JP5333659B2 - 廃熱回生システム - Google Patents

Description

この発明は、廃熱回生システムに係り、特にランキンサイクルを利用した廃熱回生システムに関する。

車両用エンジンの廃熱から機械的エネルギー（動力）を回収するランキンサイクルを利用した廃熱回生システムが開発されている。一般的なランキンサイクルは、作動流体を圧送するポンプと、作動流体をエンジンの廃熱によって加熱する熱交換器と、加熱された作動流体を膨張させて機械的エネルギーを回収する膨張機と、膨張後の作動流体を凝縮させるコンデンサとから構成され、これらが順次環状に接続されて閉回路を形成している。

特許文献１には、第１熱交換器と第２熱交換器とを備えた廃熱回生システムが記載されている。特許文献１の図１を参照すると、この廃熱回生システムのランキンサイクル１７は、作動流体をエンジンの冷却水と熱交換させて加熱する冷却水ボイラである第１熱交換器１５と、作動流体をエンジン１から排出される排気ガスと熱交換させて加熱する排気ガスボイラである第２熱交換器３とを備えている。ポンプ４から圧送された作動流体は、第１熱交換器１５及び第２熱交換器３において加熱されて熱を吸収し、膨張機５において膨張する過程で機械的エネルギーを発生させ、冷却器（コンデンサ）６において凝縮される過程で熱を放出する。

一般に、エンジン始動時等において、エンジン冷却水の温度が低い場合には、エンジンの燃費が悪くなる。そのため、特許文献２に記載の蒸気圧縮式冷凍機のヒートポンプ暖機モード（図６）では、エンジン冷却水の温度が低い場合に、圧縮機２１０で圧縮されて高温高圧となった作動流体を冷却水ボイラである加熱器３２０に流入させることにより、圧縮機２１０の仕事分に相当する熱によってエンジン冷却水を加熱する。

特開２００７−８５１９５号公報 特開２００６−１７７５８８号公報

上述したように、エンジン始動時等において、エンジン冷却水の温度が低い場合には、エンジンの燃費が悪くなる。
特許文献１に記載の廃熱回生システムでは、第２熱交換器３で吸収した排気ガスの熱を冷却水に伝えてその温度を速やかに上昇させることができれば燃費を向上させることができるが、ランキンサイクル１７内を循環する作動流体は、第２熱交換器３で吸収した熱を冷却器６で放出してしまうため、排気ガスの熱を効率的に冷却水に伝えることができない。そのため、冷却水の温度を速やかに上昇させることができず、エンジン１の燃費が悪くなってしまう。
また、特許文献２に記載の蒸気圧縮式冷凍機のヒートポンプ暖機モードでは、エンジン冷却水の温度が低い場合に、圧縮機２１０の仕事分に相当する熱によって冷却水を加熱するが、圧縮仕事を熱エネルギーに変換するため効率が悪い。

この発明はこのような問題点を解決するためになされたものであり、エンジン冷却水の温度が低い場合に、冷却水の温度を速やかに効率よく上昇させてエンジンの燃費を向上させることができる廃熱回生システムを提供することを目的とする。

上記の課題を解決するために、この発明に係る廃熱回生システムは、作動流体を圧送するポンプと、圧送された作動流体を低温熱源によって加熱する第１熱交換器と、第１熱交換器で加熱された作動流体を高温熱源によって熱する第２熱交換器と、加熱された作動流体を膨張させて機械的エネルギーを回収する膨張機と、膨張後の作動流体を凝縮させるコンデンサとを順次回路上に配置したランキンサイクル装置を有する廃熱回生システムにおいて、直列に接続された第１熱交換器と第２熱交換器の一端側と他端側の２つの流路と、膨張機の吸入側と吐出側の２つの流路との接続状態を切り替える循環方向変更手段を備え、循環方向変更手段によって、第１熱交換器から第２熱交換器へ向けて作動流体を循環させるランキンサイクル運転と、第２熱交換器から第１熱交換器へ向けて作動流体を循環させる冷却水昇温サイクル運転とを切り替えるとともに、エンジン冷却水の温度が所定値未満の場合に、膨張機を正回転させることにより冷却水昇温サイクル運転を行う。

この発明に係る廃熱回生システムによれば、エンジン冷却水の温度が低い場合に、冷却水の温度を速やかに効率よく上昇させてエンジンの燃費を向上させることができる。

この発明の実施の形態１に係る廃熱回生システムの構成を示す図である。 この発明の実施の形態２に係る廃熱回生システムの構成を示す図である。 この発明の実施の形態３に係る廃熱回生システムの構成を示す図である。 この発明の実施の形態４に係る廃熱回生システムの構成を示す図である。 この発明の実施の形態５に係る廃熱回生システムの構成を示す図である。

以下、この発明の実施の形態について添付図面に基づいて説明する。
実施の形態１．
この発明の実施の形態１に係る廃熱回生システム１００の構成を図１に示す。
廃熱回生システム１００のランキンサイクル装置１１０は、ポンプ１１１と、冷却水ボイラ１１２と、排気ガスボイラ１１３と、膨張機１１４と、コンデンサ１１５とから構成され、これらが順次環状に接続されて閉回路を形成している。
ポンプ１１１は作動流体を圧送する。冷却水ボイラ１１２は第１熱交換器であり、作動流体を加熱媒体である低温熱源としてのエンジン１４０の冷却水と熱交換させて加熱する。排気ガスボイラ１１３は第２熱交換器であり、作動流体を加熱媒体である高温熱源としてのエンジン１４０から排出される排気ガスと熱交換させて加熱する。膨張機１１４は、冷却水ボイラ１１２及び排気ガスボイラ１１３において加熱されて気化した作動流体を膨張させて機械的エネルギー（動力）を発生させる。コンデンサ１１５は膨張後の作動流体を凝縮させる。

エンジン１４０の冷却水が第１熱交換器の加熱媒体であり、排気ガスが第２熱交換器の加熱媒体である。排気ガスによって加熱された作動流体によって第２熱交換器の加熱媒体を加熱することも可能である。排気ガスは高温であり、エンジン１４０の始動後早く昇温する。したがって、排気ガスボイラ１１３は冷却水ボイラ１１２に比べて、早く昇温させることが可能である。

ポンプ１１１と膨張機１１４とは同一の駆動軸１１６を共有しており、駆動軸１１６の途中には、モータジェネレータ１１７が接続されている。モータジェネレータ１１７は、ポンプ１１１及び膨張機１１４の駆動源として機能すると共に、膨張機１１４で発生する機械的エネルギーによって駆動軸１１６が駆動される場合には、回転駆動力を電力に変換する発電機として機能する。また、モータジェネレータ１１７は、廃熱回生システム１００の動作を制御するための制御手段であるコントロールユニット１５０に電気的に接続されている。また、モータジェネレータ１１７とポンプ１１１との間には動力遮断手段としてのワンウェイクラッチ１２０が介在されており、モータジェネレータ１１７からの一方向の回転駆動力を伝達する。

ポンプ１１１と冷却水ボイラ１１２との間には、ポンプ１１１及びコンデンサ１１５をバイパスする第１バイパス流路１１８の一端が接続されており、第１バイパス流路１１８の他端は、膨張機１１４とコンデンサ１１５との間に接続されている。第１バイパス流路１１８の他端には、第１開閉弁としての三方弁１１９が介在される。第１バイパス流路１１８の圧力損失は、ポンプ１１１及びコンデンサ１１５のそれらに比べて十分小さい。三方弁１１９はコントロールユニット１５０に電気的に接続されている。

コントロールユニット１５０は、エンジン１４０の廃熱によって加熱された冷却水温度を計測するための温度センサ１６０から取得される温度情報に基づいて、モータジェネレータ１１７の回転方向（正回転・逆回転）を制御することによってポンプ１１１及び膨張機１１４の回転方向を制御すると共に、第１開閉弁としての三方弁１１９を開閉させることによって第１バイパス流路１１８の開閉状態を制御する。

次に、実施の形態１に係る廃熱回生システム１００の動作について、エンジン１４０の冷却水温度が所定値Ｔｈ以上の場合と未満の場合とに分けて説明する。

（冷却水温度が所定値Ｔｈ以上の場合：ランキンサイクル運転）
廃熱回生システム１００は、エンジン１４０の冷却水温度が所定値Ｔｈ以上の場合には、ランキンサイクル運転を行う。詳細には、制御手段としてのコントロールユニット１５０は、温度センサ１６０から取得されるエンジン１４０の冷却水温度が所定値Ｔｈ以上の場合に、モータジェネレータ１１７を正回転駆動させることによってポンプ１１１及び膨張機１１４を正回転駆動させると共に、第１開閉弁としての三方弁１１９はコンデンサ１１５と膨張機１１４とを連通する状態とすることによって第１バイパス流路１１８を閉状態とする。

このとき、ポンプ１１１から冷却水ボイラ１１２に向けて圧送された作動流体は、冷却水ボイラ１１２及び排気ガスボイラ１１３を流通する過程において、エンジン１４０の冷却水及びエンジン１４０から排出される排気ガスから熱を吸収して高温のガスとなり、膨張機１１４において膨張する。次に、第１バイパス流路１１８は閉状態であるため、膨張機１１４を出た作動流体は、コンデンサ１１５に流入する。コンデンサ１１５において凝縮される過程で熱を放出した作動流体は、ポンプ１１１によって冷却水ボイラ１１２に向けて移送される。膨張機１１４が作動流体の膨張によって正回転駆動されるようになると、膨張によって発生した機械的エネルギーによって、モータジェネレータ１１７及びポンプ１１１が正回転駆動される。

（冷却水温度が所定値Ｔｈ未満の場合：冷却水昇温サイクル運転）
廃熱回生システム１００は、エンジン１４０の冷却水温度が所定値Ｔｈ未満の場合には、排気ガスボイラ１１３から冷却水ボイラ１１２へ向けて作動流体を循環させる冷却水昇温サイクル運転を行う。詳細には、制御手段としてのコントロールユニット１５０は、温度センサ１６０から取得されるエンジン１４０の冷却水温度が所定値Ｔｈ未満の場合に、モータジェネレータ１１７を逆回転駆動させることによって膨張機１１４を逆回転駆動させると共に、第１開閉弁としての三方弁１１９は第１バイパス流路１１８と膨張機１１４とを連通する状態とすることによって第１バイパス流路１１８を開状態とし、第１バイパス流路１１８への作動流体の循環を許容する。膨張機１１４は、圧縮機の吸入口と吐出口とを逆に接続した構造を有するものである。そのため、膨張機１１４は逆回転駆動されると循環手段としての圧縮機としての役割を果たし、排気ガスボイラ１１３に向けて作動流体を圧送する。膨張機１１４は駆動源としてのモータジェネレータ１１７が発生する機械的エネルギーによって逆回転駆動され、モータジェネレータ１１７は膨張機１１４の駆動源として機能する。また、ワンウェイクラッチ１２０により、モータジェネレータ１１７からの逆回転（他方向）の駆動力は遮断され、ポンプ１１１は駆動されない。

このとき、図中の一点破線の矢印で示されるように、膨張機１１４→排気ガスボイラ１１３→冷却水ボイラ１１２→第１バイパス流路１１８→膨張機１１４の順に作動流体が流れる閉回路が形成される。膨張機１１４から排気ガスボイラ１１３に向けて圧送された作動流体は、排気ガスボイラ１１３に流入してエンジン１４０から排出される排気ガスから熱を吸収して高温のガスとなった後、吸収した熱をほとんど失うことなく直ちに冷却水ボイラ１１２に流入し、エンジン１４０の冷却水に熱を与える。作動流体は排気ガスボイラ１１３で吸収した熱をほとんど失うことなく冷却水ボイラ１１２に到達するため、エンジン１４０の冷却水温度は速やかに効率よく上昇し、エンジン１４０の燃費が向上する。

以上説明したように、実施の形態１に係る廃熱回生システム１００では、エンジン１４０の冷却水温度が所定値Ｔｈ未満の場合には、排気ガスボイラ１１３から冷却水ボイラ１１２へ向けて作動流体を循環させる冷却水昇温サイクル運転が行われる。このとき、膨張機１１４→排気ガスボイラ１１３→冷却水ボイラ１１２→第１バイパス流路１１８→膨張機１１４の順に作動流体が流れる閉回路が形成される。排気ガスボイラ１１３で熱を吸収した作動流体は、吸収した熱をほとんど失うことなく直ちに冷却水ボイラ１１２に流入し、エンジン１４０の冷却水に熱を与える。これにより、エンジン１４０の始動時等の冷却水温度が低い場合に、排気ガスの熱を効率的に冷却水に伝え、冷却水温度を速やかに効率よく上昇させることができる。その結果、エンジン１４０の燃費が向上する。

尚、膨張機１１４を逆回転駆動させずに第１バイパス流路１１８を開状態とするだけでも、膨張機１１４が作動流体を移送する送風機として機能するため、排気ガスボイラ１１３→膨張機１１４→第１バイパス流路１１８→冷却水ボイラ１１２→排気ガスボイラ１１３の順に作動流体が循環し、排気ガスの熱を冷却水に伝えることができる。
しかしながら、排気ガスボイラ１１３で熱を吸収した作動流体は、膨張機１１４及び第１バイパス流路１１８を流通する過程で吸収した熱の一部を失ってしまうため、排気ガスの熱を冷却水に伝える際の効率が落ちる。
また、膨張機１１４が正回転駆動されるため、膨張機１１４の内部では作動流体の膨張工程が行われて過膨張損失が発生する。
さらに、コンデンサ１１５及びポンプ１１１には作動流体がほとんど流入しないため、その区間内の作動流体が滞留してしまい、作動流体中に含まれる潤滑油がトラップされてしまう。そのため、膨張機１１４に流入する作動流体の温度が高いにも関わらず、膨張機１１４へのオイル戻りが少なくなり、膨張機１１４に負担がかかる。

これに対して、実施の形態１に係る廃熱回生システム１００では、膨張機１１４を逆回転駆動させるため、排気ガスボイラ１１３→冷却水ボイラ１１２→第１バイパス流路１１８→膨張機１１４→排気ガスボイラ１１３の順に作動流体が循環する。そのため、排気ガスボイラ１１３で熱を吸収した作動流体は、吸収した熱をほとんど失うことなく直ちに冷却水ボイラ１１２に流入し、排気ガスの熱を効率的に冷却水に伝えることができる。
また、膨張機１１４を逆回転駆動させて圧縮機として使用するため、膨張機１１４の内部では作動流体の圧縮工程が行われて過圧縮損失が発生するが、一般的な膨張機の過圧縮損失は過膨張損失よりも小さいため、膨張機１１４によって作動流体を移送する際の動力を小さく抑えることができる。
さらに、膨張機１１４から排気ガスボイラ１１３の方向に作動流体が流れるため、膨張機１１４に流入する作動流体の温度が低い。そのため、膨張機１１４へのオイル戻りが少なくても、膨張機１１４に負担がかからない。
また、ワンウェイクラッチ１２０により、冷却水昇温サイクル運転時にはポンプ１１１が駆動されず、ポンプ１１１による動力消費をなくすことが出来る。

実施の形態２．
この発明の実施の形態２に係る廃熱回生システム２００の構成を図２に示す。
実施の形態１における第１バイパス流路１１８は、ポンプ１１１及びコンデンサ１１５をバイパスしていたが、実施の形態２における第１バイパス流路２１８は、ポンプ１１１と冷却水ボイラ１１２との間と、ポンプ１１１とコンデンサ１１５との間を連通させることにより、ポンプ１１１のみをバイパスする。ワンウェイクラッチ１２０は、省かれている。冷却水昇温サイクル運転時には、制御手段としてのコントロールユニット２５０が第１開閉弁としての電磁開閉弁２１９を開弁することで、第１バイパス流路２１８を連通状態とする。尚、以降の実施の形態の説明において、図１の参照符号と同一の符号は同一又は同様の構成要素であるので、その詳細な説明は省略する。

実施の形態１に係る廃熱回生システム１００の冷却水昇温サイクル運転時には、排気ガスボイラ１１３で熱を吸収した作動流体が冷却水ボイラ１１２で熱を放出することによって冷却水が加熱される。しかしながら、排気ガスボイラ１１３での吸熱量が冷却水ボイラ１１２での放熱量を上回る場合には、回路全体が過熱されてしまう虞がある。

実施の形態２に係る廃熱回生システム２００では、図中の１点破線で示されるように、膨張機１１４（循環手段としての圧縮機として機能する）→排気ガスボイラ１１３→冷却水ボイラ１１２→第１バイパス流路２１８→コンデンサ１１５→膨張機１１４の順に作動流体が循環する過程において、冷却水ボイラ１１２で吸収されなかった過剰な熱は、コンデンサ１１５において放出される。これにより、作動流体の排気ガスボイラ１１３での吸熱量が冷却水ボイラ１１２での放熱量を上回る場合でも、回路全体が過熱されるのを防ぐことができる。尚、排気ガスボイラ１１３→冷却水ボイラ１１２→第１バイパス流路２１８→コンデンサ１１５の順に作動流体が流れるため、作動流体は排気ガスボイラ１１３で吸収した熱を冷却水ボイラ１１２に与えた後に、コンデンサ１１５に流入して余分な熱を放出する。そのため、冷却水を加熱・昇温するという本来の目的への影響はない。また、ポンプ１１１をバイパスする理由は、ポンプ１１１が絞りとなって差圧が生じることにより、膨張機１１４が駆動されるのに必要な機械的エネルギーが増加するのを防ぐためである。

実施の形態３．
この発明の実施の形態３に係る廃熱回生システム３００の構成を図３に示す。
実施の形態３に係る廃熱回生システム３００は、実施の形態１に係る廃熱回生システム１００において、ポンプ１１１及び膨張機１１４と駆動軸３１６を共有することによってそれらと連動して駆動される車内エアコン用の空調機コンプレッサ３２０を追加している。また、実施の形態１では第１開閉弁としての三方弁１１９を備えていたが、本実施形態では三方弁１１９の代わりに、第１バイパス流路１１８の途中に第１開閉弁としての電磁開閉弁３１９を介在させている。さらに、一端が第２開閉弁としての三方弁３２２を介して、ポンプ１１１と第１バイパス流路１１８との間に接続され、他端がポンプ１１１とコンデンサ１１５との間に接続される第２バイパス流路３１８を備える。第２バイパス流路３１８は、冷却水昇温サイクル運転時にポンプ１１１による作動流体の循環を許容する閉回路の一部をなす。運転者からのエアコン稼働要求により空調機コンプレッサ３２０を駆動させる際には、駆動軸３１６を逆回転させることはできない。そのため、冷却水を昇温させながら空調機コンプレッサ３２０を駆動させる場合には、膨張機１１４、ポンプ１１１、及び空調機コンプレッサ３２０を正回転駆動させる。

ポンプ１１１、膨張機１１４、及び空調機コンプレッサ３２０は、同一の駆動軸３１６を共有している。駆動軸３１６におけるポンプ１１１と空調機コンプレッサ３２０との間には、クラッチ３２１が介在されている。クラッチ３２１は、ポンプ１１１及び膨張機１１４と空調機コンプレッサ３２０との連動を遮断するものであり、クラッチ３２１が繋がっている状態では、空調機コンプレッサ３２０がポンプ１１１及び膨張機１１４に連動して駆動される。また、クラッチ３２１は、制御手段としてのコントロールユニット３５０に電気的に接続されている。コントロールユニット３５０は、エンジン１４０の冷却水温度及び運転者からのエアコン稼働要求に基づいて、クラッチ３２１の接続状態を制御する。

次に、実施の形態３に係る廃熱回生システム３００の動作について、冷却水温度が所定値Ｔｈ以上の場合と、冷却水温度が所定値Ｔｈ未満であり、かつエアコン稼働要求がない場合と、冷却水温度が所定値Ｔｈ未満であり、かつエアコン稼働要求がある場合との３つに分けて説明する。

（冷却水温度が所定値Ｔｈ以上の場合：ランキンサイクル運転）
廃熱回生システム３００は、エンジン１４０の冷却水温度が所定値Ｔｈ以上の場合には、ランキンサイクル運転を行う。詳細には、制御手段としてのコントロールユニット３５０は、冷却水温度が所定値Ｔｈ以上の場合に、モータジェネレータ１１７を正回転駆動させることによってポンプ１１１及び膨張機１１４を正回転駆動させると共に、第１開閉弁としての電磁開閉弁３１９を閉じることで第１バイパス流路１１８を閉状態とする。第２開閉弁としての三方弁３２２はポンプ１１１と冷却水ボイラ１１２とを連通する状態とすることで、第２バイパス流路３１８を閉状態とする。また、エアコン稼働要求があり空調機コンプレッサ３２０を駆動させるのであれば、クラッチ３２１を繋ぐことによって空調機コンプレッサ３２０をポンプ１１１及び膨張機１１４に連動して駆動させる。

このとき、ポンプ１１１→冷却水ボイラ１１２→排気ガスボイラ１１３→膨張機１１４→コンデンサ１１５→ポンプ１１１の順に作動流体が流れる閉回路が形成される。冷却水ボイラ１１２及び排気ガスボイラ１１３で熱を吸収して気化した作動流体は、膨張機１１４において膨張する過程で機械的エネルギーを発生させ、膨張機１１４を正回転駆動させる。気相の作動流体の膨張によって膨張機１１４が正回転駆動されるようになると、それに連動してモータジェネレータ１１７及びポンプ１１１が正回転駆動され、クラッチ３２１が繋がれている場合には、空調機コンプレッサ３２０も正回転駆動される。

（冷却水温度が所定値Ｔｈ未満であり、かつエアコン稼働要求がない場合：第１の冷却水昇温サイクル運転）
廃熱回生システム３００は、エンジン１４０の冷却水温度が所定値Ｔｈ未満の場合に、エアコン稼働要求がないのであれば、排気ガスボイラ１１３から冷却水ボイラ１１２へ向けて作動流体を循環させる第１の冷却水昇温サイクル運転を行う。詳細には、制御手段としてのコントロールユニット３５０は、冷却水温度が所定値Ｔｈ未満であり、かつエアコン稼働要求がなく空調機コンプレッサ３２０を駆動させない場合に、クラッチ３２１を切ることによって空調機コンプレッサ３２０とポンプ１１１及び膨張機１１４との連動を遮断する。すなわち、駆動力が駆動軸３１６を介して空調機コンプレッサ３２０に伝達されないようにする。その後、モータジェネレータ１１７を逆回転駆動させることによって膨張機１１４を逆回転駆動させ、循環手段としての圧縮機として機能させると共に、第１開閉弁としての電磁開閉弁３１９を開けて第１バイパス流路１１８を開状態とし、第１バイパス流路１１８への作動流体の循環を許容する。

このとき、図中に１点破線の矢印で示されるように、膨張機１１４→排気ガスボイラ１１３→冷却水ボイラ１１２→第１バイパス流路１１８→膨張機１１４の順に作動流体が流れる閉回路が形成される。排気ガスボイラ１１３で熱を吸収した作動流体は、吸収した熱をほとんど失うことなく直ちに冷却水ボイラ１１２に流入し、エンジン１４０の冷却水に熱を与える。膨張機１１４及びポンプ１１１は、駆動源としてのモータジェネレータ１１７が発生する機械的エネルギーによって逆回転駆動される。第２開閉弁としての三方弁３２２は第２バイパス流路３１８とポンプ１１１とを連通する状態とすることによって、第２バイパス流路３１８を開状態とし、逆回転駆動されるポンプ１１１による作動流体の循環を許容する。したがって、ポンプ１１１によって移送された作動流体は、第２バイパス流路３１８を含む閉回路によって循環される。また、クラッチ３２１が切られているため、空調機用コンプレッサ３２０は駆動されない。

（冷却水温度が所定値Ｔｈ未満であり、かつエアコン稼働要求がある場合：第２の冷却水昇温サイクル運転）
廃熱回生システム３００は、エンジン１４０の冷却水温度が所定値Ｔｈ未満の場合に、エアコン稼働要求があるのであれば、冷却水ボイラ１１２から排気ガスボイラ１１３へ向けて作動流体を循環させる第２の冷却水昇温サイクル運転を行う。詳細には、制御手段としてのコントロールユニット３５０は、冷却水温度が所定値Ｔｈ未満であり、かつエアコン稼働要求があり空調機コンプレッサ３２０を駆動させる場合に、クラッチ３２１を繋ぐことによって、空調機コンプレッサ３２０をポンプ１１１及び膨張機１１４に連動させる。すなわち、駆動力が駆動軸３１６を介して空調機コンプレッサ３２０に伝達されるようにする。その後、モータジェネレータ１１７を正回転駆動させることによって膨張機１１４及びポンプ１１１を正回転駆動させると共に、第１開閉弁としての電磁開閉弁３１９を開けて第１バイパス流路１１８を開状態とし、第１バイパス流路１１８への作動流体の循環を許容する。

このとき、図中の１点破線の矢印とは反対方向に、排気ガスボイラ１１３→膨張機１１４→第１バイパス流路１１８→冷却水ボイラ１１２→排気ガスボイラ１１３の順に作動流体が流れる閉回路が形成される。排気ガスボイラ１１３で熱を吸収した作動流体は、膨張機１１４及び第１バイパス流路１１８を流通する過程で吸収した熱の一部を失いつつも冷却水ボイラ１１２に流入し、エンジン１４０の冷却水に熱を与える。膨張機１１４及びポンプ１１１は、駆動源としてのモータジェネレータ１１７が発生する機械的エネルギーによって正回転駆動される。第２開閉弁としての三方弁３２２は第２バイパス流路３１８とポンプ１１１とを連通する状態とすることによって、第２バイパス流路３１８を開状態とし、正回転駆動されるポンプ１１１による作動流体の循環を許容する。したがって、ポンプ１１１によって移送された作動流体は、第２バイパス流路３１８を含む閉回路によって循環される。また、クラッチ３２１が繋がっているため、空調機コンプレッサ３２０も正回転駆動される。

以上説明したように、実施の形態３に係る廃熱回生システム３００では、冷却水温度が所定値Ｔｈ未満の場合に、エアコン要求がなく空調機コンプレッサ３２０を駆動させないのであれば、排気ガスボイラ１１３から冷却水ボイラ１１２へ向けて作動流体を循環させる第１の冷却水昇温サイクル運転が行われる。このとき、膨張機１１４→排気ガスボイラ１１３→冷却水ボイラ１１２→第１バイパス流路１１８→膨張機１１４の順に作動流体が循環する。排気ガスボイラ１１３で熱を吸収した作動流体は、吸収した熱をほとんど失うことなく直ちに冷却水ボイラ１１２に流入し、エンジン１４０の冷却水に熱を与える。
また、冷却水温度が所定値Ｔｈ未満の場合に、エアコン要求があり空調機コンプレッサ３２０を駆動させるのであれば、冷却水ガスボイラ１１２から排気ガスボイラ１１３へ向けて作動流体を循環させる第２の冷却水昇温サイクル運転が行われる。このとき、排気ガスボイラ１１３→膨張機１１４→第１バイパス流路１１８→冷却水ボイラ１１２→排気ガスボイラ１１３の順に作動流体が循環する。排気ガスボイラ１１３で熱を吸収した作動流体は、膨張機１１４及び第１バイパス流路１１８を流通する過程で吸収した熱の一部を失いつつも冷却水ボイラ１２２に流入し、エンジン１４０の冷却水に熱を与える。
これらにより、エンジン１４０の冷却水温度が低い場合に、エアコン稼働要求がなく空調機コンプレッサ３２０を駆動させないのであれば、排気ガスの熱を効率的に冷却水に伝え、冷却水温度を速やかに効率よく上昇させることができる。また、エアコン稼働要求があり空調機コンプレッサ３２０を駆動させたとしても、効率はやや落ちるものの、排気ガスの熱を冷却水に伝え、冷却水温度を上昇させることができる。

実施の形態４．
この発明の実施の形態４に係る廃熱回生システム４００の構成を図４に示す。
実施の形態４に係る廃熱回生システム４００は、実施の形態１〜３のように膨張機１１４を逆回転駆動させることなく排気ガスボイラ１１３から冷却水ボイラ１１２へ向けて作動流体を循環させるための循環方向変更手段を備える。

排気ガスボイラ１１３と膨張機１１４との間には三方弁４２３が介在され、膨張機１１４とコンデンサ１１５との間には三方弁４２４が介在される。三方弁４２４とコンデンサ１１５との間には流路４２５の一端が接続され、流路４２５の他端は三方弁４２３に接続されている。また、排気ガスボイラ１１３と三方弁４２３との間には流路４２６の一端が接続され、流路４２６の他端は三方弁４２４に接続されている。本実施形態における循環方向変更手段は、三方弁４２３，４２４、流路４２５，４２６によって構成される。

ポンプ１１１及び膨張機１１４は、同一の駆動軸４１６を共有している。駆動軸４１６は、プーリ４２７及びベルト４２８を介してエンジン１４０の駆動軸１４０ａに接続されている。駆動軸４１６、プーリ４２７、ベルト４２８、及び駆動軸１４０ａは、膨張機１１４が発生させる機械的エネルギーをエンジン１４０に返還する機械的エネルギー伝達手段として機能する。また、駆動軸４１６には、機械的エネルギーを電力に変換する発電手段としてのオルタネータ４２９も接続されている。オルタネータ４２９とプーリ４２７との間には、クラッチ４３０が介在されている。クラッチ４３０は、膨張機１１４とエンジン１４０の駆動軸１４０ａとの連動を遮断するものであり、クラッチ４３０が繋がっている状態では、エンジン１４０の駆動軸１４０ａが膨張機１１４に連動して駆動される。

また、実施の形態３と同様に、第１バイパス流路１１８の途中には第１開閉弁としての電磁開閉弁３１９が介在されると共に、一端が第２開閉弁としての三方弁３２２を介してポンプ１１１と第１バイパス流路１１８との間に接続され、他端がポンプ１１１とコンデンサ１１５との間に接続される第２バイパス流路３１８を備える。

第１開閉弁としての電磁開閉弁３１９、第２開閉弁としての三方弁３２２、循環方向変更手段を構成する三方弁４２３，４２４、及びクラッチ４３０は、制御手段としてのコントロールユニット４５０に電気的に接続されている。

次に、実施の形態４に係る廃熱回生システム４００の動作について、冷却水温度が所定値Ｔｈ以上の場合と、冷却水温度が所定値Ｔｈ未満の場合とに分けて説明する。

（冷却水温度が所定値Ｔｈ以上の場合：ランキンサイクル運転）
廃熱回生システム４００は、エンジン１４０の冷却水温度が所定値Ｔｈ以上の場合には、ランキンサイクル運転を行う。詳細には、制御手段としてのコントロールユニット４５０は、冷却水温度が所定値Ｔｈ以上の場合に、図示しないバッテリからの電力供給によってポンプ１１１及び膨張機１１４を正回転駆動させると共に、第１開閉弁としての電磁開閉弁３１９を閉じることで第１バイパス流路１１８を閉状態とする。第２開閉弁としての三方弁３２２はポンプ１１１と冷却水ボイラ１１２とを連通する状態とすることによって第２バイパス流路３１８を閉状態とする。また、循環方向変更手段においては、三方弁４２３は、排気ガスボイラ１１３と膨張機１１４とを連通する状態とすることによって流路４２５を閉状態とし、三方弁４２４は、膨張機１１４とコンデンサ１１５とを連通する状態とすることによって流路４２６を閉状態とする。したがって、冷却水ボイラ１１２及び排気ガスボイラ１１３の一端側の流路Ａと膨張機１１４の吸入側の流路ａとが接続されると共に、冷却水ボイラ１１２及び排気ガスボイラ１１３の他端側の流路Ｂと膨張機１１４の吐出側の流路ｂとが（ポンプ１１１及びコンデンサ１１５を介在して）接続される。

このとき、ポンプ１１１→冷却水ボイラ１１２→排気ガスボイラ１１３→膨張機１１４→コンデンサ１１５→ポンプ１１１の順に作動流体が流れる閉回路が形成される。冷却水ボイラ１１２及び排気ガスボイラ１１３で熱を吸収して気化した作動流体は、膨張機１１４において膨張する過程で機械的エネルギーを発生させ、膨張機１１４を正回転駆動させる。気相の作動流体の膨張によって膨張機１１４が正回転駆動されるようになると、それに連動してポンプ１１１が正回転駆動されると共に、オルタネータ４２９では発電が行われる。また、クラッチ４３０が繋がれている場合には、エンジン１４０の駆動軸１４０ａも駆動され、膨張機１１４で発生した機械的エネルギーがエンジン１４０に返還される。尚、膨張機１１４の回転数が高くなりすぎてエンジン１４０の回転を補助するのに適当でなくなった場合には、クラッチ４３０を切ることによって膨張機１１４とエンジン１４０の駆動軸１４０ａとの連動を遮断する。

（冷却水温度が所定値Ｔｈ未満の場合：冷却水昇温サイクル運転）
廃熱回生システム４００は、エンジン１４０の冷却水温度が所定値Ｔｈ未満の場合には、排気ガスボイラ１１３から冷却水ボイラ１１２へ向けて作動流体を循環させる冷却水昇温サイクル運転を行う。詳細には、制御手段としてのコントロールユニット４５０は、冷却水温度が所定値Ｔｈ未満の場合に、図示しないバッテリからの電力供給によってポンプ１１１及び膨張機１１４を正回転駆動させると共に、第１開閉弁としての電磁開閉弁３１９を開くことで第１バイパス流路１１８を開状態とする。また、循環方向変更手段においては、三方弁４２３は、流路４２５を開状態とすることによって冷却水ボイラ１１２と膨張機１１４の吸入側（紙面上側）とを第１バイパス流路１１８を介して連通する状態とし、三方弁４２４は、流路４２６を開状態とすることによって膨張機１１４の吐出側（紙面下側）と排気ガスボイラ１１３とを連通する状態とする。したがって、冷却水ボイラ１１２及び排気ガスボイラ１１３の一端側の流路Ａと膨張機１１４の吐出側の流路ｂとが接続されると共に、冷却水ボイラ１１２及び排気ガスボイラ１１３の他端側の流路Ｂと膨張機１１４の吸入側の流路ａとが（第１バイパス流路１１８を介して）接続される。

このとき、図中に１点破線の矢印で示されるように、膨張機１１４→三方弁４２４→流路４２６→排気ガスボイラ１１３→冷却水ボイラ１１２→第１バイパス流路１１８→流路４２５→三方弁４２３→膨張機１１４の順に作動流体が流れる閉回路が形成される。排気ガスボイラ１１３で熱を吸収した作動流体は、吸収した熱をほとんど失うことなく直ちに冷却水ボイラ１１２に流入し、エンジン１４０の冷却水に熱を与える。第２開閉弁としての三方弁３２２は第２バイパス流路３１８とポンプ１１１とを連通する状態とすることによって第２バイパス流路３１８を開状態とし、正回転駆動されるポンプ１１１による作動流体の循環を許容する。したがって、ポンプ１１１によって移送された作動流体は、第２バイパス流路３１８を含む閉回路によって循環される。また、クラッチ４３０が繋がれている場合には、エンジン１４０の駆動軸１４０ａも駆動される。

以上説明したように、実施の形態４に係る廃熱回生システム４００では、三方弁４２３，４２４、流路４２５，４２６によって構成される循環方向変更手段によって、冷却水ボイラ１１２から排気ガスボイラ１１３へ向けて作動流体を循環させるランキンサイクル運転と、排気ガスボイラ１１３から冷却水ボイラ１１２へ向けて作動流体を循環させる冷却水昇温サイクル運転とを切り替える。
これにより、実施の形態１〜３のように膨張機１１４を逆回転駆動させることなく、排気ガスボイラ１１３から冷却水ボイラ１１２へ向けて作動流体を循環させる冷却水昇温サイクル運転を行うことができる。尚、実施の形態１〜３と同様にポンプ１１１をバイパスする理由は、膨張機１１４を駆動するのに必要な機械的エネルギーが増加するのを防ぐためである。

実施の形態５．
この発明の実施の形態５に係る廃熱回生システム５００の構成を図５に示す。
実施の形態４における循環方向変更手段は、膨張機１１４の吸入側の流路ａ及び吐出側の流路ｂにそれぞれ介在された三方弁４２３及び三方弁４２４と、流路４２５及び流路４２６とによって構成されていたが、実施の形態５における循環方向変更手段は、直列に接続された冷却水ボイラ１１２及び排気ガスボイラ１１３の一端側の流路Ａに介在された三方弁５３１及び三方弁５３２と、他端側の流路Ｂに介在された三方弁５３３及び三方弁５３４と、流路５３５及び流路５３６とによって構成される。

排気ガスボイラ１１３と膨張機１１４との間には、三方弁５３１及び三方弁５３２が介在され、第１バイパス流路１１８の一端と冷却水ボイラ１１２との間には、三方弁５３３及び三方弁５３４が介在される。三方弁５３１と三方弁５３３とは流路５３５によって接続され、三方弁５３２と三方弁５３４とは流路５３６によって接続されている。本実施形態における循環方向変更手段は、三方弁５３１，５３２，５３３，５３４、及び流路５３５，５３６によって構成される。また、第１バイパス流路１１８の一端には、第１開閉弁としての三方弁５１９が介在される。

また、実施の形態１と同様に、ポンプ１１１と膨張機１１４とは同一の駆動軸１１６を共有しており、駆動軸１１６の途中にはモータジェネレータ１１７が接続されている。
モータジェネレータ１１７とポンプ１１１との間にはクラッチ５３７が介在されている。クラッチ５３７は、ポンプ１１１と膨張機１１４との連動を遮断するものであり、クラッチ５３７が繋がっている状態では、ポンプ１１１が膨張機１１４に連動して駆動される。

第１開閉弁としての三方弁５１９、循環方向変更手段を構成する三方弁５３１，５３２，５３３，５３４、モータジェネレータ１１７、及びクラッチ５３７は、制御手段としてのコントロールユニット５５０に電気的に接続されている。

次に、実施の形態５に係る廃熱回生システム５００の動作について、冷却水温度が所定値Ｔｈ以上の場合と、冷却水温度が所定値Ｔｈ未満の場合とに分けて説明する。

（冷却水温度が所定値Ｔｈ以上の場合：ランキンサイクル運転）
廃熱回生システム５００は、エンジン１４０の冷却水温度が所定値Ｔｈ以上の場合には、ランキンサイクル運転を行う。詳細には、制御手段としてのコントロールユニット５５０は、冷却水温度が所定値Ｔｈ以上の場合に、モータジェネレータ１１７を正回転駆動させると共にクラッチ５３７を繋ぐことによって、ポンプ１１１及び膨張機１１４を正回転駆動させる。第１開閉弁としての三方弁５１９は、ポンプ１１１と冷却水ボイラ１１２とを連通する状態とすることによって第１バイパス流路１１８を閉状態とする。また、循環方向変更手段においては、三方弁５３１及び三方弁５３２は、排気ガスボイラ１１３と膨張機１１４とを連通する状態とし、三方弁５３３及び三方弁５３４は、ポンプ１１１と冷却水ボイラ１１２とを連通する状態とする。これにより、流路５３５及び流路５３６は閉状態となる。したがって、冷却水ボイラ１１２及び排気ガスボイラ１１３の一端側の流路Ａと膨張機１１４の吸入側の流路ａとが接続されると共に、冷却水ボイラ１１２及び排気ガスボイラ１１３の他端側の流路Ｂと膨張機１１４の吐出側の流路ｂとが（ポンプ１１１及びコンデンサ１１５を介在して）接続される。

このとき、ポンプ１１１→冷却水ボイラ１１２→排気ガスボイラ１１３→膨張機１１４→コンデンサ１１５→ポンプ１１１の順に作動流体が流れる閉回路が形成される。冷却水ボイラ１１２及び排気ガスボイラ１１３で熱を吸収して気化した作動流体は、膨張機１１４において膨張する過程で機械的エネルギーを発生させ、膨張機１１４を正回転駆動させる。

（冷却水温度が所定値Ｔｈ未満の場合：冷却水昇温サイクル運転）
廃熱回生システム５００は、エンジン１４０の冷却水温度が所定値Ｔｈ未満の場合には、排気ガスボイラ１１３から冷却水ボイラ１１２へ向けて作動流体を循環させる冷却水昇温サイクル運転を行う。詳細には、制御手段としてのコントロールユニット５５０は、冷却水温度が所定値Ｔｈ未満の場合に、モータジェネレータ１１７を正回転駆動させることによって膨張機１１４を正回転駆動させると共に、クラッチ５３７を切ることによってポンプ１１１と膨張機１１４との連動を遮断し、ポンプ１１１が駆動されないようにする。第１開閉弁としての三方弁５１９は、第１バイパス流路１１８と膨張機１１４とを連通する状態とすることによって第１バイパス流路１１８を開状態とする。また、循環方向変更手段においては、三方弁５３１及び三方弁５３３は、流路５３５を開状態とすることによって膨張機１１４の吐出側と排気ガスボイラ１１３とを第１バイパス流路１１８を介して連通する状態とし、三方弁５３２及び三方弁５３４は、流路５３６を開状態とすることによって冷却水ボイラ１１２と膨張機１１４の吸入側とを連通する状態とする。したがって、冷却水ボイラ１１２及び排気ガスボイラ１１３の一端側の流路Ａと膨張機１１４の吐出側の流路ｂとが（第１バイパス流路１１８を介して）接続されると共に、冷却水ボイラ１１２及び排気ガスボイラ１１３の他端側の流路Ｂと膨張機１１４の吸入側の流路ａとが接続される。

このとき、図中に１点破線の矢印で示されるように、膨張機１１４→第１バイパス流路１１８→三方弁５３３→流路５３５→三方弁５３１→排気ガスボイラ１１３→冷却水ボイラ１２２→三方弁５３４→流路５３６→三方弁５３２→膨張機１１４の順に作動流体が流れる閉回路が形成される。排気ガスボイラ１１３で熱を吸収した作動流体は、吸収した熱をほとんど失うことなく直ちに冷却水ボイラ１１２に流入し、エンジン１４０の冷却水に熱を与える。

以上説明したように、実施の形態５に係る廃熱回生システム５００では、三方弁５３１，５３２，５３３，５３４、及び流路５３５，５３６によって構成される循環方向変更手段によって、冷却水ボイラ１１２から排気ガスボイラ１１３へ向けて作動流体を循環させるランキンサイクル運転と、排気ガスボイラ１１３から冷却水ボイラ１１２へ向けて作動流体を循環させる冷却水昇温サイクル運転とを切り替える。
これにより、実施の形態４と同様に、膨張機１１４を逆回転駆動させることなく、排気ガスボイラ１１３から冷却水ボイラ１１２へ向けて作動流体を循環させる冷却水昇サイクル運転を行うことができる。

その他の実施の形態．
実施の形態２と実施の形態３とを組み合わせてもよい。すなわち、実施の形態３に係る廃熱回生システム３００おいて、ポンプ１１１及びコンデンサ１１５をバイパスする第１バイパス流路１１８の代わりに、ポンプ１１１のみをバイパスする第１バイパス流路を設けても良い。

実施の形態１において、第１開閉弁としての三方弁１１９の代わりに、第１バイパス流路１１８の途中に第１開閉弁としての電磁開閉弁を設けてもよい。

実施の形態１において、ワンウェイクラッチ１２０を省いてもよい。その場合、ポンプ１１１はモータジェネレータ１１７によって駆動されてしまうが、コンデンサ１１５と膨張機１１４との連通は第１開閉弁としての三方弁１１９によって絶たれている。したがって、ポンプ１１１は気相の作動流体で満たされて、空回りの状態となる。

実施の形態１〜５において、低温熱源として、エンジン１４０の補機を冷却する冷却水を用いてもよい。また、補機によって作動流体を直接加熱してもよい。

実施の形態１〜５において、高温熱源として、エンジン１４０のシリンダヘッドを用いて作動流体を直接加熱してもよい。

Claims (3)

1. 作動流体を圧送するポンプと、圧送された前記作動流体を低温熱源によって加熱する第１熱交換器と、該第１熱交換器で加熱された前記作動流体を高温熱源によって加熱する第２熱交換器と、加熱された前記作動流体を膨張させて機械的エネルギーを回収する膨張機と、膨張後の前記作動流体を凝縮させるコンデンサとを順次回路上に配置したランキンサイクル装置を有する廃熱回生システムにおいて、
   直列に接続された前記第１熱交換器と前記第２熱交換器の一端側と他端側の２つの流路と、前記膨張機の吸入側と吐出側の２つの流路との接続状態を切り替える循環方向変更手段を備え、該循環方向変更手段によって、前記第１熱交換器から前記第２熱交換器へ向けて前記作動流体を循環させるランキンサイクル運転と、前記第２熱交換器から前記第１熱交換器へ向けて前記作動流体を循環させる冷却水昇温サイクル運転とを切り替えるとともに、
   前記エンジン冷却水の温度が所定値未満の場合に、前記膨張機を正回転させることにより前記冷却水昇温サイクル運転を行う、廃熱回生システム。
2. 前記膨張機が発生させる機械的エネルギーを電力に変換する発電手段と、
   前記膨張機が発生させる機械的エネルギーをエンジンに返還する機械的エネルギー伝達手段とをさらに備える、請求項１に記載の廃熱回生システム。
3. 前記ポンプと前記第１熱交換器との間にその一端が接続されると共に、前記膨張機と前記コンデンサとの間にその他端が接続されることで前記ポンプ及び前記コンデンサをバイパスする第１バイパス流路と、
   該第１バイパス流路の第１開閉弁と、
   前記ポンプと前記第１バイパス流路の一端との間にその一端が接続されると共に、前記ポンプと前記コンデンサとの間にその他端が接続されることで前記ポンプをバイパスする第２バイパス流路と、
   該第２バイパス流路の第２開閉弁と、
   前記第１開閉弁及び前記第２開閉弁の開閉状態を制御する制御手段とをさらに備え、
   該制御手段は、前記冷却水昇温度サイクル運転を行う際に、前記第１バイパス流路及び前記第２バイパス流路を開状態とするよう前記第１開閉弁及び前記第２開閉弁を制御して前記第１バイパス流路及び前記第２バイパス流路への前記作動流体の循環を許容する、請求項４に記載の廃熱回生システム。

Images