(57)【要約】【課題】タービンから延びている回転軸の昇温を抑制し、タービンから延びている回転軸の耐久性を向上させる。【解決手段】内燃機関３の廃熱により蒸気化された冷媒によって駆動されるタービン５と、タービン５を駆動した冷媒を液化するコンデンサ６と、タービン５の出力を内燃機関３の出力軸に伝達するためにタービン５から延びている回転軸４０とを具備するランキンサイクルシステム１において、回転軸４０を冷却する冷媒室５１と、冷媒室５１に冷媒を供給するポンプＷＰ３とを設け、コンデンサ６により液化された冷媒が、ポンプＷＰ３によって冷媒室５１に供給されるように、冷媒用の配管６０を接続した。【選択図】図２
2017044134.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
内燃機関と、
前記内燃機関の廃熱により蒸気化された冷媒によって駆動されるタービンと、
前記タービンを駆動した冷媒を液化するコンデンサと、
前記タービンの出力を前記内燃機関の出力軸に伝達するために前記タービンから延びている回転軸とを具備するランキンサイクルシステムにおいて、
前記回転軸を冷却する冷媒室と、
前記冷媒室に冷媒を供給するポンプとを設け、
前記コンデンサにより液化された冷媒が、前記ポンプによって前記冷媒室に供給されるように、冷媒用の配管を接続した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】
本発明は内燃機関とタービンとコンデンサとを有するランキンサイクルシステムに関する。
【背景技術】
【０００２】
従来から、内燃機関（エンジン本体）とタービンとコンデンサとを有するランキンサイクルシステムが知られている。この種のランキンサイクルシステムの例としては、例えば特許文献１に記載されたものがある。
特許文献１に記載されたランキンサイクルシステムでは、内燃機関の廃熱によって冷媒が蒸気化される。また、蒸気化された冷媒が有する熱エネルギーから、タービンによって動力が回収される。さらに、タービンを通過した冷媒蒸気が、コンデンサによって冷却され、液体に凝縮する。また、タービンから延びている回転軸と内燃機関のクランクシャフト（出力軸）とが変速機を介して連結され、タービンの出力がクランクシャフトへ変速可能に伝達される。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２０１０−２４２５１８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、特許文献１に記載されたランキンサイクルシステムでは、タービンから延びている回転軸を冷却するための構成が設けられていない。そのため、タービンに供給される蒸気化された冷媒の熱によって、タービンから延びている回転軸が昇温し、タービンから延びている回転軸の耐久性が低下してしまうおそれがある。
【０００５】
前記問題点に鑑み、タービンから延びている回転軸の昇温を抑制し、タービンから延びている回転軸の耐久性を向上させることが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】
本発明によれば、内燃機関と、
前記内燃機関の廃熱により蒸気化された冷媒によって駆動されるタービンと、
前記タービンを駆動した冷媒を液化するコンデンサと、
前記タービンの出力を前記内燃機関の出力軸に伝達するために前記タービンから延びている回転軸とを具備するランキンサイクルシステムにおいて、
前記回転軸を冷却する冷媒室と、
前記冷媒室に冷媒を供給するポンプとを設け、
前記コンデンサにより液化された冷媒が、前記ポンプによって前記冷媒室に供給されるように、冷媒用の配管を接続したことを特徴とするランキンサイクルシステムが提供される。
【０００７】
つまり、本発明のランキンサイクルシステムでは、コンデンサにより液化された冷媒が、ポンプによって冷媒室に供給され、その冷媒によって、タービンから延びている回転軸が冷却される。そのため、タービンに供給される蒸気化された冷媒の熱によって、タービンから延びている回転軸が昇温してしまうことを抑制することができる。その結果、タービンから延びている回転軸の耐久性を向上させることができる。
【発明の効果】
【０００８】
本発明によれば、タービンから延びている回転軸の昇温を抑制し、タービンから延びている回転軸の耐久性を向上させることができる。
【図面の簡単な説明】
【０００９】
【図１】一般的なランキンサイクルシステムの概略構成図である。
【図２】第１の実施形態のランキンサイクルシステムを示した概略構成図である。
【図３】冷媒室５１などの例を示した冷媒室５１などの拡大図である。
【図４】第１の実施形態のランキンサイクルシステム１における回転軸４０の冷却系を示した図である。
【図５】第４の実施形態のランキンサイクルシステム１における回転軸４０の冷却系を示した図である。
【図６】図７中の冷却必要温度などを説明するための図である。
【図７】第４の実施形態のランキンサイクルシステム１におけるポンプＷＰ３の駆動条件を説明するためのフローチャートである。
【発明を実施するための形態】
【００１０】
本発明のランキンサイクルシステムの第１の実施形態について説明する前に、一般的なランキンサイクルシステムについて説明する。図１は一般的なランキンサイクルシステムの概略構成図である。
【００１１】
図１に示す一般的なランキンサイクルシステム１では、冷媒として、内燃機関３のピストン３１などを冷却するためのウォータジャケット３４内の冷却水が用いられる。
図１に示す例では、ピストン３１がコンロッド３３を介して内燃機関３の出力軸（クランクシャフト）（図示せず）に連結されている。また、内燃機関３のウォータジャケット３４と、タービン（膨張器）５のノズル７１とが、配管７を介して接続されている。配管７上には、レベルセンサ２０ａを有する気液分離器２０と、過熱器４とが配置されている。
つまり、図１に示す例では、内燃機関３のウォータジャケット３４内で発生した冷媒蒸気が、気液分離器２０において、蒸気化された冷媒と、液体状態の冷媒とに分離される。次いで、蒸気化された冷媒が、過熱器４において、内燃機関３の排気熱（廃熱）によって高温高圧に蒸気化され、ノズル７１を介してタービン５に供給される。その結果、タービン５が駆動される。
【００１２】
図１に示す例では、タービン５から延びている回転軸４０が、例えばクラッチ４１、プーリ（図示せず）およびベルト（図示せず）を介して内燃機関３の出力軸（クランクシャフト）（図示せず）に連結されている。そのため、クラッチ４１の係合状態のときに、蒸気化された冷媒によってタービン５が駆動されると、タービン５の出力が、タービン５から延びている回転軸４０、クラッチ４１、プーリおよびベルトを介して内燃機関３の出力軸に伝達される。
また、図１に示す例では、タービン５と、タービン５を駆動した冷媒を液化するコンデンサ６とが、配管９を介して接続されている。また、コンデンサ６によって液化された冷媒を内燃機関３のウォータジャケット３４に戻すために、コンデンサ６とウォータジャケット３４とが、配管１０を介して接続されている。さらに、配管１０上に、キャッチタンク２４と、ポンプＷＰ１と、逆止弁２３と、ポンプＷＰ２とが配置されている。
【００１３】
さらに、図１に示す例では、気液分離器２０において分離された液体状態の冷媒の一部を内燃機関３のウォータジャケット３４に戻すために、気液分離器２０と配管１１とが、配管１４を介して接続されている。また、気液分離器２０において分離された液体状態の冷媒の他の一部を蒸気化するために、排気熱蒸気発生器２１が設けられている。
図１に示す例では、配管１４と排気熱蒸気発生器２１とが、配管１３を介して接続されている。排気熱蒸気発生器２１において蒸気化された冷媒を気液分離器２０に戻すために、排気熱蒸気発生器２１と気液分離器２０とが、配管１２を介して接続されている。
また、図１に示す例では、気液分離器２０とコンデンサ６とが、配管１１を介して接続されている。さらに、配管１１上に、逃がし弁２２が配置されている。
【００１４】
図１に示す一般的なランキンサイクルシステム１では、タービン５から延びている回転軸４０を冷却するための構成が設けられていない。そのため、ノズル７１を介してタービン５に供給される蒸気化された冷媒の熱によって、タービン５から延びている回転軸４０が昇温し、タービン５から延びている回転軸４０の耐久性が低下してしまうおそれがある。
この問題点に鑑み、後述する第１の実施形態のランキンサイクルシステム１では、タービン５から延びている回転軸４０の昇温を抑制し、タービン５から延びている回転軸４０の耐久性を向上させるための対策が施されている。
【００１５】
以下、本発明のランキンサイクルシステムの第１の実施形態について説明する。図２は第１の実施形態のランキンサイクルシステムを示した概略構成図である。第１の実施形態のランキンサイクルシステム１は、後述する点を除き、図１に示した一般的なランキンサイクルシステムと同様に構成されている。
第１の実施形態のランキンサイクルシステム１では、図２に示すように、タービン５から延びている回転軸４０を冷却するための冷媒室５１を画定する冷媒室ハウジング５０と、冷媒室５１に冷媒を供給するポンプＷＰ３とが設けられている。詳細には、回転軸４０の一部が冷媒室５１によって覆われている。さらに、コンデンサ６により液化された冷媒が、ポンプＷＰ３によって冷媒室５１に供給されるように、例えばキャッチタンク２４と冷媒室５１とが配管６０によって接続されている。また、配管６０上に、ポンプＷＰ３が配置されている。
【００１６】
つまり、第１の実施形態のランキンサイクルシステム１では、図２に示すように、コンデンサ６により液化された冷媒が、ポンプＷＰ３によって冷媒室５１に供給され、その冷媒によって、タービン５から延びている回転軸４０が冷却される。そのため、ノズル７１を介してタービン５に供給される蒸気化された冷媒の熱によって、タービン５から延びている回転軸４０が昇温してしまうことを抑制することができる。その結果、タービン５から延びている回転軸４０の耐久性を向上させることができる。
【００１７】
図３は冷媒室５１などの例を示した冷媒室５１などの拡大図である。詳細には、図３（Ａ）は図２に示す第１の実施形態のランキンサイクルシステム１の冷媒室５１などの拡大図である。
第１の実施形態のランキンサイクルシステム１では、図３（Ａ）に示すように、冷媒室ハウジング５０に固定された軸受４２によって、タービン５から延びている回転軸４０が支持されている。
【００１８】
図４は第１の実施形態のランキンサイクルシステム１における回転軸４０の冷却系を示した図である。
第１の実施形態のランキンサイクルシステム１では、図３（Ａ）および図４に示すように、ポンプＷＰ３（図４参照）により冷媒室５１に供給される冷媒によって、タービン５（図４参照）から延びている回転軸４０が冷却されると共に、回転軸４０を支持する軸受４２（図３（Ａ）参照）が冷却される。
そのため、第１の実施形態のランキンサイクルシステム１では、回転軸４０の回転による摩擦によって軸受４２が昇温してしまうこと、および、軸受４２の昇温によって回転軸４０が昇温してしまうことも抑制することができる。その結果、軸受４２および回転軸４０の耐久性を向上させることができる。
【００１９】
図３（Ｂ）は第２の実施形態のランキンサイクルシステム１の冷媒室５１などの拡大図である。
第１の実施形態のランキンサイクルシステム１では、図３（Ａ）に示すように、軸受４２の一部分が冷媒室ハウジング５０の外側に露出している。そのため、ノズル７１（図２参照）を介してタービン５（図２参照）に供給される蒸気化された冷媒の熱が、軸受４２に到達するおそれがある。
それに対し、第２の実施形態のランキンサイクルシステム１では、図３（Ｂ）に示すように、軸受４２が冷媒室ハウジング５０の内部に収容されている。そのため、ノズル７１（図２参照）を介してタービン５（図２参照）に供給される蒸気化された冷媒の熱が軸受４２に到達するおそれを低減することができる。
【００２０】
第１の実施形態のランキンサイクルシステム１では、図４に示すように、タービン５から延びている回転軸４０、および、回転軸４０を支持する軸受４２（図３（Ａ）参照）を冷却した冷媒が、配管６１を介してコンデンサ６に戻される。
第３の実施形態のランキンサイクルシステム１では、代わりに、タービン５から延びている回転軸４０、および、回転軸４０を支持する軸受４２を冷却した冷媒が、コンデンサ６以外の位置（例えば配管１０（図２参照）上の任意の位置、ウォータジャケット３４（図２参照）など）に戻されるように、配管（図示せず）を設けることもできる。
【００２１】
第１の実施形態のランキンサイクルシステム１では、図４に示すように、回転軸４０および軸受４２（図３（Ａ）参照）を冷却する冷媒を冷媒室５１に供給するポンプＷＰ３が、常時、駆動される。
後述する第４の実施形態のランキンサイクルシステム１では、ポンプＷＰ３が、常時駆動されるのではなく、所定の条件が成立したときに駆動される。
【００２２】
図５は第４の実施形態のランキンサイクルシステム１における回転軸４０の冷却系を示した図である。図７は第４の実施形態のランキンサイクルシステム１におけるポンプＷＰ３の駆動条件を説明するためのフローチャートである。図６は図７中の冷却必要温度などを説明するための図である。
第４の実施形態のランキンサイクルシステム１では、図５に示すように、軸受４２（図３（Ａ）参照）の温度を検出する温度センサ（図示せず）の信号がＥＣＵ８０に入力され、軸受４２の温度に基づき、ＥＣＵ８０によって、ポンプＷＰ３の駆動の制御が実行される。
【００２３】
第４の実施形態のランキンサイクルシステム１では、温度センサ（図示せず）によって検出された軸受４２（図３（Ａ）参照）の温度に基づいてポンプＷＰ３の駆動が制御されるが、第５の実施形態のランキンサイクルシステム１では、代わりに、温度センサ（図示せず）によって検出された回転軸４０（図５参照）の温度に基づいてポンプＷＰ３の駆動を制御したり、内燃機関３（図２参照）の運転条件などから推定された軸受４２または回転軸４０の温度に基づいてポンプＷＰ３の駆動を制御したり、冷媒室５１（図５参照）内の冷媒の温度（つまり、回転軸４０の周辺部の温度）から推定された軸受４２または回転軸４０の温度に基づいてポンプＷＰ３の駆動を制御したり、冷媒室ハウジング５０（図５参照）の温度（つまり、回転軸４０の周辺部の温度）から推定された軸受４２または回転軸４０の温度に基づいてポンプＷＰ３の駆動を制御したり、タービン５（図５参照）の入口の冷媒蒸気の温度（つまり、回転軸４０の周辺部の温度）から推定された軸受４２または回転軸４０の温度に基づいてポンプＷＰ３の駆動を制御したり、タービン５の内部の冷媒蒸気の温度（つまり、回転軸４０の周辺部の温度）から推定された軸受４２または回転軸４０の温度に基づいてポンプＷＰ３の駆動を制御したりすることもできる。
【００２４】
具体的には、第４の実施形態のランキンサイクルシステム１では、例えば所定時間間隔で、図７に示すルーチンが実行される。図７に示すルーチンが開始されると、ステップＳ１００において、冷媒蒸気によってタービン５（図５参照）が駆動されているか否かが判定される。ＹＥＳのときにはステップＳ１０１に進み、ＮＯのときには、このルーチンを終了し、所定時間経過後にこのルーチンを再開する。
ステップＳ１０１では、温度センサ（図示せず）によって軸受４２（図３（Ａ）参照）の温度Ｔ１が検出され、温度センサの信号がＥＣＵ８０（図５参照）に入力される。次いで、ステップＳ１０２では、軸受４２の温度Ｔ１が「冷却必要温度」より高いか否かが判定される。ＹＥＳのときにはステップＳ１０３に進み、ＮＯのときにはステップＳ１０４に進む。
【００２５】
第４の実施形態のランキンサイクルシステム１では、図６に示すように、回転軸４０（図５参照）の「焼付温度」に基づいて、ステップＳ１０２（図７参照）の「冷却必要温度」が設定されている。具体的には、回転軸４０の「焼付温度」からマージンを差し引いた値が、「冷却必要温度」として設定されている。このマージンは、回転軸４０、軸受４２（図３（Ａ）参照）などの各部品の温度応答性に基づいて設定されている。
【００２６】
図７の説明に戻り、ステップＳ１０３では、軸受４２（図３（Ａ）参照）の温度Ｔ１が「冷却必要温度」より高いため、軸受４２および回転軸４０（図５参照）を冷却する必要があると判断され、ポンプＷＰ３（図５参照）が駆動される。一方、ステップＳ１０４では、軸受４２の温度Ｔ１が「冷却必要温度」以下であるため、軸受４２および回転軸４０を冷却する必要がないと判断され、ポンプＷＰ３が停止される。
【００２７】
第４の実施形態のランキンサイクルシステム１では、ステップＳ１０３においてポンプＷＰ３（図５参照）が駆動され、ステップＳ１０４においてポンプＷＰ３が完全に停止されるが、第６の実施形態のランキンサイクルシステム１では、代わりに、ステップＳ１０４において、ポンプＷＰ３による冷媒供給量を、ステップＳ１０３におけるポンプＷＰ３による冷媒供給量よりも少なくすることも可能である。つまり、第６の実施形態のランキンサイクルシステム１では、ステップＳ１０４においてポンプＷＰ３が完全に停止されない。
【００２８】
第４および第６の実施形態のランキンサイクルシステム１では、ステップＳ１０３およびステップＳ１０４において、ポンプＷＰ３（図５参照）による冷媒供給量が２段階で制御されるが、第７の実施形態のランキンサイクルシステム１では、代わりに、軸受４２の温度Ｔ１だけでなく、ポンプＷＰ３により供給される冷媒の温度も考慮し、ポンプＷＰ３（図５参照）による冷媒供給量を３段階以上に制御することもできる。
あるいは、第８の実施形態のランキンサイクルシステム１では、軸受４２の温度Ｔ１、ポンプＷＰ３により供給される冷媒の温度などを考慮し、ポンプＷＰ３（図５参照）による冷媒供給量を連続的に（つまり、リニアに）制御することもできる。
【００２９】
第９の実施形態では、上述した第１から第８の実施形態および各例を適宜組み合わせることもできる。
【符号の説明】
【００３０】
１  ランキンサイクルシステム
３  内燃機関
４  過熱器
５  タービン
６  コンデンサ
７、９、１０、１１、１２、１３、１４  配管
２０  気液分離器
２０ａ  レベルセンサ
２１  排気熱蒸気発生器
２２  逃がし弁
２３  逆止弁
２４  キャッチタンク
３１  ピストン
３３  コンロッド
３４  ウォータジャケット
４０  回転軸
４１  クラッチ
４２  軸受
５０  冷媒室ハウジング
５１  冷媒室
６０、６１  配管
７１  ノズル
８０  ＥＣＵ
ＷＰ１、ＷＰ２、ＷＰ３  ポンプ
【図１】
2017044134.tif 000003
【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
2017044134.tif 000007
【図６】
2017044134.tif 000008
【図７】
2017044134.tif 000009