JP2011196338A - 廃熱回生システム - Google Patents

Abstract

【課題】サブクーラの配置の自由度を高めると共にポンプにキャビテーションが発生するのを簡単かつ確実に防止することのできる廃熱回生システムを提供する。
【解決手段】第１コンデンサ１１５ａでは、膨張機１１４で膨張された作動流体と外気とが熱交換し、温度が低下して凝縮した第１低温作動流体と、温度が上昇した第１高温外気とが流出する。第２コンデンサ１１５ｂでは、第１コンデンサ１１５ａから流出した第１低温作動流体と、第１コンデンサ１１５ａから流出した第１高温外気とが熱交換し、さらに温度が低下した第２低温作動流体と、さらに温度が上昇した第２高温外気とが流出する。サブクーラ１１９では、レシーバ１１８で気体成分が分離された第２低温作動流体と、外気とが熱交換する。
【選択図】図２

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。

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装置は、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、加熱されて気化し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。

一般に、ランキンサイクルにおける作動流体の熱力学的状態変化は、図１のモリエル線図においてａ_０→ｂ_０→ｃ_０→ｄ_０→ａ_０で示されるような軌跡を描く。すなわち、状態ａ_０にある液体の作動流体は、ポンプによって圧送されて状態ｂ_０に変化した後、熱交換器で加熱されて状態ｃ_０（気体）に変化する。続いて、膨張機で膨張されて状態ｄ_０に変化し、この際に状態ｃ_０と状態ｄ_０とのエンタルピー差が機械的エネルギーとして回収される。その後、コンデンサによって凝縮されて液体の状態ａ_０に戻る。

ところで、ランキンサイクルを利用した廃熱回生システムを車両用エンジンに適用する場合には、ランキンサイクル装置の低圧側（膨張機の下流側からポンプの上流側）の圧力は車両の外気温に依存して変動するため、これを制御することはできない。そのため、低圧側の圧力が低下した場合には、ポンプに吸引される作動流体の状態がａ_０’のようになり、作動流体が気液混合状態となる。この状態の作動流体をポンプで圧送すると、ポンプにキャビテーションが発生し、ランキンサイクル装置の稼働が不安定となる。

キャビテーションの発生を防ぐためには、状態ａのように、ポンプに吸引される作動流体が過冷却度（サブクール）を有する必要がある（この場合のランキンサイクルの状態変化は、ａ→ｂ→ｃ→ｄ→ａ）。作動流体がサブクールを有していれば、低圧側の圧力が低下したとしても（この場合のランキンサイクルの状態変化は、ａ’→ｂ→ｃ→ｄ’→ａ’）、ポンプに吸引される作動流体の状態ａ’は、飽和液線よりも左側に位置することができるので、キャビテーションを防ぐことができる。ポンプに吸引される作動流体にサブクールを付与する技術として、特許文献１には、ランキンサイクル装置を循環する作動流体の循環流量を制御することによるものが記載されている。しかしながら、この方式では、制御方法が複雑である上に、外気温の変動やエンジンの廃熱量の変動により、ランキンサイクル装置に必要な作動流体の量が変化し、サブクールが過度に大きくなる可能性があり、ランキンサイクル装置の効率が著しく低下してしまうおそれがあった。

この問題点を解決しながら、より簡単に作動流体にサブクールを付与するために、コンデンサの下流に過冷却器（サブクーラ）を設けたランキンサイクル装置が、特許文献２に記載されている。引用文献２のランキンサイクル装置を車両用の廃熱回生システムに適用すると、サブクーラにおいて作動流体を冷却した外気が、コンデンサにおいて作動流体を冷却することになるため、サブクーラに流入する作動流体の温度は、サブクーラに流入する外気の温度よりも高くなる。これにより、サブクーラにおいて作動流体にサブクールを確実に付与することができるようになる。

特開２００８−２３１９８１号公報 特開２００４−３３９９６５号公報

しかしながら、引用文献２のランキンサイクル装置では、サブクーラの背後にコンデンサを配置しなければならないため、サブクーラの配置の自由度が制限されてしまうといった問題点があった。

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、サブクーラの配置の自由度を高めると共にポンプにキャビテーションが発生するのを簡単かつ確実に防止することのできる廃熱回生システムを提供することを目的とする。

この発明に係る廃熱回生システムは、作動流体をポンプによって圧送し、圧送された作動流体を熱交換器によってエンジンの廃熱で加熱し、加熱された作動流体を膨張機で膨張させて機械的エネルギーを回収し、膨張後の作動流体を第１コンデンサ及び第１コンデンサの下流側に設けられた第２コンデンサによって凝縮させ、凝縮された作動流体を、ポンプと第２コンデンサとの間に設けられたサブクーラによって過冷却する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、第１コンデンサでは、膨張機で膨張された作動流体は外気と熱交換して、第１低温作動流体と第１高温外気とが流出し、第２コンデンサでは、第１低温作動流体と第１高温外気とが熱交換して、第２低温作動流体と第２高温外気とが流出し、サブクーラでは、第２低温作動流体と外気とが熱交換する。第１高温外気の温度は外気の温度よりも高いので、第２低温作動流体の温度は少なくとも外気の温度よりも高い。このため、サブクーラでは、第２低温作動流体は、第２低温作動流体よりも温度の低い外気によって冷却されるので、第２低温作動流体は、サブクーラにおいて確実にサブクールが付与される。
第２コンデンサとサブクーラとの間には、第２低温作動流体を気液分離する気液分離器が設けられている。

この発明によれば、第１高温外気の温度は外気の温度よりも高いので、第２低温作動流体の温度は少なくとも外気の温度よりも高い。このため、サブクーラでは、第２低温作動流体は、第２低温作動流体よりも温度の低い外気によって冷却されるので、第２低温作動流体は、サブクーラにおいて確実にサブクールが付与される。その結果、ランキンサイクル装置の低圧側の圧力低下度合が大きくならないと、ポンプに吸引される作動流体が気液混合状態とはならないため、ポンプにキャビテーションが発生するのを簡単かつ確実に防止することができる。また、第１コンデンサ及びサブクーラには、外気が流入することにより、サブクーラを第１コンデンサの背後に配置する必要がないので、サブクーラの配置の自由度を高めることができる。

廃熱回生システムにおける作動流体の熱力学的状態変化を示すモリエル線図である。 この発明の実施の形態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。
この発明の実施の形態に係る廃熱回生システム１００の構成を図２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、第１コンデンサ１１５ａと、第２コンデンサ１１５ｂと、気液分離器であるレシーバ１１８と、サブクーラ１１９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、作動流体をエンジン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、作動流体をエンジン１４０から排出される排気ガスと熱交換させて加熱する。ここで、冷却水ボイラ１１２及び排気ガスボイラ１１３は、熱交換器を構成する。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。第１コンデンサ１１５ａ及び第２コンデンサ１１５ｂは、膨張後の作動流体を凝縮させる。

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、ポンプ１１１の回転数は膨張機１１４の回転数に連動して同一の回転数になる。また、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、ランキンサイクル装置１１０の運転開始時において、ポンプ１１１及び膨張機１１４を駆動する駆動源として機能する。また、ランキンサイクル装置１１０の運転中において、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が駆動されるようになると、モータジェネレータ１１７及びポンプ１１１は、膨張機１１４で発生する機械的エネルギーによって駆動される。

次に、この実施の形態に係る廃熱回生システム１００の動作について説明する。

図２に示されるように、ランキンサイクル装置１１０の運転開始時には、図示しないバッテリからモータジェネレータ１１７に電力が供給され、モータジェネレータ１１７が駆動軸１１６を駆動することによって、ポンプ１１１及び膨張機１１４が駆動される。

ポンプ１１１によっ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において膨張する過程で機械的エネルギーを発生させ、第１コンデンサ１１５ａ及び第２コンデンサ１１５ｂによって凝縮される過程で熱を放出し、レシーバ１１８によって気液が分離された後、サブクーラ１１９によって過冷却されて、再びポンプ１１１によって圧送される。また、膨張機１１４で作動流体が膨張する際に発生する機械的エネルギーによって駆動軸１１６が駆動されるようになると、モータジェネレータ１１７及びポンプ１１１は、膨張機１１４で発生する機械的エネルギーによって駆動される。

第１コンデンサ１１５ａでは、膨張機１１４で膨張された作動流体（温度をｔ_０とする）と外気（温度をＴ_０とする）とが熱交換し、温度が低下して凝縮した第１低温作動流体（温度をｔ_１とする）と、温度が上昇した第１高温外気（温度をＴ_１とする）とが流出する。第２コンデンサ１１５ｂでは、第１コンデンサ１１５ａから流出した第１低温作動流体と、第１コンデンサ１１５ａから流出した第１高温外気とが熱交換し、さらに温度が低下した第２低温作動流体（温度をｔ_２とする）と、さらに温度が上昇した第２高温外気（温度をＴ_２とする）とが流出する。サブクーラ１１９では、レシーバ１１８で気体成分が分離された第２低温作動流体と、外気とが熱交換する。

第１コンデンサ１１５ａでは、外気が作動流体を冷却することから、Ｔ_１＞Ｔ_０の関係がある。また、第２コンデンサ１１５ｂでは、第１高温外気が第１低温作動流体を冷却することにより、第１低温作動流体は、さらに温度の低い第２低温作動流体となることから、ｔ_２＞Ｔ_１の関係がある。その結果、ｔ_２＞Ｔ_０の関係があることになる。ここで、第２低温作動流体は、レシーバ１１８で気液分離された後、サブクーラ１１９に流入するが、温度ｔ_２よりも低い温度Ｔ_０の外気と熱交換されるので、サブクーラ１１９によってさらに冷却（過冷却）され、サブクールが付与される。すると、ポンプ１１１に吸引される作動流体は、図１における状態ａの状態になり、ランキンサイクル装置１１０の低圧側の圧力が多少低下したとしても、気液混合状態とはならない（例えば、状態ａ’）。これにより、ポンプ１１１にキャビテーションが発生するのを確実に防止できる。

このように、第１高温外気の温度Ｔ_１は外気の温度Ｔ_０よりも高いので、第２低温作動流体の温度ｔ_２は少なくとも外気の温度Ｔ_０よりも高い。このため、サブクーラ１１９では、第２低温作動流体は、第２低温作動流体よりも温度の低い外気によって冷却されるので、第２低温作動流体は、サブクーラ１１９において確実にサブクールが付与される。その結果、ランキンサイクル装置１１０の低圧側の圧力低下度合が大きくならないと、ポンプ１１１に吸引される作動流体が気液混合状態とはならないため、ポンプ１１１にキャビテーションが発生するのを簡単かつ確実に防止することができる。また、第１コンデンサ１１５ａ及びサブクーラ１１９には、外気が流入することにより、サブクーラ１１９を第１コンデンサ１１５ａの背後に配置する必要がないので、サブクーラ１１９の配置の自由度を高めることができる。

１００ 廃熱回生システム、１１０ ランキンサイクル装置、１１１ ポンプ、１１２ 冷却水ボイラ（熱交換器）、１１３ 排気ガスボイラ（熱交換器）、１１４ 膨張機、１１５ａ 第１コンデンサ、１１５ｂ 第２コンデンサ、１１８ レシーバ（気液分離器）、１１９ サブクーラ、１４０ エンジン。

Claims (2)

1. 作動流体をポンプによって圧送し、圧送された前記作動流体を熱交換器によってエンジンの廃熱で加熱し、加熱された前記作動流体を膨張機で膨張させて機械的エネルギーを回収し、膨張後の前記作動流体を第１コンデンサ及び該第１コンデンサの下流側に設けられた第２コンデンサによって凝縮させ、凝縮された前記作動流体を、前記ポンプと前記第２コンデンサとの間に設けられたサブクーラによって過冷却する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、
   前記第１コンデンサでは、前記膨張機で膨張された作動流体は外気と熱交換して、第１低温作動流体と第１高温外気とが流出し、前記第２コンデンサでは、前記第１低温作動流体と前記第１高温外気とが熱交換して、第２低温作動流体と第２高温外気とが流出し、前記サブクーラでは、前記第２低温作動流体と前記外気とが熱交換する廃熱回生システム。
2. 前記第２コンデンサと前記サブクーラとの間には、前記第２低温作動流体を気液分離する気液分離器が設けられている、請求項１に記載の廃熱回生システム。

Images