(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、内燃機関の冷却が不十分となることを回避しつつ膨張機への液相の冷媒の流入を抑制する。【解決手段】廃熱回収装置は、冷媒を蒸気化する沸騰器と、気相の冷媒を膨張させて熱エネルギを回収する膨張機と、膨張機を通過した気相の冷媒を凝縮させて液相の冷媒に戻す凝縮器と、凝縮器から送出された液相の冷媒を沸騰器へと戻すポンプと、を備えている。また、廃熱回収装置は、膨張機の出口部と凝縮器の入口部とが第１配管により接続されており、膨張機よりも低い位置から第１配管に連通するように設けられた凝縮水タンクと、凝縮水タンクに流入した液相の冷媒を加熱する加熱装置と、加熱装置において蒸気化した気相の冷媒を凝縮器又は第１配管へと送出させる第２配管と、を備えている。【選択図】図１
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【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相の冷媒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の冷媒を膨張させて熱エネルギを回収する膨張機と、前記膨張機を通過した気相の冷媒を凝縮させて液相の冷媒に戻す凝縮器と、前記凝縮器から送出された液相の冷媒を前記沸騰器へと戻すポンプと、を備える廃熱回収装置において、
前記膨張機の出口部と前記凝縮器の入口部とは第１配管により接続され、
前記膨張機よりも低い位置から前記第１配管に連通するように設けられ、前記膨張機又は前記第１配管にて発生した液相の冷媒が流入する凝縮水タンクと、
前記凝縮水タンクに流入した液相の冷媒を加熱する加熱装置と、
前記加熱装置において蒸気化した気相の冷媒を前記凝縮器又は前記第１配管へと送出させる第２配管と、
を備えた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、作動流体を蒸発させて蒸気を生成する内燃機関と、生成した蒸気の熱エネルギを動力として回収するタービンと、タービンを通過した蒸気を凝縮させるコンデンサと、コンデンサで液化した作動流体を貯留するタンクと、タンク内の液相状態の作動流体を内燃機関に還流する還流部とを備えている。そして、このランキンサイクルシステムでは、タービンの出口部とコンデンサの入口部とを接続する通路の最下部が通路部を介してタンクへと接続されており、この通路部の途中には、還流部を流通する作動流体との間で熱交換を行う熱交換器が設けられている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２０１５−１０８３３９号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
特許文献１のシステムによれば、タービン出口部に発生した液相の作動流体をタンク内へと導くことができるので、タービンへの液相の作動流体の流入が回避される。しかしながら、特許文献１のシステムでは、タンク内に貯留された液相の作動流体は、熱交換器によって加熱された後に内燃機関へと還流される。この場合、内燃機関へ還流される作動流体の温度が過度に上昇してしまい、内燃機関の冷却を十分に行うことができないおそれがある。
【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、内燃機関の冷却が不十分となることを回避しつつ膨張機への液相の冷媒の流入を抑制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相の冷媒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の冷媒を膨張させて熱エネルギを回収する膨張機と、膨張機を通過した気相の冷媒を凝縮させて液相の冷媒に戻す凝縮器と、凝縮器から送出された液相の冷媒を前記沸騰器へと戻すポンプと、を備える廃熱回収装置に適用される。廃熱回収装置は、第１配管と、第２配管と、凝縮水タンクと、加熱装置とを備えている。第１配管は、膨張機の出口部と凝縮器の入口部とを接続する冷媒管として構成されている。また、凝縮水タンクは、膨張機よりも低い位置から第１配管に連通するように設けられ、膨張機又は第１配管にて発生した液相の冷媒が流入するように構成されている。また、加熱装置では、凝縮水タンクに流入した液相の冷媒を加熱するように構成されている。そして、加熱装置において蒸気化した気相の冷媒は、第２配管を介して凝縮器又は第１配管へと送出される。
【発明の効果】
【０００７】
本発明によれば、膨張機又は第１配管にて発生した液相の冷媒は、重力によって凝縮水タンクへと導かれる。これにより、液相の冷媒が膨張機内へ流入することを回避することができる。また、本発明の構成によれば、加熱装置において加熱された冷媒が凝縮器で冷却された後に内燃機関へと戻される。このため、内燃機関の冷却が不十分となることを回避しつつ膨張機への液相の冷媒の流入を抑制することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【０００８】
【図１】実施の形態１のランキンサイクルシステムの特徴的構成を示す図である。
【図２】実施の形態１のランキンサイクルシステムの比較例の構成を示す図である。
【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基本構成
図１は、実施の形態１のランキンサイクルシステム１００の特徴的構成を示す図である。また、図２は、実施の形態１のランキンサイクルシステム１００の比較例としてのランキンサイクルシステム２００の構成を示す図である。なお、ランキンサイクルシステム２００は、基本的なシステム構成が実施の形態１のランキンサイクルシステム１００と共通であるため、ランキンサイクルシステム１００の基本構成及び基本動作については、図２のランキンサイクルシステム２００を参照して説明する。
【００１１】
図２に示すように、比較例のランキンサイクルシステム２００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。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１２が形成されている。冷媒流路１２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１２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。
【００１２】
エンジン１０は、冷媒流路１２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１２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１２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。
【００１３】
エンジン１０の冷媒流路１２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１２からは気相の冷媒とともに液相の冷媒が吐出される。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の冷媒と気相の冷媒（蒸気）とに分離する。気液分離器１６は、冷媒管１８を介して第２ウォータポンプ２０（ＷＰ２）に接続されている。気液分離器１６で分離された液相の冷媒は、冷媒管１８を経由して第２ウォータポンプ２０に流入し、第２ウォータポンプ２０により冷媒流路１２に送られる。
【００１４】
また、ランキンサイクルシステム２００は、排気熱蒸気発生器１３を備えている。排気熱蒸気発生器１３は、エンジン１０の排気通路２２に設けられている。気液分離器１６の下部は、冷媒管１８及び冷媒管１１を介して排気熱蒸気発生器１３にも接続されている。排気熱蒸気発生器１３には、気液分離器１６から液相の冷媒が導入される。導入された液相の冷媒は、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。蒸気となった気相の冷媒は、冷媒管１５を介して再び気液分離器１６へと導入される。
【００１５】
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において排気熱蒸気発生器１３の上流に設けられている。気液分離器１６では気相の冷媒と液相の冷媒が共存しているため、気相の冷媒は飽和蒸気となっている。過熱器３０に入った気相の冷媒は、排気通路２２を流れる排気ガスとの熱交換によって過熱蒸気となる。
【００１６】
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から送られた気相の冷媒（過熱蒸気）を膨張させて熱エネルギ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、超音速ノズル３５が設けられている。気相の冷媒は超音速ノズル３５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、クラッチ３３を介してエンジン１０の回転軸に伝えられる。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。
【００１７】
また、ランキンサイクルシステム１００は、気液分離器１６の上端と冷媒管３６を接続する冷媒管３７を備えている。冷媒管３７には、逃がし弁３８が設けられている。逃がし弁３８が開弁されると気液分離器１６内の気相の冷媒が逃がし弁３８に導入される。導入された気相の冷媒は、逃がし弁３８を通過する際に減圧された上でコンデンサ（凝縮器）４０に導入される。
【００１８】
タービン３４の出口部とコンデンサ４０の入口部とは冷媒管３６（第１配管）によって接続されている。タービン３４で膨張した気相の冷媒は、冷媒管３６を介してコンデンサ４０に送られる。コンデンサ４０に送られた気相の冷媒は、コンデンサ４０により冷却されて凝縮し、液相の冷媒に戻される。気相の冷媒の凝縮により生じた液相の冷媒は、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を介して冷媒管１８の途中に接続されている。冷媒管４６には、第１ウォータポンプ４８（ＷＰ１）が設けられている。第１ウォータポンプ４８は、キャッチタンク４４に貯留された液相の冷媒を冷媒管１８を介して気液分離器１６或いはエンジン１０に送るためのポンプである。冷媒管４６における第１ウォータポンプ４８と冷媒管１８との間には、冷媒管１８側からキャッチタンク４４側への液相の冷媒の逆流を防止する逆止弁４７が設けられている。また、キャッチタンク４４とタービン３４とは、冷媒管５０により接続されている。冷媒管５０は、タービン３４の出口部に溜った液相の冷媒をキャッチタンク４４へと排出するためのものである。
【００１９】
２．ランキンサイクルシステムの基本動作
次に、ランキンサイクルシステム２００において行なわれる沸騰冷却の基本動作について説明する。なお、図２において、液相の冷媒の流れは太実線で表され、気相の冷媒（蒸気）は太破線で表されている。
【００２０】
ランキンサイクルシステム２００においては、エンジン１０の廃熱によるエネルギをタービン３４の回転エネルギとして回収し、エンジン１０の回転軸の回転を補助するものである。すなわち、冷媒流路１２及び排気熱蒸気発生器１３は、エンジン１０の廃熱を受け取って液相の冷媒を沸騰させる沸騰器として機能する。液相の冷媒が沸騰すると、液相の冷媒の一部が気相の冷媒（蒸気）に変化する。冷媒流路１２において発生した気相の冷媒は、冷媒管１４を経由して気液分離器１６へと導入される。また、排気熱蒸気発生器１３において発生した気相の冷媒は、冷媒管１５を経由して気液分離器１６へと導入される。気液分離器１６内の気相の冷媒は、冷媒管１４を経由して過熱器３０へ導入される。気相の冷媒は、過熱器３０を通過する過程でエンジン１０の排気熱を更に受け取ることにより、より高温高圧の過熱蒸気へと変化する。過熱器３０を通過した過熱蒸気は、冷媒管３２を経由してタービン３４へ導入される。
【００２１】
タービン３４では、導入された過熱蒸気が超音速ノズル３５によって減圧されて膨張した後タービン翼へと噴きつけられる。これにより、過熱蒸気の熱エネルギがタービン３４の回転運動として取り出される。タービン３４を通過した低圧の気相の冷媒は冷媒管３６を経由してコンデンサ４０へと導入される。導入された気相の冷媒はコンデンサ４０内で冷却されて液相の冷媒へと変化し、冷媒管４２を経由してキャッチタンク４４へと一時的に貯留される。第１ウォータポンプ４８が駆動されると、キャッチタンク４４内の液相の冷媒が冷媒管４６及び冷媒管１８を介して気液分離器１６又はエンジン１０内へと導入される。
【００２２】
３．比較例のランキンサイクルシステムの課題
タービン３４の出口部は蒸気温度が低下するため、凝縮によって液相の冷媒（凝縮水）が発生するおそれがある。発生した凝縮水がタービン３４内に逆流すると、内部部品に対して悪影響を及ぼすため、発生した凝縮水は速やかに排出されることが望ましい。上述した比較例のランキンサイクルシステム２００では、タービン３４の出口部に発生した凝縮水が冷媒管５０を介してキャッチタンク４４へと導入されるので、タービン３４を凝縮水の流入から保護することができる。
【００２３】
ここで、図２に示すように、ランキンサイクルシステム２００によってランキンサイクルが作動されると、冷媒の過熱が行われる常圧領域（−４０〜１００ｋＰａ＿Ｇの領域）と、冷媒の凝縮が行われる低圧領域（−９０〜−７０ｋＰａ＿Ｇの領域）が形成される。低圧領域は、圧力の低下に伴い冷媒の沸点も低下している。このため、比較的高温の凝縮水がキャッチタンク４４へと導入される比較例のランキンサイクルシステム２００では、第１ウォータポンプ４８の冷媒吸込口付近において、減圧による冷媒の沸騰が起きるおそれがある。この場合、第１ウォータポンプ４８への気相の噛み込みが発生し、送水性能が低下してしまう。
【００２４】
この点、例えば上述した特許文献１の技術では、冷媒の減圧沸騰を抑制するために、タービン出口部に滞留する液相の作動流体を熱交換器で冷却した後にタンク内へと導くこととしている。しかしながら、タンク内に貯留された液相の作動流体は、熱交換器によって加熱された後に内燃機関へと還流される。このため、特許文献１の技術では、内燃機関へ還流される作動流体の温度が過度に上昇して内燃機関の冷却を十分に行うことができないおそれがある。
【００２５】
４．実施の形態１のランキンサイクルシステムの特徴的構成
次に、図１を参照して、実施の形態１のランキンサイクルシステム１００の特徴的構成について説明する。なお、図１ではランキンサイクルシステム１００の特徴的な構成のみを図示しているが、ランキンサイクルシステム１００は、冷媒管５０を除くランキンサイクルシステム２００の構成を備えているものとする。
【００２６】
図１に示すように、タービン３４の出口部近傍の冷媒管３６には凝縮水タンク５２が設けられている。凝縮水タンク５２は、タービン３４よりも低い位置に配置され、冷媒管３６の最低部に連通している。また、凝縮水タンク５２よりも更に低い位置には、冷媒管５４を介して加熱装置５６が接続されている。加熱装置５６は、図示しない排気通路との熱交換によって凝縮水を加熱するための装置である。加熱装置５６の上部は、冷媒管５８（第２配管）を介して、コンデンサ４０の入口部近傍の冷媒管３６に接続されている。
【００２７】
図１に示すランキンサイクルシステム１００の構成によれば、冷媒管３６内に発生した凝縮水は、重力の作用によって凝縮水タンク５２へと流入し、凝縮水タンク５２から更に下方の加熱装置５６へと流入する。これにより、冷媒管３６にて発生した凝縮水が、タービン３４の内部へと流入することを回避することができる。
【００２８】
また、加熱装置５６に流入した凝縮水は、排気との熱交換によって加熱される。加熱されて再び蒸気となった冷媒は、冷媒管５８及び冷媒管３６を流通してコンデンサ４０へと導入される。このように、ランキンサイクルシステム１００の構成によれば、加熱装置５６で加熱された冷媒（蒸気）が、コンデンサ４０にて冷却された後にエンジン１０へと戻される。これにより、高温の冷媒がエンジン１０へと戻されることを回避することができるので、エンジン１０の冷却が不十分となることを回避しつつタービン３４への液相の冷媒の流入を抑制することが可能となる。
【００２９】
ところで、上述した実施の形態１のランキンサイクルシステム１００では、排気熱を利用した加熱装置５６について説明したが、電熱線等の他の熱源を用いてもよい。なお、加熱装置５６内は低圧領域であるため、凝縮水は４５〜７０℃程度で沸騰する。また、タービン３４に導入される蒸気は基本的に凝縮水が発生しないように十分に過熱されているため、凝縮水タンク５２へと導入される凝縮水量は比較的少ない。このことから、加熱装置５６において凝縮水の加熱に必要なエネルギは排気エネルギに比べて非常に小さいものであり、加熱装置５６は小型なものでも対応することができる。また、排気熱を利用した加熱装置５６では、触媒の暖機に影響を与えないように、触媒下流の排気通路に接地することが好ましい。
【００３０】
また、上述した実施の形態１のランキンサイクルシステム１００では、冷媒管５８を介して加熱装置５６と冷媒管３６とを接続する構成としたが、冷媒管５８を介して加熱装置５６とコンデンサ４０の入口部とを直接接続する構成でもよい。
【符号の説明】
【００３１】
１０  内燃機関（エンジン）
１２  冷媒流路（沸騰器）
１３  排気熱蒸気発生器（沸騰器）
１１，１４，１５，１８，２８，３２，３７，４２，５０，５４  冷媒管
１６  気液分離器
２０  第２ウォータポンプ
２２  排気通路
３０  過熱器
３３  クラッチ
３４  タービン（膨張機）
３５  超音速ノズル
３６  冷媒管（第１配管）
３８  逃がし弁
４０  コンデンサ（凝縮器）
４４  キャッチタンク
４６  冷媒管（冷媒経路）
４７  逆止弁
４８  第１ウォータポンプ（ポンプ）
５２  凝縮水タンク
５６  加熱装置
５８  冷媒管（第２配管）
１００，２００  ランキンサイクルシステム
【図１】
2017155612.tif 000003
【図２】
2017155612.tif 000004