(57)【要約】【課題】熱輸送の効率化を図ることを課題とする。【解決手段】廃熱回収システムは、エンジンの廃熱により冷媒を蒸気化する沸騰器と、加熱対象に設けられ、前記蒸気化された冷媒が導入される熱交換器と、前記沸騰器と前記熱交換器とを接続し、前記沸騰器で蒸気化した冷媒が流通する蒸気経路と、前記沸騰器と前記熱交換器とを接続し、凝縮された冷媒が流通する凝縮冷媒経路と、前記蒸気経路に設けられた第１弁と、前記凝縮冷媒経路に設けられた第２弁と、を備える。前記蒸気経路内の蒸気の温度及び圧力の少なくとも一方が予め定められた閾値よりも高くなったときに、前記第１弁が開弁し、前記第１弁が開弁した後に前記第２弁が開弁する。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
エンジンの廃熱により冷媒を蒸気化する沸騰器と、
加熱対象に設けられ、前記蒸気化された冷媒が導入される熱交換器と、
前記沸騰器と前記熱交換器とを接続し、前記沸騰器で蒸気化した冷媒が流通する蒸気経路と、
前記沸騰器と前記熱交換器とを接続し、凝縮された冷媒が流通する凝縮冷媒経路と、
前記蒸気経路に設けられた第１弁と、
前記凝縮冷媒経路に設けられた第２弁と、
を備え、
前記蒸気経路内の蒸気の温度及び圧力の少なくとも一方が予め定められた閾値よりも高くなったときに、前記第１弁が開弁し、前記第１弁が開弁した後に前記第２弁が開弁する廃熱回収システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は廃熱回収システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、エンジンの廃熱を利用して冷媒を蒸気化し、この蒸気によって触媒を暖機する提案がされている。例えば、特許文献１には、触媒が活性温度以下の場合に蒸気を供給する構成が開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２０１０−２７５９９９号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかしながら、上記特許文献１に開示された構成では、蒸気を発生させる沸騰器に対流する液相状態の冷媒が逆流する可能性がある。液相状態の冷媒が逆流すると、蒸気供給箇所への効率的な熱輸送が妨げられる可能性がある。すなわち、冷間始動時等、蒸気の発生量が少く、蒸気の温度や圧力が低い状態では、蒸気供給先での冷媒の凝縮量が多く、圧力上昇速度が緩慢であり、廃熱回収効率が低く、沸騰熱伝達の効率も低い状態が継続する可能性が高い。この結果、蒸気供給先の暖機、昇温が遅々として進まない状態となることが懸念される。
【０００５】
そこで本明細書開示の廃熱回収システムは、熱輸送の効率化を図ることを課題とする。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
上記課題を解決するために本明細書開示の廃熱回収システムは、エンジンの廃熱により冷媒を蒸気化する沸騰器と、加熱対象に設けられ、前記蒸気化された冷媒が導入される熱交換器と、前記沸騰器と前記熱交換器とを接続し、前記沸騰器で蒸気化した冷媒が流通する蒸気経路と、前記沸騰器と前記熱交換器とを接続し、凝縮された冷媒が流通する凝縮冷媒経路と、前記蒸気経路に設けられた第１弁と、前記凝縮冷媒経路に設けられた第２弁と、を備え、前記蒸気経路内の蒸気の温度及び圧力の少なくとも一方が予め定められた閾値よりも高くなったときに、前記第１弁が開弁し、前記第１弁が開弁した後に前記第２弁が開弁する。
【０００７】
まず、冷媒の温度、圧力が低い状態では、加熱対象に設けられた熱交換器と沸騰器とを接続する経路を遮断しておく。これにより、沸騰器及び蒸気経路の第１弁よりも上流側の圧力が早期に上昇する。そして、効果的に熱回収ができる状態となった後に第１弁を開弁して蒸気を熱交換器に供給する。第１弁開弁後、所定期間は、第２弁の閉弁状態は維持される。これにより、冷媒が凝縮冷媒経路を逆流することが回避される。第１弁開弁後、所定時間経過後に第２弁が開弁されることにより、熱交換器で凝縮された冷媒は凝縮冷媒経路を通じて沸騰器へ戻される。このように、熱輸送の効率化を図ることができる。
【発明の効果】
【０００８】
本明細書に開示された廃熱回収システムによれば、熱輸送の効率化を図ることができる。
【図面の簡単な説明】
【０００９】
【図１】図１は第１実施形態の廃熱回収システムの概略構成を示す説明図である。
【図２】図２は第１実施形態の廃熱回収システムの制御の一例を示す説明図である。
【図３】図３は第１実施形態の廃熱回収システムの動作を示すタイムチャートの一例である。
【図４】図４は第１実施形態の廃熱回収システムの効果を比較例とともに示すグラフである。
【図５】図５は第２実施形態の廃熱回収システムの概略構成を示す説明図である。
【図６】図６（Ａ）、（Ｂ）は第２実施形態の廃熱回収システムが備えるサーモ弁の概略構成を示す説明図である。
【図７】第３実施形態の廃熱回収システムの概略構成を示す説明図である。
【発明を実施するための形態】
【００１０】
以下、本発明を実施するための形態を図面と共に詳細に説明する。ただし、図面中、各部の寸法、比率等は、実際のものと完全に一致するようには図示されていない場合がある。また、図面によっては細部が省略されている場合もある。
【００１１】
（第１実施形態）
図１は第１実施形態の廃熱回収システム１の概略構成を示す説明図である。廃熱回収システム１は、エンジンの廃熱により冷媒を蒸気化する沸騰器２を備える。沸騰器２には、エンジンの排気マニホールドに接続された排気管３が導入されている。沸騰器２内には、冷媒が流通可能な通路が設けられている。冷媒は、排気管３内を流通する排気ガスと熱交換することによって蒸気化する。冷媒としては、水やエタノール、ＬＬＣ（Long Life Coolant：例えば、エチレングリコール）等、従来公知の種々の冷媒を採用することができる。廃熱回収システム１は、加熱対象に設けられ、蒸気化された冷媒が導入される熱交換器４を備える。ここで、加熱対象としては、例えば、エンジンの暖機必要箇所であったり、車両のキャビン内を温めるヒータであったり、必要に応じて種々の場所を選定することができる。例えば、触媒を加熱対象に選定することもできる。熱交換器４自体は、従来公知の種々の構成を採用することができる。廃熱回収システム１は、沸騰器２と熱交換器４とを接続し、沸騰器２で蒸気化した冷媒が流通する蒸気経路５を備える。廃熱回収システム１は、沸騰器と熱交換器４とを接続し、凝縮された冷媒が流通する凝縮冷媒経路６を備える。蒸気化した冷媒は、加熱対象に熱を奪われることによって凝縮される。凝縮された冷媒は、凝縮冷媒経路６を通じて再び沸騰器２に戻される。このように、廃熱回収システム１は、沸騰器２、蒸気経路５、熱交換器４、凝縮冷媒経路６、そして、再び沸騰器２に戻るループを形成している。
【００１２】
廃熱回収システム１は、蒸気経路５に設けられた第１弁７と、凝縮冷媒経路６に設けられた第２弁８を備える。第１弁７及び第２弁８は、ＥＣＵ（Electronic control unit）９と電気的に接続されている。ＥＣＵ９には、蒸気経路５内の冷媒（蒸気）の温度を取得する温度センサ１０が電気的に接続されている。温度センサ１０は、蒸気経路２に設けられ、蒸気経路５内の冷媒の温度を取得する。第１弁７は、この温度センサ１０によって取得された冷媒の温度に基づいて開閉制御される。なお、蒸気経路５内の蒸気の温度に代えて、蒸気の圧力に基づいて第１弁７の開閉制御を行うこともできる。また、双方の値を参照することもできるし、これらの値と相関性を有する値を参照するようにしてもよい。例えば、沸騰器２内の冷媒（液体）の温度を参照することもできる。なお、第２弁８は、後に詳述するように第１弁７が開弁した後に遅れて開弁される。
【００１３】
つぎに、このような廃熱回収システム１の制御の一例につき、図２に示すフロー図、図３に示す廃熱回収システム１の動作を示すタイムチャートを参照しつつ説明する。なお、図３において、実線は、第１実施例の廃熱回収システム１の動作を示している。破線は、第１弁７及び第２弁８を備えない単純な蒸気ループが形成された比較例の動作について示している。廃熱回収システム１の制御はＥＣＵ９が主体的に行う。まず、エンジンが始動すると、廃熱回収システム１の制御が開始される（スタート）。ステップＳ１では、第１弁７及び第２弁８を閉弁状態とする。もちろん、すでに両者が閉弁状態とされているときは、両者が閉弁されていることが確認されればよい。これにより、図３における時刻ｔ１（エンジン始動）に示すように、第１弁７及び第２弁８は、閉弁状態となり、沸騰器受熱量が上昇を開始する。ここで、第１弁７及び第２弁８が閉弁状態となり、沸騰器２と熱交換器４との連通状態が遮断されることにより、破線で示す比較例よりも効率よく受熱されることがわかる。すなわち、加熱対象に熱を奪われ、蒸気が凝縮されることがないため、沸騰器２は、迅速に受熱することができる。このように、沸騰器２が効率よく受熱することができることにより、沸騰器温度も比較例よりも昇温速度が速いことがわかる。なお、蒸気の圧力を検出する場合も同様に比較例よりも圧力上昇速度が速い。
【００１４】
ステップＳ１に引き続き行われるステップＳ２では、蒸気化した冷媒の温度（冷媒温度）Ｔが予め定められた閾値Ｔ０よりも高いか否かを判断する。ここで、閾値Ｔ０は、所定以上の沸騰器２の性能を発揮できる温度状態であるか否かの観点で決定されている。この点は、蒸気圧力を参照する場合も同様である。
【００１５】
ステップＳ２でＮｏと判断したときは、ステップＳ２の措置を繰り返す。ステップＳ２でＹｅｓと判断したときは、ステップＳ３へ進む。ステップＳ３では、第１弁７を開弁する。すなわち、図３中、沸騰器温度、すなわち、冷媒温度が閾値Ｔ０を越えた時刻ｔ２のときに、暖機第１過程が終了したとして、第１弁７を開弁する。これにより、沸騰器２から蒸気経路５を通じて蒸気が熱交換器４に導入される。このとき、熱交換器４に導入される蒸気は十分に温度、圧力が上昇しているため、途中で冷媒が凝縮してしまうこともなく、効率的に熱輸送することができる。
【００１６】
ステップ３に引き続き行われるステップＳ４では、遅延時間をカウントする。ここで、遅延時間をカウントするのは、第２弁８を第１弁７が開弁した後に開弁するためである。第１弁７及び第２弁８は、同時に開弁することも可能であるが、第１弁７を先行して開弁させることにより、蒸気が凝縮冷媒経路６に流入することを回避し、蒸気経路５に蒸気化した冷媒を導入することができる。遅延時間は、沸騰器２から熱交換器４までの系内の圧力が安定する時間を目安に決定することができる。例えば、遅延時間は、１秒とすることができる。この遅延時間をカウントしている間が暖機第２過程である。
【００１７】
ステップＳ５では、第２弁８を開弁する。すなわち、時刻ｔ３において、第２弁８を開弁する。これにより、熱交換器４で熱交換することにより凝縮された冷媒を、凝縮冷媒経路６を通じて再び沸騰器２に戻すことができる。
【００１８】
ステップＳ５に引き続き行われるステップＳ６ではエンジンが停止したか否かを判断する。ステップＳ６でＹｅｓと判断したときは、処理は終了となる（エンド）。すなわち、時刻ｔ４において第１弁７及び第２弁８を閉弁し処理は終了となる。一方、ステップＳ６でＮｏと判断したときは、ステップＳ７へ進む。ステップＳ７では、再び冷媒温度Ｔが予め定められた閾値Ｔ０よりも高いか否かを判断する。ステップＳ７でＹｅｓと判断したときは、蒸気が高温かつ高圧となっているので、そのままの状態を維持する。そして、ステップＳ６の処理を繰り返す。一方、ステップＳ７でＮｏと判断したときは、再度ステップＳ１からの処理を繰り返す。すなわち、熱交換器４と沸騰器２との連通を遮断し、蒸気を高温高圧化する処理を継続する。
【００１９】
図３を参照すると、廃熱回収システム１の熱伝達率は、比較例よりも高効率であり、熱輸送の効率化が達成されていることがわかる。
【００２０】
このように、蒸気経路５は、沸騰器２で蒸気化した冷媒の温度及び圧力の少なくとも一方が予め定められた閾値よりも高くなったときに、沸騰器２から熱交換器４への冷媒の供給が許容されることになる。また、凝縮冷媒経路６は、蒸気経路５を通じた冷媒の熱交換器４への冷媒の供給が開始された後に凝縮された冷媒の熱交換器４から沸騰器２へ向かう流通が許容される。
【００２１】
図４は、第１実施形態の廃熱回収システム１の効果を比較例とともに示すグラフである。より具体的に、図４は、沸騰器の性能を評価する指標である沸騰熱伝達率を示す沸騰曲線である。沸騰曲線は、両対数グラフとして表示されている。横軸は、飽和温度と加熱面、すなわち、排気ガスとの温度差ΔＴｓａｔ（Ｋ）とされている。縦軸は、熱流、すなわち、沸騰受熱性能を示している。グラフ中、符号Ａ−Ｂ間は非沸騰領域である。符号Ｂ−Ｃ間は第１核沸騰領域である。符号Ｃ−Ｄ間は第２核沸騰領域である。符号Ｄ−Ｅ間は遷移沸騰領域である。符号Ｅ−Ｆ間は膜沸騰領域である。図４を参照すると、系の温度が高く、圧力が高い場合は、図４中、実線で示す伝熱性能を有し、高い熱流を得ることができる。第１実施形態の廃熱回収システム１は、この実線に相当する。一方、エンジン始動直後のように系の温度が低い状態では、破線で示す特性となり、熱流が非常に低いことがわかる。なお、図４は、その傾向を示すものであり、必ずこのような曲線を描くものではない。
【００２２】
以上、説明したように、第１実施例の廃熱回収システム１によれば、熱輸送の効率を向上させることができる。
【００２３】
（第２実施形態）
つぎに、第２実施形態の廃熱回収システム１１につき、図５を参照しつつ説明する。第２実施形態の廃熱回収システム１１が第１実施形態の廃熱回収システム１とは、以下の点で異なる。廃熱回収システム１１は、廃熱回収システム１が備える第１弁７に代えて第１弁１７を備える。また、廃熱回収システム１１は、第２弁８に代えて第２弁１８を備える。第１弁１７及び第２弁１８は、いずれもサーモ弁である。なお、第１実施形態と共通する構成要素については、図面中同一の参照番号を付し、その詳細な説明は省略する。
【００２４】
ここで、第１弁１７について、図６を参照しつつ説明する。図６（Ａ）は第１弁１７が閉弁した状態、図６（Ｂ）は第１弁１７が開弁した状態の断面図である。第１弁１７は、図６に示すように、枠体７ａに支持させた板体１７ｂに穴１７ｂ１が設けてある。また、この穴１７ｂ１を開閉する弁体１７ｅ、サーモワックスを充填したサーモワックス充填部１７ｃ、スプリング１７ｄを備えており、サーモワックスの膨張力及びスプリング１７ｄの弾性により弁体１７ｅが進退移動して穴７ｂ１を開閉する。さらに、サーモワックス充填部１７ｃにはヒータ１７ｆが取り付けられている。このヒータ１７ｆは、電熱線１７ｇで沸騰器２と接続されている。サーモワックスは、第１実施形態における閾値Ｔ０で膨張し、第１弁１７を開放するものを選定した。このように構成した第１弁１７は、サーモワックスが熱せられると弁体１７ｅを開放する。すなわち、電熱線１７ｇを通じて沸騰器の温度がサーモワックスに反映されると、弁体７ｅが開放される。
【００２５】
第２弁１８は、第１弁１７と同様の構成を有する。ただし、作動温度、すなわち、サーモワックスの溶解温度が、第１弁１７におけるサーモワックスの溶解温度よりも高く設定されている。これにより、第２弁１８は、エンジンの暖機時に第１弁１７よりも遅れて開弁する。すなわち、廃熱回収システム１１は、第１実施形態に廃熱回収システム１と同様の動作をすることができる。このように、第２実施形態では、感温式の弁を用いているため、ＥＣＵ９による第１弁１７及び第２弁１８の開閉制御は不要である。
【００２６】
（第３実施形態）
つぎに、図７を参照し、第３実施形態の廃熱回収システム２１について説明する。廃熱回収システム２１は、第１実施形態の廃熱回収システム１における蒸気経路５及び凝縮冷媒経路６に代えてヒートパイプ２５を備えている。ヒートパイプ２５内には、沸騰器２内で蒸気化した冷媒が流通する蒸気経路２５ａと凝縮した冷媒が熱交換器４から戻される凝縮冷媒経路２５ｂが形成されている。なお、蒸気経路２５ａと凝縮冷媒経路２５ｂとは厳密に区分けされていなくてもよい。
【００２７】
廃熱回収システム２１は、エンジンの廃熱により冷媒を蒸気化する沸騰器２と、加熱対象に設けられ、蒸気化された冷媒が導入される熱交換器４を有する。また、廃熱回収システム２１は、沸騰器２と熱交換器４とを接続し、沸騰器２で蒸気化した冷媒の温度及び圧力の少なくとも一方が予め定められた閾値よりも高くなったときに、沸騰器２から熱交換器４への冷媒の供給が許容される蒸気経路２５ａを有する。さらに、沸騰器２と熱交換器４とを接続し、蒸気経路２５ａを通じた冷媒の熱交換器４への冷媒の供給が開始された後に凝縮された冷媒の熱交換器４から沸騰器２へ向かう流通が許容される凝縮冷媒経路２５ｂと、を有する。
【００２８】
ヒートパイプ２５には、第１弁２７が装着されている。この第１弁２７は、第１実施形態における第１弁７に相当し、ＥＣＵ９によって開閉制御される。すなわち、第１弁２７は、沸騰器温度が閾値Ｔ０を越えると開弁し、蒸気を熱交換器４へ導入可能な状態となる。第１弁２７は、蒸気化した冷媒の温度及び圧力の少なくとも一方が予め定められた閾値よりも高くなったときに開弁するようにすることができる。これにより、沸騰器及び蒸気経路の第１弁２７よりも上流側の圧力が早期に上昇する。ヒートパイプ２５を用いた場合、冷媒は、熱交換器４に供給された後に凝縮し、凝縮冷媒経路２５ｂを通じて沸騰器２に戻される。すなわち、蒸気経路２５ａを通じた冷媒の熱交換器４への冷媒の供給に遅れて凝縮された冷媒の熱交換器４から沸騰器２へ向かう流通が許容される。すなわち、冷媒の逆流は起こらない。
【００２９】
第３実施形態の廃熱回収システム２１は、第１実施形態と異なり、第２弁を備えていない。第２弁は、凝縮した冷媒を沸騰器２に戻すタイミングを制御するものであるが、第３実施形態の廃熱回収システム２１では、ヒートパイプ２５がその機能も果たす。すなわち、第１弁２７が開弁した後、蒸気が熱交換器４に導入され、その熱交換器４において冷媒が凝縮し、その後、沸騰器２へ戻される。すなわち、ヒートパイプ２５は、その構造上、凝縮冷媒が沸騰器２に戻されるのは、第１弁２７の開弁後となる。
【００３０】
このように、第３実施形態の廃熱回収システム２１は、第１実施形態の廃熱回収システム１１と同様の効果を奏することができる。
【００３１】
すなわち、蒸気経路２５ａは、沸騰器２で蒸気化した冷媒の温度及び圧力の少なくとも一方が予め定められた閾値よりも高くなったときに、沸騰器２から熱交換器４への冷媒の供給が許容されることになる。また、凝縮冷媒経路２５ｂは、蒸気経路２５ａを通じた冷媒の熱交換器４への冷媒の供給が開始された後に凝縮された冷媒の熱交換器４から沸騰器２へ向かう流通が許容される。
【００３２】
上記実施例は本発明を実施するための一例にすぎない。よって本発明はこれらに限定されるものではなく、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】
【００３３】
１、１１、２１  廃熱回収システム
２  沸騰器
３  排気管
４  熱交換器
５、２５ａ  蒸気経路
６、２５ｂ  凝縮冷媒経路
７、１７、２７  第１弁
８、１８  第２弁
９  ＥＣＵ
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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