JP2005037090A - 廃熱利用の冷凍サイクル装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 膨張機よりも簡素な機構の膨張手段を配設させることで、低コストで搭載スペースの小型化が図れることを可能とした廃熱利用の冷凍サイクル装置を実現する。
【解決手段】 冷凍サイクル回路１と一部共通に形成されたランキンサイクル回路１０を介して熱機関あるいは発熱補機の廃熱を回収して冷凍サイクル回路１の必要動力として利用する廃熱利用の冷凍サイクル装置において、両サイクル回路１、１０に共通な凝縮部分に設けられ、非共沸混合冷媒を高沸点冷媒および低沸点冷媒に気液分離する気液分離器４と、この気液分離器４により分離された高沸点冷媒に廃熱を回収させた高温高圧冷媒を動力源として吸入し、減圧膨張させて冷凍サイクル回路１の低沸点冷媒を吸引するエジェクタ１３とを有する。これにより、低コストで搭載スペースの小型化が図れる。
【選択図】 図１

Description

本発明は、熱機関あるいは発熱補機の廃熱を回収して冷凍サイクルの必要動力として利用する廃熱利用の冷凍サイクル装置に関するものであり、特に、冷凍サイクル回路にランキンサイクル回路を併設して用いる動力手段に関する。

従来、車室内を空調する空調装置において、自動車など熱機関であるエンジンの廃熱エネルギーを回収して、その廃熱から冷凍サイクル回路の動力源とした廃熱利用の冷凍サイクル装置が知られている。この冷凍サイクル装置は、圧縮機、凝縮器、気液分離器、減圧手段および蒸発器からなる冷凍サイクル回路と、凝縮器、気液分離器、昇圧ポンプ、加熱手段、および回転機構を有する膨張機とからなる冷凍サイクル回路と一部共有するランキンサイクル回路とを併設させている。

そして、冷凍サイクル回路およびランキンサイクル回路に用いる冷媒として、冷凍サイクル用の低圧冷媒とランキンサイクル用の高圧冷媒とからなる非共沸混合冷媒を使用している。

これにより、混合冷媒を凝縮器および気液分離器で高温冷媒と低温冷媒とに気液分離することによって、ランキンサイクル回路および冷凍サイクル回路とにそれぞれ好適な冷媒を供給し、両サイクル回路をともに効率的に作動させるとともに、ランキンサイクル回路側において、エンジンの廃熱から回収した高温高圧冷媒の圧力エネルギーを膨張させることで駆動する膨張機を駆動させ、その回転出力がエンジンおよび圧縮機に伝達されてそれぞれの軸出力に寄与するようにしている（例えば、特許文献１参照。）。
特開昭６３−９９４６４号公報

しかしながら、上記特許文献１によれば、廃熱から回収した高温高圧冷媒の圧力エネルギーを動力源として回転出力を得る膨張機は、膨張機構の他にエンジンおよび圧縮機に動力を出力するための動力伝達機構を備えるため、構造が複雑となり部品コストが高価であるとともに、車両への搭載スペースが大きくなってしまう問題がある。

そこで、本発明の目的は、上記点に鑑みたものであり、膨張機よりも簡素な機構の膨張手段を配設させることで、低コストで搭載スペースの小型化が図れることを可能とした廃熱利用の冷凍サイクル装置を提供することにある。

上記、目的を達成するために、請求項１ないし請求項４に記載の技術的手段を採用する。すなわち、請求項１に記載の発明では、ランキンサイクル用の高沸点冷媒と冷凍サイクル用の低沸点冷媒とからなる非共沸混合冷媒を用いるとともに、冷凍サイクル回路（１）と一部共通に形成されたランキンサイクル回路（１０）を介して熱機関あるいは発熱補機の廃熱を回収して冷凍サイクル回路（１）の必要動力として利用する廃熱利用の冷凍サイクル装置において、
両サイクル回路（１、１０）に共通な凝縮部分に設けられ、非共沸混合冷媒を高沸点冷媒および低沸点冷媒に気液分離する気液分離器（４）と、この気液分離器（４）により分離された高沸点冷媒に廃熱を回収させた高温高圧冷媒を動力源として吸入し、減圧膨張させて冷凍サイクル回路（１）の低沸点冷媒を吸引するエジェクタ（１３）とを有することを特徴としている。

請求項１に記載の発明によれば、気液分離器（４）により分離された高沸点冷媒に廃熱を回収させた高温高圧冷媒を動力源として吸入し、減圧膨張させて冷凍サイクル回路（１）の低沸点冷媒を吸引するエジェクタ（１３）とを有することにより、例えば、高温高圧冷媒の圧力エネルギーから高速噴流（速度エネルギー）に変換するノズルおよびそのノズルから噴射する冷媒と吸引した冷媒とを混合させながら速度エネルギーから圧力エネルギーに変換するディフューザからなるエジェクタ（１３）とすることで、減圧膨張の機構が簡素であるとともに、冷凍サイクル回路（１）側は、高速噴流により吸引されることで冷凍サイクル回路（１）の駆動ができる。これにより、従来の膨張機よりもエジェクタ（１３）の方が簡素な機構となるため低コストで車両への搭載スペースの小型化が図れる。

請求項２に記載の発明では、エジェクタ（１３）は、廃熱を回収した高温冷媒が吸入する吸入部（１３１）、冷凍サイクル回路（１）の低沸点冷媒を吸引する吸引部（１３６）、および減圧膨張された冷媒と吸引部（１３６）より吸引された冷媒とが混合して吐出する吐出部（１３５）から構成され、吸引部（１３６）が冷凍サイクル回路（１）を構成する圧縮機（２）の吐出側に連結され、吐出部（１３５）が冷凍サイクル回路（１）を構成する凝縮器（３ａ）に連結されることを特徴としている。

請求項２に記載の発明によれば、エジェクタ（１３）の吸引部（１３６）を圧縮機（２）の吐出側に連結させることにより、冷媒を圧縮して吐出する圧縮機（２）を補佐することができる。これにより、圧縮機（２）の出力の一部を廃熱から賄うことができるため、冷凍サイクル回路（１）の動力が少なくできる効果がある。

請求項３に記載の発明では、冷凍サイクル回路（１）には、一端が冷凍サイクル回路（１）を構成する蒸発器（７）に連結され、他端がエジェクタ（１３）の吸引部（１３６）に連結されて圧縮機（２）を迂回するバイパス回路（８）が設けられ、エジェクタ（１３）は、回収された廃熱が大きいときに、蒸発器（７）により蒸発された低圧冷媒をバイパス回路（８）より吸引されることを特徴としている。

請求項３に記載の発明によれば、本発明のエジェクタ（１３）は、蒸発器（７）により蒸発された低圧冷媒をバイパス回路（８）より吸引されることにより、圧縮機（２）を作動させなくても冷凍サイクル回路（１）の駆動が可能となる。これにより、例えば、冷房負荷が小さいときに、圧縮機（２）を作動させなくても、廃熱を利用した空調が可能となる。

請求項４に記載の発明では、冷凍サイクル回路（１）を構成する凝縮器（３ａ、３ｂ）は、高温用凝縮器（３ａ）および低温用凝縮器（３ｂ）に分けて構成されるとともに、気液分離器（４）は、高温用凝縮器（３ａ）と低温用凝縮器（３ｂ）との間に設けられ、ランキンサイクル回路（１０）は、高温用凝縮器（３ａ）と気液分離器（４）とが冷凍サイクル回路（１）と共有されていることを特徴としている。

請求項４に記載の発明によれば、非共沸混合冷媒は、ガス状態でランキンおよび冷凍両サイクル回路（１、１０）に共通な凝縮部分にて冷却される。従って、気液分離器（４）においては、凝縮温度の違いにより、ガス状の非共沸混合冷媒は、低沸点冷媒を主体とする気相部と高沸点冷媒を主体とする液相部とに分離されて、それぞれの両サイクル回路（１、１０）に適した側に冷媒が送られる。これにより、いずれのサイクル回路（１、１０）においても好適な作動冷媒が用いられて効率的な作動ができる。

なお、上記各手段の括弧内の符号は、後述する実施形態の具体的手段との対応関係を示すものである。

以下、本発明の一実施形態による廃熱利用の冷凍サイクル装置を図１ないし図４に基づいて説明する。図１は本発明を自動車用エンジンに適用した廃熱利用の冷凍サイクル装置の全体構成を示す模式図であり、図２は廃熱エネルギーを動力源とするエジェクタ１３の全体構成を示す模式図であり、図３はエンジンルーム内における廃熱利用の冷凍サイクル装置の搭載形態を示す概略図である。

まず、図１に示すように、自動車の熱機関であるエンジン２１により駆動される空調用の冷凍サイクル回路１が付設されている。この冷凍サイクル回路１は、圧縮機２、高温用凝縮器３ａ、気液分離器４、低温用凝縮器３ｂ、受液器５、減圧器６、および蒸発器７を冷媒配管により順次、環状に接続して構成されている。

図３に示すように、冷凍サイクル回路１の圧縮機２は、図示しない取付金具などを介してエンジン２１に固定され、ラジエータ２２の前方には、凝縮部分である高温用凝縮器３ａ、低温用凝縮器３ｂおよび気液分離器４が搭載されている。また、減圧器６および蒸発器７は、車室内への開口を備えた空調ユニット２３内に取り付けられている。

この空調ユニット２３には、送風機２４が設けられ、蒸発器７を流通して車室内へ送風するように構成されている。なお、圧縮機２は、図示しない電磁クラッチを備えるアイドラプーリー２ａが装着され、エンジン２１の駆動軸２１ａとアイドラプーリー２ａとがベルト２５を介して連結されている。なお、電磁クラッチ（図示せず）の作動に応じて圧縮機２の回転軸とアイドラプーリー２ａとの係合が断続される。

また、本実施形態の冷凍サイクル回路１には、蒸発器７の下流側と後述するエジェクタ１３の吸引部１３６との間に、圧縮機２を迂回するバイパス回路８が設けられ、そのバイパス回路８を開閉する電磁弁９が設けられている。

一方、廃熱を回収するランキンサイクル回路１０は、冷媒配管で接続された電動式の昇圧ポンプ１１、加熱用熱交換器１２およびエジェクタ１３を有するとともに、エジェクタ１３の吸引部（後述する）１３６および吐出部（後述する）１３５が冷凍サイクル回路１の圧縮機２吐出側と高温用凝縮器３ａの上流側へ、また、昇圧ポンプ１１の吸込側が気液分離器４の液相部へそれぞれ冷媒配管を介して接続されている。

これにより、ランキンサイクル回路１０は、高温用凝縮器３ａおよび気液分離器４が冷凍サイクル回路１と一部共通使用して形成される。昇圧ポンプ１１は、気液分離器４の液相部から吸込んだ冷媒を加圧して加熱用熱交換器１２に向けて圧送するポンプであり、吐出側が加熱用熱交換器１２に接続されている。

加熱用熱交換器１２は、エンジン冷却水回路２０を循環する廃熱である温水を内部に導入し、昇圧ポンプ１１により加圧された冷媒と熱交換させて冷媒を加熱するようにした熱交換器である。これにより、液冷媒が温水により加熱されて蒸発してガス冷媒に変換される。

また、図中の２６はエンジン２１の温水をラジエータ２２に流通させるかランキンサイクル回路１０側に流通させるかのいずれか一方の流れ方向に切り換える切換弁である。図中の２７はエンジン冷却水回路２０を循環させる温水ポンプである。図中の２９はエンジン２１の温水をラジエータ２２に流通させるか、または、迂回させるかのいずれか一方の流れ方向に切り換えるためのサーモスタットであり、２９ａはラジエータ２２を迂回するバイパス通路である。

なお、エンジン冷却水回路２０には、加熱用熱交換器１２と並列に図１において、図示しないヒータコア２８が、図３に示すように、空調ユニット２３内に配設されている。このヒータコア２８は、車室内へ導入される空気を暖めるようにしている。

次に、本発明の要部であるエジェクタ１３について図２に基づいて説明する。本実施形態のエジェクタ１３は、図２に示すように、ノズル部１３２、混合部１３３、およびディフューザ部１３４からなるとともに、加熱用熱交換器１２から流出する高温高圧冷媒が吸入する吸入部１３１、圧縮機２から吐出されるガス冷媒を吸引する吸引部１３６、およびノズル部１３２により減圧膨張した冷媒と吸引したガス冷媒とを混合された冷媒を高温用凝縮器３ａに吐出する吐出部１３５から構成されている。

因みに、ノズル部１３２は、吸入部１３１より吸入した高温高圧冷媒の圧力エネルギー（圧力ヘッド）を速度エネルギー（速度ヘッド）に変換させるものであり、ノズル部１３２から噴射する高い速度の冷媒流（ジェット流）により、吸引部１３６の圧力低下を利用して圧縮機２から吐出されるガス冷媒を吸引する。

また、混合部１３３は、ノズル部１３２から噴射する冷媒と吸引部１３６から吸引される冷媒とが混合されるものであり、ディフューザ部１３４は、混合させながら速度エネルギーを圧力エネルギーに変換して冷媒の圧力を昇圧させる。従って、吐出部１３５から吐出される混合冷媒は昇圧され、高温用凝縮器３ａに流出されるようにしている。

さらに、各電動式構成部品の制御のために、図示しないが制御装置が設けられている。そして、その制御装置は、冷凍サイクル回路１の圧縮機２の電磁クラッチ、バイパス回路８の電磁弁９、ランキンサイクル回路１０の昇圧ポンプ９、エンジン冷却水回路２０の切換弁２６、および温水ポンプ２７などの各電動式構成部品と電気的に接続されて制御されるようになっている。

なお、本実施形態では、ランキンサイクル用の高沸点冷媒（例えば、ブタン）と冷凍サイクル用の低沸点冷媒（例えば、Ｒ１３４ａ）とからなる非共沸混合冷媒を作動流体として用いているため、気液分離器４では、高圧用凝縮器３ａから流入した冷媒が液相部と気相部に分離されるが、液相部には高沸点冷媒が主体となり、気相部には低沸点冷媒が主体となって分離されるものである。

次に、以上の構成による廃熱利用の冷凍サイクル装置の作動について説明する。エンジン２１が運転状態にあるときに、制御装置（図示せず）により各電動式構成部品のうち、電磁クラッチ（図示せず）が作動することで圧縮機２が駆動する。また、昇圧ポンプ１１が作動して冷媒を加圧、圧送するとともに、切換弁２６が加熱用熱交換器１２に温水が導入するように切り換えられる。

次に、冷凍サイクル回路１およびランキンサイクル回路１０内の冷媒は、それぞれ圧縮機２により圧縮され、また、エジェクタ１３のノズル部１３２により減圧膨張した後、両回路１、１０の混合部１３３にてガス状態で混合し、高温用凝縮器３ａに流入する。

そして、混合された冷媒は、高温用凝縮器３ａにおいて、外気と熱交換されて凝縮液化し、図４に示すように、Ａ点のガス状態からＢ点まで冷却されたところで、高温用凝縮器３ａから流出されて気液分離器４に流入する。また、Ｂ点における混合冷媒は液相と気相とが図に示すｂ：ａの比で混在した状態であり、液相部では、高沸点冷媒の濃度が非常に高く、気相部では、低沸点冷媒の濃度が非常に高くなっている。

混合冷媒はこの状態で気液分離器４にて気液分離され、このうち、低沸点冷媒を主体とする気相部は、低温用凝縮器３ｂでさらに、冷却されて凝縮、液化して受液器５に流入する。そして、受液器５内の液冷媒は続いて減圧器６により減圧され、蒸発器７により車室内空気と熱交換されて蒸発する。蒸発器７を流出したガス冷媒は圧縮機２で圧縮され、再び冷凍サイクル回路１内を循環する。なお、このときには、送風機２４が作動して蒸発器７を送風することにより車室内が冷房される。

一方、気液分離器４にて高沸点冷媒を主体とする液相部は、昇圧ポンプ１１に吸込まれて、ここで、加圧されて加熱用熱交換器１２に圧送される。加熱用熱交換器１２には、温水が導入されているので圧送された液冷媒は温水により加熱されて蒸発する。そして、エジェクタ１３に流入されて上述したノズル部１３２により再び減圧膨張した後、両回路１、１０の混合部１３３にてガス状態で混合し、高温用凝縮器３ａに流入してランキングサイクル回路１０を循環するものである。

これにより、エジェクタ１３の吸入部１３１に流入する冷媒に昇圧および加熱させるとともに、エジェクタ１３の吸引部１３６および吐出部１３５を圧縮機２と高温用凝縮器３ａとの間に配設することで、吸引部１３６から圧縮機２により圧縮された吐出ガスの吸引が容易にできる。従って、圧縮機２の動力に大きく寄与するものである。

なお、エンジン２１の廃熱が大きいときに、圧縮機２を作動させないときでも、
電磁弁９を開弁することにより、バイパス回路８を介して蒸発器７により蒸発されたガス冷媒が吸引されるため、冷房運転の継続ができる。

以上の一実施形態による廃熱利用の冷凍サイクル装置によれば、気液分離器４により分離された高沸点冷媒に廃熱を回収させた高温高圧冷媒を動力源として吸入し、減圧膨張させて冷凍サイクル回路１の低沸点冷媒を吸引するエジェクタ１３とを有することにより、例えば、高温高圧冷媒の圧力エネルギーから高速噴流（速度エネルギー）に変換するノズル部１３２およびそのノズル部１３２から噴射する冷媒と吸引した冷媒とを混合させながら速度エネルギーから圧力エネルギーに変換するディフューザからなるエジェクタ１３とすることで、減圧膨張の機構が簡素であるとともに、冷凍サイクル回路１側は、高速噴流により吸引されることで冷凍サイクル回路１の駆動ができる。これにより、従来の膨張機よりもエジェクタ１３の方が簡素な機構となるため低コストで車両への搭載スペースの小型化が図れる。

また、エジェクタ１３の吸引部１３６を圧縮機２の吐出側に連結させることにより、冷媒を圧縮して吐出する圧縮機２を補佐することができる。これにより、圧縮機２の出力の一部を廃熱から賄うことができるため、冷凍サイクル回路１の動力が少なくできる効果がある。

また、本実施形態のエジェクタ１３は、蒸発器７により蒸発された低圧冷媒をバイパス回路８より吸引されることにより、圧縮機２を作動させなくても冷凍サイクル回路１の駆動が可能となる。これにより、例えば、冷房負荷が小さいときに、圧縮機２を作動させなくても、廃熱を利用した空調が可能となる。

また、非共沸混合冷媒は、ガス状態でランキンおよび冷凍両サイクル回路１、１０に共通な高温凝縮器３ａにて冷却される。従って、気液分離器４においては、凝縮温度の違いにより、ガス状の非共沸混合冷媒は、低沸点冷媒を主体とする気相部と高沸点冷媒を主体とする液相部とに分離されて、それぞれの両サイクル回路１、１０に適した側に冷媒が送られる。これにより、いずれのサイクル回路１、１０においても好適な作動冷媒が用いられて効率的な作動ができる。

（他の実施形態）
以上の一実施形態では、圧縮機２に電磁クラッチを備えるアイドラプーリー２ａが装着させて、エンジン２１の駆動軸２１ａからベルト２５を介して駆動させたが、これに限らず、電動モータおよび圧縮部が一体的に密封ケース内に配設され、バッテリーから電力が供給されて駆動する電動圧縮機でも良い。

また、以上の実施形態では、熱機関であるエンジン２１の廃熱を加熱用熱交換器１２に導入するように構成したが、これに限らず、例えば、燃料電池車に搭載される燃料電池の廃熱を利用するように構成しても良い。さらに、燃料電池の他に車両には、例えば、電動モータ、電動ポンプ、インバータなど作動により発熱する発熱補機類の廃熱を利用するように構成しても良い。

本発明の一実施形態における廃熱利用の冷凍サイクル装置の全体構成を示す模式図である。 本発明の一実施形態におけるエジェクタ１３の全体構成を示す模式図である。 エンジンルーム内における廃熱利用の冷凍サイクル装置の搭載形態を示す概略図である。 高温用凝縮器３ａにおける非共沸混合冷媒の状態変化を示す線図である。

符号の説明

１…冷凍サイクル回路
２…圧縮機
３ａ…高温用凝縮器（凝縮器、凝縮部分）
３ｂ…低温用凝縮器（凝縮器）
４…気液分離器
７…蒸発器
８…バイパス回路
１０…ランキンサイクル回路
１３…エジェクタ
１３１…吸入部
１３５…吐出部
１３６…吸引部

Claims (4)

1. ランキンサイクル用の高沸点冷媒と冷凍サイクル用の低沸点冷媒とからなる非共沸混合冷媒を用いるとともに、冷凍サイクル回路（１）と一部共通に形成されたランキンサイクル回路（１０）を介して熱機関あるいは発熱補機の廃熱を回収して前記冷凍サイクル回路（１）の必要動力として利用する廃熱利用の冷凍サイクル装置において、
   前記両サイクル回路（１、１０）に共通な凝縮部分に設けられ、非共沸混合冷媒を高沸点冷媒および低沸点冷媒に気液分離する気液分離器（４）と、
   前記気液分離器（４）により分離された高沸点冷媒に廃熱を回収させた高温高圧冷媒を動力源として吸入し、減圧膨張させて前記冷凍サイクル回路（１）の低沸点冷媒を吸引するエジェクタ（１３）とを有することを特徴とする廃熱利用の冷凍サイクル装置。
2. 前記エジェクタ（１３）は、廃熱を回収した高温冷媒が吸入する吸入部（１３１）、前記冷凍サイクル回路（１）の低沸点冷媒を吸引する吸引部（１３６）、および減圧膨張された冷媒と前記吸引部（１３６）より吸引された冷媒とが混合して吐出する吐出部（１３５）から構成され、前記吸引部（１３６）が前記冷凍サイクル回路（１）を構成する圧縮機（２）の吐出側に連結され、前記吐出部（１３５）が前記冷凍サイクル回路（１）を構成する凝縮器（３ａ）に連結されることを特徴とする請求項１に記載の廃熱利用の冷凍サイクル装置。
3. 前記冷凍サイクル回路（１）には、一端が前記冷凍サイクル回路（１）を構成する蒸発器（７）に連結され、他端が前記エジェクタ（１３）の吸引部（１３６）に連結されて前記圧縮機（２）を迂回するバイパス回路（８）が設けられ、前記エジェクタ（１３）は、回収された廃熱が大きいときに、前記蒸発器（７）により蒸発された低圧冷媒をバイパス回路（８）より吸引されることを特徴とする請求項２に記載の廃熱利用の冷凍サイクル装置。
4. 前記冷凍サイクル回路（１）を構成する凝縮器（３ａ、３ｂ）は、高温用凝縮器（３ａ）および低温用凝縮器（３ｂ）に分けて構成されるとともに、前記気液分離器（４）は、前記高温用凝縮器（３ａ）と前記低温用凝縮器（３ｂ）との間に設けられ、前記ランキンサイクル回路（１０）は、前記高温用凝縮器（３ａ）と前記気液分離器（４）とが前記冷凍サイクル回路（１）と共有されていることを特徴とする請求項１ないし請求項３のいずれか一項に記載の廃熱利用の冷凍サイクル装置。

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