(57)【要約】【課題】消費エネルギーを節約しつつ、外気温度に応じて凝縮器の冷却性能を最適化することにより、優れた効率を有する廃熱回収装置を提供する。【解決手段】廃熱回収装置はランキンサイクルの凝縮器に送風可能なファンの回転数を制御することにより、凝縮器の放熱量を可変に調整できる。外気温度が最適凝縮温度以上の場合、作動流体温度と外気温度との差が所定値以内となるようにファンが制御される。外気温度が最適凝縮温度未満の場合、作動流体温度が最適凝縮温度以下となるようにファンが制御される。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
作動流体が循環する循環回路に、熱交換器、膨張器、凝縮器及びポンプを備えるランキンサイクル回路と、
前記凝縮器に送風可能に構成されたファンと、
前記ファンの回転数を制御するファン制御手段と、
外気温度を検出する外気温度検出手段と、
前記循環回路のうち前記凝縮器より下流側且つ前記ポンプより上流側における前記作動流体の温度を検出する作動流体温度検出手段と
を備え、
前記外気温度検出手段により検出された外気温度が、前記ランキンサイクル回路及び前記作動流体に基づいて決定される最適凝縮温度以上である場合、前記ファン制御手段は、前記作動流体温度検出手段により検出された作動流体温度と前記外気温度との差が所定値以内となるように前記ファンを制御し、
前記外気温度検出手段により検出された外気温度が、前記最適凝縮温度未満である場合、前記ファン制御手段は、前記作動流体温度検出手段により検出された作動流体温度が、前記最適凝縮温度以下となるように前記ファンを制御することを特徴とする廃熱回収装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本開示は、内燃機関の廃熱エネルギーを回収可能な廃熱回収装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
エンジンのような内燃機関を動力源として採用する車両には、内燃機関の廃熱から機械的エネルギーを回収する廃熱回生装置が搭載されるものがある。廃熱回収装置には例えばランキンサイクルが利用されており、例えば作動流体が循環する循環回路上に、作動流体を内燃機関の廃熱によって加熱する熱交換器（エバポレータ）と、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、膨張された作動流体を凝縮させる凝縮器と、凝縮された作動流体を圧送するためのポンプとを備えて構成される。
【０００３】
車両に搭載される廃熱回収装置では、例えば空冷式の凝縮器が使用される。この種の凝縮器は基本的に走行風によって冷却されるが、冷却性能が足りない場合には、凝縮器に設けられたファンを作動させることにより、凝縮器への送風量を増加させ、冷却性能の向上が図られる。例えば特許文献１には、循環回路上の凝縮器及びポンプ間の流体圧力が、外気温度に基づいた目標値になるように、凝縮器のファンを制御することが開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２０１３−１９３１６号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
この種の廃熱回収装置で性能向上を図るためには、ランキンサイクルにおける膨張比を大きくすることに加えて、ファンにおける消費エネルギーを減少させることが重要である。上記特許文献１では、外気温度に基づいて目標圧力を設定することによってファンの駆動制御を行っているが、目標圧力が離れている場合にはファンの消費エネルギーが多くなってしまい、性能が低下してしまうという問題がある。このような問題は、熱帯地や夏季のような高温環境や、寒冷地や冬季のような低温環境のように、外気温度が凝縮器の最適凝縮温度（ランキンサイクルの効率が最大となる凝縮温度）から離れている環境下において顕著である。
【０００６】
上述の事情に鑑みて、本発明の少なくとも一実施形態は、消費エネルギーを節約しつつ、外気温度に応じて凝縮器の冷却性能を最適化することにより、優れた効率を有する廃熱回収装置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】
本発明の少なくとも一実施形態に係る廃熱回収装置は、作動流体が循環する循環回路に、熱交換器、膨張器、凝縮器及びポンプを備えるランキンサイクル回路と、前記凝縮器に送風可能に構成されたファンと、前記ファンの回転数を制御するファン制御手段と、外気温度を検出する外気温度検出手段と、前記循環回路のうち前記凝縮器より下流側且つ前記ポンプより上流側における前記作動流体の温度を検出する作動流体温度検出手段とを備え、前記外気温度検出手段により検出された外気温度が、前記ランキンサイクル回路及び前記作動流体に基づいて決定される最適凝縮温度以上である場合、前記ファン制御手段は、前記作動流体温度検出手段により検出された作動流体温度と前記外気温度との差が所定値以内となるように前記ファンを制御し、前記外気温度検出手段により検出された外気温度が、前記最適凝縮温度未満である場合、前記ファン制御手段は、前記作動流体温度検出手段により検出された作動流体温度が、前記最適凝縮温度以下となるように前記ファンを制御する。
【０００８】
外気温度が最適凝縮温度以上である高温環境下では、低温環境下に比べて凝縮器の冷却性能が低い。上記構成によれば、高温環境下では、作動流体温度と外気温度との差が所定値以内となるようにファンを制御することにより、作動流体温度を最適凝縮温度になるようにファンを制御する場合に比べて、消費エネルギーを減少できる。
一方、外気温度が最適凝縮温度未満である低温環境下では、高温環境下に比べて凝縮器の冷却性能が高い。上記構成によれば、低温環境下では、作動流体温度が最適凝縮温度になるようにファンを制御することにより、過大なエネルギー消費を伴うことなく（高温環境下において作動流体温度を最適凝縮温度にしようとするとファンによる消費エネルギーが過大となるが、このような消費を伴うことなく）、最適な効率が得られる。
【発明の効果】
【０００９】
本発明の少なくとも一実施形態によれば、消費エネルギーを節約しつつ、外気温度に応じて凝縮器の冷却性能を最適化することにより、優れた効率を有する廃熱回収装置を提供できる。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
【図１】本発明の一実施形態に係る廃熱回収装置の構成を示す模式図である。
【図２】図１のＥＣＵによって実施される制御内容を示すフローチャートである。
【図３】作動流体温度及び外気温度間の温度差と外気温度との関係を示すグラフである。
【図４】温度差又は作動流体温度とファンの回転速度との対応関係の一例を示すグラフである。
【発明を実施するための形態】
【００１１】
以下、添付図面を参照して本発明の幾つかの実施形態について説明する。ただし、実施形態として記載されている又は図面に示されている構成部品の寸法、材質、形状、その相対的配置等は、本発明の範囲をこれに限定する趣旨ではなく、単なる説明例にすぎない。
例えば、「ある方向に」、「ある方向に沿って」、「平行」、「直交」、「中心」、「同心」或いは「同軸」等の相対的或いは絶対的な配置を表す表現は、厳密にそのような配置を表すのみならず、公差、若しくは、同じ機能が得られる程度の角度や距離をもって相対的に変位している状態も表すものとする。
また例えば、四角形状や円筒形状等の形状を表す表現は、幾何学的に厳密な意味での四角形状や円筒形状等の形状を表すのみならず、同じ効果が得られる範囲で、凹凸部や面取り部等を含む形状も表すものとする。
一方、一の構成要素を「備える」、「具える」、「具備する」、「含む」、又は、「有する」という表現は、他の構成要素の存在を除外する排他的な表現ではない。
【００１２】
図１は本発明の一実施形態に係る廃熱回収装置の構成を示す模式図であり、図２は図１のＥＣＵによって実施される制御内容を示すフローチャートであり、図３は作動流体温度Ｔｃ及び外気温度Ｔａｍｂ間の温度差ΔＴと外気温度Ｔａｍｂとの関係を示すグラフであり、図４は温度差ΔＴ又は作動流体温度Ｔｃとファンの回転速度との対応関係の一例を示すグラフである。
【００１３】
廃熱回収装置１は、車両に動力源として搭載された内燃機関であるエンジン２から排出される廃熱を回収する装置である。エンジン２は４シリンダエンジンであり、例えばガソリンや軽油のような化石燃料を燃焼することにより動力を出力可能に構成されている。
【００１４】
エンジン２は冷却水回路３を備える。冷却水回路３上には、冷却水を圧送するためのサーモスタット４と、冷却水を外気と熱交換可能に構成されたラジエータ５とが設けられている。ラジエータ５では、エンジン１からの高温の冷却水が不図示のフィンに導入され、外気と熱交換されることにより冷却される。
【００１５】
ラジエータ５には、送風用の冷却ファン６が設けられている。冷却ファン６はエンジン２の動力の一部を用いて駆動可能に構成されている。冷却ファン６の動作状態は後述するＥＣＵによって制御され、ラジエータ６への送風量を調整することにより、ラジエータ５の冷却性能を可変に構成されている。
【００１６】
ラジエータ５で冷却された冷却水の一部は、冷却水回路３から分岐されたバイパス回路７に導入される。バイパス回路７に導入された冷却水は、熱交換器１１によって、ランキンサイクル回路１０の循環回路を流れる作動流体と熱交換される。熱交換器１１を流れる作動流体は冷却水に比べて温度が低いため、バイパス回路７を流れる高温の冷却水は低温に冷却され、その後、冷却水回路３に戻される。
【００１７】
ランキンサイクル回路１０は、作動流体が循環する循環回路上に、バイパス回路７を流れる冷却水と熱交換することにより作動流体を加熱する熱交換器１１と、熱交換器１１で加熱された作動流体を膨張させることにより回転動力を取出す膨張機１２と、膨張器１２で膨張された作動流体を凝縮させる凝縮器１３と、凝縮器１３で凝縮された作動流体を圧縮して熱交換器１１に圧送するポンプ１４とを備えている。
【００１８】
熱交換器１１は、バイパス回路７を流れる高温の冷却水を、循環回路を流れる作動流体と熱交換することにより、作動流体を高温高圧にする。これにより、冷却水側が有する熱エネルギーをランキンサイクル側に取り込まれる。
【００１９】
熱交換器１１によって高温高圧にされた作動流体は、膨張器１２によって膨張される。膨張機１２は、作動流体の膨張時に、内蔵されたタービンを駆動させることにより回転駆動力を発生可能な容積式の流体機器である。回転駆動力は回転軸１５を介して発電機１６に伝達される。
【００２０】
発電機１６は回転軸１５から伝達された回転動力によって駆動されることにより、電気エネルギーを発生させる。発生した電気エネルギーは、排熱回収装置１が搭載される車両が備える各種負荷で消費される他、必要に応じて、バッテリなどの蓄電手段に充電される。
【００２１】
凝縮器１３は、膨張器１２により膨張された作動流体を凝縮する。凝縮器１３は、循環回路の作動流体の流れに対して直列に配置されている。凝縮器１３は空冷式であり、車両の走行風を受けることによって、作動流体を外気と熱交換することにより凝縮する。本実施形態では特に、凝縮器１３の冷却性能を可変に調整可能なように、凝縮器１３への送風量を調整するためのファン１８を備える。ファン１８は、後述するＥＣＵ２０からの制御信号に応じて回転数を調整可能に構成されている。
【００２２】
ポンプ１４は、凝縮器１３により凝縮された作動流体を圧縮して熱交換器１１に搬送すると共に、作動流体が循環回路を循環する動力を供給する。
【００２３】
廃熱回収装置１の外部には、外気温度を検出するための外気温度センサ３０が設けられている。また循環回路のうち凝縮器１３より下流側且つポンプ１４より上流側には、循環回路を流れる作動流体の温度を検出するための作動流体温度センサ３２が設けられている。外気温度センサ３０及び作動流体温度センサ３２の検出値は電気信号としてＥＣＵ２０に送信され、後述する各種制御に供される。
【００２４】
ＥＣＵ２０は廃熱回収装置１の動作状態を制御するコントロールユニットであり、例えばマイクロプロセッサのような電子演算器によって構成される。本実施形態では特に、ＥＣＵ２０は、ファン１８の回転数を制御するファン制御手段２１と、外気温度センサ３０からの信号を受信することにより外気温度Ｔａｍｂを検出する外気温度検出手段２２と、作動流体温度センサ３２からの信号を受信することにより作動流体温度Ｔｃを検出する作動流体温度検出手段２３とを備える。
【００２５】
続いて上記構成を有する廃熱回収装置１の動作について、図２及び図３を参照して説明する。
まずＥＣＵ２０は、外気温度検出手段２２によって外気温度Ｔａｍｂを取得すると共に、作動流体温度検出手段２３によって作動流体温度Ｔｃを取得する（ステップＳ１）。続いてＥＣＵ２０は、ステップＳ１で取得した外気温度Ｔａｍｂ及び作動流体温度Ｔｃに基づいて最適凝縮温度ＴＢを決定する（ステップＳ２）。最適凝縮温度ＴＢはランキンサイクルの効率が最大となる凝縮温度であり、ランキンサイクルの構成（循環回路の流路断面積など）及び作動流体の特性（例えば熱伝導率など）に基づいて決定される。
尚、本実施形態では後述するように、最適凝縮温度ＴＢは高温環境下であるか低温環境下であるかを判別するための閾値としても使用される。
【００２６】
続いて、ＥＣＵ２０は、外気温度Ｔａｍｂが最適凝縮温度ＴＢ以上であるか否かを判定する（ステップＳ３）。外気温度Ｔａｍｂが最適凝縮温度ＴＢ以上である場合（ステップＳ３：ＹＥＳ）、ＥＣＵ２０は周囲雰囲気が高温環境下にあると判断する（ステップＳ４）。この場合、ファン制御手段２１は、作動流体温度検出手段２３により検出された作動流体温度Ｔｃと外気温度検出手段２２により検出された外気温度Ｔａｍｂとの差、すなわち次式
ΔＴ＝｜Ｔｃ−Ｔａｍｂ｜
で定義されるΔＴが所定値ΔＴ１以内となるようにファン１８を制御する（ステップＳ５）。つまり、外気温度Ｔａｍｂを作動流体温度Ｔｃの目標としてファン１８の制御を実施する。
【００２７】
一般的に外気温度Ｔａｍｂが最適凝縮温度ＴＢよりも高温となる熱帯地や夏季などの高温環境では、凝縮器１３の冷却性能が低下する。このような環境下において、凝縮器１３の出口側の作動流体温度Ｔｃを最適凝縮温度ＴＢまで低下させるようにファン１８を制御すると、常に高回転でファン１８を駆動させる必要があり、ファン１８のエネルギー消費量が増大してしまう。
【００２８】
これに対し、ステップＳ５のように、温度差ΔＴが所定値ΔＴ１以内となるようにファン１８を制御すると、最適凝縮温度ＴＢより高い外気温度Ｔａｍｂをターゲットにファン１８が駆動される。そのため、従来に比べてファン１８の消費エネルギーを節約することができる。
【００２９】
尚、所定値ΔＴ１は任意に設定可能であり、図３では、ΔＴ１＝１０℃、５℃、０℃の３パターンが例示されている。例えば所定値ΔＴ１を大きくすると、作動流体温度Ｔｃの目標値が実質的に高くなるためファン１８の消費エネルギーがより少なくなるが、一方で、作動流体温度Ｔｃの目標値が最適凝縮温度ＴＢから離れるため、凝縮器１３の冷却性能は低下する。逆に、所定値ΔＴ１を小さくすると、作動流体温度Ｔｃの目標値が実質的に最適凝縮温度ＴＢに近づくため凝縮器１３の冷却性能は向上するが、一方で、作動流体温度Ｔｃの目標値が低くなるためファン１８の消費エネルギーが増加してしまう。
このように、所定値ΔＴ１は、ファン１８の消費エネルギー量及び凝縮器１３に要求する冷却性能を考慮して決定するとよい。
【００３０】
一方、外気温度Ｔａｍｂが最適凝縮温度ＴＢ未満である場合（ステップＳ３：ＮＯ）、ＥＣＵ２０は周辺雰囲気が低温環境下にあると判断する（ステップＳ６）。この場合、ファン制御手段２１は、作動流体温度検出手段２３により検出された作動流体温度Ｔｃが、最適凝縮温度ＴＢとなるようにファン１８を制御する（ステップＳ７）。
【００３１】
一般的に、外気温度Ｔａｍｂが最適凝縮温度ＴＢよりも低温となる寒冷地や冬季などの低温環境下では、凝縮器１３の冷却性能が高くなるため、容易に作動流体温度Ｔｃを最適凝縮温度ＴＢまで低下させることができる（仮に低温環境下で、上述の高温環境下と同様に外気温度Ｔａｍｂをターゲットに制御すると、作動流体が過冷却状態となってしまい、不要なファン駆動による無駄なエネルギー消費が発生してしまう）。
【００３２】
尚、低温環境下における温度差ΔＴは、図３に示されるように、外気温度に対して単調に減少する振る舞いを示す。
【００３３】
またステップＳ５及びＳ７でファン１８を制御する際には、ファン１８の回転数が不連続的に変化するように制御してもよい。図４には、ΔＴ（ステップＳ５の場合）又はＴｃ（ステップＳ７の場合）が変化するに従って、ファン１８の回転速度がＬｏｗ、Ｍｉｄ、Ｈｉｇｈの３段階に切替制御される場合が例示されている。頻繁な回転数の変化は、ファン１８の疲労原因になる。回転数を連続的に制御することは頻繁な回転数の変化に相当するため、ファン１８の疲労が促進しやすい。このような観点から、ファン１８の回転数を不連続的に制御することによって、実質的にファン１８の耐久性を向上させ、長期に亘って信頼性の高い廃熱回収装置１を実現できる。
【００３４】
以上説明したように、本実施形態に係る廃熱回収装置１では、凝縮器１３の周辺雰囲気が高温環境下であるか低温環境下であるかを判定し、その判定結果に応じたファン１８の制御を実施する。これにより、様々な温度環境下において、ファン１８の消費エネルギーを節約しつつ、凝縮器１３の放熱量を最適化できる。その結果、ランキンサイクル回路１０の出力向上を図ることができ、優れた効率を有する廃熱回収装置１を実現できる。
【産業上の利用可能性】
【００３５】
本開示は、内燃機関の廃熱エネルギーを回収可能な廃熱回収装置に利用可能である。
【符号の説明】
【００３６】
１  廃熱回収装置
２  エンジン
３  冷却水回路
４  サーモスタット
５  ラジエータ
６  冷却ファン
７  バイパス回路
１０  ランキンサイクル
１１  熱交換器
１２  膨張器
１３  凝縮器
１４  ポンプ
２０  ＥＣＵ
２１  ファン制御手段
２２  外気温度検出手段
２３  作動流体検出手段
３０  外気温度センサ
３２  作動流体温度センサ
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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