(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、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、沸騰器と膨張機の間の第１冷媒通路と、膨張機と凝縮器の間の第２冷媒通路とを接続するバイパス通路と、第１通路とバイパス通路との接続部に配置された第１の三方弁と、第２通路とバイパス通路との接続部に配置された第２の三方弁と、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、沸騰器から送出される冷媒が膨張機をバイパスして凝縮器へ導入されるように三方弁を操作する。【選択図】図３
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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、
前記凝縮器で得られた液相冷媒を前記沸騰器に供給する液送ポンプと、を備えるランキンサイクルシステムにおいて、
一端が前記沸騰器と前記膨張機の間の第１冷媒通路に接続され、他端が前記膨張機と前記凝縮器の間の第２冷媒通路に接続されたバイパス通路と、
前記第１冷媒通路と前記バイパス通路との接続部に配置された第１の三方弁と、
前記第２冷媒通路と前記バイパス通路との接続部に配置された第２の三方弁と、
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、前記沸騰器から送出される冷媒の流通先が前記バイパス通路となるように前記第１の三方弁及び前記第２の三方弁を操作する弁制御手段と、
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
【特許文献２】特開２００８−２４８７０３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、
前記凝縮器で得られた液相冷媒を前記沸騰器に供給する液送ポンプと、を備えるランキンサイクルシステムにおいて、
一端が前記沸騰器と前記膨張機の間の第１冷媒通路に接続され、他端が前記膨張機と前記凝縮器の間の第２冷媒通路に接続されたバイパス通路と、
前記第１冷媒通路と前記バイパス通路との接続部に配置された第１の三方弁と、
前記第２冷媒通路と前記バイパス通路との接続部に配置された第２の三方弁と、
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、前記沸騰器から送出される冷媒の流通先が前記バイパス通路となるように前記第１の三方弁及び前記第２の三方弁を操作する弁制御手段と、
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、沸騰器から送出された冷媒が膨張機をバイパスして凝縮器に導入される。これにより、凝縮器の内部の温度を高めるとともに凝縮器内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】第１の運転モードの実行時の冷媒のフローを示す図である。
【図３】第２の運転モードの実行時の冷媒のフローを示す図である。
【図４】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５】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６】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サブルーチンのフローチャートである。
【図７】ランキンサイクルシステムにおいて三方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８】本発明の実施の形態２のランキンサイクルシステムにおける冷媒のフローを示す図である。
【図９】本発明の実施の形態３のランキンサイクルシステムにおける冷媒のフローを示す図である。
【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。第１ウォータポンプ２０は、例えば遠心式の液送ポンプが用いられる。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】
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の途中に設けられている。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。
【００１４】
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（図示せず）が設けられている。気相冷媒は超音速ノズルからタービン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。
【００１５】
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を介して冷媒管１８へと送られる。冷媒管４２には、第２ウォータポンプ４４が設けられている。第２ウォータポンプ４４は、コンデンサ４０において生成された液相冷媒を冷媒管４２を介して冷媒管１８に送るためのものであり、例えば比較的流量の小さい容積式の液送ポンプが用いられる。
【００１６】
さらに、ランキンサイクルシステム１００は、冷媒管１４の途中と冷媒管３６の途中とを接続する冷媒管５０を備えている。冷媒管５０は、冷媒流路１２から送出された冷媒を、気液分離器１６、過熱器３０及びタービン３４をバイパスしてコンデンサ４０へと導くためのバイパス通路として機能するものである。冷媒管５０と冷媒管１４との接続部、及び冷媒管５０と冷媒管３６との接続部には、それぞれ第１の三方弁５２、及び第２の三方弁５４が配置されている。
【００１７】
また、ランキンサイクルシステム１００は、冷媒管４２における第２ウォータポンプ４４の上流側と冷媒管１８の途中とを接続する冷媒管５６を備えている。冷媒管５６は、コンデンサ４０から送出された冷媒を、第２ウォータポンプ４４をバイパスして第１ウォータポンプ２０へと導くためのバイパス通路として機能するものである。冷媒管５６と冷媒管４２との接続部、及び冷媒管５６と冷媒管１８との接続部には、それぞれ第３の三方弁５８、及び第４の三方弁６０が配置されている。
【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、三方弁５２，５４，５８，６０とウォータポンプ２０，４４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
実施の形態１のランキンサイクルシステム１００は、４つの三方弁５２，５４，５８，６０を備えている。ＥＣＵ７０は、これらの三方弁５２，５４，５８，６０を操作することにより、第１の運転モード及び第２の運転モードのうちの何れかの運転モードを択一的に実現する。
【００２０】
第１の運転モードは、ランキンサイクル動作をＯＮとした場合の運転モードであり、後述する低温環境時を除く通常時に実現されるモードである。図２は、第１の運転モードの実行時の冷媒のフローを示す図である。なお、図２において、実線は液相冷媒（つまり、冷却水）の管路を意味し、点線は気相冷媒（つまり、蒸気）の管路を意味している。また。太線は冷媒が流通している管路を意味し、細線は冷媒の流通が遮断された管路を意味している。また、三方弁５２，５４，５８，６０の図示において、それぞれの三方弁が備える３つのポートのうち、黒三角で表されているポートは閉じられたポートを意味し、白三角で表されているポートは開かれたポートを意味している。なお、このことは、以下で説明する他の図面についても同様である。
【００２１】
第１の運転モードでは、第１の三方弁５２は冷媒管１４同士を連通させて冷媒管５０を遮断する位置に操作される。第２の三方弁５４は冷媒管３６同士を連通させて冷媒管５０を遮断する位置に操作される。また、第３の三方弁５８は、冷媒管４２同士を連通させて冷媒管５６を遮断する位置に操作される。さらに、第４の三方弁６０は、冷媒管１８同士を連通させて冷媒管５６を遮断する位置に操作される。
【００２２】
第１の運転モードがＥＣＵ７０により選択されると、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第２ウォータポンプ４４により冷媒管４２を介して冷媒管１８に液相冷媒が送られる。
【００２３】
一方、第２の運転モードは、ランキンサイクル動作をＯＦＦとした場合の運転モードであり、低温環境時に実現されるモードである。なお、ここでいう低温環境時とは、コンデンサ４０内の冷媒が凍結するような条件を指している。図３は、第２の運転モードの実行時の冷媒のフローを示す図である。第２の運転モードでは、第１の三方弁５２は冷媒流路１２の側の冷媒管１４と冷媒管５０を連通させて気液分離器１６の側の冷媒管１４を遮断する位置に操作される。第２の三方弁５４は冷媒管５０とコンデンサ４０の側の冷媒管３６を連通させてタービン３４の側の冷媒管３６を遮断する位置に操作される。また、第３の三方弁５８は、コンデンサ４０の側の冷媒管４２と冷媒管５６を連通させて第２ウォータポンプ４４の側の冷媒管４２を遮断する位置に操作される。さらに、第４の三方弁６０は、冷媒管５６と第１ウォータポンプ２０の側の冷媒管１８を連通させて気液分離器１６の側の冷媒管１８を遮断する位置に操作される。
【００２４】
第２の運転モードがＥＣＵ７０により選択されると、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、過熱器３０及びタービン３４をバイパスしてコンデンサ４０に至る液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の廃熱を受け取る。この際、冷媒の温度が沸点まで達しないように冷媒の流量が調整される。冷媒流路１２から出た液相冷媒は、冷媒管５０を経て再び第１ウォータポンプ２０へと導入される。
【００２５】
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４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、第１の運転モードにおける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、第１の運転モードが選択されてランキンサイクルシステム１００のランキンサイクル動作が実行されると、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内の液相冷媒はＬＬＣの濃度が低くなる。
【００２６】
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動作が実行されると、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、低温環境下においてコンデンサ４０内での冷媒の凍結が発生すると判定された場合に、第２の運転モードを選択してランキンサイクル動作を停止することとしている。
【００２７】
３．運転モード切り替え操作の詳細
図５は、実施の形態１の運転モード切り替え操作の全体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におけるランキンサイクル動作のＯＮ／ＯＦＦは、この制御フローに従ってＥＣＵ７０が三方弁５２，５４，５８，６０、及びウォータポンプ２０，４４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。
【００２８】
図５に示す制御フローでは、まず、ランキンサイクル動作がＯＮとされて第１の運転モードによる運転が行なわれる（ステップＳ１）。ここでは、具体的には、ウォータポンプ２０，４４が駆動されるとともに、冷媒流路１２から気液分離器１６、過熱器３０及びタービン３４を経てコンデンサ４０へ至る気相冷媒経路、コンデンサ４０から冷媒管４２及び第２ウォータポンプ４４を経て冷媒管１８へと至る液相冷媒経路、及び気液分離器１６から冷媒管１８を経て第１ウォータポンプ２０へと至る液相冷媒経路が形成されるように、三方弁５２，５４，５８，６０が操作される。そして、第１ウォータポンプ２０及び第２ウォータポンプ４４がそれぞれ適宜駆動される。
【００２９】
次に、コンデンサ４０内の冷媒の凍結が検出されたか否かが判定される（ステップＳ２）。ここでは、具体的には、コンデンサ４０内の冷媒温度Ｔ１が判定値ｘ以下か否かが判定される。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。判定値ｘは、コンデンサ４０内で凍結が発生する温度の閾値であり、予め設定された固定値でもよいし、また、コンデンサ４０内の冷媒のＬＬＣ温度、濃度及び圧力に関連して対応付けられた値を読み込むこととしてもよい。なお、冷媒のＬＬＣ濃度は第１の運転モードによる運転中には低くなり第２の運転モードによる運転中には高くなるため、運転状態から推定することとすればよい。
【００３０】
上記ステップＳ２の結果、冷媒温度Ｔ１≦判定値ｘ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、ランキンサイクル動作がＯＮとされて第１の運転モードによる運転が行なわれる（ステップＳ３）。一方、上記ステップＳ２において、冷媒温度Ｔ１≦判定値ｘ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る。この場合、ランキンサイクル動作がＯＦＦとされて第２の運転モードによる運転が行なわれる（ステップＳ４）。具体的には、冷媒流路１２から気液分離器１６、過熱器３０及びタービン３４をバイパスしてコンデンサ４０へ至る液相冷媒経路、及びコンデンサ４０から第２ウォータポンプ４４をバイパスして第１ウォータポンプ２０へと至る液相冷媒経路が形成されるように、三方弁５２，５４，５８，６０が操作される。なお、ここでは、第１ウォータポンプ２０は駆動されるが、第２ウォータポンプ４４は停止される。
【００３１】
図６は、ステップＳ４で実施される弁操作うち、三方弁５２，５４の弁操作の制御フローを示す図である。図６に示す制御フローでは、先ず、三方弁５２の連通先が冷媒管５０へと切り替えられる（ステップＳ１０）。次に、三方弁５２の切り替えが完了したか否かが判定される（ステップＳ１１）。ここでは、具体的には、三方弁５２の各ポートの開閉状態をセンサによって検知することで判定してもよいし、また、切り替えに要する時間が経過したか否かを判定してもよい。ステップＳ１１の処理は、三方弁５２の切り替えが完了したと判定されるまで繰り返し実行される。その結果、三方弁５２の切り替えが完了したと判定された場合には、次のステップに移行して、三方弁５４の連通先が冷媒管５０へと切り替えられる（ステップＳ１２）。これにより、タービン３４へ水が流入することを抑制しつつ、冷媒流路１２から気液分離器１６、過熱器３０及びタービン３４をバイパスしてコンデンサ４０へ至る液相冷媒の流路が形成される。上記ステップＳ４の処理が終了されると、再びステップＳ２の処理に戻り、コンデンサ４０内の冷媒の凍結が検出されたか否かが判定される。
【００３２】
４．ランキンサイクルシステムの効果
図７は、ランキンサイクルシステム１００において三方弁５２，５４，５８，６０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、比較例として三方弁５２，５４，５８，６０及び冷媒管５０，５６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、三方弁５２，５４，５８，６０及び冷媒管５０，５６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、運転モードの状態（つまりランキンサイクル動作のＯＮ／ＯＦＦ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、時間ｔ１においてコンデンサ４０内の冷媒温度が凝固点まで低下してコンデンサ４０内に凍結が発生したとしても、コンデンサ内の冷媒温度は外気温度の低下に応じて低下し続ける。また、コンデンサ４０内の冷媒のＬＬＣ濃度に変化がないため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。
【００３３】
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、三方弁５２，５４，５８，６０が操作されてランキンサイクルシステム１００の運転モードが第１の運転モードから第２の運転モードへと切り替えられる。これにより、冷媒流路１２から送出された冷媒は、気液分離器１６、過熱器３０及びタービン３４をバイパスする冷媒管５０を経てコンデンサ４０内へと導入される。冷媒流路１２から送出された冷媒はＬＬＣ濃度が高く、また冷媒温度も高い。このため、コンデンサ４０内の冷媒の凝固点は時間ｔ１以降低下し、また、冷媒温度は上昇する。これにより、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。
【００３４】
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とともに冷媒温度を上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。
【００３５】
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、冷媒流路１２から送出された液相冷媒をコンデンサ４０内へ導入することによる凍結抑制の効果を得ることができる。
【００３６】
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ｘ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はコンデンサ４０と第２ウォータポンプ４４とを接続する冷媒管４２を流れる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、超音速ノズルの出口圧、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ｘ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。
【００３７】
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、図６に示す制御フローに従い三方弁５２，５４を順に操作することとしたが、三方弁５２，５４は同時に操作してもよい。
【００３８】
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、気液分離器１６及び過熱器３０を備える構成について説明したが、冷媒流路１２において気相冷媒を十分に得られるのであればなくてもよい。
【００３９】
また、実施の形態１のランキンサイクルシステム１００では、第２の運転モードにおいて、三方弁５８，６０を操作して第２ウォータポンプ４４をバイパスするとともに第２ウォータポンプ４４の駆動を停止することとしたが、三方弁５８，６０及び冷媒管５６の構成は本発明を実現する上で必ずしも必須の構成ではない。
【００４０】
なお、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５０が本発明の「バイパス通路」に相当し、冷媒管１４が本発明の「第１冷媒通路」に相当し、冷媒管３６が本発明の「第２冷媒通路」に相当し、第１の三方弁５２が本発明の「第１の三方弁」に相当し、第２の三方弁５４が本発明の「第２の三方弁」に相当し、第１ウォータポンプ２０又は第２ウォータポンプ４４が本発明の「液送ポンプ」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、ＥＣＵ７０が上記ステップＳ２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Ｓ４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。
【００４１】
実施の形態２
図８は、実施の形態２のランキンサイクルシステム１０２における冷媒のフローを示す図である。なお、図８において、図１に示す実施の形態１のランキンサイクルシステム１００と共通する要素には同一の符号を付している。また、図８では、第１の運転モード（通常時）の実行時の冷媒のフローを（Ａ）に示し、第２の運転モード（低温環境時）の実行時の冷媒のフローを（Ｂ）に示している。
【００４２】
実施の形態２のランキンサイクルシステム１０２は、熱交換器８０がランキンサイクルにおける沸騰器として機能するように構成されている。より詳しくは、冷媒流路１２から送出された冷媒は冷媒管８１を介して熱交換器８０に導入されて熱交換を行った後、冷媒管８２を介して第１ウォータポンプ２０へと戻される。また、コンデンサ４０から送出された冷媒は、第２ウォータポンプ４４が配置された冷媒管８４を介して熱交換器８０に導入されて熱交換を行った後、冷媒管８３を介して廃熱回収器８５に導入される。廃熱回収器８５は、エンジン１０の排気通路２２に設けられている。廃熱回収器８５には、熱交換器８０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８６を介して過熱器３０へと導入される。
【００４３】
また、実施の形態２のランキンサイクルシステム１０２では、冷媒管５０が冷媒管８３の途中に接続され、その接続部には第１の三方弁５２が設けられている。このような構成によれば、コンデンサ４０内での冷媒の凍結が発生する場合に、タービン３４をバイパスして熱交換器８０からコンデンサ４０へと冷媒が流通する液相冷媒経路が形成される。これにより、コンデンサ４０内の冷媒の凝固点を下げるとともに冷媒温度を上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。
【００４４】
実施の形態３
図９は、実施の形態３のランキンサイクルシステム１０３における冷媒のフローを示す図である。なお、図９において、図１に示す実施の形態１のランキンサイクルシステム１００又は図８に示す実施の形態２のランキンサイクルシステム１０２と共通する要素には同一の符号を付している。また、図９では、第１の運転モード（通常時）の実行時の冷媒のフローを（Ａ）に示し、第２の運転モード（低温環境時）の実行時の冷媒のフローを（Ｂ）に示している。
【００４５】
実施の形態３のランキンサイクルシステム１０３は、廃熱回収器８５がランキンサイクルにおける沸騰器として機能するように構成されている。より詳しくは、廃熱回収器８５には、冷媒管１８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９０を介して気液分離器１６へと導入される。
【００４６】
また、実施の形態３のランキンサイクルシステム１０３では、冷媒管５０が冷媒管９０の途中に接続され、その接続部には第１の三方弁５２が設けられている。また、気液分離器１６と廃熱回収器８５とを接続する冷媒管１８には開閉弁９１が設けられている。
【００４７】
このような構成によれば、コンデンサ４０内での冷媒の凍結が発生する場合に、タービン３４をバイパスして廃熱回収器８５からコンデンサ４０へと冷媒が流通する液相冷媒経路が形成される。これにより、コンデンサ４０内の冷媒の凝固点を下げるとともに冷媒温度を上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。
【符号の説明】
【００４８】
１０  エンジン
１２  冷媒流路（沸騰器）
１４，１８，２８，３２，３６，４２，５０，５６  冷媒管
１６  気液分離器
２０，４４  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）
５２，５４，５８，６０  三方弁
７２  温度センサ
８０  熱交換器
８１，８２，８３，８４，８６，９０  冷媒管
８５  廃熱回収器
１００，１０２，１０３  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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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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