JP2005061260A - 廃熱回収システム - Google Patents

Abstract

【課題】 廃熱から回収する有効利用可能なエネルギ量を増大させる。
【解決手段】 エンジン１から排出される燃焼ガス（排気）の熱とエンジン冷却水との温度差を利用して熱電発電機９にて発電するとともに、熱電発電機９から流出する温度が上昇したエンジン冷却水にて過熱蒸気を生成して膨張機１１を運転する。これにより、エンジン１の廃熱から回収することができる有効利用可能なエネルギ量を増大させることができる。
【選択図】 図１

Description

本発明は、内燃機関（エンジン）等の熱機関で発生する廃熱から電気エネルギ等の有効利用可能なエネルギを回収する廃熱回収システムに関するものであり、車両に適用して有効である。

車両用の廃熱回収システムとして、エンジンから排出される燃焼ガス（排気）とエンジン冷却水との温度差による熱起電力（ゼーベック効果）を利用した熱電発電、およびエンジンから排出される燃焼ガスにて冷媒を沸騰させて過熱蒸気を生成し、この過熱蒸気を等エントロピ的に膨張させて動力を回収する、いわゆる車両用ランキンサイクル等が知られている。

しかし、エンジンから排出される燃焼ガスとエンジン冷却水との温度差を利用した熱電発電では、燃焼ガスの有する廃熱が熱電発電機を介してエンジン冷却水に与えられることとなるので、従来は燃焼ガスと共に大気中に捨てられていた熱がエンジンに戻ることとなり、エンジンの温度が過剰に上昇して、いわゆるオーバヒート状態となってしまう。

これに対しては、熱電発電機用の冷却水回路をエンジン冷却水回路とは別に独立して設ける等の手段が考えられるが、これらの手段では、ポンプやラジエータ等の冷却回路を構成する部品を新たに必要とするので、部品点数および組み立て工数の増大に伴う車両の製造原価上昇を招いてしまう。

また、燃焼ガスにて生成された過熱蒸気を等エントロピ的に膨張させて動力を回収するランキンサイクルでは、蒸気発生器、膨張機、凝縮器およびポンプ等を必要とするので、部品点数の増大に伴う車両の製造原価上昇を招いてしまう。

このように、廃熱回収システムを構築するには、廃熱回収システムを構成する部品が増加して製造原価が上昇せざるを得ないが、上記した各々の廃熱回収システムでは、製造原価上昇に対するエネルギ回収量が不十分である。

本発明は、上記点に鑑み、第１には、従来と異なる新規な廃熱回収システムを提供し、第２には、廃熱から回収する有効利用可能なエネルギ量を増大させることを目的とする。

本発明は、上記目的を達成するために、請求項１に記載の発明では、熱機関（１）で発生する廃熱と熱媒体との温度差を利用した熱電発電機（９）と、熱機関（１）で発生する廃熱にて過熱蒸気を発生させる蒸気発生器（１０）と、蒸気発生器（１０）にて生成された過熱蒸気を等エントロピ的に膨張させて動力を回収する膨張機（１１）とを備えることを特徴とする。

これにより、熱電発電機（９）および膨張機（１１）等のランキンサイクルを構成するための部品点数は従来と略同等であるものの、本発明では、熱電発電機（９）および膨張機（１１）の２つの手段で熱機関（１）の廃熱から電力等の有効利用可能なエネルギを回収するので、従来に比べてより多くのエネルギを熱機関（１）の廃熱から回収することができる。

請求項２に記載の発明では、蒸気発生器（１０）は、熱電発電機（９）にて温度が上昇した熱媒体に残存する廃熱にて過熱蒸気を発生させることを特徴とするものである。

請求項３に記載の発明では、蒸気発生器（１０）にて熱交換を終えた熱媒体は、熱機関（１）を冷却するための冷却媒体が循環する冷却回路に流入することを特徴とするものである。

請求項４に記載の発明では、熱電発電機（９）には、冷却媒体を冷却するラジエータ（５）から流出した熱媒体が供給されることを特徴とするものである。

請求項５に記載の発明では、熱電発電機（９）には、蒸気発生器（１０）から流出した熱媒体が供給されることを特徴とするものである。

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）
本実施形態は、本発明に係る廃熱回収システムを車両の廃熱回収システムに適用したものであって、図１は本実施形態係る廃熱回収システムの模式図である。

エンジン１は走行用駆動源をなす水冷式の熱機関であり、このエンジン１は、吸気管から燃焼用の空気および燃料を吸引して燃焼させる予混合方式の内燃機関である。

なお、スロットルバルブ３は、エンジン１に吸引される燃焼用の空気量を調節する吸気絞り弁であり、このスロットルバルブ３より空気流れ上流側には、エンジン１に吸引される燃焼用の空気中の塵埃等を除去するエアフィルタ（図示せず。）等が設けられ、一方、スロットルバルブ３より空気流れ下流側には、燃料噴射装置（インジェクタ）が設けられている。

排気管４は、エンジン１から排出される燃焼ガス（排気）を大気中に放出するための管であり、この排気管４には、排気の酸化還元反応を促進して排気を浄化する三元触媒（図示せず。）および排気音を低減する消音器（図示せず。）等が設けられている。

ラジエータ５は、エンジン１内を循環してエンジン１を冷却するエンジン冷却水と空気とを熱交換してエンジン冷却水を冷却する熱交換器であり、サーモスタット６は、ラジエータ５を迂回して流れるエンジン冷却水量とラジエータ５内を流れるエンジン冷却水量とを調節することより、エンジン１の温度、つまりエンジン冷却水の温度を所定範囲（例えば、８０℃〜１００℃）に維持する流量調節弁である。

因みに、本実施形態に係るサーモスタット６は、ワックス材の熱膨張を利用した機械式のバルブであるが、温度センサと電気式アクチュエータとを組み合わせた電気式のバルブを用いてもよいことは言うまでもない。

ポンプ７はエンジン冷却水を循環させるポンプ手段であり、本実施形態では、エンジン１から動力を得て稼動する渦巻き式のポンプを採用している。

ヒータ８はエンジン冷却水を熱源として室内に吹き出す空気を加熱する暖房用熱交換器であり、このヒータ８のエンジン冷却水流れ上流側には、ヒータ８に供給するエンジン冷却水量を調節する電磁式のバルブ８ａが設けられている。

因みに、本実施形態では、バルブ８ａとして単純な開閉弁を採用したが、開度を連続的または段階的に変化させることができるバルブを用いてもよいことは言うまでもない。

熱電発電機９は、エンジン１から排出される高温（２００℃〜７００℃）の燃焼ガスと熱媒体をなすエンジン冷却水との温度差を利用して電力を発生させる発電機であり、本実施形態では、排気管４から燃焼ガスの一部を取り出して高温の燃焼ガスを熱電発電機９に供給するとともに、その供給量を排気バルブ９ａにて調節して発電能力を制御している。

因みに、バルブ８ａおよび排気バルブ９ａは、電子制御装置（図示せず。）により制御されている。

なお、本実施形態では、熱電発電機９として、燃焼ガス（排気）とエンジン冷却水との温度差による熱起電力（ゼーベック効果）を利用した熱電発電機を採用しているが、本実施形態に係る熱電発電機９は、これに限定されるものではない。

蒸気発生器１０は、熱電発電機９にて温度が上昇したエンジン冷却水に残存するエンジン１の廃熱、つまり熱起電力が発生する際に燃焼ガスからエンジン冷却水に移動した熱にて冷媒を加熱沸騰させて過熱蒸気を生成するものである。

膨張機１１は、蒸気発生器１０にて生成された過熱蒸気を等エントロピ的に膨張させて動力を回収するもので、本実施形態では、膨張機１１で取り出された動力（機械的エネルギ）にて発電機（図示せず。）を稼動させる。

なお、本実施形態では、膨張機１１にて取り出された動力にて発電された電力および熱電発電機９にて発電された電力は、二次電池やキャパシタ等の蓄電装置に蓄えられる。

因みに、本実施形態では、スクロール型またはベーン型の膨張機等の過熱蒸気を連続的に膨張させることができるものを採用しているが、ピストン型膨張機のごとく、間欠的に過熱蒸気を膨張させることができるものを採用してもよい。

凝縮器１２は膨張機１１にて膨張を終えた冷媒を冷却して凝縮（液化）させる冷却器であり、受液器１３は凝縮器１２から流出した冷媒を液相冷媒と気相冷媒とを分離して液相冷媒を流出させるものである。

ポンプ１４は受液器１３から液相冷媒を吸引して蒸気発生器１０に液相冷媒を供給するもので、このポンプ１４、蒸気発生器１０、膨張機１１および凝縮器１２にてエンジン１の廃熱、つまり燃焼ガスの熱から動力を取り出すランキンサイクルが構成されている。

なお、ポンプ１４は電動式のポンプであり、このポンプ１４の作動は電子制御装置にて制御される。

圧縮機１５は冷媒を吸入圧縮するもので、本実施形態では、電磁クラッチ（図示せず。）介してエンジン１の動力を圧縮機１５に伝達して圧縮機１５を駆動しているが、エンジン１とは別の駆動源（例えば、電動モータ）にて圧縮機１５を駆動してもよいことは言うまでもない。

また、本実施形態では、圧縮機１５から吐出した高温の冷媒を冷却する高圧側熱交換器として、ランキンサイクルの凝縮器１２を利用しており、凝縮器１２では、圧縮機１５から吐出した高温の冷媒および膨張機１１にて膨張を終えた冷媒を冷却する。このため、本実施形態では、フロン（例えば、ＨＦＣ１３４ａ）等の比較的に低い温度にて過熱蒸気を得ることができる冷媒を使用している。

減圧器１６は凝縮器１２で冷却された冷媒を減圧する減圧手段であり、本実施形態では、減圧器１６として、圧縮機１５に吸引される冷媒の過熱度が所定となるように絞り開度が制御される、いわゆる温度式膨脹弁を採用しているが、本実施形態は、これに限定されるものではない。

蒸発器１７は、減圧された低圧の冷媒を蒸発させることにより冷凍能力を発揮する低圧側熱交換器であり、この蒸発器１７により室内に吹き出される空気が冷却され、この蒸発器１７、圧縮機１５、凝縮器１２および減圧器１６等にて低温側の熱を高温側に移動させる蒸気圧縮式冷凍機が構成される。

次に、本実施形態に係る廃熱回収システムの作動を述べる。

１．熱電発電機９による発電運転
エンジン１が稼動していときに、排気バルブ９ａを開いて熱電発電機９にエンジン１から排出される高温の燃焼ガスを供給する。これにより、燃焼ガスとエンジン冷却水との温度差により熱起電力が発生して電力が発生する。

このとき、熱電発電機９にはラジエータ５から流出した温度の低いエンジン冷却水が冷熱源として供給され、一方、熱電発電機９にて温度が上昇したエンジン冷却水は、蒸気発生器１０を経由してエンジン冷却水回路（本実施形態では、ポンプ７の吸入側）に戻される。

なお、エンジン冷却水回路とは、ラジエータ５やポンプ７等のエンジン１にて加熱されたエンジン冷却水が循環する冷却水回路を言う。

因みに、本実施形態では、ポンプ７にてエンジン冷却水を熱電発電機９に循環させるが、専用のポンプにて熱電発電機９にエンジン冷却水を循環させてもよい。

２．ランキンサイクルによる発電運転
ポンプ１４を稼動させて、ポンプ１４→蒸気発生器１０→膨張機１１→凝縮器１２→受液器１３→ポンプ１４の順に冷媒を循環させる。

これにより、膨張機１１には、蒸気発生器１０にて加熱された過熱蒸気が流入し、膨張機１１に流入した蒸気冷媒は、膨張機１１内で等エントロピ的に膨張しながらそのエンタルピを低下させていく。そして、膨張機１１は、低下したエンタルピに相当する機械的エネルギ（動力）を発電機に向けて出力する。

また、膨張機１１から流出した冷媒は、凝縮器１２にて冷却されて凝縮し、受液器１３に蓄えられ、受液器１３内の液相冷媒は、ポンプ１４にて再び蒸気発生器１０側に送られる。

３．蒸気圧縮式冷凍機を用いた空調（冷房）運転
電磁クラッチを繋いでエンジン１の動力を圧縮機１５に伝達する。これにより、冷媒が圧縮機１５→凝縮器１２→受液器１３→減圧器１６→蒸発器１７→圧縮機１５の順に循環する。

そして、蒸発器１７にて室内に吹き出す空気から吸熱して蒸発した気相冷媒は、圧縮機１５にて圧縮されて温度が上昇し、凝縮器１２にて空気（外気）で冷却されて凝縮する。

このとき、凝縮器１２では、蒸発器１７にて吸熱した熱量および圧縮機１５の圧縮仕事相当の熱量が空気中に放熱される。

次に、本実施形態の特徴を述べる。

熱電発電機９およびランキンサイクルを構成するための部品点数は従来と略同等であるものの、本実施形態では、熱電発電機９およびランキンサイクルの２つの手段で燃焼ガス、つまりエンジン１の廃熱から電力等の有効利用可能なエネルギを回収するので、従来に比べてより多くのエネルギをエンジン１の廃熱から回収することができる。

また、本実施形態では、蒸気圧縮式冷凍機の高圧側熱交換器および受液器とランキンサイクルの凝縮器および受液器とを共用化しているので、熱電発電機９とランキイクルとをそれぞれ独立して構成した場合に比べて構成部品点数を低減することができる。

また、本実施形態では、熱電発電機９にて温度が上昇したエンジン冷却水は、蒸気発生器１０でランキンサイクル側に熱を与えて、その温が低下した後、エンジン冷却水回路に戻るので、従来は燃焼ガスと共に大気中に捨てられていた熱がエンジン１に戻ってしまうことを防止できる。

したがって、熱電発電機９用の冷却水回路をエンジン冷却水回路とは別に独立して設けることなく、エンジン１の温度が過剰に上昇して、いわゆるオーバヒート状態となってしまうことを未然に防止できる。

（第２実施形態）
第１実施形態では、熱電発電機９にて温度が上昇したエンジン冷却水をエンジン冷却水回路に戻したが、本実施形態は、図２に示すように、熱電発電機９用の冷熱源をなす冷却水を熱電発電機９と蒸気発生器１０との間に循環させるものである。

つまり、第１実施形態では、エンジン冷却水回路から冷熱源としての冷却水が熱電発電機９に供給されるのに対して、本実施形態では、蒸気発生器１０にてランキンサイクルに熱を与えて温度が低下した冷却水が熱電発電機９に供給される。

なお、本実施形態では、エンジン冷却水回路と熱電発電機９用の冷却水回路とが独立しているので、熱電発電機９用の冷却水回路に電動式のポンプ１８を設けている。

これにより、従来は燃焼ガスと共に大気中に捨てられていた熱がエンジン１に戻ってしまうことがないので、エンジン１の温度が過剰に上昇して、いわゆるオーバヒート状態となってしまうことを未然に防止できる。

（その他の実施形態）
上述の実施形態では、予混合方式の内燃機関を有する車両に本発明を適用したが、本発明の適用はこれに限定されるものではなく、例えば燃料を燃焼室内に直接噴射する内燃機関にも適用できる。

また、上述の実施形態では、熱電発電機９にて燃焼ガスが有するエンジン１の廃熱から発電した後、冷却水側に残存するエンジン１の廃熱にてランキンサイクルを稼動させたが、本発明は、これに限定されることなく、例えばこれとは逆に、燃焼ガスが有するエンジン１の廃熱にてランキンサイクルを稼動させた後、膨張後の冷媒が有するエンジン１の廃熱を利用して熱発電してもよい。

また、上述の実施形態では、熱電発電機９に供給されるエンジン１の廃熱、つまり燃焼ガスの熱の供給経路とランキンサイクルに供給される燃焼ガスの経路とが直列に接続されていたが、本発明はこれに限定されるものではなく、熱電発電機９に供給される燃焼ガスの熱の供給経路とランキンサイクルに供給される燃焼ガスの経路と並列的に構成してもよい。

また、上述の実施形態では、膨張機１１にて回収した動力にて発電したが、本発明はこれに限定さえるものではない。

また、本発明は、特許請求の範囲に記載された発明の趣旨に合致するものではればよく、上述の実施形態に限定されるものではない。

本発明の第１実施形態に係る廃熱回収システムの模式図である。 本発明の第２実施形態に係る廃熱回収システムの模式図である。

符号の説明

１…エンジン、２…吸気管、３…スロットルバルブ、４…排気管、
５…ラジエータ、６…サーモスタット、８…ヒータ、９…熱電発電機、
１０…蒸気発生器、１１…膨張機、１２…凝縮器、１３…受液器、
１４…ポンプ、１５…圧縮機、１６…減圧器。

Claims (5)

1. 熱機関（１）で発生する廃熱と熱媒体との温度差を利用した熱電発電機（９）と、
   前記熱機関（１）で発生する廃熱にて過熱蒸気を発生させる蒸気発生器（１０）と、
   前記蒸気発生器（１０）にて生成された過熱蒸気を等エントロピ的に膨張させて動力を回収する膨張機（１１）とを備えることを特徴とする廃熱回収システム。
2. 前記蒸気発生器（１０）は、前記熱電発電機（９）にて温度が上昇した前記熱媒体に残存する前記廃熱にて過熱蒸気を発生させることを特徴とする請求項１に記載の廃熱回収システム。
3. 前記蒸気発生器（１０）にて熱交換を終えた前記熱媒体は、前記熱機関（１）を冷却するための冷却媒体が循環する冷却回路に流入することを特徴とする請求項１または２に記載の廃熱回収システム。
4. 前記熱電発電機（９）には、前記冷却媒体を冷却するラジエータ（５）から流出した熱媒体が供給されることを特徴とする請求項３に記載の廃熱回収システム。
5. 前記熱電発電機（９）には、前記蒸気発生器（１０）から流出した熱媒体が供給されることを特徴とする請求項２に記載の廃熱回収システム。

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