(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
熱機関の排気ガスから熱を受ける作動流体を冷却するための冷却器を有したスターリング機関と、
冷媒が通過する通路を介して前記冷却器に接続され前記冷却器との間で前記冷媒が循環する放熱器と、
前記熱機関が搭載された車両の室内に空気を送るためのファンの送風を前記放熱器に案内する放熱器用送風通路と、
前記放熱器用送風通路に接続され前記ファンの送風を前記室内に案内する室内用送風通路と、
前記放熱器よりも上流側の前記放熱器用送風通路を開閉する制御弁と、を備えた排熱回収システム。
【請求項２】
前記室内用送風通路に配置され、前記熱機関を冷却するための冷媒が通過する室内用放熱器を備え、
前記放熱器用送風通路は、前記放熱器を通過した空気を前記室内用放熱器に案内する、請求項１の排熱回収システム。
【請求項３】
熱機関の排気ガスから熱を受ける作動流体を冷却するための冷却器を有したスターリング機関と、
冷媒が通過する通路を介して前記冷却器に接続され、前記熱機関が搭載された車両の室内を冷却する空調装置の蒸発器と、を備えた排熱回収システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、排熱回収システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
特許文献１には、熱機関の排気ガスの排熱を回収する排熱回収装置について開示されている。このような排熱回収装置として、スターリングエンジンが知られている。スターリングエンジンは、排気ガスを高温熱源とし用い、スターリングエンジンに設けられた冷却器を低温熱源として用い、高温熱源と低温熱源との間で作動流体の状態の変化を利用して、排気ガスの熱エネルギーを動力エネルギーとして取り出すものである。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２００７−２３１８５８号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
熱機関の運転状態によっては、排気ガスの温度が低い状態になる場合がある。このような場合には、高温熱源と低温熱源との温度差が小さくなり、排熱の回収効率が低下する恐れがある。
【０００５】
そこで、排熱の回収効率の低下を抑制した排熱回収システムを提供することを課題とする。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
上記課題は、熱機関の排気ガスから熱を受ける作動流体を冷却するための冷却器を有したスターリング機関と、冷媒が通過する通路を介して前記冷却器に接続され前記冷却器との間で前記冷媒が循環する放熱器と、前記熱機関が搭載された車両の室内に空気を送るためのファンの送風を前記放熱器に案内する放熱器用送風通路と、を備えた排熱回収システムによって達成できる。
【０００７】
作動流体を冷却する冷却器を通過する冷媒を放熱器で放熱させることにより、作動流体の低温熱源である冷却器の温度を低下させることができる。これにより、スターリング機関での排熱の回収効率の低下が抑制される。
【０００８】
また、上記目的は、熱機関の排気ガスから熱を受ける作動流体を冷却するための冷却器を有したスターリング機関と、冷媒が通過する通路を介して前記冷却器に接続され、前記熱機関が搭載された車両の室内を冷却する空調装置の蒸発器と、を備えた排熱回収システムによって達成できる。
【０００９】
作動流体を冷却する冷却器を通過する冷媒が空調装置の蒸発器を通過することにより、作動流体の低温熱源である冷却器の温度を低下させることができる。これにより、スターリング機関での排熱の回収効率の低下が抑制される。
【発明の効果】
【００１０】
排熱の回収効率の低下を抑制した排熱回収システムを提供できる。
【図面の簡単な説明】
【００１１】
【図１】図１は、実施例１の廃熱回収システムの説明図である。
【図２】図２は、ＥＣＵの説明図である。
【図３】図３は、スターリング機関の説明図である。
【図４】図４は、ＥＣＵが実行する第２放熱器への風量制御の一例を示したフローチャートである。
【図５】図５は、実施例２の排熱回収システムの説明図である。
【図６】図６は、実施例３の排熱回収システムの説明図である。
【図７】図７は、空調装置とスターリング機関との間を循環する冷媒の経路の説明図である。
【発明を実施するための形態】
【００１２】
以下、複数の実施例について説明する・
【実施例１】
【００１３】
図１は、実施例１の廃熱回収システムの説明図である。排熱回収システム１００は、熱機関１、熱機関１の排熱を回収するスターリング機関１ａ、等を含む。熱機関１は、ガソリンエンジン、ディーゼルエンジン、ガスエンジン、などでもよく、種類は問わない。スターリング機関１ａは、スターリングエンジンであるが、その他温度差を利用して機関エネルギーに変換する機関であればよい。
【００１４】
実施例１においては、排熱回収システム１００は車両に搭載され、熱機関１は、車両を駆動するための主な機関として用いられるが、これに限定されない。熱機関１には、熱機関１を冷却するための冷却水が通過する冷却水通路Ｗ１が接続される。冷却水通路Ｗ１は、熱機関１、ラジエータ５、第１放熱器９３との間を冷却水が循環するようにそれぞれに接続されている。冷却水通路Ｗ１上には、バルブＶ１、Ｖ２、ポンプＰ１が配置される。
【００１５】
排熱回収システム１００には、空調装置ＡＣが設けられている。空調装置ＡＣには、蒸発器８１が含まれる。ブロワーファン８は、車両内に空気を送るためのものである。ブロワーファン８が回転することにより、空気が蒸発器８１を通過する。また、蒸発器８１に晒された空気は、送風通路７０を介して車両内に案内される。蒸発器８１は、送風通路７０内に配置されている。
【００１６】
送風通路７０は、互いに途中で分岐した室内用送風通路７２、放熱器用送風通路７４を含む。室内用送風通路７２は、ブロワーファン８からの空気を車室内に案内する。また、室内用送風通路７２は、途中で室内用送風通路７２から分岐して再び室内用送風通路７２に合流するバイパス通路７３が設けられている。
【００１７】
バイパス通路７３内には、熱機関１からの冷却水が循環する第１放熱器９３が配置されている。ブロワーファン８から送風された空気が第１放熱器９３を通過することにより、第１放熱器９３内の冷却水の放熱が促進される。これにより、空気は第１放熱器９３から熱を受けて温度が上昇する。
【００１８】
また、室内用送風通路７２とバイパス通路７３との分岐部分には、温度調整弁Ｖ３が設けられている。温度調整弁Ｖ３は、室内用送風通路７２を開いてバイパス通路７３を閉じた状態と、室内用送風通路７２を閉じてバイパス通路７３を開いた状態との間を回転可能に支持されている。従って、例えば暖房時には、温度調整弁Ｖ３が室内用送風通路７２側を閉じてバイパス通路７３側を開くことにより、第１放熱器９３により暖められた空気が車室内に案内される。このように、温度調整弁Ｖ３は車室内に案内される空気の温度を調整する機能を有している。第１放熱器９３は、室内用放熱器に相当する。
【００１９】
放熱器用送風通路７４は、ブロワーファン８からの空気を車外に案内する。放熱器用送風通路７４には、冷媒通路Ｗ１０を介してスターリング機関１ａとの間で冷媒が循環する第２放熱器９４が配置されている。冷媒通路Ｗ１０は、具体的にはホースなどである。尚、冷媒通路Ｗ１０にはポンプＰ２が配置されている。第２放熱器９４については後述する。
【００２０】
また、放熱器用送風通路７４には、風量制御弁Ｖ４が設けられている。風量制御弁Ｖ４の開度を調整することにより、室内用送風通路７２、放熱器用送風通路７４をそれぞれ流れる空気の流量の割合を変更することができる。従って、風量制御弁Ｖ４は、車室内に案内される空気の風量を制御する機能を有している。尚、何れの温度調整弁Ｖ３、風量制御弁Ｖ４も、所定の開度で停止可能である。温度調整弁Ｖ３、風量制御弁Ｖ４は、例えば無通電状態で停止可能なステップモータなどのアクチュエータにより駆動する。
【００２１】
図２は、ＥＣＵの説明図である。上述した、バルブＶ１、Ｖ２、温度調整弁Ｖ３、風量制御弁Ｖ４、ポンプＰ１、Ｐ２、ブロワーファン８の駆動は、ＥＣＵ１０によって制御される。ＥＣＵ１０は、ＲＯＭ、ＲＡＭ、ＣＰＵを用いたコンピュータである。ＲＯＭには、後述する第２放熱器９４への風量制御を実行するためのプログラムが格納されている。また、車室内に配置された室温センサＴＳの検出結果は、ＥＣＵ１０に出力される。
【００２２】
次に、スターリング機関１ａについて説明する。図３は、スターリング機関１ａの説明図である。スターリング機関１ａは、α型（２ピストン形）のスターリングエンジンであり、直列並行に配置された高温側気筒２０および低温側気筒３０を備えている。高温側気筒２０は膨張ピストン２１と高温側シリンダ２２とを、低温側気筒３０は圧縮ピストン３１と低温側シリンダ３２とをそれぞれ有している。圧縮ピストン３１は、膨張ピストン２１に対して、クランク角で９０°程度遅れて動く。
【００２３】
高温側シリンダ２２の上部空間は膨張空間である。膨張空間には加熱器４７で加熱された作動流体が流入する。加熱器４７は、熱機関１の排気管３の内に配置されており、作動流体は排気ガスから回収した熱エネルギーにより加熱される。低温側シリンダ３２の上部空間は圧縮空間となっている。圧縮空間には冷却器４５で冷却された作動流体が流入する。再生器４６は、膨張空間、圧縮空間の間を往復する作動流体との間で熱の授受を行う。再生器４６は具体的には、作動流体が膨張空間から圧縮空間へと流れる時には作動流体から熱を受け取り、作動流体が圧縮空間から膨張空間へと流れる時には蓄えられた熱を作動流体に放出する。作動流体には空気が適用されている。但しこれに限られず、作動流体には例えばＨｅ、Ｈ２、Ｎ２等の気体を適用することができる。
【００２４】
次にスターリング機関１ａの動作について説明する。加熱器４７で作動流体が加熱されると、膨張して膨張ピストン２１が圧下され、これにより駆動軸６５の回動が行われる。次に膨張ピストン２１が上昇行程に移ると、作動流体は加熱器４７を通過して再生器４６に移送され、そこで熱を放出して冷却器４５へと流れる。冷却器４５で冷却された作動流体は圧縮空間に流入し、さらに圧縮ピストン３１の上昇行程に伴って圧縮される。このようにして圧縮された作動流体は、今度は再生器４６から熱を奪いながら温度を上昇して加熱器４７へ流れ込み、そこで再び加熱膨張せしめられる。すなわち、かかる作動流体の往復流動を通じてスターリング機関１ａが動作する。尚、スターリング機関１ａは、コネクティングロッド６０をグラスホッパの機構５０によって支持している。
【００２５】
スターリング機関１ａの冷却器４５内には、冷媒通路Ｗ１０を介して第２放熱器９４との間で冷媒が循環する。ポンプＰ２は、冷媒をスターリング機関１ａの冷却器４５と第２放熱器９４との間で冷媒を循環させるためのものである。このように、冷却器４５を通過する冷媒が放熱器用送風通路７４内に配置された第２放熱器９４内を流れることにより、冷媒を第２放熱器９４で放熱させることができる。特に、空調装置ＡＣが駆動状態にあり、蒸発器８１を通過して冷却された空気が第２放熱器９４に流れる場合には、冷媒を効果的に放熱させることができる。これにより、スターリング機関１ａの低温熱源として機能する冷却器４５の温度を更に低下させることができる。これにより、例えば熱機関１の運転状態によって排気ガスが低温の場合であっても、冷却器４５で冷却される作動流体の温度を更に冷却することにより、排熱の回収効率の低下を抑制できる。尚、冷媒は、水に限らず、二酸化炭素、フロン等であってもよい。
【００２６】
次に、ＥＣＵ１０が実行する第２放熱器９４への風量制御について説明する。図４は、ＥＣＵ１０が実行する第２放熱器９４への風量制御の一例を示したフローチャートである。尚、以下のフローチャートでは、空調装置ＡＣが駆動している場合にＥＣＵ１０が実行する風量制御を説明する。
【００２７】
ＥＣＵ１０は、現在の室温が要求値であるか否かを判定する（ステップＳ１）。具体的には、ＥＣＵ１０は、室温センサＴＳからの出力値に基づいて現在の室温を把握し、この現在の室温がユーザによって設定された所望の室温と同じであるか否かを判定する。肯定判定の場合には、車室内への風量は充分であるとして、ＥＣＵ１０は、風量制御弁Ｖ４の開度を増大してブロワーファン８から第２放熱器９４へ流れる風量を増加させる（ステップＳ２）。これにより、スターリング機関１ａの冷却器４５を流れる冷媒を効果的に放熱することができ、スターリング機関１ａでの排熱の回収効率の低下が抑制される。
【００２８】
ステップＳ１で否定判定の場合には、ＥＣＵ１０は、現在の室温が要求値に向かって変化しているか否かを判定する（ステップＳ２）。具体的には、所定期間内での室温の変化から現在の室温が要求値に向かって変化しているか否かを判定する。肯定判定の場合には、車室内に案内される風量は充分であるとして、ＥＣＵ１０はステップＳ１の処理を実行する。これにより、スターリング機関１ａでの排熱の回収効率の低下が抑制される。
【００２９】
ステップＳ３で否定判定の場合には、車室内に案内される風量が不足していると判断して、ＥＣＵ１０は、第２放熱器９４への風量の増大を中止する（ステップＳ４）。即ち、ＥＣＵ１０は、風量制御弁Ｖ４の開度を現状に維持する。次に、ＥＣＵ１０は、要求値に向かって変化する車室温度の変化率が所定値以下であるか否かを判定する（ステップＳ５）。具体的には、所定期間内での室温の変化率が所定値以下であるか否かを判定する。車室温度の変化率が所定値を超えている場合、即ちステップＳ５で否定判定の場合には、車室内への風量は確保されているとして、ＥＣＵ１０はステップＳ２の処理を実行する。
【００３０】
車室温度の変化率が所定値以下の場合、即ちステップＳ５で肯定判定の場合には、ＥＣＵ１０は、第２放熱器９４への風量を低減又は送風を停止する（ステップＳ６）。具体的には、風量制御弁Ｖ４により放熱器用送風通路７４を閉じる方向に駆動するか、又は風量制御弁Ｖ４により放熱器用送風通路７４を完全に閉じる。これにより、車室内の温度制御への影響を抑制できる。
【００３１】
尚、上記制御は、所定条件下で繰り替えし実行される。このように、ＥＣＵ１０はスターリング機関１ａでの排熱の回収効率の低下を抑制しつつ、車室の温度への悪影響も抑制する。
【実施例２】
【００３２】
図５は、実施例２の排熱回収システム１００ａの説明図である。尚、実施例１の排熱回収システム１００と類似の構成については、類似の符号を付することにより重複する説明を省略する。
【００３３】
図５に示すように、送風通路７０ａの放熱器用送風通路７４ａは、室内用送風通路７２ａから分岐して再びバイパス通路７３ａに合流している。また、室内用送風通路７２ａとバイパス通路７３ａとの合流部分は、第１放熱器９３よりも上流側である。このように、送風通路７０ａは、ブロワーファン８により送風された空気を車外に案内しない。このため、車室への風量の低下を抑制できる。
【００３４】
例えば、スターリング機関１ａでの排熱の回収効率よりも空調装置ＡＣを駆動して車室温度の低下を優先する場合には、風量制御弁Ｖ４により放熱器用送風通路７４ａを閉じて温度調整弁Ｖ２によりバイパス通路７３ａを閉じる。これにより、ブロワーファン８からの空気は、蒸発器８１のみを通過して冷却された空気を車室内に案内することができる。
【００３５】
また、室温を上昇させる場合には、風量制御弁Ｖ４により放熱器用送風通路７４ａを全開の状態にし温度調整弁Ｖ２により室内用送風通路７２ａを閉じることにより、ブロワーファン８から室内用送風通路７２ａに流れた空気は第１放熱器９３を通過して車室内に案内される。また、ブロワーファン８から放熱器用送風通路７４ａに流れた空気は第２放熱器９４を通過して暖められ、更に第１放熱器９３を通過して暖められて車室内に案内される。このように、放熱器用送風通路７４ａに流れる空気は、第２放熱器９４、第１放熱器９３の２箇所で暖められることになり、車室温度を効果的に上昇させることができる。また、上述したように、スターリング機関１ａの冷却器４５を通過する冷媒を冷却することができるので、熱機関１の排熱の回収効率の低下を抑制できる。
【００３６】
このように、車室内を暖める場合には、スターリング機関１ａでの排熱の回収効率の低下を抑制しながら車室内を効果的に暖めることができる。
【実施例３】
【００３７】
図６は、実施例３の排熱回収システム１００ｂの説明図である。尚、実施例１の排熱回収システム１００と類似の構成については、類似の符号を付することにより重複する説明を省略する。
【００３８】
図６に示すように、送風通路７０ｂは、室内用送風通路７２ｂを有しており、実施例１と異なり、車外に送風する構成ではない。このため、ブロワーファン８からの風量は全て車室内に案内される。また、スターリング機関１ａの冷却器４５は、空調装置ＡＣのサイクルと接続されている。即ち、空調装置ＡＣに用いられている冷媒と、スターリング機関１ａの冷却器４５を流れる冷媒とが共通に用いられている。
【００３９】
図７は、空調装置ＡＣとスターリング機関１ａとの間を循環する冷媒の経路の説明図である。空調装置ＡＣは、図７に示すように、蒸発器８１、圧縮機８２、凝縮器８３、膨張弁８４が設けられている。蒸発器８１から膨張弁８４の間を冷媒が循環する。圧縮機８２は、熱機関１からベルトを介して伝達される駆動力によって冷媒を高温高圧に圧縮する。高温高圧となった冷媒は、凝縮器８３に送られる。凝縮器８３は、冷媒と外気との間で熱交換を行なうことで冷媒を冷却する。冷媒は、不図示の気液分離機により気液分離され、液相の冷媒のみが膨張弁８４へと送られる。膨張弁８４では、冷媒が減圧膨張される。減圧膨張された冷媒は、蒸発器８１へと送られる。蒸発器８１では、減圧膨張された冷媒を気化させて、その蒸発潜熱により空気を冷却する。
【００４０】
また、冷却器４５は、冷媒通路Ｗ２０を介して、空調装置ＡＣとの間で冷媒が循環する。具体的には、冷媒の一部は、蒸発器８１の上流側から冷却器４５へと流れる。また、冷却器４５を通過した冷媒は、蒸発器８１の下流側に戻さる。このように、冷却器４５と蒸発器８１とは、並列に接続されているものと考えることができる。尚、冷媒通路Ｗ２０上にはバルブＶ５が設けられており、ＥＣＵ１０がバルブＶ５の開度を制御することにより、スターリング機関１ａの冷却器４５を通過する冷媒の流量を調整することができる。
【００４１】
このように、空調装置ＡＣの蒸発器８１を利用して、スターリング機関１ａの冷却器４５内を通過する冷媒を放熱させることができる。これにより、排熱回収システム１００ｂ全体の構成を簡素化できる。また、冷却器４５を通過する冷媒を冷却できるため、上述したように熱機関１からの排気ガスの温度が低い場合であっても、排熱の回収効率の低下を抑制できる。
【００４２】
また、送風通路７０ｂは、車外に空気を案内しないため、ブロワーファン８からの風量を全て車室に案内でき、車室内へ案内される風量を確保することができる。
【００４３】
以上本発明の好ましい実施形態について詳述したが、本発明は係る特定の実施形態に限定されるものではなく、特許請求の範囲に記載された本発明の要旨の範囲内において、種々の変形・変更が可能である。
【符号の説明】
【００４４】
１  熱機関
１ａ  スターリング機関
３  排気管
４５  冷却器
７０  送風通路
７２、７２ａ、７２ｂ  室内用送風通路
７３、７３ａ、７３ｂ  バイパス通路
７４、７４ａ  放熱器用送風通路
８１  蒸発器
９４  第２放熱器
１００、１００ａ、１００ｂ  排熱回収システム
Ｖ３  温度調整弁
Ｖ４  風量制御弁
Ｗ１０、Ｗ２０  冷媒通路
【図１】
0005527174.tif 000002
【図２】
0005527174.tif 000003
【図３】
0005527174.tif 000004
【図４】
0005527174.tif 000005
【図５】
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【図６】
0005527174.tif 000007
【図７】
0005527174.tif 000008