(57)【要約】【課題】  内燃機関と膨張器との間で動作流体の気液分離を行う場合に、排気ガスから廃熱を好適に回収でき、以って膨張器を駆動するための過熱蒸気の流量をより多く確保できるとともに、ランキンサイクルの熱効率を改善できる廃熱回収装置を提供する。【解決手段】  エンジン２の廃熱を回収するための排熱回収装置１０であって、エンジン２で発生した熱を受熱し、気液相混合状態になっている冷却水を液体としての水と蒸気とに分離するとともに、冷却水とエンジン２の排気ガスとの間で熱交換を行うように構成された気液分離器３と、気液分離器３で分離された蒸気とエンジン２の排気ガスとの間で熱交換を行うように構成された過熱器４とを備える。この廃熱回収装置１０では、過熱器４で熱交換を行った排気ガスが、さらに気液分離器３で熱交換を行うように排気ガス流通経路８が構成されている。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
内燃機関の廃熱を回収するための排熱回収装置であって、
前記内燃機関で発生した熱を受熱し、気液相混合状態になっている動作流体を液体と蒸気とに分離するとともに、前記動作流体と前記内燃機関の排気ガスとの間で熱交換を行うように構成された気液分離器と、
前記気液分離器で分離された蒸気と前記内燃機関の排気ガスとの間で熱交換を行うように構成された過熱器とを備えることを特徴とする廃熱回収装置。
【請求項２】
請求項１記載の廃熱回収装置であって、
前記過熱器で熱交換を行った排気ガスが、さらに前記気液分離器で熱交換を行うように排気ガス流通経路が構成されていることを特徴とする廃熱回収装置。
【請求項３】
請求項１または２記載の廃熱回収装置を組み込んだことを特徴とするエンジン。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は廃熱回収装置及びエンジンに関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、内燃機関（エンジン）の駆動に伴って発生する廃熱を、ランキンサイクルを利用して回収する廃熱回収装置が知られている。このような廃熱回収装置は、例えば、エンジンのウォータジャケット内で冷却水などの冷却媒体を気化させ、更に排気熱で過熱した蒸気によって駆動される膨張器を介して廃熱を回収する構成となっている。膨張器を駆動した後の蒸気は凝縮器によって液状に戻される。このような廃熱回収装置を改良したものが、例えば特許文献１に開示されている。
【０００３】
【特許文献１】特開２０００−７３７５３号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
ところで、過熱器には気液相混合状態の冷却水が動作流体として流入する。一方、過熱器では気液相混合状態の冷却水で液体が完全に蒸発した後に過熱が始まるところ、過熱器で液体を完全に蒸発させることができない場合などには、膨張器に蒸気のみを供給すべく液体と蒸気とを分離する必要がある。この点、例えば過熱器で気液分離と過熱とを一度に行えば係る問題を解決でき、また構成上も合理的であると考えられる。
【０００５】
しかしながら、過熱器では蒸発と過熱とを一度に行う必要があり、蒸発と過熱とを一度に行うためには過熱器のサイズを大きくする必要があることから、さらに気液分離を行う構成とした場合に車両等への搭載上の問題が発生する虞がある。また係る過熱器では、熱交換で熱が飽和蒸気の生成と過熱蒸気の生成とに利用されることから（すなわち熱交換で得られる熱が蒸気の過熱に利用されることから）、生成される蒸気量が、本来排気ガスとの熱交換で生成可能な蒸気量よりも低く制限されると考えられる。したがって係る過熱器では、生成される蒸気の流量も同時に少なくなってしまい、この結果、膨張器の駆動が低下してしまう虞がある。
【０００６】
一方、係る過熱器では、逆に見れば熱交換で熱が飽和蒸気の生成に利用されることから、生成される過熱蒸気の温度及び圧力が、本来排気ガスとの熱交換で生成可能な過熱蒸気の温度及び圧力よりも低く制限されると考えられる。したがって係る過熱器では、過熱蒸気の温度及び圧力が低く制限される分、ランキンサイクルの熱効率も低くなってしまう虞がある。またこれらは換言すれば、係る過熱器では、排気ガスから廃熱を十分に回収することが困難であることが原因になっているといえる。
【０００７】
そこで本発明は上記の課題に鑑みてなされたものであり、内燃機関と膨張器との間で動作流体の気液分離を行う場合に、排気ガスから廃熱を好適に回収でき、以って膨張器を駆動するための過熱蒸気の流量をより多く確保できるとともに、ランキンサイクルの熱効率も改善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】
【０００８】
上記課題を解決するために、本発明は内燃機関の廃熱を回収するための排熱回収装置であって、前記内燃機関で発生した熱を受熱し、気液相混合状態になっている動作流体を液体と蒸気とに分離するとともに、前記動作流体と前記内燃機関の排気ガスとの間で熱交換を行うように構成された気液分離器と、前記気液分離器で分離された蒸気と前記内燃機関の排気ガスとの間で熱交換を行うように構成された過熱器とを備えることを特徴とする（請求項１）。
【０００９】
本発明によれば、過熱器と気液分離器とで個別に廃熱を回収するようにしたことで、排気ガスから廃熱を好適に回収できる。具体的には気液分離と過熱とを一度に行う前述の過熱器と比較して、気液分離器で個別に熱交換を行うことで、より多くの蒸気を生成するように廃熱を回収できる点で、排気ガスから廃熱を好適に回収できる。この点、本発明記載の気液分離器は排気ガスと動作流体との間で熱交換を行い、過熱蒸気までは生成しないように構成されている点で前述の過熱器とは異なるものとなっており、このため単体としてのサイズも小さく抑制できる。
【００１０】
また本発明によれば、具体的には気液分離された蒸気に含まれる飽和蒸気を過熱器で個別に過熱するようにしたことで、より高温、高圧の過熱蒸気を生成できるように廃熱を回収できる点で、排気ガスから廃熱を好適に回収できる。このため本発明によれば、ランキンサイクルの熱効率も改善できる。また気液分離器で生成したより多くの蒸気から過熱蒸気を生成する本発明によれば、膨張器を駆動するための過熱蒸気の流量もより多く確保できる。
【００１１】
またこのような廃熱回収装置では、前記過熱器で熱交換を行った排気ガスが、さらに前記気液分離器で熱交換を行うように排気ガス流通経路が構成されていてもよい（請求項２）。ここで過熱器では過熱蒸気を生成することから、より高温の排気ガスとの間で熱交換を行うことが望ましい一方で、気液分離器では飽和蒸気を生成できるように熱交換を行えばよい。これに対して本発明のように排気ガス流通経路を構成すれば、過熱器でより高温、高圧の過熱蒸気を生成できるとともに、過熱器で回収できなかった廃熱をさらに気液分離器で飽和蒸気を生成するために回収できるようになる。このため本発明のように排気ガス流通経路を構成すれば、排気ガスから廃熱をさらに好適に回収できる。
【００１２】
またこれらの廃熱回収装置をエンジンに組み込めば、本発明のエンジンとすることができる（請求項３）。
【発明の効果】
【００１３】
本発明によれば、内燃機関と膨張器との間で動作流体の気液分離を行う場合に、排気ガスから廃熱を好適に回収でき、以って膨張器を駆動するための過熱蒸気の流量をより多く確保できるとともに、ランキンサイクルの熱効率を改善できる廃熱回収装置を提供できる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１４】
以下、本発明を実施するための最良の形態を図面と共に詳細に説明する。
【００１５】
図１は本実施例の廃熱回収装置１０の概略構成を示した説明図である。廃熱回収装置１０はエンジン２に組み込まれている。廃熱回収装置１０はポンプ１、気液分離器３、過熱器４、膨張器５及び凝縮器６を有して構成されている。なお、本実施例では廃熱回収装置１０をエンジン２に組み込んだ状態で、エンジン２も廃熱回収装置１０の一部を構成することになる。
【００１６】
廃熱回収装置１０ではランキンサイクルが実現されている。この廃熱回収装置１０につき、ランキンサイクルとしての概略を説明すると、液相状態の冷却水（動作流体）はポンプ１で凝縮器６からエンジン２に圧送される。エンジン２では、液相状態の冷却水が受熱することにより気液相混合状態に相変化する。気液分離器３では、気液相混合状態の冷却水が排気ガスと熱交換を行うとともに、気液分離される。気液分離器３から過熱器４には気液分離器３で分離された気相の冷却水（蒸気）だけが供給される。過熱器４では気液分離器３で分離された蒸気に含まれる飽和蒸気が排気ガスと熱交換を行い過熱され、過熱蒸気が生成される。生成された過熱蒸気は膨張器５（具体的にはここではタービン）で仕事を行い、これにより動力回生器７（具体的にはここでは発電機）で動力の回生が行われる。膨張器５で仕事を行った過熱蒸気は凝縮器６で液相の冷却水に相変化する。なお、各構成間を結ぶ線は、各構成間を移動する冷却水の相の状態に応じて夫々区別されている。
【００１７】
次にこの廃熱回収装置１０につき、気液分離器３、過熱器４及び排気ガス流通経路８について詳述する。気液分離器３は気液相混合状態の冷却水を液体（以下、単に水とも称す）と蒸気とに分離するための構成であり、この気液分離器３はさらに動作流体である冷却水と排気ガスとの間で熱交換を行い、より多くの飽和蒸気を生成するための構成となっている。図２は気液分離器３を模式的に示す図である。気液分離器３は容器状に構成されており、また内部に水が溜まるように構成されている。気液相混合状態の冷却水は、エンジン２から具体的には気液分離器３のうち、内部に溜まった水の水面よりも下の部分から内部に供給される。これにより、蒸気のみが水面よりも上に浮上して、水と分離されることから気液分離を行える。また気液分離器３は遮蔽板３ａを備えており、この遮蔽板３ａにより蒸気が浮上した際に発生する水の飛散が防止される。内部に溜まった水は例えばエンジン２に戻すことができる。
【００１８】
また気液分離器３は排気ガスと冷却水との間で熱交換を行えるよう、内部に排気流通管３ｂを備えており、この排気流通管３ｂを介して排気ガスと冷却水との間で熱交換が行われる。なお、気液分離器３で熱交換を行うにあたっては、排気流通管３ｂを備えることに限られず、例えば気液分離器３の外壁に沿って排気を流通させる経路を構成するなど適宜の排気ガス流通経路を構成することで熱交換を行ってよい。また熱交換は動作流体としての冷却水と排気ガスとの間で行われるため、内部に水が溜まっている気液分離器３では熱交換によって飽和蒸気が生成されることになる。この気液分離器３は蒸発のみを行い過熱を行わないため、単体としてのサイズを小さく抑制できる。また気液分離器３で個別に廃熱を回収するようにしたことで、より多くの飽和蒸気を生成できるように廃熱を好適に回収できる。
【００１９】
気液分離器３で水と分離された蒸気はさらに過熱器４に供給される。過熱器４は過熱蒸気を生成するための構成であり、気液分離器３で分離された蒸気と排気ガスとの間で熱交換を行うように構成されている。この過熱器４で個別に廃熱を回収するようにしたことで、より高温、高圧の過熱蒸気を生成できるように廃熱を好適に回収でき、以ってランキンサイクルの熱効率も改善できる。また気液分離器３で生成したより多くの飽和蒸気から過熱器４で過熱蒸気を生成することで、膨張器５を駆動するための過熱蒸気の流量もより多く確保できる。
【００２０】
さらに本実施例では、エンジン２から排出された排気ガスを過熱器４に導くとともに、過熱器４で熱交換を行った排気ガスをさらに気液分離器３（より具体的には排気流通管３ｂ）に導くように排気ガス流通経路８が構成されている。これにより、過熱器４ではより高温、高圧の過熱蒸気を生成できるとともに、過熱器４で回収できなかった廃熱をさらに気液分離器３で飽和蒸気を生成するために回収できるようになる。すなわちこのように構成された排気ガス流通経路８によれば、排気ガスから廃熱をさらに好適に回収できる。
【００２１】
次に気液分離器３及び過熱器４における温度変化、かわき度の変化及び発生蒸気量の変化について図３を用いて詳述する。なお、図３では気液分離器３で熱交換を行わない場合を比較の対象として同時に示しているが、このような場合と比較しても廃熱回収装置１０によれば、排気ガスから廃熱を好適に回収できる。
【００２２】
エンジン２で発生した蒸気の温度がＴ０であった場合、気液分離器３では熱交換を行わない場合には温度がＴ０のままとなるのに対して、熱交換を行った場合には温度がＴ０＋α２となる。また過熱器４では、気液分離器３で熱交換を行わない場合には、温度がＴ０＋α１になるのに対して、気液分離器３で熱交換を行った場合には温度がＴ０＋α２＋α０になる。ここで、図に示すように気液分離器３で熱交換を行わない場合と、熱交換を行った場合とではかわき度及び発生蒸気量は異なるものの、過熱器４では飽和蒸気が同等の熱を受熱し、この結果、α２＋α０＞α１となると考えられることから、気液分離器３で熱交換を行ったほうが、熱交換を行わなかった場合よりもより高温、高圧の過熱蒸気を生成でき、以ってランキンサイクルの熱効率も改善できる。
【００２３】
一方、気液分離器３で熱交換を行わない場合のかわき度がＸ０であったとすると、熱交換を行った場合のかわき度はＸ０からＸ０＋βに向上する。また過熱器４では、気液分離器３で熱交換を行った場合と熱交換を行わなかった場合とでともに過熱蒸気が生成されるため、かわき度は１になる。さらに気液分離器３で熱交換を行わなかった場合の発生蒸気量をＶ０とすると、熱交換を行った場合の発生蒸気量はＶ０からＶ０＋γに増大する。
【００２４】
すなわち、熱交換を行った場合には気液分離器３でより多くの飽和蒸気を生成できるとともに、この飽和蒸気から過熱器４で過熱蒸気を生成することから、膨張器５を駆動するための過熱蒸気の流量もより多く確保できる。なお、過熱器４では、気液分離器３で熱交換を行った場合と熱交換を行わなかった場合とでともに発生蒸気量としては変化がないため、気液分離器３の場合と同じになる。以上により、エンジン２と膨張器５との間で冷却水の気液分離を行う場合に、排気ガスから廃熱を好適に回収でき、以って膨張器５を駆動するための過熱蒸気の流量をより多く確保できるとともに、ランキンサイクルの熱効率を改善できる廃熱回収装置１０を実現できる。
【００２５】
上述した実施例は本発明の好適な実施の例である。但し、これに限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲内において種々変形実施可能である。
【図面の簡単な説明】
【００２６】
【図１】廃熱回収装置の概略構成を示した説明図である。
【図２】気液分離器を模式的に示す図である。
【図３】気液分離器及び過熱器における温度変化、かわき度の変化及び発生蒸気量の変化を表で示す図である。
【符号の説明】
【００２７】
２  エンジン
３  気液分離器
４  過熱器
８  排気ガス流通経路
１０  廃熱回収装置
【図１】
2009041452.tif 000003
【図２】
2009041452.tif 000004
【図３】
2009041452.tif 000005