(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
エンジンの廃熱によって加熱された冷媒によって駆動される発電機と、該発電機で発電された電力を回収するバッテリと、前記冷媒を循環させるポンプとを備える廃熱回収装置において、
前記エンジンの温度及び前記エンジンを介した前記冷媒の温度の少なくとも一方を検出する検出器と、
前記検出器の検出温度が予め設定された閾温度を超えていない場合には前記検出器の検出温度に応じて前記ポンプによる前記冷媒の循環量を制御し、前記検出器の検出温度が前記閾温度を超えた場合には前記バッテリの負荷状態に応じて前記ポンプによる前記冷媒の循環量を制御する制御装置と
を備えることを特徴とする廃熱回収装置。
【請求項２】
前記制御装置は、前記検出器の検出温度が予め設定された閾温度を超えていない場合には、前記検出器の検出温度が上昇するにつれて前記バッテリに回収される電力が多くなるように前記ポンプによる前記冷媒の循環量を制御することを特徴とする請求項１記載の廃熱回収装置。
【請求項３】
前記制御装置は、前記検出器の検出温度が予め設定された閾温度を超えた場合には、前記バッテリの負荷の増減に応じて前記バッテリに回収される電力が増減するように前記ポンプによる前記冷媒の循環量を制御することを特徴とする請求項２記載の廃熱回収装置。
【請求項４】
前記冷媒は、前記エンジンの内部に供給される第１冷媒と、
前記ポンプによって循環され、前記発電機の上流側で前記第１冷媒との熱交換によって蒸発するとともに、前記発電機の下流側で前記第１冷媒との熱交換によって凝縮される第２冷媒と
からなることを特徴とする請求項１から請求項３の何れか一項に記載の廃熱回収装置。
【請求項５】
エンジンの廃熱によって加熱された冷媒によって発電機を駆動し、該発電機で発電された電力をバッテリに回収する廃熱回収方法であって、
前記エンジンの温度及び前記エンジンを介した前記冷媒の温度の少なくとも一方を検出する検出器の検出温度が予め設定された閾温度を超えていない場合には、前記検出器の検出温度に応じてポンプによる前記冷媒の循環量を制御する第１ステップと、
前記検出器の検出温度が前記閾温度を超えた場合には、前記バッテリの負荷状態に応じて前記ポンプによる前記冷媒の循環量を制御する第２ステップと
を有することを特徴とする廃熱回収方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、廃熱エネルギーを電気エネルギーに変換して回収する廃熱回収装置及び方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
自動車等が備える内燃機関（エンジン）は燃料を燃焼させて動力を取り出しているため、エンジンからは未利用の廃熱エネルギーが大量に放出される。この廃熱エネルギーを回収して再利用することによって省エネルギーを実現すべく、従来から様々な廃熱回収装置が提案されている。従来の廃熱回収装置の代表的なものにランキンサイクルを利用したものがある。この廃熱回収装置は、例えばエンジンを冷却する冷却系統が密閉された構造であり、エンジンからの廃熱によって気化した冷却水（蒸気）によってタービンを駆動することによって廃熱エネルギーを電気エネルギーに変換して回収するものである。
【０００３】
図４は、エンジンの起動時における従来の廃熱エネルギー回収方法を説明するための図である。図４において、符号Ｔ１００が付された折れ線は、エンジン冷却水の温度の経時変化を示す折れ線である。また、図４において、符号Ｅ１００が付された折れ線は、バッテリに回収される廃熱エネルギー（電力）の経時変化を示す折れ線である。尚、図４において、符号Ｅ１０１が付された折れ線は負荷（例えば、前照灯やエアコン）で消費される電力の一例を示す折れ線であり、符号Ｅ１０２が付された折れ線はバッテリから放電される電力の一例を示す折れ線である。
【０００４】
時刻ｔ０でエンジンが起動されたとすると、時間の経過とともにエンジンの温度が上昇し、これに伴ってエンジン冷却水の温度（符号Ｔ１００が付された折れ線参照）も徐々に上昇する。エンジンが起動された直後は、エンジン冷却水の温度がさほど高くないため、エンジンから放出された廃熱エネルギーの回収は行われない（符号Ｅ１００が付された折れ線参照）。このため、負荷で必要となる電力は、バッテリから放電される電力によって賄われる（符号Ｅ１００，Ｅ１０１が付された折れ線参照）。
【０００５】
時刻ｔ１００でエンジン冷却水の温度が予め設定された閾温度に達したとすると、それ以降はエンジン冷却水の温度が一定になるようにエンジン冷却水の流量等が制御される。また、時刻ｔ１００以降は、エンジン冷却水が上記の閾温度に達しているため、エンジンから放出された廃熱エネルギーの回収が行われる（符号Ｅ１００が付された折れ線参照）。廃熱エネルギーの回収が行われることによって、バッテリは、回生された電力と負荷で消費される電力との差の分（符号Ｑ１００で指し示す斜線部分の電力）だけ充電されることになる。尚、従来の廃熱回収装置の詳細については、例えば以下の特許文献１を参照されたい。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開２００９−２７０５２２号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
ところで、従来の廃熱回収装置は、エンジンがある程度温まった後に（エンジン冷却水の温度が上述した閾温度に達した後に）廃熱エネルギーの回収を行っており、エンジン及びエンジン冷却水の温度がさほど高くないエンジンの起動直後は廃熱エネルギーの回収を行っていない。このため、廃熱エネルギーの回収が可能になるまでは負荷で必要となる電力の全てをバッテリで賄う必要があり、バッテリの大型化を招くという問題がある。
【０００８】
また、従来の廃熱回収装置は、エンジンがある程度温まるまでは全く廃熱エネルギーの回収を行わず、エンジンがある程度温まった直後に一定量の廃熱エネルギーの回収を急激に行っている。このため、廃熱エネルギーの回収が行われる前後において、バッテリに対して大電力の放電・充電が繰り返されることになり、バッテリの寿命が短くなるという問題もある。
【０００９】
本発明は、上記事情に鑑みてなされたものであり、バッテリの大型化を防止しつつ長寿命化を図ることができる廃熱回収装置及び方法を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
上記課題を解決するために、本発明の廃熱回収装置は、エンジン（Ｅ）の廃熱によって加熱された冷媒によって駆動される発電機（２０）と、該発電機で発電された電力を回収するバッテリ（３０）と、前記冷媒を循環させるポンプ（１５）とを備える廃熱回収装置（１）において、前記エンジンの温度及び前記エンジンを介した前記冷媒の温度の少なくとも一方を検出する検出器（４０ａ、４０ｂ）と、前記検出器の検出温度が予め設定された閾温度を超えていない場合には前記検出器の検出温度に応じて前記ポンプによる前記冷媒の循環量を制御し、前記検出器の検出温度が前記閾温度を超えた場合には前記バッテリの負荷状態に応じて前記ポンプによる前記冷媒の循環量を制御する制御装置（５０）とを備えることを特徴としている。
また、本発明の廃熱回収装置は、前記制御装置が、前記検出器の検出温度が予め設定された閾温度を超えていない場合には、前記検出器の検出温度が上昇するにつれて前記バッテリに回収される電力が多くなるように前記ポンプによる前記冷媒の循環量を制御することを特徴としている。
また、本発明の廃熱回収装置は、前記制御装置が、前記検出器の検出温度が予め設定された閾温度を超えた場合には、前記バッテリの負荷の増減に応じて前記バッテリに回収される電力が増減するように前記ポンプによる前記冷媒の循環量を制御することを特徴としている。
また、本発明の廃熱回収装置は、前記冷媒が、前記エンジンの内部に供給される第１冷媒と、前記ポンプによって循環され、前記発電機の上流側で前記第１冷媒との熱交換によって蒸発するとともに、前記発電機の下流側で前記第１冷媒との熱交換によって凝縮される第２冷媒とからなることを特徴としている。
本発明の廃熱回収方法は、エンジン（Ｅ）の廃熱によって加熱された冷媒によって発電機（２０）を駆動し、該発電機で発電された電力をバッテリ（３０）に回収する廃熱回収方法であって、前記エンジンの温度及び前記エンジンを介した前記冷媒の温度の少なくとも一方を検出する検出器（４０ａ、４０ｂ）の検出温度が予め設定された閾温度を超えていない場合には、前記検出器の検出温度に応じてポンプ（１５）による前記冷媒の循環量を制御する第１ステップ（Ｓ１１）と、前記検出器の検出温度が前記閾温度を超えた場合には、前記バッテリの負荷状態に応じて前記ポンプによる前記冷媒の循環量を制御する第２ステップ（Ｓ１３）とを有することを特徴としている。
【発明の効果】
【００１１】
本発明によれば、検出器の検出温度が予め設定された閾温度を超えていない場合には検出器の検出温度に応じてポンプによる冷媒の循環量を制御し、検出器の検出温度が閾温度を超えた場合にはバッテリの負荷状態に応じてポンプによる冷媒の循環量を制御しており、エンジンの起動直後の冷媒の温度が低い状態でも可能な限り廃熱エネルギーを回収でき、また、バッテリの充放電量を抑制することができるため、バッテリの大型化を防止しつつ長寿命化を図ることができるという効果がある。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
【図１】本発明の一実施形態による廃熱回収装置の要部構成を示すブロック図である。
【図２】本発明の一実施形態による廃熱回収方法を示すフローチャートである。
【図３】本発明の一実施形態による廃熱回収方法を説明するための図である。
【図４】エンジンの起動時における従来の廃熱エネルギー回収方法を説明するための図である。
【発明を実施するための形態】
【００１３】
以下、図面を参照して本発明の一実施形態による廃熱回収装置及び方法について詳細に説明する。図１は、本発明の一実施形態による廃熱回収装置の要部構成を示すブロック図である。図１に示す通り、本実施形態の廃熱回収装置１は、冷媒循環機構１０、タービン発電機２０（発電機）、バッテリ３０、温度センサ４０ａ，４０ｂ（検出器）、及び制御装置５０を備えており、エンジンＥから放出される廃熱エネルギーを電気エネルギーに変換してバッテリ３０に回収する。
【００１４】
冷媒循環機構１０は、第１循環機構１１、第２循環機構１２、蒸発器１３、及び凝縮器１４を備えており、冷媒を循環させてエンジンＥを冷却しつつエンジンＥから放出される廃熱エネルギーを回収するとともにタービン発電機２０を回転駆動する。第１循環機構１１は、配管Ｐ１１〜Ｐ１５、手動バルブＢ、及びサーモスタットＴＨを備えており、エンジンＥの内部に供給されてエンジンＥを直接冷却する冷媒（第１冷媒）を循環させる。第２循環機構１２は、配管Ｐ２１〜Ｐ２４及びポンプ１５を備えており、第１循環機構１１を循環する冷媒との間で熱交換を行うとともにタービン発電機２０を回転駆動する冷媒（第２冷媒）を循環させる。
【００１５】
蒸発器１３は、第１循環機構１１を循環する冷媒の熱を第２循環機構１２を循環する冷媒に移動させ、第２循環機構１２を循環する冷媒（タービン発電機２０に供給される冷媒）を蒸発させる。凝縮器１４は、第２循環機構１２を循環する冷媒の熱を第１循環機構１１を循環する冷媒に移動させ、第２循環機構１２を循環する冷媒（タービン発電機２３から排出される冷媒）を凝縮させる。
【００１６】
上記の第１循環機構１１、第２循環機構１２、蒸発器１３、及び凝縮器１４の具体的な接続関係は以下の通りである。第１循環機構１１が備える配管Ｐ１１は、エンジンＥと蒸発器１３とに接続されており、エンジンＥから排出される冷媒を蒸発器１３に導く。配管Ｐ１２は、蒸発器１３と配管Ｐ１３，Ｐ１４の一端とに接続されており、蒸発器１３を介した冷媒を配管Ｐ１３，Ｐ１４に導く。尚、配管Ｐ１２には、配管Ｐ１２の流路を手動で開状態又は閉状態にする手動バルブＢが設けられている。
【００１７】
配管Ｐ１３は、他端がエンジンＥに接続されており、配管Ｐ１２からの冷媒の一部をエンジンＥに導く。配管Ｐ１４は、他端が凝縮器１４に接続されており、配管Ｐ１２からの冷媒の残りを凝縮器１４に導く。尚、配管Ｐ１４には、冷媒の温度によって開状態又は閉状態になるサーモスタットＴＨが設けられている。配管Ｐ１５は、凝縮器１４と配管Ｐ１１とに接続されており、凝縮器１４を介した冷媒を配管Ｐ１１に導く。つまり、第１循環機構１１は、蒸発器１３を介して温度が低下した冷媒を、配管Ｐ１２，Ｐ１３を介してエンジンＥに供給するとともに配管Ｐ１２，Ｐ１４を介して凝縮器１４に供給し、エンジンＥ及び凝縮器１４を介して温度が上昇した冷媒を、配管Ｐ１１，Ｐ１５によって蒸発器１３に導く構成である。
【００１８】
第２循環機構１２が備える配管Ｐ２１は、ポンプ１５と蒸発器１３とに接続され、ポンプ１５から排出される冷媒を蒸発器１３に導く。配管Ｐ２２は、蒸発器１３とタービン発電機２０とに接続され、蒸発器１３によって蒸発された冷媒をタービン発電機２０に導く。配管Ｐ２３は、タービン発電機２０と凝縮器１４とに接続されており、タービン発電機２０を介した冷媒を凝縮器１４に導く。配管Ｐ２４は、凝縮器１４とポンプ１５とに接続されており、凝縮器１４を介した冷媒をポンプ１５に導く。
【００１９】
つまり、第２循環機構１２は、ポンプ１５から配管Ｐ２１を介して供給される冷媒を、タービン発電機２０の上流側に設けられた蒸発器１３で蒸発させ、タービン発電機２０を介した冷媒をタービン発電機２０の下流側に設けられた凝縮器１４で凝縮させる構成である。ここで、ポンプ１５による冷媒の循環量を制御すれば、タービン発電機２０の発電量を制御することができる。
【００２０】
タービン発電機２０は、第２循環機構１２が備える配管Ｐ２２，Ｐ２３の間に接続されており、第２循環機構１２によって循環される冷媒（蒸発器１３で蒸発された冷媒）によって回転駆動され、その回転速度に応じた電力を発電する。バッテリ３０は、リチウムイオン電池、ニッケル水素電池等の充電可能な二次電池であり、タービン発電機２０で発電された電力（電気エネルギーに変換された廃熱エネルギー）を回収する。
【００２１】
温度センサ４０ａは、エンジンＥの温度を検出するセンサであり、温度センサ４０ｂは第１循環機構１１によって循環される冷媒（エンジンＥから排出される冷媒）の温度を検出するセンサである。これら温度センサ４０ａ，４０ｂとしては、熱電対を用いた温度センサや、白金等の金属を用いた温度センサ、及びシリコン等の半導体を用いた温度センサ等を用いることができる。
【００２２】
制御装置５０は、温度センサ４０ａ，４０ｂ、又は、前照灯やエアコン等の負荷Ｌの状態（負荷状態）に応じて、ポンプ１５による冷媒の循環量を制御する。具体的に、制御装置５０は、温度センサ４０ａ，４０ｂの検出温度が予め設定された閾温度（例えば、５０〜６０℃程度）を超えていない場合には、温度センサ４０ａ，４０ｂで検出される検出温度に応じてポンプ１５による冷媒の循環量を制御する。例えば、温度センサ４０ａ，４０ｂの検出温度が上昇するにつれてバッテリ３０に回収される電力が多くなるようにポンプ１５による冷媒の循環量を制御する。上記の閾温度に達する前に、かかる制御を行うのは、エンジンＥの起動直後の冷媒の温度が低い状態でも、可能な限り廃熱エネルギーを回収することでバッテリ３０の大型化を防止するためである。尚、上記の負荷状態は、例えば負荷Ｌに流れる電流や負荷Ｌでの消費電力を測定することにより求められる。
【００２３】
これに対し、制御装置５０は、温度センサ４０ａ，４０ｂの検出温度が閾温度を超えた場合には、負荷状態に応じてポンプ１５による冷媒の循環量を制御する。例えば、負荷Ｌで必要になる電力の増減に応じて、バッテリ３０に回収される電力が増減するようにポンプ１５による冷媒の循環量を制御する。つまり、温度センサ４０ａ，４０ｂの検出温度が閾温度を超えた場合には、負荷Ｌで必要となる電力がバッテリ３０に回収されるよう制御される。かかる制御を行うのは、バッテリ３０の充放電量の変動を抑制することでバッテリ３０の長寿命化を図るためである。
【００２４】
次に、上記構成における廃熱回収装置１の動作について説明する。図２は、本発明の一実施形態による廃熱回収方法を示すフローチャートである。また、図３は、同廃熱回収方法を説明するための図である。尚、図２に示すフローチャートは、エンジンＥが起動されることにより開始される。
【００２５】
図３中の符号Ｔ１が付された折れ線は、エンジンＥの温度又はエンジンＥから排出される冷媒の温度の経時変化を示す折れ線である。また、図３において、符号Ｅ１０が付された折れ線は、バッテリ３０に回収される廃熱エネルギー（電力）の経時変化を示す折れ線である。尚、図３において、符号Ｅ１１が付された折れ線は負荷Ｌで消費される電力の一例を示す折れ線であり、符号Ｅ１２が付された折れ線はバッテリ３０から放電される電力の一例を示す折れ線である。
【００２６】
エンジンＥが起動されると、温度センサ４０ａ，４０ｂの検出温度が制御装置５０に入力され、ポンプ１５による冷媒の循環量が温度センサ４０ａ，４０ｂの検出温度に応じて制御されて、廃熱エネルギーの回収が行われる（ステップＳ１１：第１ステップ）。ここで、図３中の時刻ｔ０でエンジンＥが起動されたとすると、時間の経過とともにエンジンの温度及びエンジン冷却水の温度も徐々に上昇する（図３中の符号Ｔ１が付された折れ線参照）。このため、制御装置５０は、例えば、温度センサ４０ａ，４０ｂの検出温度が上昇するにつれてバッテリ３０に回収される電力が多くなるようにポンプ１５による冷媒の循環量を制御する（図３中の符号Ｅ１０が付された折れ線参照）。
【００２７】
以上の制御を行うことで、エンジンの温度上昇とともにバッテリ３０に回収される電力も徐々に多くなる。すると、負荷Ｌで必要となる電力（図３中の符号Ｅ１１が付された折れ線参照）のうち、バッテリ３０に回収される電力で賄われる電力の割合が徐々に大きくなるため、バッテリ３０から放出される電力が徐々に小さくなる（図３中の符号Ｅ１２が付された折れ線参照）。
【００２８】
次に、温度センサ４０ａ，４０ｂの検出温度が予め設定された閾温度に達したか否か（超えたか否か）が制御装置５０で判断される（ステップＳ１２）。温度センサ４０ａ，４０ｂの検出温度が閾温度に達していないと判断された場合には、ステップＳ１２の判断結果は「ＮＯ」になり、温度センサ４０ａ，４０ｂの検出温度に応じたポンプ１５の制御が行われる（ステップＳ１１）。
【００２９】
これに対し、温度センサ４０ａ，４０ｂの検出温度が閾温度に達したと判断された場合には、ポンプ１５による冷媒の循環量が負荷状態に応じて制御されて、廃熱エネルギーの回収が行われる（ステップＳ１３：第２ステップ）。ここで、図３中の時刻ｔ１で温度センサ４０ａ，４０ｂの検出温度が閾温度に達し、その後に負荷Ｌで消費される電力（負荷状態）が変化したとすると、制御装置５０は、その増減に応じてバッテリ３０に回収される電力が増減するようにポンプ１５による冷媒の循環量を制御する（図３中の符号Ｅ１０，Ｅ１１が付された折れ線参照）。
【００３０】
このように、温度センサ４０ａ，４０ｂの検出温度が閾温度を超えた場合には、負荷Ｌで必要となる電力がバッテリ３０に回収されるよう制御される。このため、バッテリ３０は、回生された電力と負荷Ｌで消費される電力との差の分（符号Ｑ１で指し示す斜線部分の電力）だけ充電されることになる。
【００３１】
以上の通り、本実施形態では、エンジンＥの起動直後のように温度センサ４０ａ，４０ｂの検出温度が予め設定された閾温度を超えていない場合には、その検出温度に応じてポンプ１５による冷媒の循環量を制御することにより、エンジンＥの起動直後の冷媒の温度が低い状態でも、可能な限り廃熱エネルギーを回収している。また、エンジンＥが温まって温度センサ４０ａ，４０ｂの検出温度が閾温度を超えた場合には、バッテリ３０の負荷状態に応じてポンプ１５による冷媒の循環量を制御している。このため、バッテリの大型化を防止しつつバッテリの長寿命化を図ることができる。
【００３２】
以上、本発明の一実施形態による廃熱回収装置及び方法について説明したが、本発明は上記実施形態に制限されず、本発明の範囲内で自由に変更が可能である。例えば、上記実施形態では、エンジンＥの温度を検出する温度センサ４０ａと、エンジンＥから排出される冷媒の温度を検出する温度センサ４０ｂとの双方を備える例について説明した、しかしながら、これら温度センサ４０ａ，４０ｂの双方を設ける必要は必ずしもなく、何れか一方のみを備えていても良い。
【００３３】
また、上述した実施形態では、エンジンＥの廃熱エネルギーを回収する構成として、第１循環機構１１及び第２循環機構１２等からなる冷媒循環機構１０を例に挙げて説明した。しかしながら、冷媒循環機構１０は、図１に示す構成に制限されることはなく、エンジンＥの廃熱エネルギーを回収し、回収した廃熱エネルギーによってタービン発電機２０を回転駆動できるものであれば他の構成であっても良い。
【符号の説明】
【００３４】
１                廃熱回収装置
１５              ポンプ
２０              タービン発電機
３０              バッテリ
４０ａ，４０ｂ    温度センサ
５０              制御装置
Ｅ                エンジン
【図１】
0005516220.tif 000002
【図２】
0005516220.tif 000003
【図３】
0005516220.tif 000004
【図４】
0005516220.tif 000005