JP5452361B2 - 廃熱回生システム - Google Patents

Description

本発明は、廃熱回生システムに関するものである。

廃熱回生システムとしては、例えば、自動車エンジンの冷却水や排気ガスの廃熱を、ランキンサイクルによって動力等として回生するものがある。特許文献１には、そのような廃熱回生システムの一つが開示されている。この廃熱回生システムは、ランキンサイクルの回路構成要素として、冷媒ポンプ一体型膨張発電機と、エンジンで発生した廃熱により冷媒を加熱する加熱器と、冷媒の凝縮を行う凝縮器とを含んでいる。冷媒ポンプ一体型膨張発電機は、ポンプ部と、膨張機部と、発電機部とが一体化されたものである。ポンプ部は、凝縮器から供給された液冷媒を加熱器へと圧送するものである。膨張機部は、加熱器からの過熱蒸気冷媒の膨張によって機械的エネルギを回収するものである。発電機部は、モータとして機能しポンプ部を駆動させたり、発電機として機能し膨張機で回収した機械的エネルギを利用して発電を行ったりするものである。

特開２００７−２３１８５５号公報

ところで、廃熱回生システムにあっては、サイクルの運転停止後の再起動時や、高負荷時、冷媒流量が少ない時などに、ポンプ吸込部の温度が上昇し、ポンプ吸込側の冷媒にキャビテーション（液体冷媒の部分的な蒸発気化）が発生しやすくなるという問題がある。特に、上述した冷媒ポンプ一体型膨張発電機を有する廃熱回生システムでは、膨張機部の高温がポンプ部に伝わりやすく、ポンプ吸込部の温度が上昇しやすい傾向にある。このようにポンプ吸込側の冷媒にキャビテーションが発生すると、冷媒が十分に循環供給できなくなり、熱サイクルが適正に機能しなくなるおそれがある。

本発明は、このような問題を解決するためになされたものであり、キャビテーションへの耐性を向上させ、熱サイクルの安定した動作を確保することができる、廃熱回生システムを提供することを目的とする。

上述した目的を達成するため、本発明は、廃熱と熱交換して作動流体を加熱する熱交換器と、前記熱交換器を経由した作動流体を膨張させて動力を発生させる膨張機と、前記膨張機を経由した作動流体を凝縮させる凝縮器と、前記凝縮器を経由した作動流体を前記熱交換器に向けて圧送する１段目ポンプ及び２段目ポンプとを含み、前記１段目ポンプの送り能力が、前記２段目ポンプの送り能力よりも大きく設定されている。

本発明の廃熱回生システムによれば、キャビテーションへの耐性を向上させ、熱サイクルの安定した動作を確保することができる。

本発明の実施の形態１に係る廃熱回生システムの構成を示す図である。 ポンプ一体型膨張機の構成を示す図である。 本発明の実施の形態２に関する図２と同態様の図である。 本発明の実施の形態３の一構成に関する図１と同態様の図である。 本発明の実施の形態３の他の構成に関する図１と同態様の図である。 本発明の実施の形態４に関する図１と同態様の図である。

以下、本発明に係る廃熱回生システムを、自動車用エンジンの冷却水の廃熱の回生として実施した場合の実施の形態について添付図面に基づいて説明する。なお、図中、同一符号は同一又は対応部分を示すものとする。

実施の形態１．
図１は、本発明の実施の形態１に係る廃熱回生システムの構成を示す図である。廃熱回生システム１は、自動車に車載されており、図１に示されるように、廃熱源であるエンジン３と、ランキンサイクル回路５とを備えている。

エンジン３は、自動車の走行用駆動力を発生させる内燃機関である。エンジン３には、排気管７と、冷却水回路９とが設けられている。排気管７は、エンジン３から排出される燃焼ガス（排気ガス）を大気中に放出する。冷却水回路９には、図示しない冷却水ポンプによって冷却水が循環されており、冷却水によってエンジンの熱を吸収し、エンジンの冷却を行う。

ランキンサイクル回路５は、内部に冷媒が流通されており、加熱器としての冷却水熱交換器１１と、ポンプ一体型膨張機１３と、凝縮器１５とを含んだ循環回路である。冷却水熱交換器１１は、冷却水回路９とランキンサイクル回路５とにまたがって設けられている。ポンプ一体型膨張機１３は、冷却水熱交換器１１と凝縮器１５との間に設けられており、一般的なランキンサイクル回路におけるポンプと膨張機とが一体化されているものである。

次に、図２に基づいて、ポンプ一体型膨張機の詳細について説明する。図２の（ａ）は、ポンプ一体型膨張機の内部構造を正面から示す断面図であり、（ｂ）は、同内部構造を側方から示す断面図である。なお、（ａ）は、（ｂ）のＩＩ−ＩＩ線に沿う断面である。ポンプ一体型膨張機１３は、膨張機部１７とポンプ部１９とを備え、それらは、同軸上で連結され、一体的に形成されている。

膨張機部１７は、周知のスクロール型圧縮機機構と同一構造を有するもので、固定スクロール２１と、揺動スクロール２３と、自転防止機構２５と、シャフト２７とを備える。シャフト２７は、ハウジング２９に固定された主軸受３１に支持されている。また、シャフト２７には、自転防止機構２５と揺動軸受３３を介して、揺動スクロール２３が連結されている。

本実施の形態では、ポンプ部１９は、１段目ポンプ３５と２段目ポンプ３７の２つのポンプを含む。１段目ポンプ３５は、ハウジング２９内における膨張機部１７と反対側に配置されており、２段目ポンプ３７は、ハウジング２９内における１段目ポンプ３５と膨張機部１７との間に配置されている。

１段目ポンプ３５及び２段目ポンプ３７はそれぞれ、ギヤ式ポンプであり、主動ギヤ３９，４１及び従動ギヤ４３，４５を備える。主動ギヤ３９，４１は、膨張機部１７のシャフト２７に固定されており、シャフト２７によって回転される。１段目ポンプ３５の主動ギヤ３９には、従動ギヤ４３が噛合っている。同様に、２段目ポンプ３７の主動ギヤ４１には、従動ギヤ４５が噛合っている。

シャフト２７における１段目ポンプ３５及び２段目ポンプ３７を貫通する部分はそれぞれ、軸シール４７によりシールされている。１段目ポンプ３５の吸入口４９は、凝縮器１５から供給された冷媒を受ける。１段目ポンプ３５の吐出口５１と、２段目ポンプ３７の吸入口５３とは、連通管５５によって連通されている。２段目ポンプ３７の吐出口５７は、高圧室５９と連通している。高圧室５９は、膨張機部１７と２段目ポンプ３７との間にあって、その中央部をシャフト２７が貫通する環状且つ円盤状の室である。

１段目ポンプ３５の送り能力は、２段目ポンプ３７の送り能力よりも大きくなるように設定されている。具体例としては、１段目ポンプ３５のギヤ厚みを、２段目ポンプ３７のギヤ厚みよりも厚くする。あるいは、ギヤ形状による一回転当りの送り容積につき、１段目ポンプ３５の送り容積を、２段目ポンプ３７の送り容積よりも大きくする。

次に、以上のように構成された実施の形態に係る廃熱回生システムの動作について説明する。ランキンサイクル回路５内には、冷媒（作動流体）として、Ｒ１３４ａが循環・流通されている。冷却水熱交換器１１には、ポンプ一体型膨張機１３のポンプ部１９によって圧送された冷媒が供給される。冷却水熱交換器１１内の冷媒は、エンジン３を冷却することで昇温した冷却水と熱交換し、加熱され気化される。蒸気となった冷媒はポンプ一体型膨張機１３の膨張機部１７で動力を発生させ、例えば発電機（図示省略）や動力機構（図示省略）によりエネルギが回収される。膨張後の冷媒は、凝縮器１５で冷やされて凝縮し、液体となってポンプ一体型膨張機１３のポンプ部１９に戻り、上述したサイクルを繰り返す。

さらに、ポンプ一体型膨張機における動作について詳細に説明する。ランキンサイクルの起動に際して、シャフト２７に起動駆動力が入力され、ポンプ部１９と膨張機部１７とが駆動される。これによって、冷媒は、１段目ポンプ３５の吸入口４９から吸引され、順次、吐出口５１、連通管５５、２段目ポンプ３７の吸入口５３、吐出口５７へと流通して昇圧され、高圧室５９を通って、高圧室出口６１から冷却水熱交換器１１へと送られる。

その一方で、冷却水熱交換器１１において高温高圧となった冷媒蒸気は、膨張機入口６３より膨張機部１７に流入し、固定スクロール２１と揺動スクロール２３とからなる膨張空間６５で膨張し、低圧中温となりハウジング内空間６７を通って膨張機出口６９より凝縮器１５へと送られる。

上述した本実施の形態に係る廃熱回生システムによれば、ポンプを２段に構成し、且つ、１段目ポンプの能力を２段目ポンプの能力よりも大きく設定したので、２段目ポンプの吸込口の圧力（≒１段目ポンプの吐出口の圧力）が、陽圧となり、常に過冷却度を保つ状態となる。したがって、特に、ランキンサイクルの運転停止後の再起動時や、高負荷時、冷媒流量が少ない時などを含め、幅広い運転条件下で、キャビテーションへの耐性を向上させることができる。すなわち、幅広い運転条件下で、ポンプに液相流体を確実に供給できることとなり、効率的なポンプ運転を実現し、ランキンサイクルの安定した動作を確保することができる。また、特にポンプ一体型膨張機においては、膨張機部の熱がポンプ部に伝わることでポンプ吸込部の温度が上昇し、キャビテーションが発生しやすい傾向にあるため、上記のようにキャビテーションへの耐性を向上できる本実施の形態は特に有益である。さらに、本実施の形態では、ポンプ部と膨張機部とを区切るような高圧室を、ハウジング内空間に対して隣合わせて配置したので、ハウジング内空間内の冷媒を高圧室の冷媒液と熱交換させることで、ポンプ吸込口側の温度上昇を低減させることができ、このような作用によっても、キャビテーションへの耐性向上が促進されている。

実施の形態２．
図３は、本発明の実施の形態２に関する図２と同態様の図である。なお、以下に説明する構成以外は、上記実施の形態１と同様であってもよいものとする。ポンプ一体型膨張機１１３は、膨張機部１７とポンプ部１１９とを備え、ポンプ部１１９は、１段目ポンプ１３５と２段目ポンプ３７とを含む。本実施の形態２では、１段目ポンプ１３５は、羽根車１７１を備えたターボ形ポンプであり、２段目ポンプ３７は、容積形ポンプであるギヤポンプである。

このような構成によっても、上記実施の形態１と同様に、キャビテーションへの耐性を向上させることができ、ランキンサイクルの安定した動作を確保することができる。特に、本実施の形態２では、キャビテーションへの耐性が強いものの、吐出圧力の高圧化は困難であるターボ形ポンプと、逆に高吐出圧力であるものの、キャビテーションへの耐性が強くない容積形ポンプとを、上記のように配置することによって、よりいっそうキャビテーション耐性が強くなり、幅広い運転条件で、冷媒ポンプに液相流体を確実に供給でき、効率的なポンプ運転となり、安定したランキンサイクル運転が可能となる。

実施の形態３．
図４及び図５は、本発明の実施の形態３に関する図１と同態様の図である。なお、以下に説明する構成以外は、上記実施の形態１と同様であってもよいものとする。本実施の形態の廃熱回生システム２０１では、実施の形態１においてポンプ一体型膨張機内のポンプ部を２段に構成していたことに代え、図４に示されるように、ポンプ一体型膨張機２１３内の単段ポンプと、その上流（前段）に独立したポンプ２３５とによってポンプ２段化を確保している。あるいは、本実施の形態の他の構成として、図５に示されるように、廃熱回生システム３０１において、ポンプ一体型膨張機３１３内の単段ポンプと、その下流（後段）に独立したポンプ３３７とによってポンプ２段化を確保してもよい。いずれにおいても、１段目となるポンプ能力が２段目ポンプ能力よりも大きな能力となるように構成・制御される。

このような構成によっても、上記実施の形態と同様に、キャビテーションへの耐性を向上させることができ、ランキンサイクルの安定した動作を確保することができる。さらに、本実施の形態３では、１段目ポンプと２段目ポンプとを独立に制御可能となることから、簡便に効率的なポンプ運転となり、安定したランキンサイクル運転が可能となる利点もある。

実施の形態４．
図６は、本発明の実施の形態４に関する図１と同態様の図である。なお、以下に説明する構成以外は、上記実施の形態１と同様であってもよいものとする。本実施の形態の廃熱回生システム４０１は、ポンプ一体型ではない膨張機を用いる態様であり、図６に示されるように、ポンプ一体型ではない独立した膨張機４１７と、２つの独立したポンプ４３５，４３７とを含む。かかる構成においても、１段目となるポンプ能力が２段目ポンプ能力よりも大きな能力となるように構成・制御することで、上記実施の形態と同様に、キャビテーションへの耐性を向上させることができ、ランキンサイクルの安定した動作を確保することができる。さらに、１段目ポンプと２段目ポンプとを独立に制御可能となることから、簡便に効率的なポンプ運転となり、安定したランキンサイクル運転が可能となる利点も得られる。

その他の実体の形態．
上述した実施の形態３や実施の形態４において、１段目ポンプをターボ形ポンプで、２段目ポンプを容積形ポンプで構成するようにしてもよく、それにより、よりキャビテーション耐性が強くなる利点が得られる。

以上、好ましい実施の形態を参照して本発明の内容を具体的に説明したが、本発明の基本的技術思想及び教示に基づいて、当業者であれば、種々の改変態様を採り得ることは自明である。

例えば、容積形ポンプは、ベーンポンプ、トロコイドポンプなどでもよく、ギヤポンプに限定されるものではない。同様に、ターボ形ポンプは、ディフューザポンプなどでもよく、渦巻きポンプに限定されるものではない。

上記実施の形態では、廃熱源をエンジンとして説明してきたが、本発明は他の廃熱源に適用することもできる。廃熱の対象も、冷却水には限定されず、自動車ならば例えば排気ガスでもよく、さらに、自動車以外の対象に対して実施することも可能である。また、本発明で使用する熱サイクルは、ランキンサイクルに限定されるものではない。すなわち、本発明は、サイクル回路構成要素として、少なくとも熱交換器（加熱器）、膨張機、凝縮器及びポンプを備え、それにより廃熱回生を行うことができれば、具体的なサイクルの種別や動作は如何なるものであってもよい。

１，２０１，３０１，４０１ 廃熱回生システム、１１ 冷却水熱交換器、１３，１１３，２１３，３１３，４１３ ポンプ一体型膨張機、１５ 凝縮器、１７ 膨張機部（膨張機）、３５，１３５，２３５，４３５ １段目ポンプ、３７，３３７，４３７ ２段目ポンプ、４１７ 膨張機。

Claims (4)

1. 廃熱と熱交換して作動流体を加熱する熱交換器と、
   前記熱交換器を経由した作動流体を膨張させて動力を発生させる膨張機と、
   前記膨張機を経由した作動流体を凝縮させる凝縮器と、
   前記凝縮器を経由した作動流体を前記熱交換器に向けて圧送する１段目ポンプ及び２段目ポンプとを含み、
   前記１段目ポンプの送り能力を、前記２段目ポンプの送り能力よりも大きくした
   廃熱回生システム。
2. ランキンサイクルを用いて廃熱を回生する、請求項１の廃熱回生システム。
3. ポンプ一体型膨張機を含んでおり、
   前記膨張機、前記１段目ポンプ及び前記２段目ポンプは、前記ポンプ一体型膨張機に含まれている
   請求項１又は２の廃熱回生システム。
4. 前記１段目ポンプは、ターボ形ポンプであり、
   前記２段目ポンプは、容積形ポンプである
   請求項１乃至３の何れか一項の廃熱回生システム。

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