JP2016075263A

JP2016075263A - 廃熱回収装置

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Publication number: JP2016075263A
Application number: JP2014207931A
Authority: JP
Inventors: 中村慎二; Shinji Nakamura; 狩野靖明; Yasuaki Kano
Original assignee: Sanden Holdings Corp
Current assignee: Sanden Corp
Priority date: 2014-10-09
Filing date: 2014-10-09
Publication date: 2016-05-12
Anticipated expiration: 2034-10-09
Also published as: JP6495608B2; US20170306804A1; CN107110066B; CN107110066A; WO2016056611A1; DE112015004627T5; US10378391B2

Abstract

【課題】ランキンサイクルの熱効率を向上させた廃熱回収装置を提供するものである。【解決手段】作動流体が循環するランキンサイクル３と、エンジン２の冷却水が循環する冷却回路を有する廃熱回収装置１において、ランキンサイクル３の加熱器３１の熱源はエンジン２の廃熱であり、ランキンサイクル３の凝縮器３３は、作動流体とエンジン２を経由せずラジエータ９を経由して冷却水を循環させる第３冷却水回路６の冷却水とを熱交換させる熱交換器である。【選択図】図１

Description

本発明は、作動流体を循環させる冷媒ポンプと、前記冷媒ポンプによって送られてきた作動流体を車両のエンジンの廃熱によって加熱する加熱器と、前記加熱器によって加熱されて気化した作動流体を膨張させて出力を発生する膨張機と、前記膨張機によって膨張された作動流体を凝縮させるランキン用凝縮器とを有するランキンサイクルを備えた廃熱回収装置に関する。

従来技術として、特許文献１に開示されたランキンサイクルを備えた車両用廃熱回収装置が知られている。このランキンサイクルを備えた車両用廃熱装置は、エンジンから排出される燃焼ガスと蒸気発生器においてランキンサイクルを循環する作動流体とを熱交換することによってエンジン廃熱が回収され、膨張機は蒸気発生器で加熱されて高温高圧となった作動流体を膨張させて出力を発生する。熱交換器は、膨張機にて膨張を終えた作動流体とエンジン冷却水回路内を循環するエンジン冷却水との熱交換を行い、作動流体の凝縮を行う。

しかしながら、特許文献１に開示された車両用廃熱利用装置は、エンジン冷却後のエンジン冷却水を用いて作動流体の凝縮を行うため、熱交換器において作動流体を十分に凝縮させることができないことから凝縮圧が高くなり、ランキンサイクルを十分に動作させるこができないという問題があった。

一方、上記問題点の解決するために、特許文献２の図２に開示されたランキンサイクルを備えた車両用廃熱回収装置では、蒸気発生器の熱源をラジエータの上流側の冷却水とし、熱交換器である凝縮器は内燃機関の冷却水を冷却するラジエータの下流側の冷却水と作動流体とを熱交換させている。このように、特許文献２の凝縮器ではラジエータにおいて冷却された低温の冷却水と作動流体との熱交換が行われることから、凝縮圧が低くなり、熱機関としての熱効率が高いため、廃熱の回生量を多くすることができる、という効果が開示されている。
特開２００５−４２６１８号特開２０１３−１６００７６号

しかし、特許文献２の廃熱利用装置では、凝縮器ではラジエータにおいて冷却された低温の冷却水と作動流体との熱交換が行われていることから、特許文献１における熱交換器のようにエンジン冷却後のエンジン冷却水を用いて作動流体の凝縮を行う場合と比較すると、凝縮圧が低くなるため熱機関としての熱効率が高くなるものの、ラジエータに流れ込む冷却水は全部がエンジンの廃熱を吸収したエンジン冷却後の冷却水であるため、作動流体の凝縮圧を、まだ、十分に低下させることはできないという問題があった。

本発明はこのような問題点を解決するものであり、より低温の冷却水と作動流体とを熱交換させることによって、ランキンサイクルの熱効率を向上させた廃熱回収装置を提供するものである。

上記の目的を達成するために、請求項１の発明は、作動流体を加熱して気化させる加熱器、前記加熱器を経由した作動流体を膨張させて動力を発生する膨張機、前記膨張機を経由した作動流体を凝縮させる凝縮器、及び前記凝縮器を経由した作動流体を前記加熱器へ送出する作動流体ポンプを作動流体回路に順次配設したランキンサイクルと、内燃機関及びラジエータを経由して冷却水を循環させる第1冷却水回路と、前記内燃機関及び前記内燃機関と前記ラジエータの間で分岐した第１分岐通路を経由して冷却水を循環させる第２冷却水回路と、前記第１分岐通路と前記ラジエータの間で分岐した第２分岐通路及び前記ラジエータを経由して冷却水を循環させる第３冷却水回路とを備え、前記加熱器の熱源は前記内燃機関の廃熱であり、前記凝縮器は、前記作動流体と前記第３冷却水回路の冷却水とを熱交換させる熱交換器であることを特徴とする廃熱回収装置である。

また、請求項２の発明は、前記内燃機関と前記第１分岐通路との間に冷却水を循環させる第１水ポンプが設けられ、前記第２分岐通路に冷却水を循環させる第２水ポンプが設けられ、前記第１分岐通路の分岐点に内燃機関通過後の冷却水温度に基づき第１冷却水回路及び第２冷却水回路の各回路の通路開度を調節する開度調節手段が設けられたことを特徴とする廃熱回収装置である。

また、請求項３の発明は、前記第１冷却水回路の前記ラジエータの下流側において、前記第１分岐通路と前記第２分岐通路との間に前記ラジエータ側への冷却水の逆流を防ぐ逆止弁が設けられていることを特徴とする廃熱回収装置である。

また、請求項４の発明は、前記内燃機関の廃熱状態を検知する廃熱状態検知手段と、前記第２水ポンプの駆動、および、前記作動流体ポンプの駆動を制御する制御手段と、を有し、前記制御手段は、前記廃熱状態検知手段により検知した前記内燃機関の廃熱状態が第１の所定値を超える場合は、前記第２水ポンプ、および、前記作動流体ポンプを駆動させることを特徴とする廃熱回収装置である。

また、請求項５の発明は、前記制御手段は、前記ランキンサイクルの出力を算出するランキン出力算出手段を有し、前記ランキン出力算出手段により算出されたランキン出力が負の場合は、前記第２水ポンプ、および、前記作動流体ポンプの駆動を停止させることを特徴とする廃熱回収装置である。

また、請求項６の発明は、前記加熱器は前記作動流体と前記第２冷却水回路の冷却水とを熱交換させる熱交換器であることを特徴とする廃熱回収装置である。

また、請求項７の発明は、前記内燃機関通過後の冷却水温度を検知する冷却水温度検知手段と、前記第２水ポンプの駆動、および、前記作動流体ポンプの駆動を制御する制御手段と、を有し、前記制御手段は、前記冷却水温度検知手段により検知した冷却水温度が第１の所定温度を超える場合は、前記第２水ポンプ、および、前記作動流体ポンプを駆動させることを特徴とする廃熱回収装置である。

また、請求項８の発明は、前記制御手段は、前記ランキンサイクルの出力を算出するランキン出力算出手段を有し、前記冷却水温度検知手段により検知した冷却水温度が第１の所定温度以下、もしくは、前記ランキン出力算出手段により算出されたランキン出力が負の場合は、前記第２水ポンプ、および、前記作動流体ポンプの駆動を停止させることを特徴とする廃熱回収装置である。

また、請求項９の発明は、前記第１の所定温度は、前記内燃機関の過冷却を防止できる冷却水の最低温度よりも高く、かつ、前記開度調節手段が第１冷却水回路の通路開度を閉状態から開状態にする場合の内燃機関通過後の冷却水温度よりも低く設定されていることを特徴とする請求項７又は８に記載の廃熱回収装置である。

請求項１の発明によれば、作動流体を加熱して気化させる加熱器、前記加熱器を経由した作動流体を膨張させて動力を発生する膨張機、前記膨張機を経由した作動流体を凝縮させる凝縮器、及び前記凝縮器を経由した作動流体を前記加熱器へ送出する作動流体ポンプを作動流体回路に順次配設したランキンサイクルと、内燃機関及びラジエータを経由して冷却水を循環させる第1冷却水回路と、前記内燃機関及び前記内燃機関と前記ラジエータの間で分岐した第１分岐通路を経由して冷却水を循環させる第２冷却水回路と、前記第１分岐通路と前記ラジエータの間で分岐した第２分岐通路及び前記ラジエータを経由して冷却水を循環させる第３冷却水回路とを備え、前記加熱器の熱源は前記内燃機関の廃熱であり、前記凝縮器は、前記作動流体と前記第３冷却水回路の冷却水とを熱交換させる熱交換器であるため、ランキンサイクルを流れる作動流体は内燃機関を通過せずにラジエータを通過する冷却水と凝縮器で熱交換することができるので、作動流体を十分に凝縮させて作動流体の凝縮圧を低下させることができ、既設のラジエータを利用するだけの簡単な構造によりランキンサイクルの熱効率を向上させることができるという効果を有する。

第1の実施形態に係る車両用廃熱回収装置の構成図である。第1の実施形態に係る車両用廃熱回収装置の制御を示すフロー図である。第２の実施形態に係る車両用廃熱回収装置の構成図である。第２の実施形態に係る車両用廃熱回収装置の制御を示すフロー図である。

次に、図面において本発明の実施例を説明する。図１は本発明の第1の実施形態に係る車両用廃熱回収装置１の構成図である。第1の実施形態に係る車両用廃熱回収装置１は、車両に搭載された内燃機関であるエンジン2と、エンジン2を冷却する冷却水回路３、エンジン２の廃熱を電力、または、エンジンをアシストする回転駆動力に変換して回収するランキンサイクル３０を備えている。

冷却水回路３は、エンジン２を通過する冷却水の循環路３Aに順次介装されたエンジン２、第1水ポンプ７、サーモスタット８、ラジエータ９、および、循環路３Aの中間に配設された第1分岐通路１１、第２分岐通路１２とで構成され、第1分岐通路１１はサーモスタット８が配設されている分岐点１３で循環路３Aから分岐し、再び、エンジン２とラジエータ９の間の分岐点１４で循環路３Aに合流し、第２分岐通路１２は分岐点1３とラジエータ９の間の分岐点１５で循環路３Aから分岐し、再び、分岐点１４とラジエータ９の間の分岐点１６で循環路３Aに合流しており、冷却水回路３は、第1冷却水回路４、第２冷却水回路５、第３冷却回路６を有している。

第1冷却水回路４は、エンジン２を通過する冷却水の循環路３Aに、エンジン２、第1水ポンプ７、サーモスタット８、ラジエータ９が順次介装されており、エンジン２を通過した冷却水が第1水ポンプ７により圧送され、第1水ポンプ７から圧送された冷却水は冷却水の温度によりラジエータ９へ流れ込む冷却水量を調整するサーモスタット８を通過し、サーモスタット８を通過した冷却水はラジエータ９を通過し、ラジエータ９を通過した冷却水はエンジン２に再び送られてエンジンを冷却する循環路である。

第1水ポンプ７は、冷却水を圧送して第1冷却水回路４を循環させるものであり、エンジン２によって駆動されるが、電動モータなどの他の駆動手段によって駆動されても構わない。また、ラジエータ９は、車両の走行による走行風や図示しないファンによる送風と、第1冷却水回路４を循環する冷却水との間で熱交換して冷却水を冷却する熱交換器である。

第２冷却水回路５は、第1冷却水回路４の一部と第1分岐通路１１とで構成されたエンジン２を通過する冷却水の循環路５Aに、エンジン２、第1水ポンプ７、サーモスタット8が順次介装されており、エンジン２を通過した冷却水が第1水ポンプ７により圧送され、第1水ポンプ７から圧送された冷却水はラジエータ９には流れずにサーモスタット８を介して第1分岐通路１１を通過して、再びエンジン２に送られる循環路である。

従って、サーモスタット８は、エンジン２を通過した冷却水の温度に基づき、第１水ポンプ７から圧送された冷却水をラジエータ９へ流すか、第1分岐通路１１へ流すかを調整する、すなわち、エンジン２通過後の冷却水温度に基づき第１冷却水回路４及び第２冷却水回路５の各回路の通路開度を調節する開度調節手段であり、例えば、エンジン２の始動時やエンジン２が低負荷運転状態の場合においては、エンジン２へ流入する冷却水の温度が低くなりすぎないよう、第1分岐通路１１へ流す冷却水量を多くし、ラジエータ９へ流す冷却水量を少なくするため、第２冷却水回路５を循環する冷却水量が多くなり、第１冷却水回路４を循環する冷却水量が少なくなるよう調節される。

一方、エンジン２が高負荷運転状態の場合においては、エンジン２を十分に冷却するために、第1分岐通路１１へ流す冷却水量を少なくして、ラジエータ９へ流す冷却水量を多くするため、第２冷却水回路５を循環する冷却水量が少なくなり、第１冷却水回路４を循環する冷却水量が多くなるよう調節される。

第３冷却水回路６は、第1冷却水回路４の一部と第２分岐通路１２とで構成された冷却水の循環路６Aに、第２分岐通路１２に介装される第２水ポンプ１０、および、第1冷却水回路４に介装されたラジエータ９を有して、第２水ポンプ１０で圧送された冷却水がラジエータ９を通過して再び第２ポンプ１０に送られる循環路であり、第３冷却水回路６におけるラジエータ９は、第1冷却水回路４におけるラジエータ９であり共用されている。第２水ポンプ１０は、冷却水を圧送して第３冷却水回路６を循環させるものであり、本実施形態では電動モータによって駆動される。

従って、第1ポンプ７の駆動により第1冷却水回路４を冷却水が循環し、および、第２水ポンプ１０の駆動により第３冷却水回路６を冷却水が循環する場合は、第1ポンプ７で圧送されて第１冷却水回路４を循環する冷却水と、第２水ポンプ１０で圧送されて第３冷却水回路６を循環する冷却水とがラジエータ９の直前の分岐点１５で合流し、その合流した冷却水はラジエータ９を通過後に分岐点１６で第２分岐通路１２側に流れる冷却水と第1冷却水回路４のエンジン２側に流れる冷却水とに分岐する。

一方、例えば、エンジン２の始動時やエンジン２が低負荷運転状態の場合において、第1冷却水回路４を冷却水が循環しない場合は、第２水ポンプ１０で圧送されて第３冷却水回路を循環する冷却水だけがラジエータ９を通過し、ラジエータ９を通過した冷却水は分岐点１６でエンジン２側に流れず、再び、第２水ポンプ１０に送られ第３冷却水回路を循環する。

第１実施態様では、第1ポンプ７は、エンジン２とサーモスタット８が配設されている分岐点１３との間に配設され、エンジン２を通過した後の冷却水をサーモスタット８へ圧送するが、第1ポンプ７はエンジン２を通過前の冷却水をエンジン２へ圧送するよう、エンジン２と第１分岐通路１１の分岐点１４との間に配置されていても構わない。その場合は、エンジン２を通過する冷却水の循環路３Aにエンジン２、サーモスタット８、ラジエータ９、第1水ポンプ７が順次介装されることになる。すなわち、第1ポンプ７は、エンジン２と第１分岐通路１１との間に配設されていればよい。

また、サーモスタット８は循環路３Aから分岐する第１分岐通路１１の分岐点１３に配置されているが、第１分岐通路１１が循環路３Aに合流する分岐点１４に配置されていても構わない。その場合は、エンジン２を通過する冷却水の循環路３Aにエンジン２、第1水ポンプ７、ラジエータ９、サーモスタット８が順次介装されることになり、サーモスタット８は、エンジン２を通過してから第１分岐通路１１を通過する冷却水の温度に基づき、ラジエータ９を通過した冷却水をエンジン２へ戻すか、ラジエータを通過せず第1分岐通路１１を通過した冷却水をエンジン２へ戻すかを調整する、すなわち、エンジン２の通過後であって第１分岐通路１１を通過した冷却水温度に基づき第１冷却水回路４及び第２冷却水回路５の各回路の通路開度を調節する開度調節手段である。

また、第1冷却水回路４の循環路３Aには、分岐点１４と分岐点１６の間に逆止弁１７が配設されている。逆止弁１７が循環路３Aの分岐点１４と分岐点１６の間に配設されているため、第２冷却水回路５を循環する冷却水がラジエータ９側、第２分岐路１２側へ逆流することが防止される。

次に、ランキンサイクル３０について説明する。ランキンサイクル３０は、作動流体が循環する循環路３０Aに、作動流体を加熱して気化させる加熱器３１、前記加熱器３１を経由した作動流体を膨張させて動力を発生する膨張機３２、前記膨張機３２を経由した作動流体を凝縮させる凝縮器３３、及び前記凝縮器３３を経由した作動流体を前記加熱器３１へ送出する作動流体ポンプ３４が順次介装されている。作動流体ポンプ３４は、作動流体を圧送して循環路３０Aを循環させるものであり、本実施形態では電動モータによって駆動される。また、ランキンサイクル３０は、膨張機３２による動力を電力に変換して電力を発生させる図示しない発電機と、発電機で発生した電力を蓄える図示しないバッテリーを有しており、エンジン２の廃熱を電力として回収するシステムとなっている。尚、第１実施形態では、エンジン２の廃熱を電力として回収するシステムとなっているが、電力として回収せずに、膨張機３２で発生する動力を直接エンジン２に与えてエンジン２をアシストするシステムでも構わない。

加熱器３１は第２冷却水回路５における第1分岐通路１１に介装されている。従って、加熱器３１はランキンサイクル３０の作動流体と第２冷却水回路の第1分岐通路１１を通過する冷却水とを熱交換させる熱交換器である。すなわち、加熱器３１では、エンジン２を通過することによってエンジン２の廃熱を吸収した直後であり、ラジエータ９を通過しない高温の冷却水とランキンサイクル３０の作動流体とが熱交換するため、作動流体を十分に加熱して気化させることができる。

また、凝縮器３３は第３冷却水回路６における第２分岐通路１２であって第２水ポンプ１０の上流側に介装されている。従って、凝縮器３３はランキンサイクル３０の作動流体と第３冷却水回路の第２分岐通路１２を通過する冷却水とを熱交換させる熱交換器である。すなわち、凝縮器３３では、エンジン２を通過せずにラジエータ９を通過して低温となった冷却水とランキンサイクル３０の作動流体とが熱交換するため、作動流体を十分に凝縮させて作動流体の凝縮圧を低下させることができ、既設のラジエータを利用するだけの簡単な構造によりランキンサイクル３０の熱効率を向上させることができる。尚、第３冷却水回路６の第２水ポンプ１０は凝縮器３３の下流に配置されているが、凝縮器３３の上流に配置されていても構わない。

次に、第1の実施形態に係る車両用廃熱回収装置１の動作制御について、図１、図２を用いて説明する。第２分岐通路１２の加熱器３１の上流側には、エンジン２の通過後であって加熱器３１に流入前の冷却水温度を検知する冷却水温度検知手段である水温センサー４１が設けられている。制御手段である制御装置４０は水温センサー４１が接続されており、作動流体ポンプ34、第２水ポンプ１０の駆動を制御する。

エンジン２の始動時やエンジン２が低負荷運転状態の場合においては、水温センサー４１で検知した冷却水温度がエンジン２の過冷却を防止して適正な温度に保つのに必要な所定温度Ａ（例えば、８０℃）に達していないため、冷却水は第２冷却水回路５のみを循環する（Ｓ００１）。また、この状態で、作動流体ポンプ３４と第２水ポンプ１０を駆動させてランキンサイクル３０を動作させた場合、第２冷却水回路４を循環する冷却水が加熱器３１における熱交換によって冷却水温度が低下して所定温度Ａに達しないので、ランキンサイクル３０は動作させない。

エンジン２が暖まり、冷却水温度が所定温度Ａを超えて、ランキンサイクル３０の動作により、第２冷却水回路５を循環する冷却水が加熱器３１における熱交換によって冷却水温度が所定温度Ａを下回らない程度の温度、例えば、所定温度Ａよりも5℃高い設定の所定温度Ｂを水温センサー４１が検知すると（Ｓ００２）、制御装置４０は、作動流体ポンプ３４と第２水ポンプ１０とを駆動させて、ランキンサイクル３０を動作させる（Ｓ００３）。この状態では、冷却水は第２冷却水回路５と第３冷却水回路６を循環するが（Ｓ００４）、第１冷却水回路４には循環しない。従って、ランキンサイクル３０の加熱器３１ではエンジン２を通過して高温となった冷却水により熱を回収し、ランキンサイクル３０の凝縮器３３ではエンジン２を通過せずにラジエータ９を通過して低温となった冷却水とランキンサイクル３０の作動流体との熱交換により作動流体を十分に凝縮させて作動流体の凝縮圧を低下させることができるので、ランキンサイクル３０の熱効率を向上させることができる。

ランキンサイクル３０の動作の停止は、水温センサー４１が検知する冷却水の温度が所定温度Ｂ以下となった場合に（Ｓ００５）、制御装置４０は作動流体ポンプ３４と第２水ポンプ１０とを駆動を停止（Ｓ００６）することによって行われる。これは、車両用廃熱回収装置１によって廃熱回収できてもエンジン２を適正な温度に保てないからである。

また、制御装置４０は、ランキンサイクル３０の出力を算出するランキン出力算出手段４２、ランキン出力を算出するための膨張機出力算出手段４３、および、ランキンサイクル３０の動作に必要なランキン入力を算出するランキン入力算出手段４４を有し、ランキンサイクル３０の動作中は、常時、ランキンサイクル３０によって回収した膨張機出力と、ランキンサイクル３０を動作させるのに必要な入力、例えば、作動流体ポンプ３４の駆動電力、第２水ポンプ１０の駆動電力等を監視しており、膨張機出力からランキン入力を引いた値であるランキン出力がマイナスとなる場合（Ｓ００７）、制御装置４０は作動流体ポンプ３４と第２水ポンプ１０の駆動を停止（Ｓ００８）する。尚、ランキン出力は上記に限定されず、例えば、ランキンサイクル３０の高圧側圧力、低圧側圧力、作動流体流量などによって求めても構わない。

エンジン２が高負荷運転状態の場合になり、エンジン２を通過した冷却水の温度が所定温度Ｂより上回り、例えば、所定温度Ａよりも１０℃高い設定の所定温度Cになると（Ｓ００９）、サーモスタット８は、冷却水をラジエータ９側に流してエンジン２を適正な温度に保つように第１冷却水回路４の通路開度と第２冷却水回路５の通路開度を調整する。この状態では、第１冷却水回路４、第２冷却水回路５、第３冷却水回路６それぞれに冷却水が循環する（Ｓ０１０）。従って、第１冷却水回路４を循環する冷却水と第３冷却回路６を循環する冷却水が分岐点１５で合流してラジエータ９に流入し、ラジエータ９を通過したあとの冷却水は分岐点１６で、第２分岐通路１２側に流れる冷却水と第1冷却水回路４のエンジン２側に流れる冷却水とに分岐して循環するので、ラジエータ９では、第1冷却水回路４を循環するエンジン２通過後の冷却水とランキンサイクル３０の凝縮器３３で作動流体と熱交換した第３冷却水回路６の冷却水の両冷却水と、車両の走行による走行風や図示しないファンによる送風とが熱交換することになる。

エンジン２の高負荷運転状態が続くと、エンジン２を通過した冷却水の温度が所定温度Cよりもさらに上回るので、サーモスタット８は、冷却水を第１分岐路１１側よりラジエータ側に多く流してエンジン２を適正な温度に保つように第１冷却水回路４の通路開度と第２冷却水回路５の通路開度を調整する。この状態では、ラジエータ９に流入する冷却水の温度が高くなるため、第３冷却水回路６を循環して凝縮器３３を通過する冷却水温度も高くなり、その結果、凝縮器３３では十分に作動流体を凝縮させることができなくなるため、ランキンサイクル３０の高低圧差がなくなり、ランキン出力がマイナスになる場合が生じてくる。

従って、エンジン通過後の冷却水温度が所定温度Ｃを超える場合であっても、制御装置４０は、ランキンサイクル３０の動作中は、常時、ランキンサイクル３０によって回収した膨張機出力と、ランキンサイクル３０を動作させるのに必要な入力、例えば、作動流体ポンプ３４の駆動電力、第２水ポンプ１０の駆動電力等を監視しており、膨張機出力からランキン入力を引いた値であるランキン出力がマイナスとなる場合（Ｓ００７）、制御装置４０は作動流体ポンプ３４と第２水ポンプ１０の駆動を停止（Ｓ００８）する。

次に、本発明の第２の実施形態に係る車両用廃熱回収装置５０について説明する。第２の実施形態の車両用廃熱回収装置５０は、第１の実施形態と同様に車両に搭載された内燃機関であるエンジン２と、エンジン２を冷却する冷却水回路３、エンジン２の廃熱を電力、または、エンジン２をアシストする回転駆動力に変換して回収するランキンサイクルを備えているが、ランキンサイクルの加熱器３１が冷却水回路３に介装されていない点で第１の実施形態と異なる。本実施形態では、第１の実施形態と共通する構成については、第１の実施形態の説明を援用して説明を省略するほか、同じ符号を用いる。

ランキンサイクル６０は、作動流体が循環する循環路６０Aに、作動流体を加熱して気化させる加熱器６１、前記加熱器６１を経由した作動流体を膨張させて動力を発生する膨張機３２、前記膨張機３２を経由した作動流体を凝縮させる凝縮器３３、及び前記凝縮器３３を経由した作動流体を前記加熱器６１へ送出する作動流体ポンプ34が順次介装されている。作動流体水ポンプ３４は、作動流体を圧送して循環路６０Aを循環させるものであり、本実施形態では電動モータによって駆動される。また、ランキンサイクル６０は、膨張機３２による動力を電力に変換して電力を発生させる図示しない発電機と、発電機で発生した電力を蓄える図示しないバッテリーを有しており、エンジン２の廃熱を電力として回収するシステムとなっている。尚、第２実施形態では、エンジン２の廃熱を電力として回収するシステムとなっているが、電力として回収せずに、膨張機３２で発生する動力を直接エンジン２に与えてエンジン２をアシストするシステムでも構わない。

加熱器６１はエンジン２の排ガス管５１に接して、エンジン２から排出される排気ガスを熱源として、ランキンサイクル６０の作動流体を加熱して気化させる熱交換器である。また、排ガス管５１には排ガス管を通過する排気ガス温度を検知する排ガス温度検知手段としての排ガス温度検知センサー５２が設けられている。尚、加熱器６１は、エンジン２の排ガス管５１に水などの流体を介して熱交換する熱交換器でも構わない。

次に、第２の実施形態に係る車両用廃熱回収装置５０の動作制御について、図３、図４を用いて説明する。制御手段である制御装置４０は排ガス温度検知センサー５２が接続されており、作動流体ポンプ３４、第２水ポンプ１０の駆動を制御する。

エンジン２が始動すると冷却水が第２冷却水回路５を循環する。また、排ガス温度検知センサー５２で検知した排ガス温度がランキンサイクル６０で熱回収できるのに十分な温度である所定温度Ｄに達すると（Ｓ０１１）、制御装置４０は、作動流体ポンプ３４と第２水ポンプ１０とを駆動させて、ランキンサイクル６０を動作させ（Ｓ０１２）、冷却水が第３冷却水回路６を循環する（Ｓ０１3）。

エンジン２の始動時やエンジン２が低負荷運転状態の場合においては、冷却水温度がエンジン２を適正な温度に保つのに必要な所定温度Ａ（例えば、８０℃）に達していないため、冷却水はラジエータ９側へは流れないので第１冷却水回路４を循環しない。従って、冷却水は第２冷却水回路５と第３冷却水回路６を循環するが第１冷却水回路４には循環しないので、ランキンサイクル６０の凝縮器３３ではエンジン２を通過せずにラジエータ９を通過して低温となった冷却水とランキンサイクル６０の作動流体との熱交換により作動流体を十分に凝縮させて作動流体の凝縮圧を低下させることができるので、ランキンサイクル６０の熱効率を向上させることができる。

また、制御装置４０は、ランキンサイクル６０の出力を算出するランキン出力算出手段４２、ランキン出力を算出するための膨張機出力算出手段４３、および、ランキンサイクル６０の動作に必要なランキン入力を算出するランキン入力算出手段４４を有し、ランキンサイクル６０の動作中は、常時、ランキンサイクル６０によって回収した膨張機出力と、ランキンサイクル６０を動作させるのに必要な入力、例えば、作動流体ポンプ３４の駆動電力、第２水ポンプ１０の駆動電力等を監視しており、膨張機出力からランキン入力を引いた値であるランキン出力がマイナスとなる場合（Ｓ０１４）、制御装置４０は作動流体ポンプ３４と第２水ポンプ１０の駆動を停止（Ｓ０１５）する。尚、ランキン出力は上記に限定されず、例えば、ランキンサイクル６０の高圧側圧力、低圧側圧力、作動流体流量などによって求めても構わない。

エンジン２が高負荷運転状態の場合になり、エンジン２を通過した冷却水の温度が所定温度Ａより上回り、例えば、所定温度Ａよりも１０℃高い設定の所定温度Cになると、サーモスタット８は、冷却水をラジエータ側に流してエンジンを適正な温度に保つように第１冷却水回路４の通路開度と第２冷却水回路５の通路開度を調整する。この状態では、第１冷却水回路４、第２冷却水回路５、第３冷却水回路６それぞれに冷却水が循環する。従って、第１冷却水回路４を循環する冷却水と第３冷却回路６を循環する冷却水が分岐点１５で合流してラジエータ９に流入し、ラジエータ９を通過したあとの冷却水は分岐点１６で、第２分岐通路１２側に流れる冷却水と第1冷却水回路４のエンジン２側に流れる冷却水とに分岐して循環するので、ラジエータ９では、第1冷却水回路４を循環するエンジン２通過後の冷却水とランキンサイクル６０の凝縮器３３で作動流体と熱交換した第３冷却水回路６の冷却水の両冷却水と、車両の走行による走行風や図示しないファンによる送風と熱交換することになる。

エンジン２の高負荷運転状態が続くと、エンジン２を通過した冷却水の温度が所定温度Cよりもさらに上回るので、サーモスタット８は、冷却水を第１分岐路１１側よりラジエータ側に多く流してエンジン２を適正な温度に保つように第１冷却水回路４の通路開度と第２冷却水回路５の通路開度を調整する。この状態では、ラジエータ９で熱交換する冷却水の温度が高くなるため、第３冷却水回路６を循環して凝縮器３３を通過する冷却水温度も高くなり、その結果、凝縮器３３では十分に作動流体を凝縮させることができなくなるため、ランキンサイクル６０の高低圧差がなくなり、ランキン出力がマイナスになる場合が生じてくる。

従って、エンジン通過後の冷却水温度が所定温度Ｃを超える場合であっても、制御装置４０は、ランキンサイクル６０の動作中は、常時、ランキンサイクル６０によって回収したランキン出力と、ランキンサイクル６０を動作させるのに必要な入力、例えば、作動流体ポンプ３４の駆動電力、第２水ポンプ１０の駆動電力等を監視しており、ランキン出力がマイナスとなる場合（Ｓ０１４）、制御装置４０は作動流体ポンプ３４と第２水ポンプ１０とを駆動を停止（Ｓ０１５）する。

本実施形態１、本実施形態２では、エンジン２は車両用のエンジンであるが、必ずしも車両用に限定される必要は無く、定置用のエンジンであっても構わない。

１車両用廃熱回収装置、２エンジン、３ランキンサイクル、４第１冷却水回路、
５第２冷却水回路、６第３冷却水回路、７第１ポンプ、８サーモスタット、
９ラジエータ、１０第２ポンプ、１１第１分岐路、１２第２分岐路、
３１加熱器、３２膨張機、３３凝縮器、３４作動流体ポンプ、４０制御装置、４１水温センサー、４２ランキン出力算出手段

Claims

作動流体を加熱して気化させる加熱器、前記加熱器を経由した作動流体を膨張させて動力を発生する膨張機、前記膨張機を経由した作動流体を凝縮させる凝縮器、及び前記凝縮器を経由した作動流体を前記加熱器へ送出する作動流体ポンプを作動流体回路に順次配設したランキンサイクルと、内燃機関及びラジエータを経由して冷却水を循環させる第1冷却水回路と、前記内燃機関及び前記内燃機関と前記ラジエータの間で分岐した第１分岐通路を経由して冷却水を循環させる第２冷却水回路と、前記第１分岐通路と前記ラジエータの間で分岐した第２分岐通路及び前記ラジエータを経由して冷却水を循環させる第３冷却水回路とを備え、前記加熱器の熱源は前記内燃機関の廃熱であり、前記凝縮器は、前記作動流体と前記第３冷却水回路の冷却水とを熱交換させる熱交換器であることを特徴とする廃熱回収装置。
前記内燃機関と前記第１分岐通路との間に冷却水を循環させる第１水ポンプが設けられ、前記第２分岐通路に冷却水を循環させる第２水ポンプが設けられ、前記第１分岐通路の分岐点に内燃機関通過後の冷却水温度に基づき第１冷却水回路及び第２冷却水回路の各回路の通路開度を調節する開度調節手段が設けられたことを特徴とする請求項１に記載の廃熱回収装置。
前記第１冷却水回路の前記ラジエータの下流側において、前記第１分岐通路と前記第２分岐通路との間に前記ラジエータ側への冷却水の逆流を防ぐ逆止弁が設けら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。
前記内燃機関の廃熱状態を検知する廃熱状態検知手段と、前記第２水ポンプの駆動、および、前記作動流体ポンプの駆動を制御する制御手段と、を有し、前記制御手段は、前記廃熱状態検知手段により検知した前記内燃機関の廃熱状態が第１の所定値を超える場合は、前記第２水ポンプ、および、前記作動流体ポンプを駆動させることを特徴とする請求項か１から３のいずれか１項に記載の廃熱回収装置。
前記制御手段は、前記ランキンサイクルの出力を算出するランキン出力算出手段を有し、前記ランキン出力算出手段により算出されたランキン出力が負の場合は、前記第２水ポンプ、および、前記作動流体ポンプの駆動を停止させることを特徴とする請求項４に記載の廃熱回収装置。
前記加熱器は前記作動流体と前記第２冷却水回路の冷却水とを熱交換させる熱交換器であることを特徴とする請求項１から３のいずれか１項に記載の廃熱回収装置。
前記内燃機関通過後の冷却水温度を検知する冷却水温度検知手段と、前記第２水ポンプの駆動、および、前記作動流体ポンプの駆動を制御する制御手段と、を有し、前記制御手段は、前記冷却水温度検知手段により検知した冷却水温度が第１の所定温度を超える場合は、前記第２水ポンプ、および、前記作動流体ポンプを駆動させることを特徴とする請求項６に記載の廃熱回収装置。
前記制御手段は、前記ランキンサイクルの出力を算出するランキン出力算出手段を有し、前記冷却水温度検知手段により検知した冷却水温度が第１の所定温度以下、もしくは、前記ランキン出力算出手段により算出されたランキン出力が負の場合は、前記第２水ポンプ、および、前記作動流体ポンプの駆動を停止させることを特徴とする請求項７項に記載の廃熱回収装置。
前記第１の所定温度は、前記内燃機関の過冷却を防止できる冷却水の最低温度よりも高く、かつ、前記開度調節手段が第１冷却水回路の通路開度を閉状態から開状態にする場合の内燃機関通過後の冷却水温度よりも低く設定されていることを特徴とする請求項７又は８に記載の廃熱回収装置。