WO2019130885A1 - 車両用廃熱回収装置 - Google Patents

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WO2019130885A1
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heat exchanger
working fluid
engine
waste heat
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Inventor
中村　慎二
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サンデンホールディングス株式会社
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    • F01K—STEAM ENGINE PLANTS; STEAM ACCUMULATORS; ENGINE PLANTS NOT OTHERWISE PROVIDED FOR; ENGINES USING SPECIAL WORKING FLUIDS OR CYCLES
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    • F01K23/02—Plants characterised by more than one engine delivering power external to the plant, the engines being driven by different fluids the engine cycles being thermally coupled
    • F01K23/06—Plants characterised by more than one engine delivering power external to the plant, the engines being driven by different fluids the engine cycles being thermally coupled combustion heat from one cycle heating the fluid in another cycle
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
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    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F02—COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
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    • F02G5/00—Profiting from waste heat of combustion engines, not otherwise provided for
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    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02T—CLIMATE CHANGE MITIGATION TECHNOLOGIES RELATED TO TRANSPORTATION
    • Y02T10/00—Road transport of goods or passengers
    • Y02T10/10—Internal combustion engine [ICE] based vehicles
    • Y02T10/12—Improving ICE efficiencies

Definitions

  • the present invention comprises a refrigerant pump for circulating a working fluid, a heater for heating the working fluid sent by the refrigerant pump by waste heat of a vehicle engine, and expanding a working fluid heated and vaporized by the heater.
  • the present invention relates to a waste heat recovery apparatus for a vehicle including a Rankine cycle having an expander that generates an output and a Rankine condenser that condenses a working fluid expanded by the expander.
  • the waste-heat regeneration system which is disclosed by patent document 1 and produces
  • the waste heat recovery system utilizing the waste heat of the engine includes an internal combustion engine cooling system for cooling the heat generated by the internal combustion engine with cooling water, a compressor for compressing the refrigerant, and an expansion valve for evaporating the refrigerant compressed by the compressor.
  • a refrigerant cycle system comprising: an evaporator which cools air by the vaporized refrigerant; a heat exchanger which exchanges heat between the refrigerant compressed by the compressor and the medium of the Rankine cycle system; and a medium by the heat of the cooling water
  • An evaporator for evaporating the vapor an expander for generating energy by the vaporized medium, a condenser for condensing and liquefying the vaporized medium, and a pump for delivering the liquefied medium to the heat exchanger It is a waste heat regeneration system provided with the Rankine cycle system provided.
  • a so-called condenser that condenses the refrigerant in the refrigeration cycle system is a heat exchanger that exchanges heat with the medium of the Rankine cycle system. Therefore, when the Rankine cycle system is not operated, there is a problem that the refrigerant discharged by the compressor is not sufficiently condensed in the refrigeration cycle system and the efficiency is not improved.
  • Patent Document 2 is a waste heat regeneration system that generates energy using waste heat of an engine, and an air conditioner that performs heat exchange between a working fluid of a Rankine cycle and an air conditioner refrigerant.
  • the waste heat regeneration system of Patent Document 2 does not operate the Rankine cycle because it is a waste heat regeneration system provided with a heat exchanger and a refrigeration cycle provided with an air conditioner condenser downstream of the air conditioner heat exchanger. Even in the state, the refrigerant discharged from the compressor can be condensed by the air conditioner condenser.
  • Such a waste heat recovery system of Patent Document 2 is a waste heat recovery system that recovers energy using the waste heat of the engine and the waste heat of the refrigeration cycle, and the air conditioner condenser is used even when the Rankine cycle is not operated.
  • the refrigerant discharged from the compressor can be condensed, the refrigerant always flows through the air-conditioner heat exchanger even when the Rankine cycle is not operated, so the problem is that the power consumption of the compressor is increased due to the pressure loss. was there.
  • the present invention solves the above-mentioned problems of the prior art, and suppresses an increase in power consumption of the compressor by suppressing the pressure loss of the refrigerant in the refrigeration cycle even when the Rankine cycle is not operated. To provide a waste heat recovery system for vehicles.
  • the invention according to claim 1 is a heater for heating a working fluid by using waste heat of an engine, and expansion for generating power by expanding the working fluid via the heater. And a Rankine condenser for condensing the working fluid via the expander, and a Rankine cycle circuit including a working fluid pump for sequentially delivering a working fluid via the Rankin condenser to the heater.
  • the engine cooling water system having a Rankine cycle system, an engine cooling water circuit in which cooling water circulates via a pump via the heater and the engine, a compressor for compressing a refrigerant, and compression by the compressor A radiator for exchanging heat with the outside air, a decompressor for decompressing the refrigerant after heat exchange with the outside air with the radiator, and an evaporator for heating the decompressed refrigerant in this order
  • a refrigeration cycle system having a freezing cycle circuit, between the working fluid pump and the heater in the Rankine cycle circuit, and between the working fluid and the refrigerant, between the compressor and the radiator in the refrigeration cycle circuit.
  • the refrigeration cycle circuit includes between the compressor and the heat exchanger, and between the heat exchanger and the radiator. And a switching device for switching the flow of the refrigerant to the heat exchanger side or the bypass path side.
  • the invention according to claim 2 is the waste heat recovery system for a vehicle according to the invention according to claim 1, wherein the switching device is a switching valve provided at a connection portion of the bypass passage.
  • the switching device causes the refrigerant to flow to the heat exchanger side during operation of the Rankine cycle system, and does not operate during operation of the Rankine cycle system. It is a waste heat recovery system for vehicles controlled so that a refrigerant bypasses the heat exchanger and flows to the said bypass way side.
  • heat is exchanged between the working fluid and the refrigerant between the working fluid pump and the heater in the Rankine cycle circuit and between the compressor and the radiator in the refrigeration cycle circuit.
  • the refrigeration cycle circuit is connected between the compressor and the heat exchanger, between the heat exchanger and the radiator, and the heat exchange is performed.
  • a switching device for switching the flow of the refrigerant to the heat exchanger side or the bypass path side, so that the heat of the refrigerant compressed by the operation of the compressor in the refrigeration cycle system is the Rankine cycle circuit
  • the waste heat of the refrigeration cycle system can be used for the Rankine cycle system, and the Rankine cycle system can also be supplied. In the state of not being operated, it is possible to ensure that refrigerant does not flow through the heat exchanger, there is an advantage that can be suppressed resulting in increased consumption power of the compressor by pressure loss.
  • the switching device is a switching valve provided at the connection portion of the bypass path, there is an advantage that it is easy to connect the switching valve to the refrigeration cycle circuit.
  • the switching device allows the refrigerant to flow to the heat exchanger during the operation of the Rankine cycle system, and the refrigerant bypasses the heat exchanger and flows to the bypass path during the non-operation of the Rankine cycle system. Since it is possible to ensure that the refrigerant does not flow through the heat exchanger when the Rankine cycle system is not operated, there is an advantage that it is possible to suppress an increase in power consumption of the compressor due to a pressure loss. is there.
  • FIG. 1 is a view showing the configuration of a vehicle waste heat recovery system 1 according to an embodiment of the present invention, and the waste heat recovery system of the present invention is a vehicle waste heat recovery system for recovering waste heat from a vehicle engine. is there.
  • the vehicle waste heat recovery system 1 includes a Rankine cycle system 2, an engine cooling water system 3, and a refrigeration cycle system 4, and the vehicle waste heat recovery system 1 includes a controller 5.
  • the control device 5 controls each of the Rankine cycle system 2, the engine cooling water system 3, and the refrigeration cycle system 4.
  • the Rankine cycle system 2 is a system that recovers the waste heat of the engine and converts it into electric power or a rotational driving force that assists the engine, and heats the circulating working fluid via the coolant of the engine 23 described later.
  • a Rankine cycle circuit 10 in which a working fluid pump 14 for delivering the working fluid passed through to the heater 11 is sequentially disposed.
  • the engine cooling water system 3 is a system for cooling the engine 23, which is an internal combustion engine mounted in a vehicle, and sequentially passes through the engine 23, the pump 24, the thermostat 25, and the radiator 26 through which cooling water for cooling the engine 23 passes.
  • the engine cooling water circuit 20 is provided with a circulation passage 21 disposed and a branch passage 22 disposed in the middle of the circulation passage 21.
  • the branch passage 22 is between the pump 24 and the radiator 26 and is provided with a thermostat 25. Are branched off from the circulation path at a branch point 28 where they are disposed, and merge again into the circulation path 21 at a branch point 28 between the radiator 26 and the engine 24.
  • the pump 24 pumps the coolant that has passed through the engine 23, and the thermostat 25 adjusts the amount of coolant flowing into either the radiator side or the branch passage side according to the temperature of the coolant according to the temperature of the coolant.
  • the coolant passing through the thermostat 25 and flowing into the radiator side passes through the radiator 26 and is cooled by exchanging heat with the traveling wind by the traveling of the vehicle or the air flow by the fan (not shown), and is sent to the engine 23.
  • the cooling water that has passed through 25 and flowed into the branch passage side is sent to the engine via the branch point 28 without passing through the radiator 26.
  • the thermostat 25 flows the cooling water to the branch passage side without flowing it to the radiator side, and the temperature of the cooling water is a predetermined set temperature
  • the cooling water is allowed to flow to the radiator without flowing to the branch passage, and the amount of cooling water flowing to the radiator and the amount of cooling water flowing to the branch passage are adjusted according to the temperature of the cooling water.
  • the pump 24 is driven by the engine 23, it may be driven by other driving means such as an electric motor.
  • the cooling water passing through the engine 23 is not high temperature either, so the cooling water flows through the branch passage 22 without flowing to the radiator side and flows into the engine 23 again.
  • the cooling water is also at a high temperature, the cooling water flows to the radiator side and is cooled by the radiator 26, and then flows again to the engine 23 to cool the engine 23.
  • the engine coolant system 3 has a heater core 27 which is a heat exchange for warming the space in the vehicle cabin.
  • the heater core 27 is a heat exchanger that heats the passenger compartment space by exchanging heat with cooling water warmed by waste heat of the engine 23 and air in the space where the heater core 27 is installed.
  • the heater core 27 is engine cooling water It is disposed on the circulation path of the circuit 20 and between the engine 23 and the branch passage 22.
  • the heater core 28 is disposed on the circulation path of the engine coolant circuit 20.
  • the heater core 27 may be disposed on a passage which branches from the circulation passage 21 and joins the circulation passage 21 again. Absent. In that case, a switching valve is provided at a branch point branched from the circulation passage 21 to control to flow the cooling water to the heater core side or to flow to the circulation passage side without flowing to the heater core side.
  • the heater 11 disposed in the Rankine cycle circuit 10 is a heater 11 disposed also in the branch passage 22 of the engine coolant circuit 20, and working fluid circulating in the Rankine cycle circuit 10, and engine coolant
  • the heater 11 performs heat exchange with cooling water circulating in the circuit 20.
  • the Rankine cycle system 2 recovers the engine waste heat through the cooling water circulating through the engine cooling water circuit 20, and converts it into electric power or rotational driving force for assisting the engine.
  • the working fluid pump 14 disposed in the Rankine cycle circuit 10 is driven when the temperature of the cooling water immediately before passing through the heater 11 becomes equal to or higher than a predetermined second set temperature (for example, 85 ° C.). Is controlled so as to stop when the temperature of the cooling water immediately before passing through becomes lower than a predetermined second set temperature.
  • a predetermined second set temperature for example, 85 ° C.
  • the refrigeration cycle system 4 is used for an air conditioning system mounted in a vehicle, and the compressor 31 driven by the engine 23 or driven by an electric motor to compress the refrigerant, and the refrigerant compressed by the compressor 31 is the outside air
  • the radiator 32 as a condenser that condenses by heat exchange
  • the expansion valve 33 as a decompression device that decompresses the refrigerant after condensing heat by exchanging heat with the outside air with the radiator 32, and cooling the air inside the vehicle compartment
  • the refrigeration cycle circuit 30 is provided with an evaporator 34 for sequentially exchanging the heat of the refrigerant decompressed by the expansion valve 33 with the air in the vehicle compartment.
  • the radiator 32 as a condenser is used.
  • the refrigerant is carbon dioxide
  • a carbon dioxide refrigerant does not condense, so a carbon dioxide refrigerant is used instead of the condenser 32 as a condenser. It may be a heat exchanger that dissipates heat.
  • the operation of the refrigeration cycle system 4 is performed by turning on the switch of the air conditioning system (not shown) by the vehicle user, and in the case where the compressor 31 is operated by driving the engine 23, for example, the engine 23 and the compressor
  • An electromagnetic clutch (not shown) disposed between 31 transmits the drive of the engine 23 to the compressor 31 and drives the compressor 31 when the air conditioning system is turned on.
  • the electric motor operates to drive the compressor 31 by turning on the switch of the air conditioning system.
  • the vehicle waste heat recovery system 1 includes a heat exchanger 15 that exchanges heat between the refrigerant flowing in the refrigeration cycle circuit 30 and the working fluid flowing in the Rankine cycle circuit 10.
  • the heat exchanger 15 is disposed between the compressor 31 and the radiator 32 of the refrigeration cycle circuit 30 and between the working fluid pump 14 of the Rankine cycle circuit 10 and the heater 11. The heat of the refrigerant discharged from the heat exchanger 15 is transferred to the working fluid flowing out of the working fluid pump 14 through the heat exchanger 15.
  • the refrigeration cycle system 30 is connected between the compressor 31 and the heat exchanger 15 and between the heat exchanger 15 and the radiator 32 to bypass the heat exchanger 15, and compression And the switching valve 36 serving as a switching device for switching the flow of the refrigerant discharged from the compressor 31 to the heat exchanger side or the bypass path side
  • the switching valve 36 is a compressor side connection portion of the bypass path 35 (a compressor It is disposed at the connection with the passage between the heat exchangers.
  • the switching valve 36 is disposed at the compressor side connection portion of the bypass passage 35, but the switching valve 36 is the radiator side connection portion of the bypass passage 35 (between the heat exchanger and the radiator). It may be disposed at the connection with the passage).
  • the switching device is the switching valve 36.
  • the switching device is provided with an open / close valve on each of the bypass road and the refrigeration cycle circuit in which the heat exchanger 15 to be bypassed is disposed.
  • the flow of the refrigerant discharged from the compressor 31 may be switched to the heat exchanger side or the bypass path side.
  • the operation of the switching valve 36 is performed by the controller 5 as follows.
  • the control device 5 controls the switching valve 36 so that the refrigerant flows to the heat exchanger during the operation of the Rankine cycle system 2 and the refrigerant bypasses the heat exchanger 15 and flows to the bypass when the Rankine cycle system 2 is not operated. . Therefore, in the state where the Rankine cycle system 2 is not operated, it is possible to ensure that the refrigerant does not flow through the heat exchanger 15. Therefore, it is possible to suppress an increase in power consumption of the compressor 31 due to a pressure loss. .
  • the pump 24 is driven to circulate coolant through the engine coolant circuit 20. Since the temperature of the cooling water is low at the start of the engine and the temperature of the cooling water passing immediately before the thermostat 25 is less than the first set temperature (90 ° C.), the cooling water flows into the branch passage side not the radiator side by the thermostat 25 Then, after passing through the heater 11, it flows into the engine 23 again and circulates in the engine coolant circuit 20.
  • the working fluid pump 14 When the warm-up of the engine is promoted and the temperature of the cooling water rises, and the temperature of the cooling water just before passing through the heater 11 reaches the second set temperature (85 ° C.), the working fluid pump 14 is driven to operate The fluid circulates through the Rankine cycle circuit 10 to start the operation of the Rankine cycle system 2, and the expander 12 is driven to generate power.
  • the switching valve 36 switches so that the refrigerant flows to the heat exchanger side, and the refrigerant flows through the heat exchanger 15.
  • the working fluid pump 14 is stopped and the operation of the Rankine cycle system 2 is finished, and the operation of the Rankine cycle system 2 is finished Then, the switching valve 36 switches so that the refrigerant flows to the bypass passage side, and the refrigerant bypasses the heat exchanger 15 and flows through the bypass passage 35.
  • the control device 5 stops driving the working fluid pump 14 because the Rankine output is insufficient.

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Abstract

【課題】冷凍サイクルシステムとエンジン冷却水システムの廃熱をランキンサイクルシステムに供給することができる車両用廃熱回収システムを提供するものである。 【解決手段】圧縮機３１と熱交換器１５との間と、熱交換器１５と放熱器３２との間と接続して、熱交換器１５をバイパスするバイパス路３５と、冷媒の流れを熱交換器側またはパイパス路側に切換える切換弁３６が設けられている車両用廃熱回収システム１。

Description

車両用廃熱回収装置
　本発明は、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を備えた車両用廃熱回収装置に関する。
　従来技術として、特許文献１に開示されエンジンの廃熱を利用してエネルギーを生成する廃熱回生システムが知られている。このエンジンの廃熱を利用する廃熱回生システムは、　内燃機関が発生する熱を冷却水により冷却する内燃機関冷却システムと、冷媒を圧縮するコンプレッサと、コンプレッサにより圧縮された冷媒を気化させる膨張弁と、気化された冷媒により空気を冷却するエバポレータと、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媒体とで熱交換を行う熱交換器と、を備える冷凍サイクルシステムと、冷却水の熱によって媒体を気化させる蒸発器と、気化された媒体によりエネルギーを発生させる膨張器と、気化された媒体を凝縮して液化させる凝縮器と、液化された媒体を前記熱交換器へと送るポンプと、を備えるランキンサイクルシステムと備えた廃熱回生システムである。
　特許文献１の廃熱回生システムは、冷凍サイクルシステムにおいて冷媒を凝縮させるいわゆる凝縮器はランキンサイクルシステムの媒体とで熱交換を行う熱交換器である。従って、ランキンサイクルシステムが運転されていない状態では冷凍サイクルシステムにおいてコンプレッサによって吐出された冷媒が十分に凝縮されず効率が上がらないという課題が存在している。
　特許文献２には、特許文献１と同様に、エンジンの廃熱を利用してエネルギーを生成する廃熱回生システムであって、ランキンサイクルの作動流体とエアコン冷媒との間で熱交換を行うエアコン熱交換器と、そのエアコン熱交換器の下流側にエアコンコンデンサが設けてある冷凍サイクルを備えた廃熱回生システムであるため、特許文献２の廃熱回生システムは、ランキンサイクルが運転されていない状態でもエアコンコンデンサにより圧縮機から吐出された冷媒を凝縮することができる。　　
特開２００９－２０４２０４号 特開２０１１－８５０２５号
　このような特許文献２の廃熱回生システムは、エンジンの廃熱及び冷凍サイクルの廃熱を利用してエネルギーを回収する廃熱回生システムであり、ランキンサイクルが運転されていない状態でもエアコンコンデンサにより圧縮機から吐出された冷媒を凝縮することができるが、ランキンサイクルが運転されていない状態でも冷媒は必ずエアコン熱交換器を流れてしまうため、圧損により圧縮機の消費動力が上がってしまうという問題があった。
　本発明は、上記の従来技術の課題を解決するものであり、ランキンサイクルが運転されていない状態においても、冷凍サイクルでの冷媒の圧損を抑制して圧縮機の消費動力の上昇を抑制することができる車両用廃熱回収システム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、エンジンの廃熱を利用して作動流体を加熱する加熱器と、前記加熱器を経由した作動流体を膨張させて動力を発生する膨張機と、前記膨張機を経由した作動流体を凝縮させるランキン用凝縮器と、前記ランキン用凝縮器を経由した作動流体を前記加熱器へ送出する作動流体ポンプを順次配設したランキンサイクル回路を有するランキンサイクルシステムと、前記加熱器とエンジンとを経由して冷却水がポンプを介して循環するエンジン冷却水回路を有するエンジン冷却水システムと、冷媒を圧縮する圧縮機と、前記圧縮機で圧縮された冷媒を外気と熱交換させる放熱器と、前記放熱器で外気と熱交換された後の冷媒を減圧する減圧装置と、減圧された冷媒を加熱する蒸発器を順次配設した冷凍サイクル回路を有する冷凍サイクルシステムとを備え、ランキンサイクル回路における作動流体ポンプと加熱器との間で、かつ、冷凍サイクル回路における圧縮機と放熱器との間に、作動流体と冷媒との間の熱交換を行う熱交換器を設けた車両用廃熱回収システムにおいて、前記冷凍サイクル回路には、前記圧縮機と前記熱交換器との間と、前記熱交換器と前記放熱器との間と接続して、前記熱交換器をバイパスするバイパス路と、冷媒の流れを前記熱交換器側または前記パイパス路側に切換える切換装置が設けられている車両用廃熱回収システムである。
　また、請求項２の発明は、請求項１の発明において、前記切換装置は、前記バイパス路の接続部に設けられた切換弁である車両用廃熱回収システムである。
　また、請求項３の発明は、請求項１または請求項２に記載の発明において、前記切換装置は、ランキンサイクルシステムの運転時には冷媒を前記熱交換器側に流し、ランキンサイクルシステムの非運転時には冷媒が前記熱交換器をバイパスして前記バイパス路側に流れるよう制御される車両用廃熱回収システムである。
　本発明によれば、ランキンサイクル回路における作動流体ポンプと加熱器との間で、かつ、冷凍サイクル回路における圧縮機と放熱器との間に、作動流体と冷媒との間の熱交換を行う熱交換器を設けた車両用廃熱回収システムにおいて、前記冷凍サイクル回路には、圧縮機と前記熱交換器との間と、前記熱交換器と放熱器との間と接続して、前記熱交換器をバイパスするバイパス路と、冷媒の流れを前記熱交換器側またはパイパス路側に切換える切換装置が設けられているので、冷凍サイクルシステムにおける圧縮機の運転により圧縮された冷媒の熱をランキンサイクル回路を流れる作動流体に供給することができるため、冷凍サイクルシステムの廃熱をランキンサイクルシステムに利用することができ、また、ランキンサイクルシステムが運転されていない状態においては、冷媒が前記熱交換器を流れないようにすることができるので、圧損により圧縮機の消費動力が上がってしまうことを抑制できるという利点がある。
　また、前記切換装置は、前記バイパス路の接続部に設けられた切換弁であるため、冷凍サイクル回路に切換弁を接続するのが容易であるという利点がある。
　また、前記切換装置は、ランキンサイクルシステムの運転時には冷媒を前記熱交換器側に流し、ランキンサイクルシステムの非運転時には冷媒が前記熱交換器をバイパスして前記バイパス路側に流れるよう制御されるため、ランキンサイクルシステムが運転されていない状態においては、冷媒が前記熱交換器を流れないようにすることが確実にできるので、圧損により圧縮機の消費動力が上がってしまうことを抑制できるという利点がある。
本実施例である車両用廃熱回収システムの構成図 本実施例である車両用廃熱回収システムにおける冷媒の流れ（熱交換器側）を示す構成図 本実施例である車両用廃熱回収システムにおける冷媒の流れ（バイパス路側）を示す構成図 本実施例である車両用廃熱回収システムの制御のフローチャート図
　次に、図１～図４に基づいて本発明の本実施例の構成を説明する。
　図１は、本発明の実施例である車両用廃熱回収システム１の構成を示す図であり、本発明の廃熱回収システムは車両のエンジンから廃熱を回収する車両用廃熱回収システムである。車両用廃熱回収システム１は、ランキンサイクルシステム２とエンジン冷却水システム３と冷凍サイクルシステム４とを備え、また、車両用廃熱回収システム１は制御装置５を有している。制御装置５はランキンサイクルシステム２、エンジン冷却水システム３、冷凍サイクルシステム４の各システムの制御を行っている。
　ランキンサイクルシステム２は、エンジンの廃熱を回収して、電力、または、エンジンをアシストする回転駆動力に変換するシステムであり、循環する作動流体を後述するエンジン２３の冷却水を介して加熱する加熱器１１と、加熱器１１を経由した作動流体を膨張させて動力を発生する膨張機１２と、膨張機１２を経由した作動流体を凝縮させるランキン用凝縮器１３と、ランキン用凝縮器１３を経由した作動流体を加熱器１１へ送出する作動流体ポンプ１４を順次配設したランキンサイクル回路１０を備えている。
　エンジン冷却水システム３は、車両に搭載された内燃機関であるエンジン２３を冷却するためのシステムであり、エンジン２３を冷却する冷却水が通過するエンジン２３、ポンプ２４、サーモスタット２５、ラジエータ２６を順次配設した循環路２１と、循環路２１の中間に配設された分岐通路２２を備えたエンジン冷却水回路２０を有し、分岐通路２２はポンプ２４とラジエータ２６との間であってサーモスタット２５が配設されている分岐点２８で循環路から分岐し、再び、ラジエータ２６とエンジン２４の間の分岐点２８で循環路２１に合流する。
　ポンプ２４はエンジン２３を通過した冷却水を圧送し、サーモスタット２５はポンプ２４から圧送された冷却水を冷却水の温度によりラジエータ側または分岐通路側のいずれかへ流れ込む冷却水の量を調整する。サーモスタット２５を通過してラジエータ側へ流れ込んだ冷却水はラジエータ２６を通過することにより、車両の走行による走行風や図示しないファンによる送風と熱交換して冷却された後にエンジン２３に送られ、サーモスタット２５を通過して分岐通路側へ流れ込んだ冷却水はラジエータ２６を通過することなく分岐点２８を介してエンジンに送られる。例えば、サーモスタット２５は、冷却水の温度が所定の第１設定温度（例えば９０℃）未満の場合は冷却水をラジエータ側へ流すことなく分岐通路側へ流し、冷却水の温度が所定の設定温度以上の場合は冷却水を分岐通路側へ流すことなくラジエータ側へ流し、冷却水の温度に応じて、ラジエータ側へ流す冷却水の量と分岐通路側流す冷却水の量を調整する。尚、ポンプ２４はエンジン２３によって駆動するが、電動モータなどの他の駆動手段によって駆動されても構わない。
　従って、エンジン始動当初などのエンジンが十分に暖まっていない状態では、エンジンを２３通過する冷却水も高温ではないので、冷却水はラジエータ側へ流れることなく分岐通路２２を流れて再びエンジン２３へ流れ込む。一方、車両が登坂中であってエンジン２３が高回転で回転するような状態、夏場などでエンジン２３が始動してから十分に時間が経っているような状態ではエンジン２３が高温状態になっているため、冷却水も高温になっていることから、冷却水はラジエータ側へ流れてラジエータ２６で冷却された後、再びエンジン２３へ流れ込みエンジン２３を冷却する。
　また、エンジン冷却水システム３は車室内空間を温めるための熱交換であるヒータコア２７を有している。ヒータコア２７は、エンジン２３の廃熱により暖まった冷却水とヒータコア２７が設置された空間の空気と熱交換することによって車室内空間の暖房を行う熱交換器であって、ヒータコア２７はエンジン冷却水回路２０の循環路上であってエンジン２３と分岐通路２２の間に配設されている。本実施例では、ヒータコア２８はエンジン冷却水回路２０の循環路上に配設されているが、循環路２１から分岐して再び循環路２１に合流する通路上にヒータコア２７を配設しても構わない。尚、その場合は、循環路２１から分岐する分岐点に切換弁を設けて冷却水をヒータコア側に流したり、ヒータコア側に流さず循環路側に流す選択を行う制御を行う。
　ランキンサイクル回路１０に配設されている加熱器１１はエンジン冷却水回路２０の分岐通路２２にも配設されている加熱器１１であり、ランキンサイクル回路１０を循環する作動流体と、エンジン冷却水回路２０を循環する冷却水との熱交換を行う加熱器１１である。この加熱器１１によって、ランキンサイクルシステム２は、エンジン冷却水回路２０を循環する冷却水を介してエンジン廃熱を回収し、電力、または、エンジンをアシストする回転駆動力に変換する。また、ランキンサイクル回路１０に配設されている作動流体ポンプ１４は加熱器１１を通過する直前の冷却水の温度が所定の第２設定温度（例えば８５℃）以上になると駆動し、加熱器１１を通過する直前の冷却水の温度が所定の第２設定温度未満になると停止するように制御される。
　冷凍サイクルシステム４は、車両に搭載された空調システムに用いられ、エンジン２３の駆動により、または、電動モータにより駆動して冷媒を圧縮する圧縮機３１と、圧縮機３１で圧縮された冷媒を外気と熱交換させることにより凝縮させる凝縮器としての放熱器３２と、放熱器３２で外気と熱交換して凝縮した後の冷媒を減圧する減圧装置としての膨張弁３３と、車室内の空気を冷却するために膨張弁３３で減圧された冷媒と車室内の空気とを熱交換する蒸発器３４を順次配設した冷凍サイクル回路３０とを備えている。尚、本実施例では凝縮器としての放熱器３２を使用しているが、例えば、冷媒が二酸化炭素の場合には二酸化炭素冷媒が凝縮しないため、凝縮器としての放熱器３２ではなく二酸化炭素冷媒を放熱させる熱交換器であっても構わない。
　冷凍サイクルシステム４の稼働は車両利用者が図示しない空調システムのスイッチをオンすることにより行われ、圧縮機３１がエンジン２３の駆動によって動作する圧縮機３１の場合は、例えば、エンジン２３と圧縮機３１の間に配置された図示しない電磁クラッチが空調システムのスイッチのオンによってエンジン２３の駆動を圧縮機３１に伝え圧縮機３１が駆動する。圧縮機３１が電動モータによって動作する圧縮機３１の場合は、空調システムのスイッチのオンによって電動モータが動作して圧縮機３１が駆動する。
　さらに、車両用廃熱回収システム１は、冷凍サイクル回路３０を流れる冷媒とランキンサイクル回路１０を流れる作動流体との熱交換を行う熱交換器１５を有している。この熱交換器１５は冷凍サイクル回路３０の圧縮機３１と放熱器３２との間で、かつ、ランキンサイクル回路１０の作動流体ポンプ１４と加熱器１１の間に配設されており、圧縮機３１から吐出されて高温になった冷媒の熱が熱交換器１５を介して作動流体ポンプ１４から流れ出た作動流体に移動する。
　また、冷凍サイクルシステム３０は、圧縮機３１と熱交換器１５との間と、熱交換器１５と放熱器３２との間とに接続して熱交換器１５をバイパスするバイパス路３５と、圧縮機３１から吐出された冷媒の流れを熱交換器側またはパイパス路側に切換える切換装置としての切換弁３６とを有しており、切換弁３６はバイパス路３５の圧縮機側接続部（圧縮機と熱交換器の間の通路との接続部）に配設されている。尚、本実施例では切換弁３６はバイパス路３５の圧縮機側接続部に配設されているが、切換弁３６はバイパス路３５の放熱器側接続部（熱交換器と放熱器の間の通路との接続部）に配設されていても構わない。また、本実施例では切換装置は切換弁３６であるが、切換装置は、例えば、バイパス路上と、バイパスされる熱交換器１５が配設された冷凍サイクル回路上とのそれぞれに開閉弁を設けて、圧縮機３１から吐出された冷媒の流れを熱交換器側またはパイパス路側に切換える形式でも構わない。
　切換弁３６の動作は制御装置５により次のように行われる。制御装置５は、ランキンサイクルシステム２の運転時には冷媒を熱交換器側に流し、ランキンサイクルシステム２の非運転時には冷媒が熱交換器１５をバイパスしてバイパス路側に流れるよう切換弁３６を制御する。従って、ランキンサイクルシステム２が運転されていない状態においては、冷媒が熱交換器１５を流れないようにすることが確実にできるので、圧損により圧縮機３１の消費動力が上がってしまうことを抑制できる。
　次に本実施例の動作を説明する。エンジン始動によりポンプ２４が駆動し冷却水がエンジン冷却水回路２０を循環する。エンジン始動当初は冷却水の温度が低く、サーモスタット２５の直前を通過する冷却水の温度が第１設定温度（９０℃）未満のため、冷却水はサーモスタット２５によりラジエータ側ではなく分岐通路側に流入して、加熱器１１を通過した後、エンジン２３に再度流れ込んでエンジン冷却水回路２０を循環する。
　エンジンの暖気が促進されて冷却水の温度が上昇し、加熱器１１を通過する直前の冷却水の温度が第２設定温度（８５℃）をに達すると、作動流体ポンプ１４が駆動して作動流体がランキンサイクル回路１０を循環してランキンサイクルシステム２の運転が開始され、膨張機１２が駆動して動力を発生する。ランキンサイクルシステム２の運転が開始すると、切換弁３６は冷媒が熱交換器側に流れるよう切換り冷媒が熱交換器１５を流れる。
　加熱器１１を通過する直前の冷却水の温度が第２設定温度（８５℃）未満になると、作動流体ポンプ１４が停止しランキンサイクルシステム２の運転が終了し、ランキンサイクルシステム２の運転が終了すると切換弁３６は冷媒がバイパス路側に流れるよう切換り、冷媒は熱交換器１５をバイパスしてバイパス路３５を流れる。
　尚、膨張機１２が回収する動力（ランキン出力）が不十分である場合、例えば、膨張機１２で回収した動力が電力に変換される場合はその電力が所定値に達しない場合、または、膨張機１２の上流側と下流側の圧力差が所定値に達しない場合は、制御装置５はランキン出力が不十分であるとして作動流体ポンプ１４の駆動を停止する。
　本実施例では、ランキンサイクル回路１０における作動流体ポンプ１４と加熱器１１との間で、かつ、冷凍サイクル回路３０における圧縮機３１と放熱器３２との間に、作動流体と冷媒との間の熱交換を行う熱交換器１５を設け、冷凍サイクル回路３０には、圧縮機３１と熱交換器１５との間と、熱交換器１５と放熱器３２との間と接続して、熱交換器１５をバイパスするバイパス路３５と、冷媒の流れを熱交換器側またはパイパス路側に切換える切換弁３６が設けられているので、冷凍サイクルシステム４における圧縮機３１の運転により圧縮された冷媒の熱をランキンサイクル回路１０を流れる作動流体に供給することができるため、冷凍サイクルシステム４の廃熱をランキンサイクルシステム２に利用することができ、また、ランキンサイクルシステム２が運転されていない状態においては、冷媒が熱交換器１５をバイパスして熱交換器１５を流れないようにすることができるので、圧損により圧縮機３１の消費動力が上がってしまうことを抑制できるという効果を有する。
１　車両用廃熱回収システム
２　ランキンサイクルシステム
３　エンジン冷却水システム
４　冷凍サイクルシステム
５　制御装置
１０　ランキンサイクル回路
１１　加熱器
１２　膨張機
１３　ランキン用凝縮器
１４　作動流体ポンプ
１５　熱交換器
２０　エンジン冷却水回路
２１　循環路
２２　分岐通路
２３　エンジン
２４　ポンプ
２５　サーモスタット
２６　ラジエータ
２７　ヒータコア
２８　分岐点
３０　冷凍サイクル回路
３１　圧縮機
３２　放熱器
３３　膨張弁
３４　蒸発器
３５　バイパス路
３６　切換弁　

Claims (3)

  1. 　エンジンの廃熱を利用して作動流体を加熱する加熱器と、前記加熱器を経由した作動流体を膨張させて動力を発生する膨張機と、前記膨張機を経由した作動流体を凝縮させるランキン用凝縮器と、前記ランキン用凝縮器を経由した作動流体を前記加熱器へ送出する作動流体ポンプを順次配設したランキンサイクル回路を有するランキンサイクルシステムと、
    　前記加熱器とエンジンとを経由して冷却水がポンプを介して循環するエンジン冷却水回路を有するエンジン冷却水システムと、
    　冷媒を圧縮する圧縮機と、前記圧縮機で圧縮された冷媒を外気と熱交換させる放熱器と、前記放熱器で外気と熱交換された後の冷媒を減圧する減圧装置と、減圧された冷媒を加熱する蒸発器を順次配設した冷凍サイクル回路を有する冷凍サイクルシステムとを備え、
    　ランキンサイクル回路における作動流体ポンプと加熱器との間で、かつ、冷凍サイクル回路における圧縮機と放熱器との間に、作動流体と冷媒との間の熱交換を行う熱交換器を設けた車両用廃熱回収システムにおいて、
    　前記冷凍サイクル回路には、前記圧縮機と前記熱交換器との間と、前記熱交換器と前記放熱器との間と接続して、前記熱交換器をバイパスするバイパス路と、冷媒の流れを前記熱交換器側または前記パイパス路側に切換える切換装置が設けられていることを特徴とする車両用廃熱回収システム。
  2. 　前記切換装置は、前記バイパス路の接続部に設けられた切換弁であることを特徴とする請求項１に記載の車両用廃熱回収システム。
  3. 　前記切換装置は、ランキンサイクルシステムの運転時には冷媒を前記熱交換器側に流し、ランキンサイクルシステムの非運転時には冷媒が前記熱交換器をバイパスして前記バイパス路側に流れるよう制御されることを特徴とする請求項１または２に記載の車両用廃熱回収システム。
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