JP2010236360A - 流体機械、当該流体機械を用いた冷媒回路及び廃熱利用装置 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】廃熱利用装置(1)はランキン回路(4)を有し、ランキン回路(4)は流体機械(10)を有する。流体機械(10)は、入口ポート(33)から流入される作動流体により駆動され、作動流体を出口ポート(45)に吐出する駆動部(22)と、入口ポートから流入される作動流体を駆動部に流入させる連通路(102)と、入口ポートから流入される作動流体を駆動部を迂回して出口ポートに導くバイパス路(104)と、入口ポートからの作動流体の流入の遮断または遮断解除を行うとともに、連通路とバイパス路とを切り換えて連通させる弁機構(106,112,124)とをハウジング内に備える。
【選択図】図2
Description
そこで、これら3つの弁を上記特許文献2に記載された開閉手段(バイパス弁)の如く膨張機内に配設することが考えられるが、これでは膨張機の構成が複雑になり、いずれにせよ、膨張機、ランキン回路、ひいては廃熱利用装置の小型化及びコスト低減を実現することができないとの問題がある。
更に、本発明によれば、請求項2記載の冷媒回路として、流体機械のハウジング内に収容され、熱源の廃熱により高圧にされた作動流体を駆動部で膨張させて駆動力を発生する膨張ユニットを循環路に介挿したランキン回路を備え、ランキン回路は、入口ポートに接続され、循環路を循環する作動流体の高圧側圧力が作用する高圧流路と、出口ポートに接続され、循環路を循環する作動流体の低圧側圧力が作用する低圧流路と、高圧流路の圧力を保持する圧力保持手段とを有し、弁機構は、圧力保持手段の作動時に入口ポートからの作動流体の流入を遮断し、高圧流路の圧力が所定の第1の設定圧力以上となるとき入口ポートからの作動流体の流入の遮断を解除するとともにバイパス路または連通路を連通させる廃熱利用装置が提供される(請求項3)。
好ましくは、弁機構は、連通路とバイパス路とを切り換えて連通させるとともに入口ポートの高圧側圧力が作用する弁体と、弁体を支持し、高圧側圧力に抗して弁体を押圧または押圧解除することにより入口ポートからの作動流体の流入の遮断または遮断解除を行うばね機構とからなる(請求項7)。
好ましくは、収容室は出口ポートと連通され、ばね機構は、入口ポートの高圧側圧力によって弁体に作用する力が出口ポートの低圧側圧力とばねの押圧力とによる合力よりも大きくなるとき、バイパス路を連通させて入口ポートからの作動流体の流入の遮断を解除する(請求項9)。
好ましくは、弁体はボール弁またはロータリ弁であって、所定の駆動源により回転駆動される(請求項11)。
本発明の請求項2の冷媒回路は、作動流体を循環させるための循環路に請求項1に記載の流体機械を備え、冷媒回路に作動流体の流入の遮断または遮断解除を行う弁や、連通路とバイパス路とを切り換える弁を設ける必要がないため、簡単な構成を有する。
請求項7の廃熱利用装置は、弁機構は、連通路とバイパス路とを切り換えて連通させるとともに入口ポートの高圧側圧力が作用する弁体と、弁体を支持し、高圧側圧力に抗して弁体を押圧または押圧解除することにより入口ポートからの作動流体の流入の遮断または遮断解除を行うばね機構とからなるため、簡単な構成を有する。また、入口ポートの遮断解除を機械的に行うことができるため、迅速な異常高圧開放が可能であり、廃熱利用装置の信頼性を更に向上することができる。
請求項9の廃熱利用装置では、収容室は出口ポートと連通され、ばね機構は、入口ポートの高圧側圧力によって弁体に作用する力が出口ポートの低圧側圧力とばねの押圧力とによる合力よりも大きくなるとき、バイパス路を連通させて入口ポートからの作動流体の流入の遮断を解除する。これにより、高圧流路の異常高圧開放を入口ポートと出口ポート、すなわち作動流体の高圧側圧力と低圧側圧力との差圧に基づいて行うことができるため(相対圧制御)、高圧側圧力のみならず、低圧側圧力の変動をも迅速に感知して異常高圧開放の制御性を高めることができ、廃熱利用装置の信頼性を更に向上することができる。
循環路5には、作動流体を流動させるべくポンプ6が介挿され、更に、作動流体が流動する方向でみてポンプ6の下流には、逆止弁7、加熱器8、流体機械10の膨張ユニット12、及び凝縮器14が順次介挿されている。すなわち、ポンプ6は、凝縮器14側にて作動流体を吸入し、吸入した作動流体を昇圧してから加熱器8に向けて吐出する。ポンプ6から吐出された作動流体は、低温高圧の液状態である。
凝縮器14は放熱器であり、膨張ユニット12から流出した作動流体を外気との熱交換によって凝縮させ、低温低圧の液状態にする。具体的には、凝縮器14の近傍には電動ファン(図示せず)が配置され、車両前方からの風や電動ファンからの風によって作動流体は冷却される。凝縮器14で冷却された作動流体は、再びポンプ6に吸入され、循環路5を循環する。
膨張ユニット12は、例えばスクロールユニット22を駆動部としたスクロール式の膨張機である。膨張ユニット12のカップ状のケーシング32(膨張ユニット用ケーシング)の開口は、仕切り壁34によって略覆われているが、仕切り壁34の中央には貫通孔が形成されている。
固定スクロール36の正面側には、可動スクロール40が噛み合うように配置されている。固定スクロール36と可動スクロール40との間には、作動流体を膨張させる膨張室42が区画され、可動スクロール40の周囲は、膨張した作動流体を受け入れる低圧室44として区画されている。固定スクロール36の基板の略中央には、導入孔46が貫通して形成され、この導入孔46を通じて固定及び可動スクロール36,40の径方向中央に位置する膨張室42と高圧室38とが連通する。
すなわち、可動スクロール40の基板の背面にはボスが一体に形成され、ボス内には、ニードルベアリング48を介して偏心ブッシュ50が相対回転可能に配置されている。偏心ブッシュ50にはクランクピン52が挿通され、クランクピン52は円盤形状のディスク54から偏心して突出している。ディスク54におけるクランクピン52とは反対側からは同軸にて軸部56が一体に突出し、軸部56は、ボールベアリング等のラジアルベアリング58を介して、仕切り壁34によって回転可能に支持されている。すなわち、可動スクロール40の旋回運動は、軸部56の回転運動に変換される。
発電ユニット18の円筒状のケーシング(発電ユニット用ケーシング)93は、仕切り壁34に当接され、膨張ユニット用ケーシング32、仕切り壁34、発電ユニット用ケーシング93は、相互に連結されることにより、流体機械10のための一つのハウジングを構成している。
発電ユニット用ケーシング93の内周面には、回転子96を囲むようにステータが固定され、ステータは、ヨーク98と、ヨーク98に巻回された例えば3組のコイル100とを有する。
なお、発電ユニット18は、電動機としての機能を有さないため、ヨーク98の形状やコイル100の巻数等は、発電効率が高くなるように構成される。
このように構成される流体機械10は、そのハウジング内に、入口ポート33と膨張ユニット12とを高圧室38及び導入孔46を介して連通させる連通路102と、膨張ユニット12を迂回して入口ポート33から流入される作動流体を出口ポート45に導くバイパス路104と、連通路102とバイパス路104とを切り換えて連通させる弁機構106とを備えている。
ボール108には作動流体の流路108aがL字状をなして貫通され、ボール108を弁機構106の図示しない駆動軸によって回動させることにより、弁機構106は流路108aを介して連通路102またはバイパス路104を切り換えて連通させる。当該駆動軸は、例えば、図示しない電磁弁(駆動源)によって駆動され、電磁弁は装置1を総合的に制御する図示しないECU(電子制御装置)によって作動させられる。
<通常運転>
ECUによってランキン回路4が起動されると、図2に示されるようにボール108が連通路102のみを連通させる位置に回動されることにより、弁機構106は矢印で示すように加熱器8から高圧室38へ作動流体を流入させ、これより膨張ユニット12が作動し、軸部56と駆動軸72とが一体に回転する。
<高圧保持>
ECUによってランキン回路4の作動が停止されると、図3(a)に示されるようにボール108が連通路102及びバイパス路104のどちらも連通させない位置に回動されて入口ポート33を塞ぎ、弁機構106は加熱器8から高圧室38への作動流体の流入を遮断する。このとき逆止弁7によって加熱器8からポンプ6側への作動流体の逆流は阻止されるため、循環路5には、逆止弁7から流路8aを経て膨張ユニット12に至る範囲において、作動流体の高圧側圧力が蓄圧される高圧流路5aが形成される(圧力保持手段)。一方、出口ポート45から凝縮器14を経て逆止弁7に至る循環路5の範囲には、作動流体の低圧側圧力が作用する低圧流路5bが形成される。
ランキン回路4の運転停止時または運転中の高圧保持状態において、ECUによって高圧流路5aの圧力が所定の設定圧力(第1の設定圧力)以上となって異常高圧が検出されると、図3(b)に示されるようにボール108がバイパス路104を連通させる位置に回動されて入口ポート33の閉塞が解除され、弁機構106は矢印で示すように高圧流路5aの作動流体をバイパス路104に流し、高圧流路5aの圧力が出口ポート45を介して低圧流路5bに開放される。なお、上記所定の設定圧力は<高圧保持>において設定される各適正圧力の設定圧力よりも大きく設定される。
ランキン回路4の運転停止時における高圧保持状態から、ECUによってランキン回路4が再起動されると、ボール108が図3(a)に示されるようにボール108が入口ポート33を塞ぐ位置から図2に示されるような連通路102を連通させる位置に回動され、高圧流路5aの圧力が連通路102に開放される。この開放された作動流体の圧力によって膨張ユニット12が駆動され、これにより駆動軸72が回転される。駆動軸72の回転に伴い、発電ユニット18の回転子96が回転し、発電ユニット18が交流電流を生成する。交流電流は負荷20に供給され、負荷20によって適当に備蓄又は消費される。
更に、作動流体の高圧側圧力が適正圧力になるまで高圧流路5aに蓄圧され、作動流体の高圧側圧力が適正圧力になると連通路102が連通されるため、ランキン回路4を循環する作動流体の高圧側圧力を適正に保持することができる。
弁機構112は、ボール108を支持し、高圧流路5aの作動流体の高圧側圧力に抗してボール108を押圧し、または押圧解除することにより入口ポート33の遮断または遮断解除を行うばね機構114を更に備える。
また、支持部110には入口ポート33及び高圧室38と気密に区画する収容室118が形成され、収容室118にはばね116及び当接部117が収容される。また、収容室118には導圧孔119がバイパス路104に開口され、収容室118には作動流体の低圧側圧力が作用しており、すなわち収容室118は出口ポート45と連通されている。
<異常高圧開放>
高圧流路5aの異常高圧によって、入口ポート33においてボール108に作用する作動流体の高圧側圧力による力Fhpが出口ポート45の作動流体の低圧側圧力Flpとばね116の押圧力Fsとによる合力よりも大きくなるとき、図4(b)に示されるようにボール108が内面32aから離間して入口ポート33の閉塞が解除され、弁機構106は矢印で示すように高圧流路5aの作動流体を連通路102及びバイパス路104に流し、高圧流路5aの圧力が出口ポート45を介して低圧流路5bに開放される。
また、高圧流路5aの異常高圧開放を入口ポート33と出口ポート45、すなわち作動流体の高圧側圧力と低圧側圧力との差圧に基づいて行うことができる(相対圧制御)。従って、当該第2実施形態では、弁機構112をECUからの信号によらないで機械的に作動させるとともに、高圧側圧力のみならず、低圧側圧力の変動をも迅速に感知して異常高圧開放の制御応答性を高めることができ、廃熱利用装置1の信頼性を更に向上することができる。
流体機械10の膨張ユニット用ケーシング32の外面32bには弁ユニット120が装着され、弁ユニット120は、2つのブロック120A,120Bから構成されている。
ブロック120Aには、循環路5が接続され、循環路5と連通する第1流路122が貫通して形成されており、ブロック120Aはブロック120Bにねじで締結される。
第2流路128からは導圧路130が分岐されており、導圧路130はブロック120Bの収容孔126が開口される主開口部132とは反対側の最内方部133に開口されている。更に、収容孔126には連通路102及びバイパス路104が連通されている。
詳しくは、図6(a),(b)に示されるように、弁機構124は、弁体136、ばね138から構成されている。
弁体136は、中空の円筒部136aとヘッド部136bとを有するピストン形状に形成されたロータリー弁であって、円筒部136aとヘッド部136bとの間には弁体136の径方向に流路124aがL字状をなして貫通され、弁体136の流路124aよりもヘッド部136b側には弁体136の外周に沿ってリング溝136cが形成される。
電磁弁134のハウジング135からは駆動軸140と一体成形されたボス146が突出され、ボス146は収容孔126の主開口部132に収容され、収容孔126の内周面に回動自在に支持されている。
ここで、円筒部136aの外周面とボス146の内周面とは、互いに駆動軸140の軸線方向に沿う例えばセレーション加工を施した嵌合部148によって嵌合されており、これより、ボス146と円筒部136aとの間にばね138の収容室139が形成され、収容室139は収容孔126を入口ポート33側と気密に区画する。また、収容室139に収容されるばね138の押圧方向に沿う弁体136の移動と、駆動軸140ひいてはボス146の回転に伴う弁体136の回動との両方が可能となる。
このように構成される弁機構124は、弁体136が駆動軸140を介して時計回りあるいは反時計回りに90度の範囲に回動されることにより、流路124aを介して連通路102またはバイパス路104を切り換えて連通させる。駆動軸140は電磁弁134によって駆動され、電磁弁134はECUによって作動させられる。
<通常運転>
ECUによってランキン回路4が起動されると、図6(a),(b)に示されるように弁体136が連通路102のみを連通させる位置に回動されることにより、弁機構124は矢印で示すように加熱器8から高圧室38へ作動流体を流入させ、これより膨張ユニット12が作動し、駆動軸72の回転に伴い、発電ユニット18の回転子96が回転し、発電ユニット18が交流電流を生成する。交流電流は負荷20に供給され、負荷20によって適当に備蓄又は消費される。
ECUによってランキン回路4の作動が停止されると、図7(a),(b)に示されるように弁体136が連通路102及びバイパス路104のどちらも連通させない位置に回動されて第2流路128、すなわち入口ポート33を塞ぎ、弁機構124は加熱器8から高圧室38への作動流体の流入を遮断する。このとき逆止弁7によって加熱器8からポンプ6側への作動流体の逆流は阻止されて高圧流路5aが形成される一方、低圧流路5bが形成される。
高圧流路5aの異常高圧によって、導圧路130から導圧され、弁体136のヘッド部136aに作用する作動流体の高圧側圧力による力Fhpが出口ポート45の作動流体の低圧側圧力Flpとばね116の押圧力Fsとによる合力よりも大きくなるとき、図8(a),(b)に示されるように弁体136が収容孔126の最内方部133から離間してばね138側に移動されることにより、リング溝136cが第2流路128と連通する位置に位置づけられる。これより、リング溝136cを介して第2流路128すなわち入口ポート33の遮断が解除され、弁機構136は矢印で示すように高圧流路5aの作動流体を連通路102及びバイパス路104に流し、高圧流路5aの圧力が出口ポート45を介して低圧流路5bに開放される。なお、リング溝136cのように、弁体136の外周に沿って全周に亘り溝を形成するではなく、弁体136の外周に沿って所定の範囲にのみ溝を形成すれば、入口ポート33の遮断が解除されたときの高圧流路5aの作動流体をバイパス路104のみに流れるようにすることも可能である。
ECUによってランキン回路4が再起動されると、弁体136が図7(a) ,(b)に示されるように入口ポート33を塞ぐ位置から図6(a),(b)に示されるような連通路102を連通させる位置に回動され、高圧流路5aの圧力が連通路102に開放される。この開放された作動流体の圧力によって膨張ユニット12が駆動され、これにより駆動軸72が回転される。駆動軸72の回転に伴い、発電ユニット18の回転子96が回転し、発電ユニット18が交流電流を生成する。交流電流は負荷20に供給され、負荷20によって適当に備蓄又は消費される。
ランキン回路4の初期起動時にECUによってポンプ6のみを起動させる際に、弁体136が図9(a),(b)に示されるようなバイパス路104を連通させる位置に回動され、循環路5における作動流体の通液抵抗が低減され、作動流体の循環量の制御が円滑に行われる。
上述したように、第3実施形態の廃熱利用装置1は、第2実施形態の場合と同様に、高圧流路5aの異常高圧開放を機械的に、且つ作動流体の高圧側圧力と低圧側圧力との差圧に基づく相対圧制御によって行うことができるため、異常高圧開放の制御応答性を高めることができる。
以下、この大気開放路148を設けた場合の弁機構124の作動について、高圧流路5aの異常高圧開放の場合のみを流体機械10及びランキン回路4の動作とともに説明する。
高圧流路5aの異常高圧によって、導圧路130から導圧され、弁体136のヘッド部136aに作用する作動流体の高圧側圧力による力Fhpが大気圧による力Faとばね116の押圧力Fsとによる合力よりも大きくなるとき、図8(a),(b)に示されるように弁体136が収容孔126の最内方部133から離間することによりリング溝136cを介して入口ポート33の閉塞が解除され、弁機構136は矢印で示すように高圧流路5aの作動流体を連通路102及びバイパス路104、あるいはバイパス路104のみに流し、高圧流路5aの圧力が出口ポート45を介して低圧流路5bに開放される。
更に、ランキン回路4の完全停止時に弁体136がバイパス路104を連通させる位置に回動されることで、高圧流路5aの作動流体を低圧流路5bに流すことができるため、循環路5全体の作動流体の圧力を均圧にすることができ、膨張ユニット12の円滑且つ完全な停止が可能となる。
例えば、廃熱利用装置1は、排気ガスの熱を電力に変換するものであったが、エンジン2の冷却水の熱(熱源)を電力に変換するものであってもよい。更に廃熱利用装置1は、車両以外にも適用可能である。
また、膨張ユニット12と発電ユニット18とからなる流体機械10に限らず、発電ユニット18に代わるモータジェネレータユニット、及びポンプ16に代わるポンプユニットを備え、これらユニットを膨張ユニット12と駆動軸72を共有させた流体機械にも適用可能である。
更に、流体機械10に限らず、発電ユニット18を有しない単なる膨張機、動力伝達装置を介して内燃機関に膨張機出力を伝達する流体機械、その他の構成の流体機械にも適用可能である。
4 ランキン回路(冷媒回路)
5 循環路
5a 高圧流路
5b 低圧流路
10 流体機械
12 膨張ユニット
22 スクロールユニット(駆動部)
33 入口ポート
45 出口ポート
102 連通路
104 バイパス路
106,112,124 弁機構
108 ボール(弁体)
114 ばね機構
116,138 ばね
118,139 収容室
134 電磁弁(駆動源)
136 弁体
Claims (11)
- 入口ポートから流入される作動流体により駆動され、作動流体を出口ポートに吐出する駆動部と、
前記入口ポートから流入される作動流体を前記駆動部に流入させる連通路と、
前記入口ポートから流入される作動流体を前記駆動部を迂回して前記出口ポートに導くバイパス路と、
前記入口ポートからの作動流体の流入の遮断または遮断解除を行うとともに、前記連通路と前記バイパス路とを切り換えて連通させる弁機構と
をハウジング内に備えることを特徴とする流体機械。 - 作動流体を循環させるための循環路に請求項1に記載の流体機械を備えることを特徴とする冷媒回路。
- 請求項2記載の冷媒回路として、前記流体機械の前記ハウジング内に収容され、熱源の廃熱により高圧にされた作動流体を前記駆動部で膨張させて駆動力を発生する膨張ユニットを前記循環路に介挿したランキン回路を備え、
前記ランキン回路は、前記入口ポートに接続され、前記循環路を循環する作動流体の高圧側圧力が作用する高圧流路と、前記出口ポートに接続され、前記循環路を循環する作動流体の低圧側圧力が作用する低圧流路と、前記高圧流路の圧力を保持する圧力保持手段とを有し、
前記弁機構は、前記圧力保持手段の作動時に前記入口ポートからの作動流体の流入を遮断し、前記高圧流路の圧力が所定の第1の設定圧力以上となるとき前記入口ポートからの作動流体の流入の遮断を解除するとともに前記バイパス路または前記連通路を連通させることを特徴とする廃熱利用装置。 - 前記弁機構は、前記ランキン回路の運転時には前記連通路を連通させ、前記ランキン回路の停止時に前記圧力保持手段を作動させて前記入口ポートからの作動流体の流入を遮断し、前記高圧流路の圧力が前記所定の第1の設定圧力以上となるとき前記入口ポートからの作動流体の流入の遮断を解除するとともに前記バイパス路または前記連通路を連通させ、前記ランキン回路の停止後の再起動時に前記連通路を連通させることを特徴とする請求項3に記載の廃熱利用装置。
- 前記弁機構は、前記ランキン回路の運転時には前記連通路を連通させ、前記高圧流路の圧力が所定の第2の設定圧力未満となるとき前記ランキン回路の運転中に前記圧力保持手段を作動させて前記入口ポートからの作動流体の流入を遮断し、前記高圧流路の圧力が所定の第3の設定圧力以上となるとき前記入口ポートからの作動流体の流入の遮断を解除するとともに前記連通路を連通させることを特徴とする請求項3または4に記載の廃熱利用装置。
- 前記弁機構は、前記高圧流路の圧力が前記所定の第1の設定圧力以上となるとき前記バイパス路のみを連通させて前記入口ポートからの作動流体の流入の遮断を解除することを特徴とする請求項3に記載の廃熱利用装置。
- 前記弁機構は、前記連通路と前記バイパス路とを切り換えて連通させるとともに前記入口ポートの前記高圧側圧力が作用する弁体と、前記弁体を支持し、前記高圧側圧力に抗して前記弁体を押圧または押圧解除することにより前記入口ポートからの作動流体の流入の遮断または遮断解除を行うばね機構とからなることを特徴とする請求項3に記載の廃熱利用装置。
- 前記ばね機構は、前記弁体を押圧するばねと、前記ばねが収容されるとともに前記入口ポートと気密に区画される収容室とからなることを特徴とする請求項7に記載の廃熱利用装置。
- 前記収容室は前記出口ポートと連通され、
前記ばね機構は、前記入口ポートの前記高圧側圧力によって前記弁体に作用する力が前記出口ポートの前記低圧側圧力と前記ばねの押圧力とによる合力よりも大きくなるとき、前記バイパス路を連通させて前記入口ポートからの作動流体の流入の遮断を解除することを特徴とする請求項8に記載の廃熱利用装置。 - 前記収容室は大気開放され、
前記ばね機構は、前記入口ポートの前記高圧側圧力によって前記弁体に作用する力が大気圧と前記ばねの押圧力とによる合力よりも大きくなるとき、前記バイパス路を連通させて前記入口ポートからの作動流体の流入の遮断を解除することを特徴とする請求項8に記載の廃熱利用装置。 - 弁体はボール弁またはロータリ弁であって、所定の駆動源により回転駆動されることを特徴とする請求項7に記載の廃熱利用装置。
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