JP2018112088A - ランキンサイクルの制御装置 - Google Patents

Abstract

【課題】装置をより効果的に小型化する。
【解決手段】加熱される作動媒体が循環する流路である作動媒体流路と、作動媒体流路に設けられ作動媒体流路内で作動媒体を循環させるポンプと、作動媒体流路に設けられ作動媒体を膨張させて回転エネルギを生成する膨張器と、を含むランキンサイクルの制御装置において、ポンプ及び膨張器は、モータジェネレータとそれぞれ連結され、ランキンサイクルには、作動媒体流路におけるポンプより下流側と上流側とを連通するバイパス流路及びバイパス流路内を作動媒体流路におけるポンプより下流側から上流側へ還流する作動媒体の流量である還流量を調整可能な流量調整機構が設けられ、制御装置は、流量調整機構により調整される還流量を、膨張器へ供給される気相の作動媒体の温度である蒸気温に応じて制御する、ランキンサイクルの制御装置が提供される。
【選択図】図１

Description

本発明は、ランキンサイクルの制御装置に関する。

従来、熱を利用して機械エネルギを生成するランキンサイクルが知られている。例えば、車両に適用されるランキンサイクルは、車両において生じるエンジンの廃熱を用いて機械エネルギを生成する。ランキンサイクルは、具体的には、加熱される作動媒体が循環する流路と、当該流路に設けられ作動媒体を循環させるポンプと、当該流路に設けられ作動媒体を膨張させて回転エネルギを生成する膨張器と、を含む。さらに、膨張器に発電機を連結することによって、膨張器により生成された回転エネルギを用いて発電することができる。それにより、熱を利用した発電である熱発電が実現される。このような熱発電に関する分野において、装置を小型化するために、ポンプ及び膨張器の双方に発電機を連結させる技術が提案されている。

例えば、特許文献１には、廃熱回収効率が低下せずに、コンパクトでコストを低減した車両用廃熱回収システムを提供するために、車両の廃熱により作動流体を加熱する熱交換器、当該熱交換器で加熱された作動流体を膨張させる膨張機、当該膨張機で膨張された作動流体を冷却するコンデンサ、及び当該コンデンサで冷却された作動流体を循環するポンプを有するランキンサイクルと、当該ポンプ及び当該膨張機に連結する負荷機とを備える車両用排熱回収システムにおいて、負荷機がモータとして当該ポンプを駆動すると共に発電機として当該膨張機の動力を利用して発電を行う技術が開示されている。

特開２００６−２４２１７４号公報

このように、ポンプ及び膨張器の双方に発電機を連結させることによって、ポンプを専用の電動モータによって駆動させるように構成した場合と比較して、装置を小型化することができる。しかしながら、熱発電に関する分野において、装置をより効果的に小型化することが望ましいと考えられる。

具体的には、ポンプ及び膨張器の双方に発電機を連結させる場合、ポンプ及び膨張器の回転軸が一体に回転するように構成され得る。このような場合、ポンプ及び膨張器の回転速度の差を調整することは困難であるので、ポンプ及び膨張器のそれぞれから下流側へ吐出される作動媒体の流量（以下、吐出流量とも称する。）の差を調整することが困難となり得る。それにより、膨張器に供給される気相の作動媒体の体積（以下、蒸気体積流量とも称する。）は、膨張器へ供給される気相の作動媒体の温度（以下、蒸気温とも称する。）によらず略一定となり得る。なお、蒸気体積流量は、換言すると、膨張器を単位時間あたりに通過する気相の作動媒体の体積に相当する。

蒸気体積流量が略一定である場合において、理想気体の状態方程式によれば、膨張器へ供給される気相の作動媒体の圧力（以下、蒸気圧とも称する。）は蒸気温と相関を有する。よって、蒸気温が上昇することによって、蒸気圧が過剰に高くなり得るので、膨張器が破損するおそれがある。一方、蒸気温が低下することによって、蒸気圧が過剰に低くなり得るので、膨張器によって生成される回転エネルギの減少に伴い発電量が減少し得る。ゆえに、蒸気圧を蒸気温に応じて適切に調整する必要性が生じ得る。

ここで、ポンプ及び膨張器の双方に発電機を連結させる場合において、ポンプ又は膨張器の１回転あたりの吐出量を調整する機構を設けることによって、ポンプ及び膨張器の吐出流量の差を蒸気温に応じて調整可能とすることが考えられる。それにより、蒸気圧を蒸気温に応じて適切に調整し得ることが期待される。しかしながら、そのような機構は、比較的部品点数が多いので、装置をより効果的に小型化することが困難となり得る。

そこで、本発明は、上記問題に鑑みてなされたものであり、本発明の目的とするところは、装置をより効果的に小型化することが可能な、新規かつ改良されたランキンサイクルの制御装置を提供することにある。

上記課題を解決するために、本発明のある観点によれば、加熱される作動媒体が循環する流路である作動媒体流路と、前記作動媒体流路に設けられ前記作動媒体流路内で前記作動媒体を循環させるポンプと、前記作動媒体流路に設けられ前記作動媒体を膨張させて回転エネルギを生成する膨張器と、を含むランキンサイクルの制御装置において、前記ポンプ及び前記膨張器は、モータジェネレータとそれぞれ連結され、前記ランキンサイクルには、前記作動媒体流路における前記ポンプより下流側と上流側とを連通するバイパス流路及び前記バイパス流路内を前記作動媒体流路における前記ポンプより下流側から上流側へ還流する前記作動媒体の流量である還流量を調整可能な流量調整機構が設けられ、前記制御装置は、前記流量調整機構により調整される前記還流量を、前記膨張器へ供給される気相の前記作動媒体の温度である蒸気温に応じて制御する、ランキンサイクルの制御装置が提供される。

前記制御装置は、前記蒸気温が所定の圧力における前記作動媒体の沸点より高い場合、前記蒸気温が高くなるにつれて、前記還流量を増大させてもよい。

前記制御装置は、前記蒸気温が前記所定の圧力における前記作動媒体の沸点以下である場合、前記蒸気温が低くなるにつれて、前記還流量を増大させてもよい。

前記作動媒体流路には、前記膨張器を通過した気相の前記作動媒体を凝縮する凝縮器が設けられ、前記バイパス流路は、前記作動媒体流路における前記ポンプより上流側において、前記作動媒体流路における前記凝縮器より下流側と接続されてもよい。

前記作動媒体流路には、前記ポンプにより吸い上げられる前記作動媒体が貯留されるタンクが設けられ、前記バイパス流路は、前記作動媒体流路における前記ポンプより上流側において、前記作動媒体流路における前記タンクより下流側と接続されてもよい。

前記流量調整機構は、前記バイパス流路に設けられ前記バイパス流路の流路面積を調整することによって前記還流量を調整可能なオリフィスを含んでもよい。

前記ランキンサイクルの前記作動媒体は、車両のエンジンの廃熱によって加熱されてもよい。

以上説明したように本発明によれば、装置をより効果的に小型化することが可能となる。

本発明の実施形態に係る車両の充電システムの概略構成の一例を示す模式図である。 作動媒体の蒸気圧曲線の一例を示す説明図である。 蒸気温と目標蒸気圧との関係性の一例について説明するための説明図である。 蒸気温とバイパス流路の流路面積との関係性を表すマップの一例を示す説明図である。 蒸気温と作動媒体の還流量との関係性の一例について説明するための説明図である。

以下に添付図面を参照しながら、本発明の好適な実施の形態について詳細に説明する。なお、本明細書及び図面において、実質的に同一の機能構成を有する構成要素については、同一の符号を付することにより重複説明を省略する。

＜１．充電システムの構成＞
まず、図１を参照して、本発明の実施形態に係る車両の充電システム１０の概略構成について説明する。図１は、本実施形態に係る充電システム１０の概略構成の一例を示す模式図である。充電システム１０は、例えば、図１に示したように、エンジン１１と、駆動力伝達系５１と、駆動輪２１と、高電圧バッテリ３１と、走行用モータジェネレータ（走行用Ｍ／Ｇ）４１と、ポンプ用モータジェネレータ（ポンプ用Ｍ／Ｇ）６１と、ランキンサイクル７０と、制御装置１００と、を備える。

エンジン１１は、車両の走行状態に応じて運転又は停止する。例えば、エンジン１１は、車両の走行中において要求トルクに応じて運転又は停止する。エンジン１１の運転により生成された駆動力は、駆動力伝達系５１を介して、駆動輪２１へ伝達される。エンジン１１のシリンダブロックやシリンダヘッドには、冷却水が循環する冷却水流路１３が、エンジン１１を冷却するために設けられている。エンジン１１の廃熱は、冷却水流路１３内を循環する冷却水によって回収される。冷却水流路１３は、エンジン１１の外部においてランキンサイクル７０の熱交換器７４と接続され、熱交換器７４においてランキンサイクル７０の作動媒体と熱交換を行う。

高電圧バッテリ３１は、高電圧（例えば、２００Ｖ）の電力供給源である。具体的には、高電圧バッテリ３１は、ポンプ用モータジェネレータ６１及び走行用モータジェネレータ４１へ電力をそれぞれ供給する他、車両内の各種装置へ電力を供給する低電圧バッテリへ電力を供給する。高電圧バッテリ３１には、ポンプ用モータジェネレータ６１により発電された電力及び走行用モータジェネレータ４１により発電された電力が、それぞれ蓄電される。

走行用モータジェネレータ４１は、車両の駆動力を生成する駆動用モータとしての機能を有する。また、走行用モータジェネレータ４１は、車両の減速時に車両の運動エネルギを用いて発電し、発電された電力を高電圧バッテリ３１へ蓄電する制動発電用発電機としての機能を有する。走行用モータジェネレータ４１は、例えば、三相交流式のモータとインバータ装置とを備え、当該インバータ装置を介して高電圧バッテリ３１と電気的に接続されている。なお、当該インバータ装置はコンバータ装置としての機能も有する。

走行用モータジェネレータ４１が駆動用モータとして機能する場合、高電圧バッテリ３１から走行用モータジェネレータ４１へ直流電力が供給される。走行用モータジェネレータ４１において、当該直流電力は、インバータ装置によって交流電力に変換され、モータへ供給される。それにより、走行用モータジェネレータ４１のモータによって駆動力が生成される。走行用モータジェネレータ４１により生成された駆動力は、駆動力伝達系５１を介して、駆動輪２１へ伝達される。制御装置１００は、走行用モータジェネレータ４１のインバータ装置を制御することによって、走行用モータジェネレータ４１による駆動力の生成を制御する。

走行用モータジェネレータ４１が車両の減速時に制動発電用発電機として機能する場合、制御装置１００により走行用モータジェネレータ４１のインバータ装置が制御されることによって、駆動輪２１の回転エネルギを用いてモータにより発電が行われる。発電された交流電力は、インバータ装置により直流電力に変換され、高電圧バッテリ３１へ蓄電される。それにより、駆動輪２１の回転に抵抗が与えられ、制動力が発生する。制御装置１００は、走行用モータジェネレータ４１のインバータ装置を制御することによって、走行用モータジェネレータ４１による発電を制御する。具体的には、制御装置１００は、インバータ装置を介して走行用モータジェネレータ４１の出力電圧を制御する。

ランキンサイクル７０は、車両のエンジン１１の廃熱を用いて、機械エネルギを生成する。ランキンサイクル７０は、例えば、図１に示したように、作動媒体流路７１と、ポンプ７３と、熱交換器７４と、膨張器７５と、凝縮器７７と、タンク７９と、バイパス流路７６と、流量調整機構７２と、を含む。

作動媒体流路７１は、加熱される作動媒体が循環する流路である。作動媒体として、例えば、水、フロン、又はアルコールが適用され得る。作動媒体流路７１には、ポンプ７３、熱交換器７４、膨張器７５、凝縮器７７、及びタンク７９が順に設けられる。

ポンプ７３は、作動媒体流路７１内で作動媒体を循環させる。具体的には、タンク７９にはポンプ７３により吸い上げられる作動媒体が貯留され、ポンプ７３はタンク７９に貯留された作動媒体を吸い上げる。それにより、作動媒体流路７１内で作動媒体が循環する。ポンプ７３は、ポンプ用モータジェネレータ６１と連結される。例えば、ポンプ用モータジェネレータ６１は三相交流式のモータとインバータ装置とを備え、ポンプ７３の回転軸が当該モータの回転子と連結される。また、ポンプ７３は、ポンプ用モータジェネレータ６１によって駆動される。具体的には、制御装置１００からの動作指示に基づいてポンプ用モータジェネレータ６１により駆動力が生成され、当該駆動力がポンプ７３の回転軸へ出力されることによって、ポンプ７３の駆動が制御されるように構成される。

熱交換器７４には、作動媒体流路７１及び冷却水流路１３が接続される。熱交換器７４において、作動媒体と冷却水との間で熱交換が行われる。それにより、作動媒体は、エンジン１１の廃熱を有する冷却水によって加熱され、気化する。このように、ランキンサイクル７０の作動媒体は、例えば、車両のエンジン１１の廃熱によって加熱されてもよい。

膨張器７５は、作動媒体を膨張させて回転エネルギを生成する。具体的には、膨張器７５は、熱交換器７４で気化した作動媒体を膨張させて回転エネルギを生成する。例えば、膨張器７５において、作動媒体は膨張室へ吸入され、膨張室で作動媒体が膨張し、羽根車が作動媒体の流れを受けることにより、当該羽根車と接続された回転軸の回転運動のエネルギが生成される。膨張器７５はポンプ用モータジェネレータ６１と連結される。具体的には、膨張器７５の回転軸がポンプ用モータジェネレータ６１のモータの回転子と連結される。ゆえに、膨張器７５により生成された回転エネルギは、膨張器７５の回転軸を介してポンプ用モータジェネレータ６１へ伝達される。

凝縮器７７は、膨張器７５を通過した気相の作動媒体を凝縮する。凝縮器７７は、具体的には、作動媒体が有する熱を作動媒体流路７１の外部へ放出させることによって、当該作動媒体を冷却する。それにより、気相の作動媒体が凝縮される。凝縮器７７によって凝縮された作動媒体は、タンク７９へ貯留される。タンク７９へ貯留された作動媒体は、再び、ポンプ７３によって吸い上げられる。このように、作動媒体は、ポンプ７３、熱交換器７４、膨張器７５、凝縮器７７、及びタンク７９を順に流れることによって、ランキンサイクル７０において循環する。

ポンプ用モータジェネレータ６１は、ポンプ７３及び膨張器７５とそれぞれ連結される本発明に係るモータジェネレータに相当する。ポンプ用モータジェネレータ６１は、ポンプ７３を駆動するための駆動力を出力可能である。また、ポンプ用モータジェネレータ６１は、膨張器７５により生成された回転エネルギを用いて発電可能である。ポンプ用モータジェネレータ６１は、例えば、上述したように、三相交流式のモータとインバータ装置を備え、当該インバータ装置を介して高電圧バッテリ３１と電気的に接続されている。なお、当該インバータ装置はコンバータ装置としての機能も有する。

ポンプ用モータジェネレータ６１がポンプ７３を駆動するための駆動力を出力する駆動用モータとして機能する場合、高電圧バッテリ３１からポンプ用モータジェネレータ６１へ直流電力が供給される。ポンプ用モータジェネレータ６１において、当該直流電力は、インバータ装置によって交流電力に変換され、モータへ供給される。それにより、ポンプ用モータジェネレータ６１のモータによって駆動力が生成される。ポンプ用モータジェネレータ６１により生成された駆動力は、ポンプ７３の回転軸へ出力される。それにより、ポンプ７３が駆動される。なお、ポンプ用モータジェネレータ６１により生成された駆動力は、膨張器７５の回転軸へも出力され得る。制御装置１００は、ポンプ用モータジェネレータ６１のインバータ装置を制御することによって、ポンプ用モータジェネレータ６１による駆動力の生成を制御する。

ポンプ用モータジェネレータ６１が膨張器７５により生成された回転エネルギを用いて発電する熱発電用発電機として機能する場合、制御装置１００によりポンプ用モータジェネレータ６１のインバータ装置が制御されることによって、発電が行われる。発電された交流電力は、インバータ装置により直流電力に変換され、高電圧バッテリ３１へ蓄電される。制御装置１００は、ポンプ用モータジェネレータ６１のインバータ装置を制御することによって、ポンプ用モータジェネレータ６１による発電を制御する。具体的には、制御装置１００は、インバータ装置を介してポンプ用モータジェネレータ６１の出力電圧を制御する。

バイパス流路７６は、作動媒体流路７１におけるポンプ７３より下流側と上流側とを連通する。例えば、バイパス流路７６は、図１に示したように、一端が作動媒体流路７１におけるポンプ７３と熱交換器７４との間の部分と接続され、他端が作動媒体流路７１におけるタンク７９とポンプ７３との間の部分と接続される。ポンプ７３により吐出される作動媒体は、ポンプ７３により吸引される作動媒体と比較して、高圧である。ゆえに、ポンプ７３により吐出された作動媒体の一部は、バイパス流路７６内を一端側から他端側へ還流し得る。換言すると、ポンプ７３により吐出された作動媒体の一部は、バイパス流路７６内を作動媒体流路７１におけるポンプ７３より下流側から上流側へ還流し得る。

バイパス流路７６は、上述したように、作動媒体流路７１におけるポンプ７３より上流側において、作動媒体流路７１における凝縮器７７より下流側と接続されてもよい。換言すると、バイパス流路７６の他端は、凝縮器７７とポンプ７３との間の部分と接続されてもよい。それにより、バイパス流路７６を通って還流された作動媒体が再び凝縮器７７を通ることに起因する圧力損失の増大を防止することができる。ゆえに、燃費の低下を抑制することができる。

また、バイパス流路７６は、上述したように、作動媒体流路７１におけるポンプ７３より上流側において、作動媒体流路７１におけるタンク７９より下流側と接続されてもよい。換言すると、バイパス流路７６の他端は、タンク７９とポンプ７３との間の部分と接続されてもよい。それにより、バイパス流路７６を通って還流された作動媒体が再びタンク７９からポンプ７３により吸い上げられることに起因するエネルギ損失の増大を防止することができる。ゆえに、燃費の低下をより効果的に抑制することができる。

流量調整機構７２は、バイパス流路７６内を流れる作動媒体の流量を調整可能である。具体的には、流量調整機構７２は、バイパス流路７６内を作動媒体流路７１におけるポンプ７３より下流側から上流側へ還流する作動媒体の流量である還流量を調整可能である。流量調整機構７２の動作は、制御装置１００によって制御される。それにより、流量調整機構７２により調整される作動媒体の還流量が制御される。ゆえに、ポンプ７３の吐出流量のうち膨張器７５へ送られる流量が制御される。

具体的には、流量調整機構７２は、バイパス流路７６に設けられバイパス流路７６の流路面積を調整することによって作動媒体の還流量を調整可能なオリフィスを含む。オリフィスによるバイパス流路７６の流路面積の調整は、例えば、制御装置１００からの動作指示に基づいて開度を調整可能な電磁弁によって実現され得る。バイパス流路７６の流路面積が大きくなるにつれて、バイパス流路７６内を還流する作動媒体の還流量は多くなる。ゆえに、バイパス流路７６の流路面積が大きくなるにつれて、ポンプ７３の吐出流量のうち膨張器７５へ送られる流量は少なくなる。また、バイパス流路７６の流路面積が０である場合には、ポンプ７３から吐出された作動媒体は、バイパス流路７６内を還流せずに膨張器７５へ送られる。このように、制御装置１００は、具体的には、流量調整機構７２へ動作指示を出力することにより、バイパス流路７６の流路面積を制御することによって、作動媒体の還流量を制御し得る。なお、流量調整機構７２は、バイパス流路７６における還流量を調整可能であればよく、係る例に限定されない。

充電システム１０には、各種センサが設けられてもよい。例えば、充電システム１０には、図１に示したように、ポンプ回転速度センサ２０１、蒸気温センサ２０５、及び水温センサ２０７が設けられてもよい。

ポンプ回転速度センサ２０１は、ポンプ７３の回転速度を検出し、検出結果を出力する。ポンプ回転速度センサ２０１は、例えば、ポンプ７３の回転軸の近傍に設けられる。

蒸気温センサ２０５は、膨張器７５へ供給される作動媒体の温度である蒸気温を検出し、検出結果を出力する。蒸気温センサ２０５は、例えば、ランキンサイクル７０の作動媒体流路７１における膨張器７５より上流側に設けられる。

水温センサ２０７は、エンジン１１の冷却水の温度を検出し、検出結果を出力する。水温センサ２０７は、例えば、エンジン１１の近傍に設けられる。

制御装置１００は、本発明に係るランキンサイクルの制御装置に相当する。制御装置１００は、演算処理装置であるＣＰＵ（Ｃｅｎｔｒａｌ Ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ Ｕｎｉｔ）、ＣＰＵが使用するプログラムや演算パラメータ等を記憶する記憶素子であるＲＯＭ（Ｒｅａｄ Ｏｎｌｙ Ｍｅｍｏｒｙ）、ＣＰＵの実行において適宜変化するパラメータ等を一時記憶する記憶素子であるＲＡＭ（Ｒａｎｄｏｍ Ａｃｃｅｓｓ Ｍｅｍｏｒｙ）等で構成される。

制御装置１００は、充電システム１０を構成する各装置の動作を制御する。例えば、制御装置１００は、制御対象である各装置に対して電気信号を用いて動作指示を出力することによって、各装置の動作を制御する。具体的には、制御装置１００は、走行用モータジェネレータ４１のインバータ装置の動作を制御することによって、走行用モータジェネレータ４１の駆動及び発電を制御する。また、制御装置１００は、ポンプ用モータジェネレータ６１のインバータ装置の動作を制御することによって、ポンプ用モータジェネレータ６１の駆動及び発電を制御する。また、制御装置１００は、流量調整機構７２の動作を制御することによって、流量調整機構７２により調整される作動媒体の還流量を制御する。

また、制御装置１００は、各装置から出力された情報を受信する。制御装置１００と各装置との通信は、例えば、ＣＡＮ（Ｃｏｎｔｒｏｌｌｅｒ Ａｒｅａ Ｎｅｔｗｏｒｋ）通信を用いて実現される。例えば、制御装置１００は、ポンプ回転速度センサ２０１、蒸気温センサ２０５、及び水温センサ２０７から出力される各種検出結果を受信する。なお、本実施形態に係る制御装置１００が有する機能は複数の制御装置により分割されてもよく、その場合、当該複数の制御装置は、ＣＡＮ等の通信バスを介して、互いに接続されてもよい。

本実施形態に係る制御装置１００は、蒸気温に応じて、作動媒体の還流量を制御する。それにより、蒸気圧を蒸気温に応じて適切に調整することができるので、装置をより効果的に小型化することができる。なお、このような制御装置１００の詳細については、後述する。

＜２．制御装置＞
続いて、図２〜図５を参照して、本実施形態に係る制御装置１００の詳細について説明する。

制御装置１００は、流量調整機構７２の動作を制御することによって、流量調整機構７２により調整される作動媒体の還流量を制御する。具体的には、制御装置１００は、流量調整機構７２へ動作指示を出力することにより、バイパス流路７６の流路面積を制御することによって、作動媒体の還流量を制御し得る。また、制御装置１００は、作動媒体の還流量を制御することによって、ポンプ７３の吐出流量のうち膨張器７５へ送られる流量を制御し得る。それにより、ポンプ７３の吐出流量のうち膨張器７５へ送られる流量と膨張器７５の吐出量との差を調整することが実現される。ゆえに、膨張器７５に供給される気相の作動媒体の体積に相当する蒸気体積流量を調整することが実現される。なお、蒸気体積流量は、上述したように、換言すると、膨張器７５を単位時間あたりに通過する気相の作動媒体の体積に相当する。

本実施形態に係る制御装置１００は、流量調整機構７２により調整される作動媒体の還流量を、蒸気温に応じて制御する。ゆえに、ポンプ７３の吐出流量のうち膨張器７５へ送られる流量を蒸気温に応じて制御することができる。よって、蒸気体積流量を蒸気温に応じて調整することができる。

制御装置１００は、具体的には、膨張器７５へ供給される気相の作動媒体の圧力である蒸気圧が、蒸気温に応じて設定される蒸気圧の目標値としての目標蒸気圧に近づくように、作動媒体の還流量を制御する。目標蒸気圧は、例えば、車両の各種設計仕様等に基づいて予め設定された蒸気圧の上限値Ｐ１０に優先的に設定される。上限値Ｐ１０は、具体的には、ランキンサイクル７０を構成する部材の機械的強度又は作動媒体の物性に基づいて、より大きな発電量を確保する観点から設定され得る。以下、図２及び図３を参照して、蒸気温と目標蒸気圧との関係性について説明する。

図２は、作動媒体の蒸気圧曲線Ｃ１０の一例を示す説明図である。図２では、横軸に作動媒体の温度をとり、縦軸に作動媒体の圧力をとった場合における、各圧力に対する沸点を表す蒸気圧曲線Ｃ１０が示されている。なお、図２に示した蒸気圧曲線Ｃ１０は、作動媒体の状態図の一部に相当し、図２において、各圧力に対する凝固点を表す融解曲線及び各温度に対する昇華圧を表す昇華曲線の図示は、省略されている。

図２に示したように、蒸気圧の上限値Ｐ１０に対応する沸点は、蒸気圧曲線Ｃ１０上の点Ｄ１に対応する温度Ｔｍｂ１０となる。蒸気圧曲線Ｃ１０より高温側の領域において、作動媒体は気相となり、蒸気圧曲線Ｃ１０より低温側の領域において、作動媒体は液相となる。ゆえに、作動媒体の圧力が上限値Ｐ１０である場合において、作動媒体の温度が温度Ｔｍｂ１０より高いときには、作動媒体は気相となる。よって、蒸気温が温度Ｔｍｂ１０より高い場合、目標蒸気圧は、図３に示したように、上限値Ｐ１０に設定される。

一方、作動媒体の圧力が上限値Ｐ１０である場合において、作動媒体の温度が温度Ｔｍｂ１０より低いときには、作動媒体は液相となる。ここで、作動媒体は、各温度において、図２に示した蒸気圧曲線Ｃ１０上の点に対応する圧力である飽和蒸気圧以下の領域において、気相となる。よって、蒸気温が温度Ｔｍｂ１０以下である場合、目標蒸気圧は、例えば、各蒸気温についての飽和蒸気圧に設定される。飽和蒸気圧は、図２に示したように、作動媒体の温度が低くなるにつれて低下する。ゆえに、蒸気温が温度Ｔｍｂ１０以下である場合、目標蒸気圧は、具体的には、図３に示したように、蒸気温が低いほど、小さい値に設定される。

制御装置１００は、具体的には、蒸気圧が図３に示した目標蒸気圧となるように、蒸気温に応じて、作動媒体の還流量を制御する。制御装置１００は、例えば、図４に示したマップＭ１０を用いて流量調整機構７２の動作を制御することによって、作動媒体の還流量を制御する。マップＭ１０は、蒸気温とバイパス流路７６の流路面積との関係性を表すマップの一例であり、制御装置１００の記憶素子に予め記憶される。制御装置１００は、バイパス流路７６の流路面積がマップＭ１０において現在の蒸気温と対応する値となるように、流量調整機構７２の動作を制御する。作動媒体の還流量はバイパス流路７６の流路面積と相関を有するので、蒸気温と作動媒体の還流量との関係性は、マップＭ１０により表される蒸気温とバイパス流路７６の流路面積との関係性と対応し、例えば、図５に示した関係性となる。

なお、制御装置１００は、蒸気温センサ２０５から出力される検出結果に基づいて、現在の蒸気温の値を取得し得る。また、制御装置１００は、水温センサ２０７から出力される検出結果及びエンジン１１の回転数の検出値に基づいて、現在の蒸気温を推定してもよい。その場合、制御装置１００は、エンジン１１の回転数を検出可能な図示しないセンサから出力される検出結果を受信し得るように構成される。それにより、制御装置１００は、エンジン１１の回転数の検出値を取得し得る。

ここで、ポンプ７３及び膨張器７５の吐出流量は、ポンプ７３の回転数に応じて変化し得る。ゆえに、作動媒体の還流量と蒸気体積流量との関係性は、ポンプ７３の回転数に応じて異なり得る。よって、制御装置１００は、具体的には、ポンプ７３の回転数に応じて互いに異なるマップを用いて流量調整機構７２の動作を制御してもよい。各マップは、対応するポンプ７３の回転数についての蒸気温とバイパス流路７６の流路面積との関係性を表す。各マップは、対応するポンプ７３の回転数について蒸気圧を図３に示した目標蒸気圧となるように調整し得るように設定される。それにより、制御装置１００は、ポンプ７３の回転数によらず、蒸気圧が図３に示した目標蒸気圧となるように、蒸気温に応じて、作動媒体の還流量を制御することができる。以下、理解を容易にするために、このような各マップのうちの一例としてのマップＭ１０を参照して、制御装置１００が行う作動媒体の還流量の制御について説明する。

図３に示したように、蒸気温が温度Ｔｍｂ１０より高い場合、目標蒸気圧は、蒸気温によらず上限値Ｐ１０である。理想気体の状態方程式によれば、蒸気圧は、蒸気温を蒸気体積流量によって除して得られる値と相関を有する。ゆえに、蒸気温が温度Ｔｍｂ１０より高い場合において、蒸気温が高くなるにつれて蒸気体積流量が増大するように作動媒体の還流量を制御することによって、蒸気圧を蒸気温によらず上限値Ｐ１０に維持することができる。具体的には、マップＭ１０において、図４に示したように、蒸気温が温度Ｔｍｂ１０より高い場合、バイパス流路７６の流路面積は、蒸気温が高いほど大きい値に設定される。それにより、図５に示したように、蒸気温が温度Ｔｍｂ１０より高い場合において、蒸気温が高くなるにつれて、作動媒体の還流量を増大させることができる。ゆえに、蒸気温が温度Ｔｍｂ１０より高い場合において、蒸気温が高くなるにつれて、蒸気体積流量を増大させることができる。

このように、制御装置１００は、蒸気温が所定の圧力である上限値Ｐ１０における作動媒体の沸点である温度Ｔｍｂ１０より高い場合、蒸気温が高くなるにつれて、作動媒体の還流量を増大させてもよい。それにより、蒸気温が温度Ｔｍｂ１０より高い場合において、蒸気温が高くなるにつれて、蒸気体積流量を増大させることができる。ゆえに、蒸気温が温度Ｔｍｂ１０より高い場合において、蒸気圧を蒸気温によらず上限値Ｐ１０に維持することができる。

上述したように、蒸気温が温度Ｔｍｂ１０より高い場合において、蒸気圧を蒸気温によらず上限値Ｐ１０に維持することによって、蒸気温が上昇することに伴い蒸気圧が過剰に高くなることを防止することができる。それにより、膨張器７５が破損することを防止することができる。また、蒸気温が温度Ｔｍｂ１０より高い場合において、蒸気圧を蒸気温によらず上限値Ｐ１０に維持することによって、蒸気温が低下することに伴い蒸気圧が過剰に低くなることを防止することができる。それにより、膨張器７５によって生成される回転エネルギの減少に伴い発電量が減少することを防止することができる。

また、図３に示したように、蒸気温が温度Ｔｍｂ１０以下である場合、目標蒸気圧は、蒸気温が低いほど小さい値に設定される。具体的には、蒸気温が温度Ｔｍｂ１０以下である場合、目標蒸気圧は、各蒸気温についての飽和蒸気圧に設定される。理想気体の状態方程式によれば、蒸気圧は、蒸気体積流量が大きいほど低くなる。ゆえに、蒸気温が温度Ｔｍｂ１０以下である場合において、蒸気温が低くなるにつれて蒸気体積流量が増大するように作動媒体の還流量を制御することによって、蒸気圧を蒸気温が低いほど小さい値にすることができる。それにより、蒸気温が温度Ｔｍｂ１０以下である場合において、蒸気圧を各蒸気温についての飽和蒸気圧に一致させることができる。具体的には、マップＭ１０において、図４に示したように、蒸気温が温度Ｔｍｂ１０以下である場合、バイパス流路７６の流路面積は、蒸気温が低いほど大きい値に設定される。それにより、図５に示したように、蒸気温が温度Ｔｍｂ１０以下である場合において、蒸気温が低くなるにつれて、作動媒体の還流量を増大させることができる。ゆえに、蒸気温が温度Ｔｍｂ１０以下である場合において、蒸気温が低くなるにつれて、蒸気体積流量を増大させることができる。

このように、制御装置１００は、蒸気温が上限値Ｐ１０における作動媒体の沸点である温度Ｔｍｂ１０以下である場合、蒸気温が低くなるにつれて、作動媒体の還流量を増大させてもよい。それにより、蒸気温が温度Ｔｍｂ１０以下である場合において、蒸気温が低くなるにつれて、蒸気体積流量を増大させることができる。ゆえに、蒸気温が温度Ｔｍｂ１０以下である場合において、蒸気圧を蒸気温が低いほど小さい値にすることができるので、蒸気圧を各蒸気温についての飽和蒸気圧に一致させることができる。

上述したように、蒸気温が温度Ｔｍｂ１０以下である場合において、蒸気圧を各蒸気温についての飽和蒸気圧に一致させることによって、作動媒体の圧力が飽和蒸気圧を超えることを防止することができる。それにより、作動媒体の一部が熱交換器７４で蒸発せずに留まることを防止することができるので、タンク７９内に貯留される作動媒体の液面の低下を防止することができる。ここで、タンク７９内に貯留される作動媒体の液面が低下することに起因して、ポンプ７３により空気が吸入される場合がある。そのような場合には、ポンプ７３内においてキャビテーションが発生し得るので、異音又はポンプ７３におけるエロージョンが生じ得る。ゆえに、作動媒体の圧力が飽和蒸気圧を超えることを防止することによって、このような異音及びポンプ７３におけるエロージョンの発生を防止することができる。また、蒸気温が温度Ｔｍｂ１０以下である場合において、蒸気圧を各蒸気温についての飽和蒸気圧に一致させることによって、各蒸気温について蒸気圧を比較的高い値にすることができる。それにより、各蒸気温について比較的高い発電量を確保することができる。

上記のように、本実施形態に係る制御装置１００は、流量調整機構７２により調整される作動媒体の還流量を、蒸気温に応じて制御する。ゆえに、ポンプ７３の吐出流量のうち膨張器７５へ送られる流量を蒸気温に応じて制御することができる。よって、蒸気体積流量を蒸気温に応じて調整することができる。それにより、ポンプ７３及び膨張器７５がポンプ用モータジェネレータ６１とそれぞれ連結されるランキンサイクル７０において、ポンプ７３又は膨張器７５の１回転あたりの吐出量を調整する機構等の比較的部品点数が多い機構を設けることなく、蒸気圧を蒸気温に応じて適切に調整することができる。ゆえに、装置をより効果的に小型化することができる。

＜３．むすび＞
以上説明したように、本実施形態によれば、ランキンサイクル７０において、ポンプ７３及び膨張器７５はポンプ用モータジェネレータ６１とそれぞれ連結される。また、ランキンサイクル７０には、作動媒体流路７１におけるポンプ７３より下流側と上流側とを連通するバイパス流路７６及びバイパス流路７６内を作動媒体流路７１におけるポンプ７３より下流側から上流側へ還流する作動媒体の流量である還流量を調整可能な流量調整機構７２が設けられる。また、制御装置１００は、流量調整機構７２により調整される作動媒体の還流量を、蒸気温に応じて制御する。それにより、ポンプ７３又は膨張器７５の１回転あたりの吐出量を調整する機構等の比較的部品点数が多い機構を設けることなく、蒸気圧を蒸気温に応じて適切に調整することができる。ゆえに、装置をより効果的に小型化することができる。

なお、上記では、制御装置１００がマップＭ１０を用いて流量調整機構７２の動作を制御する例について説明したが、制御装置１００による流量調整機構７２の制御は係る例に限定されない。例えば、制御装置１００は、フィードバック制御を利用して流量調整機構７２の動作を制御してもよい。具体的には、制御装置１００は、蒸気圧の検出値と目標蒸気圧との差に応じた制御指令を流量調整機構７２へ出力することによって、流量調整機構７２の動作を制御してもよい。その場合、充電システム１０には、蒸気圧を検出可能なセンサが設けられ、制御装置１００は当該センサから出力される検出結果を受信することによって、蒸気圧の検出値を取得し得る。当該センサは、例えば、ランキンサイクル７０の作動媒体流路７１における膨張器７５より上流側に設けられる。

また、上記では、本発明に係るランキンサイクルの制御装置をハイブリッド車両に適用した例について説明したが、本発明の技術的範囲は係る例に限定されない。例えば、本発明に係るランキンサイクルの制御装置は、エンジン１１から出力される駆動力によって走行し、駆動源としての走行用モータジェネレータ４１及び高電圧バッテリ３１を有しない車両にも適用され得る。その場合、ポンプ用モータジェネレータ６１は、車両内の各種装置へ電力を供給する低電圧バッテリと電気的に接続され得る。なお、本発明に係るランキンサイクルの制御装置をハイブリッド車両に適用した場合においても、ポンプ用モータジェネレータ６１は、車両内の各種装置へ電力を供給する低電圧バッテリと電気的に接続されてもよい。

また、上記では、エンジン１１の運転により生成された駆動力は、駆動力伝達系５１を介して、駆動輪２１へ伝達される例について説明したが、本発明に係る技術的範囲は係る例に限定されない。例えば、エンジン１１の運転により生成された駆動力は、エンジン１１と接続された図示しない発電機へ伝達され、当該発電機による発電に用いられてもよい。なお、当該発電機によって発電された電力は、高電圧バッテリ３１へ蓄電されるように構成され得る。

また、上記では、ランキンサイクル７０は、車両のエンジン１１の廃熱を回収する冷却水との間で熱交換を行うことにより、機械エネルギを生成する例について説明したが、本発明に係る技術的範囲は係る例に限定されない。例えば、ランキンサイクル７０は、車両のエンジン１１の廃熱を有する排気ガスとの間で熱交換を行うことにより、機械エネルギを生成してもよい。そのような場合において、熱交換器７４には、作動媒体流路７１及び排気ガスの配管が接続され得る。

また、上記では、本発明に係るランキンサイクルの制御装置が、車両に適用される例について説明したが、本発明の技術的範囲は、係る例に限定されない。例えば、本発明に係るランキンサイクルの制御装置は、船舶等の他の移動体や、工場等の施設についても適用可能である。

以上、添付図面を参照しながら本発明の好適な実施形態について詳細に説明したが、本発明は係る例に限定されない。本発明の属する技術の分野における通常の知識を有する者であれば、特許請求の範囲に記載された技術的思想の範疇内において、各種の変更例又は応用例に想到し得ることは明らかであり、これらについても、当然に本発明の技術的範囲に属するものと了解される。

１０ 充電システム
１１ エンジン
１３ 冷却水流路
２１ 駆動輪
３１ 高電圧バッテリ
４１ 走行用モータジェネレータ
５１ 駆動力伝達系
６１ ポンプ用モータジェネレータ
７０ ランキンサイクル
７１ 作動媒体流路
７２ 流量調整機構
７３ ポンプ
７４ 熱交換器
７５ 膨張器
７６ バイパス流路
７７ 凝縮器
７９ タンク
１００ 制御装置
２０１ ポンプ回転速度センサ
２０５ 蒸気温センサ
２０７ 水温センサ

Claims (7)

1. 加熱される作動媒体が循環する流路である作動媒体流路と、
   前記作動媒体流路に設けられ前記作動媒体流路内で前記作動媒体を循環させるポンプと、
   前記作動媒体流路に設けられ前記作動媒体を膨張させて回転エネルギを生成する膨張器と、
   を含むランキンサイクルの制御装置において、
   前記ポンプ及び前記膨張器は、モータジェネレータとそれぞれ連結され、
   前記ランキンサイクルには、前記作動媒体流路における前記ポンプより下流側と上流側とを連通するバイパス流路及び前記バイパス流路内を前記作動媒体流路における前記ポンプより下流側から上流側へ還流する前記作動媒体の流量である還流量を調整可能な流量調整機構が設けられ、
   前記制御装置は、前記流量調整機構により調整される前記還流量を、前記膨張器へ供給される気相の前記作動媒体の温度である蒸気温に応じて制御する、
   ランキンサイクルの制御装置。
2. 前記制御装置は、前記蒸気温が所定の圧力における前記作動媒体の沸点より高い場合、前記蒸気温が高くなるにつれて、前記還流量を増大させる、請求項１に記載のランキンサイクルの制御装置。
3. 前記制御装置は、前記蒸気温が前記所定の圧力における前記作動媒体の沸点以下である場合、前記蒸気温が低くなるにつれて、前記還流量を増大させる、請求項２に記載のランキンサイクルの制御装置。
4. 前記作動媒体流路には、前記膨張器を通過した気相の前記作動媒体を凝縮する凝縮器が設けられ、
   前記バイパス流路は、前記作動媒体流路における前記ポンプより上流側において、前記作動媒体流路における前記凝縮器より下流側と接続される、
   請求項１〜３のいずれか一項に記載のランキンサイクルの制御装置。
5. 前記作動媒体流路には、前記ポンプにより吸い上げられる前記作動媒体が貯留されるタンクが設けられ、
   前記バイパス流路は、前記作動媒体流路における前記ポンプより上流側において、前記作動媒体流路における前記タンクより下流側と接続される、
   請求項１〜４のいずれか一項に記載のランキンサイクルの制御装置。
6. 前記流量調整機構は、前記バイパス流路に設けられ前記バイパス流路の流路面積を調整することによって前記還流量を調整可能なオリフィスを含む、請求項１〜５のいずれか一項に記載のランキンサイクルの制御装置。
7. 前記ランキンサイクルの前記作動媒体は、車両のエンジンの廃熱によって加熱される、請求項１〜６のいずれか一項に記載のランキンサイクルの制御装置。

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