JP6044529B2 - 廃熱回収装置 - Google Patents

Description

本発明は廃熱回収装置に関する。

熱源からの熱で作動流体を蒸発させて蒸気を生成し、生成した蒸気の熱エネルギーを動力として回収する廃熱回収装置が知られている。かかる廃熱回収装置は例えば特許文献１から３で開示されている。特許文献１では、車両に搭載されたランキンサイクルシステムが開示されている。特許文献１では、凝縮器の入口部が膨張器の出口部よりも上方に配置された例が図面で開示されている。特許文献２では、膨張器の暖機を促進し、膨張器における蒸気の凝縮を回避するランキンサイクルシステムが開示されている。特許文献３では、タービンの下方にコンデンサを設けた廃熱回収装置が開示されている。

特開２００１−１７４１６６号公報 実開２０１１−１４９３８６号公報 実開２０１０−２８５８９３号公報

廃熱回収装置において、膨張器を通過した蒸気は凝縮器で凝縮される。ところが、凝縮器の入口部は上述したように膨張器の出口部よりも上方に配置されることがある。そして、膨張器を通過し低温低圧となった蒸気は、更なる温度低下によって凝縮器に流入する前に凝縮することがある。このため、かかる構成の廃熱回収装置では、膨張器の出口部付近に凝縮した作動流体が溜まり、膨張器内に浸入する虞がある。結果、膨張器の出力低下を招く虞がある。

本発明は上記課題に鑑み、膨張器の出口部および凝縮器の入口部の配置に起因する膨張器の出力低下の防止或いは抑制を可能にする廃熱回収装置を提供することを目的とする。

本発明は熱源からの熱で作動流体を蒸発させて蒸気を生成する熱交換器と、生成した蒸気の熱エネルギーを動力として回収する膨張器と、前記膨張器の出口部よりも上方に入口部が配置され、前記膨張器を通過した蒸気を凝縮する凝縮器と、前記凝縮器で液化した作動流体を貯留する第１のタンクと、前記第１のタンク内の液相状態の作動流体を前記熱交換器に還流する還流部と、前記膨張器の前記出口部と前記凝縮器の前記入口部とを接続する第１の通路部と、前記第１の通路部と前記第１のタンクとを接続する第２の通路部を備える廃熱回収装置である。

本発明は前記第１の通路部が、前記膨張器の前記出口部よりも低い位置を経由して前記凝縮器の前記入口部に接続され、前記第２の通路部が、前記第１の通路部のうち前記膨張器の前記出口部よりも低い部分に接続される構成とすることができる。

本発明は前記第２の通路部が、前記第１の通路部の最下部に接続される構成とすることができる。

本発明は前記第１の通路部のうち前記第２の通路部が接続する部分が、液相状態の作動流体を貯留する第２のタンクである構成とすることができる。

本発明は前記第２の通路部に設けられ、前記第２の通路部を流通する作動流体を熱交換によって冷却する冷却器をさらに備える構成とすることができる。

本発明は前記冷却器が、前記第２の通路部を流通する作動流体と、前記還流部を流通する作動流体との間で熱交換を行う構成とすることができる。

本発明は前記還流部を流通する作動流体であって、前記冷却器を通過した後の作動流体を熱交換によって加熱する加熱器をさらに備える構成とすることができる。

本発明は前記第２の通路部が、前記第１の通路部のうち前記第２の通路部が接続される部分より下流側の部分よりも小さな通路断面積を有する構成とすることができる。

本発明は前記第２の通路部における作動流体の蒸気の流通を制限する制限弁をさらに備える構成とすることができる。

本発明は前記制限弁が、前記第１の通路部における液相状態の作動流体の貯留量に応じて動作する構成とすることができる。

本発明は前記制限弁が前記第１の通路部に設けられ、液相状態の作動流体よりも比重が小さいフロートで動作するフロート弁である構成とすることができる。

本発明は前記熱交換器が内燃機関であり、車両に設けられる構成とすることができる。

本発明は、膨張器の出口部および凝縮器の入口部の配置に起因する膨張器の出力低下の防止或いは抑制を可能にする。

実施例１の廃熱回収装置の概略構成図である。 圧力比とタービン出力比の関係を例示する図である。 コンデンサの説明図である。 飽和蒸気圧と凝縮温度の関係を示す図である。 実施例２の廃熱回収装置の概略構成図である。 実施例３の廃熱回収装置の概略構成図である。 実施例４の廃熱回収装置の概略構成図である。 実施例５の廃熱回収装置の概略構成図である。 実施例１の変形例を示す図である。

図面を用いて本発明の実施例について説明する。

図１は廃熱回収装置１Ａの概略構成図である。点線で示す配管は、主に蒸気が流通する配管を示す。実線で示す配管は、主に液相状態の作動流体が流通する配管を示す。配管には作動流体の流通方向を併せて示す。図１では、各部の作動流体の温度および圧力を括弧書きで併せて示す。廃熱回収装置１Ａは、内燃機関２と、気液分離器３と、過熱器４と、タービン５と、コンデンサ６と、タンク７と、ポンプ８、９と、タンク１０と、冷却器１１と、通路部２１、２２、２３とを備えている。廃熱回収装置１Ａは車両５０に設けられている。

内燃機関２は、熱源からの熱で作動流体を蒸発させて蒸気を生成する熱交換器の一例である。熱源は具体的には燃焼ガスである。作動流体は具体的には内燃機関２の冷却液である。内燃機関２で生成された蒸気は、内燃機関２内から出口部２ｂを介して排出される。排出された蒸気は気液分離器３に供給される。

気液分離器３内には、気液分離器３の入口部３ａを介して作動流体が流入する。気液分離器３は、内燃機関２から供給された作動流体を蒸気と液相状態の作動流体とに分離する。分離された蒸気は、気液分離器３の出口部３ｂを介して気液分離器３から排出される。入口部３ａと出口部３ｂとは、気液分離器３の上部に設けられている。入口部３ａは気液分離器３の第１の入口部であり、出口部３ｂは気液分離器３の第１の出口部である。

気液分離器３から排出された蒸気は、過熱器４に供給される。過熱器４内には、過熱器４の入口部４ａを介して蒸気が流入する。過熱器４は蒸気を過熱する。過熱された蒸気は、過熱器４の出口部４ｂを介して過熱器４から排出される。出口部４ｂは、入口部４ａよりも上方に配置されている。排出された蒸気はタービン５に供給される。

タービン５内には、タービン５の入口部５ａを介して蒸気が噴出される。タービン５は、生成した蒸気の熱エネルギーを動力として回収する膨張器の一例である。熱エネルギーが回収された蒸気は、タービン５の出口部５ｂを介してタービン５内から排出される。タービン５から排出された蒸気は、コンデンサ６に供給される。コンデンサ６内には、コンデンサ６の入口部６ａを介して蒸気が流入する。

コンデンサ６、タービン５を通過した蒸気を凝縮する凝縮器の一例である。コンデンサ６内からは、コンデンサ６の出口部６ｂを介して液化した作動流体が排出される。出口部６ｂは入口部６ａよりも下方に設けられている。コンデンサ６は、作動流体が下方に向かって流通するように設けられている。このため、コンデンサ６内では、液化した作動流体を重力によって出口部６ｂに導くことができる。作動流体が下方に向かって流通するようにコンデンサ６を設けている理由については、後に詳しく説明する。

出口部６ｂはタンク７の入口部７ａに接続されている。入口部７ａは出口部６ｂよりも下方に配置されている。出口部６ｂから入口部７ａには、コンデンサ６で液化した作動流体を重力によって導くことができる。入口部７ａはタンク７の第１の入口部であり、タンク７の上部に設けられている。コンデンサ６で液化した作動流体は、入口部７ａを介してタンク７内に流入する。

タンク７は第１のタンクであり、コンデンサ６で液化した作動流体を貯留する。タンク７内からは、タンク７の出口部７ｂを介して液相状態の作動流体が排出される。出口部７ｂは、タンク７の下部に設けられている。出口部７ｂはタンク７の底壁部に開口している。出口部７ｂはタンク７の底壁部に開口することが好ましいが、タンク７の側壁部に開口してもよい。出口部７ｂはポンプ８の入口部８ａに接続されている。入口部８ａは出口部７ｂよりも下方に配置されている。出口部７ｂから入口部８ａには、タンク７に貯留された液相状態の作動流体を重力によって導くことができる。

ポンプ８は第１のポンプであり、タンク７から気液分離器３に液相状態の作動流体を供給する。ポンプ９は第２のポンプであり、気液分離器３に貯留された液相状態の作動流体を内燃機関２に供給する。ポンプ９が供給する作動流体は、内燃機関２の入口部２ａを介して内燃機関２内に流入する。内燃機関２では沸騰冷却を行うことで、蒸気を生成する。

通路部２１は第１の通路部であり、配管２１ａ、配管２１ｂおよびタンク１０を備えている。通路部２１は、タービン５とコンデンサ６とを接続する。具体的には、配管２１ａが出口部５ｂとタンク１０の入口部１０ａとを接続する。また、配管２１ｂがタンク１０の出口部１０ｂと入口部６ａとを接続する。配管２１ａは出口部５ｂから下方に向かって延びている。配管２１ａは、タンク１０から上方に向かって延びた状態で出口部５ｂに接続されている。配管２１ｂは、タンク１０から上方に向かって延びた状態で入口部６ａに接続されている。通路部２１は、出口部５ｂよりも低い位置を経由して入口部６ａに接続されている。

タンク１０は第２のタンクであり、液相状態の作動流体を貯留する。入口部１０ａと出口部１０ｂとは、タンク１０の上部に設けられている。出口部１０ｃは、タンク１０の下部に設けられている。出口部１０ｂはタンク１０の第１の出口部であり、出口部１０ｃはタンク１０の第２の出口部である。出口部１０ｃはタンク１０の底壁部に開口している。出口部１０ｃはタンク１０の底壁部に開口することが好ましいが、タンク１０の側壁部に開口してもよい。

通路部２２は第２の通路部であり、配管２２ａ、配管２２ｂおよび冷却器１１を備えている。通路部２２はタンク１０とタンク７とを接続する。具体的には、配管２２ａが出口部１０ｃと冷却器１１の入口部１１ａａとを接続する。また、配管２２ｂが冷却器１１の出口部１１ａｂとタンク７の入口部７ｃとを接続する。入口部１１ａａは冷却器１１の熱交換通路部１１ａの入口部であり、出口部１１ａｂは冷却器１１の熱交換通路部１１ａの出口部である。入口部７ｃはタンク７の第２の入口部であり、タンク７の上部に設けられている。

通路部２３は還流部であり、タンク７内の液相状態の作動流体を内燃機関２に還流する。通路部２３は、配管２３ａ、配管２３ｂ、配管２３ｃ、配管２３ｄ、ポンプ８、冷却器１１およびポンプ９を備えている。通路部２３はタンク７と内燃機関２とを接続する。具体的には、配管２３ａが出口部７ｂと入口部８ａとを接続する。また、配管２３ｂがポンプ８の出口部８ｂと冷却器１１の入口部１１ｂａを接続する。また、配管２３ｃが冷却器１１の出口部１１ｂｂと気液分離器３の入口部３ｃとを接続する。また、配管２３ｄが気液分離器３の出口部３ｄとポンプ９の入口部９ａとを接続する。ポンプ９の出口部９ｂは、内燃機関２の入口部２ａに直接接続される。

入口部１１ｂａは、冷却器１１の熱交換通路部１１ｂの入口部である。出口部１１ｂｂは、冷却器１１の熱交換通路部１１ｂの出口部である。入口部３ｃは、気液分離器３の第２の入口部である。出口部３ｄは、気液分離器３の第２の出口部である。入口部３ｃと出口部３ｄとは、気液分離器３の下部に設けられている。

冷却器１１は通路部２２に設けられている。具体的には、冷却器１１のうち熱交換通路部１１ａが、通路部２２に設けられている。したがって、通路部２２は具体的には、冷却器１１のうち熱交換通路部１１ａを備えている。冷却器１１はさらに通路部２３に設けられている。具体的には、冷却器１１のうち熱交換通路部１１ｂが、通路部２３に設けられている。したがって、通路部２３は具体的には、冷却器１１のうち熱交換通路部１１ｂを備えている。熱交換通路部１１ａは第１の熱交換通路部であり、熱交換通路部１１ｂは第２の熱交換通路部である。

冷却器１１は、通路部２２を流通する作動流体を熱交換によって冷却する。具体的には、冷却器１１は、熱交換通路部１１ａを流通する作動流体と、熱交換通路部１１ｂを流通する作動流体との間で熱交換を行う。したがって、冷却器１１は、通路部２２を流通する作動流体と、通路部２３を流通する作動流体との間で熱交換を行う。

タンク１０は、通路部２１のうち通路部２２が接続する部分を構成している。タンク１０は出口部５ｂよりも下方に位置している。このため、通路部２２は、通路部２１のうち出口部５ｂよりも低い部分に接続されている。タンク１０は、同時に通路部２１の最下部を構成している。このため、通路部２２は、通路部２１の最下部に接続されている。タンク１０は、タンク７よりも上方に位置している。

配管２１ｂは、通路部２１のうち通路部２２が接続される部分であるタンク１０より下流側の部分を構成している。配管２２ａは、配管２１ｂよりも小さな通路断面積を有している。配管２１ｂ、配管２２ａおよび配管２２ｂの通路断面積それぞれは、一定であってよい。さらに、配管２２ｂの通路断面積は、配管２２ａの通路断面積と同じであってよい。通路部２２は、少なくともいずれかの部分において、配管２１ｂのうち最も通路断面積が小さい部分よりも小さな通路断面積を有することができる。

次の式（１）、式（２）は、作動流体の温度Ｔ１から温度Ｔ７間における主な温度の高低関係を示す。式（３）は、作動流体の圧力Ｐ１から圧力Ｐ７間における主な圧力の高低関係を示す。以下では、液化した作動流体や液相状態の作動流体を単に液体とも称す。
Ｔ６＜Ｔ７＜Ｔ１＜＜Ｔ２ ・・・（１）
Ｔ２＞＞Ｔ３＞＞Ｔ４ ・・・（２）
Ｐ６≒Ｐ７≒Ｐ１＞Ｐ２＞＞Ｐ３＞Ｐ４≒Ｐ５ ・・・（３）

温度Ｔ１と圧力Ｐ１は、内燃機関２から気液分離器３に流入する作動流体の状態（すなわち、温度と圧力）を示す。温度Ｔ２と圧力Ｐ２は、タービン５に流入する蒸気の状態を示す。温度Ｔ３と圧力Ｐ３は、タンク１０内の蒸気の状態を示す。温度Ｔ４と圧力Ｐ４は、コンデンサ６からタンク７に流入する液体の状態を示す。温度Ｔ５と圧力Ｐ５は、冷却器１１からタンク７に流入する液体の状態を示す。温度Ｔ６と圧力Ｐ６は、ポンプ８から冷却器１１に流入する液体の状態を示す。温度Ｔ７と圧力Ｐ７は、冷却器１１から気液分離器３に流入する液体の状態を示す。

ところで、タービン５、コンデンサ６間において、蒸気は通路部２１の低温部で冷却される。低温部は例えば、配管２１ｂの通路壁面である。結果、コンデンサ６に流入する直前の蒸気は、温度Ｔ３´および圧力Ｐ３´を有する。温度Ｔ３´および圧力Ｐ３´は、タンク１０内の蒸気の温度Ｔ３および圧力Ｐ３よりも低い。

通路部２１では、上述のようにして蒸気が冷却される結果、冷却された蒸気が凝縮することがある。そして、液化した作動流体は、出口部５ｂおよび入口部６ａの配置に起因して、通路部２１からタービン５内に浸入することがある。具体的には例えば、液化した作動流体は、出口部５ｂから上方に向かって延びた状態で入口部６ａに配管を接続した場合に、通路部２１からタービン５内に浸入することがある。液化した作動流体が、通路部２１からタービン５内に浸入すると、タービン５のブレードの回転が妨げられる。このため、通路部２１からタービン５内への液体の浸入は、タービン５の出力低下の原因となる。

このような事情に鑑み、廃熱回収装置１Ａは、通路部２１とタンク７とを接続する通路部２２を備えている。この場合、廃熱回収装置１Ａは、通路部２１からの液体の排出を可能にする。このため、廃熱回収装置１Ａは、出口部５ｂおよび入口部６ａの配置に起因するタービン５の出力低下の防止或いは抑制を可能にする。

液体は重力によって下方に向かって流通する。したがって、通路部２１からタービン５内に浸入しようとする液体は、通路部２１のうち出口部５ｂよりも低い部分で捕捉可能といえる。このような事情に鑑み、廃熱回収装置１Ａは具体的には、通路部２１が出口部５ｂよりも低い位置を経由して入口部６ａに接続され、通路部２２が上記部分としてのタンク１０に接続される構成となっている。この場合、廃熱回収装置１Ａは、通路部２１からタービン５内に浸入しようとする液体の捕捉を可能にする。

この場合、廃熱回収装置１Ａはさらに具体的には、通路部２１が、上記部分としてのタンク１０から上方に向かって延びた状態で、出口部５ｂおよび入口部６ａのうち少なくともいずれかに接続する構成であることが好ましい。また、上記部分としてのタンク１０が、タンク７よりも上方に位置する構成であることが好ましい。

通路部２１が、上記部分としてのタンク１０から上方に向かって延びた状態で、出口部５ｂに接続する場合、通路部２２は気液分離器３から過熱器４およびタービン５を介して通路部２１に流入した液体を捕捉できる。このような液体の流入は、内燃機関２の負荷が急変した場合に発生することがある。通路部２１が、上記部分としてのタンク１０から上方に向かって延びた状態で、入口部６ａに接続する場合、通路部２２は配管２１ｂで液化した作動流体を捕捉できる。

通路部２１が、上記部分としてのタンク１０から上方に向かって延びた状態で、出口部５ｂおよび入口部６ａそれぞれに接続する場合、通路部２２は気液分離器３から通路部２１に流入した液体と、配管２１ｂで液化した作動流体とを捕捉できる。このため、廃熱回収装置１Ａはこのような構成であることがより好ましい。この場合、タンク１０は同時に通路部２１の最下部を構成する。上記部分としてのタンク１０が、タンク７よりも上方に位置する場合、重力によってタンク１０からタンク７に液体を導くことが可能になる。

通路部２１の最下部としてのタンク１０は、作動流体が溜まり易い部分といえる。かかる事情に鑑み、廃熱回収装置１Ａは具体的には、通路部２２が、最下部としてのタンク１０に接続される構成となっている。この場合、廃熱回収装置１Ａは、通路部２１からの液体の排出を好適に可能にする。

この場合、廃熱回収装置１Ａはさらに具体的には、最下部としてのタンク１０が、出口部５ｂよりも下方に位置する構成であることが好ましい。また、最下部としてのタンク１０が、タンク７よりも上方に位置する構成であることが好ましい。また、通路部２１が、最下部としてのタンク１０から上方に向かって延びた状態で、出口部５ｂおよび入口部６ａのうち少なくともいずれかに接続する構成であることが好ましい。

廃熱回収装置１Ａは具体的には、通路部２１のうち通路部２２が接続する部分が、液相状態の作動流体を貯留するタンク１０である構成となっている。この場合、廃熱回収装置１Ａは、タンク１０に貯留された液体をタンク７に排出することを可能にする。結果、通路部２２への蒸気の流入を防止或いは抑制しつつ、通路部２１からの液体の排出を可能にする。この場合、廃熱回収装置１Ａはさらに具体的には、タンク１０が、上述した最下部としてのタンク１０と同様に構成されることが好ましい。

廃熱回収装置１Ａは具体的には、通路部２２を流通する作動流体を熱交換によって冷却する冷却器１１を備える構成となっている。この場合、廃熱回収装置１Ａは、タンク７内の温度および圧力上昇を防止或いは抑制できる。結果、タービン５の出力低下を防止或いは抑制できる。タンク７内の温度および圧力上昇によって、タービン５の出力が低下する理由については後述する。

廃熱回収装置１Ａは具体的には、冷却器１１が、通路部２２を流通する作動流体と、通路部２３を流通する作動流体との間で熱交換を行う構成となっている。この場合、廃熱回収装置１Ａは、内燃機関２に還流する作動流体の温度を高めることができる。結果、内燃機関２での蒸気発生量を増やすことで、タービン５の出力向上に寄与することもできる。

廃熱回収装置１Ａは具体的には、配管２２ａが配管２１ｂよりも小さな通路断面積を有する構成となっている。すなわち、通路部２２が、通路部２１のうち通路部２２が接続される部分であるタンク１０より下流側の部分よりも小さな通路断面積を有する構成となっている。この場合、廃熱回収装置１Ａは、通路部２１および通路部２２を蒸気が流通可能な状況において、通路部２２への蒸気の流入を抑制可能にする。廃熱回収装置１Ａは、通路部２２への蒸気の流入を抑制することで、タンク７内の温度および圧力上昇を防止或いは抑制できる。結果、タービン５の出力低下を防止或いは抑制できる。

廃熱回収装置１Ａは具体的には車両５０に設けられ、蒸気を生成する熱交換器を内燃機関２としている。このような場合には、車両５０における搭載スペースの制約上、入口部６ａが出口部５ｂよりも上方に配置される蓋然性が高くなる。したがって、廃熱回収装置１Ａはこのような場合に適している。

ところで、前述した通り、コンデンサ６は作動流体が下方に向かって流通するように設けられている。また、タービン５の出力は、タンク７内の温度および圧力上昇によって低下する。以下ではこれらの理由について詳しく説明するが、そのためにまず圧力比Ｐｉ／Ｐｏとタービン５の出力の関係について説明する。圧力比Ｐｉ／Ｐｏは、タービン出口圧Ｐｏを分母とする高圧側のタービン入口圧Ｐｉと、低圧側のタービン出口圧Ｐｏとの圧力比である。

ここで、タービン５でより大きな出力を発生させるためには、圧力比Ｐｉ／Ｐｏを大きくすることが必要とされる。ところが、タービン出口圧Ｐｏはもともと小さい。これは、タービン出口圧Ｐｏが、コンデンサ６の内圧に由来するためである。具体的には、コンデンサ６内では、凝縮によって体積が大幅に小さくなる作動流体によって低圧状態が作り出される。そして、タービン出口圧Ｐｏは、このようにして低圧状態を作り出すコンデンサ６の内圧に由来するため、もともと小さい。

このため、タービン出口圧Ｐｏが少しでも上昇すると、圧力比Ｐｉ／Ｐｏは大幅に小さくなる。結果、タービン５の出力が大きく低下する。圧力比Ｐｉ／Ｐｏとタービン５の出力の関係は具体的には例えば、次の通りである。

図２は圧力比Ｐｉ／Ｐｏとタービン出力比の関係を例示する図である。図２では、内燃機関２を中負荷運転している場合の上記関係を例示する。矢印Ａは、タービン出口圧Ｐｏが上昇する変化の方向を示す。点Ｂは、ベース条件の圧力比Ｐｉ／Ｐｏおよびタービン出力比を示す。タービン出力比は、ベース条件におけるタービン５の出力で、タービン５の出力を除算した値である。したがって、点Ｂが示すタービン出力比は１である。図２に示すように、タービン出口圧Ｐｏが上昇すると、タービン出力比が低下する。すなわち、タービン５の出力が低下する。

上記を踏まえ、次に作動流体が下方に向かって流通するようにコンデンサ６を設ける理由について、図３を用いて説明する。図３はコンデンサ６の説明図である。図３では説明の都合上、敢えてコンデンサ６内に液体が滞留した状態を示す。図３に示すように、コンデンサ６内には、冷却通路部６ｃが設けられている。冷却通路部６ｃは周囲に設けられたフィンによって冷却される。入口部６ａ側では、冷却通路部６ｃの通路壁面が蒸気を直接冷却する。結果、入口部６ａ側では蒸気が盛んに凝縮する。凝縮によってできた液体は、冷却通路部６ｃの通路壁面に沿って出口部６ｂに向かう。

ところが、コンデンサ６内からの液体の排出が滞ると、出口部６ｂ側から入口部６ａ側に向かって、液体が次第に冷却通路部６ｃ内に滞留する。液体が滞留した部分では、冷却通路部６ｃの通路壁面および蒸気間の伝熱抵抗が大きくなる。このため、コンデンサ６内からの液体の排出が滞ると、出口部６ｂ側から入口部６ａ側に向かって、コンデンサ６の冷却性能が次第に低下する。

このような事情に鑑み、廃熱回収装置１Ａでは、作動流体が下方に向かって流通するようにコンデンサ６が設けられている。これにより、コンデンサ６内からの液体の排出が重力によって促進され、コンデンサ６の冷却性能低下が防止或いは抑制される。コンデンサ６の冷却性能低下が防止或いは抑制されると、コンデンサ６の内圧上昇が防止或いは抑制される。したがって、タービン出口圧Ｐｏの低下が防止或いは抑制される結果、タービン５の出力低下が防止或いは抑制される。

このようにコンデンサ６が設けられる場合、車両５０における搭載スペースの制約と相俟って、入口部６ａが出口部５ｂよりも上方に配置される蓋然性が、さらに高くなる。したがって、廃熱回収装置１Ａは、車両５０に設けられ、蒸気を生成する熱交換器を内燃機関２とし、作動流体が下方に向かって流通するようにコンデンサ６が設けられる場合に特に適している。

タンク７内の温度および圧力上昇によって、タービン５の出力が低下する理由は、次の通りである。すなわち、コンデンサ６内はタンク７内に連通している。したがって、タンク７内の温度および圧力が上昇すると、コンデンサ６の内圧上昇を招く。そして、コンデンサ６の内圧上昇が、タービン出口圧Ｐｏの上昇を招く結果、タービン５の出力が低下する。或いは、タンク７内の温度および圧力が上昇すると、コンデンサ６からの液体の排出が阻害される。結果、コンデンサ６の冷却性能が低下し、コンデンサ６の内圧が上昇する。したがって、タービン５の出力が低下する。高温の液体がタンク７内に流入した場合、タンク７内の温度および圧力は、具体的には次のように上昇する。

図４は飽和蒸気圧と凝縮温度の関係を示す図である。領域Ｃはコンデンサ６の通常時の作動領域を示す。矢印Ａは前述の通りである。タンク１０からタンク７内に高温の液体が流入すると、タンク７に貯留された液体の温度が高まる。結果、タンク７内の飽和蒸気圧が高まる。そして、このようにして高まったタンク７内の飽和蒸気圧が、例えば上述したようにタービン出口圧Ｐｏの上昇を招く。

なお、タンク７内の温度および圧力上昇は、通路部２１から排出される液体や蒸気に起因する。通路部２１から蒸気が排出されることは、通路部２１から液体を排出することに起因する。通路部２１から液体を排出することは、出口部５ｂおよび入口部６ａの配置に起因する。したがって、タンク７内の温度および圧力上昇によるタービン５の出力低下は、出口部５ｂおよび入口部６ａの配置に起因する。

図５は廃熱回収装置１Ｂの概略構成図である。廃熱回収装置１Ｂは、絞り弁３１をさらに備える点以外、廃熱回収装置１Ａと実質的に同一である。絞り弁３１は通路部２２に設けられている。具体的には、絞り弁３１は配管２２ａに介在するかたちで設けられている。絞り弁３１は、通路部２２における作動流体の蒸気の流通を制限する制限弁の一例である。廃熱回収装置１Ｂでは、蒸気が通路部２１および通路部２２を流通可能な状況において、絞り弁３１が通路部２２への蒸気の流入を抑制する。このため、廃熱回収装置１Ｂは、タンク７内の温度および圧力上昇を防止或いは抑制できる。結果、タービン５の出力低下を防止或いは抑制できる。

なお、廃熱回収装置１Ｂにおいて、通路部２２は絞り弁３１をさらに備える構成として把握されてもよい。また、配管２２ａは配管２１ｂよりも小さな通路断面積を有しなくてもよい。

図６は廃熱回収装置１Ｃの概略構成図である。廃熱回収装置１Ｃは、電磁弁３２およびＥＣＵ４０をさらに備える点以外、廃熱回収装置１Ａと実質的に同一である。電磁弁３２は通路部２２に設けられている。具体的には、電磁弁３２は配管２２ａに介在するかたちで設けられている。電磁弁３２は制限弁の一例である。

ＥＣＵ４０は電子制御装置である。ＥＣＵ４０には、電磁弁３２が制御対象として電気的に接続されている。ＥＣＵ４０には、センサ４５が電気的に接続されている。センサ４５は、通路部２１における液体の貯留量を検出する。液体の貯留量は具体的には、通路部２１のうち通路部２２が接続される部分における液体の貯留量である。したがって、センサ４５は具体的には、タンク１０における液体の貯留量を検出する。センサ４５は、液体の貯留量のレベルを検知するレベルセンサとなっている。センサ４５は例えば、液体の貯留量に応じて変化する圧力を検知する圧力センサであってもよい。

ＥＣＵ４０はセンサ４５の出力に基づき、電磁弁３２を制御する。結果、電磁弁３２は、通路部２１における液体の貯留量に応じて動作する。電磁弁３２は具体的には、通路部２１における液体の貯留量が、所定値よりも小さい場合に閉弁し、当該所定値よりも大きい場合に開弁する。液体の貯留量が当該所定値である場合は、いずれかの場合に含むことができる。この場合、廃熱回収装置１Ｃは、タンク１０からタンク７への蒸気の流通を防止できる。電磁弁３２は、通路部２１における液体の貯留量がゼロである場合に閉弁し、ゼロでない場合に開弁してもよい。この場合でも、廃熱回収装置１Ｃは、タンク１０からタンク７への蒸気の流通を防止或いは抑制できる。

なお、廃熱回収装置１Ｃにおいて、通路部２２は電磁弁３２をさらに備える構成として把握されてもよい。また、配管２２ａは配管２１ｂよりも小さな通路断面積を有しなくてもよい。廃熱回収装置１Ｃは、電磁弁３２の代わりに例えば流量調節弁を備えてもよい。

図７は廃熱回収装置１Ｄの概略構成図である。廃熱回収装置１Ｄは、フロート弁３３をさらに備える点以外、廃熱回収装置１Ａと実質的に同一である。フロート弁３３は通路部２１に設けられている。具体的には、フロート弁３３はタンク１０内に設けられている。フロート弁３３は出口部１０ｃに設けられている。フロート弁３３は、液体よりも比重が小さいフロート３３ａで動作する。このようなフロート弁３３は、通路部２１における液体の貯留量に応じて動作する。具体的には、タンク１０における液体の貯留量に応じて動作する。フロート弁３３は制限弁の一例であり、出口部１０ｃを開閉することで、通路部２２における蒸気の流通を制限する。廃熱回収装置１Ｄは、フロート弁３３で出口部１０ｃを閉じることで、タンク１０からタンク７への蒸気の流通を防止或いは抑制できる。

なお、廃熱回収装置１Ｄにおいて、通路部２１はフロート弁３３をさらに備える構成として把握されてもよい。また、配管２２ａは配管２１ｂよりも小さな通路断面積を有しなくてもよい。

図８は廃熱回収装置１Ｅの概略構成図である。廃熱回収装置１Ｅは、加熱器１２、ポンプ１３および通路部２４をさらに備える点以外、廃熱回収装置１Ａと実質的に同一である。同様の変更は、廃熱回収装置１Ｂ、１Ｃ、１Ｄに対して行われてもよい。

ポンプ１３はオイルポンプである。ポンプ１３の入口部１３ａは、内燃機関２の出口部２ｄに直接接続されている。出口部２ｄは、エンジオイルの出口部である。ポンプ１３は、出口部２ｄを介してオイルパン２ｅからエンジンオイルを吸引する。また、吸引したエンジンオイルを通路部２４に圧送する。入口部１３ａは、出口部２ｄに間接的に接続されてもよい。通路部２４はオイル通路部であり、エンジンオイルを流通させる。通路部２４は具体的には配管である。通路部２４は、ポンプ１３の出口部１３ｂと、内燃機関２の入口部２ｃとを接続する。入口部２ｃは、エンジンオイルの入口部である。入口部２ｃからは、内燃機関２の各部にエンジンオイルが供給される。

加熱器１２は通路部２３に設けられている。具体的には、加熱器１２が備える熱交換通路部１２ａが、通路部２３に設けられている。熱交換通路部１２ａは加熱器１２の第１の熱交換通路部であり、配管２３ｃに介在するかたちで設けられている。配管２３ｃのうち加熱器１２よりも上流側の部分は、入口部１１ｂａと、熱交換通路部１２ａの入口部１２ａａとを接続している。配管２３ｃのうち加熱器１２よりも下流側の部分は、熱交換通路部１２ａの出口部１２ａｂと、入口部３ｃとを接続している。

加熱器１２は、さらに通路部２４に設けられている。具体的には、加熱器１２が備える熱交換通路部１２ｂが、通路部２４に設けられている。熱交換通路部１２ｂは加熱器１２の第２の熱交換通路部であり、通路部２４に介在するかたちで設けられている。通路部２４のうち加熱器１２よりも上流側の部分は、出口部１３ｂと、熱交換通路部１２ｂの入口部１２ｂａとを接続している。通路部２４のうち加熱器１２よりも下流側の部分は、熱交換通路部１２ｂの出口部１２ｂｂと、入口部２ｃとを接続している。

加熱器１２は、通路部２３を流通する作動流体であって、冷却器１１を通過した後の作動流体を熱交換によって加熱する。具体的には、加熱器１２は、熱交換通路部１２ａを流通する作動流体と、熱交換通路部１２ｂを流通するエンジンオイルとの間で熱交換を行う。したがって、加熱器１２は、通路部２３を流通する作動流体と、通路部２４を流通するエンジンオイルとの間で熱交換を行う。

廃熱回収装置１Ｅは、加熱器１２が、通路部２３を流通する作動流体であって、冷却器１１を通過した後の作動流体を熱交換によって加熱する構成となっている。この場合、廃熱回収装置１Ｅは、内燃機関２に還流する作動流体の温度を高めることができる。結果、内燃機関２での蒸気発生量を増やすことで、タービン５の出力向上に寄与することもできる。

廃熱回収装置１Ｅは具体的には、加熱器１２が、通路部２３を流通する作動流体と、通路部２４を流通するエンジンオイルとの間で熱交換を行うことで、作動流体を加熱する構成となっている。この場合、廃熱回収装置１Ｅは、作動流体の温度を高めるのと同時にエンジンオイルを冷却することができる。結果、内燃機関２の信頼性を高めることもできる。かかる構成の廃熱回収装置１Ｅは、内燃機関２で蒸気を生成するために沸騰冷却を行うことと相俟って、高温になり易いエンジンオイルを冷却できる点で好適である。

なお、廃熱回収装置１Ｅにおいて、通路部２３は加熱器１２をさらに備える構成として把握されてもよい。また、通路部２４はエンジンオイルを流通させる配管に加えて、さらに加熱器１２とポンプ１３とオイル配管とを備える構成として把握されてもよい。

上記実施形態は本発明を実施するための一例にすぎない。よって本発明はこれらに限定されるものではなく、請求の範囲に記載された本発明の要旨の範囲内において、種々の変形、変更が可能である。

例えば、第１の通路部のうち第２の通路部が接続する部分は、複数の部分であってもよい。この場合、第２の通路部を複数の部分に分岐して接続することができる。第１の通路部のうち第２の通路部が接続する部分は、斜めに延びた配管であってもよい。この場合、下降段階で液体を捕捉できる。このように、第１の通路部のうち第２の通路部が接続する部分は、例えば配管であってもよい。

図９は廃熱回収装置１Ａの変形例である廃熱回収装置１Ａ´を示す図である。廃熱回収装置１Ａ´は通路部２１の代わりに通路部２１´を備える点以外、廃熱回収装置１Ａと実質的に同一である。通路部２１´はタンク１０の代わりに配管２１ｃを備える点以外、通路部２１と実質的に同一である。配管２１ｃは、通路部２１´のうち通路部２２が接続する部分を構成している。配管２１ｃは、同時に通路部２１´のうち出口部５ｂよりも低い部分と、通路部２１´の最下部を構成している。廃熱回収装置１Ａ´も、出口部５ｂおよび入口部６ａの配置に起因するタービン５の出力低下の防止或いは抑制を可能にする。

廃熱回収装置 １Ａ、１Ａ´、１Ｂ、１Ｃ、１Ｄ、１Ｅ
内燃機関 ２
タービン ５
コンデンサ ６
タンク（第１のタンク） ７
ポンプ（第１のポンプ） ８
ポンプ（第２のポンプ） ９
タンク（第２のタンク） １０
冷却器 １１
加熱器 １２
通路部（第１の通路部） ２１
通路部（第２の通路部） ２２
通路部（還流部） ２３
通路部（オイル通路部） ２４
絞り弁 ３１
電磁弁 ３２
フロート弁 ３３
車両 ５０

Claims (12)

1. 熱源からの熱で作動流体を蒸発させて蒸気を生成する熱交換器と、
   生成した蒸気の熱エネルギーを動力として回収する膨張器と、
   前記膨張器の出口部よりも上方に入口部が配置され、前記膨張器を通過した蒸気を凝縮する凝縮器と、
   前記凝縮器で液化した作動流体を貯留する第１のタンクと、
   前記第１のタンク内の液相状態の作動流体を前記熱交換器に還流する還流部と、
   前記膨張器の前記出口部と前記凝縮器の前記入口部とを接続する第１の通路部と、
   前記第１の通路部と前記第１のタンクとを接続する第２の通路部を備える廃熱回収装置。
2. 請求項１記載の廃熱回収装置であって、
   前記第１の通路部が、前記膨張器の前記出口部よりも低い位置を経由して前記凝縮器の前記入口部に接続され、
   前記第２の通路部が、前記第１の通路部のうち前記膨張器の前記出口部よりも低い部分に接続される廃熱回収装置。
3. 請求項１記載の廃熱回収装置であって、
   前記第２の通路部が、前記第１の通路部の最下部に接続される廃熱回収装置。
4. 請求項１記載の廃熱回収装置であって、
   前記第１の通路部のうち前記第２の通路部が接続する部分が、液相状態の作動流体を貯留する第２のタンクである廃熱回収装置。
5. 請求項１記載の廃熱回収装置であって、
   前記第２の通路部に設けられ、前記第２の通路部を流通する作動流体を熱交換によって冷却する冷却器をさらに備える廃熱回収装置。
6. 請求項５記載の廃熱回収装置であって、
   前記冷却器が、前記第２の通路部を流通する作動流体と、前記還流部を流通する作動流体との間で熱交換を行う廃熱回収装置。
7. 請求項６記載の廃熱回収装置であって、
   前記還流部を流通する作動流体であって、前記冷却器を通過した後の作動流体を熱交換によって加熱する加熱器をさらに備える廃熱回収装置。
8. 請求項１記載の廃熱回収装置であって、
   前記第２の通路部が、前記第１の通路部のうち前記第２の通路部が接続される部分より下流側の部分よりも小さな通路断面積を有する廃熱回収装置。
9. 請求項１記載の廃熱回収装置であって、
   前記第２の通路部における作動流体の蒸気の流通を制限する制限弁をさらに備える廃熱回収装置。
10. 請求項９記載の廃熱回収装置であって、
    前記制限弁が、前記第１の通路部における液相状態の作動流体の貯留量に応じて動作する廃熱回収装置。
11. 請求項１０記載の廃熱回収装置であって、
    前記制限弁が前記第１の通路部に設けられ、液相状態の作動流体よりも比重が小さいフロートで動作するフロート弁である廃熱回収装置。
12. 請求項１から１１いずれか１項記載の廃熱回収装置であって、
    前記熱交換器が内燃機関であり、車両に設けられる廃熱回収装置。
    

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