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

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 Download PDF

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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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