廃熱利用回路用容器

本発明は、廃熱利用回路用容器と、そのような容器を有する廃熱利用回路とに関する。さらに、本発明は、そのような廃熱利用回路を有する廃熱利用装置に関する。

内燃機関、とりわけピストンエンジンにおいては、機械駆動力は、燃料を燃焼させることによって発生する。この時、燃料に含まれる化学エネルギーのほとんどは熱として放出され、利用されないままであることが多い。また、往々にして、利用可能な駆動力の一部を、内燃機関とそのユニットとを冷却するために使用しなければならないことがある。廃熱利用装置を用いれば、内燃機関で生じる廃熱を利用して、例えばさらなる駆動力または電気エネルギーを提供することが可能である。これにより、内燃機関の全体的なエネルギー効率を向上させることができる。

このような廃熱利用装置は、例えば「EP2573335A2」および「DD136280」より公知である。

廃熱利用装置は、いわゆるカルノープロセスである、循環プロセスとして構成することができる。いわゆるクラウジウスーランキンプロセスは、特殊なカルノープロセスである。クラウジウスーランキンプロセスでは、作動媒体が廃熱利用回路内を循環する。廃熱利用回路には、作動媒体を蒸発させる蒸発器が配置されている。蒸発器は、この蒸発のために内燃機関から熱を抽出する。廃熱利用回路における蒸発器の下流側には、作動媒体を低圧に減圧する膨張機が配置されている。廃熱利用回路における膨張機の下流側には、作動媒体を液化する凝縮器が配置されている。廃熱利用回路における凝縮器の下流側には、作動媒体を高圧に圧縮する圧縮機が配置されている。作動媒体は、圧縮機から蒸発器へ戻る。膨張機で作動媒体が減圧される際、熱エネルギーが機械駆動エネルギーに変換される。これは、そのまま機械駆動力として利用するか、または発電機によって電気エネルギーに変換することができる。作動媒体を蒸発させるための熱は、例えば内燃機関の排ガスから抽出することができる。廃熱利用回路における凝縮器の下流側に配置されたポンプは、作動媒体を運搬する。

このような従来の廃熱利用回路では、ポンプ内の作動媒体を介して、望ましくないキャビテーション効果が生じうるという不都合があることが分かっている。これは、作動媒体に機械的に接触しているポンプの構成要素に損害を及ぼしうる。極端な場合には、ポンプが破壊されてしまうこともある。

従って、本発明は、廃熱利用回路内で使用する装置であって、作動媒体を駆動するポンプ内での望ましくないキャビテーション効果を相殺する装置を実現することを目的とする。

この目的は、独立請求項の主題によって達成される。好適な実施形態は、従属請求項の主題である。

従って、本発明は、作動媒体を過冷却させることで、作動媒体をできる限り液相のみでポンプ内を流動させるようにする、廃熱利用回路の均等化容器(以下、簡潔に「容器」と呼ぶ)を提供することを基本概念とする。このようにして、不要なキャビテーション効果を防止することができる。

本発明は、前記容器に、好ましくは硬質のハウジングを設けることを提案する。このハウジング内を、廃熱利用回路の作動媒体が流動する。また、前記ハウジングには、液密であって熱伝導性を有する体積可変のシースが配置される。このことにより、前記ハウジングにより画定されるハウジング内空間の有効体積を変えることができる。これは、目的とする前記作動媒体の過冷却のために極めて重要である。前記廃熱利用回路の前記作動媒体は、前記ハウジングに直接導入することができる。前記作動媒体は、前記ハウジング内を流動する間、前記熱伝導性シースを介して、補助媒体と熱的に相互作用することができる。一般に、容器に流入する際の作動媒体は、容器内で静止状態にある補助媒体よりも高温である。シースの熱伝導性により、作動媒体と補助媒体との間で温度平衡が生じるまで、より高温の作動媒体から、より低温の補助媒体へと熱が移動する。ここで、補助媒体の温度がその沸点に達すると、補助媒体の液相は少なくとも部分的に蒸発し始める。このことにより、シースにより画定されるシース内空間は、体積可変なシースの膨張によって拡張される。すると、補助媒体の液相と気相との間で均衡が生じるまで、作動媒体の圧力が上昇する。この均衡状態において、作動媒体の流体圧力は、補助媒体の沸騰圧力に相当する。補助媒体の沸点が作動媒体の沸点よりも低くなるように作動媒体と補助媒体とを選択することにより、作動媒体を、所望のように、常に過冷却された液状で廃熱利用回路内を流動させることができる。特に、外部からの積極的な補助がなくても、所望の過冷却レベルを確保することができる。

温度が低下した作動媒体が、容器の上流側にある廃熱利用回路の凝縮器からハウジング内空間に到達すると、熱の移動によって補助媒体の温度も短時間で低下し、ハウジング内空間に存在する気相の一部が凝縮されて液相となって、シース内空間の体積が減少する。この時、作動媒体が凝縮器から容器へと移動し、過冷却レベルが減少する。この減少は、過冷却が再び所望のレベルに達するまで生じる。

一方、作動媒体が蒸気の状態で凝縮器からハウジング内空間に到達すると、蒸気の体積が増加して流体圧力が直ちに上昇する。このことにより、外部からの制御を行わずとも、自動的に凝縮器の出口において完全な凝縮が生じる。

廃熱利用装置の運転中、廃熱利用回路に組み込まれた均等化容器内で、作動媒体の気相および液相が発生しうる。この結果、凝縮圧力が生じ、作動媒体の過冷却レベルが実質的に一定となる。過冷却された液状の作動媒体が凝縮器から均等化容器へ到達すると、その中の蒸気の一部が凝縮され、均等化容器内の作動媒体の流体圧力は減少する。一方、蒸気が凝縮器から均等化容器に到達すると、均等化容器内の流体圧力は、蒸気の体積増加によって、上昇する。この結果、作動媒体は、凝縮器から流出する際に完全に凝縮される。この凝縮のために外部制御機構を追加する必要はない。均等化容器のすぐ下流側にポンプを配置することにより、廃熱利用回路の作動媒体が常に液状でポンプに流入することが保証されうる。これにより、ポンプ内で不要なキャビテーションが生じることがなくなる。

本発明による、廃熱利用回路用容器は、ハウジング内空間を画定するハウジングを備え、前記作動媒体はこのハウジング内空間内を流動することができる。このために、前記ハウジングの適切な箇所に流入口および流出口を設けることができる。前記ハウジング内空間には、補助媒体を収容するシースが配置される。ここで、前記シースは液密であり、少なくともある領域において熱伝動性を有するように設計される。前記シースは、体積可変のシース内空間を画定する。ここでは、温度均等化のために必要な、2つのハウジング内空間の間での熱移動を数分のうちに、好ましくは数秒のうちに行うことができるあらゆる材料を、「熱伝導性」材料と解釈する。

好ましい実施形態において、前記ハウジング内空間は、少なくともその一部が前記作動媒体で充填され、かつ/または前記作動媒体が流動する空間である。従って、前記シースは、前記作動媒体と流体的に分離されるように、前記補助媒体で充填される。前記シース内の前記補助媒体はガス状および/または液状である。言い換えれば、前記シース内の前記補助媒体は、前記廃熱利用回路内の前記容器の現在の動作状態に応じて、気相または液相、あるいは両方の相を有しうる。ここで、前記補助媒体の沸点は、前記作動媒体の沸点より、好ましくは少なくとも10K、より好ましくは少なくとも14K低い。前記補助媒体の沸点を前記作動媒体の沸点よりも低くすることにより、前記廃熱利用回路の運転中に、目的とする前記作動媒体の過冷却を容易に行うことができる。

本発明において不可欠な、体積可変の前記シース内空間を実現するためには、前記シースに、液密であって弾性変形可能なメンブレンを設けることが提案される。この目的のために、好ましくはエラストマー、特に好ましくはプラスチックが検討される。

特に好ましくは、前記シースは、外側ハウジング内の、典型的には液状の前記作動媒体中で自由移動できるように配置することができる。このことにより、前記作動媒体と前記補助媒体との間で熱移動がなされている間に、前記シースの体積を特に迅速に拡大または縮小することができる。

さらに好ましい実施形態において、前記シースは、(第1)蛇腹部として構成される。このような蛇腹部により、目的とする、所定方向での前記シースの拡張が可能となる。この所定方向は、蛇腹状に形成された蛇腹部の材料が伸びる方向である。これは、前記容器の設置スペースの縮小につながる。

本発明の別の好適な展開形態において、前記ハウジング内空間には、前記ハウジング内空間を、前記作動媒体が流動可能な第1部分空間と、前記第1部分空間から流体的に分離された第2部分空間とに分割する分離装置が配置される。前記第2部分空間が、前記ハウジングに設けられた均圧化のための開口を介して前記容器の外部環境に流動的に接続されることにより、前記廃熱利用回路の冷温停止(cold shutdown)時に、前記作動媒体が通過する前記容器の有効体積を減少させることができる。したがって、運転中に蒸気で充填され得る廃熱利用回路の構成要素を液相で満たす(フラッディング(flooding))のに十分な流体容量が、常に利用可能である。冷温停止時または凝縮圧力が周囲圧力よりも低くなる時には、前記容器内に存在する前記作動流体の一部を用いて、フラッディングすることができる。前記第1部分空間から分離された前記第2部分空間により、前記均等化容器内での均圧化による減圧が達成できる。その結果、このように、廃熱利用回路内に存在するシールでの漏えいによって、冷温停止時における作動媒体の空気による望ましくない汚染が防止される。

前記分離装置は、液密であって弾性変形可能な材料からなり、前記2つの部分空間の体積比を相対的に変化させる分離要素を備えることにより、特に容易な方法で技術的に実現可能である。

一変形例として、前記分離装置は、(第2)蛇腹部または(第2)蛇腹部の一部として構成される。前記第1および第2蛇腹部を同時に用いることで、特に設置スペースを少なくすることができる。

さらに好ましい実施形態において、構成要素の数と、製造コストとが著しく削減される。この実施形態では、第2の蛇腹部として構成される前記分離装置と、前記第2部分空間に配置された弾性メンブレンとは、シースの「一部」である。

さらに別の好適な展開形態において、前記第2蛇腹部は、弾性メンブレンによって前記シースに完成される。このようにして、前記シースの体積を大きく変動させることができる。

さらに好適な別の展開形態では、設置スペースが特に少なくてすむ。これにより、前記分離装置は、液密であって弾性変形可能な材料からなり、前記2つの部分空間の体積比を相対的に変化させる分離要素を備える。前記分離要素は、さらに別の弾性を有する熱伝導性メンブレンと共に前記ハウジングに固定されて、前記ハウジング内空間を3つの部分空間に分割する。この場合、前記分離要素および前記メンブレンは前記シースの一部であって、第3部分空間は、前記シースによって画定される前記シース内空間となる。

本発明の好適な別の展開形態は、製造が特に容易である。これにより、2つのメンブレンは、前記ハウジングの共用ハウジング壁の内側に固定される。この変形例では、前記共用ハウジング壁が前記ハウジングの一部と前記シースの一部とを形成するように、固定が行われることが好ましい。

別の好ましい実施形態において、前記シースは、第1蛇腹部によって画定される。前記分離装置は、液密であって弾性を有する材料からなる分離要素を有し、前記第1蛇腹部は前記第1部分空間に配置される。

特に好適には、前記作動媒体はエタノールであってもよく、前記補助媒体はメタノールであってもよい。両媒体の沸点は、約14K異なるので、これら2つの媒体は、前記作動媒体の望ましい過冷却を確実に行うのに特に好適である。

別の好ましい実施形態において、前記ハウジングは、前記作動媒体を前記第1部分空間へ導入する流入口と、前記ハウジングに設けられて前記作動媒体を前記第1部分空間から外部へ流出させる流出口とを有する。ここで、少なくとも前記流出口は、好ましくは前記ハウジングの下部領域に配置され、特に好ましくは前記ハウジングのハウジング基部に配置される。ここでいう「下部領域」とは、前記廃熱利用回路における前記容器の使用位置である。これらの条件は単独または組み合わせて、前記作動媒体が前記流出口を介して前記容器から取り出される際に、前記作動媒体が液相のみで存在することを確実にすることを目的とする。

本発明のさらに重要な特徴および利点は、従属項、図面ならびに図面の説明により明らかになるだろう。

上述の特徴および以下でさらに説明する特徴は、本発明の範囲から逸脱することなく、それぞれ示された組み合わせだけでなく、他の組み合わせまたは単独で使用されうることを理解されたい。

本発明の好ましい実施形態を、図面に示し、以下の記載においてさらに説明する。以下の記載において、同一、同様または機能的に同一の構成要素には、同じ参照番号を付す。

図1は、本発明の容器の一例を示す。

図2は、本発明の容器の一例を示す。

図3は、本発明の容器の一例を示す。

図4は、本発明の容器の一例を示す。

図5は、本発明の容器の一例を示す。

図6は、本発明の容器の一例を示す。

図7は、本発明の容器の一例を示す。

図8は、本発明の容器が組み込まれる、廃熱利用装置の廃熱利用回路の構造を示す概略図である。

図1は、本発明の容器1の第1の例を示す。この容器は、自動車用の廃熱利用装置の廃熱利用回路50において動作可能である。容器1は、機械的に硬質なハウジング2を有する。ハウジング2は、所定体積のハウジング内空間3を画定する。ハウジング内空間3では、作動媒体6が流動する。作動媒体は、ハウジング2に設けられた流入口12を通ってハウジング内空間3へと導入され、同じくハウジング2に設けられた流出口13を通って、ハウジング内空間3の外へ誘導されうる。

ハウジング内空間3には、分離装置8が配置される。分離装置8は、ハウジング内空間3を、作動媒体6で充填されうる第1部分空間10aと、第1部分空間10aから流体的に分離された第2部分空間10bとに分割する。流入口12および流出口13は、第1部分空間10aに流動的に接続される。分離装置8は、液密であって弾性を有する材料からなり、前記2つの部分空間10a、10bの体積比を相対的に変化させる分離要素9を備える。分離要素9は、メンブレンであってもよく、例えばエラストマーからなっていてもよい。分離要素9は、ハウジング2の内側に接着接続されることで、別の固定手段を用いることなく、ハウジング2に直接固定されうる。接着接続による直接的固定に代えて、例えばクランピングまたはねじ止めといった別の固定方法を用いることもできる。この場合、分離装置8に適当な固定要素を設けることが必要である。その固定要素により、分離要素9とハウジング2のクランピングまたはねじ止めを行うことができる。

図1に示すように、容器1のハウジング2には、均圧化のための開口15が存在する。この開口により、第2部分空間10bが容器1の外部環境14に流動的に接続され、第2部分空間10aの流体圧力が常に外部環境14の流体圧力と一致するようになる。また、ハウジング2には、充填および換気のための開口16が設けられている。この開口は、ハウジング内空間3から遠ざかるようにハウジング2の外側へ突出する、充填および換気のための接続部17を有する。充填および換気のための開口16は、ハウジング内空間3の第1部分空間10aを容器1の外部環境14に流動的に接続する。充填および換気のための接続部17は、適切に構成された封止キャップ18によって閉じることができる。ハウジング内空間3の第1部分空間10aには、シース4がさらに配置される。シース4は液密であって、少なくともある領域において熱伝導性を有するように設計されている。シース4は体積可変のシース内空間5を画定し、このシース内空間5には補助媒体7が配置される。シース4は、図1に概略的に示すように、液密であって弾性を有するメンブレン11として構成されてもよい。この目的のために、メンブレン11は、作動媒体6と補助媒体7との間の温度均等化のための熱伝導性材料を含む弾性材料を有する。分離要素の場合と同様に、エラストマーが検討される。

図1に示すように、補助媒体7は、気相7aと液相7bの両方でシース内空間5に存在する。補助媒体7の沸点は、作動媒体6の沸点よりも10K、好ましくは少なくとも14K低い値である。従って、作動媒体は好ましくはエタノールであり、補助媒体は好ましくはメタノールである。

図1に示す状態において、作動媒体6と補助媒体7の温度は、ほぼ同一である。この状態は、熱伝導性メンブレン11を介して、元来より高温の作動媒体6から、元来より低温の補助媒体へと熱が移動することによって生じる。補助媒体7が熱を吸収することにより、補助媒体は図1に示す、部分的な液相7bを形成する。これは、メンブレン11によって画定されたシース内空間5において液相7aと気相7bとの間で均衡が生じるまで、作動媒体6の流体圧力の上昇を伴う。ハウジング内空間3の作動媒体6の流体圧力は、シース内空間5内の補助媒体7の沸点に相当する。このように、作動媒体6において、特に外部からの積極的な補助がなくとも、廃熱利用回路50内での動作のために、所望の過冷却レベルが常に確保される。温度が低下した作動媒体6が、容器1の上流側にある廃熱利用回路の凝縮器からハウジング内空間3に到達すると、熱の移動によって補助媒体7の温度も短時間で低下し、ハウジング内空間に存在する気相7aの一部が凝縮されて液相7bとなる。これに伴い、補助媒体7の流体圧力が減少し、作動媒体6の流体圧力も減少する。この減少は、作動媒体6の過冷却が所望のレベルに再び達するまで生じる。一方、作動媒体6が高温の気体すなわち蒸気として凝縮器からハウジング内空間3に到達すると、作動媒体6および補助媒体7の流体圧力が上昇するので、外部からの制御を行わずとも、自動的に凝縮器の出口において完全な凝縮が生じる。

図1は、作動媒体が所望の過冷却状態である容器1を示す。比較として、図2に、容器1を用いた廃熱利用装置50がいわゆる冷温停止状態にある、図1の容器を示す。廃熱利用装置50の冷温停止時に、シールでの漏えいによる作動媒体6の空気汚染を防止するためには、ハウジング内空間3での圧力降下をできる限り防止しなければならない。これは、容器1の外部環境14に流動的に接続される第2部分空間10bにより行われ、第1部分空間10aで起こる圧力低下時に、第1部分空間10aの体積を直ちに減少させることができる。このようにして、運転中に気相の作動媒体6で充填される廃熱利用装置50の廃熱利用回路51の構成要素を、液相の作動媒体6で満たすことができる。

従って、第1部分空間10aの流体圧力が最小許容膨潤圧を下回ると、第1部分空間10aは、可撓性の分離装置8により収縮するので、すでに発生した圧力降下を再び軽減することができる。容器1における圧力降下を防止するには、第2部分空間10bを開口15を介して外部環境14に接触させて、均圧を行えるようにする。図2を図1と比較すると、ハウジング2のハウジング壁から遠ざかるように分離要素9が移動することにより、図1の状態と比較して、第2部分空間10bの体積が増加し、第1部分空間10aの体積が減少する。また、図2から分かるように、第1部分空間10aにおいて流体圧力が低下することにより、シース4により画定されたシース内空間5の体積も減少するので、図1の状態ではまだ残っている補助媒体7の気相7aが完全に凝縮する。

図3に、図1および図2の容器1の変形例を示す。図3の例において、シース4は(第1)蛇腹部19として構成される。また、図3の容器において、2つの部分空間10a、10bを形成する分離装置8は省略され、ハウジング2には均圧化のための開口15は設けられていない。図3に明らかに示すように、蛇腹部19は、第1蛇腹端壁20aと、第1蛇腹端壁20aに対向する第2蛇腹端壁20bとを有する。2つの蛇腹端壁20a、20bは、実質的に円筒状の蛇腹部19の正面側を画定する。2つの蛇腹端壁20a、20bは、図1に示す弾性を有する熱伝導性メンブレン11により、接続される。メンブレン11は、実質的に円筒状の蛇腹部19の周壁21を形成する。この周壁21は、2つの蛇腹端璧20a、20bに液密に接着接続することにより固定されうる。これに代えて、特にねじ止めやクランピング等のその他の適切な固定方法が検討される。

図4の容器1は、図3に示す例のさらなる展開形態である。図4の容器には、第1蛇腹部19として構成されたシース4に加えて、分離装置8もまた第2蛇腹部22として構成されている。第2蛇腹部22によって画定される空間が、第1部分空間10aを形成し、これを補完するハウジング内空間3の領域が、第2部分空間10bを形成する。図4の例において、第1蛇腹部19は第2部分空間10bに配置される。

図4によれば、第2蛇腹部21もまた、第1蛇腹端壁23aと、それに対向する第2蛇腹端壁23bとを有する。2つの蛇腹端壁23a、23bは、実質的に円筒状の第2蛇腹部22の正面側を画定する。2つの蛇腹端璧23a、23bは、分離装置8の分離要素9、つまり第2蛇腹部22により互いに接続されて、液密のメンブレン24を形成している。このため、分離要素9は、第2蛇腹部22の周面を画定する弾性周壁25として構成されている。この周壁25は、液密に接着接続することで2つの蛇腹端璧23a、23bに固定されうる。これに代えて、図3の例に関連して述べた、特にねじ止めやクランピング等の第1蛇腹部19の固定方法もまた、検討される。

図4の例では、図1および図2の容器と同様の方法で、流入口12および流出口13がハウジング2に設けられる。これらは共に、第2蛇腹部22によって画定された空間、すなわち第1部分空間10aに流動的に接続している。図4に示すように、2つの蛇腹部19、22の端璧20aおよび23bは、互いに対向して配置されうる。図4に示すように、端璧23aは、ハウジング2のハウジング壁26により形成してもよい。あるいは、端璧23aは、例えば接着接続により、このハウジング壁26に対して平坦に固定してもよい。

また、図4のハウジング2には、図1及び図2の容器と同様の方法により、充填および換気のための開口16が設けられている。この開口において、充填および換気のための接続部17が、ハウジング内空間3から遠ざかるようにハウジング2の外側へ突出している。充填および換気のための開口16は、ハウジング内空間3の第1部分空間10aを容器1の外部環境14に流動的に接続する。充填および換気のための接続部17は、封止キャップ18によって密閉することができる。図4の容器1は、第2部分空間10bを容器の外部環境14に流動的に接続する、均圧化のための開口15を有する。圧力逃がし弁28を、充填および換気のための接続部17上に設けてもよい。

図5に、容器1のさらに別の技術的に実現可能な例を示す。この例において、(第2)蛇腹部22として構成される分離装置8は、シース4の一部である。第2部分空間10bに配置された弾性メンブレン29と、ハウジング2のハウジング壁26とが、第2蛇腹部22の一部(シース4の一部でもある)を、シース4に完成させる。

図6に示すさらに別の変形例では、分離装置8は、液密であって弾性変形可能な材料からなり、2つの部分空間10a、10bの体積比を相対的に変化させる分離要素9を備える。分離要素9は、さらに別の弾性を有する熱伝導性メンブレン11と共にハウジング2に固定されて、ハウジング内空間3を3つの部分空間10a、10b、10cに分割する。分離要素9およびメンブレン11は、シース4の一部である。第3部分空間10cは、シース4によって画定されるシース内空間5を形成する。分離要素9とメンブレン11の固定は、図6に示す共用ハウジング壁26が、ハウジング2の一部とシース4の一部とを形成するように行ってもよい。

図7に示す変形例では、メンブレン11が、その構造が実質的または正確に図3の蛇腹部19に対応する第1蛇腹部19に置き換えられている。図3の例のように、シース4は蛇腹部19により形成される。分離装置8は、図6と同様の方法で構成され、液密の弾性材料からなるメンブレン29として実現される。図7に示すように、第1蛇腹部19は第1部分空間10aに配置される。蛇腹部19の蛇腹端璧20aは、ハウジング2のハウジング壁26により形成されてもよい。これに代えて、蛇腹端璧20aは、例えば平坦に接着接続することにより、ハウジング壁26の内側に固定してもよい。

図5〜図7の例において、ハウジング2は、ハウジング壁26によって閉じられる、ポット状のハウジングポット27を有するように構成され、ハウジング壁26は、カバーの役割を果たす。

図8に、作動媒体6が循環し、先述の容器1が配置される廃熱利用回路51を有する、廃熱利用装置の構造を概略的に示す。廃熱利用回路51では、作動媒体6を運搬する運搬ポンプとしての運搬装置52が、容器1の下流側に配置される。運搬装置52の下流側には、作動媒体6を蒸発させる2つの蒸発器53が配置される。蒸発器53の下流側には、膨張機54が配置される。膨張機54の下流側には、凝縮器55が設けられ、その下流側に容器1が設けられる。したがって、廃熱利用回路51は閉回路を形成している。凝縮器55と容器1の間には、作動媒体6をろ過するためのろ過装置56を任意に設けることができる。

本発明は、廃熱利用回路(50)の容器(1)に関する。容器(1)は、作動媒体(6)がその中を流動できるように、ハウジング内空間(3)を画定するハウジング(2)と、補助媒体(7)を収容可能かまたは収容しているハウジング内空間(3)に配置されるシース(4)とを備える。本発明によれば、前記シース(4)は液密であり、体積可変であり、少なくともある領域において熱伝導性を有するように設計され、シース内空間(5)を画定する。