JP2005325746A - 車両用排熱回収システム - Google Patents

Abstract

【課題】ランキンサイクルにおいて、ボイラで加熱された冷媒のスーパーヒートを有効に制御する装置を備えた車両用排熱回収システムを安価に提供する。
【解決手段】ランキンサイクル１０には、ポンプ１１、ボイラ１２、膨張機１３及び冷凍サイクル１と共有するコンデンサ３が設けられ、冷媒であるフロンＲ１３４ａが循環されている。ポンプ１１の吸入側には、バイパスライン１４の一端が設けられ、バイパスライン１４の他端がポンプ１１の吐出側に接続されている。バイパスライン１４には流量調整バルブ１５が設けられている。ボイラ１２の出口には、ボイラ１２で加熱されたフロンＲ１３４ａのスーパーヒートを検出する感温筒１７が設けられ、連結管１６によって感温筒１７と流量調整バルブ１５とが接続されている。連結管１６には、使用冷媒と同じフロンＲ１３４ａが封入されている。
【選択図】図１

Description

この発明は、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、自動車など車両の内燃機関の排熱を回収して発電機の動力に利用したランキンサイクルと、空調用の冷凍サイクルとを備えるものが、例えば特許文献１に開示されている。
図５はこのような車両用排熱回収システムの構成図である。
冷凍サイクル２０においては、エンジン２２によって駆動されたコンプレッサ２３がフロン等の冷媒ガスの圧縮を行う。コンプレッサ２３から吐出された高温高圧の冷媒ガスは、ランキンサイクル３０を循環する冷媒と混合した後、コンデンサ２４で冷却凝縮され、再び冷凍サイクル２０とランキンサイクル３０とに分配される。冷凍サイクル２０に分配された冷媒は、膨張弁２５で減圧され、その後、蒸発器２６において車内へ供給される空気と熱交換されてガスとなり、再びコンプレッサ２３へと吸入される。
一方、ランキンサイクル３０においては、ポンプ３１から吐出されたフロン等の冷媒が、ボイラ３２においてエンジン冷却水３３と熱交換されることによって冷媒ガスとなり、膨張機３４へと送られて膨張される。この際、膨張機３４において動力が発生し、この動力及びエンジン２２の動力によって発電機３５が駆動されて発電が行われる。膨張機３４で膨張された冷媒ガスは、冷凍サイクル２０を循環する冷媒と混合した後、コンデンサ２４で冷却凝縮され、再び冷凍サイクル２０とランキンサイクル３０とに分配される。ランキンサイクル３０に分配された冷媒は、再びポンプ３１に吸入される。

特許公報第２５４０７３８号

しかしながら、ランキンサイクル３０において、ボイラ３２で加熱された冷媒のスーパーヒートがある値より小さい場合、ボイラ３２を流れる冷媒量を低下させてスーパーヒートを上昇させる必要があるが、ボイラ３２に供給される冷媒量を調節することができないため、ボイラ３２で加熱された冷媒のスーパーヒートを制御できないといった問題点があった。これにより、スーパーヒートがある値以下になると、膨張機３４における膨張時に冷媒が気液二相状態になって、膨張機の効率が低下したり、膨張機の耐久性が悪化したりするおそれがある。つまり、冷媒が膨張機３４において膨張される際に、気液二相状態にならないような値以上になるように、ボイラ３２で加熱された冷媒のスーパーヒートを制御する必要がある。
また、ボイラ３２で加熱された冷媒のスーパーヒートをある値以上に保つためには、ボイラ３２での吸熱量に合わせてポンプ３１の冷媒吐出流量を調節する必要がある。そのため、インバータを設けてポンプ３１のモータ回転数を制御したり、ポンプ３１と並列の電子制御バイパスバルブを設けたりしてバルブ開度を調整することもできるが、インバータや電子制御バイパスバルブは高価であるため、システム全体のコストが上昇したり、システム全体の構成が複雑化したりするといった問題点があった。

この発明は、このような問題点を解決するためになされたもので、ランキンサイクルにおいて、ボイラで加熱された冷媒のスーパーヒートを有効に制御する装置を備えた車両用排熱回収システムを安価に提供することを目的とする。

この発明に係る車両用排熱回収システムは、車両における排熱を用いて冷媒を加熱するボイラ、ボイラで加熱された冷媒を膨張させる膨張機、膨張機で膨張された冷媒を冷却するコンデンサ、コンデンサで冷却された冷媒を循環するポンプ、及び膨張機の動力によって駆動される負荷機を有するランキンサイクルと、冷媒を圧縮するコンプレッサ、コンプレッサで圧縮された冷媒を冷却するランキンサイクルと共有するコンデンサ、コンデンサで冷却された冷媒を減圧する減圧装置、及び減圧装置で減圧された冷媒を加熱する蒸発器を有する冷凍サイクルとを備え、ランキンサイクルは、ボイラで加熱された冷媒のスーパーヒートを検出するスーパーヒート検出手段と、ポンプの吐出側と吸入側とを連通する経路であって、経路を流れる冷媒の流量を調整するための流量調整手段を有するバイパスラインとを備え、スーパーヒート検出手段によって検出された検出値に基づいて、流量調整手段がバイパスラインを流れる冷媒の流量を調整することにより、ボイラを流れる冷媒の流量を調整することを特徴とする。
ボイラで加熱された冷媒のスーパーヒートを検出し、その検出値に基づいてボイラを流れる冷媒の流量を調節するので、ボイラで加熱された冷媒のスーパーヒートを有効に制御することができる。

コンデンサは、ランキンサイクル及び冷凍サイクルのそれぞれに独立して設けられ、ランキンサイクルと冷凍サイクルとは互いに独立したサイクルである車両用排熱回収システムにも適用することができる。
また、負荷機は、膨張機で発生した動力、及び各サイクル以外の動力源からの動力のうち、少なくとも一つの動力によって駆動されるようにしてもよい。つまり、負荷機は、車両のエンジン等、膨張機以外からの動力を用いて駆動されるようにしてもよい。このように構成することで、膨張機からの動力だけでは負荷機の駆動が不安定である場合にも、エンジン等からの動力を用いて負荷機を駆動することができる。したがって、極めて安定し
て負荷機を駆動することができる。

この発明によれば、ボイラで加熱された冷媒のスーパーヒートに基づいて、ボイラを流れる冷媒の流量を調節するようにしたため、ボイラで加熱された冷媒のスーパーヒートを有効に制御することができる。

以下、この発明の一実施の形態を添付図面に基づいて説明する。
この実施の形態に係る車両用排熱回収システムは、図１に示されるように、冷凍サイクル１及びランキンサイクル１０を備えている。
冷凍サイクル１には、コンプレッサ２、コンデンサ３、減圧装置である膨張弁４及び蒸発器５が設けられている。コンプレッサ２は、伝達ベルト６を介して、エンジン７の動力によって駆動され、冷凍サイクル１内を、冷媒であるフロンＲ１３４ａが循環するようになっている。
一方、ランキンサイクル１０には、ポンプ１１、ボイラ１２、膨張機１３及び冷凍サイクル１と共有するコンデンサ３が設けられ、冷媒であるフロンＲ１３４ａが循環されている。ポンプ１１の吸入側には、バイパスライン１４の一端が設けられ、バイパスライン１４の他端がポンプ１１の吐出側に接続されている。バイパスライン１４には流量調整手段である流量調整バルブ１５が設けられている。ボイラ１２の出口には、ボイラ１２で加熱されたフロンＲ１３４ａのスーパーヒート検出手段である感温筒１７が設けられ、連結管１６によって感温筒１７と流量調整バルブ１５とが接続されている。連結管１６には、使用冷媒と同じフロンＲ１３４ａが封入されている。
膨張機１３は、コンプレッサの吐出側と吸入側とを実質的に逆に接続した構造であり、吸入される冷媒によって駆動される。その際に発生した動力によって発電機１８を駆動させることができるように、膨張機１３と発電機１８とが連結されている。例えば、膨張機１３の出力軸に発電機１８の入力軸が連結され、膨張機１３からの動力によって発電機１８が回転されるように構成してもよい。さらに、発電機１８は、伝達ベルト１９を介して、エンジン７の動力によっても駆動できるようになっている。ここで、発電機１８は負荷機を構成する。

次に、この実施の形態に係る車両用排熱回収システムの動作について説明する。
エンジン７が稼動すると、エンジン７の動力が、伝達ベルト６によってコンプレッサ２に伝わり、コンプレッサ２を駆動する。コンプレッサ２が駆動されると、フロンＲ１３４ａが、コンプレッサによって圧縮され、高温高圧の状態で吐出される。コンプレッサ２から吐出されたフロンＲ１３４ａは、ランキンサイクル１０の膨張機１３で膨張されたフロンＲ１３４ａと合流した後、コンデンサ３によって冷却凝縮される。その後、フロンＲ１３４ａは、ランキンサイクル１０と冷凍サイクル１とに分配される。冷凍サイクル１へ分配されたフロンＲ１３４ａは、膨張弁４によって膨張され、蒸発器５において加熱されてガスとなる。再びコンプレッサ２に吸入されることで、冷凍サイクル１を循環する。
蒸発器５において、フロンＲ１３４ａは車内へ向かう空気と熱交換されることによって加熱される。熱交換された空気は冷気として車内に供給される。

次に、上記一連の動作についてのフロンＲ１３４ａの熱力学的状態変化を、図２に示されるモリエル線図を用いて説明する。
点ｅの状態にあるフロンＲ１３４ａのガスが、コンプレッサ２によって圧縮されると、点ｆの状態に変化する。コンデンサ３によって冷却凝縮されると、飽和蒸気線と交わる点ｃから気液二相の状態となり、飽和液線と交わる点ｇにおいて完全に液化して、液体の点ｈの状態になる。膨張弁４において減圧されると、気液二相の点ｉの状態になる。蒸発器５によって加熱されると、最初のガスの状態の点ｅに戻る。

一方、ランキンサイクル１０において、ポンプ１１から吐出された液体のフロンＲ１３４ａは、ボイラ１２によって、エンジンの冷却水８と熱交換されてガスとなる。
この動作についてのフロンＲ１３４ａの熱力学的状態変化を、図２を用いて説明すると、ボイラ１２によるエンジンの冷却水８との熱交換によって、フロンＲ１３４ａは点ａの状態から点ｂの状態に変化する。その過程の飽和液線と交わる点ａ’からフロンＲ１３４ａは気液二相の状態となり、飽和蒸気線と交わる点ｂ’においてフロンＲ１３４ａは完全にガスとなる。点ｂはスーパーヒートの状態である。

ここで、ボイラ１２から出たフロンＲ１３４ａのスーパーヒートが小さい場合、例えば図２の点ｂ”の状態を考える。この場合、膨張機１３でフロンＲ１３４ａのガスが膨張されると、図２の破線ｂ”−ｃ”上を状態変化する。破線ｂ”−ｃ”が飽和蒸気線と交わる点ｄ”から点ｃ”の状態では、フロンＲ１３４ａは気液二相状態になる。このため膨張機１３の効率は低下し、膨張機１３の耐久性も悪化する。これを防止するためには、膨張機１３での膨張において、フロンＲ１３４ａが気液二相状態にならないようにスーパーヒートをある値以上（図２において点ｂより右側）に保つ必要がある。そこで、ボイラ１２で加熱されたフロンＲ１３４ａのスーパーヒートを感温筒１７で検出し、その検出値に基づいて流量調整バルブ１５の開度を調節する。これにより、ボイラ１２を流れるフロンＲ１３４ａの流量が調節されて、スーパーヒートをある値以上に保ち、膨張機１３での膨張において、フロンＲ１３４ａが気液二相状態にならないようにすることができる。

次に、冷媒流量の調節方法を、図３及び４に基づいて説明する。
図３に示されるように、ボイラ１２から出たフロンＲ１３４ａのスーパーヒートがある値以上の場合は、感温筒１７に連結する連結管１６内の圧力Ｐ_１が上昇し、ポンプ１１の吐出圧力Ｐ_２とばね１５ｂとの合力より大きくなる。これによりダイヤフラム１５ａが押し下げられ、流量調整バルブ１５は全閉となって、ポンプ１１から吐出されたフロンＲ１３４ａの全量がボイラ１２に送られる。
図４に示されるように、ボイラ１２から出たフロンＲ１３４ａのスーパーヒートがある値以下（図２において点ｂより左側の状態）の場合は、感温筒１７と連結する連結管１６内の圧力Ｐ_１が低下し、ポンプ１１の吐出圧力Ｐ_２とばね１５ｂとの合力より小さくなる。これによりダイヤフラム１５ａを押し上げられ、流量調整バルブ１５の開度が感温筒１７の検出値に基づいて調整される。流量調整バルブ１５が開くと、ポンプ１１から吐出されたフロンＲ１３４ａの一部が、バイパスライン１４内を矢印Ａの方向に流れ、ポンプ１１の吸入側に戻る。この結果、ボイラ１２へ送られるフロンＲ１３４ａの流量が減少するため、ボイラ１２で加熱されたフロンＲ１３４ａのスーパーヒートを上昇させることができる。

このようにしてスーパーヒートがある値に保たれた状態、例えば図２の点ｂの状態であるフロンＲ１３４ａは、膨張機１３に吸入されて膨張される。この場合、フロンＲ１３４ａは図２の点ｂから点ｃの状態に変化するため、膨張の過程で気液二相状態になることはない。つまり、スーパーヒートをある値以上（図２の点ｂより右側の状態）に保つ必要がある。
膨張機１３によって膨張されたフロンＲ１３４ａは、冷凍サイクル１のコンプレッサ２から吐出されたフロンＲ１３４ａと合流した後、コンデンサ３によって冷却凝縮される。その後、フロンＲ１３４ａは、ランキンサイクル１０と冷凍サイクル１とに分配される。ランキンサイクル１０へ分配されたフロンＲ１３４ａは、再びポンプ１１に吸入されることで、ランキンサイクル１０を循環する。
膨張機１３で発生した動力によって、発電機１８が駆動されて発電が行われる。また、伝達ベルト１９を介してのエンジン７の動力も用いて発電機１８を駆動する。発電機１８で発生した電力は、図示しないバッテリーに一旦蓄電された後、車両に備えられた各種電気機器（ポンプ１１も含む）の駆動に用いられるようにしてもよい。また、バッテリーに蓄電されることなく直接各種電気機器の駆動に用いられるようにしてもよい。

このように、ボイラ１２で加熱されたフロンＲ１３４ａのスーパーヒートを感温筒１７が検出し、この検出値に基づいて流量調整バルブ１５の開度を調整してボイラ１２を流れるフロンＲ１３４ａの流量を調節するようにしたので、ボイラ１２で加熱されたフロンＲ１３４ａのスーパーヒートを制御することができる。これにより、膨張機１３においてフロンＲ１３４ａを膨張する際に、フロンＲ１３４ａが気液二相状態になるのを防ぐことができる。

尚、この実施の形態においては、冷凍サイクル１及びランキンサイクル１０が１つのコンデンサ３を共有し一つの冷媒を使用した車両用排熱回収システムを用いて説明したが、このような車両用排熱回収システムに限定されるものではない。実施の形態１のコンデンサ３を、冷凍サイクル１及びランキンサイクル１０のそれぞれに設けられた独立のコンデンサとし、冷凍サイクル１とランキンサイクル１０とが互いに独立したサイクルである車両用排熱回収システムにも適用することができる。

この場合、それぞれのサイクルには異なる冷媒を用いることができる。
例えば、冷凍サイクル１の冷媒には二酸化炭素等の公知の冷凍サイクル用の冷媒も採用することができる。
ランキンサイクル１０の冷媒には、プロパンやイソブタン等の炭化水素を採用することができる。また、炭化水素のほかに、混合冷媒も採用できる。混合冷媒としては、例えば、混合冷媒４０７ｃや混合冷媒Ｒ４１０Ａが好ましく採用され、混合冷媒Ｒ４１０Ａが特に好ましく採用される。当然、ランキンサイクル１０に使用される公知の冷媒も採用できる。

この実施の形態においては、発電機１８による発電量を略一定にするために、駆動源として膨張機１３による駆動力の他にエンジン７からの駆動力も用いたが、膨張機１３による駆動力のみを用いて発電するようにしてもよい。また、いずれの動力を用いるか選択できるようにしてもよい。このようにするには、例えばクラッチ等を設け、発電機１８と駆動源との動力伝達の遮断ができるようにすればよい。

この実施の形態においては、エンジンを冷却した冷却水８とランキンサイクル１０の冷媒とをボイラ１２において熱交換しているが、エンジンの冷却水８以外の排熱、例えばエキゾーストパイプ等、車両における排熱と熱交換するようにしてもよく、複数の排熱と熱交換するようにしてもよい。

この実施の形態においては、コンプレッサ２はエンジン７によって駆動されるが、モータ等の他の駆動源によって駆動されるものを用いてもよい。また、ランキンサイクル１０や冷凍サイクル１には、それぞれ公知の他の構成要素を適宜追加したり、公知の手法を用いて変更したりすることができる。

この実施の形態においては、負荷機として発電機１８を例にして説明したが、発電機に限定されるものではない。例えば、コンプレッサやラジエータの冷却ファンにしてもよいし、エンジンと協働して駆動輪を回すようにしてもよい。すなわち、運動エネルギーによって駆動される機械であれば負荷機として使用することができる。

この実施の形態においては、連結管１６に使用冷媒と同じフロンＲ１３４ａを封入しているが、フロンＲ１３４ａに限定されるものではなく、さらに使用冷媒と同じ冷媒に限定されるものでもない。例えば、ランキンサイクル１０に使用されている他の冷媒と同じ炭化水素、混合冷媒、二酸化炭素等を封入してもよいし、使用されている冷媒とは異なる他の冷媒を封入するようにしてもよい。

この実施の形態においては、膨張機１３として、コンプレッサの吐出側と吸入側とを実質的に逆に接続した構造のものを使用したが、この構造のものに限定されるものではない。公知の膨張機を適宜使用することができる。

この発明の実施の形態に係る車両用排熱回収システムの構成図である。 この実施の形態に係る車両用排熱回収システムのモリエル線図である。 この実施の形態に係るボイラの冷媒流量調節方法を説明するための図である。 この実施の形態に係るボイラの冷媒流量調節方法を説明するための別の図である。 従来の車両用排熱回収システムの構成図である。

符号の説明

１ 冷凍サイクル、２ コンプレッサ、３ コンデンサ、 ４ 膨張弁、５ 蒸発器、６，１９ 伝達ベルト、７ エンジン、８ エンジン冷却水、１０ ランキンサイクル、１１ ポンプ、１２ ボイラ、１３ 膨張機、１４ バイパスライン、１５ 流量調整バルブ、１６ 連結管、１７ 感温筒、１８ 発電機。

Claims (3)

1. 車両における排熱を用いて冷媒を加熱するボイラ、前記ボイラで加熱された冷媒を膨張させる膨張機、前記膨張機で膨張された冷媒を冷却するコンデンサ、前記コンデンサで冷却された冷媒を循環するポンプ、及び前記膨張機の動力によって駆動される負荷機を有するランキンサイクルと、
   前記冷媒を圧縮するコンプレッサ、前記コンプレッサで圧縮された冷媒を冷却する前記ランキンサイクルと共有する前記コンデンサ、前記コンデンサで冷却された冷媒を減圧する減圧装置、及び前記減圧装置で減圧された冷媒を加熱する蒸発器を有する冷凍サイクルと
   を備え、
   前記ランキンサイクルは、
   前記ボイラで加熱された冷媒のスーパーヒートを検出するスーパーヒート検出手段と、
   前記ポンプの吐出側と吸入側とを連通する経路であって、前記経路を流れる前記冷媒の流量を調整するための流量調整手段を有するバイパスラインと
   を備え、
   前記スーパーヒート検出手段によって検出された検出値に基づいて、前記流量調整手段が前記バイパスラインを流れる前記冷媒の流量を調整することにより、前記ボイラを流れる前記冷媒の流量を調整することを特徴とする車両用排熱回収システム。
2. 前記コンデンサは、前記ランキンサイクル及び前記冷凍サイクルのそれぞれに独立して設けられ、
   前記ランキンサイクルと前記冷凍サイクルとは互いに独立したサイクルである請求項１に記載の車両用排熱回収システム。
3. 前記負荷機は、前記膨張機で発生した動力、及び前記各サイクル以外の動力源からの動力のうち、少なくとも一つの動力によって駆動される請求項１または２に記載の車両用排熱回収システム。

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