JP6307161B2 - 廃熱回収における補助加熱 - Google Patents

Description

本発明は、内燃機関の廃熱からエネルギーを回収するための、ランキンサイクル装置等の、ボトミングサイクル装置、より詳細には、作動流体が廃熱膨張機の運転に十分な温度であることを確実にするための方法及び装置に関する。

ボトミングサイクル装置、例えばランキンサイクルに基づく装置では、システム効率は、使用可能時間、即ち、廃熱の回収が起こる運転時間に直接関係している。非作動期間は、多くの場合、利用できる低品質熱（十分でない廃熱）や部品予熱時間（ボイラーや膨張機を暖める時）が原因である。例えば、トラックエンジンに接続された廃熱回収装置は、エンジンの始動及び暖機の直後は作動していない場合がある。

本発明は、低品質熱の利用可能期間中の温度管理を向上させることによって運転時間を増加するため、及び運転に戻る時の装置の予熱時間を減少するための解決策を提案する。

本発明は、ランキンサイクル、エリクソンサイクル及びその他の廃熱回収サイクル等のボトミングサイクルに適用できる。

ボトミングサイクル装置は、ボイラー、蒸発器、又は熱交換器等の、廃熱回収熱交換器から作動流体を受け取るための作動流体回路に接続された膨張機を含むことができる。膨張機に案内された作動流体は、膨張器内で膨張して使用可能な仕事又はエネルギーを発生する。

本発明によれば、作動流体回路上に動作可能に接続された加熱装置は、廃熱回収熱交換器によって回収された廃熱が膨張機の作動レベルまで作動流体エンタルピーを増加させるのに十分でない場合に作動流体に補助熱を提供する。

加熱装置は、作動流体を加熱するために熱交換器と共に配設されるバーナー又は電気加熱装置を含むことができる。バーナーは、燃料源、例えば、ディーゼル等の炭化水素燃料を含むことができる。電気加熱装置は、車両給電システム等の供給源から電気エネルギーを受け取るように接続することができる。

制御装置は、加熱装置の運転を制御するため、また作動流体の温度及び圧力（ボイラーの出口で測定可能）を監視するために接続することができる。

加熱装置は、ボイラーと膨張機の間の作動流体回路上に配置することができる。或いは、加熱装置は、ポンプとボイラーの間の作動流体回路上に配置することができる。

更に別の代替例によれば、加熱装置は、廃熱源流に熱を付加するためにボイラー上に配置することができる。例えば、ボイラーが廃熱源としてエンジン排気ガスの流れを受け取るように接続されている場合、補助加熱装置は、ボイラーに入った時に排気ガスに熱を付加するように配置することができる。

本発明によれば、作動流体回路は、補助加熱装置が配置された加熱ループを含むことができ、加熱ループは弁によって制御され、弁は、作動流体の熱品質に応じて、膨張機に侵入する前に作動流体を膨張機又は加熱ループに直接案内している。

更に別の態様によれば、作動流体回路は、熱品質が低い場合、又は膨張機の運転が望ましくない場合、膨張機の周囲に、作動流体が案内されるバイパス回路を含むことができる。

一実施形態によれば、バイパス回路は、補助加熱装置が配置され、作動流体を膨張機に戻す第１のループ、即ち加熱ループと、膨張機を迂回するように第１のループからの作動流体を案内する第２のループとを含むことができる。

従来技術による典型的なランキンサイクル装置の概略図である。 作動流体に膨張機を迂回させるためのバイパス回路を有するランキンサイクル装置の概略図である。 作動流体に熱を選択的に付加するために補助加熱装置が設けられている、本発明の一実施形態によるボトミングサイクル装置の概略図である。 膨張機の周囲にバイパス回路を含む、図３の装置の代替実施形態の概略図である。 補助加熱装置が設けられた第１のバイパス回路と、膨張機の周囲の第２のバイパス回路とを含む、図３の装置の別の代替実施形態の概略図である。 加熱装置がボイラーの上流に設けられている、一代替実施形態によるボトミングサイクル装置の概略図である。 加熱装置がボイラーへの廃熱入口に設けられている、更なる代替実施形態によるボトミングサイクル装置の概略図である。

図１に示すように、典型的なボトミングサイクル廃熱回収装置は、熱源（図示せず）、例えば、作動流体を加熱するための、内燃機関排気からの廃熱、エンジン冷却液、エンジンオイルクーラー、又はその他の供給源から熱を回収するための蒸発器又はボイラー１０を含んでいる。ボイラー入口の流入管１１は、廃熱輸送媒体（例えば、排気ガス）をボイラー１０に導通し、流出管１３は、熱交換後にボイラー出口から出た媒体を輸送する。作動流体は、作動流体回路１２によって廃熱回収装置を通して輸送される。ボイラー１０を出る加熱された作動流体は、作動流体回路線１２ａを通して膨張機１４に案内され、そこで作動流体を膨張させることによって仕事を発生する。膨張機は、タービン、ピストンエンジン、スクロール、スクリュー、又はその他の機械であってもよい。発生した仕事は、軸１５を通して伝達することができ、例えば、発電機を駆動するために、即ち、内燃機関の駆動軸に付与される機械力として使用することができる。膨張した作動流体は、回路線１２ｂを通して凝縮器１６に案内され、そこで作動流体から残留熱を除去し、作動流体を凝縮する。凝縮した流体は、その後回路線１２ｃを通してポンプ１８に案内され、そこで作動流体を圧縮する。回路線１２ｃは、作動流体をポンプ１８からボイラー１０に輸送して、廃熱回収サイクルを繰り返す。

図２に示すように、且つ当該技術において周知のように、ボトミングサイクル廃熱装置は、作動流体を膨張機１４の周囲で凝縮器１６に選択的に案内するためのバイパス弁２０及びバイパス回路２２を含むことができる。バイパス弁２０は、作動流体が運転状態にある場合は線２４を通して膨張機１４に案内するか、若しくは、膨張機による発電が望ましくない場合又は作動流体の品質が膨張に十分でない場合は線２２を通して膨張機１４を迂回するように制御することができる。例えば、過熱蒸気のように、作動流体を運転温度まで加熱するためにボイラー１０で利用できる廃熱が足りない場合、作動流体の品質は、十分でなくなる可能性がある。凝縮器１６は、バイパス回路から受け取った作動流体を冷却し、冷却した流体は、ポンプ１８によって蒸発器／ボイラー１０にポンプ輸送される。

図３は、本発明による装置の一実施形態を図示している。図３の装置は、作動流体に補助熱を提供するために作動流体回路１２に動作可能に接続された加熱装置４０を含んでいる。加熱装置４０は、蒸発器１０と膨張機１４の間に接続されて図示されている。蒸発器１０によって回収されて作動流体に伝達された熱が膨張機１４で使用するのに十分でない場合、加熱装置４０は、作動流体に補助熱を付加するように作動することができる。

加熱装置４０は、バーナー又は電気加熱装置によって供給される熱による熱交換器として構成することができる。

加熱装置４０は、エネルギー源４４からのエネルギーを受け取るように接続されている。加熱装置４０はバーナー装置であってもよく、エネルギー源４４は炭化水素燃料であってもよい。燃料は、都合の良いことに、廃熱を発生させるエンジンが使用するのと同じ燃料であってもよい。加熱装置４０は、代わりに、電気ヒーターや、電気エネルギー源として構成されたエネルギー源であってもよい。例えば、廃熱回収装置がトラックと関連している場合、トラックの電気システムはエネルギー源として接続することができる。その他の加熱装置を使用してもよい。

加熱装置４０は、ボイラー１０を出る作動流体の検出温度に基づいて作動することができる。ボイラー１０の出口の、又はボイラーの出口側の作動流体回路１２ａ上の温度センサ４６は、温度信号を制御装置４８に提供するように接続することができ、この制御装置４８は、センサ４６からの温度信号に応じて加熱装置４０及びエネルギー源４４を制御するように接続されている。

加熱装置４０は、作動流体の圧力等の、その他の運転条件に基づいて制御することもできる。更に、膨張機の出口側（又は凝縮器の入口）の温度センサ６２は、出ていく膨張した作動流体の温度を監視し、信号を制御装置４８に提供することができる。

図４は、図３の装置の一代替実施形態の概略図である。バイパス弁２０は、熱品質が膨張に十分でない場合、バイパス回路２２を通して膨張機１４を迂回するように作動流体を案内するために設けられている。バイパス弁２０は、ボイラー１０から回収した廃熱からの、又は加熱装置４０からの補助熱からの、又はその両方からの、作動流体の熱品質が膨張に十分でない場合、作動流体を膨張機１４に案内するように制御されている。バイパス弁２０は、ボイラーの出口側のセンサ４６及び／又は加熱装置４０の出口側のセンサ４７によって測定された作動流体の温度を含む条件に応じて、制御装置４８によって制御されている。

図５は、ボイラー１０から流れる作動流体の熱品質が十分な品質である場合、又は補助加熱が必要な場合、補助加熱装置４０が配置される第１のバイパス回路２２ａに第１のバイパス弁２０ａを含む、別の代替実施形態を示している。第２のバイパス弁２０ｂは加熱装置４０の下流にあり、作動流体の熱品質が膨張に十分である場合、回路２２ｂを通して膨張機１４に作動流体を案内し、それによって第１のバイパス回路を終了する。第２のバイパス弁２０ｂは、作動流体の熱品質が膨張に十分でない場合、第２のバイパス回路２２ｃを通して作動流体を案内する。第１のバイパス弁２０ａ及び第２のバイパス弁２０ｂは、ボイラー１０の出口側のセンサ４６及び加熱装置４０の出口側のセンサ４７によって測定された作動流体の温度を含む運転条件に応じて、制御装置４８によって制御されている。

図５の一代替実施形態によれば、第２のバイパス弁２０ｂ及び第２のバイパス回路２２ｃは省略され、第１のバイパス弁２０ａ、バイパス回路２２ａ及び加熱装置４０は加熱ループを構成している。バイパス弁２０ａは、作動流体が膨張機に案内される前の補助加熱用に、膨張機又は加熱ループに直接作動流体を案内するように制御されている。

図６は、一代替実施形態の概略図である。加熱装置４０は、ポンプ１８とボイラー１０の間で、ボイラー１０の入口側の作動流体回路１２に接続することができる。バイパス弁２０及びバイパス回路２２は、膨張機の運転が望ましくない場合、又は作動流体の品質が膨張に十分でない場合、膨張機を迂回するように作動流体を案内するように設けることもできる。

図７は、加熱装置４０がボイラー１０の廃熱流入管１１上に接続されている、別の代替実施形態の概略図である。バイパス弁２０及びバイパス回路２２は、その他の実施形態と同様に設けることもできる。

本発明は、好ましい原理、実施形態、及び構成要素に関して説明した。当業者は、特許請求の範囲によって定義される本発明の技術的範囲から逸脱することなく構成要素の置換を行うことができることを理解するであろう。

Claims (9)

1. 排気ガスシステムを備えた内燃機関を有する車両用廃熱回収装置において、
   作動流体を循環させるための作動流体回路と、
   前記作動流体回路上に接続され、前記排気ガスシステムから廃熱を回収し、回収した廃熱を前記作動流体に伝達するように構成されたボイラーと、
   前記ボイラーから前記作動流体を受け取るために前記作動流体回路上に接続された膨張機と、
   前記作動流体に熱を伝えるために接続されたバーナーまたは電気ヒータを含む補助加熱装置と、
   前記ボイラーの出口において前記作動流体の温度を検出し、それを表す温度信号を生成するように配置された温度センサと、
   前記温度センサからの前記温度信号を受信するように接続され、前記膨張機の作動レベルには十分でない前記ボイラーから流出する前記作動流体の温度を示す前記温度信号に応じて前記作動流体に熱を伝えるために前記補助加熱装置を制御するように接続された制御装置とを備える
   車両用廃熱回収装置。
2. 前記補助加熱装置は、前記ボイラーと前記膨張機の間で前記作動流体回路に接続されている、請求項１に記載の車両用廃熱回収装置。
3. 前記補助加熱装置は、前記ポンプと前記ボイラーの間で前記作動流体回路に接続されている、請求項１に記載の車両用廃熱回収装置。
4. 前記補助加熱装置は、前記ボイラーに熱を伝えるために接続されている、請求項１に記載の車両用廃熱回収装置。
5. 前記膨張機を迂回するように選択的に作動流体を案内するために前記作動流体回路上に接続されたバイパス弁及びバイパス回路を備える、請求項１に記載の車両用廃熱回収装置。
6. 前記補助加熱装置は、前記ボイラーと前記バイパス弁の間で前記作動流体回路に接続されている、請求項５に記載の車両用廃熱回収装置。
7. 第２のバイパス弁を備えており、前記バイパス回路は、作動流体が第１のバイパス弁によって前記第２のバイパス弁に、その後前記第２のバイパス弁によって前記膨張機に案内される第１の回路と、作動流体が前記第１のバイパス弁によって前記第２のバイパス弁に、その後前記第２のバイパス弁によって前記膨張機を迂回するように案内される第２のバイパス回路とからなる、請求項５に記載の車両用廃熱回収装置。
8. 前記補助加熱装置は、前記第１の回路上に配置されている、請求項７に記載の車両用廃熱回収装置。
9. 前記膨張機又は加熱ループの一方に作動流体を選択的に案内するように前記作動流体回路上に接続された弁を備えており、前記補助加熱装置は、前記加熱ループ上に配置されている、請求項１に記載の車両用廃熱回収装置。

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