JP2006144744A - 車両用排熱回収システム - Google Patents

Abstract

【課題】作動流体に含有されるオイルを炭化することなく、エンジンの排気ガスの熱をランキンサイクルで利用することができる車両用排熱回収システムを提供する。
【解決手段】冷却水循環経路３には、冷却水が第１の熱交換器１２に流入する前に、冷却水とエンジン２の排気ガスとを熱交換する第２の熱交換器４が設けられている。また、冷却水循環経路３には、一端が第２の熱交換器１２及び第２の熱交換器４の間に接続されると共に他端が第１の熱交換器１２及びエンジン２の間に接続されるバイパスライン５が設けられている。バイパスライン５と第１の熱交換器１２及びエンジン２の間との接続部分に、サーモスタット６が設けられ、冷却水の温度に応じて、バイパスライン５及び第１の熱交換器１２を流れる作動流体の流量を調整す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等に開示されている。
図３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４０においては、エンジン４２によって駆動されたコンプレッサ４３がフロン等の作動流体の圧縮を行う。コンプレッサ４３から吐出された高温高圧の作動流体ガスは、合流点４７において、ランキンサイクル５０を循環する作動流体と合流した後、コンデンサ４４で冷却凝縮され、分岐点４８において、再び冷凍サイクル４０とランキンサイクル５０とに分配される。冷凍サイクル４０に分配された作動流体は、膨張弁４５で減圧され、その後、蒸発器４６において車室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４３へと吸入される。
一方、ランキンサイクル５０においては、ポンプ５１から吐出された作動流体が、第１の熱交換器５２において、冷却水循環経路５３を循環するエンジン冷却水と熱交換されると共に、第２の熱交換器５６で排気ガスと熱交換することによって作動流体ガスとなり、膨張機５４へと送られて膨張される。この際、膨張機５４において動力が発生し、この動力及びエンジン４２の動力によって発電機５５が駆動されて発電が行われる。膨張機５４で膨張された作動流体ガスは、合流点４７において、冷凍サイクル４０を循環する作動流体と合流した後、コンデンサ４４で冷却凝縮され、分岐点４８において、再び冷凍サイクル４０とランキンサイクル５０とに分配される。ランキンサイクル５０に分配された作動流体は、再びポンプ５１に吸入される。

特許第２５４０７３８号公報

しかしながら、排気ガスの温度は３００〜４００℃に上昇するため、作動流体中に含有されるオイルが、第２の熱交換器５６において炭化してしまう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、作動流体に含有されるオイルを炭化することなく、エンジンの排気ガスの熱をランキンサイクルで利用することができる車両用排熱回収システムを提供することを目的とする。

この発明の車両用排熱回収システムは、エンジンを冷却するための冷却水が循環する、冷却水循環経路と、冷却水と熱交換することにより作動流体を加熱する第１の熱交換器、第１の熱交換器で加熱された作動流体を膨張させる膨張機、膨張機で膨張された作動流体を冷却する第１のコンデンサ、及び第１のコンデンサで冷却された作動流体を循環するポンプを有するランキンサイクルとを備え、冷却水循環経路は、第１の熱交換器に流入する前の冷却水とエンジンの排気ガスとを熱交換する第２の熱交換器を備える。エンジンの冷却水とエンジンの排気ガスとを熱交換することにより、作動流体中に含有されるオイルを炭化することなく、ランキンサイクル内の第１の熱交換器において作動流体が加熱される。
作動流体を圧縮するコンプレッサと、コンプレッサで圧縮された作動流体とランキンサイクルの膨張機で膨張された作動流体とが混合した作動流体を冷却する第１のコンデンサと、第１のコンデンサで冷却された作動流体の少なくとも一部をランキンサイクルのポンプに流入させ、その残りの作動流体を減圧する減圧装置と、減圧装置で減圧された作動流体を加熱する蒸発器とを有する冷凍サイクルを備え、圧縮機及び第１のコンデンサの間に位置する、ランキンサイクル及び冷凍サイクルの合流点と、第１のコンデンサ及び減圧装置の間に位置するランキンサイクル及び冷凍サイクルの分岐点との間で、冷凍サイクルとランキンサイクルとは共通経路を備える。
作動流体を圧縮するコンプレッサと、コンプレッサで圧縮された作動流体を冷却する第２のコンデンサと、第２のコンデンサで冷却された作動流体を減圧する減圧装置と、減圧装置で減圧された作動流体を加熱する蒸発器とを有する冷凍サイクルを備えてもよい。
冷却水循環経路は、第１の熱交換器をバイパスするバイパスラインと、冷却水の温度に応じて、第１の熱交換器とバイパスラインとを流れる冷却水の流量を調整する調整手段とを備えてもよい。

この発明によれば、エンジンの冷却水循環経路に、ランキンサイクルの第１の交換機に流入する前の冷却水と排気ガスとを熱交換する第２の熱交換器を設けたので、作動流体に含有されるオイルを炭化することなく、エンジンの排気ガスの熱をランキンサイクルで利用することができる。

以下、この発明の実施の形態を添付図面に基づいて説明する。
実施の形態１．
図１に示されるように、この実施の形態に係る車両用排熱回収システム１は、エンジン２、エンジン２を冷却する冷却水が循環する冷却水循環経路３、ランキンサイクル１０及び冷凍サイクル２０を備えている。

ランキンサイクル１０には、ポンプ１１、第１の熱交換器１２、膨張機１３、及び冷凍サイクル２０と共有する第１のコンデンサ１５が設けられ、作動流体であるフロンＲ１３４ａが循環されている。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１４を駆動させることができるように、膨張機１３の図示しない出力軸に発電機１４の図示しない入力軸が連結され、膨張機１３からの動力によって発電機１４が回転されるように構成されている。さらに、発電機１４は、伝達ベルト１６を介して、エンジン２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１４は負荷機を構成する。

第１の熱交換器１２は、ポンプ１１によって吐出された作動流体とエンジン２の冷却水とを熱交換する熱交換器である。第１の熱交換器１２は、ランキンサイクル１０内に配置されると共に冷却水循環経路３内に配置される。冷却水循環経路３には、冷却水が第１の熱交換器１２に流入する前に、冷却水とエンジン２の排気ガスとを熱交換する第２の熱交換器４が設けられている。また、冷却水循環経路３には、一端が第１の熱交換器１２及び第２の熱交換器４の間に接続されると共に他端が第１の熱交換器１２及びエンジン２の間に接続されるバイパスライン５が設けられている。バイパスライン５の一端には、調整手段であるサーモスタット６が設けられ、冷却水の温度に応じて、バイパスライン５及び第１の熱交換器１２を流れる作動流体の流量を調整するようになっている。

冷凍サイクル２０には、コンプレッサ２１、ランキンサイクル１０と共有する第１のコンデンサ１５、減圧装置である膨張弁２２及び蒸発器２３が設けられている。コンプレッサ２１は、伝達ベルト２４を介して、エンジン２の動力によって駆動され、冷凍サイクル２０内を、作動流体であるフロンＲ１３４ａが循環するようになっている。
コンプレッサ２１と第１のコンデンサ１５との間には、ランキンサイクル１０と合流する合流点１７が設けられている。また、第１のコンデンサ１５と膨張弁２２との間には、ランキンサイクルと分岐する分岐点１８が設けられている。合流点１７と分岐点１８との間には第１のコンデンサ１５が設けられており、ランキンサイクル１０と冷凍サイクル２０とが共通化する共通経路１９となっている。

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２が始動すると、冷却水が冷却水循環経路３を循環する。エンジン２の始動直後は冷却水の温度が高くないので、サーモスタット６により、冷却水はバイパスライン５を流れるようになっている。熱交換器４において冷却水が徐々に加熱され、冷却水の温度が上昇すると、サーモスタット６は、バイパスライン５を流れる冷却水の流量を減少させ、第１の熱交換器１２に流入する冷却水の流量を増加していく。サーモスタット６には予め所定温度が設定されており、冷却水が所定温度となるように、サーモスタット６は、第１の熱交換器１２及びバイパスライン５を流れる冷却水の流量を調整する。

車両用排熱回収システム１では、エンジン２が始動すると、エンジン２の動力が伝達ベルト２４によってコンプレッサ２１に伝わり、コンプレッサ２１を駆動する。コンプレッサ２１が駆動されると、フロンＲ１３４ａがコンプレッサ２１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２１から吐出されたフロンＲ１３４ａは、合流点１７において、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、共通経路１９を流通する。共通経路１９を流通する際に、第１のコンデンサ１５によって冷却凝縮される。その後、フロンＲ１３４ａは、分岐点１８において、ランキンサイクル１０と冷凍サイクル２０とに分配される。

冷凍サイクル２０へ分配されたフロンＲ１３４ａは、膨張弁２２によって膨張され、蒸発器２３において加熱されてガスとなる。蒸発器２３では、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へ供給される。蒸発器２３で加熱されたガスは、再びコンプレッサ２１に吸入されることで、冷凍サイクル２０を循環する。

ランキンサイクル１０へ分配されたフロンＲ１３４ａは、ポンプ１１によって昇圧された後、第１の熱交換器１２へ流入する。熱交換器１２において、フロンＲ１３４ａは、高温の冷却水と熱交換することによってガスとなる。ガスとなったフロンＲ１３４ａは、膨張機１３に吸入されて膨張機１３を駆動する。膨張機１３によって膨張されたフロンＲ１３４ａは、合流点１７において、冷凍サイクル２０のコンプレッサ２１から吐出したフロンＲ１３４ａと合流する。その後は、上述したように、第１のコンデンサ１５で冷却凝縮された後、分岐点１８においてランキンサイクル１０と冷凍サイクル２０とに分配される。ランキンサイクル１０に分配されたフロンＲ１３４ａがポンプ１１の吸引側に戻ることで、フロンＲ１３４ａがランキンサイクル１０を循環する。
膨張機１３で発生した動力によって、発電機１４が駆動されて発電が行われる。また、伝達ベルト１６を介したエンジン２の動力も用いて発電機１４を駆動する。発電機１４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。

ここで、フロンＲ１３４ａに同伴されて、オイルもランキンサイクル１０及び冷凍サイクル２０内を循環する。フロンＲ１３４ａと共に、同伴されているオイルも、第１の熱交換器１２において、冷却水と熱交換することにより加熱される。冷却水は、第２の熱交換器４において、排気ガスと熱交換することで加熱されるが、温度は高くても１２０℃である。したがって、第１の熱交換器１２において、オイルが炭化されることはなく、排気ガスの熱を利用して、ランキンサイクル１０を循環するフロンＲ１３４ａが加熱される。

このように、エンジン２の冷却水が、ランキンサイクル１０における第１の熱交換器１２に流入する前に、第２の熱交換器４において、エンジン２の排気ガスと熱交換することによって加熱されるようにしたので、第１の熱交換器１２において、フロンＲ１３４ａに同伴されるオイルを炭化することなく、フロンＲ１３４ａを加熱することができる。

尚、分岐点１８に三方弁を設けてもよい。ランキンサイクル１０及び冷凍サイクル２０のそれぞれを流れるフロンＲ１３４ａの流量を調整することができるので、膨張機１３においてフロンＲ１３４ａが過膨張しないようにしてランキンサイクル１０の効率を向上したり、冷凍サイクル２０における冷凍能力を調整したりすることができる。

実施の形態２．
次に、この発明の実施の形態２に係る車両用排熱回収システムについて説明する。尚、実施の形態２において、図１の参照符号と同一の符号は、同一又は同様な構成要素であるので、その詳細な説明は省略する。
この発明の実施の形態２に係る車両用排熱回収システムは、実施の形態１に対して、ランキンサイクル１０と冷凍サイクル２０とが、それぞれ別のコンデンサを備えることによって、独立のサイクルとなっているものである。

図２に示されるように、車両用排熱回収システム３０は、ランキンサイクル１０に第１のコンデンサ１５を備え、冷凍サイクル２０に第２のコンデンサ３２を備えている。これにより、ランキンサイクル１０と冷凍サイクル２０とは独立したサイクルとなっており、それぞれのサイクルにフロンＲ１３４ａが循環している。その他の構成については、実施の形態１と同じである。
車両用排熱回収システム３０でも、第２の熱交換器４が冷却水循環経路３に設けられていることにより、第２の熱交換器４において、冷却水がエンジン２の排気ガスと熱交換することによって加熱されるので、実施の形態１と同様の効果を得ることができる。

実施の形態１及び２では、ランキンサイクル１０と冷凍サイクル２０とを備える車両用排熱回収システム１において説明したが、これに限定されるものではない。少なくともランキンサイクルを備えた排熱回収システムであれば、冷凍サイクルを備えていなくてもよい。

実施の形態１及び２では、作動流体としてフロンＲ１３４ａを使用したが、プロパンやイソブタン等の炭化水素を使用することができる。また、これらのほかに、混合冷媒も使用できる。混合冷媒としては、例えば、混合冷媒４０７ｃや混合冷媒Ｒ４１０Ａを使用してもよく、特に混合冷媒Ｒ４１０Ａが好ましい。
また、実施の形態２ではランキンサイクル１０と冷凍サイクル２０とが独立したサイクルとなっているので、それぞれのサイクルに別々の作動流体を使用することができるし、同じ作動流体を使用することができる。また、冷凍サイクル２０においては、上記作動流体の他に二酸化炭素を作動流体として使用することもできる。

実施の形態１及び２では、発電機１４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２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１４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。

実施の形態１及び２では、コンプレッサ２１はエンジン２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２０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。

実施の形態１及び２では、負荷機として発電機１４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、機械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。

実施の形態１及び２では、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１に係る車両用排熱回収システムの構成図である。 実施の形態２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 車両用排熱回収システム、２ エンジン、３ 冷却水循環経路、４ 第２の熱交換器、５ バイパスライン、６ サーモスタット（調整手段）、１０ ランキンサイクル、１１ ポンプ、１２ 第１の熱交換器、１３ 膨張機、１５ 第１のコンデンサ、１９ 共通経路、２０ 冷凍サイクル、２１ コンプレッサ、２２ 膨張弁（減圧装置）２３ 蒸発器、３２ 第２のコンデンサ。

Claims (4)

1. エンジンを冷却するための冷却水が循環する、冷却水循環経路と、
   前記冷却水と熱交換することにより作動流体を加熱する第１の熱交換器、前記第１の熱交換器で加熱された作動流体を膨張させる膨張機、前記膨張機で膨張された作動流体を冷却する第１のコンデンサ、及び前記第１のコンデンサで冷却された作動流体を循環するポンプを有するランキンサイクルと
   を備え、
   前記冷却水循環経路は、前記第１の熱交換器に流入する前の冷却水と前記エンジンの排気ガスとを熱交換する第２の熱交換器を備える車両用排熱回収システム。
2. 作動流体を圧縮するコンプレッサと、
   前記コンプレッサで圧縮された作動流体と前記ランキンサイクルの前記膨張機で膨張された作動流体とが混合した作動流体を冷却する前記第１のコンデンサと、
   前記第１のコンデンサで冷却された作動流体の少なくとも一部を前記ランキンサイクルの前記ポンプに流入させ、その残りの作動流体を減圧する減圧装置と、
   前記減圧装置で減圧された作動流体を加熱する蒸発器と
   を有する冷凍サイクルを備え、
   前記圧縮機及び前記第１のコンデンサの間に位置する、前記ランキンサイクル及び前記冷凍サイクルの合流点と、前記第１のコンデンサ及び前記減圧装置の間に位置する前記ランキンサイクル及び前記冷凍サイクルの分岐点との間で、前記冷凍サイクルと前記ランキンサイクルとは共通経路を備える請求項１に記載の車両用排熱回収システム。
3. 作動流体を圧縮するコンプレッサと、
   前記コンプレッサで圧縮された作動流体を冷却する第２のコンデンサと、
   前記第２のコンデンサで冷却された作動流体を減圧する減圧装置と、
   前記減圧装置で減圧された作動流体を加熱する蒸発器と
   を有する冷凍サイクルを備える請求項１に記載の車両用排熱回収システム。
4. 前記冷却水循環経路は、
   前記第１の熱交換器をバイパスするバイパスラインと、
   前記冷却水の温度に応じて、前記第１の熱交換器と前記バイパスラインとを流れる冷却水の流量を調整する調整手段と
   を備える請求項１〜３のいずれか一項に記載の車両用排熱回収システム。

Images