JP6428483B2

JP6428483B2 - ランキンサイクルシステム

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Publication number: JP6428483B2
Application number: JP2015102051A
Authority: JP
Inventors: 尚人小野田; 日出夫小林
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2015-05-19
Filing date: 2015-05-19
Publication date: 2018-11-28
Anticipated expiration: 2035-05-19
Also published as: JP2016217226A

Description

この発明は、ランキンサイクルシステムに関する。

従来、例えば特許文献１には、内燃機関のウォータジャケットに流す冷媒の沸騰気化熱を利用して当該内燃機関の冷却を行うと共に、この冷却に伴って発生した蒸気（気相冷媒）のエネルギーを回収する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において、ウォータジャケットは冷媒を循環させる閉回路の一部を構成しており、当該閉回路の途中には、ウォータジャケットの出口部から排出された気相冷媒のエネルギーを回収するエネルギー回収部が設けられている。また、このエネルギー回収部の下流には、コンデンサとウォーターポンプが設けられている。エネルギー回収部を経た気相冷媒は、コンデンサで冷やされて液体（液相冷媒）に戻り、ウォーターポンプよってウォータジャケットの入口部に送られる。

また、特許文献２には、ウォータジャケットの出口部から排出された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を備えるランキンサイクルシステムが開示されている。

特許第４６８３００２号公報特開２０１０−２４２５１６号公報

特許文献２の様な気液分離器を設けることで、この気液分離器を、気液二相の冷媒を一時的に貯留しておく冷媒貯留部として機能させることができる。そして、当該冷媒貯留部内の気液界面の位置（つまり液面の位置）を検出し、例えば液面位置が基準位置よりも低下した場合にはコンデンサから冷媒貯留部に液相冷媒を補充する、逆に液面位置が基準位置よりも上昇した場合には冷媒貯留部からコンデンサに液相冷媒を放出するといった送液制御を通じて内燃機関の冷却状態を制御することができる。

しかし、この様な冷媒貯留部を設ける場合、ウォータジャケットの出口部から冷媒貯留部へ気液二相の冷媒を搬送する過程で次のような問題がある。即ち、内燃機関の運転条件が一定であれば、ウォータジャケットで発生する蒸気量も一定であり、ウォータジャケットの出口部と冷媒貯留部を接続する経路内の圧力損失に殆ど変化はないはずである。しかし、気液二相の冷媒が当該接続経路を流れる際、液相冷媒と気相冷媒の流速が大きく異なるが故に液相冷媒が気相冷媒の流動を妨げてしまい、接続経路内の圧力損失が変化してしまう。そうすると、ウォータジャケット内の圧力がハンチングしてしまい、内燃機関の燃焼室壁温が極度に上昇してしまう。また、接続経路内の圧力損失が変化すると、冷媒貯留部内の液面もハンチングしてしまい、上述した冷却状態の制御が不安定となってしまう。特に、内燃機関の高負荷領域においてはウォータジャケットで発生する蒸気量が増えるので、上述したハンチングが大きくなってしまう。

この発明は、上述の課題を解決するためになされたものである。即ち、気液二相の冷媒を一時的に貯留する冷媒貯留部を設けるランキンサイクルシステムにおいて、ウォータジャケットの出口部と冷媒貯留部とを接続する経路での圧力損失の変化を抑制することを目的とする。

上述の課題を解決するため、本発明は、ランキンサイクルシステムであって、
ウォータジャケットを流れる冷媒の沸騰気化熱を利用して冷却される内燃機関と、
前記内燃機関の外部において前記ウォータジャケットの入口部および出口部に接続され、前記ウォータジャケットと共に冷媒を循環させる閉回路を構成する冷媒通路と、
前記冷媒通路に設けられ、気液二相の冷媒を貯留可能な冷媒貯留部と、を備え、
前記冷媒貯留部は、その上面が前記出口部よりも鉛直方向上方に位置すると共に、その下面が前記出口部よりも鉛直方向下方に位置し、
前記出口部と前記冷媒貯留部との間の前記冷媒通路は、前記出口部と前記冷媒貯留部の上面側とを接続し、前記ウォータジャケットを気液未分離状態で流れて前記出口部に到達した冷媒のうちの気相冷媒を前記出口部の位置よりも鉛直方向上方に向けて流す気相用通路と、前記出口部と前記冷媒貯留部の下面側とを接続し、前記ウォータジャケットを気液未分離状態で流れて前記出口部に到達した冷媒のうちの液相冷媒を前記出口部の位置よりも鉛直方向下方に向けて流す液相用通路と、に分割されていることを特徴とする。

本発明によれば、ウォータジャケットの出口部と冷媒貯留部の間の冷媒通路が気相用通路と液相用通路とに分割されているので、ウォータジャケットを気液未分離状態で流れて出口部に到達した冷媒を、当該冷媒通路において気相冷媒と液相冷媒とに分離できる。従って、ウォータジャケットの出口部と冷媒貯留部とを接続する経路内の圧力損失の変化を抑制できる。

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説明する図である。従来のランキンサイクルシステムにおける問題点を説明する図である。従来のランキンサイクルシステムにおける問題点を説明する図である。従来のランキンサイクルシステムにおける問題点を説明する図である。本発明の実施の形態１の効果を説明する図である。本発明の実施の形態１の効果を説明する図である。実施の形態１の変形例を説明する図である。本発明の実施の形態２のランキンサイクルシステムの構成を説明する図である。仕切り板５６周辺の上面図である。

以下、図１乃至図９を参照しながら、本発明の実施の形態について説明する。尚、各図において共通する要素には、同一の符号を付して重複する説明を省略する。また、以下の実施の形態によりこの発明が限定されるものではない。

実施の形態１．
先ず、本発明の実施の形態１について、図１乃至図６を参照しながら説明する。

［システム構成の説明］
図１は、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説明する図である。図１に示すように、実施の形態１に係るシステムは、内燃機関としてのエンジン１０を備えている。エンジン１０の気筒の周囲には、ウォータジャケット１２が形成されている。ウォータジャケット１２に流れる冷媒がエンジン１０の熱を受け取って沸騰するときの気化熱により、エンジン１０が冷却される。なお、エンジン１０の気筒数および気筒配列は特に限定されない。また、ウォータジャケット１２に流す冷媒は、エンジン１０の熱を受け取って沸騰するものであれば特に限定されない。

ウォータジャケット１２の出口部１３には、冷媒通路１４ａ，１４ｂが接続されている。冷媒通路１４ａ，１４ｂは、出口部１３の直下流において分岐して冷媒貯留部１６に接続されている。冷媒貯留部１６は、気液二相の冷媒を一時的に貯留可能に構成されており、その上面１６ａは出口部１３よりも鉛直方向上方に位置し、その下面１６ｂは当該出口部よりも鉛直方向下方に位置している。また、冷媒貯留部１６は、冷媒通路１４ａと上面１６ａ側で接続し、冷媒通路１４ｂと下面１６ｂ側で接続している。このような位置関係となるように冷媒通路１４ａ，１４ｂを設けることで、出口部１３から排出された気相冷媒を冷媒通路１４ａに優先的に流し（破線矢印参照）、液相冷媒を冷媒通路１４ｂに優先的に流すことができる（実線矢印参照）。

ここで、冷媒通路１４ａは、その経路上に液相冷媒が溜まりにくい構造となっていることが好ましい。具体的には、冷媒通路１４ａが途中で下に凸状に屈曲する構造を有しないことが好ましい。この理由は、何らかの理由により気相冷媒が冷媒通路１４ａの途中で凝縮して液相冷媒となった場合、この液相冷媒が冷媒通路１４ａに溜まることで気相冷媒の流動を妨げるだけでなく、冷媒通路１４ａから冷媒貯留部１６に液相冷媒が排出されてしまうためである。同様に、冷媒通路１４ｂは、その経路上に気相冷媒が溜まりにくい構造となっていることが好ましい。具体的には、冷媒通路１４ｂが途中で上に凸状に屈曲する構造を有しないことが好ましい。

また、冷媒通路１４ａと冷媒貯留部１６の接続位置は、冷媒貯留部１６の気液界面を検出するフロートセンサ４８の稼動域の上限よりも鉛直方向上方であり、冷媒通路１４ｂと冷媒貯留部１６の接続位置は、当該稼動域の下限よりも鉛直方向下方である。このような位置関係となるように冷媒通路１４ａ，１４ｂを冷媒貯留部１６に接続することで、冷媒通路１４ａを冷媒貯留部１６の気相側に常時接続し、冷媒通路１４ｂを冷媒貯留部１６の気相側に常時接続することが可能となる。なお、冷媒通路１４ａの接続位置が上記稼動域の上限に近いと、気液界面が当該上限付近にある場合に冷媒通路１４ａから冷媒貯留部１６に流入してきた気相冷媒によって当該気液界面に乱れが生じ易くなる。従って、冷媒通路１４ａの接続位置は、上記稼動域の上限よりもある程度上方とすることが好ましい。同様に、冷媒通路１４ｂの接続位置は、上記稼動域の下限よりもある程度下方とすることが好ましい。

下面１６ｂには、冷媒通路１８が接続されている。冷媒通路１８はウォータジャケット１２の入口部（図示しない）に接続されている。この入口部の近傍には、ウォーターポンプ２０が設けられている。ウォーターポンプ２０は、エンジン１０のクランクシャフトを駆動源とする機械式のポンプであるが、電動式の遠心型ポンプを使用することもできる。冷媒貯留部１６内の液相冷媒の一部は、冷媒通路１８を経由してウォーターポンプ２０に流入し（実線矢印参照）、ウォーターポンプ２０の駆動によりウォータジャケット１２に送られる。

また、実施の形態１に係るシステムは、蒸発器２２を備えている。蒸発器２２は、エンジン１０の排気通路（図示しない）に設けられている。蒸発器２２は下面１６ｂと冷媒通路２４を介して接続されると共に、冷媒通路２６を介して上面１６ａ側に接続されている。冷媒貯留部１６内の液相冷媒の一部が蒸発器２２に流入すると（実線矢印参照）、その一部が排気熱により気相冷媒となる。この気相冷媒は、蒸発器２２から冷媒通路２６を経由して冷媒貯留部１６に流入する（破線矢印参照）。

また、実施の形態１に係るシステムは、過熱器２８と超音速ノズル３０とタービン３２とを備えている。過熱器２８は、上記排気通路の蒸発器２２の上流側に設けられている。また、過熱器２８は、上面１６ａと冷媒通路３４を介して接続されている。冷媒貯留部１６内の気相冷媒が冷媒通路３４を経由して過熱器２８に流入すると（破線矢印参照）、排気熱により過熱蒸気となる。過熱蒸気は冷媒通路３６を経由して超音速ノズル３０に流入し（破線矢印参照）、タービン３２に噴きつけられる。過熱蒸気が噴きつけられることで、タービン３２が回転する。タービン３２には発電機（図示しない）が接続されているので、タービン３２が回転すると発電機において電気が発生する。発生した電気は蓄電池（図示しない）に蓄えられる。なお、タービン３２に減速機（図示しない）を接続し、この減速機を介してエンジン１０をアシストするように構成してもよい。

また、実施の形態１に係るシステムは、コンデンサ３８とキャッチタンク４０とウォーターポンプ４２とを備えている。コンデンサ３８は、冷媒通路４４を介してタービン３２と接続されている。冷媒通路４４を経由してタービン３２からコンデンサ３８に流入した気相冷媒は（破線矢印参照）、コンデンサ３８において冷却されて液相冷媒に戻り、キャッチタンク４０に一時的に貯留される。ウォーターポンプ４２は、キャッチタンク４０に貯留された液相冷媒を冷媒通路４６に送るための電動式のポンプである。ウォーターポンプ４２を駆動すると、キャッチタンク４０内の液相冷媒が冷媒通路４６を経由して冷媒通路１８に送られる（実線矢印参照）。

また、実施の形態１に係るシステムは、冷媒貯留部１６の気相中の圧力を減圧するための圧力逃がし弁（図示しない）を備えている。この圧力逃がし弁は、例えば電磁弁であり、過熱器２８、超音速ノズル３０やタービン３２をバイパスして冷媒貯留部１６とコンデンサ３８を接続する冷媒通路（図示しない）に設けられている。圧力逃がし弁を開くと、冷媒貯留部１６の気相冷媒が過熱器２８等を経由せずにコンデンサ３８に流入し、これにより冷媒貯留部１６内の気相中の圧力が低下する。

また、実施の形態１に係るシステムは、ＥＣＵ（Electronic Control Unit）５０を備えている。ＥＣＵ５０は、少なくとも入出力インタフェースとメモリとＣＰＵとを備えている。入出力インタフェースは、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。ＥＣＵ５０が信号を取り込むセンサには、フロートセンサ４８が含まれる。ＥＣＵ５０が操作信号を出すアクチュエータには、ウォーターポンプ４２や圧力逃がし弁が含まれる。メモリには、各種制御プログラム、各種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、ＥＣＵ５０が取り込んだセンサ信号に基づいて操作信号を生成する。

ＥＣＵ５０による制御には、ウォーターポンプ４２の駆動制御および圧力逃がし弁の開閉制御が含まれる。先ず、ウォーターポンプ４２の駆動制御について説明する。ＥＣＵ５０によるウォーターポンプ４２の駆動制御は、冷媒貯留部１６内の液相冷媒が減少してフロートセンサ４８の位置がその稼動域の下限に到達した場合に、キャッチタンク４０内の液相冷媒を、ウォーターポンプ２０に送る目的で行われるものである。冷媒貯留部１６内の液相冷媒が極端に減少した場合には、ウォーターポンプ２０からウォータジャケット１２に送られる液相冷媒量が減少してしまう。この点、駆動制御によれば、キャッチタンク４０内の液相冷媒を冷媒通路４６，１８経由でウォーターポンプ２０に送ることができるので、エンジン１０の燃焼室壁温が極度に上昇するのを抑制できる。また、駆動制御によれば、冷媒貯留部１６から冷媒通路１８への液相冷媒の流出量を減らして、冷媒通路１４ｂからの液相冷媒によって冷媒貯留部１６内の気液界面を上昇させることもできる。

ＥＣＵ５０による圧力逃がし弁の開閉制御は、冷媒貯留部１６の気相中の圧力を減圧する目的で行われるものである。この開閉制御では、具体的に、冷媒貯留部１６の気相中の圧力が常圧〜高圧領域（例えば１００〜２００ｋＰａＧ）を下回る場合は圧力逃がし弁を閉じ、所定圧力（例えば２００ｋＰａＧ）以上の場合に圧力逃がし弁を開くものである。なお、冷媒貯留部１６の気相中の圧力は、例えば、冷媒貯留部１６に取り付けた圧力センサから検出することができる。

［実施の形態１の特徴とその効果］
図２乃至図４は、従来のランキンサイクルシステムにおける問題点を説明する図である。図２乃至図４に示すように、従来システムでは、出口部１３と冷媒貯留部５２とが一本の冷媒通路５４を介して接続されており、出口部１３から排出された気液二相の溶媒が冷媒貯留部５２に流入した後に気相冷媒と液相冷媒とに分離される。つまり、冷媒通路５４においては気液分離されていない。そのため、冷媒通路５４内で液相冷媒が気相冷媒の流動を妨げてしまい、エンジン１０の運転条件が一定でウォータジャケット１２で発生する蒸気量も一定であるにも関わらず、冷媒通路５４内の圧力損失が変化してしまうという問題がある。この問題は、液相冷媒と気相冷媒の流速が大きく異なることに起因している。

冷媒通路５４内の圧力損失が変化すると、ウォータジャケット１２内の圧力がハンチングしてしまい、エンジン１０の燃焼室壁温が極度に上昇してしまう。また、冷媒通路５４内の圧力損失が変化すると、冷媒貯留部５２内の液面もハンチングしてしまう。具体的に、冷媒通路５４を冷媒貯留部５２の気液界面と平行に設けた図２の場合は冷媒通路５４から噴出される液体と蒸気によって、冷媒貯留部５２の鉛直方向下方に冷媒通路５４を接続した図３の場合は冷媒通路５４から噴出される気泡によって、冷媒貯留部５２の鉛直方向下方に冷媒通路５４を接続した図４の場合は冷媒通路５４から落下する液体によって、それぞれ冷媒貯留部５２内の液面がハンチングしてしまう。冷媒貯留部５２内の液面がハンチングすると、フロートセンサ４８が揺動してしまうので、フロートセンサ４８の位置に基づいて行われる制御（具体的には、上述したウォーターポンプ４２の駆動制御）が不安定となってしまう。特に、エンジン１０を高負荷運転している場合や、上述した圧力逃し弁の開閉制御の開始直後は、ウォータジャケット１２で発生する蒸気量が増えるので、上述したハンチングが大きくなってしまう。

この点、実施の形態１によれば、出口部１３から排出された気液二相の冷媒を出口部１３と冷媒貯留部１６との間の冷媒通路において気相冷媒と液相冷媒とに分離できる。従って、出口部１３と冷媒貯留部１６との間の冷媒通路内、つまり、冷媒通路１４ａ，１４ｂ内の圧力損失が変化することを抑制できる。図５乃至図６は、実施の形態１の効果を説明する図である。図５に示すように、エンジン内圧（つまり、ウォータジャケット１２内の圧力）がハンチングすることを抑制できる。また、図６に示すように、冷媒貯留部内の水位（つまり、気液界面の位置）に乱れが生じるのを抑制できる。なお、図５乃至図６において、「本発明なし」が図２乃至図４で説明した従来構成での圧力や水位の経時特性を示し、「本発明あり」が実施の形態１での圧力や水位の経時特性に該当している。

ところで、上記実施の形態１においては、出口部１３の直下流において冷媒通路１４ａ，１４を分岐させた。しかし、冷媒通路１４ａ，１４ｂの出口部１３との接続位置や、冷媒通路１４ａ，１４ｂの本数については、各種変形が可能である。図７は、実施の形態１の変形例を説明する図である。図７に示す構成では、出口部１３が冷媒通路１４ａ，１４ｂに対して別々に設けられている。また、冷媒通路１４ａはその上流側において５本に分岐している。但し、ウォータジャケット１２の各出口部の上面１６ａとの位置関係、および、当該各出口部の下面１６ｂとの位置関係については、図１と同様である。このような位置関係にあれば、図１同様、気相冷媒を冷媒通路１４ａに優先的に流し、液相冷媒を冷媒通路１４ｂに優先的に流すことができる。従って、このような位置関係が成立する限りにおいて、冷媒通路１４ａ，１４ｂの出口部１３との接続位置や、冷媒通路１４ａ，１４ｂの本数については、エンジン１０の搭載角度や冷媒通路１４ｂの水流れ方向に応じて適宜変更できる。

なお、上記実施の形態１においては、冷媒通路１４ａ，１４ｂ，１８が本発明の「冷媒通路」に、冷媒通路１４ａが本発明の「気相用通路」に、冷媒通路１４ｂが本発明の「液相用通路」に、それぞれ相当している。

実施の形態２．
次に、本発明の実施の形態２ついて、図８乃至図９を参照しながら説明する。

［実施の形態２の特徴とその効果］
図８は、本発明の実施の形態２のランキンサイクルシステムの構成を説明する図である。図８に示すように、実施の形態２においては、冷媒通路１４の鉛直方向の断面積が出口部１３から冷媒貯留部１６に向かうに従い拡大しており、冷媒通路１４内には仕切り板５６が設けられている。また、図９は、仕切り板５６周辺の上面図である。図９に示すように、冷媒通路１４の水平方向の断面積も出口部１３から冷媒貯留部１６に向かうに従い拡大している。つまり、冷媒通路１４は出口部１３から冷媒貯留部１６に向かうに従い拡径する円錐台状に形成されている。また、仕切り板５６は円弧状に湾曲した湾曲面５６ａと、湾曲面５６ａの両端から平行に延びる２枚の側面５６ｂとから構成されている。

仕切り板５６によれば、湾曲面５６ａによって冷媒通路１４内の気液界面の乱れを抑制しつつ、冷媒通路１４内を上下方向に分割して出口部１３から排出された気相冷媒を仕切り板５６の上方に流し、液相冷媒を仕切り板５６の下方に流すことができる。従って、上記実施の形態１と同様の効果を得ることができる。なお、実施の形態２では、フロートセンサ４８の稼動域が仕切り板５６の鉛直方向の幅よりも狭く設定されている。これにより、冷媒通路１４内の気液界面が仕切り板５６よりも上方まで上昇し、または、仕切り板５６よりも下方まで下降することを回避して、冷媒通路１４内の気液界面の乱れが冷媒貯留部１６の気液界面に伝播するのを未然に防止している。

上記実施の形態２においては、冷媒通路１４，１８が本発明の「冷媒通路」に、冷媒通路１４内の気液界面よりも鉛直方向上方の空間が本発明の「気相用通路」に、同気液界面よりも鉛直方向下方の空間が本発明の「液相用通路」に、それぞれ相当している。

１０エンジン
１２ウォータジャケット
１３出口部
１４，１４ａ，１４ｂ，１８，２４，２６，３４，３６，４４，４６，５４冷媒通路
１６，５２冷媒貯留部
１６ａ上面
１６ｂ下面
２８過熱器
３０超音速ノズル
３２タービン
３８コンデンサ
４０キャッチタンク
５０ＥＣＵ

Claims

ウォータジャケットを流れる冷媒の沸騰気化熱を利用して冷却される内燃機関と、
前記内燃機関の外部において前記ウォータジャケットの入口部および出口部に接続され、前記ウォータジャケットと共に冷媒を循環させる閉回路を構成する冷媒通路と、
前記冷媒通路に設けられ、気液二相の冷媒を貯留可能な冷媒貯留部と、を備え、
前記冷媒貯留部は、その上面が前記出口部よりも鉛直方向上方に位置すると共に、その下面が前記出口部よりも鉛直方向下方に位置し、
前記出口部と前記冷媒貯留部との間の前記冷媒通路は、前記出口部と前記冷媒貯留部の上面側とを接続し、前記ウォータジャケットを気液未分離状態で流れて前記出口部に到達した冷媒のうちの気相冷媒を前記出口部の位置よりも鉛直方向上方に向けて流す気相用通路と、前記出口部と前記冷媒貯留部の下面側とを接続し、前記ウォータジャケットを気液未分離状態で流れて前記出口部に到達した冷媒のうちの液相冷媒を前記出口部の位置よりも鉛直方向下方に向けて流す液相用通路と、に分割されていることを特徴とするランキンサイクルシステム。