を多量に流れる液相冷媒による熱の持ち去りによってエンジン１０を冷却することが行われる。沸騰冷却では、通常冷却よりも冷媒の流量を減らし、あえて冷媒流路１２内で冷媒を沸騰させ、液相冷媒が気相冷媒に変化する際の気化熱によってエンジン１０を冷却することが行われる。システム１００により沸騰冷却が選択される場合、冷媒流路１２は、液相冷媒をエンジン１０の熱によって沸騰させる沸騰器として機能する。
【００１４】
冷媒流路１２は、冷媒管１４を介して気液分離器１６に接続されている。エンジン１０の熱により冷媒が沸騰すると、冷媒流路１２からは気相冷媒と共に液相冷媒が吐出される。気液分離器１６は、冷媒流路１２から流入した気液二相の冷媒を、液相冷媒と気相冷媒とに分離する。気液分離器１６は、冷媒管１８を介して第２ウォータポンプ２０（ＷＰ２）に接続されている。気液分離器１６で分離された液相冷媒は、冷媒管１８を経由して第２ウォータポンプ２０に流入し、第２ウォータポンプ２０により冷媒流路１２に送られる。気液分離器１６には液面センサ１６１が設けられている。液面センサ１６１は、気液分離器１６内に貯留された液相冷媒の過不足を監視するためのセンサである。気液分離器１６には、圧力センサ１６２も設けられている。圧力センサ１６２は、気液分離器１６の気相部の圧力（すなわち、システム１００の熱源側の圧力）Ｐｈを検出するためのセンサである。
【００１５】
システム１００は、また、排気熱蒸気発生器１３を備えている。排気熱蒸気発生器１３は、エンジン１０の排気通路２２に設けられている。気液分離器１６の液相部は、冷媒管１８および冷媒管１１を介して排気熱蒸気発生器１３にも接続されている。排気熱蒸気発生器１３には、気液分離器１６の液相部から液相冷媒が導入される。導入された液相冷媒は、排気通路２２を流れる排気ガスとの熱交換によって過熱されて沸騰し、その一部が蒸気となる。蒸気となった気相冷媒は、冷媒管１５を介して再び気液分離器１６の気相部へと導入される。
【００１６】
気液分離器１６の気相部は、冷媒管２８を介して過熱器３０に接続されている。過熱器３０は、エンジン１０の排気通路２２において排気熱蒸気発生器１３の上流に設けられている。気液分離器１６では気相冷媒と液相冷媒が共存しているため、気相冷媒は飽和蒸気となっている。過熱器３０に入った気相冷媒は、排気通路２２を流れる排気ガスとの熱交換によって過熱蒸気となる。
【００１７】
過熱器３０は、冷媒管３２を介して膨張器であるタービン３４に接続されている。冷媒管３２には、切り離し弁３３が設けられている。切り離し弁３３は、図１に示すシステム１００の熱源側と冷却側とを切り離す制御弁である。切り離し弁３３が開かれると、過熱器３０からタービン３４に気相冷媒が流入する。ただし、切り離し弁３３を冷媒管３２ではなく冷媒管２８に設けたとしても、システム１００の熱源側と冷却側を切り離すことができる。この場合、切り離し弁３３が開かれると、気液分離器１６から過熱器３０に気相冷媒が流入する。タービン３４では、過熱器３０から送られた気相冷媒（過熱蒸気）を膨張させて熱エネルギを回収することが行われる。冷媒管３２とタービン３４との接続部には、超音速ノズル３５が設けられている。気相冷媒は超音速ノズル３５からタービン３４に噴きつけられ、タービン３４を回転させる。タービン３４の回転は、図示しない減速機を介してエンジン１０の出力軸に伝えられる。つまり、タービン３４で回収された熱エネルギは、エンジン１０のアシストに用いられる。ただし、タービン３４により発電機を駆動し、発生した電気を蓄電池に蓄えるように構成することもできる。
【００１８】
システム１００は、また、気液分離器１６の気相部と冷媒管３６とを接続する冷媒管３７を備えている。冷媒管３７には、切り離し弁３８が設けられている。切り離し弁３８は、図１に示すシステム１００の熱源側と冷却側とを切り離す制御弁である。切り離し弁３８が開かれると、気液分離器１６内の気相冷媒が切り離し弁３８に流入する。気液分離器１６から切り離し弁３８に導入された気相冷媒は、切り離し弁３８を通過する際に減圧され、コンデンサ４０に導入される。
【００１９】
タービン３４で膨張した気相冷媒は、冷媒管３６を介してコンデンサ４０に送られる。コンデンサ４０に送られた気相冷媒は、コンデンサ４０により冷却されて凝縮し、液相冷媒に戻される。気相冷媒の凝縮により生じた液相冷媒は、コンデンサ４０から冷媒管４２を介してキャッチタンク４４に送られ、キャッチタンク４４に一時的に貯留される。キャッチタンク４４は、冷媒管４６を介して冷媒管１８の途中に接続されている。キャッチタンク４４の容積は、システム１００内に流通する液相冷媒を貯蔵可能な容積とされている。キャッチタンク４４には、圧力センサ４４１が設けられている。圧力センサ４４１は、キャッチタンク４４の気相部の圧力（すなわち、システム１００の冷却側の圧力）Ｐｃを検出するためのセンサである。
【００２０】
冷媒管４６には、第１ウォータポンプ４８（ＷＰ１）が設けられている。第１ウォータポンプ４８は、キャッチタンク４４に貯留された液相冷媒を冷媒管１８を介して気液分離器１６或いはエンジン１０に送るためのポンプである。冷媒管４６における第１ウォータポンプ４８と冷媒管１８との間には、冷媒管１８側からキャッチタンク４４側への液相冷媒の逆流を防止する逆止弁４７が設けられている。
【００２１】
キャッチタンク４４の気相部には、冷媒管５１を介してガスタンク５３が接続されている。ガスタンク５３は、システム１００内のガス（一例として、不活性ガス）を貯蔵するタンクである。ガスタンク５３の容積は、システム１００内に存在する全てのガスをそのまま、または圧縮状態で貯蔵可能な容積とされている。冷媒管５１には、真空ポンプ５４が設けられている。真空ポンプ５４は、システム１００内のガスおよび液相冷媒をガスタンク５３に送りつつ、同システム内を真空状態とするポンプである。冷媒管５１の真空ポンプ５４とガスタンク５３の間には、ガスタンク５３側から真空ポンプ５４側への気相冷媒の逆流を防止する逆止弁５５が設けられている。
【００２２】
キャッチタンク４４とガスタンク５３は、冷媒管５１だけでなく冷媒管５２をも介して接続されている。但し、冷媒管５２は、キャッチタンク４４の液相部とガスタンク５３とを接続している。冷媒管５２には、水抜き弁５６が設けられている。水抜き弁５６は、ガスタンク５３内の液相冷媒が所定量を超えたときに開かれる制御弁である。水抜き弁５６が開かれると、ガスタンク５３内の液相冷媒がキャッチタンク４４に流入する。ガスタンク５３内の液相冷媒の量は、液面センサ５３１により監視される。ガスタンク５３には、圧力センサ５３２も設けられている。圧力センサ５３２は、ガスタンク５３の気相部の圧力Ｐｔを検出するためのセンサである。
【００２３】
ガスタンク５３は、冷媒管５７を介して気液分離器１６の気相部に接続されている。冷媒管５７には、ガス導入弁５８が設けられている。ガス導入弁５８は、常閉（ノーマルクローズ）の制御弁である。ガス導入弁５８が開かれると、ガスタンク５３内のガスおよび気相冷媒が気液分離器１６に流入する。
【００２４】
システム１００は、更に、制御装置としてのＥＣＵ（Electronic Control Unit）７０を備えている。ＥＣＵ７０は、少なくとも入出力インターフェースとメモリと演算処理装置（ＣＰＵ）とを備えている。入出力インターフェースは、システム１００もしくはこれを搭載するエンジン１０に取り付けられた各種センサからセンサ信号を取り込むとともに、システム１００が備える各種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ている。メモリには、各種の制御プログラムおよび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、取り込んだセンサ信号に基づいて各種アクチュエータの操作信号を生成する。
【００２５】
２．ランキンサイクルシステムの動作
２−１．ランキンサイクルシステムの基本動作
次に、システム１００において行われる沸騰冷却の動作について説明する。なお、図１において、液相冷媒の流れは実線で表され、気相冷媒の流れは破線で表されている。
【００２６】
システム１００は、エンジン１０の廃熱によるエネルギをタービン３４の回転エネルギとして回収し、エンジン１０の出力軸の回転を補助するものである。エンジン１０の廃熱は、冷媒流路１２や排気熱蒸気発生器１３内の液相冷媒を気相冷媒に変化させる。冷媒流路１２において発生した気相冷媒は、冷媒管１４を経由して気液分離器１６へと導入される。排気熱蒸気発生器１３において発生した気相冷媒は、冷媒管１５を経由して気液分離器１６へと導入される。気液分離器１６内の気相冷媒は、冷媒管２８を経由して過熱器３０へ導入される。気相冷媒は、過熱器３０を通過する過程でエンジン１０の排気熱を更に受け取ることにより、より高温高圧の過熱蒸気へと変化する。過熱器３０を通過した過熱蒸気は、冷媒管３２を経由してタービン３４へ導入される。
【００２７】
タービン３４では、導入された過熱蒸気が超音速ノズル３５によって減圧されて膨張した後タービン翼へと噴きつけられる。これにより、過熱蒸気の熱エネルギがタービン３４の回転運動として取り出される。タービン３４を通過した低圧の気相冷媒は冷媒管３６を経由してコンデンサ４０へと導入される。コンデンサ４０へ導入された気相冷媒は、コンデンサ４０で冷却されて液相冷媒へと変化する。液面センサ１６１によって気液分離器１６内の液相冷媒の不足が検出されると、第１ウォータポンプ４８を駆動する要求（以下、ポンプ駆動要求）が出される。ポンプ駆動要求を受けて第１ウォータポンプ４８が駆動されると、キャッチタンク４４内の液相冷媒が冷媒管４６および冷媒管１８を介して気液分離器１６または冷媒流路１２へと導入される。
【００２８】
２−２．ランキンサイクルシステムの特徴的動作
本実施の形態１では、エンジン１０の暖機完了前はシステム１００の熱源側の圧力を大気圧相当に維持し、エンジン１０の暖機完了後は同熱源側を減圧して飽和蒸気圧以下とすべく、切り離し弁３３，３８、ガス導入弁５８および真空ポンプ５４を制御する。図２は、図１に示したシステム１００の熱源側と冷却側の、エンジン１０の冷間始動時における内部状態を説明するための図である。図２のＳＴＥＰ１に示すように、エンジン１０の停止中、システム１００の熱源側にはガスが存在しており、当該熱源側の圧力は大気圧相当となっている。一方、システム１００の冷却側にはガスが存在せず、当該冷却側は真空状態となっている。この理由は、エンジン１０の停止後に行われる切り離し弁３３，３８およびガス導入弁５８の制御に因るものである（詳細は後述）。
【００２９】
エンジン１０の始動後は、エンジン１０の廃熱によって冷媒流路１２内のエンジン１０の冷媒温Ｔｗが上昇することになる。ただし、図２のＳＴＥＰ２に示すように、この時点におけるシステム１００の熱源側と冷却側の内部状態は、ＳＴＥＰ１で説明した内部状態と変わらない。この理由は、切り離し弁３３，３８およびガス導入弁５８が、ＳＴＥＰ１同様に閉弁状態とされ、システム１００の熱源側と冷却側が切り離されているためである。因みに、このＳＴＥＰ２の右方に示すように、エンジン１０の始動直後にエンジン１０が停止されると、システム１００の熱源側と冷却側の内部状態は、ＳＴＥＰ１で説明した内部状態に戻ることになる。
【００３０】
冷媒流路１２内のエンジン１０の冷媒温Ｔｗが上昇して沸点に到達すると、液相冷媒から気相冷媒（蒸気）が発生し始める。そのため、図２のＳＴＥＰ３に示すように、システム１００の熱源側にはガスと蒸気が混ざった混合ガスが存在することになる。そして、エンジン１０の暖機が完了した時点で、切り離し弁３３，３８の何れかが開かれる。そうすると、システム１００の熱源側の混合ガスが、冷却側に移動することになる。ただし、切り離し弁３３または切り離し弁３８の開弁と併せて、真空ポンプ５４の駆動が開始される。そのため、このＳＴＥＰ３に示すように、システム１００の冷却側は真空状態に維持される。すなわち、システム１００の熱源側の混合ガスは冷却側に移動するものの、当該冷却側に留まることなくガスタンク５３内に移動する。因みに、このＳＴＥＰ３の右方に示すように、エンジン１０の暖機完了直後にエンジン１０が停止されると、システム１００の熱源側と冷却側の内部状態が後述の図３のＳＴＥＰ７で説明する内部状態となる。
【００３１】
エンジン１０の暖機完了後に真空ポンプ５４が駆動されることで、システム１００の熱源側に存在する混合ガスが次々とガスタンク５３内に移動する。この間、エンジン１０の駆動に伴い冷媒流路１２では気相冷媒が発生し続けているので、システム１００の熱源側では気相冷媒が増え続けることになる。そうすると、図２のＳＴＥＰ４に示すように、システム１００の熱源側はやがて、ガスの無い蒸気のみが存在する状態となる。この結果、システム１００の熱源側の圧力が下がり、冷媒流路１２や排気熱蒸気発生器１３内の液相冷媒が沸騰し易い状態が出来上がる。そして、システム１００の熱源側からガスが殆ど無くなった時点で、真空ポンプ５４の駆動が停止される。その後は、ＳＴＥＰ４で説明した内部状態のまま、上述した沸騰冷却の動作がシステム１００内で繰り返される。
【００３２】
本実施の形態１では、また、エンジン１０の停止時は、次回の始動に備えてシステム１００の熱源側の圧力を大気圧相当に戻すべく、切り離し弁３３，３８およびガス導入弁５８が制御される。図３は、図１に示したシステム１００の熱源側と冷却側の、エンジン１０の停止時における内部状態を説明するための図である。エンジン１０が停止されると、システム１００の熱源側と冷却側を切り離すべく、切り離し弁３３，３８の両方が閉じられる。ただし、図３のＳＴＥＰ５に示すように、エンジン１０の停止直後のシステム１００の熱源側は蒸気のみが存在し、冷却側は真空状態となっている。この内部状態は、図２のＳＴＥＰ４で説明した内部状態と同じである。
【００３３】
エンジン１０の停止後は、エンジン１０の冷媒温Ｔｗが低下してシステム１００内の気相冷媒が液化し始める。但し、この冷媒温Ｔｗが高くシステム１００の熱源側の圧力Ｐｈも高い場合は、ガス導入弁５８の閉弁状態が継続される。そのため、図３のＳＴＥＰ６に示すように、この時点におけるシステム１００の熱源側と冷却側の内部状態は、ＳＴＥＰ５で説明した内部状態と変わらない。因みに、このＳＴＥＰ６の右方に示すように、システム１００の熱源側の圧力も高い場合にエンジン１０が再始動されると、システム１００の熱源側と冷却側の内部状態が図２のＳＴＥＰ４で説明した内部状態に戻ることになる。
【００３４】
システム１００の熱源側の圧力Ｐｈが大気圧相当の圧力よりも低下した場合は、圧力Ｐｈを大気圧相当に調整すべく、ガス導入弁５８が開かれる。そうすると、図３のＳＴＥＰ７に示すように、システム１００の熱源側にガスタンク５３内のガスが流入する。一方、切り離し弁３３，３８は閉じられているので、システム１００の冷却側は真空状態に維持される。因みに、このＳＴＥＰ７の右方に示すように、ガス導入弁５８が開かれている場合にエンジン１０が再始動されると、システム１００の熱源側と冷却側の内部状態が図２のＳＴＥＰ３で説明した内部状態に戻ることになる。
【００３５】
そして、エンジン１０の冷媒温Ｔｗが外気温度Ｔａと同等の温度まで低下した場合は、圧力Ｐｈの調整を終了すべくガス導入弁５８が閉じられる。この結果、図３のＳＴＥＰ８に示すように、システム１００の熱源側にはガスのみが存在することになる。一方、切り離し弁３３，３８は閉じられているので、システム１００の冷却側は真空状態に維持される。
【００３６】
図４は、図１に示したエンジン１０の冷間始動時における切り離し弁３３，３８および真空ポンプ５４の制御と、各種物理量の推移とを説明するタイミングチャートである。図４に示すように、時刻ｔ０で始動されたエンジン１０の冷媒温Ｔｗ（一例として、冷媒流路１２の出口部の液相冷媒の温度）が、時刻ｔ１において暖機温度Ｔｈに到達すると、切り離し弁３３または切り離し弁３８が開かれる。また、この時刻ｔ１においては、真空ポンプ５４の駆動が開始される。そうすると、時刻ｔ１直後からシステム１００の熱源側の圧力Ｐｈ（＝ガス分圧＋蒸気分圧）と冷却側の圧力Ｐｃが揃って低下し始める。但し、真空ポンプ５４の駆動に伴うガス分圧の低下の一方で、冷媒流路１２での液相冷媒の沸騰に伴い蒸気分圧が上昇し始めるので、熱源側の圧力Ｐｈはやがて上昇に転じる。また、真空ポンプ５４の駆動に伴いガスタンク５３内の圧力Ｐｔも上昇する。この圧力Ｐｔが規定圧ＰｔＨｉに到達する時刻ｔ２以降も真空ポンプ５４の駆動を継続すると、時刻ｔ３においてシステム１００の冷却側の圧力Ｐｃが定格圧Ｐｃｒに到達する。この時刻ｔ３において真空ポンプ５４の駆動を停止すると、それ以降の圧力Ｐｈ、圧力Ｐｃおよび圧力Ｐｔは基本的に一定となる。
【００３７】
図５は、図１に示したエンジン１０の停止時における切り離し弁３３，３８およびガス導入弁５８の制御と、各種物理量の推移とを説明するタイミングチャートである。図５に示すように、エンジン１０が停止された時刻ｔ４において切り離し弁３３，３８の両方が閉じられる。その後、システム１００の熱源側の圧力Ｐｈが大気圧相当の圧力よりも低下した時刻ｔ５において、ガス導入弁５８が開かれる。ガス導入弁５８が開かれると、ガスタンク５３内の圧力が低下する。熱源側の圧力Ｐｈの低下は気相冷媒の凝縮に伴う蒸気分圧の低下に因るものであるが、ガス導入弁５８が開かれることでガス分圧が上昇し始める。そうすると、圧力Ｐｈが上昇して大気圧相当の圧力を上回ることになるので、今度はガス導入弁５８が閉じられる。ガス導入弁５８の開閉動作は、冷媒温Ｔｗが外気温度Ｔａと同等の温度まで低下する時刻ｔ６まで繰り返される。因みに圧力Ｐｈは、この時刻ｔ６までに大気圧相当の圧力に収束し、それ以降は一定となる。
【００３８】
図６は、エンジン１０の停止後にシステム１００の熱源側の圧力Ｐｈの調整を行わない場合の問題点を説明する図である。ガスタンク５３やガス導入弁５８といった圧力調整手段を備えていないランキンサイクルシステムの場合は、圧力Ｐｈの調整を行うことができない。また、このような圧力調整手段を備えていたとしても、エンジン１０の停止後にガス導入弁５８を開かなければ、圧力Ｐｈの調整が行われないことなる。圧力Ｐｈの調整を行わない場合、エンジン１０が停止された時刻ｔ７以降、時間の経過とともに低下する圧力Ｐｈが大気圧を下回ることになる。そうすると、次回のエンジン１０の始動時において液相冷媒の沸騰が低温で始まってしまい、液相冷媒の沸騰が一旦始まればそれ自身の温度上昇が止まるので、エンジン１０の暖機に時間を要してしまうことになる。
【００３９】
仮に、上述した圧力調整手段を備えていないランキンサイクルシステムにおいて、エンジンの暖機完了前までの間、一時的に同システムの熱源側を開放すれば、当該熱源側の圧力を大気圧相当まで上昇させることができる。しかし、ランキンサイクルシステムを開放すれば、同システム内の気相冷媒が大気中に放出されてしまうので、冷媒量が減ってしまうおそれがある。また、ランキンサイクルシステムを開放すれば、大気中の酸素等が同システム内に流入して同システムの構成部品を腐食し、または、同システムの冷媒を劣化させるおそれもある。
【００４０】
この点、本実施の形態１のシステム１００では、エンジン１０の停止後にシステム１００の熱源側の圧力Ｐｈの調整を行うので、次回のエンジン１０の始動時において液相冷媒の沸騰温度を高くすることができる。従って、エンジン１０の暖機をより短時間で完了させて燃費を向上させることができる。また、本実施の形態１のシステム１００では、エンジン１０の暖機完了後に真空ポンプ５４の駆動を行って、システム１００の熱源側を減圧することができる。従って、エンジン１０の暖機完了後に冷媒流路１２を流れる液相冷媒を速やかに沸騰させて、上述した沸騰冷却の動作を短時間で開始することができる。加えて、本実施の形態１のシステム１００は、システム自体が開放されていないので、上述した不具合の発生のおそれもない。以上のことから、本実施の形態１のシステム１００によれば、エンジン１０の早期暖機と、ランキンサイクルの早期開始とを両立させることができる。
【００４１】
３．ランキンサイクルシステムにおいて実行される具体的処理
図７は、図１に示したＥＣＵ７０において実行される、エンジン１０の冷間始動時における処理の一例を説明するフローチャートである。なお、図７に示すルーチンは、エンジン１０の始動時に繰り返して実行されるものとする。
【００４２】
図７に示すルーチンでは、先ず、エンジン始動の有無が判定される（ステップＳ２）。ステップＳ２では、例えば、イグニッションスイッチがＯＦＦからＯＮとなった場合に、エンジン１０が始動されていると判定される。
【００４３】
ステップＳ２においてエンジン１０が始動されていると判定された場合、エンジン１０の冷媒温Ｔｗが測定され（ステップＳ４）、この冷媒温Ｔｗが暖機温度Ｔｈ以上か否かが判定される（ステップＳ６）。ステップＳ４において、冷媒温Ｔｗは、例えば、冷媒流路１２の出口部に設けた温度センサにより測定される。ステップＳ６において、暖機温度Ｔｈは、エンジン１０の暖機が完了したと判断できる温度として事前に設定されているものとする。
【００４４】
ステップＳ６において、冷媒温Ｔｗが暖機温度Ｔｈ未満であると判定された場合は、切り離し弁３３，３８の両方が閉じられる（ステップＳ８）。なお、エンジン１０の停止中、切り離し弁３３，３８は閉じられている。つまり、より正確に言えば、ステップＳ８の処理が行われると、切り離し弁３３，３８の閉弁状態が維持される。
【００４５】
ステップＳ６において、冷媒温Ｔｗが暖機温度Ｔｈ以上であると判定された場合は、タービン３４の駆動要求の有無が判定される（ステップＳ１０）。タービン３４の駆動要求は、エンジン１０のアシストが不足していることが検出された場合、または蓄電池の残量が不足していることが検出された場合に出される要求である。
【００４６】
ステップＳ１０において、タービン３４の駆動要求があると判定された場合は、切り離し弁３３が開かれ、真空ポンプ５４の駆動が開始される（ステップＳ１２）。切り離し弁３３を開くことで、タービン３４に気相冷媒が導入される。一方、タービン３４の駆動要求がないと判定された場合は、切り離し弁３８が開かれ、真空ポンプ５４の駆動が開始される（ステップＳ１４）。これにより、システム１００の熱源側が減圧される。
【００４７】
ステップＳ１２またはステップＳ１４に続いて、ガスタンク５３内の圧力Ｐｔが規定圧ＰｔＨｉよりも高いか否かが判定される（ステップＳ１６）。ステップＳ１６において、圧力Ｐｔは、圧力センサ５３２により測定される。規定圧ＰｔＨｉは、システム１００内の殆どのガスをガスタンク５３内に貯蔵した場合の圧力値として事前に設定されているものとする。
【００４８】
ステップＳ１６において、圧力Ｐｔが規定圧ＰｔＨｉよりも高いと判定された場合は、システム１００の冷却側の圧力Ｐｃが定格圧Ｐｃｒよりも低いか否かが判定される（ステップＳ１８）。ステップＳ１８において、圧力Ｐｃは、圧力センサ４４１により測定される。定格圧Ｐｃｒは、システム１００の冷却側が真空状態であると判断できる圧力値として事前に設定されているものとする。
【００４９】
ステップＳ１８において、圧力Ｐｃが定格圧Ｐｃｒよりも低いと判定された場合は、システム１００内からガスが排除されたと判断できる。そのため、真空ポンプ５４の駆動が停止される（ステップＳ２０）。
【００５０】
図８は、図１に示したＥＣＵ７０において実行される、エンジン１０の停止時における処理の一例を説明するフローチャートである。なお、図８に示すルーチンは、エンジン１０の停止時に繰り返して実行されるものとする。
【００５１】
図８に示すルーチンでは、先ず、エンジン停止の有無が判定される（ステップＳ２２）。ステップＳ２２では、例えば、イグニッションスイッチがＯＮからＯＦＦとなった場合に、エンジン１０が停止されたと判定される。
【００５２】
ステップＳ２２においてエンジン１０が停止されたと判定された場合、切り離し弁３３，３８の両方が閉じられる（ステップＳ２４）。通常、切り離し弁３３，３８のうちの一方が開かれ、他方が閉じられている。そのため、ステップＳ２４では、切り離し弁３３，３８のうちの開かれている方を閉じる。
【００５３】
ステップＳ２４に続いて、エンジン１０の冷媒温Ｔｗが外気温度Ｔａ以上か否かが判定される（ステップＳ２６）。ステップＳ２６において、冷媒温Ｔｗは、例えば、冷媒流路１２の出口部に設けた温度センサにより測定される。外気温度Ｔａは、システム１００の外部に設けた温度センサにより測定される。
【００５４】
ステップＳ２６において、エンジン１０の冷媒温Ｔｗが外気温度Ｔａ以上であると判定された場合は、ガスタンク５３の圧力Ｐｔが規定圧ＰｔＬｏよりも高いか否かが判定される（ステップＳ２８）。ステップＳ２８において、圧力Ｐｔは、圧力センサ５３２により測定される。規定圧ＰｔＬｏは、ガスタンク５３の圧力Ｐｔとシステム１００の熱源側の圧力Ｐｈが等しくなるときの圧力値として事前に設定されているものとする。
【００５５】
ステップＳ２８において、圧力Ｐｔが規定圧ＰｔＬｏよりも高いと判定された場合は、システム１００の熱源側の圧力Ｐｈが大気圧Ｐａよりも低いか否かが判定される（ステップＳ３０）。ステップＳ３０において、大気圧Ｐａは、システム１００の外部に設けた圧力センサにより測定される。そして、圧力Ｐｈが大気圧Ｐａよりも低いと判定された場合は、ガス導入弁５８が開かれる（ステップＳ３２）。ガス導入弁５８を開くことで、圧力Ｐｈの調整が行われる。
【００５６】
ステップＳ３２に続いて、システム１００の熱源側の圧力Ｐｈが大気圧Ｐａ以上か否かが判定される（ステップＳ３４）。ステップＳ３４の処理は、ステップＳ３０とは正反対の処理である。そして、圧力Ｐｈが大気圧Ｐａよりも高いと判定された場合は、ガス導入弁５８を閉じる（ステップＳ３６）。
【００５７】
以上説明した図７乃至図８のルーチンによれば、エンジン１０の停止後にシステム１００の熱源側の圧力Ｐｈの調整を行い、次回のエンジン１０の始動までの間、圧力Ｐｈを大気圧相当の圧力に維持しておくことができる。従って、次回のエンジン１０の始動時においてエンジン１０の暖機をより短時間で完了させることができる。また、図７乃至図８のルーチンによれば、エンジン１０の暖機完了後に真空ポンプ５４の駆動を行って、システム１００の熱源側を減圧することができる。従って、エンジン１０の暖機完了後に冷媒流路１２を流れる液相冷媒を速やかに沸騰させて、上述した沸騰冷却の動作を短時間で開始することもできる。
【００５８】
なお、上記実施の形態１においては、切り離し弁３３，３８が本発明の「第１制御弁」に、冷媒管５７が本発明の「接続流路」に、ガス導入弁５８が本発明の「第２制御弁」に、ＥＣＵ７０が本発明の「制御装置」に、それぞれ相当している。
【００５９】
ところで、上記実施の形態１では、冷媒管５７が気液分離器１６の気相部に接続されている例を説明した。しかし、冷媒管５７が、過熱器３０と接続されていてもよいし、冷媒管２８に接続されていてもよい。また、冷媒管５７が、切り離し弁３８よりも熱源側の冷媒管３７と接続されていてもよいし、切り離し弁３３よりも熱源側の冷媒管３２と接続されていてもよい。このように、ガスタンク５３からのガスの導入先がシステム１００の熱源側の気相部である限りにおいて、冷媒管５７の接続位置は任意に変更することができる。なお、本変形例は、後述する実施の形態２や３においても同様に適用できる。
【００６０】
実施の形態２．
１．ランキンサイクルシステムの構成
図９は、本発明の実施の形態２のランキンサイクルシステム２００の構成例を示す図である。図９に示すシステム２００は、図１に示したシステム１００の構成と基本的には共通する。システム２００は、ガスタンク５３と冷媒管３２を接続する冷媒管６０と、冷媒管６０に設けられたガス導入弁６１と、を備える点においてシステム１００と異なる。冷媒管６０は、冷媒管３２の切り離し弁３３と超音速ノズル３５の間に接続されている。ガス導入弁６１は、ノーマルクローズの制御弁である。ガス導入弁６１が開かれると、ガスタンク５３内のガスおよび気相冷媒が超音速ノズル３５に流入する。
【００６１】
２．ランキンサイクルシステムの特徴的動作
上記実施の形態１では、エンジン１０の暖機完了後、タービン３４の駆動要求があった場合に、切り離し弁３３を開いてシステム１００の熱源側から冷却側にガスまたは気相冷媒を導入した。しかし、タービン３４の始動には多くのエネルギを要する。そこで、本実施の形態２では、エンジン１０の暖機完了後、タービン３４の駆動要求があった場合には、ガス導入弁６１を開いてガスタンク５３内のガスおよび気相冷媒をシステム１００の冷却側に導入する。これに加え、真空ポンプ５４の駆動を開始する。既に説明したように、気相冷媒をシステム１００の冷却側は真空である。そのため、ガス導入弁６１を開きつつ真空ポンプ５４を駆動すれば、ガスタンク５３内のガスおよび気相冷媒を勢い良くタービン３４に導入して、タービン３４を回転させることができる。つまり、切り離し弁３３を開く前に、タービン３４を予め回転させておくことができる。
【００６２】
また、本実施の形態２では、タービン３４をある程度回転させたら、真空ポンプ５４の駆動を継続しつつガス導入弁６１を閉じ、切り離し弁３３を開く。これにより、システム１００の熱源側を真空にして、冷媒流路１２を流れる液相冷媒を速やかに沸騰させることができる。従って、予め回転させておいたタービン３４に、気相冷媒を導入することができる。このように、本実施の形態２のシステム２００によれば、タービン３４の応答性を向上させることができる。
【００６３】
３．ランキンサイクルシステムにおいて実行される具体的処理
図１０は、図９に示したＥＣＵ７０において実行される、エンジン１０の暖機完了後における処理の一例を説明するフローチャートである。なお、図１０に示すルーチンは、例えば、図７において説明したステップＳ１０，Ｓ１２，Ｓ１４に代わる処理として実行されるものとする。
【００６４】
図１０に示すルーチンでは、先ず、タービン３４の駆動要求の有無が判定される（ステップＳ３８）。ステップＳ３８の処理は、図７で説明したステップＳ１０の処理と同一である。
【００６５】
ステップＳ３８において、タービン３４の駆動要求があると判定された場合は、ガス導入弁６１が開かれ、真空ポンプ５４の駆動が開始される（ステップＳ４０）。ガス導入弁６１が開かれ、真空ポンプ５４の駆動が開始されることで、ガスタンク５３内のガスおよび気相冷媒が勢い良くタービン３４に導入される。一方、タービン３４の駆動要求がないと判定された場合は、切り離し弁３８が開かれ、真空ポンプ５４の駆動が開始される（ステップＳ４２）。これにより、システム１００の熱源側が減圧される。
【００６６】
ステップＳ４０に続いて、タービン３４の回転数Ｎｔが規定回転数Ｎｔｆｉｘよりも高いか否かが判定される（ステップＳ４４）。ステップＳ４４において、規定回転数Ｎｔｆｉｘは、タービン３４の回転が開始したと判断できる回転数として事前に設定されているものとする。
【００６７】
ステップＳ４４において、回転数Ｎｔが規定回転数Ｎｔｆｉｘよりも高いと判定された場合は、ガス導入弁６１が閉じられ（ステップＳ４６）、切り離し弁３３が開かれる（Ｓ４８）。ステップＳ４０の処理以降、真空ポンプ５４は駆動されており、システム１００の冷却側の減圧が行われている。このため、ガス導入弁６１を閉じ、切り離し弁３３を開くと、システム１００の冷却側と共に熱源側の減圧が行われることになる。
【００６８】
以上説明した図１０のルーチンによれば、エンジン１０の暖機完了後、タービン３４の駆動要求があった場合に、ガスタンク５３内のガスおよび気相冷媒によってタービン３４を予め回転させておくことができる。また、タービン３４をある程度回転させた後に、冷媒流路１２を流れる液相冷媒を速やかに沸騰させて、気相冷媒を発生させることができる。従って、タービン３４の応答性を向上させることができる。
【００６９】
実施の形態３．
１．ランキンサイクルシステムの構成
図１１は、本発明の実施の形態３のランキンサイクルシステム３００の構成例を示す図である。図１１に示すシステム３００は、図１に示したシステム１００から、エンジン１０、冷媒流路１２、冷媒管１４およびウォータポンプ２０を除いたシステムに相当する。但し、システム３００は、エンジン１０とは別のエンジン８０を備えており、このエンジン８０の排気通路２２に排気熱蒸気発生器１３や過熱器３０が設けられている。つまり、システム３００は、エンジン８０の冷媒とは別の冷媒が、閉流路内を循環する排熱回収装置である。
【００７０】
２．ランキンサイクルシステムの動作
２−１．ランキンサイクルシステムの基本動作
システム３００は、エンジン８０の廃熱によるエネルギをタービン３４の回転エネルギとして回収し、エンジン８０の出力軸の回転を補助するものである。つまり、ランキンサイクルシステムの基本動作は、上記実施の形態１で説明した基本動作と同じである。
【００７１】
２−２．ランキンサイクルシステムの特徴的動作
本実施の形態３では、エンジン８０の暖機完了前はシステム３００の熱源側の圧力を大気圧よりも低い第１圧力に維持し、エンジン８０の暖機完了後は同熱源側を第１圧力よりも低い第２圧力とすべく、切り離し弁３３，３８、ガス導入弁５８および真空ポンプ５４を制御する。
【００７２】
本実施の形態３のシステム３００は、図１に示した冷媒流路１２や冷媒管１４の分だけ上記実施の形態１のシステム１００に比べて経路長が短くなる。そのため、ガスタンク５３の容量がシステム１００と同一の場合、沸騰冷却中にシステム３００の熱源側がより高圧化することが予想される。そこで、本実施の形態３では、エンジン８０の暖機完了前のシステム３００の熱源側の圧力を大気圧まで上昇させず、それよりも低い第１圧力まで上昇させる。また、エンジン８０の暖機完了後はシステム３００の熱源側を第２圧力まで下降させる。これにより、システムへの影響を抑えた最適な圧力条件下で、エンジン８０の暖機完了前には液相冷媒の沸騰温度を高くし、エンジン８０の暖機完了後には排気熱蒸気発生器１３を流れる液相冷媒を速やかに沸騰させることができる。従って、タービン３４の駆動要求時に、より高いエネルギの気相冷媒をタービン３４に導入して、より多くの仕事を取り出すことができる。
【符号の説明】
【００７３】
１０，８０  エンジン
１１，１４，１５，１８，２８，３２，３６，３７，４２，４６，５１，５２，５７，６０  冷媒管
１２  冷媒流路
１６  気液分離器
２０，４８  ウォータポンプ
２２  排気通路
３０  過熱器
３３，３８  切り離し弁
３４  タービン
３５  超音速ノズル
４０  コンデンサ
４４  キャッチタンク
４７，５５  逆止弁
５３  ガスタンク
５４  真空ポンプ
５６  水抜き弁
５８，６１  ガス導入弁
７０  ＥＣＵ
１００，２００，３００  ランキンサイクルシステム
１６１，５３１  液面センサ
１６２，４４１，５３２  圧力センサ
【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】
2018059421.tif 000011
【図１０】
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【図１１】
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