JP6610145B2 - 発電装置及び発電装置の制御方法 - Google Patents

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Description

本発明は、ランキンサイクルを有する発電装置及び発電装置の制御方法に関する。
近年、車両で発生する廃熱を利用して動力に回生するために、ランキンサイクルを有する発電装置の車両への搭載が検討されている。ランキンサイクルとは、循環流路内に、熱源によって作動流体を蒸発させる蒸発器、作動流体を膨張させる膨張器、冷却源によって作動流体を凝縮させる凝縮器、作動流体を循環流路内で循環させる循環器の順に配置したものである（特許文献１参照）。なお、熱源としては、エンジンの排気が利用され、冷却源としては、外気や冷却水が利用される。
特開２０１２−２０２３７４号公報
上記の発電装置は、通常、ランキンサイクルの始動と停止とを繰り返す。例えば、発電装置は、蒸発器の熱源の温度が所定の温度よりも大きくなると、循環器を動作させ、凝縮器を通過後の作動流体の圧力が設定値よりも大きくなると、膨張器に作動流体を流入させて、ランキンサイクルを始動させる。
しかし、発電装置が車両に搭載された場合には、車両の運転状況や周囲環境によって、冷却源の温度が想定の温度よりも小さくなることがある。そして、冷却源の温度が想定よりも小さい場合には、凝縮器を通過後の作動流体の圧力が設定値よりも大きくならないため、ランキンサイクルを始動させることができない恐れがある。
そこで、本発明はこれらの点に鑑みてなされたものであり、冷却源の温度が低下してもランキンサイクルを適切に始動させることを目的とする。
本発明の第１の態様においては、循環流路内に、熱源によって作動流体を蒸発させる蒸発器、前記作動流体を膨張させる膨張器、冷却源によって前記作動流体を凝縮させる凝縮器、前記作動流体を前記循環流路内で循環させる循環器の順に配置されたランキンサイクルを有し、車両に搭載される発電装置であって、前記凝縮器を通過後の前記作動流体の圧力が設定値よりも大きくなると、前記膨張器に前記作動流体を流入させて、前記ランキンサイクルを始動させる制御部と、前記凝縮器を通過後の前記作動流体の温度を検出する温度検出部と、を備え、前記制御部は、前記温度検出部が検出した検出温度に応じて、前記設定値の大きさを変更することを特徴とする発電装置を提供する。
かかる発電装置によれば、作動流体の検出温度に応じて圧力設定値の大きさを変更することで、冷却源の温度に適した圧力設定値に再設定できる。これにより、冷却源の温度が低下した場合には、圧力設定値の大きさが小さくなるように変更することで、冷却源の温度の低下に伴い作動流体の圧力が小さくても、ランキンサイクルを始動させることが可能となる。
また、前記ランキンサイクルは、前記膨張器を迂回する迂回流路と、前記迂回流路に設けられ、前記膨張器への前記作動流体の流入を調整する調整バルブと、を更に有し、前記制御部は、前記調整バルブが開いた状態で前記凝縮器を通過後の前記作動流体の圧力が設定値よりも大きくなると、前記調整バルブを閉じて前記膨張器に前記作動流体を流入させることとしてもよい。
また、前記ランキンサイクルは、前記循環流路において前記凝縮器と前記循環器の間に設けられたタンクを更に有し、前記温度検出部は、前記タンク内に設けられていることとしてもよい。
また、前記制御部は、前記温度検出部が検出した前記検出温度と、前記作動流体の温度及び飽和蒸気圧の関係を示す特性情報とに基づいて、前記設定値の大きさを変更することとしてもよい。
本発明の第２の態様においては、循環流路内に、熱源によって作動流体を蒸発させる蒸発器、前記作動流体を膨張させる膨張器、冷却源によって前記作動流体を凝縮させる凝縮器、前記作動流体を前記循環流路内で循環させる循環器の順に配置されたランキンサイクルを有し、車両に搭載される発電装置の制御方法であって、前記凝縮器を通過後の前記作動流体の圧力が設定値よりも大きくなると、前記膨張器に前記作動流体を流入させて、前記ランキンサイクルを始動させるステップと、前記凝縮器を通過後の前記作動流体の温度を検出するステップと、検出した検出温度に応じて前記設定値の大きさを変更するステップと、を有することを特徴とする発電装置の制御方法を提供する。
本発明によれば、冷却源の温度が低下してもランキンサイクルを適切に始動させることができるという効果を奏する。
本発明の一の実施形態に係る発電装置１の構成の一例を示す模式図である。 ランキンサイクル２のＴ−ｓ線図である。 作動流体の温度及び飽和蒸気圧の関係を示す特性グラフである。 ランキンサイクル２の始動処理を説明するためのフローチャートである。 圧力設定値の再設定処理を説明するためのフローチャートである。
＜発電装置の構成＞
図１及び図２を参照しながら、本発明の一の実施形態に係る発電装置１の構成について説明する。
図１は、一の実施形態に係る発電装置１の構成の一例を示す模式図である。図２は、ランキンサイクル２のＴ−ｓ線図である。図２の横軸ｓはエントロピーであり、縦軸Ｔは温度である。
発電装置１は、内燃機関であるエンジン（例えば、ディーゼルエンジン）を有する車両に搭載されている。例えば、発電装置１は、トラックやバス等の大型車両に搭載されている。発電装置１は、発電サイクルとしてランキンサイクル２を有し、車両で発生する排気等を利用して動力に回生する。図１に示すように、発電装置１は、循環流路１０と、迂回流路１２と、調整バルブ１４と、ポンプ２０と、蒸発器３０と、膨張器４０と、発電機４２と、凝縮器５０と、タンク６０と、温度検出部６２と、センサ群７０と、制御部８０を有する。
循環流路１０は、作動流体が循環する閉ループ状の流路である。作動流体として、本実施形態ではエタノールが利用されているが、これに限定されない。例えば、作動流体が水等の他の媒体であってもよい。
迂回流路１２は、循環流路１０において作動流体が膨張器４０を迂回するように設けられた流路である。迂回流路１２は、膨張器４０の上流側及び下流側にて循環流路１０と接続されている。
調整バルブ１４は、迂回流路１２に設けられ、膨張器４０への作動流体の流入を調整する。調整バルブ１４は、例えばゲートバルブである。調整バルブ１４が開いている際には、作動流体は、迂回流路１２を流れ、膨張器４０に流入しない。一方で、調整バルブ１４が閉じている際には、作動流体は膨張器４０に流入する。
ポンプ２０は、作動流体を循環流路１０内で循環させる循環器である。ポンプ２０は、循環流路１０においてタンク６０と蒸発器３０の間に設けられ、タンク６０から液相の作動流体を吸入して、蒸発器３０に圧送する。ポンプ２０としては、遠心ポンプやギアポンプ等が用いられる。なお、図２のＷｉｎは、ポンプ２０が作動流体にする仕事を示す。
蒸発器３０は、循環流路１０においてポンプ２０の下流側に設けられ、作動流体を蒸発させる。例えば、蒸発器３０は、ポンプ２０から送られてくる作動流体と、熱源である車両の排気との間で熱交換を行うことにより、作動流体を加熱する。加熱された作動流体は、飽和蒸気（又は過熱蒸気）となって膨張器４０に供給される。なお、図２のＱｉｎは、蒸発器３０の動作時に作動流体が受熱する熱量を示す。
膨張器４０は、循環流路１０において蒸発器３０の下流側に設けられ、蒸発器３０で加熱された作動流体を膨張させる。膨張器４０は、例えばスクリュ膨張器であり、作動流体の膨張力によって回転するスクリュロータを有する。膨張した作動流体は、凝縮器５０に供給される。なお、図２のＷｏｕｔは、作動流体が膨張器４０にする仕事を示す。
発電機４２は、膨張器４０に連結されており、膨張器４０によって駆動される。発電機４２は、例えばケーシング内に固定子及び回転子を収容した構造となっている。発電機４２は、膨張器４０のスクリュロータの回転に伴い回転することで、電力を発生させる。発生した電力は、例えば車両のバッテリー等に供給される。
凝縮器５０は、循環流路１０において膨張器４０の下流側に設けられ、膨張器４０が膨張した作動流体を凝縮させる。凝縮器５０は、膨張器４０から吐出される作動流体と、冷却源である空気との間で熱交換を行うことにより、作動流体を液化する。液化された作流体は、タンク６０に供給される。なお、上記においては、冷却源が空気であることとしたが、これに限定されず、例えば冷却源は車両のエンジンの冷却水であってもよい。なお、図２のＱｏｕｔは、凝縮器５０が動作時に作動流体が放熱する熱量を示す。
タンク６０は、循環流路１０において凝縮器５０とポンプ２０の間に設けられ、凝縮器５０が液化した作動流体を収容する。タンク６０内の作動流体は、ポンプ２０によって蒸発器３０に再度供給される。
温度検出部６２は、例えば温度センサであり、タンク６０内に設けられている。温度検出部６２は、凝縮器５０を通過後の作動流体の温度を検出する。凝縮器５０を通過後の作動流体の温度を検出することで、凝縮器５０の冷却源（空気）の温度も推定できる。なお、上記では、温度検出部６２がタンク６０内に設けられていることとしたが、これに限定されない。例えば、温度検出部６２は、ポンプ２０の入口に設けられていてもよい。
センサ群７０は、複数のセンサを有し、ランキンサイクル２に関する様々な状態を検出可能である。例えば、センサ群７０は、蒸発器３０における排気の温度を検出する。また、センサ群７０は、凝縮器５０を通過後の作動流体の圧力の大きさを検出する。
制御部８０は、ＣＰＵ、ＲＯＭ、ＲＡＭ等を有するマイクロコンピュータを備えた電子制御装置（Electric Control Unit）である。制御部８０は、ランキンサイクル２の動作を制御する。例えば、制御部８０は、ランキンサイクル２の始動や停止時に、ポンプ２０及び調整バルブ１４の動作を制御する。
ところで、上述した発電装置１は、ランキンサイクル２の始動と停止を繰り返す。例えば、車両のエンジンが蒸発器３０における熱源である排気を排出している間、ランキンサイクル２が動作を行うため、排気が排出されないとランキンサイクル２が停止し、排気が排出されるとランキンサイクル２が始動することになる。なお、ランキンサイクル２が始動するとは、膨張器４０に作動流体が流入して、発電機４２が発電可能な状態になることを意味する。
ランキンサイクル２を始動させるタイミングは、凝縮器５０を通過後の作動流体の圧力に基づいて決定される。例えば、制御部８０は、凝縮器５０を通過後の作動流体の圧力が予め設定された圧力設定値よりも大きくなると、膨張器４０に作動流体を流入させて、ランキンサイクル２を始動させる。すなわち、制御部８０は、作動流体の圧力が基準となる圧力設定値よりも大きいと、ランキンサイクル２を始動させる。具体的には、制御部８０は、調整バルブ１４が開いた状態で凝縮器５０を通過後の作動流体の圧力が設定値よりも大きくなると、調整バルブ１４を閉じて膨張器４０に作動流体を流入させる。これにより、膨張器４０が適切な圧力の作動流体を膨張させることになり、発電機４２が安定した発電を行うことが可能となる。
一方で、発電装置１が車両に搭載された場合には、車両の運転状況や周囲環境によって、凝縮器５０における冷却源（空気や冷却水）の温度が想定温度よりも小さくなることがある。例えば、季節が冬の場合には外気温が低下することで、空気の温度が想定温度よりも小さくなるケースがある。また、冷却水を放熱する車両のラジエータを通過する大気の流量が少ないと、冷却水の温度が想定温度よりも小さくなるケースがある。そして、冷却源の温度が想定温度よりも小さい場合には、凝縮器５０を通過後の作動流体の圧力が圧力設定値よりも大きくならないため、ランキンサイクル２を始動させることができない恐れがある。
そこで、本実施形態では、冷却源の温度が低下してもランキンサイクル２を適切に始動できるように、制御部８０は以下のような制御を行う。
すなわち、制御部８０は、温度検出部６２が検出した検出温度に応じて、圧力設定値の大きさを変更する。具体的には、制御部８０は、温度検出部６２が検出した検出温度と、予め設定された作動流体の温度及び飽和蒸気圧の関係を示す特性情報とに基づいて、圧力設定値の大きさを変更する。これにより、冷却源の温度が低下した場合には、圧力設定値の大きさが小さくなるように変更することで、作動流体の圧力が小さくてもランキンサイクル２を始動させることが可能となる。なお、制御部８０は、検出温度が大きくなった場合には、圧力設定値も大きくする。
上記の特性情報は、例えば、制御部８０のＲＯＭに記憶されており、図３に示す特性グラフに対応する情報を含む。
図３は、作動流体の温度及び飽和蒸気圧の関係を示す特性グラフである。グラフの横軸が温度を示し、縦軸が圧力を示す。例えば、制御部８０は、温度検出部６２による検出温度が６０（℃）である場合には、特性グラフから６０（℃）に対応する飽和蒸気圧として０．４６（bar）を取得し、圧力設定値として再設定する。このような特性情報を用いることで、検出温度に対応した圧力設定値を再設定しやすくなる。
＜ランキンサイクルの始動処理＞
図４を参照しながら、発電装置１のランキンサイクル２の始動処理について説明する。
図４は、ランキンサイクル２の始動処理を説明するためのフローチャートである。
図４のフローチャートは、ランキンサイクル２が停止している状態、すなわち、制御部８０がポンプ２０を停止して状態から開始される（ステップＳ１０２）。そして、制御部８０は、発電装置１が搭載された車両のエンジンから排出された、蒸発器３０の熱源である排気の温度が所定温度（例えば１５０℃）以上であるか否かを判定する（ステップＳ１０４）。
ステップＳ１０４で排気の温度が所定温度以上でない場合には（Ｎｏ）、制御部８０はポンプ２０を停止した状態を維持する。一方で、ステップＳ１０４で排気の温度が所定温度以上である場合には（Ｙｅｓ）、制御部８０は、ポンプ２０の動作を開始させ、また調整バルブ１４を開状態にする（ステップＳ１０６）。これにより、作動流体が循環流路１０を循環する。なお、調整バルブ１４が開状態であるので、作動流体は、膨張器４０に流入せず迂回流路１２を流れる。
次に、制御部８０は、循環流路１０において凝縮器５０を通過後の作動流体の圧力が、圧力設定値よりも大きいか否かを判定する（ステップＳ１０８）。圧力設定値は、後述する再設定処理によって、適宜再設定されている。
ステップＳ１０８において作動流体の圧力が圧力設定値よりも小さい場合には（Ｎｏ）、制御部８０は、ステップＳ１０６の状態を維持する。この場合、膨張器４０に作動流体が流入しないので、発電機４２が発電を行わない。一方で、ステップＳ１０８において作動流体の圧力が圧力設定値よりも大きい場合には（Ｙｅｓ）、制御部８０は、調整バルブ１４を閉じた状態にする（ステップＳ１１０）。これにより、作動流体が膨張器４０に流入し、発電機４２が発電を行う。
＜圧力設定値の再設定処理＞
図５を参照しながら、ランキンサイクル２を始動する判断基準となる圧力設定値の再設定処理について説明する。圧力設定値の再設定処理は、作動流体が循環流路１０を循環する際に適宜行われる。例えば、圧力設定値の再設定処理は、図４のステップＳ１０６とＳ１０８の間に行われてもよい。
図５は、圧力設定値の再設定処理を説明するためのフローチャートである。圧力設定値の再設定処理、及び前述したランキンサイクル２の始動処理は、制御部８０のＣＰＵがプログラムの実行することで実現される。
まず、制御部８０は、温度検出部６２によって、凝縮器５０を通過後の作動流体の温度を検出する（ステップＳ２０２）。作動流体の温度を検出することで、凝縮器５０の冷却源の温度を推測できる。
次に、制御部８０は、例えばＲＯＭに記憶された、作動流体の温度及び飽和蒸気圧の関係を示す特性情報（具体的には、図３の特性グラフ）を読み出す（ステップＳ２０４）。そして、制御部８０は、温度検出部６２の検出温度と、特性グラフとに基づいて、検出温度に対応する飽和蒸気圧を取得する（ステップＳ２０６）。
次に、制御部８０は、取得した飽和蒸気圧を、圧力設定値として再設定する（ステップＳ２０８）。例えば、凝縮器５０の冷却源の温度が低下した場合には、制御部８０は、圧力設定値を小さく再設定する。これにより、凝縮器５０の冷却源の温度に適した圧力設定値を設定できる。
＜本実施形態における効果＞
上述した発電装置１によれば、制御部８０は、温度検出部６２により検出された凝縮器５０を通過後の作動流体の検出温度に応じて、ランキンサイクル２を始動させる判断基準となる圧力設定値の大きさを変更する。
凝縮器５０を通過後の作動流体の検出温度は、凝縮器５０における冷却源の温度を反映したものであるため、冷却源の温度を推測できる。このため、作動流体の検出温度に応じて圧力設定値の大きさを変更することで、冷却源の温度に適した圧力設定値に再設定できる。これにより、仮に冷却源の温度が低下した場合には、圧力設定値の大きさが小さくなるように変更することで、冷却源の温度の低下に伴い作動流体の圧力が小さくても、ランキンサイクル２を始動させることが可能となる。
以上、本発明を実施の形態を用いて説明したが、本発明の技術的範囲は上記実施の形態に記載の範囲には限定されない。上記実施の形態に、多様な変更又は改良を加えることが可能であることが当業者に明らかである。そのような変更又は改良を加えた形態も本発明の技術的範囲に含まれ得ることが、特許請求の範囲の記載から明らかである。
１ 発電装置
２ ランキンサイクル
１０ 循環流路
１２ 迂回流路
１４ 調整バルブ
２０ ポンプ
３０ 蒸発器
４０ 膨張器
５０ 凝縮器
６０ タンク
６２ 温度検出部
８０ 制御部

Claims (5)

  1. 循環流路内に、熱源によって作動流体を蒸発させる蒸発器、前記作動流体を膨張させる膨張器、冷却源によって前記作動流体を凝縮させる凝縮器、前記作動流体を前記循環流路内で循環させる循環器の順に配置されたランキンサイクルを有し、車両に搭載される発電装置であって、
    前記凝縮器を通過後の前記作動流体の圧力が設定値よりも大きくなると、前記膨張器に前記作動流体を流入させて、前記ランキンサイクルを始動させる制御部と、
    前記凝縮器を通過後の前記作動流体の温度を検出する温度検出部と、を備え、
    前記制御部は、前記温度検出部が検出した検出温度が所定温度よりも小さい場合には、前記設定値の大きさが小さくなるように変更することを特徴とする発電装置。
  2. 前記ランキンサイクルは、
    前記膨張器を迂回する迂回流路と、
    前記迂回流路に設けられ、前記膨張器への前記作動流体の流入を調整する調整バルブと、を更に有し、
    前記制御部は、前記調整バルブが開いた状態で前記凝縮器を通過後の前記作動流体の圧力が設定値よりも大きくなると、前記調整バルブを閉じて前記膨張器に前記作動流体を流入させることを特徴とする、
    請求項１に記載の発電装置。
  3. 前記ランキンサイクルは、前記循環流路において前記凝縮器と前記循環器の間に設けられたタンクを更に有し、
    前記温度検出部は、前記タンク内に設けられていることを特徴とする、
    請求項１又は２に記載の発電装置。
  4. 前記作動流体の温度及び飽和蒸気圧の関係を示す特性情報を記憶する記憶部を更に備え、
    前記制御部は、前記記憶部の前記特性情報から前記温度検出部が検出した前記検出温度に対応した前記飽和蒸気圧を取得して、前記設定値として再設定することを特徴とする、
    請求項１から３のいずれか１項に記載の発電装置。
  5. 循環流路内に、熱源によって作動流体を蒸発させる蒸発器、前記作動流体を膨張させる膨張器、冷却源によって前記作動流体を凝縮させる凝縮器、前記作動流体を前記循環流路内で循環させる循環器の順に配置されたランキンサイクルを有し、車両に搭載される発電装置の制御方法であって、
    前記凝縮器を通過後の前記作動流体の圧力が設定値よりも大きくなると、前記膨張器に前記作動流体を流入させて、前記ランキンサイクルを始動させるステップと、
    前記凝縮器を通過後の前記作動流体の温度を検出するステップと、
    検出した検出温度が所定温度よりも小さい場合には、前記設定値の大きさが小さくなるように変更するステップと、
    を有することを特徴とする発電装置の制御方法。
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