(57)【要約】【課題】ランキンサイクル回路及び冷凍サイクル回路の一部を共有することによってコンパクト性を確保しながら、簡易な制御で良好な効率を達成可能な冷凍廃熱回収システムを提供する。【解決手段】直列配置された第１及び第２凝縮器からなる凝縮部を共有するランキンサイクル回路及び冷凍サイクル回路と、凝縮部の下流側流体圧力を検出する圧力検出手段と、ランキンサイクル回路のポンプに対応する第１閾値及び冷凍サイクル回路の第２蒸発器に対応する第２閾値と前記検出値との差に基づいて、凝縮部における最適流路を決定する流路判定手段と、最適流路を実現するように流路を制御する流路制御手段とを備える。【選択図】図１
2016109010.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
第１凝縮器及び前記第１凝縮器に直列配置された第２凝縮器を有する凝縮部、前記凝縮部に流れる冷媒の流路を切替える流路切替部、第１蒸発器、第１膨張機、並びに、ポンプを備え、前記凝縮部の下流側流路における所望流体圧力である第１閾値が予め設定されたランキンサイクル回路と、
前記凝縮部の上流側入口及び下流側出口にそれぞれ接続されることにより前記凝縮部を共有し、第２蒸発器及び第２膨張機及び圧縮機を備え、前記凝縮部の下流側流路における所望流体圧力である第２閾値が予め設定された冷凍サイクル回路と、
前記凝縮部の下流側、且つ、前記ポンプ及び前記第２蒸発器の上流側における流体圧力を検出する圧力検出手段と、
前記第１閾値及び前記第２閾値と、前記圧力検出手段により検出された流体圧力との差に基づいて、前記凝縮部における最適流路を決定する流路判定手段と、
前記凝縮部が前記最適流路を有するように、前記流路切替部を制御する流路制御手段と
を備えることを特徴とする冷凍廃熱回収システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本開示は、ランキンサイクル及び冷凍サイクルを備える冷凍廃熱回収システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
動力源であるエンジンの廃熱を電気エネルギーに変換して回収するランキンサイクル回路と、例えば空調のような用途を目的とした冷凍サイクル回路とを搭載した車両が知られている。例えば特許文献１には、この種の車両において、ランキンサイクル回路及び冷凍サイクル回路がそれぞれ備える循環回路の一部を共通化することにより、部品点数の低減と共に、システムのコンパクト化を図る技術が開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２０１３−２１７３４０号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかしながら、特許文献１では循環回路の一部が共有されることによって、ランキンサイクル回路及び冷凍サイクル回路におけるサイクル効率が低下しやすいという問題がある。例えば、ランキンサイクル回路を優先的に制御すると冷凍サイクル回路の効率が低下しやすく、逆に、冷凍サイクル回路を優先的に制御するとランキンサイクル回路の効率が低下しやすい。
特に、周囲環境（例えば温度や湿度）が変化する場合には、その変化状況に応じて、ランキンサイクル回路及び冷凍サイクル回路を制御することが要求されるが、特許文献１では、このようなきめ細かな制御は難しい。
【０００５】
上述の事情に鑑みて、本発明の少なくとも一実施形態は、ランキンサイクル回路及び冷凍サイクル回路の一部を共有することによってコンパクト性を確保しながら、簡易な制御で良好な効率を達成可能な冷凍廃熱回収システムを提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明の少なくとも一実施形態に係る冷凍廃熱回収システムは、第１凝縮器及び前記第１凝縮器に直列配置された第２凝縮器を有する凝縮部、前記凝縮部に流れる冷媒の流路を切替える流路切替部、第１蒸発器、第１膨張機、並びに、ポンプを備え、前記凝縮部の下流側流路における所望流体圧力である第１閾値が予め設定されたランキンサイクル回路と、前記凝縮部の上流側入口及び下流側出口にそれぞれ接続されることにより前記凝縮部を共有し、第２蒸発器及び第２膨張機及び圧縮機を備え、前記凝縮部の下流側流路における所望流体圧力である第２閾値が予め設定された冷凍サイクル回路と、前記凝縮部の下流側、且つ、前記ポンプ及び前記第２蒸発器の上流側における流体圧力を検出する圧力検出手段と、前記第１閾値及び前記第２閾値と、前記圧力検出手段により検出された流体圧力との差に基づいて、前記凝縮部における最適流路を決定する流路判定手段と、前記凝縮部が前記最適流路を有するように、前記流路切替部を制御する流路制御手段とを備える。
【０００７】
本構成によれば、ランキンサイクル回路及び冷凍サイクル回路が凝縮部を含む流路を部分的に共有することにより、優れたコンパクト性を有しており、車両にも容易に搭載可能である。また凝縮部は互いに直列配置された第１凝縮器及び第２凝縮器を含んでおり、流路切替部の切替制御によって、凝縮部の容量が可変に構成されている。流路切替部は、第１閾値及び第２閾値と、ポンプ及び第２蒸発器の上流側における流体圧力との差に基づいて決定される最適流路が得られるように切替制御される。これにより、周囲環境（例えば温度や湿度）に応じて、凝縮部の容量を最適化でき、良好な効率が得られる。
【０００８】
特に、凝縮部を構成する第１凝縮器及び第２凝縮部は、互いに直列に配置されるため、第１の凝縮器の出口及び第２の凝縮器の出口における流量がそれぞれ同じになる。そのため、これら凝縮器を並列に配置した場合に比べて、流量制御が容易となる。これにより、周囲環境の変化に応じて精度よく流路の切替制御を簡易な制御ロジックで実施できる。
【発明の効果】
【０００９】
本発明の少なくとも一実施形態によれば、ランキンサイクル回路及び冷凍サイクル回路の一部を共有することによってコンパクト性を確保しながら、簡易な制御で良好な効率を達成可能な冷凍廃熱回収システムを提供できる。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
【図１】本発明の一実施形態に係る冷凍廃熱回収システムの構成を示す模式図である。
【図２】図１の冷凍廃熱回収システムの制御内容を示すフローチャートである。
【図３】図１の冷凍廃熱回収システムの第１のバイパスライン及び第２のバイパスラインにおける流体圧力のタイムチャートである。
【発明を実施するための形態】
【００１１】
以下、添付図面を参照して本発明の幾つかの実施形態について説明する。ただし、実施形態として記載されている又は図面に示されている構成部品の寸法、材質、形状、その相対的配置等は、本発明の範囲をこれに限定する趣旨ではなく、単なる説明例にすぎない。
例えば、「ある方向に」、「ある方向に沿って」、「平行」、「直交」、「中心」、「同心」或いは「同軸」等の相対的或いは絶対的な配置を表す表現は、厳密にそのような配置を表すのみならず、公差、若しくは、同じ機能が得られる程度の角度や距離をもって相対的に変位している状態も表すものとする。
また例えば、四角形状や円筒形状等の形状を表す表現は、幾何学的に厳密な意味での四角形状や円筒形状等の形状を表すのみならず、同じ効果が得られる範囲で、凹凸部や面取り部等を含む形状も表すものとする。
一方、一の構成要素を「備える」、「具える」、「具備する」、「含む」、又は、「有する」という表現は、他の構成要素の存在を除外する排他的な表現ではない。
【００１２】
図１は本発明の一実施形態に係る冷凍廃熱回収システム１の構成を示す模式図であり、図２は図１の冷凍廃熱回収システム１の制御内容を示すフローチャートであり、図３は図１の冷凍廃熱回収システム１の第１のバイパスライン２４ａ及び第２のバイパスライン２４ｂにおける流体圧力のタイムチャートである。
【００１３】
冷凍廃熱回収システム１は、動力源としてエンジン２を備える車両（不図示）に搭載される。エンジン２は、例えばガソリンや軽油のような化石燃料を燃焼することにより動力を出力可能な内燃機関であり、図１では４シリンダエンジンが例示されている。エンジン２は冷却水回路３を備える。冷却水回路３上には、冷却水を圧送するための循環ポンプ４と、冷却水を外気と熱交換することにより放熱するためのラジエータ５とが設けられている。ラジエータ５には、エンジン２の動力の一部を用いて駆動されるファン６によって送風が行われ、放熱が促進可能なように構成されている。
【００１４】
冷却水回路３からはバイパス回路７が分岐されている。バイパス回路７を流れる冷却水は、ランキンサイクル回路１０を構成する第１蒸発器１１において、ランキンサイクル回路１０を流れる流体と熱交換されることによって冷却される。すなわち、冷却水に含まれる廃熱エネルギーがランキンサイクル回路１０によって回収される。
【００１５】
ランキンサイクル回路１０は、第１蒸発器１１、第１膨張機１２、凝縮部１３及びポンプ１４を備える。ランキンサイクル回路１０を流れる流体は、第１蒸発器１１によって蒸発（気化）された後、第１膨張機１２によって膨張される。第１膨張機１２では、流体の膨張時にタービンを駆動し、当該タービンの回転軸１５に連結された発電機１６が駆動される。膨張後の流体は、凝縮部１３によって凝縮（液化）された後、ポンプ１４によって圧送されることにより第１蒸発器１１に戻る。
【００１６】
発電機１６では、駆動状態に応じて発電が行われる。発電によって得られた電気エネルギーは、各種負荷によって消費され、又は、インバータを介して不図示のバッテリに蓄積される。
【００１７】
このように構成されたランキンサイクル回路１０では、各部の流体圧力がそれぞれ予め規定された所定範囲に収まるように設計される。本実施形態では特に、凝縮部１３及びポンプ１４間の流路における流体圧力が取るべき範囲の上限値（所望流体圧力）が、第１閾値Ｐ１として予め設定されている。
【００１８】
冷凍サイクル回路２０は、凝縮部１３の上流側入口及び下流側出口にそれぞれ接続されることにより、ランキンサイクル１０と凝縮部１３を共有する。冷凍サイクル回路２０は、第２蒸発器２１及び圧縮機２２を備える。凝縮部１３で凝縮（液化）された流体は、第２蒸発器２１にて蒸発する。第２蒸発器２１は、冷凍サイクル回路２０を流れる流体と外気とが熱交換可能に構成されており、流体が気化する際に外気から吸熱することにより、外気を冷却する。第２蒸発器２１によって蒸発された流体は、圧縮機２２によって圧縮された後、凝縮部１３にて再び凝縮される。
【００１９】
このように構成された冷凍サイクル回路２０では、各部の流体圧力がそれぞれ予め規定された所定範囲に収まるように設計される。本実施形態では特に、凝縮部１３及び第２蒸発器２１間の流路における流体圧力が取るべき範囲の上限値（所望流体圧力）が、第２閾値Ｐ２として予め設定されている。
【００２０】
尚、第１閾値Ｐ１及び第２閾値Ｐ２は互いに異なっていてもよく、互いに同じであってもよいが、本実施形態では、第１閾値Ｐ１が第２閾値Ｐ2に比べて大きく設定されている場合（すなわち、Ｐ1＞Ｐ２）について例示する。
【００２１】
凝縮部１３は、第１凝縮器１３ａ、及び、第１凝縮器１３ａに直列配置された第２凝縮器１３ｂを有する。図１の例では、第１凝縮器１３ａは第２凝縮器１３ｂに比べて大きな容量を有している。
【００２２】
凝縮部１３を流れる冷媒の流路は、流路切替部２３によって切替可能に構成されている。流路切替部２３は、第１凝縮器１３ａの上流側及び下流側にそれぞれ設けられた切替バルブ２５ａ、２５ｂによって第１凝縮器１３ａに並列に接続された第１のバイパスライン２４ａと、第２凝縮器１３ｂの上流側及び下流側にそれぞれ設けられた切替バルブ２５ｃ及び２５ｄによって第２凝縮器１３ａに並列に接続された第２のバイパスライン２４ｂとを備える。
【００２３】
切替バルブ２５ａ乃至２５ｄは、例えば三方弁のようなバルブ機構である。切替バルブ２５ａは、上流側から供給される流体が、その切替状態に応じて第１のバイパスライン２４ａ及び第１の凝縮器１３ａの少なくとも一方に供給されるように構成されている。切替バルブ２５ｂは、その切替状態に応じて、第１のバイパスライン２４ａ及び第１の凝縮器１３ａの少なくとも一方から供給される流体が切替バルブ２５ｃ側に流れるように構成されている。
切替バルブ２５ｃは、切替バルブ２５ｂ側から供給される流体が、その切替状態に応じて第２のバイパスライン２４ｂ及び第２の凝縮器１３ｂの少なくとも一方に供給されるように構成されている。切替バルブ２５ｄは、その切替状態に応じて、第２のバイパスライン２４ｂ及び第２の凝縮器１３ｂの少なくとも一方から供給される流体が下流側に流れるように構成されている。
【００２４】
凝縮部１３の下流側、且つ、ポンプ１４及び第２蒸発器２１の上流側には、当該流路を流れる流体圧力を検出するための圧力検出手段３０が設置されている。圧力検出手段３０は、例えば検知値を電気信号として送信可能な圧力センサであるが、流体圧力を検知可能な限りにおいてその態様は限定されない。
【００２５】
尚、本実施形態では、ランキンサイクル回路１０及び冷凍サイクル回路２０は互いに共通する流体を用いている。流体は、例えばＲ１３４ａ（ＣＨ２ＦＣＦＣＦ２）などの公知の冷媒である。このような流体は、ランキンサイクル回路１０では作動流体として機能すると共に、冷凍サイクル回路２０では冷媒として機能する。
【００２６】
制御部４０は、冷凍廃熱回収システム１の制御を実施するコントロールユニットであり、例えば電子演算器によって構成される。制御部４０は、圧力検出手段３０から検出値を取得し、その検出値に基づいて、切替バルブ２５ａ乃至２５ｄを切り替えることにより、流路切替部２３を制御する。制御部４０は、後述する制御を実施するために必要な各種情報を記憶する記憶部４１と、凝縮部１３における最適流路を決定する流路判定部（流路判定手段）４２と、流路判定部４２によって決定された最適流路を実現するように流路切替部２３を制御する流路制御部（流路制御手段）４３とを備える。
尚、記憶部４１は例えばメモリやハードディスクなどの記憶媒体から構成されており、上述の第１閾値及び第２閾値を読み出し可能に記憶している。
【００２７】
続いて図２及び図３を参照して、制御部４０による冷凍廃熱回収システム１の制御内容について説明する。尚、図３では流路として選択された経路を太いラインで示すと共に、流路として選択されていない経路を破線で示している。
【００２８】
制御部４０は、記憶部４１から本制御に必要な第１閾値Ｐ１及び第２閾値Ｐ２を取得すると共に（ステップＳ１）、圧力検出手段３０から検出値Ｐを取得する（ステップＳ２）。流路判定部４２は、このように取得した第１閾値Ｐ１及び第２閾値Ｐ２と検出値Ｐとの差に基づいて、凝縮部１３の最適流路を決定する。
【００２９】
まず流路判定部４２は、検出値Ｐが第１閾値Ｐ１より大きいか否かを判定する（ステップＳ３）。検出値Ｐが第１閾値Ｐ１より大きい場合（ステップＳ３：ＹＥＳ）、流路判定部４２は、第１凝縮器１３ａ及び第２凝縮器１３ｂのうち容量の小さな第２凝縮器１３ｂのみに流体が流れる流路（すなわち、第１のバイパスライン２４ａ及び第２凝縮器１３ｂを通るルート）を最適流路として選択する（ステップＳ４）。つまり、Ｐ＞Ｐ１＞Ｐ２である場合には、ランキンサイクル回路１０及び冷凍サイクル回路２０の双方にとって十分な量の流体が凝縮されているため、凝縮部１３の容量を最小限に抑えるよう最適流路が決定される（図３（ａ）を参照）。
【００３０】
検出値Ｐが第１閾値Ｐ１以下である場合（ステップＳ３：ＮＯ）、流路判定部４２は更に検出値Ｐが第２閾値Ｐ２より大きいか否かを判定する（ステップＳ５）。検出値Ｐが第１閾値Ｐ２より大きい場合（ステップＳ５：ＹＥＳ）、流路判定部４２は、第１凝縮器１３ａ及び第２凝縮器１３ｂのうち容量の大きな第１凝縮器１３ａのみに流体が流れる流路（すなわち第１凝縮器１３ａ及び第２のバイパスライン２４ｂを通るルート）を最適流路として選択する（ステップＳ６）。つまり、Ｐ１≧Ｐ＞Ｐ２である場合には、冷凍サイクル回路２０にとっては十分な量の流体が凝縮されているものの、ランキンサイクル回路１０側にとっては十分な量の流体が凝縮されていないとして、ステップＳ４の場合に比べて凝縮部１３の容量を多くするように最適流路が決定される（図３（ｂ）を参照）。
【００３１】
検出値Ｐが第１閾値Ｐ２以下である場合（ステップＳ５：ＮＯ）、流路判定部４２は第１凝縮器１３ａ及び第２凝縮器１３ｂの双方に流体が流れる流路（すなわち第１及び第２のバイパスラインを通らないルート）を最適流路として選択する（ステップＳ７）。つまり、Ｐ１＞Ｐ２≧Ｐである場合には、ランキンサイクル回路１０及び冷凍サイクル回路２０の双方にとって十分な量の流体が凝縮されていないとして、ステップＳ６の場合に比べて凝縮部１３の容量を更に多くするように最適流路が決定される（図３（ｃ）を参照）。
【００３２】
このようにステップＳ４，Ｓ６，Ｓ７によって最適流路が決定されると、流路制御手段４３は、凝縮部１３が前記決定された最適流路を有するように、流路切替部１３ｃ１及び１３ｃ２を制御する（Ｓ８）。これにより、凝縮部１３の容量が最適化され、冷凍廃熱回収システムの効率向上が図られる。
【００３３】
尚、本実施形態では、図１に示すように第１凝縮器１３ａは第２凝縮器１３ｂに比べて大きな容量を有するが、第１凝縮器１３ａ及び第２凝縮器１３ｂを同じ容量に構成してもよい。この場合、第１凝縮器１３ａのみを稼動させた場合と第２凝縮器１３ｂのみを稼動させた場合との容量が等しくなるため、凝縮器１３の容量は２段階に可変となる（上述の実施形態では、第１凝縮器１３ａのみを稼動させた場合と第２凝縮器１３ｂのみを稼動させた場合との容量が異なるので、凝縮器１３の容量は３段階に可変となる点において有利である）。
【００３４】
以上説明したように、本実施形態によれば、ランキンサイクル回路１０及び冷凍サイクル回路２０が凝縮部１３を含む流路を部分的に共有することにより、優れたコンパクト性を有しており、車両にも容易に搭載可能である。また凝縮部１３は互いに直列配置された第１凝縮器１３ａ及び第２凝縮器１３ｂを含んでおり、流路切替部２３の切替制御によって、凝縮部１３の容量が可変に構成されている。流路切替部２３は、第１閾値Ｐ１及び第２閾値Ｐ２と、ポンプ１４及び第２蒸発器２１の上流側における流体圧力との差に基づいて決定される最適流路が得られるように切替制御される。これにより、周囲環境（例えば温度や湿度）に応じて、凝縮部１３の容量を最適化でき、良好な効率が得られる。
【００３５】
特に、凝縮部１３を構成する第１凝縮器１３ａ及び第２凝縮部１３ｂは、互いに直列に配置されるため、第１凝縮器１３ａの出口及び第２の凝縮器１３ｂの出口における流量がそれぞれ同じになる。そのため、仮にこれら凝縮器１３ａ及び１３ｂを並列に配置した場合に比べて、流量制御が容易となる。これにより、周囲環境の変化に応じて精度よく流路の切替制御を簡易な制御ロジックで実施できる。
【００３６】
その結果、ランキンサイクル回路１０及び冷凍サイクル回路２０の一部を共有することによってコンパクト性を確保しながら、簡易な制御で良好な効率を達成可能な冷凍廃熱回収システム１を提供できる。
【産業上の利用可能性】
【００３７】
本開示は、ランキンサイクル及び冷凍サイクルを備える冷凍廃熱回収システムに利用可能である。
【符号の説明】
【００３８】
１  冷凍廃熱回収システム
２  エンジン
３  冷却水回路
４  循環ポンプ
５  ラジエータ
６  ファン
７  バイパス回路
１０  ランキンサイクル回路
１１  第１蒸発器
１２  第１膨張機
１３  凝縮部
１４  ポンプ
１５  回転軸
１６  発電機
２０  冷凍サイクル回路
２１  第２蒸発器
２２  圧縮機
２３  流路切替部
２４ａ  第１のバイパスライン
２４ｂ  第２のバイパスライン
２５  切替バルブ
３０  圧力検出手段
４０  制御部
４１  記憶手段
４２  流路判定手段
４３  流路制御手段
【図１】
2016109010.tif 000003
【図２】
2016109010.tif 000004
【図３】
2016109010.tif 000005