JP2007205283A - Waste heat utilization device and its control method - Google Patents

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淳 稲葉
Hiroshi Kinoshita
宏 木下
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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a waste heat utilization device enabling efficient power generation by focusing on rotation speeds of an expander and a pump and to provide its control method. <P>SOLUTION: The waste heat utilization device comprises a Rankine cycle 300 having a heater 310 for heating coolant with a heat source of waste heat from heat generation equipment 10, the expander 320, a condenser 220 and the pump 330, a power generator 321 connected to the expander 320 and operated by driving force of the expander 320 to generate electric power, and a control means 500 for controlling operation of the power generator 321, wherein the pump 330 is connected to the expander 320. The control means 500 controls the operational rotation speed of the power generator 321 according to at least one of heating capacity of the heater 310 for the coolant, condensing capacity of the condenser 220 for the coolant and coolant pressure in the Rankine cycle 300. <P>COPYRIGHT: (C)2007,JPO&INPIT

Description

本発明は、発熱機器の廃熱を利用して動力を回収する廃熱利用装置およびその制御方法に関するものであり、例えば内燃機関を搭載する車両用に用いて好適である。   The present invention relates to a waste heat utilization apparatus that recovers power using waste heat of a heat-generating device and a control method thereof, and is suitable for use in, for example, a vehicle equipped with an internal combustion engine.

例えば特許文献1に示されるように、従来の廃熱利用装置(特許文献1中ではボトミングサイクル発電システム)として、ランキンサイクルに発電機を設けたものが知られている。ランキンサイクルは、内部の熱媒体を循環させるポンプ、熱媒体を加熱する加熱用熱交換器、加熱された熱媒体の膨張により回転作動する膨張機(タービン)、膨張後の熱媒体を冷却する放熱用熱交換器が環状に接続されたものである。ここでは膨張機の主軸にポンプおよび発電機が連結されて一体化されている。   For example, as shown in Patent Document 1, as a conventional waste heat utilization device (bottoming cycle power generation system in Patent Document 1), a Rankine cycle provided with a generator is known. The Rankine cycle consists of a pump that circulates the internal heat medium, a heat exchanger that heats the heat medium, an expander that rotates by the expansion of the heated heat medium (turbine), and heat dissipation that cools the expanded heat medium. The heat exchanger for use is connected in a ring shape. Here, a pump and a generator are connected to and integrated with the main shaft of the expander.

加熱用熱交換器には加熱用液体あるいはガス(ガスタービンやエンジンの排気等)が供給される。ポンプから送られた熱媒体は加熱用熱交換器で過熱蒸気となって、膨張機に流入し、膨張機内で断熱膨張することで膨張機に駆動力を発生させる。そして、この駆動力によって連結されたポンプおよび発電機が作動され、ランキンサイクルの作動が継続されると共に、排気熱エネルギーが電気エネルギーとして蓄えられる。尚、膨張後の熱媒体は、放熱用熱交換器で冷却空気等によって冷却凝縮され、ポンプに吸引される。
特開2004−108220号公報
The heating heat exchanger is supplied with heating liquid or gas (gas turbine, engine exhaust, etc.). The heat medium sent from the pump becomes superheated steam in the heating heat exchanger, flows into the expander, and adiabatically expands in the expander to generate a driving force in the expander. Then, the pump and the generator connected by this driving force are operated, the operation of the Rankine cycle is continued, and the exhaust heat energy is stored as electric energy. The expanded heat medium is cooled and condensed by cooling air or the like in a heat radiating heat exchanger and sucked into a pump.
JP 2004-108220 A

しかしながら、上記廃熱利用装置においては、具体的に膨張機およびポンプの回転数の決定方法については何ら触れられていない。   However, in the waste heat utilization apparatus, there is no specific mention of a method for determining the rotation speed of the expander and the pump.

例えば、加熱用液体あるいはガスの温度が低い時に、回転数を高くすると、熱媒体の流量が大きくなり、加熱用熱交換器で蒸発しきれなくなってしまい、発電効率が非常に悪くなる。   For example, if the number of revolutions is increased when the temperature of the heating liquid or gas is low, the flow rate of the heat medium increases, and the heating heat exchanger cannot evaporate, resulting in very poor power generation efficiency.

また、例えば、放熱用熱交換器における冷却空気の風速が低い時に、回転数を高くすると、加熱用熱交換器では多くの熱が入力されるが、放熱用熱交換器で放熱しきれなくなり、放熱用熱交換器における熱媒体圧力が上昇する。よって、膨張機前後の圧力差が取れなくなってしまい、発電効率が非常に悪くなる。   In addition, for example, when the wind speed of the cooling air in the heat dissipation heat exchanger is low, if the rotation speed is increased, a large amount of heat is input in the heating heat exchanger, but the heat dissipation heat exchanger cannot radiate heat, The heat medium pressure in the heat radiating heat exchanger increases. Therefore, the pressure difference before and after the expander can no longer be taken, and the power generation efficiency becomes very poor.

本発明の目的は、上記問題に鑑み、膨張機およびポンプの回転数に着目して効率的な発電を可能とする廃熱利用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 waste heat utilization apparatus and a control method thereof that enable efficient power generation by paying attention to the rotational speeds of an expander and a pump.

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、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(310)、加熱器(310)から流出される過熱蒸気冷媒の膨張によって作動される膨張機(320)、膨張機(320)から流出される膨張後の冷媒を冷却媒体によって冷却凝縮する凝縮器(220)、凝縮器(220)から流出される凝縮冷媒を加熱器(310)に圧送するポンプ(330)を有するランキンサイクル(300)と、膨張機(320)に接続されると共に、膨張機(320)の駆動力によって作動されて発電する発電機(321)と、発電機(321)の作動を制御する制御手段(500)とを有し、ポンプ(330)が膨張機(320)に接続された廃熱利用装置において、制御手段(500)は、冷媒に対する加熱器(310)の加熱能力、冷媒に対する凝縮器(220)の凝縮能力、ランキンサイクル(300)中の冷媒圧力のうち、少なくとも1つに応じて発電機(321)の作動回転数を制御することを特徴としている。   In the first aspect of the invention, the heater (310) that heats the refrigerant using the waste heat of the heat generating device (10) as a heating source, and the expansion that is activated by the expansion of the superheated vapor refrigerant that flows out of the heater (310). (320), the condenser (220) that cools and condenses the expanded refrigerant flowing out from the expander (320) with a cooling medium, and the condensed refrigerant that flows out from the condenser (220) is pumped to the heater (310). A Rankine cycle (300) having a pump (330) for generating power, a generator (321) that is connected to the expander (320) and is activated by the driving force of the expander (320), and a generator (321) In the waste heat utilization apparatus in which the pump (330) is connected to the expander (320), the control means (500) includes a heater (3 The operating rotational speed of the generator (321) is controlled according to at least one of the heating capacity of 0), the condenser capacity of the condenser (220) with respect to the refrigerant, and the refrigerant pressure in the Rankine cycle (300). It is said.

これにより、ランキンサイクル(300)における熱バランスを確保しながら、膨張機(320)によって発電機(321)を作動させることができるので、効率的な発電が可能となる。   Thereby, since the generator (321) can be operated by the expander (320) while ensuring the heat balance in the Rankine cycle (300), efficient power generation is possible.

請求項2に記載の発明のように、廃熱利用装置(100)としては、内燃機関(10)とし、また、加熱源は、内燃機関(10)を冷却する冷却水として好適である。   As in the second aspect of the present invention, the waste heat utilization device (100) is an internal combustion engine (10), and the heating source is suitable as cooling water for cooling the internal combustion engine (10).

請求項3に記載の発明では、制御手段(500)は、加熱能力を冷却水の温度で把握すると共に、冷却水の温度が高いほど、発電機(321)の作動回転数を高くすることを特徴としている。   In the invention according to claim 3, the control means (500) grasps the heating capacity from the temperature of the cooling water, and increases the operating rotational speed of the generator (321) as the temperature of the cooling water increases. It is a feature.

これにより、冷却水の流量を一定とすると冷却水温度が高いほど加熱器(310)において冷媒に多くの廃熱エネルギーが得られことになり、膨張機(320)では廃熱エネルギーに応じたより多くの機械的エネルギーを得ることができるので、発電機(321)の作動回転数を高くすることで発電機(321)における効率的な発電が可能となる。   Accordingly, when the flow rate of the cooling water is constant, the higher the cooling water temperature, the more waste heat energy is obtained in the refrigerant in the heater (310), and the expander (320) has a larger amount corresponding to the waste heat energy. Therefore, efficient power generation in the generator (321) becomes possible by increasing the operating rotational speed of the generator (321).

請求項4に記載の発明では、制御手段(500)は、加熱能力を冷却水の流量で把握すると共に、冷却水の流量が多いほど、発電機(321)の作動回転数を高くすることを特徴としている。   In the invention according to claim 4, the control means (500) grasps the heating capacity by the flow rate of the cooling water, and increases the operating rotational speed of the generator (321) as the flow rate of the cooling water increases. It is a feature.

これにより、冷却水の温度を一定とすると冷却水の流量が多いほど加熱器(310)において冷媒に多くの廃熱エネルギーが得られことになり、膨張機(320)では廃熱エネルギーに応じたより多くの機械的エネルギーを得ることができるので、発電機(321)の作動回転数を高くすることで発電機(321)における効率的な発電が可能となる。   As a result, when the temperature of the cooling water is kept constant, the larger the flow rate of the cooling water, the more waste heat energy is obtained in the refrigerant in the heater (310), and the expander (320) depends on the waste heat energy. Since much mechanical energy can be obtained, efficient power generation in the generator (321) becomes possible by increasing the operating rotational speed of the generator (321).

請求項5に記載の発明では、冷却水は、ポンプ手段(22)によって内燃機関(10)を循環するようになっており、制御手段(500)は、ポンプ手段(22)の回転数から冷却水の流量を推定することを特徴としている。   In the invention described in claim 5, the cooling water is circulated through the internal combustion engine (10) by the pump means (22), and the control means (500) cools from the rotational speed of the pump means (22). It is characterized by estimating the water flow rate.

これにより、冷却水の流量はポンプ手段(22)の回転数に相関することから、その関係を予め把握しておくことで、ポンプ手段(22)の回転数から容易に冷却水の流量を推定することができる。   As a result, the flow rate of the cooling water correlates with the rotational speed of the pump means (22). Therefore, the flow rate of the cooling water can be easily estimated from the rotational speed of the pump means (22) by grasping the relationship in advance. can do.

請求項6に記載の発明では、ポンプ手段(22)は、内燃機関(10)の動力によって駆動されるようになっており、制御手段(500)は、ポンプ手段(22)の回転数を内燃機関(10)の回転数から推定することを特徴としている。   In the invention as set forth in claim 6, the pump means (22) is driven by the power of the internal combustion engine (10), and the control means (500) sets the rotational speed of the pump means (22) to the internal combustion engine. It is characterized by estimating from the rotational speed of the engine (10).

これにより、ポンプ手段(22)の回転数は内燃機関(10)の回転数に相関することから、その関係を予め把握しておくことで、内燃機関(10)の回転数から容易にポンプ手段(22)の回転数を推定することができる。   Thereby, since the rotation speed of the pump means (22) correlates with the rotation speed of the internal combustion engine (10), the pump means can be easily determined from the rotation speed of the internal combustion engine (10) by grasping the relationship in advance. The rotational speed of (22) can be estimated.

請求項7に記載の発明では、ポンプ手段(22)は、電動機制御手段によって作動制御される電動機の動力によって駆動されるようになっており、制御手段(500)は、ポンプ手段(22)の回転数を電動機の制御値から推定することを特徴としている。   In the seventh aspect of the present invention, the pump means (22) is driven by the power of the electric motor controlled by the electric motor control means, and the control means (500) is the pump means (22). It is characterized in that the rotational speed is estimated from the control value of the electric motor.

これにより、容易にポンプ手段(22)の回転数を推定することができる。   Thereby, the rotation speed of a pump means (22) can be estimated easily.

請求項8に記載の発明のように、電動機は作動出力がデューティ制御されるものとすると、制御値を電動機の電圧デューティ比とすることができる。   As in the eighth aspect of the invention, if the operation output of the electric motor is duty-controlled, the control value can be the voltage duty ratio of the electric motor.

また、請求項9に記載の発明のように、電動機は作動出力がインバータ制御されるものとすると、制御値を電動機のインバータ電圧の周波数とすることができる。   Further, as in the ninth aspect of the invention, when the operation output of the electric motor is inverter-controlled, the control value can be the frequency of the inverter voltage of the electric motor.

請求項10に記載の発明では、冷却媒体は外気であり、制御手段(500)は、凝縮能力を外気の温度で把握すると共に、外気の温度が低いほど、発電機(321)の作動回転数を高くすることを特徴としている。   In the invention according to claim 10, the cooling medium is outside air, and the control means (500) grasps the condensing capacity from the outside air temperature, and the lower the outside air temperature is, the lower the operating rotational speed of the generator (321). It is characterized by raising the height.

これにより、外気の流量を一定とすると外気の温度が低いほど凝縮器(220)での凝縮能力が高く得られることになり、膨張機(320)で膨張して流出する冷媒の凝縮を充分に賄うことができるので、発電機(321)の作動回転数を高くすることで発電機(321)における効率的な発電が可能となる。   As a result, if the flow rate of the outside air is constant, the lower the temperature of the outside air, the higher the condensing capacity in the condenser (220), and the condensation of the refrigerant that expands and flows out by the expander (320) is sufficiently performed. Since this can be covered, efficient power generation in the generator (321) becomes possible by increasing the operating speed of the generator (321).

請求項11に記載の発明では、冷却媒体は外気であり、制御手段(500)は、凝縮能力を外気の流量で把握すると共に、外気の流量が多いほど、発電機(321)の作動回転数を高くすることを特徴としている。   In the eleventh aspect of the invention, the cooling medium is the outside air, and the control means (500) grasps the condensing capacity from the flow rate of the outside air, and as the flow rate of the outside air increases, the operating rotational speed of the generator (321). It is characterized by raising the height.

これにより、外気の温度を一定とすると外気の流量が多いほど凝縮器(220)での凝縮能力が高く得られることになり、膨張機(320)で膨張して流出する冷媒の凝縮を充分に賄うことができるので、発電機(321)の作動回転数を高くすることで発電機(321)における効率的な発電が可能となる。   As a result, when the temperature of the outside air is constant, the higher the flow rate of the outside air, the higher the condensing capacity in the condenser (220), and the condensation of the refrigerant that expands and flows out by the expander (320) is sufficiently performed. Since this can be covered, efficient power generation in the generator (321) becomes possible by increasing the operating speed of the generator (321).

請求項12に記載の発明では、制御手段(500)は、外気の風速から外気の流量を推定することを特徴としている。   The invention according to claim 12 is characterized in that the control means (500) estimates the flow rate of the outside air from the wind speed of the outside air.

これにより、容易に外気の流量を推定することができる。   Thereby, the flow volume of outside air can be estimated easily.

請求項13に記載の発明では、車両に搭載されて、凝縮器(220)には車両の車速風によって外気が導入されるようになっており、制御手段(500)は、車両の車速から外気の流量を推定することを特徴としている。   In the invention according to claim 13, the outside air is introduced into the condenser (220) by the vehicle speed wind of the vehicle, and the control means (500) It is characterized by estimating the flow rate.

これにより、請求項12に記載の発明と同様に、容易に外気の流量を推定することができる。   Thereby, similarly to the invention according to claim 12, the flow rate of the outside air can be easily estimated.

請求項13における車両としては、請求項14に記載の発明のように、一般乗用車、ハイブリッド車、トラックを含むものを対象として好適である。   The vehicle according to claim 13 is suitable for vehicles including general passenger cars, hybrid vehicles, and trucks as in the invention according to claim 14.

請求項15に記載の発明では、制御手段(500)は、冷媒圧力として、ランキンサイクル(300)の高圧側圧力、およびランキンサイクル(300)の低圧側圧力のうち、少なくとも一方を用いると共に、高圧側圧力、低圧側圧力のうち、少なくとも一方が低いほど、発電機(321)の作動回転数を高くすることを特徴としている。   In the invention according to claim 15, the control means (500) uses at least one of the high-pressure side pressure of the Rankine cycle (300) and the low-pressure side pressure of the Rankine cycle (300) as the refrigerant pressure, It is characterized in that the operating rotational speed of the generator (321) is increased as at least one of the side pressure and the low pressure side pressure is lower.

これにより、高圧側圧力、低圧側圧力の少なくとも一方が低いほど加熱器(310)、凝縮器(220)の少なくとも一方における加熱能力、あるいは凝縮能力が高く得られることになる。即ち、加熱器(310)において冷媒に多くの廃熱エネルギーが得られことになり、膨張機(320)では廃熱エネルギーに応じたより多くの機械的エネルギーを得ることができる。あるいは、凝縮器(220)では膨張機(320)で膨張して流出する冷媒の凝縮を充分に賄うことができる。よって、発電機(321)の作動回転数を高くすることで発電機(321)における効率的な発電が可能となる。   As a result, the lower the at least one of the high-pressure side pressure and the low-pressure side pressure, the higher the heating capability or the condensation capability in at least one of the heater (310) and the condenser (220). That is, a lot of waste heat energy is obtained in the refrigerant in the heater (310), and more mechanical energy corresponding to the waste heat energy can be obtained in the expander (320). Alternatively, the condenser (220) can sufficiently cover the condensation of the refrigerant that expands and flows out by the expander (320). Therefore, efficient power generation in the generator (321) becomes possible by increasing the operating rotational speed of the generator (321).

請求項16に記載の発明では、制御手段(500)は、発電機(321)の作動回転数を設定する際に、冷却水の温度、冷却水の流量、外気の温度、外気の流量、冷媒圧力の値のうち、2つ以上の値を用いるようにしており、2つ以上の値から算出される作動回転数のうち、最小値を用いて発電機(321)の作動回転数として決定することを特徴としている。   In the invention according to claim 16, the control means (500) sets the temperature of the cooling water, the flow rate of the cooling water, the temperature of the outside air, the flow rate of the outside air, the refrigerant when setting the operating rotational speed of the generator (321). Of the pressure values, two or more values are used, and among the operating rotational speeds calculated from the two or more values, the operating rotational speed of the generator (321) is determined using the minimum value. It is characterized by that.

これにより、より良い条件での発電の可能性を確保できると共に、ランキンサイクル(300)の熱バランスに対して安全側の条件で発電機(321)を作動させることができ、無理な発電を防止することができる。   As a result, the possibility of power generation under better conditions can be ensured, and the generator (321) can be operated under conditions that are safe with respect to the heat balance of the Rankine cycle (300), preventing excessive power generation. can do.

請求項17に記載の発明では、圧縮機(210)、エアコン用凝縮器(220A)、膨張弁(240)、蒸発器(250)を有する冷凍サイクル(200)を備え、凝縮器(220)と、エアコン用凝縮器(220A)とが共用されたことを特徴としている。   The invention according to claim 17 includes a refrigeration cycle (200) having a compressor (210), an air conditioner condenser (220A), an expansion valve (240), and an evaporator (250), and the condenser (220); The air conditioner condenser (220A) is shared.

これにより、エアコン凝縮器(220A)の設定を減らして、コンパクトに冷凍サイクル(200)を設けることができる。   Thereby, the setting of an air-conditioner condenser (220A) can be reduced and a refrigerating cycle (200) can be provided compactly.

請求項18〜請求項34に記載の発明は、廃熱利用装置(100)における制御方法に関するものであり、その技術的意義は上記請求項1〜請求項17に記載の廃熱利用装置と本質的に同じである。   The invention described in claims 18 to 34 relates to a control method in the waste heat utilization apparatus (100), and its technical significance is essentially the same as that of the waste heat utilization apparatus described in claims 1 to 17. Are the same.

尚、上記各手段の括弧内の符号は、後述する実施形態記載の具体的手段との対応関係を示すものである。   In addition, the code | symbol in the bracket | parenthesis of each said means shows a corresponding relationship with the specific means of embodiment description mentioned later.

(第1実施形態)
本発明の第1実施形態を図1〜図8に示し、まず、具体的な構成について説明する。本発明の廃熱利用装置100は、エンジン10を駆動源とする一般乗用車(車両)に適用されるものとしており、電動発電機321を備えるランキンサイクル300と、ランキンサイクル300(電動発電機321)の作動を制御する制御装置500(500a〜500d)とを有している。尚、この車両には、ランキンサイクル300内の一部の機器(凝縮器220、気液分離器230、過冷却器231)を共用する冷凍サイクル200が搭載されている。
(First embodiment)
A first embodiment of the present invention is shown in FIGS. 1 to 8, and a specific configuration will be described first. The waste heat utilization apparatus 100 of the present invention is applied to a general passenger car (vehicle) using the engine 10 as a drive source. The Rankine cycle 300 including the motor generator 321 and the Rankine cycle 300 (motor generator 321). And a control device 500 (500a to 500d) for controlling the operation of. The vehicle is equipped with a refrigeration cycle 200 that shares some of the equipment (condenser 220, gas-liquid separator 230, and subcooler 231) in the Rankine cycle 300.

図1に示すように、エンジン10は水冷式の内燃機関(本発明における発熱機器に対応)であり、エンジン冷却水の循環によってエンジン10が冷却されるラジエータ回路20、および冷却水(温水)を熱源として空調空気を加熱するヒータ回路30を有している。尚、エンジン10には、ベルト12を介して伝達されるエンジン10の駆動力によって駆動されて発電するオルタネータ11が設けられている。オルタネータ11によって発電された電力はバッテリ40に充電されると共に、バッテリ40に充電された電力は、車両電気負荷(ヘッドランプ、ワイパー、オーディオ等)41に供給されるようになっている。   As shown in FIG. 1, the engine 10 is a water-cooled internal combustion engine (corresponding to the heat generating device in the present invention), and a radiator circuit 20 that cools the engine 10 by circulation of engine cooling water, and cooling water (hot water). A heater circuit 30 for heating the conditioned air is provided as a heat source. The engine 10 is provided with an alternator 11 that is driven by the driving force of the engine 10 transmitted through the belt 12 to generate electric power. The electric power generated by the alternator 11 is charged in the battery 40, and the electric power charged in the battery 40 is supplied to a vehicle electrical load (headlamp, wiper, audio, etc.) 41.

ラジエータ回路20にはラジエータ21が設けられており、ラジエータ21は、温水ポンプ(本発明におけるポンプ手段に対応)22によって循環される冷却水を外気との熱交換により冷却する。ここでは温水ポンプ22は、エンジン10によって駆動される機械式ポンプとしており、エンジン10の回転数(以下、エンジン回転数)に対して所定の回転数比で作動されるようになっている。尚、エンジン10には、上記エンジン回転数を検出する回転数センサ13が設けられており、この回転数センサ13によって検出される回転数信号は、後述する制御装置500(車両制御ECU500b)に出力されるようになっている。   The radiator circuit 20 is provided with a radiator 21. The radiator 21 cools the cooling water circulated by a hot water pump (corresponding to the pump means in the present invention) 22 by heat exchange with outside air. Here, the hot water pump 22 is a mechanical pump driven by the engine 10 and is operated at a predetermined rotation speed ratio with respect to the rotation speed of the engine 10 (hereinafter referred to as engine rotation speed). The engine 10 is provided with a rotation speed sensor 13 for detecting the engine rotation speed, and a rotation speed signal detected by the rotation speed sensor 13 is output to a control device 500 (vehicle control ECU 500b) described later. It has come to be.

また、エンジン10の出口側の流路(エンジン10とラジエータ21の間の流路)には、水温センサ25と、後述するランキンサイクル300の加熱器310が配設されている。水温センサ25は、エンジン10の出口側における冷却水温度を検出する水温検出手段であり、この水温センサ25によって検出される温度信号は、後述する制御装置500(システム制御ECU500a)に出力されるようになっている。また、加熱器310内にはエンジン10から流出する冷却水が流通するようになっている。   In addition, a water temperature sensor 25 and a heater 310 of a Rankine cycle 300 to be described later are disposed in a flow path on the outlet side of the engine 10 (flow path between the engine 10 and the radiator 21). The water temperature sensor 25 is a water temperature detecting means for detecting the cooling water temperature on the outlet side of the engine 10, and a temperature signal detected by the water temperature sensor 25 is output to a control device 500 (system control ECU 500a) described later. It has become. Further, cooling water flowing out from the engine 10 circulates in the heater 310.

尚、ラジエータ回路20中にはラジエータ21を迂回して冷却水が流通するラジエータバイパス流路23が設けられており、サーモスタット24によってラジエータ21を流通する冷却水流量とラジエータバイパス流路23を流通する冷却水流量とが調節されるようになっている。   The radiator circuit 20 is provided with a radiator bypass passage 23 through which the coolant flows around the radiator 21, and the coolant flow through the radiator 21 and the radiator bypass passage 23 are circulated by the thermostat 24. The cooling water flow rate is adjusted.

ヒータ回路30にはヒータコア31が設けられており、上記の温水ポンプ22によって冷却水(温水)が循環されるようにようになっている。ヒータコア31は、空調ユニット400の空調ケース410内に配設されており、送風機420によって送風される空調空気を温水との熱交換により加熱する。尚、ヒータコア31にはエアミックスドア430が設けられており、このエアミックスドア430の開閉により、ヒータコア31を通過する空調空気量が調整される。   A heater core 31 is provided in the heater circuit 30, and cooling water (hot water) is circulated by the hot water pump 22. The heater core 31 is disposed in the air conditioning case 410 of the air conditioning unit 400, and heats the conditioned air blown by the blower 420 by heat exchange with hot water. The heater core 31 is provided with an air mix door 430, and the amount of conditioned air passing through the heater core 31 is adjusted by opening and closing the air mix door 430.

ランキンサイクル300は、エンジン10で発生した廃熱エネルギー(冷却水の熱エネルギー)を回収すると共に、この廃熱エネルギーを電気エネルギーに変換して利用するものである。以下、ランキンサイクル300について説明する。   The Rankine cycle 300 collects waste heat energy (cooling water heat energy) generated in the engine 10 and converts the waste heat energy into electric energy for use. Hereinafter, the Rankine cycle 300 will be described.

ランキンサイクル300は、加熱器310、膨張機320、凝縮器220、気液分離器230、過冷却器231、ポンプ330を有し、これらが順次接続されて閉回路を形成している。   The Rankine cycle 300 includes a heater 310, an expander 320, a condenser 220, a gas-liquid separator 230, a supercooler 231, and a pump 330, which are sequentially connected to form a closed circuit.

本ランキンサイクル300においては、膨張機320に電動機と発電機の両機能を備える電動発電機(本発明における発電機に対応)321が接続されると共に、ポンプ330が膨張機320に接続されるようになっている。具体的には、膨張機320に電動発電機321の一端側が接続され、更に、電動発電機321の他端側がポンプ330と接続され、膨張機320、電動発電機321、ポンプ330が一体的に形成されている。   In the Rankine cycle 300, a motor generator (corresponding to a generator in the present invention) 321 having both functions of an electric motor and a generator is connected to the expander 320, and a pump 330 is connected to the expander 320. It has become. Specifically, one end side of the motor generator 321 is connected to the expander 320, and the other end side of the motor generator 321 is connected to the pump 330, so that the expander 320, the motor generator 321 and the pump 330 are integrated. Is formed.

電動発電機321は、後述する制御装置500(インバータ500d)によって作動制御されるようになっている。即ち、電動発電機321は、後述するインバータ500dから電力供給されると、電動機として膨張機320、およびポンプ330を駆動(起動)させる。また、電動発電機321は、膨張機320から駆動力を受けると発電機として作動する。この時、電動発電機321はインバータ500dによって回転数制御され(詳細後述)、これに伴って発電量が調整される。そして、発電された電力は、インバータ500dによってバッテリ40に充電されるようになっている。   The operation of the motor generator 321 is controlled by a control device 500 (inverter 500d) described later. That is, the motor generator 321 drives (activates) the expander 320 and the pump 330 as motors when electric power is supplied from an inverter 500d described later. The motor generator 321 operates as a generator when receiving a driving force from the expander 320. At this time, the rotational speed of the motor generator 321 is controlled by the inverter 500d (details will be described later), and the power generation amount is adjusted accordingly. The generated power is charged into the battery 40 by the inverter 500d.

ポンプ330は、ランキンサイクル300内の冷媒を循環させる流体機器であり、膨張機320の駆動力によって作動される。加熱器310は、ポンプ330から送られる冷媒とラジエータ回路20を流通する高温の冷却水(本発明における加熱源に対応)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る。膨張機320は、加熱器310で加熱された過熱蒸気冷媒の膨張によって回転駆動力を発生させる流体機器である。   The pump 330 is a fluid device that circulates the refrigerant in the Rankine cycle 300 and is operated by the driving force of the expander 320. The heater 310 is a heat exchanger that heats the refrigerant by exchanging heat between the refrigerant sent from the pump 330 and the high-temperature cooling water (corresponding to the heating source in the present invention) flowing through the radiator circuit 20. The expander 320 is a fluid device that generates a rotational driving force by the expansion of the superheated steam refrigerant heated by the heater 310.

凝縮器220は、冷却媒体としての外気との熱交換によって冷媒を凝縮液化する熱交換器であり、例えば車両エンジンルーム内の前方に配設されている。凝縮器220の熱交換部には車両走行時の車速風が外気として流入するようになっている。尚、外気の流入量は車両の速度(車速)に応じて増加する。気液分離器230は、凝縮器220で凝縮された冷媒を気液二層に分離するレシーバである。過冷却器231は、気液分離器231から流出される液冷媒を更に冷却する熱交換器である。凝縮器220、気液分離器230、過冷却器231は、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なっている。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。   The condenser 220 is a heat exchanger that condenses and liquefies the refrigerant by heat exchange with outside air as a cooling medium, and is disposed, for example, in the front of the vehicle engine room. The vehicle speed wind at the time of traveling of the vehicle flows into the heat exchange part of the condenser 220 as outside air. The inflow of outside air increases according to the vehicle speed (vehicle speed). The gas-liquid separator 230 is a receiver that separates the refrigerant condensed in the condenser 220 into gas-liquid two layers. The subcooler 231 is a heat exchanger that further cools the liquid refrigerant flowing out of the gas-liquid separator 231. The condenser 220, the gas-liquid separator 230, and the supercooler 231 are in the form of a subcool condenser having a so-called gas-liquid separator. The condenser 220, the gas-liquid separator 230, and the supercooler 231 may be a gas-liquid separator integrated subcool condenser that is integrally formed.

そして、ポンプ330と加熱器310との間には、ランキンサイクル300の高圧側となる冷媒圧力(以下、高圧側圧力)を検出する圧力検出手段としての冷媒圧力センサ341が設けられている。この冷媒圧力センサ341によって検出される圧力信号は、後述する制御装置500(システム制御ECU500a)に出力されるようになっている。   And between the pump 330 and the heater 310, the refrigerant | coolant pressure sensor 341 as a pressure detection means which detects the refrigerant | coolant pressure (henceforth a high voltage | pressure side pressure) used as the high voltage | pressure side of the Rankine cycle 300 is provided. The pressure signal detected by the refrigerant pressure sensor 341 is output to a control device 500 (system control ECU 500a) described later.

また、過冷却器231とポンプ330との間には、ランキンサイクル300の低圧側となる冷媒圧力(以下、低圧側圧力)を検出する圧力検出手段としての冷媒圧力センサ342が設けられている。この冷媒圧力センサ342によって検出される圧力信号は、後述する制御装置500(システム制御ECU500a)に出力されるようになっている。   In addition, a refrigerant pressure sensor 342 is provided between the supercooler 231 and the pump 330 as pressure detection means for detecting a refrigerant pressure on the low pressure side of the Rankine cycle 300 (hereinafter, low pressure side pressure). The pressure signal detected by the refrigerant pressure sensor 342 is output to a control device 500 (system control ECU 500a) described later.

冷凍サイクル200は、圧縮機210、凝縮器220、気液分離器230、過冷却器231、膨張弁240、蒸発器250を有し、これらが順次環状に接続されて閉回路を形成している。凝縮器220、気液分離器230、過冷却器231は上記ランキンサイクル300のものが共用されるようになっており、冷凍サイクル200内を流通する作動流体は、ランキンサイクル300の冷媒と同一のものとなっている。   The refrigeration cycle 200 includes a compressor 210, a condenser 220, a gas-liquid separator 230, a supercooler 231, an expansion valve 240, and an evaporator 250, which are sequentially connected in a ring to form a closed circuit. . The condenser 220, the gas-liquid separator 230, and the supercooler 231 are commonly used in the Rankine cycle 300, and the working fluid that circulates in the refrigeration cycle 200 is the same as the refrigerant in the Rankine cycle 300. It has become a thing.

圧縮機210は、冷凍サイクル200内の冷媒を高温高圧に圧縮する流体機器であり、ここではエンジン10の駆動力によって駆動されるようになっている。即ち、圧縮機210の駆動軸には駆動手段としてのプーリ211が固定されており、エンジン10の駆動力がベルト12を介してプーリ211に伝達され、圧縮機210は駆動される。尚、プーリ211には、圧縮機210とプーリ211との間を断続する電磁クラッチ212が設けられている。電磁クラッチ212の断続は、後述する制御装置500(エアコン制御ECU500c)によって制御される。   The compressor 210 is a fluid device that compresses the refrigerant in the refrigeration cycle 200 to a high temperature and a high pressure. Here, the compressor 210 is driven by the driving force of the engine 10. That is, a pulley 211 as a driving means is fixed to the drive shaft of the compressor 210, and the driving force of the engine 10 is transmitted to the pulley 211 via the belt 12 to drive the compressor 210. The pulley 211 is provided with an electromagnetic clutch 212 that connects and disconnects between the compressor 210 and the pulley 211. The on / off state of the electromagnetic clutch 212 is controlled by a control device 500 (air conditioner control ECU 500c) described later.

圧縮機210の冷媒吐出側は、凝縮器220に合流するように接続され、また、過冷却器231の冷媒流出側でランキンサイクル300から分岐して、膨張弁240に接続されている。   The refrigerant discharge side of the compressor 210 is connected so as to merge with the condenser 220, and is branched from the Rankine cycle 300 on the refrigerant outflow side of the subcooler 231 and connected to the expansion valve 240.

膨張弁240は、過冷却器231から流出される液冷媒を減圧膨脹させる減圧手段であり、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。   The expansion valve 240 is a decompression unit that decompresses and expands the liquid refrigerant flowing out from the supercooler 231. In this embodiment, the expansion valve 240 decompresses the refrigerant in an enthalpy manner, and also superheats the refrigerant sucked into the compressor 210. A temperature type expansion valve that controls the opening degree of the throttle so that becomes a predetermined value is employed.

蒸発器250は、ヒータコア31と同様に空調ユニット400の空調ケース410内に配設されている。蒸発器250は、膨張弁240によって減圧膨張された冷媒を蒸発させて、その時の蒸発潜熱によって送風機420からの空調空気を冷却する熱交換器である。そして、蒸発器250の冷媒出口側は、圧縮機210の吸入側に接続されている。尚、蒸発器250によって冷却された空調空気とヒータコア31によって加熱された空調空気は、エアミックスドア430の開度に応じて混合比率が可変され、乗員の設定する温度に調節される。   The evaporator 250 is disposed in the air conditioning case 410 of the air conditioning unit 400 in the same manner as the heater core 31. The evaporator 250 is a heat exchanger that evaporates the refrigerant decompressed and expanded by the expansion valve 240 and cools the conditioned air from the blower 420 by the latent heat of evaporation at that time. The refrigerant outlet side of the evaporator 250 is connected to the suction side of the compressor 210. Note that the mixing ratio of the conditioned air cooled by the evaporator 250 and the conditioned air heated by the heater core 31 is adjusted according to the opening of the air mix door 430 and adjusted to a temperature set by the occupant.

制御装置(本発明における制御手段に対応)500は、上記ランキンサイクル300、および冷凍サイクル200の各種機器の作動を制御する制御手段であり、システム制御ECU500a、車両制御ECU500b、エアコン制御ECU500c、インバータ500dを有している。   A control device (corresponding to the control means in the present invention) 500 is a control means for controlling the operation of various devices of the Rankine cycle 300 and the refrigeration cycle 200, and includes a system control ECU 500a, a vehicle control ECU 500b, an air conditioner control ECU 500c, and an inverter 500d. have.

システム制御ECU500aには、車両制御ECU500bとエアコン制御ECU500cとインバータ500dとが接続されて、相互に制御信号が授受されるようになっている。システム制御ECU500aには、外気温度を検出する外気温検出手段としての外気温センサ510からの検出信号が入力されるようになっている。   A vehicle control ECU 500b, an air conditioner control ECU 500c, and an inverter 500d are connected to the system control ECU 500a, and control signals are exchanged between them. The system control ECU 500a receives a detection signal from an outside air temperature sensor 510 as outside air temperature detecting means for detecting the outside air temperature.

システム制御ECU500aは、ランキンサイクル300、および冷凍サイクル200の総合的な制御を行うと共に、後述するようにランキンサイクル300の作動状態に寄与する各種条件に応じて電動発電機321の作動を制御する(詳細後述)。   The system control ECU 500a performs overall control of the Rankine cycle 300 and the refrigeration cycle 200, and controls the operation of the motor generator 321 according to various conditions that contribute to the operating state of the Rankine cycle 300 as described later ( Details will be described later).

車両制御ECU500bは、主にエンジン10の制御を行うものであり、水温センサ25からの冷却水温度、回転数センサ13からのエンジン回転数、スロットルバルブ開度等から算出されるエンジン負荷(エンジントルク)等から、燃料(ガソリン)の燃焼効率が最適になるように、燃料噴射量(燃料供給量)を制御する。尚、車両制御ECU500bは、エンジン回転数、および図示しない変速機の変速比等から車両の速度、即ち車速を算出する。   The vehicle control ECU 500b mainly controls the engine 10, and is an engine load (engine torque) calculated from the coolant temperature from the water temperature sensor 25, the engine speed from the rotation speed sensor 13, the throttle valve opening, and the like. ) And the like, the fuel injection amount (fuel supply amount) is controlled so that the combustion efficiency of the fuel (gasoline) is optimized. The vehicle control ECU 500b calculates the speed of the vehicle, that is, the vehicle speed, from the engine speed, the transmission gear ratio (not shown), and the like.

エアコン制御ECU500cは、乗員のエアコン要求、設定温度、環境条件等に応じて、冷凍サイクル200の基本作動を制御する。また、インバータ500dは、電動発電機321を電動機あるいは発電機として作動させ、また、その回転数を調整することで、ランキンサイクル300の作動を制御する。   The air conditioner control ECU 500c controls the basic operation of the refrigeration cycle 200 according to the passenger's air conditioner request, set temperature, environmental conditions, and the like. The inverter 500d controls the operation of the Rankine cycle 300 by operating the motor generator 321 as an electric motor or a generator and adjusting the number of rotations thereof.

次に、上記構成に基づく廃熱利用装置100の作動について説明する。本廃熱利用装置100においては、以下のランキンサイクル単独運転に加えて、ランキンサイクルと冷凍サイクルの同時運転、および冷凍サイクル単独運転を可能とする。   Next, the operation of the waste heat utilization apparatus 100 based on the above configuration will be described. In this waste heat utilization apparatus 100, in addition to the following Rankine cycle single operation, simultaneous operation of Rankine cycle and refrigeration cycle and refrigeration cycle single operation are enabled.

1.ランキンサイクル単独運転
制御装置500は、エアコン要求が無く、冷却水温度が所定冷却水温度以上となってエンジン10の廃熱が充分得られると判定した時は、電磁クラッチ212を切断(圧縮機210は停止)し、電動発電機321をまず電動機として作動(起動)させて(膨張機320、ポンプ330を作動させて)、ランキンサイクル300を運転させる。そして、膨張機320の回転駆動力に伴う電動発電機321の発電作用により発電を行う。
1. Rankine cycle independent operation control device 500 disconnects electromagnetic clutch 212 (compressor 210) when it is determined that there is no air conditioner request and the cooling water temperature is equal to or higher than the predetermined cooling water temperature and sufficient waste heat of engine 10 is obtained. And the motor generator 321 is first actuated (activated) as an electric motor (by operating the expander 320 and the pump 330), and the Rankine cycle 300 is operated. Then, power is generated by the power generation action of the motor generator 321 accompanying the rotational driving force of the expander 320.

更に詳述すると、ポンプ330によって過冷却器231からの液冷媒が昇圧されて加熱器310に送られ、加熱器310において液冷媒は高温のエンジン冷却水によって加熱され、過熱蒸気冷媒となって膨張機320に送られる。膨張機320において過熱蒸気冷媒は等エントロピー的に膨張減圧され、その熱エネルギーと圧力エネルギーの一部が回転駆動力に変換され、膨張機320で取り出された回転駆動力によって電動発電機機321が作動される。そして、膨張機320での回転駆動力がポンプ330用の駆動力を超えると、電動発電機321は、電力を発生させる発電機として作動し、得られた電力はインバータ500dを介してバッテリ40に充電される。充電された電力は、車両電気負荷41の作動に使用される。よってオルタネータ11の負荷が軽減される。尚、膨張機320で減圧された冷媒は凝縮器220で凝縮され、気液分離器230で気液分離され、過冷却器231で過冷却されて、再びポンプ330へ吸引される。   More specifically, the liquid refrigerant from the supercooler 231 is boosted by the pump 330 and sent to the heater 310, where the liquid refrigerant is heated by the high-temperature engine cooling water and expands as superheated steam refrigerant. Sent to the machine 320. In the expander 320, the superheated vapor refrigerant is expanded and reduced in an isentropic manner, and part of the heat energy and pressure energy is converted into a rotational driving force, and the motor generator 321 is driven by the rotational driving force extracted by the expander 320. Actuated. When the rotational driving force in the expander 320 exceeds the driving force for the pump 330, the motor generator 321 operates as a generator that generates electric power, and the obtained electric power is supplied to the battery 40 via the inverter 500d. Charged. The charged electric power is used for the operation of the vehicle electric load 41. Therefore, the load on the alternator 11 is reduced. Note that the refrigerant decompressed by the expander 320 is condensed by the condenser 220, separated into gas and liquid by the gas / liquid separator 230, supercooled by the subcooler 231, and sucked into the pump 330 again.

2.ランキンサイクルと冷凍サイクルの同時運転
制御装置500は、廃熱が充分に得られ、且つ、エアコン要求があると判定した時は、ランキンサイクル300と冷凍サイクル200とを同時運転させ、発電と空調の両方を行う。
2. Simultaneous operation of the Rankine cycle and the refrigeration cycle When the controller 500 determines that sufficient waste heat is obtained and that there is an air conditioner request, the Rankine cycle 300 and the refrigeration cycle 200 are operated simultaneously to generate power and air conditioning. Do both.

この場合は、電磁クラッチ212を接続し、電動発電機321(膨張機320、ポンプ330)を作動させる。すると、膨張機320、および圧縮機210から吐出される冷媒は、合流して凝縮器220、気液分離器230、過冷却器231を流通し、その後にポンプ330側と膨張弁240側に分岐して、2つのサイクル300、200を循環する。ランキンサイクル300の作動内容は上記ランキンサイクル単独運転と同一である。また、冷凍サイクル200においては、空調空気が蒸発器250で冷却される。冷却された空調空気と、ヒータコア31によって加熱された空調空気は、エアミックスドア430によって所定比に混合されて乗員の設定する温度に調節される。   In this case, the electromagnetic clutch 212 is connected and the motor generator 321 (expander 320, pump 330) is operated. Then, the refrigerant discharged from the expander 320 and the compressor 210 merges and flows through the condenser 220, the gas-liquid separator 230, and the supercooler 231, and then branches to the pump 330 side and the expansion valve 240 side. Then, the two cycles 300 and 200 are circulated. The operation content of the Rankine cycle 300 is the same as that of the Rankine cycle single operation. In the refrigeration cycle 200, the conditioned air is cooled by the evaporator 250. The cooled conditioned air and the conditioned air heated by the heater core 31 are mixed at a predetermined ratio by the air mix door 430 and adjusted to a temperature set by the occupant.

3.冷凍サイクル単独運転
制御装置500は、エンジン10始動直後の暖機中等で廃熱が充分に得られない場合、即ち、水温センサ25によって得られる冷却水温度が所定冷却水温度に満たない場合で、乗員からのエアコン要求があると判定した時は、電動発電機321を停止(膨張機320、ポンプ330は停止)させ、電磁クラッチ212を接続し、エンジン10の駆動力によって圧縮機210を駆動させ、冷凍サイクル200を単独運転させる。
3. The refrigeration cycle single operation control device 500 is a case where sufficient waste heat cannot be obtained during warming up immediately after the engine 10 is started, that is, when the cooling water temperature obtained by the water temperature sensor 25 is less than a predetermined cooling water temperature. When it is determined that there is an air conditioner request from the occupant, the motor generator 321 is stopped (the expander 320 and the pump 330 are stopped), the electromagnetic clutch 212 is connected, and the compressor 210 is driven by the driving force of the engine 10. The refrigeration cycle 200 is operated alone.

本実施形態では、ランキンサイクル300運転時の作動状態に寄与する各種条件に応じて、電動発電機321の回転数を制御するようにしており、以下、図2〜図8を用いて詳細に説明する。   In the present embodiment, the rotational speed of the motor generator 321 is controlled according to various conditions that contribute to the operating state during the operation of the Rankine cycle 300, and will be described in detail below with reference to FIGS. To do.

図2は制御装置500が、ランキンサイクル300の運転を行う際の、電動発電機321の回転数を制御するための制御フローである。制御装置500は、ランキンサイクル300の運転時に、まずステップS100で各種データの読込みを行う。各種データというのは、水温センサ25から得られる冷却水温度(Tw)、回転数センサ13から得られるエンジン回転数(Ne)、外気温センサ510から得られる外気温度(TA)、車両制御ECU500bから得られる車速(Vv)、冷媒圧力センサ341から得られる高圧側圧力(Pr)、冷媒圧力センサ342から得られる低圧側圧力(Ph)である。   FIG. 2 is a control flow for controlling the rotational speed of the motor generator 321 when the control device 500 operates the Rankine cycle 300. At the time of operation of Rankine cycle 300, control device 500 first reads various data in step S100. The various data are the coolant temperature (Tw) obtained from the water temperature sensor 25, the engine speed (Ne) obtained from the rotational speed sensor 13, the outside air temperature (TA) obtained from the outside air temperature sensor 510, and the vehicle control ECU 500b. The vehicle speed (Vv) obtained, the high pressure side pressure (Pr) obtained from the refrigerant pressure sensor 341, and the low pressure side pressure (Ph) obtained from the refrigerant pressure sensor 342.

ステップS110で図3〜図8に示す制御特性図を用いて、上記各データに対応する回転数(N)を算出する。   In step S110, the rotational speed (N) corresponding to each data is calculated using the control characteristic diagrams shown in FIGS.

図3に示す制御特性図は、冷却水温度に対する最適な膨張機320およびポンプ330の回転数Ntwを算出するものである。これは、冷却水の流量が一定とすれば、冷却水温度が高いほど加熱器310における加熱能力が高くなり、廃熱エネルギーをより多く回収できることから、回転数Ntwをより高く設定するようにしたものである。この制御特性図を用いて水温センサ25から得られた冷却水温度に対応する値を回転数Ntwとして算出する。尚、膨張機320およびポンプ330の回転数としては、設計仕様としての最小回転数(Nmin)〜最大回転数(Nmin)を取り得るようになっており、上記制御特性図においては最小回転数側で最小冷却水温度(Twmin)と所定値+αとの間でヒステリシスを持たせるようにしている。   The control characteristic diagram shown in FIG. 3 is to calculate the optimum rotation speed Ntw of the expander 320 and the pump 330 with respect to the cooling water temperature. This is because if the cooling water flow rate is constant, the higher the cooling water temperature, the higher the heating capacity in the heater 310 and the more waste heat energy can be recovered, so the rotation speed Ntw is set higher. Is. A value corresponding to the cooling water temperature obtained from the water temperature sensor 25 is calculated as the rotation speed Ntw using this control characteristic diagram. Note that the rotation speed of the expander 320 and the pump 330 can be a minimum rotation speed (Nmin) to a maximum rotation speed (Nmin) as a design specification. Thus, hysteresis is provided between the minimum cooling water temperature (Twmin) and a predetermined value + α.

図4に示す制御特性図は、エンジン回転数に対する最適な膨張機320およびポンプ330の回転数Nqwを算出するものである。ここでエンジン回転数は、冷却水の流量として捉えたものである。即ち、冷却水の流量は、温水ポンプ22の回転数に比例するものであり、更に、温水ポンプ22はエンジン10によって駆動される機械式ポンプであることから、温水ポンプ22の回転数はエンジン回転数に比例する。よって直接的に把握が困難な冷却水の流量をエンジン回転数にて捉えることができる。   The control characteristic diagram shown in FIG. 4 is for calculating the optimum rotation speed Nqw of the expander 320 and the pump 330 with respect to the engine rotation speed. Here, the engine speed is taken as the flow rate of the cooling water. That is, the flow rate of the cooling water is proportional to the number of revolutions of the hot water pump 22, and the warm water pump 22 is a mechanical pump driven by the engine 10, so that the number of revolutions of the hot water pump 22 is the engine speed. It is proportional to the number. Therefore, the flow rate of the cooling water, which is difficult to grasp directly, can be captured by the engine speed.

上記制御特性図では、冷却水温度が一定とすれば、エンジン回転数(冷却水の流量)が高いほど加熱器310における加熱能力が高くなり、廃熱エネルギーをより多く回収できることから、回転数Nqwをより高く設定するようにしている。そして、この制御特性図を用いて回転数センサ13から得られたエンジン回転数に対応する値を回転数Nqwとして算出する。尚、上記図3の制御特性図と同様に、上記図4の制御特性図においては最小回転数(Nmin)側で最小エンジン回転数(Nemin)と所定値+αとの間でヒステリシスを持たせるようにしている。   In the above control characteristic diagram, if the cooling water temperature is constant, the higher the engine speed (cooling water flow rate), the higher the heating capacity in the heater 310 and the more waste heat energy can be recovered. Is set higher. Then, using this control characteristic diagram, a value corresponding to the engine speed obtained from the speed sensor 13 is calculated as the speed Nqw. As in the control characteristic diagram of FIG. 3, in the control characteristic diagram of FIG. 4, a hysteresis is provided between the minimum engine speed (Nemin) and the predetermined value + α on the minimum speed (Nmin) side. I have to.

図5に示す制御特性図は、外気温度に対する最適な膨張機320およびポンプ330の回転数Ntaを算出するものである。これは、外気の流量が一定とすれば、外気温度が低いほど凝縮器220における凝縮能力が高くなり、膨張機310から流出する冷媒の凝縮を充分に賄うことができることから、回転数Ntaをより高く設定するようにしたものである。この制御特性図を用いて外気温センサ510から得られた外気温度に対応する値を回転数Ntaとして算出する。尚、上記図3の制御特性図と同様に、上記図5の制御特性図においては最小回転数(Nmin)側で最大外気温度(TAmax)と所定値−αとの間でヒステリシスを持たせるようにしている。   The control characteristic diagram shown in FIG. 5 is for calculating the optimum rotation speed Nta of the expander 320 and the pump 330 with respect to the outside air temperature. This is because if the outside air flow rate is constant, the lower the outside air temperature, the higher the condensing capacity of the condenser 220 and the sufficient condensation of the refrigerant flowing out of the expander 310. It is set to be high. Using this control characteristic diagram, a value corresponding to the outside air temperature obtained from the outside air temperature sensor 510 is calculated as the rotation speed Nta. As in the control characteristic diagram of FIG. 3, in the control characteristic diagram of FIG. 5, a hysteresis is provided between the maximum outside air temperature (TAmax) and the predetermined value −α on the minimum rotational speed (Nmin) side. I have to.

図6に示す制御特性図は、車速に対する最適な膨張機320およびポンプ330の回転数Nvvを算出するものである。ここで車速は、凝縮器220に流入する外気の流量として捉えたものである。即ち、外気の流量は、外気の風速に比例するものであり、更に、外気の風速は車速に比例する。よって外気の流量を車速にて捉えることができる。   The control characteristic diagram shown in FIG. 6 is for calculating the optimum rotation speed Nvv of the expander 320 and the pump 330 with respect to the vehicle speed. Here, the vehicle speed is taken as the flow rate of outside air flowing into the condenser 220. That is, the flow rate of the outside air is proportional to the wind speed of the outside air, and the wind speed of the outside air is proportional to the vehicle speed. Therefore, the flow rate of outside air can be captured at the vehicle speed.

上記制御特性図では、外気温度が一定とすれば、車速(外気の流量)が高いほど凝縮器220における凝縮能力が高くなり、膨張機310から流出する冷媒の凝縮を充分に賄うことができることから、回転数Nvvをより高く設定するようにしている。そして、この制御特性図を用いて車両制御ECU500bで算出される車速に対応する値を回転数Nvvとして算出する。尚、上記図3の制御特性図と同様に、上記図6の制御特性図においては最小回転数(Nmin)側で最小車速(Vvmin)と所定値+αとの間でヒステリシスを持たせるようにしている。   In the above control characteristic diagram, if the outside air temperature is constant, the higher the vehicle speed (outside air flow rate), the higher the condensing capacity in the condenser 220, so that the refrigerant flowing out of the expander 310 can be sufficiently covered. The rotation speed Nvv is set higher. Then, using this control characteristic diagram, a value corresponding to the vehicle speed calculated by the vehicle control ECU 500b is calculated as the rotation speed Nvv. Similar to the control characteristic diagram of FIG. 3, in the control characteristic diagram of FIG. 6, a hysteresis is provided between the minimum vehicle speed (Vvmin) and the predetermined value + α on the minimum speed (Nmin) side. Yes.

図7に示す制御特性図は、ランキンサイクル300の低圧側圧力に対する最適な膨張機320およびポンプ330の回転数Nphを算出するものである。これは、低圧側圧力が低いほど凝縮器220における凝縮能力が高くなり、膨張機310から流出する冷媒の凝縮を充分に賄うことができることから、回転数Nphをより高く設定するようにしたものである。この制御特性図を用いて冷媒圧力センサ342から得られた低圧側圧力に対応する値を回転数Nphとして算出する。上記図3の制御特性図と同様に、上記図7の制御特性図においては最小回転数(Nmin)側で最大圧力(Phmax)と所定値−αとの間でヒステリシスを持たせるようにしている。尚、エアコン要求により冷凍サイクル200が運転されている場合には、凝縮器220の凝縮能力が冷凍サイクル200にも用いられるため、上記低圧側圧力が高くなって回転数Nphが低く設定されるため、ランキンサイクル300の運転が制限される。これより、ランキンサイクル300によって冷凍サイクル200の効率が悪化し、冷凍サイクル200の圧縮機210が余分に消費されるということを防ぐことができる。   The control characteristic diagram shown in FIG. 7 is to calculate the optimum rotation speed Nph of the expander 320 and the pump 330 with respect to the low-pressure side pressure of the Rankine cycle 300. This is because the condensing capacity in the condenser 220 becomes higher as the pressure on the low pressure side becomes lower, and the condensation of the refrigerant flowing out of the expander 310 can be sufficiently covered, so the rotational speed Nph is set higher. is there. A value corresponding to the low-pressure side pressure obtained from the refrigerant pressure sensor 342 is calculated as the rotation speed Nph using this control characteristic diagram. Similar to the control characteristic diagram of FIG. 3, in the control characteristic diagram of FIG. 7, hysteresis is provided between the maximum pressure (Phmax) and the predetermined value −α on the minimum rotational speed (Nmin) side. . When the refrigeration cycle 200 is operated due to an air conditioner request, the condensing capacity of the condenser 220 is also used for the refrigeration cycle 200, so the low-pressure side pressure is increased and the rotational speed Nph is set low. The operation of Rankine cycle 300 is limited. Accordingly, it is possible to prevent the efficiency of the refrigeration cycle 200 from being deteriorated by the Rankine cycle 300 and the compressor 210 of the refrigeration cycle 200 being consumed excessively.

図8に示す制御特性図は、ランキンサイクル300の高圧側圧力に対する最適な膨張機320およびポンプ330の回転数Nprを算出するものである。これは、高圧側圧力が低いほど冷媒の温度が低くなり、加熱器310における加熱能力が高くなり、廃熱エネルギーをより多く回収できることから、回転数Nprをより高く設定するようにしたものである。逆に、高圧側圧力が高いほど、上記加熱能力が低くなると共に、ランキンサイクル300の耐圧性に余裕がなくなることから、回転数Nprをより低く設定するようにしている。この制御特性図を用いて冷媒圧力センサ341から得られた高圧側圧力に対応する値を回転数Nprとして算出する。尚、上記図3の制御特性図と同様に、上記図8の制御特性図においては最小回転数(Nmin)側で最大圧力(Prmax)と所定値−αとの間でヒステリシスを持たせるようにしている。   The control characteristic diagram shown in FIG. 8 is to calculate the optimum rotation speed Npr of the expander 320 and the pump 330 with respect to the high pressure side pressure of the Rankine cycle 300. This is because the lower the high-pressure side pressure, the lower the refrigerant temperature, the higher the heating capacity in the heater 310, and the more waste heat energy can be recovered, so the rotational speed Npr is set higher. . On the contrary, the higher the high-pressure side pressure, the lower the heating capacity and the more the pressure resistance of the Rankine cycle 300 becomes less, so the rotation speed Npr is set lower. Using this control characteristic diagram, a value corresponding to the high-pressure side pressure obtained from the refrigerant pressure sensor 341 is calculated as the rotation speed Npr. Similar to the control characteristic diagram of FIG. 3, in the control characteristic diagram of FIG. 8, a hysteresis is provided between the maximum pressure (Prmax) and the predetermined value −α on the minimum rotational speed (Nmin) side. ing.

電動発電機321は膨張機320およびポンプ330に接続されていることから、上記図3〜図8の制御特性図にて算出された各回転数Ntw、Nqw、Nta、Nvv、Nph、Nprは、電動発電機321に対して制御すべき回転数となる。   Since the motor generator 321 is connected to the expander 320 and the pump 330, the rotational speeds Ntw, Nqw, Nta, Nvv, Nph, and Npr calculated in the control characteristic diagrams of FIGS. This is the number of rotations to be controlled for the motor generator 321.

そして、ステップS120で、電動発電機321の制御回転数Nmgを決定する。ここでは、Nmg=MIN(Ntw、Nqw、Nta、Nvv、Nph、Npr)として決定している。即ち、上記で算出された各回転数Ntw、Nqw、Nta、Nvv、Nph、Nprのうち、最小の回転数を制御回転数Nmgとしている。   In step S120, the control rotational speed Nmg of the motor generator 321 is determined. Here, it is determined as Nmg = MIN (Ntw, Nqw, Nta, Nvv, Nph, Npr). That is, among the rotation speeds Ntw, Nqw, Nta, Nvv, Nph, and Npr calculated above, the minimum rotation speed is set as the control rotation speed Nmg.

そして、ステップS130で、インバータ500dは電動発電機321の作動回転数が制御回転数Nmgとなるように調整する。   In step S130, the inverter 500d adjusts so that the operating rotational speed of the motor generator 321 becomes the control rotational speed Nmg.

これにより、ランキンサイクル300における熱バランスを確保しながら、膨張機320によって電動発電機321を作動させることができるので、効率的な発電が可能となる。   As a result, the motor generator 321 can be operated by the expander 320 while ensuring the heat balance in the Rankine cycle 300, so that efficient power generation is possible.

ここでは、複数のデータ(冷却水温度、エンジン回転数、外気温度、車速、高圧側圧力、低圧側圧力)を用いて電動発電機321の制御すべき回転数を算出すると共に、算出された回転数(Ntw、Nqw、Nta、Nvv、Nph、Npr)のうち、最小値を用いるようにしているので、より良い条件での発電の可能性を確保できると共に、ランキンサイクル300の熱バランスに対して安全側の条件で電動発電機321を作動させることができ、無理な発電を防止することができる。   Here, the rotation speed to be controlled by the motor generator 321 is calculated using a plurality of data (cooling water temperature, engine rotation speed, outside air temperature, vehicle speed, high pressure side pressure, low pressure side pressure), and the calculated rotation Since the minimum value is used among the numbers (Ntw, Nqw, Nta, Nvv, Nph, Npr), the possibility of power generation under better conditions can be ensured and the heat balance of the Rankine cycle 300 can be secured. The motor generator 321 can be operated under safe conditions, and excessive power generation can be prevented.

また、制御すべき回転数(Ntw、Nqw、Nta、Nvv、Nph、Npr)を算出するための制御特性図(図2〜図8)には、ヒステリシスを持たせるようにしているので、最小回転数(Nmin)側で各種データが微小変動して、電動発電機321のOFF状態、あるいはONN状態がハンチングするのを防止することができ、安定した制御が可能となる。   In addition, since the control characteristic diagrams (FIGS. 2 to 8) for calculating the number of rotations (Ntw, Nqw, Nta, Nvv, Nph, Npr) to be controlled have hysteresis, the minimum rotation It is possible to prevent hunting of the OFF state or ONN state of the motor generator 321 due to minute fluctuations of various data on the number (Nmin) side, and stable control becomes possible.

また、加熱器310を流通する冷却水の流量を、温水ポンプ22の回転数として捉え、更に温水ポンプ22の回転数をエンジン回転数にて捉えるようにしているので、冷却水の流量を容易に推定して上記制御の演算を可能としている。   In addition, the flow rate of the cooling water flowing through the heater 310 is regarded as the rotational speed of the hot water pump 22, and the rotational speed of the hot water pump 22 is captured based on the engine rotational speed. The above control can be calculated by estimation.

また、凝縮器220に流入する外気の流量を、風速として、更には車速として捉えるようにしているので、外気の流量を容易に推定して上記制御の演算を可能としている。   In addition, since the flow rate of the outside air flowing into the condenser 220 is regarded as the wind speed and further as the vehicle speed, the flow rate of the outside air can be easily estimated to perform the above calculation.

また、ランキンサイクル300の高圧側圧力を加味して電動発電機321の制御回転数を決定するようにしているおり、高圧側圧力が高い場合は、電動発電機321の回転数を低い側に制御することから、ランキンサイクル300の耐圧性にかかわる信頼性向上にも繋げることができる。   In addition, the control rotation speed of the motor generator 321 is determined in consideration of the high pressure side pressure of the Rankine cycle 300. When the high pressure side pressure is high, the rotation speed of the motor generator 321 is controlled to the low side. Therefore, the reliability related to the pressure resistance of the Rankine cycle 300 can be improved.

また、ランキンサイクル300の凝縮器220(気液分離器230、過冷却器231)を共用して冷凍サイクル200を形成するようにしているので、冷凍サイクル200用の専用機器の設定を減らして、コンパクトに冷凍サイクル200とすることができる。   In addition, since the refrigeration cycle 200 is formed by sharing the condenser 220 (gas-liquid separator 230, supercooler 231) of the Rankine cycle 300, the setting of dedicated equipment for the refrigeration cycle 200 is reduced, The refrigeration cycle 200 can be made compact.

(第2実施形態)
上記第1実施形態に対して、制御回転数Nmgの決定については、Nmg=(Ntw、Nqw、Nph、Npr)として、外気温度に伴う回転数Nta、車速に伴う回転数Nvvの条件を省略しても良い。
(Second Embodiment)
For the determination of the control rotation speed Nmg with respect to the first embodiment, Nmg = (Ntw, Nqw, Nph, Npr), and the conditions of the rotation speed Nta associated with the outside air temperature and the rotation speed Nvv associated with the vehicle speed are omitted. May be.

即ち、凝縮器220においては外気温度が高くなるほど、凝縮能力が低下して凝縮温度は高く成り、それに伴って低圧側圧力が上昇する。また、車速が低くなるほど、外気の流量としては低下することになり、凝縮能力が低下して、それに伴って低圧側圧力が上昇する。つまり、外気温度および車速は、低圧側圧力に含まれることになるため、制御中において低圧側圧力の条件を用いていれば、外気温度および車速については省略が可能となる。   That is, in the condenser 220, the higher the outside air temperature, the lower the condensing capacity and the higher the condensing temperature, and accordingly the low pressure side pressure increases. Further, the lower the vehicle speed, the lower the flow rate of outside air, the lower the condensing capacity, and accordingly the low pressure side pressure increases. That is, since the outside air temperature and the vehicle speed are included in the low pressure side pressure, if the low pressure side pressure condition is used during the control, the outside air temperature and the vehicle speed can be omitted.

これにより、外気温度、車速の検出を不要とし(外気温センサ510の設定を不要とし)、更に図2で説明した制御フロー中の演算を簡略化して、電動発電機321の制御をシンプルにすることができる。   This eliminates the need to detect the outside air temperature and the vehicle speed (no need to set the outside air temperature sensor 510), further simplifies the calculation in the control flow described in FIG. 2, and simplifies the control of the motor generator 321. be able to.

(第3実施形態)
本発明の第3実施形態を図9に示す。第1実施形態の冷凍サイクル200に対して、専用のエアコン用凝縮器220Aと気液分離器230Aを設けることで、ランキンサイクル300から独立して形成される冷凍サイクル200Aとしても良い。電動発電機321の制御については、上記第1実施形態、あるいは第2実施形態と同様に行うものとしている。これにより、上記第1、第2実施形態と同様の効果を得ることができる。
(Third embodiment)
A third embodiment of the present invention is shown in FIG. The refrigeration cycle 200 of the first embodiment may be a refrigeration cycle 200 </ b> A formed independently of the Rankine cycle 300 by providing a dedicated air conditioner condenser 220 </ b> A and a gas-liquid separator 230 </ b> A. The control of the motor generator 321 is performed in the same manner as in the first embodiment or the second embodiment. Thereby, the effect similar to the said 1st, 2nd embodiment can be acquired.

(その他の実施形態)
上記第1〜第3実施形態では、冷却水温度、エンジン回転数、外気温度、車速、高圧側圧力、低圧側圧力といった複数(6つ)のデータをもとに、電動発電機321の制御回転数を決定するようにしたが、上記複数のデータのうち、1つを用いて、あるいは2つ以上(2つ、3つ、4つ、5つ)を用いて実行するようにしても良い。
(Other embodiments)
In the first to third embodiments, the controlled rotation of the motor generator 321 is based on a plurality of (six) data such as cooling water temperature, engine speed, outside air temperature, vehicle speed, high pressure side pressure, and low pressure side pressure. Although the number is determined, it may be executed using one of the plurality of data or using two or more (two, three, four, five).

また、電動発電機321の回転数制御にあたって、温水ポンプ22をエンジン10によって駆動される機械式のポンプとして、冷却水の流量をエンジン回転数から推定するようにしたが、温水ポンプ22を電動機によって駆動される電動式のポンプとして、電動機の制御値からポンプ回転数を把握して、冷却水の流量を推定するようにしても良い。例えば、電動機の作動出力をデューティ制御するものであれば、その時の電圧デューティ比をポンプ回転数として捉えることができる。あるいは、電動機の作動出力をインバータ制御するものであれば、その時のインバータ電圧の周波数をポンプ回転数として捉えることができる。   Further, in controlling the rotational speed of the motor generator 321, the flow rate of the cooling water is estimated from the engine rotational speed by using the hot water pump 22 as a mechanical pump driven by the engine 10, but the hot water pump 22 is driven by the electric motor. As the electric pump to be driven, the flow rate of the cooling water may be estimated by grasping the pump rotation speed from the control value of the electric motor. For example, if duty control is performed on the operation output of the electric motor, the voltage duty ratio at that time can be regarded as the pump rotation speed. Or if the operation output of an electric motor is inverter-controlled, the frequency of the inverter voltage at that time can be grasped as a pump rotation speed.

また、冷却水の流量は、ラジエータ回路20に例えば流量カウンタ等の流量検出手段を設けて、直接的に把握するようにしても良い。   Further, the flow rate of the cooling water may be directly grasped by providing flow rate detection means such as a flow rate counter in the radiator circuit 20.

また、凝縮器220における外気の流量を車速から推定するようにしたが、これに代えて、凝縮器220に流入する外気の風速を直接的に風速センサ等で検出して、それによって得られた風速を用いて外気の流量を把握するようにしても良い。   In addition, the flow rate of the outside air in the condenser 220 is estimated from the vehicle speed. Instead, the wind speed of the outside air flowing into the condenser 220 is directly detected by a wind speed sensor or the like, and thus obtained. You may make it grasp | ascertain the flow volume of external air using a wind speed.

また、発熱機器として、車両用のエンジン(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。その場合、加熱器310に対する加熱源は、各種廃熱機器の冷却用の流体となる。   Further, although the vehicle engine (internal combustion engine) 10 is used as the heat generating device, the heat generating device is not limited to this. For example, an external combustion engine, a fuel cell stack of a fuel cell vehicle, various motors, an inverter, and the like generate heat during operation. Along with this, any part of the heat for temperature control (those that generate waste heat) can be widely applied. In that case, the heating source for the heater 310 is a fluid for cooling various waste heat equipment.

また、凝縮器220における冷却媒体は外気に限らず、他の冷却流体(冷却水等)としても良い。   Further, the cooling medium in the condenser 220 is not limited to the outside air, but may be other cooling fluid (cooling water or the like).

また、過冷却器231は、必要に応じて、廃止しても良い。   Moreover, you may abolish the supercooler 231 as needed.

また、上記ランキンサイクル300(および冷凍サイクル200)は、一般乗用車に搭載されるものとして説明したが、対象とする車両は、これに限らず、ハイブリッド車やトラック、バス等他の車両にも広く適用可能である。   In addition, the Rankine cycle 300 (and the refrigeration cycle 200) has been described as being mounted on a general passenger car. However, the target vehicle is not limited to this, and can be widely applied to other vehicles such as hybrid vehicles, trucks, and buses. Applicable.

また、ランキンサイクル300と冷凍サイクル200とを動時運転させた場合に、ランキンサイクル300の単独運転の場合に比べてランキンサイクル300の出力を低く抑えるように電動発電機321の作動回転数を制御するようにしてもよい。これより、ランキンサイクル300によって冷凍サイクル200の効率が悪化し、冷凍サイクル200の圧縮機210が余分に消費されるということを防ぐことができる。   In addition, when the Rankine cycle 300 and the refrigeration cycle 200 are operated during operation, the operating rotational speed of the motor generator 321 is controlled so as to keep the output of the Rankine cycle 300 low compared to the case where the Rankine cycle 300 is operated alone. You may make it do. Accordingly, it is possible to prevent the efficiency of the refrigeration cycle 200 from being deteriorated by the Rankine cycle 300 and the compressor 210 of the refrigeration cycle 200 being consumed excessively.

また、上記の各実施形態では、凝縮器220から流出される凝縮冷媒を加熱器310に圧送するポンプ330が膨張機320に接続された廃熱利用装置100について述べたが、ポンプ330と膨張機320を別々に駆動可能に設け、制御装置500によって、加熱器310の加熱能力、凝縮器220の凝縮能力、ランキンサイクル300中の冷媒圧力のうち、少なくとも1つに応じてポンプ330の作動回転数を制御するようにしても効率的な発電が可能となる。
Further, in each of the above embodiments, the waste heat utilization apparatus 100 in which the pump 330 that pumps the condensed refrigerant flowing out from the condenser 220 to the heater 310 is connected to the expander 320 has been described. 320 can be driven separately, and the controller 500 controls the operating speed of the pump 330 according to at least one of the heating capacity of the heater 310, the condensation capacity of the condenser 220, and the refrigerant pressure in the Rankine cycle 300. Even if it is controlled, efficient power generation becomes possible.

第1実施形態における廃熱利用装置全体を示す模式図である。It is a schematic diagram which shows the whole waste heat utilization apparatus in 1st Embodiment. 第1実施形態における制御装置が行う電動発電機の制御フローである。It is a control flow of the motor generator which the control apparatus in 1st Embodiment performs. 第1実施形態における冷却水温度に対応する最適な回転数を算出する制御特性図である。It is a control characteristic figure which calculates the optimal number of rotations corresponding to the cooling water temperature in a 1st embodiment. 第1実施形態におけるエンジン回転数に対応する最適な回転数を算出する制御特性図である。It is a control characteristic figure which calculates the optimal number of rotations corresponding to the engine number of rotations in a 1st embodiment. 第1実施形態における外気温度に対応する最適な回転数を算出する制御特性図である。It is a control characteristic figure which calculates the optimal number of rotations corresponding to the outside temperature in a 1st embodiment. 第1実施形態における車速に対応する最適な回転数を算出する制御特性図である。It is a control characteristic figure which calculates the optimal number of rotations corresponding to the vehicle speed in a 1st embodiment. 第1実施形態における低圧側圧力に対応する最適な回転数を算出する制御特性図である。It is a control characteristic figure which calculates the optimal number of rotations corresponding to the low-pressure side pressure in a 1st embodiment. 第1実施形態における高圧側圧力に対応する最適な回転数を算出する制御特性図である。It is a control characteristic figure which calculates the optimal number of rotations corresponding to the high-pressure side pressure in a 1st embodiment. 第3実施形態における廃熱利用装置全体を示す模式図である。It is a schematic diagram which shows the whole waste heat utilization apparatus in 3rd Embodiment.

符号の説明Explanation of symbols

10 エンジン(発熱機器、内燃機関)
22 温水ポンプ(ポンプ手段)
100 廃熱利用装置
200 冷凍サイクル
210 圧縮機
220 凝縮器
220A エアコン用凝縮器
240 膨張弁
250 蒸発器
300 ランキンサイクル
310 加熱器
320 膨張機
321 電動発電機(発電機)
330 ポンプ
500 制御装置(制御手段)
10 Engine (heat generating equipment, internal combustion engine)
22 Hot water pump (pump means)
DESCRIPTION OF SYMBOLS 100 Waste heat utilization apparatus 200 Refrigeration cycle 210 Compressor 220 Condenser 220A Air-conditioner condenser 240 Expansion valve 250 Evaporator 300 Rankine cycle 310 Heater 320 Expander 321 Motor generator (generator)
330 Pump 500 Control device (control means)

Claims (34)

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(310)、前記加熱器(310)から流出される過熱蒸気冷媒の膨張によって作動される膨張機(320)、前記膨張機(320)から流出される膨張後の冷媒を冷却媒体によって冷却凝縮する凝縮器(220)、前記凝縮器(220)から流出される凝縮冷媒を前記加熱器(310)に圧送するポンプ(330)を有するランキンサイクル(300)と、
前記膨張機(320)に接続されると共に、前記膨張機(320)の駆動力によって作動されて発電する発電機(321)と、
前記発電機(321)の作動を制御する制御手段(500)とを有し、
前記ポンプ(330)が前記膨張機(320)に接続された廃熱利用装置において、
前記制御手段(500)は、前記冷媒に対する前記加熱器(310)の加熱能力、前記冷媒に対する前記凝縮器(220)の凝縮能力、前記ランキンサイクル(300)中の冷媒圧力のうち、少なくとも1つに応じて前記発電機(321)の作動回転数を制御することを特徴とする廃熱利用装置。
A heater (310) for heating the refrigerant using waste heat of the heat generating device (10) as a heating source, an expander (320) operated by expansion of superheated steam refrigerant flowing out from the heater (310), and the expander A condenser (220) that cools and condenses the expanded refrigerant flowing out from (320) with a cooling medium, and a pump (330) that pumps the condensed refrigerant flowing out from the condenser (220) to the heater (310) A Rankine cycle (300) having
A generator (321) that is connected to the expander (320) and is activated by the driving force of the expander (320) to generate electric power;
Control means (500) for controlling the operation of the generator (321),
In the waste heat utilization apparatus in which the pump (330) is connected to the expander (320),
The control means (500) includes at least one of a heating capacity of the heater (310) with respect to the refrigerant, a condensing capacity of the condenser (220) with respect to the refrigerant, and a refrigerant pressure in the Rankine cycle (300). The waste heat utilization apparatus characterized by controlling the operation | movement rotation speed of the said generator (321) according to.
前記発熱機器(10)は、内燃機関(10)であり、
前記加熱源は、前記内燃機関(10)を冷却する冷却水であることを特徴とする請求項1に記載の廃熱利用装置。
The heat generating device (10) is an internal combustion engine (10),
The waste heat utilization apparatus according to claim 1, wherein the heating source is cooling water for cooling the internal combustion engine (10).
前記制御手段(500)は、前記加熱能力を前記冷却水の温度で把握すると共に、前記冷却水の温度が高いほど、前記発電機(321)の作動回転数を高くすることを特徴とする請求項2に記載の廃熱利用装置。   The said control means (500) grasps | ascertains the said heating capability with the temperature of the said cooling water, and makes the working rotation speed of the said generator (321) high, so that the temperature of the said cooling water is high. Item 3. A waste heat utilization apparatus according to Item 2. 前記制御手段(500)は、前記加熱能力を前記冷却水の流量で把握すると共に、前記冷却水の流量が多いほど、前記発電機(321)の作動回転数を高くすることを特徴とする請求項2に記載の廃熱利用装置。   The said control means (500) grasps | ascertains the said heating capability with the flow volume of the said cooling water, and makes the working rotation speed of the said generator (321) high, so that the flow volume of the said cooling water is large. Item 3. A waste heat utilization apparatus according to Item 2. 前記冷却水は、ポンプ手段(22)によって前記内燃機関(10)を循環するようになっており、
前記制御手段(500)は、前記ポンプ手段(22)の回転数から前記冷却水の流量を推定することを特徴とする請求項4に記載の廃熱利用装置。
The cooling water is circulated through the internal combustion engine (10) by a pump means (22),
The waste heat utilization apparatus according to claim 4, wherein the control means (500) estimates the flow rate of the cooling water from the rotational speed of the pump means (22).
前記ポンプ手段(22)は、前記内燃機関(10)の動力によって駆動されるようになっており、
前記制御手段(500)は、前記ポンプ手段(22)の回転数を前記内燃機関(10)の回転数から推定することを特徴とする請求項5に記載の廃熱利用装置。
The pump means (22) is driven by the power of the internal combustion engine (10),
The waste heat utilization apparatus according to claim 5, wherein the control means (500) estimates the rotational speed of the pump means (22) from the rotational speed of the internal combustion engine (10).
前記ポンプ手段(22)は、電動機制御手段によって作動制御される電動機の動力によって駆動されるようになっており、
前記制御手段(500)は、前記ポンプ手段(22)の回転数を前記電動機の制御値から推定することを特徴とする請求項5に記載の廃熱利用装置。
The pump means (22) is driven by the power of the electric motor that is controlled by the electric motor control means,
The waste heat utilization apparatus according to claim 5, wherein the control means (500) estimates the rotational speed of the pump means (22) from a control value of the electric motor.
前記電動機は、作動出力がデューティ制御されるものであって、
前記制御値は、前記電動機の電圧デューティ比としたことを特徴とする請求項7に記載の廃熱利用装置。
The electric motor is one whose operation output is duty controlled,
The waste heat utilization apparatus according to claim 7, wherein the control value is a voltage duty ratio of the electric motor.
前記電動機は、作動出力がインバータ制御されるものであって、
前記制御値は、前記電動機のインバータ電圧の周波数としたことを特徴とする請求項7に記載の廃熱利用装置。
The electric motor is an inverter whose operation output is controlled by an inverter,
The waste heat utilization apparatus according to claim 7, wherein the control value is a frequency of an inverter voltage of the electric motor.
前記冷却媒体は、外気であり、
前記制御手段(500)は、前記凝縮能力を前記外気の温度で把握すると共に、前記外気の温度が低いほど、前記発電機(321)の作動回転数を高くすることを特徴とする請求項1に記載の廃熱利用装置。
The cooling medium is outside air;
The said control means (500) grasps | ascertains the said condensation capacity | capacitance by the temperature of the said outside air, and makes the working rotation speed of the said generator (321) high, so that the temperature of the said outside air is low. The waste heat utilization device described in 1.
前記冷却媒体は、外気であり、
前記制御手段(500)は、前記凝縮能力を前記外気の流量で把握すると共に、前記外気の流量が多いほど、前記発電機(321)の作動回転数を高くすることを特徴とする請求項1に記載の廃熱利用装置。
The cooling medium is outside air;
The said control means (500) grasps | ascertains the said condensation capacity | capacitance with the flow volume of the said outside air, and makes the working rotation speed of the said generator (321) high, so that the flow volume of the said outside air is large. The waste heat utilization device described in 1.
前記制御手段(500)は、前記外気の風速から前記外気の流量を推定することを特徴とする請求項11に記載の廃熱利用装置。   The waste heat utilization apparatus according to claim 11, wherein the control means (500) estimates a flow rate of the outside air from a wind speed of the outside air. 車両に搭載されて、前記凝縮器(220)には前記車両の車速風によって前記外気が導入されるようになっており、
前記制御手段(500)は、前記車両の車速から前記外気の流量を推定することを特徴とする請求項11に記載の廃熱利用装置。
Mounted on a vehicle, the outside air is introduced into the condenser (220) by the vehicle speed wind of the vehicle,
The waste heat utilization apparatus according to claim 11, wherein the control means (500) estimates the flow rate of the outside air from a vehicle speed of the vehicle.
前記車両は、一般乗用車、ハイブリッド車、トラックを含むことを特徴とする請求項13に記載の廃熱利用装置。   The waste heat utilization apparatus according to claim 13, wherein the vehicle includes a general passenger car, a hybrid vehicle, and a truck. 前記制御手段(500)は、前記冷媒圧力として、前記ランキンサイクル(300)の高圧側圧力、および前記ランキンサイクル(300)の低圧側圧力のうち、少なくとも一方を用いると共に、
前記高圧側圧力、前記低圧側圧力のうち、少なくとも一方が低いほど、前記発電機(321)の作動回転数を高くすることを特徴とする請求項1に記載の廃熱利用装置。
The control means (500) uses at least one of the high pressure side pressure of the Rankine cycle (300) and the low pressure side pressure of the Rankine cycle (300) as the refrigerant pressure,
The waste heat utilization apparatus according to claim 1, wherein the operating rotational speed of the generator (321) is increased as at least one of the high-pressure side pressure and the low-pressure side pressure is low.
前記制御手段(500)は、前記発電機(321)の作動回転数を設定する際に、前記冷却水の温度、前記冷却水の流量、前記外気の温度、前記外気の流量、前記冷媒圧力の値のうち、2つ以上の値を用いるようにしており、
前記2つ以上の値から算出される作動回転数のうち、最小値を用いて前記発電機(321)の作動回転数として決定することを特徴とする請求項3、請求項4、請求項10、請求項11、請求項15に記載の廃熱利用装置。
When the operating speed of the generator (321) is set, the control means (500) sets the temperature of the cooling water, the flow rate of the cooling water, the temperature of the outside air, the flow rate of the outside air, and the refrigerant pressure. Two or more values are used among the values,
The operating rotational speed of the generator (321) is determined using the minimum value among the operating rotational speeds calculated from the two or more values. The waste heat utilization apparatus of Claim 11, Claim 15.
圧縮機(210)、エアコン用凝縮器(220A)、膨張弁(240)、蒸発器(250)を有する冷凍サイクル(200)を備え、
前記凝縮器(220)と、前記エアコン用凝縮器(220A)とが共用されたことを特徴とする請求項1〜請求項16のいずれか1つに記載の廃熱利用装置。
A refrigeration cycle (200) having a compressor (210), an air conditioner condenser (220A), an expansion valve (240), and an evaporator (250);
The waste heat utilization apparatus according to any one of claims 1 to 16, wherein the condenser (220) and the air conditioner condenser (220A) are shared.
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(310)、前記加熱器(310)から流出される過熱蒸気冷媒の膨張によって作動される膨張機(320)、前記膨張機(320)から流出される膨張後の冷媒を冷却媒体によって冷却凝縮する凝縮器(220)、前記凝縮器(220)から流出される凝縮冷媒を前記加熱器(310)に圧送するポンプ(330)を有するランキンサイクル(300)と、
前記膨張機(320)に接続されると共に、前記膨張機(320)の駆動力によって作動されて発電する発電機(321)とを有し、
前記ポンプ(330)が前記膨張機(320)に接続された廃熱利用装置の制御方法であって、
前記冷媒に対する前記加熱器(310)の加熱能力、前記冷媒に対する前記凝縮器(220)の凝縮能力、前記ランキンサイクル(300)中の冷媒圧力のうち、少なくとも1つに応じて前記発電機(321)の作動回転数を制御することを特徴とする廃熱利用装置の制御方法。
A heater (310) for heating the refrigerant using waste heat of the heat generating device (10) as a heating source, an expander (320) operated by expansion of superheated steam refrigerant flowing out from the heater (310), and the expander A condenser (220) that cools and condenses the expanded refrigerant flowing out from (320) with a cooling medium, and a pump (330) that pumps the condensed refrigerant flowing out from the condenser (220) to the heater (310) A Rankine cycle (300) having
A generator (321) that is connected to the expander (320) and that is operated by the driving force of the expander (320) to generate electric power;
The pump (330) is a method for controlling a waste heat utilization apparatus connected to the expander (320),
The generator (321) according to at least one of the heating capacity of the heater (310) with respect to the refrigerant, the condensation capacity of the condenser (220) with respect to the refrigerant, and the refrigerant pressure in the Rankine cycle (300). The control method of the waste heat utilization apparatus characterized by controlling the operation | movement rotation speed of (3).
前記発熱機器(10)は、内燃機関(10)であり、
前記加熱源は、前記内燃機関(10)を冷却する冷却水であることを特徴とする請求項18に記載の廃熱利用装置の制御方法。
The heat generating device (10) is an internal combustion engine (10),
The method of controlling a waste heat utilization apparatus according to claim 18, wherein the heating source is cooling water for cooling the internal combustion engine (10).
前記加熱能力を前記冷却水の温度で把握すると共に、前記冷却水の温度が高いほど、前記発電機(321)の作動回転数を高くすることを特徴とする請求項19に記載の廃熱利用装置の制御方法。   The use of waste heat according to claim 19, wherein the heating capacity is grasped by the temperature of the cooling water, and the operating speed of the generator (321) is increased as the temperature of the cooling water is higher. Control method of the device. 前記加熱能力を前記冷却水の流量で把握すると共に、前記冷却水の流量が多いほど、前記発電機(321)の作動回転数を高くすることを特徴とする請求項19に記載の廃熱利用装置の制御方法。   The use of waste heat according to claim 19, wherein the heating capacity is grasped by the flow rate of the cooling water, and the operating rotational speed of the generator (321) is increased as the flow rate of the cooling water is increased. Control method of the device. 前記冷却水は、ポンプ手段(22)によって前記内燃機関(10)を循環するようになっており、
前記ポンプ手段(22)の回転数から前記冷却水の流量を推定することを特徴とする請求項21に記載の廃熱利用装置の制御方法。
The cooling water is circulated through the internal combustion engine (10) by a pump means (22),
The method for controlling a waste heat utilization apparatus according to claim 21, wherein the flow rate of the cooling water is estimated from the rotational speed of the pump means (22).
前記ポンプ手段(22)は、前記内燃機関(10)の動力によって駆動されるようになっており、
前記ポンプ手段(22)の回転数を前記内燃機関(10)の回転数から推定することを特徴とする請求項22に記載の廃熱利用装置の制御方法。
The pump means (22) is driven by the power of the internal combustion engine (10),
23. The method for controlling a waste heat utilization apparatus according to claim 22, wherein the rotational speed of the pump means (22) is estimated from the rotational speed of the internal combustion engine (10).
前記ポンプ手段(22)は、電動機の動力によって駆動されるようになっており、
前記ポンプ手段(22)の回転数を前記電動機作動制御時の制御値から推定することを特徴とする請求項22に記載の廃熱利用装置の制御方法。
The pump means (22) is driven by the power of an electric motor,
23. The method for controlling a waste heat utilization apparatus according to claim 22, wherein the rotational speed of the pump means (22) is estimated from a control value at the time of the electric motor operation control.
前記電動機は、作動出力がデューティ制御されるものであって、
前記制御値は、前記電動機の電圧デューティ比としたことを特徴とする請求項24に記載の廃熱利用装置の制御方法。
The electric motor is one whose operation output is duty controlled,
The method for controlling a waste heat utilization apparatus according to claim 24, wherein the control value is a voltage duty ratio of the electric motor.
前記電動機は、作動出力がインバータ制御されるものであって、
前記制御値は、前記電動機のインバータ電圧の周波数としたことを特徴とする請求項24に記載の廃熱利用装置の制御方法。
The electric motor is an inverter whose operation output is controlled by an inverter,
The method for controlling a waste heat utilization apparatus according to claim 24, wherein the control value is a frequency of an inverter voltage of the electric motor.
前記冷却媒体は、外気であり、
前記凝縮能力を前記外気の温度で把握すると共に、前記外気の温度が低いほど、前記発電機(321)の作動回転数を高くすることを特徴とする請求項18に記載の廃熱利用装置の制御方法。
The cooling medium is outside air;
The waste heat utilization apparatus according to claim 18, wherein the condensing capacity is grasped by the temperature of the outside air, and the operating rotational speed of the generator (321) is increased as the temperature of the outside air is lower. Control method.
前記冷却媒体は、外気であり、
前記凝縮能力を前記外気の流量で把握すると共に、前記外気の流量が多いほど、前記発電機(321)の作動回転数を高くすることを特徴とする請求項18に記載の廃熱利用装置の制御方法。
The cooling medium is outside air;
The waste heat utilization apparatus according to claim 18, wherein the condensing capacity is grasped by the flow rate of the outside air, and the operating rotational speed of the generator (321) is increased as the flow rate of the outside air is increased. Control method.
前記外気の風速から前記外気の流量を推定することを特徴とする請求項28に記載の廃熱利用装置の制御方法。   29. The method for controlling a waste heat utilization apparatus according to claim 28, wherein a flow rate of the outside air is estimated from a wind speed of the outside air. 車両に搭載されて、前記凝縮器(220)には車速風によって前記外気が導入されるようになっており、
前記車両の車速から前記外気の流量を推定することを特徴とする請求項28に記載の廃熱利用装置の制御方法。
Mounted in a vehicle, the outside air is introduced into the condenser (220) by vehicle speed wind.
The waste heat utilization apparatus control method according to claim 28, wherein the flow rate of the outside air is estimated from a vehicle speed of the vehicle.
前記車両は、一般乗用車、ハイブリッド車、トラックを含むことを特徴とする請求項29に記載の廃熱利用装置の制御方法。   30. The method according to claim 29, wherein the vehicle includes a general passenger car, a hybrid car, and a truck. 前記冷媒圧力として、前記ランキンサイクル(300)の高圧側圧力、および前記ランキンサイクル(300)の低圧側圧力のうち、少なくとも一方を用いると共に、
前記高圧側圧力、前記低圧側圧力のうち、少なくとも一方が低いほど、前記発電機(321)の作動回転数を高くすることを特徴とする請求項18に記載の廃熱利用装置の制御方法。
As the refrigerant pressure, at least one of a high pressure side pressure of the Rankine cycle (300) and a low pressure side pressure of the Rankine cycle (300) is used,
The method of controlling a waste heat utilization apparatus according to claim 18, wherein the operating rotational speed of the generator (321) is increased as at least one of the high-pressure side pressure and the low-pressure side pressure is lower.
前記発電機(321)の作動回転数を設定する際に、前記冷却水の温度、前記冷却水の流量、前記外気の温度、前記外気の流量、前記冷媒圧力の値のうち、2つ以上の値を用いるようにしており、
前記2つ以上の値から算出される作動回転数のうち、最小値を用いて前記発電機(321)の作動回転数として決定することを特徴とする請求項20、請求項21、請求項27、請求項28、請求項32に記載の廃熱利用装置の制御方法。
When setting the operating rotational speed of the generator (321), two or more values of the cooling water temperature, the cooling water flow rate, the outside air temperature, the outside air flow rate, and the refrigerant pressure value are selected. Value is used,
The operating rotational speed of the generator (321) is determined using a minimum value among the operating rotational speeds calculated from the two or more values. The control method of the waste heat utilization apparatus of Claim 28 and Claim 32.
圧縮機(210)、エアコン用凝縮器(220A)、膨張弁(240)、蒸発器(250)を有する冷凍サイクル(200)を備え、
前記凝縮器(220)と、前記エアコン用凝縮器(220A)とが共用されたことを特徴とする請求項18〜請求項33のいずれか1つに記載の廃熱利用装置の制御方法。
A refrigeration cycle (200) having a compressor (210), an air conditioner condenser (220A), an expansion valve (240), and an evaporator (250);
The waste heat utilization apparatus control method according to any one of claims 18 to 33, wherein the condenser (220) and the air conditioner condenser (220A) are shared.
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