ランキンサイクル装置
【課題】搭載スペースを低減するとともに、発電量の調節が可能であるランキンサイクル装置を提供することを目的とする。
【解決手段】ランキンサイクル装置１０１は、膨張機１１４、ポンプ１１１、ポンプ１１１を膨張機１１４に連通する第一経路１、膨張機１１４をポンプ１１１に連通する第二経路２、第一経路１の冷却水ボイラ１１２及び廃ガスボイラ１１３、第二経路２のコンデンサ１１５、第一経路１を第二経路２に連通するバイパス経路３、並びに、バイパス経路３を開放及び閉鎖可能な流量調整弁１２０を有するランキンサイクル１００と、膨張機１１４の仕事を電力に変換するモータジェネレータ１１６と、変換された電力を蓄電するバッテリ１１８と、バッテリ１１８の充電率を検知し、充電率に基づき流量調整弁１２０を制御するＥＣＵ１１９とを備える。ＥＣＵ１１９は、充電率が第一の所定量以上となると流量調整弁１２０を開放する。
【解決手段】ランキンサイクル装置１０１は、膨張機１１４、ポンプ１１１、ポンプ１１１を膨張機１１４に連通する第一経路１、膨張機１１４をポンプ１１１に連通する第二経路２、第一経路１の冷却水ボイラ１１２及び廃ガスボイラ１１３、第二経路２のコンデンサ１１５、第一経路１を第二経路２に連通するバイパス経路３、並びに、バイパス経路３を開放及び閉鎖可能な流量調整弁１２０を有するランキンサイクル１００と、膨張機１１４の仕事を電力に変換するモータジェネレータ１１６と、変換された電力を蓄電するバッテリ１１８と、バッテリ１１８の充電率を検知し、充電率に基づき流量調整弁１２０を制御するＥＣＵ１１９とを備える。ＥＣＵ１１９は、充電率が第一の所定量以上となると流量調整弁１２０を開放する。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、ランキンサイクルを備えたランキンサイクル装置に係り、特に車両に搭載されるランキンサイクル装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
車両の内燃機関から排出される熱を発電機等の動力に変換するランキンサイクルを利用した技術が開発されている。そして、ランキンサイクルは、液相流体を等圧加熱して過熱蒸気を発生させるボイラ、過熱蒸気を断熱膨張させて動力を得る膨張機、膨張機において膨張した蒸気を等圧冷却して液化するコンデンサ、及び液化した液相流体をボイラに送り出すポンプ等から構成される。
【０００３】
特許文献１には、車両に搭載されるランキンサイクル回路が記載されている。このランキンサイクル回路では、ポンプの駆動軸と膨張機の出力軸とが電磁クラッチを介して同軸上に配置され、さらに、ポンプの駆動軸には、別の電磁クラッチを介してエンジンの動力が伝達されるように構成されている。また、膨張機は、さらに別の電磁クラッチを介して発電機に接続され、発電機は、バッテリに接続されている。そして、車両の状態に応じて、３つの電磁クラッチが締結又は解放されて、ポンプ、膨張機及び発電機のそれぞれの動作が制御され、それにより、ランキンサイクル回路の動作及び発電が制御される。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００９−２７４５１３号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
車両に搭載されるランキンサイクルでは、ポンプ及び膨張機が継続して稼動されて発電機により発電された電力がバッテリへ充電され続けると、バッテリへ充電される電力量が車両で消費される電力量より多い場合には、バッテリは、その充電量を増加させ続け、過度に充電された状態である過充電状態にいたってしまう。
ここで、引用文献１のランキンサイクル回路では、膨張機と発電機との間の電磁クラッチを解放することによって、発電機の稼働を停止して発電量を調節し、バッテリの過充電を防ぐことができる。しかしながら、ランキンサイクル回路が搭載される車両には、電磁クラッチを搭載するためのスペースが必要になり、他の装備品が多数搭載される車両ではスペースの確保が難しいという問題がある。
【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、搭載スペースを低減するとともに、発電量の調節が可能であるランキンサイクル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】
上記の課題を解決するために、この発明に係るランキンサイクル装置は、車両に搭載されるランキンサイクル装置において、作動流体を膨張させて仕事を得る流体膨張手段、作動流体を流体膨張手段に向かって送る流体圧送手段、流体圧送手段を流体膨張手段に連通する第一経路、流体膨張手段を流体圧送手段に連通する第二経路、第一経路に設けられて作動流体を加熱する加熱手段、第二経路に設けられて作動流体を冷却する冷却手段、第一経路を第二経路に連通するバイパス経路、並びに、バイパス経路に設けられてバイパス経路を開放及び閉鎖可能な流量調整弁を有する、作動流体を流通させるランキンサイクルと、流体膨張手段が得た仕事を電力に変換する発電手段と、発電手段が変換した電力を蓄電する蓄電手段と、蓄電手段に蓄電されている電力の充電率を検知し、検知した充電率に基づき流量調整弁の開放及び閉鎖を制御する制御手段とを備え、制御手段は、検知した充電率が所定量以上となると、流量調整弁を開放する。
【０００８】
制御手段は、車両の電気負荷を検知し、流量調整弁の開放時、車両の電気負荷に基づき、流量調整弁の開度を制御してバイパス経路を流通する作動流体の流量を調節ことによって、検知した充電率の増加を抑えるように発電手段が発生する電力を制御してもよい。
また、制御手段は、流量調整弁の開放時、車両を通常走行させるためのみに必要な最小電気負荷に基づき、流量調整弁の開度を制御してバイパス経路を流通する作動流体の流量を調節ことによって、検知した充電率の増加を抑えるように発電手段が発生する電力を制御してもよい。
【０００９】
バイパス経路は、第一経路における流体圧送手段と加熱手段との間を第二経路に連通してもよい。
バイパス経路は、第一経路を、第二経路における流体膨張手段と冷却手段との間に連通してもよい。
【発明の効果】
【００１０】
この発明に係るランキンサイクル装置によれば、搭載スペースを低減するとともに、発電量を調節することが可能になる。
【図面の簡単な説明】
【００１１】
【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及びその周辺の構成を示す模式図である。
【図２】この発明の実施の形態２に係るランキンサイクル装置及びその周辺の構成を示す模式図である。
【発明を実施するための形態】
【００１２】
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．
まず、この発明の実施の形態１に係るランキンサイクル装置１０１及びその周辺の構成を説明する。なお、以下の実施形態において、内燃機関すなわちエンジンを搭載する車両にランキンサイクル装置を使用した場合の例について説明する。
図１を参照すると、エンジン１０を備える図示しない車両は、ランキンサイクル１００を有するランキンサイクル装置１０１を備えている。
【００１３】
ランキンサイクル１００は、ポンプ１１１、冷却水ボイラ１１２、廃ガスボイラ１１３、膨張機１１４、及びコンデンサ１１５によって構成されており、ランキンサイクル１００には、作動流体である冷媒が流通するようになっている。
ここで、ポンプ１１１は流体圧送手段を構成し、冷却水ボイラ１１２及び廃ガスボイラ１１３は加熱手段を構成し、膨張機１１４は流体膨張手段を構成し、コンデンサ１１５は冷却手段を構成している。
【００１４】
ポンプ１１１は、稼動することにより流体を圧送するものであり、本実施の形態１では、液体を圧送するものとする。
ポンプ１１１には、その下流側となる図示しない吐出口に、経路１ａを介して熱交換器である冷却水ボイラ１１２が連通しており、冷却水ボイラ１１２の内部をポンプ１１１により圧送された冷媒が流通するようになっている。
【００１５】
冷却水ボイラ１１２は、エンジン１０の廃熱を含む流体であるエンジン冷却水が流通し且つその経路の一部がラジエータ２０を通る冷却水経路１０ａに連通している。そして、冷却水ボイラ１１２は、その内部において冷媒とエンジン冷却水とが熱交換を行うように構成されている。このため、図示しないポンプによってエンジン１０から冷却水経路１０ａに圧送されるエンジン冷却水は、冷却水ボイラ１１２の内部を流通し、その流通過程で冷媒と熱交換を行ってその温度を低下させエンジン１０に戻る。同時に、冷媒は、冷却水ボイラ１１２の内部でエンジン冷却水と熱交換を行うことによって、その温度を上昇させる。
【００１６】
さらに、冷却水ボイラ１１２には、その下流側に経路１ｂを介して熱交換器である廃ガスボイラ１１３が連通しており、廃ガスボイラ１１３の内部を冷却水ボイラ１１２から流出した冷媒が流通するようになっている。さらに、廃ガスボイラ１１３は、排気ガス分岐経路３０ａに連通している。なお、排気ガス分岐経路３０ａは、エンジン１０の廃熱を含む流体である排気ガスをエンジン１０から車両の外部に排出するための排気系統３０から分岐して再び排気系統３０に戻る経路である。そして、廃ガスボイラ１１３は、その内部において冷媒と排気ガスとが熱交換を行うように構成されている。このため、エンジン１０から排出された排気ガスの一部は、排気系統３０から排気ガス分岐経路３０ａに流入し、さらに廃ガスボイラ１１３の内部を流通し、その流通過程で冷媒と熱交換を行ってその温度を低下させた後、再び排気系統３０に戻り、車両の外部に排出される。同時に、冷媒は、廃ガスボイラ１１３の内部でエンジン冷却水より温度が高い排気ガスと熱交換を行うことによって、その温度をさらに上昇させる。
【００１７】
廃ガスボイラ１１３には、その下流側に経路１ｃを介して膨張機１１４の図示しない入口が連通しており、膨張機１１４には、冷却水ボイラ１１２及び廃ガスボイラ１１３において加熱された後の高温高圧の冷媒が流通するようになっている。膨張機１１４は、高温高圧の冷媒を膨張させることによって図示しないタービン等の回転体及び膨張機駆動軸１１４ａを回転させ、回転駆動力による仕事を得る流体機器である。さらに、膨張機１１４は、膨張機駆動軸１１４ａを介して、発電機又は電動機として作動可能なモータジェネレータ１１６と連結されている。
【００１８】
また、モータジェネレータ１１６は、ポンプ駆動軸１１１ａを介してポンプ１１１と連結されている。さらに、ポンプ駆動軸１１１ａと膨張機駆動軸１１４ａとは、モータジェネレータ１１６内で互いの回転駆動力を伝達できるように連結されている。
また、モータジェネレータ１１６は、インバータ及びコンバータとして動作可能なインバータ装置１１７と電気的に接続され、さらに、インバータ装置１１７は、バッテリ１１８と電気的に接続されている。
【００１９】
このため、膨張機１１４が膨張機駆動軸１１４ａを回転駆動することによってモータジェネレータ１１６が稼動され、それにより、モータジェネレータ１１６は、発電機として作動して交流電流を発生し、インバータ装置１１７に交流電流を送る。このとき、インバータ装置１１７は、コンバータとして機能し、送られた交流電流を直流電流に変換してバッテリ１１８に供給し、バッテリ１１８は、供給された直流電流を蓄電すなわち充電する。
ここで、モータジェネレータ１１６は、発電手段を構成し、バッテリ１１８は、蓄電手段を構成している。
【００２０】
また、インバータ装置１１７は、インバータとして機能すると、バッテリ１１８に充電された直流電気を変換して交流電流としてモータジェネレータ１１６に供給し、モータジェネレータ１１６を電動機として作動させることもできる。
ここで、経路１ａ、経路１ｂ及び経路１ｃは、第一経路１を形成しランキンサイクル１００を構成している。そして、モータジェネレータ１１６、インバータ装置１１７及びバッテリ１１８は、ランキンサイクル装置１０１を構成している。
【００２１】
また、膨張機１１４の図示しない出口には、経路２ａを介して熱交換器であるコンデンサ１１５が連通しており、コンデンサ１１５の内部を膨張機１１４から流出した冷媒が流通するようになっている。そして、コンデンサ１１５は、その内部を流通する冷媒とコンデンサ１１５の周囲の空気とが熱交換を行うように構成されている。このとき、コンデンサ１１５の内部の冷媒は、周囲の空気と熱交換することによって冷却されて凝縮する。
さらに、コンデンサ１１５には、その下流側に経路２ｂを介してポンプ１１１の図示しない吸入口が連通している。よって、コンデンサ１１５から流出した液体状態の冷媒は、ポンプ１１１によって吸入されて再び圧送され、ランキンサイクル１００を循環する。
ここで、経路２ａ及び経路２ｂは、第二経路２を形成しランキンサイクル１００を構成している。
【００２２】
また、ランキンサイクル１００は、第一経路１を第二経路２に連通するバイパス経路３を有している。なお、本実施の形態１では、バイパス経路３の一方の端部は、第一経路１の経路１ａと接続され、バイパス経路３の他方の端部は、第二経路２の経路２ａと接続されている。
さらに、ランキンサイクル１００は、バイパス経路３の途中に、バイパス経路３を開放又は閉鎖し、さらにバイパス経路３の流路断面積を調節することができる電磁弁からなる流量調整弁１２０を有している。
【００２３】
また、ランキンサイクル装置１０１は、制御手段であるＥＣＵ１１９を有している。ＥＣＵ１１９は、バッテリ１１８と電気的に接続されており、バッテリ１１８の電圧を検知することができる。さらに、ＥＣＵ１１９は、インバータ装置１１７とも電気的に接続されており、インバータ装置１１７の動作を制御することができると共に、インバータ装置１１７からバッテリ１１８に供給される直流電流による電力及び電力量を検出することができる。
また、ＥＣＵ１１９は、流量調整弁１２０と電気的に接続されており、流量調整弁１２０の開放及び閉鎖動作を制御することができる。
さらに、ＥＣＵ１１９は、車両に搭載された電力で作動する装置、例えば、ヘッドライト、リヤデフォッガー、ブロワーファン、エアコンのコンプレッサ、エンジン１０への燃料供給装置等の稼動を検知して、これらの電気負荷（使用電力）を検出することができる。
【００２４】
次に、この発明の実施の形態１に係るランキンサイクル装置１０１の動作を説明する。
図１を参照すると、エンジン１０が稼動されると、図示しないポンプによってエンジン１０からエンジン冷却水が圧送され、エンジン冷却水は、エンジン１０を冷却水ボイラ１１２に連通する冷却水経路１０ａを循環する。そして、エンジン冷却水は、冷却水ボイラ１１２において、ランキンサイクル１００を流通する冷媒と熱交換を行う。
同時に、エンジン１０から排気系統３０に排気ガスが排出され、排出された排気ガスの一部は、排気ガス分岐経路３０ａを流通した後に再び排気系統３０に戻り、排気系統３０の他の排気ガスと共に、車両の外部に排出される。そして、排気ガス分岐経路３０ａを流通する排気ガスは、廃ガスボイラ１１３において、ランキンサイクル１００を流通する冷媒と熱交換を行う。
【００２５】
また、エンジン１０が稼動され、排気ガスの温度が所定の温度以上に上昇し且つエンジン冷却水の温度が所定の温度以上に上昇すると、ランキンサイクル１００が起動される。このとき、ＥＣＵ１１９によって、インバータ装置１１７がインバータとして起動され、インバータ装置１１７は、バッテリ１１８の直流電気を変換して交流電流としてモータジェネレータ１１６に供給し、モータジェネレータ１１６を電動機として稼動させる。
【００２６】
電動機として稼動するモータジェネレータ１１６は、ポンプ駆動軸１１１ａ及び膨張機駆動軸１１４ａを回転駆動させ、ポンプ１１１及び膨張機１１４を駆動する。なお、このとき、バイパス経路３の流量調整弁１２０は閉じられている。
そして、駆動されたポンプ１１１は、液体状態の冷媒を等温圧縮して冷却水ボイラ１１２に向かって圧送し、また、駆動された膨張機１１４は、図示しないタービン等の回転体を回転させ、経路１ｃの冷媒を経路２ａに送る。
【００２７】
ポンプ１１１によって圧送された液体状態の低温の冷媒は、経路１ａを通過して冷却水ボイラ１１２に流入する。冷却水ボイラ１１２では、冷媒は、冷却水ボイラ１１２を流通するエンジン冷却水と熱交換を行うことによって等圧加熱されて蒸発し、高圧であり比較的高温の気液混合状態となる。
【００２８】
気液混合状態となった冷媒は、冷却水ボイラ１１２を出た後、経路１ｂを通過して廃ガスボイラ１１３に流入する。廃ガスボイラ１１３では、冷媒は、エンジン冷却水より高温である廃ガスボイラ１１３を流通する排気ガスと熱交換を行うことによって等圧加熱されてさらに蒸発し、高温高圧の過熱蒸気となる。
【００２９】
過熱蒸気の状態となった冷媒は、廃ガスボイラ１１３を出た後、経路１ｃを通過して膨張機１１４に流入する。膨張機１１４では、高温高圧の過熱蒸気の状態である冷媒が断熱膨張し、高圧状態から低圧状態になる際の冷媒の膨張エネルギーが回生エネルギーとして回転エネルギーに変換される。それにより、膨張機１１４では、モータジェネレータ１１６によって回転駆動されている図示しない回転体にさらなる回転駆動力が加えられ、この回転駆動力が膨張機駆動軸１１４ａを介してモータジェネレータ１１６及びポンプ駆動軸１１１ａに伝達する。このとき、ＥＣＵ１１９によって、インバータとして動作しているインバータ装置１１７は、その動作がコンバータに切り替えられ、バッテリ１１８からモータジェネレータ１１６への電力供給が停止される。そして、ポンプ１１１が、膨張機１１４から膨張機駆動軸１１４ａ及びポンプ駆動軸１１１ａを介して伝達される回転駆動力によって駆動されると共に、モータジェネレータ１１６が、膨張機１１４から膨張機駆動軸１１４ａを介して伝達される回転駆動力によって駆動されて発電機として作動し、交流電流を生成する。そして、モータジェネレータ１１６によって生成された交流電流は、インバータ装置１１７で直流電流に変換された後、バッテリ１１８に充電される。
【００３０】
また、膨張機１１４を通過した冷媒は、高温低圧状態となって膨張機１１４から排出され、膨張機１１４から排出された冷媒は、経路２ａを通過してコンデンサ１１５に流入する。コンデンサ１１５では、冷媒は、周囲の空気すなわち外気と熱交換を行うことによって等圧冷却されて凝縮し、液体となる。液体となった冷媒は、経路２ｂを介してポンプ１１１に吸入され、ポンプ１１１によって再度圧送されて、ランキンサイクル１００を循環する。
【００３１】
また、ランキンサイクル１００の稼動中、ＥＣＵ１１９は、バッテリ１１８の電圧の検知を継続して行う。そして、ＥＣＵ１１９は、検知したバッテリ１１８の電圧から、バッテリ１１８におけるその総充電容量に対する現在の充電量の割合である充電率（充電量／総充電容量）を算出する。なお、充電率と電圧との関係をＥＣＵ１１９に予め記憶させておく等することにより、ＥＣＵ１１９は、バッテリ１１８の電圧から充電率を算出する。
【００３２】
また、ＥＣＵ１１９は、バッテリ１１８の充電率が第一の所定量（１００％未満）以上となると、すなわち、バッテリ１１８の総充電容量から現在の充電量を減じたものである充電残容量の割合が所定量以下の小さいものとなると、充電率が１００％に達した後もさらにバッテリ１１８が充電される過充電を防止するために、流量調整弁１２０を開放するように動作させる。このとき、ポンプ１１１によって圧送された直後の高圧の冷媒が流通する経路１ａから、膨張機１１４によって減圧された後の低圧の冷媒が流通する経路２ａに向かって、バイパス経路３を冷媒の一部が流通する。
これによって、経路１ｃを流通する冷媒の流量が減少して膨張機１１４に流入する冷媒量が減少する。さらに、冷媒流量の減少によって経路１ｃにおける冷媒の圧力が低下し、膨張機１１４における冷媒の流入側と流出側との差圧が小さくなる。
従って、膨張機１１４に流入した冷媒を膨張させることによって膨張機１１４が仕事として得る回生エネルギー量が減少するため、バッテリ１１８に供給される電力量が減少する。このとき、流量調整弁１２０の開度を大きくしてバイパス経路３の流路断面積を大きくし、バイパス経路３を流通する冷媒の流量を増加させることによって、膨張機１１４の回生エネルギーの減少量は増大する。
【００３３】
また、ＥＣＵ１１９は、車両の電気負荷を常時検出している。そしてＥＣＵ１１９は、インバータ装置１１７からバッテリ１１８に供給される直流電流による電力がこの検出した車両の電気負荷以下となるように、流量調整弁１２０の開度を調節してバイパス経路３の冷媒の流量を制御することによって膨張機１１４へ流れる冷媒を調節し、膨張機１１４の稼動を抑制側に制御する。
このとき、車両の電気負荷が、膨張機１１４が稼動することによってモータジェネレータ１１６が発生する電力以上であるため、バッテリ１１８の充電電気が消費されて充電率が減少するが、充電率が第一の所定量より小さい量である第二の所定量に達すると、すなわち、バッテリ１１８の充電残容量の割合が大きくなり別の所定量となると、ＥＣＵ１１９は、流量調整弁１２０を閉鎖するように動作させ、バイパス経路３における冷媒の流通を遮断する。
【００３４】
なお、ＥＣＵ１１９は、流量調整弁１２０の開放時、インバータ装置１１７からバッテリ１１８に供給される直流電流による電力が、検出した車両の電気負荷以下であり且つ車両の最小電気負荷以上となるように、流量調整弁１２０の開度を調節してもよい。なお、車両の最小電気負荷は、車両を通常走行させるためのみに必要な電気負荷であり、つまり、エンジン１０への燃料噴霧装置と燃料ポンプが作動する電気負荷であり、車両毎に設定されるものであり、ＥＣＵ１１９に記憶されている。そして、この場合も、バッテリ１１８の充電率が第二の所定量に達すると、ＥＣＵ１１９は、流量調整弁１２０を閉鎖するように動作させる。
【００３５】
このように、この発明の実施の形態１に係るランキンサイクル装置１０１は、車両に搭載されるランキンサイクル装置である。そして、ランキンサイクル装置１０１は、冷媒を膨張させて仕事を得る膨張機１１４、冷媒を膨張機１１４に向かって送るポンプ１１１、ポンプ１１１を膨張機１１４に連通する第一経路１、膨張機１１４をポンプ１１１に連通する第二経路２、第一経路１に設けられて冷媒を加熱する冷却水ボイラ１１２及び廃ガスボイラ１１３、第二経路２に設けられて冷媒を冷却するコンデンサ１１５、第一経路１を第二経路２に連通するバイパス経路３、並びに、バイパス経路３に設けられてバイパス経路３を開放及び閉鎖可能な流量調整弁１２０を有する、冷媒を流通させるランキンサイクル１００を備える。さらに、ランキンサイクル装置１０１は、膨張機１１４が得た仕事を電力に変換するモータジェネレータ１１６と、モータジェネレータ１１６が変換した電力を蓄電するバッテリ１１８と、バッテリ１１８に蓄電されている電力の充電率を検知し、検知した充電率に基づき流量調整弁１２０の開放及び閉鎖を制御するＥＣＵ１１９とを備える。また、ＥＣＵ１１９は、検知した充電率が所定量以上となると、流量調整弁１２０を開放する。
【００３６】
このとき、流量調整弁１２０を開放しバイパス経路３に冷媒を流通させることによって、膨張機１１４に流れる冷媒の流量が減少する共に、膨張機１１４の上流側の入口と下流側の出口との圧力差が減少する。これにより、膨張機１１４が冷媒の膨張によって仕事として得る回生エネルギー量が減少するため、モータジェネレータ１１６による発電量が減少し、バッテリ１１８に供給される電力量も減少する。そして、バッテリ１１８に供給される電力量の調節は、流量調整弁１２０の開度を調節することによって行うことができる。よって、流量調整弁１２０の制御によりバッテリ１１８へ供給される電力量を調節することができるため、バッテリ１１８の充電率が１００％に至り、さらにバッテリ１１８が過剰に充電されて過充電となることを抑えることができる。従って、モータジェネレータ１１６による発電量を調節するために、バイパス経路３と流量調整弁１２０を設けるのみでよいため、車両に占めるスペースを低減することができる。すなわち、ランキンサイクル装置１０１は、搭載スペースを低減するとともに、発電量を調節することを可能にする。さらに、流量調整弁１２０が開放される充電率の第一の所定量は、１００％の近傍が好ましい。これによって、バッテリ１１８は、常に充電率１００％のフル充電に近い状態が維持されるため、その性能を高い状態で維持することができる。同様に、流量調整弁１２０が閉鎖される充電率の第二の所定量も、１００％に近い方が好ましい。
【００３７】
また、ランキンサイクル装置１０１のＥＣＵ１１９は、車両の電気負荷を検知し、流量調整弁１２０の開放時、車両の電気負荷に基づき、流量調整弁１２０の開度を制御してバイパス経路３を流通する冷媒の流量を調節することによって、検知した充電率の増加を抑えるようにモータジェネレータ１１６が発生する電力を制御する。これにより、流量調整弁１２０の開放時、車両の電気負荷に基づいてモータジェネレータ１１６が発生する電力を制御することによって、バッテリ１１８にさらに電力が充電されることを抑え、バッテリ１１８の充電率が増加することを効果的に防ぐことができるため、バッテリ１１８における過充電の発生をさらに効果的に抑えることが可能になる。
【００３８】
さらに、ランキンサイクル装置１０１のＥＣＵ１１９は、流量調整弁１２０の開放時、車両を通常走行させるためのみに必要な最小電気負荷に基づき、流量調整弁１２０の開度を制御してバイパス経路３を流通する冷媒の流量を調節することによって、検知した充電率の増加を抑えるようにモータジェネレータ１１６が発生する電力を制御する。これにより、流量調整弁１２０の開放時、車両の最小電気負荷に基づいてモータジェネレータ１１６が発生する電力を制御することによって、バッテリ１１８の充電率の増加をさらに効果的に防ぐことが可能になる。さらに、ＥＣＵ１１９に車両の最小電気負荷を記憶させておくのみで、ＥＣＵ１１９は、車両の電気負荷を検出せずに、流量調整弁１２０の開度を制御することができる。
【００３９】
また、ランキンサイクル装置１０１のランキンサイクル１００において、バイパス経路３は、第一経路１におけるポンプ１１１と冷却水ボイラ１１２との間を第二経路２に連通する。これによって、バイパス経路３は、加熱される前の密度が高い冷媒を流通させるため、バイパス経路３の直径及び流量調整弁１２０が小さくても、冷媒流量を確保することができる。よって、バイパス経路３及び流量調整弁１２０の小型化を図ることが可能になる。
また、ランキンサイクル装置１０１のランキンサイクル１００において、バイパス経路３は、第一経路１を、第二経路２における膨張機１１４とコンデンサ１１５との間に連通する。これによって、第二経路２の冷媒は、その全てがコンデンサ１１５を流通して冷却される。よって、ポンプ１１１に吸入される冷媒におけるサブクール（過冷却）の不足を低減することができるため、ポンプ１１１におけるキャビテーションを防ぐことが可能になる。
【００４０】
実施の形態２．
この発明の実施の形態２に係るランキンサイクル装置２０１は、実施の形態１におけるランキンサイクル装置１０１のランキンサイクル１００におけるバイパス経路３を、膨張機１１４のみをバイパスするようにしたものである。
なお、以下の実施の形態において、前出した図における参照符号と同一の符号は、同一また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。
【００４１】
図２を参照すると、ランキンサイクル装置２０１のランキンサイクル２００におけるバイパス経路２３は、その一方の端部が第一経路１の経路１ｃと接続され、その他方の端部が第二経路２の経路２ａと接続され、膨張機１１４のみをバイパスするようにして設けられている。そして、バイパス経路２３の途中には、バイパス経路２３を開放又は閉鎖し、さらにバイパス経路２３の流路断面積を調節することができる流量調整弁１２０が設けられている。
【００４２】
よって、バッテリ１１８の充電率が第一の所定量以上となりＥＣＵ１１９が流量調整弁１２０を開放するように動作させると、ポンプ１１１によって圧縮されて冷却水ボイラ１１２及び廃ガスボイラ１１３によって加熱された高温高圧の冷媒の一部が、経路１ｃから経路２ａに向かってバイパス経路２３を流通する。これによって、膨張機１１４に流入する冷媒量が減少すると共に、膨張機１１４における冷媒の流入側と流出側との差圧が小さくなる。従って、膨張機１１４が冷媒の膨張時に仕事として得る回生エネルギー量が減少し、バッテリ１１８に供給される電力量が減少する。
【００４３】
しかしながら、ランキンサイクル２００では、経路１ａ及び１ｂを流通して冷却水ボイラ１１２及び廃ガスボイラ１１３によって加熱される冷媒の流量が、バイパス経路２３に冷媒を流通させた場合でも減少しない。このため、特に、冷媒自体に温度の限界がある場合、各ボイラで加熱された冷媒の温度が高くなり過ぎることが防止される。
【００４４】
また、この発明の実施の形態２に係るランキンサイクル装置２０１のその他の構成及び動作は、実施の形態１と同様であるため、説明を省略する。
このように、実施の形態２におけるランキンサイクル装置２０１によれば、上記実施の形態１のランキンサイクル装置１０１と同様な効果が得られる。
【００４５】
また、実施の形態１及び２のランキンサイクル装置１０１及び２０１において、ＥＣＵ１１９は、車両の電気負荷を検知し、流量調整弁１２０の開放時、モータジェネレータ１１６によって発生する電力を車両の電気負荷に合わせるように、流量調整弁１２０の開度を制御してバイパス経路３及び２３を流通する冷媒の流量を調節してもよい。すなわち、ＥＣＵ１１９は、流量調整弁１２０の開放時、インバータ装置１１７からバッテリ１１８に供給される直流電流による電力が、ＥＣＵ１１９が検出した車両の電気負荷に合わせてその近傍となるように、流量調整弁１２０の開度を調節してもよい。これにより、流量調整弁１２０の開放時、バッテリ１１８の充電率が第一の所定量の近傍で維持されるため、バッテリ１１８の充電量の変動が抑えられ、バッテリ１１８の耐久性を向上させることが可能になる。
【００４６】
さらに、実施の形態１及び２のランキンサイクル装置１０１及び２０１において、ＥＣＵ１１９は、流量調整弁１２０の開放時、インバータ装置１１７からバッテリ１１８に供給される直流電流による電力が、ＥＣＵ１１９が記憶している車両の最小電気負荷に合わせてその近傍となるように、流量調整弁１２０の開度を調節してもよい。これによって、ＥＣＵ１１９は、車両の電気負荷を検出しない場合であっても、バッテリ１１８へ供給される電力量を制御し、バッテリ１１８の過充電を防ぐことができる。
【００４７】
また、実施の形態１及び２のランキンサイクル装置１０１及び２０１において、バイパス経路３及び２３の接続位置は、実施の形態１及び２の接続位置に限定されるものでなく、単に第一経路１を第二経路２に連通するものであればよい。
また、実施の形態１及び２のランキンサイクル装置１０１及び２０１において、バイパス経路３及び２３は、複数あってもよい。このとき、複数のバイパス経路は、バイパス経路３及び２３を組み合わせたものであってもよく、複数のバイパス経路の接続位置は、第一経路１を第二経路２に連通するものであればよい。
【００４８】
また、実施の形態１及び２のランキンサイクル装置１０１及び２０１において、ポンプ１１１、モータジェネレータ１１６及び膨張機１１４は互いに連結された構成を有していたが、これに限定されるものでない。モータジェネレータ１１６及び膨張機１１４のみが連結された構成であってもよい。このとき、膨張機１１４が冷媒の膨張によって仕事として得た回生エネルギーは全て、モータジェネレータ１１６での発電及びインバータ装置１１７での電力変換を介して、バッテリ１１８に供給される。また、ポンプ１１１は、バッテリ１１８の電力によって直接稼動するものであってもよく、駆動ベルトを介して伝達されるエンジン１０の動力によって稼動するものであってもよい。
【００４９】
実施の形態１及び２のランキンサイクル装置１０１及び２０１において、モータジェネレータ１１６をオルタネータとし、インバータ装置１１７をレギュレータとしてもよい。このとき、オルタネータは、ポンプ１１１及び膨張機１１４と駆動ベルトを介して連結することができる。
【符号の説明】
【００５０】
１ 第一経路、２ 第二経路、３，２３ バイパス経路、１００，２００ ランキンサイクル、１０１，２０１ ランキンサイクル装置、１１２ 冷却水ボイラ（加熱手段）、１１３ 廃ガスボイラ（加熱手段）、１１４ 膨張機（流体膨張手段）、１１５ コンデンサ（冷却手段）、１１６ モータジェネレータ（発電手段）、１１８ バッテリ（蓄電手段）、１１９ ＥＣＵ（制御手段）、１１１ ポンプ（流体圧送手段）、１２０ 流量調整弁。
【技術分野】
【０００１】
この発明は、ランキンサイクルを備えたランキンサイクル装置に係り、特に車両に搭載されるランキンサイクル装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
車両の内燃機関から排出される熱を発電機等の動力に変換するランキンサイクルを利用した技術が開発されている。そして、ランキンサイクルは、液相流体を等圧加熱して過熱蒸気を発生させるボイラ、過熱蒸気を断熱膨張させて動力を得る膨張機、膨張機において膨張した蒸気を等圧冷却して液化するコンデンサ、及び液化した液相流体をボイラに送り出すポンプ等から構成される。
【０００３】
特許文献１には、車両に搭載されるランキンサイクル回路が記載されている。このランキンサイクル回路では、ポンプの駆動軸と膨張機の出力軸とが電磁クラッチを介して同軸上に配置され、さらに、ポンプの駆動軸には、別の電磁クラッチを介してエンジンの動力が伝達されるように構成されている。また、膨張機は、さらに別の電磁クラッチを介して発電機に接続され、発電機は、バッテリに接続されている。そして、車両の状態に応じて、３つの電磁クラッチが締結又は解放されて、ポンプ、膨張機及び発電機のそれぞれの動作が制御され、それにより、ランキンサイクル回路の動作及び発電が制御される。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００９−２７４５１３号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
車両に搭載されるランキンサイクルでは、ポンプ及び膨張機が継続して稼動されて発電機により発電された電力がバッテリへ充電され続けると、バッテリへ充電される電力量が車両で消費される電力量より多い場合には、バッテリは、その充電量を増加させ続け、過度に充電された状態である過充電状態にいたってしまう。
ここで、引用文献１のランキンサイクル回路では、膨張機と発電機との間の電磁クラッチを解放することによって、発電機の稼働を停止して発電量を調節し、バッテリの過充電を防ぐことができる。しかしながら、ランキンサイクル回路が搭載される車両には、電磁クラッチを搭載するためのスペースが必要になり、他の装備品が多数搭載される車両ではスペースの確保が難しいという問題がある。
【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、搭載スペースを低減するとともに、発電量の調節が可能であるランキンサイクル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】
上記の課題を解決するために、この発明に係るランキンサイクル装置は、車両に搭載されるランキンサイクル装置において、作動流体を膨張させて仕事を得る流体膨張手段、作動流体を流体膨張手段に向かって送る流体圧送手段、流体圧送手段を流体膨張手段に連通する第一経路、流体膨張手段を流体圧送手段に連通する第二経路、第一経路に設けられて作動流体を加熱する加熱手段、第二経路に設けられて作動流体を冷却する冷却手段、第一経路を第二経路に連通するバイパス経路、並びに、バイパス経路に設けられてバイパス経路を開放及び閉鎖可能な流量調整弁を有する、作動流体を流通させるランキンサイクルと、流体膨張手段が得た仕事を電力に変換する発電手段と、発電手段が変換した電力を蓄電する蓄電手段と、蓄電手段に蓄電されている電力の充電率を検知し、検知した充電率に基づき流量調整弁の開放及び閉鎖を制御する制御手段とを備え、制御手段は、検知した充電率が所定量以上となると、流量調整弁を開放する。
【０００８】
制御手段は、車両の電気負荷を検知し、流量調整弁の開放時、車両の電気負荷に基づき、流量調整弁の開度を制御してバイパス経路を流通する作動流体の流量を調節ことによって、検知した充電率の増加を抑えるように発電手段が発生する電力を制御してもよい。
また、制御手段は、流量調整弁の開放時、車両を通常走行させるためのみに必要な最小電気負荷に基づき、流量調整弁の開度を制御してバイパス経路を流通する作動流体の流量を調節ことによって、検知した充電率の増加を抑えるように発電手段が発生する電力を制御してもよい。
【０００９】
バイパス経路は、第一経路における流体圧送手段と加熱手段との間を第二経路に連通してもよい。
バイパス経路は、第一経路を、第二経路における流体膨張手段と冷却手段との間に連通してもよい。
【発明の効果】
【００１０】
この発明に係るランキンサイクル装置によれば、搭載スペースを低減するとともに、発電量を調節することが可能になる。
【図面の簡単な説明】
【００１１】
【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及びその周辺の構成を示す模式図である。
【図２】この発明の実施の形態２に係るランキンサイクル装置及びその周辺の構成を示す模式図である。
【発明を実施するための形態】
【００１２】
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．
まず、この発明の実施の形態１に係るランキンサイクル装置１０１及びその周辺の構成を説明する。なお、以下の実施形態において、内燃機関すなわちエンジンを搭載する車両にランキンサイクル装置を使用した場合の例について説明する。
図１を参照すると、エンジン１０を備える図示しない車両は、ランキンサイクル１００を有するランキンサイクル装置１０１を備えている。
【００１３】
ランキンサイクル１００は、ポンプ１１１、冷却水ボイラ１１２、廃ガスボイラ１１３、膨張機１１４、及びコンデンサ１１５によって構成されており、ランキンサイクル１００には、作動流体である冷媒が流通するようになっている。
ここで、ポンプ１１１は流体圧送手段を構成し、冷却水ボイラ１１２及び廃ガスボイラ１１３は加熱手段を構成し、膨張機１１４は流体膨張手段を構成し、コンデンサ１１５は冷却手段を構成している。
【００１４】
ポンプ１１１は、稼動することにより流体を圧送するものであり、本実施の形態１では、液体を圧送するものとする。
ポンプ１１１には、その下流側となる図示しない吐出口に、経路１ａを介して熱交換器である冷却水ボイラ１１２が連通しており、冷却水ボイラ１１２の内部をポンプ１１１により圧送された冷媒が流通するようになっている。
【００１５】
冷却水ボイラ１１２は、エンジン１０の廃熱を含む流体であるエンジン冷却水が流通し且つその経路の一部がラジエータ２０を通る冷却水経路１０ａに連通している。そして、冷却水ボイラ１１２は、その内部において冷媒とエンジン冷却水とが熱交換を行うように構成されている。このため、図示しないポンプによってエンジン１０から冷却水経路１０ａに圧送されるエンジン冷却水は、冷却水ボイラ１１２の内部を流通し、その流通過程で冷媒と熱交換を行ってその温度を低下させエンジン１０に戻る。同時に、冷媒は、冷却水ボイラ１１２の内部でエンジン冷却水と熱交換を行うことによって、その温度を上昇させる。
【００１６】
さらに、冷却水ボイラ１１２には、その下流側に経路１ｂを介して熱交換器である廃ガスボイラ１１３が連通しており、廃ガスボイラ１１３の内部を冷却水ボイラ１１２から流出した冷媒が流通するようになっている。さらに、廃ガスボイラ１１３は、排気ガス分岐経路３０ａに連通している。なお、排気ガス分岐経路３０ａは、エンジン１０の廃熱を含む流体である排気ガスをエンジン１０から車両の外部に排出するための排気系統３０から分岐して再び排気系統３０に戻る経路である。そして、廃ガスボイラ１１３は、その内部において冷媒と排気ガスとが熱交換を行うように構成されている。このため、エンジン１０から排出された排気ガスの一部は、排気系統３０から排気ガス分岐経路３０ａに流入し、さらに廃ガスボイラ１１３の内部を流通し、その流通過程で冷媒と熱交換を行ってその温度を低下させた後、再び排気系統３０に戻り、車両の外部に排出される。同時に、冷媒は、廃ガスボイラ１１３の内部でエンジン冷却水より温度が高い排気ガスと熱交換を行うことによって、その温度をさらに上昇させる。
【００１７】
廃ガスボイラ１１３には、その下流側に経路１ｃを介して膨張機１１４の図示しない入口が連通しており、膨張機１１４には、冷却水ボイラ１１２及び廃ガスボイラ１１３において加熱された後の高温高圧の冷媒が流通するようになっている。膨張機１１４は、高温高圧の冷媒を膨張させることによって図示しないタービン等の回転体及び膨張機駆動軸１１４ａを回転させ、回転駆動力による仕事を得る流体機器である。さらに、膨張機１１４は、膨張機駆動軸１１４ａを介して、発電機又は電動機として作動可能なモータジェネレータ１１６と連結されている。
【００１８】
また、モータジェネレータ１１６は、ポンプ駆動軸１１１ａを介してポンプ１１１と連結されている。さらに、ポンプ駆動軸１１１ａと膨張機駆動軸１１４ａとは、モータジェネレータ１１６内で互いの回転駆動力を伝達できるように連結されている。
また、モータジェネレータ１１６は、インバータ及びコンバータとして動作可能なインバータ装置１１７と電気的に接続され、さらに、インバータ装置１１７は、バッテリ１１８と電気的に接続されている。
【００１９】
このため、膨張機１１４が膨張機駆動軸１１４ａを回転駆動することによってモータジェネレータ１１６が稼動され、それにより、モータジェネレータ１１６は、発電機として作動して交流電流を発生し、インバータ装置１１７に交流電流を送る。このとき、インバータ装置１１７は、コンバータとして機能し、送られた交流電流を直流電流に変換してバッテリ１１８に供給し、バッテリ１１８は、供給された直流電流を蓄電すなわち充電する。
ここで、モータジェネレータ１１６は、発電手段を構成し、バッテリ１１８は、蓄電手段を構成している。
【００２０】
また、インバータ装置１１７は、インバータとして機能すると、バッテリ１１８に充電された直流電気を変換して交流電流としてモータジェネレータ１１６に供給し、モータジェネレータ１１６を電動機として作動させることもできる。
ここで、経路１ａ、経路１ｂ及び経路１ｃは、第一経路１を形成しランキンサイクル１００を構成している。そして、モータジェネレータ１１６、インバータ装置１１７及びバッテリ１１８は、ランキンサイクル装置１０１を構成している。
【００２１】
また、膨張機１１４の図示しない出口には、経路２ａを介して熱交換器であるコンデンサ１１５が連通しており、コンデンサ１１５の内部を膨張機１１４から流出した冷媒が流通するようになっている。そして、コンデンサ１１５は、その内部を流通する冷媒とコンデンサ１１５の周囲の空気とが熱交換を行うように構成されている。このとき、コンデンサ１１５の内部の冷媒は、周囲の空気と熱交換することによって冷却されて凝縮する。
さらに、コンデンサ１１５には、その下流側に経路２ｂを介してポンプ１１１の図示しない吸入口が連通している。よって、コンデンサ１１５から流出した液体状態の冷媒は、ポンプ１１１によって吸入されて再び圧送され、ランキンサイクル１００を循環する。
ここで、経路２ａ及び経路２ｂは、第二経路２を形成しランキンサイクル１００を構成している。
【００２２】
また、ランキンサイクル１００は、第一経路１を第二経路２に連通するバイパス経路３を有している。なお、本実施の形態１では、バイパス経路３の一方の端部は、第一経路１の経路１ａと接続され、バイパス経路３の他方の端部は、第二経路２の経路２ａと接続されている。
さらに、ランキンサイクル１００は、バイパス経路３の途中に、バイパス経路３を開放又は閉鎖し、さらにバイパス経路３の流路断面積を調節することができる電磁弁からなる流量調整弁１２０を有している。
【００２３】
また、ランキンサイクル装置１０１は、制御手段であるＥＣＵ１１９を有している。ＥＣＵ１１９は、バッテリ１１８と電気的に接続されており、バッテリ１１８の電圧を検知することができる。さらに、ＥＣＵ１１９は、インバータ装置１１７とも電気的に接続されており、インバータ装置１１７の動作を制御することができると共に、インバータ装置１１７からバッテリ１１８に供給される直流電流による電力及び電力量を検出することができる。
また、ＥＣＵ１１９は、流量調整弁１２０と電気的に接続されており、流量調整弁１２０の開放及び閉鎖動作を制御することができる。
さらに、ＥＣＵ１１９は、車両に搭載された電力で作動する装置、例えば、ヘッドライト、リヤデフォッガー、ブロワーファン、エアコンのコンプレッサ、エンジン１０への燃料供給装置等の稼動を検知して、これらの電気負荷（使用電力）を検出することができる。
【００２４】
次に、この発明の実施の形態１に係るランキンサイクル装置１０１の動作を説明する。
図１を参照すると、エンジン１０が稼動されると、図示しないポンプによってエンジン１０からエンジン冷却水が圧送され、エンジン冷却水は、エンジン１０を冷却水ボイラ１１２に連通する冷却水経路１０ａを循環する。そして、エンジン冷却水は、冷却水ボイラ１１２において、ランキンサイクル１００を流通する冷媒と熱交換を行う。
同時に、エンジン１０から排気系統３０に排気ガスが排出され、排出された排気ガスの一部は、排気ガス分岐経路３０ａを流通した後に再び排気系統３０に戻り、排気系統３０の他の排気ガスと共に、車両の外部に排出される。そして、排気ガス分岐経路３０ａを流通する排気ガスは、廃ガスボイラ１１３において、ランキンサイクル１００を流通する冷媒と熱交換を行う。
【００２５】
また、エンジン１０が稼動され、排気ガスの温度が所定の温度以上に上昇し且つエンジン冷却水の温度が所定の温度以上に上昇すると、ランキンサイクル１００が起動される。このとき、ＥＣＵ１１９によって、インバータ装置１１７がインバータとして起動され、インバータ装置１１７は、バッテリ１１８の直流電気を変換して交流電流としてモータジェネレータ１１６に供給し、モータジェネレータ１１６を電動機として稼動させる。
【００２６】
電動機として稼動するモータジェネレータ１１６は、ポンプ駆動軸１１１ａ及び膨張機駆動軸１１４ａを回転駆動させ、ポンプ１１１及び膨張機１１４を駆動する。なお、このとき、バイパス経路３の流量調整弁１２０は閉じられている。
そして、駆動されたポンプ１１１は、液体状態の冷媒を等温圧縮して冷却水ボイラ１１２に向かって圧送し、また、駆動された膨張機１１４は、図示しないタービン等の回転体を回転させ、経路１ｃの冷媒を経路２ａに送る。
【００２７】
ポンプ１１１によって圧送された液体状態の低温の冷媒は、経路１ａを通過して冷却水ボイラ１１２に流入する。冷却水ボイラ１１２では、冷媒は、冷却水ボイラ１１２を流通するエンジン冷却水と熱交換を行うことによって等圧加熱されて蒸発し、高圧であり比較的高温の気液混合状態となる。
【００２８】
気液混合状態となった冷媒は、冷却水ボイラ１１２を出た後、経路１ｂを通過して廃ガスボイラ１１３に流入する。廃ガスボイラ１１３では、冷媒は、エンジン冷却水より高温である廃ガスボイラ１１３を流通する排気ガスと熱交換を行うことによって等圧加熱されてさらに蒸発し、高温高圧の過熱蒸気となる。
【００２９】
過熱蒸気の状態となった冷媒は、廃ガスボイラ１１３を出た後、経路１ｃを通過して膨張機１１４に流入する。膨張機１１４では、高温高圧の過熱蒸気の状態である冷媒が断熱膨張し、高圧状態から低圧状態になる際の冷媒の膨張エネルギーが回生エネルギーとして回転エネルギーに変換される。それにより、膨張機１１４では、モータジェネレータ１１６によって回転駆動されている図示しない回転体にさらなる回転駆動力が加えられ、この回転駆動力が膨張機駆動軸１１４ａを介してモータジェネレータ１１６及びポンプ駆動軸１１１ａに伝達する。このとき、ＥＣＵ１１９によって、インバータとして動作しているインバータ装置１１７は、その動作がコンバータに切り替えられ、バッテリ１１８からモータジェネレータ１１６への電力供給が停止される。そして、ポンプ１１１が、膨張機１１４から膨張機駆動軸１１４ａ及びポンプ駆動軸１１１ａを介して伝達される回転駆動力によって駆動されると共に、モータジェネレータ１１６が、膨張機１１４から膨張機駆動軸１１４ａを介して伝達される回転駆動力によって駆動されて発電機として作動し、交流電流を生成する。そして、モータジェネレータ１１６によって生成された交流電流は、インバータ装置１１７で直流電流に変換された後、バッテリ１１８に充電される。
【００３０】
また、膨張機１１４を通過した冷媒は、高温低圧状態となって膨張機１１４から排出され、膨張機１１４から排出された冷媒は、経路２ａを通過してコンデンサ１１５に流入する。コンデンサ１１５では、冷媒は、周囲の空気すなわち外気と熱交換を行うことによって等圧冷却されて凝縮し、液体となる。液体となった冷媒は、経路２ｂを介してポンプ１１１に吸入され、ポンプ１１１によって再度圧送されて、ランキンサイクル１００を循環する。
【００３１】
また、ランキンサイクル１００の稼動中、ＥＣＵ１１９は、バッテリ１１８の電圧の検知を継続して行う。そして、ＥＣＵ１１９は、検知したバッテリ１１８の電圧から、バッテリ１１８におけるその総充電容量に対する現在の充電量の割合である充電率（充電量／総充電容量）を算出する。なお、充電率と電圧との関係をＥＣＵ１１９に予め記憶させておく等することにより、ＥＣＵ１１９は、バッテリ１１８の電圧から充電率を算出する。
【００３２】
また、ＥＣＵ１１９は、バッテリ１１８の充電率が第一の所定量（１００％未満）以上となると、すなわち、バッテリ１１８の総充電容量から現在の充電量を減じたものである充電残容量の割合が所定量以下の小さいものとなると、充電率が１００％に達した後もさらにバッテリ１１８が充電される過充電を防止するために、流量調整弁１２０を開放するように動作させる。このとき、ポンプ１１１によって圧送された直後の高圧の冷媒が流通する経路１ａから、膨張機１１４によって減圧された後の低圧の冷媒が流通する経路２ａに向かって、バイパス経路３を冷媒の一部が流通する。
これによって、経路１ｃを流通する冷媒の流量が減少して膨張機１１４に流入する冷媒量が減少する。さらに、冷媒流量の減少によって経路１ｃにおける冷媒の圧力が低下し、膨張機１１４における冷媒の流入側と流出側との差圧が小さくなる。
従って、膨張機１１４に流入した冷媒を膨張させることによって膨張機１１４が仕事として得る回生エネルギー量が減少するため、バッテリ１１８に供給される電力量が減少する。このとき、流量調整弁１２０の開度を大きくしてバイパス経路３の流路断面積を大きくし、バイパス経路３を流通する冷媒の流量を増加させることによって、膨張機１１４の回生エネルギーの減少量は増大する。
【００３３】
また、ＥＣＵ１１９は、車両の電気負荷を常時検出している。そしてＥＣＵ１１９は、インバータ装置１１７からバッテリ１１８に供給される直流電流による電力がこの検出した車両の電気負荷以下となるように、流量調整弁１２０の開度を調節してバイパス経路３の冷媒の流量を制御することによって膨張機１１４へ流れる冷媒を調節し、膨張機１１４の稼動を抑制側に制御する。
このとき、車両の電気負荷が、膨張機１１４が稼動することによってモータジェネレータ１１６が発生する電力以上であるため、バッテリ１１８の充電電気が消費されて充電率が減少するが、充電率が第一の所定量より小さい量である第二の所定量に達すると、すなわち、バッテリ１１８の充電残容量の割合が大きくなり別の所定量となると、ＥＣＵ１１９は、流量調整弁１２０を閉鎖するように動作させ、バイパス経路３における冷媒の流通を遮断する。
【００３４】
なお、ＥＣＵ１１９は、流量調整弁１２０の開放時、インバータ装置１１７からバッテリ１１８に供給される直流電流による電力が、検出した車両の電気負荷以下であり且つ車両の最小電気負荷以上となるように、流量調整弁１２０の開度を調節してもよい。なお、車両の最小電気負荷は、車両を通常走行させるためのみに必要な電気負荷であり、つまり、エンジン１０への燃料噴霧装置と燃料ポンプが作動する電気負荷であり、車両毎に設定されるものであり、ＥＣＵ１１９に記憶されている。そして、この場合も、バッテリ１１８の充電率が第二の所定量に達すると、ＥＣＵ１１９は、流量調整弁１２０を閉鎖するように動作させる。
【００３５】
このように、この発明の実施の形態１に係るランキンサイクル装置１０１は、車両に搭載されるランキンサイクル装置である。そして、ランキンサイクル装置１０１は、冷媒を膨張させて仕事を得る膨張機１１４、冷媒を膨張機１１４に向かって送るポンプ１１１、ポンプ１１１を膨張機１１４に連通する第一経路１、膨張機１１４をポンプ１１１に連通する第二経路２、第一経路１に設けられて冷媒を加熱する冷却水ボイラ１１２及び廃ガスボイラ１１３、第二経路２に設けられて冷媒を冷却するコンデンサ１１５、第一経路１を第二経路２に連通するバイパス経路３、並びに、バイパス経路３に設けられてバイパス経路３を開放及び閉鎖可能な流量調整弁１２０を有する、冷媒を流通させるランキンサイクル１００を備える。さらに、ランキンサイクル装置１０１は、膨張機１１４が得た仕事を電力に変換するモータジェネレータ１１６と、モータジェネレータ１１６が変換した電力を蓄電するバッテリ１１８と、バッテリ１１８に蓄電されている電力の充電率を検知し、検知した充電率に基づき流量調整弁１２０の開放及び閉鎖を制御するＥＣＵ１１９とを備える。また、ＥＣＵ１１９は、検知した充電率が所定量以上となると、流量調整弁１２０を開放する。
【００３６】
このとき、流量調整弁１２０を開放しバイパス経路３に冷媒を流通させることによって、膨張機１１４に流れる冷媒の流量が減少する共に、膨張機１１４の上流側の入口と下流側の出口との圧力差が減少する。これにより、膨張機１１４が冷媒の膨張によって仕事として得る回生エネルギー量が減少するため、モータジェネレータ１１６による発電量が減少し、バッテリ１１８に供給される電力量も減少する。そして、バッテリ１１８に供給される電力量の調節は、流量調整弁１２０の開度を調節することによって行うことができる。よって、流量調整弁１２０の制御によりバッテリ１１８へ供給される電力量を調節することができるため、バッテリ１１８の充電率が１００％に至り、さらにバッテリ１１８が過剰に充電されて過充電となることを抑えることができる。従って、モータジェネレータ１１６による発電量を調節するために、バイパス経路３と流量調整弁１２０を設けるのみでよいため、車両に占めるスペースを低減することができる。すなわち、ランキンサイクル装置１０１は、搭載スペースを低減するとともに、発電量を調節することを可能にする。さらに、流量調整弁１２０が開放される充電率の第一の所定量は、１００％の近傍が好ましい。これによって、バッテリ１１８は、常に充電率１００％のフル充電に近い状態が維持されるため、その性能を高い状態で維持することができる。同様に、流量調整弁１２０が閉鎖される充電率の第二の所定量も、１００％に近い方が好ましい。
【００３７】
また、ランキンサイクル装置１０１のＥＣＵ１１９は、車両の電気負荷を検知し、流量調整弁１２０の開放時、車両の電気負荷に基づき、流量調整弁１２０の開度を制御してバイパス経路３を流通する冷媒の流量を調節することによって、検知した充電率の増加を抑えるようにモータジェネレータ１１６が発生する電力を制御する。これにより、流量調整弁１２０の開放時、車両の電気負荷に基づいてモータジェネレータ１１６が発生する電力を制御することによって、バッテリ１１８にさらに電力が充電されることを抑え、バッテリ１１８の充電率が増加することを効果的に防ぐことができるため、バッテリ１１８における過充電の発生をさらに効果的に抑えることが可能になる。
【００３８】
さらに、ランキンサイクル装置１０１のＥＣＵ１１９は、流量調整弁１２０の開放時、車両を通常走行させるためのみに必要な最小電気負荷に基づき、流量調整弁１２０の開度を制御してバイパス経路３を流通する冷媒の流量を調節することによって、検知した充電率の増加を抑えるようにモータジェネレータ１１６が発生する電力を制御する。これにより、流量調整弁１２０の開放時、車両の最小電気負荷に基づいてモータジェネレータ１１６が発生する電力を制御することによって、バッテリ１１８の充電率の増加をさらに効果的に防ぐことが可能になる。さらに、ＥＣＵ１１９に車両の最小電気負荷を記憶させておくのみで、ＥＣＵ１１９は、車両の電気負荷を検出せずに、流量調整弁１２０の開度を制御することができる。
【００３９】
また、ランキンサイクル装置１０１のランキンサイクル１００において、バイパス経路３は、第一経路１におけるポンプ１１１と冷却水ボイラ１１２との間を第二経路２に連通する。これによって、バイパス経路３は、加熱される前の密度が高い冷媒を流通させるため、バイパス経路３の直径及び流量調整弁１２０が小さくても、冷媒流量を確保することができる。よって、バイパス経路３及び流量調整弁１２０の小型化を図ることが可能になる。
また、ランキンサイクル装置１０１のランキンサイクル１００において、バイパス経路３は、第一経路１を、第二経路２における膨張機１１４とコンデンサ１１５との間に連通する。これによって、第二経路２の冷媒は、その全てがコンデンサ１１５を流通して冷却される。よって、ポンプ１１１に吸入される冷媒におけるサブクール（過冷却）の不足を低減することができるため、ポンプ１１１におけるキャビテーションを防ぐことが可能になる。
【００４０】
実施の形態２．
この発明の実施の形態２に係るランキンサイクル装置２０１は、実施の形態１におけるランキンサイクル装置１０１のランキンサイクル１００におけるバイパス経路３を、膨張機１１４のみをバイパスするようにしたものである。
なお、以下の実施の形態において、前出した図における参照符号と同一の符号は、同一また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。
【００４１】
図２を参照すると、ランキンサイクル装置２０１のランキンサイクル２００におけるバイパス経路２３は、その一方の端部が第一経路１の経路１ｃと接続され、その他方の端部が第二経路２の経路２ａと接続され、膨張機１１４のみをバイパスするようにして設けられている。そして、バイパス経路２３の途中には、バイパス経路２３を開放又は閉鎖し、さらにバイパス経路２３の流路断面積を調節することができる流量調整弁１２０が設けられている。
【００４２】
よって、バッテリ１１８の充電率が第一の所定量以上となりＥＣＵ１１９が流量調整弁１２０を開放するように動作させると、ポンプ１１１によって圧縮されて冷却水ボイラ１１２及び廃ガスボイラ１１３によって加熱された高温高圧の冷媒の一部が、経路１ｃから経路２ａに向かってバイパス経路２３を流通する。これによって、膨張機１１４に流入する冷媒量が減少すると共に、膨張機１１４における冷媒の流入側と流出側との差圧が小さくなる。従って、膨張機１１４が冷媒の膨張時に仕事として得る回生エネルギー量が減少し、バッテリ１１８に供給される電力量が減少する。
【００４３】
しかしながら、ランキンサイクル２００では、経路１ａ及び１ｂを流通して冷却水ボイラ１１２及び廃ガスボイラ１１３によって加熱される冷媒の流量が、バイパス経路２３に冷媒を流通させた場合でも減少しない。このため、特に、冷媒自体に温度の限界がある場合、各ボイラで加熱された冷媒の温度が高くなり過ぎることが防止される。
【００４４】
また、この発明の実施の形態２に係るランキンサイクル装置２０１のその他の構成及び動作は、実施の形態１と同様であるため、説明を省略する。
このように、実施の形態２におけるランキンサイクル装置２０１によれば、上記実施の形態１のランキンサイクル装置１０１と同様な効果が得られる。
【００４５】
また、実施の形態１及び２のランキンサイクル装置１０１及び２０１において、ＥＣＵ１１９は、車両の電気負荷を検知し、流量調整弁１２０の開放時、モータジェネレータ１１６によって発生する電力を車両の電気負荷に合わせるように、流量調整弁１２０の開度を制御してバイパス経路３及び２３を流通する冷媒の流量を調節してもよい。すなわち、ＥＣＵ１１９は、流量調整弁１２０の開放時、インバータ装置１１７からバッテリ１１８に供給される直流電流による電力が、ＥＣＵ１１９が検出した車両の電気負荷に合わせてその近傍となるように、流量調整弁１２０の開度を調節してもよい。これにより、流量調整弁１２０の開放時、バッテリ１１８の充電率が第一の所定量の近傍で維持されるため、バッテリ１１８の充電量の変動が抑えられ、バッテリ１１８の耐久性を向上させることが可能になる。
【００４６】
さらに、実施の形態１及び２のランキンサイクル装置１０１及び２０１において、ＥＣＵ１１９は、流量調整弁１２０の開放時、インバータ装置１１７からバッテリ１１８に供給される直流電流による電力が、ＥＣＵ１１９が記憶している車両の最小電気負荷に合わせてその近傍となるように、流量調整弁１２０の開度を調節してもよい。これによって、ＥＣＵ１１９は、車両の電気負荷を検出しない場合であっても、バッテリ１１８へ供給される電力量を制御し、バッテリ１１８の過充電を防ぐことができる。
【００４７】
また、実施の形態１及び２のランキンサイクル装置１０１及び２０１において、バイパス経路３及び２３の接続位置は、実施の形態１及び２の接続位置に限定されるものでなく、単に第一経路１を第二経路２に連通するものであればよい。
また、実施の形態１及び２のランキンサイクル装置１０１及び２０１において、バイパス経路３及び２３は、複数あってもよい。このとき、複数のバイパス経路は、バイパス経路３及び２３を組み合わせたものであってもよく、複数のバイパス経路の接続位置は、第一経路１を第二経路２に連通するものであればよい。
【００４８】
また、実施の形態１及び２のランキンサイクル装置１０１及び２０１において、ポンプ１１１、モータジェネレータ１１６及び膨張機１１４は互いに連結された構成を有していたが、これに限定されるものでない。モータジェネレータ１１６及び膨張機１１４のみが連結された構成であってもよい。このとき、膨張機１１４が冷媒の膨張によって仕事として得た回生エネルギーは全て、モータジェネレータ１１６での発電及びインバータ装置１１７での電力変換を介して、バッテリ１１８に供給される。また、ポンプ１１１は、バッテリ１１８の電力によって直接稼動するものであってもよく、駆動ベルトを介して伝達されるエンジン１０の動力によって稼動するものであってもよい。
【００４９】
実施の形態１及び２のランキンサイクル装置１０１及び２０１において、モータジェネレータ１１６をオルタネータとし、インバータ装置１１７をレギュレータとしてもよい。このとき、オルタネータは、ポンプ１１１及び膨張機１１４と駆動ベルトを介して連結することができる。
【符号の説明】
【００５０】
１ 第一経路、２ 第二経路、３，２３ バイパス経路、１００，２００ ランキンサイクル、１０１，２０１ ランキンサイクル装置、１１２ 冷却水ボイラ（加熱手段）、１１３ 廃ガスボイラ（加熱手段）、１１４ 膨張機（流体膨張手段）、１１５ コンデンサ（冷却手段）、１１６ モータジェネレータ（発電手段）、１１８ バッテリ（蓄電手段）、１１９ ＥＣＵ（制御手段）、１１１ ポンプ（流体圧送手段）、１２０ 流量調整弁。
【特許請求の範囲】
【請求項１】
車両に搭載されるランキンサイクル装置において、
作動流体を膨張させて仕事を得る流体膨張手段、作動流体を前記流体膨張手段に向かって送る流体圧送手段、前記流体圧送手段を前記流体膨張手段に連通する第一経路、前記流体膨張手段を前記流体圧送手段に連通する第二経路、前記第一経路に設けられて作動流体を加熱する加熱手段、前記第二経路に設けられて作動流体を冷却する冷却手段、前記第一経路を前記第二経路に連通するバイパス経路、並びに、前記バイパス経路に設けられて前記バイパス経路を開放及び閉鎖可能な流量調整弁を有する、作動流体を流通させるランキンサイクルと、
前記流体膨張手段が得た仕事を電力に変換する発電手段と、
前記発電手段が変換した電力を蓄電する蓄電手段と、
前記蓄電手段に蓄電されている電力の充電率を検知し、検知した充電率に基づき前記流量調整弁の開放及び閉鎖を制御する制御手段と
を備え、
前記制御手段は、前記検知した充電率が所定量以上となると、前記流量調整弁を開放するランキンサイクル装置。
【請求項２】
前記制御手段は、車両の電気負荷を検知し、前記流量調整弁の開放時、前記車両の電気負荷に基づき、前記流量調整弁の開度を制御して前記バイパス経路を流通する作動流体の流量を調節することによって、前記検知した充電率の増加を抑えるように前記発電手段が発生する電力を制御する請求項１に記載のランキンサイクル装置。
【請求項３】
前記制御手段は、前記流量調整弁の開放時、前記車両を通常走行させるためのみに必要な最小電気負荷に基づき、前記流量調整弁の開度を制御して前記バイパス経路を流通する作動流体の流量を調節することによって、前記検知した充電率の増加を抑えるように前記発電手段が発生する電力を制御する請求項１または２に記載のランキンサイクル装置。
【請求項４】
前記バイパス経路は、前記第一経路における前記流体圧送手段と前記加熱手段との間を前記第二経路に連通する請求項１〜３のいずれか一項に記載のランキンサイクル装置。
【請求項５】
前記バイパス経路は、前記第一経路を、前記第二経路における前記流体膨張手段と前記冷却手段との間に連通する請求項１〜４のいずれか一項に記載のランキンサイクル装置。
【請求項１】
車両に搭載されるランキンサイクル装置において、
作動流体を膨張させて仕事を得る流体膨張手段、作動流体を前記流体膨張手段に向かって送る流体圧送手段、前記流体圧送手段を前記流体膨張手段に連通する第一経路、前記流体膨張手段を前記流体圧送手段に連通する第二経路、前記第一経路に設けられて作動流体を加熱する加熱手段、前記第二経路に設けられて作動流体を冷却する冷却手段、前記第一経路を前記第二経路に連通するバイパス経路、並びに、前記バイパス経路に設けられて前記バイパス経路を開放及び閉鎖可能な流量調整弁を有する、作動流体を流通させるランキンサイクルと、
前記流体膨張手段が得た仕事を電力に変換する発電手段と、
前記発電手段が変換した電力を蓄電する蓄電手段と、
前記蓄電手段に蓄電されている電力の充電率を検知し、検知した充電率に基づき前記流量調整弁の開放及び閉鎖を制御する制御手段と
を備え、
前記制御手段は、前記検知した充電率が所定量以上となると、前記流量調整弁を開放するランキンサイクル装置。
【請求項２】
前記制御手段は、車両の電気負荷を検知し、前記流量調整弁の開放時、前記車両の電気負荷に基づき、前記流量調整弁の開度を制御して前記バイパス経路を流通する作動流体の流量を調節することによって、前記検知した充電率の増加を抑えるように前記発電手段が発生する電力を制御する請求項１に記載のランキンサイクル装置。
【請求項３】
前記制御手段は、前記流量調整弁の開放時、前記車両を通常走行させるためのみに必要な最小電気負荷に基づき、前記流量調整弁の開度を制御して前記バイパス経路を流通する作動流体の流量を調節することによって、前記検知した充電率の増加を抑えるように前記発電手段が発生する電力を制御する請求項１または２に記載のランキンサイクル装置。
【請求項４】
前記バイパス経路は、前記第一経路における前記流体圧送手段と前記加熱手段との間を前記第二経路に連通する請求項１〜３のいずれか一項に記載のランキンサイクル装置。
【請求項５】
前記バイパス経路は、前記第一経路を、前記第二経路における前記流体膨張手段と前記冷却手段との間に連通する請求項１〜４のいずれか一項に記載のランキンサイクル装置。
【図１】
【図２】
【図２】
【公開番号】特開２０１２−６７６８３（Ｐ２０１２−６７６８３Ａ）
【公開日】平成２４年４月５日（２０１２．４．５）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１０−２１３４５９（Ｐ２０１０−２１３４５９）
【出願日】平成２２年９月２４日（２０１０．９．２４）
【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２４年４月５日（２０１２．４．５）
【国際特許分類】
【出願日】平成２２年９月２４日（２０１０．９．２４）
【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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