(57)【要約】【課題】  排気ガスの高温により第１作動流体に採用されるＲ１３４ａなどのフロン（登録商標）系媒体が熱分解を起こすことがなく、かつランキンサイクルの効率を低下させることなく要求出力を得るシステムを提供する。【解決手段】  ランキンサイクル内の第１作動流体を加熱する手段としてループ式ヒートパイプを備え、該ヒートパイプ内の第２作動流体の循環流を制御する方式を採用する。ヒートパイプの表面温度が一定温度以上になると、バルブを閉じて第２作動流体の循環を止め、該表面温度が該一定温度より低い温度以下になると、第２作動流体の循環を再開する。【選択図】      図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
エンジン排気ガスの廃熱をランキンサイクル（１７）を用いて回生する廃熱回生装置において、
前記エンジン排気ガスの廃熱により前記ランキンサイクル（１７）内の第１作動流体を加熱する手段としてループ式ヒートパイプ（９）を備え、
該ヒートパイプ（９）内の第２作動流体の循環流を制御することを特徴とする、廃熱回生装置。
【請求項２】
前記ヒートパイプ（９）の凝縮器（８）内における前記第２作動流体の温度を一定温度以下に制御することを特徴とする、請求項１に記載の廃熱回生装置。
【請求項３】
前記ヒートパイプ（９）の表面温度、または前記ヒートパイプ（９）の内圧、または前記第１作動流体の出口温度、または前記第１作動流体の入口温度および流量、の各一つ以上のパラメータに基づいて第２作動流体の循環流を制御することを特徴とする、請求項１または２に記載の廃熱回生装置。
【請求項４】
前記ヒートパイプ（９）の前記表面温度は、前記排気ガスの上流側の位置で検出する（１２）ことを特徴とする、請求項３に記載の廃熱回生装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、エンジンの排気ガスの廃熱を、ランキンサイクルにより動力等として回生する廃熱回生装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
ランキンサイクルとは、液相流体を加熱して過熱蒸気を発生させる蒸気発生器、過熱蒸気を等エントロピ的に膨脹させて動力を取り出す膨張機、膨張機にて膨張を終えた蒸気を液化する凝縮器、及び液相流体を蒸気発生器に送り出す液体ポンプ等から構成されている（例えば、特許文献１参照）。
【０００３】
この特許文献１には、エンジンの排気ガスの廃熱を、ランキンサイクル１７により動力等として回生する廃熱回生装置が記載されており、排気ガスの熱によりランキンサイクルの作動流体を加熱して蒸発させる蒸気発生器が記載されている。しかし、排気ガスにより作動流体を加熱する方式については詳細な記載がない。
【０００４】
一方、自動車用エンジンの廃熱回生装置の場合、作動流体としてはその熱物性からＲ１３４ａなどのフロン（登録商標）系冷媒を使用するのが一般的である。しかし、排気ガスは４００℃以上の高温であるためフロン（登録商標）系冷媒を排気ガスにより直接加熱すると熱分解を起こしてランキンサイクルの効率が大幅に低下し要求する回生動力が得られなくなるという問題がある。
【０００５】
【特許文献１】特開平２００５−４２６１８号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
本発明は、上記問題に鑑みてなされたものであり、その目的は、排気ガスを加熱源とし、ランキンサイクルの作動流体をフロン（登録商標）系冷媒もしくはＨＣ系冷媒（ブタン等）とした廃熱回生装置において、該作動流体を加熱する最適手段（熱交換器）とその制御法を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明は、前記課題を解決するための手段として、特許請求の範囲の各請求項に記載の廃熱回生装置を提供する。請求項１に記載の発明によれば、ランキンサイクル内の第１作動流体を加熱する手段としてループ式ヒートパイプを備え、該ヒートパイプ内の第２作動流体の循環流を制御する方式により、排気ガスの高温により第１作動流体に採用されるＲ１３４ａなどのフロン（登録商標）系媒体が熱分解を起こすことがなく、かつランキンサイクル１７の効率を低下させることなく要求出力を得るシステムが提供される。
【０００８】
請求項２に記載の発明によれば、前記ヒートパイプの凝縮器内における前記第２作動流体の温度を一定温度以下に制御することを特徴とする。これにより、上記システムの具体的制御方式が示される。
【０００９】
請求項３に記載の発明によれば、第１作動流体の出口温度（第１作動流体の第２熱交換器からの出口位置における温度）を一定温度以下に制御するための基準パラメータが示される。
【００１０】
請求項４に記載の発明によれば、前記基準パラメータの主要な一つであるヒートパイプの表面温度を、第２作動流体の温度が最も高くなる前記排気ガスの上流側の位置で検出するため、第１作動流体が部分的に高温となり熱分解することを回避することができる。
【発明の効果】
【００１１】
本発明によれば、エンジン排気ガスの廃熱をヒートパイプを利用してランキンサイクルで回生する廃熱回生装置においてランキンサイクル内の作動流体の加熱器に純水が充填されたループ式ヒートパイプを採用すること等により作動流体が熱分解温度に上昇することを防止することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１２】
以下、本発明の第１実施形態を図１から図３に基づいて説明する。
図１に本発明の廃熱回生装置のシステム図を示す。本実施形態は自動車用エンジンに本発明に係るランキンサイクルを適用したものである。エンジン１は走行用駆動力を発生させる内燃機関である。排気管２はエンジン１から排出される燃焼ガス（排気ガス）を大気中に放出するための管であり、この排気管２には、排気ガスを浄化する浄化装置（図示せず）及び排気管２から大気中に放出される燃焼ガスの騒音を低減するマフラー（図示せず）が設けられている。
【００１３】
そして、エンジン１の冷却水回路１６には、冷却水ポンプ（図示せず）によりエンジン冷却水が循環される。
【００１４】
本システムにおいて、エンジン１の冷却水回路１６に、ランキンサイクル１７に関連付けられた第１熱交換器１５を装着し、エンジンの排気管２に、ランキンサイクル１７に関連付けられた第２熱交換器３を装着している。これらの熱交換器により冷媒ポンプ４から圧送されてきたランキンサイクルの作動流体であるＲ１３４ａを加熱し気化させる。第１熱交換器１５により約８０℃まで加熱後、第２熱交換器３により約１００℃まで再加熱する構成としている。蒸気となった作動流体は膨張機５で動力を発生させ発電機１８により電気エネルギーを発生させたり、動力機構（図示せず）によりエンジンの補助動力を発生させたりする。
【００１５】
図２に図１の第２熱交換器３の模式図を示す。第２熱交換器３は加熱部７、凝縮部８、ヒートパイプ９により構成される。加熱部７と凝縮部８の間には排気ガスの熱が直接ランキンサイクル１７の作動流体に伝わらないようにするため空間（断熱部）が設けてある。ヒートパイプ９の中は略真空状態で熱輸送媒体すなわち第２作動流体として純水が封入されている。また凝縮部８の下流側には第２作動流体を貯留する貯留タンク１１とバルブアクチュエータ１３により作動し第２作動流体の流量を制御するバルブ１０が設けてある。また、凝縮部８の排気ガス上流側に位置するヒートパイプ外表面にはヒートパイプ表面温度を検出するための温度センサ１２が装着されている。この排気ガス上流部がヒートパイプ全体の中で最も高温になる。
【００１６】
加熱部７は、排気管に配設され、この位置で排気ガスの廃熱によりヒートパイプ内の第２作動流体が沸騰、蒸発する。蒸発した第２作動流体は、凝縮器８に移動してランキンサイクル１７の第１作動流体であるＲ１３４ａにより冷却され凝縮液化し、貯留タンク１１、バルブ１０を通って加熱部７に還流する。
【００１７】
このとき、ヒートパイプの凝縮部における表面温度は、第２作動流体である水の凝縮温度により決定されるため、排気ガス温度のように４００℃以上になることはなく、例えば１００℃〜１５０℃程度に保たれている。バルブ１０が閉弁状態になると、凝縮水は貯留タンク１１に貯められ加熱部には還流できない。このためヒートパイプはその機能を停止しランキンサイクル１７の第２作動流体は加熱されない。
【００１８】
図３にヒートパイプ９の第２作動流体の制御のフローチャートを示す。このフローチャートに沿って第２作動流体の制御を説明する。
ステップＳ１でエンジンがスタートする。エンジン始動時には、排気ガスの廃熱は回生域には到達していないため、ランキンサイクルを稼働させる必要はないため、ヒートパイプバルブ１０は閉塞されている（Ｓ２）。
【００１９】
ステップＳ３に進んで、排気温センサ１４により排気ガス温度が検出される。ステップＳ４で、排気ガス温度が所定値（例えば２００℃）を超えていない場合は、ステップＳ３の直前にもどり、ステップＳ３およびステップＳ４を繰り返すこととなる。
【００２０】
ステップＳ４で、排気ガス温度が所定値（例えば２００℃）を超えると排気廃熱は回生可能域に達したと制御装置（図示せず）が判断し、ステップＳ５で、ランキンサイクル１７の冷媒ポンプ４が作動を開始する。同時にヒートパイプ９のバルブ１０がバルブアクチュエータ１３により開弁されヒートパイプ９の第２作動流体も作動を開始する。これにより、前述のごとく排気ガスの廃熱がランキンサイクル１７により電力またはエンジン補助動力として回生される。
【００２１】
続いてステップＳ６で、ヒートパイプ表面温度センサ１２によりヒートパイプ表面温度を検出する。さらに、ステップＳ７ヒートパイプバルブ１０が開いているかどうかを判別する。バルブ１０が開いている場合は、ステップＳ８へ進み、バルブ１０が閉じている場合は、ステップＳ１０へ進む。
【００２２】
ステップＳ８では、ヒートパイプ表面温度センサ１２により検出されたヒートパイプ表面温度が所定温度Ｔ１（例えば１５０℃）以上かどうかを判別する。ヒートパイプ表面温度が、所定温度Ｔ１より低い時はステップＳ６の直前へもどり、所定温度Ｔ１以上の時はステップＳ９へ進む。ステップＳ９では、バルブ１０を閉弁してヒートパイプ９の第２作動流体の循環を停止させて熱回収を停止する。ステップＳ９の後は、ステップＳ６の直前へもどり、同様のステップが繰り返される。
【００２３】
またステップＳ１０では、バルブ１０が閉弁中にヒートパイプ表面温度が所定温度Ｔ２（例えば１００℃）以下かどうかを判定する。ヒートパイプ表面温度が所定温度Ｔ２（例えば１００℃）以下でない場合は、ステップＳ６の直前へもどる。ヒートパイプ表面温度が所定温度Ｔ２（例えば１００℃）以下の場合は、ステップＳ１１へ進みバルブ１０を開弁してヒートパイプ９の第２作動流体の循環を再開して熱回収を再開する。そして、ステップＳ１１の後は、ステップＳ６の直前へもどり、同様のステップが繰り返される。
【００２４】
以上のように、ランキンサイクル１７内の第１作動流体を加熱する手段としてループ式ヒートパイプ９を備え、該ヒートパイプ９内の第２作動流体の循環流を制御する方式により、排気ガスの高温によりＲ１３４ａなどのフロン（登録商標）系媒体が熱分解を起こすことがなく、かつランキンサイクル１７は効率を低下させることなく要求出力を得ることができる。
【００２５】
第１実施形態ではヒートパイプ９の表面温度に基づいてバルブ１０を制御したが、ヒートパイプ９の内圧、ランキンサイクル１７の第１作動流体の出口位置（図１の２０）の温度、に基づいても同様に制御可能である。しかし、該制御では、第１作動流体が局所的に高温になる場合が発生する可能性がある。例えば、ヒートパイプ９の凝縮部８への入口付近の第１作動流体が高温になる可能性がある。その点ではヒートパイプ９の表面温度に基づく制御の方がより安全である。
【００２６】
次に第２実施形態を図４、図５を用いて説明する。
第１実施形態ではＴ１、Ｔ２を固定値としたが、第２実施形態ではランキンサイクル１７の第１作動流体の第１熱交換器１５への入口位置（図１の１９）における温度（以下、「第１作動流体の入口温度」と言う）および冷媒ポンプ回転数その他の第１作動流体の流量を表す指標値によりＴ１、Ｔ２を設定する。第１作動流体の入口温度が低ければあるいは第１作動流体の流量が多ければＴ１、Ｔ２をより高く設定するように構成する。これにより、ランキンサイクル１７の第１作動流体の第２熱交換器からの出口位置（図１の２０）における温度（以下、「第１作動流体の出口温度」と言う）を間接的に制御することが可能となる。すなわち、第１作動流体の出口温度は、第１作動流体の入口温度および流量の関数となっているからである。
【図面の簡単な説明】
【００２７】
【図１】本発明に係る廃熱回生装置のシステム図である。
【図２】図１の第２熱交換器の模式図である。
【図３】図１のヒートパイプの作動のフローチャートである。
【図４】本発明に係る第２実施形態に係るバルブ閉弁温度である。
【図５】本発明に係る第２実施形態に係るバルブ開弁温度である。
【符号の説明】
【００２８】
１    エンジン
２    排気管
３    第２熱交換器
４    冷媒ポンプ
５    膨張機
６    冷却器
７    加熱部
８    凝縮部
９    ヒートパイプ
１０    バルブ
１１    貯留タンク
１２    温度センサ
１３    バルブアクチュエータ
１４    排気温度センサ
１５    第１熱交換器
１６    冷却水回路
１７    ランキンサイクル
１８    発電機
１９    第１作動流体の入口位置
２０    第１作動流体の出口位置
【図１】
2007085195.tif 000003
【図２】
2007085195.tif 000004
【図３】
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【図４】
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【図５】
2007085195.tif 000007