JP2009097498A - 廃熱回収装置 - Google Patents

Abstract

【課題】廃熱を回収するために駆動される装置の消費エネルギー量を低減し、廃熱の回収効率を向上させた廃熱回収装置を提供することを課題とする。
【解決手段】廃熱回収装置１は、エンジン本体２から発生する廃熱によって冷媒が蒸発するウォータジャケット３と、このウォータジャケット３で蒸発して蒸気となった冷媒が凝縮する凝縮器５と、ウォータジャケット３と凝縮器５とを接続し、ウォータジャケット３で蒸発した蒸気が流通する経路６と、この経路６上に配置されるタービン９から蒸気を介して廃熱を回収する動力回収機７と、経路６内におけるタービン９の下流側の圧力をタービン９の上流側の圧力より低下させるバキュームポンプ１２と、を備えたことにより、少ないエネルギー消費量で動力回収機１２における廃熱回収を可能とし、廃熱の回収効率を向上することができる。
【選択図】図１

Description

本発明は、エンジンにおける廃熱を蒸気を介して回収する廃熱回収装置に関する。

従来、内燃機関（エンジン）の駆動に伴って発生する廃熱を、ランキンサイクルを利用して回収する廃熱回収装置が知られている。このような廃熱回収装置には、例えば、エンジンの水冷冷却系統を密閉構造とし、エンジンにおける廃熱によって蒸発した冷却水、すなわち蒸気によって膨張機（タービン）を駆動して、その蒸気の持つ熱エネルギーを電気エネルギー等に変換して回収するものがある。このような廃熱回収装置のタービン効率は、タービンの上流側の圧力と下流側の圧力とによって規定される圧力比が大きいほど向上する。

このような廃熱回収装置を改良したものが、例えば、特許文献１に開示されている。特許文献１に開示された廃熱回収装置は、タービンへ流入する蒸気の圧力を高めることにより、タービン効率を高めるものである。特許文献１の廃熱回収装置は、燃焼熱で加熱された冷却媒体の飽和蒸気を排気で加熱する過熱器と、この過熱器で加熱された冷却媒体の有する熱エネルギーを機械エネルギーに変換するタービンとを備え、さらに、過熱器に流入する飽和蒸気を加圧するポンプを設けている。すなわち、ポンプは、タービンの上流側に配置された過熱器の上流側に設けられ、タービンに流入する蒸気を加圧する。これにより、タービン仕事が大きくなり、ポンプの駆動損失を差し引いても、従来の廃熱回収装置より多くのエネルギーを回収することが可能となった。

特開２０００−７３７５３号公報

ところで、廃熱回収装置のタービンは、蒸気の経路内におけるタービンの上流側の圧力がタービンの下流側に対して所定以上の圧力を有していなければ、有効にエネルギーの回収を行うことができない。このため、エンジン内で蒸気が発生した直後のような蒸気の発生量が少ない場合、タービン下流側に対するタービン上流側の圧力比が低いため、タービンは有効なエネルギーを回収することができない。このような有効なエネルギーを回収する圧力比が得られない場合、例えば、特許文献１に開示された廃熱回収装置であれば、タービンの上流側の蒸気を加圧する措置をとることができる。これにより、タービンの上流側は、下流側に対して有効なエネルギーを回収できる圧力比を得ることができるため、廃熱回収装置は、蒸気発生直後においても有効なエネルギーを回収することができると考えられる。

しかしながら、このような廃熱回収装置において、タービンに流入する蒸気を加圧するポンプは、例えば、廃熱回収装置で回収したエネルギーや車両に搭載されたバッテリ等に蓄えられたエネルギーを用いて駆動される。すなわち、このような廃熱回収装置は、ポンプを駆動することによりエネルギーを消費するため、装置全体におけるエネルギーの回収効率を低減することが考えられる。

そこで、本発明は、廃熱を回収するために消費されるエネルギー量を低減し、廃熱の回収効率を向上させた廃熱回収装置を提供することを課題とする。

かかる課題を解決する本発明の廃熱回収装置は、エンジンの廃熱によって冷媒が蒸発する蒸発手段と、当該蒸発手段で発生した蒸気が凝縮する凝縮手段と、前記蒸発手段と前記凝縮手段とを接続し、前記蒸発手段で蒸発した蒸気が流通する経路と、当該経路上に配置され、蒸気を介して廃熱を回収する動力回収手段と、前記経路内における前記動力回収手段の下流側の圧力を前記動力回収手段の上流側の圧力より低下させる減圧手段と、を備えたことを特徴とする（請求項１）。このような構成とすることにより、廃熱回収装置は、少ないエネルギー消費量で動力回収機における廃熱回収を可能にするので、廃熱の回収効率を向上させることができる。

廃熱回収装置の動力回収機は、冷媒の有する熱エネルギーを機械エネルギーに変換する膨張機を備えている。この膨張機の一例がタービンである。膨張機の効率は、膨張機の下流側における蒸気の圧力に対して上流側における蒸気の圧力が大きいほど、膨張機の効率が向上する。すなわち、膨張機の上流側の圧力をＰＩＮ、膨張機の下流側の圧力をＰＯＵＴとすると、膨張機の効率ｅは、膨張機の下流側の圧力に対する上流側の圧力、すなわち、圧力比（ＰＩＮ／ＰＯＵＴ）が大きければ上昇し、小さければ低下する。本発明の廃熱回収装置は、膨張機の下流側の圧力ＰＯＵＴを低下させることにより、膨張機の圧力比（ＰＩＮ／ＰＯＵＴ）を上昇させることができる。これにより、膨張機の上流側の圧力ＰＩＮを上昇させるのと同様に、膨張機の効率ｅを上昇させることができる。式１は、膨張機の効率ｅを算出する式であるが、この式からも膨張機の効率ｅは、圧力比（ＰＩＮ／ＰＯＵＴ）が大きければ上昇し、小さければ低下することは明らかである。
（式１）

ところで、膨張機において同じ圧力比を得るのに、上流側を加圧するのに比べ、下流側を減圧するほうがエネルギー消費量を抑えることができる。例えば、ＰＩＮを二倍に加圧する場合とＰＯＵＴを半分に減圧する場合とでは、どちらも膨張機の圧力比（ＰＩＮ／ＰＯＵＴ）が二倍になるが、ＰＩＮを二倍に加圧するのに比べ、ＰＯＵＴを半分に減圧する方がエネルギーの消費量を抑えることができる。本発明の廃熱回収装置は、膨張機の下流側を減圧し、膨張機の下流側に対する上流側の圧力比（ＰＩＮ／ＰＯＵＴ）を上昇させることにより、廃熱回収装置におけるエネルギー消費量を減らし、廃熱の回収効率が向上する。

特に、このような廃熱回収装置の前記減圧手段は、前記経路内における前記動力回収手段の下流側を減圧するポンプとすることができる。（請求項２）。

また、このような廃熱回収装置のエンジン始動直後では、本発明の蒸発手段に相当するウォータジャケットにおいて蒸気が発生し始めても、蒸気の発生量が少ないため、膨張機の上流側の圧力は低い状態である。このため、膨張機は有効なエネルギーを回収できる圧力比を得ることが困難である。そこで、廃熱回収装置における前記減圧手段は、前記蒸発手段における冷媒の蒸発状況に応じて経路内における前記動力回収手段の下流側を減圧する構成とすることができる（請求項３）。このような構成とすることにより、膨張機の下流側の圧力を低下させて、膨張機において有効なエネルギーを回収できる圧力比を得ることができる。これにより、エンジン始動直後のような膨張機へ流入する蒸気量が少ない状態でも、有効にエネルギー回収をすることができる。このため、廃熱回収量を増加することができる。

また、このような廃熱回収装置における前記減圧手段は、前記凝縮手段における蒸気の凝縮状況に応じて経路内の減圧状態を調整する構成とすることができる（請求項４）。このような構成とすることにより、減圧手段において消費されるエネルギーを減少することができるので、廃熱の回収効率を向上することができる。廃熱回収装置において膨張機の下流側に配置されている凝縮手段によって蒸気が冷媒へ凝縮されると、蒸気が気相から液相へ変化する際に体積が減少することにより、経路内の圧力が低下する。これにより、減圧手段の仕事量を抑制するように調整することができ、減圧手段の作動に消費されるエネルギーを減少することができる。さらに、凝縮手段における冷媒の凝縮が促進されると、経路内の圧力がより低下する。このように凝縮手段によって蒸気が凝縮されると、減圧手段が作動していなくても膨張機の下流側の圧力が低下し、膨張機の上流側が下流側に対して有効なエネルギーを回収できる圧力比が得られる。このため、減圧手段を停止することができる。これにより、減圧手段の作動に消費されるエネルギーをさらに減少することができ、廃熱の回収効率が向上する。

このような廃熱回収装置は、前記経路内における前記動力回収手段の下流側の圧力を測定する圧力測定手段を備え、前記減圧手段は、前記圧力測定手段から取得される圧力情報に基づいて経路内の減圧状態を調整する構成とすることができる（請求項５）。このような構成とすることにより、圧力測定手段から取得される圧力情報に基づいて凝縮手段において凝縮が行われていることが判断できる。凝縮手段において凝縮が行われていれば、膨張機の下流側の圧力が低下する。これにより、減圧手段の仕事量を抑制するように調整することができ、減圧手段の作動に消費されるエネルギーを減少することができる。さらに、凝縮手段における冷媒の凝縮が促進されると、膨張機の上流側が下流側に対して有効なエネルギーを回収できる圧力比となり、減圧手段を停止することができる。これにより、減圧手段の作動に消費されるエネルギーを減少することとなり、廃熱の回収効率が向上する。

また、このような廃熱回収装置は、前記凝縮手段において凝縮された冷媒の温度を測定する温度測定手段を備え、前記減圧手段は、前記温度測定手段から取得される温度情報に基づいて経路内の減圧状態を調整する構成とすることができる。（請求項６）。冷媒の温度が低下することにより、凝縮器で蒸気が凝縮し始めたことが判断できる。凝縮器で蒸気が凝縮することにより、減圧手段による減圧状態を調整することができ、減圧手段の作動に消費されるエネルギーを減少することができる。これにより、廃熱の回収効率が向上する。

そして、このような廃熱回収装置における前記圧力調整手段は、前記経路内における前記動力回収手段の下流側の圧力を減圧する手段と、前記下流側を増圧する増圧手段を備えた構成とすることができる（請求項７）。このような構成とすることにより、膨張機の出力および凝縮器や冷媒を循環させる圧送ポンプの性能を損なうことなく高効率でそれらを作動させることができる。本発明のように膨張機の下流側に凝縮器を備えるシステムの場合、特に水などに代表される常温常圧で液体の冷媒において、膨張機出口の圧力を過剰に低下させると冷媒の密度が低下し、液体であった冷媒が蒸発して気体が発生する。そして液体と気体が混在することにより圧送ポンプでキャビテーションが発生し、圧送ポンプは冷媒を循環させることができなくなる。しかしながら膨張機の出力効率を増すためには膨張機出口圧力を下げ、ＰＩＮ／ＰＯＵＴを大きくする必要がある。そのため、ＰＯＵＴをキャビテーションが発生しない圧力まで低下させて保持するために、本発明は凝縮器で凝縮された冷媒を貯蔵するタンクと、タンク内の圧力を測定する圧力測定手段と、タンク内の冷媒温度を測定する温度測定手段とを備え、温度測定手段から取得される冷媒の飽和蒸気圧と、圧力測定手段から取得されるタンク内の圧力との差に基づいて、動力回収手段の下流側の圧力を調整することを特徴としている（請求項８）。例えば、減圧ポンプ部分に外気取込口を設け、減圧ポンプが、キャビテーションが発生するまで過剰にＰＯＵＴを低下させた場合には外気取込口を開くことで外気を流入させてＰＯＵＴを制御する。これにより膨張機出口圧力ＰＯＵＴをキャビテーションが発生せず、かつ膨張機出力効率の高い圧力に調整することができる。

本発明の廃熱回収装置は、膨張機の下流側を減圧して膨張機における有効なエネルギー回収を行うことができる圧力比とし、廃熱のエネルギーを回収するようにしたので、エネルギー消費量を減少することができ、廃熱の回収効率を向上させることができる。

以下、本発明を実施するための最良の形態を図面と共に詳細に説明する。

本発明の実施例１について図面を参照しつつ説明する。図１は本実施例の廃熱回収装置１を組み込んだエンジン１０の概略構成を示した説明図である。廃熱回収装置はランキンサイクルを形成している。エンジン１０は、エンジン本体２を備えている。エンジン本体２内部には、本発明の蒸発手段に相当するウォータジャケット３が形成されている。また、エンジン本体２には、エンジン本体２における燃焼によって発生する排気ガスを外部へ排出する排気管４が取り付けられている。

ウォータジャケット３内には、冷媒が流通し、この冷媒がエンジンの廃熱によって蒸発し、蒸気となる。このように冷媒が蒸発する際に、冷媒はエンジン本体２から熱を持ち去り、エンジン本体２を冷却する。

また、廃熱回収装置１は、ウォータジャケット３内で蒸発して蒸気となった冷媒が凝縮する凝縮器５を備えている。凝縮器５は、本発明の凝縮手段に相当する。さらに、廃熱回収装置１は、ウォータジャケット３と凝縮器５とを接続する経路６を備えている。この経路６内をウォータジャケット３において蒸発した冷媒、すなわち、蒸気が流通する。この経路６には、蒸気を介して廃熱を回収する動力回収機７が配置されている。この動力回収機７は本発明の動力回収手段に相当する。また、この動力回収機７の上流側に過熱器８が配置されている。なお、図１中では、蒸気が流通する経路６を点線で示している。

動力回収機７は、タービン９と発電機１１とを備えている。タービン９は経路６を通じて流入した蒸気によって駆動され、蒸気の熱エネルギーを機械エネルギーに変換する。タービン９の上流側と下流側との圧力比が所定値に達すると、有効にエネルギーの回収が行われる。タービン９と発電機１１とは共通の駆動軸７ａを備えており、タービン９が駆動されると、駆動軸７ａを通じて発電機１１へ機械エネルギー、すなわち、動力が伝達される。発電機１１は、駆動軸７ａから伝達される動力を電気エネルギーに変換し、回収する。

過熱器８は、排気管４と接触するように配置されており、排気管４を通じる排気ガスから、経路６を通じて導入される蒸気へ熱を伝達し、蒸気を過熱し、高温化する。

また、廃熱回収装置１は、バキュームポンプ１２と駆動装置２０とを備えている。バキュームポンプ１２は、経路６の動力回収機７と凝縮器５との間の分岐点６ａから分岐する分岐経路６ｂに接続されている。バキュームポンプ１２は、本発明の圧力調整手段、減圧手段に相当し、負圧を発生させて動力回収機７の下流側の経路６内の圧力を減圧する。駆動装置２０は、電力により、バキュームポンプ１２を駆動する。

図２は、バキュームポンプ１２の概略構成を示した説明図である。図２（ａ）は、バキュームポンプ１２の側面図であり、図２（ｂ）は図２（ａ）に示したＡ−Ａ線の断面図である。図２（ａ）に示すように、バキュームポンプ１２は、本体１２ａ、歯車１２ｂ、シャフト１２ｃを備えている。図２（ｂ）に示すように、バキュームポンプ１２の内部にはチャンバ１２ｄが形成されている。このチャンバ１２ｄ内を貫通して配置されるシャフト１２ｃは、本体１２ａの中心軸に対して、偏心して取り付けられている。また、シャフト１２ｃに組みつけられて回転するロータ１２ｅが備えられている。このロータ１２ｅには五枚のベーン１２ｆが放射状に移動可能に取り付けられている。また、チャンバ１２ｄには吸引口１２ｇと吐出口１２ｈが設けられている。

バキュームポンプ１２は、歯車１２ｂによって駆動装置２０から動力を得て、シャフト１２ｃを回転させる。すなわち、歯車１２ｂが回転すると、歯車１２ｂに一体に接続されたシャフト１２ｃが回転する。シャフト１２ｃは、図面中の矢示１２１で示す方向に回転する。シャフト１２ｃが回転すると、シャフト１２ｃに組みつけられたロータ１２ｅが回転する。ロータ１２ｅが回転するとベーン１２ｆは遠心力により外側、すなわち、本体１２ａの内壁へ接触するように押し出される。吸引口１２ｇから流入する蒸気は、ベーン１２ｆに添ってチャンバ１２ｄ内を矢示１２２で示す方向に移動し、圧縮されて吐出口１２ｈより吐出される。この場合、バキュームポンプへ吸引されて吐出口１２ｈより吐出される冷媒蒸気の圧力が、タービン上流側の圧力であるＰＩＮを超える場合は、吐出された冷媒蒸気を膨張機９の上流側の経路６に戻しても良い。これによって更にＰＩＮ／ＰＯＵＴを大きくとることができ、あわせて冷媒蒸気のランキンサイクル系外への漏洩を防ぐことができるため、冷媒消費量を抑えることができる。この場合、吐出口１２ｈ後に圧力センサを設け、吐出蒸気の圧力がＰＩＮを超える場合に冷媒蒸気を膨張機９上流の経路６に戻すように制御することが望ましい。

また、図１に示すように、分岐経路６ｂに気液分離器１３が配置されている。気液分離器１３は、バキュームポンプ１２が吸引する蒸気から経路内を流通する過程で凝縮され液相となった冷媒を分離する。分離された後の蒸気はバキュームポンプ１２へ吸引され、冷媒は後述するタンク１５へ戻される。

また、廃熱回収装置１は、凝縮器５からウォータジャケット３へ液化された冷媒が流通する冷媒経路１４を備えている。冷媒経路１４には、凝縮器５に近い側から順にタンク１５、ウォータポンプ１６が配置されている。タンク１５は、凝縮器５で凝縮した冷媒を貯留する。ウォータポンプ１６は、タンク１５内の冷媒をウォータジャケット３へ圧送する。なお、図１中では、液相の冷媒が流通する冷媒経路１４は実線で示されている。

このような廃熱回収装置１において、上述のウォータジャケット３、過熱器８、タービン９、凝縮器５、ウォータポンプ１６は、冷媒を作動流体として、蒸発した冷媒、すなわち、蒸気の熱エネルギーを機械エネルギーに変換するランキンサイクルシステムを構成している。

さらに、廃熱回収装置１は、経路６上のタービン９と分岐点６ａの間に経路６内のタービン９の下流側の圧力を測定する圧力センサ１７を備えている。この圧力センサ１７は本発明の圧力測定手段に相当する。また、廃熱回収装置１は、エンジン本体２の温度を測定する壁温センサ１８を備えている。廃熱回収装置１は、ＥＣＵ（Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃ Ｃｏｎｔｒｏｌ Ｕｎｉｔ）１９を備え、このＥＣＵ１９は、圧力センサ１７、壁温センサ１８、駆動装置２０のそれぞれと電気的に接続されている。ＥＣＵ１９は、圧力センサ１７から、経路６内のタービン９の下流側の圧力情報を取得し、壁温センサ１８から、エンジン本体３の温度情報を取得する。ＥＣＵ１９は、これらの情報に基づいて、バキュームポンプ１２の作動を決定し、駆動装置２０へ制御信号を発信する。

次に、ＥＣＵ１９の制御の流れに沿って、廃熱回収装置１の動作を説明する。図３は、ＥＣＵ１９が行う制御フローを示している。ＥＣＵ１９の制御は、イグニションスイッチがＯＮにされると開始される。まず、ＥＣＵ１９は、ステップＳ１で、エンジン１０が始動しているかどうかを判断する。ステップＳ１の判断結果がＹＥＳである場合、すなわち、エンジン１０が始動している場合は、次にステップＳ２へ進む。

ＥＣＵ１９は、ステップＳ２でエンジン本体２の壁温Ｔｅが冷媒蒸発温度Ｔｖ以上となっているか否かを判断する。壁温Ｔｅは、壁温センサ１８により測定された温度情報としてＥＣＵ１９に取得される。冷媒蒸発温度Ｔｖは、ウォータジャケット３内で冷媒が蒸発する温度であり、冷媒の種類及びウォータジャケット３内の圧力によって決定されるものである。ＥＣＵ１９は、取得した壁温Ｔｅの温度情報と、設定されている冷媒蒸発温度Ｔｖとを比較する。

エンジン１０の始動直後は、エンジン本体２の温度が低く、壁温Ｔｅは冷媒蒸発温度Ｔｖよりも低い状態となっていることがある。壁温Ｔｅが冷媒蒸発温度Ｔｖよりも低いと、ウォータジャケット３内の冷媒も冷媒蒸発温度Ｔｖよりも低いと考えられる。このような状態では、熱エネルギーを媒介する蒸気が発生していないため、廃熱のエネルギーを回収できない。このように壁温Ｔｅが冷媒蒸発温度Ｔｖに達していない場合、すなわち、ステップＳ２でＮＯと判断する場合では、ＥＣＵ１９は、再びステップＳ２の処理を行う。

エンジン１０の始動からしばらく経過すると、エンジン本体２は暖機が進行し、エンジン本体２の壁温が上昇する。このように壁温を上昇させる熱は、ウォータジャケット３内の冷媒へ伝達され、冷媒の温度を上昇させる。壁温センサ１８から取得される壁温Ｔｅが、冷媒蒸発温度Ｔｖに達すると、冷媒の温度も冷媒蒸発温度Ｔｖに達し、冷媒が蒸発して蒸気となる。このように蒸発した冷媒、すなわち蒸気は、経路６を通じて、過熱器８へ導入される。過熱器８へ導入された蒸気は、排気管４を通過する排気ガスの廃熱によって過熱され、高温化される。このように、高温化された蒸気は、タービン９へ向かって流入する。このようにウォータジャケット３内における蒸気がタービン９へ流入し、タービン９において熱エネルギーを回収することができるようになる。ここで、ＥＣＵ１９は、壁温センサ１８から取得される壁温Ｔｅが冷媒蒸発温度Ｔｖ以上となっていると判断する場合、すなわち、ステップＳ２でＹＥＳと判断すると、次にステップＳ３へ進む。

ＥＣＵ１９は、ステップＳ３で駆動装置２０へ制御信号を送り、バキュームポンプ１２を作動させる。

ところで、ウォータジャケット３内で冷媒が蒸発し始めた直後は、タービン９の上流側は、タービン９の下流側に対して、有効にエネルギーの回収ができる圧力比に達していない。このため、有効にエネルギーが回収されない。このような状態において、バキュームポンプ１２が作動すると、経路６内のタービン９の下流側の圧力が減圧される。これにより、タービン９の上流側が下流側に対して有効にエネルギーを回収できる圧力比に到達する。このようにして、動力回収機７において蒸気の持つ熱エネルギーから有効にエネルギーを回収することができるようになる。このように、廃熱回収装置１は、バキュームポンプ１２がタービン９の下流側を減圧することにより、バキュームポンプ１２を用いない場合に有効にエネルギーの回収ができなかった蒸気から、有効にエネルギーの回収をすることができる。

ＥＣＵ１９は、ステップＳ３の処理を終えると、次にステップＳ４ヘ進む。ＥＣＵ１９は、ステップＳ４で経路６内のタービン９の下流側の圧力Ｐｔが設定値Ｐ０以下に達したか否かを判断する。凝縮器５で蒸気が液相の冷媒へ凝縮すると、気相から液相への状態変化に伴い、冷媒の体積が減少するので、系内の圧力も低下する。すなわち、凝縮器５で蒸気が凝縮すると、経路６内のタービン９の下流側の圧力が低下する。

このような凝縮器５における蒸気の凝縮が促進されると、タービン９の下流側の圧力がさらに低下するので、バキュームポンプ１２を停止しても、タービン９の上流側が下流側に対して有効なエネルギーを回収するための圧力比を維持することができる。設定値Ｐ０は、バキュームポンプ１２を停止した場合でも、タービン９の下流側の圧力が、タービン９において有効なエネルギーを回収できる圧力比を維持できると想定され、決定された圧力値である。ＥＣＵ１９は、圧力センサ１７から得たタービン９の下流側の圧力Ｐｔと、このように決定された設定値Ｐ０を比較する。

ＥＣＵ１９が、ステップＳ４でＹＥＳと判断する場合、すなわち、経路６内の動力回収機７の下流の圧力Ｐｔが設定値Ｐ０以下に達していると判断する場合、次にステップＳ５へ進む。

ＥＣＵ１９は、ステップＳ５で、バキュームポンプ１２を停止する。凝縮器５で蒸気の凝縮が促進されていると、タービン９の下流側はバキュームポンプ１２により減圧せずに、タービン９の上流側と比較して圧力が低下する。このような圧力の低下により、タービン９の下流側に対する上流側の圧力比は、動力回収機７において有効なエネルギーを回収することができる値となる。これにより、バキュームポンプ１２を作動せずに、動力回収機７において有効なエネルギーを回収することができる。このように、バキュームポンプ１２を停止することにより、バキュームポンプ１２の作動に消費するエネルギーを減少することができる。これにより、廃熱回収装置１におけるエネルギーの消費量を減少させるので、廃熱の回収効率を向上することができる。ＥＣＵ１９は、ステップＳ５の処理を終えると、制御の処理を終了する。

ところで、ＥＣＵ１９がステップＳ１でＮＯと判断する場合、すなわち、エンジン１０が始動していない場合は、再度、ステップＳ１の処理を行う。また、ＥＣＵ１９がステップＳ４でＮＯと判断する場合、すなわち、経路６内における動力回収機７の下流の圧力Ｐｔが設定値Ｐ０以下となっていないと判断する場合は、再度、ステップＳ４の処理を行う。ＥＣＵ１９がステップＳ４でＮＯと判断する場合では、バキュームポンプ１２を停止してしまうと、タービン９の上流側と下流側との間に有効にエネルギーの回収が行えなくなるため、続けてバキュームポンプ１２による経路６におけるタービン９の下流側の減圧を継続する。

以上のように、廃熱回収装置１は、タービン９の下流側を減圧して、タービン９の上流側と下流側との間に有効なエネルギー回収を可能とする圧力比を生み出す。このようにタービン９の下流側を減圧する方法は、同じ圧力比を得るために、タービン９の上流側を加圧するよりも、エネルギー消費量を抑制することができる。すなわち、タービン９の下流側を減圧する本実施例の廃熱回収装置１は、エネルギー消費量が少なく、廃熱の回収効率を向上できる。

次に、本発明の実施例２について説明する。図４は実施例の廃熱回収装置２１を組み込んだエンジン１０の概略構成を示した説明図である。本実施例の廃熱回収装置２１は、実施例１の廃熱回収装置１とほぼ同様の構成をしている。本実施例の廃熱回収装置２１は、廃熱回収装置１が経路６上に備えていた圧力センサ１７に代えて、冷媒経路１４の凝縮器５とタンク１５との間に温度センサ２２を備えている点で廃熱回収装置１と相違している。この温度センサ２２は本発明の温度測定手段に相当する。なお、その他の構成は実施例１と同一であるため、実施例１と同一の構成要素については、図面中、同一の参照番号を付し、その詳細な説明は省略する。

実施例１の廃熱回収装置１は、圧力センサ１７から取得される圧力情報に基づいてバキュームポンプ１２の減圧状態を調整したのに対して、本実施例の廃熱回収装置２１は、温度センサ２２から取得される温度情報に基づいてバキュームポンプ１２の作動を決定する。また、このような温度情報に基づく判断は、ＥＣＵ１９により行われる。

凝縮器５で蒸気が凝縮すると、凝縮器５内の冷媒がタンク１５へ向けて流れ始める。これにより、冷媒経路１４の凝縮器５とタンク１５との間は凝縮器５で冷却された冷媒が通過して温度が低下する。このときの冷媒の温度がθ℃であるとする。ＥＣＵ１９は、温度センサ２２から取得される冷媒の温度情報がθ℃である場合、凝縮器５において蒸気の凝縮が開始されたと判断する。さらに、凝縮器５における蒸気の凝縮が促進されると、タービン９の上流側と下流側との間に有効なエネルギーの回収を可能とする圧力比が得られる。ＥＣＵ１９は、凝縮器５における蒸気の凝縮を判断すると、バキュームポンプ１２を停止させるように駆動装置２０へ制御信号を送る。このように、廃熱回収装置２１は、バキュームポンプ１２の作動に消費されるエネルギーを減少させるので、廃熱の回収効率を向上させる。

更に、本発明の実施例３について説明する。図５は実施例の廃熱回収装置２３を組み込んだエンジン１０の概略構成を示した説明図である。本実施例の廃熱回収装置２３は、実施例１の廃熱回収装置１とほぼ同様の構成となっているが、以下の相違点を有する。本実施例の廃熱回収装置２３は、廃熱回収装置１が備えていた経路６ａから分岐した分岐経路６ｂ、バキュームポンプ１２、圧力センサ１７を冷媒のタンク１５に備えており、更に分岐経路６ｂに三方弁２４を備え、その三方弁２４の先にバキュームポンプ１２と外気取込口２５を備える点で廃熱回収装置１と相違している。この外気取込口２５は本発明の圧力調整手段、増圧手段を構成する。また、温度センサ２２を冷媒のタンク１５に備えている。なお、その他の構成は実施例１と同一であるため、実施例１と同一の構成要素については、図面中、同一の参照番号を付し、その詳細な説明は省略する。

実施例１の廃熱回収装置１は、膨張機９と凝縮器５の間に備えられた分岐経路６ｂの先のバキュームポンプ１２によりＰＯＵＴを減圧することで有効なエネルギー回収を可能とする圧力差を生み出し、かつ分岐経路６ｂ上に備えられた気液分離器１３にて経路内の流通時に液化した冷媒を分離しタンク１５へ戻している。これに対して、本実施例の廃熱回収装置２３は、冷媒をキャッチするタンク１５上から分岐した分岐経路６ｂ、三方弁２４、バキュームポンプ１２および外気取込口２５を備えており、タンク１５内部を減圧することでＰＩＮ／ＰＯＵＴを大きくする。更に、外気取込口２５が開き外気を取り込むことで、タンク１５内部が過剰に減圧されて膨張機、凝縮器および圧送ポンプの性能が低下することを抑制する。また、このような判断はタンク１５に設置した圧力センサ１７および温度センサ２２の情報を得たＥＣＵ１９により行われる。本実施例のように凝縮器後の冷媒タンクにて減圧を行う場合、凝縮器５で凝縮された冷媒はタンク１５に蓄積されバキュームポンプ１２へは到達しないため、分岐経路６ｂ上に気液分離器を設けなくてもよい。

バキュームポンプ１２にてタンク１５内部を減圧すると、タービン９の上流側と下流側との間に有効なエネルギーの回収を可能とする圧力比が得られる。しかし経路内が過剰に減圧されると、冷媒の密度が低下し液体であった冷媒が蒸発して気体が発生する。そして液体と気体が混在することにより圧送ポンプでキャビテーションが発生し、圧送ポンプは冷媒を循環させることができなくなる（図６）。ここで、タンク１５内の圧力をＰ、タンク１５内の冷媒温度をＴ、キャビテーション発生圧力をＰｘ、圧送ポンプ１６の作動圧力上限をＰｙとし、ＥＣＵ１９の制御の流れに沿って廃熱回収装置２３の動作を説明する。図７は、ＥＣＵ１９が行う制御フローの一例を示している。なお、廃熱回収装置２３のＥＣＵ１９は実施例１の廃熱回収装置１のステップＳ１からステップＳ５の制御を行いつつ、ステップＳ３とステップＳ４の間に以下のステップＳ６からステップＳ１０までの制御を行う。よってステップＳ１からステップＳ５までの制御は実施例１の廃熱回収装置１と同一であるため、その詳細な説明は省略する。ステップＳ３の後に、つづいてＥＣＵ１９はステップＳ６に進み、任意時間Ｓ秒が経過したか否かを判断する。ステップＳ６の判断がＹＥＳである場合、次にステップＳ７に進む。

ＥＣＵ１９は、ステップＳ７で温度センサ２２から取得される冷媒温度Ｔを検知し、この冷媒温度Ｔにおけるキャビテーション発生圧力Ｐｘを算出する。更にＥＣＵ１９は圧力センサ１７から取得されるタンク１５内部の圧力情報Ｐを検知し、この圧力Ｐが、キャビテーション発生圧力Ｐｘと圧送ポンプ作動圧力上限のＰｙとの間にあるか否か、すなわちＰｘ≦Ｐ≦Ｐｙが成立するか否かを判断する。その結果Ｐｘ≦Ｐ≦Ｐｙが成立する場合、すなわちステップＳ７でＹＥＳと判断する場合、ＥＣＵ１９はステップＳ４に進む。ステップＳ４でＹＥＳと判断する場合、すなわち経路６内の動力回収機７の下流の圧力Ｐｔが設定値Ｐ０以下に達していると判断する場合には、ＥＣＵ１９は次のステップＳ５へ進むが、ステップＳ４でＮＯと判断する場合、ＥＣＵ１９は再びステップＳ６の処理を行う。

Ｐｘ≦Ｐ≦Ｐｙが成立しない場合、すなわちステップＳ７でＮＯと判断する場合では、ＥＣＵ１９は次のステップＳ８へ進む。

ＥＣＵ１９は、ステップＳ８にてＰとＰｘとの大小を比較する。ＰがＰｘより大きい場合、すなわちステップＳ８がＮＯの場合、ＥＣＵ１９は経路内においてキャビテーションが発生すると判断し、ステップＳ９へと進む。ＥＣＵ１９はステップＳ９にて三方弁２４の先の外気取込口２５を開くよう信号を送り、外気を取り込んでタンク１５内の圧力を上昇させる。外気取込口２５を開いた後に、ＥＣＵ１９は再びステップＳ８の処理を行う。

ＰがＰｘ未満である場合、すなわちステップＳ８がＹＥＳの場合、ＥＣＵ１９は動力回収機７の下流の圧力が高いと判断し、ステップＳ１０へと進む。ＥＣＵ１９はステップＳ１０にて三方弁２４の先の外気取込口２５を閉めるよう信号を送り、タンク１５内を減圧して動力回収機７の下流の圧力を下げる。外気取込口２５を閉めた後に、ＥＣＵ１９は再びステップＳ７の処理を行う。

このように、廃熱回収装置２３は、膨張機出口圧力ＰＯＵＴをキャビテーションが発生せず、かつ膨張機出力効率の高い圧力に調整することができる。更に、冷媒蒸気は凝縮器５で液化されるため、凝縮器５の下流にあるバキュームポンプ１２へは蒸気が到達せず、冷媒蒸気がランキンサイクル系外へ漏洩することがないため冷媒消費量を抑えることができる。

図８は実施例１から３における膨張機上流と下流の圧力比ＰＩＮ／ＰＯＵＴを示した説明図である。下流側を減圧しないランキンサイクルにおけるＰＩＮ／ＰＯＵＴと比較して、膨張機下流を減圧した本発明はより大きなＰＩＮ／ＰＯＵＴを示す。このように膨張機下流を減圧することで、膨張機上流と下流との間に大きな圧力比が生じ、膨張機出力の効率を向上させることができる。

上記実施例は本発明を実施するための例にすぎず、本発明はこれらに限定されるものではなく、これらの実施例を種々変形することは本発明の範囲内であり、さらに本発明の範囲内において、他の様々な実施例が可能であることは上記記載から自明である。

例えば、本発明の廃熱回収装置は、タービンの上流側及び下流側の圧力を測定し、タービンの上流側の圧力情報と下流側の圧力情報とに基づいて、タービンにおいて有効にエネルギーの回収ができるかどうかを判断することができる。この判断結果に基づいて、バキュームポンプの運転状態を制御することができ、バキュームポンプの運転に利用されるエネルギーの消費量を減少することができる。

実施例１の廃熱回収装置を組み込んだエンジンの概略構成を示した説明図である。 バキュームポンプの概略構成を示した説明図であって、（ａ）は、バキュームポンプの側面図であり、（ｂ）は（ａ）に示したＡ−Ａ線の断面図である。 ＥＣＵが行う制御の一例を示すフロー図である。 実施例２の廃熱回収装置を組み込んだエンジンの概略構成を示した説明図である。 実施例３の廃熱回収装置を組み込んだエンジンの概略構成を示した説明図である。 冷媒の飽和蒸気圧曲線を示した説明図である。 ＥＣＵが行う制御の一例を示すフロー図である。 同一膨張機においての水蒸気流量に対する膨張機入口−出口圧力比を示した説明図である。

符号の説明

１、２１ 廃熱回収装置
３ ウォータジャケット
５ 凝縮器
６ 経路
７ 動力回収機
８ 過熱器
９ タービン
１０ エンジン
１２ バキュームポンプ
１４ 冷媒経路
１７ 圧力センサ
１８ 壁温センサ
１９ ＥＣＵ
２２ 温度センサ

Claims (8)

1. エンジンの廃熱によって冷媒が蒸発する蒸発手段と、
   当該蒸発手段で発生した蒸気が凝縮する凝縮手段と、
   前記蒸発手段と前記凝縮手段とを接続し、前記蒸発手段で蒸発した蒸気が流通する経路と、
   当該経路上に配置され、蒸気を介して廃熱を回収する動力回収手段と、
   前記経路内における前記動力回収手段の下流側の圧力を調整する圧力調整手段と、
   を備えたことを特徴とする廃熱回収装置。
2. 請求項１記載の廃熱回収装置において、
   前記圧力調整手段は、前記経路内における前記動力回収手段の下流側を減圧するポンプであることを特徴とする廃熱回収装置。
3. 請求項１記載の廃熱回収装置において、
   前記圧力調整手段は、前記蒸発手段における冷媒の蒸発状況に応じて経路内における前記動力回収手段の下流側の減圧状態を調整することを特徴とした廃熱回収装置。
4. 請求項１記載の廃熱回収装置において、
   前記圧力調整手段は、前記凝縮手段における蒸気の凝縮状況に応じて経路内の減圧状態を調整することを特徴とした廃熱回収装置。
5. 請求項１記載の廃熱回収装置において、
   前記経路内における前記動力回収手段の下流側の圧力を測定する圧力測定手段を備え、
   前記圧力調整手段は、前記圧力測定手段から取得される圧力情報に基づいて経路内の減圧状態を調整することを特徴とした廃熱回収装置。
6. 請求項１記載の廃熱回収装置において、
   前記凝縮手段において凝縮された冷媒の温度を測定する温度測定手段を備え、
   前記圧力調整手段は、前記温度測定手段から取得される温度情報に基づいて経路内の減圧状態を調整することを特徴とした廃熱回収装置。
7. 請求項１記載の廃熱回収装置において、
   前記圧力調整手段は、前記経路内における前記動力回収手段の下流側の圧力を減圧する手段と、前記下流側を増圧する増圧手段を備えたことを特徴とした廃熱回収装置。
8. 請求項１記載の廃熱回収装置において、
   前記凝縮手段にて凝縮された冷媒を貯蔵するタンクと、
   前記タンク内の圧力を測定する圧力測定手段と、
   前記タンク内の冷媒温度を測定する温度測定手段とを備え、
   前記圧力調整手段は、前記温度測定手段から取得される冷媒の飽和蒸気圧と、前記圧力測定手段から取得されるタンク内の圧力とに基づいて、前記動力回収手段の下流側の圧力を調整することを特徴とした廃熱回収装置。

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