(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
エンジンからの排気を、タービンに導いて大気圧より低い値である負圧にまで膨張させた後に熱交換器に導いて冷却し、この冷却した排気をタービンと同軸のコンプレッサで負圧から大気圧まで圧縮して排出することで動力として取り出す廃熱回収装置において、
冷却水を吐出してエンジンのウォータジャケットに供給するウォータポンプと、ウォータジャケットから出た冷却水を冷却するラジエータとを少なくとも含む冷却装置と、
前記ウォータポンプ出口と前記ラジエータ入口とを接続する第１の通路と、
この第１の通路から分岐して、冷却水が流れる前記熱交換器内の管路の一端と接続される第２の通路と、
前記管路の他端とウォータジャケットのエンジン出口とを接続する第３の通路と、
前記第２の通路の前記第１の通路からの分岐部に設けられる三方弁と
を備え、
エンジンの冷機始動時に前記ウォータポンプ出口と前記第１、第２の通路との連通が遮断されかつ前記第１の通路と第２の通路とが連通されるように、エンジンの暖機完了後には前記ウォータポンプ出口と前記第１の通路との連通が遮断されかつ前記ウォータポンプ出口と前記第２の通路とが連通するように前記三方弁を制御することを特徴とする廃熱回収装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は廃熱回収装置、特にエンジンを熱源とし、熱源からの廃熱を駆動装置の動力として回収する廃熱回収装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
タービンと、コンプレッサと、その間に設置した排気冷却装置とを備え、排気熱を動力に変換する廃熱回収装置において、エンジン冷却水の廃熱を利用した吸収冷凍機を新たに設け、排気を冷却した冷媒の放熱をこの吸収冷凍機の蒸発器により行うものがある（特許文献１参照）。
【特許文献１】特開２００２−１８８４３８号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
ところで、上記特許文献１の技術のように、タービンから出た排気を冷却するための冷却媒体の放熱に吸収冷凍機を利用するのでは、吸収冷凍機の構成が、精留器、凝縮器、吸収器、蒸発器を備えるなど複雑であるため大型化し、自動車に搭載するにしても大きなスペースが必要となってしまう。
【０００４】
そこで本発明は、自動車でも容易に搭載し得る軽量でスペースをとらない廃熱回収装置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】
本発明は、エンジン（１）からの排気を、タービン（２）に導いて大気圧より低い値である負圧にまで膨張させた後に熱交換器（３）に導いて冷却し、この冷却した排気をタービン（２）と同軸のコンプレッサ（４）で負圧から大気圧まで圧縮して排出することで動力として取り出す廃熱回収装置において、冷却水を吐出してエンジンのウォータジャケット（１２）に供給するウォータポンプ（１４）と、ウォータジャケット（１２）から出た冷却水を冷却するラジエータ（１３）とを少なくとも含む冷却装置と、前記ウォータポンプ（１４）出口と前記ラジエータ（１３）入口とを接続する第１の通路（４１）と、この第１の通路（４１）から分岐して、冷却水が流れる前記熱交換器内の管路（３Ｂ）の一端と接続される第２の通路（４２）と、前記管路（３Ｂ）の他端とウォータジャケット（１２）のエンジン出口とを接続する第３の通路（４３）と、前記第２の通路（４２）の前記第１の通路（４１）からの分岐部に設けられる三方弁（４４）とを備え、エンジンの冷機始動時に前記ウォータポンプ（１４）出口と前記第１、第２の通路（４１、４２）との連通が遮断されかつ前記第１の通路（４１）と第２の通路（４２）とが連通されるように、エンジンの暖機完了後には前記ウォータポンプ出口と前記第１の通路（４１）との連通が遮断されかつ前記ウォータポンプ（１４）出口と前記第２の通路（４２）とが連通するように前記三方弁（４４）を制御する。
【発明の効果】
【００１０】
本発明によれば、エンジンからの排気を、タービンに導いて負圧にまで膨張させた後に熱交換器に導いて冷却し、この冷却した排気をタービンと同軸のコンプレッサで負圧から大気圧まで圧縮して排出することで動力として取り出す廃熱回収装置において、冷却水を吐出してエンジンのウォータジャケットに供給するウォータポンプと、ウォータジャケットから出た冷却水を冷却するラジエータとを少なくとも含む冷却装置と、前記ウォータポンプ出口と前記ラジエータ入口とを接続する第１の通路と、この第１の通路から分岐して、冷却水が流れる前記熱交換器内の管路の一端と接続される第２の通路と、前記管路の他端とウォータジャケットのエンジン出口とを接続する第３の通路と、前記第２の通路の前記第１の通路からの分岐部に設けられる三方弁とを備え、エンジンの冷機始動時に前記ウォータポンプ出口と前記第１、第２の通路との連通が遮断されかつ前記第１の通路と第２の通路とが連通されるように、エンジンの暖機完了後には前記ウォータポンプ出口と前記第１の通路との連通が遮断されかつ前記ウォータポンプ出口と前記第２の通路とが連通するように前記三方弁を制御するので、エンジンの冷機時に熱交換器内で排気熱により暖められたエンジン冷却水をウォータジャケットに循環させることが可能となり、自動車への搭載性が向上する上にさらにエンジンの暖機完了を早めることができる。なお、エンジンの暖機完了後には三方弁を切換えることで、熱交換器３内で加熱された冷却水はラジエータ１３に戻って放熱するため、エンジン暖機完了後のエンジン冷却性能を悪化させることなく廃熱回収できる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１１】
以下、本発明の実施形態を図面に基づいて説明する。
【００１２】
図１は本発明に対する第１参考例の廃熱回収装置の概略構成を示している。エンジン１の排気管１１には、エンジン１からの排気を負圧まで膨張させるためのタービン２と、タービン２から出た排気を負圧下で冷却するための熱交換器３と、タービン１と同軸上にあって熱交換器３により冷却された排気を負圧から常圧（大気圧）まで圧縮するためのコンプレッサ４とを備え、タービン１、コンプレッサ４と同軸上に発電機８を設けている。排気エネルギーによりタービン２を駆動することで発電機８が働き、これにより排気エネルギーが電気エネルギーとして回収される。これは、いわゆる逆ブレイトンサイクルにより駆動力を得ることで廃熱回収を行うもので、図４が本発明の廃熱回収装置の基本構成となる。ここで、上記の「負圧」とは大気圧より低い圧力のことである。
【００１３】
エンジン１には、シリンダブロック及びシリンダヘッドを被覆するように形成されるウォータジャケット１２、ラジエータ１３、ウォータポンプ１４、サーモスタット１５、バイパス通路１６からなる冷却装置が設けられている。
【００１４】
この場合に、第１参考例では、タービン２からの排気を冷却するための熱交換器３と、エンジン冷却水を冷却するためのラジエータ１３とを一体化している。すなわち、熱交換器３は、高温の排気と低温の冷却媒体との間で熱交換を行わせる直接式熱交換器であり、高温の状態で入ってきて熱を放出する排気が流れる管路３Ａと、低温の状態で入ってきて熱を受けとる冷却媒体が流れる管路３Ｂとからなっている。一方、ラジエータ１３内には、ウォータジャケット１２のエンジン出口１２Ａから出た高温の冷却水を外気で冷却するためのチューブ１３Ａが設けられるが、このチューブ１３Ａと並列に第２のチューブ１３Ｂがラジエータ１３内に設けられ、この第２のチューブ１３Ｂと上記熱交換器３内の管路３Ｂとが２つの通路２１、２２によって直列に接続され、一つの循環路２３を形成している。言い替えると、熱交換器３内の管路３Ｂ、通路２１、ラジエータ１３内の第２のチューブ１３Ｂ、通路２２の４つから冷却媒体の循環路２３が構成されている。
【００１５】
そして、この循環路２３には循環路２３内の冷却媒体を循環させるためのポンプ２４が設けられている。このポンプ２４の作動、非作動はエンジンコントローラ（図示しない）によりコントロールする。
【００１６】
第１参考例は、エンジン冷却水の循環路とは別に、熱交換器３に流す冷却媒体を循環させる循環路２３を設けているので、循環路２３を循環させるに用いる冷却媒体はエンジン冷却水に限られない。もちろん、エンジン冷却水を用いてもかまわない。
【００１７】
このように構成されると、エンジンの運転中にエンジンコントローラによりポンプ２４を駆動することで、循環路２３を冷却媒体が流れる。熱交換器３内の管路３Ａを流れる高温の排気は熱交換器３のもう一つの管路３Ｂを流れる冷却媒体との間で熱交換を行って、温度低下しコンプレッサ４へと送られる。一方、熱交換器３内の管路３Ｂを流れる冷却媒体は管路３Ａを流れる高温の排気との熱交換で昇温して熱交換器３の外に出る。この昇温した冷却媒体は通路２２からラジエータ１３内の第２チューブ１３Ｂに導かれ、外気によって冷却される。冷却された冷却媒体はラジエータ１３の外に出て、通路２１を通って熱交換器３の管路３Ｂに戻され、再び管路３Ａを通る排気から熱をもらって上昇する。このようにして、熱交換器３内の管路３Ａを流れる排気が循環路２３を流れる冷却媒体によって冷却されることとなる。
【００１８】
第１参考例によれば、エンジン１からの排気を、タービン２に導いて負圧にまで膨張させた後に熱交換器３に導いて冷却し、この冷却した排気をタービン２と同軸のコンプレッサ４で負圧から大気圧まで圧縮して排出することで動力として取り出す廃熱回収装置において、冷却水を吐出してエンジンのウォータジャケット１２に供給するウォータポンプ１４と、ウォータジャケット１２から出た冷却水を冷却するラジエータ１３とを少なくとも含む冷却装置を備え、タービン２を出た排気を冷却するための冷却媒体を熱交換器３に流すと共に、冷却水とは別にこの熱交換器３に流す冷却媒体をもラジエータ１３により冷却している。すなわち、熱交換器３をラジエータ１３と一体化しているので、装置全体で軽量化及び省スペース化が図れることから自動車への搭載性が向上する。
【００１９】
図２は第２参考例の廃熱回収装置の概略構成を示し、図１と同一部分には同一の符号を付している。
【００２０】
第２参考例は、熱交換器３においてタービン２からの排気を冷却するための冷却媒体にエンジン冷却装置に用いているエンジン冷却水をそのまま流用するものである。すなわち、エンジン冷却水は、ラジエータ１３の出口１３Ｃから出た後にウォータポンプ１４を通り、エンジン本体内のウォータジャケット１２に向かうのであるが、ウォータポンプ１４の下流で分岐して熱交換器３内の管路３Ｂの一端３Ｃ（右端）と接続される分岐通路３１と、管路３Ｂの他端３Ｄ（左端）と接続され、ラジエータ１３の入口１３Ｄに合流する戻し通路３２とが設けられている。
【００２１】
このように構成されると、ラジエータ出口１３Ｃから出た冷たい冷却水は、エンジン本体内のウォータジャケット１２に流れ込む。シリンダブロック及びシリンダヘッドとの熱交換で暖められるウォータジャケット１２内の冷却水は、エンジン出口１２Ａからエンジン本体の外に出てラジエータ１３の入口１３Ｄよりラジエータ１３内のチューブ１３Ａを流れここで放熱する。また、ラジエータ出口１３Ｃから出た冷たい冷却水はウォータポンプ１４出口より分岐通路３１を経て熱交換器３内の管路３Ｂを流れる。熱交換器３内の管路３Ａを流れる排気により暖められた管路３Ｂ内の冷却水も、戻し通路３２を介してラジエータ１３の入口１３Ｄよりラジエータ１３内のチューブ１３Ａを流れここで放熱する。すなわち、ラジエータ１３内のチューブ１３Ａ、分岐通路３１、熱交換器３内の管路３Ｂ、戻し通路３２の４つからエンジン冷却水の循環路が形成されている。
【００２２】
第２参考例によれば、エンジン１からの排気を、タービン２に導いて負圧にまで膨張させた後に熱交換器３に導いて冷却し、この冷却した排気をタービン２と同軸のコンプレッサ４で負圧から大気圧まで圧縮して排出することで動力として取り出す廃熱回収装置において、冷却水を吐出してエンジンのウォータジャケット１２に供給するウォータポンプ１４と、ウォータジャケット１２から出た冷却水を冷却するラジエータ１３とを少なくとも含む冷却装置を備え、タービン２を出た排気を冷却するための冷却水を熱交換器３に流すと共に、この冷却水をラジエータ１３により冷却している。すなわち、冷却媒体（冷却水）を一系統化できるため、自動車への搭載性が向上する上にさらに装置を簡略にすることができる。
【００２３】
また、低負荷走行時には、ラジエータ１３の放熱能力を有効に利用することができるため、装置全体を軽量化及び省スペース化できる。
【００２４】
図３は本発明の第１実施形態の廃熱回収装置の概略構成を示し、図１と同一部分には同一の符号を付している。
【００２５】
第１実施形態は、熱交換器３においてタービン２からの排気を冷却するための冷却媒体にエンジン冷却水を用いる点は第２参考例と同じであるが、さらにエンジンの冷機時にエンジン１の暖機を補助し、エンジン１の暖機完了を促進させるようにしたものである。すなわち、ウォータポンプ１４出口から分岐してラジエータ１３の入口に合流する第１の通路４１と、この第１の通路４１のうち、ウォータポンプ１４出口に近い位置から分岐して熱交換器３内の管路３Ｂの一端３Ｃ（右端）と接続される第２の通路４２と、管路３Ｂの他端３Ｄ（左端）と接続され、ウォータジャケット１２のエンジン出口１２Ａに近い位置１２Ｂ（あるいはウォータジャケット１２のエンジン出口１２Ａ）に合流する第３の通路４３とが設けられ、第２の通路４２の第１の通路４１からの分岐部に三方弁４４が介装されている。
【００２６】
三方弁４４は、エンジンの冷機時にウォータポンプ１４出口と２つの通路４１、４２の連通を遮断しかつ第２の通路４２と第１の通路４１とを連通し、エンジンの暖機完了後には、ウォータポンプ１４出口と第１の通路４１との連通を遮断しかつウォータポンプ１４出口と第２の通路４２とを連通するものである。この三方弁４４の切換はエンジンコントローラ（図示しない）により行う。
【００２７】
このように構成されると、エンジン冷機時に、三方弁４４はウォータポンプ１４出口と２つの通路４１、４２との連通を遮断しかつ第２の通路４２と第１の通路４１とを連通する。また、エンジン冷機時にサーモスタット１５は閉じている。このとき、エンジン冷却水は、ウォータジャケット１２で暖められて、シリンダブロック後端部（左端部）にあるエンジン出口１２Ａから出たあと、バイパス通路１６を通ってウォータポンプ１４入口へと戻され、再びウォータジャケット１２で暖められる、というサイクルを繰り返すことで、昇温していき、エンジン本体も昇温してゆく。また、冷却水の一部はウォータジャケット１２のエンジン出口１２Ａに近い位置１２Ｂから出て第３の通路４３を経由して熱交換器５内の管路３Ｂを流れ、ここで排気からの熱を受けとって昇温する。この熱交換器３により暖められ出てきた冷却水は、第２の通路４２、三方弁４４から第１の通路４１、ラジエータ１３内のチューブ１３Ａを経てウォータポンプ１４入口へと戻され、再びウォータジャケット１２のエンジン出口１２Ａに近い位置１２Ｂから出て第３の通路４３を経由して熱交換器５内の管路３Ｂを流れ、ここで排気からの熱を受けとって昇温する、というサイクルを繰り返す。このように、エンジン冷却水は、シリンダブロック、シリンダヘッドとの熱交換により昇温するだけでなく、熱交換器３においてタービン２からの高温の排気によっても昇温するので、その分だけエンジン１の暖機完了を早めることができる。
【００２８】
エンジン１の暖機が完了すると、三方弁４４はウォータポンプ１４出口と第１の通路４１との連通を遮断しかつウォータポンプ１４出口と第２の通路４２とを連通する。このときの冷却水の流れ方は、第２参考例と同様である。すなわち、ウォータポンプ１４からの冷たい冷却水が三方弁４４、第２の通路４２を介して熱交換器３内の管路３Ｂを流れ、ここでタービン２からの排気より熱を奪って、ウォータジャケット１２のエンジン出口１２Ａに近い位置１２Ｂからウォータジャケット１２に戻る。ここからは、エンジン本体内よりウォータジャケット１２のエンジン出口１２Ａに出てくる高温の冷却水と共に、ラジエータ１３に流れて冷却されたあと、ウォータポンプ１４入口に戻される。
【００２９】
第１実施形態（請求項１に記載の発明）によれば、エンジン１からの排気を、タービン２に導いて負圧にまで膨張させた後に熱交換器３に導いて冷却し、この冷却した排気をタービン２と同軸のコンプレッサ４で負圧から大気圧まで圧縮して排出することで動力として取り出す廃熱回収装置において、冷却水を吐出してエンジンのウォータジャケット１２に供給するウォータポンプ１４と、ウォータジャケット１２から出た冷却水を冷却するラジエータ１３とを少なくとも含む冷却装置と、ウォータポンプ１４出口とラジエータ１３入口とを接続する第１の通路４１と、この第１の通路４１から分岐して、冷却水が流れる熱交換器内の管路３Ｂの一端３Ｃと接続される第２の通路４２と、管路３Ｂの他端３Ｄとウォータジャケット１２のエンジン出口１２Ａに近い位置１２Ｂとを接続する第３の通路４３と、第２の通路４２の第１の通路４１からの分岐部に設けられる三方弁４４とを備え、エンジンの冷機始動時にウォータポンプ１４出口と第１、第２の通路４１、４２との連通が遮断されかつ第１の通路４１と第２の通路４２とが連通されるように、エンジンの暖機完了後にはウォータポンプ１４出口と第１の通路４１との連通が遮断されかつウォータポンプ１４出口と第２の通路４２とが連通するように三方弁４４を制御するので、エンジンの冷機時に熱交換器３内で排気熱により暖められたエンジン冷却水をウォータジャケット１２に循環させることが可能となり、自動車への搭載性が向上する上にさらにエンジンの暖機完了を早めることができる。なお、エンジンの暖機完了後には三方弁４４を切換えることで、熱交換器３内で加熱された冷却水はラジエータ１３に戻って放熱するため、エンジン暖機完了後のエンジン冷却性能を悪化させることなく廃熱回収できる。
【００３０】
第１実施形態では、ウォータジャケット１２のエンジン出口１２Ａに近い位置１２Ｂと熱交換器３内の管路３Ｂの左端３Ｄとを接続している場合で説明したが、これに限られるものでない。例えば、ウォータジャケット１２のエンジン出口１２Ａからの高温の冷却水を暖房用のヒータ（熱交換器）に導き、ここで放熱して温度低下した冷却水をウォータポンプ１４の上流に戻すものがある。こうしたものでは、ヒータ出口と熱交換器３内の管路３Ｂの左端３Ｄとを接続すればよい。
【図面の簡単な説明】
【００３１】
【図１】本発明に対する第１参考例の廃熱回収装置の概略構成図。
【図２】第２参考例の廃熱回収装置の概略構成図。
【図３】本発明の第１実施形態の廃熱回収装置の概略構成図。
【図４】本発明の廃熱回収装置の基本構成図。
【符号の説明】
【００３２】
１  エンジン本体
２  タービン
３  熱交換器
３Ａ  管路
３Ｂ  管路
４  コンプレッサ
８  発電機
１１  排気管
１２  ウォータジャケット
１３  ラジエータ
１３Ｂ  第２のチューブ
１４  ウォータポンプ
２３  循環路
３１、３２  通路
４１  第１の通路
４２  第２の通路
４３  第３の通路
４４  三方弁
【図１】
0005012588.tif 000002
【図２】
0005012588.tif 000003
【図３】
0005012588.tif 000004
【図４】
0005012588.tif 000005