(57)【要約】【課題】ランキンサイクル回路の安定性を高める。【解決手段】内燃機関１が運転され、ランキンサイクル回路６が運転されると、制御装置２２からの指令信号に基づき、流量調整弁２３が作動され、弁の位置を制御し、弁座の開口量を調整して排気通路２からバイパス経路３に流す排ガスの流量が調整される。流量調整弁２３の動作不良が生じると、弁検出センサー２６が流量調整弁２３の動作不良を検出し、検出信号を制御装置２２に発信する。制御装置２２は、弁検出センサー２６から発信された検出信号に基づき、電磁バルブ２１に開口を指令する指令信号を発信するため、電磁バルブ２１は流通管１１の放出口２０を開放する。このため、排気用熱交換器１３内の流通管１１の作動流体は、異常に加熱される前に、早期に放出口２０からランキンサイクル回路６の系外へ放出され、ランキンサイクル回路６の安定性を高める。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
内燃機関の排ガスが流通する経路に付設されるとともに、作動流体を循環させる流通管と、前記作動流体と前記排ガスとの間で熱交換を行う熱交換器とを有するランキンサイクル回路を備えた廃熱利用装置において、
前記排ガスを前記熱交換器の上流側から下流側へとバイパスするバイパス径路と、該バイパス径路内の前記排ガスの流量を調整する流量調整弁と、前記熱交換器内の前記排ガスの流量を検出する検出器とを備え、前記作動流体の流通管は開閉可能な放出口を有し、前記検出器の検出信号に基づき前記放出口を開放し、前記作動流体を前記放出口から前記熱交換器を避けて前記ランキンサイクル回路の系外に放出することを特徴とする廃熱利用装置。
【請求項２】
前記検出器は、前記流量調整弁の開閉動作を検出する弁検出センサーであり、前記流量調整弁が開弁不能であることを前記弁検出センサーが検出したとき、前記放出口を開放することを特徴とする請求項１に記載の廃熱利用システム。
【請求項３】
前記検出器は、前記バイパス径路の分岐点から前記熱交換器の入口までの間における前記排ガスの流量を検出する流量センサーであり、前記流量センサーは、予め設定された基準流量以上の流量を検出したとき前記放出口を開放することを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の廃熱利用システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本願発明は、廃熱利用システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
例えば、特許文献１には、車両用内燃機関の廃熱を利用するために、冷媒ポンプ、内燃機関の冷却水を利用する熱交換器、内燃機関の排ガスを利用する熱交換器、膨張機、凝縮器及びレシーバを備えたランキンサイクル回路を設けた構成が開示されている。
【０００３】
また、特許文献１では開示されていないが、排ガスは非常に高温のため、冷媒が異常に加熱されないように、ランキンサイクル回路を付設した排ガスのメイン通路にバイパスを設け、熱交換器に流入する排ガスの流量を制御する構成が知られている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２０１０−４８１２９号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
熱交換器では、バイパスの設置により適正に制御された流量の排ガスが流入し、ランキンサイクル回路の冷媒を適切に加熱し、蒸発した冷媒が熱交換器から膨張機に向けて循環する。排ガスの流量制御は、バイパスに設けられた制御弁の操作によりバイパスに流れる排ガスの流量を調整し、排ガスのメイン通路に適切な流量の排ガスが流れるようにしている。
【０００６】
しかし、何らかの原因により、例えば、制御弁の故障による機械的な異常あるいは停電の発生による環境的な異常が発生すると、制御弁に動作不良が生じ、バイパス側が閉鎖されるか、バイパスの通路が極端に狭められる場合が生じる。このような異常が発生すると、大量の排ガスが全てメイン通路に流れ、熱交換器に流入する。
【０００７】
このため、熱交換器内では、冷媒と冷媒に含まれる潤滑油が排ガスの高温により異常に加熱される恐れがある。また、熱交換器が排ガスの高温に晒されることにより、冷媒の流通管内の圧力上昇や流通管の劣化等を生じ易く、流通管に亀裂等の破損を生じる恐れがある。
【０００８】
本願発明は、ランキンサイクル回路の安定性を高めることを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
請求項１は、内燃機関の排ガスが流通する経路に付設されるとともに、作動流体を循環させる流通管と、前記作動流体と前記排ガスとの間で熱交換を行う熱交換器とを有するランキンサイクル回路を備えた廃熱利用装置において、前記排ガスを前記熱交換器の上流側から下流側へとバイパスするバイパス径路と、該バイパス径路内の前記排ガスの流量を調整する流量調整弁と、前記熱交換器内の前記排ガスの流量を検出する検出器とを備え、前記作動流体の流通管は開閉可能な放出口を有し、前記検出器の検出信号に基づき前記放出口を開放し、前記作動流体を前記放出口から前記熱交換器を避けて前記ランキンサイクル回路の系外に放出することを特徴とする。
【００１０】
請求項１によれば、作動流体の加熱に直接関与する排ガスが排気用熱交換器へ大量に流入する異常を早期に発見し、作動流体の温度が異常に上昇する前に、作動流体をランキンサイクル回路の系外へ放出することができる。
【００１１】
請求項２は、前記検出器は、前記流量調整弁の開閉動作を検出する弁検出センサーであり、前記流量調整弁が開弁不能であることを前記弁検出センサーが検出したとき、前記放出口を開放することを特徴とする。請求項２によれば、例えば、弁の故障による機械的な異常あるいは停電による環境的な異常等により、制御弁が動作不良を生じる恐れがある。制御弁の動作不良は排気通路に流れる排ガスの流量を異常に増加させる原因となるが、制御弁の動作不良を検出することにより、作動流体を早期にランキンサイクル回路の系外に放出することができる。
【００１２】
請求項３は、前記検出器は、前記バイパス径路の分岐点から前記熱交換器の入口までの間における前記排ガスの流量を検出する流量センサーであり、前記流量センサーは、予め設定された基準流量以上の流量を検出したとき前記放出口を開放することを特徴とする。請求項３によれば、例えば、制御弁の動作不良が原因となる、排気通路を流れる排ガスの異常な増加あるいは排気バイパスを流れる排ガスの異常な低下を検出することにより、作動流体を早期にランキンサイクル回路の系外に放出することができる。
【発明の効果】
【００１３】
本願発明は、ランキンサイクル回路の安定性を高めることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１４】
【図１】第１の実施形態における内燃機関の廃熱利用システムを示す模式図である。
【図２】作動流体の流通管の開口部を示す部分断面図である。
【図３】排気通路、排気バイパス及び制御弁の関係を示す部分断面図である。
【図４】第２の実施形態における内燃機関の廃熱利用システムの一部を示す模式図である。
【図５】その他の実施形態における内燃機関の廃熱利用システムの一部を示す模式図である。
【発明を実施するための形態】
【００１５】
（第１の実施形態）
第１の実施形態を図１〜図３に基づいて説明する。図１は、例えば、車両に搭載されたガソリンエンジンあるいはディーゼルエンジン等の内燃機関１における廃熱利用システムを示す。内燃機関１は、燃焼後の排ガスが排気される排気通路２と排気通路２に接続したバイパス経路３から構成された排気経路４及び内燃機関１を冷却するための冷却水循環回路５を備えている。また、内燃機関１には、内燃機関１の廃熱を利用するためにランキンサイクル回路６が付設されている。
【００１６】
冷却水循環回路５は、内燃機関１を介して循環される冷却水の流通管７と、流通管７に介在された冷却水ポンプ８、冷却水用熱交換器９及びラジエータ１０とを備えている。冷却水ポンプ８は冷却水を内燃機関１に供給し、内燃機関１の冷却を行なう。内燃機関１で加熱された冷却水は、冷却水用熱交換器９においてランキンサイクル回路６を循環する作動流体との間で熱交換を行い、その後、ラジエータ１０において冷却される。ラジエータ１０において冷却された冷却水は冷却水ポンプ８により内燃機関１に再度供給され、冷却水の循環が行われる。
【００１７】
ランキンサイクル回路６は、作動流体の流通管１１と、流通管１１に介在されたポンプ１２、冷却水用熱交換器９、排気用熱交換器１３、膨張機１４、凝縮器１５及びレシーバ１６とを備えている。ポンプ１２は液化された作動流体を流通管１１により冷却水用熱交換器９及び排気用熱交換器１３に向けて供給する。冷却水用熱交換器９は、冷却水の流通管７と作動流体の流通管１１とを組み合わせた構成を有する。従って、流通管１１内の作動流体は、内燃機関１により加熱された流通管７内の冷却水により加熱される。
【００１８】
排気用熱交換器１３は排気通路２に付設され、排気用熱交換器１３内の流通管１１を循環する作動流体は排気通路２を流れる高温の排ガスにより加熱され、気化される。排気用熱交換器１３において気化された作動流体は、膨張機１４において膨張させられることにより機械的な駆動力を発生する。膨張機１４において得られた駆動力は、膨張機１４に連結された発電機１７の駆動源とされ、内燃機関１の廃熱が利用される。膨張機１４を経由した作動流体は、凝縮器１５において放熱され、凝縮液化される。また、凝縮された作動流体は、レシーバ１６において気液二層に分離され、液化された作動流体のみがポンプ１２に導入される。
【００１９】
排気用熱交換器１３は、図２に示されるように、上部側に設けられた作動流体導入部１８から水平に延出された流通管１１が、左右で折り曲げられながら下方に複数段形成され、下部側の膨張機１４に連通する作動流体導出部（図示せず）に至るように構成されている。複数段に形成された流通管１１は多数のフィン（図示せず）を有し、ケース１９内に収納されている。ケース１９は内燃機関１の排気経路４を構成する排気通路２の一部を構成し、排ガスはケース１９内において、複数段の流通管１１の間を流通管１１と直交する方向に流れる。このため、排気通路２内を流動する高温の排ガスは、流通管１１の隙間を流通し、流通管１１内の作動流体との間で熱交換が行われる。
【００２０】
また、作動流体導入部１８には、排気用熱交換器１３の外部の位置で、流通管１１から分岐した開閉可能な放出口２０が設けられている。放出口２０はランキンサイクル回路６の系外、即ち排気用熱交換器１３の外部に連通するとともに電磁バルブ２１を備えている。電磁バルブ２１は制御装置２２と電気的に接続され、通常、閉状態にあり、放出口２０を閉鎖している。なお、放出口２０は熱源である排気通路２や排気用熱交換器１３から離れる方向に向けて開口することが好ましい。
【００２１】
一方、排気用熱交換器１３の上流側の排気通路２から排気用熱交換器１３の下流側の排気通路２にバイパスされたバイパス経路３には、制御装置２２と電気的に接続された電磁弁からなる流量調整弁２３が設けられている。図３に示すように、流量調整弁２３は排気通路２との分岐位置のバイパス経路３に形成された弁座２４に当接する弁２５を有する。流量調整弁２３は制御装置２２からの指令信号により弁２５を作動し、弁座２４の開閉及び弁座２４の開口量を調整して、バイパス経路３へ流す排ガスの流量を調整する。
【００２２】
流量調整弁２３には、排気通路２を流れる排ガスの増加状態を認識するための検出器として、弁２５の開閉動作を検出する弁検出センサー２６が設けられている。弁検出センサー２６は流量調整弁２３が動作不良を生じ、弁２５が弁座２４を閉口する位置あるいは弁座２４を僅かに開く程度の位置に継続して停止しているような開弁不能な場合に、動作不良の検出信号を制御装置２２に発信する。制御装置２２は、弁検出センサー２６から発信される動作不良の検出信号を受信すると、ランキンサイクル回路６の流通管１１に設けた放出口２０の電磁バルブ２１に指令信号を発信し、放出口２０を開放する。
【００２３】
第１の実施形態における内燃機関１の廃熱利用システムは、次のように動作する。内燃機関１が運転され、ランキンサイクル回路６が運転されると、制御装置２２からの指令信号に基づき、流量調整弁２３が操作され、弁２５の位置を制御して弁座２４の開口量を調整し、排気通路２からバイパス経路３に流す排ガスの流量が調整される。例えば、内燃機関１の運転初期のように、排ガスの温度が比較的低い場合には、弁座２４の開口量を小さくして排気通路２における排ガスの流量を多くする。
【００２４】
また、内燃機関１の運転が継続され、排ガスの温度が高くなると、弁座２４の開口量を大きくし、バイパス経路３へ流す排ガスの流量を増加する。このように、内燃機関１の運転状況に応じてバイパス経路３へ流す排ガスの流量を調整することにより、排気用熱交換器１３に流入する排ガスの流量を適正にし、ランキンサイクル回路６の作動流体が異常に加熱される不具合を防止している。
【００２５】
ランキンサイクル回路６では、作動流体がポンプ１２により流通管１１を循環し、排気用熱交換器１３において排ガスの熱エネルギーを吸収し、膨張機１４を駆動する。膨張機１４において、熱エネルギーから変換された機械エネルギーにより発電機１７を駆動し、電気エネルギーを得ている。
【００２６】
内燃機関１の運転中に、弁座２４が完全に閉鎖されるか、弁座２４の開口量が極端に小さく制御された状態で、流量調整弁２３が故障による動作不良や停電等による動作不能を生じ、この状態を継続する恐れがある。弁座２４の閉口により排ガスは排気バイパスに流れず、全てが排気通路２へ流れ、排気用熱交換器１３に流入するため、作動流体は排ガスの高熱により異常に加熱される恐れがある。また、排気用熱交換器１３内の流通管１１が排ガスの高熱に晒され、劣化する恐れが生じる。
【００２７】
このような流量調整弁２３の動作不良が生じると、弁検出センサー２６が直ちに流量調整弁２３の動作不良を検出し、検出信号を制御装置２２に発信する。制御装置２２は、弁検出センサー２６から発信された検出信号に基づき、電磁バルブ２１に開の指令信号を発信するため、電磁バルブ２１は流通管１１の放出口２０を開放する。このため、排気用熱交換器１３内の流通管１１の作動流体は、異常に加熱される前に、早期に放出口２０からランキンサイクル回路６の系外へ放出され、ランキンサイクル回路６の安定性を高めることができる。
【００２８】
（第２の実施形態）
図４は第２の実施形態を示したもので、第１の実施形態と同一の構成については同一の符号を付し、詳細な説明を省略する。第２の実施形態は、第１の実施形態における弁検出センサー２６の代わりに、排気通路２を流れる排ガスの増加状態を認識するための検出器として、流量センサー２７をバイパス経路３の分岐点と排気用熱交換器１３の入口との間の排気通路２に設けた構成である。流量センサー２７は制御装置２２と電気的に接続され、排気通路２を流れる排ガスの流量を検出し、その検出信号を制御装置２２へ発信している。
【００２９】
制御装置２２には、内燃機関１の通常運転中及び内燃機関１の過負荷時において、排気通路２に流す排ガスの基準流量が予め設定されている。制御装置２２は流量センサー２７から発信される検出信号に基づき、排気通路２の流量を予め設定されている基準流量と比較し、排ガスの流量が基準流量に達しているか否かを判断している。排気通路２を流れる排ガスが予め設定した基準流量に変化した時、流量センサー２７が増加した排ガスの流量を検出する。制御装置２２は、流量センサー２７の検出信号に基づき電磁バルブ２１に開口を指令する指令信号を発信して放出口２０を開き、ランキンサイクル回路６の流通管１１を開放する。
【００３０】
従って、排気経路４のバイパス経路３に設けた流量調整弁２３が動作不良を生じ、バイパス経路３に排ガスが流れなくなると、排気通路２を流れる排ガスの流量が増大する。流量センサー２７は増大した排ガスの流量の検出信号を制御装置２２に発信するため、制御装置２２では、検出信号を基準流量と比較し、排気通路２を流れる排ガスの流量が基準流量を越えていると判断し、電磁バルブ２１に開の指令信号を発信する。電磁バルブ２１は放出口２０を開くため、第１の実施形態と同様に、排気用熱交換器１３内の流通管１１の作動流体は、異常に加熱される前に、放出口２０からランキンサイクル回路６の系外へ放出され、ランキンサイクル回路６の安定性を高めることができる。
【００３１】
なお、第２の実施形態では、流量センサー２７は排気通路２に設けられているが、流量調整弁２３よりも下流側のバイパス経路３に設けるように構成しても良い。この例では、流量調整弁２３が動作不良を生じた場合、バイパス経路３を流れる排ガスが大きく減少する方向に変化するため、制御装置２２は流量センサー２７から発信される検出信号に基づく検出された流量が設定された流量よりも低いか否かを比較し、判断する。
【００３２】
本願発明は、前記した各実施形態の構成に限定されるものではなく、本願発明の趣旨の範囲内で種々の変更が可能であり、次のように実施することができる。
【００３３】
（１）第１の実施形態及び第２の実施形態に対して、図５に示す構成にしても良い。図５は、電磁バルブ２１に代えて三方弁２８により構成した電磁弁を流通管１１に直接取り付け、また、作動流体導出部（図示せず）側に電磁弁と同期して閉動作する他の電磁弁２９を設けておき、流量センサー２７（又は弁検出センサー２６）が検出信号を発信した時、両方の三方弁２８及び電磁弁２９を閉じ、放出口２０を開放するように構成しても良い。この構成では、流通管１１内の作動流体の移動が遮断されるため、放出口２０からの放出を排気用熱交換器１３に存在する作動流体のみに限ることができ、作動流体の放出量を減少させることができる。
【００３４】
（２）第１の実施形態及び第２の実施形態において、ランキンサイクル回路６及び排気経路４から分離した位置に作動流体を収容する容器を配設しておき、流通管１１の作動流体を排気用熱交換器１３の外部へ直接放出せずに、容器内に収容するように構成しても良い。
（３）第１の実施形態及び第２の実施形態において、ランキンサイクル回路６の排気用熱交換器１３は、ＥＧＲ（排気再循環）を備えた内燃機関１の場合、排気循環バイパスを備えた排気循環経路に付設して実施することができる。
【００３５】
（４）第１の実施形態及び第２の実施形態において、作動流体導入部１８が排気用熱交換器１３の下部側に、作動流体導出部（図示せず）が排気用熱交換器１３の上部側にそれぞれ配置される場合には、排気用熱交換器１３内の気化された作動流体を速やかに系外に放出するために、放出口２０は作動流体導出部（図示せず）側に設けても良い。しかし、ランキンサイクル回路６の内圧が大気に比べて十分に高く、作動流体が容易に系外に放出され得る場合には、放出口２０は流通管１１の適宜箇所に設けられることができる。例えば、流通管１１において、凝縮器１５の下流から熱交換器上流までの間に放出口２０を取り付けてもよい。この場合、作動流体が液体であって密度が大きいので、放出量を損なうことなく電磁バルブ２１を小型化できる。
【００３６】
（５）第１の実施形態及び第２の実施形態あるいは他の変更した実施形態は、車両以外の機械に設置された内燃機関においても実施することができる。
【符号の説明】
【００３７】
１  内燃機関
２  排気通路
３  バイパス経路
４  排気経路
６  ランキンサイクル回路
１１  流通管
１３  排気用熱交換器
２０  放出口
２１  電磁バルブ
２２  制御装置
２３  流量調整弁
２４  弁座
２５  弁
２６  弁検出センサー
２７  流量センサー
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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