(57)【要約】【課題】電気式によらずに冷却水の温度に応じて廃熱エネルギの回収状態を切り換えることのできる廃熱回収装置を提供する。【解決手段】負圧導入切換バルブ（３０）は、負圧導入通路（１０）に接続される第１の部屋（３２）と冷却水通路（２１）に接続される第２の部屋（３３）が内部に画成されたバルブボディ（３１）と、第１の部屋（３２）と第２の部屋（３３）の間に配置され、第２の部屋（３３）に一部が露出し、第２の部屋（３３）内の冷却水から受ける熱により伸長するサーモエレメント（４０）と、第１の部屋（３２）と大気とを連通する大気開放ポート（３４）と、大気開放ポート（３４）に配置され、サーモエレメント（４０）が伸長したことを受けて開弁し、負圧導入通路（１０）の負圧を大気開放するリリーフバルブ（３６）と、を備える。【選択図】図２
2009270522.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
エンジン（１）の排気通路（２）を流れる排気からエネルギを回収する廃熱回収装置であって、
前記排気通路（２）に配置され、前記排気通路（２）を流れる排気と前記エンジン（１）の冷却水との間で熱交換を行わせる熱交換器（８）と、
前記排気通路（２）に配置され、前記熱交換器（８）への排気の流入を遮断する第１の位置（Ａ）と前記熱交換器（８）への排気の流入を許可する第２の位置（Ｂ）とを切り換え可能な切換バルブ（６）と、
前記切換バルブ（６）に接続され、前記エンジン（１）の負圧が導入されることにより前記切換バルブ（６）の位置を前記第１の位置（Ａ）から前記第２の位置（Ｂ）に切り換える負圧アクチュエータ（９）と、
前記エンジン（１）の吸気通路のスロットルバルブ下流と前記負圧アクチュエータ（９）を接続する負圧導入通路（１０）と、
前記負圧導入通路（１０）と少なくとも一部において近接して配置され、前記エンジン（１）の冷却水を前記熱交換器（８）に流通させる冷却水通路（２１）と、
前記負圧導入通路（１０）と前記冷却水通路（２１）が前記近接して配置される部位に前記負圧導入通路（１０）と前記冷却水通路（２１）の両方と交差するように配置され、冷却水の温度に応じて前記エンジン（１）の負圧を前記負圧アクチュエータ（９）へ導入するか否かを切り換える負圧導入切換バルブ（３０）と、
を備え、
前記負圧導入切換バルブ（３０）が、
前記負圧導入通路（１０）に接続される第１の部屋（３２）と前記冷却水通路（２１）に接続される第２の部屋（３３）が内部に画成されたバルブボディ（３１）と、
前記第１の部屋（３２）と前記第２の部屋（３３）の間に配置され、前記第２の部屋（３３）に一部が露出し、前記第２の部屋（３３）内の冷却水から受ける熱により伸長するサーモエレメント（４０）と、
前記第１の部屋（３２）と大気とを連通する大気開放ポート（３４）と、
前記大気開放ポート（３４）に配置され、前記サーモエレメント（４０）が伸長したことを受けて開弁し、前記負圧導入通路（１０）の負圧を大気開放するリリーフバルブ（３６）と、
を備えたことを特徴とする廃熱回収装置。
【請求項２】
前記サーモエレメント（４０）は、ピストン（４１）と、前記ピストン（４１）を先端を露出させた状態で収装する有底筒状のエレメントボディ（４２）と、前記ピストン（４１）と前記エレメントボディ（４２）で区画される室内に封入されるワックス（４５）とを備えることを特徴とする請求項１に記載の廃熱回収装置。
【請求項３】
前記サーモエレメント（４０）の前記第２の部屋（３３）に露出する部分は、前記第２の部屋（３３）の内壁に立設される支持部（５０）により支持されており、
前記支持部（５０）の前記第２の部屋（３３）内における冷却水の流れ方向上流側の面（以下、「前記支持部の前面」という。）（５１）は前記サーモエレメント（４０）側が下流側に傾斜していることを特徴とする請求項１または２に記載の廃熱回収装置。
【請求項４】
前記支持部の前面（５１）は下流側に湾曲していることを特徴とする請求項３に記載の廃熱回収装置。
【請求項５】
負圧導入切換バルブ（３０）を熱交換器（８）の冷却水出口あるいは冷却水入口の近傍に配置し、熱交換器（８）と一体的に設けたことを特徴とする請求項１から４のいずれか一つに記載の廃熱回収装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、エンジンの排気からエネルギを回収する廃熱回収装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、エンジンの排気の有するエネルギ（以下、「廃熱エネルギ」という。）は排気とともにそのまま車外へと捨てられていたが、廃熱エネルギを回収し、車両のエネルギ効率を向上させることが提案されている。例えば、廃熱エネルギを利用してエンジンの冷却水を加熱するようにすれば、エンジンの暖機時間を短縮し、暖房性能を向上させることが可能である。
【０００３】
特許文献１では、エンジンの排気通路を途中で分岐し、一方の通路に排気と冷却水の間で熱交換を行わせる熱交換器を配置し、熱交換器が配置されている通路とそうでない通路のいずれに排気を流すかを切り換える切換バルブを両通路の上流に配置している。この構成によれば、冷間始動等でエンジンの冷却水の温度が低いときは、熱交換器に排気を流すよう切換バルブを切り換えることにより、廃熱エネルギで冷却水を加熱し、エンジンの暖機促進、暖房補助を行うことができる。
【０００４】
なお、特許文献１では一方の通路を他方の通路の内側に配置することで２つの通路を同軸的に配置しているが、２つの通路は特許文献２のように並列的に配置してもよい。
【特許文献１】特開２００６−１０５１２４公報
【特許文献２】特開平５−１９５７６５公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
上記切換バルブは電気モータ、あるいはエンジンのスロットルバルブ下流で発生する負圧を利用して切り換えることが可能である。
【０００６】
しかしながら、切換バルブをモータで切り替える場合は、その制御のためのコントローラが必要である。また、エンジンの負圧を利用して切換バルブを切り換える場合であっても、電磁弁等により負圧の導入状態を切り換える必要があり、その制御のためのコントローラが必要である。いずれの場合であっても装置が複雑化し、コストが増大する。
【０００７】
本発明は、このような技術的課題を鑑みてなされたもので、電気式によらずに冷却水の温度に応じて廃熱エネルギの回収状態を切り換えることのできる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】
【０００８】
請求項１に記載の発明は、エンジン（１）の排気通路（２）を流れる排気からエネルギを回収する廃熱回収装置であって、前記排気通路（２）に配置され、前記排気通路（２）を流れる排気と前記エンジン（１）の冷却水との間で熱交換を行わせる熱交換器（８）と、前記排気通路（２）に配置され、前記熱交換器（２）への排気の流入を遮断する第１の位置（Ａ）と前記熱交換器（８）への排気の流入を許可する第２の位置（Ｂ）とを切り換え可能な切換バルブ（６）と、前記切換バルブ（６）に接続され、前記エンジン（１）の負圧が導入されることにより前記切換バルブ（６）の位置を前記第１の位置（Ａ）から前記第２の位置（Ｂ）に切り換える負圧アクチュエータ（９）と、前記エンジン（１）の吸気通路のスロットルバルブ下流と前記負圧アクチュエータ（９）を接続する負圧導入通路（１０）と、前記負圧導入通路（１０）と少なくとも一部において近接して配置され、前記エンジン（１）の冷却水を前記熱交換器（８）に流通させる冷却水通路（２１）と、前記負圧導入通路（１０）と前記冷却水通路（２１）が前記近接して配置される部位に前記負圧導入通路（１０）と前記冷却水通路（２１）の両方と交差するように配置され、冷却水の温度に応じて前記エンジン（１）の負圧を前記負圧アクチュエータ（９）へ導入するか否かを切り換える負圧導入切換バルブ（３０）と、を備え、前記負圧導入切換バルブ（３０）が、前記負圧導入通路（１０）に接続される第１の部屋（３２）と前記冷却水通路（２１）に接続される第２の部屋（３３）が内部に画成されたバルブボディ（３１）と、前記第１の部屋（３２）と前記第２の部屋（３３）の間に配置され、前記第２の部屋（３３）に一部が露出し、前記第２の部屋（３３）内の冷却水から受ける熱により伸長するサーモエレメント（４０）と、前記第１の部屋（３２）と大気とを連通する大気開放ポート（３４）と、前記大気開放ポート（３４）に配置され、前記サーモエレメント（４０）が伸長したことを受けて開弁し、前記負圧導入通路（１０）の負圧を大気開放するリリーフバルブ（３６）と、を備えたことを特徴とする廃熱回収装置である。
【０００９】
請求項２に記載の発明は、前記サーモエレメント（４０）は、ピストン（４１）と、前記ピストン（４１）を先端を露出させた状態で収装する有底筒状のエレメントボディ（４２）と、前記ピストン（４１）と前記エレメントボディ（４２）で区画される室内に封入されるワックス（４５）とを備えることを特徴とする請求項１に記載の廃熱回収装置である。
【００１０】
請求項３に記載の発明は、前記サーモエレメント（４０）の前記第２の部屋（３３）に露出する部分は、前記第２の部屋（３３）の内壁に立設される支持部（５０）により支持されており、前記支持部（５０）の前記第２の部屋（３３）内における冷却水の流れ方向上流側の面（以下、「前記支持部の前面」という。）（５１）は前記サーモエレメント（４０）側が下流側に傾斜していることを特徴とする請求項１または２に記載の廃熱回収装置である。
【００１１】
請求項４に記載の発明は、前記支持部の前面（５１）は下流側に湾曲していることを特徴とする請求項３に記載の廃熱回収装置である。
【００１２】
請求項５に記載の発明は、負圧導入切換バルブ（３０）を熱交換器（８）の冷却水出口あるいは冷却水入口の近傍に配置し、熱交換器（８）と一体的に設けたことを特徴とする請求項１から４のいずれか一つに記載の廃熱回収装置である。
【発明の効果】
【００１３】
請求項１、２に記載の発明によれば、電気式によらずに冷却水の温度に応じて廃熱エネルギの回収状態を切り換えることができ、装置を簡略化、低コスト化することができる。
【００１４】
また、請求項３、４に記載の発明によれば、サーモエレメントの底面近傍に層流が形成されることはなく、冷却水とサーモエレメントの間で良好な熱伝達を実現し、水温変化に対する負圧導入切換バルブの応答性を向上させることができる。
【００１５】
また、請求項５に記載の発明によれば、廃熱回収装置を小型化することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１６】
以下、添付図面を参照しながら本発明の実施の形態について説明する。
【００１７】
図１は本発明に係る廃熱回収装置の概略構成を示している。この廃熱回収装置は、冷間始動等でエンジン１の冷却水の温度が低い場合に、エンジン１の暖機促進、暖房補助を行うために用いられる。
【００１８】
エンジン１の排気通路２には上流側から順に、三元触媒３、並列的に設けられる廃熱回収通路４及びバイパス通路５、切換バルブ６、消音器７が配置される。廃熱回収通路４には熱交換器８が配置される。廃熱回収通路４及びバイパス通路５は同軸的に配置することも可能である。エンジン１から出た排気は、三元触媒３で浄化された後、切換バルブ６の位置に応じて廃熱回収通路４あるいはバイパス通路５を通過し、消音器７で消音された後、大気へと放出される。
【００１９】
廃熱回収通路４とバイパス通路５は上流側と下流側において接続し、切換バルブ６は下流側の接続部に設けられている。切換バルブ６は図示しないスプリングにより廃熱回収通路４を閉じる図示の位置Ａに向けて付勢されており、この状態では排気はバイパス通路５のみを流れる。なお、ここでは切換バルブ６を廃熱回収通路４とバイパス通路５の下流側の接続部に配置しているが、上流側の接続部に配置してもよい。
【００２０】
切換バルブ６には負圧アクチュエータ９が接続されている。負圧アクチュエータ９は、例えば、ダイヤフラム式アクチュエータであり、負圧導入通路１０によりエンジン１のスロットルバルブ１１の下流と接続される。
【００２１】
エンジン１の負圧が負圧導入通路１０を介して負圧アクチュエータ９に導入され、負圧アクチュエータ９が作動すると、これに接続される切換バルブ６が図示しないスプリングの付勢力に対抗してバイパス通路５を閉じる位置Ｂまで移動する。この状態では排気は廃熱回収通路４のみを流れる。
【００２２】
熱交換器８にはエンジン１のヒーター回路２０の冷却水通路２１が接続される。エンジン１を出た冷却水は、空調用空気と冷却水の間で熱交換を行い空調用空気を加熱するヒーターコア２２、冷却水を循環させるポンプ２３、熱交換器８の順に流通する。切換バルブ６が位置Ｂにあり排気からエネルギを回収するときには、熱交換器８において排気と冷却水の間の熱交換により冷却水が加熱され、エンジン１の暖機促進、暖房補助が行われる。
【００２３】
また、負圧導入通路１０と冷却水通路２１は少なくとも一部において近接かつ並んで配置され、その間には負圧導入通路１０と冷却水通路２１の両方と交差するように負圧導入切換バルブ３０が配置される。すなわち、負圧導入切換バルブ３０が配置される部位における負圧導入通路１０と冷却水通路２１との距離は、負圧導入切換バルブ３０の全長よりも短い。負圧導入切換バルブ３０は、冷却水の温度に応じてエンジン１の負圧を負圧アクチュエータ９に導入するか否かを切り換えるバルブである。
【００２４】
なお、ここでは負圧導入通路１０の途中と冷却水通路２１を近接して配置し、その間に負圧導入切換バルブ３０を配置しているが、負圧導入通路１０を途中で分岐し、その分岐した通路と冷却水通路２１を近接して配置し、その間に負圧導入切換バルブ３０を配置してもよい。
【００２５】
図２は負圧導入切換バルブ３０の内部構造を示している。負圧導入切換バルブ３０のバルブボディ３１内には第１の部屋３２と第２の部屋３３が画成される。第１の部屋３２は負圧導入通路１０に接続され、エンジン１の負圧が導入される。また、第２の部屋３３は冷却水通路２１の途中に接続され、冷却水が流通する。
【００２６】
第１の部屋３２には大気開放ポート３４が形成されている。大気開放ポート３４はバルブボディ３１の側面に形成される側穴３５を介して大気と連通する。大気開放ポート３４にはリリーフバルブ３６が配置され、リリーフバルブ３６はスプリング３７により大気開放ポート３４を閉じる方向に付勢される。
【００２７】
第１の部屋３２と第２の部屋３３の間には、サーモエレメント４０がその下部を第２の部屋３３に露出し、第２の部屋３３を流通する冷却水と接触させた状態で配置される。また、サーモエレメント４０の下部は第２の部屋３３の内壁に立設される支持部５０により部分的に支持されている。これにより、第２の部屋３３を流通する冷却水の熱がサーモエレメント４０の下部全体（支持部５０との接触部除く）に伝達され、冷却水から受ける熱によりサーモエレメント４０は伸長する。
【００２８】
サーモエレメント４０は、ピストン４１と、ピストン４１を先端を露出させた状態で収装する有底筒状のエレメントボディ４２とを備える。ピストン４１とエレメントボディ４２で区画される空間には、高粘度流動物やゴムなどの非圧縮性弾性体からなるアンプブロック４３、ダイヤフラム４４、ワックス４５が封入される。
【００２９】
冷却水の温度が低いときは、ワックス４５は固形で熱膨張はなく、ピストン４１の先端とリリーフバルブ３６は図２に示すように離間し、大気開放ポート３４はリリーフバルブ３６により閉じたままである。以下、この状態を「負圧導入切換バルブ３０が負圧導入位置にある」と称する。
【００３０】
これに対し、冷却水の温度が高くなると、ワックス４５が冷却水からの熱を受けて液化、膨張し、ダイヤフラム４４を上に押し上げる。ダイヤフラム４４の変位はアンプブロック４３により増大され、ピストン４１が押し上げられる。ピストン４１はリリーフバルブ３６に接触し、スプリング３７の付勢力に対抗してリリーフバルブ３６を押し上げる。これにより、大気開放ポート３４が開かれ、第２の部屋３３に接続する負圧導入通路１０内の負圧が大気開放される。以下、この状態を「負圧導入切換バルブ３０が大気開放位置にある」と称する。
【００３１】
続いて、上記廃熱回収装置の動作について説明する。
【００３２】
エンジン１始動前の切換バルブ６の位置は図１に示す位置Ａである。エンジン１が始動すると、スロットルバルブ１１下流に負圧が発生する。冷間始動等で冷却水の温度が低ければ、ワックス４５の熱膨張はないので、負圧導入切換バルブ３０は負圧導入位置にあり、スロットルバルブ１１下流の負圧が負圧導入通路１０を介して負圧アクチュエータ９に導入される。これにより負圧アクチュエータ９が動作し、切換バルブ６が位置Ａから位置Ｂに切り替えられる。
【００３３】
切換バルブ６が位置Ｂに切り換えられると、エンジン１の排気が廃熱回収通路４に流れ、熱交換器８によって排気からエネルギが回収され、冷却水が加熱される。これにより、エンジン１の暖機促進、暖房補助が行われる。
【００３４】
ただし、廃熱回収中であっても、運転者がアクセルペダルを踏み込んだ場合は、スロットルバルブ１１下流の負圧が消失するので、負圧アクチュエータ９は動作を停止し、切換バルブ６は位置Ｂから位置Ａに戻る。これにより、運転者がアクセルペダルを踏み込んでいる場合、すなわち、運転者が加速を要求しているときは、排気が熱交換器８を通過することによる圧力損失をなくし、エンジン１の出力低下を防止する。
【００３５】
冷却水の温度が上昇し、エンジン１の暖機が完了した場合は、負圧導入切換バルブ３０が大気開放位置に移動し、負圧導入通路１０内の負圧を大気開放するので、負圧アクチュエータ９が動作を停止し、切換バルブ６は位置Ｂから位置Ａに戻る。これにより、廃熱回収を終了し、冷却水の過度の温度上昇を防止する。
【００３６】
本発明に係る廃熱回収装置によれば、上記の通り、電気式によらず冷却水の温度に応じて廃熱エネルギの回収状態を切り換えることができ、装置を簡略化、低コスト化することができる。
【００３７】
続いて本発明の一部変形例について説明する。
【００３８】
図３はサーモエレメント４０の下部を支持する支持部５０の形状を変更した例である。その他の構成は図１、図２に示した構成と同一である。
【００３９】
この例では、支持部５０の第２の部屋３３内における冷却水の流れ方向上流側の面（以下、支持部の前面」という。）５１が、サーモエレメント４０側が下流側になるように傾斜し、かつ、下流側に凹となるように湾曲した整流形状となっている。
【００４０】
図２の支持部５０の形状では、サーモエレメント４０の底面と第２の部屋３３の内壁の間で冷却水がサーモエレメント４０の底面と平行に流れるため、サーモエレメント４０の底面近傍で冷却水が層流となって流速が落ち、これが温度の境界層となって冷却水からサーモエレメント４０への熱伝達の効率が落ちてしまう。
【００４１】
これに対し、図３の支持部５０の形状では、サーモエレメント４０の底面と第２の部屋３３の内壁の間を流れる冷却水が支持部５０の前面５１によって整流され、底面に対して直角に近い方向から冷却水が当たるようになる。したがって、サーモエレメント４０の底面近傍に層流が形成されることはなく、冷却水とサーモエレメント４０の間で良好な熱伝達を実現し、水温変化に対する負圧導入切換バルブ３０の応答性を向上させることができる。
【００４２】
あるいは、負圧導入切換バルブ３０を熱交換器８の冷却水出口あるいは冷却水入口の近傍に配置し、負圧導入切換バルブ３０と熱交換器８を一体的に設けてもよい。これにより、廃熱回収装置を小型化することができる。
【００４３】
以上、本発明の実施形態について説明したが、上記実施形態は本発明の適用例を示したものであり、本発明の技術的範囲を上記実施形態の具体的構成に限定する趣旨ではない。
【図面の簡単な説明】
【００４４】
【図１】本発明に係る廃熱回収装置の概略構成図である。
【図２】負圧導入切換バルブの内部構成図である。
【図３】本発明の一部変形例を説明するための図である。
【符号の説明】
【００４５】
６    切換バルブ
８    熱交換器
９    負圧アクチュエータ
１０  負圧導入通路
２１  冷却水通路
３０  負圧導入切換バルブ
４０  サーモエレメント
５０  支持部
【図１】
2009270522.tif 000003
【図２】
2009270522.tif 000004
【図３】
2009270522.tif 000005