WO2017047669A1 - 熱エネルギー回収システム - Google Patents

Abstract

熱エネルギー回収システムＳは、エンジン１０を通過した冷却水を冷却する第１冷却装置４１と、第１冷却装置４１よりも低温まで冷却水を冷却する第２冷却装置４２と、循環流路５１内に、作動流体を循環流路５１で循環させるポンプ５２、作動流体を蒸発させる蒸発器５３、作動流体を膨張させる膨張器５４、第１冷却装置４１で冷却された冷却水によって作動流体を凝縮させる第１凝縮器５５、及び第２冷却装置４２で冷却された冷却水によって作動流体を凝縮させる第２凝縮器５６が配置されたランキンサイクル５０と、第１冷却装置４１で冷却された冷却水を第１凝縮器５５に導く第１通路３５と、第２冷却装置４２で冷却された冷却水を第２凝縮器５６に導く第２通路３６と、を備える。

Description

熱エネルギー回収システム

　本発明は、ランキンサイクルを有する熱エネルギー回収システムに関する。

　近年、車両で発生する排熱を利用して動力に回生するために、ランキンサイクルを有する熱エネルギー回収装置の車両への搭載が検討されている。ランキンサイクルとは、循環流路内に、作動流体を循環流路で循環させる循環器、熱源によって作動流体を蒸発させる蒸発器、作動流体を膨張させる膨張器、及び冷却源によって作動流体を凝縮させる凝縮器の順に配置したものである（特許文献１参照）。なお、熱源としては、例えばエンジンの排気ガスが利用され、冷却源としては、エンジンの冷却水が利用される。

日本国特開２０１２－２０２３７４号公報

　ランキンサイクルにおいては、凝縮器において作動流体を低温化することで、サイクルの作業効率を高められることが知られている。このため、凝縮器には、低温の冷却水を大流量送ることが望ましい。
　しかし、凝縮器に送られる冷却源であるエンジンの冷却水は、通常、冷却装置によってエンジン用に所定温度（例えば８０℃）に調整されている。かかる場合には、大流量の冷却水を低温に冷却することが困難であるため、エンジンの冷却水で作動流体を低温化できないという問題が発生する。

　本発明はこれらの点に鑑みてなされたものであり、ランキンサイクルにおいてエンジンの冷却水で作動流体を低温化する。

　本発明の第１の態様においては、エンジンを通過した冷却水を冷却する第１冷却装置と、前記第１冷却装置よりも低温まで冷却水を冷却する第２冷却装置と、循環流路内に、作動流体を前記循環流路で循環させる循環器、前記作動流体を蒸発させる蒸発器、前記作動流体を膨張させる膨張器、前記第１冷却装置で冷却された冷却水によって前記作動流体を凝縮させる第１凝縮器、及び前記第２冷却装置で冷却された冷却水によって前記作動流体を凝縮させる第２凝縮器が配置されたランキンサイクルと、前記第１冷却装置で冷却された冷却水を前記第１凝縮器に導く第１冷却水通路と、前記第２冷却装置で冷却された冷却水を前記第２凝縮器に導く第２冷却水通路と、を備えることを特徴とする熱エネルギー回収システムを提供する。
　かかる熱エネルギー回収システムによれば、第１凝縮器及び第２凝縮器に冷却水を送ることになるので、ランキンサイクルの作動流体と熱交換する冷却水の量を多くできる。また、第２凝縮器に送る冷却水は、第２冷却装置で低温に冷却されているので、低温の冷却水で作動流体と熱交換することができる。これにより、１つの凝縮器で作動流体を凝縮する場合に比べて、作動流体を低温化させやすくなる。

　また、前記第２凝縮器は、前記循環流路において前記第１凝縮器の下流側に設けられ、前記第１凝縮器で凝縮された作動流体を凝縮することとしてもよい。

　また、前記第２冷却水通路を流れる冷却水の流量は、前記第１冷却水通路を流れる冷却水の流量よりも少ないこととしてもよい。

　また、前記熱エネルギー回収システムは、前記第１冷却装置で冷却された冷却水を前記第２冷却装置に導く第３冷却水通路を更に備え、前記第２冷却装置は、前記第１冷却装置で冷却された冷却水を冷却することとしてもよい。

　本発明によれば、ランキンサイクルにおいてエンジンの冷却水で作動流体を低温化できるという効果を奏する。

図１は、本発明の一の実施形態に係る熱エネルギー回収システムＳの構成の一例を示す模式図である。 図２は、第１冷却装置４１で冷却され第１凝縮器５５へ送られる第１冷却水の流れを示す図である。 図３は、第２冷却装置４２で冷却され第２凝縮器５６へ送られる第２冷却水の流れを示す図である。

　＜熱エネルギー回収システムの構成＞
　図１を参照しながら、本発明の一の実施形態に係る熱エネルギー回収システムＳの構成について説明する。図１は、一の実施形態に係る熱エネルギー回収システムＳの構成の一例を示す模式図である。

　熱エネルギー回収システムＳは、内燃機関であるエンジンを有する車両に搭載されている。例えば、熱エネルギー回収システムＳは、トラックやバス等の大型車両に搭載されている。熱エネルギー回収システムＳは、ランキンサイクルによって、車両で発生する廃熱を利用して動力に回生する。図１に示すように、熱エネルギー回収システムＳは、エンジン１０と、排気通路２０と、冷却水通路３０と、第１冷却装置４１と、第２冷却装置４２と、ランキンサイクル５０とを有する。

　エンジン１０は、複数の気筒を含むエンジンであり、本実施形態ではディーゼルエンジンである。エンジン１０は、気筒内で燃料と吸気（空気）の混合気を燃焼、膨張させて、動力を発生させる。吸気は、不図示の吸気通路によりエンジン１０の気筒に吸入されている。また、エンジン１０は、燃焼後の排気（排気ガス）を排出する。

　排気通路２０は、エンジン１０から排出された排気を車両の外部へ排出する通路である。排気通路２０には、過給機２２と、後処理装置２４とが設けられている。

　過給機２２は、排気の圧力を動力源として、エンジン１０に吸入される吸気を過給する装置である。過給機２２は、例えばターボチャージャであり、排気通路２０に設けられたタービンと、吸気通路に設けられたコンプレッサとを有する。

　後処理装置２４は、排気を浄化する装置である。例えば、後処理装置２４は、排気中のＰＭ（Ｐａｒｔｉｃｕｌａｒ Ｍａｔｔｅｒ）を捕集したり、尿素水から加水分解されて生成されるアンモニア（ＮＨ_３）を還元剤として排気中のＮＯ_ｘを選択的に還元浄化したりする。

　冷却水通路３０は、エンジン１０が過熱状態になることを防止するために、エンジン１０を冷却する冷却水を循環させる通路である。冷却水通路３０は、エンジン１０内を冷却水が通過するように設けられており、冷却水がエンジン１０の熱を奪うことでエンジン１０の温度を下げる。エンジン１０を通過した冷却水は、第１冷却装置４１や第２冷却装置４２で冷却される。冷却水通路３０には、ポンプ３１と、第１調整バルブ３２と、第２調整バルブ３３と、第１通路３５と、第２通路３６と、第３通路３７とが設けられている。

　ポンプ３１は、例えば回転することにより、冷却水通路３０内で冷却水を循環させる。ポンプ３１は、エンジン１０の上流側に設けられており、冷却水を圧送する。ポンプ３１は、例えばエンジン１０から駆動力を受けて動作する。ポンプ３１としては、遠心ポンプやギアポンプ等が用いられる。

　第１調整バルブ３２は、循環流路５１において、エンジン１０を通過した冷却水とランキンサイクル５０を通過した冷却水とが合流する箇所に設けられている。第１調整バルブ３２は、ランキンサイクル５０を通過した冷却水を第１冷却装置４１へ送る流量を調整可能である。

　第２調整バルブ３３は、循環流路５１において第１冷却装置４１の上流側に設けられ、第１冷却装置４１に送る冷却水の流量を調整する。具体的には、第２調整バルブ３３は、第１冷却装置４１に送る冷却水の流量と、第１冷却装置４１を迂回する迂回通路３４に送る冷却水の流量とを調整する。これにより、第１冷却装置４１による冷却水の冷却度合いを調整可能となる。

　第１通路３５は、第１冷却装置４１で冷却された冷却水を、ランキンサイクル５０の第１凝縮器５５に導く冷却水通路である。第１通路３５は、冷却水通路３０においてポンプ３１の下流側において分岐しており、第１冷却装置４１が冷却した冷却水の一部を第１凝縮器５５に送る。これにより、ポンプ３１が冷却水を圧送する際に、冷却水が第１凝縮器５５に送られやすい。

　第２通路３６は、第２冷却装置４２で冷却された冷却水を、ランキンサイクル５０の第２凝縮器５６に導く冷却水通路である。第２通路３６は、第２冷却装置４２と第２凝縮器５６の間を接続する通路であり、第２冷却装置４２が冷却した冷却水全体を第２凝縮器５６に送る。また、第２通路３６を流れる冷却水の流量は、第１通路３５を流れる冷却水の流量よりも少ない。このように第２通路３６を流れる冷却水の流量を少なくすることで、第２通路３６を流れる冷却水の温度を低温化しやすくなる。

　第３通路３７は、第１冷却装置４１で冷却された冷却水を第２冷却装置４２に導く冷却水通路である。第３通路３７は、冷却水通路３０においてポンプ３１の下流側において分岐しており、第１冷却装置４１が冷却した冷却水の一部を第２冷却装置４２に送る。第２冷却装置４２を通過して第２通路３６を流れる冷却水の流量は、第１冷却装置４１を通過する冷却水の流量の１／１０程度である。なお、本実施形態では、第１通路３５が第１冷却水通路に該当し、第２通路３６が第２冷却水通路に該当し、第３通路３７が第３冷却水通路に該当する。

　第１冷却装置４１は、例えばラジエータを有し、エンジン１０を通過した冷却水を冷却する。ラジエータは、送られてきた冷却水の熱を大気中に放出することで、冷却水の温度を下げる。第１冷却装置４１は、エンジン１０を通過した冷却水に加えて、第１凝縮器５５や第２凝縮器５６から戻ってきた冷却水を冷却する。

　第２冷却装置４２は、例えばラジエータを有し、第１冷却装置４１よりも低温まで冷却水を冷却する。例えば、第２冷却装置４２は、第１冷却装置４１が冷却水を冷却した温度の半分程度（一例として４０℃）に冷却する。また、第２冷却装置４２は、第１冷却装置４１で冷却された冷却水の一部（第３通路３７から流れてくる冷却水）を冷却する。このため、第２冷却装置４２は、第１冷却装置４１に比べて少量の冷却水を冷却することになり、冷却水を低温に冷却しやすい。なお、冷却水の放熱を促進するために、例えば第１冷却装置４１や第２冷却装置４２の周囲に冷却ファンが設けられていてもよい。

　ランキンサイクル５０は、エンジン１０を通過した冷却水を利用して電力を発生させる熱エネルギー回収サイクルである。ランキンサイクル５０は、図１に示すように、循環流路５１と、ポンプ５２と、蒸発器５３と、膨張器５４と、第１凝縮器５５と、第２凝縮器５６とを有する。ランキンサイクル５０においては、循環流路５１に、ポンプ５２、蒸発器５３、膨張器５４、第１凝縮器５５、第２凝縮器５６の順に配置され、閉回路を形成している。

　循環流路５１は、作動流体が循環する閉ループ状の流路である。作動流体として、本実施形態ではエタノールが利用されているが、これに限定されない。例えば、作動流体が水等の他の媒体であってもよい。

　ポンプ５２は、回転することで作動流体を循環流路５１内で循環させる循環器である。ポンプ５２は、液相の作動流体を吸入して、蒸発器５３に圧送する。ポンプ５２としては、遠心ポンプやギアポンプ等が用いられる。

　蒸発器５３は、循環流路５１においてポンプ５２の下流側に設けられ、エンジンの排気（排気ガス）によって作動流体を蒸発させる。具体的には、蒸発器５３は、ポンプ５２から送られてくる作動流体と、排気通路２０を流れる排気との間で熱交換を行うことにより、作動流体を蒸発させる。蒸発された作動流体は、過熱蒸気（又は飽和蒸気）となって膨張器５４に送られる。

　膨張器５４は、循環流路５１において蒸発器５３の下流側に設けられ、蒸発器５３で加熱された気相の作動流体を膨張させる。膨張器５４は、作動流体が膨張することで、回転駆動力を発生させる。回転駆動力は、動力あるいは電力として利用される。動力として利用される場合、膨張器５４には、ベルト、ギヤ等を介してエンジンの駆動軸が連結されている。電力として利用される場合、膨張器５４には、発電機５４ａが連結されている。発電機５４ａは、膨張器５４が発生した回転駆動力により回転することで、電力を発生させる。発生した電力は、例えば車両のバッテリー等に供給される。

　第１凝縮器５５は、循環流路５１において膨張器５４の下流側に設けられ、膨張器５４が膨張させた作動流体を凝縮させる。第１凝縮器５５には、第１冷却装置４１で冷却された冷却水が第１通路３５を介して通過する。第１凝縮器５５は、膨張器５４から送られた作動流体と、第１冷却装置４１で冷却された冷却水（以下、第１冷却水とも呼ぶ）との間で熱交換を行うことにより、作動流体を液化する。

　第２凝縮器５６は、循環流路５１において第１凝縮器５５の下流側に設けられ、第１凝縮器５５で凝縮された作動流体を更に凝縮させる。第２凝縮器５６には、第２冷却装置４２で冷却された冷却水が第２通路３６を介して通過する。第２凝縮器５６は、第１凝縮器５５を通過した作動流体と、第２冷却装置４２で冷却された冷却水（以下、第２冷却水とも呼ぶ）との間で熱交換を行うことにより、作動流体の液化を促進する。すなわち、第１冷却水によって粗熱を奪われた作動流体が、第１冷却水よりも温度が低い第２冷却水によって低温化される。

　＜ランキンサイクルの動作時の冷却水の流れについて＞
　図２及び図３を参照しながら、ランキンサイクル５０の動作時の冷却水の流れについて説明する。

　図２は、第１冷却装置４１で冷却され第１凝縮器５５へ送られる第１冷却水の流れを示す図である。図３は、第２冷却装置４２で冷却され第２凝縮器５６へ送られる第２冷却水の流れを示す図である。図２及び図３の太線が、第１冷却水と第２冷却水の流れを示す。以下では、説明の便宜上、第１冷却水の流れと第２冷却水の流れを分けて説明するが、実際には、第１冷却水と第２冷却水は同時に流れている。

　まず、図２に示す第１冷却水の流れについて説明する。
　ポンプ３１を回転させることにより、第１冷却装置４１で冷却された冷却水が圧送される。そして、ポンプ３１の下流側において、冷却水の一部が、第１通路３５を介して第１凝縮器５５に送られる。第１凝縮器５５に送られた冷却水（第１冷却水）は、第１凝縮器５５にて作動流体と熱交換する。これにより、ランキンサイクル５０の作動流体の粗熱を取ることができる。

　作動流体と熱交換した第１冷却水は、第１凝縮器５５から送り出される。その後、第１冷却水は、第１調整バルブ３２を通過する際にエンジン１０を通過した冷却水と合流し、第２調整バルブ３３を通過して第１冷却装置４１に送られる。第１冷却装置４１に送られた第１冷却水は、第１冷却装置４１によって再び冷却される。その後、第１冷却水は、前述した流れを繰り返す。

　次に、図３に示す第２冷却水の流れについて説明する。
　ポンプ３１を回転させることにより、第１冷却装置４１で冷却された冷却水が圧送される。そして、ポンプ３１の下流側において、冷却水の一部が、第３通路３７を介して第２冷却装置４２に送られる。第２冷却装置４２に送られた冷却水は、第２冷却装置４２によって低温に冷却される。その後、第２冷却装置４２で冷却された冷却水は、第２通路３６を介して第２凝縮器５６に送られる。第２凝縮器５６に送られた冷却水（第２冷却水）は、第２凝縮器５６にて作動流体と熱交換する。これにより、第１冷却水で粗熱を取った作動流体を、低温化させることが可能となる。

　作動流体と熱交換した第２冷却水は、第２凝縮器５６から送り出された後に、第１凝縮器５５から送り出された第１冷却水と合流して一緒に送られる。その後、第２冷却水は、第１調整バルブ３２を通過する際にエンジン１０を通過した冷却水と合流し、第２調整バルブ３３を通過して第１冷却装置４１に送られる。第１冷却装置４１に送られた第２冷却水は、第１冷却装置４１によって再び冷却される。その後、第２冷却水は、前述した流れを繰り返す。

　以上から、ランキンサイクル５０の動作中、第１冷却装置４１で冷却された冷却水は、第１通路３５を介して第１凝縮器５５に送られ、又は第２冷却装置４２で更に冷却された後に第２通路３６を介して第２凝縮器５６に送られて、作動流体を凝縮させる。これにより、作動流体を低温化させた状態を維持できる。

　＜本実施形態における効果＞
　上述した熱エネルギー回収システムＳは、ランキンサイクル５０の凝縮器として第１凝縮器５５及び第２凝縮器５６を有する。そして、第１凝縮器５５には、第１冷却装置４１で冷却された冷却水（第１冷却水）が第１通路３５を介して送られ、第２凝縮器５６には、第２冷却装置４２で低温に冷却された冷却水（第２冷却水）が第２通路３６を介して送られる。
　かかる場合には、２つの凝縮器に冷却水を送ることになるので、ランキンサイクル５０の作動流体と熱交換する冷却水の量を多くできる。また、第２凝縮器５６に送られる冷却水は、第２冷却装置４２で低温に冷却されているので、低温の冷却水で作動流体と熱交換することができる。これにより、１つの凝縮器で作動流体を凝縮する場合に比べて作動流体を低温化させやすくなるので、ランキンサイクル５０の動作効率を向上させることが可能となる。

　なお、上記では、循環流路５１において第１凝縮器５５が第２凝縮器５６よりも上流側に設けられていることとしたが、これに限定されない。例えば、循環流路５１において第２凝縮器５６が第１凝縮器５５よりも上流側に設けられていてもよい。かかる場合には、第２冷却装置４２で冷却された第２冷却水によって作動流体が凝縮された後に、第１冷却装置４１で冷却された第１冷却水によって作動流体が凝縮されることになる。この際も、第１冷却水及び第２冷却水によって作動流体が凝縮されるので、作動流体を低温化させることができる。

　以上、本発明を実施の形態を用いて説明したが、本発明の技術的範囲は上記実施の形態に記載の範囲には限定されない。上記実施の形態に、多様な変更又は改良を加えることが可能であることが当業者に明らかである。そのような変更又は改良を加えた形態も本発明の技術的範囲に含まれ得ることが、特許請求の範囲の記載から明らかである。

　本出願は、2015年09月17日付で出願された日本国特許出願（特願2015-183649）に基づくものであり、その内容はここに参照として取り込まれる。

　本発明の熱エネルギー回収システムは、ランキンサイクルにおいてエンジンの冷却水で作動流体を低温化に利用することできる。

　１０　　エンジン
　３５　　第１通路
　３６　　第２通路
　３７　　第３通路
　４１　　第１冷却装置
　４２　　第２冷却装置
　５０　　ランキンサイクル
　５１　　循環流路
　５２　　ポンプ
　５３　　蒸発器
　５４　　膨張器
　５５　　第１凝縮器
　５６　　第２凝縮器
　Ｓ　　熱エネルギー回収システム

Claims (4)

1. 　エンジンを通過した冷却水を冷却する第１冷却装置と、
   　前記第１冷却装置よりも低温まで冷却水を冷却する第２冷却装置と、
   　循環流路内に、作動流体を前記循環流路で循環させる循環器、前記作動流体を蒸発させる蒸発器、前記作動流体を膨張させる膨張器、前記第１冷却装置で冷却された冷却水によって前記作動流体を凝縮させる第１凝縮器、及び前記第２冷却装置で冷却された冷却水によって前記作動流体を凝縮させる第２凝縮器が配置されたランキンサイクルと、
   　前記第１冷却装置で冷却された冷却水を前記第１凝縮器に導く第１冷却水通路と、
   　前記第２冷却装置で冷却された冷却水を前記第２凝縮器に導く第２冷却水通路と、
   　を備える、熱エネルギー回収システム。
2. 　前記第２凝縮器は、前記循環流路において前記第１凝縮器の下流側に設けられ、前記第１凝縮器で凝縮された作動流体を凝縮する、
   　請求項１に記載の熱エネルギー回収システム。
3. 　前記第２冷却水通路を流れる冷却水の流量は、前記第１冷却水通路を流れる冷却水の流量よりも少ない、
   　請求項１又は２に記載の熱エネルギー回収システム。
4. 　前記第１冷却装置で冷却された冷却水を前記第２冷却装置に導く第３冷却水通路を更に備え、
   　前記第２冷却装置は、前記第１冷却装置で冷却された冷却水を冷却する、
   　請求項１から３のいずれか１項に記載の熱エネルギー回収システム。

Images