JP2012102645A - Rankine cycle system - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、ランキンサイクルシステムに関する。 The present invention relates to a Rankine cycle system.
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。 Conventionally, a Rankine cycle that recovers waste heat associated with the operation of an internal combustion engine is known. In such Rankine cycle, for example, boiling cooling is performed by using a water cooling cooling system of the engine as a closed structure, and an expander such as a steam turbine is driven by refrigerant evaporated by waste heat in the engine, that is, steam, There is one that recovers heat energy of the steam by converting it into electrical energy or the like. As an example of improving such a Rankine cycle system, there is Patent Document 1, for example.
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。 In the Rankine cycle system of Patent Document 1, the steam generated from the engine flows from the engine whose pressure is high due to the boiling of the refrigerant to the low-pressure condensed water tank. However, when the engine stops, the boiling in the engine stops and the pressure difference between the engine and the condensed water tank disappears. When the pressure difference disappears, the steam no longer flows from the engine to the condensed water tank, and the vaporized refrigerant remains in the pipe. The refrigerant remaining in the pipe may be frozen when it is cold, and the freezing of the refrigerant in the pipe leads to breakage of the pipe or the like.
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。 Therefore, the Rankine cycle system disclosed in the present specification has an object to suppress damage to piping due to freezing of the refrigerant.
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。 In order to solve this problem, a Rankine cycle system disclosed in this specification includes a steam flow path through which a cooling medium vaporized by waste heat in an internal combustion engine flows, and energy for recovering energy from the steam in the steam flow path. A recovery unit, a storage unit for storing the cooling medium condensed and liquefied through the energy recovery unit, a detection unit for detecting the stop of the internal combustion engine, and when the stop of the internal combustion engine is detected, Compressed air introduction means for introducing into the steam flow path compressed air that pushes the steam remaining in the steam flow path to the reservoir.
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。 According to the above configuration, when the internal combustion engine is stopped, the compressed air is introduced into the system from the steam flow path to the storage portion. The cooling medium is pushed out to the storage part. Thereby, it can suppress that a refrigerant | coolant remains in a vapor | steam flow path by the stop of an engine, and it can suppress that piping etc. are damaged by freezing of the refrigerant | coolant which remained in the vapor | steam flow path.
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。 According to the Rankine cycle system disclosed in this specification, breakage of piping is suppressed.
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。 DESCRIPTION OF EMBODIMENTS Hereinafter, embodiments for carrying out the present invention will be described in detail with reference to the drawings.
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。
A schematic configuration of the
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。
The other end of the
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。
The upper end portion of the gas-liquid separator 4 is connected to one end of the steam flow path 3b. A
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。
The exhaust pipe 2 is drawn into the
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。
An expander (energy recovery device) 10 is disposed downstream of the
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。
On the downstream side of the
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。
A
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。
In addition, the
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。
The
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。
The
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。
The
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。
The
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。
Next, an example of control executed by the
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)。
The
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。
The
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。
When the engine is not stopped (step S13 / NO), the
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。
ECU19 determines whether the pressure in the
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。
As described above, according to the Rankine cycle system disclosed in this specification, when the engine is stopped, the
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。 The above-described embodiments are merely examples for carrying out the present invention, and the present invention is not limited thereto. Various modifications of these embodiments are within the scope of the present invention. It is apparent from the above description that various other embodiments are possible within the scope.
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。
For example, in the above-described embodiment, the
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。
In the above-described embodiment, the
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
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 ... Engine 2 ...
8 ...
18 ... One-
20 ...
Claims (1)
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。 A steam flow path through which a coolant vaporized by waste heat in the internal combustion engine flows;
An energy recovery device for recovering energy from the steam in the steam flow path;
A storage section for storing a cooling medium in which the vapor having passed through the energy recovery device is condensed and liquefied;
Detecting means for detecting a stop of the internal combustion engine;
Compressed air introduction means for introducing into the steam flow path compressed air that pushes the steam remaining in the steam flow path to the reservoir when the stop of the internal combustion engine is detected;
A Rankine cycle system comprising:
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP2010250582A JP2012102645A (en) | 2010-11-09 | 2010-11-09 | Rankine cycle system |
Applications Claiming Priority (1)
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Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
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JP2012102645A true JP2012102645A (en) | 2012-05-31 |
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JP (1) | JP2012102645A (en) |
Cited By (1)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
US10138760B2 (en) | 2015-07-13 | 2018-11-27 | Hyundai Motor Company | Working fluid collecting apparatus for rankine cycle waste heat recovery system |
-
2010
- 2010-11-09 JP JP2010250582A patent/JP2012102645A/en active Pending
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US10138760B2 (en) | 2015-07-13 | 2018-11-27 | Hyundai Motor Company | Working fluid collecting apparatus for rankine cycle waste heat recovery system |
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