(57)【要約】【課題】冷媒の循環系内に浸入する空気を排出し、効率のよい廃熱回収を実現することのできる廃熱回収装置を提案することを課題とする。【解決手段】凝縮器９は、コア部９ｃで熱交換に供される空気が導入される側にファン２０を備える。ファン２０は、凝縮器９における冷却効率を向上させ、蒸気の凝縮効果を向上させる。ファン２０の駆動部２０ａはＥＣＵ１９と電気的に接続されている。凝縮器９は、さらに、コア部９ｃで熱交換に供される空気が導入される側にシャッタ２１を備える。シャッタ２１の駆動部２１ａはＥＣＵ１９に電気的に接続されている。シャッタ２１が閉じた状態となると、コア部９ｃへの空気の導入が抑制され、凝縮器９の凝縮効果が低下する。また、ファン２０を停止することにより凝縮器における冷却効果を低下させる。これにより、循環系内の圧力を上昇させて内部の空気をリザーブタンク１６へ排出する。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
エンジンの冷媒が過熱されて発生した蒸気を介して動力回収を行う動力回収機と、
当該動力回収機を通過した後の蒸気を液体の冷媒に戻す凝縮器と、
液体となった冷媒を前記エンジンに供給する供給ポンプと、
前記冷媒の循環系内の空気排出手段と、
を備えたことを特徴とする廃熱回収装置。
【請求項２】
請求項１記載の廃熱回収装置において、
前記空気排出手段は、
凝縮器作動抑制手段と、
前記凝縮器内が昇圧したときに、凝縮器内部の空気が冷媒とともに排出されるリザーブタンクと、
を含むことを特徴とした廃熱回収装置。
【請求項３】
請求項１記載の廃熱回収装置において、
前記空気排出手段は、
前記凝縮器への冷却空気の導入を制限する凝縮器作動抑制手段と、
前記凝縮器内が昇圧したときに、凝縮器内部の空気が冷媒とともに排出されるリザーブタンクと、
を含むことを特徴とした廃熱回収装置。
【請求項４】
請求項１記載の廃熱回収装置において、
前記空気排出手段は、
浸入空気検出手段と、
当該浸入空気検出手段の検出結果に基づいて作動する凝縮器作動抑制手段と、
前記凝縮器内が昇圧したときに、凝縮器内部の空気が冷媒とともに排出されるリザーブタンクと、
を含むことを特徴とした廃熱回収装置。
【請求項５】
請求項４記載の廃熱回収装置において、
前記浸入空気検出手段は、
圧力センサと、水温センサと、
水温に対応した飽和蒸気圧と前記圧力センサによって測定された系内の圧力とを比較して空気の浸入を判断する演算手段と、
を含むことを特徴とした廃熱回収装置。
【請求項６】
請求項４記載の廃熱回収装置において、
前記浸入空気検出手段は、
圧力センサと、水温センサと、
水温に対応した飽和蒸気圧と前記圧力センサによって測定された系内の圧力とを比較して空気の浸入量を算出するとともに当該空気の浸入量から前記凝縮器作動抑制手段の作動時間を決定する演算手段と、
を含むことを特徴とした廃熱回収装置。
【請求項７】
請求項１乃至６のいずれか一項記載の廃熱回収装置を備えたことを特徴とするエンジン。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、エンジンにおける廃熱を、蒸気を介して回収する廃熱回収装置及びこれを備えたエンジンに関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、内燃機関（エンジン）の駆動に伴って発生する廃熱を、ランキンサイクルを利用して回収する廃熱回収装置が知られている。このような廃熱回収装置には、例えば、エンジンの水冷冷却系統を密閉構造とし、エンジンにおける廃熱によって気化した冷却水、すなわち蒸気によって膨張器（タービン）を駆動して、その蒸気の持つ熱エネルギーを電気エネルギー等に変換して回収するものがある。このような廃熱回収装置を改良したものが、例えば、特許文献１に開示されている。また、ランキンサイクルにおける熱効率を向上させる提案が、例えば、特許文献２に開示されている。
【０００３】
【特許文献１】特開２０００−３４５８３５号公報
【特許文献２】特開２００１−１８２５０４号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
このような廃熱回収装置は、膨張器の圧力比が大きいほど、効率よい廃熱回収を行うことができる。ところで、このような廃熱回収装置が組み込まれた機関は、停止状態となると冷媒の循環系内の温度が低下してゆくため、蒸気の凝縮が始まる。蒸気の凝縮が始まると循環系内の圧力は急激に低下する。このため、循環系のシール部等から、微量ずつであっても空気が浸入し、徐々に循環系内に貯留される。循環系内に空気が浸入していると、廃熱回収装置の作動時、停止時に凝縮器内の圧力は、その時点における水温に対応した飽和蒸気圧よりも高くなる。
これは、浸入した空気は温度が低下しても凝縮しないからである。凝縮器は通常膨張器の下流側に設置されるが、空気が浸入していることにより凝縮器内での圧力低下の幅が小さいと膨張器前後の圧力比が大きく取れず、膨張器の性能が低下する。これにより、廃熱回収の効率も低下することとなる。浸入した空気の量が多くなればなる程、廃熱回収効率も低下することとなる。
【０００５】
このような現象に対し、特許文献２で提案されているランキンサイクルを含め、従来有効な対策は提案されていない。
【０００６】
そこで、本発明は、冷媒の循環系内に浸入する空気を排出し、効率のよい廃熱回収を実現することのできる廃熱回収装置を提案することを課題とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
かかる課題を達成するための、本発明の廃熱回収装置は、エンジンの冷媒が過熱されて発生した蒸気を介して動力回収を行う動力回収機と、当該動力回収機を通過した後の蒸気を液体の冷媒に戻す凝縮器と、液体となった冷媒を前記エンジンに供給する供給ポンプと、前記冷媒の循環系内の空気排出手段と、を備えたことを特徴とする（請求項１）。このような構成とすることにより、膨張器前後の圧力比を大きくすることができ、効率のよい廃熱回収を行うことができる。
【０００８】
このような廃熱回収装置における前記空気排出手段は、凝縮器作動抑制手段と、前記凝縮器内が昇圧したときに、凝縮器内部の空気が冷媒とともに排出されるリザーブタンクと、を含む構成とすることができる（請求項２）。凝縮器は熱交換器であり、作動することにより蒸気を冷却して液体に戻すものである。このため、通常であれば、冷却効率を高めることによって効率のよい廃熱回収を実現する。ところが、冷媒の循環系内に浸入した空気は凝縮器内に貯留し易く、冷却効率を向上させても空気は凝縮しないことから膨張器前後の圧力比を向上させることは困難となる。そこで、意図的に凝縮器の作動を抑制して凝縮器内の温度低下を抑制し、ひいては内部の圧力を上昇させ、もしくは圧力低下を抑制して内部の空気を冷媒とともにリザーブタンクへ排出する。これにより、凝縮器の機能を回復させ、効率のよい廃熱回収を行うことができる。
【０００９】
膨張器内部の圧力を上昇させるためには膨張器内部を流通する冷媒と熱交換を行う冷却空気の導入を制限してやればよい。そこで、前記凝縮器への冷却空気の導入を制限する凝縮器作動抑制手段を備えた構成とすることができる（請求項３）。このような凝縮器作動抑制手段としては、例えば、凝縮器へ向かう空気を遮断するシャッタがある。また、通常凝縮器へ向かって空気を送り込むファンの作動を停止するようにしてもよい。
【００１０】
このような凝縮器作動抑制手段は、浸入空気検出手段の検出結果に基づいて作動するように構成することが望ましい（請求項４）。膨張器内の圧力を上昇させる措置は、循環系内から空気を排出するときのみ行うことが望ましいからである。具体的には、前記浸入空気検出手段は、圧力センサと、水温センサと、水温に対応した飽和蒸気圧と前記圧力センサによって測定された系内の圧力とを比較して空気の浸入を判断する演算手段と、を含む構成とすることができる（請求項５）。凝縮器内に空気が貯留していると、凝縮器内の圧力は、その時点での水温に対応した飽和蒸気圧よりも高い圧力を示す。このようにその時点での水温に対応した飽和蒸気圧と圧力センサによって測定された系内（循環系内）の圧力とを比較することによって循環系内の空気の浸入を判断することができる。空気の浸入が確認されたときは凝縮器作動抑制手段を作動させて凝縮器内の圧力を制御して空気を排出する。一方、空気の排出が確認されたときは、凝縮器を作動させ、蒸気の凝縮を促進して膨張器下流側の圧力を低減する。
【００１１】
このような廃熱回収装置の前記浸入空気検出手段は、水温に対応した飽和蒸気圧と前記圧力センサによって測定された系内の圧力とを比較して空気の浸入量を算出するとともに当該空気の浸入量から前記凝縮器作動抑制手段の作動時間を決定する演算手段を含む構成とすることができる（請求項６）。このような構成とすることにより、空気の排出を優先する状態と、廃熱回収を優先する状態とを適切に切り替えることができる。
【００１２】
これらの廃熱回収装置をエンジンに組み込めば、本発明のエンジンとすることができる（請求項７）。
【発明の効果】
【００１３】
本発明によれば、ランキンサイクルの冷媒の循環系内に浸入した空気を排出することができるので膨張器の前後の圧力比を大きくすることができ、効率のよい廃熱回収を行うことができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１４】
以下、本発明を実施するための最良の形態を図面と共に詳細に説明する。
【実施例】
【００１５】
本発明の実施例について図面を参照しつつ説明する。図１、図２は、本実施例の廃熱回収装置１の概略構成を示した説明図である。図１は、エンジン２の冷媒が循環する循環系に浸入した空気を排出する状態、図２は、廃熱回収を促進する状態を示している。
【００１６】
廃熱回収装置１は、内燃機関であるエンジン２に組み込まれている。廃熱回収装置１は、シリンダブロック２ａからシリンダヘッド２ｂ内にかけて形成されたウォ−タジャケット３、シリンダヘッド２ｂ内に設置された冷却水噴射ノズル４ａ、４ｂを備えている。ウォータジャケット３内には冷媒である冷却水が供給されている。冷却水噴射ノズル４ａには第１ウォータポンプ５によってウォ−タジャケット３下部から汲み上げられた冷却水が供給される。また、冷却水噴射ノズル４ｂには第２ウォータポンプ１２によってランキンサイクルを循環し、液体に戻された冷却水が供給される。冷却水噴射ノズル４ａ、４ｂから噴射された冷却水は高温のエンジン本体２を冷却する際に蒸気化し、ウォータジャケット３の上部に充満する。
【００１７】
廃熱回収装置１は、さらに、蒸気化した冷媒、すなわち蒸気が流通する蒸気経路６を備えている。この蒸気経路６には上流側から順に過熱器７、タービン８、加熱器２３が配設されており、その端部は凝縮器９のアッパータンク９ａに接続されている。過熱器７にはエンジン本体２の排気ポート１３と接続された排気経路１４が引き込まれている。過熱器７は、排気経路１４中の排気ガスから熱を回収し、蒸気通路６内を通じる蒸気へさらに熱を付与するもので、廃熱の回収効率を向上させるものである。タービン８は、蒸気経路６を通じて流入する高温、高圧の蒸気によって駆動される。タービン８は発電機１５と共通の駆動軸８ａを備えている。このため、タービン８が駆動されると、発電機１５は蒸気の熱エネルギーを電気エネルギーに変換し、回収する。タービン８及び発電機１５は本発明における動力回収機を構成している。タービン８を通過した蒸気は凝縮器９で凝縮されて冷却水に戻される。
【００１８】
ここで、凝縮器９の構成につき、図３を参照しつつ説明する。凝縮器９は、アッパータンク９ａ、ロアータンク９ｂ、コア部９ｃを備えている。凝縮器９は、コア部９ｃに導入される空気によって冷却管９ｄ内を流れる冷媒を冷却し、冷媒を蒸気から液体に戻す。
【００１９】
アッパータンク９ａは、加熱器２３を通過した後の蒸気が流通する導入管９ｅを備えている。ロアータンク９ｂは、液体となった冷媒を排出する第一排出管９ｆと第二排出管９ｇとを備えている。コア部９ｃは冷却管９ｄ、フィン９ｈを備えている。コア部９ｃは、平行に配列した複数の冷却管９ｄの間にフィン９ｈが並設された構成となっている。コア部９ｃは、冷却管９ｄがアッパータンク９ａ内とロアータンク９ｂ内とを連通するようアッパータンク９ａ及びロアータンク９ｂに組み付けられている。
【００２０】
アッパータンク９ａには、凝縮器９内の圧力を測定する圧力センサ１７が装着されている。また、ロアータンク９ｂには凝縮後の冷却水の温度を測定する水温センサ１８が装着されている。なお、圧力センサ１７は、凝縮器９内の圧力を測定できる位置であればどこに装着してもよいが、水温センサ１８は、凝縮前の温度の高い蒸気の温度を測定しないように凝縮後の冷却水が溜まるロアータンク９ｂに装着する。圧力センサ１７及び水温センサ１８はいずれもＥＣＵ（Electronic  control  unit）１９と電気的に接続されている。このＥＣＵ１９は本発明における演算手段の機能を備え、圧力センサ１７及び水温センサ１８とともに本発明における浸入空気検出手段を構成する。ＥＣＵ１９は、水温センサ１８によって測定した水温に対応した飽和蒸気圧を算出し、圧力センサ１７によって測定された圧力とを比較することによって冷媒の循環系内の空気の浸入を検出する。
【００２１】
凝縮器９は、コア部９ｃで熱交換に供される空気が導入される側にファン２０を備えている。このファン２０は、凝縮器９における冷却効率を向上させ、蒸気の凝縮効果を向上させるものである。このファン２０の駆動部２０ａはＥＣＵ１９と電気的に接続されている。凝縮器９は、さらに、コア部９ｃで熱交換に供される空気が導入される側にシャッタ２１を備えている。シャッタ２１の駆動部２１ａはＥＣＵ１９に電気的に接続されている。このシャッタ２１が閉じた状態となると、コア部９ｃへの空気の導入が抑制され、凝縮器９の凝縮効果が低下する。すなわち、シャッタ２１は、本発明における凝縮器作動抑制手段に相当する。また、ファン２０も停止することにより凝縮器９における冷却効果を低下させ、凝縮効果を抑制することになり、この意味で、本発明における凝縮器作動抑制手段に相当する。
【００２２】
廃熱回収装置１は、凝縮器９のロアータンク９ｂとウォ−タジャケット３とを接続する冷却水通路１０を備えている。冷却水通路１０と凝縮器９とは、第一排出管９ｆによって接続されている。この冷却水通路１０には上流側から順にキャッチタンク１１、本発明における供給ポンプに相当する第２ウォータポンプ１２、加熱器２３が配設されている。凝縮器９内で凝縮され液体に戻された冷却水は一旦キャッチタンク１１内に貯留され、その後、第２ウォータポンプ１２によって再びウォータジャケット３内へ供給される。その際、冷却水は加熱器２３において高温の蒸気から熱を付与されて高温となる。これにより、ウォータジャケット３において蒸気化し易くなり効率的な廃熱回収を行うことができる。このようにランキンサイクルを形成する系が本発明の冷媒の循環系を構成している。
【００２３】
このような廃熱回収装置１は、さらに、凝縮器９と接続されたリザーブタンク１６を備えている。リザーブタンク１６は、第二排出管９ｇに接続された排出パイプ２２を介して凝縮器９と接続されている。この排出パイプ２２の出口はリザーブタンク１６内に貯留される液中で開口するように配置されている。リザーブタンク１６は開口１６ａを備えており、リザーブタンク１６内へ排出された空気は大気開放される。また、排出パイプ２２の途中には、凝縮器９側からリザーブタンク１６側への流れのみ許容する一方弁２４が装着されている。
【００２４】
以上のように構成される廃熱回収装置１の動作につき、図４に示したフロー図を参照しつつ説明する。
まず、ＥＣＵ１９は、ステップ１において、圧力センサ１７から凝縮器９内の圧力Ｐｇを取得する。また、これとともに、水温センサ１８から凝縮器９内に溜まった冷却水の水温を取得する。ＥＣＵ１９、この水温から、この水温に対応する飽和蒸気圧Ｐｗを算出する。具体的には、ＥＣＵ１９内に格納されたマップから飽和蒸気圧Ｐｗを算出する。
【００２５】
ＥＣＵ１９は、ステップＳ２において凝縮器内圧力Ｐｇが飽和蒸気圧Ｐｗよりも大きいか否かを判断する。このステップＳ２においてＹｅｓと判断したときはステップＳ４へ進む。一方、ステップＳ２でＮｏと判断したときはステップＳ３へ進む、ステップＳ３では、シャッタ２１を開状態とするとともに、ファン２０を稼働させる。凝縮器内圧力Ｐｇが飽和蒸気圧Ｐｗよりも小さいときは循環系内に空気は浸入していないと判断することができる。そこで、図２に示すようにシャッタ２１を開放し、ファン２０を稼働させることで、凝縮器９に大量に空気を送り込み、冷却効果を向上させて凝縮を促進させる。凝縮器９における凝縮が促進されると、循環系内の圧力は低下する。これによりタービン８の前後の圧力比が大きくなり、タービン効率が向上する。この結果廃熱回収の効率が向上する。
【００２６】
一方、ステップＳ４では、ステップＳ１で取得したＰｇとＰｗとの差を算出し、その値から、空気排出時間Ｔｈを決定する。ＰｇとＰｗとの差が大きいほど循環系内に浸入した空気の量は多いと考えられるから空気排出時間Ｔｈは長時間となる。この、空気排出時間Ｔｈは、ステップＳ５において開始する措置により、凝縮器内圧力Ｐｇが大気圧を越え、その時点からさらにステップ５の措置を継続する時間である。
【００２７】
ステップＳ４に引き続き行われるステップＳ５では、図１に示すようにシャッタ２１を閉状態とするとともに、ファン２０の稼働を停止させる。シャッタ２１を閉状態とし、ファン２０の稼働を停止させることにより、凝縮器９への空気の供給は抑制される。これにより凝縮器９における冷却作用は低下し、循環系内の温度、圧力が上昇する。
【００２８】
ＥＣＵＳ５の措置を採った後もステップＳ６において凝縮器内圧力Ｐｇを取得する。ＥＣＵ１９は、ステップＳ７においてステップＳ６で取得した凝縮器内圧力Ｐｇが大気圧よりも高くなったか否かの判断を行う。循環系内の圧力が上昇し、大気圧よりも大きくなると、凝縮器９内に溜まった空気は蒸気とともにリザーブタンク１６内へ排出される。ステップＳ７でＮｏと判断したときは、ステップＳ５、ステップＳ６の措置を繰り返す。ステップＳ７でＹｅｓと判断したときは、ステップＳ８へ進み、時間Ｔｈのカウントを開始し、時間Ｔｈが経過したか否かの判断を行う。凝縮器内圧力Ｐｇが大気以上となってから時間Ｔｈが経過すれば循環系内の空気は排出されたと判断することができる。
【００２９】
以上、説明したように廃熱回収装置１を構成する各部が作動することにより、循環系に浸入した空気を排出し、凝縮器９の機能を維持することができる。
【００３０】
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。例えば、シャッタ２１を備えることなく、また、シャッタ２１の開閉を行うことなくファン２０の停止によってのみ凝縮器９の作動を抑制する構成とすることもできる。さらに、ファン２０を備えず、シャッタ２１の開閉の制御のみを行うようにしてもよい。
【図面の簡単な説明】
【００３１】
【図１】実施例の廃熱回収装置の概略構成を示した説明図であり、エンジンの冷媒が循環する循環系に浸入した空気を排出する状態の説明図である。
【図２】本実施例の廃熱回収装置の概略構成を示した説明図であり、廃熱回収を促進する状態の説明図である。
【図３】凝縮器の斜視図である。
【図４】廃熱回収装置の制御の一例を示すフロー図である。
【符号の説明】
【００３２】
１  廃熱回収装置
２  エンジン
２ａ  シリンダブロック
２ｂ  シリンダヘッド
３  ウォータジャケット
４ａ、ｂ  冷却水噴射ノズル
５  第１ウォータポンプ
６ａ  蒸気経路
７  過熱器
８  タービン
９  凝縮器
１０  冷却水通路
１１  キャッチタンク
１２  第２ウォータポンプ
１３  排気ポート
１４  排気経路
１５  発電機
１６  リザーブタンク
１７  油圧センサ
１８  水温センサ
１９  ＥＣＵ
２０  ファン
２１  シャッタ
２２  排出パイプ
２３  加熱器
２４  一方弁
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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