JP5328527B2

JP5328527B2 - 排熱回生システムおよびその制御方法

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Publication number: JP5328527B2
Application number: JP2009158846A
Authority: JP
Inventors: 稔佐藤; 和典土野; 和彦川尻
Original assignee: Mitsubishi Electric Corp
Current assignee: Mitsubishi Electric Corp
Priority date: 2009-07-03
Filing date: 2009-07-03
Publication date: 2013-10-30
Anticipated expiration: 2029-07-03
Also published as: JP2011012625A

Description

この発明は、自動車用エンジン等の内燃機関の冷却水や排気ガスで外部に排出される排熱を、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。

内燃機関（以下、エンジンと記す）の冷却水などで外部へ排出される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は、エンジンから冷却水とランキンサイクルの作動流体（冷媒とも言う）との間で熱交換を行なうことで、ランキンサイクルで動力や電力を発生させる。エンジンは、エンジンの冷却水が循環する回路（以下、冷却水回路と記す）を備えることで冷却される。ランキンサイクルは、エンジンからの排熱で冷媒などの作動流体を加熱させる熱交換器、冷媒を膨張させて駆動力を発生させる膨張機、冷媒を凝縮させる凝縮器、および冷媒を圧送して循環させる冷媒ポンプから構成される。エンジンからの排熱で冷媒を加熱する場合に、エンジンの冷却水と排気ガスとの両排熱をランキンサイクルの冷媒へ熱交換する構成がある。このような冷却水と排気ガスとの両排熱を利用する従来のランキンサイクルにおいては、冷媒は第１の熱交換器でエンジン冷却水と熱交換され、さらに、この冷媒は第２の熱交換器でエンジンからの排気ガスと熱交換されて、高温の冷媒ガスとなる（例えば特許文献１参照）。

一般に、冷媒の潤滑性を向上させるために冷媒には潤滑オイル（含有オイル）が添加されている。このようにエンジンからの排気ガスと冷媒とが熱交換される熱交換器を有するランキンサイクルにおいては、排気ガス温度は３００〜４００℃に達するため、冷媒が過度に高温になった場合は、含有オイルが炭化したり、冷媒が熱分解したりする問題がある。冷媒が過度に高温になる場合は、特にエンジンの停止時に発生する。なぜなら、エンジンの停止と同時にランキンサイクルを停止させると、冷媒の流動も停止し、排気ガスと冷媒との熱交換を行なう熱交換器に残った冷媒が熱交換器の余熱で高温になる。この対応として、エンジンが停止した後もランキンサイクルの動作を継続して異常昇温を回避していた（例えば特許文献２参照）。

特開２００６−１４４７４４号公報（３頁、図１）特開２００６−２５００７５号公報（３頁、図１）

しかしながら、従来の排熱回生システムでは、エンジンを停止させた後もランキンサイクルを動かし続ける動力供給、すなわち冷媒ポンプへの電力供給が必要になるという問題点がある。さらに、使用者がイグニッションキーをＯＦＦさせて自動車を離れる際にも、ランキンサイクルが動作しているため、エンジンの動作が継続しているような違和感を受けるとともに、イグニッションキーのＯＦＦで自動車の電気系統を全て停止させることができないという問題点があった。

この発明は、上述のような課題を解決するためになされたものであり、エンジン停止後に電力供給をすることなく、ランキンサイクルの排気ガス用の熱交換器を冷却して、冷媒が高温になって熱分解したり、含有オイルが炭化したりすることを防止できる排熱回生システムを得ることを目的としている。

この発明に係る排熱回生システムは、
作動流体を圧送する冷媒ポンプと、
この冷媒ポンプによって前記作動流体が循環する循環流路と、
この循環流路の前記冷媒ポンプの下流側に設けられ、内燃機関から排出される排気ガスと前記作動流体との間で熱交換が行なわれる熱交換器と、
前記循環流路の前記熱交換器の下流側に接続された膨張機と、
前記循環流路の前記膨張機の下流側に接続され、前記熱交換器よりも鉛直上方に設けられた凝縮器と
で構成されたランキンサイクルを有する排熱回生システムにおいて、
前記循環流路の前記凝縮器の下流側と前記熱交換器の上流側とを連通するバイパス流路と、
このバイパス流路の両端にそれぞれ設けられた一対の制御弁と、
前記循環流路の前記熱交換器の下流側に設けられた第１開閉弁と、
前記循環流路の前記膨張機の下流側に設けられた第２開閉弁と
を備えたものである。

この発明は、内燃機関の停止時に、凝縮器と熱交換器の高低差とバイパス流路とを利用することで、冷媒ポンプへ電力供給をすることなく熱交換器へ作動流体を流し、作動流体で熱交換器を冷却することが可能となるので、冷媒が高温になって熱分解したり、含有オイルが炭化したりすることを防止できる。

この発明の実施の形態１の排熱回生システムを示す構成図である。この発明の実施の形態１の排熱回生システムの熱交換器と凝縮器の設置高さの関係を示す構成図である。この発明の実施の形態１の第１制御弁を示す構成図である。この発明の実施の形態１の第２制御弁を示す構成図である。この発明の実施の形態１の排熱回生システムの特性図である。この発明の実施の形態２の排熱回生システムを示す構成図である。この発明の実施の形態２の第３制御弁を示す構成図である。

実施の形態１．
図１は、この発明を実施するための実施の形態１による排熱回生システムを示す構成図である。エンジン１は、例えば、自動車走行の駆動力を発生させる内燃機関である。エンジン１を冷却するための冷却水回路２には、エンジン冷却水を循環させる冷却水ポンプ３が設置されている。

図１において、ランキンサイクル５は、順番に冷媒ポンプ１１、第１熱交換器１２、第２熱交換器１３、膨張機１４、および凝縮器１５が配管により接続されて作動流体が循環する循環流路１０で構成されている。ランキンサイクル５の循環流路１０の内部には、作動流体（例えば、冷媒Ｒ１３４ａ）が充填されている。冷媒ポンプ１１は電動モータで駆動され、液体状態の作動流体を第１熱交換器１２へ圧送し、循環流路１０内を循環流通させる。第１熱交換器１２にはエンジン１の冷却水回路２とランキンサイクル５の循環流路１０とが接続され、加熱されたエンジン冷却水と作動流体との間で熱交換を行うように構成されている。第２熱交換器１３にはエンジン１の排気ガス流路１６とランキンサイクル５の循環流路１０とが接続され、エンジンからの排気ガスと作動流体との間で熱交換を行うように構成されている。膨張機１４は、第１熱交換器１２と第２熱交換器１３とで生成された作動流体の過熱蒸気を等エントロピー的に膨張させて動力を取り出すように構成されている。凝縮器１５は、膨張機１４から送られてくる蒸気の作動流体を冷却して凝縮するものであり、ファン１７によって空冷される構造である。

膨張機１４には発電機２０とバッテリ２１とが直列に接続されている。発電機２０は、膨張機１４で回収された動力によって駆動されて電力を発生する機能があり、発電機２０で発電された電力はバッテリ２１に蓄電される。

ランキンサイクル５の循環流路１０の凝縮器１５の下流には、凝縮器１５にて液化した作動流体を、冷媒ポンプ１１と第１熱交換器１２とをバイパスして第２熱交換器１３の上流の循環流路１０に流す第１バイパス流路３０が設けられている。第１バイパス流路３０には、作動流体の流れをランキンサイクル５の循環流路１０と第１バイパス流路３０とに切り換える第１制御弁３１が設けられている。さらに、ランキンサイクル５の循環流路１０の第２熱交換器１３の下流には、第２熱交換器１３で加熱されてガス化した作動流体を、膨張機１４をバイパスして凝縮器１５の上流の循環流路１０に流す第２バイパス流路３２が設けられている。第２バイパス流路３２には、作動流体の流れをランキンサイクル５の循環流路１０と第２バイパス流路３２とに切り換える第２制御弁３３が設けられている。

図２は、本実施の形態における第２熱交換器１３と凝縮器１５との設置高さの関係を示す構成図である。凝縮器１５は通常は自動車のボンネット内のエンジン１前方で、外部からの冷却風を取り込める場所に設置される。凝縮器１５およびエンジン１は、ファン１７によって空冷される。第２熱交換器１３はエンジン１からの排ガスと熱交換するために、排ガス流路１６の途中に設置される。排ガス流路１６は通常は自動車の床下に配置されるため、第２熱交換器１３は、図２に示すように、凝縮器１５に比べて鉛直下方の低い位置に配置されている。

図３は、本実施の形態における、第１制御弁３１の構造と動作とを示す構成図である。図３に示すように、第１制御弁３１は三方弁の構造をしており、三方弁を回転させることで、接続されている三つの流路を切り換える。通常の運転モードでは、第１制御弁３１は図３（ａ）に示すポジションに回転され、ランキンサイクル５の循環流路５を連通させて、凝縮器１５から冷媒ポンプ１１側へ作動流体が流れる経路を形成するように制御される。冷却モードでは、第１制御弁３１は図３（ｂ）に示すポジションに回転され、凝縮器１５の下流が第１バイパス流路３０を経由して第２熱交換器１３の上流と連通する経路を形成するように制御される。停止モードでは第１制御弁３１は図３（ｃ）に示すポジションに回転され、第１バイパス流路３０が冷媒ポンプ１１の上流と連通する経路を形成するように制御される。なお、冷媒ポンプ１１は、運転モードでは駆動されているが、冷却モードおよび停止モードでは停止されている。

図４は、本実施の形態における、第２制御弁３３の構造と動作とを示す構成図である。図４に示すように、第２制御弁３３も第１制御弁３１と同様に三方弁の構造をしている。通常の運転モードでは、第２制御弁３３は図４（ａ）のポジションに回転され、ランキンサイクル５の循環流路５を連通させて、膨張機１４から凝縮器１５へ作動流体が流れる経路を形成するように制御される。冷却モードでは、第２制御弁３３は図４（ｂ）のポジションに回転され、第２バイパス流路３２が凝縮器１５の上流と連通する経路を形成するように制御される。停止モードでは、第２制御弁３３は図４（ｃ）のポジションに回転され、第２バイパス流路３２が膨張機１４の下流と連通する経路を形成するように制御される。

次に、本実施の形態における排熱回生システムの動作について説明する。まず、自動車であれば走行状態に相当する、運転モードについて説明する。冷却水ポンプ３により冷却水回路２を循環するエンジン冷却水は、エンジン１を冷却しながら加熱されて温度が上昇する。冷却水回路２の水温センサ（図示せず）で検出されたエンジン冷却水温度が低いときには、冷媒ポンプ１１は停止させておく。冷却水温度が設定温度（例えば９０℃）以上になると、冷媒ポンプ１１を駆動して作動流体を循環流路１０内で循環させてランキンサイクル５を稼動させる。

冷媒ポンプ１１から送り出された液体状態の作動流体は、第１熱交換器１２で通常９０℃〜１００℃程度のエンジン冷却水と熱交換され、作動流体は約９０℃の高温高圧の蒸気となる。約９０℃の高温の蒸気となった作動流体は、循環経路１０を経由して第２熱交換器１３へ送られる。第２熱交換器１３へ送られた作動流体は、ここで通常３００〜４００℃のエンジンからの排気ガスと熱交換され、１２０〜１３０℃程度の過熱蒸気となる。高温高圧の過熱蒸気は、循環経路１０を経由して膨張機１４へ送られる。膨張機１４に流入した加熱蒸気は、膨張機１４で膨張し、その膨張エネルギーが動力に変換される。膨張機１４で発生した動力は、発電機２０で電力に変換され、バッテリ２１に蓄電される。

膨張機１４から吐き出された膨張後の低圧ガス状態の作動流体（例えば約７０℃の蒸気）は、運転モードでは第２制御弁３３が図４（ａ）のポジションに設定されているため、凝縮器１５へと流れる。作動流体は、ファン１７により空冷されている凝縮器１５で冷却され、外気へ放熱をしながら凝縮されて液体（例えば約３０℃）となる。液体となった作動流体は、第１制御弁３１が図３（ａ）のポジションに設定されているため、冷媒ポンプ１１に戻り、再び循環流路１０内を循環する。

図５は、本実施の形態における排熱回生システムの動作モードに対する冷媒ポンプ１１の単位時間当たりの流量、第１バイパス流路３０の作動流体の単位時間当たりの流量、第２バイパス流路３２の作動流体の単位時間当たりの流量および第２熱交換器１３の温度の関係を示した特性図である。上述のとおり、動作モードにおいては、冷媒ポンプ１１は一定の流量で動作しており、第１制御弁３２および第２制御弁３３で第１バイパス流路３０および第２バイパス流路３２はそれぞれ閉鎖されているので、これらの流路の作動流体の単位時間当たりの流量はゼロであり、第２熱交換器１３は、エンジンからの排気ガスの温度がほぼ一定であることから、一定の温度に保たれた状態となる。

ここで、使用者がイグニッションキーをＯＦＦしてエンジン１を停止させた場合に相当する冷却モードについて説明する。このとき、冷媒ポンプ１１への電力供給は停止されるため、図５に示すように冷媒ポンプ１１からの作動流体の単位時間当たりの流量はゼロになる。また同時に、第１制御弁３１および第２制御弁３３を図３（ｂ）および図４（ｂ）にそれぞれ示すポジションの位置に切り換えて冷却モードに設定されるので、第１バイパス流路３０および第２バイパス流路３２が開通される。このように制御されることによって、凝縮器１５から第１バイパス流路３０、第２熱交換器１３、第２バイパス流路３２を経由して凝縮器１５に戻るように一周する作動流体の閉回路が形成される。

凝縮器１５の内部は低温であるため液体状態の作動流体が充填されており、作動流体は第１バイパス流路３０を介し、凝縮器１５より鉛直下方の低い位置にある第２熱交換器１３へと流れる。エンジン１の停止直後の第２熱交換器１３は高温であり、流れた作動流体は蒸発して気体となる際に、蒸発潜熱により第２熱交換器１３を冷却する。蒸発した作動流体は第２バイパス流路３２を介して凝縮器１５へと戻って凝縮する。冷却モードでは冷媒ポンプ１１への電力供給は行われないため、高低差と相変化とを利用して作動流体は循環する。したがって、この冷却モードの間は図５に示すように第１バイパス流路３０と第２バイパス流路３２を作動流体が流れることとなる。

冷却モードではエンジン１が停止しているため、排ガス流路１６にはエンジンからの排気ガスは流れない。そのため、第２熱交換器１３に残った熱量を冷媒で冷却すると第２熱交換器１３の温度は図５に示すように時間とともに徐々に低下する。それに伴って、冷却モード開始時には凝縮器１５と第２熱交換器１３との温度差が徐々に小さくなるため、第１バイパス流路３０および第２バイパス流路３２を流れる作動流体の単位時間当たりの流量は徐々に低下する。

第２熱交換器１３は高温（３００〜４００℃）の排ガスと作動流体である冷媒（１２０〜１３０℃）との大きな温度差を利用して熱交換させるため、熱伝達特性が良好であり、小型の熱交換器を利用することができる。そのため、第２熱交換器１３の熱容量は、凝縮器１５に比較して小さく、凝縮器１５のファン１７を動作させなくとも、熱容量の違いと凝縮器１５外部の自然対流とによって冷媒を冷却することが可能である。凝縮器１５の温度が上昇する場合には、ファン１７を回転させて冷却することも可能であるが、消費電力などの観点からファン１７なるべく動作させないことが好ましい。

第２熱交換器１３の温度が予め設定した温度（図５のＴｃ）を下回った時点で冷却モードを終了し、第１制御弁３１を図３（ｃ）のポジションへ、第２制御弁３３を図４（ｃ）のポジションへ切り換えて停止モードとする。この停止モードでは、凝縮器１５の内部の液体の作動流体はどこにも流れることはない。したがって、第１バイパス流路３０および第２バイパス流路３２を流れる作動流体の単位時間当たりの流量はゼロとなる。

再度エンジン１を始動させ、第１制御弁３１を図３（ａ）のポジションへ、第２制御弁３３を図４（ａ）のポジションへ切り換えて運転モードとした場合には、停止モードで凝縮器１５に液体の作動流体が充填されているため、冷媒ポンプ１１へ速やかに作動流体を流すことが可能となり、ランキンサイクル５の良好な始動を行うことができる。

上述のように本実施形態の排熱回生システムにおいては、エンジンの停止時に冷媒ポンプへの電力供給を行うことなく、凝縮器の作動流体をバイパス流路を介して第２熱交換器へ流して第２熱交換器の冷却を可能にしたので、冷媒が高温になって熱分解したり、含有オイルが炭化したりすることを防止できる。

なお、図５において、運転モード時の第２熱交換器１３の温度はほぼ一定としたが、自動車の走行時のようにエンジンの出力が変動する場合は、変動する場合がある。また、第１および第２バイパス流路の単位時間当たりの流量を同じとして説明したが、第２熱交換器１３の内部に作動流体の一部が残留する場合などは流量がバイパス流路の構造によっては、異なる場合もある。

さらには、本実施の形態においては、冷却水の排熱を利用するため第１熱交換器を備えた例を示したが、必ずしも第１熱交換器を備える必要はない。

なお、本実施の形態においては、ランキンサイクル５の膨張機１４に発電機２０を連結してバッテリ２１に蓄電し、排熱を電力として再利用する構成を示したが、膨張機１４とエンジン１の出力軸を直接的に、またはプーリーやベルトで間接的に連結し、膨張機１４の回転力をエンジンの動力として再利用したり、膨張機１４と冷媒ポンプ１１の回転軸を直接的や間接的に連結し、膨張機１４の回転力を冷媒ポンプ１１の動力として再利用したりする構成のように、排熱を動力として再利用する構成としてもよい。

実施の形態２．
図６は、実施の形態２による排熱回生システムを示す構成図である。実施の形態１においては、バイパス流路を２本用いたが、本実施の形態においては、１本のバイパス流路と開閉弁とを組み合わせたものである。図６において、実施の形態１と同様な部分についてはその説明を省略する。

図６において、第２熱交換器１３と凝縮器１５との間に第１バイパス流路３０および第１制御弁３１を設置する構成は実施の形態１と同じであり、第１バイパス流路３０の他方の端部には第１制御弁３１と同様の第３制御弁３４を備えている。さらに、第２熱交換器１３の循環流路１０の下流側に第１開閉弁３５を、凝縮器１５の循環流路１０の上流側に第２開閉弁３６を備えている。

図７は、本実施の形態における、第３制御弁３４の構造と動作とを示す構成図である。第１制御弁３１の構造と動作は、実施の形態１と同様である。図７に示すように、第３制御弁３４も第１制御弁と同様に三方弁の構造をしている。通常の運転モードでは、第３制御弁３４は図７（ａ）のポジションに回転され、ランキンサイクル５の循環流路５を連通させて、第１熱交換器１２から第２熱交換器１３へ作動流体が流れる経路を形成するように制御される。冷却モードでは、第３制御弁３４は図７（ｂ）のポジションに回転され、第１バイパス流路３０が第２熱交換器１３の上流と連通する経路を形成するように制御される。停止モードでは、第２制御弁３３は図７（ｃ）のポジションに回転され、第１バイパス流路３０が第１熱交換器１２の下流と連通する経路を形成するように制御される。

第１開閉弁３５および第２開閉弁３６は、運転モードにおいては、循環流路５を連通するように開となり、冷却モードおよび停止モードでは循環流路５を閉鎖するように閉となるように制御される。

次に、本実施の形態における排熱回生システムの動作について説明する。運転モードについては、実施の形態１と同様であり説明を省略する。使用者がイグニッションキーをＯＦＦしてエンジン１を停止させた場合に相当する冷却モードについて説明する。このとき、冷媒ポンプ１１への電力供給は停止されるため、冷媒ポンプ１１からの作動流体の単位時間当たりの流量はゼロになる。また同時に、第１制御弁３１および第３制御弁３４を図３（ｂ）および図７（ｂ）にそれぞれ示すポジションの位置に切り換えて冷却モードに設定されるので、第１バイパス流路３０が開通される。さらには、第１開閉弁３５および第２開閉弁３６は閉に制御される。このように制御されることによって、凝縮器１５から第１バイパス流路３０を経由して第２熱交換器１３まで連通した作動流体の閉回路が形成される。このようにすることで、凝縮器１５と第二熱交換器１３の間には、高低差を利用したサーモサイフォン式のヒートパイプ回路が形成される。

本実施の形態と実施の形態１との違いは、実施の形態１においては、冷却モードでの作動流体が凝縮器１５から第２熱交換器１３を経由して凝縮器１５に一周して戻るような閉回路が形成されるのに対して、本実施の形態においては、凝縮器１５から第２熱交換器までの単経路の閉回路が形成される点である。

凝縮器１５で液体になった作動流体は、重力で第１バイパス流路３０を介して第２熱交換器１３へ流れ、第２熱交換器１３で蒸発した作動流体はガスとして第１バイパス流路３０の中を逆流して凝縮器１５へ戻る。このような作動流体の流れによって、図５に示した実施の形態１と同様な運転モード、冷却モードおよび動作モードの制御がなされ、第２熱交換器の冷却が可能となる。

また、バイパス流路を１本にすることができるので、実施の形態１に比べて排熱回生システムを小型化することができる。

１エンジン、２冷却水回路、３冷却水ポンプ、５ランキンサイクル
１０循環流路、１１冷媒ポンプ、１２第１熱交換器、１３第２熱交換器
１４膨張機、１５凝縮器、１６排ガス流路、１７ファン、
３０第１バイパス流路、３１第１制御弁、３２第２バイパス流路
３３第２制御弁、３４第３制御弁、３５第１開閉弁、３６第２開閉弁

Claims

作動流体を圧送する冷媒ポンプと、
この冷媒ポンプによって前記作動流体が循環する循環流路と、
この循環流路の前記冷媒ポンプの下流側に設けられ、内燃機関から排出される排気ガスと前記作動流体との間で熱交換が行なわれる熱交換器と、
前記循環流路の前記熱交換器の下流側に接続された膨張機と、
前記循環流路の前記膨張機の下流側に接続され、前記熱交換器よりも鉛直上方に設けられた凝縮器と
で構成されたランキンサイクルを有する排熱回生システムにおいて、
前記循環流路の前記凝縮器の下流側と前記熱交換器の上流側とを連通する第１バイパス流路と、
前記循環流路の前記熱交換器の下流側と前記凝縮器の上流側とを連通する第２バイパス流路と、
前記第１バイパス流路および前記第２バイパス流路にそれぞれ設けられた第１制御弁および第２制御弁と
を備えた排熱回生システムの制御方法であって、
前記内燃機関の動作中には、前記第１バイパス流路および前記第２バイパス流路はそれぞれ前記第１制御弁および前記第２制御弁によって閉鎖され、
前記内燃機関の停止時には、前記第１バイパス流路および前記第２バイパス流路はそれぞれ前記第１制御弁および前記第２制御弁によって開通される
ことを特徴とする排熱回生システムの制御方法。
内燃機関の停止後、熱交換器の温度が所定の温度以下になった場合に、第１バイパス流路および第２バイパス流路はそれぞれ第１制御弁および第２制御弁によって閉鎖されることを特徴とする請求項１記載の排熱回生システムの制御方法。
内燃機関の始動時には、第１バイパス流路および第２バイパス流路はそれぞれ第１制御弁および第２制御弁によって閉鎖されることを特徴とする請求項１記載の排熱回生システムの制御方法。
作動流体を圧送する冷媒ポンプと、
この冷媒ポンプによって前記作動流体が循環する循環流路と、
この循環流路の前記冷媒ポンプの下流側に設けられ、内燃機関から排出される排気ガスと前記作動流体との間で熱交換が行なわれる熱交換器と、
前記循環流路の前記熱交換器の下流側に接続された膨張機と、
前記循環流路の前記膨張機の下流側に接続され、前記熱交換器よりも鉛直上方に設けられた凝縮器と
で構成されたランキンサイクルを有する排熱回生システムにおいて、
前記循環流路の前記凝縮器の下流側と前記熱交換器の上流側とを連通するバイパス流路と、
このバイパス流路の両端にそれぞれ設けられた一対の制御弁と、
前記循環流路の前記熱交換器の下流側に設けられた第１開閉弁と、
前記循環流路の前記膨張機の下流側に設けられた第２開閉弁と
を備えたことを特徴とする排熱回生システム。
請求項４記載の排熱回生システムの制御方法であって、
前記内燃機関の動作中には、前記バイパス流路は前記一対の制御弁によって閉鎖されるとともに前記第１開閉弁および前記第２開閉弁は開通され、
前記内燃機関の停止時には、前記バイパス流路は前記一対の制御弁によって開通されるとともに前記第１開閉弁および前記第２開閉弁は閉鎖される
ことを特徴とする排熱回生システムの制御方法。