JP2014125996A - 廃熱利用装置 - Google Patents

Abstract

【課題】ランキンサイクル回路の作動流体が異常高温となるのを防ぐ。
【解決手段】排気用熱交換器１１の流通管９Ａに、温度センサー２０が設置される。作動流体導入部１６の流通管９に放出口２２が設けられる。放出口２２は制御装置２１と接続する電磁バルブ２３を備え、通常時は閉鎖状態にある。排気用熱交換器１１内で冷媒が停滞すると、流通管９Ａの温度が排気により急激に上昇する。温度センサー２０は流通管９Ａの温度を検出し、検出信号を制御装置２１に送信する。制御装置２１は検出された流通管９Ａの温度を設定値と比較し、流通管９Ａの温度が設定値以上に達すると、電磁バルブ２３に開信号を発信し、放出口２２を開放する。放出口２２は、流通管９Ａに存在する冷媒を早期に外部へ放出し、冷媒と高温の排気との間の熱伝達を遮断するため、作動流体が異常高温となるのを防ぐことができる。
【選択図】図２

Description

本願発明は、廃熱利用装置に関する。

例えば、特許文献１には、車両用内燃機関の廃熱を利用するために、冷媒ポンプ、内燃機関の冷却水による熱交換器、内燃機関の排ガスによる熱交換器、膨張機、凝縮器及びレシーバを備えたランキンサイクル回路を設ける構成が開示されている。ランキンサイクル回路では、循環する冷媒が冷却水及び排ガスから熱を吸収し、膨張機において熱エネルギーを機械エネルギーに変換し、例えば、発電機の駆動源として利用している。冷媒は凝縮器において液化され、レシーバにおいて気液分離された後、液冷媒が冷媒ポンプにより熱交換器へ再送される。特許文献１では、ランキンサイクル回路の冷媒として、Ｒ１３４ａ、Ｒ１５２ａのほか、Ｒ１２３４ｙｆ（ＨＦＯ１２３４ｙｆ）の使用が開示されている。

特開２０１０−４８１２９号公報

ランキンサイクル回路では、膨張機や冷媒ポンプに備えられた回転機構の作動不良、あるいは冷媒の流通管の詰まり等に起因して冷媒の流動停止や冷媒の流動速度の大幅な低下を生じ、ランキンサイクル回路内における冷媒の流動が停滞する場合がある。このため、熱交換器において停滞した冷媒は、排ガスの加熱により冷媒温度が上昇し、相当な高温に達する恐れが有る。

特許文献１に開示されたＲ１２３４ｙｆ（ＨＦＯ１２３４ｙｆ）は、ランキンサイクル回路で廃熱利用のために循環していれば、熱交換器において吸熱した冷媒が流動するため、異常な高温に加熱されることが無い。しかし、冷媒が熱交換器内で停滞すると、冷媒温度が排ガスの加熱により異常高温となる恐れがある。

本願発明は、ランキンサイクル回路の作動流体が異常高温となるのを防ぐことを目的とする。

請求項１は、本願発明は、内燃機関の排気が流通する経路に付設されるとともに、作動流体を循環させる流通管と、前記作動流体と前記排気との間で熱交換を行う熱交換器と、前記作動流体を圧送するポンプと、前記作動流体から機械的エネルギーを回収する膨張機を備えるランキンサイクル回路を備えた廃熱利用装置において、前記作動流体の状態を検出する少なくとも１つの検出器を備え、前記作動流体の流通管は開閉可能な放出口を有し、前記検出器の検出信号に基づき前記放出口を開放し、前記作動流体を前記放出口から前記熱交換器を避けて前記ランキンサイクル回路の系外に放出することを特徴とする。

請求項１によれば、循環異常によって作動流体が異常高温となるのを系外に放出することで防ぐことができる。さらに、熱交換器を避けて放出するので、放出した作動流体が熱交換器に熱せられた異常高温となることもない。

請求項２は、前記検出器は前記熱交換器の伝熱面の温度を検出する温度センサーであることを特徴とする。請求項２によれば、熱交換器内の伝熱面の温度を検出することにより作動流体の放出を行うため、作動流体が加熱される前に熱交換器内に存在する気化された作動流体の放出を精度よく、ランキンサイクル回路の系外に放出することができる。

請求項３は、前記検出器は前記熱交換器の上流側の流通管に設けた流量センサーであることを特徴とする。請求項３によれば、熱交換器内に流入する作動流体の流量が変化した時点で作動流体の循環異常と判断し、作動流体を開口部からランキンサイクル回路の系外に放出する。このため、作動流体の放出が早期に行なわれ、作動流体が放出遅れにより加熱されてしまう恐れを無くすことができる。

請求項４は、前記検出器は前記ポンプの回転軸に設けた回転数センサーであることを特徴とする。請求項４によれば、冷媒ポンプの回転数低下あるいは停止等の回転異常を検出することにより、熱交換器へ供給する作動流体の流量低下を予測し、熱交換器内の作動流体を早期にランキンサイクル回路の系外に放出することができる。

請求項５は、前記検出器は前記膨張機の回転軸に設けた回転数センサーであることを特徴とする。請求項５によれば、膨張機の回転数低下あるいは停止等の回転異常を検出することにより、熱交換器における流通の停滞という作動流体の循環異常を予測することができ、熱交換器内の作動流体を早期にランキンサイクル回路の系外に放出することができる。

請求項６は、前記作動流体の基準流量を予め設定しておき、前記基準流量は前記ランキンサイクル回路が正常に運転する流量より少ない値であって、前記流量センサーが前記基準流量以下の流量を検出した時、前記放出口を開放し、前記作動流体を前記ランキンサイクル回路の系外に放出することを特徴とする。請求項６によれば、作動流体の種類に応じて適切な設定値を設定することにより、熱交換器内の作動流体を早期にランキンサイクル回路の系外に放出することができる。

請求項７は、前記作動流体の基準温度を予め設定しておき、前記基準温度は前記作動流体の熱分解温度よりも低い温度であって、前記温度センサーが設定値以上の温度を検出した時、前記放出口を開放することを特徴とする。請求項７によれば、熱交換器内の伝熱面の温度を検出することにより作動流体の放出を行うため、作動流体の放出を精度よく、確実に行うことができる。

請求項８は、前記流通管は径の異なる２本の流通管を嵌合させた嵌合部を有し、前記温度センサーは、前記嵌合部における前記放出口として機能する流通管同士の隙間を封止するとともに所定値以上の温度で溶融する熱溶融栓であることを特徴とする。請求項８によれば、作動流体を放出するための構成が簡単となり、安価に設置することができる。

請求項９は、前記ランキンサイクル回路において、前記ポンプの上流側と下流側をバイパスするバイパス回路と、該バイパス回路内の前記作動流体の流量を調整する流量調整弁とを備え、前記検出器は前記流量調整弁が閉弁不能であることを検出する故障検知器であることを特徴とする。請求項９によれば、熱交換器へ供給する作動流体の流量を調整できるバイパスを備えたランキンサイクル回路において、熱交換器への作動流体の供給量が低い状態で流量調整弁が故障したような場合に生じる作動流体の循環異常を検出し、熱交換器内の作動流体を早期にランキンサイクル回路の系外に放出することができる。

本願発明は、ランキンサイクル回路の安定性を高めることができる。

第１の実施形態における内燃機関の廃熱利用装置を示す模式図である。 ランキンサイクル回路の熱交換器を示す概略斜視図である。 熱交換器における作動流体導入部側を示す部分断面図である。 第２の実施形態を示す熱交換器の作動流体導入部側の部分断面図である。 熱交換器の作動流体導入部を示す拡大断面図である。 第３の実施形態における内燃機関の廃熱利用装置を示す模式図である。 第４の実施形態における内燃機関の廃熱利用装置を示す模式図である。 第５の実施形態における内燃機関の廃熱利用装置を示す模式図である。 第６の実施形態における内燃機関の廃熱利用装置を示す模式図である。

（第１の実施形態）
第１の実施形態を図１〜図３に基づいて説明する。図１は、例えば、車両に搭載されたガソリンエンジンあるいはディーゼルエンジン等の内燃機関１における廃熱利用装置を示している。内燃機関１は、燃焼後の排気が流通する経路としての排気管２を備え、内燃機関１を冷却するための冷却水循環回路３が設けられている。また、内燃機関１には、内燃機関１の廃熱利用装置としてランキンサイクル回路４が付設されている。なお、ランキンサイクル回路４では、ＨＦＯ１２３４ｙｆ（Ｒ１２３４ｙｆ）（以下、単に冷媒の呼称で説明する）が使用される。

冷却水循環回路３は、内燃機関１を介して循環される冷却水の流通管５と、流通管５に介在された冷却水ポンプ６、冷却水用熱交換器７及びラジエータ８とを備えている。冷却水ポンプ６は冷却水を内燃機関１に供給し、内燃機関１の冷却を行う。内燃機関１で加熱された冷却水は、冷却水用熱交換器７においてランキンサイクル回路４の冷媒との間で熱交換を行い、その後ラジエータ８において冷却される。ラジエータ８において冷却された冷却水が、冷却水ポンプ６により内燃機関１に再度供給されることにより、冷却水の循環が行われる。

ランキンサイクル回路４は、冷媒の流通管９と、流通管９に介在された作動流体を圧送する冷媒ポンプ１０、冷却水用熱交換器７、排気用熱交換器１１、作動流体から機械的エネルギーを回収する膨張機１２、凝縮器１３及びレシーバ１４とを備えている。冷媒ポンプ１０は液化された冷媒を流通管９により冷却水用熱交換器７及び排気用熱交換器１１に向けて供給する。冷却水用熱交換器７は、冷却水の流通管５と冷媒の流通管９とを並列に組み込んだ構成を有する。従って、流通管９内の冷媒は、内燃機関１により加熱された流通管５内の冷却水により加熱される。

排気用熱交換器１１は排気管２の一部に設置され、流通管９内の冷媒は高温の排気との間の熱交換により加熱され、気化される。排気用熱交換器１１において気化された冷媒は、膨張機１２において膨張させられることにより機械的な駆動力を発生する。膨張機１２において得られた駆動力は、膨張機１２に連結された発電機１５の駆動源とされ、内燃機関１の廃熱が利用される。膨張機１２を経由した冷媒は、凝縮器１３において放熱され、凝縮液化される。また、凝縮された冷媒は、レシーバ１４において気液二層に分離され、液化された冷媒のみが冷媒ポンプ１０に導入される。

図２及び図３において、排気用熱交換器１１の詳細な構成を説明する（なお、図３では、後述するフィン１８の表示を省略している）。排気用熱交換器１１では、上部側に設けられた作動流体導入部１６から水平に延出された流通管９Ａが、左右で折り曲げられながら下方に複数段形成され、下部側に設けられた作動流体導出部１７に至るように構成されている。複数段に形成された流通管９Ａには、多数のフィン１８が装着されている。複数段の流通管９Ａ及び多数のフィン１８はケース１９内に収納され、内燃機関１の排気経路を構成する排気管２に介在される。このため、排気管２内を流動する高温の排気は、流通管９Ａ及びフィン１８の隙間を流通し、流通管９Ａ内の冷媒との間で熱交換が行われる。従って、流通管９Ａ又はフィン１８は本願発明の伝熱面を構成する。

排気用熱交換器１１の伝熱面である流通管９Ａには、異常検出器として、熱電対により構成された温度センサー２０が設置されている。温度センサー２０は、排気用熱交換器１１内を流通する冷媒、即ち作動流体に循環異常が生じ、冷媒が加熱される恐れが有る異常状態を検出する異常検出器を構成している。温度センサー２０は、制御装置２１と電気的に接続され、流通管９Ａの温度の検出信号を制御装置２１に送信する。なお、冷媒の停滞時には、流通管９Ａにおいて、高温に成り易い気化状態の冷媒が上部に、気化された冷媒に比し、比較的温度上昇しにくい液化状態の冷媒が下部に滞留し易い。このため、温度センサー２０は、排気用熱交換器１１の上段（最上段）に位置し、かつ高温の排気が流通し易い中央部に位置する流通管９Ａに設置することが好ましい。

作動流体導入部１６には、排気用熱交換器１１の外部の位置で、流通管９に接続された開閉可能な放出口２２が設けられている。放出口２２は、ランキンサイクル回路４の系外、即ち排気用熱交換器１１の外部に開口するとともに電磁バルブ２３を備え、通常時は電磁バルブ２３の閉により閉鎖状態にある。また、電磁バルブ２３は制御装置２１と電気的に接続されている。なお、放出口２２は熱源である排気管２や排気用熱交換器１１から離れる方向に向けて開口することが好ましい。

制御装置２１には、伝熱面における許容温度、即ち流通管９Ａ内において冷媒が異常に温度上昇されることがないように、作動流体の熱分解温度よりも低い基準温度が設定値として予め記憶されている。従って、温度センサー２０により検出された流通管９Ａの温度の検出信号が設定値以上に達した場合、制御装置２１は温度センサー２０の検出信号に基づき、電磁バルブ２３に開信号を送信し、放出口２２を開放する。電磁バルブ２３の開放により、排気用熱交換器１１内、即ち、流通管９Ａ内に存在する冷媒を早期に排気用熱交換器１１の外部に放出することができる（図３に仮想線で示した矢印参照）。なお、排気用熱交換器１１の作動流体導出部１７における流通管９は、膨張機１２に接続し、排気用熱交換器１１で加熱された冷媒を膨張機１２に供給する。

第１の実施形態は、以下の作用及び効果を有する。
内燃機関１の運転時に冷媒ポンプ１０が作動されると、冷媒が、ランキンサイクル回路４を循環し、排気用熱交換器１１において排気の熱エネルギーを吸収し、膨張機１２において熱エネルギーを機械エネルギーに変換することにより、内燃機関１の廃熱利用が行われる。廃熱利用装置が正常に作動している場合、排気用熱交換器１１では、冷媒の吸熱作用と冷媒の流動により流通管９Ａあるいはフィン１８等の伝熱面の温度が設定値を超えることは無い。

廃熱利用装置の作動中に、例えば、冷媒ポンプ１０あるいは膨張機１２の回転機構の作動不良が生じた場合、あるいは冷媒の流通管９に詰まりが生じた場合、冷媒の流動停止や冷媒の流動速度の大幅な低下を生じ、ランキンサイクル回路４における冷媒の流動が停滞する。排気用熱交換器１１内で冷媒の停滞が生じると、流通する排気から冷媒への吸熱作用が無いため、流通管９Ａ及びフィン１８の温度が急激に上昇する冷媒の循環異常を発生する。また、温度センサー２０は流通管９Ａの温度を常時検出し、制御装置２１に検出信号を送信している。

従って、制御装置２１では、検出された流通管９Ａの温度が設定値と比較され、設定値以上に達した時、制御装置２１は電磁バルブ２３に開信号を発信し、放出口２２を開放する。放出口２２の開放により、排気用熱交換器１１内の流通管９Ａに存在する冷媒は早期に排気用熱交換器１１の外部（ランキンサイクル回路４の系外）へ確実に放出される。このため、冷媒と高温の排気との間における熱伝達が遮断され、ランキンサイクル回路４における作動流体の異常な温度上昇を防止することができる。なお、排気用熱交換器１１や排気管２の外面は流動する外気に晒されているため、制御装置２１に記憶させた設定値の温度よりも低い状態にあり、また、放出口２２から放出された冷媒は拡散により濃度が著しく低下する。従って、放出口２２から外部に冷媒が放出されたとしても問題を生じる恐れは無い。

また、第１の実施形態では、流通管９Ａの上昇した温度を温度センサー２０により検出する構成であるため、冷媒の放出を精度よく、確実に行うことができる。また、温度センサー２０は、冷媒の停滞が生じたとき、温度が最も早く上昇する上段位置の流通管９Ａで温度検出するため、冷媒の放出タイミングを迅速に把握することができる。

（第２の実施形態）
図４及び図５は、第２の実施形態を示したもので、第１の実施形態と同一の構成については同一の符号を付し、詳細な説明を省略する。第２の実施形態は、排気用熱交換器１１の作動流体導入部１６において、流通管９を分断し、作動流体導入部１６を排気用熱交換器１１の外部側に配置する外部流通管９Ｂと排気用熱交換器１１の内部側に配置する内部流通管９Ｃとの嵌合により形成する。

外部流通管９Ｂは内部流通管９Ｃの内径よりも小径の外径を有する筒状に形成され、外周面の一部に雄ねじ２４を有する。また、外部流通管９Ｂは流通管９側の端部にフランジ２５を有する。フランジ２５は流通管９の拡径部２６に圧入され、外部流通管９Ｂと流通管９とが一体化されている。また、内部流通管９Ｃに嵌合する外部流通管９Ｂは、内部流通管９Ｃの内周面の一部に形成された雌ねじ２７を雄ねじ２４と螺合することにより結合され、内部流通管９Ｃと一体化されている。

嵌合された外部流通管９Ｂの外周面と内部流通管９Ｃの内周面との間には、隙間２８が形成され、外部流通管９Ｂのフランジ２５と内部流通管９Ｃの端面との間には、作動流体を放出するための開口部２９が形成されている。嵌合部の隙間２８には、外部流通管９Ｂ及び内部流通管９Ｃとの間を封止するために環状の熱溶融栓３０が装着されている。熱溶融栓３０は、第１の実施形態の温度センサー２０に相当する異常検出器を構成し、冷媒の異常な温度上昇を考慮して設定されている第１の実施形態における設定値に相当する所定値以上の温度により溶融又は封止機能の低下を生じる材料により構成される。従って、第２の実施形態でも、冷媒が異常高温となる前にランキンサイクル回路４の系外に放出される

従って、排気用熱交換器１１内で冷媒の停滞が生じた場合、伝熱面である内部流通管９Ｃが高温の排気により加熱されるが、内部流通管９Ｃ（伝熱面）の温度が設定値以上になると、熱溶融栓３０が溶融し始め、外部流通管９Ｂと内部流通管９Ｃとの間の密封状態が解除される。内部流通管９Ｃ内に存在する冷媒は、隙間２８及び雄ねじ２４と雌ねじ２７との間の隙間を通り、開口部２９から排気用熱交換器１１の外部へ放出される。このため、冷媒と高温の排気との間における熱伝達が遮断され、ランキンサイクル回路４における作動流体の異常な温度上昇を防止することができる。また、第２の実施形態では、冷媒の放出を許容する手段が外部流通管９Ｂと内部流通管９Ｃとの間を密封する熱溶融栓３０であるため、構成が簡単となり、安価に設置することができる。

（第３の実施形態）
図６は、第３の実施形態を示したもので、第１の実施形態と同一の構成については同一の符号を付し、詳細な説明を省略する。第３の実施形態では、作動流体の循環異常が排気用熱交換器１１に流入する作動流体の流量変化であり、異常検出器として、排気用熱交換器１１の上流側の流通管９に、流量センサー３１を設けている。

流量センサー３１は制御装置２１に電気的に接続され、作動流体の流量に関する検出信号を制御装置２１に送信する。制御装置２１は電磁バルブ２３に電気的に接続され、電磁バルブ２３の開閉に関する指令信号を送信する。また、制御装置２１には、排気用熱交換器１１に許容可能な作動流体の供給量として、最少の基準流量が設定値として予め設定されている。

ランキンサイクル回路４の運転中は、排気用熱交換器１１に供給される作動流体の流量が流量センサー３１により検出され、検出信号が制御装置２１に送信されている。制御装置２１では、送信された検出信号を予め設定されている設定値と比較し、許容範囲内であれば、ランキンサイクル回路４の運転が正常に継続される。ランキンサイクル回路４の運転中に、排気用熱交換器１１に供給される作動流体の流量が、何らかの原因により、低下し、基準流量以下となった場合、制御装置２１は流量の検出信号と設定値とを比較し、検出した流量が設定値よりも低いと判断する。

制御装置２１は直ちに、電磁バルブ２３に開の指令信号を発信し、電磁バルブ２３を開く。このため、放出口２２が開放され、排気用熱交換器１１内の作動流体は放出口２２を通して外部へ、即ちランキンサイクル回路４の系外へ放出される。従って、第３の実施形態では、第１の実施形態の場合よりも早く、作動流体が正常時以上に加熱される前に放出され、ランキンサイクル回路４における作動流体の異常な温度上昇を防止することができる。

（第４の実施形態）
図７は、第４の実施形態を示したもので、第１の実施形態と同一の構成については同一の符号を付し、詳細な説明を省略する。第４の実施形態では、作動流体の循環異常が冷媒ポンプ１０の回転異常に起因する流量低下であり、冷媒ポンプ１０の回転軸に、異常検出器として、エンコーダ等の回転数センサー３２を設けた構成である。

回転数センサー３２は制御装置２１に電気的に接続され、冷媒ポンプ１０の回転数に関する検出信号を制御装置２１に送信する。制御装置２１は電磁バルブ２３に電気的に接続され、電磁バルブ２３の開閉に関する指令信号を送信する。また、制御装置２１には、冷媒ポンプ１０の正常な回転数として許容される最低回転数が、設定値として予め設定されている。

ランキンサイクル回路４の運転中、回転数センサー３２が冷媒ポンプ１０の回転を検出し、検出信号を制御装置２１に送信している。制御装置２１では、送信された検出信号を予め設定されている設定値と比較し、設定値以上であれば、ランキンサイクル回路４の運転が正常に継続される。ランキンサイクル回路４の運転中に、冷媒ポンプ１０の回転が、何らかの原因により低下した場合、制御装置２１は回転数センサー３２からの検出信号と設定値とを比較し、検出した回転数が設定値よりも低いと判断する。なお、冷媒ポンプ１０が完全に停止した場合、回転数センサー３２は回転数零の検出信号を発信する。

冷媒ポンプ１０の回転数が低下すると、送り出される作動流体の流量が減少し、排気用熱交換器１１内を流通する作動流体の流量が極端に減少するか、作動流体の停滞を生じる。このような現象は作動流体を急激に温度上昇させる恐れが有る。このため、作動流体の異常な温度上昇を予測し、制御装置２１は直ちに、電磁バルブ２３に開の指令信号を発信し、電磁バルブ２３を開く。

電磁バルブ２３の開により、放出口２２が開放されるため、排気用熱交換器１１内の作動流体は放出口２２を通してランキンサイクル回路４の系外へ放出される。従って、第４の実施形態では、冷媒ポンプ１０の回転数に基づいて作動流体の異常な温度上昇を推測して動作する構成であるため、第１の実施形態や第３の実施形態の場合よりも早く、作動流体の放出を行うことができ、ランキンサイクル回路４における作動流体の異常な温度上昇を防止することができる。

（第５の実施形態）
図８は、第５の実施形態を示したもので、第１の実施形態と同一の構成については同一の符号を付し、詳細な説明を省略する。第５の実施形態では、作動流体の循環異常が膨張機１２の回転異常に起因する作動流体の流通の停滞であり、膨張機１２の回転軸に、異常検出器として、エンコーダ等の回転数センサー３３を設けた構成である。

回転数センサー３３は制御装置２１に電気的に接続され、膨張機１２の回転数に関する検出信号を制御装置２１に送信する。制御装置２１は電磁バルブ２３に電気的に接続され、電磁バルブ２３の開閉に関する指令信号を送信する。また、制御装置２１には、膨張機１２の正常な回転数として許容される最低回転数が、設定値として予め設定されている。なお、内燃機関の始動時などでは排気の温度が低いため、膨張機１２の回転数が設定値よりも低い状態で運転される場合がある。このため、制御装置２１は内燃機関の始動から一定時間後あるいは排気温度が一定温度以上に達した後に発信される回転数センサー３３の検出信号を使用するように設定されている。

ランキンサイクル回路４の運転中、回転数センサー３３が膨張機１２の回転を検出し、検出信号を制御装置２１に送信している。制御装置２１では、送信された検出信号を予め設定されている設定値と比較し、設定値以上であれば、ランキンサイクル回路４の運転が正常に継続される。ランキンサイクル回路４の運転中に、膨張機１２の回転が、何らかの原因により低下した場合、制御装置２１は回転数センサー３３からの検出信号と設定値とを比較し、検出した回転数が設定値よりも低いと判断する。なお、膨張機１２が完全に停止した場合、回転数センサー３２は回転数零の検出信号を発信する。

膨張機１２の回転数が低下すると、排気用熱交換器１１から流出する作動流体の流量が減少し、排気用熱交換器１１内に作動流体の停滞を生じる。停滞した作動流体は排気の熱により加熱され続け、作動流体を必要以上に温度上昇させる恐れが有る。このため、作動流体の異常な温度上昇を予測し、制御装置２１は直ちに、電磁バルブ２３に開の指令信号を発信し、電磁バルブ２３を開く。

電磁バルブ２３の開により、放出口２２が開放されるため、排気用熱交換器１１内の作動流体は放出口２２を通してランキンサイクル回路４の系外へ放出される。従って、第５の実施形態では、膨張機１２の回転数に基づいて作動流体の流通の停滞による異常な温度上昇を推測して動作する構成であり、第１の実施形態や第３の実施形態の場合よりも早く、作動流体の放出を行うことができる。従って、第５の実施形態は、ランキンサイクル回路４における作動流体の異常な温度上昇を防止することができる。

（第６の実施形態）
図９は、第６の実施形態を示したもので、第１の実施形態と同一の構成については同一の符号を付し、詳細な説明を省略する。第６の実施形態は、冷媒ポンプ１０から排気用熱交換器１１に供給する作動流体の流量を調整するためのバイパス回路３４を備えたランキンサイクル回路４に実施したものである。

バイパス回路３４は、冷媒ポンプ１０の下流側と排気用熱交換器１１の上流側とを繋ぐ流通管９から分岐し、レシーバ１４の下流側と冷媒ポンプ１０の上流側とを繋ぐ流通管９に接続した構成である。なお、バイパス回路３４は膨張機１２の下流側と冷媒ポンプ１０の上流側との間であれば、どの位置で接続しても構わない。また、バイパス回路３４には流量調整弁３５が介在されている。従って、ランキンサイクル回路４の熱回収効率等により流量調整弁３５が作動され、流量調整弁３５が開くと、排気用熱交換器１１への作動流体の供給量が少なく、流量調整弁３５が閉じると、排気用熱交換器１１への作動流体の供給量が増加する。

第６の実施形態では、作動流体の循環異常は、バイパス回路３４の流量調整弁３５が開いたままとなる故障に起因する作動流体の流量の低下であり、流量調整弁３５に、異常検出器として、故障検知器３６を設けた構成である。故障検知器３６は制御装置２１に電気的に接続され、流量調整弁３５の作動不良に関する検出信号を制御装置２１に送信する。制御装置２１は電磁バルブ２３に電気的に接続され、電磁バルブ２３の開閉に関する指令信号を送信する。

ランキンサイクル回路４の運転中、故障検知器３６により流量調整弁３５の動作状態を常時監視し、正常な状態であれば検出信号を制御装置２１に送信することは無い。ランキンサイクル回路４の運転中に、流量調整弁３５が、何らかの原因により動作不良を生じ、開状態のまま動作を停止すると、冷媒ポンプ１０から送り出される作動流体はバイパス回路３４を通して帰還する状態が継続される。このため、排気用熱交換器１１へ供給する作動流体が減少し、排気用熱交換器１１内の作動流体の流量が低下して、冷媒の異常な温度上昇の恐れがある。

第６の実施形態では、流量調整弁３５が開状態のまま動作を停止すると、故障検知器３６が故障の検出信号を制御装置２１に送信する。制御装置２１は、故障検知器３６からの検出信号を受信すると、直ちに、電磁バルブ２３に開の指令信号を発信し、電磁バルブ２３を開く。電磁バルブ２３の開により、放出口２２が開放されるため、排気用熱交換器１１内の作動流体は放出口２２を通してランキンサイクル回路４の系外へ放出される。従って、第６の実施形態は、バイパス回路３４の流量調整弁３５の動作不良に基づいて排気用熱交換器１１内の作動流体の異常な温度上昇を予測して電磁バルブ２３を動作する構成であり、第１の実施形態や第３の実施形態よりも早く、作動流体の放出を行うことができる。このため、第６の実施形態は、ランキンサイクル回路４において、作動流体の異常な温度上昇を防止することができる。

本願発明は、前記した各実施形態の構成に限定されるものではなく、本願発明の趣旨の範囲内で種々の変更が可能であり、次のように実施することができる。

（１）第１の実施形態において、温度センサー２０は上部位置の流通管９Ａに限らず、他の位置の流通管９Ａにおける温度を検出するように構成しても良い。
（２）第１の実施形態において、温度センサー２０は流通管９Ａ以外の伝熱面であるフィン１８の温度を検出するように構成しても良い。

（３）第１の実施形態及び第３〜第６の実施形態において、電磁バルブ２３を三方弁により構成して流通管９に直接取り付け、また、作動流体導出部１７に電磁バルブ２３と同期して閉動作する電磁弁を設けておき、温度センサー２０、流量センサー３１、回転数センサー３２、３３及び故障検知器３６が検出信号を発信した時、両方の電磁弁を閉じ、放出口２２を開放するように構成しても良い。この構成では、流通管９内の冷媒の移動が遮断されるため、放出口２２からの放出を流通管９Ａに存在する冷媒のみに限ることができ、冷媒の放出量を減少させることができる。

（４）第１の実施形態〜第６の実施形態において、ランキンサイクル回路４及び排気管２から分離した位置に冷媒を収容する容器を配設しておき、流通管９Ａの冷媒を排気用熱交換器１１の外部へ直接放出せずに、容器内に収容するように構成しても良い。
（５）第２の実施形態において、外部流通管９Ｂと内部流通管９Ｃとを嵌合し、結合する構成は、外部流通管９Ｂ及び内部流通管９Ｃそれぞれの端部にフランジを形成し、両フランジをボルトにより結合する構成としても良い。

（６）第１の実施形態〜第６の実施形態において、ランキンサイクル回路４の排気用熱交換器１１は、ＥＧＲ（排気再循環）を備えた内燃機関１の場合、排気循環経路に設置して実施することができる。
（７）第１の実施形態〜第６の実施形態において、作動流体は、ＨＦＯ１２３４ｙｆ（Ｒ１２３４ｙｆ）に限らず、例えばエタノールなど他の冷媒を使用することができる。
（８）第１の実施形態〜第６の実施形態において示した温度センサー２０、流量センサー３１、回転数センサー３２、３３及び故障検知器３６等の異常検出器は単一で用いる場合に限らず、複数の異常検出器を種々組み合わせて使用することが可能である。

（９）第１の実施形態〜第６の実施形態において、作動流体導入部１６が排気用熱交換器１１の下部側に、作動流体導出部１７が排気用熱交換器１１の上部側にそれぞれ配置される場合には、排気用熱交換器１１内の気化された冷媒を速やかに系外に放出するために、開口部は作動流体導出部１７に設けられることが好ましい。しかし、ランキンサイクル回路４の内圧が大気に比べて十分に高く、作動流体（冷媒）が容易に系外に放出され得る場合には、開口部は流通管９の適宜箇所に設けられることができる。
（１０）第１の実施形態〜第６の実施形態及び他の変更した実施形態は、車両以外の機械に設置された内燃機関においても実施することができる。
（１１）電磁バルブ２３は排気用熱交換器１１の作動流体導入部１６の位置に限らず、ランキンサイクル回路の作動流体の流通管９のどこに配置しても良い。

１ 内燃機関
２ 排気管
３ 冷却水循環回路
４ ランキンサイクル回路
９、９Ａ 流通管
９Ｂ 外側流通管
９Ｃ 内側流通管
１０ 冷媒ポンプ
１１ 排気用熱交換器
１２ 膨張機
１３ 凝縮器
１４ レシーバ
１５ 発電機
１６ 作動流体導入部
１８ フィン
２０ 温度センサー（異常検出器）
２１ 制御装置
２２ 分岐管
２３ 電磁バルブ
２４ 雄ねじ
２７ 雌ねじ
２９ 開口部
３０ 熱溶融栓
３１ 流量センサー（異常検出器）
３２、３３ 回転数センサー（異常検出器）
３４ バイパス回路
３５ 流量調整弁
３６ 故障検知器（異常検出器）

Claims (9)

1. 内燃機関の排気が流通する経路に付設されるとともに、作動流体を循環させる流通管と、前記作動流体と前記排気との間で熱交換を行う熱交換器と、前記作動流体を圧送するポンプと、前記作動流体から機械的エネルギーを回収する膨張機を備えるランキンサイクル回路を備えた廃熱利用装置において、
   前記作動流体の状態を検出する少なくとも１つの検出器を備え、前記作動流体の流通管は開閉可能な放出口を有し、前記検出器の検出信号に基づき前記放出口を開放し、前記作動流体を前記放出口から前記熱交換器を避けて前記ランキンサイクル回路の系外に放出することを特徴とする廃熱利用装置。
2. 前記検出器は前記熱交換器の伝熱面の温度を検出する温度センサーであることを特徴とする請求項１に記載の廃熱利用装置。
3. 前記検出器は前記熱交換器の上流側の流通管に設けた流量センサーであることを特徴とする請求項１に記載の廃熱利用装置。
4. 前記検出器は前記ポンプの回転軸に設けた回転数センサーであることを特徴とする請求項１に記載の廃熱利用装置。
5. 前記検出器は前記膨張機の回転軸に設けた回転数センサーであることを特徴する請求項１に記載の廃熱利用装置。
6. 前記作動流体の基準流量を予め設定しておき、前記基準流量は前記ランキンサイクル回路が正常に運転する流量より少ない値であって、前記流量センサーが前記基準流量以下の流量を検出した時、前記放出口を開放し、前記作動流体を前記ランキンサイクル回路の系外に放出することを特徴とする請求項３に記載の廃熱利用装置。
7. 前記作動流体の基準温度を予め設定しておき、前記基準温度は前記作動流体の熱分解温度よりも低い温度であって、前記温度センサーが設定値以上の温度を検出した時、前記放出口を開放することを特徴とする請求項２に記載の廃熱利用装置。
8. 前記流通管は径の異なる２本の流通管を嵌合させた嵌合部を有し、前記温度センサーは、前記嵌合部における前記放出口として機能する流通管同士の隙間を封止するとともに所定値以上の温度で溶融する熱溶融栓であることを特徴とする請求項２に記載の廃熱利用装置。
9. 前記ランキンサイクル回路において、前記ポンプの上流側と下流側をバイパスするバイパス回路と、該バイパス回路内の前記作動流体の流量を調整する流量調整弁とを備え、前記検出器は前記流量調整弁が閉弁不能であることを検出する故障検知器であることを特徴とする請求項１に記載の廃熱利用装置。

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