JP2009185773A - 廃熱利用装置 - Google Patents

Abstract

【課題】大容量の蓄熱タンクを用いることなくエンジンの廃熱を暖機運転に有効に利用することのできる廃熱利用装置を提供する。
【解決手段】エンジン１の排気ガスによって加熱した高温の熱媒体を蓄熱タンク１４に貯溜することにより蓄熱し、エンジン１を始動した際、エンジン１の冷却水の温度が低い場合は、蓄熱タンク１４の高温の熱媒体によって冷却水を加熱するようにしたので、暖機運転時に冷却水の温度を速やかに上昇させることができ、暖機運転に要する時間の短縮を図ることができる。この場合、冷却水よりも沸点の高い熱媒体を用いるようにしたので、蓄熱タンク１４の熱媒体を冷却水の沸点よりも高い温度で保温しておくことにより、例えば冷却水を直接貯めておくようにした場合に比べ、蓄熱タンク１４の容量を小さくすることができ、小型化及び軽量化を図ることができる。
【選択図】図１

Description

本発明は、例えばエンジンの廃熱を車両の暖機運転に利用可能な廃熱利用装置に関するものである。

一般に、自動車のエンジンを始動した後、前回の運転時から長時間が経過している場合は冷却水の温度が低下しているため、暫く暖機運転を行ってから発進する場合が多い。しかしながら、暖機運転中は無駄に燃料を消費するとともに、冷却水で空気を加熱して暖房を行う場合には、室内温度の上昇に長時間を要するという問題がある。そこで、エンジンの冷却水回路に冷却水を貯溜する断熱構造の蓄熱タンクを設け、エンジンを始動した後、蓄熱タンク内に高温状態で貯めておいた冷却水をエンジンに流通することにより、暖機運転に要する時間の短縮を図るようにしたものが知られている（例えば、特許文献１参照。）。
特開平８−２４６８７３号公報

しかしながら、エンジンの冷却水の温度は高くても１００℃程度であるため、蓄熱タンクに貯めた冷却水を暖機運転に有効に利用するためには大容量の蓄熱タンクを必要とし、設置スペースや重量が増加して一般の乗用車に搭載することが困難になるという問題点があった。

本発明は前記問題点に鑑みてなされたものであり、その目的とするところは、大容量の蓄熱タンクを用いることなくエンジンの廃熱を暖機運転に有効に利用することのできる廃熱利用装置を提供することにある。

本発明は前記目的を達成するために、内燃機関の冷却水を循環する冷却水回路を備えた廃熱利用装置において、前記冷却水よりも沸点の高い熱媒体を循環する熱媒体回路と、熱媒体回路の熱媒体を内燃機関の排気ガスによって加熱する熱媒体加熱器と、熱媒体加熱器によって加熱された熱媒体を貯溜することにより蓄熱する蓄熱タンクと、蓄熱タンクの熱媒体によって冷却水回路の冷却水を加熱可能な冷却水加熱器とを備えている。

これにより、内燃機関の排気ガスによって加熱した高温の熱媒体が蓄熱タンクに貯溜されることから、内燃機関を始動した際、内燃機関の冷却水の温度が低い場合は、蓄熱タンクの高温の熱媒体によって冷却水を加熱することにより、暖機運転時に冷却水の温度を速やかに上昇させることができる。この場合、冷却水よりも沸点の高い熱媒体が用いられることから、蓄熱タンクの熱媒体を冷却水の沸点よりも高い温度で保温しておくことにより、例えば冷却水を直接貯めておくようにした場合に比べ、蓄熱タンクの容量を小さくすることができる。

本発明によれば、蓄熱タンクの高温の熱媒体によって冷却水を加熱することにより、暖機運転時に冷却水の温度を速やかに上昇させることができるので、暖機運転に要する時間の短縮を図ることができる。この場合、冷却水を直接貯めておくようにした場合に比べ、蓄熱タンクの容量を小さくすることができるので、大容量の蓄熱タンクを用いる必要がなく、小型化及び軽量化を図ることができる。

図１は本発明の第１の実施形態を示す廃熱利用装置の概略構成図であり、この廃熱利用装置はエンジンの廃熱を利用して発電するものである。

本実施形態の廃熱利用装置は、エンジン１の冷却水を循環する冷却水回路２と、エンジン１の排気ガスによって加熱される熱媒体を循環する熱媒体回路３と、エンジン１の廃熱を熱源として発電するランキンサイクル４とを備えている。

冷却水回路２は、エンジン１と、冷却水を冷却するラジエータ５と、冷却水を熱媒体回路３の熱媒体と熱交換することにより加熱する冷却水加熱器６と、ランキンサイクル４の作動流体を冷却水と熱交換することにより蒸発させる蒸発器７とを接続してなり、第１のポンプ８によって冷却水を循環するようになっている。冷却水回路２にはラジエータ５の流入側と流出側とを連通するバイパス流路９が設けられ、ラジエータ５側の流路とバイパス流路９の何れか一方がサーモスタット１０によってエンジン１側の流路に連通するようになっている。尚、サーモスタット１０は流出側（エンジン１側）の温度が所定温度になるように温度に応じて三方弁の開度を調整する周知の機器からなる。冷却水加熱器６及び蒸発器７はエンジン１の冷却水流出側に互いに並列に接続され、冷却水加熱器６及び蒸発器７の冷却水流入側には第１及び第２の電磁弁１１，１２がそれぞれ設けられている。

熱媒体回路３は、熱媒体をエンジン１の排気ガス流路１ａ内の排気ガスと熱交換することにより加熱する熱媒体加熱器１３と、熱媒体加熱器１３によって加熱された熱媒体を貯溜する断熱構造の蓄熱タンク１４と、ランキンサイクル４の作動流体を過熱する過熱器１５と、冷却水回路２の冷却水加熱器６とを接続してなり、第２のポンプ１６によって熱媒体を循環するようになっている。この場合、熱媒体には、例えばシリコンオイル等、冷却水よりも沸点が高く、液体として高温で蓄熱タンク１４に貯溜可能な熱媒体が用いられる。冷却水加熱器６及び過熱器１５は蓄熱タンク１４の冷却水流出側に互いに並列に接続され、冷却水加熱器６及び過熱器１５の熱媒体流入側には第３及び第４の電磁弁１７，１８がそれぞれ設けられている。

ランキンサイクル４は、蒸発器７と、過熱器１５と、発電機１９を駆動する膨張機２０と、膨張機２０から流出した作動流体を凝縮させる凝縮器２１とを接続してなり、第３のポンプ２２によって作動流体を循環するようになっている。この場合、作動流体には、例えばフロン系冷媒（Ｒ２４５ｃａ、Ｒ２４５ｆａ、Ｒ１５２ａ等）が用いられる。膨張機２０には、例えば一対のスクロール部材間に作動流体を流入させ、作動流体の膨張によって一方のスクロール部材を回転させるようにした、いわゆるスクロール型膨張機が用いられる。尚、膨張機２０に代えてタービンを用いることも可能である。

また、冷却水回路２には、ラジエータ５から流出する冷却水の温度に応じて各電磁弁１１，１２，１７，１８を作動させる温度スイッチ２３が設けられている。

以上のように構成された廃熱利用装置において、エンジン１の冷却水が所定温度（例えば８０℃）よりも高い場合は、サーモスタット１０のラジエータ５側の流路がエンジン１側の流路に連通するとともに、温度スイッチ２３により、冷却水回路２の第１の電磁弁１１が閉鎖され、第２の電磁弁１２が開放される。これにより、図中実線矢印で示すようにエンジン１から流出した冷却水が蒸発器７及びラジエータ５を流通してエンジン１に流入する。その際、蒸発器７を流通する高温の冷却水によってランキンサイクル４の作動流体が蒸発する。また、温度スイッチ２３により、熱媒体回路３の第３の電磁弁１７が閉鎖され、第４の電磁弁１８が開放される。これにより、図中実線矢印で示すように熱媒体加熱器１３で冷却水の沸点よりも高温に加熱された熱媒体が断熱材で保温された蓄熱タンク１４に貯溜され、蓄熱タンク１４が蓄熱されるとともに、蓄熱タンク１４から流出した熱媒体が過熱器１５を流通して熱媒体加熱器１３に流入する。その際、過熱器１５を流通する高温（例えば２００℃）の熱媒体によってランキンサイクル４の作動流体が過熱される。また、ランキンサイクル４の作動流体は、図中一点鎖線矢印で示すように、蒸発器７、過熱器１５、膨張機２０及び凝縮器２１に流通して蒸発器７に流入する。その際、蒸発器７で飽和蒸発となった作動流体が過熱器１５によって過熱され、過熱蒸気となって膨張機２０に流入し、膨張機２０で膨張することにより、膨張機２０によって発電機１９が駆動される。また、膨張機２０から流出した作動流体は凝縮器２１で凝縮した後、蒸発器７に流入する。

次に、エンジン１を停止した後、長時間が経過してからエンジン１を始動した直後において、エンジン１の冷却水が所定温度（例えば８０℃）以下の場合は、サーモスタット１０のバイパス流路９側がエンジン１側の流路に連通するとともに、温度スイッチ２３により、冷却水回路２の第１の電磁弁１１が開放され、第２の電磁弁１２が閉鎖される。これにより、図中破線矢印で示すようにエンジン１から流出した冷却水が冷却水加熱器６及びバイパス流路９を流通してエンジン１に流入する。また、温度スイッチ２３により、熱媒体回路３の第３の電磁弁１７が開放され、第４の電磁弁１８が閉鎖される。これにより、図中破線矢印で示すように、蓄熱タンク１４に貯溜されていた高温（例えば２００℃）の熱媒体が冷却水加熱器６を流通して熱媒体加熱器１３に流入する。その際、冷却水加熱器６を流通する熱媒体によって冷却水回路２の冷却水が加熱され、冷却水の温度が速やかに上昇する。

このように、本実施形態の廃熱利用装置によれば、エンジン１の排気ガスによって加熱した高温の熱媒体を蓄熱タンク１４に貯溜することにより蓄熱し、エンジン１を始動した際、エンジン１の冷却水の温度が低い場合は、蓄熱タンク１４の高温の熱媒体によって冷却水を加熱するようにしたので、暖機運転時に冷却水の温度を速やかに上昇させることができ、暖機運転に要する時間の短縮を図ることができる。この場合、冷却水よりも沸点の高い熱媒体を用いるようにしたので、蓄熱タンク１４の熱媒体を冷却水の沸点よりも高い温度で保温しておくことにより、例えば冷却水を直接貯めておくようにした場合に比べ、蓄熱タンク１４の容量を小さくすることができ、小型化及び軽量化を図ることができる。

また、蓄熱タンク１４の高温の熱媒体によってランキンサイクル４の作動流体を過熱するようにしたので、例えば排気ガスによって直接ランキンサイクル４の作動流体を過熱するようにした場合に比べ、作動流体用の冷媒が高温の排気ガス（例えば６００℃）によって分解や変質等を生ずることがなく、排気ガスの廃熱をランキンサイクル４に利用する場合に極めて有利である。

この場合、排気ガスの温度が大きく変動しても、ランキンサイクル４の過熱器１５には蓄熱タンク１４に貯溜された熱媒体が流入するので、過熱器１５を流通する熱媒体の温度が急激に変化することがなく、ランキンサイクル４の運転を常に安定して行うことができる。

図２は本発明の第２の実施形態を示す廃熱利用装置の概略構成図であり、前記実施形態と同等の構成部分には同一の符号を付して示す。

本実施形態の廃熱利用装置は、第１の実施形態の蒸発器７及び過熱器１５に代え、蒸発器２４及び過熱器２５を一体に有する熱交換ユニット２６を備えている。熱交換ユニット２６は、冷却水回路２の冷却水を流通する冷却水流路２６ａと、熱媒体回路３の熱媒体を流通する熱媒体流路２６ｂと、上流側の作動流体を冷却水流路２６ａの冷却水と熱交換させ、下流側の作動流体を熱媒体流路２６ｂの熱媒体と熱交換させる作動流体流路２６ｃとを備え、冷却水流路２６ａ及び上流側の作動流体流路２６ｃによって蒸発器２４を形成し、熱媒体流路２６ｂ及び下流側の作動流体流路２６ｃによって過熱器２５を形成している。この場合、熱交換ユニット２６の冷却水流路２６ａは冷却水回路２の冷却水加熱器６とラジエータ５との間に配置され、冷却水回路２のバイパス流路９の流入側は熱交換ユニット２６の蒸発器２４とラジエータ５との間に接続されている。また、熱交換ユニット２６の熱媒体流路２６ｂは熱媒体回路３の蓄熱タンク１４と冷却水加熱器６との間に配置されている。

本実施形態の廃熱利用装置において、エンジン１の冷却水が所定温度（例えば８０℃）よりも高い場合は、サーモスタット１０のラジエータ５側の流路がエンジン１側の流路に連通し、図中実線矢印で示すようにエンジン１から流出した冷却水が冷却水加熱器６、熱交換ユニット２６の蒸発器２４及びラジエータ５を流通してエンジン１に流入する。その際、蒸発器２４を流通する高温の冷却水によってランキンサイクル４の作動流体が蒸発する。また、図中実線矢印で示すように熱媒体加熱器１３で加熱された熱媒体が蓄熱タンク１４に貯溜され、蓄熱タンク１４が蓄熱されるとともに、蓄熱タンク１４から流出した熱媒体が熱交換ユニット２６の過熱器２５を流通した後、冷却水加熱器６を流通し、熱媒体加熱器１３に流入する。その際、過熱器２５を流通する高温（例えば２００℃）の熱媒体によってランキンサイクル４の作動流体が過熱されるとともに、蒸発器２４に流入する前の冷却水も加熱され、蒸発器２４に流入する冷却水の温度が上昇する。また、ランキンサイクル４の作動流体は、図中一点鎖線矢印で示すように、熱交換ユニット２６の蒸発器２４、熱交換ユニット２６の過熱器２５、膨張機２０及び凝縮器２１に流通して蒸発器２４に流入する。

次に、エンジン１を停止した後、長時間が経過してからエンジン１を始動した直後において、エンジン１の冷却水が所定温度（例えば８０℃）以下の場合は、サーモスタット１０のバイパス流路９側がエンジン１側の流路に連通し、図中破線矢印で示すようにエンジン１から流出した冷却水が冷却水加熱器６、熱交換ユニット２６の蒸発器２４及びバイパス流路９を流通してエンジン１に流入するとともに、蓄熱タンク１４に貯溜されていた高温（例えば２００℃）の熱媒体が冷却水加熱器６及び熱交換ユニット２６の過熱器２５を流通して熱媒体加熱器１３に流入する。その際、冷却水加熱器６を流通する熱媒体によって冷却水回路２の冷却水が加熱され、冷却水の温度が速やかに上昇する。

このように、本実施形態の廃熱利用装置によれば、第１の実施形態と同様、エンジン１の冷却水の温度が低い場合でも、蓄熱タンク１４の高温の熱媒体によって冷却水を加熱することができるので、暖機運転時に冷却水の温度を速やかに上昇させることができる。この場合、蒸発器２４及び過熱器２５を一体に形成した熱交換ユニット２６を備えているので、装置全体の小型化を図ることができ、設置スペースの少ない車両に搭載する場合に極めて有利である。

また、蓄熱タンク１４から流出した熱媒体を熱交換ユニット２６の過熱器２５に流通した後、冷却水加熱器６に流通させ、冷却水加熱器６で加熱された冷却水を蒸発器２４に流通するようにしたので、蒸発器２４に流入する前の冷却水の温度を熱媒体によって上昇させることができ、蒸発器２４による加熱温度を高めてランキンサイクル４の効率を向上させることができる。

図３は本発明の第３の実施形態を示す廃熱利用装置の概略構成図であり、前記実施形態と同等の構成部分には同一の符号を付して示す。

本実施形態の廃熱利用装置は、第２の実施形態の蓄熱タンク１４及び熱交換ユニット２６に代え、蒸発器２７、過熱器２８及び蓄熱タンク２９を一体に有する熱交換ユニット３０を備えている。熱交換ユニット３０は、冷却水回路２の冷却水を流通する冷却水流路３０ａと、熱媒体回路３の熱媒体を貯溜する熱媒体貯溜部３０ｂと、上流側の作動流体を冷却水流路３０ａの冷却水と熱交換させ、下流側の作動流体を熱媒体貯溜部３０ｂの熱媒体と熱交換させる作動流体流路３０ｃとを備え、冷却水流路３０ａ及び上流側の作動流体流路３０ｃによって蒸発器２７を形成するとともに、下流側の作動流体流路３０ｃによって過熱器２８を形成し、熱媒体貯溜部３０ｂによって蓄熱タンク２９を形成している。この場合、熱交換ユニット３０の冷却水流路３０ａは冷却水回路２の冷却水加熱器６とラジエータ５との間に配置され、冷却水回路２のバイパス流路９の流入側は熱交換ユニット３０の蒸発器２７とラジエータ５との間に接続されている。また、熱交換ユニット３０の熱媒体貯溜部３０ｂは、熱媒体回路３における熱媒体加熱器１３の流出側と冷却水回路２の流入側との間に配置されている。

本実施形態の廃熱利用装置においては、熱媒体回路３の熱媒体加熱器１３で加熱された熱媒体が熱交換ユニット３０の蓄熱タンク２９に貯溜され、蓄熱タンク２９が蓄熱されるとともに、蓄熱タンク２９から流出した熱媒体が冷却水加熱器６を流通した後、熱媒体加熱器１３に流入する。その際、熱交換ユニット３０の過熱器２８では、下流側の作動流体流路３０ｃを流通する作動流体が蓄熱タンク２９内の高温（例えば２００℃）の熱媒体と熱交換することにより、ランキンサイクル４の作動流体が過熱される。また、ランキンサイクル４の作動流体は、図中一点鎖線矢印で示すように、熱交換ユニット３０の蒸発器２７、熱交換ユニット３０の過熱器２８、膨張機２０及び凝縮器２１に流通して蒸発器２７に流入する。尚、その他の動作は第２の実施形態と同様である。

このように、本実施形態の廃熱利用装置によれば、蒸発器２７、過熱器２８及び蓄熱タンク２９を一体に形成した熱交換ユニット３０を備えているので、より一層の小型化を図ることができ、設置スペースの少ない車両に搭載する場合に極めて有利である。

図４は本発明の第４の実施形態を示す廃熱利用装置の概略構成図であり、前記実施形態と同等の構成部分には同一の符号を付して示す。

本実施形態の廃熱利用装置は、第２の実施形態の熱交換ユニット２６に代え、単体の蒸発器３１と、蓄熱タンク１４内の熱媒体と熱交換する過熱器３２とを備えている。蒸発器３１は冷却水回路２の冷却水加熱器６とラジエータ５との間に配置され、冷却水回路２のバイパス流路９の流入側は蒸発器３１とラジエータ５との間に接続されている。また、過熱器３２は蒸発器３１と膨張機２０との間に配置され、蓄熱タンク３３内に設けられている。

本実施形態の廃熱利用装置においては、熱媒体回路３の熱媒体加熱器１３で加熱された熱媒体が蓄熱タンク３３に貯溜され、蓄熱タンク３３が蓄熱されるとともに、蓄熱タンク３３から流出した熱媒体が冷却水加熱器６を流通した後、熱媒体加熱器１３に流入する。その際、過熱器３２では、ランキンサイクル４の作動流体が蓄熱タンク３３内に貯溜する高温（例えば２００℃）の熱媒体と熱交換することにより、作動流体が過熱される。また、ランキンサイクル４の作動流体は、図中一点鎖線矢印で示すように、蒸発器３１、過熱器３２、膨張機２０及び凝縮器２１に流通して蒸発器３１に流入する。尚、その他の動作は第２の実施形態と同様である。

このように、本実施形態の廃熱利用装置によれば、蓄熱タンク３３内の熱媒体と熱交換する過熱器３２を備えているので、装置全体の小型化を図ることができ、設置スペースの少ない車両に搭載する場合に極めて有利である。

尚、前記第１乃至第４の実施形態では、発電用のランキンサイクル４を備えた車両に用いたものを示したが、冷却水回路２及び熱媒体回路３のみを備えたエンジン駆動の車両に用いることにより、排気ガスの廃熱を暖機運転の補助にのみ利用するようにしてもよい。

本発明の第１の実施形態を示す廃熱利用装置の概略構成図 本発明の第２の実施形態を示す廃熱利用装置の概略構成図 本発明の第３の実施形態を示す廃熱利用装置の概略構成図 本発明の第４の実施形態を示す廃熱利用装置の概略構成図

符号の説明

１…エンジン、２…冷却水回路、３…熱媒体回路、４…ランキンサイクル、６…冷却水加熱器、７…蒸発器、１３…熱媒体加熱器、１４…蓄熱タンク、１５…過熱器、２０…膨張機、２４…蒸発器、２５…過熱器、２６…熱交換ユニット、２７…蒸発器、２８…過熱器、２９…蓄熱タンク、３０…熱交換ユニット、３１…蒸発器、３２…過熱器、３３…蓄熱タンク。

Claims (7)

1. 内燃機関の冷却水を循環する冷却水回路を備えた廃熱利用装置において、
   前記冷却水よりも沸点の高い熱媒体を循環する熱媒体回路と、
   熱媒体回路の熱媒体を内燃機関の排気ガスによって加熱する熱媒体加熱器と、
   熱媒体加熱器によって加熱された熱媒体を貯溜することにより蓄熱する蓄熱タンクと、
   蓄熱タンクの熱媒体によって冷却水回路の冷却水を加熱可能な冷却水加熱器とを備えた
   ことを特徴とする廃熱利用装置。
2. 前記内燃機関の冷却水の熱によって作動流体を蒸発させる蒸発器と、蒸発した作動流体を熱媒体回路の熱媒体によって過熱する過熱器と、作動流体の膨張により駆動力を発生する膨張機とを有するランキンサイクルを備えた
   ことを特徴とする請求項１記載の廃熱利用装置。
3. 前記冷却水の温度が所定温度以下のときは熱媒体回路の熱媒体を冷却水加熱器に流通させ、冷却水の温度が所定温度よりも高いときは熱媒体回路の熱媒体を過熱器に流通させるように構成した
   ことを特徴とする請求項２記載の廃熱利用装置。
4. 前記冷却水加熱器で加熱された冷却水を蒸発器に流通させるように構成した
   ことを特徴とする請求項２記載の廃熱利用装置。
5. 前記内燃機関の冷却水を流通する冷却水流路と、熱媒体回路の熱媒体を流通する熱媒体流路と、上流側の作動流体を冷却水流路の冷却水と熱交換させ、下流側の作動流体を熱媒体流路の熱媒体と熱交換させる作動流体流路とを備えた熱交換ユニットによって前記蒸発器及び過熱器を一体に形成した
   ことを特徴とする請求項２、３または４記載の廃熱利用装置。
6. 前記内燃機関の冷却水を流通する冷却水流路と、熱媒体回路の熱媒体を貯溜する熱媒体貯溜部と、上流側の作動流体を冷却水流路の冷却水と熱交換させ、下流側の作動流体を熱媒体貯溜部の熱媒体と熱交換させる作動流体流路とを備えた熱交換ユニットによって前記蒸発器、過熱器及び蓄熱タンクを一体に形成した
   ことを特徴とする請求項２、３または４記載の廃熱利用装置。
7. 前記過熱器を蓄熱タンク内の熱媒体と熱交換するように形成した
   ことを特徴とする請求項２、３または４記載の廃熱利用装置。

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