JP6615443B2

JP6615443B2 - 車両用廃熱回収装置

Info

Publication number: JP6615443B2
Application number: JP2014186185A
Authority: JP
Inventors: 狩野靖明; 中村慎二
Original assignee: Sanden Holdings Corp
Current assignee: Sanden Holdings Corp
Priority date: 2014-09-12
Filing date: 2014-09-12
Publication date: 2019-12-04
Anticipated expiration: 2034-09-12
Also published as: WO2016039438A1; JP2016056786A

Description

本発明は、ランキンサイクルを利用した車両用廃熱回収装置に関する発明である。

従来技術として、特開２０１２−１８４６９７号公報に開示された車両用廃熱回収装置が知られている。この車両用廃熱装置はランキンサイクルの熱効率を向上することを目的として、ランキンサイクルにおける、作動流体を凝縮させるランキン用凝縮器はトラックの屋根上の屋根上室内に配置されており、トラックが走行中は走行風が隙間を介して屋根上室内に流れ込み、ランキン用凝縮器に当たることによりランキン用凝縮器の放熱性が向上する構造となっている。

特開２０１２−１８４６９７号

しかし、従来技術は、トラックの屋根上の屋根上室内に配置されているランキン用凝縮器には冷却ファンは設けられていない。そのため、車両が走行している場合はランキン用凝縮器は車両の走行による走行風によって放熱されるが、車両が停止している場合は、ランキン用凝縮器は車両の走行による走行風を受けることができないため放熱することができず、エンジンからの廃熱を回収できる場合であってもランキンサイクルを運転するこができないといった問題点があった。

本発明はこのような問題点を解決するものであり、ランキンサイクルの熱効率を向上させる車両用廃熱装置であって、車両が停止している場合であってもランキンサイクルの運転を可能とする車両用廃熱装置を提供するものである。

上記の目的を達成するために、請求項１の発明は、作動流体を循環させる冷媒ポンプと、前記冷媒ポンプによって送られてきた作動流体を車両のエンジンの廃熱によって加熱する加熱器と、前記加熱器によって加熱されて気化した作動流体を膨張させて出力を発生する膨張機と、前記膨張機によって膨張された作動流体を凝縮させるランキン用凝縮器とを有するランキンサイクルとを備え、前記ランキン用凝縮器は車両の屋根上に配置されている車両用廃熱回収装置において、前記ランキン用凝縮器は、前記ランキンサイクルの作動流体循環路において並列に接続された一方のランキン用凝縮器と他方のランキン用凝縮器の２個を有し、前記一方のランキン用凝縮器のみに冷却ファンを設け、前記他方のランキン用凝縮器は、前記車両の走行による走行風のみを受けるとともに、前記他方のランキン用凝縮器のランキンサイクルの作動流体循環路における上流側または下流側のいずれかに開閉弁が設けてられていることを特徴とする車両用廃熱回収装置である。

また、請求項２の発明は、請求項１に記載の発明において、前記車両が停止している場合、もしくは、前記車両の速度が所定速度以下の場合に、前記冷却ファンが動作し、および、前記開閉弁は閉じることを特徴とする車両用廃熱回収装置である。

また、請求項３の発明は、請求項１に記載の発明において、前記車両用廃熱回収装置には、前記車両の走行による走行風の風速を検知する風速検知手段が設けられており、前記風速検知手段による風速が所定速度以下の場合に、前記冷却ファンが動作し、および、前記開閉弁は閉じることを特徴とする車両用廃熱回収装置である。

請求項１の発明によれば、前記ランキン用凝縮器を２個有し、一方のランキン用凝縮器のみに冷却ファンを設け、他方のランキン用凝縮器は、前記車両の走行による走行風のみを受ける構成とされている車両用廃熱回収装置であるため、車両が停止している場合であってもランキンサイクルの運転を可能とすることができる利点がある。

また、前記一方のランキン用凝縮器と前記他方のランキン用凝縮器とは、前記ランキンサイクルの作動流体循環路において並列に接続されているので、ランキン用凝縮器内を流れる作動流体の圧力損失が小さくなるという利点がある。

また、前記他方のランキン用凝縮器の前記ランキンサイクルの作動流体循環路における上流側または下流側のいずれかに開閉弁が設けてられているので、車両が停止している場合、もしくは、車両の速度が所定速度以下の場合であって前記冷却ファンが動作している場合に、冷却ファンの送風を受ける一方のランキン用凝縮器だけに作動流体を流すことができるため、ランキンサイクルの熱効率を向上させるという利点がある。

また、請求項２、または、請求項３の発明によれば、車両の速度が所定速度以下で十分な走行風が発生しない場合には、冷却ファンが動作し、および、前記開閉弁は閉じるため、同様に、の冷却ファンの送風を受ける一方のランキン用凝縮器だけに作動流体を流すことができるので、車両が停止している場合、もしくは、車両の速度が所定速度以下の場合であって、ランキンサイクルの熱効率を向上させるという利点がある。

本実施例である車両用廃熱回収装置の構成図本実施例である車両用廃熱回収装置を屋根に搭載した車両の側面図本実施例である車両用廃熱回収装置のユニット構造を示す斜視図本実施例である車両用廃熱回収装置のランキン用凝縮器の配置を示す構成図本実施例である車両用廃熱回収装置の開閉弁動作フロー図

次に、図面において本発明の実施例を説明する。図１は本実施例である車両用廃熱回収装置の構成図である。図２は車両上における本実施例である車両用廃熱回収装置の構成を示した断面図である。図３は本実施例である車両用廃熱回収装置の一部を搭載したユニットを示す斜視図である。図４は本実施例である車両用廃熱回収装置のランキン用凝縮器の配置を示す構成図である。図５は本実施例である車両用廃熱回収装置のランキン用凝縮器に設けた開閉弁動作のフロー図を示す。

図１は、本発明の実施例である車両用廃熱回収装置１の構成を示しており、車両３０に搭載されたエンジン２、エンジン２の廃熱を電力に変換して回収するランキンサイクル３、車両の空調に用いられる冷凍サイクル２０を備えている。

エンジン２は水冷式のエンジンであり、図示しない循環ポンプによって冷却水循環路内を循環する冷却水によって冷却される。この冷却水循環路には後述するランキンサイクル３の加熱器５が接続されており、エンジン２を冷却することにより高温になった冷却水が加熱器５においてランキンサイクルを循環する作動流体と熱交換することによって、エンジン廃熱が回収される。

ランキンサイクル３は、エンジン２の廃熱を電力に変換して回収する、いわゆる電力回生のランキンサイクルであり、循環路内を流通する作動流体を循環させる冷媒ポンプ４と、冷媒ポンプ４によって送られてきた作動流体を車両３０のエンジン２の廃熱によって加熱する加熱器５と、加熱器５によって加熱されて高温高圧となった作動流体を膨張させて出力を発生する膨張機６と、膨張機６によって膨張された作動流体を凝縮させるランキン用凝縮器７Ａ、７Bと、ランキン用凝縮器７Ａ、７Bで凝縮された作動流体を貯めておくレシーバ８と、レシーバ８からの凝縮された作動流体に過冷却を与えるサブクーラ９を有する作動流体循環路で構成されている。

冷媒ポンプ４は電動モータ１１によって駆動され、サブクーラ９から送られてきた過冷却状態の作動流体を加熱器５へと圧送する。加熱器５は冷却水循環路と作動流体循環路が接続され、エンジン２を冷却することにより高温になった冷却水循環路の冷却水と、冷媒ポンプ４から送られてきた作動流体循環路の作動流体が加熱器５において熱交換して、作動流体を高温高圧の過熱状態にする熱交換器である。

膨張機６は加熱器５から送られてきた過熱状態の作動流体を膨張させて機械エネルギーに変換する。膨張機６には発電機１２が接続されており、膨張機６で得た機械エネルギーを電力に変換し、図示しないバッテリーに蓄えられる。ランキン用凝縮器７Ａ、７Bは、膨張機６によって膨張した作動流体と外気との間で熱交換を行わせることによって作動流体を凝縮（液化）させる熱交換器である。

冷凍サイクル２０は、圧縮機２１、冷凍回路用凝縮器２２、膨張弁２３、蒸発器２４と、これらを接続する冷媒循環路で構成されており、圧縮機２１によって高温高圧となった冷媒が冷凍回路用凝縮器２２によって凝縮され、凝縮された冷媒は膨張弁２３によって減圧膨張し、減圧膨張した冷媒は蒸発器２４によって蒸発され、蒸発された冷媒は圧縮機２１へ送られて、再び圧縮機２１で圧縮されて冷媒循環路内を循環する。圧縮機２１は伝達ベルト２５を介してエンジン２の動力により駆動する。蒸発器２４は、冷媒が車両３０の室内へ送られる空気から熱を吸収することにより車両３０の室内へ送られる空気を冷却する。冷凍回路用凝縮器２２には図示しないファンが設けられて車両３０のエンジンルーム３１内に配置されており、圧縮機２１によって高温高圧となった冷媒を冷凍回路用凝縮器２２を流通する過程で、走行風、もしくは、ファンの送風により凝縮させる。

図２に示すように、ランキンサイクル３の冷媒ポンプ４、膨張機６、ランキン用凝縮器７Ａ、７B、レシーバ８、サブクーラ９は、車両３０の屋根上３２に配置されている。
一方、ランキンサイクル３の加熱器５は、図１に示すように、エンジン２を冷却することにより高温になった冷却水とランキンサイクル３を循環する作動流体とを熱交換させるため、エンジンルーム３１内に配置されている。

ランキンサイクル３の冷媒ポンプ４、膨張機６、ランキン用凝縮器７Ａ、７B、レシーバ８、サブクーラ９の配置の詳細については、図3に示す。ランキンサイクル３の冷媒ポンプ４、膨張機６、ランキン用凝縮器７Ａ、７B、レシーバ８、サブクーラ９が、側面視が略L字であって垂直面部３４と底面部３５とで構成されたフレーム構造からなるベース部材３３上に配置してあり、ベース部材３３は垂直面部３４が車両３０の前後方向において前側になるように車両３０の屋根上３２に配置してある。

ベース部材３３の垂直面部３４には、２個のランキン用凝縮器７Ａ、７Bが車両３０の幅方向に並べられて配置されており、前側から見て右側に配置されるランキン用凝縮器７Ａ（以下、右側ランキン用凝縮器という。）の下方にはサブクーラ９が右側ランキン用凝縮器７Ａと一体になって配置している。また、右側ランキン用凝縮器７Ａとサブクーラ９の背面側には２個の冷却ファン１０Ａ、１０Ｂが横配列で配置している。前側から見て左側に配置されるランキン用凝縮器７Ｂ（以下、左側ランキン用凝縮器という。）には冷却用のファンは設けられていない。図５に示すように、冷却ファン１０Ａ、１０Ｂは車両の速度が所定速度以下の場合（車両が停止している場合も含む。以下、同じ）に駆動させ、所定速度より速い場合は停止させる駆動制御を行う。従って、車両３０が走行している場合は２個のランキン用凝縮器７Ａ、７Bは走行風を受け、車両３０の速度が所定速度以下で十分な走行風が発生しない場合は、左側ランキン用凝縮器７Ｂは走行風による送風を受けないが、右側ランキン用凝縮器７Ａとサブクーラ９は冷却ファン１０Ａ、１０Ｂによる送風を受けることができる。そのため、車両３０の速度が所定速度以下で十分な走行風が発生しない場合であっても、右側ランキン用凝縮器７Ａ内を流通する作動流体は冷却ファン１０Ａ、１０Ｂの送風により放熱するので、ランキンサイクル３は運転することができる。

それぞれのランキン用凝縮器７Ａ、７Bは、図示しない左右両端のヘッダ間にチューブが水平方向に配列されたマルチフロータイプの凝縮器であり、それぞれのランキン用凝縮器７Ａ、７Bの正面視左側のヘッダ上部には膨張機から送られてきた作動流体が流入する流入口４１Ａ、４１Ｂが設けられており、右側ランキン凝縮器７Ａの正面視左側のヘッダ下部、左側ランキン凝縮器７Ｂの正面視右側のヘッダ下部には、それぞれのランキン用凝縮器内を流れた作動流体が流出する流出口４２Ａ、４２Ｂが設けられている。

膨張機６とランキン用凝縮器７Ａ、７Bは作動流体循環路を構成する配管で接続されており、その配管はそれぞれのランキン用凝縮器７Ａ、７Bの直前で分岐し、分岐した配管は右側ランキン用凝縮器７Ａの流入口４１Ａと左側ランキン用凝縮器７Ｂの流入口４１Ｂにそれぞれ接続する。さらに、左側ランキン用凝縮器７Ｂの流入口４１Ｂと接続する配管には開閉弁４５が設けられている。また、それぞれのランキン用凝縮器７Ａ、７Bの流出口４２Ａ、４２Ｂと接続する配管はレシーバ８の直前で合流してレシーバ８の底面に設けられた入口に接続し、レシーバ８の底面に設けられた出口と接続する配管はサブクーラ９の一端側に接続し、サブクーラ９の他端側に接続する配管は冷媒ポンプ４に接続している。
従って、それぞれのランキン用凝縮器７Ａ、７Bに流入した作動流体は、走行風、もしくは、冷却ファン１０Ａ、１０Ｂの送風によって、ランキン用凝縮機７Ａ、７Bの上部側から下部側に流れる過程で放熱され、また、レシーバ８を介してサブクーラ９を流れる過程で過冷却されて冷媒ポンプ４に送られる。そのため、ランキン用凝縮器７Ａ、７B、および、サブクーラ９内を流れる作動流体は上部側よりも下部側の方が冷却されている。尚、本実施例では、左側ランキン用凝縮器７Ｂの流入口４１Ｂと接続する配管に開閉弁４５を設けているが、ランキン用凝縮器７Bの流出口４２Ｂと接続する配管であって、ランキン用凝縮器７Aの流出口４２Aと接続する配管との合流点までの間に開閉弁４５を設けても構わない。

レシーバ８は縦長構造であり、レシーバ８、冷媒ポンプ４、電動モータ１１は右側ランキン用凝縮器７Ａの背面側であってベース部材３２の底面部３４にブラケットを介して固定されている。すなわち、レシーバ８、冷媒ポンプ４、電動モータ１１は右側ランキン用凝縮器７Ａ、および、サブクーラ９の風下側に配置されているので、右側ランキン用凝縮器７Ａの前面側には走行風を遮るものがないため、右側ランキン用凝縮器７Ａでの効果的な放熱が可能となる。また、レシーバ８の作動流体が溜まる下部と冷媒ポンプ４は右側ランキン用凝縮器７Ａの下部側に配置されることから、右側ランキン用凝縮器７Ａの下部側、および、サブクーラ９を通過した走行風、もしくは、冷却ファン１０Ａ、１０Ｂによる送風がレシーバ８の作動流体が溜まる下部と冷媒ポンプ４に当たるため、右側ランキン用凝縮器７Ａの上部側を通過した走行風、もしくは、冷却ファン１０Ａ、１０Ｂによる送風よりも低い温度の送風が当たることになる。そのため、サブクーラ９で過冷却された作動流体が冷媒ポンプ４に送られる過程で過冷却が失われる可能性が、エンジンルームに冷媒ポンプ４が配置される場合、または、右側ランキン用凝縮器７Ａの上部側に冷媒ポンプ４とレシーバ８が配置される場合に比して、ランキンサイクル３の熱効率を向上させることができるという利点がある。

また、レシーバ８と冷媒ポンプ４は、右側ランキン用凝縮器７Ａの背面側、すなわち、冷却ファン１０Ａ、１０Ｂが設けられている右側ランキン用凝縮器７Ａの風下側に配置されているので、車両３０の速度が所定速度以下で十分な走行風が発生しない場合であっても、冷却ファン１０Ａ、１０Ｂによる送風でレシーバ８と冷媒ポンプ４を冷却することができるため、サブクーラ９で過冷却された作動流体が冷媒ポンプ４に送られる過程で過冷却が失われる可能性が、冷却ファンのない左側ランキン用凝縮器７Ｂの背面側にレシーバ８と冷媒ポンプ４が配置される場合に比して少なくなるため、ランキンサイクル３の熱効率を向上させることができるという利点がある。

また、本実施例では左右それぞれのランキン用凝縮器７Ａ、７Bの入口直前で配管が分岐し、左右それぞれのランキン用凝縮器７Ａ、７Bの出口直後で配管が合流して、左右のランキン用凝縮器７Ａ、７Bが並列に配列されているので、ランキン凝縮器が直列に配列される場合に比して作動流体の圧力損失が小さくなる効果がある。

本実施例では冷却ファンが設けられていない左側ランキン用凝縮器７Ｂと接続する配管に開閉弁４５を設けているが、必ずしも開閉弁４５を設けなくてもよい。開閉弁４５を設けなくても、車両３０が停止、もしくは、車両３０の速度が所定速度以下で十分な走行風が発生しない場合であって冷却ファン１０Ａ、１０Ｂが作動している場合は、冷却ファン１０Ａ、１０Ｂが設けられている右側ランキン用凝縮器７Ａにおいては冷却ファン１０Ａ、１０Ｂの送風により作動流体は凝縮されるため、右側ランキン用凝縮器７Ａ内の作動流体の圧力が左側ランキン用凝縮器７Ｂ内の作動流体の圧力より低くなるので、作動流体は冷却ファン１０Ａ、１０Ｂが設けられている右側ランキン用凝縮器７Ａ側に流れ込むからである。
また、本実施例のように、冷却ファンが設けられていない左側ランキン用凝縮器７Ｂの作動流体上流側の配管に開閉弁４５を設け、図５に示した制御フローのように、車両３０の速度が所定速度以下で十分な走行風が発生しない場合（車両３０が停止している場合も含む。）に、冷却ファン１０Ａ、１０Ｂを駆動させるとともに、前記開閉弁４５を閉じる制御を行えば、冷却ファン１０Ａ、１０Ｂが設けられている右側ランキン用凝縮器７Ａだけに作動流体を流すことができるため、ランキンサイクル３の運転を安定させることが可能である。尚、本実施例では車両の速度に基づき冷却ファン１０A、１０Bの駆動制御と開閉弁４５の開閉制御を行っているが、ランキン用凝縮器を通過する走行風を検知する風速センサーを設けて、風速が所定速度以下の場合に冷却ファン１０A、１０Bを駆動させ、開閉弁４５を閉じる制御を行っても構わない。

また、本実施例におけるランキンサイクル３の冷媒ポンプ４、電動モータ１１、膨張機６、発電機１２、ランキン用凝縮器７Ａ、７B、レシーバ８、サブクーラ９は、側面視が略L字であって垂直面部３４と底面部３５とで構成されたフレーム構造からなるベース部材３３上に配置してあるユニット構造であるため、冷媒ポンプ４、電動モータ１１、膨張機６、発電機１２、ランキン用凝縮器７Ａ、７B、レシーバ８、サブクーラ９の車両３０の屋根上３１への設置が、それぞれを個別に車両３０の屋根上３１に設置する場合に比して、作業が簡易であるというメリットがある。
尚、本実施例のランキンサイクル３では、レシーバ８、サブクーラ９を設けているが、レシーバ８は省略することが可能であり、また、ランキン用凝縮器をサブクーラ付とすることによりサブクーラ９を省略することも可能である。
また、本実施例のランキンサイクル３では、右側ランキン用凝縮器７Ａに冷却ファン１０Ａ、１０Ｂを２個設けているが、１個、または、３個以上であっても構わない。

１車両用廃熱回収装置、２エンジン、３ランキンサイクル、４冷媒ポンプ、
５加熱器、６膨張機、７Ａ，７Ｂランキン用凝縮器、１０Ａ，１０Ｂ冷却ファン、
３０車両、３２車両の屋根、３３ベース部材、４５開閉弁

Claims

作動流体を循環させる冷媒ポンプと、前記冷媒ポンプによって送られてきた作動流体を車両のエンジンの廃熱によって加熱する加熱器と、前記加熱器によって加熱されて気化した作動流体を膨張させて出力を発生する膨張機と、前記膨張機によって膨張された作動流体を凝縮させるランキン用凝縮器とを有するランキンサイクルとを備え、前記ランキン用凝縮器が車両の屋根上に配置されている車両用廃熱回収装置において、
前記ランキン用凝縮器は、前記ランキンサイクルの作動流体循環路において並列に接続された一方のランキン用凝縮器と他方のランキン用凝縮器の２個を有し、
前記一方のランキン用凝縮器のみに冷却ファンを設け、前記他方のランキン用凝縮器は、前記車両の走行による走行風のみを受けるとともに、
前記他方のランキン用凝縮器のランキンサイクルの作動流体循環路における上流側または下流側のいずれかに開閉弁が設けてられていることを特徴とする車両用廃熱回収装置。
前記車両が停止している場合、もしくは、前記車両の速度が所定速度以下の場合に、前記冷却ファンが動作し、および、前記開閉弁は閉じることを特徴とする請求項１に記載の車両用廃熱回収装置。
前記車両用廃熱回収装置には、前記車両の走行による走行風の風速を検知する風速検知手段が設けられており、前記風速検知手段による風速が所定速度以下の場合に、前記冷却ファンが動作し、および、前記開閉弁は閉じることを特徴とする請求項１に記載の車両用廃熱回収装置。