JP2013117201A - 廃熱利用装置 - Google Patents

Abstract

【課題】ランキンサイクルの故障時においても、内燃機関の異常高温状態や、内燃機関から排出される排気中の窒素酸化物の増加を抑制可能な廃熱利用装置を提供する。
【解決手段】実施例１の廃熱利用装置は、駆動系１に用いられるランキンサイクル３、可変ノズル７ｆ、圧力センサ２５及びコントローラ２７を備えている。可変ノズル７ｆはターボチャージャ７内に配置され、排気を整流しつつタービン７ｅに導く。この廃熱利用装置では、圧力センサ２５が検出した作動流体の圧力を基にコントローラ２７がランキンサイクル３の故障を検知することで、このコントローラ２７は、可変ノズル７ｆのノズル本体７３を最大位置まで揺動させる。これにより、ターボチャージャ７から吐出される加圧空気の圧力が低下する。このため、この廃熱利用装置では、ランキンサイクル３の故障時であってもエンジン５に供給される加圧空気の温度が異常に高温となることを防止できる。
【選択図】図１

Description

本発明は廃熱利用装置に関する。

特許文献１に従来の廃熱利用装置が開示されている。この廃熱利用装置は、内燃機関としてのエンジンを有する駆動系に用いられており、ランキンサイクルを備えている。駆動系は、過給器としてのターボチャージャを有している。このターボチャージャは、車外の空気である外気を吸入し、エンジンに対して加圧空気を供給する。一方、ランキンサイクルは、ポンプ、ボイラ、膨張機及び凝縮器を有しており、ポンプによって作動流体を循環させることが可能となっている。また、ボイラでは加圧空気と作動流体とが熱交換可能となっている。

この廃熱利用装置では、ボイラ内において加圧空気によって作動流体が加熱される。そして、作動流体が膨張機で膨張及び減圧される際の圧力エネルギーを回収することが可能となっている。

また、この廃熱利用装置では、ボイラにおける熱交換によって加圧空気の冷却が可能であることから、加圧空気の密度を大きくさせて、より多くの加圧空気をエンジンに供給することが可能となっている。このため、この廃熱利用装置では、エンジンの出力を向上させることも可能となっている。

特開２００８−８２２４号公報

しかし、上記従来の廃熱利用装置では、例えばポンプの故障等、ランキンサイクルが故障すれば、ランキンサイクルにおいて作動流体が循環しなくなったり、その循環が適切でなくなったりし、ボイラでの熱交換が不可能又は不十分になる。このため、この廃熱利用装置では、加圧空気の冷却が不可能又は不十分になり、エンジンに対して加圧空気を好適に供給することできなくなる。このため、この廃熱利用装置では、エンジンが異常高温状態となったり、エンジンから排出される排気中の窒素酸化物が増加したりする等の問題が生じることとなる。

本発明は、上記従来の実情に鑑みてなされたものであって、ランキンサイクルの故障時においても、内燃機関の異常高温状態や、内燃機関から排出される排気中の窒素酸化物の増加を抑制可能な廃熱利用装置を提供することを解決すべき課題としている。

本発明の廃熱利用装置は、内燃機関を有する駆動系に用いられ、ポンプ、ボイラ、膨張機及び凝縮器を有して作動流体を循環させるランキンサイクルを備えた廃熱利用装置であって、
前記駆動系は、外気を吸入し、前記内燃機関に対して加圧空気を供給する過給器を有し、
前記ボイラは該加圧空気と前記作動流体との間で熱交換を行い、
該内燃機関に供給される該加圧空気の温度を調整可能な加圧空気温調手段と、
前記ランキンサイクルが故障したことを検知する故障検知手段と、
該故障検知手段が該ランキンサイクルの故障を検知すれば、該加圧空気の温度が低下するように該加圧空気温調手段を制御する制御手段とを備えていることを特徴とする（請求項１）。

本発明の廃熱利用装置は、加圧空気温調手段と、故障検知手段と、制御手段とを備えている。故障検知手段はランキンサイクルが故障したことを検知する。ここで、ランキンサイクルの故障とは、例えば、ポンプや膨張機や蒸発器が故障した状態の他、配管から作動流体が漏出した状態等が挙げられる。

そして、この廃熱利用装置では、故障検知手段がランキンサイクルの故障を検知すれば、制御手段は加圧空気の温度が低下するように加圧空気温調手段の制御を行う。これにより、加圧空気温調手段は、加圧空気の温度を低下させる。このため、この廃熱利用装置では、例えば、ランキンサイクルにおいて作動流体が循環せず、ボイラでの熱交換ができない場合であっても、内燃機関に供給される加圧空気の温度が異常に高温となることを防止できる。

したがって、本発明の廃熱利用装置によれば、ランキンサイクルの故障時であっても、内燃機関の異常高温状態や、内燃機関から排出される排気中の窒素酸化物の増加を抑制可能である。

内燃機関としては、ガソリンエンジンやディーゼルエンジン等の他、種々の形式のエンジンを採用することができる。また、これらのエンジンはモータを組み合わせたハイブリッドエンジンでも良い。さらに、これらのエンジンは空冷式でも水冷式でも良い。一方、過給器としては、ターボチャージャやスーパーチャージャ等を採用することができる。なお、内燃機関や過給機は複数であっても良い。

また、加圧空気温調手段は、ボイラに流入する前に加圧空気の温度を低下させても良く、ボイラから流出した後で加圧空気の温度を低下させても良い。

本発明の廃熱利用装置は、ランキンサイクルにおける作動流体の循環状態を検出する循環状態検出手段を有し得る。また、故障検知手段は、循環状態検出手段が検出した循環状態に基づき、ランキンサイクルが故障したことを検知可能であり得る。そして、循環状態検出手段は、ポンプと膨張機との間に設けられ、作動流体の圧力を検出する圧力センサであることが好ましい（請求項２）。

ランキンサイクルを循環する作動流体は一定の範囲で圧力を変化させつつランキンサイクルを循環する。そして、この循環する作動流体は、ポンプと膨張機との間で高圧の状態となる。このため、圧力センサによってポンプと膨張機との間の作動流体の圧力を検出することで、ランキンサイクルの状態をより正確に検知することが可能となる。また、この圧力センサが検出した作動流体の圧力に基づくことで、故障検知手段は、ランキンサイクルの故障を正確に検知することが可能となる。

本発明の廃熱利用装置において、過給器には、外気を吸入する外気吸入口と、加圧空気を吐出する吐出口とが設けられ得る。また、駆動系は、吐出口から吐出された加圧空気をボイラに導く加圧空気路と、加圧空気路から分岐し、加圧空気の一部を外気吸入口に還流させる加圧空気還流路とを有し得る。さらに、加圧空気温調手段は、加圧空気路を流通する加圧空気の流量と、加圧空気還流路を流通する加圧空気の流量とを調整する空気流量調整弁であり得る。そして、制御手段は、故障検知手段がランキンサイクルの故障を検知すれば、加圧空気還流路を流通する加圧空気の流量が多くなるように空気流量調整弁を制御し得る（請求項３）。

この場合、例えば、ポンプの故障等によりランキンサイクルが故障した際に制御手段が空気流量調整弁を制御することで、空気還流路を流通する加圧空気の流量が増加して、加圧空気路を流通する作動流体の流量が減少することとなる。これにより、この廃熱利用装置では、加圧空気路を流通する作動流体の圧力が低下する。加圧空気の温度は加圧空気の圧力に依存する関係にあることから、このように加圧空気の圧力が低下することで、加圧空気の温度も低下することとなる。このため、加圧空気は温度が低下した状態でボイラ、ひいては内燃機関に供給されることとなる。こうして、この廃熱利用装置では、ランキンサイクルが故障してボイラでの熱交換が行えない場合であっても、内燃機関に供給される加圧空気の温度が異常に高温となることを防止できる。

また、本発明の廃熱利用装置において、過給器は、内燃機関の排気により外気を吸入して外気の圧縮を行うターボチャージャであり得る。また、加圧空気温調手段は、ターボチャージャのタービンに供給される排気の圧力を調整可能な排気圧力調整装置であり得る。そして、制御手段は、故障検知手段がランキンサイクルの故障を検知すれば、タービンに供給される排気の圧力が低下するように排気圧力調整装置を制御し得る（請求項４）。

この場合、ランキンサイクルが故障した際に制御手段が排気圧力調整装置を制御することで、タービンに供給される排気の圧力が低下することとなる。これにより、ターボチャージャのコンプレッサにおける外気の圧縮量が減少する。このように外気の圧縮量が減少することで、加圧空気の圧力が低下するため、加圧空気の温度を低下させることが可能となる。こうして、この廃熱利用装置では、ランキンサイクルが故障した場合であっても、内燃機関に供給される加圧空気の温度が異常に高温となることを防止できる。

排気圧力調整装置としては、可変ノズルやフラッパ等を採用することができる。また、ターボチャージャとして、上記の可変ノズルが一体に設けられた可変ノズル付きターボチャージャ（ＶＮターボチャージャ）を採用することもできる。

また、本発明の廃熱利用装置において、過給器は、内燃機関の排気により外気を吸入して外気の圧縮を行うターボチャージャであり得る。また、加圧空気温調手段は、排気にターボチャージャのタービンを迂回させるバイパス路と、タービンに供給される排気の流量とバイパス路を流通する排気の流量とを調整可能な排気流量調整弁とを有し得る。そして、制御手段は、故障検知手段がランキンサイクルの故障を検知すれば、バイパス路を流通する排気の流量が多くなるように排気流量調整弁を制御し得る（請求項５）。

この場合、ランキンサイクルが故障した際に制御手段が排気流量調整弁を制御することで、バイパス路を流通する排気の流量が増加して、タービンに供給される排気の流量が減少する。これにより、この廃熱利用装置では、上記のようにターボチャージャのコンプレッサおける外気の圧縮量が減少し、加圧空気の温度を低下させることが可能となる。こうして、この廃熱利用装置でも、内燃機関に対して低温の状態で加圧空気を供給可能となり、ランキンサイクルが故障した際に、内燃機関に供給される加圧空気の温度が異常に高温となることを防止できる。なお、バイパス路は専用の配管等である他、ターボチャージャに設けられるウェイストゲートをバイパス路として用いることもできる。

また、本発明の廃熱利用装置において、過給器は、内燃機関によって駆動され、外気を吸入して外気の圧縮を行うスーパーチャージャであり得る。また、加圧空気温調手段は、内燃機関からスーパーチャージャに動力を伝達するとともに、スーパーチャージャに伝達される内燃機関の動力の調整を行う動力伝達調整装置であり得る。そして、制御手段は、故障検知手段がランキンサイクルの故障を検知すれば、スーパーチャージャに伝達される内燃機関の動力が小さくなるように動力伝達調整装置を制御し得る（請求項６）。

この場合、ランキンサイクルが故障した際に制御装置が動力伝達調整装置を制御することで、内燃機関からスーパーチャージャに伝達される動力が小さくなる。これにより、スーパーチャージャでは、外気の吸入量が減少するとともに吸入された外気の圧縮量が減少し、加圧空気の圧力が低下する。このため、この廃熱利用装置でも加圧空気の温度を低下させることが可能となる。

動力伝達調整装置としては、例えば、スーパーチャージャに対する内燃機関の動力伝達を断接可能なクラッチを採用することができる。また、動力伝達調整装置として、例えば、スーパーチャージャに伝達される内燃機関の動力（回転数）を増減可能なギヤ機構等を採用することもできる。

本発明の廃熱利用装置によれば、ランキンサイクルの故障時においても、内燃機関の異常高温状態や、内燃機関から排出される排気中の窒素酸化物の増加を抑制可能である。

実施例１の廃熱利用装置を示す模式構造図である。 実施例１に係り、可変ノズルを示す部分拡大断面図である。（Ａ）は可変ノズルのノズル本体が初期位置にある状態を示しており、（Ｂ）は可変ノズルのノズル本体が最大位置にある状態を示している。 実施例１に係り、排気通路の面積の相違による排気流量と圧力比との関係を示すグラフである。 実施例１に係り、ランキンサイクルの正常時における作動状態を示す模式構造図である。 実施例１に係り、ランキンサイクルの故障時における作動状態を示す模式構造図である。 実施例２に係り、ランキンサイクルの正常時における作動状態を示す模式構造図である。 実施例２に係り、ランキンサイクルの故障時における作動状態を示す模式構造図である。 実施例３に係り、ランキンサイクルの正常時における作動状態を示す模式構造図である。 実施例３に係り、ランキンサイクルの故障時における作動状態を示す模式構造図である。 実施例４に係り、ランキンサイクルの正常時における作動状態を示す模式構造図である。 実施例４に係り、ランキンサイクルの故障時における作動状態を示す模式構造図である。

以下、本発明を具体化した実施例１〜４を図面を参照しつつ説明する。

（実施例１）
実施例１の廃熱利用装置は、車両に搭載され、図１に示すように、車両の駆動系１に用いられている。この廃熱利用装置は、ランキンサイクル３と、可変ノズル７ｅと、圧力センサ２５と、コントローラ２７とを備えている。この可変ノズル７ｆが加圧空気温調手段かつ排気圧力調整装置に相当している。また、コントローラ２７が故障検知手段及び制御手段に相当している。

駆動系１は、内燃機関としてのエンジン５と、過給器としてのターボチャージャ７と、図示しないラジエータとを有している。エンジン５は、公知の水冷式ガソリンエンジンである。エンジン５の内部には冷却水が流通可能なウォータジャケット（図示略）が形成されている。エンジン５には、このウォータジャケットとそれぞれ連通する流出口と流入口と（いずれも図示を省略する。）が形成されている。また、エンジン５には、排気を排出する排気口５ａと、後述する加圧空気を吸入する吸気口５ｂとが形成されている。

ターボチャージャ７は、エンジン５から生じた排気によって作動され、エンジン５に対し、車外の空気を加圧した加圧空気を供給する。このターボチャージャ７には、その内部に排気を吸入する排気吸入口７ａと、吸入された排気を排出する排出口７ｂとが形成されている。また、ターボチャージャ７には、その内部に外気を吸入する外気吸入口７ｃと、加圧空気を吐出する吐出口７ｄとが形成されている。この外気吸入口７ｃが吸気口に相当する。

さらに、このターボチャージャ７の内部には、タービン７ｅ及び図示しないコンプレッサが設けられている。タービン７ｅは、排気吸入口７ａから吸入された排気によって回転し、外気吸入口７ｃから外気を吸入させる。また、コンプレッサは、タービン７ｅによって吸入された外気の圧縮を行う。このタービン７ｅの周囲には、上記の可変ノズル７ｆが複数設けられている。すなわち、このターボチャージャ７は、ＶＮターボチャージャである。

エンジン５とターボチャージャ７とは配管９〜１１によって接続されている。また、配管１０と配管１１とには後述するボイラ１５が接続されている。配管９は内部を排気が流通可能となっており、エンジン５の排気口５ａとターボチャージャ７の排気吸入口７ａとに接続されている。一方、配管１０及び配管１１は内部を加圧空気が流通可能となっている。配管１０はターボチャージャ７の吐出口７ｄと、ボイラ１５の第１流入口１５ａとに接続されている。この配管１０が加圧空気路に相当する。配管１１はボイラ１５の第１流出口１５ｂと、エンジン５の吸気口５ｂとに接続されている。

さらに、ターボチャージャ７の排出口７ｂには、配管１２の一端側が接続されている。この配管１２の他端側は、図示しないマフラと接続されている。また、ターボチャージャ７の外気吸入口７ｃには、配管１３の一端側が接続されている。この配管１３の他端側は図示しない車両のエアインテークに開口している。配管１２は、ターボチャージャ７を介して配管９と連通している。同様に、配管１３は、ターボチャージャ７を介して配管１０と連通している。

図２に示すように、このターボチャージャ７において、各可変ノズル７ｆは、タービン７ｅの外周に沿って一定間隔で配置されている。これらの可変ノズル７ｆは、排気吸入口７ａから吸入された排気を整流しつつタービン７ｅに導く。各可変ノズル７ｆは、揺動軸７１と、揺動軸７１に揺動可能に取り付けられたノズル本体７３とで構成されている。また、各可変ノズル７ｆの間には、排気をタービン７ｅに供給される排気が流通可能な排気通路７５がそれぞれ形成されている。これらの可変ノズル７ｆは、図１に示すコントローラ２７と電気的に接続されている。

図２に示す各ノズル本体７３は、回動軸７１を中心にして同図の（Ａ）に示す初期位置から同図の（Ｂ）に示す最大位置まで揺動可能である。また、各排気通路７５の面積は、各ノズル本体７３が揺動することによって変化する。つまり、各ノズル本体７３が同図の（Ａ）に示す初期位置にあるとき、各排気通路７５の面積は最小となり、各ノズル本体７３が同図の（Ｂ）に示す最大位置まで揺動することで、各排気通路７５の面積は最大となる。

ターボチャージャ７では、タービン７ｅに供給される排気の流量が多くなるに連れて、タービン７ｅに吸入された外気と、上記のコンプレッサで圧縮された加圧空気との圧力比、すなわち、加圧空気の圧力が大きくなる。そして、このターボチャージャ７では、各排気通路７５の面積が最小であるとき、図３のグラフに示すように、加圧空気の圧力比の最大値は３となる（同図の実線グラフ参照。）。一方、このターボチャージャ７では、各排気通路７５の面積が最大であるとき、加圧空気の圧力比の最大値は、約１．７となる（同図の破線グラフ参照。）。

図１に示すように、ランキンサイクル３は、電動ポンプＰ１と、ボイラ１５と、膨張機１７と、凝縮器１９と、配管２１〜２４とを有している。また、配管２１〜２４には、作動流体としてのＨＦＣ１３４ａが流通可能となっている。

電動ポンプＰ１には公用品が採用されている。電動ポンプＰ１には、吐出口１０１と吸入口１０２とが形成されている。この電動ポンプＰ１はコントローラ２７に電気的に接続されている。

ボイラ１５には、第１流入口１５ａ及び第１流出口１５ｂと、第２流入口１５ｃ及び第２流出口１５ｄとが形成されている。また、ボイラ１５内には、両端側でそれぞれ第１流入口１５ａ及び第１流出口１５ｂと連通する第１通路１５ｅと、両端側でそれぞれ第２流入口１５ｃ及び第２流出口１５ｄと連通する第２通路１５ｆとが設けられている。このボイラ１５では、第１通路１５ｅ内の加圧空気と、第２通路１５ｆ内の作動流体との熱交換により、加圧空気の冷却と作動流体の加熱とを行う。

膨張機１７には、その内部に作動流体を流入させる流入口１７ａと、作動流体を流出させる流出口１７ｂとが形成されている。膨張機１７では、ボイラ１５を経て加熱された作動流体を膨張させることにより回転駆動力を発生させる。この膨張機１７には図示しない公知の発電機が接続されている。発電機は膨張機１７の回転駆動力によって発電を行い、図示しないバッテリに電力を充電する。

凝縮器１９には、その内部に作動流体を流入させる流入口１９ａと、作動流体を流出させる流出口１９ｂとが形成されている。凝縮器１９は、その内部を流通する作動流体と車外の空気との間で熱交換を行い、膨張機１７での膨張によって減圧された作動流体を冷却して液化させる。凝縮器１９の近傍には電動ファン１９ｃが設けられている。この電動ファン１９ｃはコントローラ２７に電気的に接続されている。

これらの電動ポンプＰ１、ボイラ１５、膨張機１７及び凝縮器１９は、配管２１〜２４によって接続されている。具体的には、電動ポンプＰ１の吐出口１０１と、ボイラ１５の第２流入口１５ｃとが配管２１によって接続されている。ボイラ１５の第２流出口１５ｄと、膨張機１７の流入口１７ａとが配管２２によって接続されている。また、膨張機１７の流出口１７ｂと凝縮器１９の流入口１９ａとが配管２３によって接続されている。そして、凝縮器１９の流出口１９ｂと電動ポンプＰ１の吸入口１０２とが配管２４によって接続されている。

このランキンサイクル３では、電動ポンプＰ１を作動させることにより、図４に示すように、作動流体が配管２１〜２４内を循環する。つまり、作動流体は、電動ポンプＰ１の吐出口１０１からボイラ１５及び膨張機１７を経て、凝縮器１９から電動ポンプＰ１の吸入口１０２に至ることとなる。

図１に示すように、圧力センサ２５は配管２２に設けられている。この圧力センサ２５は公用品が採用されている。この圧力センサ２５は、配管２２を流通する作動流体の圧力を検出することで、ランキンサイクル３における作動流体の循環状態を検出する。圧力センサ２５はコントローラ２７と電気的に接続されており、作動流体の圧力の検出値をコントローラ２７に向けて発信する。

コントローラ２７は、ランキンサイクル３が故障しているか否かを判断する判断ルーチンを記憶している。このコントローラ２７では、圧力センサ２５から発信された上記の検出値を基にした判断ルーチンに従い、検出値が所定範囲内であれば、ランキンサイクル３が正常に作動していると判断する。一方、例えば、電動ポンプＰ１の故障や配管２１〜２４からの作動流体の漏出等が発生した場合には、上記の検出値が所定範囲を下回ることとなる。また、例えば、膨張機１７や凝縮器１９（電動ファン１９ｃ）等の故障が発生した場合には、検出値が所定範囲を上回ることとなる。これらのように、圧力センサ２５が検出した検出値が所定範囲外となれば、コントローラ２７は、ランキンサイクル３が故障したことを検知する。また、このコントローラ２７は可変ノズル７ｆの作動制御を行う。

さらに、このコントローラ２７は電動ポンプＰ１の作動制御を行う。また、このコントローラ２７は電動ファン１９ｃの作動制御を行うことで、作動流体が外気に放熱する熱量の調整を行う。

このように構成された廃熱利用装置では、車両を駆動させることにより以下のように作動する。

図４に示すように、車両が駆動されることにより、駆動系１ではエンジン５が作動する。これにより、排気口５ａから排出された排気が配管９、ターボチャージャ７及び配管１２を経てマフラから車外に排出される（同図の一点鎖線矢印参照）。これにより、排気吸入口７ａ流入した排気によってターボチャージャ７のタービン７ｅが作動する。そして、車外の空気は、配管１３及び外気吸入口７ｄを経て、タービン７ｆに吸引され、コンプレッサで圧縮されることで加圧空気とされる。

この際、コントローラ２７は各可変ノズル７ｆの制御を行い、各可変ノズル７ｆにおけるノズル本体７３について、図２の（Ａ）に示す初期位置とさせる。これにより、各排気通路７５の面積は最小となる。このため、このターボチャージャ７では、タービン７ｅに供給される排気の流量が多くなるに従い、同図の白色矢印で示すように各排気通路７５を流通する排気の流速が加速され、タービン７ｅを高速で回転されることとなる。これにより、ターボチャージャ７（コンプレッサ）における外気の圧縮量が増加し、ターボチャージャ７では、図３の実線グラフで示すように、高圧の状態で加圧空気を吐出口７ｄから吐出する。

この加圧空気は、図４に示すように、配管１０、ボイラ１５の第１通路１５ｅ及び配管１１を経てエンジン５の吸気口５ｂよりエンジン５内へ吸入される（同図の二点鎖線矢印参照）。なお、図示を省略しているものの、エンジン５（流出口及び流入口）とラジエータとの間で冷却水が循環し、エンジン５の冷却も行われる。

また、コントローラ２７は、電動ポンプＰ１及び電動ファン１９ｃをそれぞれ作動させる。これにより、ランキンサイクル３では、同図の実線矢印に示すように、電動ポンプＰ１の吐出口１０１から吐出された作動流体が配管２１を経て、ボイラ１５の第２流入口１５ｃから第２通路１５ｆに至る。そして、作動流体はボイラ１５において加圧空気と熱交換される。この際、第１通路１５ｅを流通する加圧空気は上記のように高圧であることから約１５０°Ｃ程度の熱を有している。このため、第２通路１５ｆを流通する作動流体は、好適に加熱される。一方、第１通路１５ｅを流通する加圧空気は、第２通路１５ｆを流通する作動流体に対して放熱を行うため、加圧空気は冷却された状態で吸気口５ｂからエンジン５内に至ることとなる。

こうして、ボイラ１５によって加熱された作動流体は、高温高圧の状態で第２流出口１５ｄから流出し、配管２２へ流入する。この際、圧力センサ２５は配管２２を流通する作動流体の圧力を検出し、その検出値をコントローラ２７に向けて発信する。ここで、圧力センサ２５から発信された検出値が所定範囲内であれば、コントローラ２７はランキンサイクル３が正常に作動していると判断し、各可変ノズル７ｆを最大位置へは作動させない。このため、ターボチャージャ７（コンプレッサ）における外気の圧縮量は維持される。

配管２２を流通する作動流体は膨張機１７の流入口１７ａから膨張機１７内へ至る。そして、高温高圧の作動流体は膨張機１７内で膨張し、減圧される。この際の圧力エネルギーによって膨張機１７に接続された発電機は発電を行う。これにより、この廃熱利用装置におけるランキンサイクル３では、上記の圧力エネルギーを電力として回収する。

膨張機１７内で減圧された作動流体は流出口１７ｂから流出し、配管２３を経て凝縮器１９の流入口１９ａから凝縮器１９内へ至る。凝縮器１９内の作動流体は、凝縮器１９の周りの空気に放熱を行い、冷却される。この際、コントローラ２７は電動ファン１９ｃの作動量を適宜変更して、作動流体を好適に放熱させて液化させる。冷却された作動流体は流出口１９ｂから流出し、配管２４を経て電動ポンプＰ１の吸入口１０２に吸入され、再び、電動ポンプＰ１の吐出口１０１から吐出されることとなる。

このように、この廃熱利用装置では、ボイラ１５における加圧空気と作動流体との熱交換で作動流体を十分に加熱することが可能となる。このため、この廃熱利用装置では、膨張機１７で作動流体を膨張及び減圧させた際の圧力エネルギーを大きくすることができる。このため、この廃熱利用装置では、ランキンサイクル３において回収可能なエネルギーの量、すなわち、電力量を大きくすることが可能となっている。

また、この廃熱利用装置では、ボイラ１５における熱交換によって、加圧空気を冷却させることが可能となっている。このため、加圧空気は十分に冷却され、その密度が大きくなった状態でエンジン５に吸入されることとなる。これにより、この廃熱利用装置では、エンジン５の出力を向上させることが可能となっている。

一方、図５に示すように、何らかの原因により電動ポンプＰ１が故障すれば、ランキンサイクル３では、配管２１〜２４を循環する作動流体の循環速度及び圧力が次第に低下し、最終的には作動流体が配管２１〜２４を循環しない状態となる。またこの場合、圧力センサ２５から発信された検出値も所定範囲を下回ることとなる。このため、コントローラ２７はランキンサイクル３が故障したことを検知し、各可変ノズル７ｆを最大位置へ作動させる。これにより、図２の（Ｂ）に示すように、各可変ノズル７ｆにおけるノズル本体７３が最大位置まで揺動し、各排気通路７５の面積が最大となる。

この場合、同図の白色矢印で示すように、各排気通路７５を流通する排気は、ほぼ加速されることなくタービン７ｅに供給されることとなる。このため、タービン７ｅは、同図の（Ａ）の状態と比較して、低速で回転されることとなる。これにより、コンプレッサにおける外気の圧縮量が減少し、ターボチャージャ７では、図３の破線グラフで示すように、比較的低圧の状態で加圧空気を吐出口７ｄから吐出する。

加圧空気の温度は加圧空気の圧力に依存する関係にあることから、このように加圧空気の圧力が低下することで、加圧空気の温度も低下することとなる。このため、図４に示すように、温度の低い加圧空気が配管１０を流通し、ボイラ１５に流入した後、配管１１を経て吸気口５ｂからエンジン５内に至ることとなる。

このように、この廃熱利用装置では、例え、ランキンサイクル３が故障（電動ポンプＰ１の故障により、ランキンサイクル３において作動流体が循環しない等。）し、ボイラ１５での熱交換ができない場合であっても、ターボチャージャ７から吐出される加圧空気の圧力を低下させることで、加圧空気の温度を低下させる。なお、上記の説明では電動ポンプＰ１の故障に由来するランキンサイクル３の故障を例に説明しているが、この廃熱利用装置では、膨張機１７や凝縮器１９等の故障により、ボイラ１５での熱交換が適切に行えない場合であっても、同様にして、加圧空気の冷却を行うことが可能となっている。

このため、この廃熱利用装置では、ランキンサイクル３の故障によりボイラ１５での熱交換ができない場合であっても、エンジン５に供給される加圧空気の温度が異常に高温となることを防止できる。

したがって、実施例１の廃熱利用装置によれば、ランキンサイクル３の故障時であっても、エンジン５の異常高温状態や、エンジン５から排出される排気中の窒素酸化物の増加を抑制可能である。

特に、この廃熱利用装置では、圧力センサ２５によって検出された配管２２を流れる作動流体の圧力、すなわち、電動ポンプＰ１と膨張機１７との間の作動流体の圧力に基づき、コントローラ２７はランキンサイクル３の故障を検知することが可能となっている。このため、この廃熱利用装置では、コントローラ２７がランキンサイクル３の故障を正確に検知することが可能となっている。

（実施例２）
実施例２の廃熱利用装置は、実施例１の廃熱利用装置の構成に加えて、図６に示すように、空気流量調整弁３３を備えている。また、この廃熱利用装置の駆動系１には、ターボチャージャ７０と、加圧空気還流路としての加圧空気還流路３１とが設けられている。

ターボチャージャ７０には、図１に示す実施例１の廃熱利用装置におけるターボチャージャ７と異なり、可変ノズル７ｆが設けられていない。このターボチャージャ７０における他の構成は、ターボチャージャ７と同様である。また、図６に示すように、排気吸入口７ａ、排出口７ｂ、外気吸入口７ｃ及び吐出口７ｄに対する配管９、１０、１２、１３の接続もターボチャージャ７と同様である。

加圧空気還流路３１の一端側は配管１０に接続されている。また、加圧空気還流路３１の他端側は配管１３に接続されている。この加圧空気還流路３１では、加圧空気を流通させることで、ターボチャージャ７０の吐出口７ｄから吐出された加圧空気の一部を外気吸入口７ｄに還流させることが可能となっている。

空気流量調整弁３３は加圧空気還流路３１に設けられている。空気流量調整弁３３は開度を調整することにより、配管１０を流通してボイラ１５に流入する加圧空気の流量と、加圧空気還流路３１を流通して外気吸入口７ｄに還流される加圧空気の流量とを調整可能となっている。この空気流量調整弁３３はコントローラ２７に電気的に接続されている。

コントローラ２７は、ランキンサイクル３の故障を検知しない限り、空気流量調整弁３３を閉制御し、加圧空気還流路３１に加圧空気を流通させない状態とする。この廃熱利用装置における他の構成は実施例１の廃熱利用装置と同様であり、同一の構成に関しては同一の符号を付して構成に関する詳細な説明を省略する。

この廃熱利用装置でも、実施例１の廃熱利用装置と同様、ボイラ１５における熱交換により、作動流体が加熱されるとともに、加圧空気が冷却される。この廃熱利用装置では、圧力センサ２５から発信された検出値が所定範囲内であり、ランキンサイクル３が正常に作動しているとコントローラ２７が判断している間は、上記のように、空気流量調整弁３３が閉制御されて、加圧空気還流路３１を加圧空気が流通しない。つまり、この場合には、ターボチャージャ７０から吐出された加圧空気が全てボイラ１５に流入し、ひいてはエンジン５に供給されることとなる。このため、この廃熱利用装置においても、ランキンサイクル３において回収可能な電力量を大きくすることができるともに、加圧空気を好適にエンジン５に供給することで、エンジン５の出力を向上させることも可能となっている。

一方、この廃熱利用装置において、圧力センサ２５から発信され検出値に基づき、コントローラ２７がランキンサイクル３の故障を検知した場合、図７に示すように、コントローラ２７は空気流量調整弁３３を開制御する。なお、この廃熱利用装置においても、なお、以下では実施例１の廃熱利用装置と同様、電動ポンプＰ１の故障に由来するランキンサイクル３の故障時を例に説明する。後述する実施例３及び実施例４においても同様とする。

配管１３を流通する外気は、配管１０を流通する加圧空気よりも低圧であるため、空気流量調整弁３３が開制御されることにより、配管１０を流通する加圧空気の一部は加圧空気還流路３１に流入することとなる。これにより、配管１０を流通する加圧空気の流量が減少して、配管１０を流通する加圧空気の圧力が低下することとなる。一方、加圧空気還流路３１を流通する加圧空気は配管１３の外気によって減圧された後、再びターボチャージャ７０のコンプレッサ（図示略）によって圧縮されることとなる。

このように、この廃熱利用装置では、ランキンサイクル３が故障した際、配管１０を流通する加圧空気の圧力を低下させることで、配管１０を流通する加圧空気の温度を低下させることが可能となっている。これにより、この廃熱利用装置でも、ランキンサイクル３の故障によりボイラ１５での熱交換ができない場合であっても、エンジン５に対して供給される加圧空気の温度が異常に高温となることを防止できる。この廃熱利用装置における他の作用効果は、実施例１の廃熱利用装置と同様である。

（実施例３）
実施例３の廃熱利用装置は、実施例２の廃熱利用装置を一部変更して構成している。この廃熱利用装置では、実施例２の廃熱利用装置における加圧空気還流路３１及び空気流量調整弁３３に替えて、図８に示すように、バイパス路３５と、排気流量調整弁３７とを備えている。この廃熱利用装置では、これらのバイパス路３５及び排気流量調整弁３７によって、加圧空気温調手段が構成されている。

バイパス路３５の一端側は配管９に接続されている。また、バイパス路３５の他端側は配管１２に接続されている。このバイパス路３５は、排気を流通させることで、配管９を流通する排気について、ターボチャージャ７０のタービン７ｅを迂回させて配管１２に導くことが可能となっている。

排気流量調整弁３７はバイパス路３５に設けられている。排気流量調整弁３７は開度を調整することにより、配管９を流通して排気流入口７ａからタービン７ｅに供給される排気の流量と、バイパス路３５を流通する排気の流量とを調整可能となっている。この排気流量調整弁３７はコントローラ２７に電気的に接続されている。

コントローラ２７は、ランキンサイクル３の故障を検知しない限り、排気流量調整弁３７を閉制御し、バイパス路３５に排気を流通させない状態とする。この廃熱利用装置における他の構成は実施例１、２の廃熱利用装置と同様である。

この廃熱利用装置でも、実施例１の廃熱利用装置と同様、ボイラ１５における熱交換により、作動流体が加熱されるとともに、加圧空気が冷却される。この廃熱利用装置では、圧力センサ２５から発信された検出値が所定範囲内であり、ランキンサイクル３が正常に作動しているとコントローラ２７が判断している間は、上記のように、排気流量調整弁３７が閉制御されて、バイパス路３５を排気が流通しない。

これにより、エンジン５から排出され、配管９を流通する排気は全てタービン７ｅに供給されることとなる。このため、タービン７ｅに供給される排気の流量が多くなり、その圧力も大きくなる。このため、タービン７ｅが高速で回転され、ターボチャージャ７０（コンプレッサ）における外気の圧縮量が増加する。このため、高圧の状態で加圧空気が吐出口７ｄから吐出し、配管１０を流通する加圧空気の圧力が高くなる。こうして、この廃熱利用装置においても、ランキンサイクル３において回収可能な電力量を大きくすることができるともに、エンジン５の出力を向上させることも可能となっている。

一方、この廃熱利用装置において、圧力センサ２５から発信された検出値に基づき、コントローラ２７がランキンサイクル３の故障を検知した場合、図９に示すように、コントローラ２７は、排気流量調整弁３７を開制御する。これにより、配管９を流通する排気の一部はバイパス路３５に流入することとなる。

上記のように、バイパス路３５に排気の一部が流入することで、タービン７ａに供給される排気の流量が減少し、その圧力も小さくなる。このため、タービン７ｅの回転速度が低下し、外気の圧縮量が小さくなる。これにより、配管１０を流通する加圧空気の圧力が低下することとなる。一方、バイパス路３５を流通する排気はターボチャージャ７０（タービン７ｅ）を迂回して、配管１２及びマフラを介して車外に排出されることとなる。

このように、この廃熱利用装置では、ランキンサイクル３が故障した際、タービン７ｅに供給される排気の圧力を低下させることで、ターボチャージャ７０から吐出される加圧空気の温度を低下させることが可能となっている。これにより、この廃熱利用装置でもランキンサイクル３の故障によりボイラ１５での熱交換ができない場合であっても、エンジン５に対して供給される加圧空気の温度が異常に高温となることを防止できる。この廃熱利用装置における他の作用効果は、実施例１の廃熱利用装置と同様である。

（実施例４）
実施例４の廃熱利用装置は、実施例１の廃熱利用装置を一部変更して構成している。この廃熱利用装置では、図１０に示すように、駆動系１がスーパーチャージャ３９を有している。また、エンジン５には第１駆動軸４１が動力伝達可能に設けられている。さらに、エンジン５の排気口５ａには、上記の配管１２が接続されている。

スーパーチャージャ３９は、図示しない圧縮機構が設けられた圧縮ユニット３９ａと、動力ユニット３９ｂとを有している。この動力ユニット３９ｂには、第２駆動軸４３が動力伝達可能に設けられている。なお、この動力ユニット３９ｂ内には圧縮機構を作動させるギヤ機構等が設けられている。

第２駆動軸４３は動力伝達調整装置としての電磁クラッチ４５を介して第１駆動軸４１と動力伝達可能となっている。これにより、エンジン５と動力ユニット３９ｂとは、第１、２駆動軸４１、４３及び電磁クラッチ４５を介して動力伝達が可能であり、エンジン５はスーパーチャージャ３９を駆動可能となっている。

電磁クラッチ４５には公用品が採用されている。この電磁クラッチ４５はコントローラ２７と電気的に接続されている。この電磁クラッチ４５により、第１駆動軸４１と第２駆動軸４３との間で動力の伝達を行う場合と、動力の伝達を行わない場合とを切り替えることが可能となり、スーパーチャージャ３９に伝達されるエンジン５の動力の調整を行うことが可能となる。この電磁クラッチ４５が動力伝達調整装置に相当する。

また、圧縮ユニット３９ａには、その内部に外気を吸入する外気吸入口３９１と、加圧空気を吐出する吐出口３９２とが形成されている。外気吸入口３９１には、配管４７の一端側が接続されている。この配管４７の他端側は、図示しないエアインテークと接続されている。また、吐出口３９２には配管４９の一端側が接続されている。この配管４９の他端側は、ボイラ１５の第１流入口１５ａに接続されている。

コントローラ２７は、ランキンサイクル３の故障を検知しない限り、電磁クラッチ４５を接続状態とし、第１駆動軸４１と第２駆動軸４３との間で動力の伝達を可能な状態とする。この廃熱利用装置における他の構成は実施例１の廃熱利用装置と同様である。

この廃熱利用装置では、エンジン５が駆動することにより、その動力が第１駆動軸４１、電磁クラッチ４５及び第２駆動軸４３を介してスーパーチャージャ３９に伝達される。そして、スーパーチャージャ３９は、外気吸入口３９１から配管４７を流通する外気を吸入し、その外気を圧縮機構で圧縮して加圧空気とする。この加圧空気は吐出口３９２から吐出され、配管４９を経てボイラ１５に流入することとなる。なお、エンジン５で生じた排気は、排気口５ａから配管１２及びマフラを介して車外に排出される。

この廃熱利用装置では、圧力センサ２５から発信された検出値が所定範囲内であり、ランキンサイクル３が正常に作動しているとコントローラ２７が判断している間は、上記のように、電磁クラッチ４５が接続状態とされ、スーパーチャージャ３９は吸入された外気の圧縮を行う。

このため、この廃熱利用装置も、実施例１の廃熱利用装置と同様、ボイラ１５における熱交換により、作動流体が加熱されるとともに、加圧空気が冷却される。こうして、この廃熱利用装置においても、ランキンサイクル３において回収可能な電力量を大きくすることができるともに、エンジン５の出力を向上させることも可能となっている。

一方、この廃熱利用装置において、圧力センサ２５から発信された検出値に基づき、コントローラ２７がランキンサイクル３の故障を検知した場合、図１１に示すように、コントローラ２７は、電磁クラッチ４５を切断状態に切り替える。これにより、第１駆動軸４１と第２駆動軸４３との間における動力の伝達が行われなくなり、スーパーチャージャ３９の作動が停止する。スーパーチャージャ３９の作動が停止することにより、配管４９を流通する作動流体の流量が次第に低下し、その圧力も小さくなる。なお、この場合、最終的にはスーパーチャージャ３９からエンジン５に供給される加圧空気がゼロ、すなわち、スーパーチャージャ３９からエンジン５に加圧空気が供給されなくなる。

このように、この廃熱利用装置では、ランキンサイクル３が故障した際、エンジン５とスーパーチャージャ３９との動力伝達を断つことで、スーパーチャージャ３９から吐出される加圧空気の圧力を低下させて、加圧空気の温度を低下させることが可能となっている。これにより、この廃熱利用装置でも、ランキンサイクル３の故障によりボイラ１５での熱交換ができない場合であっても、エンジン５に対して供給される加圧空気の温度が異常に高温となることを防止できる。この廃熱利用装置における他の作用効果は、実施例１の廃熱利用装置と同様である。

以上において、本発明を実施例１〜４に即して説明したが、本発明は上記実施例１〜４に制限されるものではなく、その趣旨を逸脱しない範囲で適宜変更して適用できることはいうまでもない。

例えば、実施例１〜４の廃熱利用装置におけるエンジン５について、ディーゼルエンジンを採用することもできる。この場合、ランキンサイクル３が故障した場合に、エンジン５から配管１２及びマフラを介して最終的に車外に排出される排気中の窒素酸化物の増加を抑制可能となる。

また、実施例１〜４の廃熱利用装置では、圧力センサ２５が検出した配管２２を流通する作動流体の圧力に基づいてコントローラ２７がランキンサイクル３の故障を検知している。この圧力センサ２５に替えて、例えば、電動ポンプＰ１や膨張機１７にロックセンサ等を設け、コントローラ２７は、このロックセンサ等に基づいてランキンサイクル３の故障を検知してもよい。

さらに、実施例４の廃熱利用装置において、電磁クラッチ４５を設けずに、コントローラ２７が動力ユニット３９ｂを制御する構成とすることもできる。この場合、コントローラは２７が動力ユニット３９ｂを制御することで、第１、２駆動軸４１、４３を介してスーパーチャージャ３９に伝達されるエンジン５の動力を増減可能となる。このため、ランキンサイクル３の故障時にスーパーチャージャ３９に伝達されるエンジン５の動力を減少させることで、スーパーチャージャ３９における外気の圧縮量が低下し、吐出される加圧空気の圧力が小さくなることで、加圧空気の温度を低下させることが可能となる。さらに、この構成では、電磁クラッチ４５を採用した場合と異なり、ランキンサイクル３の故障時にもスーパーチャージャ３９からエンジン５へ供給される加圧空気の減少を抑制できるため、エンジン５の出力低下をより抑制可能である。

本発明は車両等の廃熱利用装置に利用可能である。

１…駆動系
３…ランキンサイクル
５…エンジン
７…ターボチャージャ（過給器）
７ｃ…外気吸入口
７ｄ…吐出口
７ｅ…タービン
７ｆ…可変ノズル（加圧空気温調手段、排気圧力調整装置）
１０…配管（加圧空気路）
１５…ボイラ
１７…膨張機
２１〜２４…配管
２５…圧力センサ（循環状態検出手段）
２７…コントローラ（故障検知手段、制御手段）
３１…加圧空気還流路
３３…空気流量調整弁（加圧空気温調手段）
３５…バイパス路（加圧空気温調手段）
３７…排気流量調整弁（加圧空気温調手段）
３９…スーパーチャージャ（過給器）
４５…電磁クラッチ（動力伝達調整装置）
７０…ターボチャージャ（過給器）
Ｐ１…電動ポンプ（ポンプ）

Claims (6)

1. 内燃機関を有する駆動系に用いられ、ポンプ、ボイラ、膨張機及び凝縮器を有して作動流体を循環させるランキンサイクルを備えた廃熱利用装置であって、
   前記駆動系は、外気を吸入し、前記内燃機関に対して加圧空気を供給する過給器を有し、
   前記ボイラは該加圧空気と前記作動流体との間で熱交換を行い、
   該内燃機関に供給される該加圧空気の温度を調整可能な加圧空気温調手段と、
   前記ランキンサイクルが故障したことを検知する故障検知手段と、
   該故障検知手段が該ランキンサイクルの故障を検知すれば、該加圧空気の温度が低下するように該加圧空気温調手段を制御する制御手段とを備えていることを特徴とする廃熱利用装置。
2. 前記ランキンサイクルにおける前記作動流体の循環状態を検出する循環状態検出手段を有し、
   前記故障検知手段は、該循環状態検出手段が検出した該循環状態に基づき、該ランキンサイクルが故障したことを検知可能であり、
   前記循環状態検出手段は、前記ポンプと前記膨張機との間に設けられ、前記作動流体の圧力を検出する圧力センサである請求項１記載の廃熱利用装置。
3. 前記過給器には、外気を吸入する外気吸入口と、前記加圧空気を吐出する吐出口とが設けられ、
   前記駆動系は、該吐出口から吐出された該加圧空気を前記ボイラに導く加圧空気路と、該加圧空気路から分岐し、該加圧空気の一部を該外気吸入口に還流させる加圧空気還流路とを有しており、
   前記加圧空気温調手段は、該加圧空気路を流通する該加圧空気の流量と、該加圧空気還流路を流通する該加圧空気の流量とを調整する空気流量調整弁であり、
   前記制御手段は、前記故障検知手段が前記ランキンサイクルの故障を検知すれば、該加圧空気還流路を流通する該加圧空気の流量が多くなるように該空気流量調整弁を制御する請求項１又は２記載の廃熱利用装置。
4. 前記過給器は、前記内燃機関の排気により外気を吸入して該外気の圧縮を行うターボチャージャであり、
   前記加圧空気温調手段は、該ターボチャージャのタービンに供給される該排気の圧力を調整可能な排気圧力調整装置であり、
   前記制御手段は、前記故障検知手段が前記ランキンサイクルの故障を検知すれば、該タービンに供給される排気の圧力が低下するように該排気圧力調整装置を制御する請求項１又は２記載の廃熱利用装置。
5. 前記過給器は、前記内燃機関の排気により外気を吸入して該外気の圧縮を行うターボチャージャであり、
   前記加圧空気温調手段は、該排気に該ターボチャージャのタービンを迂回させるバイパス路と、該タービンに供給される該排気の流量と該バイパス路を流通する該排気の流量とを調整可能な排気流量調整弁とを有し、
   前記制御手段は、前記故障検知手段が前記ランキンサイクルの故障を検知すれば、該バイパス路を流通する該排気の流量が多くなるように該排気流量調整弁を制御する請求項１又は２記載の廃熱利用装置。
6. 前記過給器は、前記内燃機関によって駆動され、外気を吸入して該外気の圧縮を行うスーパーチャージャであり、
   前記加圧空気温調手段は、該内燃機関から該スーパーチャージャに動力を伝達するとともに、該スーパーチャージャに伝達される該内燃機関の動力の調整を行う動力伝達調整装置であり、
   前記制御手段は、前記故障検知手段が前記ランキンサイクルの故障を検知すれば、該スーパーチャージャに伝達される該内燃機関の動力が小さくなるように該動力伝達調整装置を制御する請求項１又は２記載の廃熱利用装置

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