(57)【要約】【課題】エンジンの冷却水温度が低い場合に、冷却水温度を速やかに上昇させてエンジンの燃費を向上させることができる廃熱回生システムを提供する。【解決手段】廃熱回生システム１００のランキンサイクル１１０は、エンジン１４０の廃熱によって回路内の作動流体を冷却水ボイラ１１２及び排気ガスボイラ１１３で加熱すると共に、加熱された作動流体を膨張機１１４で膨張させて機械的エネルギーを回収し、膨張後の作動流体をコンデンサ１１５で凝縮する。廃熱回生システム１００は、コンデンサ１１５の上流側と下流側とを連通させる第１バイパス流路１１７と、第１バイパス流路１１７の第１開閉弁１１８とを備える。コントロールユニット１５０は、エンジン１４０の冷却水温度が第１所定値Ｔｈ１未満の場合は、第１バイパス流路１１７を開状態とするよう第１開閉弁１１８を制御して第１バイパス流路１１７への作動流体の循環を許容する。【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って回路内の作動流体を第１、第２熱交換器で加熱すると共に、加熱された前記作動流体を膨張機で膨張させて機械的エネルギーを回収し、膨張後の前記作動流体をコンデンサで凝縮するランキンサイクルを有する廃熱回生システムにおいて、
前記廃熱回生システムの動作を制御する制御手段と、
前記コンデンサの上流側と下流側とを連通させる第１バイパス流路と、
前記第１バイパス流路の第１開閉弁とを備え、
前記第１熱交換器を加熱する加熱媒体の温度が第１所定値未満の場合は、前記第１バイパス流路を開状態とするよう前記制御手段は前記第１開閉弁を制御して前記第１バイパス流路への前記作動流体の循環を許容する、廃熱回生システム。
【請求項２】
前記第１バイパス流路は、前記膨張機の下流側かつ前記コンデンサの上流側と、前記コンデンサの下流側かつ前記第１熱交換器の上流側とを連通させる、請求項１に記載の廃熱回生システム。
【請求項３】
前記作動流体を圧送するポンプをさらに備え、
前記第１バイパス流路は、前記膨張機の下流側かつ前記コンデンサの上流側と、前記ポンプの下流側かつ前記第１熱交換器の上流側とを連通させる、請求項２に記載の廃熱回生システム。
【請求項４】
前記ポンプの上流側かつ前記膨張機の下流側と、前記ポンプの下流側かつ前記第１熱交換器の上流側とを連通させる第３バイパス流路と、
前記第３バイパス流路の第３開閉弁とをさらに備え、
前記第１熱交換器を加熱する前記加熱媒体の温度が前記第１所定値未満の場合は、前記第３バイパス流路を開状態とするよう前記制御手段は前記第３開閉弁を制御して前記第３バイパス流路への前記作動流体の循環を許容し、
前記膨張機、前記第１バイパス流路、及び前記第１、第２熱交換器を含む第１閉回路と、前記ポンプ、前記第３バイパス流路、及び前記コンデンサを含む第２閉回路とを形成する、請求項３に記載の廃熱回生システム。
【請求項５】
前記第１閉回路と前記第２閉回路とは、前記作動流体が相互に移動可能であるように連通している、請求項４に記載の廃熱回生システム。
【請求項６】
前記作動流体を圧送するポンプをさらに備え、
前記第１バイパス流路は、前記膨張機の下流側かつ前記コンデンサの上流側と、前記コンデンサの下流側かつ前記ポンプの上流側とを連通させると共に、
前記膨張機の下流側かつ前記ポンプの上流側と、前記ポンプの下流側かつ前記第１熱交換器の上流側とを連通させる第２バイパス流路と、
第２バイパス流路の第２開閉弁とをさらに備え、
前記第２開閉弁は、前記ポンプの上流側の圧力が前記ポンプの下流側の圧力よりも高い場合に開状態となる、請求項２に記載の廃熱回生システム。
【請求項７】
前記第２バイパス流路の開閉は、逆止弁によって行われる、請求項６に記載の廃熱回生システム。
【請求項８】
前記作動流体を圧送するポンプと、
前記ポンプの駆動源であり、かつ前記膨張機が発生させる機械的エネルギーを電力に変換するモータジェネレータと、
前記膨張機と前記モータジェネレータとの間に設けられるクラッチ手段とをさらに備え、
前記第１バイパス流路は、前記第２熱交換器の下流側かつ前記膨張機の上流側と、前記コンデンサの下流側かつ前記ポンプの上流側とを連通させる、請求項２に記載の廃熱回生システム。
【請求項９】
前記第１熱交換器を加熱する前記加熱媒体の温度が前記第１所定値よりも高い第２所定値以上の場合は、前記第１バイパス流路を閉状態とするよう前記制御手段は前記第１開閉弁を制御して前記第１バイパス流路への前記作動流体の循環を遮断する、請求項１、２、３、６、７、又は８に記載の廃熱回生システム。
【請求項１０】
前記第１熱交換器を加熱する前記加熱媒体の温度が前記第１所定値よりも高い第２所定値以上の場合は、前記第１、第３バイパス流路を閉状態とするよう前記制御手段は前記第１、第３開閉弁を制御して前記第１、第３バイパス流路への前記作動流体の循環を遮断する、請求項４又は５に記載の廃熱回生システム。
【請求項１１】
前記コンデンサへの前記作動流体の循環を遮断する弁体を前記コンデンサの上流側かつ前記膨張機の下流側にさらに備え、
前記第１熱交換器を加熱する加熱媒体の温度が第１所定値未満の場合は、前記弁体を閉状態とするよう前記制御手段は前記弁体を制御して前記コンデンサへの作動流体の循環を遮断する、請求項１〜１０のいずれか一項に記載の廃熱回生システム。
【請求項１２】
前記第１熱交換器は、エンジンの冷却水の熱で加熱される、請求項１〜１１のいずれか一項に記載の廃熱回生システム。
【請求項１３】
前記第２熱交換器は、エンジンの排気ガスの熱で加熱される、請求項１〜１２のいずれか一項に記載の廃熱回生システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、廃熱回生システムに係り、特にランキンサイクルを利用した廃熱回生システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
車両用エンジンの廃熱から機械的エネルギー（動力）を回収するランキンサイクルを利用した廃熱回生システムが開発されている。一般的なランキンサイクルは、作動流体を圧送するポンプと、作動流体をエンジンの廃熱によって加熱する熱交換器と、加熱された作動流体を膨張させて機械的エネルギーを回収する膨張機と、膨張後の作動流体を凝縮させるコンデンサとから構成されている。
【０００３】
特許文献１には、第１熱交換器と第２熱交換器とを備えた廃熱回生システムが記載されている。特許文献１の図１を参照すると、この廃熱回生システムのランキンサイクル１７は、作動流体をエンジンの冷却水と熱交換させて加熱する冷却水ボイラである第１熱交換器１５と、作動流体をエンジン１から排出される排気ガスと熱交換させて加熱する排気ガスボイラである第２熱交換器３とを備えている。ポンプ４から圧送された作動流体は、第１熱交換器１５及び第２熱交換器３において加熱されて熱を吸収し、膨張機５において膨張する過程で機械的エネルギーを発生させ、冷却器（コンデンサ）６において凝縮される過程で熱を放出する。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００７−８５１９５号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
一般に、エンジン始動時等において、エンジン冷却水の温度が低い場合には、エンジンの燃費が悪くなる。特許文献１に記載の廃熱回生システムでは、第１熱交換器１５で吸収した熱を冷却水に伝えてその温度を速やかに上昇させることができれば燃費を向上させることができるが、ランキンサイクル１７内を循環する作動流体は、第１熱交換器１５で吸収した熱を冷却器６で放出してしまう。そのため、冷却水の温度を速やかに上昇させることができず、エンジン１の燃費が悪くなってしまう。
【０００６】
この発明はこのような問題点を解決するためになされたものであり、エンジン冷却水の温度が低い場合に、冷却水の温度を速やかに上昇させてエンジンの燃費を向上させることができる廃熱回生システム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】
【０００７】
上記の課題を解決するために、この発明に係る廃熱回生システムは、エンジンの廃熱によって回路内の作動流体を第１、第２熱交換器で加熱すると共に、加熱された作動流体を膨張機で膨張させて機械的エネルギーを回収し、膨張後の作動流体をコンデンサで凝縮するランキンサイクルを有する廃熱回生システムにおいて、廃熱回生システムの動作を制御する制御手段と、コンデンサの上流側と下流側とを連通させる第１バイパス流路と、第１バイパス流路の第１開閉弁とを備え、第１熱交換器を加熱する加熱媒体の温度が第１所定値未満の場合は、第１バイパス流路を開状態とするよう制御手段は第１開閉弁を制御して第１バイパス流路への作動流体の循環を許容する。
これにより、第１熱交換器の加熱媒体の温度が第１所定値未満の場合は、第１バイパス流路への作動流体の循環が許容される。第１バイパス流路、及び第１、第２熱交換器を含む循環回路が形成されることで、コンデンサを経由しない作動流体が第１熱交換器に供給される。そのため、エンジンの始動時等の冷却水温度が低い場合に、冷却水温度を速やかに上昇させてエンジンの燃費を向上させることができる。
【０００８】
第１バイパス流路は、膨張機の下流側かつコンデンサの上流側と、コンデンサの下流側かつ第１熱交換器の上流側とを連通させてもよい。
これにより、膨張機、第１バイパス流路、及び第１、第２熱交換器を含む循環回路が形成され、コンデンサを経由しない作動流体が膨張機によって循環されて第１熱交換器に供給される。
【０００９】
作動流体を圧送するポンプをさらに備え、第１バイパス流路は、膨張機の下流側かつコンデンサの上流側と、ポンプの下流側かつ第１熱交換器の上流側とを連通させてもよい。
これにより、膨張機、第１バイパス流路、及び第１、第２熱交換器を含む循環回路が形成され、コンデンサ及びポンプを経由しない作動流体が膨張機によって循環されて第１熱交換器に供給される。
【００１０】
ポンプの上流側かつ膨張機の下流側と、ポンプの下流側かつ第１熱交換器の上流側とを連通させる第３バイパス流路と、第３バイパス流路の第３開閉弁とをさらに備え、第１熱交換器を加熱する加熱媒体の温度が第１所定値未満の場合は、第３バイパス流路を開状態とするよう制御手段は第３開閉弁を制御して第３バイパス流路への作動流体の循環を許容し、膨張機、第１バイパス流路、及び第１、第２熱交換器を含む第１閉回路と、ポンプ、第３バイパス流路、及びコンデンサを含む第２閉回路とを形成してもよい。
これにより、ポンプの駆動状態を任意に制御できない場合（例えば、ポンプの駆動源が膨張機の駆動源を兼ねており、駆動源とポンプが直結されている場合）でも、第２閉回路においてポンプが圧送する作動流体を循環させることが出来るため、ポンプが稼動することによる不具合を回避することができる。
【００１１】
第１閉回路と第２閉回路とは、作動流体が相互に移動可能であるように連通していてもよい。
これにより、第１閉回路が作動流体過多の状態となり圧力が上昇しすぎることが防止される。また、第１バイパス流路及び第３バイパス流路を開状態とした直後において、第１閉回路と第２閉回路とで作動流体の量が不均衡な状態であったとしても、作動流体が２つの閉回路間を相互に移動可能であるため、時間の経過とともに不均衡な状態が解消される。
【００１２】
作動流体を圧送するポンプをさらに備え、第１バイパス流路は、膨張機の下流側かつコンデンサの上流側と、コンデンサの下流側かつポンプの上流側とを連通させると共に、膨張機の下流側かつポンプの上流側と、ポンプの下流側かつ第１熱交換器の上流側とを連通させる第２バイパス流路と、第２バイパス流路の第２開閉弁とをさらに備え、第２開閉弁は、ポンプの上流側の圧力がポンプの下流側の圧力よりも高い場合に開状態となるようにしてもよい。
これにより、膨張機によって移送された作動流体の一部は、圧力損失となりうるポンプをバイパスするため、ポンプが圧力損失となる状況を回避することができる。
【００１３】
第２バイパス流路の開閉は、逆止弁によって行われてもよい。
【００１４】
作動流体を圧送するポンプと、ポンプの駆動源であり、かつ膨張機が発生させる機械的エネルギーを電力に変換するモータジェネレータと、膨張機とモータジェネレータとの間に設けられるクラッチ手段とをさらに備え、第１バイパス流路は、第２熱交換器の下流側かつ膨張機の上流側と、コンデンサの下流側かつポンプの上流側とを連通させてもよい。
これにより、膨張機によって作動流体がコンデンサへと移送されるのを防ぐことができる。
【００１５】
第１熱交換器を加熱する加熱媒体の温度が第１所定値よりも高い第２所定値以上の場合は、第１バイパス流路を閉状態とするよう制御手段は第１開閉弁を制御して第１バイパス流路への作動流体の循環を遮断してもよい。
これにより、第１バイパス流路の開閉状態を制御する際の基準となる冷却水温度がヒステリシスをもつため、第１バイパス流路が頻繁に開閉されることがない。そのため、騒音の発生及び機器の劣化を防ぐことができる。
【００１６】
第１熱交換器を加熱する加熱媒体の温度が第１所定値よりも高い第２所定値以上の場合は、第１、第３バイパス流路を閉状態とするよう制御手段は第１、第３開閉弁を制御して第１、第３バイパス流路への作動流体の循環を遮断してもよい。
これにより、第１、第３バイパス流路の開閉状態を制御する際の基準となる冷却水温度がヒステリシスをもつため、第１、第３バイパス流路が頻繁に開閉されることがない。そのため、騒音の発生及び機器の劣化を防ぐことができる。
【００１７】
コンデンサへの作動流体の循環を遮断する弁体をコンデンサの上流側かつ膨張機の下流側にさらに備え、第１熱交換器を加熱する加熱媒体の温度が第１所定値未満の場合は、弁体を閉状態とするよう制御手段は弁体を制御してコンデンサへの作動流体の循環を遮断してもよい。
これにより、全ての作動流体がコンデンサをバイパスする。
【００１８】
第１熱交換器は、エンジンの冷却水の熱で加熱されてもよい。
【００１９】
第２熱交換器は、エンジンの排気ガスの熱で加熱されてもよい。
【発明の効果】
【００２０】
この発明に係る廃熱回生システムによれば、エンジン冷却水の温度が低い場合に、冷却水の温度を速やかに上昇させてエンジンの燃費を向上させることができる。
【図面の簡単な説明】
【００２１】
【図１】この発明の実施の形態１に係る廃熱回生システムの構成を示す図である。
【図２】この発明の実施の形態２に係る廃熱回生システムの構成を示す図である。
【図３】この発明の実施の形態３に係る廃熱回生システムの構成を示す図である。
【図４】この発明の実施の形態４に係る廃熱回生システムの構成を示す図である。
【図５】この発明の実施の形態１の変形例に係る廃熱回生システムの構成を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００２２】
以下、この発明の実施の形態について添付図面に基づいて説明する。
実施の形態１．
この発明の実施の形態１に係る廃熱回生システム１００の構成を図１に示す。
廃熱回生システム１００において、ランキンサイクル１１０は、作動流体を圧送するギヤポンプ１１１と、作動流体をエンジン１４０の冷却水と熱交換させて加熱する第１熱交換器としての冷却水ボイラ１１２と、作動流体をエンジン１４０から排出される排気ガスと熱交換させて加熱する第２熱交換器としての排気ガスボイラ１１３と、冷却水ボイラ１１２及び排気ガスボイラ１１３において加熱されて気化された作動流体を膨張させて機械的エネルギー（動力）を発生させる膨張機１１４と、膨張後の作動流体を凝縮させるコンデンサ１１５とから構成され、これらが順次環状に接続されて閉回路を形成している。エンジン１４０の冷却水が第１熱交換器を加熱する加熱媒体であり、排気ガスが第２熱交換器を加熱する加熱媒体である。排気ガスによって加熱される作動流体によって第２熱交換器を加熱することも可能である。排気ガスは高温であり、エンジン１４０の始動後早く昇温する。したがって、排気ガスボイラ１１３は冷却水ボイラ１１２に比べて、早く昇温させることが可能である。また、エンジン１４０の冷却水は、エンジン１４０、冷却水ボイラ１１２、及びラジエータ１３０を含む冷却水回路ａを循環する。
【００２３】
膨張機１１４の出力軸１１４ａは、気相の作動流体が膨張機１１４の内部で膨張する過程において発生させる機械的エネルギーによって回転駆動され、出力駆動軸１１４ａの先端には回転駆動力を電力に変換するモータジェネレータ１１６が接続されている。また、モータジェネレータ１１６には、ギヤポンプ１１１の駆動軸１１１ａが接続されている。
【００２４】
コンデンサ１１５の上流側かつ膨張機１１４の下流側には、コンデンサ１１５をバイパスする第１バイパス流路１１７の一端が接続されており、第１バイパス流路１１７の他端は、コンデンサ１１５の下流側かつギヤポンプ１１１の上流側に接続されている。第１バイパス流路１１７の圧力損失は、コンデンサ１１５のそれに比べて十分小さい。第１バイパス流路１１７の途中には第１開閉弁としての電磁開閉弁１１８が設けられており、電磁開閉弁１１８は、廃熱回生システム１００の動作を制御する制御手段であるコントロールユニット１５０に電気的に接続されている。コントロールユニット１５０は、エンジン１４０の下流側の冷却水温度を計測するための温度センサ１６０から取得される温度情報に基づいて電磁開閉弁１１８を開閉させることによって、第１バイパス流路１１７の開閉状態を制御する。
【００２５】
また、膨張機１１４の下流側かつギヤポンプ１１１の上流側には、第２バイパス流路１１９の一端が接続されており、第２バイパス流路１１９の他端は、ギヤポンプ１１１の下流側かつ冷却水ボイラ１１２の上流側に接続されている。この実施の形態では、第２バイパス流路１１９はコンデンサ１１５とギヤポンプ１１１をバイパスするが、少なくともギヤポンプ１１１をバイパスすればよい。第２バイパス流路１１９の途中には第２開閉弁としての逆止弁１２０が設けられており、逆止弁１２０は、ギヤポンプ１１１の上流側の圧力ｐ１がギヤポンプ１１１の下流側の圧力ｐ２よりも高い（ｐ１＞ｐ２）場合に開く。
【００２６】
次に、実施の形態１に係る廃熱回生システム１００の動作について、エンジン１４０の冷却水温度が第１所定値Ｔｈ１以上の場合と未満の場合とに分けて説明する。
【００２７】
（冷却水温度が第１所定値Ｔｈ１以上の場合）
コントロールユニット１５０は、温度センサ１６０から取得されるエンジン１４０の冷却水温度が第１所定値Ｔｈ１以上の場合には、電磁開閉弁１１８を閉じることによって第１バイパス流路１１７を閉状態とする。
【００２８】
このとき、ギヤポンプ１１１から圧送された作動流体は、冷却水ボイラ１１２及び排気ガスボイラ１１３を流通する過程において、エンジン１４０の冷却水及びエンジン１４０から排出される排気ガスから熱を吸収して高温のガスとなり、膨張機１１４において膨張する。次に、ギヤポンプ１１１の上流側の圧力ｐ１はギヤポンプ１１１の下流側の圧力ｐ２よりも低い（ｐ１＜ｐ２）ため逆止弁１２０は閉じており、第２バイパス流路１１９は閉状態である。また、第１バイパス流路１１７も閉状態である。そのため、膨張機１１４を出た作動流体は、コンデンサ１１５に流入する。コンデンサ１１５において凝縮される過程で熱を放出した作動流体は、ギヤポンプ１１１によって冷却水ボイラ１１２に向けて移送される。膨張機１１４は、作動流体の膨張によって駆動される。膨張によって発生した機械的エネルギーによって、モータジェネレータ１１６及びギヤポンプ１１１は駆動される。
【００２９】
（冷却水温度が第１所定値Ｔｈ１未満の場合）
コントロールユニット１５０は、温度センサ１６０から取得されるエンジン１４０の冷却水温度が第１所定値Ｔｈ１未満の場合には、電磁開閉弁１１８を開くことによって第１バイパス流路１１７を開状態とし、前記第１バイパス流路１１７への作動流体の循環を許容する。膨張機１１４及びギヤポンプ１１１は駆動源としてのモータジェネレータ１１６が発生する機械的エネルギーによって駆動される。モータジェネレータ１１６は膨張機１１４及びギヤポンプ１１１の駆動源として機能する。
【００３０】
このとき、ギヤポンプ１１１から圧送された作動流体は、冷却水ボイラ１１２に流入した後、排気ガスボイラ１１３を流通する過程において、エンジン１４０から排出される排気ガスから熱を吸収して高温のガスとなり、膨張機１１４において膨張する。開状態における第１バイパス流路１１７の圧力損失はコンデンサ１１５のそれに比べて十分小さい。そのため、ギヤポンプ１１１に吸入される作動流体のほとんどは、コンデンサ１１５ではなく、第１バイパス流路１１７を経由する。また、膨張機１１４の吸入容積はギヤポンプ１１１の吸入容積よりも大きいことから、ギヤポンプ１１１の上流側かつ膨張機１１４の下流側の圧力ｐ１は昇圧されて、ギヤポンプ１１１の下流側かつ冷却水ボイラ１１２の上流側の圧力ｐ２よりも高く（ｐ１＞ｐ２）なり、逆止弁１２０が開く。逆止弁１２０が開くと第２バイパス流路１１９は開状態となり、膨張機１１４を出た作動流体は第１バイパス流路１１７を介してギヤポンプ１１１に至る流路とギヤポンプ１１１をバイパスする第２バイパス流路１１９とに分配される。冷却水ボイラ１１２に送り込まれた高温の作動流体は、冷却水ボイラ１１２を流通する過程においてエンジン１４０の冷却水に熱を与える。これにより、エンジン１４０の冷却水温度が速やかに上昇し、エンジン１４０の燃費が向上する。
【００３１】
以上説明したように、実施の形態１に係る廃熱回生システム１００によれば、エンジン１４０の冷却水温度が第１所定値Ｔｈ１未満の場合は、第１バイパス流路１１７への作動流体の循環が許容される。膨張機１１４、第１バイパス流路１１７、ギヤポンプ１１１、冷却水ボイラ１１２、及び排気ガスボイラ１１３を含む循環回路が形成されることで、コンデンサ１１５を経由しない作動流体が膨張機１１４によって循環されて冷却水ボイラ１１２に供給される。これにより、エンジン１４０の始動時等の冷却水温度が低い場合に、冷却水温度を速やかに上昇させてエンジン１４０の燃費を向上させることができる。
【００３２】
また、ギヤポンプ１１１の上流側の圧力ｐ１がギヤポンプ１１１の下流側の圧力ｐ２よりも高く（ｐ１＞ｐ２）なると、第２バイパス流路１１９は開状態となる。膨張機１１４によって移送された作動流体の一部は、圧力損失となりうるギヤポンプ１１１をバイパスするため、ギヤポンプ１１１が圧力損失となる状況を回避することができる。
【００３３】
実施の形態２．
この発明の実施の形態２に係る廃熱回生システム２００の構成を図２に示す。
実施の形態１における第１バイパス流路１１７は、コンデンサ１１５をバイパスしていたが、実施の形態２における第１バイパス流路２１７は、膨張機１１４及びコンデンサ１１５をバイパスする。尚、以降の実施の形態の説明において、図１の参照符号と同一の符号は同一又は同様の構成要素であるので、その詳細な説明は省略する。
【００３４】
膨張機１１４の上流側かつ排気ガスボイラ１１３の下流側には、膨張機１１４及びコンデンサ１１５をバイパスする第１バイパス流路２１７の一端が接続されており、第１バイパス流路２１７の他端は、ギヤポンプ１１１の上流側かつコンデンサ１１５の下流側に接続されている。第１バイパス流路２１７の圧力損失は、膨張機１１４及びコンデンサ１１５のそれらに比べて十分小さい。第１バイパス流路２１７の途中には第１開閉弁としての電磁開閉弁２１８が設けられており、電磁開閉弁２１８はコントロールユニット２５０に電気的に接続されている。
【００３５】
また、膨張機１１４とモータジェネレータ１１６との間の駆動軸１１４ａには、クラッチ手段としてのワンウェイクラッチ２２１が設けられている。ワンウェイクラッチ２２１は、膨張機１１４からギヤポンプ１１１へと向かう回転駆動力は伝達するが、ギヤポンプ１１１から膨張機１１４へと向かう回転駆動力の伝達は遮断する。
【００３６】
次に、実施の形態２に係る廃熱回生システム２００の動作について、エンジン１４０の冷却水温度が第１所定値Ｔｈ１以上の場合と未満の場合とに分けて説明する。
【００３７】
（冷却水温度が第１所定値Ｔｈ１以上の場合）
コントロールユニット２５０は、エンジン１４０の冷却水温度が第１所定値Ｔｈ１以上の場合には、電磁開閉弁２１８を閉じることによって第１バイパス流路２１７を閉状態とする。
【００３８】
このとき、ギヤポンプ１１１から圧送された作動流体は、冷却水ボイラ１１２、排気ガスボイラ１１３、膨張機１１４、コンデンサ１１５の順に、ランキンサイクル２１０内を循環する。この際、膨張機１１４の出力軸１１４ａは、作動流体の膨張によって回転駆動される。ワンウェイクラッチ２２１は、膨張機１１４からギヤポンプ１１１へと向かう回転駆動力を伝達し、モータジェネレータ１１６及びギヤポンプ１１１は、膨張機１１４が発生させる機械的エネルギーによって駆動される。
【００３９】
（冷却水温度が第１所定値Ｔｈ１未満の場合）
コントロールユニット２５０は、エンジン１４０の冷却水温度が第１所定値Ｔｈ１未満の場合には、電磁開閉弁２１８を開くことによって第１バイパス流路２１７を開状態とし、前記第１バイパス流路２１７への作動流体の循環を許容する。ギヤポンプ１１１は駆動源としてのモータジェネレータ１１６が発生する機械的エネルギーによって駆動される。モータジェネレータ１１６はギヤポンプ１１１の駆動源として機能する。
【００４０】
このとき、ギヤポンプ１１１から圧送された作動流体は、冷却水ボイラ１１２に流入した後、排気ガスボイラ１１３を流通する過程において高温のガスとなる。次に、第１バイパス流路２１７が開状態であり、後述するように膨張機１１４は回っていないため、排気ガスボイラ１１３を出た作動流体のほとんどは、膨張機１１４には流入せずに第１バイパス流路２１７を流通してギヤポンプ１１１に吸入される。その結果、ランキンサイクル２１０全体が均圧化され、作動流体は差圧がほとんど無い状態で冷却水ボイラ１１２に送り込まれる。膨張機１１４の出力軸１１４ａは回転駆動力を失うため、ギヤポンプ１１１は、モータジェネレータ１１６が発生させる機械的エネルギーによって駆動され、ワンウェイクラッチ２２１は、ギヤポンプ１１１から膨張機１１４へと向かう回転駆動力の伝達を遮断する。冷却水ボイラ１１２に送り込まれた高温の作動流体は、冷却水ボイラ１１２を流通する過程においてエンジン１４０の冷却水に熱を与える。これにより、エンジン１４０の冷却水温度が速やかに上昇し、エンジン１４０の燃費が向上する。
【００４１】
以上説明したように、実施の形態２に係る廃熱回生システム２００によれば、エンジン１４０の冷却水温度が第１所定値Ｔｈ１未満の場合は、第１バイパス流路２１７への作動流体の循環が許容される。ギヤポンプ１１１、冷却水ボイラ１１２、排気ガスボイラ１１３、及び第１バイパス流路２１７を含む循環回路が形成されることで、膨張機１１４及びコンデンサ１１５を経由しない作動流体が冷却水ボイラ１１２に供給される。これにより、エンジン１４０の始動時等の冷却水温度が低い場合に、冷却水温度を速やかに上昇させてエンジン１４０の燃費を向上させることができる。
【００４２】
また、ランキンサイクル２１０全体が均圧化されるため、作動流体は差圧がほとんど無い状態で冷却水ボイラ１１２に送り込まれる。
【００４３】
さらに、ワンウェイクラッチ２２１は、ギヤポンプ１１１から膨張機１１４へと向かう回転駆動力の伝達を遮断する。そのため、膨張機１１４によって作動流体がコンデンサ１１５へと移送されるのを防ぐことができる。
【００４４】
実施の形態３．
この発明の実施の形態３に係る廃熱回生システム３００の構成を図３に示す。
実施の形態３に係る廃熱回生システム３００は、コンデンサ１１５及びギヤポンプ１１１をバイパスする第１バイパス流路３１７と、冷却水ボイラ１１２、排気ガスボイラ１１３、及び膨張機１１４をバイパスする第３バイパス流路３２２とを備える。そして、膨張機１１４、第１バイパス流路３１７、冷却水ボイラ１１２、及び排気ガスボイラ１１３は、第１閉回路Ａを形成し、ギヤポンプ１１１、第３バイパス流路３２２、及びコンデンサ１１５は、第２閉回路Ｂを形成する。また、第１バイパス流路３１７及び第３バイパス流路３２２の開閉状態を制御する際の基準となる冷却水温度にヒステリシスをもたせる。
【００４５】
コンデンサ１１５の上流側かつ膨張機１１４の下流側には、コンデンサ１１５及びギヤポンプ１１１をバイパスする第１バイパス流路３１７の一端が接続されており、第１バイパス流路３１７の他端は、ギヤポンプ１１１の下流側かつ冷却水ボイラ１１２の上流側に接続されている。第１バイパス流路３１７の圧力損失は、コンデンサ１１５及びギヤポンプ１１１のそれらに比べて十分小さい。第１バイパス流路３１７の一端には第１開閉弁としての第１三方弁３１８が設けられており、第１三方弁３１８はコントロールユニット３５０に電気的に接続されている。第１三方弁３１８は、膨張機１１４から出た作動流体をコンデンサ１１５に導入する場合と第１バイパス流路３１７に導入する場合とを切り替える。
【００４６】
また、第１バイパス流路３１７の一端とコンデンサ１１５の上流側との間には第３バイパス流路３２２の一端が接続されており、第１バイパス流路３１７の他端とギヤポンプ１１１の下流側との間には第３バイパス流路３２２の他端が接続されている。第３バイパス流路３２２の他端には第３開閉弁としての第２三方弁３２３が設けられており、第２三方弁３２３はコントロールユニット３５０に電気的に接続されている。第２三方弁３２３はギヤポンプ１１１から出た作動流体を冷却水ボイラ１１２に導入する場合と第３バイパス流路３２２に導入する場合とを切り替える。
【００４７】
さらに、エンジン１４０の冷却水は、エンジン１４０の下流において、冷却水ボイラ１１２を含む冷却水回路ａ１と、ラジエータ１３０を含む冷却水回路ａ２とに分岐する。冷却水回路ａ１及び冷却水回路ａ２の開閉状態は、サーモスタット３２４によってエンジン１４０の冷却水温度に基づいて切り替えられる。
【００４８】
次に、実施の形態３に係る廃熱回生システム３００の動作について、エンジン１４０の冷却水温度が第１所定値Ｔｈ１よりも僅かに高い（例えば＋２℃）第２所定値Ｔｈ２以上になった場合と、第１所定値Ｔｈ１未満になった場合とに分けて説明する。
【００４９】
（冷却水温度が第２所定値Ｔｈ２以上になった場合）
コントロールユニット３５０は、エンジン１４０の冷却水温度が第１所定値Ｔｈ１よりも僅かに高い第２所定値Ｔｈ２以上になると、第１三方弁３１８を、膨張機１１４から出た作動流体をコンデンサ１１５に導入する状態とする。つまり、第１バイパス流路３１７を閉状態とし、第１バイパス流路３１７への作動流体の循環を遮断する。また、第２三方弁３２３を、ギヤポンプ１１１から出た作動流体を冷却水ボイラ１１２に導入する状態とする。つまり、第３バイパス流体路３２２を閉状態とし、第３バイパス流路３２２への作動流体の循環を遮断する。
【００５０】
このとき、ギヤポンプ１１１から圧送された作動流体は、冷却水ボイラ１１２、排気ガスボイラ１１３、膨張機１１４、コンデンサ１１５の順に、ランキンサイクル３１０内を循環する。膨張機１１４は、作動流体の膨張によって駆動される。膨張によって発生した機械的エネルギーによって、モータジェネレータ１１６及びギヤポンプ１１１は駆動される。
【００５１】
また、サーモスタット３２４は、エンジン１４０の冷却水温度が第２所定値Ｔｈ２よりもさらに高い第３所定値Ｔｈ３以上の場合には、冷却水回路ａ１を閉状態、冷却水回路ａ２を開状態とし、第３所定値Ｔｈ３未満の場合には、冷却水回路ａ１を開状態、冷却水回路ａ２を閉状態とする。そのため、冷却水温度が第３所定値Ｔｈ３以上になると、サーモスタット３２４が作動して、冷却水ボイラ１１２を含む冷却水回路ａ１が閉状態となると共に、ラジエータ１３０を含む冷却水回路ａ２が開状態となり、エンジン１４０の廃熱はラジエータ１３０を介して放出される。ただし、冷却水温度が高い場合でもランキンサイクル３１０によって回生可能な熱は回収した方がエンジン１４０の燃費が向上するため、冷却水回路ａ１は完全な閉状態とはせずに僅かに開いた状態とする。
【００５２】
（冷却水温度が第１所定値Ｔｈ１未満になった場合）
コントロールユニット３５０は、エンジン１４０の冷却水温度が第１所定値Ｔｈ１未満になると、第１三方弁３１８を、膨張機１１４から出た作動流体を第１バイパス流路３１７に導入する状態とする。つまり、第１バイパス流路３１７を開状態とし、膨張機１１４、第１バイパス流路３１７、冷却水ボイラ１１２、及び排気ガスボイラ１１３を含む第１閉回路Ａを形成する。また、第２三方弁３２３を、ギヤポンプ１１１から出た作動流体を第３バイパス流路３２２に導入する状態とする。つまり、第３バイパス流路３２２を開状態とし、ギヤポンプ１１１、第３バイパス流路３２２、及びコンデンサ１１５を含む第２閉回路Ｂを形成する。
【００５３】
このとき、第１閉回路Ａを循環する作動流体は、排気ガスボイラ１１３を流通する過程において高温のガスとなり、膨張機１１４によって移送される。第１バイパス流路３１７を介して冷却水ボイラ１１２に送り込まれた高温の作動流体は、冷却水ボイラ１１２を流通する過程においてエンジン１４０の冷却水に熱を与える。これにより、エンジン１４０の冷却水温度が速やかに上昇し、エンジン１４０の燃費が向上する。
【００５４】
また、第２閉回路Ｂを循環する作動流体は、ギヤポンプ１１１から圧送されて第３バイパス流路３２２を流通し、第３バイパス流路３２２の出口付近で膨張機１１１から伝わってきた熱を吸収し、コンデンサ１１５において吸収した熱を放出する。これにより、コンデンサ１１５によって冷却された作動流体がギヤポンプ１１１に供給され、ギヤポンプ１１１が冷却される。
【００５５】
以上説明したように、実施の形態３に係る廃熱回生システム３００によれば、エンジン１４０の冷却水が第１所定値Ｔｈ１未満の場合は、第１バイパス流路３１７への作動流体の循環が許容される。膨張機１１４、第１バイパス流路３１７、冷却水ボイラ１１２、及び排気ガスボイラ１１３を含む循環回路が形成されることで、コンデンサ１１５及びギヤポンプ１１１を経由しない作動流体が膨張機１１４によって冷却水ボイラ１１２に供給される。これにより、エンジン１４０の始動時等の冷却水温度が低い場合に、冷却水温度を速やかに上昇させてエンジン１４０の燃費を向上させることができる。
【００５６】
また、ギヤポンプ１１１がモータジェネレータ１１６とクラッチ手段を介在することなく一体回転するように連結されているため、膨張機１１４が駆動されるとギヤポンプ１１１も駆動されるが、第３バイパス流路３２２によってギヤポンプ１１１の上流側と下流側とを連通させているため、ギヤポンプ１１１によって作動流体が第２閉回路Ｂを循環し、モータジェネレータ１１６への動力負担を少なく抑えることができる。
【００５７】
また、コンデンサ１１５によって冷却された作動流体がギヤポンプ１１１に供給されるため、ギヤポンプ１１１を冷却することができる。
【００５８】
また、モータジェネレータ１１６とギヤポンプ１１１とが一体的に構成されている場合には、モータジェネレータ１１６を冷却することもできる。
【００５９】
さらに、第１バイパス流路３１７及び第３バイパス流路３２２の開閉状態を制御する際の基準となる冷却水温度がヒステリシスをもつため、第１バイパス流路３１７及び第３バイパス流路３２２が頻繁に開閉されることがない。そのため、騒音の発生及び機器の劣化を防ぐことができる。
【００６０】
実施の形態４．
この発明の実施の形態４に係る廃熱回生システム４００の構成を図４に示す。
実施の形態４に係る廃熱回生システム４００は、実施の形態３に係る廃熱回生システム３００において、第３バイパス流路３２２の一端に設けられている第２三方弁３２３の代わりに、第３バイパス流路３２２の途中に第３開閉弁としての電磁開閉弁４２５を設けたものである。
【００６１】
コントロールユニット４５０は、エンジン１４０の冷却水温度が第１所定値Ｔｈ１未満になると、第１三方弁３１８を、膨張機１１４から出た作動流体を第１バイパス流路３１７に導入する状態とし、膨張機１１４、第１バイパス流路３１７、冷却水ボイラ１１２、及び排気ガスボイラ１１３を含む第１閉回路Ａを形成する。また、電磁開閉弁４２５を開くことによって第３バイパス流路３２２への作動流体の循環を許容し、ギヤポンプ１１１、第３バイパス流路３２２、及びコンデンサ１１５を含む第２閉回路Ｂを形成する。
【００６２】
このとき、第１閉回路Ａと第２閉回路Ｂとは、完全な閉回路を形成せずに作動流体が相互に移動可能であるように連通している。そのため、膨張機１１１を含む第１閉回路Ａにおいて、作動流体の温度上昇に伴って作動流体過多の状態となり圧力が上昇しすぎると、余分な作動流体はコンデンサ１１５を含む第２閉回路Ｂに移動する。これにより、第１閉回路Ａが作動流体過多の状態となり圧力が上昇しすぎることが防止される。また、第１バイパス流路３１７及び第３バイパス流路３２２を開状態とした直後において、第１閉回路Ａと第２閉回路Ｂとで作動流体の量が不均衡な状態であったとしても、作動流体が２つの閉回路間を相互に移動可能であるため、時間の経過とともに不均衡な状態が解消される。
【００６３】
その他の実施の形態．
実施の形態１〜４において、コンデンサ１１５の上流側（入口付近）に、コンデンサ１１５に流入する作動流体を遮断するための弁体としての開閉弁を設けてもよい。一例として、実施の形態１において、コンデンサ１１５の入口付近に開閉弁５２６を設けた構成を図５に示す。コントロールユニット５５０は、エンジン１４０の冷却水温度が第１所定値Ｔｈ１未満の場合には、開閉弁１１８を開くことによって第１バイパス流路１１７を開状態にすると共に、開閉弁５２６を閉じることによってコンデンサ１１５への作動流体の循環を遮断する。これにより、排気ガスボイラ１１３で熱を吸収した全ての作動流体が、コンデンサ１１５をバイパスする。尚、開閉弁１１８と開閉弁５２６とを合わせて三方弁として構成してもよい。
【００６４】
実施の形態１〜４において、ギヤポンプ１１１の駆動軸１１１ａを伝達ベルトを介してエンジン１４０に接続することによって、ギヤポンプ１１１を駆動してもよい。
【００６５】
実施の形態１において、膨張機１１４を容量可変式としてもよい。エンジン１４０の冷却水温度が第１所定値Ｔｈ１未満の場合には、膨張機１１４の容量を調整してギヤポンプ１１１と膨張機１１４とで同じ物質量の作動流体を移送するようにする。これにより、第２バイパス流路１１９を省略することができる。
【００６６】
実施の形態３において、ギヤポンプ１１１とモータジェネレータ１１６との間にクラッチ手段を設けてもよい。エンジン１４０の冷却水温度が第１所定値Ｔｈ１未満の場合には、クラッチ手段によってモータジェネレータ１１６からギヤポンプ１１１へと向かう回転駆動力の伝達を遮断して、ギヤポンプ１１１が駆動されないようにする。これにより、第３バイパス流路３２２及び第２三方弁３２３を省略することができる。
【００６７】
実施の形態３において、第３バイパス流路３２２及び第２三方弁３２３を省略してもよい。エンジン１４０の冷却水温度が第１所定値Ｔｈ１未満の場合には、ギヤポンプ１１１の上流側が閉塞された状態でギヤポンプ１１１が駆動されるため、ギヤポンプ１１１が空回りして動力損失が発生するが、より簡単な構成とすることができる。
【００６８】
実施の形態３において、第１バイパス流路３１７の途中と、第３バイパス流路３２２の途中とを連通させる流路を設けても良い。これにより、膨張機１１４、第１バイパス流路３１７、冷却水ボイラ１１２、及び排気ガスボイラ１１３を含む第１閉回路Ａと、ギヤポンプ１１１、第３バイパス流路３２２、及びコンデンサ１１５を含む第２閉回路Ｂとが連通させるため、実施の形態４と同様の効果を得ることができる。
【００６９】
実施の形態３において、エンジン１４０の冷却水温度が第１所定値Ｔｈ１未満であり、第１バイパス流路３１７及び第３バイパス流路３２２が開状態である場合に、少なくとも一方の流路を一時的に閉状態としてもよい。これにより、膨張機１１４、第１バイパス流路３１７、冷却水ボイラ１１２、及び排気ガスボイラ１１３を含む第１閉回路Ａと、ギヤポンプ１１１、第３バイパス流路３２２、及びコンデンサ１１５を含む第２閉回路Ｂとが連通させるため、実施の形態４と同様の効果を得ることができる。
【００７０】
実施の形態１〜４において、エンジン１４０の冷却水温度を検出するのではなく、冷却水温度に相関するその他のパラメータに基づいて、各流路の開閉状態を制御してもよい。
【符号の説明】
【００７１】
１００，２００，３００，４００，５００  廃熱回生システム、１１０，２１０，３１０，４１０，５１０  ランキンサイクル、１１１  ギヤポンプ（ポンプ）、１１２  冷却水ボイラ（第１熱交換器）、１１３  排気ガスボイラ（第２熱交換器）、１１４  膨張機、１１５  コンデンサ、１１６  モータジェネレータ、１１７，２１７，３１７  第１バイパス流路、１１８，２１８  電磁開閉弁（第１開閉弁）、１１９  第２バイパス流路、１２０  逆止弁１２０（第２開閉弁）、１３０  ラジエータ、１４０  エンジン、１５０，２５０，３５０，４５０，５５０  コントロールユニット（制御手段）、２２１  ワンウェイクラッチ（クラッチ手段）、３１８  第１三方弁（第１開閉弁）、３２２  第３バイパス流路、３２３  第２三方弁（第３開閉弁）、４２５  電磁開閉弁（第３開閉弁）、５２６  開閉弁（弁体）、Ａ  第１閉回路、Ｂ  第２閉回路、Ｔｈ１  第１所定値、Ｔｈ２  第２所定値。
【図１】
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【図２】
2011102577.tif 000004
【図３】
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【図４】
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【図５】
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