(57)【要約】【課題】  コンデンサの負荷を低減することが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（１００）は、作動流体を圧送するポンプ（１０）と、ポンプによって圧送された作動流体を車両（２００）の内燃機関（１１０）の廃熱によって加熱する蒸気発生器（２０）と、蒸気発生器を経由した作動流体によって駆動されるタービン（３０）と、タービンを経由した作動流体の熱により車室導入空気を加熱するヒーターコア（４０）と、ヒーターコアを経由した作動流体を凝縮するコンデンサ（５０）と、を備えることを特徴とするものである。この構成によれば、ヒーターコアがタービンを経由した作動流体の熱を回収することから、コンデンサで凝縮される作動流体の熱量が低下する。このため、タービンを経由した作動流体が直接コンデンサによって凝縮される場合に比較して、コンデンサの負荷を低減することができる。【選択図】      図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
車両に用いられるランキンサイクル装置であって、
作動流体を圧送するポンプと、
前記ポンプによって圧送された前記作動流体を前記車両の内燃機関の廃熱によって加熱する蒸気発生器と、
前記蒸気発生器を経由した前記作動流体によって駆動されるタービンと、
前記タービンを経由した前記作動流体の熱により車室導入空気を加熱するヒーターコアと、
前記ヒーターコアを経由した前記作動流体を凝縮するコンデンサと、を備えることを特徴とするランキンサイクル装置。
【請求項２】
前記タービンを経由した前記作動流体を前記ヒーターコアを迂回させて前記コンデンサに流入させるバイパス流路と、
前記作動流体の前記ヒーターコアへの流入と前記バイパス流路への流入とを切替える切替え弁と、
前記車両の車室冷房用の冷房手段が作動しているか否かを検出する冷房作動状態検出手段と、
前記冷房作動状態検出手段の検出結果に基づいて、前記冷房手段が作動していない場合は前記作動流体が前記ヒーターコアに流入する第１の状態となるように前記切替え弁を制御し、前記冷房手段が作動している場合は前記作動流体が前記バイパス流路に流入する第２の状態となるように前記切替え弁を制御する制御手段と、を備える請求項１記載のランキンサイクル装置。
【請求項３】
前記制御手段は、前記第２の状態となるように前記切替え弁を制御した後に、前記冷房手段の仕事量が前記ヒーターコアの放熱量以上である場合には前記第１の状態となるように前記切替え弁を制御する請求項２記載のランキンサイクル装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ランキンサイクル装置、特に車両に用いられるランキンサイクル装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
車両に搭載された内燃機関の廃熱を利用して動作する廃熱利用装置が知られている。特許文献１には、ランキンサイクル装置と、内燃機関の冷却用流体の熱を利用して車室導入空気を加熱するヒーターコア用のヒーター回路と、を備える廃熱利用装置が開示されている。特許文献１のランキンサイクル装置は、ポンプ、蒸気発生器、タービンおよびコンデンサ（凝縮器）が閉回路になるように順次接続されて構成されている。
【０００３】
【特許文献１】特開２００７−３３２８５３号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
ところで、特許文献１のランキンサイクル装置のコンデンサは、タービンを経由した作動流体を凝縮して液化しなければならない。そのため、コンデンサにかかる負荷は大きくなる。
【０００５】
本発明は、コンデンサの負荷を低減することが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。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明に係るランキンサイクル装置は、車両に用いられるランキンサイクル装置であって、作動流体を圧送するポンプと、ポンプによって圧送された作動流体を車両の内燃機関の廃熱によって加熱する蒸気発生器と、蒸気発生器を経由した作動流体によって駆動されるタービンと、タービンを経由した作動流体の熱により車室導入空気を加熱するヒーターコアと、ヒーターコアを経由した作動流体を凝縮するコンデンサと、を備えることを特徴とするものである。
【０００７】
本発明に係るランキンサイクル装置によれば、ヒーターコアがタービンを経由した作動流体の熱を回収することから、コンデンサで凝縮される作動流体の熱量が低下する。このため、タービンを経由した作動流体が直接コンデンサによって凝縮される場合に比較して、コンデンサの負荷を低減することができる。
【０００８】
上記構成は、タービンを経由した作動流体をヒーターコアを迂回させてコンデンサに流入させるバイパス流路と、作動流体のヒーターコアへの流入とバイパス流路への流入とを切替える切替え弁と、車両の車室冷房用の冷房手段が作動しているか否かを検出する冷房作動状態検出手段と、冷房作動状態検出手段の検出結果に基づいて、冷房手段が作動していない場合は作動流体がヒーターコアに流入する第１の状態となるように切替え弁を制御し、冷房手段が作動している場合は作動流体がバイパス流路に流入する第２の状態となるように切替え弁を制御する制御手段と、を備えていてもよい。
【０００９】
この構成によれば、冷房手段が作動していない場合は作動流体がヒーターコアに流入し、作動流体から熱が奪われることから、コンデンサの負荷を低減することができる。また、この構成によれば、冷房手段が作動している場合は作動流体がバイパス流路に流入することから、冷房手段が作動している場合に作動流体がヒーターコアに流入することによって車室の温度が上昇して、冷房効率が低下することが抑制される。
【００１０】
上記構成において、制御手段は、第２の状態となるように切替え弁を制御した後に、冷房手段の仕事量がヒーターコアの放熱量以上である場合には第１の状態となるように切替え弁を制御してもよい。この構成によれば、作動流体がバイパス流路に流入した後に冷房手段の仕事量がヒーターコアの放熱量以上の場合には、作動流体をヒーターコアに流入させることができる。この場合、冷房手段の仕事量がヒーターコアの放熱量以上であることから、車室の温度上昇は抑制される。また、冷房手段が作動している場合においても、コンデンサの負荷を低減することができる。
【発明の効果】
【００１１】
本発明によれば、コンデンサの負荷を低減することができるランキンサイクル装置を提供することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１２】
以下、本発明を実施するための最良の形態を説明する。
【実施例１】
【００１３】
本発明の実施例１に係るランキンサイクル装置１００について説明する。図１は、実施例１に係るランキンサイクル装置１００が搭載された車両２００の模式図である。車両２００は主として、ランキンサイクル装置１００と、内燃機関１１０と、発電用モータ１２０と、を備える。ランキンサイクル装置１００は、ポンプ１０と、蒸気発生器２０と、タービン３０と、ヒーターコア４０と、コンデンサ５０と、接続流路６０と、温度センサ７０と、回転数センサ７１と、ＥＣＵ８０と、を備える。
【００１４】
ポンプ１０は、ＥＣＵ８０の指示を受けて、作動流体を蒸気発生器２０へ圧送する。ポンプ１０としては、例えば車両２００のバッテリを電力源として駆動する電動式ポンプが用いられる。作動流体としては、例えば水を主成分とする冷媒が用いられる。なお、ランキンサイクル装置１００は、ポンプ１０に供給される作動流体を貯留するためのタンクを有していてもよい。
【００１５】
蒸気発生器２０は、ポンプ１０によって圧送された作動流体を内燃機関１１０の廃熱によって加熱する。本実施例において蒸気発生器２０は、内燃機関１１０の排気管１１５を流動する排気ガスの熱によって作動流体を加熱する。なお、排気管１１５を流動した排気ガスは、大気へ放出される。
【００１６】
タービン３０は、蒸気発生器２０を経由した作動流体によって駆動される。タービン３０には発電用モータ１２０が接続されている。発電用モータ１２０は、蒸気化した作動流体によって回転するタービン３０によって駆動される。発電用モータ１２０で発電された電力はバッテリに充電される。
【００１７】
ヒーターコア４０は、タービン３０を経由した作動流体の熱により車両２００の車室２０１へ導入される空気（車室導入空気）を加熱する。ヒーターコア４０としては、例えば送風機によって送風される車室導入空気を作動流体の熱との熱交換によって加熱するヒータコアを用いることができる。
【００１８】
コンデンサ５０は、ヒーターコア４０を経由した作動流体を凝縮する。コンデンサ５０としては、例えば作動流体を外気との熱交換によって凝縮して液化させるコンデンサを用いることができる。
【００１９】
接続流路６０は、ポンプ１０、蒸気発生器２０、タービン３０、ヒーターコア４０およびコンデンサ５０を、ループ状に順次接続している。接続流路６０としては、作動流体が流動できるものであれば特に限定されない。接続流路６０として、例えば配管等を用いることができる。
【００２０】
温度センサ７０は、蒸気発生器２０を経由した作動流体の温度を検出して、検出結果をＥＣＵ８０に伝える。回転数センサ７１は、タービン３０の回転数を検出して、検出結果をＥＣＵ８０に伝える。
【００２１】
ＥＣＵ８０は、演算処理を行うＣＰＵ８１と、記憶処理を行うＲＯＭ８２およびＲＡＭ８３と、を有するマイクロコンピュータである。本実施例においてＥＣＵ８０は、ポンプ１０の動作を制御する制御手段としての機能を有する。
【００２２】
ランキンサイクル装置１００は、以下のように動作する。まず、ＥＣＵ８０は、ポンプ１０を作動させる。ポンプ１０が作動すると、作動流体は蒸気発生器２０に圧送される。蒸気発生器２０は排気ガスの熱を利用して作動流体を加熱する。なお、ＥＣＵ８０は、温度センサ７０の検出結果に基づいて、蒸気発生器２０を経由した作動流体が過熱蒸気になるようにポンプ１０の動作を制御する。蒸気発生器２０を経由した作動流体は、タービン３０に流入して、タービン３０を回転させる。それにより、発電用モータ１２０が駆動して、バッテリが充電される。タービン３０を経由した作動流体は、ヒーターコア４０に流入して、車室導入空気を加熱する。ヒーターコア４０を経由した作動流体は、コンデンサ５０に流入して、凝縮されて液化される。コンデンサ５０を経由した作動流体は、ポンプ１０に流入する。ランキンサイクル装置１００は、以上の動作を繰り返す。それにより、内燃機関１１０の動力（廃熱）はランキンサイクル装置１００によって回収されて、発電用モータ１２０の駆動エネルギ源およびヒーターコア４０の熱エネルギ源として利用される。その結果、車両２００がランキンサイクル装置１００を備えない場合に比較して、車両２００の燃料消費効率は向上する。
【００２３】
本実施例に係るランキンサイクル装置１００によれば、ヒーターコア４０がタービン３０を経由した作動流体の熱を回収することから、コンデンサ５０で凝縮される作動流体の熱量が低下する。このため、タービン３０を経由した作動流体が直接コンデンサ５０によって凝縮される場合に比較して、コンデンサ５０の負荷を低減することができる。その結果、コンデンサ５０の容量を小さくすることができる。それにより、ランキンサイクル装置１００の車両２００への搭載の自由度が向上する。
【００２４】
また、本実施例に係るランキンサイクル装置１００によれば、ヒーターコア４０は、タービン３０を経由した作動流体の熱を用いて車室導入空気を加熱することができる。それにより、ヒーターコア４０の性能を発揮させることができる。また、ヒーターコア４０によって車室２０１の暖房を行うことができることから、車両２００は内燃機関１１０の作動流体を利用したヒーターコアおよびヒーターコア用のヒーター回路を別途備えていなくてもよい。それにより、内燃機関１１０および車室２０１用の暖房装置を含む車載システム全体のコンパクト化を図ることができる。
【００２５】
なお、ランキンサイクル装置１００において、タービン３０は発電用モータ１２０を駆動しているが、これに限られない。例えば、ランキンサイクル装置１００は、タービン３０がクランクシャフトの回転を補助する構成を有していてもよい。
【実施例２】
【００２６】
続いて、本発明の実施例２に係るランキンサイクル装置１００ａについて説明する。図２は、実施例２に係るランキンサイクル装置１００ａが搭載された車両２００ａの模式図である。車両２００ａは、冷房装置１３０をさらに備える点と、ランキンサイクル装置１００の代わりにランキンサイクル装置１００ａを備える点と、において図１に示す車両２００と異なる。
【００２７】
冷房装置１３０は車室冷房用の装置である。冷房装置１３０は、エバポレータ、コンプレッサ、レシーバタンク、冷房装置用ＥＣＵ等を備えている。冷房装置１３０は、車室２０１に配置された冷房スイッチ１３５が乗員によってＯＮにされた場合かつ車室２０１の温度が冷房設定温度より高い場合には、コンプレッサを始動させることによって作動を開始する。また、冷房装置１３０は、冷房スイッチ１３５が乗員によってＯＦＦにされた場合または車室２０１の温度が冷房設定温度以下の場合には、コンプレッサを停止させることによって作動を停止する。冷房装置１３０としては、１以上のＣＯＰを有する冷房装置が好ましい。１より小さいＣＯＰを有する冷房装置の場合に比較して車両２００ａの燃費が向上するからである。なお、ＣＯＰとは、Coefficient Of Performance の略であり、入力されたエネルギによって、どれだけのエネルギを出力できるかを数値で示した成績係数のことであり、冷房装置においては電力１ｋｗでどれだけの冷房効果が得られるかを示す指標となる。
【００２８】
ランキンサイクル装置１００ａは、バイパス流路６５、切替え弁９０および冷房作動状態検出手段（本実施例においては、冷房装置用ＥＣＵおよび冷房スイッチ１３５）をさらに備える点と、ＥＣＵ８０の代わりにＥＣＵ８０ａを備える点と、において、図１のランキンサイクル装置１００と異なる。バイパス流路６５は、タービン３０を経由した作動流体がヒーターコア４０を迂回してコンデンサ５０に流入するように接続流路６０に接続されている。
【００２９】
切替え弁９０は、バイパス流路６５の接続流路６０への接続点に配置されている。切替え弁９０は、ＥＣＵ８０ａからの指示により、作動流体のヒーターコア４０への流入とバイパス流路６５への流入とを切替える。切替え弁９０として、例えば３方電磁弁が用いられる。
【００３０】
冷房作動状態検出手段は、冷房装置１３０が作動しているか否かを検出し、検出結果をＥＣＵ８０ａに伝える。冷房作動状態検出手段としては、冷房装置１３０が作動しているか否かを検出できるものであれば特に限定されない。本実施例においては、冷房作動状態検出手段として、冷房装置用ＥＣＵおよび冷房スイッチ１３５を用いる。ＥＣＵ８０ａは、冷房スイッチ１３５がＯＮの場合かつ冷房装置用ＥＣＵがコンプレッサ駆動の信号を発信しているときに冷房装置１３０が作動していると判定し、冷房スイッチ１３５がＯＦＦの場合または冷房装置用ＥＣＵがコンプレッサ停止の信号を発信しているときに冷房装置１３０が作動していないと判定する。
【００３１】
ＥＣＵ８０ａは、ポンプ１０の作動中において冷房作動状態検出手段からの信号に基づいて切替え弁９０を制御する点において実施例１のＥＣＵ８０と異なる。具体的にはＥＣＵ８０ａは、ポンプ１０の作動中において冷房作動状態検出手段からの信号に基づいて冷房装置１３０が作動しているか否かを判定する。そして、ＥＣＵ８０ａは、冷房装置１３０が作動していないと判定された場合には作動流体がヒーターコア４０に流入するように切替え弁９０を制御し、冷房装置１３０が作動していると判定された場合には作動流体がバイパス流路６５に流入するように切替え弁９０を制御する。
【００３２】
図３は、ＥＣＵ８０ａがポンプ１０の作動中に実行するフローチャートの一例を示す図である。なお、ＥＣＵ８０ａは、図３のフローチャートを所定の周期で繰り返し実行する。まず、ＥＣＵ８０ａは、冷房作動状態検出手段からの信号に基づいて、冷房装置１３０が作動しているか否かを判定する（ステップＳ１０）。
【００３３】
ステップＳ１０において冷房装置１３０が作動していると判定された場合、ＥＣＵ８０ａは、作動流体がヒーターコア４０に流入しているか否かを判定する（ステップＳ２０）。例えば、ＥＣＵ８０ａは、作動流体がヒーターコア４０に流入するように切替え弁９０が制御されているか、あるいは、作動流体がバイパス流路６５に流入するように切替え弁９０が制御されているか、について判定することによって、作動流体がヒーターコア４０に流入しているか否かを判定することができる。
【００３４】
ステップＳ２０において作動流体がヒーターコア４０に流入していると判定された場合、ＥＣＵ８０ａは作動流体がバイパス流路６５に流入するように切替え弁９０を制御する（ステップＳ３０）。次いで、ＥＣＵ８０ａはフローチャートの実行を終了する。
【００３５】
ステップＳ１０において冷房装置１３０が作動していると判定されなかった場合、ＥＣＵ８０ａはフローチャートの実行を終了する。この場合、タービン３０を経由した作動流体は、ヒーターコア４０に流入する。
【００３６】
ステップＳ２０において作動流体がヒーターコア４０に流入していると判定されなかった場合、ＥＣＵ８０ａはフローチャートの実行を終了する。この場合、タービン３０を経由した作動流体は、バイパス流路６５に流入する。
【００３７】
本実施例に係るランキンサイクル装置１００ａによれば、ＥＣＵ８０ａは冷房装置１３０が作動していない場合は作動流体がヒーターコア４０に流入するように切替え弁９０を制御することから、コンデンサ５０の負荷を低減することができる。
【００３８】
また、ＥＣＵ８０ａは冷房装置１３０が作動している場合には作動流体がバイパス流路６５に流入するように切替え弁９０を制御することから、冷房装置１３０が作動している場合に作動流体がヒーターコア４０に流入することが抑制される。それにより、冷房中に作動流体がヒーターコア４０に流入することによって車室２０１の温度が上昇することが抑制される。その結果、冷房装置１３０が能力不足に陥ることが抑制されるとともに、冷房装置１３０の冷房効率の低下が抑制される。
【００３９】
（変形例１）
ＥＣＵ８０ａは、冷房装置１３０が作動している場合において作動流体がバイパス流路６５に流入するように切替え弁９０を制御した後に、冷房装置１３０の仕事量がヒーターコア４０の放熱量以上の場合は、作動流体がヒーターコア４０に流入するように切替え弁９０を制御してもよい。図４は、本変形例に係るＥＣＵ８０ａがポンプ１０の作動中に実行するフローチャートの一例を示す図である。なお、ＥＣＵ８０ａは、図４のフローチャートを所定の周期で繰り返し実行する。図４のフローチャートは、ステップＳ４０、ステップＳ５０およびステップＳ６０をさらに備える点において、図３のフローチャートと異なる。その他の構成は図３のフローチャートと同様のため、説明を省略する。
【００４０】
図４のステップＳ２０において作動流体がヒーターコア４０に流入していると判定されなかった場合またはステップＳ３０が実行された場合、ＥＣＵ８０ａは、ランキンサイクル装置１００ａが正常に作動しているか否かを判定する（ステップＳ４０）。具体的には、ＥＣＵ８０ａは、回転数センサ７１の検出結果に基づいて、タービン３０が回転しているか否かを検出する。そしてＥＣＵ８０ａは、タービン３０が回転している場合はランキンサイクル装置１００ａが正常に作動していると判定し、タービン３０が回転していない場合はランキンサイクル装置１００ａが正常に作動していないと判定する。なお、ポンプ１０が作動している場合であっても、タービン３０に導入される作動流体のエネルギがタービン３０のフリクションに打ち勝ってタービン３０を回転させるのに必要なエネルギに至らない場合（例えば、タービン３０の導入される作動流体の温度が低温の場合）には、タービン３０は回転しない。タービン３０が回転しない場合、発電用モータ１２０による内燃機関１１０の動力回収を行うことはできなくなる。
【００４１】
ステップＳ４０においてランキンサイクル装置１００ａが正常に作動していると判定されなかった場合、ＥＣＵ８０ａは、ヒーターコア４０の放熱量が冷房装置１３０の仕事量より大きいか否かを判定する（ステップＳ５０）。ヒーターコア４０の放熱量は、例えば温度センサ７０の検出結果に基づいて算出することができる。冷房装置１３０の仕事量は、あらかじめＥＣＵ８０ａが記憶しておけばよい。
【００４２】
ステップＳ５０においてヒーターコア４０の放熱量が冷房装置１３０の仕事量より大きいと判定されなかった場合（すなわち、冷房装置１３０の仕事量がヒーターコア４０の放熱量以上の場合）、ＥＣＵ８０ａは作動流体がヒーターコア４０に流入するように切替え弁９０を制御する（ステップＳ６０）。この場合、冷房装置１３０の仕事量がヒーターコア４０の放熱量以上のため、ヒーターコア４０の放熱による車室２０１の温度上昇は抑制される。なお、冷房装置１３０のＣＯＰが１以上の場合には、冷房装置１３０はヒーターコア４０の放熱にともなう車室２０１の温度上昇を抑制するために、例えば定格以上の仕事をしてもよい。次いで、ＥＣＵ８０ａはフローチャートの実行を終了する。
【００４３】
ステップＳ４０においてランキンサイクル装置１００ａが正常に作動していると判定された場合、ＥＣＵ８０ａはフローチャートの実行を終了する。この場合、タービン３０を経由した作動流体はバイパス流路６５に流入する。ステップＳ５０において、ヒーターコア４０の放熱量が冷房装置１３０の仕事量より大きいと判定された場合、ＥＣＵ８０ａはフローチャートの実行を終了する。この場合、タービン３０を経由した作動流体はバイパス流路６５に流入する。
【００４４】
以上のように、本変形例に係るランキンサイクル装置１００ａによれば、作動流体がバイパス流路６５に流入した後に冷房装置１３０の仕事量がヒーターコア４０の放熱量以上の場合には、作動流体をヒーターコア４０に流入させることができる。この場合、冷房装置１３０の仕事量がヒーターコア４０の放熱量以上であることから、車室２０１の温度上昇は抑制される。また、冷房装置１３０の能力不足は生じない。さらに、作動流体がヒーターコア４０に流入することによって、冷房装置１３０が作動している場合においてもコンデンサ５０の負荷を低減することができる。
【００４５】
実施例２および実施例２の変形例１において、冷房装置１３０は冷房手段に相当し、冷房装置用ＥＣＵおよび冷房スイッチ１３５は冷房作動状態検出手段に相当する。
【００４６】
以上本発明の好ましい実施形態について詳述したが、本発明はかかる特定の実施形態に限定されるものではなく、特許請求の範囲に記載された本発明の要旨の範囲内において、種々の変形・変更が可能である。
【図面の簡単な説明】
【００４７】
【図１】図１は、実施例１に係るランキンサイクル装置１００が搭載された車両２００の模式図である。
【図２】図２は、実施例２に係るランキンサイクル装置１００ａが搭載された車両２００ａの模式図である。
【図３】図３は、実施例２に係るＥＣＵ８０ａがポンプ１０の作動中に実行するフローチャートの一例を示す図である。
【図４】図４は、実施例２の変形例１に係るＥＣＵ８０ａがポンプ１０の作動中に実行するフローチャートの一例を示す図である。
【符号の説明】
【００４８】
１０  ポンプ
２０  蒸気発生器
３０  タービン
４０  ヒーターコア
５０  コンデンサ
６０  接続流路
６５  バイパス流路
７０  温度センサ
７１  回転数センサ
８０  ＥＣＵ
９０  切替え弁
１００  ランキンサイクル装置
１１０  内燃機関
１１５  排気管
１２０  発電用モータ
１３０  冷房装置
１３５  冷房スイッチ
２００  車両
２０１  車室
【図１】
2010116804.tif 000003
【図２】
2010116804.tif 000004
【図３】
2010116804.tif 000005
【図４】
2010116804.tif 000006