JP4985665B2 - Waste heat regeneration system - Google Patents
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Description
この発明は、自動車等のエンジンにおける冷却水または排気ガス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。 The present invention relates to an exhaust heat regeneration system that regenerates exhaust heat of cooling water or exhaust gas in an engine of an automobile or the like as power by a Rankine cycle.
ランキンサイクルに用いられて、ランキンサイクル中の液冷媒を圧送する流体ポンプと、過熱蒸気冷媒の膨張によって機械的エネルギーを出力する膨張機とが一体的に形成された膨張機付き流体ポンプとして、膨張仕事を終えて膨張機出口側通路を流通する作動流体の熱がポンプ出口側通路を流通する作動流体に伝達することで、膨張機の流入側となる作動流体の過熱量を増加し、膨張機での膨張仕事を増加させることができるものがある(例えば、特許文献1参照)。 As a fluid pump with an expander that is used in the Rankine cycle, a fluid pump that pumps the liquid refrigerant in the Rankine cycle and an expander that outputs mechanical energy by the expansion of the superheated steam refrigerant are integrally formed. The heat of the working fluid flowing through the expander outlet side passage after finishing the work is transferred to the working fluid flowing through the pump outlet side passage, thereby increasing the amount of superheat of the working fluid on the inflow side of the expander. There is one that can increase the expansion work in (see, for example, Patent Document 1).
また、圧縮機、膨張機、駆動モータ及び循環ポンプが一体的に設けられた複合流体機械において、断続切替え手段によって、ポンプは回転電機から切断されて、ポンプが回転電機の作動抵抗となるのを防止でき、更に、作動流体の膨張が充分に得られるものの、圧縮機の作動が不要な時は、膨張機の駆動力で回転電気を発電機として作動させて、発電することが可能となり、膨張エネルギーを電気エネルギーとして回生することができるものがある(例えば、特許文献2参照)。 Further, in a complex fluid machine in which a compressor, an expander, a drive motor, and a circulation pump are integrally provided, the pump is disconnected from the rotating electrical machine by the intermittent switching means, and the pump becomes an operating resistance of the rotating electrical machine. In addition, the expansion of the working fluid can be sufficiently obtained, but when the operation of the compressor is unnecessary, it becomes possible to generate electricity by operating the rotating electricity as a generator with the driving force of the expander. There is one that can regenerate energy as electric energy (see, for example, Patent Document 2).
さらに、作動流体(冷媒ともいう)が循環するランキンサイクルに設けられ、作動流体を昇圧するポンプと、作動流体を膨張させる膨張機と、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負荷機とが連結して構成される一体ユニットであって、膨張機とポンプ(または、ポンプの入口側と出口側)との間に両者間の熱伝達を抑制する遮断壁が設けられたものがある(例えば、特許文献3参照)。 Furthermore, a Rankine cycle in which a working fluid (also referred to as a refrigerant) circulates is provided, and a pump that boosts the working fluid, an expander that expands the working fluid, a pump as a motor, and a power generator that drives the expander as a generator. It is an integrated unit configured by connecting a load machine that generates electricity using it, and is a block that suppresses heat transfer between the expander and the pump (or the inlet side and outlet side of the pump) Some have walls (see, for example, Patent Document 3).
前記特許文献1記載の排熱回生システムでは、膨張機の作動流体出口側となる膨張機出口側通路の一部を、ポンプの作動流体出口側となるポンプ出口側通路の一部の近傍に配置したことにより、膨張機の流入側となる作動流体の過熱量を増加させ、膨張機での膨張仕事を増加させる構造としているが、ポンプ側に熱が伝わりやすくなりポンプの温度が上昇することで、ポンプ入り口で液体冷媒(以下、単に冷媒と記載)が蒸発気化し、冷媒を昇圧して循環させることが困難となるためランキンサイクルが動作不能となる問題があった。
In the exhaust heat regeneration system described in
また、前記特許文献2記載の排熱回生システムでは、圧縮機が回転電機によって駆動される時に、回転電機とポンプとの接続状態を切断状態に切替え可能とする断続切替え手段が設けられたことにより、膨張機作動時の駆動力によって、ポンプの駆動が可能であり、ポンプ作動用の専用駆動源を不要とする構造としているが、上記特許文献1と比較し、冷媒の流量を制御することで、ポンプに循環して、その冷媒による冷却効果が得られるが、ランキンサイクルと並行して動作しているため、ポンプの温度上昇を効率的に抑えることができない。そのため、ポンプ入り口で冷媒が蒸発気化し、冷媒を昇圧して循環させることが困難となるためランキンサイクルが動作不能となる問題があった。
Further, in the exhaust heat regeneration system described in
なお、排熱回生システムの運転動作中は、その冷媒による冷却効果が得られるが、冷媒循環量が減少した場合、特に運転を停止させると冷媒による冷却効果が無くなるため、ポンプ部の温度が上昇し、ポンプ一体型膨張機全体の温度が低下するまで数時間以上もランキンサイクルを再度、動作させることができないという問題もあった。 During the operation of the exhaust heat regeneration system, the cooling effect by the refrigerant can be obtained. However, when the refrigerant circulation amount decreases, the cooling effect by the refrigerant disappears especially when the operation is stopped. However, there is also a problem that the Rankine cycle cannot be operated again for several hours or more until the temperature of the entire pump-integrated expander decreases.
また、前記特許文献3記載の排熱回生システムでは、膨張機とポンプとの間には遮断壁が設けられ、遮断壁を介して、膨張機によって膨張された作動流体と、ポンプの内部の作動流体とが区画され、一体ユニットの内部において、ポンプによって昇圧された作動流体と膨張機によって膨張された作動流体とが熱交換を行うことにより、別途熱交換器を設ける必要がなく、コンパクトな構造をもつランキンサイクルを提供しているが、上記特許文献同様、ポンプの温度上昇を効率的に抑えることができないため、ポンプ入り口で冷媒が蒸発気化し、冷媒を昇圧して循環させることが困難となるためランキンサイクルが動作不能となる問題があった。
Further, in the exhaust heat regeneration system described in
この発明は、上記のような問題を解決するためになされたものであり、ポンプ一体型膨張機のポンプの温度上昇を防止できるとともに、ポンプ温度が上昇した場合には、速やかに(例えば、数分程度で)冷却することができ、再起動も含めて常に安定して運転可能な排熱回生システムを得ることを目的としている。 The present invention has been made to solve the above-described problems, and can prevent the temperature of the pump of the pump-integrated expander from rising. When the pump temperature rises, the invention quickly (for example, several The purpose is to obtain an exhaust heat regeneration system that can be cooled (in minutes) and that can always be operated stably, including restart.
この発明に係る排熱回生システムは、冷媒との熱交換によりエンジン冷却水を冷却する蒸発器と、前記蒸発器を経由し加熱された冷媒を膨張させて駆動力を発生する膨張機と、前記膨張機を経由する冷媒を冷却し凝縮させる凝縮器と、前記凝縮器を経由し冷却された冷媒を圧送するポンプとを備えた排熱回生システムで、前記ポンプから送出された冷媒が前記凝縮器のみに流通可能としたものである。 An exhaust heat regeneration system according to the present invention includes an evaporator that cools engine coolant by heat exchange with a refrigerant, an expander that expands the refrigerant heated via the evaporator and generates a driving force, An exhaust heat regeneration system comprising: a condenser that cools and condenses the refrigerant that passes through the expander; and a pump that pumps the refrigerant that is cooled through the condenser, and the refrigerant sent from the pump is the condenser Can only be distributed.
この発明によれば、ポンプと膨張機の筐体が一体化された排熱回生システムにおいて、ポンプから吐出された冷媒の少なくとも一部が凝縮器に送られ、冷却されポンプに循環するように構成されているので、ポンプ一体型膨張機のポンプの温度上昇を防止できるとともに、ポンプ温度が上昇した場合には、速やかに冷却することができ、再起動も含めて安定した動作が行えるランキンシステムを提供するものである。 According to the present invention, in the exhaust heat regeneration system in which the casing of the pump and the expander is integrated, at least a part of the refrigerant discharged from the pump is sent to the condenser, cooled and circulated to the pump. Therefore, the Rankine system that can prevent the pump temperature rise of the pump-integrated expander can be quickly cooled when the pump temperature rises and can operate stably including restart. It is to provide.
実施の形態1.
図1はこの発明の実施の形態1における排熱回生システムを示す構成図である。エンジン1は自動車走行用駆動力を発生させる内燃機関である。エンジン1により加熱されたエンジン冷却水は戻り冷却水回路2aを通り蒸発器3で冷却され、行き冷却水回路2b通り再びエンジン1の冷却に利用される。
1 is a configuration diagram showing an exhaust heat regeneration system in
ランキンサイクル4は、冷媒によりエンジン冷却水を冷却するための蒸発器3と、高温高圧の蒸気となった冷媒を膨張する膨張機5と、膨張された冷媒を冷却し凝縮する凝縮器6と、膨張機5と出力軸7により連結されたポンプ8と、冷媒の流路を切り替える三方弁9と、蒸発器3と膨張機5とを接続する第一配管21と、膨張機5と凝縮器6とを接続する第二配管22及び第三配管23と、凝縮器6とポンプ8とを接続する第四配管24と、ポンプ8と三方弁9及び三方弁9と蒸発器3とをそれぞれ接続する第五配管25及び第六配管26とから構成されるが、三方弁9は各配管と同様ランキンサイクル4を動作させるための構成要素ではあるが、ランキンサイクル4には直接関係していない。なお、膨張機5とポンプ8は筐体10で一体化し、軸7を介してモータージェネレーター41と接続されている。
The Rankine
次に通常時のランキンサイクル4の動作について説明する。ランキンサイクル4内には、例えば、R134aのような冷媒が充填されている。エンジン1により通常90℃〜100℃程度にまで加熱されたエンジン冷却水は戻り冷却水回路2aを通り蒸発器3で冷却される。この過程で冷媒は加熱され約90℃の高温高圧の蒸気となる。高温高圧の蒸気となった冷媒は第一配管21を通り、膨張機5に送られ、膨張機5で膨張する過程で動力を発生する。ここで得られた動力は自動車の駆動用や発電などに利用される。
Next, the operation of the Rankine
膨張後に約60℃の蒸気となった冷媒は第二配管22及び第三配管23を通り、自動車走行時の走行風やファン等による冷却機能を有する凝縮器6に送られ、凝縮器6で冷却され凝縮し、約30℃の液体となり、第四配管24を通りポンプ8に送られる。
The refrigerant, which has become steam at about 60 ° C. after expansion, passes through the
液体状態の冷媒はポンプ8により昇圧され、三方弁9を介して接続された第五配管25及び第六配管26を通って蒸発器3に送られる。蒸発器3に送られた冷媒はエンジン1により通常90℃〜100℃程度にまで加熱されたエンジン冷却水を冷却するとともに自身は約90℃の高温高圧の蒸気となり、エンジン冷却水は行き冷却水回路2b通り再びエンジン1の冷却に利用されるとともに、冷媒は上記過程を繰り返し、ランキンサイクル4を継続動作させる。
The liquid refrigerant is pressurized by the
このようなランキンサイクル4の過程において、膨張機5で発生した動力の一部は出力軸7により連結されたポンプ8の駆動に利用され、残る動力は出力軸7により外部に取り出される。その結果、エンジン駆動の補助や発電などに利用されて自動車の燃費が向上する等、エネルギー効率の改善につながる。
In the process of Rankine
次に、ポンプ8部の温度が上昇し、ポンプ8の入り口で冷媒が蒸発気化し冷媒を昇圧して循環させることが困難となり、ランキンサイクル4が動作不能時の動作について説明する。この発明の実施の形態1では、ポンプ8と蒸発器3を連結する第五配管25と第六配管26との間に三方弁9を備えている。三方弁9は、ポンプ8と蒸発器3または凝縮器6のいずれか一方に流通可能となるような切替機能を有する形で設けられ、ポンプ8から吐出された冷媒が蒸発器3または凝縮器6のいずれか一方に流れるような構成としている。
Next, the operation when the temperature of the
このような構成によれば、三方弁9によりポンプ8から吐出された冷媒が蒸発器3に流通可能となるように切り替えられた場合、すなわち、上記通常時の動作状態では、エンジン1からの排熱によりランキンサイクル4を動作させ、動力を発生させることでエンジン駆動の補助や発電などに利用し自動車の燃費が向上する等エネルギー効率の改善につながる。
According to such a configuration, when the refrigerant discharged from the
代わって、エンジン1の出力が低下すると、エンジン冷却水の排熱が減少し、その結果、冷媒の循環量も減少して蒸発器3での熱交換量も減少する。ランキンサイクル4は熱交換量の減少に対応しては運転されるが、このような現象が進むと、循環する冷媒による冷却効果の低減によりポンプ8の温度が上昇し、ポンプ8入り口で冷媒が蒸発気化し、冷媒の循環と昇圧が不可能となり、ランキンサイクル4が動作不能となる。
Instead, when the output of the
このような場合、三方弁9をポンプ8と接続された第五配管25と凝縮器6と接続された第七配管27及び第三配管23が流通するように切り替えて、ポンプ8から吐出された冷媒が全て凝縮器6に送られることにより、冷媒は蒸発器3で加熱される工程を経ずに効率よく凝縮器6で冷却されてポンプ8に戻るとともに、さらに加えて、蒸発器3には冷媒が送られないため膨張機5には高温の冷媒が循環してくることが無い。そのため、膨張機5の加熱の影響によるポンプ8の温度上昇も無く、ポンプ8は非常に効率良く冷却される。この場合、ランキンサイクル4による動力は得られないため、ポンプ8は出力軸7に連結されたモータージェネレーター41などにより駆動される。
In such a case, the three-
このようにポンプ8部の温度が上昇し、ポンプ8の入り口で冷媒が蒸発気化し冷媒を昇圧して循環させることが困難となり、ランキンサイクル4が動作不能となった場合に、三方弁9を切り替えて運転することにより、効率良くポンプ8を冷却することで、短時間でポンプ8の運転動作が可能となり、ランキンサイクル4を長時間安定して動作させることが可能となり、自動車の燃費が向上する等、更なるエネルギー効率の改善につながる。
Thus, when the temperature of the
さらに、例えばエンジン1が停止し、それに対応してランキンサイクル4も動作停止し、ポンプ8の温度が上昇した場合が想定されるが、このような場合においても、三方弁9を切り替えてポンプ8から吐出された冷媒が凝縮器6に流通可能なようにすることで、効率よく冷却された冷媒がポンプ8を循環するため、速やかに(通常、数分程度)ポンプ8近傍は冷却され、その後、エンジン1を再起動したときに、三方弁9によりポンプ8から吐出された冷媒が蒸発器3に流通可能となるように切り替えることにより、エンジン1の始動時からランキンサイクル4が停止するような状況が回避され、効率よくランキンサイクル4を動作させることが可能となる。
Further, for example, it is assumed that the
ここでの、三方弁9の切り替え制御は、ポンプ8の入り口の冷媒の圧力または温度、ポンプ8の筐体または近傍の温度、あるいは冷媒の流量またはポンプの運転周波数等を計測するセンサーを設け、ランキンサイクル4の動作停止とこれらの関係の相関をとることで容易に実施可能である。図3は、ポンプ8の入り口近傍の冷媒の温度を測定する温度センサー51と同位置に接続する第四配管24の圧力を測定する圧力センサー52を設置した場合のこの発明の実施の形態1における排熱回生システムを示す構成図である。図3において、温度センサー51としては、例えばサーミスタあるいは熱電対を、圧力センサー52としては例えば抵抗ひずみゲージ式圧力センサーなどが考えられる。
Here, the switching control of the three-
図5は、温度センサー51と圧力センサー52によるポンプ8の入り口近傍の冷媒の圧力Pと温度TPの測定値を用いたシステム動作のフロー図を示す。以下、図5を用いてシステム制御の具体的一例を説明する。
Figure 5 shows a flow diagram of a system operation using the measured values of the pressure P and temperature T P of the refrigerant entrance near the
先ず、温度センサー51と圧力センサー52によりポンプ8の入り口近傍の冷媒の温度TPと圧力Pとを測定する。使用冷媒の圧力Pにおける飽和蒸気温度TLを算定する。TL−TPがあらかじめ設定した温度差△TSET以上の値である場合、三方弁9は第五配管25と第六配管26が流通可能に切り替え、エンジン1を始動し運転を開始するとともに、ランキンサイクル4を動作させて、膨張機5により動力を発生する。
First, the temperature TP and pressure P of the refrigerant in the vicinity of the inlet of the
一方、ポンプ8の入り口近傍の冷媒の温度TPが上昇し、TL−TPがあらかじめ設定した温度差△TSETより小さい値である場合、三方弁9をポンプ8と接続された第五配管25と凝縮器6と接続された第七配管27及び第三配管23が流通可能となるように切り替えて、ポンプ8から吐出された冷媒が全て凝縮器6に送られる状態にする。この場合、冷媒は蒸発器3で加熱される工程を経ずに効率よく凝縮器6で冷却されてポンプ8に戻るとともに、蒸発器3には冷媒が送られないため膨張機5には高温の冷媒が循環してくることが無い。
On the other hand, the temperature T P of the refrigerant inlet vicinity rise of the
そのため、膨張機5の加熱の影響によるポンプ8の温度上昇も無く、ポンプ8は非常に効率良く冷却される。この場合、ランキンサイクル4による動力は得られないため、ポンプ8は出力軸7に連結されたモータージェネレーター41などにより駆動される。その後、温度センサー51と圧力センサー52によるポンプ8の入り口近傍の冷媒の温度TPと圧力Pとの測定を所定間隔で繰り返し、TL−TPがあらかじめ設定した温度差△TSET以上の値となると、エンジン1を始動、運転する。
Therefore, there is no temperature rise of the
また、エンジン1とランキンサイクル4が運転動作中も、温度センサー51と圧力センサー52によるポンプ8の入り口近傍の冷媒の温度TPと圧力Pとの測定を所定間隔で繰り返し、TL−TPがあらかじめ設定した温度差△TSETより小さい値となった場合、三方弁9をポンプ8と接続された第五配管25と凝縮器6と接続された第七配管27及び第三配管23が流通するように切り替えて、ポンプ8から吐出された冷媒が全て凝縮器6に送られる状態にする。この場合、冷媒は蒸発器3で加熱される工程を経ずに効率よく凝縮器6で冷却されてポンプ8に戻るとともに、蒸発器3には冷媒が送られないため膨張機5には高温の冷媒が循環してくることが無い。
Further, the
そのため、膨張機5の加熱の影響によるポンプ8の温度上昇も無く、ポンプ8は非常に効率良く冷却される。再びTL−TPがあらかじめ設定した温度差△TSET以上の値になると、三方弁9は第五配管25と第六配管26が流通可能に切り替え、再びエンジン1とランキンサイクル4は通常の運転動作を継続する。ここで、△TSETは理論上0℃以上で、可能な限り小さい方が高いランキンサイクル効率を得ることができるが、安定動作のため通常5℃程度に設定される。
Therefore, there is no temperature rise of the
なお、短時間で切り替える設定をとり、蒸発器3には冷媒が送られない時間を短時間にする方がエンジン冷却水の上昇する時間を短時間に抑えることが可能であり、エンジン1への負担も少ない。なお、このようなシステム制御を行うことにより、エンジン冷却水の温度に多少の揺らぎが生じることが想定されるが、安全な温度内での制御を行うことにより、特にエンジン1に影響を与えることにはならないことは言うまでもない。
In addition, it is possible to suppress the time for the engine cooling water to rise in a short time by setting the switching in a short time and shortening the time during which the refrigerant is not sent to the
以上の説明では、冷媒の圧力と温度に基づく三方弁9の切り替え制御例を示したが、図4で示すように冷媒の流量とポンプ8の運転周波数をそれぞれ流量センサー53及び周波数センサー54で計測し、これらの値に基づき切り替え制御を行うことも可能である。図4において、流量センサー53は第五配管25の任意の位置に設置され、第五配管25内を流れる冷媒の流量を測定する。周波数センサー54はポンプ8に連結される出力軸7の単位時間当たりの回転数を検出する。
In the above description, the switching control example of the three-
通常、ポンプ8には、ベーン式ポンプ、トロコイド式ポンプ及びギアー式ポンプなどの容積型のポンプが用いられるため、その運転周波数から冷媒流量は一意的に算定可能である。流量センサー53により計測された流量Qと、周波数センサー54により計測された周波数から算定される流量Q0との誤差(Q0−Q)/Q0より、あらかじめ設定した流量誤差△QSETより大きな値となる場合に、ポンプ8が高温になったと判断し、前記の冷媒の圧力と温度に基づく三方弁9の切り替え制御でTL−TPがあらかじめ設定した温度差△TSETより小さな値となった場合と同様に判断し、図5に示すフローと同様に運転することが可能となる。その他のシステム制御の方法は、前記の冷媒の圧力と温度に基づくシステム制御の方法と同様であるため、説明を省略する。ここで、△QSETは、通常0.05程度より大きな値に設定される。
In general, a positive displacement pump such as a vane pump, a trochoid pump, or a gear pump is used as the
図9は、冷媒にR134aを用いた場合のモリエル線図を示す。図9において、圧力と温度がわかると、そのときの冷媒の3つの状態、すなわち液体状、気体状、または液体と気体が混合した状態のどの状態であるかを判定することが可能となる。前記図5で示した冷媒の圧力と温度に基づくシステム制御の方法において、例えば冷媒にR134aを用いた場合の圧力P、ポンプ8の入り口近傍の冷媒の温度TP及び圧力Pにおける飽和蒸気温度TLの関係は、図9を用いれば、具体的な冷媒(ここでは、R134a)に対応して図中に示すような関係であることが容易に判断できる。
FIG. 9 shows a Mollier diagram when R134a is used as the refrigerant. In FIG. 9, when the pressure and temperature are known, it is possible to determine the three states of the refrigerant at that time, that is, the state of the liquid state, the gaseous state, or the mixed state of the liquid and the gas. At a pressure and a method of system control based on temperature of the refrigerant shown in FIG. 5, for example, the pressure P in the case of using R134a the refrigerant, a saturated vapor temperature T at a temperature T P and the pressure P of the refrigerant entrance near the
一般的なシステム制御の方法では、冷媒が気体の状態あるいは液体と気体が混合した状態であると判断されると、ポンプ8が高温であると判断することができる。また、たとえ冷媒の状態が液体状の状態であっても、ポンプ8が高温と判断されるまでの尤度、すなわち、ポンプ8で冷媒が蒸発気化する温度までの尤度を計測値との差を評価することで可能となる。そこで、あらかじめ設定した温度に達した時点で、前もってポンプ8を冷却することにより、常に安定してランキンサイクル4を動作運転することが可能となる。
In a general system control method, if it is determined that the refrigerant is in a gaseous state or a state where the liquid and the gas are mixed, it can be determined that the
また、ポンプ8は、前記説明のとおり、その特性から運転周波数に基づき一意的に、流量を算定評価することができる。正常にランキンサイクル4が運転される場合には、運転周波数から算定された流量とランキンサイクル4を循環する冷媒流量の測定値とは、ほぼ一致するため、あらかじめ設定した両者の流量差設定値以上になった場合に、ポンプ8が高温となったと判断して、ポンプ8を冷却することが可能となり、安定してランキンサイクル4を動作運転することが可能となる。
Further, as described above, the
なお、上記示したポンプ8の入り口近傍の冷媒の温度等、それらの値を直接計測することが困難な場合であっても、ラジエータ温度と流体温度の相関関係等を利用して、いわゆる当業者であれば容易に知りえる。また、センサーをどの位置に設けるかは設計上の問題であり、エンジン構造等により異なることは言うまでも無い。
Even if it is difficult to directly measure the values of the refrigerant near the inlet of the
この発明の実施の形態1に係る発明では、三方弁の切り替えで冷媒を凝縮器に流し、ポンプと凝縮器を冷媒が循環するようにしたことで、直接的にポンプを冷却するような構造としているため、著しいポンプの冷却効果を発揮させることができる。これによりポンプは通常1分以内の短時間で冷却可能であり、そのため、これらのセンサーによる計測値をもとに制御を行った場合であっても、瞬時に対応可能となり、ピストンなどの焼き付き等によるエンジン破損を起こさない。
In the invention according to
また、上記センサーを用いた三方弁9の切り替え制御を行うまでも無く、あらかじめ設定しておいた温度で切り替え可能となるようなバイメタルを用いた温感スイッチを用いることでも同様な効果を有する。
In addition, it is not necessary to perform switching control of the three-
なお、従来例との比較において、例えば、特許文献2に係る発明では、ポンプの温度が上昇した場合に、ポンプを冷却するため、冷媒回路を切り替えてポンプと一体となっている膨張機を逆回転させて、冷凍サイクルを動作させ、低温の冷媒を膨張機に循環させることで、その一体となっている筐体全体を冷却し、間接的にポンプを冷却するようにしているため、ポンプの冷却に長時間を要する。
In comparison with the conventional example, for example, in the invention according to
そのため、この発明の実施の形態1に示す位置に三方弁を設けることは困難であり、仮に設けた場合には、冷媒流路を切り替え冷媒が蒸発器に流れなくなり、長時間エンジンからの排熱を蒸発器で放熱することができなくなるため、ピストンなどの焼き付き等によるエンジン破損の原因となる。
For this reason, it is difficult to provide a three-way valve at the position shown in
この発明の実施の形態1に係る発明では、三方弁の切り替えで冷媒を凝縮器に流すようにし、ポンプと凝縮器を冷媒が循環するようにしたことで、直接的にポンプを冷却するように構成しているため、著しいポンプの冷却効果を発揮させることができ、これによりポンプは通常1分以内の短時間で冷却可能で、ピストンなどの焼き付き等によるエンジン破損も発生せず、切替を短時間で制御することができ、安定してランキンサイクルを動作させることが可能である。
In the invention according to
以上からも明らかなように前記従来例に係る発明とこの発明の実施の形態1に係る発明とでは技術的思想の異なる別発明であり、発明の奏する効果も著しく異なる。 As apparent from the above, the invention according to the conventional example and the invention according to the first embodiment of the present invention are different inventions having different technical ideas, and the effects produced by the invention are also significantly different.
また、三方弁9の代わりに、同位置に第六配管26と第七配管27との双方の流量を調整する流量調整弁を設けることで、状況に応じて各配管を流れる冷媒を適切に調整することで同様な効果が得られる。
Also, instead of the three-
なお、図1では、ランキンサイクル4による動力が得られず、ポンプ8が動作しない場合、出力軸7に連結されたモータージェネレーター41によりポンプ8を駆動する構成を示したが、図2で示すように、モータージェネレーター41の代わりに出力軸7に設けられた第一プーリー42と、エンジン1のエンジン出力軸43に設けられた第二プーリー44とをベルト45を介して接続し、連結されたエンジン1によりポンプ8を駆動する構成としてもよい。
FIG. 1 shows a configuration in which the
また、図1では、膨張機5とポンプ8とが出力軸7で直結され、膨張機5とポンプ8が同時に運転される場合について示した(なお、三方弁9を切り替えてポンプ8から吐出された冷媒が凝縮器6に流通可能なようにした場合、ランキンサイクル4には冷媒が流通しないため、膨張機5が動作していても、膨張機5を冷媒は流通しない。)が、図6に示すように、膨張機5とポンプ8が連結器12を介して接続されても良い。この場合には、膨張機5を切り離しポンプ8のみの運転が可能となるため、より少ない動力で冷媒をポンプ8と凝縮器6の間を循環することが可能となり、更なるエネルギー効率の改善につながる。
Further, FIG. 1 shows a case where the
実施の形態2.
図7は、この発明の実施の形態2における排熱回生システムを示す構成図である。ランキンサイクル4の構成及び動作等は、前記実施の形態1と同様であるため説明を省略する。
FIG. 7 is a configuration diagram showing an exhaust heat regeneration system in
図7において、ポンプ8は凝縮器6に対して相対的に最下部近傍、ここで最下部近傍とは、具体的には凝縮器6の高さ方向全体の下方1/3から下を指す、となるように設置され、凝縮器6とポンプ8とを連通するための第八配管28は、ポンプ8を内包する筐体10内においてポンプ8の下方に接続され、流量調整弁13を介して第九配管29に接続されている。第九配管29は凝縮器6の上部、ここで上部とは、具体的には凝縮器6の高さ方向全体の上方1/3から上を指す、及び第二配管22に接続するように構成している。なお、ポンプ8と蒸発器3との間には、冷媒を圧送するための第十配管30が設けられている。
In FIG. 7, the
図8aは、この発明の実施の形態2におけるポンプ内の流路の概略を示す正面図である。また、図8bは、には、この発明の実施の形態2におけるポンプ内の流路の概略を示す側面図である。図8a及び図8bは、この発明の実施の形態2におけるポンプ8の一例として、トロコイド型ポンプを示したものである。図8a及び図8bにおいて、第四配管24に接続される筐体10内部の第四流路24aには、第八配管28に接続される第八流路28aが分岐して設けられ、筐体10内部を下方から上方に一方向に冷媒が流通可能なように構成されている。
FIG. 8a is a front view showing an outline of a flow path in the pump according to the second embodiment of the present invention. FIG. 8b is a side view schematically showing the flow path in the pump according to the second embodiment of the present invention. 8a and 8b show a trochoid pump as an example of the
このような構成をとる実施の形態2における排熱回生システムでは、ランキンサイクル4が動作中は、流量調整弁13を閉止し、エンジン1からの排熱により駆動されるランキンサイクル4により、膨張機5で動力を発生することで自動車の燃費が向上する。
In the exhaust heat regeneration system according to the second embodiment having such a configuration, while the
一方、ランキンサイクル4が停止した場合には流量調整弁13を開く。ポンプ8が高温になると、ポンプ8近傍の筐体10内部の冷媒が蒸発気化し、筐体10内部に位置する第四流路24a内で蒸発気化した冷媒は、液体と気体の密度差により第四流路24aから分岐して設けられた第八流路28a流通し、第八配管28に送られる。そのため、冷媒は凝縮器6に流れて冷却液化し、再びポンプ8に戻り自然循環する。この発明の実施の形態2における排熱回生システムでは、外部に動力源を持たなくてもポンプ8近傍とポンプ8を効率良く冷却することができる。よって、ランキンサイクル4の再起動時には、ポンプ8の運転動作が可能であり、安定して排熱回生システムを動作させることができる。
On the other hand, when
また、この発明の実施の形態2では、外部に動力源を持たなくてもポンプ8近傍とポンプ8を効率良く冷却することができる方法について述べてきたが、第八配管28または第九配管29の任意の場所に新たに第二ポンプ14を設け、流量調整弁13と連動する形で動作させることで、ランキンサイクル4の運転・停止に関わらず、安定した冷却効果が得られる。
Further, in the second embodiment of the present invention, the method of efficiently cooling the vicinity of the
なお、このような構成をとった場合、流量調整弁13を除去した場合でも、第二ポンプ14の動作状態を制御することにより、例えば、第二ポンプ14の停止時は、第二ポンプ14自身が抵抗となり、冷媒がほとんど流れず、第二ポンプ14の最大能力で動作させた場合には冷媒を最大限流すことができ、第二ポンプ14の能力を制御することで冷媒の流量を制御できる。このため、上記記載の実施の形態2における排熱回生システムと同様な効果が得られる。
In addition, when such a structure is taken, even when the
1 エンジン、2a 戻り冷却水回路、2b 行き冷却水回路、3 蒸発器、4 ランキンサイクル、5 膨張機、6 凝縮器、7 出力軸、8 ポンプ、9 三方弁、10 筐体、12 連結器、13 流量調整弁、14 第二ポンプ、21 第一配管、22 第二配管、23 第三配管、24第四配管、24a 第四流路、25 第五配管、26 第六配管、27 第七配管、28 第八配管、28a 第八流路、29 第九配管、30 第十配管、41 モータージェネレーター、42 第一プーリー、43 エンジン出力軸、44 第二プーリー、45 ベルト、51 温度センサー、52 圧力センサー、53 流量センサー、54 周波数センサー 1 engine, 2a return cooling water circuit, 2b bound cooling water circuit, 3 evaporator, 4 Rankine cycle, 5 expander, 6 condenser, 7 output shaft, 8 pump, 9 three-way valve, 10 housing, 12 coupler, 13 Flow control valve, 14 Second pump, 21 First pipe, 22 Second pipe, 23 Third pipe, 24 Fourth pipe, 24a Fourth flow path, 25 Fifth pipe, 26 Sixth pipe, 27 Seventh pipe , 28 8th piping, 28a 8th flow path, 29 9th piping, 30 10th piping, 41 Motor generator, 42 1st pulley, 43 Engine output shaft, 44 2nd pulley, 45 Belt, 51 Temperature sensor, 52 Pressure Sensor, 53 Flow sensor, 54 Frequency sensor
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