JP5621721B2

JP5621721B2 - ランキンサイクル

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Publication number: JP5621721B2
Application number: JP2011146031A
Authority: JP
Inventors: 榎島　史修; 史修榎島; 井口　雅夫; 雅夫井口; 英文森
Original assignee: Toyota Industries Corp
Current assignee: Toyota Industries Corp
Priority date: 2011-06-30
Filing date: 2011-06-30
Publication date: 2014-11-12
Anticipated expiration: 2031-06-30
Also published as: WO2013002017A1; US20140116051A1; CN103608548A; JP2013011259A; EP2728131A1

Description

この発明は、ランキンサイクルに関する。

車両の内燃機関から排出される熱を発電機等の動力に変換するランキンサイクルを利用した技術が開発されている。
ランキンサイクルは、内燃機関から排出される熱を含む熱媒体と作動流体とを熱交換させて作動流体を過熱蒸気化する熱交換器、過熱蒸気状態の作動流体を膨張させて動力を得る膨張機、膨張させた作動流体を冷却して液化するコンデンサ、及び液化した作動流体を熱交換器に圧送するポンプ等から構成される。そして、膨張機では、作動流体を膨張させることによってタービン等の回転体を回転させて、作動流体の膨張時のエネルギーを回転駆動力に変換しており、この変換された回転駆動力が発電機等に動力として伝達される。

例えば、特許文献１には、冷媒ポンプが冷媒（作動流体）を膨張機に送る流路の途中に、冷媒及び内燃機関の冷却水を熱交換させる第１熱交換器と、冷媒及び内燃機関の排気ガス（熱媒体）を熱交換させる第２熱交換器とをこの順で配置したランキンサイクルが記載されている。特許文献１のランキンサイクルでは、冷媒は、第１熱交換器で冷却水と熱交換を行って蒸気となった後、第２熱交換器でより温度が高い排気ガスと熱交換を行って過熱蒸気となり、膨張機に流入する。

特開２０１１−１２６２５号公報

特許文献１のランキンサイクルにおいて、排気ガスは、内燃機関の負荷によって約２００℃〜８００℃の間で温度が大きく変動し非常に高温になるため、第２熱交換器で熱交換を行う冷媒は、排気ガスの温度上昇に伴って吸熱量が大きくなって高温になり、この高温の冷媒が膨張機に吸入される。このため、特許文献１のランキンサイクルでは、膨張機、冷媒の配管等に耐熱設計が必要となり、コストが増大するという問題がある。

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あり、冷媒（作動流体）と排気ガス（熱媒体）との熱交換において、排気ガスの温度上昇に対する冷媒の温度上昇を抑制するランキンサイクル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、この発明に係るランキンサイクルは、作動流体の循環路に、作動流体と熱媒体とを熱交換させる熱交換器、作動流体を膨張させて駆動力を発生する流体膨張器、作動流体を凝縮させる凝縮器、及び、作動流体を熱交換器に移送する流体圧送装置が順次設けられ、且つ熱交換器での熱媒体との熱交換後の作動流体の状態が過熱蒸気であるランキンサイクルにおいて、熱交換器から流出した作動流体の温度を検出する温度検出器と、熱交換器を流通する作動流体の圧力を検出する圧力検出器と、熱交換器への作動流体の流量を調節する流量調整手段と、流量調整手段を制御する制御装置とを備え、制御装置は、温度検出器により検出される温度の上昇に伴って熱交換器から流出した作動流体の密度が増加するように目標圧力を設定し、圧力検出器の検出圧力が目標圧力になるように、流量調整手段を制御し、制御装置は、温度検出器により検出される温度の上昇に伴って流量調整手段を制御して、熱交換器への作動流体の流量を増加させる。

また、制御装置では、目標圧力には上限圧力が設定されており、温度検出器により検出される温度が所定温度以上の場合は圧力検出器の検出圧力が上記上限圧力となるように流量調整手段を制御してもよい。
目標圧力は、熱交換器から流出した作動流体のエンタルピに比例していてもよい。

流量調整手段は、流体圧送装置から熱交換器に向かう作動流体の流路を、流体膨張器から流体圧送装置に向かう作動流体の流路に連通するバイパスと、バイパスにおける作動流体の流量を調節可能な流量調整弁とであってもよい。
さらに、バイパスは、流体膨張器から流体圧送装置に向かう作動流体の流路における、凝縮器と流体圧送装置との間に接続してもよい。

この発明に係るランキンサイクルによれば、作動流体と熱媒体との熱交換において、熱交換量の増加に対する作動流体の温度上昇を抑制することが可能になる。

この発明の実施の形態に係るランキンサイクル及びその周辺の構成を示す模式図である。図１のランキンサイクルにおける冷媒の状態変化をｐ−ｈ線図上に示す図である。実施の形態に係るランキンサイクルの変形例を示す図である。実施の形態に係るランキンサイクルの別の変形例を示す図である。

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
まず、この発明の実施の形態に係るランキンサイクル１０１及びその周辺の構成を説明する。なお、以下の実施形態において、内燃機関すなわちエンジン１０を搭載する車両にランキンサイクルを使用した場合の例について説明する。
図１を参照すると、エンジン１０を備える図示しない車両は、ランキンサイクル１０１を備えている。

ランキンサイクル１０１は、ポンプ１１１、冷却水ボイラ１１２、廃ガスボイラ１１３、膨張機１１４、コンデンサ１１５、レシーバ１１６及びサブクーラ１１７を順次環状に接続する循環路を形成しており、作動流体である冷媒（本実施の形態では、Ｒ１３４ａ）が流通するようになっている。

ポンプ１１１は、稼動して流体を圧送するものであり、本実施の形態では、液体を圧送するものとする。ポンプ１１１は、その駆動軸１１９を膨張機１１４と共有している。さらに、駆動軸１１９には、電磁クラッチ１１９ａを介してプーリ１１９ｂが連結され、プーリ１１９ｂは、エンジン１０から延びるエンジン駆動軸１０ａに連結されたエンジンプーリ１０ｂと、駆動ベルト１０ｃによって連結されている。電磁クラッチ１１９ａは、駆動軸１１９とプーリ１１９ｂとを接続又は切断することができ、車両の制御装置であるＥＣＵ１４０に電気的に接続されてその断接動作が制御される。このため、ポンプ１１１の回転数は、エンジン１０又は膨張機１１４の回転数に依存する。
ここで、ポンプ１１１は流体圧送装置を構成している。

また、ポンプ１１１の下流側の吐出口は、流路部１ａ及び１ｂを介して冷却水ボイラ１１２の冷媒入口に連通している。冷却水ボイラ１１２は、その内部で、エンジン１０の冷却水回路２０を流通するエンジン冷却用の冷却水と冷媒とを流通させて互いに熱交換させ、冷媒を加熱することができる。
なお、冷却水回路２０では、エンジン１０から延びてエンジン１０と一体のウォーターポンプ２１に接続する循環流路である水循環流路２０ａの途中にラジエータ２２が設けられ、水循環流路２０ａの途中で分岐して再び水循環流路２０ａに合流する分岐水流路２０ｂの途中に冷却水ボイラ１１２が設けられている。ラジエータ２２は、内部を流通する冷却水と周囲の空気とを熱交換させて冷却水を冷却する。

冷却水ボイラ１１２の冷媒出口は、流路部１ｃを介して廃ガスボイラ１１３の冷媒入口に連通している。廃ガスボイラ１１３は、その内部に、冷却水ボイラ１１２から流出した冷媒と、エンジン１０の排気系統３０の排気ガスとを流通させて互いに熱交換させ、冷媒を加熱することができる。なお、廃ガスボイラ１１３は、排気系統３０におけるエンジン１０をマフラー３０ｂに連通する排気流路３０ａの途中に介在させて設けられている。
ここで、排気ガスは熱媒体を構成し、廃ガスボイラ１１３は熱交換器を構成している。

廃ガスボイラ１１３の冷媒出口は、流路部１ｄを介して流体膨張器である膨張機１１４の入口に連通している。膨張機１１４は、その内部で、廃ガスボイラ１１３で加熱された後の高温高圧の冷媒を膨張させることによってタービン等の回転体と共に駆動軸１１９を回転させ、回転駆動力による仕事を得る流体機器である。また、膨張機１１４とポンプ１１１との間には、発電機能を有するオルタネータ１１８が設けられ、オルタネータ１１８は駆動軸１１９を共有している。よって、膨張機１１４が発生する回転駆動力は、駆動軸１１９を介してオルタネータ１１８及びポンプ１１１を一体に駆動させることができ、また、エンジン１０によって付与されるポンプ１１１の駆動力は、駆動軸１１９を介してオルタネータ１１８及び膨張機１１４を一体に駆動させることができる。
なお、流路部１ａ、１ｂ、１ｃ及び１ｄは、冷媒の高圧側流路である第一流路１を構成している。

また、オルタネータ１１８は、コンバータ１２０と電気的に接続され、さらに、コンバータ１２０は、バッテリ１２１と電気的に接続されている。そして、膨張機１１４が駆動軸１１９を回転駆動すると、オルタネータ１１８が交流電流を発生してコンバータ１２０に送り、コンバータ１２０は、送られた交流電流を直流電流に変換してバッテリ１２１に供給し充電させる。

また、膨張機１１４の出口は、流路部２ａを介してコンデンサ１１５の入口に連通している。コンデンサ１１５は、その内部に冷媒を流通させてコンデンサ１１５の周囲の空気と熱交換させ、冷媒を冷却・凝縮させることができる。
ここで、コンデンサ１１５は、凝縮器を構成している。

コンデンサ１１５の出口は、流路部２ｂを介してレシーバ１１６の入口に連通し、さらに、レシーバ１１６の出口は、流路部２ｃを介してサブクーラ１１７の入口に連通している。
レシーバ１１６は、内部に液体の冷媒を含む気液分離器であり、冷媒に含まれる冷媒の蒸気成分、水分、異物等を除去するものである。
サブクーラ１１７は、その内部にレシーバ１１６から送られる液体の冷媒を流通させてサブクーラ１１７の周囲の空気と熱交換させ、冷媒を過冷却することができる。

また、サブクーラ１１７の出口は、流路部２ｄを介してポンプ１１１の吸入口に連通し、サブクーラ１１７から流出した冷媒が、ポンプ１１１によって吸入されて再び圧送され、ランキンサイクル１０１を循環する。
なお、流路部２ａ、２ｂ、２ｃ及び２ｄは、冷媒の低圧側流路である第二流路２を構成している。

また、ランキンサイクル１０１は、第一流路１の流路部１ａを第二流路２に連通するバイパス流路３を有している。なお、本実施の形態では、バイパス流路３の一方の端部は、第一流路１の流路部１ａ及び流路部１ｂの連結部に接続され、バイパス流路３の他方の端部は、第二流路２の流路部２ｂに接続されている。さらに、ランキンサイクル１０１は、バイパス流路３の途中に、バイパス流路３の開放又は閉鎖が可能で、そしてバイパス流路３の流路断面積の調節が可能な流量調整弁１３０を有している。なお、流量調整弁１３０は、ＥＣＵ１４０に電気的に接続されてその動作が制御される。
ここで、バイパス流路３及び流量調整弁１３０は、流量調整手段を構成している。

また、ランキンサイクル１０１は、第一流路１の流路部１ｄにおける膨張機１１４の入口の近傍に、流路部１ｄを流通する冷媒の温度を検出する温度センサ１３１と、流路部１ｄを流通する冷媒の圧力を検出する圧力センサ１３２とを有している。温度センサ１３１は、膨張機１１４の入口の冷媒の温度、つまり廃ガスボイラ１１３から流出した冷媒の温度を検出し、電気的に接続されたＥＣＵ１４０に検出した冷媒の温度情報を送る。また、圧力センサ１３２は、膨張機１１４の入口の冷媒の圧力、つまり廃ガスボイラ１１３を流通する冷媒の圧力を検出し、電気的に接続されたＥＣＵ１４０に検出した冷媒の圧力情報を送る。なお、第一流路１の流路部１ａ〜１ｄでは、流量調整弁１３０の開放及び閉鎖に関係なく、各流路間で冷媒の圧力は同等であるため、圧力センサ１３２は、流路部１ａ〜１ｃのいずれかに設けられてもよい。
ここで、温度センサ１３１は温度検出器を構成し、圧力センサ１３２は圧力検出器を構成している。

次に、この発明の実施の形態に係るランキンサイクル１０１の動作を説明する。
図１を参照すると、エンジン１０の稼動中、ウォーターポンプ２１も稼動して冷却水を圧送し、エンジン１０から外部に圧送された冷却水は、冷却水回路２０において冷却水ボイラ１１２及びラジエータ２２を流通し再びエンジン１０に戻るように循環する。

また、稼働中のエンジン１０から排気系統３０に排気ガスが排出され、排出された排気ガスは、廃ガスボイラ１１３の内部を流通した後、マフラー３０ｂから車両の外部に排出される。
また、エンジン１０が稼動すると、ＥＣＵ１４０は、電磁クラッチ１１９ａを接続させる。これにより、エンジン１０の回転駆動力が、エンジン駆動軸１０ａ、エンジンプーリ１０ｂ、駆動ベルト１０ｃ、プーリ１１９ｂ及び電磁クラッチ１１９ａを介して、駆動軸１１９に伝達し、それによって、駆動軸１１９が、ポンプ１１１、オルタネータ１１８及び膨張機１１４を一体に駆動する。

駆動されたポンプ１１１は、液体状態の冷媒を冷却水ボイラ１１２に向かって圧送し、また、駆動された膨張機１１４は、タービン等の回転体を回転させ、第一流路１の流路部１ｄの冷媒を降圧して第二流路２の流路部２ａに送る。なお、冷媒は、ポンプ１１１によって圧送されることで、断熱加圧作用を受ける。
ポンプ１１１によって圧送された液体状態の冷媒は、流路部１ａ及び１ｂを通過して冷却水ボイラ１１２に流入し、その内部を流通する冷却水と熱交換を行うことによって等圧加熱されて昇温し、流出する。なお、流量調整弁１３０が開放されている場合は、流路部１ａの冷媒の一部が、バイパス流路３を通って第二流路２の流路部２ｂに合流する。

冷却水ボイラ１１２から流出した冷媒は、流路部１ｃを通過して廃ガスボイラ１１３に流入し、その内部を流通する排気ガスと熱交換を行うことによって等圧加熱されて昇温し、高温高圧の過熱蒸気となって流出する。
さらに、廃ガスボイラ１１３から流出した高温高圧の過熱蒸気状態の冷媒は、流路部１ｄを通過して膨張機１１４に吸入され、膨張機１１４では、上流側の流路部１ｄと下流側の流路部２ａとの間の冷媒の圧力差を利用して、冷媒が断熱膨張し、高温低圧の過熱蒸気状態で流出する。そして、冷媒の膨張エネルギーが回生エネルギーとして回転エネルギーに変換され、駆動軸１１９に伝達する。

なお、駆動軸１１９に伝達した回生エネルギーは、オルタネータ１１８及びポンプ１１１に回転駆動力として付与されるだけでなく、エンジン１０に伝達してその回転駆動を補助する。また、オルタネータ１１８は、加えられる回転駆動力によって稼動して交流電流を生成し、生成された交流電流は、コンバータ１２０で直流電流に変換された後、バッテリ１２１に充電される。

膨張機１１４から流出した過熱蒸気状態の冷媒は、流路部２ａを通過してコンデンサ１１５に流入し、コンデンサ１１５において周囲の空気すなわち外気と熱交換を行うことによって等圧冷却されて凝縮し、液体状態となって流出する。
さらに、コンデンサ１１５から流出した液体状態の冷媒は、流路部２ｂを通過してレシーバ１１６に流入し、レシーバ１１６の内部に貯められた液体冷媒中を通過して流路部２ｃに流出する。冷媒は、レシーバ１１６内を通過する際、含有する冷媒の蒸気成分、水分及び異物等が除去される。

そして、レシーバ１１６から流出した冷媒は、流路部２ｃを通過してサブクーラ１１７に流入し、サブクーラ１１７において外気と熱交換を行うことによってさらに等圧冷却され、過冷却液状態となって流路部２ｄに流出する。さらに、流路部２ｄの冷媒は、ポンプ１１１に吸入されて再度圧送され、ランキンサイクル１０１を循環する。

ここで、図２では、ランキンサイクル１０１の循環過程での冷媒の状態変化が、冷媒のｐ−ｈ線図上に示されている。ｐ−ｈ線図は、縦軸を冷媒の圧力（単位をＭＰａとする）とし、横軸を冷媒のエンタルピ（単位をｋＪ／ｋｇとする）とする直交座標系を有している。さらに、冷媒が過冷却液状態となる領域が過冷却液領域ＳＬで示され、冷媒が湿り蒸気状態となる領域が湿り蒸気領域ＷＳで示され、冷媒が過熱蒸気状態となる領域が過熱蒸気領域ＳＳで示されている。そして、過冷却液領域ＳＬ及び湿り蒸気領域ＷＳの境界には飽和液線αが示され、湿り蒸気領域ＷＳ及び過熱蒸気領域ＳＳの境界には乾き飽和蒸気線βが示されている。

さらに、図２において、エンジン１０（図１参照）負荷が中程度であり、ランキンサイクル１０１稼動中の排気ガス温度が平均的な状態（例えば約５００〜６００℃程度）でのランキンサイクル１０１を循環する冷媒の状態変化が、点Ａ、Ｂ、Ｃ及びＤを頂点とする台形状をしたサイクルＳに沿って進行する。
図１をあわせて参照すると、サイクルＳにおいて、点Ａから点Ｂの工程は、ポンプ１１１の圧送による冷媒の断熱加圧工程を示し、この工程では、冷媒は、圧力を圧力Ｐａから圧力Ｐｂへ上昇させると共に温度を上昇させ、その状態は、過冷却液領域ＳＬ内で液体状態（過冷却液状態）を維持する。

点Ｂから点Ｅの工程は、冷却水ボイラ１１２における等圧加熱工程を示し、点Ｅから点Ｃの工程は、廃ガスボイラ１１３における等圧加熱工程を示す。冷媒は、点Ｂから点Ｅの工程では、冷却水との熱交換により圧力をＰｂに維持したまま温度を上昇させ、点Ｅから点Ｃの工程では、排気ガスとの熱交換により圧力をＰｂに維持したままさらに温度を上昇させて温度Ｔ_０になる。なお、温度Ｔ_０は、本実施の形態では、１２０℃とする。このとき、冷媒の状態は、点Ｂから点Ｅの工程では、過冷却液領域ＳＬ内で過冷却液状態を維持し、点Ｅから点Ｃの工程では、過冷却液領域ＳＬ内の過冷却液状態から湿り蒸気領域ＷＳを経て過熱蒸気領域ＳＳ内の過熱蒸気状態に変化する。

点Ｃから点Ｄの工程は、膨張機１１４による断熱膨張工程を示し、この工程では、冷媒は、圧力を圧力Ｐｂから圧力Ｐａに低下させると共に温度を低下させ、その状態は、過熱蒸気領域ＳＳ内で過熱蒸気状態を維持する。

点Ｄから点Ｆの工程は、コンデンサ１１５における等圧冷却工程を示し、点Ｆから点Ａの工程は、サブクーラ１１７における等圧冷却工程を示す。冷媒は、点Ｄから点Ｆの工程では外気との熱交換により圧力をＰａに維持したまま温度を低下させ、点Ｆから点Ａの工程では外気との熱交換により圧力をＰａに維持したまま温度をさらに低下させる。このとき、冷媒の状態は、点Ｄから点Ｆの工程では過熱蒸気領域ＳＳ内の過熱蒸気状態から飽和液に変化し、点Ｆから点Ａの工程では飽和液から過冷却液領域ＳＬ内の過冷却液状態に変化する。

また、エンジン１０の負荷が高くなり排気ガスの熱量が大きくなって温度が上昇すると、廃ガスボイラ１１３で排気ガスから冷媒が吸収する熱量が増加し、冷媒のエンタルピが増加する。そして、ポンプ１１１及び膨張機１１４の回転数がエンジン１０と連動していて一定であるため、廃ガスボイラ１１３での熱交換後に点Ｃにあった冷媒の状態は、例えば点Ｃを通る等密度線（等比体積線）ｄ０上を、エンタルピの増加方向、つまり温度の上昇方向である点Ｃ１に遷移しようとする。点Ｃから点Ｃ１への状態変化は温度上昇が大きい。そこで、ランキンサイクル１０１では、排気ガスの温度上昇に対して、廃ガスボイラ１１３での熱交換後の冷媒つまり膨張機１１４に吸入される冷媒の温度上昇を抑え、膨張機１１４に加えられる熱量を低減するために、以下のような制御が行われる。

なお、図２の等密度線ｄ０、ｄ１、ｄ２、ｄ３、ｄ４及びｄ５は、ｄ０からｄ５に向かう従ってその密度が大きくなるが、それと反対に比体積は小さくなる。また、図２の曲線Ｔ_０は、温度Ｔ_０の等温度線を示し、等温度線Ｔ_０から等温度線Ｔ_１、Ｔ_２、Ｔ_３、Ｔ_４、Ｔ_５、Ｔ_６、Ｔ_７に向かうに従ってその温度が１０℃ずつ高くなり、等温度線Ｔ_０から等温度線Ｔ_−１、Ｔ_−２、Ｔ_−３、Ｔ_−４、Ｔ_−５に向かうに従ってその温度が１０℃ずつ低くなる。

このとき、ＥＣＵ１４０は、廃ガスボイラ１１３での熱交換後の冷媒の温度及び廃ガスボイラ１１３を流通する冷媒の圧力、つまり膨張機１１４に吸入される冷媒の温度及び圧力が、目標圧力線ＴＰＬ上に沿う関係を満たして遷移するように制御する。すなわち、ＥＣＵ１４０は、膨張機１１４に吸入される冷媒の温度に対応して、膨張機１１４に吸入される冷媒の圧力を調節することによって、冷媒の温度及び圧力が目標圧力線ＴＰＬ上に沿う関係を満たすように制御する。前述のように廃ガスボイラ１１３で排気ガスから冷媒が吸収する熱量が増加し、冷媒の状態が点Ｃから点Ｃ１へ遷移しようとするとき、ＥＣＵ１４０の制御により、冷媒状態は点Ｃから点Ｃ１’へ変化する。点Ｃ１’は点Ｃ１よりエンタルピは小さく冷媒温度は低いが、圧力を高く制御するために冷媒流量が大きくなっており、排気ガス（熱媒体）から冷媒（作動流体）が受取る熱量はほぼ等しくなる。

なお、目標圧力線ＴＰＬは、冷媒の温度上昇に伴い冷媒密度が大きくなるように設定される直線である。目標圧力は冷媒のエンタルピに比例している。目標圧力線ＴＰＬは、エンジン１０が低負荷であり、排気ガス温度が低い状態（図２の目標圧力線ＴＰＬ上の左端より）においても、過熱蒸気領域ＳＳに位置するように決定される。また、温度上昇に伴う冷媒密度増加量（冷媒の流量増加）が小さいと本発明の効果が小さくなり、大きすぎるとハンチングしやすくなり制御が難しくなる。
前述したように、温度及び圧力が目標圧力線ＴＰＬに沿う関係を満たす制御では、温度及び圧力がｄ０に沿う関係を満たす制御無し（成り行き）の状態より、冷媒温度の上昇に伴う冷媒圧力の上昇の割合を増大させているので、冷媒温度の上昇に伴って廃ガスボイラ１１３を流通する冷媒の密度を増大させるために冷媒流量を増大させる。よって、排気ガスの熱量の増加に対して、廃ガスボイラ１１３での熱交換後の冷媒の温度上昇が抑制される。

そして、ＥＣＵ１４０は、流路部１ｄにおける膨張機１１４の入口の温度センサ１３１が検出する冷媒温度及び圧力センサ１３２が検出する冷媒圧力を使用し、流量調整弁１３０を調節してバイパス流路３の冷媒流量を制御することによって、膨張機１１４に吸入される冷媒の温度及び圧力を目標圧力線ＴＰＬに合わせるように制御する。

具体的には、ＥＣＵ１４０には予め温度センサ１３１が検出する温度に対する冷媒の目標圧力（目標圧力線ＴＰＬ）が記憶されている。そして、ＥＣＵ１４０は、圧力センサ１３２が検出する検出圧力が目標圧力となるように流量調整弁１３０を調節する。すなわち、ＥＣＵ１４０は、圧力センサ１３２の検出圧力が目標圧力より低い場合には、流量調整弁１３０の開度を減少させて流路部１ｄの冷媒流量を増加させることによって、流路部１ｄの冷媒圧力（膨張機１１４に吸入される冷媒圧力）を上昇させる。また、ＥＣＵ１４０は、圧力センサ１３２の検出圧力が目標圧力より高い場合には、流量調整弁１３０の開度を増大させて流路部１ｄの冷媒流量を減少させることによって、流路部１ｄの冷媒圧力（膨張機１１４に吸入される冷媒圧力）を低下させる。さらに、ＥＣＵ１４０は、温度センサ１３１から経時的に受け取る温度に随時対応して、上記冷媒圧力を制御する。
なお、ＥＣＵ１４０は、点Ｃにおける冷媒の温度等から目標圧力線ＴＰＬを算出してもよい。

また、ランキンサイクル１０１において、高圧側流路である第一流路１の流路配管及び第一流路１上の構成要素である膨張機１１４、冷却水ボイラ１１２及び廃ガスボイラ１１３等の設計上限圧力として上限圧力Ｐｃを設定してもよい。この場合、上限圧力Ｐｃに対応する温度Ｔ５以上に冷媒温度が上昇すると、破線ＴＰＬ’のように目標圧力を上限圧力Ｐｃに固定する。

また、排気ガスの温度が低下し、膨張機１１４に吸入される冷媒の温度が点Ｃでの温度Ｔ_０より低下する場合にも、ＥＣＵ１４０は、低下する温度センサ１３１での冷媒温度に対応して、冷媒の温度及び圧力の関係が目標圧力線ＴＰＬ上に沿って遷移するように、圧力センサ１３２での冷媒圧力を制御する。温度及び圧力が目標圧力線ＴＰＬに沿う関係を満たす制御では、温度及び圧力が等密度線ｄ０上の関係を満たしつつ冷媒温度を低下させる冷媒の状態より、冷媒温度の低下に伴って廃ガスボイラ１１３を流通する冷媒の密度を低下させるために冷媒流量を減少させる。よって、排気ガスの熱量の低下に対して、廃ガスボイラ１１３での熱交換後の冷媒の温度低下が抑制され、膨張機１１４での液バックを抑制する。

上述のように、この発明の実施の形態に係るランキンサイクル１０１は、冷媒の循環路に、冷媒と排気ガスとを熱交換させる廃ガスボイラ１１３、冷媒を膨張させて駆動力を発生する膨張機１１４、冷媒を凝縮させるコンデンサ１１５、及び、冷媒を廃ガスボイラ１１３に移送するポンプ１１１が順次設けられ、且つ廃ガスボイラ１１３での排気ガスとの熱交換後の冷媒の状態が過熱蒸気である。ランキンサイクル１０１は、廃ガスボイラ１１３から流出した冷媒の温度を検出する温度センサ１３１と、廃ガスボイラ１１３を流通する冷媒の圧力を検出する圧力センサ１３２と、廃ガスボイラ１１３への冷媒の流量を調節するバイパス流路３及び流量調整弁１３０と、流量調整弁１３０を制御するＥＣＵ１４０とを備える。ＥＣＵ１４０は、温度センサ１３１の検出温度が上昇する場合に冷媒の温度上昇に伴い冷媒密度が大きくなるように、流量調整弁１３０を制御する。

このとき、廃ガスボイラ１１３での熱交換後の過熱蒸気状態の冷媒は、熱交換を行う排気ガスの温度が上昇するに従い、吸熱（エンタルピ）が多くなり、それに伴い、膨張機１１４に吸入される冷媒の圧力及び温度が過熱蒸気領域ＳＳ内の等密度線ｄ０上に沿って増加する方向に変動しようとする。ＥＣＵ１４０は、膨張機１１４に吸入される冷媒の温度及び圧力が、目標圧力線ＴＰＬ上に沿う関係を満たして遷移するように制御する。よって、廃ガスボイラ１１３を流通する冷媒流量が増加し、冷媒の密度が上昇するため、排気ガスの温度が上昇した場合であっても、冷媒温度の上昇を抑えつつ廃ガスボイラ１１３における排気ガスからの吸熱量を増大することができる。つまり、ランキンサイクル１０１は、冷媒と排気ガスとの熱交換において、排気ガスの温度上昇（熱交換量の増加）に対する冷媒の温度上昇を抑制することを可能にする。

また、ランキンサイクル１０１において、ＥＣＵ１４０は、温度センサ１３１の検出温度が低下する場合に冷媒の温度低下に伴い冷媒密度が低くなるように、流量調整弁１３０を制御する。このとき、ＥＣＵ１４０は、膨張機１１４に吸入される冷媒の温度及び圧力が、目標圧力線ＴＰＬ上に沿う関係を満たして遷移するように制御する。よって、排気ガスの熱量の低下に対して、廃ガスボイラ１１３での熱交換後の冷媒の温度低下が抑制され、膨張機１１４における液バックが抑制される。

また、ランキンサイクル１０１において、ＥＣＵ１４０は、温度センサ１３１の検出温度が上限圧力Ｐｃに対応する温度Ｔ５より上昇する場合、圧力センサ１３２の検出圧力が上限圧力Ｐｃを維持するように、廃ガスボイラ１１３を流通する冷媒流量を制御し、冷媒密度を低くする。これによって高圧側流路である第一流路１の流路配管及び第一流路１上の構成要素である膨張機１１４、冷却水ボイラ１１２及び廃ガスボイラ１１３等が異常高圧にさらされることを防止できる。

また、ランキンサイクル１０１において、バイパス流路３は、ポンプ１１１から廃ガスボイラ１１３に向かう冷媒の流路部１ａを、膨張機１１４からポンプ１１１に向かう冷媒の第二流路２に連通する。これによって、廃ガスボイラ１１３で加熱された冷媒は全て、膨張機１１４に流入するため、廃ガスボイラ１１３で取得した冷媒の熱エネルギーは、途中で廃棄されることなく膨張機１１４で膨張エネルギーに変換されて利用することができる。従って、ランキンサイクル１０１は、廃ガスボイラ１１３で取得した熱エネルギーを効率的に利用することを可能にする。

さらに、ランキンサイクル１０１において、バイパス流路３は、膨張機１１４からポンプ１１１に向かう冷媒の第二流路２における、コンデンサ１１５とポンプ１１１との間に接続する。これにより、バイパス流路３を流通する冷媒は、コンデンサ１１５の下流に流入するため、コンデンサ１１５での圧損を増加させず、膨張機１１４とコンデンサ１１５との間の流路部２ａにおける冷媒の圧力の上昇を抑えることができる。よって、膨張機１１４の上流側の流路部１ｄと下流側の流路部２ａとの間における冷媒の差圧を高く確保することができるため、膨張機１１４で得られる回生エネルギーを十分に確保することが可能になる。また、バイパス流路３は、流路部１ａをサブクーラ１１７及びポンプ１１１の間の流路部２ｄにバイパスさせた場合に発生するポンプキャビテーション（冷媒の泡立ち）を防ぐことができる。また、バイパス流路３は、流路部１ａを膨張機１１４及びコンデンサ１１５の間の流路部２ａにバイパスさせた場合に起こるコンデンサ１１５への流入冷媒の温度低下を防ぐことができ、流入冷媒の温度低下によるコンデンサ１１５での放熱量の低下を抑えることが可能になる。このコンデンサ１１５での放熱量の低下は、第二流路２の圧力を上昇させ、膨張機１１４の上流側の流路部１ｄと下流側の流路部２ａとの間における冷媒の差圧を低下させることとなり、膨張機１１４で得られる回生エネルギーを低下させる。

実施の形態のランキンサイクル１０１では、目標圧力線ＴＰＬは、目標圧力が冷媒のエンタルピに比例する直線としたが、直線に限定されない。

また、実施の形態では、流量調整弁１３０を使用してバイパス流路３の流路断面積を調節することによって、圧力センサ１３２の検出圧力（廃ガスボイラ１１３を流通する冷媒の圧力）を調節していたが、これに限定されるものでない。
図３に示すランキンサイクル２０１のように、ポンプ１１１がエンジン１０、オルタネータ１１８及び膨張機１１４と連結されず、モータ２２２によって駆動されてもよい。モータ２２２の回転数を制御することによって、ポンプ１１１の回転数を調節し、圧力センサ１３２の検出圧力を調節できる。このとき、膨張機１１４は、その駆動軸１１４ａと、エンジン１０によって回転駆動されるプーリ１１９ｂとを電磁クラッチ１１９ａを介して連結させ、さらに、オルタネータ１１８が駆動軸１１４ａを共有している。

また、図４に示すランキンサイクル３０１のように、ポンプ１１１がエンジン１０、オルタネータ１１８及び膨張機１１４と連結されずにモータ２２２によって駆動され、膨張機１１４及びオルタネータ１１８がエンジン１０に連結されずに駆動軸１１４ａによって互いに連結されるようにしてもよい。このとき、モータ２２２の回転数を調節することによって、ポンプ１１１の回転数を調節し、又は、オルタネータ１１８の負荷を制御して膨張機１１４の回転数を調節し、圧力センサ１３２の検出圧力を調節できる。
また、膨張機１１４を、その吸入容積を任意に変更可能なものとしてもよい。吸入容積を変更することで、膨張機１１４が移送する冷媒の流量（体積流量）が変更され、それによって、膨張機１１４の上流側流路の冷媒圧力が変更されるため、圧力センサ１３２の検出圧力を調節できる。

また、実施の形態のランキンサイクル１０１において、バイパス流路３は、第一流路１の流路部１ａを第二流路２の流路部２ｂに連通していたが、これに限定されるものでない。バイパス流路３は、第二流路２に対して、流路部２ａ、２ｃ及び２ｄのいずれと接続されてもよい。
また、実施の形態のランキンサイクル１０１において、バイパス流路３は、複数あってもよい。

また、実施の形態のランキンサイクル１０１は、冷却水ボイラ１１２及び廃ガスボイラ１１３の２つの熱交換器を備えていたが、これに限定されるものでなく、３つ以上備えていてもよい。ランキンサイクル１０１は、エアコンの冷媒とランキンサイクル１０１の冷媒との熱交換器を備えていてもよく、ハイブリッドカーにおいて使用されるモータの冷却水とランキンサイクル１０１の冷媒との熱交換器を備えていてもよい。

３バイパス流路（流量調整手段）、１０１，２０１，３０１ランキンサイクル、１１１ポンプ（流体圧送装置）、１１３廃ガスボイラ（熱交換器）、１１４膨張機（流体膨張器）、１１５コンデンサ（凝縮器）、１３０流量調整弁（流量調整手段）、１３１温度センサ（温度検出器）、１３２圧力センサ（圧力検出器）、１４０ＥＣＵ（制御装置）。

Claims

作動流体の循環路に、作動流体と熱媒体とを熱交換させる熱交換器、作動流体を膨張させて駆動力を発生する流体膨張器、作動流体を凝縮させる凝縮器、及び、作動流体を前記熱交換器に移送する流体圧送装置が順次設けられ、且つ前記熱交換器での熱媒体との熱交換後の作動流体の状態が過熱蒸気であるランキンサイクルにおいて、
前記熱交換器から流出した作動流体の温度を検出する温度検出器と、
前記熱交換器を流通する作動流体の圧力を検出する圧力検出器と、
前記熱交換器への作動流体の流量を調節する流量調整手段と、
前記流量調整手段を制御する制御装置とを備え、
前記制御装置は、前記温度検出器により検出される温度の上昇に伴って前記熱交換器から流出した作動流体の密度が増加するように目標圧力を設定し、前記圧力検出器の検出圧力が前記目標圧力になるように、前記流量調整手段を制御し、
前記制御装置は、前記温度検出器により検出される温度の上昇に伴って前記流量調整手段を制御して、前記熱交換器への作動流体の流量を増加させるランキンサイクル。
前記目標圧力には上限圧力が設定されており、前記温度検出器により検出される温度が所定温度以上の場合は前記圧力検出器の検出圧力が前記上限圧力となるように前記流量調整手段を制御する請求項１に記載のランキンサイクル。
前記目標圧力は、前記熱交換器から流出した前記作動流体のエンタルピに比例している請求項１または２に記載のランキンサイクル。
前記流量調整手段は、
前記流体圧送装置から前記熱交換器に向かう作動流体の流路を、前記流体膨張器から前記流体圧送装置に向かう作動流体の流路に連通するバイパスと、
前記バイパスにおける作動流体の流量を調節可能な流量調整弁とである請求項１〜３のいずれか一項に記載のランキンサイクル。
前記バイパスは、前記流体膨張器から前記流体圧送装置に向かう作動流体の流路における、前記凝縮器と前記流体圧送装置との間に接続する請求項４に記載のランキンサイクル。