JP2016109010A - Refrigeration waste heat recovery system - Google Patents
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Abstract
Description
本開示は、ランキンサイクル及び冷凍サイクルを備える冷凍廃熱回収システムに関する。 The present disclosure relates to a refrigeration waste heat recovery system including a Rankine cycle and a refrigeration cycle.
動力源であるエンジンの廃熱を電気エネルギーに変換して回収するランキンサイクル回路と、例えば空調のような用途を目的とした冷凍サイクル回路とを搭載した車両が知られている。例えば特許文献1には、この種の車両において、ランキンサイクル回路及び冷凍サイクル回路がそれぞれ備える循環回路の一部を共通化することにより、部品点数の低減と共に、システムのコンパクト化を図る技術が開示されている。
2. Description of the Related Art A vehicle equipped with a Rankine cycle circuit that converts waste heat of an engine, which is a power source, into electric energy and recovers it, and a refrigeration cycle circuit for purposes such as air conditioning, is known. For example,
しかしながら、特許文献1では循環回路の一部が共有されることによって、ランキンサイクル回路及び冷凍サイクル回路におけるサイクル効率が低下しやすいという問題がある。例えば、ランキンサイクル回路を優先的に制御すると冷凍サイクル回路の効率が低下しやすく、逆に、冷凍サイクル回路を優先的に制御するとランキンサイクル回路の効率が低下しやすい。
特に、周囲環境(例えば温度や湿度)が変化する場合には、その変化状況に応じて、ランキンサイクル回路及び冷凍サイクル回路を制御することが要求されるが、特許文献1では、このようなきめ細かな制御は難しい。
However, in
In particular, when the ambient environment (for example, temperature or humidity) changes, it is required to control the Rankine cycle circuit and the refrigeration cycle circuit according to the change state. Is difficult to control.
上述の事情に鑑みて、本発明の少なくとも一実施形態は、ランキンサイクル回路及び冷凍サイクル回路の一部を共有することによってコンパクト性を確保しながら、簡易な制御で良好な効率を達成可能な冷凍廃熱回収システムを提供することを目的とする。 In view of the above circumstances, at least one embodiment of the present invention is a refrigeration capable of achieving good efficiency with simple control while ensuring compactness by sharing a part of the Rankine cycle circuit and the refrigeration cycle circuit. The purpose is to provide a waste heat recovery system.
本発明の少なくとも一実施形態に係る冷凍廃熱回収システムは、第1凝縮器及び前記第1凝縮器に直列配置された第2凝縮器を有する凝縮部、前記凝縮部に流れる冷媒の流路を切替える流路切替部、第1蒸発器、第1膨張機、並びに、ポンプを備え、前記凝縮部の下流側流路における所望流体圧力である第1閾値が予め設定されたランキンサイクル回路と、前記凝縮部の上流側入口及び下流側出口にそれぞれ接続されることにより前記凝縮部を共有し、第2蒸発器及び第2膨張機及び圧縮機を備え、前記凝縮部の下流側流路における所望流体圧力である第2閾値が予め設定された冷凍サイクル回路と、前記凝縮部の下流側、且つ、前記ポンプ及び前記第2蒸発器の上流側における流体圧力を検出する圧力検出手段と、前記第1閾値及び前記第2閾値と、前記圧力検出手段により検出された流体圧力との差に基づいて、前記凝縮部における最適流路を決定する流路判定手段と、前記凝縮部が前記最適流路を有するように、前記流路切替部を制御する流路制御手段とを備える。 A refrigeration waste heat recovery system according to at least one embodiment of the present invention includes a first condenser and a condenser having a second condenser arranged in series with the first condenser, and a refrigerant flow path flowing through the condenser. A Rankine cycle circuit including a flow path switching unit to be switched, a first evaporator, a first expander, and a pump, wherein a first threshold value that is a desired fluid pressure in a downstream flow path of the condensing unit is set in advance; By connecting to the upstream inlet and downstream outlet of the condensing unit respectively, the condensing unit is shared, and the second fluid, the second expander and the compressor are provided, and the desired fluid in the downstream channel of the condensing unit A refrigeration cycle circuit in which a second threshold value that is a pressure is set in advance; pressure detecting means for detecting fluid pressure downstream of the condensing unit and upstream of the pump and the second evaporator; and the first Threshold and said first Based on the difference between the threshold value and the fluid pressure detected by the pressure detection means, the flow path determination means for determining the optimal flow path in the condensing part, and the condensing part has the optimal flow path, And a flow path control means for controlling the flow path switching unit.
本構成によれば、ランキンサイクル回路及び冷凍サイクル回路が凝縮部を含む流路を部分的に共有することにより、優れたコンパクト性を有しており、車両にも容易に搭載可能である。また凝縮部は互いに直列配置された第1凝縮器及び第2凝縮器を含んでおり、流路切替部の切替制御によって、凝縮部の容量が可変に構成されている。流路切替部は、第1閾値及び第2閾値と、ポンプ及び第2蒸発器の上流側における流体圧力との差に基づいて決定される最適流路が得られるように切替制御される。これにより、周囲環境(例えば温度や湿度)に応じて、凝縮部の容量を最適化でき、良好な効率が得られる。 According to this configuration, the Rankine cycle circuit and the refrigeration cycle circuit partially share the flow path including the condensing part, thereby having excellent compactness and being easily mountable on a vehicle. The condensing part includes a first condenser and a second condenser arranged in series with each other, and the capacity of the condensing part is variably configured by switching control of the flow path switching part. The flow path switching unit is controlled so as to obtain an optimal flow path that is determined based on the difference between the first threshold value and the second threshold value and the fluid pressure on the upstream side of the pump and the second evaporator. Thereby, the capacity | capacitance of a condensation part can be optimized according to ambient environment (for example, temperature and humidity), and favorable efficiency is obtained.
特に、凝縮部を構成する第1凝縮器及び第2凝縮部は、互いに直列に配置されるため、第1の凝縮器の出口及び第2の凝縮器の出口における流量がそれぞれ同じになる。そのため、これら凝縮器を並列に配置した場合に比べて、流量制御が容易となる。これにより、周囲環境の変化に応じて精度よく流路の切替制御を簡易な制御ロジックで実施できる。 In particular, since the first condenser and the second condenser constituting the condenser are arranged in series with each other, the flow rates at the outlet of the first condenser and the outlet of the second condenser are the same. Therefore, the flow rate can be controlled more easily than when these condensers are arranged in parallel. As a result, the flow path switching control can be performed with a simple control logic with high accuracy in accordance with changes in the surrounding environment.
本発明の少なくとも一実施形態によれば、ランキンサイクル回路及び冷凍サイクル回路の一部を共有することによってコンパクト性を確保しながら、簡易な制御で良好な効率を達成可能な冷凍廃熱回収システムを提供できる。 According to at least one embodiment of the present invention, a refrigeration waste heat recovery system capable of achieving good efficiency with simple control while ensuring compactness by sharing a part of a Rankine cycle circuit and a refrigeration cycle circuit. Can be provided.
以下、添付図面を参照して本発明の幾つかの実施形態について説明する。ただし、実施形態として記載されている又は図面に示されている構成部品の寸法、材質、形状、その相対的配置等は、本発明の範囲をこれに限定する趣旨ではなく、単なる説明例にすぎない。
例えば、「ある方向に」、「ある方向に沿って」、「平行」、「直交」、「中心」、「同心」或いは「同軸」等の相対的或いは絶対的な配置を表す表現は、厳密にそのような配置を表すのみならず、公差、若しくは、同じ機能が得られる程度の角度や距離をもって相対的に変位している状態も表すものとする。
また例えば、四角形状や円筒形状等の形状を表す表現は、幾何学的に厳密な意味での四角形状や円筒形状等の形状を表すのみならず、同じ効果が得られる範囲で、凹凸部や面取り部等を含む形状も表すものとする。
一方、一の構成要素を「備える」、「具える」、「具備する」、「含む」、又は、「有する」という表現は、他の構成要素の存在を除外する排他的な表現ではない。
Hereinafter, some embodiments of the present invention will be described with reference to the accompanying drawings. However, the dimensions, materials, shapes, relative arrangements, etc. of the components described in the embodiments or shown in the drawings are not intended to limit the scope of the present invention, but are merely illustrative examples. Absent.
For example, expressions expressing relative or absolute arrangements such as “in a certain direction”, “along a certain direction”, “parallel”, “orthogonal”, “center”, “concentric” or “coaxial” are strictly In addition to such an arrangement, it is also possible to represent a state of relative displacement with an angle or a distance such that tolerance or the same function can be obtained.
In addition, for example, expressions representing shapes such as quadrangular shapes and cylindrical shapes not only represent shapes such as quadrangular shapes and cylindrical shapes in a strict geometric sense, but also within the range where the same effect can be obtained. A shape including a chamfered portion or the like is also expressed.
On the other hand, the expressions “comprising”, “comprising”, “comprising”, “including”, or “having” one constituent element are not exclusive expressions for excluding the existence of the other constituent elements.
図1は本発明の一実施形態に係る冷凍廃熱回収システム1の構成を示す模式図であり、図2は図1の冷凍廃熱回収システム1の制御内容を示すフローチャートであり、図3は図1の冷凍廃熱回収システム1の第1のバイパスライン24a及び第2のバイパスライン24bにおける流体圧力のタイムチャートである。
FIG. 1 is a schematic diagram showing a configuration of a refrigeration waste
冷凍廃熱回収システム1は、動力源としてエンジン2を備える車両(不図示)に搭載される。エンジン2は、例えばガソリンや軽油のような化石燃料を燃焼することにより動力を出力可能な内燃機関であり、図1では4シリンダエンジンが例示されている。エンジン2は冷却水回路3を備える。冷却水回路3上には、冷却水を圧送するための循環ポンプ4と、冷却水を外気と熱交換することにより放熱するためのラジエータ5とが設けられている。ラジエータ5には、エンジン2の動力の一部を用いて駆動されるファン6によって送風が行われ、放熱が促進可能なように構成されている。
The refrigeration waste
冷却水回路3からはバイパス回路7が分岐されている。バイパス回路7を流れる冷却水は、ランキンサイクル回路10を構成する第1蒸発器11において、ランキンサイクル回路10を流れる流体と熱交換されることによって冷却される。すなわち、冷却水に含まれる廃熱エネルギーがランキンサイクル回路10によって回収される。
A bypass circuit 7 is branched from the
ランキンサイクル回路10は、第1蒸発器11、第1膨張機12、凝縮部13及びポンプ14を備える。ランキンサイクル回路10を流れる流体は、第1蒸発器11によって蒸発(気化)された後、第1膨張機12によって膨張される。第1膨張機12では、流体の膨張時にタービンを駆動し、当該タービンの回転軸15に連結された発電機16が駆動される。膨張後の流体は、凝縮部13によって凝縮(液化)された後、ポンプ14によって圧送されることにより第1蒸発器11に戻る。
The Rankine
発電機16では、駆動状態に応じて発電が行われる。発電によって得られた電気エネルギーは、各種負荷によって消費され、又は、インバータを介して不図示のバッテリに蓄積される。
The
このように構成されたランキンサイクル回路10では、各部の流体圧力がそれぞれ予め規定された所定範囲に収まるように設計される。本実施形態では特に、凝縮部13及びポンプ14間の流路における流体圧力が取るべき範囲の上限値(所望流体圧力)が、第1閾値P1として予め設定されている。
The Rankine
冷凍サイクル回路20は、凝縮部13の上流側入口及び下流側出口にそれぞれ接続されることにより、ランキンサイクル10と凝縮部13を共有する。冷凍サイクル回路20は、第2蒸発器21及び圧縮機22を備える。凝縮部13で凝縮(液化)された流体は、第2蒸発器21にて蒸発する。第2蒸発器21は、冷凍サイクル回路20を流れる流体と外気とが熱交換可能に構成されており、流体が気化する際に外気から吸熱することにより、外気を冷却する。第2蒸発器21によって蒸発された流体は、圧縮機22によって圧縮された後、凝縮部13にて再び凝縮される。
The
このように構成された冷凍サイクル回路20では、各部の流体圧力がそれぞれ予め規定された所定範囲に収まるように設計される。本実施形態では特に、凝縮部13及び第2蒸発器21間の流路における流体圧力が取るべき範囲の上限値(所望流体圧力)が、第2閾値P2として予め設定されている。
The
尚、第1閾値P1及び第2閾値P2は互いに異なっていてもよく、互いに同じであってもよいが、本実施形態では、第1閾値P1が第2閾値P2に比べて大きく設定されている場合(すなわち、P1>P2)について例示する。 The first threshold value P1 and the second threshold value P2 may be different from each other or may be the same as each other. However, in the present embodiment, the first threshold value P1 is set to be larger than the second threshold value P2. The case (ie, P1> P2) is illustrated.
凝縮部13は、第1凝縮器13a、及び、第1凝縮器13aに直列配置された第2凝縮器13bを有する。図1の例では、第1凝縮器13aは第2凝縮器13bに比べて大きな容量を有している。
The
凝縮部13を流れる冷媒の流路は、流路切替部23によって切替可能に構成されている。流路切替部23は、第1凝縮器13aの上流側及び下流側にそれぞれ設けられた切替バルブ25a、25bによって第1凝縮器13aに並列に接続された第1のバイパスライン24aと、第2凝縮器13bの上流側及び下流側にそれぞれ設けられた切替バルブ25c及び25dによって第2凝縮器13aに並列に接続された第2のバイパスライン24bとを備える。
The flow path of the refrigerant flowing through the
切替バルブ25a乃至25dは、例えば三方弁のようなバルブ機構である。切替バルブ25aは、上流側から供給される流体が、その切替状態に応じて第1のバイパスライン24a及び第1の凝縮器13aの少なくとも一方に供給されるように構成されている。切替バルブ25bは、その切替状態に応じて、第1のバイパスライン24a及び第1の凝縮器13aの少なくとも一方から供給される流体が切替バルブ25c側に流れるように構成されている。
切替バルブ25cは、切替バルブ25b側から供給される流体が、その切替状態に応じて第2のバイパスライン24b及び第2の凝縮器13bの少なくとも一方に供給されるように構成されている。切替バルブ25dは、その切替状態に応じて、第2のバイパスライン24b及び第2の凝縮器13bの少なくとも一方から供給される流体が下流側に流れるように構成されている。
The switching
The switching
凝縮部13の下流側、且つ、ポンプ14及び第2蒸発器21の上流側には、当該流路を流れる流体圧力を検出するための圧力検出手段30が設置されている。圧力検出手段30は、例えば検知値を電気信号として送信可能な圧力センサであるが、流体圧力を検知可能な限りにおいてその態様は限定されない。
On the downstream side of the condensing
尚、本実施形態では、ランキンサイクル回路10及び冷凍サイクル回路20は互いに共通する流体を用いている。流体は、例えばR134a(CH2FCFCF2)などの公知の冷媒である。このような流体は、ランキンサイクル回路10では作動流体として機能すると共に、冷凍サイクル回路20では冷媒として機能する。
In the present embodiment, the
制御部40は、冷凍廃熱回収システム1の制御を実施するコントロールユニットであり、例えば電子演算器によって構成される。制御部40は、圧力検出手段30から検出値を取得し、その検出値に基づいて、切替バルブ25a乃至25dを切り替えることにより、流路切替部23を制御する。制御部40は、後述する制御を実施するために必要な各種情報を記憶する記憶部41と、凝縮部13における最適流路を決定する流路判定部(流路判定手段)42と、流路判定部42によって決定された最適流路を実現するように流路切替部23を制御する流路制御部(流路制御手段)43とを備える。
尚、記憶部41は例えばメモリやハードディスクなどの記憶媒体から構成されており、上述の第1閾値及び第2閾値を読み出し可能に記憶している。
The
The
続いて図2及び図3を参照して、制御部40による冷凍廃熱回収システム1の制御内容について説明する。尚、図3では流路として選択された経路を太いラインで示すと共に、流路として選択されていない経路を破線で示している。
Then, with reference to FIG.2 and FIG.3, the control content of the refrigeration waste
制御部40は、記憶部41から本制御に必要な第1閾値P1及び第2閾値P2を取得すると共に(ステップS1)、圧力検出手段30から検出値Pを取得する(ステップS2)。流路判定部42は、このように取得した第1閾値P1及び第2閾値P2と検出値Pとの差に基づいて、凝縮部13の最適流路を決定する。
The
まず流路判定部42は、検出値Pが第1閾値P1より大きいか否かを判定する(ステップS3)。検出値Pが第1閾値P1より大きい場合(ステップS3:YES)、流路判定部42は、第1凝縮器13a及び第2凝縮器13bのうち容量の小さな第2凝縮器13bのみに流体が流れる流路(すなわち、第1のバイパスライン24a及び第2凝縮器13bを通るルート)を最適流路として選択する(ステップS4)。つまり、P>P1>P2である場合には、ランキンサイクル回路10及び冷凍サイクル回路20の双方にとって十分な量の流体が凝縮されているため、凝縮部13の容量を最小限に抑えるよう最適流路が決定される(図3(a)を参照)。
First, the flow
検出値Pが第1閾値P1以下である場合(ステップS3:NO)、流路判定部42は更に検出値Pが第2閾値P2より大きいか否かを判定する(ステップS5)。検出値Pが第1閾値P2より大きい場合(ステップS5:YES)、流路判定部42は、第1凝縮器13a及び第2凝縮器13bのうち容量の大きな第1凝縮器13aのみに流体が流れる流路(すなわち第1凝縮器13a及び第2のバイパスライン24bを通るルート)を最適流路として選択する(ステップS6)。つまり、P1≧P>P2である場合には、冷凍サイクル回路20にとっては十分な量の流体が凝縮されているものの、ランキンサイクル回路10側にとっては十分な量の流体が凝縮されていないとして、ステップS4の場合に比べて凝縮部13の容量を多くするように最適流路が決定される(図3(b)を参照)。
When the detected value P is less than or equal to the first threshold value P1 (step S3: NO), the flow
検出値Pが第1閾値P2以下である場合(ステップS5:NO)、流路判定部42は第1凝縮器13a及び第2凝縮器13bの双方に流体が流れる流路(すなわち第1及び第2のバイパスラインを通らないルート)を最適流路として選択する(ステップS7)。つまり、P1>P2≧Pである場合には、ランキンサイクル回路10及び冷凍サイクル回路20の双方にとって十分な量の流体が凝縮されていないとして、ステップS6の場合に比べて凝縮部13の容量を更に多くするように最適流路が決定される(図3(c)を参照)。
When the detected value P is equal to or less than the first threshold value P2 (step S5: NO), the flow
このようにステップS4,S6,S7によって最適流路が決定されると、流路制御手段43は、凝縮部13が前記決定された最適流路を有するように、流路切替部13c1及び13c2を制御する(S8)。これにより、凝縮部13の容量が最適化され、冷凍廃熱回収システムの効率向上が図られる。
Thus, when the optimum flow path is determined in steps S4, S6, and S7, the flow path control means 43 sets the flow path switching units 13c1 and 13c2 so that the condensing
尚、本実施形態では、図1に示すように第1凝縮器13aは第2凝縮器13bに比べて大きな容量を有するが、第1凝縮器13a及び第2凝縮器13bを同じ容量に構成してもよい。この場合、第1凝縮器13aのみを稼動させた場合と第2凝縮器13bのみを稼動させた場合との容量が等しくなるため、凝縮器13の容量は2段階に可変となる(上述の実施形態では、第1凝縮器13aのみを稼動させた場合と第2凝縮器13bのみを稼動させた場合との容量が異なるので、凝縮器13の容量は3段階に可変となる点において有利である)。
In the present embodiment, the
以上説明したように、本実施形態によれば、ランキンサイクル回路10及び冷凍サイクル回路20が凝縮部13を含む流路を部分的に共有することにより、優れたコンパクト性を有しており、車両にも容易に搭載可能である。また凝縮部13は互いに直列配置された第1凝縮器13a及び第2凝縮器13bを含んでおり、流路切替部23の切替制御によって、凝縮部13の容量が可変に構成されている。流路切替部23は、第1閾値P1及び第2閾値P2と、ポンプ14及び第2蒸発器21の上流側における流体圧力との差に基づいて決定される最適流路が得られるように切替制御される。これにより、周囲環境(例えば温度や湿度)に応じて、凝縮部13の容量を最適化でき、良好な効率が得られる。
As described above, according to the present embodiment, the
特に、凝縮部13を構成する第1凝縮器13a及び第2凝縮部13bは、互いに直列に配置されるため、第1凝縮器13aの出口及び第2の凝縮器13bの出口における流量がそれぞれ同じになる。そのため、仮にこれら凝縮器13a及び13bを並列に配置した場合に比べて、流量制御が容易となる。これにより、周囲環境の変化に応じて精度よく流路の切替制御を簡易な制御ロジックで実施できる。
In particular, since the
その結果、ランキンサイクル回路10及び冷凍サイクル回路20の一部を共有することによってコンパクト性を確保しながら、簡易な制御で良好な効率を達成可能な冷凍廃熱回収システム1を提供できる。
As a result, it is possible to provide the refrigeration waste
本開示は、ランキンサイクル及び冷凍サイクルを備える冷凍廃熱回収システムに利用可能である。 The present disclosure can be used for a refrigeration waste heat recovery system including a Rankine cycle and a refrigeration cycle.
1 冷凍廃熱回収システム
2 エンジン
3 冷却水回路
4 循環ポンプ
5 ラジエータ
6 ファン
7 バイパス回路
10 ランキンサイクル回路
11 第1蒸発器
12 第1膨張機
13 凝縮部
14 ポンプ
15 回転軸
16 発電機
20 冷凍サイクル回路
21 第2蒸発器
22 圧縮機
23 流路切替部
24a 第1のバイパスライン
24b 第2のバイパスライン
25 切替バルブ
30 圧力検出手段
40 制御部
41 記憶手段
42 流路判定手段
43 流路制御手段
DESCRIPTION OF
Claims (1)
前記凝縮部の上流側入口及び下流側出口にそれぞれ接続されることにより前記凝縮部を共有し、第2蒸発器及び第2膨張機及び圧縮機を備え、前記凝縮部の下流側流路における所望流体圧力である第2閾値が予め設定された冷凍サイクル回路と、
前記凝縮部の下流側、且つ、前記ポンプ及び前記第2蒸発器の上流側における流体圧力を検出する圧力検出手段と、
前記第1閾値及び前記第2閾値と、前記圧力検出手段により検出された流体圧力との差に基づいて、前記凝縮部における最適流路を決定する流路判定手段と、
前記凝縮部が前記最適流路を有するように、前記流路切替部を制御する流路制御手段と
を備えることを特徴とする冷凍廃熱回収システム。 A condenser having a first condenser and a second condenser arranged in series with the first condenser, a flow path switching section for switching a flow path of the refrigerant flowing through the condenser, a first evaporator, a first expander, In addition, a Rankine cycle circuit including a pump and having a first threshold value that is a desired fluid pressure in the downstream-side flow path of the condensing unit,
The condenser is shared by being connected to the upstream inlet and the downstream outlet of the condenser, respectively, and includes a second evaporator, a second expander, and a compressor, and a desired flow path in the downstream flow path of the condenser A refrigeration cycle circuit in which a second threshold value which is a fluid pressure is preset;
Pressure detecting means for detecting fluid pressure downstream of the condensing unit and upstream of the pump and the second evaporator;
A flow path determination unit that determines an optimal flow path in the condensing unit based on a difference between the first threshold value and the second threshold value and a fluid pressure detected by the pressure detection unit;
A refrigeration waste heat recovery system comprising flow path control means for controlling the flow path switching section so that the condensing section has the optimum flow path.
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