ランキンサイクル装置
【課題】ランキンサイクル用作動流体の圧力が異常か否かを適正に把握して廃熱回収を停止できるようにする。
【解決手段】第１流路４２に接続された圧力検出器５３は、第１流路４２内の圧力を検出する。制御部２６は、圧力検出器５３によって得られた圧力検出情報に基づいて、インバータ２５を制御する。制御部２６は、指令回転数Ｎｘと検出圧力Ｐｘとの組（Ｎｘ，Ｐｘ）における圧力Ｐｘと、予め設定された回転数Ｎｘと圧力Ｐｄとの組（Ｎｘ，Ｐｄ）における圧力Ｐｄとの大小比較を行なう。Ｐｄ＞Ｐｘの場合、制御部２６は、インバータ２５に対して停止指令を出力する。
【解決手段】第１流路４２に接続された圧力検出器５３は、第１流路４２内の圧力を検出する。制御部２６は、圧力検出器５３によって得られた圧力検出情報に基づいて、インバータ２５を制御する。制御部２６は、指令回転数Ｎｘと検出圧力Ｐｘとの組（Ｎｘ，Ｐｘ）における圧力Ｐｘと、予め設定された回転数Ｎｘと圧力Ｐｄとの組（Ｎｘ，Ｐｄ）における圧力Ｐｄとの大小比較を行なう。Ｐｄ＞Ｐｘの場合、制御部２６は、インバータ２５に対して停止指令を出力する。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、少なくとも発電機として機能する回転電機と、前記回転電機の回転数を制御する回転数制御手段と、ランキンサイクル用作動流体を利用して前記回転電機の駆動軸に回転力を付与する膨張機と、ランキンサイクル用作動流体を吸入して吐出するポンプとを備えた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では、ランキンサイクル用作動流体（冷媒）がサイクルから洩れた場合には、ポンプ上流域でサイクル内のランキンサイクル用作動流体がガス混じり（キャビテーション）状態あるいは全てガス状態になることがある。このような状態になると、ランキンサイクル用作動流体の流量が低下してしまう。ランキンサイクル用作動流体の流量が低下した状態でランキンサイクルを稼動し続けると、回生動力が低下したり、ランキンサイクル用作動流体と共に流動する潤滑油が不足して潤滑必要部位の潤滑が悪くなる。あるいは、発熱体（例えばエンジン）を冷却する冷却水から熱を奪ってランキンサイクル用作動流体に移す熱交換器（ボイラ）からの熱によってランキンサイクル用作動流体が過熱する。ランキンサイクル用作動流体が高温によって劣化するものである場合には、ランキンサイクル用作動流体が劣化してしまうおそれもある。
【０００３】
特許文献１に開示されているランキンサイクル装置（熱サイクル装置）では、ランキンサイクル用作動流体を熱交換器（ボイラ）側へ送り出すポンプの上流側の圧力と下流側の圧力との差が所定圧力以下になった場合には、廃熱回収モードを停止するようにしている。廃熱回収モードを停止すれば、ランキンサイクル用作動流体の流量の低下に起因する前記したような問題を回避することができる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００６−１７１０８号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかし、ポンプの上流側の圧力と下流側の圧力との差が所定圧力以下になったとしても、ポンプの下流側の圧力が低いとは限らない。つまり、前記差が所定圧力以下になったとしても、サイクル内のランキンサイクル用作動流体がガス混じり（キャビテーション）あるいは全てガス状になった状態とは限らない。そのため、ポンプの上流側の圧力と下流側の圧力との差の情報では、ランキンサイクル用作動流体（冷媒）が不足か否かを精度良く把握することができず、廃熱回収効率が低下する。
【０００６】
ランキンサイクル用作動流体（冷媒）が不足か否かを検出するには、ポンプの下流側の圧力を検出することが必要である。しかし、ランキンサイクル用作動流体（冷媒）が不足する状況を反映するポンプの下流側の圧力の上限は、回転数によって変動する。従って、ポンプの下流側の圧力を検出するのみでは、ランキンサイクル用作動流体（冷媒）が不足か否かを精度良く把握することはできない。
【０００７】
本発明は、ランキンサイクル用作動流体（冷媒）の圧力が異常か否かを適正に把握して廃熱回収を停止できるようにすることを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明は、少なくとも発電機として機能する回転電機と、ランキンサイクル用作動流体を利用して前記回転電機の駆動軸に回転力を付与する膨張機と、ランキンサイクル用作動流体を吸入して吐出するポンプと、前記駆動軸の回転を制御する回転制御手段とを備え、前記膨張機と前記ポンプとが一体的に回転するランキンサイクル装置を対象とし、請求項１の発明では、前記ポンプの下流であって前記膨張機の上流である高圧流路内の圧力を検出する圧力検出手段と、前記駆動軸の回転数を把握する回転数把握手段と、前記回転数把握手段によって把握された回転数と、前記圧力検出手段によって検出された圧力との組が予め設定された回転数−圧力許容領域にあるか否かを判定する判定手段とを備え、前記回転制御手段は、前記組における圧力が前記回転数−圧力許容領域よりも低圧領域にある場合には、前記回転電機の回転数を零にする停止制御を行なう。
【０００９】
把握された高圧流路内の圧力と回転数との組が予め設定された回転数−圧力許容領域よりも低圧領域にあるか否かの判定が行なわれるため、ランキンサイクル用作動流体が不足しているか否かを精度良く把握することができる。
【００１０】
好適な例では、前記回転制御手段は、前記組における圧力が前記回転数−圧力許容領域よりも高圧領域にある場合には、前記停止制御を行なう。
高圧流路内の圧力は、異物詰まりによって異常高圧化することもある。把握された高圧流路内の圧力と回転数との組が予め設定された回転数−圧力許容領域よりも高圧領域にあるか否かを判定するため、ランキンサイクル用作動流体の異常高圧を精度良く把握することができる。
【００１１】
請求項３の発明では、少なくとも発電機として機能する回転電機と、ランキンサイクル用作動流体を利用して前記回転電機の駆動軸に回転力を付与する膨張機と、ランキンサイクル用作動流体を吸入して吐出するポンプと、前記駆動軸の回転を制御する回転制御手段とを備え、前記膨張機と前記ポンプとが一体的に回転するランキンサイクル装置において、前記ポンプの下流であって前記膨張機の上流である高圧流路内の圧力を検出する圧力検出手段と、前記駆動軸の回転数を把握する回転数把握手段と、前記圧力検出手段によって検出された圧力と、前記回転数把握手段によって把握された回転数との組が予め設定された回転数−圧力許容領域にあるか否かを判定する判定手段とを備え、前記回転制御手段は、前記組における圧力が前記回転数−圧力許容領域よりも高圧領域にある場合には、前記駆動軸の回転数を零にする停止制御を行なう。
【００１２】
好適な例では、前記膨張機の下流側と前記高圧流路とを繋ぐバイパス流路が設けられており、前記バイパス流路を開閉する開閉手段が設けられており、前記停止制御は、バイパス流路を開くように前記開閉手段を制御し、且つその後に前記駆動軸の回転数を零にする制御である。
【００１３】
回転数指令制御手段がいきなり回転数を零にする指令を行なうと、回転数が急上昇する可能性がある。回転数を零にする指令を行なう前にバイパス流路を開けば、回転数の急上昇を回避することができる。
【００１４】
好適な例では、前記回転制御手段は、前記回転電機の回転数を指令して制御する回転数指令制御手段である。
回転数制御手段によって指令される回転数の情報は、回転数を把握する情報として簡便である。
【発明の効果】
【００１５】
本発明は、ランキンサイクル用作動流体（冷媒）の圧力が異常か否かを適正に 把握して廃熱回収を停止できるという優れた効果を奏する。
【図面の簡単な説明】
【００１６】
【図１】第１の実施形態を示し、（ａ）は、車両用廃熱回収装置を示す模式図。（ｂ）は、流体機械を示す側断面図。
【図２】回転数−圧力のグラフ。
【図３】異常圧力対処制御プログラムを表すフローチャート。
【図４】第２の実施形態を示す回転数−圧力のグラフ。
【図５】異常圧力対処制御プログラムを表すフローチャート。
【発明を実施するための形態】
【００１７】
以下、本発明を具体化した第１の実施形態を図１〜図３に基づいて説明する。
図１（ａ）に示すように、車両用廃熱回収装置１０は、廃熱源としてのエンジン１１とランキンサイクル回路１２とを備えている。ランキンサイクル装置としての車両用廃熱回収装置１０では、エンジン１１からの廃熱によって加熱されるランキンサイクル用作動流体（以下においては冷媒と記す）がランキンサイクル回路１２を循環する。
【００１８】
図１（ｂ）は、車両用廃熱回収装置１０を構成する流体機械１３を示す。流体機械１３を構成するハウジング１４は、回転電機ハウジング１５と、回転電機ハウジング１５に連結されたポンプハウジング１６と、ポンプハウジング１６に連結された膨張機ハウジング１７とから構成されている。
【００１９】
回転電機ハウジング１５の端壁１５１とポンプハウジング１６とには駆動軸１８が軸受１９，２０を介して回転可能に支持されており、駆動軸１８にはロータ２１が固定されている。回転電機ハウジング１５の内周面にはステータ２２がロータ２１を取り囲むように固定されている。駆動軸１８、ステータ２２及びロータ２１は、回転電機としてのモータ・ジェネレータ２３を構成する。
【００２０】
モータ・ジェネレータ２３は、ステータ２２のコイル２２１への通電によってロータ２１を回転させる電動機としての機能と、ロータ２１が回転することによってステータ２２のコイル２２１に電力を生じさせる発電機としての機能とを併せ持つ。
【００２１】
図１（ａ）に示すように、モータ・ジェネレータ２３にはバッテリ２４がインバータ２５を介して電気的に接続されている。モータ・ジェネレータ２３で生じた電力は、インバータ２５を介してバッテリ２４に蓄電されるようになっている。インバータ２５には制御部２６が信号接続されている。
【００２２】
膨張機ハウジング１７内には一対のサイドプレート２７，２８が互いに対向するように固設されている。ポンプハウジング１６とサイドプレート２７との間にはポンプ室３１１が区画されている。駆動軸１８は、ポンプハウジング１６及びサイドプレート２７を貫通している。ポンプ室３１１内には駆動軸１８に止着された駆動ギヤ２９と、駆動ギヤ２９に噛合する従動ギヤ３０とが配設されている。ポンプ室３１１、駆動ギヤ２９及び従動ギヤ３０は、ギヤポンプ３１を構成する。
【００２３】
一対のサイドプレート２７，２８間には筒状をなすシリンダブロック３２が収容されている。シリンダブロック３２内において駆動軸１８には円筒状をなすロータ３３が駆動軸１８に止着されており、ロータ３３の外周面にはベーン３４が出没可能に設けられている。駆動軸１８が回転するとロータ３３が回転する。ロータ３３の回転に伴い、ベーン３４の先端がシリンダブロック３２の内周面を摺接する。ロータ３３の外周面、シリンダブロック３２の内周面及び隣り合うベーン３４は、一対のサイドプレート２７，２８間に作動室３５を区画する。
【００２４】
膨張機ハウジング１７とサイドプレート２８との間には吐出空間３６が区画されており、膨張機ハウジング１７には吐出ポート３７が吐出空間３６に連通するように形成されている。膨張機ハウジング１７には作動室３５に連通する吸入ポート（図示せず）が形成されている。
【００２５】
サイドプレート２７，２８、シリンダブロック３２、ロータ３３、ベーン３４及び作動室３５は、冷媒の膨張によって機械的エネルギーを出力する膨張機３８を構成する。
次に、流体機械１３を備えた車両用廃熱回収装置１０におけるランキンサイクル回路１２について説明する。
【００２６】
ランキンサイクル回路１２は、流体機械１３の膨張機３８、凝縮器３９、流体機械１３のギヤポンプ３１、第１ボイラ４０、及び第２ボイラ４１によって構成されている。
第１ボイラ４０は、吸熱器４０１と放熱器４０２とを備える。ギヤポンプ３１におけるポンプ室３１１〔図１（ｂ）参照〕の吐出側には第１ボイラ４０の吸熱器４０１が第１流路４２を介して接続されている。放熱器４０２は、エンジン１１に接続された冷却水循環経路４３上に設けられている。冷却水循環経路４３上にはラジエータ４４が設けられている。車両のエンジン１１を冷却した冷却水（高温流体）は、冷却水循環経路４３を循環する。冷却水循環経路４３を循環する冷却水の熱の一部は、第１ボイラ４０の放熱器４０２を介して吸熱器４０１へ伝達される。又、冷却水循環経路４３を循環する冷却水の熱の一部は、ラジエータ４４で放熱される。
【００２７】
第２ボイラ４１は、吸熱器４１１と放熱器４１２とを備える。第１ボイラ４０の吸熱器４０１の吐出側には第２ボイラ４１の吸熱器４１１が接続流路４７を介して接続されている。放熱器４１２は、エンジン１１に接続された排気通路４９上に設けられている。エンジン１１からの排気は、放熱器４１２で放熱した後にマフラ５０から排気される。
【００２８】
ギヤポンプ３１から吐出された冷媒は、第１ボイラ４０及び第２ボイラ４１の吸熱器４０１，４１１と放熱器４０２，４１２との間での熱交換により加熱される。
第２ボイラ４１の吸熱器４１１の吐出側には膨張機３８における吸入ポート〔図示略〕が吸入流路４５を介して接続されている。第１ボイラ４０及び第２ボイラ４１で加熱された高温高圧の冷媒は、吸入流路４５を介して膨張機３８に導入されるようになっている。第１流路４２、吸熱器４０１，４１１、接続流路４７及び吸入流路４５は、ギヤポンプ３１の下流であって膨張機３８の上流である高圧流路を構成する。
【００２９】
膨張機３８の吐出ポート３７〔図１（ｂ）参照〕には凝縮器３９が吐出流路４６を介して接続されている。膨張機３８で膨張した低圧の冷媒は、吐出流路４６を介して凝縮器３９へ吐出されるようになっている。凝縮器３９の吐出側にはギヤポンプ３１のポンプ室３１１〔図１（ｂ）参照〕が第２流路４８を介して接続されている。
【００３０】
第１流路４２にはバイパス流路５１が接続されている。バイパス流路５１は、励消磁される方向切り換え弁５２を介して吐出流路４６に接続されている。方向切り換え弁５２は、バイパス流路５１を介さずに、吸入流路４５から、膨張機３８、吐出流路４６を介して凝縮器３９に連通する通常状態と、吐出流路４６がバイパス流路５１を介して第1流路４２と連通する緊急状態とのいずれか一方から他方へ切り換え可能である。方向切り換え弁５２は、消磁状態では通常状態にあると共に、励磁状態では緊急状態にある。方向切り換え弁５２は、制御部２６の励消磁制御を受ける。
【００３１】
第１流路４２には圧力検出器５３が接続されている。圧力検出器５３は、第１流路４２内の圧力を検出する。圧力検出手段としての圧力検出器５３によって得られた圧力検出情報は、制御部２６へ送られる。制御部２６は、圧力検出器５３によって得られた圧力検出情報に基づいて、方向切り換え弁５２の励消磁及びインバータ２５を制御する。
【００３２】
次に、車両用廃熱回収装置１０の作用について説明する。
車両用廃熱回収装置１０の作動は、モータ・ジェネレータ２３を電動機として作動させることによって開始される。制御部２６は、インバータ２５に対して起動指令を送り、インバータ２５は、起動指令に基づいてモータ・ジェネレータ２３を電動機として作動させる。制御部２６は、冷却水循環経路４３内の冷却水の温度を検出する温度検出器（図示略）から温度検出情報を得ており、検出温度が所定温度以上になると、制御部２６は、インバータ２５に対して起動を指令する。モータ・ジェネレータ２３が電動機として作動されると、駆動軸１８が回転開始し、ギヤポンプ３１の駆動ギヤ２９及び膨張機３８のロータ３３が駆動軸１８と一体的に回転開始する。ギヤポンプ３１の駆動ギヤ２９の回転は、従動ギヤ３０に伝達され、駆動ギヤ２９及び従動ギヤ３０が噛合しながら互いに逆方向に回転する。これにより第２流路４８の冷媒がギヤポンプ３１を通過して第１流路４２へ送られる。
【００３３】
第１流路４２へ送られた冷媒は、第１ボイラ４０の吸熱器４０１、接続流路４７、及び第２ボイラ４１の吸熱器４１１を通過して吸入流路４５へ送られる。第１ボイラ４０の吸熱器４０１及び第２ボイラ４１の吸熱器４１１を通過する冷媒は、エンジン１１からの廃熱によって加熱される。加熱後の高圧の冷媒は、吸入ポート（図示せず）から膨張機３８の作動室３５に導入されて膨張する。この冷媒の膨張により膨張機３８が機械的エネルギー（回転付与力）を出力し、この回転付与力によってロータ３３及び駆動軸１８が回転する。膨張機３８は、冷媒を利用してモータ・ジェネレータ２３の駆動軸１８に回転力を付与する。
【００３４】
膨張して圧力が低下した冷媒は、吐出空間３６に吐出された後、吐出ポート３７を介して吐出流路４６へ吐出される。吐出流路４６へ吐出された冷媒は、凝縮器３９を通過する。駆動軸１８の回転によるギヤポンプ３１の駆動に伴い、凝縮器３９から吐出された冷媒は、第２流路４８を介してポンプ室３１１に導入され、ポンプ室３１１から第１流路４２へ吐出される。第１流路４２へ吐出された冷媒は、第１ボイラ４０へと還流する。
【００３５】
モータ・ジェネレータ２３を電動機として作動開始した後では、膨張機３８によって出力される機械的エネルギー（回転付与力）が駆動軸１８を回転させる。制御部２６は、起動指令後にはモータ・ジェネレータ２３を発電機として機能するように制御し、モータ・ジェネレータ２３は、発電機として機能する。発電機として機能するモータ・ジェネレータ２３によって得られた電力は、インバータ２５を介してバッテリ２４に充電される。制御部２６は、冷却水の温度に応じた最大発電電力が得られるように、インバータ２５を制御する。つまり、制御部２６は、最大発電電力が得られるようにモータ・ジェネレータ２３の回転数をインバータ２５に指令してモータ・ジェネレータ２３の回転を制御する。
【００３６】
図３のフローチャートは、冷媒の異常圧力に対処するための異常圧力対処制御プログラムを表す。以下、制御部２６による異常圧力対処制御を図３のフローチャート及び図２のグラフに基づいて説明する。
【００３７】
方向切り換え弁５２は、消磁状態にあり、吸入流路４５が吐出流路４６を介して凝縮器３９に連通していると共に、吐出流路４６からバイパス流路５１を介した第１流路４２への連通が遮断されている。制御部２６は、圧力検出器５３によって得られる圧力検出情報に基づいて所定のサンプリング間隔で第１流路４２内の圧力Ｐｘを検出（把握）する（ステップＳ１）。制御部２６は、インバータ２５に指令する指令回転数Ｎｘと検出した圧力Ｐｘとの組（Ｎｘ，Ｐｘ）が図２のグラフに示す領域Ｚ１内にあるか否かを判断する（ステップＳ２）。
【００３８】
図２のグラフにおける横軸は、回転数を表し、縦軸は、圧力を表す。端線Ｌ１は、インバータ２５に指令される指令回転数Ｎｘの下限を表し、端線Ｌ２は、インバータ２５に指令される指令回転数Ｎｘの上限を表す。曲線Ｋ１，Ｋ２と端線Ｌ１，Ｌ２とで囲まれる領域Ｚｏ〔斜線で示す領域〕は、正常な領域として設定された回転数−圧力正常領域である。曲線Ｋｄ，Ｋ１と端線Ｌ１，Ｌ２とで囲まれる領域Ｚ１は、許容される領域として設定された回転数−圧力許容領域である。
【００３９】
ギヤポンプ３１と膨張機３８とが一体的に回転する構成（ギヤポンプ３１の回転数と膨張機３８の回転数とが同一）では、冷媒の高圧は、冷媒流量と、膨張機３８の吸入流量とによりほぼ一定範囲に決まる。冷媒の高圧は、ギヤポンプ３１より下流かつ膨張機３８より上流の流路内の圧力であり、冷媒流量は、外気温、ギヤポンプ３１のポンプ容量、ギヤポンプ３１の体積効率により決まる。回転数−圧力正常領域Ｚｏは、前記の一定範囲として設定されている。ギヤポンプ３１より下流かつ膨張機３８より上流の流路内の圧力が回転数−圧力正常領域Ｚｏを下回れば、冷媒流量が減少してキャビテーション発生と見なすことができる。
【００４０】
組（Ｎｘ，Ｐｘ）が回転数−圧力許容領域Ｚ１内にある場合（ステップＳ２においてＹＥＳ）、制御部２６は、ステップＳ１へ移行する。組（Ｎｘ，Ｐｘ）が回転数−圧力許容領域Ｚ１内にない場合（ステップＳ２においてＮＯ）、制御部２６は、組（Ｎｘ，Ｐｘ）における圧力Ｐｘと、予め設定された組（Ｎｘ，Ｐｄ）における圧力Ｐｄとの大小比較を行なう（ステップＳ３）。組（Ｎｘ，Ｐｄ）における指令回転数Ｎｘは、組（Ｎｘ，Ｐｘ）における指令回転数Ｎｘと同じ回転数である。図２における組（Ｎｄ，Ｐｄ）は、曲線Ｋｄ上の一例である。圧力Ｐｄは、指令回転数Ｎｄにおいて許容される下限圧力として設定されている。
【００４１】
図２に示す曲線Ｋｄよりも下側は、回転数−圧力許容領域Ｚ１よりも低圧の低圧領域である。第１流路４２内の冷媒圧力が曲線Ｋｄよりも下側の低圧領域にある場合には、冷媒不足によってキャビテーションが発生する場合である。曲線Ｋｄは、ランキンサイクル回路１２を循環する冷媒が不足しているか否かを判断するために設定された指標である。
【００４２】
圧力Ｐｘが圧力Ｐｄ以上である場合（ステップＳ３においてＮＯ）、制御部２６は、ステップＳ１へ移行する。
圧力Ｐｘが圧力Ｐｄに満たない場合（ステップＳ３においてＹＥＳ）、制御部２６は、方向切り換え弁５２に終了処理を指令する（ステップＳ４）。
【００４３】
方向切り換え弁５２に対する終了処理指令は、励磁指令であり、この励磁指令により方向切り換え弁５２が消磁状態から励磁状態へ切り換えられる。方向切り換え弁５２が励磁されると、吸入流路４５から吐出流路４６を介した凝縮器３９への連通が遮断されると共に、吐出流路４６がバイパス流路５１を介して第1流路４２と連通される。これにより、膨張機３８から吐出流路４６へ吐出された冷媒は、バイパス流路５１を経由して第１流路４２へ向かう。
【００４４】
方向切り換え弁５２に対する終了処理指令から所定時間が経過すると、制御部２６は、インバータ２５に対して停止指令を出力する（ステップＳ５）。インバータ２５に対する停止指令は、回転数を零とする指令である。これによりモータ・ジェネレータ２３の回転が停止する。
【００４５】
方向切り換え弁５２は、バイパス流路５１を開閉する開閉手段である。制御部２６及びインバータ２５は、駆動軸１８の回転を制御する回転制御手段を構成し、停止制御を行なう。停止制御とは、制御部２６がインバータ２５に対して駆動軸１８の回転数を零にする停止指令を出力して、モータ・ジェネレータ２３の回転を停止する制御である。制御部２６は、モータ・ジェネレータ２３の回転数を指令して制御する回転数指令制御手段であり、且つ駆動軸１８の回転数を把握する回転数把握手段である。又、制御部２６は、組（Ｎｘ，Ｐｘ）が予め設定された回転数−圧力許容領域にあるか否かを判定する判定手段である。
【００４６】
第１の実施形態では以下の効果が得られる。
（１）指令回転数Ｎｘとこのときの第１流路４２内の圧力Ｐｘとの組（Ｎｘ，Ｐｘ）が予め設定された回転数−圧力許容領域Ｚ１にあれば冷媒が不足していることはない。指令回転数Ｎｘとこのときの第１流路４２内の圧力Ｐｘとの組（Ｎｘ，Ｐｘ）が回転数−圧力許容領域Ｚ１よりも低圧の領域にあれば冷媒が不足している。制御部２６は、把握された第１流路４２内の圧力Ｐｘと指令回転数Ｎｘとの組（Ｎｘ，Ｐｘ）が予め設定された回転数−圧力許容領域Ｚ１よりも低圧の領域にあるか否かの判定を行なう。つまり、指令回転数Ｎｘ（ギヤポンプ３１及び膨張機３８の回転数）に応じて圧力Ｐｘが低すぎるか否かの判定が行なわれるため、冷媒が不足しているか否かを精度良く把握することができる。
【００４７】
（２）制御部２６がいきなり指令回転数を零にする指令を行なうと、モータ・ジェネレータ２３における発電が停止され、膨張機３８によって駆動軸１８に付与される回転力に対して回転抵抗が急激になくなる。そのため、駆動軸１８の回転が急上昇する。そうすると、異音が発生したり、軸受１９，２０の信頼性が損なわれる。
【００４８】
本実施形態では、バイパス流路５１を開き、その後に駆動軸１８の回転数を零にするという制御が行なわれるため、膨張機３８によって駆動軸１８に付与される回転力が徐々に低減してゆく。回転数を零にする停止指令は、終了処理指令から所定時間経過後に行なわれるが、この所定時間は、駆動軸１８の回転が上昇しないように、膨張機３８によって駆動軸１８に付与される回転力が十分に低減するのに要する時間として設定される。従って、駆動軸１８の回転数の急上昇を回避することができる。
【００４９】
（３）制御部２６によって指令される回転数の情報は、駆動軸１８の回転数（ギヤポンプ３１及び膨張機３８の回転数）を把握する情報として簡便である。
（４）第２ボイラ４１は第1ボイラ４０よりも高温であり、高圧域の流路４２，４７，４５の中でも、第1ボイラ４０及び第２ボイラ４１の上流である第１流路４２に、圧力検出器５３を接続することで、第1ボイラ４０及び第２ボイラ４１の熱の影響を受けにくくなる。そのため、圧力検出器５３に対して特別の防熱対策を施す必要がなく、圧力検出器５３のコスト増を回避することができる。
【００５０】
次に、図４及び図５の第２の実施形態を説明する。第１の実施形態と同じ構成部には同じ符合を用い、その詳細説明は省略する。又、図５のフローチャートにおいて同じ制御ステップには同じ符合を用い、その詳細説明は省略する。
【００５１】
図４のグラフにおける曲線Ｋｄ，Ｋｕと端線Ｌ１，Ｌ２とで囲まれる領域Ｚ２は、許容される領域として設定された回転数−圧力許容領域である。曲線Ｋｕよりも上側は、回転数−圧力許容領域Ｚ２よりも高圧の高圧領域である。回転数Ｎｕ及び圧力Ｐｕの組（Ｎｕ，Ｐｕ）は、曲線Ｋｕ上の一例である。第１流路４２内の冷媒圧力が曲線Ｋｕよりも上側の高圧領域にある場合には、異物詰まりによって異常高圧が発生する場合である。曲線Ｋｕは、第１流路４２内の冷媒が異常高圧になっているか否かを判断するために設定された指標である。
【００５２】
図５に示すように、制御部２６は、インバータ２５に指令する指令回転数Ｎｘと検出した圧力Ｐｘとの組（Ｎｘ，Ｐｘ）が図４のグラフに示す領域Ｚ２内にあるか否かを判断する（ステップＳ２１）。組（Ｎｘ，Ｐｘ）が回転数−圧力許容領域Ｚ２内にある場合（ステップＳ２１においてＹＥＳ）、制御部２６は、ステップＳ１へ移行する。組（Ｎｘ，Ｐｘ）が回転数−圧力許容領域Ｚ２内にない場合（ステップＳ２１においてＮＯ）、制御部２６は、ステップＳ４へ移行する。
【００５３】
第１流路４２内の圧力は、異物詰まりによって異常高圧化することもある。制御部２６は、把握された第１流路４２内の圧力Ｐｘと回転数Ｎｘとの組（Ｎｘ，Ｐｘ）が予め設定された回転数−圧力許容領域Ｚ２よりも高圧領域にあるか否かの判定を行なう。つまり、指令回転数Ｎｘ（ギヤポンプ３１及び膨張機３８の回転数）に応じて圧力Ｐｘが高すぎるか否かの判定が行なわれるため、冷媒が異常高圧状態にあるか否かを精度良く把握することができる。
【００５４】
本発明では以下のような実施形態も可能である。
○第２の実施形態において、曲線Ｋ２，Ｋｕと端線Ｌ１，Ｌ２とで囲まれる領域を回転数−圧力許容領域とし、組（Ｎｘ，Ｐｘ）がこの回転数−圧力許容領域内にない場合には、組（Ｎｘ，Ｐｘ）における圧力Ｐｘと、予め設定された圧力Ｐｕとの大小比較のみを行なうようにしてもよい。
【００５５】
○領域Ｚｏを回転数−圧力許容領域としてもよい。
○接続流路４７における圧力を検出するようにしてもよい。
○吸熱器４０１，４１１内、接続流路４７あるいは吸入流路４５における圧力を検出するようにしてもよい。
【００５６】
○方向切り換え弁５２の代わりに、バイパス流路５１の途中に開閉弁を設けてもよい。
○バイパス流路５１及び方向切り換え弁５２を無くしてもよい。
○駆動軸１８の回転数を検出する回転数検出手段を設け、この回転数検出手段を回転数把握手段としてもよい。
【００５７】
○回転電機は、発電機としてのみ機能するものであってもよい。
○圧縮機の回転軸と駆動軸１８との間にクラッチを設け、駆動軸１８の回転を圧縮機の回転軸に伝達できるようにした複合流体機械に本発明を適用してもよい。
【００５８】
○膨張機として、ベーン式以外の他の形式の膨張機を用いてもよい。例えば、駆動軸１８に軸流ファンを取り付け、駆動軸１８の軸方向に冷媒を流して軸流ファン及び駆動軸１８を一体的に回転させるようにしてもよい。
【００５９】
○膨張機は、可動スクロールと固定スクロールとを備えたスクロール型圧縮機と同様に可動スクロールと固定スクロールとによって構成されてもよい。
○車両用以外のランキンサイクル装置に本発明を適用してもよい。
【００６０】
前記した実施形態から把握できる技術思想を以下に記載する。
（イ）前記流路上にはボイラが設けられており、前記圧力検出手段は、前記ボイラの上流側の圧力を検出する請求項１乃至請求項５のいずれか１項に記載のランキンサイクル装置。
【符号の説明】
【００６１】
１０…ランキンサイクル装置としての車両用廃熱回収装置。１８…駆動軸。２３…回転電機としてのモータ・ジェネレータ。２６…回転数把握手段としの回転指令制御手段、判定手段及び回転制御手段である制御部。３１…ポンプとしてのギヤポンプ。３８…膨張機。４２…高圧流路を構成する第１流路。５１…バイパス流路。５３…圧力検出手段としての圧力検出器。Ｚ１，Ｚ２…回転数−圧力許容領域。Ｐｘ…圧力。Ｎｘ…回転数。組（Ｎｘ，Ｐｘ）。
【技術分野】
【０００１】
本発明は、少なくとも発電機として機能する回転電機と、前記回転電機の回転数を制御する回転数制御手段と、ランキンサイクル用作動流体を利用して前記回転電機の駆動軸に回転力を付与する膨張機と、ランキンサイクル用作動流体を吸入して吐出するポンプとを備えた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では、ランキンサイクル用作動流体（冷媒）がサイクルから洩れた場合には、ポンプ上流域でサイクル内のランキンサイクル用作動流体がガス混じり（キャビテーション）状態あるいは全てガス状態になることがある。このような状態になると、ランキンサイクル用作動流体の流量が低下してしまう。ランキンサイクル用作動流体の流量が低下した状態でランキンサイクルを稼動し続けると、回生動力が低下したり、ランキンサイクル用作動流体と共に流動する潤滑油が不足して潤滑必要部位の潤滑が悪くなる。あるいは、発熱体（例えばエンジン）を冷却する冷却水から熱を奪ってランキンサイクル用作動流体に移す熱交換器（ボイラ）からの熱によってランキンサイクル用作動流体が過熱する。ランキンサイクル用作動流体が高温によって劣化するものである場合には、ランキンサイクル用作動流体が劣化してしまうおそれもある。
【０００３】
特許文献１に開示されているランキンサイクル装置（熱サイクル装置）では、ランキンサイクル用作動流体を熱交換器（ボイラ）側へ送り出すポンプの上流側の圧力と下流側の圧力との差が所定圧力以下になった場合には、廃熱回収モードを停止するようにしている。廃熱回収モードを停止すれば、ランキンサイクル用作動流体の流量の低下に起因する前記したような問題を回避することができる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００６−１７１０８号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかし、ポンプの上流側の圧力と下流側の圧力との差が所定圧力以下になったとしても、ポンプの下流側の圧力が低いとは限らない。つまり、前記差が所定圧力以下になったとしても、サイクル内のランキンサイクル用作動流体がガス混じり（キャビテーション）あるいは全てガス状になった状態とは限らない。そのため、ポンプの上流側の圧力と下流側の圧力との差の情報では、ランキンサイクル用作動流体（冷媒）が不足か否かを精度良く把握することができず、廃熱回収効率が低下する。
【０００６】
ランキンサイクル用作動流体（冷媒）が不足か否かを検出するには、ポンプの下流側の圧力を検出することが必要である。しかし、ランキンサイクル用作動流体（冷媒）が不足する状況を反映するポンプの下流側の圧力の上限は、回転数によって変動する。従って、ポンプの下流側の圧力を検出するのみでは、ランキンサイクル用作動流体（冷媒）が不足か否かを精度良く把握することはできない。
【０００７】
本発明は、ランキンサイクル用作動流体（冷媒）の圧力が異常か否かを適正に把握して廃熱回収を停止できるようにすることを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明は、少なくとも発電機として機能する回転電機と、ランキンサイクル用作動流体を利用して前記回転電機の駆動軸に回転力を付与する膨張機と、ランキンサイクル用作動流体を吸入して吐出するポンプと、前記駆動軸の回転を制御する回転制御手段とを備え、前記膨張機と前記ポンプとが一体的に回転するランキンサイクル装置を対象とし、請求項１の発明では、前記ポンプの下流であって前記膨張機の上流である高圧流路内の圧力を検出する圧力検出手段と、前記駆動軸の回転数を把握する回転数把握手段と、前記回転数把握手段によって把握された回転数と、前記圧力検出手段によって検出された圧力との組が予め設定された回転数−圧力許容領域にあるか否かを判定する判定手段とを備え、前記回転制御手段は、前記組における圧力が前記回転数−圧力許容領域よりも低圧領域にある場合には、前記回転電機の回転数を零にする停止制御を行なう。
【０００９】
把握された高圧流路内の圧力と回転数との組が予め設定された回転数−圧力許容領域よりも低圧領域にあるか否かの判定が行なわれるため、ランキンサイクル用作動流体が不足しているか否かを精度良く把握することができる。
【００１０】
好適な例では、前記回転制御手段は、前記組における圧力が前記回転数−圧力許容領域よりも高圧領域にある場合には、前記停止制御を行なう。
高圧流路内の圧力は、異物詰まりによって異常高圧化することもある。把握された高圧流路内の圧力と回転数との組が予め設定された回転数−圧力許容領域よりも高圧領域にあるか否かを判定するため、ランキンサイクル用作動流体の異常高圧を精度良く把握することができる。
【００１１】
請求項３の発明では、少なくとも発電機として機能する回転電機と、ランキンサイクル用作動流体を利用して前記回転電機の駆動軸に回転力を付与する膨張機と、ランキンサイクル用作動流体を吸入して吐出するポンプと、前記駆動軸の回転を制御する回転制御手段とを備え、前記膨張機と前記ポンプとが一体的に回転するランキンサイクル装置において、前記ポンプの下流であって前記膨張機の上流である高圧流路内の圧力を検出する圧力検出手段と、前記駆動軸の回転数を把握する回転数把握手段と、前記圧力検出手段によって検出された圧力と、前記回転数把握手段によって把握された回転数との組が予め設定された回転数−圧力許容領域にあるか否かを判定する判定手段とを備え、前記回転制御手段は、前記組における圧力が前記回転数−圧力許容領域よりも高圧領域にある場合には、前記駆動軸の回転数を零にする停止制御を行なう。
【００１２】
好適な例では、前記膨張機の下流側と前記高圧流路とを繋ぐバイパス流路が設けられており、前記バイパス流路を開閉する開閉手段が設けられており、前記停止制御は、バイパス流路を開くように前記開閉手段を制御し、且つその後に前記駆動軸の回転数を零にする制御である。
【００１３】
回転数指令制御手段がいきなり回転数を零にする指令を行なうと、回転数が急上昇する可能性がある。回転数を零にする指令を行なう前にバイパス流路を開けば、回転数の急上昇を回避することができる。
【００１４】
好適な例では、前記回転制御手段は、前記回転電機の回転数を指令して制御する回転数指令制御手段である。
回転数制御手段によって指令される回転数の情報は、回転数を把握する情報として簡便である。
【発明の効果】
【００１５】
本発明は、ランキンサイクル用作動流体（冷媒）の圧力が異常か否かを適正に 把握して廃熱回収を停止できるという優れた効果を奏する。
【図面の簡単な説明】
【００１６】
【図１】第１の実施形態を示し、（ａ）は、車両用廃熱回収装置を示す模式図。（ｂ）は、流体機械を示す側断面図。
【図２】回転数−圧力のグラフ。
【図３】異常圧力対処制御プログラムを表すフローチャート。
【図４】第２の実施形態を示す回転数−圧力のグラフ。
【図５】異常圧力対処制御プログラムを表すフローチャート。
【発明を実施するための形態】
【００１７】
以下、本発明を具体化した第１の実施形態を図１〜図３に基づいて説明する。
図１（ａ）に示すように、車両用廃熱回収装置１０は、廃熱源としてのエンジン１１とランキンサイクル回路１２とを備えている。ランキンサイクル装置としての車両用廃熱回収装置１０では、エンジン１１からの廃熱によって加熱されるランキンサイクル用作動流体（以下においては冷媒と記す）がランキンサイクル回路１２を循環する。
【００１８】
図１（ｂ）は、車両用廃熱回収装置１０を構成する流体機械１３を示す。流体機械１３を構成するハウジング１４は、回転電機ハウジング１５と、回転電機ハウジング１５に連結されたポンプハウジング１６と、ポンプハウジング１６に連結された膨張機ハウジング１７とから構成されている。
【００１９】
回転電機ハウジング１５の端壁１５１とポンプハウジング１６とには駆動軸１８が軸受１９，２０を介して回転可能に支持されており、駆動軸１８にはロータ２１が固定されている。回転電機ハウジング１５の内周面にはステータ２２がロータ２１を取り囲むように固定されている。駆動軸１８、ステータ２２及びロータ２１は、回転電機としてのモータ・ジェネレータ２３を構成する。
【００２０】
モータ・ジェネレータ２３は、ステータ２２のコイル２２１への通電によってロータ２１を回転させる電動機としての機能と、ロータ２１が回転することによってステータ２２のコイル２２１に電力を生じさせる発電機としての機能とを併せ持つ。
【００２１】
図１（ａ）に示すように、モータ・ジェネレータ２３にはバッテリ２４がインバータ２５を介して電気的に接続されている。モータ・ジェネレータ２３で生じた電力は、インバータ２５を介してバッテリ２４に蓄電されるようになっている。インバータ２５には制御部２６が信号接続されている。
【００２２】
膨張機ハウジング１７内には一対のサイドプレート２７，２８が互いに対向するように固設されている。ポンプハウジング１６とサイドプレート２７との間にはポンプ室３１１が区画されている。駆動軸１８は、ポンプハウジング１６及びサイドプレート２７を貫通している。ポンプ室３１１内には駆動軸１８に止着された駆動ギヤ２９と、駆動ギヤ２９に噛合する従動ギヤ３０とが配設されている。ポンプ室３１１、駆動ギヤ２９及び従動ギヤ３０は、ギヤポンプ３１を構成する。
【００２３】
一対のサイドプレート２７，２８間には筒状をなすシリンダブロック３２が収容されている。シリンダブロック３２内において駆動軸１８には円筒状をなすロータ３３が駆動軸１８に止着されており、ロータ３３の外周面にはベーン３４が出没可能に設けられている。駆動軸１８が回転するとロータ３３が回転する。ロータ３３の回転に伴い、ベーン３４の先端がシリンダブロック３２の内周面を摺接する。ロータ３３の外周面、シリンダブロック３２の内周面及び隣り合うベーン３４は、一対のサイドプレート２７，２８間に作動室３５を区画する。
【００２４】
膨張機ハウジング１７とサイドプレート２８との間には吐出空間３６が区画されており、膨張機ハウジング１７には吐出ポート３７が吐出空間３６に連通するように形成されている。膨張機ハウジング１７には作動室３５に連通する吸入ポート（図示せず）が形成されている。
【００２５】
サイドプレート２７，２８、シリンダブロック３２、ロータ３３、ベーン３４及び作動室３５は、冷媒の膨張によって機械的エネルギーを出力する膨張機３８を構成する。
次に、流体機械１３を備えた車両用廃熱回収装置１０におけるランキンサイクル回路１２について説明する。
【００２６】
ランキンサイクル回路１２は、流体機械１３の膨張機３８、凝縮器３９、流体機械１３のギヤポンプ３１、第１ボイラ４０、及び第２ボイラ４１によって構成されている。
第１ボイラ４０は、吸熱器４０１と放熱器４０２とを備える。ギヤポンプ３１におけるポンプ室３１１〔図１（ｂ）参照〕の吐出側には第１ボイラ４０の吸熱器４０１が第１流路４２を介して接続されている。放熱器４０２は、エンジン１１に接続された冷却水循環経路４３上に設けられている。冷却水循環経路４３上にはラジエータ４４が設けられている。車両のエンジン１１を冷却した冷却水（高温流体）は、冷却水循環経路４３を循環する。冷却水循環経路４３を循環する冷却水の熱の一部は、第１ボイラ４０の放熱器４０２を介して吸熱器４０１へ伝達される。又、冷却水循環経路４３を循環する冷却水の熱の一部は、ラジエータ４４で放熱される。
【００２７】
第２ボイラ４１は、吸熱器４１１と放熱器４１２とを備える。第１ボイラ４０の吸熱器４０１の吐出側には第２ボイラ４１の吸熱器４１１が接続流路４７を介して接続されている。放熱器４１２は、エンジン１１に接続された排気通路４９上に設けられている。エンジン１１からの排気は、放熱器４１２で放熱した後にマフラ５０から排気される。
【００２８】
ギヤポンプ３１から吐出された冷媒は、第１ボイラ４０及び第２ボイラ４１の吸熱器４０１，４１１と放熱器４０２，４１２との間での熱交換により加熱される。
第２ボイラ４１の吸熱器４１１の吐出側には膨張機３８における吸入ポート〔図示略〕が吸入流路４５を介して接続されている。第１ボイラ４０及び第２ボイラ４１で加熱された高温高圧の冷媒は、吸入流路４５を介して膨張機３８に導入されるようになっている。第１流路４２、吸熱器４０１，４１１、接続流路４７及び吸入流路４５は、ギヤポンプ３１の下流であって膨張機３８の上流である高圧流路を構成する。
【００２９】
膨張機３８の吐出ポート３７〔図１（ｂ）参照〕には凝縮器３９が吐出流路４６を介して接続されている。膨張機３８で膨張した低圧の冷媒は、吐出流路４６を介して凝縮器３９へ吐出されるようになっている。凝縮器３９の吐出側にはギヤポンプ３１のポンプ室３１１〔図１（ｂ）参照〕が第２流路４８を介して接続されている。
【００３０】
第１流路４２にはバイパス流路５１が接続されている。バイパス流路５１は、励消磁される方向切り換え弁５２を介して吐出流路４６に接続されている。方向切り換え弁５２は、バイパス流路５１を介さずに、吸入流路４５から、膨張機３８、吐出流路４６を介して凝縮器３９に連通する通常状態と、吐出流路４６がバイパス流路５１を介して第1流路４２と連通する緊急状態とのいずれか一方から他方へ切り換え可能である。方向切り換え弁５２は、消磁状態では通常状態にあると共に、励磁状態では緊急状態にある。方向切り換え弁５２は、制御部２６の励消磁制御を受ける。
【００３１】
第１流路４２には圧力検出器５３が接続されている。圧力検出器５３は、第１流路４２内の圧力を検出する。圧力検出手段としての圧力検出器５３によって得られた圧力検出情報は、制御部２６へ送られる。制御部２６は、圧力検出器５３によって得られた圧力検出情報に基づいて、方向切り換え弁５２の励消磁及びインバータ２５を制御する。
【００３２】
次に、車両用廃熱回収装置１０の作用について説明する。
車両用廃熱回収装置１０の作動は、モータ・ジェネレータ２３を電動機として作動させることによって開始される。制御部２６は、インバータ２５に対して起動指令を送り、インバータ２５は、起動指令に基づいてモータ・ジェネレータ２３を電動機として作動させる。制御部２６は、冷却水循環経路４３内の冷却水の温度を検出する温度検出器（図示略）から温度検出情報を得ており、検出温度が所定温度以上になると、制御部２６は、インバータ２５に対して起動を指令する。モータ・ジェネレータ２３が電動機として作動されると、駆動軸１８が回転開始し、ギヤポンプ３１の駆動ギヤ２９及び膨張機３８のロータ３３が駆動軸１８と一体的に回転開始する。ギヤポンプ３１の駆動ギヤ２９の回転は、従動ギヤ３０に伝達され、駆動ギヤ２９及び従動ギヤ３０が噛合しながら互いに逆方向に回転する。これにより第２流路４８の冷媒がギヤポンプ３１を通過して第１流路４２へ送られる。
【００３３】
第１流路４２へ送られた冷媒は、第１ボイラ４０の吸熱器４０１、接続流路４７、及び第２ボイラ４１の吸熱器４１１を通過して吸入流路４５へ送られる。第１ボイラ４０の吸熱器４０１及び第２ボイラ４１の吸熱器４１１を通過する冷媒は、エンジン１１からの廃熱によって加熱される。加熱後の高圧の冷媒は、吸入ポート（図示せず）から膨張機３８の作動室３５に導入されて膨張する。この冷媒の膨張により膨張機３８が機械的エネルギー（回転付与力）を出力し、この回転付与力によってロータ３３及び駆動軸１８が回転する。膨張機３８は、冷媒を利用してモータ・ジェネレータ２３の駆動軸１８に回転力を付与する。
【００３４】
膨張して圧力が低下した冷媒は、吐出空間３６に吐出された後、吐出ポート３７を介して吐出流路４６へ吐出される。吐出流路４６へ吐出された冷媒は、凝縮器３９を通過する。駆動軸１８の回転によるギヤポンプ３１の駆動に伴い、凝縮器３９から吐出された冷媒は、第２流路４８を介してポンプ室３１１に導入され、ポンプ室３１１から第１流路４２へ吐出される。第１流路４２へ吐出された冷媒は、第１ボイラ４０へと還流する。
【００３５】
モータ・ジェネレータ２３を電動機として作動開始した後では、膨張機３８によって出力される機械的エネルギー（回転付与力）が駆動軸１８を回転させる。制御部２６は、起動指令後にはモータ・ジェネレータ２３を発電機として機能するように制御し、モータ・ジェネレータ２３は、発電機として機能する。発電機として機能するモータ・ジェネレータ２３によって得られた電力は、インバータ２５を介してバッテリ２４に充電される。制御部２６は、冷却水の温度に応じた最大発電電力が得られるように、インバータ２５を制御する。つまり、制御部２６は、最大発電電力が得られるようにモータ・ジェネレータ２３の回転数をインバータ２５に指令してモータ・ジェネレータ２３の回転を制御する。
【００３６】
図３のフローチャートは、冷媒の異常圧力に対処するための異常圧力対処制御プログラムを表す。以下、制御部２６による異常圧力対処制御を図３のフローチャート及び図２のグラフに基づいて説明する。
【００３７】
方向切り換え弁５２は、消磁状態にあり、吸入流路４５が吐出流路４６を介して凝縮器３９に連通していると共に、吐出流路４６からバイパス流路５１を介した第１流路４２への連通が遮断されている。制御部２６は、圧力検出器５３によって得られる圧力検出情報に基づいて所定のサンプリング間隔で第１流路４２内の圧力Ｐｘを検出（把握）する（ステップＳ１）。制御部２６は、インバータ２５に指令する指令回転数Ｎｘと検出した圧力Ｐｘとの組（Ｎｘ，Ｐｘ）が図２のグラフに示す領域Ｚ１内にあるか否かを判断する（ステップＳ２）。
【００３８】
図２のグラフにおける横軸は、回転数を表し、縦軸は、圧力を表す。端線Ｌ１は、インバータ２５に指令される指令回転数Ｎｘの下限を表し、端線Ｌ２は、インバータ２５に指令される指令回転数Ｎｘの上限を表す。曲線Ｋ１，Ｋ２と端線Ｌ１，Ｌ２とで囲まれる領域Ｚｏ〔斜線で示す領域〕は、正常な領域として設定された回転数−圧力正常領域である。曲線Ｋｄ，Ｋ１と端線Ｌ１，Ｌ２とで囲まれる領域Ｚ１は、許容される領域として設定された回転数−圧力許容領域である。
【００３９】
ギヤポンプ３１と膨張機３８とが一体的に回転する構成（ギヤポンプ３１の回転数と膨張機３８の回転数とが同一）では、冷媒の高圧は、冷媒流量と、膨張機３８の吸入流量とによりほぼ一定範囲に決まる。冷媒の高圧は、ギヤポンプ３１より下流かつ膨張機３８より上流の流路内の圧力であり、冷媒流量は、外気温、ギヤポンプ３１のポンプ容量、ギヤポンプ３１の体積効率により決まる。回転数−圧力正常領域Ｚｏは、前記の一定範囲として設定されている。ギヤポンプ３１より下流かつ膨張機３８より上流の流路内の圧力が回転数−圧力正常領域Ｚｏを下回れば、冷媒流量が減少してキャビテーション発生と見なすことができる。
【００４０】
組（Ｎｘ，Ｐｘ）が回転数−圧力許容領域Ｚ１内にある場合（ステップＳ２においてＹＥＳ）、制御部２６は、ステップＳ１へ移行する。組（Ｎｘ，Ｐｘ）が回転数−圧力許容領域Ｚ１内にない場合（ステップＳ２においてＮＯ）、制御部２６は、組（Ｎｘ，Ｐｘ）における圧力Ｐｘと、予め設定された組（Ｎｘ，Ｐｄ）における圧力Ｐｄとの大小比較を行なう（ステップＳ３）。組（Ｎｘ，Ｐｄ）における指令回転数Ｎｘは、組（Ｎｘ，Ｐｘ）における指令回転数Ｎｘと同じ回転数である。図２における組（Ｎｄ，Ｐｄ）は、曲線Ｋｄ上の一例である。圧力Ｐｄは、指令回転数Ｎｄにおいて許容される下限圧力として設定されている。
【００４１】
図２に示す曲線Ｋｄよりも下側は、回転数−圧力許容領域Ｚ１よりも低圧の低圧領域である。第１流路４２内の冷媒圧力が曲線Ｋｄよりも下側の低圧領域にある場合には、冷媒不足によってキャビテーションが発生する場合である。曲線Ｋｄは、ランキンサイクル回路１２を循環する冷媒が不足しているか否かを判断するために設定された指標である。
【００４２】
圧力Ｐｘが圧力Ｐｄ以上である場合（ステップＳ３においてＮＯ）、制御部２６は、ステップＳ１へ移行する。
圧力Ｐｘが圧力Ｐｄに満たない場合（ステップＳ３においてＹＥＳ）、制御部２６は、方向切り換え弁５２に終了処理を指令する（ステップＳ４）。
【００４３】
方向切り換え弁５２に対する終了処理指令は、励磁指令であり、この励磁指令により方向切り換え弁５２が消磁状態から励磁状態へ切り換えられる。方向切り換え弁５２が励磁されると、吸入流路４５から吐出流路４６を介した凝縮器３９への連通が遮断されると共に、吐出流路４６がバイパス流路５１を介して第1流路４２と連通される。これにより、膨張機３８から吐出流路４６へ吐出された冷媒は、バイパス流路５１を経由して第１流路４２へ向かう。
【００４４】
方向切り換え弁５２に対する終了処理指令から所定時間が経過すると、制御部２６は、インバータ２５に対して停止指令を出力する（ステップＳ５）。インバータ２５に対する停止指令は、回転数を零とする指令である。これによりモータ・ジェネレータ２３の回転が停止する。
【００４５】
方向切り換え弁５２は、バイパス流路５１を開閉する開閉手段である。制御部２６及びインバータ２５は、駆動軸１８の回転を制御する回転制御手段を構成し、停止制御を行なう。停止制御とは、制御部２６がインバータ２５に対して駆動軸１８の回転数を零にする停止指令を出力して、モータ・ジェネレータ２３の回転を停止する制御である。制御部２６は、モータ・ジェネレータ２３の回転数を指令して制御する回転数指令制御手段であり、且つ駆動軸１８の回転数を把握する回転数把握手段である。又、制御部２６は、組（Ｎｘ，Ｐｘ）が予め設定された回転数−圧力許容領域にあるか否かを判定する判定手段である。
【００４６】
第１の実施形態では以下の効果が得られる。
（１）指令回転数Ｎｘとこのときの第１流路４２内の圧力Ｐｘとの組（Ｎｘ，Ｐｘ）が予め設定された回転数−圧力許容領域Ｚ１にあれば冷媒が不足していることはない。指令回転数Ｎｘとこのときの第１流路４２内の圧力Ｐｘとの組（Ｎｘ，Ｐｘ）が回転数−圧力許容領域Ｚ１よりも低圧の領域にあれば冷媒が不足している。制御部２６は、把握された第１流路４２内の圧力Ｐｘと指令回転数Ｎｘとの組（Ｎｘ，Ｐｘ）が予め設定された回転数−圧力許容領域Ｚ１よりも低圧の領域にあるか否かの判定を行なう。つまり、指令回転数Ｎｘ（ギヤポンプ３１及び膨張機３８の回転数）に応じて圧力Ｐｘが低すぎるか否かの判定が行なわれるため、冷媒が不足しているか否かを精度良く把握することができる。
【００４７】
（２）制御部２６がいきなり指令回転数を零にする指令を行なうと、モータ・ジェネレータ２３における発電が停止され、膨張機３８によって駆動軸１８に付与される回転力に対して回転抵抗が急激になくなる。そのため、駆動軸１８の回転が急上昇する。そうすると、異音が発生したり、軸受１９，２０の信頼性が損なわれる。
【００４８】
本実施形態では、バイパス流路５１を開き、その後に駆動軸１８の回転数を零にするという制御が行なわれるため、膨張機３８によって駆動軸１８に付与される回転力が徐々に低減してゆく。回転数を零にする停止指令は、終了処理指令から所定時間経過後に行なわれるが、この所定時間は、駆動軸１８の回転が上昇しないように、膨張機３８によって駆動軸１８に付与される回転力が十分に低減するのに要する時間として設定される。従って、駆動軸１８の回転数の急上昇を回避することができる。
【００４９】
（３）制御部２６によって指令される回転数の情報は、駆動軸１８の回転数（ギヤポンプ３１及び膨張機３８の回転数）を把握する情報として簡便である。
（４）第２ボイラ４１は第1ボイラ４０よりも高温であり、高圧域の流路４２，４７，４５の中でも、第1ボイラ４０及び第２ボイラ４１の上流である第１流路４２に、圧力検出器５３を接続することで、第1ボイラ４０及び第２ボイラ４１の熱の影響を受けにくくなる。そのため、圧力検出器５３に対して特別の防熱対策を施す必要がなく、圧力検出器５３のコスト増を回避することができる。
【００５０】
次に、図４及び図５の第２の実施形態を説明する。第１の実施形態と同じ構成部には同じ符合を用い、その詳細説明は省略する。又、図５のフローチャートにおいて同じ制御ステップには同じ符合を用い、その詳細説明は省略する。
【００５１】
図４のグラフにおける曲線Ｋｄ，Ｋｕと端線Ｌ１，Ｌ２とで囲まれる領域Ｚ２は、許容される領域として設定された回転数−圧力許容領域である。曲線Ｋｕよりも上側は、回転数−圧力許容領域Ｚ２よりも高圧の高圧領域である。回転数Ｎｕ及び圧力Ｐｕの組（Ｎｕ，Ｐｕ）は、曲線Ｋｕ上の一例である。第１流路４２内の冷媒圧力が曲線Ｋｕよりも上側の高圧領域にある場合には、異物詰まりによって異常高圧が発生する場合である。曲線Ｋｕは、第１流路４２内の冷媒が異常高圧になっているか否かを判断するために設定された指標である。
【００５２】
図５に示すように、制御部２６は、インバータ２５に指令する指令回転数Ｎｘと検出した圧力Ｐｘとの組（Ｎｘ，Ｐｘ）が図４のグラフに示す領域Ｚ２内にあるか否かを判断する（ステップＳ２１）。組（Ｎｘ，Ｐｘ）が回転数−圧力許容領域Ｚ２内にある場合（ステップＳ２１においてＹＥＳ）、制御部２６は、ステップＳ１へ移行する。組（Ｎｘ，Ｐｘ）が回転数−圧力許容領域Ｚ２内にない場合（ステップＳ２１においてＮＯ）、制御部２６は、ステップＳ４へ移行する。
【００５３】
第１流路４２内の圧力は、異物詰まりによって異常高圧化することもある。制御部２６は、把握された第１流路４２内の圧力Ｐｘと回転数Ｎｘとの組（Ｎｘ，Ｐｘ）が予め設定された回転数−圧力許容領域Ｚ２よりも高圧領域にあるか否かの判定を行なう。つまり、指令回転数Ｎｘ（ギヤポンプ３１及び膨張機３８の回転数）に応じて圧力Ｐｘが高すぎるか否かの判定が行なわれるため、冷媒が異常高圧状態にあるか否かを精度良く把握することができる。
【００５４】
本発明では以下のような実施形態も可能である。
○第２の実施形態において、曲線Ｋ２，Ｋｕと端線Ｌ１，Ｌ２とで囲まれる領域を回転数−圧力許容領域とし、組（Ｎｘ，Ｐｘ）がこの回転数−圧力許容領域内にない場合には、組（Ｎｘ，Ｐｘ）における圧力Ｐｘと、予め設定された圧力Ｐｕとの大小比較のみを行なうようにしてもよい。
【００５５】
○領域Ｚｏを回転数−圧力許容領域としてもよい。
○接続流路４７における圧力を検出するようにしてもよい。
○吸熱器４０１，４１１内、接続流路４７あるいは吸入流路４５における圧力を検出するようにしてもよい。
【００５６】
○方向切り換え弁５２の代わりに、バイパス流路５１の途中に開閉弁を設けてもよい。
○バイパス流路５１及び方向切り換え弁５２を無くしてもよい。
○駆動軸１８の回転数を検出する回転数検出手段を設け、この回転数検出手段を回転数把握手段としてもよい。
【００５７】
○回転電機は、発電機としてのみ機能するものであってもよい。
○圧縮機の回転軸と駆動軸１８との間にクラッチを設け、駆動軸１８の回転を圧縮機の回転軸に伝達できるようにした複合流体機械に本発明を適用してもよい。
【００５８】
○膨張機として、ベーン式以外の他の形式の膨張機を用いてもよい。例えば、駆動軸１８に軸流ファンを取り付け、駆動軸１８の軸方向に冷媒を流して軸流ファン及び駆動軸１８を一体的に回転させるようにしてもよい。
【００５９】
○膨張機は、可動スクロールと固定スクロールとを備えたスクロール型圧縮機と同様に可動スクロールと固定スクロールとによって構成されてもよい。
○車両用以外のランキンサイクル装置に本発明を適用してもよい。
【００６０】
前記した実施形態から把握できる技術思想を以下に記載する。
（イ）前記流路上にはボイラが設けられており、前記圧力検出手段は、前記ボイラの上流側の圧力を検出する請求項１乃至請求項５のいずれか１項に記載のランキンサイクル装置。
【符号の説明】
【００６１】
１０…ランキンサイクル装置としての車両用廃熱回収装置。１８…駆動軸。２３…回転電機としてのモータ・ジェネレータ。２６…回転数把握手段としの回転指令制御手段、判定手段及び回転制御手段である制御部。３１…ポンプとしてのギヤポンプ。３８…膨張機。４２…高圧流路を構成する第１流路。５１…バイパス流路。５３…圧力検出手段としての圧力検出器。Ｚ１，Ｚ２…回転数−圧力許容領域。Ｐｘ…圧力。Ｎｘ…回転数。組（Ｎｘ，Ｐｘ）。
【特許請求の範囲】
【請求項１】
少なくとも発電機として機能する回転電機と、ランキンサイクル用作動流体を利用して前記回転電機の駆動軸に回転力を付与する膨張機と、ランキンサイクル用作動流体を吸入して吐出するポンプと、前記駆動軸の回転を制御する回転制御手段とを備え、前記膨張機と前記ポンプとが一体的に回転するランキンサイクル装置において、
前記ポンプの下流であって前記膨張機の上流である高圧流路内の圧力を検出する圧力検出手段と、
前記駆動軸の回転数を把握する回転数把握手段と、
前記回転数把握手段によって把握された回転数と、前記圧力検出手段によって検出された圧力との組が予め設定された回転数−圧力許容領域にあるか否かを判定する判定手段とを備え、
前記回転制御手段は、前記組における圧力が前記回転数−圧力許容領域よりも低圧領域にある場合には、前記駆動軸の回転数を零にする停止制御を行なうランキンサイクル装置。
【請求項２】
前記回転制御手段は、前記組における圧力が前記回転数−圧力許容領域よりも高圧領域にある場合には、前記停止制御を行なう請求項１に記載のランキンサイクル装置。
【請求項３】
少なくとも発電機として機能する回転電機と、ランキンサイクル用作動流体を利用して前記回転電機の駆動軸に回転力を付与する膨張機と、ランキンサイクル用作動流体を吸入して吐出するポンプと、前記駆動軸の回転を制御する回転制御手段とを備え、前記膨張機と前記ポンプとが一体的に回転するランキンサイクル装置において、
前記ポンプの下流であって前記膨張機の上流である高圧流路内の圧力を検出する圧力検出手段と、
前記駆動軸の回転数を把握する回転数把握手段と、
前記圧力検出手段によって検出された圧力と、前記回転数把握手段によって把握された回転数との組が予め設定された回転数−圧力許容領域にあるか否かを判定する判定手段とを備え、
前記回転制御手段は、前記組における圧力が前記回転数−圧力許容領域よりも高圧領域にある場合には、前記駆動軸の回転数を零にする停止制御を行なうランキンサイクル装置。
【請求項４】
前記膨張機の下流側と前記高圧流路とを繋ぐバイパス流路が設けられており、前記バイパス流路を開閉する開閉手段が設けられており、前記停止制御は、バイパス流路を開くように前記開閉手段を制御し、且つその後に前記駆動軸の回転数を零にする制御である請求項１乃至請求項３のいずれか１項に記載のランキンサイクル装置。
【請求項５】
前記回転制御手段は、前記回転電機の回転数を指令して制御する回転数指令制御手段である請求項１乃至請求項４のいずれか１項に記載のランキンサイクル装置。
【請求項１】
少なくとも発電機として機能する回転電機と、ランキンサイクル用作動流体を利用して前記回転電機の駆動軸に回転力を付与する膨張機と、ランキンサイクル用作動流体を吸入して吐出するポンプと、前記駆動軸の回転を制御する回転制御手段とを備え、前記膨張機と前記ポンプとが一体的に回転するランキンサイクル装置において、
前記ポンプの下流であって前記膨張機の上流である高圧流路内の圧力を検出する圧力検出手段と、
前記駆動軸の回転数を把握する回転数把握手段と、
前記回転数把握手段によって把握された回転数と、前記圧力検出手段によって検出された圧力との組が予め設定された回転数−圧力許容領域にあるか否かを判定する判定手段とを備え、
前記回転制御手段は、前記組における圧力が前記回転数−圧力許容領域よりも低圧領域にある場合には、前記駆動軸の回転数を零にする停止制御を行なうランキンサイクル装置。
【請求項２】
前記回転制御手段は、前記組における圧力が前記回転数−圧力許容領域よりも高圧領域にある場合には、前記停止制御を行なう請求項１に記載のランキンサイクル装置。
【請求項３】
少なくとも発電機として機能する回転電機と、ランキンサイクル用作動流体を利用して前記回転電機の駆動軸に回転力を付与する膨張機と、ランキンサイクル用作動流体を吸入して吐出するポンプと、前記駆動軸の回転を制御する回転制御手段とを備え、前記膨張機と前記ポンプとが一体的に回転するランキンサイクル装置において、
前記ポンプの下流であって前記膨張機の上流である高圧流路内の圧力を検出する圧力検出手段と、
前記駆動軸の回転数を把握する回転数把握手段と、
前記圧力検出手段によって検出された圧力と、前記回転数把握手段によって把握された回転数との組が予め設定された回転数−圧力許容領域にあるか否かを判定する判定手段とを備え、
前記回転制御手段は、前記組における圧力が前記回転数−圧力許容領域よりも高圧領域にある場合には、前記駆動軸の回転数を零にする停止制御を行なうランキンサイクル装置。
【請求項４】
前記膨張機の下流側と前記高圧流路とを繋ぐバイパス流路が設けられており、前記バイパス流路を開閉する開閉手段が設けられており、前記停止制御は、バイパス流路を開くように前記開閉手段を制御し、且つその後に前記駆動軸の回転数を零にする制御である請求項１乃至請求項３のいずれか１項に記載のランキンサイクル装置。
【請求項５】
前記回転制御手段は、前記回転電機の回転数を指令して制御する回転数指令制御手段である請求項１乃至請求項４のいずれか１項に記載のランキンサイクル装置。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【公開番号】特開２０１１−１６９２５７（Ｐ２０１１−１６９２５７Ａ）
【公開日】平成２３年９月１日（２０１１．９．１）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１０−３４５７１（Ｐ２０１０−３４５７１）
【出願日】平成２２年２月１９日（２０１０．２．１９）
【出願人】（０００００３２１８）株式会社豊田自動織機 (4,162)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２３年９月１日（２０１１．９．１）
【国際特許分類】
【出願日】平成２２年２月１９日（２０１０．２．１９）
【出願人】（０００００３２１８）株式会社豊田自動織機 (4,162)
【Ｆターム（参考）】
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