JP2013238131A - 廃熱利用装置 - Google Patents

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Abstract

【課題】ランキンサイクルにおけるエネルギーの回収量の向上を図りつつ、内燃機関の性能向上を実現し、かつ耐久性に優れた廃熱利用装置を提供する。
【解決手段】実施例１の廃熱利用装置は、エンジン５及びターボチャージャ７を有する駆動系１に用いられるランキンサイクル３を備えている。ランキンサイクル３は、第２電動ポンプＰ２、加圧空気ボイラ２７、冷却液ボイラ２８、還流排気ボイラ２９、排気ボイラ３０、膨張機３１及び凝縮器３２を有している。このランキンサイクルでは、配管３３〜４２により、第２電動ポンプＰ２から、加圧空気ボイラ２７、冷却液ボイラ２８、還流排気ボイラ２９及び膨張機３１を経て凝縮器３２に作動流体を循環させるとともに、第２電動ポンプＰ２から排気ボイラ３０及び膨張機３１を経て凝縮器３２に作動流体を循環させる。
【選択図】図１

Description

本発明は廃熱利用装置に関する。
特許文献１の図２に従来の廃熱利用装置が開示されている。この廃熱利用装置は、駆動系に用いられ、第１、２ボイラを有して作動流体を循環させるランキンサイクルを備えている。駆動系は、エンジンと、エンジンに加圧空気を供給するターボチャージャとを有している。ランキンサイクルにおける第１ボイラでは、加圧空気を熱源として作動流体と熱交換を行う。一方、第２ボイラでは、エンジンで加熱された冷却液を熱源として作動流体と熱交換を行う。第１ボイラは第２ボイラよりも作動流体の循環方向の上流側に位置している。第２ボイラの下流には膨張機が設けられ、膨張機の下流には凝縮器が設けられている。
このような廃熱利用装置では、第１、２ボイラによって作動流体を加熱することが可能であることから、膨張機に流入する作動流体の温度を高くすることが可能となる。また、この廃熱利用装置では、第１、２ボイラにおける熱交換により、加圧空気や冷却水を冷却することが可能となるため、エンジンの出力を向上させることも可能となっている。
特開２００８−８２２４号公報
ところで、作動流体を加熱可能な熱源としては、上記のような冷却液や加圧空気の他に、例えば排気等を採用することも可能である。排気は加圧空気よりも高温となることから、より作動流体を加熱することが可能となる。
この排気には、大気中に放出される排気（狭義の排気）の他、エンジン等の内燃機関に還流される還流排気が含まれる。特に還流排気については、内燃機関に還流される前に好適に冷却されることが好ましい。冷却によってその密度が大きくなった状態で内燃機関に還流されれば、内燃機関で生じた排気が最終的に大気中に放出された際の排気中における窒素酸化物の含有量を低減させることが可能となるためである。そこで、上記特許文献１記載の廃熱利用装置において、第１ボイラにおける熱源を加圧空気から還流排気に替えて構成することが考えられる。
この場合、第１ボイラにおいて、還流排気が露点以下まで冷却されると、還流排気に含まれる水蒸気が凝縮し、排気中の硫化物を含んだ凝縮水となる。一方、第１ボイラの下流には、インテークマニホールドが接続され得る。このため、その凝縮水は、第１ボイラで生じた後、インテークマニホールドに滞留するおそれがある。ここで、ボイラは、耐腐食性が高いステンレス等の材質で製造される一方、インテークマニホールドは一般的に腐食に弱い鋳鉄やアルミ合金によって製造されることから、凝縮水によりインテークマニホールドには腐食が生じるおそれがある。このため、上記のような廃熱利用装置では、インテークマニホールドの耐久性が低下し、ひいては廃熱利用装置全体の耐久性が低下することとなる。
本発明は、上記従来の実情に鑑みてなされたものであって、ランキンサイクルにおけるエネルギーの回収量の向上を図りつつ、内燃機関の性能向上を実現し、かつ耐久性に優れた廃熱利用装置を提供することを解決すべき課題としている。
本発明の廃熱利用装置は、内燃機関と、該内燃機関で生じた排気が流通する排気路と、該排気路を流通する該排気の一部を還流排気として該内燃機関に還流させる排気還流路とを有する駆動系に用いられ、作動流体を循環させるランキンサイクルを備え、
該ランキンサイクルは、ポンプと、ボイラと、膨張機と、凝縮器と、配管とを有する廃熱利用装置において、
前記ボイラは、前記排気路を流通する前記排気を熱源として前記作動流体と熱交換を行う第１ボイラと、前記還流排気を熱源として該作動流体と熱交換を行う第２ボイラと、該還流排気よりも低温の熱源によって該作動流体と熱交換を行う第３ボイラとを有し、
該第３ボイラは、該第２ボイラよりも該作動流体の循環方向の上流側に位置し、
前記配管は、前記ポンプから該第３ボイラ、該第２ボイラ及び前記膨張機を経て前記凝縮器に該作動流体を循環させるとともに、該ポンプから該第１ボイラ及び該膨張機を経て該凝縮器に該作動流体を循環させることを特徴とする（請求項１）。
本発明の廃熱利用装置はランキンサイクルを備えている。そして、このランキンサイクルは、第１〜３ボイラを有している。これにより、この廃熱利用装置におけるランキンサイクルでは、第１〜３ボイラで作動流体を好適に加熱することが可能となり、作動流体の圧力エネルギーが大きくなる。このため、この廃熱利用装置では、ランキンサイクルで回収可能なエネルギーの量を大きくすることが可能となる。この回収可能なエネルギーとしては、例えば、圧力エネルギーを基に発電した電力や内燃機関に回生される動力等が挙げられる。
また、この廃熱利用装置では、第２ボイラにおける熱交換によって還流排気を冷却することが可能である。このため、この廃熱利用装置では、還流排気の密度を増大させつつ、内燃機関に還流させることが可能となる。
特に、この廃熱利用装置では、第３ボイラが第２ボイラよりも作動流体の循環方向の上流に位置している。加えて、この廃熱利用装置では、配管によって第１ボイラと第３、２ボイラとが並列に配置されるため、第２ボイラよりも作動流体の循環方向の上流に第１ボイラが配置されることがない。つまり、第２ボイラに対しては、第３ボイラによって一定程度まで好適に加熱された作動流体が流入し、第１ボイラによって加熱された作動流体は第２ボイラに流入することがない。このため、この廃熱利用装置では、第２ボイラにおける還流排気の冷却能力を高くしつつも第２ボイラにおいて還流排気が必要以上に冷却される事態が生じ難くなり、硫化物を含む凝縮水が生じ難くなる。
また、この廃熱利用装置では、第２ボイラよりも作動流体の循環方向の下流に第１ボイラが配置されることもないことから、第１ボイラにおける熱交換を見越した上で、第２ボイラにおいて、還流排気の冷却と作動流体の加熱とを行う必要がない。
これらのため、この廃熱利用装置では、好適に冷却された還流排気が内燃機関に還流されることによって、内燃機関で生じた排気が大気中に放出された際の排気中における窒素酸化物の含有量を低減させることも可能となる。
したがって、本発明の廃熱利用装置は、ランキンサイクルにおけるエネルギーの回収量の向上を図りつつ、内燃機関の性能向上を実現し、かつ耐久性に優れている。
さらに、本発明の廃熱利用装置では、第１〜３ボイラによる熱交換により、作動流体について、飽和蒸気となる温度を超えた過熱蒸気温度（スーパーヒート）程度まで十分に加熱することが可能である。これにより、この廃熱利用装置におけるランキンサイクルでは、膨張機内で膨張及び減圧された作動流体が液化し難くなり、作動流体の膨張時におけるエネルギーの回収効率が高くなる。また、この廃熱利用装置では膨張機の損傷も生じ難くなる。
さらに、本発明の廃熱利用装置では、上記のように、第１ボイラと第３、２ボイラとが並列に配置されることから、第３ボイラだけでなく、第１ボイラに対しても凝縮器を経た作動流体、すなわち、低温の作動流体が流入することとなる。この点、還流排気と異なり、最終的に大気中に排出されることとなる排気については、第１ボイラにおける熱交換後の排気の温度が問題となることはない。
内燃機関としては、ディーゼルエンジン等を採用することができる。また、これらのエンジンはモータを組み合わせたハイブリッドエンジンでも良く、エンジンは空冷式でも水冷式でも良い。また、駆動系には、内燃機関に加圧空気を供給可能な過給器を設けても良い。この場合、過給器としては、ターボチャージャやスーパーチャージャ等を採用することができる。なお、内燃機関や過給器は複数であっても良い。
第３ボイラにおいて作動流体と熱交換が可能な熱源としては、例えば、内燃機関に対する冷却液を採用することが可能である。冷却液としては、例えば、水の他にＬＬＣ（ロングライフクーラント）等を採用することが可能である。また、駆動系に過給器を設ける場合には、加圧空気を熱源とすることも可能である。これらの冷却液や加圧空気を熱源とすることで、第３ボイラにおける作動流体との熱交換により、冷却液や加圧空気を冷却することが可能となる。ここで、冷却液を冷却することにより、内燃機関を好適に冷却することが可能となる。また、加圧空気を冷却することにより、還流排気と同様に、加圧空気の密度を高くした状態で内燃機関に供給することが可能となる。これらのため、熱源として冷却液や加圧空気を採用することにより、内燃機関の性能をより高くすることが可能となる。また、第３ボイラは複数であっても良く、上記の冷却液を熱源とする第３ボイラと、上記の加圧空気を熱源とする第３ボイラとについて、それぞれ、第２ボイラに対して、作動流体の循環方向の上流に位置させても良い。なお、冷却液を熱源とする第３ボイラや加圧空気を熱源とする第３ボイラをそれぞれ複数設けても良い。
本発明の廃熱利用装置は、ポンプの下流に設けられ、ポンプから第１ボイラに流入する作動流体の流量と、ポンプから第３ボイラに流入する作動流体の流量とを調整可能な第１流量調整弁と、第１流量調整弁を制御する第１調整弁制御手段とを有していることが好ましい（請求項２）。
この場合、第１ボイラ側に流入する作動流体の流量と、第３ボイラ及び第２ボイラ側に流入する作動流体の流量とを調整することが可能となる。これにより、この廃熱利用装置では、第２ボイラに流入する作動流体の流量について、還流排気の冷却要求量等に応じた適切な流量とすることが可能となり、第２ボイラにおいて還流排気を好適に冷却することが可能となる。
さらに、上記の廃熱利用装置は、第１流量調整弁の下流で配管から分岐し、第３ボイラを迂回して第２ボイラの上流で該配管に合流するバイパス路と、第３ボイラに流入する作動流体の流量とバイパス路に流入する作動流体の流量とを調整可能な第２流量調整弁と、第２流量調整弁を制御する第２調整弁制御手段とを有していることが好ましい（請求項３）。
この場合、第３ボイラを迂回させる作動流体の流量を調整することで、第２ボイラに流入する作動流体の温度を調整することが可能となる。これにより、この廃熱利用装置では、還流排気の必要以上の冷却を防止しつつ、第２ボイラにおいて還流排気の冷却を好適に行うことが可能となる。なお、上記のように、第３ボイラが複数存在する場合には、パイパス路によって全ての第３ボイラを迂回させても良く、いずれかの第３ボイラを選択して迂回させても良い。
本発明の廃熱利用装置では、第１ボイラにおける熱交換によって、第１ボイラ内に凝縮水が発生する可能性が存在する。一方で、大気中に排気を排出させるに当たって、排気に対しては、大気汚染対策等の観点から一定の処理を施すことが要求される。これらのため、本発明の廃熱利用装置において、排気路には、排気路を流通する排気の浄化を行う浄化装置が設けられ得る。そして、第１ボイラは、浄化装置の下流に配置されていることが好ましい（請求項４）。
この場合、浄化装置によって、排気中から窒素酸化物や煤等を除去することが可能となる。また、第１ボイラが浄化装置の下流に配置されるため、仮に第１ボイラにおいて凝縮水が発生したとしても、この凝縮水が浄化装置に流入することがない。このため、この廃熱利用装置では、浄化装置の劣化を好適に抑制することが可能となる。
本発明の廃熱利用装置は、ランキンサイクルにおけるエネルギーの回収量の向上を図りつつ、内燃機関の性能向上を実現し、かつ耐久性に優れている。
実施例の廃熱利用装置を示す模式構造図である。 実施例の廃熱利用装置に係り、作動流体が冷却液ボイラを経て還流排気ボイラに流入する状態を示す模式構造図である。 実施例の廃熱利用装置に係り、作動流体が冷却液ボイラ又はバイパス路を経て還流排気ボイラに流入する状態を示す模式構造図である。
以下、本発明を具体化した実施例を図面を参照しつつ説明する。
（実施例）
実施例の廃熱利用装置は、車両に搭載され、図１に示すように、車両の駆動系１に用いられている。この廃熱利用装置は、ランキンサイクル３と、第１温度センサ１０と、第１流量調整弁４３と、バイパス路４４と、第２流量調整弁４５と、制御装置１１とを備えている。
駆動系１は、内燃機関としてのエンジン５と、過給器としてのターボチャージャ７と、ラジエータ９と、排気路としての配管１２〜１４と、排気還流路としての配管１５、１６とを有している。
エンジン５は、公知の水冷式ディーゼルエンジンである。エンジン５の内部には冷却液としてのＬＬＣが流通可能なウォータジャケット（図示略）が形成されている。エンジン５には、このウォータジャケットとそれぞれ連通する流出口５ａと流入口５ｂとが形成されている。さらに、エンジン５には、排気を排出する排気口５ｃと、後述する加圧空気を吸入する吸気口５ｄとが形成されている。
ターボチャージャ７は、エンジン５から生じた排気によって作動され、エンジン５に対し、車外の空気を加圧した加圧空気を供給する。また、ラジエータ９には、その内部に冷却液を流入させる流入口９ａと、冷却液を流出させる流出口９ｂとが形成されている。ラジエータ９は、その内部を流通する冷却液と車外の空気との間で熱交換を行う。さらに、ラジエータ９の近傍には、電動ファン９ｃが設けられている。この電動ファン９ｃは、制御装置１１と電気的に接続されている。
エンジン５とターボチャージャ７とは配管１２、配管１７及び配管１８によって接続されている。また、配管１７と配管１８には後述する加圧空気ボイラ２７が接続されている。配管１２は内部を排気が流通可能となっており、エンジン５の排気口５ｃとターボチャージャ７とに接続されている。また、配管１７は内部を加圧空気が流通可能となっており、配管１８は内部を加圧空気及び還流排気が流通可能となっている。配管１７はターボチャージャ７と、後述する加圧空気ボイラ２７の第１流入口２７ａとに接続されている。配管１８は加圧空気ボイラ２７の第１流出口２７ｂと、エンジン５の吸気口５ｄとに接続されている。
さらに、ターボチャージャ７には、配管１３、１９の各一端側が接続されている。また、配管１３の他端側は、後述する排気ボイラ３０の第７流入口３０ａに接続されている。この配管１３は内部を排気が流通可能となっている。さらに、配管１３には、配管１３を流通する排気中の窒素酸化物や煤等を除去する浄化装置１３１が設けられている。
また、上記の排気ボイラ３０の第７流出口３０ｂには、配管１４の一端側が接続されている。この配管１４の他端側は車外に開口している。配管１２は、ターボチャージャ７を介して配管１３、１４と連通している。一方、配管１９の他端側は図示しない車両のエアインテークに開口している。この配管１９は内部を空気が流通可能となっており、ターボチャージャ７を介して配管１７と連通している。
配管１５、１６は内部を排気の一部である還流排気が流通可能となっている。配管１５の一端側は配管１２に接続されている。同様に、配管１６の一端側は配管１８に接続されている。また、配管１５の他端側は後述する還流排気ボイラ２９の第５流入口２９ａに接続されている。配管１６の他端側は還流排気ボイラ２９の第５流出口２９ｂに接続されている。さらに、配管１６には可変バルブ２１が設けられている。この可変バルブ２１は制御装置１１に電気的に接続されている。配管１５、１６は還流排気について、還流排気ボイラ２９を経由させつつ配管１８に合流させることで、エンジン５の排気口５ｃから排出された排気の一部を還流排気として吸気口５ｄからエンジン５内へ還流させる。なお、配管１５の一端側は配管１３に接続されても良い。この場合、配管１６の一端側は配管１９に接続される。
エンジン５とラジエータ９とは配管２３〜２５によって接続されている。また、配管２３と配管２４とには後述する冷却液ボイラ２８が接続されている。配管２３〜２５は内部を冷却液が流通可能となっている。配管２３は、エンジン５の流出口５ａと冷却液ボイラ２８の第３流入口２８ａとに接続されている。配管２４は冷却液ボイラ２８の第３流出口２８ｂと、ラジエータ９の流入口９ａとに接続されている。配管２５は、ラジエータ９の流出口９ｂと、エンジン５の流入口５ｂとに接続されている。配管２４には、第１電動ポンプＰ１が設けられている。この第１電動ポンプＰ１は、制御装置１１に電気的に接続されている。なお、第１電動ポンプＰ１は、配管２３又は配管２５に設けられても良い。
第１温度センサ１０は、配管１６に設けられている。第１温度センサ１０は制御装置１１と電気的に接続されている。この第１温度センサ１０は、還流排気ボイラ２９の第１流出口２９ｂを流出し、配管１６を流通する還流排気の温度を検出するとともに、その検出値を制御装置１１に向けて発信する。
ランキンサイクル３は、第２電動ポンプＰ２と、加圧空気ボイラ２７と、冷却液ボイラ２８と、還流排気ボイラ２９と、排気ボイラ３０と、膨張機３１と、凝縮器３２と、配管３３〜４１とを有している。このランキンサイクル３は、上記の第１、２流量調整弁４３、４５及びバイパス路４４が一体に組み付けられている。配管３３〜４２及びバイパス路４４には、作動流体としてのＨＦＣ１３４ａが流通可能となっている。なお、第２電動ポンプＰ２が本発明の廃熱利用装置におけるポンプに相当している。
加圧空気ボイラ２７には、第１流入口２７ａ及び第１流出口２７ｂと、第２流入口２７ｃ及び第２流出口２７ｄとが形成されている。また、加圧空気ボイラ２７内には、両端側でそれぞれ第１流入口２７ａ及び第１流出口２７ｂと連通する第１通路２７ｅと、両端側でそれぞれ第２流入口２７ｃ及び第２流出口２７ｄと連通する第２通路２７ｆとが設けられている。この加圧空気ボイラ２７では、第１通路２７ｅ内の加圧空気と、第２通路２７ｆ内の作動流体との熱交換により、加圧空気の冷却と作動流体の加熱とを行う。
冷却液ボイラ２８には、第３流入口２８ａ及び第３流出口２８ｂと、第４流入口２８ｃ及び第４流出口２８ｄとが形成されている。また、冷却液ボイラ２８内には、両端側でそれぞれ第３流入口２８ａ及び第３流出口２８ｂと連通する第３通路２８ｅと、両端側でそれぞれ第４流入口２８ｃ及び第４流出口２８ｄと連通する第４通路２８ｆとが設けられている。この冷却液ボイラ２８では、第３通路２８ｅ内の冷却液と、第４通路２３ｆ内の作動流体との熱交換により、冷却液の冷却と作動流体の加熱とを行う。
還流排気ボイラ２９には、第５流入口２９ａ及び第５流出口２９ｂと、第６流入口２９ｃ及び第６流出口２９ｄとが形成されている。また、還流排気ボイラ２９内には、両端側でそれぞれ第５流入口２９ａ及び第５流出口２９ｂと連通する第５通路２９ｅと、両端側でそれぞれ第６流入口２９ｃ及び第６流出口２９ｄと連通する第６通路２９ｆとが設けられている。この還流排気ボイラ２９では、第５通路２９ｅ内の還流排気と、第６通路２９ｆ内の作動流体との熱交換により、還流排気の冷却と作動流体の加熱とを行う。
排気ボイラ３０には、第７流入口３０ａ及び第７流出口３０ｂと、第８流入口３０ｃ及び第８流出口３０ｄとが形成されている。また、排気ボイラ３０内には、両端側でそれぞれ第７流入口３０ａ及び第７流出口３０ｂと連通する第７通路３０ｅと、両端側でそれぞれ第８流入口３０ｃ及び第８流出口３０ｄと連通する第８通路３０ｆとが設けられている。この排気ボイラ３０では、第７通路３０ｅ内の排気と、第８通路３０ｆ内の作動流体との熱交換により、作動流体の加熱を行うとともに、副次的に排気の冷却を行う。
これらの加圧空気ボイラ２７、冷却液ボイラ２８、還流排気ボイラ２９及び排気ボイラ３０のうち、還流排気ボイラ２９は、還流排気を熱源として作動流体と熱交換を行うことから第２ボイラに相当する。また、排気ボイラ３０は、排気路、すなわち、配管１３を流通する排気を熱源として作動流体と熱交換を行うことから第１ボイラに相当する。そして、加圧空気ボイラ２７及び冷却液ボイラ２８において、それぞれ作動流体と熱交換を行う加圧空気及び冷却液は、いずれも還流排気よりも低温となることから、加圧空気ボイラ２７及び冷却液ボイラ２８は第２ボイラに相当する。なお、後述の図２、３に示すように、加圧空気ボイラ２７、冷却液ボイラ２８では熱源（加圧空気及び冷却液）と作動流体とが同一方向に流れるように図示されているが、熱交換をより効率的に行なうために、還流排気ボイラ２９や排気ボイラ３０のように双方を異なる方向（対向流）としても良い。
図１に示すように、膨張機３１には、その内部に作動流体を流入させる流入口３１ａと、作動流体を流出させる流出口３１ｂとが形成されている。膨張機３１では、加圧空気ボイラ２７や冷却液ボイラ２８、還流排気ボイラ２９、排気ボイラ３０を経て加熱された作動流体を膨張させることにより回転駆動力を発生させる。この膨張機３１には図示しない公知の発電機が接続されている。発電機は膨張機３１の駆動力によって発電を行い、図示しないバッテリに電力を充電する。
凝縮器３２には、その内部に作動流体を流入させる流入口３２ａと、作動流体を流出させる流出口３２ｂとが形成されている。凝縮器３２は、その内部を流通する作動流体と車外の空気との間で熱交換を行い、膨張機３１での膨張によって減圧された作動流体を冷却して液化させる。凝縮器３２の近傍には電動ファン３２ｃが設けられている。この電動ファン３２ｃは制御装置１１に電気的に接続されている。
第１流量調整弁４３は、第２電動ポンプＰ２から吐出されて排気ボイラ３０に流入する作動流体の流量と、第２電動ポンプＰ２から吐出されて加圧空気ボイラ２７に流入する作動流体の流量とを調整する。この第１流量調整弁４３は制御装置１１に電気的に接続されている。
バイパス路４４は、その内部に作動流体を流通させることにより、作動流体に冷却液ボイラ２８を迂回させる。第２流量調整弁４５は、冷却液ボイラ２８に流入する作動流体の流量と、バイパス路４４に流入する作動流体の流量とを調整する。第２流量調整弁４４は制御装置１１に電気的に接続されている。
これらの加圧空気ボイラ２７、冷却液ボイラ２８、還流排気ボイラ２９及び排気ボイラ３０、膨張機３１、凝縮器３２、第１、２流量調整弁４３、４５及びバイパス路４４は、配管３３〜４２によって接続されている。具体的には、凝縮器３２の流出口３２ｂと第２電動ポンプＰ２とは、配管３３によって接続されている。第２電動ポンプＰ２と第１流量調整弁４３とは、配管３４によって接続されている。第１流量調整弁４３と加圧空気ボイラ２７の第２流入口２７ｃとは、配管３５によって接続されている。加圧空気ボイラ２７の第２流出口２７ｄと第２流量調整弁４５とは、配管３６によって接続されている。第２流量調整弁４５と冷却液ボイラ２８の第４流入口２８ｃとは、配管３７によって接続されている。冷却液ボイラ２８の第４流出口２８ｄと還流排気ボイラ２９の第６流入口２９ｃとは、配管３８によって接続されている。還流排気ボイラ２９の第６流出口２９ｄと、膨張機３１の流入口３１ａとは、配管３９によって接続されている。そして、膨張機３１の流出口３１ｂと凝縮器３２の流入口３２ａとは、配管４０によって接続されている。
また、配管４１の一端側は第１流量調整弁４３と接続されており、配管４１の他端側は排気ボイラ３０の第８流入口３０ｃと接続されている。配管４２の一端側は排気ボイラ３０の第８流出口３０ｄと接続されており、配管４２の他端側は上記の配管３９と接続されている。さらに、バイパス路４４の一端側は第２流量調整弁４５と接続されており、バイパス路４４の他端側は上記の配管３８と接続されている。
このランキンサイクル３では、第２電動ポンプＰ２を作動させることにより、作動流体は、図２及び図３に示すように、第２電動ポンプＰ２から加圧空気ボイラ２７、冷却液ボイラ２８又はバイパス路４４、還流排気ボイラ２９及び膨張機３１を経て凝縮器３２に至る順で配管３３〜４０内を循環する。さらに、作動流体は、第２電動ポンプＰ２から排気ボイラ３０を経て、配管３９に合流した後、膨張機３１を経て凝縮器３２に至る順で配管３３、３４、４１、４２、４０内を循環する。
このランキンサイクル３では、加圧空気ボイラ２７、冷却液ボイラ２８及び還流排気ボイラ２９のうち、ランキンサイクル３における作動流体の流通方向において、加圧空気ボイラ２７が作動流体の循環方向の最も上流側に位置する。そして、加圧空気ボイラ２７の下流に冷却液ボイラ２８が位置し、還流排気ボイラ２９が冷却液ボイラ２８の下流側に位置する。また、排気ボイラ３０と、加圧空気ボイラ２７、冷却液ボイラ２８及び還流排気ボイラ２９とが並列に配置されている。換言すれば、第３ボイラに相当する加圧空気ボイラ２７及び冷却液ボイラ２８が第２ボイラに相当する還流排気ボイラ２９よりも作動流体の循環方向の上流に位置しているとともに、第１ボイラに相当する排気ボイラ３０と、第３、２ボイラに相当する加圧空気ボイラ２７、冷却液ボイラ２８及び還流排気ボイラ２９とが並列に配置されている。また、排気ボイラ３０は、排気の流通方向において浄化装置１３１の下流側に配置されている。
図１に示すように、制御装置１１は、電動ファン９ｃ、３２ｃの作動制御を行うことで、冷却液又は作動流体が外気に放熱する熱量の調整を行う。また、制御装置１１は、可変バルブ２１の開閉制御と、第１、２電動ポンプＰ１、Ｐ２の作動制御とを行う。さらに、制御装置１１は、第１温度センサ１０が検出した還流排気の温度に基づいて、還流排気に対する冷却要求量を判断する。そして、制御装置１１は、この冷却要求量に基づき、第１、２流量調整弁４３、４５の作動制御を行う。つまり、制御装置１１は、第１調整弁制御手段及び第２調整弁制御手段として機能する。
このように構成された廃熱利用装置では、車両を駆動させることにより以下のように作動する。
車両が駆動されることにより、図２に示すように、駆動系１ではエンジン５が作動する。これにより、排気口５ｃから排出された排気が配管１２内を流通する。この際、制御装置１１は可変バルブ２１を開制御し、配管１２内を流通する排気の一部を配管１５内に流入させる（同図の一点鎖線矢印参照）。なお、制御装置１１は、可変バルブ２１の開度を適宜制御して、配管１５に流入する排気の流量を調整する。
配管１５に流入した排気、すなわち還流排気は、還流排気ボイラ２９の第５通路２９ｅ及び配管１６を経て配管１８に至り、配管１８内の加圧空気とともにエンジン５内へ吸入される。この際、第１温度センサ１０は配管１６を流通する還流排気の温度を検出し、その検出値を制御装置１１に向けて発信する。
一方、配管１５へ流入せずに配管１２を流通する排気がターボチャージャ７に至ることで、ターボチャージャ７が作動される。これにより、車外の空気が配管１９よりターボチャージャ７に吸引され、圧縮される。この空気は加圧空気として、配管１７、加圧空気ボイラ２７の第１通路２７ｅ及び配管１８を経てエンジン５の吸気口５ｄよりエンジン５内へ吸入される（同図の二点鎖線矢印参照）。
ターボチャージャ７から流出した排気は配管１３に至る。この配管１３を流通する排気は浄化装置１３１において窒素酸化物や煤等が除去された後、第７流入口３０ａから第７流路３０ｅ内、すなわち、排気ボイラ３０内に至る。そして、第７流路３０ｅ内を流通し、第７流出口３０ｂから流出した排気は、配管１４を経て車外に排出される（同一点鎖線矢印参照）。
また、制御装置１１は、第１、２電動ポンプＰ１、Ｐ２及び電動ファン９ｃ、３２ｃをそれぞれ作動させる。これにより、駆動系１では、エンジン５の冷却を行った冷却液が流出口５ａより流出して、配管２３、冷却液ボイラ２８の第３通路２８ｅ及び配管２４を経てラジエータ９の流入口９ａよりラジエータ９の内部に至る。そして、ラジエータ９の内部の冷却液は、ラジエータ９の周りの空気と熱交換、すなわち、放熱されて冷却される。この際、制御装置１１は電動ファン９ｃの作動量を適宜変更して、冷却液を好適に放熱させる。放熱されて冷却された冷却液は流出口９ｂから流出し、配管２５を経てエンジン５の流入口５ｂからエンジン５内に流入してエンジン５の冷却を行う（同図の破線矢印参照）。
さらに、上記の第１温度センサ１０から発信された検出値に基づき、制御装置１１が還流排気に対する冷却要求量を判断する。ここで、第１温度センサ１０から発信された検出値が小さい場合には、還流排気ボイラ２９における熱交換において還流排気が十分に冷却されているといえる。このため、制御装置１１は、還流排気に対する冷却要求量が閾値よりも小さい、すなわち、還流排気に対する冷却要求量が小さいと判断し、それに応じた第１、２流量調整弁４３、４５の制御を行う。具体的には、第２電動ポンプＰ２から吐出され、配管３４を流通する作動流体について、配管３５側へ流通する流量と、配管４１側へ流通する流量とが等しくなるように、制御装置１１は第１流量調整弁４３を制御する。また、配管３６を流通する作動流体を全て配管３７側へ流通させ、バイパス路４４側へ流通する作動流体の流量が減少又は流量がゼロとなるように、制御装置１１は第２流量調整弁４５を制御する（図２では、バイパス路４４側へ流通する作動流体の流量がゼロの場合を示している。）。
これにより、ランキンサイクル３では、同図の実線矢印に示すように、第２電動ポンプＰ２によって吐出された作動流体が配管３５を経て加圧空気ボイラ２７の第２流入口２７ｃから第２通路２７ｆに至るとともに、第２電動ポンプＰ２によって吐出された作動流体が配管４１を経て排気ボイラ３０の第８流入口３０ｃから第８通路３０ｆに至ることとなる。
加圧空気ボイラ２７において、第１通路２７ｅを流通する加圧空気と第２通路２７ｆを流通する作動流体との熱交換が行われる。この際、第１通路２７ｅを流通する加圧空気はターボチャージャ７によって圧縮されることにより約１５０°Ｃ程度の熱を有しているため、第２通路２７ｆを流通する作動流体は好適に加熱される。一方、第１通路２７ｅを流通する加圧空気は、第２通路２７ｆを流通する作動流体に対して放熱を行うため、一定程度冷却された状態でエンジン５に至ることとなる。
加圧空気ボイラ２７において加熱された作動流体は第２流出口２７ｄから流出し、配管３６及び配管３７を経て冷却液ボイラ２８の第４流入口２８ｃから第４通路２８ｆに至る。そして、作動流体は冷却液ボイラ２８において冷却液と熱交換される。この際、第３通路２８ｅを流通する冷却液はエンジン５の廃熱によって約８０〜９０°Ｃ程度の熱を有している。また、第４通路２８ｆを流通する作動流体は、加圧空気ボイラ２７において既に加熱された状態にあるため、冷却液ボイラ２８において、より加熱され、一定程度の温度を有することとなる。一方、第３通路２８ｅを流通する冷却液は、第４通路２８ｆを流通する作動流体に対して放熱を行うため、一定程度冷却された状態でラジエータ９に至ることとなる。
冷却液ボイラ２８において加熱された作動流体は第４流出口２８ｄから流出し、配管３８を経て還流排気ボイラ２９の第６流入口２９ｃから第６通路２９ｆに至る。そして、作動流体は還流排気ボイラ２９において還流排気と熱交換される。この際、第５通路２９ｅを流通する還流排気はエンジン５の作動状況により、約５００°Ｃ程度の熱を有することとなる。このため、加圧空気ボイラ２７及び冷却液ボイラ２８において加熱されている作動流体は、還流排気ボイラ２９において十分に加熱されることとなる。この作動流体は、高温高圧の状態で第６流出口２９ｄから流出し、配管３９を経て膨張機３１の流入口３１ａから膨張機３１内へ至ることとなる。また、第５通路２９ｅを流通する還流排気は、第６通路２９ｆを流通する作動流体に対して放熱を行うため、一定程度冷却された状態で加圧空気とともにエンジン５に還流することとなる。
一方、排気ボイラ３０の第８通路３０ｆを流通する作動流体は、第７通路３０ｅを流通する排気と熱交換される。この際、第７通路３０ｅを流通する排気は、上記の還流排気と同様、約５００°Ｃ程度の熱を有しているため、第８通路３０ｆを流通する作動流体も十分に加熱されることとなる。そして、この作動流体は、高温高圧の状態で第８流出口３０ｄから流出し、還流排気ボイラ２９等で加熱された作動流体と配管３９において合流する。
配管３９を流通する作動流体は、膨張機３１の流入口３１ａから膨張機３１内へ至る。そして、高温高圧の作動流体は膨張機３１内で膨張し、減圧される。この際の圧力エネルギーにより、膨張機３１に接続された発電機は発電を行う。
膨張機３１内で減圧された作動流体は流出口３１ｂから流出し、配管４０を経て凝縮器３２の流入口３２ａから凝縮器３２内へ至る。凝縮器３２の作動流体は、凝縮器３２の周りの空気に放熱を行い、冷却される。この際、制御装置１１は電動ファン３２ｃの作動量を適宜変更して、作動流体を好適に放熱させて液化させる。冷却された作動流体は流出口３２ｂから流出し、配管３５を経て再び第２電動ポンプＰ２によって吐出されることとなる。
一方、上記の第１温度センサ１０から発信された検出値が大きい場合には、還流排気ボイラ２９での還流排気の冷却が足りていないこととなる。このため、制御装置１１は還流排気に対する冷却要求量が閾値よりも大きい、すなわち、還流排気に対する冷却要求量が大きいと判断する。これにより、制御装置１１は、それに応じた第１、２流量調整弁４３、４５の制御を行う。具体的には、第２電動ポンプＰ２から吐出され、配管３４を流通する作動流体について、配管４１側へ流通する流量よりも配管３５側へ流通する流量が多くなるように、制御装置１１は第１流量調整弁４３を制御する。また、冷却液ボイラ２８に流入する作動流体の流量よりもバイパス路４４を流通する作動流体の流量が多くなるように、制御装置１１は第２流量調整弁４５を制御する。
これにより、図３の実線矢印に示すように、加圧空気ボイラ２７を経た作動流体の一部がバイパス路４４に流入する。そして、このバイパス路４４内の作動流体は、冷却液ボイラ２８を迂回しつつ、配管３８に合流して還流排気ボイラ２９の第６通路２９ｆに至る。
ここで、バイパス路４４を流通した作動流体は、冷却液ボイラ２８における熱交換が行われていないため、上記の図２に示す状態よりも低温の状態で還流排気ボイラ２９に流入することとなる。この結果、第５通路２９ｃ内の還流排気は、冷却要求が満される程度まで十分に冷却されることとなる。
還流排気ボイラ２９等や排気ボイラ３０において加熱された作動流体は、図２に示す場合と同様、膨張機３１によって膨張及び減圧された後、凝縮器３２によって放熱されることとなる。
このように、この廃熱利用装置におけるランキンサイクル３では、加圧空気ボイラ２７、冷却液ボイラ２８、還流排気ボイラ２９及び排気ボイラ３０で作動流体を好適に加熱することが可能であり、作動流体の圧力エネルギーを大きくすることが可能となっている。このため、この廃熱利用装置では、ランキンサイクル３で回収可能な電力の量を大きくすることが可能となっている。
また、この廃熱利用装置では、還流排気ボイラ２９における熱交換によって還流排気を冷却することが可能である。このため、この廃熱利用装置では、還流排気の密度を増大させつつ、エンジン５に還流させることが可能となっている。
特に、この廃熱利用装置では、加圧空気ボイラ２７及び冷却液ボイラ２８が還流排気ボイラ２９よりも作動流体の循環方向の上流に位置している。加えて、この廃熱利用装置では、配管３３〜４２によって、排気ボイラ３０と、加圧空気ボイラ２７、冷却液ボイラ２８及び還流排気ボイラ２９とが並列に配置されている。このため、この廃熱利用装置では、還流排気ボイラ２９よりも作動流体の循環方向の上流において、排気ボイラ３０が配置されることがない。つまり、還流排気ボイラ２９に対しては、加圧空気ボイラ２７及び冷却液ボイラ２８によって一定程度まで好適に加熱された作動流体が流入し、排気ボイラ３０によって加熱された作動流体は還流排気ボイラ２９に流入することがない。このため、この廃熱利用装置では、還流排気ボイラ２９における還流排気の冷却能力を高くしつつも還流排気ボイラ２９において還流排気が必要以上に冷却される事態が生じ難くなっており、凝縮水が生じ難くなっている。
また、この廃熱利用装置では、還流排気ボイラ２９よりも作動流体の循環方向の下流に排気ボイラ３０が配置されることもないことから、排気ボイラ３０における熱交換を見越した上で、還流排気ボイラ２９において、還流排気の冷却と作動流体の加熱とを行う必要がない。
さらに、この廃熱利用装置では、第１温度センサ１０が検出した還流排気の温度に基づき、制御装置１１が還流排気に対する冷却要求量を判断し、制御装置１１は、第１、２流量調整弁４３、４５の制御を行ない、還流排気ボイラ２９に流入する作動流体の流量と温度とを調整する。この際、第１温度センサ１０により、制御装置１１は還流排気に対する冷却要求量を正確に判断することが可能となっている。
これらのため、この廃熱利用装置では、冷却要求量に応じて好適に冷却された還流排気がエンジン５に還流されることによって、配管１４を経て大気中に放出された際の排気中における窒素酸化物の含有量を低減させることが可能となっている。
また、この廃熱量装置では、加圧空気ボイラ２７における熱交換で加圧空気を冷却可能となっており、冷却液ボイラ２８における熱交換で冷却液を冷却することが可能となっている。これにより、加圧空気の密度を小さくさせつつエンジン５に吸気させることが可能であるとともに、ラジエータ９に流入する前に冷却液ボイラ２８によって冷却液を一定程度冷却しておくことが可能となっている。ここで、このランキンサイクル３では、加圧空気ボイラ２７、冷却液ボイラ２８、還流排気ボイラ２９のうち、加圧空気ボイラ２７が作動流体の循環方向の最も上流側に位置している。このため、この廃熱利用装置では、加圧空気ボイラ２７に流入する作動流体の温度が低い状態となっている。これにより、この廃熱利用装置では、加圧空気を好適に冷却することが可能となり、加圧空気の密度を十分に大きくさせた状態でエンジン５に供給することが可能となっている。
さらに、この廃熱利用装置では、浄化装置１３１によって、排気中から窒素酸化物や煤等を除去することが可能となっている。また、排気ボイラ３０が浄化装置１３１の下流に配置されるため、仮に排気ボイラ３０において凝縮水が発生したとしても、この凝縮水が浄化装置１３１に流入することがない。このため、この廃熱利用装置では、浄化装置１３１の劣化を好適に抑制可能となっている。なお、排気ボイラ３０内に凝縮水が発生した場合であっても、排気ボイラ３０の適宜箇所に排出口を設けておけば、凝縮水を排出することが可能である。この際、浄化装置１３１を経ていることから、凝縮水を排出することによる大気汚染を好適に抑制できる。また、浄化装置１３１に加えて、配管１３に消音装置を設けておけば、凝縮水を排出する際の騒音等の発生も好適に抑制することが可能である。
したがって、実施例の廃熱利用装置は、ランキンサイクル３における電力の回収量の向上を図りつつ、エンジン５の性能向上を実現し、かつ耐久性に優れている。
さらに、この廃熱利用装置では、加圧空気ボイラ２７、冷却液ボイラ２８、還流排気ボイラ２９及び排気ボイラ３０による熱交換により、作動流体について、飽和蒸気となる温度を超えた過熱蒸気温度（スーパーヒート）程度まで十分に加熱することが可能となっている。これにより、この廃熱利用装置におけるランキンサイクル３では、膨張機３１内で膨張及び減圧された作動流体が液化し難くなり、電力の回収効率が高くなっている。また、この廃熱利用装置では膨張機３１の損傷も生じ難くなっている。
以上において、本発明を実施例に即して説明したが、本発明は上記実施例に制限されるものではなく、その趣旨を逸脱しない範囲で適宜変更して適用できることはいうまでもない。
例えば、実施例の廃熱利用装置において、還流排気ボイラ２９における作動流体の上流側には、加圧空気ボイラ２７又は冷却液ボイラ２８の一方のみが配置されていても良い。また、還流排気ボイラ２９における作動流体の上流側には加圧空気ボイラ２７又は冷却液ボイラ２８の一方が配置され、もう一方は第２電動ポンプＰ２の出口側（配管３４）に配置されても良い。
さらに、実施例の廃熱利用装置では、加圧空気ボイラ２７と冷却液ボイラ２８とが直列に配置されているが、これらを並列に配置しても良い。
また、還流排気ボイラ２９における作動流体の上流側には、加圧空気ボイラ２７や冷却液ボイラ２８とは異なるボイラを配置しても良い。この場合、例えば、エンジン５等で加熱された潤滑油を熱源として作動流体と熱交換を行うオイルボイラ等を採用することが可能である。また、膨張機３１の下流、すなわち、配管４０を流通する高温の作動流体を熱源とするボイラを採用しても良い。
さらに、第２電動ポンプＰ２について、吐出容量を変更可能に構成しても良い。この場合、制御装置１１は、還流排気に対する冷却要求が小さいと判断した場合には、吐出容量が小さくなるように第２電動ポンプＰ２を制御する。一方で、還流排気に対する冷却要求が大きいと判断した場合には、吐出容量が大きくなるように第２電動ポンプＰ２を制御することができる。
また、第１、２流量調整弁４３、４５について、三方弁等を採用し、流路の切り替えによって、一方にのみ作動流体を全て流通させ、他方を流通する作動流体をゼロとする流量調整を行っても良い。また、第１２流量調整弁４３又は第２流量調整弁４５の一方のみを三方弁としても良い。
さらに、温度センサ１０を配管１５に設け、制御装置１１は、還流排気ボイラ２９に流入する前の還流排気の温度を基に還流排気に対する冷却要求量を判断しても良い。また、温度センサ１０を配管３８に設け、制御装置１１は、還流排気ボイラ２９に流入する前の作動流体の温度を基に還流排気に対する冷却要求量を判断しても良い。また、温度センサ１０を配管３３に設け、制御装置１１は、第２電動ポンプＰ２に流入する前の還流排気の温度を基に還流排気に対する冷却要求量を判断しても良い。また、温度センサ１０に替えて、圧力センサ等の圧力検出手段を配管３３に設け、制御装置１１は、膨張機３１の下流から第２電動ポンプＰ２の上流までの作動流体の圧力（凝縮圧力）を基に還流排気に対する冷却要求量を判断しても良い。同様に、温度センサ１０を設けず、制御装置１１について、エンジン５に対する出力要求を検出可能に構成することで、制御装置１１は、エンジン５に対する出力要求を基に還流排気に対する冷却要求量を判断しても良い。また、これらの還流排気の温度、作動流体の温度、作動流体の圧力及びエンジン５に対する出力要求等を組み合わせることで、制御装置１１は還流排気に対する冷却要求量を判断しても良い。
また、実施例の廃熱利用装置において、配管３３には、公知のレシーバを設けても良い。この場合、レシーバにより作動流体が好適に液化されるため、凝縮器３２を経た作動流体は、第２電動ポンプＰ２によって好適に吐出されて、配管３３〜４２やバイパス路４４を好適に循環することとなる。
本発明は車両等に利用可能である。
１…駆動系
３…ランキンサイクル
５…エンジン（内燃機関）
１１…制御装置（第１流量調整手段、第２流量調整手段）
１２〜１４…配管（排気路）
１５、１６…配管（排気還流路）
２７…加圧空気ボイラ（第３ボイラ）
２８…冷却液ボイラ（第３ボイラ）
２９…還流排気ボイラ（第２ボイラ）
３０…排気ボイラ（第１ボイラ）
３１…膨張機
３２…凝縮器
３３〜４２…配管
４３…第１流量調整弁
４４…バイパス路
４５…第２流量調整弁
Ｐ２…第２電動ポンプ（ポンプ）

Claims (4)

  1. 内燃機関と、該内燃機関で生じた排気が流通する排気路と、該排気路を流通する該排気の一部を還流排気として該内燃機関に還流させる排気還流路とを有する駆動系に用いられ、作動流体を循環させるランキンサイクルを備え、
    該ランキンサイクルは、ポンプと、ボイラと、膨張機と、凝縮器と、配管とを有する廃熱利用装置において、
    前記ボイラは、前記排気路を流通する前記排気を熱源として前記作動流体と熱交換を行う第１ボイラと、前記還流排気を熱源として該作動流体と熱交換を行う第２ボイラと、該還流排気よりも低温の熱源によって該作動流体と熱交換を行う第３ボイラとを有し、
    該第３ボイラは、該第２ボイラよりも該作動流体の循環方向の上流側に位置し、
    前記配管は、前記ポンプから該第３ボイラ、該第２ボイラ及び前記膨張機を経て前記凝縮器に該作動流体を循環させるとともに、該ポンプから該第１ボイラ及び該膨張機を経て該凝縮器に該作動流体を循環させることを特徴とする廃熱利用装置。
  2. 前記ポンプの下流に設けられ、該ポンプから前記第１ボイラに流入する前記作動流体の流量と、該ポンプから前記第３ボイラに流入する該作動流体の流量とを調整可能な第１流量調整弁と、
    該第１流量調整弁を制御する第１調整弁制御手段とを有している請求項１記載の廃熱利用装置。
  3. 前記第１流量調整弁の下流で前記配管から分岐し、前記第３ボイラを迂回して前記第２ボイラの上流で該配管に合流するバイパス路と、
    該第３ボイラに流入する前記作動流体の流量と該バイパス路に流入する該作動流体の流量とを調整可能な第２流量調整弁と、
    該第２流量調整弁を制御する第２調整弁制御手段とを有している請求項２記載の廃熱利用装置。
  4. 前記排気路には、該排気路を流通する前記排気の浄化を行う浄化装置が設けられ、
    前記第１ボイラは、該浄化装置の下流に配置されている請求項１乃至３のいずれか１項記載の廃熱利用装置。
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