JP2012122343A - 排熱回生装置 - Google Patents

Abstract

【課題】ポンプからの冷媒の吐出量が、膨張機で膨張処理される冷媒量よりも多くなると、冷媒の一部を膨張機を迂回したバイパス配管を通じて再度ポンプ吸入側に戻して膨張機への冷媒量を調整しており、本来不必要なポンプ駆動力が必要となり、排熱回生装置で得られる回生動力が小さくなる。
【解決手段】この発明に係る排熱回生装置では、蒸気配管から分岐されているとともに、冷媒を副吸入口を通じて膨張機５の膨張室での膨張過程空間に導き、かつ冷媒の流量を制御する絞り弁２６が取付けられたバイパス配管２５を備えており、ポンプ８からの冷媒の吐出量が、膨張機５の主吸入口での吸入量よりも多くなる場合には、絞り弁２６により流量調整された余剰の冷媒は、バイパス配管、副吸入口を通じて膨張機の膨張室に入り、膨張して膨張機出力を発生させることができる。
【選択図】図１

Description

この発明は、自動車等のエンジンにおける冷却水または排気ガスの排熱をランキンサイクルにより動力等として回生する排熱回生装置に関するものである。

ランキンサイクル中の液冷媒を圧送するポンプと、過熱蒸気冷媒の膨張によって機械的エネルギーを出力する膨張機とが連結され、膨張機の出力によりポンプを駆動するポンプ一体型膨張機を備えた排熱回生装置が知られている（例えば、特許文献１参照）。
この排熱回生装置では、膨張機を迂回してバイパス配管が設けられており、同一あるいは一定の比率で、ポンプと膨張機とが運転されているものの、ポンプ及び膨張機のそれぞれの特性、冷媒の状態等により、ポンプからの冷媒の吐出量が、膨張機で膨張処理される冷媒量よりも多くなる場合が生じる。
この場合には、ポンプから吐出された冷媒の一部が膨張機を迂回したバイパス配管を通じて再度ポンプ吸入側に戻されることで膨張機への冷媒量が適正になるように調整される。

特開２００７−２０５６９９号公報

上記特許文献１に記載の排熱回生装置では、ポンプからの冷媒の吐出量が、ポンプと連結して運転される膨張機で膨張処理される冷媒量よりも多くなると、冷媒の一部が膨張機を迂回したバイパス配管を通じて再度ポンプ吸入側に戻されて膨張機への冷媒量が調整されており、ポンプは、膨張機で膨張機出力を生じさせない、バイパスされる液冷媒も圧送する結果、本来不必要なポンプ駆動力も必要となり、膨張機で発生した膨張機出力の一部で駆動されるポンプ駆動力が大きくなり、排熱回生装置で得られる回生動力（＝膨張機出力−ポンプ駆動力）が小さくなるという問題点があった。

この発明は、上記のような問題点を解決することを課題とするものであって、ポンプから吐出された冷媒の一部をバイパスさせて再度ポンプ吸入側に戻すことなく、ポンプから吐出される全ての冷媒を膨張機で膨張させて膨張機出力を発生させることで、高効率な排熱回生装置を得ることを目的としている。

この発明に係る排熱回生装置は、内燃機関の排熱と熱交換により冷媒を加熱して蒸気にする蒸発器と、
この蒸発器と蒸気配管を介して接続され蒸気となった前記冷媒を主吸入口を通じて膨張室内で膨張させて膨張機出力を発生させる膨張機と、
この膨張機を経由した前記冷媒を冷却し凝縮させる凝縮器と、
この凝縮器で冷却された前記冷媒を液配管を介して前記蒸発器に圧送するポンプとを備えた排熱回生装置であって、
前記蒸気配管から分岐されているとともに、前記冷媒を副吸入口を通じて前記膨張機の前記膨張室での膨張過程空間に導き、かつ前記冷媒の流量を制御する絞り弁が取付けられたバイパス配管を備えたものである。

この発明による排熱回生装置によれば、絞り弁が取付けられたバイパス配管は、蒸気配管から分岐されているとともに、冷媒を副吸入口を通じて膨張機の膨張室での膨張過程空間に導いているので、ポンプからの冷媒の吐出量が、膨張機の主吸入口での吸入量よりも多くなる場合には、絞り弁により流量調整された余剰の冷媒は、バイパス配管、副吸入口を通じて膨張機の膨張室に入り、膨張して膨張機出力を発生させることができる。
従って、ポンプから吐出される冷媒は全て膨張機で膨張して膨張機出力を発生させることができ、回生動力が増大する。

この発明の実施の形態１における排熱回生装置を示す構成図である。 図２（ａ）は図１の排熱回生装置のポンプ一体型膨張機を示す正断面図、図２（ｂ）は図２（ａ）の側断面図である。 図２（ｂ）に示されたスクロール型膨張機を示す構成図である。 図１のランキンサイクル回路を循環する冷媒にＲ１３４ａを用いた場合のモリエル線図である。 この発明の実施の形態２における排熱回生装置を示す構成図である。 この発明の実施の形態２における排熱回生装置の他の例を示す構成図である。 この発明の実施の形態３における排熱回生装置を示す構成図である。 この発明の実施の形態４における排熱回生装置を示す構成図である。

以下、この発明の各実施の形態における排熱回生装置について図に基づいて説明するが、同一符号は、同一または相当の部材、部位を示す。
実施の形態１．
図１は、この発明の実施の形態１における排熱回生装置を示す構成図である。
排熱回生装置は、内燃機関である自動車用エンジン１（以下、エンジンと略称する）と蒸発器３との間でエンジン冷却水を循環する冷却配管２ａ，２ｂと、エンジン１からの排熱を動力、電力として回生するランキンサイクル４とを備えている。

ランキンサイクル４は、エンジン１と冷却配管２ａ，２ｂを介して接続され冷媒によりエンジン冷却水を冷却するための蒸発器３と、この蒸発器３の下流であって第一配管２１ａ、第二配管２１ｂを介して接続され高温高圧の蒸気となった冷媒を膨張する膨張機５と、この膨張機５の下流であって第三配管２２を介して接続され膨張した冷媒を冷却し凝縮する凝縮器６と、この凝縮器６の下流であって第四配管２３を介して接続されたポンプ８と、このポンプ８の下流であって第五配管２４を介して接続された蒸発器３とを備えている。
なお、第一配管２１ａ及び第二配管２１ｂにより蒸気配管を構成し、第五配管２４は液配管である。
また、ランキンサイクル４は、第一配管２１ａに基端部が接続され先端部が膨張機５と接続されたバイパス配管２５と、第二配管２１ｂと並設されたバイパス配管２５に取付けられた絞り弁２６と、膨張機５とポンプ８とを連結した出力軸７とを備えている。膨張機５及びポンプ８は出力軸７で連結されて、ポンプ一体型膨張機を構成している。
このポンプ一体型膨張機の出力軸７の端部には、モータージェネレーター４１が設けられている。このモータージェネレーター４１は、ポンプ８に動力を供給し、また出力軸７の回転によりバッテリに充電される電力が生じる。

図２（ａ）は図１のポンプ一体型膨張機を示す正断面図、図２（ｂ）は図２（ａ）の側断面図であり、ポンプ一体型膨張機は、膨張機５を収納した筐体１０を備えている。
上記膨張機５は、スクロール型膨張機であり、図３に示されるように、螺旋形状の固定スクロール６１と、軸受け６０，６３を介して回転自在に支持された出力軸７に接続された螺旋形状の旋回スクロール６２と、冷媒が筐体１０の外部に漏れるのを防止する軸シール６８を備えており、固定スクロール６１と旋回する旋回スクロール６２とが協同して、容積が変化し冷媒を吸込み膨張させる膨張室６４が形成されている。
筐体１０は、出力軸７の軸線上であって第二配管２１ｂに接続された主吸入口６５が形成されており、また主吸入口６５の径方向外側にバイパス配管２５に接続された副吸入口６９が形成されている。この副吸入口６９は、膨張室６４での膨張過程空間の部位に臨んでいる。
また、筐体１０は、出力軸７の径方向であって第三配管２２に接続された吐出口６７が形成されており、膨張後の低圧空間６６内の冷媒は、吐出口６７を通じて第三配管２２に流れる。

一方、ポンプ８は、ギア式ポンプであり、回転自在の出力軸７に固定された第一ギア７１と、第一ギア７１にかみ合う第二ギア７２とを備えている。
筐体１０は、出力軸７と平行に延びて吸入口７３及び吐出口７４がそれぞれ形成されており、この吸入口７３には第四配管２３が接続され、吐出口７４には第五配管２４に接続されている。

次に、同一あるいは一定の比率で、ポンプ８の第一ギア７１及び第二ギア７２が回転（以後、ポンプ８の回転とする）し、また膨張機５の旋回スクロール６２が回転（以後、膨張機５の回転とする）して運転され、膨張機５の主吸入口６５での吸入量に一致した冷媒量がポンプ８から吐出された場合のランキンサイクル４の動作について説明する。
先ず、モータージェネレーター４１の駆動により、ポンプ８が駆動してランキンサイクル４内の例えば、Ｒ１３４ａの冷媒が循環する。
エンジン１により通常９０℃〜１００℃程度にまで加熱されたエンジン冷却水は、冷却水配管２ａを通り蒸発器３で冷却され、冷却水配管２ｂを通じてエンジン１に戻る。
冷媒は、蒸発器３でエンジン冷却水と熱交換により加熱されて約９０℃の高温高圧の蒸気となる。高温高圧の蒸気となった冷媒は第一配管２１ａ及び第二配管２１ｂで構成された蒸気配管を通り、膨張機５に送られ、膨張機５で膨張する過程で膨張機出力を発生する。
この場合、絞り弁２６は閉じられており、冷媒は、バイパス配管２５には流れず、副吸入口６９を通じて膨張機５の内部への流入はない。

膨張後に約５０℃の蒸気となった冷媒は、第三配管２２を通り、自動車走行時の走行風やファン等による冷却機能を有する凝縮器６に送られ、凝縮器６で冷却され凝縮し、約３０℃の液体となり、第四配管２３を通りポンプ８に送られる。

液体状態の冷媒はポンプ８により昇圧され、液配管である第五配管２４を通って蒸発器３に送られる。蒸発器３に送られた冷媒は、エンジン１により通常９０℃〜１００℃程度にまで加熱されたエンジン冷却水を冷却するとともに自身は約９０℃の高温高圧の蒸気となる。
エンジン冷却水は、冷却水配管２ｂを通り再びエンジン１の冷却に利用されるとともに、冷媒は、上記過程を繰り返し、ランキンサイクル４を継続動作させる。

次に、出力軸７を介して同一あるいは一定の比率で、ポンプ８及び膨張機５が回転して運転しているものの、ポンプ８及び膨張機５のそれぞれの特性、冷媒の状態等により、膨張機５の主吸入口６５での吸入量以上の冷媒量がポンプ８から吐出された場合のランキンサイクル４の動作について説明する。
蒸発器３で加熱され約９０℃の高温高圧の蒸気となった冷媒は、絞り弁２６の開度調整により、膨張機５の主吸入口６５での吸入量に一致した冷媒量が第一配管２１ａ及び第二配管２１ｂを通り、主吸入口６５から膨張機５へ流入する。
一方、余剰の冷媒は、バイパス配管２５を通り、副吸入口６９から膨張機５へ流入し、それぞれの冷媒は膨張機５で膨張する過程で膨張機出力を発生する。

次に、主吸入口６５及び副吸入口６９からそれぞれ膨張機５の内部に冷媒Ｒ１３４ａが流入した場合の張機出力の発生について、図４に示したモリエル線図を用いて説明する。 過程ａ→ｂで、冷媒がポンプ８により圧送され、過程ｂ→ｃで、冷媒は蒸発器３で加熱されて高温高圧の蒸気となる。
過程ｃ→ｄでは、蒸発器３で加熱された高温高圧の蒸気の一部が主吸入口６５から膨張機５に流入し膨張して膨張機出力を発生し、蒸発器３からの残りの高温高圧の蒸気は、過程ｄ→ｅで、バイパス配管２５を通り副吸入口６９から膨張機５へ流入し、主吸入口６５から膨張機５へ流入し膨張した状態ｄの冷媒と混合され、状態ｅの冷媒となり、以後過程ｅ→ｆで、膨張して膨張機出力を発生する。
ここで得られた膨張機出力は、ポンプ８の駆動力として利用されるとともに、モータージェネレーター４１で電力に変換され、この電力は、バッテリに充電される。
膨張機５から吐出された状態ｆの冷媒は、過程ｇ→ａで凝縮器６で冷却されて液体となり、再びポンプ８により圧送されて、サイクルを繰り返す。

上記構成の排熱回生装置によれば、第一配管２１ａと第二配管２１ｂとから構成された蒸気配管から分岐されたバイパス配管２５は、冷媒を副吸入口６９を通じて膨張機５の膨張室６４の膨張過程空間に導いているので、ポンプ８からの冷媒の吐出量が、膨張機５の主吸入口６５での吸入量よりも多くなる場合には、絞り弁２６により流量調整された余剰の冷媒は、バイパス配管２５、副吸入口６９を通じて膨張機５の膨張室６４に入り、膨張して膨張機出力を発生させることができる。
従って、ポンプ８から吐出される冷媒は全て膨張機５で膨張して膨張機出力を発生させることができ、回生動力が増大する。

実施の形態２．
図５は、この発明の実施の形態２における排熱回生装置を示す構成図である。
この実施の形態では、蒸気配管の一部を構成する第一配管２１ａに冷媒の圧力を測定する圧力センサー３１が設置されている。圧力センサー３１としては例えば抵抗ひずみゲージ式圧力センサー等が用いられる。
他の構成は、実施の形態１の排熱回生装置と同じである。

この実施の形態２における排熱回生装置では、エンジン冷却水の温度などから決定される蒸発器３での冷媒の蒸気圧と、排熱回生装置の強度設計から設定される許容圧力とに基づき、最も効率よく排熱回生装置を運転するための所定の運転圧力が設定される。
そして、圧力センサー３１により計測される圧力が所定の運転圧力を超える場合、絞り弁２６の開口度を大きくしてバイパス配管２５を通り副吸入口６９から膨張機５へ流入する冷媒を増加させて所定の運転圧力となるように制御する。

逆に、圧力センサー３１により計測される冷媒の蒸気圧が所定の運転圧力よりも低い場合、絞り弁２６の開口度を小さくしてバイパス配管２５を通り副吸入口６９から膨張機５へ流入する冷媒を減少させて所定の運転圧力となるように制御する。

従って、この発明の実施の形態２における排熱回生装置によれば、安定して高い効率で排熱回生装置を動作させることができる。

なお、上記実施の形態では、圧力センサー３１が第一配管２１ａに設置された例を示したが、図６で示すように液配管である第五配管２４に圧力センサー３３を設置してもよく、図５のものと同様の効果を奏する。

実施の形態３．
図７はこの実施の形態３の排熱回生装置を示す構成図である。
この実施の形態では、第一配管２１ａ及び第二配管２１ｂからなる蒸気配管から分岐して、絞り弁５１が取付けられた第一バイパス配管５０と、絞り弁５３が取付けられた第二バイパス配管５２とが互いに並列に設けられている。
他の構成は、図１に示した実施の形態１の排熱回生装置と同じである。

この実施の形態の排熱回生装置によれば、実施の形態１のものと比較して、バイパス配管として第二バイパス配管５２が増えた分、より多くの冷媒をランキンサイクル４で循環させることができ、より多くの膨張機出力を発生させることが可能となる。
なお、バイパス配管については、２組ではなく、３組以上並列に設けるようにしてもよい。

実施の形態４．
図８はこの発明の実施の形態４における排熱回生装置を示す構成図である。
実施の形態１〜３の排熱回生装置では、膨張機５とポンプ８は筐体１０で一体化されてポンプ一体型膨張機を構成し、出力軸７を介してモータージェネレーター４１と接続されていたが、この実施の形態４では、ポンプ８は軸９を介してモーター４２と連結されて駆動され、膨張機５は出力軸７を介して発電機４３と接続されている。
他の構成は、実施の形態１の排熱回生装置と同じである。

膨張機５とポンプ８とが同期して運転され、膨張機５の主吸入口６５での吸入量に一致した冷媒量がポンプ８から吐出された場合、あるいは、膨張機５の主吸入口６５での吸入量以上の冷媒量がポンプ８から吐出された場合のランキンサイクル４の動作は、前記実施の形態１と同様である。

膨張機５とポンプ８とが同期した実施の形態１の排熱回生装置と同様な運転条件で、膨張機５の主吸入口６５での吸入量に一致した冷媒量がポンプ８から吐出された場合には、ポンプ８の回転数を膨張機５の回転数に対して独立に制御できる。
従って、さらにポンプ８の回転数を増加させて冷媒の吐出量を増加させ、その増加した冷媒は、絞り弁２６の調整によりバイパス配管２５を通り副吸入口６９から膨張機５へ流入させることで、さらに多くの膨張機５での膨張機出力を発生することが可能となる。

また、膨張機５とポンプ８とが同期した実施の形態１の排熱回生装置と同様な運転条件で、膨張機５の主吸入口６５での吸入量以上の冷媒量がポンプ８から吐出された場合には、さらにポンプ８の回転数を増加させて冷媒の吐出量を増加させ、さらに多くの膨張機５での動力を発生することが可能となる。
主吸入口６５から流入した冷媒に比べて、副吸入口６９から流入した冷媒は、膨張機５の途中から膨張を開始するため、主吸入口６５から流入した冷媒に比べて十分な膨張機出力を発生することができないので、逆に、ポンプ８の回転数を減少させて冷媒の吐出量を減少させ、バイパス配管２５を通り副吸入口６９から膨張機５へ流入させる冷媒量を減少させることも可能となる。

なお、実施の形態３の排熱回生装置と同様に、第一配管２１ａ及び第二配管２１ｂからなる蒸気配管から分岐して、さらにバイパス配管２５と並列に、絞り弁が取付けられたバイパス配管を設けるようにしてもよい。

なお、上記各実施の形態１〜４の排熱回生装置では、自動車用エンジン１のエンジン冷却水の排熱をランキンサイクルの熱源に用いたが、自動車用エンジン１の排気ガスの排熱をランキンサイクルの熱源として用いてもよい。
また、実施の形態１〜３では、モータージェネレーター４１で電力として回生し、実施の形態４では、発電機４３で電力として回生したが、膨張機の出力軸をプーリー機構を介してエンジンの出力軸と連結し、エンジンの補助駆動力として回生するようにしてもよい。
また、膨張機５については、スクロール型膨張機に限定されるものではなく、例えばレシプロ型膨張機、ロータリー型膨張機であってもよい。
また、内燃機関として自動車用エンジン１を用いて説明したが、勿論これに限定されるものではなく、例えば、定置発電機用エンジンからの排熱や、工場からの排熱をランキンサイクルの熱源として用いてもよい。

１ 自動車用エンジン、２ａ 冷却水配管、２ｂ 冷却水配管、３ 蒸発器、４ ランキンサイクル、５ 膨張機、６ 凝縮器、７ 出力軸、８ ポンプ、９ 軸、１０ 筐体、２１ａ 第一配管、２１ｂ 第二配管、２２ 第三配管、２３ 第四配管、２４ 第五配管、２５ バイパス配管、２６ 絞り弁、３１ 圧力センサー、３３ 圧力センサー、４１ モータージェネレーター、４２ モーター、４３ 発電機、５０ 第一バイパス配管、５１ 絞り弁、５２ 第二バイパス配管、５３ 絞り弁、６１ 固定スクロール、６２ 旋回スクロール、６０，６３ 軸受け、６８ 軸シール、６４ 膨張室、６５ 主吸入口、６６ 低圧空間、６７ 吐出口、６９ 副吸入口、７１ 第一ギア、７２ 第二ギア、７３ 吸入口、７４ 吐出口。

Claims (7)

1. 内燃機関の排熱と熱交換により冷媒を加熱して蒸気にする蒸発器と、
   この蒸発器と蒸気配管を介して接続され蒸気となった前記冷媒を主吸入口を通じて膨張室内で膨張させて膨張機出力を発生させる膨張機と、
   この膨張機を経由した前記冷媒を冷却し凝縮させる凝縮器と、
   この凝縮器で冷却された前記冷媒を液配管を介して前記蒸発器に圧送するポンプとを備えた排熱回生装置であって、
   前記蒸気配管から分岐されているとともに、前記冷媒を副吸入口を通じて前記膨張機の膨張室での膨張過程空間に導き、かつ前記冷媒の流量を制御する絞り弁が取付けられたバイパス配管を備えたことを特徴とする排熱回生装置。
2. 前記膨張機と前記ポンプとは連結されたポンプ一体型膨張機であり、このポンプ一体型膨張機には、前記膨張機出力からポンプを駆動させかつ発電するモータージェネレーターが接続されていることを特徴とする請求項１に記載の排熱回生装置。
3. 前記膨張機には、前記膨張機出力から発電する発電機が接続され、前記ポンプには、前記ポンプを駆動させるモーターが接続されていることを特徴とする請求項１に記載の排熱回生装置。
4. 前記蒸気配管、または前記液配管には、前記ポンプから吐出された冷媒の圧力を測定する圧力センサーが設けられていることを特徴とする請求項１〜３の何れか１項に記載の排熱回生装置。
5. 前記バイパス配管は、互いに並列に複数設けられていることを特徴とする請求項１〜４の何れか１項に記載の排熱回生装置。
6. 前記内燃機関は、自動車用エンジンであることを特徴とする請求項１〜５の何れか１項に記載の排熱回生装置。
7. 前記自動車用エンジンは、冷却水配管を介して前記蒸発器と接続されており、自動車用エンジンと前記蒸発器との間には、前記冷媒と熱交換するエンジン冷却水が循環する請求項６に記載の排熱回生装置。

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