JP2013151941A - Waste heat utilization system - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は廃熱利用システムに関し、特に車両の廃熱利用システムに関する。 The present invention relates to a waste heat utilization system, and more particularly, to a vehicle waste heat utilization system.
例えば車両のエンジン等の内燃機関の廃熱利用システムを構成するランキン回路は、作動流体(熱媒体)が循環する循環路を有し、循環路には、ポンプ、蒸発器(熱交換器)、膨張機、及び凝縮器が順次介挿される。
ポンプは、例えば電動モータによって駆動され、作動流体を循環させる。作動流体は、蒸発器を通過する際に廃熱を受け取り、膨張機で膨張する。この際、作動流体の熱エネルギーは、トルクに変換されて外部に出力され、例えば、凝縮器を空冷するためのファンを回転させるのに用いられる。
For example, a Rankine circuit constituting a waste heat utilization system of an internal combustion engine such as a vehicle engine has a circulation path through which a working fluid (heat medium) circulates, and the circulation path includes a pump, an evaporator (heat exchanger), An expander and a condenser are sequentially inserted.
The pump is driven by, for example, an electric motor and circulates the working fluid. As the working fluid passes through the evaporator, it receives waste heat and expands in the expander. At this time, the thermal energy of the working fluid is converted into torque and output to the outside, and is used, for example, to rotate a fan for air-cooling the condenser.
特許文献1は、かかるランキン回路に適したコンパクト且つ低コストな流体機械として、ポンプ、膨張機及びモータが一つの駆動軸を共有する流体機械を開示している。この流体機械では、モータが外部からの電力供給を受けて作動することでポンプが起動させられる。ポンプの起動により作動流体が循環し、熱エネルギーを受け取った作動流体が膨張機で膨張する。モータを起動させた後は、モータへの給電が停止され、膨張機から出力されるトルクによってポンプが作動させられるとともに、モータは発電機として機能させられる。 Patent Document 1 discloses a fluid machine in which a pump, an expander, and a motor share one drive shaft as a compact and low-cost fluid machine suitable for such a Rankine circuit. In this fluid machine, the pump is started when the motor operates by receiving external power supply. When the pump is activated, the working fluid circulates, and the working fluid that has received the heat energy is expanded by the expander. After starting the motor, the power supply to the motor is stopped, the pump is operated by the torque output from the expander, and the motor is caused to function as a generator.
上述した特許文献1の流体機械では、回転駆動力を発生するモータに発電機能を持たせているため、モータの発電効率は、発電機能のみを有する発電機の発電効率に比べて低くなる。
また、特許文献1の流体機械ではモータが直流モータであるが、一般に、直流モータは交流モータに比べて重量が大きく、発電機として用いた場合には発電効率が低く、その上、ブラシのメンテナンスが必要になる。
In the fluid machine of Patent Document 1 described above, since the motor that generates the rotational driving force has a power generation function, the power generation efficiency of the motor is lower than the power generation efficiency of the generator having only the power generation function.
Further, in the fluid machine of Patent Document 1, the motor is a DC motor. However, in general, a DC motor is heavier than an AC motor, has a low power generation efficiency when used as a generator, and in addition, brush maintenance. Is required.
更に、特許文献1の流体機械では、膨張機で回収した熱エネルギー、換言すれば膨張機で発生したトルクが電力に一旦変換され、回収した熱エネルギーをトルクとして外部に出力することはできない。
本発明は上述した事情に基づいてなされたもので、その目的とするところは、膨張ユニット及びポンプユニットを備えた小型の流体機械からランキン回路を構成した廃熱利用システムを提供することにある。
Furthermore, in the fluid machine of Patent Document 1, the thermal energy recovered by the expander, in other words, the torque generated by the expander is once converted into electric power, and the recovered thermal energy cannot be output to the outside as torque.
The present invention has been made based on the above-described circumstances, and an object thereof is to provide a waste heat utilization system in which a Rankine circuit is configured from a small fluid machine including an expansion unit and a pump unit.
上記の目的を達成するべく、本発明によれば、作動流体を循環させるための循環路に、吸入した作動流体を昇圧して吐出するポンプユニットと、加熱器と、作動流体の熱エネルギーをトルクに変換して出力可能である膨張ユニットと、凝縮器とが順次介挿されたランキン回路を備えた廃熱利用システムであって、前記ポンプユニットが連結される駆動軸には、外部との間でのトルクを入出力するための動力伝達ユニットが連結されており、前記ランキン回路は、前記ポンプユニットと前記加熱器との間を延びる前記循環路の部分に介挿されたチェックバルブと、前記加熱器と前記膨張ユニットとの間を延びる前記循環路の部分に介挿された循環路開閉弁とを備えることを特徴とする廃熱利用システムが提供される(請求項1)。 In order to achieve the above object, according to the present invention, a pump unit that boosts and discharges the sucked working fluid to a circulation path for circulating the working fluid, a heater, and torque of the thermal energy of the working fluid The waste heat utilization system includes a Rankine circuit in which an expansion unit that can be converted into an output and a condenser are sequentially inserted, and the drive shaft to which the pump unit is connected is connected to the outside. Is connected to a power transmission unit for inputting and outputting torque, and the Rankine circuit includes a check valve inserted in a portion of the circulation path extending between the pump unit and the heater, A waste heat utilization system comprising a circulation path opening / closing valve interposed in a portion of the circulation path extending between a heater and the expansion unit is provided (Claim 1).
好ましくは、前記膨張ユニットには、前記ポンプユニットに加え発電ユニットが連結されている(請求項2)。
好ましくは、前記膨張ユニット、前記ポンプユニット、前記発電ユニットは流体機械を構成し、前記流体機械は、第1の回転体を有し、前記第1の回転体の回転に伴い作動流体を吸入し、吸入した作動流体を昇圧してから吐出する前記ポンプユニットと、第2の回転体を有し、前記第2の回転体の回転を伴いながら、作動流体を受け入れ、受け入れた作動流体を膨張させてから送出する前記膨張ユニットと、前記第1及び第2の回転体と同軸上に配置された第3の回転体を有し、前記第3の回転体の回転に伴い電力を発生する前記発電ユニットと、前記第1、第2及び第3の回転体のうち少なくとも前記第1の回転体と一体に連結された前記駆動軸と、前記駆動軸に連結され、前記駆動軸に外部からの動力を伝達する前記動力伝達ユニットとを備える(請求項3)。
Preferably, a power generation unit is coupled to the expansion unit in addition to the pump unit.
Preferably, the expansion unit, the pump unit, and the power generation unit constitute a fluid machine, and the fluid machine has a first rotating body, and sucks a working fluid with the rotation of the first rotating body. The pump unit for boosting and discharging the sucked working fluid and the second rotating body, and receiving the working fluid and expanding the received working fluid while rotating the second rotating body. The power generation unit that has the expansion unit to be sent out later, and a third rotating body arranged coaxially with the first and second rotating bodies, and generates electric power as the third rotating body rotates. A unit, at least one of the first, second and third rotating bodies, the drive shaft integrally connected to the first rotating body, and the drive shaft connected to the drive shaft; The power transmission unit for transmitting Comprising (claim 3).
好ましくは、前記循環路開閉弁が閉じているときに、前記膨張ユニットの作動に伴い前記循環路開閉弁と前記膨張ユニットとの間を延びる前記循環路の部分の圧力低下を防止する圧力低下防止手段を更に備える(請求項4)。
好ましくは、前記圧力低下防止手段は、前記循環路に前記膨張ユニットと並列に設けられた外部返戻路と、前記外部返戻路を開閉する返戻路開閉弁とを有する(請求項5)。
好ましくは、前記圧力低下防止手段は、前記流体機械の膨張ユニットに設けられ、膨張過程又は膨張後の前記熱媒体を上流側に返戻する内部返戻路と、前記内部返戻路を開閉する返戻路開閉弁とを有する(請求項6)。
Preferably, when the circulation path opening / closing valve is closed, a pressure drop prevention for preventing a pressure drop in a portion of the circulation path extending between the circulation path opening / closing valve and the expansion unit with the operation of the expansion unit. A means is further provided (Claim 4).
Preferably, the pressure drop prevention means includes an external return path provided in parallel with the expansion unit in the circulation path, and a return path opening / closing valve that opens and closes the external return path (Claim 5).
Preferably, the pressure drop prevention means is provided in an expansion unit of the fluid machine, and an internal return path for returning the heat medium after the expansion process or expansion to the upstream side, and a return path opening / closing for opening and closing the internal return path. (Claim 6).
本発明の請求項1の廃熱利用システムでは、循環路開閉弁を閉じることにより、外部からの動力が、チェックバルブから循環路開閉弁に亘る循環路の部分に圧力エネルギーとして蓄えられる。蓄えられた圧力エネルギーは、循環路開閉弁を開くことにより、膨張ユニットでトルクに変換される。すなわち、このランキン回路では、状況に応じて、外部からの動力を電力以外のかたちで蓄えられる。 In the waste heat utilization system according to claim 1 of the present invention, by closing the circulation path opening / closing valve, external power is stored as pressure energy in a portion of the circulation path extending from the check valve to the circulation path opening / closing valve. The stored pressure energy is converted into torque by the expansion unit by opening the circulation path on-off valve. That is, in this Rankine circuit, power from the outside can be stored in a form other than electric power depending on the situation.
請求項2の発明では、前記膨張ユニットには、前記ポンプユニットに加え発電ユニットが連結されていることにより、駆動軸に伝達されたトルクは、発電ユニットで電力に変換されるのみならず、ポンプユニットの動力として利用される。このため、膨張ユニットで発生したトルクが十分に大きければ、流体機械は外部からの動力を受けることなく独立して作動可能である。更には、膨張ユニットで発生したトルクは、動力伝達ユニットを介して外部に出力可能である。 In the invention of claim 2, since the power generation unit is connected to the expansion unit in addition to the pump unit, the torque transmitted to the drive shaft is not only converted into electric power by the power generation unit, but also the pump. Used as unit power. For this reason, if the torque generated in the expansion unit is sufficiently large, the fluid machine can operate independently without receiving external power. Furthermore, the torque generated in the expansion unit can be output to the outside via the power transmission unit.
請求項3の発明では、ポンプユニット、膨張ユニット及び発電ユニットの第1、第2及び第3の回転体が同軸上に配置されているため、流体機械の小型化が可能である。
そして、この流体機械では、駆動軸とポンプユニットの第1の回転体とが少なくとも一体に連結され、且つ、外部からの動力を伝達する動力伝達ユニットが駆動軸に連結されており、ポンプユニットを外部からの動力により起動可能である。このため、発電ユニットが電動機としての機能を有さなくてもよい。それ故、この流体機械では、発電効率が高くなるように発電ユニットが構成され、発電ユニットは高効率にて発電する。
In the invention of claim 3, since the first, second and third rotating bodies of the pump unit, the expansion unit and the power generation unit are arranged on the same axis, the fluid machine can be reduced in size.
In this fluid machine, the drive shaft and the first rotating body of the pump unit are at least integrally connected, and a power transmission unit that transmits power from the outside is connected to the drive shaft. It can be started by external power. For this reason, a power generation unit does not need to have a function as an electric motor. Therefore, in this fluid machine, the power generation unit is configured to increase the power generation efficiency, and the power generation unit generates power with high efficiency.
また、この流体機械によれば、膨張ユニットで発生したトルクを動力伝達ユニットを介して外部に出力可能である。
請求項4の発明では、循環路開閉弁が閉じているときに、圧力低下防止手段が循環路開閉弁と前記膨張ユニットとの間を延びる循環路の部分の圧力低下を防止することにより、膨張ユニットが真空ポンプのような状態で作動することはない。このため、循環路開閉弁が閉じていても、膨張ユニットの消費動力の増大が抑制され、外部からの動力が優先的に圧力に変換されて蓄えられる。
Moreover, according to this fluid machine, the torque generated in the expansion unit can be output to the outside via the power transmission unit.
In the invention of claim 4, when the circulation path opening / closing valve is closed, the pressure drop prevention means prevents the pressure drop in the portion of the circulation path extending between the circulation path opening / closing valve and the expansion unit, thereby The unit does not operate like a vacuum pump. For this reason, even if the circulation path on-off valve is closed, an increase in power consumption of the expansion unit is suppressed, and power from the outside is preferentially converted into pressure and stored.
請求項5の発明では、簡単な構成にて圧力防止手段が構成される。
請求項6の発明では、簡単な構成にて圧力防止手段が構成される。
In the invention of claim 5, the pressure preventing means is configured with a simple configuration.
In the invention of claim 6, the pressure preventing means is configured with a simple configuration.
図1は、第1実施形態に係る車両の廃熱利用システムAを示し、廃熱利用システムAは、例えば、車両のエンジン(内燃機関)10から排出される排気ガスの熱を回収する。そのために廃熱利用システムAはランキン回路12を備え、ランキン回路12は、作動流体(熱媒体)が循環する循環路13を有する。循環路13は、例えば管やパイプによって構成される。
循環路13には、作動流体を流動させるべく、流体機械14のポンプユニット16が介挿され、更に、作動流体が流動する方向でみてポンプユニット16の下流には、加熱器18、流体機械14の膨張ユニット20及び凝縮器22が順次介挿されている。すなわち、ポンプユニット16は、凝縮器22側にて作動流体を吸入し、吸入した作動流体を昇圧してから加熱器18に向けて吐出する。ポンプユニット16から吐出された作動流体は、低温高圧の液状態である。
FIG. 1 shows a waste heat utilization system A for a vehicle according to the first embodiment, and the waste heat utilization system A recovers heat of exhaust gas discharged from an engine (internal combustion engine) 10 of the vehicle, for example. For this purpose, the waste heat utilization system A includes a
A
加熱器18は熱交換器であって、循環路13の一部を構成する低温流路18aと、低温流路18aとの間で熱交換可能な高温流路18bとを有する。高温流路18bは、例えばエンジン10から延びる排気管24に介挿されている。従って加熱器18を通過するとき、低温高圧の液状態の作動流体は、エンジン10で発生した排気ガスの熱を受け取る。これによって作動流体は加熱され、高温高圧の過熱蒸気状態となる。
The
流体機械14の膨張ユニット20は、過熱蒸気状態となった作動流体を膨張させ、これにより作動流体は、高温低圧の過熱蒸気状態になる。
凝縮器22は熱交換器であり、膨張ユニット20から流出した作動流体を外気との熱交換によって凝縮させ、低温低圧の液状態にする。具体的には、凝縮器22の近傍には電動ファン(図示せず)が配置され、車両前方からの風や電動ファンからの風によって作動流体は冷却される。凝縮器22で冷却された作動流体は、再びポンプユニット16に吸入され、循環路13を循環する。
The
The
ここで、前述した膨張ユニット20は、作動流体を膨張させるのみならず、作動流体の熱エネルギーをトルク(回転力)に変換して出力可能である。膨張ユニット20から出力されるトルクを利用可能なように、膨張ユニット20には、ポンプユニット16に加え、発電ユニット26が連結されている。発電ユニット26には、発生した電力を使用又は蓄電する、例えばバッテリー等の電気的な負荷28が適当に接続されている。
Here, the
また、流体機械14は、トルクを入出力するための動力伝達ユニット30を有し、動力伝達ユニット30は、例えば電磁クラッチである。電磁クラッチは、ECU(電子制御装置)31によって作動させられ、断続的にトルクを伝達可能である。
より詳しくは、図2に示したように、膨張ユニット20、発電ユニット26及びポンプユニット16がこの順序で直列に連結されている。
The
More specifically, as shown in FIG. 2, the
膨張ユニット20は、例えばスクロール式の膨張機である。膨張ユニット20のカップ状のケーシング32(膨張ユニット用ケーシング)の開口は、仕切り壁34によって略覆われているが、仕切り壁34の中央には貫通孔が形成されている。
膨張ユニット用ケーシング32内には、固定スクロール36が固定され、固定スクロール36の背面側には高圧室38が区画されている。高圧室38は、膨張ユニット用ケーシング32に形成された入口ポート及び入口ポートに接続された循環路13の一部を介して加熱器18と連通している。
The
A fixed
固定スクロール36の正面側には、可動スクロール40が噛み合うように配置されている。固定スクロール36と可動スクロール40との間には、作動流体を膨張させる膨張室42が区画され、可動スクロール40の周囲は、膨張した作動流体を受け入れる低圧室44として区画されている。固定スクロール36の基板の略中央には、導入孔46が貫通して形成され、この導入孔46を通じて固定及び可動スクロール36,40の径方向中央に位置する膨張室42と高圧室38とが連通する。
On the front side of the fixed
径方向中央の膨張室42内で作動流体が膨張すると、膨張室42の容積が増大し且つ膨張室42が固定及び可動スクロール36,40の渦巻壁に沿って径方向外側に移動する。そして、膨張室42は、最終的には低圧室44と連通し、膨張した作動流体が低圧室44に流入する。低圧室44は、図示しない出口ポート及び当該出口ポートに接続された循環路13の一部を通じて、凝縮器22と連通している。
When the working fluid expands in the radially
かかる作動流体の膨張に伴い、可動スクロール40は固定スクロール36に対して旋回運動させられるが、この旋回運動は旋回機構によって回転運動に変換される。
すなわち、可動スクロール40の基板の背面にはボスが一体に形成され、ボス内には、ニードルベアリング48を介して偏心ブッシュ50が相対回転可能に配置されている。偏心ブッシュ50にはクランクピン52が挿通され、クランクピン52は円盤形状のディスク54から偏心して突出している。ディスク54におけるクランクピン52とは反対側からは同軸にて軸部56が一体に突出し、軸部56は、ボールベアリング等のラジアルベアリング58を介して、仕切り壁34によって回転可能に支持されている。すなわち、可動スクロール40の旋回運動は、軸部56の回転運動に変換される。
As the working fluid expands, the
That is, a boss is integrally formed on the rear surface of the substrate of the
なお、旋回機構は、旋回運動中の可動スクロール40の自転を阻止するとともにスラスト圧を受けるために、例えばボールカップリング60を有し、ボールカップリング60は、可動スクロール40の基板の外周部と、当該外周部と対向する仕切り壁34の部分との間に配置される。
一方、ポンプユニット16は、例えばトロコイド型のポンプであるが、ギヤポンプであってもよい。ポンプユニット16は、両端が開口した円筒状のケーシング(ポンプユニット用ケーシング62)を有し、ポンプユニット用ケーシング62内には、所定の間隔をあけて1組の環状のカバー64が配置されている。これらカバー64の間には内歯66が回転可能に配置され、更に内歯66を囲むように外歯68が固定して配置されている。
The turning mechanism has, for example, a
On the other hand, the
内歯66と外歯68との間には、内歯66の回転に伴い作動流体を昇圧するポンプ室70が区画され、ポンプ室70内には、図示しない吸入ポート及び当該吸入ポートに接続された循環路13の一部を通じて、凝縮器22から作動流体が吸入される。そして、ポンプ室70内で昇圧された作動流体は、図示しない吐出ポート及び当該吐出ポートに接続された循環路13の一部を通じて、加熱器18に向けて吐出される。
A
内歯66を回転させるために、内歯66は、駆動軸72に対して一体に回転可能に固定されている。駆動軸72は、カバー64及びポンプユニット用ケーシング62を貫通しており、ポンプユニット用ケーシング62の開口端に固定された蓋部材74も貫通している。蓋部材74は、筒部76とフランジ部78とからなり、フランジ部78がポンプユニット用ケーシング62の開口端に接合されている。
In order to rotate the
筒部76の内側には、その両端に位置してラジアルベアリング79,80が1つずつ配置され、筒部76は、これらラジアルベアリング79,80を介して、駆動軸72を回転可能に支持している。また、筒部76の内側には、例えばリップシール等の軸封止部材81が配置され、軸封止部材81は、筒部76内を気密に仕切っている。
筒部76から突出した駆動軸72の一端に、動力伝達ユニット30としての電磁クラッチが連結されている。
An electromagnetic clutch as the
具体的には、動力伝達ユニット30は、筒部76の外側にラジアルベアリング82を介して配置されたロータ83を有し、ロータ83の外周面にはプーリ84が固定されている。プーリ84とエンジン10のプーリとの間には、一点鎖線で示したけれどもベルト86が架け渡され、例えばエンジン10からの動力供給を受けて、プーリ84及びロータ83は回転可能である。また、ロータ83の内側には、ソレノイド86が配置され、ソレノイド86は、ECU31からの給電により磁場を発生する。
Specifically, the
ロータ83の端面近傍には、環状のアーマチュア88が配置され、アーマチュア88は、板ばね等の弾性部材90を介してボス92に連結されている。ボス92は、駆動軸72の一端にスプライン結合されており、それゆえアーマチュア88は駆動軸72と一体に回転可能である。そして、ソレノイド86の磁場によって、アーマチュア88は、弾性部材90の付勢力に抗しながらロータ83の端面に吸着可能であり、これにより、ロータ83とアーマチュア88との間で動力が伝達可能になる。
An
発電ユニット26の円筒状のケーシング(発電ユニット用ケーシング)93は、仕切り壁34とポンプユニット用ケーシング62との間に挟まれており、膨張ユニットケーシング32、仕切り壁34、発電ユニット用ケーシング93、ポンプユニット用ケーシング62及び蓋部材74は、相互に連結されることにより、流体機械14のための一つのハウジングを構成している。
駆動軸72の他端は、仕切り壁34の貫通孔まで達しており、駆動軸72の他端は、ニードルベアリング94を介して、仕切り壁34により回転自在に支持されている。また、駆動軸72の他端の内側には、連結部材としてのワンウェイクラッチ95が固定され、駆動軸72の他端と旋回機構の軸部56とは、ワンウェイクラッチ95を介して連結されている。
A cylindrical casing (power generation unit casing) 93 of the
The other end of the
ワンウェイクラッチ95は、軸部56と駆動軸72とが同一方向で回転するときに、軸部56の回転数が駆動軸72の回転数よりも低いときには、軸部56と駆動軸72との間の動力伝達を遮断する。一方ワンウェイクラッチ95は、軸部56の回転数が駆動軸72の回転数よりも高くなろうとすると、軸部56と駆動軸72との間の動力伝達を許容し、軸部56と駆動軸72とが一体に回転する。
When the shaft 56 and the
発電ユニット用ケーシング93内を延びる駆動軸72の部分には、回転子96が固定され、回転子96は例えば永久磁石からなる。従って、回転子96は、軸部56及び内歯66と同軸上に配置されている。
発電ユニット用ケーシング93の内周面には、回転子96を囲むようにステータが固定され、ステータは、ヨーク98と、ヨーク98に巻回された例えば3組のコイル100とを有する。コイル100は、回転子96の回転に伴い、3相の交流電流を発生するように配線され、発生した交流電流は、図示しない引き出し線を通じて、外部の負荷28に供給される。
A
A stator is fixed to the inner peripheral surface of the power
なお、発電ユニット26は、電動機としての機能を有さないため、ヨーク98の形状やコイル100の巻数等は、発電効率が高くなるように構成される。
以下、上述した車両の廃熱利用システムAの使用方法について、流体機械14及びランキン回路12の動作を中心に説明する。
Since the
Hereinafter, a method of using the above-described vehicle waste heat utilization system A will be described focusing on the operations of the
<起動>
ランキン回路12を起動させるべく、ECU31が動力伝達ユニット30をオン作動させると、エンジン10の動力が駆動軸72に入力される。駆動軸72の回転に伴い、ポンプユニット16の内歯66が回転し、ポンプユニット16は、上流側にて作動流体を吸入し、吸入した作動流体を昇圧して下流側にて吐出する。
<Startup>
When the
これにより循環路13内を作動流体が循環し、作動流体は加熱器18で加熱され、膨張ユニット20で膨張する。
ランキン回路12の起動直後は、循環路13内の作動流体の圧力が低いため、可動スクロール40の回転数、換言すれば、旋回機構の軸部56の回転数は、駆動軸72の回転数よりも低い。このためワンウェイクラッチ95は、軸部56と駆動軸72との間での動力伝達を遮断する。
As a result, the working fluid circulates in the
Immediately after the
<自律運転及び発電>
ランキン回路12の起動後、循環路13内の作動流体の圧力が十分に上昇すると、旋回機構の軸部56の回転数は、駆動軸72の回転数よりも高くなろうとする。自由状態の旋回機構の軸部56の回転数が駆動軸72の回転数よりも高くなると、ワンウェイクラッチ95はロック状態になり、軸部56と駆動軸72とが一体に回転する。
<Autonomous operation and power generation>
When the pressure of the working fluid in the
そして、軸部56から駆動軸72に伝達されるトルクがポンプユニット16の作動に十分な大きさになると、ECU31は動力伝達ユニット30をオフ作動させ、エンジン10からの動力供給を遮断する。これにより、流体機械14は、膨張ユニット20で発生したトルクを利用してポンプユニット16を作動させる自律運転に移行する。
この一方、駆動軸72の回転に伴い、発電ユニット26の回転子96が回転し、発電ユニット26が交流電流を生成する。交流電流は負荷28に供給され、負荷28によって適当に備蓄又は消費される。負荷28は、交流電流を直流電流に変換する整流器を含んでいてもよい。
When the torque transmitted from the shaft portion 56 to the
On the other hand, with the rotation of the
<回生ブレーキ>
流体機械14が自律運転に移行した後は、エンジン10の負荷が軽減されるが、車両の制動時や減速時には、ECU31が動力伝達ユニット30をオン作動、即ち電磁クラッチを繋いでもよい。これにより流体機械14は回生ブレーキとしての機能を発揮し、エンジン10に減速のための補助的な負荷が加わるのみならず、発電ユニット26が発電し、車両の運動エネルギーが電力に変換される。
<Regenerative brake>
After the
<その他>
また、流体機械14を自律運転に移行させずに、流体機械14のトルクをエンジン10に供給してもよい。すなわち、膨張ユニット20で発生したトルクのうち、ポンプユニット16及び発電ユニット26で消費されるトルクを超える部分を、動力伝達ユニット30を介してエンジン10に出力してもよい。
<Others>
Further, the torque of the
上述したように、第1実施形態の車両の廃熱利用システムAは、車両のエンジン10で発生した廃熱を流体機械14により電力に変換するため、車両の燃費が向上する。
そして、この廃熱利用システムAは、1つの流体機械14がポンプと、発電機と、膨張ユニットの機能をもっているため、簡単な構成を有する。
特に、流体機械14では、ポンプユニット16の内歯66、膨張ユニット20の軸部56及び発電ユニット26の回転子96が同軸上に配置されているため、流体機械14の小型化が可能である。このため、この流体機械14は軽重量で低コストであり、車両への搭載性もよい。
As described above, the waste heat utilization system A for the vehicle according to the first embodiment converts the waste heat generated in the
The waste heat utilization system A has a simple configuration because one
In particular, in the
また、流体機械14では、駆動軸72とポンプユニット16の内歯66とが少なくとも一体に連結され、且つ、外部からの動力を伝達する動力伝達ユニット30が駆動軸72に連結されており、ポンプユニット16を外部からの動力により起動可能である。このため、発電ユニット26が電動機としての機能を有さなくてもよい。それ故、流体機械14では、発電効率が高くなるように発電ユニット26が構成され、駆動軸72によって伝達される動力が高効率にて電力に変換される。
Further, in the
更に、この流体機械14によれば、状況に応じて、膨張ユニット20で発生したトルクを外部に出力して利用可能であり、エンジン10の動力を補うことも可能である。
また、上述した廃熱利用システムAでは、外部からの動力による流体機械14のポンプユニット16の起動後、膨張ユニット20の軸部56の回転数が駆動軸72の回転数よりも低い間、連結部材としてのワンウェイクラッチ95が、軸部56と駆動軸72との間での動力伝達を遮断する。これによりポンプユニット16の起動から所定の間、駆動軸72にかかる負荷が軽減され、流体機械14の消費動力が削減される。
Furthermore, according to the
Further, in the above-described waste heat utilization system A, after the
本発明は上記した第1実施形態に限定されることはなく、種々の変形が可能である。
例えば、廃熱利用システムAは、排気ガスの熱を電力に変換するものであったが、エンジン10の冷却水の熱を電力に変換するものであってもよい。更に廃熱利用システムAは、車両以外にも適用可能であるが、エンジン10と動力伝達装置30との連結は容易であることから、車両に好適である。
The present invention is not limited to the first embodiment described above, and various modifications are possible.
For example, the waste heat utilization system A converts the heat of the exhaust gas into electric power, but may convert the heat of the cooling water of the
流体機械14の発電ユニット26は、交流電流を発生するものであったが、直流電流を発生するものであってもよい。ただし、交流電流を発生する発電ユニット26は、直流発電機(直流モータ)に比べて軽量であり、発電効率が高く、ブラシが不要なのでメンテナンスも容易である。
流体機械14の駆動軸72は、1本の部材により構成されていたが、複数の部材を継手等により一体に連結して駆動軸を構成してもよい。
The
The
流体機械14では、動力伝達ユニット30が動力を断続可能な電磁クラッチであったけれども、常時動力を伝達する単なるプーリであってもよい。ただし、電磁クラッチであれば、流体機械14と外部との間でのトルクの入出力を適宜断続することができる。
図3は、第2実施形態に係る車両の廃熱利用システムBの概略構成を示している。なお、第1実施形態の廃熱利用システムAと同一の構成については、同じ符号を付して説明を省略する。
In the
FIG. 3 shows a schematic configuration of a vehicle waste heat utilization system B according to the second embodiment. In addition, about the structure same as the waste heat utilization system A of 1st Embodiment, the same code | symbol is attached | subjected and description is abbreviate | omitted.
廃熱利用システムBは、チェックバルブ102と循環路開閉弁104を更に備える。チェックバルブ102は、流体機械14のポンプユニット16と加熱器18との間を延びる循環路13の部分に介挿され、ポンプユニット16から加熱器18に向かう方向でのみ、作動流体の通過を許容する。循環路開閉弁104は、加熱器18と流体機械14の膨張ユニット20との間を延びる循環路13の部分に介挿され、ECU31からの信号に基づいて、循環路13を開閉可能である。
The waste heat utilization system B further includes a
また、廃熱利用システムBは、ポンプバイパス手段を有する。ポンプバイパス手段は、ポンプユニット16と並列にて循環路13に設けられた外部バイパス路106と、外部バイパス路106に介挿されたバイパス路開閉弁108とにより構成されている。バイパス路開閉弁108は電磁弁であり、ECU31からの信号に基づいて、外部バイパス路106を開閉可能である。
この廃熱利用システムBでは、循環路開閉弁104によって循環路13を膨張ユニット20の手前で閉じることにより、外部からの動力が、チェックバルブ102から循環路開閉弁104に亘る循環路13の部分に圧力エネルギーとして蓄えられる。蓄えられた圧力エネルギーは、循環路開閉弁104を開くことにより、膨張ユニット20でトルクに変換され、そして、発電ユニット26で電力に変換される(蓄圧回生)。すなわち、この廃熱利用システムBでは、状況に応じて、外部からの動力を電力以外のかたちで蓄えられる。
Moreover, the waste heat utilization system B has a pump bypass means. The pump bypass means includes an
In this waste heat utilization system B, the
また、廃熱利用システムBでは、ポンプバイパス手段によりポンプユニット16をバイパスすることにより、ポンプユニット16の仕事が低減される。これにより、外部から入力された動力を発電ユニット16での発電に優先的に利用することができる。換言すれば、状況に応じて、流体機械14を発電機としてのみ利用することも可能であり、これにより外部の発電機(オルタネータ)を削減し、車両の軽量化を図ることもできる。
In the waste heat utilization system B, the work of the
図4は、第3実施形態に係る車両の廃熱利用システムCの概略構成を示している。なお、第1実施形態の廃熱利用システムA及び第2実施形態の廃熱利用システムBと同一の構成については、同じ符号を付して説明を省略する。
廃熱利用システムCに適用された流体機械110にあっては、動力伝達ユニット30及びポンプユニット16の内歯66が第1駆動軸112と一体に連結されている。発電ユニット30の回転子96及び膨張ユニット20の軸部56は、第2駆動軸114と一体に連結され、第1駆動軸112と第2駆動軸114とは、連結部材としてのワンウェイクラッチ116により連結されている。
FIG. 4 shows a schematic configuration of a vehicle waste heat utilization system C according to the third embodiment. In addition, about the structure same as the waste heat utilization system A of 1st Embodiment, and the waste heat utilization system B of 2nd Embodiment, the same code | symbol is attached | subjected and description is abbreviate | omitted.
In the
ワンウェイクラッチ116は、第2駆動軸114の回転数、即ち軸部56及び回転子96の回転数が第1駆動軸112の回転数よりも低いときには、第1駆動軸112と第2駆動軸114と第1駆動軸112との間の動力伝達を遮断する。一方、ワンウェイクラッチ116は、第2駆動軸114の回転数が駆動軸72の回転数よりも高くなろうとすると、第1駆動軸112と第2駆動軸114との間の動力伝達を許容し、第1駆動軸112と第2駆動軸114とが一体に回転する。
The one-
この廃熱利用システムCにあっても、流体機械110の起動から所定の間、ワンウェイクラッチ116によって第1駆動軸112から第2駆動軸114への動力伝達が遮断され、流体機械110の消費動力が削減される。
一方、膨張ユニット30で発生したトルクは、発電ユニット26で電力に変換されるのみならず、第2軸部114の回転数が第1駆動軸112の回転数よりも高いときは、ワンウェイクラッチ116を介して第1駆動軸112へ伝達される。第1駆動軸112に伝達されたトルクは、ポンプユニット16の動力として利用され、このトルクが十分に大きければ、流体機械110は外部からの動力を受けることなく作動可能である。更には、膨張ユニット20で発生したトルクは、動力伝達ユニット30を介し外部に出力可能である。
Even in the waste heat utilization system C, power transmission from the
On the other hand, the torque generated by the
また、廃熱利用システムCにおいても、循環路開閉弁104を閉じることにより圧力エネルギーを蓄え、蓄えた圧力エネルギーを電力に変換可能である。なお、廃熱利用システムAのように、廃熱利用システムCからチェックバルブ102及び循環路開閉弁104を削除してもよい。
図5は、第4実施形態に係る車両の廃熱利用システムDの概略構成を示している。なお、廃熱利用システムA〜Cと同一の構成については、同じ符号を付して説明を省略する。
Also in the waste heat utilization system C, pressure energy can be stored by closing the circulation path on-off
FIG. 5 shows a schematic configuration of a vehicle waste heat utilization system D according to the fourth embodiment. In addition, about the structure same as waste-heat utilization system AC, the same code | symbol is attached | subjected and description is abbreviate | omitted.
廃熱利用システムDに適用された流体機械120にあっては、動力伝達ユニット30、ポンプユニット16の内歯66、発電ユニット30の回転子96及び膨張ユニット20の軸部56は、1本の駆動軸122と一体に連結されている。
また、廃熱利用システムDは、循環路13に膨張ユニット20と並列に設けられた外部返戻路124と、外部返戻路124に介挿された返戻路開閉弁としての電磁弁126とを更に備える。電磁弁126は、ECU31からの信号に基づいて、外部返戻路124を開閉可能である。
In the
The waste heat utilization system D further includes an
この廃熱利用システムDの流体機械120でも、循環路開閉弁104が循環路13を閉じている間、動力が圧力エネルギーとして蓄えられるが、この一方で、ポンプユニット20の可動スクロール40は旋回運動している。そこで、この廃熱利用システムDでは、循環路開閉弁104が循環路13を閉じているときに、電磁弁126を開作動させて外部返戻路124を開くことにより、循環路開閉弁104と膨張ユニット20との間を延びる循環路13の部分の圧力が低下するのを抑制する。これにより、膨張ユニット20が真空ポンプのように作動することが防止され、膨張ユニット20から駆動軸122にかかる負荷の増大が抑制される。
Even in the
また、流体機械120の起動後、循環路13内の作動流体の圧力が十分に上昇するまでの間は、循環路開閉弁104を開作動させて循環路13を開いていても、電磁弁126を開作動させて外部返戻路124を開けておくことで、膨張ユニット20をバイパスする。これにより、起動から所定の間、膨張ユニット20から駆動軸122にかかる負荷が削減される。
流体機械120の起動後、作動流体の圧力が十分に上昇した後は、電磁弁126を閉作動させて外部返戻路124を閉じることで、流体機械120は自律運転に移行する。
Further, after the
After the
なお、廃熱利用システムDから外部返戻路124及び電磁弁126を削除してもよく、チェックバルブ102及び循環路開閉弁104を削除してもよい。
図6は、第5実施形態に係る車両の廃熱利用システムEの概略構成を示している。なお、廃熱利用システムA〜Dと同一の構成については、同じ符号を付して説明を省略する。
廃熱利用システムEは、返戻路開閉弁として逆止弁128を備えている。逆止弁128は、膨張ユニット20の直下流の圧力が直上流の圧力よりも低くなったとき、下流から上流に向けて作動流体が流動するのを許容する。この逆止弁128は、循環路開閉弁104と膨張ユニット20との間を延びる循環路13の部分の圧力が低下するのを自律的に抑制する。これにより逆止弁128は、電磁弁126と同様に、圧力エネルギーを蓄えているときや、起動から所定の間、膨張ユニット20から駆動軸122にかかる負担を低減する。
Note that the
FIG. 6 shows a schematic configuration of a vehicle waste heat utilization system E according to the fifth embodiment. In addition, about the structure same as waste heat utilization system AD, the same code | symbol is attached | subjected and description is abbreviate | omitted.
The waste heat utilization system E includes a
上述した廃熱利用システムD及びEでは、外部返戻路124及び返戻路開閉弁が、循環路開閉弁104と膨張ユニット20との間を延びる循環路13の部分の圧力の低下を防止する手段として機能していたが、圧力低下防止手段はこれらに限定されない。
例えば圧力低下防止手段は、膨張ユニット20の容量可変手段であってもよい。容量可変手段は、例えば図7に示したように、固定スクロール36の基板に形成されたバイパス孔130を有する。バイパス孔130は、内部流路132によって導入孔46又は高圧室38と連通し、内部流路132には、容量制御弁134が介挿される。ECU31は、容量制御弁134の開閉作動を制御可能であり、これにより膨張ユニット20の容量は可変である。この場合、容量制御弁134を開作動させて内部流路132を開くことにより、返戻開閉弁を開作動させて返戻路124を開くのと同様の効果を得られる。そして、容量可変手段を圧力低下防止手段として用いる場合には、返戻路開閉弁に相当する容量制御弁134を逆止弁としてもよい。
In the waste heat utilization systems D and E described above, the
For example, the pressure drop prevention means may be a capacity variable means of the
更に、上述した廃熱利用システムB、D及びEでは、外部バイパス路106及びバイパス路開閉弁がポンプバイパス手段を構成していたが、ポンプバイパス手段はこれに限定されない。
例えば、図8に示したように、上流側のポンプ室70と下流側のポンプ室70とを連通する内部バイパス路140を設け、この内部バイパス路140にバイパス路開閉弁142を介挿してもよい。バイパス路開閉弁142の開閉作動は、ECU31により制御される。
Furthermore, in the waste heat utilization systems B, D, and E described above, the
For example, as shown in FIG. 8, an
この場合、ECU31がバイパス路開閉弁142を開作動させて内部バイパス路140を開くと、昇圧過程の作動流体が逃がされる。これによりポンプユニット16での仕事を低減し、外部から入力されたトルクを発電ユニット26での発電にのみ利用することができる。
第1乃至第5実施形態では、発電ユニット26の回転子96として永久磁石を使用していたが、電磁石を使用してもよい。この場合、図9に示したように、回転子に設けられたフィールドコイル(モータコイル)150に供給する電流量をECU31により調整すれば、発電量を制御することができ、発電ユニット26で消費されるトルクも調整可能になる。これを利用すれば、状況に応じて、外部からの動力をポンプユニット16、発電ユニット26及び膨張ユニット20に適当に配分することができ、あるいは、膨張ユニット20で発生したトルクをポンプユニット16及び発電ユニット26に適当に配分することができる。
In this case, when the
In the first to fifth embodiments, a permanent magnet is used as the
具体的には、流体機械14,120の起動時には、発電量を少なくして発電ユニット26の駆動トルクを抑制し、自律運転に移行してから、発電量を増やすことができる。また、圧力エネルギーを蓄えるときに、発電量を少なくして発電ユニット26の駆動トルクを抑制することもできる。更に、車両の制動時や減速時には、発電量を増やして発電ユニット26の駆動トルクを増大して、エンジン10への制動力を増やしてもよい。
Specifically, when the
第1乃至第5実施形態では、ポンプユニット16はトロコイド型であったが、ポンプユニットの型式は特に限定されない。また、膨張ユニット20はスクロール式であったが、膨張ユニットの型式も特に限定されない。例えば、膨張ユニット20は往復動式であってもよく、この場合には、ポンプユニット16、発電ユニット26及び膨張ユニット20の配列も特に限定されない。
In the first to fifth embodiments, the
A 車両の廃熱利用システム
12 ランキン回路
14 流体機械
16 ポンプユニット
20 膨張ユニット
26 発電ユニット
56 軸部(第2の回転体)
66 内歯(第1の回転体)
72 駆動軸
96 回転子(第3の回転体)
A Vehicle waste heat utilization system
12 Rankine circuit
14 Fluid machinery
16 Pump unit
20 Expansion unit
26 Power generation unit
56 Shaft (second rotating body)
66 Internal teeth (first rotating body)
72 Drive shaft
96 rotor (third rotor)
Claims (6)
前記ポンプユニットが連結される駆動軸には、外部との間でのトルクを入出力するための動力伝達ユニットが連結されており、
前記ランキン回路は、
前記ポンプユニットと前記加熱器との間を延びる前記循環路の部分に介挿されたチェックバルブと、
前記加熱器と前記膨張ユニットとの間を延びる前記循環路の部分に介挿された循環路開閉弁と
を備えることを特徴とする廃熱利用システム。 A pump unit that boosts and discharges the sucked working fluid into a circulation path for circulating the working fluid, a heater, an expansion unit that can convert the thermal energy of the working fluid into torque, and a condenser. And a waste heat utilization system having a Rankine circuit inserted sequentially.
A power transmission unit for inputting / outputting torque to / from the outside is connected to the drive shaft to which the pump unit is connected,
The Rankine circuit is
A check valve interposed in a portion of the circulation path extending between the pump unit and the heater;
A waste heat utilization system comprising: a circulation path opening / closing valve interposed in a portion of the circulation path extending between the heater and the expansion unit.
前記流体機械は、第1の回転体を有し、前記第1の回転体の回転に伴い作動流体を吸入し、吸入した作動流体を昇圧してから吐出する前記ポンプユニットと、
第2の回転体を有し、前記第2の回転体の回転を伴いながら、作動流体を受け入れ、受け入れた作動流体を膨張させてから送出する前記膨張ユニットと、
前記第1及び第2の回転体と同軸上に配置された第3の回転体を有し、前記第3の回転体の回転に伴い電力を発生する前記発電ユニットと、
前記第1、第2及び第3の回転体のうち少なくとも前記第1の回転体と一体に連結された前記駆動軸と、
前記駆動軸に連結され、前記駆動軸に外部からの動力を伝達する前記動力伝達ユニットと
を備えることを特徴とする請求項2に記載の廃熱利用システム。 The expansion unit, the pump unit, and the power generation unit constitute a fluid machine,
The fluid machine has a first rotating body, sucks the working fluid with the rotation of the first rotating body, pressurizes the sucked working fluid, and then discharges the working fluid.
An expansion unit that has a second rotating body, receives the working fluid while the second rotating body rotates, and expands the received working fluid and then delivers the working fluid;
The power generation unit having a third rotating body arranged coaxially with the first and second rotating bodies, and generating electric power with the rotation of the third rotating body;
The drive shaft integrally connected to at least the first rotating body among the first, second and third rotating bodies;
The waste heat utilization system according to claim 2, further comprising the power transmission unit coupled to the drive shaft and transmitting power from the outside to the drive shaft.
前記循環路に前記膨張ユニットと並列に設けられた外部返戻路と、
前記外部返戻路を開閉する返戻路開閉弁と
を有することを特徴とする請求項4に記載の廃熱利用システム。 The pressure drop preventing means is
An external return path provided in parallel with the expansion unit in the circulation path;
The waste heat utilization system according to claim 4, further comprising a return path opening / closing valve that opens and closes the external return path.
前記流体機械の膨張ユニットに設けられ、膨張過程又は膨張後の前記熱媒体を上流側に返戻する内部返戻路と、
前記内部返戻路を開閉する返戻路開閉弁と
を有することを特徴とする請求項4に記載の廃熱利用システム。 The pressure drop preventing means is
An internal return path that is provided in the expansion unit of the fluid machine and returns the heat medium after the expansion process or expansion to the upstream side;
The waste heat utilization system according to claim 4, further comprising a return path opening / closing valve that opens and closes the internal return path.
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