JP5896817B2

JP5896817B2 - 冷却発電システム

Info

Publication number: JP5896817B2
Application number: JP2012090286A
Authority: JP
Inventors: 中村　正明; 正明中村; 卓俊古川; 将太郎飯窪; 耕一町田; 清広下川
Original assignee: Hino Motors Ltd
Current assignee: Hino Motors Ltd
Priority date: 2012-04-11
Filing date: 2012-04-11
Publication date: 2016-03-30
Anticipated expiration: 2032-04-11
Also published as: JP2013217340A

Description

本発明は、冷凍サイクルを用いた冷却システムと、ランキンサイクルを用いた発電システムと、を具備する冷却発電システムに関する。

車両等において廃熱回収技術は燃費向上を図るひとつの有効な手段であり、従来、エンジンの冷却水から廃熱回収するランキンサイクルを用いた発電システムが知られている。一方、車両等には、発電システムと同様なシステム構成を有する冷却システムが搭載されているものの、これらそれぞれは別系統のシステムとして作動されている。この点、例えば特許文献１には、空調用冷凍サイクル回路を備えた内燃機関用の排熱利用装置が開示されている。

特開昭６３−９６４４９号公報

しかしながら、上述したような従来技術においては、未だ部品点数が多いという実情があり、また、システム全体としてサイズが比較的大きくなってしまうことから、搭載性の向上が望まれている。

そこで、本発明は、部品点数の低減及びコンパクト化を図り、搭載性の向上を実現できる冷却発電システムを提供することを課題とする。

上記課題を解決するために、本発明に係る冷却発電システムは、冷凍サイクルを用いた冷却システムと、ランキンサイクルを用いた発電システムと、を具備する冷却発電システムであって、熱媒体を循環するように流通させる循環流路を備え、循環流路は、互いに並列に構成された第１及び第２流路と、第１及び第２流路の合流部から分岐部へ接続された第３流路と、を含んでおり、第１流路上に設けられ、エンジンの冷却水を用いて熱媒体を蒸発させるランキンサイクル用蒸発器と、第１流路上においてランキンサイクル用蒸発器の下流側に設けられたタービン発電機と、第１流路上に設けられ、タービン発電機の下流側の熱媒体からランキンサイクル用蒸発器の上流側の熱媒体へ熱移動させる熱交換器と、第２流路上に設けられた冷凍サイクル用蒸発器と、第２流路上において冷凍サイクル用蒸発器の上流側に設けられた膨張弁と、第３流路上に設けられたコンプレッサと、第３流路上においてコンプレッサの下流側に設けられた凝縮器と、分岐部に設けられ、第１及び第２流路それぞれへの熱媒体の流通を制御する制御部と、を有することを特徴とする。

本発明の冷却発電システムでは、熱媒体のサーキットが共通化されるように冷却システムと発電システムとを好適に組み合わせ、且つ、これらの作動を制御部によって制御することが可能となる。また特に、コンプレッサを熱媒体を圧送する手段として利用し、別途のポンプ等を不要にできると共に、当該コンプレッサによる熱媒体の圧縮により、その下流側の凝縮器のサイズを小さくすることが可能となる。従って、本発明によれば、部品点数の低減及びコンパクト化を図り、搭載性の向上を実現可能となる。

また、冷却システムは、カークーラシステムであることが好ましい。この場合、例えば低沸点媒体を熱媒体として用いたシステム構成を、好適に実現することができる。

また、制御部は、ランキンサイクル用蒸発器に流入される冷却水の温度に基づいて、第１流路への熱媒体の流通を制御することが好ましい。この場合、エンジンの冷却水の温度に応じた発電制御が可能となる。

本発明によれば、部品点数の低減及びコンパクト化を図り、搭載性の向上を実現することが可能となる。

本発明の一実施形態に係る冷却発電システムを示す構成図である。

以下、本発明の好適な実施形態について、図面を参照して詳細に説明する。なお、以下の説明において同一又は相当要素には同一符号を付し、重複する説明を省略する。

図１は、本発明の一実施形態に係る冷却発電システムを示す構成図である。図１に示すように、本実施形態の冷却発電システム１００は、冷凍サイクルを用いた室内空調システムであるカークーラシステム２と、ランキンサイクルを用いたエンジン冷却水廃熱ランキンサイクルシステムである発電システム３と、が互いに組み合わされて構成されている。ここでの冷却発電システム１００は、例えばトラック等の車両に搭載されている。

冷却発電システム１００は、熱媒体Ｍを循環するように流通させる循環流路１０を備えている。循環流路１０は、互いに並列に構成されたランキンサイクル用流路（第１流路）１１及びカークーラ用流路（第２流路）１２と、これら流路１１，１２の合流部Ｇから分岐部Ｄへ接続された接続流路（第３流路）１３と、を含んでいる。熱媒体Ｍとしては、種々のものを用いることができ、ここでは、低沸点媒体であるＲ１３４ａが用いられている。

この冷却発電システム１００は、ランキンサイクル用蒸発器２１、タービン発電機２２、熱交換器２３、カークーラ用蒸発器（冷凍サイクル用蒸発器）２４、膨張弁２５、コンプレッサ２６、凝縮器２７、リザーブタンク２７ａ、制御バルブ２８、及びコントローラ２９を有している。

ランキンサイクル用蒸発器２１は、ランキンサイクル用流路１１上に設けられ、車両に搭載されたエンジンの冷却水Ｗの熱を用いて熱媒体Ｍを蒸発（気化）させる。ここでのランキンサイクル用蒸発器２１では、エンジンを冷却後の高温状態の冷却水Ｗが導入され、当該冷却水Ｗにより熱媒体Ｍが加熱・昇温される。また、ランキンサイクル用蒸発器２１に流入される冷却水Ｗの流路には、当該冷却水Ｗの温度を検出する温度センサ５が設けられている。

タービン発電機２２は、ランキンサイクル用流路１１上においてランキンサイクル用蒸発器２１の下流側に設けられている。タービン発電機２２は、ランキンサイクル用蒸発器２１で蒸発させた熱媒体Ｍを利用して発電を行う。このタービン発電機２２は、膨張器としてのタービン２２ａと、タービン２２ａに連結され当該タービン２２ａの回転により発電を行う発電機２２ｂと、を含んで構成されている。

熱交換器２３は、ランキンサイクル用流路１１上に設けられており、具体的には、ランキンサイクル用流路１１においてタービン発電機２２の下流側とランキンサイクル用蒸発器２１の上流側とが流入するように配設されている。この熱交換器２３は、タービン発電機２２の下流側の熱媒体Ｍからランキンサイクル用蒸発器２１の上流側の熱媒体Ｍへ熱移動させる。

カークーラ用蒸発器２４は、カークーラ用流路１２上に設けられている。このカークーラ用蒸発器２４は、例えば熱媒体Ｍの蒸発時の蒸発潜熱によって送風機（不図示）からの外気（空調空気）を冷却し、これにより、冷風を出力する。膨張弁２５は、カークーラ用流路１２上においてカークーラ用蒸発器２４の上流側に設けられている。この膨張弁２５は、カークーラ用蒸発器２４に供給される熱媒体Ｍを減圧膨脹させる。

コンプレッサ２６は、接続流路１３上に設けられ、ここでは、接続流路１３において合流部Ｇ側に設けられている。このコンプレッサ２６は、熱媒体Ｍを圧縮すると共に、当該熱媒体Ｍを下流側へと送出する。コンプレッサ２６の駆動力としては、タービン発電機２２のタービン２２ａと連結して当該タービン２２ａの動力を利用することもできるし、エンジンにベルト等で連結して当該エンジンの動力を利用することもできるし、インバータモータ等と接続して当該インバータモータ等の動力を利用することもできるし、これらを適宜組み合わせたものを利用することもできる。

凝縮器２７は、接続流路１３上においてコンプレッサ２６の下流側に設けられている。この凝縮器２７は、コンプレッサ２６から供給された熱媒体Ｍを、エアーを用いて放熱して凝縮する。リザーブタンク２７ａは、接続流路１３上において凝縮器２７の下流側に設けられ、凝縮器２７で凝縮された熱媒体Ｍを一時貯留する。なお、このリザーブタンク２７ａについては、凝縮器２７と一体的に設けてもよいし、凝縮器２７の仕様により必要がない場合には、設けなくともよい。

制御バルブ２８は、分岐部Ｄに設けられ、流路１１，１２それぞれへの熱媒体Ｍの流通を制御する。この制御バルブ２８は、コントローラ２９に接続されており、当該コントローラ２９によって各流路１１，１２に対する弁ポート１１ａ，１２ａが制御され、各流路１１，１２への熱媒体Ｍの流通が調整される。制御バルブ２８としては、三方電磁弁を用いることができる。

コントローラ２９は、制御バルブ２８を制御して冷却発電システム１００の動作を制御する。具体的には、コントローラ２９は、後述するように、温度センサ５により検出された冷却水Ｗの温度に基づいて制御バルブ２８を制御し、ランキンサイクル用流路１１に対する弁ポート１１ａの開閉（流通の許容／遮断）を制御する。また、コントローラ２９は、車両の搭乗者等による空調スイッチの操作に基づいて制御バルブ２８を制御し、カークーラ用流路１２に対する弁ポート１２ａの開閉を制御する。

次に、冷却発電システム１００における動作の一例を詳細に説明する。

まず、初期状態では、例えば、空調スイッチはＯＦＦとされ、温度センサ５により検出される冷却水Ｗの温度は未だ閾値（例えば、沸点）よりも低いものとされており、このときには、制御バルブ２８の弁ポート１１ａ，１２ｂが共に閉とされた状態となっている。

この状態において、例えば搭乗者等により空調スイッチがＯＮとされると、カークーラシステム２が作動状態とされる。すなわち、コントローラ２９により制御バルブ２８の弁ポート１２ａが開となり、熱媒体Ｍがカークーラ用流路１２に流通される。カークーラ用流路１２を流れる熱媒体Ｍは、膨張弁２５で減圧膨脹されて霧化され、カークーラ用蒸発器２４で気化される。その結果、カークーラ用蒸発器２４により外気が熱交換されて冷気が出力される。その後、熱媒体Ｍは、合流部Ｇを介して接続流路１３へ流通される。

そして、接続流路１３を流れる熱媒体Ｍは、コンプレッサ２６で圧縮されて高圧化され、その沸点が上昇されて下流側へ送出された後、凝縮器２７で凝縮されて常温下で液化され、リザーブタンク２７ａで完全に液化されて制御バルブ２８へ循環されることとなる。

他方、温度センサ５により検出された冷却水Ｗの温度が閾値以上となったとき、発電システム３が作動状態とされる。すなわち、コントローラ２９により制御バルブ２８の弁ポート１１ａが開となり、熱媒体Ｍがランキンサイクル用流路１１に流通される。

ランキンサイクル用流路１１を流れる熱媒体Ｍは、熱交換器２３にてタービン２２ａ後の熱媒体Ｍと熱交換されて（熱媒体Ｍから熱エネルギーが回収されて）昇温された後、ランキンサイクル用蒸発器２１にて冷却水Ｗと熱交換され、さらに昇温される。その結果、高温となった熱媒体Ｍによりタービン２２ａが回転され、発電機２２ｂにより発電される。その後、熱媒体Ｍは、熱交換器２３で熱媒体Ｍと熱交換されて冷却され、合流部Ｇを介して接続流路１３へ流通される。

なお、空調スイッチがＯＦＦとされると、上記カークーラシステム２が非作動状態とされ、コントローラ２９により制御バルブ２８の弁ポート１２ａが閉となる。また、温度センサ５による冷却水Ｗの温度が閾値未満となると、コントローラ２９により制御バルブ２８の弁ポート１１ａが閉となる。

ちなみに、上記カークーラシステム２の作動と上記発電システム３の作動とのそれぞれについては、同時に又は別途に実施させることができる。この場合、コンプレッサ２６の動作は、熱媒体Ｍの流量に応じて制御してもよい。つまり、例えば、カークーラシステム２及び発電システム３を同時作動させるとき、カークーラシステム２のみ（又は発電システム３のみ）を作動させるときに比べ、コンプレッサ２６の回転数を高めて大流量の熱媒体Ｍを圧縮・送出してもよい。

以上、本実施形態の冷却発電システム１００では、熱媒体Ｍのサーキットが共通化されるようにカークーラシステム２と発電システム３とを組み合わせ、冷却機能及び発電機能を併せ持つシステムを好適に構築できる。加えて、これらの作動を制御バルブ２８によって適宜に制御することが可能となる。

また特に、コンプレッサ２６を熱媒体Ｍを圧送する手段として利用し、別途のポンプ等を不要にできると共に、当該コンプレッサ２６による熱媒体Ｍの圧縮により、その下流側の凝縮器２７における熱媒体Ｍの沸点を下げ、凝縮器２７のサイズを小さくすることが可能となる。凝縮器２７は、その構成上サイズが大きいものであることから、凝縮器２７のサイズを小さくできる当該作用効果は極めて有効である。従って、本実施形態によれば、部品点数を低減し、全体としコンパクト化を図ることができ、その結果、搭載性の向上を実現することが可能となる。

さらに、本実施形態においては、凝縮器２７をカークーラシステム２及び発電システム３で共用することが可能となる。さらにまた、熱交換器２３により、ランキンサイクル用蒸発器２１に供給される熱媒体Ｍをタービン２２ａ後の熱媒体Ｍで昇温させることができる。これにより、タービン２２ａを回転させる高温の熱媒体Ｍを効果的に生成することができ、システム効率の低下を抑制することができる。

また、本実施形態では、上述したように、冷却システムとしてカークーラシステム２を用いることで、低沸点媒体を熱媒体Ｍとしたシステム構成が好適に実現されている。なお、本実施形態が適用可能な冷却システムは、カークーラシステム２に限定されず、冷凍車や冷蔵車等の冷凍機能又は冷蔵機能を有する冷凍システムでもよい。

また、本実施形態では、上述したように、ランキンサイクル用蒸発器２１に流入される冷却水Ｗの温度に基づいて、ランキンサイクル用流路１１への熱媒体Ｍの流通を制御している。具体的には、冷却水Ｗの温度が閾値以上の場合に制御バルブ２８の弁ポート１２ａを開とする一方、冷却水Ｗの温度が閾値未満の場合に制御バルブ２８の弁ポート１２ａを閉としている。これにより、冷却水Ｗの温度に応じた発電制御が可能となる。

以上、本発明の好適な実施形態について説明したが、本発明は、上記実施形態に限られるものではなく、各請求項に記載した要旨を変更しない範囲で変形し、又は他のものに適用してもよい。

例えば、上記実施形態では、制御バルブ２８として三方弁を用いたが、その他のバルブを用いてもよいし、ランキンサイクル用バルブとカークーラ用バルブとの２つのバルブを用いてもよい。また、上記エンジンとしては、車両の駆動用エンジンを対象にしてもよいし、それとは別の専用エンジンを対象にしてもよい。

また、熱媒体Ｍの流量がさらに必要な場合等においては、例えばリザーブタンク２７ａと制御バルブ２８との間に、熱媒体Ｍを圧送する小型ポンプをさらに設けてもよい。この場合、小型ポンプは、コンプレッサ２６と問題なく協働させるために、当該コンプレッサ２６に応じた設定／仕様とされる。

上記において、制御バルブ２８及びコントローラ２９は、制御部を構成する。また、カークーラ用蒸発機２４、コンプレッサ２６、凝縮器２７、リザーブタンク２７ａ及び膨張弁２５は、カークーラシステム２を構成する。また、ランキンサイクル用蒸発器２１、タービン発電機２２、熱交換器２３、コンプレッサ２６、凝縮器２７及びリザーブタンク２７ａは、発電システム３を構成する。

２…冷却システム、３…発電システム、１０…循環流路、１１…ランキンサイクル用流路（第１流路）、１２…カークーラ用流路（第２流路）、１３…接続流路（第３流路）、２１…ランキンサイクル用蒸発器、２２…タービン発電機、２３…熱交換器、２４…冷凍サイクル用蒸発器、２５…膨張弁、２６…コンプレッサ、２７…凝縮器、２８…制御バルブ（制御部）、２９…コントローラ（制御部）、１００…冷却発電システム、Ｄ…分岐部、Ｍ…熱媒体、Ｇ…合流部、Ｗ…冷却水。

Claims

冷凍サイクルを用いた冷却システムと、ランキンサイクルを用いた発電システムと、を具備する冷却発電システムであって、
熱媒体を循環するように流通させる循環流路を備え、
前記循環流路は、互いに並列に構成された第１及び第２流路と、前記第１及び第２流路の合流部から分岐部へ接続された第３流路と、を含んでおり、
前記第１流路上に設けられ、エンジンの冷却水を用いて前記熱媒体を蒸発させるランキンサイクル用蒸発器と、
前記第１流路上において前記ランキンサイクル用蒸発器の下流側に設けられたタービン発電機と、
前記第１流路上に設けられ、前記タービン発電機の下流側の前記熱媒体から前記ランキンサイクル用蒸発器の上流側の前記熱媒体へ熱移動させる熱交換器と、
前記第２流路上に設けられた冷凍サイクル用蒸発器と、
前記第２流路上において前記冷凍サイクル用蒸発器の上流側に設けられた膨張弁と、
前記第３流路上に設けられたコンプレッサと、
前記第３流路上において前記コンプレッサの下流側に設けられた凝縮器と、
前記分岐部に設けられ、前記第１及び第２流路それぞれへの前記熱媒体の流通を制御する制御部と、を有することを特徴とする冷却発電システム。
前記冷却システムは、カークーラシステムであることを特徴とする請求項１記載の冷却発電システム。
前記制御部は、前記ランキンサイクル用蒸発器に流入される前記冷却水の温度に基づいて、前記第１流路への前記熱媒体の流通を制御することを特徴とする請求項１又は２記載の冷却発電システム。