JP4027298B2

JP4027298B2 - 凝縮器の不凝縮性ガス排出装置

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Publication number: JP4027298B2
Application number: JP2003359850A
Authority: JP
Inventors: 弘芳谷口
Original assignee: Honda Motor Co Ltd
Current assignee: Honda Motor Co Ltd
Priority date: 2003-10-20
Filing date: 2003-10-20
Publication date: 2007-12-26
Anticipated expiration: 2023-10-20
Also published as: JP2005120992A

Description

本発明は凝縮器の不凝縮性ガス排出装置に関し、特に、例えば車載エンジンの排熱エネルギを機械エネルギに変換する車載用装置として用いられるランキンサイクル装置の凝縮器の不凝縮性ガス排出装置に関するものである。

従来、熱エネルギを機械的な仕事に変換するシステムとしてランキンサイクル装置が知られている。ランキンサイクル装置は、循環系を形成する密閉状態の配管システムにおいて、水を液相状態および気相状態で循環させる構造を有するものである。ランキンサイクル装置は、給水ポンプユニットと蒸発器と膨張機と凝縮器を有し、これらを接続する配管で循環回路を形成する。

ランキンサイクル装置の概略的構成を図１７に示す。図１７では、車載用ランキンサイクル装置を想定し、全体の構成を示すと共に、凝縮器の構造および内部状態が示されている。

図１７において、ランキンサイクル装置は、給水ポンプユニット１１０と蒸発器１１１と膨張機１０７と凝縮器１００を備える。これらの要素は配管１０８，１１５で接続され、循環回路が形成される。給水ポンプユニット１１０に基づき配管１１５を通して毎分所定量で送り出される水（液相）は、蒸発器１１１で熱を与えられ、水蒸気（気相）になる。この水蒸気は次の配管１１５を通して膨張機１０７に送られ、ここで膨張作用を生じる。膨張機１０７での水蒸気の膨張作用で機械装置（図示せず）を駆動することにより機械的な仕事が行われる。その後、水蒸気は配管１０８を通って凝縮器１００へ送られ、ここで水蒸気の状態から水の状態に戻される。その後、水は配管１１５を通って給水ポンプユニット１１０に戻され、再び給水ポンプユニット１１０から送出され、上記の作用を繰り返すことになる。上記において蒸発器１１１はエンジンの排気口から延設された排気管から熱を受ける構造となっている。なおランキンサイクル装置の構造例を示す文献として例えば特許文献１を挙げることができる。

次に、図１７〜図１９を参照して車載用ランキンサイクル装置での凝縮器１００の構造と作用を詳述する。図１８は凝縮器１００の正面図を示し、図１９は図１８の部分Ａの拡大図である。

車載用ランキンサイクル装置の凝縮器１００は、水蒸気導入室１０１と、集水室１０２と、これらの２つの室を上下方向に接続する多数の冷却パイプ１０３を備えている。図１７では１本の冷却パイプ（凝縮管）１０３のみを誇張して示している。冷却パイプ１０３の内部においてのほぼ上半分は水蒸気（気相部分）１０４であり、ほぼ下半分は水（液相部分）１０５である。水蒸気１０４の部分では、水蒸気導入室１０１から冷却パイプ１０３に導入された作動媒体の大部分が気相状態にある。水１０５の部分では、冷却パイプ１０３を流れる作動媒体の大部分が液相状態（凝縮水）にある。水蒸気１０４と水１０５の境界部（気液界面）が液面位置１１２となる。冷却パイプ１０３の背後（図１７中右側）には１台の冷却ファン１０６が備えられ、駆動される。冷却ファン１０６の周囲は筒型シュラウド１０６ａに囲まれている。通常、電子制御ユニットによって凝縮器１００の出口の水温に基づいて冷却ファン１０６の動作を制御する。冷却パイプ１０３は、その上側端部から下側端部まで、１台の冷却ファン１０６によって同時に送風され、冷却される。

上記凝縮器１００は次のように動作する。ランキンサイクル装置の運転に伴って膨張機１０７から排出された比較的に低温の水蒸気は、低圧水蒸気配管１０８を経て凝縮器１００の水蒸気導入室１０１に導入され、冷却パイプ１０３に流入する。冷却ファン１０６に吸引された冷却風１０９が凝縮器１００に供給される。凝縮器１００内の上流側の水蒸気１０４、つまり冷却パイプ１０３内に水蒸気と水が混在している部分には冷却ファン１０６によって強い冷却風が作用し、水蒸気が液化する際に放出する潜熱が冷却風によって有効に回収される。また、凝縮器１００内の下流側の水１０５、つまり冷却パイプ１０３内に実質的に水だけが存在している部分にも、冷却ファン１０６による冷却風が作用する。凝縮器１００の冷却パイプ１０３内で凝縮した水は集水室１０２に集められる。その後、前述の通り、給水ポンプユニット１１０で加圧されて蒸発器１１１に供給される。

上記のように、作動媒体として水が用いられるランキンサイクル装置の場合には、装置の循環系内の大気温度における水の飽和圧力が大気圧以下であるため、ランキンサイクル装置の運転停止後に装置全体が冷却されることにより循環系内は負圧となる。従ってランキンサイクル装置の各要素のシール部や配管継ぎ手部などから循環系内に空気などの不凝縮性ガスが侵入する。また大気温度における飽和圧力が大気圧以上の作動媒体の場合にも、作動媒体の充填状態が悪い場合には、装置の循環系内に空気などの不凝縮性ガスが残留することになる。

上記のように、ランキンサイクル装置の循環系内に不凝縮性ガス（代表的に空気）が存在する状態で装置を起動した際には、不凝縮性ガスは、水蒸気の流れと共に、凝縮器１００内に流入する。この場合、図１８に示すごとく、凝縮器１００では、その中に流入した水蒸気１０４は凝縮して、水（凝縮水）１０５になって排水される。他方、凝縮器１００内に流入した不凝縮性ガス１２１は、その不凝縮性のために、凝縮器１００内に溜まることになる。凝縮器１００の上流側には膨張機１０７から凝縮器１００への水蒸気１０４の流れが存在するため、不凝縮性ガスは水蒸気１０４の流れによって凝縮器１００内の水蒸気１０４の領域の下部に運ばれる。換言すれば、図１７に示されるごとく、ランキンサイクル装置ではシステム的に水および水蒸気の流れによる循環系が形成され、膨張機１０７から凝縮器１００への配管１０８での水蒸気１０４の流れに従って、当該循環系内に存在する不凝縮性ガスも凝縮器１００内に流れ込む。凝縮性を有する水蒸気１０４は凝縮器１００による凝縮作用で凝縮して水１０５となって排出されるのに対して、不凝縮性ガスは凝縮されず、水蒸気の流れを受けつつガス状態のままで凝縮器１００内で留まることになる。その結果、図１８および図１９に示されるごとく、凝縮器１００内の水蒸気１０４の下部領域、すなわち不凝縮性ガス１２１として示された領域に溜まることになる。さらに、凝縮器１００内の水蒸気１０４の存在領域において、凝縮器１００内では空気の密度が水蒸気の密度よりも大きくなるような条件に設定されているので、重力作用により空気は凝縮器１００内の水蒸気１０４の下部領域に溜まる。実際、凝縮器１００における気相部（水蒸気１０４に対応する部分）１１６と液相部（水１０５に対応する部分）１１７の境界部では、図１９に示すごとく、水（凝縮水）１０５と凝縮液膜１０５ａが生じる。不凝縮性ガス１２１は、水１０５と凝縮液膜１０５ａに取り囲まれ、かつその上流側から飽和水蒸気１０４の流れによって押し付けられる。こうして、水蒸気１０４より密度の高い不凝縮性ガスすなわち空気１２１は、凝縮器１００内の気相部（凝縮伝熱部）１１６の下部に蓄積される。その結果、図１８および図１９に示すように、凝縮器１００の気相部１１６の下部では、不凝縮性ガス１２１が、抵抗となり通過を阻害し上流から供給される飽和水蒸気１０４が到達不能または到達困難な領域１２２が形成される。この領域１２２では熱交換を行うことができないため、水蒸気１０４が凝縮するための伝熱面積が減少する。これにより凝縮器１００の効率が著しく低下する結果となる。

そこで、凝縮器１００内に溜まった不凝縮性ガス１２１を排出する機構が必要となる。特許文献２には、自動車用エンジンの熱交換装置において、熱交換器の冷却風の風上と風下の温度差を小さくし、作動媒体が高温である時、熱交換器の下方のタンクに設けた電磁弁を開閉制御し、不凝縮性ガスを排出する構成が開示されている。しかしながら、その構成では温度条件のみに基づいて電磁弁の開閉を制御するので、前述の凝縮器１００の場合には、前述したように温度条件で差別化できない水蒸気も排出されることになり、凝縮器１００の気相部１１６内の下部に溜まった不凝縮性ガスだけを排出することは困難であった。
特開２００２−１１５５０４公報実公昭６３−４７７５１号公報

本発明の課題は、ランキンサイクル装置等の凝縮器において、水蒸気の凝縮効果を阻害する凝縮器内に残存する不凝縮性ガスのみを水蒸気と分離して凝縮器から排出し、凝縮器の気相部内を水蒸気だけで満たし、凝縮効率を高く維持し、向上させることである。

本発明の目的は、上記の課題に鑑み、ランキンサイクル装置等の凝縮器において、凝縮器内で水蒸気より密度の大きい空気等の不凝縮性ガスを主として効率よく排出し、気相部内をすべて水蒸気で満たし、気相部の全伝熱面で有効に熱交換できる凝縮器の不凝縮性ガス排出装置を提供することにある。

本発明に係る凝縮器の不凝縮性ガス排出装置は、上記の目的を達成するために、次のように構成される。

第１の不凝縮性ガス排出装置（請求項１に対応）は、凝縮性を有する気相作動媒体が存在しかつ不凝縮性ガスが含まれる気相部と液相作動媒体が存在する液相部とを有し、冷却装置により冷却されて気相作動媒体を液相作動媒体に戻す凝縮器で使用され、気相部と液相部との境界における液相作動媒体の液面に近い気相部の部分に、液相作動媒体の沸点温度よりも低い温度で開弁し、沸点温度より低い温度の不凝縮性ガスを排出する弁装置を設け、不凝縮性ガスの密度が気相作動媒体の密度よりも大きくなるように、凝縮器内部における気相部での圧力を所定圧力（Ｐ１）よりも小さく設定しかつ気相部での温度を所定温度（Ｔ１）よりも小さく設定し、弁装置によって気相作動媒体とは分離して主として前記不凝縮性ガスを排出するように構成される。

上記の不凝縮性ガス排出装置では、弁装置の開閉動作特性と、凝縮器内での気相部における温度と圧力を適切に制御することにより得られる不凝縮性ガスの密度と気相作動媒体の密度との間の特定な大小関係とに基づいて、凝縮器内に残存する不凝縮性ガスである空気等を、気相作動媒体である水蒸気とは分離して凝縮器から排出し、気相部を水蒸気で満たし、伝熱部の伝熱面積を有効に利用して凝縮効率を維持・向上させる。すなわち、弁装置によって主として空気等を水蒸気と分離して適時に排出することができ、応答性よく凝縮効率を高く維持させる。

第２の不凝縮性ガス排出装置（請求項２に対応）は、上記の構成において、好ましくは、弁装置は、大気側に通じる弁口と、内部に感温液を収容するダイヤフラム部材で形成され、周囲環境に気相作動媒体が存在するときにはダイヤフラム部材が膨張して弁口を閉じかつ周囲環境に不凝縮性ガスが存在するときにはダイヤフラム部材が収縮して前記弁口を開く弁と、を備え、これにより、液相作動媒体の沸点温度よりも低い温度で開弁し、沸点温度より低い温度の不凝縮性ガスを排出することを特徴とする。さらに、弁装置の開弁温度を飽和水蒸気温度より所定温度差を有する低温度として、温度の変動に対し、水蒸気を排出することなく、かつ不凝縮性ガスの長期の滞留を防止し、主として不凝縮性ガスを排出する。

第３の不凝縮性ガス排出装置（請求項３に対応）は、上記の構成において、好ましくは、凝縮器は、複数の凝縮管とこれらの凝縮管を連通する中間室とを有し、中間室に弁装置を設けたことで特徴づけられる。この構成によれば、使用する弁装置の個数を少なくすることができる。また弁装置の共用化、液面の共有化によって、凝縮器全体にわたる不凝縮性ガスの滞留・蓄積の不均一化を防ぎ、安定した排出が行うことができる。

第４の不凝縮性ガス排出装置（請求項４に対応）は、上記の構成において、好ましくは、凝縮器は、複数の凝縮管を有し、複数の凝縮管のそれぞれに弁装置を設けるように構成される。

第５の不凝縮性ガス排出装置（請求項５に対応）は、上記の構成において、好ましくは、上記液相作動媒体は水であり、気相作動媒体は水蒸気であり、不凝縮性ガスは空気であることを特徴とする。

第６の不凝縮性ガス排出装置（請求項６に対応）は、上記の構成において、好ましくは、弁装置は水を排出し、この水の液面位置は、その排出口より下方にあることで特徴づけられる。この構成によって、弁装置を常に液面近傍の上面である気相領域に臨ませ、常時作動可能とし、適時に開弁作動を可能にし、凝縮効率を高く維持させる。

第７の不凝縮性ガス排出装置（請求項７に対応）は、上記の構成において、好ましくは、弁装置はエアベントであり、このエアベントの弁は、内部に感温液を収容する２枚のダイヤフラムの組合せ構造で形成され、弁装置内部の周囲環境に水蒸気が存在するときには水蒸気の温度で感温液が気化し２枚のダイヤフラムが外方へ膨張して弁口を閉じ、周囲環境に空気が存在するときには空気の温度に応じて感温液が液体状態を維持し２枚のダイヤフラムが内方へ収縮して弁口を開き、空気を大気側に排出することを特徴とする。

本発明によれば、水蒸気の凝縮効果を阻害する不凝縮性ガスを水蒸気とは分離して凝縮器から排出し、凝縮器の気相部を水蒸気で満たし、凝縮効率を高く維持し向上できる。気相作動媒体の水蒸気よりも密度の高い不凝縮性ガスは、水蒸気の流れおよび重力作用により凝縮器内の気相部下部の液面近傍領域に滞留・蓄積されるが、当該領域に、水の沸点温度より低い温度（飽和水蒸気温度以下の温度）で開弁し、主として不凝縮性ガスを排出する弁装置を設けたため、水蒸気を排出することなく、応答性よく凝縮効率を高く保持することができる。

以下、本発明の好適な実施形態（実施例）を添付図面に基づいて説明する。

最初に、図１を参照して本発明に係るランキンサイクル装置の全体システムの構成を説明する。

ランキンサイクル装置１０は、蒸発器１１と、膨張機１２と、凝縮器１３と、供給ポンプを備えた給水ポンプユニット１４とから構成される。蒸発器１１から膨張機１２へは配管１５により接続され、膨張機１２から凝縮器１３へは配管１６により接続され、凝縮器１３から給水ポンプユニット１４へは配管１７により接続され、給水ポンプユニット１４から蒸発器１１へは配管１８により接続されている。かかる配管構造によって、ランキンサイクル装置１０内で作動媒体が循環する循環回路が形成される。ランキンサイクル装置１０において作動媒体は水または水蒸気である。

ランキンサイクル装置１０の循環回路は、水または水蒸気を循環させる外界に対して密閉された循環構造を有している。ランキンサイクル装置１０の循環回路において、凝縮器１３における破線Ｐ１で示された液面位置から給水ポンプユニット１４を通って蒸発器１１に水（液相）が移動する。図１で水の部分に係る配管１７，１８は太い実線で表現されている。また蒸発器１１から膨張機１２を通って凝縮器１３の液面位置Ｐ１に到る部分は水蒸気（気相）が移動する。図１で水蒸気の部分に係る配管１５，１６は太い破線で表現されている。

ランキンサイクル装置１０は、熱源から排出される熱を利用して水を水蒸気に相変化させ、水蒸気の膨張作用を利用して機械的な仕事を生じさせるものである。水を水蒸気に相変化させる機構が上記蒸発器１１である。この実施形態に係るランキンサイクル装置１０は、後述するごとく、自動車に搭載する車載用装置として構成している。そのため、蒸発器１１は、排気ガスの有する熱を熱源として利用する。すなわち蒸発器１１は、エンジン（内燃機関）の排気管４５を通る排気ガスの熱を利用して、給水ポンプユニット１４から供給される水を加熱し、さらに過熱することにより昇温昇圧させた高温高圧の水蒸気を発生させる。蒸発器１１で発生した高温高圧の水蒸気は膨張機１２に供給される。なお、排気管４５に拘らず、エンジンの排気バルブより下流の排気ポートや排気マニホルド（不図示）等の、より高温の排気ガスの熱を利用できることは言うまでもない。

膨張機１２では、その出力軸１２ａが、モータ／ジェネレータ（Ｍ／Ｇ）１９のロータ等（不図示）に接続され、発電機として駆動させている。膨張機１２は、蒸発器１１から供給される高温高圧の水蒸気を膨張させる構造を有し、この水蒸気の膨張作用に基づき出力軸１２ａを回転させる。膨張機１２の出力軸１２ａが回転すると、モータ／ジェネレータ１９のロータを回転させ、所要の機械的回転動作または発電動作を行わせる。これにより、排気ガスの熱を利用して機械的な仕事を行うことができる。また膨張機１２の出力軸１２ａは、油圧ポンプ２５にも接続され、これを駆動させる。

上記のごとく膨張機１２は、蒸発器１１から配管１５を通して供給される高温高圧の水蒸気の膨張作用によって機械的な仕事を出力し、モータ／ジェネレータ１９や油圧ポンプ２５等の各負荷を動作駆動させる。膨張機１２から排出され、降温降圧された水蒸気は、温度および圧力が低下し、その状態で配管１６を経由して凝縮器１３に供給される。凝縮器１３は、膨張機１２からの水蒸気を冷却して液化する。凝縮器１３での液化で生じた水（凝縮水）は配管１７を経由して給水ポンプユニット１４に戻される。給水ポンプユニット１４の高圧給水ポンプ４４は、凝縮器１３で液化された凝縮水を加圧し、配管１８を通して再び蒸発器１１に供給する。

上記のような全体システム構成を有するランキンサイクル装置１０は、他の関連構成要素として、次のような要素を備えている。

蒸発器１１の近傍の配管１８の部分には配管１８内の圧力変動に応じて配管１８内の圧力調整を行うための安全弁２２が取り付けられる。膨張機１２のケーシング２１には、漏れた水蒸気を配管１６に戻すためのブリーザ（セパレータ）２３が設けられる。また膨張機１２の下部にはオイル溜め２４を備え、オイル溜め２４からの水が混入したオイルを油圧ポンプ２５によって、配管２６を通して油コアレッサ２７を通すようにしている。油コアレッサ２７によって水とオイルは分離され、水は比重差から油タンク２８の下部に収容される。油タンク２８にはフロートセンサ２９で動作する弁機構３０が取り付けられている。また油コアレッサ２７によって分離された油タンク２８の上部に溜められたオイルは配管３１を通ってオイル溜め２４に戻される。油タンク２８の下部に溜められた水は、弁機構３０の動作で給水ポンプユニット１４の開放タンク３２に配管３３を通して供給される。給水ポンプユニット１４の開放タンク３２からは逆止弁３４を介して凝縮器１３への配管３５が設けられている。凝縮器１３には、液面位置の近傍に、液面センサ３８とエアベント３９が設けられる。開放タンク３２から凝縮器１３への給水は、液面センサ３８からの信号でオン・オフ動作するモータ３６で駆動されるリターンポンプ３７によって行われる。さらに凝縮器１３にはエアベント３９を通して開放タンク３２に排水する配管４０が設けられている。凝縮器１３から排出される凝縮水を戻す配管１７は、給水ポンプユニット１４の密閉タンク４１内の水コアレッサ４２に接続されている。また密閉タンク４１内の水は、モータ４３によって動作する高圧給水ポンプ４４によって配管１８を通して蒸発器１１に供給される。さらに凝縮器１３にはその場所に応じて独立に冷却風を生じさせるための複数の冷却ファン４６，４７，４８が設けられている。

上記の構成において、凝縮器１３の内部の液面位置から下側部分に関連する装置部分、および給水ポンプユニット１４によって作動媒体供給装置が構成される。ランキンサイクル装置１０における密閉された作動媒体の循環系において、膨張機１２のブリーザ２３から漏れた作動媒体は出口Ｐ２を介して、配管１６に戻され、循環系内に戻される。

図２は、上記の給水ポンプユニット１４の具体的構造を示す構成図である。給水ポンプユニット１４は、水コアレッサ４２と密閉タンク４１と駆動モータ４３で動作する高圧給水ポンプ４４と開放タンク３２とリターンポンプ３７と逆止弁３４とから構成される。なお図２中、駆動モータ４３の回転軸４９が紙面に平行に図示してあるが、これは説明の便宜のためであって、実際は、回転軸４９が紙面に垂直になるように配置されている。駆動モータ４３の回転軸４９にはカム機構４９ａが係合しており、カム軸となっている。

上記において、水コアレッサ４２は油分分離を行う。密閉タンク４１は高圧給水ポンプ４４からのリーク水を直接回収する。高圧給水ポンプ４４は、要求水量をポンプ回転数により制御して供給する。また開放タンク３２は、系外へのリーク水の一時貯蔵をするためのものである。リターンポンプ３７は密閉タンク４１へのリーク水の戻しまたは凝縮器１３の過冷却器への水の戻しを行う。すなわち、リターンポンプ３７は、逆止弁１５１を備えた配管１５２を通して開放タンク３２から密閉タンク４１へリーク水を戻し、必要に応じて逆止弁３４を備えた配管３５を通して凝縮器１３の過冷却器に水を送る。配管１５２における逆止弁１５１は密閉タンク４１からの逆流を防止し、配管３５における逆止弁３４は、凝縮機１３の過冷却器からの逆流を防止する。凝縮器１３の出口１３ａからの水は、配管１７を通して駆動モータ４３により駆動される高圧給水ポンプ４４に入る。高圧給水ポンプ４４は配管１８を通して水を蒸発器１１に送る。またリーク水が配管４０により開放タンク３２に戻される。

次に、図３を参照して、上記のランキンサイクル装置１０を車両に搭載したときの構成例を説明する。

２０１は車両前部のボディ形状の輪郭を示し、２０２は前輪を示している。ボディ２０１の内部はエンジンルーム２０３になっており、エンジンルーム２０３内にはエンジン５０が搭載されている。エンジン５０の背面側には排気マニホルド５１が設けられ、排気マニホルド５１には前述した排気管４５が接続されている。上記の蒸発器１１は、排気管４５における排気マニホルド５１に近い箇所に設けられる。蒸発器１１には、高圧給水ポンプ４４からの配管１８が接続されている。配管１８は、排気マニホルド５１から排出される排気ガスの熱を熱源とする蒸発器１１に水を供給する。蒸発器１１は、排気ガスの熱で水を水蒸気に相変換し、膨張機１２の水蒸気流入口５２に接続される配管１５によって水蒸気を膨張機１２に供給する。膨張機１２は、水蒸気の膨張エネルギを機械的エネルギに変換する。

膨張機１２の水蒸気流出口５３は配管１６につながっている。この配管１６と、高圧給水ポンプ４４の入口側に通じる密閉タンク４１との間には、水蒸気を冷却・凝縮させて液体にする凝縮器１３が配置されている。凝縮器１３は車両前部の前面に位置している。図３では、その他に、開放タンク３２、水コアレッサ４２、リターンポンプ３７、油コアレッサ２７、過冷却器（凝縮器１３の液相部）５４、エアベント３９、逆止弁３４等のレイアウト状態が示されている。

上記の高圧給水ポンプ４４、蒸発器１１、膨張機１２、凝縮器１３等は、前述の通り、熱エネルギを機械的エネルギに変換するランキンサイクル装置を構成している。

次に、上記ランキンサイクル装置の動作を水および水蒸気の流れに沿って説明する。

凝縮器１３で冷却・凝縮された水は、高圧給水ポンプ４４で加圧され、配管１８を通って蒸発器１１に供給される。

液相作動媒体である水は、蒸発器１１で熱エネルギを付加されて加熱され、さらに過熱されて昇温昇圧された高温高圧の水蒸気となり、膨張機１２に供給される。膨張機１２は、昇温昇圧された高温高圧の水蒸気の膨張作用によって熱エネルギを機械エネルギに変換する。これにより、膨張機１２に付設されたモータ／ジェネレータ１９は機械的エネルギを得る。

膨張器１２から流出した水蒸気は降温降圧された水蒸気となり、凝縮器１３に流入する。凝縮器１３に流入した降温降圧された水蒸気は、ここで再び冷却・凝縮され、その後、凝縮水となって水コアレッサ４２を介して高圧給水ポンプ４４に供給される。以後、作動媒体である水は上記の循環を繰り返し、膨張機１２に昇温昇圧された高温高圧の水蒸気を供給し続ける。

次に、図４〜図１６を参照して、上記ランキンサイクル装置１０における凝縮器１３内に滞留する空気（不凝縮性ガス)の排出の機構、および凝縮器１３内に貯留される水の液面位置の制御について説明する。

図４は上記ランキンサイクル装置１０のシステムを凝縮器１３を中心にして描いたものであり、凝縮器１３は車両前方側から見た正面図として描かれている。図４では、凝縮器１３の内部における作動媒体の状態（水（または凝縮水）：Ｗ１、水蒸気：Ｗ２）が示されている。また図５は凝縮器１３における冷却ファン４６，４７，４８の配置関係を示す凝縮器の側面図であり、同時に内部の状態も示されている。

凝縮器１３は、上端部に水蒸気導入室１３Ａ、下端部に集水室１３Ｂを備え、さらに中央に中間室５６を備える。水蒸気導入室１３Ａと中間室５６の間、中間室５６と集水室１３Ｂとの間には、それぞれ、複数本の冷却パイプ５５が設けられ、各室は連通された状態になっている。冷却パイプ５５の周囲には冷却フィン５５ａが設けられている。

凝縮器１３の水蒸気導入室１３Ａは、配管１６を介して膨張機１２の水蒸気流出口５３と接続されている。凝縮器１３の集水室１３Ｂは、配管１７等を介して給水ポンプユニット１４に接続されている。前述の通り、膨張機１２は配管１５を介して蒸発器１１に接続され、同様に給水ポンプユニット１４は配管１８を介して蒸発器１１に接続されている。蒸発器１１は、排気管４５を介してエンジン（熱源）５０の排気ガスからの熱５０Ａを受ける。給水ポンプユニット１４内には、前述した通りの密閉タンク４１、水コアレッサ４２、高圧給水ポンプ４４、駆動モータ４３、開放タンク３２、リターンポンプ３７、モータ３６等の各構成要素が示されている。

凝縮器１３では、水蒸気Ｗ２が冷却されて凝縮し、水（凝縮水）Ｗ１となり、その内部の下側に貯留される。中間室５６内で示された水平線６５は、凝縮器１３内に貯留された水Ｗ１の液面の位置を示している。中間室５６内の液面６５の位置に対応させて所要の位置に液面センサ３８と中間排水口５９が設けられている。液面センサ３８から出力される液面位置に係る検出信号は制御装置６０に送られる。制御装置６０は、液面位置検出信号に基づきモータ制御指令信号を生成し、このモータ制御指令信号をリターンポンプ３７のモータ３６に与える。他方、中間排水口５９には水蒸気用のエアベント３９が接続される。エアベント３９の出口側は、チャッキ弁５８を備えた配管４０を介して開放タンク３２に通じている。配管４０には並行に排気ポンプ５７が付設されている。

また凝縮器１３では、図５に示されるように、その背面側に、水蒸気Ｗ２の存在領域部分（気相部または水蒸気凝縮部）に対応して冷却ファン４６が配置され、水Ｗ１の存在領域部分（液相部または凝縮水冷部）に対応して冷却ファン４７，４８が配置されている。冷却ファン４６の冷却動作は、例えば水蒸気Ｗ２が供給される配管１６に取り付けられた圧力センサ６１の水蒸気圧力検出信号に基づき圧力制御装置６２によって制御される。冷却ファン４６は水蒸気圧力の調整に用いる凝縮用冷却ファンである。また冷却ファン４７，４８の冷却動作は、例えば水Ｗ１が流れる配管１７に取り付けられた温度センサ６３の水温検出信号に基づき温度制御装置６４によって制御される。冷却ファン４７，４８は凝縮水を冷却するための水冷却用冷却ファンである。図５で、Ａ１は冷却ファン４６の回転動作に基づく前方からの冷却用空気の流れを示し、Ａ２は冷却ファン４７，４８の回転動作に基づく前方からの冷却用空気の流れを示している。上記のように、凝縮器１３では、水蒸気Ｗ２に対応する機器部分である気相部（水蒸気凝縮部）７０の冷却と、水Ｗ１に対応する機器部分である液相部（凝縮水冷却部）７１の冷却は、それぞれ独立に行われる。７２は独立な各冷却領域を区画するシュラウドである。

上記の構成において、膨張機１２の水蒸気流出口５３から出る水蒸気は大気圧相当である。上側の冷却パイプ（凝縮管）５５の各々の出口集合部である中間室５６では、液面６５をこの空間内に位置するよう調整するために、エアベント３９から水を排出する。また高圧給水ポンプ４４は、ランキンサイクル装置１０のメインの循環回路の給水ポンプとして、所要量の水を蒸発器１１に送る。

さらに上記の構成において、リザーブ用開放タンク３２は、大気開放型であり、システム内の密閉された循環回路に対しリザーブ用として予備的な水を保有しておく。リターンポンプ３７は、液面センサ３８の信号を受けて凝縮器１３内に給水する。排気ポンプ５７は、凝縮器１３を負圧で運転するときはエアベント３９の下流を吸引する。

なお、上記の排気ポンプ５７の動作については、図５に示した圧力センサ６１と圧力制御装置６２によって負圧時を感知させることにより動作させたり、あるいは、液面センサ３８の検出により液面６５の位置が所定範囲の上限を超えるときに感知させ、制御装置６０によって動作させる、ように構成することができる。

またチャッキ弁５８は、凝縮器１３内が負圧になる場合に大気の逆流を防ぐ。逆止弁３４は、リターンポンプ３７の逆流を防止する。水蒸気用エアベント３９は、水、空気は通すが水蒸気は通さない。中間排水口５９は不凝縮性ガスの排出、水のオーバーフローにより凝縮水の液面６５の位置の変化に制限を与え、所定の範囲で液面位置が変動するようにするためのものである。液面センサ３８は、液面６５に係る位置信号を制御装置６０に出力する。制御装置６０は、液面６５の位置が中間室５６内に存するようにリターンポンプ３７の動作を制御する。液面６５の位置は、エアベント３９と液面センサ３８の間の範囲に含まれる高さ位置になるように制御される。液面センサ３８には、例えば静電容量式レベルセンサやフロート式レベルスイッチが用いられる。

圧力センサ６１は、凝縮器１３の内部の圧力を検出するもので、基本的に水蒸気Ｗ２の圧力を検出する。圧力制御装置６２は、凝縮器１３の内部圧力が設定値になるように冷却ファン４６を動作させる。温度センサ６３は、凝縮水Ｗ１の温度を検出する。温度制御装置６４は、凝縮水温度が設定値になるように冷却ファン４７，４８を動作させる。

図６〜図８を参照してエアベント３９の構造・作用を詳述する。図６と図７はエアベント３９の閉じているときの状態を示し、図６は縦断面図、図７は図６でのＡ−Ａ線断面図である。また図８はエアベントの開いているときの状態を示す縦断面図である。図６等において、エアベント３９の左側が凝縮器側であり、右側が大気側である。エアベント３９は、内部が飽和水蒸気で満たされているときには密閉され（図６）、水や空気などの不凝縮性ガスが存在するときには自動的に開放され、水や不凝縮性ガスを排出して再び密閉する（図８）。

エアベント３９は、容器中央の位置に配置された弁６６と、この弁６６を支持する弁サポート６７と、弁口（パッキン）６８を備える。弁サポート６７で支持された弁６６は、弁口６８を塞ぐことができる位置関係にて配置されている。弁６６は２枚のダイヤフラム６６ａを密閉空間を形成するように組み合わせて形成され、その内部の密閉空間にサーモリキッド（感温液）６９を収容している。サーモリキッド６９は、水と同じように、或る圧力下、或る温度以下では液体であり、或る温度以上になると気体となって膨張するという特性を有している。図９にサーモリキッドの飽和曲線Ｃ１と水の飽和曲線Ｃ２を示す。サーモリキッド６９が気体になる温度は、水が蒸気になる温度よりもΔＴ（約１０℃）だけ低い温度であるため、エアベント３９の内部が水蒸気Ｗ２の雰囲気の時にはサーモリキッド６９は気化して気体となっており、膨張したサーモリキッド６９の入った密閉空間が両側のダイヤフラム６６ａを外方へ押し、ダイヤフラム６６ａで形成される弁６６と弁口６８との間にあった隙間を閉じる（図６）。逆に内部が低温である場合（周囲環境が空気のごとき不凝縮性ガスＡ３等である状態）はサーモリキッド６９は液体の状態であり、ダイヤフラム６６ａは内方へ収縮し、弁６６と弁口６８の間の隙間から空気等が排出されることになる（図８）。

以上の構成において、制御装置６０は、冷却ファン４６で冷却して水蒸気Ｗ２を水（凝縮水）Ｗ１に戻す凝縮器１３における液面６５の位置を所定範囲内で変化させるように制御するための制御装置である。制御装置６０は、凝縮器１３における気相部７０と液相部７１との境界である液面６５の位置を検出する液面センサ３８からの検出信号に基づき、上記の所定範囲の下限よりも低下するときには凝縮器１３内に水を供給するリターンポンプ３７のモータ３６の動作を制御し、不足分の水を開放タンク３２から配管３５を介して補充する。また液相部７１の液面６５の位置が上記の所定範囲の上限を超えるときには、中間排水口５９とエアベント３９等により開放タンク３２に超過した水を排出する。こうして、液面センサ３８に基づく下限およびエアベント３９に基づく上限で決まる範囲によって液面６５の位置の望ましい所定範囲が設定される。

さらに詳しく説明する。凝縮器１３の中間室５６に、水（凝縮水）Ｗ１を排水するのための中間排水口５９を設置して液面６５の上限位置を規制する。中間排水口５９以上に液面６５が上昇したときは中間排水口５９からリザーブ用開放タンク３２に水をオーバーフローさせることにより液面６５の位置を下げる。液面６５が中間排水口５９より下側に位置するときには、中間排水口５９から水蒸気が排出されないように、中間排水口５９にはエアベント３９が設置されている。図６〜図８に示したように、水蒸気の排出を阻止するためのエアベント３９は、内部に水蒸気が存在するときには自動的に閉弁し、内部に空気（不凝縮ガス）Ａ３や水が存在するときには自動的に開弁する作動を行う。また中間排水口５９の下側の位置には液面センサ３８を配置して、液面６５の位置が液面センサ３８よりも低下したときには開放タンク３２からリターンポンプ３７により給水して液面６５の位置を液面センサ３８の位置まで上昇させる。上記の作用に基づき液面６５の位置は常に中間排水口５９と液面センサ３８の間の範囲内に維持される。中間排水口５９と液面センサ３８の間隔が広くなると、水蒸気Ｗ２側と水（凝縮水）Ｗ１側の伝熱面積の誤差が大きくなる。逆に当該間隔が小さくなると、リターンポンプ３７とエアベント３９の動作が頻繁に起きることになる。従って、中間排水口５９と液面センサ３８の間隔は、これらの２つの影響が共に小さくなる範囲に設定されればよい。さらに該伝熱面積を一定化することを主眼とすれば、当該間隔は限りなく小さく、ゼロとすることが望ましい。

上記のエアベント３９は、凝縮器１３における不凝縮性ガス排出装置としての機能も有している。上述の通り、エアベント３９は、凝縮器１３の気相部７０（水蒸気Ｗ２）と液相部７１（水Ｗ１）との境界の液面近傍の気相部７０の部分に、水の沸点温度以下の温度で開き、水の沸点温度より低温の状態で滞流する空気（不凝縮性ガス）Ａ３を排出する。好ましくは、エアベント３９の開弁温度は、作動媒体である水の沸点温度より低い温度であるとする。

凝縮器１３は、図４で説明したように、中間室５６を設け、この中間室５６にエアベント３９を設けた構造のものである。エアベント３９は、水Ｗ１を排出し、少なくともエアベント３９より下方に液面６５の位置を保持する。

また、他の変形例としては、例えば図１０に示すように、中間室を備えない凝縮器１３の場合には、複数の冷却パイプ（凝縮管）５５のそれぞれにエアベント３９を取り付けた構造とすることが好ましい。

ここで、不凝縮性ガスである空気が冷却パイプ５５内で水蒸気Ｗ２より下側に滞留する理由について、図１１と図１２を用いて説明する。図１１において横軸は圧力を示し、縦軸は密度を示す。図１２において横軸は温度を示し、縦軸は密度を示す。図１１では、圧力の変化に対する水蒸気密度の変化を示すグラフＧ１と、圧力の変化に対する空気密度の変化を示すグラフＧ２が示される。図１２では、温度の変化に対する水蒸気密度の変化を表すグラフＧ３と、温度の変化に対する空気密度の変化を示すグラフＧ４とが示される。

図１１に示されるように、圧力がＰ１以上の領域になると空気の密度よりも水蒸気の密度の方が大きくなる。圧力がＰ１よりも小さい領域では水蒸気の密度よりも空気の密度の方が大きい。また図１２に示されるように、温度がＴ１以上の領域になると空気の密度よりも水蒸気の密度の方が大きくなる。温度がＴ１よりも小さい領域では水蒸気の密度よりも空気の密度の方が大きい。

凝縮器１３の内部において、その圧力はＰ１より小さくかつその温度はＴ１よりも小さくなるように設定してある。そのため、凝縮器１３内では空気の方が水蒸気よりも重くなり、凝縮管１３内で空気の方が下部に滞留することになる。

このように、不凝縮性ガスである空気Ａ３は凝縮管１３内で気相部７０の下部に滞留しているため、空気を効率よく排出する目的で、エアベント３９の空気排出口は、凝縮器１３内の気相部７０の最下部（凝縮水の液面になるべく近い位置）に設置される。また図６〜図８を用いて説明したように、エアベント３９は、設置部に水蒸気Ｗ２が存在するときには自動的に閉弁し、設置部に水Ｗ１や空気Ａ３が存在するときには自動的に開弁する選択式排出用の弁装置である。凝縮器１３を大気圧以上で運転する場合はエアベント３９の下流側を大気開放にすることにより、空気は大気中に自動的に排出される。さらに凝縮器１３を負圧で運転する場合には、エアベント３９の下流側に排気ポンプ５７を設けてこれで吸引することにより、空気を大気中に排出することができる。

図１３は、図４におけるエアベント３９が取り付けられた中間室５６の部分の拡大図である。図１３は、凝縮器１３における不凝縮性ガス排出装置であるエアベント３９による空気Ａ３の排出状態を示す。水蒸気Ｗ２が冷却パイプ５５の壁面において凝縮し、凝縮液膜Ｗ１−１となり、その後で水として下方に移動し、凝縮液滴Ｗ１−２として中間室５６で水Ｗ１となる。そのとき、冷却パイプ５５内に存在する空気Ａ３は、液面６５よりも上側に位置するエアベント３９から排出される。空気Ａ３はすべて冷却パイプ５５の内部に存在するため、すべての冷却パイプ５５から空気Ａ３が排出されることが必要となる。しかし、冷却パイプ５５の数が少ない場合には、図１０で示すように、各冷却パイプ５５に１つのエアベント３９を設置することができる。冷却パイプ５５が多数の場合は、図４および図１３に示すように、中間室５６にエアベント３９を取り付け、一括して空気Ａ３を排出する。以上により、凝縮器１３の気相部７０が水蒸気のみで満たされることになるため、伝熱効率が向上する。

上記のように、空気Ａ３を排出するために、凝縮水Ｗ１の液面６５は中間室５６内でエアベント３９の設置部の下側位置に調整される。液面６５の位置の制御は後述される。

このように、凝縮器１３内の気相部７０を完全に水蒸気で満たすことができるため、凝縮器１３の熱交換性能を常に高く維持することができる。その結果、凝縮器１３の小型化、低消費動力化が可能となる。

また制御装置６０は、冷却ファン４６で冷却して水蒸気Ｗ２を凝縮水Ｗ１に戻す凝縮器１３における液面６５の位置を所定範囲内で変化させるように制御するための制御装置である。制御装置６０は、凝縮器１３内の気相部７０と液相部７１との境界である液面６５の位置を検出する液面センサ３８からの検出信号に基づき、上記の所定範囲の下限よりも低下するときには凝縮器１３内に水を供給するリターンポンプ３７のモータ３６の動作を制御し、不足分の水を開放タンク３２から配管３５を介して補充する。また液相部７１の液面６５の位置が上記の所定範囲の上限を超えるときには、中間排水口５９とエアベント３９等により開放タンク３２に超過した水を排出する。こうして、液面センサ３８に基づく下限およびエアベント３９に基づく上限で決まる範囲によって液面６５の位置の望ましい所定範囲が設定される。

さらに詳しく説明する。凝縮器１３の中間室５６に、凝縮水Ｗ１を排水するのための中間排水口５９を設置して液面６５の上限位置を規制する。中間排水口５９以上に液面６５が上昇したときは中間排水口５９からリザーブ用開放タンク３２に水をオーバーフローさせることにより液面６５の位置を下げる。液面６５が中間排水口５９より下側に位置するときには、中間排水口５９から水蒸気が排出されないように、中間排水口５９にはエアベント３９が設置されている。図６〜図８に示したように、水蒸気の排出を阻止するためのエアベント３９は、内部に水蒸気が存在するときには自動的に閉弁し、内部に空気（不凝縮ガス）や水が存在するときには自動的に開弁する要素である。また中間排水口５９の下側の位置には液面センサ３８を配置して、液面６５の位置が液面センサ３８よりも低下したときには開放タンク３２からリターンポンプ３７により給水して液面６５の位置を液面センサ３８の位置まで上昇させる。上記の作用に基づき液面６５の位置は常に中間排水口５９と液面センサ３８の間の範囲内に維持される。中間排水口５９と液面センサ３８の間隔が広くなると、水蒸気Ｗ２側と凝縮水Ｗ１側の伝熱面積の誤差が大きくなる。逆に当該間隔が小さくなると、リターンポンプ３７とエアベント３９の動作が頻繁に起きることになる。従って、中間排水口５９と液面センサ３８の間隔は、これらの２つの影響が共に小さくなる範囲に設定される。

図１４に液面６５の位置設定の詳細を示す。図１４で、（Ａ）は液面センサ３８とエアベント３９と液面６５の位置関係を示し、（Ｂ）は液面位置とエアベントの動作とリターンポンプの動作との関係を表で示している。

図１４の（Ａ）では、上限液面位置としてＨ_Ａ、下限液面位置としてＨ_Ｂ、液面位置６５としてＨ_Ｌがそれぞれ設定されている。液面６５の位置Ｈ_Ｌが上限液面位置Ｈ_Ａより高いときには、エアベント３９は開状態であり、リターンポンプ３７はオフ（ＯＦＦ）である。液面６５の位置Ｈ_Ｌが、上限液面位置Ｈ_Ａと下限液面位置Ｈ_Ｂの間にあるときは、エアベント３９は閉状態であり、リターンポンプ３７はオフである。液面６５の位置Ｈ_Ｌが下限液面位置Ｈ_Ｂより低いときには、エアベント３９は閉状態であり、リターンポンプ３７はオン（ＯＮ）である。以上により、液面６５の変動は上限液面位置Ｈ_Ａと下限液面位置Ｈ_Ｂの範囲内に抑えられる。

またランキンサイクル装置１０の起動・停止時や過渡的変化時に水蒸気の流入量（質量流量）や凝縮器１３から高圧給水ポンプ４４への排水量（質量流量）が変化する場合にも、凝縮器１３の内部における液面６５の位置の変動を抑制し、安定して凝縮器１３の運転を行うことができる。

さらに、図４で示したように、ランキンサイクル装置１０の密閉された主回路とは別に、大気開放のリザーブ用開放タンク３２が設けられている。開放タンク３２は、凝縮器１３と、その中間排水口５９に接続されたエアベント３９とチャッキ弁５８を介して接続されている。また開放タンク３２の下部は、リターンポンプ３７と配管３５と逆止弁３４を介して凝縮器１３の出口部１３ａに接続されている。液面６５が中間排水口５９より高い場合には水は開放タンク３２にオーバーフローされ、液面６５が液面センサ３８より低い場合にはリターンポンプ３７が作動して水の補充が行われる。リターンポンプ３７が作動すると、凝縮器１３内への給水で液面６５が上昇して液面センサ３８の位置でリターンポンプ３７は停止する。また中間排水口５９と液面センサ３８を含む領域に中間室５６を設けて複数の冷却パイプ（凝縮管）５５が集合するような構造としたため、中間排水口５９からの排水時やリターンポンプ３７からの給水時に液面６５の変化の応答性を良好にし、かつ安定させることができる。なお、水蒸気導入室１３Ａ側と集水室１３Ｂ側の中間室５６の部分は各冷却パイプ(凝縮管）５５が連通されていればよく、中間室５６を設けることは必須のことではない。

次に、図１５のフローチャートを参照して、制御装置６０において実施される液面位置制御の流れを説明する。

最初に、液面センサ３８によって液面６５の位置Ｈ_Ｌの読込みを行う（ステップＳ１０）。液面位置Ｈ_Ｌが上限液面位置Ｈ_Ａよりも高いか否かが判断される（ステップＳ１１）。もし液面位置Ｈ_Ｌが上限液面位置Ｈ_Ａより高いときには、エアベント３９が開かれて排水され、液面６５が下げられる（ステップＳ１２）。その後、リターンに移行してステップＳ１０に戻る。もし液面位置Ｈ_Ｌが上限液面位置Ｈ_Ａ以下のときには、エアベント３９を閉じる（ステップＳ１３）。次のステップでは、液面位置Ｈ_Ｌが下限液面位置Ｈ_Ｂより低いか否かが判断される（ステップＳ１４）。もし液面位置Ｈ_Ｌが下限液面位置Ｈ_Ｂより低いときには、リターンポンプ３７がオンになり、水が補給される（ステップＳ１５）。もし液面位置Ｈ_Ｌが下限液面位置Ｈ_Ｂ以上のときには、リターンポンプ３７がオフとなり、水の補給は行われない（ステップＳ１６）。その後、リターンに移行してステップＳ１０に戻る。

図１６は、本実施形態に係るランキンサイクル装置１０を搭載した車両の車速変化とエンジン出力変化と蒸発器への給水流量と凝縮器の液面位置の変化を示すグラフである。図１６の（Ａ）は車速の変化、（Ｂ）はエンジン出力の変化、（Ｃ）は蒸発器給水流量の変化、（Ｄ）は従来の凝縮器での液面位置の変化をそれぞれ示す。図１６で横軸は時間である。ランキンサイクル装置が搭載された車両が図１６（Ａ）で示すような車速変化をするとき、図１６（Ｂ）で示すようにエンジン出力が変化し、それに関連して図１６（Ｃ）に示すように蒸発器１１１への給水流量の変化が生じ、さらに図１６（Ｄ）に示すように凝縮器１００の液面位置１１２が変化する。換言すれば、横方向の時間軸において、車両が時刻ｔ１，ｔ３，ｔ５で発進し、時刻ｔ２，ｔ４，ｔ６で停止したとき、その車両の発進・停止に伴ってエンジン出力は変化し、蒸発器１１１への給水流量も変化し、凝縮器１００の液面位置１１２が変動する。

上記のように、従来の車載用ランキンサイクルの凝縮器１００では、図１６（Ａ）に示したように車両の発進・停止時や過渡的車速変化時に、図１６（Ｂ）に示すごとくエンジン出力が変化するので、蒸発器１１１への給水流量が変化し、凝縮器１００の冷却パイプ１０３における液面位置１１２が変動することになる。つまり、凝縮器１００において、水蒸気の流入量が凝縮水の排水量より多い場合には液面位置１１２は上昇し、水蒸気の流入量が凝縮水の排水量より少ない場合には液面位置１１２は低下することになる。図１６の（Ｅ）に示した液面位置の変化に係る図が本発明の凝縮器に対する図である。車両が図１６（Ａ）で示すような車速変化をするとき、ランキンサイクル装置１０では、前述の通り、液面位置の制御が行われるので、液面位置は、車両の発進時と停止時において上限位置Ｈ_Ａと下限位置Ｈ_Ｂの間での変動のみであり、大きな変動は起こらない。

以上のように、凝縮器１３内の凝縮水Ｗ１の液面６５の位置変動を所定範囲に抑制することにより、凝縮器１３における水蒸気に対応する気相部分と凝縮水に対応する液相部分の互いの伝熱面積の変化を低減して、その伝熱面積の変化を考慮することなく冷却を行え、かつ制御の精度向上を図り、ポンプ装置内のキャビテーションおよび、蒸発器１１での再加熱の際の余分な熱エネルギの消費を低減する凝縮器１３の液面位置制御装置を得ることができる。

また伝熱面積の変化幅を許容範囲内に保つことができ、かつ液相作動媒体の排出と補充供給の切換え動作にヒステリシスを持たせることができ、それによって切換え動作の頻度を少なくし、凝縮器の作動安定化と共に、排出および補充供給に係わる装置の耐久性が向上する。さらに、液相作動媒体（水）を排出して設定液面を適切に制御しつつ、気相作動媒体（水蒸気）の排出は阻止するので、凝縮器の作動安定化を図ることができる。また、液相作動媒体を蓄えたリザーブ用開放タンクからリターンポンプを介して直接に設定液面まで液相作動媒体の補充供給することができ、これにより液面位置の調整をポンプの高応答・高精度の供給量制御により、液面位置を早期に正確に安定させることができる。さらに、回路内で作動媒体の総質量流量を維持しつつ液面位置制御が可能となり、作動媒体の外部への排出、および外部からの補充という特別な装置を付加する必要がない循環回路として構成できる。さらに、凝縮器の各冷却パイプ毎の液面位置のばらつきを少なくでき、液相作動媒体の排水および補充供給時における液面を早期に正確に安定させることができ、凝縮器の作動安定化を行うことができる。

本発明は、車載用ランキンサイクル装置で凝縮器内の空気等の不凝縮性ガスを排出する装置として利用される。

発明に係る凝縮器が使用されるランキンサイクル装置の全体システムを示す構成図である。給水ポンプユニットの内部構造を示す部分断面側面図である。図１に示したランキンサイクル装置を車両に搭載したときの配置構成を示す図である。ランキンサイクル装置での作動媒体の流れを示すシステム構成図である。凝縮器の部分の内部構造と周辺装置を示す側面図であるエアベントの閉じているときの構造を示す断面図である。図６におけるＡ−Ａ線断面図である。エアベントの開いているときの構造を示す断面図である。サーモリキッドと水の飽和曲線を示すグラフである。別の構造を有する凝縮器の正面図である。圧力変化に対する水蒸気密度の変化特性と空気密度の変化特性に係るグラフを示す図である。温度変化に対する水蒸気密度の変化特性と空気密度の変化特性に係るグラフを示す図である。図４におけるエアベントの部分およびその周辺部の拡大断面図である。液面位置設定の詳細を説明するための図である。凝縮器の液面位置制御の手順を示すフローチャートである。本発明に係るランキンサイクル装置を搭載した車両の車速変化とエンジン出力変化と蒸発器への給水流量と凝縮器の液面位置の変化を示すタイミングチャートである。従来の車載用ランキンサイクル装置を簡略して示した模式図である。従来の凝縮器の正面図である。図１８の部分Ａの拡大断面図である。

符号の説明

１０ランキンサイクル装置
１１蒸発器
１２膨張機
１３凝縮器
１４給水ポンプユニット
３２開放タンク
３７リターンポンプ
３８液面センサ
３９エアベント
４１密閉タンク
４２水コアレッサ
４３モータ
４４高圧給水ポンプ
４５排気管
４６，４７，４８冷却ファン

Claims

凝縮性を有する気相作動媒体が存在しかつ不凝縮性ガスが含まれる気相部と液相作動媒体が存在する液相部とを有し、冷却装置により冷却されて前記気相作動媒体を前記液相作動媒体に戻す凝縮器において、
前記気相部と前記液相部との境界における前記液相作動媒体の液面に近い前記気相部の部分に、前記液相作動媒体の沸点温度よりも低い温度で開弁し、前記沸点温度より低い温度の前記不凝縮性ガスを排出する弁装置を設け、
前記不凝縮性ガスの密度が前記気相作動媒体の密度よりも大きくなるように、凝縮器内部における前記気相部での圧力を所定圧力（Ｐ１）よりも小さく設定しかつ前記気相部での温度を所定温度（Ｔ１）よりも小さく設定し、
前記弁装置によって前記気相作動媒体とは分離して主として前記不凝縮性ガスを排出することを特徴とする凝縮器の不凝縮性ガス排出装置。
前記弁装置は、
大気側に通じる弁口と、
内部に感温液を収容するダイヤフラム部材で形成され、周囲環境に前記気相作動媒体が存在するときには前記ダイヤフラム部材が膨張して前記弁口を閉じかつ前記周囲環境に前記不凝縮性ガスが存在するときには前記ダイヤフラム部材が収縮して前記弁口を開く弁と、を備え、
これにより、前記液相作動媒体の沸点温度よりも低い温度で開弁し、前記沸点温度より低い温度の前記不凝縮性ガスを排出することを特徴とする請求項１記載の凝縮器の不凝縮性ガス排出装置。
前記凝縮器は、複数の凝縮管とこれらの凝縮管を連通する中間室とを有し、前記中間室に前記弁装置を設けたことを特徴とする請求項１または２記載の凝縮器の不凝縮性ガス排出装置。
前記凝縮器は、複数の凝縮管を有し、前記複数の凝縮管のそれぞれに前記弁装置を設けたことを特徴とする請求項１または２記載の凝縮器の不凝縮性ガス排出装置。
前記液相作動媒体は水であり、前記気相作動媒体は水蒸気であり、前記不凝縮性ガスは空気であることを特徴とする請求項１〜４のいずれか１項に記載の凝縮器の不凝縮性ガス排出装置。
前記弁装置は前記水を排出する排出口を備え、この水の液面位置は、その排出口より下方にあることを特徴とする請求項５記載の凝縮器の不凝縮性ガス排出装置。
前記弁装置はエアベントであり、このエアベントの前記弁は、内部に前記感温液を収容する２枚のダイヤフラムの組合せ構造で形成され、弁装置内部の前記周囲環境に水蒸気が存在するときには前記水蒸気の温度で前記感温液が気化し前記２枚のダイヤフラムが外方へ膨張して前記弁口を閉じ、前記周囲環境に空気が存在するときには前記空気の温度に応じて前記感温液が液体状態を維持し前記２枚のダイヤフラムが内方へ収縮して前記弁口を開き、前記空気を大気側に排出することを特徴とする請求項２記載の凝縮器の不凝縮性ガス排出装置。