JP2013068138A - Waste heat utilization device - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は廃熱利用装置に関する。 The present invention relates to a waste heat utilization apparatus.
特許文献1に従来の廃熱利用装置が開示されている。この廃熱利用装置は、内燃機関を有する駆動系に用いられ、作動流体を循環させるランキンサイクルを備えている。ランキンサイクルは、作動流体を配管に沿って循環させる一つのポンプと、ボイラと、膨張機と、モータジェネレータと、凝縮器とを有している。ボイラでは、内燃機関に対する冷却水と作動流体とが熱交換を行う。また、モータジェネレータは、膨張機が発生させた動力を電力に変換する。
このような廃熱利用装置では、ボイラにおける熱交換により作動流体を加熱し、作動流体を膨張及び減圧させる際の圧力エネルギーで、膨張機に動力を発生させる。そして、モータジェネレータは、この膨張機の動力、すなわち圧力エネルギーを電力に変換して回収する。さらに、この廃熱利用装置では、ボイラにおける熱交換によって冷却水を冷却することで、内燃機関の出力の向上を図ることも可能となっている。 In such a waste heat utilization apparatus, the working fluid is heated by heat exchange in the boiler, and power is generated in the expander by pressure energy when the working fluid is expanded and depressurized. The motor generator converts the power of the expander, that is, pressure energy into electric power and recovers it. Furthermore, in this waste heat utilization apparatus, it is also possible to improve the output of the internal combustion engine by cooling the cooling water by heat exchange in the boiler.
また、このような廃熱利用装置では、ポンプが故障することで、ランキンサイクルが作動流体を循環させることが不可能となる。この場合、ボイラにおいて冷却水を冷却できなくなり、内燃機関の出力が低下する問題がある。このため、上記の廃熱利用装置では、モータジェネレータが膨張機に対して動力(電力)の供給を行うことが可能になっている。 Moreover, in such a waste heat utilization apparatus, it becomes impossible for a Rankine cycle to circulate a working fluid because a pump fails. In this case, there is a problem that the cooling water cannot be cooled in the boiler and the output of the internal combustion engine is reduced. For this reason, in the above waste heat utilization apparatus, the motor generator can supply power (electric power) to the expander.
こうして、この廃熱利用装置では、モータジェネレータによって作動された膨張機が作動流体を循環させることが可能となるため、ポンプが故障した場合であっても、冷却水との熱交換を継続させて内燃機関の出力低下を抑制させることが可能である。 In this way, in this waste heat utilization device, since the expander operated by the motor generator can circulate the working fluid, the heat exchange with the cooling water is continued even if the pump fails. It is possible to suppress a decrease in the output of the internal combustion engine.
しかし、上記従来の廃熱利用装置では、ポンプが故障した際に膨張機がポンプとしての機能を果たすため、ランキンサイクルでは作動流体の圧力エネルギーを回収し得ない。このため、上記の廃熱利用装置は性能が不十分である。 However, in the above-described conventional waste heat utilization apparatus, when the pump fails, the expander functions as a pump, and therefore, the Rankine cycle cannot recover the pressure energy of the working fluid. For this reason, the above-mentioned waste heat utilization apparatus has insufficient performance.
本発明は、上記従来の実情に鑑みてなされたものであって、高性能な廃熱利用装置を提供することを解決すべき課題としている。 This invention is made | formed in view of the said conventional situation, Comprising: It is set as the problem which should be solved to provide a high-performance waste heat utilization apparatus.
本発明の廃熱利用装置は、内燃機関を有する駆動系に用いられ、作動流体を循環させるランキンサイクルを備えた廃熱利用装置において、
前記ランキンサイクルは、前記作動流体を配管に沿って循環させる複数のポンプを有し、
全ての前記ポンプは駆動源と駆動力伝達手段を介して接続され、
該駆動力伝達手段は、該駆動源との間でトルクが閾値を超えた場合に該駆動源からの動力の伝達を切断可能であることを特徴とする(請求項1)。
The waste heat utilization apparatus of the present invention is used in a drive system having an internal combustion engine, and in a waste heat utilization apparatus having a Rankine cycle for circulating a working fluid,
The Rankine cycle has a plurality of pumps that circulate the working fluid along piping.
All the pumps are connected to the driving source through driving force transmission means,
The drive force transmission means is capable of cutting off the transmission of power from the drive source when the torque exceeds the threshold with the drive source (Claim 1).
本発明の廃熱利用装置はランキンサイクルを備えている。このランキンサイクルは、駆動系に用いられ、作動流体を循環させる。これにより、ランキンサイクルでは作動流体を膨張及び減圧させた際の圧力エネルギーを回収することが可能である。特に、このランキンサイクルは、作動流体を配管に沿って循環させる複数のポンプを有している。このため、この廃熱利用装置では、例え一つのポンプが故障等した場合であっても、他のポンプによって作動流体を循環できるため、ランキンサイクルにおいて、継続してエネルギーの回収を行うことが可能である。 The waste heat utilization apparatus of the present invention includes a Rankine cycle. This Rankine cycle is used for a drive system, and circulates a working fluid. Thereby, in the Rankine cycle, it is possible to collect pressure energy when the working fluid is expanded and depressurized. In particular, this Rankine cycle has a plurality of pumps for circulating a working fluid along a pipe. For this reason, in this waste heat utilization device, even if one pump fails, the working fluid can be circulated by another pump, so it is possible to continuously recover energy in the Rankine cycle. It is.
また、この廃熱利用装置では、全てのポンプが駆動力伝達手段を介して駆動源と接続されているとともに、この駆動力伝達手段は、駆動源からポンプへ伝達されるトルクが閾値を超えた場合に、動力源からの動力の伝達を切断することが可能となっている。これにより、例えば一つのポンプの性能が低下したり、そのポンプが故障したりした場合には、駆動力伝達手段を介して駆動源からそのポンプへ伝達されるトルクが増大することとなる。このため、この廃熱利用装置では、駆動源からそのポンプへ伝達されるトルクが閾値を超えた場合、そのポンプに対する駆動源からの動力の伝達を切断する。これにより、駆動源の負荷を軽減し、他のポンプに対する動力の伝達を確保する。このため、この廃熱利用装置では、ランキンサイクルによるエネルギーの回収を継続して行うことができる。 Further, in this waste heat utilization apparatus, all the pumps are connected to the drive source via the driving force transmission means, and the torque transmitted from the driving source to the pump exceeds the threshold value. In some cases, transmission of power from the power source can be cut off. As a result, for example, when the performance of one pump is reduced or the pump fails, the torque transmitted from the driving source to the pump via the driving force transmitting means increases. For this reason, in this waste heat utilization apparatus, when the torque transmitted from the drive source to the pump exceeds a threshold value, the transmission of power from the drive source to the pump is cut off. This reduces the load on the drive source and ensures transmission of power to other pumps. For this reason, in this waste heat utilization apparatus, the recovery | restoration of the energy by Rankine cycle can be performed continuously.
したがって、本発明の廃熱利用装置は高性能となる。 Therefore, the waste heat utilization apparatus of the present invention has high performance.
内燃機関としては、ガソリンエンジンやディーゼルエンジン等の他、種々の形式のエンジンを採用することができる。また、これらのエンジンはモータを組み合わせたハイブリッドエンジンでも良い。さらに、これらのエンジンは空冷式でも水冷式でも良い。また、内燃機関は複数であっても良い。 As the internal combustion engine, various types of engines can be employed in addition to a gasoline engine, a diesel engine, and the like. These engines may be hybrid engines combining motors. Furthermore, these engines may be air-cooled or water-cooled. There may be a plurality of internal combustion engines.
駆動源としては、例えばモータを採用することができる。また、内燃機関を駆動源として採用することもができる。 As the drive source, for example, a motor can be employed. An internal combustion engine can also be employed as a drive source.
駆動力伝達手段としては、トルクリミッタや電磁クラッチ等を採用することができる。特に、駆動力伝達手段は、トルクリミッタを有していることが好ましい(請求項2)。この場合、駆動源からポンプへ伝達されるトルクが閾値を超えることでトルクリミッタが作動し、そのポンプに対する駆動源からの動力の伝達が切断される。ここで、トルクリミッタであれば、各ポンプの従動軸と駆動源の駆動軸との間に生じるトルクを自身で検出し、ポンプの従動軸に対する動力の伝達を切断することができることから、廃熱利用装置の構成を簡素化することが可能である。これにより、車両等に対する廃熱利用装置の搭載性が向上する。 As the driving force transmission means, a torque limiter, an electromagnetic clutch, or the like can be employed. In particular, the driving force transmission means preferably has a torque limiter (claim 2). In this case, when the torque transmitted from the drive source to the pump exceeds the threshold value, the torque limiter operates, and the transmission of power from the drive source to the pump is cut off. Here, if the torque limiter is used, the torque generated between the driven shaft of each pump and the drive shaft of the drive source can be detected by itself and the transmission of power to the driven shaft of the pump can be cut off. It is possible to simplify the configuration of the utilization device. Thereby, the mounting property of the waste heat utilization apparatus with respect to a vehicle etc. improves.
また、電磁クラッチを採用する場合、電磁クラッチはポンプの従動軸と駆動源の駆動軸との間に設けられることになる。そして、ポンプの従動軸と駆動源の駆動軸との間に生じるトルクを検出し、そのトルクが上記の閾値を超えれば、電磁クラッチを作動させて、閾値を超えた従動軸と駆動軸との接続を断つことができる。また、配管を循環する作動流体の流体圧力を検出し、この流体圧力を基にポンプの従動軸と駆動源の駆動軸との間に生じるトルクを算出し、そのトルクが上記の閾値を超えているか否かを判断することもできる。 When an electromagnetic clutch is employed, the electromagnetic clutch is provided between the driven shaft of the pump and the drive shaft of the drive source. Then, the torque generated between the driven shaft of the pump and the drive shaft of the drive source is detected, and if the torque exceeds the above threshold value, the electromagnetic clutch is operated and the driven shaft and the drive shaft exceeding the threshold value are operated. The connection can be broken. Further, the fluid pressure of the working fluid circulating in the pipe is detected, and the torque generated between the driven shaft of the pump and the drive shaft of the drive source is calculated based on the fluid pressure, and the torque exceeds the above threshold. It can also be determined whether or not.
本発明の廃熱利用装置のランキンサイクルに設けられるポンプの数は、二個以上であればその数を問わない。また、各ポンプは、互いに直列に設けられても良く、また、互いに並列に設けられても良い。但し、各ポンプを直列に設けた場合、故障したポンプが作動流体に対する一種の堰のように機能する場合には、各ポンプを直列に設けることは好ましくない。 The number of pumps provided in the Rankine cycle of the waste heat utilization apparatus of the present invention is not limited as long as it is two or more. Moreover, each pump may be provided in series with each other, and may be provided in parallel with each other. However, when the pumps are provided in series, it is not preferable to provide the pumps in series if the malfunctioning pump functions as a kind of dam for the working fluid.
このため、ポンプは、互いに並列に設けられた第1ポンプ及び第2ポンプであり得る。そして、第1ポンプの下流の配管には第1逆止弁が設けられ、第2ポンプの下流の配管には第2逆止弁が設けられていることが好ましい(請求項3)。 For this reason, the pump can be a first pump and a second pump provided in parallel with each other. And it is preferable that the 1st check valve is provided in the piping downstream of the 1st pump, and the 2nd check valve is provided in the piping downstream of the 2nd pump.
この場合、ランキンサイクルには、第1ポンプと第2ポンプとが互いに並列に設けられるため、例えば、第1ポンプが故障した場合であっても、作動流体は第1ポンプによって堰止められることなく、第2ポンプによって引き続き循環されることとなる。 In this case, since the first pump and the second pump are provided in parallel with each other in the Rankine cycle, for example, even when the first pump fails, the working fluid is not blocked by the first pump. The second pump continues to circulate.
そして、第1ポンプの下流の配管に設けられた第1逆止弁により、第2ポンプによって吐出された作動流体が第1ポンプの下流から第1ポンプに逆流することが防止される。同様に、第2ポンプの下流の配管に設けられた第2逆止弁により、第1ポンプによって吐出された作動流体が第2ポンプの下流から第2ポンプに逆流することが防止される。これらにより、ランキンサイクルにおいて、作動流体が配管に沿って好適に循環することとなる。このため、ランキンサイクルでは、エネルギーを好適に回収することが可能となる。 Then, the first check valve provided in the pipe downstream of the first pump prevents the working fluid discharged by the second pump from flowing back from the downstream of the first pump to the first pump. Similarly, the second check valve provided in the pipe downstream of the second pump prevents the working fluid discharged by the first pump from flowing back from the downstream of the second pump to the second pump. As a result, in the Rankine cycle, the working fluid circulates suitably along the piping. For this reason, it becomes possible to collect | recover energy suitably in a Rankine cycle.
また、第1ポンプ及び第2ポンプは、駆動源としてのモータを挟んで対称に配置されていることが好ましい(請求項4)。この場合、ランキンサイクルにおいて、第1ポンプと第2ポンプとを近接させて配置することが可能となる。これにより、モータから第1ポンプ及び第2ポンプにそれぞれ伝達される動力の損失が生じ難くすることが可能となる。また、廃熱利用装置を小型化させることも可能となる。さらに、駆動力伝達手段に上記のようなトルクリミッタを配置することが容易となる。 Moreover, it is preferable that the first pump and the second pump are arranged symmetrically with a motor as a drive source interposed therebetween. In this case, in the Rankine cycle, the first pump and the second pump can be disposed close to each other. Thereby, it becomes possible to make it difficult to cause loss of power transmitted from the motor to the first pump and the second pump, respectively. In addition, the waste heat utilization device can be reduced in size. Furthermore, it becomes easy to arrange the torque limiter as described above in the driving force transmission means.
本発明の廃熱利用装置において、駆動系は、内燃機関に対して加圧空気を供給する過給器、及び内燃機関で生じた排気の一部を還流排気として内燃機関に還流させる排気還流路の少なくとも一方である熱源を有し得る。そして、ランキンサイクルは、熱源の熱と作動流体との間で熱交換を行うボイラを有していることが好ましい(請求項5)。 In the waste heat utilization apparatus of the present invention, the drive system includes a supercharger that supplies pressurized air to the internal combustion engine, and an exhaust gas recirculation passage that recirculates a part of the exhaust gas generated in the internal combustion engine to the internal combustion engine as recirculation exhaust gas. A heat source that is at least one of the following. And it is preferable that the Rankine cycle has a boiler which performs heat exchange between the heat of the heat source and the working fluid.
加圧空気や還流排気は、いずれも高温であるため、ボイラにおいてこれらと熱交換を行った作動流体は十分に加熱されて高温となる。このため、作動流体を膨張及び減圧させた際の圧力エネルギーが大きくなり、ランキンサイクルでは、回収可能なエネルギーの量を多くすることが可能となる。また、作動流体との熱交換により加圧空気や還流排気は冷却されることとなる。ここで、加圧空気を冷却すれば、加圧空気の密度を大きくでき、より多くの加圧空気を内燃機関に供給できることになる。これにより、内燃機関の出力を向上させることが可能となる。つまり、加圧空気と熱交換させることにより、ボイラがインタークーラとしても機能する。一方、内燃機関に還流される還流排気を冷却すれば、内燃機関がガソリンエンジンの場合、ポンピングロスを抑制でき、また、内燃機関がディーゼルエンジンの場合、最終的に大気中に放出された際の排気中における窒素酸化物の含有量を低減させることが可能となる。これらのため、複数のポンプの一部が故障した場合であっても加圧空気又は還流排気の冷却を継続することが可能となり、廃熱利用装置がより高性能となる。 Since both the pressurized air and the reflux exhaust gas are high in temperature, the working fluid that has exchanged heat with these in the boiler is sufficiently heated to become high temperature. For this reason, the pressure energy when the working fluid is expanded and depressurized is increased, and the Rankine cycle can increase the amount of energy that can be recovered. In addition, the pressurized air and the reflux exhaust are cooled by heat exchange with the working fluid. Here, if the pressurized air is cooled, the density of the pressurized air can be increased, and more pressurized air can be supplied to the internal combustion engine. As a result, the output of the internal combustion engine can be improved. That is, the boiler functions as an intercooler by exchanging heat with the pressurized air. On the other hand, if the recirculated exhaust gas recirculated to the internal combustion engine is cooled, the pumping loss can be suppressed when the internal combustion engine is a gasoline engine, and when the internal combustion engine is a diesel engine, it is finally discharged into the atmosphere. It becomes possible to reduce the content of nitrogen oxides in the exhaust gas. For these reasons, even if some of the plurality of pumps fail, it is possible to continue cooling the pressurized air or the reflux exhaust, and the waste heat utilization device has higher performance.
本発明の廃熱利用装置は高性能となる。 The waste heat utilization apparatus of the present invention has high performance.
以下、本発明を具体化した実施例を図面を参照しつつ説明する。 DESCRIPTION OF THE PREFERRED EMBODIMENTS Embodiments embodying the present invention will be described below with reference to the drawings.
(実施例)
実施例の廃熱利用装置は、車両に搭載され、図1に示すように、車両の駆動系1に用いられている。この廃熱利用装置は、ランキンサイクル3と、モータ33と、制御装置11とを備えている。このモータ33が駆動源に相当する。
(Example)
The waste heat utilization apparatus of the embodiment is mounted on a vehicle and is used in a
駆動系1は、内燃機関としてのエンジン5と、過給器としてのターボチャージャ7と、ラジエータ9とを有している。エンジン5は、公知の水冷式ガソリンエンジンである。エンジン5の内部には冷却水が流通可能なウォータジャケット(図示略)が形成されている。エンジン5には、このウォータジャケットとそれぞれ連通する流出口5aと流入口5bとが形成されている。さらに、エンジン5には、排気を排出する排気口5cと、後述する加圧空気を吸入する吸気口5dとが形成されている。
The
ターボチャージャ7及びラジエータ9はそれぞれ公用品が採用されている。ターボチャージャ7は、エンジン5から生じた排気によって作動され、エンジン5に対し、車外の空気を加圧した加圧空気を供給する。また、ラジエータ9には、その内部に冷却水を流入させる流入口9aと、冷却水を流出させる流出口9bとが形成されている。ラジエータ9は、その内部を流通する冷却水と車外の空気との間で熱交換を行う。さらに、ラジエータ9の近傍には、電動ファン9cが設けられている。この電動ファン9cは、制御装置11と電気的に接続されている。
The
エンジン5とターボチャージャ7とは配管13〜15によって接続されている。また、配管14と配管15とには後述するボイラ21が接続されている。配管13は内部を排気が流通可能となっており、エンジン5の排気口5cとターボチャージャ7とに接続されている。一方、配管14及び配管15は内部を加圧空気が流通可能となっている。配管14はターボチャージャ7と、ボイラ21の第1流入口21aとに接続されている。配管15はボイラ21の第1流出口21bと、エンジン5の吸気口5dとに接続されている。
The
さらに、ターボチャージャ7には、配管16、17の各一端側が接続されている。配管16の他端側は、図示しないマフラと接続されている。配管17の他端側は図示しない車両のエアインテークに開口している。配管16は、ターボチャージャ7を介して配管13と連通している。同様に、配管17は、ターボチャージャ7を介して配管14と連通している。
Further, the
一方、エンジン5とラジエータ9とは配管18、19によって接続されている。配管18、19は内部を冷却水が流通可能となっている。配管18は、エンジン5の流出口5aと、ラジエータ9の流入口9aとに接続されている。配管19は、ラジエータ9の流出口9bと、エンジン5の流入口5bとに接続されている。配管20には、冷却水ポンプP3が設けられている。この冷却水ポンプP3は、制御装置11に電気的に接続されている。なお、冷却水ポンプP3は、配管18に設けられても良い。
On the other hand, the
ランキンサイクル3は、第1、2ポンプP1、P2と、ボイラ21と、膨張機23と、凝縮器25と、配管27〜32とを有している。配管27〜32には、作動流体としてのHFC134aが流通可能となっている。
The Rankine cycle 3 includes first and second pumps P1 and P2, a
ボイラ21には、第1流入口21a及び第1流出口21bと、第2流入口21c及び第2流出口21dとが形成されている。また、ボイラ21内には、両端側でそれぞれ第1流入口21a及び第1流出口21bと連通する第1通路21eと、両端側でそれぞれ第2流入口21c及び第2流出口21dと連通する第2通路21fとが設けられている。このボイラ21では、第1通路21e内の加圧空気と、第2通路21f内の作動流体との熱交換により、加圧空気の冷却と作動流体の加熱とを行う。
The
膨張機23には、その内部に作動流体を流入させる流入口23aと、作動流体を流出させる流出口23bとが形成されている。膨張機23では、ボイラ21を経て加熱された作動流体を膨張させることにより回転駆動力を発生させる。この膨張機23には図示しない公知の発電機が接続されている。発電機は膨張機23の駆動力によって発電を行い、図示しないバッテリに電力を充電する。
The
凝縮器25には、その内部に作動流体を流入させる流入口25aと、作動流体を流出させる流出口25bとが形成されている。凝縮器25は、その内部を流通する作動流体と車外の空気との間で熱交換を行い、膨張機23での膨張によって気化された作動流体を冷却して液化させる。凝縮器25近傍には電動ファン25cが設けられている。この電動ファン25cは制御装置11に電気的に接続されている。
The
これらのボイラ21、膨張機23、凝縮器25は、配管27〜32によって接続されている。これらの配管27〜32のうち、配管28と配管29とは互いに並列に配置されている。各配管27〜32の接続を詳細に説明すると、凝縮器25の流出口25bに配管27の一端側が接続されている。この配管27の他端側には、配管28及び配管29の各一端側が接続されている。これら配管28及び配管29の各他端側には、配管30の一端側が接続されている。この配管30の他端側は、ボイラ21の第2流入口21cに接続されている。ボイラ21の第2流出口21dには配管31の一端側が接続されている。この配管31の他端側は膨張機23の流入口23aに接続されている。そして、膨張機23の流出口23bには配管32の一端側が接続されている。この配管32の他端側は凝縮器25の流入口25aに接続されている。
These
第1ポンプP1は配管28に配置されている。また、第2ポンプP2は配管29に配置されている。これらの第1、2ポンプP1、P2の間にはモータ33が配置されている。上記のように、配管28と配管29とが互いに並列に配置されていることから、第1、2ポンプP1、P2は互いに並列に配置されているとともに、これらの第1、2ポンプP1、P2はモータ33を挟んで対称に配置されている。
The first pump P1 is disposed in the
モータ33には両側に駆動軸35、37が設けられている。このモータ33は制御装置11に電気的に接続されている。一方、第1、2ポンプP1、P2には、それぞれ従動軸39、41が設けられている。モータ33の駆動軸35と第1ポンプP1の従動軸39とは、トルクリミッタ43を介して接続されている。また、モータ33の駆動軸37と第2ポンプP2の従動軸41はトルクリミッタ45を介して接続されている。これらのトルクリミッタ43、45はいずれも公用品が採用されている。各トルクリミッタ43、45はモータ33から駆動軸35、37及び従動軸39、41を介して各第1、2ポンプP1、P2へ伝達されるトルクが閾値を超えることにより、駆動軸35から従動軸39への動力の伝達又は駆動軸37から従動軸41への動力の伝達を切断する。これらの駆動軸35、37と、従動軸39、41と、トルクリミッタ43、45とが動力伝達手段に相当する。
The
また、配管28には、第1ポンプP1よりも作動流体の循環方向の下流となる位置に第1逆止弁47が設けられている。同様に、配管29には、第2ポンプP2よりも作動流体の循環方向の下流となる位置に第2逆止弁49が設けられている。
Further, the
制御装置11は、電動ファン9c、25cの作動制御を行うことで、冷却水又は作動流体が外気に放熱する熱量の調整を行う。また、制御装置11は、モータ33の出力制御を行う。
The
このように構成された廃熱利用装置では、車両を駆動させることにより以下のように作動する。 The waste heat utilization apparatus configured as described above operates as follows by driving the vehicle.
図2に示すように、車両が駆動されることにより、駆動系1ではエンジン5が作動する。これにより、排気口5cから排出された排気が配管13、ターボチャージャ7及び配管16を経てマフラから車外に排出される(同図の一点鎖線矢印参照)。この際、排気に依ってターボチャージャ7が作動される。これにより、車外の空気が配管17よりターボチャージャ7に吸引され、圧縮される。この空気は加圧空気として、配管14、ボイラ21の第1通路21e及び配管15を経てエンジン5の吸気口5dよりエンジン5内へ吸入される(同図の二点鎖線矢印参照)。
As shown in FIG. 2, the
また、制御装置11は、冷却水ポンプP3及び電動ファン9cをそれぞれ作動させる。これにより、駆動系1では、エンジン5の冷却を行った冷却水が流出口5aより流出して、配管18を経てラジエータ9の流入口9aよりラジエータ9の内部に至る。そして、ラジエータ9の内部の冷却水は、ラジエータ9の周りの空気と熱交換、すなわち、放熱されて冷却される。この際、制御装置11は電動ファン9cの作動量を適宜変更して、冷却水を好適に放熱させる。放熱されて冷却された冷却水は流出口9bから流出し、配管19を経てエンジン5の流入口5bからエンジン5内に流入してエンジン5の冷却を行う(同図の破線矢印参照。)。
Moreover, the
さらに、制御装置11は、モータ33及び電動ファン25cをそれぞれ作動させる。モータ33が作動することにより、第1、2ポンプP1、P2が作動する。この際、制御装置は、モータ33の出力制御を行い、第1、2ポンプP1、P2の作動量を調整する。これにより、ランキンサイクル3では、同図の実線矢印に示すように、作動流体が配管27〜32に沿って一定の流量(循環速度)で循環する。具体的には、第1、2ポンプP1、P2によって吐出された作動流体は、配管28、29及び配管30を経てボイラ21の第2流入口21cから第2通路21fに至る。そして、作動流体はボイラ21において加圧空気との熱交換を行う。この際、第1通路21eを流通する加圧空気は、ターボチャージャ7によって圧縮されることにより約150°C程度の熱を有しているため、第2通路21fを流通する作動流体は、約150°C程度に加熱される。一方、第1通路21eを流通する加圧空気は、第2通路21fを流通する作動流体に対して放熱を行うため、冷却された状態でエンジン5に至ることとなる。
Furthermore, the
こうして、ボイラ21によって加熱された作動流体は、高温高圧の状態で第2流出口21dから流出し、配管31を経て膨張機23の流入口23aから膨張機23内へ至る。そして、高温高圧の作動流体は膨張機23内で膨張し、減圧される。この際の圧力エネルギーにより、膨張機23に接続された発電機は発電を行う。
Thus, the working fluid heated by the
膨張機23内で減圧された作動流体は流出口23bから流出し、配管32を経て凝縮器25の流入口25aから凝縮器25内へ至る。凝縮器25の作動流体は、凝縮器25の周りの空気に放熱を行い、冷却される。この際、制御装置11は電動ファン25cの作動量を適宜変更して、作動流体を好適に放熱させて液化させる。冷却された作動流体は流出口25bから流出し、配管28、29及び配管30を経て、再びボイラ21に至ることとなる。
The working fluid depressurized in the
また、この廃熱利用装置のランキンサイクル3は、第1、2ポンプP1、P2を有しており、第1、2ポンプP1、P2は、駆動軸35、37、従動軸39、41及びトルクリミッタ43、45を介してモータ33と接続されている。そして、トルクリミッタ43、45は、各第1、2ポンプP1、P2とモータ33との間で閾値を超えたトルクによって、駆動軸35と従動軸39との接続や、駆動軸37と従動軸41との接続を切断可能となっている。このため、この廃熱利用装置では、第1ポンプP1又は第2ポンプP2の一方が故障等した場合であっても、他方によって作動流体の循環を継続させることが可能となっている。以下、第1ポンプP1が故障した場合を例に説明する。
The Rankine cycle 3 of the waste heat utilization apparatus has first and second pumps P1 and P2. The first and second pumps P1 and P2 include
第1ポンプP1が故障することにより、駆動軸35と及び従動軸39とを介してモータ33から第1ポンプP1へ伝達されるトルクが変化し、そのトルクが増大する。このトルク変化により、モータ33への負荷が大きくなる。このため、この変化したトルクが閾値を超えることにより、トルクリミッタ43は、駆動軸35と従動軸39との接続を解除するように作動する。このため、第1ポンプP1に対するモータ33からの動力の伝達が切断される。これにより、モータ33の負荷が軽減され、モータ33から第2モータP2への動力の伝達が確保される。そして、図3に示すように、作動流体は第2ポンプP2のみによって循環される。この際、第1逆止弁47により、第2ポンプP2によって吐出された作動流体が配管28を介して第1ポンプP1に流入、すなわち、作動流体が第1ポンプP1に逆流することが防止されるため、作動流体は、配管29から配管30へ好適に流通することとなる。また、制御装置11はモータ33の出力制御を行い、第2ポンプP2のみで作動流体が循環される場合における作動流体の流量調整(増速)を行う。
When the first pump P1 fails, the torque transmitted from the
こうして、ランキンサイクル3では、第1ポンプP1が故障した場合であっても電力の回収を継続して行うことができる。なお、第2ポンプP2が故障した場合も同様であり、モータ33から第2ポンプP2へ伝達されるトルクが閾値を超えることで、トルクリミッタ45は、駆動軸37と従動軸41との接続を解除する。これにより、作動流体は第1ポンプP1のみによって循環される。この際、第2逆止弁49により、第1ポンプP1によって吐出された作動流体が配管29を介して第2ポンプP2へ逆流することが防止される。
In this way, in the Rankine cycle 3, it is possible to continuously recover power even when the first pump P1 fails. The same applies when the second pump P2 fails. When the torque transmitted from the
このように、この廃熱利用装置におけるランキンサイクル3では、作動流体を膨張及び減圧させた際の圧力エネルギーを電力として回収することが可能となっている。特に、駆動系1は、エンジン5に対して加圧空気を供給するターボチャージャ7を有しており、ボイラ21では、加圧空気と作動流体とで熱交換を行うことが可能となっている。つまり、この加圧空気を熱源として作動流体が加熱されるため、作動流体は十分に加熱されて高温となる。このため、この廃熱利用装置では、作動流体を膨張及び減圧させた際の圧力エネルギーが大きくなり、ランキンサイクル3において回収される電力の量が多くなっている。
Thus, in the Rankine cycle 3 in this waste heat utilization apparatus, it is possible to collect | recover the pressure energy at the time of expanding and pressure-reducing a working fluid as electric power. In particular, the
また、この廃熱利用装置では、ボイラ21における熱交換によって、加圧空気を冷却、すなわち、ボイラ21が加圧空気に対するインタークーラとしても機能する。このため、加圧空気の密度を大きくでき、より多くの加圧空気をエンジン5に供給できる。これにより、この廃熱利用装置では、エンジン5の出力を向上させることが可能となっている。
In this waste heat utilization apparatus, the pressurized air is cooled by heat exchange in the
さらに、この廃熱利用装置におけるランキンサイクル3は、第1、2ポンプP1、P2を有している。このため、例え、第1ポンプP1又は第2ポンプP2の一方が故障等した場合であっても、故障等をしていない他方の第1ポンプP1又は第2ポンプP2によって、作動流体を循環させることが可能となっている。このため、この廃熱利用装置では、第1ポンプP1又は第2ポンプP2の一方が故障等した場合であっても、ランキンサイクル3において、継続して電力の回収及びエンジン5の出力向上を行うことが可能となっている。
Furthermore, Rankine cycle 3 in this waste heat utilization apparatus has 1st and 2nd pumps P1 and P2. For this reason, even if one of the first pump P1 or the second pump P2 fails, the working fluid is circulated by the other first pump P1 or second pump P2 that has not failed. It is possible. For this reason, in this waste heat utilization apparatus, even if one of the first pump P1 or the second pump P2 is out of order, the Rankine cycle 3 continuously recovers power and improves the output of the
したがって、この廃熱利用装置は高性能となる。 Therefore, this waste heat utilization apparatus has high performance.
特に、駆動軸35と従動軸39及び駆動軸37と従動軸41は、それぞれトルクリミッタ43、45を介して接続されている。このトルクリミッタ43、45は、各第1、2ポンプP1、P2の従動軸39、41とモータ33の駆動軸35、37との間に生じるトルクを自身で検出し、第1ポンプP1の従動軸39や第2ポンプP2の従動軸41に対する動力の伝達を切断することができる。このため、廃熱利用装置の構成を簡素化することが可能となっており、この廃熱利用装置では、車両に対する搭載性が向上している。
In particular, the
また、第1ポンプP1と第2ポンプP2とが互いに並列に配置されている。このため、例えば、第1ポンプP1が故障した場合であっても、作動流体は第1ポンプP1によって堰止められることなく、第2ポンプP2によって引き続き循環されるため、作動流体は、配管27から配管29、30を経てボイラ21に流入することとなる。また、第2ポンプP2が故障した場合も同様に作動流体の循環が継続される。
Further, the first pump P1 and the second pump P2 are arranged in parallel with each other. For this reason, for example, even when the first pump P1 fails, the working fluid is not dammed up by the first pump P1 and is continuously circulated by the second pump P2. It will flow into the
さらに、第1ポンプP1及び第2ポンプP2がモータを挟んで対称に配置されているため、ランキンサイクル3において、第1ポンプP1と第2ポンプP1とを近接させて配置することが可能となっている。これにより、モータ33から第1ポンプP1及び第2ポンプP2にそれぞれ伝達される動力の損失が生じ難くなっている。また、廃熱利用装置を小型化させることも可能となっている。さらに、駆動軸35と従動軸39との間及び駆動軸37と従動軸41との間にそれぞれトルクリミッタ43、45を配置し易くなっている。
Furthermore, since the first pump P1 and the second pump P2 are arranged symmetrically across the motor, in the Rankine cycle 3, the first pump P1 and the second pump P1 can be arranged close to each other. ing. As a result, it is difficult for loss of power transmitted from the
以上において、本発明を実施例に即して説明したが、本発明は上記実施例に制限されるものではなく、その趣旨を逸脱しない範囲で適宜変更して適用できることはいうまでもない。 While the present invention has been described with reference to the embodiments, it is needless to say that the present invention is not limited to the above-described embodiments and can be appropriately modified and applied without departing from the spirit thereof.
例えば、駆動系1において、ターボチャージャ7に替え、又はターボチャージャ7とともに、エンジン5で生じた排気の一部を還流排気としてエンジン5に還流させる排気還流路を設けることができる。この場合、ボイラ21では、加圧空気と作動流体とで熱交換を行う他、還流排気と作動流体とで熱交換を行うことも可能となる。また、ターボチャージャ7と排気還流路とを併設する場合には、ボイラ21において、加圧空気と作動流体とで熱交換を行い、他のボイラにおいて、還流排気と作動流体との熱交換を行うことも可能となる。これらにより、作動流体を十分に加熱することで、ランキンサイクル3において回収可能な電力の量を多くすることが可能となる。
For example, in the
また、冷却水と作動流体との間で熱交換を行うボイラや、配管13又は配管16内の排気と作動流体との間で熱交換を行うボイラを設けても良い。これによっても、作動流体を加熱することができる。この場合、ボイラにおいて冷却水を冷却できることから、エンジン5を好適に冷却することが可能となり、エンジン5の出力を向上させることが可能となる。この場合、ラジエータ9の小型化や、電動ファン9cの作動量を小さくすることができる。
Moreover, you may provide the boiler which performs heat exchange between a cooling water and a working fluid, and the boiler which performs heat exchange between the exhaust_gas | exhaustion in the piping 13 or the
さらに、駆動軸35と従動軸39との接続及び駆動軸37と従動軸41との接続について、それぞれ電磁クラッチを介して行っても良い。この場合、駆動軸35と従動軸39との間のトルク及び駆動軸37と従動軸41との間のトルクをそれぞれ検出する。そして、例えば、駆動軸35と従動軸39との間のトルクが閾値を超えれば、電磁クラッチを作動させて、閾値を超えた従動軸35と駆動軸39との接続を断つことができる。
Furthermore, the connection between the
また、電磁クラッチを採用する場合、作動流体の流体圧力を検知可能な圧力センサを例えば配管31等に設けることもできる。これにより、配管31を流通する作動流体の流体圧力を基に、駆動軸35と従動軸39との間のトルク及び駆動軸37と従動軸41との間のトルクをそれぞれ算出し、電磁クラッチを作動させることもできる。
Further, when an electromagnetic clutch is employed, a pressure sensor capable of detecting the fluid pressure of the working fluid can be provided in the
さらに、配管32には、公知のレシーバを設けても良い。この場合、レシーバにより作動流体が好適に液化されるため、凝縮器25を経た作動流体は、第1、2ポンプP1、P2によって好適に吐出されて、配管27〜32を好適に循環することとなる。
Further, the
本発明は車両等に利用可能である。 The present invention is applicable to vehicles and the like.
1…駆動系
3…ランキンサイクル
5…エンジン(内燃機関)
7…ターボチャージャ(過給器)
21…ボイラ
27〜32…配管
33…モータ(駆動源)
35、37…駆動軸(動力伝達手段)
39、41…従動軸(動力伝達手段)
43、45…トルクリミッタ(動力伝達手段)
47…第1逆止弁
49…第2逆止弁
P1…第1ポンプ
P2…第2ポンプ
DESCRIPTION OF
7 ... Turbocharger (supercharger)
21 ... Boiler 27-32 ...
35, 37 ... Drive shaft (power transmission means)
39, 41 ... driven shaft (power transmission means)
43, 45 ... Torque limiter (power transmission means)
47 ...
Claims (5)
前記ランキンサイクルは、前記作動流体を配管に沿って循環させる複数のポンプを有し、
全ての前記ポンプは駆動源と駆動力伝達手段を介して接続され、
該駆動力伝達手段は、該駆動源との間でトルクが閾値を超えた場合に該駆動源からの動力の伝達を切断可能であることを特徴とする廃熱利用装置。 In a waste heat utilization apparatus provided with a Rankine cycle for circulating a working fluid, used in a drive system having an internal combustion engine,
The Rankine cycle has a plurality of pumps that circulate the working fluid along piping.
All the pumps are connected to the driving source through driving force transmission means,
The waste heat utilization device, wherein the driving force transmission means is capable of cutting off transmission of power from the driving source when the torque exceeds the threshold with the driving source.
該第1ポンプの下流の該配管には第1逆止弁が設けられ、該第2ポンプの下流の該配管には第2逆止弁が設けられている請求項1又は2記載の廃熱利用装置。 Each of the pumps is a first pump and a second pump provided in parallel with each other,
The waste heat according to claim 1 or 2, wherein the pipe downstream of the first pump is provided with a first check valve, and the pipe downstream of the second pump is provided with a second check valve. Use device.
前記ランキンサイクルは、該熱源の熱と該作動流体との間で熱交換を行うボイラを有している請求項1乃至4のいずれか1項記載の廃熱利用装置。 The drive system is at least one of a supercharger that supplies pressurized air to the internal combustion engine and an exhaust gas recirculation path that recirculates a part of the exhaust gas generated in the internal combustion engine to the internal combustion engine as recirculation exhaust gas. Have a heat source,
The waste heat utilization apparatus according to any one of claims 1 to 4, wherein the Rankine cycle includes a boiler that exchanges heat between heat of the heat source and the working fluid.
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