(57)【要約】【課題】  二つの異なる廃熱を二つのランキンサイクル回路を組み合わせることで、廃熱回生システム全体の回生効率を高めるとともに搭載性良好な廃熱利用装置を実現する。【解決手段】  エンジン１０から排出される排気ガスを作動流体に熱交換する第１熱回収器１１０、第１膨張機１２０、第１凝縮器１３０を順次配管で接続してなる高温用ランキンサイクル回路１００と、エンジン１０冷却水回路の温水熱を作動流体に熱交換する第２熱回収器２１０、第２膨張機２２０、第２凝縮器２３０を順次配管で接続してなる低温用ランキンサイクル回路２００とを具備し、低温用ランキンサイクル回路２００は第１凝縮器１３０で放熱される熱と冷却水回路の温水熱とを第２熱回収器２１０で回収するように構成される。これにより、廃熱回生システム全体の回生効率を高めるとともに搭載性が良い。【選択図】        図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
熱機関あるいは発熱補機における複数の廃熱のうち、高温の廃熱を作動流体に熱交換する第１熱回収器（１１０）、第１膨張機（１２０）、第１凝縮器（１３０）を順次配管で接続してなる高温用ランキンサイクル回路（１００）と、
熱機関あるいは発熱補機における複数の廃熱のうち、低温の廃熱を作動流体に熱交換する第２熱回収器（２１０）、第２膨張機（２２０）、第２凝縮器（２３０）を順次配管で接続してなる低温用ランキンサイクル回路（２００）とを具備し、
前記低温用ランキンサイクル回路（２００）は、前記高温用ランキンサイクル回路（１００）で放熱される熱を熱源の一部として利用することを特徴とする廃熱利用装置。
【請求項２】
内燃機関（１０）における複数の廃熱のうち、前記内燃機関（１０）から排出される排気ガスを高温の廃熱として作動流体に熱交換する第１熱回収器（１１０）、第１膨張機（１２０）、第１凝縮器（１３０）を順次配管で接続してなる高温用ランキンサイクル回路（１００）と、
前記内燃機関（１０）における複数の廃熱のうち、前記内燃機関（１０）を冷却する冷却水回路の温水熱を低温の廃熱として作動流体に熱交換する第２熱回収器（２１０）、第２膨張機（２２０）、第２凝縮器（２３０）を順次配管で接続してなる低温用ランキンサイクル回路（２００）とを具備し、
前記低温用ランキンサイクル回路（２００）は、前記高温用ランキンサイクル回路（１００）で放熱される熱を熱源の一部として利用することを特徴とする廃熱利用装置。
【請求項３】
前記低温用ランキンサイクル回路（２００）は、前記高温用ランキンサイクル回路（１００）で放熱される熱を利用して低温の廃熱を加熱するように構成されることを特徴とする請求項１または請求項２に記載の廃熱利用装置。
【請求項４】
前記低温用ランキンサイクル回路（２００）は、前記高温用ランキンサイクル回路（１００）の前記第１凝縮器（１３０）で放熱される熱と低温の廃熱とを前記第２熱回収器（２１０）で回収するように構成されることを特徴とする請求項３に記載の廃熱利用装置。
【請求項５】
前記低温用ランキンサイクル回路（２００）は、低温の廃熱の温度が低いときに、前記低温用ランキンサイクル回路（２００）を停止し、前記高温用ランキンサイクル回路（１００）のみを作動するように制御されることを特徴とする請求項２ないし請求項４のいずれか一項に記載の廃熱利用装置。
【請求項６】
前記高温用ランキンサイクル回路（１００）は、前記第１凝縮器（１３０）で放熱される熱が前記内燃機関（１０）の暖機の熱源として利用されることを特徴とする請求項５に記載の廃熱利用装置。
【請求項７】
前記高温用ランキンサイクル回路（１００）は、前記第１凝縮器（１３０）で放熱される熱が空調装置の熱源として利用されることを特徴とする請求項５に記載の廃熱利用装置。
【請求項８】
前記低温用ランキンサイクル回路（２００）は、前記高温用ランキンサイクル回路（１００）で放熱される熱を利用して、前記低温用ランキンサイクル回路（２００）内を流れる作動流体を加熱するように構成されることを特徴とする請求項１または請求項２に記載の廃熱利用装置。
【請求項９】
前記低温用ランキンサイクル回路（２００）は、前記高温用ランキンサイクル回路（１００）の前記第１凝縮器（１３０）で放熱される熱を、前記低温用ランキンサイクル回路（２００）内を流れる作動流体を加熱するように構成されることを特徴とする請求項８に記載の廃熱利用装置。
【請求項１０】
前記低温用ランキンサイクル回路（２００）の前記第２熱回収器（２１０）は、前記第１膨張機（１２０）から送られる作動流体と、前記第１凝縮器（１３０）で熱交換された前記低温用ランキンサイクル回路（２００）内の作動流体と、低温の廃熱とが互いに熱交換されるように構成したことを特徴とする請求項８または請求項９に記載の廃熱利用装置。
【請求項１１】
前記高温の廃熱と熱媒体とを熱交換する熱交換器（３１０）を有し、その熱交換器（３１０）で熱交換された熱媒体を前記高温用ランキンサイクル回路（１００）の前記第１熱回収器（１１０）に流通させる高温用廃熱輸送回路（３００）が設けられ、
前記高温用ランキンサイクル回路（１００）の前記第１熱回収器（１１０）は、前記高温用ランキンサイクル回路（１００）内を流れる作動流体と前記高温用廃熱輸送回路（３００）内を流れる熱媒体とを熱交換するように構成されることを特徴とする請求項１ないし請求項１０のいずれか一項に記載の廃熱利用装置。
【請求項１２】
前記高温用廃熱輸送回路（３００）には、前記熱交換器（３１０）で熱交換された熱媒体を蓄熱する蓄熱手段（３３０）が設けられることを特徴とする請求項１１に記載の廃熱利用装置。
【請求項１３】
前記高温用ランキンサイクル回路（１００）と前記低温用ランキンサイクル回路（２００）とは、異なる作動流体が流通されることを特徴とする請求項１ないし請求項１２のいずれか一項に記載の廃熱利用装置。
【請求項１４】
前記高温用ランキンサイクル回路（１００）の前記第１膨張機（１２０）と前記低温用ランキンサイクル回路（２００）の前記第２膨張機（２２０）とは、廃熱エネルギーにより回生された動力を共通の動力源に出力されることを特徴とする請求項１ないし請求項１３のいずれか一項に記載の廃熱利用装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、熱機関あるいは発熱補機における廃熱を利用して動力に回生する廃熱利用装置に関するものであり、特に、二つの異なった温度場の廃熱を回生するランキンサイクル回路の構成に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、この種の廃熱利用装置として、例えば、自動車などの内燃機関の廃熱を回生する技術として特許文献１および特許文献２に示されるものが知られている。特許文献１では、内燃機関から排出される排気ガスの排気熱を廃熱とし、その廃熱を回生するために、冷凍サイクルの構成部品を利用してランキンサイクル回路を形成し、その構成部品である膨張機によって排気熱を動力として回収し、その回収した動力を車両用空調装置の圧縮機に付加するように構成している。
【０００３】
特許文献２では、内燃機関を冷却する冷却水回路の温水熱を廃熱とし、その廃熱を回生するために、特許文献１と同じように、ランキンサイクル回路を形成し、膨張機によって温水熱を動力として回収し、その回収した動力を車両用空調装置の圧縮機に付加するように構成している（例えば、特許文献１および特許文献２参照）。
【特許文献１】特開昭５６−４３０１９号公報
【特許文献２】特開昭５６−４３０１８号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかしながら、上記特許文献によれば、それぞれが一つの廃熱に対する廃熱回生技術であるが、例えば、排気熱および温水熱などの二つの異なる温度場の廃熱を回生する技術として、ランキンサイクル回路をそれぞれ独立させて形成する技術が容易に考えられる。しかし、この場合は、ランキンサイクル回路を構成する放熱器（凝縮器）が二つ必要となる。
【０００５】
しかも、これらの放熱器（凝縮器）は大気と熱交換するものであるため、車両の走行風を受けるラジエータや車両用空調装置のコンデンサが搭載される位置に設けられることが望まれる。これにより、二つの放熱器（凝縮器）を備えると搭載性が劣る問題がある。さらに、この種の内燃機関の冷却水回路は、始動直後における暖機運転が出来るだけ短時間で所定の水温に達することが期待されるものである。
【０００６】
そこで、本発明の目的は、上記点に鑑みたものであり、二つの異なる廃熱を二つのランキンサイクル回路を組み合わせることで、廃熱回生システム全体の回生効率を高めるとともに搭載性良好な廃熱利用装置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、目的を達成するために、請求項１ないし請求項１４に記載の技術的手段を採用する。すなわち、請求項１に記載の発明では、熱機関あるいは発熱補機における複数の廃熱のうち、高温の廃熱を作動流体に熱交換する第１熱回収器（１１０）、第１膨張機（１２０）、第１凝縮器（１３０）を順次配管で接続してなる高温用ランキンサイクル回路（１００）と、熱機関あるいは発熱補機における複数の廃熱のうち、低温の廃熱を作動流体に熱交換する第２熱回収器（２１０）、第２膨張機（２２０）、第２凝縮器（２３０）を順次配管で接続してなる低温用ランキンサイクル回路（２００）とを具備し、低温用ランキンサイクル回路（２００）は、前記高温用ランキンサイクル回路（１００）で放熱される熱を熱源の一部として利用することを特徴としている。
【０００８】
請求項１に記載の発明によれば、この種のランキンサイクルでは廃熱を回生するときに、第１凝縮器（１３０）および第２凝縮器（２３０）では作動流体の凝縮によって放熱が伴う。本発明では、二つのランキンサイクル回路（１００、２００）を具備し、高温用ランキンサイクル回路（１００）で放熱される熱を低温用ランキンサイクル回路（２００）で熱源の一部として利用することにより、低温用ランキンサイクル回路（２００）側の廃熱回生の動力が増加することで廃熱回生システム全体の回生効率を高めることができる。
【０００９】
請求項２に記載の発明では、内燃機関（１０）における複数の廃熱のうち、内燃機関（１０）から排出される排気ガスを高温の廃熱として作動流体に熱交換する第１熱回収器（１１０）、第１膨張機（１２０）、第１凝縮器（１３０）を順次配管で接続してなる高温用ランキンサイクル回路（１００）と、内燃機関（１０）における複数の廃熱のうち、内燃機関（１０）を冷却する冷却水回路の温水熱を低温の廃熱として作動流体に熱交換する第２熱回収器（２１０）、第２膨張機（２２０）、第２凝縮器（２３０）を順次配管で接続してなる低温用ランキンサイクル回路（２００）とを具備し、低温用ランキンサイクル回路（２００）は、高温用ランキンサイクル回路（１００）で放熱される熱を熱源の一部として利用することを特徴としている。
【００１０】
請求項２に記載の発明によれば、内燃機関（１０）では、例えば、高温の排気熱とそれよりも温度の低い冷却水回路の温水熱とがある。本発明では、高温の排気熱を熱源とする高温用ランキンサイクル回路（１００）で放熱される熱を低温用ランキンサイクル回路（２００）側で有効に利用することで、上述した請求項１と同じように、低温用ランキンサイクル回路（２００）側の廃熱回生の動力が増加することで廃熱回生システム全体の回生効率を高めることができる。
【００１１】
請求項３に記載の発明では、低温用ランキンサイクル回路（２００）は、高温用ランキンサイクル回路（１００）で放熱される熱を利用して低温の廃熱を加熱するように構成されることを特徴としている。請求項３に記載の発明によれば、低温側の廃熱の温度を上昇させることができるため低温用ランキンサイクル回路（２００）側の廃熱回生の動力を増加させることができる。
【００１２】
請求項４に記載の発明では、低温用ランキンサイクル回路（２００）は、高温用ランキンサイクル回路（１００）の第１凝縮器（１３０）で放熱される熱と低温の廃熱とを第２熱回収器（２１０）で回収するように構成されることを特徴としている。請求項４に記載の発明によれば、具体的に、二つの凝縮器（１３０、２３０）のうち、第１凝縮器（１３０）は低温用ランキンサイクル回路（２００）内に設けられることで、大気と熱交換される第２凝縮器（２３０）のみ、車両のラジエータや車両用空調装置のコンデンサの近傍に搭載すれば良い。これにより、搭載性が良好となる。
【００１３】
請求項５に記載の発明では、低温用ランキンサイクル回路（２００）は、低温の廃熱の温度が低いときに、低温用ランキンサイクル回路（２００）を停止し、高温用ランキンサイクル回路（１００）のみを作動するように制御されることを特徴としている。請求項５に記載の発明によれば、高温用ランキンサイクル回路（１００）側で放熱される熱で、低温の廃熱である冷却水回路の温水熱を加熱させることが可能となる。
【００１４】
請求項６に記載の発明では、高温用ランキンサイクル回路（１００）は、第１凝縮器（１３０）で放熱される熱が内燃機関（１０）の暖機の熱源として利用されることを特徴としている。請求項６に記載の発明によれば、因みに、内燃機関（１０）の始動直後の冷却水回路の温水熱が冷めているときに第１凝縮器（１３０）で放熱される熱で温水熱を加熱させることで内燃機関（１０）の暖機性能の短縮およびそれに伴う燃費の向上が図れる。
【００１５】
請求項７に記載の発明では、高温用ランキンサイクル回路（１００）は、第１凝縮器（１３０）で放熱される熱が空調装置の熱源として利用されることを特徴としている。請求項７に記載の発明によれば、また、例えば、冷却水回路の温水熱を加熱源とする車両用空調装置のヒータにおいても、厳寒期などヒータ能力が発揮できないときに、第１凝縮器（１３０）で放熱される熱で冷却水回路の温水熱を短時間に上昇させることができる。
【００１６】
請求項８に記載の発明では、低温用ランキンサイクル回路（２００）は、高温用ランキンサイクル回路（１００）で放熱される熱を利用して、低温用ランキンサイクル回路（２００）内を流れる作動流体を加熱するように構成されることを特徴としている。請求項８に記載の発明によれば、低温用ランキンサイクル回路（２００）内の作動流体を直接加熱することで、効率よく高温用ランキンサイクル回路（１００）で放熱される熱を利用できる。これにより、上記請求項３よりも低温用ランキンサイクル回路（２００）側の廃熱回生の動力をより増加することができる。
【００１７】
請求項９に記載の発明では、低温用ランキンサイクル回路（２００）は、高温用ランキンサイクル回路（１００）の第１凝縮器（１３０）で放熱される熱を、低温用ランキンサイクル回路（２００）内を流れる作動流体を加熱するように構成されることを特徴としている。請求項９に記載の発明によれば、具体的に、上述の請求項４と同じように、二つの凝縮器（１３０、２３０）のうち、第１凝縮器（１３０）は低温用ランキンサイクル回路（２００）内に設けられることで、大気と熱交換される第２凝縮器（２３０）のみ、車両のラジエータや車両用空調装置のコンデンサの近傍に搭載すれば良い。これにより、搭載性が良好となる。
【００１８】
請求項１０に記載の発明では、低温用ランキンサイクル回路（２００）の第２熱回収器（２１０）は、第１膨張機（１２０）から送られる作動流体と、第１凝縮器（１３０）で熱交換された低温用ランキンサイクル回路（２００）内の作動流体と、低温の廃熱とが互いに熱交換されるように構成したことを特徴としている。
【００１９】
請求項１０に記載の発明によれば、第１凝縮器（１３０）で放熱される熱を低温用ランキンサイクル回路（２００）内を流れる作動流体と低温の廃熱とを加熱することができる。従って、内燃機関（１０）の冷却水回路が冷えているときは、たとえば、低温用ランキンサイクル回路（２００）を停止し、高温用ランキンサイクル回路（１００）のみを作動することで、冷却水回路の温水熱を加熱することができる。従って、上述した請求項５と同じように、内燃機関（１０）の暖機性能の短縮およびそれに伴う燃費の向上が図れる。さらに、車両用空調装置のヒータにおいても、厳寒期などヒータ能力が発揮できないときに、冷却水回路の温水熱を短時間に上昇させることができる。
【００２０】
請求項１１に記載の発明では、高温の廃熱と熱媒体とを熱交換する熱交換器（３１０）を有し、その熱交換器（３１０）で熱交換された熱媒体を高温用ランキンサイクル回路（１００）の第１熱回収器（１１０）に流通させる高温用廃熱輸送回路（３００）が設けられ、高温用ランキンサイクル回路（１００）の第１熱回収器（１１０）は、高温用ランキンサイクル回路（１００）内を流れる作動流体と高温用廃熱輸送回路（３００）内を流れる熱媒体とを熱交換するように構成されることを特徴としている。
【００２１】
請求項１１に記載の発明によれば、高温用廃熱輸送回路（３００）を設けることで変動する高温の廃熱である排気熱を平準化することができる。これにより、第１熱回収器（１１０）で廃熱を効率よく回収することができる。
【００２２】
請求項１２に記載の発明では、高温用廃熱輸送回路（３００）には、熱交換器（３１０）で熱交換された熱媒体を蓄熱する蓄熱手段（３３０）が設けられることを特徴としている。請求項１２に記載の発明によれば、高温の廃熱を第１熱回収器（１１０）で廃熱を必要に応じて回収することができる。
【００２３】
請求項１３に記載の発明では、高温用ランキンサイクル回路（１００）と低温用ランキンサイクル回路（２００）とは、異なる作動流体が流通されることを特徴としている。請求項１３に記載の発明によれば、取り入れる廃熱の温度に応じた作動流体を設定することで、その温度に応じた効率の高い廃熱回生が可能となる。
【００２４】
請求項１４に記載の発明では、高温用ランキンサイクル回路（１００）の第１膨張機（１２０）と低温用ランキンサイクル回路（２００）の第２膨張機（２２０）とは、廃熱エネルギーにより回生された動力を共通の動力源に出力されることを特徴としている。請求項１４に記載の発明によれば、廃熱再生システム全体から共通の動力源として利用することができる。
【００２５】
なお、上記各手段の括弧内の符号は、後述する実施形態の具体的手段との対応関係を示すものである。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２６】
（第１実施形態）
以下、本発明の第１実施形態における廃熱利用装置を図１に基づいて説明する。図１は、本発明を自動車の熱機関である内燃機関（以下、エンジンと称する）１０に適用した廃熱利用装置の全体構成を示す模式図である。本実施形態の廃熱利用装置は、二つの異なる温度場の廃熱をそれぞれ独立したランキンサイクルで形成して廃熱回生を行なうものである。
【００２７】
具体的には、図１に示すように、エンジン１０から排出される排気熱と、エンジン１０を冷却する冷却水回路２０内に流通する冷却水の温水熱とを廃熱の熱源としている。つまり、排気熱を廃熱の熱源とする高温用ランキンサイクル回路１００と、温水熱を廃熱の熱源とする低温用ランキンサイクル回路２００とから構成している。
【００２８】
高温用ランキンサイクル回路１００は、第１熱回収器１１０、第１膨張機１２０、第１凝縮器１３０、第１受液器１４０および第１ポンプ１５０からなり、これらが順次冷媒配管で接続されて閉回路を形成している。この高温用ランキンサイクル回路１００の内部には、高温用の作動流体が封入されており、電動式の第１ポンプ１５０によって作動流体が循環される。
【００２９】
第１熱回収器１１０は、排気管１１内に設けられ、第１ポンプ１５０から送られる作動流体と、排気管１１を流通する排気ガスとの間で熱交換することにより作動流体を加熱する熱交換器である。第１膨張機１２０は、第１熱回収器１１０で加熱された過熱蒸気作動流体の膨張により回転駆動力を発生させる流体機器である。第１凝縮器１３０は、第１膨張機１２０から吐出される作動流体を凝縮する熱交換器である。本実施形態では、この作動流体を１次側に流通させ、冷却水回路２０を流通する冷却水を２次側に流通させて、作動流体と冷却水とを熱交換する対向流式の熱交換器である。
【００３０】
第１受液器１４０は、第１凝縮器１３０で凝縮された作動流体を気液２相に分離するためのレシーバーであり、ここで分離された液相作動流体のみを第１ポンプ１５０側に流出させる。第１ポンプ１５０は、液相作動流体を第１熱回収器１１０に昇圧、圧送する。なお、第１膨張機１２０で発生した回転駆動力は、動力伝達装置４１を介して発電機４０に出力されるようになっている。そして、発電機４０は、インバータ４２を介してバッテリー４３に接続されており、発電機４０で発電された発電電力をバッテリー４３に充電される。
【００３１】
一方、低温用ランキンサイクル回路２００は、第２熱回収器２１０、第２膨張機２２０、第２凝縮器２３０、第２受液器２４０および第２ポンプ２５０からなり、これらが順次冷媒配管で接続されて閉回路を形成している。この低温用ランキンサイクル回路２００の内部には、低温用の作動流体が封入されており、電動式の第２ポンプ２５０によって作動流体が循環される。
【００３２】
第２熱回収器２１０は、冷却水回路２０の近傍に設けられ、第１ポンプ１５０から送られる作動流体と、冷却水回路２０を流通する冷却水との間で熱交換することにより作動流体を加熱する熱交換器である。本実施形態では、この作動流体を１次側に流通させ、冷却水回路２０を流通する冷却水を２次側に流通させて、作動流体と冷却水とを熱交換する対向流式の熱交換器である。
【００３３】
第２膨張機２２０は、第２熱回収器２１０で加熱された過熱蒸気作動流体の膨張により回転駆動力を発生させる流体機器である。第２凝縮器２３０は、第２膨張機２２０から吐出される作動流体を大気との熱交換によって凝縮液化する熱交換器である。第２受液器２４０は、第２凝縮器２３０で凝縮された作動流体を気液２相に分離するためのレシーバーであり、ここで分離された液相作動流体のみを第２ポンプ２５０側に流出させる。
【００３４】
第２ポンプ２５０は、液相作動流体を第２熱回収器２１０に昇圧、圧送する。なお、第２膨張機２２０は、第１膨張機１２０と動力伝達装置４１を介して連結されており、第２膨張機２２０で発生した回転駆動力は、動力伝達装置４１を介して発電機４０に出力される。次に、冷却水回路２０には、ラジエータ２１、温水ポンプ２２、バイパス通路２４、サーモスタット２５などが設けられ、第１凝縮器１３０の２次側および第２熱回収器２１０の２次側が接続されている。
【００３５】
ラジエータ２１は、温水ポンプ２２によって循環される冷却水を大気との熱交換により冷却する熱交換器である。バイパス通路２４は、冷却水がラジエータ２１を迂回する通路であり、サーモスタット２５によって、ラジエータ２１を流通する冷却水量とラジエータ２１を迂回する冷却水量とが調節されるようになっている。
【００３６】
なお、図中に示す１２は、排気管１１内を流れる排気ガスの排気温度を検出する排気温センサであり、２３は冷却水回路を流通する冷却水の水温を検出する水温センサである。これらの各センサ１２、２３は、検出された温度情報を制御装置５０に出力するように接続されている。
【００３７】
そして、制御装置５０は各センサ１２、２３からの温度情報が入力されるとともに、これらの温度情報に基づいて、上述した第１、第２ポンプ１５０、２５０、温水ポンプ２２の作動、インバータ４２を介した発電機４０からの発電電力の充電などを制御するものである。なお、冷却水回路２０は、図示しないが、車両用空調装置に設けられたヒータコアに冷却水が循環されるように形成されている。
【００３８】
次に、以上の構成による廃熱利用装置の作動について説明する。まず、高温用ランキンサイクル回路１００は、エンジン１０が始動して、排気温センサ１２で検出された排気ガス温度が所定温度以上のときに作動し、低温用ランキンサイクル回路２００は、高温用ランキンサイクル回路１００が作動すると同時に作動するように制御される。
【００３９】
そして、水温センサ２３で検出された冷却水の水温が所定温度以下のときは、低温用ランキンサイクル回路２００のみが停止するように制御される。因みに、厳寒期などの外気温度が低いときなど、エンジン１０を始動させても、冷却水温が所定温度以下であるときは高温用ランキンサイクル回路１００のみが作動するようになっている。
【００４０】
まず、高温用ランキンサイクル回路１００と低温用ランキンサイクル回路２００との両者が作動したときの作動を説明する。まず、高温用ランキンサイクル回路１００においては、第１ポンプ１５０により作動流体が昇圧されて第１熱回収器１１０に圧送され、第１熱回収器１１０において作動流体は高温の排気ガスによって加熱され、過熱蒸気流体となって第１膨張機１２０に送られる。第１膨張機１２０において、作動流体は等エントロピー的に膨張減圧され、その熱エネルギーと圧力エネルギーの一部が回転駆動力に変換される。
【００４１】
そして、減圧されたガス化の作動流体は第１凝縮器１３０で凝縮液化され、凝縮された作動流体は第１受液器１４０で気液２相に分離され、液化作動流体が再び第１ポンプ１５０へ流出される。ここで、第１凝縮器１３０の凝縮による放熱は２次側に流通する冷却水を加熱する。これにより、冷却水回路２０を流通する冷却水の水温を上昇させる。
【００４２】
なお、第１膨張機１２０で発生した回転駆動力は動力伝達装置４１を介して発電機４０を回転する。そして、発電機４０で発電された発電電力をバッテリー４３に充電される。一方、低温用ランキンサイクル回路２００においては、第２ポンプ２５０により作動流体が昇圧されて第２熱回収器２１０に圧送され、第２熱回収器２１０において作動流体は、エンジン１０の駆動による熱と第１凝縮器１３０からの放熱による熱とを合算した温水熱によって加熱され、過熱蒸気流体となって第２膨張機２２０に送られる。
【００４３】
第２膨張機２２０において、作動流体は等エントロピー的に膨張減圧され、その熱エネルギーと圧力エネルギーの一部が回転駆動力に変換される。そして、減圧されたガス化の作動流体は第２凝縮器２３０で凝縮液化され、凝縮された作動流体は第２受液器２４０で気液２相に分離され、液化作動流体が再び第２ポンプ２５０へ流出される。ここで、第２凝縮器２３０の凝縮による放熱は大気と熱交換される。そして、第２膨張機２２０で発生した回転駆動力は動力伝達装置４１を介して発電機４０を回転する。そして、発電機４０で発電された発電電力をバッテリー４３に充電される。
【００４４】
また、水温センサ２３で検出された冷却水の水温が所定温度以下のときは、低温用ランキンサイクル回路２００が停止し、高温用ランキンサイクル回路１００のみが作動しているため、第１凝縮器１３０で放熱された熱により冷却水回路２０の冷却水が加熱されることになる。これにより、エンジン１０始動直後の暖機性能の短縮およびそれに伴う燃費の向上が図れる。さらに、車両用空調装置のヒータコアにおいても、厳寒期などヒータ能力が発揮できないときに、冷却水回路の温水を高めることが容易にできる。
【００４５】
以上の第１実施形態による廃熱利用装置によれば、熱機関であるエンジン１０では、例えば、高温の排気熱とそれよりも温度の低い冷却水回路２０の温水熱とがある。本発明では、高温の排気熱を熱源とする高温用ランキンサイクル回路１００で放熱される熱を低温用ランキンサイクル回路２００側で熱源の一部として利用することにより、低温用ランキンサイクル回路２００側の廃熱回生の動力が増加することで廃熱回生システム全体の回生効率を高めることができる。
【００４６】
具体的には、高温用ランキンサイクル回路１００の第１凝縮器１３０で放熱される熱を冷却水回路２０の温水熱に加熱するようにして、その加熱された温水熱を低温用ランキンサイクル回路２００で利用するように第２熱回収器２１０を構成したことにより、廃熱回生システム全体の回生効率を高めることができる。
【００４７】
また、二つの凝縮器１３０、２３０のうち、第１凝縮器１３０は、低温用ランキンサイクル回路２００内に設けて冷却水と熱交換させたことにより、大気と熱交換される第２凝縮器２３０のみ、車両のラジエータや車両用空調装置のコンデンサの近傍に搭載すれば良い。これにより、搭載性が良好となる。
【００４８】
また、冷却水の温度が低いときは、低温用ランキンサイクル回路２００を停止し、高温用ランキンサイクル回路１００のみを作動するように制御したことにより、高温用ランキンサイクル回路１００側で放熱される熱で、例えば、冷却水回路２０の温水熱を加熱することができる。
【００４９】
具体的には、高温用ランキンサイクル回路１００の第１凝縮器１３０で放熱される熱がエンジン１０の暖機の熱源として利用されることにより、エンジン１０始動直後の冷却水回路２０の温水熱が冷めているときに第１凝縮器１３０で放熱される熱で温水熱を加熱させることでエンジン１０の暖機性能の短縮およびそれに伴う燃費の向上が図れる。
【００５０】
さらに、第１凝縮器１３０で放熱される熱が車両用空調装置の熱源として利用されることにより、例えば、冷却水回路２０の温水熱を加熱源とするヒータでは厳寒期などヒータ能力が発揮できないときに、冷却水回路２０の温水熱を短時間に上昇させることができる。
【００５１】
また、高温用ランキンサイクル回路１００と低温用ランキンサイクル回路２００とは、異なる作動流体が流通されることにより、取り入れる廃熱の温度に応じた作動流体を設定することで、その温度に応じた効率の高い廃熱回生が可能となる。さらに、高温用ランキンサイクル回路１００の第１膨張機１２０と低温用ランキンサイクル回路２００の第２膨張機２２０とは、廃熱エネルギーにより回生された動力を共通の発電機４０に出力されることにより、廃熱再生システム全体から共通の動力源として利用することができる。
【００５２】
（第２実施形態）
以上の第１実施形態では、高温用ランキンサイクル回路１００で放熱される熱をエンジン１０の冷却水回路２０の温水熱を加熱するようにして、その加熱された温水熱を低温用ランキンサイクル回路２００で利用するように構成したが、これに限らず、高温用ランキンサイクル回路１００で放熱される熱により低温用ランキンサイクル回路２００側の作動流体を加熱するように構成させても良い。
【００５３】
具体的には、図２に示すように、高温用ランキンサイクル回路１００の第１凝縮器１３０の２次側を低温用ランキンサイクル回路２００の第２熱回収器２１０の１次側と直列に接続させている。つまり、第１凝縮器１３０では、高温用ランキンサイクル回路１００の作動流体と低温用ランキンサイクル回路２００の作動流体とが熱交換されることになる。これにより、低温用ランキンサイクル回路２００の第２膨張機２２０に送られる作動流体が加熱される。従って、低温用ランキンサイクル回路２００側の廃熱回生の動力が増加することで廃熱回生システム全体の回生効率を高めることができる。
【００５４】
なお、本実施形態においては、エンジン１０始動直後の冷却水回路が冷えているときの、エンジン１０の暖機性能の短縮、燃費の向上、および車両用空調装置のヒータにおける冷却水回路２０の温水熱を短時間に上昇させることができる第１実施形態の効果を期待することはできない。
【００５５】
そこで、これらの不具合を解消するために、第２熱回収器２１０を、図３に示すように、低温用ランキンサイクル回路２００内を流れる作動流体と、第１凝縮器１３０の２次側で熱交換された作動流体と冷却水回路２０の温水熱とが互いに熱交換するように構成したものである。なお、図中に示す符号は、第１実施形態と同様の構成のものは同一の符号で示し説明を省略する。
【００５６】
これによれば、エンジン１０の冷却水回路２０が冷えているときは、第１実施形態と同じように、低温用ランキンサイクル回路２００を停止し、高温用ランキンサイクル回路１００のみを作動することで、冷却水回路２０の温水熱を加熱することができる。従って、第１実施形態と同じように、エンジン１０の暖機性能の短縮およびそれに伴う燃費の向上が図れる。さらに、車両用空調装置のヒータにおいても、厳寒期などヒータ能力が発揮できないときに、冷却水回路の温水熱を短時間に上昇させることができる。
【００５７】
（第３実施形態）
以上の実施形態では、高温用ランキンサイクル回路１００の第１熱回収器１１０を排気管１１に設けて、高温用ランキンサイクル回路１００を構成したが、これに限らず、具体的に、図４に示すように、高温の排気熱と熱媒体とを熱交換する熱交換器３１０を有し、その熱交換器３１０で熱交換された熱媒体を高温用ランキンサイクル回路１００の第１熱回収器１１０に流通させる高温用廃熱輸送回路３００を構成するようにしても良い。なお、図中に示す３５０は、高温用廃熱輸送回路３００内の作動流体を昇圧、圧送する第３ポンプである。また、高温用廃熱輸送回路３００内を流通する作動流体は沸騰することのない作動流体を設定する。
【００５８】
これによれば、高温の廃熱を回収する第１熱回収器１１０は、高温用ランキンサイクル回路１００内を流れる作動流体と高温用廃熱輸送回路３００内を流れる熱媒体とが熱交換されるようにしたことにより、変動する高温の廃熱である排気熱を平準化することができる。従って、第１熱回収器１１０で廃熱を効率よく回収することができる。
【００５９】
さらに、この高温用廃熱輸送回路３００内に、図５に示すように、蓄熱剤が充填された蓄熱手段３３０を設けても良い。これによれば、蓄熱手段３３０により、高温の廃熱を蓄えることができるため、高温の廃熱を第１熱回収器１１０で必要に応じて回収することができる。
【００６０】
（他の実施形態）
以上の実施形態では、高温用ランキンサイクル回路１００および低温用ランキンサイクル回路２００で廃熱回生した回転駆動力を発電機４０に出力してバッテリー４３に充電するように構成したが、これに限らず、例えば、車両用空調装置の圧縮機を駆動させるとか他の用途の動力源として利用しても良い。
【００６１】
また、以上の実施形態では、熱機関であるエンジン１０の廃熱のうち、排気熱と冷却水回路の温水熱を廃熱の熱源として、高温用ランキンサイクル回路１００および低温用ランキンサイクル回路２００で廃熱回生するように構成したが、これに限らず、例えば、燃料電池車に搭載される燃料電池の廃熱、もしくは、燃料電池の他に車両には、例えば、電動モータ、電動ポンプ、インバータなど作動により発熱する発熱補機類の廃熱のうち、高温用と低温用の二つの異なる温度場の廃熱を組み合わせるように構成しても良い。
【図面の簡単な説明】
【００６２】
【図１】本発明の第１実施形態における廃熱利用装置の全体構成を示す模式図である。
【図２】本発明の第２実施形態における廃熱利用装置の全体構成を示す模式図である。
【図３】本発明の第２実施形態の変形例における廃熱利用装置の全体構成を示す模式図である。
【図４】本発明の第３実施形態における廃熱利用装置の全体構成を示す模式図である。
【図５】本発明の第３実施形態の変形例における廃熱利用装置の全体構成を示す模式図である。
【符号の説明】
【００６３】
１０…エンジン（内燃機関）
１００…高温用ランキンサイクル回路
１１０…第１熱回収器
１２０…第１膨張機
１３０…第１凝縮器
２００…低温用ランキンサイクル回路
２１０…第２熱回収器
２２０…第２膨張機
２３０…第２凝縮器
３００…高温用輸送回路
３３０…蓄熱手段
【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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