JP2021001593A - ランキンサイクルシステムの運転方法および廃熱回収装置 - Google Patents

Abstract

【課題】ランキンサイクルシステムにおいて、比較的大きな冷却容量を確保可能とする。【課題を解決するための手段】作動流体を蒸発させる蒸発器と、作動流体の流れの方向に、蒸発器の下流側に配置され、作動流体の蒸気を凝縮させる凝縮器と、を備えるランキンサイクルシステムの運転方法が提供される。熱源を介する第１熱媒体の第１回路であって、熱源により加熱された第１熱媒体を第１放熱器により冷却可能に構成された第１回路に、蒸発器を、第１熱媒体により作動流体を加熱可能に接続する。蒸発器および凝縮器に作動流体を循環させるランキンサイクルシステムの作動時に、凝縮器と第１放熱器との間で、第２熱媒体を第１熱媒体の流れとは並列に循環させる、第２熱媒体の第２回路を形成し、第２熱媒体により凝縮器で回収された熱を、第１放熱器で放熱させる。【選択図】図３

Description

本発明は、ランキンサイクルシステムの運転方法およびランキンサイクルシステムを有する廃熱回収装置に関し、特にランキンサイクルによる廃熱回生効率を改善する技術に関する。

ランキンサイクルシステムは、蒸発器と凝縮器とを介する作動流体の循環回路を有し、蒸発器により作動流体を蒸発させ、これにより得られた蒸気で膨張機を作動させた後、作動流体の蒸気を凝縮器により凝縮させるシステムとして構成される。車両全体でのエネルギ効率の改善のため、内燃エンジンからの廃熱を回収する手段としてこのランキンサイクルシステムを導入し、膨張機が行う仕事により走行動力を補助したり、発電機を駆動して、電気を生じさせたりすることが知られている（特許文献１）。

特開２０１５−２３２２７３号公報（段落００２３）

ランキンサイクルシステムにおいて、エネルギ効率の改善の観点から充分な廃熱回生効率を得るには、凝縮器の冷却容量を確保する必要がある。しかし、空冷により冷却容量を確保しようとすれば、凝縮器が大型化する懸念がある。車載を前提とする場合は、設置スペースの制約から大型の空冷凝縮器を搭載するのが困難であることが多く、冷却容量が不足しがちである。その一方で、凝縮器を水冷とし、凝縮器を介した熱媒体を放熱器により冷却することとしても、ラジエータ等、既存の車載放熱器を用いることには、その放熱器が本来奏するべき機能を確保する必要から、ランキンサイクルシステムに関して必ずしも充分な冷却容量が得られるとは限らない。

本発明は、以上の問題を考慮し、ランキンサイクルシステムおよびこれを備える廃熱回収装置において、比較的大きな冷却容量を確保可能とし、廃熱回生効率の改善に資することを目的とする。

本発明の一形態では、作動流体を蒸発させる蒸発器と、作動流体の流れの方向に、蒸発器の下流側に配置され、作動流体の蒸気を凝縮させる凝縮器と、を備えるランキンサイクルシステムの運転方法が提供される。熱源を介する第１熱媒体の第１回路であって、熱源により加熱された第１熱媒体を第１放熱器により冷却可能に構成された第１回路に、蒸発器を、第１熱媒体により作動流体を加熱可能に接続する。そして、蒸発器および凝縮器に作動流体を循環させるランキンサイクルシステムの作動時に、凝縮器と第１放熱器との間で、第２熱媒体を第１熱媒体の流れとは並列に循環させる、第２熱媒体の第２回路を形成し、第２熱媒体により凝縮器で回収された熱を、第１放熱器で放熱させる。

他の形態では、ランキンサイクルシステムを有する廃熱回収装置が提供される。

ランキンサイクルシステムの作動時は、第１熱媒体の熱が蒸発器を通じてランキンサイクルシステムの作動流体に奪われるため、第１放熱器の冷却能力に余裕ができるかまたは第１放熱器による第１熱媒体の冷却自体が不要となる。そこで、ランキンサイクルシステムの作動時に、凝縮器と第１放熱器とをつなぐ第２熱媒体の第２回路を形成し、凝縮器で回収された熱を、第１放熱器で放熱させること、換言すれば、第１放熱器にできた冷却能力の余裕分を凝縮器で回収された熱の放出に振り向けることで、大きな冷却容量を確保することが容易となり、廃熱回生効率を改善することが可能となる。

図１は、本発明の一実施形態に係る廃熱回収装置の全体的な構成を示す概略図である。 図２は、ランキンサイクルシステムの停止時における、同上廃熱回収装置の動作を示す説明図である。 図３は、ランキンサイクルシステムの作動時における、同上廃熱回収装置の動作を示す説明図である。 図４は、同上廃熱回収装置の動作のフローチャートによる説明図である。 図５は、同上廃熱回収装置に適用可能な高温冷却液回路および低温冷却液回路の構成を示す概略図であり、ランキンサイクルシステムの停止時における熱媒体の流れを同時に示す。 図６は、同上高温冷却液回路および低温冷却液回路の、ランキンサイクルシステムの作動時における熱媒体の流れを示す概略図である。

以下、図面を参照して、本発明の実施形態について説明する。

図１は、本発明の一実施形態に係る廃熱回収装置１の全体的な構成を示している。

本実施形態に係る廃熱回収装置（以下、単に「廃熱回収装置」という）１は、ランキンサイクルシステムＳを備え、熱源１１が生じさせた廃熱を、ランキンサイクルシステムＳを通じて回収する装置として構成される。本実施形態において、廃熱回収装置１は、ハイブリッド車両に搭載され、その駆動源を構成する内燃エンジン１１を熱源とし、ランキンサイクルシステムＳにより、内燃エンジン１１からの廃熱を、電気的なエネルギに変換して回収する。駆動源の形式は、シリーズ式であっても、パラレル式であってもよく、本実施形態では、シリーズ式である。

ランキンサイクルシステムＳは、蒸発器２１と凝縮器２２とを備え、作動流体が、これらの熱機器２１、２２をこの順で流れる。本実施形態では、蒸発器２１と凝縮器２２との間に、付加的な要素として加熱器２３がさらに備わり、ポンプ２４が作動すると、作動流体が、蒸発器２１、加熱器２３および凝縮器２２を順に通過し、ランキンサイクルシステムＳを、その相変化を伴って循環する。つまり、作動流体は、標準状態（例えば、２５℃、１気圧）のもとで液体であり、ポンプ２４から吐出された後、蒸発器２１で蒸発し、さらに、加熱器２３で加熱されてその更なる昇温が図られる。そして、膨張機２５を作動させ、その後、凝縮器２２で凝縮し、元の液体に復帰する。図示は省略するが、作動流体の通路として、ランキンサイクルシステムＳのプライミング動作時に膨張機２５をバイパスさせる通路および回生時にこのバイパス通路を閉じるバルブを備えるほか、各部における作動流体の圧力および温度を検出する各種センサを備える。

本実施形態に適用可能な膨張機２５として、タービンを例示することができる。蒸気が有するエネルギをこのタービンにより機械的な仕事（つまり、回転動力）に変換し、さらに、発電機を駆動して電気を生じさせ、駆動源である電気モータに供給したり、バッテリを充填したりすることが可能である。膨張機２５が行う仕事は、他の形態のエネルギに変換するばかりでなく、機械的な仕事のまま利用することも可能である。例えば、膨張機２５の仕事により、車両の走行動力を補助することができる。

廃熱回収装置１は、ランキンサイクルシステムＳ、特にその蒸発器２１および加熱器２３に熱を付与する手段として、高温冷却液回路Ｃｈを備える。さらに、廃熱回収装置１は、ランキンサイクルシステムＳの凝縮器２２において、蒸気である作動流体が有する熱を回収する手段として、高温冷却液回路Ｃｈよりも温度の低い熱媒体を循環させる低温冷却液回路Ｃｌを備える。本実施形態において、高温冷却液回路Ｃｈおよび低温冷却液回路Ｃｌは、いずれも駆動源の冷却回路であり、本実施形態に係る「高温回路」、「低温回路」に夫々相当する。

高温冷却液回路Ｃｈは、「第１熱媒体」として冷却液（以下「高温冷却液」という場合がある）を循環させる回路であり、熱源である内燃エンジン１１が介装されるとともに、ラジエータ（以下、後に述べる「低温ラジエータ」との区別のため、特に高温ラジエータという）１２が介装されている。高温ラジエータ１２は、本実施形態に係る「第１放熱器」に相当し、高温冷却液回路Ｃｈは、基本的には、内燃エンジン１１と高温ラジエータ１２との間で高温冷却液（具体的には、エンジン冷却水）を循環させ、高温冷却液が内燃エンジン１１から受けた熱を、高温ラジエータ１２により放熱させる回路として構成される。

ここで、ランキンサイクルシステムＳの蒸発器２１および加熱器２３に対し、高温冷却液回路Ｃｈが、内燃エンジン１１を通過して加熱された高温冷却液により作動流体を加熱可能に接続されている。具体的には、蒸発器２１および加熱器２３は、いずれも熱交換器として構成され、高温冷却液回路Ｃｈの一部である導管が、蒸発器２１および加熱器２３に引き込まれ、それらの内部を通過することで、加熱後の高温冷却液が高温流体として、作動流体が低温流体として機能し、両者の間での熱交換により、作動流体が加熱される。高温ラジエータ１２は、高温冷却液の流れの方向に、加熱器２３の下流側に配置されている。

他方で、低温冷却液回路Ｃｌは、「第２熱媒体」として、高温冷却液よりも温度が低い冷却液（以下「低温冷却液」という場合がある）を循環させる回路であり、高温ラジエータ１２よりも小さな冷却容量を有するラジエータ（以下「低温ラジエータ」という）１６が介装されている。低温冷却液回路Ｃｌは、駆動源である電気モータ１７がその冷却対象として介装され、基本的には、電気モータ１７と低温ラジエータ１６との間で低温冷却液を循環させ、低温冷却液が電気モータ１７の冷却により受けた熱を、低温ラジエータ１６により放熱させる回路として構成される。低温冷却液回路Ｃｌによる冷却対象として、電気モータ１７に代えるかまたはこれに加え、インバータを採用してもよい。

ここで、低温冷却液回路Ｃｌは、高温冷却液回路Ｃｈとは独立に熱媒体を循環させる回路であり、基本的には、熱的に分離された状態にある。低温冷却液回路Ｃｌに循環させる冷却液と、高温冷却液回路Ｃｈに循環させるのとは、同種の冷却液であってもよいし、異なる種類の冷却液であってもよい。本実施形態では、低温冷却液回路Ｃｌの冷却液として、高温冷却液回路Ｃｈと同じエンジン冷却水を採用する。

さらに、ランキンサイクルシステムＳの凝縮器２２に対し、低温冷却液回路Ｃｌが、低温ラジエータ１６を通過して冷却された低温冷却液により作動流体の熱を回収可能に接続されている。具体的には、蒸発器２１等と同様に、凝縮器２２も熱交換器として構成され、低温冷却液回路Ｃｌの一部である導管が、凝縮器２２に引き込まれ、その内部を通過することで、蒸気である作動流体が高温流体として、冷却後の低温冷却液が低温流体として機能し、両者の間での熱交換により、作動流体が冷却される。

以上に加え、高温冷却液回路Ｃｈおよび低温冷却液回路Ｃｌには、熱媒体を圧送する手段として、ポンプ１３、１８が夫々介装され、高温冷却液回路Ｃｈには、内燃エンジン１１の廃熱を回収する別個の手段として、ＥＧＲクーラ１４が介装されている。ＥＧＲクーラ１４は、高温冷却液回路Ｃｈにおいて、蒸発器２１と加熱器２３との間に介装され、蒸発器２１を通過して温度がやや低下した高温冷却液を、内燃エンジン１１の排気との熱交換により再度加熱する。

本実施形態では、高温冷却液回路Ｃｈに、高温ラジエータ１２の入口側と出口側とを直に連通させ、高温冷却液を、高温ラジエータ１２を迂回させて流すバイパス流路Ｐｂが設けられている。図１に示すバイパス流路Ｐｂは、概念的なものであり、バイパス専用の流路であるばかりでなく、高温ラジエータ１２へ向かう高温冷却液の流れを遮断し、他の部分流路における流量を増大させることにより、実質的にその実現を図ることが可能である。さらに、高温ラジエータ１２を介する高温冷却液回路Ｃｈの主流路Ｐｍに、流路切替弁ｖ１が設置されている。流路切替弁ｖ１の機能については後に述べる。

さらに、本実施形態では、高温冷却液回路Ｃｈの主流路Ｐｍと低温冷却液回路Ｃｌとの間に接続され、低温冷却液回路Ｃｌを流れる低温冷却液を、主流路Ｐｍに備わる高温ラジエータ１２に導入可能に、案内流路Ｐｇ１、Ｐｇ２が配設されている。具体的には、低温冷却液回路Ｃｌから分岐し、高温ラジエータ１２の入口側で高温冷却液回路Ｃｈに接続する第１案内流路Ｐｇ１と、高温ラジエータ１２の出口側で高温冷却液回路Ｃｈから分岐し、第１案内流路Ｐｇ１の分岐点よりも下流側で低温冷却液回路Ｃｌに合流する第２案内流路Ｐｇ２と、が設けられている。案内流路Ｐｇ１、Ｐｇ２は、開放されたときに、主流路Ｐｍと協働して、低温冷却液回路Ｃｌのうち、低温側の熱源（電気モータ）１７が介装された部分流路に対して並列な流路を形成し、高温ラジエータ１２と低温ラジエータ１６とを、低温冷却液の流れに関して直列に接続する。しかし、案内流路Ｐｇ１、Ｐｇ２に求められるのは、低温冷却液回路Ｃｌの低温冷却液を高温ラジエータ１２に導入し、凝縮器２２と高温ラジエータ１２との間で低温冷却液を循環可能とすることである。よって、案内流路Ｐｇ１、Ｐｇ２の配置は、これに限定されるものではなく、高温ラジエータ１２と低温ラジエータ１６との関係は、直列であるほか、並列であってもよい。

高温冷却液回路Ｃｈからの第２案内流路Ｐｇ２の分岐部に、先に述べた流路切替弁ｖ１が設置されており、流路切替弁ｖ１は、高温ラジエータ１２の接続先を、高温冷却液回路Ｃｈの主流路Ｐｍと、第２案内流路Ｐｇ２と、の間で切り替える。これに付帯して、主流路Ｐｍのうち、高温ラジエータ１２よりも上流側に、開閉弁（以下「第１開閉弁」という）ｖ２１が介装され、第１開閉弁ｖ２１は、高温ラジエータ１２に対する高温冷却液の導入を許容しまたは遮断する。

さらに、第１案内流路Ｐｇ１に、低温冷却液回路Ｃｌを流れる低温冷却液の高温ラジエータ１２への導入を許容しおよび遮断する開閉弁（以下「第２開閉弁」という）ｖ２２が設置されている。ここに、流路切替弁ｖ１、第１および第２開閉弁ｖ２１、ｖ２２は、本実施形態に係る「切替弁」を構成する。

流路切替弁ｖ１および開閉弁ｖ２１、ｖ２２の動作は、コントローラ１０１により制御される。コントローラ１０１は、電子制御ユニットとして構成され、中央演算ユニット（ＣＰＵ）、ＲＯＭおよびＲＡＭ等の各種記憶ユニット、入出力インタフェース等を備えたマイクロコンピュータにより構成される。コントローラ１０１は、車両の運転状態を検出可能に設けられた各種センサからの入力情報をもとに、これらの弁装置ｖ１、ｖ２１、ｖ２２に対する操作量を演算し、操作量に応じた指令信号をアクチュエータに出力する。本実施形態では、運転状態センサとして、車速ＶＳＰを検出する車速センサ１１１、高温冷却液回路Ｃｈを流れる冷却液（エンジン冷却水）の温度である高温回路水温Ｔｗｈを検出する第１冷却液温度センサ１１２、低温冷却液回路Ｃｌを流れる冷却液（エンジン冷却水）の温度である低温回路水温Ｔｗｌを検出する第２冷却液温度センサ１１３が設けられる。

先に述べたように、ランキンサイクルシステムＳは、エネルギ効率の改善の観点から充分な廃熱回生効率を得るには、凝縮器２２の冷却容量を確保する必要がある。しかし、空冷により冷却容量を確保しようとすれば、放熱部を含む凝縮器２２全体の大型化が避けられず、車載を前提とした本実施形態では、設置スペースの制約から搭載が困難である。他方で、水冷である低温ラジエータ１６を用いることとしても、低温ラジエータ１６ではそもそも冷却容量が小さいことから、必要な冷却容量を満足させることができず、冷却容量に不足が生じる。

そこで、本実施形態では、ランキンサイクルシステムＳの作動時に、低温側の冷却液回路に高温ラジエータ１２を取り込み、凝縮器２２で回収された熱の放出を、低温ラジエータ１６に加えて高温ラジエータ１２によっても行うことで、低温ラジエータ１６のみによる場合よりも大きな冷却容量を確保可能とする。

図２および３は、本実施形態に係る廃熱回収装置１の動作を示し、図２は、ランキンサイクルシステムＳの停止時における動作を、図３は、ランキンサイクルシステムの作動時における動作を、夫々示している。

ランキンサイクルシステムＳの停止時（図２）では、ポンプ２４を停止させ、ランキンサイクルシステムＳにおける作動流体の循環を停止させる。高温冷却液回路Ｃｈおよび低温冷却液回路Ｃｌのポンプ１３、１８を作動させるとともに、第１開閉弁ｖ２１を開弁させ、第２開閉弁ｖ２２を閉弁させることで、高温冷却液回路Ｃｈの主流路Ｐｍと低温冷却液回路Ｃｌとの間の接続を遮断する。これにより、高温冷却液回路Ｃｈの高温冷却液と低温冷却液回路Ｃｌの低温冷却液とは、それぞれの回路Ｃｈ、Ｃｌを独立に循環し、内燃エンジン１１からの廃熱が高温ラジエータ１２により放出される一方、電気モータ１７からの廃熱が低温ラジエータ１６により放出される。高温冷却液回路Ｃｈにおいて、流路切替弁ｖ１は、高温ラジエータ１２の接続先を主流路Ｐｍに設定し、内燃エンジン１１による加熱後の高温冷却液は、その大半が高温ラジエータ１２に導入される。ここに、ランキンサイクルシステムＳの停止時に熱源である内燃エンジン１１と高温ラジエータ１２との間で形成される高温側の冷却液の循環回路が、「第１熱媒体の第１回路」に相当する。

これに対し、ランキンサイクルシステムＳの作動時（図３）では、ポンプ２４を作動させ、蒸発器２１、加熱器２３および凝縮器２２に作動流体を循環させ、蒸発器２１および加熱器２３を通過した作動流体の蒸気が有するエネルギを、膨張機２５によりその仕事として回収する。停止時におけると同様に、高温冷却液回路Ｃｈおよび低温冷却液回路Ｃｌのポンプ１３、１８をいずれも作動させるが、作動時では、第１開閉弁ｖ２１を閉弁させる一方、第２開閉弁ｖ２２を開弁させることで、低温冷却液回路Ｃｌを高温ラジエータ１２に連通させる。これにより、低温冷却液回路Ｃｌを流れる冷却液が、第１および第２案内流路Ｐｇ１、Ｐｇ２を介して高温ラジエータ１２に導入可能となり、凝縮器２２と高温ラジエータ１２との間で循環可能となる。流路切替弁ｖ１が、高温ラジエータ１２の接続先を第２案内流路Ｐｇ２に設定し、高温ラジエータ１２が、高温冷却液回路Ｃｈの主流路Ｐｍから分離され、内燃エンジン１１による加熱後の高温冷却液は、バイパス流路Ｐｂに案内され、高温ラジエータ１２を迂回して流れる。ここに、ランキンサイクルシステムＳの作動時に凝縮器２２と高温ラジエータ１２との間で形成される低温側の冷却液の循環回路が、「第２熱媒体の第２回路」に相当する。

図４は、本実施形態に係るコントローラ１０１が行う制御の内容をフローチャートにより示している。コントローラ１０１は、図４に示す制御を、電源投入による起動後、所定の時間毎に実行するようにプログラムされている。

Ｓ１０１では、車両の運転状態を示す各種入力情報として、車速ＶＳＰ、高温回路水温Ｔｗｈおよび低温回路水温Ｔｗｌを読み込む。

Ｓ１０２では、ランキンサイクルシステムＳの作動中であるか否かを判定する。作動中である場合は、Ｓ１０８へ進み、作動中でない、つまり、ランキンサイクルシステムＳの停止中である場合は、Ｓ１０３へ進む。

Ｓ１０３〜１０５では、ランキンサイクルシステムＳの作動条件が成立しているか否かを判定する。Ｓ１０３〜１０５の全ての条件が成立している場合にのみ、ランキンサイクルシステムＳの作動を許可し、いずれか１つの条件でも成立していない場合は、ランキンサイクルシステムＳの作動を禁止ないし保留する。

Ｓ１０３では、車速ＶＳＰが所定速度ＶＳＰ１以上であるか否かを判定する。相当量の走行風を受けることが、高温ラジエータ１２および低温ラジエータ１６を機能させるのに必要だからである。車速ＶＳＰが所定速度ＶＳＰ１以上である場合は、Ｓ１０４へ進み、所定車速ＶＳＰ１未満である場合は、ランキンサイクルシステムＳの作動を保留すべく、今回のルーチンを終了する。

Ｓ１０４では、高温回路水温Ｔｗｈが所定温度Ｔｈ１以上であるか否かを判定する。所定温度Ｔｈ１は、蒸発器２１による作動流体の蒸発に必要な温度であり、本実施形態では、内燃エンジン１１の暖機の完了を判定可能な温度として、例えば、８０℃に設定される。高温回路水温Ｔｗｈが所定温度Ｔｈ１以上である場合は、Ｓ１０５へ進み、所定温度Ｔｈ１未満である場合は、ランキンサイクルシステムＳの作動を保留すべく、今回のルーチンを終了する。

Ｓ１０５では、低温回路水温Ｔｗｌが第１の所定温度Ｔｌ１以下であるか否かを判定する。第１の所定温度Ｔｌ１は、低温冷却液が、低温冷却液回路Ｃｌの本来の冷却対象である電気モータ１７の冷却に必要な範囲の温度であることを判定するためのものであり、本実施形態では、そのような範囲の最高温度に対し、ある程度の余裕代を持たせた温度として、例えば、５５℃に設定される。低温回路水温Ｔｗｌが第１の所定温度Ｔｌ１以下である場合は、Ｓ１０６へ進み、第１の所定温度Ｔｌ１よりも高い場合は、ランキンサイクルシステムＳの作動を保留すべく、今回のルーチンを終了する。

Ｓ１０６では、ポンプ２４を作動させ、ランキンサイクルシステムＳを作動させる。

Ｓ１０７では、第１開閉弁ｖ２１を閉弁させ、第２開閉弁ｖ２２を開弁させるとともに、流路切替弁ｖ１により、高温ラジエータ１２の接続先を第２案内流路Ｐｇ２、つまり、低温冷却液回路Ｃｌに設定する。これにより、低温冷却液回路Ｃｌを高温ラジエータ１２に連通させるとともに、高温ラジエータ１２を高温冷却液回路Ｃｈの主流路Ｐｍから分離させる。そして、ランキンサイクルシステムＳの作動中であることを示すフラグを設定することで、その後、制御がＳ１０２からＳ１０８へ進むようにする。

Ｓ１０８では、低温回路水温Ｔｗｌが第２の所定温度Ｔｌ２以下であるか否かを判定する。第２の所定温度Ｔｌ２は、低温冷却液の温度が上昇し、電気モータ１７の冷却に支障が生じつつあることを示す温度として、第１の所定温度Ｔｌ１よりも低い温度に設定される。低温回路水温Ｔｗｌが第２の所定温度Ｔｌ２以下である場合は、ランキンサイクルシステムＳを引き続き作動させるべく、今回のルーチンを終了し、第２の所定温度Ｔｌ２よりも高い場合は、Ｓ１０９へ進む。

Ｓ１０９では、低温回路水温Ｔｗｌが第３の所定温度Ｔｌ３以下であるか否かを判定する。第３の所定温度Ｔｌ３は、低温冷却液の温度がさらに上昇し、電気モータ１７の冷却への支障が顕著となったことを示す温度として、第２の所定温度Ｔｌ２よりも高い温度に設定される。本実施形態では、第１の所定温度Ｔｌ１と第３の所定温度Ｔｌ３との間にヒステリシスを持たせ、第３の所定温度Ｔｌ３は、第１の所定温度Ｔｌ１よりも高い温度に設定される。低温回路水温Ｔｗｌが第３の所定温度Ｔｌ３以下である場合は、Ｓ１１０へ進み、第３の所定温度Ｔｌ３よりも高い場合は、Ｓ１１２へ進む。

Ｓ１１０では、ランキンサイクルシステムＳの廃熱回収容量を制限する。例えば、ポンプ２４の吐出流量を減少させることで、ランキンサイクルシステムＳにおける作動流体の循環流量を低下させる。

Ｓ１１１では、第１開閉弁ｖ２１を開弁させ、第２開閉弁ｖ２２を閉弁させるとともに、流路切替弁ｖ１により、高温ラジエータ１２の接続先を高温冷却液回路Ｃｈの主流路Ｐｍに設定する。これにより、低温冷却液回路Ｃｌを高温冷却液回路Ｃｈの主流路Ｐｍから分離させるとともに、高温冷却液の流れに関し、高温ラジエータ１２を高温冷却液回路Ｃｈに組み込む。これにより、内燃エンジン１１により加熱された高温冷却液は、再度高温ラジエータ１２に導入され、その熱が高温ラジエータ１２により放出されるようになる。

Ｓ１１２では、ポンプ２４を停止させ、ランキンサイクルシステムＳを停止させる。

図５および６は、本実施形態に係る廃熱回収装置１に適用可能な内燃エンジン１１の高温冷却液回路Ｃｈおよび低温冷却液回路Ｃｌの構成を概略的に示し、図５は、ランキンサイクルシステムＳの停止時における熱媒体の流れを、図６は、作動時における熱媒体の流れを、夫々矢印により併せて示している。

高温冷却液回路Ｃｈには、内燃エンジン１のシリンダブロックに形成された冷却水通路１１ｐを介して高温冷却液が供給される要素として、暖房用のキャビンヒータ３１、スロットルチャンバ３２、ターボチャージャ３２（特にその排気タービン）およびＥＧＲクーラ１４が設けられるほか、冷却水通路１１ｐを介さずに高温冷却液が直に供給される要素として、オイルクーラ３４およびインタクーラ３５が設けられている。ポンプ１３から吐出され、これらの各部に分配された高温冷却液は、各部の冷却後（キャビンヒータ３１およびスロットルチャンバ３２については加熱）、合流し、ポンプ１３により再度圧送される。ここで、ランキンサイクルシステムＳの蒸発器２１および加熱器２３は、高温冷却水の流れの方向に、いずれも内燃エンジン１１（特にその本体）の下流側に配置され、蒸発器２１は、キャビンヒータ３１の下流側に、加熱器２３は、ＥＧＲクーラ１４の下流側に、夫々配置されている。図５は、ランキンサイクルシステムＳの作動流体を循環させる流路を太い点線により概念的に示しており、この循環流路は、作動流体の流れの方向に、蒸発器２１、ＥＧＲクーラ１４および加熱器２３をこの順で経由した後、後に述べる凝縮器２２を通過する。

高温冷却液回路Ｃｈには、さらに、高温冷却液が貯蔵されたリザーバタンク３６、高温ラジエータ１２が介装されている。本実施形態において、リザーバタンク３６および高温ラジエータ１２は、高温冷却液の流れに関して互いに並列に配置され、先に述べた高温冷却液が供給される要素とも並列な関係にある。

低温冷却液回路Ｃｌには、冷却対象として電気モータ１７が設けられるとともに、低温冷却液が貯蔵されたリザーバタンク３７、低温ラジエータ１６が介装されている。ポンプ１８から吐出された低温冷却液は、電気モータ１７に供給され、電気モータ１７の冷却後、リザーバタンク３７を介して低温ラジエータ１６に導入され、冷却される。ランキンサイクルシステムＳの凝縮器２２は、低温冷却液の流れに関して電気モータ１７とは並列な関係にある。

ランキンサイクルシステムＳの停止時では、流路切替弁ｖ１により、高温ラジエータ１２の接続先が高温冷却液回路Ｃｈの主流路Ｐｍに設定されるとともに、第１開閉弁ｖ２１が開弁されて、高温冷却液の高温ラジエータ１２への流入が許容される一方、第２開閉弁ｖ２２が閉弁されて、低温冷却液の高温ラジエータ１２への流入が禁止される。

図６は、本実施形態に係る高温冷却液回路Ｃｈおよび低温冷却液回路Ｃｌでの、ランキンサイクルシステムＳの作動時における熱媒体の流れを示している。

ランキンサイクルシステムＳの作動時では、第１開閉弁ｖ２１が閉弁されて、高温冷却液の高温ラジエータ１２への流入が禁止される一方、流路切替弁ｖ１により、高温ラジエータ１２の接続先が第２案内流路Ｐｇ２に設定されるとともに、第２開閉弁ｖ２２が開弁されて、低温冷却液の高温ラジエータ１２への流入が許容される。

本実施形態に係る廃熱回収装置は、以上のように構成され、本実施形態により得られる作用および効果について、以下に説明する。

第１に、ランキンサイクルシステムＳの作動時において、蒸発器２１により高温冷却液の熱が奪われるため、高温ラジエータ１２の冷却能力に余裕ができるかまたは高温ラジエータ１２による高温冷却液の冷却自体が不要となる。そこで、高温ラジエータ１２を介する低温冷却液の第２回路を形成し、低温冷却液により凝縮器２２で回収された熱を高温ラジエータ１２により放熱可能とすることで、換言すれば、ランキンサイクルシステムＳの作動により高温ラジエータ１２にできた冷却能力の余裕分を凝縮器２２で回収された熱の放出に振り向けることで、大きな冷却容量を確保することが容易となり、廃熱回生効率を改善することが可能となる。

ここで、ランキンサイクルシステムＳの作動時に、高温ラジエータ１２を、高温冷却液回路Ｃｈの主流路Ｐｍから分離し、高温冷却液を、高温ラジエータ１２を迂回させて流すことで、高温冷却液回路Ｃｈおよび低温冷却液回路Ｃｌのそれぞれにおける冷却液の温度管理が容易となる。

さらに、低温冷却液により凝縮器２２で回収された熱を、高温ラジエータ１２ばかりでなく、低温ラジエータ１６によっても放熱可能とすることで、より大きな冷却容量を確保することができる。

第２に、低温冷却液の温度Ｔｗｌが第１の所定温度Ｔｌ１以下である場合に限ってランキンサイクルシステムＳを作動させることで、低温冷却液に本来求められる冷却能力（具体的には、電気モータ１７の冷却）を確保することが可能となる。

第３に、ランキンサイクルシステムＳの作動中に、低温冷却液の温度Ｔｗｌが上昇し、第２の所定温度Ｔｌ２を超えたときに、ランキンサイクルシステムＳの廃熱回生容量を低下させることで、低温冷却液による熱回収が過剰となりつつある場合のフェールセーフを図ることが可能となる。ここで、本実施形態では、低温冷却液回路Ｃｌを高温冷却液回路Ｃｈの主流路Ｐｍから分離し、第２回路を介する低温冷却液の循環を停止させることで、低温冷却液の冷却に高温ラジエータ１２が寄与せず、冷却容量が低下することとなるが、廃熱回生容量を低下させているので、他の放熱器（つまり、低温ラジエータ１６）による対処が可能である。

他方で、低温冷却液の温度Ｔｗｌが第２の所定温度Ｔｌ２を超えたときに、高温ラジエータ１２を高温冷却液回路Ｃｈに組み込み（つまり、復帰させ）、高温冷却液を高温ラジエータ１２により冷却可能としたことで、廃熱回生容量の低下に対し、高温冷却液に対する冷却効果の補填を図ることが可能となる。

第４に、低温冷却液の温度Ｔｗｌがさらに上昇し、第３の所定温度Ｔｌ３を超えたときに、ランキンサイクルシステムＳを停止させることで、低温冷却液による熱回収が過剰となり、低温冷却液の本体の冷却対象である電気モータ１７の冷却に過度な支障が生じるのを回避することが可能となる。

以上の説明では、ランキンサイクルシステムＳの作動時において、低温冷却液により凝縮器２２で回収された熱を、高温ラジエータ１２と低温ラジエータ１６との双方により放出させることとしたが、低温冷却液からの放熱は、高温ラジエータ１２のみにより行うことも可能である。

以上、本発明の実施形態について説明したが、上記実施形態は、本発明の適用例の一部を示したに過ぎず、本発明の技術的範囲を、上記実施形態の具体的構成に限定する趣旨ではない。上記実施形態に対し、特許請求の範囲に記載した事項の範囲内で様々な変更および修正が可能である。

１…廃熱回収装置
１１…熱源（内燃エンジン）
１２…高温ラジエータ
１６…低温ラジエータ
１７…電気モータ
２１…蒸発器
２２…凝縮器
２３…加熱器
２５…膨張機
Ｓ…ランキンサイクルシステム
Ｃｈ…高温冷却液回路
Ｃｌ…低温冷却液回路
Ｐｍ…主流路
Ｐｂ…バイパス流路
Ｐｇ１、Ｐｇ２…案内流路
ｖ１…流路切替弁
ｖ２１、ｖ２２…開閉弁

Claims (10)

1. 作動流体を蒸発させる蒸発器と、
   前記作動流体の流れの方向に、前記蒸発器の下流側に配置され、前記作動流体の蒸気を凝縮させる凝縮器と、
   を備えるランキンサイクルシステムの運転方法であって、
   熱源を介する第１熱媒体の第１回路であって、前記熱源により加熱された前記第１熱媒体を第１放熱器により冷却可能に構成された第１回路に、前記蒸発器を、前記第１熱媒体により前記作動流体を加熱可能に接続し、
   前記蒸発器および前記凝縮器に前記作動流体を循環させる前記ランキンサイクルシステムの作動時に、
   前記凝縮器と前記第１放熱器との間で、第２熱媒体を前記第１熱媒体の流れとは並列に循環させる、前記第２熱媒体の第２回路を形成し、
   前記第２熱媒体により前記凝縮器で回収された熱を、前記第１放熱器で放熱させる、
   ランキンサイクルシステムの運転方法。
2. 前記ランキンサイクルシステムの作動時に、前記第１熱媒体を、前記第１放熱器を迂回させて流す、
   請求項１に記載のランキンサイクルシステムの運転方法。
3. 前記第２回路に、第２放熱器を備え、
   前記ランキンサイクルシステムの作動時に、前記第２熱媒体により回収された熱を、前記第１放熱器および前記第２放熱器で放熱させる、
   請求項１または２に記載のランキンサイクルシステムの運転方法。
4. 前記第２回路を循環する前記第２熱媒体は、前記第１回路を循環する前記第１熱媒体よりも低温である、
   請求項１〜３のいずれか一項に記載のランキンサイクルシステムの運転方法。
5. 前記第２熱媒体の温度を検出し、
   検出された前記第２熱媒体の温度が第１の所定温度以下である場合に、前記ランキンサイクルシステムを作動させ、
   前記検出された温度が前記第１の所定温度を超える場合は、前記ランキンサイクルシステムを停止させる、
   請求項１〜４のいずれか一項に記載のランキンサイクルシステムの運転方法。
6. 前記ランキンサイクルシステムの作動時に、前記検出された温度が前記第１の所定温度よりも低い第２の所定温度を超えたときは、前記ランキンサイクルシステムの廃熱回生容量を低下させる、
   請求項５に記載のランキンサイクルシステムの運転方法。
7. 前記ランキンサイクルシステムの作動時に、前記検出された温度が前記第２の所定温度よりも高い第３の所定温度に達したときは、前記ランキンサイクルシステムを停止させる、
   請求項６に記載のランキンサイクルシステムの運転方法。
8. 前記廃熱回生容量を低下させる際に、前記第１熱媒体を、前記第１放熱器を介して循環させる、
   請求項６または７に記載のランキンサイクルシステムの運転方法。
9. 作動流体を蒸発させる蒸発器と、前記蒸発器により蒸発させた前記作動流体の蒸気を受ける膨張機と、前記作動流体の流れの方向に、前記膨張機の下流側に配置され、前記作動流体の蒸気を凝縮させる凝縮器と、を備えるランキンサイクルシステムと、
   第１熱媒体を、熱源を介して循環させる高温回路であって、
   前記熱源により加熱された前記第１熱媒体を冷却可能に介装された第１放熱器を備え、
   前記蒸発器が、前記第１熱媒体により前記作動流体を加熱可能に接続された高温回路と、
   前記高温回路とは独立に構成された、第２熱媒体を循環させる低温回路であって、前記凝縮器が、前記第２熱媒体により前記作動流体の熱を回収可能に接続された低温回路と、
   前記低温回路から延在し、前記第２熱媒体を前記第１放熱器に導入可能に配設された案内流路であって、当該案内流路にまたはこれに付帯して設けられた切替弁を備え、前記切替弁は、前記第１熱媒体または前記第２熱媒体の、前記第１放熱器に対する択一的な流入を許容する案内流路と、
   前記切替弁の動作を制御するコントローラと、
   を備える、廃熱回収装置。
10. 作動流体を蒸発させる蒸発器と、前記作動流体の流れの方向に、前記蒸発器の下流側に配置され、前記作動流体の蒸気を凝縮させる凝縮器と、を備えるランキンサイクルシステムと、
    熱源を介する第１熱媒体の第１回路であって、前記熱源により加熱された前記第１熱媒体を冷却可能に介装された第１放熱器を備え、前記蒸発器が、前記第１熱媒体により前記作動流体を加熱可能に接続された第１回路と、
    を備え、
    前記ランキンサイクルシステムを停止させる第１作動モードでは、前記熱源により前記第１熱媒体に付与された熱を、前記第１回路を通じて前記第１放熱器で放熱させ、
    前記ランキンサイクルシステムを作動させる第２作動モードでは、
    前記凝縮器と前記第１放熱器との間で、第２熱媒体を前記第１熱媒体の流れとは並列に循環させる、前記第２熱媒体の第２回路を形成し、
    前記第２熱媒体により前記凝縮器で回収された熱を、前記第２回路を通じて前記第１放熱器で放熱させる、
    廃熱回収装置。

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