JP6526432B2 - 廃熱回収装置 - Google Patents

Description

本発明は、廃熱回収装置に関し、特にランキンサイクル装置を備える廃熱回収装置に関する。

従来、ランキンサイクル装置を備える廃熱回収装置に関する技術として、例えば特許文献１に記載された廃熱回収装置が知られている。特許文献１に記載された廃熱回収装置は、蒸発器及び膨張機を有するランキンサイクル装置と、蒸発器及び膨張機の間に設けられた気液分離機とを備えている。この廃熱回収装置では、気液分離機で作動流体の液相と気相とを分離し、当該液相の熱を利用して蒸発器に向かう作動流体を加熱する。

国際公開ＷＯ２０１０／１３７３６０号パンフレット

ここで、近年の廃熱回収装置としては、例えばエンジンにおける燃費低減を図るため、膨張機から流出する作動流体が有するエネルギを有効に利用し、廃熱回収効率を更に向上させ得るものが求められている。

本発明は、上記実情に鑑みてなされたものであり、廃熱回収効率を向上できる廃熱回収装置を提供することを課題とする。

本発明に係る廃熱回収装置は、作動流体が循環されるランキンサイクル装置を備える廃熱回収装置であって、ランキンサイクル装置は、作動流体が流入されて動力を出力する膨張機と、膨張機の下流に設けられ、作動流体の気相と液相とを分離する気液分離機と、膨張機の上流に設けられ、気液分離機で分離した作動流体の気相を膨張機の上流に導くエジェクタと、を有する。

この廃熱回収装置では、膨張機から流出した作動流体の気相は、気液分離機により分離されてエジェクタにより膨張機の上流に導かれ、再度膨張機に流入される。これにより、膨張機における作動流体の気相の流量を増すことができ、膨張機から流出する作動流体のエネルギを有効に利用することができる。よって、廃熱回収効率を向上することが可能となる。

また、ランキンサイクル装置は、作動流体を冷却して凝縮させる凝縮器を有し、気液分離機は、膨張機と凝縮器との間に設けられていてもよい。この場合、凝縮器には、気液分離機により分離された作動流体の液相が流入するため、凝縮器において凝縮に係る放熱量が低減される。その結果、凝縮器の小型化が見込まれる。

また、ランキンサイクル装置は、作動流体を加熱して蒸発させる蒸発器を有し、エジェクタは、蒸発器の下流側において蒸発器と一体に形成されていてもよい。蒸発器とエジェクタとが別体の場合、蒸発器の下流側とエジェクタとのそれぞれが作動流体の圧力損失箇所となり得るが、蒸発器の下流側でエジェクタが一体に形成されていると、当該圧力損失箇所が減ることになるため、作動流体の圧力損失を抑制することができる。

本発明によれば、廃熱回収効率を向上できる廃熱回収装置を提供することができる。

第１の実施形態に係る廃熱回収装置を示す概略ブロック図である。 第２の実施形態に係る廃熱回収装置を示す概略ブロック図である。

以下、本発明の一側面に係る好適な実施形態について、図面を参照しつつ詳細に説明する。なお、以下の説明において、同一又は相当要素には同一符号を付し、重複する説明を省略する。
（第１の実施形態）

図１は、第１の実施形態に係る廃熱回収装置を示す概略ブロック図である。図１に示すように、第１の実施形態に係る廃熱回収装置１は、ランキンサイクル装置１０を備え、例えば車両に搭載される。適用される車両としては、例えばトラックやバス等の商用車が挙げられる。なお、車両としては、特に限定されるものではなく、例えば大型車両や中型車両、普通乗用車、小型車両又は軽車両等の何れであってもよい。

ランキンサイクル装置１０は、例えばエンジン２０の廃熱を入熱として、当該廃熱に係る熱エネルギを動力に変換して出力する。ランキンサイクル装置１０は、その流路１７において、作動流体ポンプ１１と、蒸発器１２と、膨張機１４と、凝縮器１６と、を有している。ランキンサイクル装置１０の流路１７は、第１流路１７ａ〜第７流路１７ｇを含み、流路１７には、作動流体Ｍが循環される。作動流体Ｍとしては、種々のものを用いることができ、ここでは、低沸点媒体であるＲ１３４ａが用いられる。

作動流体ポンプ１１は、流路１７上において作動流体Ｍを送出（圧送）して循環させるポンプである。作動流体ポンプ１１は、作動流体Ｍを圧縮すると共に、当該作動流体Ｍを流路１７における下流側の第１流路１７ａに送出する。

蒸発器１２は、第１流路１７ａの下流側に設けられ、作動流体ポンプ１１で圧縮された作動流体Ｍを加熱して蒸発させる熱交換器である。蒸発器１２には、エンジン２０の冷却水Ｗが流通される。蒸発器１２は、冷却水Ｗを介して入熱されたエンジン２０の廃熱により作動流体Ｍを加熱する。蒸発器１２は、蒸発させた作動流体Ｍを流路１７における下流側の第２流路１７ｂに流出する。

エジェクタ１３は、第２流路１７ｂの下流側に設けられ、膨張機１４の上流に設けられている。エジェクタ１３は、絞り部１３ａと、吸引部１３ｂと、膨張部１３ｃと、を有する。絞り部１３ａは、第２流路１７ｂの下流側と接続されており、流路１７における下流側に向かって先細りとなるノズル状部材である。吸引部１３ｂは、絞り部１３ａ及び膨張部１３ｃの境界部に配置されており、膨張部１３ｃと気液分離機１５とを第５流路１７ｅを介して接続する。膨張部１３ｃは、流路１７の下流側に向かって末広がりとされた略円錐形状を呈している。膨張部１３ｃは、第３流路１７ｃの上流側と接続されている。エジェクタ１３は、蒸発器１２で蒸発した作動流体Ｍの気相と、気液分離機１５から導かれた作動流体Ｍの気相とを、流路１７における下流側の第３流路１７ｃに流出する（詳しくは後述）。

膨張機１４は、第３流路１７ｃの下流側に設けられている。膨張機１４は、流入された作動流体Ｍが膨張することで回転され、動力を出力する。膨張機１４としては、例えばタービン等が用いられる。膨張機１４は、例えば機械出力を出力してもよく、例えば発電機が接続されて電気出力を出力してもよい。膨張機１４は、膨張した作動流体Ｍを流路１７における下流側の第４流路１７ｄに流出する。

気液分離機１５は、第４流路１７ｄの下流（膨張機１４の下流）に設けられ、膨張機１４から流出した作動流体Ｍが流入される。気液分離機１５は、膨張機１４を流出した作動流体Ｍの気相と液相とを分離する。気液分離機１５としては、例えば、遠心力で作動流体Ｍの液相が分離される遠心式のものを採用することができる。気液分離機１５は、分離した作動流体Ｍの気相を第５流路１７ｅに流出する。また、気液分離機１５は、膨張機１４と凝縮器１６との間に設けられており、分離した作動流体Ｍの液相を第６流路１７ｆに流出する。

凝縮器１６は、第６流路１７ｆの下流側に設けられ、作動流体Ｍを冷却して凝縮（液化）させる熱交換器である。凝縮器１６は、低温熱源（図示せず）により冷却される。低温熱源は、例えばサブラジエータが含まれ、車両が走行する際の走行風により凝縮器１６を冷却する。凝縮器１６は、凝縮させた作動流体Ｍを流路１７における下流側の第７流路１７ｇに流出する。

エンジン２０は、例えば水冷式ディーゼルエンジン等の内燃機関であり、ＥＧＲクーラ２１と、冷却水流路２２と、ラジエータ２３と、を有している。ＥＧＲクーラ２１は、ＥＧＲ［Exhaust Gas Recirculation］ガスを冷却するための熱交換器である。冷却水流路２２は、エンジン２０の冷却水Ｗが流通される流路である。冷却水流路２２では、例えば、エンジン２０のシリンダヘッド内部及びシリンダブロック等に冷却水Ｗが流通されてエンジン２０が冷却されると共に、ＥＧＲクーラ２１に冷却水Ｗが流通されてＥＧＲクーラ２１が冷却される。冷却水流路２２は、ラジエータ２３に接続されている。ラジエータ２３は、エンジン２０及びＥＧＲクーラ２１を冷却した冷却水Ｗを、例えば走行風との熱交換により冷却する。

以上のように構成された廃熱回収装置１では、エジェクタ１３において、蒸発器１２からの作動流体Ｍが絞り部１３ａを通過することで生じる当該作動流体Ｍの圧力低下を利用して、気液分離機１５で分離された作動流体Ｍの気相が膨張機１４の上流に導かれる。

具体的には、蒸発器１２で蒸発した作動流体Ｍ（作動流体Ｍの気相）は、絞り部１３ａに流入し通過する。絞り部１３ａを通過した作動流体Ｍは、膨張部１３ｃにおいて膨張するため、膨張部１３ｃにおける作動流体Ｍの圧力が低下する。よって、膨張部１３ｃにおける作動流体Ｍの圧力は、気液分離機１５側（第５流路１７ｅ側）の作動流体Ｍの圧力よりも低くなる。その結果、気液分離機１５で分離された作動流体Ｍの気相は、第５流路１７ｅを介して当該圧力差でもって吸引部１３ｂに導かれ、エジェクタ１３の膨張部１３ｃに導入される。

膨張機１４には、蒸発器１２で蒸発した作動流体Ｍと、エジェクタ１３により気液分離機１５から導かれた作動流体Ｍの気相とが流入される。その結果、膨張機１４における作動流体Ｍの流量が増加されると共に、膨張機１４から流出後の作動流体Ｍのうち、液相よりもエネルギが高い気相が膨張機１４に再度流入する。

他方、凝縮器１６には、気液分離機１５で分離された作動流体Ｍの液相が流入する。具体的には、気液分離機１５が膨張機１４と凝縮器１６との間に設けられているため、凝縮器１６には、膨張機１４から流出後の作動流体Ｍのうち、気相よりもエネルギが低い液相が流入する。その結果、凝縮器１６において凝縮に係る放熱量（必要放熱量）が低減されると共に、作動流体Ｍの気相と液相とが混在している場合と比較して凝縮器１６における作動流体Ｍの熱容量が増大し、凝縮器１６の熱交換効率が向上する。

以上、第１の実施形態に係る廃熱回収装置１によれば、膨張機１４から流出した作動流体Ｍは、気液分離機１５により液相と気相とに分離される。分離された作動流体Ｍの気相は、エジェクタ１３により膨張機１４の上流に導かれ、再度膨張機１４に流入される。これにより、膨張機１４における作動流体Ｍの流量を増すことができ、膨張機１４から流出する作動流体Ｍの廃熱をそのまま利用することができる。このように、膨張機１４から流出する作動流体Ｍが有するエネルギを有効に利用でき、廃熱回収効率（システム効率）を向上することが可能となる。

また、ランキンサイクル装置１０は、作動流体Ｍを冷却して凝縮させる凝縮器１６を有し、気液分離機１５は、膨張機１４と凝縮器１６との間に設けられている。この場合、凝縮器１６には、気液分離機１５により分離された作動流体Ｍの液相が流入するため、凝縮器１６において凝縮に係る放熱量が低減される。その結果、凝縮器１６の小型化が見込まれる。
（第２の実施形態）

次に、第２の実施形態について説明する。第２の実施形態に係る廃熱回収装置１Ａは、エジェクタ１３が蒸発器１２の下流側において蒸発器１２と一体に形成されている点以外は、基本的に第１の実施形態と同様である。以下の説明では、第１の実施形態と相違する事項のみを説明し、第１の実施形態と同様の説明を省略する。

図２は、第２の実施形態に係る廃熱回収装置を示す概略ブロック図である。図２に示すように、エジェクタ１３は、蒸発器１２の下流側において蒸発器１２と一体に形成されている。エジェクタ１３は、絞り部１３ｄと、吸引部１３ｂと、膨張部１３ｃと、を有する。吸引部１３ｂ及び膨張部１３ｃは、第１の実施形態と同様に構成されている。

絞り部１３ｄは、流路１７における下流側に向かって先細りとなるノズル状部材であり、第２流路１７ｂを介することなく蒸発器１２の下流側の出口部と接続されている。絞り部１３ｄは、例えば蒸発器１２の下流側の出口部を流路１７における下流側に向かって先細りとなるように形成することにより、蒸発器１２と一体に形成することができる。

ところで、一般的に、蒸発器１２とエジェクタ１３とが別体で設けられる場合、蒸発器１２の下流側の出口部で絞られると共に、エジェクタ１３の絞り部１３ａで絞られ、すなわち、蒸発器１２の下流側及びエジェクタ１３の両方において、作動流体Ｍの流路１７に断面積変化が生じる。よって、蒸発器１２の下流側及びエジェクタ１３の絞り部１３ａは、作動流体Ｍの圧力損失が大きい圧力損失箇所となり得る。この点、第２の実施形態では、エジェクタ１３が蒸発器１２の下流側で蒸発器１２と一体に形成されていることから、作動流体Ｍの流路１７に断面積変化が生じる当該圧力損失箇所を一箇所にまとめることができる。よって、当該圧力損失箇所が減ることになるため、作動流体Ｍの圧力損失を抑制することができる。

以上、本発明に係る好適な実施形態について説明したが、本発明は、上記実施形態に限られるものではなく、各請求項に記載した要旨を変更しない範囲で変形し、又は他のものに適用してもよい。

例えば、上記実施形態では、エンジン２０の一例としてディーゼルエンジンを用いて説明したが、ガソリンエンジン等のエンジンでもよい。

また、絞り部１３ａ（１３ｄ）と、吸引部１３ｂと、膨張部１３ｃと、を有するエジェクタ１３を例示したが、エジェクタ１３は、これに限定されるものではない。膨張機１４の上流に設けられ、気液分離機１５で分離した作動流体Ｍの気相を膨張機１４の上流に導くものであれば、種々のエジェクタを用いることができる。

１，１Ａ…廃熱回収装置、１０…ランキンサイクル装置、１２…蒸発器、１３…エジェクタ、１４…膨張機、１５…気液分離機、１６…凝縮器、Ｍ…作動流体。

Claims (3)

1. 作動流体が循環されるランキンサイクル装置を備える廃熱回収装置であって、
   前記ランキンサイクル装置は、
   前記作動流体が流入されて動力を出力する膨張機と、
   前記膨張機の下流に設けられ、前記作動流体の気相と液相とを分離する気液分離機と、
   前記膨張機の上流に設けられ、前記気液分離機で分離した前記作動流体の前記気相を前記膨張機の上流に導くエジェクタと、
   前記作動流体を冷却する熱交換器と、を有し、
   前記気液分離機は、前記膨張機と前記熱交換器との間に設けられている、廃熱回収装置。
2. 前記膨張機と前記気液分離機との間には、前記作動流体を冷却する熱交換器が設けられていない、請求項１に記載の廃熱回収装置。
3. 前記ランキンサイクル装置は、前記作動流体を加熱して蒸発させる蒸発器を有し、
   前記エジェクタは、前記蒸発器の下流側において流路を介することなく前記蒸発器と一体に形成されている、請求項１又は２に記載の廃熱回収装置。

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