JP2011220173A - エンジン廃熱回収発電方法及び装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 エンジン廃熱で発電し、バッテリの充放電を抑制する。
【解決手段】 エンジン１の冷却液流路に、エンジン１を冷却した後のクーラント４と作動冷媒５の熱交換を行う熱交換器６を接続する。熱交換器６の冷媒出口６ｄと冷媒入口６ｃとの間に、発電機１１を連結したタービン１０と凝縮器１２と冷媒ポンプ１３を備えた冷媒循環ライン９を接続する。発電機１１に接続したバッテリ１４と負荷１５を接続する通電ケーブル１６に、負荷電力を計測する電力計１７を設け、その計測値を基に冷媒ポンプ１３の運転を制御する制御器１８を備える。熱交換器６でエンジン１の冷却により加熱されたクーラント４と作動冷媒５とを熱交換させ、発生する作動冷媒の蒸気５ａによりタービン１０を介し発電機１１を駆動して発電を行わせる。負荷電力と発電機１１による発電量が同等となるように、冷媒ポンプ１３より熱交換器６へ供給する作動冷媒５の量を調整させる。
【選択図】図１

Description

本発明は、エンジンの廃熱を有効利用して発電を行うために用いるエンジン廃熱回収発電方法及び装置に関するものである。

車両等のエンジンは、燃料の燃焼により発生する熱エネルギーを運動エネルギーに変換するものであるが、その熱効率（エネルギー変換効率）は、エンジンの形式によっても異なるが、良くても４０〜５０％であり、熱エネルギーのうち、仕事に変換されない残部の多くは熱（廃熱）として外部に放出されている。

そのために、エンジンの熱エネルギーの利用効率の向上化を図るために、エンジンの廃熱（排熱）よりエネルギーを回収させるようにすることが考えられてきている。

この種のエンジンの廃熱よりエネルギーの回収を図る手法の１つとしては、たとえば、エンジンの排気の有する廃熱エネルギーを回収することが考えられている（たとえば、特許文献１参照）。

ところで、水冷式のエンジンでは、エンジンの所要個所に設けてある冷却液流路（ウォータージャケット）にクーラント（冷却液）を流通させることにより、エンジンのシリンダやヘッド等の各部を冷却して過熱を防止するようにしてあり、このエンジンの冷却に供されることに伴って加熱された上記クーラントは、ラジエータへ導いて外気と間接的に熱交換させることにより該クーラントの保有する熱を大気中へ放散させ、この熱の放散により冷却されたクーラントを、再びエンジンの冷却流路へ再度送るようにすることが一般的に行われている。

特開２００９−２７０５２２号公報

ところが、特許文献１に示されたものは、排気ガスの保有する廃熱エネルギーを回収するようにしてあるが、排気ガスの流路には、通常、排気ガスの浄化を行うための各種装置が設けられており、この種の排気ガスの浄化を行うための装置では、温度のコントロールが必要とされるものもあるため、排気ガスの流路に該排気ガスの保有する熱を効率よく回収する熱交換器を設ける場合は、単に新設するのみでは不十分で、排気ガスの流路についての大幅な設計変更が必要になるという問題がある。

そこで、本発明者は、通常の水冷式のエンジンであれば、ラジエータで単に大気中へ放散されるようにしてあるエンジンの冷却に供された後の加熱状態にあるクーラントの保有する熱に着目し、このエンジンの冷却に供された後のクーラントの保有する熱を有効利用して、発電を行うことで、エンジンの熱エネルギーの利用効率を高め、更に、上記発電される電力を蓄電するために用いるバッテリの充放電電力の変動を抑えて該バッテリの長寿命化及び小型化を図ることができるようにするための工夫、研究を重ねた結果、本発明をなした。

したがって、本発明の目的とするところは、水冷式のエンジンにおけるエンジンの冷却に供された後のクーラントの保有する熱を有効利用して発電を行うことができ、しかも、発電された電力の蓄電に用いるバッテリの充放電電力の変動を抑えて該バッテリの長寿命化及び小型化を図ることができるようにするためのエンジン廃熱回収発電方法及び装置を提供しようとするものである。

本発明は、上記課題を解決するために、請求項１に対応して、エンジンの冷却に供した後のクーラントを熱交換器に導いて、冷媒ポンプより該熱交換器へ供給する作動冷媒と熱交換させることにより、該熱交換器で上記作動冷媒の蒸気を発生させ、上記熱交換器で発生させた作動冷媒の蒸気により発電機を連結したタービンを回転駆動させて、上記発電機による発電を行い、該発電機で発電した電力をバッテリに蓄電するようにし、更に、上記バッテリに蓄電した電力を負荷で消費するときの負荷電力と、上記タービンにより駆動される発電機の発電量が同等となるように、上記冷媒ポンプより、上記タービンを駆動するための作動冷媒の蒸気を発生させる熱交換器へ供給する作動冷媒の量を調整するようにするエンジン廃熱回収発電方法とする。

又、請求項２に対応して、エンジンの冷却液流路に、上記エンジンの冷却に供したクーラントと作動冷媒との熱交換を行わせるための熱交換器を接続し、更に、上記熱交換器の冷媒出口と冷媒入口に、発電機を連結したタービンと、凝縮器と、冷媒ポンプを備えた冷媒循環ラインを接続し、更に、上記発電機で発電する電力を蓄電するためのバッテリに接続した負荷の消費電力を計測するための負荷電力計測手段と、該負荷電力計測手段により計測される上記負荷の消費電力に応じて上記冷媒ポンプの運転を制御するための制御器を備えてなる構成を有するエンジン廃熱回収発電装置とする。

更に、上記構成において、制御器は、負荷電力計測手段により計測される負荷の消費電力に、発電機における発電量が同等となるように、冷媒ポンプより、上記発電機を連結したタービンを駆動するための作動冷媒の蒸気を発生させる熱交換器へ供給する作動冷媒の量を調整する機能を備えてなるものとした構成とする。

本発明によれば、以下のような優れた効果を発揮する。
（１）エンジンの冷却に供した後のクーラントを熱交換器に導いて、冷媒ポンプより該熱交換器へ供給する作動冷媒と熱交換させることにより、該熱交換器で上記作動冷媒の蒸気を発生させ、上記熱交換器で発生させた作動冷媒の蒸気により発電機を連結したタービンを回転駆動させて、上記発電機による発電を行い、該発電機で発電した電力をバッテリに蓄電するようにし、更に、上記バッテリに蓄電した電力を負荷で消費するときの負荷電力と、上記タービンにより駆動される発電機の発電量が同等となるように、上記冷媒ポンプより、上記タービンを駆動するための作動冷媒の蒸気を発生させる熱交換器へ供給する作動冷媒の量を調整するようにするエンジン廃熱回収発電方法及び装置としてあるので、エンジンの冷却に供した後のクーラントの保有する熱を有効利用して発電を行うことができる。
（２）発電された電力を蓄電するようにしてあるバッテリについて、該バッテリに接続してある負荷の消費電力が変動する場合であっても、バッテリ自身の充放電電力の変動を抑えることができ、バッテリの充放電の繰り返しを低減させて、使用頻度を削減できるため、バッテリの長寿命化を図ることができる。
（３）更に、バッテリの充放電電力の変動を抑えることにより、該バッテリで大きな充放電電流を補償する必要がなくなるため、バッテリのサイズの小型化を図ることが可能になる。

本発明のエンジン廃熱回収発電方法及び装置の実施の一形態を示す概要図である。 図１の装置におけるバッテリの充放電電力の推移を示す概要図である。 負荷電力の計測値に基づく冷媒ポンプの運転制御を行わない場合のバッテリ充放電電力の推移を示す概要図である。 本発明の実施の他の形態を示す概要図である。

以下、本発明を実施するための形態を図面を参照して説明する。

図１及び図２は本発明のエンジン廃熱回収発電方法及び装置の実施の一形態を示すもので、以下のようにしてある。

すなわち、図１は本発明のエンジン廃熱回収発電装置の装置構成を示すもので、水冷式のエンジン１における冷却液流路（図示せず）の冷却液入口２及び冷却液出口３に、クーラント（冷却液）４と作動冷媒５との熱交換を行わせて作動冷媒５を蒸発させ蒸気５ａとするための熱交換器（蒸発器）６における冷却液出口６ｂ及び冷却液入口６ａを、冷却液供給ライン７と冷却液戻しライン８を介してそれぞれ接続する。

更に、上記エンジン１の冷却液入口２部分、冷却液出口３部分、冷却液供給ライン７上、又は、冷却液戻しライン８上のいずれかに、冷却液ポンプ（図示せず）を設ける。これにより、上記冷却液ポンプの運転により、上記エンジン１の冷却液流路と上記熱交換器６との間で、クーラント４を循環流通させることができるようにする。

上記熱交換器６における上記作動冷媒５の冷媒出口６ｄと、冷媒入口６ｃとの間には、図示しないタービン軸に発電機１１を連結してなるタービン１０と、凝縮器１２と、冷媒ポンプ１３を順に備えた冷媒循環ライン９を接続する。これにより、上記冷媒ポンプ１３の運転により、該ポンプ１３より吐出される作動冷媒５を、上記冷媒循環ライン９を通して上記熱交換器６と、タービン１０と、凝縮器１２に順に流通させた後、該冷媒ポンプ１３へ戻すようにして循環させることができるようにする。

上記作動冷媒５は、上記エンジン１の通常運転時に該エンジン１の冷却液流路へ流通させて該エンジン１の冷却に供された後の加熱状態で上記熱交換器６へ導かれるときの上記クーラント４の温度よりも低い沸点を有する冷媒、たとえば、沸点が１００℃よりも低い冷媒を用いるようにしてある。

上記凝縮器１２は、たとえば、空冷式として、上記冷媒循環ライン９を通して上記タービン１０側より作動冷媒の蒸気５ａが導かれると、この作動冷媒の蒸気５ａを冷却し、凝縮させて液体の作動冷媒５に戻すことができるようにしてある。

したがって、上記エンジン１の運転時に上記冷却液ポンプの運転と、上記冷媒ポンプ１３の運転を共に行う状態とすることにより、エンジン１の冷却液流路に上記クーラント４を流通させて該クーラント４によりエンジン１を冷却し、このエンジン１の冷却に供された後の加熱されたクーラント４は、冷却液戻しライン８を経て上記熱交換器６へ導いて、該熱交換器６にて、上記作動冷媒５と熱交換させることができるようにしてある。その後、上記作動冷媒５との熱交換により冷却されたクーラント４を、冷却液供給ライン７を通して上記エンジン１の冷却液流路へ再び供給することにより、上記エンジン１の熱を上記クーラント４で連続的に冷却することができるようにしてある。

一方、上記冷媒ポンプ１３の運転により熱交換器６へ供給された上記作動冷媒５は、該熱交換器６で上記エンジン１の冷却に供された後の加熱されたクーラント４との熱交換が行われると、加熱されて蒸発するようになる。よって、この熱交換器６で発生する上記作動冷媒の蒸気５ａを、上記冷媒循環ライン９を経てタービン１０へ導くことにより、該タービン１０を回転駆動させ、このタービン１０の回転駆動に伴って上記発電機１１を駆動して発電を行わせることができるようにしてある。

上記のようにしてタービン１０の回転駆動に利用された後の上記作動冷媒の蒸気５ａは、上記冷媒循環ライン９を通して上記凝縮器１２へ導いて、冷却、凝縮させて液体の作動冷媒５に戻してから、上記冷媒ポンプ１３の吸入側へ戻すことができるようにしてある。

上記発電機１１には、該発電機１１で発電する電力を蓄電するためのバッテリ１４が接続してある。更に、上記バッテリ１４には、所要の電力機器のような負荷１５が通電ケーブル１６を介して接続してある。

更に、本発明のエンジン廃熱回収発電装置では、上記バッテリ１４の充放電電力の変動を抑えることができるようにするための手段として、上記バッテリ１４と負荷１５とを接続した通電ケーブル１６の途中位置に、負荷電力（負荷の消費電力）計測手段としての電力計１７を設け、且つ該電力計１７より入力される負荷電力の計測信号を基に、上記冷媒ポンプ１３へ運転の制御指令を与える制御器１８を備えた構成とする。

詳述すると、上記制御器１８は、上記熱交換器６へ供給する作動冷媒５の流量と、該熱交換器６で発生される作動冷媒の蒸気５ａにより回転駆動される上記タービン１０の回転駆動により駆動される上記発電機１１の発電量との相関についてのデータを予め蓄積してあるものとする。

又、上記制御器１８は、上記電力計１７より負荷電力の計測値が入力されると、上記発電機１１における発電量を上記電力計１７より入力された負荷電力の計測値と同等とさせるために必要とされる上記熱交換器６への作動冷媒５の流量を、該制御器１８に蓄積してある上記熱交換器６へ供給する作動冷媒５の流量と上記発電機１１における発電量との相関についてのデータを基に求めて、この求められた流量が達成されるように冷媒ポンプ１３を運転するための制御指令を、上記冷媒ポンプ１３へ与える機能を備えるようにしてある。

なお、上記制御器１８により上記冷媒ポンプ１３の運転を制御する際、該冷媒ポンプ１３より上記熱交換器６へ供給する作動冷媒５の流量を減少させると、該熱交換器６で上記エンジン１の冷却に供された後のクーラント４と熱交換させるための作動冷媒５の量が減少するため、エンジン１の冷却液流路へ循環供給するようにしてあるクーラント４の温度が十分に冷却されなくなることが考えられる。

そのために、本発明のエンジン廃熱回収発電装置では、上記冷却液戻しライン８の途中位置に分岐冷却液戻しライン１９を分岐させて設けて、該分岐冷却液戻しライン１９の下流側に、ラジエータ２０の入口側を接続すると共に、該ラジエータ２０の出口側に、冷却液ライン２１を介して上記冷却液供給ライン７の途中位置を接続し、更に、上記冷却液供給ライン７における上記冷却液ライン２１の接続個所に、上記冷却液ライン２１より冷却液供給ライン７へ流入させるクーラント４の流量を調整するためのサーモスタット２２を設けるようにしてある。これにより、上記熱交換器６より冷却液供給ライン７を経て上記エンジン１の冷却液流路へ供給されるクーラント４の温度が、該エンジン１へ供給するクーラント４に望まれる或る設定温度よりも高い場合は、上記サーモスタット２２の作動により上記冷却液ライン２１より冷却液供給ライン７へ流入させるクーラント４の量、すなわち、上記エンジン１の冷却に供された後に冷却液戻しライン８を流通するクーラント４のうち、該冷却液戻しライン８の途中位置より分岐冷却液戻しライン１９を通してラジエータ２０へ導かれ、該ラジエータ２０にて冷却された後に上記冷却液ライン２１へ導かれるクーラント４の量を増加させることで、上記冷却液供給ライン７よりエンジン１へ供給するクーラント４全体の温度を、上記ラジエータ２０で冷却させるクーラント４の量で調整できるようにしてある。

２３は上記冷却液供給ライン７における上記冷却液ラインの接続個所よりも上流側に設けた手動バルブであり、該手動バルブ２３の絞り量を調整することで、上記熱交換器６を流通するクーラント４の量と、上記ラジエータ２０を流通させるクーラント４の量を手動で調整することができるようにしてある。

以上の構成としてある本発明のエンジン廃熱回収発電装置により発電を行う場合は、エンジン１の運転を行うと共に、冷却液ポンプ及び冷媒ポンプ１３を共に運転すると、エンジン１の冷却に供された後の加熱されたクーラント４が冷却液戻しライン８を経て導かれる熱交換器６において、該クーラント４の保有する熱である上記エンジン１の廃熱と、冷媒ポンプ１３より冷媒循環ライン９を通して該熱交換器６へ供給される作動冷媒５の熱交換が行われ、この熱交換により作動冷媒５が蒸発して該作動冷媒の蒸気５ａが発生する。

上記のようにして液体の作動冷媒５が蒸発して作動冷媒の蒸気５ａが発生する際には、体積が膨張して、圧力が高まるようになるため、この圧力が上昇した作動冷媒の蒸気５ａを冷媒循環ライン９を経てタービン１０へ導くと、該タービン１０の回転駆動が行われることに伴い上記発電機１１により発電が行われるようになる。

上記発電機１１で発電された電力は、該発電機１１に接続してあるバッテリ１４に一旦蓄電され、その後、必要に応じて、通電ケーブル１６を経て負荷１５へ供給されて、該負荷で消費されるようになる。

この際、上記通電ケーブル１６上に設けた電力計１７により負荷電力が計測されると、その計測値に基づいて、制御器１８により、上記冷媒ポンプ１３へ制御指令が与えられて、該冷媒ポンプ１３では、上記熱交換器６へ作動冷媒５を供給するときの流量が、上記発電機１１における発電量を上記電力計１７より入力された負荷電力の計測値と同等とさせるために必要とされる流量に調整されるようになる。

ここで、比較として、上記のような負荷電力に応じた冷媒ポンプ１３の運転を行わない場合について考えると、この場合は、エンジン１の定常運転状態では、該エンジン１で発生する熱量がほぼ一定となるため、このエンジン１の冷却に供した後の加熱されたクーラント４と上記熱交換器６で熱交換して該クーラント４をエンジン１へ供給するために望まれる或る設定温度まで冷却するためには、上記冷媒ポンプ１３より上記熱交換器へ作動冷媒５を一定流量で供給させればよいことになる。

そのため、上記熱交換器６より上記タービン１０へ供給される作動冷媒の蒸気５ａの流量もほぼ一定になるため、発電機１１で発電される電力［Ｗ］は、図３に線Ｄで示すように、経過時間［ｓ］に対してほぼ一定の値となる。

ところが、この際、図３に線Ｅで示すように、負荷電力が変動している場合は、その負荷変動に応じて、図３に線Ｆで示すバッテリ１４の充放電電力が変動する。したがって、上記バッテリ１４では、上記負荷電力の変動に応じて充放電を繰り返すようになるため、該バッテリ１４の使用頻度が増加してしまい、バッテリ１４の寿命が減ってしまう。更に、上記バッテリ１４に十分な充放電電流を補償する必要が生じるために、該バッテリ１４のサイズが増大してしまう。

そこで、本発明のエンジン廃熱回収発電装置では、負荷電力が図２に線Ｂで示すように変動する場合は、その変動に応じて上記冷媒ポンプ１３の運転を制御して、上記熱交換器６へ供給する作動冷媒５の流量を制御することで、上記タービン１０により駆動される発電機１１の発電量が、図２に線Ａで示すように、上記負荷電力（図２の線Ｂ）と同等に制御されるようにしてある。これにより、負荷１５への電力供給と、上記発電機１１により発電された電力の蓄電を行う上記バッテリ１４では、図２に線Ｃで示すように、その充放電電力の変動が抑えられるようになる。

このように、本発明のエンジン廃熱回収発電方法及び装置によれば、エンジン１の冷却に供した後のクーラント４の保有する熱を有効利用して発電を行うことができる。しかも、該発電された電力を蓄電するようにしてあるバッテリ１４では、該バッテリ１４に接続してある負荷１５の消費電力（負荷電力）が変動する場合であっても、バッテリ１４自身の充放電電力の変動を抑えることができる。したがって、上記バッテリ１４の充放電の繰り返しを低減させて、該バッテリ１４の使用頻度を削減できるため、バッテリ１４の長寿命化を図ることができる。更に、上記バッテリ１４の充放電電力の変動を抑えることに伴い、上記バッテリ１４で大きな充放電電流を補償する必要がなくなるため、該バッテリ１４のサイズの小型化を図ることが可能になる。

上記実施の形態では、負荷電力計測手段として、バッテリ１４と負荷１５を接続する通電ケーブル１６の途中位置に電力計１７を設けた構成を示したが、上記電力計１７に代えて、電流計を設けた構成としてもよい。この場合は、バッテリ１４の電圧がほぼ一定であることに基づいて、制御器１８で、上記電流計で計測される負荷１５への供給電流の計測値と、バッテリ１４の電圧との積により負荷１５で消費される電力を求める処理を行うようにすればよい。

更に、負荷電力計測手段を、図４に示すように、通電ケーブル１６の途中位置に設けた抵抗２４と、該抵抗２４に並列に接続した電圧計２５とからなる構成としてもよい。なお、上記抵抗２４は、既知の小さい抵抗値を有するものを用いるようにすればよい。その他の構成は図１に示したものと同様であり、同一のものには同一の符号が付してある。

かかる構成とする場合は、制御器１８にて、上記抵抗２４の有する既知の抵抗値と、上記電圧計２５による電圧計測値を基に、上記負荷１５への供給電流を算出し、この算出された電流値と、バッテリ１４の電圧との積により負荷１５で消費される電力を求める処理を行うようにすればよい。

なお、本発明は上記実施の形態のみに限定されるものではなく、水冷式のエンジン１であれば、車両用の以外のエンジン１に適用してもよい。

その他本発明の要旨を逸脱しない範囲内で種々変更を加え得ることは勿論である。

１ エンジン
４ クーラント
５ 作動冷媒
５ａ 作動冷媒の蒸気
６ 熱交換器
６ｄ 冷媒出口
６ｃ 冷媒入口
９ 冷媒循環ライン
１０ タービン
１１ 発電機
１２ 凝縮器
１３ 冷媒ポンプ
１４ バッテリ
１５ 負荷
１７ 電力計（負荷電力計測手段）
１８ 制御器
２４ 抵抗（負荷電力計測手段）
２５ 電圧計（負荷電力計測手段）

Claims (3)

1. エンジンの冷却に供した後のクーラントを熱交換器に導いて、冷媒ポンプより該熱交換器へ供給する作動冷媒と熱交換させることにより、該熱交換器で上記作動冷媒の蒸気を発生させ、上記熱交換器で発生させた作動冷媒の蒸気により発電機を連結したタービンを回転駆動させて、上記発電機による発電を行い、該発電機で発電した電力をバッテリに蓄電するようにし、更に、上記バッテリに蓄電した電力を負荷で消費するときの負荷電力と、上記タービンにより駆動される発電機の発電量が同等となるように、上記冷媒ポンプより、上記タービンを駆動するための作動冷媒の蒸気を発生させる熱交換器へ供給する作動冷媒の量を調整するようにすることを特徴とするエンジン廃熱回収発電方法。
2. エンジンの冷却液流路に、上記エンジンの冷却に供したクーラントと作動冷媒との熱交換を行わせるための熱交換器を接続し、更に、上記熱交換器の冷媒出口と冷媒入口に、発電機を連結したタービンと、凝縮器と、冷媒ポンプを備えた冷媒循環ラインを接続し、更に、上記発電機で発電する電力を蓄電するためのバッテリに接続した負荷の消費電力を計測するための負荷電力計測手段と、該負荷電力計測手段により計測される上記負荷の消費電力に応じて上記冷媒ポンプの運転を制御するための制御器を備えてなる構成を有することを特徴とするエンジン廃熱回収発電装置。
3. 制御器は、負荷電力計測手段により計測される負荷の消費電力に、発電機における発電量が同等となるように、冷媒ポンプより、上記発電機を連結したタービンを駆動するための作動冷媒の蒸気を発生させる熱交換器へ供給する作動冷媒の量を調整する機能を備えてなるものとした請求項２記載のエンジン廃熱回収発電装置。

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