JP2005337066A - ランキンサイクル装置 - Google Patents

Abstract

【課題】負荷機に伝達する動力を維持しながら、膨張機の吸入圧力を制御することのできるランキンサイクル装置を提供する。
【解決手段】ランキンサイクル装置１には、ポンプ２、ボイラ３、膨張機４、及びコンデンサ５が設けられ、作動流体であるフロンＲ１３４ａが循環されている。膨張機４は、斜板式膨張機であり、吸入される作動流体によって駆動される。膨張機４の吸入側には、圧力センサ９が設けられており、圧力センサ９の検出値に基づいて膨張機４の吐出容量が調整されるようになっている。
【選択図】図１

Description

この発明は、ランキンサイクル装置に関する。

自動車など車両の内燃機関の排熱を回収して発電機の動力に利用したランキンサイクルと、空調用の冷凍サイクルとを備えた車両用排熱回収システムが、例えば特許文献１に開示されている。
図５はこのような車両用排熱回収システムの構成図である。
冷凍サイクル４０においては、エンジン４２によって駆動されたコンプレッサ４３がフロン等の作動流体の圧縮を行う。コンプレッサ４３から吐出された高温高圧の作動流体は、ランキンサイクル５０を循環する作動流体と混合した後、コンデンサ４４で冷却凝縮され、再び冷凍サイクル４０とランキンサイクル５０とに分配される。冷凍サイクル４０に分配された作動流体は、膨張弁４５で減圧され、その後、蒸発器４６において車内へ供給される空気と熱交換されてガスとなり、再びコンプレッサ４３へと吸入される。
一方、ランキンサイクル５０においては、ポンプ５１から吐出されたフロン等の作動流体が、ボイラ５２においてエンジン冷却水５３と熱交換されることによってガスとなり、膨張機５４へと送られて膨張される。この際、膨張機５４において動力が発生し、この動力及びエンジン４２の動力によって負荷機である発電機５５が駆動されて発電が行われる。膨張機５４で膨張された作動流体ガスは、冷凍サイクル４０を循環する作動流体と混合した後、コンデンサ４４で冷却凝縮され、再び冷凍サイクル４０とランキンサイクル５０とに分配される。ランキンサイクル５０に分配された作動流体は、再びポンプ５１に吸入される。

特許第２５４０７３８号公報

しかしながら、車両用排熱回収システムにおけるランキンサイクル５０では、外気温、ボイラ５２における排熱回収量、及び膨張機５４にかかる負荷が常に変動しているため、このような変動に伴って膨張機５４の吸入圧力が低下した場合、膨張機５４で発生する動力が低下してしまうといった問題点があった。

この発明は、このような問題点を解決するためになされたもので、負荷機に伝達する動力を維持しながら、膨張機の吸入圧力を制御することのできるランキンサイクル装置を提供することを目的とする。

車両における排熱を用いて作動流体を加熱するボイラ、ボイラで加熱された作動流体を膨張させる膨張機、膨張機で膨張された作動流体を冷却するコンデンサ、コンデンサで冷却された作動流体を循環するポンプ、及び膨張機によって駆動される負荷機を備えるランキンサイクル装置であって、膨張機は吐出容量可変の斜板式膨張機であり、ランキンサイクル装置は、膨張機の吸入圧力を検出する圧力検出手段と、圧力検出手段によって検出された吸入圧力に基づいて、膨張機の吐出容量を調整する制御手段とを備える。
膨張機に、吐出容量可変の斜板式膨張機を用い、膨張機の吸入圧力に基づいて、膨張機の吐出容量を調整するようにしたので、膨張機の吸入圧力が低下した場合でも、吐出容量を低下することによって膨張機の吸入圧力を上昇させて一定圧力に制御でき、一方で負荷機に伝達する回転数を一定に維持することができる。

膨張機はクランク室を備え、制御手段は、膨張機の吸入側とクランク室とを連通する電磁弁であり、圧力検出手段によって検出された検出値に基づいて、電磁弁の開閉時間を制御し、クランク室内の圧力を調整することによって、膨張機の吐出容量が調整されるようにしてもよい。
また、制御手段は、膨張機の吸入側と連通する吸入部と、クランク室内と連通するクランク部と、吸入部とクランク部との連通及び遮断が変更可能な圧力調整機構とを備える制御装置であり、圧力検出手段は、所定の基準圧力を有する基準圧力部と、基準圧力部と吸入部とを隔てると共に圧力調整機構と連結されるダイヤフラムとを備え、吸入部の圧力と圧力部の圧力との大小関係を、ダイヤフラムが検知し、ダイヤフラムが圧力調整機構を調整することによって、クランク部を介してクランク室内の圧力を調整することによって、膨張機の吐出容量を調整するようにしてもよい。

車両における排熱を用いて作動流体を加熱するボイラ、ボイラで加熱された作動流体を膨張させる膨張機、膨張機で膨張された作動流体を冷却するコンデンサ、コンデンサで冷却された作動流体を循環するポンプ、及び膨張機によって駆動される負荷機を備えるランキンサイクル装置であって、膨張機は、吐出容量可変の斜板式膨張機であり、ランキンサイクル装置は、車両のエンジンを冷却する冷却水の温度を検出する温度検出手段と、温度検出手段によって検出された冷却水温度に基づいて、膨張機の吐出容量を調整する制御手段とを備える。
膨張機の吸入圧力を直接検出しなくても、吸入圧力が低下する原因となるエンジン冷却水の温度に基づいて膨張機の吐出容量を調整することによって、膨張機の吸入圧力を一定に制御でき、一方で負荷機に伝達する回転数を一定に維持することができる。

膨張機はクランク室を備え、制御手段は、膨張機の吸入側とクランク室とを連通する電磁弁であり、温度検出手段によって検出された検出値に基づいて、電磁弁の開閉時間を制御し、クランク室内の圧力を調整することによって、膨張機の吐出容量が調整されるようにしてもよい。
また、温度検出手段は感温筒であり、記制御手段は、膨張機の吸入側と連通する吸入部、クランク室内と連通するクランク部、及び吸入部とクランク部との連通及び遮断が変更可能な圧力調整機構を備える制御装置と、感温筒に連通した基準圧力部、及び基準圧力部と吸入部とを隔てると共に圧力調整機構と連結されたダイヤフラムを備えた圧力検出手段とを備え、感温筒が検出した冷却水の温度に基づいて基準圧力部の圧力が調整され、吸入部の圧力と基準圧力部の圧力との大小関係を、ダイヤフラムが検知し、ダイヤフラムが圧力調整機構を調整することによって、クランク部を介してクランク室内の圧力を調整することによって、膨張機の吐出容量を調整するようにしてもよい。

この発明によれば、膨張機に吐出容量可変の斜板式膨張機を用い、膨張機の吸入圧力に基づいて、膨張機の吐出容量を調整するようにしたので、膨張機の吸入圧力が低下した場合でも、吐出容量を低下することによって膨張機の吸入圧力を上昇させて一定圧力に制御し、一方で負荷機に伝達する回転数を一定に維持することができる。すなわち、負荷機に伝達する動力を維持しながら、膨張機の吸入圧力を制御することができる。

以下、この発明の実施の形態を添付図面に基づいて説明する。
実施の形態１．
図１に示されるように、この実施の形態に係るランキンサイクル装置１には、ポンプ２、ボイラ３、膨張機４、及びコンデンサ５が設けられ、作動流体であるフロンＲ１３４ａが循環されている。
ボイラ３は、エンジン冷却水８とフロンＲ１３４ａとを熱交換することにより、フロンＲ１３４ａを加熱する熱交換器である。
膨張機４は、斜板式圧縮機の吐出側と吸入側とを実質的に逆に接続した構造であり、吸入される作動流体によって駆動される。膨張機４の吸入側には、圧力検出手段である圧力センサ９が設けられている。
コンデンサ５は、空冷式または水冷式の冷却器であり、膨張機４で膨張されたフロンＲ１３４ａを冷却凝縮する。

次に、膨張機４の構造について説明する。
クランク室１１内において、ピストン１２に連結された斜板１３が、駆動軸１４と共に回転可能な状態で、駆動軸１４に取り付けられている。斜板１３は、駆動軸１４に直交する平面と、ある角度（傾斜角度）をなしている。ピストン１２は膨張室であるシリンダボア１６内を往復動し、これにより、斜板１３は駆動軸１４の軸線方向へのスライド移動を伴いながら、駆動軸１４と共に回転する。駆動軸１４は負荷機である発電機６の駆動軸と連結されており、駆動軸１４の回転によって発電機６が駆動されるようになっている。
また、膨張機４には、膨張機４の吸入側とクランク室１１とを連通する連通路１７が設けられ、連通路１７には制御手段である電磁弁１８が設けられている。電磁弁１８は圧力センサ９と電気的に接続されている。

斜板１３の傾斜角度は、クランク室１１内の圧力Ｐｃを調整することによって変更されるようになっている。圧力センサ９によって検出された検出値に基づいて電磁弁１５の開弁時間を調整することによって、圧力Ｐｃは調整される。例えば、電磁弁１５の開弁時間を長くすれば、膨張機４の吸入側と連通される時間が長くなるため、圧力Ｐｃは上昇し、逆に電磁弁１５の開弁時間を短くすれば、圧力Ｐｃは低下する。この圧力Ｐｃとシリンダボア１６の圧力との差圧が、ピストン１２を介して、斜板１３の傾斜角度を変更する。斜板１３の傾斜角度が変更されると、ピストン１２がシリンダボア１６内を往復動するストローク距離が変更されるため、吐出容量が変更される。

次に、この実施の形態１に係るランキンサイクルの動作を説明する。
図１に示されるように、ポンプ２から吐出された液体のフロンＲ１３４ａは、ボイラ３によってエンジン冷却水８と熱交換されてガスとなる。ガスとなったフロンＲ１３４ａは、膨張機４に吸入されてピストン１２を往復動させ、これにより膨張されて吐出される。膨張機４によって膨張されたフロンＲ１３４ａはコンデンサ５によって冷却凝縮され、再びポンプ２に吸入されることで、ランキンサイクル装置１を循環する。一方、ピストン１２の往復動により駆動軸１４が回転し、この回転によって発電機６を駆動させ、発電が行われる。
ここで、例えば、ボイラ３におけるフロンＲ１３４ａの吸熱量が減少した場合、吸熱量に応じてフロンＲ１３４ａの循環流量を低下させなければならず、膨張機４の吸入圧力Ｐｉｎが低下してしまう。この吸入圧力Ｐｉｎを上昇させるには、膨張機４の回転数を低下しなくてはならないため、発電機６に伝達される回転数が低下し、これにより発電機６における発電量が減少してしまう。

このような場合、圧力センサ９によって検出された検出値に基づいて、電磁弁１５の開弁時間を長くし、クランク室１１の圧力Ｐｃを上昇させる。すると、圧力Ｐｃとシリンダボア１６内の圧力との差圧が大きくなるため、斜板１３の傾斜角度が小さくなり、ピストン１２のストローク距離が小さくなる。これにより、膨張機４の吐出容量が低下するため、膨張機４の吸入圧力Ｐｉｎは適正な圧力に上昇する。一方、ピストン１２のストローク距離が小さくなると、ピストン１２の往復周期が短くなるため、駆動軸１４の回転数は適正な回転数に上昇する。このため、発電機６は適正な回転数で駆動されるようになり、発電量を一定に維持することができる。

このように、膨張機４の吸入圧力Ｐｉｎに基づいて、斜板式膨張機の吐出容量を変更するようにしたので、膨張機４から発電機６に伝達される動力を一定に維持しながら、膨張機４の吸入圧力Ｐｉｎを制御することができる。

この実施の形態１では、膨張機４の吸入圧力Ｐｉｎに基づいて、圧力Ｐｃを調整するようにしたが、これに限定されるものではない。例えば、エンジン７の駆動力が低下すると、エンジン冷却水８の温度が低下し、これによりボイラ３でフロンＲ１３４ａがエンジン冷却水８から吸熱する熱量が減少する。このため、フロンＲ１３４ａの循環料を低下する必要が生じ、これにより膨張機４の吸入圧力Ｐｉｎが低下する。したがって、図２に示されるように、エンジン冷却水８の循環ラインに温度センサ１９を設け、温度センサ１９によって検出された検出値に基づいて、電磁弁１５の開弁時間を調整することができる。
つまり、膨張機４の吸入圧力Ｐｉｎが低下する要因となるものであればよいため、膨張機４の入口温度、作動流体の循環流量、発電機６による発電量等を検出するセンサ等を設け、このセンサ等によって検出された検出値に基づいて、圧力Ｐｃを調整するようにすることができる。

実施の形態２．
次に、この発明の実施の形態２に係るランキンサイクル装置について説明する。尚、以下の実施の形態において、図１の参照符号と同一の符号は、同一又は同様な構成要素であるので、その詳細な説明は省略する。
この発明の実施の形態２に係るランキンサイクル装置１は、実施の形態１に対して、電磁弁１５を、形態の異なる制御装置に変更したものである。

図３に示されるように、この実施の形態２に係るランキンサイクル装置１には、膨張機４の吸入側と連通する吸入部２１、クランク室１１と連通するクランク部２２、及び膨張機４の吐出側と連通する吐出部２３の３つの部屋を備えた制御装置２０が設けられている。これら３つの部屋は通路２４によって連通されている。吸入部２１には、圧力Ｐｓｅｔに調整された基準圧力部２５が隣接されており、ダイヤフラム２６によって隔てられている。ここで、基準圧力部２５は圧力検出手段を構成する。
通路２４には、３つの部屋を貫通する弁棒２７が挿入されている。弁棒２７の一端は、ダイヤフラム２６に接続されており、弁棒２７の他端は、吐出部２３に一端が連結されているバネ２８の他端に連結されている。ダイヤフラム２６の歪みとバネ２８の伸縮とにより弁棒２７は通路２４内を上下に動けるようになっている。また、弁棒２７のクランク部２２内の部分には、弁体２９が設けられ、弁棒２７の上下動によって、吸入部２１とクランク部２２とを連通したり遮断したりするようになっている。ここで、弁棒２７、バネ２８、及び弁体２９は圧力調整機構を構成する。

次に、この実施の形態２に係るランキンサイクルの動作を説明する。
実施の形態１と同様に、ランキンサイクル装置１内を、作動流体であるフロンＲ１３４ａが循環することによって、膨張機４が駆動される。膨張機４の駆動軸１４の回転によって発電機６が駆動され、発電が行われる。
ここで、例えば、ボイラ３におけるフロンＲ１３４ａの吸熱量が減少した場合、吸熱量に応じてフロンＲ１３４ａの循環流量を低下させなければならず、膨張機４の吸入圧力Ｐｉｎが低下してしまう。この吸入圧力Ｐｉｎを上昇させるには、膨張機４の回転数を低下しなくてはならないため、発電機６に伝達される回転数が低下し、これにより発電機６における発電量が減少してしまう。

このような場合、膨張機４の吸入圧力Ｐｉｎよりも基準圧力部２５内の圧力Ｐｓｅｔのほうが大きいため、ダイヤフラム２６は下方に押し下げられ、弁棒２７が下方に押し下げられる。すると、吸入部２１とクランク部２２とが連通されるようになり、クランク室１１内の圧力Ｐｃは上昇する。この結果、圧力Ｐｃとシリンダボア１６内の圧力との差圧が大きくなるため、斜板１３の傾斜角度が小さくなり、ピストン１２のストローク距離が小さくなる。これにより、膨張機４の吐出容量が低下するため、膨張機４の吸入圧力Ｐｉｎは適正な圧力に上昇する。一方、ピストン１２のストローク距離が小さくなると、ピストン１２の往復周期が短くなるため、駆動軸１４の回転数は適正な回転数に上昇する。このため、発電機６は適正な回転数で駆動されるようになり、発電量を一定に維持することができる。すなわち、実施の形態１と同様の効果を得ることができる。

この実施の形態２では、膨張機４の吸入圧力Ｐｉｎと基準圧力部２５内の圧力Ｐｓｅｔとの大小関係により、制御装置２０の吸入部２１とクランク部２２との連通を制御して、圧力Ｐｃを調整するようにしたが、これに限定されるものではない。例えば、エンジン７の駆動力が低下すると、エンジン冷却水８の温度が低下し、これによりボイラ３でフロンＲ１３４ａがエンジン冷却水８から吸熱する熱量が減少する。このため、フロンＲ１３４ａの循環料を低下する必要が生じ、これにより膨張機４の吸入圧力Ｐｉｎが低下する。したがって、図４に示されるように、エンジン冷却水８の循環ラインに感温筒３０を設け、フロンＲ１３４ａが封入された連通管３１によって、感温筒３０と基準圧力部２５とを連通するようにすることもできる。この場合、エンジン冷却水８によって連通管３１内の圧力が変化し、これに伴い基準圧力部２５の圧力Ｐｓｅｔも変化するため、圧力Ｐｓｅｔと圧力Ｐｉｎとの大小関係によって、圧力Ｐｃが調整される。
なお、連通管３１に封入されるガスはフロンＲ１３４ａに限定されるものではなく、ランキンサイクル装置１に使用されている他の作動流体と同じ炭化水素や混合冷媒を封入してもよいし、使用されている作動流体とは異なる他の作動流体を封入するようにしてもよい。

実施の形態１または２では、コンデンサ５に空冷式または水冷式の冷却器を使用したが、これらに限定されるものではない。その他の公知の冷却器を使用することもできるし、冷凍サイクルに設けられるコンデンサと共有のコンデンサとし、冷凍サイクルを循環する作動流体と熱交換するようにしてもよい。

実施の形態１または２では、ランキンサイクル装置１の作動流体としてフロンＲ１３４ａを使用したが、プロパンやイソブタン等の炭化水素を採用することができる。また、炭化水素のほかに、混合冷媒も採用できる。混合冷媒としては、例えば、混合冷媒４０７ｃや混合冷媒Ｒ４１０Ａが好ましく採用され、混合冷媒Ｒ４１０Ａが特に好ましく採用される。当然、ランキンサイクルに使用される公知の作動流体も採用できる。

実施の形態１または２では、エンジン７を冷却したエンジン冷却水８とランキンサイクル装置１の作動流体とをボイラ３において熱交換しているが、エンジン冷却水８以外の排熱、例えばエキゾーストパイプ等、車両における排熱と熱交換するようにしてもよく、複数の排熱と熱交換するようにしてもよい。

実施の形態１または２では、負荷機として発電機６を例にして説明したが、発電機に限定されるものではない。例えば、コンプレッサやラジエータの冷却ファンにしてもよいし、エンジンと協働して駆動輪を回すようにしてもよい。すなわち、運動エネルギーによって駆動される機械であれば負荷機として使用することができる。

この発明の実施の形態１に係るランキンサイクル装置の構成図である。 実施の形態１に係るランキンサイクル装置の変形例の構成図である。 実施の形態２に係るランキンサイクル装置の構成図である。 実施の形態２に係るランキンサイクル装置の変形例の構成図である。 従来の車両用排熱回収システムの構成図である。

符号の説明

１ ランキンサイクル装置、２ ポンプ、３ ボイラ、４ 膨張機、５ コンデンサ、６ 発電機、７ エンジン、８ エンジン冷却水、９ 圧力センサ、１１ クランク室、１２ ピストン、１３ 斜板、１４ 駆動軸、１５ 電磁弁、１６ シリンダボア、１７ 連通路、１８ 電磁弁、１９ 温度センサ、２０ 制御装置、２１ 吸入部、２２ クランク部、２３ 吐出部、２４ 通路、２５ 基準圧力部、２６ ダイヤフラム、２７ 弁棒、２８ バネ、２９ 弁体、３０ 感温筒、３１ 連通管。

Claims (6)

1. 車両における排熱を用いて作動流体を加熱するボイラ、前記ボイラで加熱された作動流体を膨張させる膨張機、前記膨張機で膨張された作動流体を冷却するコンデンサ、前記コンデンサで冷却された作動流体を循環するポンプ、及び前記膨張機によって駆動される負荷機を備えるランキンサイクル装置であって、
   前記膨張機は吐出容量可変の斜板式膨張機であり、
   前記ランキンサイクル装置は、
   前記膨張機の吸入圧力を検出する圧力検出手段と、
   前記圧力検出手段によって検出された吸入圧力に基づいて、前記膨張機の吐出容量を調整する制御手段と
   を備えるランキンサイクル装置。
2. 前記膨張機はクランク室を備え、
   前記制御手段は、前記膨張機の吸入側と前記クランク室とを連通する電磁弁であり、
   前記圧力検出手段によって検出された検出値に基づいて、前記電磁弁の開閉時間を制御し、前記クランク室内の圧力を調整することによって、前記膨張機の吐出容量が調整されることを特徴とする請求項１に記載のランキンサイクル装置。
3. 前記制御手段は、
   前記膨張機の吸入側と連通する吸入部と、
   前記クランク室内と連通するクランク部と、
   前記吸入部と前記クランク部との連通及び遮断が変更可能な圧力調整機構と
   を備える制御装置であり、
   前記圧力検出手段は、
   所定の基準圧力を有する基準圧力部と、
   前記基準圧力部と前記吸入部とを隔てると共に前記圧力調整機構と連結されるダイヤフラムと
   を備え、
   前記吸入部の圧力と前記圧力部の圧力との大小関係を、前記ダイヤフラムが検知し、前記ダイヤフラムが前記圧力調整機構を調整することによって、前記クランク部を介して前記クランク室内の圧力を調整することによって、前記膨張機の吐出容量を調整することを特徴とする請求項１に記載のランキンサイクル装置。
4. 車両における排熱を用いて作動流体を加熱するボイラ、前記ボイラで加熱された作動流体を膨張させる膨張機、前記膨張機で膨張された作動流体を冷却するコンデンサ、前記コンデンサで冷却された作動流体を循環するポンプ、及び前記膨張機によって駆動される負荷機を備えるランキンサイクル装置であって、
   前記膨張機は、吐出容量可変の斜板式膨張機であり、
   前記ランキンサイクル装置は、
   前記車両のエンジンを冷却する冷却水の温度を検出する温度検出手段と、
   前記温度検出手段によって検出された冷却水温度に基づいて、前記膨張機の吐出容量を調整する制御手段と
   を備えるランキンサイクル装置。
5. 前記膨張機はクランク室を備え、
   前記制御手段は、前記膨張機の吸入側と前記クランク室とを連通する電磁弁であり、
   前記温度検出手段によって検出された検出値に基づいて、前記電磁弁の開閉時間を制御し、前記クランク室内の圧力を調整することによって、前記膨張機の吐出容量が調整されることを特徴とする請求項４に記載のランキンサイクル装置。
6. 前記温度検出手段は感温筒であり、
   前記制御手段は、
   前記膨張機の吸入側と連通する吸入部、前記クランク室内と連通するクランク部、及び前記吸入部と前記クランク部との連通及び遮断が変更可能な圧力調整機構を備える制御装置と、
   前記感温筒に連通した基準圧力部、及び前記基準圧力部と前記吸入部とを隔てると共に前記圧力調整機構と連結されたダイヤフラムを備えた圧力検出手段と
   を備え、
   前記感温筒が検出した冷却水の温度に基づいて前記基準圧力部の圧力が調整され、前記吸入部の圧力と前記基準圧力部の圧力との大小関係を、前記ダイヤフラムが検知し、前記ダイヤフラムが前記圧力調整機構を調整することによって、前記クランク部を介して前記クランク室内の圧力を調整することによって、前記膨張機の吐出容量を調整することを特徴とする請求項４に記載のランキンサイクル装置。
   

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