JP2013044253A - 排熱回生システム - Google Patents
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Abstract
【解決手段】冷媒を膨張させて駆動力を発生する膨張機2と、膨張機2からの冷媒を凝縮する凝縮器3と、膨張機3の駆動力が伝達されるように出力軸7を介して連結され、凝縮器3からの冷媒を圧送するポンプ4と、ポンプ4からの冷媒を加熱して膨張機2へ送る蒸発器5とを備える排熱回生システムにおいて、ポンプ4から蒸発器5に至るまでの冷媒流路と膨張機2から凝縮器3に至る冷媒流路との間を接続する第1バイパス流路を構成し、第1バイパス流路を流れる冷媒の流量を調整可能な流量調整弁11を有する第1バイパス手段10Aと、ポンプ4から圧送される上記冷媒の圧力に関する情報を取得する第1圧力センサ13と、第1圧力センサ13の出力に基づいて、流量調整弁11の駆動を制御する冷媒流量制御手段16とを備えている。
【選択図】図1
Description
従来の廃熱利用装置と同種のシステムでは、ポンプから吐出される冷媒の量が、膨張機で適正処理される冷媒の量より多いと、ポンプの吐出側での圧力が異常に高くなり、高圧の冷媒が流れる機器の破損につながる恐れがある。
図1はこの発明の実施の形態1に係る排熱回生システムの構成図である。なお、図1には、自動車の駆動力を発生するエンジンからの排熱を利用する排熱回生システムが示されている。
冷媒としては、R134aを用いているが、このものに限定されない。
蒸発器5とエンジン8との間には、蒸発器5からエンジン8に冷却水を導く低温側配管9aと、エンジン8から蒸発器5へ冷却水を導く高温側配管9bとが接続されている。
そして、冷却水は、蒸発器5から低温側配管9aを介してエンジン8に導かれ、エンジン8の熱(排熱)を奪って加熱された後、高温側配管9bを介して蒸発器5の内部に流れ、再度低温側配管9aを流れるという循環経路を循環する。
より具体的には、バイパス配管12Aは、第4配管24内から流量調整弁11に至る冷媒流路を形成する第5配管12aと、流量調整弁11から第2配管22内に至る冷媒流路を形成する第6配管12bとを備えている。
膨張機2及びポンプ4の駆動に連動して軸周りに回転される出力軸7が、筺体6から延出されている。そして、ロータ(図示せず)を有する回転電機としての発電機30が、出力軸7の回転に連動してロータが回転されるように出力軸7に連結されている。
第1圧力センサ13は、ポンプ4から圧送される冷媒の圧力に関する情報を取得可能に第4配管24に設けられている。
第1温度センサ14は、膨張機2に流入される冷媒の温度に関する情報を取得可能に第1配管21に設けられている。
また、冷媒流量制御手段16は、流量調整弁11の駆動を制御可能に流量調整弁11に接続されている。そして、流量調整弁11は、冷媒流量制御手段16が出力する制御指令値に基づいて、弁の開度が設定されるように構成されている。
なお、膨張機2の冷媒流量特性とは、膨張機2の回転速度に対して、膨張機2で適正処理可能な最大の冷媒流量であり、ポンプ4の冷媒流量特性とは、ポンプ4の回転速度に対して、ポンプ4から圧送される冷媒流量である。
ここでは、ポンプ4から蒸発器5を介して膨張機2に至る高圧側の冷媒の圧力と、膨張機2から凝縮器3を介してポンプ4の至る低圧側の冷媒の圧力は、一定の条件となっている。高圧側の冷媒の圧力は、2.6MPaであり、低圧側の冷媒の圧力は、0.8MPaであり、高圧側と低圧側の差圧が1.8MPaとなっている。
そして、ポンプ4及び膨張機2のそれぞれの回転速度が、700〜3000(rpm)の範囲にある場合のポンプ4及び膨張機2の冷媒流量特性について測定した。
図2に示されるように、膨張機2で適正処理可能な冷媒流量は、膨張機2の回転速度におおよそ比例している。
但し、膨張機2の入口における冷媒の流動抵抗に起因し、ポンプ4の回転速度が単位速度だけ速くなったときの冷媒流量の増加量が、回転速度が速くなる領域ほど、漸次減少している。
回転速度が約700(rpm)のときに膨張機2で適正処理可能な冷媒流量は、1.8(kg/min)程度であり、回転速度が3000(rpm)のとに膨張機2で適正処理可能な冷媒流量は、5.6(kg/min)程度になっている。
ポンプ4から圧送される冷媒流量は、ポンプ4の回転速度におおよそ比例している。
但し、回転速度が上がると、ポンプ4内において、高圧の吐出側から低圧の入口側への冷媒漏れが相対的に減少するのに起因して、ポンプ4の回転速度が単位速度だけ速くなったときの冷媒流量の増加量が、回転速度が速くなる領域ほど、漸次増大している。
そして、回転速度が2000(rpm)から離れるほど、ポンプ4から圧送される冷媒流量と膨張機2で適正処理可能な最大の冷媒流量の差が増大される。
以下、ポンプ4から圧送される冷媒流量と、膨張機2で適正処理可能な最大の冷媒流量とが一致するポンプ4と膨張機2の回転速度を適合回転速度とする。
図3は参照用の排熱回生システムの熱力学サイクルであるランキンサイクルのモリエル線図であり、ポンプ及び膨張機が適合回転速度で回転される場合の様子を示している。
逆に、冷媒は、冷却水の熱を吸収して加熱され、圧力を一定に保ったまま、蒸発器5の出口で、c点に表される100℃に近い高温で高圧の蒸気となる。
冷媒は、ポンプ4、蒸発器5、膨張機2、及び凝縮器3を通過する流路を循環することで、以上のランキンサイクルの通りに、その状態が変遷する。
図4は参照例の排熱回生システムの熱力学サイクルであるランキンサイクルのモリエル線図であり、ポンプ及び膨張機が適合回転速度より遅い回転速度で回転される場合の様子を示している。
ランキンサイクル中、a1点はポンプ4の入口における冷媒の状態、b1点はポンプ4の出口での冷媒の状態、c1点は蒸発器5の出口における冷媒の状態、d1点は膨張機2の出口における冷媒の状態である。
また、図4では、ポンプ4及び膨張機2が適合回転速度で回転される場合のモリエル線図を点線にて併記している。
冷媒は、a1点に表される状態でポンプ4に流入して昇圧され、b1点に表される状態となってポンプ4から吐出される。この際、ポンプ4から圧送される冷媒流量が、膨張機2で適正処理できる冷媒流量より少なくなっているので、ポンプ4の出口での冷媒の圧力は、b1点に表されるように、膨張機2が適合回転速度で回転される場合に比べて低下した状態となる。その後、蒸発器5を通過する冷媒は、エンジン8の冷却水により、圧力を一定に保ったまま加熱されて、蒸発器5の出口、言い換えれば膨張機2の入口では、c1点に表されるように、100℃に近い高温で高圧の蒸気とされている。
冷媒は、以上のランキンサイクルの通りに、その状態が繰り返し変遷する。
図5は参照例の排熱回生システムの熱力学サイクルであるランキンサイクルのモリエル線図であり、ポンプ及び膨張機が適合回転速度より速い回転速度で回転される場合の様子を示している。
また、図5では、ポンプ4及び膨張機2が適合回転速度で回転される場合のモリエル線図を点線にて併記している。
冷媒は、a点に表される状態でポンプ4に流入して昇圧され、b2点に表される状態となってポンプ4から吐出される。この際、ポンプ4から圧送される冷媒流量が、膨張機2で適正処理できる冷媒流量より多くなっているので、ポンプ4の出口での冷媒の圧力は、b2点に表されるように、膨張機2が適合回転速度で回転される場合に比べて増大した状態となる。
図6はこの発明の実施の形態1に係る排熱回生システムの動作を説明するフロー図である。
初期状態では、流量調整弁11の開度は、例えば、半分開かれているものとする。
なお、説明の便宜上、図6ではステップ101〜ステップ112をS101〜S112と記載する。
上限圧力敷居値PH(MAX)は、排熱回生システム1Aを構成する各構成機器のうち、とりわけランキンサイクルの高圧側に配置される機器の耐圧や使用する冷媒などを考慮して予め設定される許容最大圧力よりやや小さな値に設定した値である。
また、上限温度敷居値THE(MAX)は、使用する冷媒や膨張機2等に使用される潤滑油の使用上限温度、及び高圧側に配置される機器の耐圧などを考慮して、予め設定される許容最大温度よりやや小さな値に設定した値である。
判断基準圧力値PNは、使用する冷媒の種類などによって予め設定され、上限圧力敷居値PH(MAX)から判断基準圧力値PNを引いた値は、高圧側の冷媒の圧力として好ましい範囲の下限を下回らないように適宜設定される。本実施例では、例えば、0.1〜0.5(MPa)に設定される。
ステップ105で、流量調整弁11の開度が最小であると判断すると、ステップ107に進む。
ステップ105で、流量調整弁11の開度が最小でないと判断すると、流量調整弁11の開度が、所定量小さくなるように流量調整弁11の開度を制御して、第1バイパス流路を通ってポンプ4の出口側から凝縮器3の入口側に戻る冷媒流量を所定量小さくし(ステップ106)、ステップ101に戻る。
ステップ107で、冷媒流量制御手段16は、温度THEが、上限温度敷居値THE(MAX)より大きいと判断すると、膨張機2の回転速度を所定速さだけ速め(ステップ108)、ステップ101に戻る。
判断基準温度値TNは、使用する冷媒の種類などによって予め設定され、上限温度敷居値THE(MAX)から判断基準温度値TNを引いた値は、膨張機2に入力される冷媒の温度として、好ましい範囲の下限を下回らないように、適宜設定される。本実施例では、判断基準温度値TNは、例えば、10℃〜50℃の間で設定される。
なお、この実施の形態1では、冷媒として、R134aを用いているが、この場合、上限温度敷居値THE(MAX)は、190℃程度に設定される。ステップ109,110の制御を行うことで、温度THEが上限温度敷居値THE(MAX)を超えることはない。また、冷媒が、エンジンにより温められた冷却水との熱交換により加熱されるものとしたが、例えば、冷媒が、200℃を超えるような熱源としてのエンジンの排気ガスとの熱交換により加熱されるような場合でも、ステップ109,110の制御が行われるため、温度THEが上限温度敷居値THE(MAX)を超えることはない。
例えば、ポンプ4及び膨張機2の回転は、エンジン8が停止されたときなどを条件に、排熱回生システム1Aの運転停止指令が出力される。
図7はこの発明の実施の形態1に係る排熱回生システムの熱力学サイクルであるランキンサイクルのモリエル線図であり、ポンプ及び膨張機が適合回転速度より速く回転されている場合を示している。
ランキンサイクル中、a3点はポンプ4の入口における冷媒の状態、b3点はポンプ4の出口における冷媒の状態、c3点は蒸発器5の出口における冷媒の状態、d3点は膨張機2の出口における冷媒の状態である。
また、図7では、ポンプ4及び膨張機2が適合回転速度より速く回転され、かつ冷媒の流量を調整しない参照例の排熱回生システムのモリエル線図を点線にて併記している。
冷媒は、a3点に表される液体状態で、ポンプ4に流入して昇圧されてb3点に表される状態となってポンプ4から吐出され、第4配管24を介して蒸発器5に送られて、蒸発器5内を通過する。この際、冷媒は、エンジン8の冷却水により通常90〜100℃に加熱されたエンジン8の冷却水を冷却する一方で、冷却水の熱を吸収して加熱され、蒸発器5の出口で、c3点で表される100℃に近い高温高圧の蒸気となる。
このため、排熱回生システム1Aを用いることで、自動車の燃費が向上する等、排熱回生システム1Aを含む系のエネルギー効率が向上する。
即ち、高圧側の冷媒の圧力が異常に高くなることが抑制されて、膨張機2で処理できる流量で、冷媒が膨張機2に流入されるので、高圧側の冷媒が流れる機器の破損を防止できる。さらに、エンジン等の排熱を、電気エネルギーに変換する発電機の駆動源として利用する排熱回生システム1Aを安定して稼働できる。
これにより、膨張機2に異常に高温となる冷媒が流入されることを避けることができ、一層、排熱回生システム1Aを安定して稼働させることができる。
一方、排熱回生システム1Aでは、膨張機2への冷媒流量を調整する第1バイパス流路は、ポンプ4から蒸発器5に至る冷媒流路から凝縮器3に戻されるように構成されている。このため、凝縮器3での放熱量が抑えられ、凝縮器3や蒸発器5を大型にする必要性がなくなり、排熱回生システム1Aを小型化できる。
また、膨張機2の出力側での温度上昇が防止できるので、膨張機2の出力の予期せぬ低下も防止され、効率を低下させることなく安定して膨張機2を稼働できる。
このように、第1温度センサ14も、膨張機2に流入される冷媒の温度に関する情報を取得可能なものであれば、設置場所は限定されない。
この場合でも、第1圧力センサ13の出力に基づいて膨張機2に流入される制御がなされるので、高圧側の冷媒の圧力が異常に高くなることが抑制されて適切な流量の冷媒が、膨張機2に流入されることになり、高圧側の冷媒が流れる機器の破損を防止できる効果が失われるわけではない。
図8はこの発明の実施の形態2に係る排熱回生システムの構成図である。
図8において、上記実施の形態1と同一又は相当部分には同一符号を付し、その説明は省略する。
第1バイパス手段10Bの構成は、第1バイパス流路を開閉自在に設けられる開閉手段としての開閉弁33を、流量調整弁11とは別個に備えている他は、第1バイパス手段10Aと同様である。
ここで、冷媒の流量を調整する流量調整弁11としては、完全に冷媒の流れを遮断することができないのが一般的である。
逆に、冷媒流量制御手段16は、ポンプ4と膨張機2が適合回転速度より大きな速度で回転され、ポンプ4からの吐出量に対して、膨張機2により適正処理される冷媒の量が、小さい場合、開閉弁33を開けるように構成されている。
これにより、冷媒流量制御手段16が、ポンプ4の出口側から凝縮器3に冷媒を戻す必要のない条件で、排熱回生システム1Bが運転されている場合には、開閉弁33を閉じて、第1バイパス流路を遮断し、ポンプ4の出口側から凝縮器3の入口側に冷媒を戻す必要のある条件で、排熱回生システム1Bが運転されている場合には、開閉弁33を開けて、第1バイパス流路の遮断を解消することで、実施の形態1の効果に加えて、排熱回生システム1Bの運転効率を改善できるという効果が期待できる。
図9はこの発明の実施の形態3に係る排熱回生システムの構成図である。
図9において、上記実施の形態1と同一又は相当部分には同一符号を付し、その説明は省略する。
排熱回生システム1Cの他の構成は、排熱回生システム1Aと同様である。
また、絞り42bが、第8配管45bの冷媒流量を調整可能に第8配管45bの一部に組み入れられ、また、開閉弁43bが、第8配管45bの冷媒流路を遮断可能に設けられている。
過冷却度が大きくなると、排熱回生システム1Aが冷媒を循環させる際のランキンサイクルの熱効率が低下する。
図10はこの発明の実施の形態3に係る排熱回生システムの動作を説明するフロー図である。
なお、開閉弁43a,43bは、初期状態では、閉じられている。
上限過冷却度敷居値TSHは、適正とされる過冷却度の範囲のうち、最大値よりやや小さな値に設定される。例えば、上限過冷却度敷居値TSHは、10℃程度に設定される。
ステップ216で、冷媒流量制御手段16は、過冷却度ΔTが、下限過冷却度敷居値TSLより大きいと判断すると、開閉弁43bを閉じ(ステップ218)、ステップ219に進む。
ステップ219及びステップ220は、ステップ111及びステップ112と同様の制御動作である。
図11はこの発明の実施の形態3に係る排熱回生システムの熱力学サイクルであるランキンサイクルのモリエル線図であり、適合回転速度より速い速度で膨張機が回転される場合を示している。
ランキンサイクル中、a4点はポンプ4の入口、b3点はポンプ4の出口、c点は蒸発器5の出口、d4点は膨張機2の出口における冷媒の状態である。
また、図11では、排熱回生システム1Aの熱力学サイクルであるランキンサイクルのモリエル線図を点線にて併記している。
従って、排熱回生システム1Aと同様、高圧側の冷媒の圧力が異常に高くなることが抑制されて適切な流量の冷媒が、膨張機2に流入されるので、高圧側の冷媒が流れる機器の破損を防止できる。
これにより、排熱回生システム1Cの運転効率を向上させることができる。
図12はこの発明の実施の形態4に係る排熱回生システムの構成図である。
なお、上記実施の形態1〜3と同一または相当部分には、同一符号を付し、その説明を省略する。
図12において、排熱回生システム1Dは、第1バイパス手段10Aに代え、第1バイパス手段10Bを備える他は、上記実施の形態3と同様である。
即ち、第1バイパス手段10Bが構成する第1バイパス流路を開閉自在に設けられる第1開閉手段としての開閉弁33が、流量調整弁11とは別個に設けられている。
開閉弁33は、第1バイパス手段10Bが構成する1バイパス流路を完全に遮断することを目的として設けられている。
冷媒流量制御手段16は、実施の形態2と同様に開閉弁を制御する。
ポンプ4の出口側から凝縮器3に冷媒を戻す必要のない条件で、排熱回生システム1Dが運転されている場合には、開閉弁33を閉じて、第1バイパス流路を遮断し、ポンプ4の出口側から凝縮器3に冷媒を戻す必要のある条件で、排熱回生システム1Dが運転されている場合には、開閉弁33を開けて、第1バイパス流路の遮断を解消させるように冷媒流量制御手段16に制御させることで、排熱回生システム1Dの運転効率を改善できる。
図13はこの発明の実施の形態5に係る排熱回生システムの構成図である。
図13において、排熱回生システム1Eは、第1バイパス手段10Aに代え、第1バイパス手段10Cを有する他は、排熱回生システム1Cと同様に構成されている。
第1バイパス配管12Bは、第4配管24内の空間から流量調整弁11に至る冷媒流路を形成する第9配管12cと、流量調整弁11から第3配管23内の空間に至る冷媒流路を形成する第10配管12dとを備えている。
そして、開閉弁33が、第10配管12dの冷媒流路を開閉自在に第10配管12dに設けられている。
冷媒流量制御手段16による流量調整弁11の駆動制御、及び開閉弁33の制御は、上記実施の形態1,2と同様に行われる。
冷媒流量制御手段16は、第1圧力センサ13の出力に基づいて、ランキンサイクルの高圧側の冷媒の圧力が、許容される上限の圧力に近づいて上限圧力敷居値PH(MAX)を超えたと判断すると、上記実施の形態1と同様、第1バイパス流路に流れ込む冷媒の量が、膨張機2に流入される冷媒が適切な流量となるように流量調整弁11の開度及び開閉弁33の開閉を制御する。
但し、第1バイパス流路は、ポンプ4から蒸発器5に至るまでの高圧側の冷媒流路と膨張機2から凝縮器3を介してポンプ4に至る低圧側の冷媒流路とを接続する点では、実施の形態1〜4と共通である。
このため、実施の形態5においても、実施の形態1と同様の効果が得られる。
即ち、第1バイパス手段は、ポンプ4から蒸発器5を介して膨張機2に至る冷媒流路と膨張機2から凝縮器3を介してポンプ4に至る冷媒流路との間を接続する第1バイパス流路が形成するように設けてあればよい。
また、バイパス手段10Cは、開閉弁33を有するものとしたが、開閉弁33は省略してもよい。
Claims (4)
- 冷媒を膨張させて駆動力を発生する膨張機と、
上記膨張機からの上記冷媒を凝縮する凝縮器と、
上記膨張機の駆動力が伝達されるように出力軸を介して上記膨張機に連結され、上記凝縮器からの冷媒を圧送するポンプと、
上記ポンプからの冷媒を加熱して上記膨張機へ送る蒸発器と
を備える排熱回生システムであって、
上記ポンプから上記蒸発器に至るまでの冷媒流路と上記膨張機から上記凝縮器を介して上記ポンプに至る冷媒流路との間を接続する第1バイパス流路を構成し、上記第1バイパス流路を流れる上記冷媒の流量を調整可能な流量調整手段を有する第1バイパス手段と、
上記ポンプから圧送される上記冷媒の圧力に関する情報を取得する第1圧力センサと、
上記第1圧力センサの出力に基づいて、上記流量調整手段の駆動を制御する冷媒流量制御手段と
を備えていることを特徴とする排熱回生システム。 - 上記ポンプから上記蒸発器に至るまでの冷媒流路と上記膨張機から上記凝縮器に至る冷媒流路とを接続する第2バイパス流路を構成し、上記第2バイパス流路に組み込まれる冷媒タンク、及び上記第2バイパス流路を開閉自在に設けられる冷媒流入選択手段を有する第2バイパス手段と、
上記凝縮器から上記ポンプに導かれる上記冷媒の圧力に関する情報を取得する第2圧力センサと、
上記凝縮器から上記ポンプに導かれる上記冷媒の温度に関する情報を取得する低圧側温度センサと
を備え、
上記冷媒流量制御手段は、上記第2圧力センサの出力に対応する上記冷媒の飽和温度、及び上記低温側温度センサの出力に基づいて、上記冷媒流入選択手段による上記第2バイパス流路の開閉を行って、上記冷媒タンクへの上記冷媒の流れ込みを制御する
ことを特徴とする請求項1に記載の排熱回生システム。 - 上記蒸発器から上記膨張機に導かれる上記冷媒の温度に関する情報を取得する高圧側温度センサを備え、
上記冷媒流量制御手段は、上記高圧側温度センサの出力に基づいて上記膨張機の回転速度を制御することを特徴とする請求項1または請求項2に記載の排熱回生システム。 - 上記第1バイパス流路を全閉可能な開閉手段を備え、
上記冷媒流量制御手段は、上記第1圧力センサの出力に基づいて、上記開閉手段の開閉を制御することを特徴とする請求項1乃至請求項3のいずれか1項に記載の排熱回生システム。
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