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JP2010151023A - Rankine cycle system - Google Patents

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JP2010151023A
JP2010151023A JP2008329851A JP2008329851A JP2010151023A JP 2010151023 A JP2010151023 A JP 2010151023A JP 2008329851 A JP2008329851 A JP 2008329851A JP 2008329851 A JP2008329851 A JP 2008329851A JP 2010151023 A JP2010151023 A JP 2010151023A
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JP
Japan
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medium
cooling water
flow path
exhaust gas
heat
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Application number
JP2008329851A
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Japanese (ja)
Inventor
Naohisa Kamiyama
直久 神山
Ayumi Miyato
あゆみ 宮藤
Hidetaka Kobayashi
英貴 小林
Norimitsu Matsudaira
範光 松平
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Marelli Corp
Original Assignee
Calsonic Kansei Corp
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Publication date
Application filed by Calsonic Kansei Corp filed Critical Calsonic Kansei Corp
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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a rankine cycle system capable of efficiently using exhaust heat of an engine without excessively heating a medium. <P>SOLUTION: A rankine cycle system (10) comprises a heat exchanger (12) for evaporating a medium through heat exchange, an expander (13) for generating energy by the evaporated medium, a condenser (14) for condensing the evaporated medium to be liquefied, and a pump (15) for feeding the liquefied medium to the heat exchanger (12). The heat exchanger (12) executes heat exchange by cooling water and exhaust gas of an internal combustion engine (25), and by the cooling water and medium thereafter. <P>COPYRIGHT: (C)2010,JPO&INPIT

Description

本発明は、エンジンの排熱を効率的に利用できるランキンサイクルシステムに関する。   The present invention relates to a Rankine cycle system that can efficiently use exhaust heat of an engine.

従来、熱によって媒体である液体を気化させ、この気化された媒体によってエネルギーを取り出すランキンサイクル熱機関(ランキンサイクルシステム)が知られている。また、このランキンサイクルシステムを車両に搭載し、内燃機関の排熱を利用してエネルギーを取り出すシステムも知られている。   Conventionally, a Rankine cycle heat engine (Rankine cycle system) is known in which a liquid as a medium is vaporized by heat, and energy is extracted by the vaporized medium. There is also known a system in which this Rankine cycle system is mounted on a vehicle and energy is extracted using exhaust heat of an internal combustion engine.

ランキンサイクルシステムに用いられる内燃機関の排熱は、一般的にエンジンの冷却水等が用いられるが、高温の排ガスをエネルギー源として用いるものも知られている。   As the exhaust heat of the internal combustion engine used in the Rankine cycle system, engine cooling water or the like is generally used, but one that uses high-temperature exhaust gas as an energy source is also known.

このようなランキンサイクルシステムとして、EGRガスの熱エネルギーを用いてランキンサイクル作動媒体を気化させる熱交換手段を有するランキンサイクルシステム(特許文献1参照。)が知られている。
特開2007−239513号公報
As such a Rankine cycle system, a Rankine cycle system (see Patent Document 1) having a heat exchange means for vaporizing a Rankine cycle working medium using the thermal energy of EGR gas is known.
JP 2007-239513 A

前述の特許文献1のように、内燃機関の排ガスをランキンサイクルシステムの熱源として用いることが知られている。しかし、ランキンサイクルシステムに用いられる媒体はHFCが広く用いられるが、排ガスの高温により熱分解を起こす可能性がある。また、ランキンサイクルシステムの潤滑に用いられる油脂が熱により炭化を起こす可能性もある。   As described in Patent Document 1, it is known to use exhaust gas from an internal combustion engine as a heat source for a Rankine cycle system. However, although HFC is widely used as a medium used in the Rankine cycle system, there is a possibility of causing thermal decomposition due to the high temperature of the exhaust gas. In addition, the oil used for lubricating the Rankine cycle system may cause carbonization due to heat.

本発明はこのような問題点を鑑みてなされたものであり、媒体を過剰に加熱することなく、エンジンの排熱を効率よく利用することができる排熱回収システムを提供することを目的とする。   The present invention has been made in view of such problems, and an object thereof is to provide an exhaust heat recovery system that can efficiently use exhaust heat of an engine without excessively heating a medium. .

請求項1に記載の発明は、内燃機関が発生する熱を冷却水により冷却する内燃機関冷却システムと、熱交換により媒体を気化させる熱交換器と、前記気化された媒体によりエネルギーを発生させる膨張機と、前記気化された媒体を凝縮して液化させる凝縮器と、前記液化された媒体を前記熱交換器へと送るポンプと、を備えるランキンサイクルシステムと、を備え、前記熱交換器は、前記冷却水と前記内燃機関の排ガスとで熱交換を行い、さらに、前記熱交換後の冷却水と前記媒体とで熱交換を行うことを特徴とする。   The invention according to claim 1 is an internal combustion engine cooling system that cools heat generated by the internal combustion engine with cooling water, a heat exchanger that vaporizes a medium by heat exchange, and an expansion that generates energy by the vaporized medium. And a Rankine cycle system comprising: a condenser for condensing and liquefying the vaporized medium; and a pump for sending the liquefied medium to the heat exchanger, the heat exchanger comprising: Heat exchange is performed between the cooling water and the exhaust gas of the internal combustion engine, and heat exchange is performed between the cooling water after the heat exchange and the medium.

請求項2に記載の発明は、請求項1に記載の排熱回収システムにおいて、前記熱交換器は、前記媒体の流路と、前記冷却水の流路と、前記排ガスの流路と、が多重に積層されて構成され、前記媒体の流路と前記排ガスの流路との間に、前記冷却水の流路が介在することを特徴とする。   According to a second aspect of the present invention, in the exhaust heat recovery system according to the first aspect, the heat exchanger includes a flow path of the medium, a flow path of the cooling water, and a flow path of the exhaust gas. The cooling water flow path is interposed between the flow path of the medium and the flow path of the exhaust gas.

請求項3に記載の発明は、請求項1に記載の排熱回収システムにおいて、前記熱交換器は、前記媒体と前記冷却水とで熱交換を行い、前記熱交換後の冷却水と前記排ガスとで熱交換を行い、さらに前記熱交換後の冷却水と前記媒体とで熱交換を行うことを特徴とする。   The invention according to claim 3 is the exhaust heat recovery system according to claim 1, wherein the heat exchanger exchanges heat between the medium and the cooling water, and the cooling water and the exhaust gas after the heat exchange. And heat exchange between the cooling water after the heat exchange and the medium.

請求項4に記載の発明は、請求項3に記載の排熱回収システムにおいて、前記熱交換器
は、冷却水が流通する冷却水流路と、前記冷却水流路内に略直交して備えられる第1の媒体流路、排ガス流路及び第2の媒体流路と、を備え、前記第1の媒体流路と前記第2の媒体流路とは、Uターン路により接続され、前記冷却水は、前記第1の媒体流路の周囲を流通した後、前記排ガス流路の周囲を経て、前記第2の媒体流路の周囲を流通し、前記媒体は、前記第1の媒体流路を流通した後、前記Uターン通路を経て、前記第2の媒体流路へと流通することを特徴とする。
According to a fourth aspect of the present invention, in the exhaust heat recovery system according to the third aspect, the heat exchanger is provided with a cooling water flow path through which cooling water flows and a substantially right angle in the cooling water flow path. 1 medium flow path, an exhaust gas flow path, and a second medium flow path, wherein the first medium flow path and the second medium flow path are connected by a U-turn path, and the cooling water is Circulates around the first medium flow path, then circulates around the second medium flow path through the periphery of the exhaust gas flow path, and the medium circulates through the first medium flow path. Then, it flows through the U-turn passage to the second medium flow path.

請求項5に記載の発明は、請求項3に記載の排熱回収システムにおいて、前記熱交換器は、冷却水が流通する第1の冷却水流路及び第2の冷却水流路と、前記第1の冷却水流路内に略直交して備えられる、第1の媒体流路及び第1の排ガス流路と、前記第2の冷却水流路内に略直交して備えられる、第2の排ガス流路及び第2の媒体流路と、を備え、前記第1の冷却水流路と前記第2の冷却水流路とは、Uターン路により接続され、前記第1の媒体流路と前記第2の媒体流路とは、Uターン路により接続され、前記第1の排ガス流路と前記第2の排ガス流路とは、Uターン路により接続され、前記冷却水は、前記第1の冷却水流路において、前記第1の媒体流路及び前記第1の排ガス流路の周囲を流通した後、前記Uターン路を経て、前記第2の排ガス流路及び前記第2の媒体流路の周囲を流通し、前記媒体は、前記第1の媒体流路を流通した後、前記Uターン路を経て、前記第2の媒体流路へと流通し、前記排ガスは、前記第1の排ガス流路を流通した後、前記Uターン路を経て、前記第2の排ガス流路へと流通することを特徴とする。   According to a fifth aspect of the present invention, in the exhaust heat recovery system according to the third aspect, the heat exchanger includes a first cooling water channel and a second cooling water channel through which cooling water flows, and the first A first medium flow path and a first exhaust gas flow path provided substantially orthogonally in the cooling water flow path, and a second exhaust gas flow path provided substantially orthogonally in the second cooling water flow path. And the second medium flow path, the first cooling water flow path and the second cooling water flow path being connected by a U-turn path, and the first medium flow path and the second medium. The flow path is connected by a U-turn path, the first exhaust gas flow path and the second exhaust gas flow path are connected by a U-turn path, and the cooling water is in the first cooling water flow path. , After circulating around the first medium flow path and the first exhaust gas flow path, through the U-turn path, The exhaust gas flow path and the second medium flow path are circulated, and the medium flows through the first medium flow path and then passes through the U-turn path to the second medium flow path. The exhaust gas flows through the first exhaust gas flow path, and then flows through the U-turn path to the second exhaust gas flow path.

請求項6に記載の発明は、請求項1から5のいずれか一つに記載の排熱回収システムにおいて、前記熱交換器において熱交換後の前記排ガスは、前記内燃機関の吸気系へと環流されることを特徴とする。   According to a sixth aspect of the present invention, in the exhaust heat recovery system according to any one of the first to fifth aspects, the exhaust gas after heat exchange in the heat exchanger is circulated to an intake system of the internal combustion engine. It is characterized by being.

請求項7に記載の発明は、請求項1から5のいずれか一つに記載の排熱回収システムにおいて、前記熱交換器に排ガスを流通させる排ガス回収バルブと、前記熱交換器に冷却水を流通させる冷却水回収バルブと、前記排ガス回収バルブと、前記冷却水回収バルブとを制御する制御装置と、を備え、前記制御装置は、前記内燃機関が始動している場合に、前記排ガス回収バルブ及び前記冷却水回収バルブを制御して前記熱交換器に前記冷却水及び前記排ガスを流通させ、前記熱交換器から流出する冷却水の温度が所定温度を超えたときは、前記排ガス回収バルブを制御して前記熱交換器への前記排ガスの流通を停止させ、前記熱交換器から流出する媒体の温度が所定温度を超えたとき、または、前記熱交換器から流出する媒体の圧力が所定圧力を超えたときは、前記冷却水回収バルブを制御して、前記熱交換器への前記冷却水の流通を停止させることを特徴とする。   According to a seventh aspect of the present invention, in the exhaust heat recovery system according to any one of the first to fifth aspects, an exhaust gas recovery valve that causes the exhaust gas to flow through the heat exchanger, and cooling water is supplied to the heat exchanger. And a control device for controlling the cooling water recovery valve to be circulated, the exhaust gas recovery valve, and the cooling water recovery valve, and the control device is configured to control the exhaust gas recovery valve when the internal combustion engine is started. And the cooling water recovery valve is controlled to flow the cooling water and the exhaust gas through the heat exchanger, and when the temperature of the cooling water flowing out of the heat exchanger exceeds a predetermined temperature, the exhaust gas recovery valve is Control to stop the flow of the exhaust gas to the heat exchanger, and when the temperature of the medium flowing out from the heat exchanger exceeds a predetermined temperature, or the pressure of the medium flowing out from the heat exchanger is a predetermined pressure When it exceeds controls the cooling water recovery valve, characterized in that stopping the flow of the cooling water to the heat exchanger.

請求項1に記載の発明によると、熱交換器において、冷却水とエンジンの排ガスとで熱交換を行い、さらに、熱交換後の冷却水と媒体とで熱交換を行うので、高温の排ガスと媒体とが直接触れることなく熱交換が行え、媒体が熱分解することを防止すると共に、効率よく媒体の温度を上昇させることができる。   According to the invention described in claim 1, in the heat exchanger, heat exchange is performed between the cooling water and the exhaust gas of the engine, and further, heat exchange is performed between the cooling water and the medium after the heat exchange. Heat exchange can be performed without direct contact with the medium, the medium can be prevented from thermal decomposition, and the temperature of the medium can be increased efficiently.

請求項2に記載の発明によると、熱交換器は、媒体の流路と、冷却水の流路と、排ガスの流路とが多重に積層されて構成され、媒体の流路と排ガスの流路との間に冷却水の流路が介在するので、媒体が熱分解することを防止すると共に、効率よく媒体の温度を上昇させることができる。また、熱交換器をコンパクトに構成でき、スペース効率を高めることができる。   According to the second aspect of the present invention, the heat exchanger is configured by laminating a flow path of the medium, a flow path of the cooling water, and a flow path of the exhaust gas in multiple layers. Since the flow path of the cooling water is interposed between the path and the medium, the temperature of the medium can be efficiently increased while preventing the medium from being thermally decomposed. Moreover, a heat exchanger can be comprised compactly and space efficiency can be improved.

請求項3の発明によると、熱交換器において、媒体と冷却水とで熱交換を行い、熱交換後の冷却水と排ガスとで熱交換を行い、さらに熱交換後の冷却水と媒体とで熱交換を行うので、高温の排ガスと媒体とが直接触れることなく熱交換が行え、媒体が熱分解すること
を防止すると共に、効率よく媒体の温度を上昇させることができる。
According to the invention of claim 3, in the heat exchanger, heat exchange is performed between the medium and the cooling water, heat exchange is performed between the cooling water and the exhaust gas after the heat exchange, and further, the cooling water and the medium after the heat exchange are performed. Since heat exchange is performed, heat exchange can be performed without direct contact between the high-temperature exhaust gas and the medium, preventing the medium from being thermally decomposed and increasing the temperature of the medium efficiently.

請求項4の発明によると、冷却水は、第1の媒体流路の周囲を流通した後、排ガス流路の周囲を経て、第2の媒体流路の周囲を流通し、媒体は、第1の媒体流路を流通した後、Uターン通路を経て、第2の媒体流路へと流通するので、高温の排ガスと媒体とが直接触れることなく熱交換が行え、媒体が熱分解することを防止することができる。またさらに、熱交換器を大型化することなく、効率よく媒体の温度を上昇させることができる。   According to the invention of claim 4, the cooling water circulates around the first medium flow path, then circulates around the exhaust gas flow path and around the second medium flow path. After passing through the medium flow path, it passes through the U-turn passage to the second medium flow path, so that heat exchange can be performed without direct contact between the high-temperature exhaust gas and the medium, and the medium is thermally decomposed. Can be prevented. Furthermore, the temperature of the medium can be increased efficiently without increasing the size of the heat exchanger.

請求項5の発明によると、冷却水は、第1の冷却水流路において、第1の媒体流路及び第1の排ガス流路の周囲を流通した後、Uターン路を経て、第2の排ガス流路及び第2の媒体流路の周囲を流通し、媒体は、第1の媒体流路を流通した後、Uターン路を経て、第2の媒体流路へと流通し、排ガスは、第1の排ガス流路を流通した後、Uターン路を経て、前記第2の排ガス流路へと流通するので、高温の排ガスと媒体とが直接触れることなく熱交換が行え、媒体が熱分解することを防止することができる。またさらに、熱交換器を大型化することなく、効率よく媒体の温度を上昇させることができる。   According to the invention of claim 5, the cooling water flows around the first medium flow path and the first exhaust gas flow path in the first cooling water flow path, and then passes through the U-turn path to the second exhaust gas. The medium flows around the flow path and the second medium flow path, and the medium flows through the first medium flow path, and then flows through the U-turn path to the second medium flow path. After flowing through the exhaust gas flow path of 1, it flows through the U-turn path to the second exhaust gas flow path, so that heat exchange can be performed without direct contact between the hot exhaust gas and the medium, and the medium is thermally decomposed. This can be prevented. Furthermore, the temperature of the medium can be increased efficiently without increasing the size of the heat exchanger.

請求項6に記載の発明によると、熱交換器において熱交換後の前記排ガスは、前記内燃機関の吸気系へと環流されるので、熱交換器において媒体温度を上昇させると共に、EGRシステムに用いられる排ガス温度を下げることができる。   According to the invention described in claim 6, since the exhaust gas after the heat exchange in the heat exchanger is circulated to the intake system of the internal combustion engine, the medium temperature is raised in the heat exchanger and the exhaust gas is used for the EGR system. The exhaust gas temperature produced can be lowered.

請求項7に記載の発明によると、制御装置は、冷却水の温度、媒体の温度及び媒体の圧力によって、排ガス回収バルブ及び冷却水回収バルブを制御するので、熱交換器を大型化することなく、効率よく媒体の温度を適切に上昇させることができる。   According to the seventh aspect of the present invention, the control device controls the exhaust gas recovery valve and the cooling water recovery valve according to the temperature of the cooling water, the temperature of the medium, and the pressure of the medium, so that the heat exchanger is not increased in size. Thus, the temperature of the medium can be appropriately raised efficiently.

以下に、本発明の実施形態の排熱回収システムについて図面を用いて説明する。   Hereinafter, an exhaust heat recovery system according to an embodiment of the present invention will be described with reference to the drawings.

図1は、本発明の実施形態の排熱回収システムの説明図である。   FIG. 1 is an explanatory diagram of an exhaust heat recovery system according to an embodiment of the present invention.

排熱回収システムは、エンジン25を中心とするエンジン冷却システム20と、エンジン25の排熱等によってエネルギーを発生させるランキンサイクルシステム10と、から構成される。   The exhaust heat recovery system includes an engine cooling system 20 centered on the engine 25 and a Rankine cycle system 10 that generates energy by exhaust heat of the engine 25 or the like.

ランキンサイクルシステム10は、媒体が循環する媒体経路11と、車両の排熱等により熱交換を行うことで媒体を気化させる熱交換器としての蒸発器12と、気化された媒体により回転エネルギーを発生させる膨張機13と、気化された媒体を凝縮して液化させる凝縮器14と、液化された媒体を循環させるポンプ15と、媒体経路11において、凝縮器14によって液化された媒体と、未だ気相の媒体とを分離するリキッドタンク(L/T)16と、によって構成される。   The Rankine cycle system 10 generates rotational energy by the medium path 11 through which the medium circulates, the evaporator 12 as a heat exchanger that vaporizes the medium by exchanging heat by exhaust heat of the vehicle, and the vaporized medium. An expander 13 to be condensed, a condenser 14 to condense and liquefy the vaporized medium, a pump 15 to circulate the liquefied medium, a medium liquefied by the condenser 14 in the medium path 11, and still a gas phase And a liquid tank (L / T) 16 for separating the medium.

なお、本実施形態では、媒体はHFC−R134aを用いるが、これに限られるものではなく、その他の媒体を用いてもよい。   In the present embodiment, HFC-R134a is used as the medium. However, the present invention is not limited to this, and other media may be used.

蒸発器12は、その内部を、ランキンサイクルシステム10の媒体と、エンジン冷却システム20の冷却水と、エンジン25から排出される排ガスと、が流通するように構成されている。蒸発器12は、これらの間で熱交換を行うことにより、媒体の温度を上昇させる。この蒸発器12による熱交換の詳細は、後述する。   The evaporator 12 is configured so that the medium of the Rankine cycle system 10, the cooling water of the engine cooling system 20, and the exhaust gas discharged from the engine 25 flow through the inside thereof. The evaporator 12 raises the temperature of the medium by exchanging heat between them. Details of the heat exchange by the evaporator 12 will be described later.

膨張機13は、蒸発器12により気化されることで体積が膨張した媒体によって回転駆動される。この膨張機13は、その回転軸を発電機17と共有している。これにより、膨
張機13の回転エネルギーが発電機17に伝わり、発電機17が発電される。媒体は、膨張機13を駆動した後、凝縮器14において液化され、ポンプ15により媒体経路11を再び循環される。
The expander 13 is rotationally driven by a medium whose volume is expanded by being vaporized by the evaporator 12. The expander 13 shares its rotating shaft with the generator 17. Thereby, the rotational energy of the expander 13 is transmitted to the generator 17, and the generator 17 is generated. The medium is liquefied in the condenser 14 after driving the expander 13, and is circulated through the medium path 11 again by the pump 15.

本実施形態のランキンサイクルシステム10は、このように構成することによって、エンジン25の排熱による熱エネルギーを回転エネルギーに変換し、この回転エネルギーを電気エネルギーに変換する。電気エネルギーは、例えば図示しない蓄電器に蓄電する。なお、蓄電器は、例えばバッテリやキャパシタ等により構成される。   The Rankine cycle system 10 according to the present embodiment is configured in this manner, thereby converting thermal energy generated by exhaust heat of the engine 25 into rotational energy, and converting the rotational energy into electrical energy. For example, the electrical energy is stored in a capacitor (not shown). Note that the capacitor is constituted by, for example, a battery or a capacitor.

車両を駆動する内燃機関としてのエンジン25を中心とするエンジン冷却システム20は、冷却水が循環する冷却水経路21によって構成される。この冷却水経路21は、ラジエタ22、ヒータコア23、サーモスタット(T/S)24、ウォーターポンプ26が接続されている。   An engine cooling system 20 centering on an engine 25 as an internal combustion engine for driving a vehicle is constituted by a cooling water passage 21 through which cooling water circulates. The cooling water path 21 is connected to a radiator 22, a heater core 23, a thermostat (T / S) 24, and a water pump 26.

ラジエタ22は、冷却水と大気とを熱交換することによって、冷却水温度を適切に制御する。ヒータコア23は、他の空調装置と共に車両内に備えられ、冷却水により車両の室内の温度を上昇させる。サーモスタット24は、エンジン25の始動時等に冷却水経路21をバイパス経路27側に切り替えて、エンジン25の暖機を促進する。ウォーターポンプ26は、冷却水経路21の冷却水を循環させる。   The radiator 22 appropriately controls the cooling water temperature by exchanging heat between the cooling water and the atmosphere. The heater core 23 is provided in the vehicle together with other air conditioners, and raises the temperature in the vehicle interior with cooling water. The thermostat 24 switches the cooling water path 21 to the bypass path 27 side when the engine 25 is started, etc., and promotes warm-up of the engine 25. The water pump 26 circulates the cooling water in the cooling water passage 21.

エンジン25は、酸素を含む大気をシリンダ室内に導く吸気管33と、シリンダ室における爆発燃焼後の排ガスをエンジン25外部へと導く排気管34とを備える。   The engine 25 includes an intake pipe 33 that guides oxygen-containing air into the cylinder chamber, and an exhaust pipe 34 that guides exhaust gas after explosion combustion in the cylinder chamber to the outside of the engine 25.

排気管34には、排ガス回収バルブ41が備えられる。排ガス回収バルブ41の一方は排ガス通路50に連通している。排ガス回収バルブ41は、制御装置100の制御により回収モードと非回収モードとに制御され、回収モードのときに、排ガスが排ガス通路50を経由して蒸発器12へと流通される。   The exhaust pipe 34 is provided with an exhaust gas recovery valve 41. One of the exhaust gas recovery valves 41 communicates with the exhaust gas passage 50. The exhaust gas recovery valve 41 is controlled to a recovery mode and a non-recovery mode by the control of the control device 100, and the exhaust gas is circulated to the evaporator 12 via the exhaust gas passage 50 in the recovery mode.

蒸発器12へと導かれた排ガスは、排ガス通路51を経由して再び排気管34へと戻る。   The exhaust gas guided to the evaporator 12 returns to the exhaust pipe 34 again via the exhaust gas passage 51.

冷却水経路21の途中には、分配弁(冷却水回収バルブ)28が備えられる。分配弁28は、制御装置100の制御により回収モードと非回収モードとに制御され、回収モードのときに、冷却水が分岐経路29を経由して蒸発器12へと流通される。   A distribution valve (cooling water recovery valve) 28 is provided in the middle of the cooling water path 21. The distribution valve 28 is controlled to a recovery mode and a non-recovery mode under the control of the control device 100, and in the recovery mode, cooling water is circulated to the evaporator 12 via the branch path 29.

この排熱回収システムには、制御装置100が備えられている。制御装置100は、蒸発器12における媒体温度、媒体圧力や冷却水温度を計測する。また、これらの計測値に基づいて、排ガス回収バルブ41及び分配弁28の回収モード及び非回収モードを制御する。   The exhaust heat recovery system is provided with a control device 100. The control device 100 measures the medium temperature, medium pressure, and cooling water temperature in the evaporator 12. Further, based on these measured values, the recovery mode and the non-recovery mode of the exhaust gas recovery valve 41 and the distribution valve 28 are controlled.

次に、ランキンサイクルシステム10の蒸発器12について説明する。   Next, the evaporator 12 of the Rankine cycle system 10 will be described.

蒸発器12は、エンジン25から排出される排ガスの熱を利用して、ランキンサイクルシステム10の媒体の温度を上昇させて、媒体を気化する。   The evaporator 12 uses the heat of the exhaust gas discharged from the engine 25 to raise the temperature of the medium of the Rankine cycle system 10 and vaporize the medium.

ここで、排ガス温度は高温(数百℃)となるため、ランキンサイクルシステム10の媒体と高温の排ガスとが直接的に熱交換を行うと、媒体が熱分解を起こしたり、媒体と共に循環経路を流通する潤滑用の油脂が炭化を起こしたりする可能性がある。   Here, since the exhaust gas temperature is high (several hundred degrees Celsius), when the medium of the Rankine cycle system 10 and the high-temperature exhaust gas directly exchange heat, the medium undergoes thermal decomposition, or the circulation path together with the medium. There is a possibility that the oil for lubrication that circulates may cause carbonization.

そこで、本実施形態では、ランキンサイクルシステム10の媒体と排ガスとが直接接触
することなく、効率的に排熱を利用できるように、以下のような特徴的な構成を備えた。
Therefore, in the present embodiment, the following characteristic configuration is provided so that the exhaust heat can be used efficiently without direct contact between the medium of the Rankine cycle system 10 and the exhaust gas.

図2は、本実施形態の蒸発器12の構成を示す斜視図である。   FIG. 2 is a perspective view showing a configuration of the evaporator 12 of the present embodiment.

蒸発器12は、複数のプレート120が積層されて構成されたプレート積層タイプの熱交換器であり、その内部に媒体、冷却水、排ガスをそれぞれ導入して、これらの間で熱交換を行う。   The evaporator 12 is a plate stacking type heat exchanger configured by stacking a plurality of plates 120. A medium, cooling water, and exhaust gas are respectively introduced into the evaporator 12 and heat is exchanged between them.

蒸発器12は、媒体、冷却水、排ガスそれぞれに対応する三つの入口と三つの出口を備える。媒体は、媒体入口120aから導入され、媒体出口120bから導出される。冷却水は、冷却水入口121aから導入され、冷却水出口121bから導出される。排ガスは、排ガス入口122aから導入され、排ガス出口122bから導出される。   The evaporator 12 includes three inlets and three outlets corresponding to the medium, cooling water, and exhaust gas. Media is introduced from the media inlet 120a and led out from the media outlet 120b. The cooling water is introduced from the cooling water inlet 121a and led out from the cooling water outlet 121b. The exhaust gas is introduced from the exhaust gas inlet 122a and led out from the exhaust gas outlet 122b.

図2(b)は、蒸発器12の要所の断面図を示す。   FIG. 2B shows a cross-sectional view of the main part of the evaporator 12.

この図2(b)に示すように、蒸発器12内部において、媒体の流路と、冷却水の流路と、排ガスの流路とが、多重に積層されて構成されている。そしてこれら媒体の流路と、冷却水の流路と、排ガスの流路とがそれぞれ対向流となるように構成されている。またさらに、媒体の流路と排ガスの流路との間に、必ず冷却水の流路が介在するように構成されている。これにより、蒸発器12は、媒体と排ガスが直接接触することなく、熱交換を行うように構成されている。   As shown in FIG. 2 (b), inside the evaporator 12, a medium flow path, a cooling water flow path, and an exhaust gas flow path are stacked in multiple layers. The medium flow path, the cooling water flow path, and the exhaust gas flow path are each configured to be opposed to each other. Still further, the cooling water flow path is always interposed between the medium flow path and the exhaust gas flow path. Thereby, the evaporator 12 is comprised so that heat exchange may be performed, without a medium and waste gas contacting directly.

図3は、蒸発器12の内部の構造を示す説明図である。   FIG. 3 is an explanatory diagram showing the internal structure of the evaporator 12.

蒸発器12は、複数のプレート120が積層されて構成される。   The evaporator 12 is configured by stacking a plurality of plates 120.

プレート120は、周囲にリブ125を備えている。プレート120が積層されることで、このリブ125と上下のプレート120とにより囲まれた空間が、媒体等が流通する流路となる。   The plate 120 has ribs 125 around it. By laminating the plates 120, a space surrounded by the ribs 125 and the upper and lower plates 120 becomes a flow path through which a medium or the like flows.

プレート120には、三つの入口側通路128と、三つの出口側通路129が備えられている。   The plate 120 is provided with three inlet-side passages 128 and three outlet-side passages 129.

入口側通路128は、いずれか一つがプレート120に開口されており、他の二つは隣接して積層される他のプレート120の入口通路のみに連通する。この開口部分が、媒体の入口128aとなる。同様に、出口側通路129についてもいずれか一つがプレート120に開口されており、この開口部分が媒体の出口129aとなる。   One of the inlet-side passages 128 is opened in the plate 120, and the other two communicate with only the inlet passages of the other plates 120 stacked adjacent to each other. This opening becomes the medium inlet 128a. Similarly, any one of the outlet side passages 129 is opened in the plate 120, and this opening portion becomes the outlet 129a of the medium.

蒸発器12は、このプレート120を多重に積層して固定することにより構成される。なお、プレート120の最上部分及び最底部分には、三つの入口部(媒体入口部120a、冷却水入口121a、排ガス入口122a)と、三つの出口部(媒体出口部120b、冷却水出口121b、排ガス出口122b)とが接続される。   The evaporator 12 is configured by stacking and fixing the plates 120 in multiple layers. The top and bottom portions of the plate 120 have three inlet portions (medium inlet portion 120a, cooling water inlet 121a, exhaust gas inlet 122a) and three outlet portions (medium outlet portion 120b, cooling water outlet 121b, The exhaust gas outlet 122b) is connected.

蒸発器12は、このような構造によって、排ガスの廃熱を利用して、ランキンサイクルシステム10の媒体温度を上昇させることができる。   With such a structure, the evaporator 12 can increase the medium temperature of the Rankine cycle system 10 using waste heat of exhaust gas.

特に、媒体の流路と排ガスの流路との間に冷却水の流路が介在することにより、冷却水の比熱によって排ガスの高温が媒体に直接伝わることがないので、媒体が熱分解されることなく、適切に温度が上昇される。また、冷却水温度が低い場合は、冷却水温度を上昇させる効果も備える。   In particular, since the cooling water flow path is interposed between the flow path of the medium and the flow path of the exhaust gas, the high temperature of the exhaust gas is not directly transmitted to the medium due to the specific heat of the cooling water, so that the medium is thermally decomposed. Without any problem, the temperature is raised appropriately. In addition, when the cooling water temperature is low, the cooling water temperature is also increased.

なお、図3では特に示していないが、プレート120の内面にリブやフィン等を形成して、媒体等の流れを整流させるようにしてもよい。   Although not particularly shown in FIG. 3, ribs, fins, or the like may be formed on the inner surface of the plate 120 to rectify the flow of the medium or the like.

図4は、本実施形態の制御装置100の処理を示すフローチャートである。   FIG. 4 is a flowchart showing processing of the control device 100 of the present embodiment.

制御装置100は、蒸発器12における媒体温度、媒体圧力や冷却水温度を計測し、排ガス回収バルブ41及び分配弁28の状態を制御することにより、媒体の温度状態を制御して、ランキンサイクルシステム10の作動効率を高める。   The control device 100 measures the medium temperature, the medium pressure, and the cooling water temperature in the evaporator 12, and controls the state of the exhaust gas recovery valve 41 and the distribution valve 28, thereby controlling the temperature state of the medium and the Rankine cycle system. Increase the operating efficiency of 10.

制御装置100は、まず、エンジン25が始動しているか否かを判定する(ステップS10)。エンジン25が始動していない場合は、この処理を繰り返し、待機する。   First, the control device 100 determines whether or not the engine 25 has been started (step S10). If the engine 25 has not been started, this process is repeated and waits.

次に、制御装置100は、排ガス回収バルブ41を回収モードへと制御して、排気管34と蒸発器12とを連通させる。これにより、排ガスが蒸発器12に導入される(ステップS20)。   Next, the control device 100 controls the exhaust gas recovery valve 41 to the recovery mode to make the exhaust pipe 34 and the evaporator 12 communicate with each other. Thereby, exhaust gas is introduce | transduced into the evaporator 12 (step S20).

次に、制御装置100は、分配弁28を回収モードへと制御して、冷却水経路21と蒸発器12とを連通させる。これにより、冷却水が蒸発器12に導入される(ステップS30)。   Next, the control device 100 controls the distribution valve 28 to the recovery mode to make the cooling water passage 21 and the evaporator 12 communicate with each other. Thereby, cooling water is introduce | transduced into the evaporator 12 (step S30).

この状態で、蒸発器12に媒体、冷却水及び排ガスが流通し、これらの間で熱交換が行われる。   In this state, the medium, the cooling water and the exhaust gas are circulated through the evaporator 12, and heat exchange is performed between them.

次に、制御装置100は、蒸発器12の冷却水出口121bにおける冷却水温度が所定温度(第1の所定温度、例えば100[℃])以下であるか否かを判定する(ステップS40)。この温度は、冷却水が排ガスによって過剰に加熱されていないかのしきい値である。   Next, the control device 100 determines whether or not the cooling water temperature at the cooling water outlet 121b of the evaporator 12 is equal to or lower than a predetermined temperature (first predetermined temperature, for example, 100 [° C.]) (step S40). This temperature is a threshold value as to whether the cooling water is not excessively heated by the exhaust gas.

冷却水温度が所定温度以下であると判定した場合は、ステップS60に移行する。   When it is determined that the cooling water temperature is equal to or lower than the predetermined temperature, the process proceeds to step S60.

冷却水温度が所定温度を超えていると判定した場合は、ステップS50に移行し、排ガス回収バルブ41を非回収モードへと制御して、排ガスが蒸発器12に導入されないように制御する。   When it is determined that the cooling water temperature exceeds the predetermined temperature, the process proceeds to step S50, and the exhaust gas recovery valve 41 is controlled to the non-recovery mode so that the exhaust gas is not introduced into the evaporator 12.

ステップS50では、制御装置100は、蒸発器12の媒体出口120bにおける媒体温度が所定温度(第2の所定温度、例えば95[℃])以下であるか否かを判定する。この温度は、媒体が冷却水によって過剰に加熱されていないかのしきい値である。   In step S50, the control device 100 determines whether or not the medium temperature at the medium outlet 120b of the evaporator 12 is equal to or lower than a predetermined temperature (second predetermined temperature, for example, 95 [° C.]). This temperature is a threshold for whether the medium is not overheated by the cooling water.

媒体温度が所定温度以下であると判定した場合は、ステップS70に移行する。   When it is determined that the medium temperature is equal to or lower than the predetermined temperature, the process proceeds to step S70.

媒体温度が所定温度を超えていると判定した場合は、ステップS80に移行する。   If it is determined that the medium temperature exceeds the predetermined temperature, the process proceeds to step S80.

ステップS70では、制御装置100は、蒸発器12の媒体出口120bにおける媒体圧力が所定圧力(例えば28[kg/cm2(ゲージ圧)])以下であるか否かを判定す
る。この所定圧力は、媒体が冷却水に加熱された結果、ランキンサイクルシステム10の内圧が過剰に高まっていないかのしきい値である。
In step S70, the control device 100 determines whether or not the medium pressure at the medium outlet 120b of the evaporator 12 is equal to or lower than a predetermined pressure (for example, 28 [kg / cm 2 (gauge pressure)]). This predetermined pressure is a threshold value as to whether the internal pressure of the Rankine cycle system 10 has increased excessively as a result of the medium being heated to the cooling water.

媒体圧力が所定圧力以下であると判定した場合は、本フローチャートによる処理を終了し、他の処理へと移行する。   When it is determined that the medium pressure is equal to or lower than the predetermined pressure, the process according to this flowchart is terminated and the process proceeds to another process.

媒体圧力が所定圧力を超えていると判定した場合は、ステップS80に移行する。   If it is determined that the medium pressure exceeds the predetermined pressure, the process proceeds to step S80.

ステップS80では、分配弁28を非回収モードへと制御して、冷却水が蒸発器12に導入されないように制御する。その後、本フローチャートによる処理を終了し、他の処理へと移行する。   In step S <b> 80, the distribution valve 28 is controlled to the non-recovery mode so that the cooling water is not introduced into the evaporator 12. Thereafter, the process according to this flowchart is terminated, and the process proceeds to another process.

以上のような処理によって、排ガスの熱を用いて、媒体温度を適切に上昇させることができると共に、媒体温度及び圧力が過度に上昇することを抑えることができる。   By the treatment as described above, it is possible to appropriately increase the medium temperature using the heat of the exhaust gas, and to suppress an excessive increase in the medium temperature and pressure.

特に、高温の排ガスによって冷却水や媒体が過剰に加熱されないように、蒸発器12における媒体の温度を制御することができる。   In particular, the temperature of the medium in the evaporator 12 can be controlled so that the cooling water and the medium are not excessively heated by the high-temperature exhaust gas.

なお、蒸発器12は前述の構造に限られず、様々な構成を用いることができる。   In addition, the evaporator 12 is not restricted to the above-mentioned structure, Various structures can be used.

図5は、蒸発器12の他の構成を示す説明図である。   FIG. 5 is an explanatory view showing another configuration of the evaporator 12.

前述の図3及び図4に示した例では、蒸発器12をプレート積層タイプとしたが、この図5に示す例では、冷却水雰囲気中に媒体及び排ガス経路を略直交して備えて、熱交換を行うように構成した。   In the example shown in FIG. 3 and FIG. 4 described above, the evaporator 12 is a plate lamination type. However, in the example shown in FIG. 5, the medium and the exhaust gas path are provided substantially orthogonally in the cooling water atmosphere, Configured to do the exchange.

図5(a)に示すように、蒸発器12は、媒体入口120a、媒体出口120b、媒体Uターン路120c、冷却水入口121a、冷却水出口121b、排ガス入口122a及び排ガス出口122bを備える。   As shown in FIG. 5A, the evaporator 12 includes a medium inlet 120a, a medium outlet 120b, a medium U-turn path 120c, a cooling water inlet 121a, a cooling water outlet 121b, an exhaust gas inlet 122a, and an exhaust gas outlet 122b.

媒体Uターン路120cは、蒸発器12の内部に複数備えられる媒体流路(上流側媒体流路123a、下流側媒体流路123b)を互いに連通するために備えられる。   The medium U-turn path 120c is provided to communicate a plurality of medium flow paths (upstream medium flow path 123a and downstream medium flow path 123b) provided in the evaporator 12.

図5(b)は、この蒸発器12の内部の媒体の流路の透視図である。   FIG. 5B is a perspective view of the flow path of the medium inside the evaporator 12.

蒸発器12の内部は、冷却水の流れ方向の上流側から下流側にかけて、上流側媒体流路(第1の媒体流路)123a、排ガス流路124、下流側媒体流路(第2の媒体流路)123bがそれぞれ備えられる。   The evaporator 12 has an upstream medium flow path (first medium flow path) 123a, an exhaust gas flow path 124, and a downstream medium flow path (second medium) from the upstream side to the downstream side in the flow direction of the cooling water. Each flow path) 123b is provided.

これら各流路は、通過する媒体等が、流路内をまんべんなく通過するように、多数のフィンが取り付けられている。   Each of these flow paths is provided with a large number of fins so that a passing medium or the like passes through the flow paths evenly.

図6は、蒸発器12の断面図である。図6(a)は、図5(a)のA−A断面図を、図6(b)は、図5(a)のB−B断面図を、それぞれ示す。   FIG. 6 is a cross-sectional view of the evaporator 12. 6A is a cross-sectional view taken along the line AA in FIG. 5A, and FIG. 6B is a cross-sectional view taken along the line BB in FIG. 5A.

蒸発器12は、内部に空洞を有し、冷却水が、この空洞部分を、冷却水入口121a側から冷却水出口121b側へと流通するように構成されている。   The evaporator 12 has a hollow inside, and the cooling water is configured to flow through this hollow portion from the cooling water inlet 121a side to the cooling water outlet 121b side.

そして、この空洞部分に、上流側媒体流路123a、下流側媒体流路123b及び排ガス流路124が備えられている。   In this hollow portion, an upstream medium flow path 123a, a downstream medium flow path 123b, and an exhaust gas flow path 124 are provided.

図6(a)は、蒸発器12の上流側媒体流路123aの断面図を示す。   FIG. 6A shows a cross-sectional view of the upstream medium flow path 123 a of the evaporator 12.

媒体は媒体入口120aから蒸発器12の内部に導入される。このとき、媒体は複数の上流側媒体流路123aへと分割される。この複数の上流側媒体流路123aの周囲を流
通する冷却水とで熱交換が行われる。その後、媒体は、媒体Uターン路120cを経て蒸発器12の外部へと一旦導出されたのち、再び下流側媒体流路123bへと導入される。下流側媒体流路123bにおいても、周囲を流通する冷却水とで熱交換が行われる。
The medium is introduced into the evaporator 12 from the medium inlet 120a. At this time, the medium is divided into a plurality of upstream medium flow paths 123a. Heat exchange is performed with the cooling water flowing around the plurality of upstream medium flow paths 123a. Thereafter, the medium is once led out of the evaporator 12 via the medium U-turn path 120c and then introduced again into the downstream medium flow path 123b. Also in the downstream medium flow path 123b, heat exchange is performed with the cooling water flowing around.

図6(b)は、蒸発器12の冷却水の流路の断面図を示す。   FIG. 6B shows a cross-sectional view of the cooling water flow path of the evaporator 12.

蒸発器12の内部には、前述のように上流側媒体流路123a、排ガス流路124、下流側媒体流路123bが備えられている。そして、冷却水は、これら各流路の周囲を、これら各流路と直交して、冷却水入口121aから、冷却水出口121bへと流れるように構成されている。   Inside the evaporator 12, as described above, the upstream medium flow path 123a, the exhaust gas flow path 124, and the downstream medium flow path 123b are provided. And cooling water is comprised so that the circumference | surroundings of these each flow path may be orthogonal to these each flow path, and may flow from the cooling water inlet 121a to the cooling water outlet 121b.

次に、この図5及び図6のように構成された蒸発器12の作用について説明する。   Next, the operation of the evaporator 12 configured as shown in FIGS. 5 and 6 will be described.

冷却水は、冷却水入口121aから導入され、蒸発器12の内部を流通した後、冷却水出口121bから導出される。   The cooling water is introduced from the cooling water inlet 121a, flows through the inside of the evaporator 12, and then is led out from the cooling water outlet 121b.

媒体は、媒体入口120aから導入され、複数に分割された上流側媒体流路123aを流通する。このとき、上流側媒体流路123aの周囲では、冷却水が、媒体の流通方向と略直交して流通する。ここで、媒体と冷却水との間で第1の熱交換が行われる。   The medium is introduced from the medium inlet 120a and flows through the divided upstream medium flow path 123a. At this time, around the upstream medium flow path 123a, the cooling water flows substantially orthogonal to the medium flow direction. Here, the first heat exchange is performed between the medium and the cooling water.

この第1の熱交換では、エンジン25側から流入する冷却水(例えば80[℃])と、凝縮器により液化された媒体(例えば50[℃])とが熱交換を行う。この結果、媒体温度は若干上昇し、冷却水温度は若干下降する。   In the first heat exchange, cooling water (for example, 80 [° C.]) flowing from the engine 25 side and a medium liquefied by the condenser (for example, 50 [° C.]) exchange heat. As a result, the medium temperature slightly increases and the cooling water temperature slightly decreases.

その後、媒体は、媒体Uターン路120cを経て、下流側媒体流路123bへと導入される。   Thereafter, the medium is introduced into the downstream medium flow path 123b via the medium U-turn path 120c.

一方、冷却水は、上流側媒体流路123aを通過した後、排ガス流路124の周囲を流通する。ここで、排ガスと冷却水との間で第2の熱交換が行われる。   On the other hand, the cooling water flows around the exhaust gas flow channel 124 after passing through the upstream medium flow channel 123a. Here, the second heat exchange is performed between the exhaust gas and the cooling water.

この第2の熱交換では、上流側媒体流路123aを経由した冷却水(例えば70[℃])と、導入された排ガス(例えば400[℃])とが熱交換を行う。この結果、冷却水温度は若干上昇し、排ガス温度は若干下降する。   In the second heat exchange, the cooling water (for example, 70 [° C.]) passing through the upstream medium flow path 123a and the introduced exhaust gas (for example, 400 [° C.]) perform heat exchange. As a result, the cooling water temperature slightly increases and the exhaust gas temperature slightly decreases.

その後、排ガスは、排ガス出口122bから、排気管34へと排出される。   Thereafter, the exhaust gas is discharged from the exhaust gas outlet 122b to the exhaust pipe 34.

一方、冷却水は、排ガス流路124を通過した後、下流側媒体流路123bの周囲を流通する。ここで、媒体と冷却水との間で第3の熱交換が行われる。   On the other hand, after passing through the exhaust gas flow channel 124, the cooling water flows around the downstream medium flow channel 123b. Here, the third heat exchange is performed between the medium and the cooling water.

この第3の熱交換では、排ガスとの熱交換により温度が上昇した冷却水(例えば90[℃])と、上流側媒体流路123aでの熱交換により温度が上昇した媒体(例えば70[℃])とが熱交換を行う。この結果、媒体温度はさらに上昇し、冷却水温度は若干下降する。   In the third heat exchange, cooling water (eg, 90 [° C.]) whose temperature has increased due to heat exchange with exhaust gas and medium (eg, 70 [° C.) whose temperature has increased due to heat exchange in the upstream medium flow path 123a. ]) And heat exchange. As a result, the medium temperature further increases and the cooling water temperature slightly decreases.

このように構成することにより、蒸発器12は、ランキンサイクルシステム10の媒体と排ガスとを直接接触させることなく、冷却水を介して熱交換を行うことにより、媒体温度を適切に上昇させることができる。   With this configuration, the evaporator 12 can appropriately increase the medium temperature by performing heat exchange through the cooling water without directly contacting the medium of the Rankine cycle system 10 and the exhaust gas. it can.

特に、蒸発器12を、この図5及び図6のように構成することにより、媒体−冷却水、冷却水−排ガス、冷却水−媒体の三段階の熱交換を行う。これにより、媒体の温度を緩や
かに上昇させることができ、熱交換の効率を高めることができる。
In particular, by configuring the evaporator 12 as shown in FIGS. 5 and 6, heat exchange in three stages of medium-cooling water, cooling water-exhaust gas, and cooling water-medium is performed. Thereby, the temperature of a medium can be raised gently and the efficiency of heat exchange can be improved.

またさらに、蒸発器12の内部をこのような構造とすることで、図4に示した制御装置100による冷却水及び排ガスの回収/非回収の制御を、必ずしも必要としない。蒸発器12の内部構造(媒体、冷却水、排ガスの各流路の流量や接触面積)を適切に設計すれば、媒体、冷却水及び排ガスが流通するだけで、媒体の温度を所定範囲内に制御することも可能である。   Furthermore, by making the inside of the evaporator 12 have such a structure, it is not always necessary to control the recovery / non-recovery of cooling water and exhaust gas by the control device 100 shown in FIG. If the internal structure of the evaporator 12 (flow rate and contact area of each flow path of the medium, cooling water, and exhaust gas) is appropriately designed, the temperature of the medium is kept within a predetermined range simply by circulating the medium, cooling water, and exhaust gas. It is also possible to control.

図7は、蒸発器12のさらに他の例を示す説明図である。   FIG. 7 is an explanatory view showing still another example of the evaporator 12.

前述の図6に示した蒸発器12は、外部に媒体Uターン路120cを備えた。これに対して、図7に示す例では、蒸発器12の内部にUターン路となる構造を備えた。   The evaporator 12 shown in FIG. 6 has a medium U-turn path 120c outside. On the other hand, in the example shown in FIG. 7, a structure serving as a U-turn path is provided inside the evaporator 12.

蒸発器12は、媒体入口120a、媒体出口120b、冷却水入口121a、冷却水出口121b、排ガス入口122a及び排ガス出口122bを備える。これらの作用は前述の図5とほぼ共通である。   The evaporator 12 includes a medium inlet 120a, a medium outlet 120b, a cooling water inlet 121a, a cooling water outlet 121b, an exhaust gas inlet 122a, and an exhaust gas outlet 122b. These operations are almost the same as those in FIG.

図7(b)は、この蒸発器12の内部の媒体流路の透視図である。   FIG. 7B is a perspective view of the medium flow path inside the evaporator 12.

蒸発器12の内部は、冷却水入口121aに連通する上流側冷却水流路(第1の冷却水流路)126aと、冷却水出口121bに連通する下流側冷却水流路(第2の冷却水流路)126bとを備える。これらは図8で後述するようにUターン路126cにおいて連通している。   The inside of the evaporator 12 includes an upstream side cooling water flow path (first cooling water flow path) 126a communicating with the cooling water inlet 121a and a downstream side cooling water flow path (second cooling water flow path) communicating with the cooling water outlet 121b. 126b. These communicate with each other in a U-turn path 126c as will be described later with reference to FIG.

上流側冷却水流路126aには、上流側媒体流路(第1の媒体流路)123a及び上流側排ガス流路(第1の排ガス流路)124aが備えられる。また、下流側冷却水流路126bには、下流側排ガス流路(第2の排ガス流路)124b及び下流側媒体流路(第2の媒体流路)123bがそれぞれ備えられる。   The upstream cooling water flow path 126a includes an upstream medium flow path (first medium flow path) 123a and an upstream exhaust gas flow path (first exhaust gas flow path) 124a. Further, the downstream side cooling water passage 126b is provided with a downstream side exhaust passage (second exhaust passage) 124b and a downstream medium passage (second medium passage) 123b, respectively.

これら各流路は、通過する媒体等が流路内をまんべんなく通過するように、多数のフィンが取り付けられている。   Each of these flow paths is provided with a large number of fins so that the passing medium and the like pass through the flow paths evenly.

図8は、図7に示す蒸発器12の断面図である。図8(a)は、図7(a)のA−A断面図を、図8(b)は、図7(a)のB−B断面図を、それぞれ示す。   FIG. 8 is a cross-sectional view of the evaporator 12 shown in FIG. 8A shows a cross-sectional view taken along the line AA in FIG. 7A, and FIG. 8B shows a cross-sectional view taken along the line BB in FIG. 7A.

前述の図5及び図6に示す例と同様に、蒸発器12は、内部に空洞を有し、冷却水が、この空洞部分を冷却水入口121a側から冷却水出口121b側へと流通するように構成されている。そして本例では、冷却水は、蒸発器12に備えられたUターン路126cにおいて流れの向きを変えられるように構成されている。   Similarly to the example shown in FIGS. 5 and 6 described above, the evaporator 12 has a cavity inside, and the cooling water flows through the cavity from the cooling water inlet 121a side to the cooling water outlet 121b side. It is configured. In this example, the cooling water is configured to change the flow direction in the U-turn path 126 c provided in the evaporator 12.

図8(a)は、蒸発器12の媒体流路(上流側媒体流路123a及び下流側媒体流路123b)の断面図を示す。   FIG. 8A shows a cross-sectional view of the medium flow path (upstream medium flow path 123a and downstream medium flow path 123b) of the evaporator 12. FIG.

媒体は媒体入口120aから蒸発器12の内部に導入される。このとき、媒体は複数の上流側媒体流路123aへと分割される。この複数の上流側媒体流路123aの周囲を流通する冷却水とで熱交換が行われる。その後、媒体は、蒸発器12の内部に備えられたUターン路123cにより流れの向きが変えられて、下流側媒体流路123bへと流通する。   The medium is introduced into the evaporator 12 from the medium inlet 120a. At this time, the medium is divided into a plurality of upstream medium flow paths 123a. Heat exchange is performed with the cooling water flowing around the plurality of upstream medium flow paths 123a. Thereafter, the flow of the medium is changed by the U-turn path 123c provided in the evaporator 12, and flows to the downstream medium flow path 123b.

なお、排ガスについても同様の構造である。すなわち、上流側排ガス流路124aに導
入された排ガスが、Uターン路(124c)を経由して、下流側排ガス流路124bへと流通する。
The exhaust gas has the same structure. That is, the exhaust gas introduced into the upstream side exhaust gas flow path 124a flows through the U-turn path (124c) to the downstream side exhaust gas flow path 124b.

図8(b)は、蒸発器12の冷却水流の断面図を示す。   FIG. 8B shows a cross-sectional view of the cooling water flow of the evaporator 12.

冷却水は冷却水入口121aから蒸発器の内部に導入され、まず上流側冷却水流路126aを流通する。ここで冷却水は、上流側媒体流路123a、上流側排ガス流路124aの周囲を通過する。その後、Uターン路126cにおいて、流れの向きが変えられ、下流側冷却水流路126bへと流通する。ここで冷却水は、下流側排ガス流路124b、下流側冷却水流路126b通過した後、冷却水出口121bから導出される。   The cooling water is introduced into the evaporator from the cooling water inlet 121a and first flows through the upstream side cooling water flow path 126a. Here, the cooling water passes around the upstream medium flow path 123a and the upstream exhaust gas flow path 124a. Thereafter, the flow direction is changed in the U-turn path 126c and flows to the downstream side cooling water flow path 126b. Here, the cooling water passes through the downstream side exhaust gas passage 124b and the downstream side cooling water passage 126b, and then is led out from the cooling water outlet 121b.

この図7及び図8のように構成することにより、媒体、冷却水及び排ガスの配管の取り回しを、図5及び図6に示した蒸発器12と異ならせることができる。また、外部にUターン路となる構造も必要ない。これにより、搭載する車両等に適した媒体経路11、冷却水経路21のレイアウトを設計することが可能となり、スペース得効率を高めることができる。   By configuring as shown in FIGS. 7 and 8, the piping of the medium, the cooling water, and the exhaust gas can be made different from the evaporator 12 shown in FIGS. 5 and 6. Further, there is no need for an external U-turn path structure. Thereby, it becomes possible to design the layout of the medium path 11 and the cooling water path 21 suitable for the vehicle etc. to mount, and can improve space acquisition efficiency.

以上のように、本発明の第1の実施形態のランキンサイクルシステム10は、媒体、冷却水及び排ガスを、蒸発器12において熱交換することで、エンジン25の排熱をランキンサイクルシステム10の熱源として利用することができる。   As described above, in the Rankine cycle system 10 according to the first embodiment of the present invention, the exhaust heat of the engine 25 is converted to the heat source of the Rankine cycle system 10 by exchanging heat of the medium, the cooling water, and the exhaust gas in the evaporator 12. Can be used as

特に、本実施の形態では、媒体と排ガスとで直接熱交換を行うのではなく、比熱容量の大きい冷却水を介して熱交換を行うので、高温の排ガスによる媒体の熱分解を防ぐことができると共に、効率よく熱交換を行うことができる。   In particular, in the present embodiment, heat exchange is performed not through direct heat exchange between the medium and the exhaust gas but through cooling water having a large specific heat capacity, so that thermal decomposition of the medium by high-temperature exhaust gas can be prevented. At the same time, heat exchange can be performed efficiently.

また、蒸発器12は、媒体、冷却水及び排ガスを一体的として熱交換を行うので、接続経路を増加させることなく、放熱ロスや配管によるロスが少なくなるため、エネルギー効率が高まり、効率の高い熱交換を行うことができる。   Further, the evaporator 12 performs heat exchange with the medium, the cooling water, and the exhaust gas as one body. Therefore, the heat dissipation loss and the loss due to the piping are reduced without increasing the connection path, so that the energy efficiency is increased and the efficiency is high. Heat exchange can be performed.

また、蒸発器12は、媒体、冷却水及び排ガスを一体的として熱交換を行うので、小型化することが可能となり、搭載性が向上すると共にスペース効率が高まる。そして小型化により軽量化することができ、燃費を向上させることができる。   In addition, the evaporator 12 performs heat exchange with the medium, the cooling water, and the exhaust gas integrally, so that the evaporator 12 can be reduced in size, and the mountability is improved and the space efficiency is increased. And it can reduce in weight by size reduction and can improve a fuel consumption.

次に、本発明の第2の実施形態の排熱回収システムを説明する。   Next, an exhaust heat recovery system according to a second embodiment of the present invention will be described.

前述の第1の実施形態では、ランキンサイクルシステム10の媒体をエンジン25から排出される排ガスを用いて昇温させた。これに対して第2の実施形態では、媒体温度を上昇させる溜めに排ガスを用いることは共通だが、EGRシステムに用いられる排ガスを媒体温度の昇温に用いることを特徴とする。   In the first embodiment described above, the medium of the Rankine cycle system 10 is heated using the exhaust gas discharged from the engine 25. On the other hand, in the second embodiment, it is common to use the exhaust gas for the reservoir for increasing the medium temperature, but the exhaust gas used for the EGR system is used for raising the medium temperature.

図9は、本発明の第2の実施の形態の排熱回収システムの説明図である。   FIG. 9 is an explanatory diagram of the exhaust heat recovery system according to the second embodiment of this invention.

なお、第1の実施形態と同一の構成には同一の符号を付し、その説明は省略する。   In addition, the same code | symbol is attached | subjected to the structure same as 1st Embodiment, and the description is abbreviate | omitted.

排気管34には、EGRバルブ60が備えられる。このEGRバルブ60は、制御装置100の指令により、開度が可変に構成されている。   The exhaust pipe 34 is provided with an EGR valve 60. The EGR valve 60 is configured to have a variable opening degree according to a command from the control device 100.

このEGRバルブ60の一方はEGR通路61に連通している。このEGRバルブ60の開閉状態によって、排ガスが、EGR通路61経由して蒸発器12へと流通可能に構成される。   One of the EGR valves 60 communicates with the EGR passage 61. Depending on the open / close state of the EGR valve 60, the exhaust gas can be circulated to the evaporator 12 via the EGR passage 61.

蒸発器12へと導かれた排ガスは、EGR通路62を経由して、吸気管33へと導かれ、エンジン25の吸気と混合される。   The exhaust gas guided to the evaporator 12 is guided to the intake pipe 33 via the EGR passage 62 and mixed with the intake air of the engine 25.

このように構成することにより、EGRガスとして用いられる排ガスによる廃熱を利用して、ランキンサイクルシステム10の媒体の温度を上昇させることができる。   By comprising in this way, the temperature of the medium of Rankine cycle system 10 can be raised using the waste heat by the waste gas used as EGR gas.

また、EGRガスはエンジン25の吸気に用いられるが、この図9のように構成することによって、EGRクーラーといった新たな構成を加えることなく熱交換によりEGRガスの温度を低くすることができる。これにより、エンジン25の燃費効率の悪化を防ぐことができる。   Further, EGR gas is used for intake air of the engine 25. By configuring as shown in FIG. 9, the temperature of the EGR gas can be lowered by heat exchange without adding a new configuration such as an EGR cooler. Thereby, deterioration of the fuel efficiency of the engine 25 can be prevented.

本実施形態では、蒸発器12は、前述の図2、図5、図7において説明した構造のものを用いることができる。   In the present embodiment, the evaporator 12 having the structure described with reference to FIGS. 2, 5, and 7 can be used.

なお、EGRバルブ60の制御は、制御装置100によって行われるが、EGRガスの制御はエンジン25の運転状態と密接に関連するため、図4に示すような回収/非回収の制御によって、エンジン25の燃費や出力に影響が生じる場合がある。この場合は、図5又は図7に示すような蒸発器12を用いて、蒸発器12の内部の構造により媒体温度が自動的に制御されることが好適である。   The control of the EGR valve 60 is performed by the control device 100. However, since the control of the EGR gas is closely related to the operating state of the engine 25, the engine 25 is controlled by the recovery / non-recovery control as shown in FIG. This may affect the fuel consumption and output of the car. In this case, it is preferable that the medium temperature is automatically controlled by the internal structure of the evaporator 12 using the evaporator 12 as shown in FIG.

本発明の第1の実施形態の排熱回収システムの説明図である。It is explanatory drawing of the waste heat recovery system of the 1st Embodiment of this invention. 本発明の第1の実施形態の本実施形態の蒸発器の構成を示す斜視図である。It is a perspective view which shows the structure of the evaporator of this embodiment of the 1st Embodiment of this invention. 本発明の第1の実施形態の蒸発器の内部の構造を示す説明図である。It is explanatory drawing which shows the structure inside the evaporator of the 1st Embodiment of this invention. 本発明の第1の実施形態の制御装置の処理を示すフローチャートである。It is a flowchart which shows the process of the control apparatus of the 1st Embodiment of this invention. 本発明の第1の実施形態の蒸発器の他の構成を示す説明図である。It is explanatory drawing which shows the other structure of the evaporator of the 1st Embodiment of this invention. 本発明の第1の実施形態の蒸発器の他の構成の断面図である。It is sectional drawing of the other structure of the evaporator of the 1st Embodiment of this invention. 本発明の第1の実施形態の蒸発器のさらに他の構成を示す説明図である。It is explanatory drawing which shows other structure of the evaporator of the 1st Embodiment of this invention. 本発明の第1の実施形態の蒸発器のさらに他の構成の断面図である。It is sectional drawing of the further another structure of the evaporator of the 1st Embodiment of this invention. 本発明の第2の実施形態の排熱回収システムの説明図である。It is explanatory drawing of the waste heat recovery system of the 2nd Embodiment of this invention.

符号の説明Explanation of symbols

10 ランキンサイクルシステム
12 蒸発器
20 エンジン冷却システム
25 エンジン
28 分配弁(冷却水回収バルブ)
41 排ガス回収バルブ
60 EGRバルブ
100 制御装置
120a 媒体入口
120b 媒体出口
120c 媒体Uターン路
121a 冷却水入口
121b 冷却水出口
122a 排ガス入口
122b 排ガス出口
123a 上流側媒体流路
123b 下流側媒体流路
123c Uターン路
124 排ガス流路
124a 上流側排ガス流路
124b 下流側排ガス流路
126a 上流側冷却水流路
126b 下流側冷却水流路
126c Uターン路
10 Rankine cycle system 12 Evaporator 20 Engine cooling system 25 Engine 28 Distribution valve (cooling water recovery valve)
41 exhaust gas recovery valve 60 EGR valve 100 controller 120a medium inlet 120b medium outlet 120c medium U turn path 121a cooling water inlet 121b cooling water outlet 122a exhaust gas inlet 122b exhaust gas outlet 123a upstream medium flow path 123b downstream medium flow path 123c U turn Passage 124 exhaust gas passage 124a upstream exhaust gas passage 124b downstream exhaust gas passage 126a upstream cooling water passage 126b downstream cooling water passage 126c U-turn passage

Claims (7)

内燃機関(25)が発生する熱を冷却水により冷却する内燃機関冷却システム(20)と、
熱交換により媒体を気化させる熱交換器(12)と、前記気化された媒体によりエネルギーを発生させる膨張機(13)と、前記気化された媒体を凝縮して液化させる凝縮器(14)と、前記液化された媒体を前記熱交換器(12)へと送るポンプ(15)と、を備えるランキンサイクルシステム(10)と、
を備え、
前記熱交換器(12)は、前記冷却水と前記内燃機関(25)の排ガスとで熱交換を行い、さらに、前記熱交換後の冷却水と前記媒体とで熱交換を行うことを特徴とする排熱回収システム。
An internal combustion engine cooling system (20) for cooling the heat generated by the internal combustion engine (25) with cooling water;
A heat exchanger (12) for vaporizing the medium by heat exchange, an expander (13) for generating energy by the vaporized medium, a condenser (14) for condensing and liquefying the vaporized medium, A Rankine cycle system (10) comprising: a pump (15) for delivering the liquefied medium to the heat exchanger (12);
With
The heat exchanger (12) performs heat exchange between the cooling water and the exhaust gas of the internal combustion engine (25), and further performs heat exchange between the cooling water after the heat exchange and the medium. Waste heat recovery system.
請求項1に記載の排熱回収システムにおいて、
前記熱交換器(12)は、前記媒体の流路と、前記冷却水の流路と、前記排ガスの流路と、が多重に積層されて構成され、
前記媒体の流路と前記排ガスの流路との間に、前記冷却水の流路が介在することを特徴とする排熱回収システム。
The exhaust heat recovery system according to claim 1,
The heat exchanger (12) is configured such that the flow path of the medium, the flow path of the cooling water, and the flow path of the exhaust gas are laminated in multiple layers.
An exhaust heat recovery system, wherein the cooling water channel is interposed between the medium channel and the exhaust gas channel.
請求項1に記載の排熱回収システムにおいて、
前記熱交換器(12)は、
前記媒体と前記冷却水とで熱交換を行い、前記熱交換後の冷却水と前記排ガスとで熱交換を行い、さらに前記熱交換後の冷却水と前記媒体とで熱交換を行うことを特徴とする排熱回収システム。
The exhaust heat recovery system according to claim 1,
The heat exchanger (12)
Heat exchange between the medium and the cooling water, heat exchange between the cooling water after the heat exchange and the exhaust gas, and heat exchange between the cooling water after the heat exchange and the medium. Waste heat recovery system.
請求項3に記載の排熱回収システムにおいて、
前記熱交換器(12)は、
冷却水が流通する冷却水流路(121)と、
前記冷却水流路内に略直交して備えられる、第1の媒体流路(123a)、排ガス流路(124)及び第2の媒体流路(123b)と、
を備え、
前記第1の媒体流路(123a)と前記第2の媒体流路(123b)とは、Uターン路(120c)により接続され、
前記冷却水は、前記第1の媒体流路(123a)の周囲を流通した後、前記排ガス流路(124)の周囲を経て、前記第2の媒体流路(123b)の周囲を流通し、
前記媒体は、前記第1の媒体流路(123a)を流通した後、前記Uターン路(120c)を経て、前記第2の媒体流路(123b)へと流通することを特徴とする排熱回収システム。
In the exhaust heat recovery system according to claim 3,
The heat exchanger (12)
A cooling water passage (121) through which the cooling water flows;
A first medium flow path (123a), an exhaust gas flow path (124), and a second medium flow path (123b) provided substantially orthogonally in the cooling water flow path;
With
The first medium flow path (123a) and the second medium flow path (123b) are connected by a U-turn path (120c),
The cooling water flows around the first medium flow path (123a), then flows around the exhaust gas flow path (124), and flows around the second medium flow path (123b).
The medium flows through the first medium flow path (123a), and then flows through the U-turn path (120c) to the second medium flow path (123b). Collection system.
請求項3に記載の排熱回収システムにおいて、
前記熱交換器(12)は、
冷却水が流通する第1の冷却水流路(126a)及び第2の冷却水流路(126b)と、
前記第1の冷却水流路(126a)内に略直交して備えられる、第1の媒体流路(123a)及び第1の排ガス流路(124a)と、
前記第2の冷却水流路(126b)内に略直交して備えられる、第2の排ガス流路(124b)及び第2の媒体流路(123b)と、
を備え、
前記第1の冷却水流路(126a)と前記第2の冷却水流路(126b)とは、Uターン路(126c)により接続され、
前記第1の媒体流路(123a)と前記第2の媒体流路(123b)とは、Uターン路(123c)により接続され、
前記第1の排ガス流路(124a)と前記第2の排ガス流路(124b)とは、Uターン路(124c)により接続され、
前記冷却水は、前記第1の冷却水流路において、前記第1の媒体流路(123a)及び前記第1の排ガス流路(124a)の周囲を流通した後、前記Uターン路(126c)を経て、前記第2の排ガス流路(124b)及び前記第2の媒体流路(123b)の周囲を流通し
前記媒体は、前記第1の媒体流路(123a)を流通した後、前記Uターン路(123c)を経て、前記第2の媒体流路(123b)へと流通し、
前記排ガスは、前記第1の排ガス流路(124a)を流通した後、前記Uターン路(124c)を経て、前記第2の排ガス流路(124b)へと流通することを特徴とする排熱回収システム。
In the exhaust heat recovery system according to claim 3,
The heat exchanger (12)
A first cooling water channel (126a) and a second cooling water channel (126b) through which cooling water flows;
A first medium flow path (123a) and a first exhaust gas flow path (124a) provided substantially orthogonally in the first cooling water flow path (126a);
A second exhaust gas flow path (124b) and a second medium flow path (123b) provided substantially orthogonally in the second cooling water flow path (126b);
With
The first cooling water channel (126a) and the second cooling water channel (126b) are connected by a U-turn channel (126c),
The first medium flow path (123a) and the second medium flow path (123b) are connected by a U-turn path (123c),
The first exhaust gas passage (124a) and the second exhaust gas passage (124b) are connected by a U-turn passage (124c),
The cooling water flows around the first medium flow path (123a) and the first exhaust gas flow path (124a) in the first cooling water flow path, and then passes through the U-turn path (126c). After passing through the second exhaust gas flow path (124b) and the second medium flow path (123b), the medium flows through the first medium flow path (123a) and then the U-turn. Through the channel (123c) to the second medium channel (123b),
The exhaust gas flows through the first exhaust gas passage (124a), and then flows through the U-turn passage (124c) to the second exhaust gas passage (124b). Collection system.
請求項1から5のいずれか一つに記載の排熱回収システムにおいて、
前記熱交換器(12)において熱交換後の前記排ガスは、前記内燃機関(25)の吸気系へと環流されることを特徴とする排熱回収システム。
In the exhaust heat recovery system according to any one of claims 1 to 5,
The exhaust heat recovery system, wherein the exhaust gas after heat exchange in the heat exchanger (12) is circulated to an intake system of the internal combustion engine (25).
請求項1から5のいずれか一つに記載の排熱回収システムにおいて、
前記熱交換器(12)に排ガスを流通させる排ガス回収バルブ(41)と、
前記熱交換器(12)に冷却水を流通させる冷却水回収バルブ(28)と、
前記排ガス回収バルブ(41)と、前記冷却水回収バルブ(28)とを制御する制御装置(100)と、
を備え、
前記制御装置(100)は、
前記内燃機関(25)が始動している場合に、前記排ガス回収バルブ(41)及び前記冷却水回収バルブ(28)を制御して前記熱交換器(12)に前記冷却水及び前記排ガスを流通させ、
前記熱交換器(12)から流出する冷却水の温度が所定温度を超えたときは、前記排ガス回収バルブ(41)を制御して前記熱交換器(12)への前記排ガスの流通を停止させ、
前記熱交換器(12)から流出する媒体の温度が所定温度を超えたとき、または、前記熱交換器(12)から流出する媒体の圧力が所定圧力を超えたときは、前記冷却水回収バルブ(28)を制御して、前記熱交換器(12)への前記冷却水の流通を停止させることを特徴とする排熱回収システム。
In the exhaust heat recovery system according to any one of claims 1 to 5,
An exhaust gas recovery valve (41) for circulating exhaust gas through the heat exchanger (12);
A cooling water recovery valve (28) for circulating cooling water through the heat exchanger (12);
A control device (100) for controlling the exhaust gas recovery valve (41) and the cooling water recovery valve (28);
With
The control device (100)
When the internal combustion engine (25) is started, the exhaust gas recovery valve (41) and the cooling water recovery valve (28) are controlled to distribute the cooling water and the exhaust gas to the heat exchanger (12). Let
When the temperature of the cooling water flowing out from the heat exchanger (12) exceeds a predetermined temperature, the exhaust gas recovery valve (41) is controlled to stop the flow of the exhaust gas to the heat exchanger (12). ,
When the temperature of the medium flowing out from the heat exchanger (12) exceeds a predetermined temperature, or when the pressure of the medium flowing out from the heat exchanger (12) exceeds a predetermined pressure, the cooling water recovery valve (28) is controlled to stop the circulation of the cooling water to the heat exchanger (12).
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