JP2012102645A - ランキンサイクルシステム - Google Patents

Abstract

【課題】冷媒の凍結による配管の破損を抑制することを課題とする。
【解決手段】ランキンサイクルシステム１００は、エンジン１における廃熱により蒸気化した冷却媒体が流通する蒸気流通経路３ｂと、蒸気流通経路３ｂ内の蒸気からエネルギーを回収する膨張器１０と、膨張器１０を経た蒸気が凝縮され液化した冷却媒体を貯留する凝縮水タンク１４と、エンジン１の停止を検出する検出手段と、エンジン１の停止が検出された場合、蒸気流通経路３ｂ内に残留する蒸気を凝縮水タンク１４まで押し出す圧縮空気を蒸気流通経路３ｂに導入するノズル２０と、を備える。
【選択図】図１

Description

本発明は、ランキンサイクルシステムに関する。

従来、内燃機関の稼動に伴う廃熱を回収するランキンサイクルが知られている。このようなランキンサイクルには、例えば、エンジンの水冷冷却系統を密閉構造として沸騰冷却を行うようにし、エンジンにおける廃熱によって気化した冷媒、すなわち蒸気によって蒸気タービンのような膨張器を駆動して、その蒸気の持つ熱エネルギを電気エネルギ等に変換して回収するものがある。このようなランキンサイクルシステムを改良するものとして、例えば特許文献１がある。

特開２００８−１２１６１５号公報

上記特許文献１のランキンサイクルシステムにおいて、エンジンから発生した蒸気は、冷媒の沸騰により圧力が高くなっているエンジンから、圧力の低い凝縮水タンクへと流れる。しかしながら、エンジンが停止すると、エンジン内での沸騰が収まり、エンジンと凝縮水タンクとの圧力差が無くなる。圧力差が無くなると、蒸気がエンジンから凝縮水タンクへと流れなくなるので、気化した冷媒が配管内に残留する。この配管内に残留した冷媒は、寒冷時には凍結するおそれがあり、また、配管内での冷媒の凍結は、配管等の破損につながる。

そこで、本明細書開示のランキンサイクルシステムは、冷媒の凍結による配管の破損を抑制することを課題とする。

かかる課題を解決するために、本明細書開示のランキンサイクルシステムは、内燃機関における廃熱により蒸気化した冷却媒体が流通する蒸気流通経路と、前記蒸気流通経路内の蒸気からエネルギーを回収するエネルギー回収装置と、前記エネルギー回収装置を経た前記蒸気が凝縮され液化した冷却媒体を貯留する貯留部と、前記内燃機関の停止を検出する検出手段と、前記内燃機関の停止が検出された場合、前記蒸気流通経路内に残留する蒸気を前記貯留部まで押し出す圧縮空気を前記蒸気流通経路に導入する圧縮空気導入手段と、を備える。

上記の構成によれば、内燃機関が停止した場合に、蒸気流通経路から貯留部までの系内に圧縮空気が導入されるため、内燃機関の停止によって蒸気流通経路内に残留した、蒸気化した冷却媒体が貯留部へと押し出される。これにより、エンジンの停止によって冷媒が蒸気流通経路内に残留するのを抑制することができ、蒸気流通経路内に残留した冷媒の凍結によって配管等が破損するのを抑制することができる。

本明細書開示のランキンサイクルシステムによれば、配管の破損が抑制される。

図１は、実施例に係るランキンサイクルシステムの概略構成図である。 図２は、実施例に係るランキンサイクルシステムの制御の一例を示すフローチャートである。

以下、本発明を実施するための形態を図面と共に詳細に説明する。

ランキンサイクルシステム１００の概略構成について図１を参照しつつ説明する。図１は、ランキンサイクルシステム１００の概略構成図である。ランキンサイクルシステム１００は、内部で冷媒が沸騰することにより冷却されるエンジン１を備えている。エンジン１は、内燃機関の一例である。エンジン１は、シリンダブロック１ａとシリンダヘッド１ｂを備える。シリンダブロック１ａ及びシリンダヘッド１ｂ内にはウォータジャケットが形成されており、このウォータジャケット内の冷媒が沸騰することによってエンジン１の冷却が行われる。このときエンジン１は、蒸気を発生させる。エンジン１は、さらに、排気管２を備える。エンジン１のシリンダヘッド１ｂには、ウォータジャケット内の混合冷媒を気液分離器４へと導入する導入通路３ａの一端が接続されている。

導入通路３ａの他端は、気液分離器４に接続されている。エンジン１側から気液混合状態で気液分離器４に流入した混合冷媒は、気液分離器４内で気相（蒸気）と液相（液化冷媒）とに分離される。気液分離器４の下端部には、冷媒循環路５の一端が接続されている。この冷媒循環路５の他端はシリンダブロック１ａに接続されている。また、冷媒循環路５には、エンジン１内に液化冷媒を圧送する第１ウォーターポンプ６が配設されている。この第１ウォーターポンプ６は、いわゆるメカ式であり、エンジン１が備えるクランクシャフトを駆動源としている。この第１ウォーターポンプ６により、液化冷媒が、エンジン１と気液分離器４との間を循環する。

気液分離器４の上端部は、蒸気流通経路３ｂの一端と接続されている。蒸気流通経路３ｂには、過熱器８、膨張器１０、コンデンサ１２、及び凝縮水タンク１４がこの順に配設されている。気液分離機４で分離された蒸気は、過熱器８へと流入する。

過熱器８には、排気管２が引き込まれている。排気管２の内部には、エンジン１で発生した排気ガスが流通する。排気管２は、過熱器８を貫通しており、その内部を排気ガスが通過する。排気ガスは、気液分離器４で分離された蒸気と熱交換をする。これにより、蒸気発生量が増大すると共に、蒸気の過熱度が向上し、廃熱回収効率が向上する。過熱器８の上端部には、蒸気を排出する蒸気排出管が設けられ、その先端部には、ノズル９が設けられている。

過熱器８の下流側には、膨張器（エネルギー回収装置）１０が配設されている。膨張器１０は、過熱器８から供給された気化冷媒、すなわち蒸気によって駆動されてエネルギー回収を行う。膨張器１０は、ケース１０ａと、このケース１０ａに設けられたタービン翼１０ｂとを備えた蒸気タービンである。ノズル９は、蒸気流通経路３ｂを通じて供給された蒸気がタービン翼１０ｂに向かって噴射されるようにケース１０ａに取り付けられている。これにより、タービン翼１０ｂは、蒸気流通経路３ｂを通じて供給された蒸気により回転駆動される。タービン翼１０ｂの回転力は、エンジン１が備えるクランクシャフトの回転を補助したり、発電機を駆動したりする。これにより、廃熱の回収が行われる。

膨張器１０の下流側には、エネルギーを回収された後の冷却媒体を排出する排出通路１１が設けられている。排出通路１１の一端は、膨張器１０に接続されている。排出通路１１の他端は、他端はコンデンサ１２に接続されている。排出通路１１は、膨張器１０から蒸気を排出し、排出した蒸気をコンデンサ１２に導入する。コンデンサ１２は、蒸気を冷却することによって凝縮して液化冷媒を生成する。コンデンサ１２は、ファン１３による送風を受けて、効率よく蒸気を冷却、凝縮することができる。コンデンサ１２の下部にはコンデンサ１２において生成された液化冷媒を貯留する凝縮水タンク（貯留部）１４が設置されている。

凝縮水タンク１４の下流側には、凝縮水タンク１４内に一旦貯留された液化冷媒をエンジン１側へ再循環させる冷媒回収路１６が設けられている。冷媒回収路１６は、冷媒循環路５の第１ウォーターポンプ６の上流側に接続されている。冷媒回収路１６には第２ウォータポンプ１７が配設されている。この第２ウォータポンプ１７は、電気式のベーンポンプとなっている。第２ウォータポンプ１７が稼動状態となると、凝縮水タンク１４内の液化冷媒が冷媒循環路５へ供給される。また、第２ウォータポンプ１７の下流には、冷媒の逆流を回避するための一方弁１８が配設されている。以上のように、ランキンサイクルシステム１００は、冷媒が循環する経路を備えている。

また、実施例に係るランキンサイクルシステム１００は、エンジン停止後に配管内に残留する蒸気を凝縮水タンク１４へ押し出すための機構を備える。具体的には、ランキンサイクルシステム１００では、蒸気流通経路３ｂと気液分離器４との接続箇所付近に、ノズル２０が設けられている。ノズル２０は、エアタンク２１に接続される。エアタンク２１は、エアコンプレッサ２２と接続されており、エアコンプレッサ２２で生成された圧縮空気を貯留する。エアコンプレッサ２２は、エンジン１の駆動力により圧縮空気を生成し、エアタンク２１内に圧縮空気を送出する。

また、ノズル２０は、電磁バルブ２３を備える。電磁バルブ２３は、後述するＥＣＵ１９によってその開閉が制御される。電磁バルブ２３が開くと、エアタンク２１に貯留された圧縮空気が、ノズル２０から蒸気流通経路３ｂへ導入される。このノズル２０から蒸気流通経路３ｂへ導入された圧縮空気によって、蒸気流通経路３ｂ内に残留する蒸気が凝縮水タンク１４へと押し出される。

ランキンサイクルシステム１００は、検出手段及び圧縮空気導入手段の一部として機能するのＥＣＵ（Electronic control unit）１９を備える。ＥＣＵ１９は、ノズル２０に備えられた電磁バルブ２３と、エアタンク２１内の圧力を計測する圧力センサ２４と、エアコンプレッサ２２と、エンジン１と、凝縮水タンク１４内の圧力を計測する圧力センサ２５と、電気的に接続されている。なお、上述したノズル２０、エアタンク２１、エアコンプレッサ２２、圧力センサ２４、電磁バルブ２３、及びＥＣＵ１９を組み合わせた構成が、圧縮空気導入手段に相当する。

ＥＣＵ１９は、エアタンク２１内の圧力が所定の圧力となるまでエアコンプレッサ２２を稼動させ、圧縮空気をエアタンク２１内に送出させる。ＥＣＵ１９は、圧力センサ２４からエアタンク２１内の圧力を取得し、エアタンク２１内の圧力が所定の圧力となると、エアコンプレッサ２２を停止させる。なお、所定の圧力とは、配管内に残留する蒸気を押し出せる量の圧縮空気がエアタンク２１内に貯留された場合に計測される圧力である。

ＥＣＵ１９は、エンジン１からエンジン回転数を取得し、エンジンが停止しているか否かを判定する。ＥＣＵ１９は、エンジンが停止した場合、電磁バルブ２３を開いて、エアタンク２１内に貯留された圧縮空気をノズル２０から蒸気流通経路３ｂ内に導入させる。具体的には、ＥＣＵ１９は、エンジンが停止した場合、電磁バルブ２３に、バルブを開くよう命令する。電磁バルブ２３は、ＥＣＵ１９からの命令に基づき、バルブを開く。電磁バルブ２３が開くと、エアタンク２１内に貯留された圧縮空気がノズル２０から蒸気流通経路３ｂ内に導入される。蒸気流通経路３ｂに導入された圧縮空気は、気液分離器４から凝縮水タンク１４までの蒸気流通経路３ｂに残留している蒸気を押し出しながら、凝縮水タンク１４へと向かう。これにより、気液分離器４から凝縮水タンク１４までを結ぶ蒸気流通経路３ｂに残留している蒸気が凝縮水タンク１４へ押し出される。

次に、ＥＣＵ１９が実行する制御の一例について説明する。図２は、ＥＣＵ１９が実行する制御の一例を示すフローチャートである。

ＥＣＵ１９は、エンジン１からエンジン回転数を取得する（ステップＳ１１）。

ＥＣＵ１９は、取得したエンジン回転数に基づいて、エンジンが停止しているか否か判定する（ステップＳ１３）。例えば、ＥＣＵ１９は、所定の時間エンジン回転数が０である場合、エンジンが停止していると判定する。

エンジンが停止していない場合（ステップＳ１３／ＮＯ）、ＥＣＵ１９は、ステップＳ１１からの処理を継続する。エンジンが停止した場合（ステップＳ１３／ＹＥＳ）、ＥＣＵ１９は電磁バルブ２３を制御し、バルブを開ける（ステップＳ１５）。これにより、エアタンク２１内に貯留された圧縮空気がノズル２０から蒸気流通経路３ｂ内に導入される。

ＥＣＵ１９は、凝縮水タンク１４内の圧力が、エアタンク２１内の圧力と等しくなったか判定する（ステップＳ１７）。凝縮水タンク１４内の圧力と、エアタンク２１内の圧力とが等しい場合、エアタンク２１内に貯留されていた圧縮空気は放出されたといえる。そこで、凝縮水タンク１４内の圧力が、エアタンク２１内の圧力と等しくなった場合（ステップＳ１７／ＹＥＳ）、ＥＣＵ１９は、電磁バルブ２３を制御し、バルブを閉め（ステップＳ１９）、本処理を終了する。凝縮水タンク１４内の圧力が、エアタンク２１内の圧力と等しくなっていない場合（ステップＳ１７／ＮＯ）、ＥＣＵ１９はステップＳ１７の処理を繰り返す。

以上説明したように、本明細書開示のランキンサイクルシステムによれば、エンジンが停止した場合、ＥＣＵ１９の命令により電磁バルブ２３が開き、エアタンク２１内に貯留された圧縮空気がノズル２０から蒸気流通経路３ｂ内に導入する。これにより、エンジン１の停止によって、エンジン１から凝縮水タンク１４へと流れずに残留していた蒸気が、圧縮空気によって凝縮水タンク１４へと押し出される。そして、気液分離器４から凝縮水タンク１４までの蒸気流通経路３ｂ内に蒸気が残留するのを抑制できる。この結果、蒸気流通経路３ｂ内に残留した冷媒の凍結等によって配管が破損するのを抑制することができる。

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、上述の実施例では、ＥＣＵ１９はエンジン１の回転数を用いてエンジン１が停止したか否かを判定していた。しかしながら、ＥＣＵ１９は、エンジン１が停止したか否かを、例えば、イグニッションスイッチのＯＮ／ＯＦＦに基づいて判定してもよい。

また、上述の実施例では、エアコンプレッサ２２はエンジン１によって駆動されているが、エンジン１以外の電気等によって駆動されてもよい。

１…エンジン
２…排気管
３ａ…導入通路
３ｂ…蒸気流通経路
４…気液分離器
５…冷媒循環路
６…第１ウォータポンプ（Ｗ／Ｐ）
８…過熱器
９…ノズル
１０…膨張器
１０ａ…タービンケース
１０ｂ…タービン翼
１１…排出通路
１２…コンデンサ
１３…ファン
１４…凝縮水タンク
１６…冷媒回収路
１７…第２ウォータポンプ（Ｗ／Ｐ）
１８…一方弁
１９…ＥＣＵ
２０…ノズル
２１…エアタンク
２２…エアコンプレッサ
２３…電磁バルブ
２４、２５…圧力センサ
１００…ランキンサイクルシステム

Claims (1)

1. 内燃機関における廃熱により蒸気化した冷却媒体が流通する蒸気流通経路と、
   前記蒸気流通経路内の蒸気からエネルギーを回収するエネルギー回収装置と、
   前記エネルギー回収装置を経た前記蒸気が凝縮され液化した冷却媒体を貯留する貯留部と、
   前記内燃機関の停止を検出する検出手段と、
   前記内燃機関の停止が検出された場合、前記蒸気流通経路内に残留する蒸気を前記貯留部まで押し出す圧縮空気を前記蒸気流通経路に導入する圧縮空気導入手段と、
   を備えることを特徴とするランキンサイクルシステム。

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