JP5153664B2 - 排熱回生システム - Google Patents

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Description

この発明は、例えば自動車のエンジンや排気ガス等からの排熱を動力として回生する排熱回生システムに関するものである。
従来、例えば自動車等の機器の運転効率の向上のために、エンジンや排気ガス等からの排熱をランキンサイクルの利用により動力として回生する排熱回生システムが知られている。
従来の排熱回生システムは、エンジンの排熱で冷媒を加熱して蒸発させる蒸発器と、蒸発された冷媒を膨張させて駆動力を発生させる膨張機と、膨張後の冷媒を凝縮させて液体状態とする凝縮器と、液体状態とされた冷媒を蒸発器へ圧送して循環させるポンプとを有している。膨張機で発生した駆動力は、例えばエンジンの駆動等に利用される。
従来、運転効率の向上をさらに図るために、膨張機及び凝縮器間を接続する冷媒配管を流れる冷媒と、ポンプ及び蒸発器間を接続する冷媒配管を流れる冷媒との間で熱交換を行う熱交換器を設けた排熱回生システムが提案されている。これにより、膨張機から凝縮器へ送られる冷媒の熱が、ポンプから蒸発器へ送られる冷媒の加熱に利用される。このようにして、サイクル効率の向上がさらに図られている(例えば特許文献1参照)。
特開昭58−12819号公報
しかし、従来の排熱回生システムでは、蒸発器、膨張機、凝縮器及びポンプに加えて熱交換器が必要になる。従って、部品点数が増加しコストが大幅に増大してしまう。また、熱交換器を設置するスペースも確保する必要があるので、設置スペースが限られている場合には、システムを設置することができなくなってしまう。
また、膨張機からの冷媒は凝縮器に送られる前に熱交換器で冷却されるので、凝縮器の上流側で冷媒の一部のみが凝縮されて液化されることがある。この場合、熱交換器及び凝縮器間を接続する冷媒配管内では気体と液体とが共存した状態となり、重力や圧力損失の増加等により冷媒の流動性が悪化し、サイクル効率の向上を図ることができなくなってしまう。
この発明は、上記のような課題を解決するためになされたものであり、コストの低減を図ることができるとともに小形化を図ることができ、またサイクル効率の向上を図ることができる排熱回生システムを得ることを目的とする。
この発明に係る排熱回生システムは、蒸発された作動流体を膨張させて駆動力を発生する膨張機、凝縮された作動流体を圧送するポンプ、ポンプからの作動流体を加熱により蒸発させて上記膨張機へ送る蒸発器、及び膨張機で膨張された作動流体が流れる凝縮器高温配管と、ポンプから蒸発器へ送られる作動流体が流れる凝縮器低温配管とを有し、凝縮器高温配管及び凝縮器低温配管のそれぞれを流れる作動流体間で熱交換を行うことにより凝縮器高温配管内の作動流体を凝縮させ、凝縮器高温配管内の作動流体のうち、液体状態となった作動流体のみをポンプへ送る凝縮器を備えている。
この発明に係る排熱回生システムでは、凝縮器内の凝縮器高温配管を流れる作動流体と、凝縮器低温配管を流れる作動流体との間で熱交換が行われ、凝縮器高温配管内の作動流体のうち、液体状態となった作動流体のみが凝縮器からポンプへ送られるので、膨張機及びポンプのそれぞれからの作動流体間の熱交換を凝縮器で行うことができる。これにより、排熱回生システムのサイクル効率の向上を図ることができる。また、熱交換器を凝縮器と別個に設けることなく、膨張機からの作動流体とポンプからの作動流体との間で熱交換を行うことができる。従って、熱交換器等の部品点数の増加を抑制することができ、コストの低減及び排熱回生システム1全体の小形化を図ることができる。
この発明の実施の形態1による排熱回生システムを示す構成図である。 図1の凝縮器を示す構成図である。 図1の排熱回生システムの熱力学サイクルを示すモリエル線図である。 この発明の実施の形態2による排熱回生システムの凝縮器を示す構成図である。 この発明の実施の形態3による排熱回生システムの凝縮器を示す構成図である。 この発明の実施の形態4による排熱回生システムの凝縮器を示す構成図である。 この発明の実施の形態5による排熱回生システムの凝縮器を示す正面図である。 図7の凝縮器を示す上面図である。
実施の形態1.
図1は、この発明の実施の形態1による排熱回生システムを示す構成図である。なお、図1には、自動車のエンジンからの排熱を利用する排熱回生システムが示されている。図において、排熱回生システム1は、蒸発器2、膨張機(蒸気タービン)3、凝縮器4及びポンプ5を有している。排熱回生システムの作動流体である冷媒は、蒸発器2、膨張機3、凝縮器4及びポンプ5間を循環される。冷媒としては、例えば冷媒R134a等が用いられる。
蒸発器2及び膨張機3間には、蒸発器2から膨張機3へ冷媒を導く第1の冷媒配管6が接続されている。膨張機3及び凝縮器4間には、膨張機3から凝縮器4へ冷媒を導く第2の冷媒配管7が接続されている。凝縮器4及びポンプ5間には、凝縮器4からポンプ5へ冷媒を導く第3の冷媒配管8と、ポンプ5から凝縮器4へ冷媒を導く第4の冷媒配管9とがそれぞれ接続されている。凝縮器4及び蒸発器2間には、凝縮器4から蒸発器2へ冷媒を導く第5の冷媒配管10が接続されている。
エンジン11には、エンジン11を冷却する循環水が流れる。循環水は、エンジン11及び蒸発器2間を循環される。エンジン11及び蒸発器2間には、エンジン11から蒸発器2へ循環水を導く高温水管12と、蒸発器2からエンジン11へ循環水を導く低温水管13とが接続されている。
エンジン11は、自動車の駆動力を発生する。循環水は、エンジン11で発生した熱により加熱され、高温水管12を通って蒸発器2へ送られる。循環水の温度は、エンジン11での加熱により約90〜100℃となる。
蒸発器2は、循環水が流れる蒸発器水配管と、冷媒が流れる蒸発器冷媒配管とを有している。蒸発器水配管の入口には高温水管12が接続され、蒸発器水配管の出口には低温水管13が接続されている。蒸発器冷媒配管の入口には第5の冷媒配管10が接続され、蒸発器冷媒配管の出口には第1の冷媒配管6が接続されている。
蒸発器2では、蒸発器水配管を流れる循環水と、蒸発器冷媒配管を流れる冷媒との間で熱交換が行われる。これにより、循環水は冷却され、冷媒は加熱される。
蒸発器2で冷却された循環水は、低温水管13を通ってエンジン11へ送られる。蒸発器2で加熱された冷媒は、蒸発して高温高圧の蒸気となる。このときの冷媒の温度は、約90℃となっている。蒸発器2で蒸気となった冷媒は、第1の冷媒配管6を通って膨張機3へ送られる。
膨張機3は、蒸発器2からの冷媒(即ち、蒸気となった冷媒)を膨張させることにより駆動力を発生する。冷媒の温度は、冷媒の膨張により約60℃となる。膨張機3で発生した駆動力は、例えばエンジン11の駆動や発電機の発電等の動力として利用される。膨張機3で膨張された冷媒は、第2の冷媒配管7を通って凝縮器4へ送られる。
凝縮器4は、膨張機3で膨張された冷媒を凝縮して液体状態とする。液体状態となった冷媒は、第3の冷媒配管8を通ってポンプ5へ送られる。冷媒の温度は、冷媒が凝縮器4で冷却凝縮されることにより約30℃となる。
ポンプ5は、凝縮器4で液体状態となった冷媒を圧送する。冷媒は、第4の冷媒配管9、凝縮器4内及び第5の冷媒配管10の順に通って蒸発器2へ送られる。蒸発器2、膨張機3、凝縮器4及びポンプ5間の冷媒の循環は、ポンプ5の動力により行われる。
凝縮器4は、膨張機3からの冷媒が保有する熱をポンプ5からの冷媒に与える。即ち、凝縮器4は、膨張機3からの冷媒と、ポンプ5からの冷媒との間で強制的に熱交換を行う。ポンプ5から蒸発器2へ送られる冷媒の温度は、冷媒が凝縮器4内を流れることにより、約50℃となる。
図2は、図1の凝縮器4を示す構成図である。図において、凝縮器4は、膨張機3で膨張された冷媒が流れる凝縮器高温配管14と、ポンプ5から蒸発器2へ送られる冷媒が流れる凝縮器低温配管15と、凝縮器高温配管14及び凝縮器低温配管15のそれぞれに接触する共通のフィン(熱伝導体)16と、凝縮器高温配管14に向けて空気の流れ(伝熱用流体の流れ)を発生するファン(流体装置)17とを有している。
凝縮器高温配管14の入口には第2の冷媒配管7が接続され、凝縮器高温配管14の出口には図示しない受液器を介して第3の冷媒配管8が接続されている。凝縮器低温配管15の入口には第4の冷媒配管9が接続され、凝縮器低温配管15の出口には第5の冷媒配管10が接続されている。
凝縮器高温配管14及び凝縮器低温配管15は、ファン17による空気の流れの方向へ間隔を置いて並んでいる。凝縮器低温配管15は、凝縮器高温配管14よりもファン17から離れた位置に配置されている。即ち、凝縮器低温配管15は、凝縮器高温配管14よりもファン17による空気の流れの下流側に配置されている。
凝縮器高温配管14内の冷媒の熱は、ファン17により送られる空気及びフィン16のそれぞれを介して、凝縮器低温配管15内の冷媒に伝わる。これにより、凝縮器高温配管14内の冷媒は冷却され、凝縮器低温配管15内の冷媒は加熱される。凝縮器高温配管14内で冷却された冷媒は、凝縮されて液体状態となる。
凝縮器高温配管14は受液器の頂部に接続され、第3の冷媒配管8は受液器の底部に接続されている。従って、凝縮器高温配管14内で液体状態となった冷媒は、受液器に溜められる。これにより、凝縮器高温配管14内の冷媒のうち、液体状態となった冷媒のみが第3の冷媒配管8へ送られる。
凝縮器高温配管14及び凝縮器低温配管15には、互いに間隔を置いて配置された複数のフィン16が接触している。各フィン16は、金属製の板状部材である。各フィン16の厚さは、凝縮器高温配管14及び凝縮器低温配管15のそれぞれの配管径よりも小さくなっている。また、各フィン16は、ファン17による空気の流れの方向に沿って配置されている。さらに、各フィン16は、凝縮器高温配管14及び凝縮器低温配管15と一体化されている。
図3は、図1の排熱回生システムの熱力学サイクルを示すモリエル線図である。図に示すように、排熱回生システム1の熱力学サイクルは、ランキンサイクルとなっている。図3のa点はポンプ5の入口、b点はポンプ5の出口、c点は蒸発器2の出口、d点は膨張機3の出口における冷媒の状態である。
即ち、冷媒は、a点の液体状態で凝縮器4からポンプ5へ送られる。この後、冷媒は、ポンプ5の動力を受けることにより昇圧してb点の液体状態となる。この後、冷媒は、凝縮器4及び蒸発器2の順に送られながら定圧で加熱され、蒸発器2の出口でc点の蒸気(気体状態)となる。この後、冷媒は、膨張機3で断熱膨張されてd点の蒸気となり、凝縮器4へ送られる。この後、冷媒は、凝縮器4により定圧で冷却され、a点の液体状態に戻る。
次に、ランキンサイクルのサイクル効率ηは、a点、b点、c点及びd点における冷媒のエンタルピをそれぞれHa、Hb、Hc及びHdとすると、式(1)で表される。
η=(Hc−Hd)/(Hc−Hb)…(1)
ここで、凝縮器4では、膨張機3で膨張された冷媒の熱の一部(Hd−Hd')が、ポンプ5から吐出された冷媒に回収熱(Hb'−Hb)として与えられる。即ち、膨張機3で膨張された冷媒の熱の一部が、ポンプ5からの液体冷媒の加熱のために回収利用される。従って、排熱回生システム1のサイクル効率η'は、式(2)で表される。
η'=(Hc−Hd)/{(Hc−Hb)−(Hb−Hb')}
=(Hc−Hd)/(Hc−Hb')>η…(2)
式(2)により、排熱回生システム1のサイクル効率η'の向上が図られていることが分かる。
このような排熱回生システム1では、凝縮器4内の凝縮器高温配管14を流れる冷媒と、凝縮器低温配管15を流れる冷媒との間で熱交換が行われ、凝縮器高温配管14内の冷媒のうち、液体状態となった冷媒のみが凝縮器4からポンプ5へ送られるので、膨張機3及びポンプ5のそれぞれからの冷媒間の熱交換を凝縮器4で行うことができる。これにより、排熱回生システム1のサイクル効率の向上を図ることができる。また、熱交換器を凝縮器と別個に設けることなく、膨張機3からの冷媒とポンプ5からの冷媒との間で熱交換を行うことができる。従って、熱交換器等の部品点数の増加を抑制することができ、コストの低減及び排熱回生システム1全体の小形化を図ることができる。
また、フィン16は、凝縮器高温配管14及び凝縮器低温配管15のそれぞれに接触しているので、各フィン16の熱伝導により凝縮器高温配管14内及び凝縮器低温配管15内の冷媒間で熱交換を行うことができる。従って、凝縮器4内での熱交換量を増加させることができ、排熱回生システム1のサイクル効率をさらに向上させることができる。
また、凝縮器低温配管15は、凝縮器高温配管14よりも空気の流れの下流側に配置されているので、凝縮器高温配管14内の冷媒の熱を凝縮器低温配管15内の冷媒に空気を介して効率よく与えることができる。従って、凝縮器4内での熱交換量をさらに増加させることができ、排熱回生システム1のサイクル効率をさらに向上させることができる。
実施の形態2.
実施の形態1では、板状のフィン16のみが凝縮器高温配管14及び凝縮器低温配管15のそれぞれに熱伝導体として接触しているが、フィン16とともにブロック状部材を熱伝導体として接触させてもよい。
即ち、図4は、この発明の実施の形態2による排熱回生システムの凝縮器4を示す構成図である。図において、凝縮器高温配管14及び凝縮器低温配管15のそれぞれには、複数のフィン16とブロック状部材21とが熱伝導体としてそれぞれ接触している。各フィン16及びブロック状部材21を構成する材料は、熱伝導率の高い金属(例えば銅やアルミニウム合金等)とされている。
凝縮器高温配管14及び凝縮器低温配管15の長さ方向についてのブロック状部材21の寸法(ブロック状部材21の厚さ)は、凝縮器高温配管14及び凝縮器低温配管15のそれぞれの配管径よりも大きくなっている。従って、ブロック状部材21の厚さは、フィン16の厚さよりも大きくなっている。各フィン16及びブロック状部材21は、凝縮器高温配管14及び凝縮器低温配管15と一体化されている。他の構成は実施の形態1と同様である。
このような排熱回生システムでは、各配管14,15の配管径よりも厚さの大きいブロック状部材21がフィン16とともに熱伝導体として凝縮器高温配管14及び凝縮器低温配管15に接触しているので、凝縮器高温配管14から凝縮器低温配管15へ移動させる熱量を増加させることができる。従って、凝縮器4内での熱交換量をさらに増加させることができ、排熱回生システム1のサイクル効率をさらに向上させることができる。
なお、上記の例では、フィン16及びブロック状部材21のそれぞれが凝縮器高温配管14及び凝縮器低温配管15に接触しているが、凝縮器高温配管14及び凝縮器低温配管15にブロック状部材21のみを接触させてもよい。
実施の形態3.
実施の形態1では、凝縮器高温配管14及び凝縮器低温配管15のそれぞれに共通のフィン16が接触しているが、凝縮器高温配管14及び凝縮器低温配管15のそれぞれに別個のフィンを接触させてもよい。
即ち、図5は、この発明の実施の形態3による排熱回生システムの凝縮器4を示す構成図である。図において、凝縮器高温配管14には複数の高温側フィン31が接触し、凝縮器低温配管15には複数の低温側フィン32が接触している。高温側フィン31と低温側フィン32とは、互いに離して配置されている。高温側フィン31及び低温側フィン32は、金属製の板状部材であり、ファン17による空気の流れの方向に沿って配置されている。また、各高温側フィン31は互いに間隔を置いて配置され、各低温側フィン32は互いに間隔を置いて配置されている。他の構成は実施の形態1と同様である。
このように、凝縮器高温配管14に接触する高温側フィン31と、凝縮器低温配管15に接触する低温側フィン32とが互いに離れて配置されるようにしても、ファン17による空気の流れによって凝縮器高温配管14内の冷媒の熱を凝縮器低温配管15内の冷媒に移すことができ、別個に熱交換器を設けずに凝縮器4内で熱交換を行うことができる。これにより、排熱回生システム1のサイクル効率の向上を図ることができるとともに、コストの低減及び小形化を図ることができる。
実施の形態4.
実施の形態3では、凝縮器高温配管14に複数の高温側フィン31が接触し、凝縮器低温配管15に複数の低温側フィン32が接触しているが、低温側フィン32はなくてもよい。
即ち、図6は、この発明の実施の形態4による排熱回生システムの凝縮器4を示す構成図である。図において、低温側フィン32は凝縮器低温配管15に設けられておらず、凝縮器低温配管15の外周面は外気にそのまま露出されている。凝縮器低温配管15は、各高温側フィン31から離して配置されている。他の構成は実施の形態3と同様である。
このように、凝縮器低温配管15に接触する低温側フィン32がなくても、ファン17による空気の流れによって凝縮器高温配管14内の冷媒の熱を凝縮器低温配管15内の冷媒に移すことができ、別個に熱交換器を設けずに凝縮器4内で熱交換を行うことができる。これにより、排熱回生システム1のサイクル効率の向上を図ることができるとともに、コストの低減及び小形化を図ることができる。
なお、上記の例では、凝縮器高温配管14及び凝縮器低温配管15のうち、凝縮器高温配管14にのみフィン(高温側フィン31)が接触しているが、凝縮器高温配管14及び凝縮器低温配管15のうち、凝縮器低温配管15にのみフィン(低温側フィン32)を接触させてもよい。また、凝縮器高温配管14及び凝縮器低温配管15のいずれにもフィンはなくてもよい。このようにしても、ファン17による空気の流れによって凝縮器高温配管14内の冷媒の熱を凝縮器低温配管15内の冷媒に移すことができる。
実施の形態5.
実施の形態1では、凝縮器高温配管14と凝縮器低温配管15との間隔が各配管14,15のいずれの位置においても等しくなっているが、凝縮器高温配管14と凝縮器低温配管15との間隔を各配管14,15の位置に応じて異なるようにしてもよい。
即ち、図7は、この発明の実施の形態5による排熱回生システムの凝縮器4を示す正面図である。また、図8は、図7の凝縮器4を示す上面図である。図において、凝縮器4の上部には、凝縮器高温配管14の入口部14aと凝縮器低温配管15の出口部15bとが配置されている。凝縮器4の下部には、凝縮器高温配管14の出口部14bが配置されている。凝縮器4の中間部には、凝縮器低温配管15の入口部15aが配置されている。
膨張機3からの冷媒は、凝縮器高温配管14の入口部14aから凝縮器高温配管14内に流入する。凝縮器高温配管14内を通った冷媒は、凝縮器高温配管14の出口部14bから流出する。ポンプ5からの冷媒は、凝縮器低温配管15の入口部15aから凝縮器低温配管15内に流入する。凝縮器低温配管15内を通った冷媒は、凝縮器低温配管15の出口部15bから流出する。
凝縮器高温配管14の凝縮器低温配管15に対する間隔は、凝縮器高温配管14の出口部14bの位置よりも凝縮器高温配管14の入口部14aの位置のほうが狭くなっている。即ち、凝縮器高温配管14と凝縮器低温配管15との間隔は、凝縮器4の下部よりも凝縮器4の上部のほうが狭くなっており、凝縮器4の上部で最も狭くなっている。この例では、入口部14aから凝縮器高温配管14の所定の長さの範囲で凝縮器高温配管14の凝縮器低温配管15に対する間隔が等しくなっている。
各フィン16は、凝縮器高温配管14及び凝縮器低温配管15のそれぞれに接触している。また、各フィン16は、凝縮器高温配管14及び凝縮器低温配管15の全長に亘って配置されている。従って、凝縮器高温配管14と凝縮器低温配管15との間に位置するフィン16の長さは、凝縮器4の下部よりも凝縮器4の上部のほうが短くなっている。即ち、凝縮器高温配管14と凝縮器低温配管15との間に位置するフィン16の長さは、凝縮器高温配管14の出口部14bに近い位置よりも凝縮器高温配管14の入口部14aに近い位置のほうが短くなっている。他の構成は実施の形態1と同様である。
このような排熱回生システム1では、凝縮器高温配管14の凝縮器低温配管15に対する間隔が凝縮器高温配管14の出口部14bの位置よりも入口部14aの位置のほうで狭くなっており、フィン16が少なくとも凝縮器高温配管14の入口部14aに配置されているので、凝縮器高温配管14の入口部14aの位置で凝縮器高温配管14から凝縮器低温配管15への熱をフィン16を介して伝えやすくすることができる。冷媒の温度は、凝縮器高温配管14の出口部14bよりも凝縮器高温配管14の入口部14aのほうが高くなっていることから、このような構成とすることにより、凝縮器高温配管14及び凝縮器低温配管15のそれぞれを流れる冷媒間での熱交換の効率を向上させることができる。従って、凝縮器低温配管15の長さを短くすることができ、凝縮器4全体の小形化を図ることができる。
なお、上記の例では、凝縮器高温配管14及び凝縮器低温配管15のそれぞれの全長に亘ってフィン16が配置されているが、入口部14aを含む凝縮器高温配管14の所定の部分(凝縮器高温配管14の一部)にのみ、凝縮器低温配管15との間でフィン16を接触させてもよい。また、フィン16をブロック状部材21としてもよい。
また、各上記実施の形態では、凝縮器高温配管14内及び凝縮器低温配管15内のそれぞれの冷媒間で熱交換を行うための伝熱用流体として、ファン17により流される空気が用いられているが、例えば流水ポンプ(流体装置)により流される水等、液体を伝熱用流体として用いてもよい。また、例えば自動車等の車両に排熱回生システムが搭載されている場合には、車両の走行による空気の流れによって凝縮器4内での熱交換が可能であるので、ファン17はなくてもよい。
また、各上記実施の形態では、エンジン11の排熱を回収するようになっているが、自動車の排気ガスの排熱を回収するようにしてもよい。
1 排熱回生システム、2 蒸発器、3 膨張機(蒸気タービン)、4 凝縮器、5 ポンプ、14 凝縮器高温配管、15 凝縮器低温配管、16 フィン(熱伝導体)、17 ファン、21 ブロック状部材(熱伝導体)。

Claims (6)

  1. 蒸発された作動流体を膨張させて駆動力を発生する膨張機、
    凝縮された作動流体を圧送するポンプ、
    上記ポンプからの作動流体を加熱により蒸発させて上記膨張機へ送る蒸発器、及び
    上記膨張機で膨張された作動流体が流れる凝縮器高温配管と、上記ポンプから上記蒸発器へ送られる作動流体が流れる凝縮器低温配管と、伝熱用流体の流れを発生する流体装置とを有し、上記凝縮器高温配管を流れる作動流体と上記伝熱用流体との間で熱交換を行うとともに、上記凝縮器高温配管及び上記凝縮器低温配管のそれぞれを流れる作動流体間で熱交換を行うことにより上記凝縮器高温配管内の作動流体を凝縮させ、上記凝縮器高温配管内の作動流体のうち、液体状態となった作動流体のみを上記ポンプへ送る凝縮器
    を備え
    上記伝熱用流体、及び上記凝縮器低温配管を流れる作動流体は、上記凝縮器高温配管の共通の部分を流れる作動流体との間で熱交換を行うことを特徴とする排熱回生システム。
  2. 上記凝縮器は、上記凝縮器高温配管及び上記凝縮器低温配管に接触する共通の熱伝導体をさらに有していることを特徴とする請求項1に記載の排熱回生システム。
  3. 上記熱伝導体は、板状のフィンであることを特徴とする請求項2に記載の排熱回生システム。
  4. 上記熱伝導体は、ブロック状部材であり、
    上記ブロック状部材の厚さは、上記凝縮器高温配管及び上記凝縮器低温配管の配管径よりも大きくなっていることを特徴とする請求項2に記載の排熱回生システム。
  5. 上記熱伝導体は、上記凝縮器高温配管の入口部と上記凝縮器低温配管とに接触していることを特徴とする請求項2乃至請求項4のいずれかに記載の排熱回生システム。
  6. 記凝縮器内低温配管は、上記凝縮器内高温配管よりも上記伝熱用流体の流れの下流側に配置されていることを特徴とする請求項1乃至請求項5のいずれかに記載の排熱回生システム。
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