JP6382219B2 - 直列並列廃熱回収システム - Google Patents

Description

本発明は、内燃機関からの廃熱に連動する廃熱回収（ＷＨＲ）システムに関し、より詳しくは、作動流体からの廃熱回収におけるＷＨＲの柔軟性を改良するための装置及び方法に関する。

廃熱回収システムは、排気及び他の熱源における、そうでなければ失われるエネルギーを利用可能とすることができる。内燃機関を搭載した車両に組み込まれると、この廃熱回収システムは一定の利点を付け加える。例えば、それに限定されるものではないが、廃熱回収システムは、排気ガスあるいはＥＧＲ（排気ガス再循環）システムから熱を回収するべく設計することができ、それは内燃機関の冷却装置における冷却負荷を低減する。加えて、廃熱回収システムは、テールパイプあるいは排気筒から出る排気ガスから、そうでなければ環境に失われる有用なエネルギーを抽出することができる。

回収される廃熱の量は、例えば内燃機関の負荷及び内燃機関の運転時間を含む、多くの条件に従って変動し得る。

一例として、始動の直後あるいは低い回転数で運転している間は、車両が暖機した後あるいは中間から高い回転数で運転している間よりも、回収のために利用可能な廃熱は少ない。作動流体から有用なエネルギーを効率良く発生できるようになる前に、ＷＨＲに用いる作動流体が最小限の許容限度まで加熱されなければならないことは、当業者が認めるところである。内燃機関の負荷が中間あるいは高い間あるいは廃熱運転の間又は車両の暖機が終わった後にエネルギーを効率的に利用可能とすべく設計されたシステムは、内燃機関の負荷が低い間あるいは始動の直後にエネルギーを利用可能とするためにはあまり効率的であることができない。

他の例として、車両の暖機が終わり内燃機関の負荷が中間から高い間には、始動の直後あるいは内燃機関の負荷が低い間よりも、多量の廃熱を回収するために利用可能である。作動流体が加熱されてＷＨＲにおいて、エネルギーを利用した後で、より多くのエネルギーを利用可能とすべく再び加熱できるようにする前に、多くの場合、冷却しかつ凝縮しなければならないことは、当業者が認めるところである。始動の直後にあるいは内燃機関の負荷が低い間に最も効率的にエネルギーを利用できるようにするためにだけ設計されたシステムは、内燃機関の負荷が高い間に作動流体を過剰な程度に加熱することになり、従って、利用可能なエネルギー量を増加させることなしに冷却及び凝縮サイクルの期間を増すこととなり得る。

本発明は、作動流体からの廃熱回収におけるＷＨＲの柔軟性を改善するための方法及び装置を提供する。

本発明の一実施形態によると、廃熱回収システムは、第１の加熱ライン、第２の加熱ライン、バルブセクション、少なくとも一つの温度センサ、及び一つあるいは複数の電子機器を含む。第１の加熱ラインは作動流体の回路内にあって作動流体に熱エネルギーを伝達するべく作動的に接続された第１の熱交換器を含む。第２の加熱ラインは、作動流体の回路内にあって作動流体に熱を伝達するべく作動的に接続された第２の熱交換器を含む。バルブセクションは、作動流体の回路内にあって第１の加熱ライン及び第２の加熱ラインに作動的に接続され、かつ第１の熱交換器及び第２の熱交換器が作動流体回路に作動的に並列に接続される第１の構成と第１の熱交換器及び第２の熱交換器が作動流体回路に作動的に直列に接続される第２の構成とをもたらすべく選択的に制御可能である。少なくとも一つの温度センサが作動的に接続されて、作動流体及び排気ガス流れのうちの少なくとも１つの温度を監視すると共に作動流体及び排気ガス流れのうちの少なくとも１つの温度を表す出力信号を生成する。一つあるいは複数の電子機器は、少なくとも一つの温度センサから出力信号を受け入れるために作動的に接続され、それに応答してバルブセクションの構成を制御する。

本発明の他の実施形態によると、廃熱回収システムは、ポンプ、膨張器、凝縮器、第１の加熱ライン、第２の加熱ライン、バルブセクション、少なくとも一つの温度センサ、及び一つあるいは複数の電子機器を含む。ポンプは、作動流体の回路内にあって、作動流体回路内の作動流体をポンプ送りすべく作動的に接続されている。膨張器は、作動流体の回路内にあって、作動流体を受け入れるべく作動的に接続されている。凝縮器は、作動流体の回路内にあって、膨張器から作動流体を受け入れるべく作動的に接続されている。第１の加熱ラインは、作動流体の回路内にあって、作動流体に熱エネルギーを伝達するべく作動的に接続された第１の熱交換器を含んでいる。第２の加熱ラインは、作動流体の回路内にあって、作動流体に熱を伝達するべく作動的に接続された第２の熱交換器を含んでいる。バルブセクションは、作動流体の回路内にあって、第１の加熱ライン及び第２の加熱ラインに作動的に接続されており、かつ第１の熱交換器及び第２の熱交換器が作動流体回路に作動的に並列に接続される第１の構成と第１の熱交換器及び第２の熱交換器が作動流体回路に作動的に直列に接続される第２の構成とをもたらすべく、選択的に制御可能である。少なくとも一つの温度センサは、作動流体及び排気ガス流れのうちの少なくとも１つの温度を監視するべく作動的に接続されて、作動流体及び排気ガス流れのうちの少なくとも１つの温度を表す出力信号を生じさせる。一つあるいは複数の電子機器は、少なくとも一つの温度センサからの出力信号を受け入れるべく作動的に接続されると共に、それに応答してバルブセクションの構成を制御する。

本実施形態の更に他の態様によると、作動流体回路と、作動流体回路内の作動流体をポンプ輸送するためのポンプと、作動流体を受け入れるための膨張器と、膨張器から作動流体を受け入れるための凝縮器と、作動流体に熱エネルギーを伝達するべく作動的に接続された第１の熱交換器を含んでいる、作動流体回路内の第１の加熱ラインと、作動流体に熱を伝達するべく作動的に接続された第２の熱交換器を含んでいる、作動流体回路内の第２の加熱ラインと、が設けられている廃熱回収システムにおいて、廃熱を回収する方法が、第１の熱交換器及び第２の熱交換器が作動流体回路に並列に接続される第１の構成及び第１の熱交換器及び第２の熱交換器が作動流体回路に直列に接続される第２の構成をバルブセクションにもたらすべく、作動流体回路、第１の加熱ライン及び第２の加熱ラインに接続されたバルブセクションを選択的に制御する段階、作動流体及び排気ガス流れのうちの少なくとも１つの温度を監視するために少なくとも一つの温度センサを用いて、作動流体及び排気ガス流れのうちの少なくとも１つの温度を表す出力信号を生じさせる段階、及び、少なくとも一つの温度センサからの出力信号を受信すると共に、それに応答してバルブセクションの構成を制御すべく一つあるいは複数の電子機器を用いる段階、を含む。

図１は、一実施形態の廃熱回収システムの概略図を表している。 図２は、一実施形態において並列に接続された第１及び第２の熱交換器の概略図を表している。 図３は、一実施形態において直列に接続された第１及び第２の熱交換器の概略図を表している。 図４は、一実施形態において直列にかつ並列に接続された第１及び第２の熱交換器の概略図を表している。

図１は、本発明の一実施形態による廃熱回収システム１０の実施形態を表す。この廃熱回収システム１０は、作動流体が循環する閉ループとして形成された、図示のような作動流体回路１２を含んでいる。

作動流体回路１２の膨張器１４は、作動流体を受け入れるべく作動的に接続されている。膨張器が、作動流体により駆動されるべく作動的に接続されて、作動流体の熱エネルギーを例えばトルクあるいは電力といった機械的エネルギーに変換することは、当業者が理解するところである。膨張器１４の出力軸（図示せず）が、発電機（図示せず）を駆動するためにあるいは内燃機関（図示せず）にトルクをもたらすために接続し得ることは、当業者が理解するところである。膨張器は、作動流体から熱エネルギーを回収して機械的な動力を出力できる、タービン、スクロール膨張器、あるいは熱電変換器を含む任意の装置とすることができるが、それらには限定されない。

作動流体回路１２の凝縮器２０は、膨張器１４から出た作動流体を受け入れるべく作動的に接続されている。凝縮器２０が作動流体を冷却して凝縮することは、当業者が理解するところである。凝縮器冷却器ループ（図示せず）は、作動流体から伝達された熱を凝縮器２０から冷却液へと取り除くべく接続される。凝縮器冷却器ループ（図示せず）は、有利には車両の冷却装置、すなわちラジエータあるいは他の冷却装置に接続できる。

作動流体回路１２のポンプ２４は、作動流体回路１２内の作動流体を、例えば作動流体リザーバ２７から、作動流体回路１２のうち作動流体が加熱される加熱側へとポンプ送りするべく、作動的に接続されている。

作動流体回路１２の加熱側は、第１の加熱ライン３０及び第２の加熱ライン４０を含んでいる。第１の加熱ライン３０は、作動的に接続された第１の熱交換器３６を含んでいて、この第１の熱交換器３６内に位置する３７としての熱供給源から３８としての作動流体に熱を伝達する。第２の加熱ライン４０は、作動的に接続された第２の熱交換器４６を含んでいて、この第２の熱交換器４６内に位置する４７としての熱供給源から４７としての作動流体へと熱を伝達する。熱供給源は、内燃機関を備える車両に関連付けられた、エンジン排気エンジン冷却液システム、排気ガス再循環（ＥＧＲ）クーラ、インタークーラ、エンジンオイルクーラ、あるいはこれらのいくつかの組合せを含む任意の熱発生あるいは処理システムとすることができる。

本実施形態の一態様によると、廃熱回収システム１０には、第１及び第２の加熱ライン３０、４０に作動的に接続されたバルブセクション５０が作動流体回路１２に設けられている。本実施形態の別の態様によると、バルブセクション５０は、第１及び第２の熱交換器３６、４６を直列にあるいは並列に作動させるように構成されている。図２に表すように、バルブセクション５０は、第１及び第２の熱交換器３６、４６が作動流体回路１２に作動的に並列に接続される第１の構成５１をもたらすように、選択的に制御可能である。図３に表すように、バルブセクション５０は、第１及び第２の熱交換器３６、４６が作動流体回路１２に作動的に直列に接続される第１の構成５１をもたらすように、選択的に制御可能である。

図２及び図３に示すように、バルブセクション５０は、圧力逆止弁５５及び流れを調整する流れバルブ５６を含むことができる。しかしながら、このために多数のバルブ装置を設け得ること、及び第１及び第２の熱交換器３６、４６を直列にあるいは並列に選択的に作動させ得る任意のタイプのバルブ装置を設けることが本実施形態の範囲内にあることは、当業者が理解するところである。一例として、図４は、それには限定されないが、例えば比例弁といったバルブ５６’を利用する代わりの実施形態を示しており、熱交換器３６、４６が作動流体回路１２に直列に接続される（図２と同様な）第１の構成、熱交換器３６、４６が作動流体回路１２に並列に接続される（図２と同様な）第２の構成、及び熱交換器３６、４６が同時に直列にかつ並列に作動流体回路１２に接続され、それによって、作動流体の一部が直列にかつ一部が並列に加熱される第３の構成（図４）をもたらしている。

図１に示すように、本実施形態の廃熱回収システム１０は、作動流体あるいは熱供給源のうちの少なくとも１つの温度を監視すると共に、作動流体あるいは加熱源のうちの少なくとも１つの温度を表す出力信号を生じさせるべく、作動的に接続された、一つあるいは複数の温度センサＴを含んでいる。一例として、それには限定されないが、図１に示すように、作動流体の温度を監視する温度センサＴは、第１及び第２の熱交換器３６、４６の上流でかつ膨張器１４の下流に配置できる。他の例としては、それには限定されないが、作動流体の温度を監視する温度センサＴは膨張器１４の下流でかつ凝縮器２０の上流に配置できる。更に他の例としては、それには限定されないが、熱供給源３７及び／又は作動流体３８の温度を監視する温度センサＴは、第１及び第２の熱交換器３６、４６内に配置できる。

また、図１に示すように、本実施形態の廃熱回収システム１０は、少なくとも一つの温度センサＴからの出力信号を受信すべく作動的に接続されると共に、それに応答してバルブセクション５０の構成を制御する出力信号を生じさせる、一つあるいは複数の電子機器６０を含んでいる。

本実施形態は、凝縮回路における熱遮断条件の緩和、利用可能な廃熱が少ない運転条件における低負荷能力の改善、システムの作業流体の最高温度及びピーク熱効率の改善された管理による高負荷能力の改善を含む、多くの利益をもたらすことができる。本実施形態は、並列及び直列システムの利点を、最小限のハードウェアの変更で組み合わせるものである。

本明細書は、本発明のベストモードを如何になして使用するかを当業者に教示するべく特定の例を表したものである。本発明の原理を教示するために、いくつかの従来の態様は簡略化されあるいは省略されている。上記の実施形態の詳細な説明は、本発明の範囲内にあると発明者により想定される全ての実施形態の余すところのない説明ではない。一例として、それには限定されないが、追加のプレヒータ、復熱式空気加熱装置、及び熱交換器をこのシステムに一体化できる。これらの例及び図示された実施形態の変形例が本発明の範囲に含まれることは、当業者が認めるところである。

更なる実施形態を創り出すために、上記の実施形態の一定の要素を様々に組み合わせあるいは省くことができること、及びそのような更なる実施形態が本発明の範囲及び教示に含まれることは、当業者が認めるところである。また、本発明の範囲及び教示の内側で追加の実施形態を創り出すために、上記の実施形態を全体的にあるいは部分的に組み合わせ得ることは、当業者にとって明らかである。従って、本発明の特定の実施形態及びそのための例を説明のために本明細書に記載したが、当業者が認めるように、様々な等価な変更が本発明の範囲内で可能である。従って、本発明の範囲は、添付の請求の範囲及びその均等物から決定される。

１０ 廃熱回収システム
１２ 作動流体回路
１４ 膨張器
２０ 凝縮器
２４ ポンプ
２７ 作動流体リザーバ
３０ 第１の加熱ライン
３６ 第１の熱交換器
３７ 熱供給源
３８ 作動流体
４０ 第２の加熱ライン
４６ 第２の熱交換器
５０ バルブセクション
５１ 第１の構成
５５ 圧力逆止弁
５６ バルブ
６０ 電子機器
Ｔ 温度センサ

Claims (5)

1. 廃熱回収システムであって、
   作動流体回路内の作動流体をポンプ送りすべく接続された、前記作動流体回路内のポンプ、
   前記作動流体を受け入れるべく接続された、前記作動流体回路内の膨張器、
   前記膨張器から作動流体を受け入れるべく接続された、前記作動流体回路内の凝縮器、
   前記作動流体に熱エネルギーを伝達するべく接続された第１の熱交換器を含んでいる、前記作動流体回路内の第１の加熱ライン、
   前記作動流体に熱を伝達するべく接続された第２の熱交換器を含んでいる、前記作動流体回路内の第２の加熱ライン、
   前記第１の加熱ライン及び前記第２の加熱ラインに接続されると共に、前記第１の熱交換器及び前記第２の熱交換器が前記作動流体に熱を伝達するために前記作動流体回路内に並列に接続される第１の構成と前記第１の熱交換器及び前記第２の熱交換器が前記作動流体に熱を伝達するために前記作動流体回路内に直列に接続される第２の構成と前記第１の熱交換器及び前記第２の熱交換器が前記作動流体に熱を伝達するために前記作動流体回路内に同時に並列かつ直列に接続され、前記作動流体の一部が直列に接続された前記第１の熱交換器及び前記第２の熱交換器により加熱され、かつ前記作動流体の一部が並列に接続された前記第１の熱交換器及び前記第２の熱交換器により加熱される第３の構成とをもたらすべく選択的に制御可能な、前記作動流体回路内のバルブセクション、
   前記作動流体及び排気ガス流れのうちの少なくとも１つの温度を監視するべく接続されて、前記作動流体及び前記排気ガス流れのうちの少なくとも１つの温度を表す出力信号を生じさせる、少なくとも一つの温度センサ、
   前記少なくとも一つの温度センサからの出力信号を受信するべく接続されると共に、それに応答して前記バルブセクションの構成を制御する、一つあるいは複数の電子機器、
   を備える廃熱回収システム。
2. 前記作動流体の温度を監視する前記少なくとも一つの温度センサが、前記第１及び第２の熱交換器の上流でかつ前記膨張器の下流に配置されている、請求項１に記載の廃熱回収システム。
3. 前記作動流体の温度を監視する前記少なくとも一つの温度センサが、前記膨張器の下流でかつ前記凝縮器の上流に配置されている、請求項１に記載の廃熱回収システム。
4. 前記少なくとも一つの温度センサは、熱供給源と前記第１及び第２の熱交換器における作動流体とのうちの少なくとも一つの温度を監視する、請求項１に記載の廃熱回収システム。
5. 作動流体回路、前記作動流体回路内の作動流体をポンプ送りするポンプ、前記作動流体を受け入れる膨張器、前記膨張器から前記作動流体を受け入れる凝縮器、作動流体に熱エネルギーを伝達するべく接続された第１の熱交換器を含む作動流体回路内の第１の加熱ライン、前記作動流体に熱を伝達するべく接続された第２の熱交換器を含む前記作動流体回路内の第２の加熱ライン、を備える廃熱回収システムにおいて廃熱を回収する方法であって、
   前記作動流体回路、前記第１の加熱ライン及び前記第２の加熱ラインに接続されているバルブセクションを選択的に制御して、前記第１の熱交換器及び前記第２の熱交換器が前記作動流体に熱を伝達するために前記作動流体回路内に並列に接続される第１の構成と前記第１の熱交換器及び前記第２の熱交換器が前記作動流体に熱を伝達するために前記作動流体回路内に直列に接続される第２の構成と前記第１の熱交換器及び前記第２の熱交換器が前記作動流体に熱を伝達するために前記作動流体回路内に同時に直列かつ並列に接続され、前記作動流体の一部が直列に接続された前記第１の熱交換器及び前記第２の熱交換器により加熱され、かつ前記作動流体の一部が並列に接続された前記第１の熱交換器及び前記第２の熱交換器により加熱される第３の構成とを前記バルブセクションにもたらす段階、
   少なくとも一つの温度センサを用いて、前記作動流体及び排気ガス流れのうちの少なくとも１つの温度を監視し、前記作動流体及び前記排気ガス流れのうちの少なくとも１つの温度を表す出力信号を生じさせる段階、及び、
   一つあるいは複数の電子機器を用いて、前記少なくとも一つの温度センサからの出力信号を受信し、それに応答して前記バルブセクションの構成を制御する段階、
   を含んでいる方法。

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