廃熱回収システム

本発明は廃熱回収システムに関し、更に詳しくは、内燃機関の廃熱をランキンサイクルにおける冷媒の熱分解を招くことなく高効率で回収する廃熱回収システムに関する。

従来より、内燃機関の廃熱を回収して燃費を向上させることを目的として、ランキンサイクルを利用することが提案されている(例えば、特許文献1を参照)。このランキンサイクルを効率よく作動させるためには、冷媒の圧力を変化させることにより、その蒸発温度を調整する必要がある。廃熱回収用のランキンサイクルで使用されるフロン系の冷媒は、低温で気化するため、適切な圧力にすることで100℃以下の低温の熱源でもランキンサイクルを作動できるという特徴を有しているが、その冷媒の温度を熱分解温度よりも高温にすることができないという欠点がある。

自動車等の内燃機関から排ガスの廃熱を回収する際には、運転状況によっては排ガスの温度が100〜800℃と大きく変化する。更に、排ガスの温度が高いときには、排気流量も比例して増加するため、廃熱量も非常に大きくなる。また、内燃機関の冷却水からの廃熱についても、温度は80〜100℃と大きく変化しないが、廃熱量は大きく変化する。

上記のように熱量が大きく変化する廃熱を回収する場合において、ランキンサイクルの冷媒の温度を、熱分解温度以下であって、かつ高効率に作動する圧力下での蒸発温度に保つためには、冷媒の流量を適正に変化させればよい。

しかしながら、従来の廃熱回収用のランキンサイクルのように、膨張器及びポンプがそれぞれ1台ずつしかない構成では、圧力を既定値に保ちながら温度が一定に維持されるように冷媒の流量を変化させることは困難であった。

特開平11−51582号公報

本発明の目的は、内燃機関の廃熱をランキンサイクルにおける冷媒の熱分解を招くことなく高効率で回収することができる廃熱回収システムを提供することにある。

上記の目的を達成する本発明の廃熱回収システムは、冷媒ポンプ、蒸発器、膨張器及び凝縮器を冷媒が順に循環してなるランキンサイクルと、前記ランキンサイクルを制御する制御手段とを備え、前記蒸発器の加熱源に内燃機関の廃熱を用いる廃熱回収システムにおいて、前記膨張器及び凝縮器からなるセットに対して、別の膨張器及び凝縮器からなる別のセットを少なくとも一個並列に接続するとともに、それら並列に接続された別のセットにおける膨張器にその作動を停止させる作動停止手段を設け、かつ前記蒸発器の入口及び出口に圧力センサ及び温度センサをそれぞれ配設し、前記制御手段は、前記温度センサの測定値が、前記冷媒の熱分解温度以下であって予め設定された規定温度値となるように、前記作動停止手段のうちの少なくとも1つを設定又は解除するとともに、前記圧力センサの測定値が予め設定された規定圧力値になるように前記冷媒ポンプの回転数を制御することを特徴とするものである。

本発明の廃熱回収システムによれば、従来のランキンサイクルにおける膨張器及び凝縮器を並列に複数接続して、冷媒の温度に応じて流路を適切に選択することで、内燃機関の廃熱量が変化しても、ランキンサイクルの冷媒の温度が、熱分解温度以下であって高効率に作動する圧力下の温度値に常に維持されるようにしたので、内燃機関の廃熱をランキンサイクルにおける冷媒の熱分解を招くことなく高効率で回収することができる。

本発明の実施形態からなる廃熱回収システムの構成図である。

本発明の実施形態からなる廃熱回収システムにおけるECUの制御内容を説明するフロー図である。

以下に、本発明の実施の形態について、図面を参照して説明する。図1は、本発明の実施形態からなる廃熱回収システムを示す。なお、図中の矢印は流体の流れる方向を示している。

この廃熱回収システムは、トラックなどの車両に搭載され、冷媒ポンプ1、蒸発器2、膨張器3及び凝縮器4を冷媒5が順に循環してなるランキンサイクル6を備えており、内燃機関であるディーゼルエンジン7の廃熱を回収することを目的としている。

ランキンサイクル6における蒸発器2の加熱源には、ディーゼルエンジン7の排ガスや、エンジン本体用の冷却水などが用いられる。また、凝縮器4の冷却源には、インタークーラー用の冷却水などが用いられる。また、冷媒5としては、水、エタノール及びフッ素化合物などが例示される。

ランキンサイクル6を流れる冷媒5は、冷媒ポンプ1において液体の状態で圧縮され、蒸発器2において定圧的に加熱されて高圧のガスとなり、膨張器3で断熱膨張しつつタービン軸8を通じて発電機9を回転駆動して発電させた後に、凝縮器4において定圧的に冷却されて液体に戻る。

そして、このランキンサイクル6における膨張器3及び凝縮器4に対して、それらと同一仕様の別の膨張器E及び凝縮器CからなるセットSがn個(nは自然数)並列に接続されている。また、各セットS₁〜S_nにおける膨張器E₁〜E_nには、設定又は解除することにより膨張器E₁〜E_nの作動を停止又は進行させる作動停止手段B₁〜B_nがそれぞれ取り付けられている。この作動停止手段Bとしては、特に限定するものではないが、膨張器Eのタービン軸Aに機械的な負荷を加えるブレーキなどが例示される。なお、作動停止手段B_nが設定されると、当該セットS_nには冷媒5は循環しないようになる。

更に、蒸発器2の入口側には冷媒5の圧力を測定する圧力センサ10が、出口側には冷媒5の温度を測定する温度センサ11が、それぞれ配設されている。

上記の作動停止手段B₁〜B_n、冷媒ポンプ1、圧力センサ10及び温度センサ11は、制御手段であるECU12に信号線(一点鎖線で示す)を通じてそれぞれ接続している。

なお、上記のセットSの個数nは、ディーゼルエンジン7の仕様及び運転条件や、冷媒ポンプ1及び蒸発器2の性能により適宜決定される。

このような廃熱回収システムにおけるECU12の制御内容を、図2に基づいて以下に説明する。

ECUは、制御変数i(整数)を初期化した後に(S10)、温度センサ11の測定値Tを入力し(S15)、その測定値Tが冷媒5の熱分解温度以下であって予め設定された規定温度値Tsと等しくなるように各作動停止手段B₁〜B_nのうちの少なくとも1つを設定又は解除する。この規定温度値Tsは、ランキンサイクル6において冷媒5が高効率に作動する温度であり、冷媒5の種類により決定される。

具体的には、測定値Tが規定温度値Ts未満であるときは(S20)、ディーゼルエンジン7の廃熱量が比較的小さいと判断して、各作動停止手段B₁〜B_nを順に設定する(S25〜S30)ことにより、従来の膨張器3及び凝縮器4にのみ、又はそれに加えて適切な個数のセットSにのみ冷媒5が流れるようにする。一方で、測定値Tが規定温度値Ts超であるときは(S35)、ディーゼルエンジン7の廃熱量が比較的大きいと判断して、各作動停止手段B₁〜B_nを順に解除する(S40〜S45)ことにより、従来の膨張器3及び凝縮器4に加えて適切な個数のセットSに冷媒5が流れるようにする。

そして、測定値Tが規定温度値Tsと等しくなったと判断したときには(S50)、圧力センサ10の測定値Pを入力し(S55)、その測定値Pが予め設定された規定圧力値Psと等しくなるように冷媒ポンプ1の回転数を制御する(S60〜S65)。この規定圧力値Psは、ランキンサイクル6において冷媒5が高効率に作動する圧力であり、冷媒5の種類により決定される。

ディーゼルエンジン7の運転時においては、上記のステップ10〜65を繰り返す。

このような制御を行うことで、ディーゼルエンジン7の廃熱量が変化しても、ランキンサイクル6の冷媒5の温度が、熱分解温度以下であって高効率に作動する圧力下の温度値に常に維持されるので、ディーゼルエンジン7の廃熱を、冷媒5を熱分解させることなく高効率で回収することができるのである。

本発明の廃熱回収システムは、上述したトラックなどの車両に限らず、固定式の動力発生機や大型発電機などにも搭載することができる。また、内燃機関はディーゼルエンジン7に限るものではない。

1 冷媒ポンプ 2 蒸発器 3、E 膨張器 4、C 凝縮器 5 冷媒 6 ランキンサイクル 7 ディーゼルエンジン 10 圧力センサ 11 温度センサ 12 ECU B 作動停止手段 S セット