JP2017133401A - 廃熱回収装置の制御装置 - Google Patents

Abstract

【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１０がオフ制御されている場合に、コンプレッサ１１による冷媒の循環量を制限する制御を実行し、制限された循環量とタービン７の効率とに応じて、モータ１２によって発電することのできる発電量に基づくモータ１２についての目標回転数を求め、かつモータ１２の回転数が目標回転数に一致もしくは近づくようにモータ１２のトルクを制御するように構成されている。【選択図】図１

Description

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。

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。

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。

特開２００９−１８５６２５号公報 特開２００２−９５１０１号公報

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。一方、その発電のためにモータが回転することによりモータやインバータが発熱する。そのような場合、その発熱によりモータやインバータの耐久性が低下することを抑制するために冷媒を循環させる。しかしながら、その冷媒の量が多いと冷媒を循環させる負荷が大きくなり、冷媒を循環させるための仕事率が過大となってしまい発電量を低下させるおそれがある。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。

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。

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、前記モータのトルク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、前記コンプレッサによる前記冷媒の循環量を制限する制御を実行し、前記制限された循環量と前記タービンの効率とに応じて、前記モータによって発電することのできる発電量に基づく前記モータについての目標回転数を求め、かつ前記モータの回転数が前記目標回転数に一致もしくは近づくように前記モータのトルクを制御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。

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。その場合、モータの回転数について、モータで発電し得る発電量に基づいて目標回転数が設定され、モータ回転数はその目標回転数に近づくように制御される。

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、コンプレッサによる冷媒の循環量を制限する制御を実行しているため、冷媒を循環させるための仕事率が過大にならないようにすることができる。そのため、タービンによってモータを駆動することにより得られる発電量の消費を抑制することができる。したがって、発電量を低下させず、また空調状態に対する影響を回避もしくは抑制しつつ、高効率の廃熱回収を行うことができるためエネルギ効率を向上させることができる。

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。 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。 この発明で対象とする空調システムの系統図である。

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。

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。

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。

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、前記タービン７はそのモータ１２に連結されている。タービン７とモータ１２とは、図３に示すように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減速機構１３を介して連結され、またクラッチＣＬがモータ１２とコンプレッサ１１との間に配置されている。

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。

そして、上記のエバポレータ１６に続き小型のポンプ１７が連通されている。この小型のポンプ１７は、上記のクラッチＣＬが切り離されている場合にコンプレッサ１１が回転せず、モータ１２や後述するインバータ１８を冷却するために設けられるものであって、少なくともモータ１２やインバータ１８を冷却する冷媒を循環させる。したがって、この小型ポンプ（コンプレッサ）に続いてコンプレッサ１１を跨ぐようにしてバイパス１９が形成され、このバイパス１９を連通して冷媒が循環するように構成されている。

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）２０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）２１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２０は、ＭＧ２１に電力を供給し、あるいはＭＧ２１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１８はインバータを示し、インバータ１８は蓄電装置２０およびＭＧ２１に接続されている。

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）２２が設けられている。ＥＣＵ２２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。ＥＣＵ２２には上述した蒸発部６から出力される蒸気圧力、蒸気量、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ＥＣＵ２２から出力される。このＥＣＵ２２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。

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２０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。

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。

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、コンプレッサによる冷媒の循環量が制限される。（ステップＳ２）。

上述したようにタービン７によってモータを駆動することにより発電することができる。また、タービン７が出力するトルクもしくはエネルギの一部は、コンプレッサ１１が冷媒を圧縮しかつ循環させることにより消費される。しかしながら、空調システム１０がＯＦＦ状態である場合には、少なくともモータ１２やインバータ１８の発熱を抑制するための冷却に必要な冷媒量を確保できればよい。したがって、このステップＳ２では、コンプレッサによる冷媒の循環量を制限する。なお、この際に、図３に示したクラッチＣＬを切り離してコンプレッサ１１を回転しないようにして、小型のポンプ１７によりその冷媒量を確保してもよい。

ついで、タービン７に連結されている前記モータ１２の回転数の目標値（目標回転数）がＮ_ｍｔが設定される（ステップＳ３）。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。タービン効率は、「タービン翼速度／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Ｎ_ｍ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Ｎ_ｍが存在する。

また、タービン７が出力するトルク（もしくはエネルギ）の一部は、ステップＳ２で説明したようにコンプレッサ１１が冷媒を圧縮しかつ循環させることにより消費される。したがって、発電に使用されるエネルギ量は、廃熱のうち蒸発部６に入力された熱量（エネルギ量）に上記のタービン効率を掛けたエネルギ量からコンプレッサ１１で消費されるエネルギ量を減じた量になる。コンプレッサ１１は、主に、冷媒を圧縮するとともに循環させることによりエネルギを消費、すなわち、上記のステップＳ２で設定された冷媒循環量がコンプレッサ１１で消費されるエネルギ量に相当する。また、これに加えて摩擦などの損失によってエネルギを消費する。したがって、コンプレッサ１１が仕事を行うことによる消費エネルギ量は、冷媒の循環量すなわちコンプレッサ１１がモータ１２と共に回転する量にほぼ比例する。

さらに、上述したように、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）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の回転数が存在する。

したがって、ステップＳ３で設定する目標回転数Ｎ_ｍｔは、廃熱によってタービン７を駆動して発電する場合の発電量が可及的に多くなる回転数であり、上述したようにタービン７の回転数とモータ１２の回転数とが一致もしくは比例することにより、目標回転数Ｎ_ｍｔはモータ１２の回転数として設定される。そして、その目標回転数Ｎ_ｍｔは、上述したように、タービン効率とコンプレッサ１１で消費されるエネルギ量とに基づいて設定される。なお、モータ１２の回転数Ｎ_ｍとタービン効率との関係や、モータ１２の回転数Ｎ_ｍ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ＥＣＵ２２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目標回転数Ｎ_ｍｔを設定することができる。なお、この発明の実施形態では、上記の目標回転数Ｎ_ｍｔは、発電量が最大となる回転数に限られないのであって、発電量が最大となる回転数を含む所定の範囲内の回転数であってよい。データの誤差や廃熱回収装置あるいは空調システム１０の運転状態にバラツキなどが存在するためである。

ついで、ステップＳ３で上記のようにして目標回転数Ｎ_ｍｔを設定した後、モータ１２の回転数がその目標回転数Ｎ_ｍｔに一致もしくは近づくようにモータ１２のトルクが制御される（ステップＳ４）。そのトルク制御は、上述したインバータ１８によって電流を制御することにより行うことができる。

一方、上記のステップＳ１で肯定的に判断された場合、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）が設定される（ステップＳ５）。このステップＳ５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Ｓ４に進んで、上記と同様にモータ１２のトルクが制御される。

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、発電機として機能するモータ１２の回転数を制御するので、廃熱をエネルギ源とする発電を効率良く行って発電量、すなわち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、コンプレッサ１１による冷媒の循環量を制限しているため、冷媒を循環させるための仕事率が過大にならないようにすることができる。そのため、タービン７によってモータを駆動することにより得られる発電量の消費を抑制することができ、その結果、発電量を低下させず、言い換えれば空調状態に対する影響を回避もしくは抑制しつつ、高効率の廃熱回収を行うことができるためエネルギ効率を向上させることができる。なお、モータ１２で発電した電力は蓄電装置２０に充電され、廃熱が電力として回収される。

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。

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、 １４…コンデンサ、 １５…膨張弁、 １６…エバポレータ、 １７…小型のポンプ、 １８…インバータ、 １９…バイパス、 ２０…蓄電装置、 ２１…モータ・ジェネレータ（ＭＧ）、 ２２…ＥＣＵ（コントローラ）。

Claims (1)

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、
   前記モータのトルク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、前記コンプレッサによる前記冷媒の循環量を制限する制御を実行し、
   前記制限された循環量と前記タービンの効率とに応じて、前記モータによって発電することのできる発電量に基づく前記モータについての目標回転数を求め、かつ前記モータの回転数が前記目標回転数に一致もしくは近づくように前記モータのトルクを制御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。

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