(57)【要約】【課題】ランキンサイクルシステムに含まれるエンジンの停止時におけるウォータジャケット内の冷媒を適切な量に保つことを課題とする。【解決手段】ランキンサイクルシステム１００は、ウォータジャケット１ａ１、１ｂ１内を流通する冷媒が沸騰することによって冷却されるエンジン１を含む。ランキンサイクルシステム１００は、ウォータジャケット１ａ１、１ｂ１から供給された冷媒を蒸気と液化冷媒とに分離する気液分離器４、過熱器８、膨張器１０、コンデンサ１２を備える。コンデンサ１２において生成された液化冷媒は、凝縮水タンク１４に貯留される。凝縮水タンク１４とウォータジャケット１ａ１、１ｂ１は、第１液化冷媒通路１６によって接続されている。また、凝縮水タンク１４とウォータジャケット１ａ１、１ｂ１は、エンジン１の停止時から再始動時までの所定期間、開弁する制御弁１９ａを備えた第２液化冷媒通路１９によって接続されている。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
内部にウォータジャケットが形成され、前記ウォータジャケット内を流通する冷媒が沸騰することによって冷却されるエンジンと、
前記ウォータジャケットと連通し、前記ウォータジャケットから供給された冷媒を気化冷媒である蒸気と液化冷媒とに分離する気液分離器と、
前記気液分離器において分離された蒸気が供給される過熱器と、
前記過熱器から供給された蒸気によって駆動されてエネルギ回収を行う膨張器と、
前記膨張器を通過した蒸気を凝縮して液化冷媒を生成するコンデンサと、
前記コンデンサにおいて生成された液化冷媒を貯留する凝縮水タンクと、
ウォータポンプを備え、前記凝縮水タンク内の液化冷媒を前記ウォータジャケット又は前記気液分離器に供給する第１液化冷媒通路と、
制御弁を備え、前記凝縮水タンクと前記ウォータジャケット又は前記気液分離器とを接続する第２液化冷媒通路と、
前記エンジンの停止時から再始動時までの所定期間、前記制御弁を開弁させる制御部と、
を、備えたことを特徴とした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】
従来、内燃機関の稼動に伴う廃熱を回収するランキンサイクルが知られている。このようなランキンサイクルには、例えば、エンジンの水冷冷却系統を密閉構造として沸騰冷却を行うようにし、エンジンにおける廃熱によって気化した冷媒、すなわち蒸気によって蒸気タービンのような膨張器を駆動して、その蒸気の持つ熱エネルギを電気エネルギ等に変換して回収するものがある。このようなランキンサイクルシステムを改良するものとして、例えば特許文献１がある。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２００９−１０３０６０号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
ところで、上記のようなランキンサイクルシステムは、膨張器を駆動する蒸気を取り出すために、エンジン内で発生した気化冷媒である蒸気を液化冷媒と分離する気液分離器を備えることがある。ランキンサイクルシステムに含まれるエンジンは、停止後であっても即座に温度が低下しない。このため、エンジン内で冷媒の沸騰が継続されるおそれがある。エンジン内での冷媒の沸騰が継続されると、エンジン内に設けられたウォータジャケット内の冷媒が気液分離器内に押し出されることが考えられる。また、ウォータジャケット内の液状冷媒が過多の状態でエンジンが停止した場合も、次回エンジン始動時にエンジン内での冷媒の沸騰が開始されると、ウォータジャケット内の冷媒が気液分離器内に押し出されることが考えられる。
【０００５】
大量の液化冷媒が気液分離器内に流入すると、気液分離器の機能が低下することが懸念される。気液分離器の機能が低下すると、液化冷媒が気液分離器の下流側に配置されることになる過熱器や膨張器へ流入することになり、これらの機器を破損させるおそれがある。
【０００６】
そこで、本明細書開示のランキンサイクルシステムは、エンジン停止時におけるウォータジャケット内の冷媒を適切な量に保つことを課題とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
かかる課題を解決するために、本明細書開示のランキンサイクルシステムは、内部にウォータジャケットが形成され、前記ウォータジャケット内を流通する冷媒が沸騰することによって冷却されるエンジンと、前記ウォータジャケットと連通し、前記ウォータジャケットから供給された冷媒を気化冷媒である蒸気と液化冷媒とに分離する気液分離器と、前記気液分離器において分離された蒸気が供給される過熱器と、前記過熱器から供給された蒸気によって駆動されてエネルギ回収を行う膨張器と、前記膨張器を通過した蒸気を凝縮して液化冷媒を生成するコンデンサと、前記コンデンサにおいて生成された液化冷媒を貯留する凝縮水タンクと、ウォータポンプを備え、前記凝縮水タンク内の液化冷媒を前記ウォータジャケット又は前記気液分離器に供給する第１液化冷媒通路と、制御弁を備え、前記凝縮水タンクと前記ウォータジャケット又は前記気液分離器とを接続する第２液化冷媒通路と、前記エンジンの停止時から再始動時までの所定期間、前記制御弁を開弁させる制御部と、を備えたことを特徴としている。
【０００８】
エンジンが停止時となるエンジン停止時からエンジンが再始動するまでの間の所定の期間、制御弁を開弁させることにより、ウォータジャケット又は気液分離器内から過多となった液化冷媒を排出することができる。これにより、エンジン停止時におけるウォータジャケット内の冷媒を適切な量に保つことができる。そして、エンジン停止直後やエンジン再始動時に過度に液化冷媒が気液分離器内へ流入することが抑制される。この結果、気液分離器の機能を維持することができる。その結果、気液分離器の下流側に配置されることになる過熱器や膨張器に液化冷媒が流入することを回避し、これらの機器の破損を抑制することができる。
【発明の効果】
【０００９】
本明細書開示のランキンサイクルシステムによれば、エンジン停止時におけるウォータジャケット内の冷媒を適切な量に保つことができる。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
【図１】図１は、実施例のランキンサイクルシステムの概略構成図である。
【図２】図２は、実施例における制御の一例を示すフロー図である。
【発明を実施するための形態】
【００１１】
以下、本発明を実施するための形態を図面と共に詳細に説明する。
【実施例】
【００１２】
ランキンサイクルシステム１００の概略構成について図１を参照しつつ説明する。図１は、ランキンサイクルシステム１００の概略構成図である。ランキンサイクルシステム１００は、内部で冷媒が沸騰することにより冷却されるエンジン１を備えている。エンジン１は、シリンダブロック１ａとシリンダヘッド１ｂを備える。シリンダブロック１ａ及びシリンダヘッド１ｂ内部にはウォータジャケット１ａ１、１ｂ１が形成されており、このウォータジャケット内を流通する冷媒が沸騰することによってエンジン１の冷却が行われる。このときエンジン１は、蒸気を発生させる。エンジン１は、さらに、排気管２を備える。エンジン１のシリンダヘッド１ｂには、ウォータジャケット１ａ１、１ｂ１と連通する蒸気通路３の一端が接続されている。
【００１３】
蒸気通路３には、気液分離器４が配設されている。気液分離器４は、ウォータジャケット１ａ１、１ｂ１から供給された冷媒を気化冷媒である蒸気と液化冷媒とに分離する。すなわち、エンジン１側から気液混合状態で気液分離器４に流入した冷媒は、気液分離器４内で気相（蒸気）と液相（液化冷媒）とに分離される。気液分離器４の下端部には、冷媒循環路５の一端が接続されている。この冷媒循環路５の他端はシリンダブロック１ａ内のウォータジャケット１ａ１に接続されている。また、冷媒循環路５には、エンジン１内に液化冷媒を圧送する第１ウォーターポンプ６が配設されている。この第１ウォーターポンプ６は、いわゆるメカ式であり、エンジン１が備えるクランクシャフトを駆動源としている。この第１ウォーターポンプ６により、液化冷媒が、エンジン１と気液分離器４との間を循環する。なお、本明細書において、このように、エンジン１と気液分離器４との間を循環する回路は、以後、冷媒循環回路Ａと称される。冷媒循環回路Ａは、図１において点線で囲って示されている。
【００１４】
蒸気通路３には、過熱器８が設けられている。過熱器８には、主として気液分離器４において分離された蒸気が供給される。過熱器８は、下側に蒸発部８ａを備え、その上側に過熱部８ｂを備えている。過熱器８には、排気管２が引き込まれている。排気管２の内部には、エンジン１で発生した排気ガスが流通する。排気管２は、排気ガスが過熱部８ｂ、蒸発部８ａの順に通過するように過熱器８を貫通している。蒸発部８ａには、液化冷媒通路７の一端が接続されている。排気ガスは、気液分離器４を通過した蒸気と熱交換をする。液化冷媒通路７の他端は、気液分離器４の下端部に接続されている。液化冷媒通路７には後述するＥＣＵ（Electronic control unit）２１と電気的に接続された開閉弁７ａが設けられている。この開閉弁７ａの開閉状態によって、気液分離器４から蒸発部８ａへの液化冷媒の供給状態が決定される。蒸発部８ａに供給された液化冷媒は、過熱部８ｂで蒸気を過熱した後の排気ガスの熱によって、蒸気化することができる。これにより、蒸気発生量が増大すると共に、蒸気の過熱度が向上し、廃熱回収効率が向上する。過熱部８ｂの上端部には、蒸気排出管３ａが設けられている。蒸気排出管３ａの先端部には、ノズル９が設けられている。なお、ＥＣＵ２１は、制御部の一例である。
【００１５】
過熱器８の下流側には、膨張器１０が配設されている。膨張器１０は、過熱器８から供給された気化冷媒、すなわち蒸気によって駆動されてエネルギ回収を行う。膨張器１０は、ケース１０ａと、このケース１０ａに設けられたタービン翼１０ｂとを備えた蒸気タービンである。ノズル９は、蒸気通路３を通じて供給された蒸気がタービン翼１０ｂに向かって噴射されるようにケース１０ａに取り付けられている。これにより、タービン翼１０ｂは、蒸気通路３を通じて供給された蒸気により回転駆動される。タービン翼１０ｂの回転力は、エンジン１が備えるクランクシャフトの回転を補助したり、発電機を駆動したりする。これにより、廃熱の回収が行われる。
【００１６】
膨張器１０のケース１０ａには、蒸気を排出する排出口１０ａ１を備えている。排出口１０ａ１には、蒸気排出通路１１の一端が接続されている。蒸気排出通路１１の他端はコンデンサ１２に接続されている。蒸気排出通路１１は、膨張器１０から蒸気を排出し、排出した蒸気をコンデンサ１２に導入する。コンデンサ１２は、膨張器１０を通過した蒸気を凝縮して液化冷媒を生成する。コンデンサ１２は、ファン１３による送風を受けて、効率よく蒸気を冷却、凝縮することができる。コンデンサ１２の下部にはコンデンサ１２において生成された液化冷媒を貯留する凝縮水タンク１４が設置されている。
【００１７】
凝縮水タンク１４の下流側には、凝縮水タンク１４内に一旦貯留された液化冷媒をエンジン１側へ再循環させる第１液化冷媒通路１６が設けられている。第１液化冷媒通路１６は、冷媒循環路５の第１ウォーターポンプ６の上流側に接続されている。また、第１液化冷媒通路１６には第２ウォータポンプ１７が配設されている。この第２ウォータポンプ１７は、電気式のベーンポンプとなっている。第２ウォータポンプ１７が稼動状態となると、凝縮水タンク１４内の液化冷媒が冷媒循環路５へ供給される。これにより、凝縮水タンク１４内の液化冷媒がウォータジャケット１ａ１又は気液分離器４に供給することができる。凝縮水タンク１４内の液化冷媒は、ウォータジャケット１ａ１、１ｂ１、気液分離器４内の冷媒の状態に応じて、ウォータジャケット１ａ１及び気液分離器４のいずれにも流入することができる。第２ウォータポンプ１７の下流には、冷媒の逆流を回避するための一方弁１８が配設されている。以上のように、ランキンサイクルシステム１００は、冷媒が循環する経路を備えている。
【００１８】
第１液化冷媒通路１６は、凝縮水タンク１４と第２ウォータポンプ１７との間において第２液化冷媒通路１９と分岐している。第２液化冷媒通路１９は、冷媒循環路５の第１ウォーターポンプ６の上流側に接続されている。また、第２液化冷媒通路１９には制御弁１９ａが配設されている。ここで、冷媒循環路５は、ウォータジャケット１ａ１と気液分離器４とを接続する配管である。第２液化冷媒通路１９は、このような冷媒循環路５に接続されることによって、凝縮水タンク１４とウォータジャケット１ａ１及び気液分離器４とを接続している。第２液化冷媒通路は、制御弁１９ａが開弁された状態となることにより、冷媒循環路５を通じて、ウォータジャケット１ａ１、１ｂ１内の液化冷媒を凝縮水タンク１４側に回収することができる。気液分離器４、シリンダブロック１ａ、凝縮水タンク１４、第２液化冷媒通路１９の位置関係は、ウォータジャケット１ａ１、１ｂ１内の過多となった液化冷媒を凝縮水タンク１４側に排出できるように適宜調整される。この際、ウォータジャケット１ａ１、１ｂ１内の必要最低液面高さを考慮する。具体的には、第２液化冷媒通路１９の冷媒循環路５への接続位置をウォータジャケット１ａ１、１ｂ１内の必要最低液面高さ以下としておく。必要最低液面高さは、エンジン１の冷却に必要とされる液化冷媒の最低量を保障する液面高さである。これにより、ウォータジャケット１ａ１、１ｂ１内で過多となった液化冷媒を、第２液化冷媒通路１９を通じて凝縮水タンク１４側へ流下させ、回収することができる。ウォータジャケット１ａ１、１ｂ１内の必要最低液面高さが保障されることにより、ウォータジャケット１ａ１、１ｂ１内での液化冷媒の突沸を回避することができる。
【００１９】
なお、第２液化冷媒通路１９は、ウォータジャケット１ａ１、１ｂ１内の液化冷媒を流下させて、凝縮水タンク１４側に回収できるようになっていれば、冷媒循環回路Ａのどの箇所に接続されていてもよい。
【００２０】
ランキンサイクルシステム１００は、制御部の一例としてＥＣＵ２１を備えている。また、ランキンサイクルシステム１００は、気液分離器４内にフロート式の液面センサ１５を備えている。ＥＣＵ２１は、開閉弁７ａ、第２ウォータポンプ１７、制御弁１９ａ、シリンダヘッド１ｂに装着された温度センサ２０と電気的に接続されている。
【００２１】
第２ウォータポンプ１７は、ＥＣＵ２１によって駆動制御される。具体的には、液面センサ１５により、気液分離器４内の冷却媒体の液面が低下したときに、ＥＣＵ２１により駆動指令が出され、凝縮水タンク１４から液化冷却をエンジン１側へ圧送する。これにより、エンジン１内において液相の冷却媒体が不足する事態を回避することができる。
【００２２】
つぎに、エンジン１が停止するときの、ランキンサイクルシステム１００の制御の一例について図２を参照しつつ説明する。ＥＣＵ２１は、エンジン１の停止時から再始動時までの所定期間、前記制御弁を開弁させる。ここで、所定の期間とは、ウォータジャケット１ａ１、１ｂ１内の液化冷媒の量を適切な量まで低減することができる期間である。制御弁１９ａを開弁させるタイミングは、エンジン１の停止時から再始動時までの間であればいつでもよい。例えば、エンジン停止時に、イグニションをオフにしたタイミングや、エンジン再始動時にイグニションをオンにしたタイミングで制御弁１９ａを開弁させることができる。なお、ウォータジャケット１ａ１、１ｂ１内の液化冷媒量の調整は、ウォータジャケット１ａ１、１ｂ１内の液化冷媒の沸騰が開始されるまでに行われていればよい。そこで、遅くとも、イグニションオンのタイミングで制御弁１９ａを開弁させて液化冷媒量を調整しておくことが望ましい。これにより、エンジン再始動時のエンジン１の状態にかかわらず、ウォータジャケット１ａ１、１ｂ１内の液化冷媒が気液分離器４内に押し出されることを抑制することができる。
【００２３】
まず、ステップＳ１において、ＥＣＵ２１は、イグニションのオンを確認する。そして、ステップＳ２において、制御弁１９ａを開弁する。これと同時に３０秒のカウントを開始する。ここで、３０秒の期間は、ウォータジャケット１ａ１、１ｂ１内の液面が安定した状態となる期間として設定されたものである。ウォータジャケット１ａ１、１ｂ１内の液面が適正量で安定していれば、液化冷媒の気液分離器４内への押し出が抑制される。
【００２４】
ステップＳ３でカウントを開始した後、ステップＳ４で、３０秒の期間が経過したか否かを判断する。３０秒の期間が経過し、ステップＳ４でＹＥＳと判断した後は、ステップＳ５へ進む。ステップＳ５では、水温センサ２０から取得した冷媒の温度が８０℃より高くなっているか否かの判断を行う。これにより、エンジン１の暖機が完了したか否かの判断を行う。エンジン１の暖機が完了し、ステップＳ５において、ＹＥＳと判断したときは、ステップＳ６へ進む。
【００２５】
ステップＳ６では、気液分離器４の液面制御を開始する。このステップＳ６以後は、エンジン１の冷却と、効率的な廃熱回収を行うための制御が行われる。具体的には、液面センサ１５から取得した情報に基づいて、第２ウォータポンプ１７の駆動制御を行う。これにより、エンジン１の冷却と、効率的な廃熱回収とを行う。
【００２６】
上記実施例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。
【符号の説明】
【００２７】
１…エンジン
２…排気管
３…蒸気通路
３ａ１…蒸気排出管
４…気液分離器
５…冷媒循環路
６…第１ウォータポンプ（Ｗ／Ｐ）
７…液化冷媒通路
８…過熱器
８ａ…蒸発部
８ｂ…過熱部
９…ノズル
１０…膨張器
１０ａ…タービンケース
１０ｂ…タービン翼
１１…蒸気排出通路
１２…コンデンサ
１３…ファン
１４…凝縮水タンク
１５…液面センサ
１６…第１液化冷媒通路
１７…第２ウォータポンプ（Ｗ／Ｐ）
１８…一方弁
１９…第２液化冷媒通路
１９ａ…制御弁
２０…水温センサ
２１…ＥＣＵ
１００…ランキンサイクルシステム
【図１】
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【図２】
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