JP2007309312A - 廃熱利用装置およびその制御方法 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】エンジン10の廃熱を伴うエンジン冷却水によって、サイクル30A内の冷媒を加熱器34で加熱すると共に、加熱された冷媒を膨張機110で膨張させて機械的エネルギを回収し、膨張後の冷媒を凝縮器21で凝縮液化するランキンサイクル30Aと、このランキンサイクル30Aの作動を制御する制御装置40とを有する廃熱利用装置において、制御装置40は、エンジン冷却水の温度が所定温度以上で、且つ、エンジン冷却水が流動状態にある場合に、ランキンサイクル30Aを作動させる。
【選択図】図1
Description
本実施形態は、本発明に係る廃熱利用装置20を、走行用電動発動機140を有し、走行条件に応じてエンジン(本発明における熱機関に対応)10が作動あるいは停止されるハイブリッド車両に適用したものである。廃熱利用装置20は、冷凍サイクル20Aをベースとして、エンジン10で発生した廃熱からエネルギを回収するランキンサイクル30Aを備えている。各サイクル20A、30Aの圧縮部あるいは膨張部には流体機械としての膨張発電機兼電動圧縮機(以下、膨張機兼圧縮機)110が設けられており、制御装置(本発明の制御手段に対応)40によって各サイクル20A、30Aおよび膨張機兼圧縮機110の作動が制御されるようになっている。以下、廃熱利用装置20の全体構成について図1を用いて説明する。
本発明の第2実施形態を図10に示す。本実施形態は、上記第1実施形態(図1)がエンジン回転数信号に基づいてエンジン冷却水の流量が充分であるかどうかの判定を行っていたのに対して、温水回路10Aに流量センサ(本発明の流量検出手段に対応)41を配置して、これにより直接流量を検出する。流量センサ41からの流量信号は制御装置40に入力される。本実施形態においては、温水回路10A内でエンジン冷却水を循環させる水ポンプ12は、上記第1実施形態同様エンジン10によって駆動される機械式ポンプであってもよいし、あるいは電動モータによって駆動される電動ポンプであってもよい。
本発明の第3実施形態を図14に示す。上記各実施形態(図1、図10)においては、膨張機および圧縮機として1つの流体機械110によって構成される一体型のもの(膨張機兼圧縮機110)を用いたが、図14に示すように、圧縮機130と膨張機131がそれぞれ独立である構成であってもよい。圧縮機130と膨張機131は並列に配置され、さらに、これらへの通路を開閉する電磁式バルブである開閉弁38a、38bが配置される。制御装置40による廃熱利用装置20の制御は上記第1実施形態と同様に行われるが、ランキンサイクル30Aと冷凍サイクル20Aの切り替えの際には、液ポンプ33、開閉弁35、制御弁36と共に、開閉弁38a、38bも制御装置40により制御される。
本発明の第4実施形態を図15〜図17に示す。第4実施形態は、上記第1実施形態(図1)に対して、温水回路10Aにおいてエンジン冷却水を循環させる水ポンプを電動式の水ポンプ12aとしたものである。
本発明の第5実施形態を図18に示す。第5実施形態は、上記第4実施形態に対して冷凍サイクル20Aを廃止したものである。
本発明の第6実施形態を図19〜図21に示す。第6実施形態は、上記第5実施形態(図18)に対して、凝縮器21を共有すると共に、専用の圧縮機130を備える冷凍サイクル20Bを追加したものである。
本発明の第7実施形態を図22に示す。第7実施形態は、上記第6実施形態(図20)に対して電動式の水ポンプ12aを機械式の水ポンプ12に変更すると共に、エンジン10に回転数センサ15を追加したものである。水ポンプ12および回転数センサ15は、上記第1実施形態(図1)で説明したものと同一である。
本発明の第8実施形態を図23に示す。第8実施形態は、上記第7実施形態(図22)に対して、冷凍サイクル20Bを廃止したものである。また、本実施形態は、第5実施形態(図18)に対して、電動式の水ポンプ12aを機械式の水ポンプ12に変更したものに等しい。
上記第1、第3、第7、第8実施形態においては、エンジン10の作動状態を回転数センサ15によって得られるエンジン回転数によって把握するようにしたが、これに代えて、エンジン10の吸気圧、吸気スロットルバルブ開度等を使用するようにしてもよい。
12 水ポンプ(機械式のポンプ)
12a 水ポンプ(電動式のポンプ)
14 温度センサ
15 回転数センサ(回転数検出手段)
20 廃熱利用装置
20A、20B 冷凍サイクル
21 凝縮器
24 蒸発器
30A ランキンサイクル
34 加熱器
40 制御装置(制御手段)
41 流量センサ(流量検出手段)
110 膨張発電機兼電動圧縮機(圧縮機、膨張機)
130 圧縮機
131 膨張機
Claims (36)
- 熱機関(10)の廃熱を伴う廃熱流体によって、サイクル内の作動流体を加熱器(34)で加熱すると共に、加熱された前記作動流体を膨張機(110)で膨張させて機械的エネルギを回収し、膨張後の前記作動流体を凝縮器(21)で凝縮液化するランキンサイクル(30A)と、
前記ランキンサイクル(30A)の作動を制御する制御手段(40)とを有する廃熱利用装置において、
前記制御手段(40)は、前記廃熱流体の温度が所定温度(Tw1、Tw2)以上で、且つ、前記廃熱流体が流動状態にある場合に、前記ランキンサイクル(30A)を作動させることを特徴とする廃熱利用装置。 - 前記所定温度(Tw1、Tw2)は、第1所定温度(Tw1)と、それより大きい第2所定温度(Tw2)とによって、ヒステリシスを有するように設定されたことを特徴とする請求項1に記載の廃熱利用装置。
- 前記制御手段(40)は、前記熱機関(10)の作動状態によって前記廃熱流体の流動状態を把握することを特徴とする請求項1または請求項2に記載の廃熱利用装置。
- 前記熱機関(10)の回転数を検出する回転数検出手段(15)を有し、
前記制御手段(40)は、前記回転数検出手段(15)から得られる回転数によって前記熱機関(10)の作動状態を把握することを特徴とする請求項3に記載の廃熱利用装置。 - 前記廃熱流体は、前記熱機関(10)を冷却する冷却水であり、
前記冷却水は、前記熱機関(10)により駆動される機械式のポンプ(12)によって前記加熱器(34)に循環されることを特徴とする請求項1〜請求項4のいずれか1つに記載の廃熱利用装置。 - 前記廃熱流体の流量を検出する流量検出手段(41)を有し、
前記制御手段(40)は、前記流量検出手段(41)から得られる流量が所定流量(Qw1、Qw2)以上で、前記廃熱流体が作動状態であると把握することを特徴とする請求項1または請求項2に記載の廃熱利用装置。 - 前記所定流量(Qw1、Qw2)は、第1所定流量(Qw1)と、それより大きい第2所定流量(Qw2)とによって、ヒステリシスを有するように設定されたことを特徴とする請求項6に記載の廃熱利用装置。
- 前記第2所定流量(Qw2)と前記第1所定流量(Qw1)との差は、2L/min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。
- 前記流量検出手段(41)は、前記加熱器(34)に対する前記廃熱流体の出口側近傍に設けられたことを特徴とする請求項6〜請求項8のいずれか1つに記載の廃熱利用装置。
- 前記廃熱流体を前記加熱器(34)に循環させる電動式のポンプ(12a)を有し、
前記制御手段(40)は、前記電動式のポンプ(12a)の作動状態によって前記廃熱流体の流動状態を把握することを特徴とする請求項1または請求項2に記載の廃熱利用装置。 - 前記膨張機(110)と兼用される、あるいは前記膨張機(110)に並列配置される圧縮機(110、130)を備え、前記凝縮器(21)を共有して形成されると共に、前記制御手段(40)によって作動制御される冷凍サイクル(20A)を有し、
前記制御手段(40)は、前記冷凍サイクル(20A)の作動が必要な場合に、前記廃熱流体の温度が前記所定温度(Tw1、Tw2)以上であると、前記圧縮機(110、130)をON−OFF制御するようにし、
前記圧縮機(110、130)のOFF時に、前記ランキンサイクル(30A)を作動させることを特徴とする請求項1〜請求項10のいずれか1つに記載の廃熱利用装置。 - 前記制御手段(40)は、前記圧縮機(110、130)をON状態にする時に、前記冷凍サイクル(20A)の冷房能力が必要冷房能力以上となるように前記圧縮機(110、130)の吐出量を増加させることを特徴とする請求項11に記載の廃熱利用装置。
- 前記制御手段(40)は、前記冷凍サイクル(20A)の蒸発器(24)における前記作動流体の温度、あるいはそれに関連する他の部位の温度が、前記必要冷房能力を満たす第1冷房温度(TEO1)よりも低い第2冷房温度(TEO2)となるように、前記圧縮機(110、130)の吐出量を増加させることを特徴とする請求項12に記載の廃熱利用装置。
- 前記第1冷房温度(TEO1)と前記第2冷房温度(TEO2)との差は、1deg〜5degとしたことを特徴とする請求項13に記載の廃熱利用装置。
- 専用の圧縮機(130)を備え、前記凝縮器(21)を共有して形成されると共に、前記制御手段(40)によって前記ランキンサイクル(30A)に対して独立して作動制御可能となる冷凍サイクル(20B)を有し、
前記制御手段(40)は、前記冷凍サイクル(20B)の作動が必要な場合に、前記廃熱流体の温度が前記所定温度(Tw1、Tw2)以上で、且つ、前記廃熱流体が流動状態にあると、前記冷凍サイクル(20B)と前記ランキンサイクル(30A)とを同時に作動させることを特徴とする請求項1〜請求項10のいずれか1つに記載の廃熱利用装置。 - 前記制御手段(40)は、前記圧縮機(130)から吐出される前記作動流体の凝縮に要する第1放熱量と、前記膨張機(110)から流出される前記作動流体の凝縮に要する第2放熱量との和が、前記凝縮器(21)における凝縮時の放熱能力以下となるように、前記膨張機(110)の作動回転数を制御することを特徴とする請求項15に記載の廃熱利用装置。
- 前記熱機関(10)は、車両用の内燃機関(10)である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。
- 前記車両は、走行条件に応じて前記内燃機関(10)が作動、停止されるハイブリッド車両、あるいはアイドルストップ車両であることを特徴とする請求項17に記載の廃熱利用装置。
- 熱機関(10)の廃熱を伴う廃熱流体によって、サイクル内の作動流体を加熱器(34)で加熱すると共に、加熱された前記作動流体を膨張機(110)で膨張させて機械的エネルギを回収し、膨張後の前記作動流体を凝縮器(21)で凝縮液化するランキンサイクル(30A)を有する廃熱利用装置の制御方法であって、
前記廃熱流体の温度が所定温度(Tw1、Tw2)以上で、且つ、前記廃熱流体が流動状態にある場合に、前記ランキンサイクル(30A)を作動させることを特徴とする廃熱利用装置の制御方法。 - 前記所定温度(Tw1、Tw2)は、第1所定温度(Tw1)と、それより大きい第2所定温度(Tw2)とによって、ヒステリシスを有するように設定された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。
- 前記熱機関(10)の作動状態によって前記廃熱流体の流動状態を把握することを特徴とする請求項19または請求項20に記載の廃熱利用装置の制御方法。
- 前記熱機関(10)の回転数によって前記熱機関(10)の作動状態を把握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。
- 前記廃熱流体は、前記熱機関(10)を冷却する冷却水であり、
前記冷却水は、前記熱機関(10)により駆動される機械式のポンプ(12)によって前記加熱器(34)に循環されることを特徴とする請求項19〜請求項22のいずれか1つに記載の廃熱利用装置の制御方法。 - 前記廃熱流体の流量が所定流量(Qw1、Qw2)以上で、前記廃熱流体が作動状態であると把握することを特徴とする請求項19または請求項20に記載の廃熱利用装置の制御方法。
- 前記所定流量(Qw1、Qw2)は、第1所定流量(Qw1)と、それより大きい第2所定流量(Qw2)とによって、ヒステリシスを有するように設定され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。
- 前記第2所定流量(Qw2)と前記第1所定流量(Qw1)との差は、2L/minとしたことを特徴とする請求項25に記載の廃熱利用装置の制御方法。
- 前記廃熱流体の流量を、前記加熱器(34)に対する前記廃熱流体の出口側近傍で把握することを特徴とする請求項24〜請求項26のいずれか1つに記載の廃熱利用装置の制御方法。
- 前記廃熱流体を前記加熱器(34)に循環させる電動式のポンプ(12a)を有し、
前記電動式のポンプ(12a)の作動状態によって前記廃熱流体の流動状態を把握することを特徴とする請求項19または請求項20に記載の廃熱利用装置の制御方法。 - 前記膨張機(110)と兼用される、あるいは前記膨張機(110)に並列配置される圧縮機(110、130)を備え、前記凝縮器(21)を共有して形成される冷凍サイクル(20A)を有し、
前記冷凍サイクル(20A)の作動が必要な場合に、前記廃熱流体の温度が前記所定温度(Tw1、Tw2)以上であると、前記圧縮機(110、130)をON−OFF制御するようにし、
前記圧縮機(110、130)のOFF時に、前記ランキンサイクル(30A)を作動させることを特徴とする請求項19〜請求項28のいずれか1つに記載の廃熱利用装置の制御方法。 - 前記圧縮機(110、130)をON状態にする時に、前記冷凍サイクル(20A)の冷房能力が必要冷房能力以上となるように前記圧縮機(110、130)の吐出量を増加させることを特徴とする請求項29に記載の廃熱回収装置の制御方法。
- 前記冷凍サイクル(20A)の蒸発器(24)における前記作動流体の温度、あるいはそれに関連する他の部位の温度が、前記必要冷房能力を満たす第1冷房温度(TEO1)よりも低い第2冷房温度(TEO2)となるように、前記圧縮機(110、130)の吐出量を増加させることを特徴とする請求項30に記載の廃熱回収装置の制御方法。
- 前記第1冷房温度(TEO1)と前記第2冷房温度(TEO2)との差は、1deg〜5degとしたことを特徴とする請求項31に記載の廃熱利用装置の制御方法。
- 専用の圧縮機(130)を備え、前記凝縮器(21)を共有して形成されると共に、前記ランキンサイクル(30A)に対して独立して作動制御可能となる冷凍サイクル(20B)を有し、
前記冷凍サイクル(20B)の作動が必要な場合に、前記廃熱流体の温度が前記所定温度(Tw1、Tw2)以上で、且つ、前記廃熱流体が流動状態にあると、前記冷凍サイクル(20A)と前記ランキンサイクル(30A)とを同時に作動させることを特徴とする請求項19〜請求項28のいずれか1つに記載の廃熱利用装置の制御方法。 - 前記圧縮機(130)から吐出される前記作動流体の凝縮に要する第1放熱量と、前記膨張機(110)から流出される前記作動流体の凝縮に要する第2放熱量との和が、前記凝縮器(21)における凝縮時の放熱能力以下となるように、前記膨張機(110)の作動回転数を制御することを特徴とする請求項33に記載の廃熱利用装置の制御方法。
- 前記熱機関(10)は、車両用の内燃機関(10)であることを特徴とする請求項19〜請求項34のいずれか1つに記載の廃熱利用装置の制御方法。
- 前記車両は、走行条件に応じて前記内燃機関(10)が作動、停止されるハイブリッド車両、あるいはアイドルストップ車両であることを特徴とする請求項35に記載の廃熱利用装置の制御方法。
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