JP7077680B2 - Rankine cycle system and control method of Rankine cycle system - Google Patents
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Description
本開示は、ランキンサイクルシステム、及び、ランキンサイクルシステムの制御方法に関する。 The present disclosure relates to a Rankine cycle system and a control method for the Rankine cycle system.
従来、車両のエンジンの廃熱を冷却水を介して作動媒体に熱伝達して、熱発電するランキンサイクルにおいて、エンジンが停止した場合に、エンジンが停止した後でも冷却水ポンプの駆動を継続し、膨脹器へ供給される作動媒体の蒸気圧が所定の圧力を下回った時に、作動媒体を循環させているランキンサイクルポンプを停止するランキンサイクルが知られている(例えば、特許文献1参照)。 Conventionally, in a Rankin cycle in which waste heat of a vehicle engine is transferred to an operating medium via cooling water to generate heat, when the engine is stopped, the cooling water pump is continuously driven even after the engine is stopped. , A Rankin cycle is known in which the Rankin cycle pump circulating the working medium is stopped when the steam pressure of the working medium supplied to the inflator falls below a predetermined pressure (see, for example, Patent Document 1).
ところで、エンジンの排気ガスの熱を作動流体(作動媒体)に熱伝達するランキンサイクルシステムでは、特許文献1のような冷却水を介して作動媒体に熱伝達するランキンサイクルシステムに比べて、作動流体の温度も圧力も高くなる。そのため、エンジンの停止直後においては、作動流体の温度も圧力も高い状態のままとなっているので、ランキンサイクルの回路を形成する装置や部材への接触による火傷の回避や、ランキンサイクルの回路における高い圧力よる作動流体の漏れなどの支障の発生の可能性を解消することが望まれる。 By the way, in the Rankine cycle system that transfers heat from the exhaust gas of the engine to the working fluid (working medium), the working fluid is compared with the Rankine cycle system that transfers heat to the working medium via cooling water as in Patent Document 1. The temperature and pressure of the engine will increase. Therefore, immediately after the engine is stopped, the temperature and pressure of the working fluid remain high, so that it is possible to avoid burns due to contact with the devices and members that form the Rankine cycle circuit, and in the Rankine cycle circuit. It is desirable to eliminate the possibility of problems such as leakage of working fluid due to high pressure.
本開示は上記のことを鑑みてなされたものであり、その目的は、ランキンサイクルシステムの運転終了時に、ランキンサイクルの回路における作動流体の高温・高圧状態の解消を早めることができるランキンサイクルシステム、及び、ランキンサイクルシステムの制御方法を提供することにある。 The present disclosure has been made in view of the above, and an object thereof is the Rankine cycle system, which can accelerate the elimination of the high temperature and high pressure state of the working fluid in the Rankine cycle circuit at the end of the operation of the Rankine cycle system. And to provide a control method of the Rankine cycle system.
上記の目的を達成するための本発明の態様に係るランキンサイクルシステムは、作動流体を貯蔵する作動流体用容器と、該作動流体用容器の作動流体を還流させる作動流体用ポンプと、外部の熱源からの熱を受けて作動流体を気化させる蒸発器と、気化した作動流体から駆動力を取り出す膨張機と、冷却媒体に熱を放出して作動流体を液化させる凝縮器と、これらを制御する制御装置を有してなるランキンサイクルシステムにおいて、作動流体の温度を検出する温度検出装置を設けると共に、前記制御装置が、前記膨張機に流入する作動流体の温度および圧力に基づいた前記膨張機への作動流体の流入阻止により前記膨張機の運転を停止した時点で、前記温度検出装置で検出した検出値が予め設定された停止用基準値以上である場合には、前記検出値が前記停止用基準値未満になるまで、前記作動流体用ポンプによる作動流体の循環と、前記凝縮器で作動流体を冷却するための冷却媒体の循環を継続し、前記検出値が前記停止用基準値未満になった時点以降に、前記作動流体用ポンプの運転の停止と、前記凝縮器への冷却媒体の循環を停止する運転終了制御手段を有して構成されていることを特徴とする。 The Rankin cycle system according to the embodiment of the present invention for achieving the above object includes a working fluid container for storing the working fluid, a working fluid pump for recirculating the working fluid of the working fluid container, and an external heat source. An evaporator that vaporizes the working fluid by receiving heat from the air, an expander that extracts the driving force from the vaporized working fluid, and a condenser that releases heat to the cooling medium to liquefy the working fluid, and controls to control these. In the Rankin cycle system including the device, a temperature detection device for detecting the temperature of the working fluid is provided, and the control device to the expander is based on the temperature and pressure of the working fluid flowing into the expander. If the detection value detected by the temperature detection device is equal to or higher than the preset stop reference value at the time when the operation of the expander is stopped due to the inflow prevention of the working fluid, the detection value is the stop reference. The circulation of the working fluid by the pump for the working fluid and the circulation of the cooling medium for cooling the working fluid in the condenser were continued until the value became less than the value, and the detected value became less than the reference value for stopping. It is characterized by having an operation end control means for stopping the operation of the working fluid pump and stopping the circulation of the cooling medium to the condenser after the time point.
そして、上記目的を達成するための本発明の態様に係るランキンサイクルシステムの制御方法は、作動流体を貯蔵する作動流体用容器と、該作動流体用容器の作動流体を還流させる作動流体用ポンプと、外部の熱源からの熱を受けて作動流体を気化させる蒸発器と、気化した作動流体から駆動力を取り出す膨張機と、冷却媒体に熱を放出して作動流体を液化させる凝縮器とを有してなるランキンサイクルシステムの制御方法において、当該ランキンサイクルシステムの運転の停止に際して、前記膨張機に流入する作動流体の温度および圧力に基づいた前記膨張機への作動流体の流入阻止により前記膨張機の運転を停止した時点で、作動流体の温度が予め設定された停止用基準値以上である場合には、作動流体の温度が前記停止用基準値未満になるまで、前記作動流体用ポンプによる作動流体の循環と、前記凝縮器で作動流体を冷却するための冷却媒体の循環を継続し、作動流体の温度が前記停止用基準値未満になった時点以降に、前記作動流体用ポンプの運転の停止と、前記凝縮器への冷却媒体の循環を停止することを特徴とする方法である。 The control method of the Rankin cycle system according to the aspect of the present invention for achieving the above object is a working fluid container for storing the working fluid and a working fluid pump for recirculating the working fluid of the working fluid container. It has an evaporator that receives heat from an external heat source and vaporizes the working fluid, an expander that extracts the driving force from the vaporized working fluid, and a condenser that releases heat to the cooling medium to liquefy the working fluid. In the control method of the Rankin cycle system, when the operation of the Rankin cycle system is stopped, the expansion machine is prevented from flowing into the expansion machine based on the temperature and pressure of the working fluid flowing into the expansion machine. If the temperature of the working fluid is equal to or higher than the preset stop reference value at the time of stopping the operation, the working fluid pump operates until the working fluid temperature becomes lower than the stop reference value. The circulation of the fluid and the circulation of the cooling medium for cooling the working fluid in the condenser are continued, and after the time when the temperature of the working fluid becomes lower than the reference value for stopping, the operation of the pump for the working fluid is started. The method is characterized by stopping and stopping the circulation of the cooling medium to the condenser.
本開示によれば、ランキンサイクルシステムの運転終了時に、ランキンサイクルシステムの回路における作動流体の高温・高圧状態の解消を早めることができる。 According to the present disclosure, it is possible to expedite the elimination of the high temperature / high pressure state of the working fluid in the circuit of the Rankine cycle system at the end of the operation of the Rankine cycle system.
以下、本発明に係る実施形態のランキンサイクルシステム、及び、ランキンサイクルシステムの制御方法について図面を参照しながら説明する。 Hereinafter, the Rankine cycle system according to the embodiment of the present invention and the control method of the Rankine cycle system will be described with reference to the drawings.
図1に示すように、ランキンサイクルシステム10は、車両に搭載されたディーゼルエンジン(図示しない)の排気ガスG等の排熱を利用するものであり、作動流体Fwを貯蔵する圧力調整が可能な容器である作動流体用容器11と、この作動流体用容器11の作動流体Fwを還流させる作動流体用ポンプ12と、排気ガスG(外部の熱源)からの熱を受けて作動流体Fwを気化させる蒸発器13と、気化した作動流体Fwから駆動力を取り出す膨張機14と、冷却媒体Wに熱を放出して作動流体Fwを液化させる凝縮器15とを有して構成され、これらの間を作動流体用流路21~25で接続している。また、さらに、膨張機14を迂回するバイパス流路26が設けられ、このバイパス流路26には、流路を開閉する流路開閉弁(バイパスバルブ)16が設けられている。また、排気ガスGを蒸発器13に導くか、蒸発器13を通さずに排出するかを決める流路切替装置17が設けられている。
As shown in FIG. 1, the Rankine
このランキンサイクルシステム10では、作動流体用ポンプ12のポンプ回転数Npの制御も含めて、各機器の制御を行う制御装置30が設けられ、作動流体用ポンプ12に流入する作動流体Fwの温度T1と圧力P1を検出するための温度検出装置31と圧力検出装置41とが配設されている。また、蒸発器13の入口には、作動流体Fwの温度T2と圧力P2を検出するための温度検出装置32と圧力検出装置42とが配設され、蒸発器13の出口には、作動流体Fwの温度T3と圧力P3を検出するための温度検出装置33と圧力検出装置43とが配設されている。
In this
そして、膨張機14に流入する作動流体Fwの温度T4(=Tm)と圧力P4(=Pm)を検出するための温度検出装置34と圧力検出装置44とが配設されている。また、更に、凝縮器15に流入する作動流体Fwの温度T5(=Te)と圧力P5(=Pe)を検出するための温度検出装置35と圧力検出装置45とが配設されている。
A
つまり、少なくとも、作動流体用ポンプ12の入口側、蒸発器13の出口側、膨張機14の入口側、凝縮器15の入口側のそれぞれに作動流体Fwの温度T1~T5を検出する温度検出装置31~35と作動流体Fwの圧力P1~P5を検出する圧力検出装置41~45を設けて構成されている。
That is, at least, a temperature detection device that detects the temperatures T1 to T5 of the working fluid Fw on the inlet side of the working
また、蒸発器13の入口及び凝縮器15の入口には、作動流体Fwの圧力Pを調整する、減圧弁や背圧弁などで構成される圧力調整手段51、52がそれぞれ設置されている。これらの圧力調整手段51、52は遠隔操作可能に構成されている。
Further, pressure adjusting means 51 and 52 composed of a pressure reducing valve, a back pressure valve, and the like for adjusting the pressure P of the working fluid Fw are installed at the inlet of the
そして、この作動流体Fwには、水とエタノール、水とメタノール、又は水とエチレングリコールなどの二成分系の混合媒体を用いることが好ましいが、純水やエタノールのみやフッ素化合物などのフロン系の冷媒を用いてよい。この混合媒体としては、ここでは、水とエタノールのモル比が50%:50%である混合媒体を用いて説明する。 As the working fluid Fw, it is preferable to use a mixed medium of a two-component system such as water and ethanol, water and methanol, or water and ethylene glycol, but pure water, ethanol only, or a fluoro compound such as a fluorine compound. A refrigerant may be used. As the mixed medium, a mixed medium having a molar ratio of water to ethanol of 50%: 50% will be described here.
また、蒸発器13は、ボイラなどで構成され、蒸発器13における熱源としては、車載のディーゼルエンジンの排気ガスG、特に、後処理装置(図示しない)を通過した後の排気ガスGを熱源としているが、EGRガスなどを熱源にしてもよい。
Further, the
膨張機14は、タービンなどで構成されて、取り出したエネルギーの用途により、タービン軸14aの駆動力が車軸に伝達するように構成されている。なお、エンジンを回転補助(アシスト)する場合は、エンジンのクランク軸が接続され、発電に用いる場合は、発電機(図示しない)が連結される。この発電した電力は、バッテリー(図示しない)に充電されて、エンジンを搭載している車両(図示しない)の電装部品(図示しない)等の電源とする。
The
凝縮器15は、復水器ともよばれ、水冷の場合には、エンジンのラジエータやサブラジエータから出たエンジン用の冷却水やインタークーラー用の冷却水Wにより冷却される。また、空冷の場合は、冷却ファン(図示しない)が配置され、外気により冷却される。 The condenser 15 is also called a condenser, and in the case of water cooling, the condenser 15 is cooled by the cooling water for the engine or the cooling water W for the intercooler discharged from the radiator or the sub-radiator of the engine. In the case of air cooling, a cooling fan (not shown) is arranged and cooled by the outside air.
このランキンサイクルシステム10では、図2及び図3に示すように、作動流体用容器11に貯蔵されている作動流体Fwを作動流体用ポンプ12により液体の状態(C1)で圧縮して循環させて(Win)、圧縮された液体の状態(C2)で、蒸発器13に送り、この蒸発器13で、排気ガスGからの熱を受けて(Qin)、作動流体Fwを気化させて過熱蒸気とする。そして、この気化して定圧的に加熱された高圧の過熱蒸気の状態(C3)の作動流体Fwを膨張機14で断熱膨張させて駆動力を取り出し(Wout)、この低圧となった気体の状態(C4)の作動流体Fwを凝縮器15に送り、この凝縮器15で、冷却媒体Wに熱を放出して(Qout)作動流体Fwを液化させ、これを作動流体用容器11に送っている。
In this
この作動流体Fwの循環における状態の様子を図2の作動流体(混合媒体)のP-V(圧力―体積)線図と、図3に示す作動流体のT-s(温度―エントロピー)線図で示す。この図示のように、状態C1~状態C2の間は作動流体用ポンプ12による断熱圧縮で、状態C2~状態C3の間は蒸発器13による等圧加熱(等圧受熱)で、状態C3~状態C4の間は膨張機14による断熱膨張で、状態C4~状態C1の間は凝縮器15による等圧冷却(等圧放熱)となる。
The state of the working fluid Fw in circulation is shown in the PV (pressure-volume) diagram of the working fluid (mixed medium) in FIG. 2 and the Ts (temperature-entropy) diagram of the working fluid shown in FIG. Indicated by. As shown in this figure, adiabatic compression is performed by the working
このランキンサイクルシステム10では、蒸発器13及び凝縮器15の入口における圧力調整手段51、52における調整後の出口圧力(調整圧力)として、作動流体Fwの飽和液線上及び飽和蒸気線上において、蒸発器13の熱源(排気ガス)Gの温度及び凝縮器15の冷却源(冷却媒体)Wの温度にそれぞれ対応する圧力を設定する。
In this
この圧力設定としては、例えば、蒸発器13の入口に設置された圧力調整手段51の調整圧力として、気相線上において熱源(排気ガス)Gの温度(例えば、約180℃)に対応する圧力(例えば、約1600kPa)を設定する。これにより、蒸発器13内で作動流体Fwの蒸発不足の発生を抑制して、熱源Gと作動流体Fwとの間で確実な熱交換が実施されるようにする。
As the pressure setting, for example, as the adjusting pressure of the pressure adjusting means 51 installed at the inlet of the
一方、凝縮器15の入口に設置された圧力調整手段52の調整圧力として、液相線上において冷却源(冷却媒体:冷却水)Wの温度に対応する圧力(例えば、約1400kPa)を設定する。これにより、凝縮器15内で作動流体Fwの凝縮不足の発生を抑制して、冷却源Wと作動流体Fwとの間で確実な熱交換が実施されるようにする。 On the other hand, as the adjusting pressure of the pressure adjusting means 52 installed at the inlet of the condenser 15, a pressure corresponding to the temperature of the cooling source (cooling medium: cooling water) W on the liquid phase line (for example, about 1400 kPa) is set. As a result, the occurrence of insufficient condensation of the working fluid Fw in the condenser 15 is suppressed, and reliable heat exchange is performed between the cooling source W and the working fluid Fw.
このように、予め設定され、制御装置30に記憶されている作動流体Fwの飽和液線及び飽和蒸気線のマップデータに基づいて、作動流体Fwの適切な温度及び圧力を設定して、ランキンサイクルシステム10における蒸発器13及び凝縮器15において確実な熱交換が実施されるようにする。これにより、高い効率で排熱の回生を行うことができる。
In this way, the Rankine cycle is set by setting an appropriate temperature and pressure of the working fluid Fw based on the map data of the saturated liquid line and the saturated steam line of the working fluid Fw which are preset and stored in the
そして、ランキンサイクルシステム10の作動流体Fwを作動流体用ポンプ12のポンプ回転数Npの制御で調整する。このポンプ回転数Npはランキンサイクルシステム10が確実に作動するように膨張機14の入口の蒸気状態の作動流体Fwの過熱度Shを監視(モニタ)し、希望する過熱度である制御目標の目標過熱度Shtになるように調整する。
Then, the working fluid Fw of the
この過熱度Shは、特定の圧力下で蒸気状態の作動流体Fwの温度が飽和温度から何度高いかを示すものであり、圧力検出装置44で測定した測定圧力Pmと温度検出装置34で検出した測定温度Tmを基に、例えば図4に示すような飽和水蒸気圧の図から測定圧力Pmにおける飽和温度Tvを求めて、測定温度Tmからこの飽和温度Tvを引き算することで、過熱度Shを求める。つまり、「Sh=Tm-Tv」となる。
This degree of superheat Sh indicates how many times the temperature of the working fluid Fw in the steam state is higher than the saturation temperature under a specific pressure, and is detected by the measured pressure Pm measured by the
この過熱度Shが高いと膨張機14におけるエネルギー回収が不十分となり、過熱度Shが低いと膨張機14の出口で作動流体Fwの一部が液化することにより、膨張機14に損傷が生じたりするので、適切な過熱度Shでランキンサイクルシステム10を運転することが重要となる。
If the superheat degree Sh is high, the energy recovery in the
そのため、このポンプ回転数Npの制御においては、ポンプ回転数Npを直接の目標にするのではなく、制御の目標として目標過熱度Shtを設定して、過熱度Shが目標過熱度Shtになるようにポンプ回転数Npをフィードバック制御している。 Therefore, in the control of the pump rotation speed Np, the target superheat degree Sh is set as the control target instead of setting the pump rotation speed Np as a direct target so that the superheat degree Sh becomes the target superheat degree Sh. The pump rotation speed Np is feedback-controlled.
そして、このランキンサイクルシステム10では、制御装置30が、膨張機14の運転を停止した時点で、温度検出装置35で検出した検出値T5(Te)が予め設定された停止用基準値Tec以上である場合には、検出値Teが停止用基準値Tec未満になるまで、作動流体用ポンプ12による作動流体Fwの循環と、凝縮器15で作動流体Fwを冷却するための冷却媒体(例えば、エンジン冷却水)Wの循環を継続し、検出値Teが停止用基準値Tec未満になった時点以降に、作動流体用ポンプ12の運転の停止と、凝縮器15への冷却媒体Wの循環を停止する運転終了制御手段30aを有して構成されている。
Then, in this
また、この運転終了制御手段30aは、ランキンサイクルシステム10の運転の終了のための操作として、熱源Gからの熱の蒸発器13への流入阻止と、膨張機14への作動流体Fwの流入阻止を行うように構成されている。
Further, the operation end control means 30a prevents the inflow of heat from the heat source G into the
次に、本発明の実施の形態のランキンサイクルシステムの制御方法について、図5に示す制御フローを参照しながら説明する。このランキンサイクルシステムの制御方法は、作動流体Fwを貯蔵する作動流体用容器11と、この作動流体用容器11の作動流体Fwを還流させる作動流体用ポンプ12と、外部の熱源Gからの熱を受けて作動流体Fwを気化させる蒸発器13と、気化した作動流体Fwから駆動力を取り出す膨張機14と、冷却媒体Wに熱を放出して作動流体Fwを液化させる凝縮器15とを有してなるランキンサイクルシステム10の制御方法である。
Next, the control method of the Rankine cycle system according to the embodiment of the present invention will be described with reference to the control flow shown in FIG. The control method of this Rankine cycle system is to transfer heat from a working
この制御方法において、ランキンサイクルシステム10の運転の停止に際して、膨張機14の運転を停止した時点で、作動流体Fwの温度Teが予め設定された停止用基準値Tec以上である場合には、作動流体Fwの温度Teが停止用基準値Tec未満になるまで、作動流体用ポンプ12による作動流体Fwの循環と、凝縮器15で作動流体Fwを冷却するための冷却水(冷却媒体)Wの循環を継続し、作動流体Fwの温度Teが停止用基準値Tec未満になった時点以降に、作動流体用ポンプ12の運転の停止と、凝縮器15への冷却水Wの循環を停止する。
In this control method, when the operation of the
このランキンサイクルシステム10の制御方法は、例えば、図5と図6に一例を示すような制御フローにより実施することができる。この図5と図6の制御フローは、エンジンが始動すると上級の制御フローから呼ばれてスタートし、エンジンが停止すると上級の制御フローにリターンして、上級の制御フローの終了と共に終了するものとして示している。
The control method of the
この図5の制御フローがスタートすると、ステップS11で、ランキンサイクルシステム10の運転開始指示の有無を入力する。ステップS12で、運転開始指示が「有」であるか否かを判定し、「有」でなければ(NO)、予め設定された制御時間を経過した後、ステップS11に戻り、ステップS11とステップS12を繰り返して、運転開始指示が「有」になるまで待つ。
When the control flow of FIG. 5 starts, the presence or absence of an operation start instruction of the
ステップS12で、運転開始指示が「有」であれば(YES)、ステップS13に行き、「運転開始制御」を行う。この「運転開始制御」では、流路切替装置17を駆動して、排気ガスGが蒸発器13に流れるように排気ガスGの流路を切り替える。これと同時またはこれに続いて、作動流体用ポンプ12の運転の開始と、冷却水Wの循環を開始する。そして、作動流体用ポンプ12の回転数Npを調整制御し、膨張機14が運転可能な状態、言い換えれば、膨張機14の入口側の温度Tm(T4)と圧力Pm(P4)が、予め設定した運転温度範囲と運転圧力範囲に入るようにする。
If the operation start instruction is "Yes" in step S12 (YES), the process goes to step S13 and "operation start control" is performed. In this "operation start control", the flow
また、膨張機14の入口側の温度Tm(T4)と圧力Pm(P4)が、予め設定した運転温度範囲と運転圧力範囲に入ったら、膨張機14を迂回するバイパス流路26の流路開閉弁16は閉弁状態にする。これにより、膨張機14が駆動開始され、ランキンサイクルシステム10の運転状態となる。
Further, when the temperature Tm (T4) and the pressure Pm (P4) on the inlet side of the
次のステップS14の「運転制御」では、ランキンサイクルシステム10の作動流体Fwに関しての、温度検出装置31~35で検出される温度T1~T5と圧力検出装置41~45で検出される圧力P1~P5を監視して、これらの検出値T1~T5、P1~P5の全ての検出値T1~T5、P1~P5が、それぞれの検出値に対して予め設定された中断用基準値T1a~T5a、P1a~P5a以上にならないように、ランキンサイクルシステム10の運転状態を維持する。
In the "operation control" of the next step S14, the temperatures T1 to T5 detected by the temperature detecting devices 31 to 35 and the pressures P1 to detected by the
このステップS14の「運転制御」を予め設定された制御時間の間行った後に、ステップS15に行き、運転終了指示が「有」であるか否かを判定し、「有」でなければ(NO)、ステップS14に戻り、ステップS14とステップS15を繰り返して、運転終了指示が「有」になるまで待つ。ステップS15で運転終了指示が「有」である場合は(YES)、ステップS20の「運転終了制御」に移行する。 After performing the "operation control" in step S14 for a preset control time, the process goes to step S15 to determine whether or not the operation end instruction is "yes", and if it is not "yes" (NO). ), Return to step S14, repeat step S14 and step S15, and wait until the operation end instruction becomes "Yes". If the operation end instruction is "Yes" in step S15 (YES), the process proceeds to the "operation end control" in step S20.
図6の制御フローで示すように、このステップS20の「運転停止制御」では、最初に、ステップS21の「流路切替装置の切替」で、流路切替装置17を駆動して、排気ガスGが蒸発器13を迂回するように流路を切り替える。つまり、熱源Gからの熱の蒸発器13への流入阻止を行う。
As shown in the control flow of FIG. 6, in the “operation stop control” of step S20, first, in the “switching of the flow path switching device” of step S21, the flow
次のステップS22で、膨脹機14に関係する温度検出装置34で検出される温度T4(Tm)と圧力検出装置44で検出される圧力P4(Pm)を入力し、次のステップS23で、これらの温度Tmと圧力Pmが膨脹機14の運転をすることが可能な「温度と圧力」であるか否かを判定する。ステップS23の判定で、膨脹機14の運転をすることが可能な「温度と圧力」であれば(YES)、予め設定した制御時間を経過するまで、排気ガスGの熱源からの入熱が無い状態で、作動流体Fwを還流して、膨脹機14の運転を継続し、ステップS22に戻る。この制御により、機械的エネルギーの出力が安定して得られている間は膨脹機14の運転を継続するので、作動流体Fwが持っている熱エネルギーを十分に使用できる。
In the next step S22, the temperature T4 (Tm) detected by the
そして、ステップS23の判定で、温度Tmと圧力Pmが膨脹機14の運転をすることができない「温度と圧力」になった場合には、ステップS24の「膨張機の運転停止」に移行する。このステップS24の「膨張機の運転停止」では、流路開閉弁(バイパスバルブ)16を開弁し、膨張機14に作動流体Fwが流れないようにする。つまり、膨張機14への作動流体Fwの流入阻止を行う。その一方で、作動流体用ポンプ12の運転と凝縮器15への冷却水Wの循環は、止めることなく継続して行う。
Then, when the temperature Tm and the pressure Pm become the "temperature and pressure" at which the inflator 14 cannot be operated in the determination in step S23, the process proceeds to the "stop operation of the inflator" in step S24. In the "stop operation of the expander" in step S24, the flow path on-off valve (bypass valve) 16 is opened to prevent the working fluid Fw from flowing to the
なお、この制御フローでは、エンジンの停止と膨張機14の停止を別個に行っているが、エンジンの停止は、エンジンの運転の要否に基づいて行われるものであり、一方、膨張機14の停止は、機械的エネルギーの取り出しの要否やエンジンの運転との関連で行われるものである。そのため、エンジンの運転中であっても膨張機14を停止することや、エンジンの停止前に膨張機14の停止やランキンサイクルシステム10の停止をすることもあり得る。そのため、エンジンの停止と膨張機14の停止は同時でもよく、個別であってもよい。
In this control flow, the engine is stopped and the inflator 14 is stopped separately, but the engine is stopped based on the necessity of operating the engine, while the inflator 14 is stopped. The stoppage is related to the necessity of extracting mechanical energy and the operation of the engine. Therefore, the inflator 14 may be stopped even while the engine is running, the inflator 14 may be stopped, or the
次のステップS25で、凝縮器15に関係する温度検出装置35で検出される温度T5(Te)と圧力検出装置45で検出される圧力P5(Pe)を入力し、次のステップS26で、この温度Teが予め設定された停止用基準値Tec以下になるか、この圧力Peが予め設定された停止用基準値Pec以下になるかの少なくとも一方が成立しているか否かを判定する。言い換えれば、作動流体Fwの温度が予め設定された温度以下になっているかを判定する。なお、通常は、冷却水Wに関係している凝縮器15の入口の作業流体Fwの温度T5(Te)で判定するが、凝縮器15の入口の作業流体Fwの圧力P5(Pe)が温度T5(Te)と密接な関係を持っているので、この圧力P5(Pe)で判定してもよい。また、作動流体Fwは循環し続けているので、その他の温度T1~T4、圧力P1~P4のいずれかを用いて判定してもよい。 In the next step S25, the temperature T5 (Te) detected by the temperature detection device 35 related to the condenser 15 and the pressure P5 (Pe) detected by the pressure detection device 45 are input, and in the next step S26, this is performed. It is determined whether at least one of whether the temperature Te is equal to or less than the preset stop reference value Tec or the pressure Pe is equal to or less than the preset stop reference value Pec is satisfied. In other words, it is determined whether the temperature of the working fluid Fw is equal to or lower than the preset temperature. Normally, it is determined by the temperature T5 (Te) of the working fluid Fw at the inlet of the condenser 15 related to the cooling water W, but the pressure P5 (Pe) of the working fluid Fw at the inlet of the condenser 15 is the temperature. Since it has a close relationship with T5 (Te), it may be determined by this pressure P5 (Pe). Further, since the working fluid Fw continues to circulate, it may be determined by using any of the other temperatures T1 to T4 and the pressures P1 to P4.
ステップS26の判定で、作動流体Fwの温度が予め設定された温度以下になっていない場合は(NO)、予め設定した制御時間を経過してから、ステップS25に戻る。これにより、作動流体Fwと冷却水Wの両方を循環させて、作動流体Fwの冷却と回路全体の冷却を促進する。そして、ステップS25の判定で、作動流体Fwの温度が予め設定された温度以下になった場合には(YES)、ステップS27の「作動流体用ポンプの停止と冷却水ポンプの停止」に移行する。 If the temperature of the working fluid Fw is not equal to or lower than the preset temperature in the determination of step S26 (NO), the process returns to step S25 after the preset control time has elapsed. As a result, both the working fluid Fw and the cooling water W are circulated to promote the cooling of the working fluid Fw and the cooling of the entire circuit. Then, if the temperature of the working fluid Fw becomes equal to or lower than the preset temperature in the determination of step S25 (YES), the process proceeds to step S27 "stopping the working fluid pump and stopping the cooling water pump". ..
ステップS27の「作動流体用ポンプの停止と冷却水ポンプの停止」では、作動流体Fwの温度が予め設定された温度以下になって、作動流体Fwの温度も圧力も安全な範囲に低下しているので、作動流体用ポンプ12の運転を停止し、冷却水Wを循環する冷却水ポンプ(図示しない)の運転を停止して、冷却水Wの循環を停止する。この作動流体Fwの循環の停止と、冷却水Wの循環の停止は、同時に停止してもよく、順次停止してもよく、一方を停止した後、ある程度の時間をおいてから他方を停止してもよい。
In step S27, “Stopping the working fluid pump and stopping the cooling water pump”, the temperature of the working fluid Fw becomes lower than the preset temperature, and the temperature and pressure of the working fluid Fw are lowered to a safe range. Therefore, the operation of the working
つまり、作動流体Fwの温度Teが停止用基準値Tec未満になるまで、あるいは、作動流体Fwの圧力Peが停止用基準値Pec未満になるまで、作動流体用ポンプ12による作動流体Fwの循環と、凝縮器15で作動流体Fwを冷却するための冷却水(冷却媒体)Wの循環を継続し、作動流体Fwの温度Teが停止用基準値Tec未満になった時点以降に、あるいは、作動流体Fwの圧力Peが停止用基準値Pec未満になった時点以降に、作動流体用ポンプ12の運転の停止と、凝縮器15への冷却水Wの循環を停止する。この停止用基準値Tec、Pecとしては、例えば、ランキンサイクルシステム10の回路内の作動流体Fwの全て液体状態となるような温度や圧力を設定することができる。
That is, the circulation of the working fluid Fw by the working
そして、この両方の循環の停止により、ステップS20の「運転終了制御」を完了する。そして、ステップS11に戻り、ステップS11~ステップS20を繰り返す。なお、この図5の制御フローでは、ランキンサイクルシステム10の駆動源である排気ガスGを供給するエンジンの停止の信号を受けると、制御の途中で割り込みが生じて、制御はステップS20の運転終了制御を経てリターンに行き、上級の制御フローに戻り、この制御は上級の制御フローの終了と共に終了する。
Then, by stopping both of these cycles, the "operation end control" in step S20 is completed. Then, the process returns to step S11, and steps S11 to S20 are repeated. In the control flow of FIG. 5, when a signal for stopping the engine that supplies the exhaust gas G, which is the drive source of the
上記の運転終了制御手段30aと上記の制御により、エンジンの停止と膨張機14の停止の後でも作動流体Fwと冷却水Wを循環させる。つまり、作動流体Fwの温度と圧力が低下して、安全ライン(例えば、触ってやけどしない、機器への残留圧力)になるまで、作動流体用ポンプ12と冷却水ポンプの両方のポンプの作動を継続することになる。これにより、膨張機14の停止後、速やかに、ランキンサイクルシステム10の回路における作動流体Fwの温度と圧力を安全な範囲に低下させることができ、ランキンサイクルシステム10の運転停止中に作動媒体Fwの回路からの漏れや回路の破裂などの支障が発生し難い状態にすることができる。
By the above-mentioned operation end control means 30a and the above-mentioned control, the working fluid Fw and the cooling water W are circulated even after the engine is stopped and the
従って、上記のラインキンサイクルシステム10及びラインキンサイクルシステムの制御方法によれば、ランキンサイクルシステム10の運転終了時に、ランキンサイクルシステム10の回路における作動流体の高温・高圧状態を速やかに解消できて、ランキンサイクルシステム10の回路に支障が生じる可能性を少なくすることができる。
Therefore, according to the above-mentioned
10 ランキンサイクルシステム
11 作動流体用容器
12 作動流体用ポンプ
13 蒸発器
14 膨張機
15 凝縮器
16 流路開閉弁(バイパスバルブ)
26 バイパス流路
30 制御装置
31~35 温度検出装置
41~45 圧力検出装置
51、52 圧力調整手段
Fw 作動流体(作動媒体)
G 排気ガス(熱源)
W 冷却水
Np 回転数
P1、P2、P3、P4(=Pm)、P5(=Pe) 測定圧力
T1、T2、T3、T4(=Tm)、T5(=Te) 測定温度
10
26
G Exhaust gas (heat source)
W Cooling water Np Rotation speed P1, P2, P3, P4 (= Pm), P5 (= Pe) Measurement pressure T1, T2, T3, T4 (= Tm), T5 (= Te) Measurement temperature
Claims (4)
作動流体の温度を検出する温度検出装置を設けると共に、
前記制御装置が、
前記膨張機に流入する作動流体の温度および圧力に基づいた前記膨張機への作動流体の流入阻止により前記膨張機の運転を停止した時点で、前記温度検出装置で検出した検出値が予め設定された停止用基準値以上である場合には、前記検出値が前記停止用基準値未満になるまで、前記作動流体用ポンプによる作動流体の循環と、前記凝縮器で作動流体を冷却するための冷却媒体の循環を継続し、前記検出値が前記停止用基準値未満になった時点以降に、前記作動流体用ポンプの運転の停止と、前記凝縮器への冷却媒体の循環を停止する運転終了制御手段を有して構成されていることを特徴とするランキンサイクルシステム。 A working fluid container that stores the working fluid, a working fluid pump that recirculates the working fluid of the working fluid container, an evaporator that vaporizes the working fluid by receiving heat from an external heat source, and a vaporized working fluid. In the Rankine cycle system, which has an expander that draws driving force from the cooling medium, a condenser that releases heat to the cooling medium to liquefy the working fluid, and a control device that controls these.
In addition to providing a temperature detection device that detects the temperature of the working fluid,
The control device
When the operation of the inflator is stopped due to the prevention of the inflow of the working fluid into the inflator based on the temperature and pressure of the working fluid flowing into the inflator, the detection value detected by the temperature detection device is preset. If it is equal to or higher than the stop reference value, circulation of the working fluid by the working fluid pump and cooling for cooling the working fluid by the condenser until the detected value becomes less than the stop reference value. Operation end control that continues the circulation of the medium and stops the operation of the working fluid pump and the circulation of the cooling medium to the condenser after the time when the detected value becomes less than the stop reference value. A Rankine cycle system characterized in that it is configured with means.
当該ランキンサイクルシステムの運転の停止に際して、前記膨張機に流入する作動流体の温度および圧力に基づいた前記膨張機への作動流体の流入阻止により前記膨張機の運転を停止した時点で、作動流体の温度が予め設定された停止用基準値以上である場合には、作動流体の温度が前記停止用基準値未満になるまで、前記作動流体用ポンプによる作動流体の循環と、前記凝縮器で作動流体を冷却するための冷却媒体の循環を継続し、作動流体の温度が前記停止用基準値未満になった時点以降に、前記作動流体用ポンプの運転の停止と、前記凝縮器への冷却媒体の循環を停止することを特徴とするランキンサイクルシステムの制御方法。 A working fluid container that stores the working fluid, a working fluid pump that recirculates the working fluid in the working fluid container, an evaporator that receives heat from an external heat source and vaporizes the working fluid, and a vaporized working fluid. In the control method of the Rankine cycle system, which comprises an expander that draws driving force from the cooling medium and a condenser that releases heat to a cooling medium to liquefy the working fluid.
When the operation of the Rankine cycle system is stopped, when the operation of the inflator is stopped by blocking the inflow of the working fluid into the inflator based on the temperature and pressure of the working fluid flowing into the inflator, the working fluid of the working fluid is stopped. When the temperature is equal to or higher than the preset stop reference value, the working fluid is circulated by the working fluid pump and the working fluid by the condenser until the temperature of the working fluid becomes lower than the stopping reference value. The circulation of the cooling medium for cooling is continued, and after the temperature of the working fluid becomes lower than the reference value for stopping, the operation of the pump for the working fluid is stopped and the cooling medium to the condenser is stopped. A method of controlling a Rankine cycle system, characterized by stopping the circulation.
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