廃熱利用装置
【課題】高性能で搭載性に優れた廃熱利用装置を提供する。
【解決手段】実施例の廃熱利用装置は、車両に搭載されて車両の駆動系１に用いられている。この廃熱利用装置は、ランキンサイクル３を備えている。駆動系１は、エンジン５と、冷却液路７と、排気還流路９と、還流排気冷却器１３と、ラジエータ１５と、バイパス路１７と、サーモスタット１９とを有している。冷却液路７では冷却水が循環する。排気還流路９は、エンジン５で生じた排気の一部を還流排気として流通させる。排気還流路９には還流排気冷却器１３が設けられている。還流排気冷却器１３では、冷却水と還流排気とが熱交換を行い、還流排気が冷却される。また、ランキンサイクル３は冷却水と作動流体とで熱交換を行う冷却液ボイラ３３を有している。この冷却液ボイラは、冷却液路７において、還流排気冷却器１３に対し、冷却水の流通方向の上流側に配置されている。
【解決手段】実施例の廃熱利用装置は、車両に搭載されて車両の駆動系１に用いられている。この廃熱利用装置は、ランキンサイクル３を備えている。駆動系１は、エンジン５と、冷却液路７と、排気還流路９と、還流排気冷却器１３と、ラジエータ１５と、バイパス路１７と、サーモスタット１９とを有している。冷却液路７では冷却水が循環する。排気還流路９は、エンジン５で生じた排気の一部を還流排気として流通させる。排気還流路９には還流排気冷却器１３が設けられている。還流排気冷却器１３では、冷却水と還流排気とが熱交換を行い、還流排気が冷却される。また、ランキンサイクル３は冷却水と作動流体とで熱交換を行う冷却液ボイラ３３を有している。この冷却液ボイラは、冷却液路７において、還流排気冷却器１３に対し、冷却水の流通方向の上流側に配置されている。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は廃熱利用装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
特許文献１の図４に従来の廃熱利用装置が開示されている。この廃熱利用装置は、駆動系に用いられ、ボイラを有して作動流体を配管に沿って循環させるランキンサイクルを備えている。駆動系は、内燃機関としてのエンジンと、冷却液路と、排気還流路と、還流排気冷却器とを有している。冷却液路は、エンジンに接続されており、冷却液を循環可能となっている。排気還流路は、エンジンで生じた排気の一部を還流排気として内燃機関に還流させる。還流排気冷却器は、排気還流路と冷却液路とに接続されており、冷却液と還流排気との間で熱交換を行う。この還流排気冷却器は、第１還流排気冷却器と第２還流排気冷却器とからなる。
【０００３】
一方、ボイラは、ランキンサイクルの配管に接続されているとともに、冷却液路と接続され、第１還流排気冷却器内の還流排気で加熱された冷却液と作動流体との間で熱交換を行う。つまり、この廃熱利用装置において、ボイラは、第１還流排気冷却器に対し、冷却液の流通方向の下流側に配置されている。また、第２還流排気冷却器は、ボイラに対し、冷却液の流通方向の下流側に配置されている。
【０００４】
このような廃熱利用装置では、第１、２還流排気冷却器において冷却液と還流排気との間で熱交換を行うことで、還流排気を冷却することが可能となっている。そして、第１還流排気冷却器で加熱された冷却液と、作動流体とがボイラにおいて熱交換され、作動流体の加熱が行われる。
【０００５】
この廃熱利用装置では、還流排気が第１還流排気冷却器と第２還流排気冷却器とで二回に亘って冷却液と熱交換されるため、還流排気を十分に冷却することが可能となっている。また、冷却液路内の冷却液は、ボイラに至るよりも先に第１還流排気冷却器に至ることとなる。この際、還流排気は高温となることから、第１還流排気冷却器において冷却液が好適に加熱されるため、その後のボイラにおける熱交換により、冷却液は作動流体を好適に加熱することが可能となっている。こうして、この廃熱利用装置では、十分に冷却された状態で還流排気をエンジンに還流可能であるとともに、加熱された作動流体の熱に基づくエネルギーの回収量を大きくすることが可能となっている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開２００７−２５５２７８号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
しかし、還流排気自体は気体であるため、熱容量が小さく、エンジン停止後にはすぐに排気冷却器や排気還流路が冷えてしまう。このため、例えば、上記従来の廃熱利用装置を搭載した車両を走行させた後、一定程度停車させてから再度走行させた場合には、第１還流排気冷却器や排気還流路の温度を上昇させることに排気の熱が使われるため、その分だけランキンサイクルの作動流体の温度上昇が遅くなり、エネルギーの回収に寄与する熱が減少してしまうこととなる。また、第１還流排気冷却器において、低温の還流排気に対して冷却液が逆に放熱してしまい、結果として、冷却液が低温の状態でボイラに流入することも生じ得る。これらの場合、冷却液はボイラにおいて作動流体を十分に加熱することができず、ランキンサイクルにおいて、エネルギーの回収が低下したり、エネルギーの回収自体を行えなくなったりするおそれがある。
【０００８】
また、上記の廃熱利用装置では、例え、車両の走行中（エンジンの作動中）であったとしても、エンジンに対して還流排気を還流させない場合、すなわち、排気還流路に還流排気を流通させない場合には、第１還流排気冷却器において冷却液の加熱を行うことができない。この場合には、ランキンサイクルにおいて、エネルギーの回収を行うことが不可能となる。
【０００９】
さらに、上記の廃熱利用装置には、第１、２還流排気冷却器と、ボイラとが設けられることとなるため、大型化し、車両等への搭載性も低下することとなる。
【００１０】
本発明は、上記従来の実情に鑑みてなされたものであって、高性能で搭載性に優れた廃熱利用装置を提供することを解決すべき課題としている。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
本発明の廃熱利用装置は、駆動系に用いられ、ボイラを有して作動流体を配管に沿って循環させるランキンサイクルを備えた廃熱利用装置であって、
前記駆動系は、内燃機関と、該内燃機関に接続され、冷却液を循環可能な冷却液路と、該内燃機関で生じた排気の一部を還流排気として該内燃機関に還流させる排気還流路と、該冷却液路と接続されているとともに、該排気還流路と接続され、該冷却液と該還流排気との間で熱交換を行う単一の還流排気冷却器とを有し、
前記ボイラは、該内燃機関と該還流排気冷却器との間の該冷却液路と接続され、該内燃機関で加熱された該冷却液と前記作動流体との間で熱交換を行う冷却液ボイラを有していることを特徴とする（請求項１）。
【００１２】
本発明の廃熱利用装置はランキンサイクルを備えている。このランキンサイクルは、駆動系に用いられ、ボイラを有して作動流体を配管に沿って循環させる。駆動系は、内燃機関と、冷却液路と、排気還流路と、単一の還流排気冷却器とを有している。冷却液路は、内燃機関に接続されるとともに、冷却液が循環可能となっている。排気還流路は、内燃機関で生じた排気の一部を還流排気として内燃機関に還流させる。還流排気冷却器は、冷却液路及び排気還流路と接続されており、冷却液と還流排気との間で熱交換を行う。
【００１３】
また、ランキンサイクルにおけるボイラは、冷却液ボイラを有している。この冷却液ボイラは、内燃機関と還流排気冷却器との間の冷却液路と接続されており、内燃機関で加熱された冷却液と作動流体との間で熱交換を行う。そして、内燃機関と還流排気冷却器との間の冷却液路と接続されることで、この冷却液ボイラは、冷却液路において、還流排気冷却器に対し、冷却液の流通方向の上流側に配置される。
【００１４】
これらのため、この廃熱利用装置では、内燃機関において加熱された冷却液は、冷却液路を流通し、還流排気冷却器に至るよりも先に冷却液ボイラに至ることとなる。この際、冷却液は内燃機関によって加熱された状態にあるため、冷却液ボイラにおける熱交換により、作動流体を好適に加熱することが可能となっている。このため、この廃熱利用装置におけるランキンサイクルにおいて、作動流体の熱に基づくエネルギーの回収量を多くすることが可能となる。
【００１５】
一方、冷却液ボイラにおける熱交換、すなわち、作動流体に対する放熱によって冷却液は冷却されるため、還流排気冷却器では、低温の状態にある冷却液と還流排気とで熱交換を行うこととなる。このため、還流排気冷却器では、還流排気が低温の冷却液に対して好適に放熱を行うことが可能となる。これにより、還流排気は十分に冷却され、その密度が大きくなった状態で内燃機関に還流されることとなる。このため、この廃熱利用装置では、内燃機関の出力を向上できる他、最終的に大気中に放出された際の排気中における窒素酸化物の含有量を低減させることも可能となる。
【００１６】
特に、この廃熱利用装置では、内燃機関によって加熱された冷却液が還流排気冷却器に至るよりも先に冷却液ボイラに至る。このため、例え、一定時間停止後に廃熱利用装置を再始動させた場合であっても、還流排気冷却器において、既に低温となった還流排気に対して冷却液が放熱するということが生じない。このため、この廃熱利用装置では、上記のような再始動後であっても冷却液は冷却液ボイラにおいて作動流体を十分に加熱すること可能となり、ランキンサイクルにおいてエネルギーの回収を好適に行うことが可能となる。
【００１７】
さらに、この廃熱利用装置では、内燃機関によって冷却液の加熱を行うため、内燃機関の作動中に還流排気を内燃機関に還流させない場合であっても、冷却液ボイラにおいて作動流体を加熱することが可能となる。つまり、この廃熱利用装置では、内燃機関が作動しておれば、ランキンサイクルにおいてエネルギーの回収を行うことが可能となる。
【００１８】
また、この廃熱利用装置に設けられる還流排気冷却器は一つであるため、廃熱利用装置が大型化することを抑制することが可能となる。
【００１９】
したがって、本発明の廃熱利用装置は高性能で搭載性に優れている。
【００２０】
本発明の廃熱利用装置において、内燃機関としては、ガソリンエンジンやディーゼルエンジン等の他、種々の形式のエンジンを採用することができる。また、これらのエンジンはモータを組み合わせたハイブリッドエンジンでも良い。なお、内燃機関は複数であっても良い。
【００２１】
また、冷却液としては、水（冷却水）の他、ＬＬＣ（ロングライフクーラント）等を採用することができる。
【００２２】
還流排気冷却器における熱交換によって、冷却液は再加熱されることとなる。このため、この再加熱された冷却液については、一定程度冷却した後に内燃機関に流入させることが好ましい。
【００２３】
この点、上記特許文献１の図４記載の廃熱利用装置では、ラジエータによって冷却液を冷却することが可能であるものの、ラジエータによって冷却された冷却液の一部はエンジンを経由せず第１還流排気冷却器に直接流入し、その後、ボイラに流入するよう構成されている。このため、上記従来の廃熱利用装置では、還流排気が放熱により低温となっている場合の他、排気還流路に還流排気が流通していない状態では、ラジエータによって冷却された冷却液が低温の状態のままでボイラに流入することとなる。このため、上記従来の廃熱利用装置では、ランキンサイクルにおけるエネルギーの回収の効率がより低下し易くなる。
【００２４】
そこで、本発明の廃熱利用装置において、駆動系はラジエータを有し得る。そして、冷却液路は、還流排気冷却器の下流側にラジエータを接続する第１液路と、ラジエータと内燃機関とを接続し、ラジエータを流出する全ての冷却液を内燃機関に流入させる第２液路とを有していることが好ましい（請求項２）。
【００２５】
この場合、第１液路によって、還流排気冷却器の下流で還流排気冷却器とラジエータとが接続されるとともに、第２液路によって、ラジエータと内燃機関とが接続されることとなる。このため、還流排気冷却器における熱交換により再び加熱された冷却液は、ラジエータにおいて外気に放熱され、冷却されることとなる。そして、この冷却された冷却液は全て内燃機関に流入するため、内燃機関を好適に作動させることが可能となるとともに、冷却液は、内燃機関によって加熱された後に冷却液水ボイラに流入することとなる。このため、この廃熱利用装置では、ランキンサイクルにおけるエネルギーの回収を効率良く行うことが可能となる。
【００２６】
上記のように、ラジエータを設けることにより冷却液を好適に冷却させることが可能である一方、内燃機関は一定程度の温度を有している状態の方が好適に作動する。このため、内燃機関に流入する冷却液は、内燃機関が好適に作動し得る程度の温度、すなわち、内燃機関の温度が一定範囲に維持され得る程度の温度を有していることが好ましい。また、冷却液がこれらのような温度を有することにより、内燃機関によって加熱された際の冷却液の温度を所望する温度、つまり、冷却液ボイラにおいて、作動流体を好適に加熱できる温度に調整し易くなる。
【００２７】
このため、駆動系は、還流排気冷却器の下流で前記第１液路から分岐し、ラジエータを迂回して第２液路に合流するバイパス路と、内燃機関に流入する冷却液の温度又は内燃機関から流出する冷却液の温度により、ラジエータに流入する冷却液の流量とバイパス路に流入する冷却液の流量とを調整可能な流量調整装置を有していることが好ましい（請求項３）。
【００２８】
この場合、内燃機関に流入する冷却液の温度や内燃機関から流出する冷却液の温度に基づき、流量調整装置がバイパス路に流入する冷却液の流量と、ラジエータに流入する冷却液の流量、すなわち、ラジエータにおける放熱により冷却される冷却液との流量を調整することが可能となる。これにより、流入した冷却液により内燃機関を好適に作動させることが可能となるとともに、内燃機関から流出する冷却液の温度について、冷却液ボイラにおける熱交換で作動流体を好適に加熱することが可能な温度に調整し易くなる。
【００２９】
流量調整装置としては、流量調整弁の他、種々の切替弁や分岐弁等を採用することができる。特に、流量調整装置は、内燃機関に流入する冷却液の温度によって作動するサーモスタットであることが好ましい（請求項４）。
【００３０】
上記のようなサーモスタットであれば、内燃機関に流入する冷却液の温度を調整し易くなり、内燃機関を好適に作動させ易くなるとともに、内燃機関から流出した冷却液によって、冷却液ボイラにおいて作動流体を好適に加熱し易くなる。また、流量調整装置を簡素化できるとともに、低コスト化も可能であるため、ひいては、廃熱利用装置を簡素化しつつ、低コスト化することも可能となる。
【発明の効果】
【００３１】
本発明の廃熱利用装置は高性能で搭載性に優れている。
【図面の簡単な説明】
【００３２】
【図１】実施例の廃熱利用装置を示す模式構造図である。
【図２】実施例の廃熱利用装置に係り、作動中の状態を示す模式構造図である。
【発明を実施するための形態】
【００３３】
以下、本発明を具体化した実施例を図面を参照しつつ説明する。
【００３４】
（実施例）
実施例の廃熱利用装置は、車両に搭載され、図１に示すように、車両の駆動系１に用いられている。この廃熱利用装置は、ランキンサイクル３と、制御装置１１とを備えている。
【００３５】
駆動系１は、内燃機関としてのエンジン５と、冷却液路７と、排気還流路９と、還流排気冷却器１３と、ラジエータ１５と、バイパス路１７と、公知のサーモスタット１９とを有している。冷却液路７では冷却液としての冷却水が循環可能となっている。排気還流路９は、エンジン５で生じた排気の一部を還流排気として後述する配管２８に流通させることで、この還流排気をエンジン５に還流させる。
【００３６】
還流排気冷却器１３はステンレス製である。この還流排気冷却器１３には、第３流入口１３ａ及び第３流出口１３ｂと、第４流入口１３ｃ及び第４流出口１３ｄとが形成されている。また、還流排気冷却器１３内には、両端側でそれぞれ第３流入口１３ａ及び第３流出口１３ｂと連通する第３通路１３ｅと、両端側でそれぞれ第４流入口１３ｃ及び第４流出口１３ｄと連通する第４通路１３ｆとが設けられている。この還流排気冷却器１３では、第３通路１３ｅ内の還流排気と、第４通路１３ｆ内の冷却水との熱交換により、還流排気の冷却を行う。
【００３７】
エンジン５は、公知の水冷式ディーゼルエンジンである。エンジン５の内部には冷却水が流通可能なウォータジャケット（図示略）が形成されている。エンジン５には、このウォータジャケットとそれぞれ連通する流出口５ａと流入口５ｂとが形成されている。さらに、エンジン５には、排気を排出する排気口５ｃと、後述する混合空気を吸入する吸気口５ｄとが形成されている。
【００３８】
ラジエータ１５には、その内部に冷却水を流入させる流入口１５ａと、冷却水を流出させる流出口１５ｂとが形成されている。ラジエータ１５は、その内部を流通する冷却水と車外の空気との間で熱交換を行う。さらに、ラジエータ１５の近傍には、電動ファン１５ｃが設けられている。この電動ファン１５ｃは、制御装置１１と電気的に接続されている。
【００３９】
冷却液路７は、配管２１〜２５によって構成されている。また、配管２１と配管２２との間には後述する冷却液ボイラ３３が接続されている。より詳細に説明すると、配管２１は、エンジン５の流出口５ａと冷却液ボイラ３３の第１流入口３３ａとに接続されている。配管２２は、冷却液ボイラ３３の第１流出口３３ｂと還流排気冷却器１３の第４流入口１３ｃとに接続されている。配管２３は、還流排気冷却器１３の第４流出口１３ｄとラジエータ１５の流入口１５ａとに接続されている。配管２４の一端側はラジエータ１５の流出口１５ｂに接続されており、その他端側は、サーモスタット１９に接続されている。配管２５の一端側はサーモスタット１９に接続されており、その他端側はエンジン５の流入口５ｂに接続されている。なお、配管２３が第１液路に相当しており、配管２４、２５が第２液路に相当している。
【００４０】
また、配管２３には、上記のバイパス路１７の一端側が接続されている。このバイパス路１７の他端側は、サーモスタット１９を介して配管２４及び配管２５に接続されている。バイパス路１７は、その内部に冷却水を流通させることにより、冷却水にラジエータ１５を迂回させる。サーモスタット１９は、冷却液路７を循環する冷却水の温度によって作動し、ラジエータ１５に流入する冷却水の流量と、バイパス路１７に流入する冷却水の流量とを調整する。より詳細に説明すると、サーモスタット１９は、冷却液路７のうち、配管２５を流通する冷却水の温度が所定値（１００°Ｃ程度）となるように、ラジエータ１５に流入する冷却水の流量と、バイパス路１７に流入する冷却水の流量とを調整する。なお、このサーモスタット１９が流量調整装置に相当する。
【００４１】
配管２５には、第１電動ポンプＰ１が設けられている。この第１電動ポンプＰ１は、制御装置１１に電気的に接続されている。この第１ポンプＰ１を作動させることにより、図２に示すように、エンジン５の流出口５ａから流出した冷却水は、冷却液ボイラ３３及び還流排気冷却器１３を経て、ラジエータ１５又はバイパス路１７を経て、配管２５で互いに合流した後、エンジン５の流入口５ｂからエンジン５内（ウォータージャケット）に至ることとなる。つまり、この冷却液路７（配管２１〜２５）において、冷却液ボイラ３３は、エンジン５と還流排気冷却器１３との間で配管２１及び配管２２に接続されているとともに、この冷却液ボイラ３３は、還流排気冷却器１３に対し、冷却水の流通方向の上流側に配置されている。これにより、エンジン５によって加熱された冷却水は、配管２１を経て、最初に冷却液ボイラ３３に至ることとなる。なお、第１電動ポンプＰ１は、配管２１又は配管２２に設けられても良い。
【００４２】
図１に示すように、排気還流路９は、配管２６、２７によって構成されている。配管２６は、エンジン５の排気口５ｃと還流排気冷却器１３の第３流入口１３ａとに接続されている。配管２７の一端側は、還流排気冷却器１３の第３流出口１３ｂと接続されており、その他端側は配管２８の一端側と接続されている。また、配管２６には、配管２９の一端側が接続されている。この配管２９の他端側は図示しないマフラに接続されている。さらに、配管２６において、上記の配管２９との接続箇所よりも排気（還流排気）の流通方向の下流となる位置には公知の可変バルブ３１が設けられている。この可変バルブ３１は制御装置１１と電気的に接続されている。
【００４３】
配管２８の他端側はエンジン５の吸気口５ｄに接続されている。また、配管２８の一端側には、上記の配管２７の他端側の他に配管３３の一端側も接続されている。この配管３３の他端側は図示しない車両のエアインテークに開いている。これにより、配管２８内には還流排気のみならず、エアインテークから吸入された外気と配管２７を経た還流排気との混合空気も流通することとなる。
【００４４】
ランキンサイクル３は、第２電動ポンプＰ２と、冷却液ボイラ３３と、膨張機３５と、凝縮器３７と、配管３９〜４１とを有している。配管３９〜４１には、作動流体としてのＨＦＣ１３４ａが流通可能となっている。
【００４５】
冷却液ボイラ３３には、第１流入口３３ａ及び第１流出口３３ｂと、第２流入口３３ｃ及び第２流出口３３ｄとが形成されている。また、冷却液ボイラ３３内には、両端側でそれぞれ第１流入口３３ａ及び第１流出口３３ｂと連通する第１通路３３ｅと、両端側でそれぞれ第２流入口３３ｃ及び第２流出口３３ｄと連通する第２通路３３ｆとが設けられている。この冷却液ボイラ３３では、第１通路３３ｅ内の冷却水と、第２通路３３ｆ内の作動流体との熱交換により、冷却水の冷却と作動流体の加熱とを行う。
【００４６】
膨張機３５には、その内部に作動流体を流入させる流入口３５ａと、作動流体を流出させる流出口３５ｂとが形成されている。膨張機３５では、冷却液ボイラ３３を経て加熱された作動流体を膨張させることにより回転駆動力を発生させる。この膨張機３５には図示しない公知の発電機が接続されている。発電機は膨張機３５の回転駆動力によって発電を行い、図示しないバッテリに電力を充電する。
【００４７】
凝縮器３７には、その内部に作動流体を流入させる流入口３７ａと、作動流体を流出させる流出口３７ｂとが形成されている。凝縮器３７は、その内部を流通する作動流体と車外の空気との間で熱交換を行い、膨張機３５での膨張によって減圧された作動流体を冷却して液化させる。凝縮器３７の近傍には電動ファン３７ｃが設けられている。この電動ファン３７ｃは制御装置１１に電気的に接続されている。
【００４８】
これらの冷却液ボイラ３３、膨張機３５及び凝縮器３７は、配管３９〜４１によって接続されている。具体的には、凝縮器３７の流出口３７ｂと、冷却液ボイラ３３の第２流入口３３ｃとは配管３９によって接続されている。冷却液ボイラ３３の第２流出口３３ｄと、膨張機３５の流入口３５ａとは配管４０によって接続されている。そして、膨張機３５の流出口３５ｂと凝縮器３７の流入口３７ａとは配管４１によって接続されている。
【００４９】
第２電動ポンプＰ２は配管３９に設けられている。この第２電動ポンプＰ２を作動させることにより、作動流体は、図２に示すように、第２電動ポンプＰ２から冷却液ボイラ３３及び膨張機３５を経て凝縮器３７に至る順で配管３９〜４１内を循環する。
【００５０】
図１に示すように、制御装置１１は、可変バルブ３１の開度を調整するマップを記憶している。制御装置１１はこのマップに基づき、配管２６を経て還流排気冷却器１３に至る排気、すなわち、還流排気の流量を適宜調整する。また、制御装置１１は電動ファン１５ｃ、３７ｃの作動制御を行うことで、冷却水や作動流体が外気に放熱する熱量の調整を行う。さらに、制御装置１１は、第１、２電動ポンプＰ１、Ｐ２の作動制御を行う。
【００５１】
このように構成された廃熱利用装置では、車両を駆動させることにより以下のように作動する。
【００５２】
図２に示すように、車両が駆動されることにより、駆動系１ではエンジン５が作動する。これにより、排気口５ｃから排出された排気が配管２６内を流通する（同図の一点鎖線矢印参照）。この際、制御装置１１は、上記のマップに基づいて可変バルブ３１を開制御し、配管２６を経て還流排気冷却器１３に至る還流排気の流量と、配管２９及びマフラを経て車外に排出される排気の流量とを調整する。
【００５３】
また、制御装置１１は、第１、２電動ポンプＰ１、Ｐ２及び電動ファン１５ｃ、３７ｃをそれぞれ作動させる。これにより、配管２１〜２５及びバイパス路１７において冷却水が循環し、冷却液路７では、エンジン５の流出口５ａから流出した冷却水が冷却液ボイラ３３の第１通路３３ｅ及び還流排気冷却器１３の第４通路１３ｆを経て、ラジエータ１５又はバイパス路１７に至り、その後、エンジン５の流入口５ｂからエンジン５内に流入することとなる（同図の破線矢印参照）。
【００５４】
ランキンサイクル３では、同図の実線矢印に示すように、第２電動ポンプＰ２によって吐出された作動流体が配管３９を経て、冷却液ボイラ３３の第２流入口３３ｃから第２通路３３ｆに至る。そして、作動流体は冷却液ボイラ３３において、第１通路３３ｅを流通する冷却水との間で熱交換を行い、加熱される。この際、第１通路３３ｅを流通する冷却水はエンジン５によって約１０５°Ｃ程度に加熱されているため、第２通路３３ｆ内の作動流体は好適に加熱されることとなる。一方、作動流体との熱交換によって冷却水は冷却されて第１流出口３３ｂから流出する。この際の冷却水の温度は約８０°Ｃ程度となっている。
【００５５】
冷却液ボイラ３３において加熱された作動流体は、高温高圧の状態で第２流出口３３ｄから流出し、配管４０を経て膨張機３５の流入口３５ａから膨張機３５内へ至る。そして、高温高圧の作動流体は膨張機３５内で膨張し、減圧される。この際の圧力エネルギーにより、膨張機３５に接続された発電機は発電を行う。
【００５６】
膨張機３５内で減圧された作動流体は流出口３５ｂから流出し、配管４１を経て凝縮器３７の流入口３７ａから凝縮器３７内へ至る。凝縮器３７内の作動流体は、凝縮器３７の周りの空気に放熱を行い、冷却される。この際、制御装置１１は電動ファン３７ｃの作動量を適宜変更して、作動流体を好適に放熱させて液化させる。冷却された作動流体は流出口３７ｂから流出し、配管３９を経て再び冷却液ボイラ３３に至ることとなる。
【００５７】
配管２９へ流入せずに配管２６へ流通する還流排気は、還流排気冷却器１３の第３流入口１３ａから第３通路１３ｅに至る。また、冷却液ボイラ３３の第１流出口３３ｂから流出した冷却水は、配管２２を経て還流排気冷却器１３の第４流入口１３ｃから第４通路１３ｆに至る。そして、還流排気は還流排気冷却器１３において、第４通路１３ｆを流通する冷却水との間で熱交換を行い、冷却される。この際、第４通路１３ｆを流通する冷却水は上記のように、冷却液ボイラ３３における作動流体との熱交換で約８０°Ｃ程度となっているため、第３通路１３ｅ内の還流排気は好適に冷却されることとなる。
【００５８】
還流排気冷却器１３において冷却された還流排気は、第３流出口１３ｂから流出し、配管２７を経て配管２８を流通する。この際、車両のエアインテークから吸入された外気が配管３３を経て配管２８に合流する（同図の二点鎖線矢印参照）ため、配管２８を流通する還流排気はこの外気と混合され、混合空気としてエンジン５の吸気口５ｄからエンジン５へ還流されることとなる。
【００５９】
還流排気冷却器１３における熱交換によって、冷却水は再加熱された状態で第４流出口１３ｄから流出して配管２３に至る。そして、この冷却水の一部はラジエータ１５の流入口１５ａからラジエータ１５内に流入し、ラジエータ１５内に流入しなかった残りの冷却水はパイパス路１７に流入する。ここで、ラジエータ１５内に流入した冷却水は、ラジエータ１５周りの空気に放熱を行い、冷却される。この際、制御装置１１は電動ファン９ｃの作動量を適宜変更して、冷却水を好適に冷却させる。ラジエータ１５において冷却された冷却水は流出口１５ｂから流出し、配管２４を経て配管２５に至る。一方、パイパス路１７に流入した冷却水はラジエータ１５を迂回することから、冷却されずに配管２５に至り、ラジエータ１５において冷却された冷却水と合流することとなる。つまり、配管２５を流通する冷却水の温度は、第４流出口１３ｂから流出した際の冷却水の温度よりも低い状態となる。
【００６０】
そこで、サーモスタット１９は、配管２５を流通する冷却水の温度が約１００°Ｃとなるように作動し、ラジエータ１５に流入する冷却水の流量と、バイパス路１７に流入する冷却水の流量とを調整する。これにより、約１００°Ｃの温度を有した冷却水がエンジン５の流入口５ｂからエンジン５に流入することとなる。
【００６１】
このように、この廃熱利用装置では、冷却液ボイラ３３における熱交換により、作動流体を好適に加熱することが可能となっている。このため、膨張機３５において作動流体を膨張及び減圧させた際の圧力エネルギーを大きくすることが可能となっており、この廃熱利用装置におけるランキンサイクル３では、電力の回収量を多くすることが可能となっている。
【００６２】
一方、冷却液ボイラ３３における作動流体との熱交換によって冷却水は冷却されるため、還流排気冷却器１３では、低温の状態（約８０°Ｃ）にある冷却水と還流排気とで熱交換を行うこととなる。このため、還流排気冷却器１３では、還流排気が低温の冷却水に対して好適に放熱を行うことが可能となる。これにより、還流排気は十分に冷却され、その密度が大きくなった状態でエンジン５に還流されることとなる。このため、この廃熱利用装置では、エンジン５の出力を向上できる他、配管２９及びマフラを経て、最終的に大気中に放出された際の排気中における窒素酸化物の含有量を低減させることも可能となっている。
【００６３】
特に、この廃熱利用装置では、エンジン５によって加熱された冷却水が還流排気冷却器１３に至るよりも先に冷却液ボイラ３３に至る。このため、例え、車両を一定時間停止させた後に車両を再始動、すなわち、廃熱利用装置を再始動させた場合であっても、還流排気冷却器１３において、既に低温となった還流排気に対して冷却水が放熱するということが生じない。このため、この廃熱利用装置では、上記のような再始動後であっても冷却水は冷却液ボイラ３３において作動流体を十分に加熱することが可能となり、ランキンサイクル３において電力の回収を好適に行うことが可能となっている。
【００６４】
さらに、この廃熱利用装置では、エンジン５によって冷却水の加熱を行うため、エンジン５の作動中に還流排気をエンジン５に還流させない場合であっても、冷却液ボイラ３３において作動流体を加熱することが可能となる。つまり、この廃熱利用装置では、エンジン５が作動しておれば、ランキンサイクル３において電力の回収を行うことが可能となっている。
【００６５】
また、この廃熱利用装置に設けられる還流排気冷却器１３は一つであるため、廃熱利用装置が大型化することを抑制することが可能となっている。
【００６６】
したがって、本発明の廃熱利用装置は高性能で車両への搭載性に優れている。
【００６７】
特に、この廃熱利用装置では、還流排気冷却器１３において再加熱された冷却水をラジエータ１５によって冷却することが可能となっている。そして、サーモスタット１９の作動によって、ラジエータ１５に流入する冷却水の流量と、バイパス路１７に流入する冷却水の流量とを調整、すなわち、配管２５を経てエンジン５に流入する冷却水の温度を調整することが可能となっている。このため、この廃熱利用装置では、エンジン５が好適に作動し得る程度にエンジン５の温度を維持し易くなっている。また、エンジン５によって加熱された際の冷却水の温度を調整し易くなっているため、冷却液ボイラ３３における熱交換で作動流体を好適に加熱することが可能となっている。
【００６８】
さらに、流量調整装置が上記のサーモスタット１９であるため、廃熱利用装置を簡素化しつつ、低コスト化することも可能となっている。
【００６９】
以上において、本発明を実施例に即して説明したが、本発明は上記実施例に制限されるものではなく、その趣旨を逸脱しない範囲で適宜変更して適用できることはいうまでもない。
【００７０】
例えば、エンジンに対して加圧空気を供給可能なターボチャージャ等の過給器を設けても良い。この場合、ターボチャージャは、配管２９及び配管３３に接続されることとなり、配管３３には、ターボチャージャによって圧縮された加圧空気が流通することとなる。
【００７１】
また、冷却液ボイラ３３に加えて、上記の加圧空気と作動流体とで熱交換が可能な加圧空気ボイラ等を設けても良い。
【００７２】
さらに、配管３９における第２電動ポンプＰ２の上流側には、公知のレシーバを設けても良い。この場合、レシーバにより作動流体が好適に液化されるため、凝縮器３７を経た作動流体は、第２電動ポンプＰ２によって好適に吐出されて、配管３９〜４１を好適に循環することとなる。
【産業上の利用可能性】
【００７３】
本発明は車両等に利用可能である。
【符号の説明】
【００７４】
１…駆動系
３…ランキンサイクル
５…エンジン
７…冷却液路
９…排気還流路
１３…還流排気冷却器
１５…ラジエータ
１７…バイパス路
１９…サーモスタット
２３…配管（第１液路）
２４、２５…配管（第２液路）
３３…冷却液ボイラ
３９〜４１…配管
【技術分野】
【０００１】
本発明は廃熱利用装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
特許文献１の図４に従来の廃熱利用装置が開示されている。この廃熱利用装置は、駆動系に用いられ、ボイラを有して作動流体を配管に沿って循環させるランキンサイクルを備えている。駆動系は、内燃機関としてのエンジンと、冷却液路と、排気還流路と、還流排気冷却器とを有している。冷却液路は、エンジンに接続されており、冷却液を循環可能となっている。排気還流路は、エンジンで生じた排気の一部を還流排気として内燃機関に還流させる。還流排気冷却器は、排気還流路と冷却液路とに接続されており、冷却液と還流排気との間で熱交換を行う。この還流排気冷却器は、第１還流排気冷却器と第２還流排気冷却器とからなる。
【０００３】
一方、ボイラは、ランキンサイクルの配管に接続されているとともに、冷却液路と接続され、第１還流排気冷却器内の還流排気で加熱された冷却液と作動流体との間で熱交換を行う。つまり、この廃熱利用装置において、ボイラは、第１還流排気冷却器に対し、冷却液の流通方向の下流側に配置されている。また、第２還流排気冷却器は、ボイラに対し、冷却液の流通方向の下流側に配置されている。
【０００４】
このような廃熱利用装置では、第１、２還流排気冷却器において冷却液と還流排気との間で熱交換を行うことで、還流排気を冷却することが可能となっている。そして、第１還流排気冷却器で加熱された冷却液と、作動流体とがボイラにおいて熱交換され、作動流体の加熱が行われる。
【０００５】
この廃熱利用装置では、還流排気が第１還流排気冷却器と第２還流排気冷却器とで二回に亘って冷却液と熱交換されるため、還流排気を十分に冷却することが可能となっている。また、冷却液路内の冷却液は、ボイラに至るよりも先に第１還流排気冷却器に至ることとなる。この際、還流排気は高温となることから、第１還流排気冷却器において冷却液が好適に加熱されるため、その後のボイラにおける熱交換により、冷却液は作動流体を好適に加熱することが可能となっている。こうして、この廃熱利用装置では、十分に冷却された状態で還流排気をエンジンに還流可能であるとともに、加熱された作動流体の熱に基づくエネルギーの回収量を大きくすることが可能となっている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開２００７−２５５２７８号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
しかし、還流排気自体は気体であるため、熱容量が小さく、エンジン停止後にはすぐに排気冷却器や排気還流路が冷えてしまう。このため、例えば、上記従来の廃熱利用装置を搭載した車両を走行させた後、一定程度停車させてから再度走行させた場合には、第１還流排気冷却器や排気還流路の温度を上昇させることに排気の熱が使われるため、その分だけランキンサイクルの作動流体の温度上昇が遅くなり、エネルギーの回収に寄与する熱が減少してしまうこととなる。また、第１還流排気冷却器において、低温の還流排気に対して冷却液が逆に放熱してしまい、結果として、冷却液が低温の状態でボイラに流入することも生じ得る。これらの場合、冷却液はボイラにおいて作動流体を十分に加熱することができず、ランキンサイクルにおいて、エネルギーの回収が低下したり、エネルギーの回収自体を行えなくなったりするおそれがある。
【０００８】
また、上記の廃熱利用装置では、例え、車両の走行中（エンジンの作動中）であったとしても、エンジンに対して還流排気を還流させない場合、すなわち、排気還流路に還流排気を流通させない場合には、第１還流排気冷却器において冷却液の加熱を行うことができない。この場合には、ランキンサイクルにおいて、エネルギーの回収を行うことが不可能となる。
【０００９】
さらに、上記の廃熱利用装置には、第１、２還流排気冷却器と、ボイラとが設けられることとなるため、大型化し、車両等への搭載性も低下することとなる。
【００１０】
本発明は、上記従来の実情に鑑みてなされたものであって、高性能で搭載性に優れた廃熱利用装置を提供することを解決すべき課題としている。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
本発明の廃熱利用装置は、駆動系に用いられ、ボイラを有して作動流体を配管に沿って循環させるランキンサイクルを備えた廃熱利用装置であって、
前記駆動系は、内燃機関と、該内燃機関に接続され、冷却液を循環可能な冷却液路と、該内燃機関で生じた排気の一部を還流排気として該内燃機関に還流させる排気還流路と、該冷却液路と接続されているとともに、該排気還流路と接続され、該冷却液と該還流排気との間で熱交換を行う単一の還流排気冷却器とを有し、
前記ボイラは、該内燃機関と該還流排気冷却器との間の該冷却液路と接続され、該内燃機関で加熱された該冷却液と前記作動流体との間で熱交換を行う冷却液ボイラを有していることを特徴とする（請求項１）。
【００１２】
本発明の廃熱利用装置はランキンサイクルを備えている。このランキンサイクルは、駆動系に用いられ、ボイラを有して作動流体を配管に沿って循環させる。駆動系は、内燃機関と、冷却液路と、排気還流路と、単一の還流排気冷却器とを有している。冷却液路は、内燃機関に接続されるとともに、冷却液が循環可能となっている。排気還流路は、内燃機関で生じた排気の一部を還流排気として内燃機関に還流させる。還流排気冷却器は、冷却液路及び排気還流路と接続されており、冷却液と還流排気との間で熱交換を行う。
【００１３】
また、ランキンサイクルにおけるボイラは、冷却液ボイラを有している。この冷却液ボイラは、内燃機関と還流排気冷却器との間の冷却液路と接続されており、内燃機関で加熱された冷却液と作動流体との間で熱交換を行う。そして、内燃機関と還流排気冷却器との間の冷却液路と接続されることで、この冷却液ボイラは、冷却液路において、還流排気冷却器に対し、冷却液の流通方向の上流側に配置される。
【００１４】
これらのため、この廃熱利用装置では、内燃機関において加熱された冷却液は、冷却液路を流通し、還流排気冷却器に至るよりも先に冷却液ボイラに至ることとなる。この際、冷却液は内燃機関によって加熱された状態にあるため、冷却液ボイラにおける熱交換により、作動流体を好適に加熱することが可能となっている。このため、この廃熱利用装置におけるランキンサイクルにおいて、作動流体の熱に基づくエネルギーの回収量を多くすることが可能となる。
【００１５】
一方、冷却液ボイラにおける熱交換、すなわち、作動流体に対する放熱によって冷却液は冷却されるため、還流排気冷却器では、低温の状態にある冷却液と還流排気とで熱交換を行うこととなる。このため、還流排気冷却器では、還流排気が低温の冷却液に対して好適に放熱を行うことが可能となる。これにより、還流排気は十分に冷却され、その密度が大きくなった状態で内燃機関に還流されることとなる。このため、この廃熱利用装置では、内燃機関の出力を向上できる他、最終的に大気中に放出された際の排気中における窒素酸化物の含有量を低減させることも可能となる。
【００１６】
特に、この廃熱利用装置では、内燃機関によって加熱された冷却液が還流排気冷却器に至るよりも先に冷却液ボイラに至る。このため、例え、一定時間停止後に廃熱利用装置を再始動させた場合であっても、還流排気冷却器において、既に低温となった還流排気に対して冷却液が放熱するということが生じない。このため、この廃熱利用装置では、上記のような再始動後であっても冷却液は冷却液ボイラにおいて作動流体を十分に加熱すること可能となり、ランキンサイクルにおいてエネルギーの回収を好適に行うことが可能となる。
【００１７】
さらに、この廃熱利用装置では、内燃機関によって冷却液の加熱を行うため、内燃機関の作動中に還流排気を内燃機関に還流させない場合であっても、冷却液ボイラにおいて作動流体を加熱することが可能となる。つまり、この廃熱利用装置では、内燃機関が作動しておれば、ランキンサイクルにおいてエネルギーの回収を行うことが可能となる。
【００１８】
また、この廃熱利用装置に設けられる還流排気冷却器は一つであるため、廃熱利用装置が大型化することを抑制することが可能となる。
【００１９】
したがって、本発明の廃熱利用装置は高性能で搭載性に優れている。
【００２０】
本発明の廃熱利用装置において、内燃機関としては、ガソリンエンジンやディーゼルエンジン等の他、種々の形式のエンジンを採用することができる。また、これらのエンジンはモータを組み合わせたハイブリッドエンジンでも良い。なお、内燃機関は複数であっても良い。
【００２１】
また、冷却液としては、水（冷却水）の他、ＬＬＣ（ロングライフクーラント）等を採用することができる。
【００２２】
還流排気冷却器における熱交換によって、冷却液は再加熱されることとなる。このため、この再加熱された冷却液については、一定程度冷却した後に内燃機関に流入させることが好ましい。
【００２３】
この点、上記特許文献１の図４記載の廃熱利用装置では、ラジエータによって冷却液を冷却することが可能であるものの、ラジエータによって冷却された冷却液の一部はエンジンを経由せず第１還流排気冷却器に直接流入し、その後、ボイラに流入するよう構成されている。このため、上記従来の廃熱利用装置では、還流排気が放熱により低温となっている場合の他、排気還流路に還流排気が流通していない状態では、ラジエータによって冷却された冷却液が低温の状態のままでボイラに流入することとなる。このため、上記従来の廃熱利用装置では、ランキンサイクルにおけるエネルギーの回収の効率がより低下し易くなる。
【００２４】
そこで、本発明の廃熱利用装置において、駆動系はラジエータを有し得る。そして、冷却液路は、還流排気冷却器の下流側にラジエータを接続する第１液路と、ラジエータと内燃機関とを接続し、ラジエータを流出する全ての冷却液を内燃機関に流入させる第２液路とを有していることが好ましい（請求項２）。
【００２５】
この場合、第１液路によって、還流排気冷却器の下流で還流排気冷却器とラジエータとが接続されるとともに、第２液路によって、ラジエータと内燃機関とが接続されることとなる。このため、還流排気冷却器における熱交換により再び加熱された冷却液は、ラジエータにおいて外気に放熱され、冷却されることとなる。そして、この冷却された冷却液は全て内燃機関に流入するため、内燃機関を好適に作動させることが可能となるとともに、冷却液は、内燃機関によって加熱された後に冷却液水ボイラに流入することとなる。このため、この廃熱利用装置では、ランキンサイクルにおけるエネルギーの回収を効率良く行うことが可能となる。
【００２６】
上記のように、ラジエータを設けることにより冷却液を好適に冷却させることが可能である一方、内燃機関は一定程度の温度を有している状態の方が好適に作動する。このため、内燃機関に流入する冷却液は、内燃機関が好適に作動し得る程度の温度、すなわち、内燃機関の温度が一定範囲に維持され得る程度の温度を有していることが好ましい。また、冷却液がこれらのような温度を有することにより、内燃機関によって加熱された際の冷却液の温度を所望する温度、つまり、冷却液ボイラにおいて、作動流体を好適に加熱できる温度に調整し易くなる。
【００２７】
このため、駆動系は、還流排気冷却器の下流で前記第１液路から分岐し、ラジエータを迂回して第２液路に合流するバイパス路と、内燃機関に流入する冷却液の温度又は内燃機関から流出する冷却液の温度により、ラジエータに流入する冷却液の流量とバイパス路に流入する冷却液の流量とを調整可能な流量調整装置を有していることが好ましい（請求項３）。
【００２８】
この場合、内燃機関に流入する冷却液の温度や内燃機関から流出する冷却液の温度に基づき、流量調整装置がバイパス路に流入する冷却液の流量と、ラジエータに流入する冷却液の流量、すなわち、ラジエータにおける放熱により冷却される冷却液との流量を調整することが可能となる。これにより、流入した冷却液により内燃機関を好適に作動させることが可能となるとともに、内燃機関から流出する冷却液の温度について、冷却液ボイラにおける熱交換で作動流体を好適に加熱することが可能な温度に調整し易くなる。
【００２９】
流量調整装置としては、流量調整弁の他、種々の切替弁や分岐弁等を採用することができる。特に、流量調整装置は、内燃機関に流入する冷却液の温度によって作動するサーモスタットであることが好ましい（請求項４）。
【００３０】
上記のようなサーモスタットであれば、内燃機関に流入する冷却液の温度を調整し易くなり、内燃機関を好適に作動させ易くなるとともに、内燃機関から流出した冷却液によって、冷却液ボイラにおいて作動流体を好適に加熱し易くなる。また、流量調整装置を簡素化できるとともに、低コスト化も可能であるため、ひいては、廃熱利用装置を簡素化しつつ、低コスト化することも可能となる。
【発明の効果】
【００３１】
本発明の廃熱利用装置は高性能で搭載性に優れている。
【図面の簡単な説明】
【００３２】
【図１】実施例の廃熱利用装置を示す模式構造図である。
【図２】実施例の廃熱利用装置に係り、作動中の状態を示す模式構造図である。
【発明を実施するための形態】
【００３３】
以下、本発明を具体化した実施例を図面を参照しつつ説明する。
【００３４】
（実施例）
実施例の廃熱利用装置は、車両に搭載され、図１に示すように、車両の駆動系１に用いられている。この廃熱利用装置は、ランキンサイクル３と、制御装置１１とを備えている。
【００３５】
駆動系１は、内燃機関としてのエンジン５と、冷却液路７と、排気還流路９と、還流排気冷却器１３と、ラジエータ１５と、バイパス路１７と、公知のサーモスタット１９とを有している。冷却液路７では冷却液としての冷却水が循環可能となっている。排気還流路９は、エンジン５で生じた排気の一部を還流排気として後述する配管２８に流通させることで、この還流排気をエンジン５に還流させる。
【００３６】
還流排気冷却器１３はステンレス製である。この還流排気冷却器１３には、第３流入口１３ａ及び第３流出口１３ｂと、第４流入口１３ｃ及び第４流出口１３ｄとが形成されている。また、還流排気冷却器１３内には、両端側でそれぞれ第３流入口１３ａ及び第３流出口１３ｂと連通する第３通路１３ｅと、両端側でそれぞれ第４流入口１３ｃ及び第４流出口１３ｄと連通する第４通路１３ｆとが設けられている。この還流排気冷却器１３では、第３通路１３ｅ内の還流排気と、第４通路１３ｆ内の冷却水との熱交換により、還流排気の冷却を行う。
【００３７】
エンジン５は、公知の水冷式ディーゼルエンジンである。エンジン５の内部には冷却水が流通可能なウォータジャケット（図示略）が形成されている。エンジン５には、このウォータジャケットとそれぞれ連通する流出口５ａと流入口５ｂとが形成されている。さらに、エンジン５には、排気を排出する排気口５ｃと、後述する混合空気を吸入する吸気口５ｄとが形成されている。
【００３８】
ラジエータ１５には、その内部に冷却水を流入させる流入口１５ａと、冷却水を流出させる流出口１５ｂとが形成されている。ラジエータ１５は、その内部を流通する冷却水と車外の空気との間で熱交換を行う。さらに、ラジエータ１５の近傍には、電動ファン１５ｃが設けられている。この電動ファン１５ｃは、制御装置１１と電気的に接続されている。
【００３９】
冷却液路７は、配管２１〜２５によって構成されている。また、配管２１と配管２２との間には後述する冷却液ボイラ３３が接続されている。より詳細に説明すると、配管２１は、エンジン５の流出口５ａと冷却液ボイラ３３の第１流入口３３ａとに接続されている。配管２２は、冷却液ボイラ３３の第１流出口３３ｂと還流排気冷却器１３の第４流入口１３ｃとに接続されている。配管２３は、還流排気冷却器１３の第４流出口１３ｄとラジエータ１５の流入口１５ａとに接続されている。配管２４の一端側はラジエータ１５の流出口１５ｂに接続されており、その他端側は、サーモスタット１９に接続されている。配管２５の一端側はサーモスタット１９に接続されており、その他端側はエンジン５の流入口５ｂに接続されている。なお、配管２３が第１液路に相当しており、配管２４、２５が第２液路に相当している。
【００４０】
また、配管２３には、上記のバイパス路１７の一端側が接続されている。このバイパス路１７の他端側は、サーモスタット１９を介して配管２４及び配管２５に接続されている。バイパス路１７は、その内部に冷却水を流通させることにより、冷却水にラジエータ１５を迂回させる。サーモスタット１９は、冷却液路７を循環する冷却水の温度によって作動し、ラジエータ１５に流入する冷却水の流量と、バイパス路１７に流入する冷却水の流量とを調整する。より詳細に説明すると、サーモスタット１９は、冷却液路７のうち、配管２５を流通する冷却水の温度が所定値（１００°Ｃ程度）となるように、ラジエータ１５に流入する冷却水の流量と、バイパス路１７に流入する冷却水の流量とを調整する。なお、このサーモスタット１９が流量調整装置に相当する。
【００４１】
配管２５には、第１電動ポンプＰ１が設けられている。この第１電動ポンプＰ１は、制御装置１１に電気的に接続されている。この第１ポンプＰ１を作動させることにより、図２に示すように、エンジン５の流出口５ａから流出した冷却水は、冷却液ボイラ３３及び還流排気冷却器１３を経て、ラジエータ１５又はバイパス路１７を経て、配管２５で互いに合流した後、エンジン５の流入口５ｂからエンジン５内（ウォータージャケット）に至ることとなる。つまり、この冷却液路７（配管２１〜２５）において、冷却液ボイラ３３は、エンジン５と還流排気冷却器１３との間で配管２１及び配管２２に接続されているとともに、この冷却液ボイラ３３は、還流排気冷却器１３に対し、冷却水の流通方向の上流側に配置されている。これにより、エンジン５によって加熱された冷却水は、配管２１を経て、最初に冷却液ボイラ３３に至ることとなる。なお、第１電動ポンプＰ１は、配管２１又は配管２２に設けられても良い。
【００４２】
図１に示すように、排気還流路９は、配管２６、２７によって構成されている。配管２６は、エンジン５の排気口５ｃと還流排気冷却器１３の第３流入口１３ａとに接続されている。配管２７の一端側は、還流排気冷却器１３の第３流出口１３ｂと接続されており、その他端側は配管２８の一端側と接続されている。また、配管２６には、配管２９の一端側が接続されている。この配管２９の他端側は図示しないマフラに接続されている。さらに、配管２６において、上記の配管２９との接続箇所よりも排気（還流排気）の流通方向の下流となる位置には公知の可変バルブ３１が設けられている。この可変バルブ３１は制御装置１１と電気的に接続されている。
【００４３】
配管２８の他端側はエンジン５の吸気口５ｄに接続されている。また、配管２８の一端側には、上記の配管２７の他端側の他に配管３３の一端側も接続されている。この配管３３の他端側は図示しない車両のエアインテークに開いている。これにより、配管２８内には還流排気のみならず、エアインテークから吸入された外気と配管２７を経た還流排気との混合空気も流通することとなる。
【００４４】
ランキンサイクル３は、第２電動ポンプＰ２と、冷却液ボイラ３３と、膨張機３５と、凝縮器３７と、配管３９〜４１とを有している。配管３９〜４１には、作動流体としてのＨＦＣ１３４ａが流通可能となっている。
【００４５】
冷却液ボイラ３３には、第１流入口３３ａ及び第１流出口３３ｂと、第２流入口３３ｃ及び第２流出口３３ｄとが形成されている。また、冷却液ボイラ３３内には、両端側でそれぞれ第１流入口３３ａ及び第１流出口３３ｂと連通する第１通路３３ｅと、両端側でそれぞれ第２流入口３３ｃ及び第２流出口３３ｄと連通する第２通路３３ｆとが設けられている。この冷却液ボイラ３３では、第１通路３３ｅ内の冷却水と、第２通路３３ｆ内の作動流体との熱交換により、冷却水の冷却と作動流体の加熱とを行う。
【００４６】
膨張機３５には、その内部に作動流体を流入させる流入口３５ａと、作動流体を流出させる流出口３５ｂとが形成されている。膨張機３５では、冷却液ボイラ３３を経て加熱された作動流体を膨張させることにより回転駆動力を発生させる。この膨張機３５には図示しない公知の発電機が接続されている。発電機は膨張機３５の回転駆動力によって発電を行い、図示しないバッテリに電力を充電する。
【００４７】
凝縮器３７には、その内部に作動流体を流入させる流入口３７ａと、作動流体を流出させる流出口３７ｂとが形成されている。凝縮器３７は、その内部を流通する作動流体と車外の空気との間で熱交換を行い、膨張機３５での膨張によって減圧された作動流体を冷却して液化させる。凝縮器３７の近傍には電動ファン３７ｃが設けられている。この電動ファン３７ｃは制御装置１１に電気的に接続されている。
【００４８】
これらの冷却液ボイラ３３、膨張機３５及び凝縮器３７は、配管３９〜４１によって接続されている。具体的には、凝縮器３７の流出口３７ｂと、冷却液ボイラ３３の第２流入口３３ｃとは配管３９によって接続されている。冷却液ボイラ３３の第２流出口３３ｄと、膨張機３５の流入口３５ａとは配管４０によって接続されている。そして、膨張機３５の流出口３５ｂと凝縮器３７の流入口３７ａとは配管４１によって接続されている。
【００４９】
第２電動ポンプＰ２は配管３９に設けられている。この第２電動ポンプＰ２を作動させることにより、作動流体は、図２に示すように、第２電動ポンプＰ２から冷却液ボイラ３３及び膨張機３５を経て凝縮器３７に至る順で配管３９〜４１内を循環する。
【００５０】
図１に示すように、制御装置１１は、可変バルブ３１の開度を調整するマップを記憶している。制御装置１１はこのマップに基づき、配管２６を経て還流排気冷却器１３に至る排気、すなわち、還流排気の流量を適宜調整する。また、制御装置１１は電動ファン１５ｃ、３７ｃの作動制御を行うことで、冷却水や作動流体が外気に放熱する熱量の調整を行う。さらに、制御装置１１は、第１、２電動ポンプＰ１、Ｐ２の作動制御を行う。
【００５１】
このように構成された廃熱利用装置では、車両を駆動させることにより以下のように作動する。
【００５２】
図２に示すように、車両が駆動されることにより、駆動系１ではエンジン５が作動する。これにより、排気口５ｃから排出された排気が配管２６内を流通する（同図の一点鎖線矢印参照）。この際、制御装置１１は、上記のマップに基づいて可変バルブ３１を開制御し、配管２６を経て還流排気冷却器１３に至る還流排気の流量と、配管２９及びマフラを経て車外に排出される排気の流量とを調整する。
【００５３】
また、制御装置１１は、第１、２電動ポンプＰ１、Ｐ２及び電動ファン１５ｃ、３７ｃをそれぞれ作動させる。これにより、配管２１〜２５及びバイパス路１７において冷却水が循環し、冷却液路７では、エンジン５の流出口５ａから流出した冷却水が冷却液ボイラ３３の第１通路３３ｅ及び還流排気冷却器１３の第４通路１３ｆを経て、ラジエータ１５又はバイパス路１７に至り、その後、エンジン５の流入口５ｂからエンジン５内に流入することとなる（同図の破線矢印参照）。
【００５４】
ランキンサイクル３では、同図の実線矢印に示すように、第２電動ポンプＰ２によって吐出された作動流体が配管３９を経て、冷却液ボイラ３３の第２流入口３３ｃから第２通路３３ｆに至る。そして、作動流体は冷却液ボイラ３３において、第１通路３３ｅを流通する冷却水との間で熱交換を行い、加熱される。この際、第１通路３３ｅを流通する冷却水はエンジン５によって約１０５°Ｃ程度に加熱されているため、第２通路３３ｆ内の作動流体は好適に加熱されることとなる。一方、作動流体との熱交換によって冷却水は冷却されて第１流出口３３ｂから流出する。この際の冷却水の温度は約８０°Ｃ程度となっている。
【００５５】
冷却液ボイラ３３において加熱された作動流体は、高温高圧の状態で第２流出口３３ｄから流出し、配管４０を経て膨張機３５の流入口３５ａから膨張機３５内へ至る。そして、高温高圧の作動流体は膨張機３５内で膨張し、減圧される。この際の圧力エネルギーにより、膨張機３５に接続された発電機は発電を行う。
【００５６】
膨張機３５内で減圧された作動流体は流出口３５ｂから流出し、配管４１を経て凝縮器３７の流入口３７ａから凝縮器３７内へ至る。凝縮器３７内の作動流体は、凝縮器３７の周りの空気に放熱を行い、冷却される。この際、制御装置１１は電動ファン３７ｃの作動量を適宜変更して、作動流体を好適に放熱させて液化させる。冷却された作動流体は流出口３７ｂから流出し、配管３９を経て再び冷却液ボイラ３３に至ることとなる。
【００５７】
配管２９へ流入せずに配管２６へ流通する還流排気は、還流排気冷却器１３の第３流入口１３ａから第３通路１３ｅに至る。また、冷却液ボイラ３３の第１流出口３３ｂから流出した冷却水は、配管２２を経て還流排気冷却器１３の第４流入口１３ｃから第４通路１３ｆに至る。そして、還流排気は還流排気冷却器１３において、第４通路１３ｆを流通する冷却水との間で熱交換を行い、冷却される。この際、第４通路１３ｆを流通する冷却水は上記のように、冷却液ボイラ３３における作動流体との熱交換で約８０°Ｃ程度となっているため、第３通路１３ｅ内の還流排気は好適に冷却されることとなる。
【００５８】
還流排気冷却器１３において冷却された還流排気は、第３流出口１３ｂから流出し、配管２７を経て配管２８を流通する。この際、車両のエアインテークから吸入された外気が配管３３を経て配管２８に合流する（同図の二点鎖線矢印参照）ため、配管２８を流通する還流排気はこの外気と混合され、混合空気としてエンジン５の吸気口５ｄからエンジン５へ還流されることとなる。
【００５９】
還流排気冷却器１３における熱交換によって、冷却水は再加熱された状態で第４流出口１３ｄから流出して配管２３に至る。そして、この冷却水の一部はラジエータ１５の流入口１５ａからラジエータ１５内に流入し、ラジエータ１５内に流入しなかった残りの冷却水はパイパス路１７に流入する。ここで、ラジエータ１５内に流入した冷却水は、ラジエータ１５周りの空気に放熱を行い、冷却される。この際、制御装置１１は電動ファン９ｃの作動量を適宜変更して、冷却水を好適に冷却させる。ラジエータ１５において冷却された冷却水は流出口１５ｂから流出し、配管２４を経て配管２５に至る。一方、パイパス路１７に流入した冷却水はラジエータ１５を迂回することから、冷却されずに配管２５に至り、ラジエータ１５において冷却された冷却水と合流することとなる。つまり、配管２５を流通する冷却水の温度は、第４流出口１３ｂから流出した際の冷却水の温度よりも低い状態となる。
【００６０】
そこで、サーモスタット１９は、配管２５を流通する冷却水の温度が約１００°Ｃとなるように作動し、ラジエータ１５に流入する冷却水の流量と、バイパス路１７に流入する冷却水の流量とを調整する。これにより、約１００°Ｃの温度を有した冷却水がエンジン５の流入口５ｂからエンジン５に流入することとなる。
【００６１】
このように、この廃熱利用装置では、冷却液ボイラ３３における熱交換により、作動流体を好適に加熱することが可能となっている。このため、膨張機３５において作動流体を膨張及び減圧させた際の圧力エネルギーを大きくすることが可能となっており、この廃熱利用装置におけるランキンサイクル３では、電力の回収量を多くすることが可能となっている。
【００６２】
一方、冷却液ボイラ３３における作動流体との熱交換によって冷却水は冷却されるため、還流排気冷却器１３では、低温の状態（約８０°Ｃ）にある冷却水と還流排気とで熱交換を行うこととなる。このため、還流排気冷却器１３では、還流排気が低温の冷却水に対して好適に放熱を行うことが可能となる。これにより、還流排気は十分に冷却され、その密度が大きくなった状態でエンジン５に還流されることとなる。このため、この廃熱利用装置では、エンジン５の出力を向上できる他、配管２９及びマフラを経て、最終的に大気中に放出された際の排気中における窒素酸化物の含有量を低減させることも可能となっている。
【００６３】
特に、この廃熱利用装置では、エンジン５によって加熱された冷却水が還流排気冷却器１３に至るよりも先に冷却液ボイラ３３に至る。このため、例え、車両を一定時間停止させた後に車両を再始動、すなわち、廃熱利用装置を再始動させた場合であっても、還流排気冷却器１３において、既に低温となった還流排気に対して冷却水が放熱するということが生じない。このため、この廃熱利用装置では、上記のような再始動後であっても冷却水は冷却液ボイラ３３において作動流体を十分に加熱することが可能となり、ランキンサイクル３において電力の回収を好適に行うことが可能となっている。
【００６４】
さらに、この廃熱利用装置では、エンジン５によって冷却水の加熱を行うため、エンジン５の作動中に還流排気をエンジン５に還流させない場合であっても、冷却液ボイラ３３において作動流体を加熱することが可能となる。つまり、この廃熱利用装置では、エンジン５が作動しておれば、ランキンサイクル３において電力の回収を行うことが可能となっている。
【００６５】
また、この廃熱利用装置に設けられる還流排気冷却器１３は一つであるため、廃熱利用装置が大型化することを抑制することが可能となっている。
【００６６】
したがって、本発明の廃熱利用装置は高性能で車両への搭載性に優れている。
【００６７】
特に、この廃熱利用装置では、還流排気冷却器１３において再加熱された冷却水をラジエータ１５によって冷却することが可能となっている。そして、サーモスタット１９の作動によって、ラジエータ１５に流入する冷却水の流量と、バイパス路１７に流入する冷却水の流量とを調整、すなわち、配管２５を経てエンジン５に流入する冷却水の温度を調整することが可能となっている。このため、この廃熱利用装置では、エンジン５が好適に作動し得る程度にエンジン５の温度を維持し易くなっている。また、エンジン５によって加熱された際の冷却水の温度を調整し易くなっているため、冷却液ボイラ３３における熱交換で作動流体を好適に加熱することが可能となっている。
【００６８】
さらに、流量調整装置が上記のサーモスタット１９であるため、廃熱利用装置を簡素化しつつ、低コスト化することも可能となっている。
【００６９】
以上において、本発明を実施例に即して説明したが、本発明は上記実施例に制限されるものではなく、その趣旨を逸脱しない範囲で適宜変更して適用できることはいうまでもない。
【００７０】
例えば、エンジンに対して加圧空気を供給可能なターボチャージャ等の過給器を設けても良い。この場合、ターボチャージャは、配管２９及び配管３３に接続されることとなり、配管３３には、ターボチャージャによって圧縮された加圧空気が流通することとなる。
【００７１】
また、冷却液ボイラ３３に加えて、上記の加圧空気と作動流体とで熱交換が可能な加圧空気ボイラ等を設けても良い。
【００７２】
さらに、配管３９における第２電動ポンプＰ２の上流側には、公知のレシーバを設けても良い。この場合、レシーバにより作動流体が好適に液化されるため、凝縮器３７を経た作動流体は、第２電動ポンプＰ２によって好適に吐出されて、配管３９〜４１を好適に循環することとなる。
【産業上の利用可能性】
【００７３】
本発明は車両等に利用可能である。
【符号の説明】
【００７４】
１…駆動系
３…ランキンサイクル
５…エンジン
７…冷却液路
９…排気還流路
１３…還流排気冷却器
１５…ラジエータ
１７…バイパス路
１９…サーモスタット
２３…配管（第１液路）
２４、２５…配管（第２液路）
３３…冷却液ボイラ
３９〜４１…配管
【特許請求の範囲】
【請求項１】
駆動系に用いられ、ボイラを有して作動流体を配管に沿って循環させるランキンサイクルを備えた廃熱利用装置であって、
前記駆動系は、内燃機関と、該内燃機関に接続され、冷却液を循環可能な冷却液路と、該内燃機関で生じた排気の一部を還流排気として該内燃機関に還流させる排気還流路と、該冷却液路と接続されているとともに、該排気還流路と接続され、該冷却液と該還流排気との間で熱交換を行う単一の還流排気冷却器とを有し、
前記ボイラは、該内燃機関と該還流排気冷却器との間の該冷却液路と接続され、該内燃機関で加熱された該冷却液と前記作動流体との間で熱交換を行う冷却液ボイラを有していることを特徴とする廃熱利用装置。
【請求項２】
前記駆動系はラジエータを有し、
前記冷却液路は、前記還流排気冷却器の下流側に該ラジエータを接続する第１液路と、該ラジエータと該内燃機関とを接続し、該ラジエータを流出する全ての前記冷却液を該内燃機関に流入させる第２液路とを有している請求項１記載の廃熱利用装置。
【請求項３】
前記駆動系は、前記還流排気冷却器の下流で前記第１液路から分岐し、前記ラジエータを迂回して前記第２液路に合流するバイパス路と、前記内燃機関に流入する前記冷却液の温度又は該内燃機関から流出する該冷却液の温度により、該ラジエータに流入する該冷却液の流量と該バイパス路に流入する該冷却液の流量とを調整可能な流量調整装置を有している請求項２記載の廃熱利用装置。
【請求項４】
前記流量調整装置は、前記内燃機関に流入する前記冷却液の温度によって作動するサーモスタットである請求項３記載の廃熱利用装置。
【請求項１】
駆動系に用いられ、ボイラを有して作動流体を配管に沿って循環させるランキンサイクルを備えた廃熱利用装置であって、
前記駆動系は、内燃機関と、該内燃機関に接続され、冷却液を循環可能な冷却液路と、該内燃機関で生じた排気の一部を還流排気として該内燃機関に還流させる排気還流路と、該冷却液路と接続されているとともに、該排気還流路と接続され、該冷却液と該還流排気との間で熱交換を行う単一の還流排気冷却器とを有し、
前記ボイラは、該内燃機関と該還流排気冷却器との間の該冷却液路と接続され、該内燃機関で加熱された該冷却液と前記作動流体との間で熱交換を行う冷却液ボイラを有していることを特徴とする廃熱利用装置。
【請求項２】
前記駆動系はラジエータを有し、
前記冷却液路は、前記還流排気冷却器の下流側に該ラジエータを接続する第１液路と、該ラジエータと該内燃機関とを接続し、該ラジエータを流出する全ての前記冷却液を該内燃機関に流入させる第２液路とを有している請求項１記載の廃熱利用装置。
【請求項３】
前記駆動系は、前記還流排気冷却器の下流で前記第１液路から分岐し、前記ラジエータを迂回して前記第２液路に合流するバイパス路と、前記内燃機関に流入する前記冷却液の温度又は該内燃機関から流出する該冷却液の温度により、該ラジエータに流入する該冷却液の流量と該バイパス路に流入する該冷却液の流量とを調整可能な流量調整装置を有している請求項２記載の廃熱利用装置。
【請求項４】
前記流量調整装置は、前記内燃機関に流入する前記冷却液の温度によって作動するサーモスタットである請求項３記載の廃熱利用装置。
【図１】
【図２】
【図２】
【公開番号】特開２０１３−７２２９５（Ｐ２０１３−７２２９５Ａ）
【公開日】平成２５年４月２２日（２０１３．４．２２）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１１−２０９８１３（Ｐ２０１１−２０９８１３）
【出願日】平成２３年９月２６日（２０１１．９．２６）
【出願人】（０００００３２１８）株式会社豊田自動織機 (4,162)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２５年４月２２日（２０１３．４．２２）
【国際特許分類】
【出願日】平成２３年９月２６日（２０１１．９．２６）
【出願人】（０００００３２１８）株式会社豊田自動織機 (4,162)
【Ｆターム（参考）】
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