(57)【要約】【課題】低温時にも速やかに稼動できるランキンサイクルシステムを提供する。【解決手段】ランキンサイクルシステム１００は、エンジン１の内部に形成され、水と水の沸点よりも沸点が高いＬＬＣとを混合した混合冷媒が内部を通過するウォータジャケットと、エンジン１の廃熱により気相状態となった水からエネルギを回収する膨張器１０と、膨張器１０を通過した後の純粋を凝縮し液相状態とするコンデンサ１２と、混合冷媒が流通し、気相状態又は液相状態の水が通過する回路内に存在する水と混合冷媒とが熱交換を行うように配設された混合冷媒通路１９と、を備える。【選択図】図１
2012102646.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
内燃機関の内部に形成され、第１の冷媒と前記第１の冷媒の沸点よりも沸点が高い第２の冷媒とを含む混合冷媒が内部を通過する冷却媒体通路と、
前記内燃機関の廃熱により気相状態となった前記第１の冷媒からエネルギを回収する廃熱回収手段と、
前記廃熱回収手段を通過した後の第１の冷媒を凝縮し液相状態とする凝縮器と、
前記混合冷媒が流通し、気相状態又は液相状態の前記第１の冷媒が通過する回路内に存在する第１の冷媒と前記混合冷媒とが熱交換を行うように配設された混合冷媒通路と、
を備えることを特徴とするランキンサイクルシステム。
【請求項２】
前記内燃機関の廃熱により気相状態となった前記第１の冷媒を過熱する過熱器と、
前記凝縮器によって凝縮され液相状態となった第１の冷媒を前記過熱器に供給する液化冷媒通路と、
前記凝縮器によって凝縮され液相状態となった第１の冷媒を前記冷却媒体通路へと回収する冷媒回収通路と、を備え、
前記混合冷媒通路は、前記液化冷媒通路及び／又は前記冷媒回収通路内に存在する第１の冷却媒体と、前記混合冷媒とが熱交換を行うように配設されることを特徴とする請求項１に記載のランキンサイクルシステム。
【請求項３】
内燃機関の内部に形成され、第１の冷媒と前記第１の冷媒の沸点よりも沸点が高い第２の冷媒とを混合した混合冷媒が内部を通過する冷却媒体通路と、
前記内燃機関の廃熱により気相状態となった前記第１の冷媒を過熱する過熱器と、
前記過熱器を通過した前記第１の冷媒からエネルギを回収する廃熱回収手段と、
前記膨張器を通過した後の第１の冷媒を凝縮し液相状態とする凝縮器と、
前記凝縮器によって液相状態となった前記第１の冷媒を、前記過熱器へと供給する供給手段と、
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】
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及び２がある。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２０１０−１０１２８３号公報
【特許文献２】特開２００２−１１５５０５号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
潜熱が高く、物質的に安定している水は、ランキンサイクルシステムにおいて、冷媒として多く用いられている。しかしながら、外気温によっては水が凍結し、エンジン等の破損につながるおそれがある。そこで、上記特許文献１のランキンサイクルシステムにおいて、冷媒としてＬＬＣ（Long
Life Coolant：例えば、エチレングリコール）と水との混合液を用いる場合がある。ＬＬＣと水との混合液は、凝固点が水よりも低くなるため、低温（例えば、−３０℃）でも冷媒が凍結せず、ランキンサイクルシステムを搭載したエンジンを低温から始動させることが可能となる。
【０００５】
しかしながら、ＬＬＣと水との混合液を用いた場合でも、低温時には、気相状態又は液相状態の水のみが流通する回路において水が凍結してしまう場合がある。この場合、凍結した水が解凍するまでは、ランキンサイクルが稼動できない。
【０００６】
本発明は上記課題に鑑みてなされたものであり、低温時にも速やかに稼動できるランキンサイクルシステムを提供することを目的とする。
【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、内燃機関の内部に形成され、第１の冷媒と前記第１の冷媒の沸点よりも沸点が高い第２の冷媒とを含む混合冷媒が内部を通過する冷却媒体通路と、前記内燃機関の廃熱により気相状態となった前記第１の冷媒からエネルギを回収する廃熱回収手段と、前記廃熱回収手段を通過した後の第１の冷媒を凝縮し液相状態とする凝縮器と、前記混合冷媒が流通し、気相状態又は液相状態の前記第１の冷媒が通過する回路内に存在する第１の冷媒と前記混合冷媒とが熱交換を行うように配設された混合冷媒通路と、を備える。
【０００８】
上記構成によれば、回路内の第１の冷媒が凍結した場合でも混合冷媒は凍結しないため、内燃機関の始動が可能となり、内燃機関の暖機が進むにつれて、混合冷媒通路を通過する混合冷媒との熱交換により、凍結していた第１の冷媒を解凍できる。この結果、低温時にも速やかにランキンサイクルを稼動させることができる。
【０００９】
また、上記ランキンサイクルシステムは、前記内燃機関の廃熱により気相状態となった前記第１の冷媒を過熱する過熱器と、前記凝縮器によって凝縮され液相状態となった第１の冷媒を前記過熱器に供給する液化冷媒通路と、前記凝縮器によって凝縮され液相状態となった第１の冷媒を前記冷却媒体通路へと回収する冷媒回収通路と、を備え、前記混合冷媒通路は、前記液化冷媒通路及び／又は前記冷媒回収通路内に存在する第１の冷却媒体と、前記混合冷媒とが熱交換を行うように配設される構成としてもよい。
【００１０】
上記構成によれば、混合冷媒の濃度を保つために第１の冷媒を冷却媒体通路へと回収する冷媒回収通路、及び、蒸気発生量を増大させ廃熱回収効率を高めるために過熱器に第１の冷媒を供給する冷媒供給通路内に存在する第１の冷媒が解凍される。これにより、ランキンサイクルの稼動に必要となる第１の冷媒を確保できるため、速やかなランキンサイクルの稼動が可能となる。
【発明の効果】
【００１１】
本明細書開示のランキンサイクルシステムによれば、低温時にも速やかに稼動できる。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
【図１】図１は、実施例に係るランキンサイクルシステムの概略構成図である。
【発明を実施するための形態】
【００１３】
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】
【００１４】
本実施例に係るランキンサイクルシステム１００の構成について図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、内燃機関の一例である。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内にはウォータジャケット（冷却媒体通路）が形成されており、このウォータジャケット内の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。
【００１５】
本実施例において、ウォータジャケット内の冷媒は、水（第１の冷媒）とＬＬＣ（第２の冷媒）とを混合した混合冷媒である。混合冷媒の沸騰時には、沸点の低い水が蒸気となる。図１においては、混合冷媒を斜線で示し、水を網掛けで示している。なお、水の代わりに純水を用いてもよい。
【００１６】
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、蒸気通路３の一端が接続されている。
【００１７】
蒸気通路３には、気液分離器４が配設されている。エンジン１側から気液混合状態で気液分離器４に流入した混合冷媒は、気液分離器４内で気相（蒸気）と液相（液化混合冷媒）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、液化混合冷媒が、エンジン１と気液分離器４との間を循環する。
【００１８】
また、気液分離器４の内部側壁には液面スイッチ２０が備えられている。液面スイッチ２０は、水が気化することによって気液分離器４内の混合冷媒の水位が下がり、液面スイッチ２０が設置されている水位となった場合に、不図示のＥＣＵ（Electronic
Control Unit）に信号を出力する。すなわち、水が気化することによって混合冷媒のＬＬＣ濃度が高まり予め定めた濃度に達する場合に、液面スイッチ２０からＥＣＵに信号が出力される。
【００１９】
蒸気通路３には、過熱器８が設けられている。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。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。また、蒸発部８ａには、液化冷媒通路７の一端が接続されている。液化冷媒通路７の他端は、後述する第２ウォータポンプ１７を介して凝縮水タンク１４に接続されている。液化冷媒通路７は、第２ウォータポンプ１７が圧送する水を、蒸発部８ａに供給する。
【００２０】
液化冷媒通路７には電磁バルブ７ａが設けられている。この電磁バルブ７ａの開閉状態によって、凝縮水タンク１４から蒸発部８ａへの液相状態の水の供給量が決定される。蒸発部８ａに供給された水は、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。また、エンジン１が暖機されていない場合でも、排気ガスの熱により蒸発部８ａに供給された水は蒸気化される。したがって、エンジン１が暖機されず気液分離器４から過熱器８に蒸気が供給されない場合でも、後述する膨張器１０に蒸気を供給してランキンサイクルを稼動させることができる。過熱器８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。
【００２１】
過熱器８の下流側には、膨張器（廃熱回収手段）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。
【００２２】
膨張器１０の下流側には、エネルギを回収された後の冷媒を排出する排出通路１１が設けられている。排出通路１１の一端は、膨張器１０に接続されている。排出通路１１の他端は、他端はコンデンサ（凝縮器）１２に接続されている。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、蒸気を冷却することによって凝縮して水を生成する。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水を貯留する凝縮水タンク１４が設置されている。
【００２３】
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水をエンジン１側へ再循環させる冷媒回収路１６が設けられている。冷媒回収路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。冷媒回収路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内の水が冷媒回収路１６を経て冷媒循環路５へ供給される。
【００２４】
また、第２ウォータポンプ１７の下流には、冷媒循環路５へと供給される水の量を調整するための電磁バルブ１８が配設されている。不図示のＥＣＵの制御によって、電磁バルブ１８の開閉は制御される。ＥＣＵは、前述した液面スイッチ２０から信号を受信すると、第２ウォータポンプ１７を稼働させ、ウォータジャケット内の混合冷媒のＬＬＣ濃度が所定の範囲内となるように、冷媒循環路５内に水を移送する。これにより、水が蒸気化することによって高まった、ウォータジャケット内の混合冷媒のＬＬＣ濃度が、所定の範囲内に維持される。以上のように、ランキンサイクルシステム１００は、水が循環する経路を備えている。
【００２５】
さらに、本実施例に係るランキンサイクルシステム１００は、混合冷媒通路１９を備える。エンジン１で暖められた混合冷媒は、混合冷媒通路１９の内部を図１の矢印方向に循環する。混合冷媒通路１９は、図１に示すように、液化冷媒通路７及び冷媒回収路１６内に存在する水と、混合冷媒通路１９を通過する混合冷媒とが熱交換を行うように配設されている。外気温が低温（例えば、―３０℃）の場合、液化冷媒通路７及び冷媒回収路１６内の水は凍結する。しかしながら、ウォータジャケット内の混合冷媒は凍結しないため、エンジン１の始動が可能である。エンジンの暖機が進むと、混合冷媒通路１９を流れる混合冷媒（エンジン１によって暖められている）によって、液化冷媒通路７及び冷媒回収路１６内で凍結している水が暖められ解凍される。水が解凍されると、ランキンサイクルを稼動させることができる。
【００２６】
なお、図１では、混合冷媒通路１９は、液化冷媒通路７及び冷媒回収路１６内に存在する水と、混合冷媒通路１９を通過する混合冷媒とが熱交換を行うように配設されている。しかしながら、混合冷媒通路１９は、気相状態又は液相状態の前記第１の冷媒が通過する回路内に存在する第１の冷媒と前記混合冷媒とが熱交換を行うように配設されればよい。ここで、気相状態又は液相状態の前記第１の冷媒が通過する回路とは、図１では、気液分離器４、過熱器８、ノズル９、膨張器１０、排出通路１１、コンデンサ１２、凝縮水タンク１４、冷媒回収路１６、液化冷媒通路７を含む回路である。
【００２７】
以上説明したように、本明細書開示のランキンサイクルシステム１００によれば、気相状態又は液相状態の水が通過する回路内に存在する水と混合冷媒とが熱交換を行うように、混合冷媒通路１９が設けられる。これにより、回路内の水が凍結した場合でも混合冷媒は凍結しないため、エンジン１の始動が可能となり、エンジンの暖機が進むにつれて、混合冷媒通路１９を通過する混合冷媒との熱交換により凍結していた水が解凍される。この結果、低温時にも速やかにランキンサイクル１００を稼動させることができる。なお、エンジン始動時に回路内の凍結した水をヒータによって解凍することも考えられるが、ヒータでの解凍には大きな電力が必要となり、コストもかかるため現実的ではない。しかしながら、本実施例によれば、エンジン１によって温められた混合冷媒を凍結した水の解凍に用いることで、低コストで効率的に水の解凍を行うことができる。
【００２８】
なお、上述の実施例では、水とＬＬＣとを混合した混合冷媒を用いたランキンサイクルシステムについて説明したが、２つの冷媒の沸点が異なれば、水及びＬＬＣ以外の冷媒を混合した混合冷媒を用いてもよい。この場合、凝縮水タンク１４には、沸点が低い方の冷媒が貯留される。
【００２９】
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】
【００３０】
１…エンジン
２…排気管
３…蒸気通路
３ａ…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
７ａ…電磁バルブ
８…過熱器
９…ノズル
１０…膨張器
１０ａ…タービンケース
１０ｂ…タービン翼
１１…排出通路
１２…コンデンサ
１３…ファン
１４…凝縮水タンク
１６…冷媒回収路
１７…第２ウォータポンプ（Ｗ／Ｐ）
１８…電磁バルブ
１９…混合冷媒通路
２０…液面スイッチ
１００…ランキンサイクルシステム
【図１】
2012102646.tif 000003