JP2018040337A - Waste heat collection 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.
ランキンサイクルシステムを利用して内燃機関の廃熱を回収する廃熱回収装置が提案されている。廃熱回収装置では、内燃機関の廃熱により液相流体を蒸発或いは沸騰させて気相流体に変化させ、気相流体をタービンで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。特開2015−230139号公報には、このような廃熱回収装置において、タービンをバイパスする回路を設けて、そこにバイパス弁を配置することが記載されている。 A waste heat recovery device that recovers waste heat of an internal combustion engine using a Rankine cycle system has been proposed. In the waste heat recovery device, the liquid phase fluid is evaporated or boiled by the waste heat of the internal combustion engine to change it into a gas phase fluid, and the work is taken out by expanding the gas phase fluid with a turbine, and the expanded gas phase fluid is condensed. It is made to return to a liquid phase fluid. Japanese Patent Laying-Open No. 2015-230139 describes that in such a waste heat recovery apparatus, a circuit for bypassing the turbine is provided and a bypass valve is arranged there.
廃熱回収装置では、内燃機関の廃熱の急増によって液相流体が激しく沸騰し、発生した蒸気によって内部の圧力が過剰に上昇する場合がある。また、液相流体を送り出すポンプの故障や、タービンノズルの詰まり等の故障が原因で、内部の圧力が過剰に上昇する場合もある。このような場合、バイパス弁を開くことで圧力の上昇を抑えることができる。しかし、圧力の上昇を検知してからバイパス弁を開くのでは、急激な圧力の上昇には対応することはできない。また、バイパス弁が故障して閉じたまま固着してしまった場合には、圧力の上昇を抑える術はない。 In the waste heat recovery device, the liquid phase fluid may boil violently due to a sudden increase in waste heat of the internal combustion engine, and the internal pressure may increase excessively due to the generated steam. In addition, the internal pressure may increase excessively due to a failure in the pump that sends out the liquid phase fluid or a failure such as clogging of the turbine nozzle. In such a case, an increase in pressure can be suppressed by opening the bypass valve. However, if the bypass valve is opened after the pressure increase is detected, a sudden pressure increase cannot be handled. In addition, there is no way to suppress the pressure rise when the bypass valve fails and is stuck closed.
本発明は、上述のような課題を解決するためになされたもので、発生した蒸気によって内部の圧力が過剰に上昇することを抑制することが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 to solve the above-described problems, and an object of the present invention is to provide a waste heat recovery apparatus that can suppress an excessive increase in internal pressure due to generated steam. .
上記の目的を達成するため、本発明に係る廃熱回収装置は、内燃機関の廃熱により液相流体を蒸発させて気相流体に変化させる蒸発器と、前記蒸発器から送出される気相流体を前記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、前記過熱器を通過した気相流体を膨張させて仕事を取り出すタービンと、前記タービン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、前記凝縮器で得られた液相流体を前記蒸発器に供給するポンプと、前記タービンをバイパスして前記蒸発器の下流と前記凝縮器の上流とを接続するバイパス回路と、前記バイパス回路に設けられたバイパス弁と、を備える廃熱回収装置において、
前記ポンプから前記タービン或いは前記バイパス弁までの流体回路である高圧回路内の圧力が設定圧力以上になった場合に、前記高圧回路に低温の液相流体を注入することによって前記高圧回路内の圧力を減圧する減圧安全装置を備え、
前記減圧安全装置は、
第1受圧部と、前記第1受圧部と対向して設けられた前記第1受圧部より受圧面積が狭い第2受圧部とを備える受圧可動部と、
前記第2受圧部によって壁面の一部を構成され、前記受圧可動部の移動によって容積が変化する、内部に液相流体が充填されたシリンダと、
前記受圧可動部に対して前記第2受圧部の側から前記第1受圧部の側へ向かう弾性力を作用させるスプリングと、
前記高圧回路と前記第1受圧部とを接続し、前記高圧回路内の圧力を前記第1受圧部に作用させる圧力導入回路と、
前記シリンダと前記高圧回路とを接続し、前記シリンダから前記高圧回路への液相流体の流入を可能にする液相流体注入回路と、を備え、
前記スプリングは、前記高圧回路内の圧力が前記設定圧力以上になったときに、前記受圧可動部が前記スプリングの弾性力に抗して前記第1受圧部の側から前記第2受圧部の側へ移動するように調整されていることを特徴とする。
In order to achieve the above object, a waste heat recovery apparatus according to the present invention includes an evaporator that evaporates a liquid phase fluid by waste heat of an internal combustion engine to change it into a gas phase fluid, and a gas phase that is sent from the evaporator. A superheater that superheats the fluid by heat exchange with the exhaust of the internal combustion engine, a turbine that expands the gaseous fluid that has passed through the superheater to extract work, and condenses the gaseous fluid that has passed through the turbine to condense liquid A condenser for returning to the phase fluid, a pump for supplying the liquid phase fluid obtained by the condenser to the evaporator, and a bypass for bypassing the turbine and connecting the downstream of the evaporator and the upstream of the condenser In a waste heat recovery apparatus comprising a circuit and a bypass valve provided in the bypass circuit,
When the pressure in the high pressure circuit, which is a fluid circuit from the pump to the turbine or the bypass valve, exceeds a set pressure, the pressure in the high pressure circuit is injected by injecting a low-temperature liquid phase fluid into the high pressure circuit. Equipped with a decompression safety device to decompress
The decompression safety device is:
A pressure-receiving movable unit comprising: a first pressure-receiving unit; and a second pressure-receiving unit having a smaller pressure-receiving area than the first pressure-receiving unit provided to face the first pressure-receiving unit;
A part of the wall surface is constituted by the second pressure receiving part, and the volume is changed by the movement of the pressure receiving movable part, and a cylinder filled with a liquid phase fluid therein,
A spring that applies an elastic force from the second pressure receiving portion side to the first pressure receiving portion side with respect to the pressure receiving movable portion;
A pressure introducing circuit that connects the high-pressure circuit and the first pressure-receiving unit, and causes the pressure in the high-pressure circuit to act on the first pressure-receiving unit;
A liquid phase fluid injection circuit that connects the cylinder and the high pressure circuit, and allows a liquid phase fluid to flow from the cylinder to the high pressure circuit,
In the spring, when the pressure in the high-pressure circuit becomes equal to or higher than the set pressure, the pressure-receiving movable portion resists the elastic force of the spring from the first pressure-receiving portion side to the second pressure-receiving portion side. It is adjusted so that it may move to.
本発明に係る廃熱回収装置によれば、高圧回路内の圧力が設定圧力以上になったとき、減圧安全装置が作動する。減圧安全装置では、受圧可動部がスプリングの弾性力に抗して第1受圧部の側から第2受圧部の側へ移動し、シリンダの内部に充填された液相流体が高圧回路へ注入される。低温の液相流体が注入されることで蒸発器内での液相流体の沸騰が抑えられ、高圧回路内の圧力の上昇は抑えられる。 According to the waste heat recovery apparatus according to the present invention, when the pressure in the high-pressure circuit becomes equal to or higher than the set pressure, the decompression safety device operates. In the decompression safety device, the pressure receiving movable part moves from the first pressure receiving part side to the second pressure receiving part side against the elastic force of the spring, and the liquid phase fluid filled in the cylinder is injected into the high pressure circuit. The By injecting the low-temperature liquid phase fluid, boiling of the liquid phase fluid in the evaporator is suppressed, and an increase in pressure in the high-pressure circuit is suppressed.
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、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, 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.
1−1.廃熱回収装置の構成
図1は、実施の形態1の廃熱回収装置1の構成を示す図である。廃熱回収装置1は、複数の流体管31,32,33,34,35,36,37が環状に接続されてなる流体循環回路を備える。流体循環回路には、流体管37から流体管31へ液相流体を送り出すポンプ24が配置される。廃熱回収装置1は、内燃機関2の排気通路4を流れる排気ガスと、循環回路を循環する流体との間で熱交換を行うことで、排気ガスが持つ廃熱を流体に移動させる。なお、流体は、常温では液体であり、内燃機関2の熱により沸騰或いは蒸発して気相流体に変化するものであればよい。本実施の形態では、この流体は水とする。
Embodiment 1 FIG.
1-1. Configuration of Waste Heat Recovery Apparatus FIG. 1 is a diagram illustrating a configuration of the waste heat recovery apparatus 1 according to the first embodiment. The waste heat recovery apparatus 1 includes a fluid circulation circuit in which a plurality of
排気通路4には、排気ガスの流れ方向の下流側から順に、熱交換器である予熱器10、蒸発器12、及び過熱器14が取り付けられている。ポンプ24の出口は流体管31によって予熱器10に接続されている。予熱器10は流体管32によって蒸発器12に接続されている。蒸発器12は流体管33によって過熱器14に接続されている。ポンプ24から送り出された水は、予熱器10において排気ガスから熱を吸収し、高温の熱水になる。熱水は、蒸発器12においてより高温の排気ガスから熱を吸収して沸騰或いは蒸発し、水蒸気になる。水蒸気は、過熱器14においてさらに高温の排気ガスから熱を吸収し、過熱水蒸気になる。
A
過熱器14は、流体管33によってタービン18に接続されている。タービン18では、過熱器14から送られた水蒸気を膨張させて仕事を取り出すことが行われる。流体管33とタービン18との接続部には、タービンノズル16が設けられている。水蒸気はタービンノズル16からタービン18に噴きつけられ、タービン18を回転させる。タービン18の回転は、図示しない減速機を介して内燃機関2の出力軸に伝えられる。つまり、タービン18で取り出された仕事は、内燃機関2のアシストに用いられる。ただし、タービン18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18は、流体管35によって凝縮器20に接続されている。タービン18で膨張した水蒸気は、凝縮器20により冷却されて凝縮し、液相の水に戻される。鉛直方向において凝縮器20よりも下方には、水を蓄えるキャッチタンク22が配置されている。凝縮器20は、流体管36によってキャッチタンク22に接続されている。凝縮器20において水蒸気の凝縮により生じた水は、キャッチタンク22に一時的に貯留される。キャッチタンク22は、流体管37によってポンプ24の入り口に接続されている。キャッチタンク22の水は、ポンプ24によって再び予熱器10へ送り出される。なお、ポンプ24は、ベーンポンプ等の容積型のポンプである。
The
廃熱回収装置1は、タービン18をバイパスするバイパス回路と、バイパス回路に設けられたバイパス弁42とを備える。バイパス回路は、流体管33から分岐してバイパス弁42に接続される流体管40と、バイパス弁42と流体管35とを接続する流体管41とにより構成される。バイパス弁42は、図示しない制御装置からの信号によって動作する制御弁である。
The waste heat recovery apparatus 1 includes a bypass circuit that bypasses the
上記のように構成される廃熱回収装置1には、作動中にかかる圧力が異なる2つの流体回路が形成される。ポンプ24からタービンノズル16或いはバイパス弁42までの流体回路は、作動中に高い圧力がかかる高圧回路を構成する。詳しくは、高圧回路には、流体管31,32,33,34,40、予熱器10、蒸発器12、及び過熱器14が含まれる。タービン18或いはバイパス弁42からポンプ24までの流体回路は、作動中に低い圧力がかかる低圧回路を構成する。詳しくは、低圧回路には、流体管41,35,36,37、凝縮器20、及びキャッチタンク22が含まれる。
In the waste heat recovery apparatus 1 configured as described above, two fluid circuits having different pressures during operation are formed. The fluid circuit from the
1−2.減圧安全装置の構成
廃熱回収装置1は、高圧回路内の圧力が設定圧力以上になった場合に、高圧回路に低温の水を注入することによって高圧回路内の圧力を減圧する減圧安全装置51を備える。減圧安全装置51は、第1ピストン60Aと第2ピストン60Bとが軸を同一にして一体化された受圧可動部60を備える。第1ピストン60Aの径は、第2ピストン60Bの径よりも小さい。
1-2. Configuration of Decompression Safety Device The waste heat recovery device 1 is a
減圧安全装置51は、第1ピストン60Aのピストン面である第1受圧部60aによって壁面の一部を構成され、受圧可動部60の軸方向の移動によって容積が変化する第1シリンダ62を備える。また、減圧安全装置51は、第2ピストン60Bのピストン面である第2受圧部60bによって壁面の一部を構成され、受圧可動部60の軸方向の移動によって容積が変化する第2シリンダ64を備える。第1シリンダ62と第2シリンダ64とは軸を同一にして一体化され、その内部に受圧可動部60が収容されている。つまり、減圧安全装置51は、受圧面積の異なる2つのシリンダ機構が組み合わされてなる増力機構である。
The
第1シリンダ62の内部において、第1ピストン60Aに対し、その第1受圧部60aとは反対の側には、コイルスプリング66が収容されている。第2ピストン60Bは、コイルスプリング66の中心を通って第2シリンダ64の中に突き出している。コイルスプリング66は圧縮バネであって、受圧可動部60に対して第2受圧部60bの側から第1受圧部60aの側へ向かう弾性力を作用させている。
Inside the
第2シリンダ64の中には液相の水が充填されている。第2シリンダ64に充填されている水は、キャッチタンク22に貯留されていた水であり、高圧回路において加熱される前の低温の水である。
The
第1シリンダ62の天井部(図の上方を鉛直方向上方とした場合)には、流体管73の一端が接続されている。流体管73の他端は、高圧回路を構成する流体管40に接続されている。流体管73は、高圧回路内の圧力を第1ピストン60Aの第1受圧部60aに作用させる圧力導入回路である。
One end of a
第2シリンダ64の底部には、流体管71の一端が接続されている。流体管71の他端は、高圧回路を構成する蒸発器12に接続されている。第2シリンダ64の内部には液相の水が充填されている。流体管71は、第2シリンダ64から高圧回路への水の流入を可能にする液相流体注入回路である。流体管71には、第2シリンダ64から高圧回路への流体の流れを許容し、その逆方向への流れを防止する逆止弁75が設けられている。
One end of a
また、流体管71には、低圧回路内の液相の水を第2シリンダ64へ補給するための流体管72の一端が接続されている。流体管72は、低圧回路を構成するキャッチタンク22に接続されている。流体管72には、低圧回路から第2シリンダ64への流体の流れを許容し、その逆方向への流れを防止する逆止弁76が設けられている。
The
1−3.減圧安全装置の動作
上記のように構成される減圧安全装置51において、受圧可動部60の位置は、第1受圧部60aに作用する圧力と、第2受圧部60bに作用する圧力と、コイルスプリング66の弾性力との関係によって決まる。ここで、第1ピストン60Aが第1シリンダ62の天井面に最も近づいたときの受圧可動部60の位置を、受圧可動部60の初期位置とする。そして、受圧可動部60が初期位置にあるときのコイルスプリング66の縮み量を初期縮み量とする。第1受圧部60aの面積をA1、第1受圧部60aに作用する圧力をP1、第2受圧部60bの面積をA2、第2受圧部60bに作用する圧力をP2、コイルスプリング66のバネ定数をK、コイルスプリング66の初期縮み量をX0で表すと、初期位置において受圧可動部60に作用する作動力Fは、下記の式1で表される。式1で表される作動力Fが正の値になったとき、受圧可動部60は初期位置から第2シリンダ64の方向へ移動し、第2シリンダ64の容積を縮小させる。
F=((P1*A1)−(P2*A2))−K*X0 ・・・式1
1-3. Operation of Depressurized Safety Device In the depressurized
F = ((P1 * A1) − (P2 * A2)) − K * X0 Equation 1
図2は、高圧回路内の圧力が上昇した場合の減圧安全装置51の動作を示す図である。高圧回路内の圧力は、圧力導入回路である流体管73を介して第1受圧部60aに作用する。高圧回路内の圧力が上昇すると、第1受圧部60aに作用する圧力も上昇し、受圧可動部60に作用する作動力Fが上昇する。そして、作動力Fが正の値になると、第2ピストン60Bを第2シリンダ64に押し込む力が作用し、第2シリンダ64内の圧力が上昇する。この間、逆止弁76は閉じており、第2シリンダ64内の圧力が高圧回路内の圧力と同じ圧力になったところで逆止弁75が開く。このときの高圧回路内の圧力が、減圧安全装置51が作動する設定圧である。設定圧は、流体管や機器の耐圧性に基づいて定められている。減圧安全装置51が作動するときには、第1受圧部60aと第2受圧部60bの両方に設定圧以上の同じ圧力がかかる。コイルスプリング66のバネ定数Kは、上記の式において、P1とP2が設定圧以上になったときに、作動力Fが正の値になるように調整されている。
FIG. 2 is a diagram illustrating the operation of the
減圧安全装置51の作動中にて受圧可動部60に作用する作動力Fは、下記の式2で表される。ここで、Pは、第1受圧部60aと第2受圧部60bの両方に作用する高圧回路内の圧力である。Fsは、コイルスプリング66のスプリング力(弾性力)であり、受圧可動部60の初期位置からの移動量をXで表す場合、下記の式3で表される。式2で表される作動力Fがゼロになる位置まで、受圧可動部60は移動し、その移動量に応じた量の水が第2シリンダ64から流体管71を介して高圧回路へ注水される。
F=P*(A1−A2)−Fs ・・・式2
Fs=K*(X0+X) ・・・式3
The operating force F acting on the pressure receiving
F = P * (A1-A2) -
Fs = K * (X0 + X)
第2シリンダ64に蓄えられていた低温の水が高圧回路の蒸発器12に注水されることで、蒸発器12内の水の沸騰は抑制され、高圧回路内の圧力は低下する。図3は、高圧回路内の圧力が低下した場合の減圧安全装置51の動作を示す図である。高圧回路内の圧力が低下すると、第1受圧部60aに作用する圧力が低下することにより、受圧可動部60はコイルスプリング66によって押し戻される。受圧可動部60が第1シリンダ62の方向へ移動し、第2シリンダ64の容積が拡大することで、第2シリンダ64内の圧力は低下する。これにより、逆止弁75が閉じるとともに、逆止弁76が開く。逆止弁75が閉じることで、第2シリンダ64から蒸発器12への注水が停止し、逆止弁76が開くことで、キャッチタンク22内の水が流体管72を介して第2シリンダ64へ供給される。第2シリンダ64に水が充填されることにより、減圧安全装置51は、再び作動な可能な状態となる。
The low-temperature water stored in the
高圧回路内の圧力が上昇する原因には、内燃機関2の排気温度の急上昇に伴う蒸発器12での沸騰の激化、バイパス弁42の閉故障、異物の付着によるタービンノズル16の詰まり等の様々な原因が含まれる。原因がどれであっても、上記のように減圧安全装置51が動作することにより、高圧回路内の圧力が過剰に上昇することを抑えることができる。また、減圧安全装置51の作動により高圧回路内の圧力が低下すると、減圧安全装置51は元の状態へ自動復帰する。ゆえに、高圧回路内の圧力が繰り返し上昇することがあっても、その都度、減圧安全装置51が作動して圧力を低下させることができる。
The pressure in the high-pressure circuit rises due to various factors such as intensification of boiling in the
1−4.減圧安全装置の安全弁としての動作
高圧回路内の圧力の上昇があまりにも過大である場合、第2シリンダ64内の水を蒸発器12に注入しただけでは足りない場合がある。そのような場合、減圧安全装置51は、高圧回路内の圧力を大気に開放する安全弁として作動する。
1-4. Operation as a safety valve of the decompression safety device When the pressure increase in the high pressure circuit is excessively large, it may not be sufficient to inject the water in the
図4は、減圧安全装置51の安全弁としての動作を説明するための図である。第1シリンダ62には、第1ピストン60Aにより仕切られる2つの空間のうち、第1受圧部60aとは反対側の空間を大気に開放するための2本の大気開放管68,69が接続されている。図2及び図3に示すように、通常、大気開放管68,69は、第1シリンダ62の第1受圧部60aの側の空間とは連通していない。しかし、第1受圧部60aに作用する圧力の上昇によって、第1ピストン60Aが第1シリンダ62の奥へ押し込まれると、図4に示すように、第1シリンダ62の側面に接続された大気開放管69が、第1シリンダ62の第1受圧部60aの側の空間と連通するようになる。これにより、高圧回路内の圧力は、大気開放管69を介して大気中へ開放される。
FIG. 4 is a view for explaining the operation of the
減圧安全装置51を安全弁として作動させる限界圧力は、図4に示す第1シリンダ62の初期位置からの変位量X1、つまり、コイルスプリング66の縮み量で決まる。流体管や機器の強度に基づいて限界圧力が定められ、限界圧力に対応する変位量X1で大気開放管69が高圧回路と連通するように、大気開放管69の接続位置が決められている。
The limit pressure at which the
高圧回路内の圧力が上昇した場合、減圧安全装置51は、まず、第2シリンダ64内の水を蒸発器12に注入することによって沸騰を抑制し、高圧回路内の圧力を低下させようとする。そして、第2シリンダ64内の水を蒸発器12に注入したにもかかわらず高圧回路内の圧力が上昇し続ける場合に限り、減圧安全装置51は安全弁として作動し、高圧回路内の圧力を大気中へ開放する。これによれば、過大な圧力が加わることによる流体管や機器の破損を回避しつつ、外界に対する影響を最小限に抑えることができる。
When the pressure in the high pressure circuit increases, the
5.減圧安全装置の変形例
以下、減圧安全装置51の変形例について図を用いて説明する。図5は、第1変形例としての減圧安全装置52の構成を示す図である。この減圧安全装置52は、第1シリンダ62の天井面に、非圧縮性の流体が満たされた容器63が取り付けられている。圧力導入回路としての流体管73は、この容器63に接続されている。非圧縮性の流体はここでは液相の水であり、第1シリンダ62の第1受圧部60aの側の空間にも水が満たされている。容器63には、第2ピストン60Bの移動による第2シリンダ64の容積の変化量と同じか、それよりも多い量の水が蓄えられている。減圧安全装置52の構成によれば、第1ピストン60Aの第1受圧部60aに対して、より圧力をかかりやすくすることができる。
5. Hereinafter, a modified example of the
図6は、第2変形例としての減圧安全装置53の構成を示す図である。この減圧安全装置53は、第1変形例の構成において、圧力導入回路としての流体管73が蒸発器12に接続されている。蒸発器12に対する流体管73の接続位置は、蒸発器12内の水面Hよりも低い位置である。ゆえに、第2変形例の構成では、流体管73から容器63の中までが水で満たされている。また、流体管73と並列に、蒸発器12と容器63とを接続する流体管74が設けられている。流体管73には、蒸発器12から容器63への水の流れのみを許容して逆流を防止する逆止弁77が設けられている。一方、流体管74には、容器63から蒸発器12への水の流れのみを許容して逆流を防止する逆止弁78が設けられている。
FIG. 6 is a diagram showing a configuration of a
減圧安全装置53の構成によれば、高圧回路内の圧力が上昇したとき、蒸発器12から容器63へ流体管73を通って水が流れ、第1シリンダ62の第1受圧部60aに高圧回路内の圧力が作用する。そして、第2シリンダ64内の低温の水が蒸発器12へ注入されることで高圧回路内の圧力が低下したとき、容器63から蒸発器12へ流体管74を通って水が流れ、第1シリンダ62に供給された水が蒸発器12へ戻される。第1シリンダ62内の水は、蒸発器12内の沸騰している水よりも低温であるので、第1シリンダ62から蒸発器12へ水が戻されることで、蒸発器12内の水の沸騰はさらに抑制される。
According to the configuration of the
実施の形態2.
2−1.廃熱回収装置の構成
図7は、実施の形態2の廃熱回収装置101の構成を示す図である。実施の形態2の廃熱回収装置101は、内燃機関2の排気ガスが持つ廃熱だけでなく、内燃機関2の冷却水が持つ廃熱を回収するように構成される。内燃機関2のシリンダブロック及びシリンダヘッドには、冷媒が流れる冷媒流路6が形成されている。冷媒流路6は、シリンダの周囲を囲むウォータージャケットを含む。内燃機関2が発する熱により冷媒流路6内で冷媒が沸騰し、液相の冷媒が気相の冷媒に変化する際の気化熱によって内燃機関2は冷却される。このとき、冷媒流路6は、内部を流れる液相の冷媒を内燃機関2の熱によって沸騰或いは蒸発させる蒸発器として機能する。本実施の形態では、冷媒として水が用いられている。
2-1. Configuration of Waste Heat Recovery Device FIG. 7 is a diagram illustrating a configuration of the waste
内燃機関2の冷媒流路6は、流体管135を介して気液分離器116に接続されている。冷媒流路6からは気相冷媒とともに液相冷媒が吐出される。気液分離器116は、気液分離器116内に流入した冷媒を液相冷媒と気相冷媒とに分離する。気液分離器116は、流体管133を介して冷媒循環ポンプ128に接続されている。気液分離器116で分離された液相冷媒は、流体管133を経由して冷媒循環ポンプ128に流入し、冷媒循環ポンプ128により冷媒流路6に送られる。
The refrigerant flow path 6 of the
排気通路4には、排気ガスの流れ方向の下流側から順に、熱交換器である予熱器110、蒸発器112、及び過熱器114が取り付けられている。予熱器110は流体管131によってポンプ126の出口に接続されている。ポンプ126は、ベーンポンプ等の容積型のポンプであって、液相冷媒を予熱器110へ圧送している。予熱器110には流体管132が接続され、この流体管132の他端は流体管133に接続されている。また、流体管133において、流体管132が接続された位置よりも気液分離器116の側の位置には、流体管134が接続されている。この流体管134の他端は蒸発器112に接続されている。蒸発器112は、流体管136によって気液分離器116に接続されている。気液分離器116は、流体管137によって過熱器114に接続されている。
A
ポンプ126から送り出された液相冷媒は、予熱器110において排気ガスから熱を吸収する。予熱器110で加熱された液相冷媒は、気液分離器116で分離された液相冷媒とともに蒸発器112に供給される。液相冷媒は、蒸発器112においてより高温の排気ガスから熱を吸収して沸騰或いは蒸発し、気相冷媒になる。蒸発器112で生じた気相冷媒は、内燃機関2の冷媒流路6から吐出された気相冷媒とともに、気液分離器116を経由して過熱器114に供給される。気相冷媒は、過熱器114においてさらに高温の排気ガスから熱を吸収し、過熱蒸気になる。
The liquid-phase refrigerant sent out from the
過熱器114は、流体管138によってタービン120に接続されている。タービン120では、過熱器114から送られた気相冷媒を膨張させて仕事を取り出すことが行われる。流体管138とタービン120との接続部には、タービンノズル118が設けられている。気相冷媒はタービンノズル118からタービン120に噴きつけられ、タービン120を回転させる。タービン120の回転は、図示しない減速機を介して内燃機関2の出力軸に伝えられるか、或いは、発電機の駆動に用いられる。
The
タービン120は、流体管139によって凝縮器122に接続されている。タービン120で膨張した気相冷媒は、凝縮器122により冷却されて凝縮し、液相冷媒に戻される。鉛直方向において凝縮器122よりも下方には、液相冷媒を蓄えるキャッチタンク124が配置されている。凝縮器122は、流体管140によってキャッチタンク124に接続されている。キャッチタンク124は、流体管141によってポンプ126の入り口に接続されている。キャッチタンク124の水は、ポンプ126によって再び予熱器110へ送り出される。
The
廃熱回収装置101は、タービン120をバイパスするバイパス回路と、バイパス回路に設けられたバイパス弁152とを備える。バイパス回路は、流体管137から分岐してバイパス弁152に接続される流体管150と、バイパス弁152と流体管139とを接続する流体管151とにより構成される。バイパス弁152は、図示しない制御装置からの信号によって動作する制御弁である。
The waste
廃熱回収装置101は、減圧安全装置51を備える。減圧安全装置51の構成は、実施の形態1で説明したとおりである。減圧安全装置51の第2シリンダ64には、内燃機関2の冷却に用いられている液相冷媒が充填されている。圧力導入回路としての流体管73は、高圧回路を構成する流体管150に接続されている。液相流体注入回路としての流体管71は、高圧回路を構成する流体管132に接続されている。また、第2シリンダ64に液相冷媒を補充するための流体管72は、低圧回路を構成するキャッチタンク124に接続されている。減圧安全装置51は、高圧回路内の圧力が設定圧力以上になった場合に、高圧回路に低温の液相冷媒を注入することによって高圧回路内の圧力を減圧するように構成されている。
The waste
なお、実施の形態2の廃熱回収装置101は、減圧安全装置51に代えて、その変形例である減圧安全装置52(図5参照)又は減圧安全装置53(図6参照)を備えることもできる。
The waste
2−2.廃熱回収装置の車両への搭載例
図8は、実施の形態2の廃熱回収装置101の車両への搭載例を示す側面視図である。また、図9は、実施の形態2の廃熱回収装置101の車両への搭載例を示す前面視図である。この搭載例では、車両前部のボンネット204の下に内燃機関2と変速機200とが横置きされている。廃熱回収装置101を構成する過熱器114は、内燃機関2の排気マニホールドと一体化されている。過熱器114は、内燃機関2に対して車両の進行方向前方の側に配置される。過熱器114の近傍には気液分離器116が配置される。図9に示すように、気液分離器116は、車両の前面から見て、内燃機関2と並ぶように変速機200の上方に配置される。
2-2. Example of mounting waste heat recovery apparatus on vehicle FIG. 8 is a side view showing an example of mounting the waste
ボンネット204の下の最前方、すなわち、走行風を最も受けやすい位置には凝縮器122が配置される。そして、凝縮器122と内燃機関2との間の位置に、減圧安全装置51が配置される。減圧安全装置51は、第1シリンダ62が鉛直方向上方に位置し、第2シリンダ64が鉛直方向下方に位置するように、直立して配置される。また、車両の前面から見て、凝縮器122の底部から第2シリンダ64が下方に突き出るように、減圧安全装置51の搭載位置が調整されている。このような位置に減圧安全装置51を配置することにより、第2シリンダ64を走行風で冷却することができる。第2シリンダ64を冷却してその中に充填されている液相冷媒の温度を下げることで、液相冷媒の注入によって高圧回路の圧力を低下させる効果を高めることができる。
A
実施の形態3.
図10は、実施の形態3の減圧安全装置54の構成を示す図である。実施の形態3の減圧安全装置54は、ダイヤフラム機構とシリンダ機構とが組み合わされてなる増力機構として構成されている。具体的には、減圧安全装置54は、ダイヤフラム80とピストン81とからなる受圧可動部を備える。また、減圧安全装置54は、ダイヤフラム80を収めるダイヤフラム室82と、ダイヤフラム室82と軸を同一にして一体化されたシリンダ84とを備える。シリンダ84の中には液相流体が充填されている。ピストン81はシリンダ84の中を軸方向に移動する。この構成では、ダイヤフラム80のピストン81が取り付けられていない側の面が第1受圧部80aであり、ピストン81のシリンダ84内の面が第2受圧部81aである。
FIG. 10 is a diagram illustrating a configuration of the
ダイヤフラム80で仕切られたダイヤフラム室82の2つの空間のうち、ピストン81が配置されている側の空間には、コイルスプリング86が収容されている。ピストン81は、コイルスプリング86の中心を通ってシリンダ84の中に突き出している。コイルスプリング86は圧縮バネであって、ダイヤフラム80とピストン81とからなる受圧可動部に対して第2受圧部81aの側から第1受圧部80aの側へ向かう弾性力を作用させている。コイルスプリング86のバネ定数は、高圧回路内の圧力が設定圧力以上になったときに、受圧可動部がコイルスプリング86の弾性力に抗して第1受圧部80aの側から第2受圧部81aの側へ移動するように調整されている。
Of the two spaces of the
ダイヤフラム80で仕切られたダイヤフラム室82の2つの空間のうち、ダイヤフラム80の受圧面である第1受圧部80aの側の空間には、流体管73が接続されている。流体管73は、高圧回路内の圧力を第1受圧部80aに作用させる圧力導入回路である。また、ダイヤフラム室82のもう一方の空間には、その空間を大気に開放するための大気開放管88が接続されている。
Of the two spaces of the
シリンダ84には、シリンダ84から高圧回路への液相流体の流入を可能にする液相流体注入回路としての流体管71が接続されている。流体管71には、シリンダ84から高圧回路への流体の流れを許容し、その逆方向への流れを防止する逆止弁75が設けられている。また、流体管71には、低圧回路内の液相流体をシリンダ84へ補給するための流体管72が接続されている。流体管72には、低圧回路からシリンダ84への流体の流れを許容し、その逆方向への流れを防止する逆止弁76が設けられている。
A
以上のように構成される減圧安全装置54は、実施の形態1の廃熱回収装置1或いは実施の形態2の廃熱回収装置101において、減圧安全装置51の代替として用いることができる。
The
その他実施の形態.
圧力導入回路としての流体管73の接続先は、高圧回路の圧力を取り出すことができる場所であれば、上記の実施の形態には限定されない。例えば、過熱器14,114に流体管73を接続してもよい。液相流体注入回路としての流体管71の接続先は、高圧回路に液相流体を注水することができる場所であれば、上記の実施の形態には限定されない。例えば、蒸発器12,112よりも下流の部位に流体管71を接続してもよい。液相流体を補給するための流体管72の接続先は、低圧回路内の液相流体が存在している場所であれば、上記の実施の形態には限定されない。例えば、ポンプ24,126の入口付近に流体管72を接続してもよい。
Other embodiments.
The connection destination of the
1,101 廃熱回収装置
2 内燃機関
4 排気通路
6 冷媒流路(蒸発器)
10,110 予熱器
12,112 蒸発器
14,114 過熱器
16,118 タービンノズル
18,120 タービン
20,122 凝縮器
22,124 キャッチタンク
24,126 ポンプ
42,152 バイパス弁
51,52,53,54 減圧安全装置
60 受圧可動部
60A 第1ピストン
60a 第1受圧部
60B 第2ピストン
60b 第2受圧部
62 第1シリンダ
64 第2シリンダ
66 コイルスプリング
71 流体管(液相流体注入回路)
72 流体管(圧力導入回路)
80 ダイヤフラム
80a 第1受圧部
81 ピストン
81a 第2受圧部
82 ダイヤフラム室
84 シリンダ
86 コイルスプリング
116 気液分離器
128 冷媒循環ポンプ
1,101 Waste
10, 110
72 Fluid pipe (pressure introduction circuit)
80
Claims (1)
前記ポンプから前記タービン或いは前記バイパス弁までの流体回路である高圧回路内の圧力が設定圧力以上になった場合に、前記高圧回路に低温の液相流体を注入することによって前記高圧回路内の圧力を減圧する減圧安全装置を備え、
前記減圧安全装置は、
第1受圧部と、前記第1受圧部と対向して設けられた前記第1受圧部より受圧面積が狭い第2受圧部とを備える受圧可動部と、
前記第2受圧部によって壁面の一部を構成され、前記受圧可動部の移動によって容積が変化する、内部に液相流体が充填されたシリンダと、
前記受圧可動部に対して前記第2受圧部の側から前記第1受圧部の側へ向かう弾性力を作用させるスプリングと、
前記高圧回路と前記第1受圧部とを接続し、前記高圧回路内の圧力を前記第1受圧部に作用させる圧力導入回路と、
前記シリンダと前記高圧回路とを接続し、前記シリンダから前記高圧回路への液相流体の流入を可能にする液相流体注入回路と、を備え、
前記スプリングは、前記高圧回路内の圧力が前記設定圧力以上になったときに、前記受圧可動部が前記スプリングの弾性力に抗して前記第1受圧部の側から前記第2受圧部の側へ移動するように調整されている
ことを特徴とする廃熱回収装置。 An evaporator that evaporates a liquid phase fluid by a waste heat of the internal combustion engine to change it into a gas phase fluid, and a superheater that superheats the gas phase fluid delivered from the evaporator by heat exchange with the exhaust gas of the internal combustion engine, A turbine that expands the gas phase fluid that has passed through the superheater to extract work, a condenser that condenses the gas phase fluid that has passed through the turbine and returns it to a liquid phase fluid, and a liquid phase fluid obtained by the condenser Waste heat comprising: a pump that supplies the evaporator to the evaporator; a bypass circuit that bypasses the turbine and connects the downstream of the evaporator and the upstream of the condenser; and a bypass valve provided in the bypass circuit In the recovery device,
When the pressure in the high pressure circuit, which is a fluid circuit from the pump to the turbine or the bypass valve, exceeds a set pressure, the pressure in the high pressure circuit is injected by injecting a low-temperature liquid phase fluid into the high pressure circuit. Equipped with a decompression safety device to decompress
The decompression safety device is:
A pressure-receiving movable unit comprising: a first pressure-receiving unit; and a second pressure-receiving unit having a smaller pressure-receiving area than the first pressure-receiving unit provided to face the first pressure-receiving unit;
A part of the wall surface is constituted by the second pressure receiving part, and the volume is changed by the movement of the pressure receiving movable part, and a cylinder filled with a liquid phase fluid therein,
A spring that applies an elastic force from the second pressure receiving portion side to the first pressure receiving portion side with respect to the pressure receiving movable portion;
A pressure introducing circuit that connects the high-pressure circuit and the first pressure-receiving unit, and causes the pressure in the high-pressure circuit to act on the first pressure-receiving unit;
A liquid phase fluid injection circuit that connects the cylinder and the high pressure circuit, and allows a liquid phase fluid to flow from the cylinder to the high pressure circuit,
In the spring, when the pressure in the high-pressure circuit becomes equal to or higher than the set pressure, the pressure-receiving movable portion resists the elastic force of the spring from the first pressure-receiving portion side to the second pressure-receiving portion side. A waste heat recovery device that is adjusted to move to
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