(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
第１の作動流体が循環するランキンサイクル配管と、
エンジンの排気管と前記ランキンサイクル配管との間に渡って設けられ、第２の作動流体を封入した封入体を有し、前記第２の作動流体を介して、前記排気管を通過する排気ガスの排熱を前記第１の作動流体に伝達する熱伝達手段とを備え、ランキンサイクルを用いて前記排熱を回生する排熱回生装置において、
前記熱伝達手段は、前記封入体に設けられ前記封入体の内部の圧力を調整して前記第１の作動流体が熱分解することを抑制する圧力調整手段を有していることを特徴とする排熱回生装置。
【請求項２】
前記圧力調整手段は、前記封入体の内部の圧力を、前記第１の作動流体が熱分解を開始する温度における前記第２の作動流体の飽和圧力よりも低い圧力に調整することを特徴とする請求項１に記載の排熱回生装置。
【請求項３】
前記熱伝達手段は、前記エンジンを冷却する冷却水の排熱を前記第１の作動流体に伝達することを特徴とする請求項１または請求項２に記載の排熱回生装置。
【請求項４】
前記排気管の内部には、前記封入体と連通して形成され、内部に前記第２の作動流体が浸入する排気管内熱伝達体が設けられていることを特徴とする請求項１ないし請求項３の何れか１項に記載の排熱回生装置。
【請求項５】
前記排気管内熱伝達部の内部には、前記ランキンサイクル配管に接続された、前記第１の作動流体が通過する冷媒流路部が設けられていることを特徴とする請求項４に記載の排熱回生装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、エンジンの排気管に設けられ、ランキンサイクルを用いて排気管を通過する排気ガスの排熱を回生する排熱回生装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、フロン系冷媒であるＲ１３４ａが循環するランキンサイクル配管と、エンジンの排気管と前記ランキンサイクル配管との間に渡って設けられ、前記水が循環するヒートパイプおよび閉じることで前記水の循環を止めるバルブを有し、前記水を介して、前記排気管を通過する排気ガスの排熱を前記Ｒ１３４ａに伝達する熱交換器とを備え、ランキンサイクルを用いて前記排熱を回生する排熱回生装置が知られている（例えば、特許文献１参照）。
このものの場合、前記水の温度が所定の温度に達した場合に、前記バルブを閉じて前記水の循環を止め、前記水から前記Ｒ１３４ａへの熱の伝達を低減することで、前記Ｒ１３４ａの温度が所定の温度を超えることを抑制し、前記Ｒ１３４ａが熱分解することを抑制する。
【０００３】
【特許文献１】特開２００７−８５１９５号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかしながら、このものの場合、水の温度が所定の温度に達したときにバルブを閉じても、バルブを閉じた直後では、ヒートパイプの内部に水が残っており、瞬時には水の循環は止まらない。
排気管近傍のヒートパイプの内部に残った水は排気ガスから伝達される排熱によってさらに加熱されるので、ヒートパイプの内部の圧力が上昇する。
ヒートパイプの内部の圧力が上昇することで、水の凝縮温度が上昇するので、水の温度が所定の温度を超える。
水の温度が所定の温度を超えることで、ランキンサイクル配管の温度が所定の温度を超え、Ｒ１３４ａの温度が所定の温度を超えてしまい、Ｒ１３４ａが熱分解するという問題点があった。
【０００５】
この発明は、上述のような問題点を解決することを課題とするものであって、その目的は、第２の作動流体の温度が所定の温度に達したときに、第２の作動流体の温度が所定の温度から上昇することを低減して、第１の作動流体が熱分解することを抑制することができる排熱回生装置を提供するものである。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
この発明に係る排熱回生装置は、第１の作動流体が循環するランキンサイクル配管と、エンジンの排気管と前記ランキンサイクル配管との間に渡って設けられ、第２の作動流体を封入した封入体を有し、前記第２の作動流体を介して、前記排気管を通過する排気ガスの排熱を前記第１の作動流体に伝達する熱伝達手段とを備え、ランキンサイクルを用いて前記排熱を回生する排熱回生装置において、前記熱伝達手段は、前記封入体に設けられ前記封入体の内部の圧力を調整して前記第１の作動流体が熱分解することを抑制する圧力調整手段を有している。
【発明の効果】
【０００７】
この発明に係る排熱回生装置によれば、第２の作動流体の温度が所定の温度に達したときに、圧力調整手段が封入体の内部の圧力を調整することで、第２の作動流体の温度が所定の温度から上昇することが低減されて、第１の作動流体が熱分解することを抑制することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００８】
実施の形態１．
図１はこの実施の形態に係る排熱回生装置を示す全体構成図、図２は図１の三流体熱交換器５を示す説明図、図３は図２の恒温槽１２および圧力調整弁１５を示す説明図である。
この実施の形態に係る排熱回生装置が取り付けられる自動車は、駆動力を発生する内燃機関であるエンジン１と、一端部がこのエンジン１に接続された、エンジン１から大気中に排気ガスを他端部から放出する排気管２と、エンジン１に両端部が接続された、冷却水ポンプ（図示せず）の駆動により冷却水が循環してエンジン１を冷却する冷却水回路３とを備えている。
なお、この排熱回生装置は、自動車に限らず、エンジン１を有したその他のものに取り付けられてもよい。
【０００９】
この排熱回生装置は、第１の作動流体であるフロン系冷媒のＨＦＣ−１３４ａ（以下、Ｒ１３４ａと記載）が循環するランキンサイクル配管４と、排気管２とランキンサイクル配管４との間に渡って設けられ、排気管２を通過する排気ガスの排熱をＲ１３４ａに伝達する熱伝達手段である、排気ガスと冷却水とＲ１３４ａとが内部を通過する三流体熱交換器５とを備えている。
なお、ランキンサイクル配管４には、Ｒ１３４ａに限らず、その他のフロン系冷媒が循環してもよい。
また、この排熱回生装置は、ランキンサイクル配管４からＲ１３４ａを三流体熱交換器５へ送り出す冷媒ポンプ６と、三流体熱交換器５から送り出されたＲ１３４ａが膨張することで動力が発生する膨張機７と、膨張後のＲ１３４ａを冷却し凝縮して液体にするコンデンサ８とを備えている。
膨張機７には、発電機（図示せず）が接続されており、膨張機７に発生した動力により電力が発生する。
なお、膨張機７には、発電機に限らず、例えば、動力機構が接続されてもよい。この場合、膨張機７に発生した動力が動力機構に回収される。
【００１０】
冷媒ポンプ６により三流体熱交換器５へ送り込まれたＲ１３４ａは、加熱され気化して蒸気となった後、三流体熱交換器５から膨張機７へ送り込まれる。
膨張機７においてＲ１３４ａが膨張して電力が発生した後、膨張機７から送り出されたＲ１３４ａは、コンデンサ８に送り込まれ、冷却され凝縮して液体となり、再び、冷媒ポンプ６により三流体熱交換器５に送り込まれる。
【００１１】
三流体熱交換器５は、排気管２に接続された、排気ガスが通過する排気ガス流路部９と、冷却水回路３に接続された、冷却水が通過する冷却水流路部１０と、ランキンサイクル配管４に接続された、Ｒ１３４ａが通過する冷媒流路部１１とを有している。
また、三流体熱交換器５は、内部に第２の作動流体である水が封入された封入体である恒温槽１２を有している。
なお、恒温槽１２には、水に限らず、例えば、エチレングリコールが封入されてもよい。
また、三流体熱交換器５は、排気ガス流路部９と恒温槽１２との間に設けられた、排気ガスと水との熱交換を可能にする排気ガス熱交換器部１３と、冷却水流路部１０と冷媒流路部１１との間に設けられた、冷却水とＲ１３４ａとの熱交換を可能にする冷却水熱交換器部１４とを有している。
冷媒流路部１１は、冷却水熱交換器部１４より下流側で、一部が恒温槽１２の内部に挿入されている。
これにより、恒温槽１２の内部では、Ｒ１３４ａと水との熱交換が可能となる。
【００１２】
冷媒流路部１１を通過するＲ１３４ａは、冷却水熱交換器部１４において、冷却水と熱交換が行われて、冷却水の排熱がＲ１３４ａに伝達される。
次に、Ｒ１３４ａが恒温槽１２の内部に浸入すると、Ｒ１３４ａは恒温槽１２の内部に封入された水と熱交換が行われて、水の熱がＲ１３４ａに伝達される。
このとき、恒温槽１２の内部の水は、排気ガス熱交換器部１３において、排気ガスと熱交換が行われているので、排気ガスの排熱が水に伝達されている。
したがって、Ｒ１３４ａには、排気ガスの排熱が伝達される。
Ｒ１３４ａは、恒温槽１２で加熱されることにより、過飽和の状態に気化する。
【００１３】
排気ガス流路部９と冷却水流路部１０とは隣接して配置されているので、排気ガス流路部９と冷却水流路部１０との間では、排気ガスと冷却水との熱交換が行われる。
また、冷却水流路部１０と恒温槽１２とが隣接して配置されているので、冷却水流路部１０と恒温槽１２との間では、冷却水と水との熱交換が行われる。
これにより、Ｒ１３４ａへ熱を効果的に供給することができる。
【００１４】
三流体熱交換器５は、恒温槽１２に設けられた、恒温槽１２の内部の圧力を調整する圧力調整手段である圧力調整弁１５を有している。
この圧力調整弁１５は、自動車のエンジン１のラジエータキャップにおける圧力調整機構と同様なものでよい。
これにより、圧力調整弁１５を安価に取り付けることができ、また、水が蒸発などにより減少した場合には、簡単に恒温槽１２に水を補給することができる。
恒温槽１２の内部の水の温度は、排気ガスとの熱交換による加熱と、Ｒ１３４ａとの熱交換による冷却とによって熱バランスしており、恒温槽１２の内部の圧力に対する飽和温度によって決定される。
恒温槽１２の内部の圧力は、圧力調整弁１５により、水の飽和温度が１２０℃〜１５０℃となる飽和圧力である０．２ＭＰａ〜０．５ＭＰａに調整されている。
これにより、エンジン１の出力変化により、過渡的に排気ガスの温度が上昇した場合であっても、恒温槽１２の内部の圧力が飽和圧力に保たれているので、水の温度が所定の温度を超えて上昇することがない。
その結果、冷媒流路部１１を通過するＲ１３４ａが所定の温度を超えて加熱されることが防止され、Ｒ１３４ａが熱分解することが抑制される。
【００１５】
以上説明したように、この実施の形態に係る排熱回生装置によれば、三流体熱交換器５は、恒温槽１２に圧力調整弁１５が取り付けられているので、恒温槽１２の内部の水の温度が所定の温度に達したときに、恒温槽１２の内部の水が所定の温度から上昇することが低減され、冷媒流路部１１を通過するＲ１３４ａが熱分解することを抑制することができる。
【００１６】
また、恒温槽１２の内部の圧力は、圧力調整弁１５により、Ｒ１３４ａが熱分解する温度における水の飽和圧力よりも低い圧力に調整されているので、過渡的に排気ガスの温度が上昇した場合においても、恒温槽１２の内部の圧力が飽和圧力に保たれており、水はＲ１３４ａが熱分解する温度に達することが防止されるので、Ｒ１３４ａが熱分解することを防止することができる。
【００１７】
また、三流体熱交換器５は、排気ガスの排熱をＲ１３４ａに伝達することに加え、冷却水の排熱をＲ１３４ａに伝達するので、効果的にＲ１３４ａへ熱を供給することができる。
【００１８】
なお、図４に示すように、排気ガス熱交換器部１３の換わりに、排気管２の内部に、恒温槽１２と連通して形成された排気管内熱伝達体であるフレキ管形状の排気ガス熱交換用管１６を設けてもよい。
排気ガス熱交換用管１６は、内部に恒温槽１２の水が浸入可能となっている。
この場合、排気管２を通過する排気ガスが排気ガス熱交換用管１６に衝突して、強制対流熱伝達率が増大するので、排気ガスと水との熱交換効率が向上して、排気ガスの排熱を効果的に恒温槽１２の内部の水に伝達することができる。
また、冷却水熱交換器部１４の換わりに、冷却水回路３の内部に、冷媒流路部１１と連通して形成されたフレキ管形状の冷却水熱交換用管１７を設けてもよい。
冷却水熱交換用管１７は、内部にＲ１３４ａが浸入可能となっている。
この場合、冷却水回路３を通過する冷却水が冷却水熱交換用管１７に衝突して、強制対流熱伝達率が増大するので、冷却水とＲ１３４ａとの熱交換効率が向上して、冷却水の排熱を効果的にＲ１３４ａに伝達することができる。
また、冷媒流路部１１は、恒温槽１２の内部に、内部にＲ１３４ａが浸入するフレキ管形状の管部１８を有してもよい。
この場合、恒温槽１２の内部における冷媒流路部１１の表面積が増大するので、恒温槽１２の内部の水の熱をＲ１３４ａへ効果的に伝達することができる。
なお、排気ガス熱交換用管１６、冷却水熱交換用管１７および管部１８は、フレキ管形状に限らず、例えば、螺旋管形状であってもよい。
【００１９】
また、図５に示すように、排気ガス熱交換器部１３の換わりに、排気管２の内部に、恒温槽１２と連通して形成された排気管内熱伝達体である排気ガス熱交換用直管１９を設けてもよい。
この排気ガス熱交換用直管１９の内部には、冷媒流路部１１が設けられている。
この場合、冷媒流路部１１が排気管２の近くに配置されるので、排気ガスの排熱をさらに効果的にＲ１３４ａに伝達することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２０】
【図１】この発明の実施の形態１に係る排熱回生装置を示す全体構成図である。
【図２】図１の三流体熱交換器を示す説明図である。
【図３】図２の恒温槽および圧力調整弁を示す説明図である。
【図４】この発明の実施の形態１に係る排熱回生装置の三流体熱交換器の他の例を示す説明図である。
【図５】この発明の実施の形態１に係る排熱回生装置の三流体熱交換器のさらに他の例を示す説明図である。
【符号の説明】
【００２１】
１  エンジン、２  排気管、３  冷却水回路、４  ランキンサイクル配管、５  三流体熱交換器（熱伝達手段）、６  冷媒ポンプ、７  膨張機、８  コンデンサ、９  排気ガス流路部、１０  冷却水流路部、１１  冷媒流路部、１２  恒温槽（封入体）、１３  排気ガス熱交換器部、１４  冷却水熱交換器部、１５  圧力調整弁（圧力調整手段）、１６  排気ガス熱交換用管（排気管内熱伝達体）、１７  冷却水熱交換用管、１８  管部、１９  排気ガス熱交換用直管（排気管内熱伝達体）。
【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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