JP5661044B2 - 自動車用クラウジウスランキンサイクルシステム、自動車用クラウジウスランキンサイクルシステムの制御方法及び自動車 - Google Patents

Description

本発明は、特に自動車用途の、好ましくは請求項１の前段の特徴を備えた自動車におけるクラウジウスランキンサイクルシステムに関するものである。本発明はさらに、そのようなクラウジウスランキンサイクルシステムを備えた自動車に関する。

特許文献１からクラウジウスランキンサイクルシステムが公知である。これは液状の作動流体をクラウジウスランキンサイクル内で動かすため及び作動流体に加圧するためのポンプを含んでいる。加えて、圧力がかけられた液状の作動流体を気化させるための加熱器を備えている。さらに高温の圧縮された蒸気を使用して機械的原動力を生成するための膨張器を備えている。凝縮器を用いて高温の、膨張した蒸気を凝縮することができ、ポンプを用いて液状の作動流体を返送することができる。さらに、公知のクラウジウスランキンサイクルシステムは、液状の作動流体を収集し貯蔵するための収集容積を備えている。公知のクラウジウスランキンサイクルシステムでは、この収集容積はリザーバ内にあり、このリザーバは貯蔵された液状の作動流体をあらかじめ加温しておくために熱を伝達するように熱交換器と連結可能である。

その他のクラウジウスランキンサイクルシステムは、例えば特許文献２、特許文献３、特許文献４及び特許文献５から公知である。

独国特許出願公開第１０２５９４８８（Ａ１）号明細書 独国特許出願公開第１０２００５０６１２１４（Ａ１）号明細書 独国特許出願公開第１０２００６０４３５１８（Ａ１）号明細書 独国特許出願公開第１０２００４０１８８６０（Ａ１）号明細書 特開２００８-８２２４号公報

本発明の課題は、冒頭に挙げた種類のクラウジウスランキンサイクルシステムのより改善した実施形態を提示することであり、このクラウジウスランキンサイクルシステムは特に、必要な取付けスペースが比較的小さく、それによって自動車用途での実現が簡単になるということで優れている。

この課題は、発明に基づき、独立請求項の対象によって解決される。有利な実施形態は、従属請求項に開示される。

本発明は、収集容積を凝縮器に統合するという一般的な考えに基づいている。これに関して、凝縮器は適切な筐体を備えており、この筐体は凝縮された作動流体の貯蔵と収集のための収集容積（収集容量）を含んで構成されている。クラウジウスランキンサイクルシステムは、液状の作動流体を比較的簡単にポンプへ送ることができるように取り付けなければならない凝縮器をいずれにせよ必要としているため、凝縮器の筐体内への収集容積の本発明による統合により、クラウジウスランキンサイクルシステムの構造が簡素化される。これにより、収集容積を収容するための独立したリザーバをなしで済ませることができる。全体としてクラウジウスランキンサイクルシステムが必要とする取付けスペースはより小さくなる。そのコンパクトな構造により、この種のクラウジウスランキンサイクルシステムを例えば自動車内で、自動車用途で実現することが簡単になる。

目的にかなった一実施形態においては、この筐体は収集容積の他に凝縮容積を含んでいる。これは収集容積に向かって開いており、冷却流体が貫流可能な熱交換器を収容する。収集容積は、凝縮器の筐体内で、筐体の全体容積に対して比較的大きな割合を占めている。例えば、収集容積及び筐体は、収集容積が筐体の全体容積の少なくとも３０％又は少なくとも５０％又は少なくとも６０％を占めるよう互いに調節される。これにより、実施形態に応じて、凝縮器の筐体内の凝縮容積は収集容積よりも小さくなり得る。

強力な凝縮能力を得るため、その中を冷却流体が循環する冷却回路に凝縮器が接続されていてよい。

目的に合わせて、クラウジウスランキンサイクルシステムは制御装置を備えている。この制御装置は、有利な一実施形態に従い、クラウジウスランキンサイクルシステム内を循環する作動流体の量が、クラウジウスランキンサイクルシステムの現在の作動状態に応じて調節可能であるように形成され得る。この実施形態は、クラウジウスランキンサイクルシステムを最適に作動させるためには、作動状態又は作動点に応じて、異なる量の作動流体がクラウジウスランキンサイクルシステム内で必要とされるという知識に基づいている。例えば、最適に循環する作動流体量は、膨張器によって調達される原動力に応じて、及び／又は加熱器が提供する加熱能力に応じて、及び／又は圧力及び／又は温度に応じて変化する。従ってこの制御装置は、現在の作動状態を考慮して、例えば特性マップ及び／又は演算モデルを使用して、このために必要な、最適な作動のためにクラウジウスランキンサイクルシステム内を循環するべき作動流体の量が計算される。こうしてクラウジウスランキンサイクルシステムの効率が改善され得る。

好ましい一実施形態では、この制御装置が凝縮器の凝縮能力を変えることによって、クラウジウスランキンサイクルシステム内を循環する作動流体の量を調節するように制御装置が形成され得る。この実施形態は、クラウジウスランキンサイクルシステム内を循環する作動流体の量が凝縮器内での気相の液相に対する比率によって異なるという知識に基づいている。凝縮器の凝縮能力が高くなればなるほど、クラウジウスランキンサイクルシステム内の循環に提供される液状の作動流体の量が多くなる。

従って特に有利な発展形態に従い、制御装置は、冷却流体が貫流する熱交換器を内蔵する凝縮器において、熱交換器を貫流する冷却流体の量変化によって凝縮器の凝縮能力を調節するよう形成され得る。この場合制御装置は、冷却流体流と凝縮器内に発生する凝縮した水分との間の相関関係を考慮する。

特に有利には、前述の実施形態では、クラウジウスランキンサイクルシステム内で循環する作動流体の量を調節する制御装置が、液状の作動流体の収集容積が凝縮器の筐体内に統合され、そのことが循環する作動流体量の循環を簡単にするという状態である。

本発明のさらなる重要な特徴及び利点は、従属請求項、図及びそれに属する図の説明により、図を使用して示される。

上に挙げて述べられ、以下に説明される特徴は、それぞれ提示された組み合わせだけでなく、他の組み合わせでも、又は単独でも、本発明の枠を離れることなく使用可能であると解釈される。

本発明の好ましい実施例は図に示すと共に以下の記述で詳細に説明する。

図は、クラウジウスランキンサイクルシステムの大幅に簡略化された回路図様の原理図である。

図１に従い、クラウジウスランキンサイクルシステム１は構成部品としてポンプ２、加熱器３、膨張器４及び凝縮器５を含んでいる。さらに、個々の構成部品２、３、４、５を互いに接続するためにライン６が備えられている。ライン６ａは、ポンプ２の吐出側を加熱器３の入口と接続している。ライン６ｂは、加熱器３の出口を膨張器４の入口と接続している。ライン６ｃは、膨張器４の出口を凝縮器５の入口と接続している。ライン６ｄは、凝縮器５の出口をポンプ２の吸込側と接続している。クラウジウスランキンサイクルシステム１は、好ましくは自動車用途に適している。それに対応して、例えば自動車内に配置されてよい。この種の自動車は、例えば排気装置７を含んでおり、この排気装置は熱伝達のために加熱器３と連結され得る。例えばこの場合、排ガス流は熱交換器として形成された加熱器３を通りぬけてガイドされ得る。さらに、車両は冷却回路８を備えてよく、この冷却回路は例えば凝縮器５と熱を伝達するように連結され得る。例えば凝縮器５の熱交換器９は、車両の冷却回路８に接続され得る。

ポンプ２は、液状の作動流体をクラウジウスランキンサイクルシステム１内で動かすために用いられる。同時にポンプ２は作動流体に圧力を印加するために用いられる。従ってポンプ２はライン６内及び個々の構成部品３、４、５を通して作動流体を圧送する。加熱器３は、圧力のかかった液状の作動流体を気化させるために使用される。ここでは、作動流体は熱ｑ_ｚｕを供給する。これによって高温の、圧力のかかった、つまり圧縮された蒸気又は高温の圧縮された気状の作動流体が発生する。例えばタービンの形の膨張器５は、高温の圧縮された蒸気の膨張によって機械的原動力を発生させるために使用される。例えば膨張器４は、電気エネルギーを生成するためにドライブシャフト１０を介して発電機１１駆動する。凝縮器５は、高温の膨張した蒸気を凝縮するために使用される。その際熱ｑ_ａｂが作動流体から取り去られる。このようにして、作動流体が冷却され、ひいては液化される。液状の作動流体は、再びポンプ２に送り込まれ得る。

凝縮器５は筐体１２を備え、その筐体内には例えば熱交換器９が配置されている。この筐体１２内にはさらに収集容積１３が内蔵されおてり、この収集容積は液状の作動流体を収集及び貯蔵するために使用される。この筐体１２は、収集容積１３のほかに凝縮容積１４も内蔵し得る。凝縮容積１４は、目的に合わせて収集容積１３の方に向けて開いている。凝縮容積１４内には例えば熱交換器９が配置されている。収集容積１３は、筐体１２の全体容積の少なくとも３０％又は少なくとも５０％又は少なくとも６０％である。例えば凝縮容積１４は熱交換器９を収容するために筐体１２の全体容積の少なくとも３５％を占める。

液状の作動流体を収集し提供するために用意された収集容積１３は、常に完全に液状の作動流体で満たされている必要はなく、むしろクラウジウスランキンサイクルシステム１内を循環している作動流体の量をさまざまに変化させることができる。特に、クラウジウスランキンサイクルシステム１は制御装置１５を備えていてよく、この制御装置の助けによってクラウジウスランキンサイクルシステム１内を循環する作動流体の量を調節することができる。循環する作動流体量の調節は、ここではクラウジウスランキンサイクルシステム１の現在の作動パラメーターに依存して、つまり現在の作動状態に依存して行われる。制御装置１５は例中では対応する信号ライン１６を経由して対応する作動パラメーターを受け取る。特に制御装置１５は車両のエンジン制御装置に接続していてよい。同様に、制御装置１５は必要な作動パラメーターを検知するために適切なセンサーを接続していてよい。例中では、制御装置１５は制御バルブ１７と共に作用し、その助けによって熱交換器９内を貫流する冷却流体の量を調節することができる。ここで制御バルブ１７は適切な個所で冷却回路８に接続されている。例えば制御バルブ１７は図示したように冷却回路８の供給ライン１８に接続されてよい。同様に、制御バルブ１７を冷却回路８の戻りライン１９に組み込むことが可能である。例中では制御バルブ１７は凝縮器５の筐体１２の外に配置されている。同様に、制御バルブ１７を凝縮器５の筐体１２の内側に配置することも可能である。

制御装置１５は、制御バルブ１７の対応する操作によって熱交換器９を貫流する冷却流体の量を調節する。熱交換器９を貫流する冷却流体の量が凝縮器５の凝縮能力を決定するため、これにより制御装置１５は間接的に凝縮器５の凝縮能力を調節する。凝縮器５の凝縮能力にとっては、凝縮器５内の液相に対する気相の比率、ひいては発生した液状の作動流体量が重要である。その限りでは、凝縮器５の凝縮能力とクラウジウスランキンサイクルシステム内を循環する作動流体の量は相互に関連がある。それに対応して、制御装置１５はクラウジウスランキンサイクルシステム内を循環する作動流体の量を間接的に調節する。クラウジウスランキンサイクルシステム１内を循環する作動流体の量の調節は、その際制御の観点から実施してよく、又は調整の観点から実施されてもよい。制御においては、演算又は特性マップに従って所望の作動流体量に調節することができるよう、制御装置１５が現在の作動状態を制御信号に分類し、この制御信号を使って制御バルブ１７を操作しなければならない。調整においては、制御装置１５は現在クラウジウスランキンサイクルシステム１内を循環する作動流体の実際量を作動流体の規定量と比較する。この規定量は、現在の作動状態に基づいてクラウジウスランキンサイクルシステム１内を循環するはずの量である。実際値と規定値の比較に応じて、制御バルブ１７が制御される。

１ クラウジウスランキンサイクルシステム
２ ポンプ
３ 加熱器
４ 膨張器
５ 凝縮器
６ ライン
７ 排気装置
８ 冷却回路
９ 熱交換器
１０ ドライブシャフト
１１ 発電機
１２ 筐体
１３ 収集容積
１４ 凝縮容積
１５ 制御装置
１６ 信号ライン
１７ 制御バルブ
１８ 供給ライン
１９ 戻りライン

Claims (10)

1. 自動車用クラウジウスランキンサイクルシステムであって、
   クラウジウスランキンサイクルシステム（１）内で液状の作動流体を動かすため及び作動流体に加圧するためのポンプ（２）と、
   圧力がかけられた液状の作動流体を気化するための加熱器（３）と、
   高温の圧縮された蒸気を膨張させることによって機械的な原動力を生成するための膨張器（４）と、
   高温の、膨張した蒸気を凝縮して、液状の作動流体として前記ポンプ（２）に供給可能にするための凝縮器（５）と、
   液状の作動流体を収集及び貯蔵するための収集容積（１３）とを備えている自動車用クラウジウスランキンサイクルシステムにおいて、
   収集容積（１３）が凝縮器（５）の筐体（１２）内に内蔵され、
   クラウジウスランキンサイクルシステム内を循環する作動流体の量をクラウジウスランキンサイクルシステム（１）の現在の作動状態に依存して調節するための制御装置（１５）を備え、
   前記制御装置（１５）が、クラウジウスランキンサイクルシステム（１）内を循環する作動流体の量を前記凝縮器（５）の凝縮能力を変えることで調節するように形成されていることを特徴とする自動車用クラウジウスランキンサイクルシステム。
2. 前記凝縮器（５）が、冷却流体が内部を循環している冷却回路（８）に接続され、
   前記制御装置（１５）が、熱交換器（９）を貫流する冷却流体の量を変えることによって前記凝縮器（５）の凝縮能力を調整するように形成され、前記熱交換器（９）は、前記筐体（１２）内の前記収集容積（１３）に向かって開いた凝縮容積（１４）に収容され、かつ前記冷却回路（８）に接続されていることを特徴とする、請求項１に記載の自動車用クラウジウスランキンサイクルシステム。
3. 前記制御装置（１５）が、前記凝縮器（５）の前記熱交換器（９）を通って流れる冷却流体量を調節するための制御バルブ（１７）と協働することを特徴とする、請求項２に記載の自動車用クラウジウスランキンサイクルシステム。
4. 前記制御バルブ（１７）が 、前記凝縮器（５）の外側の前記冷却回路（８）及び／又は前記凝縮器（５）の内側の前記冷却回路（８）に取り付けられていることを特徴とする、請求項３に記載の自動車用クラウジウスランキンサイクルシステム。
5. 前記収集容積（１３）が前記筐体（１２）の全体容積の少なくとも３０％を占めることを特徴とする、請求項１〜４のいずれか一項に記載の自動車用クラウジウスランキンサイクルシステム。
6. 自動車用クラウジウスランキンサイクルシステムの制御方法であって、
   前記自動車用クラウジウスランキンサイクルシステムは、
   クラウジウスランキンサイクルシステム（１）内で液状の作動流体を動かすため及び作動流体に加圧するためのポンプ（２）と、
   圧力がかけられた液状の作動流体を気化するための加熱器（３）と、
   高温の圧縮された蒸気を膨張させることによって機械的な原動力を生成するための膨張器（４）と、
   高温の、膨張した蒸気を凝縮して、液状の作動流体として前記ポンプ（２）に供給可能にするための凝縮器（５）と、
   凝縮器（５）の筐体（１２）内に内蔵され、液状の作動流体を収集及び貯蔵するための収集容積（１３）とを備え、
   クラウジウスランキンサイクルシステム（１）内を循環する作動流体の量を、クラウジウスランキンサイクルシステム（１）の現在の作動状態に依存して、前記凝縮器（５）の凝縮能力を変えることで調節するように形成されていることを特徴とする自動車用クラウジウスランキンサイクルシステムの制御方法。
7. 熱交換器（９）を貫流する冷却流体の量を変えることによって前記凝縮器（５）の凝縮能力を調整することを特徴とする、請求項６に記載の自動車用クラウジウスランキンサイクルシステムの制御方法。
8. クラウジウスランキンサイクルシステム（１）内を循環する作動流体の量を調整の観点から又は制御の観点から調節することを特徴とする、請求項６又は７に記載の自動車用クラウジウスランキンサイクルシステムの制御方法。
9. 請求項１〜５のいずれか一項に記載の自動車用クラウジウスランキンサイクルシステムを備えた自動車。
10. 請求項６〜８のいずれか一項に記載の自動車用クラウジウスランキンサイクルシステムの制御方法で制御を行う自動車。

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