JP2010242516A - 気液分離器及び気液分離システム - Google Patents

Abstract

【課題】蒸気内に液相の冷媒が混入することを抑制し、かつ冷媒の貯留タンクとして機能する気液分離器、及びそれを利用した気液分離システムを提供すること。
【解決手段】ウォータージャケット４から冷媒が流入する第１流入口１０と、第１流入口１０よりも上側に設けられた第１流出口１２と、第１流出口１２よりも上側に設けられ、蒸気化した冷媒が排出される蒸気排出口１４と、第１流入口１０より下側に設けられ、ウォータージャケット４に接続された第２流出口１６と、液相の冷媒が流入する第２流入口１８とを備え、液相の冷媒を貯留するタンク８と、第１流入口１０と第１流出口１２との間に設けられた整流板２０と、を有する気液分離器６と、第２流入口１８を通じてタンク８に液相の冷媒を供給するポンプ３６と、タンク８内の液相の冷媒を、第２流出口１６を通じてウォータージャケット４に供給するポンプ２６と、を具備する気液分離システム。
【選択図】図１

Description

本発明は気液分離器及び気液分離システムに関する。

沸騰冷却式エンジン（内燃機関）においては、エンジンの廃熱により蒸気化した冷媒（エンジンの冷却水）からエネルギーを回収するランキンサイクルシステムが利用されることがある。ランキンサイクルシステムでは、蒸気を膨張機に噴射することで廃熱エネルギーを回収する。特許文献１には、ランキンサイクルを備えたエンジンが開示されている。

特開２００８−１８５００１号公報

ランキンサイクルシステムでは、液体の冷媒が膨張機に噴射されるとエネルギー回収効率が低下する。エネルギー回収効率の低下を抑制するため、ランキンサイクルシステムに、冷媒を気体と液体とに分離する気液分離器が設けられていることがある。また、エンジンに冷媒を補充するため、気液分離器を冷媒貯留タンクとして活用することも考えられている。

しかしながら、エンジンの廃熱により冷媒が沸騰すると、気液分離器内に貯留された冷媒も沸騰し、気液分離器内の冷媒の液面に乱れが発生し、かつ液面が上昇する。この場合、液相の冷媒が蒸気に混入し、膨張機に送られることで、エネルギー回収効率が低下する恐れがある。

そこで本発明は、蒸気内に液相の冷媒が混入することを抑制し、かつ冷媒の貯留タンクとして機能する気液分離器、及びそれを利用した気液分離システムを提供することを課題とする。

本発明は、内燃機関のウォータージャケットから冷媒が流入する第１流入口と、前記第１流入口よりも上側に設けられた第１流出口と、前記第１流出口よりも上側に設けられ、前記内燃機関の廃熱により蒸気化した前記冷媒が排出される蒸気排出口とを備え、液相の前記冷媒を貯留するタンクと、前記第１流入口と前記第１流出口との間に設けられた整流板と、を具備することを特徴とする気液分離器である。本発明によれば、蒸気内に液相の冷媒が混入することを抑制し、かつ冷媒の貯留タンクとして機能する気液分離器を提供することができる。

上記構成において、前記タンクは、前記第１流入口よりも下側に設けられ、前記内燃機関のウォータージャケットに接続された第２流出口を備える構成とすることができる。この構成によれば、液相の冷媒がウォータージャケットとタンクとを循環するため、エンジン本体の冷却が効率良く行われる。

上記構成において、前記タンクは、前記液相の冷媒が流入する第２流入口を備える構成とすることができる。この構成によれば、タンク内の冷媒が不足することが抑制される。これにより、タンクからウォータージャケットに十分な量の冷媒が供給されるため、エンジン本体の冷却が効率良く行われる。

本発明は、内燃機関のウォータージャケットから冷媒が流入する第１流入口と、前記第１流入口よりも上側に設けられた第１流出口と、前記第１流出口よりも上側に設けられ、前記内燃機関の廃熱により蒸気化した前記冷媒が排出される蒸気排出口と、前記第１流入口よりも下側に設けられ、前記内燃機関のウォータージャケットに接続された第２流出口と、液相の前記冷媒が流入する第２流入口とを備え、前記液相の冷媒を貯留するタンクと、前記第１流入口と前記第１流出口との間に設けられた整流板と、を有する気液分離器と、前記タンクに貯留された前記液相の冷媒を、前記第２流出口を通じて前記内燃機関のウォータージャケットに供給する第１冷媒供給手段と、前記第２流入口を通じて前記タンクに前記液相の冷媒を供給する第２冷媒供給手段と、を具備することを特徴とする気液分離システムである。本発明によれば、蒸気内に液相の冷媒が混入することを抑制し、かつ冷媒の貯留タンクとして機能する気液分離システムを提供することができる。

上記構成において、前記タンクに貯留された前記液相の冷媒の液面を検知する液面検知手段を具備し、前記第２冷媒供給手段は、前記液面検知手段が前記液面を検知したことに応じて、前記タンクに前記液相の冷媒を供給する構成とすることができる。この構成によれば、タンク内の冷媒が減少した場合でも、タンク内の冷媒が不足することが抑制される。これにより、タンクからウォータージャケットに十分な量の冷媒が供給されるため、エンジン本体の冷却が効率良く行われる。

上記構成において、前記第１流出口及び前記第２流入口に接続されたリザーブタンクを具備し、前記第２冷媒供給手段は前記リザーブタンクに貯留された前記液相の冷媒を前記タンクに供給する構成とすることができる。この構成によれば、この構成によれば、タンク内の冷媒が不足することが抑制される。また、タンクから流出した液相の冷媒を有効に利用することができる。

本発明によれば、蒸気内に液相の冷媒が混入することを抑制し、かつ冷媒の貯留タンクとして機能する気液分離器、及びそれを利用した気液分離システムを提供することができる。

図１は実施例１に係る気液分離システムを備えたエンジンを例示する模式図である。 図２は実施例１に係る気液分離器の内部を例示する斜視図である。 図３は実施例１に係る気液分離器の内部を例示する断面図である。 図４は実施例１に係る気液分離システムの動作を例示するフローチャートである。 図５は実施例１に係る気液分離システムの動作を例示する模式図である。 図６は実施例１に係る気液分離システムの動作を例示する模式図である。 図７は実施例１に係る気液分離システムの動作を例示する模式図である。 図８（ａ）から図８（ｃ）は、整流板を例示する平面図である。

図面を用いて、本発明の実施例について説明する。

図１は実施例１に係る気液分離システムを備えたエンジンを例示する模式図である。

図１に示すように、気液分離システム１００は、ランキンサイクルシステムを用いたエンジン１１０に備えられている。まず、冷媒の流通経路に沿って、ランキンサイクルシステムについて説明する。ランキンサイクルシステムは、エンジン本体２、気液分離器６、過熱器３、ノズル５、膨張機７、凝縮器９、及びリザーブタンク３４を備える。なお、図中の斜線は液相の冷媒を示している。

エンジン本体２にはウォータージャケット４が設けられている。ウォータージャケット４内の冷媒が沸騰することで、エンジン本体２は冷却される。ウォータージャケット４から流出した冷媒は、気液分離器６において気体と液体とに分離される。気液分離器６の下流側には、分離された気体、すなわち蒸気化した冷媒が流通する。気液分離器６を通過した、蒸気化した冷媒は過熱器３に流入する。過熱器３には配管１９が接続されている。配管１９を通じて、エンジン本体２から排出された排気ガスが過熱器３に引き込まれる。蒸気化した冷媒は、過熱器３において排気ガスと熱交換を行い、より高温高圧の蒸気となる。

過熱器３において高温高圧となった蒸気は、ノズル５を通じて膨張機７に噴射される。噴射された蒸気により膨張機７の動翼は回転し、エネルギーを回収する。具体的には、動翼により発電機７ａが駆動され、エネルギーが電力として蓄えられる。凝縮器９は、膨張機７を通過した蒸気を冷却し、液体に戻す。凝縮器９で凝縮された冷媒は、配管４０を通じてリザーブタンク３４に流入し、貯留される。リザーブタンク３４に貯留された液相の冷媒は、気液分離器６に供給される。次に、気液分離器６、及び気液分離システムの構成について説明する。

気液分離器６のタンク８には冷媒が貯留されている。また、タンク８には、第１流入口１０、第１流入口１０よりも上側に設けられた第１流出口１２、第１流出口よりも上側に設けられた蒸気排出口１４、第１流入口１０よりも下側に設けられた第２流出口１６、及び第２流入口１８が設けられている。また、整流板２０が第１流入口１０と第１流出口１２との間に設けられている。さらに、タンク８内には液面センサ１１（液面検知手段）が設けられている。

タンク８の第１流入口１０とウォータージャケット４とは、配管２２により接続されている。ウォータージャケット４から液相の冷媒及び蒸気化した冷媒が配管２２を通じて、第１流入口１０からタンク８に流入する。また、第２流出口１６とウォータージャケット４とは、配管２４により接続されている。配管２４にはタンク８に貯留された液相の冷媒をウォータージャケット４に供給するポンプ２６（第１冷媒供給手段）が設けられている。また、蒸気排出口１４と過熱器３とは、配管２８により接続されている。すなわち、気液分離器６は、気液分離の役割と、冷媒の貯留タンクの役割とを兼ねている。

第１流出口１２とリザーブタンク３４とは、配管３０により接続されている。また、第２流入口１８とリザーブタンク３４とは配管３２により接続されている。配管３２には、ポンプ３６（第２冷媒供給手段）及び一方弁３８が設けられている。一方弁３８は、リザーブタンク３４からタンク８へ流入する方向に冷媒を通過させるように設けられている。ポンプ３６は、リザーブタンク３４に貯留された液相の冷媒を、配管３２、一方弁３８を通じて、第２流入口１８からタンク８に供給する。このように、気液分離システムは、気液分離器６、液面センサ１１、ポンプ２６及び３６、並びにリザーブタンク３４を備えている。

ＥＣＵ４２はポンプ２６及び３６の動作を制御する。また、ＥＣＵ４２は、タンク８内の液面が所定の高さより低くなったことを液面センサ１１が検知した場合に、液面センサ１１からの信号を受信する。

次に、整流板２０の例について説明する。図２は実施例１に係る気液分離器６の内部を例示する斜視図である。図２では液面センサ１１を省略して図示している。

図２に示すように、整流板２０は第１流入口１０と第１流出口１２との間に設けられた網目状の板である。沸騰した冷媒の液面の乱れは、整流板２０により抑制される。すなわち、整流板２０は液相の冷媒の液面を整流する。また、蒸気は整流板２０を通過して蒸気排出口１４に到達する。

次に、液面センサ１１の例について説明する。図３は実施例１に係る気液分離器の内部を例示する断面図である。

図３に示すように、液面センサ１１はフロート１３、電極１５、及びシャフト１７を備えている。シャフト１７は絶縁体からなり、電極１５から垂直に延びている。フロート１３はリング状である。液面が液面センサ１１よりも高い位置にある場合、フロート１３は液面に浮いているため、電極１５とは接触していない。つまり、フロート１３と電極１５とは導通していない。液面が液面センサ１１より低い位置になった場合、フロート１３は液面とともに下側に下がり、電極１５と接触する。すなわち、液面センサ１１は、冷媒の液面が所定の高さ（ここでは液面センサ１１の高さ）よりも低くなったことを検知し、信号を発信する。ＥＣＵ４２は液面センサ１１から信号を受信することにより、冷媒の液面が所定の高さより低くなったことを液面センサ１１が検知したと判断する。

次に、実施例１に係る気液分離システムの動作について説明する。図４は実施例１に係る気液分離システムの動作を例示するフローチャートである。

図４に示すように、ポンプ２６は、配管２４を通じて、タンク８からウォータージャケット４に液相の冷媒を供給する（ステップＳ１０、図１参照）。

ステップＳ１０の後、ＥＣＵ４２は液面センサ１１が冷媒の液面を検知したか判断する（ステップＳ１１）。Ｎｏの場合、ステップＳ１０に戻る。Ｙｅｓの場合、ポンプ３６は、配管３２、一方弁３８及び第２流入口１８を通じて、リザーブタンク３４からタンク８に液相の冷媒を供給する。

次に図面を参照し、実施例１に係る気液分離システムの動作を説明する。図５から図７は、実施例１に係る気液分離システムの動作を例示する模式図である。過熱器３、ノズル５、膨張機７及び凝縮器９は省略して図示している。

図５に示すように、冷媒が沸騰していない場合、ポンプ２６は、タンク８に貯留された液相の冷媒を、配管２４を通じて、第２流出口１６からウォータージャケット４に供給する（図４のステップＳ１０参照）。また、タンク８から液相の冷媒が供給されるに従い、ウォータージャケット４内の液相の冷媒はタンク８へ圧送される。すなわち、図中の矢印に示すように、液相の冷媒はウォータージャケット４とタンク８とを循環する。ウォータージャケット４に液相の冷媒が供給されるため、エンジン本体２は効率良く冷却される。このとき、冷媒は沸騰していないため、タンク８内の冷媒の液面は略一定に保たれている。また、配管３２には一方弁３８が設けられているため、タンク８に貯留する冷媒が第２流入口１８からリザーブタンク３４へ漏洩することは抑制されている。

図６に示すように、エンジン本体２の廃熱によりウォータージャケット４内の冷媒が沸騰すると、蒸気化した冷媒（図中の白丸）及び液相の冷媒がウォータージャケット４からタンク８へと流入する。図中の破線の矢印に示すように、蒸気化した冷媒は蒸気排出口１４から排出される。また、液相の冷媒中では、気泡（蒸気化した冷媒）が上昇しようとするため、タンク８に貯留されている冷媒の液面は乱れながら上昇する。しかし、整流板２０が設けられているため、上昇する液面の乱れを抑制することが可能となる（図２参照）。また、整流板２０を通過して冷媒の液面が上昇した場合、第１流出口１２から冷媒が流出する。第１流出口１２から流出した冷媒は、配管３０を通じてリザーブタンク３４に流入し、貯留される。つまり、第１流出口１２はリリーフ口、配管３０はリリーフ通路としてそれぞれ機能する。また、リザーブタンク３４には凝縮器により凝縮された液相の冷媒が流入し、貯留される。

図７に示すように、沸騰により冷媒の量が減少すると、タンク８内の冷媒の液面が下降する。冷媒の液面が液面センサ１１の高さまで下降すると、液面センサ１１は信号を発信する。ＥＣＵ４２は液面センサ１１からの信号を受信する。信号を受信したＥＣＵ４２は、配管３２及び一方弁３８を通じて、リザーブタンク３４からタンク８に液相の冷媒が供給されるようにポンプ３６を制御する（図４のステップＳ１１及びＳ１２参照）。すなわち、タンク８内の冷媒の液面が所定の高さより低くなったことを、液面センサ１１が検知したことに応じて、ポンプ３６はタンク８に液相の冷媒を供給する。

実施例１によれば、冷媒が沸騰した場合でも、整流板２０により液面の乱れが抑制され、液面は安定した状態で上昇する。また、第１流出口１２が設けられているため、液相の冷媒は蒸気排出口１４に達する前に、第１流出口から流出する。このため、液相の冷媒が蒸気化した冷媒に混入し、蒸気排出口１４から排出されることが抑制される。このため、ランキンサイクルシステムのエネルギー回収効率の低下が抑制される。

液面センサ１１がタンク８内の冷媒の液面を検知したことに応じて、ポンプ３６はタンク８に液相の冷媒を供給するため、タンク８内の冷媒が不足することが抑制される。これにより、タンク８からウォータージャケット４に十分な量の冷媒が供給されるため、エンジン本体２の冷却が効率良く行われる。

配管２２のタンク８側の開口部（第１流入口１０）が、ウォータージャケット４側の開口部よりも上側にあるとして図示したが、これに限定されない。例えば、第１流入口１０とウォータージャケット４側の開口部とが同一の高さであってもよい。つまり、配管２２は水平であってもよい。しかし、蒸気化した冷媒が蒸気排出口１４から排出されやすくなるため、第１流入口１０が、ウォータージャケット４側の開口部よりも上側にあることが好ましい。

液面センサ１１は、図３に例示した以外のセンサを用いてもよい。また、液面センサ１１の設置される高さは、第１流入口１０の高さと略同一として図示されているが、これに限定されず、タンク８の容積に応じて適宜変更可能である。

第１流出口１２に接続された配管３０は、リザーブタンク３４に接続されていなくてもよい。しかし、タンク８から流出した冷媒を有効に活用するためには、配管３０がリザーブタンク３４に接続されていることが好ましい。

次に、整流板２０の例について説明する。図８（ａ）から図８（ｃ）は、整流板を例示する平面図である。

図８（ａ）に示すのは、図２において示した網目状の整流板２０である。図８（ｂ）に示すのは、円形の開口部２０ａが設けられた整流板２０である。図８（ｃ）に示すのは、スリット状の開口部２０ａが設けられた整流板である。このように、液面の乱れを抑制できるものであればよい。また、図に例示した以外の整流板であってもよい。なお、図８（ａ）から図８（ｃ）は、タンク８が円柱状である場合における例である。タンク８の形状に応じて、整流板２０の外形は任意に変更できる。

以上、本発明の実施例について詳述したが、本発明はかかる特定の実施例に限定されるものではなく、特許請求の範囲に記載された本発明の要旨の範囲内において、種々の変形・変更が可能である。

エンジン本体 ２
ウォータージャケット ４
気液分離器 ６
タンク ８
第１流入口 １０
液面センサ １１
第１流出口 １２
蒸気排出口 １４
第２流出口 １６
第２流入口 １８
整流板 ２０
開口部 ２０ａ
ポンプ ２６、３６
リザーブタンク ３４
ＥＣＵ ４２

Claims (6)

1. 内燃機関のウォータージャケットから冷媒が流入する第１流入口と、前記第１流入口よりも上側に設けられた第１流出口と、前記第１流出口よりも上側に設けられ、前記内燃機関の廃熱により蒸気化した前記冷媒が排出される蒸気排出口とを備え、液相の前記冷媒を貯留するタンクと、
   前記第１流入口と前記第１流出口との間に設けられた整流板と、を具備することを特徴とする気液分離器。
2. 前記タンクは、前記第１流入口よりも下側に設けられ、前記内燃機関のウォータージャケットに接続された第２流出口を備えることを特徴とする請求項１記載の気液分離器。
3. 前記タンクは、前記液相の冷媒が流入する第２流入口を備えることを特徴とする請求項１記載の気液分離器。
4. 内燃機関のウォータージャケットから冷媒が流入する第１流入口と、前記第１流入口よりも上側に設けられた第１流出口と、前記第１流出口よりも上側に設けられ、前記内燃機関の廃熱により蒸気化した前記冷媒が排出される蒸気排出口と、前記第１流入口よりも下側に設けられ、前記内燃機関のウォータージャケットに接続された第２流出口と、液相の前記冷媒が流入する第２流入口とを備え、前記液相の冷媒を貯留するタンクと、前記第１流入口と前記第１流出口との間に設けられた整流板と、を有する気液分離器と、
   前記タンクに貯留された前記液相の冷媒を、前記第２流出口を通じて前記内燃機関のウォータージャケットに供給する第１冷媒供給手段と、
   前記第２流入口を通じて前記タンクに前記液相の冷媒を供給する第２冷媒供給手段と、を具備することを特徴とする気液分離システム。
5. 前記タンクに貯留された前記液相の冷媒の液面が所定の高さより低くなったことを検知する液面検知手段を具備し、
   前記第２冷媒供給手段は、前記液面が前記所定の高さより低くなったことを前記液面検知手段が検知したことに応じて、前記タンクに前記液相の冷媒を供給することを特徴とする請求項４記載の気液分離システム。
6. 前記第１流出口及び前記第２流入口に接続されたリザーブタンクを具備し、
   前記第２冷媒供給手段は前記リザーブタンクに貯留された前記液相の冷媒を前記タンクに供給することを特徴とする請求項４記載の気液分離システム。

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