JP5494426B2

JP5494426B2 - ランキンサイクルシステム

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Publication number: JP5494426B2
Application number: JP2010250563A
Authority: JP
Inventors: 武慶弓削田
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2010-11-09
Filing date: 2010-11-09
Publication date: 2014-05-14
Anticipated expiration: 2030-11-09
Also published as: JP2012102644A

Description

本発明は、ランキンサイクルシステムに関する。

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。

特開２００８−１２１６１５号公報

上記特許文献１のランキンサイクルシステムにおいて、冷媒としてＬＬＣ（Long Life Coolant：例えば、エチレングリコール）と水との混合液を用いる場合がある。ＬＬＣと水との混合液を冷媒として沸騰冷却を行うと、沸点（圧力１００ｋＰａで１００℃）の低い水のみが沸騰し、沸点（圧力１００ｋＰａで１９３℃）の高いＬＬＣが残留する。そのため、エンジン内の冷媒に含まれるＬＬＣの質量パーセント濃度（以後、ＬＬＣ濃度と記載する）が高くなってしまう。

ＬＬＣの比熱（約２．８Ｊ）は水の比熱（４．２Ｊ）よりも低いため、ＬＬＣ濃度が高くなると、冷媒温度も高くなる。これは、エンジン冷却性能の悪化を招き、エンジンのオーバーヒートにつながる。また、ＬＬＣの沸点は水の沸点よりも高いため、ＬＬＣ濃度が高まると蒸気発生量が減り、ランキンサイクルシステムの出力が低下してしまう。

そこで、本明細書開示のランキンサイクルシステムは、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において、内燃機関の冷却性能及び蒸気発生量を維持することを課題とする。

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、内燃機関の内部に形成され、第１の冷媒と前記第１の冷媒の沸点よりも沸点が高い第２の冷媒とを含む混合冷媒が内部を通過する冷却媒体通路と、前記内燃機関の廃熱により気化した前記第１の冷媒からエネルギを回収する廃熱回収手段と、前記廃熱回路手段を通過し凝縮された前記第１の冷媒を前記冷却媒体通路内に移送する移送手段と、前記冷却媒体通路内に移送される前記第１の冷媒の量が、前記混合冷媒に含まれる前記第２の冷媒の質量パーセント濃度を所定の範囲内とする量となるよう、前記移送手段を制御する制御手段と、を備える。

制御手段は、第１の冷媒が気化することによって高まった混合冷媒に含まれる第２の冷媒の質量パーセント濃度が所定の範囲内となるように、移送手段を制御して冷却媒体通路に移送される第１の冷媒の量を調節する。これにより、冷却媒体通路内の混合冷媒に含まれる第２の冷媒の質量パーセント濃度が所定の範囲内に保たれる。第２の冷媒の質量パーセント濃度を所定の範囲内に保つことで、混合冷媒の温度上昇に起因する内燃機関の冷却性能の悪化が抑制される。また、蒸気発生量の低下が抑制されるため、ランキンサイクルシステムの出力低下が抑制される。すなわち、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において、内燃機関の冷却性能及び蒸気発生量が維持される。

上記のランキンサイクルシステムにおいて、前記冷却媒体通路内から排出された前記混合冷媒を液相冷媒と気相冷媒とに分離する気液分離器を備え、前記制御手段は、前記気液分離器内の前記混合冷媒の水位に基づいて、前記移送手段を制御する構成としてもよい。気液分離器内の混合冷媒の水位を用いることにより、気化により減少した第１の冷媒の量と同じ量の第１の冷媒を貯留手段から冷却媒体通路へ移送することができ、混合冷媒に含まれる第２の冷媒の質量パーセント濃度を所定の範囲内に保つことができる。

上記のランキンサイクルシステムにおいて、前記第１の冷媒を貯留する貯留手段を備え、前記制御手段は、前記貯留手段内の前記第１の冷媒の水位に基づいて、前記移送手段を制御する構成としてもよい。貯留手段で増加した第１の冷媒の量は、気化により減少した第１の冷媒の量と等しい。したがって、貯留手段内の第１の冷媒の水位を用いることにより、気化により減少した第１の冷媒の量と同じ量の第１の冷媒を貯留手段から冷却媒体通路へ移送することができ、混合冷媒に含まれる第２の冷媒の質量パーセント濃度を所定の範囲内に保つことができる。

前記第１の冷媒は水であり、前記第２の冷媒はエチレングリコールであり、前記所定の範囲内は、前記混合冷媒に含まれる前記第２の冷媒の質量パーセント濃度が３０％〜６０％である構成としてもよい。これにより、内燃機関の冷却性能及び蒸気発生量を維持するとともに、混合冷媒の凍結も防止できる。

本明細書開示のランキンサイクルシステムによれば、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において、内燃機関の冷却性能及び蒸気発生量を維持することができる。

図１は、実施例に係るランキンサイクルシステムの概略構成図である。図２は、実施例に係るランキンサイクルシステムの制御の一例を示すフロー図である。図３は、混合冷媒に対するＬＬＣの質量パーセント濃度と、混合冷媒の凍結温度との関係を表すグラフである。図４は、実施例に係るランキンサイクルシステムの別の構成例を示す図である。

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。

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（冷却媒体通路）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。

本実施例において、ウォータジャケット内の冷媒は、水（第１の冷媒）とＬＬＣ（第２の冷媒）とを混合した混合冷媒である。混合冷媒の沸騰時には、沸点の低い水が蒸気となる。図１においては、混合冷媒を斜線で示し、水を網掛けで示している。なお、水の代わりに純水を用いてもよい。

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、蒸気通路３の一端が接続されている。

蒸気通路３には、気液分離器４が配設されている。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（液化混合冷媒）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、液化混合冷媒が、エンジン１と気液分離器４との間を循環する。

また、気液分離器４の内部側壁には液面スイッチ２０が備えられている。液面スイッチ２０は、水が気化することによって気液分離器４内の混合冷媒の水位が下がり、液面スイッチ２０が設置されている水位となった場合に、ＥＣＵ１９に信号を出力する。すなわち、水が気化することによって混合冷媒のＬＬＣ濃度が高まり予め定めた濃度に達する場合に、液面スイッチ２０からＥＣＵ１９に信号が出力される。したがって、液面スイッチ２０は、混合冷媒のＬＬＣ濃度を所定の範囲内に維持できる位置に設置される。

蒸気通路３には、過熱器８が設けられている。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を通過し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、蒸気排出管３ａが設けられている。蒸気排出管３ａの先端部には、ノズル９が設けられている。

過熱器８の下流側には、膨張器（廃熱回収手段）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、蒸気通路３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、蒸気通路３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。

膨張器１０の下流側には、エネルギ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水を生成する。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水を貯留する凝縮水タンク（貯留手段）１４が設置されている。

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水をエンジン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（移送手段）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内の水が冷媒循環路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、水が循環する経路を備えている。

ランキンサイクルシステム１００は、制御手段に相当するＥＣＵ（Electronic control unit）１９を備えている。ＥＣＵ１９は、気液分離器４の内部の側壁に設けられた液面スイッチ２０と、第２ウォータポンプ１７とそれぞれ電気的に接続されている。ＥＣＵ１９は、液面スイッチ２０から信号を受信すると、第２ウォータポンプ１７を稼働させ、ウォータジャケット内の混合冷媒のＬＬＣ濃度が所定の範囲内となるように、冷媒循環路５内に水を移送する。冷媒循環路５内に移送される水の量は、混合冷媒の水位が液面スイッチ２０に到達する場合に、気化により減少した水の量とすることができる。気化により減少した水の量は、予め実験等で求めておいてもよいし、エンジン１が稼働していない場合の混合冷媒の水位と、液面スイッチ２０が設置された場所との水位の差に基づいてＥＣＵ１９が計算するようにしてもよい。これにより、水が蒸気化することによって高まった、ウォータジャケット内の混合冷媒のＬＬＣ濃度が、所定の範囲内に維持される。

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。

ＥＣＵ１９は、液面スイッチ２０から信号を受信したか否か判定する（ステップＳ１１）。

ＥＣＵ１９は、液面スイッチ２０から信号を受信していない場合（ステップＳ１１／ＮＯ）、ステップＳ１１の処理を継続する。ＥＣＵ１９は、液面スイッチ２０から信号を受信した場合（ステップＳ１１／ＹＥＳ）、第２ウォータポンプ１７を稼働させ、ウォータジャケット内の混合冷媒のＬＬＣ濃度が所定の範囲内となるように、凝縮水タンク１４に貯留されている水を冷媒循環路５に移送する（ステップＳ１３）。なお、ＥＣＵ１９が液面スイッチ２０から信号を受信する場合とは、気液分離器４内の混合冷媒の水位が下がり、液面スイッチ２０が設置されている水位となった場合を表す。

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、水が気化することによって気液分離器４内の混合冷媒の水位が下がり、液面スイッチ２０が設置されている水位となった場合、すなわち、混合冷媒のＬＬＣ濃度が高まった場合、ＥＣＵ１９が第２ウォータポンプ１７を制御し、混合冷媒のＬＬＣ濃度を所定の範囲内とする量の水を冷媒循環路５内に供給する。冷媒循環路５内に供給された水は、第１ウォーターポンプ６によって、ウォータジャケットに圧送される。これにより、ウォータジャケット内の混合冷媒のＬＬＣ濃度が所定の範囲内に保たれる。ＬＬＣ濃度を所定の範囲内に保つことで、ＬＬＣ濃度の上昇に伴う混合冷媒の温度上昇に起因するエンジン１の冷却性能の悪化が抑制される。また、蒸気発生量の低下が抑制されるため、ランキンサイクルシステムの出力低下が抑制される。すなわち、本明細書開示のランキンサイクルシステムによれば、混合冷媒のＬＬＣ濃度を所定の範囲内に保つことによって、エンジンの冷却性能及び蒸気発生量を維持できる。

なお、上述の実施例において、混合冷媒のＬＬＣ濃度は、３０％〜６０％とすることが望ましい。図３は、混合冷媒のＬＬＣ濃度と、混合冷媒の凍結温度との関係を示すグラフである。図３から明らかなように、混合冷媒の凍結濃度は、ＬＬＣ濃度が高まるにつれ低下するが、混合冷媒のＬＬＣ濃度が７０％を越えると再び上昇する。つまり、混合冷媒のＬＬＣ濃度が７０％を越えると、混合冷媒は凍結しやすくなる。また、混合冷媒のＬＬＣ濃度が低くても、凍結温度が高くなり混合冷媒が凍結しやすくなる。そこで、ＥＣＵ１９は、混合冷媒のＬＬＣ濃度が３０％〜６０％となるように、第２ウォータポンプ１７を制御して、最終的にウォータジャケット内に移送される水の量を調節する。これにより、エンジンの冷却性能及び蒸気発生量を維持するとともに、混合冷媒の凍結も防止できる。

なお、上述の実施例では、液面スイッチ２０を気液分離機４の内部側壁に設けていたが、図４に示すように凝縮水タンク１４の内側側壁に設けてもよい。液面スイッチ２０を凝縮水タンク１４に設けた場合、凝縮水タンク１４内の水位が上がり、液面スイッチ２０に達した場合にＥＣＵ１９に信号が出力される。ＥＣＵ１９は、液面スイッチ２０からの信号を受信すると、第２ウォータポンプ１７を稼動させ、ウォータジャケット内に供給される水の量を調節する。凝縮水タンク１４で増加した水の量は、気化により減少した混合冷媒中の水の量と等しいため、凝縮水タンク１４で増加した量の水を第２ウォータポンプ１７により移送することで、ウォータジャケット内の混合冷媒のＬＬＣ濃度を所定の範囲に維持できる。

また、上述の実施例では、水とＬＬＣと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ついて説明したが、２つの冷媒の沸点が異なれば、水及びＬＬＣ以外の冷媒を混合した混合冷媒を用いてもよい。この場合、凝縮水タンク１４には、沸点が低い方の冷媒が貯留される。

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。

１…エンジン
２…排気管
３…蒸気通路
３ａ…蒸気排出管
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…液面スイッチ
１００…ランキンサイクルシステム

Claims

内燃機関の内部に形成され、第１の冷媒と前記第１の冷媒の沸点よりも沸点が高い第２の冷媒とを含む混合冷媒が内部を通過する冷却媒体通路と、
前記内燃機関の廃熱により気化した前記第１の冷媒からエネルギを回収する廃熱回収手段と、
前記廃熱回収手段を通過し凝縮された前記第１の冷媒を前記冷却媒体通路内に移送する移送手段と、
前記冷却媒体通路内に移送される前記第１の冷媒の量が、前記混合冷媒に含まれる前記第２の冷媒の質量パーセント濃度を所定の範囲内とする量となるよう、前記移送手段を制御する制御手段と、
を備えることを特徴とするランキンサイクルシステム。
前記冷却媒体通路内から排出された前記混合冷媒を液相冷媒と気相冷媒とに分離する気液分離器を備え、
前記制御手段は、前記気液分離器内の前記混合冷媒の水位に基づいて、前記移送手段を制御する請求項１に記載のランキンサイクルシステム。
前記第１の冷媒を貯留する貯留手段を備え、
前記制御手段は、前記貯留手段内の前記第１の冷媒の水位に基づいて、前記移送手段を制御する請求項１に記載のランキンサイクルシステム。
前記第１の冷媒は水であり、
前記第２の冷媒はエチレングリコールであり、
前記所定の範囲内は、前記混合冷媒に含まれる前記第２の冷媒の質量パーセント濃度が３０％〜６０％であることを特徴とする請求項１から３のいずれか１項に記載のランキンサイクルシステム。