JP2017110581A - Rankine cycle system - Google Patents

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尚人 小野田
Naoto Onoda
尚人 小野田
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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a Rankine cycle system using mixed cooling medium obtained by mixing two types of cooling media different in boiling point, for suppressing the freezing of the cooling medium inside a condenser.SOLUTION: The Rankine cycle system includes a boiler for imparting waste heat of an internal combustion engine to cooling medium having water and LLC mixed to vaporize the cooling medium, the gas-liquid separator for separating the gas-liquid two-phase cooling medium delivered from the boiler into gas phase fluid and liquid phase fluid, a superheater for superheating the gas phase fluid delivered from the gas-liquid separator, an expander for expanding the gas phase fluid passing through the superheater to take out task, and a condenser for condensing the gas phase fluid passing through the expander and restoring it into the liquid phase fluid. The Rankine cycle system further includes a cooling medium passage for introducing the liquid phase cooling medium from the inside of the gas-liquid separator into the condenser, and a control valve provided in the cooling medium passage. The control valve is opened when the occurrence of freezing inside the condenser is detected.SELECTED DRAWING: Figure 1

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.

特許文献1には、沸点の異なる2つの冷媒を混合した混合冷媒を用いたランキンサイクルシステムが開示されている。このランキンサイクルシステムでは、エンジンがランキンサイクルの沸騰器として利用される。水とLLCを混合した混合冷媒を用いて沸騰冷却を行うと、沸点の低い水が沸騰し沸点の高いLLCは残留する。その結果、エンジン内の冷媒のLLC濃度が高くなり、逆に凝縮器(コンデンサ)において凝縮した冷媒(凝縮水)のLLC濃度は低くなる。上記特許文献1の技術では、エンジン内の冷媒のLLC濃度が高くなることを防ぐために、ウォータポンプを稼動して凝縮水タンクに貯留された水をエンジンへ再循環させることが行なわれる。これにより、エンジン冷却効率が低下してしまうことが防がれる。   Patent Document 1 discloses a Rankine cycle system using a mixed refrigerant obtained by mixing two refrigerants having different boiling points. In this Rankine cycle system, the engine is used as a Rankine cycle boiling machine. When boiling cooling is performed using a mixed refrigerant in which water and LLC are mixed, water having a low boiling point boils and LLC having a high boiling point remains. As a result, the LLC concentration of the refrigerant in the engine increases, and conversely, the LLC concentration of the refrigerant (condensed water) condensed in the condenser (condenser) decreases. In the technique of Patent Document 1, the water pump is operated to recirculate the water stored in the condensed water tank to the engine in order to prevent the LLC concentration of the refrigerant in the engine from becoming high. Thereby, it is prevented that engine cooling efficiency falls.

特開2012−102644号公報JP 2012-102644 A

上述したように、沸点の異なる2種の冷媒を混合した混合冷媒を用いたランキンサイクルシステムでは、エンジン内の冷媒のLLC濃度は高くなり、逆に凝縮器内の冷媒のLLC濃度は低くなる。ここで、LLC濃度が低くなると凝固点が高くなる。このため、寒冷地等の低温環境下においては、凝縮器内の冷媒が凍結し易いという問題がある。上記特許文献1の技術では、凝縮器内のLLC濃度が低くなることによる問題に対しては何ら考察がなされておらず、未だ改善の余地が残されている。   As described above, in the Rankine cycle system using a mixed refrigerant obtained by mixing two kinds of refrigerants having different boiling points, the LLC concentration of the refrigerant in the engine is high, and conversely, the LLC concentration of the refrigerant in the condenser is low. Here, the freezing point increases as the LLC concentration decreases. For this reason, there exists a problem that the refrigerant | coolant in a condenser tends to freeze in low temperature environments, such as a cold region. In the technique of the above-mentioned Patent Document 1, no consideration is given to the problem caused by the low LLC concentration in the condenser, and there is still room for improvement.

本発明は、上述のような課題に鑑みてなされたもので、沸点の異なる2種の冷媒を混合した混合冷媒を用いたランキンサイクルシステムにおいて、凝縮器の内部での冷媒の凍結を抑制することのできるランキンサイクルシステムを提供することを目的とする。   The present invention has been made in view of the problems as described above, and suppresses freezing of the refrigerant in the condenser in the Rankine cycle system using the mixed refrigerant obtained by mixing two kinds of refrigerants having different boiling points. It aims at providing the Rankine cycle system which can be performed.

本発明は、上記の目的を達成するため、
第1冷媒と前記第1冷媒の沸点よりも沸点が高い第2冷媒とが混合された冷媒へ内燃機関の廃熱を付与して、前記冷媒を蒸気化する沸騰器と、
前記沸騰器から送出される気液二相の冷媒を気相冷媒と液相冷媒とに分離する気液分離器と、
前記気液分離器から送出される気相冷媒を前記内燃機関の排気との熱交換によって過熱させる過熱器と、
前記過熱器を通過した気相冷媒を膨張させて仕事を取り出す膨張機と、
前記膨張機を通過した気相冷媒を凝縮させて液相冷媒に戻す凝縮器と、を備えるランキンサイクルシステムにおいて、
前記気液分離器の内部の液相冷媒を前記凝縮器又は当該凝縮器と前記沸騰器とを接続する冷媒管に導入するための冷媒通路と、
前記冷媒通路の開閉を行うための制御弁と、
前記凝縮器の内部で凍結が発生することを検知する検知手段と、
前記検知手段によって凍結が検知された場合に、前記制御弁を開弁する弁制御手段と、
を備えることを特徴としている。
In order to achieve the above object, the present invention
A boiling device that applies waste heat of the internal combustion engine to a refrigerant in which a first refrigerant and a second refrigerant having a boiling point higher than that of the first refrigerant are mixed, and vaporizes the refrigerant;
A gas-liquid separator that separates a gas-liquid two-phase refrigerant sent from the boiling device into a gas-phase refrigerant and a liquid-phase refrigerant;
A superheater that superheats the gas-phase refrigerant delivered from the gas-liquid separator by heat exchange with the exhaust of the internal combustion engine;
An expander that expands the gas-phase refrigerant that has passed through the superheater and extracts work;
In the Rankine cycle system, comprising a condenser that condenses the gas-phase refrigerant that has passed through the expander and returns it to the liquid-phase refrigerant,
A refrigerant passage for introducing the liquid-phase refrigerant inside the gas-liquid separator into the condenser or a refrigerant pipe connecting the condenser and the boiler;
A control valve for opening and closing the refrigerant passage;
Detecting means for detecting that freezing occurs inside the condenser;
Valve control means for opening the control valve when freezing is detected by the detection means;
It is characterized by having.

本発明によれば、凝縮器の内部で凍結が発生することが検知された場合に、気液分離器内に貯留されている液相の冷媒が凝縮器の内部に導入される。これにより、凝縮器の内部の冷媒の凝固点を下げることができるので、凝縮器の内部での冷媒の凍結を有効に抑制することが可能となる。   According to the present invention, when it is detected that freezing occurs inside the condenser, the liquid-phase refrigerant stored in the gas-liquid separator is introduced into the condenser. Thereby, since the freezing point of the refrigerant | coolant inside a condenser can be lowered | hung, it becomes possible to suppress effectively the freezing of the refrigerant | coolant inside a condenser.

本発明の実施の形態1のランキンサイクルシステムの構成を示す図である。It is a figure which shows the structure of the Rankine cycle system of Embodiment 1 of this invention. 水とエチレングリコールの飽和蒸気曲線を比較した図である。It is the figure which compared the saturated vapor curve of water and ethylene glycol. 本発明の実施の形態1のランキンサイクルシステムが実行するルーチンのフローチャートである。It is a flowchart of the routine which the Rankine cycle system of Embodiment 1 of this invention performs. ランキンサイクルシステムにおいて制御弁の操作を実行した場合の効果を説明するためのタイムチャートである。It is a time chart for demonstrating the effect at the time of performing operation of a control valve in a Rankine cycle system. 本発明の実施の形態1のランキンサイクルシステムの構成の変形例を示す図である。It is a figure which shows the modification of a structure of the Rankine cycle system of Embodiment 1 of this invention.

以下、図面を参照して本発明の実施の形態について説明する。ただし、以下に示す実施の形態において各要素の個数、数量、量、範囲等の数に言及した場合、特に明示した場合や原理的に明らかにその数に特定される場合を除いて、その言及した数に、この発明が限定されるものではない。また、以下に示す実施の形態において説明する構造やステップ等は、特に明示した場合や明らかに原理的にそれに特定される場合を除いて、この発明に必ずしも必須のものではない。   Embodiments of the present invention will be described below with reference to the drawings. However, in the embodiment shown below, when referring to the number of each element, quantity, quantity, range, etc., unless otherwise specified or clearly specified in principle, the reference However, the present invention is not limited to these numbers. Further, the structures, steps, and the like described in the embodiments below are not necessarily essential to the present invention unless otherwise specified or clearly specified in principle.

実施の形態1.
1.ランキンサイクルシステムの構成
図1は、実施の形態1のランキンサイクルシステム100の構成を示す図である。実施の形態1のランキンサイクルシステム100は、内燃機関(エンジン)10を含み車両に搭載された車両用ランキンサイクルシステムとして構成されている。エンジン10の種別や構造には限定はない。ただし、エンジン10のシリンダブロック及びシリンダヘッドには、エンジン10を循環する冷媒が流れる冷媒流路12が形成されている。冷媒流路12は、シリンダの周囲を囲むウォータージャケットを含む。エンジン10は、冷媒流路12を流れる冷媒との熱交換によって冷却される。本実施の形態では、第2冷媒としてのLLC(エチレングリコール)に第1冷媒としての水を混合して規定のLLC濃度に調整された冷媒が用いられている。
Embodiment 1 FIG.
1. Configuration of Rankine Cycle System FIG. 1 is a diagram illustrating a configuration of a Rankine cycle system 100 according to the first embodiment. The Rankine cycle system 100 according to Embodiment 1 includes an internal combustion engine (engine) 10 and is configured as a vehicle Rankine cycle system mounted on a vehicle. There is no limitation on the type and structure of the engine 10. However, the refrigerant block 12 through which the refrigerant circulating in the engine 10 flows is formed in the cylinder block and the cylinder head of the engine 10. The refrigerant flow path 12 includes a water jacket surrounding the cylinder. The engine 10 is cooled by heat exchange with the refrigerant flowing through the refrigerant flow path 12. In the present embodiment, a refrigerant adjusted to a prescribed LLC concentration by mixing water (first refrigerant) with LLC (ethylene glycol) (second refrigerant) is used.

エンジン10は、冷媒流路12内を流通する冷媒をエンジン10の廃熱により沸騰させてその一部を蒸気化することにより冷却される。つまり、冷媒流路12は、内部を流れる液相の冷媒をエンジン10の熱によって沸騰させる沸騰器として機能する。なお、冷媒流路12は、エンジン10の内部を流通可能な通路であれば、その構成は特に限定されない。   The engine 10 is cooled by boiling the refrigerant flowing through the refrigerant flow path 12 with the waste heat of the engine 10 and evaporating a part thereof. That is, the refrigerant flow path 12 functions as a boiling device that boiles the liquid-phase refrigerant flowing through the inside by the heat of the engine 10. The configuration of the coolant channel 12 is not particularly limited as long as the coolant channel 12 is a passage that can flow through the engine 10.

エンジン10の冷媒流路12は、冷媒管14を介して気液分離器16に接続されている。エンジン10の熱により冷媒が沸騰されると、冷媒流路12からは気相冷媒とともに液相冷媒が吐出される。気液分離器16は、気液分離器16内に流入した気液二相の冷媒を液相冷媒と気相冷媒とに分離する。気液分離器16の下部は、冷媒管18を介して第1ウォータポンプ20に接続されている。気液分離器16で分離された液相冷媒は、冷媒管18を経由して第1ウォータポンプ20に流入し、第1ウォータポンプ20により冷媒流路12に送られる。   The refrigerant flow path 12 of the engine 10 is connected to a gas-liquid separator 16 via a refrigerant pipe 14. When the refrigerant is boiled by the heat of the engine 10, the liquid phase refrigerant is discharged from the refrigerant flow path 12 together with the gas phase refrigerant. The gas-liquid separator 16 separates the gas-liquid two-phase refrigerant that has flowed into the gas-liquid separator 16 into a liquid-phase refrigerant and a gas-phase refrigerant. The lower part of the gas-liquid separator 16 is connected to the first water pump 20 via the refrigerant pipe 18. The liquid phase refrigerant separated by the gas-liquid separator 16 flows into the first water pump 20 via the refrigerant pipe 18 and is sent to the refrigerant flow path 12 by the first water pump 20.

また、ランキンサイクルシステム100は、蒸発器13を備えている。蒸発器13は、エンジン10の排気通路22に設けられている。気液分離器16の下部は、冷媒管11を介して蒸発器13にも接続されている。蒸発器13には、気液分離器16から液相冷媒が導入される。導入された液相冷媒は、排気通路22を流れる排気ガスとの熱交換によって過熱されて沸騰しその一部が蒸気となる。蒸気となった気相冷媒は、冷媒管15を介して再び気液分離器16へと導入される。   The Rankine cycle system 100 includes an evaporator 13. The evaporator 13 is provided in the exhaust passage 22 of the engine 10. The lower part of the gas-liquid separator 16 is also connected to the evaporator 13 via the refrigerant pipe 11. A liquid phase refrigerant is introduced into the evaporator 13 from the gas-liquid separator 16. The introduced liquid-phase refrigerant is superheated by heat exchange with the exhaust gas flowing through the exhaust passage 22 and boiled, and a part thereof becomes vapor. The vapor phase refrigerant that has become vapor is introduced again into the gas-liquid separator 16 via the refrigerant pipe 15.

気液分離器16は、冷媒管28を介して過熱器30に接続されている。過熱器30は、エンジン10の排気通路22において蒸発器13の上流に設けられている。気液分離器16では気相冷媒と液相冷媒が共存しているため、気相冷媒は飽和蒸気となっている。過熱器30に入った気相冷媒は、排気通路22を流れる排気ガスとの熱交換によって過熱蒸気となる。なお、過熱器30は必ずしも排気通路22の途中に別途設けられている必要はなく、排気熱を吸収可能な構成であれば、排気マニホールドと一体化されていてもよい。   The gas-liquid separator 16 is connected to the superheater 30 via the refrigerant pipe 28. The superheater 30 is provided upstream of the evaporator 13 in the exhaust passage 22 of the engine 10. In the gas-liquid separator 16, since the gas-phase refrigerant and the liquid-phase refrigerant coexist, the gas-phase refrigerant is saturated vapor. The gas-phase refrigerant that has entered the superheater 30 becomes superheated steam by heat exchange with the exhaust gas flowing through the exhaust passage 22. Note that the superheater 30 is not necessarily provided separately in the middle of the exhaust passage 22 and may be integrated with the exhaust manifold as long as it can absorb the exhaust heat.

過熱器30は、冷媒管32を介して膨張機であるタービン34に接続されている。タービン34では、過熱器30から送られた気相冷媒(過熱蒸気)を膨張させて仕事を取り出すことが行われる。冷媒管32とタービン34との接続部には、超音速ノズル35が設けられている。気相冷媒は超音速ノズル35からタービン34に噴きつけられ、タービン34を回転させる。タービン34の回転は、図示しない減速機を介してエンジン10の出力軸に伝えられる。つまり、タービン34で取り出された仕事は、エンジン10のアシストに用いられる。ただし、タービン34により発電機を駆動し、発生した電気を蓄電池に蓄えるように構成することもできる。   The superheater 30 is connected to a turbine 34 that is an expander via a refrigerant pipe 32. In the turbine 34, work is taken out by expanding the gas-phase refrigerant (superheated steam) sent from the superheater 30. A supersonic nozzle 35 is provided at a connection portion between the refrigerant pipe 32 and the turbine 34. The gas-phase refrigerant is sprayed from the supersonic nozzle 35 to the turbine 34 to rotate the turbine 34. The rotation of the turbine 34 is transmitted to the output shaft of the engine 10 via a speed reducer (not shown). That is, the work taken out by the turbine 34 is used for assisting the engine 10. However, it is also possible to drive the generator by the turbine 34 and store the generated electricity in the storage battery.

タービン34で膨張した気相冷媒は、冷媒管36を介してコンデンサ(凝縮器)40に送られる。コンデンサ40に送られた気相冷媒は、コンデンサ40により冷却されて凝縮し、液相冷媒に戻される。気相冷媒の凝縮により生じた液相冷媒は、コンデンサ40から冷媒管42を介してキャッチタンク44に送られ、キャッチタンク44に一時的に貯留される。キャッチタンク44は、冷媒管46を介して冷媒管18の途中に接続されている。冷媒管46には、第2ウォータポンプ48が設けられている。第2ウォータポンプ48は、キャッチタンク44に貯留された液相冷媒を冷媒管18に送るためのポンプである。   The gas phase refrigerant expanded by the turbine 34 is sent to a condenser (condenser) 40 through a refrigerant pipe 36. The gas-phase refrigerant sent to the condenser 40 is cooled and condensed by the condenser 40 and returned to the liquid-phase refrigerant. The liquid phase refrigerant generated by the condensation of the gas phase refrigerant is sent from the condenser 40 to the catch tank 44 via the refrigerant pipe 42 and temporarily stored in the catch tank 44. The catch tank 44 is connected to the middle of the refrigerant pipe 18 via the refrigerant pipe 46. A second water pump 48 is provided in the refrigerant pipe 46. The second water pump 48 is a pump for sending the liquid refrigerant stored in the catch tank 44 to the refrigerant pipe 18.

さらに、ランキンサイクルシステム100は、気液分離器16の内部の液相冷媒をコンデンサ40内に導入するための制御弁50及び冷媒管52を備えている。制御弁50は例えば電磁弁として構成された開閉弁であり、気液分離器16の下部と冷媒管36の途中とを接続する冷媒管52の途中に設けられている。なお、冷媒管52は気液分離器16で分離された液相冷媒をコンデンサ40内に導入するための経路を構成するものであるから、その接続先は冷媒管36の途中に限らず、直接コンデンサ40に接続されていてもよい。また、冷媒管52の接続元は気液分離器16内の液相冷媒が導出される位置であればよいので、気液分離器16内の液面よりも下方の位置に接続されていればよい。   The Rankine cycle system 100 further includes a control valve 50 and a refrigerant pipe 52 for introducing the liquid-phase refrigerant inside the gas-liquid separator 16 into the condenser 40. The control valve 50 is, for example, an on-off valve configured as an electromagnetic valve, and is provided in the middle of the refrigerant pipe 52 that connects the lower part of the gas-liquid separator 16 and the middle of the refrigerant pipe 36. The refrigerant pipe 52 constitutes a path for introducing the liquid-phase refrigerant separated by the gas-liquid separator 16 into the capacitor 40. Therefore, the connection destination is not limited to the middle of the refrigerant pipe 36, but directly. It may be connected to the capacitor 40. Further, since the connection source of the refrigerant pipe 52 may be a position where the liquid-phase refrigerant in the gas-liquid separator 16 is derived, so long as it is connected to a position below the liquid level in the gas-liquid separator 16. Good.

ランキンサイクルシステム100は各種のセンサとECU(Electronic Control Unit)70を備えている。ランキンサイクルシステム100が備えるセンサには、コンデンサ40内の冷媒温度T1を計測するための温度センサ72が含まれる。ECU70は、エンジン10を含むランキンサイクルシステム100の全体の運転を制御する制御装置である。ECU70は、少なくとも入出力インターフェースとメモリと演算処理装置(CPU)とを備えている。入出力インターフェースは、上述した温度センサ72を含む各種センサからセンサ信号を取り込むとともに、アクチュエータに対して操作信号を出力するために設けられる。ECU70が操作信号を出すアクチュエータには、制御弁50とウォータポンプ20,48が含まれる。メモリには、各種の制御プログラムおよびマップ等が記憶されている。CPUは、制御プログラム等をメモリから読み出して実行し、取り込んだセンサ信号に基づいて各種アクチュエータの操作信号を生成する。   The Rankine cycle system 100 includes various sensors and an ECU (Electronic Control Unit) 70. The sensor included in the Rankine cycle system 100 includes a temperature sensor 72 for measuring the refrigerant temperature T1 in the capacitor 40. The ECU 70 is a control device that controls the overall operation of the Rankine cycle system 100 including the engine 10. The ECU 70 includes at least an input / output interface, a memory, and an arithmetic processing unit (CPU). The input / output interface is provided to take in sensor signals from various sensors including the above-described temperature sensor 72 and to output an operation signal to the actuator. The actuator from which the ECU 70 outputs an operation signal includes the control valve 50 and the water pumps 20 and 48. The memory stores various control programs and maps. The CPU reads out and executes a control program or the like from the memory, and generates operation signals for various actuators based on the acquired sensor signals.

2.ランキンサイクルシステムの動作
上記構成において説明したように、ランキンサイクルシステム100は、冷媒管52の途中に制御弁50を備え、この制御弁50はECU70によって操作される。以下、ランキンサイクルシステム100の特徴的動作である制御弁50の動作について図面を参照して説明する。
2. Operation of Rankine Cycle System As described in the above configuration, the Rankine cycle system 100 includes the control valve 50 in the middle of the refrigerant pipe 52, and the control valve 50 is operated by the ECU 70. Hereinafter, the operation of the control valve 50 which is a characteristic operation of the Rankine cycle system 100 will be described with reference to the drawings.

上述した図1において、太い実線は液相冷媒が流れている管路を意味し、太い点線は気相冷媒が流れている管路を意味している。ランキンサイクルシステム100では、冷媒流路12から気液分離器16を経て過熱器30に達し、過熱器30からタービン34を経てコンデンサ40に至る気相冷媒の経路が作られる。第1ウォータポンプ20によりエンジン10に送られた液相冷媒は、冷媒流路12においてエンジン10の廃熱を受け取って沸騰し、高温高圧の気相冷媒となる。冷媒流路12から出た気相冷媒は、気液分離器16で液相冷媒と分離されて過熱器30に送られ、過熱器30においてエンジン10の廃熱をさらに受け取って過熱蒸気となる。過熱蒸気は、タービン34において膨張する際に仕事をし、コンデンサ40において再び液相冷媒に戻される。コンデンサ40で発生した液相冷媒は、キャッチタンク44に蓄えられる。そして、気液分離器16に蓄えられている液相冷媒の液面の高さが下限以下になったとき、第2ウォータポンプ48が作動してキャッチタンク44から冷媒管46及び冷媒管18を介して気液分離器16に液相冷媒が送られる。   In FIG. 1 described above, a thick solid line means a pipeline through which liquid phase refrigerant flows, and a thick dotted line means a pipeline through which gas phase refrigerant flows. In the Rankine cycle system 100, a gas-phase refrigerant path is formed from the refrigerant flow path 12 to the superheater 30 via the gas-liquid separator 16 and from the superheater 30 to the condenser 40 via the turbine 34. The liquid-phase refrigerant sent to the engine 10 by the first water pump 20 receives the waste heat of the engine 10 in the refrigerant flow path 12 and boils to become a high-temperature and high-pressure gas-phase refrigerant. The gas-phase refrigerant that has flowed out of the refrigerant flow path 12 is separated from the liquid-phase refrigerant by the gas-liquid separator 16 and is sent to the superheater 30, which further receives the waste heat of the engine 10 and becomes superheated steam. The superheated steam works as it expands in the turbine 34 and is returned to the liquid phase refrigerant again in the condenser 40. The liquid phase refrigerant generated in the capacitor 40 is stored in the catch tank 44. Then, when the liquid level of the liquid phase refrigerant stored in the gas-liquid separator 16 becomes lower than the lower limit, the second water pump 48 is activated to connect the refrigerant pipe 46 and the refrigerant pipe 18 from the catch tank 44. The liquid-phase refrigerant is sent to the gas-liquid separator 16 through this.

ここで、ランキンサイクルシステム100では、水とエチレングリコール(LLC)の混合冷媒が用いられている。図2には、水とエチレングリコールの飽和蒸気曲線を比較した図を示している。この図に示すように、エチレングリコールの沸点は水の沸点に比べて高い。このため、混合冷媒が沸騰すると水が優先的に蒸発し、エチレングリコールはほとんど蒸発しないこととなる。つまり、ランキンサイクルシステム100では、上述した気相冷媒の経路は蒸発した水が流通し、エチレングリコール(LLC)は冷媒流路12内又は気液分離器16内に液相冷媒として留まることとなる。このため、冷媒流路12内及び気液分離器16内の液相冷媒はLLCの濃度が高くなり、逆にコンデンサ40内及びキャッチタンク44内の液相冷媒はLLCの濃度が低くなる。   Here, in the Rankine cycle system 100, a mixed refrigerant of water and ethylene glycol (LLC) is used. FIG. 2 shows a comparison of saturated vapor curves of water and ethylene glycol. As shown in this figure, the boiling point of ethylene glycol is higher than the boiling point of water. For this reason, when the mixed refrigerant boils, water preferentially evaporates and ethylene glycol hardly evaporates. That is, in the Rankine cycle system 100, the vaporized water flows through the above-described gas-phase refrigerant path, and ethylene glycol (LLC) remains as a liquid-phase refrigerant in the refrigerant flow path 12 or the gas-liquid separator 16. . Therefore, the liquid phase refrigerant in the refrigerant flow path 12 and the gas-liquid separator 16 has a high LLC concentration, and conversely, the liquid phase refrigerant in the condenser 40 and the catch tank 44 has a low LLC concentration.

LLC濃度が低下すると、それに伴い凝固点が上昇する。このため、寒冷地等の極低温環境下においてランキンサイクルシステム100を動作する場合においては、コンデンサ40内で液相冷媒が凍結し易くなってしまう。そこで、実施の形態1のランキンサイクルシステム100では、制御弁50の開閉を制御することにより、コンデンサ40内での冷媒の凍結を抑制することとしている。   As the LLC concentration decreases, the freezing point increases accordingly. For this reason, when the Rankine cycle system 100 is operated in a cryogenic environment such as a cold region, the liquid-phase refrigerant is easily frozen in the capacitor 40. Therefore, in the Rankine cycle system 100 of the first embodiment, the freezing of the refrigerant in the capacitor 40 is suppressed by controlling the opening and closing of the control valve 50.

3.制御弁の操作の詳細
図3は、実施の形態1の制御弁操作の制御フローを示すフローチャートである。ECU70のメモリには、この制御フローに対応する制御プログラムが記憶されている。上述のランキンサイクルシステム100の動作は、この制御フローに従ってECU70が制御弁50を操作することによって実現される。このとき、ECU70は弁制御手段として機能する。
3. Details of Control Valve Operation FIG. 3 is a flowchart showing a control flow of control valve operation according to the first embodiment. A control program corresponding to this control flow is stored in the memory of the ECU 70. Operation | movement of the above-mentioned Rankine cycle system 100 is implement | achieved when ECU70 operates the control valve 50 according to this control flow. At this time, the ECU 70 functions as a valve control means.

図3に示す制御フローは、ランキンサイクルシステム100が稼動されている状態において所定の制御周期で繰り返し実行される。図3に示す制御フローでは、まず、コンデンサ40内の冷媒温度T1が判定値以下か否かが判定される(ステップS1)。冷媒温度T1は、温度センサ72によって計測された値が用いられる。また、コンデンサ40内の冷媒は主として水で構成されているため、判定値は水の凝固点を用いることができる。なお、凝固点は圧力によっても変化するため、コンデンサ40内の圧力を計測して判定値に反映させてもよい。その結果、冷媒温度T1≦判定値の成立が認められない場合には、コンデンサ40内での冷媒の凍結はないと判断されて、次のステップに移行して、制御弁50が閉弁される(ステップS2)。一方、上記ステップS1において、冷媒温度T1≦判定値の成立が認められた場合には、コンデンサ40内での冷媒の凍結が発生すると判断されて、次のステップに移行して、制御弁50が開弁される(ステップS3)。   The control flow shown in FIG. 3 is repeatedly executed at a predetermined control cycle while the Rankine cycle system 100 is in operation. In the control flow shown in FIG. 3, it is first determined whether or not the refrigerant temperature T1 in the capacitor 40 is equal to or lower than a determination value (step S1). A value measured by the temperature sensor 72 is used as the refrigerant temperature T1. Moreover, since the refrigerant in the capacitor 40 is mainly composed of water, the determination value can use the freezing point of water. Since the freezing point also changes depending on the pressure, the pressure in the capacitor 40 may be measured and reflected in the determination value. As a result, when it is not recognized that the refrigerant temperature T1 ≦ determination value is established, it is determined that the refrigerant is not frozen in the capacitor 40, the process proceeds to the next step, and the control valve 50 is closed. (Step S2). On the other hand, if it is determined in step S1 that the refrigerant temperature T1 ≦ determination value is established, it is determined that the refrigerant is frozen in the capacitor 40, the process proceeds to the next step, and the control valve 50 is turned on. The valve is opened (step S3).

4.ランキンサイクルシステムの効果
図4は、ランキンサイクルシステム100において制御弁50の操作を実行した場合の効果を説明するためのタイムチャートである。なお、この図中の第1のタイムチャートは比較例として制御弁50を備えていないランキンサイクルシステムでのコンデンサ内の冷媒温度の時間変化を示している。また、第2のタイムチャートは、制御弁50を備えるランキンサイクルシステムでのコンデンサ内の冷媒温度の時間変化を示している。そして、第3のタイムチャートは、制御弁50の開閉状態を示している。第1のチャートに示すように、比較例のランキンサイクルでは、コンデンサ40内の冷媒温度が時間t1において凝固点まで低下したとしても、凝固点は変化しない。このため、時間t1以降はコンデンサ40内の冷媒温度が凝固点を下回ってしまい、コンデンサ40内での冷媒の凍結が発生してしまう。
4). Effect of Rankine Cycle System FIG. 4 is a time chart for explaining the effect when the control valve 50 is operated in the Rankine cycle system 100. In addition, the 1st time chart in this figure has shown the time change of the refrigerant | coolant temperature in a capacitor | condenser in the Rankine cycle system which is not provided with the control valve 50 as a comparative example. Further, the second time chart shows the time change of the refrigerant temperature in the condenser in the Rankine cycle system including the control valve 50. The third time chart shows the open / close state of the control valve 50. As shown in the first chart, in the Rankine cycle of the comparative example, even if the refrigerant temperature in the capacitor 40 decreases to the freezing point at time t1, the freezing point does not change. For this reason, after the time t1, the refrigerant temperature in the capacitor 40 falls below the freezing point, and the refrigerant freezes in the capacitor 40.

これに対して、第2及び第3のチャートに示すように、実施の形態1のランキンサイクルシステム100では、コンデンサ40内の冷媒温度が時間t1において凝固点まで低下すると、制御弁50が開弁される。制御弁50が開弁されると、気液分離器16内の液相冷媒が冷媒管52を介してコンデンサ40内に導入される。気液分離器16内の液相の冷媒はLLC濃度が高いため、コンデンサ40内の冷媒の凝固点は制御弁50の開弁によって低下する。これにより、時間t1以降もコンデンサ40内の冷媒温度が凝固点を下回ることが回避されるので、コンデンサ40内での冷媒の凍結が抑制される。   On the other hand, as shown in the second and third charts, in the Rankine cycle system 100 of the first embodiment, when the refrigerant temperature in the capacitor 40 decreases to the freezing point at time t1, the control valve 50 is opened. The When the control valve 50 is opened, the liquid phase refrigerant in the gas-liquid separator 16 is introduced into the capacitor 40 through the refrigerant pipe 52. Since the liquid phase refrigerant in the gas-liquid separator 16 has a high LLC concentration, the freezing point of the refrigerant in the condenser 40 is lowered by opening the control valve 50. This prevents the refrigerant temperature in the capacitor 40 from falling below the freezing point even after the time t1, so that freezing of the refrigerant in the capacitor 40 is suppressed.

このように、実施の形態1のランキンサイクルシステム100によれば、コンデンサ40内での冷媒の凍結が発生する場合に、コンデンサ40内の冷媒の凝固点を下げることができるので、コンデンサ40内での冷媒の凍結が抑制される。   As described above, according to the Rankine cycle system 100 of the first embodiment, when the refrigerant freezes in the capacitor 40, the freezing point of the refrigerant in the capacitor 40 can be lowered. Freezing of the refrigerant is suppressed.

ところで、上述した実施の形態1のランキンサイクルシステム100では、エチレングリコール(LLC)に水を混合した冷媒を用いることとしたが、使用される冷媒はこれに限られない。すなわち、沸点の異なる2種以上の冷媒が混合されていれば、コンデンサ40内の冷媒のLLC濃度が気液分離器16内の冷媒のLLC濃度よりも低い状態になるため、制御弁50を開弁することによる凍結抑制の効果を得ることができる。   By the way, in Rankine cycle system 100 of Embodiment 1 mentioned above, although the refrigerant which mixed water with ethylene glycol (LLC) was used, the refrigerant used is not restricted to this. That is, if two or more kinds of refrigerants having different boiling points are mixed, the LLC concentration of the refrigerant in the condenser 40 is lower than the LLC concentration of the refrigerant in the gas-liquid separator 16, and therefore the control valve 50 is opened. It is possible to obtain the effect of suppressing freezing by the valve.

また、上述した実施の形態1のランキンサイクルシステム100では、コンデンサ40内の冷媒温度T1と判定値との比較によってコンデンサ40内の冷媒が凍結することを判定する構成とした。しかしながら、コンデンサ40内の冷媒の凍結を判定する方法はこれに限られない。すなわち、冷媒温度T1は、キャッチタンク44内に貯留された冷媒の温度を代用してもよいし、また、コンデンサ40の内圧、キャッチタンク44の内圧、超音速ノズル35の出口圧、タービン34の出口圧及び外気温度等、他の状態量に基づいて冷媒温度T1を推定してもよい。また、判定値は、必ずしも正確な凝固点である必要はなく、凝固点よりも若干高温側の値に設定して凍結を事前に検知する構成としてもよい。   In the Rankine cycle system 100 of the first embodiment described above, it is determined that the refrigerant in the capacitor 40 is frozen by comparing the refrigerant temperature T1 in the capacitor 40 with the determination value. However, the method for determining the freezing of the refrigerant in the capacitor 40 is not limited to this. That is, the refrigerant temperature T1 may be the temperature of the refrigerant stored in the catch tank 44, or the internal pressure of the condenser 40, the internal pressure of the catch tank 44, the outlet pressure of the supersonic nozzle 35, the turbine 34 The refrigerant temperature T1 may be estimated based on other state quantities such as the outlet pressure and the outside air temperature. The determination value does not necessarily need to be an accurate freezing point, and may be set to a value slightly higher than the freezing point to detect freezing in advance.

また、上述した実施の形態1のランキンサイクルシステム100では、コンデンサ40内の冷媒が凍結する場合に制御弁50を開弁することとしているが、閉弁されていた制御弁50を開弁すると、気液分離器16がコンデンサ40内の負圧に引かれて減圧沸騰するおそれがある。そこで、実施の形態1のランキンサイクルシステム100では、冷媒管52に別途絞りを設けて制御弁50の開弁時の流量を減らすように構成してもよい。また、別途絞りを設けることに替えて、制御弁50を開度調整可能な構成とし、弁の開度を絞ることで対応してもよい。   In the Rankine cycle system 100 according to the first embodiment described above, the control valve 50 is opened when the refrigerant in the condenser 40 freezes. However, when the control valve 50 that has been closed is opened, There is a possibility that the gas-liquid separator 16 is pulled by the negative pressure in the condenser 40 and boiled under reduced pressure. Therefore, Rankine cycle system 100 according to the first embodiment may be configured such that a separate throttle is provided in refrigerant pipe 52 to reduce the flow rate when control valve 50 is opened. Instead of providing a separate throttle, the control valve 50 may be configured to be adjustable in opening, and the opening of the valve may be throttled.

また、上述した実施の形態1のランキンサイクルシステム100では、コンデンサ40内の冷媒が凍結する場合に、気液分離器16内の冷媒をコンデンサ40内に導入することとしているが、別途設けられたLLCタンクから冷媒を導入する構成でもよい。図5は、実施の形態1のランキンサイクルシステム100の変形例を示す図である。なお、この図において、図1に示す構成と共通する要素には同一の符号を付している。   Further, in the Rankine cycle system 100 of the first embodiment described above, when the refrigerant in the condenser 40 freezes, the refrigerant in the gas-liquid separator 16 is introduced into the condenser 40. The structure which introduce | transduces a refrigerant | coolant from a LLC tank may be sufficient. FIG. 5 is a diagram illustrating a modification of Rankine cycle system 100 according to the first embodiment. In this figure, elements common to the configuration shown in FIG.

図5に示すランキンサイクルシステム110は、LLCタンク60に貯留されている液相冷媒をコンデンサ40内に導入するための制御弁62及び冷媒管64を備えている。LLCタンク60は冷媒のリザーブタンクとして機能するものであり、規定のLLC濃度の冷媒が貯留されている。制御弁62は例えば電磁弁として構成された開閉弁であり、LLCタンク60の下部とコンデンサ40を接続する冷媒管64の途中に設けられている。そして、冷媒管52は、気液分離器16の下部と冷媒管64における制御弁62の上流側とを接続する流路として構成されている。なお、冷媒管64はLLCタンク60の液相冷媒をコンデンサ40内に導入するための経路を構成するものであるから、その接続先はコンデンサ40に限らず、冷媒管36の途中に接続されていてもよい。このような構成において、コンデンサ40内での凍結が検知された場合に制御弁62及び制御弁50を開弁することとすれば、気液分離器16内の液相冷媒に加えてLLCタンク60内の液相冷媒もコンデンサ40内に導入される。これにより、コンデンサ40内のLLC濃度が高くなるので、コンデンサ40内での冷媒の凍結が抑制される。なお、冷媒管64及び冷媒管52には、冷媒の急激な流通を制限するための絞りが別途設けられていてもよい。   The Rankine cycle system 110 shown in FIG. 5 includes a control valve 62 and a refrigerant pipe 64 for introducing the liquid-phase refrigerant stored in the LLC tank 60 into the condenser 40. The LLC tank 60 functions as a refrigerant reserve tank, and stores a refrigerant having a prescribed LLC concentration. The control valve 62 is, for example, an on-off valve configured as an electromagnetic valve, and is provided in the middle of the refrigerant pipe 64 that connects the lower part of the LLC tank 60 and the condenser 40. The refrigerant pipe 52 is configured as a flow path that connects the lower part of the gas-liquid separator 16 and the upstream side of the control valve 62 in the refrigerant pipe 64. Since the refrigerant pipe 64 constitutes a path for introducing the liquid phase refrigerant of the LLC tank 60 into the capacitor 40, the connection destination is not limited to the capacitor 40 and is connected in the middle of the refrigerant pipe 36. May be. In such a configuration, if the control valve 62 and the control valve 50 are opened when freezing in the capacitor 40 is detected, the LLC tank 60 in addition to the liquid-phase refrigerant in the gas-liquid separator 16 is opened. The liquid refrigerant inside is also introduced into the capacitor 40. Thereby, since the LLC density | concentration in the capacitor | condenser 40 becomes high, the freezing of the refrigerant | coolant in the capacitor | condenser 40 is suppressed. It should be noted that the refrigerant pipe 64 and the refrigerant pipe 52 may be separately provided with a restriction for restricting the rapid circulation of the refrigerant.

上述した実施の形態1のランキンサイクルシステム100では、冷媒としての水が本発明の「第1冷媒」に、冷媒としてのLLCが本発明の「第2冷媒」に相当している。また、上述した実施の形態1のランキンサイクルシステム100では、冷媒管52が本発明の「冷媒通路」に、制御弁50が本発明の「制御弁」に、相当するとともに、ECU70が上記ステップS1の処理を実行することにより、本発明の「検知手段」が実現され、ECU70が上記ステップS3の処理を実行することにより、本発明の「弁制御手段」が実現されている。   In Rankine cycle system 100 of the first embodiment described above, water as the refrigerant corresponds to the “first refrigerant” of the present invention, and LLC as the refrigerant corresponds to the “second refrigerant” of the present invention. In the Rankine cycle system 100 of the first embodiment described above, the refrigerant pipe 52 corresponds to the “refrigerant passage” of the present invention, the control valve 50 corresponds to the “control valve” of the present invention, and the ECU 70 performs step S1. By executing this process, the “detecting means” of the present invention is realized, and when the ECU 70 executes the process of step S3, the “valve control means” of the present invention is realized.

10 エンジン
12 冷媒流路(沸騰器)
13 蒸発器
11,14,15,18,28,32,36,42,46,52 冷媒管
16 気液分離器
20,48 ウォータポンプ
22 排気通路
30 過熱器
34 タービン(膨張機)
40 コンデンサ(凝縮器)
44 キャッチタンク
100 ランキンサイクルシステム
60 LLCタンク
62 制御弁
64 冷媒管
110 ランキンサイクルシステム
10 Engine 12 Refrigerant flow path (boiler)
13 Evaporator 11, 14, 15, 18, 28, 32, 36, 42, 46, 52 Refrigerant pipe 16 Gas-liquid separator 20, 48 Water pump 22 Exhaust passage 30 Superheater 34 Turbine (expander)
40 Condenser
44 Catch tank 100 Rankine cycle system 60 LLC tank 62 Control valve 64 Refrigerant pipe 110 Rankine cycle system

Claims (1)

第1冷媒と前記第1冷媒の沸点よりも沸点が高い第2冷媒とが混合された冷媒へ内燃機関の廃熱を付与して、前記冷媒を蒸気化する沸騰器と、
前記沸騰器から送出される気液二相の冷媒を気相冷媒と液相冷媒とに分離する気液分離器と、
前記気液分離器から送出される気相冷媒を前記内燃機関の排気との熱交換によって過熱させる過熱器と、
前記過熱器を通過した気相冷媒を膨張させて仕事を取り出す膨張機と、
前記膨張機を通過した気相冷媒を凝縮させて液相冷媒に戻す凝縮器と、を備えるランキンサイクルシステムにおいて、
前記気液分離器の内部の液相冷媒を前記凝縮器又は当該凝縮器と前記沸騰器とを接続する冷媒管に導入するための冷媒通路と、
前記冷媒通路の開閉を行うための制御弁と、
前記凝縮器の内部で凍結が発生することを検知する検知手段と、
前記検知手段によって凍結が検知された場合に、前記制御弁を開弁する弁制御手段と、
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 boiling device that applies waste heat of the internal combustion engine to a refrigerant in which a first refrigerant and a second refrigerant having a boiling point higher than that of the first refrigerant are mixed, and vaporizes the refrigerant;
A gas-liquid separator that separates a gas-liquid two-phase refrigerant sent from the boiling device into a gas-phase refrigerant and a liquid-phase refrigerant;
A superheater that superheats the gas-phase refrigerant delivered from the gas-liquid separator by heat exchange with the exhaust of the internal combustion engine;
An expander that expands the gas-phase refrigerant that has passed through the superheater and extracts work;
In the Rankine cycle system, comprising a condenser that condenses the gas-phase refrigerant that has passed through the expander and returns it to the liquid-phase refrigerant,
A refrigerant passage for introducing the liquid-phase refrigerant inside the gas-liquid separator into the condenser or a refrigerant pipe connecting the condenser and the boiler;
A control valve for opening and closing the refrigerant passage;
Detecting means for detecting that freezing occurs inside the condenser;
Valve control means for opening the control valve when freezing is detected by the detection means;
A Rankine cycle system comprising:
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