(57)【要約】【課題】本発明は、廃熱回収装置の廃熱回収効率の向上を課題とする。【解決手段】廃熱回収装置１は、第１ポンプ４によって圧送された冷媒が循環するエンジン冷却経路３と、始点８ａと終点８ｂがそれぞれエンジン冷却経路３と接続され、エンジン冷却経路３から導入された冷媒を介して廃熱回収を行う廃熱回収経路８を備えている。この廃熱回収経路８には、始点８ａに近い側から順に、第２ポンプ９、リリーフ弁１０、蒸発器１３、過熱器１４、動力回収部１６、凝縮器２０、第３ポンプ２１が設置されている。また、エンジン本体２ａからは、排気ポートから排出された排気ガスが流通する排気管１６が引き出されており、過熱器１４、蒸発器１３の順に接続されている。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
第１ポンプによって圧送された冷媒が循環するエンジン冷却経路と、
始点と終点がそれぞれ前記エンジン冷却経路と接続され、当該エンジン冷却経路から導入された冷媒を介して廃熱回収を行う廃熱回収経路と、
前記エンジン冷却経路から前記廃熱回収経路に冷媒を導入する第２ポンプと、
当該第２ポンプにより供給された冷媒を蒸気化する蒸発器と、
当該蒸発器において蒸気化された冷媒によって駆動される動力回収部と、
当該動力回収部を通過した後の冷媒を液体に戻す凝縮器と、
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、
前記エンジン冷却経路は、エンジン本体内部を循環するエンジン内部経路と、エンジン本体とラジエータとを接続するラジエータ経路とを備え、
前記廃熱回収経路の始点は、前記ラジエータ経路に接続されたことを特徴とする廃熱回収装置。
【請求項３】
請求項１記載の廃熱回収装置において、
前記エンジン冷却経路内の冷媒の状態に基づいて前記第２ポンプの駆動制御を行う制御部を備えたことを特徴とする廃熱回収装置。
【請求項４】
請求項１記載の廃熱回収装置において、
前記第２ポンプにより吐出された冷媒をリリーフするリリーフ手段を備えたことを特徴とする廃熱回収装置。
【請求項５】
請求項１記載の廃熱回収装置において、
前記第２ポンプにより吐出された冷媒をリリーフするリリーフ手段を備え、前記蒸発器に導入される冷媒の状態に基づいて前記第２ポンプにより吐出された冷媒をリリーフするように前記リリーフ手段を制御する制御部を備えたことを特徴とする廃熱回収装置。
【請求項６】
請求項１記載の廃熱回収装置において、
前記廃熱回収経路の終点と前記凝縮器との間に第３ポンプ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、エンジンを冷却する際に、エンジンと熱交換をして蒸発した冷媒、すなわち、エンジンにおける廃熱を吸収して蒸発した冷媒を、さらに、エンジンから排出される排気により過熱して高温化するものがある。このような廃熱回収手段は、高温化した気相冷媒により膨張機を駆動して、気相冷媒の持つエネルギを電気エネルギ等に変換して、エンジンで発生する廃熱のエネルギを回収することができる。こうしてエネルギが回収された気相冷媒は、凝縮器において液化される。凝縮器で液化された冷媒は、エンジン内へ導入され、再度、廃熱を得て蒸発し、廃熱の回収に寄与することとなる。このような構成を採用して廃熱回収を行う内燃機関が、例えば、特許文献１に開示されている。特許文献１に開示された内燃機関では、ウォータジャケットにて機関燃焼熱を受けて飽和蒸気となった冷却水は通路を経て過熱器へと送り込まれる。過熱器は排気通路の途中に設けられており、前記通路からの飽和蒸気を排気ガスの熱によりさらに加熱する。過熱器の出口は途中にタービンを備えた蒸気通路を経てコンデンサ（復水器）に接続している。タービンは過熱器からの高温高圧の蒸気により回転力を発生し、この回転力は発電等のための補助動力として利用される。
【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】
しかしながら、特許文献１で開示された内燃機関のように、ランキンサイクルを形成する冷媒循環経路の一部にウォータジャケットを組み込んだ構成とすると、以下のような不都合が生じるおそれがある。すなわち、エンジン本体を冷却するためにウォータジャケットを循環させる冷媒の量と、ランキンサイクルを成立させるために循環させる冷媒の量が異なることに起因して効率的な廃熱回収を行うことができないおそれがある。より具体的には、ランキンサイクルを形成する経路に冷媒を流しすぎると蒸気発生の効率が低下し、ひいては廃熱の回生効率が低下してしまうおそれがある。また、エンジンが低負荷状態にあるとき等、冷媒の温度が低いときにも冷媒がタービンへ送られると、効率的なタービン駆動を行うことができず、却って熱の回収の妨げとなりかねない。
【０００５】
そこで、本発明は、廃熱回収装置の廃熱回収効率の向上を課題とする。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
かかる課題を解決するための、本発明の廃熱回収装置は、第１ポンプによって圧送された冷媒が循環するエンジン冷却経路と、始点と終点がそれぞれ前記エンジン冷却経路と接続され、当該エンジン冷却経路から導入された冷媒を介して廃熱回収を行う廃熱回収経路と、前記エンジン冷却経路から前記廃熱回収経路に冷媒を導入する第２ポンプと、当該第２ポンプにより供給された冷媒を蒸気化する蒸発器と、当該蒸発器において蒸気化された冷媒によって駆動される動力回収部と、当該動力回収部を通過した後の冷媒を液体に戻す凝縮器と、を備えたことを特徴とする（請求項１）。ここで、エンジン冷却経路とは、エンジン本体を冷却するために冷媒が循環する経路であって、一般的なエンジンが備える冷却系に相当するものである。従って、第１ポンプもクランク軸によって駆動される等、一般的なエンジンにおいて冷媒を循環させるために装備されるものである。一方、廃熱回収経路は、冷媒が流通し、その冷媒の蒸気を介して廃熱を回収するいわゆるランキンサイクルを形成するものである。このように、本発明は、エンジンを冷却するための冷媒経路と、廃熱を回収するための冷媒経路が別々に設けられている。このような構成とすることにより、エンジン本体の冷却性を確保するとともに、効率よく廃熱を回収するために適切な量、状態の冷媒が供給されるランキンサイクルを形成することができる。
【０００７】
このような廃熱回収装置では、前記エンジン冷却経路は、エンジン本体内部を循環するエンジン内部経路と、エンジン本体とラジエータとを接続するラジエータ経路とを備え、前記廃熱回収経路の始点は、前記ラジエータ経路に接続された構成とすることができる（請求項２）。一般的なエンジンは、ラジエータを備えるが、冷媒は、冷間時にはラジエータ内を循環せず、エンジン本体内部のみを循環する。エンジン本体内部には、通常、ウォータジャケットが形成されており、このウォータジャケットが本発明におけるエンジン内部経路に相当する。このようなエンジン内部経路が形成されたエンジン本体とラジエータとを接続するのが、本発明におけるラジエータ経路である。このラジエータ経路は、エンジン内経路と分岐し、再び、エンジン内経路と合流する。このようなラジエータ経路内を冷媒が流通するのは冷媒の温度が上昇してきたときである。このため、このラジエータ経路に廃熱回収経路の始点を接続すれば、温度が上昇し、廃熱回収に都合のよい状態となった冷媒を廃熱回収経路に取り込み、流通させることができる。これにより、廃熱回収の効率を向上させることができる。
【０００８】
このような廃熱回収装置は、前記エンジン冷却経路内の冷媒の状態に基づいて前記第２ポンプの駆動制御を行う制御部を備えた構成とすること望ましい（請求項３）。上述のように、ラジエータ経路内を冷媒が流通するのは冷媒の温度が上昇したときである。このような冷媒の流通経路の切り替えを実現するのためのものとしてサーモスタットが知られている。冷媒の温度上昇に伴ってこのサーモスタットが作動し、冷媒がラジエータ経路内を流通するようになったのと合わせて第２ポンプを作動させるようにすれば、蒸気化し易い冷媒を蒸発器に導入することができ、効率的な蒸気発生、廃熱回収を行うことができる。また、エンジン冷却経路内の冷媒が高圧となったことをに合わせて第２ポンプを駆動し、廃熱回収経路に冷媒を供給するように構成してもよい。
【０００９】
このような廃熱回収装置は、さらに、前記第２ポンプにより吐出された冷媒をリリーフするリリーフ手段を備えた構成とすることができる（請求項４）。さらに、前記蒸発器に導入される冷媒の状態に基づいて前記第２ポンプにより吐出された冷媒をリリーフするように前記リリーフ手段を制御する制御部を備えた構成とすることできる（請求項５）。本発明における蒸発器は、エンジンの排気ガスを導入し、この排気ガスの熱によって冷媒を加熱して蒸気を発生させる構成とすることができる。このような構成とする場合、排気ガスの温度、冷媒の状態から判断して蒸気を発生させることができないと判断したときは、冷媒をリリーフする。これにより、廃熱の浪費を抑制することができる。リリーフ先は、第２ポンプの上流側とすることができる。
【００１０】
このような廃熱回収装置では、前記廃熱回収経路の終点と前記凝縮器との間に第３ポンプを備えた構成とすることができる（請求項６）。廃熱回収経路を循環した冷媒は、再び、エンジン冷却経路内へ戻される。このとき、第３ポンプを駆動し、冷媒を加圧することによって、エンジン冷却経路内の圧力に抗して冷媒をエンジン冷却経路内へ導入することができる。
【発明の効果】
【００１１】
本発明の廃熱回収装置によれば、エンジンや蒸気発生部の状態に応じてポンプから吐出された冷媒をリリーフするようにしたので、ポンプの吐出圧を向上させたときであっても冷媒の過剰供給を回避し、廃熱の効率的な回収を行うことができる。
【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】
【００１３】
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をエンジン本体２ａに組み込んだエンジン２の概略構成を示した説明図である。
【００１４】
エンジン本体２ａ内には本発明におけるエンジン内部経路に相当するウォータジャケット３ａが形成されており、ウォータジャケット３ａ内を冷却水である冷媒が循環する。また、エンジン本体３ａには、ウォータジャケット３ａに冷媒を循環させるための第１ポンプ４が装着されている。この第１ポンプ４は、図示しないクランク軸を駆動源としている。ウォータジャケット３ａからはラジエータ経路３ｂが分岐している。ラジエータ経路３ｂには、ラジエータ５が配置されている。ラジエータ経路３ｂは、ラジエータ５の下流で、再びウォータジャケット３ａに合流している。ラジエータ経路３ｂには、冷媒の逆流を防止する逆止弁７が装着されている。ウォータジャケット３ａとラジエータ経路３ｂは、本発明におけるエンジン冷却経路３を形成している。
【００１５】
ウォータジャケット３ａとラジエータ経路３ｂとの分岐点には、サーモスタット６が装着されている。サーモスタット６は、ウォータジャケット３ａ内を循環する冷媒の温度がＴ１Ｘに達したときに作動し、冷媒の流路をラジエータ経路３ｂ側に切り替える。
【００１６】
このようなラジエータ経路３ｂには、より具体的には、サーモスタット６とラジエータ５との間には、廃熱回収経路８の始点８ａが接続されている。この廃熱回収経路８の終点８ｂは、ラジエータ経路３ｂにおけるラジエータ５の下流側に接続されている。この廃熱回収経路８には、始点８ａに近い側から順に、第２ポンプ９、リリーフ弁１０、蒸発器１３、過熱器１４、動力回収部１６、凝縮器２０、第３ポンプ２１が設置されている。また、エンジン本体２ａからは、排気ポートから排出された排気ガスが流通する排気管１６が引き出されており、過熱器１４、蒸発器１３の順に接続されている。
【００１７】
第２ポンプ９は、電動ポンプであって、本発明における制御部に相当するＥＣＵ（Electronic  control  unit）２６と電気的に接続されており、ＥＣＵ２６からの信号によってＯＮ／ＯＦＦ制御がされている。第２ポンプ９が作動すると、ラジエータ経路３ｂから冷媒を吸い上げ、廃熱回収経路８に冷媒を導入する。
【００１８】
リリーフ弁１０は、三方弁であって廃熱回収経路８上に設置されるとともに、リリーフ経路１１と接続されている。リリーフ経路１１は、逆止弁１２を備え、その終端は第２ポンプ９の上流側に接続されている。リリーフ弁１０とリリーフ経路１１とは、本発明におけるリリーフ手段を形成している。リリーフ弁１０は、本発明における制御部に相当するＥＣＵ２６と電気的に接続されており、ＥＣＵ２６は、その信号に基づいてリリーフ弁１０の開閉状態を切り替えて、冷媒のリリーフ制御を行う。
【００１９】
蒸発器１３は、排気管１６中を流通する排気ガスから熱を得て、第２ポンプ９から供給された冷媒を蒸気化させる。過熱器１４は、排気管１５中の排気ガスから熱を回収し、廃熱回収経路８内を通じ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。
【００２０】
動力回収部１６には、タービン１８と、このタービン１８と軸を共通にする発電機１７とが含まれる。すなわち、廃熱回収経路８を流通する冷媒の蒸気によってタービン１８を駆動し、発電機１７によってエンジンの廃熱を電気エネルギとして回収する。回収された電気は、発電機１７と接続された蓄電装置１９に蓄えられる。この動力回収部１６を通過した後の冷媒は、凝縮器２０へ送られ、凝縮器２０では、蒸気化している冷媒が液体に戻される。液体に戻された冷媒は、再び、ラジエータ経路３ｂへ導入される。このとき、第３ポンプ２１が作動することにより、導入される冷媒の圧力がラジエータ経路３ｂ内の圧力と近づき、冷媒はスムーズにラジエータ経路３ｂに導入される。第３ポンプ２１は電動ポンプであって、ＥＣＵ２６と電気的に接続されており、ＥＣＵ２６からの信号によってＯＮ／ＯＦＦ制御がされている。
【００２１】
廃熱回収経路８の終点８ｂと第３ポンプ２１との間には逆止弁２２が装着されており、冷媒の逆流が防止されている。なお、凝縮器２０と第３ポンプ２１との間に液体に戻された冷媒を貯留する貯留タンクを設置した構成とすることもできる。
【００２２】
ラジエータ経路３ｂには、ラジエータ経路３ｂを流通する冷媒温度Ｔ１を測定する第１温度センサ２３が設置されている。また、蒸発器１３には、導入される冷媒の圧力Ｐ１を測定する圧力センサ２４が設置されている。さらに、排気管１５の蒸発器１３の上流側には蒸発器１３へ導入される排気ガスの温度を測定する第２温度センサ２５が設置されている。これらの第１温度センサ２３、圧力センサ２４、第２温度センサ２５は、それぞれＥＣＵ２６に電気的に接続されている。第１温度センサ２３により取得される値は、第２ポンプ９、第３ポンプの駆動制御に用いられる。すなわち、エンジン冷却経路３を流通する冷媒が蒸気化し易い状態となっているか否かの判断に用いられる。本実施例では、サーモスタット６が作動する温度Ｔ１Ｘに達していれば廃熱回収経路８に冷媒を導入してよいとして第２ポンプを駆動させる設定としている。なお、廃熱回収経路８の始点８ａはラジエータ５の上流側に接続されているので、ラジエータ５によって冷却される以前の冷媒を廃熱回収経路８へ導入することができる。
【００２３】
圧力センサ２４と、第２温度センサ２５により取得される値は、リリーフ弁１０の開閉制御に用いられる。具体的には、圧力センサ２により取得された圧力Ｐ１からその圧力Ｐ１における飽和温度Ｔ２Ｘを算出する。算出された飽和温度Ｔ２Ｘと第２温度センサ２５により取得した排気ガスの温度とを比較して、蒸発器１３において冷媒が蒸気化することができるか否かの判断を行う。蒸気化可能と判断されたときは、蒸発器１３へ冷媒が導入される。この判断に関する演算はＥＣＵ２６によって行われる。
【００２４】
以上のように構成される廃熱回収装置１の動作及び制御につき、図面を参照しつつ説明する。図２は、ＥＣＵ２６が行う制御の一例を示すフロー図である。まず、ＥＣＵ２６は、ステップＳ１において、エンジン２が始動状態にあることを確認し、ステップＳ２へ進む。エンジン２が稼動状態にあれば、クランク軸を駆動源としている第１ポンプ４は作動している。このとき、冷媒の温度がサーモスタット６の作動温度Ｔ１Ｘに達していなければ、サーモスタット６は、図３に示すようにラジエータ経路３ｂへの循環を停止する状態となっている。
【００２５】
ＥＣＵ２６は、ステップＳ２では、自らが内蔵するカウンタによりＴ秒をカウントする。これは、図２に示した一連の制御をＴ秒毎に行うための措置である。ＥＣＵ２６は、Ｔ秒カウントした後、ステップＳ３の処理を行う。本実施例では、上述のようにサーモスタット６が作動する温度Ｔ１Ｘに達していれば廃熱回収経路８に冷媒を導入してよいとしている。このためステップＳ３では、第１温度センサ２３により取得したラジエータ経路３ｂ内の冷媒温度Ｔ１がＴ１Ｘに到達したか否かの判断を行う。このステップＳ３においてＮＯと判断したときは、再びステップＳ２の処理を行い、Ｔ秒後に同様の処理を行う。一方、ステップＳ３でＹＥＳと判断したときはステップＳ４へ進む。
【００２６】
ステップＳ４では、第２ポンプ９、第３ポンプ２１を作動させる。これにより、廃熱回収経路８には、ラジエータ経路３ｂから導入された冷媒が循環し始める。ステップＳ４の処理の後は、ステップＳ５へ進む。
【００２７】
ステップＳ５では、蒸発器１３へ導入される排気ガスの温度Ｔ２が蒸発器１３に導入される冷媒の圧力Ｐ１における飽和温度Ｔ２Ｘ以上であるか否かの判断を行う。この飽和温度Ｔ２Ｘは、第２ポンプ９によって圧送される冷媒の状態によって変化する値である。このステップＳ５においてＹＥＳと判断したときはステップＳ６へ進む。ステップＳ６では、図４に示すように、リリーフ弁１０のリリーフを行わない制御とする。従って、冷媒は、蒸発器１３へ導入される。蒸発器１３へ導入された冷媒は、排気ガスの熱により蒸気化する。蒸気化した冷媒は過熱器１４へ送られてさらに熱を得る。過熱器１４で熱を得て質が高められた冷媒の蒸気はタービン１８を駆動する。これにより発電機１７が作動してエンジンの廃熱が電気エネルギとして回収される。タービン１８を駆動した後の蒸気状の冷媒は凝縮器２０へ送られる。凝縮器２０へ送られた冷媒は第３ポンプ２１に圧送されて再びラジエータ経路３ｂへ導入される。
【００２８】
一方、ステップＳ５においてＮＯと判断したときは、ステップＳ７へ進む。ステップＳ７では、図５に示すように、リリーフ弁１０のリリーフを行う制御とする。従って、第２ポンプ９が吐出した冷媒は再び第２ポンプ９の上流側へ戻され、蒸発器１３へは導入されない。
【００２９】
以上説明したステップＳ６、ステップＳ７の処理の後は、いずれも、リターンとなる。そして、再び、ステップＳ２においてＴ秒間のカウントが行われる。すなわち、廃熱回収装置１の制御は、Ｔ秒間隔で繰返し行われる。これにより、各部の状態は、エンジン本体２ａの冷却、効率的な廃熱回収の観点から適正な範囲に収束していく。例えば、エンジンが高負荷に移行して、排気ガスの温度が高くなる等、Ｔ２がＴ２Ｘよりも高くなれば冷媒は蒸発器１３へ導入され、廃熱回収のプロセスへ供される。
【００３０】
以上説明したように本発明の廃熱回収装置１は、エンジン冷却に用いる冷媒の一部のみをランキンサイクルを形成する廃熱回収経路へ導入し、また、蒸気発生似て記した条件が成立したときに蒸発器１３へ冷媒を導入するようにしたので効率的な廃熱回収を行うことができる。また、エンジン冷却経路には、十分な量の冷媒を循環させることができるのでエンジン本体２ａの適切な冷却性能を維持することができる。
【００３１】
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、更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。例えば、リリーフ弁１０は冷媒をリリーフさせる状態、リリーフさせない状態を完全に切り替える構成としているが、これらを開度調整可能なリリーフ弁に置き換えることもできる。開度調整可能なリリーフ弁とすることにより、より緻密な制御を行うことができる。
【図面の簡単な説明】
【００３２】
【図１】廃熱回収装置をエンジン本体に組み込んだエンジンの概略構成を示した説明図である。
【図２】廃熱回収装置の制御の一例を示すフロー図である。
【図３】廃熱回収装置のサーモスタットが作動していない状態のエンジンを示した説明図である。
【図４】廃熱回収装置のリリーフ弁をリリーフしない状態としたエンジンを示した説明図である。
【図５】廃熱回収装置のリリーフ弁をリリーフしたエンジンを示した説明図である。
【符号の説明】
【００３３】
１  廃熱回収装置
２  エンジン
２ａ  エンジン本体
３  エンジン冷却経路
３ａ  エンジン内部経路
３ｂ  ラジエータ経路
４  第１ポンプ
５  ラジエータ
６  サーモスタット
８  廃熱回収経路
９  第２ポンプ
１０  リリーフ弁
１１  リリーフ経路
１３  蒸発器
１４  過熱器
１５  排気管
１６  動力回収部
１７  発電機
１８  タービン
１９  蓄電装置
２０  凝縮器
２１  第３ポンプ
２３  第１温度センサ
２４  圧力センサ
２５  第２温度センサ
２６  ＥＣＵ
【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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