JP4935935B2 - 排熱回生システム - Google Patents

Description

本発明は、自動車用エンジン等の内燃機関の排熱を、ランキンサイクルにより動力等として回生する排熱回生システムに関するものである。

従来のランキンサイクルを用いた排熱回生システムでは、外気温度の変化や凝縮器における凝縮能力の変動などによって、運転中に作動流体（以下、冷媒と記す）の過冷却度が変化して、冷媒ポンプの効率低下を招くという問題点があった。この問題点を解決するため、冷媒ポンプの出口側と凝縮器の入口側とをバイパス路を介して連通すると共に、このバイパス路の高圧側及び低圧側に開閉弁をそれぞれ設け、凝縮器出口側の過冷却度に応じて開閉弁を適宜に開閉し、ランキンサイクルへの冷媒の封入量を制御するようにしていた（例えば特許文献１および特許文献２参照）。

特開昭６０−１９２８０９号公報 特開２００８−２３１９８１号公報

このような従来の排熱回生システムにあっては、ランキンサイクルが作動している定常状態においては、ランキンサイクル内の圧力の高低差を利用して、ランキンサイクルの冷媒充填量を調整し、過冷却度の変化に対する冷媒ポンプの効率低下を抑制することができた。しかしながら、ランキンサイクルの始動時に冷媒量が不足した場合は、冷媒ポンプ（または膨張機）の入出力に圧力差が発生していないため、ランキンサイクルの冷媒充填量を調整することができず、過冷却度が制御できない。このため、冷媒ポンプの吸入側で吸入冷媒が気化（沸騰）してしまい、冷媒ポンプが気泡がみを起こしてポンプとしての機能が停止（即ち、ランキンサイクルの運転が停止）してしまうことがあった。従って、排熱回生システムの運転開始が正常に行えないという問題点があった。

本発明は、上記のような問題点を解決するためになされたものであり、ランキンサイクルの始動時においても過冷却度の変化による冷媒ポンプの効率低下を防止し、最適な運転が可能な排熱回生システムを得ることを目的としている。

本発明に係る排熱回生システムは、ランキンサイクル内の冷媒の充填量を調整する冷媒充電量調整装置において、冷媒を貯蔵する冷媒タンクの内部温度を温度調整手段により調整するものである。

本発明によれば、温度調整手段を用いて冷媒タンク内の温度を調整することにより冷媒タンク内の圧力を調整できるので、ランキンサイクル内の圧力差が小さい場合でも、過冷却度に応じてランキンサイクル内の冷媒充填量を調整できる。このため、ランキンサイクルの始動時においても、冷媒ポンプの効率低下を防止し、最適な運転が可能な排熱回生システムを得ることができる、といった従来にない顕著な効果を奏するものである。

本発明の実施の形態１における排熱回生システムを示す構成図である。 本発明の実施の形態２における排熱回生システムを示す構成図である。

１ エンジン（内燃機関）
５ ランキンサイクル
５ａ 低圧回路部
５ｂ 高圧回路部
６ 冷媒ポンプ
７ 膨張機
８ 凝縮器
９ 冷媒充填量調整装置
１０ 低圧側弁
１１ 高圧側弁
１２ 冷媒タンク
１３ 温度調整手段
１４ 冷媒ポンプ

本発明に係る排熱回生システムの実施の形態について、図面を参照して説明する。以下の各図において、同一符号は、同一または相当の構成・動作を示す。

実施の形態１．
図１は本発明の実施の形態１における排熱回生システムを示す構成図である。本実施の形態１では、自動車用エンジン１（以下、エンジン１と記す）に本発明に係る排熱回生システムを適用している。エンジン１は走行用駆動力を発生させる内燃機関である。排気管２はエンジン１から排出される燃焼ガス（排気ガス）を大気中に放出する。冷却水回路３には冷却水ポンプ（図示せず）によりエンジン冷却水が循環される。

ランキンサイクル５は、冷却水・排気ガス熱交換器４から膨張機７、凝縮器８、冷媒ポンプ６を順に接続した閉回路を構成する。この閉回路において、冷媒の流れ方向に沿って膨張機７から凝縮器８を介して冷媒ポンプ６までの流路を低圧回路部５ａとし、冷媒ポンプ６から冷却水・排気ガス熱交換器４を介して膨張機７までの流路を高圧回路部５ｂとする。

本実施の形態１においては、排気管２と冷却水回路３に、ランキンサイクル５の構成要素である冷却水・排気ガス熱交換器４を装着している。この冷却水・排気ガス熱交換器４により、冷媒ポンプ６から圧送されてきたランキンサイクル５の冷媒であるＲ１３４ａを加熱し気化させる。蒸気となった冷媒は膨張機７で動力を発生させ、この動力は発電機（図示せず）や動力機構（図示せず）により回収される。膨張後の冷媒は凝縮器８で冷やされて凝縮し、液体となって冷媒ポンプ６に戻りサイクルを繰り返す。

ここで、冷媒充填量調整装置９について説明する。低圧回路部５ａにおいて、凝縮器８の入口側に配管により低圧側弁１０が連結している。この低圧側弁１０は、定常時は閉弁している。高圧回路部５ｂにおいて、冷媒ポンプ６の出口側に配管により高圧側弁１１が連結している。この高圧側弁１１も、定常時は閉弁している。これら低圧側弁１０および高圧側弁１１に配管により冷媒タンク１２が連結されている。冷媒タンク１２内には、変化する過冷却度に対応可能な量の冷媒が貯蔵されている。

冷媒タンク１２には温度調整手段１３が施され、ランキンサイクル５が作動している定常状態においては、冷媒タンク１２の内部圧力が低圧回路部５ａ側（図１では凝縮器８の入口側）の圧力より高く、かつ高圧回路部５ｂ側（図１では冷媒ポンプ６の出口側）の圧力より低くなるよう、冷媒タンク１２の内部温度が調整されている。なお、ランキンサイクル５の始動時などで、低圧回路部５ａと高圧回路部５ｂとの間の圧力差が小さいときには、冷媒タンク１２の内部圧力を必ずしも低圧回路部５ａ側の圧力と高圧回路部５ｂ側の圧力との間になるようにする必要はない。このような場合は、過冷却度把握手段（図示せず）により検知した過冷却度に応じて、冷媒タンク１２の内部圧力が低圧回路部５ａ側の圧力より高くなるか、もしくは、高圧回路部５ｂ側の圧力より低くなるように冷媒タンク１２の内部温度を調整すればよい。

温度調整手段１３は、例えば、冷媒タンク１２に電気ヒーターを設置する方法や、エンジン１の冷却水や排気ガスの排熱を冷媒タンク１２と熱交換させる方法や、エンジン１の近傍に冷媒タンク１２を設置することによりエンジン１からのふく射熱を利用する加熱方法などがある。温度調整手段１３は、常時加熱していても、冷媒供給時にのみ加熱してもよい。

凝縮器８は、通常自動車エンジンルームの前面に配置され、車速風やファンによる空気により冷媒を冷却する。よって、凝縮温度は、変動幅の大きな外気温度に大きく影響される。凝縮温度の変動や凝縮器８における凝縮能力の変動により、過冷却度が低下する現象が発生する。過冷却度は、冷媒ポンプ６や他の機器（例えば、膨張機７）の運転特性値（例えば、軸トルク、回転数）、あるいは冷媒の作動特性値（圧力、温度、密度など）を計測する過冷却度把握手段により容易に検知可能である。

ランキンサイクル５の始動時に、過冷却度把握手段により検知した過冷却度が所定の値よりも低い場合、温度調整手段１３は、冷媒タンク１２の内部圧力が低圧回路部５ａ側の圧力よりも高くなるように、冷媒タンク１２の内部温度を調整する。冷媒タンク１２の内部圧力が凝縮器８の入口側圧力より高いため、低圧側弁１０を開とすることで、所定の過冷却度になるまで、ランキンサイクル５に対して冷媒タンク１２から冷媒を注入できる。 一方、ランキンサイクル５の始動時に、過冷却度把握手段により検知した過冷却度が所定の値よりも高い場合、温度調整手段１３は、冷媒タンク１２の内部圧力が高圧回路部５ｂ側の圧力よりも低くなるように、冷媒タンク１２の内部温度を調整する。冷媒タンク１２の内部圧力が冷媒ポンプ６の入口側圧力より低いため、高圧側弁１１を開とすることで、所定の過冷却度になるまで、ランキンサイクル５から冷媒タンク１２内に冷媒を注入できる。

このように、ランキンサイクル５の始動時など、冷媒ポンプ６（または膨張機７）の入出力に圧力差が生じていない場合でも、温度調整手段１３により冷媒タンク１２の内部温度を調整して冷媒タンク１２の内部圧力を調整することで、ランキンサイクル５の冷媒充填量を調整することができる。これにより、ランキンサイクル５の始動時においても、冷媒の過冷却度を調整することができ、排熱回生システムを安定して運転させることができる。

また、ランキンサイクル５の定常状態時には、冷媒タンク１２の内部圧力が凝縮器８の入口側圧力より高く、かつ冷媒ポンプ６の出口側圧力より低くなるように冷媒タンク１２の内部温度が調整されている。このため、過冷却度が所定の値よりも低下したことを検知した制御装置（図示せず）は、低圧側弁１０を開とすることで、ランキンサイクル５に所定の過冷却度になるまで冷媒タンク１２内の冷媒を注入できる。また、過冷却度把握手段により検知した過冷却度が所定の値より高い場合は、高温側弁１１を開とすることで、所定の過冷却度になるまで、冷媒タンク１２にランキンサイクル５から冷媒を注入するこができ、ランキンサイクル５内の冷媒が減じられる。

加えて、低圧側弁１０と高圧側弁１１に逆止弁（図示せず）を設けることで逆流を防止でき、より確実な冷媒充填が可能となる。なお、本実施の形態１では低圧側弁１０を凝縮器８の入口側に連結し、高圧側弁１１を冷媒ポンプ６の出口側に連結する場合について説明したが、連結箇所はこれに限られたものではない。低圧回路部５ａにおける凝縮器８の出口側（冷媒ポンプ８の入口側）に低圧側弁１０を連結し、高圧回路部５ｂにおける膨張機７の入口側（冷却水・排気ガス熱交換器４の出口側）に高圧側弁１１を連結しても、同様な効果が得られる。

通常、ランキンサイクル５を用いてエンジン１の排熱を回生する排熱回生システムでは、冷媒ポンプ６の入口側における冷媒の気化（沸騰）を防止するために、安全を見て過冷却度を３〜５℃で運転する。本実施の形態１では、過冷却度を把握する過冷却度把握手段と冷媒充填量を任意に調整できる冷媒充填量調整装置９とを有するので、過冷却度を冷媒ポンプ６の入口側の冷媒が気化しない最小の値となるように制御することが可能となる。これにより、ランキンサイクル５を効率よく運転することができる。

本実施の形態１によれば、排熱回生システムの起動時に、過冷却度が低下していて冷媒ポンプ６が動作せずに運転できない場合でも、冷媒充填量調整装置９によりランキンサイクル５に冷媒の注入が可能である。このため、起動時においても冷媒ポンプ６の効率低下を防止し、最適な運転が可能な排熱回生システムを得ることができる。

また、本実施の形態１によれば、上述のとおり簡便な機構でランキンサイクル５内の冷媒充填量を調整して過冷却度を制御することにより、幅広い運転条件で、冷媒ポンプ６に液相流体（冷媒）を確実に供給できる。このため、効率的なポンプ運転が実現でき、安定したランキンサイクル運転が可能となる。

さらに、本実施の形態１によれば、冷媒ポンプ６の停止による排熱回生システムの運転停止を防止できるため、エンジン冷却水の排熱を常に本排熱回生システムから排熱することが可能となり、エンジン冷却水回路３のラジエータ（図示せず）を廃止することができる。

実施の形態２．
実施の形態１では、冷媒タンク１２からランキンサイクル５に対する冷媒の充填方法として温度調整手段１３を用いていたが、本実施の形態２では、冷媒充填量調整装置９に設けられた冷媒搬送手段を用いる。図２は、本発明の実施の形態２における排熱回生システムを示す構成図である。図２を参照して、本実施の形態２に係る冷媒充填量調整装置９について説明する。なお、以下では、冷媒搬送手段として冷媒ポンプ１４を用いて説明する。

低圧回路部５ａにおいて、凝縮器８の入口側に配管により低圧側弁１０が連結している。この低圧側弁１０は、定常時は閉弁している。低圧側弁１０は冷媒ポンプ１４を介して配管により冷媒タンク１２内の冷媒の液層部に連結されている。

ランキンサイクル５の始動時に、過冷却度把握手段（図示せず）により検知した過冷却度が所定の値よりも低い場合、低圧側弁１０を開とし、冷媒ポンプ１４を稼働することで、所定の過冷却度になるまで、ランキンサイクル５に対して冷媒タンク１２から冷媒を注入できる。一方、過冷却度把握手段により検知した過冷却度が所定の値よりも高い場合は、高圧側弁１１を開とすることで、ランキンサイクル５内の冷媒を冷媒タンク１２に流入させ、所定の過冷却度に調整することができる。

このようにランキンサイクル５の始動時など、冷媒ポンプ６（または膨張機７）の入出力に圧力差が生じていない場合でも、冷媒充填量調整装置９に備わる冷媒ポンプ１４を稼働することで、ランキンサイクル５の冷媒充填量を調整することができる。これにより、ランキンサイクル５の始動時においても、冷媒の過冷却度を調整することができ、排熱回生システムを安定して運転させることができる。

本実施の形態２によれば、排熱回生システムの起動時に、過冷却度が低下していて冷媒ポンプ６が動作せずに運転できない場合でも、冷媒充填量調整装置９によりランキンサイクル５に冷媒の注入が可能である。このため、実施の形態１と同様に、起動時においても冷媒ポンプ６の効率低下を防止し、最適な運転が可能な排熱回生システムを得ることができる。

また、本実施の形態２によれば、実施の形態１と同様に、簡便な機構でランキンサイクル５内の冷媒充填量を調整して過冷却度を制御することにより、幅広い運転条件で、冷媒ポンプ６に液相流体（冷媒）を確実に供給できる。このため、効率的なポンプ運転が実現でき、安定したランキンサイクル運転が可能となる。

さらに、本実施の形態２によれば、実施の形態１と同様に、冷媒ポンプ６の停止による排熱回生システムの運転停止を防止できるため、エンジン冷却水の排熱を常に本排熱回生システムから排熱することが可能となり、エンジン冷却水回路３のラジエータ（図示せず）を廃止することができる。

実施の形態３．
本実施の形態３では、ランキンサイクル５が停止するときの排熱回生システムの動作について説明する。本発明の実施の形態３における排熱回生システムの構成については、実施の形態１または実施の形態２と同様であるため、説明を省略する。

本実施の形態３に係る排熱回生システムは、ランキンサイクル５の停止時に、低圧側弁１０を開として、冷媒タンク１２内に貯蔵された冷媒をランキンサイクル５内に注入して停止する。もしくは、ランキンサイクル５が停止した後（ランキンサイクル５が停止中）に、冷媒タンク１２内に貯蔵された冷媒をランキンサイクル５内に注入する。このとき、ランキンサイクル５内の冷媒充填量が最大、もしくは所定の量以上となるようにする。ここで、所定の量とは、ランキンサイクル５を始動することができる（即ち、冷媒ポンプ６の入出力に圧力差が発生しうる）冷媒の充填量である。

これにより、始動時の環境温度によらず、十分な過冷却度を確保することができ、ランキンサイクル５の運転と同時に過冷却度を制御することにより、効率的なランキンサイクル運転が可能となる。

本実施の形態３によれば、ランキンサイクル５内に十分に冷媒を注入して停止するため、次にランキンサイクル５を始動する際には過冷却度が不足する状態となっておらず、常に正常にランキンサイクル５を始動することができ、安定性が向上した排熱回生システムを得ることができる。

以上のように、本発明に係る排熱回生システムは、ランキンサイクルの始動時においても、過冷却度を調整することができるように構成したので、自動車用エンジン等の排熱回生システムとして用いるのに適している。

Claims (6)

1. ランキンサイクルを用いて内燃機関の排熱を回生する排熱回生システムにおいて、
   前記ランキンサイクルの冷媒の過冷却度に応じて前記ランキンサイクル内の冷媒の充填量を任意に調整できる冷媒充填量調整装置を備え、
   前記冷媒充填量調整装置は、
   前記ランキンサイクルの低圧回路部に配管により連結する低圧側弁と、
   前記ランキンサイクルの高圧回路部に配管により連結する高圧側弁と、
   前記冷媒を貯蔵し、前記低圧側弁および前記高圧側弁に配管により連結する冷媒タンクと、
   前記冷媒タンクの内部温度を調整する温度調整手段とを有する排熱回生システム。
2. 前記温度調整手段は、前記ランキンサイクルの冷媒の過冷却度に応じて、前記冷媒タンクの内部圧力が前記低圧回路部の圧力より高くなるか、もしくは前記高圧回路部の圧力より低くなるように、前記冷媒タンクの内部温度を調整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。
3. ランキンサイクルを用いて内燃機関の排熱を回生する排熱回生システムにおいて、
   前記ランキンサイクルの冷媒の過冷却度に応じて前記ランキンサイクル内の冷媒の充填量を任意に調整できる冷媒充填量調整装置を備え、
   前記冷媒充填量調整装置は、
   前記ランキンサイクルの低圧回路部に配管により連結する低圧側弁と、
   前記ランキンサイクルの高圧回路部に配管により連結する高圧側弁と、
   前記低圧側弁に配管により連結する冷媒搬送手段と、
   前記冷媒を貯蔵し、前記冷媒搬送手段および前記高圧側弁に配管により連結する冷媒タンクと、
   を有する排熱回生システム。
4. 前記ランキンサイクルは凝縮器と冷媒ポンプとを有し、
   前記低圧側弁は前記凝縮器の入口側に連結し、
   前記高圧側弁は前記冷媒ポンプの出口側に連結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。
5. 前記ランキンサイクルは冷媒ポンプと膨張機とを有し、
   前記低圧側弁は前記冷媒ポンプの入口側に連結し、
   前記高圧側弁は前記膨張機の入口側に連結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。
6. 前記ランキンサイクルの停止時もしくは停止中に、前記冷媒タンク内に貯蔵された冷媒を前記ランキンサイクル内に注入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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