JP2005313878A - Rankine cycle system and control method for the same - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、自動車等の内燃機関の廃熱を利用する動力回収の技術に適用され、特に空調用冷凍サイクルにランキンサイクルを備えた内燃機関の廃熱利用装置に用いて好適なランキンサイクル装置およびその制御方法に関するものである。 The present invention is applied to a power recovery technology that uses waste heat of an internal combustion engine such as an automobile, and is particularly suitable for use in a waste heat utilization device of an internal combustion engine having a Rankine cycle in an air-conditioning refrigeration cycle, and It relates to the control method.
従来の内燃機関の廃熱利用装置として、例えば、特許文献1に示されるものが知られている。即ち、この廃熱利用装置は、空調用の冷凍サイクル中の蒸発器に対して並列と成るように、加圧ポンプと内燃機関の冷却水を加熱源とする加熱器(特許文献1中では高温蒸発器)とを設け、この加圧ポンプ、加熱器が三方弁によって、冷凍サイクルに選択的に接続されるようにしている。また、内燃機関を駆動源とする圧縮機を膨張機と兼用した構成としている。 As a conventional waste heat utilization device for an internal combustion engine, for example, one disclosed in Patent Document 1 is known. That is, this waste heat utilization device is a heater that uses a pressurizing pump and cooling water of an internal combustion engine as a heating source so as to be in parallel with an evaporator in a refrigeration cycle for air conditioning (high temperature in Patent Document 1). The pressure pump and the heater are selectively connected to the refrigeration cycle by a three-way valve. In addition, a compressor using an internal combustion engine as a drive source is also used as an expander.
これにより、三方弁の切替えによって冷媒を加圧ポンプ、加熱器側に流した時には、圧縮機を膨張機として使用するランキンサイクルを形成でき、冷却水から得られた熱エネルギーを膨張機で機械エネルギーとして回収できるようにしている。そして、この機械エネルギーを内燃機関に戻すことで、内燃機関の経済的な運転を可能としている。
しかしながら、上記従来技術においては、冷凍サイクルあるいはランキンサイクル運転時の各機器(三方弁、加圧ポンプ、圧縮機等)の制御条件については記載されているものの、冷凍サイクルおよびランキンサイクルの両者の切替えを行う際に、ランキンサイクルの作動開始、作動停止に関わる最適な制御方法については、何ら記載されていない。 However, in the above prior art, although the control conditions of each device (three-way valve, pressure pump, compressor, etc.) at the time of refrigeration cycle or Rankine cycle operation are described, switching between both the refrigeration cycle and Rankine cycle There is no description of an optimal control method related to the start and stop of Rankine cycle operation.
即ち、本発明者は、冷凍サイクルによる冷房温度が充分に低い時に、ランキンサイクルを作動させてエネルギーの回収を測るというように、冷凍サイクルとランキンサイクルとを交互に作動させることを考え、実機での確認を行ってみた。 That is, the present inventor considered that the refrigeration cycle and the Rankine cycle are operated alternately, such as when the Rankine cycle is operated and energy recovery is measured when the cooling temperature by the refrigeration cycle is sufficiently low. I tried to confirm.
まず、冷凍サイクルからランキンサイクルに切替える際に、ランキンサイクルを作動開始させるために、加圧ポンプを作動させ、且つ膨張機を作動可能状態とすると、膨張機での冷媒の流れ(膨張作動)を許してしまうため、加圧ポンプでの冷媒加圧に時間を要し、効率的なエネルギーの回収ができない。短時間でエネルギーの回収ができなければ、冷房温度は上昇してしまい、冷房フィーリングが悪化してしまう。 First, when switching from the refrigeration cycle to the Rankine cycle, in order to start the Rankine cycle, when the pressure pump is operated and the expander is in an operable state, the refrigerant flow (expansion operation) in the expander is changed. Therefore, it takes time to pressurize the refrigerant with the pressurizing pump, and efficient energy recovery cannot be performed. If energy cannot be recovered in a short time, the cooling temperature will rise and the cooling feeling will deteriorate.
また、ランキンサイクルから冷凍サイクルに切替える際に、ランキンサイクルを作動停止させるために、加圧ポンプを停止させ、且つ膨張機を停止状態にすると、加圧ポンプで加圧された冷媒が加熱器に残り、膨張機での有効な動力として回収できないため、加圧ポンプでの冷媒加圧の仕事分を捨てることになり、加圧ポンプの動力損失となってしまう。 Further, when switching from the Rankine cycle to the refrigeration cycle, when the pressurization pump is stopped and the expander is stopped in order to stop the Rankine cycle, the refrigerant pressurized by the pressurization pump is transferred to the heater. Since the remaining power cannot be recovered as effective power in the expander, the work of refrigerant pressurization in the pressurization pump is discarded, resulting in power loss in the pressurization pump.
このように、ランキンサイクルの作動開始、作動停止においては、種々のロスが生じ、この廃熱利用装置が狙いとするエネルギー効率の向上が充分に得られないということが解った。 As described above, it was found that various losses occur in the start and stop of Rankine cycle operation, and the energy efficiency aimed by this waste heat utilization device cannot be sufficiently obtained.
本発明の目的は、上記問題に鑑み、ランキンサイクルの停止状態および運転状態の切替えを行う際のロスを抑制して、効率的なエネルギーの回収を可能とするランキンサイクル装置およびその制御方法を提供することにある。 In view of the above problems, an object of the present invention is to provide a Rankine cycle device and a control method thereof that enable efficient energy recovery by suppressing loss when switching between the stopped state and the operating state of the Rankine cycle. There is to do.
本発明は上記目的を達成するために、以下の技術的手段を採用する。 In order to achieve the above object, the present invention employs the following technical means.
請求項1に記載の発明では、第1放熱器(11)から流出される媒体を圧送するポンプ(32)、ポンプ(32)から送られた媒体を加熱する加熱器(30)、加熱器(30)からの蒸気媒体を膨張さることにより媒体の圧力エネルギーを機械的運動エネルギーに変換する膨張機(100)を有するランキンサイクル(30A)と、ランキンサイクル(30A)の状態を停止状態と運転状態との間で切替える制御装置(40)とを備えるランキンサイクル装置において、制御装置(40)は、ランキンサイクル(30A)の状態を切替える際に、ポンプ(32)の運転状態の変化に対して膨張機(100)の運転状態の変化を遅れさせることを特徴としている。 In invention of Claim 1, the pump (32) which pumps the medium which flows out out of a 1st heat radiator (11), the heater (30) which heats the medium sent from the pump (32), a heater ( The Rankine cycle (30A) having an expander (100) that converts the pressure energy of the medium into mechanical kinetic energy by expanding the vapor medium from 30), and the Rankine cycle (30A) in a stopped state and an operating state. In the Rankine cycle device comprising the control device (40) for switching between the two, the control device (40) expands with respect to the change in the operating state of the pump (32) when switching the Rankine cycle (30A) state. It is characterized by delaying the change in the operating state of the machine (100).
これにより、ランキンサイクル(30A)の運転状態への切替え時においては、ポンプ(32)による媒体の加圧時間を短縮でき、また、ランキンサイクル(30A)の停止状態への切替え時においては、ポンプ(32)の加圧仕事分を無駄にすることがなくなり、総じてランキンサイクル(30A)による効率的なエネルギーの回収が可能となる。 Thereby, at the time of switching to the operation state of the Rankine cycle (30A), the pressurization time of the medium by the pump (32) can be shortened, and at the time of switching to the stop state of the Rankine cycle (30A), the pump The pressurized work of (32) is not wasted, and efficient energy recovery by the Rankine cycle (30A) is generally possible.
請求項2に記載の発明では、制御装置(40)は、ランキンサイクル(30A)を停止状態から運転状態に切替える時に、ポンプ(32)を作動開始させた後に、膨張機(100)を作動開始させることを特徴としている。
In the invention according to
これにより、ポンプ(32)作動時は膨張機(100)からの冷媒の流出(膨張)が無く、短時間でポンプ(32)による冷媒の加圧が成され、その後に作動される膨張機(100)からの機械的運動エネルギーを充分に引き出すことができる。 Thereby, when the pump (32) is operated, there is no outflow (expansion) of the refrigerant from the expander (100), the refrigerant is pressurized by the pump (32) in a short time, and the expander ( The mechanical kinetic energy from 100) can be sufficiently extracted.
具体的には、請求項3に記載の発明のように、ポンプ(32)を作動開始させ、第1所定時間(t1)経過後に、膨張機(100)を作動開始させると良い。 Specifically, as in the invention described in claim 3, it is preferable to start the operation of the pump (32) and start the operation of the expander (100) after the first predetermined time (t1) has elapsed.
また、請求項4に記載の発明のように、ポンプ(32)によって加圧される媒体の圧力が第1所定圧力(P1)以上に上昇した後に、膨張機(100)を作動開始させるようにしても良い。 Further, as in the invention described in claim 4, after the pressure of the medium pressurized by the pump (32) rises to the first predetermined pressure (P1) or more, the expander (100) is started to operate. May be.
そして、請求項5に記載の発明では、膨張機(100)には、発電機および電動機の両機能を有する回転電機(200)が接続されており、制御装置(40)は、膨張機(100)を作動開始させる前に、回転電機(200)を電動機として作動させることを特徴としている。 In the invention according to claim 5, the expander (100) is connected to the rotating electrical machine (200) having both functions of a generator and an electric motor, and the control device (40) is connected to the expander (100). ), The rotating electric machine (200) is operated as an electric motor.
これにより、回転電機(200)を外力として予め膨張機(100)を起動できるので、膨張機(100)をスムースに作動させることができる。 Thereby, since the expander (100) can be started in advance using the rotating electrical machine (200) as an external force, the expander (100) can be operated smoothly.
請求項6に記載の発明では、制御装置(40)は、ランキンサイクル(30A)を運転状態から停止状態に切替える時に、ポンプ(32)を作動停止させた後に、膨張機(100)を作動停止させることを特徴としている。 In the invention described in claim 6, when the Rankine cycle (30A) is switched from the operation state to the stop state, the control device (40) stops the operation of the expander (100) after stopping the pump (32). It is characterized by letting.
これにより、ポンプ(32)を停止させた後も、まだ加圧された状態で残る加熱器(30)からの過熱蒸気媒体を用いて、膨張機(100)で膨張させ、媒体の熱エネルギーを無駄なく機械的運動エネルギーに回生できる。 Thus, even after the pump (32) is stopped, the superheated steam medium from the heater (30) that remains in the pressurized state is used to expand the expander (100), and the thermal energy of the medium is reduced. It can be regenerated to mechanical kinetic energy without waste.
具体的には、請求項7に記載の発明のように、ポンプ(32)を作動停止させ、第2所定時間(t2)経過後に、膨張機(100)を作動停止させると良い。 Specifically, as in the seventh aspect of the invention, the pump (32) is deactivated and the expander (100) is deactivated after the second predetermined time (t2) has elapsed.
また、請求項8に記載の発明のように、ポンプ(32)によって加圧された媒体の圧力が第2所定圧力(P2)以下に低下した後に、膨張機(100)を作動停止させるようにしたり、請求項9に記載の発明のように、ポンプ(32)の高圧側と低圧側との圧力差が所定圧力差(ΔP)以下に低下した後に、膨張機(100)を作動停止させるようにしても良い。更には、請求項10に記載の発明のように、膨張機(100)に発電機(200)を接続し、膨張機(100)による発電機(200)の発電量が所定発電量(W)以下に低下した後に、膨張機(100)を作動停止させるようにしても良い。
Further, as in the invention described in claim 8, after the pressure of the medium pressurized by the pump (32) has dropped below the second predetermined pressure (P2), the expander (100) is stopped. Or, as in the ninth aspect of the invention, after the pressure difference between the high pressure side and the low pressure side of the pump (32) has dropped below a predetermined pressure difference (ΔP), the expander (100) is deactivated. Anyway. Furthermore, as in the invention described in
尚、請求項11に記載の発明のように、膨張機(100)に機械的運動エネルギーを電気エネルギーに回生する発電機としての回転電機(200)が接続されるようにすることで、効果的なエネルギーの回収ができる。
In addition, as in the invention described in
請求項12に記載の発明のように、ランキンサイクル装置は、媒体を冷媒として用い、この冷媒を圧縮する圧縮機(100)、圧縮機(100)からの冷媒を冷却する第2放熱器(11)を有する冷凍サイクル(10A)を備えるものとしても良い。
As in the invention described in
そして、請求項13に記載の発明のように、制御装置(40)は、冷凍サイクル(10A)としての運転状態からランキンサイクル(30A)への運転状態へ切替える際には、ランキンサイクル(30A)の状態を停止状態から運転状態に切替えるようにすれば良い。
And like invention of
請求項14に記載の発明では、膨張機(100)には、発電機および電動機の両機能を有する回転電機(200)が接続されており、冷媒を圧縮機(100)側、あるいは膨張機(100)側のいずれかに切替えて流入させる弁機構(107)を有し、制御装置(40)は、膨張機(100)を作動させる時には、回転電機(200)を電動機として作動させた後に、弁機構(107)によって冷媒の流入を圧縮機(100)側から膨張機(100)側に切替えることを特徴としている。
In the invention described in
これにより、冷凍サイクル(10A)からランキンサイクル(30A)へ運転を切替えて、ランキンサイクル(30A)を作動開始する時に、弁機構(107)の切替え直後から加熱された冷媒を膨張機(100)にて有効に動力に変換することができる。 Accordingly, when the operation is switched from the refrigeration cycle (10A) to the Rankine cycle (30A) and the Rankine cycle (30A) is started to operate, the refrigerant heated immediately after the switching of the valve mechanism (107) is transferred to the expander (100). Can be converted into power effectively.
そして、請求項15に記載の発明のように、制御装置(40)は、ランキンサイクル(30A)としての運転状態から冷凍サイクル(10A)への運転状態へ切替える際には、ランキンサイクル(30A)の状態を運転状態から停止状態に切替えるようにすれば良い。 And like invention of Claim 15, when switching a control apparatus (40) from the driving | running state as Rankine cycle (30A) to the driving | running state to a refrigerating cycle (10A), Rankine cycle (30A) The state may be switched from the operating state to the stopped state.
請求項16に記載の発明では、膨張機(100)には、発電機(200)が接続されており、冷媒を圧縮機(100)側、あるいは膨張機(100)側のいずれかに切替えて流入させる弁機構(107)を有し、制御装置(40)は、膨張機(100)を停止させる時には、弁機構(107)によって冷媒の流入を膨張機(100)側から圧縮機(100)側に切替えた後に、発電機(200)の回転を止めることを特徴としている。 In the invention described in claim 16, the generator (200) is connected to the expander (100), and the refrigerant is switched to either the compressor (100) side or the expander (100) side. The control device (40) has a valve mechanism (107) for inflow, and when the expansion device (100) is stopped, the control device (40) causes the valve mechanism (107) to inject the refrigerant from the expander (100) side to the compressor (100). After switching to the side, the rotation of the generator (200) is stopped.
これにより、ランキンサイクル(30A)から冷凍サイクル(10A)へ運転を切替えて、ランキンサイクル(30A)を作動停止する時に、膨張機(100)への冷媒の導入がなくなり膨張機(100)の回転力がなくなった上で発電機(200)の回転を停止させるので、発電機(200)が膨張機(100)の回転力を打ち消すブレーキとして作用することがなく、無駄な電力を消費することがない。 Accordingly, when the operation is switched from the Rankine cycle (30A) to the refrigeration cycle (10A) and the Rankine cycle (30A) is stopped, the refrigerant is not introduced into the expander (100) and the expander (100) rotates. Since the rotation of the generator (200) is stopped after the power is lost, the generator (200) does not act as a brake that counteracts the rotational force of the expander (100), and wasteful power can be consumed. Absent.
請求項17に記載の発明では、圧縮機(100)を駆動する電動機(200)を有し、制御装置(40)によって圧縮機(100)の駆動源として内燃機関(20)あるいは電動機(200)の少なくとも一方が選択されるようにしており、膨張機(100)を停止させて冷凍サイクル(10A)を運転する際に、電動機(200)の駆動力を用いた後に、内燃機関(20)の駆動力で圧縮機(100)を作動させることを特徴としている。 The invention according to claim 17 includes an electric motor (200) for driving the compressor (100), and the control device (40) serves as a drive source of the compressor (100) for the internal combustion engine (20) or the electric motor (200). Of the internal combustion engine (20) after using the driving force of the electric motor (200) when operating the refrigeration cycle (10A) with the expander (100) stopped. The compressor (100) is operated by a driving force.
これにより、圧縮機(100)を起動させるためのトルクが内燃機関(20)に掛からないようにすることができるので、内燃機関(20)にショックを与えることがなくなり、乗員に不快感を与えることが無い。 Thereby, the torque for starting the compressor (100) can be prevented from being applied to the internal combustion engine (20), so that the internal combustion engine (20) is not shocked and the passenger is uncomfortable. There is nothing.
上記電動機(200)による圧縮機(100)の作動要否は、請求項18に記載の発明のように、圧縮機(100)の低圧側圧力に応じて、決定するようにすれば良い。これにより、電動機(200)を無駄に作動させることを防止できる。 The necessity of operation of the compressor (100) by the electric motor (200) may be determined according to the low-pressure side pressure of the compressor (100) as in the invention described in claim 18. Thereby, it can prevent operating an electric motor (200) wastefully.
具体的には、請求項19に記載の発明のように、低圧側圧力が第3所定圧力(P3)以下になるまで電動機(200)によって圧縮機(100)を作動させるようにすれば良い。 Specifically, the compressor (100) may be operated by the electric motor (200) until the low-pressure side pressure becomes equal to or lower than the third predetermined pressure (P3) as in the invention described in claim 19.
また、請求項20に記載の発明のように、電動機(200)によって、第3所定時間(t3)圧縮機(100)を作動させるようにとしても良い。 In addition, as in the twentieth aspect, the compressor (100) may be operated by the electric motor (200) for a third predetermined time (t3).
上記請求項12〜請求項20に記載の発明においては、請求項21に記載の発明のように、第1放熱器(11)および第2放熱器(11)は、ランキンサイクル(30A)と冷凍サイクル(10A)とで共通使用されるものとするのが良く、コンパクトなランキンサイクル装置とすることができる。 In the inventions according to the twelfth to twentieth aspects, as in the invention according to the twenty-first aspect, the first radiator (11) and the second radiator (11) include the Rankine cycle (30A) and the refrigeration. It is good to use in common with a cycle (10A), and it can be set as a compact Rankine cycle apparatus.
請求項22に記載の発明では、膨張機(100)は、冷凍サイクル(10A)における圧縮機(100)を兼用するものであり、内燃機関(20)の動力が伝達されて、前記圧縮機(100)を駆動する動力伝達機構(300)を備えることを特徴としている。
In the invention described in
これにより、コンパクトなランキンサイクル装置とすることができると共に、圧縮機(100)を内燃機関(20)の動力で駆動することができる。 Thereby, while being able to set it as a compact Rankine cycle apparatus, a compressor (100) can be driven with the motive power of an internal combustion engine (20).
請求項23に記載の発明では、膨張機(100)は、冷凍サイクル(10A)における圧縮機(100)を兼用するものであり、圧縮機(100)を駆動する電動機(200)を有することを特徴としている。
In the invention according to
これにより、コンパクトなランキンサイクル装置とすることができると共に、圧縮機(100)を電動機(200)の動力で駆動することができる。 Thereby, while being able to set it as a compact Rankine cycle apparatus, a compressor (100) can be driven with the motive power of an electric motor (200).
請求項23に記載の発明において、請求項24に記載の発明では、電動機(200)は、ポンプ(32)も駆動することを特徴としている。
In the invention described in
これにより、ポンプ(32)の駆動源を圧縮機(100)の駆動源と共用できるので、ポンプ(32)専用の駆動源を不要とすることができる。 Thereby, since the drive source of the pump (32) can be shared with the drive source of the compressor (100), a drive source dedicated to the pump (32) can be dispensed with.
請求項25に記載の発明では、ポンプ(32)は、膨張機(100)に接続されたことを特徴としている。
The invention according to
これにより、膨張機(100)の駆動力でポンプ(32)を作動できるので、ポンプ(32)専用の駆動源を不要とすることができる。 Thereby, since the pump (32) can be operated by the driving force of the expander (100), a driving source dedicated to the pump (32) can be dispensed with.
請求項26に記載の発明では、加熱器(30)における媒体を加熱する熱源は、内燃機関(20)の廃熱エネルギーとしたことを特徴としている。 In a twenty-sixth aspect of the present invention, the heat source for heating the medium in the heater (30) is waste heat energy of the internal combustion engine (20).
これにより、内燃機関(20)の廃熱を有効に活用することができる。 Thereby, the waste heat of an internal combustion engine (20) can be utilized effectively.
また、請求項27に記載の発明のように、圧縮機(100)を駆動する電動機(200)を設け、制御装置(40)によって圧縮機(100)の駆動源として内燃機関(20)あるいは電動機(200)の少なくとも一方が選択されるものに適用しても良い。 According to a twenty-seventh aspect of the present invention, an electric motor (200) for driving the compressor (100) is provided, and the internal combustion engine (20) or the electric motor is provided as a drive source for the compressor (100) by the control device (40). You may apply to what selects at least one of (200).
請求項28に記載の発明では、媒体を圧送するポンプ(32)、ポンプ(32)から送られた媒体を加熱する加熱器(30)、加熱器(30)からの蒸気媒体を膨張さることにより媒体の圧力エネルギーを機械的運動エネルギーに変換する膨張機(100)を有するランキンサイクルの制御方法において、ポンプ(32)によって媒体を加熱器(30)へ圧送すると共に、膨張機(100)によって媒体を膨張させる運転工程と、ポンプ(32)を停止させると共に、膨張機(100)を停止させる停止工程と、ポンプ(32)の運転状態の変化に対して膨張機(100)の運転状態の変化を遅れさせて、ランキンサイクルの状態を運転工程と停止工程との間で切替える切替え工程とを備えることを特徴としている。 In the invention of claim 28, the pump (32) for pumping the medium, the heater (30) for heating the medium sent from the pump (32), and the vapor medium from the heater (30) are expanded. In a method for controlling a Rankine cycle having an expander (100) that converts pressure energy of a medium into mechanical kinetic energy, the medium is pumped by a pump (32) to a heater (30) and the medium is expanded by the expander (100). Of the expansion machine (100) with respect to the change of the operation process of expanding the pump (32), the stop process of stopping the expander (100), and the operation process of stopping the pump (32) And a switching step for switching the state of the Rankine cycle between the operation step and the stop step.
これにより、請求項1に記載のランキンサイクル装置の制御方法とすることができる。 Thereby, it can be set as the control method of the Rankine-cycle apparatus of Claim 1.
請求項29に記載の発明のように、切替え工程としては、ポンプ(32)を作動開始させた後に、膨張機(100)を作動開始させて、ランキンサイクルを停止工程から運転工程に切替えるものとすることができる。 As in the invention described in claim 29, the switching step is to start the operation of the expander (100) after starting the operation of the pump (32) and switch the Rankine cycle from the stop step to the operation step. can do.
また、請求項30に記載の発明のように、切替え工程は、ポンプ(32)を作動停止させた後に、膨張機(100)を作動停止させて、ランキンサイクルを運転工程から停止工程に切替えるものとしても良い。
Further, as in the invention described in
尚、上記各手段の括弧内の符号は、後述する実施形態に記載の具体的手段との対応関係を示す一例である。 In addition, the code | symbol in the bracket | parenthesis of each said means is an example which shows a corresponding relationship with the specific means as described in embodiment mentioned later.
(第1実施形態)
本実施形態は、本発明に係るランキンサイクル装置を走行条件に応じてエンジン(本発明における内燃機関に対応)20が停止されるアイドルストップ車両やハイブリッド車両等に適用したものである。ランキンサイクル装置は、エンジン20で発生した廃熱からエネルギーを回収するランキンサイクル30Aと制御装置40とから成るものであり、ランキンサイクル30Aは冷凍サイクル10Aを備えている。そして、ランキンサイクル30Aと冷凍サイクル10Aは制御装置40によって各作動が制御されるようになっており、全体として内燃機関の廃熱利用装置(以下、廃熱利用装置)1を形成している。以下、廃熱利用装置1の全体構成について図1を用いて説明する。
(First embodiment)
In the present embodiment, the Rankine cycle device according to the present invention is applied to an idle stop vehicle, a hybrid vehicle, or the like in which an engine (corresponding to the internal combustion engine in the present invention) 20 is stopped according to traveling conditions. The Rankine cycle device includes a
膨脹機一体型圧縮機10は、気相冷媒(媒体)を加圧して吐出するポンプモードと、過熱蒸気冷媒(媒体)の膨張時の流体圧を運動エネルギーに変換して機械的エネルギーを出力するモータモードとを兼ね備える流体機械である。放熱器(本発明における第1放熱器、第2放熱器に対応)11は、膨脹機一体型圧縮機10の吐出側(後述する高圧ポート110)に接続されて放熱しながら冷媒を冷却する放冷器である。尚、膨脹機一体型圧縮機10の詳細については後述する。
The expander-integrated
気液分離器12は放熱器11から流出した冷媒を気相冷媒と液相冷媒とに分離するレシーバであり、減圧器13は気液分離器12で分離された液相冷媒を減圧膨脹させるもので、本実施形態では、冷媒を等エンタルピ的に減圧すると共に、膨脹機一体型圧縮機10がポンプモードで作動している時に膨脹機一体型圧縮機10に吸入される冷媒の過熱度が所定値となるように絞り開度を制御する温度式膨脹弁を採用している。
The gas-
蒸発器14は、減圧器13にて減圧された冷媒を蒸発させて吸熱作用を発揮させる吸熱器であり、逆止弁14aは、蒸発器14の冷媒出口側から膨脹機一体型圧縮機10がポンプモードで作動する時の冷媒吸入側(後述する低圧ポート111)にのみ冷媒が流れることを許容するものである。
The
これらの膨脹機一体型圧縮機10、放熱器11、気液分離器12、減圧器13および蒸発器14等にて低温側の熱を高温側に移動させる冷凍サイクル10Aが構成される。
These expander-integrated
加熱器30は、膨脹機一体型圧縮機10と放熱器11とを繋ぐ冷媒回路に設けられて、この冷媒回路を流れる冷媒とエンジン冷却水とを熱交換することにより冷媒を加熱する熱交換器であり、三方弁21によりエンジン20から流出したエンジン冷却水を加熱器30に循環させる場合と循環させない場合とが切替えられる。三方弁21は後述する制御装置40により制御される。
The
第1バイパス回路31は、気液分離器12で分離された液相冷媒(媒体)を加熱器30のうち放熱器11の冷媒入口側に導く冷媒通路であり、この第1バイパス回路31には、液相冷媒を循環させるための液ポンプ(本発明におけるポンプに対応)32および気液分離器12側から加熱器30側にのみ冷媒が流れることを許容する逆止弁31aが設けられている。尚、液ポンプ32は、本実施形態では、電動式のポンプを採用していおり、後述する制御装置40により制御される。
The
また、第2バイパス回路33は、膨脹機一体型圧縮機10がモータモードで作動する時の冷媒出口側(後述する低圧ポート111)と放熱器11の冷媒入口側とを繋ぐ冷媒通路であり、この第2バイパス回路33には、膨脹機一体型圧縮機10側から放熱器11の冷媒入口側にのみ冷媒が流れることを許容する逆止弁33aが設けられている。
The
開閉弁34は、放熱器11と加熱器30との間に設けられて、冷媒通路を開閉する電磁式のバルブとしており、後述する制御装置40により制御される。また、膨張機一体型圧縮機10がポンプモードで作動する時の冷媒吐出側(後述する高圧室104側)には、膨張機一体型圧縮機10の作動をポンプモードあるいはモータモードのいずれかに切替える弁機構107が設けられている。この詳細については膨張機一体型圧縮機10と共に後述する。
The on-off
そして、上記冷凍サイクル10Aの放熱器11を共通使用して、気液分離器12、液ポンプ32、加熱器30、膨張機一体型圧縮機10等にてエンジン20で発生した廃熱からエネルギーを回収するランキンサイクル30Aが構成される。
Then, by using the
尚、水ポンプ22は、エンジン冷却水を循環させるもので、ラジエータ23はエンジン冷却水と外気とを熱交換してエンジン冷却水を冷却する熱交換器である。水ポンプ22はエンジン20から動力を得て稼動する機械式のポンプであるが、電動モータにて駆動される電動ポンプを用いても良い。
The
また、エンジン20の出口側にはエンジン冷却水の温度を検出する水温センサ24が設けられており、この水温センサ24で検出(出力)された温度信号は、後述する制御装置40に入力される。
Further, a
制御装置40は、乗員の設定する設定温度や環境条件等に基づいて決定されるA/C要求信号、水温センサ24からの信号等が入力され、これらの信号に基づいて三方弁21、液ポンプ32、開閉弁34、膨張機一体型圧縮機10(弁機構107、回転電機200(詳細後述)、電磁クラッチ300(詳細後述))の作動を制御する。
The
尚、回転電機200には、バッテリ25からの電力を調整して回転電機200に供給する、あるいは、回転電機200で発生(回生)された電力をバッテリ25に充電するためのインバータ26が設けられている。そして、バッテリ25の電力は、車両の各種電気負荷(ヘッドライト、エンジン補機等)27に供給される。
The rotating
次に、膨脹機一体型圧縮機10の詳細について、図2を用いて説明する。図2は膨脹機一体型圧縮機10の断面図であり、膨脹機一体型圧縮機10は、気相冷媒を圧縮または膨脹させるポンプモータ機構100、ポンプモータ機構100のシャフト108にて連結された回転電機200、エンジン20からの動力を断続可能にポンプモータ機構100、つまりシャフト108に伝達する動力伝達機構を成す電磁クラッチ300等から構成されている。
Next, details of the expander-integrated
回転電機200は、ステータ210およびステータ210内で回転するロータ220等から成り、ステータハウジング230内に配設されている。本実施形態においては、この回転電機200は、インバータ26を介してバッテリ25からステータ210に電力が供給された場合には、ロータ220を回転させてポンプモータ機構100を駆動する電動機として作動し、また、ロータ220を回転させるトルクが入力された場合には電力を発生させ、この電力をインバータ26を介してバッテリ25に充電する発電機として作動するようにしている。この回転電機200の作動は上記制御装置40により制御される。
The rotating
電磁クラッチ300は、Vベルトを介してエンジン20からの動力を受けるプーリ部310、磁界を発生させる励磁コイル320、および励磁コイル320により誘起された磁界により電磁力により変位するフリクションプレート330等から成るもので、エンジン20側と膨脹機一体型圧縮機10(シャフト108)側とを繋ぐ時は、励磁コイル320に通電し、エンジン20側と膨脹機一体型圧縮機10側とを切り離す時は、励磁コイル320への通電を遮断する。この電磁クラッチ300の作動は上記制御装置40により制御される。
The
そして、ポンプモータ機構100は、周知のスクロール型圧縮機構と同一構造を有するもので、具体的には、ステータハウジング230に対してミドルハウジング101を介して固定された固定スクロール(シェル)102、ミドルハウジング101と固定スクロール102との間の空間で旋回変位する旋回スクロール103、および作動室Vと高圧室104とを連通させる連通路105、106を開閉する弁機構107等から成るものである。
The
ここで、固定スクロール102は、板状の基板部102aおよび基板部102aからミドルハウジング101側に突出した渦巻状の歯部102bを有して構成され、一方、旋回スクロール103は、歯部102bに接触して噛み合う渦巻状の歯部103b、および歯部103bが形成された基板部103aを有して構成されており、両歯部102b、103bが接触した状態で旋回スクロール103が旋回することにより、両スクロール102、103により形成される作動室Vの体積が縮小(ポンプモード時)、拡大(モータモード時)する。
Here, the fixed
シャフト108は、ロータ220の回転軸を兼ねると共に、その長手方向端部に回転中心軸に対して偏心した偏心部108aを有するクランクシャフトであり、旋回スクロール103は、ベアリング103cを介して偏心部108aに回転可能に連結されている。
The
また、自転防止機構109は、シャフト108が1回転する間に旋回スクロール103が偏心部108a周りに1回転するようにするものである。このためシャフト108が回転すると、旋回スクロール103は、自転せずにシャフト108の回転中心軸周りを公転旋回し、且つ、作動室Vは、旋回スクロール103の外径側から中心側に変位するほど、その体積が縮小するように変化し、逆に、旋回スクロール103の中心側から外径側に変位するほど、その体積が拡大するように変化する。
Further, the
また、連通路105は、ポンプモード時に最小体積となる作動室Vと高圧室104とを連通させて圧縮された冷媒を吐出する吐出ポートであり、連通路106はモータモード時に最小体積となる作動室Vと高圧室104とを連通させて高圧室104に導入された高温、高圧の冷媒、つまり過熱蒸気冷媒を作動室Vに導く流入ポートである。
The
また、高圧室104は連通路105(以下、吐出ポート105と呼ぶ)から吐出された冷媒の脈動を平滑化する吐出室の機能を有するものであり、この高圧室104には、加熱器30および放熱器11側に接続される高圧ポート110が設けられている。
The high-
尚、蒸発器14および第2バイパス回路33側に接続される低圧ポート111は、ステータハウジング230に設けられて、ステータハウジング230、ミドルハウジング101内を経由して両ハウジング101、230と固定スクロール102との間の空間に連通している。
The low-
また、吐出弁107aは、吐出ポート105の高圧室104側に配置されて吐出ポート105から吐出された冷媒が高圧室104から作動室Vに逆流することを防止するリード弁状の逆止弁であり、ストッパ107bは吐出弁107aの最大開度を規制する弁止板であり、吐出弁107aおよび弁止板107bはボルト107cにて基板部102aに固定されている。
The
スプール107dは、連通路106(以下、流入ポート106と呼ぶ)を開閉する弁体であり、電磁弁107eは低圧ポート111側と背圧室107fとの連通状態を制御することにより背圧室107f内の圧力を制御する制御弁であり、バネ107gは流入ポート106を閉じる向きの弾性力をスプール107dに作用させる弾性手段であり、絞り107hは所定の通路抵抗を有して背圧室107fと高圧室104とを連通させる抵抗手段である。
The
そして、電磁弁107eを開くと、背圧室107fの圧力が高圧室104より低下してスプール107dがバネ107gを押し縮めながら図2中の右側に変位するので、流入ポート106が開く。尚、絞り107hでの圧力損失は非常に大きいので、高圧室104から背圧室107fに流れ込む冷媒量は無視できるほど小さい。
When the
逆に、電磁弁107eを閉じると、背圧室107fの圧力と高圧室104との圧力が等しくなるので、スプール107dはバネ107gの力により図2中の左側に変位するので、流入ポート106が閉じる。つまり、スプール107d、電磁弁107e、背圧室107f、バネ107gおよび絞り107h等により流入ポート106を開閉するパイロット式の電気開閉弁が構成される。そして、この電気開閉弁と上記の吐出弁107aとによって、ポンプモータ機構100をポンプモードあるいはモータモードに切替えるための弁機構107が構成される。この弁機構107(具体的には電磁弁107e)の作動は上記制御装置40により制御される。
On the other hand, when the
次に、本実施形態に係る廃熱利用装置1の作動(制御装置40による制御)について、図3に示すメインフローチャートおよび図4〜図6に示すサブフローチャート(サブルーティン)を用いて説明する。尚、各フロー中、ポンプモータ機構100をポンプモードで作動させる場合を「圧縮機」、モータモードで作動させる場合を「膨張機」と表記し、また、回転電機200を発電に使用する場合を「発電機」、電動駆動源として使用する場合を「電動機」と表記している。
Next, the operation (control by the control device 40) of the waste heat utilization apparatus 1 according to the present embodiment will be described using the main flowchart shown in FIG. 3 and the sub-flowcharts (subroutines) shown in FIGS. In each flow, the case where the
まず、乗員からのA/C要求が有ると、制御装置40はステップS100で、空調(冷房)作動を実行する。即ち、膨張機一体型圧縮機10のシャフト108に回転力を与えることによりポンプモータ機構100の旋回スクロール103を旋回させて冷媒を吸入圧縮し(ポンプモード)、冷凍サイクル10Aを作動させる。
First, when there is an A / C request from the occupant, the
具体的には、液ポンプ32を停止させた状態で開閉弁34を開き、三方弁21の切替えによって、エンジン冷却水を加熱器30側に循環させないようにする。また、電磁弁107eを閉じてスプール107dによって流入ポート106を閉じた状態でシャフト108を回転させるようにする。
Specifically, the on / off
この時、シャフト108に回転力を与えるに当たっては、主に電磁クラッチ300にてエンジン20側と膨脹機一体型圧縮機10側とを繋いでエンジン20の動力により回転力を与える場合(エンジン20作動時)と、電磁クラッチ300にてエンジン20側と膨脹機一体型圧縮機10側とを切り離して回転電機200により回転力を与える場合(エンジン20停止時)とがある。
At this time, when the rotational force is applied to the
因みに、本実施形態では、シャフト108はロータ220のロータシャフトと共用化されているので、エンジン20の動力によりシャフト108を回転させると、回転電機200が発電機として作動するので、回転電機200で発生した電力をバッテリ25に蓄える、またはステータ210に通電して回転電機200がエンジン20から見たときに動力負荷とならないようにすることが望ましい。
Incidentally, in this embodiment, since the
これにより、膨脹機一体型圧縮機10は、周知のスクロール型圧縮機と同様に、低圧ポート111から冷媒を吸引して作動室Vにて圧縮した後、この圧縮した冷媒を吐出ポート105、高圧室104を通して高圧ポート110から吐出する。
As a result, the expander-integrated
そして、高圧ポート110から吐出される冷媒は、加熱器30→開閉弁34→放熱器11→気液分離器12→減圧器13→蒸発器14→逆止弁14a→膨脹機一体型圧縮機10の低圧ポート111の順に循環(冷凍サイクル10Aを循環)する。空調空気は蒸発器14で蒸発する冷媒によって吸熱され、冷却されることになる。尚、この時、加熱器30にはエンジン冷却水が循環しないので、加熱器30にて冷媒は加熱されず、加熱器30は単なる冷媒通路として機能する。
The refrigerant discharged from the high-
そして、ステップS110で空調空気冷却の必要が有るか否かを判定する。これは、A/C要求信号における乗員の設定温度に対して、冷却された空調空気温度が高いか否かで判定を行う。このステップS110で冷却の必要ありと判定すると、ステップS120に進み、冷凍サイクル10Aを継続して作動(定常作動)させる。
In step S110, it is determined whether air-conditioning air cooling is necessary. This is determined by whether or not the cooled conditioned air temperature is higher than the set temperature of the occupant in the A / C request signal. If it is determined in step S110 that cooling is necessary, the process proceeds to step S120, and the
一方、ステップS110で否、即ち、空調空気温度が充分冷却され、設定温度より低いと判定すると、ステップS130に進み、空調空気の冷却を中断する。これは、電磁クラッチ300を切り離す、あるいは、回転電機200を停止させて、ポンプモータ機構100を停止させることで行う。
On the other hand, if NO in step S110, that is, if it is determined that the conditioned air temperature is sufficiently cooled and lower than the set temperature, the process proceeds to step S130, and cooling of the conditioned air is interrupted. This is performed by disconnecting the
そして、ステップS140でランキンサイクル30Aを作動させるための条件が成立しているか否かを判定する。これは、エンジン冷却水温度を検出する水温センサ24の検出信号から判定するものとしており、予め定めた所定冷却水温度より高い場合は、エンジン20の廃熱回収(冷却水の熱エネルギーを回収する)が可能であり、ランキンサイクル30Aを作動させるための条件成立と判定し、逆に、エンジン冷却水温度が所定冷却水温度より低いければ、このステップS130では否と判定する。
In step S140, it is determined whether a condition for operating
上記ステップS140で条件成立と判定すれば、ステップS200でランキンサイクル起動作動を実行する。尚、否と判定すれば、ステップS110に戻る。 If it is determined in step S140 that the condition is satisfied, a Rankine cycle start operation is executed in step S200. If NO is determined, the process returns to step S110.
ステップS200は、本発明における第1の特徴部となるステップであり、液ポンプ32とポンプモータ機構100(モータモード)との作動タイミングを事細かに制御するようにしたものとしている。以下、その詳細について、図4に示すサブフローチャートを用いて説明する。
Step S200 is a step that is a first characteristic part in the present invention, and the operation timing of the
まず、ステップS210で冷凍サイクル10Aの作動からランキンサイクル30Aの作動に切替える。即ち、開閉弁34を閉じ、三方弁21の切替えによって、エンジン冷却水を加熱器30側に循環させるようにする。
First, in step S210, the operation of the
次に、ステップS220で液ポンプ32を起動し、気液分離器12から加熱器30に送る冷媒の圧力を上昇させる。この時、ポンプモータ機構100の流入ポート106は、まだスプール107dによって閉じられた状態にあるので、冷媒は高圧室104側から作動室Vに流入することは無く(冷媒の膨張が成されない)、液ポンプ32によって冷媒は速やかに上昇することになる。
Next, the
そして、ステップS230で所定時間(本発明における第1所定時間に対応)t1の経過を待って、ステップS240でポンプモータ機構100をモータモードとなるように(膨張機として)起動させる。尚、所定時間t1は、液ポンプ32によって加熱器30におけるエンジン冷却水の温度に応じた圧力まで冷媒圧力を充分に上昇させるのに必要とされる時間としている。また、モータモードの起動に当たっては、外力による起動が必要となることから、ここでは回転電機200を電動機として作動させ、旋回スクロール103を起動させるようにしている。そして、所定回転数まで上昇させる。因みに、旋回スクロール103の旋回方向はポンプモード時とは逆側となる。
In step S230, after a predetermined time (corresponding to the first predetermined time in the present invention) t1, the
更に、ステップS250で電磁弁107eを開き、スプール107dを図2中の右側に摺動させて、流入ポート106を開くことで、ポンプモータ機構100をモータモードが作動可能となるように切替える。以上でステップS200に対応するランキンサイクル30Aの起動作動のサブルーティン(ステップS210〜ステップS250)を終了し、メインフローのステップS300に進む。
Further, in step S250, the
ステップS300ではランキンサイクル30Aの定常作動制御を行う。ここでは、高圧室104に加熱器30にて加熱された高圧の過熱蒸気冷媒をポンプモータ機構100に導入して膨脹させることにより、旋回スクロール103を旋回させてシャフト108を回転させ、機械的出力を得る。そして、得られた機械的出力によりロータ220を回転させて回転電機200により発電し、その発電された電力をバッテリ25に蓄えるようにしている。
In step S300, steady operation control of
具体的には、高圧室104に加熱器30にて加熱された高圧の過熱蒸気冷媒を流入ポート106を経由させて作動室Vに導入して膨脹させる。これにより、上記ステップS240で回転電機200によって旋回を開始した旋回スクロール103が過熱蒸気の膨脹により旋回する。この時点で、回転電機200の電動機としての作動を停止する。そして、膨脹を終えて圧力が低下した冷媒は、低圧ポート111から流出すると共に、旋回スクロール103に与えられた回転エネルギーは、回転電機200のロータ220に伝達される。
Specifically, the high-pressure superheated vapor refrigerant heated by the
そして、低圧ポート111から流出される冷媒は、第2バイパス回路33→逆止弁33a→放熱器11→気液分離器12→第1バイパス回路31→逆止弁31a→液ポンプ32→加熱器30→膨脹機一体型圧縮機10(高圧ポート110)の順に循環することになる(ランキンサイクル30Aを循環)。
And the refrigerant | coolant which flows out out of the low voltage |
ランキンサイクル30Aの作動中は、回転電機200で最大の発電電力が得られるように、エンジン冷却水温度に応じて回転電機200の回転数を調節する。即ち、エンジン冷却水温度に対して加熱器30を流通する冷媒の圧力が高すぎる場合は、回転電機200の回転数を上昇させ膨張を速めて圧力を低下させる。逆に、冷媒の圧力が低すぎる場合は、回転数を下降させ膨張速度を落として圧力を上昇させる。このようにしてランキンサイクル30Aの作動バランスを保ち、高い発電力を得るようにする。
During the operation of the
上記のランキンサイクル30Aの定常作動を行った後に、ステップS110と同様に、ステップS310で空調空気冷却の必要が有るか否かを判定する。これは、ランキンサイクル30Aを作動させている間は、冷凍サイクル10Aが停止されているため、空調空気が設定温度よりも高くなっていないかを確認するものである。
After performing the steady operation of the
ステップS310で否と判定すれば、ステップS300を繰り返し、必要ありと判定すると、ステップS320でランキンサイクル30Aを中断する。ここでは、三方弁21の切替えによって、エンジン冷却水が加熱器30を流れないようにする。
If it is determined NO in step S310, step S300 is repeated. If it is determined that it is necessary, the
そして、ステップS400で冷凍サイクル10Aの復帰作動を実行する。このステップS400は、本発明における第2の特徴部となるステップであり、液ポンプ32とポンプモータ機構100(モータモード)との停止タイミングおよびポンプモータ機構100(ポンプモード)の起動方法を事細かに制御するようにしたものとしている。以下、その詳細について、図5、図6に示すサブフローチャートを用いて説明する。
In step S400, the return operation of the
まず、ステップS405で液ポンプ32を停止させる一方、ステップS410で回転電機200による発電回生を継続する。そして、ステップS415Aで液ポンプ32を停止してから所定時間(本発明における第2所定時間に対応)t2を経過したか否かを判定する。尚、所定時間t2は、液ポンプ32の停止に伴って、加熱器30からの過熱蒸気冷媒の圧力が低下していき、ポンプモータ機構100での膨張が得られなくなるまでに要する時間としている。
First, in step S405, the
ステップS415Aで否と判定すればステップS410を繰り返し、経過したと判定するとステップS420でポンプモータ機構100を停止し、ポンプモード作動可能となるようにする。具体的には、電磁弁107eを閉じて、スプール107dによって流入ポート106を閉じる。そして、ステップS425で回転電機200を停止する(発電停止)。更に、ステップS430で開閉弁34を開くことによって、ランキンサイクル30Aから冷凍サイクル10Aへの切替えを行う。
If it is determined NO in step S415A, step S410 is repeated. If it is determined that the time has elapsed, the
次に、冷凍サイクル10Aを作動(空調モードスタート)させるに当たって、ステップS435で直前までランキンサイクル30Aの作動が実行されていたか否かを判定し、実行していたと判定するとステップS440でポンプモータ機構100の低圧側圧力が所定圧力(本発明における第3所定圧力に対応)P3以上か否かを判定し、所定圧力P3以上であると判定すると、ステップS445に進む。尚、所定圧力P3は、ポンプモータ機構100をポンプモードで起動させる時に、低圧側圧力として過度の起動トルクを必要としない圧力としている。
Next, when operating the
ステップS445では回転電機200を電動機として作動させ、ポンプモータ機構100をポンプモードで起動させる。そして、低圧側圧力が所定圧力P3以下に低下した時点で、ステップS450でポンプモータ機構100の駆動を回転電機200からエンジン20に切替える。これは、回転電機200を停止させると共に、電磁クラッチ300を繋げることで行う。
In step S445, the rotary
尚、ステップS435で否と判定すれば、低圧側圧力の判定は不要としてステップS445に進み、また、ステップS440で否と判定すれば、低圧側圧力が充分低下していると判断して、回転電機200でのポンプモータ機構100の起動を不要として、直接ステップS450でエンジン20による駆動を行うようにしている。そして、最初に説明したステップS120の冷凍サイクル10Aの定常作動に移行する。
If it is determined NO in step S435, the determination of the low-pressure side pressure is unnecessary, and the process proceeds to step S445. If NO is determined in step S440, it is determined that the low-pressure side pressure is sufficiently reduced, and the rotation is performed. The
以上の構成説明および作動説明より、本実施形態では以下の作用効果が得られる。 From the above configuration description and operation description, the following operational effects are obtained in the present embodiment.
まず、冷凍サイクル10Aの作動からランキンサイクル30Aの作動に切替えるために、ランキンサイクル30Aを運転状態に切替える際に、液ポンプ32を作動させた後に所定時間t1経過してからポンプモータ機構100をモータモードで作動させるようにしているので(ステップS220〜ステップS240)、液ポンプ32作動時はポンプモータ機構100からの冷媒の流出(膨張)が無く、短時間で液ポンプ32による冷媒の加圧が成され、その後に作動されるポンプモータ機構100からの機械的エネルギーを充分に引き出すことができる。
First, in order to switch from the operation of the
そして、ポンプモータ機構100をモータモードで作動させる時に、回転電機200を外力として予め起動しておくので(ステップS240)、ポンプモータ機構100をスムースに作動させることができる。
When the
この時、回転電機200を電動機として作動させた後に、スプール107dによって流入ポート106を開いてポンプモードからモータモードに切替えるので(ステップS240〜ステップS250)、切替え直後から加熱された冷媒を有効に動力に変換することができる。
At this time, after the rotary
また、ランキンサイクル30Aの作動状態から冷凍サイクル10Aの作動状態に切替えるために、ランキンサイクル30Aを停止状態に切替える際に、液ポンプ32を停止させた後に(所定時間t2経過後に)、モータモードで作動中のポンプモータ機構100を停止させるようにしているので(ステップS405〜ステップS420)、まだ加圧された状態で残る加熱器30からの過熱蒸気冷媒を用いて、所定時間t2の間ポンプモータ機構100で膨張させ、冷媒の熱エネルギーを無駄なく機械的エネルギーに回生できる。
Further, in order to switch from the operating state of the
この時、ポンプモータ機構100の作動によって冷媒の圧力が低下され、冷凍サイクル10Aを始動させる際に、ポンプモードで作動させるポンプモータ機構100の起動トルクが高くなるのを防止し、エンジン20に対する動力負荷を低減できる。
At this time, the pressure of the refrigerant is reduced by the operation of the
更に、ポンプモータ機構100を停止させる時には、スプール107dによって流入ポート106を閉じてモータモードからポンプモードに切替えた後に、回転電機200の回転を止めるようにしているので(ステップS420〜ステップS425)、ポンプモータ機構100のモータモード(膨張)による回転力がなくなった上で回転電機200の回転を停止させることになり、回転電機200が膨張時の回転力を打ち消すブレーキとして作用することがなく、無駄な電力を消費することがない。
Furthermore, when the
また、ポンプモータ機構100をポンプモードで作動させる時に、回転電機200で起動させた後にエンジン20で作動させるようにしているので(ステップS445〜ステップS450)、ポンプモータ機構100を起動させるためのトルクがエンジン20に掛からないようにすることができ、エンジン20にショックを与えることがなくなり、乗員に不快感を与えることが無い。
Further, when the
この時、ポンプモータ機構100の低圧側圧力に応じて、回転電機200による起動の要否を決定しているので(ステップS440〜ステップS445)、回転電機200を無駄に作動させることを防止できる。
At this time, since the necessity of activation by the rotating
更に、ポンプモータ機構100を圧縮機と膨張機とを兼用できるようにしているので、コンパクトな廃熱利用装置1とすることができる。
Furthermore, since the
尚、図4におけるサブフローチャートで、ステップS230の判定値を液ポンプ32起動からの時間(所定時間t1)に代えて、液ポンプ32によって加圧される冷媒の圧力としても良く、予め定めた所定圧力(本発明における第1所定圧力に対応)P1以上でポンプモータ機構100をモータモードで作動させるようにすれば良い。
In the sub-flowchart in FIG. 4, the determination value in step S230 may be the pressure of the refrigerant pressurized by the
また、図6におけるサブフローチャートで、ステップS440〜ステップS445のように、低圧側圧力に基づいて回転電機200によるポンプモータ機構100の作動を行うようにしたが、これに代えて、予め定めた所定時間(本発明における第3所定時間に対応)t3だけ回転電機200で作動させた後にエンジン20で作動させるようにしても良い。
In the sub-flowchart in FIG. 6, the
(第2実施形態)
本発明の第2実施形態を図7〜図9に示す。これは、図5で説明した冷凍サイクル10Aの復帰作動実行する際のフロー中ステップS415Aを変更したものである。
(Second Embodiment)
A second embodiment of the present invention is shown in FIGS. This is a modification of step S415A during the flow when the return operation of the
即ち、ステップS405の液ポンプ32を停止した後に、ステップS420のポンプモータ機構100のモータモードを停止し、ポンプモードへ切替えるための判定として、図7のステップS415Bに示すように、液ポンプ32によって加圧された冷媒の圧力(ランキンサイクル30Aの高圧側圧力)が、所定圧力(本発明における第2所定圧力に対応)P2以下に低下したか否かを判定するものにしても良い。尚、所定圧力P2は、ポンプモータ機構100での膨張が得られなくなる圧力としている。
That is, after stopping the
また、図8のステップS415Cに示すように、液ポンプ32の高圧側と低圧側との圧力差が所定圧力差ΔP以下に低下したか否かを判定するものにしても良い。
Further, as shown in step S415C of FIG. 8, it may be determined whether or not the pressure difference between the high pressure side and the low pressure side of the
これによれば、所定圧力P2を用いた場合では(ステップS415B)、ランキンサイクル30Aの高圧側圧力が低いレベルで作動していると、所定圧力P2は甘い判定値となってしまうが、所定圧力差ΔPを用いることで、ポンプモータ機構100のモータモードを停止状態とする判定をより確実なものにすることができる。
According to this, when the predetermined pressure P2 is used (step S415B), if the high pressure side pressure of the
更に、図9のステップS415Dに示すように、回転電機200の発電量が所定発電量W以下に低下したか否かを判定するものにしても良い。
Furthermore, as shown in step S415D of FIG. 9, it may be determined whether or not the power generation amount of the rotating
(第3実施形態)
本発明の第3実施形態を図10に示す。第3実施形態は、上記第1実施形態に対して、膨張機一体型圧縮機10を変更したものである。
(Third embodiment)
A third embodiment of the present invention is shown in FIG. 3rd Embodiment changes the expander integrated
ここでは、ポンプモータ機構100、回転電機200および電磁クラッチ300間において、動力伝達経路を切替えると共に、その回転動力の回転数を減速または増速して伝達する遊星歯車機構から成る変速機構400を追加している。
Here, a power transmission path is switched among the
変速機構400は、中心部に設けられたサンギヤ401と、サンギヤ401の外周で自転しつつ公転するピニオンギヤ402aに連結されるプラネタリーキャリヤ402と、ピニオンギヤ402aの更に外周に設けられたリング状のリングギヤ403とから成るものである。
The
そして、サンギヤ401は、回転電機200のロータ220と一体化され、プラネタリーキャリヤ402は、電磁クラッチ300のフリクションプレート330と一体的に回転するシャフト331に一体化され、更に、リングギヤ403は、シャフト108に一体化されている。
The
シャフト331とステータハウジング230との間には、ワンウェイクラッチ500が介在されている。ワンウェイクラッチ500は、シャフト331が一方向(プーリ部310の回転方向)にのみ回転することを許容するものである。また、軸受け404はサンギヤ401、つまりロータ220をシャフト331に対して回転可能に支持するものであり、軸受け405はシャフト331(プラネタリーキャリヤ402)をシャフト108に対して回転可能に支持するものである。
A one-
そして、電磁クラッチ300にてエンジン20側と膨脹機一体型圧縮機10側とを繋いでエンジン20の動力により回転力を与える場合には、サンギヤ401、つまりロータ220が回転しない程度のトルクがロータ220に発生するように回転電機200に通電することで、ポンプモータ機構100が増速されてポンプモードで作動する。また、回転電機200の回転数を可変させることで、ポンプモータ機構100の変速(増速、減速)が可能となる。
When the
尚、電磁クラッチ300にてエンジン20側と膨脹機一体型圧縮機10側とを切り離して回転電機200により回転力を与える場合には、回転電機200に通電して、プーリ部310の回転方向とは逆回転方向に作動させることで、ポンプモータ機構100がポンプモードで作動する。この時、シャフト331(プラネタリーキャリヤ402)は、ワンウェイクラッチ500によりロックされ回転しないので、回転電機200の回転力は、変速機構400にて減速されてポンプモータ機構100に伝達される。
When the
そして、電磁クラッチ300を切り離した状態でポンプモータ機構100に加熱器30からの過熱蒸気冷媒を流入させることで、ポンプモータ機構100はモータモードで作動する。この時、シャフト331(プラネタリーキャリヤ402)は、ワンウェイクラッチ500によりロックされ回転しないので、ポンプモータ機構100の回転力は、変速機構400にて増速されて回転電機200に伝達され、回転電機200での発電が可能となる。
The
このような膨張機一体型圧縮機10を用いた場合、冷凍サイクル10Aの作動中においては、ロータ220を回転許容状態にすることで回転電機200は発電機として作動されるので、冷凍サイクル10Aの復帰作動実行(図3中のステップS400)においては、図5中で説明したステップS425の発電機停止の制御は廃止するのが良く、停止させることによる回転電機200の減速、加速に伴う損失を無くして、省動力制御とすることができる。
When such an expander-integrated
(第4実施形態)
本発明の第4実施形態を図11に示す。上記第1〜第3実施形態における膨張機一体型圧縮機10は、動力伝達機構としての電磁クラッチ300を備え、ポンプモータ機構100をポンプモードで作動させる場合には、エンジン20の駆動力あるいは回転電機(電動機)200の駆動力を用いるものとしていたが、これに限らず、電磁クラッチ300を廃止して、回転電機(電動機)200の駆動力のみでポンプモードの作動を可能とするようにしても良い。
(Fourth embodiment)
A fourth embodiment of the present invention is shown in FIG. The expander-integrated
(第5実施形態)
本発明の第5実施形態を図12、図13に示す。第5実施形態は、上記第4実施形態に対して、液ポンプ32を熱媒ポンプ600に変更すると共に、熱媒ポンプ600を膨張機一体型圧縮機10に一体的に接続したものである。
(Fifth embodiment)
A fifth embodiment of the present invention is shown in FIGS. The fifth embodiment is different from the fourth embodiment in that the
熱媒ポンプ600は、回転電機200の反ポンプモータ機構側に配設されて、ステータハウジング230に固定されるポンプハウジング601内に収容されている。熱媒ポンプ600は、ポンプモータ機構100と同様に、基板部602a、歯部602bから成る固定スクロール602と、基板部603a、歯部603bから成る旋回スクロール603とを有している。固定スクロール602は、ポンプハウジング601に固定され、旋回スクロール603は、ポンプハウジング601と固定スクロール602とによって形成される空間内に配設されている。尚、旋回スクロール603は、自転防止機構605によって、自転が防止されつつ、公転旋回可能となっている。
The
ポンプハウジング601には、気液分離器12側から接続されて、ポンプハウジング601の内部および旋回スクロール603側に連通する流入ポート601aが設けられている。また、固定スクロール602には、両スクロール602、603によって形成される作動室Pから加熱器30側に接続される吐出ポート602cが設けられている。
The
ポンプ軸604は、ポンプハウジング601に固定された軸受け604cによって回転可能に支持されて、一方の長手方向端部に回転中心軸に対して偏心した偏心部604aを有し、ブッシング604b、ベアリング603cを介して旋回スクロール603に連結されている。また、ポンプ軸604の他方の長手方向端部は、シャフト108の他端側と接続されている。ここで、ポンプ軸604の他方側には、穴部604dが設けられており、直径が細く形成されたシャフト108の他端側が挿入されている。そして、シャフト108とポンプ軸604との間には、ワンウェイクラッチ700が設けられている。このワンウェイクラッチ700は、シャフト108が逆方向回転した時に、ポンプ軸604に噛み合うことで、ポンプ軸604を回転させ、また、シャフト108が正方向回転した時に、ポンプ軸604との噛み合いが外れて、シャフト108とポンプ軸604とが切断される(ポンプ軸604が回転されない)ものとしている。
The
尚、ステータハウジング230とポンプ軸604との間には、回転電機200と熱媒ポンプ600との間をシールする軸封装置としての軸シール800が設けられている。
A
上記膨張機一体型圧縮機10を用いた廃熱利用装置1においては、制御装置40は、冷凍サイクル10Aを作動させる時に回転電機200を電動機として作動させ、シャフト108に回転力(正方向回転)を与えることによりポンプモータ機構100の旋回スクロール103を旋回させて冷媒を吸入圧縮させる(ポンプモード)。
In the waste heat utilization apparatus 1 using the expander-integrated
尚、上記ポンプモードにおいて、熱媒ポンプ600のポンプ軸604は、ワンウェイクラッチ700によってシャフト108との噛み合いが外れるので、熱媒ポンプ600は停止状態となって、回転電機200における作動抵抗とならない。
In the pump mode, since the
また、制御装置40は、ランキンサイクル30Aを起動させる時には、回転電機200を電動機として作動させる(逆方向回転)。この時、熱媒ポンプ600のポンプ軸604がワンウェイクラッチ700によってシャフト108と噛み合い、熱媒ポンプ600が駆動される。そして、加熱器30によって加熱された高圧の過熱蒸気冷媒が、ポンプモータ機構100の作動室Vに導入されて膨脹する(モータモード)。過熱蒸気冷媒の膨脹により旋回スクロール103がポンプモード時に対して逆方向に旋回し、シャフト108に与えられた駆動力は、回転電機200のロータ220に伝達される。そして、シャフト108に伝達された駆動力が熱媒ポンプ600駆動のための駆動力を超えると、ポンプモータ機構100によって熱媒ポンプ600は作動されることになり、また、回転電機200は発電機として作動されることになる。回転電機200によって得られた電力はインバータ26によってバッテリ25に充電される。
Moreover, the
このように、熱媒ポンプ600の駆動源をポンプモータ機構100の駆動源(回転電機200)と共用でき、また、ポンプモータ機構100(モータモード)の駆動力で熱媒ポンプ600を作動できるので、熱媒ポンプ600専用の駆動源を不要とすることができる。
Thus, the drive source of the
(その他の実施形態)
上述の各実施形態では、ランキンサイクル30Aに冷凍サイクル10Aを備えるものとしたが、ポンプモータ機構100を専用の膨張機として、冷凍サイクル10Aと切り離して、ランキンサイクル30Aの停止状態および運転状態との切替えに焦点を置いて制御装置40で制御するものとしても良い。
(Other embodiments)
In each of the above-described embodiments, the
また、上述の各実施形態では、ポンプモータ機構100を圧縮機と膨張機とが兼用されるものとしたが、それぞれが独立して設定され、蒸発器14と加熱器30との間で並列配置されるようにしても良い。
Further, in each of the above-described embodiments, the
また、上述の各実施形態では、スクロール型のポンプモータ機構100、熱媒ポンプ600を採用したが、本発明はこれに限定されるものはなく、ロータリ型、ピストン型、ベーン型等のその他の形式のポンプモータ機構、熱媒ポンプにも適用することができる。
In each of the above-described embodiments, the scroll type
また、上述の各実施形態では、膨脹機一体型圧縮機10にて回収したエネルギー(電気エネルギー)をバッテリ25に蓄えたが、フライホィールによる運動エネルギーまたはバネによる弾性エネルギー等の機械的エネルギーとして蓄えても良い。
In each of the above-described embodiments, the energy (electric energy) recovered by the expander-integrated
また、上述の各実施形態においては、加熱器30における冷媒を加熱する熱源として、車両用のエンジン(内燃機関)20としたが、これに限らず、例えば、外燃機関、燃料電池車両の燃料電池スタック、各種モータ、インバータ等のように作動時に発熱を伴い、温度制御のためにその熱の一部を捨てるもの(廃熱が発生するもの)であれば、広く適用することができる。
Further, in each of the above-described embodiments, the vehicle engine (internal combustion engine) 20 is used as the heat source for heating the refrigerant in the
1 内燃機関の廃熱利用装置
10A 冷凍サイクル
10 膨張機一体型圧縮機
11 放熱器(第1放熱器、第2放熱器)
20 エンジン(内燃機関)
30A ランキンサイクル
30 加熱器
32 液ポンプ(ポンプ)
40 制御装置
100 ポンプモータ機構(膨張機、圧縮機)
107 弁機構
200 回転電機(電動機、発電機)
300 電磁クラッチ(動力伝達機構)
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Waste heat utilization apparatus of
20 engine (internal combustion engine)
40
107
300 Electromagnetic clutch (power transmission mechanism)
Claims (30)
前記ランキンサイクル(30A)の状態を停止状態と運転状態との間で切替える制御装置(40)とを備えるランキンサイクル装置において、
前記制御装置(40)は、前記ランキンサイクル(30A)の状態を切替える際に、前記ポンプ(32)の運転状態の変化に対して前記膨張機(100)の運転状態の変化を遅れさせることを特徴とするランキンサイクル装置。 A pump (32) for pumping the medium flowing out from the first radiator (11), a heater (30) for heating the medium sent from the pump (32), and a vapor medium from the heater (30) A Rankine cycle (30A) having an expander (100) that converts the pressure energy of the medium into mechanical kinetic energy by expanding
In the Rankine cycle device comprising the control device (40) for switching the state of the Rankine cycle (30A) between the stopped state and the operating state,
When the state of the Rankine cycle (30A) is switched, the control device (40) delays the change in the operation state of the expander (100) with respect to the change in the operation state of the pump (32). Characteristic Rankine cycle device.
前記制御装置(40)は、前記膨張機(100)を作動開始させる前に、前記回転電機(200)を電動機として作動させることを特徴とする請求項2〜請求項4のいずれか1つに記載のランキンサイクル装置。 The expander (100) is connected to a rotating electric machine (200) having both functions of a generator and an electric motor,
The control device (40) operates the rotating electric machine (200) as an electric motor before starting the operation of the expander (100), according to any one of claims 2 to 4. The described Rankine cycle apparatus.
前記制御装置(40)は、前記膨張機(100)による前記発電機(200)の発電量が所定発電量(W)以下に低下した後に、前記膨張機(100)を作動停止させることを特徴とする請求項6に記載のランキンサイクル装置。 A generator (200) is connected to the expander (100),
The control device (40) stops the operation of the expander (100) after the power generation amount of the generator (200) by the expander (100) is reduced to a predetermined power generation amount (W) or less. The Rankine cycle apparatus according to claim 6.
前記冷媒を前記圧縮機(100)側、あるいは前記膨張機(100)側のいずれかに切替えて流入させる弁機構(107)を有し、
前記制御装置(40)は、前記膨張機(100)を作動させる時には、前記回転電機(200)を電動機として作動させた後に、前記弁機構(107)によって前記冷媒の流入を前記圧縮機(100)側から前記膨張機(100)側に切替えることを特徴とする請求項12または請求項13に記載のランキンサイクル装置。 The expander (100) is connected to a rotating electric machine (200) having both functions of a generator and an electric motor,
A valve mechanism (107) for switching the refrigerant to either the compressor (100) side or the expander (100) side to flow in;
When operating the expander (100), the control device (40) operates the rotating electric machine (200) as an electric motor, and then causes the valve mechanism (107) to inject the refrigerant into the compressor (100). The Rankine cycle apparatus according to claim 12 or 13, wherein the expander (100) side is switched from the) side.
前記冷媒を前記圧縮機(100)側、あるいは前記膨張機(100)側のいずれかに切替えて流入させる弁機構(107)を有し、
前記制御装置(40)は、前記膨張機(100)を停止させる時には、前記弁機構(107)によって前記冷媒の流入を前記膨張機(100)側から前記圧縮機(100)側に切替えた後に、前記発電機(200)の回転を止めることを特徴とする請求項15に記載のランキンサイクル装置。 A generator (200) is connected to the expander (100),
A valve mechanism (107) for switching the refrigerant to either the compressor (100) side or the expander (100) side to flow in;
When the controller (40) stops the expander (100), the valve mechanism (107) switches the refrigerant inflow from the expander (100) side to the compressor (100) side. The Rankine cycle device according to claim 15, characterized in that the rotation of the generator (200) is stopped.
前記制御装置(40)は、前記膨張機(100)を停止させて前記冷凍サイクル(10A)を運転する際に、前記電動機(200)の駆動力を用いた後に、前記内燃機関(20)の駆動力で前記圧縮機(100)を作動させることを特徴とする請求項15または請求項16のいずれかに記載のランキンサイクル装置。 An electric motor (200) for driving the compressor (100) is included, and the control device (40) selects at least one of the internal combustion engine (20) and the electric motor (200) as a driving source of the compressor (100). And
The controller (40) stops the expander (100) and operates the refrigeration cycle (10A), after using the driving force of the electric motor (200), the internal combustion engine (20) The Rankine cycle apparatus according to claim 15 or 16, wherein the compressor (100) is operated by a driving force.
内燃機関(20)の動力が伝達されて、前記圧縮機(100)を駆動する動力伝達機構(300)を備えることを特徴とする請求項12〜請求項21のいずれか1つに記載のランキンサイクル装置。 The expander (100) also serves as the compressor (100) in the refrigeration cycle (10A),
The rankine according to any one of claims 12 to 21, further comprising a power transmission mechanism (300) for driving power of the internal combustion engine (20) to drive the compressor (100). Cycle equipment.
前記圧縮機(100)を駆動する電動機(200)を有することを特徴とする請求項12〜請求項22のいずれか1つに記載のランキンサイクル装置。 The expander (100) also serves as the compressor (100) in the refrigeration cycle (10A),
The Rankine cycle device according to any one of claims 12 to 22, further comprising an electric motor (200) that drives the compressor (100).
前記ポンプ(32)によって前記媒体を前記加熱器(30)へ圧送すると共に、前記膨張機(100)によって前記媒体を膨張させる運転工程と、
前記ポンプ(32)を停止させると共に、前記膨張機(100)を停止させる停止工程と、
前記ポンプ(32)の運転状態の変化に対して前記膨張機(100)の運転状態の変化を遅れさせて、前記ランキンサイクルの状態を前記運転工程と前記停止工程との間で切替える切替え工程とを備えることを特徴とするランキンサイクルの制御方法。 A pump (32) for pumping the medium, a heater (30) for heating the medium sent from the pump (32), and expanding the vapor medium from the heater (30) to increase the pressure energy of the medium. In a method for controlling a Rankine cycle having an expander (100) that converts mechanical kinetic energy,
An operation step of pumping the medium to the heater (30) by the pump (32) and expanding the medium by the expander (100);
Stopping the pump (32) and stopping the expander (100);
A switching step of delaying a change in the operating state of the expander (100) with respect to a change in the operating state of the pump (32) and switching the Rankine cycle state between the operating step and the stopping step; A Rankine cycle control method comprising:
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