JP2017145692A - Waste heat recovery device - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、廃熱回収装置に係り、特にランキンサイクルシステムにより内燃機関の廃熱を回収する廃熱回収装置に関する。 The present invention relates to a waste heat recovery apparatus, and more particularly to a waste heat recovery apparatus that recovers waste heat of an internal combustion engine using a Rankine cycle system.
特許文献1には、内燃機関の稼動に伴う廃熱を回収するランキンサイクルシステムに関する技術が開示されている。このランキンサイクルシステムでは、エンジンの廃熱により液相流体を沸騰させて蒸気(気相流体)に変化させ、気相流体を過熱器によって過熱し、過熱後の気相流体を膨張させることによって仕事を取り出し、膨張後の気相流体を凝縮させて液相流体に戻すことが行われる。
膨張機から送出された気相の冷媒(気相流体)は、配管を介して凝縮器へと送られて液相の冷媒(液相流体)へと変化する。しかしながら、気相流体は、凝縮器へと送出される過程の配管内においても凝縮する。特に、当該配管が走行風に直接当たる配置である場合には、配管内において多量の凝縮水が発生してしまう。したがって、この発生した凝縮水の滞留を防ぐための構成が必要となる。この点、上記特許文献1の技術では、配管内にて発生した凝縮水に対する対策はなされておらず、改善の余地が残されている。
The gas-phase refrigerant (gas-phase fluid) sent from the expander is sent to the condenser via the pipe and is changed into a liquid-phase refrigerant (liquid-phase fluid). However, the gas phase fluid also condenses in the piping in the process of being delivered to the condenser. In particular, when the piping is arranged so as to directly hit the traveling wind, a large amount of condensed water is generated in the piping. Therefore, a configuration for preventing the generated condensed water from staying is required. In this regard, in the technique of the above-mentioned
本発明は、上述のような課題に鑑みてなされたもので、内燃機関の廃熱をランキンサイクルにより回収する廃熱回収装置において、膨張機と凝縮器を接続する配管の内部で凝縮した冷媒を効率よく回収することのできる廃熱回収装置を提供することを目的とする。 The present invention has been made in view of the above-described problems. In a waste heat recovery apparatus that recovers waste heat of an internal combustion engine by a Rankine cycle, the refrigerant condensed in a pipe connecting an expander and a condenser is used. An object of the present invention is to provide a waste heat recovery device that can efficiently recover.
本発明は、冷媒を蒸気化する沸騰器と、沸騰器から送出される気液二相の冷媒を気相流体と液相流体とに分離する気液分離器と、気液分離器から送出される気相流体を内燃機関の排気との熱交換によって過熱させる過熱器と、過熱器を通過した気相流体を膨張させて熱エネルギーを回収する膨張機と、膨張機を通過した気相流体を凝縮させて液相流体に戻す凝縮器と、凝縮器から送出された液相流体を貯留するキャッチタンクとを備える廃熱回収装置を対象としている。この廃熱回収装置では、膨張機と凝縮器とが第1配管により接続され、第1配管は走行風の当たる箇所に配置されている。そして、第1配管には、第1配管の内部で凝縮した液相流体を貯留する凝縮水タンクが下方から連通し、また、凝縮水タンクは、第2配管によりキャッチタンクに接続されている。 The present invention includes a boiling device for vaporizing refrigerant, a gas-liquid separator for separating a gas-liquid two-phase refrigerant sent from the boiling device into a gas phase fluid and a liquid phase fluid, and a gas-liquid separator. A superheater that superheats the gas phase fluid to be heated by exchanging heat with the exhaust of the internal combustion engine, an expander that recovers thermal energy by expanding the gas phase fluid that has passed through the superheater, and a gas phase fluid that has passed through the expander A waste heat recovery apparatus including a condenser that condenses and returns the liquid phase fluid and a catch tank that stores the liquid phase fluid sent from the condenser is an object. In this waste heat recovery apparatus, the expander and the condenser are connected by a first pipe, and the first pipe is disposed at a location where the traveling wind hits. And the condensed water tank which stores the liquid phase fluid condensed inside the 1st piping is connected to the 1st piping from the lower part, and the condensed water tank is connected to the catch tank by the 2nd piping.
本発明によれば、膨張機と凝縮器とを接続する第1配管が、走行風の当たる箇所に配置されている。このため、第1配管内では、気相流体の凝縮が起こり液相流体が生成される。本発明の廃熱回収装置では、第1配管内で生成された液相流体が下方へと流れて凝縮水タンクに貯留される。そして、凝縮水タンクに貯留された液相流体は、第2配管を介してキャッチタンクへと戻される。これにより、第1配管内で生成された液相流体をキャッチタンクへと戻すことができるので、液相冷媒が第1配管内に滞留し続けることを有効に抑止することができる。 According to this invention, the 1st piping which connects an expander and a condenser is arrange | positioned in the location where driving | running | working wind hits. For this reason, in the first pipe, the vapor phase fluid is condensed and a liquid phase fluid is generated. In the waste heat recovery apparatus of the present invention, the liquid phase fluid generated in the first pipe flows downward and is stored in the condensed water tank. Then, the liquid phase fluid stored in the condensed water tank is returned to the catch tank via the second pipe. Thereby, since the liquid phase fluid produced | generated in the 1st piping can be returned to a catch tank, it can suppress effectively that a liquid phase refrigerant continues staying in a 1st piping.
以下、図面を参照して本発明の実施の形態について説明する。ただし、各図において共通する要素には、同一の符号を付して重複する説明を省略する。なお、以下に示す実施の形態において各要素の個数、数量、量、範囲等の数に言及した場合、特に明示した場合や原理的に明らかにその数に特定される場合を除いて、その言及した数に、この発明が限定されるものではない。また、以下に示す実施の形態において説明する構造は、特に明示した場合や明らかに原理的にそれに特定される場合を除いて、この発明に必ずしも必須のものではない。 Embodiments of the present invention will be described below with reference to the drawings. However, the same reference numerals are given to common elements in the drawings, and redundant description is omitted. In addition, in the embodiment shown below, when referring to the number of each element, quantity, quantity, range, etc., unless otherwise specified or clearly specified in principle, the reference However, the present invention is not limited to these numbers. Further, the structures described in the embodiments described below are not necessarily essential to the present invention unless otherwise specified or clearly specified in principle.
実施の形態1.
1.ランキンサイクルシステムの構成
図1は、実施の形態1のランキンサイクルシステム100の構成を示す図である。実施の形態1のランキンサイクルシステム100は、内燃機関(エンジン)10を含み、エンジン10の廃熱を回収する廃熱回収装置として構成されている。ランキンサイクルシステム100は、車両のエンジンコンパートメント内にエンジン10とともに搭載され、上方の開口部はボンネット1により覆われている。エンジン10の種別や構造には限定はない。ただし、エンジン10のシリンダブロック及びシリンダヘッドには、エンジン10を循環する冷媒が流れる冷媒流路(図示省略)が形成されている。冷媒流路は、シリンダの周囲を囲むウォータージャケットを含む。エンジン10は、冷媒流路を流れる冷媒との熱交換によって冷却される。本実施の形態では、冷媒として水が用いられている。
1. Configuration of Rankine Cycle System FIG. 1 is a diagram illustrating a configuration of a
エンジン10は、冷媒流路内を流通する冷媒をエンジン10の廃熱により沸騰させてその一部を蒸気化することにより冷却される。つまり、冷媒流路は、内部を流れる液相の冷媒をエンジン10の熱によって沸騰させる沸騰器として機能する。なお、冷媒流路は、エンジン10の内部を流通可能な通路であれば、その構成は特に限定されない。また、冷媒流路に流通させる冷媒は、常温では液相流体であり、エンジン10の熱により沸騰して気相流体に変化するものであればよく、水には限定されない。
The
エンジン10の冷媒流路は、冷媒管14を介して気液分離器16に接続されている。エンジン10の熱により冷媒が沸騰されると、冷媒流路からは気相流体とともに液相流体が吐出される。気液分離器16は、気液分離器16内に流入した気液二相の冷媒を液相流体と気相流体とに分離する。気液分離器16は、冷媒管18を介して第1ウォータポンプ20に接続されている。気液分離器16で分離された液相流体は、冷媒管18を経由して第1ウォータポンプ20に流入し、第1ウォータポンプ20により冷媒流路に送られる。
The refrigerant flow path of the
また、ランキンサイクルシステム100は、排気熱回収器13を備えている。冷媒流路は、冷媒管11を介して排気熱回収器13にも接続されている。排気熱回収器13には、冷媒流路から液相流体が導入される。導入された液相流体は、排気通路22を流れる排気ガスとの熱交換によって過熱されて沸騰しその一部が蒸気となる。蒸気となった気相流体は、冷媒管15を介して気液分離器16へと導入される。
The Rankine
気液分離器16は、冷媒管28を介して過熱器30に接続されている。過熱器30は、エンジン10の排気通路22において排気熱回収器13の上流に設けられている。気液分離器16では気相流体と液相流体が共存しているため、気相流体は飽和蒸気となっている。過熱器30に入った気相流体は、排気通路22の壁面から伝えられる排気熱を吸収することによって過熱蒸気となる。
The gas-
過熱器30は、冷媒管32を介して膨張機であるタービン34に接続されている。タービン34では、過熱器30から送られた気相流体(過熱蒸気)を膨張させて熱エネルギーを回収することが行われる。冷媒管32とタービン34との接続部には、図示しない超音速ノズルが設けられている。気相流体は超音速ノズルからタービン34に噴きつけられ、タービン34を回転させる。タービン34の回転は、図示しない減速機を介してエンジン10の出力軸に伝えられる。つまり、タービン34で回収された熱エネルギーは、エンジン10のアシストに用いられる。ただし、タービン34により発電機を駆動し、発生した電気を蓄電池に蓄えるように構成することもできる。
The
タービン34で膨張した気相流体は、冷媒管36(第1配管)を介してコンデンサ(凝縮器)40に送られる。なお、冷媒管36の途中において気相流体の凝縮により生じた液相流体は、冷媒管36へ下方から連通する凝縮水タンク38に一時的に貯留される。凝縮水タンク38についてはその詳細を後述する。凝縮水タンク38内の液相流体は、冷媒管39(第2配管)を介して後述するキャッチタンク44に送られる。冷媒管39の途中には排出制御弁37が配置されている。コンデンサ40に送られた気相流体は、コンデンサ40により冷却されて凝縮し、液相流体に戻される。気相流体の凝縮により生じた液相流体は、コンデンサ40から冷媒管42を介してキャッチタンク44に送られ、キャッチタンク44に一時的に貯留される。キャッチタンク44は、冷媒管46を介して第1ウォータポンプ20に接続されている。冷媒管46には、第2ウォータポンプ48が設けられている。第2ウォータポンプ48は、キャッチタンク44に貯留された液相流体を第1ウォータポンプ20に送るためのポンプである。このような構成によれば、第2ウォータポンプ48が駆動されることにより、キャッチタンク44に貯留された液相流体がエンジン10に送られる。キャッチタンク44の下端は、冷媒管50を経由して冷媒タンク52の下端に接続されている。また、冷媒タンク52の上端には、端部がコンデンサ40の上端に接続された冷媒管54が接続されている。
The gas phase fluid expanded by the
2.ランキンサイクルシステムの特徴的配置
ランキンサイクルシステム100を構成する上記の部品は、液相の冷媒(液相流体)から蒸気(気相流体)を発生させる蒸気発生部と、蒸気を液相の冷媒へと凝縮させる凝縮部とに大別される。蒸気発生部は、エンジン10から送出された冷媒が動力回収部としてのタービン34に至るまでの冷媒経路を構成する部品であり、例えば、気液分離器16、過熱器30、排気熱回収器13、及び冷媒管11,14,28,32等が該当する。一方、凝縮部は、タービン34から送出された冷媒がエンジン10まで戻るまでの経路を構成する部品であり、例えば、凝縮水タンク38、コンデンサ40、キャッチタンク44、及び冷媒管36,42,46等が該当する。
2. Characteristic Arrangement of Rankine Cycle System The above components constituting the
ここで、車両が走行すると、走行風が車両の前方側からエンジンコンパートメント内に導入される。導入された走行風は最前方に配置されているコンデンサ40に直接当たる。このため、車両の正面視においてコンデンサ40と重なる後方側には、走行風が直接当たらない領域が形成される。一方、コンデンサ40の下方側の領域は、当該コンデンサ40によって走行風が遮られることがないため、走行風が各部品に直接当たることとなる。
Here, when the vehicle travels, traveling wind is introduced into the engine compartment from the front side of the vehicle. The introduced traveling wind directly hits the
本実施の形態1のランキンサイクルシステム100では、蒸気発生部を走行風が直接当たらない領域に配置し、凝縮部を走行風が直接当たる領域に配置するように構成している。以下、車両の進行方向に対してエンジン10を横置きとしたFF車(フロントエンジン前輪駆動車)である場合のランキンサイクルシステム100の配置を例に、更に詳しく説明する。
In the
図2は、車両の進行方向に対して前方側に排気系を備えるFF車にランキンサイクルシステムを搭載した場合の各部品の配置例を示す内部構成図である。なお、図2では、図1におけるランキンサイクルシステム100を構成する部品のうち、主要な部品の配置を車両の進行方向に対して側面側から見た図を示している。また、図3は、図2における蒸発部から動力回収部にかけての構成を抜粋して位置関係を示した斜視図である。また、図4は、図2における動力回収部から凝縮部にかけての構成を抜粋して位置関係を示した斜視図である。
FIG. 2 is an internal configuration diagram illustrating an arrangement example of each component when a Rankine cycle system is mounted on an FF vehicle having an exhaust system on the front side with respect to the traveling direction of the vehicle. Note that FIG. 2 shows a view of the arrangement of main components among the components constituting the
図2及び図3に示すように、蒸気発生部を構成する部品はエンジン10の排気系の側とコンデンサ40の間となる領域に配置されている。この領域は、コンデンサ40によって冷たい走行風が遮られるとともに、エンジン10の排気熱によって高温となる。このため、蒸気発生部が冷却されて蒸気量が減ることを抑制することができる。
As shown in FIGS. 2 and 3, the components constituting the steam generator are arranged in a region between the exhaust system side of the
また、図2及び図4に示すように、凝縮部を構成する部品は、走行風が直接当たる部位に配置されている。より詳しくは、コンデンサ40は車両の最前面に配置されている。また、冷媒管36は、車両の正面視でコンデンサ40の側方となる領域を通ってタービン34の蒸気出口とコンデンサ40の上部とを接続している。また、キャッチタンク44は、コンデンサ40の下方の領域に配置され、冷媒管42は、コンデンサ40の下部とキャッチタンク44の上部とを接続している。このような構成によれば、凝縮部を構成する部品を走行風によって効果的に冷却することができるので、冷媒の凝縮を促進することができる。
Moreover, as shown in FIG.2 and FIG.4, the components which comprise a condensation part are arrange | positioned in the site | part which a driving | running | working wind directly hits. More specifically, the
また、本実施の形態1のランキンサイクルシステム100は、その特徴的な構成として凝縮水タンク38を備えている。図5は、図2における動力回収部から凝縮部にかけての構成を抜粋して位置関係を示した側面図である。図4及び図5に示すように、タービン34は、蒸気出口(つまり冷媒管36の接続部)がタービン34の最下端に設けられている。また、タービン34の蒸気出口はコンデンサ40の下端よりも下方に位置している。そして、凝縮水タンク38は、タービン34の出口の底よりも低い位置に配置されている。このような構成によれば、タービン34の蒸気出口以降の冷媒管36が走行風によって積極的に冷却される。この際、冷媒管36の内部にて発生した液相流体は、下方に位置する凝縮水タンク38へと流れて貯留される。これにより、冷媒管36が走行風に当たる構成であっても、冷媒管36内に液相流体が滞留し続ける事態が回避される。
The
また、図5に示すように、キャッチタンク44は、凝縮水タンク38の底よりも更に下方に配置されている。また、凝縮水タンク38の下端は冷媒管39を介してキャッチタンク44に接続されている。そして、冷媒管39には、排出制御弁37が配置されている。ランキンサイクル作動中に排出制御弁37が開弁されると、凝縮水タンク38内の冷媒が圧力差によってキャッチタンク44内へと送られる。また、ランキンサイクル停止中であっても、凝縮水タンク38内の冷媒は、排出制御弁37が開弁されることによって、より下方に位置するキャッチタンク44内へと送られる。キャッチタンク44へと導入された冷媒は、冷媒管46を介して再びエンジン10へと送られる。これにより、冷媒管36で凝縮した冷媒を確実に回収することが可能となる。
Further, as shown in FIG. 5, the
また、キャッチタンク44内に貯留された冷媒は第2ウォータポンプ48によってエンジン10へと送水される。冷媒はコンデンサ40を通過して冷却される過程で減圧される。このため、第2ウォータポンプ48は、負圧環境から冷媒を吸い出すこととなり第2ウォータポンプ48の入口では減圧沸騰が発生する。図5に示すようにキャッチタンク44を最下方に配置する構成によれば、キャッチタンク44内において水頭を稼ぐことができるので、第2ウォータポンプ48への気体の噛み込みを防止して凝縮した冷媒を確実に回収することが可能となる。
Further, the coolant stored in the
なお、凝縮水タンク38は、冷媒管36におけるタービン34の蒸気出口近傍に接続されることが好ましい。これにより、凝縮水タンク38とキャッチタンク44との圧力差を大きく確保することができるので、凝縮水タンク38からキャッチタンク44への冷媒の流れを促進することができる。
The
3.その他
上述した本実施の形態1では、車両の進行方向に対してエンジン10を横置きとしたFF車にランキンサイクルシステム100を搭載した場合について説明した。しかしながら、本発明に係るランキンサイクルシステム100は他のタイプのエンジンに対しても搭載することができる。図6は、車両の進行方向に対して後方側に排気系を備えるFF車にランキンサイクルシステムを搭載した場合の各部品の配置例を示す内部構成図である。また、図7は、車両の進行方向に対してエンジンを縦置きとしたFR車(フロントエンジン後輪駆動車)にランキンサイクルシステムを搭載した場合の各部品の配置例を示す内部構成図である。なお、図6では、図1におけるランキンサイクルシステム100を構成する部品のうち、主要な部品の配置を車両の進行方向に対して側面側から見た図を示している。また、図7では、図1におけるランキンサイクルシステム100を構成する部品のうち、主要な部品の配置を車両の進行方向に対して正面側から見た図を示している。
3. Others In the first embodiment described above, the case where the
図6及び図7に示すような他のタイプのエンジンであっても、蒸気発生部をコンデンサ40の後方に配置することにより、蒸気発生部が走行風により冷却されることを抑制することができる。また、凝縮部は走行風が直接当たる領域に配置されるので、冷却が促進される。さらに、冷媒管36において発生した液相の冷媒は凝縮水タンク38へと効率よく回収されるので、冷媒管36内における液相の冷媒の滞留が抑制される。
Even in other types of engines as shown in FIGS. 6 and 7, it is possible to suppress the steam generator from being cooled by the traveling wind by disposing the steam generator behind the
1 ボンネット
10 エンジン
11,14,15,18,28,32,42,46,50,54 冷媒管
36 冷媒管(第1配管)
39 冷媒管(第2配管)
13 排気熱回収器
16 気液分離器
20 第1ウォータポンプ
22 排気通路
30 過熱器
34 タービン(膨張機)
37 排出制御弁
38 凝縮水タンク
40 コンデンサ
44 キャッチタンク
48 第2ウォータポンプ
52 冷媒タンク
100 ランキンサイクルシステム
1
39 Refrigerant pipe (second pipe)
13 Exhaust
37
Claims (1)
前記膨張機と前記凝縮器とは第1配管により接続され、
前記第1配管は走行風の当たる箇所に配置され、
前記第1配管の下方から当該前記第1配管へと連通し、前記第1配管の内部で凝縮した液相流体を貯留する凝縮水タンクと、
前記凝縮水タンクと前記キャッチタンクとを接続する第2配管と、
を備えることを特徴とする廃熱回収装置。 A boiling device that vaporizes the refrigerant, a gas-liquid separator that separates a gas-liquid two-phase refrigerant sent from the boiling device into a gas phase fluid and a liquid phase fluid, and a gas sent from the gas-liquid separator. A superheater that superheats the phase fluid by heat exchange with the exhaust of the internal combustion engine, an expander that recovers thermal energy by expanding the gas phase fluid that has passed through the superheater, and a gas phase fluid that has passed through the expander In a waste heat recovery apparatus comprising: a condenser that condenses and returns the liquid phase fluid; and a catch tank that stores the liquid phase fluid sent from the condenser.
The expander and the condenser are connected by a first pipe,
The first pipe is arranged at a location where the traveling wind hits,
A condensed water tank communicating from the lower side of the first pipe to the first pipe and storing a liquid phase fluid condensed inside the first pipe;
A second pipe connecting the condensed water tank and the catch tank;
A waste heat recovery apparatus comprising:
Priority Applications (1)
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---|---|---|---|
JP2016025732A JP2017145692A (en) | 2016-02-15 | 2016-02-15 | Waste heat recovery device |
Applications Claiming Priority (1)
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JP2016025732A JP2017145692A (en) | 2016-02-15 | 2016-02-15 | Waste heat recovery device |
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