(57)【要約】【課題】内燃機関の廃熱の熱エネルギを利用し、発電効率の高いランキンサイクル装置を提供する。【解決手段】ランキンサイクル装置１は、車両の内燃機関であるエンジン１４の排気ガスと中温度ループ２を循環する中温度媒体２２との間で熱交換し、中温度媒体２２の温度を所定の中温度とする第１熱交換器である廃熱回収器４と、熱交換された中温度媒体２２と、ランキンタービン８を有するランキンサイクル３を循環する冷媒２３との間で熱交換させる第２熱交換器である熱交換器５とを備える。さらに、中温度ループ２は、廃熱回収器４により交換された中温度媒体２２の熱をフロア暖房器１８に循環させ床暖房に用いる。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
車両の内燃機関の排気ガスと媒体との間で熱交換し、媒体の温度を所定の温度とする第１熱交換器と、熱交換された媒体と、膨張器を有するランキンサイクルを循環する冷媒との間で熱交換する第２熱交換器と、を備えることを特徴とするランキンサイクル装置。
【請求項２】
請求項１に記載のランキンサイクル装置において、さらに第１熱交換器は、熱交換された媒体の熱を車両の床暖房に用いることを特徴とするランキンサイクル装置。
【請求項３】
請求項１又は２に記載のランキンサイクル装置において、その媒体は、オイルであることを特徴とするランキンサイクル装置。
【請求項４】
請求項３に記載のランキンサイクル装置において、そのオイルの沸点は、高温である内燃機関の廃熱温度と低温である水の沸点との間の中間温度であることを特徴とするランキンサイクル装置。
【請求項５】
請求項４に記載のランキンサイクル装置において、そのオイルの沸点は、２００℃〜４００℃程度であることを特徴とするランキンサイクル装置。
【請求項６】
請求項１乃至５のいずれか１に記載のランキンサイクル装置において、膨張器は、その軸出力により発電を行うことを特徴とするランキンサイクル装置。
【請求項７】
請求項１乃至５のいずれか１に記載のランキンサイクル装置において、膨張器は、その軸出力により冷却ファンを駆動させることを特徴とするランキンサイクル装置。
【請求項８】
請求項７に記載のランキンサイクル装置において、膨張器と冷却ファンとの間にクラッチが備えられ、車両状態に応じてクラッチが制御されることを特徴とするランキンサイクル装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ランキンサイクル装置に係り、特に、内燃機関の排気ガスの廃熱を利用するランキンサイクル装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
車両の内燃機関の排気ガスは、約６００℃〜８００℃の高温の状態で放出され、一般に、排気ガス浄化装置を経由して車外へと排出される。すなわち、この廃熱は熱エネルギを有する。この内燃機関の排気ガスの熱エネルギを機械エネルギ等に変換し、車両の駆動力あるいは電力として有効活用する各種の方策が考案されている。
【０００３】
また、一般的にエンジン冷却水の熱エネルギを利用してランキンサイクル発電を行い車両の駆動力あるいは電力として有効活用することも行われている。ここで、排気ガス、エンジン冷却水等の熱エネルギを回収し、機械エネルギ等に変換する方式としてランキンサイクルが用いられる。
【０００４】
図３に、基本的なランキンサイクルの構成を示す。ランキンサイクル４０は、例えば、内燃機関の排気ガス等の熱エネルギ、すなわち熱源３０を、冷媒に熱交換させる蒸発器３１と、蒸発器３１により高温高圧蒸気となった冷媒の流路３５（斜線で示す）と、その高温高圧蒸気の状態の冷媒を膨張させ、その熱エネルギを例えばモータ等により動力や電力に変換させる膨張器３２と、膨張器３２により低温低圧蒸気の状態となった冷媒の流路３６と、低温低圧蒸気を凝縮させ排熱させる凝縮器３３と、凝縮器３３により液体の状態となった冷媒の流路３７と、その液体冷媒を蒸発器３１に供給させる供給ポンプ３４とから構成される。
【０００５】
特許文献１には、ランキンサイクル装置を備えたハイブリッド車両に関し、排気ガスの熱エネルギを回収し、内燃機関の駆動力をアシストする構成が開示されている。ここでは、ランキンサイクルは水を冷媒としてエネルギ変換を行うことが示されている。
【０００６】
特許文献２には、内燃機関の熱回収を行うランキンサイクル装置が開示されている。ここでは、排気ガス浄化装置の上流側に設けた高沸点媒体（水）を用いた第１のランキンサイクルと、排気ガス浄化装置の上流側に設けた低沸点媒体（フロン）を用いた第２のランキンサイクルとを状況により使い分ける点が示されている。
【０００７】
また、車両には、エンジンやカーエアコンの冷却システムに用いられる冷媒を冷却するために熱交換器が設置されている。一般に、冷却ファンの前には、エンジンを冷却するためのラジエータが設置され、ラジエータの前には、カーエアコン用のコンデンサが設置され、ともに冷却ファンの回転による風により冷却される。この冷却ファンは、電動式や機械式駆動であり、所要の風量を確保している。
【０００８】
【特許文献１】特開２００２−１１５５７３号公報
【特許文献２】特開２００２−１１５５０５号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
特許文献１及び特許文献２のランキンサイクルでは、排気ガスと熱交換する媒体として水（沸点が１００℃）やフロン等を用いているが、沸点が低いため熱交換をしてもその発電効率は低い。つまり、媒体の沸点と熱交換する外気温との差が大きいほど発電量が増すからである。内燃機関の排気ガスは約６００℃〜８００℃であり、水等の沸点の低い媒体では、この高温の熱エネルギの一部を熱交換するに過ぎず、有効な熱交換とはいえない。
【００１０】
一方、内燃機関の排気ガスの温度は高温であるため、ランキンサイクルに高い沸点の冷媒を用いて直接熱交換させることは、蒸発した冷媒を冷却して液化させるサイクルの制御が難しい。
【００１１】
また、エンジン冷却水を用いたランキンサイクル発電の場合、エンジン冷却水温は、常温域で約８０℃程度であるため、放熱器が外気と熱交換してもその発電効率は低い。さらに、冬季はヒータ性能を確保しなければならず、エンジン冷却水の熱をランキンサイクル発電に活用することはできない。
【００１２】
また、エンジンやカーエアコン冷却システムの冷媒用の冷却ファンは、その駆動力を得るためにバッテリ電力又はエンジン出力を消費しており、車両の走行燃費の低下の要因となる。
【００１３】
本願の目的は、かかる課題を解決し、内燃機関の排気ガスの熱エネルギを有効活用し、発電効率の高いランキンサイクル装置を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【００１４】
上記目的を達成するため、本発明に係るランキンサイクル装置は、車両の内燃機関の排気ガスと媒体との間で熱交換し、媒体の温度を所定の温度とする第１熱交換器と、熱交換された媒体と、膨張器を有するランキンサイクルを循環する冷媒との間で熱交換する第２熱交換器とを備える。
【００１５】
また、ランキンサイクル装置は、さらに第１熱交換器が、熱交換された媒体の熱を車両の床暖房に用いることが好ましい。
【００１６】
また、ランキンサイクル装置は、その媒体が、オイルであることが好ましい。
【００１７】
また、ランキンサイクル装置は、そのオイルの沸点が、高温である内燃機関の廃熱温度と低温である水の沸点との間の中間温度であり、２００℃〜４００℃程度であることが好ましい。
【００１８】
また、ランキンサイクル装置は、膨張器が、その軸出力により発電を行うことが好ましい。
【００１９】
また、ランキンサイクル装置は、膨張器が、その軸出力により冷却ファンを駆動させることが好ましく、膨張器と冷却ファンとの間にクラッチが備えられ、車両状態に応じてクラッチが制御されることが好ましい。
【発明の効果】
【００２０】
上記構成により、ランキンサイクル装置は、第１熱交換器を設置し、車両の内燃機関の排気ガスと媒体とを一次的に熱交換させる。すなわち、高温状態の排気ガスの廃熱を、媒体の沸点を利用し、ランキンサイクルの発電効率の高い一定の温度に変換する。そして、第２熱交換器を設置し、その一定の温度に変換された媒体とランキンサイクルの冷媒とを熱交換させ、熱エネルギをランキンサイクルにより機械エネルギや電気エネルギに変換させる。これにより、発電効率の高いランキンサイクル装置が可能となり、熱エネルギを有効活用することが可能となる。
【００２１】
また、ランキンサイクル装置は、車両の内燃機関の廃熱を第１熱交換器によりフロア暖房に活用し暖房性能を向上させることが可能となる。これにより、内燃機関の排気ガスの熱エネルギから変換された機械エネルギの状態だけではなく、熱エネルギの状態でも有効活用することが可能となる。
【００２２】
以上のように、本発明に係るランキンサイクル装置によれば、内燃機関の排気ガスの熱エネルギを有効活用し、発電効率の高いランキンサイクルが可能となる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２３】
以下に、図面を用いて本発明に係る実施の形態につき、詳細に説明する。
【００２４】
図1に、ランキンサイクル装置の１つの実施形態の概略構成を示す。ランキンサイクル装置１は、中温度ループ２及びランキンサイクル３から構成される。中温度ループ２は、第１熱交換器である廃熱回収器４、第２熱交換器である熱交換器５、ポンプ６、フロア暖房器１８及びそれらをループ状に接続する中温度媒体流路７により構成される。ランキンサイクル３は、第２熱交換器である熱交換器５、ランキンタービン８、放熱器１０、ランキンポンプ９、及びそれらを循環する媒体流路１１，１２，１３により構成される。
【００２５】
（中温度ループ）
廃熱回収器４は、車両のエンジン１４からエキゾースト・マニホールド１５、排気ガス浄化装置２１を経てマフラ１９に至る排気ガスの経路内において、排気ガス浄化装置２１の下流に設置され、排気ガスの高温（６００℃〜８００℃）の廃熱を回収する。廃熱回収器４は、その回収した廃熱により、中温度ループ２を循環する中温度媒体２２の温度を１００℃から２００℃乃至４００℃程度まで上昇させる。ここで、中温度とは、排気ガスの温度（６００℃〜８００℃）を高温度とし、水の沸点（１００℃）を低温度とした場合に、それらの中間の温度をいい、好ましくは、２００℃乃至４００℃程度の温度をいう。
【００２６】
この中温度媒体２２は、ポンプ６により中温度媒体流路７を図１の矢印の方向に循環する。熱交換器５は、中温度媒体流路７及びランキンサイクル３の媒体流路１１の双方の流路にまたがって設置され、中温度媒体２２と、ランキンサイクル３を循環する冷媒２３とを熱交換させる。すなわち、この中温度ループ２は、高温の排気ガスをそのままランキンサイクル３の熱源とするのではなく、一旦、沸点が２００℃乃至４００℃程度の媒体を利用してランキンサイクル３に適切な中温度とし、後述するように発電効率を向上させる役割を果たす。この中温度媒体２２には、例えば、高沸点の合成樹脂系有機熱媒体油、特にシリコン系のオイルが用いられる。
【００２７】
中温度ループ２の一部は、車両のフロアを循環してフロア暖房器１８を通過する。これにより、冬季に中温度媒体２２の熱を利用した床暖房が行われ、暖房性能を向上させて乗員の足元を良好に暖める。すなわち、この中温度ループ２は、高温の排気ガスの廃熱を、ランキンサイクル３への熱源とするだけではなく、それと同時に、熱エネルギの状態のまま床暖房の熱源とする役割を果たす。これにより、特に冬季においては、エンジン１４の廃熱をさらに効率よく活用することが可能となる。
【００２８】
（ランキンサイクル）
上述した熱交換器５は、図３に示す基本的なランキンサイクル４０の蒸発器３１に対応する。また、ランキンタービン８は、図３に示す一般的ランキンサイクル４０の膨張器３２に、放熱器１０は凝縮器３３に、ランキンポンプ９は供給ポンプ３４に、それぞれ対応する。
【００２９】
ランキンサイクル３を循環する冷媒２３は、熱交換器５により気化され高温高圧蒸気となる。気化した冷媒２３は、ランキンポンプ９により高温高圧蒸気冷媒流路１１を図１の矢印の方向に流れ、ランキンタービン８に向かう。気化した冷媒２３は、そこでランキンタービン８を回転させ機械的に電気エネルギを発生させる。発生した電気エネルギは、例えば、補助駆動等に使用される。また、ハイブリッド車の場合には、メインバッテリの充電に用いられ、走行燃費を向上させることが可能となる。エネルギを消費して低温低圧蒸気となった冷媒２３は、低温低圧蒸気冷媒流路１２を通過し放熱器１０に向かう。放熱器１０は、車両の冷却ユニットの冷却ファン１６及びラジエータ１７の前部に設置される。ここで、冷媒２３は外気により冷却され液化する。液化された冷媒２３は、低温低圧液体冷媒流路１３を通り、さらにランキンポンプ９により循環して再び熱交換器５に向かう。
【００３０】
中温度媒体２２の温度は、常温域で２００℃乃至４００℃程度まで上げられるため、放熱器１０が外気と熱交換すると発電量として略６００Ｗ程度まで発生させることが可能となる。一方、媒体として沸点が１００℃の水を用いた場合には、放熱器１０が外気と熱交換しても略２００Ｗ程度の発電量しか発生させることができない。従って、本ランキンサイクル装置１によれば、エンジン１４の排気ガスの熱エネルギに対して高い発電効率を達成することが可能となる。
【００３１】
（他の実施形態）
図２に、本発明に係るランキンサイクル装置の他の実施形態の概略構成を示す。図１と同様な構成については同一の符号で示す。また、図２では、図１のうちのランキンサイクル装置１のみを取り出し、他は省略する。本実施形態では、図３に示す基本的なランキンサイクル４０の膨張器３２として、ランキン発電用タービン２０を設置し、ランキン発電用タービン２０の軸駆動力を冷却ファン１６の補助動力として利用する。
【００３２】
すなわち、中温度ループ２において、ポンプ６により循環させている中温度媒体２２を、熱交換器５により冷媒２３と熱交換させて気化させる。気化した冷媒２３の圧力を利用して、ランキン発電用タービン２０を回転させて発電を行う。気化した冷媒２３は、放熱器１０により冷却され液化し、ランキンポンプ９によって、再び熱交換器５に送られる。ここで、中温度媒体２２には、例えば、高沸点の合成樹脂系有機熱媒体油、特にシリコン系のオイルが用いられる。
【００３３】
ランキン発電用タービン２０に発生した駆動力を、例えばベルト、ギアなどの動力伝達手段（図示せず）により冷却ファン１６の補助動力として用いる。上述したように、冷却ファン１６は、一般的にバッテリ電力又はエンジン軸力を用いて駆動しているため、走行燃費低下の要因となっている。従って、これらの動力源にランキン発電用タービン２０の補助動力が加わることで車両の走行燃費を向上させることが可能となる。
【００３４】
さらに、冷却ファン１６とランキン発電用タービン２０の動力伝達機構の中にクラッチ２４が設けられる。これにより、例えば、発電状況、冷却状態といった車両状態に応じてクラッチ２４を制御し、ランキンサイクル３による発電と冷却ファン１６の回転の最適な組合せにより性能を確保することが可能となる。
【００３５】
また、ランキン発電用タービン２０により発生した電気を車両のバッテリに与え、冷却ファン１６を回転させる駆動力を補助し、車両の走行燃費を向上させることが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００３６】
【図１】本発明に係るランキンサイクル装置の１つの実施形態の概略構成を示す説明図である。
【図２】本発明に係るランキンサイクル装置の他の実施形態の概略構成を示す説明図である。
【図３】ランキンサイクルの構成を示す説明図である。
【符号の説明】
【００３７】
１  ランキンサイクル装置、２  中温度ループ、３，４０  ランキンサイクル、４  廃熱回収器、５  熱交換器、６  ポンプ、７  中温度媒体流路、８  ランキンタービン、９  ランキンポンプ、１０  放熱器、１１，３５  高温高圧蒸気冷媒流路、１２，３６  低温低圧蒸気冷媒流路、１３，３７  低温低圧液体冷媒流路、１４  エンジン、１５  エキゾースト・マニホールド、１６  冷却ファン、１７  ラジエータ、１８  フロア暖房器、１９  マフラ、２０  ランキン発電用タービン、２１  排気ガス浄化装置、２２  中温度媒体、２３  冷媒、２４  クラッチ、３０  熱源、３１  蒸発器、３２  膨張器、３３  凝縮器、３４  供給ポンプ。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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