JP4140544B2 - Waste heat utilization equipment - Google Patents
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Description
本発明は、熱機関あるいは発熱補機における廃熱を利用して動力に回生する廃熱利用装置に関するものであり、特に、二つの異なった温度場の廃熱を回生するランキンサイクル回路の構成に関する。 The present invention relates to a waste heat utilization device that regenerates power by using waste heat in a heat engine or a heat generating auxiliary machine, and particularly relates to a configuration of a Rankine cycle circuit that regenerates waste heat in two different temperature fields. .
従来、この種の廃熱利用装置として、例えば、自動車などの内燃機関の廃熱を回生する技術として特許文献1および特許文献2に示されるものが知られている。特許文献1では、内燃機関から排出される排気ガスの排気熱を廃熱とし、その廃熱を回生するために、冷凍サイクルの構成部品を利用してランキンサイクル回路を形成し、その構成部品である膨張機によって排気熱を動力として回収し、その回収した動力を車両用空調装置の圧縮機に付加するように構成している。 Conventionally, as this type of waste heat utilization device, for example, those disclosed in Patent Literature 1 and Patent Literature 2 are known as technologies for regenerating waste heat of an internal combustion engine such as an automobile. In Patent Document 1, exhaust heat of exhaust gas exhausted from an internal combustion engine is used as waste heat, and in order to regenerate the waste heat, a Rankine cycle circuit is formed using the components of the refrigeration cycle. The exhaust heat is recovered as power by a certain expander, and the recovered power is added to the compressor of the vehicle air conditioner.
特許文献2では、内燃機関を冷却する冷却水回路の温水熱を廃熱とし、その廃熱を回生するために、特許文献1と同じように、ランキンサイクル回路を形成し、膨張機によって温水熱を動力として回収し、その回収した動力を車両用空調装置の圧縮機に付加するように構成している(例えば、特許文献1および特許文献2参照)。
しかしながら、上記特許文献によれば、それぞれが一つの廃熱に対する廃熱回生技術であるが、例えば、排気熱および温水熱などの二つの異なる温度場の廃熱を回生する技術として、ランキンサイクル回路をそれぞれ独立させて形成する技術が容易に考えられる。しかし、この場合は、ランキンサイクル回路を構成する放熱器(凝縮器)が二つ必要となる。 However, according to the above-mentioned patent document, each is a waste heat regeneration technology for one waste heat. For example, as a technology for regenerating waste heat in two different temperature fields such as exhaust heat and hot water heat, Rankine cycle circuit A technique of forming each independently is conceivable. However, in this case, two radiators (condensers) constituting the Rankine cycle circuit are required.
しかも、これらの放熱器(凝縮器)は大気と熱交換するものであるため、車両の走行風を受けるラジエータや車両用空調装置のコンデンサが搭載される位置に設けられることが望まれる。これにより、二つの放熱器(凝縮器)を備えると搭載性が劣る問題がある。さらに、この種の内燃機関の冷却水回路は、始動直後における暖機運転が出来るだけ短時間で所定の水温に達することが期待されるものである。 Moreover, since these radiators (condensers) exchange heat with the atmosphere, it is desirable that they be provided at a position where a radiator for receiving the traveling wind of the vehicle and a condenser of the vehicle air conditioner are mounted. Thereby, when two heat radiators (condensers) are provided, there is a problem that mountability is inferior. Further, this type of internal combustion engine cooling water circuit is expected to reach a predetermined water temperature in the shortest possible time for warm-up operation immediately after startup.
そこで、本発明の目的は、上記点に鑑みたものであり、二つの異なる廃熱を二つのランキンサイクル回路を組み合わせることで、廃熱回生システム全体の回生効率を高めるとともに搭載性良好な廃熱利用装置を提供することにある。 Therefore, an object of the present invention is to take the above-mentioned points into consideration, and by combining two Rankine cycle circuits with two different waste heats, the heat efficiency of the waste heat regeneration system as a whole is improved, and the waste heat with good mountability. It is to provide a utilization device.
上記目的を達成するために、以下の技術的手段を採用する。すなわち、請求項1に記載の発明では、内燃機関(10)における複数の廃熱のうち、内燃機関(10)から排出される排気ガスを高温の廃熱として作動流体に熱交換する第1熱回収器(110)、第1膨張機(120)、第1凝縮器(130)を順次配管で接続してなる高温用ランキンサイクル回路(100)と、内燃機関(10)における複数の廃熱のうち、内燃機関(10)を冷却する冷却水回路(20)の温水熱を低温の廃熱として作動流体に熱交換する第2熱回収器(210)、第2膨張機(220)、第2凝縮器(230)を順次配管で接続してなる低温用ランキンサイクル回路(200)とを具備し、低温用ランキンサイクル回路(200)は、前記高温用ランキンサイクル回路(100)で放熱される熱を熱源の一部として利用しており、冷却水回路(20)には、内燃機関(10)の下流側と第2熱回収器(210)との間に、第1凝縮器(130)が設けられ、第1凝縮器(130)は、第1膨張機(120)から吐出される作動流体と、冷却水回路(20)を流通し内燃機関(10)を冷却した後の冷却水とを熱交換して、第1凝縮器(130)で放熱される熱によって冷却水を加熱することを特徴としている。 In order to achieve the above object , the following technical means are adopted. That is, in the first aspect of the present invention, the first heat for exchanging the exhaust gas discharged from the internal combustion engine (10) to the working fluid as high-temperature waste heat among the plurality of waste heats in the internal combustion engine (10). A high-temperature Rankine cycle circuit (100) formed by sequentially connecting a recovery unit (110), a first expander (120), and a first condenser (130) with piping, and a plurality of waste heats in the internal combustion engine (10). Among them, a second heat recovery device (210), a second expander (220), a second heat exchanger for exchanging heat from the hot water heat of the cooling water circuit (20) for cooling the internal combustion engine (10) to the working fluid as low-temperature waste heat . A low-temperature Rankine cycle circuit (200) formed by sequentially connecting a condenser (230) by piping, and the low-temperature Rankine cycle circuit (200) is heat radiated by the high-temperature Rankine cycle circuit (100). As part of the heat source Has use, the cooling water circuit (20) is provided between the downstream side and the second heat recovery unit (210) of the internal combustion engine (10), a first condenser (130) is provided, the first condensing The vessel (130) exchanges heat between the working fluid discharged from the first expander (120) and the cooling water after flowing through the cooling water circuit (20) and cooling the internal combustion engine (10). The cooling water is heated by the heat radiated from one condenser (130) .
請求項1に記載の発明によれば、内燃機関(10)では、例えば、高温の排気熱とそれよりも温度の低い冷却水回路の温水熱とがある。本発明では、高温の排気熱を熱源とする高温用ランキンサイクル回路(100)で放熱される熱を低温用ランキンサイクル回路(200)側で有効に利用することで、低温用ランキンサイクル回路(200)側の廃熱回生の動力が増加することで廃熱回生システム全体の回生効率を高めることができる。
また、冷却水回路(20)には、内燃機関(10)の下流側と、第2熱回収器(210)との間に第1凝縮器(130)が設けられることにより、第1凝縮器(130)で放熱される熱で、内燃機関(10)を冷却する冷却水回路(20)内の冷却水を加熱することができる。因みに、内燃機関(10)の始動直後の冷却水回路の温水熱が冷めているときに、第1凝縮器(130)で放熱される熱で温水熱を加熱させることで内燃機関(10)の暖機性能の短縮およびそれに伴う燃費の向上が図れる。 According to the first aspect of the invention, in the internal combustion engine (10), for example, there is high-temperature exhaust heat and hot water heat of a cooling water circuit having a temperature lower than that. In the present invention, the heat radiated by the high-temperature Rankine cycle circuit (100) using the high-temperature exhaust heat as a heat source is effectively used on the low-temperature Rankine cycle circuit (200) side, so that the low-temperature Rankine cycle circuit (200 ) Side waste heat regeneration power increases, so that the overall regeneration efficiency of the waste heat regeneration system can be improved.
The cooling water circuit (20) is provided with a first condenser (130) between the downstream side of the internal combustion engine (10) and the second heat recovery unit (210), whereby the first condenser The cooling water in the cooling water circuit (20) for cooling the internal combustion engine (10) can be heated by the heat dissipated in (130). Incidentally, when the hot water heat of the cooling water circuit immediately after the start of the internal combustion engine (10) is cold, the hot water heat is heated by the heat dissipated by the first condenser (130), so that the internal combustion engine (10) is heated. It is possible to shorten the warm-up performance and improve the fuel consumption associated therewith.
請求項2に記載の発明では、低温用ランキンサイクル回路(200)は、低温の廃熱の温度が低いときに、低温用ランキンサイクル回路(200)を停止し、高温用ランキンサイクル回路(100)のみを作動するように制御されることを特徴としている。請求項2に記載の発明によれば、高温用ランキンサイクル回路(100)側で放熱される熱で、低温の廃熱である冷却水回路の温水熱を加熱させることが可能となる。 In the invention according to claim 2 , the low temperature Rankine cycle circuit (200) stops the low temperature Rankine cycle circuit (200) when the temperature of the low temperature waste heat is low, and the high temperature Rankine cycle circuit (100). It is controlled to operate only. According to invention of Claim 2 , it becomes possible to heat the hot water heat of the cooling water circuit which is a low-temperature waste heat with the heat radiated | emitted by the high temperature Rankine cycle circuit (100) side.
請求項3に記載の発明では、高温用ランキンサイクル回路(100)は、第1凝縮器(130)で放熱される熱が空調装置の熱源として利用されることを特徴としている。請求項3に記載の発明によれば、また、例えば、冷却水回路の温水熱を加熱源とする車両用空調装置のヒータにおいても、厳寒期などヒータ能力が発揮できないときに、第1凝縮器(130)で放熱される熱で冷却水回路の温水熱を短時間に上昇させることができる。 In a third aspect of the invention, the high-temperature Rankine cycle circuit (100) is characterized in that the heat radiated from the first condenser (130) is used as a heat source of the air conditioner. According to the third aspect of the present invention, for example, even in the heater of the vehicle air conditioner that uses the hot water heat of the cooling water circuit as a heating source, when the heater capability cannot be exhibited such as in the extreme cold season, the first condenser The hot water heat of the cooling water circuit can be raised in a short time by the heat radiated at (130).
請求項4に記載の発明では、高温の廃熱と熱媒体とを熱交換する熱交換器(310)を有し、その熱交換器(310)で熱交換された熱媒体を高温用ランキンサイクル回路(100)の第1熱回収器(110)に流通させる高温用廃熱輸送回路(300)が設けられ、高温用ランキンサイクル回路(100)の第1熱回収器(110)は、高温用ランキンサイクル回路(100)内を流れる作動流体と高温用廃熱輸送回路(300)内を流れる熱媒体とを熱交換するように構成されることを特徴としている。 In invention of Claim 4, it has the heat exchanger (310) which heat-exchanges high temperature waste heat and a heat medium, and heat medium heat-exchanged by the heat exchanger (310) is used for the high temperature Rankine cycle. A high-temperature waste heat transport circuit (300) that is circulated to the first heat recovery device (110) of the circuit (100) is provided, and the first heat recovery device (110) of the high-temperature Rankine cycle circuit (100) It is configured to exchange heat between the working fluid flowing in the Rankine cycle circuit (100) and the heat medium flowing in the high-temperature waste heat transport circuit (300).
請求項4に記載の発明によれば、高温用廃熱輸送回路(300)を設けることで変動する高温の廃熱である排気熱を平準化することができる。これにより、第1熱回収器(110)で廃熱を効率よく回収することができる。 According to the fourth aspect of the present invention, exhaust heat that is high-temperature waste heat that fluctuates by providing the high-temperature waste heat transport circuit (300) can be leveled. Thereby, waste heat can be efficiently recovered by the first heat recovery device (110).
請求項5に記載の発明では、高温用廃熱輸送回路(300)には、熱交換器(310)で熱交換された熱媒体を蓄熱する蓄熱手段(330)が設けられることを特徴としている。請求項5に記載の発明によれば、高温の廃熱を第1熱回収器(110)で廃熱を必要に応じて回収することができる。 The invention according to claim 5 is characterized in that the high-temperature waste heat transport circuit (300) is provided with heat storage means (330) for storing the heat medium heat-exchanged by the heat exchanger (310). . According to invention of Claim 5 , waste heat can be collect | recovered as needed for a waste heat of high temperature with a 1st heat recovery device (110).
請求項6に記載の発明では、高温用ランキンサイクル回路(100)と低温用ランキンサイクル回路(200)とは、異なる作動流体が流通されることを特徴としている。請求項6に記載の発明によれば、取り入れる廃熱の温度に応じた作動流体を設定することで、その温度に応じた効率の高い廃熱回生が可能となる。 The invention according to claim 6 is characterized in that different working fluids are circulated in the high temperature Rankine cycle circuit (100) and the low temperature Rankine cycle circuit (200). According to the invention described in claim 6 , by setting the working fluid according to the temperature of the waste heat to be taken in, waste heat regeneration with high efficiency according to the temperature becomes possible.
請求項7に記載の発明では、高温用ランキンサイクル回路(100)の第1膨張機(120)と低温用ランキンサイクル回路(200)の第2膨張機(220)とは、廃熱エネルギーにより回生された動力を共通の動力源に出力されることを特徴としている。請求項7に記載の発明によれば、廃熱再生システム全体から共通の動力源として利用することができる。 In the invention according to claim 7 , the first expander (120) of the high temperature Rankine cycle circuit (100) and the second expander (220) of the low temperature Rankine cycle circuit (200) are regenerated by waste heat energy. It is characterized in that the generated power is output to a common power source. According to the seventh aspect of the invention, the entire waste heat regeneration system can be used as a common power source.
なお、上記各手段の括弧内の符号は、後述する実施形態の具体的手段との対応関係を示すものである。 In addition, the code | symbol in the bracket | parenthesis of each said means shows a corresponding relationship with the specific means of embodiment mentioned later.
(第1実施形態)
以下、本発明の第1実施形態における廃熱利用装置を図1に基づいて説明する。図1は、本発明を自動車の熱機関である内燃機関(以下、エンジンと称する)10に適用した廃熱利用装置の全体構成を示す模式図である。本実施形態の廃熱利用装置は、二つの異なる温度場の廃熱をそれぞれ独立したランキンサイクルで形成して廃熱回生を行なうものである。
(First embodiment)
Hereinafter, the waste heat utilization apparatus in 1st Embodiment of this invention is demonstrated based on FIG. FIG. 1 is a schematic diagram showing an overall configuration of a waste heat utilization apparatus in which the present invention is applied to an internal combustion engine (hereinafter referred to as an engine) 10 that is a heat engine of an automobile. The waste heat utilization apparatus of this embodiment performs waste heat regeneration by forming waste heat in two different temperature fields by independent Rankine cycles.
具体的には、図1に示すように、エンジン10から排出される排気熱と、エンジン10を冷却する冷却水回路20内に流通する冷却水の温水熱とを廃熱の熱源としている。つまり、排気熱を廃熱の熱源とする高温用ランキンサイクル回路100と、温水熱を廃熱の熱源とする低温用ランキンサイクル回路200とから構成している。
Specifically, as shown in FIG. 1, exhaust heat discharged from the
高温用ランキンサイクル回路100は、第1熱回収器110、第1膨張機120、第1凝縮器130、第1受液器140および第1ポンプ150からなり、これらが順次冷媒配管で接続されて閉回路を形成している。この高温用ランキンサイクル回路100の内部には、高温用の作動流体が封入されており、電動式の第1ポンプ150によって作動流体が循環される。
The high-temperature Rankine
第1熱回収器110は、排気管11内に設けられ、第1ポンプ150から送られる作動流体と、排気管11を流通する排気ガスとの間で熱交換することにより作動流体を加熱する熱交換器である。第1膨張機120は、第1熱回収器110で加熱された過熱蒸気作動流体の膨張により回転駆動力を発生させる流体機器である。第1凝縮器130は、第1膨張機120から吐出される作動流体を凝縮する熱交換器である。本実施形態では、この作動流体を1次側に流通させ、冷却水回路20を流通する冷却水を2次側に流通させて、作動流体と冷却水とを熱交換する対向流式の熱交換器である。
The first
第1受液器140は、第1凝縮器130で凝縮された作動流体を気液2相に分離するためのレシーバーであり、ここで分離された液相作動流体のみを第1ポンプ150側に流出させる。第1ポンプ150は、液相作動流体を第1熱回収器110に昇圧、圧送する。なお、第1膨張機120で発生した回転駆動力は、動力伝達装置41を介して発電機40に出力されるようになっている。そして、発電機40は、インバータ42を介してバッテリー43に接続されており、発電機40で発電された発電電力をバッテリー43に充電される。
The first
一方、低温用ランキンサイクル回路200は、第2熱回収器210、第2膨張機220、第2凝縮器230、第2受液器240および第2ポンプ250からなり、これらが順次冷媒配管で接続されて閉回路を形成している。この低温用ランキンサイクル回路200の内部には、低温用の作動流体が封入されており、電動式の第2ポンプ250によって作動流体が循環される。
On the other hand, the low-temperature Rankine
第2熱回収器210は、冷却水回路20の近傍に設けられ、第2ポンプ250から送られる作動流体と、冷却水回路20を流通する冷却水との間で熱交換することにより作動流体を加熱する熱交換器である。本実施形態では、この作動流体を1次側に流通させ、冷却水回路20を流通する冷却水を2次側に流通させて、作動流体と冷却水とを熱交換する対向流式の熱交換器である。
The second
第2膨張機220は、第2熱回収器210で加熱された過熱蒸気作動流体の膨張により回転駆動力を発生させる流体機器である。第2凝縮器230は、第2膨張機220から吐出される作動流体を大気との熱交換によって凝縮液化する熱交換器である。第2受液器240は、第2凝縮器230で凝縮された作動流体を気液2相に分離するためのレシーバーであり、ここで分離された液相作動流体のみを第2ポンプ250側に流出させる。
The
第2ポンプ250は、液相作動流体を第2熱回収器210に昇圧、圧送する。なお、第2膨張機220は、第1膨張機120と動力伝達装置41を介して連結されており、第2膨張機220で発生した回転駆動力は、動力伝達装置41を介して発電機40に出力される。次に、冷却水回路20には、ラジエータ21、温水ポンプ22、バイパス通路24、サーモスタット25などが設けられ、第1凝縮器130の2次側および第2熱回収器210の2次側が接続されている。
The
ラジエータ21は、温水ポンプ22によって循環される冷却水を大気との熱交換により冷却する熱交換器である。バイパス通路24は、冷却水がラジエータ21を迂回する通路であり、サーモスタット25によって、ラジエータ21を流通する冷却水量とラジエータ21を迂回する冷却水量とが調節されるようになっている。
The
なお、図中に示す12は、排気管11内を流れる排気ガスの排気温度を検出する排気温センサであり、23は冷却水回路を流通する冷却水の水温を検出する水温センサである。これらの各センサ12、23は、検出された温度情報を制御装置50に出力するように接続されている。
In the figure, 12 is an exhaust temperature sensor for detecting the exhaust temperature of the exhaust gas flowing in the
そして、制御装置50は各センサ12、23からの温度情報が入力されるとともに、これらの温度情報に基づいて、上述した第1、第2ポンプ150、250、温水ポンプ22の作動、インバータ42を介した発電機40からの発電電力の充電などを制御するものである。なお、冷却水回路20は、図示しないが、車両用空調装置に設けられたヒータコアに冷却水が循環されるように形成されている。
The
次に、以上の構成による廃熱利用装置の作動について説明する。まず、高温用ランキンサイクル回路100は、エンジン10が始動して、排気温センサ12で検出された排気ガス温度が所定温度以上のときに作動し、低温用ランキンサイクル回路200は、高温用ランキンサイクル回路100が作動すると同時に作動するように制御される。
Next, the operation of the waste heat utilization apparatus having the above configuration will be described. First, the high temperature
そして、水温センサ23で検出された冷却水の水温が所定温度以下のときは、低温用ランキンサイクル回路200のみが停止するように制御される。因みに、厳寒期などの外気温度が低いときなど、エンジン10を始動させても、冷却水温が所定温度以下であるときは高温用ランキンサイクル回路100のみが作動するようになっている。
When the coolant temperature detected by the
まず、高温用ランキンサイクル回路100と低温用ランキンサイクル回路200との両者が作動したときの作動を説明する。まず、高温用ランキンサイクル回路100においては、第1ポンプ150により作動流体が昇圧されて第1熱回収器110に圧送され、第1熱回収器110において作動流体は高温の排気ガスによって加熱され、過熱蒸気流体となって第1膨張機120に送られる。第1膨張機120において、作動流体は等エントロピー的に膨張減圧され、その熱エネルギーと圧力エネルギーの一部が回転駆動力に変換される。
First, the operation when both the high temperature
そして、減圧されたガス化の作動流体は第1凝縮器130で凝縮液化され、凝縮された作動流体は第1受液器140で気液2相に分離され、液化作動流体が再び第1ポンプ150へ流出される。ここで、第1凝縮器130の凝縮による放熱は2次側に流通する冷却水を加熱する。これにより、冷却水回路20を流通する冷却水の水温を上昇させる。
The decompressed gasified working fluid is condensed and liquefied by the
なお、第1膨張機120で発生した回転駆動力は動力伝達装置41を介して発電機40を回転する。そして、発電機40で発電された発電電力をバッテリー43に充電される。一方、低温用ランキンサイクル回路200においては、第2ポンプ250により作動流体が昇圧されて第2熱回収器210に圧送され、第2熱回収器210において作動流体は、エンジン10の駆動による熱と第1凝縮器130からの放熱による熱とを合算した温水熱によって加熱され、過熱蒸気流体となって第2膨張機220に送られる。
The rotational driving force generated by the
第2膨張機220において、作動流体は等エントロピー的に膨張減圧され、その熱エネルギーと圧力エネルギーの一部が回転駆動力に変換される。そして、減圧されたガス化の作動流体は第2凝縮器230で凝縮液化され、凝縮された作動流体は第2受液器240で気液2相に分離され、液化作動流体が再び第2ポンプ250へ流出される。ここで、第2凝縮器230の凝縮による放熱は大気と熱交換される。そして、第2膨張機220で発生した回転駆動力は動力伝達装置41を介して発電機40を回転する。そして、発電機40で発電された発電電力をバッテリー43に充電される。
In the
また、水温センサ23で検出された冷却水の水温が所定温度以下のときは、低温用ランキンサイクル回路200が停止し、高温用ランキンサイクル回路100のみが作動しているため、第1凝縮器130で放熱された熱により冷却水回路20の冷却水が加熱されることになる。これにより、エンジン10始動直後の暖機性能の短縮およびそれに伴う燃費の向上が図れる。さらに、車両用空調装置のヒータコアにおいても、厳寒期などヒータ能力が発揮できないときに、冷却水回路の温水を高めることが容易にできる。
When the coolant temperature detected by the
以上の第1実施形態による廃熱利用装置によれば、熱機関であるエンジン10では、例えば、高温の排気熱とそれよりも温度の低い冷却水回路20の温水熱とがある。本発明では、高温の排気熱を熱源とする高温用ランキンサイクル回路100で放熱される熱を低温用ランキンサイクル回路200側で熱源の一部として利用することにより、低温用ランキンサイクル回路200側の廃熱回生の動力が増加することで廃熱回生システム全体の回生効率を高めることができる。
According to the waste heat utilization apparatus according to the first embodiment described above, the
具体的には、高温用ランキンサイクル回路100の第1凝縮器130で放熱される熱を冷却水回路20の温水熱に加熱するようにして、その加熱された温水熱を低温用ランキンサイクル回路200で利用するように第2熱回収器210を構成したことにより、廃熱回生システム全体の回生効率を高めることができる。
Specifically, the heat dissipated in the
また、二つの凝縮器130、230のうち、第1凝縮器130は、低温用ランキンサイクル回路200内に設けて冷却水と熱交換させたことにより、大気と熱交換される第2凝縮器230のみ、車両のラジエータや車両用空調装置のコンデンサの近傍に搭載すれば良い。これにより、搭載性が良好となる。
Of the two
また、冷却水の温度が低いときは、低温用ランキンサイクル回路200を停止し、高温用ランキンサイクル回路100のみを作動するように制御したことにより、高温用ランキンサイクル回路100側で放熱される熱で、例えば、冷却水回路20の温水熱を加熱することができる。
Further, when the temperature of the cooling water is low, the low-temperature
具体的には、高温用ランキンサイクル回路100の第1凝縮器130で放熱される熱がエンジン10の暖機の熱源として利用されることにより、エンジン10始動直後の冷却水回路20の温水熱が冷めているときに第1凝縮器130で放熱される熱で温水熱を加熱させることでエンジン10の暖機性能の短縮およびそれに伴う燃費の向上が図れる。
Specifically, the heat dissipated in the
さらに、第1凝縮器130で放熱される熱が車両用空調装置の熱源として利用されることにより、例えば、冷却水回路20の温水熱を加熱源とするヒータでは厳寒期などヒータ能力が発揮できないときに、冷却水回路20の温水熱を短時間に上昇させることができる。
Furthermore, by using the heat dissipated by the
また、高温用ランキンサイクル回路100と低温用ランキンサイクル回路200とは、異なる作動流体が流通されることにより、取り入れる廃熱の温度に応じた作動流体を設定することで、その温度に応じた効率の高い廃熱回生が可能となる。さらに、高温用ランキンサイクル回路100の第1膨張機120と低温用ランキンサイクル回路200の第2膨張機220とは、廃熱エネルギーにより回生された動力を共通の発電機40に出力されることにより、廃熱再生システム全体から共通の動力源として利用することができる。
Moreover, the high temperature
(第2実施形態)
以上の第1実施形態では、高温用ランキンサイクル回路100で放熱される熱をエンジン10の冷却水回路20の温水熱を加熱するようにして、その加熱された温水熱を低温用ランキンサイクル回路200で利用するように構成したが、これに限らず、高温用ランキンサイクル回路100で放熱される熱により低温用ランキンサイクル回路200側の作動流体を加熱するように構成させても良い。
(Second Embodiment)
In the first embodiment described above, the heat dissipated in the high temperature
具体的には、図2に示すように、高温用ランキンサイクル回路100の第1凝縮器130の2次側を低温用ランキンサイクル回路200の第2熱回収器210の1次側と直列に接続させている。つまり、第1凝縮器130では、高温用ランキンサイクル回路100の作動流体と低温用ランキンサイクル回路200の作動流体とが熱交換されることになる。これにより、低温用ランキンサイクル回路200の第2膨張機220に送られる作動流体が加熱される。従って、低温用ランキンサイクル回路200側の廃熱回生の動力が増加することで廃熱回生システム全体の回生効率を高めることができる。
Specifically, as shown in FIG. 2, the secondary side of the
なお、本実施形態においては、エンジン10始動直後の冷却水回路が冷えているときの、エンジン10の暖機性能の短縮、燃費の向上、および車両用空調装置のヒータにおける冷却水回路20の温水熱を短時間に上昇させることができる第1実施形態の効果を期待することはできない。
In the present embodiment, when the coolant circuit immediately after the
そこで、これらの不具合を解消するために、第2熱回収器210を、図3に示すように、低温用ランキンサイクル回路200内を流れる作動流体と、第1凝縮器130の2次側で熱交換された作動流体と冷却水回路20の温水熱とが互いに熱交換するように構成したものである。なお、図中に示す符号は、第1実施形態と同様の構成のものは同一の符号で示し説明を省略する。
Therefore, in order to eliminate these problems, the second
これによれば、エンジン10の冷却水回路20が冷えているときは、第1実施形態と同じように、低温用ランキンサイクル回路200を停止し、高温用ランキンサイクル回路100のみを作動することで、冷却水回路20の温水熱を加熱することができる。従って、第1実施形態と同じように、エンジン10の暖機性能の短縮およびそれに伴う燃費の向上が図れる。さらに、車両用空調装置のヒータにおいても、厳寒期などヒータ能力が発揮できないときに、冷却水回路の温水熱を短時間に上昇させることができる。
According to this, when the cooling
(第3実施形態)
以上の実施形態では、高温用ランキンサイクル回路100の第1熱回収器110を排気管11に設けて、高温用ランキンサイクル回路100を構成したが、これに限らず、具体的に、図4に示すように、高温の排気熱と熱媒体とを熱交換する熱交換器310を有し、その熱交換器310で熱交換された熱媒体を高温用ランキンサイクル回路100の第1熱回収器110に流通させる高温用廃熱輸送回路300を構成するようにしても良い。なお、図中に示す350は、高温用廃熱輸送回路300内の作動流体を昇圧、圧送する第3ポンプである。また、高温用廃熱輸送回路300内を流通する作動流体は沸騰することのない作動流体を設定する。
(Third embodiment)
In the above embodiment, the first
これによれば、高温の廃熱を回収する第1熱回収器110は、高温用ランキンサイクル回路100内を流れる作動流体と高温用廃熱輸送回路300内を流れる熱媒体とが熱交換されるようにしたことにより、変動する高温の廃熱である排気熱を平準化することができる。従って、第1熱回収器110で廃熱を効率よく回収することができる。
According to this, in the first
さらに、この高温用廃熱輸送回路300内に、図5に示すように、蓄熱剤が充填された蓄熱手段330を設けても良い。これによれば、蓄熱手段330により、高温の廃熱を蓄えることができるため、高温の廃熱を第1熱回収器110で必要に応じて回収することができる。
Furthermore, as shown in FIG. 5, heat storage means 330 filled with a heat storage agent may be provided in the high-temperature waste
(他の実施形態)
以上の実施形態では、高温用ランキンサイクル回路100および低温用ランキンサイクル回路200で廃熱回生した回転駆動力を発電機40に出力してバッテリー43に充電するように構成したが、これに限らず、例えば、車両用空調装置の圧縮機を駆動させるとか他の用途の動力源として利用しても良い。
(Other embodiments)
In the above-described embodiment, the configuration is such that the rotational driving force regenerated by the waste heat in the high-temperature
また、以上の実施形態では、熱機関であるエンジン10の廃熱のうち、排気熱と冷却水回路の温水熱を廃熱の熱源として、高温用ランキンサイクル回路100および低温用ランキンサイクル回路200で廃熱回生するように構成したが、これに限らず、例えば、燃料電池車に搭載される燃料電池の廃熱、もしくは、燃料電池の他に車両には、例えば、電動モータ、電動ポンプ、インバータなど作動により発熱する発熱補機類の廃熱のうち、高温用と低温用の二つの異なる温度場の廃熱を組み合わせるように構成しても良い。
In the above embodiment, the exhaust heat and the hot water heat of the cooling water circuit out of the waste heat of the
10…エンジン(内燃機関)
100…高温用ランキンサイクル回路
110…第1熱回収器
120…第1膨張機
130…第1凝縮器
200…低温用ランキンサイクル回路
210…第2熱回収器
220…第2膨張機
230…第2凝縮器
300…高温用輸送回路
330…蓄熱手段
10. Engine (internal combustion engine)
DESCRIPTION OF
Claims (7)
前記内燃機関(10)における複数の廃熱のうち、前記内燃機関(10)を冷却する冷却水回路(20)の温水熱を低温の廃熱として作動流体に熱交換する第2熱回収器(210)、第2膨張機(220)、第2凝縮器(230)を順次配管で接続してなる低温用ランキンサイクル回路(200)とを具備し、
前記低温用ランキンサイクル回路(200)は、前記高温用ランキンサイクル回路(100)で放熱される熱を熱源の一部として利用しており、
前記冷却水回路(20)には、前記内燃機関(10)の下流側と前記第2熱回収器(210)との間に、前記第1凝縮器(130)が設けられ、
前記第1凝縮器(130)は、前記第1膨張機(120)から吐出される作動流体と、前記冷却水回路(20)を流通し前記内燃機関(10)を冷却した後の冷却水とを熱交換して、前記第1凝縮器(130)で放熱される熱によって冷却水を加熱することを特徴とする廃熱利用装置。 A first heat recovery device (110) and a first expander for exchanging heat of exhaust gas exhausted from the internal combustion engine (10) as a high-temperature waste heat to a working fluid among a plurality of waste heats in the internal combustion engine (10). (120), a high-temperature Rankine cycle circuit (100) formed by sequentially connecting the first condenser (130) by piping;
Of the plurality of waste heats in the internal combustion engine (10), a second heat recovery unit (2) for exchanging heat with the working fluid from the hot water heat of the cooling water circuit (20) for cooling the internal combustion engine (10) as low-temperature waste heat. 210), a second expander (220), and a second condenser (230) are sequentially connected by piping, and a low-temperature Rankine cycle circuit (200) is provided.
The low temperature Rankine cycle circuit (200) uses heat radiated by the high temperature Rankine cycle circuit (100) as a part of a heat source ,
The cooling water circuit (20) is provided with the first condenser (130) between the downstream side of the internal combustion engine (10) and the second heat recovery unit (210),
The first condenser (130) includes a working fluid discharged from the first expander (120), cooling water after flowing through the cooling water circuit (20) and cooling the internal combustion engine (10), The waste water utilization apparatus is characterized in that the cooling water is heated by heat exchanged by the first condenser (130) .
前記高温用ランキンサイクル回路(100)の前記第1熱回収器(110)は、前記高温用ランキンサイクル回路(100)内を流れる作動流体と前記高温用廃熱輸送回路(300)内を流れる熱媒体とを熱交換するように構成されることを特徴とする請求項1ないし請求項3のいずれか一項に記載の廃熱利用装置。 A heat exchanger (310) for exchanging heat between the high-temperature waste heat and the heat medium is provided, and the heat medium heat-exchanged by the heat exchanger (310) is converted into the first rank of the high-temperature Rankine cycle circuit (100). 1 A high-temperature waste heat transport circuit (300) for circulation to the heat recovery device (110) is provided,
The first heat recovery unit (110) of the high temperature Rankine cycle circuit (100) includes a working fluid flowing in the high temperature Rankine cycle circuit (100) and heat flowing in the high temperature waste heat transport circuit (300). The waste heat utilization apparatus according to any one of claims 1 to 3, wherein the waste heat utilization apparatus is configured to exchange heat with a medium .
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