(57)【要約】【課題】液体／蒸気相変態特性を変化させずに作動流体の凝固を制限するか、場合によっては防止する装置および方法を提供する。【解決手段】本発明は、ランキンサイクルに従って動作する閉循環路１０内を循環する低凝固点の作動流体を制御する装置であって、該閉循環路が、液体形態の流体用の圧縮ポンプ１２と、該流体を蒸発させる高熱源２８が通過する熱交換器２２と、蒸気形態の流体を膨張させる膨張手段と、冷熱源Ｆが通過して作動流体を凝縮させる冷却熱交換器４０とを有する装置に関する。本発明によれば、該装置は、閉循環路１０を排水させる流体収集タンク５２を有する。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
ランキンサイクルに従って動作する閉循環路（１０）内を循環する低凝固点の作動流体を制御する装置であって、前記閉循環路が、液体形態の前記作動流体用の圧縮ポンプ（１２）と、前記作動流体を蒸発させる高熱源（２４）が通過する熱交換器（１８）と、蒸気形態の前記作動流体を膨張させる膨張手段（３０）と、冷熱源（Ｆ）が通過して前記作動流体を凝縮させる冷却熱交換器（３６）とを備え、前記閉循環路を排水させる流体収集タンク（５２）を有することを特徴とする装置。
【請求項２】
前記タンクは断熱タンク（５４）である、請求項１に記載の装置。
【請求項３】
前記タンクは膨張タンク（６０）である、請求項１に記載の装置。
【請求項４】
前記タンクの容量は、前記閉循環路内に含まれる前記作動流体の体積より大きい、請求項１に記載の装置。
【請求項５】
前記タンク（５２）は、それに含まれる前記作動流体のための加熱システム（６６）を有する、請求項１から４のいずれか一項に記載の装置。
【請求項６】
前記閉循環路（１０）を前記タンクに連結する少なくとも１本の配管（７２、７８）を有する、請求項１から５のいずれか一項に装置。
【請求項７】
前記作動流体を前記閉循環路（１０）から前記タンク内に排出する配管（７２）と、前記閉循環路（１０）に前記タンクから前記作動流体を供給する配管（７８）とを有する、請求項６に記載の装置。
【請求項８】
前記配管（７２、７８）は弁（７６、８２）を有する、請求項６または７に記載の装置。
【請求項９】
前記配管（７２、７８）の少なくとも１本は流体循環ポンプ（８４）を保持する、請求項６から８のいずれか一項に記載の装置。
【請求項１０】
前記配管（７２、７８）の少なくとも１本は、圧縮ポンプ（１２）と前記作動流体を蒸発させる前記熱交換器（１８）との間の循環配管（４２）上のポイント（７４、８０）に連結される、請求項６から９のいずれか一項に記載の装置。
【請求項１１】
循環配管（４２）は、前記ポイントと前記作動流体を蒸発させる前記熱交換器（１８）との間に配置された弁（８６）を有する、請求項１０に記載の装置。
【請求項１２】
前記作動流体は不凍添加剤を含まない水である、請求項１に記載の装置。
【請求項１３】
高熱源（２４）は、内燃機関（２８）の排気ガスから得られる、請求項１に記載の装置。
【請求項１４】
ランキンサイクルに従って動作する閉循環路（１０）内を循環する低凝固点の作動流体を制御する方法であって、前記閉循環路が、液体形態の前記作動流体用の圧縮ポンプ（１２）と、前記作動流体を蒸発させる高熱源（２４）が通過する熱交換器（１８）と、蒸気形態の前記作動流体を膨張させる膨張手段（３０）と、冷熱源（Ｆ）が通過して前記作動流体を凝縮させる冷却熱交換器（３６）とを備え、前記閉循環路が停止している間、前記閉循環路内に含まれる前記作動流体の少なくとも一部をタンク（５２）に移すことを特徴とする方法。
【請求項１５】
周囲温度が前記作動流体の氷結温度より低いとき、前記閉循環路が停止している間、前記作動流体を前記タンクに移す、請求項１４に記載の方法。
【請求項１６】
前記閉循環路（１０）が作動されたときに、前記タンク内に含まれる前記作動流体を前記閉循環路（１０）に移す、請求項１４または１５に記載の方法。
【請求項１７】
前記閉循環路（１０）を前記タンク（５２）に連結する配管（７２）内で、前記作動流体を前記圧縮ポンプ（１２）の作用によって循環させる、請求項１４から１６のいずれか一項に記載の方法。
【請求項１８】
前記閉循環路（１０）を前記タンクに連結する配管（７８）内で、前記作動流体を前記配管（７８）によって保持された循環ポンプ（８４）の作用によって循環させる、請求項１４から１６のいずれか一項に記載の方法。
【請求項１９】
前記閉循環路が作動されたときに、前記タンク内に含まれる前記作動流体を重力によって前記閉循環路（１０）に移す、請求項１４から１７のいずれか一項に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ランキンサイクルに従って動作する閉循環路内に含まれる、低凝固点の作動流体、特に水を制御する装置と、該装置を使用する方法とに関する。本発明は特に、この装置を内燃機関、特に自動車用の内燃機関に対応させることを目的としている。
【背景技術】
【０００２】
公知のように、ランキンサイクルとは、特定の特徴として、作動流体の（液体／蒸気）相変化を伴う閉循環路熱力学サイクルである。
【０００３】
このサイクルは一般に、液体形態の作動流体、ここでは水が、等エントロピー的に圧縮される段階と、この段階の後で、この圧縮された水が熱源と接触し加熱されて蒸発する段階と、次に、この水蒸気が膨張機内で等エントロピー的に膨張させられる他の段階と、次いで、膨張した蒸気が冷熱源と接触して冷却され凝縮する最後の段階とに分かれている。
【０００４】
これらの様々な段階を実施するために、循環路は、液体形態の水を圧縮する容積型ポンプ（または圧縮器）と、高温の流体が通過して、圧縮された水を少なくとも部分的に蒸発させる熱交換器（または蒸発器）と、この蒸気のエネルギーを機械エネルギーや電気エネルギーのような他のエネルギーに変換するタービンのような、蒸気を膨張させる膨張機と、他の熱交換器（または凝縮器）であって、蒸気に含まれる熱を、冷熱源、一般にはこの凝縮器を通過してこの蒸気を液体形態の水に転換する外気にさらす他の熱交換器とを有する。
【０００５】
特に特許文献１によって、内燃機関、特に自動車に使用される内燃機関の排気ガスによって伝達される熱エネルギーを、蒸発器を通って流れる流体を加熱して蒸発させる高熱源として使用することも公知である。
【０００６】
これにより、排気時に失われるエネルギーの大部分を回復し、ランキンサイクル循環路によって自動車に使用することのできるエネルギーに転換することによって、この機関のエネルギー効率を向上させることができる。
【０００７】
したがって、通例、一連の液体／蒸気相変態を受ける作動流体が選択されている。
【０００８】
すなわち、この流体の飽和曲線を高熱源および冷熱源の温度に応じて最適化する必要がある。
【０００９】
したがって、ランキンサイクルで水性作動流体を使用すると、最大飽和曲線を得るのが可能になる特徴を有するという利点がもたらされ、一方危険性がないという利点がもたらされる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１０】
【特許文献１】フランス特許第２８８４５５５号明細書
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１１】
しかし、水は、低温（約０℃）の凝固点を有するという特定の特性を有し、この凝固点を−１５℃〜−３０℃の許容温度レベルに低下させるために、通常グリコールなどの不凍添加剤が水に添加される。
【００１２】
このような添加剤を添加することには、水の特性、特に蒸発特性を変化させるという欠点があり、排気ガスからの高熱源は、この蒸発を満足いくように行うには不十分である。
【００１３】
さらに、時間の経過とともに、添加剤を含有するこの水は、液体／蒸気相変化が生じたときに予測できない経年劣化を被る。この予測できない経年劣化によって、この水の相変化が不完全になり、それによって、ランキンサイクル循環路が誤動作を犯すことがある。
【００１４】
本発明の目的は、液体／蒸気相変態特性を変化させずに作動流体の凝固を制限するか、場合によっては防止する装置および方法によって上述の欠点を解消することである。
【課題を解決するための手段】
【００１５】
したがって、本発明は、ランキンサイクルに従って動作する閉循環路内を循環する低凝固点の作動流体を制御する装置であって、前記閉循環路が、液体形態の作動流体用の圧縮ポンプと、該作動流体を蒸発させる高熱源が通過する熱交換器と、蒸気形態の作動流体を膨張させる膨張手段と、冷熱源が通過して作動流体を凝縮させる冷却熱交換器とを備え、この閉循環路を排水させる流体収集タンクを有することを特徴とする。
【００１６】
タンクは、断熱タンク、膨張タンク、または容量が閉循環路内に含まれる作動流体の体積より大きいタンクであってよい。
【００１７】
タンクは、それに含まれる作動流体を加熱するシステムを有してよい。
【００１８】
装置は、閉循環路をタンクに連結する少なくとも１本の配管を有してよい。
【００１９】
装置は、作動流体を閉循環路からタンク内に排出する配管と閉循環路にこのタンクからの作動流体を供給する配管とを有してよい。
【００２０】
配管は弁を有することが好ましい。
【００２１】
配管の少なくとも１本は、流体循環ポンプを有してよい。
【００２２】
配管の少なくとも１本は、圧縮ポンプと作動流体を蒸発させる熱交換器との間のポイントにおいて循環配管に連結することができる。
【００２３】
循環配管は、上記ポイントと作動流体を蒸発させる熱交換器との間に配置された弁を備えてよい。
【００２４】
作動流体は不凍添加剤を含まない水であることが好ましい。
【００２５】
高熱源は、内燃機関の排気ガスから得ることができる。
【００２６】
本発明は、ランキンサイクルに従って動作する閉循環路内を循環する低凝固点の作動流体を制御する方法であって、閉循環路が、液体形態の作動流体用の圧縮ポンプと、作動流体を蒸発させる高熱源が通過する熱交換器と、蒸気形態の作動流体を膨張させる膨張手段と、冷熱源が通過して作動流体を凝縮させる冷却熱交換器とを備え、前記閉循環路が停止している間、該閉循環路内に含まれる作動流体の少なくとも一部をタンクへ移すことを特徴とする。
【００２７】
この方法は、周囲温度が作動流体の氷結温度より低いとき、閉循環路が停止している間、作動流体をタンクに移すことを含んでよい。
【００２８】
この方法は、閉循環路が作動されたときに、タンク内に含まれる作動流体を閉循環路に移すことを含んでよい。
【００２９】
この方法は、閉循環路をタンクに連結する配管内で、作動流体を圧縮ポンプの作用によって循環させることを含んでよい。
【００３０】
この方法は、閉循環路をタンクに連結する配管内で、作動流体を該配管によって保持された循環ポンプの作用によって循環させることを含んでよい。
【００３１】
この方法は、閉循環路が作動されたときに、タンク内に含まれる作動流体を重力によって閉循環路内に移すことを含んでよい。
【図面の簡単な説明】
【００３２】
本発明の他の特徴および利点は、非制限的な例を介して与えられる以下の説明を添付の図を参照して読むことによって明らかになろう。
【図１】ランキンサイクルに従って動作する閉循環路を制御する装置を示す図である。
【図２】図１の装置の変形実施形態を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００３３】
図１で、ランキンサイクル閉循環路１０は、液体形態の作動流体用の入口１４と、やはり液体形態であるが高圧で圧縮された作動流体用の出口１６とを有する作動流体用の循環・圧縮ポンプ１２（または圧縮器）を有している。この圧縮器は有利なことに、電気モータ（不図示）によって回転駆動される。
【００３４】
この閉循環路は、液体流体用の入口２０と、作動流体が圧縮された蒸気の形態でこの蒸発器から流出する際に通る出口２２との間において、圧縮された作動流体が通過する、蒸発器と呼ばれる熱交換器１８も有している。内燃機関２８、特に自動車用の機関の排気配管２６内を循環する排気ガスから得られる高熱源２４が、この蒸発器を通過する。
【００３５】
この閉循環路は、エキスパンダと呼ばれ、高圧圧縮蒸気の形態を有する作動流体をその入口３２を通して受け取る膨張機３０も有しており、この作動流体が、低圧膨張蒸気の形態でエキスパンダの出口３４を通って流出する。
【００３６】
有利なことに、このエキスパンダは、ロータが蒸気形態の作動流体によって回転駆動させられ、一方、連結軸（不図示）を駆動する膨張タービンの形態であってよい。この軸は、回復されたエネルギーをたとえば発電機のような任意の変換器に伝達することができることが好ましい。
【００３７】
閉循環路は、冷却熱交換器３６すなわち凝縮器であって、膨張した低圧蒸気用の入口３８と、この凝縮器を通過した後の、液体形態に転換された作動流体用の出口４０とを有する凝縮器も有している。冷熱源、一般には周囲温度の空気を含む低温流体（矢印Ｆ）が、凝縮器を通過して、膨張した蒸気を冷却し、それによって蒸気が凝縮し、液体に転換される。
【００３８】
流体循環配管４２、４４、４６、および４８は、流体が矢印Ｃによって示される方向に循環するようにこの閉循環路の様々な部材を連続的に連結するのを可能にする。正確に言えば、配管４２は、圧縮器出口を蒸発器入口に連結し、配管４４は、この蒸発器の出口を膨張器入口に連結し、配管４６は、膨張器出口を凝縮器の入口３８に連結し、配管４８は、凝縮器出口を圧縮器入口に連結する。
【００３９】
以下の説明では、水が、この閉循環路内を循環する低凝固点（約０℃）の作動流体として述べられている。この水は、添加剤を含まず、特に水の凝固を妨げる添加剤を含まないという特定の特徴を有する。たとえば有機流体のような、低温（約０℃）で凝固することのできる、不凍添加剤を含まない任意の他の（液体／蒸気）相変化流体を作動流体として使用することができる。
【００４０】
この図に示されているように、閉循環路内に含まれる水を貯留する手段を含む作動流体制御装置５０がこの閉循環路に関連付けられている。
【００４１】
これらの手段は、閉循環路を排水させた後で収集された水を貯留する密閉貯蔵タンク５２を有している。このタンクは、周囲温度が水を凝固させるレベルにあるときに、タンクおよび／または循環路を損傷する恐れ無しに水を凝固させることを可能にするか、水を液体状態に維持するのを可能にする。
【００４２】
正確に言えば、タンクは、壁５８のすべてまたは一部を覆い、周囲空気から断熱する周辺コーティング５６を有する断熱タンク５４である。
【００４３】
あるいは、タンクは、壁６２の少なくとも一部が、凝固した水の体積増加による作用によって弾性的に変形可能である膨張タンク６０である。
【００４４】
体積の大きいタンクを使用することもできる。このタンクの構成は、タンクが、閉循環路内に含まれる水の体積より大きく、液面とこのタンクの上部壁との間にガスオーバヘッド６４を残す内容積を有するような構成である。このガスオーバヘッドは、少なくとも凝固後の水の体積増大に等しい容積を有している。
【００４５】
前述のすべてのタンク構成において、タンクは、タンク内に含まれる液体を加熱するシステム６６を有している。このシステムは、一例として、このタンク内に配置され導電体７０によって給電される電気抵抗ヒータ６８を有している。
【００４６】
もちろん、当業者に公知の任意の制御手段が、この加熱システムに連結され、たとえば温度検出器による周囲温度測定を用いて加熱システムの制御および／または作動を行っている。
【００４７】
このタンクは、このタンクの上部から始まり配管４２との連結点７４で終わる排出配管７２によって循環配管４２に連結されている。この排出配管は、完全開位置および完全閉位置を実現し、それによってこの配管内の水循環を制御するのを可能にする二位置弁７６を備えている。供給配管７８もタンク底部を配管４２との合流点８０に連結している。この供給配管も、完全開位置および完全閉位置を実現する二位置弁８２を有し、好ましくは電動であり、この配管内の水循環を制御するのを可能にする循環ポンプ８４を有している。排出配管および供給配管は、これらの配管内に含まれる水の凝固を制限するように断熱できることが好ましい。
【００４８】
最後に、配管４２は、該２つの合流および連結点の下流側で蒸発器１８の入口２０の上流側に配置された制御弁８６を備えている。
【００４９】
もちろん、弁７６、８２、および８６は、処理ユニット、より具体的には内燃機関の計算機の制御下で電気モータのような任意の公知の手段によって制御される。
【００５０】
同様に、この処理ユニットは、圧縮器１２およびポンプ８４を駆動するモータを制御する。
【００５１】
動作時には、水は、図１を検討すると分かるように、閉循環路内を時計回りにのみ循環する（矢印Ｃ）。したがって、排出弁７６と供給弁８２は、配管７２および７８に対して閉位置にあり、一方、弁８６は配管４２に対して開位置にある。ポンプ８４は、停止しており、圧縮器１２はその電気モータによって回転駆動される。
【００５２】
この構成では、水は、圧力が１０バール程度で温度が５０℃に近い液体形態で圧縮器１２から出る。この圧縮された水は、制御弁８６が開いているため、蒸発器１８で終わる配管４２内を循環し、弁７６および８２によって閉じられた配管７２および７８内を循環することはできない。この圧縮された水は、蒸発器を通って流れ、この蒸発器を通過し、機関２８の排気ガスから得られる熱の作用下で蒸気に転換される。蒸発器から流れる水蒸気は、配管４４によって送られ、膨張器３０を通って流れ、一方、水蒸気に含まれるエネルギーを膨張器３０に伝達する。この膨張器から出た膨張した水蒸気は、配管４６内を循環し、凝縮器３６を通って流れ、そこで液体の水に転換される。この液体の水は次に、配管４８を通して圧縮器１２に送られ、圧縮される。
【００５３】
ランキンサイクル回路が停止していると、処理ユニットは、配管４２内に含まれる圧縮された水の、蒸発器１８の入口の方へのあらゆる循環を妨げるように制御弁８６を制御する一方、配管７８の供給弁８２の閉状態を維持し、かつポンプ８４を停止状態に維持する。
【００５４】
このユニットはまた、排出弁７６が排出配管７２に対して開位置に位置して、連結点７４およびこの排出配管７２を通じた配管４２とタンク５２との連通を確立するように排出弁７６を制御する。
【００５５】
圧縮器１２の駆動が維持され、圧縮器１２から出た水は、図１に矢印Ｖによって示されているように、連結点７４を通して排出配管７２内に送られ、タンク５２、ここではタンクの頂部に送られる。
【００５６】
もちろん、当業者は、水を循環路から完全に排出してタンク内に貯留するか、あるいは少なくとも、最少量の水のみが循環路に残り、水が凝固した場合に循環路の各部材が損傷しないように圧縮器の駆動を停止する時間を算出することができる。
【００５７】
同様に、当業者は、連結点７４、分岐連結点８０および制御弁８６を圧縮器１２の出口１６のできるだけ近くに位置させ、かつ配管７２および７８の範囲を制限することができる。
【００５８】
タンク内に貯留され、最初は圧縮器出口温度（５０℃程度）である水は、断熱タンク５４の断熱部５６によって凝固しないように保護されるか、あるいは変形可能なタンク６０の壁を変化させるか、または大容積タンクのガスオーバヘッド６４の容積をこのタンクの完全性を損なわずに占有することによって凝固することができる。
【００５９】
もちろん、加熱システムの制御手段がこの水を凝固させる可能性の高い周囲空気温度を検出したときに加熱システム６６を始動することが考えられる。水がタンク内で凝固する場合、この水を解かして閉循環路１０を作動させるように加熱システム６６が計算機によって作動させられる。
【００６０】
ランキンサイクル閉循環路を再び作動させると、制御弁８６が循環配管４２に対して開位置になり、弁７６が排出配管７２に対して閉位置になり、弁８２が供給配管７８に対して開位置になる。
【００６１】
圧縮器１２とポンプ８４が作動し、その結果、タンク内に含まれる水が合流点８０を通して配管４２に送り込まれる。この水は、ポンプの作用下でタンクから排出され、図１に矢印Ｒで示されているように供給配管７８内を循環し、次に配管４２内を循環する。配管４２に送り込まれたこの水は次いで、圧縮器１２の作用下で閉循環路１０内を循環し、上述のように様々な相変化を受ける。
【００６２】
当業者は、すべての水を再びタンクから閉循環路１０に送り込んだ後ポンプ８４をいつ停止すべきかが求められるようにポンプ８４の動作時間をパラメータ化することができる。あるいは、浮きなどの検出手段をタンク内に配置することができ、該検出手段は、浮きがタンク内に水が存在しないことを検出したときにポンプ８４の遮断を制御することができる。
【００６３】
図１の範囲内で、排出配管７２およびその弁７６を取り除き、配管７８とその弁８２およびそのポンプ８４のみを排出・供給配管として使用し、ポンプ８４の特定の特徴が二方向ポンプであることが考えられる。
【００６４】
この場合、閉循環路を停止すると、弁８６が配管４２に対して閉位置になり、弁８２が配管４２に対して開位置になる。圧縮器１２とポンプ８４は同じ回転方向に作動し、矢印Ｖ’で示されているように水を閉循環路から配管７８に送り、次にタンク５２の底部に送る。
【００６５】
この閉循環路を再び作動させると、弁８２は配管７８に対して開位置のままであり、弁８６は循環配管４２の完全開位置に切り替わる。
【００６６】
圧縮器は、排水時と同じ方向に作動し、ポンプは、排水時と逆方向に制御され、タンクに含まれている水を汲み出し、上述のように矢印Ｒで示されているように配管７８内を循環させる。
【００６７】
図２の変形実施形態は、タンク５２の特定の位置と、供給配管７８上の循環ポンプが取り除かれていることによって図１の例と異なる。
【００６８】
図２を見ると分かるように、タンクは、ここではこのタンクの底部に配置された、供給配管７８とタンクとの連結点８８が、この配管と循環配管４２との合流点８０の上方に配置されるように閉循環路１０に対して位置している。
【００６９】
この変形実施形態では、閉循環路の動作は図１の場合と同じであり、弁７６および８２が閉じられ、弁８６が開かれ、水は圧縮器１２の作用下で矢印Ｃで示されるように循環する。
【００７０】
水を閉循環路からタンク５２内に排水して閉循環路を停止する段階も図１と同じであり、弁８２および８６が閉じられ、弁７６が開かれ、圧縮器１２が作動し、矢印Ｖで示されているように水を循環させる。
【００７１】
循環路充填段階では、弁７６が配管７２に対して閉位置になり、弁８２、８６が配管７８および４２に対して開位置になり、圧縮器１２が作動する。
【００７２】
重力のために、タンク内に含まれている水は、連結点８８を通って流れ、矢印Ｒで示されているように供給配管７８、次に循環配管４２内を循環する。
【００７３】
もちろん、本発明の範囲から逸脱せずに、周囲温度が、特に閉循環路内に含まれる水の氷結温度より低いときに水を凝固させる可能性が高い場合にのみ、閉循環路を停止させた後に排水させることが可能である。
【００７４】
この目的のために専用の温度検出器または加熱システムに関連付けられた検出器を使用することができる。
【符号の説明】
【００７５】
１０  閉循環路
１２  圧縮ポンプ
１８  熱交換器
３０  膨張機
３６  冷却熱交換器
４２、４４、４６、４８  配管
５０  作動流体制御装置
５２  密閉貯蔵タンク
５４  断熱タンク
６０  膨張タンク
６８  電気抵抗ヒータ
７０  電導体
７２  排出配管
７６  二位置弁
７８  供給配管
８４  循環ポンプ
８６  弁
【図１】
2011163346.tif 000003
【図２】
2011163346.tif 000004