JP2012525528A - 熱利用装置及びその作動方法 - Google Patents

Abstract

本発明は、熱利用装置（１）が作動流体を有し、この作動流体は、熱利用装置（１）の膨張機関（３）における正常な膨張後に、熱利用装置（１）のコンデンサ（５）によって液化される、特に自動車の熱利用装置（１）の作動方法に関する。廃熱利用装置（１）の作動流体が膨張機関（３）に供給される供給断面を開くことにより、コンデンサ（５）付近の作動流体の低圧（ｐ_ｕ、ｐ_ｕ ^＊）の速やかな引上げと、それによって生じるコンデンサ（５）付近の作動流体の凝縮温度（Ｔ_ｕ、Ｔ_ｕ ^＊）の速やかな上昇とを介して、作動流体からコンデンサ周辺への熱移行流（ｄＱ）を増加させ、コンデンサ（５）における作動流体の完全な液化を確実なものにすることができる。
【選択図】図１

Description

本発明は、請求項１の前提部分の特徴に基づく、詳細には自動車の熱利用装置の作動方法に関する。さらに、本発明は、詳細には自動車の内燃機関の廃熱利用装置として使用する熱利用装置に関する。

特許文献１から、第１の車軸を駆動する内燃機関と、第２の車軸を駆動する電気モータと、排気ガス熱及び内燃機関の熱を利用する廃熱利用装置と、を備えるハイブリッド車が知られており、この場合、廃熱利用装置に取り付けられている熱を供給する熱交換器の範囲には、高圧制御のための圧力調整装置が設けられている。

特許文献２では、膨張機関と、発電機または電気モータとして利用可能な電動回転装置と、を備える熱機関が説明されている。膨張機関と電動回転装置との間に配置されている力伝達装置は、プラネタリギヤとして形成されており、この膨張機関、電動回転装置及び力伝達装置は、１つのハウジングの中に組み込まれている。

特許文献３に説明されている、クラウジウス・ランキン回路として形成された熱利用装置は、この熱利用装置のコンデンサによって冷却回路に接続されており、これら両方の回路は、作動流体とコンデンサとを共同で利用する。この場合、両方の回路における作動流体の予想総流量が、設定された規定値を超えると、クラウジウス・ランキン回路の作動流体の流量が減少する。

特許文献４は、膨張機関と、コンデンサと、フィードポンプと、エバポレータと、を備える熱利用装置を説明しており、膨張機関後及びコンデンサ前に配置されている圧力センサの信号によって、コンデンサの換気装置が制御される。この換気装置の制御により、膨張機関後の圧力が調整される。

例えば内燃機関装備車両などの全システムの中で熱利用装置を使用する場合に問題となるのが、とりわけ熱利用装置の設計であるが、この設計は、熱利用装置のコンデンサ内で発生する廃熱を運ぶ、全システムの廃熱輸送能力が制限されていることによって実質的に決定される。この問題は、さらに全システムの設計にも影響を与える。なぜなら、コンデンサから排出しきれない廃熱量が発生すると、オーバーヒートによって損傷を引き起こすおそれがあるからである。

米国特許出願公開第５３２７９８７明細書 独国特許出願公開第１０２００４０２４４０２Ａ１明細書 独国特許出願公開第１０２００７０２４８９４Ａ１明細書 米国特許出願公開第７１７４７３２Ｂ２明細書

本発明は、コストをかけて熱利用装置のサイズを大きくすることなく、熱利用装置の気化熱源が高負荷モードで作動している場合も、この熱利用装置がオーバーヒートによって損傷を生じるおそれのない、熱利用装置の作動方法、及び内燃機関の廃熱利用装置として使用する熱利用装置について、改善された実施形態、もしくは少なくとも別の実施形態を提供するという課題に関する。

本発明に基づき、この課題は独立請求項の対象によって解決される。好ましい実施形態は、従属請求項の対象である。

本発明は、コンデンサ付近での低圧を引き上げることにより、熱利用装置の膨張機関からくる気体状態の作動流体がコンデンサ内で完全に液化できるように、熱利用装置のコンデンサ内の凝縮温度を上昇させるという一般的な考え方に基づいている。作動流体がコンデンサ内で完全に液化しない場合、作動流体経路においてコンデンサの後に取り付けられている、熱利用装置のフィードポンプが、部分的に気体又は蒸気の状態にある作動流体の液化を行わなければならない。この場合、フィードポンプは、そうした性能に対して高いコストをかけて設計されているか、もしくは気体又は蒸気の状態にある作動流体が時々発生することによって、フィードポンプが継続的に破壊されるかどちらかである。このことは、コンデンサ内の凝縮温度を上昇させることによって回避することができ、それにより、熱利用装置の低コスト設計が可能になる。

好ましいのは、このことが膨張比の減少によって達成されることである。この膨張比は、膨張後の圧力に対する膨張前の圧力の比として定義されている。圧力比又は膨張比は、膨張機関の容量比、つまり膨張後の容量に対する膨張前の容量の比と、直接関連している。この容量比は、往復機関でバルブ制御時間を調整することにより、又はスロット制御機関でスロット制御時間又は可変タービン形状を調整することによって減少させることができる。代替又は追加の方法として、スロットルも使用することができる。

膨張比の減少は、回路内の低圧を引き上げる、高圧を引き下げる、又は両者を組み合わせることによって達成することができる。

１つの実施形態においては、作動流体の膨張機関への供給経路の供給断面を増加させることによって、膨張比を減少させる。この場合、膨張機関への作動流体の供給断面を開くことによって、低圧を引き上げることができる。これを受けて供給断面が開くことにより、作動流体の低圧経路における低圧上昇が、低圧経路における凝縮温度の上昇とほぼ同時に発生する。

もう１つの実施形態では、膨張機関の回転数を変更することで低圧が調整されることにより、膨張比を減少させる。

もう１つの実施形態では、膨張機関への作動流体の供給断面をスロット制御することで低圧が調整されることにより、膨張比を減少させる。

低圧を引き上げるという対策に加え、作動流体流量を増加させることによっても、同様に、作動流体からコンデンサ周辺への熱移行流を増加させることができる。しかし、このことは、凝縮温度の上昇が伴わなければ十分に作用しない。なぜなら、凝縮温度とコンデンサ周辺の周辺温度との間の温度差が非常に小さい場合、熱移行流はほとんど無視できるほど小さいからである。これに対応して、作動流体流量の減少は、作動流体からコンデンサ周辺への熱移行流の減少を引き起こす。この場合、周辺温度は、少なくとも部分的に、コンデンサの冷媒温度によって形成されることができる。

本発明のその他の重要な特徴及び利点は、従属請求項、図、及びそれらの図に関連する説明に示されている。

前述した特徴及び以下に説明する特徴は、それぞれに示された特徴の組合せだけではなく、本発明の範囲から出ることなく、その他の組合せ又は単独でも適用可能であることは自明である。

本発明の有利な実施例がそれらの図の中に簡単に示されており、以下の説明においてその実施例を詳細に述べる。この場合、同一又は同様の構成部品又は機能の同じ構成部品には同一の記号が付されている。

ノーマルモードにおけるクラウジウス・ランキン回路の圧力−エンタルピー線図である。 低圧が引き上げられ、それに伴って低圧経路内の凝縮温度が上昇している場合の、高負荷モードにおけるクラウジウス・ランキン回路の圧力−エンタルピー線図である。

図１に基づき、熱利用装置１は、高温熱源としての、例えば内燃機関などの気化熱源２と、出力コンバータ４を備える膨張機関３と、低温熱源としてのコンデサ５と、フィードポンプ６と、を有している。従って、熱は、高温熱源としての気化熱源２から低温熱源としてのコンデンサ５に運ばれ、それによって、運ばれた熱の一部は、熱利用装置１により、利用可能な機械的仕事に変換され、同時に、この輸送によって気化熱源２が冷却され、一方でコンデンサ５のコンデンサ周辺は加熱される。また、熱利用装置１の作動流体の圧力−エンタルピー曲線７も示されており、この曲線は、エンタルピーｈが転写されているｘ軸８と共に範囲９を含んでおり、この範囲９は、作動流体の気体の凝集状態と作動流体の液体の凝集状態とが同時に存在していることを示している。圧力−エンタルピー曲線７と、圧力ｐが転写されているｙ軸１１との間にある範囲１０には、作動流体の液体の凝集状態だけが存在していることを示している。ｘ軸８方向の範囲９後に配置されている範囲１２には、作動流体の気体の凝集状態だけが存在していることを示している。

複数の気化曲線１３、１４、１５、１６は、圧力の低下に伴う様々な温度Ｔ_ｏ、Ｔ_ｏ ^＊、Ｔ_ｕ ^＊、Ｔ_ｕでの作動流体の特性を示している。作動流体の液体の凝集状態範囲１０から開始して、気化曲線１３、１４、１５、１６は、ほぼ等エンタルピー特性を示している。この場合、圧力の低下に伴って、気化曲線１３、１４、１５、１６は、圧力−エンタルピー曲線７の複数の地点１７、１８、１９、２０に当たるまで、ほぼｙ軸１１に対して平行に推移している。この地点１７、１８、１９、２０では、それぞれの温度Ｔ_ｏ、Ｔ_ｏ ^＊、Ｔ_ｕ ^＊、Ｔ_ｕ、及びそれぞれの地点１７、１８、１９、２０によって決定される圧力ｐ_ｏ、ｐ_ｏ ^＊、ｐ_ｕ ^＊、ｐ_ｕにおいて、作動流体が液体から気体への移行を開始する。このプロセスは定圧で行われるため、液体の凝集状態における作動流体の存在及び気体の凝集状態における作動流体の存在を示している範囲９での気化曲線１３、１４、１５、１６は、ｘ軸８に対して平行である。これらの気化曲線１３、１４、１５、１６は、範囲９においてもう一度、複数の地点１７’、１８’、１９’、２０’で圧力−エントロピー曲線７と出会う。範囲１０から出発して、気化曲線１３、１４、１５、１６の曲線変化を追っていくと、地点１７’、１８’、１９’、２０’において、全ての作動流体は液体の凝集状態から気体の凝集状態に移行している。従って、作動流体の気体の凝集状態範囲１２における気化曲線１３、１４、１５、１６の曲線変化は、さらに圧力が低下した場合の、気体の凝集状態にある作動流体の特性を示している。範囲１２における気化曲線１３、１４、１５、１６の変化に基づき、このプロセスは、等エンタルピーではない。

さらに、図１には循環過程２１が示されており、この循環過程２１は、作動流体の様々な状態Ａ、Ｂ、Ｃ、Ｄを示している。気体の凝集状態範囲１２に配置されている点Ａでは、作動流体が、加熱された蒸気又は気体として存在している。ＡからＢへと移行する間、気体は膨張機関３を通過し、作動流体は圧力低下と温度低下とを受ける。この場合、エンタルピー差Δｈは、膨張機関３によって利用可能な仕事に変換される。ＢからＣに移行する間、作動流体は、コンデンサ５によって液化される。続いて、ＣからＤへ移行する間、作動流体はフィードポンプ６を通過し、ほぼ等エンタルピーの圧力上昇を受ける。なぜなら、エンタルピーの上昇は、等エンタルピー過程の場合では容量と圧力差とから生じるが、液体が圧縮される場合は、循環過程２１の他のエンタルピー差に比べ、エンタルピーの上昇は非常に少ないからである。ＤからＡへ移行する間、液化した作動流体は、気化熱源２においてまず気化温度まで加熱され、次に気化し、発生した作動流体の蒸気は、点Ａに至るまで気化熱源２の廃熱によって加熱される。ＤからＡへ移行する間、すなわち作動流体が気化熱源２を通過する際には、作動流体の気化温度Ｔ_ｏが存在している。この気化温度Ｔ_ｏは、高圧ｐ_ｏにおける作動流体の気化温度を示している。ＢからＣへ移行する間、すなわち作動流体がコンデンサ５を通過する際には、コンデンサ５内の低圧ｐ_ｕにおいて作動流体の凝縮温度Ｔ_ｕが存在している。

作動流体の状態Ａ、Ｂ、Ｃ、Ｄを伴う上述の循環回路は、実質的に最適な循環回路を示している。しかし、状態Ｂが正確に圧力−エンタルピー曲線７上にないことも考えられる。つまり、作動流体が、膨張機関３を通過している間にも部分的にすでに液化されている場合、状態Ｂは範囲９の内側にある。この場合、エンタルピー差Δｈが上昇し、それによって利用可能な機械的仕事のエネルギー効率が高まる。気体の作動流体が液化可能になる前に、コンデンサ５を通過する間にもこの作動流体を冷却しなければならない場合、状態Ｂは範囲１２に配置されている。また、状態Ｃが同様に圧力−エンタルピー曲線７上にないこともあり得る。すなわち、作動流体が液化を超えるほど強力に冷却される場合、状態Ｃは範囲１０にある。コンデンサ５が作動流体を完全に液化できない場合、状態Ｃは範囲９の中にある。

コンデンサ周辺の周辺温度と作動流体の凝縮温度Ｔ_ｕとの間の温度差ΔＴによって、一般に、作動流体とコンデンサ周辺との間の熱移動流ｄＱの値が決定する。この場合、コンデンサ周辺と作動流体との間の熱移行は、以下の数式に従って行われる。
ｄＱ＝α・Ａ・ΔＴ・ｄｔ
Ａ 熱移行面積
ΔＴ コンデンサ５の周辺温度と作動流体の凝縮温度Ｔ_ｕとの間の温度差
α 特に作動流体の作動流体流量に左右される熱移行係数

上記の数式１から明らかなように、熱移行流ｄＱは、同様に、作動流体流量によって増加させることができる。なぜなら、熱移行係数αは、作動流体流量に左右され、作動流体流量が増加すればするほど増加するからである。

熱利用装置１の作動方法の好ましい実施形態では、コンデンサ５が作動流体の液化を行わなければならないが、特定の状況においては、コンデンサ５において作動流体の凝縮温度Ｔ_ｕを上昇させることが有利であり得る。このことにより、温度差ΔＴが拡大するため、上記数式１に基づいて、作動流体からコンデンサ周辺への熱移行流ｄＱが増加する。このような凝縮温度Ｔ_ｕの上昇は、低圧ｐ_ｕを引き上げることによって実現する。このように圧力が低圧ｐ_ｕからｐ_ｕ ^＊へと引き上げられると、循環過程２１の間隔Ｂ／Ｃは方向２３に従ってずれる。これと同時に、気化温度Ｔ_ｏと、作動流体が例えば膨張機関２を通過するときの高圧ｐ_ｏと、を低下させることができる。高圧ｐ_ｏと気化温度Ｔ_ｏとが低下することにより、循環過程２１の区間Ｄ／Ａが方向２２にずれる。高圧が低下することは必然的に生じる結果ではないが、一般的には作動流体のシステム容量、膨張機関の形態及びその作動戦略、またポンプフィード量にも左右される。

図２には、そうした循環過程２１に関してのｐ_ｕからｐ_ｕ ^＊への低圧の引上げの結果が示されている。図２に基づいて、作動流体は、例えば気化熱源２を通過する間、減少高圧ｐ_ｏ ^＊及び減少気化温度Ｔ_ｏ ^＊を有している。同時に、作動流体の低圧ｐ_ｕ ^＊及び凝縮温度Ｔ_ｕ ^＊は、コンデンサ５を通過する間、上昇している。このような措置によって、コンデンサ５における作動流体の完全な液化が容易に行われる。

ｐ_ｕからｐ_ｕ ^＊への低圧の変化は、膨張比を下げることにより、例えば熱利用装置１の膨張機関３への作業流体の供給経路の供給断面を変更することによって可能である。この供給断面は、適切な実施形態では、例えばスロットルバルブ、可変タービン形状などの形式におけるスロットル装置２４によって、必要に応じて縮小又は拡大される。この場合、供給断面の拡大によって、コンデンサ５における作動流体の低圧ｐ_ｕと凝縮温度Ｔ_ｕとが自動的かつ同時に上昇し、これと一緒に、気化熱源２の付近では、高圧ｐ_ｏと気化温度Ｔ_ｏとがやはり同時に上昇する。これにより、特に過渡的高負荷領域において、作動流体の凝縮温度Ｔ_ｕの上昇によって素早く負荷ピークに反応することができ、熱利用装置をオーバーヒートによる損傷から保護することが可能となる。有利であるのは、こうした調整方法により、特に高負荷モードの負荷範囲が、取り付けられているコンデンサ５の熱排出能力によってあまり大きく制限されないことである。

同様に、膨張機関３の回転数の変更により、低圧ｐ_ｕ及び凝縮温度Ｔ_ｕを、それぞれの状況に適合させることができる。

もう１つの発展形態では、凝縮温度Ｔ_ｕの上昇に加え、ポンプ回転数を変更することにより、作動流体流量を、例えばフィードポンプ６を介して上昇させることが可能である。作動流体流量の上昇によって、熱移行係数αが増加することにより、作動流体からコンデンサ周辺への熱移行流ｄＱが上昇する。

熱移行係数及び伝達熱の上昇にもかかわらず、作動流体の完全な凝縮のために排出される熱量が増加するという事実は、作動流体流量の上昇という面では不都合である。

この理由から、上昇低圧ｐ_ｕ ^＊では、同時に作動流体流量を減少させることが有利である。なぜなら、少なくとも流量に比例する、伝達しなければならないコンデンサ内の熱出力が全体的に減少するからである。これに対して、排出可能な出力の僅かな減少という欠点は、全く重要ではない。

好ましい実施形態では、熱利用装置１の気化熱源２が高負荷モードにある場合、場合によってはコンデンサ５が発生する熱量をもはや完全に排出できないために、作動流体の完全な凝縮が確実に行われなくなることを顧慮している。特に、この場合、作動流体の凝縮温度Ｔ_ｕの上昇により、熱移行流ｄＱの増加が実現される。そうすると、より多くの熱を作動流体からコンデンサ周辺に伝達することができるようになるため、作動流体の完全な液化が再び確実に行われる。

この場合、もう１つの発展形態においては、コンデンサ周辺の周辺温度も顧慮され、必要に応じて、標準負荷モードでも作動流体の凝縮温度Ｔ_ｕが調整される。このことは、例えば夏の時期など、周辺温度が非常に高い場合、作動流体の完全な液化を保証するために必要となることがある。

そのために、有利な実施形態では、センサ装置を装備することができ、このセンサ装置は、循環過程２１の少なくとも１つの箇所で圧力及び／又は温度を検知する。次に、検知された少なくとも１つの測定値に基づいて、低圧ｐ_ｕが調整される。この理由から、コンデンサ５の圧力及び／又は温度を、膨張機関３の直後及び気化熱源内において特定することは有利であり得る。同様に、作動流体流量の特定も有利である。

有利な実施形態では、循環回路２１がクラウジウス・ランキン回路として形成されている。しかし、同様に、カルノー回路、スターリング回路などとして実施することも考えられる。

内燃機関の廃熱利用装置として使用される熱利用装置１は、上述した種類及び方法で、特定の条件でのオーバーヒートによる損傷を受けることなく、熱利用装置１全体をより小さな寸法にできるという利点をもつ。

１ 熱利用装置
２ 気化熱源
３ 膨張機関
４ 出力コンバータ
５ コンデンサ
６ フィードポンプ
７ 圧力−エンタルピー曲線
８ ｘ軸
９ 範囲
１０ 範囲
１１ ｙ軸
１２ 範囲
１３ 気化曲線 Ｔ_ｕ
１４ 気化曲線 Ｔ_ｕ ^＊
１５ 気化曲線 Ｔ_ｏ
１６ 気化曲線 Ｔ_ｏ
１７、１７’ 地点
１８、１８’ 地点
１９、１９’ 地点
２０、２０’ 地点
２１ 循環過程
２２ 方向
２３ 方向
２４ スロットル装置
Ａ 作動流体の状態
Ｂ 作動流体の状態
Ｃ 作動流体の状態
Ｄ 作動流体の状態
Ｄ 作動流体の状態
Ｔ_ｏ、Ｔ_ｏ ^＊ 気化温度
Ｔ_ｕ、Ｔ_ｕ ^＊ 凝縮温度
ｐ_ｏ、ｐ_ｏ ^＊ 高圧
ｐ_ｕ、ｐ_ｕ ^＊ 低圧
Δｈ エンタルピー差
Ｈ エンタルピー

Claims (16)

1. 熱利用装置（１）が作動流体を有し、該作動流体は、前記熱利用装置（１）の膨張機関（３）における正常な膨張後に、前記熱利用装置（１）のコンデンサ（５）によって液化される、自動車の熱利用装置（１）の作動方法であって、
   前記熱利用装置（１）の膨張比の変更により、前記作動流体の完全な凝縮が前記コンデンサ（５）内で行われるように、前記作動流体の少なくとも１つの凝縮温度（Ｔ_ｕ、Ｔ_ｏ）が調整されることを特徴とする方法。
2. 前記熱利用装置（１）の低圧（ｐ_ｕ）の変更により、前記作動流体の完全な凝縮が前記コンデンサ（５）内で行われるように、前記作動流体の凝縮温度（Ｔ_ｕ）が調整されることを特徴とする、請求項１に記載の方法。
3. 前記低圧（ｐ_ｕ）が、前記作動流体の前記膨張機関（３）への供給経路の供給断面の変更により調整されることを特徴とする、請求項２に記載の方法。
4. 前記低圧（ｐ_ｕ）が、前記作動流体の前記膨張機関（３）への前記供給経路の供給断面の変更により、スロット制御を用いて調整されることを特徴とする、請求項３に記載の方法。
5. 前記低圧（ｐ_ｕ）が、前記膨張機関（３）の回転数を変更することによって調整されることを特徴とする、請求項２〜４のいずれか一項に記載の方法。
6. 前記熱利用装置（１）の高圧（ｐ_ｏ）の変更により、前記作動流体の完全な凝縮が前記コンデンサ（５）内で行われるように、前記作動流体の凝縮温度（Ｔ_ｕ）が調整されることを特徴とする、請求項１〜５のいずれか一項に記載の方法。
7. 前記熱利用装置（１）の前記作動流体の作動流体流量の変更により、前記作動流体の完全な凝縮が前記コンデンサ（５）内で行われるように、前記作動流体の凝縮温度（Ｔ_ｕ）が調整されることを特徴とする、請求項１〜６のいずれか一項に記載の方法。
8. 前記コンデンサ（５）から前記作動流体への熱移行流（ｄＱ）が、前記凝縮温度（Ｔ_ｕ）の変更によって調整されることを特徴とする、請求項１〜７のいずれか一項に記載の方法。
9. 前記熱移行流（ｄＱ）を増加させ、それによって、高負荷モードにおいても前記作動流体の完全な液化が前記コンデンサ（５）内で確実に行われるようにするため、前記熱利用装置（１）の気化熱源（２）の高負荷モードにおいて、前記コンデンサ（５）内で前記作動流体の凝縮温度（Ｔ_ｕ）が引き上げられることを特徴とする、請求項８に記載の方法。
10. 前記熱移行流（ｄＱ）が、追加的に前記作動流体流量によって調整されることを特徴とする、請求項７〜９のいずれか一項に記載の方法。
11. 前記作動流体流量が、前記膨張機関（１）のフィードポンプ（６）のフィード量を変更することによって調整されることを特徴とする、請求項７〜１０のいずれか一項に記載の方法。
12. 前記コンデンサ（５）内で前記作動流体の完全な凝縮を確実に行うため、前記コンデンサ（５）の周辺温度に基づいて、前記作動流体の凝縮温度（Ｔ_ｕ）が調整されることを特徴とする、請求項１〜１１のいずれか一項に記載の方法。
13. 前記コンデンサ（５）内で前記作動流体の完全な凝縮を確実に行うため、前記コンデンサ（５）の周辺温度に基づいて、前記作動流体流量が調整されることを特徴とする、請求項１２に記載の方法。
14. 前記熱利用装置（１）の循環回路（２１）が、カルノー回路、クラウジウス・ランキン回路、スターリング回路などとして形成されていることを特徴とする、請求項１〜１３のいずれか一項に記載の方法。
15. センサ装置によって、前記循環過程（２１）の少なくとも１つの箇所で前記作動流体の圧力及び／又は温度が測定され、少なくとも１つの測定値から、前記低圧（ｐ_ｕ）が調整されることを特徴とする、請求項１４に記載の方法。
16. 請求項１〜１５のいずれか一項に記載の方法を実行するのに適するように形成されている、自動車の内燃機関の廃熱利用装置として使用する熱利用装置。

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