JP2011196229A - 廃熱回生システム - Google Patents

Abstract

【課題】ランキンサイクルを利用した廃熱回生システムにおいて、ポンプの回転数が膨張機の回転数に連動する構成でも、回収できる機械的エネルギーを高く保つと共に構成が簡素な廃熱回生システムを提供する。
【解決手段】廃熱回生システム１００は、作動流体を圧送するポンプ１１１と、作動流体をエンジン１４０の廃熱によって加熱する冷却水ボイラ１１２及び排気ガスボイラ１１３と、作動流体を膨張させて機械的エネルギーを回収する膨張機１１４と、作動流体を凝縮させるコンデンサ１１５とを備え、ポンプ１１１の回転数は膨張機１１４の回転数に連動する。ポンプ１１１の下流側かつ冷却水ボイラ１１２の上流側には、ポンプ１１１から吐出された作動流体の圧力を減圧して所定圧力Ｐｔ以下に保つ減圧弁１１８が設けられている。
【選択図】図１

Description

この発明は、廃熱回生システムに係り、特にランキンサイクルを利用した廃熱回生システムに関する。

エンジンの廃熱から機械的エネルギー（動力）を回収するランキンサイクルを利用した廃熱回生システムが開発されている。一般的なランキンサイクルは、作動流体を圧送するポンプと、作動流体をエンジンの廃熱によって加熱する熱交換器と、加熱されて気化した作動流体を膨張させて機械的エネルギーを回収する膨張機と、膨張後の作動流体を凝縮させるコンデンサとから構成され、これらが順次環状に接続されて閉回路を形成している。
また、特許文献１には、ポンプと膨張機とを同一の駆動軸で接続し、ランキンサイクルの運転中に膨張機で発生する機械的エネルギーによってポンプを駆動する構成が記載されている。

一般に、ランキンサイクルにおける作動流体の熱力学的状態変化は、図５のモリエル線図においてａ→ｂ→ｃ→ｄ→ａで示されるような軌跡を描く。すなわち、状態ａにある作動流体は、ポンプによって圧送されて状態ｂに変化した後、熱交換器で加熱されて状態ｃに変化する。続いて、膨張機で膨張して状態ｄに変化し、この際に状態ｃと状態ｄとのエンタルピー差が機械的エネルギーとして回収される。その後、コンデンサによって凝縮されて状態ａに戻る。

ところで、ランキンサイクルを利用した廃熱回生システムを車両用エンジンに適用する場合には、ランキンサイクルの低圧側（膨張機の下流側からポンプの上流側）の圧力は車両の外気温に依存して変動するため、これを制御することはできない。そのような場合において、ランキンサイクルの高圧側（ポンプの下流側から膨張機の上流側）の圧力が上昇すると、作動流体の状態変化は図５においてａ→ｂ'→ｃ'→ｄ'→ａで示されるような軌跡を描く。このような状態変化において、作動流体を車両用エンジンの冷却水（通常８０℃から１１０℃程度）と熱交換させて加熱する熱交換器を用いる場合には、状態ｂ'の圧力が高すぎるために、作動流体は熱交換器で加熱されて状態ｂから状態ｃに変化する過程で気化しづらくなる。そのため、エンジンの冷却水から十分に熱を受け取ることができず、回収できる機械的エネルギーが低下する。一方、ランキンサイクルの高圧側の圧力が下降すると、作動流体の状態変化はａ→ｂ"→ｃ"→ｄ"→ａで示されるような軌跡を描く。このような状態変化では、作動流体が膨張機で膨張する際のエンタルピー差（状態ｃ"と状態ｄ"とのエンタルピー差）を十分に確保することができず、回収できる機械的エネルギーが低下する。すなわち、ランキンサイクルを利用して車両用エンジンの廃熱から回収する機械的エネルギーを高く保つためには、ランキンサイクルの高圧側の圧力を適切に保ち、作動流体の状態変化がａ→ｂ→ｃ→ｄ→ａで示されるような理想的な軌跡を描くように調整する必要がある。

特開２００８−１５７１５２号公報

しかしながら、ランキンサイクルの高圧側の圧力は、ポンプの吐出量と膨張機の吸入量とによって決まり、ポンプの吐出量及び膨張機の吸入量は、それぞれの駆動軸の回転数に依存する。特許文献１のようにポンプと膨張機とが同一の駆動軸を共有する構成では、ポンプの回転数が膨張機の回転数に連動するために、ランキンサイクルの高圧側の圧力が変動してしまい、回収できる機械的エネルギーを高く保つことができない。

特許文献１には、ランキンサイクルの高圧側の圧力が所定圧力を超えたときにポンプの上流側と下流側とを連通させるバイパス流路を設けることにより、高圧側の圧力を一定に保つ技術が記載されているが、バイパス流路を設けると廃熱回生システムの構成が複雑化してしまう。

この発明はこのような問題を解決するためになされたものであり、ランキンサイクルを利用した廃熱回生システムにおいて、ポンプの回転数が膨張機の回転数に連動する構成でも、回収できる機械的エネルギーを高く保つと共に構成が簡素な廃熱回生システムを提供することを目的とする。

上記の課題を解決するために、この発明に係る廃熱回生システムは、回路内の作動流体をポンプによって圧送し、圧送された作動流体を熱交換器によってエンジンの廃熱で加熱し、加熱された作動流体を膨張機で膨張させて機械的エネルギーを回収し、膨張後の作動流体をコンデンサによって凝縮させると共に、ポンプの回転数が膨張機の回転数に連動するランキンサイクルを有する廃熱回生システムにおいて、ポンプの下流側かつ熱交換器の上流側には、ポンプから吐出された作動流体の圧力を減圧して所定圧力以下に保つ減圧弁が設けられる。
これにより、ポンプの回転数が膨張機の回転数に連動する構成でも、回収できる機械的エネルギーを高く保つことができる。また、バイパス流路を設ける必要はなく、従来のランキ-ンサイクルに減圧弁を設けるだけの簡素な構成とすることができる。

この発明に係る廃熱回生システムによれば、ポンプの回転数が膨張機の回転数に連動する構成でも、回収できる機械的エネルギーを高く保つと共に構成が簡素になる。

この発明の実施の形態に係る廃熱回生システムの構成を示す図である。 この発明の実施の形態に係る廃熱回生システムにおける減圧弁の開度−前後差圧の関係を示す図である。 この発明の実施の形態に係る廃熱回生システムにおける減圧弁の入口圧力−出口圧力の関係を示す図である。 この発明の実施の形態に係る廃熱回生システムにおける作動流体の熱力学的状態変化を示すモリエル線図である。 従来技術に係る廃熱回生システムにおける作動流体の熱力学的状態変化を示すモリエル線図である。

以下、この発明の実施の形態について添付図面に基づいて説明する。
実施の形態．
この発明の実施の形態に係る廃熱回生システム１００の構成を図１に示す。
廃熱回生システム１００のランキンサイクル１１０は、ポンプ１１１と、冷却水ボイラ１１２と、排気ガスボイラ１１３と、膨張機１１４と、コンデンサ１１５とから構成され、これらが順次環状に接続されて閉回路を形成している。
ポンプ１１１は作動流体を圧送する。冷却水ボイラ１１２は第１の熱交換器であり、作動流体をエンジン１４０の冷却水と熱交換させて加熱する。排気ガスボイラ１１３は第２の熱交換器であり、作動流体をエンジン１４０から排出される排気ガスと熱交換させて加熱する。膨張機１１４は、冷却水ボイラ１１２及び排気ガスボイラ１１３において加熱されて気化した作動流体を膨張させて機械的エネルギー（動力）を発生させる。コンデンサ１１５は膨張後の作動流体を凝縮させる。

ポンプ１１１と膨張機１１４とは同一の駆動軸１１６を共有しており、ポンプ１１１の回転数は膨張機１１４の回転数に連動して同一の回転数になる。また、駆動軸１１６の途中にはモータジェネレータ１１７が接続されている。
モータジェネレータ１１７は、ランキンサイクル１１０の運転開始時において、ポンプ１１１及び膨張機１１４を駆動する駆動源として機能する。また、ランキンサイクル１１０の運転中において、膨張機１１４で発生する機械的エネルギーによって駆動軸１１６が駆動されるようになると、モータジェネレータ１１７及びポンプ１１１は、膨張機１１４で発生する機械的エネルギーによって駆動される。

ポンプ１１１の下流側かつ冷却水ボイラ１１２の上流側には、ポンプ１１１から吐出された作動流体の圧力を減圧して所定圧力Ｐｔ以下に保つ減圧弁１１８が設けられている。所定圧力Ｐｔは、ランキンサイクル１１０の高圧側圧力の最大許容値として設定されており、駆動軸１１６の回転数が変化してもポンプ１１１の吐出量と膨張機１１４の吸入量とのバランスを確保可能とする。すなわち、駆動軸１１６の回転数の増加に伴って増加する高圧側圧力を制限することで、ポンプ１１１の吐出量の増加を制限する。減圧弁１１８は可変絞り構造を有するものであり、図２に示すように、絞りなしの全開状態では、その前後差圧ΔＰは零であり、開度Ａが減少して絞られていくと、その前後差圧ΔＰが増加する。そして、図３に示すように、減圧弁１１８の入口圧力Ｐinが所定圧力Ｐｔ未満の場合には、出口圧力Ｐoutは入口圧力Ｐinと同一になり、入口圧力Ｐinが所定圧力Ｐｔ以上の場合には、出口圧力Ｐoutは所定圧力Ｐｔになる。

次に、この実施の形態に係る廃熱回生システム１００の動作について説明する。

ランキンサイクル１１０の運転開始時には、図示しないバッテリからモータジェネレータ１１７に電力が供給され、モータジェネレータ１１７が駆動軸１１６を駆動することによって、ポンプ１１１及び膨張機１１４が駆動される。

ポンプ１１１によって圧送された作動流体は、冷却水ボイラ１１２及び排気ガスボイラ１１３を流通する過程において、エンジン１４０の冷却水及びエンジン１４０から排出される排気ガスから熱を吸収して高温のガスとなり、膨張機１１４において膨張する過程で機械的エネルギーを発生させ、コンデンサ１１５によって凝縮される過程で熱を放出し、再びポンプ１１１によって圧送される。また、膨張機１１４で作動流体が膨張する際に発生する機械的エネルギーによって駆動軸１１６が駆動されるようになると、モータジェネレータ１１７及びポンプ１１１は、膨張機１１４で発生する機械的エネルギーによって駆動される。

このとき、駆動軸１１６の回転数の増加に伴ってポンプ１１１の吐出圧力が所定圧力Ｐｔを超えると、減圧弁１１８は、ポンプ１１１から吐出された作動流体の昇圧を制限（圧力を減圧）して所定圧力Ｐｔに保つ働きをする。その結果、ランキンサイクル１１０の上流側（正確には、減圧弁１１８の下流側から膨張機１１４の上流側）の作動流体の圧力は、駆動軸１１６の回転数に依存せずに常に所定圧力Ｐｔ以下に保たれる。

この際の作動流体の熱力学的状態変化は、図４のモリエル線図においてＡ→Ｂ→Ｂ'→Ｃ→Ｄ→Ａで示されるような軌跡を描く。すなわち、状態Ａにある作動流体は、ポンプ１１１によって圧送されて状態Ｂに変化した後、減圧弁１１８で減圧されて圧力Ｐｔである状態Ｂ'に変化し、冷却水ボイラ１１２及び排気ガスボイラ１１３を流通する過程で熱を吸収して状態Ｃに変化する。続いて、膨張機１１４で膨張する過程で状態Ｄに変化し、この際に状態Ｃと状態Ｄとのエンタルピー差が機械的エネルギーとして回収される。その後、コンデンサ１１５によって凝縮されて状態Ａに戻る。

以上説明したように、この実施の形態に係る廃熱回生システム１００では、ポンプ１１１の下流側かつ冷却水ボイラ１１２の上流側には、ポンプ１１１から吐出された作動流体の圧力を減圧して所定圧力Ｐｔ以下に保つ減圧弁１１８が設けられている。これにより、ランキンサイクル１１０の高圧側の圧力は、駆動軸１１６の回転数に依存せずに常に所定圧力Ｐｔ以下に保たれるため、回収できる機械的エネルギーを高く保つことができる。
また、特許文献１の廃熱回生システムでは、ポンプの上流側と下流側とを連通させるバイパス流路を設ける必要があり、構成が複雑化すると共に、バイパス流路を配置するスペースのためにレイアウト上も不利になってしまう。これに対して、この発明の廃熱回生システムでは、従来のランキンサイクルにおけるポンプ１１１の下流側と冷却水ボイラ１１２の上流側との間（具体的な例としては、ポンプ１１１の吐出口、或いは、ポンプ１１１と冷却水ボイラ１１２とを繋ぐ配管の途中等）に減圧弁１１８を設けるだけであり、構成が簡素になると共にレイアウト上も有利になる。

尚、実施の形態では、ポンプ１１１と膨張機１１４とが同一の駆動軸１１６を共有し、ポンプ１１１の回転数と膨張機１１４の回転数とが同一になる構造であったが、ポンプと膨張機とが同一の駆動軸を共有していない場合や、ポンプと膨張機とが減速機を介して接続されている場合等でも、ポンプの回転数が膨張機の回転数に連動する、すなわちポンプの回転数が膨張機の回転数の影響を受ける構造であれば、この発明を適用することによって有利な効果を得ることができる。

１００ 廃熱回生システム、１１０ ランキンサイクル、１１１ ポンプ、１１２ 冷却水ボイラ（熱交換器）、１１３ 排気ガスボイラ（熱交換器）、１１４ 膨張機、１１５ コンデンサ、１１６ 駆動軸、１１８ 減圧弁、１４０ エンジン、Ｐｔ 所定圧力。

Claims (1)

1. 回路内の作動流体をポンプによって圧送し、圧送された前記作動流体を熱交換器によってエンジンの廃熱で加熱し、加熱された前記作動流体を膨張機で膨張させて機械的エネルギーを回収し、膨張後の前記作動流体をコンデンサによって凝縮させると共に、前記ポンプの回転数が前記膨張機の回転数に連動するランキンサイクルを有する廃熱回生システムにおいて、
   前記ポンプの下流側かつ前記熱交換器の上流側には、前記ポンプから吐出された前記作動流体の圧力を減圧して前記所定圧力以下に保つ減圧弁が設けられる、廃熱回生システム。

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