JP2006118754A - 蒸気圧縮式冷凍機 - Google Patents

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Abstract

【課題】 発熱機器の廃熱を有用活用するランキンサイクルを備えるもので、発熱機器の廃熱が少ない時に、発熱機器を逆に加熱可能とする蒸気圧縮式冷凍機を提供する。
【解決手段】 圧縮機210によって冷媒が凝縮器220、減圧器240、蒸発器250の順に循環し、蒸発器250にて冷凍機能を発揮する蒸気圧縮式冷凍機において、冷媒を吐出するポンプ310、発熱機器10の廃熱を加熱源として冷媒を加熱する加熱器320、膨張機330、凝縮器220の順に冷媒が循環し、膨張機330で動力を回収するランキンサイクル300と、絞り部412を有しポンプ310をバイパス可能とするバイパス流路410が設けられ、圧縮機210によって冷媒が加熱器320、バイパス流路410、凝縮器220の順に循環し、凝縮器220にて吸熱機能を果たすと共に、加熱器320にて発熱機器10に対する加熱機能を発揮するヒートポンプサイクル400とを設ける。
【選択図】 図1

Description

本発明は、発熱機器の廃熱を利用して動力を回収するランキンサイクルと、発熱機器に対する加熱を可能とするヒートポンプサイクルとを備える蒸気圧縮式冷凍機に関するもので、車両用空調装置に適用して有効である。

従来の蒸気圧縮式冷凍機においては、例えば特許文献1に示されるように、冷凍サイクルの構成部品(凝縮器)を共用してランキンサイクルを形成し、圧縮機と兼用する膨張機によって車両用エンジン(発熱機器)の廃熱を動力として回収し、その回収した動力をエンジンに付加するものが知られている。

また、エンジンの廃熱は、ヒータ回路中のヒータに供給されることで、暖房用の熱源にも使用されている。
特許第2540738号公報

しかしながら、近年普及し始めたハイブリッドカーでは低速運転においてはエンジン稼働率が低く設定されており、エンジン自体の発熱(廃熱)が少ないために、特に冬場ではエンジンの廃熱をヒータ用の熱源として充分に供給することができないという問題がある。よって、ハイブリッドカーでは、ヒータの熱源を確保するため、燃費性能を犠牲にして、低速運転においてもエンジンを稼動しなければならなかった。

また、一般車においても近年、エンジンの高効率化が進み、以前よりエンジンの冷却廃熱が少なくなってきており、ハイブリッドカーと同じようなヒータの熱源不足の問題が発生している。一般車の場合ではその熱源不足を補うために例えば専用のPTCヒ−タを搭載する等して対応しているが、コストが高くなってしまっていた。

本発明の目的は、上記問題に鑑み、発熱機器の廃熱を有用活用するランキンサイクルを備えるもので、発熱機器の廃熱が少ない時に、発熱機器を逆に加熱可能とすることで、ひいては廃熱を用いる他の機器の能力不足を補うことのできる蒸気圧縮式冷凍機を提供することにある。

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。

請求項1に記載の発明では、圧縮機(210)によって冷媒が吸入圧縮され、冷媒が凝縮器(220)、減圧器(240)、蒸発器(250)の順に循環して、蒸発器(250)にて冷凍機能を発揮する蒸気圧縮式冷凍機において、冷媒を吐出するポンプ(310)、発熱機器(10)の廃熱を加熱源として冷媒を加熱する加熱器(320)、膨張機(330)、凝縮器(220)の順に冷媒が循環し、加熱器(320)からの冷媒の膨張によって膨張機(330)で動力を回収するランキンサイクル(300)と、ポンプ(310)をバイパス可能として、絞り部(412)を有するバイパス流路(410)が設けられ、圧縮機(210)によって冷媒が、加熱器(320)、バイパス流路(410)、凝縮器(220)の順に循環し、凝縮器(220)にて吸熱機能を果たすと共に、加熱器(320)にて発熱機器(10)に対する加熱機能を発揮するヒートポンプサイクル(400)とが備えられたことを特徴としている。

これにより、ランキンサイクル(300)を作動させることで、膨張機(330)にて動力を回収でき、発熱機器(10)の廃熱を有効に活用することができる。そして、発熱機器(10)自身の発熱(廃熱)が少ない時には、ヒートポンプサイクル(400)を作動させることで、加熱器(320)を介して発熱機器(10)自身を加熱でき、発熱機器(10)の暖機性能を高めることができる。

上記発熱機器(10)は、請求項2に記載の発明のように、熱機関(10)を対象として好適である。

請求項3に記載の発明では、熱機関(10)の廃熱を加熱源とする暖房器(26)を有することを特徴としている。

これにより、熱機関(10)自身の発熱(廃熱)が少なく、これを加熱源とする暖房器(26)の能力が充分に出せない場合に、請求項1に記載の発明のようにヒートポンプサイクル(400)を作動させて間接的に熱機関(10)を加熱することで、暖房器(26)の能力不足を補うことができる。

請求項4に記載の発明では、加熱器(320)は、圧縮機(210)と凝縮器(220)とを繋ぐ冷媒流路に設けられたことを特徴としている。

これにより、発熱機器(10)自身の発熱が少ない場合に、蒸発器(250)にて本来の冷凍機能を発揮している時においても、圧縮機(210)から吐出される高温高圧の冷媒を加熱器(320)に流すことができるので、加熱器(320)によって発熱機器(10)を間接的に加熱することができ、発熱機器(10)の暖機性能を高めることができる。

併せて、冷媒にとっては本来の凝縮器(220)に加えて上記の加熱器(320)によっても冷却(放熱)されることになるので、冷媒圧力を低下させることができ、圧縮機(210)の動力を低減することができる。

請求項5に記載の発明では、圧縮機(210)は、加熱器(220)から流出した冷媒が流入する時には、膨張機(330)として機能することを特徴としている。

これにより、圧縮機(210)、膨張機(330)を膨張機一体型圧縮機(201)としてコンパクトな流体機械とすることができる。

請求項6に記載の発明では、凝縮器(220)は、ランキンサイクル(300)作動時に、凝縮器(220)から流出する冷媒を気相冷媒と液相冷媒とに分離する気液分離器(230)と、気液分離器(230)から流出する液相冷媒を過冷却する過冷却器(231)とを有することを特徴としている。

これにより、ランキンサイクル(300)作動時に、凝縮器(220)から流出して気液分離器(230)で分離された液相冷媒を、過冷却器(231)で更に冷却してポンプ(310)に供給できる。よって、ポンプ(310)が冷媒を吸引する際の圧力低下(負圧となる)があっても、冷媒が沸騰して気化するのを防止することができるので、キャビテーションによるポンプ(410)の損傷およびポンプ効率低下を防止できる。

請求項7に記載の発明では、バイパス流路(410)のヒートポンプサイクル(400)作動時の冷媒流れ下流側は、凝縮器(220)と過冷却器(231)との間に接続されたことを特徴としている。

これにより、ヒートポンプサイクル(400)作動時において、加熱器(320)からの気液混合状態の冷媒が過冷却器(231)を流通せずに凝縮器(220)に流入するようにできる。通常、過冷却器(231)は凝縮器(220)に比べて、体格は小さく設定され、冷媒流路としても狭いものとなるので、特に気相冷媒流通時の圧損が増大する。よって、上記のように冷媒が過冷却器(231)を流通しないようにすることで、ヒートポンプサイクル(400)作動時の冷媒流通圧損を低減することができる。

請求項8に記載の発明では、ヒートポンプサイクル(400)作動時に、圧縮機(210)の吸入側で冷媒を気相冷媒と液相冷媒とに分離して、気相冷媒を圧縮機(210)に供給するアキュムレータ(420)が設けられたことを特徴としている。

これにより、圧縮機(210)における冷媒の液圧縮を防止することができる。

請求項8に記載の発明において、請求項9に記載の発明では、アキュムレータ(420)は、蒸発器(250)が冷凍機能を発揮する時の冷媒流路から外れて配置されたことを特徴としている。

これにより、蒸発器(250)で冷凍機能を発揮する際の冷媒流通圧損を低減できる。

また、請求項8に記載の発明において、請求項10に記載の発明では、ランキンサイクル(300)作動時に、アキュムレータ(420)をバイパス可能とするアキュムレータバイパス流路(422)が設けられたことを特徴としている。

これにより、ランキンサイクル(300)作動時には冷媒がアキュムレータバイパス流路(422)を通り、また、ヒートポンプサイクル(400)作動時には冷媒がアキュムレータ420を通るようにすることができる。即ち、ランキンサイクル(300)においてはアキュムレータ(420)は不要のものであって、ランキンサイクル(300)作動時のアキュムレータ(420)による冷媒流通圧損を低減できる。

請求項11に記載の発明では、バイパス流路(410)は、ポンプ(310)に一体的に形成されたことを特徴としている。

これにより、配管の手間を軽減でき、また、コンパクトなシステムとすることができる。

因みに、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。

(第1実施形態)
本実施形態は、本発明に係る蒸気圧縮式冷凍機100を水冷式のエンジン(熱機関、内燃機関)10が搭載される車両の空調装置に適用したものであり、図1は本実施形態に係る蒸気圧縮式冷凍機100を示す模式図である。尚、エンジン10は本発明において、温度制御のために廃熱を伴う発熱機器に対応する。

蒸気圧縮式冷凍機100は、周知の冷凍サイクル200をベースとして、ランキンサイクル300とヒートポンプサイクル400とを組み込んだものとしている。以下、各サイクル200、300、400について順に説明する。

冷凍サイクル200には冷媒を吸入して高温高圧に圧縮する圧縮機210が配設されているが、ここでは、この圧縮機210は後述するランキンサイクル300に用いられる膨張機330と兼用となる膨張機一体型圧縮機201としている。圧縮機210と膨張機330は、例えばスクロール型をベースとしたものであり、冷媒流れの高圧側に制御弁211を有している。制御弁211は、膨張機一体型圧縮機201の圧縮機210と膨張機330との切替えを可能とするもので、圧縮機210として作動させる時(正回転作動)は、制御弁211は吐出弁(即ち、逆止弁)として機能し、また、膨張機330として作動させる時(逆回転作動)は、高圧側冷媒流路を開く弁として機能する。尚、制御弁211は図示しない制御装置によって制御される。また、この圧縮機210、膨張機330には発電機および電動機の両機能を併せ持つ回転電機212が接続されている。

圧縮機210の冷媒吐出側には、高温高圧に圧縮された冷媒を冷却して、凝縮液化する凝縮器220が設けられている。尚、ファン221は、凝縮器220に冷却風(車室外空気)を送るものである。

気液分離器230は、凝縮器220で凝縮された冷媒を気相冷媒と液相冷媒とに分離して液相冷媒を流出させるレシーバである。減圧器240は、気液分離器230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、圧縮機210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。

蒸発器250は、減圧器240にて減圧された冷媒を蒸発させて吸熱作用を発揮する熱交換器であり、ファン251によって供給される車室外空気(外気)あるいは車室内空気(内気)を冷却する。そして、蒸発器250の冷媒流出側には、蒸発器250側から圧縮機210側にのみ冷媒が流れることを許容する逆止弁252が設けられている。

上記圧縮機210、凝縮器220、気液分離器230、減圧器240および蒸発器250等にて低温側の熱を高温側に移動させる冷凍サイクル200が構成される。

ランキンサイクル300は、上記冷凍サイクル200に対して、凝縮器220を共用すると共に、この凝縮器220をバイパスするように気液分離器230から凝縮器220および膨張機330の間(A点)に接続される第1バイパス流路301と、膨張機330および逆止弁252の間(B点)から凝縮器220とA点との間に接続される第2バイパス流路302とを設けて以下のように形成している。

即ち、第1バイパス流路301には、気液分離器230で分離された液相冷媒を循環させる液ポンプ(ポンプ)310が設けられている。尚、ここでは液ポンプ310は電動式のポンプとしており、図示しない制御装置によって制御されるようになっている。また、A点と膨張機330との間に加熱器320が設けられている。

加熱器320は、液ポンプ310から送られる冷媒とエンジン10における温水回路20のエンジン冷却水(温水)との間で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10から流出したエンジン冷却水を加熱器320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。尚、三方弁21の流路切替えは、図示しない制御装置によって行われるようになっている。

因みに、水ポンプ22は温水回路20内でエンジン冷却水を循環させるポンプ(例えば、エンジン20によって駆動される機械式ポンプ)であり、ラジエータ23はエンジン冷却水と外気との間で熱交換してエンジン冷却水を冷却する熱交換器であり、ラジエータバイパス流路24はラジエータ23を迂回させてエンジン冷却水を流す迂回流路であり、サーモスタット25はラジエータバイパス流路24に流す冷却水量とラジエータ23に流す冷却水量とを調節する流量調整弁である。そして、温水回路20内には、エンジン冷却水を加熱源として、空調空気を加熱する空調装置用のヒータコア(本発明における暖房器に対応)26が設けられている。

そして、第2バイパス流路302の凝縮器220側の接続部には、サイクル切替え手段としてのサイクル切替え弁110が設けられている。サイクル切替え弁110は、凝縮器220に対して、A点側流路あるいはB点側流路のいずれかを開くことで冷凍サイクル200、ランキンサイクル300、後述するヒートポンプサイクル400の形成を切替える弁(三方弁)であり、図示しない制御装置によって制御されるようになっている。

上記液ポンプ310、第1バイパス流路301、加熱器320、膨張機330、第2バイパス流路302、凝縮器220等にてエンジン10の廃熱から膨張機330による駆動力を回収するランキンサイクル300が形成される。

更に、ヒートポンプサイクル400は、上記ランキンサイクル300をベースとして、液ポンプバイパス流路410を設けることで形成されるものとしている。

液ポンプバイパス流路410は、液ポンプ310をバイパスする流路としており、この液ポンプバイパス流路410には、この流路を開閉する開閉弁411と、開度が所定値に固定された絞り(本発明における絞り部に対応)412とが設けられている。尚、開閉弁411は図示しない制御装置によって制御されるようになっている。また、B点と圧縮機210との間には、サイクル中の冷媒を気相冷媒と液相冷媒とに分離して、気相冷媒のみを圧縮機210に供給するアキュムレータ420が設けられている。

上記圧縮機210、加熱器320、液ポンプバイパス流路410、絞り412、凝縮器220、アキュムレータ420等によってヒートポンプサイクル400が形成される。尚、ヒートポンプサイクル400においては、凝縮器220は外気から吸熱する熱交換器として機能し、また、加熱器320は圧縮機210からの高温高圧の冷媒によってエンジン冷却水を加熱する加熱用熱交換器として機能する(詳細後述)。

次に、本実施形態に係る蒸気圧縮式冷凍機100の作動及びその作用効果について図2〜図5を用いて説明する。

1.クーラモード(図2参照)
この運転モードは、冷凍サイクル200を作動させて、凝縮器220にて冷媒を冷却しながら、蒸発器250にて冷凍能力を発揮させる運転モードである。尚、本実施形態では、冷凍サイクル200で発生する冷熱、つまり吸熱作用を利用した冷房運転および除湿運転にのみ冷凍サイクル200を作動させており、凝縮器220で発生する温熱を利用した暖房運転は行っていないが、暖房運転時であっても冷凍サイクル200の作動は冷房運転および除湿運転時と同じである。

具体的には、図示しない制御装置は、サイクル切替え弁110を切替えて凝縮器220とA点側流路とを接続すると共に、三方弁21を切替えてエンジン冷却水が加熱器320を迂回するようにし、制御弁211を吐出弁として機能する側に切替え、液ポンプ310を停止状態とし、開閉弁411を閉じる。そして、回転電機212を電動機として作動(正回転作動)させ、膨張機一体型圧縮機201を圧縮機(210)として作動させる。

この時、冷媒は、圧縮機210→加熱器320→サイクル切替え弁110→凝縮器220→気液分離器230→減圧器240→蒸発器250→逆止弁252→アキュムレータ420→圧縮機210の順に循環する。尚、加熱器320にはエンジン冷却水が循環しないので、加熱器320にて冷媒は加熱されず、加熱器320は単なる冷媒通路として機能する。

そして、圧縮機210にて圧縮されて高温高圧となった冷媒は、凝縮器220にて外気によって冷却されて凝縮し、減圧器240にて減圧され、蒸発器250にて車室内に吹き出す空気から吸熱して蒸発し、この蒸発した気相冷媒は再び圧縮機210に戻る。

2.クーラ+暖機モード(図3参照)
この運転モードは、エンジン10始動直後のようにエンジン冷却水温が低く、且つ、冷凍サイクル200による上記クーラモードを実行する場合に、低温状態にあるエンジン冷却水を積極的に加熱する運転モードである。

具体的には、図示しない制御装置は、上記クーラモードに対して、三方弁21を切替えてエンジン冷却水が加熱器320を流通するようにする。この時、エンジン冷却水の温度は、圧縮機210で圧縮され高温高圧となった冷媒の温度よりも低く、加熱器320にて冷媒とエンジン冷却水との間で熱交換され、エンジン冷却水が加熱される。逆に言うと、冷媒は加熱器320で冷却されることになる。このように、クーラ+暖機モードにおいては、加熱器320は、冷媒の熱をエンジン冷却水(エンジン10)側に放熱する放熱器として機能する(エンジン冷却水加熱機能)。

3.ランキン発電モード(図4参照)
この運転モードは、ランキンサイクル300を作動させて、エンジン10の廃熱を他の機器等に利用可能なエネルギーとして回収するモードである。

具体的には、図示しない制御装置は、サイクル切替え弁110を切替えて凝縮器220とB点側流路(第2バイパス流路302)とを接続すると共に、三方弁21を切替えてエンジン冷却水が加熱器320を流通するようにし、制御弁211を開く側に切替え、液ポンプ310を作動状態とし、開閉弁411を閉じる。そして、回転電機212を発電機として作動させる。

この時、冷媒は、気液分離器230→第1バイパス流路301→液ポンプ310→加熱器320→膨脹機330→アキュムレータ420→第2バイパス流路302→サイクル切替え弁110→凝縮器220→気液分離器230の順に循環する。

そして、膨脹機330には加熱器320にて加熱された過熱蒸気冷媒が流入し、膨脹機330に流入した過熱蒸気冷媒は、膨脹機330内で等エントロピ的に膨脹しながらそのエンタルピを低下させていく。このため、膨脹機330は、低下したエンタルピに相当する機械的エネルギーを回転電機212に与える。即ち、膨張機330は、過熱蒸気冷媒の膨張によって回転駆動され、この時の駆動力によって回転電機(発電機)212を作動(逆回転作動)させる。回転電機212により発電された電力は、バッテリやキャパシタ等の蓄電器に蓄えられる。更には他の機器の作動に使用される。

また、膨脹機330から流出した冷媒は、凝縮器220にて冷却されて凝縮し、気液分離器230に蓄えられ、気液分離器230内の液相冷媒は、液ポンプ310にて加熱器320側に送られる。尚、液ポンプ310は、加熱器320にて加熱されて生成された過熱蒸気冷媒が、気液分離器230側に逆流しない程度の圧力にて液相冷媒を加熱器320に送り込む。

4.ヒートポンプ暖機モード(図5参照)
この運転モードは、エンジン10始動直後のようにエンジン冷却水温が低く、且つ、上記クーラモードの実行が無い時に、ヒートポンプサイクル400を作動させて、低温状態にあるエンジン冷却水を積極的に加熱する運転モードである。

具体的には、図示しない制御装置は、サイクル切替え弁110を切替えて凝縮器220とB点側流路(第2バイパス流路302)とを接続すると共に、三方弁21を切替えてエンジン冷却水が加熱器320を流通するようにし、制御弁211を吐出弁として機能する側に切替え、液ポンプ310を停止状態とし、開閉弁411を開く。そして、回転電機212を電動機として作動(正回転作動)させ、膨張機一体型圧縮機201を圧縮機(210)として作動させる。

この時、冷媒は、圧縮機210→加熱器320→第1バイパス流路301→液ポンプバイパス流路410→開閉弁411→絞り412→凝縮器220→サイクル切替え弁110→第2バイパス流路302→アキュムレータ420→圧縮機210の順に循環する。

そして、上記のクーラ+暖機モード実行時と同様に、加熱器320にて冷媒とエンジン冷却水との間で熱交換され、エンジン冷却水が加熱される。更に、サイクル内の冷媒は、絞り411にて減圧され、凝縮器220にて外気から吸熱して蒸発し、この蒸発した気相冷媒はアキュムレータ420で気液分離されて、気相冷媒が再び圧縮機210に戻る。

このように、ヒートポンプ暖房モードにおいては、加熱器320は、冷媒の熱をエンジン冷却水(エンジン10)側に放熱する放熱器として機能し(エンジン冷却水加熱機能)、また、凝縮器220は、外気から冷媒に吸熱する吸熱用熱交換器として機能することになる。

以上のように、本発明においては、冷凍サイクル200の凝縮器220を共用するランキンサイクル300を設けているので、冷凍サイクル200の作動が不要の時に、ランキンサイクル300を作動することで、膨張機330にて動力を回収して発電することができ、エンジン10の廃熱(従来、ラジエータ23にて熱として大気中に捨てられていた熱エネルギー)を有効に活用することができる。即ち、エンジン10の燃費を向上させることができる。

そして、上記ランキンサイクル300を活用して、ヒートポンプサイクル400を設けているので、冷凍サイクル200の作動が不要の時、且つ、エンジン10自身の発熱(廃熱)が少ない時には、このヒートポンプサイクル400を作動させることで、加熱器320を介してエンジン冷却水(エンジン10自身)を加熱でき、エンジン10の暖機性能を高めることができる。更には、エンジン冷却水を加熱源とするヒータコア26の能力不足を補うことができる。

また、加熱器320を圧縮機210と凝縮器220とを繋ぐ冷媒流路に設けるようにしているので、冷凍サイクル200の作動時で、エンジン10自身の発熱が少ない場合には、圧縮機210から吐出される高温高圧の冷媒を加熱器320に流すことができる。そして、エンジン冷却水を加熱器320側に流すことで、加熱器320によってエンジン冷却水(エンジン10)を加熱することができ、エンジン10の暖機性能を高めることができる。更には、ヒータコア26の能力不足を補うことができる。

この時、冷凍サイクル200を流通する冷媒は、本来の凝縮器220に加えて上記の加熱器320によっても冷却(放熱)されることになるので、冷媒圧力を低下させることができ、圧縮機210の動力を低減することができる。

尚、圧縮機210および膨張機330は、互いに兼用される膨張機一体型圧縮機201として形成しているので、コンパクトな流体機械とすることができる。

また、圧縮機210の吸入側にはアキュムレータ420を設けるようにしているので、ヒートポンプサイクル400作動時において、圧縮機210に液冷媒が吸入されるのを防止でき、冷媒の液圧縮を防止することができる。

(第2実施形態)
本発明の第2実施形態を図6に示す。第2実施形態は、上記第1実施形態に対して凝縮器220を変更したものである。具体的には、凝縮器220において、ランキンサイクル300作動時における冷媒の流出側に、気液分離器230、過冷却器231を順に設けた、いわゆる気液分離器を有するサブクールコンデンサの形態としている。尚、凝縮器220、気液分離器230、過冷却器231は、一体的に形成される気液分離器一体型サブクールコンデンサとしても良い。

これにより、ランキンサイクル300作動時に、凝縮器220から流出して気液分離器230で分離された液相冷媒を、過冷却器231で更に冷却して液ポンプ310に供給できる。よって、液ポンプ310が冷媒を吸引する際の圧力低下(負圧となる)があっても、冷媒が沸騰して気化するのを防止することができるので、キャビテーションによる液ポンプ410の損傷およびポンプ効率低下を防止できる。

尚、上記第2実施形態において、変形例1として図7に示すように、液ポンプバイパス流路410のヒートポンプサイクル400作動時の冷媒流れ下流側を、凝縮器220と過冷却器231との間、ここでは凝縮器220と気液分離器230との間に接続しても良い。

これにより、ヒートポンプサイクル400作動時において、加熱器320からの気液混合状態の冷媒が過冷却器231を流通せずに凝縮器220に流入するようにできる。通常、過冷却器231は凝縮器220に比べて、体格は小さく設定され、冷媒流路としても狭いものとなるので、特に気相冷媒流通時の圧損が増大する。よって、上記のように冷媒が過冷却器231を流通しないようにすることで、ヒートポンプサイクル400作動時の冷媒流通圧損を低減することができる。

(第3実施形態)
本発明の第3実施形態を図8に示す。第3実施形態は、上記第1実施形態に対して、アキュムレータ420の設定位置を変更したものである。

ここでは、アキュムレータ420は、冷凍サイクル200作動時(蒸発器250が冷凍機能を発揮する時)の冷媒流路から外れて配置されるようにしている。具体的には、アキュムレータ420をサイクル切替え弁110とB点との間(第2バイパス流路302)に設けるようにしている。

これにより、冷凍サイクル200作動時に冷媒がアキュムレータ420を通らないようにすることができるので、冷媒流通圧損を低減できる。

また、図9に示す変形例2のように、上記第1実施形態に対して、ランキンサイクル300作動時に、アキュムレータ420をバイパス可能とするアキュムレータバイパス流路422を設けるようにしても良い。即ち、B点とアキュムレータ420との間にB点側からアキュムレータ420側へのみ冷媒が流れることを許容する逆止弁421を設け、更に、アキュムレータバイパス流路422に圧縮機210側からB点側へのみ冷媒が流れることを許容する逆止弁423を設けている。

これにより、ランキンサイクル300作動時には冷媒がアキュムレータバイパス流路422を通り、また、ヒートポンプサイクル400作動時には冷媒がアキュムレータ420を通るようにすることができる。即ち、ランキンサイクル300においてはアキュムレータ420は不要のものであって、ランキンサイクル300作動時のアキュムレータ420による冷媒流通圧損を低減できる。

(第4実施形態)
上記第1〜第3実施形態に対して、開閉弁411、絞り412の設けられた液ポンプバイパス流路410は、液ポンプ310に一体的に形成されるようにしても良く、これにより、配管の手間を軽減でき、また、コンパクトなシステムとすることができる。

(その他の実施形態)
上記第1〜第4実施形態においては、発熱機器として、車両用のエンジン(熱機関、内燃機関)10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。

また、冷凍サイクル200作動時におけるエンジン10の暖機(クーラ+暖機モード)はできなくなるが、主としてヒートポンプサイクル400の作動によりエンジン10の暖機を考えるならば、加熱器320は、冷凍サイクル200の圧縮機210と凝縮器220とを繋ぐ冷媒流路から外れて配設されるようにしても良い。

また、圧縮機210と膨張機330とが兼用された膨張機一体型圧縮機201として説明したが、それぞれ独立して設けられたものとしても良い。

また、サイクル切替え弁110は、三方弁に代えて、A点側流路あるいはB点側流路をそれぞれ開閉する開閉弁としても良い。

また、膨張機330にて回収した駆動力で回転電機(発電機)212を作動させて、電気エネルギーとして蓄電器にて蓄えたが、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。

本発明の第1実施形態における蒸気圧縮式冷凍機を示す模式図である。 図1においてクーラモードで作動する場合のエンジン冷却水および冷媒流れ方向を示す模式図である。 図1においてクーラ+暖機モードで作動する場合のエンジン冷却水および冷媒流れ方向を示す模式図である。 図1においてランキン発電モードで作動する場合のエンジン冷却水および冷媒流れ方向を示す模式図である。 図1においてヒートポンプ暖機モードで作動する場合のエンジン冷却水および冷媒流れ方向を示す模式図である。 本発明の第2実施形態における蒸気圧縮式冷凍機を示す模式図である。 本発明の第2実施形態の変形例1における蒸気圧縮式冷凍機を示す模式図である。 本発明の第3実施形態における蒸気圧縮式冷凍機を示す模式図である。 本発明の第3実施形態の変形例2における蒸気圧縮式冷凍機を示す模式図である。

符号の説明

10 エンジン(発熱機器、熱機関)
26 ヒータコア(暖房器)
100 蒸気圧縮式冷凍機
210 圧縮機
220 凝縮器
230 気液分離器
231 過冷却器
240 減圧器
250 蒸発器
300 ランキンサイクル
310 液ポンプ(ポンプ)
320 加熱器
330 膨張機
400 ヒートポンプサイクル
410 液ポンプバイパス流路(バイパス流路)
412 絞り(絞り部)
420 アキュムレータ
422 アキュムレータバイパス流路

Claims (11)

  1. 圧縮機(210)によって冷媒が吸入圧縮され、前記冷媒が凝縮器(220)、減圧器(240)、蒸発器(250)の順に循環して、前記蒸発器(250)にて冷凍機能を発揮する蒸気圧縮式冷凍機において、
    前記冷媒を吐出するポンプ(310)、発熱機器(10)の廃熱を加熱源として前記冷媒を加熱する加熱器(320)、膨張機(330)、前記凝縮器(220)の順に前記冷媒が循環し、前記加熱器(320)からの前記冷媒の膨張によって前記膨張機(330)で動力を回収するランキンサイクル(300)と、
    前記ポンプ(310)をバイパス可能として、絞り部(412)を有するバイパス流路(410)が設けられ、前記圧縮機(210)によって前記冷媒が、前記加熱器(320)、前記バイパス流路(410)、前記凝縮器(220)の順に循環し、前記凝縮器(220)にて吸熱機能を果たすと共に、前記加熱器(320)にて前記発熱機器(10)に対する加熱機能を発揮するヒートポンプサイクル(400)とが備えられたことを特徴とする蒸気圧縮式冷凍機。
  2. 前記発熱機器(10)は、熱機関(10)であることを特徴とする請求項1に記載の蒸気圧縮式冷凍機。
  3. 前記熱機関(10)の廃熱を加熱源とする暖房器(26)を有することを特徴とする請求項2に記載の蒸気圧縮式冷凍機。
  4. 前記加熱器(320)は、前記圧縮機(210)と前記凝縮器(220)とを繋ぐ冷媒流路に設けられたことを特徴とする請求項1〜請求項3のいずれかに記載の蒸気圧縮式冷凍機。
  5. 前記圧縮機(210)は、前記加熱器(220)から流出した前記冷媒が流入する時には、前記膨張機(330)として機能することを特徴とする請求項1〜請求項4のいずれかに記載の蒸気圧縮式冷凍機。
  6. 前記凝縮器(220)は、前記ランキンサイクル(300)作動時に、前記凝縮器(220)から流出する前記冷媒を気相冷媒と液相冷媒とに分離する気液分離器(230)と、
    前記気液分離器(230)から流出する前記液相冷媒を過冷却する過冷却器(231)とを有することを特徴とする請求項1〜請求項5のいずれかに記載の蒸気圧縮式冷凍装置。
  7. 前記バイパス流路(410)の前記ヒートポンプサイクル(400)作動時の前記冷媒流れ下流側は、前記凝縮器(220)と前記過冷却器(231)との間に接続されたことを特徴とする請求項6に記載の蒸気圧縮式冷凍機。
  8. 前記ヒートポンプサイクル(400)作動時に、前記圧縮機(210)の吸入側で前記冷媒を気相冷媒と液相冷媒とに分離して、前記気相冷媒を前記圧縮機(210)に供給するアキュムレータ(420)が設けられたことを特徴とする請求項1〜請求項7のいずれかに記載の蒸気圧縮式冷凍機。
  9. 前記アキュムレータ(420)は、前記蒸発器(250)が冷凍機能を発揮する時の冷媒流路から外れて配置されたことを特徴とする請求項8に記載の蒸気圧縮式冷凍機。
  10. 前記ランキンサイクル(300)作動時に、前記アキュムレータ(420)をバイパス可能とするアキュムレータバイパス流路(422)が設けられたことを特徴とする請求項8に記載の蒸気圧縮式冷凍機。
  11. 前記バイパス流路(410)は、前記ポンプ(310)に一体的に形成されたことを特徴とする請求項1〜請求項10に記載の蒸気圧縮式冷凍機。
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