JP2012251516A

JP2012251516A - 廃熱回収装置

Info

Publication number: JP2012251516A
Application number: JP2011126331A
Authority: JP
Inventors: Hidefumi Mori; 英文森; Masao Iguchi; 雅夫井口; Fuminobu Enoshima; 史修榎島
Original assignee: Toyota Industries Corp
Current assignee: Toyota Industries Corp
Priority date: 2011-06-06
Filing date: 2011-06-06
Publication date: 2012-12-20
Also published as: WO2012169376A1

Abstract

【課題】熱機関の暖機時間の短縮化を図りつつ廃熱回収の効率低下を回避する。
【解決手段】ランキンサイクル回路１３は、膨張機３１、熱交換器４７、凝縮器４９、ポンプ４１及びボイラ４２によって構成されている。ボイラ４２で加熱された高温高圧の冷媒は、供給流路４６を介して膨張機３１に導入される。膨張機３１の下流には熱交換器４７が設けられている。熱交換器４７の下流には凝縮器４９が設けられている。膨張機３１で膨張した低圧の冷媒は、熱交換器４７を経由して凝縮器４９へ送られる。熱交換器４７は、放熱部４７１と吸熱部４７２とを備える。排出流路４８と接続流路５０とは、放熱部４７１を介して接続されている。吸熱部４２２は、エンジン１２に接続された冷却水循環経路５２の分岐流路５２１上に設けられている。
【選択図】図１

Description

本発明は、熱機関の廃熱を回収する廃熱回収装置に関する。

この種の廃熱回収装置が特許文献１に開示されている。特許文献１に開示の廃熱回収装置では、エンジンから排出された排気ガスの熱を作動流体に伝達する蒸気発生器と、作動流体の熱をエンジン冷却水に伝達する熱交換器とが備えられている。作動流体を膨張機へ送ると、発電機が発電し、発電された電気がバッテリに蓄えられる。

このような構成によれば、排気ガスの熱を利用して発電することができ、しかも排気ガスの熱を冷却水に伝達してエンジンの暖機運転を短縮することができる、という効果の開示がなされている。

特開２００５−４２６１８号公報

しかし、特許文献１の構成であると、エンジン冷却水の温度が上昇した場合には
熱交換器（凝縮器）の凝縮圧が高くなってしまう。そうすると、膨張機から流出した作動流体（気体）を熱交換器（凝縮器）において液化することが困難になり、廃熱回収の効率低下をもたらす。

本発明は、熱機関の暖機時間の短縮化を図りつつ廃熱回収の効率低下を回避することを目的とする。

本発明は、熱機関の廃熱を熱源とするボイラと、前記ボイラで熱を与えられた冷媒を導入して廃熱を回収するための膨張機と、前記膨張機から流出した冷媒を凝縮する凝縮器と、前記凝縮器から流出した冷媒を前記ボイラへ送るポンプと、前記ボイラ、前記膨張機、前記凝縮器及び前記ポンプを接続する冷媒流路とを備える廃熱回収装置を対象とし、請求項１の発明では、前記膨張機及び前記凝縮器間の前記冷媒流路と前記熱機関を冷却する冷却液が流れる冷却流路との間で熱交換を行なうための熱交換器が設けられている。

熱交換器における冷却液の温度が膨張機から流出した冷媒の温度より低い場合には、膨張機から流出した冷媒の熱が熱交換器を介して冷却流路内の冷却液に伝達される。これは、熱機関の暖機時間の短縮化をもたらす。熱交換器における冷却液の温度が膨張機から流出した冷媒の温度より高い場合には、膨張機から流出した冷媒は、凝縮器にて放熱する。凝縮器での冷媒の放熱は、冷媒の液化をもたらし、凝縮圧が高くなり熱効率が悪化することはない。これは、廃熱回収の効率低下の回避をもたらす。

好適な例では、前記熱交換器と並列なバイパス流路が前記膨張機と前記凝縮器との間で設けられており、前記膨張機から流出した冷媒を前記バイパス流路へ供給する割合を調整する調整手段と、前記冷却液の温度を検出する液温度検出手段とが設けられており、前記調整手段は、前記液温度検出手段によって検出された温度に基づいて、前記割合を調整する。

冷却液の温度が低い場合には冷媒を熱交換器へ流し、冷却液の温度が高い場合には冷媒をバイパス流路へ流すことにより、熱機関の暖機時間の短縮化がもたらされると共に、廃熱回収の効率向上が得られる。

好適な例では、前記ポンプより下流の前記冷媒流路と前記バイパス流路との間で熱交換を行なう内部熱交換器が設けられている。
冷却液の温度が低い場合には冷媒を熱交換器へ流すことにより、熱機関の暖機時間の短縮化が図られる。冷却液の温度が高い場合には冷媒をバイパス流路（つまり内部熱交換器）へ流すことにより、ポンプより下流の冷媒に熱エネルギーが付与され、熱効率が向上する。

好適な例では、前記熱交換器と前記凝縮器との間の前記冷媒流路には内部熱交換器が設けられている。
冷却液の温度が低い場合には冷媒を熱交換器へ流すことにより、熱機関の暖機時間の短縮化が図られる。冷却液の温度が高い場合には冷媒をバイパス流路へ流す（つまり熱交換器を迂回させる）ことにより、膨張機から流出した冷媒の熱エネルギーの多くがポンプより下流の冷媒に付与され、熱効率が向上する。

本発明は、熱機関の暖機時間の短縮化を図りつつ廃熱回収の効率低下を回避することができるという優れた効果を奏する。

第１の実施形態の廃熱回収装置を示す模式図。第２の実施形態の廃熱回収装置を示す模式図。第３の実施形態の廃熱回収装置を示す模式図。第４の実施形態の廃熱回収装置を示す模式図。

以下、本発明を具体化した第１の実施形態を図１に基づいて説明する。
図１に示すように、廃熱回収装置１１は、廃熱源としてのエンジン１２（熱機関）と、ランキンサイクル回路１３とを備えている。

ランキンサイクル回路１３では、エンジン１２からの廃熱によって加熱される冷媒が循環する。廃熱回収装置１１を構成する回転電機１４は、ランキンサイクル回路１３の一部を構成している。

次に、廃熱回収装置１１におけるランキンサイクル回路１３について説明する。
図１に示すように、ランキンサイクル回路１３は、回転電機１４を構成する膨張機３１、熱交換器４７、凝縮器４９、回転電機１４を構成するポンプ４１、及びボイラ４２によって構成されている。

ボイラ４２は、放熱部４２１と吸熱部４２２とを備える。ポンプ４１の吐出側にはボイラ４２の吸熱部４２２が第１流路４３を介して接続されている。
放熱部４２１は、エンジン１２に接続された排気通路４４上に設けられている。エンジン１２からの排気は、放熱部４２１で放熱した後、マフラ４５から排気される。ポンプ４１から吐出された冷媒は、ボイラ４２の吸熱部４２２と放熱部４２１との間での熱交換によりエンジン１２からの廃熱によって加熱される。

ボイラ４２の吸熱部４２２の吐出側には膨張機３１が供給流路４６を介して接続されている。ボイラ４２で加熱された高温高圧の冷媒は、供給流路４６を介して膨張機３１に導入されるようになっている。膨張機３１には熱交換器４７が排出流路４８を介して接続されている。熱交換器４７には凝縮器４９が接続流路５０を介して接続されている。膨張機３１で膨張した低圧の冷媒は、熱交換器４７を経由して凝縮器４９へ送られる。凝縮器４９の下流側にはポンプ４１が第２流路５１を介して接続されている。ポンプ４１の吸入側には第２流路５１が接続されており、ポンプ４１の吐出側には第１流路４３が接続されている。

第２流路５１、第１流路４３、供給流路４６、排出流路４８及び接続流路５０は、ランキンサイクル回路の冷媒流路を構成する。
熱交換器４７は、放熱部４７１と吸熱部４７２とを備える。排出流路４８と接続流路５０とは、放熱部４７１を介して接続されている。吸熱部４７２は、エンジン１２に接続された冷却流路である冷却水循環経路５２の分岐流路５２１上に設けられている。冷却水循環経路５２の分岐流路５２２にはラジエータ５３が設けられている。車両のエンジン１２を冷却した冷却水は、温度切換弁５４の作用により、水温が高い場合には冷却水循環経路５２の分岐流路５２２を循環してラジエータ５３で放熱する。一方、水温が低い場合には冷却水循環経路５２の分岐流路５２１に冷却水が流される。

次に、第１の実施形態の作用を説明する。
ポンプ４１のポンプ作用により、第２流路５１内の冷媒は、第１流路４３、ボイラ４２の吸熱部４２２を通過して供給流路４６へ送られる。

ボイラ４２で加熱された高圧の冷媒は、膨張機３１に導入されて膨張する。この冷媒の膨張により膨張機３１が機械的エネルギー（回転付与力）を出力する。つまり、膨張機３１は、冷媒を利用して膨張機３１の回転軸〔図示略〕及びオルタネータ２４の駆動軸〔図示略〕に回転力を付与する。膨張して圧力が低下した冷媒は、排出流路４８へ排出される。

冷却水循環経路５２内の水温が排出流路４８へ排出された冷媒の温度よりも低い場合、排出流路４８へ排出された冷媒の熱が熱交換器４７にて冷却水循環経路５２の分岐流路５２１内の冷却水に伝達される。この熱伝達により、冷却水循環経路５２内の水温が高められる。従って、エンジン１２始動直後の冷却水の温度が熱交換器４７における熱伝達によっても高められ、エンジン１２の暖機運転の時間が短縮される。

熱交換器４７にて熱を奪われた冷媒は、凝縮器４９を通過してポンプ４１へ還流する。凝縮器４９を通過して第２流路５１を流れる冷媒は、冷却されて液化している。
熱交換器４７における冷却水の温度が膨張機３１から流出した冷媒の温度より高い場合にも、膨張機３１から流出した冷媒は、凝縮器４９にて冷却されて液化する。

第１の実施形態では以下の効果が得られる。
（１）熱交換器４７における冷却水の温度（冷却水循環経路５２の分岐流路５２１内の水温）が膨張機３１から流出した冷媒の温度より低い場合には、膨張機３１から流出した冷媒の熱が熱交換器４７を介して冷却水循環経路５２に伝達される。これは、エンジン１２の暖機時間の短縮化をもたらす。

熱交換器４７における冷却水の温度が膨張機３１から流出した冷媒の温度より高い場合には、膨張機３１から流出した冷媒は、凝縮器４９にて放熱する。つまり、膨張機３１から流出した冷媒は、熱交換器４７における冷却水の温度の高低に関わりなく凝縮器４９にて液化される。従って、凝縮器４９での凝縮圧が高くなって熱効率が悪化することはなく、廃熱回収の効率低下が回避される。

次に、図２の第２の実施形態を説明する。第１の実施形態と同じ構成部には同じ符合を用い、その詳細説明は省略する。
熱交換器４７と並列なバイパス流路５５が膨張機３１と凝縮器４９との間で設けられている。バイパス流路５５は、排出流路４８から分岐して接続流路５０に合流する。バイパス流路５５と排出流路４８との分岐部には電磁三方弁５６が設けられている。電磁三方弁５６は、制御部５７の励消磁制御を受ける。

制御部５７には水温検出器５８が信号接続されている。水温検出器５８は、温度切換弁５４より下流、且つ熱交換器４７の吸熱部４７２より上流の分岐流路５２１内の冷却水の温度を検出する。水温検出器５８によって得られた水温検出情報は、制御部５７へ送られる。制御部５７は、水温検出器５８から得られる水温検出情報に基づいて、電磁三方弁５６の励消磁を制御する。

水温検出器５８によって検出された水温が予め設定された基準温度以上の場合、制御部５７は、電磁三方弁５６を励磁する。これにより、膨張機３１から流出した冷媒がバイパス流路５５へ送られる。水温検出器５８によって検出された水温が前記基準温度に満たない場合、制御部５７は、電磁三方弁５６を消磁する。これにより、膨張機３１から流出した冷媒が熱交換器４７へ送られ、排出流路４８を流れる冷媒の熱が熱交換器４７を介して冷却水循環経路５２内の冷却水へ伝達される。

水温検出器５８は、冷却水の温度を検出する液温度検出手段である。電磁三方弁５６及び制御部５７は、液温度検出手段によって検出された温度に基づいて、膨張機３１から流出した冷媒をバイパス流路５５へ供給する割合を調整する調整手段を構成する。

第２の実施形態では、水温が高い場合（冷媒の熱によって水温を上げる必要がない暖機完了の状態）には、冷媒がバイパス流路５５へ送られるため、エンジン１２の暖機が完了した後の熱効率が向上する。

次に、図３の第３の実施形態を説明する。第２の実施形態と同じ構成部には同じ符合を用い、その詳細説明は省略する。
バイパス流路５５には内部熱交換器５９が設けられている。内部熱交換器５９は、放熱部５９１と吸熱部５９２とを備える。放熱部５９１は、バイパス流路５５上に設けられており、吸熱部５９２は、第１流路４３上に設けられている。

水温検出器５８によって検出された水温が予め設定された基準温度以上の場合、制御部５７は、電磁三方弁５６を励磁する。これにより、膨張機３１から流出した冷媒は、バイパス流路５５へ送られ、バイパス流路５５を流れる冷媒の熱が内部熱交換器５９を介して第１流路４３内の冷媒へ伝達される。

水温検出器５８によって検出された水温が前記基準温度に満たない場合、制御部５７は、電磁三方弁５６を消磁する。これにより、膨張機３１から流出した冷媒は、熱交換器４７へ送られ、排出流路４８を流れる冷媒の熱が熱交換器４７を介して冷却水循環経路５２内の冷却水へ伝達される。

第３の実施形態では、第１の実施形態と同様の効果が得られる。又、冷却水の水温が高い場合には冷媒を内部熱交換器５９へ流すことにより、ポンプ４１より下流の冷媒に熱エネルギーが付与され、熱効率が向上する。

次に、図４の第４の実施形態を説明する。第３の実施形態と同じ構成部には同じ符合を用い、その詳細説明は省略する。
第４の実施形態では、内部熱交換器５９の放熱部５９１が第２流路５１上に設けられており、内部熱交換器５９の吸熱部５９２が第１流路４３上に設けられている。

水温検出器５８によって検出された水温が予め設定された基準温度以上の場合、制御部５７は、電磁三方弁５６を励磁する。これにより、膨張機３１から流出した冷媒は、バイパス流路５５を経由して内部熱交換器５９へ送られ、バイパス流路５５を流れてきた冷媒の熱が内部熱交換器５９を介して第１流路４３内の冷媒へ伝達される。

水温検出器５８によって検出された水温が前記基準温度に満たない場合、制御部５７は、電磁三方弁５６を消磁する。これにより、膨張機３１から流出した冷媒は、熱交換器４７へ送られ、排出流路４８を流れる冷媒の熱が熱交換器４７を介して冷却水循環経路５２内の冷却水へ伝達される。熱交換器４７を通過した冷媒は、内部熱交換器５９へ送られ、熱交換器４７を流れてきた冷媒の熱が内部熱交換器５９を介して第１流路４３内の冷媒へ伝達される。

熱交換器４７を通ってきた冷媒の熱が内部熱交換器５９を介して第１流路４３内の冷媒へ伝達されるため、ポンプ４１より下流の冷媒に熱エネルギーが付与され、熱効率が向上する。

本発明では以下のような実施形態も可能である。
○バイパス流路５５と排出流路４８との分岐部より下流の排出流路４８に開閉弁を、設けると共に、バイパス流路５５に別の開閉弁を設け、両開閉弁の開閉を制御して電磁三方弁５６と同じ役割を行なわせるようにしてもよい。

○バイパス流路５５と熱交換器４７とへの冷媒配分流量を任意に調整できる流量分配器を用いてもよい。
○冷却液は、水以外の液体でもよい。

１１…廃熱回収装置。１２…熱機関であるエンジン。３１…膨張機。４１…ポンプ。４２…ボイラ。４７…熱交換器。４８…冷媒流路を構成する排出流路。４９…凝縮器。５０…冷媒流路を構成する接続流路。５２…冷却流路である冷却水循環経路。５３…ラジエータ。５５…バイパス流路。５６…調整手段を構成する電磁三方弁。５７…調整手段を構成する制御部。５８…液温度検出手段としての水温検出器。５９…内部熱交換器。

Claims

熱機関の廃熱を熱源とするボイラと、前記ボイラで熱を与えられた冷媒を導入して廃熱を回収するための膨張機と、前記膨張機から流出した冷媒を凝縮する凝縮器と、前記凝縮器から流出した冷媒を前記ボイラへ送るポンプと、前記ボイラ、前記膨張機、前記凝縮器及び前記ポンプを接続する冷媒流路とを備える廃熱回収装置において、
前記膨張機及び前記凝縮器間の前記冷媒流路と前記熱機関を冷却する冷却液が流れる冷却流路との間で熱交換を行なうための熱交換器が設けられている廃熱回収装置。
前記熱交換器と並列なバイパス流路が前記膨張機と前記凝縮器との間で設けられており、前記膨張機から流出した冷媒を前記バイパス流路へ供給する割合を調整する調整手段と、前記冷却液の温度を検出する液温度検出手段とが設けられており、前記調整手段は、前記液温度検出手段によって検出された温度に基づいて、前記割合を調整する請求項１に記載の廃熱回収装置。
前記ポンプより下流の前記冷媒流路と前記バイパス流路との間で熱交換を行なう内部熱交換器が設けられている請求項２に記載の廃熱回収装置。
前記ポンプより下流の前記冷媒流路と、前記熱交換器と前記凝縮器との間の前記冷媒流路との間で熱交換を行なう内部熱交換器が設けられている請求項１及び請求項２のいずれか１項に記載の廃熱回収装置。