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WO2013172293A1 - 廃熱利用装置 - Google Patents

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Publication number
WO2013172293A1
WO2013172293A1 PCT/JP2013/063264 JP2013063264W WO2013172293A1 WO 2013172293 A1 WO2013172293 A1 WO 2013172293A1 JP 2013063264 W JP2013063264 W JP 2013063264W WO 2013172293 A1 WO2013172293 A1 WO 2013172293A1
Authority
WO
WIPO (PCT)
Prior art keywords
boiler
working fluid
exhaust
pipe
passage
Prior art date
Application number
PCT/JP2013/063264
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
文彦 石黒
井口　雅夫
英文 森
榎島　史修
Original Assignee
株式会社 豊田自動織機
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by 株式会社 豊田自動織機 filed Critical 株式会社 豊田自動織機
Publication of WO2013172293A1 publication Critical patent/WO2013172293A1/ja

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    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F01—MACHINES OR ENGINES IN GENERAL; ENGINE PLANTS IN GENERAL; STEAM ENGINES
    • F01N—GAS-FLOW SILENCERS OR EXHAUST APPARATUS FOR MACHINES OR ENGINES IN GENERAL; GAS-FLOW SILENCERS OR EXHAUST APPARATUS FOR INTERNAL COMBUSTION ENGINES
    • F01N5/00—Exhaust or silencing apparatus combined or associated with devices profiting by exhaust energy
    • F01N5/02—Exhaust or silencing apparatus combined or associated with devices profiting by exhaust energy the devices using heat
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F01—MACHINES OR ENGINES IN GENERAL; ENGINE PLANTS IN GENERAL; STEAM ENGINES
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    • F01K23/02—Plants characterised by more than one engine delivering power external to the plant, the engines being driven by different fluids the engine cycles being thermally coupled
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    • F01K23/065—Plants characterised by more than one engine delivering power external to the plant, the engines being driven by different fluids the engine cycles being thermally coupled combustion heat from one cycle heating the fluid in another cycle the combustion taking place in an internal combustion piston engine, e.g. a diesel engine
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    • F01K25/10—Plants or engines characterised by use of special working fluids, not otherwise provided for; Plants operating in closed cycles and not otherwise provided for using special vapours the vapours being cold, e.g. ammonia, carbon dioxide, ether
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    • F01N2240/00—Combination or association of two or more different exhaust treating devices, or of at least one such device with an auxiliary device, not covered by indexing codes F01N2230/00 or F01N2250/00, one of the devices being
    • F01N2240/02—Combination or association of two or more different exhaust treating devices, or of at least one such device with an auxiliary device, not covered by indexing codes F01N2230/00 or F01N2250/00, one of the devices being a heat exchanger
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F02—COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
    • F02G—HOT GAS OR COMBUSTION-PRODUCT POSITIVE-DISPLACEMENT ENGINE PLANTS; USE OF WASTE HEAT OF COMBUSTION ENGINES; NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • F02G2260/00—Recuperating heat from exhaust gases of combustion engines and heat from cooling circuits
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
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    • F02G5/00—Profiting from waste heat of combustion engines, not otherwise provided for
    • F02G5/02—Profiting from waste heat of exhaust gases
    • F02G5/04—Profiting from waste heat of exhaust gases in combination with other waste heat from combustion engines
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    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02T—CLIMATE CHANGE MITIGATION TECHNOLOGIES RELATED TO TRANSPORTATION
    • Y02T10/00—Road transport of goods or passengers
    • Y02T10/10—Internal combustion engine [ICE] based vehicles
    • Y02T10/12—Improving ICE efficiencies

Definitions

  • the present invention relates to a waste heat utilization device.
  • FIG. 2 of patent document 1 The conventional waste heat utilization apparatus is disclosed by FIG. 2 of patent document 1.
  • FIG. 2 of patent document 1 The conventional waste heat utilization apparatus is disclosed by FIG. 2 of patent document 1.
  • FIG. 2 of patent document 1 The conventional waste heat utilization apparatus is disclosed by FIG. 2 of patent document 1.
  • FIG. 2 of patent document 1 The conventional waste heat utilization apparatus is disclosed by FIG. 2 of patent document 1.
  • FIG. 2 of patent document 1 The conventional waste heat utilization apparatus is disclosed by FIG. 2 of patent document 1.
  • FIG. This waste heat utilization device is provided with a Rankine cycle device used for a drive system.
  • the Rankine cycle device has first and second boilers and circulates a working fluid.
  • the drive system has an engine and a turbocharger that supplies pressurized air to the engine.
  • the first boiler in the Rankine cycle device heat exchange is performed between the pressurized air and the working fluid, using the pressurized air as a heat source.
  • the second boiler heat exchange is performed between the coolant and the working fluid using the cool
  • waste heat utilization apparatus since the working fluid can be heated by the first and second boilers, it is possible to increase the temperature of the working fluid flowing into the expander. Further, in this waste heat utilization device, it is possible to cool the compressed air and the cooling water by heat exchange in the first and second boilers, so it is also possible to improve the output of the engine.
  • the exhaust gas includes exhaust gas emitted to the atmosphere (exhaust gas in a narrow sense) and recirculated exhaust gas recirculated to an internal combustion engine such as an engine.
  • the recirculation exhaust be suitably cooled before being recirculated to the internal combustion engine. If the recirculating exhaust gas is recirculated to the internal combustion engine with its density increased due to cooling, it is possible to reduce the content of nitrogen oxides in the exhaust gas produced by the internal combustion engine and finally released to the atmosphere.
  • the waste heat utilization apparatus of the said patent document 1 it is possible to change the heat source in a 1st boiler from pressurized air to reflux exhaust, and to comprise.
  • the condensed water may stay in the intake manifold after being generated in the first boiler.
  • the boiler is made of a material such as stainless steel having high corrosion resistance
  • the intake manifold is generally made of cast iron or aluminum alloy that is weak to corrosion, so the condensed water causes corrosion in the intake manifold. It may occur. For this reason, in the waste heat utilization apparatus as described above, the durability of the intake manifold is reduced, and as a result, the durability of the entire waste heat utilization apparatus is reduced.
  • An object of the present invention is to provide a waste heat utilization device which realizes improvement of the performance of an internal combustion engine while improving the recovery amount of energy in a Rankine cycle device and which is excellent in durability.
  • an internal combustion engine an exhaust passage through which exhaust generated by the internal combustion engine flows, and a part of the exhaust flowing through the exhaust passage are used as reflux exhaust gas.
  • a waste heat utilization device for use in a drive system having an exhaust gas recirculation passage recirculating to an internal combustion engine.
  • the waste heat utilization device comprises a Rankine cycle device.
  • the Rankine cycle device has a pump, a boiler, an expander, a condenser, and piping, and circulates a working fluid.
  • the boiler includes a first boiler, a second boiler, and a third boiler. The first boiler exchanges heat between the exhaust flowing through the exhaust passage and the working fluid.
  • the second boiler performs heat exchange between the reflux exhaust and the working fluid.
  • the third boiler performs heat exchange between the working fluid and a heat medium having a temperature lower than that of the return exhaust gas.
  • the third boiler is located at a portion of the Rankine cycle device upstream of the second boiler in the circulation direction of the working fluid.
  • the piping is configured to circulate the working fluid from the pump through the third boiler, the second boiler, and the expander to the condenser, and the pump further includes the first boiler and the expander. Are configured to circulate the working fluid to the condenser.
  • the waste heat utilization apparatus of this invention is equipped with the Rankine cycle. And, this Rankine cycle has the first to third boilers. As a result, in the Rankine cycle in this waste heat utilization device, the working fluid can be suitably heated by the first to third boilers, and the pressure energy of the working fluid becomes large. For this reason, in this waste heat utilization apparatus, it is possible to increase the amount of energy recoverable in the Rankine cycle. Examples of the recoverable energy include electric power generated based on pressure energy and power regenerated by the internal combustion engine.
  • the third boiler is located upstream of the second boiler in the working fluid circulation direction.
  • the first boiler and the third and second boilers are disposed in parallel by the piping, the first boiler is disposed upstream of the second boiler in the circulation direction of the working fluid. There is no That is, the working fluid suitably heated to the temperature according to heat exchange by the third boiler flows into the second boiler, and the working fluid heated by the first boiler flows into the second boiler Absent.
  • the waste heat utilization device of the present invention achieves improvement in performance of the internal combustion engine while improving the amount of energy recovery in the Rankine cycle, and is excellent in durability. Furthermore, in the waste heat utilization device of the present invention, it is possible to sufficiently heat the working fluid to the superheated steam temperature (superheat) level exceeding the temperature to be saturated steam by heat exchange with the first to third boilers. is there. As a result, in the Rankine cycle in this waste heat utilization device, the working fluid expanded and depressurized in the expander becomes difficult to liquefy, and energy recovery efficiency at the time of expansion of the working fluid becomes high. In addition, in this waste heat utilization device, damage to the expander is less likely to occur.
  • the waste heat utilization apparatus of the present invention since the first boiler and the third and second boilers are arranged in parallel, not only for the third boiler but also for the first boiler
  • the working fluid that has passed through the condenser, that is, the working fluid of low temperature flows in.
  • the exhaust temperature after the heat exchange in the first boiler does not have a problem with the exhaust which is finally discharged to the atmosphere.
  • a diesel engine or the like can be employed as the internal combustion engine.
  • these engines may be hybrid engines combining motors, and the engines may be air-cooled or water-cooled.
  • the drive system may be provided with a supercharger capable of supplying pressurized air to the internal combustion engine.
  • a turbocharger, a supercharger or the like can be employed as the turbocharger.
  • a plurality of internal combustion engines and superchargers may be provided.
  • a coolant for an internal combustion engine can be adopted.
  • the coolant for example, it is possible to adopt LLC (long life coolant) or the like in addition to water.
  • pressurized air it is also possible to use pressurized air as a heat source.
  • the coolant and the pressurized air can be cooled by heat exchange with the working fluid in the third boiler.
  • the internal combustion engine can be suitably cooled.
  • a plurality of third boilers may be provided, and the third boiler using the above-described coolant as a heat source and the third boiler using the above-described pressurized air as a heat source may be added to the second boiler, respectively. It may be located upstream of the working fluid circulation direction.
  • a plurality of third boilers using the coolant as a heat source and a plurality of third boilers using the pressurized air as a heat source may be provided.
  • the waste heat utilization device further includes a first flow control valve and a first control valve control unit.
  • the first flow control valve is provided at a portion of the Rankine cycle device downstream of the pump in the circulation direction of the working fluid.
  • the first flow rate adjustment valve can adjust the flow rate of the working fluid flowing from the pump into the first boiler and the flow rate of the working fluid flowing from the pump into the third boiler.
  • the first adjusting valve control unit controls the first flow rate adjusting valve.
  • the flow rate of the working fluid flowing into the first boiler can be made an appropriate flow rate according to the cooling demand amount of the reflux exhaust gas, etc., and the reflux exhaust gas is suitably used in the second boiler Can be cooled.
  • the waste heat utilization device further includes a bypass, a second flow rate adjustment valve, and a second adjustment valve control unit.
  • the bypass path extends around the third boiler.
  • the bypass path branches from the portion of the pipe downstream of the first flow rate adjustment valve in the circulation direction of the working fluid and joins the portion of the pipe upstream of the second boiler.
  • the second flow rate adjustment valve can adjust the flow rate of the working fluid flowing into the third boiler and the flow rate of the working fluid flowing into the bypass passage.
  • the second control valve control unit controls the second flow control valve.
  • the exhaust passage is provided with a purification device for purifying the exhaust flowing through the exhaust passage.
  • the first boiler is disposed at a portion of the exhaust passage downstream of the purification device in the flow direction of the exhaust gas.
  • the waste heat utilization device of the present invention there is a possibility that condensed water may be generated in the first boiler by heat exchange in the first boiler.
  • the exhaust gas in order to discharge the exhaust gas to the atmosphere, it is required that the exhaust gas be subjected to a certain treatment from the viewpoint of air pollution countermeasures and the like.
  • the purification device of the present invention it is possible to remove nitrogen oxides, soot and the like from the exhaust gas. Further, since the first boiler is disposed downstream of the purification device, even if the condensed water is generated in the first boiler, the condensed water does not flow into the purification device. For this reason, in this waste heat utilization device, it becomes possible to preferably suppress the deterioration of the purification device.
  • FIG. 1 is a schematic structural view showing a waste heat utilization device according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 2 is a schematic structural view showing a state in which a working fluid flows into a refluxing exhaust boiler through a coolant boiler according to the waste heat utilization device of FIG. 1;
  • FIG. 2 is a schematic structural view showing a state in which a working fluid flows into a reflux exhaust boiler through a coolant boiler or a bypass according to the waste heat utilization device of FIG. 1;
  • the waste heat utilization apparatus of an embodiment is mounted in a vehicle, and as shown in FIG. 1, it is used for the drive system 1 of a vehicle.
  • the waste heat utilization device includes a Rankine cycle device 3, a first temperature sensor 10, a first flow control valve 43, a bypass passage 44, a second flow control valve 45, and a control device 11.
  • the drive system 1 includes an engine 5 as an internal combustion engine, a turbocharger 7 as a supercharger, a radiator 9, pipes 12 to 14 as an exhaust passage, and pipes 15 and 16 as an exhaust gas recirculation passage. ing.
  • the engine 5 is a known water-cooled diesel engine. Inside the engine 5 is formed a water jacket (not shown) through which LLC as a coolant as a heat medium can flow.
  • the engine 5 is formed with an outlet 5a and an inlet 5b in communication with the water jacket. Further, the engine 5 is formed with an exhaust port 5c for exhausting the exhaust gas and an intake port 5d for sucking in pressurized air as a heat medium to be described later.
  • the turbocharger 7 is operated by the exhaust generated from the engine 5 and supplies the engine 5 with pressurized air obtained by pressurizing air outside the vehicle.
  • the radiator 9 is formed with an inlet 9a for introducing the coolant into the radiator 9 and an outlet 9b for discharging the coolant.
  • the radiator 9 exchanges heat between the coolant flowing inside and the air outside the vehicle.
  • an electric fan 9c is provided in the vicinity of the radiator 9.
  • the electric fan 9 c is electrically connected to the control device 11.
  • the engine 5 and the turbocharger 7 are connected by a pipe 12, a pipe 17 and a pipe 18. Further, a pressurized air boiler 27 described later is connected to the pipe 17 and the pipe 18.
  • the pipe 12 allows exhaust gas to flow therethrough, and is connected to the exhaust port 5 c of the engine 5 and the turbocharger 7.
  • the pipe 17 is configured so that pressurized air can flow therethrough, and the pipe 18 is configured such that pressurized air and recirculated exhaust can flow therethrough.
  • the pipe 17 is connected to the turbocharger 7 and a first inlet 27 a of a pressurized air boiler 27 described later.
  • the pipe 18 is connected to the first outlet 27 b of the pressurized air boiler 27 and the inlet 5 d of the engine 5.
  • each first end of the pipes 13 and 19 is connected to the turbocharger 7.
  • the second end of the pipe 13 is connected to a seventh inlet 30 a of an exhaust boiler 30 described later.
  • the pipe 13 is configured such that exhaust gas can flow therethrough.
  • the pipe 13 is provided with a purifier 131 for removing nitrogen oxides, soot and the like in the exhaust gas flowing through the pipe 13.
  • a first end of the pipe 14 is connected to the seventh outlet 30 b of the exhaust boiler 30 described above.
  • the second end of the pipe 14 is open to the outside of the vehicle.
  • the pipe 12 communicates with the pipes 13 and 14 via the turbocharger 7.
  • the second end of the pipe 19 is open to the air intake of the vehicle (not shown).
  • the pipe 19 is configured to allow air to flow therethrough, and is in communication with the pipe 17 via the turbocharger 7.
  • the pipes 15 and 16 are configured such that reflux exhaust which is a part of the exhaust can flow through the inside.
  • the first end of the pipe 15 is connected to the pipe 12.
  • the first end of the pipe 16 is connected to the pipe 18.
  • the second end of the pipe 15 is connected to a fifth inlet 29 a of a reflux exhaust boiler 29 described later.
  • the second end of the pipe 16 is connected to the fifth outlet 29 b of the reflux exhaust boiler 29.
  • the piping 16 is provided with a variable valve 21.
  • the variable valve 21 is electrically connected to the controller 11.
  • the pipes 15 and 16 join the reflux exhaust to the pipe 18 while passing the reflux exhaust boiler 29 so that a part of the exhaust discharged from the exhaust port 5c of the engine 5 is used as the reflux exhaust from the intake port 5d to the engine 5 Reflux into the inside.
  • the first end of the pipe 15 may be connected to the pipe 13.
  • the first end of the pipe 16 is connected to the pipe 19.
  • the engine 5 and the radiator 9 are connected by pipes 23-25. Further, a coolant boiler 28 described later is connected to the pipe 23 and the pipe 24.
  • the pipes 23 to 25 are configured such that the coolant can flow therethrough.
  • the pipe 23 is connected to the outlet 5 a of the engine 5 and the third inlet 28 a of the coolant boiler 28.
  • the pipe 24 is connected to the third outlet 28 b of the coolant boiler 28 and the inlet 9 a of the radiator 9.
  • the pipe 25 is connected to the outlet 9 b of the radiator 9 and the inlet 5 b of the engine 5.
  • the pipe 24 is provided with a first electric pump P1.
  • the first electric pump P1 is electrically connected to the control device 11.
  • the first electric pump P1 may be provided in the pipe 23 or the pipe 25.
  • the first temperature sensor 10 is provided in the pipe 16.
  • the first temperature sensor 10 is electrically connected to the control device 11.
  • the first temperature sensor 10 detects the temperature of the reflux exhaust flowing out of the fifth outlet 29 b of the reflux exhaust boiler 29 and circulating the pipe 16, and transmits the detected value to the control device 11.
  • the Rankine cycle device 3 includes a second electric pump P2, a pressurized air boiler 27, a coolant boiler 28, a reflux exhaust boiler 29, an exhaust boiler 30, an expander 31, a condenser 32, and piping 33 to And 41.
  • the first and second flow control valves 43 and 45 and the bypass passage 44 are integrally assembled to the Rankine cycle device 3.
  • An HFC 134 a as a working fluid can flow through the pipes 33 to 42 and the bypass passage 44.
  • the second electric pump P2 corresponds to the pump in the waste heat utilization device of the present invention.
  • the pressurized air boiler 27 is formed with a first inlet 27a and a first outlet 27b, and a second inlet 27c and a second outlet 27d. Further, in the pressurized air boiler 27, a first passage 27e having both ends respectively communicating with the first inlet 27a and the first outlet 27b, and a second inlet 27c and the second outlet 27d respectively. A second passage 27f having both ends is provided. In the pressurized air boiler 27, the pressurized air is cooled and the working fluid is heated by heat exchange between the pressurized air in the first passage 27e and the working fluid in the second passage 27f.
  • a third inlet 28a and a third outlet 28b, and a fourth inlet 28c and a fourth outlet 28d are formed.
  • a third passage 28e having both ends communicating with the third inlet 28a and the third outlet 28b, and both ends communicating with the fourth inlet 28c and the fourth outlet 28d, respectively.
  • a fourth passage 28f In the coolant boiler 28, heat exchange between the coolant in the third passage 28e and the working fluid in the fourth passage 28f performs cooling of the coolant and heating of the working fluid.
  • the reflux exhaust boiler 29 is provided with a fifth inlet 29a and a fifth outlet 29b, and a sixth inlet 29c and a sixth outlet 29d.
  • a fifth passage 29e having both ends communicating with the fifth inlet 29a and the fifth outlet 29b, respectively, and a fifth passage 29e communicating with the sixth inlet 29c and the sixth outlet 29d, respectively.
  • 6 passages 29f are provided.
  • heat exchange between the reflux exhaust in the fifth passage 29e and the working fluid in the sixth passage 29f cools the reflux exhaust and heats the working fluid.
  • the exhaust boiler 30 is formed with a seventh inlet 30a and a seventh outlet 30b, and an eighth inlet 30c and an eighth outlet 30d.
  • a seventh passage 30e having both ends communicating with the seventh inlet 30a and the seventh outlet 30b, and both ends communicating with the eighth inlet 30c and the eighth outlet 30d, respectively And an eighth passage 30f.
  • the working fluid is heated by heat exchange between the exhaust in the seventh passage 30e and the working fluid in the eighth passage 30f, and the exhaust is additionally cooled.
  • the reflux exhaust boiler 29 performs heat exchange between the reflux exhaust and the working fluid using the reflux exhaust as a heat source. It corresponds to 2 boilers.
  • the exhaust boiler 30 corresponds to the first boiler because heat exchange is performed between the exhaust gas and the working fluid, using the exhaust gas flowing through the exhaust passage, that is, the pipe 13 as a heat source.
  • both the pressurized air (heat medium) and the coolant (heat medium) that exchange heat with the working fluid are lower in temperature than the recirculating exhaust gas, respectively.
  • the pressurized air boiler 27 and the coolant boiler 28 correspond to a second boiler. As shown in FIGS.
  • the pressurized air boiler 27 and the coolant boiler 28 are illustrated so that the heat source (the pressurized air and the coolant) and the working fluid flow in the same direction,
  • the heat sources (the pressurized air and the coolant) and the working fluid may flow in different directions (opposite flow) as in the reflux exhaust boiler 29 and the exhaust boiler 30.
  • the expander 31 is formed with an inlet 31a through which the working fluid flows, and an outlet 31b through which the working fluid flows out.
  • a rotary driving force is generated by expanding the working fluid heated through the pressurized air boiler 27, the coolant boiler 28, the reflux exhaust boiler 29, and the exhaust boiler 30.
  • a known generator not shown is connected to the expander 31. The generator generates electric power by the driving force of the expander 31, and charges a battery (not shown) with electric power.
  • the condenser 32 is formed with an inlet 32 a for introducing the working fluid therein and an outlet 32 b for discharging the working fluid.
  • the condenser 32 exchanges heat between the working fluid flowing inside and the air outside the vehicle, and cools and liquefies the working fluid decompressed by the expansion in the expander 31.
  • An electric fan 32 c is provided in the vicinity of the condenser 32. The electric fan 32 c is electrically connected to the control device 11.
  • the first flow rate adjustment valve 43 is a flow rate of the working fluid discharged from the second electric pump P2 and flowing into the exhaust boiler 30, and a flow rate of the working fluid discharged from the second electric pump P2 and flowing into the pressurized air boiler 27 And adjust.
  • the first flow rate adjustment valve 43 is electrically connected to the controller 11.
  • the bypass passage 44 allows the working fluid to bypass the coolant boiler 28 by circulating the working fluid therein.
  • the second flow rate adjustment valve 45 adjusts the flow rate of the working fluid flowing into the coolant boiler 28 and the flow rate of the working fluid flowing into the bypass passage 44.
  • the second flow rate adjustment valve 45 is electrically connected to the controller 11.
  • the outlet 32 b of the condenser 32 and the second electric pump P 2 are connected by a pipe 33.
  • the second electric pump P2 and the first flow rate adjustment valve 43 are connected by a pipe.
  • the first flow control valve 43 and the second inlet 27 c of the pressurized air boiler 27 are connected by a pipe 35.
  • the second outlet 27 d of the pressurized air boiler 27 and the second flow control valve 45 are connected by a pipe 36.
  • the second flow rate adjustment valve 45 and the fourth inlet 28 c of the coolant boiler 28 are connected by a pipe 37.
  • the fourth outlet 28 d of the coolant boiler 28 and the sixth inlet 29 c of the reflux exhaust boiler 29 are connected by a pipe 38.
  • the sixth outlet 29 d of the reflux exhaust boiler 29 and the inlet 31 a of the expander 31 are connected by a pipe 39.
  • the outlet 31 b of the expander 31 and the inlet 32 a of the condenser 32 are connected by a pipe 40.
  • first end of the pipe 41 is connected to the first flow rate adjustment valve 43, and the second end of the pipe 41 is connected to the eighth inlet 30 c of the exhaust boiler 30.
  • the first end of the pipe 42 is connected to the eighth outlet 30 d of the exhaust boiler 30, and the second end of the pipe 42 is connected to the above-described pipe 39.
  • the first end of the bypass passage 44 is connected to the second flow rate adjustment valve 45, and the second end of the bypass passage 44 is connected to the above-described pipe 38.
  • this Rankine cycle device 3 by operating the second electric pump P2, as shown in FIGS. 2 and 3, the working fluid from the second electric pump P2 to the pressurized air boiler 27, the coolant boiler 28 or the bypass Through the passage 44, the reflux exhaust boiler 29 and the expander 31, the condensers 32 are circulated in the order from the pipes 33 to 40 in this order. Further, the working fluid circulates in the pipes 33, 34, 41, 42, 40 in the order from the second electric pump P2 through the exhaust boiler 30 to the pipe 39 and then through the expander 31 to the condenser 32. Do.
  • the pressurized air boiler 27 is positioned most upstream in the circulation direction of the working fluid among the pressurized air boiler 27, the coolant boiler 28 and the reflux exhaust boiler 29.
  • the coolant boiler 28 is located downstream of the pressurized air boiler 27, and the reflux exhaust boiler 29 is located downstream of the coolant boiler 28. Further, the exhaust boiler 30, the pressurized air boiler 27, the coolant boiler 28 and the reflux exhaust boiler 29 are arranged in parallel.
  • the pressurized air boiler 27 and the coolant boiler 28 corresponding to the third boiler are located upstream of the circulation exhaust boiler 29 in the circulating direction of the working fluid than the reflux exhaust boiler 29 corresponding to the second boiler
  • An exhaust boiler 30 corresponding to the above, a pressurized air boiler 27 corresponding to the third and second boilers, a coolant boiler 28 and a reflux exhaust boiler 29 are arranged in parallel. Further, the exhaust boiler 30 is disposed downstream of the purification device 131 in the flow direction of the exhaust gas.
  • the control device 11 controls the operation of the electric fans 9 c and 32 c to adjust the amount of heat that the coolant or the working fluid radiates to the outside air. Further, the control device 11 performs open / close control of the variable valve 21 and operation control of the first and second electric pumps P1, P2. Furthermore, the control device 11 determines the required cooling amount for the reflux exhaust based on the temperature of the reflux exhaust detected by the first temperature sensor 10. Then, the control device 11 performs operation control of the first and second flow rate adjustment valves 43 and 45 based on the required amount of cooling. That is, the control device 11 functions as a first adjustment valve control unit and a second adjustment valve control unit.
  • the waste heat utilization apparatus configured in this way operates as follows by driving the vehicle.
  • the engine 5 By driving the vehicle, as shown in FIG. 2, the engine 5 is operated in the driveline 1.
  • the exhaust gas discharged from the exhaust port 5 c flows in the pipe 12.
  • the control device 11 controls the variable valve 21 to open so that part of the exhaust flowing through the inside of the pipe 12 flows into the pipe 15 (see the dashed dotted arrow in FIG. 2).
  • the controller 11 appropriately controls the opening degree of the variable valve 21 to adjust the flow rate of the exhaust flowing into the pipe 15.
  • the exhaust gas flowing into the pipe 15, that is, the recirculated exhaust gas reaches the pipe 18 through the fifth passage 29 e of the reflux exhaust boiler 29 and the pipe 16, and is sucked into the engine 5 together with the pressurized air in the pipe 18.
  • the first temperature sensor 10 detects the temperature of the recirculating exhaust flowing through the pipe 16, and transmits the detected value to the control device 11.
  • the exhaust gas flowing out of the turbocharger 7 reaches the pipe 13.
  • the exhaust gas flowing through the pipe 13 reaches the inside of the seventh passage 30e, that is, the inside of the exhaust boiler 30, from the seventh inlet 30a after nitrogen oxides, soot and the like are removed by the purification device 131.
  • the exhaust gas flowing in the seventh passage 30e and flowing out from the seventh outlet 30b is discharged to the outside of the vehicle through the pipe 14 (see the dashed-dotted arrow in FIG. 2).
  • the control device 11 also operates the first and second electric pumps P1 and P2 and the electric fans 9c and 32c.
  • the coolant that has cooled the engine 5 flows out from the outlet 5 a, passes through the piping 23, the third passage 28 e of the cooling liquid boiler 28 and the piping 24, and from the inlet 9 a of the radiator 9.
  • the inside of the radiator 9 is reached.
  • the coolant in the radiator 9 exchanges heat with the air around the radiator 9, that is, is dissipated and cooled.
  • the control device 11 appropriately changes the operation amount of the electric fan 9c to radiate the cooling liquid suitably.
  • the coolant that has been radiated and cooled flows out from the outlet 9b and flows into the engine 5 from the inlet 5b of the engine 5 through the pipe 25 to cool the engine 5 (see the broken arrow in FIG. 2).
  • the control device 11 determines the required cooling amount for the recirculated exhaust gas.
  • the controller 11 determines that the required amount of cooling for the recirculating exhaust is smaller than the threshold value, that is, the required amount of cooling for the recirculating exhaust is small, and controls the first and second flow control valves 43 and 45 accordingly. I do.
  • the control device 11 performs the first operation so that the flow rate flowing to the pipe 35 and the flow rate flowing to the pipe 41 become equal.
  • the flow control valve 43 is controlled.
  • the controller 11 controls the second flow control valve 45 so that all the working fluid flowing through the pipe 36 flows toward the pipe 37 and the flow rate of the working fluid flowing to the bypass passage 44 decreases or the flow rate becomes zero.
  • FIG. 2 shows the case where the flow rate of the working fluid flowing to the bypass passage 44 is zero.
  • the working fluid discharged by the second electric pump P2 passes through the pipe 35 and the second inlet 27c of the pressurized air boiler 27 to the second passage.
  • the working fluid discharged by the second electric pump P2 passes through the pipe 41 from the eighth inlet 30c of the exhaust boiler 30 to the eighth passage 30f.
  • the pressurized air boiler 27 heat exchange between the pressurized air flowing in the first passage 27e and the working fluid flowing in the second passage 27f is performed. At this time, since the compressed air flowing through the first passage 27e has heat of about 150 ° C. by being compressed by the turbocharger 7, the working fluid flowing through the second passage 27f is preferably heated. Be done. On the other hand, the pressurized air flowing through the first passage 27e radiates heat to the working fluid flowing through the second passage 27f, and thus reaches the engine 5 while being cooled to a temperature according to the heat radiation.
  • the working fluid heated in the pressurized air boiler 27 flows out from the second outlet 27d, passes through the piping 36 and the piping 37, and reaches the fourth passage 28f from the fourth inlet 28c of the coolant boiler 28. Then, the working fluid exchanges heat with the coolant in the coolant boiler 28. At this time, the coolant flowing through the third passage 28 e has heat of about 80 to 90 ° C. due to the waste heat of the engine 5. Further, since the working fluid flowing through the fourth passage 28 f is already heated in the pressurized air boiler 27, the working fluid is further heated in the coolant boiler 28 and has a temperature corresponding to the heating. On the other hand, the coolant flowing through the third passage 28e radiates heat to the working fluid flowing through the fourth passage 28f, and thus reaches the radiator 9 in a state of being cooled to a temperature according to the heat radiation.
  • the working fluid heated in the coolant boiler 28 flows out from the fourth outlet 28 d and passes through the pipe 38 from the sixth inlet 29 c to the sixth passage 29 f of the reflux exhaust boiler 29. Then, the working fluid is heat-exchanged with the reflux exhaust in the reflux exhaust boiler 29. At this time, the recirculated exhaust gas flowing through the fifth passage 29e has heat of about 500 ° C. depending on the operating condition of the engine 5. For this reason, the working fluid heated in the pressurized air boiler 27 and the coolant boiler 28 is sufficiently heated in the reflux exhaust boiler 29.
  • the working fluid flows out from the sixth outlet 29 d in a high temperature and high pressure state, and reaches the expander 31 from the inlet 31 a of the expander 31 through the pipe 39.
  • the recirculated exhaust gas flowing through the fifth passage 29e dissipates heat to the working fluid flowing through the sixth passage 29f, it is returned to the engine 5 together with the pressurized air in a state cooled to a temperature according to the heat radiation. .
  • the working fluid flowing through the eighth passage 30f of the exhaust boiler 30 exchanges heat with the exhaust flowing through the seventh passage 30e.
  • path 30e has a heat
  • path 30f is also heated sufficiently.
  • the working fluid flows out from the eighth outlet 30 d in a high temperature and high pressure state, and merges with the working fluid heated by the reflux exhaust boiler 29 or the like in the pipe 39.
  • the working fluid flowing through the pipe 39 extends from the inlet 31 a of the expander 31 into the expander 31. Then, the high temperature and high pressure working fluid is expanded in the expander 31 and decompressed. The pressure energy at this time causes the generator connected to the expander 31 to generate power.
  • the working fluid reduced in pressure in the expander 31 flows out from the outlet 31 b and passes through the pipe 40 to the inlet 32 a of the condenser 32 and into the condenser 32.
  • the working fluid of the condenser 32 dissipates heat to the air around the condenser 32 and is cooled.
  • the control device 11 changes the amount of operation of the electric fan 32c as appropriate to suitably dissipate heat of the working fluid and liquefy it.
  • the cooled working fluid flows out from the outlet 32b and is discharged through the pipe 35 by the second electric pump P2 again.
  • the control device 11 determines that the required cooling amount for the recirculated exhaust is larger than the threshold value, that is, the required cooling amount for the recirculated exhaust is large. Thereby, the control device 11 controls the first and second flow rate adjustment valves 43, 45 accordingly. Specifically, for the working fluid discharged from the second electric pump P2 and flowing through the pipe 34, the controller 11 sets the first flow rate so that the flow rate flowing to the pipe 35 is larger than the flow rate flowing to the pipe 41 The control valve 43 is controlled. Further, the control device 11 controls the second flow rate adjustment valve 45 so that the flow rate of the working fluid flowing through the bypass passage 44 is larger than the flow rate of the working fluid flowing into the coolant boiler 28.
  • the working fluid having flowed through the bypass passage 44 flows into the reflux exhaust boiler 29 at a lower temperature than the state shown in FIG. 2 described above.
  • the recirculating exhaust gas in the fifth passage 29e is sufficiently cooled to such an extent that the cooling demand is satisfied.
  • the working fluid heated in the refluxing exhaust boiler 29 or the like and the exhaust boiler 30 is expanded and reduced in pressure by the expander 31 as in the case shown in FIG.
  • the Rankine cycle device 3 in this waste heat utilization apparatus it is possible to suitably heat the working fluid with the pressurized air boiler 27, the coolant boiler 28, the reflux exhaust boiler 29 and the exhaust boiler 30, It is possible to increase the pressure energy of the fluid. For this reason, in this waste heat utilization apparatus, it is possible to increase the amount of power that can be recovered by the Rankine cycle device 3.
  • this waste heat utilization apparatus it is possible to cool the recirculating exhaust gas by heat exchange in the reflux exhaust boiler 29. For this reason, in this waste heat utilization device, it is possible to reflux the reflux exhaust gas to the engine 5 while increasing the density of the reflux exhaust gas.
  • the pressurized air boiler 27 and the coolant boiler 28 are located upstream of the return flow exhaust boiler 29 in the circulation direction of the working fluid.
  • the exhaust boiler 30, the pressurized air boiler 27, the coolant boiler 28 and the reflux exhaust boiler 29 are arranged in parallel by the pipes 33 to 42.
  • the exhaust boiler 30 is not disposed upstream of the reflux exhaust boiler 29 in the circulation direction of the working fluid. That is, the working fluid suitably heated to the temperature according to the heat exchange by the pressurized air boiler 27 and the coolant boiler 28 flows into the reflux exhaust boiler 29, and the working fluid heated by the exhaust boiler 30 is It does not flow into the reflux exhaust boiler 29.
  • the control device 11 determines the required cooling amount for the reflux exhaust based on the temperature of the reflux exhaust detected by the first temperature sensor 10 and the flow rate of the working fluid flowing into the reflux exhaust boiler 29 Control the first and second flow control valves 43, 45 to adjust the temperature and the temperature. Under the present circumstances, it is possible for the control apparatus 11 to judge correctly the cooling request
  • the pressurized air can be cooled by heat exchange in the pressurized air boiler 27, and the coolant can be cooled by heat exchange in the coolant boiler 28.
  • the pressurized air boiler 27 is positioned most upstream in the circulation direction of the working fluid. Therefore, in this waste heat utilization device, the temperature of the working fluid flowing into the pressurized air boiler 27 is low. Thereby, in this waste heat utilization apparatus, it becomes possible to cool pressurized air suitably, and it is possible to supply engine 5 in the state which made the density of pressurized air large enough.
  • the purification device 131 can remove nitrogen oxides, soot, and the like from the exhaust gas. Further, since the exhaust boiler 30 is disposed downstream of the purification device 131, even if the condensed water is generated in the exhaust boiler 30, the condensed water does not flow into the purification device 131. For this reason, in this waste heat utilization apparatus, deterioration of the purification device 131 can be suitably suppressed. Even when condensed water is generated in the exhaust boiler 30, if the discharge port is provided at an appropriate place of the exhaust boiler 30, it is possible to discharge the condensed water. Under the present circumstances, since it passes through the purification apparatus 131, the air pollution by discharging condensed water can be suppressed suitably. Moreover, in addition to the purification device 131, if the pipe 13 is provided with a silencer, it is possible to preferably suppress the generation of noise and the like when discharging the condensed water.
  • the waste heat utilization device of the embodiment achieves the performance improvement of the engine 5 while improving the recovery amount of the power in the Rankine cycle device 3, and is excellent in the durability. Furthermore, in this waste heat utilization apparatus, the temperature of the superheated steam exceeding the temperature at which saturated steam is obtained for the working fluid by heat exchange with the pressurized air boiler 27, the coolant boiler 28, the reflux exhaust boiler 29 and the exhaust boiler 30 (super It is possible to heat sufficiently to the extent of heat). As a result, in the Rankine cycle device 3 in this waste heat utilization device, the working fluid expanded and decompressed in the expander 31 becomes difficult to liquefy, and the power recovery efficiency is high. Moreover, damage to the expander 31 is less likely to occur in this waste heat utilization device.
  • only one of the pressurized air boiler 27 or the cooling liquid boiler 28 may be disposed upstream of the working fluid in the reflux exhaust boiler 29.
  • one of the pressurized air boiler 27 or the coolant boiler 28 is disposed upstream of the working fluid in the reflux exhaust boiler 29, and the other is disposed in the vicinity of the outlet of the second electric pump P2 (pipe 34). good.
  • pressurized air boiler 27 and the coolant boiler 28 are disposed in series in the waste heat utilization device of the embodiment, they may be disposed in parallel. Further, on the upstream side of the working fluid in the reflux exhaust boiler 29, a boiler different from the pressurized air boiler 27 or the coolant boiler 28 may be disposed. In this case, it is possible to employ, for example, an oil boiler or the like which performs heat exchange between the lubricating oil and the working fluid, using the lubricating oil heated by the engine 5 or the like as a heat source. In addition, a boiler that uses a high temperature working fluid flowing downstream of the expander 31, that is, the pipe 40 as a heat source may be employed.
  • the displacement of the second electric pump P2 may be configured to be changeable.
  • the control device 11 controls the second electric pump P2 so as to reduce the discharge capacity, when it is determined that the cooling request for the recirculated exhaust gas is small.
  • the control device 11 can control the second electric pump P2 so that the discharge capacity becomes large.
  • first and second flow rate adjustment valves 43 and 45 are adopted for the first and second flow rate adjustment valves 43 and 45, and flow rate adjustment is performed so that all the working fluid flows in only one and the working fluid flowing in the other is zero by switching the flow path.
  • only one of the first flow control valve 43 and the second flow control valve 45 may be a three-way valve.
  • the first temperature sensor 10 may be provided in the pipe 15, and the control device 11 may determine the required cooling amount for the reflux exhaust based on the temperature of the reflux exhaust before flowing into the reflux exhaust boiler 29.
  • the first temperature sensor 10 may be provided in the pipe 38, and the control device 11 may determine the required cooling amount for the reflux exhaust based on the temperature of the working fluid before flowing into the reflux exhaust boiler 29.
  • the first temperature sensor 10 may be provided in the pipe 33, and the control device 11 may determine the required cooling amount for the reflux exhaust based on the temperature of the reflux exhaust before flowing into the second electric pump P2.
  • a pressure detection unit such as a pressure sensor is provided in the pipe 33, and the control device 11 controls the pressure of the working fluid from the downstream of the expander 31 to the upstream of the second electric pump P2.
  • the required cooling amount for the reflux exhaust may be determined based on the pressure).
  • the first temperature sensor 10 is not provided, and by configuring the control device 11 so as to be able to detect an output request to the engine 5, the control device 11 requests a cooling exhaust amount for the reflux exhaust based on the output request to the engine You may judge Further, the control device 11 may determine the cooling demand for the reflux exhaust by combining the temperature of the reflux exhaust, the temperature of the working fluid, the pressure of the working fluid, the output demand for the engine 5 and the like.
  • the pipe 33 may be provided with a known receiver.
  • the working fluid since the working fluid is suitably liquefied by the receiver, the working fluid having passed through the condenser 32 is suitably discharged by the second electric pump P2, and suitably circulates through the pipes 33 to 42 and the bypass passage 44.

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Abstract

　廃熱利用装置はランキンサイクル装置を備える。ランキンサイクル装置は、ポンプと、排気と作動流体との間で熱交換を行う第１ボイラと、還流排気と作動流体との間で熱交換を行う第２ボイラと、還流排気よりも低温の熱媒体と作動流体との間で熱交換を行う第３ボイラと、膨張機と、凝縮器と、配管とを有する。配管は、ポンプから第３ボイラ、第２ボイラ及び膨張機を経て凝縮器に作動流体を循環させるように構成されるとともに、ポンプから第１ボイラ及び膨張機を経て凝縮器に作動流体を循環させるように構成される。

Description

廃熱利用装置
　本発明は廃熱利用装置に関する。
　特許文献１の図２に従来の廃熱利用装置が開示されている。この廃熱利用装置は駆動系に用いられるランキンサイクル装置を備えている。ランキンサイクル装置は、第１及び第２ボイラを有するとともに作動流体を循環させる。駆動系は、エンジンと、エンジンに加圧空気を供給するターボチャージャとを有している。ランキンサイクル装置における第１ボイラでは、加圧空気を熱源として加圧空気と作動流体との間で熱交換を行う。一方、第２ボイラでは、エンジンで加熱された冷却液を熱源として冷却液と作動流体との間で熱交換を行う。作動流体の循環方向において、第１ボイラは第２ボイラよりも上流のランキンサイクル装置の部位に位置している。第２ボイラの下流には膨張機が設けられ、膨張機の下流には凝縮器が設けられている。
　このような廃熱利用装置では、第１及び第２ボイラによって作動流体を加熱することが可能であることから、膨張機に流入する作動流体の温度を高くすることが可能となる。また、この廃熱利用装置では、第１及び第２ボイラにおける熱交換により、加圧空気や冷却水を冷却することが可能となるため、エンジンの出力を向上させることも可能となっている。
特開２００８－８２２４号公報
　ところで、作動流体を加熱可能な熱源としては、上記のような冷却液や加圧空気の他に、例えば排気等を採用することも可能である。排気は加圧空気よりも高温となることから、より作動流体を加熱することが可能となる。
　この排気には、大気中に放出される排気（狭義の排気）の他、エンジン等の内燃機関に還流される還流排気が含まれる。特に還流排気については、内燃機関に還流される前に好適に冷却されることが好ましい。還流排気が冷却によってその密度が大きくなった状態で内燃機関に還流されれば、内燃機関で生じるとともに最終的に大気中に放出される排気中の窒素酸化物の含有量を低減させることが可能となるためである。そこで、上記特許文献１記載の廃熱利用装置において、第１ボイラにおける熱源を加圧空気から還流排気に替えて構成することが考えられる。
　この場合、第１ボイラにおいて、還流排気が露点以下まで冷却されると、還流排気に含まれる水蒸気が凝縮し、水蒸気は排気中の硫化物を含んだ凝縮水となる。一方、第１ボイラの下流には、インテークマニホールドが接続され得る。このため、その凝縮水は、第１ボイラで生じた後、インテークマニホールドに滞留するおそれがある。ここで、ボイラは、耐腐食性が高いステンレス等の材質で製造される一方、インテークマニホールドは一般的に腐食に弱い鋳鉄やアルミ合金によって製造されることから、凝縮水によりインテークマニホールドには腐食が生じるおそれがある。このため、上記のような廃熱利用装置では、インテークマニホールドの耐久性が低下し、ひいては廃熱利用装置全体の耐久性が低下する。
　本発明の目的は、ランキンサイクル装置におけるエネルギーの回収量の向上を図りつつ、内燃機関の性能向上を実現し、かつ耐久性に優れた廃熱利用装置を提供することにある。
　上記目的を達成するため、本発明の一態様によれば、内燃機関と、該内燃機関で生じた排気が流通する排気路と、該排気路を流通する該排気の一部を還流排気として該内燃機関に還流させる排気還流路と、を有する駆動系に用いられる廃熱利用装置が提供される。該廃熱利用装置はランキンサイクル装置を備える。該ランキンサイクル装置は、ポンプとボイラと膨張機と凝縮器と配管とを有するとともに、作動流体を循環させる。前記ボイラは、第１ボイラと第２ボイラと第３ボイラとを含む。前記第１ボイラは、前記排気路を流通する前記排気と前記作動流体との間で熱交換を行う。前記第２ボイラは、前記還流排気と前記作動流体との間で熱交換を行う。前記第３ボイラは、前記還流排気よりも低温の熱媒体と前記作動流体との間で熱交換を行う。前記第３ボイラは前記作動流体の循環方向において前記第２ボイラの上流の前記ランキンサイクル装置の部位に位置する。前記配管は、前記ポンプから前記第３ボイラ、前記第２ボイラ及び前記膨張機を経て前記凝縮器に前記作動流体を循環させるように構成されるとともに、前記ポンプから前記第１ボイラ及び前記膨張機を経て前記凝縮器に前記作動流体を循環させるように構成される。
　本発明の廃熱利用装置はランキンサイクルを備えている。そして、このランキンサイクルは、第１～３ボイラを有している。これにより、この廃熱利用装置におけるランキンサイクルでは、第１～３ボイラで作動流体を好適に加熱することが可能となり、作動流体の圧力エネルギーが大きくなる。このため、この廃熱利用装置では、ランキンサイクルで回収可能なエネルギーの量を大きくすることが可能となる。この回収可能なエネルギーとしては、例えば、圧力エネルギーを基に発電した電力や内燃機関に回生される動力等が挙げられる。
　また、この廃熱利用装置では、第２ボイラにおける熱交換によって還流排気を冷却することが可能である。このため、この廃熱利用装置では、還流排気の密度を増大させつつ、還流排気を内燃機関に還流させることが可能となる。
　特に、この廃熱利用装置では、第３ボイラが第２ボイラよりも作動流体の循環方向の上流に位置している。加えて、この廃熱利用装置では、配管によって第１ボイラと第３及び第２ボイラとが並列に配置されるため、第２ボイラよりも作動流体の循環方向の上流に第１ボイラが配置されることがない。つまり、第２ボイラに対しては、第３ボイラによって熱交換に応じた温度まで好適に加熱された作動流体が流入し、第１ボイラによって加熱された作動流体は第２ボイラに流入することがない。このため、この廃熱利用装置では、第２ボイラにおける還流排気の冷却能力を高くしつつも第２ボイラにおいて還流排気が必要以上に冷却される事態が生じ難くなり、硫化物を含む凝縮水が生じ難くなる。
　また、この廃熱利用装置では、第２ボイラよりも作動流体の循環方向の下流に第１ボイラが配置されることもないことから、第１ボイラにおける熱交換を見越した上で、第２ボイラにおいて、還流排気の冷却と作動流体の加熱とを行う必要がない。
　これらのため、この廃熱利用装置では、好適に冷却された還流排気が内燃機関に還流されることによって、内燃機関で生じるとともに大気中に放出される排気中の窒素酸化物の含有量を低減させることも可能となる。
　したがって、本発明の廃熱利用装置は、ランキンサイクルにおけるエネルギーの回収量の向上を図りつつ、内燃機関の性能向上を実現し、かつ耐久性に優れている。
　さらに、本発明の廃熱利用装置では、第１～３ボイラによる熱交換により、作動流体について、飽和蒸気となる温度を超えた過熱蒸気温度（スーパーヒート）程度まで十分に加熱することが可能である。これにより、この廃熱利用装置におけるランキンサイクルでは、膨張機内で膨張及び減圧された作動流体が液化し難くなり、作動流体の膨張時におけるエネルギーの回収効率が高くなる。また、この廃熱利用装置では膨張機の損傷も生じ難くなる。
　さらに、本発明の廃熱利用装置では、上記のように、第１ボイラと第３及び第２ボイラとが並列に配置されることから、第３ボイラだけでなく、第１ボイラに対しても凝縮器を経た作動流体、すなわち、低温の作動流体が流入する。この点、還流排気と異なり、最終的に大気中に排出される排気については、第１ボイラにおける熱交換後の排気の温度が問題となることはない。
　内燃機関としては、ディーゼルエンジン等を採用することができる。また、これらのエンジンはモータを組み合わせたハイブリッドエンジンでも良く、エンジンは空冷式でも水冷式でも良い。また、駆動系には、内燃機関に加圧空気を供給可能な過給器を設けても良い。この場合、過給器としては、ターボチャージャやスーパーチャージャ等を採用することができる。なお、内燃機関や過給器は複数であっても良い。
　第３ボイラにおいて作動流体と熱交換が可能な熱源としては、例えば、内燃機関に対する冷却液を採用することが可能である。冷却液としては、例えば、水の他にＬＬＣ（ロングライフクーラント）等を採用することが可能である。また、駆動系に過給器を設ける場合には、加圧空気を熱源とすることも可能である。これらの冷却液や加圧空気を熱源とすることで、第３ボイラにおける作動流体との熱交換により、冷却液や加圧空気を冷却することが可能となる。ここで、冷却液を冷却することにより、内燃機関を好適に冷却することが可能となる。また、加圧空気を冷却することにより、還流排気と同様に、加圧空気の密度を高くした状態で内燃機関に供給することが可能となる。これらのため、熱源として冷却液や加圧空気を採用することにより、内燃機関の性能をより高くすることが可能となる。また、複数の第３ボイラを設けても良く、上記の冷却液を熱源とする第３ボイラと、上記の加圧空気を熱源とする第３ボイラとを、それぞれ、第２ボイラに対して、作動流体の循環方向の上流に位置させても良い。なお、冷却液を熱源とする複数の第３ボイラや加圧空気を熱源とする複数の第３ボイラをそれぞれ設けても良い。
　好ましくは、前記廃熱利用装置は、第１流量調整弁と第１調整弁制御部とをさらに備える。前記第１流量調整弁は、前記作動流体の循環方向において前記ポンプの下流の前記ランキンサイクル装置の部位に設けられる。前記第１流量調整弁は、前記ポンプから前記第１ボイラに流入する前記作動流体の流量と前記ポンプから前記第３ボイラに流入する前記作動流体の流量とを調整可能である。前記第１調整弁制御部は前記第１流量調整弁を制御する。
　この場合、第１ボイラに流入する作動流体の流量と、第３ボイラ及び第２ボイラに流入する作動流体の流量とを調整することが可能となる。これにより、この廃熱利用装置では、第２ボイラに流入する作動流体の流量を、還流排気の冷却要求量等に応じた適切な流量とすることが可能となり、第２ボイラにおいて還流排気を好適に冷却することが可能となる。
　好ましくは、前記廃熱利用装置は、バイパス路と第２流量調整弁と第２調整弁制御部とをさらに備える。前記バイパス路は、前記第３ボイラを迂回するように延びる。前記バイパス路は、前記作動流体の循環方向において前記第１流量調整弁の下流の前記配管の部位から分岐するとともに前記第２ボイラの上流側の前記配管の部位に合流する。前記第２流量調整弁は、前記第３ボイラに流入する前記作動流体の流量と前記バイパス路に流入する該作動流体の流量とを調整可能である。前記第２調整弁制御部は前記第２流量調整弁を制御する。
　この場合、第３ボイラを迂回させる作動流体の流量を調整することで、第２ボイラに流入する作動流体の温度を調整することが可能となる。これにより、この廃熱利用装置では、還流排気の必要以上の冷却を防止しつつ、第２ボイラにおいて還流排気の冷却を好適に行うことが可能となる。なお、上記のように、複数の第３ボイラが存在する場合には、パイパス路によって全ての第３ボイラを迂回させても良く、いずれかの第３ボイラを選択して迂回させても良い。
　好ましくは、前記排気路には、該排気路を流通する前記排気の浄化を行う浄化装置が設けられる。前記第１ボイラは、前記排気の流通方向において前記浄化装置の下流の前記排気路の部位に配置されている。
 
　本発明の廃熱利用装置では、第１ボイラにおける熱交換によって、第１ボイラ内に凝縮水が発生する可能性が存在する。一方で、大気中に排気を排出させるに当たって、排気に対しては、大気汚染対策等の観点から一定の処理を施すことが要求される。
　本発明の浄化装置によれば、排気中から窒素酸化物や煤等を除去することが可能となる。また、第１ボイラが浄化装置の下流に配置されるため、仮に第１ボイラにおいて凝縮水が発生したとしても、この凝縮水が浄化装置に流入することがない。このため、この廃熱利用装置では、浄化装置の劣化を好適に抑制することが可能となる。
本発明の実施形態に係る廃熱利用装置を示す模式構造図。 図１の廃熱利用装置に係り、作動流体が冷却液ボイラを経て還流排気ボイラに流入する状態を示す模式構造図。 図１の廃熱利用装置に係り、作動流体が冷却液ボイラ又はバイパス路を経て還流排気ボイラに流入する状態を示す模式構造図。
　以下、本発明を具体化した実施形態を図面を参照しつつ説明する。
（実施形態）
　実施形態の廃熱利用装置は、車両に搭載され、図１に示すように、車両の駆動系１に用いられている。この廃熱利用装置は、ランキンサイクル装置３と、第１温度センサ１０と、第１流量調整弁４３と、バイパス路４４と、第２流量調整弁４５と、制御装置１１とを備えている。
　駆動系１は、内燃機関としてのエンジン５と、過給器としてのターボチャージャ７と、ラジエータ９と、排気路としての配管１２～１４と、排気還流路としての配管１５、１６とを有している。
　エンジン５は、公知の水冷式ディーゼルエンジンである。エンジン５の内部には熱媒体としての冷却液としてのＬＬＣが流通可能なウォータジャケット（図示略）が形成されている。エンジン５には、このウォータジャケットと連通する流出口５ａと流入口５ｂとが形成されている。さらに、エンジン５には、排気を排出する排気口５ｃと、後述する熱媒体としての加圧空気を吸入する吸気口５ｄとが形成されている。
　ターボチャージャ７は、エンジン５から生じた排気によって作動され、エンジン５に対し、車外の空気を加圧した加圧空気を供給する。また、ラジエータ９には、その内部に冷却液を流入させる流入口９ａと、冷却液を流出させる流出口９ｂとが形成されている。ラジエータ９は、その内部を流通する冷却液と車外の空気との間で熱交換を行う。さらに、ラジエータ９の近傍には、電動ファン９ｃが設けられている。この電動ファン９ｃは、制御装置１１と電気的に接続されている。
　エンジン５とターボチャージャ７とは配管１２、配管１７及び配管１８によって接続されている。また、配管１７と配管１８とには後述する加圧空気ボイラ２７が接続されている。配管１２は内部を排気が流通可能となっており、エンジン５の排気口５ｃとターボチャージャ７とに接続されている。また、配管１７は内部を加圧空気が流通可能となるように構成されており、配管１８は内部を加圧空気及び還流排気が流通可能となるように構成さている。配管１７はターボチャージャ７と、後述する加圧空気ボイラ２７の第１流入口２７ａとに接続されている。配管１８は加圧空気ボイラ２７の第１流出口２７ｂと、エンジン５の吸気口５ｄとに接続されている。
　さらに、ターボチャージャ７には、配管１３、１９の各第１端が接続されている。また、配管１３の第２端は、後述する排気ボイラ３０の第７流入口３０ａに接続されている。この配管１３は、内部を排気が流通可能となるように構成されている。さらに、配管１３には、配管１３を流通する排気中の窒素酸化物や煤等を除去する浄化装置１３１が設けられている。
　また、上記の排気ボイラ３０の第７流出口３０ｂには、配管１４の第１端が接続されている。この配管１４の第２端は車外に開口している。配管１２は、ターボチャージャ７を介して配管１３、１４と連通している。一方、配管１９の第２端は図示しない車両のエアインテークに開口している。この配管１９は、内部を空気が流通可能となるように構成されており、ターボチャージャ７を介して配管１７と連通している。
　配管１５、１６は、内部を排気の一部である還流排気が流通可能となるように構成されている。配管１５の第１端は配管１２に接続されている。同様に、配管１６の第１端は配管１８に接続されている。また、配管１５の第２端は後述する還流排気ボイラ２９の第５流入口２９ａに接続されている。配管１６の第２端は還流排気ボイラ２９の第５流出口２９ｂに接続されている。さらに、配管１６には可変バルブ２１が設けられている。この可変バルブ２１は制御装置１１に電気的に接続されている。配管１５、１６は、還流排気を、還流排気ボイラ２９を経由させつつ配管１８に合流させることで、エンジン５の排気口５ｃから排出された排気の一部を還流排気として吸気口５ｄからエンジン５内へ還流させる。なお、配管１５の第１端は配管１３に接続されても良い。この場合、配管１６の第１端は配管１９に接続される。
　エンジン５とラジエータ９とは配管２３～２５によって接続されている。また、配管２３と配管２４とには後述する冷却液ボイラ２８が接続されている。配管２３～２５は、内部を冷却液が流通可能となるように構成されている。配管２３は、エンジン５の流出口５ａと冷却液ボイラ２８の第３流入口２８ａとに接続されている。配管２４は冷却液ボイラ２８の第３流出口２８ｂと、ラジエータ９の流入口９ａとに接続されている。配管２５は、ラジエータ９の流出口９ｂと、エンジン５の流入口５ｂとに接続されている。配管２４には、第１電動ポンプＰ１が設けられている。この第１電動ポンプＰ１は、制御装置１１に電気的に接続されている。なお、第１電動ポンプＰ１は、配管２３又は配管２５に設けられても良い。
　第１温度センサ１０は、配管１６に設けられている。第１温度センサ１０は制御装置１１と電気的に接続されている。この第１温度センサ１０は、還流排気ボイラ２９の第５流出口２９ｂから流出し、配管１６を流通する還流排気の温度を検出するとともに、その検出値を制御装置１１に向けて発信する。
　ランキンサイクル装置３は、第２電動ポンプＰ２と、加圧空気ボイラ２７と、冷却液ボイラ２８と、還流排気ボイラ２９と、排気ボイラ３０と、膨張機３１と、凝縮器３２と、配管３３～４１とを有している。このランキンサイクル装置３には、上記の第１及び第２流量調整弁４３、４５及びバイパス路４４が一体に組み付けられている。配管３３～４２及びバイパス路４４には、作動流体としてのＨＦＣ１３４ａが流通可能である。なお、第２電動ポンプＰ２が本発明の廃熱利用装置におけるポンプに相当している。
　加圧空気ボイラ２７には、第１流入口２７ａ及び第１流出口２７ｂと、第２流入口２７ｃ及び第２流出口２７ｄとが形成されている。また、加圧空気ボイラ２７内には、それぞれ第１流入口２７ａ及び第１流出口２７ｂに連通する両端を有する第１通路２７ｅと、それぞれ第２流入口２７ｃ及び第２流出口２７ｄに連通する両端を有する第２通路２７ｆとが設けられている。この加圧空気ボイラ２７では、第１通路２７ｅ内の加圧空気と、第２通路２７ｆ内の作動流体との熱交換により、加圧空気の冷却と作動流体の加熱とを行う。
　冷却液ボイラ２８には、第３流入口２８ａ及び第３流出口２８ｂと、第４流入口２８ｃ及び第４流出口２８ｄとが形成されている。また、冷却液ボイラ２８内には、それぞれ第３流入口２８ａ及び第３流出口２８ｂに連通する両端を有する第３通路２８ｅと、それぞれ第４流入口２８ｃ及び第４流出口２８ｄに連通する両端を有する第４通路２８ｆとが設けられている。この冷却液ボイラ２８では、第３通路２８ｅ内の冷却液と、第４通路２８ｆ内の作動流体との熱交換により、冷却液の冷却と作動流体の加熱とを行う。
　還流排気ボイラ２９には、第５流入口２９ａ及び第５流出口２９ｂと、第６流入口２９ｃ及び第６流出口２９ｄとが形成されている。また、還流排気ボイラ２９内には、それぞれ第５流入口２９ａ及び第５流出口２９ｂに連通する両端を有する第５通路２９ｅと、それぞれ第６流入口２９ｃ及び第６流出口２９ｄに連通する第６通路２９ｆとが設けられている。この還流排気ボイラ２９では、第５通路２９ｅ内の還流排気と、第６通路２９ｆ内の作動流体との熱交換により、還流排気の冷却と作動流体の加熱とを行う。
　排気ボイラ３０には、第７流入口３０ａ及び第７流出口３０ｂと、第８流入口３０ｃ及び第８流出口３０ｄとが形成されている。また、排気ボイラ３０内には、それぞれ第７流入口３０ａ及び第７流出口３０ｂに連通する両端を有する第７通路３０ｅと、それぞれ第８流入口３０ｃ及び第８流出口３０ｄに連通する両端を有する第８通路３０ｆとが設けられている。この排気ボイラ３０では、第７通路３０ｅ内の排気と、第８通路３０ｆ内の作動流体との熱交換により、作動流体の加熱を行うとともに、副次的に排気の冷却を行う。
　これらの加圧空気ボイラ２７、冷却液ボイラ２８、還流排気ボイラ２９及び排気ボイラ３０のうち、還流排気ボイラ２９は、還流排気を熱源として、還流排気と作動流体との熱交換を行うことから第２ボイラに相当する。また、排気ボイラ３０は、排気路、すなわち、配管１３を流通する排気を熱源として、排気と作動流体との熱交換を行うことから第１ボイラに相当する。そして、加圧空気ボイラ２７及び冷却液ボイラ２８において、それぞれ作動流体と熱交換を行う加圧空気（熱媒体）及び冷却液（熱媒体）は、いずれも還流排気よりも低温となることから、加圧空気ボイラ２７及び冷却液ボイラ２８は第２ボイラに相当する。なお、後述の図２、３に示すように、加圧空気ボイラ２７、冷却液ボイラ２８では熱源（加圧空気及び冷却液）と作動流体とが同一方向に流れるように図示されているが、熱交換をより効率的に行なうために、還流排気ボイラ２９や排気ボイラ３０のように熱源（加圧空気及び冷却液）と作動流体とが異なる方向（対向流）に流れても良い。
　図１に示すように、膨張機３１には、その内部に作動流体を流入させる流入口３１ａと、作動流体を流出させる流出口３１ｂとが形成されている。膨張機３１では、加圧空気ボイラ２７、冷却液ボイラ２８、還流排気ボイラ２９、及び排気ボイラ３０を経て加熱された作動流体を膨張させることにより回転駆動力を発生させる。この膨張機３１には図示しない公知の発電機が接続されている。発電機は膨張機３１の駆動力によって発電を行い、図示しないバッテリに電力を充電する。
　凝縮器３２には、その内部に作動流体を流入させる流入口３２ａと、作動流体を流出させる流出口３２ｂとが形成されている。凝縮器３２は、その内部を流通する作動流体と車外の空気との間で熱交換を行い、膨張機３１での膨張によって減圧された作動流体を冷却して液化させる。凝縮器３２の近傍には電動ファン３２ｃが設けられている。この電動ファン３２ｃは制御装置１１に電気的に接続されている。
　第１流量調整弁４３は、第２電動ポンプＰ２から吐出されて排気ボイラ３０に流入する作動流体の流量と、第２電動ポンプＰ２から吐出されて加圧空気ボイラ２７に流入する作動流体の流量とを調整する。この第１流量調整弁４３は制御装置１１に電気的に接続されている。
　バイパス路４４は、その内部に作動流体を流通させることにより、作動流体に冷却液ボイラ２８を迂回させる。第２流量調整弁４５は、冷却液ボイラ２８に流入する作動流体の流量と、バイパス路４４に流入する作動流体の流量とを調整する。第２流量調整弁４５は制御装置１１に電気的に接続されている。
　これらの加圧空気ボイラ２７、冷却液ボイラ２８、還流排気ボイラ２９及び排気ボイラ３０、膨張機３１、凝縮器３２、第１及び第２流量調整弁４３、４５及びバイパス路４４は、配管３３～４２によって接続されている。具体的には、凝縮器３２の流出口３２ｂと第２電動ポンプＰ２とは、配管３３によって接続されている。第２電動ポンプＰ２と第１流量調整弁４３とは、配管３４によって接続されている。第１流量調整弁４３と加圧空気ボイラ２７の第２流入口２７ｃとは、配管３５によって接続されている。加圧空気ボイラ２７の第２流出口２７ｄと第２流量調整弁４５とは、配管３６によって接続されている。第２流量調整弁４５と冷却液ボイラ２８の第４流入口２８ｃとは、配管３７によって接続されている。冷却液ボイラ２８の第４流出口２８ｄと還流排気ボイラ２９の第６流入口２９ｃとは、配管３８によって接続されている。還流排気ボイラ２９の第６流出口２９ｄと、膨張機３１の流入口３１ａとは、配管３９によって接続されている。そして、膨張機３１の流出口３１ｂと凝縮器３２の流入口３２ａとは、配管４０によって接続されている。
　また、配管４１の第１端は第１流量調整弁４３と接続されており、配管４１の第２端は排気ボイラ３０の第８流入口３０ｃと接続されている。配管４２の第１端は排気ボイラ３０の第８流出口３０ｄと接続されており、配管４２の第２端は上記の配管３９と接続されている。さらに、バイパス路４４の第１端は第２流量調整弁４５と接続されており、バイパス路４４の第２端は上記の配管３８と接続されている。
　このランキンサイクル装置３では、第２電動ポンプＰ２を作動させることにより、作動流体は、図２及び図３に示すように、第２電動ポンプＰ２から加圧空気ボイラ２７、冷却液ボイラ２８又はバイパス路４４、還流排気ボイラ２９及び膨張機３１を経て凝縮器３２に至る順で配管３３～４０内を循環する。さらに、作動流体は、第２電動ポンプＰ２から排気ボイラ３０を経て、配管３９に合流した後、膨張機３１を経て凝縮器３２に至る順で配管３３、３４、４１、４２、４０内を循環する。
　このランキンサイクル装置３では、加圧空気ボイラ２７、冷却液ボイラ２８及び還流排気ボイラ２９のうち、加圧空気ボイラ２７が作動流体の循環方向の最も上流側に位置する。そして、加圧空気ボイラ２７の下流に冷却液ボイラ２８が位置し、還流排気ボイラ２９が冷却液ボイラ２８の下流側に位置する。また、排気ボイラ３０と、加圧空気ボイラ２７、冷却液ボイラ２８及び還流排気ボイラ２９とが並列に配置されている。換言すれば、第３ボイラに相当する加圧空気ボイラ２７及び冷却液ボイラ２８が第２ボイラに相当する還流排気ボイラ２９よりも作動流体の循環方向の上流に位置しているとともに、第１ボイラに相当する排気ボイラ３０と、第３及び第２ボイラに相当する加圧空気ボイラ２７、冷却液ボイラ２８及び還流排気ボイラ２９とが並列に配置されている。また、排気ボイラ３０は、排気の流通方向において浄化装置１３１の下流側に配置されている。
　図１に示すように、制御装置１１は、電動ファン９ｃ、３２ｃの作動制御を行うことで、冷却液又は作動流体が外気に放熱する熱量の調整を行う。また、制御装置１１は、可変バルブ２１の開閉制御と、第１及び第２電動ポンプＰ１、Ｐ２の作動制御とを行う。さらに、制御装置１１は、第１温度センサ１０が検出した還流排気の温度に基づいて、還流排気に対する冷却要求量を判断する。そして、制御装置１１は、この冷却要求量に基づき、第１及び第２流量調整弁４３、４５の作動制御を行う。つまり、制御装置１１は、第１調整弁制御部及び第２調整弁制御部として機能する。
　このように構成された廃熱利用装置では、車両を駆動させることにより以下のように作動する。
　車両が駆動されることにより、図２に示すように、駆動系１ではエンジン５が作動する。これにより、排気口５ｃから排出された排気が配管１２内を流通する。この際、制御装置１１は可変バルブ２１を開制御し、配管１２内を流通する排気の一部を配管１５内に流入させる（図２の一点鎖線矢印参照）。なお、制御装置１１は、可変バルブ２１の開度を適宜制御して、配管１５に流入する排気の流量を調整する。
　配管１５に流入した排気、すなわち還流排気は、還流排気ボイラ２９の第５通路２９ｅ及び配管１６を経て配管１８に至り、配管１８内の加圧空気とともにエンジン５内へ吸入される。この際、第１温度センサ１０は配管１６を流通する還流排気の温度を検出し、その検出値を制御装置１１に向けて発信する。
　一方、配管１５へ流入せずに配管１２を流通する排気がターボチャージャ７に至ることで、ターボチャージャ７が作動される。これにより、車外の空気が配管１９よりターボチャージャ７に吸引され、圧縮される。この空気は加圧空気として、配管１７、加圧空気ボイラ２７の第１通路２７ｅ及び配管１８を経てエンジン５の吸気口５ｄよりエンジン５内へ吸入される（図２の二点鎖線矢印参照）。
　ターボチャージャ７から流出した排気は配管１３に至る。この配管１３を流通する排気は浄化装置１３１において窒素酸化物や煤等が除去された後、第７流入口３０ａから第７通路３０ｅ内、すなわち、排気ボイラ３０内に至る。そして、第７通路３０ｅ内を流通し、第７流出口３０ｂから流出した排気は、配管１４を経て車外に排出される（図２の一点鎖線矢印参照）。
　また、制御装置１１は、第１及び第２電動ポンプＰ１、Ｐ２及び電動ファン９ｃ、３２ｃをそれぞれ作動させる。これにより、駆動系１では、エンジン５の冷却を行った冷却液が流出口５ａより流出して、配管２３、冷却液ボイラ２８の第３通路２８ｅ及び配管２４を経てラジエータ９の流入口９ａよりラジエータ９の内部に至る。そして、ラジエータ９の内部の冷却液は、ラジエータ９の周りの空気と熱交換、すなわち、放熱されて冷却される。この際、制御装置１１は電動ファン９ｃの作動量を適宜変更して、冷却液を好適に放熱させる。放熱されて冷却された冷却液は流出口９ｂから流出し、配管２５を経てエンジン５の流入口５ｂからエンジン５内に流入してエンジン５の冷却を行う（図２の破線矢印参照）。
　さらに、上記の第１温度センサ１０から発信された検出値に基づき、制御装置１１が還流排気に対する冷却要求量を判断する。ここで、第１温度センサ１０から発信された検出値が小さい場合には、還流排気ボイラ２９における熱交換において還流排気が十分に冷却されているといえる。このため、制御装置１１は、還流排気に対する冷却要求量が閾値よりも小さい、すなわち、還流排気に対する冷却要求量が小さいと判断し、それに応じた第１及び第２流量調整弁４３、４５の制御を行う。具体的には、第２電動ポンプＰ２から吐出され、配管３４を流通する作動流体について、配管３５へ流通する流量と、配管４１へ流通する流量とが等しくなるように、制御装置１１は第１流量調整弁４３を制御する。また、配管３６を流通する作動流体を全て配管３７側へ流通させ、バイパス路４４へ流通する作動流体の流量が減少又は流量がゼロとなるように、制御装置１１は第２流量調整弁４５を制御する。図２では、バイパス路４４へ流通する作動流体の流量がゼロの場合を示している。
　これにより、ランキンサイクル装置３では、図２の実線矢印に示すように、第２電動ポンプＰ２によって吐出された作動流体が配管３５を経て加圧空気ボイラ２７の第２流入口２７ｃから第２通路２７ｆに至るとともに、第２電動ポンプＰ２によって吐出された作動流体が配管４１を経て排気ボイラ３０の第８流入口３０ｃから第８通路３０ｆに至る。
　加圧空気ボイラ２７において、第１通路２７ｅを流通する加圧空気と第２通路２７ｆを流通する作動流体との熱交換が行われる。この際、第１通路２７ｅを流通する加圧空気はターボチャージャ７によって圧縮されることにより約１５０°Ｃ程度の熱を有しているため、第２通路２７ｆを流通する作動流体は好適に加熱される。一方、第１通路２７ｅを流通する加圧空気は、第２通路２７ｆを流通する作動流体に対して放熱を行うため、放熱に応じた温度まで冷却された状態でエンジン５に至る。
　加圧空気ボイラ２７において加熱された作動流体は第２流出口２７ｄから流出し、配管３６及び配管３７を経て冷却液ボイラ２８の第４流入口２８ｃから第４通路２８ｆに至る。そして、作動流体は冷却液ボイラ２８において冷却液と熱交換される。この際、第３通路２８ｅを流通する冷却液はエンジン５の廃熱によって約８０～９０°Ｃ程度の熱を有している。また、第４通路２８ｆを流通する作動流体は、加圧空気ボイラ２７において既に加熱された状態にあるため、冷却液ボイラ２８において、より加熱され、加熱に応じた温度を有する。一方、第３通路２８ｅを流通する冷却液は、第４通路２８ｆを流通する作動流体に対して放熱を行うため、放熱に応じた温度まで冷却された状態でラジエータ９に至る。
　冷却液ボイラ２８において加熱された作動流体は第４流出口２８ｄから流出し、配管３８を経て還流排気ボイラ２９の第６流入口２９ｃから第６通路２９ｆに至る。そして、作動流体は還流排気ボイラ２９において還流排気と熱交換される。この際、第５通路２９ｅを流通する還流排気はエンジン５の作動状況により、約５００°Ｃ程度の熱を有する。このため、加圧空気ボイラ２７及び冷却液ボイラ２８において加熱されている作動流体は、還流排気ボイラ２９において十分に加熱される。この作動流体は、高温高圧の状態で第６流出口２９ｄから流出し、配管３９を経て膨張機３１の流入口３１ａから膨張機３１内へ至る。また、第５通路２９ｅを流通する還流排気は、第６通路２９ｆを流通する作動流体に対して放熱を行うため、放熱に応じた温度まで冷却された状態で加圧空気とともにエンジン５に還流する。
　一方、排気ボイラ３０の第８通路３０ｆを流通する作動流体は、第７通路３０ｅを流通する排気と熱交換される。この際、第７通路３０ｅを流通する排気は、上記の還流排気と同様、約５００°Ｃ程度の熱を有しているため、第８通路３０ｆを流通する作動流体も十分に加熱される。そして、この作動流体は、高温高圧の状態で第８流出口３０ｄから流出し、還流排気ボイラ２９等で加熱された作動流体と配管３９において合流する。
　配管３９を流通する作動流体は、膨張機３１の流入口３１ａから膨張機３１内へ至る。そして、高温高圧の作動流体は膨張機３１内で膨張し、減圧される。この際の圧力エネルギーにより、膨張機３１に接続された発電機は発電を行う。
　膨張機３１内で減圧された作動流体は流出口３１ｂから流出し、配管４０を経て凝縮器３２の流入口３２ａから凝縮器３２内へ至る。凝縮器３２の作動流体は、凝縮器３２の周りの空気に放熱を行い、冷却される。この際、制御装置１１は電動ファン３２ｃの作動量を適宜変更して、作動流体を好適に放熱させて液化させる。冷却された作動流体は流出口３２ｂから流出し、配管３５を経て再び第２電動ポンプＰ２によって吐出される。
　一方、上記の第１温度センサ１０から発信された検出値が大きい場合には、還流排気ボイラ２９での還流排気の冷却が足りていない。このため、制御装置１１は還流排気に対する冷却要求量が閾値よりも大きい、すなわち、還流排気に対する冷却要求量が大きいと判断する。これにより、制御装置１１は、それに応じた第１及び第２流量調整弁４３、４５の制御を行う。具体的には、第２電動ポンプＰ２から吐出され、配管３４を流通する作動流体について、配管４１へ流通する流量よりも配管３５へ流通する流量が多くなるように、制御装置１１は第１流量調整弁４３を制御する。また、冷却液ボイラ２８に流入する作動流体の流量よりもバイパス路４４を流通する作動流体の流量が多くなるように、制御装置１１は第２流量調整弁４５を制御する。
　これにより、図３の実線矢印に示すように、加圧空気ボイラ２７を経た作動流体の一部がバイパス路４４に流入する。そして、このバイパス路４４内の作動流体は、冷却液ボイラ２８を迂回しつつ、配管３８に合流して還流排気ボイラ２９の第６通路２９ｆに至る。
　ここで、バイパス路４４を流通した作動流体は、冷却液ボイラ２８における熱交換が行われていないため、上記の図２に示す状態よりも低温の状態で還流排気ボイラ２９に流入する。この結果、第５通路２９ｅ内の還流排気は、冷却要求が満される程度まで十分に冷却される。
　還流排気ボイラ２９等や排気ボイラ３０において加熱された作動流体は、図２に示す場合と同様、膨張機３１によって膨張及び減圧された後、凝縮器３２によって放熱される。
　このように、この廃熱利用装置におけるランキンサイクル装置３では、加圧空気ボイラ２７、冷却液ボイラ２８、還流排気ボイラ２９及び排気ボイラ３０で作動流体を好適に加熱することが可能であり、作動流体の圧力エネルギーを大きくすることが可能となっている。このため、この廃熱利用装置では、ランキンサイクル装置３で回収可能な電力の量を大きくすることが可能となっている。
　また、この廃熱利用装置では、還流排気ボイラ２９における熱交換によって還流排気を冷却することが可能である。このため、この廃熱利用装置では、還流排気の密度を増大させつつ、還流排気をエンジン５に還流させることが可能となっている。
　特に、この廃熱利用装置では、加圧空気ボイラ２７及び冷却液ボイラ２８が還流排気ボイラ２９よりも作動流体の循環方向の上流に位置している。加えて、この廃熱利用装置では、配管３３～４２によって、排気ボイラ３０と、加圧空気ボイラ２７、冷却液ボイラ２８及び還流排気ボイラ２９とが並列に配置されている。このため、この廃熱利用装置では、還流排気ボイラ２９よりも作動流体の循環方向の上流において、排気ボイラ３０が配置されることがない。つまり、還流排気ボイラ２９に対しては、加圧空気ボイラ２７及び冷却液ボイラ２８によって熱交換に応じた温度まで好適に加熱された作動流体が流入し、排気ボイラ３０によって加熱された作動流体は還流排気ボイラ２９に流入することがない。このため、この廃熱利用装置では、還流排気ボイラ２９における還流排気の冷却能力を高くしつつも還流排気ボイラ２９において還流排気が必要以上に冷却される事態が生じ難くなっており、凝縮水が生じ難くなっている。
　また、この廃熱利用装置では、還流排気ボイラ２９よりも作動流体の循環方向の下流に排気ボイラ３０が配置されることもないことから、排気ボイラ３０における熱交換を見越した上で、還流排気ボイラ２９において、還流排気の冷却と作動流体の加熱とを行う必要がない。
　さらに、この廃熱利用装置では、第１温度センサ１０が検出した還流排気の温度に基づき、制御装置１１が還流排気に対する冷却要求量を判断するとともに、還流排気ボイラ２９に流入する作動流体の流量と温度とを調整すべく第１及び第２流量調整弁４３、４５の制御を行なう。この際、第１温度センサ１０により、制御装置１１は還流排気に対する冷却要求量を正確に判断することが可能となっている。
　これらのため、この廃熱利用装置では、冷却要求量に応じて好適に冷却された還流排気がエンジン５に還流されることによって、配管１４を経て大気中に放出される排気中の窒素酸化物の含有量を低減させることが可能となっている。
　また、この廃熱量装置では、加圧空気ボイラ２７における熱交換で加圧空気を冷却可能となっており、冷却液ボイラ２８における熱交換で冷却液を冷却することが可能となっている。これにより、加圧空気の密度を小さくさせつつエンジン５に吸気させることが可能であるとともに、ラジエータ９に流入する前に冷却液ボイラ２８によって冷却液を熱交換に応じた温度まで冷却しておくことが可能となっている。ここで、このランキンサイクル装置３では、加圧空気ボイラ２７、冷却液ボイラ２８、還流排気ボイラ２９のうち、加圧空気ボイラ２７が作動流体の循環方向の最も上流側に位置している。このため、この廃熱利用装置では、加圧空気ボイラ２７に流入する作動流体の温度が低い状態となっている。これにより、この廃熱利用装置では、加圧空気を好適に冷却することが可能となり、加圧空気の密度を十分に大きくさせた状態でエンジン５に供給することが可能となっている。
　さらに、この廃熱利用装置では、浄化装置１３１によって、排気中から窒素酸化物や煤等を除去することが可能となっている。また、排気ボイラ３０が浄化装置１３１の下流に配置されるため、仮に排気ボイラ３０において凝縮水が発生したとしても、この凝縮水が浄化装置１３１に流入することがない。このため、この廃熱利用装置では、浄化装置１３１の劣化を好適に抑制可能となっている。なお、排気ボイラ３０内に凝縮水が発生した場合であっても、排気ボイラ３０の適宜箇所に排出口を設けておけば、凝縮水を排出することが可能である。この際、浄化装置１３１を経ていることから、凝縮水を排出することによる大気汚染を好適に抑制できる。また、浄化装置１３１に加えて、配管１３に消音装置を設けておけば、凝縮水を排出する際の騒音等の発生も好適に抑制することが可能である。
　したがって、実施形態の廃熱利用装置は、ランキンサイクル装置３における電力の回収量の向上を図りつつ、エンジン５の性能向上を実現し、かつ耐久性に優れている。
　さらに、この廃熱利用装置では、加圧空気ボイラ２７、冷却液ボイラ２８、還流排気ボイラ２９及び排気ボイラ３０による熱交換により、作動流体について、飽和蒸気となる温度を超えた過熱蒸気温度（スーパーヒート）程度まで十分に加熱することが可能となっている。これにより、この廃熱利用装置におけるランキンサイクル装置３では、膨張機３１内で膨張及び減圧された作動流体が液化し難くなり、電力の回収効率が高くなっている。また、この廃熱利用装置では膨張機３１の損傷も生じ難くなっている。
　以上において、本発明を実施形態に即して説明したが、本発明は上記実施形態に制限されるものではなく、その趣旨を逸脱しない範囲で適宜変更して適用できることはいうまでもない。
　例えば、実施形態の廃熱利用装置において、還流排気ボイラ２９における作動流体の上流側には、加圧空気ボイラ２７又は冷却液ボイラ２８の一方のみが配置されていても良い。また、還流排気ボイラ２９における作動流体の上流側には加圧空気ボイラ２７又は冷却液ボイラ２８の一方が配置され、もう一方は第２電動ポンプＰ２の出口近傍（配管３４）に配置されても良い。
　さらに、実施形態の廃熱利用装置では、加圧空気ボイラ２７と冷却液ボイラ２８とが直列に配置されているが、これらを並列に配置しても良い。
　また、還流排気ボイラ２９における作動流体の上流側には、加圧空気ボイラ２７や冷却液ボイラ２８とは異なるボイラを配置しても良い。この場合、例えば、エンジン５等で加熱された潤滑油を熱源として潤滑油と作動流体との熱交換を行うオイルボイラ等を採用することが可能である。また、膨張機３１の下流、すなわち、配管４０を流通する高温の作動流体を熱源とするボイラを採用しても良い。
　さらに、第２電動ポンプＰ２について、吐出容量を変更可能に構成しても良い。この場合、制御装置１１は、還流排気に対する冷却要求が小さいと判断した場合には、吐出容量が小さくなるように第２電動ポンプＰ２を制御する。一方で、還流排気に対する冷却要求が大きいと判断した場合には、制御装置１１は、吐出容量が大きくなるように第２電動ポンプＰ２を制御することができる。
　また、第１及び第２流量調整弁４３、４５について、三方弁等を採用し、流路の切り替えによって、一方にのみ作動流体を全て流通させ、他方を流通する作動流体をゼロとする流量調整を行っても良い。また、第１流量調整弁４３及び第２流量調整弁４５の一方のみを三方弁としても良い。
　さらに、第１温度センサ１０を配管１５に設け、制御装置１１は、還流排気ボイラ２９に流入する前の還流排気の温度を基に還流排気に対する冷却要求量を判断しても良い。また、第１温度センサ１０を配管３８に設け、制御装置１１は、還流排気ボイラ２９に流入する前の作動流体の温度を基に還流排気に対する冷却要求量を判断しても良い。また、第１温度センサ１０を配管３３に設け、制御装置１１は、第２電動ポンプＰ２に流入する前の還流排気の温度を基に還流排気に対する冷却要求量を判断しても良い。また、第１温度センサ１０に替えて、圧力センサ等の圧力検出部を配管３３に設け、制御装置１１は、膨張機３１の下流から第２電動ポンプＰ２の上流までの作動流体の圧力（凝縮圧力）を基に還流排気に対する冷却要求量を判断しても良い。同様に、第１温度センサ１０を設けず、制御装置１１について、エンジン５に対する出力要求を検出可能に構成することで、制御装置１１は、エンジン５に対する出力要求を基に還流排気に対する冷却要求量を判断しても良い。また、これらの還流排気の温度、作動流体の温度、作動流体の圧力及びエンジン５に対する出力要求等を組み合わせることで、制御装置１１は還流排気に対する冷却要求量を判断しても良い。
　また、実施形態の廃熱利用装置において、配管３３には、公知のレシーバを設けても良い。この場合、レシーバにより作動流体が好適に液化されるため、凝縮器３２を経た作動流体は、第２電動ポンプＰ２によって好適に吐出されて、配管３３～４２やバイパス路４４を好適に循環する。

Claims (4)

  1. 　内燃機関と、該内燃機関で生じた排気が流通する排気路と、該排気路を流通する該排気の一部を還流排気として該内燃機関に還流させる排気還流路と、を有する駆動系に用いられる廃熱利用装置であって、
    　ポンプとボイラと膨張機と凝縮器と配管とを有するとともに、作動流体を循環させるランキンサイクル装置、を備え、
    　前記ボイラは、
    　　前記排気路を流通する前記排気と前記作動流体との間で熱交換を行う第１ボイラと、
    　　前記還流排気と前記作動流体との間で熱交換を行う第２ボイラと、
    　　前記還流排気よりも低温の熱媒体と前記作動流体との間で熱交換を行う第３ボイラであって、該第３ボイラは前記作動流体の循環方向において前記第２ボイラの上流の前記ランキンサイクル装置の部位に位置する、前記第３ボイラと、を有し、
    　前記配管は、前記ポンプから前記第３ボイラ、前記第２ボイラ及び前記膨張機を経て前記凝縮器に前記作動流体を循環させるように構成されるとともに、前記ポンプから前記第１ボイラ及び前記膨張機を経て前記凝縮器に前記作動流体を循環させるように構成される、
    廃熱利用装置。
  2. 　前記作動流体の循環方向において前記ポンプの下流の前記ランキンサイクル装置の部位に設けられ、前記ポンプから前記第１ボイラに流入する前記作動流体の流量と前記ポンプから前記第３ボイラに流入する前記作動流体の流量とを調整可能な第１流量調整弁と、
    　前記第１流量調整弁を制御する第１調整弁制御部と、をさらに備える、
    請求項１記載の廃熱利用装置。
  3. 　前記第３ボイラを迂回するように延びるバイパス路であって、該バイパス路は、前記作動流体の循環方向において前記第１流量調整弁の下流の前記配管の部位から分岐するとともに前記第２ボイラの上流側の前記配管の部位に合流する、前記バイパス路と、
    　前記第３ボイラに流入する前記作動流体の流量と前記バイパス路に流入する該作動流体の流量とを調整可能な第２流量調整弁と、
    　前記第２流量調整弁を制御する第２調整弁制御部と、をさらに備える、
    請求項２記載の廃熱利用装置。
  4. 　前記排気路には、該排気路を流通する前記排気の浄化を行う浄化装置が設けられ、
    　前記第１ボイラは、前記排気の流通方向において前記浄化装置の下流の前記排気路の部位に配置されている、
    請求項１乃至３のいずれか１項記載の廃熱利用装置。
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