JP2009097387A - Waste heat recovery apparatus - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、例えば車両用の内燃機関の廃熱を利用して動力を回収する廃熱利用装置に関するものである。 The present invention relates to a waste heat utilization device that recovers power by utilizing waste heat of an internal combustion engine for a vehicle, for example.
従来の廃熱利用装置として、例えば特許文献1に示されるように、ランキンサイクルに発電機が設けられたものが知られている。ランキンサイクルは、内部の熱媒体を循環させるポンプ、熱媒体を加熱する加熱用熱交換器、加熱された熱媒体の膨張により回転作動する膨張機(タービン)、膨張後の熱媒体を冷却する放熱用熱交換器が環状に接続されたものである。ここでは膨張機の主軸にポンプおよび発電機が連結されて一体化されている。 As a conventional waste heat utilization device, for example, as shown in Patent Document 1, a device provided with a generator in a Rankine cycle is known. The Rankine cycle consists of a pump that circulates the internal heat medium, a heat exchanger that heats the heat medium, an expander that rotates by the expansion of the heated heat medium (turbine), and heat dissipation that cools the expanded heat medium. The heat exchanger for use is connected in a ring shape. Here, a pump and a generator are connected to and integrated with the main shaft of the expander.
加熱用熱交換器には加熱用液体あるいはガス(ガスタービンやエンジンの排気等)が供給される。ポンプから送られた熱媒体は加熱用熱交換器で過熱蒸気となって、膨張機に流入し、膨張機内で断熱膨張することで膨張機に駆動力を発生させる。そして、この駆動力によって連結されたポンプおよび発電機が作動され、ランキンサイクルの作動が継続されると共に、排気熱エネルギーが電気エネルギーとして蓄えられる。尚、膨張後の熱媒体は、放熱用熱交換器で冷却空気等によって冷却凝縮され、ポンプに吸引される。
しかしながら、上記引用文献1に記載の技術では、ランキンサイクルの起動時において、加熱用熱交換器から膨張機に熱媒体が流入されると、膨張機の入口出口間に急激な圧力差がかかり、その分、膨張機の摺動部に大きな力が作用し、耐久性低下に繋がる影響を受ける。よって、安定したランキンサイクルの起動が難しいという問題があった。 However, in the technique described in the above cited reference 1, when a heat medium is flowed from the heat exchanger for heating into the expander at the start of the Rankine cycle, a rapid pressure difference is applied between the inlet and outlet of the expander, As a result, a large force acts on the sliding portion of the expander, and is affected by a decrease in durability. Therefore, there is a problem that it is difficult to start a stable Rankine cycle.
本発明の目的は、上記問題に鑑み、ポンプと膨張機と発電機とが直結されるものにおいて、安定的な起動を可能とする廃熱利用装置を提供することにある。 In view of the above problems, an object of the present invention is to provide a waste heat utilization device that enables a stable start-up when a pump, an expander, and a generator are directly connected.
本発明は上記目的を達成するために、以下の技術的手段を採用する。 In order to achieve the above object, the present invention employs the following technical means.
請求項1に記載の発明では、液相作動流体を圧送するポンプ(21)、ポンプ(21)から圧送される液相作動流体を発熱機器(10)の廃熱によって加熱し気相作動流体とする加熱器(22)、加熱器(22)から流出される気相作動流体の膨張エネルギーを機械エネルギーに変換する膨張機(23)、および膨張機(23)から流出される膨張後の気相作動流体を凝縮液化しポンプ(21)に流出する凝縮器(24)を備えるランキンサイクル(20)と、
電動機および発電機の両機能を備える回転電機(25)と、
回転電機(25)の作動を制御する制御手段(30)とを有し、
ポンプ(21)、膨張機(23)、および回転電機(25)が同軸で接続された廃熱利用装置において、
膨張機(23)をバイパスするバイパス流路(26)と、
制御手段(30)によって制御され、バイパス流路(26)を開閉する開閉手段(27)と、
膨張機(23)の入口側における気相作動流体の温度を検出する温度検出手段(206)と、
膨張機(23)の入口出口間の圧力差を検出する圧力差検出手段(207、208)とを設け、
制御手段(30)は、ランキンサイクル(20)を起動させる際に、
開閉手段(27)を開き、回転電機(25)を電動機として所定回転数で作動させると共に、
温度検出手段(206)によって得られる気相作動流体の温度が所定温度以上となると、開閉手段(27)を閉じて、圧力差検出手段(207、208)によって得られる圧力差が所定圧力差に至るまでの間に、回転電機(25)の作動回転数を所定回転数に対して増加させることを特徴としている。
In the first aspect of the invention, the pump (21) for pumping the liquid phase working fluid, the liquid phase working fluid pumped from the pump (21) is heated by the waste heat of the heat generating device (10), Heater (22), an expander (23) that converts expansion energy of the gas-phase working fluid that flows out of the heater (22) into mechanical energy, and a gas phase after expansion that flows out of the expander (23) A Rankine cycle (20) comprising a condenser (24) that condenses and liquefies the working fluid and flows to the pump (21);
A rotating electrical machine (25) having both functions of an electric motor and a generator;
Control means (30) for controlling the operation of the rotating electrical machine (25),
In the waste heat utilization apparatus in which the pump (21), the expander (23), and the rotating electrical machine (25) are connected coaxially,
A bypass flow path (26) for bypassing the expander (23);
Opening and closing means (27) controlled by the control means (30) and opening and closing the bypass flow path (26);
Temperature detection means (206) for detecting the temperature of the gas phase working fluid on the inlet side of the expander (23);
Pressure difference detection means (207, 208) for detecting the pressure difference between the inlet and outlet of the expander (23),
When the control means (30) starts the Rankine cycle (20),
Opening and closing means (27) is opened and the rotating electrical machine (25) is operated as a motor at a predetermined rotational speed,
When the temperature of the gas-phase working fluid obtained by the temperature detection means (206) exceeds a predetermined temperature, the opening / closing means (27) is closed, and the pressure difference obtained by the pressure difference detection means (207, 208) becomes the predetermined pressure difference. In the meantime, the operating rotational speed of the rotating electrical machine (25) is increased with respect to a predetermined rotational speed.
これにより、まず、開閉手段(27)を開いて回転電機(25)を電動機として所定回転数で作動させることで、ポンプ(21)および膨張機(23)が作動される。作動流体は、膨張機(23)側に流れながらも、バイパス流路(26)を主体に流れる。よって、膨張機(23)の入口出口間には圧力差が生じることなく、作動流体はランキンサイクル(20)を循環する。 Thereby, the pump (21) and the expander (23) are first operated by opening the opening / closing means (27) and operating the rotating electrical machine (25) at a predetermined rotational speed as an electric motor. The working fluid flows mainly through the bypass channel (26) while flowing toward the expander (23). Therefore, the working fluid circulates through the Rankine cycle (20) without causing a pressure difference between the inlet and outlet of the expander (23).
そして、膨張機(23)入口側の作動流体の温度が所定温度以上になると、作動流体は充分な過熱状態にあり、作動流体の膨張によって膨張機(23)の駆動が可能な状態にあることが確認できる。 When the temperature of the working fluid on the inlet side of the expander (23) becomes equal to or higher than a predetermined temperature, the working fluid is sufficiently overheated and the expander (23) can be driven by the expansion of the working fluid. Can be confirmed.
この段階で開閉手段(27)を閉じることで、バイパス流路(26)側から膨張機(23)側に作動流体を流入させることができ、作動流体の膨張によって膨張機(23)を作動させることができる。 By closing the opening / closing means (27) at this stage, the working fluid can be caused to flow from the bypass channel (26) side to the expander (23) side, and the expander (23) is operated by the expansion of the working fluid. be able to.
この時、膨張機(23)の入口出口間に圧力差が発生するが、この圧力差に応じて回転電機(25)の作動回転数を所定回転数に対して増加させることで、膨張機(23)の作動回転数を上げて、膨張機(23)の吐出能力を順次増加させることができるので、圧力差の立ち上がり特性(時間に対する圧力差の増加割合)を緩やかにすることができる。 At this time, a pressure difference is generated between the inlet and outlet of the expander (23). By increasing the operating rotational speed of the rotating electrical machine (25) with respect to the predetermined rotational speed according to the pressure difference, the expander ( Since the discharge speed of the expander (23) can be increased sequentially by increasing the operating rotational speed of 23), the rise characteristic of the pressure difference (increase rate of the pressure difference with respect to time) can be moderated.
よって、膨張機(23)における急激な圧力差の発生を抑制して、安定的なランキンサイクル(20)の起動が可能となる。 Therefore, generation | occurrence | production of the rapid pressure difference in an expander (23) is suppressed, and starting of a stable Rankine cycle (20) is attained.
請求項2に記載の発明では、制御手段(30)は、回転電機(25)の作動回転数を所定回転数に対して連続的に単調増加させることを特徴としている。 The invention according to claim 2 is characterized in that the control means (30) continuously and monotonously increases the operating rotational speed of the rotating electrical machine (25) with respect to a predetermined rotational speed.
これにより、膨張機(23)における急激な圧力差の発生を確実に抑制することができる。 Thereby, generation | occurrence | production of the abrupt pressure difference in an expander (23) can be suppressed reliably.
請求項3に記載の発明では、制御手段(30)は、回転電機(25)の作動回転数を所定回転数に対して階段状に増加させることを特徴としている。
The invention according to
これにより、請求項2と同様に、膨張機(23)における急激な圧力差の発生を確実に抑制することができる。 Thus, similar to the second aspect, it is possible to reliably suppress the generation of a sudden pressure difference in the expander (23).
請求項4に記載の発明では、ポンプ(21)の入口側における作動流体の過冷却度を検出する過冷却度検出手段(205)を備え、
制御手段(30)は、回転電機(25)を電動機として作動させる際に、
所定回転数として、まず、第1所定回転数で作動させると共に、
過冷却度検出手段(205)によって得られる過冷却度が所定過冷却度以上となると、第1所定回転数よりも低い第2所定回転数で作動させることを特徴としている。
In invention of Claim 4, it is provided with the supercooling degree detection means (205) which detects the supercooling degree of the working fluid in the inlet side of a pump (21),
When the control means (30) operates the rotating electric machine (25) as an electric motor,
As the predetermined rotational speed, first, it is operated at the first predetermined rotational speed,
When the supercooling degree obtained by the supercooling degree detection means (205) is equal to or higher than the predetermined supercooling degree, the supercooling degree detecting means (205) is operated at a second predetermined rotational speed lower than the first predetermined rotational speed.
これにより、まず、回転電機(25)によってポンプ(21)および膨張機(23)を作動させる際に、所定回転数として設定可能な高回転側の第1所定回転数とすることで、ポンプ(21)の吐出量を増加させて、作動流体を短時間でランキンサイクル(20)内に循環させることができる。よって、請求項1に記載の発明に対して、開閉手段(27)を閉じるまでの時間を短縮して、安定的なランキンサイクル(20)の起動が可能となる。 Thus, first, when the pump (21) and the expander (23) are operated by the rotating electrical machine (25), the first predetermined rotation speed on the high rotation side that can be set as the predetermined rotation speed is set to the pump ( 21), the working fluid can be circulated in the Rankine cycle (20) in a short time. Therefore, with respect to the invention described in claim 1, it is possible to shorten the time until the opening / closing means (27) is closed, and to start the Rankine cycle (20) stably.
尚、ポンプ(21)の入口側における作動流体の過冷却度が所定過冷却度以上になると、作動流体は充分な過冷却状態にあり、気相作動流体を巻き込むことなくポンプ(21)による充分な作動流体の循環が可能な状態にあることが確認できるため、第1所定回転数から第2所定回転数への適切な切り替えタイミングを決定できる。 When the degree of supercooling of the working fluid on the inlet side of the pump (21) becomes equal to or higher than the predetermined degree of supercooling, the working fluid is in a sufficiently supercooled state, and the pump (21) is sufficient without involving the gas phase working fluid. Therefore, it is possible to determine the appropriate switching timing from the first predetermined rotational speed to the second predetermined rotational speed.
請求項5に記載の発明では、制御手段(30)は、回転電機(25)を第2所定回転数で作動させる際に、第1所定回転数から第2所定回転数へ連続的に単調減少させる、あるいは階段状に減少させることを特徴としている。 In the invention according to claim 5, the control means (30) continuously monotonously decreases from the first predetermined rotational speed to the second predetermined rotational speed when the rotating electrical machine (25) is operated at the second predetermined rotational speed. It is characterized in that it is reduced or stepped.
これにより、回転電機(25)の作動回転数を第1所定回転数から第2所定回転数へ滑らかに減少させることができ、無理のないランキンサイクル(20)の作動が可能となる。 Accordingly, the operating rotational speed of the rotating electrical machine (25) can be smoothly reduced from the first predetermined rotational speed to the second predetermined rotational speed, and the operation of the Rankine cycle (20) can be performed without difficulty.
なお、上記各手段の括弧内の符号は、後述する実施形態記載の具体的手段との対応関係を示すものである。 In addition, the code | symbol in the bracket | parenthesis of each said means shows a corresponding relationship with the specific means of embodiment description later mentioned.
(第1実施形態)
以下、本発明の第1実施形態について、図1〜図4を参照しつつ説明する。
(First embodiment)
Hereinafter, a first embodiment of the present invention will be described with reference to FIGS.
図1は、ランキンサイクル20を有する廃熱利用装置1のシステム全体を示す模式図である。図1に示すように、本実施形態の廃熱利用装置1は、エンジン10を駆動源とする車両に適用されるものである。
FIG. 1 is a schematic diagram showing the entire system of a waste heat utilization apparatus 1 having a Rankine
エンジン(発熱機器)10は、水冷式の内燃機関であり、エンジン冷却水の循環によってエンジン10が冷却されるラジエータ回路11、および冷却水(温水)の循環によって空調空気が加熱されるヒータ回路12が設けられている。
The engine (heat generating device) 10 is a water-cooled internal combustion engine, a
ラジエータ回路11には、ラジエータ13が設けられており、ラジエータ13は、温水ポンプ14によって循環される冷却水を外気との熱交換により冷却する。温水ポンプ14は、電動式のポンプ、あるいは機械式のポンプのどちらでも良い。ラジエータ回路11中には、ラジエータ13を迂回して冷却水が流通するラジエータバイパス流路15が設けられており、サーモスタット16によってラジエータ13を流通する冷却水量とラジエータバイパス流路15を流通する冷却水量とが調節されるようになっている。
The
ヒータ回路12には、ヒータコア17が設けられており、上記の温水ポンプ14によって冷却水(温水)が循環されるようになっている。ヒータコア17は、空調ユニットの空調ケース内に配設されており、送風機(いずれも図示略)によって送風される空調空気を温水との熱交換により加熱する。ヒータコア17にはエアミックスドア(図示略)が設けられており、このエアミックスドアの開閉により、ヒータコア17を流通する空調空気量が可変される。
The
ヒータ回路12には、ヒータコア17をバイパスする加熱器用流路18が形成されている。この加熱器用流路18には、後述するランキンサイクル20の加熱器22が配設されており、冷却水がこの加熱器22内を流通するようになっている。加熱器22の上流側にはシャット弁19が設けられており、このシャット弁19の開閉制御によって、冷却水を加熱器22側へ流通させるか否かを適宜調節できるようになっている。
The
一方、ランキンサイクル20は、エンジン10で発生した廃熱エネルギー(冷却水の熱)を回収するとともに、この廃熱エネルギーを機械的エネルギー(後述する膨張機23の駆動力)、さらには、電気エネルギー(後述するモータジェネレータ25の発電量)に変換して利用するものである。以下、ランキンサイクル20について説明する。
On the other hand, the
ランキンサイクル20は、ポンプ21、加熱器22、膨張機23、凝縮器24を有しており、これらが環状に接続されて閉回路を形成している。さらに、加熱器22と凝縮器24との間には、膨張機23を迂回するバイパス流路26が設けられ、このバイパス流路26にはバイパス弁(開閉手段)27が設けられている。バイパス弁27は、例えば電磁式の弁として形成することができ、後述する通電制御回路30によって、弁体の開閉作動が制御されるようになっている。
The
ポンプ21は、後述する通電制御回路30によって作動されるモータジェネレータ25、あるいは膨張機23を駆動源として、ランキンサイクル20内の液相冷媒(液相作動流体)を循環させる電動式のポンプである。そして、ポンプ21は、モータジェネレータ25および膨張機23と同一の駆動軸によって接続されている。
The
加熱器22は、ポンプ21から圧送される冷媒と加熱器用流路18を流通する高温の冷却水との間で熱交換することにより冷媒を加熱して過熱蒸気冷媒(気相作動流体)とする熱交換器である。
The
膨張機23は、加熱器22で加熱された過熱蒸気冷媒の膨張によって回転駆動力を発生させる流体機器である。膨張機23の駆動軸にはモータジェネレータ25およびポンプ21が接続されている。そして、膨張機23の駆動力によってモータジェネレータ25およびポンプ21が作動され、モータジェネレータ25によって発電される電力は、後述する通電制御回路30を構成するインバータ31を介してバッテリ33に充電されるようになっている。膨張機23から流出される過熱蒸気冷媒は、凝縮器24に至る。
The
凝縮器24は、膨張機23の吐出側に接続され、軸流式のいわゆる吸い込み式の送風ファン28によって送風される冷却空気との熱交換によって膨張後の過熱蒸気冷媒を凝縮液化して液相冷媒とする熱交換器である。凝縮器24から流出される液相冷媒は、上記ポンプ21に至る。
The
モータジェネレータ25は、電動機および発電機の両機能を備える回転電機であり、通電制御回路30によって制御されるようになっている。モータジェネレータ25の一端側の軸にはポンプ21が接続され、他端側の軸には膨張機23が接続されている。
The
通電制御回路30は、廃熱利用装置1内の各種機器の作動を制御するための制御手段であり、インバータ31と制御機器32(ECU)とを有している。インバータ31は、ポンプ21および膨張機23に接続されたモータジェネレータ25の作動を制御するものである。インバータ31は、モータジェネレータ25にバッテリ33からの電力を供給することでモータジェネレータ25を電動機として作動させて、ポンプ21および膨張機23を駆動させる。また、インバータ31は、モータジェネレータ25が膨張機23の駆動力によって発電機として作動されるときに、発電される電力をバッテリ33に充電する。
The
さらに、ランキンサイクル20には、膨張機23の入口側冷媒温度を検出するための膨張機温度センサ(温度検出手段)206、膨張機23の入口側冷媒圧力を検出するための入口側圧力センサ(圧力差検出手段)207、膨張機23の出口側冷媒圧力を検出するための出口側圧力センサ(圧力差検出手段)208等の各種センサが配設されている。
Furthermore, the
そして、これらの各種センサ206、207、208等からの検出信号に基づいて、制御機器32は、インバータ31の作動を制御するとともに、シャット弁19、送風ファン28、モータジェネレータ25(ポンプ22および膨張機23)、バイパス弁27等を併せて制御するようになっている。
Based on the detection signals from these
次に、上記構成に基づく作動およびその作用効果について説明する。図2は、本実施形態のランキンサイクル20の起動時の制御を示すフローチャート、図3はランキンサイクル20の起動時から通常制御に至る膨張機差圧およびポンプ膨張機回転数を示すタイムチャート、図4はランキンサイクル20の起動時の各部位における冷媒流量を示す模式図である。
Next, the operation based on the above configuration and the operation and effect thereof will be described. FIG. 2 is a flowchart showing the control at the start of the
(1)ランキン起動制御
通電制御回路30は、ランキンサイクル20を起動させるにあたって、シャット弁19を開き、また送風ファン28を作動させる。そして、図2に示すように、ステップS100でバイパス弁27を開き、ステップS110でモータジェネレータ25を電動機として所定回転数(図3中の膨張機回転数所定値1)で作動させる。ここでの所定回転数とは、インバータ31によって制御可能な最小側の回転数(例えば1500rpm)として予め定めた回転数である。
(1) Rankine start-up control The
モータジェネレータ25が作動されることで、ポンプ21および膨張機23が作動され、ランキンサイクル20内の冷媒が循環される。このとき、バイパス弁27が開かれていることから、冷媒は膨張機23とバイパス流路26のうち、バイパス流路26を主に流れつつ(図4の(a))、膨張機23にも流れることになる。冷媒が主にバイパス流路26を流れることから膨張機23の入口出口間の圧力差(以下、膨張機差圧)は発生しない(図3中のMG起動〜バイパス弁閉の間)。
By operating the
そして、冷媒がランキンサイクル20内を循環することにより、冷媒中に含まれる潤滑油がポンプ21および膨張機23の各摺動部に満遍なく行渡り、ポンプ21および膨張機23は潤滑状態となる。
Then, the refrigerant circulates in the
次に、ステップS120で膨張機温度センサ206から得られる膨張機入口冷媒温度が所定温度以上となったか否かを判定し、所定温度以上であると、ステップS130でバイパス弁27を閉じる。尚、ステップS120で否と判定すると、ステップS110を継続する。
Next, in step S120, it is determined whether or not the expander inlet refrigerant temperature obtained from the
ここでの所定温度とは、膨張機23に流入される過熱蒸気冷媒の膨張によって、膨張機23を充分に駆動しうる冷媒温度(冷媒過熱度)として予め定めた温度である。所定温度は、例えば、エンジン冷却水温度(80〜90℃)に対して20℃ほど低い値(60〜70℃)として定めることができる。
The predetermined temperature here is a temperature set in advance as a refrigerant temperature (refrigerant superheat degree) at which the
バイパス弁27が閉じられることで、バイパス流路26側の冷媒流れが遮断され、ランキンサイクル20中の冷媒は、すべて膨張機23側を流れることになる(図4の(b))。このとき、膨張機23が抵抗となって膨張機差圧が発生する(図3中のバイパス弁閉〜サイクル起動完了の間)。通電制御回路30は、この膨張機差圧を入口側圧力センサ207によって得られる入口側冷媒圧力と、出口側圧力センサ208によって得られる出口側冷媒圧力との差として算出する。
By closing the
そして、通電制御回路30は、ステップS140とステップS150の繰り返しによって、膨張機差圧が所定差圧(所定圧力差)に至るまでの間にモータジェネレータ25の回転数を増加させていく。ここでの所定差圧とは、膨張機23における容積と圧力との関係から、適正膨張作動となるように(過膨張作動あるいは不足膨張作動を行わせない)予め定めた差圧である。また、モータジェネレータ25の回転数は、連続的な単調増加(直線的な増加)となるように制御される(図3中のバイパス弁閉〜サイクル起動完了の間)。
The
そして、ステップS150で膨張機差圧が所定差圧に至ったと判定すると、ステップS160でモータジェネレータ25の通常制御に移行し、ランキン起動制御を終了する。
If it is determined in step S150 that the expander differential pressure has reached a predetermined differential pressure, the routine proceeds to normal control of the
(2)ランキン通常制御
上記ランキン起動制御の後に、通電制御回路30は、膨張機差圧が所定差圧となるように、モータジェネレータ25の回転数、さらには送風ファン28の回転数を制御して、エンジン10の廃熱エネルギーを、膨張機23による機械エネルギー、およびモータジェネレータ25による電気エネルギーへと変換する。
(2) Rankine normal control After the Rankine start-up control, the
即ち、ランキン通常制御においては、加熱器22からの過熱蒸気冷媒の膨張によって膨張機23が駆動される。そして、膨張機23の駆動力によってポンプ21が駆動され、ランキンサイクル20内の冷媒の循環が継続される。
That is, in Rankine normal control, the
そして、膨張機23の駆動力がポンプ21駆動のための駆動力を超えると、モータジェネレータ25は発電機として作動されることになり、制御機器32はモータジェネレータ25によって発電される電力を、インバータ31を介してバッテリ33に充電する。バッテリ33に充電された電力は、車両の各種補機に供給されることになる。
When the driving force of the
(3)ランキン停止制御
バッテリ33における充電量が所定値を超えた場合、あるいは、エンジン10の廃熱(膨張機入口冷媒の過熱度)が充分に得られない場合は、通電制御回路30は、ランキンサイクル20の作動を停止する。ランキンサイクル20の作動停止にあたっては、モータジェネレータ25の回転数を最小側回転数に低下させて、更に、バイパス弁27を開き、膨張機差圧が充分小さくなったことを確認して、モータジェネレータ25の作動を停止することで、ポンプ21および膨張機23を停止させる。併せて、送風ファン28を停止させる。
(3) Rankine stop control When the amount of charge in the battery 33 exceeds a predetermined value, or when the waste heat of the engine 10 (the degree of superheat of the expander inlet refrigerant) is not sufficiently obtained, the
尚、ランキンサイクル20の作動中に何らかの異常等が発生した場合は、通電制御回路30は、シャット弁19を閉じて、加熱器22へのエンジン冷却水の流入を阻止して、強制的にランキンサイクル20の作動を停止させる。
When any abnormality or the like occurs during the operation of the
以上のように、本実施形態では、ランキンサイクル20の起動時において、上記(1)項で説明したランキン起動制御を行うようにしているので、まず、バイパス弁27を開いてモータジェネレータ25を電動機として所定回転数で作動させることで、ポンプ21および膨張機23を作動させることができる。このとき冷媒は、膨張機23側に流れながらも、バイパス流路26を主体に流れるため、膨張機差圧が生じることなく、冷媒はランキンサイクル20を循環し、ポンプ21および膨張機23内の各摺動部には冷媒中に含有される潤滑油が供給されることになる。つまり起動初期段階において、ポンプ21および膨張機23を潤滑状態にして準備することができる。
As described above, in the present embodiment, when the
そして、膨張機入口冷媒温度(過熱度)が所定温度以上になると、冷媒は充分な過熱状態にあり、この冷媒(過熱蒸気冷媒)の膨張によって膨張機23の駆動が可能な状態にあることが確認できる。
When the expander inlet refrigerant temperature (superheat degree) becomes equal to or higher than a predetermined temperature, the refrigerant is sufficiently superheated, and the
この段階でバイパス弁27を閉じることで、バイパス流路26側から膨張機23側に冷媒を流入させることができ、冷媒の膨張によって膨張機23を作動させることができる。
By closing the
この時、膨張機差圧が発生するが、この膨張機差圧に応じてモータジェネレータ25の作動回転数を所定回転数に対して増加させることで、膨張機23の作動回転数を上げて、膨張機23の吐出能力を順次増加させることができるので、膨張機差圧の立ち上がり特性(時間に対する圧力差の増加割合)を緩やかにすることができる。つまり、図4(c)に示すように、例えばポンプ21が所定回転数(例えば1500rpm)で流量3の冷媒を吐出していたとして、モータジェネレータ25の回転数が増加されると(例えば1500rpm→2000rpm)、その冷媒が膨張機23に流入するときには、すでに膨張機23の回転数が上昇されていて(2000rpm)、流量3の冷媒に対して流量4の冷媒を吐出可能として膨張作動し、以下その関係を繰り返していくので、膨張機差圧の上昇度合いを緩やかにすることができる訳である。
At this time, an expander differential pressure is generated. By increasing the operating rotational speed of the
よって、急激な膨張機差圧の発生を抑制して、安定的なランキンサイクル20の起動が可能となる。
Therefore, generation | occurrence | production of rapid expander differential pressure | voltage is suppressed and starting of the
(第1実施形態の変形例)
上記第1実施形態では、膨張機差圧の上昇に伴ってモータジェネレータ25の回転数(ポンプ21および膨張機23の回転数)を連続的な単調増加(直線的な増加)となるように制御したが、図5(a)に示すように、上昇率が時間経過と共に小さくなるように制御しても良い。
(Modification of the first embodiment)
In the first embodiment, the rotational speed of the motor generator 25 (the rotational speed of the
更には、図5(b)に示すように、モータジェネレータ25の回転数(ポンプ21および膨張機23の回転数)を階段状に増加するように制御しても良い。
Further, as shown in FIG. 5B, the rotation speed of the motor generator 25 (the rotation speed of the
(第2実施形態)
本発明の第2実施形態を図6〜図8に示す。第2実施形態の廃熱利用装置1Aは、上記第1実施形態に対して、ポンプ温度センサ205を追加すると共に、ランキン起動制御において最初にモータジェネレータ25を作動させるときの回転数制御を2段階に分けて行うようにしたものである。
(Second Embodiment)
A second embodiment of the present invention is shown in FIGS. The waste
図6に示すように、廃熱利用装置1Aのポンプ21の入口側(凝縮器24とポンプ21との間)には、ポンプ21の入口冷媒過冷却度(サブクール)を得るための入口側冷媒温度を検出するポンプ温度センサ(過冷却度検出手段)205が設けられている。ポンプ温度センサ205からの検出信号は、制御器機32に出力されるようになっている。
As shown in FIG. 6, the inlet side refrigerant for obtaining the inlet refrigerant subcooling degree (subcool) of the
第2実施形態のランキン起動制御は、図7に示すように、第1実施形態に対してステップS110をステップS101、S102、S111に変更したものである。 As shown in FIG. 7, Rankine start-up control of the second embodiment is obtained by changing step S110 to steps S101, S102, and S111 with respect to the first embodiment.
即ち、ランキン起動制御において、通電制御回路30は、ステップS100でバイパス弁27を開いた後に、ステップS101でモータジェネレータ25を所定回転数として第1所定回転数で作動させる。この第1所定回転数は、インバータ31によって制御可能な比較的高回転側の回転数(図8中のMG起動〜冷媒循環量確保完了の間)として設定した回転数である。
That is, in the Rankine start-up control, the
モータジェネレータ25が第1所定回転数で作動されることにより、ポンプ21が高回転側で作動され、ランキンサイクル20内の冷媒は、上記第1実施形態の場合よりも高流量で循環される。
When the
そして、ステップS102でポンプ温度センサ205から得られる入口側冷媒温度(入口冷媒過冷却度)が、所定過冷却度以上か否かを判定し、所定過冷却度以上であると判定すると、ステップS111でモータジェネレータ25の回転数を第1所定回転数よりも低い第2所定回転数に切替えて作動させる。ここでの所定過冷却度とは、凝縮器24から流出される冷媒が確実に液相冷媒となりうる冷媒温度として予め定めた過冷却度である。また、第2所定回転数とは、上記第1実施形態と同様にインバータ31によって制御可能な最小側の回転数(図8中の冷媒循環量確保完了〜バイパス弁閉の間)として予め定めた回転数である。尚、ステップS102で否と判定すると、ステップS101を継続する。
Then, in step S102, it is determined whether or not the inlet side refrigerant temperature (inlet refrigerant subcooling degree) obtained from the
そして、ステップS120で膨張機温度センサ206から得られる膨張機入口冷媒温度が所定温度以上となったか否かを判定し、所定温度以上であると、上記第1実施形態と同様にステップS130〜ステップS160を実行し、否と判定すると、ステップS110を継続する。
Then, in step S120, it is determined whether or not the expander inlet refrigerant temperature obtained from the
第2実施形態においては、最初のモータジェネレータ25を作動させる際の所定回転数を高回転側の第1所定回転数としているので、ポンプ21の吐出量を増加させて、冷媒を短時間でランキンサイクル20内に循環させることができる。よって、上記第1実施形態に対して、バイパス弁27を閉じるまでの時間を短縮して、安定的なランキンサイクル20の起動が可能となる。
In the second embodiment, since the predetermined rotation speed when the
尚、ポンプ21の入口側における冷媒の過冷却度が所定過冷却度以上になると、冷媒は充分な過冷却状態にあり、気相冷媒を巻き込むことなくポンプ21による充分な冷媒の循環が可能な状態にあることが確認できるため、第1所定回転数から第2所定回転数への適切な切り替えタイミングを決定できる。
When the degree of supercooling of the refrigerant on the inlet side of the
(第2実施形態の変形例)
上記第2実施形態では、最初のモータジェネレータ25の作動において、冷媒過冷却度が所定過冷却度以上で回転数を第1所定回転数から第2所定回転数に単純に切替えるようにしたが、図9に示すように、連続的に単調減少させるようにしても良い。あるいは、階段状に減少させるようにしても良い(図示省略)。これにより、無理のない滑らかなランキンサイクル20の作動が可能となる。
(Modification of the second embodiment)
In the second embodiment, in the first operation of the
(その他の実施形態)
上記各実施形態では、膨張機23における膨張機差圧を入口側圧力センサ207、出口側圧力センサ208から得るようにしたが、これにかぎらず、冷媒圧力に相関する冷媒温度から膨張機差圧を算出するようにしても良い。
(Other embodiments)
In each of the above embodiments, the expander differential pressure in the
また、上記実施形態においては、廃熱を伴う発熱機器として、車両用のエンジン10(エンジン冷却水)としたが、これに限らず、例えば、外燃機関、燃料電池車両の燃料電池スタック、各種モータ、インバータ等のように作動時に発熱を伴い、温度制御のためにその熱の一部を捨てるもの(廃熱が発生するもの)であれば、広く適用することができる。 Moreover, in the said embodiment, although it was set as the vehicle engine 10 (engine cooling water) as a heat_generation | fever apparatus with waste heat, it is not restricted to this, For example, an external combustion engine, the fuel cell stack of a fuel cell vehicle, various Any device that generates heat during operation and discards a part of the heat for temperature control (waste heat is generated) such as a motor or an inverter can be widely applied.
また、本廃熱利用装置1(1A)を車両用に適用されるものとして説明したが、これに限らず、定置用のものとしても良い。 Moreover, although this waste heat utilization apparatus 1 (1A) was demonstrated as what is applied for vehicles, it is good not only for this but for stationary.
1、1A 廃熱利用装置
10 エンジン(発熱機器)
20 ランキンサイクル
21 ポンプ
22 加熱器
23 膨張機
24 凝縮器
25 モータジェネレータ(回転電機)
26 バイパス流路
27 バイパス弁(開閉手段)
30 通電制御回路(制御手段)
205 ポンプ温度センサ(過冷却度検出手段)
206 膨張機温度センサ(温度検出手段)
207 入口側圧力センサ(圧力差検出手段)
208 出口側圧力センサ(圧力差検出手段)
1, 1A Waste
20
26
30 Energization control circuit (control means)
205 Pump temperature sensor (supercooling degree detection means)
206 Expander temperature sensor (temperature detection means)
207 Inlet side pressure sensor (pressure difference detection means)
208 Outlet side pressure sensor (pressure difference detection means)
Claims (5)
電動機および発電機の両機能を備える回転電機(25)と、
前記回転電機(25)の作動を制御する制御手段(30)とを有し、
前記ポンプ(21)、前記膨張機(23)、および前記回転電機(25)が同軸で接続された廃熱利用装置において、
前記膨張機(23)をバイパスするバイパス流路(26)と、
前記制御手段(30)によって制御され、前記バイパス流路(26)を開閉する開閉手段(27)と、
前記膨張機(23)の入口側における前記気相作動流体の温度を検出する温度検出手段(206)と、
前記膨張機(23)の入口出口間の圧力差を検出する圧力差検出手段(207、208)とを設け、
前記制御手段(30)は、前記ランキンサイクル(20)を起動させる際に、
前記開閉手段(27)を開き、前記回転電機(25)を電動機として所定回転数で作動させると共に、
前記温度検出手段(206)によって得られる前記気相作動流体の温度が所定温度以上となると、前記開閉手段(27)を閉じて、前記圧力差検出手段(207、208)によって得られる圧力差が所定圧力差に至るまでの間に、前記回転電機(25)の作動回転数を前記所定回転数に対して増加させることを特徴とする廃熱利用装置。 A pump (21) for pumping a liquid phase working fluid, a heater (22) for heating the liquid phase working fluid pumped from the pump (21) by waste heat of the heat generating device (10) to form a gas phase working fluid, An expander (23) that converts expansion energy of the gas-phase working fluid that flows out of the heater (22) into mechanical energy, and condenses the expanded gas-phase working fluid that flows out of the expander (23) A Rankine cycle (20) comprising a condenser (24) that liquefies and flows out to the pump (21);
A rotating electrical machine (25) having both functions of an electric motor and a generator;
Control means (30) for controlling the operation of the rotating electrical machine (25),
In the waste heat utilization apparatus in which the pump (21), the expander (23), and the rotating electrical machine (25) are connected coaxially,
A bypass flow path (26) for bypassing the expander (23);
Opening and closing means (27) controlled by the control means (30) to open and close the bypass flow path (26);
Temperature detecting means (206) for detecting the temperature of the gas-phase working fluid on the inlet side of the expander (23);
Pressure difference detecting means (207, 208) for detecting a pressure difference between the inlet and outlet of the expander (23);
When the control means (30) starts the Rankine cycle (20),
Opening the opening / closing means (27) and operating the rotating electrical machine (25) as a motor at a predetermined rotational speed,
When the temperature of the gas-phase working fluid obtained by the temperature detecting means (206) becomes equal to or higher than a predetermined temperature, the opening / closing means (27) is closed and the pressure difference obtained by the pressure difference detecting means (207, 208) is increased. A waste heat utilization apparatus, wherein the operating rotational speed of the rotating electrical machine (25) is increased with respect to the predetermined rotational speed before reaching a predetermined pressure difference.
前記制御手段(30)は、前記回転電機(25)を電動機として作動させる際に、
前記所定回転数として、まず、第1所定回転数で作動させると共に、
前記過冷却度検出手段(205)によって得られる過冷却度が所定過冷却度以上となると、前記第1所定回転数よりも低い第2所定回転数で作動させることを特徴とする請求項1〜請求項3のいずれか1つに記載の廃熱利用装置。 Supercooling degree detection means (205) for detecting the degree of supercooling of the working fluid on the inlet side of the pump (21),
The control means (30), when operating the rotating electrical machine (25) as an electric motor,
As the predetermined rotational speed, first, it is operated at a first predetermined rotational speed,
The operation is performed at a second predetermined rotational speed lower than the first predetermined rotational speed when the supercooling degree obtained by the supercooling degree detection means (205) is equal to or higher than a predetermined supercooling degree. The waste heat utilization apparatus according to any one of claims 3 to 4.
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