JP2007285623A - 冷却装置 - Google Patents

Abstract

【課題】冷却負荷が小さい場合においてもボイラに供給される廃熱を有効利用することのできる冷却装置を提供する。
【解決手段】ボイラ４において加熱された作動流体を膨張させることにより回転動力を発生させる膨張機５を備えたので、エンジン１の廃熱を冷却に利用するとともに、冷却負荷が小さく廃熱が冷却に利用されない場合においても、膨張機５において回転動力を発生させることにより発電に利用することができ、エネルギー効率の向上を図ることが可能となる。
【選択図】図１

Description

本発明は、例えば、車両用の空調装置に適用され、エンジンの廃熱を冷房に利用可能な冷却装置に関するものである。

従来、この種の冷却装置としては、作動流体を圧送するポンプと、作動流体を加熱するボイラと、作動流体を放熱させる放熱器と、放熱器において放熱した作動流体の一部を減圧する減圧手段と、減圧手段によって減圧された作動流体を吸熱させる吸熱器と、ボイラにおいて加熱された作動流体を減圧して流通させることにより、吸熱器において吸熱した作動流体を吸引し、ボイラにおいて加熱された作動流体と吸熱器において吸熱した作動流体を混合して放熱器に流通させるエジェクタとを備え、例えばエンジン等の廃熱を空気調和装置の冷房や冷却装置に用いるようにしたものが知られている（例えば、特許文献１参照）。
特開平９−２０７５５６号公報

しかしながら、従来の冷却装置では、冷却負荷が小さい場合に、ボイラに供給される廃熱の多くは、冷却に利用されることなく凝縮器から排出されるため、廃熱を有効に利用することができないという問題点があった。

本発明は前記問題点に鑑みてなされたものであり、その目的とするところは、冷却負荷が小さい場合においてもボイラに供給される廃熱を有効利用することのできる冷却装置を提供することにある。

本発明は前記目的を達成するために、作動流体を圧送するポンプと、作動流体を加熱するボイラと、作動流体を放熱させる放熱器と、放熱器において放熱した作動流体の一部を減圧する減圧手段と、減圧手段によって減圧された作動流体を吸熱させる吸熱器と、ボイラにおいて加熱された作動流体を減圧して流通させることにより、吸熱器において吸熱した作動流体を吸引し、ボイラにおいて加熱された作動流体と吸熱器において吸熱した作動流体を混合して放熱器に流通させるエジェクタとを備えた冷却装置において、前記ボイラとエジェクタの間に設けられ、ボイラにおいて加熱された作動流体を膨張させることにより回転動力を発生させる膨張機を備えている。

これにより、ボイラにおいて加熱された作動流体によって回転動力を発生させることが可能となることから、ボイラに供給される廃熱が冷却に利用されるとともに、冷却負荷が小さく廃熱が冷却に利用されない場合においても、膨張機において回転動力として廃熱が利用される。

本発明によれば、ボイラに供給される廃熱を冷却に利用するとともに、冷却負荷が小さく廃熱が冷却に利用されない場合においても、膨張機において回転動力を発生させることにより廃熱を例えば発電に利用することができるので、エネルギー効率の向上を図ることが可能となる。

図１乃至図２は本発明の第１の実施形態を示すもので、図１は冷却装置の概略構成図、図２はエジェクタの構造図である。

この冷却装置は、自動車の動力源となるエンジン１の廃熱を利用して車内の冷房または除湿等の空調を行うとともに、廃熱の熱エネルギーを運動エネルギーに変換して発電機２を運転するものである。

この冷却装置は、図１に示すように、作動流体を圧送するために設けられた電動モータ駆動のポンプ３と、ポンプ３から吐出された作動流体をエンジン１の廃熱によって加熱するためのボイラ４と、ボイラ４から流出する高温高圧の作動流体を膨張させることにより回転動力を発生させるための膨張機５と、作動流体を冷却して凝縮させるための放熱器としての凝縮器６と、凝縮器６において凝縮した作動流体の一部を減圧するための減圧手段としての膨張弁７と、膨張弁７によって減圧された作動流体を蒸発させるための吸熱器としての蒸発器８と、膨張機５から流出する作動流体を流通させることにより蒸発器８において蒸発した作動流体を吸引し、膨張機５から流出する作動流体と蒸発器８において蒸発した作動流体を混合して凝縮器６に流通させるエジェクタ９と、ポンプ３の吐出側とボイラ４の流入側を接続する配管１０と、ボイラ４の流出側と膨張機５の流入側を接続する配管１１と、膨張機５の流出側とエジェクタ９の流入側を接続する配管１２と、エジェクタ９の流出側と凝縮器６の流入側を接続する配管１３と、凝縮器６の流出側とポンプ３の吸入側を接続する配管１４と、配管１４と膨張弁７の流入側を接続する配管１５と、膨張弁７の流出側と蒸発器８の流入側を接続する配管１６と、蒸発器８の流出側とエジェクタ９の吸引側を接続する配管１７とを備えている。また、ここで用いられる作動流体としては、フロン系冷媒、フロン系とヨウ素系の混合冷媒、アンモニア、二酸化炭素等の自然系冷媒が用いられる。

ボイラ４は、内部に放熱器４ａを有する圧力容器からなり、ボイラ４に流入する作動流体が放熱器４ａによって加熱されるようになっている。放熱器４ａには、エンジン１を冷却するための冷却水が流通するようになっており、エンジン１と放熱器４ａとの間で冷却水回路１８が構成されている。冷却水回路１８には、冷却水を循環させるために設けられた電動モータ駆動の冷却水ポンプ１８ａが設けられている。

膨張機５には、発電機２が連結されており、膨張機５において発生する回転力によって発電を行うようになっている。また、発電機２には、発電した電力を蓄えておくための蓄電池２ａが接続され、蓄電池２ａに蓄えられた電力がポンプ３や冷却水ポンプ１８ａに供給されるようになっている。

エジェクタ９は、ノズル部９ａと、混合部９ｂと、ディフューザ部９ｃとを有している。ノズル部９ａは、流入口９ｄから流入する高圧の作動流体を加速、減圧することにより吸引口９ｅから低圧の作動流体を吸引するようになっている。混合部９ｂは、流入口９ｄから流入する作動流体と吸引口９ｅから吸引された作動流体を混合して流通させるようになっている。ディフューザ部９ｃは、流路の断面積を徐々に拡大することにより、作動流体を減速、昇圧して流出口９ｆから流出するようになっている。

以上のように構成された冷却装置において、ポンプ３から吐出される作動流体は、ボイラ４においてエンジン１の廃熱を吸収した冷却水と熱交換することにより加熱され、高温高圧の状態となる。ボイラ４から流出した作動流体は、膨張機５に流入して膨張することにより回転動力を発生させる。膨張機５から流出した作動流体は、流入口９ｄからエジェクタ９に流入し、ノズル部９ａにおいて加速、減圧されることにより、蒸発器８から流出する作動流体を吸引口９ｅから吸引して混合部９ｂにおいて混合し、ディフューザ部９ｃにおいて減速、昇圧して流出口９ｆから流出する。エジェクタ９から流出した作動流体は、凝縮器６に流入して冷却されて凝縮し、一部の作動流体が膨張弁７を介して蒸発器８に流入し、その他の作動流体がポンプ３に吸入される。また、蒸発器８に流入した作動流体は、吸熱して蒸発し、エジェクタ９の吸引口９ｅから吸引されて凝縮器６に流入する。

このとき、蒸発器８における冷却負荷が大きい場合には、凝縮器６から蒸発器８に流通する作動流体の流量が増加するため、ボイラ４に流入する作動流体の流量が減少する。これにより、膨張機５によって回収される回転動力が減少するため、発電量が減少する。また、蒸発器８における冷却負荷が小さい場合には、凝縮器６から流出して蒸発器８を流通する作動流体の流量が減少するため、ボイラ４に流入する作動流体の流量が増加する。これにより、膨張機５によって回収される回転動力が増加するため、発電量が増加する。

このように、本実施形態の冷却装置によれば、ボイラ４において加熱された作動流体を膨張させることにより回転動力を発生させる膨張機５を備えたので、エンジン１の廃熱を冷却に利用するとともに、冷却負荷が小さく廃熱が冷却に利用されない場合においても、膨張機５において回転動力を発生させることにより発電に利用することができ、エネルギー効率の向上を図ることが可能となる。

図３及び図４は本発明の第２の実施形態を示すもので、図３は冷却装置の概略構成図、図４はポンプの動作に関するフローチャートである。尚、前記第１の実施形態と同様の構成部分には同一の符号を付して示す。

本実施形態の冷却装置は、ポンプ３の吐出側とボイラ４の流入側を接続する配管１０に作動流体を貯蔵するためのタンク２０が設けられている。タンク２０は、タンク２０内に貯蔵された作動流体の液面高さを検出可能なフロースイッチからなる貯蔵量検出手段としての液面センサ２１を有している。

本実施形態で用いられるポンプ３は、モータの回転数を変化させることにより作動流体の吐出量が変更可能に設けられている。

また、本実施形態の冷却装置は、ポンプ３の運転制御を行うための制御部３０を備え、制御部３０にはポンプ３及び液面センサ２１が接続されている。

以上のように構成された冷却装置において、ポンプ３から吐出される作動流体は、タンク２０に流入した後にボイラ４に流入し、ボイラ４においてエンジン１の廃熱を吸収した冷却水と熱交換することにより加熱され、高温高圧の状態となる。ボイラ４から流出した作動流体は、前記第１の実施形態と同様に流通する。

このとき、ボイラ４には、タンク２０内に貯えられた作動流体が流通するため、タンク２０内に作動流体が貯えられていれば、ポンプ３の吐出量を少なくしても、確実にボイラ４に作動流体を流通させることが可能となる。

制御部３０は、図４に示すように、液面センサ２１によって検出された液面高さＨが所定の第１の液面高さＨ１より高いと（ステップＳ１）、ポンプの作動流体吐出量を減少させる（ステップＳ２）。また、制御部３０は、液面センサ２１によって検出された液面高さＨが所定の第２の液面高さＨ２（Ｈ１＞Ｈ２）よりも低いと（ステップＳ３）、ポンプの作動流体吐出量を増加させる（ステップＳ４）。

このように、本実施形態の冷却装置によれば、ポンプ３の吐出側とボイラ４の流入側とを接続する配管１０に作動流体を貯蔵可能なタンク２０を設けたので、ポンプ３の吐出量を少なくしても確実に作動流体をボイラ４に流通させることができ、ポンプ動力を低減することが可能となる。また、作動流体をタンク２０に貯えることができ、蒸発器８における冷却負荷が変動する場合に、流通する作動流体の流量の変化に対応することが可能となる。

また、液面センサ２１によって検出されたタンク２０内の作動流体の液面高さに基づいてポンプ３の運転を制御するようにしたので、タンク２０内に貯えられた作動流体の貯蔵量に応じてポンプ３の作動流体吐出量を変化させることができ、ポンプ動力を更に低減することが可能となる。

図５及び図６は本発明の第３の実施形態を示すもので、図５は冷却装置の概略構成図、図６はエジェクタの構造図である。尚、前記第１及び第２の実施形態と同様の構成部分には同一の符号を付して示す。

この冷却装置は、第２の実施形態に示すタンク２０に吸熱器２２が設けられている。吸熱器２２には、凝縮器６の流出側の配管１４を流通する作動流体の一部を吸熱器２２に流入させる配管２３と、吸熱器２２から流出する作動流体をエジェクタ９に吸引させるための配管２４とが接続されている。また、配管２３には、膨張弁２５が設けられている。

エジェクタ９は、図６に示すように、蒸発器８から流出する作動流体が吸引される吸引口９ｅの他に、吸熱器２２から流出する作動流体が吸引される吸引口９ｇが設けられている。

以上のように構成された冷却装置において、ポンプ３から吐出される作動流体は、第２の実施形態と同様に流通するとともに、凝縮器６から流出する作動流体一部が膨張弁２５を介してタンク２０に設けられた吸熱器２２を流通し、エジェクタ９の吸引口９ｇから吸引される。これにより、吸熱器２２を流通する作動流体は、タンク２０内の作動流体と熱交換して蒸発し、タンク２０内の作動流体は冷却される。

このように、本実施形態の冷却装置によれば、タンク２０内に設けられた吸熱器２２と、凝縮器６から流出する作動流体の一部を膨張弁２５を介して吸熱器２２に流入させる配管２３と、吸熱器２２から流出する作動流体をエジェクタ９に吸引させるための配管２４とを備えたので、タンク２０内に貯えられた作動流体を冷却することができ、タンク２０内に貯えられる作動流体の貯蔵量を増加させることが可能となる。

図７は本発明の第４の実施形態を示すもので、冷却装置の概略構成図である。尚、前記第１乃至第３の実施形態と同様の構成部分には同一の符号を付して示す。

この冷却装置は、配管１０及び配管１１に一対のボイラ４が並列に接続されている。また、各ボイラ４の流入側には逆止弁４ｂが設けられ、各ボイラ４の流出側には開度可変の開閉弁４ｃが設けられている。

以上のように構成された冷却装置において、一対の開閉弁４ｃの一方を開放して他方を閉鎖した状態を交互に切換えながら前記第１の実施形態と同様に運転する。このとき、閉鎖された開閉弁４ｃ側のボイラ４には、高温高圧の作動流体が貯えられる。これにより、作動流体が貯えられたボイラ４を膨張機５と連通させると、ボイラ４内の作動流体は、ボイラ４内の圧力によって吐出され、膨張機５において膨張することにより回転動力を発生させる。また、一対の開閉弁４ｃの開放及び閉鎖の切換は、所定時間毎に切換えてもよいし、ボイラ４内の圧力や温度を検出して切換えるようにしてもよい。更に、ボイラ４から吐出されて膨張機５に流入する作動流体の吐出圧力は、開閉弁４ｃの弁開度を調整することにより所定の吐出圧力に調整され、膨張機５において発生する回転動力の安定化を図ることが可能となる。

このように、本実施形態の冷却装置によれば、配管１０及び配管１１に一対のボイラ４を並列に接続し、一対のボイラ４の流入側にそれぞれ設けられた逆止弁４ｂと、流出側にそれぞれ設けられた開閉弁４ｃとを備えたので、一対の開閉弁４ｃの一方を開放して他方を閉鎖して運転することにより、開閉弁４ｃを閉鎖した側のボイラ４に作動流体を貯え、開閉弁４ｃを開放したときにボイラ４から作動流体を吐出させることができ、作動流体の吐出圧力によって膨張機５を回転させることによりポンプ動力の低減を図ることが可能となる。

図８及び図９は本発明の第５の実施形態を示すもので、図８は冷却装置の概略構成図、図９はポンプ及び三方弁の動作に関するフローチャートである。尚、前記第１乃至第４の実施形態と同様の構成部分には同一の符号を付して示す。

この冷却装置は、第４の実施形態の一対の開閉弁４ｃの代わりに、一対のボイラ４の流出側にそれぞれ設けられた一対の三方弁４ｄと、三方弁４ｄの流路を切換えることにより、各ボイラ４とエジェクタ９の吸引側を連通する配管２６とを備えている。ここで用いられるエジェクタ９は、第３の実施形態に示す吸引口９ｇを有するエジェクタ９である。また、膨張機５の流入側の配管１１には、配管１１内の圧力を検出するための圧力検出器２７と、膨張機５に流入する作動流体の圧力を所定の圧力とするための圧力調整弁２８が設けられている。

また、制御部３０には、ポンプ３、一対の三方弁４ｄ及び圧力検知器２７が接続されている。

以上のように構成された冷却装置において、一方のボイラ４を膨張機５側と連通させるときには、他方のボイラ４をエジェクタ９側と連通させる。また、一方のボイラ４をエジェクタ９側に連通させるときには、他方のボイラ４を膨張機５側と連通させる。このように、各ボイラ４の流出側を各三方弁４ｄによって切換えながら前記第１の実施形態と同様に運転する。このとき、エジェクタ９に吸引される作動流体の流量は、膨張機５に流入する作動流体の流量と比べて少ないため、エジェクタ９と連通するボイラ４には、高温高圧の作動流体が貯えられる。これにより、作動流体が貯えられたボイラ４を膨張機５と連通させると、ボイラ４内の作動流体は、ボイラ４内の圧力によって吐出され、膨張機５において膨張することにより回転動力を発生させる。また、ボイラ４から吐出されて膨張機５に流入する作動流体の吐出圧力は、圧力調整弁２８によって所定の吐出圧力に調整される。

制御部３０は、圧力検出器２７の検出圧力Ｐが設定圧力Ｐ１より低くなると（ステップＳ１１）、一対の三方弁４ｄのそれぞれの流路を切換える（ステップＳ１２）。

このように、本実施形態の冷却装置によれば、配管１０及び配管１１に一対のボイラ４を並列に接続し、一対のボイラ４の流入側にそれぞれ設けられた逆止弁４ｂと、一対のボイラ４の流出側のそれぞれに設けられ、流路を膨張機５側とエジェクタ９の吸引側に切換可能な三方弁４ｄとを備えたので、ボイラ４の一方を膨張機５に連通するとともに、他方のボイラ４をエジェクタ９の吸引側に連通して運転することにより、エジェクタ９の吸引側に連通するボイラ４に作動流体を貯えるとともに、三方弁４ｄを膨張機５側に切換えたときにボイラ４から作動流体を吐出させることができ、作動流体の吐出圧力によって膨張機５を回転させることによりポンプ動力の低減を図ることが可能となる。

また、一対のボイラ４のうち一方のボイラ４の流出側の流路を膨張機５側に設定するとともに、他方のボイラ４の流出側の流路をエジェクタ９側に設定した状態で、圧力検出器２７の検出圧力Ｐが設定圧力Ｐ１よりも低くなると、膨張機５側に設定されているボイラ４の流出側の流路をエジェクタ９の吸引側に設定するとともに、エジェクタ９の吸引側に設定されているボイラ４の流出側の流路を膨張機５側に設定するようにしたので、各ボイラ４から吐出される作動流体の吐出圧力を安定化させることができ、膨張機５によって継続的に回転動力を発生させることが可能となる。

図１０は本発明の第６の実施形態を示すもので、冷却装置の概略構成図である。尚、前記第１乃至第５の実施形態と同様の構成部分には同一の符号を付して示す。

この冷却装置は、前記第５の実施形態示す冷却装置の各ボイラ４内にモルデナイト等のゼオライトからなる吸着剤４ｅが封入されている。この吸着剤４ｅは、常温でボイラ４内の作動流体を吸着し、加熱されると吸着した作動流体を放出するようになっている。

以上のように構成された冷却装置において、前記第５の実施形態と同様に、各ボイラ４の流出側を各三方弁４ｄによって切換えながら運転する。このとき、膨張機５と連通するボイラ４に対応する冷却水回路１８のポンプ１８ａを運転するとともに、エジェクタ９に連通するボイラ４に対応する冷却水回路１８のポンプ１８ａを停止する。これにより、エジェクタ９と連通するボイラ４に流入する作動流体は、放熱器４ａによって加熱されることなく吸着材４ｅに吸着してボイラ４内に貯えられる。これにより、作動流体が貯えられたボイラ４を膨張機５と連通させてポンプ１８ａを運転すると、ボイラ４内の作動流体は、加熱されて吸着剤４ｅから放出され、膨張機５において膨張することにより回転動力を発生させる。

このように、本実施形態の冷却装置によれば、各ボイラ４内に、作動流体を吸着するとともに、加熱することにより作動流体を放出可能な吸着剤４ｅを設けたので、エジェクタ９に連通するボイラ４に確実に作動流体を貯えることができ、膨張機５によって確実に回転動力を発生させることが可能となる。

尚、前記第１乃至第６の実施形態では、エジェクタ９の吸引力によって蒸発器８に作動流体を流通させるようにしたものを示したが、蒸発器８の流出側とエジェクタ９の吸引口９ｅの間の配管１７に圧縮機を設け、圧縮機とエジェクタ９によって作動流体を圧送するようにしてもよい。この場合、蒸発器８を流通する作動流体の流量を増加させることができ、冷却負荷が大きい場合の対応が可能となる。

また、前記第４乃至第６の実施形態では、一対のボイラ４を互いに並列に配管１０と配管１１に接続するようにしたのもを示したが、３台以上のボイラ４を互いに並列に配管１０と配管１１に接続し、膨張機５を駆動させるボイラ４を一台ずつまたは複数台ずつ切換えるようにしてもよい。

本発明の第１の実施形態を示す冷却装置の概略構成図 エジェクタの構造図 本発明の第２の実施形態を示す冷却装置の概略構成図 ポンプの動作に関するフローチャート 本発明の第３の実施形態を示す冷却装置の概略構成図 エジェクタの構造図 本発明の第４の実施形態を示す冷却装置の概略構成図 本発明の第５の実施形態を示す冷却装置の概略構成図 ポンプ及び三方弁の動作に関するフローチャート 本発明の第６の実施形態を示す冷却装置の概略構成図。

符号の説明

３…ポンプ、４…ボイラ、４ｂ…逆止弁、４ｃ…開閉弁、４ｄ…三方弁、４ｅ…吸着剤、５…膨張機、６…凝縮器、７…膨張弁、８…蒸発器、９…エジェクタ、２０…タンク、２１…液面センサ、２２…吸熱器、２５…膨張弁、２７…圧力検出器、３０…制御部。

Claims (8)

1. 作動流体を圧送するポンプと、作動流体を加熱するボイラと、作動流体を放熱させる放熱器と、放熱器において放熱した作動流体の一部を減圧する減圧手段と、減圧手段によって減圧された作動流体を吸熱させる吸熱器と、ボイラにおいて加熱された作動流体を減圧して流通させることにより、吸熱器において吸熱した作動流体を吸引し、ボイラにおいて加熱された作動流体と吸熱器において吸熱した作動流体を混合して放熱器に流通させるエジェクタとを備えた冷却装置において、
   前記ボイラとエジェクタの間に設けられ、ボイラにおいて加熱された作動流体を膨張させることにより回転動力を発生させる膨張機を備えた
   ことを特徴とする冷却装置。
2. 前記ボイラの作動流体流入側に、作動流体を貯蔵可能なタンクを設けた
   ことを特徴とする請求項１記載の冷却装置。
3. 前記タンク内の作動流体の貯蔵量を検知可能な貯蔵量検出手段と、
   貯蔵量検知手段によって検出された作動流体の貯蔵量に基づいてポンプの運転状態を制御する制御手段とを備えた
   ことを特徴とする請求項２記載の冷却装置。
4. 前記放熱器において放熱した作動流体の一部を減圧し、減圧された作動流体をタンクに貯蔵された作動流体と熱交換させてエジェクタの吸引側に流通させる熱交換回路とを備えた
   ことを特徴とする請求項２または３記載の冷却装置。
5. 前記ボイラを、互いに並列に設けられた複数のボイラから構成し、
   各ボイラの流入側の流路の作動流体の流通方向を一方に規制する逆止弁と、
   各ボイラの流出側の流路を開閉する開閉弁とを備えた
   ことを特徴とする請求項１記載の冷却装置。
6. 前記ボイラを、互いに並列に設けられた複数のボイラから構成し、
   各ボイラの流入側の流路の作動流体の流通方向を一方に規制する逆止弁と、
   各ボイラの流出側の流路を膨張機とエジェクタの吸引側とに切換可能な流路切換弁とを備えた
   ことを特徴とする請求項１記載の蒸気憤死式冷凍装置。
7. 前記各ボイラから膨張機に流入する作動流体の圧力を検出する圧力検出手段と、
   複数のボイラのうち一部のボイラの流出側の流路を膨張機側に設定するとともに、その他のボイラの流出側の流路をエジェクタの吸引側に設定した状態で、圧力検出手段の検出圧力が設定圧力よりも低くなると、膨張機側に設定されているボイラの流出側の流路をエジェクタの吸引側に設定するとともに、エジェクタの吸引側に設定されているボイラの流出側の流路のうち少なくとも一部の流路を膨張機側に設定する制御手段とを備えた
   ことを特徴とする請求項６記載の冷却装置。
8. 前記各ボイラ内に、作動流体を吸着するとともに、加熱することにより作動流体を放出可能な吸着部材を設けた
   ことを特徴とする請求項５乃至７の何れか一項に記載の冷却装置。
   

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