JP2009185787A - 廃熱回収システム - Google Patents

Abstract

【課題】ランキンサイクル回路の最終的な出力を向上させる。
【解決手段】廃熱回収システムにおいて、ランキンサイクル回路１０のポンプ１１の駆動部１１ｄを冷凍サイクル回路２０の圧力の異なる部分に接続し、圧力の異なる部分の圧力差によりポンプ１１を駆動するように構成した。
【選択図】図１

Description

本発明は、発熱体の廃熱エネルギーを回収するランキンサイクル回路を備えた廃熱回収システムに関する。

発熱体の廃熱エネルギーを回収し、電力や動力に変換する方法としてランキンサイクル回路を用いる方法が知られている（特許文献１）。

ランキンサイクル回路は、廃熱によってＲ１３４ａ、水等のランキン媒体を加熱して気体にする蒸発器、気体となったランキン媒体を膨張させて動力を回収する膨張機、膨張後のランキン媒体を凝縮液化する凝縮器、ランキン媒体を回路内に循環させるポンプとで構成されるシステムである。膨張機によって回収された動力はそのまま利用してもよいし、回収された動力で発電機を駆動すれば、電力として回収することができる。
特開２００５−５６７８７公報

従来、ランキンサイクル回路のポンプは電動モータにより駆動されており、ランキンサイクル回路の最終的な出力は、電動モータの消費エネルギー分だけ少ないものとなっていた。

本発明は、このような技術的課題を鑑みてなされたもので、ランキンサイクル回路の最終的な出力を向上させることを目的とする。

第１の発明では、発熱体からの廃熱によってランキン媒体を加熱して気体にする蒸発器、気体となった前記ランキン媒体を膨張させて動力を回収する膨張機、膨張後の前記ランキン媒体を凝縮液化する凝縮器、及び、前記ランキン媒体を回路内に循環させるポンプを有するランキンサイクル回路を備えた廃熱回収システムにおいて、前記ポンプの駆動部を、前記ランキンサイクル回路とは別個に構成され回路内に作動流体を循環させる循環回路の圧力の異なる部分に接続し、前記圧力の異なる部分の圧力差により前記ポンプを駆動するように構成した。

また、第２の発明では、第１の発明において、前記ポンプは、駆動側ピストンを収装し、前記駆動側ピストンの両側に前記循環回路から圧力の異なる作動流体を導入することで前記駆動側ピストンを移動させる前記駆動部としての駆動側シリンダと、前記駆動側ピストンに連結部材を介して連結される従動側ピストンを収装し、前記駆動側ピストンの移動により前記従動側ピストンが一方に移動するとシリンダ内に前記ランキン媒体を吸い込み、他方に移動するとシリンダ内の前記ランキン媒体を吐出する従動側シリンダと、
を備える。

また、第３の発明では、第２の発明において、前記駆動側ピストンの受圧面積を前記従動側ピストンの受圧面積よりも大きくした。

また、第４の発明では、第１から第３の発明において、前記ポンプの駆動部に接続される電動の補助モータを備え、前記循環回路における圧力差が十分でないときは前記補助モータにより前記ポンプを駆動するように構成した。

また、第５の発明では、第１から第４の発明において、前記循環回路は冷凍サイクル回路であり、前記圧力の異なる部分は、前記冷凍サイクル回路の蒸発器と圧縮機の間の部分とそれよりも高圧となる圧縮機と凝縮器の間の部分である。

また、第６の発明では、第１から第４の発明において、前記循環回路は前記発熱体からの廃熱を回収する第２ランキンサイクル回路であり、前記圧力の異なる部分は、前記第２ランキンサイクル回路の凝縮器と膨張機の間の部分とそれよりも高圧となる膨張機と蒸発器の間の部分である。

第１から第５の発明によれば、ランキンサイクル回路とは別個に構成される循環回路が稼働しているときは、その回路内の圧力差を利用してランキンサイクル回路のポンプを駆動できるので、電動モータでポンプを駆動しない分、ランキンサイクルシステムの最終的な出力を向上させることができる。循環回路としては、回路内に圧力差を有する冷凍サイクル回路やランキンサイクル回路を用いることができる（第５、第６の発明）。

また、第３の発明によれば、循環回路内の圧力差をポンプで利用することによる循環回路で圧力差を発生させる圧縮機等の仕事の増分を抑え、従来のモータでポンプを駆動する構成に比べ、システム全体の効率を向上させることができる。

また、第４の発明によれば、循環回路が停止していて回路内に圧力差がない場合や、循環回路の稼働レベルが低く回路内の圧力差が十分でない場合には、補助モータによりポンプを駆動することができるので、循環回路の稼働状況によらずランキンサイクル回路の稼働を継続することが可能となる。

以下、添付図面を参照しながら本発明の実施の形態について説明する。

第１実施形態
図１は本発明の第１実施形態を示しており、ランキンサイクル回路１０により車両用廃熱回収システムを構成した例である。車両は、水冷式のエンジン１を搭載した車両であり、エンジン１の冷却水から廃熱を回収するランキンサイクル回路１０の他、空調用の冷凍サイクル回路２０、エンジン１の冷却水回路３０、及び、ヒータ回路４０を備えている。以下、各回路の構成について説明する。

［ランキンサイクル回路］
ランキンサイクル回路１０は、ポンプ１１、逆止弁１２、蒸発器１３、膨張機１４、凝縮器１５、気液分離器１６を備え、回路内にはＲ１３４ａ等のランキン媒体が流通する。

ポンプ１１の駆動部１１ｄは冷凍サイクル回路２０の高圧部分と低圧部分に接続され、冷凍サイクル回路２０内の圧力差を利用してポンプ１１を駆動する（詳しくは後述）。ポンプ１１の駆動部１１ｄには電動の補助モータ５１が接続されており、冷凍サイクル回路２０が稼働しておらず回路内に圧力差がない場合や稼働レベルが低く回路内の圧力差が十分でない場合は、補助モータ５１によりポンプ１１を駆動することができる。

ポンプ１１により加圧されたランキン媒体は逆止弁１２を介して蒸発器１３へと送られる。蒸発器１３では、ランキン媒体−冷却水間の熱交換によりランキン媒体が加熱されて気体になる。気体となったランキン媒体は膨張機１４へと送られる。

膨張機１４では気体となったランキン媒体を膨張させることにより動力を回収する。膨張機１４には発電機５２が接続されており、発電機５２は回収された動力により駆動され、発電を行う。発電機５２によって発電された電力はオルタネータ５３によって発電された電力と同じくバッテリ５５へと送られ、バッテリ５５が充電される。膨張機１４を出たランキン媒体は凝縮器１５へと送られる。

凝縮器１５では外気−ランキン媒体間の熱交換によりランキン媒体が凝縮液化される。凝縮液化したランキン媒体は気液分離器１６により気液分離され、液相のランキン媒体のみがポンプ１１へと送られる。

［冷凍サイクル回路］
冷凍サイクル回路２０は、膨張弁２１、蒸発器２２、圧縮機２３、凝縮器２４、気液分離器２５を備え、回路にはＲ１３４ａ等の冷媒が流通する。

膨張弁２１では液相の冷媒が減圧膨張され、減圧膨張された冷媒は蒸発器２２へと送られる。

蒸発器２２では、減圧膨張された冷媒を気化させ、その蒸発潜熱により蒸発器２２を通過する空調空気を冷却する。気化した冷媒は圧縮機２３へと送られる。

圧縮機２３はエンジン１により駆動され、気相の冷媒を高温高圧に圧縮する。圧縮機２３はエンジン１に代えて電動モータにより駆動するようにしてもよい。高温高圧となった冷媒は凝縮器２４へと送られる。

凝縮器２４では外気−冷媒間の熱交換により冷媒が凝縮液化される。凝縮液化した冷媒は気液分離器２５により気液分離され、液相の冷媒のみが膨張弁２１へと送られる。

圧縮機２３と凝縮器２４の間は冷媒の圧力が高い高圧部分、蒸発器２２と圧縮機２３の間は高圧部分よりも冷媒の圧力が低い低圧部分となっており、高圧部分、低圧部分はそれぞれランキンサイクル回路１０のポンプ１１の駆動部１１ｄに接続している。

［冷却水回路及びヒータ回路］
冷却水回路３０は、ウォータポンプ３１、三方弁３２、ラジエータ３３、サーモスタット３４を備え、回路には冷却水（不凍液）が流通する。

ウォータポンプ３１はエンジン１により駆動され、冷却水を回路内に循環させる。ウォータポンプ３１は電動モータにより駆動してもよい。

三方弁３２はエンジン１から流出する高温の冷却水を、ラジエータ３３とランキンサイクル回路１０の蒸発器１３に流す際の割合を切り替える弁であり、電動モータ５６によって駆動される。

サーモスタット３４は冷却水の温度が低い時に閉弁し、冷却水温度が設定温度に達したところで開弁する弁であり、ラジエータ３３に流通させる冷却水の量を冷却水温度に応じて調節し、冷却水の温度を所望の温度（約９０℃）に維持する。冷却水温度が低くサーモスタット３４が閉じているときは、冷却水はバイパス通路３５のみに流通し、冷却水の昇温を促進する。

また、ヒータ回路４０は、ヒータコア４１を備え、冷却水回路３０に接続して冷却水回路３０から冷却水が導入される。高温の冷却水がヒータコア４１に流れると、ヒータコア４１を通過する空調空気が加熱される。加熱された空調空気は冷凍サイクル回路２０の蒸発器２２で冷却された空調空気と混合されて所望の温度に調節され、車室内へと送られる。

続いてポンプ１１の構造・動作について説明する。

図２はポンプ１１及びその補助モータ５１の概略構成図である。

ポンプ１１は、駆動側シリンダ１１１、駆動側シリンダ１１１に収装されて駆動側シリンダ１１１内を第１液室１１１ａと第２液室１１１ｂに区画する駆動側ピストン１１２、従動側シリンダ１１３、従動側シリンダ１１３に収装されて従動側シリンダ１１３内を第３液室１１３ａと第４液室１１３ｂに区画する従動側ピストン１１４、駆動側ピストン１１２と従動側ピストン１１４を連結するポンプ軸１１５とを備える。駆動側シリンダ１１１及び駆動側ピストン１１２がポンプ１１の駆動部１１ｄを構成する。駆動側ピストン１１２の受圧面積は従動側ピストン１１４の受圧面積よりも大きい。

第１液室１１１ａには冷凍サイクル回路２０の高圧部分に接続する吸込ポートＰ１、冷凍サイクル回路２０の低圧部分に接続する吐出ポートＰ３が開口している。同様に、第２液室１１１ｂには冷凍サイクル回路２０の高圧部分に接続する吸込ポートＰ２、冷凍サイクル回路２０の低圧部分に接続する吐出ポートＰ４が開口している。ポートＰ１〜４はそれぞれソレノイド駆動される吸込弁Ｖ１、Ｖ２、吐出弁Ｖ３、Ｖ４により開閉することができる。

一方、第４液室１１３ｂにはランキンサイクル回路１０の低圧側（気液分離器側）に接続する吸込ポートＰ５と、ランキンサイクル回路１０の高圧側（逆止弁側）に接続する吐出ポートＰ６が開口している。ポートＰ５、Ｐ６はそれぞれソレノイド駆動される吸込弁Ｖ５、吐出弁Ｖ６により開閉することができる。

また、ポンプ軸１１５の端部はピン１１６を介してコンロッド１１７に揺動自在に連結されている。図３に示すように、コンロッド１１７の内側にはベアリング１１８を介して偏心カム１１９が保持されており、偏心カム１１９は補助モータ５１の出力軸５１ｓに固定されている。これにより、出力軸５１ｓの回転運動を偏心カム１１９、ベアリング１１８、コンロッド１１７、ピン１１６を介してポンプ軸１１５の軸方向の往復運動に変換することができ、補助モータ５１を駆動すれば冷凍サイクル回路２０の圧力差によらずにポンプ１１を駆動することができる。

補助モータ５１はクラッチ（図示せず）を内蔵した電動モータであり、補助モータ５１でポンプ１１を駆動しないときはクラッチを解放し、冷凍サイクル回路２０の圧力差によってポンプ１１を駆動する際の補助モータ５１の連れ回り負荷を低減する。

図４を参照しながら上記ポンプ１１の動作について説明する。

図４（ａ）はポンプ１１の吐出行程を示している。図４（ａ）に示すように、吸込弁Ｖ１及び吐出弁Ｖ４、Ｖ６を開き、吸込弁Ｖ２、Ｖ５及び吐出弁Ｖ３を閉じると、冷凍サイクル回路２０の高圧部分から高圧の冷媒が第１液室１１１ａに導入されると共に第２液室１１１ｂ内の冷媒が冷凍サイクル回路２０の低圧部分に戻される。この結果、駆動側ピストン１１２、従動側ピストン１１４が図中右側に押されて移動し、第４液室１１３ｂ内のランキン媒体が圧縮されて吐出ポートＰ６から高圧のランキン媒体が吐出される。

図４（ｂ）はポンプ１１の吸込行程を示している。図４（ｂ）に示すように、吸込弁Ｖ２、Ｖ５及び吐出弁Ｖ３を開き、吸込弁Ｖ１及び吐出弁Ｖ４、Ｖ６を閉じれば、冷凍サイクル回路２０の高圧部分から高圧の冷媒が第２液室１１１ｂに導入されると共に第１液室１１１ａ内の冷媒が冷凍サイクル回路２０の低圧部分に戻される。この結果、駆動側ピストン１１２、従動側ピストン１１４が図中左側に戻され、負圧となった第４液室１１３ｂには吸込ポートＰ５から低圧のランキン媒体が導入される。

したがって、図４（ａ）、（ｂ）に示すバルブ開閉状態を交互に作り出せば、ランキン媒体の吸込、吐出を連続的に行うことができる。

続いて上記構成による作用効果について説明する。

上記構成によれば、ランキンサイクル回路１０とは別個に構成される冷凍サイクル回路２０が稼働しているときは、その回路内の圧力差を利用してランキンサイクル回路１０のポンプ１１を駆動できるので、ポンプ１１を電動モータで駆動しない分、ランキンサイクル回路の最終的な出力を向上させることができる。

また、駆動側ピストン１１２の受圧面積を従動側ピストン１１４の受圧面積よりも大きくしたことにより、冷凍サイクル回路２０内の圧力差をポンプ１１で利用することによる冷凍サイクル回路２０の圧縮機２３の仕事の増分を抑え、従来のモータでポンプを駆動する構成に比べ、システム全体の効率を向上させることができる。

また、冷凍サイクル回路２０が停止していて回路内に圧力差がない場合や、冷凍サイクル回路２０の稼働レベルが低く回路内の圧力差が十分でない場合には、補助モータ５１によりポンプ１１を駆動することができるので、冷凍サイクル回路２０の稼働状況によらずランキンサイクル回路１０の稼働を継続することが可能となる。

第２実施形態
続いて本発明の第２実施形態について説明する。

第２実施形態は、エンジン１の排気から廃熱を回収する第２ランキンサイクル回路６０を備え、ランキンサイクル回路１０のポンプ１１を第２ランキンサイクル回路６０における圧力差を利用して駆動するようにした点が第１実施形態と相違する。以下、第１実施形態と共通の構成については共通の符号を用いて説明を省略し、第１実施形態と相違する部分を中心に説明する。

図５は本発明の第２実施形態を示す。第２ランキンサイクル回路６０は、ランキンサイクル回路１０と同様に、ポンプ６１、逆止弁６２、蒸発器６３、膨張機６４、凝縮器６５、気液分離器６６を備え、回路には水等のランキン媒体が流通する。

第２ランキンサイクル回路６０においては、ポンプ６１は電動モータ７１により駆動される。また、蒸発器６３はエンジン１の排気通路２に取り付けられ、ランキン媒体−排気間の熱交換によりランキン媒体を加熱し気体にする。また、凝縮器６５は第１ランキンサイクル回路１０のランキン媒体−第２ランキンサイクル回路６０のランキン媒体間の熱交換により、第２ランキンサイクル回路６０のランキン媒体を凝縮液化させる。

ランキンサイクル回路１０にあっては、ポンプ１１の駆動部１１ｄが、第２ランキンサイクル回路６０の高圧部分（蒸発器６３−膨張機６４間）と低圧部分（膨張機６４−凝縮器６５間）に接続しており、ポンプ１１は第２ランキンサイクル回路６０の高圧部分と低圧部分の圧力差を利用して駆動される。

ポンプ１１の構造は、図２に示したものと同じであるが、吸込ポートＰ１、Ｐ２には第２ランキンサイクル回路６０の高圧部分から高圧のランキン媒体が導入され、吐出ポートＰ３、Ｐ４から吐出されるランキン媒体は第２ランキンサイクル回路６０の低圧部分へと戻される。

このように、車両が複数のランキンサイクル回路を備える場合は、他方のランキンサイクル回路における圧力差を利用してランキンサイクル回路のポンプを駆動するように構成することも可能である。

以上、本発明の実施形態について説明したが、上記実施形態は本発明の適用例を示したものであり、本発明の技術的範囲を上記実施形態の具体的構成に限定する趣旨ではない。

例えば、上記実施形態では、本発明を車両用廃熱回収システムに適用した例を示したが、本発明は車両用に限らず、様々な用途の廃熱回収システムに適用することが可能である。

また、図２に示したポンプの構造は圧力差を利用するポンプの一例を示したものであり、その他の構造を採用することも可能である。

また、第２実施形態では第２ランキンサイクル回路６０のポンプ６１を電動モータ７１で駆動しているが、第２ランキンサイクル回路６０に対して本発明を適用し、ランキンサイクル回路１０における圧力差を利用してポンプ６１を駆動するようにしてもよい。

本発明の第１実施形態を示す。 ポンプ及び補助モータの概略構成図である。 補助モータを上から見た図である。 ポンプの動作説明図である。 本発明の第２実施形態を示す。

符号の説明

１０ ランキンサイクル回路
１１ ポンプ
１１ｄ 駆動部
１１１ 駆動側シリンダ
１１２ 駆動側ピストン
１１３ 従動側シリンダ
１１４ 従動側ピストン
５１ 補助モータ
２０ 冷凍サイクル回路
３０ 冷却水回路
４０ ヒータ回路
６０ 第２ランキンサイクル回路

Claims (6)

1. 発熱体（１）からの廃熱によってランキン媒体を加熱して気体にする蒸発器（１３）、気体となった前記ランキン媒体を膨張させて動力を回収する膨張機（１４）、膨張後の前記ランキン媒体を凝縮液化する凝縮器（１５）、及び、前記ランキン媒体を回路内に循環させるポンプ（１１）を有するランキンサイクル回路（１０）を備えた廃熱回収システムにおいて、
   前記ポンプ（１１）の駆動部（１１ｄ）を、前記ランキンサイクル回路（１０）とは別個に構成され回路内に作動流体を循環させる循環回路（２０、６０）の圧力の異なる部分に接続し、前記圧力の異なる部分の圧力差により前記ポンプ（１１）を駆動するように構成したことを特徴とする廃熱回収システム。
2. 前記ポンプ（１１）は、
   駆動側ピストン（１１２）を収装し、前記駆動側ピストン（１１２）の両側に前記循環回路（２０、６０）から圧力の異なる作動流体を導入することで前記駆動側ピストン（１１２）を移動させる前記駆動部（１１ｄ）としての駆動側シリンダ（１１１）と、
   前記駆動側ピストン（１１２）に連結部材（１１５）を介して連結される従動側ピストン（１１４）を収装し、前記駆動側ピストン（１１２）の移動により前記従動側ピストン（１１４）が一方に移動するとシリンダ内に前記ランキン媒体を吸い込み、他方に移動するとシリンダ内の前記ランキン媒体を吐出する従動側シリンダ（１１３）と、
   を備えることを特徴する請求項１に記載の廃熱回収システム。
3. 前記駆動側ピストン（１１２）の受圧面積は前記従動側ピストン（１１４）の受圧面積よりも大きいことを特徴とする請求項２に記載の廃熱回収システム。
4. 前記ポンプ（１１）の駆動部（１１ｄ）に接続される電動の補助モータ（５１）を備え、
   前記循環回路（２０、６０）における圧力差が十分でないときは前記補助モータ（５１）により前記ポンプ（１１）を駆動するように構成したことを特徴とする請求項１から３のいずれか一つに記載の廃熱回収システム。
5. 前記循環回路（２０、６０）は冷凍サイクル回路（２０）であり、
   前記圧力の異なる部分は、前記冷凍サイクル回路（２０）の蒸発器（２２）と圧縮機（２３）の間の部分とそれよりも高圧となる圧縮機（２３）と凝縮器（２４）の間の部分である、
   ことを特徴とする請求項１から４のいずれか一つに記載の廃熱回収システム。
6. 前記循環回路（２０、６０）は前記発熱体（１）からの廃熱を回収する第２ランキンサイクル回路（６０）であり、
   前記圧力の異なる部分は、前記第２ランキンサイクル回路（６０）の凝縮器（６５）と膨張機（６４）の間の部分とそれよりも高圧となる膨張機（６４）と蒸発器（６３）の間の部分である、
   ことを特徴とする請求項１から４のいずれか一つに記載の廃熱回収システム。

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