(57)【要約】【課題】  エンジンの廃熱からエネルギーを回収し得るように構成された廃熱回収システムにおいて、より高いエネルギー回収効率を得る。【解決手段】  このシステムは、蒸気発生部にて発生した蒸気からエネルギーを回収するように構成されたタービン（３２）を備えている。このタービン（３２）は、ロータ（３２１）と、ノズル（３２２）と、作動流体貯留部（３２５）と、作動流体排出部（３２６）と、を備えている。作動流体貯留部（３２５）は、ノズル（３２２）を通過した蒸気から発生した液体状の作動流体（ＣＬ）を貯留するように構成されている。作動流体排出部（３２６）は、作動流体貯留部（３２５）における作動流体（ＣＬ）の貯留状態に応じて、作動流体（ＣＬ）を前記作動流体貯留部（３２５）から排出するように構成されている。【選択図】  図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
エンジンの廃熱からエネルギーを回収するように構成された、廃熱回収システムにおいて、
前記廃熱によって作動流体の蒸気を発生させるように構成された蒸気発生部と、
前記蒸気発生部にて発生した前記蒸気からエネルギーを回収するように構成されたタービンと、
を備え、
前記タービンは、
前記蒸気発生部から前記蒸気を導入するためのノズルと、
前記ノズルを通過した前記蒸気によって回転するように構成されたロータと、
前記ノズルを通過した前記蒸気から発生した液体状の前記作動流体を貯留し得るように構成された作動流体貯留部と、
前記作動流体貯留部における前記作動流体の貯留状態に応じて前記作動流体を前記作動流体貯留部から排出するように構成された作動流体排出部と、
を備えたことを特徴とする廃熱回収システム。
【請求項２】
請求項１に記載の廃熱回収システムであって、
前記タービンは、
前記ロータを回転可能に支持しつつ収容するように構成されたタービンケースをさらに備え、
前記作動流体貯留部は、前記タービンケースの外部に設けられたことを特徴とする廃熱回収システム。
【請求項３】
請求項１又は請求項２に記載の廃熱回収システムにおいて、
前記作動流体貯留部における前記作動流体の貯留状態に応じた出力を生じるように構成された貯留状態センサをさらに備えたことを特徴とする、廃熱回収システム。
【請求項４】
請求項１ないし請求項３のうちのいずれか１項に記載の廃熱回収システムであって、
前記タービンは、
前記ロータを経た前記蒸気を排出するための蒸気排出口と、
前記蒸気排出口を開閉し得るように設けられた蒸気排出口開閉弁とをさらに備えたことを特徴とする廃熱回収システム。
【請求項５】
請求項４に記載の廃熱回収システムであって、
前記作動流体排出部によって前記作動流体貯留部から前記作動流体が排出される際に、前記蒸気排出口開閉弁によって前記蒸気排出口を閉鎖するように構成されたことを特徴とする、廃熱回収システム。
【請求項６】
請求項１ないし請求項５のうちのいずれか１項に記載の廃熱回収システムであって、
前記作動流体排出部は、
前記作動流体貯留部における前記作動流体の圧力に応じて開閉する排出弁を備えたことを特徴とする廃熱回収システム。
【請求項７】
請求項１ないし請求項６のうちのいずれか１項に記載の廃熱回収システムにおいて、
前記エンジンの出力シャフトの回転を減速しつつ前記ロータに常時伝達するように、前記出力シャフトと前記ロータとを連結する減速機構をさらに備えたことを特徴とする廃熱回収システム。
【請求項８】
請求項１ないし請求項７のうちのいずれか１項に記載の廃熱回収システムにおいて、
前記蒸気発生部と前記ノズルとを接続するように設けられた蒸気供給路と、
前記蒸気供給路に介装されていて前記蒸気を貯留し得るように構成された蓄圧器と、
前記蒸気供給路に介装されていて前記蓄圧器内における前記蒸気の圧力に応じて前記ノズルにおける前記蒸気の通過状態を制御し得るように構成された噴射状態制御部と、
を備えたことを特徴とする廃熱回収システム。
【請求項９】
請求項８に記載の廃熱回収システムであって、
前記タービンには複数の前記ノズルが備えられ、
前記噴射状態制御部は、前記蓄圧器内における前記蒸気の前記圧力に応じて、複数の前記ノズルにおける前記通過状態を制御し得るように構成されたことを特徴とする廃熱回収システム。
【請求項１０】
請求項９に記載の廃熱回収システムであって、
前記噴射状態制御部は、複数の前記ノズルのそれぞれに対応するように複数設けられたノズル制御弁を備えたことを特徴とする廃熱回収システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、エンジンの廃熱からエネルギーを回収し得るように構成された、廃熱回収システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
この種のシステムとして、例えば、特開平６−８８５２３号公報、特開２０００−３４５８３５号公報、特開２０００−３４５９１５号公報、特開２００３−２７８５９８号公報、特開２００６−５２７１８号公報、等に開示されたものが知られている。
【０００３】
例えば、特開平６−８８５２３号公報に開示された廃熱回収装置は、冷却水の気化熱によるエンジンの冷却に伴って発生した蒸気の膨張エネルギーを、機械的エネルギーに変換することで、前記エンジンの廃熱からエネルギーを回収し得るように構成されている。
【０００４】
具体的には、この廃熱回収装置は、加熱器と、膨張器と、凝縮器と、を備えている。前記加熱器は、ウォータージャケットから流出した前記蒸気を、排気ガスを熱源として、さらに加熱するように構成されている。前記膨張器は、前記蒸気の膨張エネルギーを機械的エネルギーに変換するように構成されている。前記凝縮器は、前記膨張器を経てエネルギーを失い低圧となった前記蒸気を冷却して凝縮させるように構成されている。
【０００５】
かかる構成においては、前記冷却水が前記ウォータージャケットに供給されると、前記冷却水が気化して前記蒸気が発生する。この蒸気は、前記加熱器により、前記排気ガスとの熱交換でさらに加熱された後、前記膨張器に供給される。この膨張器にて、前記蒸気の膨張により、機械的エネルギーが回収される。その後、エネルギーを失って低圧となった前記蒸気は、前記凝縮器に流入し、凝縮されて液体となる。前記凝縮器にて液体となった前記冷却水は、再び前記ウォータージャケットに供給される。
【特許文献１】特開平６−８８５２３号公報
【特許文献２】特開２０００−３４５８３５号公報
【特許文献３】特開２０００−３４５９１５号公報
【特許文献４】特開２００３−２７８５９８号公報
【特許文献５】特開２００６−５２７１８号公報
【特許文献６】特開２００６−３１６７０４号公報
【発明の開示】
【０００６】
この種のシステムにおいては、エネルギー回収効率の観点から、前記膨張器として、タービン（特に衝動型）が好適に用いられる。このタービンによるエネルギー回収の際に、前記蒸気の一部が凝縮（結露）することで液体状の作動流体（前記冷却水等）が発生し、これが当該タービン内にて滞留することがあり得る。このような、液体状の前記作動流体の滞留が生じると、当該タービンにおける作動抵抗（ロータの回転抵抗）が生じ、エネルギー回収効率が低下してしまう。
【０００７】
本発明は、かかる課題に対処することを目的としている。すなわち、本発明の目的は、より高いエネルギー回収効率が得られる廃熱回収システムを提供することにある。
【０００８】
本発明の廃熱回収システム（以下、単に「システム」と称する。）は、エンジンの廃熱からエネルギーを回収するように構成されている。このシステムは、蒸気発生部と、タービンと、を備えている。前記蒸気発生部は、前記廃熱によって、作動流体の蒸気を発生させるように構成されている。前記タービンは、前記蒸気発生部にて発生した前記蒸気からエネルギーを回収するように構成されている。
【０００９】
前記タービンは、前記蒸気発生部から前記蒸気を導入するためのノズルと、前記ノズルを通過した前記蒸気によって回転するように構成されたロータと、を備えている。前記ロータは、タービンケースによって、回転可能に支持されつつ収容され得る。このロータは、前記ノズルと対向するように設けられたロータブレードに、前記ノズルを通過した前記蒸気が当たることで、回転するように構成され得る。
【００１０】
本発明の特徴は、前記タービンが、下記のように構成された作動流体貯留部及び作動流体排出部を備えたことにある。ここで、前記作動流体貯留部は、前記ノズルを通過した前記蒸気から発生した、液体状の前記作動流体を、貯留し得るように構成されている。また、前記作動流体排出部は、前記作動流体貯留部における前記作動流体の貯留状態に応じて、前記作動流体を前記作動流体貯留部から排出するように構成されている。
【００１１】
かかる構成においては、前記タービン（前記ロータ）によるエネルギーの回収の際に、前記ノズルを通過した（前記ノズルによって噴射された）前記作動流体が凝縮（結露）して、液体状の前記作動流体が当該タービン内（前記タービンケース内）にて発生し得る。この液体状の前記作動流体は、前記タービンにおける前記作動流体貯留部にて貯留される。この作動流体貯留部に貯留された前記作動流体は、その貯留状態に応じて（例えば貯留量が所定量に達した場合に）、前記作動流体排出部によって、前記作動流体貯留部から排出される。
【００１２】
かかる構成を有する本発明のシステムによれば、前記ロータの回転が前記タービン内（前記タービンケース内）にて発生した液体状の前記作動流体によって阻害されないように、すなわち、前記タービン内（前記作動流体貯留部内）の前記作動流体が前記ロータ（前記ロータブレード）の回転抵抗とならないように、前記タービン内（前記作動流体貯留部内）から前記作動流体が排出され得る。したがって、本発明によれば、より高いエネルギー回収効率が得られる。
【００１３】
前記作動流体貯留部は、前記タービンケースの外部に設けられ得る。かかる構成においては、前記作動流体が、前記ロータを収容する前記タービンケースの外部に貯留される。これにより、前記タービン内（前記作動流体貯留部内）に貯留された前記作動流体による、前記ロータの回転の阻害（回転抵抗の発生）が、より効果的に抑制され得る。したがって、かかる構成によれば、いっそう高いエネルギー回収効率が得られる。
【００１４】
前記廃熱回収システムは、貯留状態センサをさらに備え得る。この貯留状態センサは、前記作動流体貯留部における前記作動流体の貯留状態に応じた出力を生じるように構成されている。例えば、前記貯留状態センサは、前記作動流体貯留部内における前記作動流体のレベル（水位）や圧力に応じた出力を生じるように構成され得る。
【００１５】
かかる構成によれば、前記作動流体貯留部からの前記作動流体の排出制御が、簡略に行われ得る。
【００１６】
前記タービンは、前記ロータを経た前記蒸気を排出するための蒸気排出口と、前記蒸気排出口を開閉し得るように設けられた蒸気排出口開閉弁と、をさらに備え得る。この場合、前記蒸気排出口開閉弁は、前記貯留状態センサの出力に基づいて開閉されるように構成され得る。また、前記廃熱回収システムは、前記作動流体排出部によって前記作動流体貯留部から前記作動流体が排出される際に、前記蒸気排出口開閉弁によって前記蒸気排出口を閉鎖するように構成され得る。
【００１７】
かかる構成においては、前記蒸気排出口開閉弁によって前記蒸気排出口が閉鎖されると、前記ノズルを介しての前記蒸気の導入（前記ノズルによる前記蒸気の噴射）に伴って、前記タービン内（前記タービンケース内）の圧力が上昇する。これにより、前記タービン内（前記タービンケース内）にて発生した液体状の前記作動流体の前記作動流体貯留部への移動や、前記作動流体排出部による前記作動流体貯留部からの前記作動流体の排出が、良好に促進され得る。
【００１８】
前記作動流体排出部は、排出弁を備え得る。この排出弁は、前記作動流体貯留部における前記作動流体の圧力に応じて開閉するようになっている。この排出弁は、前記作動流体貯留部における底部に配置され得る。
【００１９】
かかる構成においては、前記作動流体貯留部における前記作動流体の貯留量が多くなると、（前記作動流体貯留部の底部にて）前記作動流体の圧力が高くなる。この作動流体の圧力が前記排出弁における所定の開弁圧に達すると、前記排出弁が開放される。これにより、前記作動流体貯留部からの前記作動流体の排出が、効率的に行われ得る。
【００２０】
ここで、前記排出弁は、前記作動流体貯留部における前記作動流体の前記圧力によって機械的に開閉動作するように構成され得る。あるいは、前記排出弁は、前記貯留状態センサの出力に基づいて電磁的に開閉されるように構成され得る。これにより、前記作動流体貯留部からの前記作動流体の排出が、簡略な装置構成で良好に行われ得る。
【００２１】
前記廃熱回収システムは、減速機構をさらに備え得る。この減速機構は、前記エンジンの出力シャフトの回転を減速しつつ前記ロータに常時伝達すべく、前記出力シャフトと前記ロータとを連結するように構成されている。
【００２２】
かかる構成においては、前記エンジンの出力が小さい低回転領域（この場合前記蒸気の発生量も少なく蒸気圧も低い）においても、前記エンジンの運転による前記出力シャフトの回転数と前記減速機構における減速比とに応じた回転数で、前記ロータの回転状態が維持される。このため、その後に前記エンジンが高出力側の条件で運転されることで前記蒸気の発生量が増大した（蒸気圧が高くなった）時点でも、前記ロータはすでに回転状態となっている。よって、前記ロータの始動のための慣性によるロスが軽減され、前記ノズルを通過する（前記ノズルによって噴射される）前記蒸気によって当該ロータは良好に回転する。
【００２３】
このように、かかる構成によれば、前記蒸気のエネルギーが、より効率よく、前記ロータの回転に変換され得る。したがって、かかる構成によれば、よりいっそう高いエネルギー回収効率が得られる。
【００２４】
前記廃熱回収システムは、蒸気供給路と、蓄圧器と、噴射状態制御部と、を備え得る。ここで、前記蒸気供給路は、前記蒸気発生部と前記ノズルとを接続するように設けられている。また、前記蓄圧器は、前記蒸気供給路に介装されていて、前記蒸気を貯留し得るように構成されている。また、前記噴射状態制御部は、前記蒸気供給路に介装されている。この噴射状態制御部は、前記蓄圧器内における蒸気圧に応じて、前記ノズルにおける前記蒸気の通過状態（噴射状態）を制御し得るように構成されている。
【００２５】
具体的には、例えば、前記タービンには、複数の前記ノズルが備えられ得る。この場合、前記噴射状態制御部は、前記蓄圧器内における蒸気圧に応じて、複数の前記ノズルにおける前記通過状態（噴射状態）を制御し得るように構成されている。また、前記噴射状態制御部は、複数の前記ノズルのそれぞれに対応するように複数設けられたノズル制御弁を備え得る。
【００２６】
かかる構成においては、前記蒸気供給路や前記蓄圧器における蒸気圧に応じて、前記ノズルにおける前記蒸気の通過（噴射）状態が、タービン効率がより高くなるように適宜制御され得る。したがって、前記エンジンの幅広い運転状態の範囲で、より高いエネルギー回収効率が得られる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２７】
以下、本発明の実施形態（本願の出願時点において取り敢えず出願人が最良と考えている実施形態）について、図面を参照しつつ説明する。
【００２８】
なお、以下の実施形態に関する記載は、法令で要求されている明細書の記載要件（記述要件・実施可能要件）を満たすために、本発明の具体化の単なる一例を、可能な範囲で具体的に記述しているものにすぎない。よって、後述するように、本発明が、以下に説明する実施形態の具体的構成に何ら限定されるものではないことは、全く当然である。本実施形態に対して施され得る各種の変更（modification）は、当該実施形態の説明中に挿入されると、一貫した実施形態の説明の理解が妨げられるので、末尾にまとめて記載されている。
【００２９】
＜廃熱回収システムの全体構成＞
図１は、本発明の一実施形態に係る廃熱回収システム１（以下、単に「システム１」と称する。）の概略構成図である。
【００３０】
図１を参照すると、システム１は、図示しないオートマチックトランスミッション装置を備えた自動車（いわゆるＡＴ車）に搭載されていて、水冷式のエンジン２と、廃熱回収部３と、を備えている。このシステム１は、エンジン２の冷却水ＣＬを作動流体とするランキンサイクルシステムであって、後述するように、廃熱回収部３によってエンジン２の廃熱からエネルギーを回収し得るように構成されている。
【００３１】
＜＜エンジンの構成＞＞
エンジン２は、シリンダブロック２１と、シリンダヘッド２２と、エンジン側循環経路２３と、を備えている。シリンダブロック２１には、シリンダ２１１が形成されている。シリンダ２１１内には、ピストン２１２が、シリンダ２１１の軸線方向（図中上下方向）に沿って往復運動可能に収容されている。そして、シリンダ２１１の内側であってピストン２１２の上方の空間によって、燃焼室ＣＣが形成されている。
【００３２】
シリンダブロック２１における、シリンダ２１１よりも下方の空間内には、クランクシャフト２１３が、回転可能に支持されつつ収容されている。クランクシャフト２１３は、コンロッド２１４を介してピストン２１２と連結されている。すなわち、本発明の出力シャフトとしてのクランクシャフト２１３は、シリンダ２１１内におけるピストン２１２の往復運動によって回転駆動され得るように構成されている。
【００３３】
シリンダブロック２１には、本発明の蒸気発生部を構成するロワージャケット２１５が形成されている。ロワージャケット２１５は、平面視にて略リング状の空間であって、シリンダ２１１を囲むように設けられている。このロワージャケット２１５は、その内部を冷却水ＣＬが通過し得るように構成されている。また、ロワージャケット２１５は、その内部の冷却水ＣＬがエンジン２の廃熱によって蒸発することで、冷却水ＣＬの蒸気を発生させるようになっている。
【００３４】
シリンダヘッド２２は、シリンダブロック２１の上端面に接合されている。シリンダヘッド２２には、排気ポート２２１と、アッパージャケット２２２と、蒸気導出口２２３と、が形成されている。排気ポート２２１は、燃焼室ＣＣと連通するように設けられている。
【００３５】
本発明の蒸気発生部を構成するアッパージャケット２２２は、液体状の冷却水ＣＬ及びその蒸気がその内部を通過し得るように構成された空間であって、排気ポート２２１及び燃焼室ＣＣに隣接するように設けられている。すなわち、アッパージャケット２２２は、その内部にて噴射された冷却水ＣＬがエンジン２の廃熱によって蒸発することで、冷却水ＣＬの蒸気を発生させるようになっている。また、アッパージャケット２２２は、その下端部にてロワージャケット２１５の上端部と連通することで、ロワージャケット２１５内にて発生した蒸気が流入し得るようになっている。
【００３６】
蒸気導出口２２３は、アッパージャケット２２２の最上部と連通するように設けられている。この蒸気導出口２２３は、ロワージャケット２１５及びアッパージャケット２２２内にて発生した冷却水ＣＬの蒸気をエンジン２の外に導出し得るように形成されている。
【００３７】
エンジン側循環経路２３は、エンジン２側にて冷却水ＣＬを循環させ得るように構成されている。このエンジン側循環経路２３は、冷却水ノズル２３１と、冷却水ノズル供給路２３２と、冷却水噴射ポンプ２３３と、を備えている。
【００３８】
冷却水ノズル２３１は、シリンダヘッド２２に装着されていて、アッパージャケット２２２の内壁面と対向するように設けられている。この冷却水ノズル２３１は、燃料噴射用ノズルと同様の構造を有していて、冷却水ＣＬを微小液滴状にしてアッパージャケット２２２の内壁面に向けて勢いよく噴射し得るように構成されている。この冷却水ノズル２３１は、冷却水ノズル供給路２３２を介して、ロワージャケット２１５の底部と接続されている。冷却水ノズル供給路２３２には、冷却水噴射ポンプ２３３が介装されている。この冷却水噴射ポンプ２３３は、ロワージャケット２１５の底部から冷却水ノズル２３１に向けて、液体状の冷却水ＣＬを送出し得るように構成されている。
【００３９】
＜＜廃熱回収部の構成＞＞
廃熱回収部３は、エンジン２の蒸気導出口２２３から導出された蒸気を用いてエンジン２の廃熱からエネルギーを回収し得るように構成されていて、過熱器３１と、衝動タービン３２と、蒸気供給部３３と、復水器３４と、キャッチタンク３５と、外部循環経路３６と、減速機構３７と、制御ユニット３８と、を備えている。エンジン２、過熱器３１、衝動タービン３２、蒸気供給部３３、復水器３４、及びキャッチタンク３５は、外部循環経路３６を介して接続されている。
【００４０】
また、エンジン２と、廃熱回収部３における衝動タービン３２とは、互いに動力の授受が可能なように、減速機構３７によって連結されている。すなわち、本システム１は、エンジン２の廃熱をクランクシャフト２１３の回転駆動力として回収し得るように構成されている。さらに、制御ユニット３８は、本システム１の各部の動作を制御し得るように構成されている。以下、廃熱回収部３の構成の詳細について説明する。
【００４１】
＜＜＜過熱器＞＞＞
過熱器３１は、外部循環経路３６に介装されている。また、過熱器３１は、排気ポート２２１に接続された排気ガス通路である排気通路３１１に介装されている。この過熱器３１は、これを通過する排気ガスと蒸気との熱交換によって当該蒸気を加熱することで、過熱蒸気を発生させるように構成されている。
【００４２】
＜＜＜衝動タービン＞＞＞
本発明のタービンとしての衝動タービン３２は、過熱器３１よりも蒸気の流動方向における下流側（以下、単に「下流側」と称する。）にて、外部循環経路３６に介装されている。図２は、図１に示されている衝動タービン３２の内部構成の概略を示す断面図である。以下、本実施形態の衝動タービン３２の具体的な構成について説明する。
【００４３】
図２を参照すると、衝動タービン３２の外側ケーシングを構成するタービンケース３２０内には、ロータ３２１が、回転可能に支持されつつ収容されている。ロータ３２１には、多数のロータブレード３２１ａが、放射状に設けられている。また、衝動タービン３２には、過熱蒸気を導入するための蒸気ノズル３２２が備えられている。ロータ３２１は、蒸気ノズル３２２を通過した蒸気がロータブレード３２１ａに当たることで、タービンケース３２０内にて回転させられるように構成されている。
【００４４】
蒸気ノズル３２２は、ロータブレード３２１ａと対向するように設けられていて、このロータブレード３２１ａに向けて過熱蒸気を噴射することで、ロータ３２１を回転させ得るように、構成及び配置されている。すなわち、衝動タービン３２は、蒸気ノズル３２２によって噴射された過熱蒸気の膨張によってロータ３２１を回転させることで、蒸気から機械的エネルギーを回収し得るように構成されている。
【００４５】
本実施形態においては、蒸気ノズル３２２は、収縮−拡大ノズルあるいはラバルノズルと称される、軸線方向における中間位置に絞り部（スロート部）が設けられた構造を有していて、ロータ３２１による充分な動力回収が確保され得る程度の蒸気速度（例えば１０００ｍ／ｓ程度）が得られるように構成されている。
【００４６】
再び図１を参照すると、本実施形態においては、複数の蒸気ノズル３２２（本実施形態においては３つ：３２２ａ、３２２ｂ、３２２ｃ）が、互いにロータ３２１における異なる位置に向けて過熱蒸気を噴射することで当該ロータ３２１を同一方向に回転させ得るように配置されている。さらに、本実施形態においては、ロータ３２１及び蒸気ノズル３２２は、当該ロータ３２１の周速（Ｕ）と蒸気流速（Ｖ）との比である周速比（λ＝Ｕ／Ｖ）が０．４ないし０．６の範囲で良好な効率となり、周速比λが約０．５にてタービン効率が最高となるように構成されている。
【００４７】
再び図２を参照すると、タービンケース３２０には、蒸気排出口３２３ａ及び冷却水排出口３２３ｂが設けられている。蒸気排出口３２３ａは、タービンケース３２０における上部に設けられていて、ロータ３２１を経た蒸気を排出し得るように形成されている。この蒸気排出口３２３ａには、蒸気排出口開閉弁３２４が設けられている。この蒸気排出口開閉弁３２４は、電磁弁であって、蒸気排出口３２３ａを開閉し得るように構成及び配置されている。
【００４８】
冷却水排出口３２３ｂは、タービンケース３２０の底部に設けられていて、その下方に配置された冷却水タンク３２５と接続されている。すなわち、本発明の作動流体貯留部としての冷却水タンク３２５は、タービンケース３２０の外部かつ下方に設けられていて、蒸気ノズル３２２を通過した蒸気から発生した液体状の冷却水ＣＬを貯留し得るように構成されている。そして、冷却水タンク３２５は、冷却水排出口３２３ｂを介してタービンケース３２０から排出された冷却水ＣＬを貯留するように、構成及び配置されている。
【００４９】
冷却水タンク３２５の底部には、冷却水排出口３２５ａが設けられている。冷却水排出口３２５ａは、冷却水タンク３２５内に貯留された冷却水ＣＬを外部（図１におけるキャッチタンク３５）に向けて排出し得るように構成されている。この冷却水排出口３２５ａには、本発明の作動流体排出部を構成する冷却水排出弁３２６が介装されている。冷却水排出弁３２６は、冷却水タンク３２５内における冷却水ＣＬの貯留状態に応じて開閉することで、冷却水ＣＬを冷却水タンク３２５から排出するように構成されている。具体的には、本実施形態においては、冷却水排出弁３２６は、冷却水タンク３２５内に貯留された冷却水ＣＬから受ける圧力によって、機械的に開閉動作するように構成されている。
【００５０】
冷却水タンク３２５の上部には、本発明の貯留状態センサとしての水位センサ３２７が装着されている。水位センサ３２７は、冷却水タンク３２５における冷却水ＣＬの貯留状態（冷却水ＣＬのレベル）に応じた出力を生じるように構成されている。
【００５１】
＜＜＜蒸気・冷却水循環系統＞＞＞
再び図１を参照すると、蒸気供給部３３は、過熱器３１と衝動タービン３２との間にて、外部循環経路３６に介装されている。この蒸気供給部３３は、衝動タービン３２に高圧の過熱蒸気を供給し得るように構成されている。具体的には、蒸気供給部３３は、蒸気ノズル供給路３３１（３３１ａ、３３１ｂ、３３１ｃ）と、差圧弁３３２（３３２ａ、３３２ｂ、３３２ｃ）と、蓄圧器３３３と、を備えている。
【００５２】
本発明の蒸気供給路を構成する蒸気ノズル供給路３３１は、蒸気ノズル３２２と蓄圧器３３３とを接続するように設けられている。本発明の噴射状態制御部としての差圧弁３３２は、蒸気ノズル供給路３３１に介装されている。すなわち、差圧弁３３２は、蒸気ノズル３２２よりも、蒸気の流動方向における上流側（以下、単に「上流側」と称する。）に設けられている。この差圧弁３３２は、圧力によって作動する、いわゆるチェック弁であって、蒸気ノズル供給路３３１における差圧弁３３２よりも上流側の部分及び蓄圧器３３３内の蒸気圧によって機械的に開閉し得るように、構成及び配置されている。蓄圧器３３３は、気密的に構成されたタンク状の部材であって、過熱器３１を経た過熱蒸気を貯留し得るように構成されている。
【００５３】
本実施形態においては、蒸気ノズル供給路３３１及び差圧弁３３２は、蒸気ノズル３２２の数に対応して、それぞれ３つずつ設けられている。具体的には、蒸気ノズル供給路３３１ａは蒸気ノズル３２２ａと接続されていて、蒸気ノズル供給路３３１ｂは蒸気ノズル３２２ｂと接続されていて、蒸気ノズル供給路３３１ｃは蒸気ノズル３２２ｃと接続されている。さらに、蒸気ノズル供給路３３１ａには差圧弁３３２ａが介装されていて、蒸気ノズル供給路３３１ｂには差圧弁３３２ｂが介装されていて、蒸気ノズル供給路３３１ｃには差圧弁３３２ｃが介装されている。
【００５４】
差圧弁３３２ｂは、差圧弁３３２ａよりも高圧側で開弁するように構成されている。同様に、差圧弁３３２ｃは、差圧弁３３２ｂよりも高圧側で開弁するように構成されている。このように、差圧弁３３２ａ、３３２ｂ、及び３３２ｃは、蓄圧器３３３内の蒸気圧に応じて、蒸気ノズル３２２ａ、３２２ｂ、及び３２２ｃにおける過熱蒸気の噴射の有無を切り換えることで、ロータ３２１に対する過熱蒸気の噴射状態を制御し得るように構成されている。
【００５５】
復水器３４は、衝動タービン３２よりも下流側にて、外部循環経路３６に介装されている。この復水器３４は、自動車のラジエータと同様の構成を有していて、衝動タービン３２を経たあるいはバイパスした冷却水ＣＬの蒸気を外気との熱交換で冷却することで、蒸気を液体に凝縮し得るように構成されている。
【００５６】
キャッチタンク３５は、復水器３４を経て凝縮された冷却水ＣＬ、及び衝動タービン３２における冷却水タンク３２５から排出された冷却水ＣＬを受容して貯留し得るように構成されている。
【００５７】
外部循環経路３６は、エンジン２の外部における冷却水ＣＬ及びその蒸気の循環経路であって、エンジン２、過熱器３１、衝動タービン３２、蒸気供給部３３、復水器３４、及びキャッチタンク３５を接続するように設けられている。具体的には、外部循環経路３６は、以下のように構成されている。
【００５８】
アッパージャケット２２２の最上部に設けられた蒸気導出口２２３には、蒸気導出路３６１の上流側の端部が接続されている。蒸気導出路３６１の下流側の端部には、蓄圧器供給路３６２及びバイパス路３６３が、バイパス切換弁３６４を介して接続されている。
【００５９】
本発明の蒸気供給路を構成する蓄圧器供給路３６２は、蒸気導出路３６１と蓄圧器３３３とを接続するように設けられている。この蓄圧器供給路３６２には、過熱器３１が介装されている。バイパス路３６３は、過熱器３１、蒸気供給部３３、及び衝動タービン３２をバイパスして、蒸気導出路３６１と復水器３４とを接続するように設けられている。バイパス切換弁３６４は、電磁的に動作する三方弁であって、蓄圧器供給路３６２又はバイパス路３６３を、択一的に、蒸気導出路３６１と接続するように構成されている。
【００６０】
衝動タービン３２における蒸気排出口３２３ａ（図２参照）と復水器３４とは、復水器供給路３６５ａを介して接続されている。復水器３４の底部とキャッチタンク３５の頂部とは、復水器排出路３６５ｂを介して接続されている。キャッチタンク３５の上部であって復水器排出路３６５ｂが接続されている位置よりもやや下方には、アッパー冷却水導出路３６６ａの上流側の端部が接続されている。アッパー冷却水導出路３６６ａは、冷却水ＣＬをキャッチタンク３５の上部からシリンダブロック２１に向けて導出し得るように形成されている。キャッチタンク３５の底部には、ロワー冷却水導出路３６６ｂの上流側の端部が接続されている。ロワー冷却水導出路３６６ｂは、冷却水ＣＬをキャッチタンク３５の底部からシリンダブロック２１に向けて導出し得るように形成されている。
【００６１】
アッパー冷却水導出路３６６ａ及びロワー冷却水導出路３６６ｂの下流側の端部は、冷却水供給路３６７の上流側の端部と、冷却水供給切換弁３６８を介して接続されている。冷却水供給切換弁３６８は、電磁的に動作する三方弁であって、アッパー冷却水導出路３６６ａ又はロワー冷却水導出路３６６ｂを、択一的に、冷却水供給路３６７と接続するように構成されている。
【００６２】
冷却水供給路３６７の下流側の端部は、ロワージャケット２１５の底部と接続されている。冷却水供給路３６７には、冷却水供給ポンプ３６９が介装されている。冷却水供給ポンプ３６９は、キャッチタンク３５内の冷却水ＣＬをロワージャケット２１５の底部に供給し得るように構成されている。
【００６３】
＜＜＜減速機構＞＞＞
減速機構３７は、エンジン２のクランクシャフト２１３と衝動タービン３２のロータ３２１とを常時連結するように構成されている。
【００６４】
具体的には、減速機構３７は、クランクシャフトプーリー３７１と、タービンプーリー３７２と、中間プーリー３７３と、ベルト３７４及び３７５と、を備えている。クランクシャフトプーリー３７１は、クランクシャフト２１３の端部と結合されている。タービンプーリー３７２は、衝動タービン３２のロータ３２１と結合されている。中間プーリー３７３は、クランクシャフトプーリー３７１とタービンプーリー３７２との間に設けられている。クランクシャフトプーリー３７１と中間プーリー３７３とには、ベルト３７４が掛け渡されている。タービンプーリー３７２と中間プーリー３７３とには、ベルト３７５が掛け渡されている。
【００６５】
本実施形態の減速機構３７は、クランクシャフト２１３と、衝動タービン３２のロータ３２１とを、常時連結するように構成されている。すなわち、この減速機構３７は、クランクシャフト２１３の回転数（＝エンジン回転数Ｎｅ［rpm］）よりも高い回転数（通常は数万rpm）の、衝動タービン３２のロータ３２１の回転を、所定の減速比Ａで減速してクランクシャフト２１３に伝達し得るように構成されている。同様に、この減速機構３７は、クランクシャフト２１３の回転を増速して衝動タービン３２のロータ３２１に伝達し得るように構成されている。
【００６６】
また、本実施形態においては、
周速比λ＝Ｕ／Ｖ
＝（Ｎｔ／６０）・π・Ｄｔ／Ｖ
＝（π・Ａ・Ｎｅ・Ｄｔ）／（６０・ｆ（Ｐ，Ｔ））
［タービン周速（ロータ３２１の周速）Ｕ、タービン回転数（ロータ３２１の回転数［rpm］）Ｎｔ、ロータ３２１の径Ｄｔ、蓄圧器３３３内の蒸気圧Ｐ、蓄圧器３３３内の蒸気の温度Ｔ、蒸気ノズル３２２による蒸気流速Ｖ＝ｆ（Ｐ，Ｔ）：Ｖは蒸気ノズル３２２の形状、蒸気圧Ｐ、及び蒸気温度Ｔによって、実験あるいはシミュレーションにより比較的簡単に求められ得る。］
の値が０．５前後（０．４ないし０．６の範囲内）となるように、ロータ３２１，蒸気ノズル３２２ａ，３２２ｂ，３２２ｃの形状、差圧弁３３２ａ，３３２ｂ，３３２ｃの開弁・閉弁圧、及び減速機構３７における減速比Ａが設定されている。
【００６７】
すなわち、通常は蒸気ノズル３２２ａにおける蒸気流速が低すぎて衝動タービン３２のロータ３２１が効率よく回転されない（λが０．４よりもはるかに小さくなる）ような、ごく低負荷・低回転数の運転領域においては、一旦すべての差圧弁３３２が閉弁されることで過熱蒸気が蓄圧器３３３内に所定量貯留され、λ＝０．５前後となるような蒸気ノズル３２２ａにおける蒸気流速が所定期間得られる程度に充分な圧力に蓄圧器３３３及び蓄圧器供給路３６２内の蒸気圧が達した時点で、差圧弁３３２ａが開弁するように、蒸気供給部３３が構成されている。
【００６８】
また、エンジン回転数Ｎｅがロックアップ回転数Ｎｅｒ（図示しないオートマチックトランスミッションがロックアップ状態に設定されるエンジン回転数Ｎｅ：２０００ｒｐｍ前後）、蓄圧器３３３及び蓄圧器供給路３６２内の蒸気圧が差圧弁３３２ａの開弁圧Ｐａで、蒸気ノズル３２２ａのみから過熱蒸気が噴射された状態で、周速比λが、タービン効率が最高となる値（λ＝約０．５）付近となるように、減速機構３７が構成されている。
【００６９】
さらに、差圧弁３３２ａが連続的に開弁され蒸気ノズル３２２ａによる蒸気噴射が連続的に行われるような比較的高負荷・高回転数の運転領域においては、蒸気ノズル３２２ｂ及び３２２ｃにおける蒸気噴射の有無を適宜切り換えることで、常時λ＝０．５前後となるような蒸気噴射状態を実現するように、差圧弁３３２ｂ及び３３２ｃが構成されている。
【００７０】
＜＜＜制御ユニット＞＞＞
制御ユニット３８は、システム１における電気的に動作する各部（蒸気排出口開閉弁３２４、バイパス切換弁３６４、冷却水供給切換弁３６８、等）やセンサ類（水位センサ３２７等）と電気的に接続されている。この制御ユニット３８は、ＣＰＵ等を備えていて、上述の各部の動作を制御し得るように構成されている。
【００７１】
特に、本実施形態においては、制御ユニット３８は、冷却水タンク３２５内の冷却水ＣＬの水位が所定の高さに達したことが水位センサ３２７によって検知された場合に、蒸気排出口開閉弁３２４に閉弁動作させるように当該蒸気排出口開閉弁３２４を通電することで、蒸気排出口３２３ａを閉鎖し得るようになっている。
【００７２】
＜実施形態の廃熱回収システムの動作の概要＞
図３ないし図６は、図１に示されているシステム１の動作の様子を示す図である。以下、上述の構成を有する本実施形態のシステム１の動作の概要について、各図を参照しつつ説明する。なお、図３ないし図６においては、バイパス切換弁３６４及び冷却水供給切換弁３６８は、閉塞されているポートが黒色で塗りつぶされており、白抜きのポート同士が連通しているものとして示されている。同様に、図３ないし図６においては、冷却水ＣＬ及びその蒸気の流動が生じている流路は実線で示されている一方、当該流動が生じていない流路は破線で示されている。
【００７３】
エンジン２の運転によって、クランクシャフト２１３が回転する。このクランクシャフト２１３の回転は、減速機構３７を介して、衝動タービン３２のロータ３２１に伝達される。特に、エンジン２の負荷及び回転数が小さい場合（例えばアイドリング状態や上述のロックアップ状態）、衝動タービン３２におけるロータ３２１の回転は、クランクシャフト２１３の回転駆動力によって補助される。
【００７４】
＜＜廃熱回収動作＞＞
エンジン２の負荷及び回転数が上限近くではない場合、図３ないし図５に示されているように、冷却水供給切換弁３６８によって、アッパー冷却水導出路３６６ａと冷却水供給ポンプ３６９とが連通される一方、ロワー冷却水導出路３６６ｂと冷却水供給ポンプ３６９との連通が遮断される。また、バイパス切換弁３６４によって、蒸気導出路３６１と過熱器３１等とが連通される一方、蒸気導出路３６１とバイパス路３６３との連通が遮断される。これにより、冷却水ＣＬ及びその蒸気が、以下に詳述するような態様にて循環する。
【００７５】
比較的少量の液体状の冷却水ＣＬが、冷却水供給ポンプ３６９によって、キャッチタンク３５の上部から、アッパー冷却水導出路３６６ａ及び冷却水供給路３６７を介して、ロワージャケット２１５の底部に供給される。ロワージャケット２１５の底部に貯留された冷却水ＣＬは、冷却水噴射ポンプ２３３によって、冷却水ノズル２３１に供給される。
【００７６】
冷却水ノズル２３１にて、微小液滴状の冷却水ＣＬが、アッパージャケット２２２の内壁面に向けて、勢いよく噴射される（スプレー冷却）。これにより、アッパージャケット２２２が冷却されるとともに、アッパージャケット２２２内にて冷却水ＣＬの一部が蒸発して飽和蒸気が発生する。蒸発しなかった液体状の冷却水ＣＬは、下方のロワージャケット２１５に向けて還流する。なお、アッパージャケット２２２からロワージャケット２１５の底部に向かう途中や、ロワージャケット２１５内でも、液体状の冷却水ＣＬは、吸熱によって気化し得る。これによって生じた蒸気も、上方のアッパージャケット２２２に達する。
【００７７】
アッパージャケット２２２内の飽和蒸気は、蒸気導出口２２３を介して、蒸気導出路３６１に導出され、過熱器３１に達する。この蒸気は、過熱器３１にて、排気ガスとの熱交換によって加熱されることで過熱蒸気となる。この過熱蒸気は、蓄圧器供給路３６２を経て蓄圧器３３３に達する。後述する通り、蓄圧器３３３内の過熱蒸気は、その圧力に応じて、蒸気ノズル３２２によってロータ３２１に向けて噴射される。
【００７８】
これにより、過熱蒸気の有する熱エネルギーがロータ３２１の運動（回転）のエネルギーに変換され、減速機構３７を介してクランクシャフト２１３に伝達される。すなわち、過熱蒸気から機械的エネルギーが回収される。衝動タービン３２を経て低エネルギーとなった蒸気は、復水器供給路３６５ａを介して復水器３４に供給され、復水器３４にて冷却されることで凝縮される。復水器３４にて凝縮されることで液体状となった冷却水ＣＬは、復水器排出路３６５ｂを経て、キャッチタンク３５の上部に回収される。
【００７９】
＜＜＜負荷・回転数に応じた蒸気噴射制御＞＞＞
以下に詳述するように、低負荷・低回転数の運転領域においては、蒸気ノズル３２２ａのみからの蒸気噴射が間欠的に行われる。
【００８０】
過熱蒸気の発生量（流量）が少なく蒸気ノズル３２２ａにおける蒸気流速が低すぎて、そのままロータ３２１に対して噴射されたのでは衝動タービン３２のロータ３２１が効率よく回転されない（λが０．４よりもはるかに小さくなる）ような、低負荷・低回転の運転領域においては、一旦すべての差圧弁３３２が閉弁される。これにより、過熱蒸気が蓄圧器３３３内に貯留される。
【００８１】
蓄圧器３３３内の蒸気圧が、差圧弁３３２ａの開弁圧Ｐａに達すると、図３に示されているように、差圧弁３３２ａのみが開弁して、蒸気ノズル３２２ａのみから蒸気が噴射される。このとき、上述したように、衝動タービン３２のロータ３２１は、クランクシャフト２１３の回転駆動力が減速機構３７を介して伝達されることで、或る程度の回転数で回転している。したがって、蒸気ノズル３２２ａによる蒸気噴射により、λ＝０．５前後となるような衝動タービン３２の作動が得られる。その後、蓄圧器３３３内の蒸気圧が、差圧弁３３２ａの閉弁圧（Ｐａ−ΔＰ）以下となると、差圧弁３３２ａが閉弁され、蓄圧器３３３内の蒸気圧が再度Ｐａに達するまで過熱蒸気が蓄圧器３３３内に貯留される。
【００８２】
中程度の負荷・回転数の運転領域においては、図４に示されているように、差圧弁３３２ａは常時開弁する一方、差圧弁３３２ｂ（開弁圧Ｐｂ＞Ｐａ）は間欠的に作動し、差圧弁３３２ｃ（開弁圧Ｐｃ＞Ｐｂ）は常時閉弁される。これにより、蒸気ノズル３２２ａからの蒸気噴射が常時行われつつ、蒸気ノズル３２２ｂからの蒸気噴射が間欠的に行われる一方、蒸気ノズル３２２ｃからの蒸気噴射は停止されたままである。
【００８３】
高負荷・高回転数の運転領域においては、図５に示されているように、差圧弁３３２ａ及び３３２ｂは常時開弁する一方、差圧弁３３２ｃは間欠的に作動する。これにより、蒸気ノズル３２２ａ及び３２２ｂからの蒸気噴射が常時行われつつ、蒸気ノズル３２２ｃからの蒸気噴射が間欠的に行われる。さらに負荷及び回転数が上昇すると、すべての差圧弁３３２が開弁し、すべての蒸気ノズル３２２から過熱蒸気が噴射される。
【００８４】
このように、過熱蒸気の発生量（流量）に応じて差圧弁３３２ａ、３３２ｂ、及び３３２ｃが開閉されて蒸気ノズル３２２ａ、３２２ｂ、及び３２２ｃからの蒸気噴射の有無が適宜制御されることで、タービン効率がピークを示すλ＝０．５前後となるような、蒸気ノズル３２２ａ、３２２ｂ、及び３２２ｃからの蒸気噴射状態が、幅広い運転領域で実現され得る。
【００８５】
＜＜エンジン水冷動作＞＞
エンジン２の負荷及び回転数が上限近くである状態が所定期間継続した場合、図６に示されているように、冷却水供給切換弁３６８によって、アッパー冷却水導出路３６６ａと冷却水供給ポンプ３６９との連通が遮断される一方、ロワー冷却水導出路３６６ｂと冷却水供給ポンプ３６９とが連通される。また、バイパス切換弁３６４によって、蒸気導出路３６１と過熱器３１等との連通が遮断される一方、蒸気導出路３６１とバイパス路３６３とが連通される。これにより、液体状の冷却水ＣＬが、以下に詳述するような態様にて循環する。
【００８６】
大量の液体状の冷却水ＣＬが、冷却水供給ポンプ３６９によって、キャッチタンク３５の底部から、ロワー冷却水導出路３６６ｂ及び冷却水供給路３６７を介して、ロワージャケット２１５及びアッパージャケット２２２に注入される。これにより、エンジン２は、液体状の冷却水ＣＬによって良好に冷却される。エンジン２の冷却に供された液体状の冷却水ＣＬは、蒸気導出路３６１に溢れ出て、バイパス路３６３を介して復水器３４に送られる。復水器３４においては、ラジエータと同様に、液体状の冷却水ＣＬが、外気との熱交換によって、良好に冷却される。復水器３４によって冷却された液体状の冷却水ＣＬは、復水器排出路３６５ｂを経て、キャッチタンク３５の上部に回収される。
【００８７】
＜実施形態の構成によるタービン排水動作＞
図７及び図８は、図２に示されている衝動タービン３２からの冷却水ＣＬの排出動作の様子を示す断面図である。以下、図２、図７、及び図８を用いて、衝動タービン３２からの排水動作について説明する。
【００８８】
蒸気ノズル３２２によって噴射された過熱蒸気がロータブレード３２１ａに当たることで、ロータ３２１が回転させられる。これにより、過熱蒸気のエネルギーが回収される。このとき、タービンケース３２０内にて、蒸気が凝縮（結露）して、液体状の冷却水ＣＬが生じることがある。このようにして発生した冷却水ＣＬは、重力の作用で、冷却水排出口３２３ｂを介してタービンケース３２０から一旦排出され、図２に示されているように、冷却水タンク３２５内に貯留される。
【００８９】
ここで、図２に示されているように、冷却水タンク３２５内の冷却水ＣＬの水位が、水位センサ３２７よりも低い場合、蒸気排出口開閉弁３２４によって、蒸気排出口３２３ａは開放される。この場合、ロータ３２１を経て低圧となった蒸気は、開放された蒸気排出口３２３ａを介して、衝動タービン３２の外部（図１における復水器３４）に向けて排出される。
【００９０】
冷却水タンク３２５内の冷却水ＣＬの水位が、水位センサ３２７の高さにまで達すると、蒸気排出口開閉弁３２４が閉弁動作する。これにより、図７に示されているように、蒸気排出口３２３ａが閉鎖される。すると、蒸気ノズル３２２による蒸気の噴射に伴って、タービンケース３２０の内圧が上昇し、このタービンケース３２０と連通する冷却水タンク３２５の内圧も高くなる。この内圧上昇により、図８に示されているように、冷却水排出弁３２６が開弁し、冷却水タンク３２５内の冷却水ＣＬが、衝動タービン３２の外部（図１におけるキャッチタンク３５）に向けて排出される。
【００９１】
冷却水タンク３２５内から冷却水ＣＬが排出されて、冷却水タンク３２５内の水位が低下すると、これが水位センサ３２７によって検知され、蒸気排出口開閉弁３２４が開弁動作する。これにより、図２に示されているように、蒸気排出口３２３ａが開放される。
【００９２】
＜実施形態の構成による効果＞
以下、上述のような本実施形態の構成による効果について説明する。
【００９３】
本実施形態においては、衝動タービン３２（冷却水タンク３２５）内に滞留した冷却水ＣＬが、定期的に（水位が所定レベルになる毎に）排出される。よって、ロータ３２１の回転が衝動タービン３２内に滞留した冷却水ＣＬによって阻害されることが、効果的に抑制され得る。したがって、本実施形態の構成によれば、より高いエネルギー回収効率が得られる。
【００９４】
本実施形態においては、衝動タービン３２内にて発生した液体状の冷却水が、タービンケース３２０から一旦排出されて、その外部（下方）に設けられた冷却水タンク３２５内に貯留される。よって、ロータ３２１の回転が衝動タービン３２内に滞留した冷却水ＣＬによって阻害されることが、より効果的に抑制され得る。したがって、本実施形態の構成によれば、いっそう高いエネルギー回収効率が得られる。
【００９５】
本実施形態においては、水位センサ３２７による衝動タービン３２（冷却水タンク３２５）内の水位上昇の検出に基づいて、蒸気排出口開閉弁３２４が閉弁動作し、この閉弁動作によるタービンケース３２０及び冷却水タンク３２５の内圧上昇により、冷却水排出弁３２６が開弁する。したがって、本実施形態によれば、衝動タービン３２（冷却水タンク３２５）内の冷却水ＣＬの貯留状態に応じた、冷却水ＣＬの排出動作が、簡略な装置構成により良好に行われ得る。
【００９６】
本実施形態においては、ランキンサイクルにおける膨張器として、ラバルノズルを備えた衝動タービン３２が用いられている。この衝動タービン３２は、反動タービンとは異なり、小型化が容易であって、回転数も過大ではない。よって、比較的小型の衝動タービン３２及び減速機構３７が本システム１に適用可能である。また、この衝動タービン３２は、容積型膨張器と比べて、エネルギー回収効率に優れる。したがって、本実施形態によれば、車載用として適しており且つエネルギー回収効率に優れたシステム１が、比較的安価に得られる。
【００９７】
ＡＴ車においては、定常走行中は、エンジン回転数Ｎｅがロックアップ回転数Ｎｅｒとなることが多い。また、エンジン負荷が上昇した場合（例えば加速時等）、エンジン２の熱容量のために、蒸気発生量の立ち上がりがエンジン負荷の立ち上がりよりも遅れる。ここで、通常の運転では、高負荷となる期間（加速期間）は短い。よって、負荷の上昇に伴って蒸気発生量が増大した時点ではすでにエンジン回転数Ｎｅがロックアップ回転数Ｎｅｒ付近に戻っていることが少なくない。
【００９８】
そこで、本実施形態のシステム１は、エンジン回転数Ｎｅがロックアップ回転数Ｎｅｒ、蓄圧器３３３及び蓄圧器供給路３６２内の蒸気圧が差圧弁３３２ａの開弁圧Ｐａで、蒸気ノズル３２２ａのみから過熱蒸気が噴射された状態で、周速比λが、タービン効率が最高となる値（λ＝約０．５）付近となるように構成されている。すなわち、本実施形態においては、エンジン２の常用域にて、タービン効率が最も高くなる。したがって、本実施形態の構成によれば、より高いエネルギー回収効率が実現され得る。
【００９９】
本実施形態においては、衝動タービン３２のロータ３２１とクランクシャフト２１３とが、減速機構３７を介して常時連結されている。よって、過熱蒸気の発生量が少ない低負荷・低回転数の運転領域において、クランクシャフト２１３の回転駆動力によって補助されることでロータ３２１の回転数が比較的高く維持された状態で、ロータ３２１に対する蒸気噴射が行われる。したがって、ロータ３２１にクランクシャフト２１３の回転駆動力が伝達されていない場合（この場合は、蒸気ノズル３２２ａから過熱蒸気が噴射されても、停止中あるいは低速回転中のロータ３２１の慣性のため、ロータ３２１の回転数が速やかには上昇しないので、噴射された過熱蒸気のエネルギーがロータ３２１の回転運動エネルギーに変換される効率がきわめて低い。）と比べて、蒸気ノズル３２２ａから噴射された過熱蒸気によるエネルギー回収効率が格段に向上する。
【０１００】
本実施形態においては、過熱蒸気の発生量（流量）、すなわち、蓄圧器３３３及び蓄圧器供給路３６２内の蒸気圧に応じて、差圧弁３３２ａ、３３２ｂ、及び３３２ｃが開閉する。例えば、多量の過熱蒸気が発生する高負荷運転領域においては、単一の蒸気ノズル３２２ａによる過熱蒸気噴射ではタービン周速に比して蒸気流速が高くなりすぎてλが０．６を超え、タービン効率が極端に低下する可能性がある。そこで、かかる運転領域においては、複数の蒸気ノズル３２２（３２２ａ、３２２ｂ、等）を用いることで、蒸気流速の上昇に合わせてタービン周速を効率的に上昇させることができる。これにより、タービン効率が最高となるようなエンジン回転数Ｎｅが、上述のようなロックアップ回転数Ｎｅｒよりも高回転数側にシフトされる。
【０１０１】
一方、過熱蒸気の発生量が少量となる低負荷運転領域においては、多数の蒸気ノズル３２２を用いて過熱蒸気を噴射したのでは蒸気流速が低くなりすぎてタービン効率も低下する。そこで、かかる運転領域においては、蒸気ノズル３２２ａのみから過熱蒸気を噴射させることで、過熱蒸気の発生量が少量であっても蒸気流速を可及的に高めることができる。このとき、タービン効率が最高となるようなエンジン回転数Ｎｅが、常用域であるロックアップ回転数Ｎｅｒ付近に設定される。
【０１０２】
このように、本実施形態の構成においては、周速比λがタービン効率のピークである０．５前後となるように、蒸気噴射状態が、過熱蒸気の発生量（流量）に応じて適宜設定される。よって、本実施形態の構成によれば、幅広い範囲の運転状態にて、衝動タービン３２における最適な過熱蒸気の噴射状態が実現され得る。したがって、本実施形態によれば、幅広い範囲の運転状態にて、より高いエネルギー回収効率が実現され得る。
【０１０３】
本実施形態においては、過熱蒸気の流量がきわめて低くなるような運転領域にて、すべての差圧弁３３２が閉弁されて蓄圧器３３３内に過熱蒸気が所定量貯留されてから、或る程度まとまった量の過熱蒸気の噴射が行われる。すなわち、蓄圧器３３３がない場合（過熱蒸気の貯留容量が蒸気導出路３６１等の過熱蒸気供給路のみの容量に制限される場合）に比べて、一度に多量の過熱蒸気の噴射がまとまって行われる。したがって、かかる構成によれば、より高いエネルギー回収効率が得られる。
【０１０４】
本実施形態の構成においては、微小液滴状の冷却水ＣＬが、冷却水ノズル２３１によって、アッパージャケット２２２の内壁面に、勢いよく噴射される。すなわち、当該内壁面に対して、液体状の冷却水ＣＬが、勢いよく衝突する。これにより、当該内壁面に付着している、冷却水ＣＬの蒸気による気泡が、良好に弾き飛ばされる。よって、高負荷運転等により、エンジン２（特にシリンダヘッド２２における排気ポート２２１付近）が高温になって、当該内壁面にて大量の気泡が発生した場合であっても、膜沸騰現象の発生が、緩和又は抑制され得る。したがって、かかる構成によれば、エンジン２（特にシリンダヘッド２２における排気ポート２２１付近）の冷却が、良好に行われる。また、エンジン２にて発生している廃熱による冷却水ＣＬの昇温及び気化が、効率的に行われる。よって、廃熱からの機械的エネルギーの回収効率がより良好となる。
【０１０５】
本実施形態の構成においては、エンジン２の負荷及び回転数が上限近くである場合、液体状の冷却水ＣＬによってエンジン２が良好に冷却される。また、エンジン２の冷却に伴って温度上昇した液体状の冷却水ＣＬが、冷却効率の高いラジエータと同様に作動する復水器３４によって、良好に冷却される。よって、本実施形態の構成によれば、エンジン２のオーバーヒートが効果的に防止され得る。
【０１０６】
本実施形態においては、複数の蒸気ノズル３２２の噴射状態を制御するために、複数の差圧弁３３２が備えられている。したがって、過熱蒸気の発生量、流量、及び圧力の変化に伴う複数の蒸気ノズル３２２における噴射状態の制御が、簡略な装置構成によって実現され得る。
【０１０７】
＜変形例の例示列挙＞
なお、上述の実施形態は、上述した通り、出願人が取り敢えず本願の出願時点において最良であると考えた本発明の代表的な実施形態を単に例示したものにすぎない。よって、本発明はもとより上述の実施形態に何ら限定されるものではない。したがって、本発明の本質的部分を変更しない範囲内において、上述の実施形態に対して種々の変形が施され得ることは、当然である。
【０１０８】
以下、代表的な変形例について、幾つか例示する。以下の変形例の説明において、上述の実施形態にて説明されているものと同様の構成及び機能を有する部材に対しては、上述の実施形態と同様の符号が付されているものとする。また、技術的に矛盾しない範囲内において、上述の実施形態における説明が援用され得るものとする。
【０１０９】
もっとも、言うまでもなく、変形例とて、以下に列挙されたものに限定されるものではない。また、複数の変形例が、技術的に矛盾しない範囲内において、適宜、複合的に適用され得る。
【０１１０】
（Ａ）本発明の適用対象は、自動車に限定されない。また、本発明の適用対象である自動車は、ＡＴ車に限定されない。さらに、本発明の作動流体は、エンジン２の冷却水ＣＬに限定されない。
【０１１１】
（Ｂ）衝動タービン３２の構成は、上述の実施形態にて記述された具体例のものに何ら限定されない。例えば、上述の実施形態における衝動タービン３２の具体的構成に対して、以下のような変更が施され得る。
【０１１２】
蒸気ノズル３２２の数、形状、配置については、特段の限定はない。例えば、蒸気ノズル３２２の個数は、２つであってもよいし、４つ以上であってもよい。また、複数の蒸気ノズル３２２は、同一の形状に形成されていてもよい。あるいは、複数の蒸気ノズル３２２は、その絞り部の断面積が、蒸気ノズル３２２ａが最も小さくて蒸気ノズル３２２ｃが最も大きくなるように、それぞれ形成されていてもよい。また、複数の蒸気ノズル３２２は、ロータ３２１における略同一の位置に向けて（すなわち同一のロータブレード３２１ａに向けて）過熱蒸気を噴射し得るように配置されていてもよい。
【０１１３】
タービンケース３２０の外部に設けられた冷却水タンク３２５は、当該タービンケース３２０の側方や斜め側方（側方かつ下方）にも配置され得る。重力の作用によるタービンケース３２０内からの冷却水ＣＬのスムーズな移動を考慮すると、冷却水タンク３２５は、タービンケース３２０の最低位置よりも低い位置に配置されることが好適である。もっとも、冷却水タンク３２５の少なくとも一部がタービンケース３２０の底部とほぼ同じかこれよりも高い位置にある場合であっても、蒸気排出口開閉弁３２４の閉弁動作による内圧上昇の作用で、冷却水ＣＬをタービンケース３２０内から冷却水タンク３２５に良好に移動させることができる。
【０１１４】
水位センサ３２７に代えて、冷却水タンク３２５内の圧力に応じた出力を生じるように構成された圧力センサが用いられ得る。
【０１１５】
蒸気排出口開閉弁３２４は省略され得る。この場合、図２における、圧力によって機械的に開閉動作する冷却水排出弁３２６に代えて、図９に示されているように、電磁的に開閉動作する冷却水排出弁３２８が設けられてもよい。
【０１１６】
圧力によって機械的に開閉動作する冷却水排出弁３２６を備えた構成において、蒸気排出口開閉弁３２４が省略された場合、かかる冷却水排出弁３２６は、冷却水タンク３２５内の冷却水ＣＬの水圧によって開閉動作し得る。この場合、図１０に示されているように、水位センサ３２７も省略され得る。かかる態様によれば、冷却水タンク３２５内の冷却水ＣＬの貯留状態に応じた、冷却水ＣＬの排出動作が、きわめて簡略な装置構成により、良好に行われ得る。
【０１１７】
さらに、図１１に示されているように、冷却水タンク３２５は、省略され得る。すなわち、タービンケース３２０の底部に、冷却水ＣＬを貯留するための空間（作動流体貯留部）が設けられ得る。この空間の上端は、ロータブレード３２１ａの下端によって規定され得る。そして、この空間の下端部（冷却水排出口３２３ｂ）に、冷却水排出弁３２６が設けられ得る。また、この空間の上部（例えばロータブレード３２１ａの下端よりも若干下方）に、水位センサ３２７が設けられ得る。なお、図１１に示されている構成においても、上述のような変形（冷却水排出弁３２６から図９に示されている冷却水排出弁３２８への変更等）が可能であることは、いうまでもない。
【０１１８】
（Ｃ）  蓄圧器３３３は、排気通路３１１に介装されていてもよい。すなわち、排気通路３１１を通過する排気ガスの熱によって、蓄圧器３３３内の過熱蒸気が保温されあるいはさらに加熱されるように、システム１が構成され得る。
【０１１９】
（Ｄ）  図６に示されているエンジン水冷動作において、冷却水ノズル２３１から冷却水ＣＬが噴射されてもよい。その他、外部循環経路３６の構成を含む、過熱蒸気の循環経路の具体的な構成についても、上述の実施形態のものに何ら限定されない。例えば、上述のエンジン水冷動作が行われないようになっていてもよい。
【０１２０】
（Ｅ）  図１２は、図１に示されているシステム１の一つの変形例を示す概略構成図である。図１２に示されている変形例の構成においては、図１における差圧弁３３２に代えて、複数の電磁弁３３５（３３５ａ、３３５ｂ、３３５ｃ）が設けられている。電磁弁３３５は、いわゆる開閉弁であって、制御ユニット３８と電気回路的に接続されていて、制御ユニット３８からの電気信号の入力によって開閉し得るように構成されている。
【０１２１】
また、蓄圧器３３３には、蒸気圧センサ３８１及び蒸気温度センサ３８２が装着されている。蒸気圧センサ３８１は、過熱蒸気の圧力に対応する出力を生じるように構成されている。蒸気温度センサ３８２は、過熱蒸気の温度に対応する出力を生じるように構成されている。蒸気圧センサ３８１及び蒸気温度センサ３８２は、制御ユニット３８と電気回路的に接続されている。この制御ユニット３８は、蒸気圧センサ３８１及び蒸気温度センサ３８２の出力に基づいて、複数の電磁弁３３５（３３５ａ、３３５ｂ、３３５ｃ）の各々を開閉するための電気信号を出力し得るように構成されている。
【０１２２】
かかる構成を有する本変形例のシステム１においては、蒸気圧センサ３８１及び蒸気温度センサ３８２からの出力に基づいて、複数の電磁弁３３５（３３５ａ、３３５ｂ、３３５ｃ）、バイパス切換弁３６４、及び冷却水供給切換弁３６８の状態が制御される。これにより、上述の実施形態と同様の動作が実現される。
【０１２３】
なお、電磁弁３３５は、開閉弁ではなく流量制御弁であってもよい。また、蒸気圧センサ３８１及び蒸気温度センサ３８２は、蒸気ノズル供給路３３１あるいは蓄圧器供給路３６２に介装されていてもよい。あるいは、蒸気温度センサ３８２は、省略され得る。
【０１２４】
（Ｆ）  複数の蒸気ノズル３２２のうちの１つのみが選択的に過熱蒸気を噴射するようになっていてもよい。すなわち、例えば、複数の差圧弁３３２あるいは電磁弁３３５に代えて、三方弁等の、複数のポートが択一的に選択され得るような構成を有する電磁弁が設けられていてもよい。この場合、複数の蒸気ノズル供給路３３１に代えて、当該三方弁等に過熱蒸気を供給するための単一の蒸気供給路が設けられる。
【０１２５】
（Ｇ）  減速機構３７の構成も、上述の実施形態のものに限定されない。例えば、減速機構３７は、複数のギヤから構成され得る。また、減速機構３７は、トルクコンバーターやクラッチ等を備えることで、クランクシャフト２１３と衝動タービン３２のロータ３２１との連結を一時的に弛緩させたり解除したりし得るように構成されていてもよい。
【０１２６】
（Ｈ）  その他、特段に言及されていない変形例についても、本発明の本質的部分を変更しない範囲内において、本発明の技術的範囲に含まれることは当然である。また、本発明の課題を解決するための手段を構成する各要素における、作用・機能的に表現されている要素は、上述の実施形態や変形例にて開示されている具体的構造の他、当該作用・機能を実現可能ないかなる構造をも含む。
【図面の簡単な説明】
【０１２７】
【図１】本発明の一実施形態に係る廃熱回収システムの概略構成図である。
【図２】図１に示されている衝動タービンの内部構成の概略を示す断面図である。
【図３】図１に示されている廃熱回収システムの動作の様子を示す図である。
【図４】図１に示されている廃熱回収システムの動作の様子を示す図である。
【図５】図１に示されている廃熱回収システムの動作の様子を示す図である。
【図６】図１に示されている廃熱回収システムの動作の様子を示す図である。
【図７】図２に示されている衝動タービンからの冷却水の排出動作の様子を示す断面図である。
【図８】図２に示されている衝動タービンからの冷却水の排出動作の様子を示す断面図である。
【図９】図２に示されている衝動タービンの一つの変形例を示す概略構成図である。
【図１０】図２に示されている衝動タービンの他の変形例を示す概略構成図である。
【図１１】図２に示されている衝動タービンのさらに他の変形例を示す概略構成図である。
【図１２】図１に示されている廃熱回収システムの一つの変形例を示す概略構成図である。
【符号の説明】
【０１２８】
１…廃熱回収システム        ２…エンジン
２１…シリンダブロック      ２１３…クランクシャフト  ２１５…ロワージャケット
２２…シリンダヘッド        ２２１…排気ポート        ２２２…アッパージャケット
２２３…蒸気導出口          ２３…エンジン側循環経路  ２３１…冷却水ノズル
３…廃熱回収部              ３１…過熱器              ３１１…排気通路
３２…衝動タービン          ３２０…タービンケース    ３２１…ロータ
３２２…蒸気ノズル          ３２３ａ…蒸気排出口      ３２３ｂ…冷却水排出口
３２４…蒸気排出口開閉弁    ３２５…冷却水タンク      ３２５ａ…冷却水排出口
３２６…冷却水排出弁        ３２７…水位センサ        ３２８…冷却水排出弁
３３…蒸気供給部            ３３１…蒸気ノズル供給路  ３３２…差圧弁
３３３…蓄圧器              ３３５…電磁弁            ３４…復水器
３５…キャッチタンク        ３６…外部循環経路        ３６２…蓄圧器供給路
３７…減速機構              ３８…制御ユニット        ＣＬ…冷却水
【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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【図７】
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【図８】
2009203951.tif 000010
【図９】
2009203951.tif 000011
【図１０】
2009203951.tif 000012
【図１１】
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【図１２】
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