(57)【要約】【課題】混合媒体が作動流体であるランキンサイクルを用いて、従来よりも高い効率で廃熱を回生することができる廃熱回生システムを提供する。【解決手段】廃熱回生システムのランキンサイクル１における蒸発器２及び凝縮器７の入口に、混合媒体からなる作動流体２の圧力を調整する圧力調整手段１１、１２をそれぞれ設置して、混合媒体の飽和蒸気線上で、蒸発器２の加熱源の温度に対応する圧力を、圧力調整手段１１の調整圧力として設定する一方で、混合媒体の飽和液線上で、凝縮器７の冷却源の温度に対応する圧力を、圧力調整手段１２の調整圧力として設定する。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
混合媒体からなる作動流体が、圧縮機、蒸発器、膨張器及び凝縮器を順に循環するランキンサイクルを用いた廃熱回生システムにおいて、
前記蒸発器及び凝縮器の入口に前記作動流体の圧力を調整する圧力調整手段をそれぞれ設置して、
前記混合媒体の飽和蒸気線上において前記蒸発器の加熱源の温度に対応する圧力を、該蒸発器の入口に設置した前記圧力調整手段の調整圧力として設定する一方で、
前記混合媒体の飽和液線上において前記凝縮器の冷却源の温度に対応する圧力を、該凝縮器の入口に設置した前記圧力調整手段の調整圧力として設定することを特徴とする廃熱回生システム。
【請求項２】
前記蒸発器の加熱源の温度及び前記凝縮器の冷却源の温度を測定する温度センサをそれぞれ設置するとともに、前記温度センサの検出値に基づいて前記圧力調整手段を制御する制御手段を備え、
前記制御手段は、前記混合媒体の飽和蒸気線上で、前記蒸発器の加熱源の温度を測定する温度センサの検出値に対応する圧力を決定し、該蒸発器の入口に設置した前記圧力調整手段の調整圧力として設定する制御を行う一方で、
前記混合媒体の飽和液線上で、前記凝縮器の温度を測定する温度センサの検出値に対応する圧力を決定し、該凝縮器の入口に設置した前記圧力調整手段の調整圧力として設定する制御を行う請求項１に記載の廃熱回生システム。
【請求項３】
前記混合媒体が二成分からなる請求項１又は２に記載の廃熱回生システム。
【請求項４】
前記蒸発器と前記膨張器との間に過熱器を設けた請求項１〜３のいずれか１項に記載の廃熱回生システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は廃熱回生システムに関し、更に詳しくは、混合媒体が作動流体であるランキンサイクルを用いて、従来よりも高い効率で廃熱を回生することができる廃熱回生システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
従来より、内燃機関の排気熱や冷却水熱などの廃熱の熱エネルギーを、ランキンサイクルを用いて回生することで、車両の燃費を向上させることが提案されている（例えば、特許文献１を参照）。例えば、ディーゼルエンジンの廃熱には、冷却水熱、ＥＧＲ熱、ＣＡＣ（インタークーラー）熱や排気熱などの様々な温度・熱量を有する複数の熱源が混在しているが、ランキンサイクルを高い効率で稼働させるためには、ＥＧＲ熱や排気熱などの高温の熱源を利用することが望ましい。そのような熱源を利用した場合には、ランキンサイクルの作動流体をサイクル内で相変化させる温度が高くなるため、作動流体としては水やエタノールなどの臨界温度の高い媒体を使用することになる。
【０００３】
しかしながら、水は低温で氷結するおそれがあるとともに、エタノールは可燃物質であるため取り扱いが困難であるという問題がある。
【０００４】
このような問題を解決するには、ランキンサイクルの作動流体として、水とエタノールからなる混合媒体を使用することが考えられる。ここで、水やエタノールなどの単一媒体からなる作動流体を用いたランキンサイクルでは、図４に示すように、高温側及び低温側の温度が決まれば、それに相当する圧力が決まるので、蒸発器内及び凝縮器内での相変化は一定温度で可能となる。
【０００５】
しかし、混合媒体を作動流体に使用した場合には、図５に示すように、蒸発器内及び凝縮器内で相変化させる際の温度や圧力が一定ではなくなる。そのため、作動流体の蒸発器内での蒸発不足や、凝縮器内での凝集不足が発生して、廃熱回生システムにおける廃熱の回生効率が低下してしまうおそれがある。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開平１１−５１５８２号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
本発明の目的は、混合媒体が作動流体であるランキンサイクルを用いて、従来よりも高い効率で廃熱を回生することができる廃熱回生システムを提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
上記の目的を達成する本発明の廃熱回生システムは、混合媒体からなる作動流体が、圧縮機、蒸発器、膨張器及び凝縮器を順に循環するランキンサイクルを用いた廃熱回生システムにおいて、前記蒸発器及び凝縮器の入口に前記作動流体の圧力を調整する圧力調整手段をそれぞれ設置して、前記混合媒体の飽和蒸気線上において前記蒸発器の加熱源の温度に対応する圧力を、該蒸発器の入口に設置した前記圧力調整手段の調整圧力として設定する一方で、前記混合媒体の飽和液線上において前記凝縮器の冷却源の温度に対応する圧力を、該凝縮器の入口に設置した前記圧力調整手段の調整圧力として設定することを特徴とするものである。
【発明の効果】
【０００９】
本発明の廃熱回生システムによれば、作動流体である混合媒体の飽和液線及び飽和蒸気線に基づいて、ランキンサイクルにおいて蒸発器内での蒸発不足や凝縮器内での凝縮不足が発生しない作動流体の適切な温度及び圧力を設定するようにしたので、従来よりも高い効率で廃熱を回生することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
【図１】本発明の実施形態からなる廃熱回生システムを示す構成図である。
【図２】水とエタノールからなる混合媒体（水５０％：エタノール５０％）のＰ−Ｔ線図の例である。
【図３】本発明の実施形態からなる廃熱回生システムの別の例を示す構成図である。
【図４】水を作動流体に使用したランキンサイクルのＴ−ｓ線図の例である。
【図５】水とエタノールからなる混合媒体（水６０％：エタノール４０％）を作動流体に使用したランキンサイクルのＴ−ｓ線図の例である。
【発明を実施するための形態】
【００１１】
以下に、本発明の実施の形態について、図面を参照して説明する。図１は、本発明の実施形態からなる廃熱回生システムを示す。なお、図中の矢印は、流体の流れ方向を示している。
【００１２】
この廃熱回生システムは、車両に搭載されたディーゼルエンジンの廃熱を、ランキンサイクル１を用いて回生するものであり、作動流体２が順に強制循環する圧縮機（ポンプ）３、蒸発器４、過熱器５、膨張器（タービン）６及び凝縮器７を備えている。
【００１３】
作動流体２には、混合媒体が用いられている。この混合媒体としては、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が好ましく例示される。
【００１４】
蒸発器４及び過熱器５は、ディーゼルエンジンの廃熱をそれぞれ加熱源としている。この廃熱としては、排ガス（特に、後処理後の排ガス）、ＥＧＲガス、過給器で圧縮された吸入空気、エンジン本体で吸熱後の冷却水、ラジエータで放熱後の冷却水などが例示される。
【００１５】
タービン６にはタービン軸８を通じて発電機９が連結されている。また、凝縮器７に対向して冷却ファン１０が配置されている。
【００１６】
ランキンサイクル１において作動流体２は、ポンプ３において液体の状態で圧縮され、蒸発器４において定圧的に加熱されて高圧の気体となり、過熱器５において高温に加熱されてから、タービン６で断熱膨張しつつタービン軸８を通じて発電機９を回転駆動して発電させた後に、凝縮器７において冷却ファン１０により定圧的に冷却されて再び液体に戻るという相変化をする。
【００１７】
このような廃熱回生システムにおいて、蒸発器４及び凝縮器７の入口には、作動流体２の圧力を調整する圧力調整手段１１、１２がそれぞれ設置されている。この圧力調整手段１１、１２としては、減圧弁や背圧弁などの圧力調整弁が例示される。
【００１８】
そして、圧力調整手段１１、１２における調整後の出口圧力（調整圧力）として、作動流体２である混合媒体の飽和液線上及び飽和蒸気線上において、蒸発器２の加熱源の温度及び凝縮器７の冷却源の温度にそれぞれ対応する圧力を設定する。
【００１９】
水とエタノールのモル比が５０％：５０％である混合媒体を、作動流体２として用いた場合を以下に説明する。
【００２０】
図２は、混合媒体のＰ−Ｔ線図を示す。この図２における液相線及び気相線は、混合媒体のＴ−ｓ線図における飽和液線及び飽和蒸気線にそれぞれ対応している。
【００２１】
蒸発器４の入口に設置された圧力調整手段１１の調整圧力として、気相線上において加熱源（ディーゼルエンジンの廃熱）の温度（例えば、約１８０℃）に対応する圧力（例えば、約１６００ｋＰａ）を設定する。これにより、蒸発器４内で作動流体２の蒸発不足が発生しなくなるので、加熱源と作動流体２との間で確実な熱交換が実施されるようになる。
【００２２】
その一方で、凝縮器７の入口に設置された圧力調整手段１２の調整圧力として、液相線上において冷却源（冷却ファンによる冷却風の温度）の温度（例えば、約１６０℃）に対応する圧力（例えば、約１４００ｋＰａ）を設定する。これにより、凝縮器７内で作動流体２の凝縮不足が発生しなくなるので、冷却源と作動流体２との間で確実な熱交換が実施されるようになる。
【００２３】
このように、混合媒体の飽和液線及び飽和蒸気線に基づいて、作動流体の適切な温度及び圧力を設定して、蒸発器２及び凝縮器７において確実な熱交換が実施されるようにしたので、従来よりも高い効率で廃熱の回生を行うことができるのである。
【００２４】
図３は、本発明の実施形態からなる廃熱回生システムの別の例を示す。
【００２５】
この廃熱回生システムは、圧力調整手段１１、１２を遠隔操作可能にするとともに、蒸発器２の加熱源及び凝縮器７の冷却源にそれぞれ温度センサ１３、１４を設置して、それらをＥＣＵ１５に信号線（一点鎖線で示す）を通じて接続したものである。ＥＣＵ１５には、混合媒体の蒸気特性がマップデータとして格納されている。
【００２６】
ＥＣＵは、蒸発器２の加熱源の温度センサ１３の検出値から、マップデータに基づいて混合媒体の飽和蒸気線上で対応する圧力を決定し、圧力調整手段１１の調整圧力として設定する制御を繰り返し行う。その一方で、凝縮器７の冷却源の温度センサ１４の検出値から、マップデータに基づいて混合媒体の飽和液線上で対応する圧力を決定し、圧力調整手段１２の調整圧力として設定する制御を繰り返し行う。
【００２７】
このように構成することで、ディーゼルエンジンの運転状態による廃熱の温度変化に対応して効果的に廃熱の回生を行うことができる。
【符号の説明】
【００２８】
１  ランキンサイクル
２  作動流体
３  ポンプ
４  蒸発器
５  過熱器
６  タービン
７  凝縮器
８  タービン軸
９  発電機
１０  冷却ファン
１１、１２  圧力調整手段
１３、１４  温度センサ
１５  ＥＣＵ
【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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