JPS6399464A - 内燃機関の排熱利用装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明は車輌用内燃機関の排熱を利用する動力回収に係
り、特に空調用等の冷凍サイクル回路にランキンサイク
ル回路を併設して用いる排熱利用装置に関する。

〔従来の技術〕

自動車等の内燃機関から排出エネルギを回収する装置と
して、内燃機関の排熱により作動するランキンサイクル
回路を設け、動力回収する方式のものがある。この方式
では、例えば特開昭５６−４３０１８号公報に見られる
様に、ランキンサイクル回路を空調用などの冷凍サイク
ル回路と一部共通に形成して複合サイクル回路とし、装
置構成の簡略化が計られている。

〔発明が解決しようとする問題点〕

上述のランキン−冷凍複合サイクル回路による排熱利用
装置においては、凝縮器を共通化するため、さらに圧縮
機および膨張機の同軸化による冷凍の漏洩対策のために
、単一の冷媒が用いられている。

しかし、ランキンサイクルと冷凍サイクルでは作動流体
の変化状況が異なるため、単一の冷媒が必らずしも両サ
イクルにとって好適な作動流体とならない。このため、
例えば冷凍サイクルに好適な冷媒であってもランキンサ
イクルにとって好適でなく、両サイクルを共に効率的に
作動させ１ｑないという問題がある。

本発明は従来技術の問題点に鑑み、ランキン−冷凍サイ
クルを共に効率的に作動することのできる、内燃機関の
排熱利用装置の提供を目的とする。

〔問題点を解決するための手段および作用〕本発明に係
る排熱利用装置では、ランキンサイクル用の高温冷媒と
冷凍サイクル用の低温冷媒から成る非共沸混合冷媒を一
部共通に形成された冷凍サイクル回路およびランキンサ
イクル回路で共用する。さらに、これら両サイクル回路
に共通な凝縮器部分に気液弁１ＩＷｔ器が設けられ、非
共沸混合冷媒は高温および低温冷媒に気液分離されてラ
ンキンサイクル回路および冷凍サイクル回路へそれぞれ
供給される。

上記構成によれば、非共沸混合冷媒はガス状態でランキ
ンおよび冷凍両サイクル回路に共通な凝縮器部分に至り
、ここで冷却される。凝結温度の違いによって、ガス状
の非共沸混合冷媒は低温冷媒を主とする気相部分と高温
冷媒を主とする液相部分とになり、気液分離器を介して
分離されそれぞれ冷凍サイクル回路およびランキンサイ
クル回路に送られる。このため、いずれのサイクル回路
においてもその熱サイクルに好適な作動流体が使用され
、効率的な作動が行われる。

〔実施例〕

以下、添付図面に示す実施例に基づいて本発明を説明す
る。

第１図は自動車用エンジンに適用された本発明の排熱利
用装置の全体構成を示し、第２図はエンジン・ルームに
おける同１！置の配置状況を示す。

自動車のエンジン２１（第２図）には空調用の冷凍サイ
クル回路１が付設されている。この冷凍サイクル回路１
は圧縮機２、高温冷媒用凝縮器部分３ａ、気液弁！！！
ｉ鼎４、低温冷媒用凝縮器部分３ｂ。

受液器５、減圧器６および蒸発器７を管路で順次接続し
て構成されている。

第２図に示す様に、冷凍サイクル回路の圧縮機２はステ
ー等を介してエンジン２１に固定され、ラジェター２２
の前方には凝縮器部分３ａ、３ｂおよび気液分離器４が
装着されている。また、減圧器６および蒸発器７は、車
室内への開口を備えたエアコンユニット２３内に取り付
けられる。このエアコンユニット２３には送風機２４が
設けられ、蒸発器７を通して車窟内へ送気するようにさ
れている。なお、参照符号２５はエンジン２１の排出管
を示す。

一方、排気利用装置のランキンサイクル回路８は、管路
で接続された電動式の昇圧ポンプ９、高温蒸発器１０お
よび膨張機１１を有する。この膨張機１１の出口側は冷
凍サイクル回路の凝縮器部分３ａの入口側へ、また昇圧
ポンプ９の吸込側が気液分離器４の液相部へそれぞれ管
路を介して接続されている。これによって、凝縮器部分
３ａおよび気液分離器４を通るランキンサイクル回路が
形成される。

膨張機１１はロータリ式で、その回転軸には電磁クラッ
チを備えたアイドラプーリ１１ａが装着され、電磁クラ
ッチの作動に応じて回転軸とアイドラプーリ１１ａの係
合が断続される。また、冷凍サイクル回路１の圧縮機２
にも同様に電磁クラッチを備えたアイドラプーリ２ａが
装着されており、膨張８１１１と圧縮機２とは各々のブ
ーりに巻き掛けられたベルト１２を介して接続されてい
る。

なお、第２図に見られる様に、圧縮機２はこのべルト１
２によってエンジン２１の駆動軸につながっている。

高温蒸発器１０は、ソレノイド弁１３および逆止弁１４
を介して車掌暖房用のヒータ１５と並列にヒータ回路へ
接続され、温水を内部へ導入する構造である。導入され
た温水は高温蒸発器を流れる冷媒と熱交換して、同冷媒
を加熱する。ｍ２図に図示する通り、ヒータ１５は前述
のエアコンユニット２３内に配設され、車室内へ導入さ
れる空気を暖めるようにされている。

さらに、各電動式構成部品の制御のために、制御ユニッ
ト１６が設けられている。制御ユニット１６はプーリ２
ａおよび１１ａの電磁クラッチ、ランキンサイクル回路
の昇圧ポンプ９およびソレノイド弁１３にそれぞれ電気
的に接続され、これら構成部品への電力供給を制御する
。

なお、本発明に係る装置ではランキンサイクル用の高温
冷媒と冷凍サイクル用の低湿冷媒から成る非共沸混合冷
媒を作動流体としているが、本実施例においてはＲ−１
１４およびＲ−１２が用いられている。

次に、第１図および第２図さらには混合冷媒の気液相の
割合を示す第３図を参照して、上述の実施例の作動を説
明する。

エンジン２１が運転状態にある際に、制御ユニット１６
により各電動式構成部品へ電力の供給を行うと、電磁ク
ラッチが作動してプーリ２ａ、１１ａを圧縮機２および
膨張機１１の軸へそれぞれ係合させる。また、昇圧ポン
プ９が作動して冷媒を加圧・給送すると共に、ソレノイ
ド弁１３が開いて温水を高温蒸発器１０へ導入する。

冷凍サイクル回路１およびランキンサイクル回路８内の
冷媒は、それぞれ圧縮様２で圧縮されまた膨張機１１で
膨張した後、両回路の接合部にてガス状態で混合し、高
温冷媒用凝縮器部分３ａに至る。混合した冷媒はこの凝
縮器部分３ａで外気と熱交換して凝縮液化し、第３図に
示すＡ点のガス状態からＢ点まで冷却されたところで、
凝縮器部分３ａを出て気液分離器４へ入る。Ｂ点におけ
る混合冷媒は液相とガス相とが第３図のｂ：ａの比で混
在した状態であり、液相部分ではＲ−１１４の濃度が非
常に高く、また気相部分ではＲ−１２の濃度が非常に高
い。

混合冷媒はこの状態で気液分離器４にて気液分離され、
このうちＲ−１２を主体とする気相部分は低温冷媒用凝
縮器部分３ｂでさらに冷却されて凝縮・液化し、受液器
５に入る。受液器５内の液冷媒は続いて減圧器６で減圧
され、蒸発器７で気化して外気と熱交換する。蒸発器７
を出たガス冷媒は圧縮Ｒ２で圧縮され、再び冷凍サイク
ル回路１を循環する。なお、この冷凍サイクルの作動の
際には、送風機２４く第２図）が蒸発器７を通して送気
を行い、車室内を冷房する。

一方、Ｒ−１１４を主体とする液相部分は気液分離器４
から昇圧ポンプ９へ送られ、ここで加圧されて高温蒸発
器１０に至る。高温蒸発器１０にはソレノイド弁１３を
介して温水が導入されており、液冷媒はこの温水で加熱
されて蒸発する。冷媒蒸気は次いで膨張ｉｉｉに導入さ
れ、膨張機１１の回転軸を駆動する。その後、冷媒は冷
凍サイクル回路１の冷媒と混り合って凝縮器部分３ａに
入り、再びランキンサイクル回路８を循環する。

膨張機１１の回転力は、プーリ１１ａ１ベルト１２およ
びプーリ２ａを介して圧縮機２およびエンジン１の駆ｖ
Ｊ軸に伝達され、軸出力の向上に寄与する。なお、電磁
クラッチの制御によって、冷凍サイクル回路の非作動時
に膨張機１１の回転力をエンジン１のみに伝達してその
軸出力を向上させ、或は膨張機１１の回転力のみで圧縮
ｔａ２を駆動するようにすることもできる。

この様に、ランキンおよび冷凍複合サイクル回路におい
て非共沸混合冷媒を用い、この混合冷媒を凝縮器および
気液分離器で高温冷媒と低温冷媒とに気液分離すること
によって、ランキンサイクル回路と冷凍サイクル回路と
にそれぞれ好適な冷媒を供給し、両サイクル回路を共に
効率的に作動させることができる。

上述の実施例においては圧縮機と膨張機とを別別に設け
る構成としたが、これに代えて膨張／圧縮兼用機を用い
ても良く、その−例を第４図に示す。第４図の膨張／圧
縮機は長円形断面の作動室を画定するハウジング３０を
備え、この作動室には円形断面のロータ３１が同軸状に
収容されている。ロータ３１と最小径部分の作動室の内
面とは接触状に近接しており、作動室は圧縮ｖ１部３２
と膨張機部３３に区画される。また、ロータ３１には、
先端を作動室の内周面３４に接触せしめるよう伸縮可能
な複数のベーン３５が設けられている。

この膨張／圧縮別の作動時、膨張機部３３では入口ボー
ト３６から導入された高温・高圧の冷媒蒸気がベーン３
５間で膨張してロータ３１を回転させ、出口ボート３７
より導出される。また、圧縮機部３２では、ガス冷媒が
吸入ボート３８から吸込まれ、ベーン３５間で圧縮され
て吐出ボート３９より吐出される。

また、第５図に示す様に、管路４１および４２を設けて
エンジンの排気管２５と高温蒸発器１０とを接続し、前
述の実施例におけるヒータ回路の温水に代えて排気ガス
を高温蒸発器内へ導入し、その熱源とする構成となして
も良い。

（発明の効果〕 本発明によれば、非共沸混合冷媒が共用され、かつこの
混合冷媒は高温および低温冷媒に気液分離されてランキ
ンおよび冷凍サイクル回路にそれぞれ供給される。この
ため、ランキンおよび冷凍サイクル回路の複合化による
簡略構成の利点を損うことなく両サイクル回路を共に効
率的に作動させることが出来、内燃別間の熱利用効率を
高めてその経済性を向上せしめる。

【図面の簡単な説明】 第１図は本発明を自動車用エンジンに適用した場合の実
施例の全体構成を示す回路図、第２図はエンジン・ルー
ムにおける第１図の実施例の取り付は状況を示す概略図
、第３図は第１図の実施例に用いられた非共沸混合冷媒
の状況変化を示す線図、第４図は第１図の実施例に用い
られている膨張機および圧縮機の代替例の概略図、そし
て第５図は第１図に示した実施例の変更例を示す部分回
路図である。 図中、１・・・・・・冷凍サイクル回路、３ａ・・・・
・・高温冷媒用凝縮器部分、４・・・・・・気液分離器
、８・・・・・・ランキンサイクル回路、２１・・・・
・・エンジン。

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. （１）　冷凍サイクル回路と一部共通に形成されたラン
   キンサイクル回路を介して内燃機関の排熱から動力回収
   する排熱利用装置にして、ランキンサイクル用の高温冷
   媒と冷凍サイクル用の低温冷媒から成る非共沸混合冷媒
   を前記両サイクル回路で共用し、かつ前記両サイクル回
   路に共通な凝縮器部分に気液分離器を設け、前記非共沸
   混合冷媒を高温および低温冷媒に気液分離して前記ラン
   キンサイクル回路および冷凍サイクル回路へそれぞれ供
   給することを特徴とする排熱利用装置。
2. （２）　特許請求の範囲第１項記載の排熱利用装置にお
   いて、前記冷凍サイクル回路の凝縮器を高温および低温
   冷媒用凝縮器部分で構成すると共にこれら凝縮器部分間
   に前記気液分離器を配設し、前記高温冷媒用凝縮器部分
   および気液分離器を共有として前記ランキンサイクル回
   路を形成する排熱利用装置。
3. （３）　特許請求の範囲第１項又は第２項記載の排熱利
   用装置において、前記高温および低温冷媒がそれぞれＲ
   −１１４およびＲ−１２である排熱利用装置。