(57)【要約】【課題】ランキンサイクルにより回収できず、放出されていたエンジンの廃熱を回収し、廃熱回収効率を向上することを課題とする。【解決手段】廃熱回収装置１は、エンジン３と、過熱器９とにおいて廃熱を付与した蒸気により、タービン５を駆動し、コンプレッサ６の動力回生及び発電機７の電力回生を行うランキンサイクルを形成するとともに、このようなランキンサイクルで回収することのできない廃熱をエンジン３、過熱器９、触媒装置１１、凝縮器１２、空調装置１４に装着させた熱電変換素子１５ａ乃至１５ｅにより電気エネルギーを蓄電装置８に回収する。【選択図】図１
2009133210.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
ランキンサイクルに含まれる廃熱保有部に装着された熱電変換素子と、
当該熱電変換素子により変換された電気エネルギーを蓄電する蓄電装置と、
を備えたことを特徴とする廃熱回収装置。
【請求項２】
請求項１記載の廃熱回収装置において、
前記廃熱保有部の温度を計測する温度計測手段と、
当該温度計測手段の取得する温度情報に基づいて、前記熱電変換素子と前記蓄電装置との電気的な接続と遮断とを切替える制御手段と、
を備えた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、エンジンにおける廃熱を、蒸気を介して回収する廃熱回収装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、内燃機関（エンジン）の駆動に伴って発生する廃熱を、ランキンサイクルを利用して回収する廃熱回収装置が知られている。このような廃熱回収装置には、例えば、エンジンの水冷冷却系統を密閉構造とし、エンジンにおける廃熱によって気化した冷媒、すなわち蒸気によって膨張機（タービン）を駆動して、その蒸気の持つ熱エネルギーを電気エネルギー等に変換して回収するものがある。このような廃熱回収装置の一例が、例えば、特許文献１に開示されている。
【０００３】
【特許文献１】特開２０００−３４５８３５号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
このような廃熱回収装置は、エンジンから発生する廃熱によって冷媒を蒸気化するエンジン本体と、排気ガスと冷媒との間で熱交換させ、蒸気を過熱する過熱器と、蒸気の熱エネルギーを電気エネルギーや動力に変換する膨張機と、蒸気状態の冷媒を再び液相状態の冷媒へ戻す凝縮器とを備え、ランキンサイクルを形成している。これらのエンジン本体や過熱器はエンジンの廃熱や排気ガスから受熱し、廃熱を有する。このようなエンジン本体や過熱器は廃熱保有部の一例である。このような廃熱保有部の有する熱は冷媒へ付与することができる。これにより、冷媒が蒸気化して廃熱を回収することができる。
【０００５】
ところで、このような廃熱保有部は冷媒へ熱を付与した後でも、依然として廃熱を有していることがある。すなわち、廃熱保有部には、冷媒が回収しきれない熱エネルギーが残存している場合がある。また、蒸気が膨張機において回収されるエネルギーは、蒸気の持つ熱エネルギーの一部であり、膨張機で回収しきれない残りの熱エネルギーは凝縮器で大気へ放出されてしまう。このように、ランキンサイクルによる廃熱回収はエンジンの廃熱を回収しきれないため、廃熱回収装置は改善の余地がある。
【０００６】
そこで、本発明は、ランキンサイクルにより回収できず、放出されていたエンジンの廃熱を回収し、廃熱回収効率を向上することを課題とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
かかる課題を解決する本発明の廃熱回収装置は、ランキンサイクルに含まれる廃熱保有部に装着された熱電変換素子と、当該熱電変換素子により変換された電気エネルギーを蓄電する蓄電装置と、を備えたことを特徴とする（請求項１）。このような構成とすることにより、ランキンサイクルにより回収しきれず、大気放出されていた熱エネルギーを回収することができる。これにより、廃熱回収装置は、廃熱回収効率を向上することができる。この廃熱保有部は、発熱するエンジン本体や、排気ガスと蒸気との間で熱交換が行われる過熱器、蒸気に放熱させて液相へ戻す凝縮器などのように、廃熱により余剰の熱を有することのある部位である。
【０００８】
さらに、このような廃熱回収装置は、前記廃熱保有部の温度を計測する温度計測手段と、当該温度計測手段の取得する温度情報に基づいて、前記熱電変換素子と前記蓄電装置との電気的な接続と遮断とを切替える制御手段と、を備えた構成とすることができる（請求項２）。このような構成とすることにより、廃熱保有部の温度に応じて、熱電変換素子による廃熱回収の実施と停止とを制御することができる。例えば、廃熱保有部の温度が高温である場合、廃熱を回収し、廃熱保有部の温度が低温である場合、廃熱の回収を停止することができる。
【発明の効果】
【０００９】
本発明は、熱電変換素子をランキンサイクルの廃熱保有部に装着したことにより、ランキンサイクルにより回収できずに放出されていたエンジンの廃熱を回収し、廃熱回収効率を向上することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１０】
以下、本発明を実施するための最良の形態を図面と共に詳細に説明する。
【実施例】
【００１１】
本発明の実施例について図面を参照しつつ説明する。図１は、本実施例の廃熱回収装置１の概略構成を示した説明図である。
【００１２】
廃熱回収装置１には、蒸気状態の冷媒及び液相状態の冷媒が流通する冷媒通路２がループ状に形成されている。蒸気状態の冷媒及び液相状態の冷媒は、この冷媒通路２を循環する。冷媒通路２は、エンジン３内に形成され、冷媒が流通するウォータジャケットを含んでいる。冷媒はエンジン３の燃焼熱によって加熱されると蒸気化する。冷媒通路２には、この冷媒の蒸気によって駆動される膨張器、すなわち、タービン５が備えられている。このタービン５は、コンプレッサ６と接続されている。コンプレッサ６は、タービン５によって駆動され、圧縮した空気をエンジン３の吸気ポート（図示しない）へ送る。タービン５は、さらに発電機７と接続されている。発電機７はタービン５によって駆動されることにより蒸気の熱エネルギーを電気エネルギーに変換し、蓄電装置８に回収する。また、廃熱回収装置１は、冷媒通路２上のエンジン３とタービン５との間に過熱器９を備えている。過熱器９は、排気通路１０中を流通する排気ガスから熱を回収し、タービン５へ供給される蒸気へさらに熱を付与するもので、廃熱の回収効率を向上させるものである。このように、タービン５は、過熱器９によって高温、高圧となった蒸気によって駆動される。また、排気通路１０には排気ガス浄化のための触媒装置１１が配設されている。冷媒通路２には、タービン５の下流側に蒸気となった冷媒を再び液体に戻す凝縮器１２を備えている。凝縮器１２によって液体に戻された冷媒はポンプ（Ｗ／Ｐ）１３によって、再びエンジン３内のウォータジャケットに供給される。なお、本実施例では、冷媒は燃焼熱によって蒸気化する構成である。ここでは、冷媒を冷却部位にスプレーすることによって冷媒を蒸気化する構成とすることもできる。要は、いわゆるランキンサイクルを実現することのできる構成となっていればよい。また、廃熱回収装置１は空調装置１４を備えている。この空調装置１４とエンジン３との間を液相状態の冷媒が行き来し、熱交換が行われる。このように廃熱回収装置１はランキンサイクルを構成し、蒸気を介してエンジン３の廃熱を回収する。
【００１３】
このような廃熱回収装置１は、さらに、熱電変換素子１５ａ乃至１５ｅを備えている。熱電変換素子１５ａ乃至１５ｅは、本発明の廃熱保有部に相当するエンジン３、過熱器９、触媒装置１１、凝縮器１２、空調装置１４のそれぞれに装着されている。すなわち、熱電変換素子１５ａはエンジン３に装着され、熱電変換素子１５ｂは過熱器９に装着されている。以下同様に、熱電変換素子１５ｃは触媒装置１１に、熱電変換素子１５ｄは凝縮器１２、熱電変換素子１５ｅは空調装置１４に装着されている。このような廃熱保有部は、冷媒へ熱を付与した後も余剰な廃熱を有している部位、又は、冷媒から受熱し、余剰な熱を有している部位であればその他の部位でもよい。
【００１４】
次に、このような熱電変換素子１５ａの概略構成について説明する。図２は熱電変換素子１５ａの概略構成を示した説明図である。熱電変換素子１５ａは、ゼーベック効果を利用した発電装置であって、複数のｎ型半導体１５１およびｐ型半導体１５２を交互に配列している。このように配列されたｎ型半導体１５１の一端１５１ａと、ｎ型半導体１５１に隣接する一つのｐ型半導体１５２の端部１５２ａとを第一結合電極１５３で結合している。さらに、ｎ型半導体１５１の他端１５１ｂと、ｎ型半導体１５１に隣接する他のｐ型半導体１５２の端部１５２ｂとを第二結合電極１５４で結合している。第一結合電極１５３の外側には、温接点基板１５５が接合されている。また、第二結合電極１５４の外側には、冷接点基板１５６が接合されている。このような熱電変換素子１５ａにおいて、第一結合電極１５３と第二結合電極１５４との間に温度差が生じると、第一結合電極１５３と第二結合電極１５４との間に電位差が発生する。さらに、このように複数のｎ型半導体１５１とｐ型半導体１５２とを組み合わせることにより、大きな電位差を獲得している。このように、熱電変換素子１５ａは、熱エネルギーを電気エネルギーへ変換する。また、熱電変換素子１５ｂ乃至１５ｅはそれぞれ熱電変換素子１５ａと同様の構成をしている。
【００１５】
このような熱電変換素子１５ａ乃至１５ｅは、エンジン３、過熱器９、触媒装置１１、凝縮器１２、空調装置１４の各部へ、温接点基板１５５側が接触するように装着されている。さらに、熱電変換素子１５ａは蓄電装置８とともに、回路１９ａを形成している。また、熱電変換素子１５ｂは蓄電装置８とともに、回路１９ｂを形成している。以下同様に、回路１９ｃ、回路１９ｄ、回路１９ｅがそれぞれ形成されている。これらの回路１９ａ乃至回路１９ｅは、各廃熱保有部が周囲の温度より高温になると、熱電変換素子１５ａ乃至１５ｅの第一結合電極１５３と第二結合電極１５４との間に温度差が生まれ、電流が流れる。このように電流が流れると蓄電装置８に蓄電される。
【００１６】
また、回路１９ａと回路１９ｂには、ＯＮとＯＦＦとを切替えるスイッチ１６ａ、１６ｂがそれぞれ組み込まれている。スイッチ１６ａがＯＮとなる場合に、回路が形成され電流が発生する。一方、スイッチ１６ａがＯＦＦの場合に、回路は切断される。このようにスイッチ１６ａがＯＮとなり、回路を電流が通じることとなる。また、スイッチ１６ｂもスイッチ１６ａ同様に回路を切替える。
【００１７】
また、熱電変換素子１５ａが装着された部位、熱電変換素子１５ｂが装着された部位には、本発明の温度計測手段に相当する温度センサ１７ａ、１７ｂがそれぞれ装着されている。スイッチ１６ａ及び温度センサ１７ａは、本発明の制御手段に相当するＥＣＵ（Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃ  Ｃｏｎｔｒｏｌ  Ｕｎｉｔ）１８と電気的に接続されている。また、スイッチ１６ｂ及び温度センサ１７ｂも、ＥＣＵ１８と電気的に接続されている。ＥＣＵ１８は、温度センサ１７ａ、１７ｂから各測定部の温度情報を取得し、取得した温度情報に基づいて、スイッチ１６ａ、１６ｂのＯＮ／ＯＦＦを切替える。
【００１８】
次に、ＥＣＵ１８の行う制御について説明する。ＥＣＵ１８は熱電変換素子１５を装着した廃熱保有部毎に制御を行う。図３は、廃熱保有部の一つに装着された温度センサ１７が取得する温度測定部の温度情報に基づいて、ＥＣＵ１８の行う制御の一例を示したフロー図である。ＥＣＵ１８はエンジン３が始動すると制御を開始する。
【００１９】
ＥＣＵ１８はステップＳ１で温度センサ１７から温度Ｔの情報を取得する。ＥＣＵ１８はステップＳ１の処理を終えるとステップＳ２へ進む。
【００２０】
ＥＣＵ１８はステップＳ２で、ステップＳ１で取得した温度Ｔと基準温度Ｔ０とを比較し、温度Ｔが基準温度Ｔ０より高温か否かを判断する。ここで、基準温度Ｔ０は余剰の熱を有していると判断される閾値となる温度である。この基準温度Ｔ０は、温度センサ１７が装着される部位により異なる。例えば、過熱器９に装着されている温度センサ１７ｂであれば、ＥＣＵ１８が判断する基準温度Ｔ０は、温度Ｔ１よりも高い温度である。ここで、温度Ｔ１は、タービン５を駆動し、発電機７において電力回生できる蒸気が発生するときの過熱器の温度である。このとき、過熱器９は冷媒へ熱を付与しても、余剰の熱を保有している状態である。ＥＣＵ１８はステップＳ２でＹＥＳと判断する場合、すなわち、温度Ｔが基準温度Ｔ０より高温である場合、ステップＳ３へ進む。
【００２１】
温度Ｔが基準温度Ｔ０より高温である場合、廃熱保有部は、余剰の熱を有していることになる。このため、ＥＣＵ１８はステップＳ３で、スイッチ１６をＯＮとする。これにより、熱電変換素子１５と蓄電装置８とを含む回路が形成される。回路が形成されると、廃熱保有部において熱電変換素子１５によって熱エネルギーから電気エネルギーが変換される。変換された電気エネルギーは蓄電装置８に蓄えられる。ＥＣＵ１８はステップＳ３の処理を終えるとリターンする。
【００２２】
一方、ＥＣＵ１８はステップＳ２でＮＯと判断する場合、すなわち、温度Ｔが基準温度Ｔ０より高温でない場合、ステップＳ４へ進む。
【００２３】
ＥＣＵ１８がステップＳ４に到達する場合、すなわち、温度Ｔが基準温度Ｔ０以下である場合、廃熱保有部は、余剰の熱を有していない。このステップＳ４で、ＥＣＵ１８はスイッチ１６をＯＦＦとする。これにより、熱電変換素子１５と蓄電装置８とを含む回路が切断される。このように回路が切断されると、熱電変換素子１５による廃熱回収が停止される。これにより、廃熱回収装置１は、エンジン３の廃熱により廃熱保有部の温度が上昇するのを促進する。ＥＣＵ１８はステップＳ４の処理を終えるとリターンする。なお、以上の制御フローの説明において、回路１９ａの制御であれば、スイッチ１６をスイッチ１６ａ、温度センサ１７を１７ａと読み替えるものとする。また、回路１９ｂの制御であれば、スイッチ１６をスイッチ１６ｂ、温度センサ１７を１７ｂと読み替えるものとする。
【００２４】
以上の制御は、回路１９ａ、回路１９ｂのそれぞれで独立して行われる。これにより、各廃熱保有部の温度状態に応じて、廃熱を回収することができる。このように、本発明の廃熱回収装置１は、ランキンサイクルによりエンジン３の廃熱を回収するとともに、ランキンサイクルにより回収することができない残りの廃熱を、熱電変換素子１５を用いて回収する。これにより、廃熱回収装置１の廃熱回収効率を向上させている。
【００２５】
上記実施例は本発明を実施するための例にすぎず、本発明はこれらに限定されるものではなく、これらの実施例を種々変形することは本発明の範囲内であり、さらに本発明の範囲内において、他の様々な実施例が可能であることは上記記載から自明である。
【図面の簡単な説明】
【００２６】
【図１】廃熱回収装置の概略構成を示した説明図である。
【図２】熱電変換素子の概略構成を示した説明図である。
【図３】ＥＣＵの制御フローの一例を示した説明図である。
【符号の説明】
【００２７】
１  廃熱回収装置
２  冷媒通路
３  エンジン
５  タービン
６  コンプレッサ
７  発電機
８  蓄電装置
９  過熱器
１１  触媒装置
１２  凝縮器
１４  空調装置
１５ａ乃至１５ｅ  熱電変換素子
１６ａ、１６ｂ  スイッチ
１７ａ、１７ｂ  温度センサ
１８  ＥＣＵ
１５１  ｎ型半導体
１５２  ｐ型半導体
１５３  第一結合電極
１５４  第二結合電極
１５５  温接点基板
１５６  冷接点基板
【図１】
2009133210.tif 000003
【図２】
2009133210.tif 000004
【図３】
2009133210.tif 000005