JP5471676B2 - Waste heat regeneration system - Google Patents
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Description
この発明は、廃熱回生システムに係り、特にランキンサイクルを利用した廃熱回生システムに関する。 The present invention relates to a waste heat regeneration system, and more particularly to a waste heat regeneration system using a Rankine cycle.
エンジンの廃熱から機械的エネルギー(動力)を回収するランキンサイクルを利用した廃熱回生システムが開発されている。一般的なランキンサイクル装置は、作動流体を圧送するポンプと、作動流体をエンジンの廃熱によって加熱する熱交換器と、加熱されて気化した作動流体を膨張させて機械的エネルギーを回収する膨張機と、膨張後の作動流体を凝縮させるコンデンサとから構成され、これらが順次環状に接続されて閉回路を形成している。 Waste heat regeneration systems using Rankine cycle, which recovers mechanical energy (power) from engine waste heat, have been developed. A general Rankine cycle device includes a pump that pumps a working fluid, a heat exchanger that heats the working fluid by engine waste heat, and an expander that expands the heated and vaporized working fluid to recover mechanical energy. And a condenser for condensing the expanded working fluid, which are sequentially connected in a ring to form a closed circuit.
一般に、ランキンサイクルにおける作動流体の熱力学的状態変化は、図1のモリエル線図においてa0→b0→c0→d0→a0で示されるような軌跡を描く。すなわち、状態a0にある液体の作動流体は、ポンプによって圧送されて状態b0に変化した後、熱交換器で加熱されて状態c0(気体)に変化する。続いて、膨張機で膨張されて状態d0に変化し、この際に状態c0と状態d0とのエンタルピー差が機械的エネルギーとして回収される。その後、コンデンサによって凝縮されて液体の状態a0に戻る。 In general, the change in the thermodynamic state of the working fluid in the Rankine cycle draws a trajectory as indicated by a 0 → b 0 → c 0 → d 0 → a 0 in the Mollier diagram of FIG. That is, the liquid working fluid in the state a 0 is pumped by the pump to change to the state b 0 and then heated by the heat exchanger to change to the state c 0 (gas). Subsequently, it is expanded by the expander and changes to the state d 0 , and at this time, the enthalpy difference between the state c 0 and the state d 0 is recovered as mechanical energy. Thereafter, the flow returns condensed by a condenser in the state a 0 liquid.
ところで、ランキンサイクルを利用した廃熱回生システムを車両用エンジンに適用する場合には、ランキンサイクル装置の低圧側(膨張機の下流側からポンプの上流側)の圧力は車両の外気温に依存して変動するため、これを制御することはできない。そのため、低圧側の圧力が低下した場合には、ポンプに吸引される作動流体の状態がa0’のようになり、作動流体が気液混合状態となる。この状態の作動流体をポンプで圧送すると、ポンプにキャビテーションが発生し、ランキンサイクル装置の稼働が不安定となる。 By the way, when the waste heat regeneration system using the Rankine cycle is applied to a vehicle engine, the pressure on the low pressure side of the Rankine cycle device (from the downstream side of the expander to the upstream side of the pump) depends on the outside air temperature of the vehicle. It cannot be controlled. Therefore, when the pressure on the low pressure side decreases, the state of the working fluid sucked by the pump becomes a 0 ′, and the working fluid enters a gas-liquid mixed state. When the working fluid in this state is pumped with a pump, cavitation occurs in the pump, and the operation of the Rankine cycle apparatus becomes unstable.
キャビテーションの発生を防ぐためには、状態aのように、ポンプに吸引される作動流体が過冷却度(サブクール)を有する必要がある(この場合のランキンサイクルの状態変化は、a→b→c→d→a)。作動流体がサブクールを有していれば、低圧側の圧力が低下したとしても(この場合のランキンサイクルの状態変化は、a’→b→c→d’→a’)、ポンプに吸引される作動流体の状態a’は、飽和液線よりも左側に位置することができるので、キャビテーションを防ぐことができる。ポンプに吸引される作動流体にサブクールを付与する技術として、特許文献1には、ランキンサイクル装置を循環する作動流体の循環流量を制御することによるものが記載されている。しかしながら、この方式では、制御方法が複雑である上に、外気温の変動やエンジンの廃熱量の変動により、ランキンサイクル装置に必要な作動流体の量が変化し、サブクールが過度に大きくなる可能性があり、ランキンサイクル装置の効率が著しく低下してしまうおそれがあった。 In order to prevent the occurrence of cavitation, the working fluid sucked into the pump needs to have a supercooling degree (subcool) as in the state a (the state change of Rankine cycle in this case is a → b → c → d → a). If the working fluid has a subcool, even if the pressure on the low pressure side decreases (the Rankine cycle state change in this case is a ′ → b → c → d ′ → a ′), it is sucked into the pump. Since the working fluid state a ′ can be located on the left side of the saturated liquid line, cavitation can be prevented. As a technique for imparting a subcool to the working fluid sucked by the pump, Patent Document 1 describes a technique by controlling the circulation flow rate of the working fluid circulating through the Rankine cycle device. However, with this method, the control method is complicated, and the amount of working fluid required for the Rankine cycle system may change due to fluctuations in the outside air temperature or fluctuations in the amount of waste heat from the engine, and the subcool may become excessively large. As a result, the efficiency of the Rankine cycle apparatus may be significantly reduced.
この問題点を解決しながら、より簡単に作動流体にサブクールを付与するために、コンデンサの下流に過冷却器(サブクーラ)を設けたランキンサイクル装置が、特許文献2に記載されている。引用文献2のランキンサイクル装置を車両用の廃熱回生システムに適用すると、サブクーラにおいて作動流体を冷却した外気が、コンデンサにおいて作動流体を冷却することになるため、サブクーラに流入する作動流体の温度は、サブクーラに流入する外気の温度よりも高くなる。これにより、サブクーラにおいて作動流体にサブクールを確実に付与することができるようになる。 Patent Document 2 discloses a Rankine cycle device in which a supercooler (subcooler) is provided downstream of a condenser in order to more easily apply a subcool to a working fluid while solving this problem. When the Rankine cycle device of Cited Document 2 is applied to a vehicle waste heat regeneration system, the outside air that has cooled the working fluid in the subcooler cools the working fluid in the condenser, so the temperature of the working fluid flowing into the subcooler is The temperature of the outside air flowing into the subcooler becomes higher. Thereby, a subcool can be reliably given to a working fluid in a subcooler.
しかしながら、引用文献2のランキンサイクル装置では、サブクーラの背後にコンデンサを配置しなければならないため、サブクーラの配置の自由度が制限されてしまうといった問題点があった。 However, the Rankine cycle device of the cited document 2 has a problem in that the degree of freedom of the arrangement of the subcooler is limited because the capacitor must be arranged behind the subcooler.
この発明はこのような問題点を解決するためになされたもので、サブクーラの配置の自由度を高めると共にポンプにキャビテーションが発生するのを簡単かつ確実に防止することのできる廃熱回生システムを提供することを目的とする。 The present invention has been made to solve such problems, and provides a waste heat regeneration system capable of increasing the degree of freedom of arrangement of the subcooler and easily and reliably preventing cavitation from occurring in the pump. The purpose is to do.
この発明に係る廃熱回生システムは、作動流体をポンプによって圧送し、圧送された作動流体を熱交換器によってエンジンの廃熱で加熱し、加熱された作動流体を膨張機で膨張させて機械的エネルギーを回収し、膨張後の作動流体を第1コンデンサ及び第1コンデンサの下流側に設けられた第2コンデンサによって凝縮させ、凝縮された作動流体を、ポンプと第2コンデンサとの間に設けられたサブクーラによって過冷却するランキンサイクル装置を有する車両用の廃熱回生システムにおいて、第1コンデンサでは、膨張機で膨張された作動流体は外気と熱交換して、第1低温作動流体と第1高温外気とが流出し、第2コンデンサでは、第1低温作動流体と第1高温外気とが熱交換して、第2低温作動流体と第2高温外気とが流出し、サブクーラでは、第2低温作動流体と外気とが熱交換する。第1高温外気の温度は外気の温度よりも高いので、第2低温作動流体の温度は少なくとも外気の温度よりも高い。このため、サブクーラでは、第2低温作動流体は、第2低温作動流体よりも温度の低い外気によって冷却されるので、第2低温作動流体は、サブクーラにおいて確実にサブクールが付与される。
第2コンデンサとサブクーラとの間には、第2低温作動流体を気液分離する気液分離器が設けられている。
The waste heat regeneration system according to the present invention pumps the working fluid with a pump, heats the pumped working fluid with the waste heat of the engine with a heat exchanger, expands the heated working fluid with an expander, and mechanically Energy is recovered, the expanded working fluid is condensed by the first condenser and the second condenser provided downstream of the first condenser, and the condensed working fluid is provided between the pump and the second condenser. In the vehicle waste heat regeneration system having the Rankine cycle device that is supercooled by the subcooler, in the first condenser, the working fluid expanded by the expander exchanges heat with the outside air, and the first low-temperature working fluid and the first high-temperature Outside air flows out, and in the second condenser, heat exchange occurs between the first low-temperature working fluid and the first high-temperature outside air, and the second low-temperature working fluid and the second high-temperature outside air flow out. La, the second low-temperature working fluid and the outside air is heat exchanged. Since the temperature of the first high temperature outside air is higher than the temperature of the outside air, the temperature of the second low temperature working fluid is at least higher than the temperature of the outside air. For this reason, in the subcooler, the second low-temperature working fluid is cooled by the outside air having a temperature lower than that of the second low-temperature working fluid. Therefore, the subcooler is surely given a subcool in the subcooler.
A gas-liquid separator is provided between the second condenser and the subcooler to separate the second low-temperature working fluid.
この発明によれば、第1高温外気の温度は外気の温度よりも高いので、第2低温作動流体の温度は少なくとも外気の温度よりも高い。このため、サブクーラでは、第2低温作動流体は、第2低温作動流体よりも温度の低い外気によって冷却されるので、第2低温作動流体は、サブクーラにおいて確実にサブクールが付与される。その結果、ランキンサイクル装置の低圧側の圧力低下度合が大きくならないと、ポンプに吸引される作動流体が気液混合状態とはならないため、ポンプにキャビテーションが発生するのを簡単かつ確実に防止することができる。また、第1コンデンサ及びサブクーラには、外気が流入することにより、サブクーラを第1コンデンサの背後に配置する必要がないので、サブクーラの配置の自由度を高めることができる。 According to this invention, since the temperature of the first high-temperature outside air is higher than the temperature of the outside air, the temperature of the second low-temperature working fluid is at least higher than the temperature of the outside air. For this reason, in the subcooler, the second low-temperature working fluid is cooled by the outside air having a temperature lower than that of the second low-temperature working fluid. Therefore, the subcooler is surely given a subcool in the subcooler. As a result, if the degree of pressure drop on the low pressure side of the Rankine cycle device does not increase, the working fluid sucked into the pump will not be in a gas-liquid mixed state, so that cavitation is easily and reliably prevented from occurring in the pump. Can do. In addition, since the outside air flows into the first condenser and the subcooler, it is not necessary to dispose the subcooler behind the first condenser, so that the degree of freedom in arranging the subcooler can be increased.
以下、この発明の実施の形態について添付図面に基づいて説明する。
この発明の実施の形態に係る廃熱回生システム100の構成を図2に示す。廃熱回生システム100のランキンサイクル装置110は、ポンプ111と、冷却水ボイラ112と、排気ガスボイラ113と、膨張機114と、第1コンデンサ115aと、第2コンデンサ115bと、気液分離器であるレシーバ118と、サブクーラ119とから構成され、これらが順次環状に接続されて閉回路を形成している。
ポンプ111は作動流体を圧送する。冷却水ボイラ112は、作動流体をエンジン140の冷却水と熱交換させて加熱する。排気ガスボイラ113は、作動流体をエンジン140から排出される排気ガスと熱交換させて加熱する。ここで、冷却水ボイラ112及び排気ガスボイラ113は、熱交換器を構成する。膨張機114は、冷却水ボイラ112及び排気ガスボイラ113において加熱されて気化した作動流体を膨張させて機械的エネルギー(動力)を発生させる。第1コンデンサ115a及び第2コンデンサ115bは、膨張後の作動流体を凝縮させる。
Embodiments of the present invention will be described below with reference to the accompanying drawings.
FIG. 2 shows the configuration of the waste
The
ポンプ111と膨張機114とは同一の駆動軸116を共有しており、ポンプ111の回転数は膨張機114の回転数に連動して同一の回転数になる。また、駆動軸116の途中にはモータジェネレータ117が接続されている。
モータジェネレータ117は、ランキンサイクル装置110の運転開始時において、ポンプ111及び膨張機114を駆動する駆動源として機能する。また、ランキンサイクル装置110の運転中において、膨張機114で発生する機械的エネルギーによって駆動軸116が駆動されるようになると、モータジェネレータ117及びポンプ111は、膨張機114で発生する機械的エネルギーによって駆動される。
The
The
次に、この実施の形態に係る廃熱回生システム100の動作について説明する。
Next, the operation of the waste
図2に示されるように、ランキンサイクル装置110の運転開始時には、図示しないバッテリからモータジェネレータ117に電力が供給され、モータジェネレータ117が駆動軸116を駆動することによって、ポンプ111及び膨張機114が駆動される。
As shown in FIG. 2, at the start of operation of Rankine
ポンプ111によって圧送された作動流体は、冷却水ボイラ112及び排気ガスボイラ113を流通する過程において、エンジン140の冷却水及びエンジン140から排出される排気ガスから熱を吸収して高温のガスとなり、膨張機114において膨張する過程で機械的エネルギーを発生させ、第1コンデンサ115a及び第2コンデンサ115bによって凝縮される過程で熱を放出し、レシーバ118によって気液が分離された後、サブクーラ119によって過冷却されて、再びポンプ111によって圧送される。また、膨張機114で作動流体が膨張する際に発生する機械的エネルギーによって駆動軸116が駆動されるようになると、モータジェネレータ117及びポンプ111は、膨張機114で発生する機械的エネルギーによって駆動される。
The working fluid pumped by the
第1コンデンサ115aでは、膨張機114で膨張された作動流体(温度をt0とする)と外気(温度をT0とする)とが熱交換し、温度が低下して凝縮した第1低温作動流体(温度をt1とする)と、温度が上昇した第1高温外気(温度をT1とする)とが流出する。第2コンデンサ115bでは、第1コンデンサ115aから流出した第1低温作動流体と、第1コンデンサ115aから流出した第1高温外気とが熱交換し、さらに温度が低下した第2低温作動流体(温度をt2とする)と、さらに温度が上昇した第2高温外気(温度をT2とする)とが流出する。サブクーラ119では、レシーバ118で気体成分が分離された第2低温作動流体と、外気とが熱交換する。
In the
第1コンデンサ115aでは、外気が作動流体を冷却することから、T1>T0の関係がある。また、第2コンデンサ115bでは、第1高温外気が第1低温作動流体を冷却することにより、第1低温作動流体は、さらに温度の低い第2低温作動流体となることから、t2>T1の関係がある。その結果、t2>T0の関係があることになる。ここで、第2低温作動流体は、レシーバ118で気液分離された後、サブクーラ119に流入するが、温度t2よりも低い温度T0の外気と熱交換されるので、サブクーラ119によってさらに冷却(過冷却)され、サブクールが付与される。すると、ポンプ111に吸引される作動流体は、図1における状態aの状態になり、ランキンサイクル装置110の低圧側の圧力が多少低下したとしても、気液混合状態とはならない(例えば、状態a’)。これにより、ポンプ111にキャビテーションが発生するのを確実に防止できる。
In the
このように、第1高温外気の温度T1は外気の温度T0よりも高いので、第2低温作動流体の温度t2は少なくとも外気の温度T0よりも高い。このため、サブクーラ119では、第2低温作動流体は、第2低温作動流体よりも温度の低い外気によって冷却されるので、第2低温作動流体は、サブクーラ119において確実にサブクールが付与される。その結果、ランキンサイクル装置110の低圧側の圧力低下度合が大きくならないと、ポンプ111に吸引される作動流体が気液混合状態とはならないため、ポンプ111にキャビテーションが発生するのを簡単かつ確実に防止することができる。また、第1コンデンサ115a及びサブクーラ119には、外気が流入することにより、サブクーラ119を第1コンデンサ115aの背後に配置する必要がないので、サブクーラ119の配置の自由度を高めることができる。
Thus, since the temperature T 1 of the first high-temperature outside air is higher than the temperature T 0 of the outside air, the temperature t 2 of the second low-temperature working fluid is at least higher than the temperature T 0 of the outside air. For this reason, in the
100 廃熱回生システム、110 ランキンサイクル装置、111 ポンプ、112 冷却水ボイラ(熱交換器)、113 排気ガスボイラ(熱交換器)、114 膨張機、115a 第1コンデンサ、115b 第2コンデンサ、118 レシーバ(気液分離器)、119 サブクーラ、140 エンジン。
DESCRIPTION OF
Claims (2)
前記第1コンデンサでは、前記膨張機で膨張された作動流体は外気と熱交換して、第1低温作動流体と第1高温外気とが流出し、前記第2コンデンサでは、前記第1低温作動流体と前記第1高温外気とが熱交換して、第2低温作動流体と第2高温外気とが流出し、前記サブクーラでは、前記第2低温作動流体と前記外気とが熱交換する車両用の廃熱回生システム。 The working fluid is pumped by a pump, the pumped working fluid is heated by the waste heat of the engine by a heat exchanger, the heated working fluid is expanded by an expander, and mechanical energy is recovered. The working fluid is condensed by a first condenser and a second condenser provided downstream of the first condenser, and the condensed working fluid is condensed by a subcooler provided between the pump and the second condenser. In a waste heat regeneration system for a vehicle having a Rankine cycle device for supercooling,
In the first condenser, the working fluid expanded by the expander exchanges heat with the outside air, and the first low-temperature working fluid and the first high-temperature outside air flow out, and in the second condenser, the first low-temperature working fluid. And the first high-temperature outside air exchange heat, the second low-temperature working fluid and the second high-temperature outside air flow out, and in the subcooler, the second low-temperature working fluid and the outside air are waste for vehicles. Thermal regeneration system.
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