(57)【要約】【課題】ランキンサイクルシステムの蒸発器への熱の供給を停止した後でも、蒸発器の内部の残留蒸気により膨張器からエネルギーを取り出せると共に、残留蒸気の減圧と冷機の促進を行うことができて、ランキンサイクルの停止後における残留蒸気に起因する残留応力を低減できて、ランキンサイクルシステムの信頼性を向上できるランキンサイクルシステム、及び、ランキンサイクルシステムの制御方法を提供する。【解決手段】外部の熱源からの熱の供給を受けている間は、バイパス弁３２を閉じた状態とし、熱の供給が停止されたときには、バイパス弁３２を閉じた状態のままで、作動媒体循環ポンプ２７の運転と膨張器２３からのエネルギーの取り出しを継続し、第１条件が満たされたときには、バイパス弁３２を開弁して、さらに、第２条件が満たされたときに、作動媒体循環ポンプ２７の運転を停止する。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
外部の熱源からの熱の供給を受けて作動媒体を気化させる蒸発器と、気化した作動媒体から駆動力を取り出す膨張器と、外部に熱を放出して作動媒体を液化させる凝縮器と、作動媒体を還流させる作動媒体循環ポンプと、制御装置を有してなるランキンサイクルシステムにおいて、
前記膨張器を迂回するバイパス流路を設け、このバイパス流路にバイパス弁を設けて構成すると共に、
前記制御装置が、
外部からの熱源からの熱の供給を受けている間は、前記バイパス弁を閉じた状態とし、
外部からの熱源からの熱の供給が停止されたときには、前記バイパス弁を閉じた状態のままで、前記作動媒体循環ポンプの運転と前記膨張器からの機械的エネルギー若しくは熱エネルギーの取り出しを継続し、
予め設定された第１条件が満たされたときには、前記バイパス弁を開弁して、前記作動媒体循環ポンプの運転を継続し、
予め設定された第２条件が満たされたときには、前記作動媒体循環ポンプの運転を停止する熱供給停止時制御を行う熱供給停止時制御手段を備えていることを特徴とするランキンサイクルシステム。
【請求項２】
前記第１条件が、前記膨張器における機械的エネルギー若しくは熱エネルギーの取り出し量が予め設定した設定量よりも低くなることであり、前記第２条件が、前記蒸発器内の作動媒体の温度と、前記凝縮器の下流の作動媒体の温度との差が、予め設定した設定温度差よりも小さくなることであるか、あるいは、前記蒸発器内の作動媒体の圧力と、前記凝縮器の下流の作動媒体の圧力との差が、予め設定した設定圧力差よりも小さくなることであ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】
前記熱源が内燃機関から発生する熱に起因する熱源であることを特徴とする請求項１または２に記載のランキンサイクルシステム。
【請求項４】
前記熱源が内燃機関の排気ガスであることを特徴とする請求項３に記載のランキンサイクルシステム。
【請求項５】
外部の熱源からの熱の供給を受けて作動媒体を気化させる蒸発器と、気化した作動媒体から駆動力を取り出す膨張器と、外部に熱を放出して作動媒体を液化させる凝縮器と、作動媒体を還流させる作動媒体循環ポンプと、前記膨張器を迂回し、かつ、バイパス弁を備えたバイパス流路とを有してなるランキンサイクルシステムの制御方法において、
外部からの熱源からの熱の供給を受けている間は、前記バイパス弁を閉じた状態とし、
外部からの熱源からの熱の供給が停止されたときには、前記バイパス弁を閉じた状態のままで、前記作動媒体循環ポンプの運転と前記膨張器からの機械的エネルギー若しくは熱エネルギーの取り出しを継続し、
予め設定された第１条件が満たされたときには、前記バイパス弁を開弁して、前記作動媒体循環ポンプの運転を継続し、
予め設定された第２条件が満たされたときには、前記作動媒体循環ポンプの運転を停止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】
本発明は、熱源の停止時に蒸発器の内部の残留蒸気により膨張器で出力を取り出せるとともに、膨張器の停止時における残留圧力を低減できるランキンサイクルシステム、及び、ランキンサイクルシステムの制御方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
車両に搭載した内燃機関等の排熱を利用するランキンサイクルシステムが採用されており、この一つに、冷媒ポンプで冷媒を循環させて、熱交換器でエンジンの廃熱を冷媒に回収して、膨張機で冷媒を膨張させて動力を取り出し、凝縮器で膨張した冷媒を凝縮させるランキンサイクルで、ランキンサイクルの運転前、かつ、車両の減速中に、エンジンから冷媒ポンプに至る動力伝達経路の途中に設けたクラッチを締結して、車両の慣性力によって冷媒ポンプを駆動するランキンサイクルが提案されている（例えば、特許文献１参照）。
【０００３】
このランキンサイクルでは、冷媒の偏在を解消するための冷媒ポンプの駆動力を、車両の減速中の車両の慣性力により得ると共に、バイパス流路を設けて膨張機をバイパスさせることにより通路抵抗を少なくして、燃費の悪化を抑制している。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２０１５−５９４２５号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
一方、一般的な車載搭載のランキンサイクルシステムでは、内燃機関などの運転状態を任意に制御できる熱源を用いており、この熱源からの熱の供給を停止させた場合、作動媒体循環ポンプが停止するため、作動媒体はランキンサイクルの閉回路内の循環を行なえず、膨張器からの出力も停止する。
【０００６】
しかしながら、熱源からの熱の供給の停止と同時に作動媒体循環ポンプを停止した場合には、蒸発器の上流と下流を含む、作動媒体循環ポンプと膨張器の間においては、高い圧力でかつ温度が高く大きな熱エネルギー量の作動媒体(気相)が残り、その一方で、凝縮器の上流と下流を含む、膨張器と作動媒体循環ポンプ間においては低い圧力でかつ温度が低く小さい熱エネルギー量の作動媒体(液相)が残ることになる。
【０００７】
そのため、停止した後では作動媒体が高い圧力でかつ温度が高く大きな熱エネルギーを持った状態で放置されてしまうという問題がある。この高い圧力の作動媒体により、停止後も高い圧力が膨張器前後の配管に残留して作用し続けるので、残留ガスの漏れ対策などが必要となる。
【０００８】
本発明の目的は、ランキンサイクルシステムの蒸発器への熱の供給を停止した後でも、蒸発器の内部の残留蒸気により膨張器からエネルギーを取り出せると共に、残留蒸気の減圧と冷機の促進を行うことができて、ランキンサイクルの停止後における残留蒸気に起因する残留応力の低減できて、ランキンサイクルシステムの信頼性を向上できるランキンサイクルシステム、及び、ランキンサイクルシステム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】
【０００９】
上記の目的を達成するための本発明のランキンサイクルシステムは、外部の熱源からの熱の供給を受けて作動媒体を気化させる蒸発器と、気化した作動媒体から駆動力を取り出す膨張器と、外部に熱を放出して作動媒体を液化させる凝縮器と、作動媒体を還流させる作動媒体循環ポンプと、制御装置を有してなるランキンサイクルシステムにおいて、  前記膨張器を迂回するバイパス流路を設け、このバイパス流路にバイパス弁を設けて構成すると共に、前記制御装置が、外部からの熱源からの熱の供給を受けている間は、前記バイパス弁を閉じた状態とし、外部からの熱源からの熱の供給が停止されたときには、前記バイパス弁を閉じた状態のままで、前記作動媒体循環ポンプの運転と前記膨張器からの機械的エネルギー若しくは熱エネルギーの取り出しを継続し、予め設定された第１条件が満たされたときには、前記バイパス弁を開弁して、前記作動媒体循環ポンプの運転を継続し、予め設定された第２条件が満たされたときには、前記作動媒体循環ポンプの運転を停止する熱供給停止時制御を行う熱供給停止時制御手段を備えていることを特徴とする。
【００１０】
そして、上記のランキンサイクルシステムにおいて、前記第１条件が、前記膨張器における機械的エネルギー若しくは熱エネルギーの取り出し量が予め設定した設定量よりも低くなることであり、前記第２条件が、前記蒸発器内の作動媒体の温度と、前記凝縮器の下流の作動媒体の温度との差が、予め設定した設定温度差よりも小さくなることか、あるいは、前記蒸発器内の作動媒体の圧力と、前記凝縮器の下流の作動媒体の圧力との差が、予め設定した設定圧力差よりも小さくなることであることを特徴とする。
【００１１】
また、上記の目的を達成するための本発明のランキンサイクルシステムの制御方法は、外部の熱源からの熱の供給を受けて作動媒体を気化させる蒸発器と、気化した作動媒体から駆動力を取り出す膨張器と、外部に熱を放出して作動媒体を液化させる凝縮器と、作動媒体を還流させる作動媒体循環ポンプと、前記膨張器を迂回し、かつ、バイパス弁を備えたバイパス流路とを有してなるランキンサイクルシステムの制御方法において、外部からの熱源からの熱の供給を受けている間は、前記バイパス弁を閉じた状態とし、外部からの熱源からの熱の供給が停止されたときには、前記バイパス弁を閉じた状態のままで、前記作動媒体循環ポンプの運転と前記膨張器からの機械的エネルギー若しくは熱エネルギーの取り出しを継続し、予め設定された第１条件が満たされたときには、前記バイパス弁を開弁して、前記作動媒体循環ポンプの運転を継続し、予め設定された第２条件が満たされたときには、前記作動媒体循環ポンプの運転を停止することを特徴とする制御方法である。
【発明の効果】
【００１２】
本発明のランキンサイクルシステム、及び、ランキンサイクルシステムの制御方法によれば、ランキンサイクルシステムの蒸発器への熱の供給を停止した後でも、蒸発器の内部の残留蒸気により膨張器からエネルギーを取り出せると共に、残留蒸気の減圧と冷機の促進を行うことができて、ランキンサイクルの停止後における残留蒸気に起因する残留応力を低減できて、ランキンサイクルシステムの信頼性を向上できる。
【図面の簡単な説明】
【００１３】
【図１】本発明に係る実施の形態のランキンサイクルシステムの構成を模式的に示す図である。
【図２】本発明に係る実施の形態のランキンサイクルシステムの制御方法の制御フローの一例を示す図である。
【図３】比較例としてのランキンサイクルシステムの構成を模式的に示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１４】
以下、本発明に係る実施の形態のランキンサイクルシステム、及び、ランキンサイクルシステムの制御方法について図面を参照しながら説明する。
【００１５】
図１に示すように  ランキンサイクルシステム２０は、車両に搭載されたディーゼルエンジン（内燃機関、以下エンジンという）１０の排気ガスＧ等の排熱を利用するシステムである。このエンジン１０では、吸気管１１から燃焼室１２に流入した吸気Ａに燃料噴射弁１３から燃料を噴射して、燃焼室１２で燃焼させる。この燃焼によって生じた排気ガスＧを排気管１４経由でランキンサイクルシステム２０の蒸発器２１に送る。つまり、エンジン１０の排気ガスＧをランキンサイクルシステム２０の外部からの熱源とする。
【００１６】
また、ランキンサイクルシステム２０では、外部の熱源、即ち、排気ガスＧからの熱を受けて作動媒体Ｆｗを気化させる蒸発器（エバポレータ）２１と、気化した作動媒体Ｆｗから駆動力を取り出す膨張器(エキスパンダー）２３と、外部に熱を放出して作動媒体Ｆｗを液化させる凝縮器（コンデンサ）２５と、作動媒体Ｆｗを還流させる作動媒体循環ポンプ２７を有して構成され、これらの間を作動媒体用流路２２、２４、２６、２８で接続している。さらに、作動媒体循環ポンプ２７の運転、膨張器２３の運転などのランキンサイクルシステム２０を制御する制御装置３０が設けられている。
【００１７】
この蒸発器２１における熱源として、図１の構成では、車載のエンジン１０の排気ガスＧ、特に、後処理装置（図示しない）を通過した後の排気ガスＧを採用しているが、これに限定せず、エンジン１０のＥＧＲガス、過給器で圧縮された吸入空気、エンジン本体で吸熱後の冷却水、ラジエータで放熱後の冷却水などを熱源にしてもよい。
【００１８】
また、膨張器２３は、蒸気タービンや蒸気ボイラーなどの作動媒体Ｆｗの熱エネルギーを別のエネルギーの機械的エネルギーや水蒸気エネルギーに変換する装置であり、図１の構成では、蒸気タービンが採用されている。この蒸気タービンでは、エンジン１０を回転補助（アシスト）する場合は、タービン軸２３ａはエンジン１０のクランク軸に接続され、また、発電に用いる場合は、タービン軸２３ａは発電機（図示しない）に連結される。この発電した電力は、バッテリー（図示しない）に充電されて、エンジン１０を搭載している車両（図示しない）の電装部品（図示しない）等の電源とされる。
【００１９】
また、凝縮器２５は、復水器ともよばれ、空冷の場合は、冷却ファン（図示しない）が配置され、外気により冷却される。また、水冷の場合には、エンジン１０のラジエータやサブラジエータから出たエンジン用の冷却水やインタークーラー用の冷却水により冷却される。
【００２０】
そして、作動媒体循環ポンプ２７は、凝縮器２５で液相になった作動媒体Ｆｗを昇圧して蒸発器２１に供給する装置であり、このポンプ回転数は、膨張器２３に流入する作動媒体Ｆｗの温度と圧力に基づいて制御される。また、蒸発器２１及び凝縮器２５の入口の作動媒体Ｆｗの圧力は、減圧弁や背圧弁などで構成される圧力調整手段(図示しない)により調整されている。また、必要に応じて、作動媒体Ｆｗを貯蔵する作動媒体用容器(図示しない)が設けられる。
【００２１】
また、この作動媒体Ｆｗには、水とエタノール、水とメタノール、又は水とエチレングリコールなどの二成分系の混合媒体を用いることが好ましいが、純水やエタノールのみやフッ素化合物などのフロン系の冷媒を用いてよい。この混合媒体としては、ここでは、水とエタノールのモル比が５０％：５０％である混合媒体が採用されている。
【００２２】
このランキンサイクルシステム２０では、作動媒体Ｆｗを作動媒体循環ポンプ２７により液体の状態で圧縮して循環させて、圧縮された液体の状態で、蒸発器２１に送り、この蒸発器２１で、排気ガスＧからの熱を受けて、作動媒体を気化させて過熱蒸気とする。そして、この気化して定圧的に加熱された高圧の過熱蒸気の状態の作動媒体Ｆｗを膨張器２３で断熱膨張させて駆動力を取り出し、この低圧となった気体の状態の作動媒体Ｆｗを凝縮器２５に送り、この凝縮器２５で、外部に熱を放出して作動媒体Ｆｗを液化させ、これを作動媒体循環ポンプ２７により循環させている。
【００２３】
そして、本発明においては、さらに、膨張器２３を迂回するバイパス流路３１が設けられ、このバイパス流路３１には、流路を開閉する流路開閉弁で構成されるバイパス弁３２が設けられている。また、このバイパス弁３２は制御装置３０により制御される。
【００２４】
そして、この制御装置３０は、排気ガスＧ（外部からの熱源）からの熱の供給を受けている間は、バイパス弁３２を閉じた状態とし、排気ガスＧの熱の供給が停止されたときには、バイパス弁３２を閉じた状態のままで、作動媒体循環ポンプ２７の運転と膨張器２３からの駆動力の取り出しを継続し、予め設定された第１条件が満たされたときには、バイパス弁３２を開弁して、作動媒体循環ポンプ２７の運転を継続し、予め設定された第２条件が満たされたときには、作動媒体循環ポンプ２７の運転を停止する熱供給停止時制御を行う熱供給停止時制御手段を備えて構成される。
【００２５】
この第１条件は、膨張器２３へ供給されるエネルギー量の関係する条件であり、膨張器２３が機能しなくなる限界を判定する条件である。そして、膨張器２３に蒸気タービンを採用した場合では、この第１条件は、膨張器２３における駆動力（機械的エネルギー）の取り出し量が予め設定した設定駆動力（設定量）よりも低くなる条件とされる。一方、膨張器２３に蒸気ボイラーを採用した場合では、この第１条件は、膨張器２３における蒸気（熱エネルギー）の取り出し量が予め設定した蒸気量（設定量）よりも低くなる条件とされる。
【００２６】
また、第２条件は、作動媒体Ｆｗに関する条件であり、作動媒体Ｆｗの温度の低下度合を見る条件である。この第２条件は、蒸発器２１内の作動媒体Ｆｗの温度Ｔ１と、凝縮器２５の下流（作動媒体用流路２６）の作動媒体Ｆｗの温度Ｔ２との差ΔＴ（＝Ｔ１−Ｔ２）が、予め設定した設定温度差ΔＴｃよりも小さくなる条件とされる。この温度Ｔ１は蒸発器２１に設けられた第１温度検出装置３３で検出され、温度Ｔ２は作動媒体用流路２４に設けられた第２温度検出装置３４で検出される。
【００２７】
次に、本発明の実施の形態のランキンサイクルシステムの制御方法について説明する。このランキンサイクルシステムの制御方法は、排気ガスＧ（外部の熱源）からの熱の供給を受けて作動媒体を気化させる蒸発器２１と、気化した作動媒体から駆動力を取り出す膨張器２３と、外部に熱を放出して作動媒体Ｆｗを液化させる凝縮器２５と、作動媒体Ｆｗを還流させる作動媒体循環ポンプ２７と、膨張器２５を迂回し、かつ、バイパス弁３２を備えたバイパス流路３１とを有してなるランキンサイクルシステムの制御方法である。
【００２８】
この制御方法において、排気ガスＧからの熱の供給を受けている間は、バイパス弁３２を閉じた状態とし、排気ガスＧからの熱の供給が停止されたときには、バイパス弁３２を閉じた状態のままで、作動媒体循環ポンプ２７の運転と膨張器２３からの機械的エネルギー若しくは熱エネルギーの取り出しを継続する。そして、予め設定された第１条件が満たされたときには、バイパス弁３２を開弁して、作動媒体循環ポンプ２７の運転を継続する。この運転の継続中に予め設定された第２条件が満たされたときに、作動媒体循環ポンプ２７の運転を停止することを特徴とする制御方法である。
【００２９】
この制御は、図２に示すような制御フローで実施できる。エンジン１０が始動すると図２の制御フローが上級の制御フローから呼ばれてスタートし、エンジン１０が運転を停止すると、図２の制御フローで必要な制御を行った後、上級の制御フローにリターンして、上級の制御フローの終了と共に終了する。
【００３０】
この図２の制御フローがスタートすると、ステップＳ１１で、エンジン１０が停止されたか否かを判定する。ステップＳ１１で、エンジン１０が運転を停止していなければ、ステップＳ１２で、バイパス弁３２を閉じたまま、ランキンサイクルの通常の運転を行い、ステップＳ１１に戻る。一方、ステップＳ１１の判定でエンジン１０が運転を停止したと判定されると、ステップＳ２０の熱供給停止時制御を行い、この熱供給停止時制御の終了後に、上級の制御フローにリターンして、上級の制御フローの終了と共に終了する。
【００３１】
ステップＳ２０の熱供給停止時制御では、ステップＳ２１で、バイパス弁３２を閉じた状態のままで、作動媒体循環ポンプ２７の運転と膨張器２３からの機械的エネルギー若しくは熱エネルギーの取り出しを継続する。次のステップ２２で、第１条件が満たされたか否かを判定し、第１条件が満たされていないとの判定では、ステップＳ２１に戻る。一方、第１条件が満たされたと判定された場合には、ステップＳ２３に行き、バイパス弁３２を開弁する。なお、作動媒体循環ポンプ２７の運転は継続する。
【００３２】
この第１条件が満たされたか否かの判定は、膨張器２３に蒸気タービンを採用した場合では、膨張器２３における駆動力（機械的エネルギー）の取り出し量が予め設定した設定駆動力（設定量）よりも低くなったか否かで判定される。この駆動力の取り出し量は蒸気タービンの駆動トルクまたは回転数等や、駆動力を発電機に使用している場合には発電電力の大きさ等で判定することができる。
【００３３】
一方、膨張器２３に蒸気ボイラーを採用した場合では、膨張器２３における蒸気（熱エネルギー）の取り出し量が予め設定した蒸気量（設定量）よりも低くなったか否かで判定される。この蒸気量は発生している水蒸気の流量や温度等や、水蒸気を発電機に使用している場合には発電電力の大きさ等で判定することができる。
【００３４】
次のステップ２４で、第２条件が満たされたか否かを判定し、第２条件が満たされていないとの判定では、ステップＳ２３に戻る。一方、第２条件が満たされたと判定された場合には、ステップＳ２５に行き、作動媒体循環ポンプ２７の運転を停止する。これにより、ステップＳ２０の熱供給停止時制御を終了し、上級の制御フローにリターンして、上級の制御フローの終了と共に終了する。
【００３５】
この第２条件が満たされたか否かの判定は、蒸発器２１に設けられた第１温度検出装置３３で検出される、蒸発器２１内の作動媒体Ｆｗの温度Ｔ１（若しくは圧力Ｐ１）と、作動媒体用流路２４に設けられた第２温度検出装置３４で検出される、凝縮器２５の下流の作動媒体Ｆｗの温度Ｔ２との差ΔＴ（＝Ｔ１−Ｔ２）が、予め設定した設定温度差ΔＴｃよりも小さくなったか否かで判定される。あるいは、蒸発器２１内の作動媒体Ｆｗの圧力Ｐ１と、凝縮器２５の下流の作動媒体Ｆｗの圧力Ｐ２との差ΔＰ（＝Ｐ１−Ｐ２）が、予め設定した設定圧力差ΔＰｃよりも小さくなったか否かで判定される。
【００３６】
一方、図３に示すような、比較例のランキンサイクルシステム２０Ｘでは、エンジン１０の運転を停止し、排気ガスＧからの熱の供給を停止させた場合、作動媒体循環ポンプ２７を停止させて、作動媒体Ｆｗはランキンサイクルシステム２０Ｘの閉回路内の循環を行わすに、膨張器２３からの出力も停止する。
【００３７】
そのため、比較例では、蒸発器２１の上流と下流を含む、作動媒体循環ポンプ２７と膨張器２３との間の作動媒体用流路２２、２８においては、高い圧力でかつ温度が高く大きな熱エネルギー量の作動媒体(気相)Ｆｗが残り、その一方で、凝縮器２５の上流と下流を含む、膨張器２３と作動媒体循環ポンプ２７との間の作動媒体用流路２４．２６においては低い圧力でかつ温度が低く小さい熱エネルギー量の作動媒体(液相)Ｆｗが残ってしまう。
【００３８】
その結果、比較例では、ランキンサイクルシステム２０Ｘの作動を停止した後でも、作動媒体Ｆｗが高い圧力でかつ温度が高く大きな熱エネルギーを持った状態で放置されてしまい、この高い圧力の作動媒体Ｆｗにより、停止後も高い圧力が膨張器２３の前後の作動媒体用流路２２、２４に残留して作用し続けるので、残留ガスの漏れ対策などが必要となる。
【００３９】
これに対して、上記の構成の本発明に係る実施の形態のランキンサイクルシステム２０及びランキンサイクルシステムの制御方法によればエンジン１０の運転を停止して、ランキンサイクルシステム２０の蒸発器２１への排気ガスＧからの熱の供給を停止した後でも、蒸発器２１の内部の高圧で高温の作動媒体Ｆｗの残留蒸気により膨張器２３からエネルギーを取り出せると共に、このエネルギーの取り出しにより、作動媒体Ｆｗの残留蒸気の減圧と冷機の促進を行うことができて、ランキンサイクルシステム２０の作動媒体循環ポンプ２７の停止後における残留蒸気の残留圧力に起因する機器類における残留応力を低減できて、ランキンサイクルシステム２０の信頼性を向上できる。
【符号の説明】
【００４０】
１０  ディーゼルエンジン
２０、２０Ｘ  ランキンサイクルシステム
２１  蒸発器
２２、２４、２６、２８  作動媒体用流路
２３  膨張機
２５  凝縮器
２７  作動媒体循環ポンプ
３０  制御装置
３１  バイパス流路
３２  バイパス弁（流路開閉弁）
３３  第１温度検出装置
３４  第２温度検出装置
Ａ  吸気
Ｆｗ  作動媒体
Ｇ  排気ガス（熱源）
【図１】
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【図２】
2018150873.tif 000004
【図３】
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