JP2021025519A - ランキンサイクルシステム - Google Patents

Abstract

【課題】媒体の熱量が小さいときにおけるランキンサイクルシステムの作動効率を向上させることができるランキンサイクルシステムを提供する。【解決手段】潜熱蓄熱材１０をその内部に封入する筐体１１を囲う囲繞部材１４を、筐体１１と囲繞部材１４の間に形成される第１空間１５と囲繞部材１４と蒸発器７の内壁面の間に形成される第２空間１６の両方の空間に作動流体Ｗが貯留されるように蒸発器７の内部に設けて、排気Ｇの温度Ｔが設定閾値Ｔ１以下である場合に、アクチュエータ１３により潜熱蓄熱材１０の過冷却状態を解除して、第１空間１５に貯留された作動流体Ｗａを潜熱蓄熱材１０の潜熱により加熱する。【選択図】図２

Description

本開示は、ランキンサイクルシステムに関する。

ランキンサイクル回路（ランキンサイクルシステム）の加熱器（蒸発器）の内部に媒体を導く廃熱媒体経路と作動流体を導く作動流体経路を区画する境界壁を有し、境界壁の内部に蓄熱材を設けて、媒体のエネルギー量が小さいときに蓄熱材に蓄えられたエネルギーを作動流体に放出する技術が提案されている（例えば、特許文献１参照）。

特開２００５−１６３２６号公報

上記の技術では、媒体のエネルギー量（熱量）が小さいときに、蒸発器の内部を通過する作動流体の全体に蓄熱材から放熱するので、作動流体の昇温に時間を要する。また、媒体の熱量に応じて蓄熱材から作動流体に放熱される熱量が変化し、蓄熱材から作動流体に集中的に大きな熱量が放熱されないので、作動流体の昇温にさらに時間を要する。その結果、ランキンサイクルシステムの作動効率が小さくなる。

本開示の目的は、媒体の熱量が小さいときにおけるランキンサイクルシステムの作動効率を向上させることができるランキンサイクルシステムを提供することにある。

上記の目的を達成するための本発明の態様のランキンサイクルシステムは、作動流体を循環させる作動流体用の流路と媒体を通過させる媒体用の流路の両方の流路に配置されて、作動流体と媒体との熱交換により作動流体を蒸発させる蒸発器と、前記蒸発器の内部に配置されて潜熱蓄熱材がその内部に封入された筐体と、前記潜熱蓄熱材の過冷却状態を解除する過冷却解除手段と、ランキンサイクルシステムを制御する制御装置と、を備えて構成されるランキンサイクルシステムにおいて、媒体の温度を取得する温度取得装置を設けるとともに、前記筐体を囲う囲繞部材を、前記筐体と前記囲繞部材の間に形成される第１空間と前記囲繞部材と前記蒸発器の内壁面の間に形成される第２空間の両方の空間に作動流体が貯留されるように前記蒸発器の内部に設けて、前記制御装置が、前記温度取得装置の取得値が予め設定された設定閾値以下である場合に、前記過冷却解除手段により前記潜熱蓄熱材の過冷却状態を解除して、前記第１空間に貯留された作動流体を前記潜熱蓄熱材の潜熱により加熱する制御を行うように構成される。

本開示によれば、媒体の熱量が小さいときにおけるランキンサイクルシステムの作動効率を向上させることができる。

本発明の実施形態のランキンサイクルシステムの構成を例示する模式図である。 図１の蒸発器の構成を拡大して例示する図である。 図２の蒸発器の構成をＡ断面視で例示する図である。 本発明の実施形態のランキンサイクルシステムについてその制御方法を制御フローの形で例示する図である。 過冷却状態を解除される潜熱蓄熱材の温度推移を例示する図である。 潜熱蓄熱材がその内部に封入された筐体が囲繞部材を介して排気管に当接する構成を例示する図である。

以下、本開示の実施形態のランキンサイクルシステム１について、図面を参照しながら説明する。なお、本実施形態では、媒体としてエンジン（内燃機関）２の排気Ｇを例示しているが、一例である。また、作動流体Ｗは、例えば、エタノールである。

図１に例示するように、ランキンサイクルシステム１は、エンジン２の各気筒２ａで新気と燃料との混合気を燃焼することにより発生する熱量（エネルギー量）を排気Ｇを介して作動流体Ｗに供給して、作動流体Ｗから動力を得るシステムである。

エンジン２の各気筒２ａには排気通路３が連通している。排気通路３は、各気筒２ａから排出される排気Ｇを通過させて大気に導く通路で、媒体を通過させる媒体用の流路を構成する配管（排気管）である。排気通路３には、後処理装置４が配置されている。後処理装置４は、その内部に担持した触媒装置４ａにより排気Ｇに含まれる微粒子状物質、ＮＯｘ（窒素酸化物）、ＣＯ（一酸化炭素）、ＨＣ（炭化水素）等の成分を浄化処理する装置である。触媒装置４ａは、浄化処理する成分に応じた複数の異なる触媒で構成されている。

ランキンサイクルシステム１は、作動流体Ｗを循環させる作動流体用の流路５に、ポンプ（循環装置）６と、蒸発器７と、膨張器８と、凝縮器９とを備えて構成される。ポンプ６は、液体状態の作動流体Ｗを圧送する装置である。蒸発器７は、ポンプ６より下流側の作動流体用の流路５と排気通路３の両方の流路に配置されて、作動流体Ｗと排気Ｇとの熱交換により液体状態の作動流体Ｗを蒸発させて気化させる装置である。膨張器８は、蒸発器７より下流側の作動流体用の流路５に配置されて、気体状態の作動流体Ｗを膨張させてその出力軸８ａに動力を発生させる装置である。出力軸８ａには断接装置（クラッチ等）を介して駆動装置（エンジンやモータ等）が接続されており、断接装置の接続時に出力軸８ａに発生した動力が駆動装置に伝達される。凝縮器９は、膨張器８より下流側の作動流体用の流路５に配置されて、気体状態の作動流体Ｗを凝縮させて液化させる装置である。なお、本実施形態の図面では、液体状態の作動流体Ｗを実線矢印、気体状態の作動流体Ｗを白抜き矢印で示している。

本発明の実施形態の蒸発器７の構成について、図２、図３を参照しながら説明する。蒸発器７の内部には、潜熱蓄熱材１０がその内部に封入された直方体形状の筐体１１が配置されている。潜熱蓄熱材１０は、液体状態と固体状態の間で相変化し、この相変化時の潜熱を蓄熱または放熱し、過冷却状態（その凝固温度以下になっても固体状態にならずに液体状態を維持する状態）となる。本実施形態の潜熱蓄熱材１０は、例えば、酢酸ナトリウム３水和物（凝固温度は略５０℃）である。潜熱蓄熱材１０の凝固温度は、作動流体Ｗの加熱の観点から常温（５℃〜３５℃）以上であればよい。筐体１１の内部には、潜熱蓄熱材１０の相状態に依らず潜熱蓄熱材１０を封入可能なように空間１２が形成されている。なお、潜熱蓄熱材１０は、過冷却状態となる蓄熱材であればよく、気体状態と液体状態の間で相変化する構成であってもよい。

潜熱蓄熱材１０には、アクチュエータ１３が筐体１１の外部から筐体１１の上壁面を貫通して鉛直方向に挿入されている。アクチュエータ１３は、その振動により潜熱蓄熱材１０の過冷却状態を解除して潜熱蓄熱材１０の凝固を開始する装置である。潜熱蓄熱材１０の凝固は、アクチュエータ１３で一度（一定時間）振動して衝撃を与えられることで全体に広がる。

なお、図３では、図の煩雑さを避けるためにアクチュエータ１３を省略している。また、アクチュエータ１３は過冷却解除手段の一例である。過冷却解除手段としては、その他に、潜熱蓄熱材１０に対して外部から新たな潜熱蓄熱材の固相の核を投入する装置、潜熱蓄熱材１０に電圧を印加する装置、潜熱蓄熱材１０に超音波を放射する装置等がある。過冷却解除手段は、潜熱蓄熱材１０の過冷却状態を解除できればよく、その装置によっては必ずしも潜熱蓄熱材１０に接する必要はない。

蒸発器７の内部には、筐体１１を囲う囲繞部材１４が設けられる。本実施形態では、囲繞部材１４は筐体１１の側面及び底面を囲っているが一例である。囲繞部材１４は、後述する第１空間１５に作動流体Ｗが流入して貯留されるように筐体１１を囲う構成であればよく、例えば球形状等の他の構成でもよい。

本実施形態の囲繞部材１４は、側面用板材１４ａと、底面用板材１４ｂとで構成される。側面用板材１４ａは、筐体１１の各側面及び蒸発器７の内壁側面７ａの間に対向して平行に配置されて、鉛直方向に延在する板材である。各側面用板材１４ａは対向する筐体１１の側面を離間して覆い、その面積は対向する筐体１１の側面の面積より大きい。なお、本実施形態では、ポンプ６側の筐体１１の側面以外の３方向の側面に側面用板材１４ａが対向して配置されて、筐体１１の全側面が側面用板材１４ａ及び蒸発器７の内壁側面７ａにより囲われる構成としているが、ポンプ６側の筐体１１の側面にも側面用板材１４ａを対向して配置してもよい。この場合は、筐体１１の全側面が側面用板材１４ａにより囲われる構成となる。

底面用板材１４ｂは、筐体１１の底面及び蒸発器７の内壁底面７ｂの間に対向して平行に配置されて、水平方向に延在する板材である。底面用板材１４ｂは筐体１１の底面を離間して覆い、その面積は筐体１１の底面の面積より大きい。底面用板材１４ｂは、排気管３の上面に載置されている。

側面用板材１４ａ及び底面用板材１４ｂは、これらの板材を介した熱伝導が可能である板材で、図示しない支持部材により蒸発器７の内壁面（内壁側面７ａまたは内壁底面７ｂ）に支持されている。また、筐体１１の上面に対向して板材は設置されていない。

囲繞部材１４は、筐体１１と囲繞部材１４の間に形成される第１空間１５と囲繞部材１４と蒸発器７の内壁面の間に形成される第２空間１６の両方の空間に作動流体Ｗが貯留されるように設けられる。第１空間１５は、底面用板材１４ｂをその底面とし、側面用板材１４ａの延在長さをその高さとする直方体形状の空間から筐体１１を除いた空間である。第２空間１６は、蒸発器７の内壁底面７ｂをその底面とし、蒸発器７の内壁底面７ｂから側面用板材１４ａの上端までの鉛直方向の長さをその高さとする直方体形状の空間から第１空間１５及び筐体１１を除いた空間である。第１空間１５に貯留された作動流体Ｗの液位が側面用板材１４ａの上端を超えると、第１空間１５から第２空間１６に作動流体Ｗの一部が溢れて移動する。

筐体１１は、底面用板材１４ｂから離間するように、囲繞部材１４または筐体１１の内壁面に図示しない支持部材を介して支持されており、その全体が第１空間１５に貯留された液体状態の作動流体Ｗａに浸かった状態となっている。蒸発器７の内部を通過する排気管３は、蒸発器７の内壁底面７ｂから離間して配置されて、その全体が第２空間１６に貯留された液体状態の作動流体Ｗｂに浸かった状態となっている。言い換えれば、排気管３は第１空間１５を通過することなく第２空間１６のみを通過している。

ここで、蒸発器７の内壁側面７ａには、ポンプ６側から蒸発器７に流入する２つの作動流体用の流路５ａ、５ｂが接続されている。第１流路５ａは、側面用板材１４ａの上端より鉛直方向上側の蒸発器７の内壁側面７ａに接続されている。第１流路５ａから蒸発器７の内部に流入した作動流体Ｗは、第１空間１５と第２空間１６の両方の空間に流入する。第２流路５ｂは、底面用板材１４ｂより鉛直方向下側の蒸発器７の内壁側面７ａに接続されている。第２流路５ｂから蒸発器７の内部に流入した作動流体Ｗは、第１空間１５に流入せず、第２空間１６にのみ流入する。

なお、第１空間１５と第２空間１６の両方に作動流体Ｗが流入するように蒸発器７の内壁側面７ａに作動流体用の流路５が接続されればよいので、第２流路５ｂを設けることなく、蒸発器７の内壁側面７ａに第１流路５ａのみを接続する構成としてもよい。蒸発器７の内壁側面７ａに第１流路５ａのみを接続する構成とした場合には、第２流路５ｂの設置に必要なコストが低減されるとともに、省スペースとなる。この場合は、本実施形態のように、第１流路５ａから第１空間１５及び第２空間１６の両方の空間に作動流体Ｗが流れるように構成する。

一方、蒸発器７の内壁側面７ａに第１流路５ａと第２流路５ｂの両方の流路を接続する構成とした場合には、第１空間１５と第２空間１６の両方に作動流体Ｗを比較的貯留しやすくすることができる。この場合は、第１流路５ａから第１空間１５のみに作動流体Ｗが流れるように構成してもよい。

本実施形態のランキンサイクルシステム１では、後処理装置４と蒸発器７の間の排気通路３に温度センサ１７が配置される。温度センサ１７は、排気Ｇの温度を取得（検出）するセンサである。なお、温度センサ１７は温度取得装置の一例である。温度取得装置は、蒸発器７に流入する排気Ｇの温度を取得できればよく、温度センサ１７に限定されない。

本実施形態のランキンサイクルシステム１には、ランキンサイクルシステム１を制御する制御装置１８が備わる。制御装置１８は、各種情報処理を行うＣＰＵ（Central Processing Unit）、その各種情報処理を行うために用いられるプログラムや情報処理結果を読み書き可能な内部記憶装置、及び各種インターフェースなどから構成されるハードウェアである。制御装置１８は、各種装置１３、１７と電気的に接続される。

本実施形態のランキンサイクルシステム１では、制御装置１８が、温度センサ１７の取得値Ｔが設定閾値Ｔ１以下である場合に、アクチュエータ１３を作動させて、アクチュエータ１３の振動により潜熱蓄熱材１０の過冷却状態を解除する制御を行う。潜熱蓄熱材１０の過冷却状態を解除することで、第１空間１５に貯留された作動流体Ｗａを潜熱蓄熱材１０の潜熱（凝固熱）により加熱する。設定閾値Ｔ１は、この閾値以下であると潜熱蓄熱材１０が過冷却状態で、かつ、ランキンサイクルシステム１の作動効率が比較的低い状態であるとして実験等により予め設定される。また、アクチュエータ１３の作動時間は、潜熱蓄熱材１０に固相の核を形成可能な時間に実験等により予め設定される。

本実施形態のランキンサイクルシステム１の制御方法を制御フローの形で図４を参照しながら説明する。図４の制御フローは、エンジン２の始動時（例えば、エンジン２を搭載した車両のイグニッションキーがオンされた時等）に行われるか、または、エンジン２の運転状態時に周期的に行われる。

図４の制御フローがスタートすると、ステップＳ１０で、温度センサ１７の取得値Ｔが設定閾値Ｔ１以下であるか否かを判定する。取得値Ｔが設定閾値Ｔ１以下である場合（ＹＥＳ）には、ステップＳ２０に進む。取得値Ｔが設定閾値Ｔ１を超える場合（ＮＯ）には、リターンに進んで、本制御フローを終了する。

ステップＳ２０で、現時点から実験等により予め設定された設定時間が経過するまでエンジン２が運転状態であるか否かを判定する（エンジン２の運転予測判定を行う）。エンジン２が運転状態であると判定する場合（ＹＥＳ）には、ステップＳ３０に進む。エンジン２が運転状態でないと判定する場合（ＮＯ）には、リターンに進んで、本制御フローを終了する。

ステップＳ３０で、アクチュエータ１３を作動して、潜熱蓄熱材１０の過冷却状態を解除する。アクチュエータ１３は、潜熱蓄熱材１０に固相の核が形成されるのに十分な時間だけ作動した後停止する。ステップＳ３０を実施後、リターンに進んで、本制御フローを終了する。

過冷却状態を解除される場合の潜熱蓄熱材１０の温度推移について図５を参照しながら説明する。図５に例示するように、時刻ｔ１で潜熱蓄熱材１０の温度（図５の実践部）Ｔａはその凝固温度Ｔａ１まで低下するが、潜熱蓄熱材１０は液体状態を維持して時刻ｔ１以降にその温度Ｔａはさらに低下する。時刻ｔ２でアクチュエータ１３が作動すると、潜熱蓄熱材１０の凝固が開始し、潜熱蓄熱材１０の温度Ｔａは上昇して時刻ｔ３で凝固温度Ｔａ１に達する。このとき、作動流体Ｗの温度（図５の長破線部）Ｔｂは、時刻ｔ２から時刻ｔ３の間の潜熱蓄熱材１０の急激な昇温に連動して時刻ｔ２から比較的緩やかに上昇して、時刻ｔ４で潜熱蓄熱材１０の凝固温度Ｔａ１に達する。そして、時刻ｔ５で潜熱蓄熱材１０の凝固が完了する。潜熱蓄熱材１０の温度Ｔａは、その後低下して時刻ｔ６でほぼ一定値に達する。なお、図５に示す、潜熱蓄熱材１０の温度Ｔａの推移と作動流体Ｗの温度Ｔｂの推移はともに直線的であるが、一例である。

時刻ｔ２から時刻ｔ６までの間に、過冷却状態時に潜熱蓄熱材１０に蓄熱された潜熱（図５にてクロスハッチングで示された領域Ｓに相当する熱量）が第１空間１５に貯留された作動流体Ｗａに放熱されて、作動流体Ｗａは昇温する。

潜熱蓄熱材１０の潜熱が、蒸発器７の内部の作動流体Ｗの全体に放熱されるのではなく、第１空間１５に貯留された作動流体Ｗａにのみ放熱される。第１空間１５に貯留された作動流体Ｗａは、蒸発器７の内部の作動流体Ｗの全体と比較して熱容量が小さいので、第１空間１５に貯留された作動流体Ｗａは比較的早期に潜熱蓄熱材１０の凝固温度Ｔａ１まで昇温する。

潜熱蓄熱材１０の凝固温度Ｔａ１が作動流体Ｗの液化（気化）温度以下である場合には、潜熱蓄熱材１０の潜熱と排気管３を通過する排気Ｇの熱量の両方により作動流体Ｗａを蒸発させることが可能となる。この場合は、作動流体Ｗａは潜熱蓄熱材１０の潜熱により凝固温度Ｔａ１まで昇温した後排気Ｇの熱量によりその液化温度まで昇温して、作動流体Ｗａは蒸発する。凝固温度Ｔａ１までの作動流体Ｗａの昇温に要する時間が短縮されるので、ランキンサイクルシステム１は早期に稼働しその作動効率を向上させることができる。

潜熱蓄熱材１０の凝固温度Ｔａ１が作動流体Ｗの液化温度以下である場合には、図２に例示するように、筐体１１を囲繞部材１４及び排気管３から離間させると、作動流体Ｗａに対する潜熱蓄熱材１０の伝熱面積が大きくなり、凝固温度Ｔａ１までの作動流体Ｗａの昇温に要する時間がさらに短縮されるので好ましい。

一方、潜熱蓄熱材１０の凝固温度Ｔａ１が作動流体Ｗの液化温度よりも高い場合には、作動流体Ｗａは潜熱蓄熱材１０の潜熱のみで蒸発可能である。作動流体Ｗａが比較的早期に蒸発するので、ランキンサイクルシステム１は早期に稼働しその作動効率は向上する。

ただし、この場合には、凝固した潜熱蓄熱材１０は周囲の液体状態の作動流体Ｗａのみによっては再び液化できない。したがって、本実施形態のように排気管３が第１空間１５を通過することなく第２空間１６のみを通過する場合には、図６に例示するように、筐体１１を囲繞部材１４を介して排気管３に当接させる。あるいは、本実施形態とは異なり、排気管３が第１空間１５のみを通過する場合には、筐体１１を排気管３に直接当接させる。これらの構成によれば、凝固した潜熱蓄熱材１０を排気管３を通過する排気Ｇの熱量により液化（融解）して、潜熱蓄熱材１０を再び過冷却状態となることが可能な状態とすることができる。

なお、第２空間１６に貯留された作動流体Ｗｂは、第１空間１５に貯留された作動流体Ｗａの蒸発開始より後に、排気通路３を通過する排気Ｇの昇温に伴って徐々に蒸発して膨張器８側の作動流体用の流路５に流出する。

以上より、本実施形態のランキンサイクルシステム１によれば、媒体（排気）Ｇの熱量が小さいときにおけるランキンサイクルシステム１の作動効率を向上させることができる。

媒体用の流路（排気通路）３が第１空間１５を通過することなく第２空間１６を通過するように構成すると、潜熱蓄熱材１０の過冷却状態の解除時の放熱が、排気管３に伝達されず、第１空間１５に貯留された作動流体Ｗａのみに伝達される。したがって、凝固温度Ｔａ１までの作動流体Ｗａの昇温に要する時間を短縮することができる。

なお、図示しないが、蒸発器７に接続される第１流路５ａ及び第２流路５ｂの各々を通過する作動流体Ｗの流量を調整する流量調整機構を設けて、制御装置１８が、温度センサ１７の取得値Ｔが設定閾値Ｔ１以下である場合に、エンジン２の運転状態に応じて流量調整機構を制御して、第１流路５ａを通過する作動流体Ｗの流量を調整する制御を行うようにしてもよい。流量調整機構は、例えば、第１流路５ａ及び第２流路５ｂの各々に配置される流量調整弁である。

このようにすることで、第１空間１５に貯留される作動流体Ｗａの熱容量がエンジン２の運転状態に応じた熱容量となるので、ランキンサイクルシステム１の作動効率をエンジン２の運転状態に応じた作動効率に向上させることができる。

１ ランキンサイクルシステム
２ エンジン（内燃機関）
２ａ 各気筒
３ 排気通路（媒体用の流路）
４ 後処理装置
４ａ 触媒装置
５ 作動流体用の流路
５ａ 第１流路
５ｂ 第２流路
６ ポンプ
７ 蒸発器
７ａ 蒸発器の内壁側面
７ｂ 蒸発器の内壁底面
８ 膨張器
８ａ 出力軸
９ 凝縮器
１０ 潜熱蓄熱材
１１ 筐体
１２ 空間
１３ アクチュエータ（過冷却解除手段）
１４ 囲繞部材
１４ａ 側面用板材
１４ｂ 底面用板材
１５ 第１空間
１６ 第２空間
１７ 温度センサ（温度取得装置）
１８ 制御装置

Claims (5)

1. 作動流体を循環させる作動流体用の流路と媒体を通過させる媒体用の流路の両方の流路に配置されて、作動流体と媒体との熱交換により作動流体を蒸発させる蒸発器と、前記蒸発器の内部に配置されて潜熱蓄熱材がその内部に封入された筐体と、前記潜熱蓄熱材の過冷却状態を解除する過冷却解除手段と、ランキンサイクルシステムを制御する制御装置と、を備えて構成されるランキンサイクルシステムにおいて、
   媒体の温度を取得する温度取得装置を設けるとともに、
   前記筐体を囲う囲繞部材を、前記筐体と前記囲繞部材の間に形成される第１空間と前記囲繞部材と前記蒸発器の内壁面の間に形成される第２空間の両方の空間に作動流体が貯留されるように前記蒸発器の内部に設けて、
   前記制御装置が、
   前記温度取得装置の取得値が予め設定された設定閾値以下である場合に、前記過冷却解除手段により前記潜熱蓄熱材の過冷却状態を解除して、前記第１空間に貯留された作動流体を前記潜熱蓄熱材の潜熱により加熱する制御を行うように構成されるランキンサイクルシステム。
2. 前記媒体用の流路が前記第１空間を通過することなく前記第２空間を通過する請求項１に記載のランキンサイクルシステム。
3. 前記潜熱蓄熱材の凝固温度が作動流体の液化温度以下である場合に、前記筐体を前記囲繞部材及び前記媒体用の流路から離間させる請求項１または２に記載のランキンサイクルシステム。
4. 前記媒体用の流路が前記第１空間を通過し、かつ、前記潜熱蓄熱材の凝固温度が作動流体の液化温度より高い場合に、前記筐体を前記媒体用の流路に当接させる請求項１に記載のランキンサイクルシステム。
5. 前記潜熱蓄熱材の凝固温度が作動流体の液化温度より高い場合に、前記筐体を前記囲繞部材を介して前記媒体用の流路に当接させる請求項２に記載のランキンサイクルシステム。

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