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JP4016882B2 - Rankine cycle - Google Patents
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Description

【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は過熱蒸気から動力を取り出すランキンサイクルに関するもので、エンジン(内燃機関)用の冷却水等の車両で発生する廃熱から動力を取り出すシステムに適用して有効である
【0002】
【従来の技術】
ランキンサイクルとは、液相流体を加熱して過熱蒸気を発生させる蒸気発生器、過熱蒸気を等エントロピ的に膨脹させて動力を取り出す膨脹機、膨脹機にて膨脹を終えた蒸気を液化する放熱器、及び液相流体を蒸気発生器に送り出す液体ポンプ等から構成されている(例えば、特許文献1参照)。
【0003】
【特許文献1】
特許第2540738号公報
【0004】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、特許文献1に係る発明では、蒸気発生器に流体を送る液体ポンプを必要とするが、この液体ポンプが流体を吸入すると、吸入側の圧力が低下するので、吸入される流体が蒸発してポンプ効率(体積効率)が低下するとともに、インペラ等の羽根車に表面近傍において流体圧力が局所的に低下して流体が沸騰し、キャビテーションが発生してしまう。
【0005】
そして、キャビテーション等により吸引される流体が気化すると、ポンプから吐出される液体の流量が低下してしまうので、ポンプ、つまり羽根車の回転数を増大させても吐出流量が増大しなくなり、必要な流量を確保することができなくなるといった問題やキャビテーションによって羽根車が壊蝕してしまうといった問題が発生する。
【0006】
本発明は、上記点に鑑み、第1には、従来と異なる新規なランキンサイクルを提供し、第2には、ポンプのポンプ効率が低下してしまうことを防止してランキンサイクルを効率よく運転することを目的とする。
【0007】
【課題を解決するための手段】
本発明は、上記目的を達成するために、請求項1に記載の発明では、液相流体を加熱して過熱蒸気を発生させる蒸気発生器(30)と、過熱蒸気を等エントロピ的に膨脹させて動力を取り出す膨脹機(33a)と、膨脹機(33a)にて膨脹を終えた蒸気を液化する放熱器(11)と、放熱器(11)にて液化された液相流体を蒸気発生器(30)に送り出すポンプ(32)と、ポンプ(32)の吸入側と放熱器(11)の出口側とを繋ぐ流体回路に設けられ、この流体回路内の流体を冷却する冷凍機(10、11、13、36、39)とを備え、ポンプ(32)を始動する前に、冷凍機(10、11、13、36、39)を稼動させ、膨張機(33a)から動力を取り出す際には、冷凍機(10、11、13、36、39)の稼働を停止させることを特徴とする。
【0008】
これにより、流体回路内の流体(以下、吸入流体と呼ぶ。)を冷却することとなるので、ポンプ(32)に吸引される流体を確実に液相流体とすることができるととともに、その過冷却度を高めることができる。
【0009】
したがって、ポンプ(32)の吸入側で吸入流体が気化(沸騰)してしまうことを確実に防止できるので、ポンプ(32)ポンプ効率が低下してしまうことを防止してランキンサイクルを効率よく運転することができる。
【0011】
さらに、ポンプ(32)を始動する前に、冷凍機(10、11、13、36、39)を稼動させるので、ランキンサイクルを起動させる際に、ポンプ(32)の吸入側に過冷却度の大きい液相の流体を確実に供給することができるので、ポンプ(32)の吸入側で吸入流体が気化(沸騰)してしまうことを確実に防止できる。
【0012】
請求項に記載の発明では、冷凍機(10、11、13、36、39)を所定時間稼動させた後、ポンプ(32)を始動させることを特徴とするものである。
【0013】
請求項に記載の発明では、流体回路中に存在する液相流体量が所定量以上となったときに、ポンプ(32)を始動させることを特徴とする。
【0014】
これにより、確実に液相の吸入流体を確保することができるとともに、必要以上に冷凍機(10、11、13、36、39)を稼動させることがなくなるので、熱回収量を増大させることができる。
【0015】
請求項に記載の発明では、ポンプ(32)に吸入される液相流体の過冷却度が所定値以上となったときに、ポンプ(32)を始動させることを特徴とする。
【0016】
これにより、確実に液相の吸入流体を確保することができるとともに、必要以上に冷凍機(10、11、13、36、39)を稼動させることがなくなるので、熱回収量を増大させることができる。
【0018】
請求項に記載の発明では、冷凍機は、ペルチェ効果を利用した電子式冷凍機(39)であることを特徴とするものである。
【0025】
請求項に記載の発明では、さらに、気相流体を吸入圧縮する圧縮機(10)と、高圧流体を減圧して低圧流体を生成する減圧手段(13)と、低圧流体を、ポンプ(32)へ吸入される液相流体と熱交換させることで蒸発させて、圧縮機(10)吸入側へ流出させる内部熱交換器(36)と、放熱器(11)へ膨脹機(33a)にて膨脹を終えた蒸気を流入させる流体流路と、放熱器(11)へ圧縮機(10)吐出流体を流入させるとともに、放熱器(11)流出流体を減圧手段(13)を介して、内部熱交換器(36)へ流入させる流体流路とを切り替える流路切替弁(35a、35b、35c、37)とを備え、冷凍機は、流路切替弁(35a、35b、35c、37)によって、放熱器(11)へ圧縮機(10)吐出流体を流入させるとともに、放熱器(11)流出流体を減圧手段(13)を介して、内部熱交換器(36)へ流入させる流体流路に切り替えられることで構成される蒸気圧縮式冷凍機(10、11、13、36)であることを特徴とする。
【0026】
これにより、吸入流体を冷却することとなるので、ポンプ(32)に吸引される流体を確実に液相流体とすることができるととともに、その過冷却度を高めることができる。
【0027】
したがって、ポンプ(32)の吸入側で吸入流体が気化(沸騰)してしまうことを確実に防止できるので、ポンプ(32)ポンプ効率が低下してしまうことを防止してランキンサイクルを効率よく運転することができる。
【0028】
請求項に記載の発明では、ポンプ(32)を始動する前に、圧縮機(10)を稼動させることを特徴とする。
【0029】
これにより、ランキンサイクルを起動させる際に、ポンプ(32)の吸入側に過冷却度の大きい液相の流体を確実に供給することができるので、ポンプ(32)の吸入側で吸入流体が気化(沸騰)してしまうことを確実に防止できる。
【0030】
請求項に記載の発明では、少なくとも圧縮機(10)を所定時間稼動させた後、ポンプ(32)を始動させることを特徴とするものである。
【0031】
請求項に記載の発明では、さらに、放熱器(11)流出流体の気液を分離する気液分離器(12)を備え、気液分離器(12)中に存在する液相流体量が所定量以上となったときに、ポンプ(32)を始動させることを特徴とする。
【0032】
これにより、確実に液相の吸入流体を確保することができるとともに、必要以上に冷凍機(10、11、13、36)を稼動させることがなくなるので、熱回収量を増大させることができる。
【0033】
請求項10に記載の発明では、さらに、放熱器(11)流出流体の気液を分離する気液分離器(12)を備え、ポンプ(32)は、気液分離器(12)にて分離された液相流体を吸入するようになっており、気液分離器(12)中に存在する液相流体の過冷却度が所定値以上となったときに、ポンプ(32)を始動させることを特徴とする。
【0034】
これにより、確実に液相の吸入流体を確保することができるとともに、必要以上に冷凍機(10、11、13、36)を稼動させることがなくなるので、熱回収量を増大させることができる。
【0035】
請求項11に記載の発明では、ポンプ(32)を始動する前に、蒸気発生器(30)を始動させることを特徴とする。
【0036】
これにより、蒸気発生器(30)内に滞留した冷媒を押し流してポンプ(32)の吸入側に液相流体を確実に溜めることができるので、ポンプ(32)の吸入側で吸入流体が気化(沸騰)してしまうことを確実に防止できる。
【0037】
因みに、上記各手段の括弧内の符号は、後述する実施形態に記載の具体的手段との対応関係を示す一例である。
【0038】
【発明の実施の形態】
(第1実施形態)
本実施形態は、本発明に係るランキンサイクルを車両に適用したものであって、図1は本実施形態に係るランキンサイクルの模式図である。
【0039】
なお、本実施形態に係るランキンサイクルは、走行用動力を発生させる熱機関をなすエンジン20で発生した廃熱からエネルギを回収するとともに、蒸気圧縮式冷凍機で発生した冷熱及び温熱を空調に利用するものである。以下、ランキンサイクルについて述べる。
【0040】
圧縮機10は電動モータ又はエンジン20から動力を得て冷媒を吸入圧縮するものであり、放熱器11は、流入する冷媒と外気とを熱交換して冷媒を冷却する放冷器である。
【0041】
気液分離器12は放熱器11から流出した冷媒を気相冷媒と液相冷媒とに分離するレシーバであり、減圧器13は気液分離器12で分離された液相冷媒を減圧膨脹させるもので、本実施形態では、冷媒を等エンタルピ的に減圧するとともに、圧縮機10に吸入される冷媒の過熱度が所定値となるように絞り開度を制御する温度式膨脹弁を採用している。
【0042】
蒸発器14は、減圧器13にて減圧された冷媒を蒸発させて吸熱作用を発揮させる吸熱器であり、圧縮機10、放熱器11、気液分離器12、減圧器13及び蒸発器14等にて低温側の熱を高温側に移動させる蒸気圧縮式冷凍機が構成される。
【0043】
加熱器30は、圧縮機10と放熱器11とを繋ぐ冷媒回路に設けられて、この冷媒回路を流れる冷媒とエンジン冷却水とを熱交換することにより冷媒を加熱して過熱蒸気冷媒を生成する蒸気発生器であり、三方弁21によりエンジン20から流出したエンジン冷却水を加熱器30に循環させる場合と循環させない場合とが切り替えられる。
【0044】
第1バイパス回路31は、気液分離器12で分離された液相冷媒を加熱器30のうち放熱器11側の冷媒出入口側に導く冷媒通路であり、この第1バイパス回路31には、液相冷媒を循環させるための液ポンプ32及び気液分離器12側から加熱器30側にのみ冷媒が流れることを許容する逆止弁31aが設けられている。なお、液ポンプ32の吸入側は気液分離器12より下方側に配置されている。因みに、液ポンプ32は、本実施形態では、電動式のポンプである。
【0045】
そして、圧縮機10と並列な冷媒回路には、加熱器30から流出した過熱蒸気を膨脹させて加熱器30に与えられた熱エネルギを機械的(回転)エネルギとして回収するエネルギ回収機33が設けられている。
【0046】
なお、本実施形態では、膨脹機33a及び膨脹機33aから出力される機械的出力による駆動される発電機33bによりエネルギ回収機33が構成されており、発電機33bにより発電された電力は、バッテリ33cに蓄えられる。
【0047】
また、第2バイパス回路34は、膨脹機33aの冷媒出口側と放熱器11の冷媒入口側とを繋ぐ冷媒通路であり、この第2バイパス回路34には、膨脹機33aの冷媒出口側から放熱器11の冷媒入口側にのみ冷媒が流れることを許容する逆止弁34aが設けられている。
【0048】
なお、逆止弁14aは蒸発器14の冷媒出口側から圧縮機10の吸入側にのみ冷媒が流れることを許容するもので、開閉弁35a〜35cは冷媒通路の開閉する電磁式のバルブである。
【0049】
また、放熱器11の冷媒出口側と液ポンプ32の吸入側とを繋ぐ冷媒回路、つまり気液分離器12の液相冷媒出口側のうち液ポンプ32側と液ポンプ32の吸入側とを繋ぐ冷媒回路には、この冷媒回路に存在する冷媒と減圧器13にて減圧された低圧冷媒と熱交換する内部熱交換器36が設けられており、内部熱交換器36にて加熱された冷媒は、蒸発器14の冷媒出口側に戻される。
【0050】
なお、三方弁37は減圧器13から流出した低圧冷媒を蒸発器14に流す場合と内部熱交換器36に流す場合とを切り換えるもので、開閉弁35a〜35c及び三方弁21、37等は電子制御装置により制御されている。
【0051】
ところで、水ポンプ22はエンジン冷却水を循環させるもので、ラジエータ23はエンジン冷却水と外気とを熱交換してエンジン冷却水を冷却する熱交換器である。
【0052】
なお、図1では、ラジエータ23を迂回させて冷却水を流すバイパス回路及びこのバイパス回路に流す冷却水量とラジエータ23に流す冷却水量とを調節する流量調整弁は省略されている。
【0053】
因みに、水ポンプ22はエンジン20から動力を得て稼動する機械式のポンプであるが、電動モータにて駆動される電動ポンプを用いてもよいことは言うまでもない。
【0054】
次に、本実施形態に係るランキンサイクル作動を述べる。
【0055】
1.空調運転モード(図2参照)
この運転モードは、蒸発器14にて冷凍能力を発揮させながら放熱器11にて冷媒を放冷する運転モードである。
【0056】
なお、本実施形態では、蒸気圧縮式冷凍機で発生する冷熱、つまり吸熱作用を利用した冷房運転及び除湿運転にのみ蒸気圧縮式冷凍機を稼動させており、放熱器11で発生する温熱を利用した暖房運転は行っていないが、暖房運転時であっても蒸気圧縮式冷凍機の作動は冷房運転及び除湿運転時と同じである。
【0057】
具体的には、液ポンプ32を停止させた状態で開閉弁35a、35cを開き、かつ、開閉弁35bを閉じて圧縮機10を稼動させるとともに、三方弁21を図2に示すように作動させて加熱器30を迂回させて冷却水を循環させるものである。
【0058】
これにより、冷媒は、圧縮機10→加熱器30→放熱器11→気液分離器12→減圧器13→蒸発器14→圧縮機10の順に循環する。なお、加熱器30にエンジン冷却水が循環しないので、加熱器30にて冷媒は加熱されず、加熱器30は単なる冷媒通路として機能する。
【0059】
したがって、減圧器13にて減圧された低圧冷媒は、室内に吹き出す空気から吸熱して蒸発し、この蒸発した気相冷媒は圧縮機10にて圧縮されて高温となって放熱器11にて室外空気にて冷却されて凝縮する。
【0060】
なお、本実施形態では、冷媒としてフロン(HFC134a)を利用しているが、高圧側にて冷媒が液化する冷媒であれば、HFC134aに限定されるものではない。
【0061】
2.廃熱回収運転モード
この運転モードは、空調装置、つまり圧縮機10を停止させてエンジン20の廃熱を利用可能なエネルギとして回収するモードであり、エネルギ回収を行う定常運転モードと定常運転モードに移行する前の起動モードとがある。
【0062】
そして、廃熱回収運転モードを開始するスイッチ等から廃熱回収始動信号が発せられた時から所定時間は起動モードを実行し、前記所定時間が経過したときに定常運転モードに移行する。
【0063】
以下、起動モードから順にその作動を述べる。
【0064】
2.1 起動モード(図3参照)
この運転モードでは、液ポンプ32を停止させた状態で開閉弁35a、35cを開き、かつ、開閉弁35bを閉じて圧縮機10を稼動させるとともに、三方弁37を図3に示すように切り換えて減圧器13にて減圧された低圧冷媒を内部熱交換器36に循環させる。
【0065】
なお、エンジン冷却水は、空調運転モードと同様に、加熱器30を迂回させて循環させる。
【0066】
これにより、冷媒は、圧縮機10→加熱器30→放熱器11→気液分離器12→減圧器13→内部熱交換器36→圧縮機10の順に循環する。なお、加熱器30にエンジン冷却水が循環しないので、加熱器30にて冷媒は加熱されず、加熱器30は単なる冷媒通路として機能する。
【0067】
したがって、減圧器13にて減圧された低圧冷媒は、気液分離器12の液相冷媒出口側と液ポンプ32の吸入側とを繋ぐ冷媒回路に存在する冷媒(以下、吸入冷媒)から吸熱して蒸発し、この蒸発した気相冷媒は圧縮機10にて圧縮されて高温となって放熱器11にて室外空気にて冷却されて凝縮する。
【0068】
2.2 定常運転モード(図4参照)
開閉弁35a、35cを閉じた状態で液ポンプ32を稼動させ、かつ、開閉弁35bを開いて圧縮機10を停止させるとともに、三方弁21を図4に示すように作動させてエンジン20から流出したエンジン冷却水を加熱器30に循環させるものである。
【0069】
これにより、冷媒は、気液分離器12→第1バイパス回路31→加熱器30→エネルギ回収機33(膨脹機33a)→第2バイパス回路34→放熱器11→気液分離器12の順に循環する。
【0070】
したがって、膨脹機33aには、加熱器30にて加熱された過熱蒸気が流入し、膨脹機33aに流入した蒸気冷媒は、膨脹機33a内で等エントロピ的に膨脹しながらそのエンタルピを低下させていく。このため、膨脹機33aは、低下したエンタルピに相当する機械的エネルギを発電機33bに与え、発電機33bにより発電された電力は、バッテリ33cやキャパシタ等の蓄電器に蓄えられる。
【0071】
また、膨脹機33aから流出した冷媒は、放熱器11にて冷却されて凝縮し、気液分離器12に蓄えられ、気液分離器12内の液相冷媒は、液ポンプ32にて加熱器30側に送られる。
【0072】
なお、液ポンプ32は、加熱器30にて加熱されて生成された過熱蒸気が、気液分離器12側に逆流しない程度の圧力にて液相冷媒を加熱器30に送り込む。
【0073】
次に、本実施形態の作用効果を述べる。
【0074】
本実施形態では、ランキンサイクルを実際に始動させる前に、蒸気圧縮式冷凍機にて吸入冷媒を冷却するので、液ポンプ32に吸引される冷媒を確実に液相冷媒とすることができるととともに、その過冷却度を高めることができる。
【0075】
したがって、液ポンプ32の吸入側で吸入冷媒が気化(沸騰)してしまうことを確実に防止できるので、液ポンプ32ポンプ効率が低下してしまうことを防止してランキンサイクルを効率よく運転することができる。
【0076】
また、ランキンサイクルを実際に始動させる前に、蒸気圧縮式冷凍機にて吸入冷媒を冷却することにより、冷媒回路に散在する冷媒が内部熱交換器36に集合するように凝縮するので、廃熱回収運転時に使用しない冷媒回路に冷媒が滞留してしまうことが防止できる。延いては、廃熱回収運転時に有効活用することができる冷媒量が増大するので、ランキンサイクル中に充填すべき冷媒量を必要最小限とすることができる。
【0077】
また、液ポンプ32の吸入側が気液分離器12より下方側に配置されているので、冷媒の自重による圧力が液ポンプ32の吸入側に作用するので、吸入圧により吸入側の冷媒圧力が沸騰圧力以下まで低下してしまうことを防止でき、液ポンプ32ポンプ効率が低下してしまうことを防止できる。
【0078】
(第2実施形態)
本実施形態は、図5に示すように、液ポンプ32、気液分離器12及び内部熱交換器36を一体化、又は液ポンプ32及び気液分離器12を内部熱交換器36に近接させることにより、内部熱交換器36にて吸入冷媒は勿論のこと、液ポンプ32及び気液分離器12も起動時に冷却することができるようにしたものである。
【0079】
これにより、比較的大きな熱容量を有する液ポンプ32及び気液分離器12も含めて冷却することができるので、吸入冷媒の過冷却度を確実に増大させることができ、液ポンプ32ポンプ効率が低下してしまうことを防止してランキンサイクルを効率よく運転することができる。
【0080】
(第3実施形態)
本実施形態は、図6に示すように、気液分離器12と内部熱交換器36との間に、外気にて液相冷媒を冷却する過冷却器38を設けたものである。
【0081】
なお、本実施形態では、放熱器11、気液分離器12及び過冷却器38はろう付け等にて一体化されている。
【0082】
これにより、定常運転モード時において、吸入冷媒の過冷却度を高めることができるので、液ポンプ32ポンプ効率が低下してしまうことを安定的に防止してランキンサイクルを効率よく運転することができる。
【0083】
(第4実施形態)
上述の実施形態では、所定時間、起動モードを実行し後、定常運転モードに移行したが、本実施形態は、図7に示すように、気液分離器12に液相冷媒の液面位置を検出する液面センサ12aを設け、気液分離器12内の液面が所定値を超えるまで、つまり液相の吸入冷媒量が所定量以上となるまで起動モードを実行するものである。
【0084】
これにより、確実に液相の吸入冷媒を確保することができるとともに、起動モードを必要以上に実行することがないので、廃熱回収量を増大させることができる。
【0085】
なお、図7は第1実施形態に本実施形態を適用したものであったが、本実施形態はこれに限定されるものではない。
【0086】
(第5実施形態)
上述の実施形態では、所定時間、起動モードを実行し後、定常運転モードに移行したが、本実施形態は、図8に示すように、気液分離器12に液相冷媒の温度を検出する第1温度センサ12bを設け、かつ、内部熱交換器36の冷媒出口側に吸入冷媒の温度を検出する第2温度センサ12cを設け、両温度センサ12b、12cの検出温度差、つまり液相冷媒の過冷却度を算出し、この算出した過冷却度が所定値を超えるまで起動モードを実行するものである。
【0087】
これにより、確実に液相の吸入冷媒を確保することができるとともに、起動モードを必要以上に実行することがないので、廃熱回収量を増大させることができる。
【0088】
なお、図8は第1実施形態に本実施形態を適用したものであったが、本実施形態はこれに限定されるものではない。
【0089】
(第6実施形態)
上述の実施形態では、蒸気圧縮式冷凍機にて吸入冷媒を冷却したが、本実施形態は、図9に示すように、ペルチェ効果を利用した電子式冷凍機39にて吸入冷媒を冷却するものである。
【0090】
これにより、蒸気圧縮式冷凍機に比べて小型の電子式冷凍機39にて吸入冷媒を冷却するので、ランキンサイクルの車両への搭載性を向上させることができる。
【0091】
なお、本実施形態では、上述の実施形態と同様に、定常運転モード前の起動モード時に電子式冷凍機39にて吸入冷媒を冷却するが、本実施形態では、これに限定されるものではなく、例えば定常運転モード時においても電子式冷凍機39にて吸入冷媒を冷却してもよい。
【0092】
また、停止直後の再起動時等の吸入冷媒が十分な過冷却度を有している場合には、起動時であっても、電子式冷凍機39を停止させてもよい。
【0093】
参考例
上述の実施形態では、吸入冷媒を冷却することにより吸入冷媒の沸騰を抑制したが、本参考例は、図10に示すように、液ポンプ32の吸入側にフィードポンプ32aを配置することにより、液ポンプ32の吸入側圧力が沸騰圧力以下まで低下してしまうことを防止して液ポンプ32のポンプ効率が低下してしまうことを防止するものである。
【0094】
そして、フィードポンプ32aの吸入口が気液分離器12内の液面以下に位置するように、フィードポンプ32aを気液分離器12内に収納するとともに、液ポンプ32の吸入側とフィードポンプ32aの吐出側とを直接的に接続して両ポンプ32、32aを一体化している。
【0095】
なお、本参考例では、液ポンプ32とフィードポンプ32aとは同時に始動(稼動)又は停止するが、ランキンサイクルの始動時において、フィードポンプ32aの吸入側、つまり気液分離器12内に液相冷媒が無い場合には、起動モードとして蒸気圧縮式冷凍機を稼動させて気液分離器12内に液相冷媒を溜め、気液分離器12内に所定量以上の液相冷媒が溜まったときに、蒸気圧縮式冷凍機を停止させて液ポンプ32とフィードポンプ32aとを稼動させる。
【0096】
(第実施形態)
上述の実施形態では、蒸気圧縮式冷凍機用の放熱器とランキンサイクル用の放熱器とを1個の放熱器11にて共用していたが、本実施形態では、図11に示すように、蒸気圧縮式冷凍機用の放熱器11aとランキンサイクル用の放熱器11bとをそれぞれ設け、蒸気圧縮式冷凍機とランキンサイクルとを独立して稼動させることができるようにしたものである。
【0097】
これに伴い、本実施形態では、蒸気圧縮式冷凍機用の気液分離器40とランキンサイクル用の気液分離器41とを設けるとともに、膨脹機33aと圧縮機10とを電磁クラッチ10a等の動力を断続可能に伝達する動力伝達手段を介して連結する。
【0098】
そして、蒸気圧縮式冷凍機の稼働時にランキンサイクルを稼動させる場合には、電磁クラッチ10aを繋いで廃熱から回収したエネルギを圧縮機10に与え、ランキンサイクルを稼動させない場合に蒸気圧縮式冷凍機を稼動させる場合にはエンジン20により圧縮機10を稼動させる。
【0099】
なお、廃熱から回収したエネルギのみで圧縮機10を稼動させることが難しい場合には、膨脹機33aとエンジン20との両者で圧縮機10を稼動させてもよいことは言うまでもない。
【0100】
また、本実施形態では、蒸気圧縮式冷凍機用の放熱器11aとランキンサイクル用の放熱器11bとが独立していることから、蒸気圧縮式冷凍機にて吸入冷媒を冷却する起動モード時に、加熱器30に高温(80℃〜110℃)のエンジン冷却水を流すことができ得る。
【0101】
そこで、本実施形態では、起動モード時に、加熱器30に高温(80℃〜110℃)のエンジン冷却水を流して過熱蒸気を生成することにより蒸気発生器を稼動させ、加熱器30内に滞留した冷媒を気液分離器41及び内部熱交換器36に押し流して液ポンプ32の吸入側に液相冷媒が溜まり易いようにしている。
【0102】
なお、起動モードを行う時間は、第1実施形態、第4実施形態及び第5実施形態のうちいずれかの実施形態と同じである。
【0103】
因みに、ヒータ42はエンジン冷却水を熱源として室内に吹き出す空気を加熱するもので、エアミックスドア43はヒータ42を通過する温風量とヒータ42を迂回する冷風量とを調節して室内に吹き出す空気の温度を調節するものである。
【0104】
(その他の実施形態)
本発明は、上述の実施形態に限定されるものではなく、上述の実施形態のうち少なくとも2つの実施形態を組み合わせてもよい。
【0105】
また、上述の実施形態では、エネルギ回収機33にて回収したエネルギを蓄電器にて蓄えたが、フライホィールによる運動エネルギ又はバネにより弾性エネルギ等の機械的エネルギとして蓄えてもよい。
【0106】
また、上述の実施形態では、車両に本発明を適用したが、本発明の適用はこれに限定されるものではない。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の第1実施形態に係るランキンサイクルの模式図である。
【図2】本発明の第1実施形態に係るランキンサイクルの模式図である。
【図3】本発明の第1実施形態に係るランキンサイクルの模式図である。
【図4】本発明の第1実施形態に係るランキンサイクルの模式図である。
【図5】本発明の第2実施形態に係るランキンサイクルの模式図である。
【図6】本発明の第3実施形態に係るランキンサイクルの模式図である。
【図7】本発明の第4実施形態に係るランキンサイクルの模式図である。
【図8】本発明の第5実施形態に係るランキンサイクルの模式図である。
【図9】本発明の第6実施形態に係るランキンサイクルの模式図である。
【図10】 参考例に係るランキンサイクルの模式図である。
【図11】 本発明の第実施形態に係るランキンサイクルの模式図である。
【符号の説明】
10…圧縮機、11…放熱器、12…気液分離器、13…減圧器、
14…蒸発器、20…エンジン、30…加熱器、
31…第1バイパス回路、32…液ポンプ、33…エネルギ回収機、
33a…膨脹機、33b…発電機、36…内部熱交換器。
[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to a Rankine cycle for extracting power from superheated steam, and is effective when applied to a system for extracting power from waste heat generated in a vehicle such as cooling water for an engine (internal combustion engine).
[0002]
[Prior art]
Rankine cycle is a steam generator that generates superheated steam by heating a liquid phase fluid, an expander that expands superheated steam isentropically to extract power, and liquefies steam that has been expanded by the expander. Radiator , And a liquid pump for sending a liquid phase fluid to a steam generator (see, for example, Patent Document 1).
[0003]
[Patent Document 1]
Japanese Patent No. 2540738
[0004]
[Problems to be solved by the invention]
By the way, in the invention according to Patent Document 1, a liquid pump that sends a fluid to the steam generator is required. However, when the liquid pump sucks the fluid, the suction-side pressure decreases, so the sucked fluid evaporates. As a result, the pump efficiency (volumetric efficiency) is reduced, and the fluid pressure is locally reduced near the surface of the impeller such as an impeller, resulting in boiling of the fluid and cavitation.
[0005]
When the fluid sucked by cavitation or the like is vaporized, the flow rate of the liquid discharged from the pump decreases. Therefore, the discharge flow rate does not increase even if the number of revolutions of the pump, that is, the impeller is increased. There arises a problem that the flow rate cannot be secured and a problem that the impeller is eroded by cavitation.
[0006]
In view of the above points, the present invention firstly provides a novel Rankine cycle different from the conventional one, and secondly, the pump efficiency of the pump is prevented from being lowered and the Rankine cycle is operated efficiently. The purpose is to do.
[0007]
[Means for Solving the Problems]
In order to achieve the above object, the present invention provides a steam generator (30) for heating a liquid phase fluid to generate superheated steam and an isentropic expansion of the superheated steam. An expander (33a) for extracting power and a radiator (11) for liquefying the steam that has been expanded by the expander (33a), Liquefied by radiator (11) A pump (32) for delivering liquid phase fluid to the steam generator (30), and a suction side of the pump (32); Radiator (11) A refrigerator that is provided in a fluid circuit that connects the outlet side of the fluid circuit and cools the fluid in the fluid circuit ( 10, 11, 13 , 36 , 39 ) Before starting the pump (32), when the refrigerator (10, 11, 13, 36, 39) is operated and power is taken out from the expander (33a), the refrigerator (10, 11, 13, 36) is used. , 39) It is characterized by that.
[0008]
As a result, the fluid in the fluid circuit (hereinafter referred to as suction fluid) is cooled, so that the fluid sucked into the pump (32) can be surely made into a liquid-phase fluid, and its excess The degree of cooling can be increased.
[0009]
Accordingly, it is possible to reliably prevent the suction fluid from evaporating (boiling) on the suction side of the pump (32), so that the pump (32) pump efficiency is prevented from being lowered and the Rankine cycle is operated efficiently. can do.
[0011]
Furthermore, since the refrigerators (10, 11, 13, 36, 39) are operated before starting the pump (32), When the Rankine cycle is started, since the liquid phase fluid having a large degree of supercooling can be reliably supplied to the suction side of the pump (32), the suction fluid is vaporized (boiling) on the suction side of the pump (32). Can be reliably prevented.
[0012]
Claim 2 In the invention described in Refrigerator ( 10, 11, 13 , 36 , 39 ) Is operated for a predetermined time, and then the pump (32) is started.
[0013]
Claim 3 In the invention described in (1), the pump (32) is started when the amount of the liquid-phase fluid existing in the fluid circuit becomes a predetermined amount or more.
[0014]
As a result, the liquid-phase suction fluid can be secured reliably, and the refrigerator ( 10, 11, 13 , 36 , 39 ) Is not operated, so that the heat recovery amount can be increased.
[0015]
Claim 4 In the invention described in Sucked into pump (32) The pump (32) is started when the degree of supercooling of the liquid phase fluid exceeds a predetermined value.
[0016]
As a result, the liquid-phase suction fluid can be secured reliably, and the refrigerator ( 10, 11, 13 , 36 , 39 ) Is not operated, so that the heat recovery amount can be increased.
[0018]
Claim 5 In the invention described in, the refrigerator is an electronic refrigerator using the Peltier effect. (39) It is characterized by being.
[0025]
Claim 6 In the invention described in Furthermore, a compressor (10) for sucking and compressing the gas phase fluid, a decompression means (13) for decompressing the high-pressure fluid to generate a low-pressure fluid, and a liquid-phase fluid sucked into the pump (32) An internal heat exchanger (36) that evaporates by heat exchange and flows out to the suction side of the compressor (10), and a fluid that flows into the radiator (11) the steam that has been expanded by the expander (33a) Fluid that causes the compressor (10) discharge fluid to flow into the flow path and the radiator (11), and also flows the radiator (11) outflow fluid into the internal heat exchanger (36) via the decompression means (13). The refrigerator is provided with a flow path switching valve (35a, 35b, 35c, 37) for switching the flow path, and the refrigerator is connected to the radiator (11) by means of the flow path switching valve (35a, 35b, 35c, 37). 10) While letting the discharged fluid flow in, the radiator (11) The output fluid through the pressure reducing means (13) is the internal heat exchanger (36) vapor compression type refrigerator composed by being switched to the fluid flow path for flowing into (10,11,13,36) It is characterized by that.
[0026]
As a result, the suction fluid is cooled, so that the fluid sucked into the pump (32) can be surely made into a liquid phase fluid and the degree of supercooling can be increased.
[0027]
Accordingly, it is possible to reliably prevent the suction fluid from evaporating (boiling) on the suction side of the pump (32), so that the pump (32) pump efficiency is prevented from being lowered and the Rankine cycle is operated efficiently. can do.
[0028]
Claim 7 In the invention described in item 1, the compressor (10) is operated before starting the pump (32).
[0029]
Accordingly, when the Rankine cycle is started, the liquid phase fluid having a large degree of supercooling can be reliably supplied to the suction side of the pump (32), so that the suction fluid is vaporized on the suction side of the pump (32). (Boiling) can be reliably prevented.
[0030]
Claim 8 In the invention described in (1), the pump (32) is started after at least the compressor (10) has been operated for a predetermined time.
[0031]
Claim 9 In the invention described in Further, the radiator (11) includes a gas-liquid separator (12) for separating the gas-liquid of the outflow fluid, and the gas-liquid separator (12) The pump (32) is started when the amount of the liquid phase fluid present therein becomes a predetermined amount or more.
[0032]
As a result, the liquid-phase suction fluid can be secured reliably, and the refrigerator ( 10, 11, 13, 36 ) Is not operated, so that the heat recovery amount can be increased.
[0033]
Claim 10 In the invention described in Further, the radiator (11) includes a gas-liquid separator (12) for separating the gas-liquid of the outflow fluid, and the pump (32) sucks the liquid-phase fluid separated by the gas-liquid separator (12). Gas-liquid separator (12) The pump (32) is started when the degree of supercooling of the liquid phase fluid existing therein becomes a predetermined value or more.
[0034]
As a result, the liquid-phase suction fluid can be secured reliably, and the refrigerator ( 10, 11, 13, 36 ) Is not operated, so that the heat recovery amount can be increased.
[0035]
Claim 11 In the invention described in (1), the steam generator (30) is started before the pump (32) is started.
[0036]
Thereby, the refrigerant staying in the steam generator (30) can be pushed away and the liquid phase fluid can be reliably stored on the suction side of the pump (32), so that the suction fluid is vaporized on the suction side of the pump (32) ( It is possible to reliably prevent boiling).
[0037]
Incidentally, the reference numerals in parentheses of each means described above are an example showing the correspondence with the specific means described in the embodiments described later.
[0038]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
(First embodiment)
In this embodiment, the Rankine cycle according to the present invention is applied to a vehicle, and FIG. 1 is a schematic diagram of the Rankine cycle according to the present embodiment.
[0039]
In the Rankine cycle according to the present embodiment, energy is recovered from waste heat generated in the engine 20 that constitutes a heat engine that generates driving power, and cold energy and thermal energy generated in the vapor compression refrigerator are used for air conditioning. To do. Hereinafter, the Rankine cycle will be described.
[0040]
The compressor 10 obtains power from the electric motor or the engine 20 and sucks and compresses the refrigerant, and the radiator 11 is a cooler that cools the refrigerant by exchanging heat between the flowing refrigerant and the outside air.
[0041]
The gas-liquid separator 12 is a receiver that separates the refrigerant that has flowed out of the radiator 11 into a gas-phase refrigerant and a liquid-phase refrigerant, and the decompressor 13 expands the liquid-phase refrigerant separated by the gas-liquid separator 12 under reduced pressure. Thus, in the present embodiment, a temperature type expansion valve is used that decompresses the refrigerant in an enthalpy manner and controls the throttle opening so that the degree of superheat of the refrigerant sucked into the compressor 10 becomes a predetermined value. .
[0042]
The evaporator 14 is a heat absorber that evaporates the refrigerant decompressed by the decompressor 13 and exerts an endothermic effect. The evaporator 10, the radiator 11, the gas-liquid separator 12, the decompressor 13, the evaporator 14, and the like. Constitutes a vapor compression refrigerator that moves the heat on the low temperature side to the high temperature side.
[0043]
The heater 30 is provided in a refrigerant circuit connecting the compressor 10 and the radiator 11, and heats the refrigerant flowing through the refrigerant circuit and the engine cooling water to heat the refrigerant and generate superheated vapor refrigerant. It is a steam generator, and the case where the engine cooling water flowing out from the engine 20 by the three-way valve 21 is circulated to the heater 30 is switched to the case where it is not circulated.
[0044]
The first bypass circuit 31 is a refrigerant passage that guides the liquid-phase refrigerant separated by the gas-liquid separator 12 to the refrigerant inlet / outlet side of the radiator 11 in the heater 30. A liquid pump 32 for circulating the phase refrigerant and a check valve 31a that allows the refrigerant to flow only from the gas-liquid separator 12 side to the heater 30 side are provided. Note that the suction side of the liquid pump 32 is disposed below the gas-liquid separator 12. Incidentally, the liquid pump 32 is an electric pump in this embodiment.
[0045]
The refrigerant circuit in parallel with the compressor 10 is provided with an energy recovery unit 33 that expands the superheated steam flowing out from the heater 30 and recovers the thermal energy given to the heater 30 as mechanical (rotational) energy. It has been.
[0046]
In the present embodiment, the energy recovery machine 33 is configured by the expander 33a and the generator 33b driven by the mechanical output output from the expander 33a, and the electric power generated by the generator 33b is a battery. 33c is stored.
[0047]
The second bypass circuit 34 is a refrigerant passage that connects the refrigerant outlet side of the expander 33a and the refrigerant inlet side of the radiator 11, and the second bypass circuit 34 radiates heat from the refrigerant outlet side of the expander 33a. A check valve 34 a that allows the refrigerant to flow only on the refrigerant inlet side of the vessel 11 is provided.
[0048]
The check valve 14a allows the refrigerant to flow only from the refrigerant outlet side of the evaporator 14 to the suction side of the compressor 10, and the on-off valves 35a to 35c are electromagnetic valves that open and close the refrigerant passage. .
[0049]
Further, a refrigerant circuit that connects the refrigerant outlet side of the radiator 11 and the suction side of the liquid pump 32, that is, the liquid pump 32 side of the liquid phase refrigerant outlet side of the gas-liquid separator 12 is connected to the suction side of the liquid pump 32. The refrigerant circuit is provided with an internal heat exchanger 36 for exchanging heat with the refrigerant existing in the refrigerant circuit and the low-pressure refrigerant decompressed by the decompressor 13, and the refrigerant heated by the internal heat exchanger 36 is And returned to the refrigerant outlet side of the evaporator 14.
[0050]
The three-way valve 37 switches between the case where the low-pressure refrigerant flowing out from the pressure reducer 13 flows to the evaporator 14 and the case where it flows to the internal heat exchanger 36. The on-off valves 35a to 35c, the three-way valves 21, 37, etc. It is controlled by the control device.
[0051]
Meanwhile, the water pump 22 circulates engine cooling water, and the radiator 23 is a heat exchanger that cools the engine cooling water by exchanging heat between the engine cooling water and outside air.
[0052]
In FIG. 1, a bypass circuit that bypasses the radiator 23 and flows cooling water, and a flow rate adjustment valve that adjusts the cooling water amount flowing through the bypass circuit and the cooling water amount flowing through the radiator 23 are omitted.
[0053]
Incidentally, although the water pump 22 is a mechanical pump that operates by obtaining power from the engine 20, it goes without saying that an electric pump driven by an electric motor may be used.
[0054]
Next, Rankine cycle operation according to this embodiment will be described.
[0055]
1. Air conditioning operation mode (see Fig. 2)
This operation mode is an operation mode in which the refrigerant is allowed to cool by the radiator 11 while the refrigerating capacity is exhibited by the evaporator 14.
[0056]
In this embodiment, the vapor compression refrigerator is operated only for the cooling generated by the vapor compression refrigerator, that is, the cooling operation and the dehumidifying operation using the endothermic effect, and the warm heat generated by the radiator 11 is used. Although the heating operation is not performed, the operation of the vapor compression refrigerator is the same as that during the cooling operation and the dehumidifying operation even during the heating operation.
[0057]
Specifically, the on-off valves 35a and 35c are opened with the liquid pump 32 stopped, the on-off valve 35b is closed and the compressor 10 is operated, and the three-way valve 21 is operated as shown in FIG. Then, the cooling water is circulated by bypassing the heater 30.
[0058]
Accordingly, the refrigerant circulates in the order of the compressor 10 → the heater 30 → the radiator 11 → the gas-liquid separator 12 → the decompressor 13 → the evaporator 14 → the compressor 10. In addition, since engine cooling water does not circulate through the heater 30, the refrigerant is not heated by the heater 30, and the heater 30 functions as a mere refrigerant passage.
[0059]
Therefore, the low-pressure refrigerant decompressed by the decompressor 13 absorbs heat from the air blown into the room and evaporates, and the evaporated gas-phase refrigerant is compressed by the compressor 10 and becomes a high temperature, and the heat radiator 11 Cools with air and condenses.
[0060]
In the present embodiment, chlorofluorocarbon (HFC134a) is used as the refrigerant. However, the refrigerant is not limited to HFC134a as long as the refrigerant is liquefied on the high-pressure side.
[0061]
2. Waste heat recovery operation mode
This operation mode is a mode in which the air conditioner, that is, the compressor 10 is stopped and the waste heat of the engine 20 is recovered as usable energy, and is activated before the transition to the steady operation mode in which energy recovery is performed and the steady operation mode. There is a mode.
[0062]
Then, the start mode is executed for a predetermined time from the time when the waste heat recovery start signal is issued from a switch or the like for starting the waste heat recovery operation mode, and when the predetermined time has elapsed, the operation mode is shifted to the steady operation mode.
[0063]
Hereinafter, the operation will be described in order from the start mode.
[0064]
2.1 Startup mode (see Fig. 3)
In this operation mode, the on-off valves 35a and 35c are opened with the liquid pump 32 stopped, the on-off valve 35b is closed and the compressor 10 is operated, and the three-way valve 37 is switched as shown in FIG. The low-pressure refrigerant decompressed by the decompressor 13 is circulated to the internal heat exchanger 36.
[0065]
The engine coolant is circulated by bypassing the heater 30 as in the air conditioning operation mode.
[0066]
Accordingly, the refrigerant circulates in the order of the compressor 10 → the heater 30 → the radiator 11 → the gas-liquid separator 12 → the decompressor 13 → the internal heat exchanger 36 → the compressor 10. In addition, since engine cooling water does not circulate through the heater 30, the refrigerant is not heated by the heater 30, and the heater 30 functions as a mere refrigerant passage.
[0067]
Therefore, the low-pressure refrigerant decompressed by the decompressor 13 absorbs heat from a refrigerant (hereinafter referred to as suction refrigerant) existing in a refrigerant circuit connecting the liquid-phase refrigerant outlet side of the gas-liquid separator 12 and the suction side of the liquid pump 32. The vapor phase refrigerant thus evaporated is compressed by the compressor 10 to become a high temperature, cooled by the outdoor air in the radiator 11, and condensed.
[0068]
2.2 Steady operation mode (see Fig. 4)
The liquid pump 32 is operated with the on-off valves 35a and 35c closed, and the on-off valve 35b is opened to stop the compressor 10, and the three-way valve 21 is operated as shown in FIG. The engine cooling water thus obtained is circulated to the heater 30.
[0069]
Thereby, the refrigerant circulates in the order of gas-liquid separator 12 → first bypass circuit 31 → heater 30 → energy recovery machine 33 (expansion machine 33 a) → second bypass circuit 34 → heat radiator 11 → gas-liquid separator 12. To do.
[0070]
Therefore, the superheated steam heated by the heater 30 flows into the expander 33a, and the vapor refrigerant flowing into the expander 33a reduces its enthalpy while expanding isentropically in the expander 33a. Go. For this reason, the expander 33a gives mechanical energy corresponding to the lowered enthalpy to the generator 33b, and the electric power generated by the generator 33b is stored in a battery 33c or a capacitor such as a capacitor.
[0071]
The refrigerant flowing out of the expander 33 a is cooled and condensed by the radiator 11 and stored in the gas-liquid separator 12. The liquid-phase refrigerant in the gas-liquid separator 12 is heated by the liquid pump 32. 30 side.
[0072]
The liquid pump 32 sends the liquid-phase refrigerant to the heater 30 at such a pressure that the superheated steam generated by being heated by the heater 30 does not flow backward to the gas-liquid separator 12 side.
[0073]
Next, the effect of this embodiment is described.
[0074]
In the present embodiment, the refrigerant sucked by the vapor compression refrigerator is cooled before the Rankine cycle is actually started, so that the refrigerant sucked into the liquid pump 32 can be reliably made into a liquid phase refrigerant. The degree of supercooling can be increased.
[0075]
Accordingly, it is possible to reliably prevent the suction refrigerant from evaporating (boiling) on the suction side of the liquid pump 32, so that the pump efficiency of the liquid pump 32 is prevented from being lowered and the Rankine cycle is operated efficiently. Can do.
[0076]
Further, before the Rankine cycle is actually started, the refrigerant sucked in the refrigerant circuit is condensed by cooling the sucked refrigerant in the vapor compression refrigerator, so that the waste heat is collected. It is possible to prevent the refrigerant from staying in the refrigerant circuit that is not used during the recovery operation. As a result, the amount of refrigerant that can be effectively utilized during the waste heat recovery operation increases, so that the amount of refrigerant to be charged during the Rankine cycle can be minimized.
[0077]
In addition, since the suction side of the liquid pump 32 is disposed below the gas-liquid separator 12, the pressure due to the weight of the refrigerant acts on the suction side of the liquid pump 32, so that the suction side refrigerant pressure boils due to the suction pressure. It can prevent that it falls below pressure, and can prevent that the liquid pump 32 pump efficiency falls.
[0078]
(Second Embodiment)
In the present embodiment, as shown in FIG. 5, the liquid pump 32, the gas-liquid separator 12 and the internal heat exchanger 36 are integrated, or the liquid pump 32 and the gas-liquid separator 12 are brought close to the internal heat exchanger 36. As a result, not only the refrigerant sucked but also the liquid pump 32 and the gas-liquid separator 12 can be cooled at the start-up in the internal heat exchanger 36.
[0079]
As a result, since the liquid pump 32 and the gas-liquid separator 12 having a relatively large heat capacity can be cooled, the degree of supercooling of the suction refrigerant can be reliably increased, and the pump efficiency of the liquid pump 32 is reduced. And the Rankine cycle can be operated efficiently.
[0080]
(Third embodiment)
In the present embodiment, as shown in FIG. 6, a supercooler 38 that cools the liquid-phase refrigerant with outside air is provided between the gas-liquid separator 12 and the internal heat exchanger 36.
[0081]
In the present embodiment, the radiator 11, the gas-liquid separator 12, and the supercooler 38 are integrated by brazing or the like.
[0082]
Thereby, since the degree of supercooling of the suction refrigerant can be increased in the steady operation mode, it is possible to stably prevent the liquid pump 32 from being lowered and to efficiently operate the Rankine cycle. .
[0083]
(Fourth embodiment)
In the above-described embodiment, the startup mode is executed for a predetermined time. The Thereafter, the operation mode is shifted to the steady operation mode. In the present embodiment, as shown in FIG. 7, the gas-liquid separator 12 is provided with a liquid level sensor 12a for detecting the liquid level position of the liquid-phase refrigerant. The start-up mode is executed until the liquid level in the inside exceeds a predetermined value, that is, until the amount of refrigerant sucked in the liquid phase exceeds a predetermined amount.
[0084]
As a result, the liquid-phase suction refrigerant can be reliably ensured, and the start-up mode is not executed more than necessary, so that the amount of waste heat recovery can be increased.
[0085]
In addition, although FIG. 7 applied this embodiment to 1st Embodiment, this embodiment is not limited to this.
[0086]
(Fifth embodiment)
In the above-described embodiment, the startup mode is executed for a predetermined time. The Thereafter, the operation mode is shifted to the steady operation mode. In this embodiment, as shown in FIG. 8, the gas-liquid separator 12 is provided with a first temperature sensor 12b for detecting the temperature of the liquid phase refrigerant, and the internal heat exchanger is provided. A second temperature sensor 12c for detecting the temperature of the suction refrigerant is provided on the refrigerant outlet side of 36, and the temperature difference between the two temperature sensors 12b and 12c, that is, the degree of supercooling of the liquid-phase refrigerant is calculated. The activation mode is executed until the value exceeds a predetermined value.
[0087]
As a result, the liquid-phase suction refrigerant can be reliably ensured, and the start-up mode is not executed more than necessary, so that the amount of waste heat recovery can be increased.
[0088]
In addition, although FIG. 8 applied this embodiment to 1st Embodiment, this embodiment is not limited to this.
[0089]
(Sixth embodiment)
In the above-described embodiment, the suction refrigerant is cooled by the vapor compression refrigerator, but in this embodiment, as shown in FIG. 9, the suction refrigerant is cooled by the electronic refrigerator 39 using the Peltier effect. It is.
[0090]
Thereby, since the suction refrigerant is cooled by the electronic refrigerator 39 that is smaller than the vapor compression refrigerator, it is possible to improve the mountability of the Rankine cycle on the vehicle.
[0091]
In the present embodiment, similarly to the above-described embodiment, the suction refrigerant is cooled by the electronic refrigerator 39 in the start-up mode before the steady operation mode. However, the present embodiment is not limited to this. For example, the suction refrigerant may be cooled by the electronic refrigerator 39 even in the steady operation mode.
[0092]
Moreover, when the refrigerant | coolant suck | inhaled at the time of restart after a stop etc. has sufficient supercooling degree, you may stop the electronic refrigerator 39 even at the time of start-up.
[0093]
( Reference example )
In the above-described embodiment, the boiling of the suction refrigerant is suppressed by cooling the suction refrigerant. Reference example As shown in FIG. 10, the feed pump 32a is arranged on the suction side of the liquid pump 32 to prevent the suction side pressure of the liquid pump 32 from dropping below the boiling pressure. This is to prevent the pump efficiency from decreasing.
[0094]
The feed pump 32a is housed in the gas-liquid separator 12 so that the suction port of the feed pump 32a is positioned below the liquid level in the gas-liquid separator 12, and the suction side of the liquid pump 32 and the feed pump 32a The pumps 32 and 32a are integrated by directly connecting to the discharge side.
[0095]
Book Reference example In this case, the liquid pump 32 and the feed pump 32a are started (operated) or stopped at the same time. However, when the Rankine cycle is started, there is no liquid phase refrigerant on the suction side of the feed pump 32a, that is, the gas-liquid separator 12 When the vapor compression refrigerator is operated as a start-up mode and the liquid-phase refrigerant is accumulated in the gas-liquid separator 12, and when a predetermined amount or more of the liquid-phase refrigerant is accumulated in the gas-liquid separator 12, the vapor compression type The refrigerator is stopped and the liquid pump 32 and the feed pump 32a are operated.
[0096]
(No. 7 Embodiment)
In the above-described embodiment, for the vapor compression refrigerator Radiator And for Rankine cycle Radiator And one Radiator 11, in this embodiment, as shown in FIG. 11, the radiator 11a for the vapor compression refrigerator and the Rankine cycle Radiator 11b are provided so that the vapor compression refrigerator and Rankine cycle can be operated independently.
[0097]
Accordingly, in this embodiment, a gas-liquid separator 40 for a vapor compression refrigerator and a gas-liquid separator 41 for a Rankine cycle are provided, and the expander 33a and the compressor 10 are connected to an electromagnetic clutch 10a or the like. It connects via the power transmission means which transmits power intermittently.
[0098]
And when operating a Rankine cycle at the time of operation of a vapor compression type refrigerator, connecting the electromagnetic clutch 10a, the energy recovered from waste heat is given to the compressor 10, and when not operating a Rankine cycle, a vapor compression type refrigerator When operating the compressor 10, the compressor 10 is operated by the engine 20.
[0099]
In addition, when it is difficult to operate the compressor 10 only with the energy collect | recovered from waste heat, it cannot be overemphasized that the compressor 10 may be operated by both the expansion machine 33a and the engine 20. FIG.
[0100]
Further, in the present embodiment, the radiator 11a for the vapor compression refrigerator and the Rankine cycle Radiator Since it is independent of 11b, high temperature (80 ° C. to 110 ° C.) engine cooling water can be passed through the heater 30 in the start-up mode in which the refrigerant sucked is cooled in the vapor compression refrigerator.
[0101]
Therefore, in the present embodiment, in the start-up mode, the steam generator is operated by flowing high-temperature (80 ° C. to 110 ° C.) engine cooling water to the heater 30 to generate superheated steam, and stays in the heater 30. The cooled refrigerant is forced to flow through the gas-liquid separator 41 and the internal heat exchanger 36 so that the liquid-phase refrigerant can easily accumulate on the suction side of the liquid pump 32.
[0102]
The time for performing the start-up mode is the same as any one of the first embodiment, the fourth embodiment, and the fifth embodiment.
[0103]
Incidentally, the heater 42 heats the air blown into the room using the engine coolant as a heat source, and the air mix door 43 adjusts the amount of hot air passing through the heater 42 and the amount of cold air that bypasses the heater 42 to blow out air into the room. The temperature is adjusted.
[0104]
(Other embodiments)
The present invention is not limited to the above-described embodiment, and at least two of the above-described embodiments may be combined.
[0105]
Further, in the above-described embodiment, the energy recovered by the energy recovery machine 33 is stored in the capacitor, but may be stored as mechanical energy such as elastic energy by kinetic energy by a flywheel or a spring.
[0106]
In the above-described embodiment, the present invention is applied to a vehicle, but the application of the present invention is not limited to this.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a schematic diagram of a Rankine cycle according to a first embodiment of the present invention.
FIG. 2 is a schematic diagram of a Rankine cycle according to the first embodiment of the present invention.
FIG. 3 is a schematic diagram of a Rankine cycle according to the first embodiment of the present invention.
FIG. 4 is a schematic diagram of a Rankine cycle according to the first embodiment of the present invention.
FIG. 5 is a schematic diagram of a Rankine cycle according to a second embodiment of the present invention.
FIG. 6 is a schematic diagram of a Rankine cycle according to a third embodiment of the present invention.
FIG. 7 is a schematic view of a Rankine cycle according to a fourth embodiment of the present invention.
FIG. 8 is a schematic view of a Rankine cycle according to a fifth embodiment of the present invention.
FIG. 9 is a schematic view of a Rankine cycle according to a sixth embodiment of the present invention.
FIG. 10 Reference example It is a schematic diagram of the Rankine cycle which concerns on.
FIG. 11 shows the first of the present invention. 7 It is a mimetic diagram of a Rankine cycle concerning an embodiment.
[Explanation of symbols]
DESCRIPTION OF SYMBOLS 10 ... Compressor, 11 ... Radiator, 12 ... Gas-liquid separator, 13 ... Decompressor,
14 ... Evaporator, 20 ... Engine, 30 ... Heater,
31 ... 1st bypass circuit, 32 ... Liquid pump, 33 ... Energy recovery machine,
33a ... expander, 33b ... generator, 36 ... internal heat exchanger.

Claims (11)

液相流体を加熱して過熱蒸気を発生させる蒸気発生器(30)と、
前記過熱蒸気を等エントロピ的に膨脹させて動力を取り出す膨脹機(33a)と、
前記膨脹機(33a)にて膨脹を終えた蒸気を液化する放熱器(11)と、
前記放熱器(11)にて液化された液相流体を前記蒸気発生器(30)に送り出すポンプ(32)と、
前記ポンプ(32)の吸入側と前記放熱器(11)の出口側とを繋ぐ流体回路に設けられ、この流体回路内の流体を冷却する冷凍機(10、11、13、36、39)とを備え、
前記ポンプ(32)を始動する前に、前記冷凍機(10、11、13、36、39)を稼動させ、
前記膨張機(33a)から動力を取り出す際には、前記冷凍機(10、11、13、36、39)の稼働を停止させることを特徴とするランキンサイクル。
A steam generator (30) for heating the liquid phase fluid to generate superheated steam;
An expander (33a) for expanding the superheated steam isentropically to extract power;
A radiator (11) for liquefying the steam that has been expanded in the expander (33a);
A pump (32) for sending the liquid phase fluid liquefied by the radiator (11) to the steam generator (30);
Refrigerators ( 10 , 11 , 13 , 36 , 39 ) provided in a fluid circuit connecting the suction side of the pump (32) and the outlet side of the radiator (11) and cooling the fluid in the fluid circuit; With
Before starting the pump (32), operate the refrigerator (10, 11, 13, 36, 39),
The Rankine cycle characterized in that when the power is taken out from the expander (33a), the operation of the refrigerator (10, 11, 13, 36, 39) is stopped .
前記冷凍機(10、11、13、36、39)を所定時間稼動させた後、前記ポンプ(32)を始動させることを特徴とする請求項に記載のランキンサイクル。The refrigerator (10, 11, 13, 36, 39) after the was operated a predetermined time, a Rankine cycle according to claim 1, characterized in that for starting the pump (32). 前記流体回路中に存在する液相流体量が所定量以上となったときに、前記ポンプ(32)を始動させることを特徴とする請求項に記載のランキンサイクル。When the liquid phase fluid volume present in the fluid circuit is equal to or larger than a predetermined amount, a Rankine cycle according to claim 1, characterized in that for starting the pump (32). 前記ポンプ(32)に吸入される液相流体の過冷却度が所定値以上となったときに、前記ポンプ(32)を始動させることを特徴とする請求項に記載のランキンサイクル。When the degree of supercooling of the liquid phase fluid sucked the pump (32) is equal to or above a predetermined value, a Rankine cycle according to claim 1, characterized in that for starting the pump (32). 前記冷凍機は、ペルチェ効果を利用した電子式冷凍機(39)であることを特徴とする請求項1ないしのいずれか1つに記載のランキンサイクル。The Rankine cycle according to any one of claims 1 to 4 , wherein the refrigerator is an electronic refrigerator (39) using a Peltier effect. さらに、気相流体を吸入圧縮する圧縮機(10)と、
高圧流体を減圧して低圧流体を生成する減圧手段(13)と、
前記低圧流体を、前記ポンプ(32)へ吸入される液相流体と熱交換させることで蒸発させて、圧縮機(10)吸入側へ流出させる内部熱交換器(36)と、
前記放熱器(11)へ前記膨脹機(33a)にて膨脹を終えた蒸気を流入させる流体流路と、前記放熱器(11)へ前記圧縮機(10)吐出流体を流入させるとともに、前記放熱器(11)流出流体を前記減圧手段(13)を介して、前記内部熱交換器(36)へ流入させる流体流路とを切り替える流路切替弁(35a、35b、35c、37)とを備え、
前記冷凍機は、前記流路切替弁(35a、35b、35c、37)によって、前記放熱器(11)へ前記圧縮機(10)吐出流体を流入させるとともに、前記放熱器(11)流出流体を前記減圧手段(13)を介して、前記内部熱交換器(36)へ流入させる流体流路に切り替えられることで構成される蒸気圧縮式冷凍機(10、11、13、36)であることを特徴とする請求項1ないしのいずれか1つに記載のランキンサイクル。
A compressor (10) for sucking and compressing the gas phase fluid;
Decompression means (13) for depressurizing the high-pressure fluid to produce a low-pressure fluid;
An internal heat exchanger (36) for evaporating the low-pressure fluid by exchanging heat with the liquid-phase fluid sucked into the pump (32) and flowing out to the suction side of the compressor (10);
A fluid flow path for allowing the steam that has been expanded by the expander (33a) to flow into the radiator (11), a fluid discharged from the compressor (10) to the radiator (11), and the heat dissipation (11) a flow path switching valve (35a, 35b, 35c, 37) for switching a fluid flow path for flowing out fluid to the internal heat exchanger (36) via the pressure reducing means (13). ,
The refrigerator causes the compressor (10) discharge fluid to flow into the radiator (11) by the flow path switching valve (35a, 35b, 35c, 37) and the radiator (11) outflow fluid. It is a vapor compression refrigeration machine (10 , 11 , 13, 36) configured by switching to a fluid flow path that flows into the internal heat exchanger (36) via the pressure reducing means (13). The Rankine cycle according to any one of claims 1 to 4 , characterized in that:
前記ポンプ(32)を始動する前に、前記圧縮機(10)を稼動させることを特徴とする請求項に記載のランキンサイクル。The Rankine cycle according to claim 6 , wherein the compressor (10) is operated before starting the pump (32). 少なくとも前記圧縮機(10)を所定時間稼動させた後、前記ポンプ(32)を始動させることを特徴とする請求項に記載のランキンサイクル。The Rankine cycle according to claim 7 , wherein the pump (32) is started after at least the compressor (10) is operated for a predetermined time. さらに、前記放熱器(11)流出流体の気液を分離する気液分離器(12)を備え、
前記気液分離器(12)中に存在する液相流体量が所定量以上となったときに、前記ポンプ(32)を始動させることを特徴とする請求項に記載のランキンサイクル。
Further, the radiator (11) includes a gas-liquid separator (12) for separating the gas-liquid of the outflow fluid,
The Rankine cycle according to claim 7 , wherein the pump (32) is started when the amount of liquid phase fluid existing in the gas-liquid separator (12) becomes a predetermined amount or more.
さらに、前記放熱器(11)流出流体の気液を分離する気液分離器(12)を備え、
前記ポンプ(32)は、前記気液分離器(12)にて分離された液相流体を吸入するようになっており、
前記気液分離器(12)中に存在する液相流体の過冷却度が所定値以上となったときに、前記ポンプ(32)を始動させることを特徴とする請求項に記載のランキンサイクル。
Further, the radiator (11) includes a gas-liquid separator (12) for separating the gas-liquid of the outflow fluid,
The pump (32) sucks the liquid phase fluid separated by the gas-liquid separator (12),
The Rankine cycle according to claim 7 , wherein the pump (32) is started when the degree of supercooling of the liquid-phase fluid existing in the gas-liquid separator (12) exceeds a predetermined value. .
前記ポンプ(32)を始動する前に、前記蒸気発生器(30)を始動させることを特徴とする請求項1ないし10のいずれか1つに記載のランキンサイクル。Before starting the pump (32), a Rankine cycle according to any one of claims 1 to 10, characterized in that for starting the steam generator (30).
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