(57)【要約】【課題】膨張機が故障した場合であっても、インタークーラを介してエンジンの吸入空気を冷却することができるランキンサイクル装置を有する廃熱回生システムを提供する。【解決手段】作動流体をポンプ１２２によって圧送し、インタークーラ１２４によってエンジン１５０の廃熱で加熱し、膨張機１２６で膨張させて機械的エネルギーを回収し、コンデンサ１２８によって凝縮させるランキンサイクル装置を有する廃熱回生システム１００において、インタークーラ１２４の下流側かつ膨張機１２６の上流側に設けられた第１分岐点１３１ａと、膨張機１２６の下流側かつコンデンサ１２８の上流側に設けられた第２分岐点１３１ｂとを接続するバイパス流路１３１と、バイパス流路１３１上に設けられ、膨張機１２６が故障した際にバイパス流路１３１を連通させる開閉弁１３２とを備える。【選択図】図１
2014231738.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
作動流体をポンプによって圧送し、圧送された前記作動流体を熱交換器によってエンジンの廃熱で加熱し、加熱された前記作動流体を膨張機で膨張させて機械的エネルギーを回収し、膨張後の前記作動流体をコンデンサによって凝縮させるランキンサイクル装置を有する廃熱回生システムにおいて、
前記熱交換器は、圧縮された吸入空気を熱源として、前記作動流体との間で熱交換を行なうインタークーラであり、
前記インタークーラの下流側かつ前記膨張機の上流側に設けられた第１分岐点と、前記膨張機の下流側かつ前記コンデンサの上流側に設けられた第２分岐点とを接続するバイパス流路と、
前記バイパス流路上に設けられ、前記膨張機が故障した際に前記バイパス流路を連通させる開閉弁と
を備える、廃熱回生システム
【請求項２】
前記第１分岐点と前記膨張機との間に、第２の熱交換器として、排ガスボイラを備える請求項１に記載の廃熱回生システム。
【請求項３】
前記インタ−クーラと前記第１分岐点との間に、第２の熱交換器として、排ガスボイラを備える請求項１に記載の廃熱回生システム。
【請求項４】
前記開閉弁を制御するコントローラを備え、
前記コントローラは、前記ポンプと前記膨張機との間の前記作動流体の蒸発圧力に基づいて、前記開閉弁の開閉を制御する請求項１〜３のいずれかに一項に記載の廃熱回生システム。
【請求項５】
前記膨張機の入口側には、前記蒸発圧力を測定する圧力センサを備える請求項４記載の廃熱回生システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、廃熱回生システムに係り、特にランキンサイクルを利用した廃熱回生システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
車両用のエンジンに係わる熱から機械的エネルギー（動力）を回収するランキンサイクルを利用した廃熱回生システムが開発されている。一般的なランキンサイクルは、冷媒を圧送するポンプと、冷媒をエンジンに係わる廃熱によって加熱する熱交換器と、加熱された冷媒を膨張させて機械的エネルギーを回収する膨張機と、膨張後の冷媒を凝縮させるコンデンサとから構成されている。
【０００３】
特許文献１には、過給器で圧縮された吸入空気の熱を熱源として冷媒を加熱する熱交換器（インタークーラ）を備えるライキンサイクルを有する廃熱利用装置が記載されている。特許文献１の図５を参照すると、この廃熱利用装置のランキンサイクル２００は、冷媒を過給器４０で加圧された吸入空気と熱交換させて加熱するインタークーラである熱交換器２１２を備えている。ポンプ２４０から圧送された冷媒は、インタークーラ２１２において、過給器４０で圧縮された吸入空気の熱を廃熱として吸収し、膨張機２２０において膨張する過程で機械的エネルギーを発生させ、冷却器（コンデンサ）２３０において凝縮される。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００８−８２２４号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
このような廃熱回生システムでは、膨張機が故障した場合、ランキンサイクルに冷媒が流れなくなるため、インタークーラでエンジンの吸入空気との熱交換をすることができなくなる。すなわち、吸入空気を冷却することができなくなるため、吸入空気の温度が下がらず、吸入空気の密度が低くなり、エンジンのシリンダ室内に供給される吸入空気の充填効率が低くなる。そのため、エンジンの出力が低下する原因となる。このように、廃熱回生システムの熱交換器としてインタークーラを用い、圧縮された吸入空気を熱源とする場合、エンジンの排ガスを熱源とする場合と異なり、膨張機の故障がエンジンの出力低下という車両性能に直接影響を及ぼすことになる。
【０００６】
この発明はこのような問題点を解決するためになされたものであり、膨張機が故障した場合であっても、インタークーラを介して、エンジンへ供給される圧縮された吸入空気を冷却することができる廃熱回生システム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】
【０００７】
上記の課題を解決するために、この発明に係る廃熱回生システムは、作動流体をポンプによって圧送し、圧送された作動流体を熱交換器によってエンジンの廃熱で加熱し、加熱された作動流体を膨張機で膨張させて機械的エネルギーを回収し、膨張後の作動流体をコンデンサによって凝縮させるランキンサイクル装置を有する廃熱回生システムであって、熱交換器は、圧縮された吸入空気を熱源として、作動流体との間で熱交換を行なうインタークーラであり、インタークーラの下流側かつ膨張機の上流側に設けられた第１分岐点と、膨張機の下流側かつコンデンサの上流側に設けられた第２分岐点とを接続するバイパス流路と、バイパス流路上に設けられ、膨張機が故障した際にバイパス流路を連通させる開閉弁とを備える。
これにより、膨張機が故障した場合であっても、冷媒がランキンサイクル装置に流れ続け、エンジンへの吸入空気と冷媒との熱交換を行うことができ、吸入空気を冷却することができる。その結果、膨張機が故障してもエンジンの出力は低下しない。
【０００８】
また、第１分岐点と膨張機との間に、第２の熱交換器として、排ガスボイラを備えてもよい。
【０００９】
また、インタ−クーラと第１分岐点との間に、第２の熱交換器として、排ガスボイラを備えてもよい。
【００１０】
さらに、開閉弁を制御するコントローラを備え、コントローラは、ポンプと膨張機との間の冷媒の蒸発圧力に基づいて、開閉弁を制御することもできる。ここで「蒸発圧力」とは、ポンプの下流から膨張機の上流までの圧力をいう。
【００１１】
またさらに、膨張機の入口側には、蒸発圧力を測定する圧力センサを備えることもできる。
【発明の効果】
【００１２】
本発明に係る廃熱回生システムによれば、膨張機が故障した場合であっても、インタークーラを介してエンジンの吸入空気を冷却することができる廃熱回生システムを提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１３】
【図１】この発明の実施の形態１に係る廃熱回生システムの構成を示す図である。
【図２】この発明の実施の形態２に係る廃熱回生システムの構成を示す図である。
【図３】この発明の実施の形態３に係る廃熱回生システムの構成を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１４】
以下、この発明の実施の形態について添付図面に基づいて説明する。
実施の形態１．
この発明の実施の形態１に係る廃熱回生システム１００の構成を図１に示す。
【００１５】
廃熱回生システム１００は、ポンプ１２２と、インタークーラ１２４と、膨張機１２６と、コンデンサ１２８とを有し、これらはランキンサイクル装置を構成する。またさらに、このランキンサイクル装置には、レシーバ１２５と、サブクーラ１２３とが設けられている。また、廃熱回生システム１００は、インタークーラ１２４の下流側かつ膨張機１２６の上流側に設けられた第１分岐点１３１ａと、膨張機１２６の下流側かつコンデンサ１２８の上流側に設けられた第２分岐点１３１ｂとを接続するバイパス流路１３１を有する。さらに、バイパス流路１３１の途中には開閉弁１３２が設けられている。
【００１６】
ポンプ１２２は廃熱回生システム１００におけるランキンサイクル装置内の作動流体としての冷媒を圧送する。インタークーラ１２４は、後述するエンジン１５０への吸気と冷媒とを熱交換させて、冷媒を加熱する。膨張機１２６の入口近傍には、冷媒の蒸発圧力を測定する圧力センサ１２７が取り付けられる。なお、「蒸発圧力」とはポンプ１２２の下流から膨張機１２６の上流までの圧力をいう。膨張機１２６は、インタークーラ１２４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（動力）を発生させる。コンデンサ１２８は、気化した状態の冷媒を外気と熱交換させて冷却凝縮させる。レシーバ１２５は気液混合状態の冷媒を気体と液体とに分離し、レシーバ１２５を出た冷媒は飽和液状態となる。サブクーラ１２３は、飽和液状態の冷媒を外気と熱交換させてさらに冷却することにより冷媒を過冷却状態にする。
【００１７】
バイパス流路１３１は、インタークーラ１２４の下流側かつ膨張機１２６の上流側に設けられた第１分岐点１３１ａと、膨張機１２６の下流側かつコンデンサ１２８の上流側に設けられた第２分岐点１３１ｂとを接続する。開閉弁１３２は開いた状態の時に冷媒がバイパス流路１３１に流通するようにし、閉じた状態の時には冷媒がバイパス流路１３１に流通しないようにする。コントローラ１６０は、圧力センサ１２７及び開閉弁１３２と電気的に接続する。コントローラ１６０は、圧力センサ１２７から取得される蒸発圧力が一定の値以上になると開閉弁１３２を開いた状態にする。
【００１８】
次に、インタークーラ１２４に関連して、エンジン１５０の吸気系１４１と排気系１４２について説明する。
吸気系１４１には、過給器１４４のコンプレッサとインタークーラ１２４とが設けられ、エンジン１５０の吸気側に順次接続する。また、排気系１４２には、過給器１４４のタービンとマフラー１４６とが設けられている。過給器１４４は、排気系１４２内を流通する排気ガスの排出力によって駆動されることにより、吸気系１４１を通ってエンジン１５０へ吸入される吸入空気を圧縮する。インタークーラ１２４は、過給器１４４によって加圧されて高温となった吸入空気を、廃熱回生システム１００におけるランキンサイクル装置内を流れる冷媒との熱交換によって冷却する。
【００１９】
次に、実施の形態１に係る廃熱回生システム１００の動作について説明する。
廃熱回生システム１００が有するランキンサイクル装置の運転が開始されると、図示しない駆動源によってポンプ１２２が駆動され、ポンプ１２２の下流側に向けて冷媒が圧送される。ポンプ１２２から圧送された冷媒は、インタークーラ１２４を流通する過程において、吸気系１４１からエンジン１５０へ送り込まれる吸入空気から熱を吸収して高温のガスとなる。高温のガスとなった冷媒は圧力センサ１２７によって蒸発圧力を測定される。圧力センサ１２７によって測定された蒸発圧力は、コントローラ１６０に伝達される。ここで、コントローラ１６０は、圧力センサ１２７によって測定された蒸発圧力が所定値以上であれば、膨張機１２６が故障したものと判断する。
【００２０】
膨張機１２６の故障が検知されない通常の場合は、インタークーラ１２４において加熱され気化した冷媒は膨張機１２６に流入し、膨張して機械的エネルギーを発生させる。膨張機１２６を出た冷媒は、コンデンサ１２８において外気と熱交換することによって冷却凝縮される。コンデンサ１２８を出た冷媒は、レシーバ１２５において気体と液体とに分離される。レシーバ１２５から出た飽和液状態の冷媒は、サブクーラ１２３に流入してさらに冷却（過冷却）された後、ポンプ１２２に吸入されて再びインタークーラ１２４に向けて圧送される。
【００２１】
一方、圧力センサ１２７によって測定される蒸発圧力が所定値以上であり、膨張機１２６の故障が検知されたときは、コントローラ１６０は開閉弁１３２が開いた状態とする。インタークーラ１２４を出た冷媒は第１分岐点１３１ａを介してバイパス流路１３１を流通し、第２分岐点１３１ｂを介してコンデンサ１２８に流入する。コンデンサ１２８で冷却凝縮された冷媒は、レシーバ１２５、サブクーラ１２３及びポンプ１２２を流通して、再びインタークーラ１２４に流入し、圧縮されて高温となった吸入空気を冷却する。
【００２２】
以上説明したように、実施の形態１に係る廃熱回生システム１００では、インタークーラ１２４の下流側かつ膨張機１２６の上流側に設けられた第１分岐点１３１ａと、膨張機１２６の下流側かつコンデンサ１２８の上流側に設けられた第２分岐点１３１ｂとをバイパス流路１３１により接続する。そのため、膨張機１２６が故障しても冷媒がランキンサイクル装置に流れ続け、エンジン１５０への吸入空気と冷媒との熱交換を行うことができ、吸入空気を冷却することができる。吸入空気が冷却され続けることにより、吸入空気の密度が高くなり、エンジン１５０への充填効率が高くなる。
【００２３】
実施の形態２．
この発明の実施の形態２に係る廃熱回生システム２００の構成を図２に示す。
実施の形態２係る廃熱回生システム２００は、実施の形態１に係る廃熱回生システム１００において、インタークーラ１２４及びバイパス流路１３１の第１分岐点１３１ａの下流側かつ膨張機１２６の上流側に排気ガスボイラ２２９を追加したものである。排気ガスボイラ２２９は冷媒をエンジン１５０から排気系１４２を通って排出される排気ガスと熱交換させて加熱する第２の熱交換器である。なお、以降の説明において、図１の参照符号と同一の符号は同一又は同様の構成要素であるので、その詳細な説明は省略する。
【００２４】
実施の形態２に係る廃熱回生システム２００の動作について説明する。
実施の形態２に係る廃熱回生システム２００の運転が開始されると、図示しない駆動源によってポンプ１２２が駆動され、ポンプ１２２の下流側に向けて冷媒が圧送される。ポンプ１２２から圧送された冷媒は、インタークーラ１２４を流通する過程において、吸気系１４１からエンジン１５０へ送り込まれる吸入空気から熱を吸収する。インタークーラ１２４を流通した冷媒は、次に排ガスボイラ２２９に流入し、エンジン１５０から排気系１４２へ排出された排気ガスから熱を吸収する。インタークーラ１２４及び排ガスボイラで熱を吸収し、高温のガスとなった冷媒は圧力センサ１２７によって蒸発圧力を測定される。コントローラ１６０は、圧力センサ１２７によって測定された蒸発圧力が所定値以上であれば、膨張機１２６が故障したものと判断する。膨張機１２６の故障が検出されない場合においては、冷媒は通常の動作に従って膨張機１２６に流入する。
【００２５】
一方、圧力センサ１２７によって測定される蒸発圧力が所定値以上であり、膨張機１２６が故障したと判断されるときは、コントローラ１６０によって開閉弁１３２が開かれる。インタークーラ１２４で加熱された冷媒は、排ガスボイラ２２９及び膨張機１２６には流通せずに、バイパス流路１３１を流通する。冷媒はランキンサイクル装置内を循環し、インタークーラ１２４においてエンジン１５０への吸入空気を冷却し続ける。
【００２６】
以上説明したように、実施の形態２に係る廃熱回生システム１００では、膨張機１２６が故障した際に冷媒が排ガスボイラ２２９を通らずに循環することにより全体として冷媒の吸熱量が減る。そのため、冷媒がインタークーラ１２４を流通する際に、より効率的にエンジン１５０へ供給される吸入空気を冷却することができる。すなわち、吸入空気がより冷却されることで吸入空気の密度が高くなり、エンジン１５０への充填効率も高くなる。
【００２７】
実施の形態３．
この発明の実施の形態３に係る廃熱回生システム３００の構成を図３に示す。
実施の形態３に係る廃熱回生システム３００は、実施の形態２に係る廃熱回生システム２００におけるバイパス流路１３１及び開閉弁１３２に替わって、バイパス流路３３１及び開閉弁３３２を設けたものである。バイパス流路３３１は、排ガスボイラ２２９の下流側かつ膨張機１２６の上流側と、膨張機１２６の下流側かつコンデンサ１２８の上流側とを連通させる。また開閉弁３３２はバイパス流路３３１の途中に取り付けられ、コントローラ１６０と電気的に接続している。尚、以降の説明において、図１及び図２の参照符号と同一の符号は同一又は同様の構成要素であるので、その詳細な説明は省略する。
【００２８】
実施の形態３に係る廃熱回生システム３００の動作について説明する。
冷媒がポンプ１２２から圧送され、インタークーラ１２４と排ガスボイラ２２９と圧力センサ１２７とを流通する動作は実施の形態２における廃熱回生システム２００と同様である。また、膨張機１２６の故障が検知されない通常の場合に、冷媒が膨張機１２６に流入した後の動作も、実施の形態１における廃熱回生システム１００及び実施の形態２における廃熱回生システム２００の動作と同様である。したがって、これらの動作の詳細な説明は省略する。
【００２９】
一方、圧力センサ１２７によって測定される蒸発圧力が所定値以上であり、膨張機１２６が故障したと判断されるときは、コントローラ１６０によって開閉弁３３２が開かれる。冷媒はインタークーラ１２４及び排ガスボイラ２２９において加熱された後、バイパス流路３３１に流入し、膨張機１２６を流通せずに、ランキンサイクル装置内を循環し続ける。そのため、膨張機１２６が故障している状況下であっても、インタークーラ１２４においてエンジン１５０への吸入空気を冷却し続け、かつ、排ガスボイラ２２９内において加熱される冷媒が滞留せずに流通し続けることができる。
【００３０】
以上説明したように、実施の形態３に係る廃熱回生システム３００では、膨張機１２６が故障した際に冷媒が排ガスボイラ２２９に滞留することなく、バイパス流路３３１を通って回路内を流れ続ける。そのため、排ガスボイラ２２９内で冷媒が過剰に加熱されたために、冷媒が熱分解されて劣化するというおそれがない。
【００３１】
実施の形態１〜３において、膨張機１２６の故障を検知するのに、冷媒の蒸発圧力を圧力センサ１２７によって測定したが、これに限定されるものではない。膨張機１２６に回転センサを設けて、機械的エネルギーを取り出す出力軸の回転数を検出してもよい。また、圧力センサ１２７は、膨張機１２６の入口付近に設けたが、これに限定されず、ポンプ１２２の下流側かつ膨張機１２６の上流側であれば、他の場所（例えば開閉弁１３２の上流側）に設けてもよい。
バイパス流路１３１，３３１上に取り付けられる開閉弁１３２，３３２は、コントローラ１６０によって制御されるものに限定されず、例えば、蒸発圧力が、膨張機１２６の故障と考えられる所定値以上になると自律的に開いた状態となり、その後、蒸発圧力が低下しても開いた状態を維持するリリーフ弁を使用してもよい。
【符号の説明】
【００３２】
１００，２００，３００  廃熱回生システム、１２４  インタークーラ、１２６  膨張機、１２７  圧力センサ、１２８  コンデンサ、１３１，３３１  バイパス流路、１３１ａ，３３１ａ  第１分岐点、１３１ｂ、３３１ｂ  第２分岐点、１３２  開閉弁、１５０  エンジン、１６０  コントローラ、２２９  排ガスボイラ。
【図１】
2014231738.tif 000003
【図２】
2014231738.tif 000004
【図３】
2014231738.tif 000005