JP2009138552A - ランキンサイクルシステム - Google Patents

Abstract

【課題】外気温の変動によるランキンサイクルシステムのシステム効率の低下を防止する。
【解決手段】本発明のランキンサイクルシステムは、熱源から発生する熱によって液体冷媒を加熱して蒸発させる蒸発器と、蒸発器から圧送される蒸気を膨張させて軸トルクを出力する膨張機と、膨張機から吐出された蒸気を凝縮させる凝縮器とを備えるランキンサイクルシステムにおいて、外気温度に基づいて膨張機の目標膨張比を演算する目標膨張比演算手段（Ｓ３）と、目標膨張比に基づいて膨張機の膨張比を調節する膨張比調節手段（Ｓ５、Ｓ７、Ｓ８）とを備える。
【選択図】図５

Description

本発明は、ランキンサイクルシステムの特に膨張機の構造及び制御に関するものである。

車両にランキンサイクルシステムを搭載し、エンジンの排熱を回収して再利用する技術が知られている。ランキンサイクルシステムでは、エンジンの排熱によって蒸発器において加熱した冷媒の蒸気を膨張機において膨張させることで軸トルクを取り出している。膨張機の膨張比は高圧側圧力と低圧側圧力とによって規定され、高圧側圧力は熱源温度に、低圧側圧力は外気温度に依存している。熱源温度は季節によらずほぼ一定であるが、外気温度は季節によって大きく変動するので、高圧側圧力と低圧側圧力との比である適正な膨張比は季節によって変動することになる。しかし、従来の膨張機では膨張比が一定であったので、この一定の膨張比に合わせるようにサイクルの圧力を制御する必要があり、システム効率が低下していた。

そこで、特許文献１には膨張機の吸入量及び吐出量を調節することができる技術が開示されている。すなわち、吸入側では、膨張機の吸入口に絞り部を設け、冷媒の通気有効断面積を減少させることにより、絞り抵抗で吸入量を調節している。また、吐出側では、リアサイドブロックとシリンダ室との間に制御プレートを配置し、制御プレートを回転させることで吐出のタイミングを変えて吐出量を調節している。
特開２００３−１５５９７６公報

しかし、上記特許文献１に記載の技術では、吸入量を絞り抵抗で調節するため、吸入抵抗の増大により、冷媒を循環させるポンプの負荷が増大する。これにより、ポンプを駆動する駆動モータの負荷が増大し、その結果車両のオルタネータの負荷が上がりエンジンの負荷が増大して燃費が悪化する可能性がある。また、吐出量を制御プレートの回転によって調節する構造のため、吐出圧によってリアサイドブロックと制御プレートとの間のシール性が低下して、内部リークにより膨張機の性能が低下する可能性がある。

本発明は、外気温の変動によるランキンサイクルシステムのシステム効率の低下を防止することを目的とする。

請求項１に記載の発明は、熱源から発生する熱によって液体冷媒を加熱して蒸発させる蒸発器と、蒸発器から圧送される蒸気を膨張させて軸トルクを出力する膨張機と、膨張機から吐出された蒸気を凝縮させる凝縮器とを備えるランキンサイクルシステムにおいて、外気温度に基づいて膨張機の目標膨張比を演算する目標膨張比演算手段と、目標膨張比に基づいて膨張機の膨張比を調節する膨張比調節手段とを備えることを特徴とする。

請求項２に記載の発明は、シリンダと、シリンダの軸方向両側からシリンダを挟持するサイドブロックと、シリンダの内部に回転可能に設けられるロータと、ロータに設けられる溝に進退可能に収装され、ロータの回転に伴ってシリンダの内壁と摺接するベーンと、シリンダの内壁、ロータ及び隣接するベーンによって画成される室に冷媒を吸入する吸入口と、膨張した冷媒を室から吐出する吐出口と、吸入口及び吐出口の少なくとも一方の室に開口する位置をロータの周方向に変更する開口位置変更手段とを備え、開口位置を変更することで膨張比を変更可能であることを特徴とする。

請求項３に記載の発明は、開口位置変更手段は、吸入口及び吐出口の少なくとも一方を閉塞する、一部に開口部を有するスライドバルブであり、スライドバルブをロータの周方向にスライドさせることで、吸入口及び吐出口の少なくとも一方の室に開口する位置をロータの周方向に変更することを特徴とする。

請求項４に記載の発明は、吸入口及び吐出口の少なくとも一方は、ロータの周方向の異なる位置に設けられる複数の孔によって構成され、開口位置変更手段は、スライドバルブの開口部を複数の孔のいずれかに重ねることで、吸入口及び吐出口の少なくとも一方の室に開口する位置をロータの周方向に変更することを特徴とする。

請求項１に記載の発明によれば、季節によって変動する外気温度の変化に応じて膨張比を調節するので、膨張機の膨張比に合わせるようにサイクル圧力を制御する必要がなく、システム効率の悪化を防止することができる。

請求項２に記載の発明によれば、吸入口及び吐出口の少なくとも一方の室に開口する位置をロータの周方向に変更するので、通気抵抗の変動なく吸入量又は吐出量を変化させることができ、通気抵抗の増大によってポンプ負荷が増大することを防止できる。

請求項３に記載の発明によれば、スライドバルブをスライドさせることで吸入口又は吐出口の位置を変更するので、シールに必要な面積を小さくして内部リークを防止でき、膨張機の性能低下を防止することができる。

請求項４に記載の発明によれば、吸入口又は吐出口はロータの周方向の異なる位置に設けられる複数の孔から構成されるので、スライドバルブをスライドさせることで、より確実に開口位置を変更することができる。

以下では図面等を参照して本発明の実施の形態について詳しく説明する。

図１は本実施形態におけるランキンサイクルシステムのシステム構成概略図である。ランキンサイクルシステム１は、ポンプ２、蒸発器３、膨張機４及び凝縮器５から構成され、これらを循環する冷媒流路６内を冷媒としてのＲ１３４ａが流れている。また、このランキンサイクルシステム１は車両におけるエンジン７の排熱利用を目的としており、エンジン７の冷却系統の途中に蒸発器３を配置することでエンジン７の排熱を利用している。

エンジン７の冷却系統は、エンジン７、ウォーターポンプ８及びラジエータ９から構成され、冷媒であるＬＬＣがウォーターポンプ８によってエンジン７、蒸発器３及びラジエータ９を循環するように流れる。これにより、エンジン７で冷却に供された高温のＬＬＣが、蒸発器３においてランキンサイクルシステム１の冷媒との間で熱交換され、エンジン７の熱がランキンサイクルシステム１へと伝達される。

ランキンサイクルシステム１では、ポンプ２によって圧縮された液体の冷媒が蒸発器３において加熱され、蒸発して気体となった高圧冷媒が膨張機４へと送られる。膨張機４は、高圧冷媒を膨張させ、この膨張時の流体圧を運動エネルギーに変換して軸トルクとして出力する。凝縮器５は、膨張後の冷媒と外気との間で熱交換させ冷媒を冷却して液化させる。

また、膨張機４において出力された軸トルクは発電機１０を駆動するのに用いられ、発電した電力をバッテリ１１に蓄電する。バッテリ１１に蓄電された電力は補機などを駆動するのに用いられる。

次に膨張機４の構造について詳細に説明する。図２は、本実施形態におけるランキンサイクルシステムに用いる膨張機を示しており、（ａ）は膨張機を軸方向に垂直な方向で切断した断面図、（ｂ）は膨張機をＡ方向から見た図、（ｃ）は膨張機をＢ方向から見た図である。

膨張機４は、シリンダ２１と、シリンダ２１の内部のシリンダ室２２において回転可能に軸支されるロータ２３とから構成される。ロータ２３には、複数の溝２４が放射状に設けられ、この溝２４にベーン２５が嵌装される。ロータ２３が回転すると、ベーン２５は遠心力によって進退してシリンダ室２２の内壁に摺接しながらロータ２３とともに回転する。また、シリンダ２１にはシリンダ室２２に冷媒を吸入するための吸入口２６と、シリンダ室２２から膨張後の冷媒を吐出するための吐出口２７とが設けられる。

シリンダ室２２は、ロータ２３、隣り合うベーン２５及びシリンダ２１の内壁２８によって画成され、シリンダ２１の内壁２８のプロフィールは、このシリンダ室２２が吸入口２６通過後はロータ２３の回転に伴って体積が徐々に増大し、吐出口２７へ近づくにつれて体積が徐々に減少するように設定されている。

これにより、吸入口２６からシリンダ室２２に吸入された高圧の冷媒は、より体積が大きくなるようにロータ２３を回転させ、これに伴って圧力が低下し、このシリンダ室２２に吐出口２７が開口する位置までロータ２３が回転すると、膨張して低圧となった冷媒が吐出口２７から吐出する。以上の動作の繰り返しにより、ロータ２３は常時回転しながら、ロータ２３の軸に連結された発電機１０を駆動する。

ここで、吸入口２６は合計９つの孔から形成されており、軸方向に整列した３つの孔を１組として、ロータ２３の周方向に異なる位置に順に２６ａ、２６ｂ、２６ｃが形成される。吸入口２６にはスライドバルブ２９が設けられ、これら合計９つの孔２６ａ、２６ｂ、２６ｃがすべて同時に開状態となることはなく、スライドバルブの開口部３１と重なったいずれか１組だけが開状態となるように設定される。

また吐出口２７についても同様に、合計９つの孔から形成されており、軸方向に整列した３つの孔を１組として、ロータ２３の周方向に異なる位置に順に２７ａ、２７ｂ、２７ｃが形成される。吐出口２７にはスライドバルブ３０が設けられ、これら合計９つの孔２７ａ、２７ｂ、２７ｃがすべて同時に開状態となることはなく、スライドバルブ３０の開口部３２と重なったいずれか１組だけが開状態となるように設定される。

膨張機４は以上のように構成され、スライドバルブ２９、３０を作動させることで吸入口２６及び吐出口２７のロータ２３周方向の位置を変えることができるので、膨張比を調節することができる。以下、スライドバルブ２９、３０の作動によって膨張比がどのように変化するかを図３、図４を参照しながら説明する。

初めに吸入口２６のスライドバルブ２９を作動させた場合の変化について図３を参照しながら説明する。図３は膨張機４の断面図であり、（ａ）及び（ｂ）は互いにスライドバルブ２９の位置が異なる。

図３（ａ）では、吸入口２６の３組の孔２６ａ、２６ｂ、２６ｃのうち、ロータ２３の回転方向に対して最も前方側の孔２６ｃだけが開状態となっている。図３（ｂ）では、吸入口２６の３組の孔２６ａ、２６ｂ、２６ｃのうち、ロータ２３の回転方向に対して最も後方側の孔２６ａだけが開状態となっている。

これにより、ロータ２３が回転することでロータ２３、隣接するベーン２５及びシリンダ２１の内壁２８によって画成される室２２と吸入口２６とが連通状態になって冷媒が吸入された後、ベーン２５が開状態の孔２６ａ、２６ｃを通過してシリンダ室２２と吸入口２６との連通状態が遮断されるときのロータ２３の回転位置が、図３（ａ）の方が図３（ｂ）よりも前方となる。

ここで、シリンダ室２２のプロフィールは、吸入口２６付近ではロータ２３の回転位置が進むほど、ロータ２３、ベーン２５及びシリンダ内壁２８によって画成される室２２の体積が大きくなるように設定されている。従って、より後方で冷媒の吸入が停止する図３（ａ）の方が図３（ｂ）よりも吸入容積が大きくなり、吐出容積が一定であればより膨張比が小さくなる。

次に吐出口２７のスライドバルブ３０を作動させた場合の変化について図４を参照しながら説明する。図４は膨張機４の断面図であり、（ａ）及び（ｂ）は互いにスライドバルブ３０の位置が異なる。

図４（ａ）では、吐出口２７の３組の孔２７ａ、２７ｂ、２７ｃのうち、ロータ２３の回転方向に対して最も前方側の孔２７ｃだけが開状態となっている。図４（ｂ）では、吐出口２７の３組の孔２７ａ、２７ｂ、２７ｃのうち、ロータ２３の回転方向に対して最も後方側の孔２７ａだけが開状態となっている。

これにより、ロータ２３が回転することで先行するベーン２５が吐出口２７を通過して、ロータ２３、隣接するベーン２５及びシリンダ２１の内壁２８によって画成される室２２と吐出口２７とが連通状態になるときのロータ２３の回転位置が、図４（ａ）の方が図４（ｂ）よりも前方となる。

ここで、シリンダ室２２のプロフィールは、吐出口２７付近ではロータ２３の回転位置が進むほど、ロータ２３、ベーン２５及びシリンダ内壁２８によって画成される室２２の体積が小さくなるように設定されている。従って、より後方で冷媒が吐出される図４（ａ）の方が図４（ｂ）よりも吐出容積が小さくなり、吸入容積が一定であればより膨張比が小さくなる。

吸入口２６及び吐出口２７のスライドバルブ２９、３０は図１に示すコントローラ４０によって制御される。コントローラ４０は水温センサ４１及び外気温センサ４２からそれぞれエンジン７の冷却水温度及び外気温度を受信し、これらに基づいてスライドバルブ２９、３０を制御する。

スライドバルブ２９、３０の制御について図５を参照しながら説明する。図５は本実施形態におけるスライドバルブの制御を示すフローチャートである。

ステップＳ１では、外気温度及び熱源温度を読み込む。熱源温度はエンジン７の冷却水温度である。

ステップＳ２では、膨張機４の高圧側圧力及び低圧側圧力を算出する。高圧側圧力は熱源温度に依存しており、熱源温度が高いほど高くなるように算出される。また低圧側圧力は外気温度に依存しており、外気温度が高いほど高くなるように算出される。熱源温度と高圧側圧力との関係、及び外気温度と低圧側圧力との関係はそれぞれ予め実験などによって求めておく。なお、熱源温度は季節によって外気温度が変化しても比較的変動が少ないので、高圧側圧力はほぼ一定として、低圧側圧力だけを算出してもよい。

ステップＳ３では、目標膨張比を算出する。目標膨張比は以下の（１）式に基づいて算出される。

目標膨張比＝（（高圧側圧力）／（低圧側圧力））^1/n
ここで、ｎはポリトロープ指数であり、ｎ＝定圧比熱Ｃｐ／定積比熱Ｃｖで表される。

ステップＳ４では、目標膨張比が所定値Ａより小さいか否かを判定する。目標膨張比が所定値Ａより小さければステップＳ５へ進み、目標膨張比が所定値Ａ以上であればステップＳ６へ進む。ここで所定値は、夏季に条件が成立するように例えば２．４７２に設定される。

ステップＳ５では、スライドバルブ２９、３０をポジション１に設定する。ここでポジション１とは、吸入口２６側のスライドバルブ２９が孔２６ｃだけを開状態とする位置、吐出口２７側のスライドバルブ３０が孔２７ｃだけを開状態とする位置をいう。これにより吸入容積はより大きく、吐出容積はより小さくなるので、膨張比は小さくなる。

ステップＳ６では、目標膨張比が所定値Ｂより小さいか否かを判定する。目標膨張比が所定値Ｂより小さければステップＳ７へ進み、目標膨張比が所定値Ｂ以上であればステップＳ８へ進む。ここで所定値は、冬季に条件が成立するように例えば３．７５９に設定される。

ステップＳ７では、スライドバルブ２９、３０をポジション２に設定する。ここでポジション２とは、吸入口２６側のスライドバルブ２９が孔２６ｂだけを開状態とする位置、吐出口２７側のスライドバルブ３０が孔２７ｂだけを開状態とする位置をいう。

一方、ステップＳ６において目標膨張比が所定値Ｂ以上であると判定されると、ステップＳ８へ進んでスライドバルブ２９、３０をポジション３に設定する。ここでポジション３とは、吸入口２６側のスライドバルブ２９が孔２６ａだけを開状態とする位置、吐出口２７側のスライドバルブ３０が孔２７ａだけを開状態とする位置をいう。これにより吸入容積はより小さく、吐出容積はより大きくなるので、膨張比は大きくなる。

以上のように本実施形態では、季節によって変動する外気温度の変化に応じて目標膨張比を演算し、この目標膨張比と所定値Ａ、Ｂとの大小関係に応じてスライドバルブ２９、３０の位置を調節して膨張比を変化させるので、膨張機４の膨張比に合わせるようにサイクル圧力を制御する必要がなく、システム効率の悪化を防止することができる。

また、吸入口２６及び吐出口２７のシリンダ室２２に開口する位置をロータ２３の周方向に変更するので、通気抵抗の変動なく吸入量及び吐出量を変化させることができ、通気抵抗の増大によってポンプ負荷が増大することを防止できる。

さらに、スライドバルブ２９、３０をスライドさせることで吸入口２６及び吐出口２７の位置を変更するので、シールに必要な面積を小さくして内部リークを防止でき、膨張機４の性能低下を防止することができる。

さらに、吸入口２６及び吐出口２７はロータ２３の周方向の異なる位置に設けられる複数の孔２６ａ、２６ｂ、２６ｃ、２７ａ、２７ｂ、２７ｃから構成されるので、スライドバルブ２９、３０をスライドさせることで、より確実に開口位置を変更することができる。

以上説明した実施形態に限定されることなく、その技術的思想の範囲内において種々の変形や変更が可能である。

例えば、本実施形態では吸入口２６側のスライドバルブ２９と吐出口２７側のスライドバルブ３０をそれぞれ制御しているが、いずれか一方のみを制御することも可能である。

また、本実施形態で示した開状態とする孔の位置は１つの例であり、例えば孔２６ａと孔２７ｂの組み合わせや、孔２６ａと孔２７ｃの組み合わせなども所望の膨張比に応じて設定可能である。

さらに、本実施形態では孔のうちいずれか１組を開状態とするようにスライドバルブ２９、３０を制御しているが、一度に２組または全ての孔を開状態としてもよいし、スライドバルブ２９、３０の形状を変更して開状態とする孔の組み合わせを変更してもよい。

本実施形態におけるランキンサイクルシステムのシステム構成概略図である。 本実施形態におけるランキンサイクルシステムに用いる膨張機の構成図である。 膨張機及びスライドバルブの位置を示す構成図である。 膨張機及びスライドバルブの位置を示す構成図である。 本実施形態におけるランキンサイクルシステムの制御を示すフローチャートである。

符号の説明

１ ランキンサイクルシステム
３ 蒸発器
４ 膨張機
５ 凝縮器
２１ シリンダ
２２ シリンダ室
２３ ロータ
２４ 溝
２５ ベーン
２６ 吸入口
２６ａ、ｂ、ｃ 孔
２７ 吐出口
２７ａ、ｂ、ｃ 孔
２８ シリンダ内壁
２９ スライドバルブ
３０ スライドバルブ
３１ 開口部
３２ 開口部

Claims (4)

1. 熱源（７）から発生する熱によって液体冷媒を加熱して蒸発させる蒸発器（３）と、前記蒸発器（３）から圧送される蒸気を膨張させて軸トルクを出力する膨張機（４）と、前記膨張機（４）から吐出された蒸気を凝縮させる凝縮器（５）とを備えるランキンサイクルシステム（１）において、
   外気温度に基づいて前記膨張機（４）の目標膨張比を演算する目標膨張比演算手段（４０）と、
   前記目標膨張比に基づいて前記膨張機（４）の膨張比を調節する膨張比調節手段（４０）とを備えることを特徴とするランキンサイクルシステム。
2. シリンダ（２１）と、
   前記シリンダ（２１）の軸方向両側から前記シリンダ（２１）を挟持するサイドブロックと、
   前記シリンダ（２１）の内部に回転可能に設けられるロータ（２３）と、
   前記ロータ（２３）に設けられる溝（２４）に進退可能に収装され、前記ロータ（２３）の回転に伴って前記シリンダ（２１）の内壁と摺接するベーン（２５）と、
   前記シリンダ（２１）の内壁（２８）、前記ロータ（２３）及び隣接する前記ベーン（２５）によって画成される室（２２）に冷媒を吸入する吸入口（２６）と、
   膨張した冷媒を前記室（２２）から吐出する吐出口（２７）と、
   前記吸入口（２６）及び前記吐出口（２７）の少なくとも一方の前記室（２２）に開口する位置をロータ（２３）の周方向に変更する開口位置変更手段（２９、３０）とを備え、
   前記開口位置を変更することで膨張比を変更可能であることを特徴とする膨張機。
3. 前記開口位置変更手段（２９、３０）は、前記吸入口（２６）及び前記吐出口（２７）の少なくとも一方を閉塞する、一部に開口部（３１、３２）を有するスライドバルブ（２９、３０）であり、前記スライドバルブ（２９、３０）を前記ロータ（２３）の周方向にスライドさせることで、前記吸入口（２６）及び前記吐出口（２７）の少なくとも一方の前記室（２２）に開口する位置を前記ロータ（２３）の周方向に変更することを特徴とする請求項２に記載の膨張機。
4. 前記吸入口（２６）及び前記吐出口（２７）の少なくとも一方は、前記ロータ（２３）の周方向の異なる位置に設けられる複数の孔（２６ａ、２６ｂ、２６ｃ、２７ａ、２７ｂ、２７ｃ）によって構成され、
   前記開口位置変更手段（２９、３０）は、前記スライドバルブ（２９、３０）の開口部（３１、３２）を前記複数の孔（２６ａ、２６ｂ、２６ｃ、２７ａ、２７ｂ、２７ｃ）のいずれかに重ねることで、前記吸入口（２６）及び前記吐出口（２７）の少なくとも一方の前記室（２２）に開口する位置を前記ロータ（２３）の周方向に変更することを特徴とする請求項３に記載の膨張機。