(57)【要約】【課題】比較的高温の熱源と比較的低温の熱源の両方の熱源からの熱を回収すると共に、比較的低温の熱源からの熱を作動流体の蒸発に使用することで十分に回収できて、より高い熱利用効果を得ることができる多段ランキンサイクルシステム、及び、それを備えた内燃機関を提供する。【解決手段】第１作動流体用ポンプと第１蒸発器と第１膨張機と第１凝縮器とを有して、第１作動流体を循環させて第１熱源からの熱を回収する第１ランキンサイクルシステムと、第２作動流体用ポンプと第２蒸発器と第２膨張機と第２凝縮器とを有して第２作動流体を循環させて第２熱源からの熱を回収するする第２ランキンサイクルシステムとを備えた多段ランキンサイクルシステムにおいて、第１膨張機から流出した第１作動流体を第１凝縮器の高温側配管に導入し、第２蒸発器から流出した第２作動流体を第１蒸発器の低温側伝熱管を通過させた後に第２膨張機に流入させる。【選択図】図１
2018021485.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
第１ランキンサイクルシステムと第２ランキンサイクルシステムとを備えた多段ランキンサイクルシステムにおいて、
前記第１ランキンサイクルシステムでは、第１作動流体用ポンプと第１蒸発器の低温側伝熱管と第１膨張機と第１凝縮器の高温側伝熱管と前記第１作動流体用ポンプとが順に配管で接続されて、第１作動流体が循環するように構成されていると共に、第１熱源である第１熱源流体が前記第１蒸発器の高温側伝熱管を通過するように配管で接続されており、
前記第２ランキンサイクルシステムでは、第２作動流体用ポンプと第２蒸発器の低温側伝熱管と第１凝縮器の低温側伝熱管と第２膨張機と第２凝縮器の高温側伝熱管と第２作動流体用ポンプとが順に配管で接続されて、第２作動流体が循環するように構成されていると共に、第２熱源である第２熱源流体が前記第２蒸発器の高温側伝熱管を通過するように配管で接続されていることを特徴とする多段ランキンサイクルシステム。
【請求項２】
前記第１ランキンサイクルシステムに復熱装置を設け、前記復熱装置の低温側伝熱管の入口側が前記第１作動流体用ポンプに、出口側が前記第１蒸発器の低温側伝熱管にそれぞれ配管で接続されており、
前記復熱装置の高温側伝熱管の入口側が前記第１膨張機に、出口側が前記第１凝縮器の高温側伝熱管に配管で接続されていることを特徴とする請求項１に記載の多段ランキンサイクルシステム。
【請求項３】
前記第１膨張機と前記第２膨張機が同じ駆動軸を駆動するように構成されていることを特徴とする請求項１又は２に記載の多段ランキンサイクルシステム。
【請求項４】
前記第１熱源流体が内燃機関から発生する排気ガスであり、前記第２熱源流体が前記内燃機関のエンジン冷却水であることを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載の多段ランキンサイクルシステム。
【請求項５】
請求項４に記載の多段ランキンサイクルシステムを備えたことを特徴とする内燃機関。
【請求項６】
第１作動流体用ポンプと、第１蒸発器と、第１膨張機と、第１凝縮器とを有して第１作動流体を循環させる第１ランキンサイクルシステムと、第２作動流体用ポンプと、第２蒸発器と、第２膨張機と、第２凝縮器とを有して第２作動流体を循環させる第２ランキンサイクルシステムとを備えた多段ランキンサイクルシステムの運転方法において、
前記第１ランキンサイクルシステムでは、第１作動流体を、前記第１作動流体用ポンプにより前記第１蒸発器に送り、前記第１蒸発器で第１熱源の熱を利用して第１作動流体を蒸発させ、この蒸発状態の第１作動流体で前記第１膨張機を駆動して、第１膨張機から出た第１作動流体を前記第１凝縮器で液化して前記第１作動流体用ポンプに循環させると共に、
前記第２ランキンサイクルシステムでは、第２作動流体を、前記第２作動流体用ポンプにより前記第２蒸発器に送り、前記第２蒸発器で第２熱源の熱を利用して第２作動流体を蒸発させ、この蒸発状態の第２作動流体を前記第１凝縮器に送り、前記第１凝縮器で、第１作動流体からの熱を前記第２作動流体に移動した後に、この蒸発状態の第２作動流体で前記第２膨張機を駆動して、前記第２膨張機から出た第２作動流体を前記第２凝縮器で液化して前記第２作動流体用ポンプに循環させることを特徴とする多段ランキンサイクルシステムの運転方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、高温側熱源と低温側熱源の両方の熱源からの熱を回収でき、より高い燃費改善効果が見込める多段ランキンサイクルシステム、内燃機関、及び多段ランキンサイクルシステムの運転方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
車両に搭載した内燃機関等の排熱を利用するランキンサイクルシステムとして、排気ガスの高温廃熱源の熱を使用して第１の有機ランキンサイクル（ＯＲＣ）で第１の作動流体を蒸発し、ジャケット冷却水の低温廃熱源の熱を使用して第２の有機ランキンサイクルで第２の作動流体を蒸発温度よりも低い温度まで加熱する、内燃機関からの排熱を利用するカスケード型有機ランキンサイクルシステムが知られている（例えば、特許文献１参照）。
【０００３】
このランキサイクルシステムでは、一つの熱交換器で第１の有機作動流体の凝縮と、第２有機作動流体の蒸発を行っている。言い換えれば、この熱交換器を第１の有機ランキンサイクルの凝縮器と第２の有機ランキンサイクルの蒸発器とを兼用している。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特表２０１０−５４０８３７号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、このランキサイクルシステムでは、この熱交換器の上流側にヒートシンクを設けて、ジャケット冷却水の低温廃熱源により、第２の作動流体を蒸発温度よりも低い温度まで、即ち、液体状態を維持したままで加熱している。そのため、低温廃熱源の熱の利用は第２の作動流体の液体状態における昇温のみであり、第２の作動流体の蒸発には利用されていないので、十分に熱利用できていないという問題がある。
【０００６】
本発明の目的は、高温側熱源と低温側熱源の両方の熱源からの熱を回収すると共に、低温側熱源からの熱を作動流体の蒸発に使用することで十分に熱回収できて、より高い熱利用効果を得ることができる多段ランキンサイクルシステム、内燃機関、及び多段ランキンサイクルシステムの運転方法を提供することにある。
【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の本発明の多段ランキンサイクルシステムは、第１ランキンサイクルシステムと第２ランキンサイクルシステムとを備えた多段ランキンサイクルシステムにおいて、前記第１ランキンサイクルシステムでは、第１作動流体用ポンプと第１蒸発器の低温側伝熱管と第１膨張機と第１凝縮器の高温側伝熱管と前記第１作動流体用ポンプとが順に配管で接続されて、第１作動流体が循環するように構成されていると共に、第１熱源である第１熱源流体が前記第１蒸発器の高温側伝熱管を通過するように配管で接続されており、前記第２ランキンサイクルシステムでは、第２作動流体用ポンプと第２蒸発器の低温側伝熱管と第１凝縮器の低温側伝熱管と第２膨張機と第２凝縮器の高温側伝熱管と第２作動流体用ポンプとが順に配管で接続されて、第２作動流体が循環するように構成されていると共に、第２熱源である第２熱源流体が前記第２蒸発器の高温側伝熱管を通過するように配管で接続されていることを特徴とするシステムである。
【０００８】
なお、ここでいう「配管で接続」とは、それぞれの機器の間で作動流体が流通できればよく、通常は配管を介して相互の機器が接続されるが、相互の機器の間に配管があることが必須であることを意味せず、直接接続されている構造であってもよい。
【０００９】
また、上記の目的を達成するための本発明の内燃機関は、上記の多段ランキンサイクルシステムを備えていることを特徴とする内燃機関である。
【００１０】
上記の目的を達成するための本発明の多段ランキンサイクルシステムの運転方法は、第１作動流体用ポンプと、第１蒸発器と、第１膨張機と、第１凝縮器とを有して第１作動流体を循環させる第１ランキンサイクルシステムと、第２作動流体用ポンプと、第２蒸発器と、第２膨張機と、第２凝縮器とを有して第２作動流体を循環させる第２ランキンサイクルシステムとを備えた多段ランキンサイクルシステムの運転方法において、前記第１ランキンサイクルシステムでは、第１作動流体を、前記第１作動流体用ポンプにより前記第１蒸発器に送り、前記第１蒸発器で第１熱源の熱を利用して第１作動流体を蒸発させ、この蒸発状態の第１作動流体で前記第１膨張機を駆動して、第１膨張機から出た第１作動流体を前記第１凝縮器で液化して前記第１作動流体用ポンプに循環させると共に、前記第２ランキンサイクルシステムでは、第２作動流体を、前記第２作動流体用ポンプにより前記第２蒸発器に送り、前記第２蒸発器で第２熱源の熱を利用して第２作動流体を蒸発させ、この蒸発状態の第２作動流体を前記第１凝縮器に送り、前記第１凝縮器で、第１作動流体からの熱を前記第２作動流体に移動した後に、この蒸発状態の第２作動流体で前記第２膨張機を駆動して、前記第２膨張機から出た第２作動流体を前記第２凝縮器で液化して前記第２作動流体用ポンプに循環させることを特徴とする運転方法である。
【発明の効果】
【００１１】
本発明の多段ランキンサイクルシステム、内燃機関、及び多段ランキンサイクルシステムの運転方法によれば、高温側熱源と低温側熱源の両方の熱源からの熱を回収すると共に、低温側熱源からの熱を作動流体の蒸発に使用することで十分に熱回収できて、より高い熱利用効果を得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
【図１】本発明に係る第１の実施の形態の多段ランキンサイクルシステムの構成を模式的に示す図である。
【図２】本発明に係る第２の実施の形態の多段ランキンサイクルシステムの構成を模式的に示す図である。
【図３】比較例における多段ランキンサイクルシステムの構成を模式的に示す図である。
【図４】ランキンサイクルシステムの説明用のＰ−Ｖ線図である。
【図５】ランキンサイクルシステムの説明用のＴ−ｓ線図である
【発明を実施するための形態】
【００１３】
以下、本発明に係る実施の形態の多段ランキンサイクルシステム、内燃機関、及び多段ランキンサイクルシステムの運転方法について図面を参照しながら説明する。なお、ここでは、多段ランキンサイクルシステムを、車両に搭載されたディーゼルエンジンの排気ガスを高温側熱源の第１熱源の第１熱源流体として利用し、エンジン冷却水を低温側熱源の第２熱源の第２熱源流体として利用する例を示して説明する。
【００１４】
しかし、本発明の多段ランキンサイクルシステム、内燃機関及び多段ランキンサイクルシステムの運転方法では、これに限定されず、車両に搭載されたディーゼルエンジン以外の熱源及び熱源流体を使用するものであってもよい。例えば、定置式の内燃機関であってもよく、内燃機関以外からの熱源及び熱源流体であってもよい。
【００１５】
また、以下の「配管で接続」とは、それぞれの機器の間で作動流体が流通できればよく、通常は配管を介して相互の機器が接続されるが、相互の機器の間に配管があることが必須であることを意味せず、直接接続されている構造であってもよい。
【００１６】
そして、図１に示すように、本発明に係る第１の実施の形態の多段ランキンサイクルシステム１は、第１ランキンサイクルシステム１０と第２ランキンサイクルシステム２０とを備えたシステムである。
【００１７】
この第１ランキンサイクルシステム１０では、第１作動流体用ポンプ１２と第１蒸発器１３の低温側伝熱管と第１膨張機１４と第１凝縮器１５の高温側伝熱管と第１作動流体用ポンプ１２とが順に配管で接続されて、第１作動流体Ｆｗ１が循環するように構成されている。
【００１８】
また、それと共に、第１熱源である第１熱源流体Ｇが第１蒸発器１３の高温側伝熱管を通過するように配管で接続されている。ここでは、この第１熱源流体Ｇは、エンジン本体２から排出される排気ガスＧである。つまり、第１熱源として、エンジン本体２から排出され、ターボ式過給機のタービン３と、排気ガスＧを浄化する後処理装置４を通過した後の排気ガスＧを利用する。この排気ガスＧは、第１蒸発器１３の高温側伝熱管を通過して、その熱を第１蒸発器１３の低温側伝熱管を通過する第１作動流体Ｆｗ１に与えて、第１作動流体Ｆｗ１を蒸発させる。
【００１９】
一方、第２ランキンサイクルシステム２０では、第２作動流体用ポンプ２２と第２蒸発器２３の低温側伝熱管と第１凝縮器１５の低温側伝熱管と第２膨張機２４と第２凝縮器２５の高温側伝熱管と第２作動流体用ポンプ１２とが順に配管で接続されて、第２作動流体Ｆｗ２が循環するように構成されている。
【００２０】
また、それと共に、第２熱源である第２熱源流体Ｗｅが第２蒸発器２３の低温側伝熱管を通過するように配管で接続されている。ここでは、この第２熱源流体Ｗｅは、エンジン本体２を冷却するエンジン冷却水Ｗｅである。つまり、第２熱源として、冷却水ポンプ６から供給され、エンジン本体２とＥＧＲクーラー５をそれぞれ通過して昇温した後に合流したエンジン冷却水Ｗｅを利用する。このエンジン冷却水Ｗｅは、第２蒸発器２３の高温側伝熱管を通過して、その熱を第２蒸発器２３の低温側伝熱管を通過する第２作動流体Ｆｗ２に熱を与えて、第２作動流体Ｆｗ２を蒸発させる。
【００２１】
そして、第１作動流体Ｆｗ１には、排気ガスＧなどの２００℃〜４００℃程度の比較的高温の熱源の熱を回収するのに適した、有機系の冷媒が使用される。この有機系の冷媒としては、水とエタノール、水とメタノール、又は水とエチレングリコールなどの二成分系の混合媒体を用いることができるが、純水やエタノールのみを用いてよい。また、ｎ−ペンタンやトルエンのような低沸点の有機液体を使用してもよい。
【００２２】
また、第２作動流体Ｆｗ２には、エンジン冷却水Ｗｅなどの８０℃〜１００℃程度の比較的低温の熱源の熱を回収するのに適した、フロン系の冷媒が使用される。このフロン系の冷媒としては、Ｒ１２３、Ｒ１３４ａ、Ｒ２３６ｆａ、Ｒ２４５ｆａなどを用いることができる。
【００２３】
また、第１作動流体用ポンプ１２は液体状態の第１作動流体Ｆｗ１を、第１ランキンサイクルシステム１０の中を循環させる装置である。また、第２作動流体用ポンプ２２は、液体の状態の第２作動流体Ｆｗ２を第２ランキンサイクル２０の中を循環させる装置である。
【００２４】
また、第１蒸発器１３及び第２蒸発器２３は、エバポレータとも呼ばれる装置で、減圧することによって液体を積極的に蒸発させる機能をもつ装置であり、ボイラーなどで構成される。この第１蒸発器１３における高温側の第１熱源としては、車載のディーゼルエンジンの排気ガスＧ、特に、後処理装置４を通過した後の排気ガスＧを熱源としているが、ＥＧＲガス、過給器で圧縮された吸入空気などを熱源にしてもよい。また、第２蒸発器２３における低温側の熱源としては、エンジン本体２とＥＧＲクーラー５で吸熱後のエンジン冷却水Ｗｅが高温になるので好ましい。
【００２５】
また、第１膨張機１４と第２膨張機２４は、エキスパンダーとも呼ばれる装置で、高圧の蒸気を断熱膨張させて低圧の蒸気にする際に、回転トルクなどの機械的エネルギーを取り出す機能を持つ装置であり、タービンなどで構成される。ここでは、第１膨張機１４と第２膨張機２４は同じ駆動軸（タービン軸）１４ａを回転させるように構成されている。
【００２６】
この駆動軸１４ａで取り出したエネルギーの用途については、特に図示しないが、エンジンを回転補助（アシスト）する場合は、エンジンのクランク軸が駆動軸１４ａに接続され、発電に用いる場合は、発電機が駆動軸１４ａに連結され、この発電した電力は、バッテリーに充電されて、エンジンを搭載している車両の電装部品等に使用される。
【００２７】
また、第１凝縮器１５と第２凝縮器２５は、コンデンサや復水器ともよばれる装置で、蒸気（気体）を冷却して液体にする機能を持つ装置である。ここでは、第１凝縮器１５の第１作動流体Ｆｗ１は、第２蒸発器２３を出た第２作動流体Ｆｗ２により冷却される。この構成により、第１ランキンサイクルシステム１０の第１凝縮器１５に第２ランキンサイクルシステム２０の気体状態の第２作動流体Ｆｗ２を過熱する過熱器（スーパーヒーター）としての機能を持たせている。
【００２８】
一方、第２凝縮器２５の第２作動流体Ｆｗ２は、空気（外気、大気）Ａにより冷却される。この空冷の場合は、通常は冷却ファン（図示しない）が配置される。この構成によれば、高温側の第１ランキンサイクルシステム１０の第１作動流体Ｆｗ１の冷却部を、低温側の第２ランキンサイクルシステム２０の第２作動流体Ｆｗ２の熱回収部としているので、２つのランキンサイクルシステム１０，２０であっても、外部への放熱部は一つの第２凝縮器２５のみで済むことになる。
【００２９】
なお、第２作動流体Ｆｗ２を冷却する第２凝縮器２５は、必ずしも、空冷に限定する必要は無く、水冷でもよい。例えば、ラジエータ７で放熱して降温したエンジン冷却水Ｗｅで冷却してもよい。
【００３０】
次に本発明に係る第１の実施の形態の多段ランキンサイクルシステムの運転方法について説明する。この第１の実施の形態の多段ランキンサイクルシステム１における多段ランキンサイクルシステムの運転方法は、図１に示すような、第１作動流体用ポンプ１２と、第１蒸発器１３と、第１膨張機１４と、第１凝縮器１５とを有してなる第１ランキンサイクルシステム１０と、第２作動流体用ポンプ２２と、第２蒸発器２３と、第２膨張機２４と、第２凝縮器２５とを有してなる第２ランキンサイクルシステム２０とを備えた多段ランキンサイクルシステム１の運転方法である。
【００３１】
この多段ランキンサイクルシステムの運転方法において、第１ランキンサイクルシステム１０では、第１作動流体Ｆｗ１を、第１作動流体用ポンプ１２により第１蒸発器１３に送り、第１蒸発器１３で第１熱源の排気ガスＧの熱を利用して第１作動流体Ｆｗ１を蒸発させる。この蒸発状態の第１作動流体Ｆｗで第１膨張機１４を駆動して、第１膨張機１４から出た第１作動流体Ｆｗ１を第１凝縮器１５で液化して第１作動流体用ポンプ１２に循環させる。
【００３２】
より詳細には、この第１ランキンサイクルシステム１０では、図４及び図５に示すように、第１作動流体用容器（図示しない）に貯蔵されている第１作動流体Ｆｗ１を第１作動流体用ポンプ１２により液体の状態（Ｃ１）で圧縮して循環させて（Ｗｉｎ）、圧縮された液体の状態（Ｃ２）で、第１蒸発器１３に送り、この第１蒸発器１３で、排気ガスＧからの熱を受けて（Ｑｉｎ）、第１作動流体Ｆｗ１を気化させて過熱蒸気とする。そして、この気化して定圧的に加熱された高圧の過熱蒸気の状態（Ｃ３）の第１作動流体Ｆｗ１を第１膨張機１４で断熱膨張させて駆動力を取り出し（Ｗｏｕｔ）、この低圧となった気体の状態（Ｃ４）の第１作動流体Ｆｗ１を第１凝縮器１５に送り、この第１凝縮器１５で、外部に熱を放出して（Ｑｏｕｔ）第１作動流体Ｆｗを液化させ、これを作動流体用容器及び第１作動流体用ポンプ１２に送っている。
【００３３】
一方、第２ランキンサイクルシステム２０では、第２作動流体Ｆｗ２を、第２作動流体用ポンプ２２により第２蒸発器２３に送り、この第２蒸発器２３で第２熱源のエンジン冷却水Ｗｅの熱を利用して第２作動流体を蒸発させる。この蒸発状態の第２作動流体Ｆｗ２を第１凝縮器１５に送り、第１凝縮器１５で、第１作動流体Ｆｗ１からの熱を第２作動流体Ｆｗ２に移動して蒸気状態の第２作動流体Ｆｗ２を過熱する。その後に、この蒸気状態の第２作動流体Ｆｗ２で第２膨張機１４を駆動して、第２膨張機１４から出た第２作動流体Ｆｗ２を第２凝縮器２５で液化して第２作動流体用ポンプ２２に循環させる。
【００３４】
より詳細には、この第２ランキンサイクルシステム２０では、同じく、図４及び図５に示すように、第２作動流体用容器（図示しない）に貯蔵されている第２作動流体Ｆｗ２を第２作動流体用ポンプ２２により液体の状態（Ｃ１）で圧縮して循環させて（Ｗｉｎ）、圧縮された液体の状態（Ｃ２）で、第２蒸発器２３に送り、この第２蒸発器２３で、エンジン冷却水Ｗｅ（図２，４等では排気ガスＧで表示）からの熱を受けて（Ｑｉｎ）、第２作動流体Ｆｗ２を気化（蒸発）させると共に、第１凝縮器１５で過熱して過熱蒸気とする。そして、この気化して定圧的に加熱された高圧の過熱蒸気の状態（Ｃ３）の第２作動流体Ｆｗ２を第２膨張機２４で断熱膨張させて駆動力を取り出し（Ｗｏｕｔ）、この低圧となった気体の状態（Ｃ４）の第２作動流体Ｆｗ２を第２凝縮器２５に送り、この第２凝縮器２５で、外部に熱を放出して（Ｑｏｕｔ）第２作動流体Ｆｗ２を液化させ、これを第２作動流体用容器及び第２作動流体用ポンプ２２に送っている。
【００３５】
この多段ランキンサイクルシステム１における熱移動を見ると、第１熱源である排気ガスＧの熱は、第１蒸発器１３で排気ガスＧから第１作動流体Ｆｗ１に移動し、第１膨張機１４で機械的エネルギーに変換される。また、第２熱源であるエンジン冷却水Ｗｅの熱は、第２蒸発器２３でエンジン冷却水Ｗｅから第２作動流体Ｆｗ２に移動し、第２膨張機２４で機械的エネルギーに変換される。
【００３６】
従って、本発明では、第１凝縮器１５で、第１作動流体Ｆｗ１を第２作動流体Ｆｗ２で冷却する、言い換えれば、第１作動流体Ｆｗ１で第２作動流体Ｆｗ２を過熱することにより、第１膨張機１４で使い切れなかった第１作動流体Ｆｗ１の熱エネルギーを第２作動流体Ｆｗ２に与えて、第２膨張機２４で機械的エネルギーに変換するので、熱回収効率を向上させることができる。
【００３７】
そして、図２に示すように、本発明に係る第２の実施の形態の多段ランキンサイクルシステム１Ａは、さらに、第１ランキンサイクルシステム１０Ａにおいて、復熱装置１６を設け、この復熱装置１６の低温側伝熱管の入口側が第１作動流体用ポンプ１２に、復熱装置１６の低温側伝熱管の出口側が第１蒸発器１３の低温側伝熱管にそれぞれ配管で接続されている。それと共に、復熱装置１６の高温側伝熱管の入口側が第１膨張機１４に、復熱装置１６の高温側配管の出口側が第１凝縮器１５の高温側伝熱管に配管で接続されて構成されている。これ以外の構成は、第1の実施の形態の多段ランキンサイクルシステム１と同じである。
【００３８】
この復熱装置１６は、レキュペレータともよばれる装置で、高温側の気体の熱で低温側の液体を加熱、逆に言えば、低温側の液体で高温側の気体を冷却する機能を持つ装置である。ここでは、第１作動流体用ポンプ１２からの低温側の液体状態の第１作動流体Ｆｗ１を、第１膨張機１４からの高温側の気体状態の第１作動流体Ｆｗ１で加熱して予熱する。その一方で、第１凝縮器１５に入る低温側の気体状態の第１作動流体Ｆｗ１を降温させて、第２蒸発器からの高温側の気体状態の第２作動流体Ｆｗ２との温度差を大きくして、エンジン冷却水Ｗｅから熱を回収した第２作動流体Ｆｗ２から第１作動流体Ｆｗ１への熱移動の効率を向上させる。これにより、エンジン冷却水Ｗｅからの熱回収の熱効率を高める。
【００３９】
次に本発明に係る第２の実施の形態の多段ランキンサイクルシステムの運転方法について説明する。この第２の実施の形態の多段ランキンサイクルシステム１Ａにおける多段ランキンサイクルシステムの運転方法は、図２に示すような、第１作動流体用ポンプ１２と、第１蒸発器１３と、第１膨張機１４と、第１凝縮器１５に加えて復熱装置１６を有してなる第１ランキンサイクルシステム１０Ａと、第２作動流体用ポンプ２２と、第２蒸発器２３と、第２膨張機２４と、第２凝縮器２５とを有してなる第２ランキンサイクルシステム２０とを備えた多段ランキンサイクルシステム１Ａの運転方法である。
【００４０】
この多段ランキンサイクルシステムの運転方法において、第１ランキンサイクルシステム１０では、第１作動流体Ｆｗ１を、第１作動流体用ポンプ１２により第１蒸発器１３に送り、第１蒸発器１３で第１熱源の排気ガスＧの熱を利用して第１作動流体Ｆｗ１を蒸発させる。この蒸発状態の第１作動流体Ｆｗで第１膨張機１４を駆動して、第１膨張機１４から出た第１作動流体Ｆｗ１を、復熱装置１６を通過させて、第１膨張機１４から出た第１作動流体Ｆｗ１の熱を、第１蒸発器１３に流入する前の第１作動流体Ｆｗ１に伝熱して昇温した後に、第１凝縮器１５に送る。この第１作動流体Ｆｗ１を第１凝縮器１５で液化して第１作動流体用ポンプ１２に循環させる。
【００４１】
この第２の実施の形態の多段ランキンサイクルシステム１Ａにおける熱移動を見ると、第１の実施の形態の多段ランキンサイクルシステム１における熱移動に加えて、復熱装置１６における第１作動流体用ポンプ１２から出て第１蒸発器１３に入る前の液体状態の第１作動流体Ｆｗ１を、第１膨張機１４から出て第１凝縮器１５に入る前の気体状態の第１作動流体Ｆｗ１で加熱するので、第１蒸発器１３における蒸発及び第１凝縮器１５における液化をより効率よく促進することができるようになる。これにより、熱回収効率を向上させることができる。
【００４２】
この本発明に係る実施の形態の多段ランキンサイクルシステム１、１Ａと、図３に示すひとつのランキンサイクルのみで構成される、比較例のランキンサイクルシステム１Ｘは、第１作動流体用ポンプ１２と第１蒸発器１３と第１膨張機１４と第１凝縮器１５とを有して、第１作動流体Ｆｗ１を循環させて第１熱源である排気ガスＧからの熱を回収するシステムであるが、第１凝縮器１で第１作動流体Ｆｗ１をエンジン冷却水Ｗｅで冷却して液体に戻している。そのため、エンジン冷却水Ｗｅの熱エネルギーを熱回収で利用できないのみならず、エンジン冷却水Ｗｅが昇温してしまうため、ラジエータ７などにおける放熱量を多くする必要が生じる。
【００４３】
この比較例に対して、本発明に係る実施の形態の多段ランキンサイクルシステム１、１Ａは、エンジン冷却水Ｗｅからも熱回収でき、しかも、エンジン冷却水Ｗｅを降温させることができるので、ラジエータ７などにおける放熱量を小さくすることができる。
【００４４】
従って、本発明に係る実施の形態の多段ランキンサイクルシステム１０、１０Ａ、及び多段ランキンサイクルシステムの運転方法によれば、高温側熱源の排気ガスＧと低温側熱源のエンジン冷却水Ｗｅの両方の熱源からの熱を回収すると共に、低温側熱源のエンジン冷却水Ｗｅからの熱を第１作動流体Ｆｗ１の蒸発に使用することで十分に熱回収できて、より高い熱利用効果を得ることができる。
【００４５】
そして、図１、及び図２に示すように、本発明に係る実施の形態の内燃機関（エンジン）は、上記の多段ランキンサイクルシステム１、１Ａを備えて構成され、これらの多段ランキンサイクルシステム１、１Ａから得られる効果を同様に得ることができ、内燃機関における燃費改善効果を向上することができる。
【００４６】
なお、図１及び図２の構成では、第１熱源流体として、エンジン本体２から発生する排気ガスＧを、第２熱源流体としてエンジン本体２やＥＧＲクーラー５でＥＧＲガスを冷却するエンジン冷却水Ｗｅを用いているが、必ずしも、これに限定されず、別の熱源を用いてもよい。
【符号の説明】
【００４７】
１０、１０Ａ  第１ランキンサイクルシステム
１０Ｘ  比較例のランキンサイクルシステム
１２  第１作動流体用ポンプ
１３  第１蒸発器
１４  第１膨張機
１５  第１凝縮器
１６  復熱装置
２０  第２ランキンサイクルシステム
２２  第２作動流体用ポンプ
２３  第２蒸発器
２４  第２膨張機
２５  第１凝縮器
Ａ  空気（冷却源）
Ｆｗ１  第１作動流体
Ｆｗ２  第２作動流体
Ｇ  排気ガス（第１熱源）
Ｗｅ  エンジン冷却水（第２熱源）
【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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