JP6298370B2 - 廃熱回収装置 - Google Patents

Description

本発明は、廃熱回収装置に関する。

車両等において廃熱回収技術は燃費向上を図るひとつの有効な手段であり、従来、エンジンの冷却水から廃熱回収するランキンサイクルシステムを用いた廃熱回収装置が知られている。この種の技術として、例えば下記特許文献１には、車両に搭載されるランキンサイクルシステムであって、作動媒体を加熱して蒸発させる蒸発器と、蒸発器で蒸発された作動媒体を利用して発電を行うための膨張器と、膨張器で発電に利用された作動媒体を冷却して凝縮する凝縮器と、凝縮器で凝縮された作動媒体を圧縮して蒸発器に送るポンプと、を備えたものが記載されている。

特開２０１４−３７７７４号公報

ところで、通常、上述した廃熱回収装置では、ランキンサイクルシステムの凝縮器で作動媒体が外気温まで冷却され得るものの、それよりも低い温度まで作動媒体を冷却させることは容易ではない。そのため、上述した廃熱回収装置においては、ランキンサイクルシステムにおける作動媒体の凝縮能力を高め、廃熱回収効率を向上させることが求められている。

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させることが可能な廃熱回収装置を提供することを課題とする。

上記課題を解決するために、本発明に係る廃熱回収装置は、エンジン及びＥＧＲクーラの冷却水の熱を熱源とするランキンサイクルシステムと、エンジンの排気ガスの熱を熱源として音響管内に音波を発生させることにより、第１常温熱交換器に第１スタックを介して配された冷却熱交換器で冷却を行う熱音響冷却装置と、を備え、冷却熱交換器は、ランキンサイクルシステムの作動媒体を冷却して凝縮させる。

この廃熱回収装置では、熱音響冷却装置によって、エンジンの排気ガスの熱エネルギを冷却エネルギへ変換することができる。そして、当該冷却エネルギを利用して、ランキンサイクルシステムの作動媒体を冷却して凝縮させること（すなわち、熱音響冷却装置の冷却熱交換器を、ランキンサイクルシステムの凝縮器として機能させること）が可能となる。従って、ランキンサイクルシステムにおいては、作動媒体を外気温よりも低い温度まで冷却させ、その凝縮能力を高めることが可能となる。その結果、廃熱回収効率を向上させることが可能となる。

上記作用効果を好適に奏する構成として、具体的には、熱音響冷却装置は、エンジンの排気ガスの熱を高温熱交換器に入力して、該高温熱交換器と第２常温熱交換器との間に配された第２スタックに温度差を与えることにより、音響管内に音波を発生させてもよい。

また、ランキンサイクルシステムは、冷却熱交換器のみで作動媒体を冷却して凝縮させてもよい。この場合、いわゆる従来型の凝縮器（例えば、サブラジエータで冷却される冷却水を冷熱源とする凝縮器）を不要にでき、装置の小型化が可能となる。

本発明によれば、廃熱回収効率を向上させることが可能な廃熱回収装置を提供できる。

本発明の一実施形態に係る廃熱回収装置を示す概略構成図である。 図１の廃熱回収装置の変形例を示す概略構成図である。

以下、本発明の好適な実施形態について、図面を参照して詳細に説明する。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。

図１は、本発明の一実施形態に係る廃熱回収装置を示す概略構成図である。図１に示すように、本実施形態の廃熱回収装置１００は、エンジン１０にランキンサイクルシステム２０を組み合わせたシステムにおいて、熱音響現象を利用して冷却を行う熱音響冷却装置３０をさらに組み合わせたものであり、車両に搭載されている。

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。エンジン１０としては、例えばディーゼルエンジンやガソリンエンジン等が用いられる。なお、ここでのエンジン１０は、車両の駆動用エンジンとされているが、それとは別の専用エンジンであってもよい。

エンジン１０は、例えば排気ガス中のＮＯｘ（窒素酸化物）の低減や燃費向上を図るべく、排気ガスの一部をＥＧＲ［Exhaust Gas Recirculation］ガスとして吸気側に戻すＥＧＲシステムを有している。また、エンジン１０には、当該ＥＧＲガスを冷却するための熱交換器であるＥＧＲクーラ１１が設けられている。エンジン１０及びＥＧＲクーラ１１には、エンジン１０の冷却及びＥＧＲガス冷却のための冷却水Ｗが、循環するように流通されている。この循環する冷却水Ｗは、ラジエータ１２により放熱されて冷却される。

ランキンサイクルシステム２０は、ランキンサイクルを用いた発電システムであって、エンジン１０及びＥＧＲクーラ１１の冷却水Ｗを熱源として作動する。ランキンサイクルシステム２０は、蒸発器２１、膨張器２２、第１凝縮器２３、第２凝縮器２４及びポンプ２５を少なくとも備え、これらに作動媒体Ｑを循環させる。作動媒体Ｑ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が用いられている。

蒸発器２１には、エンジン１０及びＥＧＲクーラ１１の冷却水Ｗが供給される。蒸発器２１は、当該冷却水Ｗの熱を利用して作動媒体Ｑを蒸発させる。具体的には、蒸発器２１では、エンジン１０及びＥＧＲクーラ１１を冷却した後であってラジエータ１２で放熱される前の高温の冷却水Ｗが導入され、この冷却水Ｗを熱源として作動媒体Ｑが蒸発される。膨張器２２は、蒸発器２１で蒸発された作動媒体を膨張させるタービンである。この膨張器２２には、当該膨張器２２の回転により発電を行う発電機（不図示）が接続されている。

第１凝縮器２３には、サブラジエータ２６により冷却されるサブ冷却水が循環するように流通される。第１凝縮器２３は、当該サブ冷却水を利用して、膨張器３において発電に利用された作動媒体Ｑを冷却して凝縮する。第２凝縮器２４は、熱音響冷却装置３０の冷却熱交換器３２ａであって、後述するように、熱音響現象を利用して作動媒体Ｑを冷却して凝縮する。ポンプ６は、凝縮された作動媒体Ｑを圧縮して蒸発器２に送出する。

熱音響冷却装置３０は、音響管３１と、この音響管３１に設けられた冷却部３２及び入熱部３３と、を備えている。熱音響冷却装置３０は、入熱部３３にエンジン１０の排気ガスの熱を入熱して音響管３１内に音波を発生させることで、冷却部３２において冷却を行う。

音響管３１は、円管をループ状にして構成されている。音響管３１の管長は、例えば伝播する音波が共鳴する所定長とされている。音響管３１内には、作動ガスとして高圧ガスが充填されている。高圧ガスとしては、例えば、ヘリウムガスやアルゴンガス等が挙げられる。

冷却部３２は、冷却熱交換器３２ａと、第１スタック３２ｂと、第１常温熱交換器３２ｃと、を有し、これらが音波の伝播方向に沿ってこの順で配置されている。冷却熱交換器３２ａは、上述のように、第２凝縮器２４として機能するものであって、第１凝縮器２３で凝縮された作動媒体Ｑが流通される。冷却熱交換器３２ａは、第１常温熱交換器３２ｃに第１スタック３２ｂを介して接続されている。この冷却熱交換器３２ａは、流通させた作動媒体Ｑから第１スタック３２ｂの一端側へ熱を移動させ、当該作動媒体Ｑを冷却して凝縮させる。

第１スタック３２ｂは、メッシュ構造が複数積層されたメッシュ積層体、ハニカム構造体、又は、複数の小貫通孔を有する柱状体等を有する蓄熱器である。第１スタック３２ｂは、例えば、セラミックや金属等で形成されている。第１常温熱交換器３２ｃは、第１スタック３２ｂの他端側の熱を外部雰囲気へと移動させ、一定温度に保たれるように第１スタック３２ｂの他端側を放熱する。第１常温熱交換器３２ｃは、例えば空冷型とされている。

入熱部３３は、排気ガス熱交換器（高温熱交換器）３３ａと、第２スタック３３ｂと、第２常温熱交換器３３ｃと、を有し、これらが音波の伝播方向に沿ってこの順で配置されている。排気ガス熱交換器３３ａには、エンジン１０の排気ガスが流通される。排気ガス熱交換器３３ａは、第２常温熱交換器３３ｃに第２スタック３３ｂを介して接続されている。この排気ガス熱交換器３３ａは、流通させた排気ガスから第２スタック３３ｂの一端側へ熱を移動させることにより、第２スタック３３ｂの一端側を加熱する。

第２スタック３３ｂは、上記第１スタック３２ｂと同様に構成された蓄熱器である。第２常温熱交換器３３ｃは、第２スタック３３ｂの他端側の熱を外部雰囲気へと移動させ、一定温度に保たれるように第２スタック３３ｂの他端側を放熱する。第２常温熱交換器３３ｃは、上記第１常温熱交換器３２ｃと同様に、例えば空冷型とされている。

このように構成された熱音響冷却装置３０では、エンジン１０の排気ガスが入熱部３３の排気ガス熱交換器３３ａを流通し、この排気ガスの熱が排気ガス熱交換器３３ａへ入力され、第２スタック３３ｂの一端側が加熱される。これにより、第２スタック３３ｂの他端側が第２常温熱交換器３３ｃで放熱されていることから、第２スタック３３ｂの一端側と他端側との間に温度差が生じる。当該温度差によって音響管３１内で所定波長の振動が共鳴し、音波（自励振動）が発生する。

音響管３１内を伝播する音波は、疎密波であって、疎部から密部へは断熱圧縮する一方、密部から疎部へは断熱膨張する。よって、この音波が第１スタック３２ｂを通過すると、低圧の疎部としての第１スタック３２ｂの一端側が冷たくなり低温化すると共に、高圧の密部としての第１スタック３２ｂの他端側が熱くなり高温化することになり、第１スタック３２ｂに温度勾配（温度差）が形成される。そして、当該高温化された第１スタック３２ｂの他端側から第１常温熱交換器３２ｃを介して熱が外部へ放熱されると共に、第１スタック３２ｂの一端側は、外気温度以下まで低温化される。

従って、第１スタック３２ｂの一端側の冷却熱交換器３２ａ（第２凝縮器２４）においては、流通する作動媒体Ｑの熱が吸熱されて、作動媒体Ｑの熱が熱音響冷却装置３０によって外部へ汲み出されるように輸送され、その結果、作動媒体Ｑが外気温度以下まで冷却されて凝縮される。

次に、本実施形態の廃熱回収装置１００の動作について説明する。膨張器２２から送られる高温の作動媒体Ｑは、まず、第１凝縮器２３において、サブラジエータ８で冷却されたサブ冷却水により冷却凝縮される。第１凝縮器２３で凝縮された作動媒体Ｑは、冷却熱交換器３２ａである第２凝縮器２４において、熱音響冷却装置３０における上述の熱音響現象を利用した冷却でもって、さらに冷却凝縮される。そして、この作動媒体Ｑは、ポンプ６により蒸発器２１側に送り出された後、蒸発器２１において、エンジン１０及びＥＧＲクーラ１１からの冷却水Ｗにより加熱されて蒸発され、膨張器３に供給される。

以上、本実施形態の廃熱回収装置１００では、ランキンサイクルシステム２０の冷却のために熱音響冷却装置３０を組み合わせることが可能となっており、熱音響冷却装置３０の冷却熱交換器３２ａをランキンサイクルシステム２０の第２凝縮器２４として機能させている。これにより、熱音響冷却装置３０によってエンジン１０の排気ガスの熱エネルギ（損失エネルギ）を冷却エネルギへと変換し、この冷却エネルギでランキンサイクルシステム２０の作動媒体Ｑを冷却凝縮できる。

従って、ランキンサイクルシステム２０において、作動媒体を外気温よりも低い温度まで冷却させることができ、その凝縮能力（凝縮器能力）を高めることが可能となる。その結果、効率的にエネルギ回生し、廃熱回収効率を向上させることができ、例えば、ランキンサイクルシステム２０の発電効率（理論効率）を１０％以上向上させることが可能となる。

なお、廃熱回収装置１００において、例えば熱音響冷却装置３０の冷却熱交換器３２ａである第２凝縮器２４が十分な凝縮器能力を有する等の場合には、次に示すように、第２凝縮器２４のみで（熱音響冷却装置３０だけで）作動媒体Ｑを冷却して凝縮させてもよい。

図２は、図１の廃熱回収装置の変形例を示す概略構成図である。図２に示すように、変形例に係る廃熱回収装置２００は、上記廃熱回収装置１００（図１参照）に対して第１凝縮器２３を備えず、冷却熱交換器３２ａである第２凝縮器２４のみを備えている。この場合、膨張器２２から送られる高温の作動媒体Ｑは、当該第２凝縮器２４において上述の熱音響現象を利用した冷却により冷却凝縮された後、ポンプ６で蒸発器２１側に送り出される。このような変形例に係る廃熱回収装置１００では、第１凝縮器２３を不要に（省略）でき、装置小型化が可能となる。

以上、本発明の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、熱音響冷却装置３０として、一つのループの音響管３１で冷却部３２と入熱部３３とを連結するシングルループ型のものを採用したが、ダブルループ型（つまり、冷却部３２と入熱部３３とをそれぞれ別ループの音響管に設け、これら２つのループの音響管を連結してなる構成）のものを採用してもよい。また、上記実施形態のランキンサイクルシステム２０は、凝縮された作動媒体Ｑを貯留するリザーブタンクを含んでもよいし、その他の構成を含んでもよい。

１０…エンジン、１１…ＥＧＲクーラ、２０…ランキンサイクルシステム、３０…熱音響冷却装置、３１…音響管、３２ａ…冷却熱交換器、３２ｂ…第１スタック、３２ｃ…第１常温熱交換器、３３ａ…排気ガス熱交換器（高温熱交換器）、３３ｂ…第２スタック、３３ｃ…第２常温熱交換器、１００…廃熱回収装置、Ｑ…作動媒体、Ｗ…冷却水。

Claims (3)

1. エンジン及びＥＧＲクーラの冷却水の熱を熱源とするランキンサイクルシステムと、
   前記エンジンの排気ガスの熱を熱源として音響管内に音波を発生させることにより、第１常温熱交換器に第１スタックを介して配された冷却熱交換器で冷却を行う熱音響冷却装置と、を備え、
   前記冷却熱交換器は、前記ランキンサイクルシステムの作動媒体を冷却して凝縮させる、廃熱回収装置。
2. 前記熱音響冷却装置は、前記エンジンの排気ガスの熱を高温熱交換器に入力して、該高温熱交換器と第２常温熱交換器との間に配された第２スタックに温度差を与えることにより、前記音響管内に前記音波を発生させる、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システムは、前記冷却熱交換器のみで前記作動媒体を冷却して凝縮させる、請求項１又は２に記載の廃熱回収装置。

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