(57)【要約】【課題】内燃機関の廃熱利用システムに好適な、新規な蓄熱タンクを提供する。【解決手段】一方の向きへの流体の流れのみを許容する逆止弁１３と、逆止弁１３に対して並列に配置され、流体の温度に応じて流体通路１２２２、１２２３を開閉する開閉弁１４とを、蓄熱タンク１２に内蔵することにより、搭載スペースを小さくすることができる。また、逆止弁１３を単体で流体回路に搭載しなくて済むため、ビス止めが不要で、ホースクランプも不要となり、工数を削減することができる。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
流体を保温貯蔵するタンク本体（１２１）と、前記タンク本体（１２１）内に連通する流体通路（１２２２、１２２３）が形成されたハウジング（１２２、１２３）とを備える蓄熱タンクにおいて、
一方の向きへの流体の流れのみを許容する逆止弁（１３）と、前記逆止弁（１３）に対して並列に配置され、流体の温度に応じて前記流体通路（１２２２、１２２３）を開閉する開閉弁（１４）とを備え、
前記逆止弁（１３）および前記開閉弁（１４）が前記ハウジング（１２２、１２３）内に収納されていることを特徴とする蓄熱タンク。
【請求項２】
前記逆止弁（１３）はドーナツ状の弁体（１３１）を備え、前記弁体（１３１）と同軸に且つ前記弁体（１３１）の内側に前記開閉弁（１４）が配置されていることを特徴とする請求項１に記載の蓄熱タンク。
【請求項３】
前記開閉弁（１４）は、流体の温度に応じて体積が変化するサーモワックスを備え、このサーモワックスの体積変化に応じて作動する構成であり、
前記ハウジング（１２２、１２３）は、前記開閉弁（１４）の前後の前記流体通路（１２２３）間を常時連通させる連通路（１２３２）を有することを特徴とする請求項１または２に記載の蓄熱タンク。
【請求項４】
請求項１ないし３のいずれか１つに記載の蓄熱タンク（１２）と、
水冷式の内燃機関（１）とラジエータ（２）との間で流体を流通させる主流体回路（３）と、
前記内燃機関（１）の動力によって機械的に駆動され、前記主流体回路（３）内で流体を循環させる第１ポンプ（４）と、
前記内燃機関（１）と前記蓄熱タンク（１２）との間で流体を流通させる蓄熱流体回路（１０）と、
前記蓄熱流体回路（１０）に設けられ、電気をエネルギー源として作動して流体を前記内燃機関（１）に向けて圧送する第２ポンプ（１１）とを備え、
前記逆止弁（１３）は、前記第１ポンプ（４）によって循環される流体が前記蓄熱流体回路（１０）内を流通するのを阻止するとともに、前記第２ポンプ（１１）によって圧送される流体が前記蓄熱流体回路（１０）内を流通するのを許容し、
前記開閉弁（１４）は、流体の温度が閾値以上になったときに前記蓄熱流体回路（１０）を開くことを特徴とする内燃機関の廃熱利用システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、流体を保温貯蔵する蓄熱タンク、およびその蓄熱タンクを用いて内燃機関の冷却水を保温貯蔵する廃熱利用システムに関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来、水冷式内燃機関の廃熱を利用するシステムとして、内燃機関運転中に冷却水回路を流れる高温の冷却水を蓄熱タンクに貯蔵しておき、この蓄熱タンクに貯蔵されている温水を電動ポンプによって次回の内燃機関の始動直前に内燃機関に供給して内燃機関の暖機促進を図るものが提案されている。
【０００３】
上記の廃熱利用システムにおいては、長期間内燃機関が作動しなかった場合など、内燃機関始動時において蓄熱タンク内の温度が冷却水よりも低い状態が起こりえる。このような状態において、蓄熱タンクに冷却水を流入させると、蓄熱装置が冷却水の温度上昇を妨げる側に作用してしまうという課題があった。
【０００４】
そこで、３つの入出力口を有する３方弁により冷却水の流れを切り替えることによって、蓄熱タンクへの冷却水の流通が望まれない場合には、蓄熱タンクを迂回させるシステムが知られている（例えば、特許文献１参照）。
【特許文献１】特開平１０−７１８３８号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、特許文献１に記載のシステムは、３方弁を用いているため、コスト的に高価なものとなっている。そこで、本出願人は、３方弁を廃止した廃熱利用システムを特願２００５−１１９５８１（以下、先願という）にて提案した。
【０００６】
その廃熱利用システムは、内燃機関によって駆動される機械式ポンプにより内燃機関とラジエータとの間で冷却流体を流通させる主流体回路とともに、「内燃機関の冷却水流出側→内燃機関の冷却水流出側からの流れを阻止する逆止弁→蓄熱タンク→内燃機関の冷却水流出側に向かって流れを発生させる電動ポンプ→内燃機関の冷却水流入側」という蓄熱用の冷却水回路を備えている。
【０００７】
この蓄熱用の冷却水回路は、内燃機関暖気時及び内燃機関停止時に電動ポンプを作動させることで、内燃機関暖気時には蓄熱タンクに貯えられた温水を用いて内燃機関の暖気を行い、内燃機関停止時には蓄熱タンクに冷却水回路内のまだ暖かい冷却水を貯えることができる。
【０００８】
しかし、上記先願の廃熱利用システムは、電動ポンプを作動させなければ蓄熱タンク内に冷却水を導入することができず、電力を消費してしまうという問題があった。
【０００９】
また、逆止弁と蓄熱タンクを別体にしているため、搭載スペースが大きくなるとともに、逆止弁をホースに接続するためのクランプ取り付けやそのネジの締め付けなどの工数が必要となる。
【００１０】
本発明は上記の問題に鑑みてなされたものであり、内燃機関の廃熱利用システムに好適な、新規な蓄熱タンクを提供することを第１の目的とする。また、内燃機関の廃熱利用システムにおいて、電動ポンプの作動頻度を低くし、電力消費を抑えることを第２の目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
本発明の第１の特徴では、流体を保温貯蔵するタンク本体（１２１）と、タンク本体（１２１）内に連通する流体通路（１２２２、１２２３）が形成されたハウジング（１２２、１２３）とを備える蓄熱タンクにおいて、一方の向きへの流体の流れのみを許容する逆止弁（１３）と、逆止弁（１３）に対して並列に配置され、流体の温度に応じて流体通路（１２２２、１２２３）を開閉する開閉弁（１４）とを、ハウジング（１２２、１２３）内に収納している。
【００１２】
このような構成では、逆止弁（１３）および開閉弁（１４）を蓄熱タンクに内蔵しているため、搭載スペースを小さくすることができる。また、逆止弁（１３）を単体で流体回路に搭載しなくて済むため、ビス止めが不要で、ホースクランプも不要となり、工数を削減することができる。
【００１３】
この場合、サーモワックス式の開閉弁（１４）を用い、ハウジング（１２２、１２３）に、開閉弁（１４）の前後の流体通路（１２２３）間を常時連通させる連通路（１２３２）を設けることができる。
【００１４】
このようにすれば、開閉弁（１４）および逆止弁（１３）がともに閉弁しているときでも、連通路（１２３２）を介して流体が流通するため、サーモワックス式の開閉弁（１４）を確実に作動させることができる。
【００１５】
本発明の第２の特徴では、本発明の第１の特徴を備える蓄熱タンク（１２）と、水冷式の内燃機関（１）とラジエータ（２）との間で流体を流通させる主流体回路（３）と、内燃機関（１）の動力によって機械的に駆動され、主流体回路（３）内で流体を循環させる第１ポンプ（４）と、内燃機関（１）と蓄熱タンク（１２）との間で流体を流通させる蓄熱流体回路（１０）と、蓄熱流体回路（１０）に設けられ、電気をエネルギー源として作動して流体を内燃機関（１）に向けて圧送する第２ポンプ（１１）とを備え、逆止弁（１３）は、第１ポンプ（４）によって循環される流体が蓄熱流体回路（１０）内を流通するのを阻止するとともに、第２ポンプ（１１）によって圧送される流体が蓄熱流体回路（１０）内を流通するのを許容し、開閉弁（１４）は、流体の温度が閾値以上になったときに蓄熱流体回路（１０）を開くようにしている。
【００１６】
このような構成では、流体の温度が閾値以上になると開閉弁（１４）が蓄熱流体回路（１０）を開くため、第１ポンプ（４）によって循環される冷却流体が蓄熱流体回路（１０）内を流通して、蓄熱タンク（１２）内に高温の流体が回収される。これにより、電動の第２ポンプ（１１）を作動させる必要がなくなるため、第２ポンプ（１１）の作動頻度を低くして電力消費を抑えることができる。
【００１７】
なお、特許請求の範囲およびこの欄で記載した各手段の括弧内の符号は、後述する実施形態に記載の具体的手段との対応関係を示すものである。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１８】
本発明の一実施形態について説明する。図１は本発明の一実施形態に係る内燃機関の廃熱利用システムの全体構成を示す図である。
【００１９】
図１において、車両（図示せず）は走行駆動源としての内燃機関１を備えている。この内燃機関１は水冷式であり、シリンダブロック１ａおよびシリンダヘッド１ｂには、冷却水を流通させるためのウォータージャケット（図示せず）が形成されている。なお、冷却水は、本発明の冷却流体に相当する。
【００２０】
内燃機関１を冷却して高温になった冷却水は、ラジエータ２にて冷却されるようになっている。周知のように、ラジエータ２は、冷却水と外気とを熱交換して冷却水を冷却するものである。内燃機関１とラジエータ２は、内燃機関１とラジエータ２との間で閉回路を形成する主冷却水回路３によって接続されている。なお、主冷却水回路３は、本発明の主流体回路に相当する。
【００２１】
主冷却水回路３には、内燃機関１の動力によって機械的に駆動されて主冷却水回路３等に冷却水を循環させる第１ポンプ４が配設されている。そして、主冷却水回路３内においては、冷却水は、シリンダヘッド１ｂからラジエータ２を経由してシリンダブロック１ａに循環するようになっている。
【００２２】
主冷却水回路３の途中には、ラジエータ２を迂回させて冷却水を流通させるバイパス回路５が、主冷却水回路３に対して並列に接続されている。主冷却水回路３とバイパス回路５との接続部に設けられたサーモスタット６により、バイパス回路５に冷却水を流通させる場合とラジエータ２に冷却水を流通させる場合との切替制御がなされる。因みに、両回路３、５の切り換えは、通常、冷却水温度が約８０℃以上の場合にはラジエータ２に流れるように制御され、約８０℃未満の場合にはバイパス回路５に流れるように制御される。
【００２３】
車両には、車室内の空調を行う空調装置７が搭載されている。空調装置７は、室内に吹き出す空気の通路を構成する空調ケーシング７ａを備え、この空調ケーシング７ａ内の空気流れ上流側には、室内に空気を送風する送風機７ｂが配設されている。
【００２４】
空調ケーシング７ａ内において送風機７ｂの空気流れ下流側には、送風機７ｂから送風された空気を冷却する蒸発器７ｃが配設されている。この蒸発器７ｃは、周知の蒸気圧縮式冷凍機の冷媒蒸発器である。
【００２５】
空調ケーシング７ａ内において蒸発器７ｃの空気流れ下流側には、内燃機関１の冷却水（温水）を熱源として、送風機７ｂから送風された空気を加熱するヒータコア７ｄが配設されている。
【００２６】
空調ケーシング７ａ内においてヒータコア７ｄの空気流入側には、ヒータコア７ｄを通過する空気の量とヒータコア７ｄを迂回して室内側（下流側）に流れる空気の量とを調節することにより、室内に吹き出す空気の温度を調節するエアミックスドア７ｅが配設されている。なお、このエアミックスドア７ｅは、電動機によって駆動されるようになっている。
【００２７】
内燃機関１とヒータコア７ｄは、内燃機関１とヒータコア７ｄとの間で閉回路を形成する暖房用冷却水回路８によって接続されている。より詳細には、暖房用冷却水回路８の一端はシリンダヘッド１ｂのウォータージャケットに接続され、暖房用冷却水回路８の他端は、第１ポンプ４とサーモスタット６との間で主冷却水回路３に合流し、第１ポンプ４を経由してシリンダブロック１ａのウォータージャケットに接続されている。
【００２８】
暖房用冷却水回路８の途中、より詳細には、シリンダヘッド１ｂのウォータージャケットとヒータコア７ｄとの間には、電動機によって駆動されて暖房用冷却水回路８を開閉する２方弁９が配設されている。そして、暖房用冷却水回路８内においては、冷却水は、シリンダヘッド１ｂから２方弁９を経由した後にヒータコア７ｄに流入するようになっている。
【００２９】
暖房用冷却水回路８においてシリンダヘッド１ｂのウォータージャケットと２方弁９との間には、冷却水温度に応じた電気信号を出力する水温センサＳｗが配設されている。
【００３０】
暖房用冷却水回路８の途中から蓄熱用冷却水回路１０が分岐されている。この蓄熱用冷却水回路１０は、暖房用冷却水回路８におけるヒータコア７ｄよりも冷却水流れ下流側から分岐し、シリンダブロック１ａのウォータージャケットに接続されている。なお、蓄熱用冷却水回路１０は、本発明の蓄熱流体回路に相当する。
【００３１】
蓄熱用冷却水回路１０には、電動機およびこの電動機によって駆動されるポンプにて構成された第２ポンプ１１、換言すると、電気をエネルギー源として作動する第２ポンプ１１が配設されている。そして、第２ポンプ１１の作動により、冷却水をシリンダブロック１ａのウォータージャケットに向けて圧送するようになっている。
【００３２】
蓄熱用冷却水回路１０において第２ポンプ１１よりも冷却水流れ下流側には、冷却水を保温貯蔵する蓄熱タンク１２が配設されている。この蓄熱タンク１２内には、第２ポンプ１１の冷却水圧送方向の流れのみを許容する逆止弁１３と、この逆止弁１３に対して並列に配置され、冷却水の温度に応じて蓄熱タンク１２内の冷却水通路を開閉する開閉弁１４が配設されている。
【００３３】
電子制御装置１５は、図示しないＣＰＵ、ＲＯＭ、ＲＡＭ等からなる周知のマイクロコンピュータを備え、マイクロコンピュータに記憶したプログラムに従って演算処理を行うものであり、具体的には、水温センサＳｗの出力信号、キースイッチ（図示せず）の操作位置信号、さらには内燃機関１の停止条件や再始動条件を判定するための各種情報が入力され、これらの入力信号に基づいて、内燃機関１、エアミックスドア７ｅ、２方弁９、および第２ポンプ１１等の作動を制御する。
【００３４】
図２は蓄熱タンク１２の具体的な構成を示す断面図、図３は逆止弁１３および開閉弁１４を拡大して示す断面図である。
【００３５】
図２に示すように、蓄熱タンク１２は、冷却水を保温貯蔵するタンク本体１２１を備えている。このタンク本体１２１は、例えばステンレスのような耐食性に優れた材質にて有底円筒状に形成された内筒１２１１および外筒１２１２を備え、内筒１２１１と外筒１２１２との間に略真空状態の断熱空間１２１３が形成され、内筒１２１１の内部には冷却水を貯留する貯留部１２１４が形成されている。
【００３６】
タンク本体１２１には、タンク本体１２１の開口部を閉塞するようにして樹脂製の第１ハウジング１２２が挿入されている。内筒１２１１と第１ハウジング１２２との間には、内筒１２１１と第１ハウジング１２２との間をシールするＯリング１２２１が配置されている。
【００３７】
第１ハウジング１２２における貯留部１２１４側の端部には、第２ハウジング１２３が挿入されている。そして、第１ハウジング１２２には、第２ポンプ１１（図１参照）側の蓄熱用冷却水回路１０（図１参照）と貯留部１２１４とを連通させる冷却水流入通路１２２２が形成され、第１ハウジング１２２および第２ハウジング１２３には、シリンダブロック１ａ（図１参照）側の蓄熱用冷却水回路１０と貯留部１２１４とを連通させる冷却水流出通路１２２３が形成されている。なお、冷却水流入通路１２２２および冷却水流出通路１２２３は、本発明の流体通路に相当する。
【００３８】
第２ハウジング１２３における貯留部１２１４側の端部にはパイプ１２４が装着されている。そして、パイプ１２４により、冷却水流出通路１２２３と貯留部１２１４が連通されている。
【００３９】
また、第１ハウジング１２２における貯留部１２１４側の端部には、冷却水流入通路１２２２における貯留部１２１４側の端部を囲むようにして、略カップ状の混合防止板１２５が装着されている。混合防止板１２５には複数個の流出穴１２５１が形成されており、冷却水流入通路１２２２から流入した冷却水は、流出穴１２５１を介して貯留部１２１４側に流入するようになっている。
【００４０】
図２および図３に示すように、冷却水流出通路１２２３は、第２ハウジング１２３内において並列な２つの冷却水流出通路１２２３ａ、１２２３ｂに分岐されている。２つの冷却水流出通路１２２３ａ、１２２３ｂは同軸に配置されており、円筒状の第１冷却水流出通路１２２３ａの内側に、円柱状の第２冷却水流出通路１２２３ｂが位置している。
【００４１】
第１冷却水流出通路１２２３ａに逆止弁１３が配設されており、この逆止弁１３は、第１冷却水流出通路１２２３ａを開閉するドーナツ状の弁体１３１と、この弁体１３１を閉弁向きに付勢する円筒型コイルスプリング１３２とからなる。
【００４２】
第２冷却水流出通路１２２３ｂに開閉弁１４が配設されており、この開閉弁１４は、温度の上昇に伴って体積が増加するとともに温度が閾値になったときに体積が急変するサーモワックスを内蔵した感温部１４１と、第２ハウジング１２３に固定されるとともにサーモワックスの体積変化に応じて感温部１４１から出入りして感温部１４１を移動させるロッド１４２と、感温部１４１の外周部に固定されて第２冷却水流出通路１２２３ｂを開閉する弁体１４３と、この弁体１４３を閉弁向きに付勢する円錐型コイルスプリング１４４とからなる。
【００４３】
図４は図３のＡ部における第２ハウジング１２３の拡大断面図、図５は図４のＢ矢視図である。図４および図５に示すように、第２ハウジング１２３における開閉弁１４の弁体１４３が接離する弁座１２３１には、開閉弁１４の前後の第２冷却水流出通路１２２３ｂ間を常時連通させる溝形状の連通路１２３２が形成されている。
【００４４】
次に、本実施形態に係る廃熱利用システムの作動について説明する。
【００４５】
まず、内燃機関１の始動直前にプレヒートモードが実行される。すなわち、電子制御装置１５は、内燃機関１が停止状態のときにキースイッチが始動位置に操作され、且つ冷却水温度が設定温度以下である場合は、所定時間の間、２方弁９を開弁状態にして暖房用冷却水回路８を開くとともに第２ポンプ１１を作動させて、プレヒートモードを実行させる。
【００４６】
このときには第２ポンプ１１の吐出圧によって逆止弁１３が開弁し、図１に矢印で示すように、蓄熱タンク１２→シリンダブロック１ａ→シリンダヘッド１ｂ→２方弁９→ヒータコア７ｄ→第２ポンプ１１→蓄熱タンク１２の順に冷却水が循環するとともに、蓄熱タンク１２→シリンダブロック１ａ→第１ポンプ４→第２ポンプ１１→蓄熱タンク１２の順に冷却水が循環するので、蓄熱タンク１２内に保温貯蔵された高温の冷却水により内燃機関１が加熱される。したがって、内燃機関１の暖機を促進して、車両燃費や排気性能を向上させることができる。因みに、プレヒートモードの終了後に内燃機関１を始動させる。
【００４７】
次に、内燃機関１の暖気運転中は、第１ポンプ４が作動し第２ポンプ１１は停止しており、第１ポンプ４→シリンダブロック１ａ→シリンダヘッド１ｂ→バイパス回路５→サーモスタット６→第１ポンプ４の順に冷却水が循環する。
【００４８】
また、蓄熱タンク１２においては、第１ポンプ４の吐出圧がシリンダブロック１ａおよび蓄熱用冷却水回路１０を介して作用しているため逆止弁１３は閉弁しており、冷却水温度が低いため開閉弁１４も閉弁している。但し、第２ハウジング１２３の連通路１２３２を介して、感温部１４１のサーモワックスが感温できる程度の微少流量の冷却水が、第２冷却水流出通路１２２３ｂ側から貯留部１２１４に向かって流れる。なお、この微少流量の冷却水は、ヒータ性能等に影響しないようにする必要性がある。
【００４９】
その後、内燃機関１の暖気が進行して冷却水温度が閾値に達すると、図６に示すように、開閉弁１４は、サーモワックスの膨張によって感温部１４１および弁体１４３が第２ハウジング１２３の弁座１２３１から離れる向きに移動され、第２冷却水流出通路１２２３ｂを開く。
【００５０】
このため、第１ポンプ４から送り出された高温の冷却水の一部が、シリンダブロック１ａ→蓄熱用冷却水回路１０→冷却水流出通路１２２３→第２冷却水流出通路１２２３ｂ→貯留部１２１４の順に流れる。したがって、プレヒートモード時に蓄熱タンク１２内に流入した低温の冷却水が、高温の冷却水と入れ替えられ、蓄熱タンク１２に高温の冷却水が貯蔵される。
【００５１】
このように、電動の第２ポンプ１１を作動させることなく蓄熱タンク１２に高温の冷却水を貯蔵することができるため、第２ポンプ１１の作動頻度を低くして電力消費を抑えることができる。
【００５２】
より詳細には、第２ポンプ１１は蓄熱タンク１２内の温水を用いて内燃機関１を暖気する場合（プレヒートモード実行時）のみ使用され、前述した先願の廃熱利用システムのように、内燃機関停止後に蓄熱タンク１２への温水回収のために作動させられることはないため、第２ポンプ１１の作動頻度が低くなり、電力消費を抑えることができる
また、逆止弁１３および開閉弁１４を蓄熱タンク１２に内蔵しているため、搭載スペースを小さくすることができる。また、逆止弁１３を単体で蓄熱用冷却水回路１０に搭載しなくて済むため、ビス止めが不要で、ホースクランプも不要となり、工数を削減することができる。
【００５３】
（他の実施形態）
上記実施形態では、サーモワックス式の機械式の開閉弁１４を用いたが、電子制御装置１５にて作動が制御される電子式の開閉弁１４を用いてもよい。
【００５４】
なお、蓄熱タンク１２に逆止弁１３と開閉弁１４が一体に設けられていなくても、内燃機関の冷却水流出側の冷却水温度に応じて開閉弁１４が開き、逆止弁１３をバイパスして冷却水が通過しさえすれば、第２ポンプ１１の作動頻度を低くして、消費電力を抑えるという効果を得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【００５５】
【図１】本発明の一実施形態に係る内燃機関の廃熱利用システムの全体構成を示す図である。
【図２】図１の蓄熱タンク１２の具体的な構成を示す断面図である。
【図３】図２の逆止弁１３および開閉弁１４を拡大して示す断面図である。
【図４】図３のＡ部の拡大断面図である。
【図５】図４のＢ矢視図である。
【図６】図２の開閉弁１４の開弁状態を示す断面図である。
【符号の説明】
【００５６】
１３…逆止弁、１４…開閉弁、１２１…タンク本体、１２２、１２３…ハウジング、１２２２…冷却水流入通路（流体通路）、１２２３…冷却水流出通路（流体通路）。
【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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