JP2013096340A

JP2013096340A - 廃熱回生システム

Info

Publication number: JP2013096340A
Application number: JP2011241295A
Authority: JP
Inventors: Fuminobu Enoshima; 史修榎島; Masao Iguchi; 雅夫井口; Hidefumi Mori; 英文森; Fumihiko Ishiguro; 文彦石黒
Original assignee: Toyota Industries Corp
Current assignee: Toyota Industries Corp
Priority date: 2011-11-02
Filing date: 2011-11-02
Publication date: 2013-05-20
Anticipated expiration: 2031-11-02
Also published as: US20140290243A1; EP2775128A1; WO2013065361A1; JP5708446B2

Abstract

【課題】ポンプの駆動源であるモータの駆動を妨げることなく、作動流体がランキンサイクル回路の外部に流出することを防止することができる廃熱回生システムを提供する。
【解決手段】廃熱回生システム１００において、歯車ポンプ１１１と電動モータ１１７とは駆動軸１２１を共有している。ポンプ内部１１１ａとモータ内部１１７ａとは軸シール１２２によって区分されており、ポンプ内部１１１ａはランキンサイクル回路１１０の循環路１１５の一部を形成している。ハウジング１１６の下部１１６ａには、モータ内部１１７ａに連通する連通路１２７の一端が接続されており、この連通路１２７の他端は、ランキンサイクル回路１１０における膨張機１１３とコンデンサ１１４との間の循環路１１５に接続されている。
【選択図】図２

Description

この発明は、廃熱回生システムに係り、特にランキンサイクルを利用した車両用の廃熱回生システムに関する。

エンジンの廃熱から機械的エネルギー（動力）を回収するランキンサイクルを利用した車両用の廃熱回生システムが開発されている。一般的なランキンサイクル回路は、液状の作動流体を圧送するポンプと、作動流体をエンジンの廃熱と熱交換させて加熱する熱交換器と、加熱されて気化した作動流体を膨張させて機械的エネルギーを回収する膨張機と、膨張後の作動流体を冷却凝縮させるコンデンサとから構成され、これらが循環路上に順次配置されて閉回路を形成している。

ランキンサイクル回路において、液状の作動流体を圧送するポンプの駆動源としては様々なものが考えられる。例えば、特許文献１には、作動流体を圧送するポンプをモータによって駆動する構成が記載されている。特許文献１において、ポンプとモータとが駆動軸を共有しているものとすると、ポンプおよびモータの構成としては、以下の３通りが考えられる。
（１）ポンプ内部とモータ内部とは軸シールによって区分されており、モータ内部は作動流体雰囲気になく外気（大気）と連通している。
（２）ポンプ内部とモータ内部とは軸シールによって区分されており、モータ内部は作動流体雰囲気になく密閉状態である。
（３）ポンプ内部とモータ内部とは連通しており、ポンプ内部とモータ内部は共に作動流体雰囲気にあり密閉状態である。

特開２００６−１７７２６６号公報

しかしながら、上記（１）〜（３）の構成には、それぞれ以下のような問題点が存在する。
（１）軸シールによる区分は完全ではないため、ポンプ内部の作動流体が軸シールの隙間からモータ内部に洩れ出し、モータ内部が外気と連通しているために作動流体がランキンサイクル回路の外部に流出してしまう。
（２）ポンプ内部の作動流体が軸シールの隙間からモータ内部に洩れ出し、モータ内部の温度は低いために凝縮して液状になった作動流体がモータ内部に溜まり、モータの駆動が妨げられる。
（３）モータ内部が液状の作動流体雰囲気にあるために攪拌抵抗が大きく、モータの駆動が妨げられる。

この発明は、ポンプの駆動源であるモータの駆動を妨げることなく、作動流体がランキンサイクル回路の外部に流出することを防止することができる廃熱回生システムを提供することを目的とする。

上記の課題を解決するために、この発明に係る廃熱回生システムは、モータによって駆動されて液状の作動流体を圧送するポンプと、圧送された作動流体をエンジンの廃熱によって加熱する熱交換器と、加熱されて気化した作動流体を膨張させて機械的エネルギーを発生させる膨張機と、膨張後の作動流体を冷却凝縮させるコンデンサとを循環路上に順次配置することによって構成されるランキンサイクル回路を有する廃熱回生システムにおいて、ポンプとモータとは駆動軸を共有すると共に、ポンプの内部とモータの内部とは軸シールによって区分され、ポンプの内部はランキンサイクル回路の循環路の一部を形成し、モータの内部を膨張機とコンデンサとの間の循環路に連通させる連通路を備えることを特徴とする。

連通路には開閉弁が設けられ、モータの内部における作動流体の圧力が膨張機とコンデンサとの間の循環路における作動流体の圧力よりも所定値以上高い場合に、開閉弁を開状態にする制御手段をさらに備えてもよい。

連通路には開閉弁が設けられ、モータの内部における作動流体の温度がコンデンサ出口における作動流体の温度よりも所定値以上高い場合に、開閉弁を開状態にする制御手段をさらに備えてもよい。

連通路には、モータの内部における作動流体の圧力が膨張機とコンデンサとの間の循環路における作動流体の圧力よりも高い場合に開状態となる逆止弁が設けられてもよい。

連通路の一端は、モータのハウジングの下部に接続されてもよい。

連通路の一端は、モータのハウジングにおける駆動軸の軸受の近傍に接続されてもよい。

この発明に係る廃熱回生システムによれば、ポンプの駆動源であるモータの駆動を妨げることなく、作動流体がランキンサイクル回路の外部に流出することを防止することができる。

この発明の実施の形態１に係る廃熱回生システムの構成を示す図である。この発明の実施の形態１，２に係る廃熱回生システムにおけるポンプおよびモータの構造を示す模式断面図である。この発明の実施の形態２及び変形例に係る廃熱回生システムの構成を示す図である。この発明の実施の形態１，２に係る廃熱回生システムにおけるポンプおよびモータの構造の変形例を示す模式断面図である。

以下、この発明の実施の形態について添付図面に基づいて説明する。
実施の形態１．
この発明の実施の形態１に係る廃熱回生システム１００の構成を図１に示す。
車両に搭載される廃熱回生システム１００は、ランキンサイクル回路１１０を備えている。ランキンサイクル回路１１０は、歯車ポンプ１１１と、熱交換器１１２と、膨張機１１３と、コンデンサ１１４とが、循環路１１５上に順次配置されることによって構成されており、この回路１１０内を作動流体が循環する。

歯車ポンプ１１１は、ハウジング１１６内に収容されており、同じくハウジング１１６内に収容されている電動モータ１１７によって駆動され、液状の作動流体を圧送する。
熱交換器１１２は、歯車ポンプ１１１から圧送された作動流体をエンジン１０から排出される排気ガスと熱交換させて加熱する。

膨張機１１３は、熱交換器１１２において加熱されて気化した作動流体を膨張させて機械的エネルギー（動力）を発生させる。膨張機１１３の駆動軸１１８は、プーリ１１９およびベルト１２０を介してエンジン１０の駆動軸１１に接続されている。
コンデンサ１１４は、膨張後の作動流体を周囲の外気と熱交換させて冷却凝縮させる。

次に、ハウジング１１６内に収容されている歯車ポンプ１１１および電動モータ１１７の構造を、図２の模式断面図を参照して説明する。尚、図２において、紙面矢印の方向を下方向と定義し、この向きに重力が作用するものとする。

ハウジング１１６内に収容されている歯車ポンプ１１１と電動モータ１１７は駆動軸１２１を共有しており、ポンプ内部１１１ａとモータ内部１１７ａとは、軸シール１２２によって区分されている。駆動軸１２１のポンプ内部１１１ａに位置する部分には、歯車１２３が取り付けられており、ポンプ内部１１１ａは、ランキンサイクル回路１１０の循環路１１５の一部を形成している。一方、駆動軸１２１のモータ内部１１７ａに位置する部分には、ロータ１２４が取り付けられている。また、駆動軸１２１の両端は、軸受１２５，１２６によって保持されている。

また、ハウジング１１６の下部１１６ａには、モータ内部１１７ａに連通する連通路１２７の一端が接続されており、この連通路１２７の他端は、ランキンサイクル回路１１０における膨張機１１３とコンデンサ１１４との間の循環路１１５に接続されている（図１参照）。すなわち、連通路１２７は、モータ内部１１７ａをランキンサイクル回路１１０における膨張機１１３とコンデンサ１１４との間の循環路１１５に連通させるものである。

次に、この実施の形態１に係る廃熱回生システム１００の動作について説明する。
まず、図１を参照すると、廃熱回生システム１００が動作する際には、電動モータ１１７によって歯車ポンプ１１１が駆動され、ランキンサイクル回路１１０内の作動流体の圧送が行われる。歯車ポンプ１１１から圧送された液状の作動流体は、熱交換器１１２においてエンジン１０の排気ガスによって加熱されて高温のガスとなり、膨張機１１３において膨張して機械的エネルギーを発生させる。

膨張機１１３において発生する機械的エネルギーによって駆動軸１１８が回転駆動されると、この駆動力はプーリ１１９およびベルト１２０を介してエンジン１０の駆動軸１１に伝えられ、エンジン１０の駆動が補助される。膨張機１１３を出た作動流体は、コンデンサ１１４の内部を流通する過程で周囲の外気と熱交換することによって冷却凝縮された後、歯車ポンプ１１１に再吸入される。

この際、図２に示されるように、ポンプ内部１１１ａの圧力Ｐ_１は、ランキンサイクル回路１１０の高圧側の圧力Ｐ_Ｈと低圧側の圧力Ｐ_Ｌとの間の中間圧であり、この中間圧Ｐ_１は、連通路１２７によってランキンサイクル回路１１０の低圧側に連通されているモータ内部１１７ａの圧力よりも高い。そのため、軸シール１２２の隙間から漏れ出した作動流体は、ポンプ内部１１１ａからモータ内部１１７ａへと向かい、連通路１２７を経由してランキンサイクル回路１１０における膨張機１１３とコンデンサ１１４との間の循環路１１５に戻る。これにより、軸シール１２２の隙間から漏れ出した作動流体がランキンサイクル回路１１０の外部に流出することが防止される。また、ポンプ内部１１１ａの作動流体は液状であるが、軸シール１２２の隙間から漏れ出してモータ内部１１７ａに入ると、軸シール１２２やモータ１１７の発熱によって気化する。そのため、電動モータ１１７のロータ１２４が回転する際の攪拌抵抗とはならず、電動モータ１１７の駆動が妨げられることはない。尚、連通路１２７を通った作動流体をコンデンサ１１４と歯車ポンプ１１１との間の循環路１１５に戻すのではなく、膨張機１１３とコンデンサ１１４との間の循環路１１５に戻すのは、モータ内部１１７ａにおいて気化した作動流体をコンデンサ１１４において凝縮された液状の作動流体に混入させると、歯車ポンプ１１１においてキャビテーションが発生する原因となるからである。

以上説明したように、この実施の形態１に係る廃熱回生システム１００では、ポンプ内部１１１ａとモータ内部１１７ａとは軸シール１２２によって区分され、ポンプ内部１１１ａはランキンサイクル回路１１０の循環路１１５の一部を形成し、モータ内部１１７ａを膨張機１１３とコンデンサ１１４との間の循環路１１５に連通させる連通路１２７を備えている。これにより、歯車ポンプ１１１の駆動源である電動モータ１１７の駆動を妨げることなく、作動流体がランキンサイクル回路１１０の外部に流出することを防止することができる。
また、連通路１２７の一端は、ハウジング１１６の下部１１６ａに接続されており、作動流体の凝縮液や作動流体に含まれる潤滑油がモータ内部１１７ａに溜まりにくいため、これによっても、電動モータ１１７の駆動が妨げられることが防止される。

実施の形態２．
この発明の実施の形態２に係る廃熱回生システム２００の構成を図３に示す。
実施の形態２に係る廃熱回生システム２００は、実施の形態１に係る廃熱回生システム１００において、連通路１２７の途中に開閉弁２２８を設けると共に、この開閉弁２２８を制御する制御手段２２９を追加したものである。尚、以降の説明において、図１の参照符号と同一の符号は同一又は同様の構成要素であるので、その詳細な説明は省略する。

実施の形態１に係る廃熱回生システム１００では、軸シール１２２の隙間から漏れ出した作動流体は、ポンプ内部１１１ａからモータ内部１１７ａへと向かい、連通路１２７を経由して膨張機１１３とコンデンサ１１４との間の循環路１１５に戻る。しかしながら、モータ内部１１７ａにおける作動流体の温度が比較的低いのに対して、膨張機１１３を出た直後の作動流体の温度は高いため、モータ内部１１７ａと循環路１１５との温度差によっては、作動流体が循環路１１５からモータ内部１１７ａへと逆流してしまう可能性がある。

上記の問題に対処するために、この実施の形態２に係る廃熱回生システム２００では、連通路１２７の途中に開閉弁２２８が設けられている。制御手段２２９は、圧力センサ２３０によって取得されるモータ内部１１７ａにおける作動流体の圧力が、圧力センサ２３１によって取得される膨張機１１３とコンデンサ１１４との間の循環路１１５における作動流体の圧力よりも所定値以上高く、作動流体の逆流が起こらないことが保障される場合に開閉弁２２８を開状態にする。これにより、作動流体が循環路１１５からモータ内部１１７ａへと逆流することが防止される。

以上説明したように、この実施の形態２に係る廃熱回生システム２００では、連通路１２７に開閉弁２２８が設けられ、制御手段２２９は、モータ内部１１７ａにおける作動流体の圧力が膨張機１１３とコンデンサ１１４との間の循環路１１５における作動流体の圧力よりも所定値以上高い場合に、開閉弁２２８を開状態にする。これにより、作動流体が循環路１１５からモータ内部１１７ａへと逆流することが防止される。

その他の実施の形態．
実施の形態２では、制御手段２２９は、モータ内部１１７ａと循環路１１５との圧力差に基づいて開閉弁２２８を制御していたが、モータ内部１１７ａと循環路１１５との温度差に基づいて開閉弁２２８を制御してもよい。すなわち、図３に一点鎖線で示すように、モータ内部１１７ａにおける作動流体の温度を検出する温度センサ２３２と、コンデンサ１４の出口における作動流体の温度を検出する温度センサ２３３を設け、制御手段２２９は、モータ内部１１７ａにおける作動流体の温度が循環路１１５におけるコンデンサ１１４出口における作動流体の温度よりも所定値以上高く、作動流体の逆流が起こらないことが保障される場合に開閉弁２２８を開状態にするようにしてもよい。

実施の形態２において、開閉弁２２８は、モータ内部１１７ａの圧力が循環路１１５の圧力よりも高い場合に自律的に開状態となる逆止弁であってもよい。これにより、制御手段２２９は不要になり、システムの構成を単純化することができる。

実施の形態１，２では、モータ内部１１７ａに連通する連通路１２７の一端は、ハウジング１１６の下部１１６ａに接続されていたが、図４に示されるように、ハウジング２１６における駆動軸１２１の軸受１２５の近傍に接続されてもよい。これにより、作動流体や作動流体に含まれる潤滑油の作用によって、軸受１２５の潤滑を良好にすることができる。

実施の形態１，２において、連通路は外部配管でなくてもよく、例えば、歯車ポンプ１１１、モータ１１７、および膨張機１１３を同一のハウジング内に収容し、ハウジング内に連通路を形成してもよい。

１００，２００廃熱回生システム、１０エンジン、１１０ランキンサイクル回路、１１１歯車ポンプ（ポンプ）、１１１ａ歯車ポンプ内部（ポンプの内部）、１１２熱交換器、１１３膨張機、１１４コンデンサ、１１５循環路、１１６，２１６ハウジング、１１６ａハウジングの下部、１１７電動モータ（モータ）、１１７ａ電動モータ内部（モータの内部）、１２１駆動軸、１２２軸シール、１２５軸受、１２７，２２７連通路、２２８開閉弁、２２９制御手段。

Claims

モータによって駆動されて液状の作動流体を圧送するポンプと、圧送された前記作動流体をエンジンの廃熱によって加熱する熱交換器と、加熱されて気化した前記作動流体を膨張させて機械的エネルギーを発生させる膨張機と、膨張後の前記作動流体を冷却凝縮させるコンデンサとを循環路上に順次配置することによって構成されるランキンサイクル回路を有する廃熱回生システムにおいて、
前記ポンプと前記モータとは駆動軸を共有すると共に、該ポンプの内部と該モータの内部とは軸シールによって区分され、
前記ポンプの内部は前記ランキンサイクル回路の前記循環路の一部を形成し、
前記モータの内部を前記膨張機と前記コンデンサとの間の前記循環路に連通させる連通路を備えることを特徴とする、廃熱回生システム。
前記連通路には開閉弁が設けられ、
前記モータの内部における前記作動流体の圧力が前記膨張機と前記コンデンサとの間の前記循環路における前記作動流体の圧力よりも所定値以上高い場合に、前記開閉弁を開状態にする制御手段をさらに備える、請求項１に記載の廃熱回生システム。
前記連通路には開閉弁が設けられ、
前記モータの内部における前記作動流体の温度が前記コンデンサ出口における前記作動流体の温度よりも所定値以上高い場合に、前記開閉弁を開状態にする制御手段をさらに備える、請求項１に記載の廃熱回生システム。
前記連通路には、前記モータの内部における前記作動流体の圧力が前記膨張機と前記コンデンサとの間の前記循環路における前記作動流体の圧力よりも高い場合に開状態となる逆止弁が設けられる、請求項１に記載の廃熱回生システム。
前記連通路の一端は、前記モータのハウジングの下部に接続される、請求項１〜４のいずれか一項に記載の廃熱回生システム。
前記連通路の一端は、前記モータのハウジングにおける前記駆動軸の軸受の近傍に接続される、請求項１〜４のいずれか一項に記載の廃熱回生システム。