(57)【要約】      （修正有）【課題】廃熱によって生成した過熱蒸気によってタービンを駆動し、そのタービンによって電動式の空調システムにおけるモータを発電機として機能させてエネルギ回収を行う際の回収効率を向上させる。【解決手段】空調システムがオフ制御されている場合に、モータによって発電することのできる最大発電量とコンプレッサにおける仕事量とからモータの回転数を算出し、算出されたモータの回転数と、タービンの効率が最大となる予め定められたタービンの回転数とに基づいて変速比を設定するように構成する。【選択図】図１
2017141706.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
廃熱を熱源として過熱蒸気を生成するとともに、前記過熱蒸気によってタービンを駆動する廃熱回収装置の制御装置において、
前記廃熱回収装置は、空調システムにおける冷媒を循環させるコンプレッサと、前記タービンに変速機構を介して連結されて前記タービンによって駆動され、かつ前記コンプレッサを駆動する発電機能のあるモータとを有し、
前記変速機構の変速比を制御するコントローラを備え、
前記コントローラは、
前記空調システムがオフ制御されている場合に、
前記モータによって発電することのできる最大発電量と前記コンプレッサにおける仕事量とから前記モータの回転数を算出し、
前記算出された前記モータの回転数と、前記タービンの効率が最大となる予め定められた前記タービンの回転数とに基づいて前記変速比を設定するように構成されている
ことを特徴とする廃熱回収装置の制御装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、不可避的に生じる廃熱を回収する装置に関するものであり、一例として車両で発生する廃熱を回収する際の制御を行う装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
この種の装置の一例が特許文献１に記載されている。その装置は、ランキンサイクルからなる廃熱回収装置であって、燃料改質装置で燃料の改質を行えないが、燃料を蒸発させることができる場合、蒸発させた燃料をタービンに送り、タービンによって発電機を駆動して電力を得るように構成されている。
【０００３】
なお、減速時の車両の運動エネルギを電力として回収するために、空調装置のコンプレッサ用モータを発電機として機能させるように構成された装置が特許文献２に記載されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００９−１８５６２５号公報
【特許文献２】特開２００２−９５１０１号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
特許文献１に記載された装置および特許文献２に記載された装置は、車両で発生するいわゆる余剰エネルギを電力として回収するように構成されており、例えば特許文献１に記載されたランキンサイクルで運転される廃熱回収装置によって特許文献２に記載されているコンプレッサ用のモータを駆動して発電させることができる。しかしながら、そのモータは、タービンと直結に連結され、かつタービンによって駆動させられるため、モータの回転数はタービン回転数とほぼ一致した回転数となる。そのような場合、例えばタービン効率が最大のときのモータの回転数と、発電量が最大のときのモータの回転数とは必ずしも同じ回転数ではないため、効率的な廃熱回収ならびに発電を行うことができないおそれがある。したがって、このような不都合を解消しつつ、廃熱回収を効果的に行うためには未だ新たな技術を開発する余地が多分にあった。
【０００６】
この発明は上記の技術的課題に着目してなされたものであって、廃熱によって生成した過熱蒸気によってタービンを駆動し、そのタービンによって電動式の空調システムにおけるモータを発電機として機能させてエネルギ回収を行う際の回収効率を向上させることを目的とするものである。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
上記の目的を達成するために、この発明は、廃熱を熱源として過熱蒸気を生成するとともに、前記過熱蒸気によってタービンを駆動する廃熱回収装置の制御装置において、前記廃熱回収装置は、空調システムにおける冷媒を循環させるコンプレッサと、前記タービンに変速機構を介して連結されて前記タービンによって駆動され、かつ前記コンプレッサを駆動する発電機能のあるモータとを有し、前記変速機構の変速比を制御するコントローラを備え、前記コントローラは、前記空調システムがオフ制御されている場合に、前記モータによって発電することのできる最大発電量と前記コンプレッサにおける仕事量とから前記モータの回転数を算出し、前記算出された前記モータの回転数と、前記タービの効率が最大となる予め定められた前記タービンの回転数とに基づいて前記変速比を設定するように構成されていることを特徴とするものである。
【発明の効果】
【０００８】
この発明によれば、廃熱によって過熱蒸気が生成され、その過熱蒸気によってタービンが駆動される。タービンはコンプレッサを駆動するモータに連結されており、そのモータは発電機能を有しているので、タービンが過熱蒸気によって駆動されると、モータが回転して発電する。また、そのモータは、変速機構を介してタービンと連結されている。そのため、タービンとモータとが互いに最も効率的な回転数となるようにその変速機構の変速比が設定される。したがって、この発明によれば廃熱回収する際のエネルギ効率を向上させることができる。
【０００９】
特に、空調要求がない場合、すなわち空調システムがＯＦＦ状態の場合には、モータによって発電することのできる最大発電量とコンプレッサにおける冷媒循環仕事量とに応じたモータの回転数を算出し、その算出されたモータの回転数とタービン効率が最大となるタービンの回転数とから変速比を設定しているため、より高効率な廃熱回収ならびに発電を行うことができる。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
【図１】この発明による制御の一例を説明するためのフローチャートである。
【図２】この発明に係る廃熱回収装置の全体的な構成を示すブロック図である。
【図３】この発明で対象とする空調システムの系統図である。
【図４】この発明におけるタービン効率と、モータが駆動することによる最大発電量と、モータの回転数と、コンプレッサが動作することによる冷媒循環仕事量との関係を説明するための図である。
【発明を実施するための形態】
【００１１】
この発明の実施形態における廃熱回収装置は、エネルギの消費に伴って不可避的に生じる廃熱を電気エネルギとして回収する装置であり、その廃熱は熱機関から生じるもの、電子機器から生じるもの、工場などの生産設備から生じるものなどのいずれであってもよく、特に限定されない。以下に説明する例では、内燃機関を搭載した車両に設けた例を挙げる。
【００１２】
図２にその例を模式的に示してある。ここに示す廃熱回収装置は、エンジン１を運転することに伴って生じる廃熱を回収するように構成されている。エンジン１は要はガソリンや軽油あるいはガスなどの燃料を燃焼させてトルクを発生する熱機関であり、その排ガス系統２には、排ガス浄化のための触媒コンバータ３が設けられ、その下流側に過熱器４および排熱回収器（蒸発器）５が上流側から順に設けられている。排熱回収器５はエンジン１から排出された排ガスの熱によって作業流体を蒸発させる熱交換器である。また、過熱器４は、排熱回収器５から送られた蒸気を、排ガスの有する熱で更に加熱して過熱蒸気とするための熱交換器である。これらの過熱器４および排熱回収器５は、ランキンサイクルにおいて過熱蒸気を生成する蒸発部６を構成している。
【００１３】
過熱器４がタービン７に連通されている。タービン７は従来知られている一般的なタービンであってよく、過熱器４から送られてくる過熱蒸気によって駆動されて熱エネルギを機械的エネルギに変換する。タービン７の排出側に復水器８が連通されている。復水器８は蒸気の熱を外部に放出して蒸気を凝縮させる熱交換器であって、タービン７の背圧を低下させるように機能する。復水器８で生じた液体（作業流体）を蒸発器５に還流させるポンプ９が接続されている。したがって、蒸発器５および過熱器６、タービン７、復水器８、ポンプ９は管路によって連通されて閉ループを構成しており、その閉ループ内に作業流体が封入されている。その作業流体は純水が一般的であるが、適宜のアルコールと水との混合液であってもよい。
【００１４】
上記の廃熱回収装置を構成しているタービン７に電動式の空調システム１０が連結されている。空調システム１０は、冷媒を加圧圧縮および断熱膨張させることにより熱輸送を行うヒートポンプの一種であり、空調用コンプレッサ（以下、単にコンプレッサと記す）１１を備えている。コンプレッサ１１は、発電機能のあるモータ１２によって駆動されるように構成され、上記のタービン７は遊星歯車機構などの歯車機構あるいは巻き掛け伝動機構などからなる変速機構１３を介してモータに１２に連結されている。
【００１５】
図３には空調システム１０を模式的に示してあり、コンプレッサ１１の出力側にコンデンサ１４が連通されている。コンデンサ１４は、コンプレッサ１１で加圧されて温度の上昇した冷媒を冷却して凝縮させるための放熱器（熱交換器）であり、その出力側に膨張弁１５が接続されている。膨張弁１５は、冷媒を断熱膨張させてそのエンタルピーを低下させる弁である。この膨張弁１５に続けてエバポレータ１６が連通されている。エバポレータ１６は、エンタルピーの低下した冷媒が外部から熱を奪って蒸発する熱交換器であり、エバポレータ１６によって蒸発した冷媒をコンプレッサ１１に還流させるように構成されている。したがって、エバポレータ１６によって、空気を冷却することにより、冷房を行うことができ、また反対にコンデンサ１４によって空気を加熱することにより暖房を行うことができる。
【００１６】
空調要求があった場合にモータ１２を駆動力源として動作させ、またモータ１２が発電機として機能した場合に電力を回収するために、モータ１２は蓄電装置（バッテリ）１７に電気的に接続されている。上記の空調システム１０および廃熱回収装置を搭載している車両は、エンジン１に加えて、発電機能のあるモータ・ジェネレータ（ＭＧ）１８を駆動力源として搭載したハイブリッド車であってもよく、この種のハイブリッド車の場合には蓄電装置１７は、ＭＧ１８に電力を供給し、あるいはＭＧ１８で発電した電力を充電するように構成されていてよい。なお、図２および図３における符号１９はインバータを示し、インバータ１９は蓄電装置１７およびＭＧ１８に接続されている。
【００１７】
前記タービン７によってモータ１２を駆動することによる発電量や空調温度などを電気的に制御するように構成されており、その制御のための電子制御装置（ＥＣＵ）２０が設けられている。ＥＣＵ２０は、マイクロコンピュータを主体にして構成され、入力されたデータや予め記憶しているデータを利用して演算を行い、演算結果を制御指令信号として出力するように構成されている。ＥＣＵ２０には上述した蒸発部６から出力される蒸気圧力、蒸気量、タービン７の回転数、モータ１２の回転数、空調システム１０のオン・オフの信号などが入力されている。また、制御指令信号としてモータ１２のトルク指令値などがＥＣＵ２０から出力される。このＥＣＵ２０がこの発明の実施形態におけるコントローラに相当する。
【００１８】
ここでタービン７および前記モータ１２の動作について説明する。空調システム１０がＯＮ操作されている場合（すなわち空調要求がある場合）、コンプレッサ１１をモータ１２あるいはタービン７によって駆動させる。その場合、廃熱が生じていなければ、モータ１２を蓄電装置１７の電力で駆動してコンプレッサ１１を駆動する。廃熱が生じていてタービン７が駆動されていれば、タービン７とモータ１２との駆動力でコンプレッサ１１を駆動し、もしくはタービン７の動力でモータ１２およびコンプレッサ１１を駆動する。その場合、モータ１２で発電する。さらに、空調システム１０がＯＦＦ操作され、かつ廃熱が生じている場合（すなわち空調要求がない状態でタービン７が駆動されている場合）、コンプレッサ１１およびモータ１２がタービン７によって駆動され、モータ１２が発電を行うとともに、コンプレッサ１１が冷媒を循環流動させることによりエネルギを消費する。
【００１９】
上述したように、廃熱によって駆動されるタービン７のトルク（あるいはエネルギ）がコンプレッサ１１に要求されるトルク（もしくは消費エネルギ）を上回れば、モータ１２を発電機として機能させて、廃熱を電力として回収することができる。この発明の実施形態における制御装置は、タービン７によってモータ１２を駆動することによる発電を以下のように制御する。
【００２０】
この発明の実施形態における制御装置は、廃熱によってタービン７が駆動され、モータ１２が発電を行う場合、モータ１２を単に一律に回転させるのではなく、廃熱回収効率（あるいは発電効率）を考慮しつつモータ１２を制御する。その制御の一例を図１にフローチャートで示してある。ここに示す制御は、エンジン１が駆動されているなど、廃熱が生じている場合に実行され、先ず、空調システム（Ａ／Ｃ）１０がＯＮか否かが判断される（ステップＳ１）。空調システム１０がＯＦＦ状態であることによりステップＳ１で否定的に判断された場合には、タービン７に連結されているモータ１２（すなわちコンプレッサ１１）の回転数Ｎｍが算出される（ステップＳ２）。
【００２１】
モータ１２による発電量は、タービン７の効率とコンプレッサ１１の仕事量とにより求められ、具体的には、廃熱からの入力熱量にタービン効率を掛け、かつコンプレッサ１１の仕事量を減じたエネルギが発電に利用され、そのエネルギ量に発電効率を掛けたエネルギ量が発電量になる。そのタービン効率やコンプレッサ１１の仕事量が上述したようにコンプレッサ１１の回転数（すなわちモータ１２の回転数Ｎｍ）に応じて変化するから、結局、発電量が最大となるモータ１２の回転数Ｎｍが存在する。これを簡略化して示すと以下の演算式で表すことができる。
廃熱からの入力熱量×タービン最高効率＝最大発電量＋冷媒循環仕事量
【００２２】
したがって、このステップＳ２では、上記の演算式が成立するモータ１２の回転数が算出される。また、このモータ１２の回転数Ｎｍは図４に示すようなマップから求めることができる。つまり、タービンの最高効率、最大発電量、冷媒循環仕事量ならびにモータ１２の回転数Ｎｍの関係におけるタービン効率および発電量が最大となるモータ１２の回転数Ｎｍが存在する。
【００２３】
なお、タービン７は、上述したように、廃熱をエネルギ源として駆動されるから、タービン７から出力することのできるエネルギは、蒸発部６に入力されたエネルギ量のうちタービン効率に応じたエネルギ量である。そのタービン効率は、「タービン翼速度（タービン回転数）／蒸気速度」に応じて変化し、タービン効率が最大になる「タービン翼速度／蒸気速度」の値が存在する。また、タービン７は上述したようにモータ１２に連結されているから、タービン翼速度はモータ回転数Ｎｍに比例する。したがって、タービン効率が最大となるモータ回転数Ｎｍが存在する。
【００２４】
上記のタービン７の回転数とタービン効率との関係、タービン効率とモータ１２の回転数Ｎｍとの関係、モータ１２の回転数Ｎｍとコンプレッサ１１の仕事量との関係などは、予め求めてマップとしてＥＣＵ２０に記憶させておくことができるから、それらのマップや入力されるデータを使用してモータ１２の回転数を算出してもよい。
【００２５】
ついで、ステップＳ２で算出したモータ１２の回転数Ｎｍとタービン７の効率が最大となる予め定められたタービン７の回転数とからタービン７とモータ１２との間に設けられている変速機構１３の変速比を設定する（ステップＳ３）。なお、タービン７の効率が最大となるタービン７の回転数は上述したようにマップなどから求められる。そして、変速比が設定もしくは決定されたらモータ１２の回転数Ｎｍもしくはタービン７の回転数が、ステップＳ２で算出したモータ１２の回転数Ｎｍもしくはタービン７の効率が最大となる回転数となるようにモータ１２のトルクが制御される。
【００２６】
一方、上記のステップＳ１で肯定的に判断、すなわち空調システム１０がＯＮ状態になっている場合、空調システム１０での設定温度や日射量、室内温度などに基づいて決まる空調要求に応じたコンプレッサ１１の回転数（モータ１２の回転数Ｎｍ）が設定される（ステップＳ４）。このステップＳ４の制御は、従来の車両におけるエアコンシステムで行われている制御と同様である。そして、ステップＳ３に進んで、上記と同様に変速機構１３の変速比が設定され、モータ１２のトルクが制御される。
【００２７】
このように、この発明の実施形態における制御装置によれば、上述したようにタービン効率やコンプレッサ１１の仕事量を考慮して、またタービン７とモータ１２との間に変速機構１３を設けてタービン７とモータ１２との互いの回転数（回転速度）を最も効率的な回転数となるように変速比を制御（設定）することによりエネルギ回収効率を向上させることができる。特に空調システム１０がＯＦＦ状態の場合には、モータ１２の最大発電量とコンプレッサ１１における冷媒循環仕事量とに応じたモータ１２の回転数Ｎｍを算出し、その算出されたモータ１２の回転数Ｎｍとタービン７の効率が最大となるタービンの回転数とから変速比を設定しているため、高効率な廃熱回収ならびに発電を行うことができ、その結果エネルギ効率を向上させることができる。つまり、タービン効率ならびに発電量も最大となるため、より高効率な廃熱回収を行うことができる。
【００２８】
以上、上述した具体例では、排熱回収器と過熱器とによって蒸発部を構成したが、この発明では過熱蒸気を生成できればよいので、排熱回収器と過熱器との両方を必ずしも設ける必要はない。また、この発明の廃熱回収装置は、車両に搭載された装置に限らないのであって、適宜の廃熱を空調システムのモータによって回収するように構成されていればよい。さらに、回収するべき廃熱はエンジンなどの熱機関で発生する廃熱に限らず、例えばインバータなどの電子機器から発生する廃熱であってもよい。
【符号の説明】
【００２９】
４…過熱器、  ５…排熱回収器、  ６…蒸発部、  ７…タービン、  ８…復水器、  ９…ポンプ、  １０…空調システム、  １１…コンプレッサ、  １２…モータ、  １３…変速機構、  １４…コンデンサ、  １５…膨張弁、  １６…エバポレータ、  １７…蓄電装置、  １８…モータ・ジェネレータ（ＭＧ）、  １９…インバータ、  ２０…ＥＣＵ（コントローラ）。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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