(57)【要約】 【課題】  循環系内から外に出た作動媒体を適切な戻し量で自動的に循環系に戻し、簡単な構造でコンパクトな作動媒体供給システムを備えたランキンサイクル装置を提供する。【解決手段】  ランキンサイクル装置１０は、蒸発器１１、膨張機１２、凝縮器１３、密閉タンク４１、給水ポンプユニット１４から成る閉鎖された作動媒体循環回路を有する。ランキンサイクル装置は、さらに、作動媒体循環回路から外に出た作動媒体を捕集する捕集機構と、作動媒体を蓄える開放タンク３２と、開放タンクに蓄えた液相作動媒体を、作動媒体循環回路における膨張機の出口から凝縮器を経由して供給ポンプの吸入口に到るまでの回路部分のいずれかの箇所に戻す液相作動媒体戻し装置を備える。【選択図】    図１        
2005140013.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
加圧された液相作動媒体を加熱して気相作動媒体に変換する蒸発器と、前記気相作動媒体の熱エネルギを機械エネルギに変換する膨張機と、この膨張機の出口から排出された前記気相作動媒体を冷却して液相作動媒体に戻す凝縮器と、この凝縮器が排出した液相作動媒体を蓄える密閉タンクと、この密閉タンクの液相作動媒体を再び加圧して前記蒸発器に供給する供給ポンプとから成る閉鎖された作動媒体循環回路を有するランキンサイクル装置において、
前記作動媒体循環回路から外部に出た作動媒体を捕集する捕集手段と、
前記捕集手段から供給される前記作動媒体を蓄える開放タンクと、
前記開放タンクに蓄えた前記液相作動媒体を、前記作動媒体循環回路における前記膨張機の出口から前記凝縮器を経由して前記供給ポンプの吸入口に到るまでの回路部分のいずれかの箇所に戻す液相作動媒体戻し手段と、
を備えることを特徴とするランキンサイクル装置。
【請求項２】
内部の液相作動媒体の液面位置が一定位置になるように制御される前記凝縮器に付設され、前記液面位置の変動に応じて前記液相作動媒体を前記作動媒体循環回路の外部に排出し前記捕集手段に与える液相作動媒体排出手段を備えることを特徴とする請求項１記載のランキンサイクル装置。
【請求項３】
前記液面位置が前記一定位置より下側にあるとき、前記開放タンクに蓄えた前記液相作動媒体を前記作動媒体循環回路に戻すことにより、前記液面位置を前記一定位置に保つことを特徴とする請求項２記載のランキンサイクル装置。
【請求項４】
前記液面位置が前記一定位置より上側にあるとき、前記凝縮器内の前記液相作動媒体を前記液相作動媒体排出手段で排出して前記捕集手段を経由して前記開放タンクに供給することにより、前記液面位置を前記一定位置に保つことを特徴とする請求項２〜３のいずれか１項に記載のランキンサイクル装置。
【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装置に関し、特に、例えば車載エンジンの排熱エネルギを機械エネルギに変換する車載用装置として用いられ、作動媒体の洩れに適切に対応する作動媒体供給システムを備えたランキンサイクル装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、熱エネルギを機械的な仕事に変換するシステムとしてランンサイクル装置が知られている。ランキンサイクル装置は、循環系を形成する密閉状態の配管システムにおいて、作動媒体としての水を液相状態および気相状態で循環させる構造を有するものである。ランキンサイクル装置は、給水ポンプユニットと蒸発器と膨張機と凝縮器を有し、これらを接続する配管で循環回路を形成する。
【０００３】
ランキンサイクル装置の概略的構成を図１４に示す。図１４では、車載用ランキンサイクル装置を想定し、全体の構成を示すと共に、凝縮器の構造および内部状態が示されている。
【０００４】
図１４において、ランキンサイクル装置は、給水ポンプユニット１１０と蒸発器１１１と膨張機１０７と凝縮器１００を備える。これらの要素は配管１０８，１１５で接続され、循環回路が形成される。給水ポンプユニット１１０に基づき配管１１５を通して毎分所定量で送り出される水（液相）は、蒸発器１１１で熱を与えられ、水蒸気（気相）になる。この水蒸気は次の配管１１５を通して膨張機１０７に送られ、ここで膨張作用を生じる。膨張機１０７での水蒸気の膨張作用で機械装置（図示せず）を駆動することにより機械的な仕事が行われる。その後、膨張した水蒸気は配管１０８を通って凝縮器１００へ送られ、ここで水蒸気の状態から水の状態に戻される。その後、配管１１５を通って給水ポンプユニット１１０に戻され、再び給水ポンプユニット１１０から送出され、上記の作用を繰り返すことになる。上記において蒸発器１１１はエンジンの排気口から延設された排気管から熱を受ける構造となっている。なおランキンサイクル装置の構造例を示す文献として例えば特許文献１を挙げることができる。
【０００５】
次に、上記車載用ランキンサイクル装置での凝縮器１００の構造と作用を詳述する。
【０００６】
車載用ランキンサイクル装置の凝縮器１００は、水蒸気導入室１０１と、集水室１０２と、これらの２つの室を上下方向に接続する多数の冷却パイプ１０３を備えている。図１４では１本の冷却パイプ（凝縮管）１０３のみを誇張して示している。冷却パイプ１０３の内部においてのほぼ上半分は水蒸気（気相部分）１０４であり、ほぼ下半分は水（液相部分）１０５である。水蒸気１０４の部分では、水蒸気導入室１０１から冷却パイプ１０３に導入された作動媒体の大部分が気相状態にある。水１０５の部分では、冷却パイプ１０３を流れる作動媒体の大部分が液相状態（凝縮水）にある。水蒸気１０４と水１０５の境界部（気液界面）が液面位置１１２となる。冷却パイプ１０３の背後（図１４中右側）には１台の冷却ファン１０６が備えられ、駆動される。冷却ファン１０６の周囲はシュラウド１０６ａに囲まれている。通常、電子制御ユニットによって凝縮器１００の出口の水温に基づいて冷却ファン１０６の動作を制御する。冷却パイプ１０３は、その上側端部から下側端部まで、１台の冷却ファン１０６によって同時に送風され、冷却される。
【０００７】
上記凝縮器１００は次のように動作する。ランキンサイクル装置の運転に伴って膨張機１０７から排出された比較的に低温の水蒸気は、低圧水蒸気配管１０８を経て凝縮器１００の水蒸気導入室１０１に導入され、冷却パイプ１０３に流入する。冷却ファン１０６に吸引された冷却風１０９が凝縮器１００に供給される。凝縮器１００の上流側の水蒸気１０４、つまり冷却パイプ１０３内に水蒸気と水が混在している部分には冷却ファン１０６によって強い冷却風が作用し、水蒸気が液化する際に放出する潜熱が冷却風によって有効に回収される。また、凝縮器１００の下流側の水１０５、つまり冷却パイプ１０３内に実質的に水だけが存在している部分にも、冷却ファン１０６による冷却風が作用する。凝縮器１００の冷却パイプ１０３内で凝縮した水は集水室１０２に集められる。その後、前述の通り、給水ポンプユニット１１０で加圧されて蒸発器１１１に供給される。
【０００８】
本来、ランキンサイクル装置は閉鎖系で運転されることを前提としている。すなわち作動媒体が循環する循環系は理想的に閉鎖系であって密閉状態で形成されている。従って、作動媒体は洩れることなく循環系内で循環することが望ましい。しかしながら、現実的には、以下の２つの理由により作動媒体は系外に排出される。
【０００９】
第１の理由は、ランキンサイクル装置として主な仕事をする給水ポンプユニット１１０と蒸発器１１１と膨張機１０７のそれぞれの間において、低温状態のスタート時に、加圧が行われ、等圧力のバランスが崩れ、膨張機１０７等のシール部からの水蒸気の洩れが多少なりとも生じることである。
【００１０】
第２の理由は、膨張機１０７で仕事を終えた作動媒体を凝縮器１００で水蒸気から水への変化させ次の仕事サイクルに備えるため凝縮器１００と水タンクの間を経由させるが、凝縮器１００で液面位置を保持する機能を持たせる場合に循環系内から水を排出させることがある。
【００１１】
実際のランキンサイクル装置において、循環系全体の作動媒体の総量は一定量に保持させることが必要である。そのため、前述の洩れや排出により循環系外に持ち出された作動媒体は、その総量を一定にするため、何らかの手法で循環系内へ戻さなければならない。
【００１２】
前述のように、循環系外へ洩れ出た作動媒体を循環系内へ戻す方法は、大きく２つの方法を考えることができる。１つの方法は、複数のリーク回路のそれぞれからメイン回路へ直結で戻す方法である。他の１つの方法は、複数のリーク回路のそれぞれをいったん開放タンクで受け、その後でメイン回路へ戻す方法である。
【００１３】
前者の場合には、例えば複数のリーク回路のそれぞれにポンプを挿入し、その運転を洩れ量に応じて比較的精密に制御する必要が生じる。そのため、システムが複雑になる。一方、後者の場合には、いったん開放タンクに貯蔵した水を自動的に循環系内へ戻す場合には洩れ量を相殺するように開放タンクから戻さなければならないので、何らかの計量と制御の手法が必要となる。
【００１４】
また手動により別途に戻す方法も考えられる。その場合には非常に簡素なシステムになる。しかしながら、特に走行中の車両等においては、運転時に手動での補給は困難である。また、走行中の補給量としては循環系外へ洩れ出る量と等しい量を確保しなければならず、十分な走行距離（時間）をまかなうためには、運転状態にも依存するが、比較的大きなタンクを必要とし、車載などを前提にすると、小型化を阻害する要因となる。従って実用性に問題がある。
【００１５】
上記に基づき実際のランキンサイクル装置では次の３つの課題が存在する。（１）循環系の外に洩れ出た作動媒体を自動的に循環系内へ戻せること、（２）車載装置であることを前提としたときに十分に小型に構成できること、（３）車載装置であることを前提としたときに複雑な制御を用いずに簡便に最適手段を実現できること、である。
【００１６】
なお特許文献２には、膨張機を潤滑するオイルとそれに混入した水から成る混合物をコアレッサ式水分離手段に供給し、ここで水をオイルから分離し、水が分離されたオイルを膨張機に戻す共に、分離した水を循環回路に戻すというランキンサイクル装置を開示している。しかしながら、特許文献２で開示される装置では、上記の理由２で述べたような凝縮器において液面位置を保持する機能を有するものではないため、循環系内から水を排出させ、その後に当該水を蓄える開放タンクを備えたものではない。そのため、開放タンクを備えたランキンサイクル装置に、特許文献２で開示される技術をそのまま適用することはできない。
【００１７】
なおランキンサイクル装置での洩れた作動媒体を自動的に補充する作動媒体供給システムと類似する従来のシステムとして、例えば、自動車のエンジン冷却システム、カーエアコン装置の冷媒供給システム、および火力発電所の腹水および休止設備等を挙げることができる。
【特許文献１】特開２００２−１１５５０４公報
【特許文献２】特開２００３−９７２２２号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１８】
本発明が解決しようとする課題は次の通りである。作動媒体の循環系が閉鎖系として構成されるランキンサイクル装置では系全体における作動媒体の総量を一定に保持しつつ系内で循環させる。循環系内で作動媒体の洩れが生じたときには、作動媒体の減少によるランキンサイクル装置の運転に支障がないように、系内の作動媒体の総量を一定に保持するべく、洩れた量の作動媒体を系内に自動的に補充する構成が必要である。また凝縮器での作動媒体の液面位置を一定位置に維持するように構成されたランキンサイクル装置では、より適切なタイミングで作動媒体の洩れ量をより精密な量で補充する構成が必要である。またランキンサイクル装置の作動媒体補充供給システムとしては、簡単な構造で、かつコンパクトに構成されることが必要である。
【００１９】
本発明の目的は、上記の課題に鑑み、循環系内から外に出た作動媒体を適切なタイミングでかつ精密かつ正確な戻し量で自動的に循環系に戻すことのできる作動媒体供給システムを備えたランキンサイクル装置を提供することにある。
【００２０】
本発明の他の目的は、凝縮器で作動媒体の液面位置を一定位置に保持するように構成されたものにおいて、当該液面位置を正確に維持できるように、循環系内から排出された作動媒体を適切なタイミングでかつ精密かつ正確な戻し量で自動的に循環系に戻すことのできる作動媒体供給システムを備えたランキンサイクル装置を提供することにある。
【００２１】
本発明の他の目的は、自動車等の走行車両に装備されたランキンサイクル装置であって、循環系内から外に出た作動媒体を自動的に循環系に戻すことができ、かつ簡単な構造でかつコンパクトに構成される作動媒体供給システムを備えたランキンサイクル装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００２２】
本発明に係るランキンサイクル装置は、上記の目的を達成するために、次のように構成される。
【００２３】
第１のランキンサイクル装置（請求項１に対応）は、基本的構成として、前段で加圧された液相作動媒体を加熱して気相作動媒体に変換する蒸発器と、蒸発器から出力される気相作動媒体の熱エネルギを機械エネルギに変換する膨張機と、この膨張機の出口から排出された気相作動媒体を冷却して液相作動媒体に戻す凝縮器と、この凝縮器が排出した液相作動媒体を蓄える密閉タンクと、この密閉タンクの液相作動媒体を再び加圧して蒸発器に供給する供給ポンプとから成る閉鎖された作動媒体循環回路を有する。このランキンサイクル装置は、さらに、作動媒体循環回路から外部に出た（洩れ出たまたは排出された）作動媒体を捕集する捕集機構と、捕集機構から供給される作動媒体を蓄える開放タンクと、開放タンクに蓄えた液相作動媒体を、上記作動媒体循環回路における膨張機の出口から凝縮器を経由して供給ポンプの吸入口に到るまでの回路部分（大気圧同等領域）のいずれかの箇所に戻す液相作動媒体戻し装置と、を備える。
【００２４】
上記のランキンサイクル装置では、閉鎖系として構成された作動媒体の循環回路から作動媒体が例えば洩れ出た場合には、洩れ出た作動媒体を捕集し、開放タンクに蓄える。他方、循環回路内で循環する作動媒体の総量は不変の一定量に保持されることが必要であるので、開放タンクに蓄えられる液相作動媒体（水）は液相作動媒体戻し装置であるリターンポンプにより循環回路における大気圧同等領域のいずれかの箇所に適切なタイミングでかつ適切な量が戻される。
【００２５】
第２のランキンサイクル装置（請求項２に対応）は、上記の構成において、好ましくは、内部の液相作動媒体の液面位置が所定の一定位置になるように制御される凝縮器に付設され、液面位置の変動に応じて液相作動媒体を作動媒体循環回路の外部に排出し捕集機構に与える液相作動媒体排出部を備えることで特徴づけられる。これにより、凝縮器内の凝縮水の液面位置が望ましい一定位置に保持されるように構成されたランキンサイクル装置において、洩れ対応作動媒体供給システムを適切に組み込むことが可能となる。
【００２６】
第３のランキンサイクル装置（請求項３に対応）は、上記の構成において、好ましくは、液面位置が一定位置より下側にあるとき、大気開放タンクに蓄えた液相作動媒体を作動媒体循環回路に戻すことにより、液面位置を上記一定位置に保つことで特徴づけられる。
【００２７】
第４のランキンサイクル装置（請求項４に対応）は、上記の構成において、好ましくは、液面位置が一定位置より上側にあるとき、凝縮器内の液相作動媒体を液相作動媒体排出部で排出して捕集機構を経由して開放タンクに供給することにより、液面位置を一定位置に保つことで特徴づけられる。
【発明の効果】
【００２８】
本発明によれば、ランキンサイクル装置における閉鎖系の作動媒体循環回路において、当該循環回路から漏出または排出された作動媒体の捕集・保存、および不足した作動媒体の循環回路への補充という作動媒体供給システムを自動的な装置構成で実現することができ、簡単かつコンパクトに構成することができる。
【００２９】
ランキンサイクル装置における作動媒体の循環回路の通常の密閉タンクに対して大気開放タンクを別途に設け、循環回路から出た作動媒体を液相状態にして当該大気開放タンクに集めて蓄え、さらに循環回路での不足分の作動媒体を、循環回路における膨張機出口から凝縮器を含む供給ポンプの吸入口までの大気圧同等の領域に戻し、もって閉じた循環回路に作動媒体の補充を行う。これによって、大気開放タンクと閉鎖された循環回路との間の差圧を少なくして、作動媒体を容易にかつスムーズに循環することができる。またこれにより、閉じた循環回路内の作動媒体の流量変動の調節（バッファ効果）や、漏出等した作動媒体の循環回路内への再循環等を容易かつスムーズに行うことができる。
【００３０】
さらに本発明によれば、ランキンサイクル装置の閉回路内の作動媒体の流量変動を調節することができる。すなわちバッファ効果が働き、流量変動を吸収することができる。凝縮器内の液相作動媒体の液面位置を基準にして作動媒体を循環させ、供給ポンプによる供給作動媒体量の確保による閉回路内の作動媒体の適正量化、および凝縮器の気相部と液相部の伝熱面積の変化の低減を図ることができる。
【００３１】
本発明によれば、凝縮器内の液相作動媒体の液面位置が一定位置に保持されるように制御されるランキンサイクル装置において、凝縮器の液面位置が一定位置より上昇した時には排出し、液面位置が一定位置より下降した時には補充して液面位置の変動を低減することにより、凝縮器の気相部と液相部の互いの伝熱面積の変化を低減することができ、その伝熱面積の変化を加味することなく冷却を行え、制御の精度向上を図り、供給ポンプのキャビテーションおよび蒸発器での再加熱の際の余分な熱エネルギの消費を低減することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００３２】
以下に、本発明の好適な実施形態（実施例）を添付図面に基づいて説明する。
【００３３】
最初に、図１を参照して本発明に係るランキンサイクル装置の全体システムの構成を説明する。
【００３４】
ランキンサイクル装置１０は、蒸発器１１と、膨張機１２と、凝縮器１３と、供給ポンプを備えた給水ポンプユニット１４とから構成される。蒸発器１１から膨張機１２へは配管１５により接続され、膨張機１２から凝縮器１３へは配管１６により接続され、凝縮器１３から給水ポンプユニット１４へは、配管１７により接続され、給水ポンプユニット１４から蒸発器１１へは配管１８により接続されている。かかる配管構造等によって、ランキンサイクル装置１０内で作動媒体が液相または気相の状態で循環する閉鎖系の循環回路（循環系）が形成される。ランキンサイクル装置１０において作動媒体は水または水蒸気である。
【００３５】
ランキンサイクル装置１０の循環回路は、水または水蒸気を循環させる外界に対して密閉された循環構造を有している。ランキンサイクル装置１０の循環回路において、凝縮器１３における破線Ｐ１で示された液面位置から給水ポンプユニット１４を通って蒸発器１１に水（液相）が移動する。図１で水の部分に係る配管１７，１８は太い実線で表現されている。また蒸発器１１から膨張機１２を通って凝縮器１３の液面位置Ｐ１に到る部分は水蒸気（気相）が移動する。図１で水蒸気の部分に係る配管１５，１６は太い破線で表現されている。
【００３６】
ランキンサイクル装置１０は、熱源から排出される熱を利用して水を水蒸気に相変化させ、水蒸気の膨張作用を利用して機械的な仕事を生じさせるものである。水を水蒸気に相変化させる機構が上記蒸発器１１である。この実施形態に係るランキンサイクル装置１０は、後述するごとく、自動車に搭載する車載用装置として構成している。そのため、蒸発器１１は、排気ガスの有する熱を熱源として利用する。すなわち蒸発器１１は、エンジン（内燃機関）の排気管４５を通る排気ガスの熱を利用して、給水ポンプユニット１４から供給される水を加熱し、さらに過熱することにより昇温昇圧させた高温高圧の水蒸気を発生させる。蒸発器１１で発生した高温高圧の水蒸気は膨張機１２に供給される。なお、排気管４５に拘わらず、エンジンの排気バルブより下流の排気ポートや排気マニホルド（不図示）等の、より高温の排気ガスの熱を利用できることは言うまでもない。
【００３７】
膨張機１２では、その出力軸１２ａが、モータ／ジェネレータ（Ｍ／Ｇ）１９のロータ等（不図示）に接続され、発電機として駆動させている。膨張機１２は、蒸発器１１から供給される高温高圧の水蒸気を膨張させる構造を有し、この水蒸気の膨張作用に基づき出力軸１２ａを回転させる。膨張機１２の出力軸１２ａが回転すると、モータ／ジェネレータ１９のロータを回転させ、所要の機械的回転動作または発電動作を行わせる。これにより、排気ガスの熱を利用して機械的な仕事を行うことができる。また膨張機１２の出力軸１２ａは、油圧ポンプ２５にも接続され、これを駆動させる。
【００３８】
上記のごとく膨張機１２は、蒸発器１１から配管１５を通して供給される高温高圧の水蒸気の膨張作用によって機械的な仕事を出力し、モータ／ジェネレータ１９や油圧ポンプ２５等の各負荷を動作駆動させる。膨張機１２から排出され、降温降圧された水蒸気は、温度および圧力が低下し、その状態で配管１６を経由して凝縮器１３に供給される。凝縮器１３は、膨張機１２からの水蒸気を冷却して液化する。凝縮器１３での液化で生じた水（凝縮水）は配管１７を経由して給水ポンプユニット１４に戻される。給水ポンプユニット１４の高圧給水ポンプ４４は、凝縮器１３で液化された凝縮水を加圧し、配管１８を通して再び蒸発器１１に供給する。
【００３９】
上記のような全体システム構成を有するランキンサイクル装置１０は、他の関連構成要素として、次のような要素を備えている。
【００４０】
蒸発器１１の近傍の配管１８の部分には配管１８内の圧力変動に応じて配管１８内の圧力調整を行うためのリリーフ弁２２が取り付けられる。膨張機１２のケーシング２１には、漏れた水蒸気を配管１６に戻すためのブリーザ（セパレータ）２３が設けられる。また膨張機１２の下部にはオイル溜め２４を備え、オイル溜め２４からの水が混入したオイルを油圧ポンプ２５によって、配管２６を通して油コアレッサ２７を通すようにしている。油コアレッサ２７によって水とオイルは分離され、水は比重差から油タンク２８の下部に収容される。油タンク２８にはフロートセンサ２９で動作する弁機構３０が取り付けられている。また油コアレッサ２７によって分離された油タンク２８の上部に溜められたオイルは配管３１を通って出力軸１２ａに形成された油路（不図示）を経由して膨張機１２の各部へ給油される。油タンク２８の下部に溜められた水は、弁機構３０の動作で給水ポンプユニット１４の開放タンク３２に配管３３を通して供給される。開放タンク３２は大気に開放されたタンクであって、循環回路から洩れた（または漏出した）あるいは排出された作動媒体を液相状態で蓄えるタンクである。給水ポンプユニット１４の開放タンク３２からは逆止弁３４を介して凝縮器１３への配管３５が設けられている。また、開放タンク３２の水を配管３５ａを設けて配管１６に供給するようにしてもよい。凝縮器１３には、液面位置の近傍に、液面センサ３８とエアベント３９が設けられる。開放タンク３２から凝縮器１３への給水は、液面センサ３８からの信号でオン・オフ動作するモータ３６で駆動されるリターンポンプ３７によって行われる。さらに凝縮器１３にはエアベント３９を通して開放タンク３２に排水する配管４０が設けられている。凝縮器１３から排出される凝縮水を戻す配管１７は、給水ポンプユニット１４の密閉タンク４１内の水コアレッサ４２に接続されている。また密閉タンク４１内の水は、モータ４３によって動作する高圧給水ポンプ４４によって配管１８を通して蒸発器１１に供給される。さらに凝縮器１３にはその場所に応じて独立に冷却風を生じさせるための複数の冷却ファン４６，４７，４８が設けられている。
【００４１】
上記の構成において、凝縮器１３の内部の液面位置から下側部分に関連する装置部分、および給水ポンプユニット１４によって作動媒体供給装置が構成される。ランキンサイクル装置１０における密閉された作動媒体の循環系において、膨張機１２のブリーザ２３から漏れた作動媒体は出口Ｐ２を介して、配管１６に戻され、循環系内に戻される。
【００４２】
図２は、上記の給水ポンプユニット１４の具体的構造を示す構成図である。給水ポンプユニット１４は、水コアレッサ４２と密閉タンク４１と駆動モータ４３で動作する高圧給水ポンプ４４と開放タンク３２とリターンポンプ３７と逆止弁３４とから構成される。なお図２中、駆動モータ４３の回転軸４９が紙面に平行に図示してあるが、これは説明の便宜のためであって、実際は、回転軸４９が紙面に垂直になるように配置されている。駆動モータ４３の回転軸４９にはカム機構４９ａが係合しており、カム軸となっている。
【００４３】
上記において、水コアレッサ４２は油分分離を行う。密閉タンク４１は高圧給水ポンプ４４からのリーク水を直接回収する。高圧給水ポンプ４４は、要求水量をポンプ回転数により制御して供給する。また開放タンク３２は、循環回路の外部へ洩れたリーク水の一時貯蔵をするためのものである。リターンポンプ３７は密閉タンク４１へのリーク水の戻しまたは凝縮器１３の過冷却器への水の戻しを行う。すなわち、リターンポンプ３７は、逆止弁１５１を備えた配管１５２を通して開放タンク３２から密閉タンク４１へリーク水を戻し、必要に応じて逆止弁３４を備えた配管３５を通して凝縮器１３の過冷却器に水を送る。配管１５２における逆止弁１５１は密閉タンク４１からの逆流を防止し、配管３５における逆止弁３４は、凝縮機１３の過冷却器からの逆流を防止する。凝縮器１３の出口１３ａからの水は、配管１７を通して駆動モータ４３により駆動される高圧給水ポンプ４４に入る。高圧給水ポンプ４４は配管１８を通して水を蒸発器１１に送る。またリーク水が配管４０により開放タンク３２に戻される。
【００４４】
次に、上記ランキンサイクル装置１０における洩れ対応作動媒体供給の構成について詳しく説明する。
【００４５】
ランキンサイクル装置１０では、作動媒体を循環させる循環回路では、上記のごとくいくつかの箇所で洩れ出たまたは排出された液相作動媒体を捕集機構（油コアレッサ２７、油タンク２８、弁機構３０、配管３３、配管４０等）で捕集し、その後いったん開放タンク３２に集め、ここに蓄える。開放タンク３２に蓄えられた水（液相作動媒体）は、好ましくは、膨張機１２の水蒸気流出口５３から凝縮器１３を経由した高圧給水ポンプ４４の入口に到るまでの間の回路部分（大気圧同等領域）のいずれかの箇所に自動的に戻される。開放タンク３２に蓄えられた水の循環回路への戻しは、例えば、前述したごとく、上記のリターンポンプ３７および配管３５によって凝縮器１３の過冷却器へ戻して行われる。さらに開放タンク３２に蓄えられた水の循環回路への戻しは、リターンポンプ３７を利用し、配管３５を延設して成る配管３５ａを通して配管１６に対して戻して行うようにしてもよい。こうしてランキンサイクル装置１０の循環回路から洩れ出た作動媒体に関しては、自動的に適宜なタイミングで循環回路の大気圧同等領域の回路部分に戻され、循環回路内の作動媒体の総量は一定に保持される。
【００４６】
上記のランキンサイクル装置１０では、液相または気相の作動媒体が循環する循環回路に対して、作動媒体の流量変動を吸収する機能と、循環回路の外部へ排出したり洩れ出た作動媒体を自動的に循環回路内へ戻す機能とを兼ね備えている。特に、本実施形態では、凝縮器１３は、凝縮器１３内に存在する気相作動媒体と液相作動媒体の界面を成す液面位置に基づいて液相作動媒体をランキンサイクル装置１０の閉回路外に排出して大気開放タンク３２に蓄える液相作動媒体排出装置すなわちエアベント３９と、開放タンク３２に蓄えた液相作動媒体を、ランキンサイクル装置１０の閉回路内に循環させる液相作動媒体供給装置すなわちリターンポンプ３７を備えている。
【００４７】
そして、上記液面位置が所定の一定位置より下側にあるとき、開放タンク３２に蓄えた水をランキンサイクル装置１０の閉回路内に戻し、上記液面位置が所定の一定位置より上側にあるとき、開放タンク３２に対して凝縮器１３内の水（凝縮水）を排出し、これにより液面位置を所定の一定位置に保持する。
【００４８】
さらに本実施形態による構成では、循環系内の作動媒体の蒸発器１１への供給量の変動が大きく、高圧給水ポンプ４４は秒単位の変動に追従する。従って凝縮器１３の流入／流出流量に差異が生じ、循環系内の作動媒体の保持量が著しく変動するので、凝縮性能を安定化するためには、作動媒体を循環系内から積極的に排出したりまたは循環系内へ積極的に戻す必要がある。この場合に、この作動媒体の戻りの位置は、前述のように、「膨張機出口」−「凝縮器」−「高圧給水ポンプの入口（密閉タンク）」の間のいずれかの箇所に設定されることを特徴とするが、本実施形態においてはこれらの箇所はいずれも大気圧よりやや高圧であるため、洩れ出た作動媒体とともにいったん大気開放タンク３２に集合貯蔵したのち、能動的に行うことが必要となる。
【００４９】
本実施形態の具体的な構成例を説明する。第１の構成例は、前述の通り、開放タンク３２に集合貯蔵した液相作動媒体（水）を１個のリターンポンプ３７と液面レベルセンサ３８を用いて凝縮器１３の液面位置が一定位置になるように補給することにより、能動的かつ自動的に液相作動媒体を系内へ戻すものである。この場合、例えば、凝縮器１３内の圧力が常に弱正圧に制御されているとき、液相作動媒体を開放タンク３２から前述の「膨張機出口」−「凝縮器」−「高圧給水ポンプの入口（密閉タンク）」の間のいずれかの箇所に自動的に戻すためには少なくとも１個のリターンポンプが必要となる。本実施形態では、循環系内に侵入した空気を凝縮器内圧力を弱正圧としてエアベント３９を用いて循環系外へ排出する構成に適用したもので、エアベント３９から開放タンク３２へ排出された液相作動媒体をリターンポンプ３７を用いて、これとは異なる配管３５や配管３５ａを経て循環系内へ戻している。
【００５０】
上記構成によれば、或る定常状態で循環回路で作動媒体を循環させながら運転されていたランキンサイクル装置１０において、熱負荷が急に減少し高圧給水ポンプ４４の吐出量が減り、凝縮器１３への流入量より流出量が小さくなると、凝縮器１３内の凝縮水の液面位置は徐々に上昇する。しかし、凝縮器１３内の液面位置がエアベント３９に基づく設定位置以上になると凝縮水はエアベント３９を通って水の状態で循環系の外へ出るので、この排出水を大気圧の開放タンク３２へ案内し、いったん貯蔵し、これにより流量変動を吸収することができる。逆に熱負荷が急に増大し、凝縮器１３への流入量より流出量が大きくなると、上記液面位置は徐々に下降する。しかし、液面センサ３８の検出信号で作動するモータ３６およびリターンポンプ３７により、これを相殺するように開放タンク３２から凝縮器１３内の過冷却部等へ水を戻す。これにより循環回路内の流量変動を吸収することができる。リターンポンプ３７の起動・停止の信号は液面レベルセンサ３８により与えられる。また膨張機１２からの洩れは、上記捕集機構を経由して開放タンク３２に回収した後、リターンポンプ３７を介して再び循環系内へ戻される。
【００５１】
第２の構成例は、作動媒体を循環系内に戻すときのみ、凝縮器１３の内圧を弱負圧にすることである。これにより、循環系外の開放タンク３２に貯蔵した水を、「膨張機出口」−「凝縮器」−「高圧給水ポンプ（密閉タンク）」の間のいずれかの箇所に受動的に戻すことが可能となる。この構成例によれば、リターンポンプ３７を省くことができる。
【００５２】
図２に示した具体的な洩れ対応作動媒体供給の構成、すなわち給水ポンプユニット１４では、リターンポンプ３７の戻り先は配管３５，３５ａを介して過冷却器下部のヘッダタンクや配管１６とする場合と、配管１５２を介して密閉タンク４１へ直接に戻す例を示している。給水ポンプユニット１４は、実際的な設計の観点から、次のような特徴点を持ち、または持たせることができる。
【００５３】
（１）小型化のために密閉タンク４１の周りに開放タンク３２を配置する。
（２）開放タンク３２の液面位置は、凝縮器１３の液面に対し楊程差を小さくなるように配置される。
（３）リターンポンプ３７を小型化するためには、配管長さを最小にすることと、凝縮器１３内の液面と開放タンク３２内の液面との楊程差を最小にすることが望ましいので、上部を密閉タンク４１、下部を開放タンク３２とする配置も考えられる。
（４）密閉タンク４１内には混入した油分を比重差分離する水コアレッサ４２を内蔵する。
（５）密閉タンク４１内には高圧給水ポンプ４４も内蔵させ自吸性を最大限に発揮させるとともに、発生音を減衰させる。
（６）リターンポンプ３７には、高圧給水ポンプ４４のトラブルなどにより給水量が減少したとき、蒸発器１１が異常に高温となるような緊急の場合、回路切替弁により高圧給水ポンプ４４に代えてリターンポンプ３７によりその吐出側をメイン回路側に切替え、蒸発器１１を耐熱許容範囲内に抑制することにより保護すること、およびランキンサイクル装置の作動も一時継続させ、急停止等の発生を防ぎ、徐々に停止させるなどによりシステム全体を保全する等の機能を持たせている。
【００５４】
次に、図３と図４を参照して、上記のランキンサイクル装置１０を車両に搭載したときの構成例を説明する。
【００５５】
図３に示される構成例では、２０１は車両前部のボディ形状の輪郭を示し、２０２は前輪を示している。ボディ２０１の内部はエンジンルーム２０３になっており、エンジンルーム２０３内にはエンジン５０が搭載されている。エンジン５０の背面側には排気マニホルド５１が設けられ、排気マニホルド５１には前述した排気管４５が接続されている。上記の蒸発器１１は、排気管４５における排気マニホルド５１に近い箇所に設けられる。蒸発器１１には、高圧給水ポンプ４４からの配管１８が接続されている。配管１８は、排気マニホルド５１から排出される排気ガスの熱を熱源とする蒸発器１１に水を供給する。蒸発器１１は、排気ガスの熱で水を水蒸気に相変換し、膨張機１２の水蒸気流入口５２に接続される配管１５によって水蒸気を膨張機１２に供給する。膨張機１２は、水蒸気の膨張エネルギを機械的エネルギに変換する。
【００５６】
膨張機１２の蒸気流出口５３は配管１６につながっている。この配管１６と、高圧給水ポンプ４４の入口側に通じる密閉タンク４１との間には、水蒸気を冷却・凝縮させて液体にする凝縮器１３が配置されている。凝縮器１３は車両前部の前面に位置している。図３および図４では、その他に、開放タンク３２、水コアレッサ４２、リターンポンプ３７、油コアレッサ２７、過冷却器（凝縮器１３の液相部）５４、エアベント３９、逆止弁３４等のレイアウト状態が示されている。上記の高圧給水ポンプ４４、蒸発器１１、膨張機１２、凝縮器１３等は、前述の通り、熱エネルギを機械的エネルギに変換するランキンサイクル装置を構成している。
【００５７】
また図４で示されている他の構成例では、図４上、左から逆止弁３４の後に回路切替弁２１０を設け、この回路切替弁２１０に、他端を配管１８に接続される配管２１１の一端を接続させている。この構成により、高圧給水ポンプ４４にトラブルが生じて給水量が減少したとき、蒸発器１１が予想外に高温となるとき等のような場合、回路切替弁２１０により高圧給水ポンプ４４側に替えてリターンポンプ３７の吐出側をメイン回路側に切替え、蒸発器１１を瞬時の異常過熱より保護すると共にランキンサイクル装置の作動も一時的に継続させ、急停止等の発生を防ぎ、徐々に停止させるなどによりシステム全体を保全する機能を持たせている。
【００５８】
次に、上記ランキンサイクル装置の動作を水および水蒸気の流れに沿って説明する。
【００５９】
凝縮器１３で冷却・凝縮された水は、高圧給水ポンプ４４で加圧され、配管１８を通って蒸発器１１に供給される。
【００６０】
液相作動媒体である水は、蒸発器１１で熱エネルギを付加されて加熱され、さらに過熱されて昇温昇圧された高温高圧の水蒸気となり、膨張機１２に供給される。膨張機１２は、昇温昇圧された高温高圧の水蒸気の膨張作用によって熱エネルギを機械エネルギに変換する。これにより、膨張機１２に付設されたモータ／ジェネレータ１９は機械的エネルギを得る。
【００６１】
膨張器１２から流出した水蒸気は降温降圧された水蒸気となり、凝縮器１３に流入する。凝縮器１３に流入した降温降圧された水蒸気は、ここで再び冷却・凝縮され、その後、凝縮水となって水コアレッサ４２を介して高圧給水ポンプ４４に供給される。以後、作動媒体である水は上記の循環を繰り返し、膨張機１２に昇温昇圧された高温高圧の水蒸気を供給し続ける。
【００６２】
次に、図５〜図１３を参照して、上記ランキンサイクル装置１０における凝縮器１３の液面位置の制御について説明する。
【００６３】
図５は上記ランキンサイクル装置１０のシステムを凝縮器１３を中心にして描いたものであり、凝縮器１３は車両前方側から見た正面図として描かれている。図５では、凝縮器１３の内部における作動媒体の状態（水（凝縮水）：Ｗ１、水蒸気：Ｗ２）が示されている。また図６は凝縮器１３における冷却ファン４６，４７，４８の配置関係を示す凝縮器の側面図であり、同時に内部の状態も示されている。
【００６４】
凝縮器１３は、上端部に蒸気導入室１３Ａ、下端部に集水室１３Ｂを備え、さらに中央に中間室５６を備える。蒸気導入室１３Ａと中間室５６の間、中間室５６と集水室１３Ｂとの間には、それぞれ、複数本の冷却パイプ５５が設けられ、各室は連通された状態になっている。冷却パイプ５５の周囲には冷却フィン５５ａが設けられている。
【００６５】
凝縮器１３の蒸気導入室１３Ａは、配管１６を介して膨張機１２の蒸気流出口５３と接続されている。凝縮器１３の集水室１３Ｂは、配管１７等を介して給水ポンプユニット１４に接続されている。前述の通り、膨張機１２は配管１５を介して蒸発器１１に接続され、同様に給水ポンプユニット１４は配管１８を介して蒸発器１１に接続されている。蒸発器１１は、排気管４５を介してエンジン（熱源）５０の排気ガスからの熱５０Ａを受ける。給水ポンプユニット１４内には、前述した通りの密閉タンク４１、水コアレッサ４２、高圧給水ポンプ４４、駆動モータ４３、開放タンク３２、リターンポンプ３７、モータ３６等の各構成要素が示されている。
【００６６】
凝縮器１３では、水蒸気Ｗ２が冷却されて凝縮し、水（凝縮水）Ｗ１となる。中間室５６内で示された水平線６５は水Ｗ１の液面を示している。中間室５６内の液面６５の位置に対応させて所要の位置に液面センサ３８と中間排水口５９が設けられている。液面センサ３８から出力される液面位置に係る検出信号は制御装置６０に送られる。制御装置６０は、液面位置検出信号に基づきモータ制御指令信号を生成し、このモータ制御指令信号をリターンポンプ３７のモータ３６に与える。他方、中間排水口５９には水蒸気用のエアベント３９が接続される。エアベント３９の出口側は、チャッキ弁５８を備えた配管４０を介して開放タンク３２に通じている。配管４０には並行に排気ポンプ５７が付設されている。
【００６７】
また凝縮器１３では、図６に示されるように、その背面側に、水蒸気Ｗ２の存在領域部分に対応して冷却ファン４６が配置され、水Ｗ１の存在領域部分に対応して冷却ファン４７，４８が配置されている。冷却ファン４６の冷却動作は、例えば水蒸気Ｗ２が供給される配管１６に取り付けられた圧力センサ６１の水蒸気圧力検出信号に基づき圧力制御装置６２によって制御される。冷却ファン４６は、蒸気圧力調整に用いる凝縮用冷却ファンである。また冷却ファン４７，４８の冷却動作は、例えば水Ｗ１が流れる配管１７に取り付けられた温度センサ６３の水温検出信号に基づき温度制御装置６４によって制御される。冷却ファン４７，４８は凝縮水を冷却するための水冷却用冷却ファンである。図６で、Ａ１は冷却ファン４６の回転動作に基づく前方からの冷却用空気の流れを示し、Ａ２は冷却ファン４７，４８の回転動作に基づく前方からの冷却用空気の流れを示している。上記のように、凝縮器１３では、水蒸気Ｗ２に対応する機器部分である気相部（水蒸気凝縮部）７０の冷却と、水Ｗ１に対応する機器部分である液相部（凝縮水冷却部）７１の冷却は、それぞれ、独立に行われる。
【００６８】
上記の構成において、膨張機１２の蒸気流出口５３から出る水蒸気は大気圧相当である。上側の冷却パイプ（凝縮管）５５の各々の出口集合部である中間室５６では、液面６５をこの空間内に位置するよう調整するために、エアベント３９から水を排出する。また高圧給水ポンプ４４は、ランキンサイクル装置１０のメインの循環回路の給水ポンプとして、所要量の水を蒸発器１１に送る。
【００６９】
さらに上記の構成において、リザーブ用開放タンク３２は、大気開放型であり、システム内の密閉された循環回路に対しリザーブ用として予備的な水を保有しておく。リターンポンプ３７は、液面センサ３８の信号を受けて凝縮器１３内に給水する。排気ポンプ５７は、凝縮器１３を負圧で運転するときはエアベント３９の下流を吸引する。
【００７０】
なお、上記の排気ポンプ５７の動作については、図６に示した圧力センサ６１と圧力制御装置６２によって負圧時を感知させることにより動作させたり、あるいは、液面センサ３８の検出により液面６５の位置が所定範囲の上限を超えるときに感知させ、制御装置６０によって動作させる、ように構成することができる。
【００７１】
また、排気チャッキ弁５８は、凝縮器１３内が負圧になる場合に大気の逆流を防ぐ。逆止弁３４は、リターンポンプ３７の逆流を防止する。水蒸気用エアベント３９は、水、空気は通すが水蒸気は通さない。中間排水口５９は不凝縮性ガスの排出、水のオーバーフローにより凝縮水の液面６５の位置の変化に制限を与え、所定の範囲で液面位置が変動するようにするためのものである。液面センサ３８は、液面６５に係る位置信号を制御装置６０に出力する。制御装置６０は、液面６５の位置が中間室５６内に存するようにリターンポンプ３７の動作を制御する。液面６５の位置は、エアベント３９と液面センサ３８の間の範囲に含まれる高さ位置になるように制御される。液面センサ３８には、例えば、静電容量式レベルセンサやフロート式レベルスイッチが用いられる。
【００７２】
圧力センサ６１は、凝縮器１３の内部の圧力を検出するもので、基本的に水蒸気Ｗ２の圧力を検出する。圧力制御装置６２は、凝縮器１３の内部圧力が設定値になるように冷却ファン４６を動作させる。温度センサ６３は、凝縮水Ｗ１の温度を検出する。温度制御装置６４は、凝縮水温度が設定値になるように冷却ファン４７，４８を動作させる。
【００７３】
図７〜図９を参照してエアベント３９の構造・作用を詳述する。図７と図８はエアベント３９の閉じているときの状態を示し、図７は縦断面図、図８は図７でのＡ−Ａ線断面図である。また図９はエアベントの開いているときの状態を示す縦断面図である。図７等において、エアベント３９の左側が凝縮器側であり、右側が大気側である。エアベント３９は、内部が飽和水蒸気で満たされているときには密閉され（図７）、水や空気などの不凝縮性ガスが存在するときには自動的に開放され、水や不凝縮性ガスを排出して再び密閉する（図９）。
【００７４】
エアベント３９は、容器中央の位置に配置された弁６６と、この弁６６を支持する弁サポート６７と、弁口（パッキン）６８を備える。弁サポート６７で支持された弁６６は、弁口６８を塞ぐことができる位置関係にて配置されている。弁６６は２枚のダイヤフラム６６ａを密閉空間を形成するように組み合わせて形成され、その内部の密閉空間にサーモリキッド（感温液）６９を収容している。サーモリキッド６９は、水と同じように、或る圧力下、或る温度以下では液体であり、或る温度以上になると気体となって膨張するという特性を有している。図１０にサーモリキッドの飽和曲線Ｃ１と水の飽和曲線Ｃ２を示す。サーモリキッド６９が気体になる温度は、水が蒸気になる温度よりもΔＴ（約１０℃）だけ低い温度であるため、エアベント３９の内部が水蒸気Ｗ２の雰囲気の時にはサーモリキッド６９は気化して気体となっており、膨張したサーモリキッド６９の入った密閉空間が両側のダイヤフラム６６ａを外方へ押し、ダイヤフラム６６ａで形成される弁６６と弁口６８との間にあった隙間を閉じる（図７）。逆に内部が低温である場合（周囲環境が空気のごとき不凝縮性ガスＡ３等である状態）はサーモリキッド６９は液体の状態であり、ダイヤフラム６６ａは内方へ収縮し、弁６６と弁口６８の間の隙間から空気等が排出されることになる（図９）。
【００７５】
以上の構成において、制御装置６０は、冷却ファン４６で冷却して水蒸気Ｗ２を水（凝縮水）Ｗ１に戻す凝縮器１３における液面６５の位置を所定範囲内で変化させるように制御するための制御装置である。制御装置６０は、凝縮器１３における気相部７０と液相部７１との境界である液面６５の位置を検出する液面センサ３８からの検出信号に基づき、上記の所定範囲の下限よりも低下するときには凝縮器１３内に水を供給するリターンポンプ３７のモータ３６の動作を制御し、不足分の水を開放タンク３２から配管３５を介して補充する。また液相部７１の液面６５の位置が上記の所定範囲の上限を超えるときには、中間排水口５９とエアベント３９等により開放タンク３２に超過した水を排出する。こうして、液面センサ３８に基づく下限およびエアベント３９に基づく上限で決まる範囲によって液面６５の位置の望ましい所定範囲が設定される。
【００７６】
さらに詳しく説明する。凝縮器１３の中間室５６に、水（凝縮水）Ｗ１を排水するのための中間排水口５９を設置して液面６５の上限位置を規制する。中間排水口５９以上に液面６５が上昇したときは中間排水口５９からリザーブ用開放タンク３２に水をオーバーフローさせることにより液面６５の位置を下げる。液面６５が中間排水口５９より下側に位置するときには、中間排水口５９から水蒸気が排出されないように、中間排水口５９にはエアベント３９が設置されている。図７〜図９に示したように、水蒸気の排出を阻止するためのエアベント３９は、内部に水蒸気が存在するときには自動的に閉弁し、内部に空気（不凝縮ガス）や水が存在するときには自動的に開弁する作動を行う。また中間排水口５９の下側の位置には液面センサ３８を配置して、液面６５の位置が液面センサ３８よりも低下したときには開放タンク３２からリターンポンプ３７により給水して液面６５の位置を液面センサ３８の位置まで上昇させる。上記の作用に基づき液面６５の位置は常に中間排水口５９と液面センサ３８の間の範囲内に維持される。中間排水口５９と液面センサ３８の間隔が広くなると、水蒸気Ｗ２側と水（凝縮水）Ｗ１側の伝熱面積の誤差が大きくなる。逆に当該間隔が小さくなると、リターンポンプ３７とエアベント３９の動作が頻繁に起きることになる。従って、中間排水口５９と液面センサ３８の間隔は、これらの２つの影響が共に小さくなる範囲に設定されればい。該伝熱面積を一定化することを主眼とすれば、当該間隔は限りなく小さく、ゼロとすることが望ましい。
【００７７】
図１１に液面６５の位置設定の詳細を示す。図１１で、（Ａ）は液面センサ３８とエアベント３９と液面６５の位置関係を示し、（Ｂ）は液面位置とエアベントの動作とリターンポンプの動作との関係を表で示している。
【００７８】
図１１の（Ａ）では、上限液面位置としてＨＡ、下限液面位置としてＨＢ、液面位置６５としてＨＬがそれぞれ設定されている。液面６５の位置ＨＬが上限液面位置ＨＡより高いときには、エアベント３９は開状態であり、リターンポンプ３７はオフ（ＯＦＦ）である。液面６５の位置ＨＬが、上限液面位置ＨＡと下限液面位置ＨＢの間にあるときは、エアベント３９は閉状態であり、リターンポンプ３７はオフである。液面６５の位置ＨＬが下限液面位置ＨＢより低いときには、エアベント３９は閉状態であり、リターンポンプ３７はオン（ＯＮ）である。以上により、液面６５の変動は上限液面位置ＨＡと下限液面位置ＨＢの範囲内に抑えられる。
【００７９】
またランキンサイクル装置１０の起動・停止時や過渡的変化時に水蒸気の流入量（質量流量）や凝縮器１３から高圧給水ポンプ４４への排水量（質量流量）が変化する場合にも、凝縮器１３の内部における液面６５の位置の変動を抑制し、安定して凝縮器１３の運転を行うことができる。
【００８０】
さらに、図５で示したように、ランキンサイクル装置１０の密閉された主回路とは別に、大気開放のリザーブ用開放タンク３２が設けられている。開放タンク３２は、凝縮器１３と、その中間排水口５９に接続されたエアベント３９とチャッキ弁５８を介して接続されている。また開放タンク３２の下部は、リターンポンプ３７と配管３５と逆止弁３４を介して凝縮器１３の出口部１３ａに接続されている。液面６５が中間排水口５９より高い場合には水は開放タンク３２にオーバーフローされ、液面６５が液面センサ３８より低い場合にはリターンポンプ３７が作動して水の補充が行われる。リターンポンプ３７が作動すると、凝縮器１３内への給水で液面６５が上昇して液面センサ３８の位置でリターンポンプ３７は停止する。また中間排水口５９と液面センサ３８を含む領域に中間室５６を設けて複数の冷却パイプ（凝縮管）５５が集合するような構造としたため、中間排水口５９からの排水時やリターンポンプ３７からの給水時に液面６５の変化の応答性を良好にし、かつ安定させることができる。なお蒸気導入室１３Ａ側と集水室１３Ｂ側の中間室５６部分を各冷却パイプ（凝縮管）５５が連通されていればよく、中間室５６を設けることは必須のことではない。
【００８１】
次に、図１２のフローチャートを参照して、制御装置６０において実施される液面位置制御の流れを説明する。
【００８２】
最初に、液面センサ３８によって液面６５の位置ＨＬの読込みを行う（ステップＳ１０）。液面位置ＨＬが上限液面位置ＨＡよりも高いか否かが判断される（ステップＳ１１）。もし液面位置ＨＬが上限液面位置ＨＡより高いときには、エアベント３９が開かれて排水され、液面６５が下げられる（ステップＳ１２）。その後、リターンに移行してステップＳ１０に戻る。もし液面位置ＨＬが上限液面位置ＨＡ以下のときには、エアベント３９を閉じる（ステップＳ１３）。次のステップでは、液面位置ＨＬが下限液面位置ＨＢより低いか否かが判断される（ステップＳ１４）。もし液面位置ＨＬが下限液面位置ＨＢより低いときには、リターンポンプ３７がオンになり、水が補給される（ステップＳ１５）。もし液面位置ＨＬが下限液面位置ＨＢ以上のときには、リターンポンプ３７がオフとなり、水の補給は行われない（ステップＳ１６）。その後、リターンに移行してステップＳ１０に戻る。
【００８３】
図１３は、本実施形態に係るランキンサイクル装置１０を搭載した車両の車速変化とエンジン出力変化と蒸発器への給水流量と凝縮器の液面位置の変化を示すグラフである。図１３の（Ａ）は車速の変化、（Ｂ）はエンジン出力の変化、（Ｃ）は蒸発器給水流量の変化、（Ｄ）は図１４で示される従来の凝縮器での液面位置の変化をそれぞれ示す。図１３で横軸は時間である。ランキンサイクル装置が搭載された車両が図１３（Ａ）で示すような車速変化をするとき、図１３（Ｂ）で示すようにエンジン出力が変化し、それに関連して図１３（Ｃ）に示すように蒸発器１１１への給水流量の変化が生じ、さらに図１３（Ｄ）に示すように凝縮器１００の液面位置１１２が変化する。換言すれば、横方向の時間軸において、車両が時刻ｔ１，ｔ３，ｔ５で発進し、時刻ｔ２，ｔ４，ｔ６で停止したとき、その車両の発進・停止に伴ってエンジン出力は変化し、蒸発器１１１への給水流量も変化し、凝縮器１００の液面位置１１２が変動する。
【００８４】
上記のように、従来の車載用ランキンサイクルの凝縮器１００では、図１３（Ａ）に示したように車両の発進・停止時や過渡的車速変化時に、図１３（Ｂ）に示すごとくエンジン出力が変化するので、蒸発器１１１への給水流量が変化し、凝縮器１００の冷却パイプ１０３における液面位置１１２が変動することになる。つまり、凝縮器１００において、水蒸気の流入量が凝縮水の排水量より多い場合には液面位置１１２は上昇し、水蒸気の流入量が凝縮水の排水量より少ない場合には液面位置１１２は低下することになる。図１３の（Ｅ）に示した液面位置の変化に係る図が本発明の凝縮器に対する図である。車両が図１３（Ａ）で示すような車速変化をするとき、ランキンサイクル装置１０では、前述の通り、液面位置の制御が行われるので、液面位置は、車両の発進時と停止時において上限位置ＨＡと下限位置ＨＢの間での変動のみであり、大きな変動は起こらない。
【００８５】
以上のように、凝縮器１３内の凝縮水Ｗ１の液面６５の位置変動を所定範囲に抑制することにより、凝縮器１３における水蒸気に対応する気相部分と凝縮水に対応する液相部分の互いの伝熱面積の変化を低減して、その伝熱面積の変化を考慮することなく冷却を行え、かつ制御の精度向上を図り、ポンプ装置内のキャビテーションおよび、蒸発器１１での再加熱の際の余分な熱エネルギの消費を低減する凝縮器１３の液面位置制御装置を得ることができる。
【００８６】
また伝熱面積の変化幅を許容範囲内に保つことができ、かつ液相作動媒体の排出と補充供給の切換え動作にヒステリシスを持たせることができ、それによって切換え動作の頻度を少なくし、凝縮器の作動安定化と共に、排出および補充供給に係わる装置の耐久性が向上する。さらに、液相作動媒体（水）を排出して設定液面を適切に制御しつつ、気相作動媒体（水蒸気）の排出は阻止するので、凝縮器の作動安定化を図ることができる。また、液相作動媒体を蓄えたリザーブ用開放タンクからリターンポンプを介して直接に設定液面まで液相作動媒体の補充供給することができ、これにより液面位置の調整をポンプの高応答・高精度の供給量制御により、液面位置を早期に正確に安定させることができる。さらに、循環回路内で作動媒体の総質量流量を維持しつつ液面位置制御が可能となり、作動媒体の外部への排出、および外部からの補充という特別な装置を付加する必要がない循環回路として構成できる。さらに、凝縮器の各冷却パイプ毎の液面位置のばらつきを少なくでき、液相作動媒体の排水および補充供給時における液面を早期に正確に安定させることができ、凝縮器の作動安定化を行うことができる。
【産業上の利用可能性】
【００８７】
本発明は、車載用ランキンサイクル装置で、循環系から洩れ出た作動媒体を捕集して大気開放タンクに蓄えかつ循環系に戻して作動媒体の総量を保持し、さらに凝縮器内の液面位置を一定位置に保持するようにした構成において最適に液相作動媒体を循環系に戻す装置として利用される。
【図面の簡単な説明】
【００８８】
【図１】本発明に係るランキンサイクル装置の全体システムを示す構成図である。
【図２】本実施形態に係る給水ポンプユニットの内部構造を示す部分断面側面図である。
【図３】本発明に係るランキンサイクル装置を車両に搭載したときの配置構成例を示す図である。
【図４】本発明に係るランキンサイクル装置を車両に搭載したときの他の構成例を示す図である。
【図５】ランキンサイクル装置の作動媒体の流れを示すシステム構成図である。
【図６】凝縮器の部分の内部構造と周辺装置を示す側面図である
【図７】エアベントの閉じているときの構造を示す断面図である。
【図８】図７におけるＡ−Ａ線断面図である。
【図９】エアベントの開いているときの構造を示す断面図である。
【図１０】サーモリキッドと水の飽和曲線を示すグラフである。
【図１１】液面位置設定の詳細を説明するための図である。
【図１２】凝縮器の液面位置制御装置の動作フローを示すフローチャートである。
【図１３】本発明に係るランキンサイクル装置を搭載した車両の車速変化とエンジン出力変化と蒸発器への給水流量と凝縮器の液面位置の変化を示すタイミングチャートである。
【図１４】従来の車載用ランキンサイクル装置を簡略して示した模式図である。
【符号の説明】
【００８９】
１０      ランキンサイクル装置
１１      蒸発器
１２      膨張機
１３      凝縮器
１４      給水ポンプユニット
１５      配管
１６      配管
１７      配管
１８      配管
２６      配管
３２      開放タンク
３７      リターンポンプ
３８      液面センサ
３９      エアベント
４１      密閉タンク
４２      水コアレッサ
４３      モータ
４４      高圧給水ポンプ
４５      排気管
４６，４７，４８  冷却ファン
【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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【図１３】
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【図１４】
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