JP4699972B2 - Waste heat utilization apparatus and control method thereof - Google Patents
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Description
本発明は、発熱機器の廃熱を利用して動力を回収する廃熱利用装置およびその制御方法に関するものであり、例えば内燃機関を搭載する車両用に用いて好適である。 The present invention relates to a waste heat utilization apparatus that recovers power using waste heat of a heat-generating device and a control method thereof, and is suitable for use in, for example, a vehicle equipped with an internal combustion engine.
従来の廃熱利用装置として、例えば特許文献1に示されるものが知られている。即ち、この廃熱利用装置は、空調用の冷凍サイクルと、発熱機器としての内燃機関の冷却廃熱を利用するランキンサイクルとを有している。冷凍サイクル内には内燃機関の動力によって駆動されて冷媒を圧縮吐出する圧縮機が、また、ランキンサイクルには冷却廃熱によって加熱された冷媒の膨張によって作動される膨張機がそれぞれ独立して配設されている。そして、ランキンサイクルは、冷凍サイクル内の凝縮器(放熱器)が共用されて構成されている。 As a conventional waste heat utilization apparatus, for example, one disclosed in Patent Document 1 is known. That is, this waste heat utilization apparatus has a refrigeration cycle for air conditioning and a Rankine cycle that utilizes cooling waste heat of an internal combustion engine as a heat generating device. A compressor that is driven by the power of the internal combustion engine to compress and discharge the refrigerant is provided in the refrigeration cycle, and an expander that is operated by the expansion of the refrigerant heated by the cooling waste heat is independently provided in the Rankine cycle. It is installed. The Rankine cycle is configured by sharing a condenser (heat radiator) in the refrigeration cycle.
この廃熱利用装置においては、空調の必要性と、冷却廃熱の回収可否に応じて、冷凍サイクル、ランキンサイクルの単独運転、あるいは冷凍サイクルとランキンサイクルとの同時運転を可能としている。
しかしながら、上記の廃熱利用装置において冷凍サイクルとランキンサイクルとを同時運転する場合で、夏場など冷凍サイクル側の冷房負荷が大きい場合(例えば外気温が高い場合)には、ランキンサイクルで冷却廃熱の回収を行っているにもかかわらず、廃熱利用装置全体で見てみると返ってエネルギーをロスしていることが分かった。以下、この問題点について詳細に説明する。 However, when the refrigeration cycle and the Rankine cycle are operated simultaneously in the above waste heat utilization device and the cooling load on the refrigeration cycle side is large (for example, when the outside air temperature is high) such as in summer, the waste heat cooled by the Rankine cycle is used. Despite the recovery of wastewater, it was found that the entire waste heat utilization device returned and lost energy. Hereinafter, this problem will be described in detail.
まず、冷凍サイクル単独で運転している場合を考える。冷凍サイクルの冷房負荷に対する圧縮機の動力は、図15のように表すことができる。また、冷凍サイクルの作動状態は、図16のようにモリエル線図(P−h線図)で表すことができる。 First, consider the case where the refrigeration cycle is operating alone. The power of the compressor with respect to the cooling load of the refrigeration cycle can be expressed as shown in FIG. Further, the operating state of the refrigeration cycle can be represented by a Mollier diagram (Ph diagram) as shown in FIG.
次に、冷凍サイクルとランキンサイクルとを同時に運転させた場合を考える。上記と同様に圧縮機の動力は、図17のようになり、単独運転時(図17中の実線)よりも同時運転時(図17中の破線)の方が圧縮機動力は非常に高くなる。この理由としては、凝縮器には冷凍サイクル側からの熱とランキンサイクル側からの熱の両方が流入してくるため、同時運転時の凝縮器の凝縮圧力は単独運転時の場合と比較して高くなるからである。つまり、図18のモリエル線図に示すように、凝縮器における凝縮圧力の上昇に伴い、その分、圧縮機の圧縮比(=吐出圧力/吸入圧力)が高くなり動力が悪化(動力増加)してしまう。 Next, consider the case where the refrigeration cycle and Rankine cycle are operated simultaneously. Similarly to the above, the power of the compressor is as shown in FIG. 17, and the compressor power is much higher during the simultaneous operation (broken line in FIG. 17) than during the single operation (solid line in FIG. 17). . The reason for this is that both the heat from the refrigeration cycle and the heat from the Rankine cycle flow into the condenser, so the condensation pressure of the condenser during simultaneous operation is compared to that during single operation. Because it becomes high. That is, as shown in the Mollier diagram of FIG. 18, as the condensation pressure in the condenser increases, the compression ratio (= discharge pressure / suction pressure) of the compressor increases correspondingly, and the power deteriorates (power increases). End up.
上記内容について、廃熱利用装置の運転における環境条件を外気温とし、凝縮器での放熱状態と圧縮機での動力悪化との関係について図19を用いて補足説明する。図19では、冷房に必要な冷媒流量を流した時の、凝縮器での外気温に対する必要放熱量をエアコン放熱量として表している。また、凝縮器の最大流量(所定の圧損となる流量)を流した時の外気温に対する放熱量を放熱能力として表している。ここで、ランキンサイクル運転時の外気温に対する必要放熱量をランキン放熱量とすると、エアコン放熱量とランキン放熱量との和、即ち同時運転時における凝縮器での必要放熱量は、外気温が高い時ほど増加の度合いが高くなり、ある外気温を超えると放熱能力を上回ってしまう。よって、外気温が高い時ほど、凝縮器における冷媒流量の増加分も大きくなり圧損も上昇する。凝縮器における圧損が増加すれば圧縮機の高圧が上昇し消費動力が増加することになる。 About the said content, the environmental conditions in the operation | movement of a waste-heat utilization apparatus are made into external temperature, and it supplementarily demonstrates the relationship between the thermal radiation state in a condenser, and the power deterioration in a compressor using FIG. In FIG. 19, the necessary heat radiation amount with respect to the outside air temperature in the condenser when the refrigerant flow rate necessary for cooling is supplied is represented as the air conditioner heat radiation amount. Further, the heat radiation amount with respect to the outside air temperature when the maximum flow rate of the condenser (the flow rate at which the predetermined pressure loss is caused) flows is expressed as the heat radiation capability. Here, if the required heat dissipation amount for the outside air temperature during Rankine cycle operation is the Rankine heat dissipation amount, the sum of the air conditioner heat dissipation amount and the Rankine heat dissipation amount, that is, the required heat dissipation amount in the condenser during simultaneous operation is high The degree of increase increases as time goes on, and if it exceeds a certain outside temperature, it will exceed the heat dissipation capacity. Therefore, the higher the outside air temperature, the larger the increase in the refrigerant flow rate in the condenser and the higher the pressure loss. If the pressure loss in the condenser increases, the high pressure of the compressor rises and the power consumption increases.
ここで、外気温に対する廃熱利用装置のエネルギー収支を考えてみると、図20に示すようになる。即ち、外気温が上昇すると冷房負荷が増えるので、上記で説明したように、圧縮機の動力増加分は悪化する(図20中の実線)。また、ランキンサイクルでは外気温が上昇すると、上記で説明したように、凝縮器における放熱が厳しくなり、膨張機前後の圧力差(膨張圧力比)が減少し回収エネルギーが減少する(図20中の点線)。この2つの特性線は、ある外気温で交差する。このポイントは廃熱利用装置のエネルギー収支がゼロとなる点となる。つまり、このポイントにおいてはランキンサイクルでエネルギーを回収しても、この回収エネルギーが冷凍サイクル(圧縮機)の動力エネルギーの増加分と相殺される点となる。言い換えると、このポイント以下の外気温ではランキンサイクルは有効に機能するが、このポイント以上の外気温ではランキンサイクルを稼動させてしまうと、返ってエネルギーの収支がマイナスとなり、内燃機関の燃費を悪化させてしまうことになる。 Here, when the energy balance of the waste heat utilization apparatus with respect to the outside air temperature is considered, it is as shown in FIG. That is, since the cooling load increases as the outside air temperature rises, as described above, the power increase of the compressor deteriorates (solid line in FIG. 20). Further, when the outside air temperature rises in the Rankine cycle, as described above, the heat radiation in the condenser becomes severe, the pressure difference (expansion pressure ratio) before and after the expander decreases, and the recovered energy decreases (in FIG. 20). dotted line). These two characteristic lines intersect at a certain outside temperature. This point is the point where the energy balance of the waste heat utilization device becomes zero. In other words, at this point, even if energy is recovered in the Rankine cycle, this recovered energy is offset by an increase in power energy of the refrigeration cycle (compressor). In other words, the Rankine cycle functions effectively at an outside temperature below this point, but if the Rankine cycle is operated at an outside temperature above this point, the energy balance will be negative and the fuel efficiency of the internal combustion engine will deteriorate. I will let you.
本発明の目的は、上記問題に鑑み、冷凍サイクルとランキンサイクルとの同時運転時に、ランキンサイクル作動による圧縮機の動力増加を防止して、エネルギー収支の向上を可能とする廃熱利用装置およびその制御方法を提供することにある。 In view of the above problems, an object of the present invention is to provide a waste heat utilization device capable of preventing an increase in power of a compressor due to Rankine cycle operation and improving an energy balance during simultaneous operation of a refrigeration cycle and a Rankine cycle, and its It is to provide a control method.
本発明は上記目的を達成するために、以下の技術的手段を採用する。 In order to achieve the above object, the present invention employs the following technical means.
請求項1に記載の発明では、空調空気を冷却する蒸発器(250)側から吸入した低圧の冷媒を高温高圧に圧縮して凝縮器(220)側に吐出する圧縮機(210)を有する冷凍サイクル(200)と、凝縮器(220)を共用すると共に、ポンプ(330)により圧送されて発熱機器(10)の廃熱により加熱された冷媒の膨張によって膨張機(320)で機械的エネルギーを回収するランキンサイクル(300)と、冷凍サイクル(200)およびランキンサイクル(300)の作動を制御する制御手段(500)とを有する廃熱利用装置において、制御手段(500)は、冷凍サイクル(200)の負荷が所定負荷よりも低い場合に、圧縮機(210)の作動状態にかかわらずランキンサイクル(300)を連続的に運転する連続制御を実行すると共に、冷凍サイクル(200)の負荷が所定負荷よりも高くなる高負荷状態の場合に、ランキンサイクル(300)を断続的に運転する断続制御を実行することを特徴としている。 According to the first aspect of the present invention, the refrigeration includes the compressor (210) that compresses the low-pressure refrigerant sucked from the evaporator (250) side that cools the conditioned air into high-temperature and high-pressure and discharges the refrigerant to the condenser (220) side. The cycle (200) and the condenser (220) are shared, and mechanical energy is supplied to the expander (320) by expansion of the refrigerant pumped by the pump (330) and heated by the waste heat of the heat generating device (10). In the waste heat utilization apparatus having the Rankine cycle (300) to be recovered and the control means (500) for controlling the operation of the refrigeration cycle (200) and the Rankine cycle (300), the control means (500) includes the refrigeration cycle (200). ) Continuous control for continuously operating the Rankine cycle (300) regardless of the operating state of the compressor (210) when the load is lower than the predetermined load. And it executes, if the high-load state where the load of the refrigeration cycle (200) is higher than the predetermined load, is characterized by performing the intermittent operation intermittently controlling the Rankine cycle (300).
これにより、冷凍サイクル(200)の負荷が所定負荷よりも低い場合においては、ランキンサイクル(300)で回収される機械的エネルギーが圧縮機(210)駆動用のエネルギーを上回るので、エネルギー収支をプラスとすることができ、ランキンサイクル(300)を連続的に運転することで、発熱機器(10)の廃熱を有効に活用することができる。 As a result, when the load of the refrigeration cycle (200) is lower than the predetermined load, the mechanical energy recovered in the Rankine cycle (300) exceeds the energy for driving the compressor (210), so the energy balance is increased. By operating the Rankine cycle (300) continuously, the waste heat of the heat generating device (10) can be effectively utilized.
更に、冷凍サイクル(200)の負荷が高負荷状態の場合においては、ランキンサイクル(300)の断続制御を行うことで、圧縮機(210)の動力増加を防止して、エネルギー収支を向上させることができる。 Further, when the load of the refrigeration cycle (200) is in a high load state, the intermittent control of the Rankine cycle (300) is performed to prevent an increase in power of the compressor (210) and improve the energy balance. Can do.
請求項2に記載の発明のように、上記の高負荷状態を、圧縮機(210)と膨張機(320)との同時運転による圧縮機(210)の駆動用エネルギーの増加分が、膨張機(320)で回収される機械的エネルギーを上回る状態として定めることで、エネルギー収支をプラスにし得る判断基準を明確にすることができる。 According to the second aspect of the present invention, the increase in the driving energy of the compressor (210) due to the simultaneous operation of the compressor (210) and the expander (320) corresponds to the high load state. By setting the state as exceeding the mechanical energy recovered in (320), it is possible to clarify the criteria for making the energy balance positive.
請求項3に記載の発明では、制御手段(500)は、断続制御の実行に際して、圧縮機(210)を断続運転すると共に、この断続運転に対して逆作動となるようにランキンサイクル(300)を断続的に運転することを特徴としている。 In the invention according to claim 3, the control means (500) intermittently operates the compressor (210) when executing the intermittent control, and the Rankine cycle (300) so as to be reverse to the intermittent operation. It is characterized by driving intermittently.
これにより、断続制御の実行に際して、圧縮機(210)が停止している時、即ち圧縮機(210)駆動用のエネルギーを使用していない時にランキンサイクル(300)作動させることになり、膨張機(320)による機械的エネルギーが回収されるので、確実にエネルギー収支をプラスとすることができる。 Accordingly, when performing the intermittent control, the Rankine cycle (300) is operated when the compressor (210) is stopped, that is, when the energy for driving the compressor (210) is not used. Since the mechanical energy according to (320) is recovered, the energy balance can be positively ensured.
請求項4に記載の発明のように、圧縮機(210)は、駆動源(10)によって駆動されると共に、一回転当たりの吐出容量が所定量となる固定容量圧縮機(210)であり、制御手段(500)は、駆動源(10)とのクラッチ(212)の断続、あるいは駆動源(10)のON−OFFによって行うようにすれば、圧縮機(210)の断続運転を行うことが可能となる。 As in the invention described in claim 4, the compressor (210) is a fixed capacity compressor (210) that is driven by the drive source (10) and has a predetermined amount of discharge capacity per revolution, The control means (500) can perform intermittent operation of the compressor (210) if the clutch (212) is connected to or disconnected from the drive source (10) or the drive source (10) is turned on and off. It becomes possible.
また、請求項5に記載の発明のように、圧縮機(210)は、一回転当たりの吐出容量を調整可能とする可変容量圧縮機(210)であり、制御手段(500)は、第1の吐出容量とこの第1の吐出容量よりも多い第2の吐出容量との切替えを行うようにすれば、圧縮機(210)の断続運転を行うことが可能となる。 Further, as in the fifth aspect of the invention, the compressor (210) is a variable capacity compressor (210) capable of adjusting a discharge capacity per one rotation, and the control means (500) includes the first If the discharge capacity is switched to the second discharge capacity larger than the first discharge capacity, the intermittent operation of the compressor (210) can be performed.
請求項6に記載の発明では、ランキンサイクル(300)内を循環する冷媒の冷媒流路を開閉する開閉手段(322)を有し、制御手段(500)は、断続制御の実行に際して、ランキンサイクル(300)を停止させる時に、開閉手段(322)を閉じることを特徴としている。 The invention according to claim 6 further includes opening / closing means (322) for opening / closing a refrigerant flow path of the refrigerant circulating in the Rankine cycle (300), and the control means (500) performs the Rankine cycle when performing intermittent control. When stopping (300), the opening / closing means (322) is closed.
これにより、冷媒の循環を停止できるので、即座にランキンサイクル(300)を停止させることができる。 Thereby, since circulation of a refrigerant can be stopped, a Rankine cycle (300) can be stopped immediately.
請求項7に記載の発明では、制御手段(500)は、開閉手段(322)を閉じた後に、ポンプ(330)を停止させることを特徴としている。 The invention according to claim 7 is characterized in that the control means (500) stops the pump (330) after closing the opening / closing means (322).
これにより、冷媒の圧送を停止して、確実にランキンサイクル(300)を停止させることができる。 Thereby, pumping of a refrigerant | coolant can be stopped and a Rankine cycle (300) can be stopped reliably.
請求項8に記載の発明では、開閉手段(322)は、膨張機(320)の冷媒流入側に設けられたことを特徴としている。 The invention according to claim 8 is characterized in that the opening / closing means (322) is provided on the refrigerant inflow side of the expander (320).
これにより、膨張機(320)に対する冷媒の流入を停止して冷媒の膨張を阻止できるので、即座に且つ効果的にランキンサイクル(300)を停止させることができる。 Thereby, since the inflow of the refrigerant | coolant with respect to an expander (320) can be stopped and expansion | swelling of a refrigerant | coolant can be stopped, a Rankine cycle (300) can be stopped immediately and effectively.
請求項9に記載の発明では、膨張機(320)をバイパスするバイパス通路(323)と、バイパス通路(323)を開閉するバイパス開閉手段(324)とを有し、制御手段(500)は、断続制御の実行に際して、ランキンサイクル(300)を停止させる時に、バイパス開閉手段(324)を開くことを特徴としている。 In invention of Claim 9, it has a bypass passage (323) which bypasses an expander (320), and bypass opening-and-closing means (324) which opens and closes a bypass passage (323), and control means (500) includes In performing the intermittent control, when the Rankine cycle (300) is stopped, the bypass opening / closing means (324) is opened.
これにより、膨張機(320)の高圧側と低圧側とを均圧させて、膨張機(320)を容易に停止させることができるので、ランキンサイクル(300)を安全且つ確実に停止させることができる。 Thereby, the high pressure side and the low pressure side of the expander (320) can be equalized, and the expander (320) can be easily stopped, so that the Rankine cycle (300) can be stopped safely and reliably. it can.
請求項10に記載の発明では、膨張機(320)に接続されると共に、機械的エネルギーによって駆動されて発電する発電機(321A)を有し、制御手段(500)は、バイパス開閉手段(324)を開いた後に、発電機(321A)を停止させることを特徴としている。
The invention according to
膨張機(320)においては、バイパス開閉手段(324)を開く前に発電機(321A)を停止させると、負荷の軽くなった膨張機(320)は冷媒の膨張によって一気に高回転側で作動してしまい、停止させられなくなる。よって、ランキンサイクル(300)の高圧側と低圧側とを均圧した後に、発電機(321A)を停止させることで、上記の高回転作動を防止して、安全且つ確実に膨張機(320)を停止させることができるようになる。 In the expander (320), if the generator (321A) is stopped before the bypass opening / closing means (324) is opened, the expander (320) having a lighter load operates on the high rotation side at once due to the expansion of the refrigerant. Will be stopped. Therefore, after equalizing the high-pressure side and the low-pressure side of the Rankine cycle (300), the generator (321A) is stopped to prevent the above-mentioned high-rotation operation, and the expander (320) can be safely and reliably. Can be stopped.
請求項11に記載の発明では、制御手段(500)は、冷凍サイクル(200)の負荷を、外気温度によって把握することを特徴としている。 The invention according to claim 11 is characterized in that the control means (500) grasps the load of the refrigeration cycle (200) from the outside air temperature.
外気温度は、冷凍サイクル(200)の負荷に相関するものであり、これにより、複雑な検出手段や検出方法を用いずに容易に冷凍サイクル(200)の負荷を把握することができる。 The outside air temperature correlates with the load of the refrigeration cycle (200), whereby the load of the refrigeration cycle (200) can be easily grasped without using complicated detection means and detection methods.
請求項12に記載の発明では、制御手段(500)は、冷凍サイクル(200)の負荷を、発熱機器(10)制御用の情報と、冷凍サイクル(200)制御用の情報とから複合的に把握することを特徴としている。
In the invention according to
これにより、断続制御を実行すべき条件をより細かく正確に把握できるので、エネルギー収支プラス化の精度を高めることができる。 As a result, the condition for executing the intermittent control can be grasped in more detail and accurately, so that the accuracy of the energy balance plus can be improved.
請求項13に記載の発明のように、発熱機器(10)は、車両用の内燃機関(10)であり、発熱機器(10)制御用の情報としては、車両の速度、内燃機関(10)の回転数、外気温度、内燃機関(10)の冷却用媒体温度のうちの少なくとも1つを採用することができる。 As in the invention described in claim 13, the heat generating device (10) is an internal combustion engine (10) for a vehicle, and information for controlling the heat generating device (10) includes the speed of the vehicle, the internal combustion engine (10). At least one of the number of rotations, the outside air temperature, and the cooling medium temperature of the internal combustion engine (10) can be employed.
また、請求項14に記載の発明のように、冷凍サイクル(200)制御用の情報としては、室内温度、目標室内温度、蒸発器(250)で冷却された空調空気温度、冷凍サイクル(200)内の冷媒圧力のうちの少なくとも1つを採用することができる。 Further, as in the invention described in claim 14, the information for controlling the refrigeration cycle (200) includes the room temperature, the target room temperature, the temperature of the conditioned air cooled by the evaporator (250), and the refrigeration cycle (200). At least one of the internal refrigerant pressures can be employed.
請求項15に記載の発明では、制御手段(500)は、高負荷状態を、膨張機(320)の低圧側となる低圧側圧力(PL)に対する膨張機(320)の高圧側となる高圧側圧力(PH)の比率で示される膨張圧力比(PH/PL)によって把握することを特徴としている。 In the invention according to claim 15, the control means (500) causes the high load state to be a high pressure side which is a high pressure side of the expander (320) with respect to a low pressure side pressure (PL) which is a low pressure side of the expander (320). It is characterized by grasping by the expansion pressure ratio (PH / PL) indicated by the ratio of pressure (PH).
これにより、複雑な検出手段や検出方法を用いずに容易に高負荷状態を把握することができる。 Thereby, a high load state can be easily grasped without using complicated detection means and detection methods.
上記膨張圧力比(P1/P2)は、請求項16に記載の発明のように、発熱機器(10)の廃熱温度、および膨張機(320)の下流側となる凝縮器(220)における冷媒の流量、凝縮器(220)における外気の温度、外気の速度から推定することができる。 The expansion pressure ratio (P1 / P2) is equal to the waste heat temperature of the heat generating device (10) and the refrigerant in the condenser (220) on the downstream side of the expander (320), as in the invention described in claim 16. , The temperature of the outside air in the condenser (220), and the speed of the outside air.
請求項17〜請求項32に記載の発明は、廃熱利用装置(100)における制御方法に関するものであり、その技術的意義は上記請求項1〜請求項16に記載の廃熱利用装置と本質的に同じである。 The invention described in claims 17 to 32 relates to a control method in the waste heat utilization apparatus (100), and its technical significance is essentially the same as that of the waste heat utilization apparatus according to claims 1 to 16. Are the same.
尚、上記各手段の括弧内の符号は、後述する実施形態記載の具体的手段との対応関係を示すものである。 In addition, the code | symbol in the bracket | parenthesis of each said means shows a corresponding relationship with the specific means of embodiment description mentioned later.
(第1実施形態)
本発明の第1実施形態を図1〜図5に示し、まず、具体的な構成について説明する。本発明の廃熱利用装置100は、エンジン10を走行用駆動源とする一般乗用車(車両)に適用されるものとしており、冷凍サイクル200と、この冷凍サイクル200内の一部の機器(凝縮器220、気液分離器230、過冷却器231)を共用すると共に発電機321を備えるランキンサイクル300と、冷凍サイクル200およびランキンサイクル300の作動を制御する制御装置500(500a〜500d)とを有している。
(First embodiment)
A first embodiment of the present invention is shown in FIGS. 1 to 5, and a specific configuration will be described first. The waste
図1に示すように、エンジン10は水冷式の内燃機関(本発明における発熱機器に対応)であり、エンジン冷却水(以下、冷却水)の循環によってエンジン10が冷却されるラジエータ回路20、および冷却水(温水)を熱源として空調空気を加熱するヒータ回路30を有している。尚、エンジン10には、ベルト12を介して伝達されるエンジン10の駆動力によって駆動されて発電するオルタネータ11が設けられている。オルタネータ11によって発電された電力はバッテリ40に充電されると共に、バッテリ40に充電された電力は、車両電気負荷(ヘッドランプ、ワイパー、オーディオ等)41に供給されるようになっている。
As shown in FIG. 1, the
ラジエータ回路20にはラジエータ21が設けられており、ラジエータ21は、温水ポンプ22によって循環される冷却水を外気との熱交換により冷却する。ここでは温水ポンプ22は、エンジン10によって駆動される機械式ポンプとしており、エンジン10の回転数(以下、エンジン回転数)に対して所定の回転数比で作動されるようになっている。尚、温水ポンプ22は、上記機械式ポンプに代えて、電動機によって駆動される電動式ポンプとしても良い。
The
また、エンジン10の出口側の流路(エンジン10とラジエータ21の間の流路)には、水温センサ25と、後述するランキンサイクル300の加熱器310が配設されている。水温センサ25は、エンジン10の出口側における冷却水温度を検出する水温検出手段であり、この水温センサ25によって検出される温度信号は、後述する制御装置500(システム制御ECU500a)に出力されるようになっている。また、加熱器310内にはエンジン10から流出する冷却水が流通するようになっている。
In addition, a
尚、ラジエータ回路20中にはラジエータ21を迂回して冷却水が流通するラジエータバイパス流路23が設けられており、サーモスタット24によってラジエータ21を流通する冷却水流量とラジエータバイパス流路23を流通する冷却水流量とが調節されるようになっている。
The
ヒータ回路30にはヒータコア31が設けられており、上記の温水ポンプ22によって冷却水(温水)が循環されるようにようになっている。ヒータコア31は、空調ユニット400の空調ケース410内に配設されており、送風機420によって送風される空調空気を温水との熱交換により加熱する。尚、ヒータコア31にはエアミックスドア430が設けられており、このエアミックスドア430の開閉により、ヒータコア31を通過する空調空気量が調整される。
A
冷凍サイクル200は、圧縮機210、凝縮器220、気液分離器230、過冷却器231、膨張弁240、蒸発器250を有し、これらが順次環状に接続されて閉回路を形成している。
The
圧縮機210は、冷凍サイクル200内の冷媒を高温高圧に圧縮する流体機器であり、ここでは、一回転当たりの吐出容量が所定量となる固定容量圧縮機としており、エンジン(本発明における駆動源に対応)10の駆動力によって駆動されるようになっている。即ち、圧縮機210の駆動軸には駆動手段としてのプーリ211が固定されており、エンジン10の駆動力がベルト12を介してプーリ211に伝達され、圧縮機210は駆動される。尚、プーリ211には、圧縮機210とプーリ211との間を断続する電磁クラッチ(本発明におけるクラッチに対応)212が設けられている。電磁クラッチ212の断続により、圧縮機210の作動はON−OFFされる。電磁クラッチ212の断続は、後述する制御装置500(エアコン制御ECU500c)によって制御されるようになっている。
The
凝縮器220は、外気との熱交換によって冷媒を凝縮液化する熱交換器であり、例えば車両エンジンルーム内の前方に配設されている。凝縮器220の熱交換部には車両走行時の車速風が外気として流入するようになっている。尚、外気の流入量は車両の速度(車速)に応じて増加する。気液分離器230は、凝縮器220で凝縮された冷媒を気液二層に分離するレシーバである。過冷却器231は、気液分離器231から流出される液冷媒を更に冷却する熱交換器である。凝縮器220、気液分離器230、過冷却器231は、いわゆる気液分離器を有するサブクールコンデンサの形態となっている。尚、凝縮器220、気液分離器230、過冷却器231は、一体的に形成される気液分離器一体型サブクールコンデンサとしても良い。
The
膨張弁240は、過冷却器231から流出される液冷媒を減圧膨脹させる減圧手段であり、本実施形態では、冷媒を等エンタルピ的に減圧すると共に、圧縮機210に吸入される冷媒の過熱度が所定値となるように絞り開度を制御する温度式膨脹弁を採用している。
The
蒸発器250は、ヒータコア31と同様に空調ユニット400の空調ケース410内に配設されている。蒸発器250は、膨張弁240によって減圧膨張された冷媒を蒸発させて、その時の蒸発潜熱によって送風機420からの空調空気を冷却する熱交換器である。そして、蒸発器250の冷媒出口側は、圧縮機210の吸入側に接続されている。
The
蒸発器250の空調空気流れ下流側には、冷却された空調空気の温度(以下、冷却空気温度)を検出する温度検出手段としての温度センサ251が設けられており、この温度センサ251によって検出される温度信号は、後述する制御装置500(エアコン制御ECU500c)に出力されるようになっている。尚、蒸発器250によって冷却された空調空気とヒータコア31によって加熱された空調空気は、エアミックスドア430の開度に応じて混合比率が可変され、乗員の設定する室内設定温度に調節される。
A
ランキンサイクル300は、エンジン10で発生した廃熱エネルギー(冷却水の熱エネルギー)を回収すると共に、この廃熱エネルギーを電気エネルギーに変換して利用するものである。以下、ランキンサイクル300について説明する。
The
ランキンサイクル300は、ポンプ330、加熱器310、膨張機320、凝縮器220、気液分離器230、過冷却器231を有し、これらが順次接続されて閉回路を形成している。尚、凝縮器220、気液分離器230、過冷却器231は上記冷凍サイクル200のものが共用されるようにしており、ランキンサイクル300内を流通する作動流体は、冷凍サイクル200の冷媒と同一のものとなっている。
The
ポンプ330は、ランキンサイクル300内の冷媒を循環させる流体機器であり、電動機331の駆動力によって作動されるようになっている。電動機331の作動は、後述する制御装置500(インバータ500d)によって制御されるようになっている。
The
加熱器310は、ポンプ330から送られる冷媒とラジエータ回路20を流通する高温の冷却水との間で熱交換することにより冷媒を加熱して高温高圧の過熱蒸気冷媒とする熱交換器である。
The
膨張機320は、加熱器310で加熱された過熱蒸気冷媒の膨張によって回転駆動力(本発明における機械的エネルギーに対応)を発生させる流体機器である。本ランキンサイクル300においては、上記膨張機320に発電機321が接続されて、膨張機320と発電機321とが一体的に形成されている。
The
発電機321は、後述する制御装置500(インバータ500d)によって作動制御されるようになっている。即ち、発電機321は、膨張機320から駆動力を受けると、インバータ500dによって回転数制御され、これに伴って発電量が調整される。そして、発電された電力は、インバータ500dによってバッテリ40に充電されるようになっている。
The operation of the
そして、膨張機320の冷媒吐出側は、凝縮器220に合流するように接続され、また、過冷却器231の冷媒流出側で冷凍サイクル200から分岐して、ポンプ330に接続されている。
The refrigerant discharge side of the
上記ランキンサイクル300には、このサイクル内の冷媒流路を開閉するための開閉手段が設けられている。ここでは開閉手段は、膨張機320の冷媒流入側において、この流入側流路を開閉する膨張機停止弁322としている。膨張機停止弁322は、例えば電磁弁によって構成され、後述する制御装置500(システム制御ECU500a)によって開閉制御されるようになっている。
The
そして、ポンプ330と加熱器310との間には、ランキンサイクル300の高圧側となる冷媒圧力(以下、ランキン高圧側圧力)を検出する圧力検出手段としての冷媒圧力センサ341が設けられている。この冷媒圧力センサ341によって検出される圧力信号は、後述する制御装置500(システム制御ECU500a)に出力されるようになっている。
And between the
また、過冷却器231と膨張弁240との間には、冷凍サイクル200の高圧側(ランキンサイクル300の低圧側)となる冷媒圧力(以下、冷凍高圧側圧力)を検出する圧力検出手段としての冷媒圧力センサ342が設けられている。この冷媒圧力センサ342によって検出される圧力信号は、後述する制御装置500(システム制御ECU500a)に出力されるようになっている。
Between the
制御装置500は、上記冷凍サイクル200およびランキンサイクル300の各種機器の作動を制御する制御手段であり、システム制御ECU500a、車両制御ECU500b、エアコン制御ECU500c、インバータ500dを有している。
The
システム制御ECU500aには、車両制御ECU500bとエアコン制御ECU500cとインバータ500dとが接続されて、相互に制御信号が授受されるようになっている。システム制御ECU500aには、外気温度を検出する外気温検出手段としての外気温センサ510からの検出信号が入力されるようになっている。
A vehicle control ECU 500b, an air conditioner control ECU 500c, and an inverter 500d are connected to the system control ECU 500a, and control signals are exchanged between them. The system control ECU 500a receives a detection signal from an outside
システム制御ECU500aは、冷凍サイクル200およびランキンサイクル300の総合的な制御を行うと共に、後述するように冷凍サイクル200とランキンサイクル300との同時運転において、冷凍サイクル200の負荷(以下、冷房負荷)に応じて圧縮機210駆動用のエネルギーとランキンサイクル300での回収エネルギーとの収支がプラスとなるようにインバータ500dを介してランキンサイクル300の作動を制御する。
The system control ECU 500a performs comprehensive control of the
車両制御ECU500bは、主にエンジン10の制御を行うものであり、水温センサ25からの冷却水温度、エンジン回転数、スロットルバルブ開度等から算出されるエンジン負荷(エンジントルク)等から、燃料(ガソリン)の燃焼効率が最適になるように、燃料噴射量(燃料供給量)を制御する。尚、車両制御ECU500bは、エンジン回転数、および図示しない変速機の変速比等から車両の速度、即ち車速を算出する。
The vehicle control ECU 500b mainly controls the
エアコン制御ECU500cは、乗員のエアコン要求、設定室内温度、実際の室内温度、蒸発器250で冷却された空気温度、環境条件(外気温度、日射量等)等に応じて、冷凍サイクル200の基本作動を制御する。また、インバータ500dは、発電機321および電動機331を作動させ、また、その回転数を調整することで、ランキンサイクル300の作動を制御する。
The air conditioner control ECU 500c performs the basic operation of the
次に、上記構成に基づく廃熱利用装置100の作動について説明する。本廃熱利用装置100においては、以下の冷凍サイクル単独運転、ランキンサイクル単独運転に加えて、冷凍サイクル・ランキンサイクル併用運転を可能とする。
Next, the operation of the waste
1.冷凍サイクル単独運転
制御装置500は、エンジン10始動直後の暖機中等で廃熱が充分に得られない場合、即ち、水温センサ25によって得られる冷却水温度が所定冷却水温度に満たない場合で、乗員からのエアコン要求があると判定した時は、発電機321、電動機331を停止(膨張機320、ポンプ330を停止)させて、冷凍サイクル200を単独運転させる。
1. The refrigeration cycle single
制御装置500(エアコン制御ECU500c)は、冷凍サイクル200の運転において、実際の室内温度、外気温度、日射量等の条件から、実際の室内温度が設定室内温度となるように必要吹出し温度を演算して、蒸発器250における冷却空気温度が所定温度(例えばヒステリシスを持たせた3℃〜4℃)となるように圧縮機210の作動を制御しつつ、エアミックスドア430の開度を制御する。
The control device 500 (air conditioner control ECU 500c) calculates the necessary blowout temperature so that the actual room temperature becomes the set room temperature from the conditions such as the actual room temperature, the outside air temperature, and the amount of solar radiation during the operation of the
圧縮機210の制御においては、図2に示すように、制御装置500は、温度センサ251によって得られる冷却空気温度が所定温度(上限側の4℃)を超えると電磁クラッチ212を接続することで圧縮機210をONさせ、また、冷却空気温度が所定温度(下限側の3℃)を下回ると電磁クラッチ212を切断して圧縮機210をOFFさせる(ON−OFF制御)。
In the control of the
2.ランキンサイクル単独運転
制御装置500は、エアコン要求が無く、水温センサ25によって得られる冷却水温度が所定冷却水温度以上となってエンジン10の廃熱が充分得られると判定した時は、電磁クラッチ212を切断(圧縮機210は停止)し、電動機331(ポンプ330)を作動(起動)させ、膨張弁停止弁322を開き、ランキンサイクル300を運転させる。そして、膨張機320の回転駆動力に伴う発電機321の発電作用により発電を行う。
2. When the Rankine cycle independent
更に詳述すると、ポンプ330によって過冷却器231からの液冷媒が昇圧されて加熱器310に送られ、加熱器310において液冷媒は高温の冷却水によって加熱される。加熱された過熱蒸気冷媒は、開状態となる膨張機停止弁322を通り、膨張機320に送られる。膨張機320において過熱蒸気冷媒は等エントロピー的に膨張減圧され、その熱エネルギーと圧力エネルギーの一部が回転駆動力に変換され、膨張機320で取り出された回転駆動力によって発電機321が作動される。そして、発電機321で得られた電力はインバータ500dによってバッテリ40に充電される。充電された電力は、車両電気負荷41の作動に使用される。よってオルタネータ11の負荷が軽減される。尚、膨張機320で減圧された冷媒は凝縮器220で凝縮され、気液分離器230で気液分離され、過冷却器231で過冷却されて、再びポンプ330へ吸引される。
More specifically, the liquid refrigerant from the
3.冷凍サイクル・ランキンサイクル併用運転
制御装置500は、乗員からのエアコン要求があり、且つ廃熱が充分に得られると判定した時は、冷凍サイクル200とランキンサイクル300とを併用運転させ、空調と発電との両方を行う。ここでは冷凍サイクル200の負荷に応じて、ランキンサイクル300の連続運転、あるいは断続運転の切替えを行うようにしており、以下、図3に示す制御フローチャート、および図4、図5に示すタイムチャートを加えて説明する。
3. Refrigeration cycle / Rankine cycle combined operation When the
まず、制御装置500は、図3中のステップS100で、上記冷凍サイクル単独運転と同様に、電磁クラッチ212を断続することで圧縮機210をON−OFFさせて、冷凍サイクル200の作動を制御する中で、ステップS110にて、冷房負荷が所定負荷よりも高いか否かを判定する。
First, at step S100 in FIG. 3, the
ここで、冷房負荷は、冷凍サイクル200の運転における各種制御条件、つまり設定室内温度、実際の室内温度、外気温度、日射量を用いて把握することができる。実際の室内温度、外気温度、日射量が高いほど、また、設定室内温度が低いほど、冷房負荷は高いものとなる。ここでは、上記各種制御条件のうち、外気温度センサ510によって得られる外気温度を冷房負荷とするようにしている。そして、「課題」の項の図20で説明したように、圧縮機210駆動用のエネルギー(圧縮機動力)増加分とランキンサイクル300による回収エネルギー(発電エネルギー)との収支がゼロとなるポイントを所定負荷(所定温度)として予め定めている。
Here, the cooling load can be grasped by using various control conditions in the operation of the
よって、ステップS110では外気温度と所定外気温度とを比較して、外気温度が所定外気温度以下であれば、冷房負荷が低い状態にあると判定して、ステップS120のランキンサイクル連続制御に進み、外気温度が所定外気温度より高ければ、冷凍サイクル200の負荷が高い状態にあると判定して、ステップS130のランキンサイクル断続制御に進む。
Therefore, in step S110, the outside air temperature is compared with the predetermined outside air temperature. If the outside air temperature is equal to or lower than the predetermined outside air temperature, it is determined that the cooling load is low, and the process proceeds to Rankine cycle continuous control in step S120. If the outside air temperature is higher than the predetermined outside air temperature, it is determined that the load of the
ステップS120のランキンサイクル連続制御では、図4に示すように、ON−OFF制御される圧縮機210の作動状態にかかわらず、ランキンサイクル300を連続的に運転する。つまり、電動機331(ポンプ330)を作動させ、膨張機停止弁322を開状態として、ランキンサイクル300内で冷媒を循環させ、発電機321で発電させる。
In the Rankine cycle continuous control in step S120, as shown in FIG. 4, the
一方、ステップS130のランキンサイクル断続制御では、図5に示すように、ステップS140でON−OFF制御される圧縮機210が今ON状態にあるか否かを判定し、ONであるとステップS150でランキンサイクル300を停止させ、OFFであるとステップS160でランキンサイクル300を作動させる。ランキンサイクル300の停止にあたっては、膨張機停止弁322を閉状態とし、電動機331(ポンプ330)を停止させる。また、ランキンサイクル300の作動にあたっては、ステップS120と同様に電動機331(ポンプ330)を作動させて、膨張機停止弁322を開状態とする。そして、ステップS150、ステップS160の後はステップS110に戻るようにしている。
On the other hand, in the Rankine cycle intermittent control in step S130, as shown in FIG. 5, it is determined whether or not the
尚、上記ランキンサイクル300を停止させるために膨張機停止弁332を閉じることにより、圧力センサ341によって得られるランキン高圧側圧力が所定の許容圧力を超える場合は、ランキンサイクル300の保護のために、緊急的に膨張機停止弁322を開くようにする。
In order to protect the
以上のように、本実施形態では、冷凍サイクル・ランキンサイクル併用運転時において、冷房負荷が所定負荷よりも低い場合では、ランキンサイクル300で回収される電気エネルギーが圧縮機210駆動用のエネルギーを上回るので、エネルギー収支をプラスとすることができ、圧縮機210の作動状態にかかわらずランキンサイクル連続制御を行うことで、エンジン10の廃熱を有効に活用することができる。
As described above, in this embodiment, when the cooling load is lower than the predetermined load during the combined operation of the refrigeration cycle and the Rankine cycle, the electrical energy recovered by the
また、冷房負荷が所定負荷よりも高い場合では、ランキンサイクル断続制御(圧縮機OFF時にランキンサイクルON)を行うようにしているので、膨張機320で回収される電気エネルギーが圧縮機210駆動用のエネルギーを下回ることがなくなり、上記同様にエネルギー収支を確実にプラスとすることができ、エンジン10の廃熱を有効に活用することができる。総じてエンジン10の燃費を向上させることができる。
Further, when the cooling load is higher than the predetermined load, Rankine cycle intermittent control is performed (the Rankine cycle is ON when the compressor is OFF), so that the electric energy recovered by the
また、冷凍サイクル200の運転に際して、電磁クラッチ212を有する固定容量の圧縮機210を用いてON−OFF制御(断続運転)するようにしているので、冷房負荷が高い場合に、圧縮機210のOFFの時にランキンサイクル300をONとするランキンサイクル断続制御を容易に形成することができる。
Further, when the
また、ランキンサイクル300内に、具体的には膨張機320の冷媒流入側に開閉手段としての膨張機停止弁322を設けて、ランキンサイクル断続制御の際に膨張機停止弁322を閉じるようにし、更にその後にポンプ330を停止するようにしているので、即座に、且つ確実にランキンサイクル300を停止させることができる。
Further, in the
また、ランキンサイクル断続制御のために用いる冷房負荷を外気温度で把握するようにしているので、複雑な検出手段や検出方法を用いずに容易に対応が可能となる。 In addition, since the cooling load used for Rankine cycle intermittent control is grasped from the outside air temperature, it is possible to easily cope with it without using complicated detection means and detection methods.
(第2実施形態)
本発明の第2実施形態を図6〜図10に示す。第2実施形態は、上記第1実施形態に対して、圧縮機210Aを例えば斜板の傾斜角度を可変することで一回転当たりの吐出容量を調整可能とする容量可変圧縮機に変更し、また、冷凍サイクル・ランキンサイクル併用運転における制御方法を変更したものである。
(Second Embodiment)
A second embodiment of the present invention is shown in FIGS. The second embodiment is different from the first embodiment in that the
図6に示すように、圧縮機210Aは、第1実施形態における圧縮機210に対して、電磁クラッチ212が廃止されており、本来吐出し得る吐出容量を100%吐出容量とした時に、吐出容量を0%から100%まで連続的に可変できるようになっている。よって、吐出容量0%においては、圧縮機210Aはベルト12を介してエンジン10の駆動力によって回転駆動されるが、実質的には圧縮仕事を伴わない(エンジン10の駆動力を食わない)OFF状態となる。圧縮機210Aは、図7に示すように、冷凍サイクル200の運転時において、冷却空気温度が所定温度(例えば4℃)となるように、制御装置500(エアコン制御ECU500c)によって吐出容量が連続的に制御されるようになっている。
As shown in FIG. 6, in the
そして、制御装置500は、図8に示す制御フローチャートに基づいて、冷凍サイクル・ランキンサイクル併用運転を行う。尚、図8のフローチャートは、図3で説明したフローチャートに対して、ステップS100、S130、S140をそれぞれステップS100A、S130A、S140Aに変更すると共に、ステップS110とステップS140Aとの間にステップS135を追加したものとしている。
And the
即ち、制御装置500は、図8中のステップS100Aで、圧縮機210Aの吐出容量を連続的に可変させて(連続容量可変)、冷凍サイクル200の作動を制御する中で、ステップS110にて、冷房負荷が所定負荷よりも高いか否かを判定する。ここでは、第1実施形態と同様に外気温度によってこの負荷を判定する。
That is, the
ステップS110で外気温度が所定外気温度以下であれば、冷房負荷が低い状態にあると判定して、ステップS120のランキンサイクル連続制御に進み、外気温度が所定外気温度より高ければ、冷房負荷が高い状態にあると判定して、ステップS130Aのランキンサイクル断続制御に進む。 If the outside air temperature is equal to or lower than the predetermined outside air temperature in step S110, it is determined that the cooling load is in a low state, the process proceeds to the Rankine cycle continuous control in step S120, and if the outside air temperature is higher than the predetermined outside air temperature, the cooling load is high. It determines with it being in a state, and progresses to Rankine cycle intermittent control of step S130A.
ステップS120のランキンサイクル連続制御では、上記第1実施形態と同一であり、図9に示すように、連続容量可変される圧縮機210Aの作動状態(吐出容量)にかかわらず、ランキンサイクル300を連続的に運転する。つまり、電動機331(ポンプ330)を作動させ、膨張機停止弁322を開状態として、ランキンサイクル300内で冷媒を循環させ、発電機321で発電させる。
The Rankine cycle continuous control in step S120 is the same as that in the first embodiment. As shown in FIG. 9, the
一方、ステップS130Aのランキンサイクル断続制御では、図10に示すように、ステップS135で圧縮機210Aの吐出容量制御を上記の連続容量可変から、所定の吐出容量(本発明における第1の吐出容量に対応し、ここでは0%設定としている)と、それより大きい吐出容量(本発明における第2の吐出容量に対応し、ここでは100%設定としている)とを交互に行う制御(断続容量可変)に切替えて、冷却空気温度が所定温度(例えば4℃)となるようにする。尚、所定の吐出容量というのは、圧縮機210Aの駆動用エネルギーがランキンサイクル300で回収できるエネルギーを超えないように設定される容量であり、上記のように0%の容量とするのが好ましい。吐出容量0%と100%とによる断続容量可変においては、可変容量圧縮機を用いながらも、第1実施形態の固定容量圧縮機210と同一の作動(ON−OFF作動)をさせるものとなる。
On the other hand, in the Rankine cycle intermittent control in step S130A, as shown in FIG. 10, in step S135, the discharge capacity control of the
そして、ステップS140Aで圧縮機210Aが今吐出容量100%状態にあるか否かを判定し、吐出容量100%であるとステップS150でランキンサイクル300を停止させ、吐出容量100%でない(吐出容量0%である)とステップS160でランキンサイクル300を作動させる。
In step S140A, it is determined whether or not the
これにより、圧縮機210Aを可変容量圧縮機とした場合で、ランキンサイクル断続制御(ステップS130A)を行う際に、吐出容量を所定の吐出容量(0%)と、それより大きい吐出容量(100%)との間で交互に切替えるようにすることで、第1実施形態と同様の作用を果たすことができるので、エネルギー収支を確実にプラスとすることができ、エンジン10の廃熱を有効に活用することができる。
Thus, when the
尚、ステップS135、ステップS140Aにおける圧縮機210Aの所定の吐出容量としては、0%に限定されるものではなく、圧縮機210Aの駆動用エネルギーがランキンサイクル300で回収できるエネルギーを超えないようにすれば良く、0%の近傍となる値としても良い。また、大きい側の吐出容量としては、冷房負荷が高い状態であっても冷却空気温度を所定温度に維持できる容量であれば、100%に限定されるものではなく、他の値としても良い。
Note that the predetermined discharge capacity of the
(第3実施形態)
第3実施形態は、上記第1実施形態に対して、冷房負荷を判定する際の判定方法を変更したものである。ここでは、冷房負荷をエンジン10の制御に用いる複数の情報と、冷凍サイクル200の制御に用いる複数の情報とを複合的に用いている。
(Third embodiment)
3rd Embodiment changes the determination method at the time of determining cooling load with respect to the said 1st Embodiment. Here, a plurality of pieces of information used for controlling the cooling load of the
まず、エンジン10の制御情報として、車速を用いている。車速が増加するに従って、凝縮器220に流入する車速風が増大し、冷媒との熱交換が促進されることから、車速が大きいほど冷房負荷が小さくなることを意味する。
First, vehicle speed is used as control information for the
また、冷凍サイクル200の制御情報としては、外気温度に加えて、日射量、実際の室内温度、設定室内温度、冷凍高圧側圧力を用いている。外気温度、日射量、実際の室内温度、設定室内温度の冷房負荷に対する意味については上記第1実施形態で説明したとおりである。冷凍高圧側圧力については、冷凍高圧側圧力が高いほど凝縮器220における凝縮能力がオーバーワークとなり、冷房負荷は高いことを意味する。
Further, as control information for the
図11は、制御装置500が実行する冷凍サイクル・ランキンサイクル併用運転における制御フローチャートを示すものであり、上記第1実施形態で説明した図3の制御フローチャートに対して、ステップS111〜ステップS115を追加したものとしている。
FIG. 11 shows a control flowchart in the combined operation of the refrigeration cycle and Rankine cycle executed by the
制御装置500は、ステップS100の後に、ステップS110で外気温度により冷房負荷を判定し、更にこの場合の冷房負荷が低いと判定すると(YES判定)、以下ステップS111〜ステップS115で、日射量、車速、室内温度、設定室内温度、冷凍高圧側圧力(圧力センサ342によって得られる圧力値の平均値)から冷房負荷を判定し、いずれも冷房負荷が低いと判定すると(YES判定)、ステップS120でランキンサイクル連続制御を行い、逆に、いずれも負荷が低いと判定すると(NO判定)、ステップS130でランキンサイクル断続制御を行う。
If the
これにより、ランキンサイクル断続制御を実行すべき条件をより細かく正確に把握できるので、エネルギー収支プラス化の精度を高めることができる。 As a result, the conditions under which Rankine cycle intermittent control should be executed can be grasped in more detail and accurately, so that the accuracy of energy balance plus can be increased.
尚、上記冷房負荷の判定においては、上記各制御情報の少なくとも1つを用いるものとしても良く、また、上記の他にエンジン回転数、冷却水温度、エンジン負荷等を用いても良い。 In the determination of the cooling load, at least one of the above control information may be used, and in addition to the above, the engine speed, the coolant temperature, the engine load, and the like may be used.
(第4実施形態)
本発明の第4実施形態を図12〜図14に示す。第4実施形態は、上記第1実施形態に対して、冷凍サイクル200の負荷が高くなる高負荷状態を膨張機320の膨張圧力比PH/PLにて把握して、ランキンサイクル断続制御を行なうようにしたものである。
(Fourth embodiment)
A fourth embodiment of the present invention is shown in FIGS. Compared to the first embodiment, the fourth embodiment grasps a high load state in which the load of the
本実施形態では、ランキンサイクル300において、膨張機320をバイパスするバイパス通路323と、このバイパス通路323を開閉するバイパス開閉弁(本発明におけるバイパス開閉手段に対応)324とを設けるようにしている。図12は模式的に示した図としているが、ここでは、バイパス通路323およびバイパス開閉弁324は、膨張機320の内部に形成されるようにしている。即ち、バイパス通路323は、膨張機320の内部において冷媒吸入側となる高圧室と冷媒吐出側となる低圧室とを直接的に繋ぐ連通路として形成されている。また、バイパス開閉弁324は、上記連通路として形成されたバイパス通路323の途中に配設されて、例えば電磁弁によって構成され、制御装置500(システム制御ECU500a)によって開閉制御されるようになっている。尚、バイパス通路323およびバイパス開閉弁324は、ランキンサイクル300の冷媒通路において文字どおり膨張機320自身をバイパスするように設けるようにしても良い。
In the present embodiment, in the
上記第1実施形態にて気液分離器230の冷媒流れ下流側に設けた過冷却器231は、ここでは廃止している。
The
膨張機320には、発電機321に代えて、発電機および電動機としての両機能を有する電動発電機321Aを接続している。電動発電機321Aはインバータ500dによって電動機としてあるいは発電機として制御されるようになっている。
Instead of the
ポンプ330駆動用の電動機331は廃止されており、ポンプ330は、電動発電機321Aと共に膨張機320に一体的に接続されている。電動発電機321Aが電動機として作動されることで、ポンプ330は起動されるようになっている。そして、膨張機320の作動に伴って発生する回転駆動力がポンプ330の駆動に必要とされる駆動力を超えると、ポンプ330は膨張機320によって駆動される。また、電動発電機321Aも膨張機320によって駆動されて、電動発電機321Aは発電機として機能し、発電を行なう。
The
また、ランキンサイクル300内において、冷媒圧力センサ341を加熱機310と膨張機320との間に設け、また、冷媒圧力センサ342を気液分離器230とポンプ330との間に設けるようにしている。冷媒圧力センサ341は上記第1実施形態と同様に、ランキンサイクル300(膨張機320)の高圧側となる冷媒圧力PH(ランキン高圧側圧力)を検出し、また、冷媒圧力センサ342はランキンサイクル300(膨張機320)の低圧側となる冷媒圧力PL(ランキン低圧側圧力)を検出する。冷媒圧力センサ341、342によって検出される圧力信号は、制御装置500(システム制御ECU500a)に出力される。
In the
そして、制御装置500は、冷媒圧力PLに対する冷媒圧力PHの比率を膨張圧力比PH/PLとして算出して、この膨張圧力比PH/PLの値を冷凍サイクル200の高負荷状態を判定するために使用するようにしている。
Then,
ここで、図13に示すように、膨張機320の冷媒吸入時の作動室の容積をVin、冷媒吐出時の作動室の容積をVoutとすると(Vin<Vout)、膨張圧力比PH/PLを所定値とした時に、膨張機320においては適正膨張作動が得られる(図13(b))。本実施形態では、使用する膨張機320の仕様から上記所定値を2と設定している。
Here, as shown in FIG. 13, when the volume of the working chamber at the time of refrigerant suction of the
このような適正膨張作動に対して、冷凍サイクル200の負荷が高まり、凝縮器220での圧力、つまりランキン低圧側圧力PLが上昇すると、作動時の膨張圧力比PH/PLが所定値(2)よりも小さくなり、膨張機320においては過膨張作動となる。過膨張作動となると真空ポンプ作用により膨張機320の本来の膨張仕事が減少してしまう(図13(a))。また、ランキン低圧側圧力PLが低下すると、作動時の膨張圧力比PH/PLが所定値(2)よりも大きくなり、膨張機320においては不足膨張作動となる。不足膨張となると本来膨張によって得られるべき仕事を無駄に捨ててしまうことになる(図13(c))。
When the load on the
本実施形態では、冷凍サイクル・ランキンサイクル併用運転時において、冷凍サイクル200の負荷に応じて膨張圧力比PH/PLが所定値より小さくなった場合にロスを伴う過膨張作動を防止しつつ、エネルギー収支がプラスとなるような制御を行なうようにしている。
In the present embodiment, during combined operation of the refrigeration cycle and Rankine cycle, energy is prevented while preventing overexpansion operation with loss when the expansion pressure ratio PH / PL becomes smaller than a predetermined value according to the load of the
以下、図14に示すフローチャートを用いて制御装置500が実行する制御内容を説明する。図14のフローチャートは、上記第1実施形態の図3で説明したフローチャートに対して、ステップS110、S120、S130、S150、S160をそれぞれステップS110A、S120A、S130B、S150A、S160Aに変更したものである。
Hereinafter, the control contents executed by the
まず、制御装置500は、図14中のステップS100で、電磁クラッチ212を断続することで圧縮機210をON−OFFさせて、冷凍サイクル200の作動を制御する中で、ステップS110Aにて、膨張圧力比PH/PLが所定値よりも高いか否かを判定する。
First, in step S <b> 110 </ b> A in FIG. 14, the
ここで、膨張圧力比PH/PLが所定値よりも高ければ冷凍サイクル200の負荷は低い状態にあると判定して、ステップS120Aのランキンサイクル連続制御に進み、膨張圧力比PH/PLが所定値より低ければ冷凍サイクル200の負荷が高い状態にあると判定して、ステップS130Bのランキンサイクル断続制御に進む。
Here, if the expansion pressure ratio PH / PL is higher than a predetermined value, it is determined that the load of the
ステップS120Aのランキンサイクル連続制御では、ON−OFF制御される圧縮機210の作動状態にかかわらず、ランキンサイクル300を連続的に運転する。つまり、ポンプ330を作動させ、バイパス開閉弁324を閉状態として、ランキンサイクル300内で冷媒を循環させ、電動発電機321Aで発電させる。
In the Rankine cycle continuous control in step S120A, the
一方、ステップS130Bのランキンサイクル断続制御では、ステップS140でON−OFF制御される圧縮機210が今ON状態にあるか否かを判定し、ONであるとステップS150Aでランキンサイクル300を停止させ、OFFであるとステップS160Aでランキンサイクル300を作動させる。ランキンサイクル300の停止にあたっては、バイパス開閉弁324を開状態とし、その後に電動発電機321Aおよびポンプ330を停止させる。また、ランキンサイクル300の作動にあたっては、ステップS120Aと同様に電動発電機321Aおよびポンプ330を作動させて、バイパス開閉弁324を閉状態とする。そして、ステップS150A、ステップS160Aの後はステップS110に戻るようにしている。
On the other hand, in the Rankine cycle intermittent control in Step S130B, it is determined whether or not the
これにより、上記第1実施形態と同様に、冷凍サイクル・ランキンサイクル併用運転時において、冷房負荷が低く膨張圧力比PH/PLが所定値よりも大きくなる場合では、圧縮機210の作動状態にかかわらずランキンサイクル連続制御を行うことで、エンジン10の廃熱を有効に活用することができる。また、冷房負荷が高く膨張圧力比PH/PLが所定値よりも小さくなる場合では、ランキンサイクル断続制御(圧縮機OFF時にランキンサイクルON)を行うことで、膨張機320で回収される電気エネルギーが圧縮機210駆動用のエネルギーを下回ることがなくなり、エネルギー収支を確実にプラスとすることができ、エンジン10の廃熱を有効に活用することができる。総じてエンジン10の燃費を向上させることができる。そして、ランキンサイクル連続制御、断続制御共に、過膨張作動のない状態で膨張機320を作動させることができるので効率的な電気エネルギーの回収が可能となる。
Thus, as in the first embodiment, when the cooling load is low and the expansion pressure ratio PH / PL is larger than a predetermined value during the combined operation of the refrigeration cycle and Rankine cycle, the operation state of the
また、ランキンサイクル断続制御において、バイパス通路323に設けたバイパス開閉弁324を開くことで膨張機320の高圧側と低圧側とを均圧させて、膨張機320を容易に停止させることができるので、ランキンサイクル300を安全且つ確実に停止させることができる。
In Rankine cycle intermittent control, the
また、膨張機320においては、バイパス開閉弁324を開く前に電動発電機321Aを停止させると、負荷の軽くなった膨張機320は冷媒の膨張によって一気に高回転側で作動してしまい、停止させられなくなるが、ここではバイパス開閉弁324を開いてランキンサイクル300の高圧側と低圧側とを均圧した後に、電動発電機321Aを停止させるようにしているので、上記の高回転作動を防止して、安全且つ確実に膨張機320を停止させることができる。
Further, in the
上記第4実施形態においては、冷媒圧力センサ341、342の設定位置は、上記第1実施形態で説明した位置としても良い。即ち、高圧側圧力としては、ポンプ330−加熱器310−膨張機320の間における冷媒圧力が検出され、また低圧側圧力としては、膨張機320−凝縮器220−気液分離器230−ポンプ330の間、あるいは膨張機320−凝縮器220−気液分離器230−膨張弁240の間における冷媒圧力が検出されるようにすれば良い。
In the fourth embodiment, the setting positions of the
また、膨張圧力比PH/PLを把握する際の低圧側の冷媒圧力PLは、凝縮器220における凝縮能力に相関する物理量を用いて推定するようにしても良い。例えば、膨張機320の回転数(電動発電機321A0の回転数)と、固定容量型圧縮機210の回転数(エンジン回転数×プーリ比)とから凝縮器220に供給される冷媒流量が推定でき、それに応じた凝縮能力から低圧側の冷媒圧力PLを推定できる。あるいは、圧縮機210が可変容量型であれば、圧縮機210の回転数×1回転あたりの吐出容量として凝縮器220に供給される冷媒流量が推定できる。また、冷媒圧力PLは、膨張機320の回転数(電動発電機321A0の回転数)と、冷房負荷(例えば外気温度、蒸発器250における冷却空気温度)とから推定することもできる。
Moreover, the refrigerant pressure PL on the low pressure side when grasping the expansion pressure ratio PH / PL may be estimated using a physical quantity that correlates with the condensation capacity in the
更には、膨張圧力比P1/P2は、加熱器210における加熱量と、凝縮器220における放熱量との比として算出するようにしても良い。加熱器210における加熱量は、加熱器210を流通するエンジン冷却水の温度および流量から算出でき、また、凝縮器220における放熱量は、凝縮器220を流通する冷媒流量、外気温度、外気の速度(車速)から算出できる。
Furthermore, the expansion pressure ratio P1 / P2 may be calculated as a ratio between the heating amount in the
(その他の実施形態)
上記第1〜第3実施形態では、ランキンサイクル300を停止させる際に用いた膨張機停止弁322を膨張機320の冷媒流入側に設けたが、これに限らず、ポンプ330の冷媒流入側等、他の部位に設けるようにしても良い。
(Other embodiments)
In the first to third embodiments, the
また、膨張機320で回収した駆動力で発電機321を作動させて、電気エネルギーとしてバッテリ40に蓄えるようにしたが、フライホイールによる運動エネルギー、またはバネによる弾性エネルギー等の機械的エネルギーとして蓄えても良い。
Further, the
また、発熱機器として、車両用のエンジン(内燃機関)10としたが、これに限らず、例えば、外燃機関、燃料電池車両の燃料電池スタック、各種モータ、インバータ等のように作動時に発熱を伴い、温度制御のためにその熱の一部を捨てるもの(廃熱が発生するもの)であれば、広く適用することができる。その場合、加熱器310に対する加熱源は、各種廃熱機器の冷却用の流体となる。
Further, although the vehicle engine (internal combustion engine) 10 is used as the heat generating device, the heat generating device is not limited to this. For example, an external combustion engine, a fuel cell stack of a fuel cell vehicle, various motors, an inverter, and the like generate heat during operation. Along with this, any part of the heat for temperature control (those that generate waste heat) can be widely applied. In that case, the heating source for the
10 エンジン(発熱機器、内燃機関、駆動源)
100 廃熱利用装置
200 冷凍サイクル
210 圧縮機
212 電磁クラッチ(クラッチ)
220 凝縮器
250 蒸発器
300 ランキンサイクル
320 膨張機
321A 電動発電機(発電機)
322 膨張機停止弁(開閉手段)
323 バイパス通路
324 バイパス開閉弁(バイパス開閉手段)
330 ポンプ
500 制御装置(制御手段)
10 Engine (heat generating equipment, internal combustion engine, drive source)
100 Waste
220
322 Expander stop valve (opening / closing means)
323
330
Claims (32)
前記凝縮器(220)を共用すると共に、ポンプ(330)により圧送されて発熱機器(10)の廃熱により加熱された冷媒の膨張によって膨張機(320)で機械的エネルギーを回収するランキンサイクル(300)と、
前記冷凍サイクル(200)および前記ランキンサイクル(300)の作動を制御する制御手段(500)とを有する廃熱利用装置において、
前記制御手段(500)は、前記冷凍サイクル(200)の負荷が所定負荷よりも低い場合に、前記圧縮機(210)の作動状態にかかわらず前記ランキンサイクル(300)を連続的に運転する連続制御を実行すると共に、
前記冷凍サイクル(200)の負荷が所定負荷よりも高くなる高負荷状態の場合に、前記ランキンサイクル(300)を断続的に運転する断続制御を実行することを特徴とする廃熱利用装置。 A refrigeration cycle (200) having a compressor (210) that compresses the low-pressure refrigerant sucked from the evaporator (250) side that cools the conditioned air into high-temperature and high-pressure and discharges it to the condenser (220) side;
Rankine cycle (in which the condenser (220) is shared, and mechanical energy is recovered by the expander (320) by expansion of the refrigerant pumped by the pump (330) and heated by the waste heat of the heat generating device (10) 300),
In the waste heat utilization apparatus having control means (500) for controlling the operation of the refrigeration cycle (200) and the Rankine cycle (300),
The control means (500) continuously operates the Rankine cycle (300) regardless of the operating state of the compressor (210) when the load of the refrigeration cycle (200) is lower than a predetermined load. While performing the control,
A waste heat utilization apparatus that performs intermittent control for intermittently operating the Rankine cycle (300) when the load of the refrigeration cycle (200) is in a high load state where the load is higher than a predetermined load.
前記制御手段(500)は、前記圧縮機(210)の断続運転を、前記駆動源(10)とのクラッチ(212)の断続、あるいは前記駆動源(10)のON−OFFによって行うことを特徴とする請求項3に記載の廃熱利用装置。 The compressor (210) is a fixed capacity compressor (210) that is driven by a drive source (10) and has a predetermined discharge capacity per rotation.
The control means (500) performs the intermittent operation of the compressor (210) by intermittently engaging a clutch (212) with the drive source (10) or turning on and off the drive source (10). The waste heat utilization apparatus according to claim 3.
前記制御手段(500)は、前記圧縮機(210)の断続運転を、第1の吐出容量と前記第1の吐出容量よりも多い第2の吐出容量との切替えによって行うことを特徴とする請求項3に記載の廃熱利用装置。 The compressor (210) is a variable capacity compressor (210) capable of adjusting a discharge capacity per one rotation,
The control means (500) performs intermittent operation of the compressor (210) by switching between a first discharge capacity and a second discharge capacity larger than the first discharge capacity. Item 4. A waste heat utilization apparatus according to Item 3.
前記制御手段(500)は、前記断続制御の実行に際して、前記ランキンサイクル(300)を停止させる時に、前記開閉手段(322)を閉じることを特徴とする請求項3〜請求項5のいずれか1つに記載の廃熱利用装置。 Opening and closing means (322) for opening and closing the refrigerant flow path of the refrigerant circulating in the Rankine cycle (300),
The said control means (500) closes the said opening-and-closing means (322), when stopping the said Rankine cycle (300) in execution of the said intermittent control, The any one of Claims 3-5 Waste heat utilization equipment described in 1.
前記バイパス通路(323)を開閉するバイパス開閉手段(324)とを有し、
前記制御手段(500)は、前記断続制御の実行に際して、前記ランキンサイクル(300)を停止させる時に、前記バイパス開閉手段(324)を開くことを特徴とする請求項3〜請求項5のいずれか1つに記載の廃熱利用装置。 A bypass passage (323) for bypassing the expander (320);
Bypass opening and closing means (324) for opening and closing the bypass passage (323),
The said control means (500) opens the said bypass opening / closing means (324), when stopping the said Rankine cycle (300) in the case of execution of the said intermittent control. Waste heat utilization apparatus as described in one.
前記制御手段(500)は、前記バイパス開閉手段(324)を開いた後に、前記発電機(321A)を停止させることを特徴とする請求項9に記載の廃熱利用装置。 A generator (321A) connected to the expander (320) and driven by the mechanical energy to generate electricity;
The waste heat utilization apparatus according to claim 9, wherein the control means (500) stops the generator (321A) after opening the bypass opening / closing means (324).
前記発熱機器(10)制御用の情報は、前記車両の速度、前記内燃機関(10)の回転数、外気温度、前記内燃機関(10)の冷却用媒体温度のうちの少なくとも1つとしたことを特徴とする請求項12に記載の廃熱利用装置。 The heat generating device (10) is an internal combustion engine (10) for a vehicle,
The information for controlling the heat generating device (10) is at least one of the speed of the vehicle, the rotational speed of the internal combustion engine (10), the outside air temperature, and the cooling medium temperature of the internal combustion engine (10). The waste heat utilization apparatus according to claim 12, wherein the apparatus is a waste heat utilization apparatus.
前記凝縮器(220)を共用すると共に、ポンプ(330)により圧送されて発熱機器(10)の廃熱により加熱された冷媒の膨張によって膨張機(320)で機械的エネルギーを回収するランキンサイクル(300)とを有する廃熱利用装置の制御方法であって、
前記冷凍サイクル(200)の負荷が所定負荷よりも低い場合に、前記圧縮機(210)の作動状態にかかわらず前記ランキンサイクル(300)を連続的に運転する連続制御を実行すると共に、
前記冷凍サイクル(200)の負荷が所定負荷よりも高くなる高負荷状態の場合に、前記ランキンサイクル(300)を断続的に運転する断続制御を実行することを特徴とする廃熱利用装置の制御方法。 A refrigeration cycle (200) having a compressor (210) that compresses the low-pressure refrigerant sucked from the evaporator (250) side that cools the conditioned air into high-temperature and high-pressure and discharges it to the condenser (220) side;
Rankine cycle (in which the condenser (220) is shared, and mechanical energy is recovered by the expander (320) by expansion of the refrigerant pumped by the pump (330) and heated by the waste heat of the heat generating device (10) 300) and a method for controlling a waste heat utilization apparatus,
When the load of the refrigeration cycle (200) is lower than a predetermined load, continuous control for continuously operating the Rankine cycle (300) regardless of the operating state of the compressor (210) is performed.
Control of a waste heat utilization apparatus, wherein intermittent control is performed to intermittently operate the Rankine cycle (300) when the load of the refrigeration cycle (200) is higher than a predetermined load. Method.
前記圧縮機(210)の断続運転を、前記駆動源(10)とのクラッチ(212)の断続、あるいは前記駆動源(10)のON−OFFによって行うことを特徴とする請求項19に記載の廃熱利用装置の制御方法。 The compressor (210) is a fixed capacity compressor (210) that is driven by a drive source (10) and has a predetermined discharge capacity per rotation.
The intermittent operation of the compressor (210) is performed by intermittent connection of a clutch (212) with the drive source (10) or ON / OFF of the drive source (10). Control method of waste heat utilization equipment.
前記圧縮機(210)の断続運転を、第1の吐出容量と前記第1の吐出容量よりも多い第2の吐出容量との切替えによって行うことを特徴とする請求項19に記載の廃熱利用装置の制御方法。 The compressor (210) is a variable capacity compressor (210) capable of adjusting a discharge capacity per one rotation,
The waste heat utilization according to claim 19, wherein the intermittent operation of the compressor (210) is performed by switching between a first discharge capacity and a second discharge capacity larger than the first discharge capacity. Control method of the device.
前記膨張機(320)への前記冷媒の流れをバイパスさせた後に、前記発電機(321A)を停止させることを特徴とする請求項25に記載の廃熱利用装置の制御方法。 A generator (321A) connected to the expander (320) and driven by the mechanical energy to generate electricity;
The method of controlling a waste heat utilization apparatus according to claim 25, wherein the generator (321A) is stopped after the flow of the refrigerant to the expander (320) is bypassed.
前記発熱機器(10)制御用の情報は、前記車両の速度、前記内燃機関(10)の回転数、外気温度、前記内燃機関(10)の冷却用媒体温度のうちの少なくとも1つとしたことを特徴とする請求項28に記載の廃熱利用装置の制御方法。 The heat generating device (10) is an internal combustion engine (10) for a vehicle,
The information for controlling the heat generating device (10) is at least one of the speed of the vehicle, the rotational speed of the internal combustion engine (10), the outside air temperature, and the cooling medium temperature of the internal combustion engine (10). The method for controlling a waste heat utilization apparatus according to claim 28, characterized in that:
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