(57)【要約】【課題】気液混合状態となっている蒸気を凝縮させることのない気液分離器を提供することを課題とする。【解決手段】気液分離器５０は、容器５１の上方から容器５１の内部に導入される樋５２を備える。この樋５２は、複数の中空パイプ５２ａを組み合わせて構成される。樋５２の断面の形状はＣ字状をなし、Ｃ字状の内側がエンジンより受熱した冷媒が流通する冷媒流通部５２ｂとなる。また、中空パイプ５２ａのそれぞれがエンジンの排ガスが流通する中空部を形成する。樋５２は、冷媒流通部５２ｂを流通する冷媒に遠心力を付与するように屈曲し、螺旋状に形成されている。樋５２は、導入管５３を用いてエンジン２と接続されており、エンジン２内で沸騰、蒸発する冷媒が冷媒流通部５２ｂに導かれるようになっている。さらに、中空パイプ５２ａにはエンジン２の排気ガスが導入されるように接続されている。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
内部にエンジンの排気ガスが流通する中空部が形成されるとともにエンジンより受熱した冷媒が流通する冷媒流通部が形成された樋を備えたことを特徴とする気液分離器。
【請求項２】
請求項１記載の気液分離器において、
前記樋は、螺旋状に形成されたことを特徴とする気液分離器。
【請求項３】
請求項１記載の気液分離器において、
前記樋は、前記冷媒に遠心力を付与するように屈曲していることを特徴とした気液分離器。
【請求項４】
請求項１記載の気液分離器において、
前記樋は、前記冷媒を上方から下方に向かって流通させる螺旋状に形成され、下方において、前記中空部を分割させ、又は、放熱手段を備えたことを特徴とする気液分離器。
【請求項５】
エンジンより受熱した冷媒が流通する冷媒流通部を有するとともに、螺旋状に形成された樋を備えたことを特徴とした気液分離器。
【請求項６】
請求項１乃至４のいずれか一項記載の気液分離器を備えた廃熱回収装置であって、
前記中空部は、過熱器を通過した後の排気ガスが導入されることを特徴とする廃熱回収装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、気液分離器及びこれを備えた廃熱回収装置に関する。
【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。
【０００３】
【特許文献１】特開２０００−３４５８３５号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
特許文献１に開示されたような蒸気を介して廃熱を回収する廃熱回収装置では、膨張器に送られる冷媒は、気液が分離され、湿り度の低い蒸気となっていることが望ましい。このため、廃熱回収装置には、気液分離器や過熱器が組み込まれることがある。気液分離器は、液相状態の冷媒と混合状態で取り出される蒸気から液分を分離するものであり、容器内部に液体を貯留させ、この液体中に気液混合状態の冷媒を導入、通過させることによって冷媒の気液分離を行う蓄液式のものが知られている。
【０００５】
しかしながら、このような蓄液式の気液分離器では、気液分離器内に貯留される液体分の熱容量が増すこととなり、導入された蒸気が熱を奪われ凝縮することになりかねない。これでは膨張器へ供給する蒸気量を減少させてしまうことになる。
【０００６】
そこで、本発明は、気液混合状態となっている蒸気を凝縮させることのない気液分離器を提供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、本発明の気液分離器は、内部にエンジンの排気ガスが流通する中空部が形成されるとともにエンジンより受熱した冷媒が流通する冷媒流通部が形成された樋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、冷媒がエンジンより受熱することにより発生した蒸気が、気液混合状態で気液分離器に導入された場合であっても冷媒に熱を付与することができ、蒸気の凝縮を抑制することができる。また、排気ガスから付与される熱量が多い場合には、気液分離器においてさらに蒸気を発生させることができる。すなわち、表層に冷媒が流通する冷媒流通部を形成する樋に排気ガスが流通する中空部を設けることにより、排気ガスの熱を冷媒に付与することができる。
【０００８】
このような気液分離器における前記樋は、螺旋状に形成された構成とすることができる（請求項２）。さらに、前記樋は、前記冷媒に遠心力を付与するように屈曲している構成とすることができる（請求項３）。このような構成とすることにより遠心力を利用した気液分離を行うことができる。
【０００９】
また、このような気液分離器における前記樋は、前記冷媒を上方から下方に向かって流通させる螺旋状に形成され、下方において、前記中空部を分割させ、又は、放熱手段を備えた構成とすることができる（請求項４）。気液分離された蒸気は気液分離器の上方へ排出され、液分は下方へ貯留することとなる。このようにして貯留した液分中に樋が浸漬すると、排気ガスの熱をさらに液分に付与することができる。そこで、効率よく排ガスの熱を液分に付与すべく、樋の下部において中空部を分割させたり、放熱手段を備えたりした構成とすることができる。中空部を分割することにより、表面積を拡大することができる。例えば、樋自体を複数の中空パイプを組み合わせて形成し、下端部において、複数の中空パイプを分割するようにすれば冷媒が接触する樋の表面積を拡大することができる。また、放熱手段は、例えば、フィンを備えた熱交換器とすることができる。
【００１０】
なお、気液分離器は、エンジンより受熱した冷媒が流通する冷媒流通部を有するとともに、螺旋状に形成された樋を備えた構成とすることもできる（請求項５）。すなわち、排気ガスを導入することなく、遠心力によって気液を分離する簡易な構成とすることもできる。
【００１１】
次に、本発明の廃熱回収装置は、本発明の気液分離器を備えた廃熱回収装置であって、前記中空部は、過熱器を通過した後の排気ガスが導入されることを特徴とする（請求項６）。このような構成とすることにより、過熱器において蒸気の温度を上昇させて膨張器における効率のよい廃熱回収を図るとともに、気液分離器における気液の分離、蒸気量の増加を図ることができる。
【発明の効果】
【００１２】
本発明によれば、気液分離器に排気ガスを引き込み、冷媒に排気ガスの熱を付与するようにしたので、効率よく気液分離を行い、膨張器へ蒸気を供給することができる。これにより、廃熱の回収効率を向上させることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１３】
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】
【００１４】
図１は、本発明の気液分離器５０の概略構成を示す模式図である。気液分離器５０は、容器５１の上方から容器５１の内部に導入される樋５２を備えている。この樋５２は、図２にその断面を示すように複数の中空パイプ５２ａを組み合わせて構成されている。樋５２の断面の形状はＣ字状をなしており、Ｃ字状の内側がエンジンより受熱した冷媒が流通する冷媒流通部５２ｂとなっている。また、中空パイプ５２ａのそれぞれがエンジンの排ガスが流通する中空部を形成する。このような樋５２は、冷媒流通部５２ｂを流通する冷媒に遠心力を付与するように屈曲しており、螺旋状に形成されている。この螺旋は、冷媒を上方から下方に向かって流通させるように形成されている。樋５２は、導入管５３を用いてエンジン２と接続されており、エンジン２内で沸騰、蒸発する冷媒が冷媒流通部５２ｂに導かれるようになっている。さらに、中空パイプ５２ａにはエンジン２の排気ガスが導入されるように接続されている。但し、排気ガスの導入は、エンジン２から直接導入するだけでなく、他の機器、例えば、過熱器に導入された後の排気ガスを挿入するようにすることもできる。
【００１５】
容器５１の上部には蒸気の排出筒５４を備えている。この排出筒５４の蒸気取り込み口５４ａには、飛沫除け５５が装着されている。容器５１の下部には内部に導入された蒸気から分離された液状の冷媒が貯留するが、この液状の冷媒を排出するドレン５７が設けられている。さらに、容器５１の内部には下部に貯留した液状の冷媒が上方の排出筒５４側に飛散することを抑制する飛沫除け５６が装着されている。
【００１６】
前記のように容器５１の下部には液状の冷媒が貯留する。樋５２は、このように冷媒が貯留することとなる容器５１の下部に位置する箇所において各中空パイプ５２ａが分割されている。すなわち、中空部を分割させ、表面積を拡大している。
【００１７】
以上のように構成される気液分離器５０における冷媒の気液分離につき説明する。エンジン３内で蒸発した冷媒は、導入管５３を通じて樋５２の冷媒流通部５２ｂ上を流下する。樋５２は螺旋状に下降しているので、冷媒流通部５２ｂ上を流下する冷媒には図２中、矢示５８で示すように遠心力が作用する。これにより、導入された蒸気中、質量の大きい液状の冷媒は外側に押し付けられ、一方、質量の小さい気体状の蒸気は図２中、矢示５９で示すようにＣ字状の切欠き部を通じて排出され、上昇していく。液分が分離され、上昇した蒸気は排出筒５４を通じて容器５１から排出される。
【００１８】
このようにして容器５１内で蒸気の気液が分離されるがこのとき冷媒には、樋５２を形成する中空パイプ５２ａ内を流通する高温の排気ガスから熱が付与されている。これにより分離された液分の冷媒をさらに蒸気化させることができる。樋５２上を流下している間に蒸気化することがなかった冷媒は、容器５１の下部に貯留され、ドレン５７から排出される。ところが、樋５２は、下方において液状の冷媒に浸漬する。これにより、冷媒に熱を付与し、蒸気量の増量が図られている。ここで、排気ガスが流通する樋５２の中空パイプ５２ａは図３に示すように下方において分割されており、表面積が拡大されているので、効率よく冷却水に熱を伝えることができる。
【００１９】
以上のように機能する気液分離器５０は、ランキンサイクルを利用した廃熱回収装置１に組み込まれる。図４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。
【００２０】
廃熱回収装置１の一部は、燃焼機関であるエンジン本体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４を備えている。ウォータジャケット３内には冷却媒体である冷却水が供給されている。冷却水噴射ノズル４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。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。
【００２１】
廃熱回収装置１は、さらに、蒸気化した冷却媒体、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気液分離器５０、過熱器７、タービン８が配設されており、その端部は凝縮器９の上部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。過熱器７を通過した後の排気ガスは気液分離器５０内に引き込まれ、蒸気の気液分離、さらなる蒸気の発生に用いられる。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３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。
【００２２】
廃熱回収装置１は、さらに、凝縮器９の下部９ｂとウォ−タジャケット３と接続する冷却水通路１０を備えている。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、モータ１２ａによって駆動される第２ウォータポンプ１２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。
【００２３】
このように廃熱回収装置１は、ウォ−タジャケット３の液体の冷却水が蒸気となり、凝縮器９で再び液体に戻されてウォ−タジャケット３へ供給される、閉じた系が形成され、ランキンサイクルが構成されている。
【００２４】
以上のように廃熱回収装置１に本発明の気液分離器５０を組み込んだ効果を従来の廃熱回収装置との比較において図５乃至図９を参照しつつ説明する。まず、図５に示したエンジンの軸出力と蒸気発生量との関係について説明する。本発明の気液分離器５０が組み込まれていない従来例においてもエンジンの軸出力が上昇するとそれだけエンジン２が発する熱量が増し、蒸気発生量は多くなる。これに対し、本実施例の廃熱回収装置１では、気液分離器５０にも排気ガスが引き込まれ、排気ガスの熱が冷却水に付与されることから、気液分離器５０内においても蒸気が発生し、従来例と比較して蒸気発生量が増加している。さらに、容器５１の底部に貯留した気液分離後の液分も、分割され、表面積が拡大された中空パイプ５２ａからの受熱により蒸気となることができる。
【００２５】
次に、気液分離器の温度について図６を参照しつつ説明する。従来の廃熱回収装置で気液分離器を備えたものであっても、その気液分離器が例えば蓄液式のものであると、内部に貯留された液体にも熱容量があることから昇温の速度が遅い。また、熱容量があり、温度が低い気液分離器内に蒸気を導入すると、蒸気が凝縮するおそれもある。これに対し、本実施例の廃熱回収装置１は、排気ガスが引き込まれていることから気液分離器５０自体の温度もより早期に上昇する。また、容器５１の内部に大量の液体を貯留することがなく、気液分離の対象となる蒸気も液体中を通過することがないので気液分離器内で凝縮してしまうおそれも抑制されている。
【００２６】
次に、廃熱量とエネルギー回収量との関係について説明する。本実施例の廃熱回収装置１は、過熱器７のみでなく、気液分離器５０においても排気ガスから冷却水へ熱を与えるようにしているので廃熱量に対するエネルギー回収量が従来例と比較して多い。すなわち、高効率な廃熱回収を実現している。
【００２７】
次に、冷却水温度の時間変化、エンジン２の燃料消費量の時間変化について図８、図９を参照しつつ説明する。冷却水は、ウォ−タジャケット３内で、凝縮器９で再び液体に戻されてウォ−タジャケット３へ供給される。冷却水はこのように循環する過程において、排気ガスによる昇温作用を受けることになるから冷却水の温度上昇は従来例と比較して早い。冷却水の温度が上昇するとエンジン２の潤滑油も昇温する。潤滑油は早期に昇温し、粘度が低下することによりフリクションの低減となる。フリクションが低減されると、燃料消費量の低減につながる。従って、本実施例のエンジン２はエンジン始動直後から従来例と比較して燃料消費量が抑えられている。
【００２８】
本実施例の気液分離器５０を用いることにより、以上のような効果を得ることができる。
【００２９】
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、前記実施例では、樋５２は、複数の中空パイプ５２ａを組み合わせて構成されているが、図１０に断面を示すようにそれ自体の断面がＣ字状をなす管６０によって樋５２を構成することもできる。また、上記実施例では、樋５２は、冷媒が貯留することとなる容器５１の下部に位置する箇所において各中空パイプ５２ａが分割され、表面積を拡大する構成となっているが、図１１に示すように放熱手段である熱交換器６１を備えた構成とすることもできる。このような構成としても容器５１の下部に貯留した冷却水を蒸発させることができる。フィン付きの熱交換器であれば、効率よく排気ガスの熱を冷却水に伝達することができる。
【図面の簡単な説明】
【００３０】
【図１】気液分離器の概略構成を示す模式図である。
【図２】樋の断面を示す説明図である。
【図３】樋が分割された状態を示す説明図である。
【図４】廃熱回収装置の概略構成を示した説明図である。
【図５】エンジンの軸出力と蒸気発生量との関係を示すグラフである。
【図６】気液分離器温度の時間変化を示すグラフである。
【図７】廃熱量とエネルギー回収量との関係を示すグラフである。
【図８】冷却水温度の時間変化を示すグラフである。
【図９】燃料消費量の時間変化を示すグラフである。
【図１０】樋の他の構成を示す説明図である。
【図１１】樋の下部に熱交換器を装着した構成を示す説明図である。
【符号の説明】
【００３１】
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
４  冷却水噴射ノズル
５  第１ウォータポンプ
６  蒸気経路
７  過熱器
８  タービン
９  凝縮器
１２  第２ウォータポンプ
５０  気液分離器
５１  容器
５２  樋
５２ａ  中空パイプ
５２ｂ  冷媒流通部
５３  導入管
５４  排出筒
５５、５６  飛沫除け
５７  ドレン
【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】
2009079504.tif 000009
【図８】
2009079504.tif 000010
【図９】
2009079504.tif 000011
【図１０】
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【図１１】
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