(57)【要約】【課題】廃熱回収装置内の圧力が過剰に上昇することを抑制する。【解決手段】高圧回路に低温の液相流体を注入することによって減圧する減圧安全装置５１を備える。減圧安全装置５１は、受圧面積が異なる２つの受圧部６０ａ，６０ｂが対向して設けられた受圧可動部６０を備える。受圧面積が狭い第２受圧部６０ｂは、液相流体が充填された第２シリンダ６４の壁面を構成する。受圧可動部６０は、コイルスプリング６６によって第２受圧部６０ｂの側から第１受圧部６０ａの側へ押されている。両受圧部６０ａ，６０ｂには、高圧回路内の圧力が作用する。高圧回路内の圧力が閾値以上になったとき、受圧面積の差に起因して受圧可動部６０が受ける力はコイルスプリング６６の弾性力を上回る。受圧可動部６０は第１受圧部６０ａの側から第２受圧部６０ｂの側へ移動し、これにより第２シリンダ６４内の低温の液相流体が高圧回路に注入される。【選択図】図１
2018040337.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
内燃機関の廃熱により液相流体を蒸発させて気相流体に変化させる蒸発器と、前記蒸発器から送出される気相流体を前記内燃機関の排気との熱交換によって過熱させる過熱器と、前記過熱器を通過した気相流体を膨張させて仕事を取り出すタービンと、前記タービンを通過した気相流体を凝縮させて液相流体に戻す凝縮器と、前記凝縮器で得られた液相流体を前記蒸発器に供給するポンプと、前記タービンをバイパスして前記蒸発器の下流と前記凝縮器の上流とを接続するバイパス回路と、前記バイパス回路に設けられたバイパス弁と、を備える廃熱回収装置において、
前記ポンプから前記タービン或いは前記バイパス弁までの流体回路である高圧回路内の圧力が設定圧力以上になった場合に、前記高圧回路に低温の液相流体を注入することによって前記高圧回路内の圧力を減圧する減圧安全装置を備え、
前記減圧安全装置は、
第１受圧部と、前記第１受圧部と対向して設けられた前記第１受圧部より受圧面積が狭い第２受圧部とを備える受圧可動部と、
前記第２受圧部によって壁面の一部を構成され、前記受圧可動部の移動によって容積が変化する、内部に液相流体が充填されたシリンダと、
前記受圧可動部に対して前記第２受圧部の側から前記第１受圧部の側へ向かう弾性力を作用させるスプリングと、
前記高圧回路と前記第１受圧部とを接続し、前記高圧回路内の圧力を前記第１受圧部に作用させる圧力導入回路と、
前記シリンダと前記高圧回路とを接続し、前記シリンダから前記高圧回路への液相流体の流入を可能にする液相流体注入回路と、を備え、
前記スプリングは、前記高圧回路内の圧力が前記設定圧力以上になったときに、前記受圧可動部が前記スプリングの弾性力に抗して前記第１受圧部の側から前記第２受圧部の側へ移動するように調整されている
ことを特徴とする廃熱回収装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、廃熱回収装置に係り、特にランキンサイクルシステムにより内燃機関の廃熱を回収する廃熱回収装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
ランキンサイクルシステムを利用して内燃機関の廃熱を回収する廃熱回収装置が提案されている。廃熱回収装置では、内燃機関の廃熱により液相流体を蒸発或いは沸騰させて気相流体に変化させ、気相流体をタービンで膨張させることによって仕事を取り出し、膨張後の気相流体を凝縮させて液相流体に戻すことが行われる。特開２０１５−２３０１３９号公報には、このような廃熱回収装置において、タービンをバイパスする回路を設けて、そこにバイパス弁を配置することが記載されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２０１５−２３０１３９号公報
【特許文献２】特開２００８−０５１４７９号公報
【特許文献３】特開平４−０４５３９３号公報
【特許文献４】特開２００８−０１４６２５公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
廃熱回収装置では、内燃機関の廃熱の急増によって液相流体が激しく沸騰し、発生した蒸気によって内部の圧力が過剰に上昇する場合がある。また、液相流体を送り出すポンプの故障や、タービンノズルの詰まり等の故障が原因で、内部の圧力が過剰に上昇する場合もある。このような場合、バイパス弁を開くことで圧力の上昇を抑えることができる。しかし、圧力の上昇を検知してからバイパス弁を開くのでは、急激な圧力の上昇には対応することはできない。また、バイパス弁が故障して閉じたまま固着してしまった場合には、圧力の上昇を抑える術はない。
【０００５】
本発明は、上述のような課題を解決するためになされたもので、発生した蒸気によって内部の圧力が過剰に上昇することを抑制することができる廃熱回収装置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】
上記の目的を達成するため、本発明に係る廃熱回収装置は、内燃機関の廃熱により液相流体を蒸発させて気相流体に変化させる蒸発器と、前記蒸発器から送出される気相流体を前記内燃機関の排気との熱交換によって過熱させる過熱器と、前記過熱器を通過した気相流体を膨張させて仕事を取り出すタービンと、前記タービンを通過した気相流体を凝縮させて液相流体に戻す凝縮器と、前記凝縮器で得られた液相流体を前記蒸発器に供給するポンプと、前記タービンをバイパスして前記蒸発器の下流と前記凝縮器の上流とを接続するバイパス回路と、前記バイパス回路に設けられたバイパス弁と、を備える廃熱回収装置において、
前記ポンプから前記タービン或いは前記バイパス弁までの流体回路である高圧回路内の圧力が設定圧力以上になった場合に、前記高圧回路に低温の液相流体を注入することによって前記高圧回路内の圧力を減圧する減圧安全装置を備え、
前記減圧安全装置は、
第１受圧部と、前記第１受圧部と対向して設けられた前記第１受圧部より受圧面積が狭い第２受圧部とを備える受圧可動部と、
前記第２受圧部によって壁面の一部を構成され、前記受圧可動部の移動によって容積が変化する、内部に液相流体が充填されたシリンダと、
前記受圧可動部に対して前記第２受圧部の側から前記第１受圧部の側へ向かう弾性力を作用させるスプリングと、
前記高圧回路と前記第１受圧部とを接続し、前記高圧回路内の圧力を前記第１受圧部に作用させる圧力導入回路と、
前記シリンダと前記高圧回路とを接続し、前記シリンダから前記高圧回路への液相流体の流入を可能にする液相流体注入回路と、を備え、
前記スプリングは、前記高圧回路内の圧力が前記設定圧力以上になったときに、前記受圧可動部が前記スプリングの弾性力に抗して前記第１受圧部の側から前記第２受圧部の側へ移動するように調整されていることを特徴とする。
【発明の効果】
【０００７】
本発明に係る廃熱回収装置によれば、高圧回路内の圧力が設定圧力以上になったとき、減圧安全装置が作動する。減圧安全装置では、受圧可動部がスプリングの弾性力に抗して第１受圧部の側から第２受圧部の側へ移動し、シリンダの内部に充填された液相流体が高圧回路へ注入される。低温の液相流体が注入されることで蒸発器内での液相流体の沸騰が抑えられ、高圧回路内の圧力の上昇は抑えられる。
【図面の簡単な説明】
【０００８】
【図１】実施の形態１の廃熱回収装置の構成を示す図である。
【図２】実施の形態１の減圧安全装置の動作を説明するための図である。
【図３】実施の形態１の減圧安全装置の動作を説明するための図である。
【図４】実施の形態１の減圧安全装置の安全弁としての動作を説明するための図である。
【図５】実施の形態１の減圧安全装置の変形例の構成を示す図である。
【図６】実施の形態１の減圧安全装置の変形例の構成を示す図である。
【図７】実施の形態２の廃熱回収装置の構成を示す図である。
【図８】実施の形態２の廃熱回収装置の車両への搭載例を示す側面視図である。
【図９】実施の形態２の廃熱回収装置の車両への搭載例を示す前面視図である。
【図１０】実施の形態３の減圧安全装置の構成を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【０００９】
以下、図面を参照して本発明の実施の形態について説明する。ただし、以下に示す実施の形態において各要素の個数、数量、量、範囲等の数に言及した場合、特に明示した場合や原理的に明らかにその数に特定される場合を除いて、その言及した数に、この発明が限定されるものではない。また、以下に示す実施の形態において説明する構造は、特に明示した場合や明らかに原理的にそれに特定される場合を除いて、この発明に必ずしも必須のものではない。
【００１０】
実施の形態１．
１−１．廃熱回収装置の構成
図１は、実施の形態１の廃熱回収装置１の構成を示す図である。廃熱回収装置１は、複数の流体管３１，３２，３３，３４，３５，３６，３７が環状に接続されてなる流体循環回路を備える。流体循環回路には、流体管３７から流体管３１へ液相流体を送り出すポンプ２４が配置される。廃熱回収装置１は、内燃機関２の排気通路４を流れる排気ガスと、循環回路を循環する流体との間で熱交換を行うことで、排気ガスが持つ廃熱を流体に移動させる。なお、流体は、常温では液体であり、内燃機関２の熱により沸騰或いは蒸発して気相流体に変化するものであればよい。本実施の形態では、この流体は水とする。
【００１１】
排気通路４には、排気ガスの流れ方向の下流側から順に、熱交換器である予熱器１０、蒸発器１２、及び過熱器１４が取り付けられている。ポンプ２４の出口は流体管３１によって予熱器１０に接続されている。予熱器１０は流体管３２によって蒸発器１２に接続されている。蒸発器１２は流体管３３によって過熱器１４に接続されている。ポンプ２４から送り出された水は、予熱器１０において排気ガスから熱を吸収し、高温の熱水になる。熱水は、蒸発器１２においてより高温の排気ガスから熱を吸収して沸騰或いは蒸発し、水蒸気になる。水蒸気は、過熱器１４においてさらに高温の排気ガスから熱を吸収し、過熱水蒸気になる。
【００１２】
過熱器１４は、流体管３３によってタービン１８に接続されている。タービン１８では、過熱器１４から送られた水蒸気を膨張させて仕事を取り出すことが行われる。流体管３３とタービン１８との接続部には、タービンノズル１６が設けられている。水蒸気はタービンノズル１６からタービン１８に噴きつけられ、タービン１８を回転させる。タービン１８の回転は、図示しない減速機を介して内燃機関２の出力軸に伝えられる。つまり、タービン１８で取り出された仕事は、内燃機関２のアシストに用いられる。ただし、タービン１８により発電機を駆動し、発生した電気を蓄電池に蓄えるように構成することもできる。
【００１３】
タービン１８は、流体管３５によって凝縮器２０に接続されている。タービン１８で膨張した水蒸気は、凝縮器２０により冷却されて凝縮し、液相の水に戻される。鉛直方向において凝縮器２０よりも下方には、水を蓄えるキャッチタンク２２が配置されている。凝縮器２０は、流体管３６によってキャッチタンク２２に接続されている。凝縮器２０において水蒸気の凝縮により生じた水は、キャッチタンク２２に一時的に貯留される。キャッチタンク２２は、流体管３７によってポンプ２４の入り口に接続されている。キャッチタンク２２の水は、ポンプ２４によって再び予熱器１０へ送り出される。なお、ポンプ２４は、ベーンポンプ等の容積型のポンプである。
【００１４】
廃熱回収装置１は、タービン１８をバイパスするバイパス回路と、バイパス回路に設けられたバイパス弁４２とを備える。バイパス回路は、流体管３３から分岐してバイパス弁４２に接続される流体管４０と、バイパス弁４２と流体管３５とを接続する流体管４１とにより構成される。バイパス弁４２は、図示しない制御装置からの信号によって動作する制御弁である。
【００１５】
上記のように構成される廃熱回収装置１には、作動中にかかる圧力が異なる２つの流体回路が形成される。ポンプ２４からタービンノズル１６或いはバイパス弁４２までの流体回路は、作動中に高い圧力がかかる高圧回路を構成する。詳しくは、高圧回路には、流体管３１，３２，３３，３４，４０、予熱器１０、蒸発器１２、及び過熱器１４が含まれる。タービン１８或いはバイパス弁４２からポンプ２４までの流体回路は、作動中に低い圧力がかかる低圧回路を構成する。詳しくは、低圧回路には、流体管４１，３５，３６，３７、凝縮器２０、及びキャッチタンク２２が含まれる。
【００１６】
１−２．減圧安全装置の構成
廃熱回収装置１は、高圧回路内の圧力が設定圧力以上になった場合に、高圧回路に低温の水を注入することによって高圧回路内の圧力を減圧する減圧安全装置５１を備える。減圧安全装置５１は、第１ピストン６０Ａと第２ピストン６０Ｂとが軸を同一にして一体化された受圧可動部６０を備える。第１ピストン６０Ａの径は、第２ピストン６０Ｂの径よりも小さい。
【００１７】
減圧安全装置５１は、第１ピストン６０Ａのピストン面である第１受圧部６０ａによって壁面の一部を構成され、受圧可動部６０の軸方向の移動によって容積が変化する第１シリンダ６２を備える。また、減圧安全装置５１は、第２ピストン６０Ｂのピストン面である第２受圧部６０ｂによって壁面の一部を構成され、受圧可動部６０の軸方向の移動によって容積が変化する第２シリンダ６４を備える。第１シリンダ６２と第２シリンダ６４とは軸を同一にして一体化され、その内部に受圧可動部６０が収容されている。つまり、減圧安全装置５１は、受圧面積の異なる２つのシリンダ機構が組み合わされてなる増力機構である。
【００１８】
第１シリンダ６２の内部において、第１ピストン６０Ａに対し、その第１受圧部６０ａとは反対の側には、コイルスプリング６６が収容されている。第２ピストン６０Ｂは、コイルスプリング６６の中心を通って第２シリンダ６４の中に突き出している。コイルスプリング６６は圧縮バネであって、受圧可動部６０に対して第２受圧部６０ｂの側から第１受圧部６０ａの側へ向かう弾性力を作用させている。
【００１９】
第２シリンダ６４の中には液相の水が充填されている。第２シリンダ６４に充填されている水は、キャッチタンク２２に貯留されていた水であり、高圧回路において加熱される前の低温の水である。
【００２０】
第１シリンダ６２の天井部（図の上方を鉛直方向上方とした場合）には、流体管７３の一端が接続されている。流体管７３の他端は、高圧回路を構成する流体管４０に接続されている。流体管７３は、高圧回路内の圧力を第１ピストン６０Ａの第１受圧部６０ａに作用させる圧力導入回路である。
【００２１】
第２シリンダ６４の底部には、流体管７１の一端が接続されている。流体管７１の他端は、高圧回路を構成する蒸発器１２に接続されている。第２シリンダ６４の内部には液相の水が充填されている。流体管７１は、第２シリンダ６４から高圧回路への水の流入を可能にする液相流体注入回路である。流体管７１には、第２シリンダ６４から高圧回路への流体の流れを許容し、その逆方向への流れを防止する逆止弁７５が設けられている。
【００２２】
また、流体管７１には、低圧回路内の液相の水を第２シリンダ６４へ補給するための流体管７２の一端が接続されている。流体管７２は、低圧回路を構成するキャッチタンク２２に接続されている。流体管７２には、低圧回路から第２シリンダ６４への流体の流れを許容し、その逆方向への流れを防止する逆止弁７６が設けられている。
【００２３】
１−３．減圧安全装置の動作
上記のように構成される減圧安全装置５１において、受圧可動部６０の位置は、第１受圧部６０ａに作用する圧力と、第２受圧部６０ｂに作用する圧力と、コイルスプリング６６の弾性力との関係によって決まる。ここで、第１ピストン６０Ａが第１シリンダ６２の天井面に最も近づいたときの受圧可動部６０の位置を、受圧可動部６０の初期位置とする。そして、受圧可動部６０が初期位置にあるときのコイルスプリング６６の縮み量を初期縮み量とする。第１受圧部６０ａの面積をＡ１、第１受圧部６０ａに作用する圧力をＰ１、第２受圧部６０ｂの面積をＡ２、第２受圧部６０ｂに作用する圧力をＰ２、コイルスプリング６６のバネ定数をＫ、コイルスプリング６６の初期縮み量をＸ０で表すと、初期位置において受圧可動部６０に作用する作動力Ｆは、下記の式１で表される。式１で表される作動力Ｆが正の値になったとき、受圧可動部６０は初期位置から第２シリンダ６４の方向へ移動し、第２シリンダ６４の容積を縮小させる。
Ｆ＝（（Ｐ１＊Ａ１）−（Ｐ２＊Ａ２））−Ｋ＊Ｘ０  ・・・式１
【００２４】
図２は、高圧回路内の圧力が上昇した場合の減圧安全装置５１の動作を示す図である。高圧回路内の圧力は、圧力導入回路である流体管７３を介して第１受圧部６０ａに作用する。高圧回路内の圧力が上昇すると、第１受圧部６０ａに作用する圧力も上昇し、受圧可動部６０に作用する作動力Ｆが上昇する。そして、作動力Ｆが正の値になると、第２ピストン６０Ｂを第２シリンダ６４に押し込む力が作用し、第２シリンダ６４内の圧力が上昇する。この間、逆止弁７６は閉じており、第２シリンダ６４内の圧力が高圧回路内の圧力と同じ圧力になったところで逆止弁７５が開く。このときの高圧回路内の圧力が、減圧安全装置５１が作動する設定圧である。設定圧は、流体管や機器の耐圧性に基づいて定められている。減圧安全装置５１が作動するときには、第１受圧部６０ａと第２受圧部６０ｂの両方に設定圧以上の同じ圧力がかかる。コイルスプリング６６のバネ定数Ｋは、上記の式において、Ｐ１とＰ２が設定圧以上になったときに、作動力Ｆが正の値になるように調整されている。
【００２５】
減圧安全装置５１の作動中にて受圧可動部６０に作用する作動力Ｆは、下記の式２で表される。ここで、Ｐは、第１受圧部６０ａと第２受圧部６０ｂの両方に作用する高圧回路内の圧力である。Ｆｓは、コイルスプリング６６のスプリング力（弾性力）であり、受圧可動部６０の初期位置からの移動量をＸで表す場合、下記の式３で表される。式２で表される作動力Ｆがゼロになる位置まで、受圧可動部６０は移動し、その移動量に応じた量の水が第２シリンダ６４から流体管７１を介して高圧回路へ注水される。
Ｆ＝Ｐ＊（Ａ１−Ａ２）−Ｆｓ  ・・・式２
Ｆｓ＝Ｋ＊（Ｘ０＋Ｘ）  ・・・式３
【００２６】
第２シリンダ６４に蓄えられていた低温の水が高圧回路の蒸発器１２に注水されることで、蒸発器１２内の水の沸騰は抑制され、高圧回路内の圧力は低下する。図３は、高圧回路内の圧力が低下した場合の減圧安全装置５１の動作を示す図である。高圧回路内の圧力が低下すると、第１受圧部６０ａに作用する圧力が低下することにより、受圧可動部６０はコイルスプリング６６によって押し戻される。受圧可動部６０が第１シリンダ６２の方向へ移動し、第２シリンダ６４の容積が拡大することで、第２シリンダ６４内の圧力は低下する。これにより、逆止弁７５が閉じるとともに、逆止弁７６が開く。逆止弁７５が閉じることで、第２シリンダ６４から蒸発器１２への注水が停止し、逆止弁７６が開くことで、キャッチタンク２２内の水が流体管７２を介して第２シリンダ６４へ供給される。第２シリンダ６４に水が充填されることにより、減圧安全装置５１は、再び作動な可能な状態となる。
【００２７】
高圧回路内の圧力が上昇する原因には、内燃機関２の排気温度の急上昇に伴う蒸発器１２での沸騰の激化、バイパス弁４２の閉故障、異物の付着によるタービンノズル１６の詰まり等の様々な原因が含まれる。原因がどれであっても、上記のように減圧安全装置５１が動作することにより、高圧回路内の圧力が過剰に上昇することを抑えることができる。また、減圧安全装置５１の作動により高圧回路内の圧力が低下すると、減圧安全装置５１は元の状態へ自動復帰する。ゆえに、高圧回路内の圧力が繰り返し上昇することがあっても、その都度、減圧安全装置５１が作動して圧力を低下させることができる。
【００２８】
１−４．減圧安全装置の安全弁としての動作
高圧回路内の圧力の上昇があまりにも過大である場合、第２シリンダ６４内の水を蒸発器１２に注入しただけでは足りない場合がある。そのような場合、減圧安全装置５１は、高圧回路内の圧力を大気に開放する安全弁として作動する。
【００２９】
図４は、減圧安全装置５１の安全弁としての動作を説明するための図である。第１シリンダ６２には、第１ピストン６０Ａにより仕切られる２つの空間のうち、第１受圧部６０ａとは反対側の空間を大気に開放するための２本の大気開放管６８，６９が接続されている。図２及び図３に示すように、通常、大気開放管６８，６９は、第１シリンダ６２の第１受圧部６０ａの側の空間とは連通していない。しかし、第１受圧部６０ａに作用する圧力の上昇によって、第１ピストン６０Ａが第１シリンダ６２の奥へ押し込まれると、図４に示すように、第１シリンダ６２の側面に接続された大気開放管６９が、第１シリンダ６２の第１受圧部６０ａの側の空間と連通するようになる。これにより、高圧回路内の圧力は、大気開放管６９を介して大気中へ開放される。
【００３０】
減圧安全装置５１を安全弁として作動させる限界圧力は、図４に示す第１シリンダ６２の初期位置からの変位量Ｘ１、つまり、コイルスプリング６６の縮み量で決まる。流体管や機器の強度に基づいて限界圧力が定められ、限界圧力に対応する変位量Ｘ１で大気開放管６９が高圧回路と連通するように、大気開放管６９の接続位置が決められている。
【００３１】
高圧回路内の圧力が上昇した場合、減圧安全装置５１は、まず、第２シリンダ６４内の水を蒸発器１２に注入することによって沸騰を抑制し、高圧回路内の圧力を低下させようとする。そして、第２シリンダ６４内の水を蒸発器１２に注入したにもかかわらず高圧回路内の圧力が上昇し続ける場合に限り、減圧安全装置５１は安全弁として作動し、高圧回路内の圧力を大気中へ開放する。これによれば、過大な圧力が加わることによる流体管や機器の破損を回避しつつ、外界に対する影響を最小限に抑えることができる。
【００３２】
５．減圧安全装置の変形例
以下、減圧安全装置５１の変形例について図を用いて説明する。図５は、第１変形例としての減圧安全装置５２の構成を示す図である。この減圧安全装置５２は、第１シリンダ６２の天井面に、非圧縮性の流体が満たされた容器６３が取り付けられている。圧力導入回路としての流体管７３は、この容器６３に接続されている。非圧縮性の流体はここでは液相の水であり、第１シリンダ６２の第１受圧部６０ａの側の空間にも水が満たされている。容器６３には、第２ピストン６０Ｂの移動による第２シリンダ６４の容積の変化量と同じか、それよりも多い量の水が蓄えられている。減圧安全装置５２の構成によれば、第１ピストン６０Ａの第１受圧部６０ａに対して、より圧力をかかりやすくすることができる。
【００３３】
図６は、第２変形例としての減圧安全装置５３の構成を示す図である。この減圧安全装置５３は、第１変形例の構成において、圧力導入回路としての流体管７３が蒸発器１２に接続されている。蒸発器１２に対する流体管７３の接続位置は、蒸発器１２内の水面Ｈよりも低い位置である。ゆえに、第２変形例の構成では、流体管７３から容器６３の中までが水で満たされている。また、流体管７３と並列に、蒸発器１２と容器６３とを接続する流体管７４が設けられている。流体管７３には、蒸発器１２から容器６３への水の流れのみを許容して逆流を防止する逆止弁７７が設けられている。一方、流体管７４には、容器６３から蒸発器１２への水の流れのみを許容して逆流を防止する逆止弁７８が設けられている。
【００３４】
減圧安全装置５３の構成によれば、高圧回路内の圧力が上昇したとき、蒸発器１２から容器６３へ流体管７３を通って水が流れ、第１シリンダ６２の第１受圧部６０ａに高圧回路内の圧力が作用する。そして、第２シリンダ６４内の低温の水が蒸発器１２へ注入されることで高圧回路内の圧力が低下したとき、容器６３から蒸発器１２へ流体管７４を通って水が流れ、第１シリンダ６２に供給された水が蒸発器１２へ戻される。第１シリンダ６２内の水は、蒸発器１２内の沸騰している水よりも低温であるので、第１シリンダ６２から蒸発器１２へ水が戻されることで、蒸発器１２内の水の沸騰はさらに抑制される。
【００３５】
実施の形態２．
２−１．廃熱回収装置の構成
図７は、実施の形態２の廃熱回収装置１０１の構成を示す図である。実施の形態２の廃熱回収装置１０１は、内燃機関２の排気ガスが持つ廃熱だけでなく、内燃機関２の冷却水が持つ廃熱を回収するように構成される。内燃機関２のシリンダブロック及びシリンダヘッドには、冷媒が流れる冷媒流路６が形成されている。冷媒流路６は、シリンダの周囲を囲むウォータージャケットを含む。内燃機関２が発する熱により冷媒流路６内で冷媒が沸騰し、液相の冷媒が気相の冷媒に変化する際の気化熱によって内燃機関２は冷却される。このとき、冷媒流路６は、内部を流れる液相の冷媒を内燃機関２の熱によって沸騰或いは蒸発させる蒸発器として機能する。本実施の形態では、冷媒として水が用いられている。
【００３６】
内燃機関２の冷媒流路６は、流体管１３５を介して気液分離器１１６に接続されている。冷媒流路６からは気相冷媒とともに液相冷媒が吐出される。気液分離器１１６は、気液分離器１１６内に流入した冷媒を液相冷媒と気相冷媒とに分離する。気液分離器１１６は、流体管１３３を介して冷媒循環ポンプ１２８に接続されている。気液分離器１１６で分離された液相冷媒は、流体管１３３を経由して冷媒循環ポンプ１２８に流入し、冷媒循環ポンプ１２８により冷媒流路６に送られる。
【００３７】
排気通路４には、排気ガスの流れ方向の下流側から順に、熱交換器である予熱器１１０、蒸発器１１２、及び過熱器１１４が取り付けられている。予熱器１１０は流体管１３１によってポンプ１２６の出口に接続されている。ポンプ１２６は、ベーンポンプ等の容積型のポンプであって、液相冷媒を予熱器１１０へ圧送している。予熱器１１０には流体管１３２が接続され、この流体管１３２の他端は流体管１３３に接続されている。また、流体管１３３において、流体管１３２が接続された位置よりも気液分離器１１６の側の位置には、流体管１３４が接続されている。この流体管１３４の他端は蒸発器１１２に接続されている。蒸発器１１２は、流体管１３６によって気液分離器１１６に接続されている。気液分離器１１６は、流体管１３７によって過熱器１１４に接続されている。
【００３８】
ポンプ１２６から送り出された液相冷媒は、予熱器１１０において排気ガスから熱を吸収する。予熱器１１０で加熱された液相冷媒は、気液分離器１１６で分離された液相冷媒とともに蒸発器１１２に供給される。液相冷媒は、蒸発器１１２においてより高温の排気ガスから熱を吸収して沸騰或いは蒸発し、気相冷媒になる。蒸発器１１２で生じた気相冷媒は、内燃機関２の冷媒流路６から吐出された気相冷媒とともに、気液分離器１１６を経由して過熱器１１４に供給される。気相冷媒は、過熱器１１４においてさらに高温の排気ガスから熱を吸収し、過熱蒸気になる。
【００３９】
過熱器１１４は、流体管１３８によってタービン１２０に接続されている。タービン１２０では、過熱器１１４から送られた気相冷媒を膨張させて仕事を取り出すことが行われる。流体管１３８とタービン１２０との接続部には、タービンノズル１１８が設けられている。気相冷媒はタービンノズル１１８からタービン１２０に噴きつけられ、タービン１２０を回転させる。タービン１２０の回転は、図示しない減速機を介して内燃機関２の出力軸に伝えられるか、或いは、発電機の駆動に用いられる。
【００４０】
タービン１２０は、流体管１３９によって凝縮器１２２に接続されている。タービン１２０で膨張した気相冷媒は、凝縮器１２２により冷却されて凝縮し、液相冷媒に戻される。鉛直方向において凝縮器１２２よりも下方には、液相冷媒を蓄えるキャッチタンク１２４が配置されている。凝縮器１２２は、流体管１４０によってキャッチタンク１２４に接続されている。キャッチタンク１２４は、流体管１４１によってポンプ１２６の入り口に接続されている。キャッチタンク１２４の水は、ポンプ１２６によって再び予熱器１１０へ送り出される。
【００４１】
廃熱回収装置１０１は、タービン１２０をバイパスするバイパス回路と、バイパス回路に設けられたバイパス弁１５２とを備える。バイパス回路は、流体管１３７から分岐してバイパス弁１５２に接続される流体管１５０と、バイパス弁１５２と流体管１３９とを接続する流体管１５１とにより構成される。バイパス弁１５２は、図示しない制御装置からの信号によって動作する制御弁である。
【００４２】
廃熱回収装置１０１は、減圧安全装置５１を備える。減圧安全装置５１の構成は、実施の形態１で説明したとおりである。減圧安全装置５１の第２シリンダ６４には、内燃機関２の冷却に用いられている液相冷媒が充填されている。圧力導入回路としての流体管７３は、高圧回路を構成する流体管１５０に接続されている。液相流体注入回路としての流体管７１は、高圧回路を構成する流体管１３２に接続されている。また、第２シリンダ６４に液相冷媒を補充するための流体管７２は、低圧回路を構成するキャッチタンク１２４に接続されている。減圧安全装置５１は、高圧回路内の圧力が設定圧力以上になった場合に、高圧回路に低温の液相冷媒を注入することによって高圧回路内の圧力を減圧するように構成されている。
【００４３】
なお、実施の形態２の廃熱回収装置１０１は、減圧安全装置５１に代えて、その変形例である減圧安全装置５２（図５参照）又は減圧安全装置５３（図６参照）を備えることもできる。
【００４４】
２−２．廃熱回収装置の車両への搭載例
図８は、実施の形態２の廃熱回収装置１０１の車両への搭載例を示す側面視図である。また、図９は、実施の形態２の廃熱回収装置１０１の車両への搭載例を示す前面視図である。この搭載例では、車両前部のボンネット２０４の下に内燃機関２と変速機２００とが横置きされている。廃熱回収装置１０１を構成する過熱器１１４は、内燃機関２の排気マニホールドと一体化されている。過熱器１１４は、内燃機関２に対して車両の進行方向前方の側に配置される。過熱器１１４の近傍には気液分離器１１６が配置される。図９に示すように、気液分離器１１６は、車両の前面から見て、内燃機関２と並ぶように変速機２００の上方に配置される。
【００４５】
ボンネット２０４の下の最前方、すなわち、走行風を最も受けやすい位置には凝縮器１２２が配置される。そして、凝縮器１２２と内燃機関２との間の位置に、減圧安全装置５１が配置される。減圧安全装置５１は、第１シリンダ６２が鉛直方向上方に位置し、第２シリンダ６４が鉛直方向下方に位置するように、直立して配置される。また、車両の前面から見て、凝縮器１２２の底部から第２シリンダ６４が下方に突き出るように、減圧安全装置５１の搭載位置が調整されている。このような位置に減圧安全装置５１を配置することにより、第２シリンダ６４を走行風で冷却することができる。第２シリンダ６４を冷却してその中に充填されている液相冷媒の温度を下げることで、液相冷媒の注入によって高圧回路の圧力を低下させる効果を高めることができる。
【００４６】
実施の形態３．
図１０は、実施の形態３の減圧安全装置５４の構成を示す図である。実施の形態３の減圧安全装置５４は、ダイヤフラム機構とシリンダ機構とが組み合わされてなる増力機構として構成されている。具体的には、減圧安全装置５４は、ダイヤフラム８０とピストン８１とからなる受圧可動部を備える。また、減圧安全装置５４は、ダイヤフラム８０を収めるダイヤフラム室８２と、ダイヤフラム室８２と軸を同一にして一体化されたシリンダ８４とを備える。シリンダ８４の中には液相流体が充填されている。ピストン８１はシリンダ８４の中を軸方向に移動する。この構成では、ダイヤフラム８０のピストン８１が取り付けられていない側の面が第１受圧部８０ａであり、ピストン８１のシリンダ８４内の面が第２受圧部８１ａである。
【００４７】
ダイヤフラム８０で仕切られたダイヤフラム室８２の２つの空間のうち、ピストン８１が配置されている側の空間には、コイルスプリング８６が収容されている。ピストン８１は、コイルスプリング８６の中心を通ってシリンダ８４の中に突き出している。コイルスプリング８６は圧縮バネであって、ダイヤフラム８０とピストン８１とからなる受圧可動部に対して第２受圧部８１ａの側から第１受圧部８０ａの側へ向かう弾性力を作用させている。コイルスプリング８６のバネ定数は、高圧回路内の圧力が設定圧力以上になったときに、受圧可動部がコイルスプリング８６の弾性力に抗して第１受圧部８０ａの側から第２受圧部８１ａの側へ移動するように調整されている。
【００４８】
ダイヤフラム８０で仕切られたダイヤフラム室８２の２つの空間のうち、ダイヤフラム８０の受圧面である第１受圧部８０ａの側の空間には、流体管７３が接続されている。流体管７３は、高圧回路内の圧力を第１受圧部８０ａに作用させる圧力導入回路である。また、ダイヤフラム室８２のもう一方の空間には、その空間を大気に開放するための大気開放管８８が接続されている。
【００４９】
シリンダ８４には、シリンダ８４から高圧回路への液相流体の流入を可能にする液相流体注入回路としての流体管７１が接続されている。流体管７１には、シリンダ８４から高圧回路への流体の流れを許容し、その逆方向への流れを防止する逆止弁７５が設けられている。また、流体管７１には、低圧回路内の液相流体をシリンダ８４へ補給するための流体管７２が接続されている。流体管７２には、低圧回路からシリンダ８４への流体の流れを許容し、その逆方向への流れを防止する逆止弁７６が設けられている。
【００５０】
以上のように構成される減圧安全装置５４は、実施の形態１の廃熱回収装置１或いは実施の形態２の廃熱回収装置１０１において、減圧安全装置５１の代替として用いることができる。
【００５１】
その他実施の形態．
圧力導入回路としての流体管７３の接続先は、高圧回路の圧力を取り出すことができる場所であれば、上記の実施の形態には限定されない。例えば、過熱器１４，１１４に流体管７３を接続してもよい。液相流体注入回路としての流体管７１の接続先は、高圧回路に液相流体を注水することができる場所であれば、上記の実施の形態には限定されない。例えば、蒸発器１２，１１２よりも下流の部位に流体管７１を接続してもよい。液相流体を補給するための流体管７２の接続先は、低圧回路内の液相流体が存在している場所であれば、上記の実施の形態には限定されない。例えば、ポンプ２４，１２６の入口付近に流体管７２を接続してもよい。
【符号の説明】
【００５２】
１，１０１  廃熱回収装置
２  内燃機関
４  排気通路
６  冷媒流路（蒸発器）
１０，１１０  予熱器
１２，１１２  蒸発器
１４，１１４  過熱器
１６，１１８  タービンノズル
１８，１２０  タービン
２０，１２２  凝縮器
２２，１２４  キャッチタンク
２４，１２６  ポンプ
４２，１５２  バイパス弁
５１，５２，５３，５４  減圧安全装置
６０  受圧可動部
６０Ａ  第１ピストン
６０ａ  第１受圧部
６０Ｂ  第２ピストン
６０ｂ  第２受圧部
６２  第１シリンダ
６４  第２シリンダ
６６  コイルスプリング
７１  流体管（液相流体注入回路）
７２  流体管（圧力導入回路）
８０  ダイヤフラム
８０ａ  第１受圧部
８１  ピストン
８１ａ  第２受圧部
８２  ダイヤフラム室
８４  シリンダ
８６  コイルスプリング
１１６  気液分離器
１２８  冷媒循環ポンプ
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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