JP2005273543A - Waste heat utilization device - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、熱機関あるいは発熱補機における廃熱を利用して動力に回生する廃熱利用装置に関するものであり、特に、二つの異なった温度場の廃熱を回生するランキンサイクル回路の構成に関する。 The present invention relates to a waste heat utilization device that regenerates power by using waste heat in a heat engine or a heat generating auxiliary machine, and particularly relates to a configuration of a Rankine cycle circuit that regenerates waste heat in two different temperature fields. .
従来、この種の廃熱利用装置として、例えば、自動車などの内燃機関の廃熱を回生する技術として特許文献1および特許文献2に示されるものが知られている。特許文献1では、内燃機関から排出される排気ガスの排気熱を廃熱とし、その廃熱を回生するために、冷凍サイクルの構成部品を利用してランキンサイクル回路を形成し、その構成部品である膨張機によって排気熱を動力として回収し、その回収した動力を車両用空調装置の圧縮機に付加するように構成している。 Conventionally, as this type of waste heat utilization device, for example, those disclosed in Patent Literature 1 and Patent Literature 2 are known as technologies for regenerating waste heat of an internal combustion engine such as an automobile. In Patent Document 1, exhaust heat of exhaust gas exhausted from an internal combustion engine is used as waste heat, and in order to regenerate the waste heat, a Rankine cycle circuit is formed using the components of the refrigeration cycle. The exhaust heat is recovered as power by a certain expander, and the recovered power is added to the compressor of the vehicle air conditioner.
特許文献2では、内燃機関を冷却する冷却水回路の温水熱を廃熱とし、その廃熱を回生するために、特許文献1と同じように、ランキンサイクル回路を形成し、膨張機によって温水熱を動力として回収し、その回収した動力を車両用空調装置の圧縮機に付加するように構成している(例えば、特許文献1および特許文献2参照)。
しかしながら、上記特許文献によれば、それぞれが一つの廃熱に対する廃熱回生技術であるが、例えば、排気熱および温水熱などの二つの異なる温度場の廃熱を回生する技術として、ランキンサイクル回路をそれぞれ独立させて形成する技術が容易に考えられる。しかし、この場合は、ランキンサイクル回路を構成する放熱器(凝縮器)が二つ必要となる。 However, according to the above-mentioned patent document, each is a waste heat regeneration technology for one waste heat. For example, as a technology for regenerating waste heat in two different temperature fields such as exhaust heat and hot water heat, Rankine cycle circuit A technique of forming each independently is conceivable. However, in this case, two radiators (condensers) constituting the Rankine cycle circuit are required.
しかも、これらの放熱器(凝縮器)は、一般的に放熱特性を向上するために外気と熱交換するように形成して、車両の走行風を受けるラジエータや車両用空調装置のコンデンサが搭載される位置に設けられることが望まれる。これにより、二つの放熱器(凝縮器)を備えると搭載性が劣る問題がある。しかも、この種の内燃機関の冷却水回路は、始動直後における暖機運転が出来るだけ短時間で所定の水温に達することが期待されるものである。 Moreover, these radiators (condensers) are generally formed so as to exchange heat with the outside air in order to improve the heat dissipation characteristics, and are mounted with a radiator for receiving the traveling wind of the vehicle or a condenser for the vehicle air conditioner. It is desirable to be provided at a certain position. Thereby, when two heat radiators (condensers) are provided, there is a problem that mountability is inferior. Moreover, this type of internal combustion engine cooling water circuit is expected to reach a predetermined water temperature in as short a time as possible during warm-up operation immediately after startup.
そこで、本発明の目的は、上記点に鑑みたものであり、二つの異なる廃熱を共用可能な二つのランキンサイクル回路を組み合わせることで、搭載性良好な廃熱利用装置を提供することにある。 Then, the objective of this invention is in view of the said point, and is providing the waste heat utilization apparatus with favorable mounting property by combining the two Rankine cycle circuits which can share two different waste heats. .
上記、目的を達成するために、請求項1ないし請求項7に記載の技術的手段を採用する。すなわち、請求項1に記載の発明では、熱機関あるいは発熱補機における複数の廃熱のうち、高温の廃熱を作動流体に熱交換する第1熱回収器(110)、第1膨張機(120)、第1凝縮器(130)を順次配管で接続してなる高温用ランキンサイクル回路(100)と、熱機関あるいは発熱補機における複数の廃熱のうち、低温の廃熱を作動流体に熱交換する第2熱回収器(210)、第2膨張機(220)、第2凝縮器(230)を順次配管で接続してなる低温用ランキンサイクル回路(200)とを具備し、高温用ランキンサイクル回路(100)および低温用ランキンサイクル回路(200)は、第1凝縮器(130)と第2凝縮器(230)とを一体に形成して共用するように構成したことを特徴としている。 In order to achieve the above object, the technical means according to claims 1 to 7 are employed. That is, according to the first aspect of the present invention, the first heat recovery device (110) and the first expander (for exchanging heat of the high-temperature waste heat with the working fluid among the plurality of waste heat in the heat engine or the heat generating auxiliary machine ( 120), a high-temperature Rankine cycle circuit (100) in which the first condenser (130) is sequentially connected by piping, and a plurality of waste heat in a heat engine or heat-generating auxiliary machine, low-temperature waste heat is used as a working fluid. A low-temperature Rankine cycle circuit (200) in which a second heat recovery unit (210), a second expander (220), and a second condenser (230) for heat exchange are sequentially connected by piping, The Rankine cycle circuit (100) and the low-temperature Rankine cycle circuit (200) are characterized in that the first condenser (130) and the second condenser (230) are formed integrally and shared. .
請求項1に記載の発明によれば、この種のランキンサイクルでは廃熱を回生するときに、第1凝縮器(130)および第2凝縮器(230)では作動流体の凝縮による放熱が伴う。本発明では、これらの凝縮器(130、230)を共用することにより、二つの凝縮器(130、230)を設けるよりも搭載性が向上できる。 According to the first aspect of the present invention, when the waste heat is regenerated in this type of Rankine cycle, the first condenser (130) and the second condenser (230) are radiated with heat due to the condensation of the working fluid. In the present invention, by sharing these condensers (130, 230), the mountability can be improved as compared with the case where two condensers (130, 230) are provided.
請求項2に記載の発明では、内燃機関(10)における複数の廃熱のうち、内燃機関(10)から排出される排気ガスを高温の廃熱として作動流体に熱交換する第1熱回収器(110)、第1膨張機(120)、第1凝縮器(130)を順次配管で接続してなる高温用ランキンサイクル回路(100)と、内燃機関(10)における複数の廃熱のうち、内燃機関(10)を冷却する冷却水回路の温水熱を低温の廃熱として作動流体に熱交換する第2熱回収器(210)、第2膨張機(220)、第2凝縮器(230)を順次配管で接続してなる低温用ランキンサイクル回路(200)とを具備し、高温用ランキンサイクル回路(100)および低温用ランキンサイクル回路(200)は、第1凝縮器(130)と第2凝縮器(230)とを一体に形成して共用するように構成したことを特徴としている。 In the second aspect of the present invention, the first heat recovery unit that exchanges the exhaust gas discharged from the internal combustion engine (10) with the working fluid as high-temperature waste heat among the plurality of waste heats in the internal combustion engine (10). (110), a first expander (120), a first condenser (130) sequentially connected by piping, a high-temperature Rankine cycle circuit (100), and a plurality of waste heat in the internal combustion engine (10), A second heat recovery unit (210), a second expander (220), and a second condenser (230) that exchange heat from the hot water of the cooling water circuit that cools the internal combustion engine (10) as working waste fluid as low-temperature waste heat. And a low-temperature Rankine cycle circuit (200) in which the first condenser (130) and the second low-rank Rankine cycle circuit (200) are connected to each other. One with the condenser (230) Formed on and is characterized by being configured to share.
請求項2に記載の発明によれば、内燃機関(10)では、例えば、高温の排気熱とそれよりも温度の低い冷却水回路の温水熱とがある。本発明では、高温の排気熱を熱源とする高温用ランキンサイクル回路(100)とそれよりも低い温水熱を熱源とする低温用ランキンサイクル回路(200)とを具備し、それぞれの凝縮器(130、230)を共用することにより、二つの凝縮器(130、230)を設けるよりも搭載性が向上できる。 According to the invention described in claim 2, in the internal combustion engine (10), for example, there is high-temperature exhaust heat and hot water heat of the cooling water circuit having a temperature lower than that. In the present invention, a high-temperature Rankine cycle circuit (100) using high-temperature exhaust heat as a heat source and a low-temperature Rankine cycle circuit (200) using hot water heat lower than that as a heat source are provided, and each condenser (130 , 230), the mountability can be improved as compared with the case where two condensers (130, 230) are provided.
請求項3に記載の発明では、高温用ランキンサイクル回路(100)は、第1膨張機(120)の吐出側が第2膨張機(220)の吸入側に接続され、低温用ランキンサイクル回路(200)側が作動を停止しているときは、第2膨張機(220)の上流側の第2熱回収器(210)で凝縮されるように構成したことを特徴としている。 In the invention according to claim 3, the high temperature Rankine cycle circuit (100) is configured such that the discharge side of the first expander (120) is connected to the suction side of the second expander (220), and the low temperature Rankine cycle circuit (200). When the operation is stopped, the second heat recovery unit (210) on the upstream side of the second expander (220) is condensed.
請求項3に記載の発明によれば、高温用ランキンサイクル回路(100)側で放熱される熱が低温の廃熱側と熱交換されて低温の廃熱を加熱することができる。これにより、内燃機関(10)の暖機性能の短縮およびそれに伴う燃費の向上が図れる。 According to the third aspect of the present invention, the heat dissipated on the high temperature Rankine cycle circuit (100) side is heat-exchanged with the low temperature waste heat side to heat the low temperature waste heat. As a result, the warm-up performance of the internal combustion engine (10) can be shortened and the fuel consumption associated therewith can be improved.
さらに、車両用空調装置のヒータにおいても、厳寒期などヒータ能力が発揮できないときに、冷却水回路の温水熱を短時間に上昇させることができる。一方、両方のランキンサイクル回路(100、200)が同時に作動しているときは、第1膨張機(120)で膨張した後に、第2膨張機(220)においても膨張させることができるため、高温の廃熱の回生効率を高めることができる。 Further, the heater of the vehicle air conditioner can also raise the hot water heat of the cooling water circuit in a short time when the heater capacity cannot be exhibited, such as in the severe cold season. On the other hand, when both Rankine cycle circuits (100, 200) are operating at the same time, they can be expanded in the second expander (220) after being expanded in the first expander (120). Can improve the regeneration efficiency of waste heat.
請求項4に記載の発明では、高温用ランキンサイクル回路(100)および低温用ランキンサイクル回路(200)は、第1膨張機(120)と第2膨張機(220)とを一体に形成して共用するように構成したことを特徴としている。請求項4に記載の発明によれば、具体的には、第2熱回収器(210)の下流側を第1膨張機(120)の膨張過程の中途に設けることで、第2膨張機(220)を別体で設けることが不要とすることができる。これにより、二つの膨張機(120、220)を設けるよりも搭載性が向上できる。 In the invention according to claim 4, the high temperature Rankine cycle circuit (100) and the low temperature Rankine cycle circuit (200) are formed by integrally forming the first expander (120) and the second expander (220). It is characterized by being configured to be shared. Specifically, according to the invention described in claim 4, by providing the downstream side of the second heat recovery device (210) in the middle of the expansion process of the first expander (120), the second expander ( 220) can be dispensed with separately. Thereby, mountability can be improved rather than providing two expanders (120, 220).
請求項5に記載の発明では、高温用ランキンサイクル回路(100)および低温用ランキンサイクル回路(200)は、第1熱回収器(110)および第2熱回収器(210)のそれぞれに凝縮された作動流体を圧送する第1ポンプ(150)および第2ポンプ(250)が設けられたことを特徴としている。 In the invention described in claim 5, the high-temperature Rankine cycle circuit (100) and the low-temperature Rankine cycle circuit (200) are condensed into the first heat recovery device (110) and the second heat recovery device (210), respectively. The first pump (150) and the second pump (250) for pumping the working fluid are provided.
請求項5に記載の発明によれば、第1熱回収器(110)、第2熱回収器(210)におけるそれぞれの廃熱の温度場に応じた昇圧が、例えば、廃熱の温度に応じて回転数を可変させるなどの制御により容易に調節可能である。 According to the fifth aspect of the present invention, the pressure increase according to the temperature field of the waste heat in each of the first heat recovery device (110) and the second heat recovery device (210) is, for example, according to the temperature of the waste heat. Therefore, it can be easily adjusted by controlling the rotational speed.
請求項6に記載の発明では、高温用ランキンサイクル回路(100)および低温用ランキンサイクル回路(200)は、第1熱回収器(110)および第2熱回収器(210)のそれぞれに凝縮された作動流体を圧送する第2ポンプ(250)と、第1熱回収器(110)もしくは第2熱回収器(210)のいずれか一方に、第2ポンプ(250)により昇圧された作動流体の流量を調節する流量調節手段(260)が設けられたことを特徴としている。 In the invention described in claim 6, the high-temperature Rankine cycle circuit (100) and the low-temperature Rankine cycle circuit (200) are condensed into the first heat recovery device (110) and the second heat recovery device (210), respectively. The working fluid pressurized by the second pump (250) is supplied to either the second pump (250) for pumping the working fluid and the first heat recovery device (110) or the second heat recovery device (210). A flow rate adjusting means (260) for adjusting the flow rate is provided.
請求項6に記載の発明によれば、また、二つのポンプ(150、250)のうち、片方を流量調節手段(260)に置き換えても第1熱回収器(110)および第2熱回収器(210)のそれぞれの廃熱の温度場に応じた昇圧が調節できる。これにより、上述の請求項5よりも部品コストの低減ができるとともに、流量調節手段(260)の方が第1第ポンプ(150)よりも小型化できることで搭載性が向上できる。 According to the sixth aspect of the present invention, the first heat recovery device (110) and the second heat recovery device can be obtained by replacing one of the two pumps (150, 250) with the flow rate adjusting means (260). The pressure increase according to the temperature field of each waste heat of (210) can be adjusted. Thereby, while being able to reduce parts cost rather than the above-mentioned Claim 5, since the flow volume adjustment means (260) can be reduced in size rather than a 1st 1st pump (150), mounting property can be improved.
請求項7に記載の発明では、高温用ランキンサイクル回路(100)および低温用ランキンサイクル回路(200)は、二つのランキンサイクル回路(100、200)が同時もしくはいずれか一方が作動するように制御することを特徴としている。請求項7に記載の発明によれば、熱機関もしくは発熱補機における廃熱のうちで二つの異なる温度場からの廃熱回生が容易に選択的にできる。 In the seventh aspect of the invention, the high temperature Rankine cycle circuit (100) and the low temperature Rankine cycle circuit (200) are controlled so that the two Rankine cycle circuits (100, 200) are operated simultaneously or one of them. It is characterized by doing. According to the seventh aspect of the present invention, the waste heat regeneration from two different temperature fields can be easily and selectively performed among the waste heat in the heat engine or the heat generating auxiliary machine.
なお、上記各手段の括弧内の符号は、後述する実施形態の具体的手段との対応関係を示すものである。 In addition, the code | symbol in the bracket | parenthesis of each said means shows a corresponding relationship with the specific means of embodiment mentioned later.
(第1実施形態)
以下、本発明の第1実施形態における廃熱利用装置を図1に基づいて説明する。図1は、本発明を自動車の熱機関である内燃機関(以下、エンジンと称する)10に適用した廃熱利用装置の全体構成を示す模式図である。本実施形態の廃熱利用装置は、二つの異なる温度場のそれぞれの廃熱を二つのランキンサイクルで形成して廃熱回生を行なうものである。
(First embodiment)
Hereinafter, the waste heat utilization apparatus in 1st Embodiment of this invention is demonstrated based on FIG. FIG. 1 is a schematic diagram showing an overall configuration of a waste heat utilization apparatus in which the present invention is applied to an internal combustion engine (hereinafter referred to as an engine) 10 that is a heat engine of an automobile. The waste heat utilization apparatus of this embodiment performs waste heat regeneration by forming waste heat in two different temperature fields in two Rankine cycles.
具体的には、エンジン10から排出される排気熱と、エンジン10を冷却する冷却水回路20内に流通する冷却水の温水熱とを廃熱の熱源としている。言い換えれば、排気熱を廃熱の熱源とする高温用ランキンサイクル回路100と、温水熱を廃熱の熱源とする低温用ランキンサイクル回路200とから構成している。ただし、ランキンサイクル回路を構成する構成部品のうち、一部の部品は共用するように構成している。
Specifically, exhaust heat discharged from the
より具体的に説明すると、図1に示すように、まず、低温用ランキンサイクル回路200は、第2熱回収器210、第2膨張機220、第2凝縮器230、第2受液器240および第2ポンプ250からなり、これらが順次冷媒配管で接続されて閉回路を形成している。この低温用ランキンサイクル回路200の内部には、作動流体が封入されており、電動式の第2ポンプ250によって作動流体が循環される。
More specifically, as shown in FIG. 1, first, the low temperature Rankine
第2熱回収器210は、冷却水回路20の近傍に設けられ、第2ポンプ250から送られる作動流体と、冷却水回路20を流通する冷却水との間で熱交換することにより作動流体を加熱する熱交換器である。本実施形態では、作動流体を1次側に流通させ、冷却水回路20を流通する冷却水を2次側に流通させて、作動流体と冷却水(温水熱)とを熱交換する対向流式の熱交換器である。
The second
第2膨張機220は、第2熱回収器210で加熱された過熱蒸気作動流体の膨張により回転駆動力を発生させる流体機器である。第2凝縮器230は、第2膨張機220から吐出される作動流体を大気との熱交換によって凝縮液化する熱交換器である。第2受液器240は、第2凝縮器230で凝縮された作動流体を気液2相に分離するためのレシーバーであり、ここで分離された液相作動流体のみを第2ポンプ250側に流出させる。
The
第2ポンプ250は、液相作動流体を第2熱回収器210に昇圧、圧送するためのポンプであり、所定の回転数で作動するように設定されている。なお、第2膨張機220は、後述する第1膨張機120と動力伝達装置41を介して連結されており、第2膨張機220で発生した回転駆動力は、動力伝達装置41を介して発電機40に出力される。
The
また、冷却水回路20には、ラジエータ21、温水ポンプ22、バイパス通路24、サーモスタット25などが設けられている。このラジエータ21は、エンジン100からの冷却水を温水ポンプ22によって循環させて冷却水と大気との熱交換により冷却する熱交換器である。そして、バイパス通路24は、ラジエータ21を迂回する通路であり、サーモスタット25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21を迂回する冷却水量とが調節されるようになっている。
The cooling
一方、高温用ランキンサイクル回路100は、第1熱回収器110、第1膨張機120、第1凝縮器130(第2凝縮器230と共用している。)、第1受液器140(第2受液器240と共用している。)、および第2ポンプ250、および第1ポンプ150からなり、これらが順次冷媒配管で接続されて閉回路を形成している。なお、本実施形態では、第1膨張機120の吐出側を第2膨張機220の吸入側と第2熱回収器210との間に接続して、第1凝縮器130が第2凝縮器230と共用するようにしている。そして、高温用ランキンサイクル回路100は、電動式の第1ポンプ150および第2ポンプ250によって作動流体が循環される。
On the other hand, the Rankine cycle circuit for
第1熱回収器110は、排気管11内に設けられ、第1ポンプ150および第2ポンプ250から送られる作動流体と、排気管11を流通する排気ガスとの間で熱交換することにより作動流体を加熱する熱交換器である。第1膨張機120は、第1熱回収器110で加熱された過熱蒸気作動流体の膨張により回転駆動力を発生させる流体機器である。そして、第1凝縮器130、第1受液器140は、上述したように第2凝縮器230、第2受液器240と共用したものであって、低温用ランキンサイクル回路200が同時に作動したときに流通させるようにしている。
The first
つまり、低温用ランキンサイクル回路200側が停止しているときに、高温用ランキンサイクル回路100のみが作動するときは、第1膨張機120で膨張減圧された作動流体が第2熱回収器210側で凝縮されて第1熱回収器110に送られるようにしている。このときには、第1膨張機120で膨張減圧された作動流体は、第2熱回収器210で凝縮するように構成している。なお、このときは、第2ポンプ250は停止している。
That is, when only the high-temperature
そして、低温用ランキンサイクル回路200側と同時に作動するときは、第1膨張機120で膨張減圧された作動流体は第2膨張機220、第1凝縮器130、第1受液器140、第2ポンプ250、第1ポンプ150を経由して第1熱回収器110に送られるようにしている。この同時作動のときは、第1膨張機120で膨張減圧された作動流体が第2膨張機120で再度膨張させた後、第1凝縮器130で凝縮されるようにしている。なお、第2ポンプ250は、液相作動流体を第1熱回収器110および第2熱回収器210に昇圧、圧送するポンプであり、第1ポンプ150と同じように所定の回転数に設定されている。
When operating simultaneously with the low temperature
また、第1膨張機120および第2膨張機220で発生した回転駆動力は、動力伝達装置41を介して発電機40に出力されるようになっている。そして、発電機40は、インバータ42を介してバッテリー43に接続されており、発電機40で発電された発電電力をバッテリー43に充電される。
The rotational driving force generated in the
なお、図中に示す12は、排気管11内を流れる排気ガスの排気温度を検出する排気温センサであり、23は冷却水回路を流通する冷却水の水温を検出する水温センサである。これらの各センサ12、23は、検出された温度情報を制御装置60に出力するように接続されている。
In the figure, 12 is an exhaust temperature sensor for detecting the exhaust temperature of the exhaust gas flowing in the
そして、制御装置60は各センサ12、23からの温度情報が入力されるとともに、これらの温度情報に基づいて、上述した第1、第2ポンプ150、250、温水ポンプ22の作動、インバータ42を介した発電機40からの発電電力の充電などを制御するものである。なお、冷却水回路20には、図示しないが、車両用空調装置に設けられたヒータコアに冷却水が循環されるように形成されている。
The
次に、以上の構成による廃熱利用装置の作動について説明する。まず、高温用ランキンサイクル回路100側は、エンジン10が始動して、排気温センサ12で検出された排気ガス温度が所定温度以上のときに作動し、低温用ランキンサイクル回路200側は、水温センサ23により検出された水温が所定温度以上のときに作動するように制御される。
Next, the operation of the waste heat utilization apparatus having the above configuration will be described. First, the high temperature
因みに、厳寒期など外気温度が低いときは、エンジン10を始動させても、冷却水温が所定温度以下であるときは高温用ランキンサイクル回路100のみが作動するようになっており、冷却水温が所定温度以上に達したときに両方のランキンサイクル回路100,200が作動するように制御される。
Incidentally, when the outside air temperature is low such as in the cold season, only the high-temperature
まず、高温用ランキンサイクル回路100側のみが作動するときは、第1ポンプ150が作動することで作動流体が昇圧されて第1熱回収器110に圧送され、第1熱回収器110において作動流体は高温の排気ガスによって加熱され、過熱蒸気流体となって第1膨張機120に送られる。第1膨張機120において、作動流体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。
First, when only the high temperature
そして、減圧されたガス化の作動流体は第2熱回収器210で凝縮液化され、凝縮された作動流体は第1ポンプ150へ流出される。これにより、第1膨張機120で発生した回転駆動力は動力伝達装置41を介して発電機40を回転する。そして、発電機40で発電された発電電力をバッテリー43に充電される。また、第2熱回収器210によりその2次側に流通する冷却水が加熱されて、冷却水回路20を流通する冷却水の水温を上昇させる。
The decompressed gasified working fluid is condensed and liquefied by the second
これにより、エンジン10始動直後の暖機性能の短縮およびそれに伴う燃費の向上が図れる。さらに、車両用空調装置のヒータコアにおいても、厳寒期などヒータ能力が発揮できないときに、冷却水回路の温水を高めることが容易にできる。
As a result, it is possible to shorten the warm-up performance immediately after the
そして、冷却水回路20の冷却水温が所定温度以上に達すると低温用ランキンサイクル回路200が作動する。つまり、両方のランキンサイクル回路100、200が同時作動となる。低温用ランキンサイクル回路200側では、第2ポンプ250の作動で、作動流体が昇圧されて第2熱回収器210に圧送され、第2熱回収器210において作動流体は、冷却水回路20の温水熱によって加熱され、過熱蒸気流体となって第2膨張機220に送られる。第2膨張機220において、作動流体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。
When the coolant temperature of the
そして、減圧されたガス化の作動流体は第2凝縮器230で凝縮液化され、凝縮された作動流体は第2受液器240で気液2相に分離され、液化作動流体が再び第2ポンプ250へ流出される。ここで、第2凝縮器230の凝縮による放熱は大気と熱交換される。そして、第2膨張機220で発生した回転駆動力は動力伝達装置41を介して発電機40を回転する。そして、発電機40で発電された発電電力をバッテリー43に充電される。
The decompressed gasified working fluid is condensed and liquefied by the
一方、高温用ランキンサイクル回路100側では、第1膨張機120で減圧された作動流体が第2膨張機220で再度膨張されて回転駆動力を発生する。そして、減圧されたガス化の作動流体は第2凝縮器230で凝縮液化され、凝縮された作動流体は第2受液器240で気液2相に分離され、液化作動流体が第2ポンプ250で昇圧され、再び第1ポンプ150へ流出される。
On the other hand, on the high temperature
これにより、第1熱回収器110で排気熱の廃熱を回収でき、第2熱回収器210で温水熱の二つの異なる温度場の廃熱を回収できるとともに、その廃熱により廃熱回生ができる。なお、低温用ランキンサイクル回路200が作動しているときは、冷却水回路20の冷却水の水温が所定温度を超えないようにサーモスタット25によりラジエータ21を流通する冷却水量を調節して冷却している。
Thereby, the waste heat of the exhaust heat can be recovered by the first
また、本実施形態では、低温用ランキンサイクル回路200と高温用ランキンサイクル回路100との作動を水温センサ23および排気温センサ12からの温度情報に基づいて自動的に制御させたが、これらを両方同時に作動させる、もしくはどちらか一方のみを作動させるようにいずれかを選択するようにして作動させても良い。さらに、本実施形態では、第1受熱器140を第2受熱器240と共用させたが、高温用ランキンサイクル回路100内、つまり、第1ポンプ150の上流側に第1受熱器140を設けても良い。
In the present embodiment, the operations of the low temperature
以上の第1実施形態による廃熱利用装置によれば、熱機関であるエンジン10では、例えば、高温の排気熱とそれよりも温度の低い冷却水回路20の温水熱とがある。本発明では、高温の排気熱を熱源とする高温用ランキンサイクル回路100とそれよりも低い温水熱を熱源とする低温用ランキンサイクル回路200とを具備し、それぞれの凝縮器130、230を共用することにより、二つの凝縮器130、230を設けるよりも搭載性が向上できる。
According to the waste heat utilization apparatus according to the first embodiment described above, the
また、具体的に、高温用ランキンサイクル回路100は、第1膨張機120の吐出側が第2膨張機220の吸入側に接続され、低温用ランキンサイクル回路200側が作動を停止しているときは、第2熱回収器210で凝縮されるように構成したことにより、高温用ランキンサイクル回路100側で放熱される熱により冷却水回路20の温水熱を第2熱回収器210で加熱することができる。これにより、エンジン10の暖機性能の短縮およびそれに伴う燃費の向上が図れる。
Specifically, the high-temperature
さらに、車両用空調装置のヒータにおいても、厳寒期などヒータ能力が発揮できないときに、冷却水回路20の温水熱を短時間に上昇させることができる。一方、両方のランキンサイクル回路100、200が同時に作動しているときは、第1膨張機120で膨張した後に、第2膨張機220においても膨張させることができるため、高温の廃熱の回生効率を高めることができる。
Further, even in the heater of the vehicle air conditioner, the hot water heat of the cooling
なお、高温用ランキンサイクル回路100および低温用ランキンサイクル回路200は、第1熱回収器110および第2熱回収器210のそれぞれに凝縮された作動流体を圧送する第1ポンプ150および第2ポンプ250が設けられたことにより、第1熱回収器110、第2熱回収器210におけるそれぞれの廃熱の温度場に応じた昇圧が、例えば、廃熱の温度に応じて回転数を可変させるなどの制御により容易に調節可能である。
The high-temperature
そして、高温用ランキンサイクル回路100および低温用ランキンサイクル回路200は、二つのランキンサイクル回路100、200が同時もしくはいずれか一方が作動するように制御することにより、エンジン10における廃熱のうち、排気熱および温水熱などの二つの異なる温度場からの廃熱回生が容易に選択的にできる。
The high-rank
(第2実施形態)
以上の第1実施形態では、高温用ランキンサイクル回路100側の第1膨張機120と低温用ランキンサイクル回路200側の第2膨張機220とを連結して回転駆動力を発生させたが、これに限らず、第1膨張機120と第2膨張機220とを一体構成させても良い。具体的には、図2に示すように、第2膨張機220を設けずに第1膨張機120を一体に構成し、膨張過程の中途に中間取り出し口120aを設けるとともに、この中間取り出し口120aと第2熱回収器210の下流側とを接続したものである。
(Second Embodiment)
In the first embodiment described above, the
そして、低温用ランキンサイクル回路200側の作動に基づいて、つまり、低温用ランキンサイクル回路200側が停止状態のときは、第1膨張機120で膨張された作動流体を中間取り出し口120aから第2熱回収器210側に送り出し、低温用ランキンサイクル回路200側が作動状態のときは、第1膨張機120で膨張された作動流体を再度膨張させて第2凝縮器230側に送り出すようにしている。
Based on the operation on the low temperature
以上の構成によれば、第2熱回収器210の下流端を第1膨張機120における膨張過程の中途の中間取り出し口120aに接続することで、第2膨張機220を別体で設けることが不要とすることができる。これにより、二つの膨張機120、220を設けるよりも搭載性が向上できる。
According to the above configuration, the
(第3実施形態)
以上の実施形態では、第1膨張機120と第2膨張機220とを連結もしくは一体構成に構成して、第1膨張機120で膨張減圧した作動流体を再度膨張させるようにしたが、これに限らず、図3に示すように、第1膨張機120の吐出側に第2膨張機220の吐出側を接続して、第2凝縮器230に接続するように構成しても良い。これによれば、第1膨張機120と第2膨張機220とがそれぞれ単独に回転駆動力が発生できる。
(Third embodiment)
In the above embodiment, the
さらに、第1膨張機120の吐出側と第2膨張機220の吸入側とを接続し、その中途に開閉弁160を設けて、低温用ランキンサイクル回路200が停止のときに、開閉弁160を開弁させるように制御しても良い。これによれば、冷却水回路20の水温が所定温度以下のときに、第2熱回収器210で冷却水回路20の冷却水を加熱することができる。これにより、第1実施形態と同じように、エンジン10の暖機性能の短縮およびそれに伴う燃費の向上が図れる。また、車両用空調装置のヒータにおいても、厳寒期などヒータ能力が発揮できないときに、冷却水回路20の温水熱を短時間に上昇させることができる。
Further, the discharge side of the
(他の実施形態)
以上の実施形態では、第1熱回収器110および第2熱回収器210のそれぞれに凝縮された作動流体を圧送する第1ポンプ150および第2ポンプ250を設けたが、これに限らず、図4に示すように、第1熱回収器110の上流側の第1ポンプ150を廃止して第2熱回収器210の上流側に流量調節手段である流量調節弁260を設けても良い。
(Other embodiments)
In the above embodiment, the
この流量調節弁260は、弁開度に応じて流量を調節する弁であり、第1熱回収器110と第2熱回収器210との流量配分を第2ポンプ250の出力と弁開度とで設定する。また、以上の構成によれば、第1ポンプ150を廃止して流量調節弁260に置き換えることで、上記実施形態の二つのポンプ150、250を設けるものよりも、部品コストの低減ができるとともに、流量調節弁260の方が第1ポンプ150よりも小型化できることで搭載性が向上できる。
The flow
ただし、本実施形態では、エンジン10始動直後の冷却水回路が冷えているときの、エンジン10の暖機性能の短縮、燃費の向上、および車両用空調装置のヒータにおける冷却水回路20の温水熱を短時間に上昇させることができる第1実施形態の効果を期待することはできない。
However, in this embodiment, when the coolant circuit immediately after the
また、以上の実施形態では、高温用ランキンサイクル回路100および低温用ランキンサイクル回路200で廃熱回生した回転駆動力を発電機40に出力してバッテリー43に充電するように構成したが、これに限らず、例えば、車両用空調装置の圧縮機を駆動させるとか他の用途の動力源として利用しても良い。
In the above embodiment, the rotational driving force recovered from the waste heat in the high temperature
また、以上の実施形態では、熱機関であるエンジン10の廃熱のうち、排気熱と冷却水回路の温水熱を廃熱の熱源として、高温用ランキンサイクル回路100および低温用ランキンサイクル回路200で廃熱回生するように構成したが、これに限らず、例えば、燃料電池車に搭載される燃料電池の廃熱、もしくは、燃料電池の他に車両には、例えば、電動モータ、電動ポンプ、インバータなど作動により発熱する発熱補機類の廃熱のうち、高温用と低温用の二つの異なる温度場の廃熱を組み合わせるように構成しても良い。
In the above embodiment, the exhaust heat and the hot water heat of the cooling water circuit out of the waste heat of the
10…エンジン(内燃機関)
100…高温用ランキンサイクル回路
110…第1熱回収器
120…第1膨張機
130…第1凝縮器
150…第1ポンプ
200…低温用ランキンサイクル回路
210…第2熱回収器
220…第2膨張機
230…第2凝縮器
250…第2ポンプ
260…流量調節弁(流量調節手段)
10. Engine (internal combustion engine)
DESCRIPTION OF
Claims (7)
熱機関あるいは発熱補機における複数の廃熱のうち、低温の廃熱を作動流体に熱交換する第2熱回収器(210)、第2膨張機(220)、第2凝縮器(230)を順次配管で接続してなる低温用ランキンサイクル回路(200)とを具備し、
前記高温用ランキンサイクル回路(100)および前記低温用ランキンサイクル回路(200)は、前記第1凝縮器(130)と前記第2凝縮器(230)とを一体に形成して共用するように構成したことを特徴とする廃熱利用装置。 A first heat recovery unit (110), a first expander (120), and a first condenser (130) for exchanging heat of high-temperature waste heat with a working fluid among a plurality of waste heat in a heat engine or a heat generating auxiliary machine. A high-temperature Rankine cycle circuit (100) connected by sequential piping;
A second heat recovery unit (210), a second expander (220), and a second condenser (230) for exchanging heat of the low-temperature waste heat to a working fluid among a plurality of waste heats in the heat engine or heat generation auxiliary machine. A low temperature Rankine cycle circuit (200) connected by sequential piping,
The high temperature Rankine cycle circuit (100) and the low temperature Rankine cycle circuit (200) are configured such that the first condenser (130) and the second condenser (230) are integrally formed and shared. Waste heat utilization device characterized by that.
前記内燃機関(10)における複数の廃熱のうち、前記内燃機関(10)を冷却する冷却水回路の温水熱を低温の廃熱として作動流体に熱交換する第2熱回収器(210)、第2膨張機(220)、第2凝縮器(230)を順次配管で接続してなる低温用ランキンサイクル回路(200)とを具備し、
前記高温用ランキンサイクル回路(100)および前記低温用ランキンサイクル回路(200)は、前記第1凝縮器(130)と前記第2凝縮器(230)とを一体に形成して共用するように構成したことを特徴とする廃熱利用装置。 A first heat recovery device (110) and a first expander for exchanging heat of exhaust gas exhausted from the internal combustion engine (10) as a high-temperature waste heat to a working fluid among a plurality of waste heats in the internal combustion engine (10). (120), a high-temperature Rankine cycle circuit (100) formed by sequentially connecting the first condenser (130) by piping;
A second heat recovery unit (210) for exchanging heat from the plurality of waste heat in the internal combustion engine (10) to the working fluid using hot water heat of a cooling water circuit that cools the internal combustion engine (10) as low-temperature waste heat; A low-temperature Rankine cycle circuit (200) formed by sequentially connecting a second expander (220) and a second condenser (230) by piping;
The high temperature Rankine cycle circuit (100) and the low temperature Rankine cycle circuit (200) are configured such that the first condenser (130) and the second condenser (230) are integrally formed and shared. Waste heat utilization device characterized by that.
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