JP2011208524A - 廃熱回生システム - Google Patents

Abstract

【課題】過冷却度が確保し難い状況でも確実に過冷却度を確保し、ポンプにおけるキャビテーションの発生を防止することができる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、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、第１コンデンサ１１５と、気液分離器１１６と、過冷却器１１７とを備える。第１流量調整弁１１９は、過冷却器１１７の上流側における作動流体の温度Ｔ１と下流側における作動流体の温度Ｔ２との温度差Ｔ１−Ｔ２に対応する圧力差Ｐ１−Ｐ２に基づいて、その開度を制御して第１バイパス流路１１８を流通する作動流体の量を調整することにより、温度差Ｔ１−Ｔ２を、ポンプ１１１におけるキャビテーションの発生を防止するのに必要な所定以上に保ち、過冷却度αを確保する。
【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。

車両用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装置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装置は、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と熱交換させて加熱する熱交換器と、加熱され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冷却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。

車両に搭載される廃熱回生システムでは、コンデンサの冷却媒体として車両の外気が用いられることが多い。この冷却媒体としての外気に急激な温度変化が生じると、コンデンサを出てポンプに吸入される液相の作動流体が沸騰してしまい、ポンプにおいてキャビテーションが発生する場合がある。キャビテーションが発生するとポンプは動作不能となり、ランキンサイクル運転が停止してしまう。そのため、ポンプにおけるキャビテーションの発生を防止するために、コンデンサで冷却凝縮された作動流体をさらに冷却して過冷却（サブクール）状態にしてポンプに吸入させることが行われている。

特許文献１には、凝縮器（コンデンサ）と液送ポンプとの間に過冷却器を設けた発電装置が記載されている。特許文献１の図１を参照すると、この発電装置では、過冷却器１６で使用した後の冷却媒体を凝縮器１４で使用することにより、凝縮器１４の冷却媒体の温度を過冷却器１６の冷却媒体の温度よりも常に高く保っている。その結果、過冷却器１６の上流側における作動流体と下流側における作動流体との間には常に温度差が生じ、過冷却器１６を出て送液ポンプ１５に吸入される作動流体は過冷却状態となっている。

特開２００４−３３９９６５号公報

しかしながら、特許文献１に記載の発電装置では、送液ポンプ１５に吸入される作動流体を過冷却状態にすることはできるが、その際に確保される過冷却度を制御することはできない。そのため、冷却媒体の温度によっては、過冷却度が小さくなりすぎたり、大きくなりすぎたりしてしまう場合がある。作動流体の過冷却度が小さくなりすぎると、キャビテーションが発生しポンプの動作が不安定となる。作動流体の過冷却度が大きくなりすぎると、作動流体を熱交換器において加熱する際に必要とされる熱量が増加するため、ランキンサイクル装置の廃熱回生効率が低下してしまう。

この発明はこのような問題点を解決するためになされたものであり、過冷却度が確保し難い状況でも確実に過冷却度を確保し、ポンプにおけるキャビテーションの発生を防止することができる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、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第１コンデンサによって凝縮させるランキンサイクル装置を有する廃熱回生システムにおいて、第１コンデンサの下流側かつポンプの上流側に設けられると共に作動流体を過冷却する過冷却器と、第１コンデンサの少なくとも一部を迂回する第１バイパス流路と、第１バイパス流路を流通する作動流体の量を調整する第１開閉弁と、第１開閉弁の開度を制御する第１制御手段とを備え、第１制御手段は、過冷却器の上流側における作動流体の温度と下流側における作動流体の温度との温度差が小さくなるほど、第１開閉弁の開度を制御して第１バイパス流路を流通する作動流体の量を増加させる。
これにより、過冷却度が確保し難い状況でも確実に過冷却度を確保し、ポンプにおけるキャビテーションの発生を防止することができる。

第１制御手段は、過冷却器の上流側における作動流体の温度に相関のある値と下流側における作動流体の温度に相関のある値とに基づいて、第１開閉弁の開度を制御して第１バイパス流路を流通する作動流体の量を調整することにより、過冷却器の上下流側の温度差を第１所定値以上に保ってもよい。
これにより、常に第１所定値以上の過冷却度を確保することができる。

第１コンデンサの下流側かつ過冷却器の上流側には、作動流体を気液分離する気液分離器が設けられ、過冷却器の上流側における作動流体の温度に相関のある値は、膨張機の下流側かつポンプの上流側の圧力でもよい。

過冷却器の少なくとも一部を迂回する第２バイパス流路と、第２バイパス流路を流通する作動流体の量を調整する第２開閉弁と、第２開閉弁の開度を制御する第２制御手段とをさらに備え、第２制御手段は、過冷却器の上流側における作動流体の温度と下流側における作動流体の温度差が大きくなるほど、第２開閉弁の開度を制御して第２バイパス流路を流通する作動流体の量を増加させてもよい。
これにより、過冷却度が過大となるのを防止し、廃熱回生効率を維持することができる。

第２制御手段は、過冷却器の上流側における作動流体の温度に相関のある値と下流側における作動流体の温度に相関のある値とに基づいて、第２開閉弁の開度を制御して第２バイパス流路を流通する作動流体の量を調整することにより、過冷却器の上下流側の温度差を第２所定値以下に保ってもよい。
これにより、常に第２所定値以下の過冷却度とすることができる。

第１開閉弁は、第１バイパス流路の途中に設けられてもよい。

第２開閉弁は、第２バイパス流路の途中に設けられてもよい。

第１バイパス流路の途中には、第１コンデンサよりも熱交換率の小さい第２コンデンサが設けられてもよい。

この発明に係る廃熱回生システムによれば、過冷却度が確保し難い状況でも確実に過冷却度を確保し、ポンプにおけるキャビテーションの発生を防止することができる。

この発明の実施の形態１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２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１に係る廃熱回生システムの変形例の構成を示す図である。

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１．
この発明の実施の形態１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、第１コンデンサ１１５と、気液分離器１１６と、過冷却器１１７とを備え、これらが順次環状に接続されて閉回路１１０を形成している。

ポンプ１１１は閉回路１１０内の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１３０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１３０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。第１コンデンサ１１５は、膨張後の作動流体を外気と熱交換させて冷却凝縮させる。ポンプ１１１、冷却水ボイラ１１２、排気ガスボイラ１１３、膨張機１１４、及び第１コンデンサ１１５が通常のランキンサイクル装置における主要な構成要素となる。また、エンジン１３０の廃熱が冷却水ボイラ１１２及び排気ガスボイラ１１３の加熱媒体であり、外気が第１コンデンサ１１５の冷却媒体である。

気液分離器１１６は、気液混合状態の作動流体を気体と液体とに分離するものであり、気液分離器１１６を出た作動流体は飽和液状態となる。過冷却器１１７は、飽和液状態の作動流体を外気と熱交換させてさらに冷却（過冷却）することにより、作動流体を過冷却（サブクール）状態にする。

また、膨張機１１４の下流側かつ第１コンデンサ１１５の上流側には、第１コンデンサ１１５の上流側と下流側とを連通させる第１バイパス流路１１８の入口が接続されており、第１バイパス流路１１８の出口は、第１コンデンサ１１５の下流側かつ気液分離器１１６の上流側に接続されている。第１バイパス流路１１８は、第１コンデンサ１１５全体を迂回し、第１コンデンサ１１５に比べて十分小さい圧力損失及び熱交換率を有すると共に、その途中には第１バイパス流路１１８を流通する作動流体の量を調整する第１開閉弁である第１流量調整弁１１９が設けられている。

第１流量調整弁１１９は、その開度を制御する機構（第１制御手段）を内部に含む周知のダイヤフラム式流量調整弁であり、弁体内部に設けられたダイヤフラムの上側と下側とに２つの参照圧力が加えられると、それらの圧力差によってダイヤフラムが上下し、弁の開度が変化する。この実施の形態１では、第１コンデンサ１１５の上流側の圧力Ｐ１と、過冷却器１１７の下流側の配管に取り付けられた感温筒１２０から取得される圧力Ｐ２とが参照圧力として加えられる。

気液分離器１１６を出た後の作動流体は飽和液状態であるため、その温度と圧力との間には一対一の対応関係がある。また、膨張機１１４の下流側からポンプ１１１の上流側の圧力は一定である。そのため、第１コンデンサ１１５の上流側の圧力Ｐ１から、過冷却器１１７の上流側における作動流体の温度Ｔ１を求めることができる。
また、閉回路１１０内の各箇所における配管の温度は、その内部を流通する作動流体の温度にほぼ等しいと考えられるため、感温筒１２０から取得される圧力Ｐ２から、過冷却器１１７の下流側における作動流体の温度Ｔ２を求めることができる。つまり、圧力Ｐ１は温度Ｔ１と、圧力Ｐ２は温度Ｔ２と相関がある。感温筒１２０内の流体はさまざまなものを用いることができるが、本実施の形態ではランキンサイクル装置に使用されている流体と同じとしている。

第１流量調整弁１１９は、過冷却器１１７の上流側における作動流体の温度Ｔ１に対応する圧力Ｐ１と、過冷却器１１７の下流側における作動流体の温度Ｔ２に対応する圧力Ｐ２との圧力差Ｐ１−Ｐ２に基づいて、第１バイパス流路１１８を流通する作動流体の量を調整する。詳細には、圧力差Ｐ１−Ｐ２が所定の圧力差ΔＰよりも大きい場合には、第１流量調整弁１１９を全閉させて第１バイパス流路１１８を流通する作動流体の量をゼロとし、圧力差Ｐ１−Ｐ２が所定の圧力差ΔＰよりも小さい場合には、その開度を増加させて第１バイパス流路１１８を流通する作動流体の量を増加させる。ここで、所定の圧力差ΔＰは、ランキンサイクル装置の廃熱回生効率を維持しながらポンプ１１１におけるキャビテーションの発生を防止するのに必要な所定の過冷却度αに対応するように設定さている。所定の過冷却度α、すなわち過冷却器１１７の上下流側の温度差Ｔ１−Ｔ２の第１所定値は５℃に設定されており、温度差Ｔ１−Ｔ２を５℃以上に保つように、第１バイパス流路１１８を流通する作動流体の量が調整される。

次に、実施の形態１に係る廃熱回生システム１００の動作について説明する。
廃熱回生システム１００のランキンサイクル装置運転が開始されると、図示しない駆動源によってポンプ１１１が駆動され、ポンプ１１１の下流側に向けて作動流体が圧送される。ポンプ１１１から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１３０の冷却水及びエンジン１３０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った後、膨張機１１４において膨張して機械的エネルギーを発生させ、膨張機１１４の駆動軸１１４ａを回転駆動させる。駆動軸１１４ａには図示しない発電機が接続されており、機械的エネルギーが電力に変換される。

膨張機１１４を出た作動流体は、第１流量調整弁１１９の開度によって決まる比率で第１コンデンサ１１５と第１バイパス流路１１８とに分流される。第１コンデンサ１１５を流通する作動流体は外気と熱交換することによって冷却凝縮される。一方、第１バイパス流路１１８の熱交換率は小さいため、第１バイパス流路１１８を流通する作動流体はほとんど熱を失うことがない。これら２つの経路を流通した作動流体は、第１バイパス流路１１８の出口において合流し、気液分離器１１６において気体と液体とに分離される。気液分離器１１６から出た飽和液状態の作動流体は、過冷却器１１７に流入してさらに冷却（過冷却）された後、ポンプ１１１に吸入されて冷却水ボイラ１１２に向けて圧送される。

このとき、先に述べたように、過冷却度α、すなわち作動流体の温度差Ｔ１−Ｔ２が第１所定値よりも大きく、Ｐ１−Ｐ２＞ΔＰである場合には、第１流量調整弁１１９は全閉して第１バイパス流路１１８を流通する作動流体の量をゼロとする。その結果、第１コンデンサ１１５を流通して冷却凝縮される作動流体の量が増加して温度Ｔ１が下降し、温度差Ｔ１−Ｔ２が減少する。
一方、温度差Ｔ１−Ｔ２が第１所定値よりも小さく、Ｐ１−Ｐ２＜ΔＰである場合には、第１流量調整弁１１９は、その開度を増加させて第１バイパス流路１１８を流通する作動流体の量を増加させる。その結果、第１コンデンサ１１５を流通して冷却凝縮される作動流体の量が減少して温度Ｔ１が上昇し、温度差Ｔ１−Ｔ２が増加する。
これらにより、第１コンデンサ１１５の冷却媒体である外気の温度が変化することによって、過冷却器１１７の上流側における作動流体の温度Ｔ１と下流側における作動流体の温度Ｔ２とが変動しても、それらの温度差Ｔ１−Ｔ２は常に第１所定値以上に保たれる。換言すれば、過冷却器１１７を出てポンプ１１１に吸入される作動流体は、常に第１所定値以上の過冷却度αを有する。

以上説明したように、実施の形態１に係る廃熱回生システム１００では、第１流量調整弁１１９は、過冷却器１１７の上流側における作動流体の温度Ｔ１と下流側における作動流体の温度Ｔ２との温度差Ｔ１−Ｔ２に対応する圧力差Ｐ１−Ｐ２に基づいて、その開度を制御して第１バイパス流路１１８を流通する作動流体の量を調整することにより、ポンプ１１１におけるキャビテーションの発生を防止するのに必要な第１所定値以上の過冷却度αを確保する。これにより、ポンプ１１１におけるキャビテーションの発生が防止される。

また、ダイヤフラム式の流量調整弁１１９を用いることにより、作動流体の温度差Ｔ１−Ｔ２に対応する圧力差Ｐ１−Ｐ２に基づいて作動流体の流量を調整しているため、温度センサや弁の開度を制御するマイクロコンピュータ等が不要であり、廃熱回生システムの構成が簡素になる。
また、作動流体の温度Ｔ１は、膨張機１１４の下流側からポンプ１１１の上流側の間の任意の位置における圧力に基づいて求めることができるため、温度検出位置の自由度が高い。
さらに、過冷却器を有する既存のランキンサイクル装置に対して、配管１１８と流量調整弁１１９とを追加するだけの構成であるため、省スペースかつ低コストとなる。

実施の形態２．
この発明の実施の形態２に係る廃熱回生システム２００の構成を図２に示す。
実施の形態２係る廃熱回生システム２００は、実施の形態１に係る廃熱回生システム１００において、過冷却器１１７の上流側と下流側とを連通させる第２バイパス流路２２１と、第２バイパス流路２２１を流通する作動流体の量を調整する第２開閉弁及び第２制御手段としての第２流量調整弁２２２とを追加したものである。尚、以降の説明において、図１の参照符号と同一の符号は同一又は同様の構成要素であるので、その詳細な説明は省略する。

第２バイパス流路２２１は過冷却器１１７全体を迂回する。第２流量調整弁２２２は、作動流体の過冷却度α、すなわち温度差Ｔ１−Ｔ２が第２所定値（例えば１０℃）よりも大きい場合には、その開度を増加させて第２バイパス流路２２１を流通する作動流体の量を増加させる。その結果、過冷却器１１７を流通して過冷却される作動流体の量が減少して温度Ｔ２が上昇し、温度差Ｔ１−Ｔ２が減少する。
一方、温度差Ｔ１−Ｔ２が第２所定値よりも小さい場合には、流量調整弁２２２は、全閉させて第２バイパス流路２２１を流通する作動流体の量をゼロとする。その結果、過冷却器１１７を流通して過冷却される作動流体の量が増加して温度Ｔ２が下降し、温度差Ｔ１−Ｔ２が増加する。

実施の形態１に係る廃熱回生システム１００では、過冷却器１１７の上流側における作動流体の温度Ｔ１の取り得る下限値は、作動流体の加熱媒体であるエンジン１３０の廃熱の温度、第１コンデンサ１１５の冷却媒体である外気の温度、及び第１コンデンサ１１５の熱交換率に依存する。そのため、これらの諸条件によっては作動流体の温度Ｔ１を所望の値まで下降させることができず、温度差Ｔ１−Ｔ２が所望の過冷却度αまで減少しない場合もある。
これに対して、実施の形態２に係る廃熱回生システム２００では、過冷却器１１７の上流側における作動流体の温度Ｔ１を下降させることができない場合でも、過冷却器１１７の下流側における作動流体の温度Ｔ２を上昇させることにより、温度差Ｔ１−Ｔ２を減少させることができる。これにより、温度差Ｔ１−Ｔ２を第２所定値以下に保ち、過冷却度αが過大となるのを防止することができる。

その他の実施の形態．
実施の形態１，２において、過冷却器１１７の上流側における作動流体の温度Ｔ１に相関のある値と下流側における作動流体の温度Ｔ２に相関のある値とを取得する手段としては、様々な方法を用いることができる。例えば、配管内に温度センサを挿入して作動流体の温度Ｔ１，Ｔ２を検出してもよい。また、配管表面の温度はその内部を流通する作動流体の温度にほぼ等しいと考えられるため、温度センサを配管表面に取り付けて温度を検出してもよい。さらに、過冷却器１１７の熱交換率が十分に高い場合には、冷却媒体である外気の温度を検出して過冷却器１１７の下流側における作動流体の温度Ｔ２としてもよい。

実施の形態１，２において、第１コンデンサ１１５の途中から第１バイパス流路１１８を設けてもよい。また、実施の形態２において、過冷却器１１７の途中から第２バイパス流路２２１を設けてもよい。

実施の形態１，２において、第１バイパス流路１１８の途中に第１コンデンサ１１５よりも熱交換率の小さい第２コンデンサを設けてもよい。また、第１バイパス流路１１８を流通する作動流体の量を調整する第１開閉弁として三方弁を用いてもよい。
一例として、実施の形態１において、第１バイパス流路１１８の途中に第２コンデンサ３２３を設けると共に、第１バイパス流路１１８の入口と膨張機１１４から第１コンデンサ１１５への配管との接続部に電磁式三方弁３１９を設けた構成を図３に示す。
第１制御手段としてのコントロールユニット３５０は、過冷却器１１７の上流側の配管内に挿入された温度センサ３２４によって検出される作動流体の温度Ｔ１と、過冷却器１１７の下流側の配管内に挿入された温度センサ３２５によって検出される作動流体の温度Ｔ２との温度差Ｔ１−Ｔ２に基づいて、電磁式三方弁３１９の開度を制御して第１バイパス流路１１８を流通する作動流体の量を調整する。第１バイパス流路１１８の途中に設けられた第２コンデンサ３２３の熱交換率は、第１コンデンサ１１５のそれに比べて小さいため、第１バイパス流路１１８を流通する作動流体の量が増加すると、過冷却器１１７の上流側における作動流体の温度Ｔ１は上昇する。このように構成しても、実施の形態１に係る廃熱回生システム１００と同様の効果を得ることができる。

１００，２００，３００ 廃熱回生システム、１１０ 閉回路、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 第１コンデンサ、１１６ 気液分離器、１１７ 過冷却器、１１８ 第１バイパス流路、１１９ 第１流量調整弁（第１開閉弁、第１制御手段）、１３０ エンジン、２２１ 第２バイパス流路、２２２ 第２流量調整弁（第２開閉弁、第２制御手段）、３１９ 電磁式三方弁（第１開閉弁）、３２３ 第２コンデンサ、３５０ コントロールユニット（第１制御手段）、Ｔ１ 過冷却器の上流側における作動流体の温度、Ｔ２ 過冷却器の下流側における作動流体の温度、Ｔ１−Ｔ２ 温度差。

Claims (8)

1. 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第１コンデンサによって凝縮させるランキンサイクル装置を有する廃熱回生システムにおいて、
   前記第１コンデンサの下流側かつ前記ポンプの上流側に設けられると共に前記作動流体を過冷却する過冷却器と、
   前記第１コンデンサの少なくとも一部を迂回する第１バイパス流路と、
   該第１バイパス流路を流通する前記作動流体の量を調整する第１開閉弁と、
   該第１開閉弁の開度を制御する第１制御手段とを備え、
   該第１制御手段は、前記過冷却器の上流側における前記作動流体の温度と下流側における前記作動流体の温度との温度差が小さくなるほど、前記第１開閉弁の開度を制御して前記第１バイパス流路を流通する前記作動流体の量を増加させる、廃熱回生システム。
2. 前記第１制御手段は、前記過冷却器の上流側における前記作動流体の温度に相関のある値と下流側における前記作動流体の温度に相関のある値とに基づいて、前記第１開閉弁の開度を制御して前記第１バイパス流路を流通する前記作動流体の量を調整することにより、前記過冷却器の上下流側の温度差を第１所定値以上に保つ、請求項１に記載の廃熱回生システム。
3. 前記第１コンデンサの下流側かつ前記過冷却器の上流側には、前記作動流体を気液分離する気液分離器が設けられ、
   前記過冷却器の上流側における前記作動流体の温度に相関のある値は、前記膨張機の下流側かつ前記ポンプの上流側の圧力である、請求項２に記載の廃熱回生システム。
4. 前記過冷却器の少なくとも一部を迂回する第２バイパス流路と、
   該第２バイパス流路を流通する前記作動流体の量を調整する第２開閉弁と、
   該第２開閉弁の開度を制御する第２制御手段とをさらに備え、
   該第２制御手段は、前記過冷却器の上流側における前記作動流体の温度と下流側における前記作動流体の温度差が大きくなるほど、前記第２開閉弁の開度を制御して前記第２バイパス流路を流通する前記作動流体の量を増加させる、請求項１〜３のいずれかに記載の廃熱回生システム。
5. 前記第２制御手段は、前記過冷却器の上流側における前記作動流体の温度に相関のある値と下流側における前記作動流体の温度に相関のある値とに基づいて、前記第２開閉弁の開度を制御して前記第２バイパス流路を流通する前記作動流体の量を調整することにより、前記過冷却器の上下流側の温度差を第２所定値以下に保つ、請求項１〜４のいずれかに記載の廃熱回生システム。
6. 前記第１開閉弁は、前記第１バイパス流路の途中に設けられる、請求項１〜５のいずれかに記載の廃熱回生システム。
7. 前記第２開閉弁は、前記第２バイパス流路の途中に設けられる、請求項４〜６のいずれかに記載の廃熱回生システム。
8. 前記第１バイパス流路の途中には、前記第１コンデンサよりも熱交換率の小さい第２コンデンサが設けられる、請求項１〜７のいずれかに記載の廃熱回生システム。

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