(57)【要約】【課題】内燃機関の廃熱をランキンサイクルにより回収する廃熱回収装置において、膨張機と凝縮器を接続する配管の内部で凝縮した冷媒を効率よく回収する。【解決手段】廃熱回収装置は、冷媒を蒸気化する沸騰器と、沸騰器から送出される冷媒を気相流体と液相流体とに分離する気液分離器と、気液分離器から送出される気相流体を過熱させる過熱器と、過熱器を通過した気相流体を膨張させて熱エネルギーを回収する膨張機と、膨張機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、凝縮器から送出された液相流体を貯留するキャッチタンクとを備えている。膨張機と凝縮器とは、走行風の当たる箇所に配置された第１配管により接続されている。そして、第１配管には、第１配管の内部で凝縮した液相流体を貯留する凝縮水タンクが下方から連通し、また、凝縮水タンクは、第２配管によりキャッチタンクに接続されている。【選択図】図４
2017145692.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
冷媒を蒸気化する沸騰器と、前記沸騰器から送出される気液二相の冷媒を気相流体と液相流体とに分離する気液分離器と、前記気液分離器から送出される気相流体を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熱エネルギーを回収する膨張機と、前記膨張機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、前記凝縮器から送出された液相流体を貯留するキャッチタンクと、を備える廃熱回収装置において、
前記膨張機と前記凝縮器とは第１配管により接続され、
前記第１配管は走行風の当たる箇所に配置され、
前記第１配管の下方から当該前記第１配管へと連通し、前記第１配管の内部で凝縮した液相流体を貯留する凝縮水タンクと、
前記凝縮水タンクと前記キャッチタンクとを接続する第２配管と、
を備え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】
特許文献１には、内燃機関の稼動に伴う廃熱を回収するランキンサイクルシステムに関する技術が開示されている。このランキンサイクルシステムでは、エンジンの廃熱により液相流体を沸騰させて蒸気（気相流体）に変化させ、気相流体を過熱器によって過熱し、過熱後の気相流体を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。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２０１１−２０２５８４号公報
【特許文献２】特許第５３７６０４６号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
膨張機から送出された気相の冷媒（気相流体）は、配管を介して凝縮器へと送られて液相の冷媒（液相流体）へと変化する。しかしながら、気相流体は、凝縮器へと送出される過程の配管内においても凝縮する。特に、当該配管が走行風に直接当たる配置である場合には、配管内において多量の凝縮水が発生してしまう。したがって、この発生した凝縮水の滞留を防ぐための構成が必要となる。この点、上記特許文献１の技術では、配管内にて発生した凝縮水に対する対策はなされておらず、改善の余地が残されている。
【０００５】
本発明は、上述のような課題に鑑みてなされたもので、内燃機関の廃熱をランキンサイクルにより回収する廃熱回収装置において、膨張機と凝縮器を接続する配管の内部で凝縮した冷媒を効率よく回収することの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】
本発明は、冷媒を蒸気化する沸騰器と、沸騰器から送出される気液二相の冷媒を気相流体と液相流体とに分離する気液分離器と、気液分離器から送出される気相流体を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、過熱器を通過した気相流体を膨張させて熱エネルギーを回収する膨張機と、膨張機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、凝縮器から送出された液相流体を貯留するキャッチタンクとを備える廃熱回収装置を対象としている。この廃熱回収装置では、膨張機と凝縮器とが第１配管により接続され、第１配管は走行風の当たる箇所に配置されている。そして、第１配管には、第１配管の内部で凝縮した液相流体を貯留する凝縮水タンクが下方から連通し、また、凝縮水タンクは、第２配管によりキャッチタンクに接続されている。
【発明の効果】
【０００７】
本発明によれば、膨張機と凝縮器とを接続する第１配管が、走行風の当たる箇所に配置されている。このため、第１配管内では、気相流体の凝縮が起こり液相流体が生成される。本発明の廃熱回収装置では、第１配管内で生成された液相流体が下方へと流れて凝縮水タンクに貯留される。そして、凝縮水タンクに貯留された液相流体は、第２配管を介してキャッチタンクへと戻される。これにより、第１配管内で生成された液相流体をキャッチタンクへと戻すことができるので、液相冷媒が第１配管内に滞留し続けることを有効に抑止することができる。
【図面の簡単な説明】
【０００８】
【図１】本発明の実施の形態１のランキンサイクルシステムの構成を示す図である。
【図２】車両の進行方向に対して前方側に排気系を備えるＦＦ車にランキンサイクルシステムを搭載した場合の各部品の配置例を示す内部構成図である。
【図３】図２における蒸発部から動力回収部にかけての構成を抜粋して位置関係を示した斜視図である。
【図４】図２における動力回収部から凝縮部にかけての構成を抜粋して位置関係を示した斜視図である。
【図５】図２における動力回収部から凝縮部にかけての構成を抜粋して位置関係を示した側面図である。
【図６】車両の進行方向に対して後方側に排気系を備えるＦＦ車にランキンサイクルシステムを搭載した場合の各部品の配置例を示す内部構成図である。
【図７】車両の進行方向に対してエンジンを縦置きとしたＦＲ車にランキンサイクルシステムを搭載した場合の各部品の配置例を示す内部構成図である。
【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、各図において共通する要素には、同一の符号を付して重複する説明を省略する。なお、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．ランキンサイクルシステムの構成
図１は、実施の形態１のランキンサイクルシステム１００の構成を示す図である。実施の形態１のランキンサイクルシステム１００は、内燃機関（エンジン）１０を含み、エンジン１０の廃熱を回収する廃熱回収装置として構成されている。ランキンサイクルシステム１００は、車両のエンジンコンパートメント内にエンジン１０とともに搭載され、上方の開口部はボンネット１により覆われている。エンジン１０の種別や構造には限定はない。ただし、エンジン１０のシリンダブロック及びシリンダヘッドには、エンジン１０を循環する冷媒が流れる冷媒流路（図示省略）が形成されている。冷媒流路は、シリンダの周囲を囲むウォータージャケットを含む。エンジン１０は、冷媒流路を流れる冷媒との熱交換によって冷却される。本実施の形態では、冷媒として水が用いられている。
【００１１】
エンジン１０は、冷媒流路内を流通する冷媒をエンジン１０の廃熱により沸騰させてその一部を蒸気化することにより冷却される。つまり、冷媒流路は、内部を流れる液相の冷媒をエンジン１０の熱によって沸騰させる沸騰器として機能する。なお、冷媒流路は、エンジン１０の内部を流通可能な通路であれば、その構成は特に限定されない。また、冷媒流路に流通させる冷媒は、常温では液相流体であり、エンジン１０の熱により沸騰して気相流体に変化するものであればよく、水には限定されない。
【００１２】
エンジン１０の冷媒流路は、冷媒管１４を介して気液分離器１６に接続されている。エンジン１０の熱により冷媒が沸騰されると、冷媒流路からは気相流体とともに液相流体が吐出される。気液分離器１６は、気液分離器１６内に流入した気液二相の冷媒を液相流体と気相流体とに分離する。気液分離器１６は、冷媒管１８を介して第１ウォータポンプ２０に接続されている。気液分離器１６で分離された液相流体は、冷媒管１８を経由して第１ウォータポンプ２０に流入し、第１ウォータポンプ２０により冷媒流路に送られる。
【００１３】
また、ランキンサイクルシステム１００は、排気熱回収器１３を備えている。冷媒流路は、冷媒管１１を介して排気熱回収器１３にも接続されている。排気熱回収器１３には、冷媒流路から液相流体が導入される。導入された液相流体は、排気通路２２を流れる排気ガスとの熱交換によって過熱されて沸騰しその一部が蒸気となる。蒸気となった気相流体は、冷媒管１５を介して気液分離器１６へと導入される。
【００１４】
気液分離器１６は、冷媒管２８を介して過熱器３０に接続されている。過熱器３０は、エンジン１０の排気通路２２において排気熱回収器１３の上流に設けられている。気液分離器１６では気相流体と液相流体が共存しているため、気相流体は飽和蒸気となっている。過熱器３０に入った気相流体は、排気通路２２の壁面から伝えられる排気熱を吸収することによって過熱蒸気となる。
【００１５】
過熱器３０は、冷媒管３２を介して膨張機であるタービン３４に接続されている。タービン３４では、過熱器３０から送られた気相流体（過熱蒸気）を膨張させて熱エネルギーを回収することが行われる。冷媒管３２とタービン３４との接続部には、図示しない超音速ノズルが設けられている。気相流体は超音速ノズルからタービン３４に噴きつけられ、タービン３４を回転させる。タービン３４の回転は、図示しない減速機を介してエンジン１０の出力軸に伝えられる。つまり、タービン３４で回収された熱エネルギーは、エンジン１０のアシストに用いられる。ただし、タービン３４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。
【００１６】
タービン３４で膨張した気相流体は、冷媒管３６（第１配管）を介してコンデンサ（凝縮器）４０に送られる。なお、冷媒管３６の途中において気相流体の凝縮により生じた液相流体は、冷媒管３６へ下方から連通する凝縮水タンク３８に一時的に貯留される。凝縮水タンク３８についてはその詳細を後述する。凝縮水タンク３８内の液相流体は、冷媒管３９（第２配管）を介して後述するキャッチタンク４４に送られる。冷媒管３９の途中には排出制御弁３７が配置されている。コンデンサ４０に送られた気相流体は、コンデンサ４０により冷却されて凝縮し、液相流体に戻される。気相流体の凝縮により生じた液相流体は、コンデンサ４０から冷媒管４２を介してキャッチタンク４４に送られ、キャッチタンク４４に一時的に貯留される。キャッチタンク４４は、冷媒管４６を介して第１ウォータポンプ２０に接続されている。冷媒管４６には、第２ウォータポンプ４８が設けられている。第２ウォータポンプ４８は、キャッチタンク４４に貯留された液相流体を第１ウォータポンプ２０に送るためのポンプである。このような構成によれば、第２ウォータポンプ４８が駆動されることにより、キャッチタンク４４に貯留された液相流体がエンジン１０に送られる。キャッチタンク４４の下端は、冷媒管５０を経由して冷媒タンク５２の下端に接続されている。また、冷媒タンク５２の上端には、端部がコンデンサ４０の上端に接続された冷媒管５４が接続されている。
【００１７】
２．ランキンサイクルシステムの特徴的配置
ランキンサイクルシステム１００を構成する上記の部品は、液相の冷媒（液相流体）から蒸気（気相流体）を発生させる蒸気発生部と、蒸気を液相の冷媒へと凝縮させる凝縮部とに大別される。蒸気発生部は、エンジン１０から送出された冷媒が動力回収部としてのタービン３４に至るまでの冷媒経路を構成する部品であり、例えば、気液分離器１６、過熱器３０、排気熱回収器１３、及び冷媒管１１，１４，２８，３２等が該当する。一方、凝縮部は、タービン３４から送出された冷媒がエンジン１０まで戻るまでの経路を構成する部品であり、例えば、凝縮水タンク３８、コンデンサ４０、キャッチタンク４４、及び冷媒管３６，４２，４６等が該当する。
【００１８】
ここで、車両が走行すると、走行風が車両の前方側からエンジンコンパートメント内に導入される。導入された走行風は最前方に配置されているコンデンサ４０に直接当たる。このため、車両の正面視においてコンデンサ４０と重なる後方側には、走行風が直接当たらない領域が形成される。一方、コンデンサ４０の下方側の領域は、当該コンデンサ４０によって走行風が遮られることがないため、走行風が各部品に直接当たることとなる。
【００１９】
本実施の形態１のランキンサイクルシステム１００では、蒸気発生部を走行風が直接当たらない領域に配置し、凝縮部を走行風が直接当たる領域に配置するように構成している。以下、車両の進行方向に対してエンジン１０を横置きとしたＦＦ車（フロントエンジン前輪駆動車）である場合のランキンサイクルシステム１００の配置を例に、更に詳しく説明する。
【００２０】
図２は、車両の進行方向に対して前方側に排気系を備えるＦＦ車にランキンサイクルシステムを搭載した場合の各部品の配置例を示す内部構成図である。なお、図２では、図１におけるランキンサイクルシステム１００を構成する部品のうち、主要な部品の配置を車両の進行方向に対して側面側から見た図を示している。また、図３は、図２における蒸発部から動力回収部にかけての構成を抜粋して位置関係を示した斜視図である。また、図４は、図２における動力回収部から凝縮部にかけての構成を抜粋して位置関係を示した斜視図である。
【００２１】
図２及び図３に示すように、蒸気発生部を構成する部品はエンジン１０の排気系の側とコンデンサ４０の間となる領域に配置されている。この領域は、コンデンサ４０によって冷たい走行風が遮られるとともに、エンジン１０の排気熱によって高温となる。このため、蒸気発生部が冷却されて蒸気量が減ることを抑制することができる。
【００２２】
また、図２及び図４に示すように、凝縮部を構成する部品は、走行風が直接当たる部位に配置されている。より詳しくは、コンデンサ４０は車両の最前面に配置されている。また、冷媒管３６は、車両の正面視でコンデンサ４０の側方となる領域を通ってタービン３４の蒸気出口とコンデンサ４０の上部とを接続している。また、キャッチタンク４４は、コンデンサ４０の下方の領域に配置され、冷媒管４２は、コンデンサ４０の下部とキャッチタンク４４の上部とを接続している。このような構成によれば、凝縮部を構成する部品を走行風によって効果的に冷却することができるので、冷媒の凝縮を促進することができる。
【００２３】
また、本実施の形態１のランキンサイクルシステム１００は、その特徴的な構成として凝縮水タンク３８を備えている。図５は、図２における動力回収部から凝縮部にかけての構成を抜粋して位置関係を示した側面図である。図４及び図５に示すように、タービン３４は、蒸気出口（つまり冷媒管３６の接続部）がタービン３４の最下端に設けられている。また、タービン３４の蒸気出口はコンデンサ４０の下端よりも下方に位置している。そして、凝縮水タンク３８は、タービン３４の出口の底よりも低い位置に配置されている。このような構成によれば、タービン３４の蒸気出口以降の冷媒管３６が走行風によって積極的に冷却される。この際、冷媒管３６の内部にて発生した液相流体は、下方に位置する凝縮水タンク３８へと流れて貯留される。これにより、冷媒管３６が走行風に当たる構成であっても、冷媒管３６内に液相流体が滞留し続ける事態が回避される。
【００２４】
また、図５に示すように、キャッチタンク４４は、凝縮水タンク３８の底よりも更に下方に配置されている。また、凝縮水タンク３８の下端は冷媒管３９を介してキャッチタンク４４に接続されている。そして、冷媒管３９には、排出制御弁３７が配置されている。ランキンサイクル作動中に排出制御弁３７が開弁されると、凝縮水タンク３８内の冷媒が圧力差によってキャッチタンク４４内へと送られる。また、ランキンサイクル停止中であっても、凝縮水タンク３８内の冷媒は、排出制御弁３７が開弁されることによって、より下方に位置するキャッチタンク４４内へと送られる。キャッチタンク４４へと導入された冷媒は、冷媒管４６を介して再びエンジン１０へと送られる。これにより、冷媒管３６で凝縮した冷媒を確実に回収することが可能となる。
【００２５】
また、キャッチタンク４４内に貯留された冷媒は第２ウォータポンプ４８によってエンジン１０へと送水される。冷媒はコンデンサ４０を通過して冷却される過程で減圧される。このため、第２ウォータポンプ４８は、負圧環境から冷媒を吸い出すこととなり第２ウォータポンプ４８の入口では減圧沸騰が発生する。図５に示すようにキャッチタンク４４を最下方に配置する構成によれば、キャッチタンク４４内において水頭を稼ぐことができるので、第２ウォータポンプ４８への気体の噛み込みを防止して凝縮した冷媒を確実に回収することが可能となる。
【００２６】
なお、凝縮水タンク３８は、冷媒管３６におけるタービン３４の蒸気出口近傍に接続されることが好ましい。これにより、凝縮水タンク３８とキャッチタンク４４との圧力差を大きく確保することができるので、凝縮水タンク３８からキャッチタンク４４への冷媒の流れを促進することができる。
【００２７】
３．その他
上述した本実施の形態１では、車両の進行方向に対してエンジン１０を横置きとしたＦＦ車にランキンサイクルシステム１００を搭載した場合について説明した。しかしながら、本発明に係るランキンサイクルシステム１００は他のタイプのエンジンに対しても搭載することができる。図６は、車両の進行方向に対して後方側に排気系を備えるＦＦ車にランキンサイクルシステムを搭載した場合の各部品の配置例を示す内部構成図である。また、図７は、車両の進行方向に対してエンジンを縦置きとしたＦＲ車（フロントエンジン後輪駆動車）にランキンサイクルシステムを搭載した場合の各部品の配置例を示す内部構成図である。なお、図６では、図１におけるランキンサイクルシステム１００を構成する部品のうち、主要な部品の配置を車両の進行方向に対して側面側から見た図を示している。また、図７では、図１におけるランキンサイクルシステム１００を構成する部品のうち、主要な部品の配置を車両の進行方向に対して正面側から見た図を示している。
【００２８】
図６及び図７に示すような他のタイプのエンジンであっても、蒸気発生部をコンデンサ４０の後方に配置することにより、蒸気発生部が走行風により冷却されることを抑制することができる。また、凝縮部は走行風が直接当たる領域に配置されるので、冷却が促進される。さらに、冷媒管３６において発生した液相の冷媒は凝縮水タンク３８へと効率よく回収されるので、冷媒管３６内における液相の冷媒の滞留が抑制される。
【符号の説明】
【００２９】
１  ボンネット
１０  エンジン
１１，１４，１５，１８，２８，３２，４２，４６，５０，５４  冷媒管
３６  冷媒管（第１配管）
３９  冷媒管（第２配管）
１３  排気熱回収器
１６  気液分離器
２０  第１ウォータポンプ
２２  排気通路
３０  過熱器
３４  タービン（膨張機）
３７  排出制御弁
３８  凝縮水タンク
４０  コンデンサ
４４  キャッチタンク
４８  第２ウォータポンプ
５２  冷媒タンク
１００  ランキンサイクルシステム
【図１】
2017145692.tif 000003
【図２】
2017145692.tif 000004
【図３】
2017145692.tif 000005
【図４】
2017145692.tif 000006
【図５】
2017145692.tif 000007
【図６】
2017145692.tif 000008
【図７】
2017145692.tif 000009