JP4148169B2 - 廃熱回収システム - Google Patents

Description

本発明は、過熱蒸気からエネルギを回収するエネルギ回収機を備える廃熱回収システムに関するもので、エンジン（内燃機関）用の冷却水などの車両で発生する廃熱からエネルギを回収する廃熱回収システムに適用して有効である。

従来、ハイブリッド（ＨＥＶ）車のようにエンジン、モータなど複数の発熱源を有するものでは、図５のように最も発熱するエンジン１１用のエンジン冷却回路１２と、走行用モータ２１、インバータ１９などの電気機器を冷却する電気機器冷却回路５１を配置するのが一般的である（以下一般例と称す）。

これによると、それぞれ独立した冷却回路１２、５１を流れる冷却水が、エンジン１１、走行用モータ２１、インバータ１９などから吸熱するため、エンジン１１、走行用モータ２１、インバータ１９などの過熱による作動効率の悪化を防止できる。

また、図６の特許文献１ではエネルギ回収手段２４、ここでは熱機関（スターリングエンジン、ランキンサイクル）において、走行用電動機（モータ）２１の廃熱から回収した動力を補機の駆動源や、走行用の動力とするものが知られている。これにより、モータ２１からの廃熱分のエネルギを回収して使用できるため、エネルギ効率を高めることができる。
特開平５−１０３４０１号公報

しかし、一般例では発熱源１１、１９、２０、２１、２２から吸熱した冷却水は、放熱器１５、５２で外気に放熱することにより再び発熱源１１、１９、２０、２１、２２から吸熱している。つまり、発熱源１１、１９、２０、２１、２２の熱エネルギを外気に捨てているため、エネルギ効率が悪いという問題がある。また、夏場などの外気温が高い環境条件下の場合には、放熱器１５、５２にて冷却水が充分に冷却されず耐熱温度の低い発熱源（例えばインバータ１９の素子など）の冷却が難しい場合がある。

また、図６の特許文献１では、熱機関にとって熱源となる部分はモータ２１のみであるため、充分な熱量が得られず回収動力が小さくなるという問題がある。

本発明は、上記点に鑑み、発熱源の熱エネルギを回収する廃熱回収システムにおいて、発熱源の廃熱（熱エネルギ）を充分に回収するとともに、発熱源（冷却対象）の耐熱温度と放熱対象との温度差が小さい場合における発熱源の冷却能力の向上を目的とする。

上記目的を達成するため、請求項１に記載の発明では、車両に適用される廃熱回収システムであって、車両に搭載された内燃機関（１１）または燃料電池（ＦＣ）の発熱を吸熱冷却する冷却水が流れる冷却回路（１２）と、冷媒が流れる冷媒回路（１７）と、冷媒回路（１７）に配置され、液相冷媒を圧縮する圧縮機（１８）と、冷媒回路（１７）に配置され、前記圧縮機（１８）から吐出した冷媒の沸騰熱伝達により冷却される、電気により車両を走行させるための構成要素であるインバータ（１９）及び走行用モータ（２１）のうち少なくとも一方と、冷媒回路（１７）と前記冷却回路（１２）に配置され、内燃機関（１１）または燃料電池（ＦＣ）から吸熱した後の高温流体とインバータ（１９）及び走行用モータ（２１）を冷却した後の冷媒とを熱交換させる熱交換器（２３）と、冷媒回路（１７）に配置され、熱交換器（２３）およびインバータ（１９）及び走行用モータ（２１）で与えられた冷媒の熱エネルギを機械的エネルギとして回収する膨張機（２４）とを備え、冷媒回路（１７）において、インバータ（１９）及び走行用モータ（２１）は熱交換器よりも冷媒流れ上流側に配置されていることを特徴としている。

これによると、圧縮機（１８）で高圧状態となり蒸発温度が下がった冷媒が、発熱源（１９、２０、２１、２２）からの吸熱による沸騰熱伝達で第２発熱源（１９、２０、２１、２２）を冷却しているため、図５の一般例のように冷却水で冷却する場合に比べて冷却能力を向上できる。

また、第２発熱源（１９、２０、２１、２２）および熱交換器（２３）から冷媒回路（１７）内の冷媒に熱エネルギが与えられるため、図６の特許文献１の廃熱回収システムに比べてより多くの熱エネルギをエネルギ回収機（２４）で回収することができる。これにより、システム全体でのエネルギ使用効率を高くすることができる。

これにより、高温流体が持つより多くの熱エネルギを冷媒に与えることができるため、より多くの熱エネルギを膨張機（２４）で回収することができ、システム全体でのエネルギ使用効率を高くすることができる。

また、請求項２に記載の発明では、請求項１に記載の廃熱回収システムにおいて、冷媒回路（１７）の冷媒が熱交換器（２３）をバイパスするバイパス通路（１７ａ）と、冷媒が熱交換器（２３）を流れる場合とバイパス通路（１７ａ）を流れる場合とに切替える切替手段（２６）とを備えることを特徴としている。

これにより、例えば熱交換器（２３）において、冷却回路（１２）の流体の方が冷媒回路（１７）の冷媒よりも温度が低い時に第２発熱源（１９、２０、２１、２２）の熱エネルギを全てエネルギ回収機（２４）で使用したい場合には、冷媒流れが熱交換器（２３）をバイパスするようにできる。

ところで、圧縮機（１８）から吐出した冷媒は、第２発熱源（１９、２０、２１、２２）からの吸熱により気液２相状態となり、徐々に気相冷媒の割合が多くなっていく。２相冷媒がすべて気相状態となった後は冷媒温度が上昇していく。この時、第２発熱源（１９、２０、２１、２２）の耐熱温度より冷媒温度が高いと第２発熱源（１９、２０、２１、２２）が熱により壊れてしまう場合がある。

また、請求項３に記載の発明のように、請求項１又は２に記載の廃熱回収システムにおいて、さらに、冷媒回路（１７）において走行用モータ（２１）は熱交換器よりも冷媒流れ上流側には、電気により車両を走行させるための構成要素であるＤＣ−ＤＣコンバータ（２０）およびギヤ（２２）のうち少なくとも１つが配置するようにして、本発明を電気自動車（ＥＶ）、ハイブリッド（ＨＥＶ）、燃料電池車などに適用してもよい。

なお、上記各手段の括弧内の符号は、後述する実施形態に記載の具体的手段との対応関係を示すものである。

（第１実施形態）
図１は、本発明の第１実施形態に係る廃熱回収システムを示している。この廃熱回収システムは、第１発熱源であるエンジン１１と第２発熱源であるモータ２１等の電気機器を有するハイブリッド（ＨＥＶ）車に搭載されている。この廃熱回収システムには、エンジン１１を冷却する冷却水が循環する冷却水回路１２と、インバータ１９、ＤＣ−ＤＣコンバータ２０、走行用モータ２１等の電気機器を冷却する冷媒が循環する冷媒回路１７とが備えられている。

まず、冷却水回路１２について説明すると、冷却水回路１２は周知のエンジン冷却回路と同様の構成であり、冷却水回路１２には冷却水を循環させる水ポンプ１３が配置されている。水ポンプ１３から吐出された冷却水はエンジン１１へ流れてエンジン１１の熱を吸熱する。吸熱後の冷却水は、ヒータ１４へ向かうヒータ通路１２ａと放熱器１５へ向かう放熱器通路１２ｂとに分岐し、ヒータ通路１２ａを流れた冷却水はヒータ１４にて車室内へ流れる空気へ放熱し、一方、放熱器通路１２ｂを流れた冷却水は放熱器１５にて外気へ放熱する。

なお、放熱器通路１２ｂには、放熱器１５をバイバスする放熱器バイパス通路１２ｃと、冷却水が放熱器１５を流れる場合と放熱器バイパス通路１２ｃを流れる場合とに切替えるサーモスタット１６とが備えられている。このサーモスタット１６は、冷却水温度が所定温度よりも高い場合には冷却水を放熱器１５に流入させて放熱させ、低い場合には冷却水を放熱器バイパス通路１２ｃに流している。これにより、エンジン１１始動時などエンジン１１、つまり冷却水の温度が低い場合には冷却水が放熱器１５で放熱しないため、エンジン１１の暖機時間を短くすることができる。

次に、冷媒回路１７について説明すると、冷媒回路１７には液相冷媒を圧縮する圧縮機１８が配置されている。圧縮機１８で高圧となった液冷媒は、冷媒流れに対して並列的に配置されたインバータ１９およびＤＣ−ＤＣコンバータ２０へ流れる。この時、冷媒回路１７内の冷媒はインバータ１９、またはＤＣ−ＤＣコンバータ２０から吸熱することにより蒸発して気相となる。言い換えると、冷媒の沸騰熱伝達により発熱体であるインバータ１９、ＤＣ−ＤＣコンバータ２０を冷却している。

なお、インバータ１９は周知のように車両電源の直流電圧を交流電圧に変換して、例えば走行用モータ２１等に給電するとともに、交流電圧の周波数を変化させることによりモータ２１等の回転数を制御するものである。また、ＤＣ−ＤＣコンバータ２０は電力の電圧を変換する変圧器である。

インバータ１９、ＤＣ−ＤＣコンバータ２０を通過した冷媒は、合流した後に走行用モータ２１、ギヤ２２へ流れる。ここでも前述のように冷媒の沸騰熱伝達により発熱体である走行用モータ２１、ギヤ２２を冷却している。さらに、ギヤ２２の冷媒流れ下流側部位には、冷媒回路１７の冷媒と冷却回路１２の冷却水とを熱交換させる熱交換器２３が配置されている。ここで、電子機器１９、２０、２１、２２は、耐熱温度が低い電子機器１９、２０、２１、２２ほど冷媒回路１７の上流に配置されている。

熱交換器２３では、エンジン１１から吸熱した高温の冷却水が直接流入し、冷媒により多くの熱を与えるようになっている。発熱源１９、２０、２１、２２からの吸熱と熱交換器でのエンジン１１冷却水からの吸熱により、冷媒は過熱蒸気状態となって膨張機２４に流入する。膨張機２４は、過熱蒸気状態の冷媒を等エントロピー的に膨脹減圧させて冷媒に与えられた熱エネルギ（圧力エネルギ）の一部を機械的（回転）エネルギとして回収するエネルギ回収機である。

膨張機２４で減圧された冷媒は凝縮器２５に流入し、空気に放熱して凝縮、つまり液相冷媒となる。液相冷媒は再び圧縮機１８に吸引される。

次に、第１実施形態による作用効果を列挙すると、（１）圧縮機１８で高圧状態となり蒸発温度が下がった冷媒が、電気機器１９、２０、２１、２２から吸熱して沸騰し、この時の熱伝達で電気機器１９、２０、２１、２２を冷却できるため、図５の一般例のように冷却水で冷却する場合に比べて冷却能力を向上できる。

本実施形態では沸騰冷却が可能な冷媒として例えばＲ−１３４ａ、Ｒ−１５２ａ等を使用して熱伝達率を高めている。これによる冷却効率の向上により、例えばインバータ１９の体格を小さくすることができる。また、熱伝達率の向上により熱交換の効率も高まるため、熱交換器２３を小型化することができる。

（２）電気機器１９、２０、２１、２２および熱交換器２３から冷媒回路１７内の冷媒に熱エネルギが与えられるため、図６の特許文献１の廃熱回収システムに比べてより多くの熱エネルギを膨張機２４で回収（再生）することができる。これにより、システム全体でのエネルギ使用効率を高くすることができる。

本実施形態では、元々捨てていた第２発熱源（電子機器）の熱を冷媒が吸熱し、さらに通常は放熱器１５で外気に捨てられるエンジン１１冷却水の熱も冷媒が吸熱している。したがって、より多くの熱エネルギを膨張機２４で再生することができる（廃熱の有効利用）。

また、回収した動力を他の機器の動力源としたり、発電機を介して電力として回収したりできるのでその分、動力低減につながる。例えば、電力として回収した場合には、オルタネータの稼動率を低減させることでエンジン負荷を低減できるため、エンジン１１の燃費性能が向上する。

さらに、電気機器１９、２０、２１、２２が稼動（発熱）していない時、例えばエンジンのみの走行時においても熱交換器２３で冷媒が熱を得るため、膨張機２４で動力を回収でき、エネルギの利用効率を高めることができる。

（３）熱交換器２３を冷却回路１２において、第１発熱源であるエンジン１１のすぐ下流に配置したため、高温流体が持つより多くの熱エネルギを冷媒に与えることができる。これにより、より多くの熱エネルギを膨張機２４で回収することができ、システム全体でのエネルギ使用効率を高くすることができる。

（４）冷媒回路１７において、電気機器１９、２０、２１、２２を耐熱温度が低い順に冷媒流れの上流から配置したため、冷媒温度が電気機器１９、２０、２１、２２の耐熱温度よりも高くなる可能性を低減することができる。これにより、電気機器１９、２０、２１、２２の熱による破損を防止することができる。

圧縮機１８から吐出した冷媒は、電気機器１９、２０、２１、２２からの吸熱により気液２相状態となり、徐々に気相冷媒の割合が多くなっていく。２相冷媒がすべて気相状態となった後は冷媒温度が上昇していく。この時、電気機器１９、２０、２１、２２の耐熱温度より冷媒温度が高いと電気機器１９、２０、２１、２２が熱により壊れてしまう場合があるが、本実施形態ではそれを防止できる。

（５）冷媒回路１７において、インバータ１９とＤＣ−ＤＣコンバータ２０を並列接続したため、同等の耐熱温度を有するインバータ１９とＤＣ−ＤＣコンバータ２０を冷却することができる。

（６）エンジン１１（エンジン冷却水）が低温の時、つまりエンジン１１の暖機が不十分な時には、電気機器１９、２０、２１、２２から吸熱した熱を熱交換器２０にてエンジン冷却系側へ与え、早期暖機に利用することができる。この早期暖機によりエンジン１１が消費する燃料が減るため、燃費を向上できるとともに、ヒータ１４へ流入する冷却水の温度が上昇するためヒータ性能を確保できる。

（７）通常配置されている電気機器の冷却回路（例えば図５中の５１）を使用できるため、新たにランキンサイクル（冷媒回路１７）を追加するに比べて、車両搭載性がよい。

（第２実施形態）
図２に示す本実施形態は、第１実施形態とほぼ同構成であるが冷媒回路１７において、並列に接続されていたインバータ１９およびＤＣ−ＤＣコンバータ２０が直列に接続されている。

この配置でも、第１実施形態で述べた作用効果（１）〜（４）、（６）、（７）を発揮することができる。

（第３実施形態）
図３に示す本実施形態は、第１実施形態とほぼ同構成であるが冷媒回路１７に、冷媒が熱交換器２３をバイパスするバイパス通路１７ａと、冷媒が熱交換器２３を流れる場合とバイパス通路１７ａを流れる場合とに切替える三方弁２６とが配置されている。

図３は三方弁２６が、冷媒が熱交換器２３をバイパスするようにする場合を示している。これによると、例えばエンジン１１が暖機途中でエンジン冷却水が冷えている場合など、熱交換器２３で冷却水へ熱を与えずに電気機器１９、２０、２１、２２から得た熱を膨張機２４で独占することができる。

また、図４は三方弁２６が熱交換器２３に冷媒を流す場合を示しており、この時の動作および作用効果は第１実施形態と同様である。

このように、三方弁２６で冷媒の熱交換器２３への流入する、しないを切替できるため、例えばエンジン冷却水が冷媒より高温の場合（暖機終了後）と、エンジン暖機途中の場合とを切替えることが可能となる。これにより、冷却回路１２と冷媒回路１７との間の無駄な熱の行き来をなくし、膨張機２４で効率よくエネルギを回収することができる。

（他の実施形態）
上述の第１〜第３実施形態では、第１発熱源がエンジン１１の例を示したが、第１発熱源が燃料電池（ＦＣ）の燃料電池車であってもよい。

また、上述の第１〜第３実施形態では電気機器１９、２０、２１、２２が、耐熱温度が低い順に冷媒流れ上流から並ぶ例を示したが、電気機器１９、２０、２１、２２に流入する冷媒温度が耐熱温度よりも低ければ並び順はこれに限られるものではない。

また、上述の第１〜第３実施形態では、冷媒としてＲ−１３４ａ、Ｒ−１５２ａを例示したが冷媒はこれに限られるものではなく、冷媒が得る熱量などを考慮してフロン系冷媒、自然冷媒など種々変更可能である。

また、上述の第１〜第３実施形態の圧縮機１８は駆動源が明示していないが、電動圧縮機であってもよいし、エンジン１１から動力を受けて駆動しても良い。また、膨張機２４で回収される動力により駆動してもよい。

また、上述の第１〜第３実施形態では、膨張機２４にて冷媒の熱エネルギを運動エネルギに変換して回収していたが、膨脹機２４から出力される機械的出力による駆動される発電機により発電された電力がバッテリ等に蓄えられるものであってもよい。

また、上述の第１〜第３実施形態では、冷媒が得る熱量を増やすために実施形態中で述べた発熱源以外の他の補機や、エンジン１１の排気から熱を受ける構成であってもよい。

本発明をハイブリッド（ＨＥＶ）車に適用した第１実施形態を示す模式図である。 第２実施形態に係る廃熱回収システムを示す模式図である。 第３実施形態に係る廃熱回収システムを示す模式図であり、冷媒が熱交換器をバイパスする場合を示している。 第３実施形態に係る廃熱回収システムを示す模式図であり、冷媒が熱交換器を流れる場合を示している。 エンジンおよび電気機器を冷却する場合の一般例を示した模式図である。 特許文献１に係る廃熱回収システムを示す図である。

符号の説明

１１…内燃機関、エンジン（第１発熱源）、１２…冷却回路、１７…冷媒回路、
１７ａ…バイパス通路、１８…圧縮機、１９…インバータ（第２発熱源）、
２０…ＤＣ−ＤＣコンバータ（第２発熱源）、２１…走行用モータ（第２発熱源）、
２２…ギヤ（第２発熱源）、２３…熱交換器、２４…膨張機（エネルギ回収機）、
２６…三方弁（切替手段）。

Claims (3)

1. 車両に適用される廃熱回収システムであって、
   車両に搭載された内燃機関（１１）または燃料電池（ＦＣ）の発熱を吸熱冷却する冷却水が流れる冷却回路（１２）と、
   冷媒が流れる冷媒回路（１７）と、
   前記冷媒回路（１７）に配置され、液相冷媒を圧縮する圧縮機（１８）と、
   前記冷媒回路（１７）に配置され、前記圧縮機（１８）から吐出した冷媒の沸騰熱伝達により冷却される、電気により車両を走行させるための構成要素であるインバータ（１９）及び走行用モータ（２１）のうち少なくとも一方と、
   前記冷媒回路（１７）と前記冷却回路（１２）に配置され、前記内燃機関（１１）または燃料電池（ＦＣ）から吸熱した後の高温流体と前記インバータ（１９）及び走行用モータ（２１）を冷却した後の冷媒とを熱交換させる熱交換器（２３）と、
   前記冷媒回路（１７）に配置され、前記熱交換器（２３）および前記インバータ（１９）及び走行用モータ（２１）で与えられた冷媒の熱エネルギを機械的エネルギとして回収する膨張機（２４）とを備え、
   前記冷媒回路（１７）において、前記インバータ（１９）及び走行用モータ（２１）は前記熱交換器よりも冷媒流れ上流側に配置されていることを特徴とする廃熱回収システム。
2. 前記冷媒回路（１７）の冷媒が前記熱交換器（２３）をバイパスするバイパス通路（１７ａ）と、
   冷媒が前記熱交換器（２３）を流れる場合と前記バイパス通路（１７ａ）を流れる場合とに切替える切替手段（２６）とを備えることを特徴とする請求項１に記載の廃熱回収システム。
3. さらに、前記冷媒回路（１７）において前記走行用モータ（２１）は前記熱交換器よりも冷媒流れ上流側には、電気により車両を走行させるための構成要素であるＤＣ−ＤＣコンバータ（２０）およびギヤ（２２）のうち少なくとも１つが配置されていることを特徴とする請求項１又は２に記載の廃熱回収システム。

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