(57)【要約】【課題】膨張器の出口と凝縮器の入口の間の流路に貯留される凝縮液を省エネルギーで処理することができるランキンサイクルシステム及びその制御方法を提供する。【解決手段】膨張器６の出口６ｂと凝縮器７の入口７ａの間の第１流路２ａに配置される貯留部２ａａに貯留された凝縮液ＷＬの液位を推定し、この推定した液位に基づいて凝縮液ＷＬを貯留部２ａａから凝縮器７の出口７ｂとポンプ４の入口の間の第２流路２ｂに移送するか否かを判定する。移送すると判定した場合に、貯留部２ａａと第２流路２ｂを連通するバイパス流路１１に配置された移送装置１２を制御して、貯留部２ａａに貯留された凝縮液ＷＬをバイパス流路１１を経由して第２流路２ｂに移送する。【選択図】図３
2020153236.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
作動流体を循環させる流路と、前記流路に配置されて作動流体を膨張させる膨張器と、前記膨張器より下流側の前記流路に配置されるとともにその入口が前記膨張器の出口より高い位置に配置されて作動流体を凝縮させる凝縮器と、前記凝縮器より下流側で、かつ、前記膨張器より上流側の前記流路に配置されて作動流体を圧送する循環装置と、を備えて構成されるランキンサイクルシステムにおいて、
前記膨張器の出口と前記凝縮器の入口の間の前記流路である第１流路に配置されて、液体状態の作動流体を貯留する貯留部と、
前記凝縮器の出口と前記循環装置の入口の間の前記流路である第２流路と前記貯留部を連通するバイパス流路と、
前記バイパス流路に配置されて、必要に応じて前記液体状態の作動流体を前記貯留部から前記第２流路に移送する移送装置と、
前記貯留部に貯留された液体状態の作動流体の液位を推定する液位推定装置と、
前記ランキンサイクルシステムを制御する制御装置と、を備えて、
前記制御装置が、
前記液位推定装置の推定した液位に基づいて、前記液体状態の作動流体を前記貯留部から前記第２流路に移送するか否かを判定し、移送すると判定した場合には、前記移送装置を制御して前記液体状態の作動流体を前記貯留部から前記第２流路に移送する制御を行うように構成されるランキンサイクルシステム。
【請求項２】
前記移送装置を開閉弁として構成するとともに、前記バイパス流路を構成する配管の径を前記第１流路を構成する配管の径より小さく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システム。
【請求項３】
作動流体を循環させる流路と、前記流路に配置されて作動流体を膨張させる膨張器と、前記膨張器より下流側の前記流路に配置されるとともにその入口が前記膨張器の出口より高い位置に配置されて作動流体を凝縮させる凝縮器と、前記凝縮器より下流側で、かつ、前記膨張器より上流側の前記流路に配置されて作動流体を圧送する循環装置と、前記膨張器の出口と前記凝縮器の入口の間の前記流路である第１流路に配置されて、液体状態の作動流体を貯留する貯留部と、前記凝縮器の出口と前記循環装置の入口の間の前記流路である第２流路と前記貯留部を連通するバイパス流路と、前記バイパス流路に配置されて、必要に応じて前記貯留部から前記第２流路への液体状態の作動流体の移送を行う移送装置と、を備えて構成されるランキンサイクルシステムの制御方法において、
前記貯留部に貯留された液体状態の作動流体の液位を推定する第１ステップと、
前記第１ステップで推定した液体状態の作動流体の液位に基づいて、前記貯留部から前記第２流路への液体状態の作動流体の移送を行うか否かを判定する第２ステップと、
前記第２ステップで液体状態の作動流体の移送を行うと判定した場合に、前記移送装置を制御して、前記貯留部から前記第２流路への液体状態の作動流体の移送を行う第３ステップと、
を有することを特徴とするランキンサイクルシステムの制御方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本開示は、ランキンサイクルシステム及びその制御方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
タービン（膨張器）の出口部近傍の冷媒管にこの冷媒管内に発生した凝縮水（凝縮液）を貯留する凝縮水タンクを設けるとともに、この凝縮水タンクに貯留された凝縮水を加熱装置で蒸気とした後にコンデンサ（凝縮器）に戻す廃熱回収装置（車両のランキンサイクルシステム）が提案されている（例えば、特許文献１参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２０１７―１５５６１２号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
特許文献１の車両のランキンサイクルシステムでは、凝縮液（液体状態の作動流体）を加熱装置により蒸気（気体状態の作動流体）に遷移させた後、この蒸気を凝縮器により再び凝縮液に遷移させており、この２回の遷移に不必要にエネルギーを使用しているという問題があった。
【０００５】
本開示は、膨張器の出口と凝縮器の入口の間の流路に貯留される凝縮液を省エネルギーで処理することができるランキンサイクルシステム及びその制御方法を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
上記の目的を達成するための本発明の態様のランキンサイクルシステムは、作動流体を循環させる流路と、前記流路に配置されて作動流体を膨張させる膨張器と、前記膨張器より下流側の前記流路に配置されるとともにその入口が前記膨張器の出口より高い位置に配置されて作動流体を凝縮させる凝縮器と、前記凝縮器より下流側で、かつ、前記膨張器より上流側の前記流路に配置されて作動流体を圧送する循環装置と、を備えて構成されるランキンサイクルシステムにおいて、前記膨張器の出口と前記凝縮器の入口の間の前記流路である第１流路に配置されて、液体状態の作動流体を貯留する貯留部と、前記凝縮器の出口と前記循環装置の入口の間の前記流路である第２流路と前記貯留部を連通するバイパス流路と、前記バイパス流路に配置されて、必要に応じて前記液体状態の作動流体を前記貯留部から前記第２流路に移送する移送装置と、前記貯留部に貯留された液体状態の作動流体の液位を推定する液位推定装置と、前記ランキンサイクルシステムを制御する制御装置と、を備えて、前記制御装置が、前記液位推定装置の推定した液位に基づいて、前記液体状態の作動流体を前記貯留部から前記第２流路に移送するか否かを判定し、移送すると判定した場合には、前記移送装置を制御して前記液体状態の作動流体を前記貯留部から前記第２流路に移送する制御を行うように構成される。
【０００７】
また、上記の目的を達成するための本発明の態様のランキンサイクルシステムの制御方法は、作動流体を循環させる流路と、前記流路に配置されて作動流体を膨張させる膨張器と、前記膨張器より下流側の前記流路に配置されるとともにその入口が前記膨張器の出口より高い位置に配置されて作動流体を凝縮させる凝縮器と、前記凝縮器より下流側で、かつ、前記膨張器より上流側の前記流路に配置されて作動流体を圧送する循環装置と、前記膨張器の出口と前記凝縮器の入口の間の前記流路である第１流路に配置されて、液体状態の作動流体を貯留する貯留部と、前記凝縮器の出口と前記循環装置の入口の間の前記流路である第２流路と前記貯留部を連通するバイパス流路と、前記バイパス流路に配置されて、必要に応じて前記貯留部から前記第２流路への液体状態の作動流体の移送を行う移送装置と、を備えて構成されるランキンサイクルシステムの制御方法において、前記貯留部に貯留された液体状態の作動流体の液位を推定する第１ステップと、前記第１ステップで推定した液体状態の作動流体の液位に基づいて、前記貯留部から前記第２流路への液体状態の作動流体の移送を行うか否かを判定する第２ステップと、前記第２ステップで液体状態の作動流体の移送を行うと判定した場合に、前記移送装置を制御して、前記貯留部から前記第２流路への液体状態の作動流体の移送を行う第３ステップと、を有することを特徴とする方法である。
【発明の効果】
【０００８】
本開示によれば、膨張器の出口と凝縮器の入口の間の流路に貯留される凝縮液を省エネルギーで処理することができる。
【図面の簡単な説明】
【０００９】
【図１】本実施形態のランキンサイクルシステムを例示する図である。
【図２】図１の膨張器と凝縮器の間の作動流体用の流路を拡大した図である。
【図３】本実施形態のランキンサイクルシステムの制御方法を制御フローの形で例示する図である。
【発明を実施するための形態】
【００１０】
以下、本開示のランキンサイクルシステムについて、図面を参照しながら説明する。図１に例示するように、本実施形態のランキンサイクルシステム１は、作動流体用の流路（流路）２に、タンク３と、ポンプ（循環装置）４と、蒸発器５と、膨張器６と、凝縮器７と、を備えて構成されるシステムである。
【００１１】
作動流体用の流路２は、作動流体Ｗを循環させる閉流路である。タンク３は、作動流体用の流路２に配置されて作動流体Ｗを貯留する。ポンプ４は、タンク３より下流側で、かつ、蒸発器５及び膨張器６より上流側の作動流体用の流路２に配置されて作動流体Ｗを圧送する。ポンプ４により作動流体Ｗが圧送されることで、作動流体Ｗは作動流体用の流路２を循環する。
【００１２】
蒸発器５は、ポンプ４より下流側の作動流体用の流路２に配置されて、エンジン（内燃機関）の排気Ｇと熱交換することで作動流体Ｗを加熱及び蒸発させる。膨張器６は、蒸発器５より下流側の作動流体用の流路２に配置されて作動流体Ｗを膨張させる。膨張器６の出力軸６ａには断接装置（クラッチ等）を介して駆動装置（エンジンやモータ等）が接続されており、断接装置の接続時に作動流体Ｗの膨張により出力軸６ａに発生した動力が駆動装置に伝達される。
【００１３】
凝縮器７は、膨張器６より下流側の作動流体用の流路２に配置されて作動流体Ｗを凝縮させる。凝縮器７の入口７ａは膨張器６の出口６ｂより高い位置に配置されている。凝縮器７の出口７ｂはタンク３の入口３ａより高い位置に配置されている。
【００１４】
本実施形態では、膨張器６の出口６ｂと凝縮器７の入口７ａの間の流路を第１流路２ａと称す。第１流路２ａに関して、膨張器６の出口６ｂの直下にＵ字管形状の貯留部２ａａが形成される。第１流路２ａには気体状態の作動流体が流通するが、液体状態の作動流体である凝縮液ＷＬが発生することがある。貯留部２ａａにはこの凝縮液ＷＬが貯留される。貯留される凝縮液ＷＬの量が多くなるにつれて凝縮液ＷＬの液面（液位）ＬＳは高くなる。なお、貯留部２ａａの形状は、凝縮液ＷＬを貯留できる形状であればよく、Ｕ字管形状に限定されない。
【００１５】
また、本実施形態では、凝縮器７の出口７ｂとポンプ４の入口の間の流路を第２流路２ｂと称す。第２流路２ｂには液体状態の作動流体が流通する。
【００１６】
図２に例示するように、第１流路２ａには、第１流路２ａを通過する作動流体Ｗの圧力を取得する圧力センサ８が配置されている。圧力センサ８の配置位置は、第１流路２ａ内では作動流体Ｗの圧力は殆ど変化しないため、凝縮液ＷＬが発生する虞のない第１流路２ａ内の位置であればよい。本実施形態では、圧力センサ８は貯留部２ａａより下流側の第１流路２ａの位置Ａ１に配置している。
【００１７】
第１流路２ａの貯留部２ａａには、複数（本実施形態では２個）の温度センサ９（９ａ、９ｂ）が各々の間隔をあけて配置されている。温度センサ９ａは貯留部２ａａ内の位置Ｂ１に配置されている。温度センサ９ｂは貯留部２ａａ内で位置Ｂ１より下流側の位置Ｂ２に配置されている。位置Ｂ２は位置Ｂ１より高い位置である。凝縮液ＷＬの液位ＬＳは、貯留部２ａａに貯留される凝縮液ＷＬの量が多くなるにつれて位置Ｂ１から位置Ｂ２に向かう方向に上昇していく。
【００１８】
本実施形態のランキンサイクルシステム１には液位推定装置１０が備わる。液位推定装置１０は、圧力センサ８の取得値と温度センサ９の取得値とに基づいて、貯留部２ａａに貯留された凝縮液ＷＬの液位ＬＳを推定する。液位推定装置１０は、各種情報処理を行うＣＰＵ（Central Processing Unit）、その各種情報処理を行うために用いられるプログラムや情報処理結果を読み書き可能な内部記憶装置、及び各種インターフェースなどから構成されるハードウエアである。液位取得装置１０は後述する制御装置１３とは別体として構成してもよいし、制御装置１３の一部として組み込んでもよい。
【００１９】
液位推定装置１０は、圧力センサ８の取得値と温度センサ９ａ（９ｂ）の取得値とから、対応する温度センサ９ａ（９ｂ）の設置位置Ｂ１（Ｂ２）での作動流体Ｗの相状態（気体状態または液体状態）を推定する。位置Ｂ１での作動流体Ｗの相状態が気体状態である場合に、液位推定装置１０は凝縮液ＷＬの液位ＬＳが位置Ｂ１より低い第１流路２ａの位置にあると推定する。位置Ｂ１での作動流体Ｗの相状態が液体状態であり、かつ、位置Ｂ２での作動流体Ｗの相状態が気体状態である場合に、液位推定装置１０は凝縮液ＷＬの液位ＬＳが位置Ｂ１と位置Ｂ２の間の第１流路２ａの位置にあると推定する。位置Ｂ１、Ｂ２での作動流体Ｗの相状態がともに液体状態である場合に、液位推定装置１０は凝縮液ＷＬの液位ＬＳが位置Ｂ２より高い第１流路２ａの位置にあると推定する。
【００２０】
本実施形態のランキンサイクルシステム１にはバイパス流路１１が備わる。バイパス流路１１は、第２流路２ｂと貯留部２ａａとを連通する流路である。バイパス流路１１には、第２ポンプ１２（移送装置）１２が備わる。第２ポンプ１２は、後述する制御装置１３からの制御信号に基づいて（必要に応じて）その駆動時に凝縮液ＷＬを貯留部２ａａから第２流路２ｂに移送する。第２ポンプ１２はポンプ４より小出力の装置である。
【００２１】
本実施形態のランキンサイクルシステム１には、このランキンサイクルシステム１を制御する制御装置１３が備わる。制御装置１３は、各種情報処理を行うＣＰＵ（Central Processing Unit）、その各種情報処理を行うために用いられるプログラムや情報処理結果を読み書き可能な内部記憶装置、及び各種インターフェースなどから構成されるハードウエアである。制御装置１３には、液位推定装置１０、ポンプ４、第２ポンプ１２等の各種装置が電気的に接続される。
【００２２】
本実施形態のランキンサイクルシステム１では、制御装置１３が、液位推定装置１０の推定した液位ＬＳに基づいて、凝縮液ＷＬを貯留部２ａａから第２流路２ｂに移送するか否かを判定する。移送すると判定した場合には、第２ポンプ１２を制御して、凝縮液ＷＬを貯留部２ａａから第２流路２ｂに移送する制御を行う。例えば、液位推定装置１０の推定した液位ＬＳが設定位置である位置Ｂ２より高い位置にある場合には、凝縮液ＷＬの移送を行うと判定する。この設定位置は、凝縮液ＷＬの液位ＬＳがこの設定位置より高い位置にあると凝縮液ＷＬが膨張器６の出力に影響を及ぼす虞のある位置として実験等により予め設定される位置である。設定位置は位置Ｂ２ではなく位置Ｂ１でもよい。
【００２３】
このように、貯留部２ａａに貯留された凝縮液ＷＬの液位ＬＳに応じて、凝縮液ＷＬを貯留部２ａａから液体状態の作動流体が流通する第２流路２ｂに移送することで、凝縮液ＷＬを気体状態に遷移させることなく省エネルギーで処理することができる。なお、第２ポンプ１２の駆動のために消費するエネルギーは、凝縮液ＷＬの気体状態への遷移に要するエネルギー及び気体状態に遷移した凝縮液ＷＬの液体状態への再遷移に要するエネルギーの合算量と比較して非常に小さい。
【００２４】
本実施形態のランキンサイクルシステム１を基にした制御フローについて、言い換えれば、ランキンサイクルシステムの制御方法について、その一例を制御フローの形で図３を参照しながら説明する。図３に示す制御フローは、エンジンが運転状態であるときに周期的に行われる制御フローである。
【００２５】
図３に示す制御フローがスタートすると、ステップＳ１０（第１ステップ）にて、貯留部２ａａに貯留された凝縮液ＷＬの液位ＬＳを推定する。ステップＳ１０を実施後、ステップＳ２０に進む。
【００２６】
ステップＳ２０（第２ステップ）にて、ステップＳ１０で推定した凝縮液ＷＬの液位ＬＳに基づいて、貯留部２ａａから第２流路２ｂへの凝縮液ＷＬの移送を行うか否かを判定する（第１液位判定）。言い換えれば、凝縮液ＷＬの液位ＬＳが位置Ｂ２より高いか否かを判定する。凝縮液ＷＬの液位ＬＳが位置Ｂ２より高く移送を行う場合（ＹＥＳ）には、ステップＳ３０に進む。凝縮液ＷＬの液位ＬＳが位置Ｂ２より低く移送を行わない場合（ＮＯ）には、ステップＳ４０に進む。
【００２７】
ステップＳ３０（第３ステップ）にて、第２ポンプ１２を制御して（駆動して）、貯留部２ａａから第２流路２ｂへの凝縮液ＷＬの移送を開始する。ステップＳ３０を実施後、ステップＳ１０に戻る。
【００２８】
ステップＳ４０にて、第２ポンプ１２による凝縮液ＷＬの移送が行われている状態であるか否かを判定する。言い換えれば、ステップＳ３０を通過しているか否かを判定する。第２ポンプ１２による凝縮液ＷＬの移送が行われている状態である場合（ＹＥＳ）には、ステップＳ５０に進む。第２ポンプ１２による凝縮液ＷＬの移送が行われていない状態である場合（ＮＯ）には、リターンに進んで、本制御フローを終了する。
【００２９】
ステップＳ５０にて、ステップＳ１０で推定した凝縮液ＷＬの液位ＬＳが位置Ｂ１より低いか否かを判定する（第２液位判定）。位置Ｂ１より低い場合（ＹＥＳ）には、ステップＳ６０に進む。位置Ｂ１より高い場合（ＮＯ）にはステップＳ１０に戻る。
【００３０】
ステップＳ６０にて、第２ポンプ１２を制御して（停止して）、貯留部２ａａから第２流路２ｂへの凝縮液ＷＬの移送を終了する。ステップＳ６０を実施後、リターンに進んで、本制御フローを終了する。
【００３１】
以上により、本実施形態のランキンサイクルシステム１及びその制御方法によれば、
膨張器６の出口６ｂと凝縮器７の入口７ａの間の第１流路２ａに貯留される凝縮液ＷＬを省エネルギーで処理することができる。
【００３２】
なお、本実施形態では移送装置１２として第２ポンプを採用したが、開閉弁でもよい。移送装置１２を開閉弁として構成した場合には、この開閉弁が開状態であるときにバイパス流路１１を貯留部２ａａから第２流路２ｂに向かって凝縮液ＷＬが流通できる程度に、貯留部２ａａと第２流路２ｂの間の差圧が大きい必要がある。バイパス流路１１を構成する配管の径を第１流路２ａ（貯留部２ａａ）を構成する配管の径より小さくすると、貯留部２ａａと第２流路２ｂの間の差圧が比較的小さい場合でも開閉弁が開状態であるときに貯留部２ａａの底部からこの底部に連通するバイパス流路１１に向かって凝縮液ＷＬが流通しやすくなるので好ましい。また、作動流体Ｗがタンク３からポンプ４に向かって第２流路２ｂを通過するように、バイパス流路１１を構成する配管の径は第２流路２ｂを構成する配管の径より小さく構成される。
【符号の説明】
【００３３】
１  ランキンサイクルシステム
２  作動流体用の流路
２ａ  第１流路
２ａａ  貯留部
２ｂ  第２流路
３  タンク
３ａ  タンクの入口
４  ポンプ（循環装置）
５  蒸発器
６  膨張器
６ａ  出力軸
６ｂ  膨張器の出口
７  凝縮器
７ａ  凝縮器の入口
７ｂ  凝縮器の出口
８  圧力センサ
９、９ａ、９ｂ  温度センサ
１０  液位推定装置
１１  バイパス流路
１２  第２ポンプ（移送装置）
１３  制御装置
ＷＬ  凝縮液
ＬＳ  凝縮液の液面
【図１】
2020153236.tif 000003
【図２】
2020153236.tif 000004
【図３】
2020153236.tif 000005