(57)【要約】【課題】被供給部（燃焼室６）に供給される媒体の温度が所定温度よりも低いときに、該媒体を早期に所定温度にまで昇温することが可能な熱回収装置（排熱回収装置５０）を提供する。【解決手段】熱回収装置は、媒体の被供給部に対する供給及び非供給を切り換える切換弁（水噴射弁５５）と、脈動生成装置８１と、下流側通路６５における切換弁よりも上流側部分における媒体の温度を検出する媒体温度検出手段（水温センサ６８）と、制御手段とを備え、上記制御手段は、熱交換器５１，５２の媒体流通路において媒体が高温流体との熱交換によって加熱されているとき、媒体温度検出手段による媒体の温度が所定温度よりも低いときには、切換弁により媒体を被供給部に対して非供給にするとともに、脈動生成装置８１を作動させて、媒体流通路において媒体を上下流方向に強制的に脈動させる。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
媒体が流通する媒体流通路と、該媒体よりも高温の高温流体が流通する高温流体流通路とが設けられ、該媒体を該高温流体との熱交換によって加熱する熱交換器と、該媒体流通路の下流側に接続された下流側通路を介して、該熱交換器で該高温流体との熱交換によって加熱された媒体が供給されてエネルギとして利用される被供給部とを備えた熱回収装置であって、
上記下流側通路に設けられ、上記媒体の上記被供給部に対する供給及び非供給を切り換える切換弁と、
上記切換弁により上記媒体が上記被供給部に対して供給されていないときに作動することにより、上記媒体流通路において上記媒体を上下流方向に強制的に脈動させる脈動生成装置と、
上記下流側通路における上記切換弁よりも上流側部分における上記媒体の温度を検出する媒体温度検出手段と、
上記切換弁及び上記脈動生成装置の作動を制御する制御手段とを更に備え、
上記制御手段は、上記媒体流通路において上記媒体が上記高温流体との熱交換によって加熱されているとき、上記媒体温度検出手段により検出される上記媒体の温度が所定温度よりも低いときには、上記切換弁により上記媒体を上記被供給部に対して非供給にするとともに、上記脈動生成装置を作動させて、上記媒体流通路において上記媒体を上下流方向に強制的に脈動させるように構成されていることを特徴とする熱回収装置。
【請求項２】
請求項１記載の熱回収装置において、
上記高温流体は、エンジンの排気ガスであり、
上記熱回収装置は、上記エンジンの排熱回収装置であることを特徴とする熱回収装置。
【請求項３】
請求項２記載の熱回収装置において、
上記媒体流通路を流通する上記媒体は、上記排気ガス中から凝縮水として回収した水であることを特徴とする熱回収装置。
【請求項４】
請求項２又は３記載の熱回収装置において、
上記媒体流通路の上流側に接続された上流側通路と、
上記上流側通路に設けられ、上記媒体を上記媒体流通路に周期的に繰り返し圧送する媒体圧送ポンプとを更に備え、
上記脈動生成装置は、上記媒体流通路における上記媒体の圧力を上昇させる上記媒体圧送ポンプと、上記制御手段による制御により作動して、上記媒体流通路における上記媒体の圧力を減少させる減圧手段とを有し、
上記制御手段は、上記脈動生成装置の作動により上記媒体流通路において上記媒体を上下流方向に強制的に脈動させる際、上記媒体圧送ポンプにより上記媒体が上記媒体流通路に圧送される毎に、その圧送開始後の所定のタイミングで、上記減圧手段を周期的に繰り返し作動させるように構成されていることを特徴とする熱回収装置。
【請求項５】
請求項４記載の熱回収装置において、
上記媒体圧送ポンプは、媒体貯留タンクに貯留された媒体を上記媒体流通路に圧送するように構成され、
上記減圧手段は、上記上流側通路から上記媒体を上記媒体貯留タンクに噴射する電子制御弁で構成されていることを特徴とする熱回収装置。
【請求項６】
請求項４又は５記載の熱回収装置において、
上記媒体圧送ポンプにより上記媒体を上記媒体流通路に周期的に繰り返し圧送しているときに、該媒体圧送ポンプによる上記媒体の吐出圧を一定にするレギュレータを更に備え、
上記脈動生成装置は、上記制御手段による制御により、上記レギュレータの機能を停止させるレギュレータ機能停止手段を更に有し、
上記制御手段は、上記脈動生成装置の作動により上記媒体流通路において上記媒体を上下流方向に強制的に脈動させる際には、上記レギュレータ機能停止手段により上記レギュレータの機能を停止させるように構成されていることを特徴とする熱回収装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、熱回収装置に関する技術分野に属する。
【背景技術】
【０００２】
例えば特許文献１には、エンジンの排気熱を取り込んで触媒との間の熱交換により該触媒の昇温を促進させる第１ループ式ヒートパイプと、触媒の熱を取り込んで、車室内の暖房用のヒータコアからエンジンへ戻す冷却水との間の熱交換により該冷却水の昇温を促進させる第２ループ式ヒートパイプとを含む排気熱回収装置が開示されている。
【０００３】
上記第１ループ式ヒートパイプは、エンジンの排気通路において触媒より下流側の排気熱により、内部に密封される作動流体（例えば純水）を気化させる第１受熱部と、触媒における上流領域に付設されかつ第１受熱部から移送される作動流体と触媒との間で熱交換させて作動流体を凝縮させる第１放熱部とを含む。
【０００４】
上記第２ループ式ヒートパイプは、触媒における下流領域に付設されかつ当該触媒の熱により、内部に密封される作動流体を気化させる第２受熱部と、第２受熱部から移送される作動流体と冷却水との間で熱交換させて作動流体を凝縮させる第２放熱部とを含む。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２０１０−０５９９６０号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
ところで、上記特許文献１のように、熱交換器で媒体と該媒体よりも高温の高温流体との熱交換により該媒体を加熱し、該加熱された媒体を、エネルギとして利用する被供給部に供給する熱回収装置において、被供給部に供給される媒体の温度が、エネルギとして利用するのに必要な温度である所定温度に達していない場合がある。
【０００７】
このように媒体の温度が所定温度よりも低い場合には、その媒体は被供給部には供給されず、静止した状態で、熱交換器で高温流体との熱交換により加熱される。ところが、媒体が静止した状態では、媒体の熱伝達係数（熱伝達率）が低くて、被供給部に供給される媒体を所定温度にまで昇温させるのには時間がかかる。
【０００８】
そこで、熱交換器を通過した媒体を被供給部に供給しないで再び熱交換器に戻すような循環経路を形成しておき、媒体の温度が所定温度よりも低い場合には、媒体を、その循環経路でもって循環させながら、熱交換器で高温流体との熱交換により加熱することが考えられる。
【０００９】
しかし、媒体を循環させながら加熱する場合には、媒体の熱伝達係数（熱伝達率）は高くなるものの、循環する媒体の全体が均一な温度になってしまい、その媒体の全体を所定温度にまで昇温させるには時間がかかることになる。
【００１０】
本発明は、斯かる点に鑑みてなされたものであり、その目的とするところは、被供給部に供給される媒体の温度が所定温度よりも低いときに、該媒体を早期に所定温度にまで昇温することが可能な熱回収装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
上記の目的を達成するために、本発明では、媒体が流通する媒体流通路と、該媒体よりも高温の高温流体が流通する高温流体流通路とが設けられ、該媒体を該高温流体との熱交換によって加熱する熱交換器と、該媒体流通路の下流側に接続された下流側通路を介して、該熱交換器で該高温流体との熱交換によって加熱された媒体が供給されてエネルギとして利用される被供給部とを備えた熱回収装置を対象として、上記下流側通路に設けられ、上記媒体の上記被供給部に対する供給及び非供給を切り換える切換弁と、上記切換弁により上記媒体が上記被供給部に対して供給されていないときに作動することにより、上記媒体流通路において上記媒体を上下流方向に強制的に脈動させる脈動生成装置と、上記下流側通路における上記切換弁よりも上流側部分における上記媒体の温度を検出する媒体温度検出手段と、上記切換弁及び上記脈動生成装置の作動を制御する制御手段とを更に備え、上記制御手段は、上記媒体流通路において上記媒体が上記高温流体との熱交換によって加熱されているとき、上記媒体温度検出手段により検出される上記媒体の温度が所定温度よりも低いときには、上記切換弁により上記媒体を上記被供給部に対して非供給にするとともに、上記脈動生成装置を作動させて、上記媒体流通路において上記媒体を上下流方向に強制的に脈動させるように構成されている、という構成とした。
【００１２】
上記の構成により、媒体流通路において媒体を上下流方向に強制的に脈動させながら熱交換により加熱するので、媒体の熱伝達係数（熱伝達率）を高くすることができる。また、媒体を被供給部を通らないように循環させながら熱交換により加熱する場合とは異なり、媒体流通路における媒体の温度を、下流側ほど高くすることができる。したがって、被供給部に供給される媒体（下流側通路における媒体）の温度を、早期に所定温度にまで高めることができるようになる。
【００１３】
上記熱回収装置の一実施形態では、上記高温流体は、エンジンの排気ガスであり、上記熱回収装置は、上記エンジンの排熱回収装置である。
【００１４】
このことにより、エンジンの排熱により媒体を加熱して、該加熱された媒体をエネルギとして有効に利用することができるようになる。
【００１５】
上記一実施形態の一例において、上記媒体流通路を流通する上記媒体は、上記排気ガス中から凝縮水として回収した水である。
【００１６】
このことで、例えば、媒体（水）を膨張行程でエンジンの気筒内に噴射することで、膨張行程で膨張する作動ガス量を増加させることができる。このように水を膨張行程でエンジンの気筒内に噴射したとしても、排気ガス中から水を回収することができる。
【００１７】
上記一実施形態の別の例では、上記媒体流通路の上流側に接続された上流側通路と、上記上流側通路に設けられ、上記媒体を上記媒体流通路に周期的に繰り返し圧送する媒体圧送ポンプとを更に備え、上記脈動生成装置は、上記媒体流通路における上記媒体の圧力を上昇させる上記媒体圧送ポンプと、上記制御手段による制御により作動して、上記媒体流通路における上記媒体の圧力を減少させる減圧手段とを有し、上記制御手段は、上記脈動生成装置の作動により上記媒体流通路において上記媒体を上下流方向に強制的に脈動させる際、上記媒体圧送ポンプにより上記媒体が上記媒体流通路に圧送される毎に、その圧送開始後の所定のタイミングで、上記減圧手段を周期的に繰り返し作動させるように構成されている。
【００１８】
この構成により、媒体圧送ポンプと減圧手段とによって、媒体流通路において媒体を上下流方向に強制的に脈動させることが容易にできる。
【００１９】
上記脈動生成装置が上記媒体圧送ポンプと上記減圧手段とを有する場合において、上記媒体圧送ポンプは、媒体貯留タンクに貯留された媒体を上記媒体流通路に圧送するように構成され、上記減圧手段は、上記上流側通路から上記媒体を上記媒体貯留タンクに噴射する電子制御弁で構成されている、ことが好ましい。
【００２０】
このことにより、簡単な構成で減圧手段を構成することができる。また、電子制御弁により噴射された媒体を媒体貯留タンクに戻して、再び媒体流通路に供給することができる。
【００２１】
また、上記脈動生成装置が上記媒体圧送ポンプと上記減圧手段とを有する場合において、上記媒体圧送ポンプにより上記媒体を上記媒体流通路に周期的に繰り返し圧送しているときに、該媒体圧送ポンプによる上記媒体の吐出圧を一定にするレギュレータを更に備え、上記脈動生成装置は、上記制御手段による制御により、上記レギュレータの機能を停止させるレギュレータ機能停止手段を更に有し、上記制御手段は、上記脈動生成装置の作動により上記媒体流通路において上記媒体を上下流方向に強制的に脈動させる際には、上記レギュレータ機能停止手段により上記レギュレータの機能を停止させるように構成されている、ことが好ましい。
【００２２】
このことで、媒体を被供給部に供給する際には、一定圧の媒体を被供給部に供給することができるとともに、媒体を被供給部に対して非供給にして媒体流通路において媒体を上下流方向に強制的に脈動させる際には、レギュレータの作動を停止させることによって、媒体圧送ポンプと減圧手段とによる、媒体流通路における媒体の圧力の変化量を大きくすることができ、この結果、媒体流通路において媒体を上下流方向に効果的に脈動させることができるようになる。
【発明の効果】
【００２３】
以上説明したように、本発明の熱回収装置によると、被供給部に供給される媒体（下流側通路における媒体）の温度が所定温度よりも低いときに、脈動生成装置の作動により、媒体流通路において媒体を上下流方向に強制的に脈動させることで、被供給部に供給される媒体の温度を、早期に所定温度にまで高めることができるようになる。
【図面の簡単な説明】
【００２４】
【図１】本発明の実施形態に係る熱回収装置としての排熱回収装置が適用されたエンジンの概略構成を示す図である。
【図２】排熱回収装置の制御系を示すブロック図である。
【図３】脈動生成装置が作動しているときの、第１熱交換器及び第２熱交換器の水流通路における水の圧力変化を示すグラフである。
【図４】実施形態とは別の熱回収装置の例を概略的に示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００２５】
以下、本発明の実施形態を図面に基づいて詳細に説明する。
【００２６】
図１は、本発明の実施形態に係る熱回収装置としての排熱回収装置５０が適用されたエンジン１の概略構成を示す。排熱回収装置５０は、エンジン１の排気ガス中から凝縮水として回収した水（媒体）を該排気ガスにより加熱して、該加熱した水を該エンジン１の気筒２（燃焼室６）内に供給するものである。
【００２７】
本実施形態では、エンジン１は、燃料を空気と混合しつつ自着火させる圧縮着火式（予混合圧縮着火式）のエンジンであって、４つの気筒２が図１の紙面に垂直な方向に直列に配置された直列４気筒エンジンである。エンジン１は、車両に搭載されて、該車両の駆動源として利用される。本実施形態では、エンジン１は、少なくともガソリンを含有する燃料の供給を受けて駆動される。燃料は、ガソリンに加えて、例えばバイオエタノール等が含有されていてもよい。
【００２８】
エンジン１（エンジン本体）は、４つの気筒２が設けられたシリンダブロック３と、このシリンダブロック３上に配設されたシリンダヘッド４とを有している。各気筒２内には、シリンダヘッド４との間に燃焼室６を区画するピストン５が往復動（上下動）可能にそれぞれ嵌挿されている。各気筒２のピストン５は、コンロッド８を介して、気筒列方向に延びる不図示のクランクシャフトと連結されている。
【００２９】
燃焼室６は、いわゆるペントルーフ型であり、シリンダヘッド４の下面で構成される、燃焼室６の天井面が、吸気側及び排気側の２つの傾斜面からなる三角屋根状をなしている。ピストン５の冠面には、該冠面の中心部をシリンダヘッド４とは反対側（下側）に凹ませたキャビティ５ａが形成されている。
【００３０】
本実施形態では、エンジン１の幾何学的圧縮比、つまり、ピストン５が上死点にあるときの燃焼室６の容積に対して、ピストン５が下死点にあるときの燃焼室６の容積の比が、１５以上３５以下（より好ましくは、１８以上３０以下）に設定されている。エンジン１の幾何学的圧縮比は、例えば２５に設定される。
【００３１】
シリンダヘッド４には、吸気通路２０から供給される空気を気筒２（燃焼室６）内に導入するための吸気ポート９と、気筒２内で生成された排気ガスを排気通路３０に導出するための排気ポート１０とが形成されている。本実施形態では、吸気ポート９及び排気ポート１０は、各気筒２毎にそれぞれ２つずつ形成されている。
【００３２】
また、シリンダヘッド４には、各吸気ポート９の燃焼室６側の開口をそれぞれ開閉する吸気弁１１と、各排気ポート１０の燃焼室６側の開口をそれぞれ開閉する排気弁１２とが設けられている。
【００３３】
さらに、シリンダヘッド４には、各気筒２毎に、上記燃料を燃焼室６内に直接噴射するインジェクタ１４（燃料噴射弁）が設けられている。インジェクタ１４は、気筒２の中心軸に沿って上下方向に延びていて、燃焼室６の天井面の中央を通って、燃焼室６に臨んでいる。インジェクタ１４の、噴射口が形成された先端部は、燃焼室６の天井面に対して僅かに下側に位置している。
【００３４】
また、シリンダヘッド４には、各気筒２毎に、燃焼室６内の混合気を点火するための点火プラグ１３が設けられている。本実施形態では、エンジン１の全運転領域で圧縮着火燃焼（ＣＩ燃焼）が実施される（燃料が自着火する）ので、基本的に、点火プラグ１３は不要であるが、例えばエンジン１が冷間始動された直後のような自着火が困難な状況下において火花点火燃焼を実行したり、暖機後であっても燃焼の促進のためにいわゆるスパークアシストを実行したりすることがあり、そのような目的のために点火プラグ１３が設けられている。
【００３５】
さらに、シリンダヘッド４の下面近傍には、各気筒２毎に、燃焼室６内（気筒２内）に所定の高温・高圧水を噴射供給する水噴射弁５５が設けられている。尚、図１では、水噴射弁５５を、シリンダヘッド４の下面に沿って延びるように設けているが、これに限らず、例えば、インジェクタ１４に対して略平行に近接して上下方向に延びるように配置してもよい。
【００３６】
上記所定の高温・高圧水としては、超臨界水又は亜臨界水が好ましいが、これに限らず、所定温度以上でかつ所定圧力以上の液体水（例えば１００℃以上かつ１０ＭＰａ以上の液体水）であってもよい。すなわち、上記所定の高温・高圧水の噴射によって、燃焼室６内のガスの温度をさほど低下させないようにしつつ、膨張行程で膨張する作動ガス量を増加させて熱効率の向上を図るようにする。
【００３７】
吸気ポート９には、吸気通路２０が連通接続され、排気ポート１０には、各気筒２の燃焼室６からの排気ガスを排出する排気通路３０が連通接続されている。
【００３８】
排気通路３０には、排気を浄化する触媒３１が設けられている。本実施形態では、触媒３１は、３元触媒である。排気通路３０の下流側の端部には、サイレンサ３２が設けられている。尚、図１では、図示を省略するが、エンジン１は、排気ガスの一部を排気通路３０（詳細には、排気通路３０における後述の第２熱交換器５２よりも上流側の部分）から吸気通路２０にＥＧＲガスとして還流するためのＥＧＲ通路を有している。
【００３９】
排熱回収装置５０は、排気通路３０における触媒３１よりも下流側（後述のコンデンサ５６よりも上流側）の部分に設けられた第１熱交換器５１と、排気通路３０における触媒３１よりも上流側の部分に設けられた第２熱交換器５２と、水貯留タンク５３（媒体貯留タンク）と、水圧送ポンプ５４（媒体圧送ポンプ）と、上記の水噴射弁５５と、排気通路３０の下流側の端部近傍（サイレンサ３２の上流側近傍）に設けられ、エンジン１の排気ガス中から凝縮水として水を回収するコンデンサ５６とを備えている。
【００４０】
水噴射弁５５により燃焼室６内に噴射供給する上記所定の高温・高圧水は、コンデンサ５６によりエンジン１の排気ガス中から凝縮水として回収した水を、第１熱交換器５１及び第２熱交換器５２で排気ガスとの熱交換により加熱した水である。燃焼室６は、その加熱された水が供給されてエネルギ（膨張行程で膨張させるエネルギ）として利用される被供給部に相当する。
【００４１】
コンデンサ５６により回収された水は、水貯留タンク５３に貯留される。この水貯留タンク５３に貯留された水が、水圧送ポンプ５４によって、第１熱交換器５１、第２熱交換器５２及び水噴射弁５５へと順に圧送される。
【００４２】
本実施形態では、排気ガスとの熱交換により水が加熱される熱交換器が、第１熱交換器５１と第２熱交換器５２とに分割されているが、これら第１熱交換器５１及び第２熱交換器５２を１つの熱交換器と見做すことができる。また、第１熱交換器５１及び第２熱交換器５２のいずれか一方をなくすことも可能である。
【００４３】
第１熱交換器５１及び第２熱交換器５２には、水（媒体）が流通する水流通路６１（媒体流通路）と、水よりも高温の高温流体である排気ガスが流通する排気流通路６２（高温流体流通路）とが設けられていて、水を排気ガスとの熱交換によって加熱する。第２熱交換器５２の水流通路６１の入口は、接続通路５８を介して、第１熱交換器５１の水流通路６１の出口と接続されている。第２熱交換器５２の水流通路６１の出口（水流通路６１の下流側）には、下流側通路６５が接続されており、この下流側通路６５の下流側端部に水噴射弁５５が設けられている。したがって、第１熱交換器５１及び第２熱交換器５２で排気ガスとの熱交換によって加熱された水は、上記所定の高温・高圧水として、下流側通路６５及び水噴射弁５５を介して、燃焼室６に供給されることになる。下流側通路６５における水噴射弁５５よりも上流側部分には、水の温度を検出する媒体温度検出手段としての水温センサ６８（図２にのみ示す）が設けられている。
【００４４】
第１熱交換器５１の水流通路６１の入口（水流通路６１の上流側）には、上流側通路６６が設けられている。この上流側通路６６の上流側端部に、水圧送ポンプ５４が設けられている。
【００４５】
水圧送ポンプ５４の吸込み部５４ａの先端が、水貯留タンク５３に貯留された水に浸けられており、水圧送ポンプ５４は、吸込み部５４ａを介して吸い込んだ水を吐出部５４ｂから吐出する。この吐出された水が、上流側通路６６を介して、第１熱交換器５１の水流通路６１、第２熱交換器５２の水流通路６１及び水噴射弁５５に順に圧送される。
【００４６】
本実施形態では、水圧送ポンプ５４は、エンジン１により駆動される機械式のものである。水圧送ポンプ５４は、上記クランクシャフトに同期して回転する回転軸（例えば、吸気弁１１又は排気弁１２を開閉するカムが設けられたカムシャフト）に設けられたカムによって駆動されて、水を第１熱交換器５１及び第２熱交換器５２の水流通路６１に周期的に繰り返し圧送する。水圧送ポンプ５４は、上記クランクシャフトが１回転する間に、例えば２回、水を水流通路６１に圧送する（水流通路６１における水の圧力を上昇させる）。この場合、水圧送ポンプ５４により水が圧送される周期間隔Ｔは、エンジン１の回転速度Ｎ（単位：ｒｐｓ）としたとき、（１／２Ｎ）秒となる。本実施形態では、このように周期間隔Ｔは、エンジン１の回転速度に対応している。尚、水圧送ポンプ５４は、電動式ポンプであってもよい。
【００４７】
水圧送ポンプ５４による水の吐出圧は、レギュレータ７１により一定圧Ｐ１に調整される。この一定圧Ｐ１の値は、上記所定の高温・高圧水の圧力であって、上記所定の高温・高圧水が超臨界水である場合には、臨界点の圧力よりも高い値である。
【００４８】
したがって、水貯留タンク３３に貯留された水が、水圧送ポンプ５４により加圧されかつ第１熱交換器５１及び第２熱交換器５２で排気ガスとの熱交換により加熱されて、上記所定の高温・高圧水として水噴射弁１５に供給される。水噴射弁１５は、制御手段としてのコントロールユニット１００（図２参照）によって制御されて、所定のタイミング（例えば、燃料の自着火後の膨張行程）で上記所定の高温・高圧水を燃焼室６に噴射供給する。
【００４９】
レギュレータ７１は、上流側通路６６から水を水貯留タンク５３に戻すリターン通路７２に設けられており、水圧送ポンプ５４による水の吐出圧が一定圧Ｐ１よりも高いときに、上流側通路６６から水を水貯留タンク５３に自動的に戻す。
【００５０】
ここで、エンジン１の始動直後のような冷間時においては、燃焼室６に供給される水の温度（水温センサ６８により検出される水の温度）が、燃焼室６に供給するのに適切な温度（エネルギとして利用するのに必要な温度）である上記所定温度よりも低い場合がある。この場合、その水の温度が所定温度に達するまでは、水は燃焼室６に供給されない。その間、水が第１熱交換器５１及び第２熱交換器５２で排気ガスとの熱交換により加熱されるが、水が静止した状態では、水の熱伝達係数（熱伝達率）が低くて、燃焼室６に供給される水を所定温度にまで昇温させるのには時間がかかる。
【００５１】
そこで、第２熱交換器５２を通過した媒体を燃焼室６に供給しないで下流側通路６５から水貯留タンク５３及び上流側通路６６を経由して再び第１熱交換器５１に戻すような循環経路を設けておき、燃焼室６に供給される水の温度（水温センサ６８により検出される水の温度）が上記所定温度よりも低いときには、その循環経路でもって水を循環させながら、第１熱交換器５１及び第２熱交換器５２で排気ガスとの熱交換により加熱することが考えられる。
【００５２】
しかし、上記のように水を循環させながら加熱する場合には、水の熱伝達係数（熱伝達率）は高くなるものの、循環する水の全体が均一な温度になってしまい、その水の全体を所定温度にまで昇温させるには時間がかかることになる。
【００５３】
そこで、本実施形態では、脈動生成装置８１を設けて、この脈動生成装置８１の作動により、水を早期に所定温度にまで昇温させることを可能にしている。脈動生成装置８１は、上記の水圧送ポンプ５４と、電子制御弁８２と、レギュレータ７１の機能を停止させるレギュレータ機能停止手段としてのレギュレータ機能停止弁８３とを有する。
【００５４】
水圧送ポンプ５４は、第１熱交換器５１及び第２熱交換器５２の水流通路６１における水の圧力を上昇させる。
【００５５】
電子制御弁８２は、上流側通路６６から分岐した分岐通路７５の下流側の端部に設けられている。電子制御弁８２は、コントロールユニット１００によって制御されて、上流側通路６６から水を水貯留タンク５３に噴射する。
【００５６】
電子制御弁８２は、第１熱交換器５１及び第２熱交換器５２の水流通路６１における水の圧力を減少させる減圧手段を構成する。すなわち、電子制御弁８２が水を水貯留タンク５３に噴射することにより、分岐通路７５を介して上流側通路６６並びに第１熱交換器５１及び第２熱交換器５２の水流通路６１における水の圧力が減少する。この水の圧力の減少の程度は、電子制御弁８２による水の噴射量により決まる。
【００５７】
レギュレータ機能停止弁８３は、リターン通路７２におけるレギュレータ７１よりも上流側（上流側通路６６側）の部分に設けられている。レギュレータ機能停止弁８３は、コントロールユニット１００によって制御されて、リターン通路７２を全開状態又は全閉状態にする。レギュレータ機能停止弁８３によりリターン通路７２が全開状態にされているときには、レギュレータ７１が機能して、上記吐出圧が一定圧Ｐ１とされる（図３の破線のグラフ参照）。一方、レギュレータ機能停止弁８３によりリターン通路７２が全閉状態にされているときには、レギュレータ７１が機能せず、水圧送ポンプ５４による水の圧送開始時に、上記吐出圧が急激に立ち上がることになる（図３の実線のグラフ参照）。尚、図３の実線のグラフでは、上記吐出圧が急激に立ち上がった後に、電子制御弁８２が作動したことにより、上記吐出圧が急激に低下している。
【００５８】
水噴射弁５５は、水の燃焼室６に対する供給及び非供給を切り換える切換弁としての役割を有する。第１熱交換器５１及び第２熱交換器５２の水流通路６１において水が排気ガスとの熱交換によって加熱されているとき、水温センサ６８により検出される水の温度が上記所定温度よりも低いときには、水噴射弁５５は、常に、水を燃焼室６に対して非供給にする（つまり、水を燃焼室６に噴射する上記所定のタイミングになっても、水を噴射しない）。一方、水温センサ６８により検出される水の温度が上記所定温度以上であるときには、水噴射弁５５は、上記所定のタイミングで、水を燃焼室６に対して噴射供給する。
【００５９】
図２に示すように、排熱回収装置５０は、水噴射弁５５並びに脈動生成装置８１の電子制御弁８２及びレギュレータ機能停止弁８３の作動を制御する制御手段としてのコントロールユニット１００を備えている。コントロールユニット１００は、周知のマイクロコンピュータをベースとするコントローラーである。コントロールユニット１００は、ＣＰＵ１０１、メモリ１０２、入出力バス１０３等を備えている。ＣＰＵ１０１は、コンピュータプログラム（ＯＳ等の基本制御プログラム、及び、ＯＳ上で起動されて特定機能を実現するアプリケーションプログラムを含む）を実行する中央演算処理装置である。メモリ１０２は、ＲＡＭ及びＲＯＭにより構成されている。ＲＯＭには、種々のコンピュータプログラム（特にエンジン１を制御するための制御プログラム）や、該コンピュータプログラムの実行時に用いられる後述のマップを含むデータ等が格納されている。ＲＡＭは、ＣＰＵ１０１が一連の処理を行う際に使用される処理領域が設けられるメモリである。入出力バス１０３は、コントロールユニット１００に対して電気信号の入出力をするものである。
【００６０】
本実施形態では、コントロールユニット１００は、点火プラグ１３、インジェクタ１４等のエンジン１の各デバイスを制御するエンジン制御ユニット１１０（以下、ＥＣＵ１１０という）とは別のものとされているが、ＥＣＵ１１０で構成されてもよい。ＥＣＵ１１０も、コントロールユニット１００と同様のコントローラーである。
【００６１】
コントロールユニット１００には、水温センサ６８が電気的に接続されており、水温センサ６８により検出された水の温度がコントロールユニット１００に入力される。また、コントロールユニット１００は、ＥＣＵ１１０と電気的に接続されていて、ＥＣＵ１１０との間で情報の遣り取りを行う。例えば、ＥＣＵ１１０からコントロールユニット１００には、エンジン１の作動情報や、水噴射弁５５による水の噴射に必要な情報等が送信される。一方、コントロールユニット１００からＥＣＵ１１０には、水が燃焼室６に対して非供給にされている旨の情報等が送信される。
【００６２】
コントロールユニット１００は、第１熱交換器５１及び第２熱交換器５２の水流通路６１において水が排気ガスとの熱交換によって加熱されているとき（つまり、エンジン１が作動しているとき）、水温センサ６８により検出された水の温度が上記所定温度よりも低いときには、水噴射弁５５により水を燃焼室６に対して非供給にする（水を燃焼室６に噴射する上記所定のタイミングになっても、水を噴射しない）とともに、脈動生成装置８１を作動させて、第１熱交換器５１及び第２熱交換器５２の水流通路６１において水を上下流方向に強制的に脈動させる。
【００６３】
具体的に、コントロールユニット１００は、脈動生成装置８１の作動により水流通路６１において水を上下流方向に強制的に脈動させる際には、レギュレータ機能停止弁８３によりレギュレータ７１の機能を停止させるとともに、水圧送ポンプ５４により水が水流通路６１に圧送される毎に、その圧送開始後の所定のタイミングで、電子制御弁８２を周期的に繰り返し作動させる。
【００６４】
図３は、脈動生成装置８１が作動しているときの、第１熱交換器５１及び第２熱交換器５２の水流通路６１における水の圧力変化を示す。水圧送ポンプ５４により水が水流通路６１に圧送される毎に（図３では、時間ｔ１，ｔ２で圧送が開始される）、その圧送の開始により水の圧力が急激に上昇する。そして、その圧送開始後の所定のタイミングで、電子制御弁８２が作動して、上流側通路６６から水を水貯留タンク５３に噴射すると、水流通路６１における水の圧力が急激に減少する。
【００６５】
本実施形態では、水流通路６１における水の圧力が、最大圧力Ｐ２と最小圧力Ｐ３との間で変化するようにする。最大圧力Ｐ２は、レギュレータ７１により調整される上記一定圧Ｐ１よりも高い圧力であって、水圧送ポンプ５４による水の最大吐出圧力と略同じ圧力である。上記所定のタイミングを、水の最大吐出圧力が出現するタイミングと略同じに設定することで、水流通路６１における水の圧力が最大圧力Ｐ２から急激に減少する。
【００６６】
一方、最小圧力Ｐ３は、上記一定圧Ｐ１と略同じか又は上記一定圧Ｐ１よりも低い圧力（図３では、上記一定圧Ｐ１よりも低い圧力）であって、水が気体に変化しないような圧力（水の状態図において蒸気圧曲線よりも高い圧力）であればよい。例えば上記所定の高温・高圧水が超臨界水である場合、最小圧力Ｐ３は、常に臨界点の圧力よりも高い圧力であってもよい。或いは、最小圧力Ｐ３は、水温センサ６８による水の温度に応じて、水の蒸気圧曲線よりも少し高い圧力まで低下させるようにしてもよい。この場合、水の温度が上昇するに連れて、水の蒸気圧曲線に応じて、最小圧力Ｐ３を上昇させる。最小圧力Ｐ３は、電子制御弁８２からの水の噴射量によって調整することができる。
【００６７】
このように、水流通路６１における水の圧力が変化することにより、水流通路６１において排気ガスとの熱交換により加熱される水が、上下流方向に脈動することになる。これにより、水の熱伝達係数（熱伝達率）を、水流通路６１における水を、静止した状態で、排気ガスとの熱交換により加熱する場合に比べて、高くすることができる。
【００６８】
ここで、本実施形態の排熱回収装置５０において水の熱伝達係数を概算した。水流通路６１における水を、静止した状態で、排気ガスとの熱交換により加熱する場合の水の熱伝達係数は２０００Ｗ／（ｍ２Ｋ）程度である一方、本実施形態のように水を脈動させた場合の水の熱伝達係数は２８００Ｗ／（ｍ２Ｋ）程度となる。尚、上記のような循環経路でもって水を循環させながら排気ガスとの熱交換により加熱する場合の水の熱伝達係数は３１００Ｗ／（ｍ２Ｋ）程度となる。
【００６９】
したがって、本実施形態のように、水温センサ６８による水の温度が上記所定温度よりも低いときに、水流通路６１における水を脈動させながら熱交換により加熱することによって、水の熱伝達係数を高くすることができる。また、水を循環させながら熱交換により加熱する場合には、水の熱伝達係数が更に高くなるものの、循環する水の全体が均一な温度になってしまい、その水の全体を所定温度にまで昇温させるには時間がかかることになる。これに対し、本実施形態のように、水を脈動させながら熱交換により加熱することによって、水の熱伝達係数を高くすることができるとともに、水流通路６１における水の温度を、下流側ほど高くすることができ、水の全体を所定温度にまで昇温させる必要はない。よって、燃焼室６に供給される水（下流側通路６５における水）の温度を、早期に所定温度にまで高めることができるようになる。
【００７０】
本発明は、上記実施形態に限られるものではなく、請求の範囲の主旨を逸脱しない範囲で代用が可能である。
【００７１】
例えば、上記実施形態では、エンジン１の排熱回収装置５０を例にして説明したが、本発明の熱回収装置、媒体が流通する媒体流通路と、該媒体よりも高温の高温流体が流通する高温流体流通路とが設けられ、該媒体を該高温流体との熱交換によって加熱する熱交換器と、該媒体流通路の下流側に接続された下流側通路を介して、該熱交換器で該高温流体との熱交換によって加熱された媒体が供給されてエネルギとして利用される被供給部とを備えたものであれば、どのような熱回収装置であってもよく、例えば図４に示すような熱回収装置９０であってもよい。
【００７２】
熱回収装置９０は、熱交換器９１で水を高温流体との熱交換によって加熱して飽和水蒸気を生成し、この飽和水蒸気を加熱装置９２により更に加熱して過熱水蒸気とし、この過熱水蒸気を被供給部９３に供給する。加熱装置９２は、熱交換器９１の水流通路（媒体流通路）の下流側に接続された下流側通路に設けられるものであって、どのようなものであってもよい。また、上記高温流体はどのような流体であってもよい。このような熱回収装置９０は、調理・食品加工分野において食品の加工、殺菌、蒸し、乾燥、農薬の気化等のために用いることができるとともに、工業分野において被処理物の加工、洗浄、乾燥等のような処理のために用いることができる。被供給部９３は、食品や被処理物等である。
【００７３】
熱回収装置９０において、熱交換器９１で飽和水蒸気を生成する際に、上記下流側通路における加熱装置９２よりも上流側の温度が、水の沸点の温度よりも低いときに、熱交換器９１の水流通路において水を上下流方向に強制的に脈動させるようにする。
【００７４】
また、上記実施形態では、エンジン１が圧縮着火式のエンジンであるが、火花点火式のエンジンであってもよく、圧縮着火燃焼及び火花点火燃焼とを組み合わせた形態の燃焼（ＳＰＣＣＩ（Spark Controlled Compression Ignition）燃焼）を実行するエンジンであってもよい。また、エンジン１は、少なくともガソリンを含有する燃料が供給されるエンジンに限らず、ディーゼルエンジンであってもよい。
【００７５】
上述の実施形態は単なる例示に過ぎず、本発明の範囲を限定的に解釈してはならない。本発明の範囲は請求の範囲によって定義され、請求の範囲の均等範囲に属する変形や変更は、全て本発明の範囲内のものである。
【産業上の利用可能性】
【００７６】
本発明は、媒体が流通する媒体流通路と、該媒体よりも高温の高温流体が流通する高温流体流通路とが設けられ、該媒体を該高温流体との熱交換によって加熱する熱交換器と、該媒体流通路の下流側に接続された下流側通路を介して、該熱交換器で該高温流体との熱交換によって加熱された媒体が供給されてエネルギとして利用される被供給部とを備えた熱回収装置に有用である。
【符号の説明】
【００７７】
５０    排熱回収装置（熱回収装置）
５１    第１熱交換器
５２    第２熱交換器
５４    水圧送ポンプ
５５    水噴射弁（切換弁）
６１    水流通路（媒体流通路）
６２    排気流通路（高温流体流通路）
６５    下流側通路
６６    上流側通路
６８    水温センサ（媒体温度検出手段）
７１    レギュレータ
８１    脈動生成装置
８２    電子制御弁（減圧手段）
８３    レギュレータ機能停止弁（レギュレータ機能停止手段）
１００  コントロールユニット（制御手段）
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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