(57)【要約】【課題】冷凍サイクルシステムとエンジン冷却水システムの廃熱をランキンサイクルシステムに供給することができる車両用廃熱回収システムを提供するものである。【解決手段】圧縮機３１と熱交換器１５との間と、熱交換器１５と放熱器３２との間と接続して、熱交換器１５をバイパスするバイパス路３５と、冷媒の流れを熱交換器側またはパイパス路側に切換える切換弁３６が設けられている車両用廃熱回収システム１。【選択図】図１
2019120163.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
エンジンの廃熱を利用して作動流体を加熱する加熱器と、前記加熱器を経由した作動流体を膨張させて動力を発生する膨張機と、前記膨張機を経由した作動流体を凝縮させるランキン用凝縮器と、前記ランキン用凝縮器を経由した作動流体を前記加熱器へ送出する作動流体ポンプを順次配設したランキンサイクル回路を有するランキンサイクルシステムと、
前記加熱器とエンジンとを経由して冷却水がポンプを介して循環するエンジン冷却水回路を有するエンジン冷却水システムと、
冷媒を圧縮する圧縮機と、前記圧縮機で圧縮された冷媒を外気と熱交換させる放熱器と、前記放熱器で外気と熱交換された後の冷媒を減圧する減圧装置と、減圧された冷媒を加熱する蒸発器を順次配設した冷凍サイクル回路を有する冷凍サイクルシステムとを備え、
ランキンサイクル回路における作動流体ポンプと加熱器との間で、かつ、冷凍サイクル回路における圧縮機と放熱器との間に、作動流体と冷媒との間の熱交換を行う熱交換器を設けた車両用廃熱回収システムにおいて、
前記冷凍サイクル回路には、前記圧縮機と前記熱交換器との間と、前記熱交換器と前記放熱器との間と接続して、前記熱交換器をバイパスするバイパス路と、冷媒の流れを前記熱交換器側または前記パイパス路側に切換える切換装置が設けられていることを特徴とする車両用廃熱回収システム。
【請求項２】
前記切換装置は、前記バイパス路の接続部に設けられた切換弁であることを特徴とする請求項１に記載の車両用廃熱回収システム。
【請求項３】
前記切換装置は、ランキンサイクルシステムの運転時には冷媒を前記熱交換器側に流し、ランキンサイクルシステムの非運転時には冷媒が前記熱交換器をバイパスして前記バイパス路側に流れるよう制御されることを特徴とする請求項１または２に記載の車両用廃熱回収システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、作動流体を循環させる冷媒ポンプと、前記冷媒ポンプによって送られてきた作動流体を車両のエンジンの廃熱によって加熱する加熱器と、前記加熱器によって加熱されて気化した作動流体を膨張させて出力を発生する膨張機と、前記膨張機によって膨張された作動流体を凝縮させるランキン用凝縮器とを有するランキンサイクルを備えた車両用廃熱回収装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来技術として、特許文献１に開示されエンジンの廃熱を利用してエネルギーを生成する廃熱回生システムが知られている。このエンジンの廃熱を利用する廃熱回生システムは、  内燃機関が発生する熱を冷却水により冷却する内燃機関冷却システムと、冷媒を圧縮するコンプレッサと、コンプレッサにより圧縮された冷媒を気化させる膨張弁と、気化された冷媒により空気を冷却するエバポレータと、コンプレッサによって圧縮された冷媒とランキンサイクルシステムの媒体とで熱交換を行う熱交換器と、を備える冷凍サイクルシステムと、冷却水の熱によって媒体を気化させる蒸発器と、気化された媒体によりエネルギーを発生させる膨張器と、気化された媒体を凝縮して液化させる凝縮器と、液化された媒体を前記熱交換器へと送るポンプと、を備えるランキンサイクルシステムと備えた廃熱回生システムである。
【０００３】
特許文献１の廃熱回生システムは、冷凍サイクルシステムにおいて冷媒を凝縮させるいわゆる凝縮器はランキンサイクルシステムの媒体とで熱交換を行う熱交換器である。従って、ランキンサイクルシステムが運転されていない状態では冷凍サイクルシステムにおいてコンプレッサによって吐出された冷媒が十分に凝縮されず効率が上がらないという課題が存在している。
【０００４】
特許文献２には、特許文献１と同様に、エンジンの廃熱を利用してエネルギーを生成する廃熱回生システムであって、ランキンサイクルの作動流体とエアコン冷媒との間で熱交換を行うエアコン熱交換器と、そのエアコン熱交換器の下流側にエアコンコンデンサが設けてある冷凍サイクルを備えた廃熱回生システムであるため、特許文献２の廃熱回生システムは、ランキンサイクルが運転されていない状態でもエアコンコンデンサにより圧縮機から吐出された冷媒を凝縮することができる。    
【０００５】
【特許文献１】特開２００９−２０４２０４号
【特許文献２】特開２０１１−８５０２５号
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
このような特許文献２の廃熱回生システムは、エンジンの廃熱及び冷凍サイクルの廃熱を利用してエネルギーを回収する廃熱回生システムであり、ランキンサイクルが運転されていない状態でもエアコンコンデンサにより圧縮機から吐出された冷媒を凝縮することができるが、ランキンサイクルが運転されていない状態でも冷媒は必ずエアコン熱交換器を流れてしまうため、圧損により圧縮機の消費動力が上がってしまうという問題があった。
【０００７】
本発明は、上記の従来技術の課題を解決するものであり、ランキンサイクルが運転されていない状態においても、冷凍サイクルでの冷媒の圧損を抑制して圧縮機の消費動力の上昇を抑制することができる車両用廃熱回収システムを提供するものである。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
上記の目的を達成するために、請求項１の発明は、エンジンの廃熱を利用して作動流体を加熱する加熱器と、前記加熱器を経由した作動流体を膨張させて動力を発生する膨張機と、前記膨張機を経由した作動流体を凝縮させるランキン用凝縮器と、前記ランキン用凝縮器を経由した作動流体を前記加熱器へ送出する作動流体ポンプを順次配設したランキンサイクル回路を有するランキンサイクルシステムと、前記加熱器とエンジンとを経由して冷却水がポンプを介して循環するエンジン冷却水回路を有するエンジン冷却水システムと、冷媒を圧縮する圧縮機と、前記圧縮機で圧縮された冷媒を外気と熱交換させる放熱器と、前記放熱器で外気と熱交換された後の冷媒を減圧する減圧装置と、減圧された冷媒を加熱する蒸発器を順次配設した冷凍サイクル回路を有する冷凍サイクルシステムとを備え、ランキンサイクル回路における作動流体ポンプと加熱器との間で、かつ、冷凍サイクル回路における圧縮機と放熱器との間に、作動流体と冷媒との間の熱交換を行う熱交換器を設けた車両用廃熱回収システムにおいて、前記冷凍サイクル回路には、前記圧縮機と前記熱交換器との間と、前記熱交換器と前記放熱器との間と接続して、前記熱交換器をバイパスするバイパス路と、冷媒の流れを前記熱交換器側または前記パイパス路側に切換える切換装置が設けられている車両用廃熱回収システムである。
【０００９】
また、請求項２の発明は、請求項１の発明において、前記切換装置は、前記バイパス路の接続部に設けられた切換弁である車両用廃熱回収システムである。
【００１０】
また、請求項３の発明は、請求項１または請求項２に記載の発明において、前記切換装置は、ランキンサイクルシステムの運転時には冷媒を前記熱交換器側に流し、ランキンサイクルシステムの非運転時には冷媒が前記熱交換器をバイパスして前記バイパス路側に流れるよう制御される車両用廃熱回収システムである。
【発明の効果】
【００１１】
本発明によれば、ランキンサイクル回路における作動流体ポンプと加熱器との間で、かつ、冷凍サイクル回路における圧縮機と放熱器との間に、作動流体と冷媒との間の熱交換を行う熱交換器を設けた車両用廃熱回収システムにおいて、前記冷凍サイクル回路には、圧縮機と前記熱交換器との間と、前記熱交換器と放熱器との間と接続して、前記熱交換器をバイパスするバイパス路と、冷媒の流れを前記熱交換器側またはパイパス路側に切換える切換装置が設けられているので、冷凍サイクルシステムにおける圧縮機の運転により圧縮された冷媒の熱をランキンサイクル回路を流れる作動流体に供給することができるため、冷凍サイクルシステムの廃熱をランキンサイクルシステムに利用することができ、また、ランキンサイクルシステムが運転されていない状態においては、冷媒が前記熱交換器を流れないようにすることができるので、圧損により圧縮機の消費動力が上がってしまうことを抑制できるという利点がある。
【００１２】
また、前記切換装置は、前記バイパス路の接続部に設けられた切換弁であるため、冷凍サイクル回路に切換弁を接続するのが容易であるという利点がある。
【００１３】
また、前記切換装置は、ランキンサイクルシステムの運転時には冷媒を前記熱交換器側に流し、ランキンサイクルシステムの非運転時には冷媒が前記熱交換器をバイパスして前記バイパス路側に流れるよう制御されるため、ランキンサイクルシステムが運転されていない状態においては、冷媒が前記熱交換器を流れないようにすることが確実にできるので、圧損により圧縮機の消費動力が上がってしまうことを抑制できるという利点がある。
【図面の簡単な説明】
【００１４】
【図１】本実施例である車両用廃熱回収システムの構成図
【図２】本実施例である車両用廃熱回収システムにおける冷媒の流れ（熱交換器側）を示す構成図
【図３】本実施例である車両用廃熱回収システムにおける冷媒の流れ（バイパス路側）を示す構成図
【図４】本実施例である車両用廃熱回収システムの制御のフローチャート図
【発明を実施するための最良の形態】
【００１５】
次に、図１〜図４に基づいて本発明の本実施例の構成を説明する。
図１は、本発明の実施例である車両用廃熱回収システム１の構成を示す図であり、本発明の廃熱回収システムは車両のエンジンから廃熱を回収する車両用廃熱回収システムである。車両用廃熱回収システム１は、ランキンサイクルシステム２とエンジン冷却水システム３と冷凍サイクルシステム４とを備え、また、車両用廃熱回収システム１は制御装置５を有している。制御装置５はランキンサイクルシステム２、エンジン冷却水システム３、冷凍サイクルシステム４の各システムの制御を行っている。
【００１６】
ランキンサイクルシステム２は、エンジンの廃熱を回収して、電力、または、エンジンをアシストする回転駆動力に変換するシステムであり、循環する作動流体を後述するエンジン２３の冷却水を介して加熱する加熱器１１と、加熱器１１を経由した作動流体を膨張させて動力を発生する膨張機１２と、膨張機１２を経由した作動流体を凝縮させるランキン用凝縮器１３と、ランキン用凝縮器１３を経由した作動流体を加熱器１１へ送出する作動流体ポンプ１４を順次配設したランキンサイクル回路１０を備えている。
【００１７】
エンジン冷却水システム３は、車両に搭載された内燃機関であるエンジン２３を冷却するためのシステムであり、エンジン２３を冷却する冷却水が通過するエンジン２３、ポンプ２４、サーモスタット２５、ラジエータ２６を順次配設した循環路２１と、循環路２１の中間に配設された分岐通路２２を備えたエンジン冷却水回路２０を有し、分岐通路２２はポンプ２４とラジエータ２６との間であってサーモスタット２５が配設されている分岐点２８で循環路から分岐し、再び、ラジエータ２６とエンジン２４の間の分岐点２８で循環路２１に合流する。
【００１８】
ポンプ２４はエンジン２３を通過した冷却水を圧送し、サーモスタット２５はポンプ２４から圧送された冷却水を冷却水の温度によりラジエータ側または分岐通路側のいずれかへ流れ込む冷却水の量を調整する。サーモスタット２５を通過してラジエータ側へ流れ込んだ冷却水はラジエータ２６を通過することにより、車両の走行による走行風や図示しないファンによる送風と熱交換して冷却された後にエンジン２３に送られ、サーモスタット２５を通過して分岐通路側へ流れ込んだ冷却水はラジエータ２６を通過することなく分岐点２８を介してエンジンに送られる。例えば、サーモスタット２５は、冷却水の温度が所定の第１設定温度（例えば９０℃）未満の場合は冷却水をラジエータ側へ流すことなく分岐通路側へ流し、冷却水の温度が所定の設定温度以上の場合は冷却水を分岐通路側へ流すことなくラジエータ側へ流し、冷却水の温度に応じて、ラジエータ側へ流す冷却水の量と分岐通路側流す冷却水の量を調整する。尚、ポンプ２４はエンジン２３によって駆動するが、電動モータなどの他の駆動手段によって駆動されても構わない。
【００１９】
従って、エンジン始動当初などのエンジンが十分に暖まっていない状態では、エンジンを２３通過する冷却水も高温ではないので、冷却水はラジエータ側へ流れることなく分岐通路２２を流れて再びエンジン２３へ流れ込む。一方、車両が登坂中であってエンジン２３が高回転で回転するような状態、夏場などでエンジン２３が始動してから十分に時間が経っているような状態ではエンジン２３が高温状態になっているため、冷却水も高温になっていることから、冷却水はラジエータ側へ流れてラジエータ２６で冷却された後、再びエンジン２３へ流れ込みエンジン２３を冷却する。
【００２０】
また、エンジン冷却水システム３は車室内空間を温めるための熱交換であるヒータコア２７を有している。ヒータコア２７は、エンジン２３の廃熱により暖まった冷却水とヒータコア２７が設置された空間の空気と熱交換することによって車室内空間の暖房を行う熱交換器であって、ヒータコア２７はエンジン冷却水回路２０の循環路上であってエンジン２３と分岐通路２２の間に配設されている。本実施例では、ヒータコア２８はエンジン冷却水回路２０の循環路上に配設されているが、循環路２１から分岐して再び循環路２１に合流する通路上にヒータコア２７を配設しても構わない。尚、その場合は、循環路２１から分岐する分岐点に切換弁を設けて冷却水をヒータコア側に流したり、ヒータコア側に流さず循環路側に流す選択を行う制御を行う。
【００２１】
ランキンサイクル回路１０に配設されている加熱器１１はエンジン冷却水回路２０の分岐通路２２にも配設されている加熱器１１であり、ランキンサイクル回路１０を循環する作動流体と、エンジン冷却水回路２０を循環する冷却水との熱交換を行う加熱器１１である。この加熱器１１によって、ランキンサイクルシステム２は、エンジン冷却水回路２０を循環する冷却水を介してエンジン廃熱を回収し、電力、または、エンジンをアシストする回転駆動力に変換する。また、ランキンサイクル回路１０に配設されている作動流体ポンプ１４は加熱器１１を通過する直前の冷却水の温度が所定の第２設定温度（例えば８５℃）以上になると駆動し、加熱器１１を通過する直前の冷却水の温度が所定の第２設定温度未満になると停止するように制御される。
【００２２】
冷凍サイクルシステム４は、車両に搭載された空調システムに用いられ、エンジン２３の駆動により、または、電動モータにより駆動して冷媒を圧縮する圧縮機３１と、圧縮機３１で圧縮された冷媒を外気と熱交換させることにより凝縮させる凝縮器としての放熱器３２と、放熱器３２で外気と熱交換して凝縮した後の冷媒を減圧する減圧装置としての膨張弁３３と、車室内の空気を冷却するために膨張弁３３で減圧された冷媒と車室内の空気とを熱交換する蒸発器３４を順次配設した冷凍サイクル回路３０とを備えている。尚、本実施例では凝縮器としての放熱器３２を使用しているが、例えば、冷媒が二酸化炭素の場合には二酸化炭素冷媒が凝縮しないため、凝縮器としての放熱器３２ではなく二酸化炭素冷媒を放熱させる熱交換器であっても構わない。
【００２３】
冷凍サイクルシステム４の稼働は車両利用者が図示しない空調システムのスイッチをオンすることにより行われ、圧縮機３１がエンジン２３の駆動によって動作する圧縮機３１の場合は、例えば、エンジン２３と圧縮機３１の間に配置された図示しない電磁クラッチが空調システムのスイッチのオンによってエンジン２３の駆動を圧縮機３１に伝え圧縮機３１が駆動する。圧縮機３１が電動モータによって動作する圧縮機３１の場合は、空調システムのスイッチのオンによって電動モータが動作して圧縮機３１が駆動する。
【００２４】
さらに、車両用廃熱回収システム１は、冷凍サイクル回路３０を流れる冷媒とランキンサイクル回路１０を流れる作動流体との熱交換を行う熱交換器１５を有している。この熱交換器１５は冷凍サイクル回路３０の圧縮機３１と放熱器３２との間で、かつ、ランキンサイクル回路１０の作動流体ポンプ１４と加熱器１１の間に配設されており、圧縮機３１から吐出されて高温になった冷媒の熱が熱交換器１５を介して作動流体ポンプ１４から流れ出た作動流体に移動する。
【００２５】
また、冷凍サイクルシステム３０は、圧縮機３１と熱交換器１５との間と、熱交換器１５と放熱器３２との間とに接続して熱交換器１５をバイパスするバイパス路３５と、圧縮機３１から吐出された冷媒の流れを熱交換器側またはパイパス路側に切換える切換装置としての切換弁３６とを有しており、切換弁３６はバイパス路３５の圧縮機側接続部（圧縮機と熱交換器の間の通路との接続部）に配設されている。尚、本実施例では切換弁３６はバイパス路３５の圧縮機側接続部に配設されているが、切換弁３６はバイパス路３５の放熱器側接続部（熱交換器と放熱器の間の通路との接続部）に配設されていても構わない。また、本実施例では切換装置は切換弁３６であるが、切換装置は、例えば、バイパス路上と、バイパスされる熱交換器１５が配設された冷凍サイクル回路上とのそれぞれに開閉弁を設けて、圧縮機３１から吐出された冷媒の流れを熱交換器側またはパイパス路側に切換える形式でも構わない。
【００２６】
切換弁３６の動作は制御装置５により次のように行われる。制御装置５は、ランキンサイクルシステム２の運転時には冷媒を熱交換器側に流し、ランキンサイクルシステム２の非運転時には冷媒が熱交換器１５をバイパスしてバイパス路側に流れるよう切換弁３６を制御する。従って、ランキンサイクルシステム２が運転されていない状態においては、冷媒が熱交換器１５を流れないようにすることが確実にできるので、圧損により圧縮機３１の消費動力が上がってしまうことを抑制できる。
【００２７】
次に本実施例の動作を説明する。エンジン始動によりポンプ２４が駆動し冷却水がエンジン冷却水回路２０を循環する。エンジン始動当初は冷却水の温度が低く、サーモスタット２５の直前を通過する冷却水の温度が第１設定温度（９０℃）未満のため、冷却水はサーモスタット２５によりラジエータ側ではなく分岐通路側に流入して、加熱器１１を通過した後、エンジン２３に再度流れ込んでエンジン冷却水回路２０を循環する。
【００２８】
エンジンの暖気が促進されて冷却水の温度が上昇し、加熱器１１を通過する直前の冷却水の温度が第２設定温度（８５℃）をに達すると、作動流体ポンプ１４が駆動して作動流体がランキンサイクル回路１０を循環してランキンサイクルシステム２の運転が開始され、膨張機１２が駆動して動力を発生する。ランキンサイクルシステム２の運転が開始すると、切換弁３６は冷媒が熱交換器側に流れるよう切換り冷媒が熱交換器１５を流れる。
【００２９】
加熱器１１を通過する直前の冷却水の温度が第２設定温度（８５℃）未満になると、作動流体ポンプ１４が停止しランキンサイクルシステム２の運転が終了し、ランキンサイクルシステム２の運転が終了すると切換弁３６は冷媒がバイパス路側に流れるよう切換り、冷媒は熱交換器１５をバイパスしてバイパス路３５を流れる。
【００３０】
尚、膨張機１２が回収する動力（ランキン出力）が不十分である場合、例えば、膨張機１２で回収した動力が電力に変換される場合はその電力が所定値に達しない場合、または、膨張機１２の上流側と下流側の圧力差が所定値に達しない場合は、制御装置５はランキン出力が不十分であるとして作動流体ポンプ１４の駆動を停止する。
【００３１】
本実施例では、ランキンサイクル回路１０における作動流体ポンプ１４と加熱器１１との間で、かつ、冷凍サイクル回路３０における圧縮機３１と放熱器３２との間に、作動流体と冷媒との間の熱交換を行う熱交換器１５を設け、冷凍サイクル回路３０には、圧縮機３１と熱交換器１５との間と、熱交換器１５と放熱器３２との間と接続して、熱交換器１５をバイパスするバイパス路３５と、冷媒の流れを熱交換器側またはパイパス路側に切換える切換弁３６が設けられているので、冷凍サイクルシステム４における圧縮機３１の運転により圧縮された冷媒の熱をランキンサイクル回路１０を流れる作動流体に供給することができるため、冷凍サイクルシステム４の廃熱をランキンサイクルシステム２に利用することができ、また、ランキンサイクルシステム２が運転されていない状態においては、冷媒が熱交換器１５をバイパスして熱交換器１５を流れないようにすることができるので、圧損により圧縮機３１の消費動力が上がってしまうことを抑制できるという効果を有する。
【符号の説明】
【００３２】
１  車両用廃熱回収システム
２  ランキンサイクルシステム
３  エンジン冷却水システム
４  冷凍サイクルシステム
５  制御装置
１０  ランキンサイクル回路
１１  加熱器
１２  膨張機
１３  ランキン用凝縮器
１４  作動流体ポンプ
１５  熱交換器
２０  エンジン冷却水回路
２１  循環路
２２  分岐通路
２３  エンジン
２４  ポンプ
２５  サーモスタット
２６  ラジエータ
２７  ヒータコア
２８  分岐点
３０  冷凍サイクル回路
３１  圧縮機
３２  放熱器
３３  膨張弁
３４  蒸発器
３５  バイパス路
３６  切換弁  
【図１】
2019120163.tif 000003
【図２】
2019120163.tif 000004
【図３】
2019120163.tif 000005
【図４】
2019120163.tif 000006