JP2013119831A - 動力回収装置 - Google Patents

Abstract

【課題】簡単な構成で膨張機の過回転を確実に防止するとともに、膨張機が取り出した動力を効率よく回生することを実現した動力回収装置を提供することを目的とする。
【解決手段】ランキンサイクル装置１０の膨張機１３とエンジン２０とが、プーリ２３、プーリ２４及びベルト２５を介して接続されており、膨張機１３とプーリ２３との間には、膨張機１３側からエンジン２０側への動力の伝達のみを許容するワンウェイクラッチ２２が設けられている。また、第１開閉弁１７が設けられた作動流体バイパス通路１６によって、膨張機１３の上流側と下流側とが接続されている。エンジン２０の回転数センサ２６が所定の回転数を超えると、ＥＣＵ２７は第１開閉弁１７に開弁指令を出力し、それにより、膨張機１３を通過する冷媒の流量を減少させる。
【選択図】図１

Description

この発明は動力回収装置に係り、特に、作動流体を膨張させることによって動力を取り出す膨張機を備えた動力回収装置の構成に関する。

近年、作動流体の膨張エネルギーを動力として取り出す膨張機を備え、膨張機が取り出した動力を膨張機負荷の駆動、または駆動の補助に利用する動力回収装置が開発されている。このような動力回収装置において、膨張機の回転数が信頼性の限界を超えて過大となる過回転になると、振動や騒音の増大、あるいは膨張機の破損といった問題を引き起こすおそれがあるため、膨張機の過回転を防止することが必要になる。

特許文献１には、ランキンサイクルを利用してエンジンの廃熱を回収する廃熱回収装置（動力回収装置）が記載されている。この装置は、タービン（膨張機）が取り出した動力を膨張機負荷であるエンジンの補助動力として利用するものであり、タービンとエンジンとの間に電磁クラッチを設けている。例えばエンジンの冷間始動時等、タービンがエンジンの補助動力を回収するのに十分な回転数で回転していない場合、電磁クラッチはタービンとエンジンとの連結を解除し、タービンがエンジンの回転抵抗となることを防止している。このような場合に、何らかの異常に起因してタービンが過回転になると、電磁クラッチはタービンとエンジンとを連結することによって過回転を防止する。尚、タービンが過回転であるかどうかの判別は、蒸気化してタービンに流入する作動流体の圧力または温度、あるいはタービンの回転数に基づいて行われている。

また、特許文献２には、膨張機であるタービンと膨張機負荷であるエンジンとの間に変速機を設けた廃熱回収装置が記載されている。この装置では、タービンの過回転か検出されると変速機の変速比を変更するか、または変速機に設けたクラッチを切断することにより、タービンの過回転を防止している。

特開２０１０−１０１２８３号公報 特開２０１０−２４２５１８号公報

しかしながら、特許文献１及び特許文献２に記載の廃熱回収装置は、タービンの過回転を防止するため、複雑な構成を有する電磁クラッチや変速機等をタービンとエンジンとの間に設けることを必要としており、装置全体の大型化や製造コストの増大を招くという問題点を有していた。また、特許文献１及び特許文献２に記載の廃熱回収装置は、エンジンをタービンの負荷とすることにより、タービンの回転数を過回転域から安全域に制限する制御を行っているため、この制御を解除した後のタービンの回転数は、制御の解除前よりも高くなることが起こり得る。したがって、回転数を制限する制御を解除するタイミングが早すぎる場合、タービンの回転数が過回転域となってしまい、再度制御を実行する。つまり過回転域と安全域との間を連続的に推移する、いわゆるハンチングが発生し易い。一方、制御を解除するタイミングが遅すぎる場合、エンジンは、既に制御を解除しても安全域で回転できるタービンをいつまでも駆動し続ける状態となるため、エンジンの動力の使用効率や、タービンの動力の回生効率が悪くなる。つまり、特許文献１及び特許文献２に記載の廃熱回収装置は、タービンの回転数を安全域に制限する制御を解除するのに最適なタイミングを把握することが困難であるという問題点を有していた。

この発明は、このような問題点を解決するためになされたもので、簡単な構成で膨張機の過回転を確実に防止するとともに、膨張機が取り出した動力を効率よく回生することを実現した動力回収装置を提供することを目的とする。

この発明に係る動力回収装置は、作動流体を膨張させることによって動力を取り出す膨張機と、膨張機によって取り出された動力が伝達される膨張機負荷と、膨張機と膨張機負荷との間に設けられ、膨張機側から膨張機負荷側への動力の伝達のみを許容するワンウェイクラッチと、膨張機負荷の回転数を検出する回転数検出手段と、膨張機を通過する作動流体の流量を調節する流量調節手段とを備え、流量調節手段は、回転数検出手段が検出した膨張機負荷の回転数が所定の回転数を超えた場合に、膨張機を通過する作動流体の流量を減少させることを特徴とするものである。

膨張機負荷は、膨張機から伝達される動力以外の動力によって作動可能であってもよい。
流量調節手段は、膨張機を通過する作動流体の質量流量を調節する質量流量調節手段を含み、質量流量調節手段は、膨張機の上流側と下流側とを接続する作動流体バイパス通路と、作動流体バイパス通路を開閉する第１開閉弁とであってもよい。
膨張機は、作動流体を圧送するポンプ、ポンプが圧送した作動流体と熱媒体とを熱交換させるボイラ、及び膨張機が膨張させた作動流体を冷却して凝縮させるコンデンサと共にランキンサイクル装置を構成してもよい。

流量調節手段は、ボイラによる熱媒体と作動流体との熱交換量を調節することによって膨張機を通過する作動流体の体積流量を調節する体積流量調節手段を含んでもよい。
体積流量調節手段は、ボイラの上流側と下流側とを接続してボイラを迂回するように熱媒体を流通させる熱媒体バイパス通路と、熱媒体パイパス通路を開閉する第２開閉弁とであってもよい。
質量流量調節手段はポンプであり、ポンプの回転数は、膨張機の回転数とは独立して制御可能であってもよい。

この発明によれば、構成が簡単なワンウェイクラッチの作用により膨張機の回転数が膨張機負荷の回転数を上回ることがなく、また、膨張機負荷の回転数に基づいて膨張機の過回転が防止されるため、動力回収装置において、簡単な構成で膨張機の過回転が確実に防止されるとともに、膨張機が取り出した動力を効率よく回生できる。

この発明の実施の形態１に係る動力回収装置の構成を示す概略図である。 この発明の実施の形態２に係る動力回収装置の構成を示す概略図である。 この発明の実施の形態３に係る動力回収装置の構成を示す概略図である。

以下に、この発明の実施の形態について、添付図に基づいて説明する。
実施の形態１．
図１に、この実施の形態１に係る動力回収装置１の構成を概略的に示す。尚、この動力回収装置１は、以下に説明するランキンサイクル装置１０の膨張機１３によって車両用のエンジン２０の排気ガスから動力を取り出し、エンジン２０の補助動力として利用するものである。すなわち、動力回収装置１は、エンジン２０の排気ガスを熱媒体とするとともに、エンジン２０を膨張機負荷とするものである。

動力回収装置１は、ポンプ１１、ボイラ１２、膨張機１３及びコンデンサ１４から構成されるランキンサイクル装置１０を備えている。ポンプ１１、ボイラ１２、膨張機１３及びコンデンサ１４は、作動流体である冷媒が流通する冷媒通路１５を介して順次環状に接続され、閉回路を形成している。ポンプ１１は、冷媒をボイラ１２側に圧送してランキンサイクル装置１０内を循環させるものであり、モータ１１ａによって駆動される。また、ボイラ１２は、ポンプ１１が圧送した冷媒をエンジン２０の排気管２１内を流通する排気ガスと熱交換させて加熱するものであり、ボイラ１２で加熱されることによって蒸気化した冷媒が膨張機１３に流入する。膨張機１３は、ボイラ１２で蒸気化した冷媒の膨張エネルギーを動力（機械的エネルギー）として取り出し、駆動軸１３ａを回転させるものである。コンデンサ１４は、膨張機１３が膨張させた冷媒を冷却して凝縮させるものであり、コンデンサ１４で凝縮された冷媒がポンプ１１に吸引され、ランキンサイクル装置１０内を再び循環する。

以上のように構成されるランキンサイクル装置１０を備えた動力回収装置１において、膨張機１３の駆動軸１３ａには、ワンウェイクラッチ２２を介してプーリ２３の回転軸２３ａが接続されている。また、エンジン２０のクランクシャフト２０ａにはプーリ２４が一体として回転可能に設けられており、プーリ２３とプーリ２４とにベルト２５が巻き掛けられている。すなわち、動力回収装置１は、膨張機１３とエンジン２０との間に設けられたワンウェイクラッチ２２、プーリ２３、ベルト２５及びプーリ２４を順次介して、膨張機１３が取り出した動力をエンジン２０に伝達するものである。また、エンジン２０のクランクシャフト２０ａには、回転数検出手段である回転数センサ２６が設けられている。回転数センサ２６は、車両の制御装置であるＥＣＵ２７に電気的に接続されており、検出したエンジン２０の回転数をＥＣＵ２７に送信する。尚、プーリ２３とプーリ２４との間の減速比は一定であり、この減速比とエンジン２０の回転数とに対応した回転数でプーリ２３が回転する。

ここで、ワンウェイクラッチ２２は、膨張機１３側からプーリ２３側、つまりエンジン２０側への動力の伝達のみを許容するとともに、エンジン２０側から膨張機１３側への動力の伝達を遮断するものである。換言すると、ワンウェイクラッチ２２は、膨張機１３の駆動軸１３ａとプーリ２３の回転軸２３ａとの相対回転の方向が、膨張機１３側からプーリ２３側に動力が伝達される方向となった場合にのみ、膨張機１３とプーリ２３とを接続する。一方、膨張機１３の駆動軸１３ａとプーリ２３の回転軸２３ａとの相対回転の方向が逆転し、プーリ２３側から膨張機１３側に動力が伝達される方向になった場合、すなわち膨張機１３の回転数がプーリ２３の回転数より低くなった場合、ワンウェイクラッチ２２は空転して動力の伝達を遮断する。尚、ワンウェイクラッチ２２としては、汎用品として周知の構成を有するものが適用可能である。周知の構成として、例えばカム式やスプラグ式等が挙げられるが、いずれも噛み合い式クラッチや摩擦式クラッチ、あるいは変速機等の構成と比較すると簡単な構成を有しており、且つ小型となっている。

ランキンサイクル装置１０の冷媒通路１５において、ボイラ１２の下流側且つ膨張機１３の上流側に位置する部位には、作動流体バイパス通路１６の一端が接続されている。また、作動流体バイパス通路１６の他端は、膨張機１３の下流側且つコンデンサ１４の上流側に位置する部位に接続されている。さらに、作動流体バイパス通路１６の途中には、電磁式の第１開閉弁１７が設けられている。第１開閉弁１７はＥＣＵ２７に電気的に接続されており、ＥＣＵ２７から出力される開弁指令及び閉弁指令に基づいて、第１開閉弁１７による作動流体バイパス通路１６の開閉が行われる。ここで、作動流体バイパス通路１６及び第１開閉弁１７は、膨張機１３を迂回するように冷媒を流通させることによって膨張機１３を通過する冷媒の質量流量を調節するものであり、動力回収装置１における質量流量調節手段を構成している。

ＥＣＵ２７は、回転数センサ２６が検出したエンジン２０の回転数が予め閾値として設定された所定の回転数を超えた場合に、膨張機１３の回転数が過回転となるおそれがあると判別して第１開閉弁１７に開弁指令を出力する。また、ＥＣＵ２７は、回転数センサ２６が検出したエンジン２０の回転数が閾値以下になると、第１開閉弁１７を閉じても膨張機１３の回転数が過回転にならないと判別して第１開閉弁１７に閉弁指令を出力する。尚、ＥＣＵ２７が第１開閉弁１７に閉弁指令を出力するタイミングは、閾値として設定された回転数より、例えば１，０００回転程度低くすることも可能である。ここで、膨張機１３側からエンジン２０側に動力が伝達されている場合、ワンウェイクラッチ２２は膨張機１３とプーリ２３とを接続するため、膨張機１３の回転数とプーリ２３の回転数とが一致した状態となる。この状態において、プーリ２３とプーリ２４との間の変速比は一定であるため、膨張機１３とエンジン２０とは、この変速比に応じた一定の相関を保った回転数でそれぞれ回転する。

逆に、ワンウェイクラッチ２２が膨張機１３とプーリ２３との接続を解除するのは、エンジン２０側から膨張機１３側に動力が伝達されようとする場合であり、この場合における膨張機１３の回転数は、プーリ２３の回転数を下回っている。つまり、本実施の形態１における動力回収装置１は、膨張機１３とプーリ２３との間にワンウェイクラッチ２２を設けることにより、膨張機１３の回転数がプーリ２３の回転数を超えることがないようになっており、それにより、エンジン２０の回転数に基づいて膨張機１３の過回転のおそれを判別することが可能となっている。尚、エンジン２０の回転数を検出する回転数センサ２６は、エンジン２０の制御や運転者への表示を行うために元々設けられているものである。すなわち、動力回収装置１は、膨張機１３の過回転のおそれを判別するために、膨張機１３に流入する蒸気の圧力や温度を検出するためのセンサ、あるいは膨張機１３自体の回転数を検出するためのセンサを設けることを必要とすることなく、簡単な構成で過回転を防止することを可能としている。

次に、この発明の実施の形態１に係る動力回収装置１の動作について説明する。
図１に示すように、エンジン２０の運転が開始されるとモータ１１ａによるポンプ１１の駆動も開始され、ポンプ１１からボイラ１２に向けて冷媒が圧送される。ボイラ１２は、ポンプ１１が圧送した冷媒をエンジン２０の排気ガスと熱交換させることによって加熱し、加熱されて蒸気化した冷媒が膨張機１３に流入する。膨張機１３は、流入した冷媒の膨張エネルギーを動力として取り出して駆動軸１３ａを回転させる。また、膨張機１３で膨張された冷媒は、コンデンサ１４で冷却されることによって凝縮されてからポンプ１１に吸引され、ランキンサイクル装置１０内を再び循環する。

ここで、エンジン２０の運転が開始されてから定常運転に至るまでの過程において、排気ガスの温度が低いことに起因して、膨張機１３がエンジン２０の駆動を補助するのに十分な動力を取り出せない場合がある。この場合、プーリ２３は、クランクシャフト２０ａ、プーリ２４及びベルト２５を介してエンジン２０に駆動される状態となるが、プーリ２３から膨張機１３への動力の伝達はワンウェイクラッチ２２によって遮断されるため、膨張機１３がエンジン２０の負荷となること、すなわちエンジン２０が膨張機１３を駆動することが防止される。エンジン２０の運転状態が定常状態となり、膨張機１３がエンジン２０の駆動を補助可能な動力を取り出せるようになると、膨張機１３とプーリ２３とがワンウェイクラッチ２２を介して接続され、膨張機１３によるエンジン２０の駆動の補助が行われる。

以上のように動作する動力回収装置１において、膨張機１３の回転数が過回転になるおそれがあると判別されると、膨張機１３の回転数を正常な範囲に制限する回転数制御が行われる。以下に、膨張機１３の回転数を制限する際の動力回収装置１の動作について説明する。
回転数センサ２６が検出したエンジン２０の回転数が、予め閾値として設定されている所定の回転数を超えると、第１開閉弁１７を閉じてもＥＣＵ２７は膨張機１３の回転数が過回転にならないと判別して第１開閉弁１７に開弁指令を出力する。開弁指令を受け取った第１開閉弁１７が開弁して作動流体バイパス通路１６が開かれると、膨張機１３は作動流体バイパス通路１６より通気抵抗の大きい絞りとなるため、ボイラ１２で蒸気化した冷媒が作動流体バイパス通路１６を通って膨張機１３の上流側から下流側へと流通する。

蒸気化した冷媒が作動流体バイパス通路１６を通るようになると、膨張機１３の上流側と下流側との差圧である前後差圧がなくなるため、膨張機１３の回転数は徐々に低下し、最終的には膨張機１３の回転が停止される。ここで、ワンウェイクラッチ２２は、膨張機１３の回転数がプーリ２３の回転数を下回った時点で、エンジン２０側から膨張機１３側への動力の伝達を遮断するため、膨張機１３がエンジン２０によって駆動されることが防止される。すなわち、膨張機１３の回転数を制限する制御中において、膨張機１３がエンジン２０の負荷となることがなく、エンジン２０が発生する動力を効率良く使用できるようになっている。

回転数センサ２６が検出したエンジン２０の回転数が閾値以下になると、第１開閉弁１７を閉じてもＥＣＵ２７は膨張機１３の回転数が過回転にならないと判別し、第１開閉弁１７に閉弁指令を出力することによって回転数を制限する制御を解除する。閉弁指令を受け取った第１開閉弁１７が閉弁して作動流体バイパス通路１６が閉じられると、ボイラ１２で蒸気化した冷媒が膨張機１３を通過するようになって前後差圧が生じるため、膨張機１３は回転を開始する。また、膨張機１３の回転数が上昇してプーリ２３の回転数に一致すると、ワンウェイクラッチ２２が膨張機１３の駆動軸１３ａとプーリ２３の回転軸２３ａとを接続することにより、膨張機１３によるエンジン２０の駆動補助が再び開始される。ここで、ワンウェイクラッチ２２が膨張機１３とプーリ２３とを接続すると、これらは同一回転数で回転するようになる。すなわち、膨張機１３の回転数の上昇は、ワンウェイクラッチ２２を介してプーリ２３に接続された時点で止まるため、膨張機１３の回転数がプーリ２３の回転数を超えることがない。

以上に説明したように、動力回収装置１の膨張機１３とエンジン２０との間にワンウェイクラッチ２２を設けるとともに、膨張機１３が過回転となるおそれがある場合に、膨張機１３を通過する冷媒の質量流量を作動流体バイパス通路１６及び第１開閉弁１７によって減少させるように構成したので、膨張機１３の過回転を簡単な構成で確実に防止することができる。また、ワンウェイクラッチ２２は、膨張機１３の回転数を制限する制御時に、エンジン２０側から膨張機１３側への動力の伝達を遮断するため、回転数の制御中に膨張機１３がエンジン２０の負荷となることがなく、効率の良い動力の回生が可能となる。さらに、膨張機１３の過回転のおそれはエンジン２０の回転数に基づいて判別されるため、膨張機１３の回転数を制限する制御の開始及び解除を確実なタイミングで行うことができ、膨張機１３による動力の回収が停止されている時間を最小限にすることも可能となる。

実施の形態２．
次に、この発明の実施の形態２に係る動力回収装置２について説明する。尚、以下に説明する実施の形態において、図１に示される符号と同一の符号は同一または同様の構成要素であるため、その詳細な説明は省略する。
図２に示すように、動力回収装置２は、実施の形態１における動力回収装置１と同様にポンプ１１、ボイラ１２、膨張機１３及びコンデンサ１４から構成されるランキンサイクル装置１０を備えている。

ランキンサイクル装置１０の冷媒通路１５において、ポンプ１１の下流側且つボイラ１２の上流側に位置する部位には作動流体バイパス通路１６の一端が接続され、コンデンサ１４の下流側且つポンプ１１の上流側に位置する部位には作動流体バイパス通路１６の他端が接続されている。また、作動流体バイパス通路１６の途中には第１開閉弁１７が設けられており、第１開閉弁１７とＥＣＵ２７とが電気的に接続されている。尚、動力回収装置２において作動流体バイパス通路１６の両端部が冷媒通路１５に接続される部位は、実施の形態１における動力回収装置１と異なっているが、作動流体バイパス通路１６が膨張機１３の上流側と下流側とを接続するという構成に変わりはない。つまり、作動流体バイパス通路１６及び第１開閉弁１７が膨張機１３を通過する冷媒の質量流量を調節するという作用も、実施の形態１及び実施の形態２において共通である。

膨張機１３の駆動軸１３ａには、ワンウェイクラッチ２２を介してプーリ２３の回転軸３１が接続されており、この回転軸３１が、ポンプ１１の駆動軸としても用いられている。すなわち、実施の形態１における動力回収装置１がモータ１１ａによってポンプ１１を駆動していたのに対し、本実施の形態２における動力回収装置２では、膨張機１３をエンジン２０の動力補助用とポンプ１１の駆動用とに用いている。したがって、ポンプ１１を駆動するためのモータ１１ａが省略されるため、動力回収装置２をより簡単な構成とすることが可能となっている。

エンジン２０の排気管２１には、ボイラ１２の上流側と下流側とを接続する熱媒体バイパス通路３２が設けられている。また、熱媒体バイパス通路３２の途中には電磁式の第２開閉弁３３が設けられている。第２開閉弁３３はＥＣＵ２７に電気的に接続されており、ＥＣＵ２７から出力される開弁指令に及び閉弁指令に基づいて、第２開閉弁３３による熱媒体バイパス通路３２の開閉が行われる。尚、ＥＣＵ２７が第２開閉弁３３に開弁指令を出力するタイミングは、第１開閉弁１７に開弁指令を出力するタイミングと同じであり、回転数センサ２６によって検出されたエンジン２０の回転数が閾値として設定された所定の回転数を超えた場合である。また、ＥＣＵ２７が第２開閉弁３３に閉弁指令を出力するタイミングも、第１開閉弁１７に閉弁指令を出力するタイミングと同じであり、回転数センサ２６が検出したエンジン２０の回転数が閾値以下となった場合、または閾値より例えば１，０００回転程度低くなった場合である。

ここで、第２開閉弁３３が開弁して熱媒体バイパス通路３２が開かれると、エンジン２０の排気ガスがボイラ１２を通過する量が減少するため、ボイラ１２による冷媒と排気ガスとの熱交換量も減少する。また、ボイラ１２による熱交換量が減少すると、ボイラ１２によって冷媒が蒸気化される量、すなわち蒸気化されることによる冷媒の体積増加量も減少するため、膨張機１３を通過する冷媒の体積流量も減少する。すなわち、動力回収装置２は、膨張機１３を通過する質量流量と体積流量とを共に減少させることにより、膨張機１３の過回転を防止するものである。ここで、熱媒体バイパス通路３２と第２開閉弁３３とは、ボイラ１２による排気ガスと冷媒との熱交換量を調節することにより、膨張機１３を通過する冷媒の体積流量を調節するものであり、動力回収装置２における体積流量調節手段を構成している。その他の構成については、実施の形態１と同様である。

次に、この発明の実施の形態２に係る動力回収装置２の動作について説明する。
図２に示すように、エンジン２０の運転が開始されると、エンジン２０の動力がクランクシャフト２０ａ、プーリ２４及びベルト２５を順次介してプーリ２３に伝達され、プーリ２３の回転軸３１がポンプ１１を駆動する。ポンプ１１の駆動が開始され、冷媒がランキンサイクル装置１０内を循環するようになると、膨張機１３は、実施の形態１と同様に冷媒の膨張エネルギーを動力として取り出すようになる。尚、膨張機１３が取り出す動力が少ない場合、プーリ２３から膨張機１３への動力の伝達はワンウェイクラッチ２２によって遮断されるため、膨張機１３がエンジン２０の負荷となることが防止されている。膨張機１３がエンジン２０の駆動を補助可能な動力とポンプ１１を駆動可能な動力とを取り出せるようになると、ワンウェイクラッチ２２は膨張機１３の駆動軸１３ａとプーリ２３の回転軸３１とを連結し、以後、膨張機１３によるエンジン２０の駆動の補助とポンプ１１の駆動とが行われる。

以上のように動作する動力回収装置２において、回転数センサ２６が検出したエンジン２０の回転数が予め閾値として設定されている所定の回転数を超えると、ＥＣＵ２７は膨張機１３の回転数が過回転となるおそれがあると判別し、第１開閉弁１７及び第２開閉弁３３に開弁指令を出力する。第１開閉弁１７が開弁して作動流体バイパス通路１６が開かれると、実施の形態１と同様に膨張機１３を通過する冷媒の質量流量が減少する。また、第２開閉弁３３が開弁して熱媒体バイパス通路３２が開かれると、ボイラ１２による熱交換量が減少することに伴って蒸気化される冷媒の量も減少するため、膨張機１３を通過する冷媒の体積流量も減少する。このように、作動流体バイパス通路１６及び第１開閉弁１７によって膨張機１３を通過する冷媒の質量流量が減少されること、及び熱媒体バイパス通路３２及び第２開閉弁３３によって膨張機１３を通過する冷媒の体積流量が減少されることにより、膨張機１３の回転数が減少し、それにより、膨張機１３の過回転が防止される。また、ワンウェイクラッチ２２は、膨張機１３の回転数がプーリ２３の回転数を下回った時点で、エンジン２０側から膨張機１３側への動力の伝達を遮断するため、膨張機１３がエンジン２０の負荷となることが防止される。

一方、回転数センサ２６が検出したエンジン２０の回転数が閾値以下になると、第１開閉弁１７及び第２開閉弁３３を閉じてもＥＣＵ２７は膨張機１３の回転数が過回転にならないと判別し、第１開閉弁１７及び第２開閉弁３３に閉弁指令を出力する。閉弁指令を受け取った第１開閉弁１７及び第２開閉弁３３が閉弁して作動流体バイパス通路１６及び熱媒体バイパス通路３２がそれぞれ閉じられると、膨張機１３の回転数が再び上昇を始める。膨張機１３の回転数が上昇してプーリ２３の回転数に一致すると、ワンウェイクラッチ２２が膨張機１３の駆動軸１３ａとプーリ２３の回転軸２３ａとを接続することにより、膨張機１３によるエンジン２０の駆動補助及びポンプ１１の駆動が再び開始される。

以上に説明したように、エンジン２０の排気管２１に熱媒体バイパス通路３２及び第２開閉弁３３を設けても、膨張機１３を通過する冷媒の体積流量を減少させることができるため、実施の形態１と同様に、膨張機１３の過回転を確実に防止すること、及び膨張機１３が取り出した動力を効率よく回生することが可能となる。尚、動力回収装置２では、質量流量調節手段である作動流体バイパス通路１６及び第１開閉弁１７と、体積流量調節手段である熱媒体バイパス通路３２及び第２開閉弁３３との両方が設けられるように構成されたが、熱媒体バイパス通路３２及び第２開閉弁３３のみによって膨張機１３の過回転を防止することも可能である。また、熱媒体バイパス通路３２及び第２開閉弁３３を用いる場合、膨張機１３の過回転時におけるボイラ１２の熱交換量が減少するため、冷媒、ボイラ１２及び膨張機１３が過剰に高温となることが防止され、それにより、ランキンサイクル装置１０の耐熱設計に余裕を持たせることも可能となる。

実施の形態３．
次に、この発明の実施の形態３に係る動力回収装置３について説明する。
図３に示すように、動力回収装置３は、モータ４１ａによって駆動されるポンプ４１、ボイラ１２、膨張機１３及びコンデンサ１４から構成されるランキンサイクル装置４０を備えている。ポンプ４１及びモータ４１ａは、実施の形態１におけるポンプ１１及びモータ１１ａと同様の構成を有するものであるが、モータ４１ａにはＥＣＵ２７が電気的に接続されており、ＥＣＵ２７によってモータ４１ａの回転数、すなわちポンプ４１による冷媒の圧送量が制御されるようになっている。また、実施の形態１における動力回収装置１において冷媒通路１５に設けられていた作動流体バイパス通路１６及び第１開閉弁１７は、本実施の形態３における動力回収装置３では省略されている。

つまり、動力回収装置３において、膨張機１３を通過する冷媒の質量流量は、モータ４１ａによるポンプ４１の駆動状態を変更することによって調節可能となっており、ポンプ４１及びモータ４１ａが、動力回収装置３における質量流量調節手段を構成している。ＥＣＵ２７は、回転数センサ２６が検出したエンジン２０の回転数が予め閾値として設定されている所定の回転数を超えると、膨張機１３の回転数が過回転となるおそれがあると判別し、ポンプ４１による冷媒の圧送量が減少するようにモータ４１ａの動作を制御する。また、ＥＣＵ２７は、回転数センサ２６が検出したエンジン２０の回転数が閾値以下になると、冷媒の圧送量を増加させても膨張機１３の回転数が過回転にならないと判別し、ポンプ４１による冷媒の圧送量が増加するようにモータ４１ａの動作を制御する。動力回収装置３のその他の構成、及び膨張機１３を通過する冷媒の質量流量が増減された際のワンウェイクラッチ２２の動作については、実施の形態１と同様である。

以上に説明したように、ＥＣＵ２７によって動作を制御されるポンプ４１及びモータ４１ａを質量流量調節手段として用いても、実施の形態１と同様に、膨張機１３の過回転を確実に防止すること、及び膨張機１３が取り出した動力を効率よく回生することが可能となる。また、膨張機１３の過回転を防止するために、実施の形態１において用いられていた作動流体バイパス通路１６及び第１開閉弁１７を設ける必要がないため、動力回収装置３の構成をより簡単なものとすることができる。

実施の形態１〜３における動力回収装置は、ボイラ１２によって冷媒と熱交換される熱媒体として、車両用のエンジン２０の排気ガスを用いるように構成されたが、熱媒体を排気ガスに限定するものではなく、例えばエンジンの冷却水やＥＧＲガス等を熱媒体とすることも可能である。また、熱媒体を排気管内の排気ガスに限定するものでもなく、例えばターボチャージャー等の加給機内を流通する排気ガスを熱媒体とすることも可能である。

実施の形態１〜３における動力回収装置は、膨張機１３が車両用のエンジン２０の廃熱（排気ガスの熱）から動力を取り出すものとして構成されたが、動力回収装置をエンジンの廃熱利用を目的としたものに限定するものではない。例えば発電用に用いられるタービン等を膨張機とし、このタービンによって動力を取り出すものとして構成することも可能である。

実施の形態１〜３における動力回収装置は、膨張機１３によって膨張機負荷であるエンジン２０の駆動補助を行うものとして構成されたが、膨張機負荷をエンジンのみに限定するものではなく、例えばコンプレッサ等、エンジン以外の機器の駆動用または駆動の補助用とすることも可能である。

実施の形態１〜３における動力回収装置は、回転数検出手段である回転数センサ２６が検出したエンジン２０の回転数に基づいて膨張機１３の過回転のおそれを判別するように構成されたが、この構成に限定するものではない。つまり、膨張機１３側のプーリ２３とエンジン２０側のプーリ２４との間の変速比は既知であるため、プーリ２３の回転数を検出するように構成しても、膨張機１３の過回転のおそれを判別することが可能である。また、回転数センサ２６は回転軸２３ａの回転を検出するようにしてもよい。さらに、ワンウェイクラッチ２２はクランクシャフト２０ａに設けられていてもよい。その場合、回転数センサ２６はワンウェイクラッチ２２とエンジン２０との間に配置される。

１，２，３ 動力回収装置、１０，４０ ランキンサイクル装置、１１ ポンプ、１２ ボイラ、１３ 膨張機、１４ コンデンサ、１６ 作動流体バイパス通路（質量流量調節手段、流量調節手段）、１７ 第１開閉弁（質量流量調節手段、流量調節手段）、２２ ワンウェイクラッチ、２６ 回転数センサ（回転数検出手段）、３２ 熱媒体バイパス通路（体積流量調節手段、流量調節手段）、３３ 第２開閉弁（体積流量調節手段、流量調節手段）、４１ ポンプ（質量流量調節手段、流量調節手段）、４１ａ モータ（質量流量調節手段、流量調節手段）。

Claims (7)

1. 作動流体を膨張させることによって動力を取り出す膨張機と、
   前記膨張機によって取り出された動力が伝達される膨張機負荷と、
   前記膨張機と前記膨張機負荷との間に設けられ、前記膨張機側から前記膨張機負荷側への動力の伝達のみを許容するワンウェイクラッチと、
   前記膨張機負荷の回転数を検出する回転数検出手段と、
   前記膨張機を通過する作動流体の流量を調節する流量調節手段と
   を備え、
   前記流量調節手段は、前記回転数検出手段が検出した前記膨張機負荷の回転数が所定の回転数を超えた場合に、前記膨張機を通過する作動流体の流量を減少させることを特徴とする動力回収装置。
2. 前記膨張機負荷は、前記膨張機から伝達される動力以外の動力によって作動可能である請求項１に記載の動力回収装置。
3. 前記流量調節手段は、前記膨張機を通過する作動流体の質量流量を調節する質量流量調節手段を含み、
   前記質量流量調節手段は、前記膨張機の上流側と下流側とを接続する作動流体バイパス通路と、前記作動流体バイパス通路を開閉する第１開閉弁とである請求項１または２に記載の動力回収装置。
4. 前記膨張機は、作動流体を圧送するポンプ、前記ポンプが圧送した作動流体と熱媒体とを熱交換させるボイラ、及び前記膨張機が膨張させた作動流体を冷却して凝縮させるコンデンサと共にランキンサイクル装置を構成する請求項１〜３のいずれか一項に記載の動力回収装置。
5. 前記流量調節手段は、前記ボイラによる熱媒体と作動流体との熱交換量を調節することによって前記膨張機を通過する作動流体の体積流量を調節する体積流量調節手段を含む請求項４に記載の動力回収装置。
6. 前記体積流量調節手段は、前記ボイラの上流側と下流側とを接続して前記ボイラを迂回するように前記熱媒体を流通させる熱媒体バイパス通路と、前記熱媒体パイパス通路を開閉する第２開閉弁とである請求項５に記載の動力回収装置。
7. 前記質量流量調節手段は前記ポンプであり、前記ポンプの回転数は、前記膨張機の回転数とは独立して制御可能である請求項４に記載の動力回収装置。

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