(57)【要約】【課題】コストの上昇を抑制しつつタービンの軸部を冷却することができる内燃機関の冷却装置を提供する。【解決手段】内燃機関の冷却装置（１）は、冷媒が内燃機関（１１）において沸騰することで内燃機関を冷却する沸騰冷却システム（１０）と、過熱器（５０）とタービン（６０）と凝縮器（８０）とを有するランキンサイクルシステム（２０）と、を備える内燃機関の冷却装置において、ランキンサイクルシステムは、凝縮器から排出された液相の冷媒をタービンの軸部（６２）に供給する供給通路（１１０ｊ）を備え、凝縮器の冷媒が供給される部位である冷媒供給部（８４）は、タービンの軸部よりも重力方向で高い位置に配置されていることを特徴とする。【選択図】図２
2016037852.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
冷媒が内燃機関において沸騰することで前記内燃機関を冷却する沸騰冷却システムと、前記内燃機関から排出された冷媒を過熱する過熱器と前記過熱器から排出された冷媒が供給されるタービンと前記タービンから排出された冷媒を凝縮する凝縮器とを有するランキンサイクルシステムと、を備える内燃機関の冷却装置において、
前記ランキンサイクルシステムは、前記凝縮器から排出された液相の冷媒を前記タービンの軸部に供給する供給通路を備え、
前記凝縮器の冷媒が供給される部位である冷媒供給部は、前記タービンの前記軸部よりも重力方向で高い位置に配置されていることを特徴とする内燃機関の冷却装置。
【請求項２】
前記タービンの前記軸部は、グリースが封入された軸受によって軸支されている請求項１記載の内燃機関の冷却装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は内燃機関の冷却装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来の内燃機関の冷却装置として、例えば特許文献１には、冷媒が内燃機関において沸騰することで内燃機関を冷却する沸騰冷却システムと、内燃機関から排出された冷媒が供給されるランキンサイクルシステムとを備える冷却装置が開示されている。また特許文献１に係るランキンサイクルシステムは、内燃機関から排出された冷媒を過熱する過熱器と、過熱器から排出された冷媒（過熱蒸気）が供給されるタービンと、タービンから排出された冷媒を凝縮させる凝縮器（特許文献１では復水器と称されている）とを備えている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２０１０−２２３１１６号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
特許文献１には明示的には開示されていないが、ランキンサイクルシステムにおいて過熱器から排出された過熱蒸気は、タービンの具体的にはブレードに供給される。この場合、高温の過熱蒸気の熱がブレードに伝達することで、ブレードが高温になる可能性がある。タービンのブレードが高温になった場合、このブレードの熱が伝達することでタービンの軸部も高温になる可能性がある。タービンの軸部が高温になった場合、例えばタービンの軸部を軸支する軸受が熱によって損傷する可能性がある。そのため、タービンの軸部を冷却する技術が求められている。しかしながら、例えば冷媒ポンプによって冷媒をタービンの軸部に供給してタービンの軸部を冷却した場合、冷却装置のコストが上昇してしまう。
【０００５】
本発明は、コストの上昇を抑制しつつタービンの軸部を冷却することができる内燃機関の冷却装置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】
【０００６】
本発明に係る内燃機関の冷却装置は、冷媒が内燃機関において沸騰することで前記内燃機関を冷却する沸騰冷却システムと、前記内燃機関から排出された冷媒を過熱する過熱器と前記過熱器から排出された冷媒が供給されるタービンと前記タービンから排出された冷媒を凝縮する凝縮器とを有するランキンサイクルシステムと、を備える内燃機関の冷却装置において、前記ランキンサイクルシステムは、前記凝縮器から排出された液相の冷媒を前記タービンの軸部に供給する供給通路を備え、前記凝縮器の冷媒が供給される部位である冷媒供給部は、前記タービンの前記軸部よりも重力方向で高い位置に配置されていることを特徴とする。
【０００７】
本発明に係る内燃機関の冷却装置によれば、凝縮器から排出された液相の冷媒を、重力を利用して、供給通路を通過させてタービンの軸部に供給することができる。それにより、タービンの軸部を冷却することができる。また、凝縮器から排出された液相の冷媒を冷媒ポンプによってタービンの軸部に供給する必要がないため、コストの上昇を抑制することができる。
【０００８】
上記構成において、前記タービンの前記軸部は、グリースが封入された軸受によって軸支されていてもよい。この構成によれば、封入されたグリースによって軸受を潤滑することができる。それにより、軸受の焼き付きを抑制することができる。また、内燃機関の潤滑オイルをタービンの軸受に供給することで、軸受の焼き付きを抑制する場合に比較して、コストの上昇を抑制することができる。
【発明の効果】
【０００９】
本発明によれば、コストの上昇を抑制しつつタービンの軸部を冷却することができる内燃機関の冷却装置を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
【図１】図１は内燃機関の冷却装置の全体構成を示す模式図である。
【図２】図２は冷却装置のタービン近傍を拡大した模式図である。
【図３】図３は内燃機関の始動後における冷却装置のタービンの軸部の冷却時の動作の一例を示すフローチャートである。
【図４】図４は内燃機関の運転停止後における冷却装置のタービンの軸部の冷却時の動作の一例を示すフローチャートである。
【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説明する。
【実施例】
【００１２】
本発明の実施例に係る内燃機関１１の冷却装置１について説明する。図１は冷却装置１の全体構成を示す模式図である。冷却装置１は車両に搭載されている。冷却装置１は、沸騰冷却システム１０とランキンサイクルシステム２０とを備えている。沸騰冷却システム１０は、冷媒が内燃機関１１において沸騰することで、内燃機関１１を冷却するシステムである。本実施例に係る沸騰冷却システム１０は、ポンプ１２と、内燃機関１１のシリンダブロック１３の内部に形成されたウォータジャケット１５ａと、内燃機関１１のシリンダヘッド１４の内部に形成されたウォータジャケット１５ｂとを備えている。ポンプ１２は、冷媒を内燃機関１１に向けて圧送する。ポンプ１２の具体的な構成は特に限定されるものではなく、内燃機関１１のクランクシャフトの動力によって駆動される機械式のウォータポンプ、あるいはモータによって駆動される電動式のウォータポンプ等、種々のウォータポンプを用いることができる。本実施例においてはポンプ１２の一例として、機械式のウォータポンプを用いる。
【００１３】
ポンプ１２から圧送された液相の冷媒は内燃機関１１のウォータジャケット１５ａおよびウォータジャケット１５ｂをこの順に流通して、内燃機関１１から排出される。冷媒はウォータジャケット１５ａおよびウォータジャケット１５ｂを流通する際に、内燃機関１１の熱を受けて沸騰する。冷媒は、この沸騰の際に、潜熱として内燃機関１１の熱を吸収する。このようにして沸騰冷却システム１０は、内燃機関１１を効果的に冷却している。
【００１４】
なお、冷媒の具体的な種類は特に限定されるものではないが、本実施例においては、冷媒の一例として、エチレングリコールと水とを含む冷媒を用いる。具体的には本実施例においては、冷媒としてＬＬＣ（ロングライフクーラント）を用いている。冷媒が水の他にエチレングリコールを含むことで、冷媒が水のみからなる場合に比較して、冷媒の凝固点を低下させて、冷媒の凍結を抑制することができる。
【００１５】
ランキンサイクルシステム２０は、気液分離器３０と、蒸気発生器４０と、過熱器５０と、タービン６０と、凝縮器８０と、キャッチタンク９０と、ポンプ１００と、冷媒が通過する各種通路（通路１１０ａ〜通路１１０ｋ）とを備えている。
【００１６】
図１に示すように、通路１１０ａは、内燃機関１１の冷媒排出部と気液分離器３０の冷媒供給部とを連通している。通路１１０ｂは、気液分離器３０の冷媒排出部と蒸気発生器４０の冷媒供給部とを連通している。通路１１０ｃは、蒸気発生器４０の冷媒排出部と気液分離器３０の冷媒供給部とを連通している。通路１１０ｄは、気液分離器３０の冷媒排出部と過熱器５０の冷媒供給部とを連通している。図２は、冷却装置１のタービン６０の近傍を拡大した模式図である。図２を参照して、通路１１０ｅは、過熱器５０の冷媒排出部とタービン６０の冷媒供給部６８ａとを連通している。通路１１０ｆは、タービン６０の冷媒排出部６９ａと凝縮器８０の入口タンク８１とを連通している。図１を参照して、通路１１０ｇは、凝縮器８０の出口タンク８３ａとキャッチタンク９０の冷媒供給部とを連通している。通路１１０ｈは、キャッチタンク９０の冷媒排出部と気液分離器３０の冷媒供給部とを連通している。なお、ポンプ１００は、通路１１０ｈに配置されている。通路１１０ｉは、気液分離器３０の冷媒排出部とポンプ１２の冷媒供給部とを連通している。図２を参照して、通路１１０ｊは、凝縮器８０の出口タンク８３ｂとタービン６０の冷媒供給部６８ｂとを連通している。通路１１０ｋは、タービン６０の冷媒排出部６９ｂと凝縮器８０の入口タンク８１とを連通している。
【００１７】
図１を参照して、内燃機関１１のウォータジャケット１５ｂから排出された冷媒（気相）は、通路１１０ａを通過して気液分離器３０に供給される。気液分離器３０は、供給された冷媒を気相の冷媒と液相の冷媒とに分離する装置である。気液分離器３０に貯留された液相の冷媒の一部は、通路１１０ｂを通過して蒸気発生器４０に供給される。
【００１８】
蒸気発生器４０は、供給された冷媒を内燃機関１１の廃熱によって加熱して蒸気にする装置である。本実施例においては、この内燃機関１１の廃熱の一例として、内燃機関１１の排気通路の排気の熱を用いている。具体的には蒸気発生器４０は、内燃機関１１の排気通路のうち、過熱器５０よりも排気流動方向で下流側の部分に配置されている。蒸気発生器４０は、この排気通路を通過する排気の熱によって、供給された冷媒を加熱して蒸気にしている。蒸気発生器４０から排出された冷媒（蒸気）は、通路１１０ｃを通過して気液分離器３０に供給される。
【００１９】
気液分離器３０内に存在する気相の冷媒は、通路１１０ｄを通過して過熱器５０に供給される。過熱器５０は、内燃機関１１の廃熱によって冷媒を過熱して、過熱蒸気にする装置である。本実施例においては、この内燃機関１１の廃熱の一例として、内燃機関１１の排気通路の排気の熱を用いている。具体的には過熱器５０は、内燃機関１１の排気通路のうち蒸気発生器４０よりも上流側の部分に配置されており、この排気通路を通過する排気の熱によって冷媒を過熱して過熱蒸気にしている。過熱器５０から排出された冷媒（過熱蒸気）は、通路１１０ｅを通過してタービン６０に供給される。なお、タービン６０の詳細については後述する。タービン６０から排出された冷媒（気相）は、通路１１０ｆを通過して凝縮器８０の入口タンク８１に供給される。
【００２０】
凝縮器８０は、供給された気相の冷媒を凝縮して液相の冷媒にする装置である。本実施例に係る凝縮器８０は、いわゆるラジエータである。凝縮器８０は、入口タンク８１と、凝縮部８２ａと、凝縮部８２ｂと、出口タンク８３ａと、出口タンク８３ｂとを備えている。入口タンク８１は、凝縮部８２ａおよび凝縮部８２ｂに共通の冷媒入口タンクである。出口タンク８３ａは、凝縮部８２ａ用の冷媒出口タンクである。出口タンク８３ｂは、凝縮部８２ｂ用の冷媒出口タンクである。凝縮部８２ａおよび凝縮部８２ｂは、入口タンク８１から流入した気相の冷媒を凝縮して液相の冷媒にする部位である。本実施例に係る凝縮部８２ａおよび凝縮部８２ｂは、それぞれ、複数のフィンを備えた細管を複数有している。入口タンク８１から凝縮部８２ａおよび凝縮部８２ｂの各々の細管に流入した気相の冷媒は、細管を通過する際に外気との間で熱交換を行う。それにより、冷媒は凝縮して液相の冷媒となる。凝縮部８２ａにおいて凝縮された液相の冷媒は出口タンク８３ａに流入し、凝縮部８２ｂにおいて凝縮された液相の冷媒は出口タンク８３ｂする。なお、出口タンク８３ａと出口タンク８３ｂとは連通していない。そのため、出口タンク８３ｂの冷媒が出口タンク８３ａに流入することは抑制されており、出口タンク８３ａの冷媒が出口タンク８３ｂに流入することも抑制されている。
【００２１】
本実施例において、凝縮部８２ｂは、凝縮部８２ａよりも、入口タンク８１の通路１１０ｆおよび通路１１０ｋが接続している部分に近い部分に配置されている。そのため、通路１１０ｆおよび通路１１０ｋを通過して入口タンク８１に供給された冷媒は、優先的に凝縮部８２ｂに流入する。
【００２２】
出口タンク８３ａの液相の冷媒は、通路１１０ｇを通過してキャッチタンク９０に供給される。キャッチタンク９０は、凝縮器８０の出口タンク８３ａから排出された冷媒を一時的に貯留するタンクである。ポンプ１００が稼動した場合、キャッチタンク９０の冷媒は通路１１０ｈを圧送されて、気液分離器３０に供給される。すなわち、ポンプ１００は、凝縮器８０において凝縮された後の冷媒（具体的には本実施例ではキャッチタンク９０に貯留された冷媒）を気液分離器３０に圧送する冷媒ポンプとしての機能を有している。ポンプ１００の具体的な種類は特に限定されるものではないが、本実施例においては、一例として、電動式の容積型ウォータポンプ、具体的には電動式の容積型ベーンポンプを用いる。なお、ポンプ１００は制御装置（図示せず）からの指示を受けて作動する。気液分離器３０に貯留された液相の冷媒の一部は、通路１１０ｉを通過してポンプ１２に供給されて、内燃機関１１のウォータジャケット１５ａに圧送される。
【００２３】
続いてタービン６０の詳細について説明する。図２を参照して、タービン６０は、ケーシング６１と、軸部６２と、軸部６２の一方の端部（図２では左側の端部）に接続したブレード６３と、軸部６２の他方の端部（図２では右側の端部）に接続した出力部６４と、軸受６５ａおよび軸受６５ｂと、シール部６６ａおよびシール部６６ｂとを備えている。なお、図２に図示されている軸線７０は、軸部６２の回転中心を示す線である。ケーシング６１は、ブレード６３、軸部６２、軸受６５ａ，６５ｂおよびシール部６６ａ，６６ｂを収容するケースである。
【００２４】
ケーシング６１には、前述した冷媒供給部６８ａ、冷媒排出部６９ａ、冷媒供給部６８ｂおよび冷媒排出部６９ｂが設けられている。本実施例において冷媒供給部６８ａは、超音速ノズルになっている。それにより、通路１１０ｅを通過して冷媒供給部６８ａに供給された過熱蒸気は、超音速ノズルを通過することで、その速度を効果的に上昇させてブレード６３に供給される。また、冷媒供給部６８ａの位置は、冷媒供給部６８ａから供給された過熱蒸気がブレード６３の外周部に衝突するように調整されている。
【００２５】
ブレード６３は、冷媒供給部６８ａから供給された過熱蒸気からの力を受けて回転する。ブレード６３が回転することで、ブレード６３に接続した軸部６２も軸線７０の回りを回転する。軸部６２が回転することで、軸部６２に接続した出力部６４も回転する。出力部６４は、タービン６０の出力を取り出す部位である。本実施例においては出力部６４の一例として、プーリを用いる。このプーリには、ベルトを介して発電機が接続されている。プーリが回転することで、発電機は発電する。このようにして、本実施例に係るランキンサイクルシステム２０は、内燃機関１１の廃熱（排気の熱）を電力として回収している。なお、出力部６４の具体的な構成は、タービン６０の出力を取り出すことが可能なものであれば、プーリに限定されるものではなく、例えばギヤ、スプロケット等であってもよい。
【００２６】
タービン６０のブレード６３に供給された後の冷媒は、冷媒排出部６９ａから排出されて、通路１１０ｆを通過して凝縮器８０の入口タンク８１に供給される。なお、過熱蒸気としての冷媒はタービン６０のブレード６３に供給されることで、膨張する。すなわち、本実施例に係るタービン６０は、ランキンサイクルシステム２０の膨張機としての機能を有する部材に相当する。
【００２７】
軸受６５ａおよび軸受６５ｂは、軸部６２を軸支する部材である。軸受６５ｂは、軸受６５ａよりも、軸線７０に沿った方向（以下、軸線方向と称する）でブレード６３に近い側に配置されている。軸受６５ａおよび軸受６５ｂの具体的な構成は、軸部６２を軸支できるものであれば、特に限定されるものではないが、本実施例においては、グリースが封入された玉軸受（すなわち、グリース封入ボールベアリング）を用いる。この軸受６５ａ，６５ｂは、転動体としての玉（ボール）と、玉を保持する保持部と、グリースと、グリースを軸受６５ａ，６５ｂの内部に封入するためのシール機構とを備えている。グリースは、玉を潤滑するように軸受６５ａ，６５ｂの内部に封入されている。それにより、軸受６５ａ，６５ｂの焼き付きが抑制されている。
【００２８】
本実施例において、シール部６６ａとシール部６６ｂと軸部６２とによって囲まれた領域には、液相の冷媒が供給される空間である冷却部６７が設けられている。冷却部６７には、凝縮器８０の出口タンク８３ｂから排出された液相の冷媒が、通路１１０ｊを通過して冷媒供給部６８ｂから流入する。すなわち、本実施例に係る通路１１０ｊは、凝縮器８０の凝縮部８２ｂから排出された液相の冷媒をタービン６０の軸部６２（具体的には軸部６２の周りに設けられた冷却部６７）に供給する供給通路としての機能を有している。なお、本実施例に係る冷却部６７は、軸受６５ａおよび軸受６５ｂよりも、軸線方向でブレード６３に近い側に配置されている。シール部６６ａおよびシール部６６ｂは、この冷却部６７の冷媒をシールしている。また、シール部６６ａおよびシール部６６ｂは、ケーシング６１の軸受６５ａ，６５ｂが収容されている部分に侵入した空気がケーシング６１のブレード６３が収容されている部分に侵入することも抑制している。
【００２９】
ここで、本実施例において、凝縮部８２ｂの冷媒が供給される部位である冷媒供給部８４は、軸部６２よりも重力方向で高い位置に配置されている。より具体的には本実施例に係る冷媒供給部８４は、軸部６２の軸線７０よりも重力方向で高い位置に配置されている。なお、本実施例において、冷媒供給部８４は、凝縮部８２ｂの最上部に設けられた穴である。入口タンク８１の冷媒は、この冷媒供給部８４を通過して、凝縮部８２ｂに供給される。このように冷媒供給部８４が軸部６２よりも高い位置に配置されていることにより、凝縮器８０の凝縮部８２ｂから排出された液相の冷媒を、重力を利用して、通路１１０ｊを通過させてタービン６０の軸部６２に供給することができる。そのため、本実施例において、通路１１０ｊに冷媒ポンプは配置されていない。
【００３０】
なお、冷媒供給部８４とタービン６０の軸部６２との間の垂直距離（重力方向で上下方向の距離）が長いほど、重力を利用して凝縮部８２ｂ内の冷媒を軸部６２に供給することが容易になる。一方、冷媒供給部８４と軸部６２との間の垂直距離を長くするために、冷媒供給部８４の地面からの高さを高くした場合、車両の高さ（車両のラジエータが収容されている部分の高さ）が高くなってしまう。また、タービン６０の軸部６２の地面からの高さを低くし過ぎた場合、車両の走行中にタービン６０が地面に接触する可能性がある。したがって、冷媒供給部８４とタービン６０の軸部６２との間の垂直距離をどの程度の値に設定するかは、車両の高さの制約や、タービン６０と地面との距離をどの程度確保する必要があるか等を考慮して、適切な値を設定すればよい。
【００３１】
タービン６０の冷却部６７に流入した冷媒は軸部６２を冷却する。具体的には、冷却部６７に流入した冷媒は、冷却部６７において低圧沸騰する。それにより、冷媒は顕熱によって軸部６２を冷却するのみならず、気化潜熱をも利用して軸部６２を冷却している。
【００３２】
軸部６２を冷却した後の冷媒は、冷媒排出部６９ｂから排出されて、通路１１０ｋを通過して凝縮器８０の入口タンク８１に供給される。なお、本実施例に係る冷媒排出部６９ｂは、冷媒供給部６８ｂよりも重力方向で高い位置に配置されている。具体的には、本実施例に係る冷媒排出部６９ｂは、冷却部６７の最も高い箇所（最上部）に対応するケーシング６１の部分に設けられている。また本実施例に係る冷媒供給部６８ｂは、冷却部６７の最も低い箇所（最下部）に対応するケーシング６１の部分に設けられている。このように冷媒排出部６９ｂが冷媒供給部６８ｂよりも重力方向で高い位置に配置されていることにより、冷却部６７において沸騰して蒸気となった冷媒を冷媒排出部６９ｂから容易に排出させることができる。
【００３３】
以上説明した冷却装置１のタービン６０の軸部６２の冷却時の動作について、フローチャートを用いて総括的に説明すると次のようになる。図３は内燃機関１１の始動後における冷却装置１の軸部６２の冷却時の動作の一例を示すフローチャートである。図４は内燃機関１１の運転停止後における冷却装置１の軸部６２の冷却時の動作の一例を示すフローチャートである。図３に示すように、内燃機関１１が始動した場合において（ステップＳ１）、内燃機関１１内の冷媒温度（具体的にはウォータジャケット１５ａまたはウォータジャケット１５ｂの冷媒温度）が所定値以上の場合、または蒸気発生器４０内の冷媒温度が所定値以上の場合（ステップＳ２でＹｅｓの場合）、過熱器５０から排出された過熱蒸気を受けてタービン６０は稼動する（ステップＳ３）。なお、ステップＳ２の所定値は、この所定値以上の温度の冷媒が内燃機関１１または蒸気発生器４０から気液分離器３０に供給され、その後、過熱器５０を経由してタービン６０のブレード６３に供給された場合に、タービン６０が稼動（回転）できる冷媒温度である。ステップＳ２の所定値の一例は、８０℃である。一方、ステップＳ２でＮｏの場合、タービン６０は稼動しない（ステップＳ４）。なお、ステップＳ２でＮｏの場合は、ランキンサイクルシステム２０が暖機中の場合に相当し、ステップＳ２でＹｅｓの場合はランキンサイクルシステム２０の暖機終了後の場合に相当する。
【００３４】
ステップＳ３においてタービン６０が稼動した場合、発電機は発電する。タービン６０が稼動した場合、タービン６０から排出された冷媒の凝縮器８０への供給も開始される。そして、凝縮器８０の凝縮部８２ｂから排出された液相の冷媒は、重力を利用してタービン６０の軸部６２に供給される。それにより、タービン６０の軸部６２は冷却される（ステップＳ５）。タービン６０の軸部６２を冷却した後の冷媒は、通路１１０ｋを通過して凝縮器８０に供給されて、通路１１０ｆから凝縮器８０に供給された冷媒と入口タンク８１内において混合される。そして、入口タンク８１の冷媒の一部は、冷媒供給部８４から凝縮部８２ｂに流入し、次いで出口タンク８３ｂに流入し、その後、通路１１０ｊを通過して再びタービン６０の軸部６２に供給される。以上説明した図３の処理は、内燃機関１１が稼動している間、繰り返し行われる。
【００３５】
また、図４に示すように、冷却装置１は、内燃機関１１の運転が停止した場合（ステップＳ１０）においても、タービン６０の軸部６２の冷却を実行する（ステップＳ１１）。具体的には、内燃機関１１の運転停止後においても、凝縮部８２ｂの冷媒は、重力を利用して軸部６２に供給される。その結果、内燃機関１１の運転が停止した後においても、軸部６２を冷却することができる。そして、軸部６２が高温の間は、軸部６２を冷却することで気相となった冷媒は再び凝縮部８２ｂに供給される。そのため、この内燃機関１１の運転停止後における軸部６２の冷却は、軸部６２が高温の間、継続される。
【００３６】
以上説明したように、本実施例に係る冷却装置１によれば、冷却装置１のランキンサイクルシステム２０が凝縮器８０の凝縮部８２ｂから排出された液相の冷媒をタービン６０の軸部６２に供給する通路１１０ｊ（供給通路）を備え、凝縮器８０の凝縮部８２ｂの冷媒供給部８４がタービン６０の軸部６２よりも重力方向で高い位置に配置されていることから、凝縮器８０の凝縮部８２ｂから排出された液相の冷媒を、重力を利用して、通路１１０ｊを通過させてタービン６０の軸部６２に供給することができる。それにより、凝縮器８０の凝縮部８２ｂから排出された液相の冷媒を冷媒ポンプによってタービン６０の軸部６２に供給する必要がないため、コストの上昇を抑制することができる。このように冷却装置１によれば、コストの上昇を抑制しつつタービン６０の軸部６２を冷却することができる。その結果、コストの上昇を抑制しつつ、タービン６０の軸受６５ａ，６５ｂが熱によって損傷することを抑制できる。
【００３７】
具体的には冷却装置１は、図２において説明したように、タービン６０の軸部６２の軸受としてグリースが封入された軸受６５ａ，６５ｂを用いている。ここで、仮に冷媒によって軸部６２が冷却されないことで軸受６５ａ，６５ｂが高温になった場合、軸受６５ａ，６５ｂの特にシール機構（グリースを封入するためのシール機構）が熱によって損傷する可能性が高い。この場合、グリースが軸受６５ａ，６５ｂから漏洩する可能性がある。これに対して、冷却装置１によれば、上述したように、コストの上昇を抑制しつつ軸部６２を冷却できることから、コストの上昇を抑制しつつ軸受６５ａ，６５ｂからのグリースの漏洩を抑制できる。また、冷却装置１によれば、図４において説明したように、内燃機関１１の運転停止後においても軸部６２の冷却が行われることから、内燃機関１１の運転停止後においてもグリースの漏洩を抑制できる。
【００３８】
なお、仮に冷却装置１が軸部６２の軸受としてグリース封入軸受以外の軸受を用いている場合であっても、軸部６２が冷却されない場合、軸受用の潤滑オイルをシールするシール機構が熱によって変形するといった損傷が生じる可能性がある。したがって、本実施例に係る冷却装置１は、軸部６２の軸受としてグリース封入軸受以外の軸受を備えたものに適用されても、コストの上昇を抑制しつつタービン６０の軸受の熱による損傷を抑制するという効果を発揮することができる。また冷却装置１によれば、コストの上昇を抑制しつつタービン６０の軸部６２を冷却できることから、コストの上昇を抑制しつつシール部６６ａ，６６ｂが熱によって損傷することも抑制できる。
【００３９】
なお、タービン６０の軸部６２に液相の冷媒を供給するためだけであれば、例えば、内燃機関１１のウォータジャケット１５ａ，１５ｂの液相の冷媒をタービン６０の軸部６２に供給する構成も考えられる。しかしながら、ウォータジャケット１５ａ，１５ｂの冷媒には、異物が混入している可能性が高い。そのため、ウォータジャケット１５ａ，１５ｂの冷媒をタービン６０の軸部６２に供給した場合、冷媒に混入した異物によって例えばシール部６６ａ，６６ｂが損傷する可能性がある。これに対して、本実施例のように、凝縮部８２ｂから排出された液相の冷媒は、気相の冷媒が凝縮したものであるため、異物を含んでいる可能性が極めて低い。そのため、本実施例に係る冷却装置１によれば、冷媒に含まれる異物によってシール部６６ａ，６６ｂが損傷することも抑制できる。
【００４０】
また、上述したようにウォータジャケット１５ａ，１５ｂの冷媒をタービン６０の軸部６２に供給しようとした場合、冷媒に含まれる異物をフィルタによって除去してから軸部６２に供給することも考えられる。しかしながら、この場合、フィルタを設ける分、コストが大幅に上昇する可能性がある。これに対して本実施例に係る冷却装置１によれば、このようなフィルタを必要としない点においても、コストの上昇を効果的に抑制できる。
【００４１】
なお、図２において説明したように本実施例に係る冷却部６７は軸受６５ａ，６５ｂよりも軸線方向でブレード６３に近い側に配置されているが、冷却部６７の配置箇所は、軸部６２を冷却可能な箇所であれば、これに限定されるものではない。他の例を挙げると、例えば冷却部６７は、軸受６５ａ，６５ｂよりも軸線方向でブレード６３から遠い側に配置されていてもよく、あるいは軸受６５ａと軸受６５ｂとの間の部分に配置されていてもよい。但し、本実施例のように冷却部６７が軸受６５ａ，６５ｂよりも軸線方向でブレード６３に近い側に配置されていることにより、ブレード６３の熱が軸部６２を介して軸受６５ａ，６５ｂに伝達する前に、冷却部６７の冷媒によってこの熱を奪うことができる。それにより、軸受６５ａ，６５ｂが高温になることを効果的に抑制できる。
【００４２】
また冷却装置１は、以下に説明する比較例に係る冷却装置に比較して、以下の効果を奏することもできる。まず、第１の比較例として、本実施例のように内燃機関１１の冷媒によってタービン６０の軸部６２を冷却する代わりに、タービン６０の軸部６２の冷却のためだけに、油冷装置を備えた冷却装置を想定する。この第１の比較例に係る油冷装置は、オイルを冷却部６７に供給するオイルポンプと、オイルを冷却するオイルクーラと、オイルから異物を除去するオイルフィルター（微細なメッシュを有するオイルフィルター）とを備えている。この第１の比較例に係る冷却装置の場合、タービン６０の軸部６２を冷却すること自体は可能と考えられるが、油冷装置を備えることにより、冷却装置全体の構成が複雑化するとともに、コストも大幅に上昇してしまう。これに対して、本実施例に係る冷却装置１によれば、油冷装置を備えずにタービン６０の軸部６２を冷却できることから、第１の比較例に係る冷却装置に比較して冷却装置１の構成の複雑化を抑制できるとともにコストの上昇も抑制できる。
【００４３】
また、第２の比較例として、図１に示す通路１１０ｈのポンプ１００よりも下流側の一部を分岐させてタービン６０の冷媒供給部６８ｂに接続することで、キャッチタンク９０から排出された冷媒をポンプ１００によってタービン６０の軸部６２に供給する冷却装置を想定する。この第２の比較例に係る冷却装置の場合、通路１１０ｈの内圧が高いため（これは内燃機関１１のウォータジャケット１５ｂ側の高圧が通路１１０ｈにかかることによるものである）、通路１１０ｈを介してタービン６０の軸部６２に供給される冷媒の圧力も高圧となる可能性がある。この場合、軸部６２に供給された冷媒が低圧沸騰することが困難になる可能性がある。軸部６２に供給された冷媒が低圧沸騰できなかった場合、冷媒は顕熱のみで軸部６２を冷却することになるため、効果的に軸部６２を冷却することが困難になる。また、第２の比較例の場合、仮に軸部６２に供給された冷媒が沸騰することができたとしても、この冷媒は本実施例に係る冷却装置１の場合よりも高圧であることから、この冷媒の沸騰温度は本実施例の場合よりも高くなる。この点においても、第２の比較例の場合、軸部６２を効果的に冷却することは困難である。これに対して本実施例に係る冷却装置１によれば、軸部６２に供給された冷媒は容易に低圧沸騰することができることから、冷媒の顕熱のみならず気化潜熱をも利用して効果的に軸部６２を冷却できる。したがって、本実施例に係る冷却装置１による軸部６２の冷却性能は第２の比較例に比較して高い。
【００４４】
また本実施例に係る冷却装置１によれば、前述したように、タービン６０の軸部６２がグリースが封入された軸受６５ａ，６５ｂによって軸支されていることから、軸受６５ａ，６５ｂの焼き付きを抑制できるとともに、さらに以下に説明する第３の比較例と比較して以下の効果を奏することもできる。
【００４５】
具体的には第３の比較例に係る冷却装置として、タービン６０の軸部６２の軸受用の潤滑オイルとして、内燃機関１１の潤滑オイルを用いた冷却装置を想定する。より具体的には、この第３の比較例に係る冷却装置は、内燃機関１１の潤滑オイルをオイルポンプによってタービン６０の軸部６２の軸受に供給する構成を有している。この第３の比較例によっても、タービン６０の軸受に供給された潤滑オイルによって、この軸受の焼き付きを抑制することは可能である。しかしながら、内燃機関１１の潤滑オイルの温度は高温であるため、第３の比較例の場合、軸受の性能を十分に発揮させるには、オイルクーラで潤滑オイルを冷却した後に軸受に供給する必要がある。この場合、冷却装置のコストが大幅に上昇する可能性がある。これに対して、本実施例に係る冷却装置１によれば、オイルクーラを備えることなく、タービン６０の軸部６２を軸支できるため、第３の比較例に比較して冷却装置１のコストの上昇を抑制できる。また、第３の比較例に係る冷却装置の場合、内燃機関１１の潤滑オイルに含まれる微小な異物がオイルフィルターを通過して軸受に流入する可能性もある。この場合、軸受が異物によって損傷する可能性がある。これに対して冷却装置１によれば、軸受６５ａ，６５ｂへの異物の混入のおそれがないため、異物による軸受６５ａ，６５ｂの損傷も抑制されている。
【００４６】
また本実施例に係る冷却装置１によれば、図１において前述したように、凝縮部８２ｂは、凝縮部８２ａよりも入口タンク８１の通路１１０ｆおよび通路１１０ｋが接続している部分に近い部分に配置されていることから、通路１１０ｆおよび通路１１０ｋを通過して入口タンク８１に供給された冷媒を優先的に凝縮部８２ｂに流入させることができる。それにより、凝縮部８２ｂに流入する冷媒の量が不足することを抑制できる。その結果、凝縮部８２ｂからタービン６０の軸部６２に供給される冷媒の量が不足することを抑制できる。
【００４７】
以上本発明の好ましい実施形態について詳述したが、本発明はかかる特定の実施形態に限定されるものではなく、特許請求の範囲に記載された本発明の要旨の範囲内において、種々の変形・変更が可能である。
【符号の説明】
【００４８】
１  内燃機関の冷却装置
１０  沸騰冷却システム
１１  内燃機関
２０  ランキンサイクルシステム
５０  過熱器
６０  タービン
６２  軸部
６５ａ，６５ｂ  軸受
８０  凝縮器
８４  冷媒供給部
１１０ａ〜１１０ｋ  通路
【図１】
2016037852.tif 000003
【図２】
2016037852.tif 000004
【図３】
2016037852.tif 000005
【図４】
2016037852.tif 000006
【手続補正書】
【提出日】平成27年8月31日(2015.8.31)
【手続補正１】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
冷媒が内燃機関において沸騰することで前記内燃機関を冷却する沸騰冷却システムと、前記内燃機関から排出された冷媒を過熱する過熱器と前記過熱器から排出された冷媒が供給されるタービンと前記タービンから排出された冷媒を凝縮する凝縮器とを有するランキンサイクルシステムと、を備える内燃機関の冷却装置において、
前記ランキンサイクルシステムは、前記凝縮器から排出された液相の冷媒を前記タービンの軸部に供給する供給通路を備え、
前記凝縮器の冷媒が供給される部位である冷媒供給部は、前記タービンの前記軸部よりも重力方向で高い位置に配置されている、内燃機関の冷却装置。
【請求項２】
前記タービンの前記軸部は、グリースが封入された軸受によって軸支されている請求項１の内燃機関の冷却装置。
【請求項３】
前記タービンの前記軸部で液相から気相になった冷媒を前記冷媒供給部に供給する通路を備えた、請求項１又は２の内燃機関の冷却装置。
【手続補正２】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】０００６
【補正方法】変更
【補正の内容】
【０００６】
本発明に係る内燃機関の冷却装置は、冷媒が内燃機関において沸騰することで前記内燃機関を冷却する沸騰冷却システムと、前記内燃機関から排出された冷媒を過熱する過熱器と前記過熱器から排出された冷媒が供給されるタービンと前記タービンから排出された冷媒を凝縮する凝縮器とを有するランキンサイクルシステムと、を備える内燃機関の冷却装置において、前記ランキンサイクルシステムは、前記凝縮器から排出された液相の冷媒を前記タービンの軸部に供給する供給通路を備え、前記凝縮器の冷媒が供給される部位である冷媒供給部は、前記タービンの前記軸部よりも重力方向で高い位置に配置されている。
【手続補正３】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】０００７
【補正方法】変更
【補正の内容】
【０００７】
本発明に係る内燃機関の冷却装置によれば、凝縮器で液相となった冷媒を、重力を利用して、供給通路を通過させてタービンの軸部に供給することができる。それにより、タービンの軸部を冷却することができる。また、凝縮器から排出された液相の冷媒を冷媒ポンプによってタービンの軸部に供給する必要がないため、コストの上昇を抑制することができる。
【手続補正４】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】０００８
【補正方法】変更
【補正の内容】
【０００８】
上記構成において、前記タービンの前記軸部は、グリースが封入された軸受によって軸支されていてもよい。この構成によれば、封入されたグリースによって軸受を潤滑することができる。それにより、軸受の焼き付きを抑制することができる。また、内燃機関の潤滑オイルをタービンの軸受に供給することで、軸受の焼き付きを抑制する場合に比較して、コストの上昇を抑制することができる。上記構成において、前記タービンの前記軸部で液相から気相になった冷媒を前記冷媒供給部に供給する通路を備えてもよい。
【手続補正５】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００２０
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００２０】
凝縮器８０は、供給された気相の冷媒を凝縮して液相の冷媒にする装置である。本実施例に係る凝縮器８０は、いわゆるコンデンサである。凝縮器８０は、入口タンク８１と、凝縮部８２ａと、凝縮部８２ｂと、出口タンク８３ａと、出口タンク８３ｂとを備えている。入口タンク８１は、凝縮部８２ａおよび凝縮部８２ｂに共通の冷媒入口タンクである。出口タンク８３ａは、凝縮部８２ａ用の冷媒出口タンクである。出口タンク８３ｂは、凝縮部８２ｂ用の冷媒出口タンクである。凝縮部８２ａおよび凝縮部８２ｂは、入口タンク８１から流入した気相の冷媒を凝縮して液相の冷媒にする部位である。本実施例に係る凝縮部８２ａおよび凝縮部８２ｂは、それぞれ、複数のフィンを備えた細管を複数有している。入口タンク８１から凝縮部８２ａおよび凝縮部８２ｂの各々の細管に流入した気相の冷媒は、細管を通過する際に外気との間で熱交換を行う。それにより、冷媒は凝縮して液相の冷媒となる。凝縮部８２ａにおいて凝縮された液相の冷媒は出口タンク８３ａに流入し、凝縮部８２ｂにおいて凝縮された液相の冷媒は出口タンク８３ｂに流入する。なお、出口タンク８３ａと出口タンク８３ｂとは連通していない。そのため、出口タンク８３ｂの冷媒が出口タンク８３ａに流入することは抑制されており、出口タンク８３ａの冷媒が出口タンク８３ｂに流入することも抑制されている。
【手続補正６】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００３４
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００３４】
ステップＳ３においてタービン６０が稼動した場合、発電機は発電する。タービン６０が稼動した場合、タービン６０から排出された冷媒の凝縮器８０への供給も開始される。そして、凝縮器８０の凝縮部８２ｂで液相となった冷媒は、重力を利用してタービン６０の軸部６２に供給される。それにより、タービン６０の軸部６２は冷却される（ステップＳ５）。タービン６０の軸部６２を冷却した後の冷媒は、通路１１０ｋを通過して凝縮器８０に供給されて、通路１１０ｆから凝縮器８０に供給された冷媒と入口タンク８１内において混合される。そして、入口タンク８１の冷媒の一部は、冷媒供給部８４から凝縮部８２ｂに流入し、次いで出口タンク８３ｂに流入し、その後、通路１１０ｊを通過して再びタービン６０の軸部６２に供給される。以上説明した図３の処理は、内燃機関１１が稼動している間、繰り返し行われる。
【手続補正７】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００３５
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００３５】
また、図４に示すように、冷却装置１は、内燃機関１１の運転が停止した場合（ステップＳ１０）においても、タービン６０の軸部６２の冷却を実行する（ステップＳ１１）。具体的には、内燃機関１１の運転停止後においても、凝縮部８２ｂの冷媒は、重力を利用して軸部６２に供給される。その結果、内燃機関１１の運転が停止した後においても、軸部６２を冷却することができる。そして、軸部６２が高温の間は、軸部６２を冷却することで気相となった冷媒は通路１１０ｋを通過して再び凝縮部８２ｂに供給される。そのため、この内燃機関１１の運転停止後における軸部６２の冷却は、軸部６２が高温の間、継続される。
【手続補正８】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００３６
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００３６】
以上説明したように、本実施例に係る冷却装置１によれば、冷却装置１のランキンサイクルシステム２０が凝縮器８０の凝縮部８２ｂから排出された液相の冷媒をタービン６０の軸部６２に供給する通路１１０ｊ（供給通路）を備え、凝縮器８０の凝縮部８２ｂの冷媒供給部８４がタービン６０の軸部６２よりも重力方向で高い位置に配置されていることから、凝縮器８０の凝縮部８２ｂで液相となった冷媒を、重力を利用して、通路１１０ｊを通過させてタービン６０の軸部６２に供給することができる。それにより、凝縮器８０の凝縮部８２ｂから排出された液相の冷媒を冷媒ポンプによってタービン６０の軸部６２に供給する必要がないため、コストの上昇を抑制することができる。このように冷却装置１によれば、コストの上昇を抑制しつつタービン６０の軸部６２を冷却することができる。その結果、コストの上昇を抑制しつつ、タービン６０の軸受６５ａ，６５ｂが熱によって損傷することを抑制できる。