JP2009204204A - 排熱回生システム - Google Patents

Abstract

【課題】燃機関の排熱及び冷凍サイクルシステムの排熱を有効的に利用しつつ、部品点数を削減し、スペースの有効利用が可能な排熱回生システムを提供する。
【解決手段】冷凍サイクルシステム（３０）は、コンプレッサによって圧縮された冷媒とランキンサイクルシステム（１０）の媒体とで熱交換を行う熱交換器（１６）を備え
、冷媒の温度と媒体の温度との温度差が所定値以上となるように、冷媒の温度と媒体の温度とを制御することを特徴とする。
【選択図】図１

Description

本発明は、内燃機関等の排熱を利用してエネルギーを生成する排熱回生システムに関するものである。

従来、熱によって媒体である液体を気化させ、この気化された媒体によってエネルギーを取り出すランキンサイクル熱機関（ランキンサイクルシステム）が知られている。また、このランキンサイクルシステムを車両に搭載し、内燃機関の排熱を利用してエネルギーを取り出すシステムも知られている。内燃機関の排熱は、冷却水等を介して媒体と熱交換を行う。また、車両には、空調装置のための冷凍サイクルシステムも搭載されており、この冷凍サイクルの冷媒の排熱をランキンサイクルに利用するシステムも知られている。

引用文献１には、水−冷媒熱交換器に、外気を導入し、水−冷媒交換器内を流通する冷却水が、冷媒以外に外気とも熱交換できるように構成することで、ラジエータ相当部品を削減する車両用廃熱回収装置が開示されている。

また、引用文献２には、ポンプ１１、ボイラ１２、膨張機１３、熱交換器１６及び冷凍サイクル１と共有するコンデンサ３が設けられたランキンサイクル１０が開示されている。
特開２００５−９７８９号公報 特開２００５−３２９８４３号公報

内燃機関の冷却水や、冷凍サイクルシステムの冷媒は、ランキンサイクルシステムの媒体と熱交換を行う一方、過剰な熱をラジエータやコンデンサ等により大気中に放出している。

これらラジエータやコンデンサは、走行風を利用するために車両の前方に配置することが一般的である。近年、車両の小型・軽量化、電装やハイブリット化による補機類の増加等によりエンジンルームは狭小となっており、ラジエータやコンデンサの配置の制約が大きくなるばかりか、これらの排熱が適切に行われない場合は、内燃機関の冷却効率の悪化や空調装置の効率の悪化が発生するという問題がある。さらに、燃費向上のためには軽量化が望ましく、部品点数の削減も求められている。

例えば、引用文献２には、冷凍サイクルのコンデンサの凝縮熱をランキンサイクルシステムに利用するものであるが、冷凍サイクルにはコンデンサが設けられているので、前述のような問題が発生しうる。

本願発明はこのような問題点に鑑みてなされたものであり、内燃機関の排熱及び冷凍サイクルシステムの排熱を有効的に利用しつつ、部品点数を削減し、スペースの有効利用が可能な排熱回生システムを提供することを目的とする。

請求項１に記載の発明は、内燃機関が発生する熱を冷却水により冷却する内燃機関冷却システムと、冷媒を圧縮するコンプレッサと、前記コンプレッサにより圧縮された冷媒を気化させる膨張弁と、前記気化された冷媒により空気を冷却するエバポレータと、前記冷媒の温度を測定する第１の温度センサと、前記コンプレッサによって圧縮された冷媒とランキンサイクルシステムの媒体とで熱交換を行う熱交換器と、を備える冷凍サイクルシステムと、前記冷却水の熱によって媒体を気化させる蒸発器と、前記気化された媒体によりエネルギーを発生させる膨張器と、前記気化された媒体を凝縮して液化させる凝縮器と、前記液化された媒体を前記熱交換器へと送るポンプと、前記媒体の温度を測定する第２の温度センサと、を備えるランキンサイクルシステムと、を備え、前記冷媒の温度と前記媒体の温度との温度差が所定値以上となるように、前記冷媒の温度と前記媒体の温度とを制御することを特徴とする。

請求項２の発明は、請求項１の発明において、前記第１の温度センサは、前記熱交換器の冷媒の入口に備えられ、前記第２の温度センサは、前記熱交換器の媒体の入口に備えられ、前記熱交換器の入口における前記冷媒の温度と前記媒体の温度との温度差に基づいて、前記ポンプの吐出圧、及び、前記コンプレッサの吐出圧を制御することを特徴とする。

請求項３の発明は、請求項１又は２の発明において、前記冷媒の温度と前記媒体の温度との温度差と所定値とを比較し、前記温度差が前記所定値を下回っている場合は、前記ポンプの吐出圧を下げると共に、前記コンプレッサの吐出圧を上げることを特徴とする。

請求項１に記載の発明によると、冷凍サイクルシステムの冷媒とランキンサイクルシステムの媒体とで熱交換を行うので、内燃機関の冷却水のみを利用する場合と比較して、ランキンサイクルシステムの効率が高まる。また、冷凍サイクルシステムにおいて従来必要だったコンデンサを備える必要がなくなるので、部品点数が削減でき、排熱回生システム全体を小型化することができる。また、従来大気との熱交換が必要であったコンデンサが必要なくなることで、冷凍サイクルシステムの配置・レイアウトの自由度が高まり、スペース効率を高めることができる。

請求項２に記載の発明によると、冷凍サイクルシステムの冷媒とランキンサイクルシステムの媒体とで熱交換を行う熱交換器の入口における温度差によってコンプレッサ及びポンプの吐出圧を制御することで、冷媒及び媒体の温度を制御することができ、新規な構成を追加することなく温度制御を行うことができる。

請求項３に記載の発明によると、所定値との比較により吐出圧を制御するのみで、ランキンサイクルシステムの媒体と冷凍サイクルシステムの冷媒との温度差を制御することができる。

以下に、本発明の実施の形態を図面を用いて説明する。

図１は、本発明の実施の形態の排熱回生システム１の説明図である。

図１に示すように、排熱回生システム１は、ランキンサイクルシステム１０と、エンジン冷却システム２０と、冷凍サイクルシステム３０とによって構成されている。これらは、例えば内燃機関（エンジン）を動力とする車両に搭載される。

ランキンサイクルシステム１０は、媒体（ランキン媒体）が矢印方向に循環する媒体経路１１と、冷却水からの熱を用いて媒体を気化させる蒸発器１２と、気化された媒体によりエネルギーを発生させる膨張器１３と、気化された媒体を凝縮して液化させる凝縮器１４と、液化された媒体を循環させるポンプ１５と、後述する冷凍サイクルシステム３０の冷媒の熱を用いて媒体を加熱する熱交換器（プレボイラ）１６と、によって構成される。なお、ランキンサイクルシステムの媒体はＲ１３４ａを用いるが、その他の媒体を用いてもよい。

媒体経路１１のうち、プレボイラ１６の入口付近には、このプレボイラ１６の入口付近の媒体温度を測定する温度センサ（第２の温度センサ）１７が備えられている。また、ポンプ１５は、後述するように吐出圧が可変に構成されている。

このように、ランキンサイクルシステム１０は、プレボイラ１６及び蒸発器１２において熱を吸収した媒体を、膨張器１３において一気に膨張させることによりエネルギーを発生させる。このエネルギーは、例えば、回転動力として発電機に伝えて発電したり、ポンプに伝えて流体を圧送することができる。なお、膨張器１３を経由した媒体は、凝縮器１４において大気と熱交換を行うことで液化される。凝縮器１４は、必要に応じてファンが備えられる。

エンジン冷却システム（内燃機関冷却システム）２０は、内燃機関であるエンジン２２と、冷却水が循環する冷却水経路２１を備える。エンジン２２の運転により発生した熱は、冷却水の循環によって、冷却水経路２１からランキンサイクルシステム１０の蒸発器１２に送られる。この蒸発器１２において、冷却水とランキンサイクルシステム１０の媒体とで熱交換が行われる。なお、図示しないが、エンジン冷却システム２０には、ラジエータ、ヒータ、バイパス経路等が備えられる。

なお、本実施形態では、エンジン２２の熱を吸収した冷却水を蒸発器１２に通過させて熱交換を行うが、例えば、エンジン２２の排気管の排熱を回収する経路を備え、この回収経路を経由した冷却水を蒸発器に送るように構成してもよい。また、エンジン冷却システム２０とは別の経路を備え、ポンプ等を用いてエンジン２２又は排気管の排熱を蒸発器１２へと送るように構成してもよい。

冷凍サイクルシステム３０は、冷媒（エアコン冷媒）が矢印方向に循環される冷媒経路３１中に、コンプレッサ３２、膨張弁３５、エバポレータ３６及びプレボイラ１６を備える。なお、冷媒は一般的にＲ１３４ａが用いられる。

コンプレッサ３２は、冷媒を圧縮して高温高圧の冷媒としてプレボイラ１６に送出する。プレボイラ１６では、冷媒とランキンサイクルシステムの媒体とで熱交換を行う。この熱交換により冷媒が凝縮されて液化する。膨張弁３５は、液相の冷媒を膨張させることにより気化させ、低温低圧の冷媒としてエバポレータ３６に送出する。エバポレータ３６は、送出された低温の冷媒とエバポレータ３６を通過する空気とを熱交換させ、この空気を冷却する。この冷却された空気が車両の空調装置に用いられる。

冷媒経路３１のうち、プレボイラ１６の入口付近には、このプレボイラ１６の入口付近の冷媒温度を測定する温度センサ（第１の温度センサ）３７が備えられている。また、コンプレッサ３２は、後述するように吐出圧が可変に構成されている。

以上のように、本願発明の実施の形態の排熱回生システム１は、まず、プレボイラ１６において、ランキンサイクルシステム１０の媒体と冷凍サイクルシステム３０の冷媒とで熱交換を行うことで、ランキンサイクルシステム１０の媒体を加熱する。その後、蒸発器１２において、ランキンサイクルシステム１０の媒体とエンジン冷却システム２０の冷却水とが熱交換を行うことで、ランキンサイクルシステム１０の媒体をさらに加熱する。これらの熱が、膨張器１３においてエネルギーに変換される。

このような構成によって、エンジン２２が発生する熱をエネルギーとして再利用できだけではなく、冷凍サイクルシステム３０において発生する熱をもエネルギーとして再利用することができ、よりエネルギー効率が高いランキンサイクルシステム１０を構成することができる。

またさらに、本願発明の実施の形態の排熱回生システム１は、ランキンサイクルシステム１０の媒体と冷凍サイクルシステム３０の冷媒とをプレボイラ１６において熱交換を行うよう構成した。これにより、従来、冷凍サイクルシステム３０において必要であった、コンプレッサ３２の凝縮熱を放出するためのコンデンサを備える必要がなくなり、システム全体を小型化することができる。

ここで、ランキンサイクルシステム１０及び冷凍サイクルシステム３０は、それぞれ独立した熱サイクルで稼働している。そのため、ランキンサイクルシステム１０の媒体と冷凍サイクルシステム３０の冷媒との熱交換が適切に行われるように、これらの温度を制御する必要がある。

図２は、本発明の実施の形態のランキンサイクルシステム１０及び冷凍サイクルシステム３０の制御を示すフローチャートである。

この図２に示す処理は、ランキンサイクルシステム１０のポンプ１５と、冷凍サイクルシステム３０のコンプレッサ３２との吐出圧をそれぞれ制御することにより、ランキンサイクルシステム１０の媒体と冷凍サイクルシステム３０の冷媒との温度をそれぞれ制御するものである。なお、この制御は車両の各種制御を司るエンジンコントロールユニット（ＥＣＵ）によって行われる。

本フローチャートの処理は、車両の制御パネルのエアコンのスイッチがＯＮにされる等、冷凍サイクルシステム３０の制御が開始されたときに実行される（ステップＳ１０）。

なお、冷凍サイクルシステム３０が制御されていない場合、すなわち、冷媒が循環していない状態では、本フローチャートによる制御を行わない。この場合、ランキンサイクルシステム１０は、蒸発器１２においてのみ熱を受け取る。プレボイラ１６においては、媒体は通過するのみである。

次に、ランキンサイクルシステム１０の媒体の温度と冷凍サイクルシステム３０の冷媒の温度との温度差Ｘを算出し、この温度差Ｘが、所定値Ａ以上であるか否かを判定する（ステップＳ２０）。

なお、所定値Ａは、ランキンサイクルシステム１０の媒体と冷凍サイクルシステム３０の冷媒とで適切に熱交換が行われるための温度差の下限値である。所定値Ａは、ランキンサイクルシステム１０や冷凍サイクルシステム３０の特性によって任意に決定されうる値である。

この所定値Ａは、例えば、次の式により算出する。
Ａ＝Ｑ／Ｌ
ただし、
Ｑ：コンプレッサ３２の凝縮熱（ｋＷ）
Ｌ：冷凍サイクルシステム３０が必要とする平均放熱率（ｋＷ／℃）
である。

すなわち、プレボイラ１６において、ランキンサイクルシステム１０の媒体と冷凍サイクルシステム３０の冷媒との温度差がＡ以上であれば、冷凍サイクルシステム３０においてコンプレッサ３２によって発生した凝縮熱が、ランキンサイクルシステム１０の媒体へと吸収される。これにより、従来、冷凍サイクルシステム３０に必要であった、前述のＬを満たす容量を持つコンデンサを備える必要がなくなる。

温度差Ｘが所定値Ａよりも小さいと判定した場合は、ステップＳ３０に移行し、ランキンサイクルシステム１０の媒体と冷凍サイクルシステム３０の冷媒との温度差を増加させる制御を行う。

この場合は、ランキンサイクルシステム１０の媒体と冷凍サイクルシステム３０の冷媒との温度差が、熱交換を行うには小さすぎる。そのため、過剰な熱のために冷凍サイクルシステム３０の効率が著しく低下する場合がありうる。

そこで、ステップＳ３０において、ランキンサイクルシステム１０のポンプ１５の吐出圧を減少させる。一方で、冷凍サイクルシステム３０のコンプレッサ３２の吐出圧を増加させる処理を実行する。

この処理によって、ランキンサイクルシステム１０の媒体の温度が下降する。一方、冷凍サイクルシステム３０の冷媒の温度は上昇する。この結果、温度差Ｘが増加し、熱交換を行うために適切な温度差となる。

一方、温度差Ｘが所定値Ａ以上であると判定した場合は、ステップＳ４０に移行する。

この場合は、ランキンサイクルシステム１０の媒体と冷凍サイクルシステム３０の冷媒との温度差Ｘは熱交換を行うのに十分である。そこで、温度差に関与する制御を行うことなく、各々のシステムでの制御を行う。具体的には、冷凍サイクルシステム３０のコンプレッサ３２は、エアコン制御の指令値に基づいた吐出圧に制御される。一方、ランキンサイクルシステム１０のポンプ１５は、ランキンサイクルシステム１０の制御の指令値に基づいた吐出圧に制御される。

以上のよう、プレボイラ１６の入口の冷媒及び媒体の温度差に基づいて、コンプレッサ３２及びポンプ１５の吐出圧を制御することによって、冷媒及び媒体の温度をコントロールし、適切な温度差に制御することができる。

なお、ポンプ１５又はコンプレッサ３２の吐出圧と液相の冷媒又は媒体の温度とは対数比例するため、吐出圧を制御することにより、冷媒又は媒体の温度を容易に制御することができる。なお、冷媒及び媒体の温度を測定するのではなく、コンプレッサ３２及びポンプ１５の入口及び出口の圧力差によって、温度を算出してもよい。

なお、これらポンプ１５又はコンプレッサ３２には、例えば斜板式やベーン式等の可変容量型のポンプ等を用いことにより、吐出圧を可変させる。

以上のように、本発明の実施の形態では、エンジン２２の排熱を利用してエネルギーを発生するランキンサイクルシステム１０において、冷却水のみならず、冷凍サイクルシステム３０の冷媒の熱をも用いて、より大きな熱を得ることができよう構成した。これにより、ランキンサイクルシステム１０のエネルギー効率を高めることができる。

そして、冷凍サイクルシステム３０の冷媒と熱交換を行うためのプレボイラ１６を備えたので、冷凍サイクルシステム３０の経路内に、大気と熱交換を行うためのコンデンサを備える必要がなくなる。これにより、空間に余裕が生じ、車両のスペース効率を高めることができる。また、部品点数が少なくなるため、コストを低減することができると共に、燃費効率を高めることができる。

特に、従来冷凍サイクルシステムに必要であったコンデンサは、大気と熱交換を行うという特徴から、車両の走行風を利用するために車両の前方に設けられる必要があった。本発明の実施の形態のプレボイラ１６は、大気との熱交換を行う必要がないため、搭載位置の制限がない。例えばプレボイラ１６を床下や車両後方に配置することもできる。これにより、ランキンサイクルシステム１０や冷凍サイクルシステム３０のレイアウトの自由度が高まるので、スペース効率を高めることができる。

さらに、コンプレッサ３２及びポンプ１５を制御して、ランキンサイクルシステム１０の媒体と冷凍サイクルシステム３０の冷媒との温度差を所定値以上に制御するので、冷凍サイクルシステム３０の効率を低下させることなく、冷凍サイクルシステム３０とランキンサイクルシステム１０とで確実に熱交換を行うことができる。また、これら冷媒と媒体との温度制御は、コンプレッサ３２及びポンプ１５の吐出圧を制御すればよく、特殊な構成を追加する必要がない。

なお、本発明の実施の形態では、エンジン２２に用いられるエンジン冷却システム２０を例に説明したが、このような内燃機関の排熱の利用に限られるものではない。例えば燃料電池や、モータ、バッテリ等の排熱を利用するように構成してもよい。

また、本発明の実施の形態では、冷凍サイクルシステム３０の冷媒をＲ１３４ａと例示したが、その他の冷媒を用いてもよい。例えば凝縮熱が高いＣＯ２を冷媒として用いて、ランキンサイクルシステム１０の媒体との温度差を十分にとることができれば、図２のような吐出圧制御を行う必要がなくなる。これにより、コンプレッサ３２やポンプ１５の構造が簡素となると共に、ＣＯ２冷媒の排熱により熱回生効率が高まる。

本発明の実施の形態の排熱回生システムの構成図である。 本発明の実施の形態の排熱回生システムの制御のフローチャートである。

符号の説明

１ 排熱回生システム
１０ ランキンサイクルシステム
１１ 媒体経路
１２ 蒸発器
１３ 膨張器
１４ 凝縮器
１５ ポンプ
１６ プレボイラ（熱交換器）
１７ 温度センサ
２０ エンジン冷却システム
２１ 冷却水経路
２２ エンジン
３０ 冷凍サイクルシステム
３１ 冷媒経路
３２ コンプレッサ
３５ 膨張弁
３６ エバポレータ
３７ 温度センサ

Claims (3)

1. 内燃機関（２２）が発生する熱を冷却水により冷却する内燃機関冷却システム（２０）と、
   冷媒を圧縮するコンプレッサ（３２）と、前記コンプレッサ（３２）により圧縮された冷媒を気化させる膨張弁（３５）と、前記気化された冷媒により空気を冷却するエバポレータ（３６）と、前記冷媒の温度を測定する第１の温度センサ（３７）と、前記コンプレッサによって圧縮された冷媒とランキンサイクルシステム（１０）の媒体とで熱交換を行う熱交換器（１６）と、を備える冷凍サイクルシステム（３０）と、
   前記冷却水の熱によって媒体を気化させる蒸発器（１２）と、前記気化された媒体によりエネルギーを発生させる膨張器（１３）と、前記気化された媒体を凝縮して液化させる凝縮器（１４）と、前記液化された媒体を前記熱交換器（１６）へと送るポンプ（１５）と、前記媒体の温度を測定する第２の温度センサ（１７）と、を備えるランキンサイクルシステム（１０）と、
   を備え、
   前記冷媒の温度と前記媒体の温度との温度差が所定値以上となるように、前記冷媒の温度と前記媒体の温度とを制御することを特徴とする排熱回生システム。
2. 請求項１に記載の排熱回生システムにおいて、
   前記第１の温度センサ（３７）は、前記熱交換器（１６）の冷媒の入口に備えられ、
   前記第２の温度センサ（１７）は、前記熱交換器（１６）の媒体の入口に備えられ、
   前記熱交換器（１６）の入口における前記冷媒の温度と前記媒体の温度との温度差に基づいて、前記ポンプ（１５）の吐出圧、及び、前記コンプレッサ（３２）の吐出圧を制御することを特徴とする排熱回生システム。
3. 請求項１又は２に記載の排熱回生システムにおいて、
   前記冷媒の温度と前記媒体の温度との温度差と所定値とを比較し、
   前記温度差が前記所定値を下回っている場合は、前記ポンプ（１５）の吐出圧を下げると共に、前記コンプレッサ（３２）の吐出圧を上げることを特徴とする排熱回生システム。

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