(57)【要約】【課題】回転式膨張機を備えたランキンサイクル装置において、膨張機の回転数を一定にする。【解決手段】ランキンサイクル装置１には、ポンプ２、ボイラ３、膨張機４、及びコンデンサ５が設けられ、作動流体であるフロンＲ１３４ａが循環されている。膨張機４と発電機６とは、無段式変速機９を介して連結されている。膨張機４の回転数は、膨張機４の吸入圧力及び吐出圧力に基づいて変速比が調整された無段式変速機９によって変化されて発電機６に伝達されるようになっている。【選択図】図１
2005337065.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
車両における排熱を用いて作動流体を加熱するボイラ、前記ボイラで加熱された作動流体を膨張させる膨張機、前記膨張機で膨張された作動流体を冷却するコンデンサ、前記コンデンサで冷却された作動流体を循環するポンプ、及び前記膨張機によって駆動される負荷機を備えるランキンサイクル装置であって、
前記膨張機と前記負荷機との間に設けられ、前記膨張機からの回転数を変化させて前記負荷機に回転力を伝達する無段式変速機と、
前記膨張機から得られるトルクが略最大になるように、前記無段式変速機の変速比を変化させて、膨張機の回転数を所定の回転数に制御する制御手段と
を備えたことを特徴とするランキンサイクル装置。
【請求項２】
前記負荷機は、さらに、前記ランキンサイクル装置以外の動力源からの回転力を受けるプーリーを備え、前記膨張機及び前記動力源のうち、少なくとも一つによって駆動される請求項１に記載のランキンサイクル装置。
【請求項３】
車両における排熱を用いて作動流体を加熱するボイラ、前記ボイラで加熱された作動流体を膨張させる膨張機、前記膨張機で膨張された作動流体を冷却するコンデンサv、前記コンデンサで冷却された作動流体を循環するポンプ、及び前記膨張機によって駆動される負荷機を備えるランキンサイクル装置であって、
前記負荷機は、さらに、前記ランキンサイクル装置以外の動力源からの回転力を受けるプーリーを備え、
前記ランキンサイクル装置は、さらに、
前記負荷機と前記プーリーとの間に設けられ、前記プーリーからの回転数を変化させて前記負荷機に回転力を伝達する無段式変速機と、
前記無段式変速機から出力される回転数が、前記膨張機から得られるトルクが略最大になる回転数と概略同じになるように、前記無段式変速機の変速比を制御する制御手段と
を備え、
前記膨張機は、出力軸が、前記負荷機を介して前記無段式変速機の出力軸と接続され、前記無段式変速機から出力される回転数で回転することを特徴とするランキンサイクル装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、車両用のランキンサイクル装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
自動車など車両の内燃機関の排熱を回収して発電機の動力に利用したランキンサイクルと、空調用の冷凍サイクルとを備えた車両用排熱回収システムが、例えば特許文献１に開示されている。
図５はこのような車両用排熱回収システムの構成図である。
冷凍サイクル３０においては、エンジン３２によって駆動されたコンプレッサ３３がフロン等の作動流体の圧縮を行う。コンプレッサ３３から吐出された高温高圧の作動流体は、ランキンサイクル４０を循環する作動流体と混合した後、コンデンサ３４で冷却凝縮され、再び冷凍サイクル３０とランキンサイクル４０とに分配される。冷凍サイクル３０に分配された作動流体は、膨張弁３５で減圧され、その後、蒸発器３６において車内へ供給される空気と熱交換されてガスとなり、再びコンプレッサ３３へと吸入される。
一方、ランキンサイクル４０においては、ポンプ４１から吐出されたフロン等の作動流体が、ボイラ４２においてエンジン冷却水４３と熱交換されることによってガスとなり、膨張機４４へと送られて膨張される。この際、膨張機４４及びエンジン３２によって負荷機である発電機４５が駆動されて発電が行われる。膨張機４４で膨張された作動流体ガスは、冷凍サイクル３０を循環する作動流体と混合した後、コンデンサ３４で冷却凝縮され、再び冷凍サイクル３０とランキンサイクル４０とに分配される。ランキンサイクル４０に分配された作動流体は、再びポンプ４１に吸入される。
【０００３】
【特許文献１】特許第２５４０７３８号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかしながら、車両用排熱回収システムにおけるランキンサイクル４０では、外気温、ボイラ４２における排熱回収量、ポンプ４１の回転数等が変動することがあるため、このような変動に伴って膨張機４４の回転数が変わってしまい、膨張機４４から得られる略最大トルクに対応した回転数で回転できないことがあった。
【０００５】
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、膨張機が所定の回転数で回転するランキンサイクル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】
本発明に係る第一のランキンサイクル装置は、下記構成要素を有している。
・車両における排熱を用いて作動流体を加熱するボイラ。
・ボイラで加熱された作動流体を膨張させる膨張機。
・膨張機で膨張された作動流体を冷却するコンデンサ。
・コンデンサで冷却された作動流体を循環するポンプ。
・膨張機によって駆動される負荷機。
・膨張機と負荷機との間に設けられ、膨張機からの回転数を変化させて負荷機に回転力を伝達する無段式変速機。
・膨張機から得られるトルクが所定の値、好ましくは略最大の値になるように、無段式変速機の変速比を変化させて、膨張機の回転数を所定の回転数に制御する制御手段。
【０００７】
上記ランキンサイクル装置は、上記構成を備えているために、膨張機を所定の回転数、好ましくは略最大トルクが得られる回転数で回転させることができる。
【０００８】
また、上記負荷機は、さらに、ランキンサイクル装置以外の動力源からの回転力を受けるプーリーを備え、膨張機及び動力源のうち、少なくとも一つによって駆動されるようにしてもよい。
【０００９】
本発明に係る第二のランキンサイクル装置は、第一のランキンサイクル装置と同等の構成要素であるボイラ、膨張機、コンデンサ及びポンプに加え、以下の構成要素を備えている。
・ランキンサイクル装置以外の動力源からの回転力を受けるプーリーを備えた、この動力源及び／又は膨張機によって駆動される負荷機。
・負荷機と前記プーリーとの間に設けられ、プーリーからの回転数を変化させて負荷機に回転力を伝達する無段式変速機・
・無段式変速機から出力される回転数が、所定の回転数、好ましくは膨張機から得られるトルクが略最大になる回転数と概略同じの回転数になるように、無段式変速機の変速比を制御する制御手段。
【００１０】
上記ランキンサイクル装置は、以上の構成を備え、膨張機の出力軸が、負荷機を介して無段式変速機の出力軸と接続し、無段式変速機から出力される回転数で回転するため、膨張機を所定の回転数、好ましくは略最大のトルクが得られる回転数で回転させることができる。つまり、膨張機は、無段式変速機の出力に連れ回しされるため、上記所定の回転数で回転することができる。
【発明の効果】
【００１１】
この発明によれば、所定のトルク、好ましくは略最大トルクが得られる回転数によって膨張機を回転させることができるため、ランキンサイクルの効率を極めて高くすることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１２】
以下、この発明の実施の形態を添付図面に基づいて説明する。
実施の形態１．
この実施の形態に係るランキンサイクル装置１には、ポンプ２、ボイラ３、膨張機４、及びコンデンサ５が設けられ、作動流体であるフロンＲ１３４ａが循環されている。
ボイラ３は、エンジン冷却水８とフロンＲ１３４ａとを熱交換することにより、フロンＲ１３４ａを加熱する熱交換器である。
膨張機４は、コンプレッサの吐出側と吸入側とを実質的に逆に接続した構造であり、吸入される作動流体によって駆動される。その際に発生した動力によって発電機６を駆動させることができるように、膨張機４及び発電機６が、無段式変速機９を介して連結されている。ここで、発電機６は負荷機を構成する。
コンデンサ５は、空冷式または水冷式の冷却器であり、膨張機４で膨張されたフロンＲ１３４ａを冷却凝縮する。
【００１３】
次に、膨張機４と発電機６の間に設けられた無段式変速機９について説明する。
この無段式変速機９は、図２に示されるように、リングコーン式無段式変速機である。膨張機４に連結された入力軸１９が、円錐状のドライブコーン１２に一体的に固定されている。このドライブコーン１２の円錐面には、コーンホルダー１３に一体固定された遊星コーン軸１４に回転自在に軸受けされる複数の遊星コーン１５が、適正な圧力で常時接触するように構成されている。各遊星コーン１５には、環状のアウターリング１６の内周面が、適正な圧力で常時接触するように構成されている。
コーンホルダー１３は、発電機６に膨張機４の動力を伝達する出力軸２０の一端と接続している。出力軸２０の他端は発電機６に連結されている。コーンホルダー１３と接続している出力軸２０の一端には、中空部が設けられ、この中空部には圧縮コイルバネ１８が収納されている。この圧縮コイルバネ１８により、コーンホルダー１３は入力軸１９方向に常時押し付けられている。
アウターリング１６は、連結具１７を介して、シリンダ２１内を往復動自在なピストン２２と接続されており、ピストン２２の往復動によって、アウターリング１６は、矢印Ａの方向にスライドするようになっている。ピストン２２に作用する圧力Ｐｃを、膨張機４の吸入圧力Ｐｉｎ及び吐出圧力Ｐｏｕｔに基づいて調整する制御バルブ２３が設けられており、制御バルブ２３は連通路２４を介してシリンダ２１と連通している。アウターリング１６がこのようにスライドすることによって、膨張機４及び発電機６間における回転速度の変速が行えるようになっている。ここで、シリンダ２１、ピストン２２、制御バルブ２３、及び連通路２４は、無段式変速機９の変速比を制御する制御装置を構成する。
なお、無段式変速機９のピストン２２等には、所定の変速比にするために、Ｐｃの大きさを調整する図示しないソレノイド等を設けることが好ましい。
【００１４】
次に、この実施の形態に係るランキンサイクルの動作を説明する。
図１に示されるように、ポンプ２から吐出された液体のフロンＲ１３４ａは、ボイラ３によってエンジン冷却水８と熱交換されてガスとなる。ガスとなったフロンＲ１３４ａは、膨張機４に吸入されて膨張機４を駆動する。膨張機４の回転数は、無段式変速機９で適正に変化されて発電機６に伝達され、発電機６を駆動させる。膨張機４によって膨張されたフロンＲ１３４ａはコンデンサ５によって冷却凝縮され、再びポンプ２に吸入されることで、ランキンサイクル装置１を循環する。
【００１５】
ここで、例えば、ボイラ３におけるフロンＲ１３４ａの吸熱量が小さくなるなど、例えば前記したような要因によって、膨張機４の回転数が低下したり、逆に増加したりして、所定の回転数（好ましくは略最大トルクが得られる回転数、以下同じ）で膨張機４が回転できなくなった場合について考える。
【００１６】
このような場合、図２に示されるように、制御バルブ２３が、ピストン２２に作用する圧力Ｐｃを、膨張機４の吸入圧力Ｐｉｎ及び吐出圧力Ｐｏｕｔに基づいて調整する。圧力Ｐｃが連通路２４を介してシリンダ２１に伝わり、また、前記したように、ソレノイド等を用いた調整等も加わり、ピストン２２がアウターリング１６を出力軸２０側に移動させる。これにより、無段式変速機９は、所定の変速比とされる。
より具体的には、膨張機４の動力が入力軸１９に伝達されると、入力軸１９の回転によってドライブコーン１２が回転し、これにより、複数の各遊星コーン１５が、各遊星コーン軸１４を中心に自転する。各遊星コーン１５は、固定状態のアウターリング１６の内周面に圧接しているので、この自転運動によってドライブコーン１２の回りを公転する。各遊星コーン１５がドライブコーン１２の回りを公転すると、遊星コーン軸１４によってコーンホルダー１３が回転し、コーンホルダー１３の回転によって出力軸２０が回転する。
【００１７】
このように無段式変速機９の変速機を制御することによって、膨張機４の回転数は、膨張機４で得られる所定のトルクとなるように制御される。つまり、無段式変速機９は、上記したように変速比を変化させることで、膨張機４にかかる負荷を調整して、膨張機４を所定の回転数で回転させる。
これにより、膨張機４は、所定のトルクをほぼ一定して出力することが可能となる。
【００１８】
このように、膨張機４及び発電機６の間に無段式変速機９を設置して、膨張機４の回転数が所定の回転数になるように無段式変速機９の変速比を制御するようにしたので、ランキンサイクル１からは所定のトルクが得られる。また、前記したように所定のトルクを、膨張機４から得ることができる略最大のトルクに設定すれば、ランキンサイクル１からは、ほぼ一定して略最大のトルクを得ることができる。
【００１９】
実施の形態２．
次に、この発明の実施の形態２に係るランキンサイクル装置について説明する。尚、以下の実施の形態において、図１の参照符号と同一の符号は、同一又は同様な構成要素であるので、その詳細な説明は省略する。
この発明の実施の形態２に係るランキンサイクル装置１は、実施の形態１に対して、発電機６を、膨張機４の動力だけでなく、エンジン７の動力でも駆動するようにしたものである。
図３に示されるように、発電機６にはプーリー１１が設けられ、プーリー１１に掛けられた伝達ベルト１０を介して、エンジン７の動力でも発電機６を駆動できるようになっている。
【００２０】
この実施の形態２に係るランキンサイクル装置１において、エンジン７の駆動力が低下すると、伝達ベルト１０によって発電機６に伝達される動力が減少し、発電量が低下する。一方、エンジン７の駆動力が低下すると、エンジン冷却水８の温度も低下し、ボイラ３におけるフロンＲ１３４ａの吸熱量が低下するため、フロンＲ１３４ａの循環流量を低下しなければならなくなる。すると、実施の形態１と同様に、膨張機４の動力が低下し、発電機６における発電量が低下する。
しかし、膨張機４の吸入圧力に基づいて無段式変速機９の変速比を制御することにより、膨張機４の回転数を上昇させて発電機６に伝達することができる。すなわち、発電機６による発電量を一定に維持しながら、膨張機４の吸入圧力を制御することができる。
【００２１】
なお、膨張機４と無段式変速機９の間、若しくは無段式変速機９と発電機６の間にワンウェイクラッチを設けてもよい。このように構成すれば、膨張機４が、エンジン７による駆動力によって連れ回され、所定の回転数で回転できない、ということを防げる。
【００２２】
実施の形態３．
次に、この発明の実施の形態３に係るランキンサイクル装置について説明する。この発明の実施の形態３に係るランキンサイクル装置１は、図４に示されるように、実施の形態２に対して、無段式変速機９を、発電機６及びプーリー１１の間に設置したものである。
この実施の形態３では、無段式変速機９の入力軸１９はプーリー１１の回転軸に連結しており、出力軸２０は発電機６の駆動軸に連結している。
【００２３】
この実施の形態３に係るランキンサイクル装置１において、無段式変速機９は、プーリー１１の回転数を、上記所定の回転数となるように変速比を制御する。したがって、負荷機である発電機６を介して出力軸同士が繋がっている膨張機４は、上記所定の回転数で回転することとなる。
【００２４】
実施の形態１〜３では、無段式変速機９にリングコーン式無段式変速機を使用したが、これに限定されるものではない。公知のベルト式無段式変速機やトロイダル型の無段式変速機も使用することができる。
【００２５】
実施の形態１〜３では、コンデンサ５に空冷式または水冷式の冷却器を使用したが、これらに限定されるものではない。その他の公知の冷却器を使用することもできるし、冷凍サイクルに設けられるコンデンサと共有のコンデンサとし、冷凍サイクルを循環する作動流体と熱交換するようにしてもよい。
【００２６】
ランキンサイクル装置１の作動流体としてフロンＲ１３４ａを使用したが、プロパンやイソブタン等の炭化水素を採用することができる。また、炭化水素のほかに、混合冷媒も採用できる。混合冷媒としては、例えば、混合冷媒４０７ｃや混合冷媒Ｒ４１０Ａが好ましく採用され、混合冷媒Ｒ４１０Ａが特に好ましく採用される。当然、ランキンサイクルに使用される公知の作動流体も採用できる。
【００２７】
エンジン７を冷却したエンジン冷却水８とランキンサイクル装置１の作動流体とをボイラ３において熱交換しているが、エンジン冷却水８以外の排熱、例えばエキゾーストパイプ等、車両における排熱と熱交換するようにしてもよく、複数の排熱と熱交換するようにしてもよい。
【００２８】
負荷機として発電機６を例にして説明したが、発電機に限定されるものではない。例えば、コンプレッサやラジエータの冷却ファンにしてもよいし、エンジンと協働して駆動輪を回すようにしてもよい。すなわち、運動エネルギーによって駆動される機械であれば負荷機として使用することができる。
【００２９】
実施の形態１〜３においては、膨張機４として、コンプレッサの吐出側と吸入側とを実質的に逆に接続した構造のものを使用したが、この構造のものに限定されるものではない。公知の膨張機を適宜使用することができる。
【００３０】
また、上記所定の回転数は、予め実験やシミュレーションなどによって導き出してもよい。
膨張機の回転数は、他の公知の手法を用いて検知することもできる。例えば、外気温、ポンプの回転数並びにボイラ内の冷却水の温度を用いて、膨張機の回転数を算出してもよい。
【図面の簡単な説明】
【００３１】
【図１】この発明の実施の形態１に係るランキンサイクル装置の構成図である。
【図２】実施の形態１に係るランキンサイクル装置に使用される無段式変速機の断面図である。
【図３】実施の形態２に係るランキンサイクル装置の構成図である。
【図４】実施の形態３に係るランキンサイクル装置の構成図である。
【図５】従来の車両用排熱回収システムの構成図である。
【符号の説明】
【００３２】
１  ランキンサイクル装置、２  ポンプ、３  ボイラ、４  膨張機、５  コンデンサ、６  発電機、７  エンジン、８  エンジン冷却水、９  無段式変速機、１０  伝達ベルト、１１  プーリー、１９  入力軸、２０  出力軸、２１  シリンダ、２２  ピストン、２３  制御バルブ、２４  連通路。
【図１】
2005337065.tif 000003
【図２】
2005337065.tif 000004
【図３】
2005337065.tif 000005
【図４】
2005337065.tif 000006
【図５】
2005337065.tif 000007