JP2005344697A - 車両用排熱回収システム - Google Patents

Abstract

【課題】冷凍サイクル及びランキンサイクルそれぞれに適切な作動流体や潤滑油、コンデンサ等の構成要素の選択が可能な車両用排熱回収システムを提供する。
【解決手段】冷凍サイクル１には、コンプレッサ２、コンデンサ３、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内を二酸化炭素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及びコンデンサ１４が設けられ、プロパンが循環されている。膨張機１３は、吸引されるプロパン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１５を駆動させることができるように、膨張機１３と発電機１５とが連結されている。さらに、発電機１５は、伝達ベルト１６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。
【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２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がフロン等の作動流体ガスの圧縮を行う。コンプレッサ２３から吐出された高温高圧の作動流体ガスは、ランキンサイクル３０を循環する作動流体と混合した後、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に分配された作動流体は、膨張弁２５で減圧され、その後、蒸発器２６において車室に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作動流体が、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作動流体ガスとなり、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で膨張された作動流体ガスは、冷凍サイクル２０を循環する作動流体と混合した後、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に分配された作動流体は、再びポンプ３１に吸入される。

特許第２５４０７３８号公報

しかしながら、このようなシステムでは、冷凍サイクル２０とランキンサイクル３０がコンデンサ２４を共用し、それぞれのサイクルを循環する作動流体が混合するため、一つの作動流体しか使用することができないといった問題点があった。そのため、例えば、作動流体にフロン（Ｒ１３４ａ）等を使用すると、サイクルの作動流体チャージ量を増やさなくてはならないため、作動流体の漏れ量が増加するおそれがある。
また、近年、フロンは、オゾン層の破壊の原因となっていることが指摘され、その使用が控えられるようになっている。そのため、作動流体としては、フロンの代わりに二酸化炭素を使用する検討も行われているが、二酸化炭素を作動流体に使用した場合、ボイラ３２側の圧力が高くなり、ランキンサイクル３０の理論効率が低くなってしまうといった問題点があった。
さらに、ポンプ３１、膨張機３４及びコンプレッサ２３の潤滑のために、サイクル内を作動流体と共に潤滑オイルを循環させる場合、冷凍サイクル２０とランキンサイクル３０とに、適切な量の潤滑オイルを分配するのが困難であるといった問題点もあった。同様に、両サイクルに、各サイクルが効率的に動作するための適切な量の作動流体を分配することも、実際上困難であるといった問題点もあった。

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、冷凍サイクル及びランキンサイクルそれぞれに適切な作動流体や潤滑油、コンデンサ等の構成要素の選択が可能な車両用排熱回収システムを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、車両の排熱により第１の作動流体の加熱を行うボイラ、ボイラからの第１の作動流体を膨張させる膨張機、膨張機からの第１の作動流体を冷却する第１のコンデンサ、第１のコンデンサからの第１の作動流体を循環するポンプ、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、第２の作動流体を圧縮するコンプレッサ、コンプレッサからの第２の作動流体を冷却する第２のコンデンサ、第２のコンデンサからの第２の作動流体を減圧する減圧装置、及び減圧装置で減圧された第２の作動流体を加熱させる蒸発器を有する冷凍サイクルとを備え、第１の作動流体と第２の作動流体とが混合しないことを特徴とする。
冷凍サイクル及びランキンサイクルのそれぞれに別々のコンデンサを設け、それぞれのサイクルを循環する作動流体が混合しないようにすることにより、それぞれのサイクルに異なる作動流体を使用することができる。
また、車両における排熱を用いて第１の作動流体の加熱を行うボイラ、ボイラで加熱された第１の作動流体を膨張させる膨張機、膨張機で膨張された第１の作動流体を冷却する第１のコンデンサ、第１のコンデンサで冷却された第１の作動流体を循環するためのポンプ、及び膨張機の出力軸と接続し膨張機で発生した動力によって駆動される負荷機を備えた排熱吸収サイクルと、第２の作動流体を圧縮するコンプレッサ、コンプレッサで圧縮された第２の作動流体を冷却する第２のコンデンサ、第２のコンデンサで冷却された第２の作動流体を減圧する減圧装置、及び減圧装置で減圧された第２の作動流体を加熱する蒸発器を備えた冷凍サイクルとを備え、排熱吸収サイクルと冷凍サイクルとは互いに独立したサイクルとしてもよい。

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、冷凍サイクル及びランキンサイクルを互いに独立したサイクルとしたので、それぞれのサイクルに適切な作動流体や潤滑油、コンデンサ等の構成要素を選択することができる。つまり、各サイクルに、それぞれ別個の作動流体や潤滑油、構成要素を採用することができる。これにより、例えば、各システムにおける使用作動流体の選択肢を増やすこともできる。また、各サイクルにおいて適切な量の作動流体を循環させたり、適切な量の潤滑油を循環させたりすることもできる。

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、第１のコンデンサであるコンデンサ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、第１の作動流体である二酸化炭素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及び第２のコンデンサであるコンデンサ１４が設けられ、炭化水素であるプロパンが循環されている。ここで、プロパンは第２の作動流体を構成する。ボイラ１２は、車両における排熱、例えばエンジンを冷却した冷却水１７に含まれる熱を作動流体に吸収させる熱交換器である。したがって、ランキンサイクル１０は排熱吸収システムと言うこともでき得る。膨張機１３は、コンプレッサの吐出側と吸引側とを実質的に逆に接続した構造であり、吸引される作動流体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１５を駆動させることができるように、膨張機１３と発電機１５とが連結されている。例えば、膨張機１３の出力軸に発電機１５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１５が回転されるように構成してもよい。さらに、発電機１５は、伝達ベルト１６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１５は負荷機を構成する。
このように、ランキンサイクル１０には冷凍サイクル１と共有する経路並びに装置が存在しない。すなわち、ランキンサイクル１０と冷凍サイクルとは互いに独立したサイクルとなり、第１の作動流体である二酸化炭素と第２の作動流体であるプロパンとは混合しない。そのため、ランキンサイクル１０は冷凍サイクル１から分離することもでき、全ての構成要素をエンジンルームに全て設置することもできる。

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、二酸化炭素が、コンプレッサ２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から吐出された二酸化炭素は、コンデンサ３によって冷却される。その後、二酸化炭素は、膨張弁４によって膨張され、蒸発器５において加熱される。再びコンプレッサ２に吸引されることで、冷凍サイクル１を循環する。
蒸発器５において、二酸化炭素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。

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プロパンは、ボイラ１２によってエンジンの冷却水１７と熱交換されてガスとなる。ガスとなったプロパンは、膨張機１３に吸引されて膨張機１３を駆動する。膨張機１３によって膨張されたプロパンは、コンデンサ１４で冷却凝縮され、再びポンプ１１に吸引されることで、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１５が駆動されて発電が行われる。また、伝達ベルト１６を介してのエンジン７の動力も用いて発電機１５を駆動する。発電機１５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、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のそれぞれにコンデンサ（コンデンサ３及び１４）を設けたため、それぞれのサイクルにおける作動流体が混合しないようにすることができる。つまり、冷凍サイクル１とランキンサイクル１０とをそれぞれ独立したサイクルにしたので、各サイクルにそれぞれ独自の作動流体を用いることができる。このように構成したことで、例えば、冷凍サイクル１並びにランキンサイクル１０それぞれに適した種類や量の作動流体を用いたり、適切な量や種類の潤滑油を用いたり、適切な形式や形状等の構成要素を用いたりすることができ、各サイクルが極めて効率的に循環できる。例えば、冷凍サイクル１の作動流体にはフロンや二酸化炭素を用い、ランキンサイクル１０の作動流体には熱物性が優れるプロパンを用いることもできるため、図２に示すような従来提案されたシステムを用いて、一種類の作動流体によって冷凍サイクル１とランキンサイクル１０とを駆動する場合と比べて、いずれのサイクルも、それぞれにとって効率的に駆動することができる。すなわち、両サイクルに適した作動流体等を選択・開発する必要がなく、それぞれのサイクルに適した作動流体等を選択することで、ランキンサイクル１０の発電効率や冷凍サイクル１の冷凍効率等を高くすることができる。
また、ランキンサイクル１０は、全てエンジンルーム等、車内とは隔てられた場所に設置することにより、ランキンサイクル１０内を流れる作動流体が、室内へ冷気を流す蒸発器５に流れないようにすることができるため、例えこの作動流体が洩れたとしても、車室内に進入する可能性が極めて低くなる。したがって、プロパン以外の、ランキンサイクル１０を効率的に循環できる作動流体であって、室内に洩れることが望まれない作動流体、例えば他の可燃性流体もランキンサイクル１０の作動流体として使用できる。このように、使用する作動流体の選択肢を増やすことができる。
さらに、上述した構成を採用しているため、従来の排熱回収システムが有していたような、作動流体と潤滑オイルとを、冷凍サイクル及びランキンサイクルに適切に分配する必要性をなくすこともできる。すなわち、冷凍サイクルとランキンサイクルとの分岐点等の形状や材質の設計をしなくてすむ。

尚、この実施の形態においては、ランキンサイクル１０の作動流体としてプロパンを使用したが、前述したように、プロパンに限定されるものではなく、イソブタンやメタン、エタン等のその他の炭化水素も使用することができる。当然、ランキンサイクル１０に使用される公知の作動流体も採用できる。
また、炭化水素の他に、混合冷媒も作動流体として採用することができる。混合冷媒は、一種のみの作動流体を用いた場合と比べて、ボイラ１２において臨界状態としやすく、好ましく用いられる。これは、混合冷媒は、作動流体の混合比等や採用する作動流体の種類等を調整することができるためである。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４１０Ａが特に好ましく採用される。

冷凍サイクル用の作動流体としては、二酸化炭素以外の作動流体を採用することもでき、例えば前述したようなフロンやジメチルエーテル等、公知の冷凍サイクル用の作動流体を採用することができる。なお、冷凍サイクル並びにランキンサイクルに、環境負荷の小さい作動流体、例えば前記した二酸化炭素やプロパン等を用いれば、作動流体がサイクルから漏れ出てしまった場合等においても環境へ与える影響を小さくすることができる。

この実施の形態においては、発電機による発電量を略一定にするために、膨張機による駆動力の他にエンジンからの駆動力も用いたが、膨張機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１７とランキンサイクル１０の作動流体とをボイラ１２において熱交換しているが、エンジンの冷却水以外の排熱、すなわち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。

コンデンサ３並びにコンデンサ１４は、図１に示すように車両内における近接した場所に設置してもよい。このように設置すれば、各作動流体を冷却するための種々のシステム（例えば冷却ファン等）を共通化すること等も可能になる。

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１５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、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。 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 第１のコンデンサ、 ４ 膨張弁、５ 蒸発器、６，１６ 伝達ベルト、７ エンジン、１０ ランキンサイクル、１１ ポンプ、１２ ボイラ、１３ 膨張機、１４ 第２のコンデンサ、１５ 発電機、１７ エンジン冷却水。

Claims (3)

1. 車両の排熱により第１の作動流体の加熱を行うボイラ、前記ボイラからの前記第１の作動流体を膨張させる膨張機、前記膨張機からの前記第１の作動流体を冷却する第１のコンデンサ、前記第１のコンデンサからの前記第１の作動流体を循環するポンプ、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、
   第２の作動流体を圧縮するコンプレッサ、前記コンプレッサからの前記第２の作動流体を冷却する第２のコンデンサ、前記第２のコンデンサからの前記第２の作動流体を減圧する減圧装置、及び前記減圧装置で減圧された前記第２の作動流体を加熱させる蒸発器を有する冷凍サイクルと
   を備え、
   前記第１の作動流体と前記第２の作動流体とが混合しないことを特徴とする車両用排熱回収システム。
2. 車両における排熱を用いて第１の作動流体の加熱を行うボイラ、前記ボイラで加熱された第１の作動流体を膨張させる膨張機、前記膨張機で膨張された第１の作動流体を冷却する第１のコンデンサ、前記第１のコンデンサで冷却された第１の作動流体を循環するためのポンプ、及び前記膨張機の出力軸と接続し前記膨張機で発生した動力によって駆動される負荷機を備えた排熱吸収サイクルと、
   第２の作動流体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第２の作動流体を冷却する第２のコンデンサ、前記第２のコンデンサで冷却された第２の作動流体を減圧する減圧装置、及び前記減圧装置で減圧された第２の作動流体を加熱する蒸発器を備えた冷凍サイクルと
   を備え、
   前記排熱吸収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とされた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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