WO2011122294A1 - 廃熱回生システム - Google Patents

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WO2011122294A1
WO2011122294A1 PCT/JP2011/055650 JP2011055650W WO2011122294A1 WO 2011122294 A1 WO2011122294 A1 WO 2011122294A1 JP 2011055650 W JP2011055650 W JP 2011055650W WO 2011122294 A1 WO2011122294 A1 WO 2011122294A1
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expander
cooling water
working fluid
pump
flow path
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榎島　史修
英文 森
井口　雅夫
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株式会社豊田自動織機
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    • F01N2240/02—Combination or association of two or more different exhaust treating devices, or of at least one such device with an auxiliary device, not covered by indexing codes F01N2230/00 or F01N2250/00, one of the devices being a heat exchanger
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    • Y02T10/10—Internal combustion engine [ICE] based vehicles
    • Y02T10/12—Improving ICE efficiencies

Definitions

  • This invention relates to a waste heat regeneration system, and more particularly to a waste heat regeneration system using a Rankine cycle.
  • a waste heat regeneration system using a Rankine cycle that recovers mechanical energy (power) from the waste heat of a vehicle engine has been developed.
  • a general Rankine cycle includes a pump that pumps a working fluid, a heat exchanger that heats the working fluid with engine waste heat, an expander that expands the heated working fluid to recover mechanical energy, an expansion It is comprised from the capacitor
  • Patent Document 1 describes a waste heat regeneration system including a first heat exchanger and a second heat exchanger.
  • Rankine cycle 17 of this waste heat regeneration system includes a first heat exchanger 15 that is a cooling water boiler that heats a working fluid by exchanging heat with engine cooling water, and a working fluid.
  • a second heat exchanger 3 that is an exhaust gas boiler that heats the exhaust gas by exchanging heat with the exhaust gas discharged from the engine 1.
  • the working fluid pumped from the pump 4 is heated in the first heat exchanger 15 and the second heat exchanger 3 to absorb heat, generates mechanical energy in the process of expanding in the expander 5, and cooler ( Heat is released in the process of condensation in the condenser 6.
  • the present invention has been made to solve such problems.
  • the temperature of the cooling water is low, the temperature of the cooling water can be quickly and efficiently increased to improve the fuel efficiency of the engine.
  • the purpose is to provide a waste heat regeneration system.
  • a waste heat regeneration system includes a pump that pumps a working fluid, a first heat exchanger that heats the pumped working fluid with a low-temperature heat source, and a first heat exchanger.
  • a second heat exchanger that heats the working fluid heated in step 1 with a high-temperature heat source, an expander that expands the heated working fluid and recovers mechanical energy, and a condenser that condenses the expanded working fluid sequentially
  • a waste heat regeneration system having a Rankine cycle device arranged on a circuit, when the temperature of engine cooling water is less than a predetermined value, the working fluid is circulated from the second heat exchanger to the first heat exchanger by the circulation means.
  • the cooling water heating cycle operation is performed.
  • the temperature of the cooling water when the temperature of the engine cooling water is low, the temperature of the cooling water can be raised quickly and efficiently to improve the fuel efficiency of the engine.
  • FIG. 1 A configuration of a waste heat regeneration system 100 according to Embodiment 1 of the present invention is shown in FIG.
  • the Rankine cycle apparatus 110 of the waste heat regeneration system 100 includes a pump 111, a cooling water boiler 112, an exhaust gas boiler 113, an expander 114, and a condenser 115, which are sequentially connected in a ring shape to form a closed circuit.
  • the pump 111 pumps the working fluid.
  • the cooling water boiler 112 is a first heat exchanger, and heats the working fluid by exchanging heat with cooling water of the engine 140 as a low-temperature heat source that is a heating medium.
  • the exhaust gas boiler 113 is a second heat exchanger, and heats the working fluid by exchanging heat with exhaust gas discharged from the engine 140 as a high-temperature heat source that is a heating medium.
  • the expander 114 expands the working fluid that is heated and vaporized in the cooling water boiler 112 and the exhaust gas boiler 113 to generate mechanical energy (power).
  • the condenser 115 condenses the expanded working fluid.
  • the cooling water of the engine 140 is a heating medium for the first heat exchanger, and the exhaust gas is a heating medium for the second heat exchanger. It is also possible to heat the heating medium of the second heat exchanger with the working fluid heated by the exhaust gas.
  • the exhaust gas has a high temperature and rises quickly after the engine 140 is started. Therefore, the temperature of the exhaust gas boiler 113 can be raised faster than that of the cooling water boiler 112.
  • the pump 111 and the expander 114 share the same drive shaft 116, and a motor generator 117 is connected in the middle of the drive shaft 116.
  • the motor generator 117 functions as a drive source for the pump 111 and the expander 114 and, when the drive shaft 116 is driven by mechanical energy generated by the expander 114, converts the rotational driving force into electric power. Function as.
  • the motor generator 117 is electrically connected to a control unit 150 that is a control means for controlling the operation of the waste heat regeneration system 100.
  • a one-way clutch 120 as a power cut-off means is interposed between the motor generator 117 and the pump 111, and transmits a one-way rotational driving force from the motor generator 117.
  • One end of a first bypass passage 118 that bypasses the pump 111 and the condenser 115 is connected between the pump 111 and the cooling water boiler 112, and the other end of the first bypass passage 118 is connected to the expander 114. It is connected between the capacitor 115.
  • a three-way valve 119 as a first on-off valve is interposed at the other end of the first bypass flow path 118. The pressure loss of the first bypass passage 118 is sufficiently smaller than those of the pump 111 and the condenser 115.
  • the three-way valve 119 is electrically connected to the control unit 150.
  • Control unit 150 controls the rotation direction (forward / reverse rotation) of motor generator 117 based on temperature information acquired from temperature sensor 160 for measuring the temperature of the cooling water heated by the waste heat of engine 140.
  • the rotational direction of the pump 111 and the expander 114 is controlled, and the open / close state of the first bypass flow path 118 is controlled by opening / closing the three-way valve 119 as the first open / close valve.
  • the waste heat regeneration system 100 performs Rankine cycle operation when the coolant temperature of the engine 140 is equal to or higher than a predetermined value Th.
  • the control unit 150 serving as a control unit is configured to drive the motor generator 117 in the forward direction when the coolant temperature of the engine 140 acquired from the temperature sensor 160 is equal to or higher than a predetermined value Th, thereby driving the pump 111 and the expander.
  • the three-way valve 119 serving as the first on-off valve causes the condenser 115 and the expander 114 to communicate with each other, thereby closing the first bypass flow path 118.
  • the working fluid pumped from the pump 111 toward the cooling water boiler 112 is heated from the cooling water of the engine 140 and the exhaust gas discharged from the engine 140 in the process of flowing through the cooling water boiler 112 and the exhaust gas boiler 113. Is absorbed to become a high-temperature gas and expands in the expander 114.
  • the first bypass flow path 118 is in a closed state, the working fluid exiting the expander 114 flows into the condenser 115.
  • the working fluid that has released heat in the process of being condensed in the condenser 115 is transferred toward the cooling water boiler 112 by the pump 111.
  • the expander 114 is driven to rotate forward by the expansion of the working fluid, the motor generator 117 and the pump 111 are driven to rotate forward by the mechanical energy generated by the expansion.
  • the waste heat regeneration system 100 performs a cooling water heating cycle operation in which the working fluid is circulated from the exhaust gas boiler 113 to the cooling water boiler 112.
  • the control unit 150 serving as a control unit reverses the expander 114 by driving the motor generator 117 to rotate reversely when the coolant temperature of the engine 140 acquired from the temperature sensor 160 is less than a predetermined value Th.
  • the three-way valve 119 serving as the first on-off valve is rotated, and the first bypass passage 118 is opened by bringing the first bypass passage 118 and the expander 114 into communication with each other. Allow circulation of working fluid to 118.
  • the expander 114 has a structure in which the suction port and the discharge port of the compressor are connected in reverse. For this reason, when the expander 114 is driven to rotate in the reverse direction, the expander 114 serves as a compressor as a circulation means, and pumps the working fluid toward the exhaust gas boiler 113.
  • the expander 114 is driven in reverse rotation by mechanical energy generated by a motor generator 117 as a drive source, and the motor generator 117 functions as a drive source of the expander 114. Further, the one-way clutch 120 blocks the reverse rotation (in the other direction) driving force from the motor generator 117, and the pump 111 is not driven.
  • a closed circuit is formed in which the working fluid flows in the order of the expander 114 ⁇ the exhaust gas boiler 113 ⁇ the cooling water boiler 112 ⁇ the first bypass flow path 118 ⁇ the expander 114, as indicated by a dashed line arrow in the figure.
  • the working fluid pumped from the expander 114 toward the exhaust gas boiler 113 absorbs heat from the exhaust gas flowing into the exhaust gas boiler 113 and discharged from the engine 140 to become a high-temperature gas, and then absorbs the absorbed heat.
  • the working fluid when the coolant temperature of the engine 140 is less than the predetermined value Th, the working fluid is circulated from the exhaust gas boiler 113 toward the coolant boiler 112.
  • the cooling water heating cycle operation is performed.
  • a closed circuit is formed in which the working fluid flows in the order of the expander 114 ⁇ the exhaust gas boiler 113 ⁇ the cooling water boiler 112 ⁇ the first bypass flow path 118 ⁇ the expander 114.
  • the working fluid that has absorbed heat in the exhaust gas boiler 113 immediately flows into the cooling water boiler 112 with almost no loss of the absorbed heat, and gives heat to the cooling water of the engine 140.
  • the cooling water temperature is low, such as when the engine 140 is started, the heat of the exhaust gas can be efficiently transmitted to the cooling water, and the cooling water temperature can be quickly and efficiently increased. As a result, the fuel consumption of the engine 140 is improved.
  • the expander 114 functions as a blower for transferring the working fluid. Therefore, the exhaust gas boiler 113 ⁇ the expander 114 ⁇ the first The working fluid circulates in the order of 1 bypass flow path 118 ⁇ cooling water boiler 112 ⁇ exhaust gas boiler 113, and heat of the exhaust gas can be transmitted to the cooling water. However, since the working fluid that has absorbed heat in the exhaust gas boiler 113 loses part of the heat absorbed in the process of flowing through the expander 114 and the first bypass flow path 118, the heat of the exhaust gas is transmitted to the cooling water. Efficiency decreases.
  • the expander 114 is driven to rotate in the forward direction, an expansion process of the working fluid is performed inside the expander 114, and an overexpansion loss occurs. Furthermore, since the working fluid hardly flows into the condenser 115 and the pump 111, the working fluid in the section stays, and the lubricating oil contained in the working fluid is trapped. Therefore, although the temperature of the working fluid flowing into the expander 114 is high, the return of oil to the expander 114 is reduced, and the expander 114 is burdened.
  • the expander 114 is driven in reverse rotation, so that the exhaust gas boiler 113 ⁇ the cooling water boiler 112 ⁇ the first bypass passage 118 ⁇ the expander 114 ⁇ the exhaust gas boiler.
  • the working fluid circulates in the order of 113. Therefore, the working fluid that has absorbed heat in the exhaust gas boiler 113 immediately flows into the cooling water boiler 112 with almost no loss of the absorbed heat, and can efficiently transfer the heat of the exhaust gas to the cooling water. Further, since the expander 114 is driven to rotate in the reverse direction and used as a compressor, the working fluid is compressed in the expander 114 and an overcompression loss occurs.
  • the power when the working fluid is transferred by the expander 114 can be kept small. Furthermore, since the working fluid flows from the expander 114 toward the exhaust gas boiler 113, the temperature of the working fluid flowing into the expander 114 is low. Therefore, even if there is little oil return to the expander 114, the expander 114 is not burdened. Further, the one-way clutch 120 does not drive the pump 111 during the cooling water temperature rising cycle operation, so that power consumption by the pump 111 can be eliminated.
  • FIG. FIG. 2 shows the configuration of a waste heat regeneration system 200 according to Embodiment 2 of the present invention.
  • the first bypass flow path 118 in the first embodiment bypasses the pump 111 and the condenser 115, but the first bypass flow path 218 in the second embodiment is between the pump 111 and the cooling water boiler 112.
  • the one-way clutch 120 is omitted.
  • the control unit 250 as the control means opens the electromagnetic on-off valve 219 as the first on-off valve, thereby bringing the first bypass flow path 218 into the communication state.
  • the same reference numerals as those in FIG. 1 are the same or similar components, and thus detailed description thereof is omitted.
  • the working fluid that has absorbed heat in the exhaust gas boiler 113 releases heat in the cooling water boiler 112 to heat the cooling water.
  • the heat absorption amount in the exhaust gas boiler 113 exceeds the heat dissipation amount in the cooling water boiler 112, the entire circuit may be overheated.
  • the expander 114 (functions as a compressor as a circulation means) ⁇ the exhaust gas boiler 113 ⁇ the cooling water boiler 112 ⁇ the first
  • the condenser 115 excess heat that has not been absorbed by the cooling water boiler 112 is released by the condenser 115.
  • the working fluid Since the working fluid flows in the order of the exhaust gas boiler 113 ⁇ the cooling water boiler 112 ⁇ the first bypass passage 218 ⁇ the condenser 115, the working fluid gives the heat absorbed by the exhaust gas boiler 113 to the cooling water boiler 112, and then the condenser 115. It flows into and releases excess heat. Therefore, there is no influence on the original purpose of heating / heating the cooling water.
  • the reason for bypassing the pump 111 is to prevent an increase in mechanical energy required to drive the expander 114 due to the pump 111 becoming a throttle and generating a differential pressure.
  • FIG. 3 shows the configuration of a waste heat regeneration system 300 according to Embodiment 3 of the present invention.
  • the waste heat regeneration system 300 according to the third embodiment is an interior of the waste heat regeneration system 100 according to the first embodiment, which is driven in conjunction with the pump 111 and the expander 114 by sharing the drive shaft 316.
  • An air conditioner compressor 320 for an air conditioner is added.
  • the three-way valve 119 as the first on-off valve is provided.
  • the electromagnetic on-off as the first on-off valve is provided in the middle of the first bypass passage 118 instead of the three-way valve 119.
  • a valve 319 is interposed.
  • a second end is connected between the pump 111 and the first bypass passage 118 via a three-way valve 322 as a second on-off valve, and the other end is connected between the pump 111 and the capacitor 115.
  • a bypass channel 318 is provided.
  • the second bypass flow path 318 forms a part of a closed circuit that allows the working fluid to be circulated by the pump 111 during the cooling water temperature rising cycle operation.
  • the pump 111, the expander 114, and the air conditioner compressor 320 share the same drive shaft 316.
  • a clutch 321 is interposed between the pump 111 and the air conditioner compressor 320 in the drive shaft 316.
  • the clutch 321 blocks the linkage between the pump 111 and the expander 114 and the air conditioner compressor 320.
  • the clutch 321 is electrically connected to a control unit 350 as control means.
  • the control unit 350 controls the connection state of the clutch 321 based on the coolant temperature of the engine 140 and the air conditioner operation request from the driver.
  • the waste heat regeneration system 300 performs Rankine cycle operation when the coolant temperature of the engine 140 is equal to or higher than a predetermined value Th.
  • the control unit 350 serving as the control means causes the pump 111 and the expander 114 to rotate in the forward direction by driving the motor generator 117 in the forward direction when the coolant temperature is equal to or higher than the predetermined value Th.
  • the electromagnetic on-off valve 319 as the on-off valve By closing the electromagnetic on-off valve 319 as the on-off valve, the first bypass flow path 118 is closed.
  • the three-way valve 322 as the second on-off valve closes the second bypass flow path 318 by bringing the pump 111 and the cooling water boiler 112 into communication. If there is an air conditioner operation request and the air conditioner compressor 320 is driven, the air conditioner compressor 320 is driven in conjunction with the pump 111 and the expander 114 by connecting the clutch 321.
  • a closed circuit in which the working fluid flows is formed in the order of the pump 111 ⁇ the cooling water boiler 112 ⁇ the exhaust gas boiler 113 ⁇ the expander 114 ⁇ the condenser 115 ⁇ the pump 111.
  • the working fluid that has absorbed and vaporized heat in the cooling water boiler 112 and the exhaust gas boiler 113 generates mechanical energy in the process of expanding in the expander 114, and drives the expander 114 to rotate forward.
  • the motor generator 117 and the pump 111 are driven to rotate in conjunction with the expansion, and the clutch 321 is connected.
  • the compressor 320 is also driven forward.
  • the waste heat regeneration system 300 circulates the working fluid from the exhaust gas boiler 113 to the cooling water boiler 112. Cooling water heating cycle operation is performed. Specifically, the control unit 350 serving as the control unit disengages the clutch 321 when the cooling water temperature is lower than the predetermined value Th and there is no air conditioner operation request and the air conditioner compressor 320 is not driven. The pump 111 and the expander 114 are disconnected from each other. That is, the driving force is prevented from being transmitted to the air conditioner compressor 320 via the drive shaft 316.
  • the expander 114 is driven in reverse rotation by driving the motor generator 117 in reverse rotation to function as a compressor as circulation means, and the electromagnetic on-off valve 319 as the first on-off valve is opened to open the first bypass flow path. 118 is opened to allow the working fluid to circulate to the first bypass flow path 118.
  • a closed circuit in which the working fluid flows is formed in the order of the expander 114 ⁇ the exhaust gas boiler 113 ⁇ the cooling water boiler 112 ⁇ the first bypass flow path 118 ⁇ the expander 114 as indicated by the one-dot broken line arrow in the figure. Is done.
  • the working fluid that has absorbed heat in the exhaust gas boiler 113 immediately flows into the cooling water boiler 112 with almost no loss of the absorbed heat, and gives heat to the cooling water of the engine 140.
  • the expander 114 and the pump 111 are reversely driven by mechanical energy generated by a motor generator 117 as a drive source.
  • the three-way valve 322 as the second on-off valve opens the second bypass flow path 318 by bringing the second bypass flow path 318 and the pump 111 into communication with each other. Allow circulation. Therefore, the working fluid transferred by the pump 111 is circulated by a closed circuit including the second bypass channel 318. Further, since the clutch 321 is disengaged, the air conditioner compressor 320 is not driven.
  • the waste heat regeneration system 300 circulates the working fluid from the cooling water boiler 112 toward the exhaust gas boiler 113. Cooling water heating cycle operation is performed.
  • the control unit 350 serving as the control means connects the clutch 321 when the cooling water temperature is lower than a predetermined value Th and there is a request for operating the air conditioner to drive the air conditioner compressor 320.
  • 320 is linked to the pump 111 and the expander 114. That is, the driving force is transmitted to the air conditioner compressor 320 via the drive shaft 316.
  • the motor generator 117 is driven to rotate in the forward direction, so that the expander 114 and the pump 111 are driven to rotate in the forward direction, and the electromagnetic on-off valve 319 as the first on-off valve is opened to open the first bypass flow path 118.
  • the circulation of the working fluid to one bypass flow path 118 is permitted.
  • a closed circuit in which the working fluid flows in the order of the exhaust gas boiler 113 ⁇ the expander 114 ⁇ the first bypass passage 118 ⁇ the cooling water boiler 112 ⁇ the exhaust gas boiler 113 is formed in the direction opposite to the one-dot broken line arrow in the figure. Is done.
  • the working fluid that has absorbed heat in the exhaust gas boiler 113 flows into the cooling water boiler 112 while losing a part of the heat absorbed in the process of flowing through the expander 114 and the first bypass flow path 118, so Give heat to.
  • the expander 114 and the pump 111 are driven to rotate forward by mechanical energy generated by a motor generator 117 as a drive source.
  • the three-way valve 322 serving as the second on-off valve opens the second bypass flow path 318 by bringing the second bypass flow path 318 and the pump 111 into communication with each other. Allow circulation. Therefore, the working fluid transferred by the pump 111 is circulated by a closed circuit including the second bypass channel 318. Further, since the clutch 321 is connected, the air conditioner compressor 320 is also driven to rotate forward.
  • the exhaust gas boiler 113 starts.
  • a first cooling water heating cycle operation is performed in which the working fluid is circulated toward the cooling water boiler 112.
  • the working fluid circulates in the order of the expander 114 ⁇ the exhaust gas boiler 113 ⁇ the cooling water boiler 112 ⁇ the first bypass flow path 118 ⁇ the expander 114.
  • the working fluid that has absorbed heat in the exhaust gas boiler 113 immediately flows into the cooling water boiler 112 with almost no loss of the absorbed heat, and gives heat to the cooling water of the engine 140.
  • the second cooling water that circulates the working fluid from the cooling water gas boiler 112 to the exhaust gas boiler 113.
  • a heating cycle operation is performed.
  • the working fluid circulates in the order of the exhaust gas boiler 113 ⁇ the expander 114 ⁇ the first bypass passage 118 ⁇ the cooling water boiler 112 ⁇ the exhaust gas boiler 113.
  • the working fluid that has absorbed heat in the exhaust gas boiler 113 flows into the cooling water boiler 122 while losing a part of the heat absorbed in the process of flowing through the expander 114 and the first bypass flow path 118, so Give heat to.
  • FIG. 4 The configuration of a waste heat regeneration system 400 according to Embodiment 4 of the present invention is shown in FIG.
  • the waste heat regeneration system 400 according to the fourth embodiment circulates the working fluid from the exhaust gas boiler 113 to the cooling water boiler 112 without causing the expander 114 to rotate reversely as in the first to third embodiments. Circulation direction changing means is provided.
  • a three-way valve 423 is interposed between the exhaust gas boiler 113 and the expander 114, and a three-way valve 424 is interposed between the expander 114 and the condenser 115.
  • One end of a flow path 425 is connected between the three-way valve 424 and the capacitor 115, and the other end of the flow path 425 is connected to the three-way valve 423.
  • one end of a flow path 426 is connected between the exhaust gas boiler 113 and the three-way valve 423, and the other end of the flow path 426 is connected to the three-way valve 424.
  • the circulation direction changing means in the present embodiment includes three-way valves 423 and 424 and flow paths 425 and 426.
  • the pump 111 and the expander 114 share the same drive shaft 416.
  • the drive shaft 416 is connected to the drive shaft 140a of the engine 140 via a pulley 427 and a belt 428.
  • the drive shaft 416, the pulley 427, the belt 428, and the drive shaft 140a function as a mechanical energy transmission unit that returns mechanical energy generated by the expander 114 to the engine 140.
  • the drive shaft 416 is also connected with an alternator 429 as power generation means for converting mechanical energy into electric power.
  • a clutch 430 is interposed between the alternator 429 and the pulley 427. The clutch 430 blocks the linkage between the expander 114 and the drive shaft 140a of the engine 140. When the clutch 430 is connected, the drive shaft 140a of the engine 140 is driven in conjunction with the expander 114. .
  • an electromagnetic on-off valve 319 as a first on-off valve is interposed in the middle of the first bypass flow path 118, and one end is passed through a three-way valve 322 as a second on-off valve.
  • a second bypass flow path 318 is provided that is connected between the pump 111 and the first bypass flow path 118 and has the other end connected between the pump 111 and the capacitor 115.
  • the electromagnetic on-off valve 319 as the first on-off valve, the three-way valve 322 as the second on-off valve, the three-way valves 423 and 424 constituting the circulation direction changing means, and the clutch 430 are electrically connected to the control unit 450 as the control means. It is connected.
  • the waste heat regeneration system 400 performs Rankine cycle operation when the coolant temperature of the engine 140 is equal to or higher than a predetermined value Th.
  • the control unit 450 serving as the control means drives the pump 111 and the expander 114 to rotate in the forward direction by supplying power from a battery (not shown) when the coolant temperature is equal to or higher than a predetermined value Th, and the first on-off valve.
  • the first on-off flow path 118 is closed by closing the electromagnetic on-off valve 319.
  • the three-way valve 322 as the second on-off valve closes the second bypass flow path 318 by bringing the pump 111 and the cooling water boiler 112 into communication.
  • the three-way valve 423 closes the flow path 425 by bringing the exhaust gas boiler 113 and the expander 114 into communication with each other, and the three-way valve 424 includes the expander 114, the condenser 115, and the like. Is in a closed state by bringing the channel 426 into communication. Accordingly, the flow path A on one end side of the cooling water boiler 112 and the exhaust gas boiler 113 is connected to the flow path a on the suction side of the expander 114, and the flow path on the other end side of the cooling water boiler 112 and the exhaust gas boiler 113. B and the flow path b on the discharge side of the expander 114 are connected (with a pump 111 and a capacitor 115 interposed).
  • a closed circuit in which the working fluid flows is formed in the order of the pump 111 ⁇ the cooling water boiler 112 ⁇ the exhaust gas boiler 113 ⁇ the expander 114 ⁇ the condenser 115 ⁇ the pump 111.
  • the working fluid that has absorbed and vaporized heat in the cooling water boiler 112 and the exhaust gas boiler 113 generates mechanical energy in the process of expanding in the expander 114, and drives the expander 114 to rotate forward.
  • the pump 111 is driven to rotate in conjunction with the expansion, and the alternator 429 generates power.
  • clutch 430 When clutch 430 is engaged, drive shaft 140a of engine 140 is also driven, and mechanical energy generated in expander 114 is returned to engine 140. If the rotation speed of the expander 114 becomes too high to be suitable for assisting the rotation of the engine 140, the clutch 430 is disengaged to link the expander 114 with the drive shaft 140a of the engine 140. Cut off.
  • the waste heat regeneration system 400 performs a cooling water heating cycle operation in which the working fluid is circulated from the exhaust gas boiler 113 to the cooling water boiler 112.
  • the control unit 450 serving as a control unit is configured to drive the pump 111 and the expander 114 in the normal rotation by supplying electric power from a battery (not shown) when the cooling water temperature is lower than a predetermined value Th, and the first on-off valve. As a result, the first bypass flow path 118 is opened.
  • the three-way valve 423 opens the flow path 425 to connect the cooling water boiler 112 and the suction side (upper side of the drawing surface) of the expander 114 via the first bypass flow path 118.
  • the three-way valve 424 is in a state in which the discharge side (lower side of the sheet) of the expander 114 and the exhaust gas boiler 113 are in communication with each other by opening the flow path 426. Accordingly, the flow path A on one end side of the cooling water boiler 112 and the exhaust gas boiler 113 is connected to the flow path b on the discharge side of the expander 114, and the flow path on the other end side of the cooling water boiler 112 and the exhaust gas boiler 113. B and the flow path a on the suction side of the expander 114 are connected (via the first bypass flow path 118).
  • the working fluid that has absorbed heat in the exhaust gas boiler 113 immediately flows into the cooling water boiler 112 with almost no loss of the absorbed heat, and gives heat to the cooling water of the engine 140.
  • the three-way valve 322 as the second on-off valve opens the second bypass flow path 318 by connecting the second bypass flow path 318 and the pump 111, and the working fluid of the pump 111 that is driven to rotate in the forward direction. Allow circulation. Therefore, the working fluid transferred by the pump 111 is circulated by a closed circuit including the second bypass channel 318. Further, when clutch 430 is engaged, drive shaft 140a of engine 140 is also driven.
  • the circulation direction changing means configured by the three-way valves 423 and 424 and the flow paths 425 and 426 is directed from the cooling water boiler 112 to the exhaust gas boiler 113.
  • the Rankine cycle operation for circulating the working fluid and the cooling water heating cycle operation for circulating the working fluid from the exhaust gas boiler 113 to the cooling water boiler 112 are switched.
  • the reason for bypassing the pump 111 as in the first to third embodiments is to prevent an increase in mechanical energy required to drive the expander 114.
  • FIG. 5 shows the configuration of a waste heat regeneration system 500 according to Embodiment 5 of the present invention.
  • the circulation direction changing means includes a three-way valve 423 and a three-way valve 424 interposed in the suction-side flow path a and the discharge-side flow path b of the expander 114, a flow path 425 and a flow path 426, respectively.
  • the circulation direction changing means in the fifth embodiment is configured by the three-way valve 531 and the three-way valve 532 interposed in the flow path A on one end side of the cooling water boiler 112 and the exhaust gas boiler 113 connected in series,
  • the three-way valve 533 and the three-way valve 534 interposed in the flow path B on the other end side, and the flow path 535 and the flow path 536 are configured.
  • a three-way valve 531 and a three-way valve 532 are interposed between the exhaust gas boiler 113 and the expander 114, and a three-way valve 533 and a three-way valve 534 are disposed between one end of the first bypass passage 118 and the cooling water boiler 112. Is interposed.
  • the three-way valve 531 and the three-way valve 533 are connected by a flow path 535, and the three-way valve 532 and the three-way valve 534 are connected by a flow path 536.
  • the circulation direction changing means in the present embodiment is constituted by three-way valves 531, 532, 533, 534 and flow paths 535, 536.
  • a three-way valve 519 as a first on-off valve is interposed at one end of the first bypass flow path 118.
  • the pump 111 and the expander 114 share the same drive shaft 116, and a motor generator 117 is connected to the drive shaft 116.
  • a clutch 537 is interposed between the motor generator 117 and the pump 111. The clutch 537 shuts off the interlock between the pump 111 and the expander 114, and the pump 111 is driven in conjunction with the expander 114 when the clutch 537 is connected.
  • the three-way valve 519 as the first on-off valve, the three-way valves 531, 532, 533, 534 constituting the circulation direction changing means, the motor generator 117, and the clutch 537 are electrically connected to the control unit 550 as the control means. Yes.
  • the waste heat regeneration system 500 performs Rankine cycle operation when the coolant temperature of the engine 140 is equal to or higher than a predetermined value Th.
  • the control unit 550 serving as a control unit rotates the pump 111 and the expander 114 in the forward direction by driving the motor generator 117 in the forward direction and connecting the clutch 537 when the coolant temperature is equal to or higher than the predetermined value Th.
  • a three-way valve 519 serving as a first on-off valve closes the first bypass flow path 118 by bringing the pump 111 and the cooling water boiler 112 into communication.
  • the three-way valve 531 and the three-way valve 532 communicate with the exhaust gas boiler 113 and the expander 114, and the three-way valve 533 and the three-way valve 534 connect the pump 111 and the cooling water boiler 112 to each other. Communicate. Thereby, the flow path 535 and the flow path 536 are closed. Accordingly, the flow path A on one end side of the cooling water boiler 112 and the exhaust gas boiler 113 is connected to the flow path a on the suction side of the expander 114, and the flow path on the other end side of the cooling water boiler 112 and the exhaust gas boiler 113. B and the flow path b on the discharge side of the expander 114 are connected (with a pump 111 and a capacitor 115 interposed).
  • a closed circuit in which the working fluid flows is formed in the order of the pump 111 ⁇ the cooling water boiler 112 ⁇ the exhaust gas boiler 113 ⁇ the expander 114 ⁇ the condenser 115 ⁇ the pump 111.
  • the working fluid that has absorbed and vaporized heat in the cooling water boiler 112 and the exhaust gas boiler 113 generates mechanical energy in the process of expanding in the expander 114, and drives the expander 114 to rotate forward.
  • the waste heat regeneration system 500 performs a cooling water heating cycle operation in which the working fluid is circulated from the exhaust gas boiler 113 to the cooling water boiler 112.
  • the control unit 550 serving as a control unit causes the expander 114 to rotate in the forward direction by driving the motor generator 117 in the forward direction when the coolant temperature is lower than the predetermined value Th, and also disconnects the clutch 537.
  • the interlock between the pump 111 and the expander 114 is cut off so that the pump 111 is not driven.
  • a three-way valve 519 serving as a first on-off valve opens the first bypass flow path 118 by bringing the first bypass flow path 118 and the expander 114 into communication. Further, in the circulation direction changing means, the three-way valve 531 and the three-way valve 533 communicate the discharge side of the expander 114 and the exhaust gas boiler 113 via the first bypass flow path 118 by opening the flow path 535. The three-way valve 532 and the three-way valve 534 are in a state in which the cooling water boiler 112 and the suction side of the expander 114 are in communication with each other by opening the flow path 536.
  • the flow path A on one end side of the cooling water boiler 112 and the exhaust gas boiler 113 and the flow path b on the discharge side of the expander 114 are connected (via the first bypass flow path 118), and the cooling water boiler 112 is connected.
  • the flow path B on the other end side of the exhaust gas boiler 113 and the flow path a on the suction side of the expander 114 are connected.
  • the expander 114 ⁇ the first bypass flow path 118 ⁇ the three-way valve 533 ⁇ the flow path 535 ⁇ the three-way valve 531 ⁇ the exhaust gas boiler 113 ⁇ the cooling water boiler 122 ⁇ the three-way A closed circuit through which the working fluid flows is formed in the order of valve 534 ⁇ flow path 536 ⁇ three-way valve 532 ⁇ expander 114.
  • the working fluid that has absorbed heat in the exhaust gas boiler 113 immediately flows into the cooling water boiler 112 with almost no loss of the absorbed heat, and gives heat to the cooling water of the engine 140.
  • the circulation direction changing means configured by the three-way valves 531, 532, 533, 534 and the flow paths 535, 536 causes the cooling water boiler 112 to A Rankine cycle operation in which the working fluid is circulated toward the exhaust gas boiler 113 and a cooling water heating cycle operation in which the working fluid is circulated from the exhaust gas boiler 113 toward the cooling water boiler 112 are switched.
  • the cooling water ascending cycle operation in which the working fluid is circulated from the exhaust gas boiler 113 toward the cooling water boiler 112 can be performed without driving the expander 114 to rotate in the reverse direction.
  • the second embodiment and the third embodiment may be combined. That is, in the waste heat regeneration system 300 according to the third embodiment, a first bypass channel that bypasses only the pump 111 may be provided instead of the first bypass channel 118 that bypasses the pump 111 and the condenser 115. .
  • an electromagnetic on-off valve as the first on-off valve may be provided in the middle of the first bypass flow path 118.
  • the one-way clutch 120 may be omitted.
  • the pump 111 is driven by the motor generator 117, but the communication between the condenser 115 and the expander 114 is interrupted by a three-way valve 119 as a first on-off valve. Therefore, the pump 111 is filled with the gas-phase working fluid and becomes idle.
  • cooling water for cooling the auxiliary equipment of engine 140 may be used as a low-temperature heat source. Further, the working fluid may be directly heated by an auxiliary machine.
  • the working fluid may be directly heated using a cylinder head of the engine 140 as a high-temperature heat source.

Abstract

　廃熱回生システムは、ポンプと、冷却水ボイラと、排気ガスボイラと、膨張機と、コンデンサとから構成されるランキンサイクル装置を備える。また、第１バイパス流路と電磁開閉弁とを備える。コントロールユニットは、エンジンの冷却水温度が所定値Ｔｈ未満の場合に、膨張機を逆回転駆動させると共に第１バイパス流路を開状態とすることにより、排気ガスボイラから冷却水ボイラ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。

Description

廃熱回生システム
　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加熱する第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、エンジン冷却水の温度が所定値未満の場合に、循環手段により第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 (10)

  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、
    　前記エンジン冷却水の温度が所定値未満の場合に、循環手段により前記第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を行う、廃熱回生システム。
  2. 　前記循環手段は前記膨張機である、請求項１に記載の廃熱回生システム。
  3. 　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、前記循環手段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、請求項１又は２に記載の廃熱回生システム。
  4. 　前記循環手段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、
    　前記循環手段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３に記載の廃熱回生システム。
  5. 　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。
  6. 　前記膨張機を逆回転駆動させることによって前記循環手段とする、請求項２に記載の廃熱回生システム。
  7. 　前記ポンプと前記第１熱交換器との間と、前記ポンプと前記膨張機との間とを連通することで少なくとも前記ポンプをバイパスする第１バイパス流路と、
    　該第１バイパス流路の第１開閉弁と、
    　前記膨張機の回転方向及び前記第１開閉弁の開閉状態を制御する制御手段とを備え、
    　該制御手段は、前記膨張機を逆回転駆動させて前記循環手段とすることによって該膨張機から前記第２熱交換器に向けて作動流体を圧送させると共に、前記第１バイパス流路を開状態とするよう前記第１開閉弁を制御して前記第１バイパス流路への前記作動流体の循環を許容することにより、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前記冷却水昇温サイクル運転を行う、請求項６に記載の廃熱回生システム。
  8. 　前記第１バイパス流路は、前記ポンプと前記第１熱交換器との間と、前記膨張機と前記コンデンサとの間とを連通する、請求項７に記載の廃熱回生システム。
  9. 　前記第１バイパス流路は、前記ポンプと前記第１熱交換器との間と、前記ポンプと前記コンデンサとの間とを連通する、請求項７に記載の廃熱回生システム。
  10. 　前記膨張機に連動して駆動される空調機コンプレッサと、
    　前記膨張機と該空調機コンプレッサとの連動を遮断するクラッチ手段とをさらに備え、
    　前記制御手段は、前記エンジン冷却水の温度が所定値未満であり、かつ前記空調機コンプレッサを駆動させない場合に、前記クラッチ手段を制御して前記膨張機と前記空調機コンプレッサとの連動を遮断すると共に、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前記冷却水昇温サイクル運転を行う、請求項６～９のいずれか一項に記載の廃熱回生システム。
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