JP2011094590A - Fluid machine and automobile waste heat utilizing system using the same - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、流体機械及び流体機械を用いた自動車用廃熱利用システムに係り、詳しくは、車両の内燃機関の廃熱を回収して利用するのに好適な流体機械を用いた技術に関する。 The present invention relates to a fluid machine and a waste heat utilization system for an automobile using the fluid machine, and more particularly to a technique using a fluid machine suitable for recovering and utilizing the waste heat of an internal combustion engine of a vehicle.
この種の自動車用廃熱利用システムは、作動流体としての冷媒の循環路に、内燃機関の廃熱により作動流体を加熱して蒸発させる蒸発器、該蒸発器を経由した作動流体を膨張させて回転駆動力を発生する膨張機、該膨張機にて発生した回転駆動力が伝達される被動力伝達装置、該膨張機を経由した作動流体を凝縮させる凝縮器、該凝縮器を経由した作動流体を前記蒸発器に送出するポンプが順次介装されたランキンサイクルを備えている。 In this type of automobile waste heat utilization system, an evaporator that heats and evaporates the working fluid by the waste heat of the internal combustion engine is expanded in the refrigerant circulation path as the working fluid, and the working fluid that passes through the evaporator is expanded. An expander that generates a rotational driving force, a power transmission device to which the rotational driving force generated by the expander is transmitted, a condenser that condenses the working fluid that passes through the expander, and a working fluid that passes through the condenser Is provided with a Rankine cycle in which pumps for delivering the gas to the evaporator are sequentially disposed.
そして、このような自動車用廃熱利用システムにおいて、例えば、ポンプと膨張機と被動力伝達装置としてのモータジェネレータとを同軸上に配し、ランキンサイクルの起動時にはモータジェネレータをモータとして機能させてポンプを回転させる一方、冷媒の循環によって膨張機が自発回転し始めたらモータジェネレータを発電機として機能させる構成の流体機械が公知である(特許文献1)。 In such an automobile waste heat utilization system, for example, a pump, an expander, and a motor generator as a driven transmission device are arranged on the same axis, and when the Rankine cycle starts, the motor generator functions as a motor. A fluid machine having a configuration in which a motor generator functions as a generator when a expander starts to rotate spontaneously by circulating a refrigerant is known (Patent Document 1).
上記特許文献1に開示の技術では、モータジェネレータはポンプを駆動させるとともに膨張機の駆動時には発電機として機能するよう構成されているが、夏季等の外気温が高い状況下では、車両の必要とする電力をモータジェネレータで十分に発電できないという問題がある。
この場合、車両の必要とする電力を確保するためには、従来同様に別途内燃機関により駆動されるオルタネータを車両に設けることが考えられる。
In the technique disclosed in
In this case, in order to secure the electric power required by the vehicle, it is conceivable to provide the vehicle with an alternator that is separately driven by the internal combustion engine as in the conventional case.
しかしながら、一の車両にモータジェネレータと従来同様のオルタネータの二つの発電機を設けることは、余分に設置スペースを占有することになり、また重量やコストの増大に繋がり、好ましいことではない。
これより、例えば、被動力伝達装置を内燃機関とし、膨張機の回転駆動力を無端状のベルトを介して直接内燃機関に伝達するとともに既存のオルタネータにも伝達する構成の廃熱利用システムが考えられている。
However, providing two generators of a motor generator and a conventional alternator in one vehicle is not preferable because it occupies extra installation space and increases the weight and cost.
From this, for example, a waste heat utilization system having a configuration in which the driven transmission device is an internal combustion engine and the rotational driving force of the expander is transmitted directly to the internal combustion engine via an endless belt and also to an existing alternator is considered. It has been.
このような構成にすれば、既存のオルタネータを一つ設けただけで膨張機の回転駆動力及び内燃機関の回転駆動力によって効率よく十分に発電を行うことが可能である。
一方、車両には一般に車室内の空調を行う空調装置が設けられており、空調装置の冷凍サイクルの一部である圧縮機等は補機の一つとして通常は上記無端状のベルトを共用して内燃機関により駆動される。即ち、内燃機関及び膨張機の回転駆動力を無端状のベルトを介してオルタネータに伝達する構成のランキンサイクルに冷凍サイクルを加えたような車両では、無端状のベルトは内燃機関、膨張機の他、オルタネータや圧縮機等の内燃機関の補機類の各回転軸に掛け回されている。
With such a configuration, it is possible to generate electric power efficiently and sufficiently with the rotational driving force of the expander and the rotational driving force of the internal combustion engine by providing only one existing alternator.
On the other hand, a vehicle is generally provided with an air conditioner that air-conditions the interior of the vehicle, and a compressor or the like that is part of the refrigeration cycle of the air conditioner usually shares the endless belt as one of the auxiliary machines. Driven by an internal combustion engine. That is, in a vehicle in which a refrigeration cycle is added to a Rankine cycle configured to transmit the rotational driving force of the internal combustion engine and the expander to the alternator via an endless belt, the endless belt is the other than the internal combustion engine and the expander. It is wound around each rotation shaft of auxiliary machinery of an internal combustion engine such as an alternator and a compressor.
ところが、このように無端状のベルトが内燃機関、膨張機、オルタネータ、圧縮機等の各回転軸に掛け回されていると、ベルトが長くなり、撓み等を発生し易く、好ましいことではない。
また、圧縮機や膨張機は容量や能力に比例して比較的大型化する傾向にあるため、これらを車両の限られたスペースに納めようとすると無理なレイアウトが強いられるという問題もある。
However, when the endless belt is wound around the respective rotation shafts of the internal combustion engine, the expander, the alternator, the compressor, etc., the belt becomes long and is likely to bend and the like, which is not preferable.
In addition, since the compressor and the expander tend to be relatively large in proportion to the capacity and capacity, there is a problem that an unreasonable layout is forced if they are placed in a limited space of the vehicle.
そこで、例えば、圧縮機及び膨張機の他、上記ポンプを同軸に一体化して構成することが考えられ、この場合、これら圧縮機、膨張機及びポンプをコンパクトにして如何に効率よく効果的に組み合わせて一体化するかが課題となる。
本発明は、このような課題に鑑みなされたもので、空調装置の冷凍サイクルの一部である圧縮機と、ランキンサイクルの膨張機及びポンプとをコンパクトにして効率よく効果的に組み合わせて一体化可能な流体機械及び流体機械を用いた自動車用廃熱利用システムを提供することを目的とする。
Therefore, for example, in addition to the compressor and the expander, it is conceivable that the above-described pump is integrated coaxially. In this case, the compressor, the expander, and the pump are compactly combined to efficiently and effectively. It becomes a problem whether to integrate.
The present invention has been made in view of such problems, and a compressor, which is a part of a refrigeration cycle of an air conditioner, and an expander and a pump of a Rankine cycle are compactly and effectively combined and integrated. It is an object of the present invention to provide a possible fluid machine and an automobile waste heat utilization system using the fluid machine.
上記の目的を達成するべく、請求項1の流体機械は、自動車用廃熱利用システムに使用される流体機械であって、回転軸が貫通する圧縮機と、回転軸が貫通するポンプと、回転軸が一方側に突出している膨張機とを前記圧縮機、前記ポンプ、前記膨張機の順に配設して一体に構成するとともに、前記各回転軸を同軸で一体に構成し、該同軸で一体に構成された回転軸の前記圧縮機側の端部に、内燃機関の回転軸と連動する伝達手段を設けたことを特徴とする。
In order to achieve the above object, a fluid machine according to
請求項2の流体機械では、請求項1において、前記ポンプは可変容量式ポンプであることを特徴とする。
請求項3の流体機械では、請求項1または2において、前記圧縮機は可変容量式圧縮機であることを特徴とする。
請求項4の自動車用廃熱利用システムは、請求項1記載の流体機械を備えた自動車用廃熱利用システムであって、冷媒の循環路に、該冷媒を圧縮する前記圧縮機が介装された冷凍サイクルと、作動流体の循環路に、内燃機関の廃熱により作動流体を加熱して蒸発させる蒸発器、該蒸発器を経由した作動流体を膨張させる前記膨張機、該膨張機を経由した作動流体を凝縮させる凝縮器、該凝縮器を経由した作動流体を前記蒸発器に送出するポンプが順次介装されたランキンサイクルと、発電を行うオルタネータとを備え、前記内燃機関、前記オルタネータの各回転軸及び前記流体機械の前記伝達手段は同期回転可能に連結されていることを特徴とする。
The fluid machine according to
A fluid machine according to a third aspect is characterized in that, in the first or second aspect, the compressor is a variable capacity compressor.
The waste heat utilization system for automobiles according to
請求項5の自動車用廃熱利用システムでは、請求項4において、前記伝達手段はプーリであって、前記内燃機関、前記オルタネータの各回転軸及び前記流体機械の前記プーリには無端状のベルトが掛け回されていることを特徴とする。
請求項6の自動車用廃熱利用システムでは、請求項4または5において、前記ポンプは可変容量式ポンプであり、該可変容量式ポンプのポンプ容量を前記膨張機の出力に応じて可変制御するポンプ容量制御手段をさらに備えることを特徴とする。
According to a fifth aspect of the present invention, there is provided an automotive waste heat utilization system, wherein the transmission means is a pulley, and an endless belt is provided on the internal combustion engine, each rotating shaft of the alternator, and the pulley of the fluid machine. It is characterized by being hung around.
The waste heat utilization system for automobiles according to claim 6 is the waste heat utilization system for automobiles according to
請求項7の自動車用廃熱利用システムでは、請求項4乃至6のいずれかにおいて、前記圧縮機は可変容量式圧縮機であり、該可変容量式圧縮機の吐出容量を前記冷凍サイクルの作動状況に応じて可変制御する吐出容量制御手段をさらに備えることを特徴とする。
The waste heat utilization system for automobiles according to claim 7, wherein the compressor is a variable displacement compressor according to any one of
請求項1の流体機械によれば、自動車用廃熱利用システムに使用される流体機械において、圧縮機、ポンプ及び膨張機は同軸の回転軸を有して一体に構成されているので、例えば空調装置の冷凍サイクルの一部である圧縮機と、ランキンサイクルの膨張機及びポンプとを同軸の回転軸を有して一体に構成することで、これら圧縮機、膨張機及びポンプをコンパクトに構成することができる。
According to the fluid machine of
特に、流体機械は、回転軸の圧縮機側の端部に設けられた伝達手段、圧縮機、ポンプ、膨張機の順に一体に配設されて構成されているので、例えば空調装置の冷凍サイクルの一部である圧縮機には低圧〜中間圧の冷媒が流れ、ランキンサイクルの膨張機及びポンプには中間圧〜高圧の作動流体が流れているのであるが(大気圧<低圧<中間圧<高圧)、圧縮機の伝達手段側に設けたシールの前後圧を大気圧と低圧に、圧縮機とポンプとの接続部分に位置するシールの前後圧を低圧と中間圧に、ポンプと膨張機との接続部分に位置するシールの前後圧を中間圧と中間圧にでき、シール両側の圧力差を最も小さい状態にすることができ、シール構造を簡単なものにすることができる。 In particular, the fluid machine is configured by integrally arranging a transmission means, a compressor, a pump, and an expander provided at the end of the rotating shaft on the compressor side. Low pressure to intermediate pressure refrigerant flows through some compressors, and intermediate to high pressure working fluid flows through Rankine cycle expanders and pumps (atmospheric pressure <low pressure <intermediate pressure <high pressure). ), The front / rear pressure of the seal provided on the transmission means side of the compressor is set to atmospheric pressure and low pressure, the front / rear pressure of the seal located at the connecting portion between the compressor and the pump is set to low pressure and intermediate pressure, and the pump and expander The front-rear pressure of the seal located at the connecting portion can be set to an intermediate pressure and an intermediate pressure, the pressure difference between both sides of the seal can be minimized, and the seal structure can be simplified.
また、例えば故障時等において、容易にポンプや膨張機を外して圧縮機のみを優先させて駆動させることもできる。
請求項2の流体機械によれば、ポンプは可変容量式ポンプであるので、例えばランキンサイクルのポンプにおいて、作動流体の流量の適正化を図ることができる。また、例えば、流体機械の回転軸が内燃機関に連結されている場合において、内燃機関のアイドル運転時のように、ポンプの内燃機関からの入力が膨張機の出力よりも大きくなるような場合には、ポンプ容量をゼロとすることで、ポンプ自体のトルクを無くし、内燃機関の負荷を軽減することができる。
In addition, for example, in the event of a failure, it is possible to easily remove the pump and the expander and drive only the compressor with priority.
According to the fluid machine of the second aspect, since the pump is a variable displacement pump, the flow rate of the working fluid can be optimized in the Rankine cycle pump, for example. Also, for example, when the rotary shaft of the fluid machine is connected to the internal combustion engine, the input from the internal combustion engine of the pump is larger than the output of the expander, such as during idle operation of the internal combustion engine. Since the pump capacity is zero, the torque of the pump itself can be eliminated and the load on the internal combustion engine can be reduced.
請求項3の流体機械によれば、圧縮機は可変容量式圧縮機であるので、例えば空調装置の冷凍サイクルの圧縮機の作動要求が小さい或いは無いような場合には、圧縮機の吐出容量を低減或いはゼロとすることで、圧縮機が不必要に膨張機の負荷とならないようにし、ランキンサイクルの膨張機の回転駆動力を良好に回収することができる。
請求項4の自動車用廃熱利用システムによれば、請求項1の流体機械を備えた自動車用廃熱利用システムにおいて、冷凍サイクルの圧縮機、ランキンサイクルのポンプ及び膨張機を同軸にして一体にして流体機械を構成し、内燃機関、オルタネータの各回転軸及び流体機械の伝達手段が同期回転可能に連結されているので、オルタネータについては別途独立させて発電効率を高めながら、圧縮機、ポンプ及び膨張機をコンパクトに一体に構成しつつ、膨張機の回転駆動力で内燃機関の回転駆動力を良好にアシストすることができる。
According to the fluid machine of the third aspect, since the compressor is a variable capacity compressor, for example, when the operation requirement of the compressor of the refrigeration cycle of the air conditioner is small or not, the discharge capacity of the compressor is reduced. By reducing or making zero, it is possible to prevent the compressor from unnecessarily becoming a load on the expander, and to recover the rotational driving force of the Rankine cycle expander satisfactorily.
According to the waste heat utilization system for automobiles of
請求項5の自動車用廃熱利用システムによれば、伝達手段はプーリであって、内燃機関、オルタネータの各回転軸及び流体機械のプーリには無端状のベルトが掛け回されているので、圧縮機、ポンプ及び膨張機をコンパクトに一体に構成しつつ、掛け回す無端状のベルトを極力短くして撓みを低減できる。
請求項6の自動車用廃熱利用システムによれば、ポンプは可変容量式ポンプであり、該可変容量式ポンプのポンプ容量を膨張機の出力に応じてポンプ容量制御手段で可変制御するので、ランキンサイクルのポンプにおいて作動流体の流量の適正化を図ることができる。また、流体機械の回転軸の伝達手段が内燃機関に連結されている場合において、内燃機関のアイドル運転時のように、ポンプへの内燃機関からの入力が膨張機の出力よりも大きくなるような場合には、ポンプ容量をゼロとすることで、ポンプ自体のトルクを無くし、内燃機関の負荷を軽減することができる。
According to the waste heat utilization system for automobiles of claim 5, the transmission means is a pulley, and an endless belt is wound around the rotation shaft of the internal combustion engine, the alternator and the pulley of the fluid machine. While the machine, the pump, and the expander are configured in a compact and integrated manner, the endless belt to be wound around can be shortened as much as possible to reduce bending.
According to the waste heat utilization system for automobiles of claim 6, the pump is a variable displacement pump, and the pump displacement of the variable displacement pump is variably controlled by the pump displacement control means according to the output of the expander. The flow rate of the working fluid can be optimized in the cycle pump. Further, when the transmission means of the rotating shaft of the fluid machine is connected to the internal combustion engine, the input from the internal combustion engine to the pump becomes larger than the output of the expander as in the idling operation of the internal combustion engine. In this case, by setting the pump capacity to zero, the torque of the pump itself can be eliminated and the load on the internal combustion engine can be reduced.
請求項7の自動車用廃熱利用システムによれば、圧縮機は可変容量式圧縮機であり、該可変容量式圧縮機の吐出容量を冷凍サイクルの作動状況に応じて吐出容量制御手段で可変制御するので、冷凍サイクルの圧縮機の作動要求が小さい或いは無いような場合には、圧縮機の吐出容量を低減或いはゼロとすることで、圧縮機が不必要に膨張機の負荷とならないようにし、膨張機の回転駆動力で内燃機関の回転駆動力を良好にアシストすることができる。 According to the waste heat utilization system for automobiles of claim 7, the compressor is a variable capacity compressor, and the discharge capacity of the variable capacity compressor is variably controlled by the discharge capacity control means according to the operating state of the refrigeration cycle. Therefore, when the operation requirement of the compressor of the refrigeration cycle is small or not, by reducing or reducing the discharge capacity of the compressor, the compressor is not unnecessarily burdened with the expander, The rotational driving force of the internal combustion engine can be favorably assisted by the rotational driving force of the expander.
以下、図面により本発明の一実施形態について説明する。
先ず、第1実施例について説明する。
図1は、本発明に係る流体機械を用いた自動車用廃熱利用システムを模式的に示した図である。
廃熱利用システム1は、例えば車両に搭載され、エンジン(内燃機関)2、電力回収回路4、エアコン回路(冷凍サイクル)20、冷却水回路30、ランキン回路(ランキンサイクル)40から構成されている。
Hereinafter, an embodiment of the present invention will be described with reference to the drawings.
First, the first embodiment will be described.
FIG. 1 is a diagram schematically showing an automotive waste heat utilization system using a fluid machine according to the present invention.
The waste
電力回収回路4は、エンジン2の回転駆動力をオルタネータ14により電力に変換して回収する電気回路である。エンジン2の回転駆動力は、エンジン2のクランクシャフト(回転軸)7に接合されたプーリ8から無端状のベルト12、電力回収回路4側のプーリ10及び駆動軸(回転軸)11を順次介してオルタネータ14に伝達され、オルタネータ14にて回転駆動力が電力に変換されて電力回収回路4にて回収される。電力回収回路4にて回収された電力は、例えば車両の各種電気機器の駆動電力として利用される。
The
エアコン回路20は、冷媒の循環路22に、冷媒の流れ方向で視て順に、圧縮機24、何れも図示しないエアコンコンデンサ、気液分離器、膨張弁、エバポレータなどが介装されて閉回路を構成しており、当該エバポレータに車室内の空気を通風して冷媒との間で熱交換させることにより、例えば車両の車室内の空調を行っている。
ここに、圧縮機24は、無端状のベルト12及びプーリ(伝達手段)26を介して回転軸25に伝達されたエンジン2の回転駆動力により駆動され、上記エバポレータにて蒸発した冷媒を圧縮して過熱蒸気の状態にする。そして、圧縮機24から吐出される冷媒は、上記エアコンコンデンサにて凝縮液化され、当該液化した液冷媒は上記気液分離器を経て上記膨張弁にて膨張された後に上記エバポレータに向けて送出される。
The
Here, the
冷却水回路30は、エンジン2の冷却水通路に連通された冷却水の循環路32に、冷却水の流れ方向で視て順に、ランキン蒸発器34、何れも図示しないラジエータ、サーモスタット、水ポンプなどが介装されて閉回路を構成し、エンジン2を冷却している。
ランキン回路40は、作動流体の循環路42に、作動流体の流れ方向で視て順に、上記ランキン蒸発器34、ランキン蒸発器34にて加熱され過熱状態となる作動流体の膨張によって回転駆動力を発生する膨張機48、ランキンコンデンサ44、作動流体を循環させるポンプ46などが介装されて閉回路を構成し、ランキン蒸発器34にて冷却水回路30を循環する冷却水との間で熱交換を行うことでエンジン2の廃熱を回収している。
The cooling
The
ところで、エアコン回路20の上記圧縮機24、ランキン回路40の上記ポンプ46及び膨張機48は、流体機械3として構成されている。即ち、圧縮機24とポンプ46及び膨張機48とが同一の回転軸25によって回転作動する流体機械3として一体に構成されている。つまり、流体機械3は、圧縮機24部分に低圧〜中間圧の冷媒が流れ、ポンプ46部分及び膨張機48部分に中間圧〜高圧の作動流体が流れるような流体機械として構成されている。
Incidentally, the
図2を参照すると、本発明の第1実施例に係る流体機械3の縦断面図が示されており、以下流体機械3の構成について説明する。
同図に示すように、流体機械3は、回転軸25がプーリ26側から順に圧縮機24、ポンプ46及び膨張機48を貫通するように構成されている。
圧縮機24は、可変容量型斜板圧縮機であり、流体機械3のハウジングの一部を構成するフロントハウジング50の一端にシリンダブロック52、バルブプレート54及びシリンダヘッド56がこの順序で気密に配設されて構成されている。そして、フロントハウジング50とシリンダブロック52との間にはクランク室58が形成されている。
Referring to FIG. 2, there is shown a longitudinal sectional view of the
As shown in the figure, the
The
シリンダヘッド56には、吸入ポート及び吐出ポートが形成され、シリンダヘッド56の内部には、吸入ポート又は吐出ポートに連通する吸入室60及び吐出室62が形成されている。
吸入室60は、吸入リード弁(図示せず)を介してシリンダブロック52の各シリンダボア64に連通しており、吐出室62は、吐出リード弁63を介して各シリンダボア64に連通している。なお、吐出室62は、図示しないものの、連通路を通じてクランク室58と連通し、この連通路には電磁弁が配置されている。この電磁弁は、電子コントロールユニット(ECU)150に電気的に接続され、ECU150の制御により開閉作動し、吐出室62とクランク室58とを断続的に連通可能である。
A suction port and a discharge port are formed in the
The
シリンダブロック52の各シリンダボア64内には、クランク室58側からピストン66が往復動自在に挿入され、ピストン66のテール部は、クランク室58内に突出している。
一方、回転軸25は、クランク室58、シリンダブロック52、バルブプレート54及びシリンダヘッド56を貫通し、2つのラジアルベアリング27、28を介してフロントハウジング50及びシリンダブロック52に回転自在に支持されている。なお、回転軸25とフロントハウジング50との間には、ラジアルベアリング27よりもプーリ26側に位置してリップシール(第1のシール)29が取り付けられ、回転軸25とシリンダヘッド56との間にはリップシール(第2のシール)57が取り付けられて密閉されている。
A
On the other hand, the
回転軸25と上記ピストン66のテール部との間には、回転軸25の回転運動をピストン66の往復運動に変換するための変換機構が設けられている。
変換機構として、先ず回転軸25には円盤状のロータ70が固定され、ロータ70とフロントハウジング50との間にはスラストベアリング72が配置されている。
そして、回転軸25のロータ70とシリンダブロック52との間の部分には、円筒状の斜板ボス74が外嵌され、斜板ボス74はヒンジ76を介してロータ70に連結されている。詳しくは、斜板ボス74の内周面は球状の凹面をなしており、斜板ボス74は、回転軸25に摺動自在に外嵌されたスリーブ78の球状の外周面に摺接している。即ち、斜板ボス74は、回転軸25に対して傾動可能であるとともに、回転軸25と一体に回転可能である。また、スリーブ78とロータ70との間には回転軸25に外嵌されて圧縮コイルばね79が配設されている。
Between the
As a conversion mechanism, a disk-shaped
A cylindrical
斜板ボス74には円環状の斜板80が嵌合され一体に回転可能に固定され、斜板80の外周部はピストン66のテール部に形成された凹所内に位置付けられている。各テール部の凹所にはピストン66の軸線方向に離間した一対の球面座が形成され、球面座に配置された一対の半球状のシュー82が、斜板80を厚さ方向両側から挟むように斜板80の外周部に摺接している。
An
これにより、圧縮機24では、回転軸25が回転すると、回転運動が変換機構、即ちロータ70、ヒンジ76、斜板ボス74、斜板80及びシュー82を介してピストン66の往復運動に変換される。そして、各ピストン66の往復運動により、吸入室60内の低圧の冷媒が吸入リード弁を介してシリンダボア64に吸入されてシリンダボア64内で圧縮され、中間圧にまで圧縮された冷媒が吐出リード弁63、吐出室62を経て循環路22に吐出される。
Thereby, in the
このとき、圧縮機24から吐出される冷媒の吐出量は、ECU150による上記電磁弁の開閉によりクランク室58内の圧力(背圧)が昇降することに伴って変化する。詳しくは、ピストン66に作用する圧縮反力、背圧及び斜板80に作用する圧縮コイルばね79の付勢力のバランスの変化に応じて斜板80が傾動し、各ピストン66のストローク長が増減することで冷媒の吐出容量が増減変化する(吐出容量制御手段)。なお、上述したようにクランク室58は吐出室62と連通しており、中間圧の冷媒の供給を受けることになるが、クランク室58と吐出室62とは電磁弁により断続的に連通されるため、クランク室58内の圧力(背圧)は全般的に低圧である。
At this time, the discharge amount of the refrigerant discharged from the
従って、例えばエアコン回路20を作動させる必要がない場合やエアコン回路20の出力を抑えたいような場合であってエアコン回路20の作動要求が小さい或いは無いような場合には、上記電磁弁の開度を小さくすることで斜板80の傾斜度合いを小さくし、冷媒の吐出容量を低減することで、圧縮機24の作動を制限可能である。
ポンプ46は、作動流体を循環路42に循環させるべく回転軸25により回転駆動され、中間圧の作動流体を高圧に高めることの可能な可変容量式ポンプであり、圧縮機24と膨張機48との間に回転軸25により回転可能に配設されている。また、ポンプ46には、図示しないものの吐出容量を可変させるための電磁弁が設けられており、この電磁弁はECU150に電気的に接続されている(ポンプ容量制御手段)。なお、回転軸25とポンプ46との間にはリップシール(第3のシール)49が取り付けられて密閉されており、このように密閉されたポンプ46のポンプ吸入室47には、吸入された中間圧の作動流体が流れている。
Therefore, for example, when it is not necessary to operate the
The
膨張機48は、スクロール型膨張機であり、流体機械3のハウジングの一部を構成するリヤハウジング51内にスクロールユニットを収容して構成されている。
スクロールユニットは、固定スクロール90と、固定スクロール90に対して公転旋回運動する可動スクロール92とから構成されている。
可動スクロール92の固定スクロール90と反対側の背面にはボス部94が形成され、ボス部94内にはラジアルベアリング95を介して偏心ブッシュ96が挿入されている。
The
The scroll unit includes a fixed
A
偏心ブッシュ96には、クランクピン98が挿入され、クランクピン98は回転軸25のスクロールユニット側の端部に軸心から偏心した位置で連結されており、これにより可動スクロール92は自転することなく公転旋回運動する。
また、回転軸25のスクロールユニット側の端部とクランクピン98とはワンウェイクラッチ100を介して連結されている。故に、回転軸25の回転速度が可動スクロール92の旋回速度よりも速い場合には回転軸25の回転は可動スクロール92、即ち膨張機48には伝達されず、可動スクロール92の旋回速度が回転軸25の回転速度よりも速い場合にのみ可動スクロール92、即ち膨張機48側から回転軸25に回転が伝達される。
A
Further, the end of the
これより、ランキン回路40では、作動流体がポンプ46からランキン蒸発器34、膨張機48、ランキンコンデンサ44を経てポンプ46に戻るようにして循環路42を循環する。
なお、膨張機48には、図示しないものの膨張機48の回転速度を検出する回転速度センサが設けられて外気温センサ、車両の走行速度を検出する車速センサ、エンジン2の冷却水の温度を検出する水温センサ等(共に図示せず)とともにECU150に電気的に接続されており、可変容量式ポンプであるポンプ46は、これらのセンサからの情報に基づき上記電磁弁が開閉され、膨張機48の出力が最大となるよう作動流体の吐出容量を適宜調節可能である。なお、外気温センサ、車速センサ、水温センサ等からの情報については図示しない車両のECUから得るようにしてもよい。
Accordingly, in the
The
そして、圧縮機24、ポンプ46及び膨張機48からなる流体機械3は、複数の長軸のボルト110によって共締めされており、これにより圧縮機24、ポンプ46及び膨張機48の一体化が図られている。
以上のように、本発明に係る流体機械を用いた自動車用廃熱利用システムでは、オルタネータ14とは別にエアコン回路20の圧縮機24、ランキン回路40のポンプ46及び膨張機48を回転軸25で同軸にして一体に流体機械3として構成し、エンジン2のプーリ8とオルタネータ14のプーリ10と流体機械3のプーリ26とに無端状のベルト12を掛け回して互いに連結するようにしている。
The
As described above, in the automobile waste heat utilization system using the fluid machine according to the present invention, the
従って、オルタネータ14については常にエンジン2の駆動力で作動して発電が行われるとともに、エンジン2が暖機して冷却水の温度が上昇すると、これに伴いランキン蒸発器34にて冷却水回路30を循環する冷却水との間で熱交換が行われてランキン回路40の作動流体が昇温し、昇圧し、これにより膨張機48が回転駆動させられ、膨張機48の回転駆動力でエンジン2や圧縮機24の回転駆動力がアシストされる。
Accordingly, the
実際には、第1実施例の流体機械3では、回転軸25と膨張機48のクランクピン98とに間にはワンウェイクラッチ100が介装されているので、例えばエンジン2が未だ暖機していない場合やエンジン2の出力要求が高くエンジン2が高回転となるような場合には、膨張機48の駆動力はエンジン2側へ伝達されることはなく、膨張機48が不必要にエンジン2の負荷とならないようにして、エンジン2や圧縮機24の駆動力が膨張機48の駆動力によってアシストされる。
Actually, in the
これにより、オルタネータ14については別途独立させて発電効率を高めながら、圧縮機24、ポンプ46及び膨張機48をコンパクトに効率よく組み合わせて一体に構成するようにして車両の限られたスペースでの無理なレイアウトを防止でき、掛け回す無端状のベルト12を極力短くして撓みを低減しつつ、膨張機48の回転駆動力でエンジン2や圧縮機24の回転駆動力を効率よくアシストすることができる。
As a result, the
特に、流体機械3では、最もプーリ26寄りに圧縮機24が位置し、次にポンプ46が位置し、最もプーリ26から離間して膨張機48が位置するように並べて圧縮機24、ポンプ46及び膨張機48を一体化し、圧縮機24のプーリ26側の部分をリップシール29で密閉し、圧縮機24とポンプ46との間の接続部分をリップシール57で密閉し、ポンプ46と膨張機48との接続部分をリップシール49で密閉している。
In particular, in the
プーリ26、圧縮機24、ポンプ46、膨張機48をこの順に配設することにより、上述したように圧縮機24には低圧〜中間圧の冷媒が流れ、ポンプ46及び膨張機48には中間圧〜高圧の作動流体が流れているのであるが、圧縮機24のプーリ26側の部分において圧縮機24側をリップシール29を挟んで低圧の冷媒の流れるクランク室58とするようにでき、圧縮機24とポンプ46間の接続部分においてリップシール57を挟んで圧縮機24側を低圧の冷媒の流れるクランク室58と同等の低圧とし、ポンプ46側を中間圧の作動流体の流れるポンプ吸入室47とするようにでき、さらにポンプ46と膨張機48間の接続部分においてリップシール49を挟んでポンプ46側を中間圧の作動流体の流れるポンプ吸入室47とし、膨張機48側を中間圧の作動流体の流れる領域とするようにできる。
By arranging the
これにより、リップシール29の前後圧を大気圧と低圧とし、リップシール57の前後圧を低圧と中間圧とし、リップシール49の前後圧を中間圧同士とし(大気圧<低圧<中間圧<高圧)、圧力差を最も小さい状態にすることができる。故に、リップシール29、リップシール57、リップシール49による密閉性能を簡素なシール構造で高く維持することができる。
Accordingly, the front and rear pressure of the
また、プーリ26、圧縮機24、ポンプ46、膨張機48をこの順に配設することにより、例えばポンプ46や膨張機48の故障時等において、容易にポンプ46や膨張機48を外して圧縮機24のみを優先させて駆動させることも可能である。
また、ポンプ46は可変容量式ポンプであり、ポンプ46からの作動流体の吐出容量を膨張機48の出力が最大となるように適宜調節するので、ランキンサイクルの作動流体の流量の適正化を図ることができる。さらに、エンジン2のアイドル運転時のように、ポンプ46のエンジン2からの入力が膨張機48の出力よりも大きくなるような場合には、即ちランキンサイクル側が十分に駆動しないときには、ポンプ46の容量をゼロとすることで、ポンプ46自体のトルクを無くし、エンジン2の負荷を軽減することができる。
Further, by arranging the
Further, the
また、圧縮機24は可変容量型斜板圧縮機であり、圧縮機24の吐出容量をエアコン回路20の作動状況に応じて可変制御するので、エアコン回路20の作動要求が小さい或いは無いような場合には、圧縮機24の吐出容量を低減或いはゼロとして圧縮機24の作動を制限して負荷とならないようにでき、膨張機48の回転駆動力でエンジン2の回転駆動力を良好にアシストすることができる。
Further, the
次に、第2実施例について説明する。
第2実施例では、自動車用廃熱利用システムのシステム構成は上記第1実施例と同様であって図1に示す通りであり、ここでは第1実施例と異なる部分についてのみ説明する。
図3を参照すると、本発明の第2実施例に係る流体機械3’の縦断面図が示されており、以下流体機械3’の構成について説明する。なお、流体機械3についての上記図2と同一部分については同一符号を付して説明を省略する。
Next, a second embodiment will be described.
In the second embodiment, the system configuration of the automobile waste heat utilization system is the same as that of the first embodiment and is as shown in FIG. 1, and only the parts different from the first embodiment will be described here.
Referring to FIG. 3, there is shown a longitudinal sectional view of a
第2実施例では、図3に示すように、上記ワンウェイクラッチ100に代えて、回転軸25の圧縮機24とポンプ46との間の部分にワンウェイクラッチ120及びラジアルベアリング122が介装されている。即ち、回転軸25はプーリ26及び圧縮機24に連結された回転軸25aとポンプ46及び膨張機48に連結された回転軸25bとからなり、これら回転軸25aと回転軸25b間にワンウェイクラッチ120が介装されている。
In the second embodiment, as shown in FIG. 3, instead of the one-way clutch 100, a one-way clutch 120 and a
故に、第2実施例では、流体機械3’は、回転軸25aの回転速度が回転軸25bよりも速い場合には回転軸25aの回転は回転軸25bに対し許容されて回転軸25bひいてはポンプ46及び膨張機48に伝達されず、回転軸25bの回転速度が回転軸25aの回転速度よりも速い場合にのみ回転軸25bひいてはポンプ46及び膨張機48側から回転軸25aに回転が伝達されるよう構成されている。
Therefore, in the second embodiment, when the rotational speed of the
このように、第2実施例の流体機械3’では、例えばエンジン2が未だ暖機していない場合やエンジン2の出力要求が高くエンジン2が高回転となるような場合には、上記第1実施例と同様に膨張機48の駆動力はエンジン2側へ伝達されることはなく、膨張機48のみならずポンプ46もが不必要にエンジン2の負荷とならないようにして、エンジン2や圧縮機24の駆動力が膨張機48の駆動力によってアシストされる。
As described above, in the
これにより、第2実施例によれば、オルタネータ14については別途独立させて発電効率を高めながら、膨張機48とポンプ46が不必要にエンジン2の負荷とならないように図りながら圧縮機24、ポンプ46及び膨張機48をコンパクトにして一層効率よく組み合わせて一体に構成することができる。
以上で本発明の一実施形態についての説明を終えるが、本発明は上記実施形態に限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で種々の変更ができるものである。
As a result, according to the second embodiment, the
The description of one embodiment of the present invention is finished above, but the present invention is not limited to the above-described embodiment, and various modifications can be made without departing from the spirit of the present invention.
例えば、上記実施形態では、圧縮機24を可変容量型斜板圧縮機としたが、圧縮機24は可変容量式圧縮機であれば斜板圧縮機に限られるものではない。
また、上記実施形態では、エンジン2のプーリ8とオルタネータ14のプーリ10と流体機械3のプーリ26とに無端状のベルト12を掛け回して互いに連結するようにしているが、さらにエンジン2の他の補機として例えば冷却ファン、スーパーチャージャ、ウォータポンプ等を配設している場合には、これら他の補機のプーリをベルト12に掛け回すことを制限するものではない。
For example, in the above embodiment, the
In the above-described embodiment, the
また、上記実施形態では、ランキン回路40は、ランキン蒸発器34を介し冷却水回路30を循環する冷却水との間で熱交換を行うことでエンジン2の廃熱を回収しているが、例えばエンジン2の排気通路を流れる排ガスとの間で熱交換を行うことでエンジン2の廃熱を回収するようにしてもよい。
In the above embodiment, the
1 廃熱利用システム
2 エンジン
3、3’ 流体機械
4 電力回収回路
8、10、26 プーリ
12 ベルト
14 オルタネータ
20 エアコン回路(冷凍サイクル)
24 圧縮機
25 回転軸
29 リップシール
30 冷却水回路
40 ランキン回路(ランキンサイクル)
46 ポンプ
47 ポンプ吸入室
48 膨張機
49 リップシール
57 リップシール
58 クランク室
100 ワンウェイクラッチ
120 ワンウェイクラッチ
150 ECU
DESCRIPTION OF
24
46
Claims (7)
回転軸が貫通する圧縮機と、回転軸が貫通するポンプと、回転軸が一方側に突出している膨張機とを前記圧縮機、前記ポンプ、前記膨張機の順に配設して一体に構成するとともに、
前記各回転軸を同軸で一体に構成し、
該同軸で一体に構成された回転軸の前記圧縮機側の端部に、内燃機関の回転軸と連動する伝達手段を設けたことを特徴とする流体機械。 A fluid machine used in an automobile waste heat utilization system,
A compressor through which the rotary shaft passes, a pump through which the rotary shaft passes, and an expander with the rotary shaft protruding to one side are arranged in the order of the compressor, the pump, and the expander, and are configured integrally. With
The rotating shafts are coaxially and integrally configured,
A fluid machine characterized in that a transmission means interlocking with a rotation shaft of an internal combustion engine is provided at an end portion on the compressor side of the coaxial rotation shaft.
冷媒の循環路に、該冷媒を圧縮する前記圧縮機が介装された冷凍サイクルと、
作動流体の循環路に、内燃機関の廃熱により作動流体を加熱して蒸発させる蒸発器、該蒸発器を経由した作動流体を膨張させる前記膨張機、該膨張機を経由した作動流体を凝縮させる凝縮器、該凝縮器を経由した作動流体を前記蒸発器に送出するポンプが順次介装されたランキンサイクルと、
発電を行うオルタネータとを備え、
前記内燃機関、前記オルタネータの各回転軸及び前記流体機械の前記伝達手段は同期回転可能に連結されていることを特徴とする自動車用廃熱利用システム。 An automotive waste heat utilization system comprising the fluid machine according to claim 1,
A refrigeration cycle in which the compressor for compressing the refrigerant is interposed in a refrigerant circulation path;
An evaporator that heats and evaporates the working fluid by waste heat of the internal combustion engine in the circulation path of the working fluid, the expander that expands the working fluid that passes through the evaporator, and the working fluid that passes through the expander is condensed A Rankine cycle in which a condenser and a pump for sending a working fluid passing through the condenser to the evaporator are sequentially disposed;
With an alternator that generates electricity,
A waste heat utilization system for automobiles, wherein the internal combustion engine, the rotating shafts of the alternator, and the transmission means of the fluid machine are connected so as to be capable of synchronous rotation.
前記内燃機関、前記オルタネータの各回転軸及び前記流体機械の前記プーリには無端状のベルトが掛け回されていることを特徴とする、請求項4記載の自動車用廃熱利用システム。 The transmission means is a pulley,
The waste heat utilization system for automobiles according to claim 4, wherein an endless belt is wound around the rotation shaft of the internal combustion engine, the alternator and the pulley of the fluid machine.
該可変容量式ポンプのポンプ容量を前記膨張機の出力に応じて可変制御するポンプ容量制御手段をさらに備えることを特徴とする、請求項4または5記載の自動車用廃熱利用システム。 The pump is a variable displacement pump;
The automobile waste heat utilization system according to claim 4 or 5, further comprising pump capacity control means for variably controlling the pump capacity of the variable capacity pump according to the output of the expander.
該可変容量式圧縮機の吐出容量を前記冷凍サイクルの作動状況に応じて可変制御する吐出容量制御手段をさらに備えることを特徴とする、請求項4乃至6のいずれか記載の自動車用廃熱利用システム。 The compressor is a variable capacity compressor;
The use of waste heat for automobiles according to any one of claims 4 to 6, further comprising discharge capacity control means for variably controlling the discharge capacity of the variable capacity compressor according to the operating state of the refrigeration cycle. system.
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