(57)【要約】【課題】沸点の異なる２種の冷媒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おいて、凝縮器の内部での冷媒の凍結を抑制する。【解決手段】ランキンサイクルシステムは、水とＬＬＣとが混合された冷媒へ内燃機関の廃熱を付与して、冷媒を蒸気化する沸騰器と、沸騰器から送出される気液二相の冷媒を気相冷媒と液相冷媒とに分離する気液分離器と、気液分離器から送出される気相冷媒を過熱させる過熱器と、過熱器を通過した気相冷媒を膨張させて仕事を取り出す膨張機と、膨張機を通過した気相冷媒を凝縮させて液相冷媒に戻す凝縮器と、を備える。また、ランキンサイクルシステムは、気液分離器の内部の液相冷媒を凝縮器に導入するための冷媒通路と、当該冷媒通路に設けられた制御弁とを備え、凝縮器の内部で凍結が発生することを検知した場合に制御弁を開弁するように構成されている。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
第１冷媒と前記第１冷媒の沸点よりも沸点が高い第２冷媒とが混合された冷媒へ内燃機関の廃熱を付与して、前記冷媒を蒸気化する沸騰器と、
前記沸騰器から送出される気液二相の冷媒を気相冷媒と液相冷媒とに分離する気液分離器と、
前記気液分離器から送出される気相冷媒を前記内燃機関の排気との熱交換によって過熱させる過熱器と、
前記過熱器を通過した気相冷媒を膨張させて仕事を取り出す膨張機と、
前記膨張機を通過した気相冷媒を凝縮させて液相冷媒に戻す凝縮器と、を備えるランキンサイクルシステムにおいて、
前記気液分離器の内部の液相冷媒を前記凝縮器又は当該凝縮器と前記沸騰器とを接続する冷媒管に導入するための冷媒通路と、
前記冷媒通路の開閉を行うための制御弁と、
前記凝縮器の内部で凍結が発生することを検知する検知手段と、
前記検知手段によって凍結が検知された場合に、前記制御弁を開弁する弁制御手段と、
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】
特許文献１には、沸点の異なる２つの冷媒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が開示されている。このランキンサイクルシステムでは、エンジンがランキンサイクルの沸騰器として利用される。水とＬＬＣを混合した混合冷媒を用いて沸騰冷却を行うと、沸点の低い水が沸騰し沸点の高いＬＬＣは残留する。その結果、エンジン内の冷媒のＬＬＣ濃度が高くなり、逆に凝縮器（コンデンサ）において凝縮した冷媒（凝縮水）のＬＬＣ濃度は低くなる。上記特許文献１の技術では、エンジン内の冷媒のＬＬＣ濃度が高くなることを防ぐために、ウォータポンプを稼動して凝縮水タンクに貯留された水をエンジンへ再循環させることが行なわれる。これにより、エンジン冷却効率が低下してしまうことが防がれる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２０１２−１０２６４４号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
上述したように、沸点の異なる２種の冷媒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では、エンジン内の冷媒のＬＬＣ濃度は高くなり、逆に凝縮器内の冷媒のＬＬＣ濃度は低くなる。ここで、ＬＬＣ濃度が低くなると凝固点が高くなる。このため、寒冷地等の低温環境下においては、凝縮器内の冷媒が凍結し易いという問題がある。上記特許文献１の技術では、凝縮器内のＬＬＣ濃度が低くなることによる問題に対しては何ら考察がなされておらず、未だ改善の余地が残されている。
【０００５】
本発明は、上述のような課題に鑑みてなされたもので、沸点の異なる２種の冷媒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おいて、凝縮器の内部での冷媒の凍結を抑制することの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】
【０００６】
本発明は、上記の目的を達成するため、
第１冷媒と前記第１冷媒の沸点よりも沸点が高い第２冷媒とが混合された冷媒へ内燃機関の廃熱を付与して、前記冷媒を蒸気化する沸騰器と、
前記沸騰器から送出される気液二相の冷媒を気相冷媒と液相冷媒とに分離する気液分離器と、
前記気液分離器から送出される気相冷媒を前記内燃機関の排気との熱交換によって過熱させる過熱器と、
前記過熱器を通過した気相冷媒を膨張させて仕事を取り出す膨張機と、
前記膨張機を通過した気相冷媒を凝縮させて液相冷媒に戻す凝縮器と、を備えるランキンサイクルシステムにおいて、
前記気液分離器の内部の液相冷媒を前記凝縮器又は当該凝縮器と前記沸騰器とを接続する冷媒管に導入するための冷媒通路と、
前記冷媒通路の開閉を行うための制御弁と、
前記凝縮器の内部で凍結が発生することを検知する検知手段と、
前記検知手段によって凍結が検知された場合に、前記制御弁を開弁する弁制御手段と、
を備えることを特徴としている。
【発明の効果】
【０００７】
本発明によれば、凝縮器の内部で凍結が発生することが検知された場合に、気液分離器内に貯留されている液相の冷媒が凝縮器の内部に導入される。これにより、凝縮器の内部の冷媒の凝固点を下げることができるので、凝縮器の内部での冷媒の凍結を有効に抑制することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【０００８】
【図１】本発明の実施の形態１のランキンサイクルシステムの構成を示す図である。
【図２】水とエチレングリコールの飽和蒸気曲線を比較した図である。
【図３】本発明の実施の形態１のランキンサイクルシステムが実行するルーチンのフローチャートである。
【図４】ランキンサイクルシステムにおいて制御弁の操作を実行した場合の効果を説明するためのタイムチャートである。
【図５】本発明の実施の形態１のランキンサイクルシステムの構成の変形例を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【０００９】
以下、図面を参照して本発明の実施の形態について説明する。ただし、以下に示す実施の形態において各要素の個数、数量、量、範囲等の数に言及した場合、特に明示した場合や原理的に明らかにその数に特定される場合を除いて、その言及した数に、この発明が限定されるものではない。また、以下に示す実施の形態において説明する構造やステップ等は、特に明示した場合や明らかに原理的にそれに特定される場合を除いて、この発明に必ずしも必須のものではない。
【００１０】
実施の形態１．
１．ランキンサイクルシステムの構成
図１は、実施の形態１のランキンサイクルシステム１００の構成を示す図である。実施の形態１のランキンサイクルシステム１００は、内燃機関（エンジン）１０を含み車両に搭載された車両用ランキンサイクルシステムとして構成されている。エンジン１０の種別や構造には限定はない。ただし、エンジン１０のシリンダブロック及びシリンダヘッドには、エンジン１０を循環する冷媒が流れる冷媒流路１２が形成されている。冷媒流路１２は、シリンダの周囲を囲むウォータージャケットを含む。エンジン１０は、冷媒流路１２を流れる冷媒との熱交換によって冷却される。本実施の形態では、第２冷媒としてのＬＬＣ（エチレングリコール）に第１冷媒としての水を混合して規定のＬＬＣ濃度に調整された冷媒が用いられている。
【００１１】
エンジン１０は、冷媒流路１２内を流通する冷媒をエンジン１０の廃熱により沸騰させてその一部を蒸気化することにより冷却される。つまり、冷媒流路１２は、内部を流れる液相の冷媒をエンジン１０の熱によって沸騰させる沸騰器として機能する。なお、冷媒流路１２は、エンジン１０の内部を流通可能な通路であれば、その構成は特に限定されない。
【００１２】
エンジン１０の冷媒流路１２は、冷媒管１４を介して気液分離器１６に接続されている。エンジン１０の熱により冷媒が沸騰されると、冷媒流路１２からは気相冷媒とともに液相冷媒が吐出される。気液分離器１６は、気液分離器１６内に流入した気液二相の冷媒を液相冷媒と気相冷媒とに分離する。気液分離器１６の下部は、冷媒管１８を介して第１ウォータポンプ２０に接続されている。気液分離器１６で分離された液相冷媒は、冷媒管１８を経由して第１ウォータポンプ２０に流入し、第１ウォータポンプ２０により冷媒流路１２に送られる。
【００１３】
また、ランキンサイクルシステム１００は、蒸発器１３を備えている。蒸発器１３は、エンジン１０の排気通路２２に設けられている。気液分離器１６の下部は、冷媒管１１を介して蒸発器１３にも接続されている。蒸発器１３には、気液分離器１６から液相冷媒が導入される。導入された液相冷媒は、排気通路２２を流れる排気ガスとの熱交換によって過熱されて沸騰しその一部が蒸気となる。蒸気となった気相冷媒は、冷媒管１５を介して再び気液分離器１６へと導入される。
【００１４】
気液分離器１６は、冷媒管２８を介して過熱器３０に接続されている。過熱器３０は、エンジン１０の排気通路２２において蒸発器１３の上流に設けられている。気液分離器１６では気相冷媒と液相冷媒が共存しているため、気相冷媒は飽和蒸気となっている。過熱器３０に入った気相冷媒は、排気通路２２を流れる排気ガスとの熱交換によって過熱蒸気となる。なお、過熱器３０は必ずしも排気通路２２の途中に別途設けられている必要はなく、排気熱を吸収可能な構成であれば、排気マニホールドと一体化されていてもよい。
【００１５】
過熱器３０は、冷媒管３２を介して膨張機であるタービン３４に接続されている。タービン３４では、過熱器３０から送られた気相冷媒（過熱蒸気）を膨張させて仕事を取り出すことが行われる。冷媒管３２とタービン３４との接続部には、超音速ノズル３５が設けられている。気相冷媒は超音速ノズル３５からタービン３４に噴きつけられ、タービン３４を回転させる。タービン３４の回転は、図示しない減速機を介してエンジン１０の出力軸に伝えられる。つまり、タービン３４で取り出された仕事は、エンジン１０のアシストに用いられる。ただし、タービン３４により発電機を駆動し、発生した電気を蓄電池に蓄えるように構成することもできる。
【００１６】
タービン３４で膨張した気相冷媒は、冷媒管３６を介してコンデンサ（凝縮器）４０に送られる。コンデンサ４０に送られた気相冷媒は、コンデンサ４０により冷却されて凝縮し、液相冷媒に戻される。気相冷媒の凝縮により生じた液相冷媒は、コンデンサ４０から冷媒管４２を介してキャッチタンク４４に送られ、キャッチタンク４４に一時的に貯留される。キャッチタンク４４は、冷媒管４６を介して冷媒管１８の途中に接続されている。冷媒管４６には、第２ウォータポンプ４８が設けられている。第２ウォータポンプ４８は、キャッチタンク４４に貯留された液相冷媒を冷媒管１８に送るためのポンプである。
【００１７】
さらに、ランキンサイクルシステム１００は、気液分離器１６の内部の液相冷媒をコンデンサ４０内に導入するための制御弁５０及び冷媒管５２を備えている。制御弁５０は例えば電磁弁として構成された開閉弁であり、気液分離器１６の下部と冷媒管３６の途中とを接続する冷媒管５２の途中に設けられている。なお、冷媒管５２は気液分離器１６で分離された液相冷媒をコンデンサ４０内に導入するための経路を構成するものであるから、その接続先は冷媒管３６の途中に限らず、直接コンデンサ４０に接続されていてもよい。また、冷媒管５２の接続元は気液分離器１６内の液相冷媒が導出される位置であればよいので、気液分離器１６内の液面よりも下方の位置に接続されていればよい。
【００１８】
ランキンサイクルシステム１００は各種のセンサとＥＣＵ（Electronic Control Unit）７０を備えている。ランキンサイクルシステム１００が備えるセンサには、コンデンサ４０内の冷媒温度Ｔ１を計測するための温度センサ７２が含まれる。ＥＣＵ７０は、エンジン１０を含むランキンサイクルシステム１００の全体の運転を制御する制御装置である。ＥＣＵ７０は、少なくとも入出力インターフェースとメモリと演算処理装置（ＣＰＵ）とを備えている。入出力インターフェースは、上述した温度センサ７２を含む各種センサからセンサ信号を取り込むとともに、アクチュエータに対して操作信号を出力するために設けられる。ＥＣＵ７０が操作信号を出すアクチュエータには、制御弁５０とウォータポンプ２０，４８が含まれる。メモリには、各種の制御プログラムおよびマップ等が記憶されている。ＣＰＵは、制御プログラム等をメモリから読み出して実行し、取り込んだセンサ信号に基づいて各種アクチュエータの操作信号を生成する。
【００１９】
２．ランキンサイクルシステムの動作
上記構成において説明したように、ランキンサイクルシステム１００は、冷媒管５２の途中に制御弁５０を備え、この制御弁５０はＥＣＵ７０によって操作される。以下、ランキンサイクルシステム１００の特徴的動作である制御弁５０の動作について図面を参照して説明する。
【００２０】
上述した図１において、太い実線は液相冷媒が流れている管路を意味し、太い点線は気相冷媒が流れている管路を意味している。ランキンサイクルシステム１００では、冷媒流路１２から気液分離器１６を経て過熱器３０に達し、過熱器３０からタービン３４を経てコンデンサ４０に至る気相冷媒の経路が作られる。第１ウォータポンプ２０によりエンジン１０に送られた液相冷媒は、冷媒流路１２においてエンジン１０の廃熱を受け取って沸騰し、高温高圧の気相冷媒となる。冷媒流路１２から出た気相冷媒は、気液分離器１６で液相冷媒と分離されて過熱器３０に送られ、過熱器３０においてエンジン１０の廃熱をさらに受け取って過熱蒸気となる。過熱蒸気は、タービン３４において膨張する際に仕事をし、コンデンサ４０において再び液相冷媒に戻される。コンデンサ４０で発生した液相冷媒は、キャッチタンク４４に蓄えられる。そして、気液分離器１６に蓄えられている液相冷媒の液面の高さが下限以下になったとき、第２ウォータポンプ４８が作動してキャッチタンク４４から冷媒管４６及び冷媒管１８を介して気液分離器１６に液相冷媒が送られる。
【００２１】
ここで、ランキンサイクルシステム１００では、水とエチレングリコール（ＬＬＣ）の混合冷媒が用いられている。図２には、水とエチレングリコールの飽和蒸気曲線を比較した図を示している。この図に示すように、エチレングリコールの沸点は水の沸点に比べて高い。このため、混合冷媒が沸騰すると水が優先的に蒸発し、エチレングリコールはほとんど蒸発しないこととなる。つまり、ランキンサイクルシステム１００では、上述した気相冷媒の経路は蒸発した水が流通し、エチレングリコール（ＬＬＣ）は冷媒流路１２内又は気液分離器１６内に液相冷媒として留まることとなる。このため、冷媒流路１２内及び気液分離器１６内の液相冷媒はＬＬＣの濃度が高くなり、逆にコンデンサ４０内及びキャッチタンク４４内の液相冷媒はＬＬＣの濃度が低くなる。
【００２２】
ＬＬＣ濃度が低下すると、それに伴い凝固点が上昇する。このため、寒冷地等の極低温環境下においてランキンサイクルシステム１００を動作する場合においては、コンデンサ４０内で液相冷媒が凍結し易くなってしまう。そこで、実施の形態１のランキンサイクルシステム１００では、制御弁５０の開閉を制御することにより、コンデンサ４０内での冷媒の凍結を抑制することとしている。
【００２３】
３．制御弁の操作の詳細
図３は、実施の形態１の制御弁操作の制御フローを示すフローチャートである。ＥＣＵ７０のメモリには、この制御フローに対応する制御プログラムが記憶されている。上述のランキンサイクルシステム１００の動作は、この制御フローに従ってＥＣＵ７０が制御弁５０を操作することによって実現される。このとき、ＥＣＵ７０は弁制御手段として機能する。
【００２４】
図３に示す制御フローは、ランキンサイクルシステム１００が稼動されている状態において所定の制御周期で繰り返し実行される。図３に示す制御フローでは、まず、コンデンサ４０内の冷媒温度Ｔ１が判定値以下か否かが判定される（ステップＳ１）。冷媒温度Ｔ１は、温度センサ７２によって計測された値が用いられる。また、コンデンサ４０内の冷媒は主として水で構成されているため、判定値は水の凝固点を用いることができる。なお、凝固点は圧力によっても変化するため、コンデンサ４０内の圧力を計測して判定値に反映させてもよい。その結果、冷媒温度Ｔ１≦判定値の成立が認められない場合には、コンデンサ４０内での冷媒の凍結はないと判断されて、次のステップに移行して、制御弁５０が閉弁される（ステップＳ２）。一方、上記ステップＳ１において、冷媒温度Ｔ１≦判定値の成立が認められた場合には、コンデンサ４０内での冷媒の凍結が発生すると判断されて、次のステップに移行して、制御弁５０が開弁される（ステップＳ３）。
【００２５】
４．ランキンサイクルシステムの効果
図４は、ランキンサイクルシステム１００において制御弁５０の操作を実行した場合の効果を説明するためのタイムチャートである。なお、この図中の第１のタイムチャートは比較例として制御弁５０を備えていないランキンサイクルシステムでのコンデンサ内の冷媒温度の時間変化を示している。また、第２のタイムチャートは、制御弁５０を備えるランキンサイクルシステムでのコンデンサ内の冷媒温度の時間変化を示している。そして、第３のタイムチャートは、制御弁５０の開閉状態を示している。第１のチャートに示すように、比較例のランキンサイクルでは、コンデンサ４０内の冷媒温度が時間ｔ１において凝固点まで低下したとしても、凝固点は変化しない。このため、時間ｔ１以降はコンデンサ４０内の冷媒温度が凝固点を下回ってしまい、コンデンサ４０内での冷媒の凍結が発生してしまう。
【００２６】
これに対して、第２及び第３のチャートに示すように、実施の形態１のランキンサイクルシステム１００では、コンデンサ４０内の冷媒温度が時間ｔ１において凝固点まで低下すると、制御弁５０が開弁される。制御弁５０が開弁されると、気液分離器１６内の液相冷媒が冷媒管５２を介してコンデンサ４０内に導入される。気液分離器１６内の液相の冷媒はＬＬＣ濃度が高いため、コンデンサ４０内の冷媒の凝固点は制御弁５０の開弁によって低下する。これにより、時間ｔ１以降もコンデンサ４０内の冷媒温度が凝固点を下回ることが回避されるので、コンデンサ４０内での冷媒の凍結が抑制される。
【００２７】
このように、実施の形態１のランキンサイクルシステム１００によれば、コンデンサ４０内での冷媒の凍結が発生する場合に、コンデンサ４０内の冷媒の凝固点を下げることができるので、コンデンサ４０内での冷媒の凍結が抑制される。
【００２８】
ところで、上述した実施の形態１のランキンサイクルシステム１００では、エチレングリコール（ＬＬＣ）に水を混合した冷媒を用いることとしたが、使用される冷媒はこれに限られない。すなわち、沸点の異なる２種以上の冷媒が混合されていれば、コンデンサ４０内の冷媒のＬＬＣ濃度が気液分離器１６内の冷媒のＬＬＣ濃度よりも低い状態になるため、制御弁５０を開弁することによる凍結抑制の効果を得ることができる。
【００２９】
また、上述した実施の形態１のランキンサイクルシステム１００では、コンデンサ４０内の冷媒温度Ｔ１と判定値との比較によってコンデンサ４０内の冷媒が凍結することを判定する構成とした。しかしながら、コンデンサ４０内の冷媒の凍結を判定する方法はこれに限られない。すなわち、冷媒温度Ｔ１は、キャッチタンク４４内に貯留された冷媒の温度を代用してもよいし、また、コンデンサ４０の内圧、キャッチタンク４４の内圧、超音速ノズル３５の出口圧、タービン３４の出口圧及び外気温度等、他の状態量に基づいて冷媒温度Ｔ１を推定してもよい。また、判定値は、必ずしも正確な凝固点である必要はなく、凝固点よりも若干高温側の値に設定して凍結を事前に検知する構成としてもよい。
【００３０】
また、上述した実施の形態１のランキンサイクルシステム１００では、コンデンサ４０内の冷媒が凍結する場合に制御弁５０を開弁することとしているが、閉弁されていた制御弁５０を開弁すると、気液分離器１６がコンデンサ４０内の負圧に引かれて減圧沸騰するおそれがある。そこで、実施の形態１のランキンサイクルシステム１００では、冷媒管５２に別途絞りを設けて制御弁５０の開弁時の流量を減らすように構成してもよい。また、別途絞りを設けることに替えて、制御弁５０を開度調整可能な構成とし、弁の開度を絞ることで対応してもよい。
【００３１】
また、上述した実施の形態１のランキンサイクルシステム１００では、コンデンサ４０内の冷媒が凍結する場合に、気液分離器１６内の冷媒をコンデンサ４０内に導入することとしているが、別途設けられたＬＬＣタンクから冷媒を導入する構成でもよい。図５は、実施の形態１のランキンサイクルシステム１００の変形例を示す図である。なお、この図において、図１に示す構成と共通する要素には同一の符号を付している。
【００３２】
図５に示すランキンサイクルシステム１１０は、ＬＬＣタンク６０に貯留されている液相冷媒をコンデンサ４０内に導入するための制御弁６２及び冷媒管６４を備えている。ＬＬＣタンク６０は冷媒のリザーブタンクとして機能するものであり、規定のＬＬＣ濃度の冷媒が貯留されている。制御弁６２は例えば電磁弁として構成された開閉弁であり、ＬＬＣタンク６０の下部とコンデンサ４０を接続する冷媒管６４の途中に設けられている。そして、冷媒管５２は、気液分離器１６の下部と冷媒管６４における制御弁６２の上流側とを接続する流路として構成されている。なお、冷媒管６４はＬＬＣタンク６０の液相冷媒をコンデンサ４０内に導入するための経路を構成するものであるから、その接続先はコンデンサ４０に限らず、冷媒管３６の途中に接続されていてもよい。このような構成において、コンデンサ４０内での凍結が検知された場合に制御弁６２及び制御弁５０を開弁することとすれば、気液分離器１６内の液相冷媒に加えてＬＬＣタンク６０内の液相冷媒もコンデンサ４０内に導入される。これにより、コンデンサ４０内のＬＬＣ濃度が高くなるので、コンデンサ４０内での冷媒の凍結が抑制される。なお、冷媒管６４及び冷媒管５２には、冷媒の急激な流通を制限するための絞りが別途設けられていてもよい。
【００３３】
上述した実施の形態１のランキンサイクルシステム１００では、冷媒としての水が本発明の「第１冷媒」に、冷媒としてのＬＬＣが本発明の「第２冷媒」に相当している。また、上述した実施の形態１のランキンサイクルシステム１００では、冷媒管５２が本発明の「冷媒通路」に、制御弁５０が本発明の「制御弁」に、相当するとともに、ＥＣＵ７０が上記ステップＳ１の処理を実行することにより、本発明の「検知手段」が実現され、ＥＣＵ７０が上記ステップＳ３の処理を実行することにより、本発明の「弁制御手段」が実現されている。
【符号の説明】
【００３４】
１０  エンジン
１２  冷媒流路（沸騰器）
１３  蒸発器
１１，１４，１５，１８，２８，３２，３６，４２，４６，５２  冷媒管
１６  気液分離器
２０，４８  ウォータポンプ
２２  排気通路
３０  過熱器
３４  タービン（膨張機）
４０  コンデンサ（凝縮器）
４４  キャッチタンク
１００  ランキンサイクルシステム
６０  ＬＬＣタンク
６２  制御弁
６４  冷媒管
１１０  ランキンサイクルシステム
【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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