(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
内燃機関（２）の運転中に発生する廃熱を回収するための装置（１００、２００、３００、４００、５００、６００）であって、前記廃熱回収装置は、
作動流体循環回路（６、１０６）を備え、前記廃熱を回収するように構成された、熱力学エンジン（４）と、
前記作動流体循環回路内の前記作動流体と熱交換するために、第１の供給源（１０）から第１の冷却剤を提供するための第１の手段（８）と、
を備え、
前記廃熱回収装置は、前記作動流体循環回路（６、１０６）における前記作動流体との熱交換のために更なる供給源（１４、１１４）から更なる冷却剤を提供するための少なくとも１つの更なる手段（１２、１１２）を備え、前記内燃機関の運転中、前記更なる供給源（１４、１１４）は前記第１の供給源（１０）とは異なる熱レベルにあり、
前記第１の冷却剤提供手段（８）が、前記内燃機関（２）の冷却装置（７）から前記第１の冷却剤を前記作動流体循環回路（６、１０６）に提供するように構成され、
前記第１の冷却剤提供手段（８）が、前記内燃機関（２）の下流側及び前記内燃機関（２）の前記冷却装置（７）におけるラジエータ（９）の上流側の位置で、前記内燃機関（２）の前記冷却装置（７）の冷却剤導管（１３）に接続されるように構成される、
ことを特徴とする、廃熱回収装置。
【請求項２】
前記第１の冷却剤提供手段（８）が、前記作動流体循環回路（６）に接続された第１の冷却剤導管（１６）を備えることを特徴とする、請求項１に記載の廃熱回収装置。
【請求項３】
前記廃熱回収装置が、前記第１の冷却剤を前記作動流体循環回路（６）から前記内燃機関の冷却装置（７）に戻すための、戻り冷却剤導管（２０）を備えることを特徴とする、請求項２に記載の廃熱回収装置。
【請求項４】
前記第１の冷却剤提供手段（８）が、前記作動流体循環回路を前記第１の供給源（１０）にそれぞれ接続及び切断するための、第１の部材（２２）を備えることを特徴とする、請求項１〜３のいずれか１つに記載の廃熱回収装置。
【請求項５】
前記更なる冷却剤提供手段（１２）が、前記内燃機関（２）の冷却装置（７）から前記作動流体循環回路（６）に第２の冷却剤を提供するように構成された、第２の冷却剤提供手段（１２）を備えることを特徴とする、請求項１〜４のいずれか１つに記載の廃熱回収装置。
【請求項６】
前記第２の冷却剤提供手段（１２）が、前記内燃機関（２）の前記冷却装置（７）におけるラジエータ（９）の下流側及び前記内燃機関の上流側の位置で、前記内燃機関（２）の前記冷却装置（７）の冷却剤導管（１５）に接続されるように構成されることを特徴とする、請求項５に記載の廃熱回収装置。
【請求項７】
前記更なる冷却剤提供手段（１１２）が、大気との熱交換のために配置された構成要素（１１４）から第３の冷却剤を前記作動流体循環回路（６）に提供するように構成された第３の冷却剤提供手段（１１２）を備え、構成要素（１１４）は前記内燃機関（２）の冷却装置（７）から分離されていることを特徴とする、請求項１〜６のいずれか１つに記載の廃熱回収装置。
【請求項８】
前記更なる冷却剤提供手段（１１２）が、前記作動流体循環回路（６）に接続された更なる冷却剤導管（１１８）を備えることを特徴とする、請求項１〜７のいずれか１つに記載の廃熱回収装置。
【請求項９】
前記更なる冷却剤提供手段（１１２）が、前記作動流体循環回路（６）を前記更なる供給源（１１４）にそれぞれ接続及び切断するための、更なる部材（１２４）を備えることを特徴とする、請求項１〜８のいずれか１つに記載の廃熱回収装置。
【請求項１０】
前記作動流体回路（６、１０６）が、廃熱回収運転中に前記作動流体を冷却するように構成された、少なくとも１つの凝縮ユニット（２６、１２６、２２６、３２６）を備え、前記凝縮ユニット（２６、１２６、２２６、３２６）は、前記第１の冷却剤を受け取るための前記第１の冷却剤提供手段（８）と、前記更なる冷却剤を受け取るための前記更なる冷却剤提供手段（１２、１１２）とに接続されることを特徴とする、請求項１〜９のいずれか１つに記載の廃熱回収装置。
【請求項１１】
前記凝縮ユニット（２６、１２６、２２６、３２６）が、前記作動流体から分離した前記第１の冷却剤及び前記更なる冷却剤を搬送するように構成され、結果として前記第１の冷却剤と前記更なる冷却剤と前記作動流体との間で熱交換が達成されることを特徴とする、請求項１０に記載の廃熱回収装置。
【請求項１２】
前記凝縮ユニット（２６、２２６）が、前記第１の冷却剤と前記第２の冷却剤とを混合するように構成されることを特徴とする、請求項１１に記載の廃熱回収装置。
【請求項１３】
前記凝縮ユニット（１２６、３２６）が、互いに分離された前記第１の冷却剤及び前記更なる冷却剤を搬送するように構成されることを特徴とする、請求項１０又は１１に記載の廃熱回収装置。
【請求項１４】
前記凝縮ユニット（１２６、３２６）が、前記第１の冷却剤を搬送するように構成された第１のセクション（３２８、３３２）と、前記更なる冷却剤を搬送するように構成された更なるセクション（３３０、３３４）とを備え、前記更なるセクション（３３０、３３４）は、前記凝縮ユニットを介して前記作動流体のフロー方向で前記第１のセクション（３２８、３３０）の隣に配置されることを特徴とする、請求項１３に記載の廃熱回収装置。
【請求項１５】
前記廃熱回収装置が、前記第１の冷却剤及び／又は更なる冷却剤の前記作動流体循環回路（６）への送達を選択的に制御するための手段（３０）を備えることを特徴とする、請求項１〜１４のいずれか１つに記載の廃熱回収装置。
【請求項１６】
前記制御手段（３０）が、前記内燃機関（２）の運転状態に関する情報を受信し、前記第１の冷却剤及び／又は更なる冷却剤の前記作動流体循環回路（６）への送達を、前記運転状態情報に基づいて選択的に制御するように構成されることを特徴とする、請求項１５に記載の廃熱回収装置。
【請求項１７】
前記制御手段（３０）が、前記作動流体循環回路の前記第１の供給源（１０）及び更なる供給源（１４）への接続及び切断をそれぞれ制御するために、前記第１の接続部材（２２）及び／又は更なる接続部材（２４）に動作可能に接続されることを特徴とする、請求項３、９、１５又は１６に記載の廃熱回収装置。
【請求項１８】
前記作動流体循環回路（６）が、前記内燃機関の運転中に発生する廃熱を回収するための手段（２８、４８）を備えることを特徴とする、請求項１〜１７のいずれか１つに記載の廃熱回収装置。
【請求項１９】
前記廃熱回収手段が、前記作動流体と前記内燃機関からの排気との間で熱交換するように構成された熱交換器（２８、４８）を備えることを特徴とする、請求項１８に記載の廃熱回収装置。
【請求項２０】
前記廃熱回収手段が、前記作動流体と前記内燃機関の給気冷却器（５０）の給気との間で熱交換するように構成された熱交換器（４８）を備えることを特徴とする、請求項１８に記載の廃熱回収装置。
【請求項２１】
前記作動流体循環回路（６）が、前記作動流体循環回路内の前記作動流体をポンピングするための手段（３６）を備えることを特徴とする、請求項１〜２０のいずれか１つに記載の廃熱回収装置。
【請求項２２】
前記作動流体循環回路（６）が、前記作動流体からエネルギーを抽出するための膨張機（３８）を備えることを特徴とする、請求項１〜２１のいずれか１つに記載の廃熱回収装置。
【請求項２３】
前記熱力学エンジン（４）が、前記作動流体循環回路において、前記作動流体を液相から気相に転換し、再度転換して戻すように構成されることを特徴とする、請求項１〜２２のいずれか１つに記載の廃熱回収装置。
【請求項２４】
請求項１〜２３のいずれか１つに記載の、内燃機関（２）、第１の冷却剤供給源（１０）、第２の冷却剤供給源（１４）、及び廃熱回収装置（１００、２００、３００、４００、５００、６００）を備える、内燃機関システム（１０２、２０２、３０２、４０２、５０２、６０２）。
【請求項２５】
前記内燃機関システムが、前記内燃機関を冷却するための装置（７）を備えることを特徴とする、請求項２４に記載の内燃機関システム。
【請求項２６】
前記冷却装置（７）が、ラジエータ（９）を備える冷却剤回路（１７）を備えることを特徴とする、請求項２５に記載の内燃機関システム。
【請求項２７】
前記冷却剤回路（１７）が、前記内燃機関（２）から前記ラジエータ（９）へと前記冷却剤を搬送するように構成された第１の冷却剤導管（１３）と、前記ラジエータ（９）から前記内燃機関（２）へと前記冷却剤を搬送するように構成された第２の冷却剤導管（１５）とを備えることを特徴とする、請求項２６に記載の内燃機関システム。
【請求項２８】
前記内燃機関システムが、大気との熱交換のために配置される構成要素（５０）を備え、構成要素は前記内燃機関の冷却装置（７）から分離されていることを特徴とする、請求項２４〜２７のいずれか１つに記載の内燃機関システム。
【請求項２９】
前記熱交換構成要素（５０）が、前記ラジエータ（９）に隣接して配置され、前記ラジエータと同じ大気のフローと熱交換するように構成されることを特徴とする、請求項２８に記載の内燃機関システム。
【請求項３０】
請求項２４〜２９のいずれか１つに記載の内燃機関システムを備える車両。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、内燃機関、特にディーゼルエンジンの運転中に発生する廃熱を回収するための装置に関する。本発明は、車両、特にトラック、バス、及び建設機械など（ホイールローダ、掘削機、及び連結式輸送車など）の大型車両において、適用可能である。本発明はトラックに関して説明されるが、本発明はこの特定の車両に限定されるものではなく、バスや建設機械などの他の車両においても使用可能である。本発明は更に、廃熱回収装置を備えるエンジンシステムに関する。本発明は更に、車両に含まれる内燃機関の廃熱を回収するためのエンジンシステムを備える車両に関する。本発明は更に、内燃機関の運転中に発生する廃熱を回収するための方法に関する。
【０００２】
廃熱回収装置は、特に排気流れからの廃熱を回収するように構成された熱力学エンジンを備える。熱力学エンジンは、作動流体循環回路を備える。より具体的に言えば、熱力学エンジンは、気相作動流体の熱エネルギーを運動エネルギーに転換するように構成され、ランキンサイクルエンジンを構成要素とすることができる。
【０００３】
ランキンサイクルに基づく廃熱回収装置の作動流体は、通常、４段階で循環する。第１段階では、液体作動流体が低圧から高圧へと送り出される。後続の段階では、高圧の液体作動流体が、例えば外部熱源によって加熱され、それによってその気相に転換される。次の段階では、気相作動流体が、エキスパンダエンジン内、例えばピストンエンジン及び／又はタービンなどの容積（displacement）エキスパンダ内で膨張する。その最終段階では、作動流体は凝縮器内で冷却され、転換されてその液相に戻る。
【０００４】
通常、車両において、エキスパンダエンジンは、電気エネルギーを生成するための発電機又は車両のドライブラインのいずれかに接続することが可能であり、それによって内燃機関向けの補助パワーユニットとして動作する。
【背景技術】
【０００５】
凝縮器において、作動流体は、作動流体の凝縮温度未満に冷却することが必要である。しかしながら、車両における冷却可能性は限られており、多くの適用例では、すでに高負荷ＩＣＥ運転モード中及び高温気候下での内燃機関の冷却に使い尽くされている。ファンサイズ及び／又はファンパワーを増加させることが可能であると思われる場合であっても、これは結果として、車両の多くの燃料消費及び／又は高い空気抵抗も生じさせる。これはいずれも避けるべきである。
【０００６】
米国特許出願公開第２０１２／０１９８８４０号明細書は、内燃機関の廃熱を再生（recuperation）するための装置を開示しており、ここでは蒸気回路内の作動流体を冷却するために、内燃機関の冷却回路に蒸気回路が接続される。より具体的に言えば、ＩＣＥの冷却回路はラジエータ出口で分岐される。
【０００７】
車両に対するパワーの要求が低いか又は中程度の場合、熱力学エンジンは、高いランキン効率を与える低凝縮温度を利用して、外部のラジエータから冷却することができる。しかしながら、車両に対するパワーの要求が高く、ことによると大気温度も高い場合、熱力学エンジンに対して外部のラジエータを使用するには車両の冷却効率が低すぎ、これが低いランキン効率につながる可能性がある。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
本発明の目的は、特に高負荷ＩＣＥ運転モード中及び高温気候下で、改良された廃熱回収のための状態（condition）を作り出す、廃熱回収装置を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
この目的は、請求項１に記載の廃熱回収装置によって達成される。したがって、廃熱回収装置は、作動流体循環回路における作動流体との熱交換のために第１の供給源から第１の冷却剤を提供する第１の手段と、作動流体循環回路における作動流体との熱交換のために更なる（further）供給源から更なる冷却剤を提供する少なくとも１つの更なる手段とを備え、内燃機関の運転中、更なる供給源は第１の供給源とは異なる熱レベルにある。
【００１０】
「〜冷却剤を提供する手段」という用語は、例えば作動流体のための導管と、導管を供給源に動作可能に接続するための何らかの種類の接続手段とを含み得る。更に、「〜冷却剤を提供する手段」という用語は、例えば、供給源からの冷却剤フローを制御するためのバルブ又は同等物を含み得る。
【００１１】
更に「供給源」という用語は、内燃機関の運転中に必要な冷却を提供することが可能な構成要素に限定されるものと解釈すべきではなく、例えば構成要素又は導管の一部、作動流体、或いは構成要素又は導管の位置を含むものと解釈すべきである。更に、第１の供給源及び更なる供給源は、２つの別々の構成要素又は作動流体によって形成され得るか、或いは、２つの供給源が異なる熱レベルにあるように構成されるという基準が満たされていることを条件として、同じ構成要素又は作動流体によって形成され得る。
【００１２】
好ましくは、第１の供給源は内燃機関に関連付けられる。更に好ましくは、更なる供給源は内燃機関に関連付けられる。「内燃機関に関連付けられる」という用語は、供給源が内燃機関自体の不可欠な部分であることに限定されるものと解釈すべきではなく、内燃機関又は少なくとも内燃機関の運転に影響を与える機能に、或いはその逆に、動作可能に接続されたシステム及び構成要素も備えるものと解釈すべきである。
【００１３】
供給源が異なる熱レベルにある、第１の供給源から第１の冷却剤を提供する第１の手段と、更なる供給源から更なる冷却剤を提供する更なる手段とを備える、廃熱回収装置を提供することによって、内燃機関の運転状態、大気状態、他のシステムに関する冷却要求など、特定状態に依存する異なる冷却能力を、熱力学エンジンに提供することができることが有利である。更に、廃熱回収装置は、費用対効果の高い小型の冷却装置（arrangement）のための状態を作り出す。更に、少なくとも２つの異なる温度の冷却剤を使用することで、車両の冷却能力を向上させることができる。
【００１４】
供給源が異なる熱レベルにある、第１の供給源から第１の冷却剤を提供する第１の手段と、更なる供給源から更なる冷却剤を提供する更なる手段とを備える、廃熱回収装置を提供することで、比較的冷たい冷却剤及び／又は比較的温かい冷却剤及び／又は冷たい冷却剤と温かい冷却剤との混合物を、熱力学エンジンに提供するための状態を作り出す。
【００１５】
これにより、低いか又は通常のＩＣＥ運転モード中に、熱力学エンジンは冷たい冷却剤によって冷却され、低温まで冷却することができるため、それによってエネルギー転換の効率が上がる。高負荷ＩＣＥ運転モード中、又は内燃機関が高い大気温度で運転されている場合、内燃機関を冷却するためには冷たいＩＣＥ冷却剤が必要である。この場合、熱力学エンジンは内燃機関から戻ってくる温かい（ＩＣＥ）冷却剤によって冷却される場合があり、これによって熱回収アセンブリのエネルギー転換効率が下がる場合があるが、ＩＣＥ冷却装置の入口でのＩＣＥ冷却剤の温度は上昇し、車両の冷却能力は向上する。
【００１６】
下記において、「ＩＣＥ運転モード」という用語は、「内燃機関の運転モード」の省略形として以下のように用いられる。
ｉ．「高負荷ＩＣＥ運転モード」は、運転状況が多くの駆動力を必要とする場合、例えば上り坂を走行しているか又は加速しているなどの場合の、ＩＣＥ運転モードとして定義される。
ｉｉ．「通常負荷ＩＣＥ運転モード」は、車両が実質的に加速したり実質的に減速したりしていない場合、例えば車両が高速道路を一定速度で走行している場合の、ＩＣＥ運転モードとして定義される。
ｉｉｉ．「低負荷ＩＣＥ運転モード」は、車両が駆動力をほとんど必要としない場合、例えば車両が下り坂を走行しているか又は減速している場合の、ＩＣＥ運転モードとして定義される。
ｉｖ．「無負荷ＩＣＥ運転モード」は、内燃機関が停止している場合の、ＩＣＥ運転モードとして定義される。
【００１７】
通常、ＩＣＥ冷却回路は、冷たいＩＣＥ冷却剤を提供するためのＩＣＥ冷却剤冷却器、好ましくはラジエータ、冷たいＩＣＥ冷却剤を冷却器から内燃機関に供給するためのＩＣＥ冷却剤供給導管（duct）、温かいＩＣＥ冷却剤を内燃機関から冷却器に戻すためのＩＣＥ冷却剤戻りパイプ、及び、ＩＣＥ冷却剤の移送のためのポンプを備える。好ましくは、ポンプはＩＣＥ冷却剤供給導管に配置される。
【００１８】
廃熱回収装置は、好ましくは、内燃機関の廃熱供給源の熱エネルギーを、運動エネルギー及び／又は電気エネルギーに転換するように適合される。
【００１９】
一実施形態によれば、第１の冷却剤提供手段は、内燃機関の冷却装置から作動流体循環回路に第１の冷却剤を提供するように構成される。ＩＣＥ冷却剤を使用することによって、作動流体循環回路のための追加の冷却剤回路は不要になるため、車両における部品点数が削減され、冷却概念（concept）を向上させ効率を上げることができる。
【００２０】
好ましくは、第１の冷却剤提供手段は、内燃機関の冷却装置における、内燃機関の下流側及びラジエータの上流側の位置で、内燃機関の冷却装置の冷却剤導管に接続されるように構成される。
【００２１】
更なる実施形態によれば、更なる冷却剤提供手段は、内燃機関の冷却装置から作動流体循環回路に第２の冷却剤を提供するように構成された第２の冷却剤提供手段を備える。第１の冷却剤提供手段及び更なる冷却剤提供手段のためにＩＣＥ冷却剤を使用することによって、作動流体循環回路のための追加の冷却剤回路は不要になるため、車両における部品点数が削減され、冷却概念を向上させ効率を上げることができる。
【００２２】
好ましくは、第２の冷却剤提供手段は、内燃機関の冷却装置における、ラジエータの下流側、及び内燃機関の上流側の位置で、内燃機関の冷却装置の冷却剤導管に接続されるように構成される。
【００２３】
例えば、車両に対するパワーの要求が低いか又は中程度の場合、熱力学エンジンは、高いランキン効率を与える低凝縮温度を利用して、外部のラジエータから冷却することができる。車両に対するパワーの要求が高く、ことによると大気温度も高い場合、外部のラジエータを使用するには車両の冷却効率が低すぎ、凝縮温度は上昇し、冷却剤が外部のエンジンから取り込まれる。
【００２４】
少なくとも２つの異なる温度のＩＣＥ冷却剤を提供するために、好ましくは、システムは、好ましくはポンプの上流側の、ＩＣＥ冷却剤供給導管から分岐する冷たいＩＣＥ冷却剤供給分岐、及び／又は、ＩＣＥ冷却剤戻り導管から分岐する温かいＩＣＥ冷却剤供給分岐を備える。
【００２５】
更なる実施形態によれば、更なる冷却剤提供手段は、内燃機関の冷却装置から分離した、大気との熱交換のために配置された構成要素から、作動流体循環回路に第３の冷却剤を提供するように構成された第３の冷却剤提供手段を備える。例えば、熱交換要素は、内燃機関の冷却回路内で冷却装置をラジエータに隣接して配置することによって形成可能である。
【００２６】
第３の冷却剤提供手段を第２の冷却剤提供手段の代替とすることが可能であるか、又は、廃熱回収装置が第２の冷却剤提供手段及び第３の冷却剤提供手段の両方を備えることが可能である。
【００２７】
本発明の他の利点及び有利な特徴は、以下の説明及び従属請求項で開示されている。
【００２８】
以下では、添付の図面を参照しながら、本発明の実施形態を例としてより詳細に説明する。
【図面の簡単な説明】
【００２９】
【図１】車両を推進するための内燃機関と、内燃機関の運転中に発生する廃熱を回収するための装置とを備える、トラックの形の車両を示す側面図である。
【図２】第１の実施形態例に従った、廃熱回収システムを示す概略図である。
【図３】第２の実施形態例に従った、廃熱回収システムを示す概略図である。
【図４】第３の実施形態例に従った、廃熱回収システムを示す概略図である。
【図５】第４の実施形態例に従った、廃熱回収システムを示す概略図である。
【図６】第５の実施形態例に従った、廃熱回収システムを示す概略図である。
【図７ａ】第１から第５の実施形態例のうちのいずれか１つについて、廃熱回収装置における凝縮ユニットの第１の例を示す概略図である。
【図７ｂ】第１から第５の実施形態例のうちのいずれか１つについて、廃熱回収装置における凝縮ユニットの第１の例を示す概略図である。
【図７ｃ】第１から第５の実施形態例のうちのいずれか１つについて、廃熱回収装置における凝縮ユニットの第１の例を示す概略図である。
【図７ｄ】第１から第５の実施形態例のうちのいずれか１つについて、廃熱回収装置における凝縮ユニットの第１の例を示す概略図である。
【図８】第１から第５の実施形態例のうちのいずれか１つについて、廃熱回収装置における凝縮ユニットの第２の例を示す概略図である。
【図９】第６の実施形態例に従った、廃熱回収システムを示す概略図である。
【図１０ａ】第６の実施形態例について、廃熱回収装置における凝縮ユニットの第３の例を示す概略図である。
【図１０ｂ】第６の実施形態例について、廃熱回収装置における凝縮ユニットの第３の例を示す概略図である。
【図１０ｃ】第６の実施形態例について、廃熱回収装置における凝縮ユニットの第３の例を示す概略図である。
【図１０ｄ】第６の実施形態例について、廃熱回収装置における凝縮ユニットの第３の例を示す概略図である。
【図１１】第６の実施形態例について、廃熱回収装置における凝縮ユニットの第４の例を示す概略図である。
【発明を実施するための形態】
【００３０】
下記において、同じか又は同様の機能部分は同じ参照番号で示されている。
【００３１】
図１は、トラック１の形の車両の側面図を示す。トラック１には、動力源を車輪に接続するドライブラインを介して、トラックを推進するための動力源２が備えられる。動力源２は、ディーゼルエンジンの形の内燃機関の構成要素とされる。下記では、提示し易いように内燃機関２と呼ぶ。
【００３２】
図２は、内燃機関２の吸気側３及び排気側５を示す。図２は更に、内燃機関２の運転中に発生する廃熱を回収するための装置１００の第１の実施形態例を示す。廃熱回収装置１００は、内燃機関２の排気から廃熱を回収するように配置される。廃熱回収装置１００は、作動流体循環回路６を備え、熱交換を介して廃熱を回収するように構成された、熱力学エンジン４を備える。図２は更に、内燃機関２、第１の冷却剤供給源１０、第２の冷却剤供給源１４、及び廃熱回収装置４を備える、内燃機関システム１０２を示す。
【００３３】
熱力学エンジン４は、作動流体循環回路において、作動流体を液相から気相に転換し、再度転換して戻すように構成される。熱力学エンジン４は、ランキンサイクルエンジンによって形成され、少なくとも４つの段階を有する。第１の段階Ｉにおいて、熱力学エンジン４の作動流体はその液相にあり、大気圧程度の圧力を有する。後続の第２の段階ＩＩにおいて、作動流体は依然として液相にあるが、所定の圧力まで加圧される。後続の第３の段階ＩＩＩにおいて、作動流体はその気相に転移されており、大気圧より高い所定の圧力まで加圧される。後続の第４の段階ＩＶにおいて、作動流体は依然としてその気相にあるが、大気圧程度の圧力を有する。こうした熱力学エンジン４の例は、図５を参照しながら下記で説明する。
【００３４】
廃熱回収装置１００は、作動流体循環回路６において作動流体と熱交換するために、第１の供給源１０から第１の冷却剤を提供する第１の手段８を更に備える。廃熱回収装置１００は、作動流体循環回路６において作動流体と熱交換するために、更なる供給源１４から更なる冷却剤を提供する少なくとも１つの更なる手段１２を更に備え、更なる供給源１４は、内燃機関の運転中、第１の供給源１０とは異なる熱レベルにある。
【００３５】
第１の冷却剤提供手段８は、作動流体循環回路６を第１の供給源１０に接続する、第１の冷却剤導管１６を備える。更なる冷却剤提供手段１２は、作動流体循環回路６を更なる供給源１４に接続する、更なる冷却剤導管１８を備える。
【００３６】
図３は、内燃機関２の運転中に発生する廃熱を回収するための装置２００の第２の実施形態例を示す。図３は更に、内燃機関２を冷却するための装置７を備える内燃機関システム２０２を示す。冷却装置７は、ラジエータ９を備える冷却剤回路１７を備える。ラジエータ９は車両１の前に、好ましくは大気のフロー１１を受け取るために車両グリルの直後に配置される。ラジエータ９は、従来のように熱交換器によって形成することが可能であり、ここではこれ以上説明しない。冷却剤回路１７は、内燃機関２からラジエータ９へと冷却剤を搬送するように構成された第１の冷却剤導管１３と、ラジエータ９から内燃機関２へと冷却剤を搬送するように構成された第２の冷却剤導管１５とを備える。
【００３７】
第１の冷却剤提供手段８は、冷却装置７から第１の冷却剤を作動流体循環回路６に提供するように構成される。より具体的に言えば、第１の冷却剤提供手段８は、内燃機関２の冷却装置７の冷却剤導管１３に、内燃機関２の下流側及びラジエータ９の上流側の位置で接続されるように構成される。
【００３８】
更なる冷却剤提供手段１２は、内燃機関の冷却装置７から第２の冷却剤を作動流体循環回路に提供するように構成された第２の冷却剤提供手段１２を備える。
【００３９】
第２の冷却剤提供手段１２は、内燃機関の冷却装置７の冷却剤導管１５に、ラジエータ９の下流側及び内燃機関２の上流側の位置で接続されるように構成される。第２の冷却剤提供手段１２は、作動流体循環回路に接続された第２の冷却剤導管１８を備える。
【００４０】
廃熱回収装置２００は、第１の冷却剤を作動流体循環回路６から内燃機関の冷却導管に戻すための、戻り冷却剤導管２０を備える。戻り冷却剤導管２０は、この実施形態では、更なる冷却剤を作動流体循環回路６から内燃機関の冷却導管に搬送するようにも構成される。
【００４１】
作動流体循環回路６は、廃熱回収運転中に作動流体を冷却するように構成された、少なくとも１つの凝縮ユニット２６を備える。凝縮ユニット２６は、第１の冷却剤を受け取るための第１の冷却剤提供手段８と、更なる冷却剤を受け取るための第２の冷却剤提供手段１２とに接続される。凝縮ユニット２６の設計及び動作は、図７を参照しながら以下でより詳細に説明する。
【００４２】
作動流体循環回路６は、内燃機関の運転中に発生する廃熱を回収するための手段２８を備える。廃熱回収手段２８は、作動流体循環回路６内の作動流体と内燃機関２からの排気との間で熱交換するように構成された、熱交換器を備える。
【００４３】
図４は、内燃機関２の運転中に発生する廃熱を回収するための装置３００の第３の実施形態例を示す。冷却装置７は、冷却剤回路１７において冷却剤をポンピングするためのポンプユニット３１を備える。第１の冷却剤提供手段８は、作動流体循環回路６を第１の供給源１０にそれぞれ接続及び切断するための、第１の部材２２を備える。第１の部材２２は、第１の供給源１０からの冷却剤フローを制御するように構成可能である。第２の冷却剤提供手段１２は、作動流体循環回路６を第２の供給源１４にそれぞれ接続及び切断するための、第２の部材２４を備える。第２の部材２４は、第２の供給源１４からの冷却剤フローを制御するように構成可能である。
【００４４】
廃熱回収装置３００は、第１の冷却剤及び／又は更なる冷却剤の作動流体循環回路６への送達（delivery）を選択的に制御するための手段３０を備える。制御手段３０は、好ましくはコントローラによって形成される。制御手段３０は、内燃機関２の運転状態に関する情報を受信し、第１の冷却剤及び／又は更なる冷却剤の作動流体循環回路６への送達を、運転状態情報に基づいて選択的に制御するように構成される。内燃機関２には、内燃機関２の運転状態を検出するための手段３２が設けられる。検出手段３２は、センサによって形成されること、及び／又は内燃機関２の運転を制御するためのコントローラの一部を形成することが可能である。運転状態検出手段３２は、制御手段３０に動作可能に接続される。
【００４５】
更に制御手段３０は、作動流体循環回路６の第１の供給源１０及び更なる供給源１４への接続及び切断をそれぞれ制御するために、第１の接続部材２２及び／又は第２の接続部材２４に動作可能に接続される（この実施形態例では、内燃機関の冷却装置７の前述の部分によって形成される）。
【００４６】
図５は、内燃機関２の運転中に発生する廃熱を回収するための装置４００の第４の実施形態例を示す。作動流体循環回路６は、作動流体循環回路６内の作動流体をポンピングするための手段３６と、作動流体からエネルギーを抽出するための膨張機（expansion machine）３８とを備える。
【００４７】
内燃機関システム４０２は、ターボチャージャユニット４０を備える。ターボチャージャユニット４０は、シャフト４６を介して回転可能に堅固に相互接続された、コンプレッサホイール４２及びタービンホイール４４を備える従来のターボチャージャによって形成することができる。タービンホイール４４は、排気からエネルギーを抽出するために、内燃機関２からの排気流れ内に配置される。より具体的に言えば、タービンホイール４４は、内燃機関２と熱力学エンジン４内の熱交換器２８との間に配置される。コンプレッサホイール４２は、内燃機関２の吸気流（図示せず）内に配置される。
【００４８】
熱力学エンジン４は、少なくとも４つの段階を有する。第１の段階Ｉにおいて、ポンピング手段３６の上流側で、熱力学エンジン４の作動流体はその液相にあり、大気圧程度の圧力を有する。第２の段階ＩＩにおいて、ポンピング手段３６の下流側で、作動流体は依然として液相にあるが、ポンピング手段３６によって所定の圧力まで加圧される。後続の段階ＩＩＩにおいて、熱交換器２８の下流側で、作動流体はその気相に転移されており、大気圧より高い所定の圧力まで加圧される。その第４の段階ＩＶにおいて、膨張機３８の下流側で、作動流体は依然としてその気相にあるが、大気圧程度の圧力を有する。
【００４９】
したがって、サイクルは異なる側面に分けることができる（表１も参照のこと）。
・膨張機３８の下流側及びポンピング手段３６の上流側である低圧側（段階ＩＩ及びＩＩＩ）と、ポンピング手段３６の下流側及び膨張機３８の上流側である高圧側（段階Ｉ及びＩＶ）
・凝縮ユニット２６の下流側及び熱交換器２８の上流側である低温側（段階Ｉ及びＩＩ）と、熱交換器２８の下流側及び凝縮ユニット２６の上流側である高温側（段階ＩＩＩ及びＩＶ）
【００５０】
【表１】
0006410851.tif 000002
【００５１】
下記で、熱力学エンジン４の作動原理を説明する。
【００５２】
第１の段階Ｉにおいて、低温液体の作動流体はポンピング手段３６へと流れ、ここで低温液体の作動流体は大気圧より高い所定の圧力まで加圧される。次に、加圧された液体の作動流体は熱交換器２８に移送され、ここで加熱されて、その液相からその気相へと転換される。気相への転換により、圧力は再度上昇する可能性がある。加圧された気相の作動流体は、その後膨張機３８へと流れ、ここで熱エネルギーが機械エネルギー又は電気エネルギーに転換される。機械エネルギーは、例えば加圧された作動流体がピストンを作動させる、ピストンなどの容積エンジン（図示せず）によって生成することができるか、又はタービン（図示せず）によって生成される場合もある。
【００５３】
代替として、膨張機３８は、電気エネルギーを生成するための発電機（図示せず）を動作させることができる。作動流体の圧力は、例えばピストンを移動させるため、或いは、タービン又は発電機を動作させるために使用される。したがって、作動流体の圧力が低下し、第４の段階ＩＶにおいて、作動流体はたとえ依然としてその気相にある場合でも、低圧を有する。その後、低圧の気相作動流体は凝縮ユニット２６に移送され、ここで高温の作動流体はその露点未満に冷却され、それによって再度転換されてその液相に戻る。
【００５４】
こうした熱力学エンジン４に関する作動流体は、例えば水などの純水、例えばエタノールなどのアルコール、アンモニア、例えば水などの少なくとも第１の成分と例えばアンモニア又はエタノールなどの第２の成分との混合物、水とアンモニアとエタノールの混合物とすることができる。例えばアンモニアと水の混合物及び／又はエタノールと水の混合物などの場合のように、第２の成分が作動流体の熱力学相転移点に影響を与える場合、第２の成分は有利には、例えば水の氷点を低下させるように適合可能であるため、結果として作動流体に対して耐凍結保護として働くことになる。
【００５５】
更に、二相作動流体（binary working fluids）を使用することが可能であり、ここで廃熱回収装置は、水などの作動流体の第１の成分が凝縮ユニットの高温部分内で凝縮を開始できるように、及び、作動流体の第２の成分が凝縮ユニットの低温部分内で凝縮するように、構成される。
【００５６】
図６は、内燃機関２の運転中に発生する廃熱を回収するための装置５００の第５の実施形態例を示す。図６は更に、冷却システム７を伴う内燃機関２及び廃熱回収装置４を備える、内燃機関システム５０２を示す。更に、内燃機関システム５０２は、大気との熱交換のために配置される構成要素５０を備え、この構成要素は内燃機関の冷却装置７から分離されている。熱交換構成要素５０は、ラジエータ９に隣接して配置され、ラジエータと同じ大気のフローと熱交換するように構成される。したがって、熱交換構成要素５０は、車両１の運転中、大気流によって影響を受けるように配置される。
【００５７】
熱交換器５０は、内燃機関に対する給気冷却器（air cooler）５０によって形成可能である。給気冷却器５０は、内燃機関２に入る前にターボチャージャ４０によって圧縮される空気を冷却するために設けることができる。
【００５８】
廃熱回収手段は、作動流体と内燃機関の給気冷却器５０の給気との間で熱交換するように構成された、熱交換器４８を備える。
【００５９】
図７ａ〜図７ｂは、第１〜第５の実施形態例のうちのいずれか１つについて、廃熱回収装置における凝縮ユニット２６の第１の例を概略的に示す。凝縮ユニット２６は、平板熱交換器によって形成される。平板熱交換器は複数の平板を備え、ここでは３枚の平板のサブセット８０、８２、８４が図７に示されている。平板は平行に配置され、互いに隣接して積み重ねられる。平板８０、８２、８４は同じホール構造（hole configuration）を有し、複数の平板は、平板と平行する面に対して垂直方向に流体を搬送するために、ホールを通過する導管を形成する。更に各平板は、所望の方法で流体を搬送するために、少なくともその片面上に特定のシーリング装置を有する。一例によれば、各平板は第１の面上に第１のシーリング構造を有し、第２の面上に第２のシーリング構造を有する。
【００６０】
図７ａは、第１の面からの凝縮ユニット２６の一部の分解斜視図を示す。図７ｂは、第１の面からの平板のうちの１枚の側面図を示す。図７ｃは、第２の面からの凝縮ユニット２６の一部の分解斜視図を示す。図７ｄは、第１の面の反対側の第２の面からの、平板のうちの１枚の側面図を示す。
【００６１】
第１の冷却剤は、矢印９０のように第１のホール６２に搬送される。第２の冷却剤は、平板の同じ側からの矢印９２のように、第２のホール６４に搬送される。提示し易くするために、図７ａ〜図７ｄの凝縮ユニット２６は、下記において図３の実施形態について提示される。第１の冷却剤は、ＩＣＥの下流側及びラジエータ９の上流側の位置から搬送される一方で、第２の冷却剤は、ラジエータ９の下流側及びＩＣＥ２の上流側の位置から搬送される。各平板８０には、冷却剤フローに面する側にシーリング９３が設けられ、このシーリングは、第１の冷却剤及び第２の冷却剤を平板間で混合できるようにするために、第１及び第２のホール６２、６４並びに第３のホール６６のみを取り囲んでおり、冷却剤の混合物は、矢印９４のように、第３のホール６６を介して反対方向に戻されることになる。
【００６２】
平板８０は矩形形状を有し、第１及び第２のホールは平板の２つの隣接するコーナーに設けられ、第３のホールは平板の他の２つのコーナー間の中間地点に設けられる。
【００６３】
高温作動流体は、矢印９６のように、第１及び第２の冷却剤と同じ平板の側から第４のホール６８へと搬送される。冷却された作動流体は、矢印９８のように第５のホール７０を介して戻される。各平板８０には、冷却剤フローに背を向けた面上にシーリング９５が設けられ、このシーリング９５は、冷却された作動流体が第５のホール７０を通って反対方向に戻ることができるように、第４及び第５のホール６８、７０のみを取り囲んでいる。第４及び第５のホール６８、７０は、２つの残りのコーナー、より具体的に言えば第３のホール６６の反対側に設けられる。
【００６４】
更に、冷却剤流入フローに面する平板の側の第４のホール６８のみを取り囲むシーリング９７が存在する。更に、冷却剤流入フローに面する平板の側の第５のホール７０のみを取り囲むシーリング９９が存在する。更に同様に、各々が、冷却剤流入フローに背を向けた平板の側の第１、第２、及び第３のホール６２、６４、６６のうちの１つのみを取り囲む、３つのシーリング１０１、１０３、１０５が存在する。
【００６５】
図８は、第１〜第５の実施形態例のうちのいずれか１つについて、廃熱回収装置における凝縮ユニット２２６の第２の例を概略的に示す。凝縮ユニット２２６は、管状熱交換器によって形成される。管状熱交換器は、管状熱交換器の軸方向の両側の２枚の端板２３０、２３２間に延在する、円筒形ケーシング２２８を備える。
【００６６】
複数のチューブ２３４、２３６が２枚の端板２３０、２３２の間に延在する。チューブ２３４、２３６は、互いに平行且つ管状熱交換器の軸方向に配置される。高温作動流体は、矢印２３８のように第１の端部でチューブ２３４、２３６に入り、矢印２４０のように第２の端部でチューブから出る。
【００６７】
更に、管状熱交換器２２６は、冷却剤用の２つの入口２４２、２４４と、冷却剤用の１つの出口２４６とを備える。入口２４２、２４４及び出口２４６は軸方向に間隔が空けられ、それぞれ、矢印２４８、２５０のように管状ケーシング２２８の内部に向かって、及び、矢印２５２のように管状ケーシング２２８の内部から、冷却剤を搬送するように配置される。より具体的に言えば、入口２４２、２４４及び出口２４６は、管状熱交換器の軸方向の直線に沿って配置される。出口２４６は、軸方向で入口２４２、２４４の間に配置される。冷却剤はチューブ２３４、２３６の間を流れ、出口２４６を介して管状熱交換器２２６から出る前に混合される。
【００６８】
更に、管状熱交換器２２６は、望ましい方法で冷却剤を搬送するためにケーシング２２８内部に配置された、軸方向に間隔が空けられた複数の手段２５４、２５６、２５８を備える。より具体的に言えば、冷却剤搬送手段２５４、２５６、２５８は、管状熱交換器２２６の内部を異なる区画に分割する隔壁によって形成され、隔壁は、各隔壁の異なる側の区画間で連通するように構成される。より具体的に言えば、それぞれの入口２４２、２４４の最も近くに配置された各区画壁２５４、２５６は、冷却剤と作動流体との間に有益な熱交換を提供するために、入口に関して区画壁の半径方向の反対側に開口部を有する。
【００６９】
図９は、第６の実施形態例に従った廃熱回収装置の概略図を示す。第６の実施形態例は、更なる冷却剤提供手段が、大気との熱交換のために配置された構成要素１１４から第３の冷却剤を作動流体循環回路１０６に提供するように構成された第３の冷却剤提供手段１１２を備え、構成要素１１４は内燃機関の冷却装置から分離されているという点で、図３に示された第２の実施形態例とは異なる。
【００７０】
凝縮ユニット１２６は、互いに分離された第１の冷却剤及び第３の冷却剤を搬送するように構成される。凝縮ユニット１２６は、第１の冷却剤を搬送するように構成された第１のセクション３２８と、第３の冷却剤を搬送するように構成された更なるセクション３３０とを備える。更なるセクション３３０は、凝縮ユニットを介して作動流体のフロー方向で第１のセクション３２８の隣に配置される。
【００７１】
図１０ａ〜図１０ｄは、第６の実施形態における平板熱交換器１２６の形の凝縮ユニット１２６を示す。より具体的に言えば、図１０ａ〜図１０ｄは、同様の視野の図７ａ〜７ｄに関して、平板熱交換器１２６の代替設計を示す。図１０ａ〜図１０ｄにおける平板熱交換器１２６は、ホール構造が２つの冷却剤を平板熱交換器１２６内で別々に維持するという点で、図７ａ〜図７ｄにおける平板熱交換器２６とは異なる。平板には２つの冷却剤戻りホール６６ａ、６６ｂが設けられ、第１の冷却剤戻りホール６６ａは第１のホール６２とのみ連通するように配置され、第２の冷却剤戻りホール６６ｂは第２のホール６４とのみ連通するように配置される。これは、特定のシーリング構造を介して達成される。より具体的に言えば、第１のシーリング部分９３ａは、第１のホール６２及び２つの冷却剤戻りホールのうちの一方６６ａのみを取り囲むように構成され、シーリング部分９３ｂは、第２のホール６４及び２つの冷却剤戻りホールのうちの他方６６ｂのみを取り囲むように構成される。
【００７２】
図１１は、管状熱交換器３２６の形の第６の実施形態に関する管状熱交換器３２６の代替設計を示す。より具体的に言えば、図１１は、図８に関する管状熱交換器３２６の代替設計を示す。図１１における管状熱交換器３２６は、管状熱交換器２２６内の２つの冷却剤を別々に維持するように構成されるという点で、図８における管状熱交換器２２６とは異なる。管状熱交換器３２６には２つの冷却剤戻り出口２４６ａ、２４６ｂが設けられ、入口２４２、２４４の各々は出口２４６ａ、２４６ｂのうちの１つのみと連通している。入口及び出口の２つのセット間に設けられた隔壁２６０が、２つの冷却剤フローを分離するように構成される。
【００７３】
本発明は更に、内燃機関２の運転中に発生する廃熱を回収するための方法に関する。方法は、好ましい実施形態例に従って以下で説明する。方法は、
内燃機関２の運転中に発生する廃熱に対して、作動流体循環回路６内の作動流体を当てる（subject）ステップと、
作動流体の膨張によって加熱された作動流体内のエネルギーを回収するステップと、
作動流体循環回路６に第１の供給源１０から第１の冷却剤を提供することによって、膨張された作動流体を冷却するステップと、
内燃機関の運転中に第１の供給源とは異なる熱レベルにある更なる供給源１４から、作動流体循環回路６に更なる冷却剤を提供することによって、膨張された作動流体を冷却するステップと、
を含む。
【００７４】
好ましくは、方法は、作動流体循環回路６内の凝縮ユニット２６に第１の冷却剤及び／又は第２の冷却剤を提供することによって、膨張された作動流体を冷却する更なるステップを含む。
【００７５】
好ましくは、方法は、作動流体循環回路６に第１の供給源及び／又は第２の供給源から第１の冷却剤を選択的に提供することによって、膨張された作動流体を冷却する更なるステップを含む。
【００７６】
好ましくは、方法は、内燃機関２の運転状態に関する情報を受信し、第１の冷却剤及び／又は第２の冷却剤の凝縮ユニット２６への送達を運転状態情報に基づいて選択的に制御する、更なるステップを含む。
【００７７】
本発明は、上記で説明され図面に例示された実施形態に限定されず、むしろ当業者であれば、添付の特許請求の範囲内で多くの変更及び修正が実行可能であることを理解されよう。
【００７８】
一代替形態によれば、廃熱回収装置は、作動流体と内燃機関のオイル冷却器のオイルとの間で熱交換するように構成された熱交換器を備える。
【００７９】
すでに述べたように、図６は、作動流体と給気との間で熱交換するように構成された、廃熱回収装置の第５の実施形態例を示す。代替形態によれば、廃熱回収装置は、作動流体と排気再循環（ＥＧＲ）システムからのガスとの間で熱交換するように構成される。
【図１】
0006410851.tif 000003
【図２】
0006410851.tif 000004
【図３】
0006410851.tif 000005
【図４】
0006410851.tif 000006
【図５】
0006410851.tif 000007
【図６】
0006410851.tif 000008
【図７ａ】
0006410851.tif 000009
【図７ｂ】
0006410851.tif 000010
【図７ｃ】
0006410851.tif 000011
【図７ｄ】
0006410851.tif 000012
【図８】
0006410851.tif 000013
【図９】
0006410851.tif 000014
【図１０ａ】
0006410851.tif 000015
【図１０ｂ】
0006410851.tif 000016
【図１０ｃ】
0006410851.tif 000017
【図１０ｄ】
0006410851.tif 000018
【図１１】
0006410851.tif 000019