JP2005240740A - 車両用排熱回収システム - Google Patents

Abstract

【課題】小型でかつエネルギーの変換効率が良好な車両用排熱回収システムを提供すること。
【解決手段】車両ＪのエンジンＥの排熱により加熱を行うボイラ２５に対して、蒸気圧縮式の冷凍サイクル１０から冷媒を供給する。ボイラ２５で加熱された冷媒によって膨張機２６を駆動して動力を発生させ、該動力によって発電機２７で発電を行う。膨張機２６で膨張された冷媒は冷凍サイクル１０へと帰還され、冷凍サイクル１０のクーラ１４において冷却される。
【選択図】 図１

Description

本発明は、例えば、車両の走行駆動源たる内燃機関の排熱を回収して動力を発生させる車両用排熱回収システムに関する。

この種の車両用排熱回収システムとしては、内燃機関の発熱により加熱された冷却水（高温蒸気）でタービンを駆動して動力を発生させ、該動力によって、タービンに作動連結された発電機を駆動して発電を行うものが存在する（例えば特許文献１参照。）。
特開２０００−３４５９１５号公報

ところが、前記内燃機関の冷却水を利用してタービンを駆動する構成では、該冷却水の膨張比が大きいため、熱的エネルギー（内燃機関の排熱）から機械的エネルギー（タービンが発生する動力）へのエネルギー変換効率が低い。該変換効率を向上させるためには、例えば冷却水循環回路を構成する配管を大きくしたり、タービンを径方向へと大型化する必要があり、車両用排熱回収システムが大型化して車両への搭載が困難となる問題を生じる。

本発明の目的は、小型でかつエネルギーの変換効率が良好な車両用排熱回収システム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に記載の車両用排熱回収システムでは、車両の排熱により加熱を行うボイラに対して、蒸気圧縮式の冷凍サイクルから冷媒を供給し、ボイラで加熱された冷媒によって膨張機を駆動して動力を発生させ、膨張機で膨張された冷媒を冷凍サイクルへと帰還させるようにした。蒸気圧縮式の冷凍サイクルに用いられる冷媒は、膨張比が小さいので、小型の膨張機であっても、熱的エネルギー（車両の排熱）から機械的エネルギー（膨張機が発生する動力）への変換効率を高くすることができる。なお、車両の冷凍サイクルに用いられる冷媒の代表例としては、例えばフロンや炭化水素が挙げられる。

また、前記膨張機から冷凍サイクルへと帰還された冷媒は、該冷凍サイクルが有する熱交換器で冷却される。従って、車両の排熱を大気へと放出するための専用の熱交換器を、小型化又は削除することができる。

請求項２の発明は請求項１において、前記膨張機には発電機が作動連結されている。発電機は、膨張機で発生した動力によって駆動されて発電を行う。従って、車両の走行駆動源における、発電のための負荷を軽減することができる。

請求項３の発明は請求項２において、前記発電機は車両の走行駆動源にも作動連結されている。従って、例えば、車両の排熱量が少ない場合等において、走行駆動源によって発電機を駆動すれば、必要な電力を確保することができる。また、膨張機が発生する動力が、発電機を駆動するのに必要な大きさを上回った場合には、この余剰動力によって車両の走行が補助されることとなり、走行駆動源の負荷をさらに軽減することができる。

請求項４の発明は請求項２又は３において、前記膨張機で膨張された冷媒は、発電機の内部を経由して冷凍サイクルへと帰還される。従って、膨張機で膨張された後の比較的低温な冷媒によって発電機の内部が冷却され、該発電機の発電効率を向上させることができる。

請求項５の発明は請求項１〜４のいずれか一項において、車両用排熱回収システムの好適な一態様について言及するものである。即ち、冷凍サイクルは、冷媒の圧縮を行う圧縮機と、該圧縮機からの冷媒を冷却するクーラと、該クーラで冷却された冷媒を減圧する減圧装置と、該減圧装置で減圧された冷媒を加熱する蒸発器と、該蒸発器で加熱された冷媒は圧縮機へと吸入されることとからなっている。クーラと減圧装置との間の冷媒流路には、ポンプの吸入側が接続されている。ポンプは、クーラと減圧装置との間の冷媒流路から冷媒を取り出してボイラへと圧送する。膨張機の吐出側は、冷凍サイクルにおいて圧縮機とクーラとの間の冷媒流路に接続されている。

上記請求項１〜５の発明によれば、小型でかつエネルギーの変換効率が良好な車両用排熱回収システムを提供することができる。

以下、本発明の車両用排熱回収システムを具体化した一実施形態について説明する。
図１に示すように、車両Ｊにおいて車室の空調を行うための空調装置には、蒸気圧縮式の冷媒循環回路（冷凍サイクル１０）が備えられている。冷凍サイクル１０の冷媒としては、例えばフロンや炭化水素が用いられている。冷凍サイクル１０は圧縮機１１を備えている。圧縮機１１は、車両Ｊの走行駆動源たる内燃機関（以下エンジンとする）Ｅによって駆動されて、冷媒ガスの圧縮を行う。冷凍サイクル１０は、圧縮機１１から吐出された高温高圧の冷媒ガスを冷却するクーラ１４と、該クーラ１４からの冷媒を減圧する減圧装置としての膨張弁１７と、膨張弁１７からの冷媒を加熱する蒸発器１６とを備えている。蒸発器１６において車室へ向かう空気と熱交換された冷媒は、圧縮機１１へと吸入されて前述したサイクルを繰り返す。

また、前記車両Ｊには、冷凍サイクル１０の回路構成の一部を利用した排熱発電回路（ランキンサイクル２０）が備えられている。前記冷凍サイクル１０において、クーラ１４の出口側と膨張弁１７の入口側とを接続する冷媒流路としての配管２１には、ポンプ２３の吸入側が分岐して接続されている。ポンプ２３は、図示しない専用の電動モータを内蔵した電動ポンプよりなっている。ポンプ２３の吐出側には、ボイラ２５の吸熱器２５ａの入口側が接続されている。ポンプ２３は、冷凍サイクル１０の冷媒をボイラ２５の吸熱器２５ａへと圧送する。ボイラ２５の放熱器２５ｂには、エンジンＥを冷却して高温となった冷却水が送られる。従って、冷凍サイクル１０からボイラ２５の吸熱器２５ａへと送られた冷媒は、放熱器２５ｂを流れる冷却水との間での熱交換によって、高温高圧の冷媒ガスとなる。

前記ボイラ２５の吸熱器２５ａの出口側には、膨張機２６の高圧側が接続されている。膨張機２６には発電機２７が作動連結されている。ボイラ２５の吸熱器２５ａから膨張機２６へと送られた冷媒は、該膨張機２６内において膨張される。従って、膨張機２６において動力が発生し、該動力によって発電機２７が駆動されて発電が行われる。発電機２７で発生した電力は、図示しないバッテリに一旦貯留された後、車両Ｊに備えられた各種電気機器（ポンプ２３も含む）の駆動に用いられたり、前記バッテリに貯留されることなく、前記各種電気機器の駆動に直接用いられる。

前記膨張機２６と発電機２７は一体化されている。膨張機２６の低圧側は、発電機２７の内部（詳しくは図示しない回転子を収容する空間）を経由するとともに、圧縮機１１の吐出側とクーラ１４の入口側とを接続する冷媒流路としての配管２２において、冷凍サイクル１０に対して接続されている。従って、膨張機２６で膨張された後の冷媒（冷凍サイクル１０から見れば未だ高温高圧）は、配管２２を経由してクーラ１４へと送られ、該クーラ１４において冷却される。そして、クーラ１４において冷却された冷媒は、ポンプ２３によってボイラ２５の吸熱器２５ａへと圧送されて前述したランキンサイクル２０を繰り返す。

前記発電機２７は、動力伝達機構２８を介してエンジンＥに作動連結されている。動力伝達機構２８には、電磁クラッチ等の外部制御可能なクラッチ機構２８ａが備えられている。クラッチ機構２８ａ及び前述したポンプ２３は、電子制御装置たるコンピュータＣによって、例えば次のようにして制御される。

前記エンジンＥの冷却水温（エンジンＥによって加熱された冷却水の水温）が第１設定値未満の場合、つまり例えばエンジンＥの暖機中には、ポンプ２３がオフ（停止）されるとともにクラッチ機構２８ａがオン（接続）される。従って、エンジンＥからの動力のみで発電機２７が駆動される。よって、ボイラ２５での熱交換が、エンジンＥの冷却水温を上昇させるうえでの妨げとなることを防止できる。

前記エンジンＥの冷却水温が第１設定値以上でかつ第２設定値（＞第１設定値）未満の場合、つまり例えば冬場には、ボイラ２５（吸熱器２５ａ）において冷媒を十分に加熱できないため、ポンプ２３がオン（稼働）されるとともにクラッチ機構２８ａがオンされる。従って、膨張機２６が発生する動力とエンジンＥからの動力とで発電機２７が駆動される。

前記エンジンＥの冷却水温が第２設定値以上であって、ボイラ２５（吸熱器２５ａ）で冷媒を十分に加熱できる場合には、ポンプ２３がオンされるとともにクラッチ機構２８ａがオフ（遮断）される。従って、膨張機２６が発生する動力のみで発電機２７が駆動される。この場合、膨張機２６で発生する動力つまり発電機２７の発電量の調節は、ポンプ２３の回転速度を変更してボイラ２５への冷媒の供給量を調節することで行われる。

前記エンジンＥの冷却水温が第２設定値以上でかつ、車両Ｊの急加速時（例えばアクセル開度が所定値以上の場合）等のエンジンＥの高負荷時には、ポンプ２３がオンされて高い回転速度で稼働されるとともに、クラッチ機構２８ａがオンされる。従って、膨張機２６が発生する動力が、発電機２７を駆動するのに必要な大きさを上回るため、この余剰動力が動力伝達機構２８を介してエンジンＥへと伝達されて車両Ｊの走行が補助される。よって、車両Ｊの鋭い加速状態を得ることができる。

なお、前述したエンジンＥの排熱回収は、冷凍サイクル１０の運転状態（圧縮機１１の稼働又は停止）にかかわらず、ポンプ２３を稼働させれば実行することができる。
上記構成の本実施形態においては次のような効果を奏する。

（１）蒸気圧縮式の冷凍サイクル１０に用いられる冷媒は、水と比較して膨張比が小さいため、小型の膨張機２６であっても、熱的エネルギー（車両Ｊの排熱）から機械的エネルギー（膨張機２６が発生する動力）への変換効率を高くすることができる。つまり、本実施形態の車両用排熱回収システムは、小型でかつエネルギーの変換効率が良好であると言える。

（２）膨張機２６から冷凍サイクル１０へと帰還された冷媒は、該冷凍サイクル１０が有する熱交換器（クーラ１４）で冷却される。従って、エンジンＥの冷却水循環回路が備える専用の熱交換器（所謂ラジエータ）を、小型化又は削除することができ、該冷却水循環回路の小型化を図り得る。

（３）膨張機２６には発電機２７が作動連結されており、発電機２７は膨張機２６で発生した動力によって駆動されて発電を行う。従って、エンジンＥにおける、発電のための負荷を軽減することができる。

（４）発電機２７はエンジンＥにも作動連結されている。従って、例えば、エンジンＥの排熱量が少ない場合等において、エンジンＥによって発電機２７を駆動すれば、必要な電力を確保することができる。また、膨張機２６が発生する動力が、発電機２７を駆動するのに必要な大きさを上回った場合には、この余剰動力によって車両Ｊの走行が補助されることとなり、エンジンＥの負荷をさらに軽減することができる。

（５）膨張機２６で膨張された冷媒は、発電機２７の内部を経由して冷凍サイクル１０へと帰還される。従って、膨張機２６で膨張された後の比較的低温な冷媒によって発電機２７の内部が冷却され、該発電機２７の発電効率を向上させることができる。

なお、上記実施形態は以下のように変更してもよい。
○ポンプ２３の駆動源を、エンジンＥ又は膨張機２６とすること。ここで、例えば、ポンプ２３の駆動源をエンジンＥとした場合、ポンプ２３の回転速度（言い換えれば単位時間当たりの冷媒吐出量）はエンジンＥの回転速度に依存されてしまう。従って、この場合には、ボイラ２５への冷媒の供給量を調節可能とすべく、ポンプ２３として、単位回転当たりの冷媒吐出量を変更可能な吐出容量可変型を用いるか、或いは、例えば図２に示すような構成を採用するとよい。即ち、図２の態様においては、ポンプ２３の吐出側と吸入側とを接続するバイパス通路４１を、ポンプ２３の内部又はポンプ２３の外部に設ける。バイパス通路４１上に、該通路４１の通過断面積を外部から調節可能な電磁弁４３を配設する。そして、ポンプ２３からボイラ２５への冷媒の供給量を、電磁弁４３の開度によって調節すること。

○例えば図３に示すように、膨張機２６で膨張された後の冷媒を車室の暖房に用いること。即ち、膨張機２６の高圧側は、発電機２７の内部を経由して切換弁４５に接続されている。切換弁４５には、冷凍サイクル１０の配管２２へと接続される配管４６と、冷凍サイクル１０において蒸発器１６の出口と圧縮機１１の吸入側とを接続する配管４７へと接続される配管４８とが接続されている。切換弁４５は、膨張機２６の高圧側を、配管４６又は配管４８へと択一的に接続する。そして、車室の暖房を行う場合には、切換弁４５の切換によって膨張機２６の高圧側が配管４７に接続され、膨張機２６からの高圧冷媒が蒸発器１６へと供給されることとなる。

この場合、前記蒸発器１６で熱交換された冷媒は、図１における冷凍サイクル１０の冷房時とは逆方向に流動され、膨張弁１７へと向かって流動される。膨張弁１７の前後にはバイパス通路５１が配設されており、蒸発器１６からの冷媒の多くはバイパス通路５１を経由してポンプ２３へと移動される。配管２１において、ポンプ２３の吸入側が接続される位置とクーラ１４との間には、膨張弁１７側からクーラ１４側への冷媒ガスの逆流を防止する逆止弁５２が配設されている。

○上記実施形態の動力伝達機構２８からクラッチ機構２８ａを削除し、エンジンＥの稼働時には、該エンジンＥによって発電機２７が常時駆動されるようにすること。
○上記実施形態から動力伝達機構２８を削除し、発電機２７をエンジンＥに作動連結しないこと。つまり、発電機２７の駆動源を膨張機２６のみとすること。

○ボイラ２５の放熱器２５ｂに対してエンジンＥの排気ガスを送り、車両Ｊの排熱としての排気ガスの熱によって吸熱器２５ａの冷媒を加熱すること。
○ボイラ２５の放熱器２５ｂに対して、エンジンＥの内部を通過した潤滑油（エンジンオイル）を送り、車両Ｊの排熱としての潤滑油の熱によって吸熱器２５ａの冷媒を加熱すること。

○ポンプ２３から、エンジンＥの内部に形成された通路（水冷のエンジンにおける所謂ウォータージャケットに相当する通路）へと冷媒を送り、該通路において冷媒を加熱すること。つまり、冷却水や排気ガス等の媒体を用いずに、冷媒をエンジンＥで直接加熱すること。この場合、エンジンＥ自体をボイラとして把握することができる。このようにすれば、エンジンＥから冷却水循環回路を削除することができ、車両の構成の簡素化を図ることができる。

○「車両の排熱」とは、エンジンＥの排熱に限定されるものではなく、例えば変速機の排熱や制動装置の排熱も含む。
○本発明の車両用排熱回収システムを、電動モータを走行駆動源とする電気自動車やハイブリッド車に適用すること。そして、電動モータや該電動モータを駆動するインバータを冷却した冷却水をボイラ２５へと送り、該ボイラ２５で冷凍サイクル１０からの冷媒を加熱すること。或いは、電動モータ及び／又はインバータの内部に形成された通路（水冷の電動モータやインバータにおける所謂ウォータージャケットに相当する通路）に冷媒を送り、該通路において冷媒を加熱すること。つまり、冷却水等の媒体を用いずに、冷媒を電動モータ及び／又はインバータで直接加熱すること。この場合、電動モータ及び／又はインバータ自体をボイラとして把握することができる。このようにすれば、電動モータ及び／又はインバータから冷却水循環回路を削除することができ、車両の構成の簡素化を図ることができる。

○冷凍サイクル１０の冷媒として、例えばイソブタン、或いはプロパンを用いること。
上記実施形態又は別例から把握できる技術的思想について記載する。
（１）前記膨張機は前記車両の走行駆動源に作動連結されている請求項１に記載の車両用排熱回収システム。このようにすれば、膨張機が発生する動力で、車両の走行を補助することができ、走行駆動源の負荷を軽減することができる。

（２）前記膨張機と前記走行駆動源とを作動連結する動力伝達機構には、外部制御可能なクラッチ機構が備えられており、該クラッチ機構及び前記ポンプを制御するコンピュータは、車両が加速状態に移行した場合に、前記ポンプを駆動するとともに前記クラッチ機構を接続する技術的思想（１）に記載の車両用排熱回収システム。このようにすれば、車両の鋭い加速状態を得ることができる。

（３）前記車両の走行駆動源が前記ボイラを兼ねている請求項１〜５のいずれか一項又は技術的思想（１）或いは（２）に記載の車両用排熱回収システム。このようにすれば、例えば走行駆動源から冷却水循環回路を削除することができる。

車両用排熱回収システムを示す模式図。 別例の車両用排熱回収システムを示す模式図。 別例の車両用排熱回収システムを示す模式図。

符号の説明

１０…冷凍サイクル、１１…圧縮機、１４…クーラ、１６…蒸発器、１７…減圧装置としての膨張弁、２１，２２…冷媒流路としての配管、２３…ポンプ、２５…ボイラ、２６…膨張機、２７…発電機、Ｅ…車両の走行駆動源たるエンジン、Ｊ…車両。

Claims (5)

1. 車両の排熱により加熱を行うボイラに対して、蒸気圧縮式の冷凍サイクルから冷媒を供給し、前記ボイラで加熱された冷媒によって膨張機を駆動して動力を発生させ、前記膨張機で膨張された冷媒を前記冷凍サイクルへと帰還させるようにしたことを特徴とする車両用排熱回収システム。
2. 前記膨張機には発電機が作動連結され、該発電機は前記膨張機で発生した動力によって駆動されて発電を行う請求項１に記載の車両用排熱回収システム。
3. 前記発電機は前記車両の走行駆動源にも作動連結されている請求項２に記載の車両用排熱回収システム。
4. 前記膨張機で膨張された冷媒は、前記発電機の内部を経由して前記冷凍サイクルへと帰還される請求項２又は３に記載の車両用排熱回収システム。
5. 前記冷凍サイクルは、冷媒の圧縮を行う圧縮機と、該圧縮機からの冷媒を冷却するクーラと、該クーラで冷却された冷媒を減圧する減圧装置と、該減圧装置で減圧された冷媒を加熱する蒸発器と、該蒸発器で加熱された冷媒は前記圧縮機へと吸入されることとからなり、
   前記クーラと前記減圧装置との間の冷媒流路にポンプの吸入側が接続され、該ポンプは、前記クーラと前記減圧装置との間の冷媒流路から冷媒を取り出して前記ボイラへと圧送し、前記膨張機の吐出側は、前記冷凍サイクルにおいて前記圧縮機と前記クーラとの間の冷媒流路に接続されている請求項１〜４のいずれか一項に記載の車両用排熱回収システム。

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