JP2013545930A - 廃熱回収装置、作動方法 - Google Patents

Abstract

本発明は、自動車の内燃機関（２）用の廃熱回収装置（１）に関し、この廃熱回収装置は、作業媒体（４）が循環している廃熱回収回路（３）と、この廃熱回収回路（３）内に配置されている、高圧に対して作業媒体（４）を送るためのフィード装置（５）と、廃熱回収回路（３）内でフィード装置（５）の下流に配置されている、内燃機関（２）の廃熱を利用して作業媒体（４）を気化するためのエバポレータ（６）と、廃熱回収回路（３）内でエバポレータ（６）の下流に配置されている、作業媒体（４）を低圧にまで膨張するための膨張機関（７）と、及び廃熱回収回路（３）内で膨張機関（７）の下流に配置されている、作業媒体（４）を凝結するためのコンデンサ（８）と、を備えている。廃熱回収回路（３）内に、あらかじめ規定された、及び／又は設定可能な最低圧力を調整及び／又は確保するためのアキュムレータ（１６）が接続されている場合は、廃熱回収装置（１）の静止状態を有利に制御することができる。
【選択図】図１

Description

本発明は自動車の内燃機関の廃熱回収装置に関し、特に請求項１の前段部分の特徴に基づく自動車の内燃機関の廃熱回収装置に関する。更に、本発明はその作動方法にも関する。

特許文献１から、ランキン・サイクル又はクラウジウス・ランキン・サイクルに従って作動する廃熱回収装置が知られている。この種の廃熱回収装置は、作業媒体が循環している廃熱回収回路、この廃熱回収回路内に配置されている、高圧に対して作業媒体を送るためのフィード装置、廃熱回収回路内でフィード装置の下流に配置されている、内燃機関の廃熱を利用して作業媒体を気化するためのエバポレータ、廃熱回収回路内でエバポレータの下流に配置されている、作業媒体を低圧にまで膨張するための膨張機関、及び廃熱回収回路内で膨張機関の下流に配置されている、作業媒体を凝結するためのコンデンサを備える。

周知の廃熱回収装置の場合、エバポレータは熱伝導するように内燃機関の冷媒回路に連結され、内燃機関から熱エネルギーを奪っている。その他に、周知の廃熱回収装置の場合、コンデンサが、内燃機関を装備している車両のエアコンの冷却回路と熱伝導するように連結され、廃熱回収回路から熱エネルギーを排出している。さらに、周知の廃熱回収装置では、エアコンの冷媒回路と廃熱回収回路との間には流体的連結が設けられている。

特許文献２から、ランキン・サイクルに基づく加熱又は冷却装置が知られており、この装置は流動冷媒のメインフロー回路を有し、このメインフロー回路内には、熱源と協働する流動冷媒用コンプレッサとしての熱交換器、流動冷媒用コンデンサとしての熱交換器、減圧弁、好ましくは冷却されるエアフローと協働するエバポレータとしての熱交換器、及びコンプレッサに流動冷媒を供給するフィードバックポンプが順番に並び、その際、コンプレッサは流動冷媒と熱源との間で熱交換をするための少なくとも２つの熱交換器から形成され、コンデンサには両方の熱交換器から交互に供給され、同時に、その時コンデンサに供給を行っていない方の熱交換器にポンプから供給するために切替え装置が設けられ、この切替え装置は交互に切り替わる熱交換器の機能に対応した切替え順序を備えている。この場合、フィードバックポンプは、この時接続されている熱交換器に、好ましくは気体の凝集状態にある流動冷媒を供給する。この周知の加熱及び冷却装置では、特に切替え装置が設けられ、熱源がちょうど流動冷媒を充填されている方の熱交換器又は複数の熱交換器とのみ協働することを確実にしている。周知の加熱又は冷却装置の機能の均一性を向上させるため、コンデンサの直後にリザーブボトルが設けられており、このリザーブボトルにより、メインフロー回路の供給、すなわち減圧弁及びこの後に接続されているエバポレータの供給は、切替えプロセスの過程で一時的に熱交換器がカットオフされている数秒間の時間インターバルにおいても続行される。

ランキン・サイクル又はクラウジウス・ランキン・サイクルに従って作動する廃熱回収装置は、作業媒体が比較的高温で、例えば最低２００℃で作動するように設計されている。内燃機関がオフになると作業媒体の冷却が生じ、これにより顕著な圧力低下が生じる。例えば、廃熱回収装置の範囲内でほとんど外気温度に近い静止状態においては、例えば７０％のＨ_２Ｏと３０％のエタノールとの混合によって形成される作業媒体内に静圧が生じ、この静圧は例えば約３０ｍｂａｒ（絶対圧）であり得る。このような低い圧力を常に密閉可能にするには、かなりの労力が必要である。この労力を回避すると、静止状態において廃熱回収回路内への外気の拡散が生じる。一方、廃熱回収回路内の作業媒体の量を増加させると、暖機運転では圧力が大きく上昇し、この圧力を制御するには同様に比較的多くの労力が必要となる。

特開２００６−３４９２１１号公報 独国特許出願公開第２８１８００３Ａ１号明細書

本発明は、冒頭に述べた種類の廃熱回収装置又はその作動方法について、とりわけ、静止状態又は暖機運転状態での気密性のコストが軽減されることを特徴とする、改善された実施形態を示すという課題に取り組んでいる。この課題は、本発明に基づき、独立請求項の対象によって解決される。有利な実施形態は、従属請求項の対象である。

本発明は、好ましくは閉じられた廃熱回収回路の中を循環可能な作業媒体の質量又は容量を静止状態で上昇させるという基本的な考え方に基づいている。このことから、作業媒体が外気温度まで冷却している際の作業媒体内の圧力低下は、作業媒体内の容量又は質量が一定した場合ほどの低下にならないようにすることができる。従って、本発明に基づく提案により、廃熱回収装置が作動停止している場合に、作業媒体内で、静圧より高い最低圧力を調整又は確保することが可能となり、この静圧は、作業媒体が冷却される際に、暖機運転中に廃熱回収回路内を循環できる作業媒体の質量又は容量が一定に保たれるなら生じるはずの静圧である。

技術的には、作業媒体内のこのような最低圧力は、廃熱回収回路に配置又は連結されているアキュムレータを用いて調整又は確保することができる。

廃熱回収回路の静止状態又は低温状態で調整又は確保しなければならない作業媒体内の最低圧力は、あらかじめ規定又は設定することができ、特にその都度の外気温度に応じて選択することができる。

この種のアキュムレータは、例えば、廃熱回収回路のコンデンサとフィード装置との間、すなわちノーマルモードにおいて通常は作業媒体が液化している廃熱回収回路部分に配置することができる。従って、このアキュムレータは液体貯蔵器として形成することができるため、小さな容量で比較的大きな質量を貯蔵することができる。

このアキュムレータは、例えばスプリングアキュムレータとして形成することができ、この場合、貯蔵容積は弾性力によって最低圧力まで付勢されている。従って、このアキュムレータは、好ましくはパッシブなアキュムレータとして、特に簡単かつ低価格で実現することができる。基本的に、この種のスプリングアキュムレータの場合、弾性力を設定可能に形成することができるため、スプリングアキュムレータをアクティブなスプリングアキュムレータとしても実現することができる。というのも、弾性力が設定可能であることにより、最低圧力も変更又は調整できるからである。

一般的に、最低圧力を変更するアクチュエータを有しているアキュムレータは、アクティブなアキュムレータとして形成することが可能である。この種のアクティブなアキュムレータ、特にアクティブなスプリングアキュムレータは、状況に応じて最低圧力を適合させることができる。例えば、環境パラメータ、例えば外気温度及び／又は外気圧力などに応じて最低圧力を選択することが可能である。

アクティブなアキュムレータの場合、廃熱回収装置には適切に制御装置が装備されており、この制御装置は、廃熱回収回路及び／又は内燃機関の現在の作動状態に応じて最低圧力を調整するアクチュエータの操作に用いられる。これにより、廃熱回収装置が冷却している場合にも常に望ましい最低圧力を確保することが可能であるばかりでなく、暖機運転中でも最低圧力又はシステム圧の適合を実施することができるため、過渡的作動状態などで発生する可能性のある、例えば液相と気相との間の質量移動を調整することが可能となる。

廃熱回収装置が外気温度まで冷却された低温状態において、作業媒体内で少なくとも５００ｍｂａｒ、好ましくは少なくとも６００ｍｂａｒの最低圧力が調整又は確保されるような実施形態は特に有利である。１ｂａｒの外気圧力に比べこのように小さな低圧は比較的容易に制御することができるため、廃熱回収装置を実現するための設備コストが低減される。

もう１つの有利な実施形態では、廃熱回収装置の暖機運転の際、廃熱回収装置が過渡的作動状態にある場合に、アクティブなアキュムレータによって高圧が調整及び／又は制御できるように設けられている。廃熱回収装置の過渡的作動状態は、使用する熱源の熱排出量の変化によって発生する可能性がある。この熱源は、通常、内燃機関によって形成される。この場合、特に、内燃機関の排気ガスシステムが熱源として好ましい。なぜなら、ここでは他の用途に使用できる廃熱が比較的多いからである。負荷及び／又は回転数に応じて内燃機関がその作動状態を変更すると、排気ガス内の温度、圧力及び流量、すなわち排気ガスで運ばれる熱もまもなく変化する。エバポレータ内で作業媒体に伝達可能な熱が変化すると、エバポレータの気化性能も変化し、このことが廃熱回収回路の内部で液相と気相間における作業媒体の質量移動を引き起こし、最終的に廃熱回収回路内の高圧に影響を与える。通常、廃熱回収装置は、特定の定格作動状態に対し、最適な高圧を比較的狭い圧力範囲に設定して設計されているため、望ましい高圧範囲から外れた、大きく変化する高圧は廃熱回収装置の効率を低下させる。本発明に基づく廃熱回収装置では、高圧を制御又は調整するためにアキュムレータが使用されており、この種の過渡的な作動状態において、廃熱回収回路の高圧を規定された高圧範囲内に留まらせることが比較的容易であるため、廃熱回収装置はその最適な定格モードの範囲内で作動し、従って最適な効率で作動する。

もう１つの有利な実施形態では、アキュムレータを、例えばバルブ装置によって作動及び作動解除することができる。アキュムレータは、作動状態において、流体的に廃熱回収回路に連結されているため、作業媒体はアキュムレータから廃熱回収回路内に流れ、戻ってくることができる。作動解除された状態では、アキュムレータが廃熱回収回路から流体的に連結を解除されているため、アキュムレータと廃熱回収回路との間で作業媒体の交換はできない。アキュムレータの作動及び作動解除ができることにより、廃熱回収装置は暖機運転においてその設計に従って最適に作動することができ、その際、アキュムレータ内に貯蔵されている追加の作業媒体を考慮する必要はない。これにより、取扱い又は設計が特に簡単になる。

本発明のその他の重要な特徴及び利点は、従属請求項、図、及びそれらの図に基づく関連する説明に示されている。

前述した特徴及び以下に説明する特徴は、それぞれに示された特徴の組合せだけではなく、本発明の範囲から逸脱することなく、その他の組合せ又は単独でも適用可能であることは自明である。

本発明の有利な実施形態がそれらの図の中に簡単に示されており、以下の説明においてその実施形態を詳細に述べる。この場合、同一又は同様の構成部品又は機能の同じ構成部品には同一の記号が付されている。

大幅に簡略化した、配線図の形で示されている廃熱回収装置の概略図である。 大幅に簡略化したアキュムレータの実施形態における概略断面図である。 大幅に簡略化したアキュムレータの実施形態における概略断面図である。 大幅に簡略化したアキュムレータの実施形態における概略断面図である。

図１に従って、内燃機関２と一緒に車両内に配置することのできる廃熱回収装置１は、作業媒体４が循環する廃熱回収回路３を備えている。この廃熱回収回路３は、好ましくは閉じられた回路として形成されている。廃熱回収装置１はその他に、フィード装置５、エバポレータ６、膨張機関７、及びコンデンサ８を備えている。

フィード装置５は廃熱回収回路３内に配置されており、高圧に対して作業媒体４を送るために用いられる。有利には、このフィード装置は容積ポンプとして形成され、このために駆動モータ９に連結されている。エバポレータ６は、廃熱回収回路３内でフィード装置５の下流に配置されており、作業媒体４を気化するために用いられ、そのためにこのエバポレータ６は内燃機関の廃熱を利用する。この例では、エバポレータ６が内燃機関２の排気ガスシステム１０に熱伝導するように連結されている。該当する熱流は、矢印１１によって示されている。内燃機関２は、さらに、フレッシュエアシステム１２も有している。

例えばタービンの形態による膨張機関７は、廃熱回収回路３内でエバポレータ６の下流に配置されており、作業媒体４を低圧にまで膨張させるために用いられる。同時に、この膨張機関７を使って作業媒体からエネルギーを取り出し、特に機械的仕事の形で、例えばシャフト１３を駆動するためなどに用いることができる。このシャフト１３を介して、作業媒体４から取り出されたエネルギー又は仕事は、内燃機関２又はこれを装備している車両のジェネレータ１４及び／又は任意のその他の機械又はコンポーネントを駆動するために使用することができる。内燃機関２の駆動力を支援するため、駆動力もこのシャフト１３によって内燃機関２の駆動系（図示せず）に伝達することができる。

コンデンサ８は廃熱回収回路３内で膨張機関７の下流に配置されており、作業媒体４の凝結に用いられる。このために矢印１５に従って作業媒体４から熱が奪われる。

従って、この廃熱回収回路３はランキン・サイクル又はクラウジウス・ランキン・サイクルとして形成されている。

本発明に基づく廃熱回収装置１には、更にアキュムレータ１６が備えられており、これは廃熱回収回路３の中に配置され、このアキュムレータを用いて、作業媒体４内で、あらかじめ規定された、及び／又は設定可能な最低圧力を調整及び／又は確保することが可能である。このアキュムレータ１６は、廃熱回収回路３のコンデンサ８とフィード装置５との間に配置又は接続されているのが好ましい。このために、例えば接続ライン１７を設けることができ、この接続ラインはアキュムレータ１６と廃熱回収回路３とを流体的に連結している。接続ライン１７が廃熱回収回路４に接続されている接続箇所１８は、この例ではコンデンサ８の下流及びフィード装置５の上流にある。

接続ライン１７にはバルブ装置１９を配置することができ、このバルブ装置によって接続ライン１７を開閉することができる。このバルブ装置１９は、接続ライン１７を開閉するために、制御装置２０を使って操作することができる。アキュムレータ１６が、作業媒体４の最低圧力を変更できるアクティブなアキュムレータ１６として形成されている場合、このアキュムレータも同様に制御装置２０によって操作することができる。バルブ装置１９を操作するため、もしくはアクティブなアキュムレータ１６を操作するための該当する操作ライン又は制御ラインは、この場合２１で示されている。

この例では、さらに廃熱回収装置１に少なくとも１つの圧力センサ２２が備えられており、この圧力センサは該当する信号ケーブル２３を介して同様に制御装置２０に連結されており、制御装置２０に測定された作業媒体４内の圧力を伝達している。この例では、この種の２つの圧力センサ２２が記載されているか、もしくはこの種の圧力センサ２２を取り付ける２つの可能な取り付け位置が示されている。一方の圧力センサ２２は、この場合、廃熱回収回路３のフィード装置５とエバポレータ６との間にある。もう一方の圧力センサ２２は、廃熱回収回路３のエバポレータ６と膨張機関７との間にある。従って、一方の圧力センサ２２は液体の作業媒体の高圧を測定し、他方の圧力センサ２２は気体の作業媒体の高圧を測定する。

図２に従って、アキュムレータ１６はスプリングアキュムレータとして形成することができる。この種のスプリングアキュムレータ１６の場合、貯蔵容積２４には、矢印によって示されている弾性力２５によって、前述の最低圧力まで付勢されている。弾性力２５を発生させるため、アキュムレータ１６のハウジング２６の中には少なくとも１つのスプリング２７が設けられており、このスプリングは、一方ではハウジング２６の底面２８に支持され、他方ではパーティション２９に支持されている。このパーティション２９は、貯蔵容積２４を区切っている。例示されているように、パーティション２９はピストンとして形成することができる。同様に、このパーティション２９は調整可能なダイヤフラムであってもよく、ここに示されているスプリングアキュムレータ１６はダイヤフラムスプリングアキュムレータ１６として働く。この場合は、パッシブなアキュムレータ１６又はパッシブなスプリングアキュムレータ１６である。

図３はもう１つのスプリングアキュムレータ１６を示しているが、この場合は弾性力２５が調整可能であるため、これはアクティブなスプリングアキュムレータ１６である。例えば、このアクティブなスプリングアキュムレータ１６はアクチュエータ３０を有することができ、このアクチュエータにより支持部３１を両矢印３２に従って調整可能であるか、又はハウジング底面２８に対して位置決めすることができる。このアクティブなスプリングアキュムレータ１６の場合、少なくとも１つのスプリング２７がハウジング側の支持部３１に支持されている。支持部３１の位置がハウジング底面２８に対して変化することにより、それぞれのスプリング２７の付勢力２５を変更することができる。作業媒体４又は貯蔵容積２４の圧力は弾性力２５に左右されるため、アクチュエータ３０を操作することにより、作業媒体４の最低圧力を変化させることができる。

図４は、もう１つのアクティブなアキュムレータ１６を示しているが、これはスプリングアキュムレータとして形成されていない。この実施形態の場合、アキュムレータ１６は同様にアクチュエータ３０を含んでいるが、この場合、アクチュエータはハウジング底面２８に対してパーティション２９を調整するために用いられる。このことによって、同様に、貯蔵容積２４内に貯蔵されている作業媒体４の圧力を変更することができる。

この場合、アキュムレータ１６は、廃熱回収装置１が作動停止している場合に、作業媒体４内で静圧を上回る最低圧力が調整又は確保されるように設計されている。この静圧は、アキュムレータ１６がない場合又はアキュムレータ１６が作動解除され、作業媒体４の活性量が外気温度まで冷却される際に生じると考えられる。この場合、作業媒体４のこの活性量は、廃熱回収装置１がオンのとき暖機運転中に廃熱回収回路３を循環する質量である。この最低圧力は、外気温度まで冷却された廃熱回収装置１の低温状態又は静止状態において、例えば最低５００ｍｂａｒ、好ましくは６００ｍｂａｒであることができる。

アクティブなアキュムレータ１６が使用される場合、制御装置２０は、作業媒体４内が最低圧力になるように、それぞれのアキュムレータ１６を制御することができ、この最低圧力は、廃熱回収装置１又は内燃機関２の現在の作動状態に応じて異なっている。例えば、制御装置２０は、内燃機関２の負荷変更及び／又は回転数変更を、廃熱回収回路３の圧力へのそれらの影響に応じて、いわば予測的に考慮することができ、それに伴って生じる熱流１１の変化によって結果的に引き起こされる廃熱回収回路３の高圧での変化を緩和又は制限することができる。特に、廃熱回収装置１の暖機運転中の廃熱回収装置１の過渡的作動状態に対し、アクティブなアキュムレータ１６によって高圧を調整及び／又は制御することが可能であり、それによって、とりわけ熱入力１１の変動を補正することができる。

このような種類の補正プロセスのため、アキュムレータ１６を、バルブ装置１９の操作によって作動させることができる。廃熱回収装置１の内部で再び静的作動状態が発生すると、アキュムレータ１６はバルブ装置１９の操作によって再び作動解除され、例えば、廃熱回収回路３を循環する作業媒体４とアキュムレータ１６内に貯蔵されている作業媒体４との間の好ましくない相互作用を回避することができる。

Claims (10)

1. 自動車の内燃機関（２）用の廃熱回収装置であって、
   作業媒体（４）が循環する廃熱回収回路（３）と、
   前記廃熱回収回路（３）内に配置されている、高圧に対して前記作業媒体（４）を送るフィード装置（５）と、
   前記廃熱回収回路（３）内で前記フィード装置（５）の下流に配置されている、前記内燃機関（２）の廃熱を利用して前記作業媒体（４）を気化するためのエバポレータ（６）と、
   前記廃熱回収回路（３）内で前記エバポレータ（６）の下流に配置されている、前記作業媒体（４）を低圧にまで膨張させるための膨張機関（７）と、
   前記廃熱回収回路（３）内で前記膨張機関（７）の下流に配置されている、前記作業媒体（４）を凝結させるためのコンデンサ（８）と、を備え、
   前記廃熱回収回路（３）が、前記作業媒体（４）内で、あらかじめ規定された、及び／又は設定可能な最低圧力を調整及び／又は確保するためのアキュムレータ（１６）に接続されていることを特徴とする、廃熱回収装置。
2. 前記アキュムレータ（１６）が、前記廃熱回収回路（３）の中で前記コンデンサ（８）の下流及び前記フィード装置（５）の上流に、配置されているか又は前記廃熱回収回路（３）に接続されていることを特徴とする、請求項１に記載の廃熱回収装置。
3. 前記アキュムレータ（１６）がスプリングアキュムレータとして形成されており、貯蔵容積（２４）が特に設定可能なスプリング力（２５）によって前記最低圧力まで付勢されていることを特徴とする、請求項１又は２に記載の廃熱回収装置。
4. 前記アキュムレータ（１６）が、アクティブなアキュムレータとして形成され、前記最低圧力を変更するためのアクチュエータ（３０）を有し、
   特に、前記アクチュエータ（３０）を作動させるための制御装置（２０）が、前記廃熱回収装置（１）及び／又は前記内燃機関（２）の現在の作動状態に応じて前記最低圧力を調整するために設けられることができることを特徴とする、請求項１〜３のいずれか一項に記載の廃熱回収装置。
5. 自動車の内燃機関（２）用の廃熱回収装置（１）の作動方法であって、
   前記廃熱回収装置（１）が、
   作業媒体（４）が循環する廃熱回収回路（３）と、
   前記廃熱回収回路（３）内に配置されている、高圧に対して前記作業媒体（４）を送るフィード装置（５）と、
   前記廃熱回収回路（３）内で前記フィード装置（５）の下流に配置されている、前記内燃機関（２）の廃熱を利用して前記作業媒体（４）を気化するためのエバポレータ（６）と、
   前記廃熱回収回路（３）内で前記エバポレータ（６）の下流に配置されている、前記作業媒体（４）を低圧にまで膨張させるための膨張機関（７）と、
   前記廃熱回収回路（３）内で前記膨張機関（７）の下流に配置されている、前記作業媒体（４）を凝結させるためのコンデンサ（８）と、を備え、
   前記廃熱回収装置（１）が作動停止している場合に、静圧を上回る最低圧力が作業媒体（４）内で調整又は確保され、前記静圧は、前記廃熱回収装置（１）がオンの際に暖機運転中に循環する前記作業媒体（４）の活性量が外気温度まで冷却される際に生じることを特徴とする方法。
6. 前記廃熱回収装置（１）が外気温度まで冷却された低温状態において、少なくとも５００ｍｂａｒ、好ましくは少なくとも６００ｍｂａｒの最低圧力が前記作業媒体（４）内で調整又は確保されることを特徴とする、請求項５に記載の方法。
7. 前記最低圧力が、前記廃熱回収回路（３）に配置又は接続されているアキュムレータ（１６）によって調整及び／又は確保され、前記アキュムレータ（１６）は、特に、前記廃熱回収回路（３）の中で前記コンデンサ（８）の下流及び前記フィード装置（５）の上流に、配置するか又は前記廃熱回収回路（３）に接続することができることを特徴とする、請求項５又は６に記載の方法。
8. 前記アキュムレータ（１６）がスプリングアキュムレータとして形成されており、貯蔵容積（２４）が特に設定可能なスプリング力（２５）によって前記最低圧力まで付勢されていること、及び／又は、
   前記アキュムレータ（１６）が、アクティブなアキュムレータとして形成され、前記最低圧力を変更するためのアクチュエータを有していること、及び／又は、
   前記アクチュエータ（３０）を作動させるための制御装置（２０）が、前記廃熱回収装置（１）及び／又は前記内燃機関（２）の現在の作動状態に応じて前記最低圧力を調整するために設けられていること、
   を特徴とする、請求項７に記載の方法。
9. 前記廃熱回収装置（１）の暖機運転中、前記廃熱回収装置（１）の過渡的作動状態に対して、アクティブな前記アキュムレータ（１６）によって、高圧が調整及び／又は制御されることを特徴とする、請求項８に記載の方法。
10. 前記アキュムレータ（１６）が、特に、バルブ装置（１９）によって作動可能、すなわち流体的に前記廃熱回収回路（３）に連結可能であり、前記バルブ装置（１９）によって作動解除可能、すなわち流体的に前記廃熱回収回路（３）から連結解除可能であることを特徴とする、請求項７〜９のいずれか一項に記載の方法。

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