JP2008255863A

JP2008255863A - ランキンサイクルシステム

Info

Publication number: JP2008255863A
Application number: JP2007097963A
Authority: JP
Inventors: Ryoichi Hori; 亮一堀; Norimitsu Matsudaira; 範光松平; Satoshi Kimura; 敏木村; Shiro Nakajima; 史朗中嶋
Original assignee: Calsonic Kansei Corp
Current assignee: Marelli Corp
Priority date: 2007-04-04
Filing date: 2007-04-04
Publication date: 2008-10-23

Abstract

【課題】排ガスの排熱量が走行状態により変動しても、蒸発器の熱源の変動を抑制し、ランキンサイクルを安定して稼動させることができるランキンサイクルシステムの提供。
【解決手段】液媒体の圧力を上げる圧縮機２と、圧力が上がった液冷媒に熱を加えて気体にする蒸発器３と、熱が加えられた気体のエネルギーを運動エネルギーに変換する膨張器４と、変換し終わった気体のエネルギーを液体に戻す凝縮器とを備えたランキンサイクルシステムにおいて、排気ガスの熱エネルギーをミッションオイルの熱エネルギーに熱交換する排気熱回収器８が備えられ、蒸発器３の熱源として排気熱回収器８で回収されたミッションオイルの熱エネルギーを用いるようにした。
【選択図】図３

Description

本発明は、ランキンサイクルシステムに関する。

従来、エンジン廃熱や排ガス熱の再利用する回生システムの一つであるランキンサイクルのコンポーネント部品としては、液媒体の圧力を上げる圧縮機、圧力が上がった液に熱を加えて気体にする蒸発器、加えられた気体のエネルギーを運動エネルギーに変換する膨張器、変換し終わった気体のエネルギーを液体に戻す凝縮器からなり、このランキンサイクルにおいて、蒸発器の熱源は主にエンジン冷却水の場合と排気ガスの場合とに分類され、後者の排ガス熱を利用する場合は効率が良い事から水蒸気をサイクル媒体として使用することが研究・開発報告などで一般的である（例えば、特許文献１参照。）。
特開２００３−２７８５９８号公報

しかしながら、蒸発器の熱源として排ガス排熱を利用する場合、排ガスの排熱量は走行状態により変動し不安定であり、ランキンサイクルを安定して稼動させることが困難であるという問題があった。

本発明の解決しようとする課題は、排ガスの排熱量が走行状態により変動しても、蒸発器の熱源の変動を抑制し、ランキンサイクルを安定して稼動させることができるランキンサイクルシステムを提供することにある。

上記課題を解決するため請求項１記載のランキンサイクルシステムは、液媒体の圧力を上げる圧縮機と、圧力が上がった液冷媒に熱を加えて気体にする蒸発器と、熱が加えられた気体のエネルギーを運動エネルギーに変換する膨張器と、変換し終わった気体のエネルギーを液体に戻す凝縮器とを備えたランキンサイクルシステムにおいて、排気ガスの熱エネルギーを液体の熱エネルギーに熱交換する排気熱回収器が備えられ、前記蒸発器の熱源として前記排気熱回収器で回収された液体の熱エネルギーを用いるように構成されていることを特徴とする手段とした。

本発明のランキンサイクルシステムでは、上述のように、排気ガスの熱エネルギーを液体の熱エネルギーに熱交換する排気熱回収器が備えられ、蒸発器の熱源として排気熱回収器で回収された液体の熱エネルギーを用いるようにしたことで、排ガスの排熱量が走行状態により変動しても、熱交換された液体の熱エネルギーの変動には遅れがあるため、蒸発器の熱源の変動を大幅に抑制することができ、これにより、ランキンサイクルを安定して稼動させることができるようになるという効果が得られる。

以下にこの発明の実施例を図面に基づいて説明する。

この実施例のランキンサイクルシステムは、請求項１〜４、６、８〜１１に記載の発明に対応する。

まず、この実施例のランキンサイクルシステムを図面に基づいて説明する。

図１はこの実施例のランキンサイクルシステムを示すシステム概略図、図２は排気熱回収器部分の詳細を示す斜視図、図３は排気熱回収器部分を示す断面説明図、図４は排気熱回収器部分の流路説明図、図５は蓄熱タンクを示す断面図である。

このランキンサイクルシステムは、液媒体の圧力を上げる圧縮機２と、圧力が上がった液冷媒にさらに熱を加えて気体にする蒸発器３と、熱が加えられた気体のエネルギーを運動エネルギーに変換する膨張器４と、変換された運動エネルギーで発電する発電機５と、電気を保存するバッテリ６と、変換し終わった気体のエネルギーを液冷媒に戻す凝縮器７と、排気ガスの熱エネルギーを液体の熱エネルギーに熱交換する排気熱回収器８と、排気熱回収器８で液体の熱エネルギーに熱交換された液体を貯蔵して蓄熱する蓄熱タンク９と、エンジン（内燃機関）１０と、エキゾーストマニホールド１１と、排気管１２と、触媒コンバータ１２、１３と、リアマフラー１４と、ラジエータ１５と、トランスミッション１６と、を備えている。

さらに詳述すると、この実施例では、上記蒸発器３の第１熱源として、エンジン１０で発生した廃熱エネルギーである排気ガスの熱エネルギーが用いられている。

即ち、上記排気熱回収器８は、図２、３に示すように、排気管１３の外周を囲繞する状態で円筒状の中空部が形成され、排気管１２の上流側と下流側に流入口１２ａと、流出口１２ｂがそれぞれ備えられていて、内部には熱回収効率を高めるための流路形成フィン１２ｃが配設されている。

そして、この排気熱回収器８には、オイルポンプ１６ａによってトランスミッション１６のミッションオイル（液体）が循環供給されるようになっている。

上記蓄熱タンク９は、そのケーシング９１が真空断熱層で構成された真空断熱タンクであり、ケーシング９１における流入口９１ａが排気熱回収器８の流出口１２ｂと直結された状態で、ケーシング９１の一部が排気熱回収器８に当接された状態で配置されている。

そして、図３〜５に示すように、この蓄熱タンク９内に蒸発器３が収容された状態で配置されている。

また、図４に示すように、トランスミッション１６から排気熱回収器８にミッションオイルが循環供給される循環流路１７には、排気熱回収器８を迂回してミッションオイルを蓄熱タンク９に導くバイパス流路１８と、該バイパス流路１８と排気熱回収器８を通る流路のいずれかにミッションオイルの流路を切り換える切換弁１９と、該切換弁１９の切換を制御する切換弁制御手段２０と、ミッションオイルの温度を検出する温度センサ２１と、エンジン始動時におけるミッションオイルの循環を制御する始動時制御手段２２と、が備えられている。

上記切換弁制御手段２０では、温度センサ２１で検出されるミッションオイルの温度が所定のしきい値未満であれば切換弁１９をバイパス流路１８側に切り換え、しきい値以上になると排気熱回収器８側に切り換える制御が行われる。

また、上記始動時制御手段２２では、エンジン１０の始動時に温度センサ２３で検出される蓄熱タンク９内に貯蔵されたミッションオイルの温度が所定温度以上である時は、この蓄熱タンク９内に貯蔵された所定温度以上のミッションオイルをトランスミッション１６に循環させるようにオイルポンプ１６ａを駆動させる制御が行われる。

次に、この実施例の作用を説明する。

この実施例のランキンサイクルシステムでは上述のように構成されるため、圧縮機２から吐出された高圧の液冷媒は、蒸発器３においてエンジン８及びトランスミッション１６で発生した廃熱エネルギー（排気ガス及びミッションオイルの熱エネルギー）によって熱が加えられて高圧の気体に変換される。

この熱が加えられた気体のエネルギーは、膨張機４において運動エネルギーに変換され、この運動エネルギーで発電機５を回転させることで電気エネルギーに変換され、バッテリ６に蓄電される。

そして、変換し終わった気体のエネルギーは凝縮器７で液冷媒に戻された後、圧縮機２に戻され、再び圧縮して送り出される。

次に、この実施例の効果を説明する。

この実施例のランキンサイクルシステムでは、上述のように、排気ガスの熱エネルギーをミッションオイルの熱エネルギーに熱交換する排気熱回収器８が備えられ、蒸発器３の熱源として排気熱回収器８で回収されたミッションオイルの熱エネルギーを用いるようにしたことで、排ガスの排熱量が走行状態により変動しても、熱交換されたミッションオイルの熱エネルギーの変動には遅れがあるため、蒸発器３の熱源の変動を大幅に抑制することができ、これにより、ランキンサイクルを安定して稼動させることができるようになるという効果が得られる。

また、蒸発器３の熱源として沸点が高いミッションオイルを用いることにより、高い温度まで蓄熱が可能であり、多くの熱量を蓄熱することができるようになる。

また、排気熱回収器８でミッションオイルの熱エネルギーに熱交換されたミッションオイルを貯蔵して蓄熱する蓄熱タンク９が備えられ、該蓄熱タンク９内に蒸発器３が収容されている構成としたことで、蓄熱タンク９の大きな熱容量により、さらに、ランキンサイクルを安定して稼動させることができるようになる。

また、蓄熱タンク９が真空断熱タンクで構成されることにより、保温性に優れ、これにより、さらに、ランキンサイクルを安定して稼動させることができるようになる。

また、蓄熱タンク９と排気熱回収器８とが隣接配置されることにより、排熱回収率を高めることができるようになる。

また、蒸発器３の熱源としてトランスミッション１６のミッションオイルを利用し、このミッションオイルを排気熱回収器８と、蒸発器３を収容した蓄熱タンク９に循環させるようにしたことで、蒸発器３がミッションオイルを冷やすクーラーの役割を果たす。

温度センサ２１で検出されるミッションオイルの温度が所定のしきい値未満であれば切換弁１９をバイパス流路１８側に切り換え、しきい値以上になると排気熱回収器８側に切り換える切換弁制御手段２０を備えることで、エンジン始動時等のようにミッションオイルの温度が低い時は即暖効果のある排気ガスの熱エネルギーを熱源としてミッションオイルを暖め、ミッションオイルの温度が所定のしきい値（例えば、発火温度より低い上限値）以上に高まった場合には、ランキンサイクルで熱エネルギーを消費させることによって、オイルクーラの役目を果たさせることができるようになる。

また、エンジン１０の始動時に温度センサ２３で検出される蓄熱タンク９内に貯蔵されたミッションオイルの温度が所定温度以上である時は、この蓄熱タンク９内に貯蔵された所定温度以上のミッションオイルをトランスミッション１６に循環させるようにオイルポンプ１６ａを駆動させる始動時制御手段２２を備えることで、始動時におけるトランスミッション１６の即暖効果が得られるようになる。

以上本実施例を説明してきたが、本発明は上述の実施例に限られるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲の設計変更等があっても、本発明に含まれる。

例えば、実施例では、車両のランキンサイクルシステムに本発明を適用したが、発電装置等、その他のランキンサイクルシステムにも適用することができる。

また、実施例では、トランスミッションオイルを用いたが、エンジンオイルを用いることができる。また、ラジエータの冷却水を用いるようにしてもよい。

実施例のランキンサイクルシステムを示すシステム概略図である。実施例のランキンサイクルシステムにおける排気熱回収器部分の詳細を示す斜視図である。実施例のランキンサイクルシステムにおける排気熱回収器部分を示す断面説明図である。実施例のランキンサイクルシステムにおける排気熱回収器部分の流路説明図である。実施例のランキンサイクルシステムにおける蓄熱タンクを示す断面図である。

符号の説明

２圧縮機
３蒸発器
４膨張器
５発電機
６バッテリ
７凝縮器
８排気熱回収器
９蓄熱タンク
９１ケーシング
９１ａ流入口
１０エンジン
１１エキゾーストマニホールド
１２排気管
１２ａ流入口
１２ｂ流出口
１２ｃ流路形成フィン
１３ａ触媒コンバータ
１３ｂ触媒コンバータ
１４リアマフラー
１５ラジエータ
１６トランスミッション
１６ａオイルポンプ
１７循環流路
１８バイパス流路
１９切換弁
２０切換弁制御手段
２１温度センサ
２２始動時制御手段
２３温度センサ

Claims

液媒体の圧力を上げる圧縮機と、圧力が上がった液冷媒に熱を加えて気体にする蒸発器と、熱が加えられた気体のエネルギーを運動エネルギーに変換する膨張器と、変換し終わった気体のエネルギーを液体に戻す凝縮器とを備えたランキンサイクルシステムにおいて、
排気ガスの熱エネルギーを液体の熱エネルギーに熱交換する排気熱回収器が備えられ、
前記蒸発器の熱源として前記排気熱回収器で回収された液体の熱エネルギーを用いるように構成されていることを特徴とするランキンサイクルシステム。
請求項１に記載のランキンサイクルシステムにおいて、前記排気熱回収器で液体の熱エネルギーに熱交換された液体を貯蔵して蓄熱する蓄熱タンクが備えられ、
該蓄熱タンク内に前記蒸発器が収容されていることを特徴とするランキンサイクルシステム。
請求項２に記載のランキンサイクルシステムにおいて、前記蓄熱タンクが真空断熱タンクであることを特徴とするランキンサイクルシステム。
請求項２または３に記載のランキンサイクルシステムにおいて、前記蓄熱タンクと前記排気熱回収器とが隣接配置されていることを特徴とするランキンサイクルシステム。
請求項１〜４のいずれか１項に記載のランキンサイクルシステムにおいて、前記液体が水であることを特徴とするランキンサイクルシステム。
請求項１〜４のいずれか１項に記載のランキンサイクルシステムにおいて、前記液体がオイルであることを特徴とするランキンサイクルシステム。
請求項１〜４のいずれか１項に記載のランキンサイクルシステムにおいて、前記液体が内燃機関の冷却水であり、前記排気熱回収器内を循環するように構成されていることを特徴とするランキンサイクルシステム。
請求項１〜４のいずれか１項に記載のランキンサイクルシステムにおいて、前記液体が内燃機関のミッションオイルであり、前記排気熱回収器内を循環するように構成されていることを特徴とするランキンサイクルシステム。
請求項１〜４のいずれか１項に記載のランキンサイクルシステムにおいて、前記液体が内燃機関のオイルであり、前記排気熱回収器内を循環するように構成されていることを特徴とするランキンサイクルシステム。
請求項７〜９のいずれか１項に記載のランキンサイクルシステムにおいて、前記排気熱回収器を迂回して前記液体を蓄熱タンクに導くバイパス流路と、該バイパス流路と前記排気熱回収器を通る流路のいずれかに前記液体の流路を切り換える切換弁と、該切換弁の切換を制御する切換弁制御手段と、が備えられ、
該切換弁制御手段は前記液体の温度が所定のしきい値未満であれば前記切換弁を前記バイパス流路側に切り換え、しきい値以上になると前記排気熱回収器側に切り換える制御が行われるように構成されていることを特徴とするランキンサイクルシステム。
請求項８〜１０のいずれか１項に記載のランキンサイクルシステムにおいて、前記蓄熱タンクに貯蔵された所定温度以上のオイルを内燃機関の始動時にトランスミッションまたは内燃機関に循環させるように制御する始動時制御手段が備えられていることを特徴とするランキンサイクルシステム。