JP2014231740A - 廃熱利用装置 - Google Patents

Abstract

【課題】内燃機関の出力の向上を実現しつつ、低コストで耐久性の高い廃熱利用装置を提供する。
【解決手段】実施例の廃熱利用装置は、駆動系１に用いられるランキンサイクル３と、バイパス路２９と、流量調整弁３１と、圧力センサ３５と、制御装置１１とを備えている。駆動系１は、エンジン５と、エンジン５に対して加圧空気を供給するターボチャージャ７とを有している。ランキンサイクル３は、電動ポンプＰ１と、加圧空気ボイラ１９と、膨張機２１と、凝縮器２３と、配管２５〜２８とを有している。電動ポンプＰ１は、駆動系１による出力要求が所定値を超えることで作動流体の吐出量を増大させる。制御装置１１は、設定蒸発圧力と圧力センサ３５が検知した検知圧力αとの比較に基づいて流量調整弁３１を制御することで、膨張機２１に流入する動流体の流量を調整する。
【選択図】図１

Description

本発明は廃熱利用装置に関する。

特許文献１に従来の廃熱利用装置が開示されている。この廃熱利用装置は、駆動系に用いられ、作動流体を循環させるランキンサイクルを備えている。駆動系は、内燃機関としてのエンジンと、エンジンに加圧空気を供給する過給器としてのターボチャージャとを有している。ランキンサイクルは、ポンプと、冷却水ボイラと、加圧空気ボイラと、膨張機と、凝縮器と、配管とを有している。冷却水ボイラでは、エンジンに対する冷却水と作動流体とが熱交換を行う。加圧空気ボイラでは、加圧空気と作動流体とが熱交換を行う。また、配管は、ポンプ、冷却水ボイラ、加圧空気ボイラ、膨張機及び凝縮器の順で作動流体を循環させる。

このような廃熱利用装置では、冷却水ボイラ及び加圧空気ボイラによって作動流体を加熱することが可能であることから、作動流体の膨張及び減圧時によって生じる圧力エネルギーを大きくすることが可能となる。このため、この廃熱利用装置では、ランキンサイクルにおいて回収可能なエネルギーの量を大きくすることが可能となっている。

特開２００８−８２２４号公報

ところで、ターボチャージャのような過給器を有する駆動系においては、エンジンのような内燃機関に供給する前に加圧空気を十分に冷却することが好ましい。冷却することで加圧空気の密度が大きくなり、エンジンに対してより多くの加圧空気を供給可能となることから、結果として、内燃機関の出力をより向上させることが可能となるためである。

この点、上記従来の廃熱利用装置では、加圧空気ボイラにおいて加圧空気を冷却可能である。このため、内燃機関の出力要求が大きい場合、例えば、ポンプによる作動流体の吐出量を変更して、配管を循環する作動流体の流量を増加させて、多くの作動流体を加圧空気ボイラに流入させることが考えられる。これにより、加圧空気と作動流体との熱交換がより好適に行われ、加圧空気を十分に冷却することが可能となり、出力要求に応じた加圧空気を内燃機関に供給することが可能となる。

しかし、このように作動流体の流量を増加させた場合、加圧空気ボイラを経て膨張機に流入する作動流体の流量が多くなり、蒸発圧力（ポンプの下流から膨張機の上流までの作動流体の圧力）が増大することとなる。一方、ランキンサイクルは設計段階において、膨張機等の構成部品が許容できる蒸発圧力が予め設定蒸発圧力として決定されている。このため、上記のように膨張機に流入する作動流体の流量が大きくなることで、蒸発圧力が設定蒸発圧力を超える事態が生じ得る。この場合、膨張機等の耐久性、ひいては廃熱利用装置の耐久性の低下が懸念されることとなる。特に、膨張機と内燃機関とを動力伝達可能に構成した場合、膨張機に流入させることが可能な作動流体の流量は、内燃機関の回転数に依存することとなる。このため、内燃機関の回転数が小さい場合には、蒸発圧力が設定蒸発圧力を超ええ易くなり、膨張機の耐久性の低下がより顕著となる。

このような問題に対しては、例えば、上限圧力が大きく設定された膨張機等を採用することが考えられる。しかしながら、この場合には膨張機等の製造コストが増大し、廃熱利用装置が高騰化することとなる。

本発明は、上記従来の実情に鑑みてなされたものであって、内燃機関の出力の向上を実現しつつ、低コストで耐久性の高い廃熱利用装置を提供することを解決すべき課題としている。

本発明の廃熱利用装置は、内燃機関と、該内燃機関に対して加圧空気を供給する過給器とを有する駆動系に用いられ、作動流体を循環させるランキンサイクルを備え、
該ランキンサイクルは、ポンプと、該加圧空気と該作動流体との間で熱交換を行う加圧空気ボイラと、膨張機と、凝縮器と、該ポンプ、該加圧空気ボイラ、該膨張機及び凝縮器の順で該作動流体を循環させる配管とを有する廃熱利用装置において、
前記ポンプは前記駆動系による出力要求が所定値を超えた場合に前記作動流体の吐出量を増大可能であり、
該ポンプによる該作動流体の該吐出量が増大した場合に、該吐出量の増大に伴う前記ランキンサイクルの蒸発圧力の上昇を抑制する蒸発圧力抑制手段を備えていることを特徴とする（請求項１）。

本発明の廃熱利用装置はランキンサイクルを備えている。このランキンサイクルは、駆動系に用いられ、作動流体を循環させる。駆動系は、内燃機関と、この内燃機関に対して加圧空気を供給する過給器とを有している。ランキンサイクルは、ポンプと、加圧空気ボイラと、膨張機と、凝縮器と、配管とを有している。ポンプは、駆動系による出力要求に応じて作動流体の吐出量を変更可能である。加圧空気ボイラでは、加圧空気と作動流体とが熱交換を行う。配管は、ポンプ、加圧空気ボイラ、膨張機及び凝縮器の順で作動流体を循環させる。

発明者らの知見によれば、過給器によって圧縮された加圧空気は、約１５０°Ｃ程度の温度となる。このため、この廃熱利用装置では、加圧空気ボイラによって作動流体を十分に加熱することが可能となる。このため、この廃熱利用装置では、膨張機で作動流体を膨張及び減圧させた際の圧力エネルギーを大きくでき、ランキンサイクルにおいて回収可能なエネルギーの量を大きくすることができる。

また、この廃熱利用装置では、加圧空気ボイラにおける熱交換によって、加圧空気を冷却させることが可能である。このため、内燃機関に対して、多くの加圧空気を供給することが可能となる。さらに、この廃熱利用装置では、駆動系による出力要求が所定値を超えた場合に、ポンプが作動流体の吐出量を増大可能であることから、駆動系による出力要求が大きい場合には、配管を循環する作動流体の流量を増加させて、多くの作動流体を加圧空気ボイラに流入させることが可能となる。このため、この廃熱利用装置では、駆動系による出力要求に応じて内燃機関に加圧空気を十分に供給することが可能となる。

さらに、この廃熱利用装置は、ポンプによる作動流体の吐出量が増大した場合に、その吐出量の増大に伴うランキンサイクルの蒸発圧力の上昇を抑制する蒸発圧力抑制手段を備えている。

このため、この廃熱利用装置では、ポンプの吐出量が大きくなり、加圧空気ボイラに流入する作動流体の流量が多くなって、そのままではランキンサイクルの蒸発圧力が設定蒸発圧力以上に増大するおそれがある場合でも、ランキンサイクルの蒸発圧力を設定蒸発圧力以下に抑制することが可能となる。ここで、本発明において、ランキンサイクルの蒸発圧力とは、ポンプの下流から膨張機の上流までの作動流体の圧力を指す。このため、この廃熱利用装置では、上限圧力が大きく設計された膨張機等の構成部品をランキンサイクルに設ける必要がない。

したがって、本発明の廃熱利用装置によれば、内燃機関の出力の向上を実現しつつ、低コストで耐久性を高くできる。

内燃機関としては、ガソリンエンジンやディーゼルエンジン等の他、種々の形式のエンジンを採用することができる。また、これらのエンジンはモータを組み合わせたハイブリッドエンジンでも良い。さらに、これらのエンジンは空冷式でも水冷式でも良い。一方、過給器としては、ターボチャージャやスーパーチャージャ等を採用することができる。なお、内燃機関や過給機は複数であっても良い。

また、本発明の廃熱利用装置は、加圧空気ボイラの下流の蒸発圧力を検知圧力として検知する圧力検知手段を備え得る。そして、予め定められる設定蒸発圧力と検知圧力とを比較して蒸発圧力抑制手段により蒸発圧力の上昇を抑制することが好ましい（請求項２）。

この場合、設定蒸発圧力の範囲内でランキンサイクルの蒸発圧力を維持しながら、膨張機に流入する作動流体の流量がより好適に抑制される。このため、この廃熱利用装置では、蒸発圧力が設定蒸発圧力を超える事態が好適に回避されて、膨張機の耐久性が高くできる。さらに、この場合には、膨張機で作動流体を膨張及び減圧させた際の圧力エネルギーを可及的に大きくできることから、ランキンサイクルにおいて回収可能なエネルギーの量をより大きくすることも可能となる。

本発明の廃熱利用装置において、蒸発圧力抑制手段は、加圧空気ボイラの下流で配管から分岐し、膨張機を迂回して配管に合流するバイパス路と、膨張機に流入する作動流体の流量とバイパス路に流入する作動流体の流量とを調整可能な流量調整弁とを有し得る（請求項３）。

この場合、流量調整弁により、加圧空気ボイラを経た作動流体のうち、膨張機に流入する作動流体の流量と、バイパス路に流入する作動流体の流量とを調整することが可能となる。このため、加圧空気ボイラから流出した作動流体は、バイパス路と膨張機とにそれぞれ流入することとなる。この際、バイパス路に流入した作動流体は膨張機を迂回して凝縮器に至ることとなる。このため、ポンプから吐出される作動流体の流量が増大することで、蒸発圧力が設定蒸発圧力超えて上昇するおそれがある場合には、作動流体の一部をバイバス路に流入させることで蒸発圧力の上昇を抑制することが可能となる。

また、本発明の廃熱利用装置において、蒸発圧力抑制手段は、膨張機に流入する作動流体の流量と、ポンプが吐出する作動流体の流量との比を変更する流量比変更手段であり得る（請求項４）。この流量比変更手段は、膨張機の単位回転数当たりの吸入容量を変更可能な容量制御手段であり得る（請求項５）。また、流量比変更手段は、膨張機の回転数を変更可能な変速手段であり得る（請求項６）。これらによっても、ランキンサイクルの蒸発圧力を設定蒸発圧力以下に抑制することが可能となる。

本発明の廃熱利用装置において、膨張機と内燃機関とは動力を伝達可能に構成されていることが好ましい（請求項７）。この場合、内燃機関の動力によって膨張機を作動させることが可能となるとともに、ランキンサイクルにおいて回収したエネルギーにより膨張機を作動させて、内燃機関に対して動力を回生することも可能となる。

本発明の廃熱利用装置によれば、内燃機関の出力の向上を実現しつつ、低コストで耐久性を高くできる。

実施例の廃熱利用装置を示す模式構造図である。 実施例の廃熱利用装置に係り、作動中の状態を示す模式構造図である。 実施例の廃熱利用装置に係り、駆動系の出力要求が所定値を超えた場合の作動状態を示す模式構造図である。

以下、本発明を具体化した実施例を図面を参照しつつ説明する。

（実施例）
実施例の廃熱利用装置は、車両に搭載され、図１に示すように、車両の駆動系１に用いられている。この廃熱利用装置は、ランキンサイクル３と、バイパス路２９と、流量調整弁３１と、圧力センサ３５と、制御装置１１とを備えている。これらのバイパス路２９及び流量調整弁３１が蒸発圧力抑制手段に相当する。また、圧力センサ３５が圧力検知手段に相当する。

駆動系１は、内燃機関としてのエンジン５と、過給器としてのターボチャージャ７と、図示しないラジエータとを有している。エンジン５は、公知の水冷式ガソリンエンジンである。エンジン５の内部には冷却水が流通可能なウォータジャケット（図示略）が形成されている。エンジン５には、このウォータジャケットとそれぞれ連通する流出口と流入口と（いずれも図示を省略する。）が形成されている。また、エンジン５には、排気を排出する排気口５ａと、後述する加圧空気を吸入する吸気口５ｂとが形成されている。

ターボチャージャ７には公用品が採用されている。ターボチャージャ７は、エンジン５から生じた排気によって作動され、エンジン５に対し、車外の空気を加圧した加圧空気を供給する。

エンジン５とターボチャージャ７とは配管９〜１１によって接続されている。また、配管１０と配管１１とには後述する加圧空気ボイラ１９が接続されている。配管９は内部を排気が流通可能となっており、エンジン５の排気口５ａとターボチャージャ７とに接続されている。一方、配管１０及び配管１１は内部を加圧空気が流通可能となっている。配管１０はターボチャージャ７と、加圧空気ボイラ１９の第１流入口１９ａとに接続されている。配管１１は加圧空気ボイラ１９の第１流出口１９ｂと、エンジン５の吸気口５ｂとに接続されている。

さらに、ターボチャージャ７には、配管１２、１３の各一端側が接続されている。配管１２の他端側は、図示しないマフラと接続されている。配管１３の他端側は図示しない車両のエアインテークに開口している。配管１２は、ターボチャージャ７を介して配管９と連通している。同様に、配管１３は、ターボチャージャ７を介して配管１０と連通している。

また、エンジン５はクランクシャフト１５を介して公知のプーリ１７と接続されている。プーリ１７は、第１、２プーリドラム１７ａ、１７ｂと、第１プーリドラム１７ａと第２プーリドラム１７ｂとを動力伝達可能に連結するプーリベルト１７ｃとを有している。クランクシャフト１５は第１プーリドラム１７ａに接続されており、エンジン５の動力によりプーリドラム１７ａを回転可能となっている。

ランキンサイクル３は、電動ポンプＰ１と、加圧空気ボイラ１９と、膨張機２１と、凝縮器２３と、配管２５〜２８とを有している。また、ランキンサイクル３には、バイパス路２９及び流量調整弁３１が一体に組み付けられている。配管２５〜２８及びバイパス路２９には、作動流体としてのＨＦＣ１３４ａが流通可能となっている。

加圧空気ボイラ１９には、第１流入口１９ａ及び第１流出口１９ｂと、第２流入口１９ｃ及び第２流出口１９ｄとが形成されている。また、加圧空気ボイラ１９内には、両端側でそれぞれ第１流入口１９ａ及び第１流出口１９ｂと連通する第１通路１９ｅと、両端側でそれぞれ第２流入口１９ｃ及び第２流出口１９ｄと連通する第２通路１９ｆとが設けられている。この加圧空気ボイラ１９では、第１通路１９ｅ内の加圧空気と、第２通路１９ｆ内の作動流体との熱交換により、加圧空気の冷却と作動流体の加熱とを行う。

膨張機２１は、加圧空気ボイラ１９を経て加熱された作動流体を膨張させることにより回転駆動力を発生させる。この膨張機２１等には、許容できる所定の蒸発圧力が予め設定蒸発圧力として決定されている。

膨張機２１には、その内部に作動流体を流入させる流入口２１ａと、作動流体を流出させる流出口２１ｂとが形成されている。また、膨張機２１には駆動軸３３の一端側が接続されている。この駆動軸３３の他端側は第２プーリドラム１７ｂに接続されている。上記のクランクシャフト１５、プーリ１７及び駆動軸３３により、膨張機２１とエンジン５とは動力を伝達可能となっている。なお、駆動軸３３の適宜箇所には、膨張機２１がエンジン５を駆動する方向にのみ回転を許容するワンウェイクラッチ（図示せず）が設けられている。

凝縮器２３には、その内部に作動流体を流入させる流入口２３ａと、作動流体を流出させる流出口２３ｂとが形成されている。凝縮器２３は、その内部を流通する作動流体と車外の空気との間で熱交換を行い、膨張機２１での膨張によって減圧された作動流体を冷却して液化させる。凝縮器２３の近傍には電動ファン２３ｃが設けられている。この電動ファン２３ｃは制御装置１１に電気的に接続されている。

バイパス路２９は、その内部に作動流体を流通させることにより、作動流体に膨張機２１を迂回させる。流量調整弁３１は、膨張機２１に流入する作動流体の流量と、バイパス路２９に流入する作動流体の流量とを調整することが可能となっている。この流量調整弁３１は制御装置１１に電気的に接続されている。

これらの加圧空気ボイラ１９、膨張機２１、凝縮器２３、バイパス路３９及び流量調整弁３１は、配管２５〜２８によって接続されている。具体的には、凝縮器２３の流出口２３ｂと加圧空気ボイラ１９の第２流入口１９ｃとは配管２５によって接続されている。加圧空気ボイラ１９の第２流出口１９ｄと流量調整弁３１とは配管２６によって接続されている。また、流量調整弁３１と膨張機２１の流入口２１ａとは配管２７によって接続されている。そして、膨張機２１の流出口２１ｂと凝縮器２３の流入口２３ａとは配管２８によって接続されている。また、バイパス路３３の一端側は流量調整弁３１と接続されており、その他端側は配管２８と接続されている。

電動ポンプＰ１は配管２５に設けられている。この電動ポンプＰ１は作動流体の吐出量について、後述の第１吐出量や第２吐出量のように変更することが可能となっている。また、この電動ポンプＰ１は制御装置１１に電気的に接続されている。

この電動ポンプＰ１を作動させることにより、作動流体は、図２及び図３に示すように、電動ポンプＰ１から加圧空気ボイラ１９、バイパス路２９又は膨張機２１を経て凝縮器２３に至る順で配管２５〜３８内を循環する。つまり、ランキンサイクル３における作動流体の流通方向において、バイパス路２９は、加圧空気ボイラ１９の下流で配管２６から分岐し、凝縮器２３の流入口２３ａよりも上流で配管２８に合流する。

図１に示すように、圧力センサ３５は、配管２７に設けられている。この圧力センサ３５は配管２７内を流通する作動流体の圧力を基に、電動ポンプＰ１の下流から膨張機２１の上流までの作動流体の圧力（ランキンサイクル３の蒸発圧力）のうち、加圧空気ボイラ１９の下流の作動流体の圧力を検知圧力αとして検知する。また、この圧力センサ３５は制御装置１１に電気的に接続されており、検知圧力αを制御装置１１に向けて送信する。なお、この圧力センサ３５は公用品である。また、圧力センサ３５は配管２５、２６に設けられても良い。

制御装置１１は、電動ポンプＰ１及び流量調整弁３１等に対する制御手段として機能する。具体的には、制御装置１１は、駆動系１による出力要求に基づき、電動ポンプＰ１に制御信号Ｃ１、Ｃ２等を発信することで、電動ポンプＰ１の作動制御、すなわち、電動ポンプＰ１による作動流体の吐出量の制御を行う。この制御装置１１は、アクセルの開度に基づき駆動系１による出力要求の大きさを判断する。

また、制御装置１１は予め設定された上記の設定蒸発圧力を記憶している。この設定蒸発圧力は、膨張機２１等の上限圧力に対して、ある程度の余裕を持った値に設定される。制御装置１１は、この記憶された設定蒸発圧力と圧力センサ３５から受信した検知圧力αとの比較を行い、流量調整弁３１に対して制御信号Ｃ３、Ｃ４等を発信し、流量調整弁３１による流量制御を行う。さらに、制御装置１１は、電動ファン２３ｃの作動制御を行うことで、作動流体が外気に放熱する熱量の調整を行う。なお、制御信号Ｃ１〜Ｃ４（図２及び図３の破線矢印参照）については後述する。

このように構成された廃熱利用装置では、車両を駆動させることにより以下のように作動する。

図２に示すように、車両が駆動されることにより、駆動系１ではエンジン５が作動する。これにより、排気口５ａから排出された排気が配管９、ターボチャージャ７及び配管１２を経てマフラから車外に排出される（同図の一点鎖線矢印参照）。この際、排気によってターボチャージャ７が作動される。これにより、車外の空気が配管１３よりターボチャージャ７に吸引され、圧縮される。この空気は加圧空気として、配管１０、加圧空気ボイラ１９の第１通路１９ｅ及び配管１１を経てエンジン５の吸気口５ｂよりエンジン５内へ吸入される（同図の二点鎖線矢印参照）。なお、図示を省略しているものの、エンジン５（流出口及び流入口）とラジエータとの間で冷却水が循環し、エンジン５の冷却も行われる。

また、制御装置１１は、電動ポンプＰ１に対して制御信号Ｃ１を送信する。これにより電動ポンプＰ１は、所定の第１吐出量で作動流体を吐出する。また、制御装置１１は流量調整弁３１を制御し、配管２６と配管２７とを連通させ、配管２６、２７とバイパス路２９とを非連通とさせる。

これらにより、ランキンサイクル３では、同図の実線矢印に示すように、電動ポンプＰ１によって吐出された作動流体が配管２５を経て、加圧空気ボイラ１９の第２流入口１９ｃから第２通路１９ｆに至る。そして、作動流体は加圧空気ボイラ１９において加圧空気と熱交換される。この際、第１通路１９ｅを流通する加圧空気は約１５０°Ｃ程度の熱を有しているため、第２通路１９ｆを流通する作動流体は、好適に加熱される。一方、第１通路１９ｅを流通する加圧空気は、第２通路１９ｆを流通する作動流体に対して放熱を行うため、一定程度冷却された状態で吸入口５ｂからエンジン５内に至ることとなる。

こうして、加圧空気ボイラ１９によって加熱された作動流体は、高温高圧の状態で第２流出口１９ｄから流出し、配管２６から配管２７へ流入する。この際、圧力センサ３５は配管２７を流通する作動流体の圧力によって、加圧空気ボイラ１９の下流の蒸発圧力を検知圧力αとして検知し、この検知圧力αを制御装置１１に送信する。そして、制御装置１１は、記憶されている設定蒸発圧力と圧力センサ３５から受信した検知圧力αとの比較を行う。ここで、検知圧力αと設定蒸発圧力と等しい場合、又は、検知圧力αが設定蒸発圧力に対して所定の偏差内にある場合には、制御装置１１は流量調整弁３１に対して制御信号Ｃ３を送信する。これにより、流量調整弁３１は、膨張機２１に流入する作動流体の流量（配管２６から配管２７に流入する作動流体の流量）と、バイパス路２９に流入する作動流体の流量（配管２６からバイパス路２９に流入する作動流体の流量）との調整を行う。そして、上記のように、配管２６と配管２７とを連通させ、配管２６、２７とバイパス路２９とを非連通とさせて、加圧空気ボイラ１９によって加熱された作動流体の全量を膨張機２１に流入させる。

配管２７を流通する作動流体は膨張機２１の流入口２１ａから膨張機２１内へ至る。そして、高温高圧の作動流体は膨張機２１内で膨張し、減圧される。この際の圧力エネルギーにより、膨張機２１には回転駆動力が生じる。この回転駆動力は、駆動軸３３、プーリ１７及びクランクシャフト１５を介してエンジン５に回生される。

膨張機２１内で減圧された作動流体は流出口２１ｂから流出し、凝縮器２３の流入口２３ａから凝縮器２３内へ至る。凝縮器２３の作動流体は、凝縮器２３の周りの空気に放熱を行い、冷却される。この際、制御装置１１は電動ファン２３ｃの作動量を適宜変更して、作動流体を好適に放熱させて液化させる。冷却された作動流体は流出口２３ｂから流出し、配管２５を経て再び加圧空気ボイラ１９に至ることとなる。

この制御装置１１は、アクセルの開度に基づいて、駆動系１の出力要求の大きさを判断可能する。そこで、アクセルの開度が大きくなり、制御装置１１が駆動系１の出力要求が所定値より大きいと判断した場合には、図３に示すように、制御装置１１は、電動ポンプＰ１に対して制御信号Ｃ２を送信する。これにより電動ポンプＰ１は、上記の第１吐出量よりも多い第２吐出量で作動流体を吐出する。

これにより、配管２５〜２８を循環する作動流体の流量が増大され、加圧空気ボイラ１９に流入する作動流体の流量が多くなる。このため、加圧空気ボイラ１９における熱交換では、作動流体は加圧空気からより多くの放熱を受けることとなる。この結果、加圧空気をより冷却することが可能となる。

この場合も圧力センサ３５は配管２７を流通する作動流体の圧力を検知し、この検知圧力αを制御装置１１に送信する。そして、制御装置１１は、記憶されている設定蒸発圧力と圧力センサ３５から受信した検知圧力αとの比較を行う。

上記のように、図３に示す状態では、電動ポンプＰ１が吐出する作動流体の流量が多いため、圧力センサ３５で検知された検知圧力αは図２に示す状態よりも大きくなる。このため、検知圧力αが設定蒸発圧力を超えると制御装置１１が判断した場合には、制御装置１１は流量調整弁３１に対して制御信号Ｃ４を送信する。

制御信号Ｃ４を受信した流量調整弁３１は、配管２６について、配管２７とバイパス路２９とにそれぞれ連通させて、膨張機２１に流入する作動流体の流量と、バイパス路２９に流入する作動流体の流量との調整を行う。これにより、配管２６を流通する作動流体の一部をバイパス路２９に流入させることで、膨張機２１に流入する作動流体の流量を抑制させる。なお、バイパス路２９に流入する作動流体の流量は、検知圧力αと設定蒸発圧力との偏差量に基づき、適宜調整される。

これにより、膨張機２１に作用する作動流体の蒸発圧力が調整され、膨張機２１は作動流体を好適に膨張及び減圧させることが可能となる。なお、膨張機２１を経た作動流体は、バイパス路２９を経た作動流体と合流した後、凝縮器２３によって放熱されることとなる。

このように、この廃熱利用装置では、加圧空気ボイラ１９によって作動流体を十分に加熱することが可能となる。このため、この廃熱利用装置では、膨張機２１で作動流体を膨張及び減圧させた際の圧力エネルギーを大きくできる。これにより、この廃熱利用装置では、ランキンサイクル３において回収可能なエネルギーの量、つまり、エンジン５に回生する回転駆動力を大きくすることができる。

また、この廃熱利用装置では、加圧空気ボイラ１９における熱交換によって、加圧空気を冷却させることが可能である。このため、エンジン５に対して、多くの加圧空気を供給することが可能となる。さらに、この廃熱利用装置では、駆動系１による出力要求が所定値を超えた場合に電動ポンプＰ１が作動流体の吐出量を増大させることが可能である。このため、駆動系１による出力要求が所定値を超えることで、電動ポンプＰ１は第１吐出量から第２吐出量に変更し、配管２５〜２８を循環する作動流体の流量を増加させて、多くの作動流体を加圧空気ボイラ１９に流入させることが可能となっている。これにより、この廃熱利用装置では、駆動系１による出力要求に応じてエンジン５に加圧空気を十分に供給することが可能となっている。

さらに、この廃熱利用装置は、バイパス路２９、流量調整弁３１及び制御装置１１を備えている。そして、この流量調整弁３１は、加圧空気ボイラ１９を経た作動流体のうち、膨張機２１に流入する作動流体の流量と、バイパス路２９に流入する作動流体の流量とを調整可能となっている。

このため、この廃熱利用装置では、電動ポンプＰ１の吐出量が設定蒸発圧力に対応する第１吐出量よりも大きい第２吐出量となり、加圧空気ボイラ１９に流入する作動流体の流量が多くなった場合でも、膨張機２１に流入する作動流体の流量を抑制して、蒸発圧力を設定蒸発圧力以下に維持することが可能となる。この際、制御装置１１は、設定蒸発圧力と圧力センサ３５が検知した検知圧力αとの比較によって流量調整弁３１の制御を行うため、ランキンサイクル３の蒸発圧力のうち、膨張機２１に作用する蒸発圧力が設定蒸発圧力を超える事態を好適に回避できる。このため、この廃熱利用装置では、上限圧力が大きく設計された膨張機等をランキンサイクル３に設ける必要がない。

したがって、本発明の廃熱利用装置によれば、エンジン５の出力の向上を実現しつつ、低コストで耐久性を高くできる。

特に、この廃熱利用装置では、制御装置１１に記憶されている設定蒸発圧力と圧力センサ３５が検知した検知圧力αとの比較に基づいて、制御装置１１が流量調整弁３１を制御することで、膨張機２１に流入する作動流体の流量が抑制される。このため、この廃熱利用装置では、膨張機２１の設定圧の範囲内でランキンサイクル３の蒸発圧力を維持しながら、膨張機２１に流入する作動流体の流量が好適に抑制される。このため、この廃熱利用装置では、膨張機２１に作用する蒸発圧力が膨張機２１の設定圧を超える事態を回避しつつ、膨張機２１で作動流体を膨張及び減圧させた際の回転駆動力を可及的に大きくできる。このため、この廃熱利用装置では、エンジン５に回生可能な動力を大きくすることが可能となっている。

以上において、本発明を実施例に即して説明したが、本発明は上記実施例に制限されるものではなく、その趣旨を逸脱しない範囲で適宜変更して適用できることはいうまでもない。

例えば、プーリ１７と駆動軸３３との間に、クラッチを設けても良い。この場合、電磁クラッチや多板式クラッチ等を採用できる。

また、加圧空気ボイラ１９に加えて、冷却水と作動流体とで熱交換が可能なボイラ等を設けても良い。この場合、冷却水の熱、すなわち、エンジン５の廃熱等によっても作動流体を加熱できるため、より好適に作動流体を加熱することが可能となり、エンジン５に回生可能な動力を大きくすることが可能となる。また、作動流体との熱交換によって冷却水を冷却することが可能となるため、ラジエータ等を小型化させてもエンジン５を好適に冷却させることが可能となる。

さらに、配管２５における電動ポンプＰ１の上流側には、公知のレシーバを設けても良い。この場合、レシーバにより作動流体が好適に液化されるため、凝縮器２３を経た作動流体は、電動ポンプＰ１によって好適に吐出されて、配管２５〜２８やバイパス路２９を好適に循環することとなる。特に、この廃熱利用装置では、パイパス路２９を流通する作動流体は膨張機２１によって減圧されないため、レシーバを設けることによる効果が大きくなる。

また、蒸発圧力抑制手段として、バイパス路２９及び流量調整弁３１に替えて、膨張機２１に流入する作動流体の流量と、電動ポンプＰ１が吐出する作動流体の流量との比を変更する流量比変更手段を採用しても良い。流量比変更手段としては、膨張機２１の回転数を変更可能な変速手段によって、膨張機２１の回転数を増速して蒸発圧力を低下させることができる。また、膨張機２１の単位回転数当たりの吸入容量を変更可能な容量制御手段により膨張機の吸入容量を増大させることにより、蒸発圧力を低下させることもできる。

本発明は車両等に利用可能である。

１…駆動系
３…ランキンサイクル
５…エンジン（内燃機関）
７…ターボチャージャ（過給器）
１９…加圧空気ボイラ
２１…膨張機
２３…凝縮器
２５〜２８…配管
２９…バイパス路（蒸発圧力抑制手段）
３１…流量調整弁（蒸発圧力抑制手段）
３５…圧力センサ（圧力検知手段）
Ｐ１…電動ポンプ（ポンプ）
α…検知圧力

Claims (7)

1. 内燃機関と、該内燃機関に対して加圧空気を供給する過給器とを有する駆動系に用いられ、作動流体を循環させるランキンサイクルを備え、
   該ランキンサイクルは、ポンプと、該加圧空気と該作動流体との間で熱交換を行う加圧空気ボイラと、膨張機と、凝縮器と、該ポンプ、該加圧空気ボイラ、該膨張機及び凝縮器の順で該作動流体を循環させる配管とを有する廃熱利用装置において、
   前記ポンプは前記駆動系による出力要求が所定値を超えた場合に前記作動流体の吐出量を増大可能であり、
   該ポンプによる該作動流体の該吐出量が増大した場合に、該吐出量の増大に伴う前記ランキンサイクルの蒸発圧力の上昇を抑制する蒸発圧力抑制手段を備えていることを特徴とする廃熱利用装置。
2. 前記加圧空気ボイラの下流の蒸発圧力を検知圧力として検知する圧力検知手段を備え、
   予め定められる設定蒸発圧力と前記検知圧力とを比較して前記蒸発圧力抑制手段により前記蒸発圧力の上昇を抑制する請求項１記載の廃熱利用装置。
3. 前記蒸発圧力抑制手段は、前記加圧空気ボイラの下流で前記配管から分岐し、前記膨張機を迂回して該配管に合流するバイパス路と、該膨張機に流入する該作動流体の流量と該バイパス路に流入する該作動流体の流量とを調整可能な流量調整弁とを有している請求項１又は２記載の廃熱利用装置。
   
4. 前記蒸発圧力抑制手段は、前記膨張機に流入する前記作動流体の流量と、前記ポンプが吐出する該作動流体の流量との比を変更する流量比変更手段である請求項１又は２記載の廃熱利用装置。
5. 前記流量比変更手段は、前記膨張機の単位回転数当たりの吸入容量を変更可能な容量制御手段である請求項４記載の廃熱利用装置。
6. 前記流量比変更手段は、前記膨張機の回転数を変更可能な変速手段である請求項４記載の廃熱利用装置。
7. 前記膨張機と前記内燃機関とは動力を伝達可能に構成されている請求項１乃至５のいずれか１項記載の廃熱利用装置。

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