JP5631178B2 - 排熱回生装置の運転停止方法 - Google Patents
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Description
エンジンは、冷却水が冷却水回路を循環することで冷却される。
ランキンサイクルは、エンジンの排熱で作動流体を加熱する熱交換器、作動流体を膨張させて駆動力を発生する膨張機、作動流体を凝縮させる凝縮器、作動流体を圧送して循環させる冷媒ポンプから構成される。
そして、このランキンサイクルで作動流体が過度に高温になるのは、特にエンジンの停止時である。エンジンの停止の際に、ランキンサイクルを停止させた場合、作動流体の流動は停止し、第2熱交換器に残った作動流体が第2熱交換器の余熱で特に高温になる。
この対策として、エンジンの運転が停止した後も冷媒ポンプを作動させて、ランキンサイクルの動作を継続して作動流体の異常昇温を回避していた(例えば、特許文献1参照)。
内燃機関からの排気ガスが流れる排ガス流路と、
作動流体が循環するランキンサイクル回路と、を備え、
前記排ガス流路には、第2熱交換器が設けられ、
前記ランキンサイクル回路には、前記作動流体と前記排気ガスとの間で熱交換する前記第2熱交換器、この熱交換器の下流であって冷媒ポンプ及び膨張機が同軸上に連結されたポンプ一体型膨張機、及びこのポンプ一体型膨張機の下流であって前記作動流体を凝縮させる凝縮器が設けられ、
前記膨張機と前記内燃機関との間には、動力の伝達を行う動力伝達機構が設けられ、
前記動力伝達機構には、前記動力の伝達を遮断する動力遮断手段が設けられ、
前記膨張機が前記第2熱交換器で生成された前記作動流体の過熱蒸気を等エントロピ的に膨張させて、前記内燃機関の動力として取り出すようになっている排熱回生装置の運転停止方法であって、
前記内燃機関の運転停止の際、前記ランキンサイクル回路内で前記作動流体が循環されている間に前記動力遮断手段を遮断して前記ポンプ一体型膨張機を自立運転させ、
この自立運転は、前記膨張機の負荷を開放して前記ポンプ一体型膨張機の回転数を上昇させて前記作動流体の流量を増加させることで前記第2熱交換器の温度を低下させることで、終了するものである。
実施の形態1.
図1は実施の形態1による排熱回生装置の運転停止方法がなされる排熱回生装置を示す構成図である。
排熱回生装置は、例えば、自動車走行用駆動力を発生させる内燃機関であるエンジン1を冷却するために冷却水が循環する冷却水回路2と、作動流体(例えば、冷媒R134a)が充填されているランキンサイクル回路10と、エンジン1からの排ガスが流れる排ガス流路17とを備えている。
ランキンサイクル回路10には、作動流体と冷却水回路2内の冷却水との間で熱交換する第1熱交換器14と、この第1熱交換器14の下流であって作動流体と排ガス流路17内の排ガスとの間で熱交換する第2熱交換器15と、この第2熱交換器15の下流であって冷媒ポンプ11及び膨張機12が同軸上に連結されたポンプ一体型膨張機13と、このポンプ一体型膨張機13の下流であってファン18からの空気または走行風で作動流体を凝縮して液体とする凝縮器16とが取付けられている。
膨張機12は、第1熱交換器14及び第2熱交換器15で生成された作動流体の過熱蒸気を等エントロピ的に膨張させてエンジン1の動力として取り出すようになっている。
冷却水ポンプ3により冷却水回路2を循環する冷却水は、エンジン1を冷却しながら加熱されて温度が上昇する。
冷却水回路2の水温センサ4で検出された冷却水温度が低いときには、ランキンサイクルの熱源とならないので、電磁クラッチ19の作動により膨張機12の出力軸とプーリー機構20とは連結されてなく、ポンプ一体型膨張機13の冷媒ポンプ11は駆動せず、作動流体は、ランキンサイクル回路10内を循環しない。
約90℃の高温の蒸気となった作動流体は、引き続き第2熱交換器15で通常300〜400℃の排ガスと熱交換し、120〜130℃程度の過熱蒸気となる。
高温高圧の過熱蒸気は膨張機12に流入して、膨張機12で等エントロピ的に膨張し、そのエンタルピが動力に変換される。
膨張機12の動力は、膨張機12と連結された冷媒ポンプ11の駆動源となり、また電磁クラッチ19、プーリー機構20を介してエンジン1の出力軸に戻される。
作動流体は、このサイクルを繰り返す。
この実施の形態では、使用者がイグニッションキーをOFFすると同時に電磁クラッチ19を遮断する。
この場合、イグニッションキーをOFFすると同時にエンジン1の運転が完全に停止するのではなく、クランクシャフトの端部に取付けられたフライホイールは惰性で回転し、フライホイールが完全に停止までに時間がある。
従って、イグニッションキーをOFFすると同時に電磁クラッチ19を遮断したときには、エンジン1からの動力がエンジン1の出力軸、プーリー機構20を介してポンプ一体型膨張機13に伝達されており、電磁クラッチ19の遮断時点では、ランキンサイクル回路10内で作動流体が循環している。
この自立運転中では、エンジン1の運転が停止しているために排ガス流路17にはエンジン1からの排ガスは流れないことと、第2熱交換器15は、高温(300〜400℃)の排ガスと作動流体(120〜130℃)の大きな温度差を利用して熱交換させるため、熱伝達特性が良好であり、元来小型で熱容量の小さい第2熱交換器15が利用されていることと相俟って、第2熱交換器15の温度は急激に低下することになる。
即ち、熱容量の小さい第2熱交換器15に残った熱量は、負荷が開放されて冷媒ポンプ11の回転数が増加し、増大した流量の作動流体に奪われ、第2熱交換器15の温度は急激に低下する。
このように、ランキンサイクルの運転は、第2熱交換器15の温度を低下させることで、自然と自立運転が終了する。
この結果、冷媒ポンプ11へ電力供給をすることなく第2熱交換器15へ作動流体が流れ、作動流体により第2熱交換器15が冷却されるので、作動流体が高温になって熱分解したり、含有オイルが炭化するといった不都合を防止することができる。
図2は、この発明の実施の形態2による排熱回生装置の運転停止方法がなされる排熱回生装置を示す構成図である。
この実施の形態では、バイパス流路30は、一端部が冷媒ポンプ11と第1熱交換器14との間のランキンサイクル回路10の部位に接続され、他端部が膨張機12と凝縮器16との間のランキンサイクル回路10の部位に接続されている。このバイパス通路30には制御弁である逃がし弁31が取付けられている。
他の構成は、実施の形態1の排熱回生装置と同じである。
そして、回転数が許容値を超えたときには、逃がし弁31が作動し、作動流体の一部は、ポンプ一体型膨張機13を迂回することで、膨張機12は、許容回転数内が確保されるので、破損が防止される。
なお、バイパス流路は、冷媒ポンプ11の入口部と出口部とに接続し、作動流体の一部が逃がし弁31の作動により冷媒ポンプ11を迂回するようにしてもよいし、また膨張機12の入口部と出口部とに接続し、作動流体の一部が逃がし弁31の作動により膨張機12を迂回するようにすることで、膨張機12の回転数を許容範囲内に確保するようにしてもよい。
Claims (5)
- 内燃機関からの排気ガスが流れる排ガス流路と、
作動流体が循環するランキンサイクル回路とを備え、
前記排ガス流路には、第2熱交換器が設けられ、
前記ランキンサイクル回路には、前記作動流体と前記排気ガスとの間で熱交換する前記第2熱交換器、この熱交換器の下流であって冷媒ポンプ及び膨張機が同軸上に連結されたポンプ一体型膨張機、及びこのポンプ一体型膨張機の下流であって前記作動流体を凝縮させる凝縮器が設けられ、
前記膨張機と前記内燃機関との間には、動力の伝達を行う動力伝達機構が設けられ、
前記動力伝達機構には、前記動力の伝達を遮断する動力遮断手段が設けられ、
前記膨張機が前記第2熱交換器で生成された前記作動流体の過熱蒸気を等エントロピ的に膨張させて、前記内燃機関の動力として取り出すようになっている排熱回生装置の運転停止方法であって、
前記内燃機関の運転停止の際、前記ランキンサイクル回路内で前記作動流体が循環されている間に前記動力遮断手段を遮断して前記ポンプ一体型膨張機を自立運転させ、
この自立運転は、前記膨張機の負荷を開放して前記ポンプ一体型膨張機の回転数を上昇させて前記作動流体の流量を増加させることで前記第2熱交換器の温度を低下させることで、終了することを特徴とする排熱回生装置の運転停止方法。 - 前記ランキンサイクル回路に前記ポンプ一体型膨張機を迂回して設けられたバイパス回路と、このバイパス回路に設けられバイパス回路を開閉する制御弁とを備えたことを特徴とする請求項1に記載の排熱回生装置の運転停止方法。
- 両端部がそれぞれ前記内燃機関に接続され冷却水が循環して内燃機関を冷却する冷却水回路と、
この冷却水回路に設けられ前記作動流体と前記冷却水との間で熱交換する第1熱交換器とを備え、
前記作動流体は、前記第1熱交換器及び前記第2熱交換器で受熱されることを特徴とする請求項1または2に記載の排熱回生装置の運転停止方法。 - 前記内燃機関は、自動車用エンジンであることを特徴とする請求項1〜3の何れか1項に記載の排熱回生装置の運転停止方法。
- 前記動力遮断手段は、前記自動車用エンジンのイグニッションスイッチをOFFすると同時に遮断されることを特徴とする請求項4に記載の排熱回生装置の運転停止方法。
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