JP2013142355A - Expander - Google Patents
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Abstract
Description
この発明は、膨張機に係り、特に、少なくとも1つのサブ吸入ポートを開閉して吸入容積を可変とする可変容積型の膨張機に関する。 The present invention relates to an expander, and more particularly to a variable displacement expander that opens and closes at least one sub-suction port to make the suction volume variable.
ランキンサイクル等において冷媒を膨張させるために、膨張機が用いられる。膨張機は、吸入ポートから冷媒を吸入し、これを膨張室で膨張させて吐出ポートから吐出する。可変容積型の膨張機は、吸入ポートとして、メイン吸入ポートの他にサブ吸入ポートを備え、サブ吸入ポートを開閉することによって吸入容積を変更する。複数のサブ吸入ポートを備え、吸入容積を多段階に変更するスクロール膨張機の例が、特許文献1に示されている。また、複数のバイパスポートを開閉することにより容積制御を行なうスクロール圧縮機の例が、特許文献2及び3に示されている。
An expander is used to expand the refrigerant in a Rankine cycle or the like. The expander sucks refrigerant from the suction port, expands it in the expansion chamber, and discharges it from the discharge port. The variable volume expander includes a sub suction port as a suction port in addition to the main suction port, and changes the suction volume by opening and closing the sub suction port. An example of a scroll expander that includes a plurality of sub suction ports and changes the suction volume in multiple stages is disclosed in
しかしながら、従来の膨張機では、各サブ吸入ポートの開閉について特段の配慮がない。このため、吸入冷媒の圧力を適切な範囲内に維持するのが困難という問題があった。膨張機において、吸入冷媒の圧力が高すぎて耐圧限界を超えると、膨張機自身や吸入圧領域の配管等を損傷するおそれがあり、一方、吸入冷媒の圧力が低すぎると、膨張前後の差圧が小さくなって効率が悪化する。特許文献1〜3に記載される構成のいずれについても、このような吸入冷媒の圧力に関する配慮は必ずしも十分になされていない。少なくとも、吸入冷媒の圧力を適切な範囲内に維持するための具体的なサブ吸入ポートの開閉制御については記載がない。
However, in the conventional expander, there is no special consideration for opening and closing of each sub suction port. For this reason, there has been a problem that it is difficult to maintain the pressure of the suction refrigerant within an appropriate range. In an expander, if the pressure of the suction refrigerant is too high and exceeds the pressure limit, the expander itself or the piping in the suction pressure area may be damaged, while if the pressure of the suction refrigerant is too low, the difference between before and after the expansion. The pressure decreases and efficiency decreases. In any of the configurations described in
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、膨張機の入口の圧力を耐圧限界以下でかつできるだけ高い圧力に精度よく制御することのできる膨張機を提供することを目的とする。 The present invention was made to solve such problems, and an object of the present invention is to provide an expander that can accurately control the pressure at the inlet of the expander below the pressure limit and as high as possible. To do.
この発明に係る膨張機は、少なくとも1つの膨張室と、膨張室のいずれかと連通するメイン吸入ポートと、膨張室のいずれかと連通する少なくとも1つのサブ吸入ポートと、サブ吸入ポートと膨張室とを連通及び遮断するサブ吸入ポート弁とを備えた膨張機であって、この膨張機は、サブ吸入ポート弁の開度を調整する制御手段と、膨張機に吸入される冷媒の圧力を検出する圧力検出手段とをさらに備え、制御手段には、冷媒の目標圧力が予め設定されており、制御手段は、圧力検出手段による検出値を目標圧力に一致させるように、サブ吸入ポート弁の開度を調整する。目標圧力を、耐圧限界以下でかつできるだけ高い圧力に設定することにより、膨張機に吸入される冷媒の圧力が、耐圧限界以下でかつできるだけ高い圧力に制御される。
複数の前記サブ吸入ポートを備え、制御手段は、圧力検出手段による検出値を目標圧力に一致させるように、複数のサブ吸入ポートのうちの1つのサブ吸入ポートに対応するサブ吸入ポート弁の開度を調整し、1つのサブ吸入ポートに対応するサブ吸入ポート弁の開度が全開又は全閉になっても圧力検出手段による検出値が目標圧力に一致しない場合に、複数のサブ吸入ポートのうちの他の1つのサブ吸入ポートに対応するサブ吸入ポート弁の開度を調整してもよい。
複数の前記サブ吸入ポートを備え、制御手段は、圧力検出手段による検出値を目標圧力に一致させるように、複数のサブ吸入ポートのうちの少なくとも2つのサブ吸入ポートに対応するサブ吸入ポート弁の開度を同時に調整してもよい。
膨張機に吸入される冷媒の温度を検出する温度検出手段と、膨張機に吸入される冷媒の流量を調整する流量調整手段とをさらに備え、流量調整手段には、冷媒の目標温度が予め設定されており、流量調整手段は、温度検出手段による検出値を目標温度に一致させるように、流量を調整してもよい。
制御手段にはさらに、目標圧力よりも低い所定圧力と、任意の一定の温度である所定温度とが予め設定されており、圧力検出手段による検出値が所定圧力以上かつ温度検出手段による検出値が所定温度以上のときに、制御手段は、圧力検出手段による検出値を目標圧力に一致させるように、サブ吸入ポート弁の開度を調整してもよい。
膨張機はスクロール式膨張機であってもよい。
An expander according to the present invention includes at least one expansion chamber, a main suction port communicating with any of the expansion chambers, at least one sub suction port communicating with any of the expansion chambers, a sub suction port, and the expansion chamber. An expander having a sub-suction port valve that communicates and shuts off, the expander having a control means for adjusting the opening of the sub-suction port valve, and a pressure for detecting the pressure of refrigerant sucked into the expander The control means is preset with a target pressure of the refrigerant, and the control means adjusts the degree of opening of the sub suction port valve so that the detected value by the pressure detection means matches the target pressure. adjust. By setting the target pressure to be as high as possible below the pressure limit, the pressure of the refrigerant sucked into the expander is controlled to be as high as possible below the pressure limit.
A plurality of the sub suction ports are provided, and the control means opens the sub suction port valve corresponding to one sub suction port of the plurality of sub suction ports so that the detected value by the pressure detection means matches the target pressure. If the detected value by the pressure detection means does not match the target pressure even when the degree of opening of the sub suction port valve corresponding to one sub suction port is fully opened or fully closed, The opening degree of the sub suction port valve corresponding to one of the other sub suction ports may be adjusted.
A plurality of the sub suction ports are provided, and the control means includes a sub suction port valve corresponding to at least two sub suction ports of the plurality of sub suction ports so that the detected value by the pressure detection means matches the target pressure. You may adjust an opening degree simultaneously.
The apparatus further comprises temperature detecting means for detecting the temperature of the refrigerant sucked into the expander, and a flow rate adjusting means for adjusting the flow rate of the refrigerant sucked into the expander, and the target temperature of the refrigerant is preset in the flow rate adjusting means. The flow rate adjusting means may adjust the flow rate so that the detected value by the temperature detecting means matches the target temperature.
Further, a predetermined pressure lower than the target pressure and a predetermined temperature that is an arbitrary constant temperature are set in advance in the control means, and the detected value by the pressure detecting means is equal to or higher than the predetermined pressure and the detected value by the temperature detecting means is When the temperature is equal to or higher than the predetermined temperature, the control means may adjust the opening of the sub suction port valve so that the value detected by the pressure detection means matches the target pressure.
The expander may be a scroll expander.
この発明によれば、サブ吸入ポート弁を開閉することで膨張機の吸入容積を変更でき、サブ吸入ポート弁の開度を調整することによってサブ吸入ポートを介して吸入容積変更部分の膨張室に吸入される冷媒の流量を調整することができる。吸入容積を変更しながら、吸入容積変更部分への冷媒流量を調整することで膨張機の吸入絞り量を調整でき、膨張機に吸入される冷媒の圧力が目標圧力に一致するように制御されるので、膨張機の入口の圧力を耐圧限界以下でかつできるだけ高い圧力に精度よく制御することができる。 According to the present invention, the suction volume of the expander can be changed by opening and closing the sub suction port valve, and by adjusting the opening of the sub suction port valve, the expansion volume can be changed to the expansion chamber of the suction volume changing portion via the sub suction port. The flow rate of the sucked refrigerant can be adjusted. The suction throttle amount of the expander can be adjusted by adjusting the refrigerant flow rate to the suction volume change part while changing the suction volume, and the pressure of the refrigerant sucked into the expander is controlled to match the target pressure. Therefore, the pressure at the inlet of the expander can be accurately controlled to be as high as possible below the pressure limit.
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は、この発明の実施の形態1に係る膨張機100を含むランキンサイクルR1の構成を示している。ランキンサイクルR1はたとえば車両に搭載される。膨張機100はスクロール式の容積可変型膨張機であり、ランキンサイクルR1を循環する冷媒を吸入し、膨張して吐出する。
Embodiments of the present invention will be described below with reference to the accompanying drawings.
FIG. 1 shows the configuration of a Rankine cycle R1 including an
ランキンサイクルR1は、ポンプ1、ボイラー2、膨張機100、コンデンサ3をこの順に環状に接続する循環路を形成しており、作動流体としての冷媒が流通するようになっている。ポンプ1は、モータ4によって駆動され、液体の冷媒をボイラー2に圧送する。ボイラー2は、ポンプ1によって送られた冷媒と、車両のエンジン5の排気系統6の排気ガスとを内部で互いに熱交換させ、冷媒を加熱する。
The Rankine cycle R1 forms a circulation path that connects the
膨張機100は、その内部で、ボイラー2で加熱された後の高温高圧の冷媒を膨張させ、これによって回転駆動力を取り出す。この回転駆動力は、動力伝達機構7を介してエンジン5に伝達され、エンジン5の回転駆動力を補助する。動力伝達機構7はたとえばプーリおよびベルトによって構成される。コンデンサ3は、膨張機100から吐出された冷媒を内部に流通させてコンデンサ3の周囲の空気と熱交換させ、冷媒を冷却・凝縮させる。そして、ポンプ1は、凝縮した液体の冷媒を再び圧送し、ランキンサイクルR1を循環させる。
The
膨張機100は、膨張機100に吸入される冷媒の圧力を検出する圧力検出手段として、圧力センサS1を備えている。圧力センサS1は、ランキンサイクルR1において膨張機100の上流側に設けられ、冷媒の圧力を電気信号に変換して出力する。また、膨張機100は、膨張機100自身を制御する制御手段としてのECU8を備えている。ECU8には、圧力センサS1による検出値Pについての、すなわち膨張機100の入口の圧力についての目標圧力Ptとして、膨張機100の耐圧限界以下でかつできるだけ高い圧力が予め設定されている。尚、目標圧力Ptと膨張機100の耐圧限界との差としては、後述する動作によって検出値Pを目標圧力Ptに一致させるように調整する際に、検出値Pの振れ幅を考慮しても、検出値Pが膨張機100の耐圧限界に達しないようにするために十分な差が必要である。
The
図2には、膨張機100の構成が示されている。膨張機100は、膨張部101と、発電部102とを含んでいる。
膨張機100は、膨張部101の筐体を構成する膨張部ハウジング10と、発電部102の筐体を構成する発電部ハウジング20とを有している。膨張部ハウジング10は、第一膨張部ハウジング10aおよび第二膨張部ハウジング10bからなる。第二膨張部ハウジング10bの両側に、第一膨張部ハウジング10aおよび発電部ハウジング20が連結されている。
FIG. 2 shows the configuration of the
The
膨張部101は、第一膨張部ハウジング10aの内部に固定スクロール11を有している。固定スクロール11は、第一膨張部ハウジング10aに固定されている。また、固定スクロール11は、板状の基板11aと渦巻壁11bとによって形成されている。渦巻壁11bは基板11a上に渦巻き状に形成され、基板11aから第二膨張部ハウジング10bに向かう方向に突出している。
The inflating
また、膨張部101は、第二膨張部ハウジング10bの内部から第一膨張部ハウジング10aの内部にわたって、固定スクロール11と対向するように、可動スクロール12を有している。可動スクロール12は、固定スクロール11に対して第二膨張部ハウジング10b側に配置されており、固定スクロール11の基板11aと略平行に配置される基板12aと、渦巻壁12bとによって形成されている。渦巻壁12bは基板12a上に渦巻き状に形成され、基板12aから固定スクロール11の基板11aに向かって突出している。また、可動スクロール12では、基板12aから渦巻壁12bと反対側に、筒状のシャフト支持部12dが突出して形成されている。
Further, the inflating
そして、可動スクロール12は、その渦巻壁12bが固定スクロール11の渦巻壁11b同士の間にはまりこむようにして、配置されている。可動スクロール12の渦巻壁12bは、固定スクロール11の渦巻壁11bと当接することによって、閉鎖された空間である三日月状の膨張室40を形成することができる。
The
第一膨張部ハウジング10aの内部では、固定スクロール11に対して可動スクロール12の反対側に、吸入室10cが形成されている。吸入室10cは、第一膨張部ハウジング10aを貫通する吸入通路10dを介して、膨張機100の外部と連通する。
A
第一膨張部ハウジング10aおよび渦巻壁11bには、渦巻壁11bの最も外側の部分と第一膨張部ハウジング10aとを貫通して延びる吐出通路10eが形成されている。可動スクロール12の位置に応じて、膨張室40と膨張機100の外部とが吐出通路10eを介して連通する。
A
膨張部101は、可動スクロール12のシャフト支持部12d側に、駆動シャフト13を有している。駆動シャフト13は、第二膨張部ハウジング10b内の軸受14によって回転可能に支持される拡径部13bと、拡径部13bから発電部ハウジング20側に延びるメインシャフト部13aと、拡径部13bから可動スクロール12のシャフト支持部12d内に延びる偏心シャフト部13cとを一体に有している。
The
メインシャフト部13a、拡径部13bおよび偏心シャフト部13cはいずれも略円柱状であり、メインシャフト部13aの中心軸と拡径部13bの中心軸とは同一直線上にある。また、偏心シャフト部13cの中心軸は、メインシャフト部13aおよび拡径部13bの中心軸と平行であるが同一直線上にはない位置に配置される。すなわち、偏心シャフト部13cの中心軸は偏心している。また、偏心シャフト部13cは、ブッシュ15およびその外周の軸受16を介して、シャフト支持部12dと回転自在に嵌合している。
The
よって、偏心シャフト部13cは、メインシャフト部13aおよび拡径部13bの中心軸の周りを旋回するように回転することができる。そして、可動スクロール12は、メインシャフト部13aおよび拡径部13bの中心軸の周りを公転運動することによって、偏心シャフト部13cを介して、メインシャフト部13aおよび拡径部13bをその中心軸周りに回転させることができる。また、可動スクロール12が公転運動することによって、膨張室40がメイン吸入ポート30と連通して形成され、その後メイン吸入ポート30から隔絶されて固定スクロール11の基板11aの周縁に移動しつつ、容積を増大させる。
Therefore, the
メインシャフト部13aの端部は、発電部ハウジング20に設けられた軸受20bによって回転可能に支持され、さらに発電部ハウジング20から突出して動力伝達機構7のプーリ(図1参照)に連結されている。また、発電部ハウジング20の内部において、メインシャフト部13aの周りにロータ21が設けられ、メインシャフト部13aと一体に回転するように固定されている。さらに、発電部ハウジング20の内周面には、ロータ21を取り囲むようにして、コイル22aを有するステータ22が固定されている。そして、発電部ハウジング20、メインシャフト部13a、ロータ21およびステータ22は、発電部102を構成し、発電部102は、メインシャフト部13aが回転されてロータ21が回転することによってステータ22のコイル22aに電流を発生することができる。
An end portion of the
図3および図4は、図2のIII−III線による断面図において、固定スクロール11の中央周辺を拡大したものである。なお、図3と図4とでは、可動スクロール12の位置が異なっており、いずれも必ずしも図2における可動スクロール12の位置とは整合しない。
3 and 4 are enlarged views of the center periphery of the fixed
固定スクロール11の基板11aには、吸入室10cと膨張室40とを連通する吸入ポートとして、単一のメイン吸入ポート30と、2つのサブ吸入ポート31aおよび31bとが形成されている。メイン吸入ポート30はたとえば基板11aの中央を貫通して設けられる。メイン吸入ポート30は、少なくとも膨張機100の膨張動作中は常に開いている。
On the
図5に示されるように、サブ吸入ポート31aおよび31bには、それぞれ対応するサブ吸入ポート弁32aおよび32bが設けられている。サブ吸入ポート弁32aおよび32bはそれぞれECU8に接続されており、ECU8からの制御信号に応じて、それぞれの開度が調整されるようになっている。
As shown in FIG. 5, the
図3は、サブ吸入ポート31aおよび31bのサブ吸入ポート弁32aおよび32b(図5参照)がいずれも全閉の場合の、吸入完了時点に対応する可動スクロール12の位置を示している。固定スクロール11の中央側端が可動スクロール12と接し、同時に可動スクロール12の中央側端が固定スクロール11と接し、これによって膨張室40aおよび40bがメイン吸入ポート30から隔絶されて形成される。この時点が図3の状態に対応する。サブ吸入ポート弁32aおよび32bがいずれも全閉の場合、この時点で膨張室40aおよび40bは吸入室10cから隔絶されることになり、吸入行程が完了する。
FIG. 3 shows the position of the
図4は、サブ吸入ポート31aおよび31bのサブ吸入ポート弁32aおよび32b(図5参照)がいずれも任意の開度で開いている場合の、吸入完了時点に対応する可動スクロール12の位置を示している。膨張室40aおよび40bがメイン吸入ポート30から隔絶されて形成された時点(図3に対応する時点)では、膨張室40aおよび40bはそれぞれサブ吸入ポート31aおよび31bを介して吸入室10cと連通しているので、いずれも吸入行程は継続中である。その後、可動スクロール12がさらに回転し、サブ吸入ポート31aおよび31bを塞ぐ位置に達する。この時点が図4の状態に対応する。この時点で膨張室40aおよび40bは吸入室10cから隔絶されることになり、吸入行程が完了する。
FIG. 4 shows the position of the
サブ吸入ポート弁32aおよび32bが任意の開度で開いている場合(図4)には、これらが全閉の場合(図3)と比較して吸入行程の完了が遅くなるので、吸入容積がより大きくなる。さらに、開度に応じて、吸入容積が大きくなった部分のサブ吸入ポート31aおよび31bを介しての吸入冷媒流量が異なる。すなわち、開度が大きくなるほど、吸入冷媒流量が大きくなる。吸入容積を変更しながら、吸入容積変更部分への冷媒流量を調整することで膨張機100の吸入絞り量を調整でき、膨張機に吸入される冷媒の圧力Pが目標圧力Ptに一致するように制御される。このように、膨張機100の吸入圧力は、各サブ吸入ポート31aおよび31bに対応するサブ吸入ポート弁32aおよび32bの開度の調整により、連続的な調整が可能となる。
When the sub suction port valves 32a and 32b are opened at an arbitrary opening degree (FIG. 4), the completion of the suction stroke is delayed as compared with the case where they are fully closed (FIG. 3). Become bigger. Furthermore, the flow rate of the intake refrigerant through the
次に、この発明の実施の形態1に係る膨張機100を含むランキンサイクルR1の動作を、図1〜5に基づいて説明する。
車両のエンジン5の稼動中、エンジン5から排気系統6に排出された排気ガスは、ボイラー2の内部を流通した後、車両の外部に排出される。エンジン5の稼働初期には、エンジン5の回転駆動力が動力伝達機構7を介して膨張機100に伝達され、それによって、膨張部101および発電部102が回転駆動される。
Next, operation | movement of Rankine cycle R1 containing the
During operation of the
また、エンジン5の稼動中、ポンプ1がモータ4によって駆動される。これによって、ポンプ1は、液体状態の冷媒をボイラー2に向かって圧送する。ポンプ1によって断熱加圧作用を受けた冷媒は、ボイラー2において排気ガスと熱交換を行うことによって等圧加熱されて高温高圧の過熱蒸気となり、膨張機100に吸入され、断熱膨張して流出する。流出した冷媒は、コンデンサ3に流入し、コンデンサ3では周囲の空気すなわち外気と熱交換を行うことによって等圧冷却されて凝縮し液体状態となって流出する。さらに、コンデンサ3から流出した冷媒は、ポンプ1に吸入されて再度圧送され、ランキンサイクルR1を循環する。
Further, the
ボイラー2から流出した高温高圧の冷媒は、膨張部101の吸入通路10dを通って吸入室10cに流入する。さらに、吸入室10cからメイン吸入ポート30(および、サブ吸入ポート弁32aおよび32bが任意の開度で開いている場合には、サブ吸入ポート31aおよび31b)を通って膨張室40に流入する。膨張室40内の冷媒は、その膨張力によって膨張室40の容積を増大させる方向への回転駆動力を可動スクロール12に付与し、それにより、膨張室40は、固定スクロール11の基板11aの中央のメイン吸入ポート30近傍で形成された後、可動スクロール12の回転に伴ってその容積を増加させつつ基板11aの周縁に向かって移動し、吐出通路10eと連通するようになる。そして、容積を増加させた膨張室40内で膨張した冷媒は、膨張部101の外部に排出される。
The high-temperature and high-pressure refrigerant that has flowed out of the
このとき、冷媒の膨張力による可動スクロール12の回転駆動力が、駆動シャフト13を介して伝達されることで、発電部102のロータ21を回転駆動すると共にエンジン5の回転駆動力を補助する。ロータ21が回転することによって、ステータ22のコイル22aに交流電流が発生し、発生した交流電流は、図示しないコンバータで直流電流に変換された後、バッテリ等に充電される。
At this time, the rotational driving force of the
図6は、ECU8によるサブ吸入ポート弁32aおよび32bの制御の例を示す。図6に示すように、時間とともに圧力センサS1による検出値Pが変動しているとする。ECU8(図1)は、検出値Pが、ECU8に設定されている目標圧力Ptに一致するように、サブ吸入ポート弁32aおよび32bを制御する。たとえば、サブ吸入ポート弁32aおよび32bがいずれも全閉の状態のときに検出値Pが上昇し目標圧力Ptより大きくなると(図6のA)、ECU8はサブ吸入ポート弁32aのみを開き、その開度を徐々に大きくしていく。すると、冷媒は、メイン吸入ポート30を介してだけでなく、サブ吸入ポート弁32aの開度に応じた流量で冷媒がサブ吸入ポート31aを介しても膨張機100に吸入されるので吸入絞り量が小さくなり、その結果、検出値Pが低下していく。サブ吸入ポート弁32aが任意の開度で開いている状態で検出値Pが低下していき、目標圧力Ptより小さくなると(図6のB)、ECU8はサブ吸入ポート弁32aの開度を徐々に小さくしていく。すると、サブ吸入ポート31aを介して膨張機100に吸入される冷媒の流量が低下するので、吸入絞り量が大きくなり、その結果、検出値Pが上昇する。このように、ECU8は、サブ吸入ポート31aの開度を調整することにより、検出値Pが目標圧力Ptに一致するように制御する。
FIG. 6 shows an example of control of the sub suction port valves 32a and 32b by the
また、サブ吸入ポート弁32aの開度を大きくしていき全開の状態になっても検出値Pが上昇し目標圧力Ptより大きい場合には、ECU8は、サブ吸入ポート弁32bを開き、その開度を徐々に大きくしていく。すると、冷媒は、メイン吸入ポート30およびサブ吸入ポート31aを介してだけでなく、サブ吸入ポート弁32bの開度に応じた流量で冷媒がサブ吸入ポート31bを介しても膨張機100に吸入されるので吸入絞り量が小さくなり、その結果、検出値Pが低下していく。
Further, in the case even if the fully opened gradually increasing the opening degree of the sub suction port valve 32a increases and the detected value P is greater than the target pressure P t is,
さらに、サブ吸入ポート弁32aが全開かつサブ吸入ポート弁32bが任意の開度で開いている状態で検出値Pが目標圧力Ptより小さい場合には、サブ吸入ポート弁32bの開度を小さくすることにより吸入絞り量を大きくしていくが、サブ吸入ポート弁32bが全閉になっても検出値Pが目標圧力Ptより小さい場合には、ECU8は、サブ吸入ポート弁32aの開度を小さくすることにより、検出値Pが目標圧力Ptに一致するように制御する。
Furthermore, when the detected value P in a state in which the sub-intake port valve 32a is fully opened and the sub suction port valve 32b is opened at an arbitrary opening degree is less than the target pressure P t is, decreases the opening of the sub-intake port valve 32b gradually increasing the amount of throttle intake by, but if the detected value P be sub suction port valve 32b is fully closed is less than the target pressure P t is,
以上の説明では、サブ吸入ポート弁32aおよび32bそれぞれの開度調整は、一方のサブ吸入ポート弁の開度が全開又は全閉になっても検出値Pが目標圧力Ptに一致しない場合に他方のサブ吸入ポート弁の開度を調整するようにしているが、この方法に限定するものではない。サブ吸入ポート弁32aおよび32bそれぞれを、同時に同じ開度になるように調整したり、同時に異なる開度で調整したり、開度調整の始まり又は終りの段階ではいずれか一方のサブ吸入ポート弁のみの開度調整を行うが、それ以外の段階では、同時に同じ開度又は異なる開度で調整したりしてもよい。 In the above description, each of the opening regulating sub suction port valves 32a and 32b, when the detected value P be the opening of one of the sub-intake port valve becomes fully open or fully closed does not match the target pressure P t The opening degree of the other sub suction port valve is adjusted, but the present invention is not limited to this method. Each of the sub suction port valves 32a and 32b is adjusted so as to have the same opening degree at the same time, adjusted at different opening degrees at the same time, or only one of the sub suction port valves at the beginning or end of the opening degree adjustment. However, it may be adjusted at the same opening or different opening at the same time.
このように、サブ吸入ポート弁32aおよび32bを開閉することで膨張機100の吸入容積を変更でき、サブ吸入ポート弁32aおよび32bの開度を調整することによってサブ吸入ポート31aおよび31bを介して吸入容積変更部分の膨張室40に吸入される冷媒の流量を調整することができる。吸入容積を変更しながら、吸入容積変更部分への冷媒流量を調整することで膨張機100の吸入絞り量を調整でき、膨張機100に吸入される冷媒の圧力(圧力センサS1による検出値P)が目標圧力Ptに一致するように制御されるので、膨張機100の入口の圧力を耐圧限界以下でかつできるだけ高い圧力に精度よく制御することができる。
Thus, the suction volume of the
実施の形態1ではサブ吸入ポートの数は2であるが、1つのサブ吸入ポートが設けられてもよく、または3以上のサブ吸入ポートが設けられてもよい。いずれの場合にも、それぞれのサブ吸入ポートには、開度調整可能なサブ吸入ポート弁が設けられる。1つのサブ吸入ポートが設けられる場合には、実施の形態1において検出値Pを目標圧力Ptに一致させる制御を行うに当たり、サブ吸入ポート弁32aの開度調整についての説明が当てはまる。3以上のサブ吸入ポートが設けられる場合には、それぞれのサブ吸入ポート弁を、同時に同じ開度になるように調整したり、同時に異なる開度で調整したり、開度調整の始まり又は終りの段階ではいずれか1つのサブ吸入ポート弁のみの開度調整を行うが、それ以外の段階では、他の少なくとも2つのサブ吸入ポート弁を、同時に同じ開度又は異なる開度で調整したりしてもよい。 In the first embodiment, the number of sub suction ports is two, but one sub suction port may be provided, or three or more sub suction ports may be provided. In any case, each sub suction port is provided with a sub suction port valve whose opening degree can be adjusted. If one sub-intake port is provided, in performing control for matching the detected value P to the target pressure P t in the first embodiment, description of the adjustment of the opening degree of the sub suction port valve 32a applies. When three or more sub-suction ports are provided, each sub-suction port valve is adjusted so as to have the same opening degree at the same time, adjusted at different opening degrees, or at the beginning or end of opening degree adjustment. In the stage, only the opening of only one sub suction port valve is adjusted. In other stages, the other at least two sub suction port valves are adjusted at the same opening degree or different opening degree at the same time. Also good.
実施の形態1では、サブ吸入ポートごとに別々のサブ吸入ポート弁が設けられていたが、この形態に限定するものではない。1つのサブ吸入ポート弁で複数のサブ吸入ポートの開度調整が行えるものであってもよい。このようなサブ吸入ポート弁の例をたとえば図7に示す。図7(a)に示されるように、サブ吸入ポート弁32cは、固定スクロール11の基板11aの吸入室10c(図2参照)側の面11a1に、回転軸33を介して、回転軸33を中心に回転可能に設けられた板状の部材である。
In the first embodiment, a separate sub suction port valve is provided for each sub suction port. However, the present invention is not limited to this form. One sub suction port valve may be capable of adjusting the opening degree of a plurality of sub suction ports. An example of such a sub suction port valve is shown in FIG. As shown in FIG. 7A, the
図7(b)に示されるように、サブ吸入ポート弁32cには、サブ吸入ポート31a用の孔32c1と、サブ吸入ポート31b用の孔32c2とが形成されている。サブ吸入ポート弁32cが矢印Cの方向に回転すると、孔32c1とサブ吸入ポート31aとが部分的に重なり合って開口が形成され、この開口の大きさに応じた流量の冷媒がサブ吸入ポート31aに流入することになる。サブ吸入ポート弁32cが矢印Cの方向にさらに回転すると、孔32c1はサブ吸入ポート31aを完全に露出することになり、サブ吸入ポート31aが全開の状態となる。サブ吸入ポート弁32cが矢印Cの方向にさらに回転すると、サブ吸入ポート31aが全開の状態のまま、孔32c2とサブ吸入ポート31bとが部分的に重なり合って開口が形成され、この開口の大きさに応じた流量の冷媒がサブ吸入ポート31bに流入することになる。サブ吸入ポート弁32cが矢印Cの方向にさらに回転すると、孔32c2はサブ吸入ポート31bを完全に露出することになり、サブ吸入ポート31bも全開の状態となる。このように、サブ吸入ポート弁32cを矢印Cの方向に回転させて任意の位置で固定することにより、サブ吸入ポート31aおよび31bを任意の開度に調整することができる。
As shown in FIG. 7B, the sub
サブ吸入ポート弁32cにおける孔32c1および32c2の位置および形状を変更することにより、サブ吸入ポート31aおよび31bの開度調整を、同時に同じ開度になるように調整したり、同時に異なる開度で調整したり、開度調整の始まり又は終りの段階ではいずれか一方のサブ吸入ポートのみの開度調整を行うが、それ以外の段階では、他方のサブ吸入ポート弁を、同時に同じ開度又は異なる開度で調整したりすることができる。
By changing the positions and shapes of the holes 32c1 and 32c2 in the sub
膨張機100は、膨張部101のみによって構成され、発電部102を含まないものであってもよい。
The
実施の形態2.
次に、この発明の実施の形態2に係る膨張機について説明する。尚、以下の実施の形態において、図1〜7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に係る膨張機は、実施の形態1に対して、膨張機の入口の圧力のみならず温度にも基づく制御を行うようにしたものである。
Next, an expander according to
The expander according to
図8は、実施の形態2に係る膨張機100aを含むランキンサイクルR2の構成を示している。膨張機100aは、膨張機100aに吸入される冷媒の温度を検出する温度検出手段として、温度センサS2を備えている。また、ランキンサイクルR2には、ポンプ1と並列にバイパスBが設けられている。バイパスBには、バイパスBを流れる冷媒の流量を調整する流量可変バルブVが設けられている。さらに、ポンプ1と膨張機100aとは同一の駆動軸9を共有している。
FIG. 8 shows a configuration of a Rankine cycle R2 including the
温度センサS2は、ランキンサイクルR2において膨張機100aの上流側に設けられ、冷媒の温度を電気信号に変換し、ECU8bに出力する。ECU8bは、温度センサS2からの電気信号を受信し、これに基づいて流量可変バルブVの動作を制御する。尚、ECU8bには、温度センサS2による検出値Tについての、すなわち膨張機100の入口の温度についての目標温度が予め設定されている。目標温度は、膨張機100aに吸入される冷媒の圧力に応じて決まる最適な温度であり、たとえば冷媒の等エントロピ線とすることができる。図9に、目標圧力Ptおよび目標温度の概念図を示す。また、ECU8aは、圧力センサS1からの電気信号を受信し、これに基づいて膨張機100aの動作を制御する。このように、実施形態2においては、ECU8b、バイパスBおよび流量可変バルブVは、流量調整手段を構成する。その他の構成は、実施の形態1と同じである。
The temperature sensor S2 is provided on the upstream side of the
膨張機100aの入口の圧力の制御については、実施の形態1で説明した動作と同じである。膨張機100aの入口の温度の制御については、温度センサS2による検出値Tが目標温度線に一致するように、ECU8bが流量可変バルブVの開度を調整する。具体的には、検出値Tが、図9において目標温度線よりも上側に位置する場合には、検出値Tが目標温度よりも低いため、ECU8bは流量可変バルブVの開度を大きくする。すると、ポンプ1によって圧送された冷媒のうち、バイパスBを流れる冷媒の流量が増加し、ボイラー2に流入する冷媒の流量が低下する。これにより、膨張機100aに吸入される冷媒の温度が上昇する。逆に、検出値Tが、図9において目標温度線よりも下側に位置する場合には、検出値Tが目標温度よりも高いため、ECU8bは流量可変バルブVの開度を小さくする。すると、ポンプ1によって圧送された冷媒のうち、バイパスBを流れる冷媒の流量が低下し、ボイラー2に流入する冷媒の流量が増加する。これにより、膨張機100aに吸入される冷媒の温度が低下する。この動作により、温度センサS2による検出値Tが目標温度に一致するように制御される。
The control of the pressure at the inlet of the
このように、膨張機100aに吸入される冷媒の流量を調整する流量調整手段を設けることにより、膨張機100aに吸入される冷媒の圧力が目標圧力Ptに一致するように制御されるだけでなく、膨張機100aに吸入される冷媒の温度も目標温度に一致するように制御されるので、膨張機100aの入口における冷媒の状態を、実施の形態1よりもさらに膨張効率の高い状態に維持することができる。
尚、実施の形態2においても、実施の形態1と同様の変形を施すことができる。
Thus, by providing the flow rate adjusting means for adjusting the flow rate of the refrigerant sucked into the
Note that the second embodiment can be modified in the same manner as the first embodiment.
実施の形態3.
次に、この発明の実施の形態3に係る膨張機について説明する。
この発明の実施の形態3に係る膨張機は、実施の形態2に対して、膨張機の入口の圧力および温度に基づく制御方法を変更したものである。
Next, an expander according to
The expander according to
図10は、実施の形態3に係る膨張機100bを含むランキンサイクルR3の構成を示している。ECU8aは、圧力センサS1および温度センサS2からの両方の電気信号を受信し、これらに基づいて膨張機100bの動作を制御する。また、ECU8aにはさらに、目標圧力Ptよりも低い圧力の任意に設定可能な所定圧力Ppと、任意に設定可能な一定の温度である(圧力センサS1による検出値Pに依存しない)所定温度Tpとが予め設定されている。その他の構成は、実施の形態2と同じである。
FIG. 10 shows a configuration of a Rankine cycle R3 including the
図11は、膨張機100bに吸入される冷媒の状態(圧力と温度との関係)を、所定圧力Ppと、所定温度Tpとに基づいて、3つの制御領域に分割している。ECU8aは、圧力センサS1による検出値Pが所定圧力Pp以上かつ温度センサS2による検出値Tが所定温度Tp以上のときに、実施の形態1と同様の動作で圧力センサS1による検出値Pが目標圧力Ptに一致するようにサブ吸入ポート弁32aおよび32bの開度を調整する。一方、膨張機100bに吸入される冷媒の温度制御は、圧力センサS1による検出値Pが所定圧力Pp以上か以下か温度センサS2による検出値Tが所定温度Tp以上か以下かにかかわらず、実施の形態2と同様の動作で、温度センサS2による検出値Tが目標温度に一致するように制御される。
Figure 11 shows a state of the refrigerant sucked into the
このように、圧力センサS1による検出値Pが所定圧力Pp以上かつ温度センサS2による検出値Tが所定温度Tp以上のときに、膨張機100bに吸入される冷媒の圧力を目標圧力Ptに一致するように制御することによっても、実施の形態2と同様の効果を得ることができる。
尚、実施の形態3においても、実施の形態1と同様の変形を施すことができる。
Thus, when the detected value P by the pressure sensor S1 detects value T by a predetermined pressure P p or more and a temperature sensor S2 is higher than a predetermined temperature T p, the pressure target pressure P t of the refrigerant sucked into the
In the third embodiment, the same modifications as in the first embodiment can be made.
実施の形態2及び3では、流量調整手段は、ECU8b、バイパスBおよび流量可変バルブVから構成され、流量可変バルブVの開度を変更してバイパスBを流通する冷媒の流量を調整することにより、膨張機に吸入される冷媒の流量を調整していたが、この形態に限定するものではない。ランキンサイクルに流量可変ポンプを設け、ランキンサイクルを循環する冷媒の流量を調整することにより、膨張機に吸入される冷媒の流量を調整するようにしてもよい。この場合、流量可変ポンプ又はポンプを駆動する回転数可変モータが流量調整手段を構成する。
In the second and third embodiments, the flow rate adjusting means includes the
実施の形態1〜3では、膨張機100,100a,100bはいずれもスクロール式の容積可変型膨張機であったが、この形態に限定するものではない。任意の容積可変型膨張機、たとえばロータリー式等であってもよい。
実施の形態1〜3では、圧力センサS1はボイラー2の下流と膨張機100,100a,100bの上流に配置されるが、この位置に限定するものではなく、ポンプ1の下流から膨張機100,100a,100bの上流の領域のどこに配置されてもよい。
In the first to third embodiments, the
In the first to third embodiments, the pressure sensor S1 is disposed downstream of the
8、8a ECU(制御手段)、8b ECU(流量調整手段)、30 メイン吸入ポート、31a、31b サブ吸入ポート、32a、32b サブ吸入ポート弁、40、40a、40b 膨張室、100、100a、100b 膨張機、V 流量可変バルブ(流量調整手段)、R1〜R3 ランキンサイクル、S1 圧力センサ(圧力検出手段)、S2 温度センサ(温度検出手段)、P (圧力検出手段による)検出値、Pp 所定圧力、Pt 目標圧力、T (温度検出手段による)検出値、Tp 所定温度。 8, 8a ECU (control means), 8b ECU (flow rate adjusting means), 30 main suction port, 31a, 31b sub suction port, 32a, 32b sub suction port valve, 40, 40a, 40b expansion chamber, 100, 100a, 100b Expander, V flow variable valve (flow rate adjusting means), R1 to R3 Rankine cycle, S1 pressure sensor (pressure detecting means), S2 temperature sensor (temperature detecting means), detected value by P (by pressure detecting means), P p predetermined pressure, P t the target pressure, T (by temperature detecting means) detecting value, T p predetermined temperature.
Claims (6)
該膨張室のいずれかと連通するメイン吸入ポートと、
前記膨張室のいずれかと連通する少なくとも1つのサブ吸入ポートと、
該サブ吸入ポートと前記膨張室とを連通及び遮断するサブ吸入ポート弁と
を備えた膨張機であって、
該膨張機は、
該サブ吸入ポート弁の開度を調整する制御手段と、
前記膨張機に吸入される冷媒の圧力を検出する圧力検出手段と
をさらに備え、
前記制御手段には、前記冷媒の目標圧力が予め設定されており、前記制御手段は、前記圧力検出手段による検出値を前記目標圧力に一致させるように、前記サブ吸入ポート弁の開度を調整する膨張機。 At least one expansion chamber;
A main suction port in communication with any of the expansion chambers;
At least one sub-suction port in communication with any of the expansion chambers;
An expander comprising a sub suction port valve for communicating and blocking the sub suction port and the expansion chamber,
The expander is
Control means for adjusting the opening of the sub-suction port valve;
Pressure detecting means for detecting the pressure of the refrigerant sucked into the expander,
A target pressure of the refrigerant is preset in the control means, and the control means adjusts the opening of the sub suction port valve so that the detection value by the pressure detection means matches the target pressure. Expanding machine.
前記制御手段は、前記圧力検出手段による検出値を前記目標圧力に一致させるように、前記複数のサブ吸入ポートのうちの1つのサブ吸入ポートに対応するサブ吸入ポート弁の開度を調整し、前記1つのサブ吸入ポートに対応する前記サブ吸入ポート弁の開度が全開又は全閉になっても前記圧力検出手段による検出値が前記目標圧力に一致しない場合に、前記複数のサブ吸入ポートのうちの他の1つのサブ吸入ポートに対応するサブ吸入ポート弁の開度を調整する、請求項1に記載の膨張機。 A plurality of the sub suction ports;
The control means adjusts the opening of a sub suction port valve corresponding to one sub suction port of the plurality of sub suction ports so that the detection value by the pressure detection means matches the target pressure, If the detected value by the pressure detecting means does not match the target pressure even when the opening degree of the sub suction port valve corresponding to the one sub suction port is fully opened or fully closed, The expander of Claim 1 which adjusts the opening degree of the sub suction port valve corresponding to one other sub suction port of them.
前記制御手段は、前記圧力検出手段による検出値を前記目標圧力に一致させるように、前記複数のサブ吸入ポートのうちの少なくとも2つのサブ吸入ポートに対応するサブ吸入ポート弁の開度を同時に調整する、請求項1に記載の膨張機。 A plurality of the sub suction ports;
The control means simultaneously adjusts the opening degree of the sub suction port valve corresponding to at least two sub suction ports of the plurality of sub suction ports so that the detection value by the pressure detection means matches the target pressure. The expander according to claim 1.
前記膨張機に吸入される冷媒の流量を調整する流量調整手段と
をさらに備え、
該流量調整手段には、前記冷媒の目標温度が予め設定されており、前記流量調整手段は、前記温度検出手段による検出値を前記目標温度に一致させるように、前記流量を調整する、請求項1〜3のいずれか一項に記載の膨張機。 Temperature detecting means for detecting the temperature of the refrigerant sucked into the expander;
A flow rate adjusting means for adjusting the flow rate of the refrigerant sucked into the expander;
The target temperature of the refrigerant is preset in the flow rate adjusting means, and the flow rate adjusting means adjusts the flow rate so that a detection value by the temperature detecting means matches the target temperature. The expander as described in any one of 1-3.
前記目標圧力よりも低い所定圧力と、
任意の一定の温度である所定温度と
が予め設定されており、
前記圧力検出手段による検出値が前記所定圧力以上かつ前記温度検出手段による検出値が前記所定温度以上のときに、前記制御手段は、前記圧力検出手段による検出値を前記目標圧力に一致させるように、前記サブ吸入ポート弁の開度を調整する、請求項4に記載の膨張機。 The control means further includes
A predetermined pressure lower than the target pressure;
A predetermined temperature that is an arbitrary constant temperature is preset,
When the detected value by the pressure detecting means is equal to or higher than the predetermined pressure and the detected value by the temperature detecting means is equal to or higher than the predetermined temperature, the control means makes the detected value by the pressure detecting means coincide with the target pressure. The expander according to claim 4, wherein an opening degree of the sub suction port valve is adjusted.
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