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JP4736813B2 - 車両用排熱回収システム - Google Patents

車両用排熱回収システム Download PDF

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JP4736813B2 JP2006007433A JP2006007433A JP4736813B2 JP 4736813 B2 JP4736813 B2 JP 4736813B2 JP 2006007433 A JP2006007433 A JP 2006007433A JP 2006007433 A JP2006007433 A JP 2006007433A JP 4736813 B2 JP4736813 B2 JP 4736813B2
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Description

この発明は、車両用排熱回収システムに関する。
内燃機関の排熱によって冷却水を加熱して蒸気にし、この蒸気でタービンを駆動して動力を発生させ、この動力によってタービンに作動連結された発電機を駆動させて発電を行う車両用排熱回収システムが、例えば特許文献1に記載されている。
図12は、このような従来の車両用排熱回収システムの構成図である。
ランキンサイクル60を起動するために、エンジン51の動力によって、ベルト66を介してポンプ61が駆動される。ポンプ61から吐出されたフロン等の作動流体は、熱交換器62において、冷却水循環経路52を循環するエンジン冷却水と熱交換されて作動流体ガスとなり、膨張機63へと送られて膨張される。膨張機63で膨張された作動流体ガスはコンデンサ64で冷却凝縮され、再びポンプ61に吸入される。膨張機63の動力によって発電機65が駆動されて発電が行われ、車両の駆動等に使用される。
このような車両用排熱回収システムでは、エンジン51の動力のかわりにモータを使用してポンプ61を駆動してもよい。
特開2000−345915号公報
しかしながら、ポンプ61の駆動を、ベルト66を介してエンジン51の動力で行う場合には、ポンプ61の回転数がエンジン51の回転数と同調するので、排熱量や外気温等に基づくランキンサイクル60の作動状況に応じた作動流体の流量制御が困難であるといった問題点があった。
また、ポンプ61をモータによって駆動する場合には、軸封装置による消費動力の増加を抑制するため、ポンプ61は密閉式のものが好ましい。しかしながら、密閉式の場合には、ポンプ61はモータ及びモータ制御用インバータを備えることになるので、サイズが大きくなり、コストも増加するといった問題点があった。
この発明は、このような問題点を解決するためになされたもので、排熱回収効率が低下せずに、コンパクトでコストを低減した車両用排熱回収システムを提供することを目的とする。
この発明に係る車両用排熱回収システムは、車両の排熱により作動流体を加熱する熱交換器、熱交換器で加熱された作動流体を膨張させる膨張機、膨張機で膨張された作動流体を冷却するコンデンサ、及びコンデンサで冷却された作動流体を循環するギヤポンプを有するランキンサイクルと、ギヤポンプ及び膨張機に連結する負荷機とを備え、負荷機は、モータとしてギヤポンプを駆動すると共に発電機として膨張機の動力を利用して発電を行うことを特徴とする。負荷機は、モータとしてギヤポンプを駆動すると共に、発電機として膨張機の動力を利用して発電を行うことにより、車両用排熱回収システムがコンパクトとなり、コストも低減される。また、負荷機の回転数制御を通して、ギヤポンプ及び膨張機の回転数が制御されるので、排熱回収効率が維持される。
ギヤポンプ及び膨張機は、負荷機を介して連結されていてもよい。
負荷機はギヤポンプに連結され、ギヤポンプは膨張機に連結されていてもよい。
膨張機は、可変容量型の膨張機であってもよい。
可変容量型の膨張機は、高圧室から作動流体を吸入する吸入ポートと、吸入ポートから吸入された作動流体を膨張させる作動室と、作動室において作動流体を膨張させる途中過程の位置に設けられ、高圧室と作動室とを開閉可能に連通する、吸入ポートとは異なるバイパス口とを備え、バイパス口の開閉に応じて作動流体の膨張率が変化する膨張機であってもよい。
負荷機およびギヤポンプは、遮断壁を介して連結され、ギヤポンプは、その内部が遮断壁およびケーシングによって覆われ、ギヤポンプは、コンデンサで冷却された作動流体を吸入する吸入開口と、作動流体を熱交換器に向けて吐出する吐出開口とを備え、吸入開口はケーシングに形成され、吐出開口は遮断壁に形成されてもよい。
遮断壁およびケーシングの間に断熱材が配置されてもよい。
作動流体を圧縮するコンプレッサと、コンプレッサで圧縮された作動流体とランキンサイクルの膨張機で膨張された作動流体とが混合した作動流体を冷却するコンデンサと、コンデンサで冷却された作動流体の少なくとも一部をランキンサイクルのギヤポンプに流入させ、その残りの作動流体を減圧する減圧装置と、減圧装置で減圧された作動流体を加熱する蒸発器とを有する冷凍サイクルを備えていてもよい。
この発明によれば、ポンプ及び膨張機に連結する負荷機は、モータとしてポンプを駆動すると共に、発電機として膨張機の動力を利用して発電を行うので、排熱回収効率が低下せずに、車両用排熱回収システムをコンパクトにし、コストを低減することができる。
以下、この発明の実施の形態を添付図面に基づいて説明する。
実施の形態1.
図1に示されるように、この実施の形態に係る車両用排熱回収システム1は、エンジン2、エンジン2を冷却するための冷却水が循環する冷却水循環経路3、ランキンサイクル10及び冷凍サイクル20を備えている。
ランキンサイクル10には、ポンプ11(P)、熱交換器12、膨張機13(E)、及びコンデンサ14が設けられ、作動流体であるフロンR134aが循環されている。膨張機13は、コンプレッサの吐出側と吸入側とを実質的に逆に接続した構造であり、吸入される作動流体によって駆動される。負荷機であるモータ/発電機15(M/G)が、ポンプ11の図示しない回転軸及び膨張機13の図示しない回転軸の両方に連結すると共に、ポンプ11及び膨張機13の間に位置するように一体化されて設けられている。モータ/発電機15は、バッテリー4の正極端子4aと、インバータ6を介して電気的に接続されている。尚、バッテリー4の負極端子4bは車両に接地されている。これにより、モータ/発電機15は、モータとしてバッテリー4の電力によって駆動されてポンプ11を駆動させると共に、発電機として膨張機13の動力を利用して発電を行うようになっている。ここで、図中、バッテリー4からモータ/発電機15へ供給される電力の流れを破線Aで表し、モータ/発電機15によって発電された電力をバッテリー4へ供給する流れを一点鎖線Bで表す。なお、モータ/発電機15によって発電された電力を車両の電機負荷へ直接供給するようにしてもよい。
冷凍サイクル20には、コンプレッサ21、コンデンサ14、減圧装置である膨張弁22及び蒸発器23が設けられている。コンプレッサ21は、モータ24によって駆動され、冷凍サイクル20内を、作動流体であるフロンR134aが循環するようになっている。モータ24は、バッテリー4の正極端子4aと、インバータ5を介して電気的に接続されている。
コンプレッサ21とコンデンサ14との間において、ランキンサイクル10と冷凍サイクル20とが合流するようになっている。また、コンデンサ14と膨張弁22との間において、ランキンサイクル10と冷凍サイクル20とに分岐するようになっている。したがって、コンデンサ14は、ランキンサイクル10と冷凍サイクル20とによって共有されている。
次に、モータ/発電機15およびその周辺の構造について説明する。
図2に示されるように、一体ユニット16は、ポンプ11と、膨張機13と、モータ/発電機15と、その外側に取り付けられてこれを覆う円筒状のハウジング131とを含む。モータ/発電機15は、ハウジング131内に回転可能に設けられたシャフト135を有している。シャフト135には、ロータ15aがシャフト135と共に回転可能に固定されている。ハウジング131の内周面には、ステータ15bがロータ15aを取り囲むように固定されている。ステータ15bは、ステータコア141にコイル140を巻回することにより構成されている。このようなモータ/発電機15の構成により、モータ/発電機15は、コイル140への通電によりロータ15aを回転させるモータとしての機能と、ロータ15aが回転駆動されることでコイル140に電力を生じさせる発電機としての機能とを有するようになっている。
また、一体ユニット16は、モータ/発電機15の後方側(図2において右側)のハウジング131内に、スクロール式コンプレッサの吐出側と吸入側とを実質的に逆に接続した構造の膨張機13を備えている。ハウジング131の後方端131aには円盤状のハウジング132が設けられ、ハウジング131を後方側から蓋をするようになっている。
シャフト135の後端135aには、シャフト135の回転軸Lに対して偏心した位置に偏心軸143が設けられており、偏心軸143はシャフト135の回転により回転軸Lのまわりを旋回するようになっている。偏心軸143にはブッシュ144が固定されており、偏心軸143と共に回転軸Lのまわりを旋回するようになっている。ブッシュ144にはベアリング159を介して可動スクロール145が設けられ、可動スクロール145は偏心軸143及びブッシュ144と共に回転軸Lのまわりを旋回するようになっている。さらに、可動スクロール145は、ブッシュ144に対して偏心軸143を中心に回転するようになっている。可動スクロール145の円盤状の基板145aには、ハウジング132に向かって延びると共に渦巻状に形成された渦巻壁145bが設けられている。また、ハウジング132の内面には、固定スクロール142が可動スクロール145に対向するように固定されている。固定スクロール142は、円盤状の基板142aと、基板142aの外周に沿って設けられた円筒状の外周壁142bと、基板142aから可動スクロール145に向かって延びると共に渦巻状に形成された渦巻壁142cとを備えている。渦巻壁142c,145bは互いに噛み合わされており、渦巻壁142c,145bの先端面142c1,145b1はそれぞれ、先端に図示しないチップシールを備え、基板145a,142aに該チップシールを介して互いに接している。固定スクロール142の基板142a及び渦巻壁142cと、可動スクロール145の基板145a及び渦巻壁145bとにより、作動室146が形成されている。また、固定スクロール142の外周壁142bと可動スクロール145の渦巻壁145bの最外周部とにより、低圧室118が形成されている。さらに、固定スクロール142の基板142aとハウジング132の内面とにより、高圧室119が形成されている。
固定スクロール142の基板142aの中心部には、作動室146の中心側と高圧室119とを連通する吸入ポート147が設けられている。ハウジング132の内部には、熱交換器12(図1参照)及び膨張機13を接続する作動流体循環経路10aと高圧室119とを連通する流通経路151が設けられている。また、固定スクロール142の外周壁142bからハウジング131にかけて、一端が低圧室118に連通する流通経路152が設けられている。ハウジング131の内周面には溝131bが設けられており、流通経路152の他端と連通している。これにより、低圧室118とハウジング131の空洞部131cとが連通されている。流通経路152と連通する溝131bは、コンデンサ14(図1参照)及び膨張機13を接続する作動流体循環経路10bと連通している。
一体ユニット16はさらに、ハウジング131の前方端131dに接続するように、ポンプ11を備えている。ポンプ11のハウジングは、ハウジング131の前方側(図2において左側)に設けられた遮断壁158と、遮断壁158よりもさらに前方側に設けられたケーシング153とから構成されている。ケーシング153に形成された凹部166の内部には、シャフト135と回転の軸を同一にするように、一端をシャフト135に接続した駆動シャフト154の他端が支持されている。つまり、シャフト135は駆動シャフト154を介してケーシング153に支持されている。
遮断壁158は、237W/(m・K)という熱伝導率の大きいアルミで形成され、ポンプ11とモータ/発電機15とを隔てている。遮断壁158には駆動シャフト154が貫通する軸孔161が形成されている。また、遮断壁158とケーシング153とが接続される際に、遮断壁158とケーシング153との間にシリンダ162が形成されるようになっている。シリンダ162に連通するように、遮断壁158及びケーシング153にはそれぞれ、凹部164,165が形成されている。すなわち、凹部164,165及びシリンダ162によって、遮断壁58とケーシング153との間に連続する1つの空間が形成されている。この空間は、遮断壁158とケーシング153とによって覆われる、ポンプ11の内部である。
この空間内には、両端がそれぞれ凹部164,165に支持された従動シャフト156が設けられ、従動シャフト156と共にシリンダ162内を回転可能な従動ギヤ157が設けられている。また、シリンダ162内には、駆動シャフト154と共に回転可能な主動ギヤ155が、従動ギヤ157と噛み合うように設けられている。これにより、主動ギヤ155が回転すると、従動ギヤ157も回転するようになっている。
また、遮断壁158とケーシング153との間には、断熱材を含む断熱材膜150が配置され、遮断壁158とケーシング153とを断熱する。
軸孔161と駆動シャフト154との間にはシール部材163が配設されている。シール部材163は、シリンダ162内とモータ/発電機15の空洞部131cとの間をシールしている。
遮断壁158のポンプ11側の面には、シリンダ162を取り囲むように凹溝167が形成されている。凹溝167内には、Oリング168が配設されている。Oリング168は、遮断壁158とケーシング153との間を介して、一体ユニット16の外部へシリンダ162内の作動流体が漏出することを防止している。
図3および図4に、図2に示されるIII−III線およびIV−IV線に沿ってポンプ11を切断したときの断面図をそれぞれ示す。ポンプ11の吐出側及び吸入側に、シリンダ162から延びる吐出通路171及び吸入通路172が形成されている。
吐出通路171は遮断壁158に形成される。吸入通路172は、遮断壁158に形成される吸入通路172aと、ケーシング153に形成される吸入通路172bとを含む。
吐出通路171は、凹溝167で囲まれた部分に形成され、遮断壁158の内部に形成された吐出孔173の一端に連通している。ここで、吐出通路171及び吐出孔173は遮断壁158の内部に形成された内部吐出経路を構成する。また吸入通路172aは、吐出通路171と同様に凹溝167で囲まれた部分に形成され、ケーシング153に形成された吸入通路172bと連通している。吸入通路172bは、ケーシング153の内部に形成された吸入孔174の一端に連通している。ここで、吸入通路172a、吸入通路172b、及び吸入孔174は、遮断壁158およびケーシング153の内部に形成された内部吸入経路を構成する。
図5に示されるように、図3および図4の矢印Aの方向から見たポンプ11の側面で、吐出孔173の他端である吐出開口173aは、遮断壁158に形成され、吸入孔174の他端である吸入開口174aは、ケーシング153に形成される。また、吐出開口173aおよび吸入開口174aは、図3および図4に示されるように、ランキンサイクル10(図1参照)の作動流体循環経路10d,10cにそれぞれ接続されている。ポンプ11は、吸入開口174aにおいて作動流体循環経路10cからフロンR134aを吸入し、吐出開口173aにおいて作動流体循環経路10dにフロンR134aを吐出する。
次に、この実施の形態1に係る車両用排熱回収システムの動作について説明する。
図1に示されるように、エンジン2が始動すると、冷却水が冷却水循環経路3を循環する。冷却水は、エンジン2が暖機されると、温められて温度が上昇する。エンジン2の始動後、ランキンサイクル10及び冷凍サイクル20が稼動する。なお、図示しないエアコンスイッチがオフとされている場合は冷凍サイクル20を起動しなくてもよい。
ランキンサイクル10は、バッテリー4からの電力がインバータ6を介してモータ/発電機15を始動させることにより(破線A)、起動される。モータ/発電機15がモータとして始動することにより、ポンプ11が始動する。ポンプ11から吐出されたフロンR134aは、熱交換器12へ流入し、高温の冷却水と熱交換することによってガスとなる。ガスとなったフロンR134aは、膨張機13に吸入されて膨張機13を駆動する。膨張されたフロンR134aは、後述する冷凍サイクル20のコンプレッサ21によって圧縮されたフロンR134aガスと合流してコンデンサ14に流入し、冷却されて液体のフロンR134aとなる。その後、ランキンサイクル10と冷凍サイクル20とに分配され、ランキンサイクル10に分配されたフロンR134aはポンプ11に吸入される。このようにして、フロンR134aは、ランキンサイクル10を循環する。
ここで、バッテリー4から電力が供給されてモータ/発電機15が始動すると、図2に示されるように、ロータ15aが回転し、ロータ15aの回転によりシャフト135が回転軸Lを中心に回転する。すると、偏心軸143が回転軸Lのまわりを旋回し、ブッシュ144及び可動スクロール145が偏心軸143と共に回転軸Lのまわりを旋回する。このような可動スクロール145の旋回により、中心側の作動室146が容積を増大しつつ外周側へ移動するようになる。
熱交換器12(図1参照)によって高温高圧となったフロンR134aは、作動流体循環経路10aを流通し、一体ユニット16内の流通経路151に流入することにより、膨張機13に吸入される。流通経路151を流通するフロンR134aは高圧室119に流入し、膨張機13の上記動作によって、高圧室119内のフロンR134aは吸入ポート147を介して中心側の作動室146に流入する。中心側の作動室146が容積を増大しつつ外周側へ移動することにより、フロンR134aは外周側の作動室146へ移動しつつ膨張され、低圧室118に流入する。低圧室118に流入したフロンR134aは、流通経路152及び溝131bを介して作動流体循環経路10bを流通し、膨張機13から流出する。フロンR134aが溝131bを流通する際、その一部が空洞部131cに流出する。これにより、空洞部131cはフロンR134aで充填されている。すなわち、モータ/発電機15内は膨張機13の吐出側雰囲気で、フロンR134a雰囲気となっている。
一方、コンデンサ14(図1参照)で冷却されて液体となったフロンR134aの一部は、図3および図4に示されるように、作動流体循環経路10cを流通した後、吸入孔174及び吸入通路172を流通してシリンダ162に流入する。シリンダ162内で昇圧されたフロンR134aは、シリンダ162から吐出されて吐出通路171及び吐出孔173を流通した後、作動流体循環経路10dを流通する。
図2に示されるように、一体ユニット16の内部において、膨張機13によって膨張されたフロンR134aと、ポンプ11の内部のフロンR134aとは、遮断壁158を介して熱交換を行う。すなわち、膨張機13によって膨張されたフロンR134aの方がポンプ11の内部のフロンR134aよりも高温なので、両者の温度差に基づいて、膨張機13によって膨張されたフロンR134aの熱が、ポンプ11の内部のフロンR134aに遮断壁158を介して奪われ、ポンプ11の内部のフロンR134aが昇温される。
膨張機13によって膨張されたフロンR134aはコンデンサ14(図1参照)によってフロンR134aが液化するまで放熱されるが、一体ユニット16の内部における上記熱交換によって、この放熱されるはずの熱の一部が、ポンプ11の内部のフロンR134aを昇温するのに使用される。
内部吐出経路は遮断壁158内に形成されているので、内部吐出経路を流れるフロンR134aも遮断壁158を介した熱交換の影響を受け、昇温される。一方、内部吸入通路については、吸入孔174がケーシング153の内部に形成されており、遮断壁158とは隔てられているので、内部吸入通路を流れるフロンR134aの昇温は抑制される。また、ケーシング153は断熱材膜150によって遮断壁158から断熱されているので、内部吸入通路を流れるフロンR134aの昇温はさらに抑制される。
一方、冷凍サイクル20は、バッテリー4からの電力がインバータ5を介してモータ24を始動させることにより、起動される。すなわち、モータ24が始動すると、コンプレッサ21が起動する。コンプレッサ21によって圧縮されたフロンR134aガスは、ランキンサイクル10の膨張機13によって膨張されたフロンR134aガスと合流してコンデンサ14に流入し、冷却されて液体のフロンR134aとなる。その後、ランキンサイクル10と冷凍サイクル20とに分配され、冷凍サイクル20に分配されたフロンR134aは、膨張弁22によって膨張され、蒸発器23において、フロンR134aは、車内へ向かう空気と熱交換されることによって加熱されてガスとなる。熱交換された空気は冷気として車内へ供給される。蒸発器23で加熱されたガスは、再びコンプレッサ21に吸入される。このようにして、フロンR134aは、冷凍サイクル20を循環する。
ランキンサイクル10が起動した後、フロンR134aがランキンサイクル10を循環するようになり通常運転となると、モータ/発電機15は発電機として、膨張機13の動力を利用して発電を行い、膨張機13の動力回収を行う。この実施の形態1では、このタイミングを、ランキンサイクル10の起動後、所定時間が経過したときとする。
モータ/発電機15が、モータとしてポンプ11を駆動する動作から、発電機として膨張機13の動力を利用して発電を行う動作に切り替わると、ポンプ11は、膨張機13の動力がモータ/発電機15を介して伝達されることにより、駆動されるようになる。一般に、ランキンサイクル10において、膨張機13の最適回転数はポンプ11の回転数とほぼ比例しているので、ポンプ11は最適回転数で運転するようになる。また、エンジン2からの排熱量や外気温等に基づくランキンサイクル10の作動状況によって膨張機13の回転数が変化するが、モータ/発電機15を介して、ポンプ11の回転数が制御されるようになる。すなわち、モータ/発電機15の回転数制御を通して、ポンプ11及び膨張機13の回転数が制御されるようになる。
膨張機13の動力のうち、ポンプ11を駆動させるために消費される以外の動力は、モータ/発電機15が発電機として駆動するための動力として使用される。モータ/発電機15によって発電された電力は、インバータ6を介してバッテリー4に蓄電される(一点鎖線B)。
このように、モータ/発電機15をポンプ11及び膨張機13に連結し、モータ/発電機15がモータとしてポンプ11を駆動すると共に、発電機として膨張機13の動力を利用して発電を行うようにしたので、車両用排熱回収システム1をコンパクトにすると共にコストを低減することができる。また、ランキンサイクル10の作動状況に応じて膨張機13の回転数が変化するが、モータ/発電機15の回転数制御によってポンプ11及び膨張機13の回転数が制御されるので、車両用排熱回収システム1における排熱回収効率の低下を防ぐことができる。
また、一体ユニット16の内部において、膨張機13によって膨張されたフロンR134aとポンプ11の内部のフロンR134aとが熱交換を行うことにより、コンデンサ14によって放熱される熱の一部がポンプ11の内部のフロンR134aを加熱するために使用されるので、ランキンサイクル10の効率を向上することができる。また、この熱交換を行うための熱交換器を別途設ける必要がないので、ランキンサイクル10をコンパクトにすることができる。
実施の形態2.
次に、この発明の実施の形態2に係る車両用排熱回収システムについて説明する。尚、実施の形態2において、図1の参照符号と同一の符号は、同一又は同様な構成要素であるので、その詳細な説明は省略する。
この発明の実施の形態2に係る車両用排熱回収システムは、実施の形態1に対して、ポンプ11及びモータ/発電機15の配置を入れ換えたものである。
図6に示されるように、車両用排熱回収システム30において、モータ/発電機15が、ポンプ11の図示しない回転軸に連結すると共に膨張機13がポンプ11の図示しない回転軸に連結している。これにより、モータ/発電機15は、モータとしてバッテリー4の電力によって駆動されてポンプ11を駆動させると共に、発電機としてポンプ11を介して膨張機13の動力によって発電を行うようになっている。その他の構成については、実施の形態1と同じである。
次に、この実施の形態2に係る車両用排熱回収システムの動作について説明する。
実施の形態1と同様に、エンジン2の始動後、バッテリー4の電力がモータ/発電機15を始動させることにより、ランキンサイクル10が稼動する。また、バッテリー4の電力がモータ24を始動させることにより、冷凍サイクル20が稼動する。
ランキンサイクル10の起動後、所定時間が経過すると、モータ/発電機15は、モータとしてポンプ11を駆動する動作から、発電機として、ポンプ11を介し膨張機13の動力を利用して発電を行う動作に切り替わる。すなわち、膨張機13の動力によって、ポンプ11が駆動されるようになる。ランキンサイクル10において、膨張機13の最適回転数はポンプ11の回転数とほぼ比例しているので、ポンプ11は最適回転数で運転するようになる。
一方、モータ/発電機15には、膨張機13の動力がポンプ11を介して間接的に伝達され、モータ/発電機15が発電を行うようになる。モータ/発電機15によって発電された電力は、インバータ6を介してバッテリー4に蓄電される(一点鎖線B)。
このように、モータ/発電機15がポンプ11に連結すると共にポンプ11が膨張機13に連結する構成でも、実施の形態1と同様の効果を得ることができる。
実施の形態3.
次に、この実施の形態3に係る車両用排熱回収システムの動作について説明する。
この発明の実施の形態3に係る車両用排熱回収システムは、実施の形態1に対して、膨張機及び負荷機の配置を入れ換え、膨張機を可変容量型にしたものである。なお、膨張機はスクロール式ではなく斜板式とする。
図7に示されるように、車両用排熱回収システム40において、モータ/発電機15が、膨張機25の図示しない回転軸に連結すると共にポンプ11が膨張機25の図示しない回転軸に連結している。また、膨張機25には、可変容量型である斜板式圧縮機の吐出側と吸入側とを実質的に逆に接続した構造の膨張機を用いている。これにより、モータ/発電機15は、モータとしてバッテリー4の電力によって駆動されて膨張機25を駆動させ、膨張機25の動力によってポンプ11を駆動させると共に、膨張機25の動力によって駆動されて発電を行うようになっている。その他の構成については、実施の形態1と同じである。
次に、この実施の形態3に係る車両用排熱回収システムの動作について説明する。
エンジン2の始動後、バッテリー4の電力がモータ/発電機15及びモータ24を始動させることにより、ランキンサイクル10及び冷凍サイクル20が稼動する。
冷凍サイクル20は、実施の形態1と同じ動作で稼動する。
一方、ランキンサイクル10において、モータ/発電機15が始動すると、モータ/発電機15の動力が膨張機25に伝達されて膨張機25が始動する。さらに、膨張機25の動力がポンプ11に伝達されてポンプ11が始動する。すなわち、モータ/発電機15によって、膨張機25を介して間接的に、ポンプ11が駆動される。
ランキンサイクル10において、ポンプ11から吐出されたフロンR134aは、熱交換器12においてフロンR134aガスとなった後、膨張機25に吸入される。この際、膨張機25は、モータ/発電機15の動力によってポンプ11と共に駆動されているので、モータ/発電機15の回転数が、ポンプ11の目的流量には適していても、膨張機25から吐出されるフロンR134aガスの流量には適合していない場合が考えられる。しかし、膨張機25は斜板式の吐出側と吸入側とを実質的に逆に接続した構造であるため、斜板の傾きを容量調整機構25aにより調整することによって、膨張機25の図示しない回転軸の回転数は変えずにフロンR134aガスの流量に適合した吐出量に調整される。膨張機25の回転軸の回転数は変わらないので、回転数が変わることなく、ポンプ11の運転が継続される。なお、膨張機の容量可変方法としては、斜板傾角変更に限らず、実施の形態1に示されるスクロール式等、その他の周知の方式を採用することが可能である。
ランキンサイクル10の起動後、モータ/発電機15が、モータとしてポンプ11を駆動する動作から、発電機として膨張機25の動力を利用して発電を行う動作に切り替わると、ポンプ11は膨張機25の動力によって駆動されるようになる。ランキンサイクル10において、膨張機25の最適回転数はポンプ11の回転数とほぼ比例しているので、ポンプ11は最適回転数で運転するようになる。
一方、モータ/発電機15は、膨張機25の動力を利用して発電を行うようになる。モータ/発電機15によって発電された電力は、インバータ6を介してバッテリー4に蓄電される(一点鎖線B)。
このように、モータ/発電機15が膨張機25に連結すると共に膨張機25がポンプ11に連結するようにした構成において、膨張機13に可変容量型のものを使用することによって、実施の形態1、2と同様の効果を得ることができるとともに、ポンプ11の回転数を変えることなく膨張機25から吐出されるガスの流量を変更することができる。
実施の形態4.
次に、この発明の実施の形態4に係る車両用排熱回収システムについて説明する。実施の形態4に係る車両用排熱回収システムは、実施の形態1に対して、膨張機をスクロール式のままで可変容量型にしたものである。尚、実施の形態4において、図1の参照符号と同一の符号は、同一又は同様な構成要素であるので、その詳細な説明は省略する。
図8に、実施の形態4に係る車両用排熱回収システムの構成を示す。実施の形態4に係る車両用排熱回収システムに含まれる膨張機13’は、高圧室119から作動室146へとフロンR134aをバイパスする、バイパス通路13’aを有する。
図9および図10に、実施の形態4に係る一体ユニットの構成を示す。図10は、図9のX−X線における断面図である。図8のバイパス通路13’aは、実施の形態1における固定スクロール142に、図10に示す開閉可能なバイパス口を設けて膨張機13’とすることによって形成される。なお、実際にはバイパス口を開閉可能とするための構造を有するものであるが、図9においてはその図示を省略する。
その他の構成については、実施の形態1と同じである。
図10は、実施の形態4に係る固定スクロール142’を示す。固定スクロール142’は、作動室146において、フロンR134aを膨張させる途中過程の位置に設けられ、高圧室119と作動室146とを開閉可能に連通する、バイパス口148a〜148cを備える。
バイパス口148a、148b、および148cは、膨張機13’における膨張行程が進む方向に、この順で配置される。すなわち、吸入ポート147から吸入されたフロンR134aは、可動スクロール145が回転するにつれて膨張するが、一定量膨張した後にまずバイパス口148aが設けられた位置に達する。その後さらに可動スクロール145が回転すると、これに伴ってさらに膨張しつつ、バイパス口148b、148cがそれぞれ設けられた位置にこの順で達する。
図11は、バイパス口148a〜148cと、それぞれを開閉する弁体149との位置関係を概略的に示す図である。ここで、バイパス口148a〜148cは図10に示すように直線上に形成されており、弁体149がこの直線上を摺動することによってそれぞれを開閉する。なお、図11は弁体149に関連する作用を説明するための概略図であり、示される構造および各部の寸法は図9および図10に示されるものとは必ずしも一致しない。
弁体149は、円筒状の空間に配置され、ソレノイドによって駆動される電磁弁の一部であり、図示されない制御装置によってその位置が制御される。この弁体149は、比較的大径の円筒状である複数の閉鎖部149aと、比較的小径の円筒状である複数の開放部149bとを含む。閉鎖部149aは、弁体149が配置される空間と摺動可能に嵌合し、その全断面積を塞ぐ。開放部149bの外周には空間が存在し、ここを通ってフロンR134aが流れることができる。
図11の(a)は、弁体149がその摺動範囲の一端に位置する状態を表す図である。この状態においては、バイパス口148a〜148cのすべてが閉鎖部149aと接して閉鎖されている。このため、フロンR134aが高圧室119から作動室146へと流入する経路は、吸入ポート147に限られる。
図11の(b)は、弁体149が(a)の位置、すなわちその摺動範囲の一端から、他端に向けて所定距離だけ移動した状態を表す図である。この状態においては、バイパス口148aは開放部149bに対応する位置にあるので開放されており、バイパス口148bおよび148cは閉鎖部149aによって閉鎖されている。このため、フロンR134aが高圧室119から作動室146へと流入する経路は、吸入ポート147およびバイパス口148aとなる。
図11の(c)は、弁体149が(b)の位置から、さらに所定距離だけ他端に向けて移動した状態を表す図である。この状態においては、バイパス口148aおよび148bは開放部149bに対応する位置にあるので開放されており、バイパス口148cは閉鎖部149aによって閉鎖されている。このため、フロンR134aが高圧室119から作動室146へと流入する経路は、吸入ポート147、バイパス口148a、およびバイパス口148bとなる。
図11の(d)は、弁体149が(c)の位置から、さらに所定距離だけ他端に向けて移動した状態を表す図である。この状態においては、バイパス口148a〜148cのすべてが開放部149bに対応する位置にあるので開放されている。このため、フロンR134aが高圧室119から作動室146へと流入する経路は、吸入ポート147およびバイパス口148a〜148cのすべてとなる。
次に、実施の形態4に係る膨張機の動作を説明する。
弁体149が(a)の位置にある場合は、フロンR134aが吸入ポート147からのみ吸入されるので、吸入ポート147から低圧室118までが膨張行程となる。
弁体149が(b)の位置にある場合は、フロンR134aが吸入ポート147およびバイパス口148aから吸入される。このため、バイパス口148aから低圧室118までが膨張行程となる。
弁体149が(c)の位置にある場合は、フロンR134aが吸入ポート147、バイパス口148a、およびバイパス口148bから吸入される。このため、バイパス口148bから低圧室118までが膨張行程となる。
弁体149が(d)の位置にある場合は、フロンR134aが吸入ポート147およびバイパス口148a〜148cから吸入される。このため、バイパス口148cから低圧室118までが膨張行程となる。
このように、図11の(a)、(b)、(c)、および(d)の順で膨張行程が短くなり、膨張機13’における膨張率が小さくなる。膨張機13’はこのようにして膨張率を制御するものであり、バイパス口148a〜148cの開閉に応じて容量が変化する、可変容量型の膨張機である。
このように、実施の形態4に係る車両用排熱回収システムによれば、膨張機13’において、弁体149の位置を制御することによってバイパス口148a〜148cを開閉し、バイパス通路13’aを形成して膨張行程の長さを変更することができる。これによって膨張機13’の膨張率が変化するので、膨張機13’の作動が不要である場合に、膨張機13が消費するエネルギーを低減することができる。すなわち、膨張機13’のOFF動力を低減することができる。
実施の形態1〜4では、モータ/発電機15がポンプ11を駆動する動作から、膨張機13,25の動力を利用して発電を行う動作に切り替えるタイミングを、ランキンサイクル10の起動後、所定時間が経過したときとしたが、これに限定するものではない。センサによって、作動流体の温度や流量、膨張機の回転数、モータ/発電機15へ流す電流等が所定値に達したことを検知し、モータ/発電機15の駆動を切り替えるようにしてもよい。
実施の形態1〜4では、ランキンサイクル10と冷凍サイクル20とを備える車両用排熱回収システム1において説明したが、これに限定されるものではない。少なくともランキンサイクルを備えた排熱回収システムであれば、冷凍サイクルを備えていなくてもよい。
実施の形態1〜4では、作動流体としてフロンR134aを使用したが、プロパンやイソブタン等の炭化水素を使用することができる。また、これらのほかに、混合冷媒も使用できる。混合冷媒としては、例えば、混合冷媒407C使用してもよい。
実施の形態1〜4では、コンプレッサ21はモータ24によって駆動されるが、エンジン2の動力によってベルトを介して駆動するようにしてもよい。また、ランキンサイクル10や冷凍サイクル20には、それぞれ公知の他の構成要素を適宜追加したり、公知の手法を用いて変更したりすることができる。
実施の形態1〜4では、エンジン2を冷却した冷却水とランキンサイクル10の作動流体とを熱交換器12において熱交換しているが、冷却水以外の排熱、すなわちエキゾーストパイプ等の車両における排熱と熱交換するようにしてもよく、複数の排熱と熱交換するようにしてもよい。
実施の形態1〜4では、ポンプ11はギヤ形式のものであるが、これは、シャフト135の回転によって駆動するものであれば、プランジャー式ポンプやダイヤフラム式ポンプでもよい。
実施の形態1〜4では、遮断壁158をアルミ製としたが、この材質に限定するものではない。その他の材質として銅でもよく、アルミと同等またはそれ以上の熱伝導率、すなわち237W/(m・K)以上の熱伝導率を有する材質であればどのような材質から製造してもよい。
この発明の実施の形態1に係る車両用排熱回収システムの構成図である。 実施の形態1に係る一体ユニットの断面側面図である。 図2のIII−III線に沿った断面図である。 図2のIV−IV線に沿った断面図である。 図3および図4を矢印Aの方向から見た側面図である。 実施の形態2に係る車両用排熱回収システムの構成図である。 実施の形態3に係る車両用排熱回収システムの構成図である。 実施の形態4に係る車両用排熱回収システムの構成図である。 実施の形態4に係る一体ユニットの断面側面図である。 実施の形態4に係る一体ユニットにおいて、図9のX−X線における断面図に相当する図である。 実施の形態4に係る弁体149の動作を概略的に示す図である。 従来の車両用排熱回収システムの構成図である。
符号の説明
1,30,40 車両用排熱回収システム、10 ランキンサイクル、11 ポンプ、12 熱交換器、13,13’,25 膨張機、14 コンデンサ、15 モータ/発電機(負荷機)、20 冷凍サイクル、21 コンプレッサ、22 膨張弁(減圧装置)、23 蒸発器、119 高圧室、146 作動室、147 吸入ポート、148a〜148c バイパス口、150 断熱材膜(断熱材)、153 ケーシング、158 遮断壁、173a 吐出開口、174a 吸入開口。

Claims (8)

  1. 車両の排熱により作動流体を加熱する熱交換器、前記熱交換器で加熱された作動流体を膨張させる膨張機、前記膨張機で膨張された作動流体を冷却するコンデンサ、及び前記コンデンサで冷却された作動流体を循環するギヤポンプを有するランキンサイクルと、
    前記ギヤポンプ及び前記膨張機に連結する負荷機と
    を備え、
    前記負荷機は、
    モータとして前記ギヤポンプを駆動すると共に発電機として前記膨張機の動力を利用して発電を行う
    ことを特徴とする車両用排熱回収システム。
  2. 前記ギヤポンプ及び前記膨張機は、前記負荷機を介して連結されていることを特徴とする請求項1に記載の車両用排熱回収システム。
  3. 前記負荷機は前記ギヤポンプに連結され、前記ギヤポンプは前記膨張機に連結されることを特徴とする請求項1に記載の車両用排熱回収システム。
  4. 前記膨張機は、可変容量型の膨張機であることを特徴とする請求項1〜3のいずれか一項に記載の車両用排熱回収システム。
  5. 前記可変容量型の膨張機は、
    高圧室から前記作動流体を吸入する吸入ポートと、
    前記吸入ポートから吸入された前記作動流体を膨張させる作動室と、
    前記作動室において前記作動流体を膨張させる途中過程の位置に設けられ、前記高圧室と前記作動室とを開閉可能に連通する、前記吸入ポートとは異なるバイパス口と
    を備え、
    前記バイパス口の前記開閉に応じて前記作動流体の膨張率が変化する膨張機である
    ことを特徴とする、請求項4に記載の車両用排熱回収システム。
  6. 前記負荷機および前記ギヤポンプは、遮断壁を介して連結され、
    前記ギヤポンプは、その内部が前記遮断壁およびケーシングによって覆われ、
    前記ギヤポンプは、前記コンデンサで冷却された前記作動流体を吸入する吸入開口と、前記作動流体を前記熱交換器に向けて吐出する吐出開口とを備え、
    前記吸入開口は前記ケーシングに形成され、前記吐出開口は前記遮断壁に形成される
    ことを特徴とする、請求項1〜5のいずれか一項に記載の車両用排熱回収システム。
  7. 前記遮断壁および前記ケーシングの間に断熱材が配置される、請求項6に記載の車両用排熱回収システム。
  8. 作動流体を圧縮するコンプレッサと、
    前記コンプレッサで圧縮された作動流体と前記ランキンサイクルの前記膨張機で膨張された作動流体とが混合した作動流体を冷却する前記コンデンサと、
    前記コンデンサで冷却された作動流体の少なくとも一部を前記ランキンサイクルの前記ギヤポンプに流入させ、その残りの作動流体を減圧する減圧装置と、
    前記減圧装置で減圧された作動流体を加熱する蒸発器と
    を有する冷凍サイクルを備えることを特徴とする請求項1〜7のいずれか一項に記載の車両用排熱回収システム。
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