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JP2008008224A - 廃熱利用装置 - Google Patents

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JP2008008224A
JP2008008224A JP2006180236A JP2006180236A JP2008008224A JP 2008008224 A JP2008008224 A JP 2008008224A JP 2006180236 A JP2006180236 A JP 2006180236A JP 2006180236 A JP2006180236 A JP 2006180236A JP 2008008224 A JP2008008224 A JP 2008008224A
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waste heat
heat exchanger
internal combustion
engine
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道夫 西川
Takahisa Suzuki
隆久 鈴木
Hirotomo Asa
弘知 麻
Atsushi Inaba
淳 稲葉
Hiroshi Kinoshita
宏 木下
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Soken Inc
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Denso Corp
Nippon Soken Inc
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Abstract

【課題】吸入空気の過給を行う内燃機関における廃熱を複合的に用いて、効果的な廃熱利用を可能とする廃熱利用装置を提供する。
【解決手段】内燃機関10に係わる廃熱によってサイクル内の作動流体を熱交換器211、212で加熱すると共に、加熱された作動流体を膨張機220で膨張させて機械的エネルギーを回収し、膨張後の作動流体を凝縮器230で凝縮液化するランキンサイクル200を有する廃熱利用装置において、内燃機関10は、吸入空気を加圧する過給器40を備えており、熱交換器211、212は、内燃機関10からの安定した廃熱を熱源として作動流体を加熱する第1熱交換器211と、過給器40で加圧された吸入空気の熱を熱源として作動流体を加熱する第2熱交換器212とを有する。
【選択図】図1

Description

本発明は、例えば車両等の内燃機関の廃熱を利用して動力を回収する廃熱利用装置に関するものである。
従来の廃熱利用装置として、例えば特許文献1に示されるように、ガスタービンの排気ガスをランキンサイクルの熱源として利用したものが知られている。尚、特許文献1中には、ランキンサイクルの熱源としては、通常大気中に消失される廃熱としてその他に、ラジエータ内を循環する冷却液の熱、インタークーラに入射される圧縮燃焼空気の熱、地熱、フレア排気ガス熱等が挙げられている。
特表2006−506570号公報
しかしながら、上記特許文献1においては、排気ガス熱の他に、上記種々の熱がランキンサイクルの熱源として使用し得るものであると記載されているに過ぎず、具体的な記述は何らされていない。例えば、車両用において、圧縮燃焼空気の熱をランキンサイクルの熱源として考えた場合に、車両の走行条件に応じて圧縮燃焼空気の熱は大きく変動し、実質的には安定したランキンサイクルの熱源として使用するのは困難となる。
また、上記特許文献1には、上記種々の熱を複合的に使用して、より効果的な廃熱利用をする考えは示されていない。
本発明の目的は、上記問題に鑑み、吸入空気の過給を行う内燃機関における廃熱を複合的に用いて、効果的な廃熱利用を可能とする廃熱利用装置を提供することにある。
本発明は上記目的を達成するために、以下の技術的手段を採用する。
請求項1に記載の発明では、内燃機関(10)に係わる廃熱によってサイクル内の作動流体を熱交換器(211、212)で加熱すると共に、加熱された作動流体を膨張機(220)で膨張させて機械的エネルギーを回収し、膨張後の作動流体を凝縮器(230)で凝縮液化するランキンサイクル(200)を有する廃熱利用装置において、内燃機関(10)は、吸入空気を加圧する過給器(40)を備えており、熱交換器(211、212)は、内燃機関(10)からの安定した廃熱を熱源として作動流体を加熱する第1熱交換器(211)と、過給器(40)で加圧された吸入空気の熱を熱源として作動流体を加熱する第2熱交換器(212)とを有することを特徴としている。
これにより、内燃機関(10)からの安定した廃熱を用いて第1熱交換器(211)により作動流体を加熱して、安定したランキンサイクル(200)の稼働が可能となる。そして、吸入空気の熱を用いて第2熱交換器(212)により更に作動流体を加熱することができるので、作動流体の熱エネルギーを高めて、膨張機(220)で回収し得る機械的エネルギーを増大させることができる。総じて、効果的な廃熱利用を可能とする廃熱利用装置(100)とすることができる。
上記内燃機関(10)からの安定した廃熱としては、請求項2に記載の発明のように、内燃機関(10)を冷却するための冷却液の熱とすることができる。
請求項2に記載の発明において、請求項3に記載の発明では、第2熱交換器(212)は、第1熱交換器(211)の作動流体流れの上流側に配設されたことを特徴としている。
これにより、まず、第2熱交換器(212)によって作動流体を加熱することができる。そして、内燃機関(10)の始動時のように冷却液温度が低い場合は、第1熱交換器(211)を放熱器として使用し、第2熱交換器(212)で加熱された作動流体の熱を用いて冷却液を加熱することができる。よって、内燃機関(10)の早期暖機を図ることができる。
請求項4に記載の発明では、第1熱交換器(211)と第2熱交換器(212)とに対する作動流体の流入順序を切替える切替え手段(250)を設けたことを特徴としている。
これにより、作動流体が第2熱交換器(212)から第1熱交換器(211)の順に流れるように切替えた場合では、請求項3に記載の発明のように内燃機関(10)の早期暖機を図ることができる。また、逆に、作動流体が第1熱交換器(211)から第2熱交換器(212)の順に流れるように切替えた場合では、作動流体に対する熱源の温度が順に高くなる形とすることができるので、作動流体とそれぞれの熱源との温度差を充分に確保して効果的な熱交換(作動流体の加熱)を行うことができる。
請求項5に記載の発明では、内燃機関(10)の作動時は、ランキンサイクル(200)は常時作動されるようになっており、第2熱交換器(212)は、加圧された吸入空気を冷却するインタークーラ(13)の機能を兼ねることを特徴としている。
これにより、通常、吸入空気の冷却用に設定されるインタークーラ(13)を廃止することができる。
請求項6に記載の発明では、ランキンサイクル(200)との間で凝縮器(230)を共有して形成され、サイクル内を作動流体が循環する冷凍サイクル(300)を備えたことを特徴としている。
これにより、ランキンサイクル(200)と冷凍サイクル(300)とを、作動流体および回路の一部を共用して構成することが可能となる。
尚、本発明の廃熱利用装置(100)は、請求項7に記載の発明のように、内燃機関(10)としてエンジン(10)を備える車両用に用いて好適である。
因みに、上記各手段の括弧内の符号は、後述する実施形態に記載の具体的手段との対応関係を示す一例である。
(第1実施形態)
本発明の第1実施形態を図1に示し、まず、具体的な構成について説明する。本実施形態の廃熱利用装置100は、エンジン10(本発明の内燃機関に対応)を駆動源とする車両に適用されるものとしている。廃熱利用装置100は、エンジン10に係わる廃熱を熱源とするランキンサイクル200を有している。
エンジン10は水冷式であり、エンジン冷却水(本発明の冷却液に対応)の循環によってエンジン10が冷却されるラジエータ回路20、およびエンジン冷却水(温水)を熱源として空調空気を加熱するヒータ回路30を有している。尚、エンジン10には、エンジン10の駆動力によって駆動されて発電するオルタネータ(図示省略)が設けられている。オルタネータによって発電された電力はバッテリ(図示省略)に充電されると共に、バッテリに充電された電力は、車両電気負荷(ヘッドランプ、ワイパー、オーディオ等)に供給されるようになっている。
ラジエータ回路20にはラジエータ21が設けられている。ラジエータ21は、車両エンジンルーム内の前方(グリル後方)に配設されており、温水ポンプ22によって循環されるエンジン冷却水をグリルから流入する外気との熱交換により冷却する。温水ポンプ22は、ここではエンジン10によって駆動される機械式ポンプとしている。尚、温水ポンプ22は、電動機によって駆動される電動式ポンプとしても良い。
尚、ラジエータ回路20中にはラジエータ21を迂回して冷却水が流通するラジエータバイパス流路23が設けられており、サーモスタット24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バイパス流路23を流通する冷却水量とが調節されるようになっている。よって、エンジン10の定常運転時には、エンジン10出口側のエンジン冷却水の温度は、90℃前後に維持される。
ヒータ回路30は、ラジエータ回路20から分岐してヒータコア31を通り、その後ラジエータ回路20に合流するようにして形成されており、上記の温水ポンプ22によってエンジン冷却水が循環されるようになっている。ヒータ回路30には、エンジン冷却水(温水)を熱源として空調空気を加熱するためヒータコア31が設けられている。ヒータコア31は、図示しない空調ユニットの空調ケース内に配設されており、送風機(図示省略)によって送風される空調空気をエンジン冷却水との熱交換により加熱する。
そして、エンジン10は、吸入管11から吸入される燃焼用空気(以下、吸入空気)を加圧する過給器40を備えている。過給器40は、排気タービン41と、排気タービン41に接続されたコンプレッサ42とを有している。過給器40においては、エンジン10の排気管12から排出される排気ガスの排出力によって排気タービン41が回転駆動され、排気タービン41の回転駆動に伴ってコンプレッサ42が回転駆動される。コンプレッサ42は、エンジン10の吸入管11から吸入される吸入空気を加圧して、エンジン10に供給する。
吸入管11において、コンプレッサ42とエンジン10との間にはインタークーラ13が設けられている。インタークーラ13は、車両エンジンルーム内の前方(グリル後方)においてラジエータ21に隣接して配設されており、コンプレッサ42によって加圧されて高温となった吸入空気をグリルから流入する外気との熱交換によって、冷却する。尚、吸入空気はコンプレッサ42の加圧によって、200℃前後に上昇するが、インタークーラ13によって60℃前後(所定冷却温度)に冷却される。
ランキンサイクル200は、エンジン10で発生した廃熱エネルギー(エンジン冷却水の熱エネルギー、および吸入空気の熱エネルギー)を回収すると共に、この廃熱エネルギーを電気エネルギー等に変換して利用するものである。以下、ランキンサイクル200について説明する。
ランキンサイクル200は、加熱器(本発明の第1熱交換器に対応)211、熱交換器(本発明の第2熱交換器に対応)212、膨張機220、凝縮器230、ポンプ240を有し、これらが順次接続されて閉回路を形成しており、この閉回路に冷媒(本発明の作動流体に対応)がポンプ240により循環される。ポンプ240は、図示しない電動機を駆動源とする電動式のポンプであり、図示しない制御装置によってその作動が制御されるようになっている。尚、本実施形態においてはランキンサイクル200の冷媒としてHFC134aを用いている。
加熱器211と熱交換器212との両者を合わせたものが、本発明の熱交換器に対応し、ランキンサイクル200において基本的な冷媒の加熱を行う。即ち、加熱器211は、ポンプ240から送られる冷媒とラジエータ回路20を流通する高温のエンジン冷却水との間で熱交換することにより冷媒を加熱する。また、熱交換器212は、上記加熱器211の冷媒流れ下流側に配設されており、加熱器211から流出される冷媒と過給器40(コンプレッサ42)で加圧された吸入空気との間で熱交換することにより冷媒を更に加熱する。
膨張機220は、加熱器211および熱交換器212で加熱された過熱蒸気冷媒の膨張によって回転駆動力を発生させる流体機器である。膨張機220には図示しない発電機が接続されており、膨張機220の駆動力によって発電機が作動され、発電機によって発電される電力は、図示しない制御回路(インバータ)を介してバッテリに充電されるようになっている。
膨張機220から流出される冷媒は、凝縮器230に至る。凝縮器230は、車両エンジンルーム内でラジエータ21の外気流れ上流側に配設される熱交換器であり、グリルから流入する外気との熱交換によって冷媒を凝縮液化する。凝縮器230で液化された冷媒は上記のようにポンプ240によって加熱器211に送られる。
以下、本実施形態に係る廃熱利用装置100の作動について説明する。エンジン10の作動に伴い、エンジン10出口側のエンジン冷却水温度が所定温度以上となると、エンジン冷却水から得られる廃熱が充分あり、加熱器211に流入するエンジン冷却水温度が充分高温であるとして、図示しない制御装置によってポンプ240が作動されて、ランキンサイクル200が稼動される。また、エンジン10の作動に伴い、過給器40が作動され、コンプレッサ42によって吸入空気が加圧される。
ランキンサイクル200が稼動されると、ポンプ240によって凝縮器230側の液冷媒が昇圧されて加熱器211に送られる。液冷媒は、加熱器211においてエンジン冷却水によって加熱され、熱交換器212において吸入空気によって更に加熱されて、過熱蒸気冷媒となって膨張機220に送られる。
尚、吸入空気は、熱交換器212で冷媒を加熱することで冷却されることになり、更にインタークーラ13で所定冷却温度(60℃前後)まで冷却されて、エンジン10に吸入される。
膨張機220において過熱蒸気冷媒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。膨張機220で取り出された回転駆動力によって図示しない発電機が作動され、発電機は発電する。そして、発電機によって得られた電力は、制御回路を介してバッテリに充電され、各種補機の作動に使用される。尚、膨張機220で減圧された冷媒は凝縮器230で凝縮され、再びポンプ240へ吸引される。
尚、ヒータコア31においては、送風される空調空気がエンジン冷却水(温水)によって加熱されて、車室内の暖房が成される。
以上のように、本実施形態においては、エンジン10からの安定した廃熱としてエンジン冷却水の熱を用いて加熱器211により冷媒を加熱して、安定したランキンサイクル200の稼働が可能となる。そして、吸入空気の熱を用いて熱交換器212により更に冷媒を加熱することができるので、冷媒の熱エネルギーを高めて、膨張機220で回収し得る機械的エネルギーを増大させることができる。よって発電機における発電量を増大させることができ、オルタネータの作動頻度を減らしてエンジン10の負荷を減らすことができる。総じて、効果的な廃熱利用を可能とする廃熱利用装置100とすることができる。
また、熱交換器212においては吸入空気を冷却することになるので、その分、インタークーラ13の体格を小型にすることができる。熱交換器212は吸入空気と冷媒との熱交換を行うものであるので、エンジンルーム内ではラジエータ21や凝縮器230のように、外気が流入しやすいと言った特定の設置領域を必要としない。よって、エンジンルーム内においてインタークーラ13の小型化に伴いラジエータ21および凝縮器230の搭載性を向上させることができる。更には、インタークーラ13が小型にできる分、インタークーラ13での放熱量を低下させて、外気の温度上昇を抑え、ラジエータ21および凝縮器230の放熱性能を向上させることができる。ひいてはエンジン10の負荷を低減できる。
また、冷媒が加熱器211から熱交換器212の順に流れるようにしているので、冷媒に対する熱源の温度が順に高くなる形とすることができ、冷媒とそれぞれの熱源との温度差を充分に確保して効果的な熱交換、即ち冷媒の加熱を行うことができる。
(第2実施形態)
本発明の第2実施形態を図2に示す。第2実施形態は、上記第1実施形態に対してランキンサイクル200の冷媒流れ方向における加熱器211と熱交換器212との配設位置を変更したものである。以下、本実施形態において上記第1実施形態と異なる構成部分について説明する。
ここでは、ポンプ240の冷媒吐出側に熱交換器212を配設すると共に、この熱交換器212の冷媒流れ下流側に加熱器211を配設し、冷媒はポンプ240→熱交換器212→加熱器211→膨張機220→凝縮器230の順に循環するようにしている。
エンジン10が始動された直後は、エンジン冷却水温度は所定温度以下の低いレベルにあり、加熱器211での冷媒の加熱はできない状態にある。むしろエンジン10にとってはフリクションロス低減等のために、早期にエンジン冷却水を昇温させたい状態にある。
本第2実施例においては、エンジン10始動の後に、ポンプ240が作動されると、冷媒は熱交換器212で加熱されて、その後に加熱器211に至る。この加熱器211では、エンジン冷却水の温度よりも加熱された冷媒の温度の方が高くなり、加熱器211はエンジン冷却水に対して冷媒の熱を放出する放熱器として作用し、エンジン冷却水を積極的に加熱する。
これにより、ランキンサイクル200を用いたエンジン10の早期暖機を図ることができ、燃費を向上できる。尚、この場合は、加熱器211からは充分加熱された冷媒を膨張機220に供給できないので、ランキンサイクル200として機械的エネルギーを回収することはできない。
また、上記暖機によりエンジン冷却水が所定温度以上と成れば、加熱器211は、本来の加熱機能を発揮して冷媒を加熱することになり、上記第1実施形態と同様に、膨張機220を作動させて、ランキンサイクル200による機械的エネルギーの回収(更に発電機による発電等)が可能となる。
この時、冷媒は熱交換器212で加熱された後に加熱器211で加熱されることになり、冷媒に対する熱源温度は高い側(吸入空気温度)から低い側(エンジン冷却水温度)に移行することになる。よって、冷媒は加熱器211でエンジン冷却水温度を超えないレベルで抑えられて温度の安定した過熱蒸気冷媒となって、膨張機220に供給されることになり、ランキンサイクル200として安定した機械的エネルギーを回収することができる。
(第3実施形態)
本発明の第3実施形態を図3、図4に示す。第3実施形態は、上記第1実施形態に対して、ポンプ240と膨張機220との間の冷媒の流れ方向を切替え可能となるようにしたものである。以下、本実施形態において上記第1実施形態と異なる構成部分について説明する。
ここでは、ポンプ240および加熱器211の間と、熱交換器212および膨張機220の間とを接続する切替え手段としての四方弁250を設けている。四方弁250は、図示しない制御装置によって制御されて、ポンプ240、加熱器211、熱交換器212、膨張機220に繋がる各流路を開閉するようになっている。具体的には、四方弁250の各流路開閉によって、冷媒流れが図3に示す第1モード、あるいは図4に示す第2モードのいずれかに切替えられるようになっている。第1モードでは、冷媒流れ(図3中の実線矢印)は、ポンプ240→加熱器211→熱交換器212→膨張機220→凝縮器230の順となり、また、第2モードでは、冷媒流れ(図4中の破線矢印)は、ポンプ240→熱交換器212→加熱器211→膨張機220→凝縮器230の順となるようにしている。
図示しない制御装置は、エンジン10が始動した後にエンジン冷却水温度が所定温度以上となって定常運転状態になると、四方弁250によって冷媒流れを第1モードに切替える。この場合は、上記第1実施形態と同様にエンジン冷却水と吸入空気との廃熱を効果的に活用したランキンサイクル200の稼働が可能となる。
また、エンジン10の始動直後であれば、図示しない制御装置は、四方弁250によって冷媒流れを第2モードに切替える。この場合は、上記第2実施形態と同様にエンジン10の早期暖機を可能とするランキンサイクル200として稼働させることができる。
このように、第3実施形態では、第1実施形態と第2実施形態との両者のメリットを備える廃熱利用装置100とすることができる。
(第4実施形態)
本発明の第4実施形態を図5に示す。第5実施形態は、上記第1実施形態に対してインタークーラ13を廃止したものとしている。以下、本実施形態において上記第1実施形態と異なる構成部分について説明する。
ここでは、熱交換器212の熱交換能力として、加圧された吸入空気温度を所定冷却温度まで冷却可能な能力をもたせるようにしている。そして、第4実施形態では、エンジン10が作動されている間は、ランキンサイクル200は図示しない制御装置によって常時作動されるようにしている。また、膨張機220で得られる駆動力はエンジン10のアシストに使用されるようにしている。
これにより、ランキンサイクル200の冷媒に対しては加熱器211に加えて熱交換器212によって加熱が可能となる。また、加圧された吸入空気に対しては熱交換器212によって冷媒側に常に放熱することで所定冷却温度への冷却が可能となり、通常、吸入空気の冷却用に設定されるインタークーラ(13)を廃止することができる。
(第5実施形態)
本発明の第5実施形態を図6に示す。第5実施形態は、上記第1実施形態に対して、ランキンサイクル200の凝縮器230を共用する冷凍サイクル300を設けた廃熱利用装置100としている。以下、本実施形態において上記第1実施形態と異なる構成部分について説明する。
冷凍サイクル200は、圧縮機310、上記凝縮器230、膨張弁320、蒸発器330を有し、これらが順次接続されて閉回路を形成している。冷凍サイクル300内には上記ランキンサイクル200と同一の冷媒が循環される。本実施形態においては、ランキンサイクル200および冷凍サイクル300の冷媒として、上記第1実施形態におけるランキンサイクル200の冷媒と同様、HFC134aを用いている。
蒸発器330は、空調ユニット400の空調ケース410内に配設されており、膨張弁320によって減圧膨張された冷媒を蒸発させて、その時の蒸発潜熱によって送風機から送られる空調空気を冷却する。また、ヒータコア回路30におけるヒータコア31も空調ケース410内に配設されており、上記第1実施形態と同様に、送風機によって送風される空調空気をエンジン冷却水との熱交換により加熱する。よって、蒸発器330によって冷却された空調空気とヒータコア31によって加熱された空調空気は、図示しないエアミックスドアの開度に応じて混合比率が変更され、乗員の設定する温度に調節される。
上記のように、ランキンサイクル200および冷凍サイクル300を備える廃熱利用装置100において、冷媒および凝縮器230を共用することで安価な対応ができる。また、2つのサイクル200、300に対して凝縮器230は1つで済むことから車両への搭載性を向上させることができる。
尚、この廃熱利用装置100では、それぞれのサイクル200、300を独立して稼働させることができる。つまり、ランキンサイクル単独運転と、冷凍サイクル単独運転と、冷凍サイクルとランキンサイクルの同時運転とを可能とする。
(その他の実施形態)
上記各実施形態においては、エンジン(内燃機関)10からの安定した廃熱としてエンジン冷却水の熱を用いるようにしたが、これに限らず、排気ガスの熱等としても良い。
また、上記各実施形態においては本発明の廃熱利用装置100を車両に適用したが、本発明の適用はこれに限定されるものではない。
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。 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。 第3実施形態における廃熱利用装置の全体構成と、第1モードでの冷媒流れを示す模式図である。 第3実施形態における廃熱利用装置の全体構成と、第2モードでの冷媒流れを示す模式図である。 第4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。 第5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。
符号の説明
10 エンジン(内燃機関)
13 インタークーラ
40 過給器
100 廃熱利用装置
200 ランキンサイクル
211 加熱器(第1熱交換器)
212 熱交換器(第2熱交換器)
220 膨張機
230 凝縮器
250 四方弁(切替え手段)
300 冷凍サイクル

Claims (7)

  1. 内燃機関(10)に係わる廃熱によってサイクル内の作動流体を熱交換器(211、212)で加熱すると共に、加熱された前記作動流体を膨張機(220)で膨張させて機械的エネルギーを回収し、膨張後の前記作動流体を凝縮器(230)で凝縮液化するランキンサイクル(200)を有する廃熱利用装置において、
    前記内燃機関(10)は、吸入空気を加圧する過給器(40)を備えており、
    前記熱交換器(211、212)は、前記内燃機関(10)からの安定した廃熱を熱源として前記作動流体を加熱する第1熱交換器(211)と、
    前記過給器(40)で加圧された吸入空気の熱を熱源として前記作動流体を加熱する第2熱交換器(212)とを有することを特徴とする廃熱利用装置。
  2. 前記内燃機関(10)からの安定した廃熱は、前記内燃機関(10)を冷却するための冷却液の熱としたことを特徴とする請求項1に記載の廃熱利用装置。
  3. 前記第2熱交換器(212)は、前記第1熱交換器(211)の前記作動流体流れの上流側に配設されたことを特徴とする請求項2に記載の廃熱利用装置。
  4. 前記第1熱交換器(211)と前記第2熱交換器(212)とに対する前記作動流体の流入順序を切替える切替え手段(250)を設けたことを特徴とする請求項2または請求項3に記載の廃熱利用装置。
  5. 前記内燃機関(10)の作動時は、前記ランキンサイクル(200)は常時作動されるようになっており、
    前記第2熱交換器(212)は、加圧された前記吸入空気を冷却するインタークーラ(13)の機能を兼ねることを特徴とする請求項1〜請求項4のいずれか1つに記載の廃熱利用装置。
  6. 前記ランキンサイクル(200)との間で前記凝縮器(230)を共有して形成され、サイクル内を前記作動流体が循環する冷凍サイクル(300)を備えたことを特徴とする請求項1〜請求項5のいずれか1つに記載の廃熱利用装置。
  7. 前記内燃機関(10)は車両に搭載されたエンジン(10)であることを特徴とする請求項1〜請求項6のいずれか1つに記載の廃熱利用装置。
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