JP2008128254A - 少なくとも１つの膨張装置を駆動するための有機ランキンサイクル循環を備えたシステム及び膨張装置を駆動するための熱交換器並びに少なくとも１つの膨張装置を運転するための方法 - Google Patents

Abstract

【課題】 特に高効率を可能とする良好なシステムを提供する。
【解決手段】自動車エンジン（２）冷却のための少なくとも１つのサイクル循環（１０）と、エンジン廃熱利用のための少なくとも１つの排気ガス交換器（５、３１）と、少なくとも１つの膨張装置（６）を駆動し、かつ、少なくとも１つの第１熱交換媒体を循環する少なくとも１つの有機ランキンサイクル循環（９）とから構成されるシステムであって、この有機ランキンサイル循環（９）は、第１熱交換媒体の予熱及び／又は気化のための予熱交換ステップ（２１）に加えて、第１熱交換媒体の気化及び／又は過熱のための少なくとも１つの第２熱交換ステップ（２２）を含んで構成されており、予熱交換ステップ（２１）及び第２熱交換ステップ（２２）には第２媒体、特に冷媒が循環している。
【選択図】図３

Description

本願発明は、少なくとも１つの膨張装置を駆動するための有機ランキンサイクル循環及び膨張装置を駆動するための熱交換器並びに少なくとも１つの膨張装置を運転するための方法に関する。

自動車のエンジンは、利用された駆動出力の他に、使用されずに周囲に大方排出される廃熱を生み出す。この廃熱は、大部分、エンジンを冷却する冷媒に含まれている。更に、廃熱は排気ガスにも含まれており、大部分は使用されずに周囲に放出される。

例えば、特許文献１に開示の従来技術では、排気ガス中の廃熱を電気エネルギーを生み出すジェネレーター運転のために利用している。

特許文献２に開示の自動車の補助ユニットにおいては、一次モーターの廃熱を機械的な駆動エネルギーを生み出すために利用している。自動車の排気装置と一体となった熱交換器が、作動ガス、例えば、水蒸気を生み出している。

特許文献３においては、作動媒体サイクルとランキンサイクルとを備えた水蒸気圧縮作動媒体サイクル循環システムの開示がある。このランキンサイクルは、コンプレッサー、ガス-液体分離装置、減圧装置及び気化器から構成されている。

特許文献４には、自動車の熱エネルギーを再度利用するシステムの開示があり、当該システムにおいては、ランキンサイクル循環が利用されており、機械的エネルギーを生み出している。このシステムは、熱伝導サイクル循環から構成されており、このため、ランキンサイクル循環の熱ボイラーを加熱する構成となっている。

特許文献５には、気化温度制御のための制御装置の開示がある。

特許文献６には、高温液体の熱エネルギーを熱源から回収する熱交換器の開示がある。

特許文献７には、通常、エンジン冷媒クーラー及び排気ガスを介して排出されるエンジン熱を回収する方法の開示があって、この回収方法は、送出ポンプ、送出ヒーター、ボイラー、過熱器、スクロールエキスパンダー及び空冷コンデンサーから構成されるランキンサイクル循環を介して行われる。

図１は、ランキンサイクル循環１０９及びエンジン１０２冷却のための冷却サイクル循環１１０を備えた既知のシステムを示す。

ランキンサイクル循環１０９は、冷却又は送出ポンプ１０８、気化器１１１及び膨張装置１０６並びにコンデンサー１０４から構成されている。

作動媒体は、コンデンサー１０４において凝縮して、冷却ポンプ１０８により、ランキンサイクル循環１０９を通してポンプで送出される。この作動媒体は、気化器１１１において気化される。水蒸気状の作動媒体は、膨張装置１０６を通して流れて、膨張装置１０６において仕事をする。膨張装置１０６を循環した後、作動媒体は、コンデンサー１０４に還流して、コンデンサー１０４において水蒸気相から液体相に移行する。エンジン１０２の冷却サイクル循環１１０において、冷媒は、気化器１１１、排気ガスクーラー１０５及び冷媒クーラー１０３を循環する。

特に、ランキンサイクル循環１０９及び冷却サイクル循環１１０との間の異なる温度特性を要因として、効率損失、即ち、所謂、温度ミスマッチに到る。

更に、エンジンの暖機段階において、冷却サイクル循環１１０の冷媒からの熱の取り出しは、エンジン暖機を遅らせ、その結果、燃料消費が大きくなる。
日本国特許出願公開番号２００２３２５４７０ ドイツ特許公開番号ＤＥ１０２３３７６３ 欧州特許出願公開番号ＥＰ１４４１１２１ フランス特許出願公開番号ＦＲ２８６８８０９ 欧州特許出願公開番号ＥＰ１４３１５２３ ドイツ特許公開番号ＤＥ６０１１６５９６ 米国特許番号UＳ５０００００３

本願発明の課題は、従来技術の不都合な点を解消すると共に、特に高効率を可能とする良好なシステムを提供することにある。特に、エンジン暖機段階の不都合な点を解消し又はこれを取り除くことを目的とする。更に、特に、良好なシステム制御と良好な熱交換器を提供することにある。更には、熱交換器の数を減らして、構成スペースを節約することにある。更には、本願システムの熱交換器は、簡単容易に構成されて、これによって、熱交換器の性能を高めることを目的とする。

本願の課題は、請求項１に記載の特徴を備えたシステムによって解決される。

発明の実施の形態

自動車エンジン冷却のための少なくとも１つの第１サイクル循環を含んで構成されるシステムを提案するものであって、当該システムはまた、エンジン廃熱利用のための少なくとも１つの排気ガス熱交換器と、少なくとも１つの膨張装置を駆動し、かつ、少なくとも１つの第１熱交換媒体を循環する有機ランキンサイクル循環とから構成されて、この有機ランキンサイクル循環は第１熱交換媒体の予熱及び／又は気化するための予熱交換ステップに加えて、第１熱交換媒体を気化及び／又は過熱するための第２の熱交換ステップから構成されている。この予熱交換ステップと第２の熱交換ステップは、第２の媒体、特に冷媒によって循環されている。特に、予熱交換ステップ及び第２の熱交換ステップにおいては、同じ冷却媒体、特に同じ冷却液体もしくは異なった冷媒が循環している。

ここにおいて、第１サイクル循環は、特に、自動車エンジン冷却のために使われ、冷媒サイクル循環として構成されている。

ここにおいて、排気ガス熱交換器は、エンジン廃熱利用のために使われており、排気ガス熱交換器にはエンジン排気ガスが循環している。

ここにおいて、「有機ランキンサイクル循環」とは、低い気化温度を備えた有機液体でスクロールエキスパンダーを運転するランキンサイクル循環が利用されている。利用可能な作動媒体は、特に、Ｒ１３４ａ、ＣＯ２、水素ブレンドガス並びにその他のハロゲン炭化水素である。有機ランキンサイクル循環は、熱源とヒートシンクとの間で自由にできる温度差が、水蒸気駆動のスクロールエキスパンダー運転には過小である場合に利用される。

有機ランキンサイクル循環は、少なくとも１つの膨張装置、特に、スクロールエキスパンダーを含んで構成されており、このスクロールエキスパンダーには第１熱交換媒体、特に、例えば、Ｒ１３４ａのような作動媒体が循環している。

有機ランキンサイクル循環は、第１熱交換媒体、特に、作動媒体の予熱及び／又は気化のための予熱交換ステップに加えて、第２熱交換ステップを含んで構成されており、この第２熱交換ステップは、第１熱交換媒体、特に、作動媒体を気化し、即ち、既に気化された第１熱交換媒体を更に加熱又は過熱する。

本願発明の好ましい実施の態様におけるシステムにおいて、有機ランキンサイクル循環は、第１熱交換手段、特に作動媒体液化のための少なくとも１つのコンデンサーを含んで構成されている。このようにして、好ましい態様において、第１熱交換媒体は、膨張装置、特にスクロールエキスパンダー循環の後、ガス状の相から液相に移行することを特徴としている。

本願発明に基づく更に好ましい実施の態様において、当該システムは、エンジンを冷却する少なくとも１つの冷媒クーラーには第２の熱交換媒体、特に冷媒が循環可能であって、即ち、循環していることを特徴としている。

更に、好ましい実施の形態において、予熱交換ステップには、第２の熱交換媒体、特に冷媒が循環可能であって、即ち、循環している。更に、冷媒クーラー及び／又は予熱交換ステップは、第１サイクル循環、特にエンジン冷却のための冷媒サイクル循環に配設可能であって、即ち配設されている。

「予熱交換ステップ」とは、特に熱交換ユニットであって、第１熱交換媒体、特に作動媒体と第２熱交換媒体、特に冷媒との間の熱交換を可能とするユニットと理解される。

これにより、好ましい実施の態様において、第１熱交換媒体は、第２熱交換媒体によって予熱、即ち気化される。

「第２熱交換ステップ」とは、第１熱交換媒体と他の熱交換媒体、特に第２熱交換媒体との間の熱交換を可能とする熱交換ユニットと理解される。これにより、第１熱交換媒体、特に作動媒体は、第２熱交換ステップにおいて、予熱交換ステップと比べ、更に加熱、即ち気化、即ち過熱される。

「過熱」とは、既に蒸気段階にある第１熱交換媒体を更に加熱することと理解される。

更に、好ましい実施の態様において、第１サイクル循環、特に冷媒サイクル循環において、エンジンの流出側において、冷媒クーラー循環のための第１部分流と第２部分流分岐のための分岐点が配設されている。このようにして、好ましい実施の態様において、第２熱交換媒体、特に冷媒を冷やさずに、排気ガス熱交換器及び／又は予熱交換ステップ及び／又は第２熱交換ステップに供給できる。

更に好ましい実施の態様において、第２サイクル循環が配設されており、この循環においては、少なくとも１つの排気ガス熱交換器及び第２熱交換ステップが配設されている。このようにして、第１サイクル循環、特にエンジン冷却のための冷媒サイクル循環、第１熱交換媒体、特に作動媒体を、予熱交換ステップにおいて予熱、即ち気化することができる。第２サイクル循環において、好ましくは、エンジン排気ガスの廃熱が、第２熱交換ステップにおいて、第１熱交換媒体の更なる加熱、即ち気化、即ち過熱のために利用される。

更に好ましい実施の態様において、第１サイクル循環と第２サイクル循環は、並列接続されている。「並列接続」とは、エンジン冷媒の一部が、排気ガス熱交換器、第２熱交換ステップ及び予熱交換ステップを介して流れ、また、エンジン冷媒のもう一方の部分が予熱交換ステップに直接流れることと理解される。このようにして、第１サイクル循環、特にエンジン冷却のための冷媒サイクル循環と排気ガス熱交換器循環のための第２サイクル循環をより好ましく接続でき、即ち引き離すことができる。これに代えて、直流接続もまた可能であって、この場合、エンジン冷媒は、排気ガス交換器、第２熱交換ステップ及び予熱交換ステップ又はこれに並列接続されたバイパス管路を通して流れて、この後で（またはこれに先行して）エンジン冷媒は、予熱交換ステップ又はそのバイパス管路を通して流れる。

「第１サイクル循環」とは、特に、エンジン冷却のための冷媒サイクル循環と理解される。

好ましい実施の態様において、第１サイクル循環は、第１分岐点の流出側に配設された少なくとも１つの第２分岐点を含んで構成されていることに特徴を有する。この第２分岐点は、特に、第２部分流を第３部分流と排気ガス熱交換器及び／又は第２熱交換ステップに循環する分岐流とに分配する役目を行う。第３部分流は、特に好ましくは、予熱交換ステップを循環するために使われる。更に、好ましくは、第３部分流は、分岐流が第２熱交換ステップを循環した後で、分岐流と混合可能とする。

更に好ましい実施の態様において、分岐流及び第３部分流を第２部分流に合流するため、少なくとも１つの第１合流点を予熱交換ステップの流入側に配設する。

このようにして、分岐流及び第２部分流における色々な大量流によって、有機ランキンサイクル循環及び冷媒サイクル循環における温度経過が互いに最適な如く一致し、これにより、第２熱交換ステップ流入側において、好ましくは、冷媒温度Ｔ２の上昇が起こる。

好ましい実施の態様における本願発明のシステムは、特に、第１部分流と第２部分流との合流に使われる少なくとも１つの第２合流点がエンジン流入側に配設されていることに特徴がある。このようにして、冷媒クーラーを循環した第１部分流と、特に第１熱交換媒体を気化、即ち過熱するための第２部分流とが、好ましくは、合流可能となる。

更に、好ましい実施の態様において、第１分岐点において、冷媒クーラーを副流する第２バイパス部分流が分岐し及び／又は第２熱交換ステップ流出側において、エンジンを副流する第１バイパス部分流が分岐している。特に、第１バイパス部分流及び／又は第２バイパス部分流は、特に好ましくは、第１バイパスバルブを含んで構成されている。このようにして、有機ランキンサイクル循環を運転する必要のない場合、特にエンジン暖機が既に終了した場合、有機ランキンサイクル循環を迂回可能である。有機ランキンサイクル循環の圧力損失を克服する必要がなくなり、冷媒を送出するポンプの高い出力需要を回避でき、更には、燃料消費を低く抑えることができる。

好ましい実施の形態において、予熱交換ステップと第２熱交換ステップとは構成ユニットを形成する。このように、構成ユニットにおいて、予熱交換ステップ及び熱交換ステップのコンパクトな構成によって、構成スペースを節約可能である。

好ましい実施の態様において、予熱交換ステップは、少なくとも１つの気化器として及び／又は第２熱交換ステップは少なくとも１つの過熱器として構成されている。

「過熱器」とは、特に、既に気化された作動媒体を更に加熱する熱交換ユニット、即ち熱交換器と理解される。

好ましい実施の態様において、第１サイクル循環は、第２熱交換媒体を送出すポンプを含んで構成されており、このポンプは、エンジンの流出側又は流入側に配設されている。このように、第２熱交換媒体、特に冷媒は、第１サイクル循環を介してポンプで送出される。

更に、本願発明によれば、請求項１から１３の何れかに基づくシステムのための膨張装置を駆動するため、第１熱交換媒体、特に作動媒体を気化する少なくとも１つの予熱交換ステップと、既に気化された作動媒体を更に過熱、特に更に加熱するための第２熱交換ステップとを含んで構成される熱交換器を有する。

更に、本願発明によれば、膨張装置を駆動する有機ランキンサイクルとして請求項１４に基づく熱交換器を利用する。

更に、本願発明によれば、有機ランキンサイクルプロセスの少なくとも１つの膨張装置を駆動する方法を請求しており、この方法は以下のステップから構成される。

第１熱交換媒体、特に作動媒体が、コンデンサーにおいて液化される。引き続き、送出しポンプにより、第１熱交換媒体の圧力上昇が行われる。第１熱交換媒体は、予熱交換ステップにより加熱、特に気化される。第１熱交換媒体は、第２熱交換ステップにより、更に加熱、特に過熱される。気化された第１熱交換媒体は、膨張装置を循環する。

好ましい実施の態様において、第２熱交換媒体、特に冷媒は、第２熱交換ステップ、特に、少なくとも１つの過熱器を介して排気ガス熱交換器を貫流した後、循環する。

更に、好ましい実施の態様において、予熱交換ステップには第２熱交換媒体が循環しており、ここにおいて、予熱交換ステップに入る時点での第２熱交換媒体の温度Ｔ_ＶＷＴは、

の範囲とする。

温度Ｔ_ＶＭは、ここにおいて、第２熱交換媒体がエンジンを循環した後の温度に略一致する。温度Ｔ_ＺＷＴは、ここにおいて、第２熱交換媒体が第２熱交換ステップを循環した後の温度に略一致する。

更なる好ましい態様については、特許請求の範囲及び添付の図面から明らかとなる。

特許請求の範囲の発明の主題は、少なくとも１つの膨張装置を駆動するための有機ランキンサイクル循環を備えたシステムと、膨張装置を駆動するための熱交換器と、有機ランキンサイクルプロセスで、少なくとも１つの膨張装置を運転するための方法を特徴とする。

本願発明の実施例を図面に示すと共に、以下、更に詳しく説明する。尚、ここに記載の実施例は、本願発明の請求範囲を縮小するものではない。

図２は、有機ランキンサイクル循環９を備えたシステム３０を示しており、予熱交換ステップ２１は第１サイクル循環１０によって循環し、第２熱交換ステップ２２は第２サイクル循環３２によって循環している。

有機ランキンサイクル循環９は、コンデンサー４、送出しポンプ８、予熱交換ステップ２１並びに第２熱交換ステップを含んで構成されている。

第２熱交換ステップ２２は、図２に示す実施例においては、排気ガス熱交換器５として構成されている。更に、有機ランキンサイクル循環９は、膨張装置６、特にスクロールエキスパンダーを含んで構成されている。スクロールエキスパンダーは、スクロールコンプレッサーとは逆の方法で運転され、特に、２つの互いに入り組んだ渦巻きコイルから構成されて、その一方は静止しており、また、もう一方は前者において渦巻状に動く構成となっている。これにより、渦巻きコイルは互いに何回も接触して、巻き線の内部に数多くの定置した小さなキャビンを形成している。他の実施例において、膨張装置６は、スクロールエキスパンダー、ピストンエキスパンダー等などである。

第１熱交換媒体、特に、Ｒ１３４ａ、ＣＯ２又は水素ブレンドガスの如き作動媒体は、コンデンサー４において、ガス状から液状に移行する。液状の作動媒体は、引き続き、有機ランキンサイクル循環９において、特に作動媒体の送出手段としての送出しポンプ８を循環する。図示されていない他の実施形態において、送出しポンプは、予熱交換ステップ２１の流出側に配設されている。この図示のない実施形態においては、予熱交換ステップ２１において、作動媒体の加熱が生じて、その気化はまだ生じない。

他の実施形態では、予熱交換ステップ２１において、作動媒体は既に気化されて、このため、予熱交換ステップ２１を循環した後、作動媒体は略ガス状に存在する。第２熱交換ステップ２２において、既に略ガス状の作動媒体は更に加熱、特に過熱される。

水蒸気状の作動媒体は膨張装置６、特にスクロールエキスパンダーを循環する。膨張装置６、特にスクロールエキスパンダーにおいて、例えば機械的に及び／又はジェネレーターによって電気エネルギーが生成される。

エンジン２には、その中で燃焼する空気燃料混合物が、図示のない方法によって、循環している。燃焼によって生じた排気ガスは、排気ガス管路１２を通ってエンジンから排出される。第３バルブ装置は、特にバイパス弁、即ちバイパスバルブ２６として構成されている。バルブユニット２６は、他の実施形態においては、コンビネーションバルブとしても構成することができる。「コンビネーションバルブ」とは、排気ガスの通過率ばかりでなく、排気ガス熱交換器３１及び／又は排気ガスバイパス管路１３への排気ガス供給もまた制御可能なバルブユニットとして理解される。排気ガスバイパス管路１３は、ここにおいて、排気ガス熱交換器３１を迂回する。これにより、排気ガスは完全に排気ガスバイパス管路１３を介し流れて、排気ガス熱交換器３１を介しては一切流れない。第３バルブ装置の別の開閉点において、全体のガスは排気ガス熱交換器３１を通して流れる。第３バルブ装置の更に別の調節点において、排気ガスは、排気ガスバイパス管路１３を通してばかりでなく、また、排気ガス熱交換器３１を通して流れる。

システム３０は、更に第１サイクル循環を含んで構成されて、この第１サイクル循環はエンジン２冷却のための冷媒サイクル循環として構成されている。これにより、ポンプ７、特に冷媒ポンプは、エンジンを通して冷媒をポンプで送出し、このようにしてエンジンを冷却する。

ここで、冷媒は加熱されて、更にエンジンから流れ出る。ここにおいて、第２バルブ装置２５は、加熱された冷媒の第１部分流２３及び第２部分流２４への分配を制御する。加熱された冷媒を有する第１部分流は、冷媒クーラー３を循環して、これにより、冷却される。冷媒クーラー３は、空気冷媒クーラーで、周囲の空気が加熱された冷媒を冷却する。

加熱された冷媒を有する第２部分流２４は、予熱交換ステップ２１を循環し、これによって、特に有機ランキンサイクル循環の作動媒体の熱を引き渡す。こうして、有機ランキンサイクル循環の作動媒体は過熱、即ち気化される。

予熱交換ステップ２１の循環後、第２部分流２４及び第１部分流２３は、詳しくは図示のない合流点において、更に引き合わされる。

排気ガス熱交換器３１は、排気ガス／冷媒クーラーとして構成されている。

第２サイクル循環３２、特に冷媒サイクル循環は、第２熱交換ステップ２２と、排気ガス熱交換器３１及び第２冷媒ポンプ３３を含んで構成される。

図示の実施例においては、第１サイクル循環１０及び第２サイクル循環３２において、同一の第２熱交換媒体、特に、例えば水分を含有する冷却液の如き冷媒が循環している。別の実施形態において、第１サイクル循環１０及び第２サイクル循環３２は、異なった熱交換媒体、特に冷却液の如き冷却媒体を含んで構成されている。

第１熱交換手段、特に作動媒体は、予熱交換ステップ２１において加熱され、第２熱交換ステップ２２において、気化及び／又は過熱される。別の実施形態において、第１熱交換媒体、特に作動媒体は、予熱交換ステップ２１において気化されて、第２熱交換ステップ２２において過熱される。ここにおいて「過熱」とは、既に水蒸気状の第１熱交換手段、特に作動媒体を更に加熱することを意味する。

システム３０の有利な点は、第２サイクル循環３２の熱慣性を介した負荷変動性の緩和方法にある。その他に、動作媒体と排気ガスとの直接的熱交換を回避することで、作動媒体の過熱を妨げている。これにより、特に過大負荷の際に、作動媒体の熱分解に到ることはない。これは、バルブ装置２６の制御及び／又はポンプによる温度特性の調整を介して行うことができる。

図３は、第１サイクル循環１０と第２サイクル循環が合流状態にある有機ランキンサイクル循環を含んで構成されるシステム４０を示す。同じ構成要素には、前述の図面と同じ符号で表示する。

図２と異なって、図３に示すシステム４０においては、第１サイクル循環１０と第２サイクル循環が合流状態にあって、特に並列接続することができる。「並列接続」とは、エンジン冷媒の一部が排気ガス熱交換器と、第２熱交換ステップと予熱交換ステップを循環し、また、エンジン冷媒のもう一部が直接予熱交換ステップに循環することと理解される。

第２部分流２４は、第２分岐点４４において、分流４１と第３部分流４２に分配され、即ちこのように分配可能である。

特に第２分岐点４４に配設された第４バルブ装置４３は、第２部分流２４の分流４１及び第３部分流４２への分配制御手段として使われる。第４バルブ装置４３は、第２部分流２４が分流４１のみに導かれるようにシステム４０を制御可能である。第４バルブ装置４３の別のバルブ位置において、冷媒中の全ての第２部分流２４は第３部分流に導かれる。第４バルブ装置４３の別のバルブ位置において、第２部分流２４の一部が分流４１に、また、第２部分流２４のもう一部が第３部分流４２に導かれる。

分流４１を貫流する冷媒は、排気ガス熱交換器３１に循環し、ここで、加熱され、引き続き、第２熱交換ステップ２２に循環し、ここで、有機ランキンサイクル循環９の作動媒体が気化、即ち過熱される。

冷媒が分流４１には一切導かれず、第３部分流４２にのみ導かれる第４バルブ装置４３のバルブ位置において、第２熱交換ステップ２２においては、有機ランキンサイクル循環の作動媒体加熱、即ち気化、即ち過熱は一切生じない。

第１合流点４５において、第２熱交換ステップ２２を循環した分流４１は、第３部分流４２と更に合流する。

第１合流点４５は、特に第２熱交換ステップ２２及び／又は第４バルブ装置４３流出側に配設されている。

第３部分流４２に流れ込んだ第２熱交換媒体、特に冷媒は、温度Ｔ_ＶＭを有する。温度Ｔ_ＶＭは、エンジン２に循環した後の第２熱交換媒体の温度と略一致する。

分流４１は、第２熱交換ステップ２２を循環した後、温度Ｔ_ＺＷＴを有する。温度Ｔ_ＺＷＴは、排気ガス熱交換器３１を介して分流４１に取り込まれた熱に左右されると共に、分流４１と第２熱交換ステップ２２における第１熱交換媒体、特に作動媒体との間の熱伝達による。

第４バルブ装置４３によって、温度Ｔ_ＶＷＴ値が、

の範囲となるように予熱交換ステップ２１に入る時点での温度Ｔ_ＶＷＴを制御可能である。

第１合流地点４５で、分流４１と第３部分流４２とが引き合わされて、これにより、温度Ｔ_ＶＷＴを有する第２熱交換媒体、特に冷媒が予熱交換ステップ２１に流れ込む。予熱交換ステップ２１循環後、第２部分流２４及び第１部分流２３が、第２合流点４６において、更に合流する。

予熱交換ステップ２１及び／又は第２熱交換ステップ２２において、有機ランキンサイクル循環間に、反流原理により、熱伝導が生じる。別の実施例においては、直流原理により、熱伝導が生じる。第１合流点４５において、第３部分流４２と分流４１との混合が生じる。より好ましい制御状態において、第３部分流４２は、第２熱交換器２２を循環した後、分流４１の温度Ｔ_ＺＷＴと略同一の温度Ｔ_ＶＭを有する。

図４ａは、予熱交換ステップと第２熱交換ステップが、ポンプ７をエンジン２流入側に配設してなる構成ユニット２１２２を形成するシステム５０を示す。同じ構成要素は、前述の図面と同じ符号で表示される。図３と異なって、予熱交換ステップ２１と第２熱交換ステップ２２とが構成ユニット２１２２に配設されて、即ち特に１つの部分で形成されている。

例えば、有機ランキンサイクル循環の送出しポンプ８遮断により、同循環の熱連結が妨げられる。これにより、エンジン暖機を加速するために排気ガス熱の利用が生じる。エンジン暖機が終了したときに、有機ランキンサイクル循環は送出しポンプ８によって、循環状態とされるように同循環の制御が行われる。これは、エンジン冷媒の温度を計測する少なくとも１つの温度センサーによって検知される。エンジン空冷サイクル循環の冷媒の所定の温度に達すると及び／又はこれを超過すると、送出しポンプ８は、作動媒体を有機ランキンサイクル循環に送出し始める。

冷媒クーラーへの分岐は、例えば、冷媒がエンジン３から出た後で、または、別の態様においては、冷媒がエンジンブロック２に入る前に、これを行うことができる。

更に、冷媒ポンプ７は、エンジン２流入側又は図４ｂに図示の如く、エンジン２流出側に配設できる。

図４ｂの熱交換システム６０において、第２バルブ装置２５は、第２合流点４６が配設された、例えば、サーモスタットバルブとして形成されている。これは、有機ランキンサイクル循環を介して廃熱が完全に排出されない場合、余剰の熱を冷媒クーラー３を介し排出する点が有利である。排気ガス熱交換器３１を介した冷媒循環制御は、システム全体の効率のために最適な温度が達成されるよう第４バルブ装置４３を介し制御することが好ましい。特に、冷媒の最大許容温度が達成されるように制御が行われなければならない。排気ガス熱変換器３１における排気ガスと冷媒との間の熱伝導は、図示の実施例においては、直流で行われる。このように、好ましい態様においては、第１サイクル循環１０及び／又は第２サイクル循環の冷媒沸騰が防止できる。別の図示されない実施態様において、熱伝導は反流原理で行われる。このように、熱交換率を高めることができ及び／又は排気ガス熱交換器３１の構成サイズを、同等の熱交換率にて縮小することができる。

熱伝導ユニット２１２２流出側及び膨張装置６流入側の有機ランキンサイクル循環９の温度Ｔ３及び圧力Ｐ３、コンデンサー流出側及び熱交換器２１２２流入側の作動媒体の圧力Ｐ０は、膨張装置６の効率を決定する運転条件である。

この場合、数値Ｐ０、Ｐ３及びＴ３の基準値は、特性図から決定される。例えば、エンジン駆動のための特性図は、自動車外部の空気の周辺温度、エンジン２流出側及び又は第２バルブ装置２５流入側の冷媒温度Ｔ１、走行速度及びエンジン負荷を取り扱う。エンジン負荷を求めるためには、特に、エンジン回転数及び／又は自動車でアクセルを踏み込むためのアクセル位置を利用する。

圧力Ｐ０の設定値は、特に、コンデンサー４及び／又は冷媒クーラー３の図示のないベンチレーターの性能とする。

圧力Ｐ３の設定値は、特に、送出しポンプ８の性能とする。

温度Ｔ３の設定値は、特に、熱交換器２１２２流入側及び／又は排気ガス熱交換器３１流出側の冷媒温度Ｔ２とする。別の実施形態においては、これに代えて、Ｔ３の代わりに温度Ｔ２を利用する。この場合、Ｔ２の定格特性図に既に含まれる、特にその負荷依存の温度差０．５Ｋから３０Ｋを温度Ｔ２に加算している。

温度Ｔ２の調節は、特に、第４バルブ装置４３及び／又は少なくとも１つの図示のないポンプによって、排気ガス熱交換器３１を通る冷媒循環上で行われる。特に、最大循環の際に、温度Ｔ２の所定値を超過した場合、排気ガスは、特に第３バルブ装置２６によって、排気ガスバイパス管路１３を通って導かれる。

更に別の図示のない実施形態において、第１サイクル循環１０及び／又は第２サイクル循環が高圧下で運転される場合、特に高いグリュザンティーン成分を有する冷媒を投入する。

図５ａは、排気ガス熱交換器３１及び／又は熱交換器２１２２を副流する第１バイパス部分流７１を備えた有機ランキンサイクル循環を有するシステム７０を示す。この場合、第１バルブ装置７２は、第１バイパス部分流７１に配設されている。同様な構成要素は、前述の図面と同じ符号で表示される。

このように、好ましい実施の態様において、有機ランキンサイクル循環を運転する必要がない場合であって、エンジン暖機が既に終了した場合には、同循環を迂回することになる。第１バルブ装置７２は、サーモスタットバルブとして構成されることが好ましい。第１バイパス部分流によって、有機ランキンサイクル循環の圧力損失は克服される必要がなく、これにより、特に好ましい態様において、冷媒ポンプ７の出力需要低下と共に燃料消費を削減できる。

図５ｂは、図５ａのシステム構成の略代替態様を形成する第２バイパス部分流８１を備えた更に他のシステム８０を示す。同じ構成要素は、前述の図面と同じ符号で表示する。

第２バイパス部分流８１は、特に、エンジン２流出側及び冷媒クーラー３を副流する冷媒ポンプ７流出側に配設されている。

上述の実施例の構成要素は、任意に組み合わせ可能である。本願発明は、ここに記載の分野以外の領域においてもまた利用可能である。

第２バルブ装置２５（図２、３、４ａ参照）における冷媒サイクル循環の分割可能性、即ち、エンジン２に続く分岐（図４ｂ、５ａ、５ｂ参照）に代えて、本願システムはまた、クーラー３及び予熱交換ステップ２１の並行配列をやめて、その代わりに、それぞれ対応するバイパス副管路を備えて、所要の場合、第２熱交換ステップと連結したクーラー及び予熱交換ステップの直流接続とすることもでき、この場合、その順序はクーラー／予熱交換ステップ又は予熱交換ステップ／クーラーとすることができる。

図１は、ランキンサイクル循環を備えた既知のシステムを示す。 図２は、有機ランキンサイクル循環を備えたシステムを示すものであって、予熱交換ステップは、第１サイクル循環によって、また、第２熱交換ステップは第２サイクル循環によって、循環されている。 図３は、有機ランキンサイクル循環を備えたシステムを示すものであって、第１サイクル循環と第２循環サイクルは合流状態にある。 予熱交換ステップと第２熱交換ステップは構成ユニットを形成し、冷媒ポンプは、エンジンの流入側に配設されたシステムを示す。 予熱交換ステップと第２熱交換ステップは構成ユニットを形成し、冷媒ポンプは、エンジンの流出側に配設されている。 エンジンを副流する第１バイパス管路を含んで構成されるシステムを示し、第１バイパス管路には、第１バルブ装置が配設されている。 冷媒クーラーを副流する第２バイパス管路を備えたシステムを示し、第２バイパス管路には、第１バルブ装置が配設されている。

Claims (18)

1. 自動車のエンジン（２）を冷却するための少なくとも１つのサイクル循環（１０）と；エンジン廃熱利用のための少なくとも１つの排気ガス熱交換器（３１）と；少なくとも１つの膨張装置（６）を駆動し、かつ、少なくとも１つの第１熱交換媒体を循環する有機ランキンサイクル循環（９）であって、前記第１熱交換媒体の予熱及び／又は気化のための予熱交換ステップ（２１）に加えて、前記第１熱交換媒体の気化及び／又は過熱のための少なくとも１つの第２熱交換ステップ（２２）とから成る前記有機ランキンサイクル循環とから構成されており、前記予熱交換ステップ（２１）及び前記第２熱交換ステップ（２２）には、第２媒体、特に冷媒が循環していることを特徴としたシステム。
2. 前記有機ランキンサイクル循環（９）は、前記第１熱交換媒体液化のための少なくとも１つのコンデンサー（４）を含んで構成されることを特徴とした請求項１記載のシステム。
3. 前記エンジン（２）及び／又は前記予熱交換ステップ（２１）冷却のための冷媒クーラー（３）を少なくとも１つ含んで構成されることを特徴とした請求項１又は２記載のシステム。
4. 前記第１サイクル循環（１０）において、前記エンジン（２）流出側に、前記冷媒クーラー（３）を循環する第１部分流（２３）と、第２部分流（２４）とに分配するための少なくとも１つの第１分岐点が配設されていることを特徴とした請求項３記載のシステム。
5. 少なくとも１つの前記排気ガス熱交換器（３１）と前記第２熱交換ステップ（２２）が配設された第２サイクル循環（３２）を有することを特徴とした前述の請求項の何れかに記載のシステム。
6. 前記第１サイクル循環（１０）及び前記第２サイクル循環（３２）は並行接続されていることを特徴とした請求項５記載のシステム。
7. 前記第１サイクル循環（１０）は、前記第２部分流（２４）を第３部分流（４２）及び前記排気ガス熱交換ステップ（３１）及び／又は前記第２熱交換ステップ（２２）を循環する分流（４１）に分配するため、前記第１分岐点流出側に、少なくとも一つの第２分岐点（４４）を含んで構成されることを特徴とした請求項４から６の何れかに記載のシステム。
8. 前記分流（４１）及び前記第３部分流（４２）を前記第２部分流（２４）に合流するため、前記予熱交換ステップ（２１）流入側に、少なくとも１つの合流点（４５）を有することを特徴とした請求項７記載のシステム。
9. 前記第１部分流（２３）及び前記第２部分流（２４）を合流するため、前記エンジン（２）の流入側に、少なくとも１つの第２合流点（４６）を有することを特徴とした請求項４から８の何れかに記載のシステム。
10. 前記第１分岐点において、前記冷媒クーラー（３）を副流する第２バイパス部分流（８１）が分岐し及び／又は前記予熱交換ステップ（２１）流出側において、前記排気ガス熱交換器（３１）及び／又は前記第２熱交換ステップ（２２）を副流する第１バイパス部分流（７１）が分岐することを特徴とした請求項４から９の何れかに記載のシステム。
11. 前記予熱交換ステップ（２１）と前記第２熱交換ステップ（２２）は、構成ユニット（２１２２）を形成することを特徴とした前述の請求項の何れかに記載のシステム。
12. 前記予熱交換ステップは気化器として及び／又は前記第２熱交換ステップ（２２）は、過熱器として構成されていることを特徴とした前述の請求項の何れかに記載のシステム。
13. 前記第１サイクル循環（１０）は、前記第２熱交換手段を送出すポンプ（７）を含んで構成されており、前記ポンプ（７）は、前記エンジン（２）流出側又は流入側に配設されていることを特徴とした前述の請求項の何れかに記載のシステム。
14. 前述の請求項の何れかに記載のシステムのための膨張装置（６）を駆動するため、第１熱交換媒体を気化するための少なくとも１つの予熱交換ステップ（２１）と前記第１熱交換媒体を過熱するための第２熱交換ステップを含んで構成される熱交換器。
15. 膨張装置（６）駆動のため、有機ランキンサイクルとして請求項１４に記載の熱交換器の利用。
16. 第１熱交換媒体をコンデンサー（４）において液化するステップと、前記第１熱交換媒体を、予熱交換ステップ（２１）によって加熱、特に気化するステップと、前記第１熱交換媒体の圧力を送出しポンプ（８）により高めるステップと、前記第１熱交換媒体を第２熱交換ステップ（２２）によって加熱、特に過熱するステップと、前記気化された第１熱交換媒体を前記膨張装置（６）に循環するステップとから構成されることを特徴とした有機ランキンサイクル循環プロセスの少なくとも１つの膨張装置（６）を駆動するための方法。
17. 第２熱交換媒体が、排気ガス熱交換器（５、３１）を循環した後、前記第２熱交換ステップ、特に過熱器を循環することを特徴とした請求項１６に記載の方法。
18. 前記予熱交換ステップ（２１）には第２熱交換媒体が循環しており、この第２熱交換媒体が前記予熱交換ステップに入る時点での温度Ｔ_ＶＷＴは、
    

    

    の範囲とし、ここで、前記温度Ｔ_ＶＭはエンジン（２）を循環した後の前記第２熱交換媒体の温度に略一致し、また、前記温度Ｔ_ＺＷＴは、前記第２熱交換ステップ（２２）を循環した後の前記第２熱交換媒体の温度に略一致することを特徴とした請求項１６又は１７の何れかに記載の方法。

Images