JP2014190217A - 廃熱回生システム - Google Patents

Abstract

【課題】ランキンサイクル回路上の水熱交換器が故障して冷却水回路とランキンサイクル回路との接合部が連通した場合に、冷却水回路上の機器の故障を防止する。
【解決手段】廃熱回生システム１００は、冷却水ボイラ３を有するランキンサイクル回路１０と、冷却水ボイラ３の故障を検知する第一冷却水圧力センサ１３と、冷媒が冷却水ボイラ３に流通する流量を制御する第一シャット弁１２ａ及び第二シャット弁１２ｂと、冷媒をランキンサイクル回路１０外に放出するボイラ側開閉弁１１とを備え、第一冷却水圧力センサ１３が冷却水ボイラ３の故障を検知すると、第一シャット弁１２ａ及び第二シャット弁１２ｂは冷却水ボイラ３への冷媒の流通を停止させ、その後、ボイラ側開閉弁１１は一定時間ｔにわたって冷媒をランキンサイクル回路１０外に放出する。
【選択図】図１

Description

この発明は、廃熱回生システムに係り、特にランキンサイクルを用いて車両のエンジンの廃熱を利用する廃熱回生システムに関する。

エンジンの廃熱から機械的エネルギー（動力）を回収するランキンサイクル回路を利用した車両用の廃熱回生システムが開発されている。一般的なランキンサイクル回路は、作動流体を圧送するポンプと、作動流体をエンジンの廃熱と熱交換させて加熱するボイラと、加熱された作動流体を膨張させて機械的エネルギーを回収する膨張機と、膨張後の作動流体を冷却凝縮させるコンデンサとから構成され、これらが順次接続されて閉回路を形成している。

ここで、特許文献１のランキンサイクル装置では、ボイラが、廃熱源であるエンジンに接続された冷却水回路上に設けられている。エンジンからの廃熱は、冷却水回路を循環する冷却水に伝達され、その熱交換によってエンジンが冷却される。そして、エンジンからの廃熱を受けて加熱された冷却水は、ボイラにおいてランキンサイクル回路を流通する作動流体としての冷媒を加熱する。

特開２０１２−６７６８７号公報

しかしながら、特許文献１のランキンサイクル装置では、ボイラが故障して冷却水回路とランキンサイクル回路との接合部が連通する場合がある。このようにボイラが故障した場合、圧力の高いランキンサイクル回路側の冷媒（例えば、フロンガス）が、圧力の低い冷却水回路内に浸入するおそれがある。ランキンサイクル回路側の冷媒が冷却水回路の冷却水に混入すると、冷却水回路の圧力が上昇したり、冷却水回路のポンプにキャビテーションが発生したりして、冷却水回路上の機器が故障する危険がある。
なおここで、特許文献１のボイラのように、ランキンサイクル回路の冷媒と冷却水回路の水とを熱交換する機器を水熱交換器とする。

この発明はこのような問題を解決するため、ランキンサイクル回路上の水熱交換器が故障して冷却水回路とランキンサイクル回路との接合部が連通しても、冷却水回路上の機器の故障を防止することができる廃熱回生システムを提供することを目的とする。

上記の課題を解決するために、この発明に係る廃熱回生システムは、水が流通する水回路と、水熱交換器を有し作動流体が流通するランキンサイクル回路とを備え、水回路は水熱交換器と接続しランキンサイクル回路との間で熱交換を行い、水熱交換器の故障を検知する故障検知手段と、ランキンサイクル回路内に設けられ、ランキンサイクル回路内の作動流体をランキンサイクル回路外に放出する作動流体放出手段とを備え、故障検知手段による水熱交換器の故障の検知に基づいて、作動流体放出手段は所定の放出時間にわたって作動流体をランキンサイクル回路外に放出する。
これにより、水熱交換器が故障したとしても、ランキンサイクル回路内の作動流体をランキンサイクル回路外に放出することによって、水回路を正常に作動させることができる。なお、水熱交換器の故障とは、冷却水回路とランキンサイクル回路との接合部が連通する故障をいう。

この発明に係る廃熱回生システムは、ランキンサイクル回路内の作動流体が水熱交換器に流通する流量を制御する流量制御手段を備え、作動流体放出手段は水熱交換器に設けられ、故障検知手段による水熱交換器の故障の検知に基づいて、流量制御手段は水熱交換器への作動流体の流通を停止させ、作動流体の水熱交換器への流通が停止した後に、作動流体をランキンサイクル回路外に放出してもよい。
また、この発明に係る廃熱回生システムは、流量制御手段はランキンサイクル回路内における水熱交換器の前後に設けられた一対のシャット弁であり、作動流体排出手段は、水熱交換器に設けられた開閉弁であり、故障検知手段による水熱交換器の故障の検知に基づいて、一対のシャット弁を閉状態とし、開閉弁を開状態としてもよい。
さらに、この発明に係る廃熱回生システムは、ランキンサイクル回路内の作動流体の圧力を検出する圧力検出手段を備え、放出時間は作動流体の圧力に基づいて決定されてもよい。

この発明による廃熱回生システムによれば、ランキンサイクル回路上の水熱交換器が故障して冷却水回路とランキンサイクル回路との接合部が連通しても、冷却水回路上の機器の故障を防止することができる。

この発明の実施の形態１に係る廃熱回生システムの構成を示す図である。 図１のランキンサイクル回路の制御を示すフローチャートである。 この発明の実施の形態２に係る廃熱回生システムの構成を示す図である。

以下、この発明の実施の形態について添付図面に基づいて説明する。
実施の形態１．
この発明の実施の形態１に係る廃熱回生システム１００の構成を図１に示す。
廃熱回生システム１００は、ポンプ２と、冷却水ボイラ３と、排ガスボイラ４と、膨張機６と、コンデンサ８とを有し、これらは順次連結して閉回路であるランキンサイクル回路１０を構成する。ランキンサイクル回路１０には作動流体としての冷媒が流通している。また、ポンプ２はモータ５と接続している。ランキンサイクル回路１０内における冷却水ボイラ３の前後には一対のシャット弁（第１シャット弁１２ａ、第２シャット弁１２ｂ）が設けられる。すなわち、ポンプ２の下流側かつ冷却水ボイラ３の上流側には第１シャット弁１２ａが設けられ、冷却水ボイラ３の下流側かつ排ガスボイラ４の上流側には第２シャット弁１２ｂが設けられる。また、冷却水ボイラ３においてランキンサイクル回路１０上には開閉弁としてボイラ側開閉弁１１が設けられる。さらに、ポンプ２の下流側かつ第一シャット弁１２ａの上流側には高圧側圧力センサ１６が設けられている。
ここで、冷却水ボイラ３は水熱交換器を構成する。また、第一シャット弁１２ａ及び第二シャット弁１２ｂは、ランキンサイクル回路１０内の冷媒が冷却水ボイラ３に流通する流量を制御する流量制御手段を構成する。さらに、ボイラ側開閉弁１１は冷媒をランキンサイクル回路１０外に放出する作動流体放出手段を構成する。また、高圧側圧力センサ１６は圧力検出手段を構成する。

ポンプ２はモータ５によって駆動され、廃熱回生システム１００におけるランキンサイクル回路１０内の冷媒を圧送する。また、冷却水ボイラ３はエンジン２０を冷却した冷却水が有する廃熱により、排ガスボイラ４はエンジン２０の排ガスが有する廃熱により、冷媒を加熱し気化させる。膨張機６は冷却水ボイラ３及び排ガスボイラ４において気化した冷媒を膨張させて機械的エネルギーを発生させる。ここで、膨張機６は膨張機側駆動軸２６を有し、エンジン２０はエンジン側駆動軸２１を有する。膨張機側駆動軸２６とエンジン側駆動軸２１との間にはベルト２２が取り付けられている。膨張機６で発生した機械的エネルギーは、膨張機側駆動軸２６、ベルト２２及びエンジン側駆動軸２１を介してエンジン２０を補助する。さらに、コンデンサ８は、気化した冷媒を冷却凝縮し液化させる。
なお、本実施の形態において冷媒にはフロンが用いられるが、これに限定されず、エタノールであってもよい。

冷却水ボイラ３には、第一水回路３１が接続されている。第一水回路３１は、冷却水ボイラ３、第一ラジエータ３４及び冷却水ポンプ３２が順次接続されて構成されている。また、第一水回路３１は、冷却水ポンプ３２の下流かつ冷却水ボイラ３の上流においてエンジン２０内を通過する。冷却水ポンプ３２によって圧送された冷却水はエンジン２０の廃熱を受け取ることでエンジン２０を冷却する。エンジン２０の廃熱によって加熱された冷却水は冷却水ボイラ３において、ランキンサイクル回路１０の冷媒と熱交換を行う。そして次に、冷却水は第一ラジエータ３４によって冷却された後、再び冷却水ポンプ３２によってエンジン２０へ圧送される。ここで、冷却水ボイラ３の下流かつ第一ラジエータ３４の上流には第一冷却水圧力センサ１３が設けられ、冷却水の圧力を測定する。
第一冷却水圧力センサ１３は故障検知手段を構成する。

排ガスボイラ４には排気管４１が接続されている。排気管４１にはエンジン２０から排出された高温の排ガスが流通しており、排ガスボイラ４においてランキンサイクル回路１０を流通する冷媒と熱交換を行って冷媒を加熱する。

ボイラ側開閉弁１１、第一シャット弁１２ａ、第二シャット弁１２ｂ、高圧側圧力センサ１６及び第一冷却水圧力センサ１３はＥＣＵ５０に電気的に接続している。ＥＣＵ５０は、ボイラ側開閉弁１１、第一シャット弁１２ａ及び第二シャット弁１２ｂの開閉を制御する。

次に、ＥＣＵ５０によるボイラ側開閉弁１１、第一シャット弁１２ａ及び第二シャット弁１２ｂの開閉の制御方法について、図２のフローチャートを参照して説明する。
はじめにステップＳ１にて、第一冷却水圧力センサ１３により冷却水ボイラ３の故障を検知する。冷却水ボイラ３が故障してランキンサイクル回路１０と第一水回路３１との接合部が連通した場合、ランキンサイクル回路１０の圧力が第一水回路３１の圧力よりも高いため、ランキンサイクル回路１０の冷媒は第一水回路３１に浸入する。その際、第一水回路３１の冷却水の圧力が上昇するため、第一冷却水圧力センサ１３が冷却水の圧力の上昇から冷却水ボイラ３の故障を検知することができる。すなわち、冷却水圧力Ｐ１が所定の圧力ｐ以上となった場合、ＥＣＵ５０は冷却水ボイラ３が故障したと判定する。冷却水圧力Ｐ１が圧力ｐ未満であった場合は、冷却水ボイラ３は故障とは判定されず、ランキンサイクル回路１０はそのままの状態を維持しながら動作する。

冷却水圧力Ｐ１が圧力ｐ以上となり冷却水ボイラ３の故障が検知された場合、ステップＳ２において、ＥＣＵ５０は第一シャット弁１２ａ及び第二シャット弁１２ｂを同時に閉状態とする。これにより冷却水ボイラ３への冷媒の流通が停止する。そして、その後ステップＳ３において、ＥＣＵ５０はボイラ側開閉弁１１を開状態にする。ボイラ側開閉弁１１を開状態にすることにより、閉状態となった第一シャット弁１２ａと第二シャット弁１２ｂとの間の冷媒及び第一水回路３１に浸入した冷媒は、ボイラ側開閉弁１１を介してランキンサイクル回路１０外に放出される。

次にステップＳ４において、ボイラ側開閉弁１１が開状態になった後、放出時間ｔが経過したことが判断されると、ステップＳ５においてＥＣＵ５０は、ボイラ側開閉弁１１を再び閉状態とする。放出時間ｔは、冷却水ボイラ３内の冷媒の残量が第一水回路３１に混入しても問題のない量以下になるために必要な時間である。この放出時間ｔは、ランキンサイクル回路１０の高圧側圧力センサ１６によって検出される冷媒圧力Ｐ２に応じて決められる。すなわち、ＥＣＵ５０には、冷媒圧力Ｐ２と放出時間ｔとの関係を規定したマップが記憶されており、このマップに基づいて放出時間ｔが算出される。そして、ステップＳ５において、ボイラ側開閉弁１１が開状態になってから放出時間ｔが経過した時点で、ＥＣＵ５０はボイラ側開閉弁１１を閉状態とする。

以上より、この実施の形態１に係る廃熱回生システム１００では、冷却水ボイラ３が故障したとしても、ランキンサイクル回路１０内の冷媒をランキンサイクル回路１０外に放出することによって、第一水回路３１を正常に作動させることができる。具体的には、冷却水ボイラ３が故障した場合に、冷却水ボイラ３の前後に設けられた第一シャット弁１２ａ及び第二シャット弁１２ｂを閉状態とすることにより、冷却水ボイラ３への冷媒の流入を停止させる。よって、それ以上ランキンサイクル回路１０から第一水回路３１へ冷媒が洩れるのを防ぐことができ、第一水回路３１内の圧力の上昇、冷却水ポンプ３２への冷媒の浸入及びキャビテーションの発生を防ぐことができる。また、第一シャット弁１２ａ及び第二シャット弁１２ｂを閉状態とした後ボイラ側開閉弁１１を開状態にすることで冷媒を大気に放出させ、冷却水ボイラ３内の冷媒の残量を第一水回路３１に混入しても問題のない量まで減らすことができる。従って、冷却水ボイラ３が故障した場合であっても、第一水回路３１を正常に動作させることができる。さらに、ボイラ側開閉弁１１を開状態にした後、放出時間ｔが経過した後に再び閉状態にすることで、ボイラ側開閉弁１１を長時間開けて第一水回路３１の冷却水がランキンサイクル回路１０に洩れだすような事態を防ぐことができる。
また、放出時間ｔを、ランキンサイクル回路１０内の冷媒の圧力に応じて決定することにより、第一シャット弁１２ａと第二シャット弁１２ｂとの間の冷媒を必要量放出させることができる。

実施の形態２．
この発明の実施の形態２に係る廃熱回生システム２００の構成を図３に示す。なお、図１の参照符号と同一の符号は同一又は同様の構成要素であるので、その詳細な説明は省略する。
実施の形態２に係る廃熱回生システム２００は、実施の形態１に係る廃熱回生システム１００において、コンデンサ８が第二水回路６１に接続している。第二水回路６１は、ターボチャージャ（図示せず）により圧縮された吸気を冷却するインタークーラ６６を冷却するための冷却水が流通する回路である。第二水回路６１は、第二冷却水ポンプ６２、コンデンサ８、インタークーラ６６及び第二ラジエータ６４が順次接続されて構成されている。また、コンデンサ８の下流側かつインタークーラ６６の上流側には第二冷却水圧力センサ１９が設けられている。また、コンデンサ８においてランキンサイクル回路１０には開閉弁としてコンデンサ側開閉弁１８が設けられている。さらにランキンサイクル回路１０内におけるコンデンサ８の前後には一対のシャット弁（第三シャット弁１７ａ、第四シャット弁１７ｂ）が設けられている。すなわち、膨張機６の下流側かつコンデンサ８の上流側には第三シャット弁１７ａが、コンデンサ８の下流側かつポンプ２の上流側には第四シャット弁１７ｂが設けられている。第二冷却水圧力センサ１９、コンデンサ側開閉弁１８、第三シャット弁１７ａ及び第四シャット弁１７ｂはＥＣＵ５０に電気的に接続している。また、ランキンサイクル回路１０において、コンデンサ８の下流側かつポンプ２の上流側に設けられた低圧側圧力センサ１４もＥＣＵ５０に電気的に接続している。
ここで、この実施の形態においてコンデンサ８は水熱交換器を構成する。また、第三シャット弁１７ａ及び第四シャット弁１７ｂは、ランキンサイクル回路１０内の冷媒がコンデンサ８に流通する流量を制御する流量制御手段を構成する。さらに、コンデンサ側開閉弁１８は冷媒をランキンサイクル回路１０外に放出する作動流体放出手段を構成する。また、低圧側圧力センサ１４は、高圧側圧力センサ１６とともに圧力検出手段を構成する。

ボイラ側開閉弁１１、第一シャット弁１２ａ及び第二シャット弁１２ｂの開閉と同様に、ＥＣＵ５０はコンデンサ側開閉弁１８、第三シャット弁１７ａ及び第四シャット弁１７ｂの開閉を制御する。すなわち、ＥＣＵ５０が、第二冷却水圧力センサ１９が検出する冷却水圧力Ｐ３の上昇によりコンデンサ８の故障を検知した場合、まず、第三シャット弁１７ａ及び第四シャット弁１７ｂを同時に閉状態とする。次にコンデンサ側開閉弁１８を開状態とし、冷媒を大気に放出し、放出時間ｔ’を経過した後に、再びコンデンサ側開閉弁１８を閉状態とする。放出時間ｔ’は、コンデンサ８内の冷媒の残量が第二水回路６１に混入しても問題のない量以下になるために必要な時間である。この放出時間ｔ’は、ランキンサイクル回路１０の低圧側圧力センサ１４によって検出される冷媒圧力Ｐ４に応じて決められる。すなわち、ＥＣＵ５０には、冷媒圧力Ｐ４と放出時間ｔ’との関係を規定したマップが記憶されており、このマップに基づいて放出時間ｔ’が算出される。

以上より、この実施の形態に係る廃熱回生システム２００では、実施の形態１の廃熱回生システム１００と同様に、コンデンサ８が故障した場合であっても、第二水回路６１への冷媒の洩れを少なくすることができる。その結果、第二水回路６１内の圧力の上昇、第二冷却水ポンプ６２への冷媒の浸入及びキャビテーションの発生を防ぐことができる。また、コンデンサ側開閉弁１８を開状態にすることで冷媒を大気に放出させ、コンデンサ８内の冷媒の残量を第二水回路６１に混入しても問題のない量まで減らすことができる。従って、コンデンサ８が故障した場合であっても、第二水回路６１を正常に動作させることができる。さらに、放出時間ｔ’が経過した後にコンデンサ側開閉弁１８を閉状態にすることで、第二水回路６１の冷却水がランキンサイクル回路１０に洩れだすような事態を防ぐことができる。

実施の形態１において、冷媒をランキンサイクル回路１０外に放出する放出時間ｔは冷媒の圧力に応じて決定されるが、これに限定されず、ランキンサイクル回路１０における第一シャット弁１２ａと第二シャット弁１２ｂとの間の冷媒の圧力に応じてもよい。すなわち、第一シャット弁１２ａと第二シャット弁１２ｂとの間に圧力センサを設け、図３のステップＳ２，Ｓ３を経て、冷却水ボイラ３における冷媒の圧力が所定圧力以下となった時にボイラ側開閉弁１１を閉状態としてもよい。
また、実施の形態２においても、冷媒をランキンサイクル回路１０外に放出する放出時間ｔ’は、ランキンサイクル回路１０における第三シャット弁１７ａと第四シャット弁１７ｂとの間の冷媒の圧力に応じてもよい。
また、実施の形態１及び２において、放出時間ｔ又はｔ’はランキンサイクル回路１０の冷媒の圧力に関係なく、予め決められた一定の時間であってもよい。

実施の形態１において水回路と接続する水熱交換器は冷却水ボイラ３のみであり、実施の形態２においては冷却水ボイラ３及びコンデンサ８が水熱交換器であるが、これに限定されず、水熱交換器としてコンデンサ８のみが設けられていてもよい。
実施の形態１及び実施の形態２において、第一シャット弁１２ａ及び第二シャット弁１２ｂを同時に閉状態としていたが、これに限定されない。例えば、第一シャット弁１２ａを閉状態とした後に、第二シャット弁１２ｂを閉状態としてもよいし、第二シャット弁１２ｂを閉状態とした後に、第一シャット弁１２ａを閉状態としてもよい。同様に、実施の形態２において第三シャット弁１７ａ及び第四シャット弁１７ｂを同時に閉状態としなくてもよい。
実施の形態１及び実施の形態２において、流量制御手段を設けず、ランキンサイクル回路１０内の冷媒をランキンサイクル回路１０外に放出する作動流体放出手段を設けてもよい。作動流体放出手段は、ランキンサイクル回路１０内において、水熱交換器以外に設けてもよい。この場合、水熱交換器の故障を検知した場合、ランキンサイクル回路１０内の冷媒を作動流体放出手段によって素早くランキンサイクル回路１０外に放出し、水回路への冷媒の侵入を防ぐようにすればよい。

１００，２００ 廃熱回生システム、３ 冷却水ボイラ（水熱交換器）、８ コンデンサ（水熱交換器）、１０ ランキンサイクル回路、１１ ボイラ側開閉弁（作動流体放出手段、開閉弁）、１２ａ 第一シャット弁（流量制御手段）、１２ｂ 第二シャット弁（流量制御手段）、１３ 第一冷却水圧力センサ（故障検知手段）、１４ 低圧側圧力センサ（圧力検出手段）、１６ 高圧側圧力センサ（圧力検出手段）、１７ａ 第三シャット弁（流量制御手段）、１７ｂ 第四シャット弁（流量制御手段）、１８ コンデンサ側開閉弁（作動流体放出手段、開閉弁）、１９ 第二冷却水圧力センサ（故障検知手段）、２０ エンジン、３１ 第一水回路（水回路）、６１ 第二水回路（水回路）、ｔ 放出時間。

Claims (4)

1. 水が流通する水回路と、水熱交換器を有し作動流体が流通するランキンサイクル回路とを備え、前記水回路は前記水熱交換器と接続し前記ランキンサイクル回路との間で熱交換を行う廃熱回生システムであって、
   前記水熱交換器の故障を検知する故障検知手段と、
   前記ランキンサイクル回路内に設けられ、前記ランキンサイクル回路内の作動流体を前記ランキンサイクル回路外に放出する作動流体放出手段とを備え、
   前記故障検知手段による前記水熱交換器の故障の検知に基づいて、前記作動流体放出手段は所定の放出時間にわたって前記作動流体を前記ランキンサイクル回路外に放出する、廃熱回生システム。
2. 前記ランキンサイクル回路内の前記作動流体が前記水熱交換器に流通する流量を制御する流量制御手段を備え、
   前記作動流体放出手段は前記水熱交換器に設けられ、
   前記故障検知手段による前記水熱交換器の故障の検知に基づいて、前記流量制御手段は前記水熱交換器への前記作動流体の流通を停止させ、
   前記作動流体の前記水熱交換器への流通が停止した後に、前記作動流体を前記ランキンサイクル回路外に放出する、請求項１記載の廃熱回生システム。
3. 前記流量制御手段は前記ランキンサイクル回路内における前記水熱交換器の前後に設けられた一対のシャット弁であり、
   前記作動流体排出手段は、前記水熱交換器に設けられた開閉弁であり、
   前記故障検知手段による前記水熱交換器の故障の検知に基づいて、前記一対のシャット弁を閉状態とし、前記開閉弁を開状態とする、請求項２記載の廃熱回生システム。
4. 前記ランキンサイクル回路内の前記作動流体の圧力を検出する圧力検出手段を備え、
   前記放出時間は前記作動流体の前記圧力に基づいて決定される、請求項１〜３のいずれか一項に記載の廃熱回生システム。

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