(57)【要約】【課題】容積調整機構を用いたランキンサイクル装置においても作動流体の洩れを検知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。【解決手段】車両用ランキンサイクル装置１０の作動流体回路１１は、放熱器３０に冷媒を供給可能とする容積調整機構６０を備える。容積調整機構６０は、作動流体回路１１の循環方向での放熱器３０の下流とボイラ５０の上流との間に配置され、冷媒を収容する収容室６３を備える。また、容積調整機構６０は、収容室６３内を移動して、該収容室６３の容積を可変するピストン６２と、ピストン６２を制御するとともに、ピストン６２の基準移動量と実際移動量との差異に基づいて作動流体回路１１からの冷媒漏れを判定する制御部７５とを備える。【選択図】図１
2014134175.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
作動流体を圧送するポンプと、
前記ポンプにより圧送された作動流体を排熱源からの排熱によって加熱するボイラと、
前記ボイラで加熱された作動流体を膨張させて機械的エネルギーを回収する膨張機と、
前記膨張機で膨張された作動流体を放熱させる放熱器と、
前記ポンプ、前記ボイラ、前記膨張機、及び前記放熱器が接続されて前記作動流体が循環する作動流体回路と、を有するランキンサイクル装置であって、
前記作動流体回路は、前記放熱器に作動流体を供給可能とする容積調整機構を備え、
該容積調整機構は、前記作動流体回路の循環方向での前記放熱器を含む該放熱器の下流と前記ボイラを含む該ボイラの上流との間に配置され、前記作動流体を収容する収容室と、
該収容室内を移動して、該収容室の容積を可変する可動部と、
該可動部を制御するとともに、前記可動部の基準移動量と実際移動量との差異に基づいて前記作動流体回路からの前記作動流体の漏れを判定する制御部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】
前記容積調整機構は、前記可動部を移動させるモータを有し、該モータは前記制御部に信号接続され、前記実際移動量は、前記モータの回転量により算出される請求項１に記載のランキンサイクル装置。
【請求項３】
前記可動部には、磁性体が設けられ、前記容積調整機構は、前記可動部とともに前記収容室を区画するハウジングを有し、該ハウジングには、前記磁性体の磁力に応じて前記可動部の位置を検出する位置検出部が設けられ、前記実際移動量は、前記位置検出部によって検出された位置により算出される請求項１に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、ポンプ、ボイラ、膨張機、及び放熱器が接続されて作動流体が循環する作動流体回路を有するランキンサイクル装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
この種のランキンサイクル装置において、ポンプでのキャビテーションの発生を防止するために、ポンプに吸引される作動流体を安定した液体状とすることが重要である。ポンプに吸引される作動流体を液体状とする手段として、ランキンサイクルでの作動流体の循環方向において、凝縮器の下流で、かつポンプの上流にレシーバやサブクーラを設けることが提案されている。
【０００３】
ところで、ランキサイクル装置において、ランキンサイクルから作動流体が洩れ、作動流体の量が減ると、膨張機によって回収される機械的エネルギー量が減ったり、ランキンサイクル自体が成立しなくなる虞がある。そこで、ランキンサイクル装置では、作動流体の洩れを検知するようにしている。例えば、特許文献１のランキンサイクル装置において、ポンプと凝縮器との間に設けられたレシーバには、レベルセンサ（液面検知手段）が設けられ、このレベルセンサによる液面検出から作動流体の漏れを検知している。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】独国特許出願公開第１０２０１１１１７０５４号明細書
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
ところで、ポンプに吸引される作動流体を液体状とする手段として、レシーバの代わりに、ランキンサイクルの容積を調整可能とする容積調整タンク（容積調整機構）を設けることが考えられる。ランキンサイクルでの作動流体の循環方向において、凝縮器の下流で、かつポンプの上流に容積調整タンクを設け、容積調整タンクから液体状の作動流体を凝縮器に送る。すると、容積調整タンクを含めたランキンサイクルの全体容積が減少するため、作動流体が相対的に増加する。その結果、凝縮器で作動流体の過冷却度が増し、作動流体を安定した液体状とすることができる。
【０００６】
しかし、このような容積調整タンクにおいては、ランキンサイクルを作動流体が循環している間は、容積調整タンクは作動流体で満たされており、液面センサによって作動流体の洩れ検知ができないという問題があった。
【０００７】
本発明は、容積調整機構を用いたランキンサイクル装置においても作動流体の洩れを検知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にある。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
上記問題点を解決するために、請求項１に記載のランキンサイクル装置は、作動流体を圧送するポンプと、前記ポンプにより圧送された作動流体を排熱源からの排熱によって加熱するボイラと、前記ボイラで加熱された作動流体を膨張させて機械的エネルギーを回収する膨張機と、前記膨張機で膨張された作動流体を放熱させる放熱器と、前記ポンプ、前記ボイラ、前記膨張機、及び前記放熱器が接続されて前記作動流体が循環する作動流体回路と、を有するランキンサイクル装置であって、前記作動流体回路は、前記放熱器に作動流体を供給可能とする容積調整機構を備え、該容積調整機構は、前記作動流体回路の循環方向での前記放熱器を含む該放熱器の下流と前記ボイラを含む該ボイラの上流との間に配置され、前記作動流体を収容する収容室と、該収容室内を移動して、該収容室の容積を可変する可動部と、該可動部を制御するとともに、前記可動部の基準移動量と実際移動量との差異に基づいて前記作動流体回路からの前記作動流体の漏れを判定する制御部と、を備えることを要旨とする。  
【０００９】
これによれば、容積調整機構の可動部によって収容室の作動流体が、放熱器に供給される。このとき、収容室の容積が減少するため、容積調整機構の収容室を含めた作動流体回路全体の容積が、収容室の容積が減少する前と比べて減る。一方、作動流体回路を循環する作動流体は、一定であるため、作動流体回路の容積に対する作動流体の量が相対的に増加する。そして、容積調整機構から供給された作動流体は、放熱器での作動流体の量を増やす。その結果、放熱器における気液の混相領域での放熱量が減る一方、液相の放熱量は増え、結果的に、ポンプでのキャビテーションが生じないように作動流体に過冷却度を持たせることができる。
【００１０】
このような容積調整機構を備えたランキンサイクル装置において、膨張機で所要の機械的エネルギーが回収できるように設定された作動条件下では、その作動条件に合わせた物理量（例えば、圧力）が得られるように、作動流体回路での容積が設定されている。そして、容積調整機構では、設定された作動条件下での物理量が得られるように、可動部は基準移動量だけ移動させられる。しかし、作動流体の洩れが生じていると、作動条件下での物理量を得るために、可動部は予め決定された位置と異なる位置に移動してしまい、可動部の基準移動量と実際移動量に差異が生じてしまう。よって、制御部は、この差異を把握することで、作動流体回路からの作動流体の洩れを検知することができる。
【００１１】
また、前記容積調整機構は、前記可動部を移動させるモータを有し、該モータは前記制御部に信号接続され、前記実際移動量は、前記モータの回転量により算出されてもよい。
これによれば、容積調整機構では、作動条件下での物理量が得られるように、モータによって基準移動量だけ可動部が移動させられる。すなわち、作動条件下での物理量が得られるように、モータは、予め決定された回転量で回転する。しかし、作動流体の洩れが生じていると、作動条件下での物理量を得るためのモータの実際の回転量が予め決定された回転量よりも多くなり、作動流体の洩れが生じていない場合と比較して、容積調整機構の収容室の容積が小さくなるようにモータが回転する。その結果、可動部の実際移動量が基準移動量より多くなる。よって、制御部は、モータの回転量から算出された基準移動量と実際移動量とを比較して、作動流体回路からの作動流体の洩れを検出することができる。したがって、モータによって可動部を移動させるたびに、モータの回転量を得ることができるため、可動部の移動のたびに作動流体の洩れの確認を行うことができる。
【００１２】
また、前記可動部には、磁性体が設けられ、前記容積調整機構は、前記可動部とともに前記収容室を区画するハウジングを有し、該ハウジングには、前記磁性体の磁力に応じて前記可動部の位置を検出する位置検出部が設けられ、前記実際移動量は、前記位置検出部によって検出された位置により算出されてもよい。  
【００１３】
これによれば、容積調整機構では、作動条件下での物理量が得られるように基準移動量だけ可動部が移動すると、位置検出部は磁性体の磁力を検出し、この磁力は予め決定されていた値となる。しかし、作動流体の洩れが生じていると、作動条件下での物理量を得るために、可動部が移動した位置（実際移動量移動した位置）では、位置検出部が検出する磁力は、予め決定されていた値と異なる。そして、制御部は、検出した磁力から実際移動量を算出し、この実際移動量と基準移動量との差異から作動流体回路からの作動流体の洩れを検出することができる。したがって、可動部を移動させるたびに、磁性体の磁力を検出することができるため、可動部の移動のたびに作動流体の洩れの確認を行うことができる。
【発明の効果】
【００１４】
本発明によれば、容積調整機構を用いたランキンサイクル装置においても作動流体の洩れを検知することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１５】
【図１】実施形態のランキンサイクル装置を示す模式図。
【図２】モータ回転量と冷媒洩れの有無との関係を示す表。
【図３】（ａ）は冷媒洩れ無しの容積調整機構を示す断面図、（ｂ）は冷媒洩れ有りの容積調整機構を示す断面図。
【図４】別例の漏れ検知を示す図。
【発明を実施するための形態】
【００１６】
以下、ランキンサイクル装置を車両用ランキンサイクル装置に具体化した一実施形態を図１〜図３にしたがって説明する。
図１に示すように、車両用ランキンサイクル装置１０は、膨張機２０、放熱器３０、ポンプ４０、ボイラ５０を順次接続してなる閉回路である作動流体回路１１を備える。この作動流体回路１１では、作動流体としての冷媒が循環するようになっている。そして、作動流体回路１１では、冷媒は、膨張機２０、放熱器３０、ポンプ４０、ボイラ５０の並び順に沿って流れて作動流体回路１１を循環するようになっている。
【００１７】
ポンプ４０の出口とボイラ５０の吸熱部５０ａとは第１通路２１を介して接続されている。また、ボイラ５０は放熱部５０ｂを有するとともに、放熱部５０ｂは、排熱源としてのエンジンＥに接続された排気通路Ｅ１上に設けられている。エンジンＥの排熱を持つ排気は、放熱部５０ｂで放熱された後にマフラＥ２から排気される。エンジンＥは駆動軸Ｅａを有し、膨張機２０の駆動軸２０ａは、ベルト２０ｂを介してエンジンＥの駆動軸Ｅａと直接作動連結されている。そして、膨張機２０で発生させた機械的エネルギーは、エンジンＥの駆動軸Ｅａに伝達される。
【００１８】
ボイラ５０の吸熱部５０ａと膨張機２０の入口とは第２通路２２を介して接続されている。膨張機２０の出口と放熱器３０の入口とは第３通路２３を介して接続されている。放熱器３０の出口とポンプ４０の入口とは第４通路２４を介して接続されている。ボイラ５０には、液体状の冷媒と気体状の冷媒とが混在し、液体状の冷媒だけの液相領域と、気体状の冷媒だけの気相領域と、気液の混相領域とが存在する。また、放熱器３０においても、液体状の冷媒と気体状の冷媒とが混在し、気相領域と、液相領域と、混相領域とが存在する。そして、放熱器３０の液相領域と、ボイラ５０の液相領域とは、ポンプ４０、第１通路２１及び第４通路２４を介して繋がっている。
【００１９】
ボイラ５０では、ポンプ４０により圧送された低温高圧の液体状の冷媒を、エンジンＥの排気通路Ｅ１を流れる排気と熱交換させることで加熱する。膨張機２０は、ボイラ５０において加熱されて気化した冷媒を膨張させて、機械的エネルギーを発生させる。放熱器３０は、膨張機２０で膨張した冷媒を、外気と熱交換させて冷却し（放熱し）、凝縮させる。ポンプ４０は、液体状の冷媒を作動流体回路１１内に圧送する。ポンプ４０の駆動軸４０ａにはポンプモータ３１が作動連結されている。作動流体回路１１において、冷媒の循環方向における放熱器３０より下流側で、かつポンプ４０よりも上流側となる第４通路２４には、分岐路２５の一端が接続されるとともに、この分岐路２５の他端には容積調整機構６０が接続されている。
【００２０】
図１及び図３（ａ）に示すように、容積調整機構６０は、ハウジング６１内に可動部としてのピストン６２が収容されるとともに、このピストン６２によって、ハウジング６１内に冷媒の収容室６３が区画されている。収容室６３は、分岐路２５に連通している。よって、収容室６３は、作動流体回路１１の循環方向での放熱器３０の下流とボイラ５０の上流との間に配置されている。ピストン６２にはロッド６４が連結されるとともに、このロッド６４のハウジング６１からの突出端部には、動力伝達機構６５を介してモータ６６が連結されている。モータ６６には、制御部７５が信号接続されている。そして、制御部７５の制御によってモータ６６が駆動されると、動力伝達機構６５を介してピストン６２がハウジング６１内を移動するようになっている。
【００２１】
また、分岐路２５には、圧力センサ５１が設けられるとともに、第４通路２４には温度センサ５２が設けられている。圧力センサ５１及び温度センサ５２は制御部７５に信号接続されている。
【００２２】
制御部７５の記憶部７５ａには、車両用ランキンサイクル装置１０における作動流体回路１１の作動条件が複数種類記憶されている。作動条件としては、例えば、車両がアイドル状態にあるときや、６０ｋｍ／ｈでの走行時等がある。そして、各作動条件では、膨張機２０から回収される機械的エネルギー量が所定量となるように、作動流体回路１１での冷媒の圧力及び温度が予め設定されているとともに、容積調整機構６０による容積調整量が予め決定されている。容積調整機構６０による容積調整量は、モータ６６の回転量によって設定され、各作動条件に合わせてモータ６６の回転量が予め決定されている。そして、モータ６６の回転量に応じてピストン６２の移動量が予め設定されており、モータ６６の回転量に応じたピストン６２の移動量を基準移動量とする。この基準移動量は、モータ６６の回転量が多いほど多くなり、ピストン６２は収容室６３の容積を減少させ、作動流体回路１１の容積を減少させる。
【００２３】
制御部７５には報知器７６が有線接続されている。報知器７６は車室内等、車両の搭乗者の視認範囲に配置される。制御部７５は、車両用ランキンサイクル装置１０の作動流体回路１１での冷媒洩れを検知した場合に、その冷媒洩れを報知器７６によって搭乗者に報知させる。制御部７５は、予め設定された基準移動量と、ピストン６２の実際移動量との差異に基づいて、作動流体回路１１からの冷媒洩れを判定する。なお、ピストン６２の実際移動量は、モータ６６の実際の回転量から算出される。
【００２４】
上記車両用ランキンサイクル装置１０において、容積調整機構６０が駆動され、ピストン６２が収容室６３の容積を減少させる方向に移動すると、収容室６３の冷媒が放熱器３０に供給される。このとき、収容室６３の容積が減少するため、収容室６３を含めた作動流体回路１１全体の容積が、容積調整機構６０が駆動される前と比べて減少する。一方、作動流体回路１１を循環する冷媒は、一定であるため、作動流体回路１１の容積に対する冷媒の量が相対的に増加する。そして、容積調整機構６０から放熱器３０に冷媒が供給されることにより、放熱器３０の冷媒量が増加する。その結果、放熱器３０における気液の混相領域での放熱量が減る一方、液相領域での放熱量は増え、結果的に、冷媒に、ポンプ４０でのキャビテーションが生じないように過冷却度を持たせることができる。
【００２５】
次に、車両用ランキンサイクル装置１０の作用を、図２及び図３に基づいて説明する。
さて、ある作動条件で車両用ランキンサイクル装置１０を作動させる場合、制御部７５は、圧力センサ５１及び温度センサ５２による検出圧力及び検出温度に基づいて、作動流体回路１１の冷媒が所定の圧力及び温度になるように、容積調整機構６０を駆動させ、作動流体回路１１の容積を調整する。
【００２６】
具体的には、制御部７５は、容積調整機構６０が予め決定された容積調整量となるように、基準移動量に応じてモータ６６の回転量（指令モータ回転量Ｎとする）を制御する。図３（ａ）に示すように、作動流体回路１１から冷媒洩れが無い場合には、モータ６６が指令モータ回転量Ｎだけ回転し、ピストン６２は予め設定された位置に移動する。このとき、ピストン６２の実際移動量は、指令モータ回転量Ｎから算出され、算出された実際移動量は、予め設定された基準移動量と同等になる。そして、作動流体回路１１の容積が減少すると、圧力センサ５１で検出される圧力、及び温度センサ５２で検出される温度が、予め決定された圧力及び温度に調整される。
【００２７】
一方、作動流体回路１１からの冷媒洩れが有ると、モータ６６が指令モータ回転量Ｎだけ回転し、作動流体回路１１の容積が調整されても、圧力センサ５１で検出される圧力、及び温度センサ５２で検出される温度が、予め決定された圧力及び温度と異なる温度になる。このため、図３（ｂ）に示すように、制御部７５は、予め決定された圧力及び温度が得られるように、モータ６６を、指令モータ回転量Ｎよりも多い実際モータ回転量Ｍで回転させる。その結果、モータ６６は、収容室６３の容積を小さくさせるように回転する。このとき、ピストン６２の実際移動量は、実際モータ回転量Ｍから算出され、算出された実際移動量は、予め設定された基準移動量より多くなり、実際移動量と基準移動量とに差異が生じる。よって、ピストン６２は予め設定された位置よりも、収容室６３の容積を小さくする方向に移動した位置に配置される。
【００２８】
すると、制御部７５は、予め決定されている基準移動量（指令モータ回転量Ｎ）よりも、実際移動量（実際モータ回転量Ｍ）の値が多い（Ｍ＞Ｎ）ことから、作動流体回路１１で冷媒洩れが発生していると判定する。すなわち、制御部７５により作動流体回路１１からの冷媒洩れが検知される。冷媒洩れが検知されると、制御部７５は、冷媒洩れが発生している旨を、報知器７６によって搭乗者に報知させる。
【００２９】
上記実施形態によれば、以下のような効果を得ることができる。
（１）容積調整機構６０を備えた車両用ランキンサイクル装置１０において、制御部７５は、容積調整機構６０におけるピストン６２の基準移動量と実際移動量の差異（モータ６６の回転量の差異）に基づいて作動流体回路１１からの冷媒洩れの有無を確認するようにした。このため、液面センサを採用できない容積調整機構６０であっても、冷媒洩れを検知することができる。
【００３０】
（２）容積調整機構６０のピストン６２はモータ６６によって移動する。そして、ピストン６２の実際移動量及び基準移動量は、モータ６６の回転量により算出される。このため、作動流体回路１１において冷媒洩れが生じていると、作動流体回路１１の作動条件を得るためには、収容室６３の容積が小さくなるようにモータ６６が回転され、実際モータ回転量Ｍは、予め決定された指令モータ回転量Ｎよりも多くなり、実際移動量も基準移動量より多くなる。よって、制御部７５は、予め決定された指令モータ回転量Ｎと、実際モータ回転量Ｍに基づいて作動流体回路１１からの作動流体の洩れを検知することができる。したがって、モータ６６によってピストン６２を移動させるたびに、モータ６６の回転量を得ることができるため、ピストン６２の移動のたびに冷媒洩れの確認を行うことができる。
【００３１】
（３）作動流体回路１１からの冷媒洩れが発生している場合は、報知器７６によって搭乗者に冷媒洩れを報知する。このため、車両用ランキンサイクル装置１０の出力低下や、ランキンサイクル自体が成立しなくなる前に、報知器７６の報知に基づいて搭乗者は車両用ランキンサイクル装置１０を修復することが可能になる。
【００３２】
なお、上記実施形態は以下のように変更してもよい。
○  図４に示すように、ピストン６２の位置を、ハウジング６１に設けられた位置検出部６７によって検出してもよい。位置検出部６７は磁気センサよりなり、ピストン６２の外周面には永久磁石６２ａ（磁性体）が装着されている。また、位置検出部６７は制御部７５に信号接続され、永久磁石６２ａの磁力を検出するとともに、その磁力に関する信号を制御部７５に出力する。制御部７５の記憶部７５ａには、各作動条件に合わせて、位置検出部６７で検出される永久磁石６２ａの磁力が予め決定されている。すなわち、ピストン６２の基準移動量に応じて検出される永久磁石６２ａの磁力が予め決定されている。
【００３３】
制御部７５は、容積調整機構６０が予め決定された容積調整量となるようにモータ６６の回転量を制御する。このとき、作動流体回路１１から冷媒洩れが無い場合には、モータ６６が予め指令された回転量だけ回転し、ピストン６２は基準移動量だけ移動し、予め決定された位置まで移動する。すると、位置検出部６７では、予め決定された磁力が検出される。そして、制御部７５は、検出された磁力に基づいてピストン６２の基準移動量を算出する。
【００３４】
一方、作動流体回路１１からの冷媒洩れが有ると、モータ６６が指令された回転量だけ回転し、作動流体回路１１の容積が調整されても、圧力センサ５１で検出される圧力、及び温度センサ５２で検出される温度が、予め決定された圧力及び温度と異なる温度になる。このため、制御部７５は、予め決定された圧力及び温度が得られるように、モータ６６を、指令された回転量よりも多い回転量で回転させ、収容室６３の容積を小さくさせる。このため、ピストン６２は、予め決定された位置よりも、収容室６３の容積を小さくする方向に移動した位置に配置される。すなわち、ピストン６２の実際移動量は、基準移動量より多くなる。すると、ピストン６２に一体の永久磁石６２ａも予め決定された位置よりも離れ、位置検出部６７で検出される磁力は、予め決定されている磁力よりも小さくなる。そして、制御部７５は、検出された磁力に基づいてピストン６２の実際移動量を算出し、実際移動量と基準移動量の差異に基づいて作動流体回路１１で冷媒洩れが発生していると判定する。
【００３５】
なお、磁性体は、永久磁石でなくても、磁性を有していれば、その他のものでもよい。
○  実施形態では、予め決定されている指令モータ回転量Ｎよりも、実際モータ回転量Ｍの値が大きくなった時点（Ｍ＞Ｎ）で、制御部７５は冷媒洩れを検知するようにしたが、これに限らない。予め決定されている指令モータ回転量Ｎよりも、実際モータ回転量Ｍの値が所定量大きくなった時点で、制御部７５は冷媒洩れを検知してもよい。
【００３６】
○  実施形態では、ピストン６２をモータ６６で移動させたが、ピストン６２をバネによって移動させる構成としてもよい。この場合、制御部７５は、バネの長さの変化（バネ力）によって、ピストン６２の実際移動量を算出し、実際移動量と基準移動量の差異に基づいて作動流体回路１１からの冷媒洩れを判定するようにしてもよい。
【００３７】
○  可動部はピストン６２ではなく、ダイヤフラムであってもよい。
○  容積調整機構は、容積が変更できるポンプであってもよい。
○  容積調整機構は、液相領域であればどこに設けられていてもよい。
【００３８】
○  容積調整機構６０は、作動流体回路１１の作動時に常に液相領域となる位置であれば、どこに接続されていてもよい。
○  エンジンＥの種類は限定されず、例えば、ガソリンエンジンでもディーゼルエンジンでもよい。
【００３９】
○  排熱は、エンジン冷却水やＥＧＲガス等適宜変更してもよい。
次に、上記実施形態及び別例から把握できる技術的思想について以下に追記する。
（イ）前記可動部は、バネによって駆動され、前記制御部は、前記バネによって決定される前記可動部の実際移動量と基準移動量との差異に基づいて前記作動流体回路からの前記作動流体の洩れを判定するランキンサイクル装置。
【００４０】
（ロ）前記可動部はピストンであるランキンサイクル装置。
【符号の説明】
【００４１】
Ｅ…排熱源としてのエンジン、１０…ランキンサイクル装置としての車両用ランキンサイクル装置、１１…作動流体回路、２０…膨張機、３０…放熱器、４０…ポンプ、５０…ボイラ、６０…容積調整機構、６１…ハウジング、６２…可動部としてのピストン、６２ａ…磁性体としての永久磁石、６３…収容室、６６…モータ、６７…位置検出部、７５…制御部。
【図１】
2014134175.tif 000003
【図２】
2014134175.tif 000004
【図３】
2014134175.tif 000005
【図４】
2014134175.tif 000006