JP2016003638A - 廃熱回収装置 - Google Patents

Abstract

【課題】廃熱回収効率を向上できる廃熱回収装置を提供する。【解決手段】廃熱回収装置１は、冷却水Ｗが流通される冷却水流路１３及び排気ガスが流通される排気管１１を有するエンジン１０と、エンジン１０の冷却水Ｗの熱を入熱として動力を出力するランキンサイクル装置３０と、エンジン１０の排気ガスの熱を入熱として動力を出力するスターリングサイクル装置２０と、を備える。スターリングサイクル装置２０は、エンジン１０の冷却水Ｗが流通される冷却器２２を有し、当該冷却器２２によりスターリングサイクル装置２０の熱をエンジン１０の冷却水Ｗを介してランキンサイクル装置３０へ入熱させる。【選択図】図１

Description

本発明は、廃熱回収装置に関し、特に、ランキンサイクル装置とスターリングサイクル装置とを備える廃熱回収装置に関する。

従来、エンジンにランキンサイクル装置を組み合わせた廃熱回収装置に関する技術として、例えば特許文献１に記載された廃熱回収装置が知られている。特許文献１に記載された廃熱回収装置は、エンジンの廃熱により蒸気化される作動媒体が循環する流路と、排気通路内の排気ガスから流路内の作動媒体へ熱交換される加熱器と、加熱器で蒸気化した作動媒体からエネルギを回収する動力回収機と、加熱器の温度を計測する温度センサと、加熱器内へ液相の作動媒体を供給するポンプと、を備えている。この廃熱回収装置では、温度センサの検出値が目標温度より低い場合、加熱器内の作動媒体を空とし、温度センサの検出値が目標温度に達した場合、加熱器内の作動媒体を供給することにより、エンジンの冷間始動の際に、暖機を促進し、早期にエネルギ回収に有効な蒸気を発生させる。

特開２０１０−１２７１３８号公報

ここで、近年の廃熱回収装置としては、例えばエンジンにおける燃費低減の要求が高まる中、ランキンサイクル装置の入熱量を増加させ、廃熱回収効率を更に向上させ得るものが求められている。

本発明は、上記実情に鑑みてなされたものであり、廃熱回収効率を向上できる廃熱回収装置を提供することを課題とする。

本発明に係る廃熱回収装置は、冷媒が流通される冷媒流路及び排気ガスが流通される排気管を有するエンジンと、エンジンの冷媒の熱を入熱として動力を出力するランキンサイクル装置と、エンジンの排気ガスの熱を入熱として動力を出力するスターリングサイクル装置と、を備え、スターリングサイクル装置は、エンジンの冷媒が流通される冷却器を有し、当該冷却器によりスターリングサイクル装置の熱をエンジンの冷媒を介してランキンサイクル装置へ入熱させる。

この廃熱回収装置では、スターリングサイクル装置の冷却器により、スターリングサイクル装置の廃熱を、エンジンの冷媒を介してランキンサイクル装置への入熱として利用することができる。よって、ランキンサイクル装置の入熱量を増加させ、廃熱回収効率を向上することが可能となる。

上記作用効果を好適に奏する構成として、具体的には、ランキンサイクル装置は、冷却器を冷却したエンジンの冷媒が流通されて入熱される蒸発器を有し、スターリングサイクル装置は、エンジンの排気ガスが流通されて入熱される加熱器を有する構成が挙げられる。

また、エンジンの冷媒とエンジンの排気ガスとが流通される熱交換器を更に備え、当該熱交換器によりエンジンの排気ガスの熱をエンジンの冷媒を介してランキンサイクル装置へ入熱させてもよい。この場合、スターリングサイクル装置の廃熱に加えて、エンジンの排気ガスの廃熱をランキンサイクル装置への入熱として利用することができる。よって、ランキンサイクル装置の入熱量を更に増加させ、廃熱回収効率を一層向上することが可能となる。

本発明によれば、廃熱回収効率を向上できる廃熱回収装置を提供することができる。

第１の実施形態に係る廃熱回収装置を示す概略ブロック図である。 第２の実施形態に係る廃熱回収装置を示す概略ブロック図である。

以下、本発明の一側面に係る好適な実施形態について、図面を参照しつつ詳細に説明する。なお、以下の説明において、同一又は相当要素には同一符号を付し、重複する説明を省略する。

（第１の実施形態）
図１は、第１の実施形態に係る廃熱回収装置を示す概略ブロック図である。図１に示すように、第１の実施形態に係る廃熱回収装置１は、車両に搭載され、エンジン１０の冷却損失及び排気損失に係る廃熱を回収する。適用される車両としては、例えばトラックやバス等の商用車が挙げられる。なお、車両としては、特に限定されるものではなく、例えば大型車両や中型車両、普通乗用車、小型車両又は軽車両等の何れであってもよい。

廃熱回収装置１は、エンジン１０の排気ガスの熱を入熱として動力を出力するスターリングサイクル装置２０と、エンジン１０の冷媒の熱を入熱として動力を出力するランキンサイクル装置３０と、を備えている。

エンジン１０は、例えば水冷式ディーゼルエンジン等の内燃機関であり、排気管１１と、ＥＧＲクーラ１２と、冷却水流路（冷媒流路）１３と、ラジエータ１４と、を有している。排気管１１は、エンジン１０の排気ガスが流通されるパイプである。ＥＧＲクーラ１２は、ＥＧＲ［Exhaust Gas Recirculation］ガスを冷却するための熱交換器である。

冷却水流路１３は、エンジン１０の冷却水（冷媒）Ｗが流通される流路である。冷却水流路１３では、例えば、エンジン１０のシリンダヘッド内部及びシリンダブロック等に冷却水Ｗが流通され、エンジン１０が冷却されると共に、ＥＧＲクーラ１２に冷却水Ｗが流通され、ＥＧＲクーラ１２が冷却される。また、冷却水流路１３は、ラジエータ１４と接続されている。ラジエータ１４は、エンジン１０及びＥＧＲクーラ１２を冷却した冷却水Ｗを、例えば走行風との熱交換により冷却する。

スターリングサイクル装置２０は、作動ガスの体積を変化させ、当該体積変化に係るエネルギを運動エネルギに変換する。スターリングサイクル装置２０では、後述するように、作動ガスの体積変化によってディスプレーサピストン２３ａ及びパワーピストン２３ｂに作用した力がクランクシャフト２６に伝達される。これにより、スターリングサイクル装置２０は、運動エネルギ（回転エネルギ）としての動力を出力する。

スターリングサイクル装置２０は、作動ガス中の熱エネルギを変化させることにより作動ガスの体積を変化させる。ここでのスターリングサイクル装置２０は、エンジン１０の排気ガスの熱を入熱として作動ガスの体積を増加させる一方で、エンジン１０の冷却水Ｗにより冷却して作動ガスの体積を減少させる。作動ガスとしては、種々のものを用いることができ、ここでは、例えば比熱比が大きいヘリウムガスが用いられる。

スターリングサイクル装置２０は、加熱器２１と、冷却器２２と、稼働部２３と、再生器２４と、コンロッド２５と、クランクシャフト２６と、を有している。加熱器２１は、エンジン１０の排気ガスの熱により作動ガスを加熱する熱交換器の機能を有している。加熱器２１は、エンジン１０の排気ガスが流通されて入熱される。加熱器２１では、ディスプレーサピストン２３ａの動作に応じて、稼働部２３内の空間Ｖ１から作動ガスが流入し、又は稼働部２３内の空間Ｖ１へ作動ガスが流出する。

冷却器２２は、エンジン１０の冷却水Ｗにより作動ガスを冷却する熱交換器の機能を有している。冷却器２２は、エンジン１０の冷却水Ｗが流通されて冷却される。冷却器２２では、ディスプレーサピストン２３ａの動作に応じて、稼働部２３内の空間Ｖ２から作動ガスが流入し、又は稼働部２３内の空間Ｖ２へ作動ガスが流出する。冷却器２２では、作動ガスの熱（スターリングサイクル装置２０の廃熱）が冷却水Ｗに移動される。

稼働部２３は、作動ガスの体積変化に係るエネルギを回転エネルギに変換する。稼働部２３は、例えば略円筒状に形成されており、稼働部２３の軸線方向（図示上下方向）に沿ってディスプレーサピストン２３ａ及びパワーピストン２３ｂが並設されている。ディスプレーサピストン２３ａ及びパワーピストン２３ｂは、それぞれコンロッド２５を介してクランクシャフト２６に取り付けられている。

クランクシャフト２６は、例えば第１の発電機２７に接続されており、当該第１の発電機２７に動力を出力する。この場合、第１の発電機２７は、クランクシャフト２６における回転エネルギを電気エネルギとして回収する。なお、クランクシャフト２６は、第１の発電機２７と共に、又は第１の発電機２７に代えて、例えばエンジン１０のクランクシャフト（図示せず）等に接続されて動力を出力する構成であってもよい。

再生器２４は、加熱器２１と冷却器２２との間に設けられており、作動ガスの熱を蓄える機能を有している。例えば、再生器２４は、加熱器２１から冷却器２２へ再生器２４を介して作動ガスが流入する際、この作動ガスの熱を蓄える。一方、再生器２４は、冷却器２２から加熱器２１へ再生器２４を介して作動ガスが流入する際、当該蓄えていた熱を作動ガスへ移動させる。

ランキンサイクル装置３０は、ポンプ３１と、蒸発器３２と、膨張器３３と、凝縮器３４と、を有し、これらに作動流体Ｑを循環させる。作動流体Ｑとしては、種々のものを用いることができ、ここでは、低沸点媒体であるＲ１３４ａが用いられている。ポンプ３１は、ランキンサイクル装置３０の作動流体Ｑを循環させ、液相の作動流体Ｑを蒸発器３２へ圧送する。

蒸発器３２は、冷却水流路１３における冷却器２２の下流側に配置されている。蒸発器３２には、エンジン１０、ＥＧＲクーラ１２及び冷却器２２を冷却した冷却水Ｗが流通されて入熱される。蒸発器３２では、入熱された熱により、液相の作動流体Ｑが加熱されて気化する。

この蒸発器３２では、上述したように、冷却器２２においてスターリングサイクル装置２０の廃熱が冷却水Ｗに移動されていることから、エンジン１０、ＥＧＲクーラ１２及びスターリングサイクル装置２０の廃熱が冷却水Ｗを介してランキンサイクル装置３０に入熱される。すなわち、冷却器２２によりスターリングサイクル装置２０の熱をエンジン１０の冷却水Ｗを介してランキンサイクル装置３０へ入熱されることとなる。

膨張器３３は、蒸発器３２で加熱されて気化した作動流体Ｑを膨張させることによって、作動流体Ｑが持つ熱エネルギを回転エネルギに変換する。膨張器３３としては、例えばタービン、往復式膨張器、スクロール式膨張器及びロータリ式膨張器等が挙げられる。膨張器３３は、例えば第２の発電機３５に接続されており、当該第２の発電機３５に動力を出力する。この場合、第２の発電機３５は、膨張器３３における回転エネルギを電気エネルギとして回収する。なお、膨張器３３は、第２の発電機３５と共に、又は第２の発電機３５に代えて、例えばエンジン１０のクランクシャフト等に接続されて動力を出力する構成であってもよい。凝縮器３４は、膨張器３３でエネルギを回収された作動流体Ｑを凝縮（液化）させる。凝縮器３４では、例えば冷却ファン等により作動流体Ｑが冷却されて凝縮される。

以上のように構成された廃熱回収装置１では、エンジン１０の排気ガスの熱がスターリングサイクル装置２０の加熱器２１に入熱され、作動ガスの体積が変化される。そして、当該体積変化に係るエネルギが稼働部２３において運動エネルギに変換され、この運動エネルギが第１の発電機２７において電気エネルギとして回収される。

他方、エンジン１０の冷却水Ｗの熱がランキンサイクル装置３０の蒸発器３２に入熱され、作動流体Ｑが気化される。そして、当該作動流体Ｑの熱エネルギが膨張器３３において回転エネルギに変換され、この回転エネルギが第２の発電機３５において電気エネルギとして回収される。

ここで、第１の実施形態に係る廃熱回収装置１においては、スターリングサイクル装置２０の冷却器２２により、スターリングサイクル装置２０の廃熱を、エンジン１０の冷却水Ｗを介してランキンサイクル装置３０への入熱として利用することができる。よって、ランキンサイクル装置３０の入熱量を増加させ、廃熱回収効率を向上することが可能となる。換言すると、ランキンサイクル装置３０の入熱量の増加及び入熱温度の上昇が図れ、ランキンサイクル装置３０の出力を増加することが可能となる。

（第２の実施形態）
次に、第２の実施形態について説明する。第２の実施形態は、冷却水流路１３に設けられた熱交換器１５を備える点以外は、基本的に第１の実施形態と同様である。以下の説明では、第１の実施形態と相違する事項のみを説明し、第１の実施形態と同様の説明を省略する。

図２は、第２の実施形態に係る廃熱回収装置を示す概略ブロック図である。図２に示すように、熱交換器１５は、冷却水流路１３において冷却器２２の下流側であって、蒸発器３２の上流側に設けられている。

熱交換器１５では、エンジン１０の冷却水Ｗとエンジン１０の排気ガスとが流通されて入熱される。熱交換器１５では、スターリングサイクル装置２０の加熱器２１を流通した後のエンジン１０の排気ガスが流通される。この熱交換器１５では、エンジン１０の排気ガスの熱が冷却水Ｗに移動される。これにより、蒸発器３２では、エンジン１０（冷却水Ｗ及び排気ガス）、ＥＧＲクーラ１２及びスターリングサイクル装置２０の廃熱が冷却水Ｗを介してランキンサイクル装置３０に入熱される。すなわち、熱交換器１５によりエンジン１０の排気ガスの熱がエンジン１０の冷却水Ｗを介してランキンサイクル装置３０へ入熱される。

このように、第２の実施形態に係る廃熱回収装置１によれば、スターリングサイクル装置２０の廃熱に加えて、エンジン１０の排気ガスの廃熱をランキンサイクル装置３０の入熱として利用することができる。よって、ランキンサイクル装置３０の入熱量を更に増加させ、廃熱回収効率を一層向上することが可能となる。

なお、従来の廃熱回収装置として、スターリングサイクル装置２０を備えることなく、エンジン１０の排気ガスの熱を入熱として動力を出力するランキンサイクル装置を備えるものが知られている。この従来の廃熱回収装置では、ランキンサイクル装置で出力可能なエネルギ量に限りがある場合（つまり、入熱可能なエネルギ量に上限がある場合）、エンジン１０の排気ガスからの入熱量が制限される。この点、上記第２の実施形態によれば、スターリングサイクル装置２０の廃熱をランキンサイクル装置３０の入熱として利用することができると共に、スターリングサイクル装置２０及びランキンサイクル装置３０の双方でエンジン１０の排気ガスの廃熱を回収することができる。よって、エンジン１０の排気ガスからの入熱量が制限されることなく、廃熱回収効率を好適に向上（回生出力を増加）することが可能となる。

以上、本発明に係る好適な実施形態について説明したが、本発明は、上記実施形態に限られるものではなく、各請求項に記載した要旨を変更しない範囲で変形し、又は他のものに適用してもよい。

例えば、上記実施形態では、エンジン１０の一例としてディーゼルエンジンを用いて説明したが、ガソリンエンジン等のエンジンでもよい。また、スターリングサイクル装置２０の一例として、β形スターリングサイクル装置を用いて説明したが、α形スターリングサイクル装置やγ形スターリングサイクル装置等、他の形式のスターリングサイクル装置２０でもよい。

また、冷却水流路１３における冷却器２２、蒸発器３２及び熱交換器１５の配置は、上記実施形態で示した配置例に限定されない。要は、エンジン１０の冷却水Ｗが流通される冷却器２２によりスターリングサイクル装置２０からランキンサイクル装置３０へ冷却水Ｗを介して熱を移動させるものであればよい。

１…廃熱回収装置、１０…エンジン、１１…排気管、１３…冷却水流路（冷媒流路）、１５…熱交換器、２０…スターリングサイクル装置、２１…加熱器、２２…冷却器、３０…ランキンサイクル装置、３２…蒸発器、Ｗ…冷却水（冷媒）。

Claims (3)

1. 冷媒が流通される冷媒流路及び排気ガスが流通される排気管を有するエンジンと、
   前記エンジンの冷媒の熱を入熱として動力を出力するランキンサイクル装置と、
   前記エンジンの排気ガスの熱を入熱として動力を出力するスターリングサイクル装置と、を備え、
   前記スターリングサイクル装置は、前記エンジンの冷媒が流通される冷却器を有し、当該冷却器により前記スターリングサイクル装置の熱を前記エンジンの冷媒を介して前記ランキンサイクル装置へ入熱させる、廃熱回収装置。
2. 前記ランキンサイクル装置は、前記冷却器を冷却した前記エンジンの冷媒が流通されて入熱される蒸発器を有し、
   前記スターリングサイクル装置は、前記エンジンの排気ガスが流通されて入熱される加熱器を有する、請求項１に記載の廃熱回収装置。
3. 前記エンジンの冷媒と前記エンジンの排気ガスとが流通される熱交換器を更に備え、当該熱交換器により前記エンジンの排気ガスの熱を前記エンジンの冷媒を介して前記ランキンサイクル装置へ入熱させる、請求項１又は２に記載の廃熱回収装置。

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