JP2017014949A - 発電システム - Google Patents

Abstract

【課題】ランキンサイクルにおいてエンジンの冷却水で作動流体を適切に蒸発させる。
【解決手段】発電システムは、排気を排出すると共に、循環する冷却水が通過するエンジン１０と、循環流路４１内に、冷却水によって冷却水よりも融点が低い作動流体を蒸発させる蒸発器４３、作動流体を膨張させる膨張器４４、作動流体を凝縮させる凝縮器４５、作動流体を循環流路４１内で循環させるポンプ４２の順に配置されたランキンサイクル４０と、エンジン１０を通過した冷却水を、蒸発器４３に導入する冷却水通路３０と、冷却水通路３０から分岐した後に冷却水通路３０と接続する第１迂回通路３１ａと、排気の排気通路２０と第１迂回通路３１ａとが交差する箇所に設けられ、排気の熱を第１迂回通路３１ａの冷却水に回収する熱交換器２４と、を備える。
【選択図】図１

Description

本発明は、発電システムに関し、より詳細には、蒸発器がエンジンの冷却水によって作動流体を蒸発させるランキンサイクルを有する発電システムに関する。

近年、車両で発生する廃熱を利用して動力に回生するために、ランキンサイクルを有する発電装置の車両への搭載が検討されている。ランキンサイクルとは、循環流路内に、熱源によって作動流体を蒸発させる蒸発器、作動流体を膨張させる膨張器、冷却源によって作動流体を凝縮させる凝縮器、作動流体を循環流路内で循環させる循環器の順に配置したものである。

ランキンサイクルとして、沸点の低い媒体を作動流体として用いるオーガニックランキンサイクルが利用されている。例えば、下記の特許文献１には、蒸発器が、エンジンの冷却水によって作動流体を加熱するランキンサイクルが開示されている。

特開２００５−２８２３６３号公報

エンジンを通過した冷却水の温度は、常に同じ温度ではなく、車両の動作状況に応じて変動する。このため、冷却水の温度が低い場合（例えば、エンジンの暖機時）には、蒸発器が冷却水によって作動流体を適切に蒸発させることができず、ランキンサイクルが動作しない恐れがある。

そこで、本発明はこれらの点に鑑みてなされたものであり、ランキンサイクルにおいてエンジンの冷却水で作動流体を適切に蒸発させることを目的とする。

本発明の一の態様においては、排気を排出すると共に、循環する冷却水が通過するエンジンと、循環流路内に、前記冷却水によって前記冷却水よりも融点が低い作動流体を蒸発させる蒸発器、前記作動流体を膨張させる膨張器、前記作動流体を凝縮させる凝縮器、前記作動流体を前記循環流路内で循環させる循環器の順に配置されたランキンサイクルと、前記エンジンを通過した前記冷却水を、前記蒸発器に導入する第１冷却水通路と、前記第１冷却水通路から分岐した後に前記第１冷却水通路と接続する第２冷却水通路と、前記排気の排気通路と前記第２冷却水通路とが交差する箇所に設けられ、前記排気の熱を前記第２冷却水通路の冷却水に回収する熱交換器と、を備えることを特徴とする発電システムを提供する。
かかる発電システムによれば、エンジンを通過した冷却水が、第２冷却水通路において熱交換器を通過する際に、排気の熱を回収するため、冷却水の温度が上昇する。そして、温度が上昇した冷却水が蒸発器に導入されるため、エンジンを通過した直後の冷却水の温度が低くても、蒸発器が冷却水を熱源として作動流体を適切に加熱できる。この結果、ランキンサイクルを早期に始動させることが可能となる。

また、前記発電システムは、前記第１冷却水通路において前記第２冷却水通路との分岐点に設けられ、前記第１冷却水通路から前記第２冷却水通路へ流れる冷却水の流量を調整する第１流量調整部材を更に備えることとしてもよい。

また、前記発電システムは、前記第１流量調整部材の動作を制御する制御部を更に備え、前記制御部は、前記蒸発器における前記作動流体の蒸発状態に応じて、前記第１流量調整部材を動作させて前記第２冷却水通路へ流れる冷却水の流量を調整することとしてもよい。

また、前記発電システムは、前記第１冷却水通路において前記蒸発器を迂回する迂回通路と、前記蒸発器へ導入される冷却水の流量及び前記迂回通路へ流れる冷却水の流量を調整する第２流量調整部材と、を更に備えることとしてもよい。

また、前記発電システムは、前記第２流量調整部材の動作を制御する制御部を更に備え、前記制御部は、前記エンジンの暖機時に、前記第２流量調整部材を動作させて、前記蒸発器に冷却水を導入させずに前記迂回通路に冷却水を流させることとしてもよい。

本発明によれば、ランキンサイクルにおいてエンジンの冷却水で作動流体を適切に蒸発させることができるという効果を奏する。

本発明の一の実施形態に係る発電システムＳの構成の一例を示す模式図である。 比較例に係る発電システム９００の構成を示す模式図である。

＜発電システムの構成＞
図１を参照しながら、本発明の一の実施形態に係る発電システムＳの構成について説明する。図１は、一の実施形態に係る発電システムＳの構成の一例を示す模式図である。

発電システムＳは、内燃機関であるエンジンを有する車両に搭載されている。例えば、発電システムＳは、トラックやバス等の大型車両に搭載されている。発電システムＳは、ランキンサイクルによって、車両で発生する廃熱を利用して動力に回生する。図１に示すように、発電システムＳは、エンジン１０と、排気通路２０と、冷却水通路３０と、ランキンサイクル４０と、センサ群７０と、ＥＣＵ８０とを有する。

エンジン１０は、複数の気筒を含むエンジンであり、本実施形態ではディーゼルエンジンである。エンジン１０は、気筒内で燃料と吸気（空気）の混合気を燃焼、膨張させて、動力を発生させる。吸気は、不図示の吸気通路によりエンジン１０の気筒に吸入されている。また、エンジン１０は、燃焼後の排気（排出ガス）を排出する。

排気通路２０は、エンジン１０から排出された排気を車両の外部へ排出する通路である。図１において、排気の流路は破線の矢印で示されている。排気通路２０には、過給機２２と、後処理装置２３と、熱交換器２４とが設けられている。

過給機２２は、排気の圧力を動力源として、エンジン１０に吸入される吸気を過給する装置である。過給機２２は、例えばターボチャージャであり、排気通路２０に設けられたタービンと、吸気通路に設けられたコンプレッサとを有する。

後処理装置２３は、排気を浄化する装置である。例えば、後処理装置２３は、排気中のＰＭを捕集したり、尿素水から加水分解されて生成されるアンモニア（ＮＨ_３）を還元剤として排気中のＮＯ_ｘを選択的に還元浄化したりする。

熱交換器２４は、排気通路２０と冷却水通路３０（具体的には、後述する第１迂回通路３１ａ）とが交差する箇所に設けられている。熱交換器２４は、排気通路２０の排気の熱を、冷却水通路３０の冷却水に回収する装置である。これにより、冷却水通路３０を流れる冷却水が、温まる。

冷却水通路３０は、エンジン１０が過熱状態になることを防止するために、エンジン１０を冷却する冷却水を循環させる通路である。図１において、冷却水の流路は実線の矢印で示されている。冷却水通路３０は、エンジン１０内を冷却水が通過するように設けられており、冷却水がエンジン１０の熱を奪うことでエンジン１０の温度を下げる。本実施形態において、エンジン１０を通過して温まった冷却水は、熱源として、ランキンサイクル４０の蒸発器４３に導入される。冷却水通路３０には、第１迂回通路３１ａと、第２迂回通路３１ｂと、第３迂回通路３１ｃと、ラジエータ３２と、ポンプ３３と、第１調整バルブ３４と、第２調整バルブ３５と、第３調整バルブ３６とが設けられている。

第１迂回通路３１ａは、冷却水通路３０においてエンジン１０の下流側から分岐した後に、冷却水通路３０に蒸発器４３の上流側で接続する通路である。第１迂回通路３１ａは、途中で熱交換器２４を通過する構成となっている。これにより、第１迂回通路３１ａを流れる冷却水は、熱交換器２４によって排気の熱を回収し、温まる。第１迂回通路３１ａから冷却水通路３０へ送られてきた冷却水は、第１迂回通路３１ａを流れない冷却水と合流することで、蒸発器４３に送られる冷却水の温度が上昇する。なお、本実施形態においては、冷却水通路３０が第１冷却水通路に該当し、第１迂回通路３１ａが第２冷却水通路に該当する。

第２迂回通路３１ｂは、冷却水通路３０においてランキンサイクル４０の蒸発器４３の上流から分岐して、蒸発器４３を迂回する通路である。例えば、エンジン１０の暖機時には、第２迂回通路３１ｂによって冷却水を蒸発器４３から迂回させる。

第３迂回通路３１ｃは、冷却水通路３０においてラジエータ３２の上流から分岐して、ラジエータ３２を迂回する通路である。例えば、エンジン１０の暖機時には、第３迂回通路３１ｃを流れる冷却水によってエンジン１０を温める。

ラジエータ３２は、エンジン１０を通過することで温度が上昇した冷却水の放熱を行う。具体的には、ラジエータ３２は、送られてきた冷却水の熱を大気中に放出することで、冷却水の温度を下げる。なお、冷却水の放熱を促進するために、ラジエータ３２の後方に冷却ファンが設けられていてもよい。

ポンプ３３は、冷却水通路３０内で冷却水を循環させる。ポンプ３３は、エンジン１０の下流側に設けられており、冷却水を圧送する。ポンプ３３は、例えばエンジン１０から駆動力を受けて動作する。

第１調整バルブ３４は、エンジン１０を通過した冷却水の第１迂回通路３１ａへ迂回させる流量を調整する流量調整部材である。第１調整バルブ３４は、冷却水通路３０において第１迂回通路３１ａとの分岐点に設けられている。これにより、熱交換器２４において排気の熱を回収する冷却水の流量を調整できる。

第２調整バルブ３５は、蒸発器４３へ送る冷却水の流量と、第２迂回通路３１ｂへ迂回させる冷却水の流量を調整する。第２調整バルブ３５は、冷却水通路３０において第２迂回通路３１ｂへの分岐点に設けられている。なお、本実施形態では、第１調整バルブ３４が第１流量調整部材に該当し、第２調整バルブ３５が第２流量調整部材に該当する。

第３調整バルブ３６は、ラジエータ３２へ送る冷却水の流量と、第３迂回通路３１ｃへ迂回させる冷却水の流量とを調整する。第３調整バルブ３６は、冷却水通路３０において第３迂回通路３１ｃへの分岐点に設けられている。

ランキンサイクル４０は、エンジン１０を通過した冷却水を利用して電力を発生させる発電サイクルである。ランキンサイクル４０は、図１に示すように、循環流路４１と、ポンプ４２と、蒸発器４３と、膨張器４４と、凝縮器４５とを有する。ランキンサイクル４０においては、循環流路４１に、ポンプ４２、蒸発器４３、膨張器４４、凝縮器４５の順に配置され、閉回路を形成している。

循環流路４１は、作動流体が循環する流路であり、図１において一点鎖線で示されている。本実施形態のランキンサイクル４０は、沸点の低い媒体であるフロン等を作動流体として循環させるオーガニックランキンサイクルである。作動流体の融点は、冷却水の融点よりも低い。作動流体としては、例えば公知のＨＦＣ−２４５ｆａやＨＦＣ−１３４ａが利用される。

ポンプ４２は、作動流体を循環流路４１内で循環させる循環器である。ポンプ４２は、液相の作動流体を吸入して、蒸発器４３に圧送する。ポンプ４２としては、遠心ポンプやギアポンプ等が用いられる。

蒸発器４３は、循環流路４１においてポンプ４２の下流側に設けられ、冷却水によって作動流体を蒸発させる。具体的には、蒸発器４３は、ポンプ４２から送られてくる作動流体と、冷却水通路３０を流れる冷却水との間で熱交換を行うことにより、作動流体を加熱する。本実施形態では、熱交換器２４によって排気の熱を回収した冷却水が蒸発器４３に導入されるので、エンジン１０を通過した時よりも昇温した冷却水によって作動流体を加熱できる。

膨張器４４は、循環流路４１において蒸発器４３の下流側に設けられ、蒸発器４３で加熱された気相の作動流体を膨張させる。膨張器４４は、作動流体が膨張することで、回転駆動力を発生させる。膨張器４４には、発電機４４ａが連結されている。発電機４４ａは、膨張器４４が発生した回転駆動力により回転することで、電力を発生させる。発生した電力は、例えば車両のバッテリー等に供給される。

凝縮器４５は、循環流路４１において膨張器４４の下流側に設けられ、膨張器４４が膨張させた作動流体を凝縮させる。具体的には、凝縮器４５は、膨張器４４から吐出される作動流体と、冷却源である大気との間で熱交換を行うことにより、作動流体を液化する。液化した作動流体は、ポンプ４２に供給される。

センサ群７０は、複数のセンサを有し、車両に関する様々な状態を検出可能である。例えば、センサ群７０は、冷却水通路３０の冷却水の温度を検出する。また、センサ群７０は、蒸発器４３における作動流体の加熱状態を検出してもよい。

ＥＣＵ８０は、ＣＰＵ、ＲＯＭ、ＲＡＭ等を有するマイクロコンピュータを備えた電子制御装置（Electric Control Unit）である。ＥＣＵ８０は、前述した各装置の動作を制御する。例えば、ＥＣＵ８０は、第１調整バルブ３４、第２調整バルブ３５及び第３調整バルブ３６の動作を制御する制御部の機能を有する。また、ＥＣＵ８０は、ランキンサイクル４０の動作を制御してもよい。

＜ランキンサイクルの動作時の冷却水の流れについて＞
上述した発電システムＳにおいて、ランキンサイクル４０の動作時の冷却水の流れについて説明する。ここでは、エンジン１０から排気が排出されると共に、冷却水通路３０を冷却水が循環しているものとする。

まず、第１調整バルブ３４は、エンジン１０を通過する冷却水の一部が第１迂回通路３１ａへ流れるように、バルブの開閉を調整する。すると、第１迂回通路３１ａへ流れた冷却水は、熱交換器２４によって、排気通路２０を流れる排気の熱を回収する。熱を回収した冷却水は、第１迂回通路３１ａと冷却水通路３０の接続点において、第１迂回通路３１ａを流れなかった冷却水と合流する。これにより、冷却水が温まり、エンジン１０を通過した際の温度よりも高くなる。

温度が高くなった冷却水は、ランキンサイクル４０の蒸発器４３に導入される。これにより、熱源としての冷却水による作動流体の加熱が促進されるので、ランキンサイクル４０が適切に動作できる。特に、エンジン１０を通過した冷却水の温度が低い場合でも、熱交換器２４によって温度が高められるので、蒸発器４３が作動流体を適切に加熱できる。この結果、ランキンサイクル４０を早期に始動させることができる。

蒸発器４３を通過した冷却水は、ラジエータ３２を通過する際に放熱され、又は第３迂回通路３１ｃによってラジエータ３２を迂回する。そして、冷却水は、エンジン１０を通過する際に、エンジン１０の内部の熱を吸収して温まる。その後、冷却水は、前述したように循環し、蒸発器４３で作動流体を加熱する熱源の役割を維持し続ける。

なお、ＥＣＵ８０は、蒸発器４３における作動流体の加熱状態に応じて、第１調整バルブ３４の開閉状態を制御してもよい。例えば、蒸発器４３における作動流体の加熱が十分に行われている場合には、ＥＣＵ８０は、第１迂回通路３１ａへ冷却水が流れないように第１調整バルブ３４の開閉状態を変更する。これにより、冷却水が熱交換器２４において排気の熱を回収しないので、冷却水が余計に温まることを抑制できる。この結果、余計に温まった冷却水をラジエータ３２で冷却する必要もなくなる。

また、エンジン１０の暖機開始時には、冷却水が熱交換器２４において排気の熱を回収しても、直ぐに冷却水の温度が蒸発器４３において作動流体を適切に加熱可能な温度まで上昇しないことがある。そこで、ＥＣＵ８０は、暖機開始時には、冷却水が蒸発器４３に導入されずに第２迂回通路３１ｂへ流れるように、第２調整バルブ３５を制御してもよい。かかる場合には、蒸発器４３において作動流体に熱回収されていない冷却水がエンジン１０を通過することで、温度が低いエンジン１０の温度を効果的に高めることができるので、エンジン１０の暖機を促進させることが可能となる。

＜本実施形態における効果＞
図２に示す比較例に係る発電システム９００と対比しながら、本実施形態に係る発電システムＳの有効性について説明する。

図２は、比較例に係る発電システム９００の構成を示す模式図である。比較例においては、図１に示す熱交換器２４、第１迂回通路３１ａ及び第１調整バルブ３４が設けられていない。すなわち、比較例においては、エンジン１０を通過した冷却水は、排気の熱を回収せずに、ランキンサイクル４０の蒸発器４３に導入される。かかる比較例において、エンジン１０を通過した冷却水の温度が低い場合には、蒸発器４３が冷却水を熱源として作動流体を適切に加熱できず、ランキンサイクル４０が動作しない恐れがある。特に、エンジン１０の温度が低いエンジン１０の暖機時には、エンジン１０を通過する冷却水の温度も低いので、蒸発器４３が冷却水によって作動流体を適切に加熱できない。

これに対して、本実施形態では、エンジン１０を通過した冷却水が排気の熱を回収可能とするために、熱交換器２４及び第１迂回通路３１ａを有する。かかる場合には、エンジン１０を通過した冷却水が、第１迂回通路３１ａにおいて熱交換器２４を通過する際に、排気の熱を回収するため、冷却水の温度が上昇する。このため、エンジン１０を通過した直後の冷却水の温度が低くても、温度が上昇した冷却水が蒸発器４３に導入されるため、蒸発器４３が冷却水を熱源として作動流体を適切に加熱できる。この結果、ランキンサイクル４０を早期に始動させることが可能となる。

以上、本発明を実施の形態を用いて説明したが、本発明の技術的範囲は上記実施の形態に記載の範囲には限定されない。上記実施の形態に、多様な変更又は改良を加えることが可能であることが当業者に明らかである。そのような変更又は改良を加えた形態も本発明の技術的範囲に含まれ得ることが、特許請求の範囲の記載から明らかである。

１０ エンジン
２０ 排気通路
２４ 熱交換器
３０ 冷却水通路
３１ａ 第１迂回通路
３１ｂ 第２迂回通路
３２ ラジエータ
３４ 第１調整バルブ
３５ 第２調整バルブ
４０ ランキンサイクル
４１ 循環流路
４２ ポンプ
４３ 蒸発器
４４ 膨張器
４５ 凝縮器
８０ ＥＣＵ
Ｓ 発電システム

Claims (5)

1. 排気を排出すると共に、循環する冷却水が通過するエンジンと、
   循環流路内に、前記冷却水によって前記冷却水よりも融点が低い作動流体を蒸発させる蒸発器、前記作動流体を膨張させる膨張器、前記作動流体を凝縮させる凝縮器、前記作動流体を前記循環流路内で循環させる循環器の順に配置されたランキンサイクルと、
   前記エンジンを通過した前記冷却水を、前記蒸発器に導入する第１冷却水通路と、
   前記第１冷却水通路から分岐した後に前記第１冷却水通路と接続する第２冷却水通路と、
   前記排気の排気通路と前記第２冷却水通路とが交差する箇所に設けられ、前記排気の熱を前記第２冷却水通路の冷却水に回収する熱交換器と、
   を備えることを特徴とする発電システム。
2. 前記第１冷却水通路において前記第２冷却水通路との分岐点に設けられ、前記第１冷却水通路から前記第２冷却水通路へ流れる冷却水の流量を調整する第１流量調整部材を更に備えることを特徴とする、
   請求項１に記載の発電システム。
3. 前記第１流量調整部材の動作を制御する制御部を更に備え、
   前記制御部は、前記蒸発器における前記作動流体の蒸発状態に応じて、前記第１流量調整部材を動作させて前記第２冷却水通路へ流れる冷却水の流量を調整することを特徴とする、
   請求項２に記載の発電システム。
4. 前記第１冷却水通路において前記蒸発器を迂回する迂回通路と、
   前記蒸発器へ導入される冷却水の流量及び前記迂回通路へ流れる冷却水の流量を調整する第２流量調整部材と、を更に備えることを特徴とする、
   請求項１から３のいずれか１項に記載の発電システム。
5. 前記第２流量調整部材の動作を制御する制御部を更に備え、
   前記制御部は、前記エンジンの暖機時に、前記第２流量調整部材を動作させて、前記蒸発器に冷却水を導入させずに前記迂回通路に冷却水を流させることを特徴とする、
   請求項４に記載の発電システム。