WO2009107828A1 - 排熱回生システム - Google Patents

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working medium
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temperature
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神山直久
森栄一
松平範光
堀亮一
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Calsonic Kansei Corp
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    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F01—MACHINES OR ENGINES IN GENERAL; ENGINE PLANTS IN GENERAL; STEAM ENGINES
    • F01K—STEAM ENGINE PLANTS; STEAM ACCUMULATORS; ENGINE PLANTS NOT OTHERWISE PROVIDED FOR; ENGINES USING SPECIAL WORKING FLUIDS OR CYCLES
    • F01K25/00—Plants or engines characterised by use of special working fluids, not otherwise provided for; Plants operating in closed cycles and not otherwise provided for
    • F01K25/08—Plants or engines characterised by use of special working fluids, not otherwise provided for; Plants operating in closed cycles and not otherwise provided for using special vapours
    • F01K25/10—Plants or engines characterised by use of special working fluids, not otherwise provided for; Plants operating in closed cycles and not otherwise provided for using special vapours the vapours being cold, e.g. ammonia, carbon dioxide, ether

Definitions

  • the present invention relates to an exhaust heat regeneration system that generates energy by using exhaust heat of an internal combustion engine or the like.
  • a Rankine cycle system (Rankine cycle system) in which a working medium is vaporized by heat, and energy is extracted by the gas medium.
  • a system in which this Rankine cycle system is mounted on a vehicle and energy is extracted by using exhaust heat from internal facilities. The exhaust heat of ⁇ -function is exchanged with the working medium through cooling water.
  • the vehicle is also equipped with a refrigeration cycle system for air conditioners, and a system that uses the exhaust heat of the refrigerant in this refrigeration cycle for Rankine cycle is also known.
  • JP 2005-329843 A discloses a waste heat recovery system for vehicles that reduces the equivalent parts of the radiator. Also, JP 2005-329843 A has a condenser 3 that is shared with the pump 11, the boiler 12, the expander 13, the heat exchanger 16, and the refrigeration cycle 1. The provided Rankine cycle 10 is disclosed. Disclosure of the invention
  • ⁇ -cooling water and refrigerant in the refrigeration cycle system exchange heat with the working medium of the Rankine cycle system, while releasing excess heat into the atmosphere via a radiator or condenser.
  • radiator capacitors are generally placed in front of the vehicle in order to use the driving wind.
  • the engine room has become smaller due to the increase in the number of auxiliary equipment due to the reduction in size and weight of vehicles and the introduction of electrical equipment.
  • the restrictions on the layout of the radiator capacitor are increased. If these are not exhausted properly, there is a problem that the cooling efficiency of internal facilities and the efficiency of air conditioners deteriorate.
  • weight reduction is desirable to improve fuel efficiency, and a reduction in the number of parts is also required.
  • Cited Document 2 the condensation heat of the condenser of the refrigeration cycle is used in the Rankine cycle system.
  • the refrigeration cycle is provided with a condenser, the above-described problems may occur.
  • An exhaust heat regeneration system includes an internal cooling system that cools heat generated by an internal combustion engine with cooling water, a compressor that compresses the refrigerant, and a refrigerant compressed by the compressor.
  • An expansion valve that causes respiration, an evaporator that cools air using the vaporized refrigerant, a first temperature sensor that measures the temperature of the refrigerant, a refrigerant compressed by the compressor, and a working medium of the Rankine cycle system Refrigeration cycle system with heat exchange ⁇ for heat exchange, and l self-cooling
  • An evaporator for causing the working medium to be gasified by the heat of the reject water, an expander for generating energy by the vaporized »J medium, a capacitor for causing the vaporized liquid medium to be liquefied
  • a Rankine site system comprising: a pump for sending a self-liquefied medium to the heat exchanger; a second sensor for measuring the medium; and a key self-cooling medium? And a control unit that
  • the exhaust heat recovery system heat is exchanged between the refrigerant of the refrigeration cycle system and the working medium of the Rankine cycle system, so that compared with the case where only the cooling water of the inner ⁇ -function is used. Increases the efficiency of the Rankine cycle system.
  • the refrigeration cycle system is not equipped with a condenser that was required in the past, so the number of parts can be reduced and the entire exhaust heat regeneration system can be downsized.
  • a condenser that conventionally required heat exchange with the atmosphere is not provided, the degree of freedom in the arrangement and layout of the refrigeration cycle system is increased, and space efficiency can be increased.
  • FIG. 1 is a configuration diagram of an exhaust heat regeneration system according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 2 is a flowchart of control of the exhaust heat regeneration system according to the embodiment of the present invention.
  • FIG. 1 is an explanatory diagram of an exhaust heat regeneration system 1 according to an embodiment of the present invention.
  • the heat recovery system 1 has a Rankine cycle system 10 and An engine cooling system 20 and a refrigeration cycle system 30. These are installed in vehicles powered by, for example, the inner car (engine).
  • the Rankine cycle system 10 has a working medium (Rankine working medium) circulated in the direction of the arrow «medium path 1 1 and an evaporator 1 2 that vaporizes the medium using heat from cooling water.
  • An expander 13 that generates energy by the working medium
  • a condenser 14 that allows the vaporized medium to be liquefied
  • a pump 15 that circulates the liquefied medium
  • a refrigeration cycle system to be described later
  • a heat exchanger (pre-boiler) 16 that heats the working medium using the heat of 30 coolant. Note that R 1 3 4 a is used as the working medium of the Rankine cycle system, but other working medium may be used.
  • a temperature sensor (second temperature sensor) 17 for measuring the working medium temperature near the inlet of the pre-boiler 16 is provided near the inlet of the pre-boiler 16.
  • the pump 15 has a variable discharge pressure as will be described later.
  • the Rankine cycle system 10 generates energy by causing the working medium that has absorbed heat in the pre-boiler 16 and the evaporator 12 2 to expand at once in the expander 13. This energy can be transmitted, for example, as rotational power to generate electricity, or transmitted to a pump to pump fluid.
  • the storage medium passing through the expander 13 is liquefied by exchanging heat with the atmosphere in the condenser 14.
  • Capacitors 14 are equipped with fans as needed.
  • the engine cooling system (internal combustion engine cooling system) 20 includes an engine 22 that is an internal combustion engine and a cooling water path 21 that circulates the cooling water.
  • the heat generated by the operation of the engine 2 2 is sent from the cooling water path 21 to the evaporator 12 of the Rankine cycle system 10 by circulation of the cooling water.
  • the engine cooling system 20 includes a radiator, a heater, a bypass path, and the like.
  • the cooling water that has absorbed the heat of the engine 22 is passed through the evaporator 12 to perform heat exchange.
  • a path for recovering the exhaust heat of the exhaust pipe of the engine 22 may be provided, and cooling water passing through the recovery path may be sent to the evaporator.
  • a path different from the engine cooling system 20 may be provided, and the exhaust heat of the engine 22 or the exhaust pipe may be sent to the evaporator 12 using a pump or the like.
  • the refrigeration cycle system 30 includes a compressor 3 2, an expansion valve 3 5, an evaporator 3 6, and a pre-boiler 16 in a cooling path 3 1 in which refrigerant (air conditioner refrigerant) is circulated in the direction of the arrow.
  • refrigerant air conditioner refrigerant
  • R 1 3 4 a is used as the refrigerant.
  • the compressor 3 2 compresses the refrigerant and sends it to the pre-boiler 16 as a high-temperature and high-pressure refrigerant.
  • heat is exchanged between the refrigerant and the working medium of the Rankine cycle system.
  • the refrigerant is drowned and liquefied by this heat exchange.
  • the expansion valve 35 aerates the liquid-phase refrigerant by expanding it, and sends it to the evaporator 36 as a low-temperature and low-pressure refrigerant.
  • the evaporator 36 exchanges heat between the delivered low-temperature refrigerant and the air passing through the evaporator 36, and cools the air. This cooled air is used for vehicle air conditioning.
  • a temperature sensor (first temperature sensor) 37 that measures the refrigerant temperature near the inlet of the pre-boiler 16 is provided near the inlet of the pre-boiler 16.
  • the compressor 32 has a variable discharge pressure as will be described later.
  • the exhaust heat regeneration system 1 is an engine control unit that controls the pump 15 and the compressor 3 2 based on the measurement by the sensors 17 and 37.
  • ECU 5 0 is provided.
  • the exhaust heat regeneration system 1 first, in the pre-boiler 16, heat is exchanged between the working medium of the Rankine cycle system 10 and the refrigerant of the refrigeration cycle system 30. In this way, the medium of Rankine cyclore system 10 is heated. Thereafter, the evaporator 12 further heats the working medium of the Rankine cycle system 10 by exchanging heat between the medium of the Rankine cycle system 10 and the cooling water of the engine cooling system 20. These heats are converted into energy in the expander 13.
  • High Rankine cycle system 10 can be 3 ⁇ 4ft.
  • the exhaust heat regeneration system 1 is configured to exchange heat between the medium of the Rankine cycle system 10 and the refrigerant of the refrigeration cycle system 30 in the preboiler 16. As a result, it is no longer necessary to provide a capacitor for discharging the heat of condensation of the compressor 32, which was conventionally required in the refrigeration cycle system 30, and the entire system can be downsized.
  • the Rankine cycle system 10 and the refrigeration cycle system 30 operate in independent thermal cycles, respectively. Therefore, it is necessary to control these so that the working medium of the Rankine cycle system 10 and the refrigerant of the refrigeration cycle system 30 can exchange heat appropriately.
  • FIG. 2 is a flowchart showing control of Rankine cycle system 10 and refrigeration cycle system 30 according to the embodiment of the present invention.
  • the process shown in FIG. 2 is to control the discharge pressures of the pump 15 of the Rankine cycle system 10 and the compressor 32 of the refrigeration cycle system 30.
  • the temperatures of the medium of Rankine cycle system 10 and the refrigerant of refrigeration cycle system 30 are respectively controlled.
  • This control is performed by an engine control unit (ECU) 50 that controls various controls of the vehicle.
  • ECU engine control unit
  • the process of this flowchart is executed when the control of the refrigeration cycle system 30 is started, such as when the switch of the air conditioner on the control panel of the vehicle is turned on (step S 10).
  • control according to this flowchart is not executed when the refrigeration cycle system 30 is not controlled ⁇ , that is, when the refrigerant is not circulating.
  • the Rankine cycle system 10 receives heat only at the evaporator 12. In the pre-boiler 16, the working medium only passes.
  • the ECU 50 calculates the a3 ⁇ 4 difference X between the 3 ⁇ 43 ⁇ 4 medium temperature of the Rankine cycle system 10 and the refrigerant of the refrigeration cycle system 30, and the difference X is equal to or greater than the predetermined value A. It is determined whether or not force is applied (step S 2 0).
  • the predetermined value A is a lower limit value of a difference for appropriately performing heat exchange between the working medium of the Rankine cycle system 10 and the refrigerant of the refrigeration cycle system 30.
  • the predetermined value A is a value that can be arbitrarily determined according to the characteristics of the Rankine cycle system 10 and the refrigeration cycle system 30.
  • This predetermined value A is calculated by the following equation, for example.
  • the working medium of Rankine cycle system 10 If the difference between the body and the refrigerant of the refrigeration cycle system 30 is greater than or equal to A, the condensation heat generated by the compressor 32 in the refrigeration cycle system 30 is absorbed into the medium of the Rankine cycle system 10. This eliminates the need for a capacitor having a capacity satisfying the above-mentioned L, which was conventionally required for the refrigeration cycle system 30.
  • step S 30 If it is determined that the difference X is smaller than the predetermined value A, go to step S 30, and ECU 50 will receive the medium and the refrigerant in the refrigeration cycle system 30 Execute the control to increase the difference.
  • the difference X is smaller than the predetermined value A ⁇ , the difference between the working medium of the Rankine cycle system 10 and the refrigerant of the refrigeration cycle system 30 is too small for heat exchange. Therefore, the efficiency of the refrigeration cycle system 30 can be significantly reduced due to excessive heat.
  • step S 30 the ECU 50 performs control to reduce the discharge pressure of the pump 15 of the Rankine cycle system 10.
  • a process for increasing the discharge pressure of the compressor 3 2 of the refrigeration cycle system 30 is executed.
  • step S40 if it is determined that the temperature difference X is greater than or equal to the predetermined value A, the process proceeds to step S40.
  • the ECU 50 controls each system independently without performing control related to the temperature difference.
  • ECU 50 is a refrigeration cycle system.
  • the compressor 3 2 of the system 30 is controlled to a discharge pressure based on the command value for air conditioner control.
  • the pump 15 of the Rankine cycle system 10 is controlled to a discharge pressure based on the command value for the control of the Rankine cycle system 10.
  • the working medium can be controlled and controlled to an appropriate difference.
  • the temperature of the refrigerant or working medium can be easily controlled by controlling the discharge pressure. it can. Instead of measuring the temperature of the refrigerant and the medium, the temperature may be calculated from the pressure difference between the inlet and outlet of the compressor 32 and the pump 15.
  • the pump 15 or the compressor 3 2 uses a variable displacement pump such as a swash plate type or a vane type to vary the discharge pressure.
  • the pre-boiler 16 that exchanges heat with the refrigerant of the refrigeration cycle system 30 is provided, it is not necessary to provide a capacitor for exchanging heat with the atmosphere in the path of the refrigeration cycle system 30. As a result, there is room in the space, and the space efficiency of the vehicle can be increased. In addition, since the number of parts is reduced, costs can be reduced and fuel efficiency can be improved. In particular, the condenser that was required in the conventional refrigeration cycle system had to be provided in front of the vehicle in order to use the traveling wind of the vehicle due to the feature of heat exchange with the atmosphere. Since the pre-boiler 16 according to the embodiment of the present invention does not need to exchange heat with the atmosphere, there is no restriction on the mounting position. For example, the pre-boiler 16 can be placed under the floor or behind the vehicle. As a result, the layout freedom of the Rankine cycle system 10 and the refrigeration cycle system 30 increases, so that space efficiency can be increased.
  • the compressor 3 2 and the pump 15 are controlled to control the difference between the working medium of the Rankine cycle system 10 and the refrigerant of the refrigeration cycle system 30 to a predetermined value or more, the refrigeration cycle system 30 Heat exchange can be reliably performed between the refrigeration cycle system 30 and the Rankine cycle system 10 without lowering the efficiency.
  • the control of the refrigerant and the working medium may be performed by controlling the discharge pressures of the compressor 32 and the pump 15 by ECU 50, and it is not necessary to add a special configuration.
  • the engine cooling system 20 used for the engine 22 has been described as an example, but the invention is not limited to the use of the exhaust heat of the inner ⁇ -function.
  • it may be configured to use exhaust heat from a fuel cell, a motor, a battery, or the like.
  • the refrigerant exemplified in the refrigerant cycle system 30 as R 1 3 4 a may be used.
  • CO 2 with high heat is used as the cooling medium and a sufficient difference from the working medium of the Rankine cycle system 10 can be obtained, it is not necessary to perform the discharge pressure control as shown in FIG. This simplifies the structure of the compressor 3 2 and the pump 1 5 and increases the heat regeneration efficiency due to the exhaust heat of the C 0 2 refrigerant.

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Abstract

本発明の排熱回生システムは、冷凍サイクルシステムの冷媒とランキンサイクルシステムの作動媒体とで熱交換を行う熱交換器を備え、冷媒の温度と作動媒体の温度との温度差が所定値以上となるように、冷媒の温度と作動媒体の温度とを制御する。

Description

明 細 書 発明の名称
^回生システム 技術分野
本発明は、 内燃機関等の排熱を利用してエネルギーを生成する排熱回生システ ムに関する。 背景技術
従来、 熱によって作動媒体を気化させ、 この気ィ匕された ¾¾媒体によってエネ ルギーを取り出すランキンサイクル 関 （ランキンサイクルシステム） が知ら れている。 このランキンサイクルシステムを車両に搭載し、 内 関の排熱を利 用してエネルギーを取り出すシステムも知られている。 内 β関の排熱は、 冷却 水等を介して作動媒体と熱交換する。 また、 車両には、 空調装置のための冷凍サ ィクルシステムも搭載されており、 この冷凍サイクルの冷媒の排熱をランキンサ イタルに利用するシステムも知られている。
J P2005-9789 Αには、 水—冷媒熱交換器に、 外気を導入し、 水一冷 媒交 内を流通する冷却水が、 冷媒以外に外気とも熱交換できるように構成す ることで、 ラジェータ相当部品を削減する車両用廃熱回収装置が開示されている また、 J P2005— 329843 Aには、 ポンプ 11、 ボイラ 12、 膨張機 13、 熱交 16及び冷凍サイクル 1と共有するコンデンサ 3が設けられたラ ンキンサイクル 10が開示されている。 発明の開示
内; β関の冷却水や、 冷凍サイクルシステムの冷媒は、 ランキンサイクルシス テムの作動媒体と熱交換する一方、 過剰な熱をラジェータゃコンデンサ等により 大気中に放出している。
これらラジエータゃコンデンサは、 走行風を利用するために車両の前方に配置 することが一般的である。 近年、 車両の小型 ·軽量化、 電装ゃノヽイブリット化に よる補機類の増加等によりエンジンルームは狭小となっている。 そのため、 ラジ エータゃコンデンサの配置の制約が大きくなる。 これらが適切に排熱されない場 合は、 内 関の冷却効率の 匕や空調装置の効率の悪化が発生するという問題 がある。 さらに、 燃費向上のためには軽量化が望ましく、 部品点数の削減も求め られている。
例えば、 引用文献 2には、 冷凍サイクルのコンデンサの凝縮熱をランキンサイ クルシステムに利用するものであるが、 冷凍サイクルにはコンデンサが設けられ ているので、 前述のような問題が発生しうる。
本宪明はこのような問題点に鑑みてなされたものであり、 内 β関の排熱及び 冷凍サイクルシステムの排熱を有効的に利用しつつ、 部品点数を削減し、 スぺー スの有効利用が可能な排熱回生システムを提供することを目的とする。
本発明の一態様に係る排熱回生システムは、 内燃機関が発生する熱を冷却水に より冷却する内 関冷却システムと、 冷媒を圧縮するコンプレッサと、 前記コ ンプレッサにより圧縮された冷媒を気ィ匕させる膨張弁と、 前記気化された冷媒に より空気を冷却するエバポレータと、 前記冷媒の温度を測定する第 1の温度セン ザと、 前記コンプレッサによって圧縮された冷媒とランキンサイクルシステムの 作動媒体とで熱交換する熱交^^と、 を備える冷凍サイクルシステムと、 l己冷 却水の熱によって作動媒体を気ィ匕させるエバポレータと、 前記気化された »J媒 体によりエネルギーを発生させる膨張器と、 前記気化された ί«媒体を して 液ィ匕させるコンデンサと、 漏己液化された^ »媒体を前記熱交 へと送るボン プと、 前記 «媒体の^^を測定する第 2の センサと、 を備えるランキンサ イタルシステムと、 鍵己冷媒の? と編己 ¾¾媒体の温度との? 差が所定値以 上となるように、 前記冷媒の と前記 ¾媒体の asとを制御するコントロー ルュニットと、 を備えることを特徴とする。
本発明の一態様に係る排熱回収システムによれば、 冷凍サイクルシステムの冷 媒とランキンサイクルシステムの作動媒体とで熱交換するので、 内 β関の冷却 水のみを利用する場合と比較して、 ランキンサイクルシステムの効率が高まる。 また、 冷凍サイクルシステムに、 従来必要だったコンデンサを備えないので、 部 品点数が削減でき、 排熱回生システム全体を小型化できる。 また、 従来、 大気と の熱交換が必要であったコンデンサを備えないので、 冷凍サイクルシステムの配 置 · レイアウトの自由度が高まり、 スペース効率を高めることができる。 図面の簡単な説明
図 1は、 本発明の実施の形態の排熱回生システムの構成図である。
図 2は、 本発明の実施の形態の排熱回生システムの制御のフローチヤ一トであ る。 発明を実施するための最良の形態
以下に、 本発明の実施の形態を図面を用いて説明する。
図 1は、 本発明の実施の形態の排熱回生システム 1の説明図である。
図 1に示すように、 排熱回生システム 1は、 ランキンサイクルシステム 1 0と 、 エンジン冷却システム 2 0と、 冷凍サイクルシステム 3 0とを備える。 これら は、 例えば内 »関 （エンジン） を動力とする車両に搭載される。
ランキンサイクルシステム 1 0は、 作動媒体 （ランキン作動媒体） が矢印方向 に循環する «媒体経路 1 1と、 冷却水からの熱を用いて «媒体を気化させる エバポレータ 1 2と、 気ィ匕された作動媒体によりエネルギーを発生させる膨張器 1 3と、 気化された 媒体を «して液ィ匕させるコンデンサ 1 4と、 液化され た ί^1¾媒体を循環させるポンプ 1 5と、 後述する冷凍サイクルシステム 3 0の冷 媒の熱を用いて作動媒体を加熱する熱交 （プレボイラ） 1 6と、 を備える。 なお、 ランキンサイクルシステムの作動媒体は R 1 3 4 aを用いるが、 その他の 作動媒体を用いてもよい。
作動媒体経路 1 1のうち、 プレボイラ 1 6の入口付近には、 このプレボイラ 1 6の入口付近の作動媒体温度を測定する温度センサ （第 2の温度センサ） 1 7が 備えられている。 また、 ポンプ 1 5は、 後述するように吐出圧が可変である。 このように、 ランキンサイクルシステム 1 0は、 プレボイラ 1 6及びエバポレ ータ 1 2において熱を吸収した作動媒体を、 膨張器 1 3において一気に膨張させ ることによりエネルギーを発生させる。 このエネルギーは、 例えば、 回転動力と して発 に伝えて発電したり、 ポンプに伝えて流体を圧送することができる。 なお、 膨張器 1 3を経由した ί權媒体は、 コンデンサ 1 4において大気と熱交換 することで液ィ匕される。 コンデンサ 1 4は、 必要に応じてファンが備えられる。 エンジン冷却システム （内燃機関冷却システム） 2 0は、 内燃機関であるェン ジン 2 2と、 冷却水が循環する冷却水経路 2 1を備える。 エンジン 2 2の運転に より発生した熱は、 冷却水の循環によって、 冷却水経路 2 1からランキンサイク ノレシステム 1 0のエバポレータ 1 2に送られる。 このエバポレータ 1 2において 、 冷却水とランキンサイクルシステム 1 0の作動媒体とで熱交換される。 なお、 図示しないが、 エンジン冷却システム 2 0には、 ラジェータ、 ヒータ、 バイパス 経路等が備えられる。
なお、 本実施形態では、 エンジン 2 2の熱を吸収した冷却水をエバポレータ 1 2に通過させて熱交換を行う。 これに対して、 例えば、 エンジン 2 2の排気管の 排熱を回収する経路を備え、 この回収経路を経由した冷却水をエバポレータに送 るように構成してもよレ、。 また、 エンジン冷却システム 2 0とは別の経路を備え 、 ポンプ等を用いてエンジン 2 2又は排気管の排熱をエバポレータ 1 2へと送る ように構成してもよい。
冷凍サイクルシステム 3 0は、 冷媒 （エアコン冷媒） が矢印方向に循環される 冷醒路 3 1中に、 コンプレッサ 3 2、 膨張弁 3 5、 エバポレータ 3 6及びプレ ボイラ 1 6を備える。 なお、 冷媒は一般的に R 1 3 4 aが用いられる。
コンプレッサ 3 2は、 冷媒を圧縮して高温高圧の冷媒としてプレボイラ 1 6に 送出する。 プレボイラ 1 6では、 冷媒とランキンサイクルシステムの作動媒体と で熱交換する。 この熱交換により冷媒が纖されて液化する。 膨張弁 3 5は、 液 相の冷媒を膨張させることにより気ィ匕させ、 低温低圧の冷媒としてエバポレータ 3 6に送出する。 エバポレータ 3 6は、 送出された低温の冷媒とエバポレータ 3 6を通過する空気とを熱交換させ、 この空気を冷却する。 この冷却された空気が 車両の空調に用いられる。
冷媒経路 3 1のうち、 プレボイラ 1 6の入口付近には、 このプレボイラ 1 6の 入口付近の冷媒温度を測定する温度センサ （第 1の温度センサ） 3 7が備えられ ている。 また、 コンプレッサ 3 2は、 後述するように吐出圧が可変である。 また 、 排熱回生システム 1は、 これら センサ 1 7、 3 7が測定した に基づい て、 ポンプ 1 5及びコンプレッサ 3 2を制御するエンジンコントロールュニット
(E C U) 5 0が備えられている。 以上のように、 本発明の実施の形態の排熱回生システム 1は、 まず、 プレボィ ラ 1 6において、 ランキンサイクルシステム 1 0の ί働媒体と冷凍サイクルシス テム 3 0の冷媒とで熱交換することで、 ランキンサイクノレシステム 1 0の^ ¾媒 体を加熱する。 その後、 エバポレータ 1 2において、 ランキンサイクノレシステム 1 0の ¾媒体とエンジン冷却システム 2 0の冷却水とが熱交換することで、 ラ ンキンサイクルシステム 1 0の作動媒体をさらに加熱する。 これらの熱が、 膨張 器 1 3においてエネルギーに変換される。
このような構成によって、 エンジン 2 2が発生する熱をエネルギーとして再利 用できだけではなく、 冷凍サイクルシステム 3 0において発生する熱をもェネル ギ一として再利用することができ、 よりエネルギー効率が高いランキンサイクル システム 1 0を ¾ftすることができる。
またさらに、 本発明の実施の形態の排熱回生システム 1は、 ランキンサイクル システム 1 0の 媒体と冷凍サイクルシステム 3 0の冷媒とをプレボィラ 1 6 において熱交換するよう構成した。 これにより、 従来、 冷凍サイクルシステム 3 0において必要であった、 コンプレッサ 3 2の凝縮熱を放出するためのコンデン サを備える必要がなくなり、 システム全体を小型化することができる。
ここで、 ランキンサイクルシステム 1 0及び冷凍サイクルシステム 3 0は、 そ れぞれ独立した熱サイクルで稼働している。 そのため、 ランキンサイクルシステ ム 1 0の作動媒体と冷凍サイクルシステム 3 0の冷媒とが適切に熱交換されるよ うに、 これらの を制御する必要がある。
図 2は、 本発明の実施の形態のランキンサイクルシステム 1 0及び冷凍サイク ルシステム 3 0の制御を示すフローチャートである。
この図 2に示す処理は、 ランキンサイクルシステム 1 0のポンプ 1 5と、 冷凍 サイクルシステム 3 0のコンプレッサ 3 2との吐出圧をそれぞれ制御することに より、 ランキンサイクルシステム 1 0の ¾媒体と冷凍サイクルシステム 3 0の 冷媒との温度をそれぞれ制御するものである。 なお、 この制御は車両の各種制御 を司るエンジンコントロールユニット （E CU) 5 0によって行われる。
本フローチヤ一トの処理は、 車両の制御パネルのエアコンのスィツチが ONに される等、 冷凍サイクルシステム 3 0の制御が開始されたときに実行される （ス テツプ S 1 0 )。
なお、 冷凍サイクルシステム 3 0が制御されていない^、 すなわち、 冷媒が 循環していない状態では、 本フローチャートによる制御を実行しない。 この 、 ランキンサイクルシステム 1 0は、 エバポレータ 1 2においてのみ熱を受け取 る。 プレボイラ 1 6においては、 作動媒体が通過するのみである。
次に、 E CU 5 0は、 ランキンサイクルシステム 1 0の ¾¾媒体の温度と冷凍 サイクルシステム 3 0の冷媒の? asとの a¾差 Xを算出し、 この 差 Xが、 所 定値 A以上である力否かを判定する （ステップ S 2 0 )。
なお、 所定値 Aは、 ランキンサイクルシステム 1 0の作動媒体と冷凍サイクル システム 3 0の冷媒とで適切に熱交換が行われるための 差の下限値である。 所定値 Aは、 ランキンサイクルシステム 1 0や冷凍サイクルシステム 3 0の特性 によって任意に決定されうる値である。
この所定値 Aは、 例えば、 次の式により算出する。
A = QZL
ただし、
Q ： コンプレッサ 3 2の凝縮熱 (kW)
L：冷凍サイクルシステム 3 0が必要とする平均放熱率 （kW/°C) である。
すなわち、 プレボイラ 1 6において、 ランキンサイクルシステム 1 0の作動媒 体と冷凍サイクルシステム 3 0の冷媒との 差が A以上であれば、 冷凍サイク ルシステム 3 0においてコンプレッサ 3 2によって発生した凝縮熱が、 ランキン サイクルシステム 1 0の «媒体へと吸収される。 これにより、 従来、 冷凍サイ クルシステム 3 0に必要であった、 前述の Lを満たす容量を持つコンデンサを備 える必要がなくなる。
^^差 Xが所定値 Aよりも小さいと判定した場合は、 ステップ S 3 0に^し 、 E CU 5 0は、 ランキンサイクルシステム 1 0の ¾)媒体と冷凍サイクルシス テム 3 0の冷媒との 差を増加させる制御を実行する。
差 Xが所定値 Aよりも小さい^は、 ランキンサイクルシステム 1 0の作 動媒体と冷凍サイクルシステム 3 0の冷媒との 差が、 熱交換するには小さす ぎる。 そのため、 過剰な熱のために冷凍サイクルシステム 3 0の効率が著しく低 下する場合がありうる。
そこで、 ステップ S 3 0において、 E CU 5 0は、 ランキンサイク システム 1 0のポンプ 1 5の吐出圧を減少させる制御を実行する。 一方で、 冷凍サイクル システム 3 0のコンプレッサ 3 2の吐出圧を増加させる処理を実行する。
この処理によって、 ランキンサイクルシステム 1 0の ¾¾媒体の が下降す る。 一方、 冷凍サイクルシステム 3 0の冷媒の は上昇する。 この結果、 ¾ 差 Xが増加し、 熱交換するために適切な 差となる。
一方、 温度差 Xが所定値 A以上であると判定した場合は、 ステップ S 4 0に移 行する。
温度差 Xが所定値 A以上である場合は、 ランキンサイクルシステム 1 0の作動 媒体と冷凍サイクルシステム 3 0の冷媒との温度差 Xは熱交換を行うのに十分で ある。 そこで、 E C U 5 0は、 温度差に関与する制御を行うことなく、 各々のシ ステムで独立して制御を行う。 具体的には、 E C U 5 0は、 冷凍サイクルシステ ム 3 0のコンプレッサ 3 2を、 エアコン制御の指令値に基づいた吐出圧に制御す る。 一方、 ランキンサイクルシステム 1 0のポンプ 1 5を、 ランキンサイクルシ ステム 1 0の制御の指令値に基づいた吐出圧に制御する。
以上のように、 プレボィラ 1 6の入口の冷媒及ぴ作動媒体の温度差に基づいて 、 £じ11 5 0カ コンプレッサ 3 2及びポンプ 1 5の吐出圧を制御することによ つて、 冷媒及ぴ作動媒体の をコントローノレし、 適切な 差に制御すること ができる。
なお、 ポンプ 1 5又はコンプレッサ 3 2の吐出圧と液相の冷媒又は作動媒体の ¾とは対数比例するため、 吐出圧を制御することにより、 冷媒又は作動媒体の 温度を容易に制御することができる。 なお、 冷媒及ぴ 媒体の温度を測定する のではなく、 コンプレッサ 3 2及びポンプ 1 5の入口及び出口の圧力差によって 、 温度を算出してもよい。
なお、 これらポンプ 1 5又はコンプレッサ 3 2には、 例えば斜板式やべーン式 等の可変容量型のポンプ等を用いことにより、 吐出圧を可変させる。
以上のように、 本発明の実施の形態では、 エンジン 2 2の排熱を利用してエネ ルギーを発生するランキンサイクルシステム 1 0において、 冷却水のみならず、 冷凍サイクルシステム 3 0の冷媒の熱をも用いて、 より大きな熱を得ることがで きょう構成した。 これにより、 ランキンサイクルシステム 1 0のエネルギー効率 を高めることができる。
そして、 冷凍サイクルシステム 3 0の冷媒とで熱交換するプレボイラ 1 6を備 えたので、 冷凍サイクルシステム 3 0の経路内に、 大気と熱交換するためのコン デンサを備える必要がなくなる。 これにより、 空間に余裕が生じ、 車両のスぺー ス効率を高めることができる。 また、 部品点数が少なくなるため、 コストを低減 することができると共に、 燃費効率を高めることができる。 特に、 従来冷凍サイクルシステムに必要であったコンデンサは、 大気と熱交換 するという特徴から、 車両の走行風を利用するために車両の前方に備える必要が あった。 本発明の実施の形態のプレボイラ 1 6は、 大気との熱交換する必要がな いため、 搭載位置の制限がない。 例えばプレボイラ 1 6を床下や車両後方に配置 することもできる。 これにより、 ランキンサイクルシステム 1 0や冷凍サイクル システム 3 0のレイァゥトの自由度が高まるので、 スペース効率を高めることが できる。
さらに、 コンプレッサ 3 2及ぴポンプ 1 5を制御して、 ランキンサイクルシス テム 1 0の ί働媒体と冷凍サイクルシステム 3 0の冷媒との 差を所定値以上 に制御するので、 冷凍サイクルシステム 3 0の効率を低下させることなく、 冷凍 サイクルシステム 3 0とランキンサイクルシステム 1 0とで確実に熱交換するこ とができる。 また、 これら冷媒と作動媒体との 制御は、 E C U 5 0によって 、 コンプレッサ 3 2及びポンプ 1 5の吐出圧を制御すればよく、 特殊な構成を追 加する必要がない。
なお、 本発明の実施の形態では、 エンジン 2 2に用いられるエンジン冷却シス テム 2 0を例に説明したが、 内 β関の排熱の利用に限られるものではない。 例 えば燃料電池や、 モータ、 バッテリ等の排熱を利用するように構成してもよい。 また、 本発明の実施の形態では、 冷凍サイクルシステム 3 0の冷媒を R 1 3 4 aと例示した力 その他の冷媒を用いてもよい。 例えば 熱が高い C O 2を冷 媒として用いて、 ランキンサイクルシステム 1 0の作動媒体との ¾ ^差を十分に とることができれば、 図 2のような吐出圧制御を行う必要がなくなる。 これによ り、 コンプレッサ 3 2やポンプ 1 5の構造が簡素となると共に、 C 0 2冷媒の排 熱により熱回生効率が高まる。
本願は、 2 0 0 8年 2月 2 7日に日本国特許庁に出願された特願 2 0 0 8— 0 4 5 7 8 6に基づく優先権を主張するものである。 これらの出願の全ての内容は 参照により本明細書に組み込まれる。

Claims

請 求 の 範 囲 請求項 1
内燃機関 （22) が発生する熱を冷却水により冷却する内燃機関冷却システム (20) と、
冷媒を圧縮するコンプレッサ （32) と、 前記コンプレッサ （32) により圧 縮された冷媒を気化させる膨張弁 （35) と、 前記気化された冷媒により空気を 冷却するエバポレータ （36) と、 前記冷媒の温度を測定する第 1の温度センサ (37) と、 ttllSコンプレッサによって圧縮された冷媒とランキンサイクルシス テム （10) の ^媒体とで熱交換する熱交觸 （16) と、 を備える冷凍サイ クルシステム （30) と、
tiita冷却水の熱によって ^ft媒体を気ィ匕させるエバポレータ （12) と、 前記 気ィ匕された ί^»媒体によりエネルギーを発生させる膨張器 （13) と、 前記気化 された作動媒体を^^して液ィ匕させるコンデンサ （14) と、 前記液ィ匕された作 動媒体を前記熱交麵 (16) へと送るポンプ （15) と、 前記 ί働媒体の^^ を測定する第 2の センサ （17) と、 を備えるランキンサイクルシステム （ 10) と、
前記冷媒の Sと鍵己作動媒体の との温度差が所定値以上となるように、 前記冷媒の と前記作動媒体の とを制御するコント口一ルュニット （50 ) と、 を備える
熱回生システム。 請求項 2
請求項 1に記載の排熱回生システムにおいて、 前記第 1の温度センサ （37) は、 前記熱交換器 （16) の冷媒の入口に備え られ、
前記第 2の温度センサ （17) は、 前記熱交換器 （16) の作動媒体の入口に 備えられ、
前記コントロールユニット （50) は、 前記熱交 « (16) の入口の前記冷 媒の温度と前記作動媒体の温度との温度差に基づいて、 前記ポンプ （15) の吐 出圧、 及ぴ、 前記コンプレッサ （32) の吐出圧を制御する
熱回生システム。 請求項 3
請求項 1又は 2に記載の排熱回生システムにおいて、
前記コントロールユニット （50) は、
前記冷媒の温度及び前記作動媒体の温度の温度差と、 所定値とを比較し、 前記温度差が前記所定値を下回っている場合は、 前記ポンプ （15) の吐出圧 を下げると共に、 前記コンプレッサ （32) の吐出圧を上げる
熱回生システム。
訂正された用紙 （規則 91 ISA/JP)
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