JP2001289042A - 排熱回収装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 高温流体から低温流体に熱回収を行う排熱回
収装置であって、熱回収量を容易に調整でき、高温流体
の温度変動に対応できる排熱回収装置を提供する。 【解決手段】 排熱源となる高温の第１の流体と加熱し
たい低温の第２の流体との間で熱交換して、第１の流体
から第２の流体に排熱回収を行う排熱回収装置であっ
て、第１の流体と第２の流体との間の熱交換は、第１の
流体と第３の流体との間で一旦熱交換し、さらに第３の
流体と第２の流体との間で熱交換することにより行う。
第１の流体から第２の流体への排熱回収量の制御は、第
３の流体の流量を調整することにより行う。また、熱回
収後の第２の流体の温度が所定温度となるように、第３
の流体の流量を制御する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、内燃機関の排気ガ
ス等の高温流体から排熱を回収し、低温流体の加熱を行
う排熱回収装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】従来、排熱を回収する技術としては、排
熱源となる高温の第１流体（例えば排気ガス）中に熱交
換器を配置し、その熱交換器に加熱したい低温の第２流
体（例えば冷却水や潤滑オイル）を流すことで、第１流
体から第２流体に排熱を回収する構造が知られている。

【０００３】第１流体から第２流体に回収する熱量を制
御するには、排熱源となる高温の第１流体は一般に排出
量等を変化させることが難しいため、熱交換器を流れる
低温の第２流体の流量をコントロールすることで制御を
行うのが一般的である。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】ところが、例えば高温
の第１流体として排気ガスを用いた場合には、通常４０
０〜７００℃程度の排気ガス温度が、エンジンの出力変
動等により１０００℃程度まで温度変動することがあ
る。このような第１流体の排熱が多い場合（高温の場
合）において、回収したい熱量が少なくてよいときに第
２流体の流量を少なく設定すると、第２流体は熱交換器
内で温度上昇が大きくなり沸騰してしまうことがある。

【０００５】この沸騰により生じたガスが第２流体を循
環させるポンプに流れてキャビテーションを起こした
り、最悪の場合、ポンプがガスで満たされると、空回り
して第２流体を圧送できなくなる場合がある。また、エ
ンジンオイル等は所定温度（例えば１２０℃）以上に加
熱されると劣化が急速に進んでオイルの潤滑性を著しく
損ない、エンジンにダメージを与える場合もある。

【０００６】本発明は、上記問題点に鑑み、高温流体か
ら低温流体に熱回収を行う排熱回収装置において、高温
流体の温度変動に対応できるようにすることを目的と
し、さらに排熱回収量を容易に調整できるようにするこ
とを目的とする。

【０００７】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するた
め、請求項１に記載の発明では、排熱源となる高温の第
１の流体と加熱したい低温の第２の流体との間で熱交換
して排熱回収を行う排熱回収装置であって、第１の流体
と第２の流体との間の熱交換は、第１の流体と第３の流
体との間で一旦熱交換し、さらに第３の流体と第２の流
体との間で熱交換することにより行うことを特徴として
いる。

【０００８】このように排熱源となる高温の第１の流体
から加熱したい低温の第２の流体へ直接排熱回収を行う
のではなく、第３の流体を介して間接的に排熱回収を行
うことで、第１の流体が温度変動しても容易に対応する
ことができ、第２流体が必要以上に高温になることを防
止することができる。

【０００９】また、請求項２に記載の発明では、第３の
流体の流量を調整して第１の流体から第２の流体への熱
回収量を制御することを特徴としている。さらに、請求
項３に記載の発明は、熱回収後の第２の流体の温度が所
定温度となるように、第３の流体の流量を制御すること
を特徴としている。

【００１０】これにより、第１の流体から第２の流体へ
の排熱回収量を容易に調節することが可能となる。特
に、第２流体としてエンジンオイル等の潤滑オイルや冷
却水のような加熱温度の上限に制約がある流体を用いる
場合に有効である。

【００１１】また、請求項４および請求項８に記載の発
明では、前記第３の流体が気体であることを特徴として
いる。このように、第３の流体として気体を用いれば、
高温の第１の流体から熱を受け取る際に、高温に加熱さ
れても沸騰等の問題を生じない。また、気体であれば容
易に流量調整を行うことができ、第１流体から第２流体
への排熱回収量を容易に調整できる。

【００１２】また、請求項５に記載の発明では、第１の
流体と第３の流体との間の熱交換を行う第１の熱交換器
（１０、１００）と、第３の流体と第２の流体との間の
熱交換を行う第２の熱交換器（１１、１１０）と、第３
の流体を第１の熱交換器（１０、１００）から第２の熱
交換器（１１、１１０）に向けて供給する第３流体供給
手段（１２）を備えることを特徴としている。

【００１３】また、請求項６に記載の発明では、第３流
体供給手段（１２）による第３流体の供給量を制御する
制御手段（１４）を備えることを特徴としており、さら
に、請求項７に記載の発明では、第２の熱交換器（１
１、１１０）にて熱交換された第２流体の温度を検出す
る温度センサ（１３）を備え、制御手段（１４）は、温
度センサ（１３）の検出値に基づいて第３の流体の供給
量制御を行うことを特徴としている。

【００１４】このような構成により、第１の流体から第
２の流体への排熱回収量を容易に調節することが可能と
なる。

【００１５】また、請求項９に記載の発明では、第３流
体供給手段は送風手段（１２）であり、送風手段（１
２）は第１の熱交換器（１０、１００）の上流側に配置
されていることを特徴としている。

【００１６】このような構成であれば、送風手段（１
２）は高温流体を吸い込むことがないので、送風手段
（１２）が高温流体の熱にさらされて破損することを防
止することができる。従って、送風手段（１２）に耐熱
性に優れた材料を用いる必要が無くなり、例えば樹脂製
のファンを用いることもできる。

【００１７】また、第１の流体は請求項１１に記載の発
明のように気体とすることができ、第２の流体は請求項
１２に記載の発明のように液体とすることができる。さ
らに、第３の流体は請求項１０に記載の発明のように空
気とすることができる。

【００１８】また、請求項１３に記載の発明では、排熱
源となる内燃機関の排気ガスと、内燃機関における加熱
が必要な液体との間で熱交換して、排気ガスから液体に
排熱回収を行う内燃機関用の排熱回収装置であって、排
気ガスと外気との間の熱交換を行う第１の熱交換器（１
０、１００）と、外気と液体との間の熱交換を行う第２
の熱交換器（１１、１１０）と、外気を第１の熱交換器
（１０、１００）から第２の熱交換器（１１、１１０）
に向けて送風する送風手段（１２）と、送風手段（１
２）による外気の送風量を制御する制御手段（１４）を
備えることを特徴としている。さらに、請求項１４に記
載の発明では、第２の熱交換器（１１、１１０）にて熱
交換された液体の温度を検出する温度センサ（１３）を
備え、制御手段（１４）は、温度センサ（１３）の検出
値に基づいて送風手段（１２）による外気の送風量を制
御することを特徴としている。

【００１９】第２流体として例えばエンジンオイルやオ
ートマチックオイルといった潤滑オイル、あるいは冷却
水を用いることができ、排気ガスから大気中に排出され
る排熱を回収してエンジンオイル等を加熱する際に、排
気ガスの温度が変動してもエンジンオイル等を必要以上
に加熱してオイルが劣化したり冷却水が沸騰したりする
ことを容易に防止することができる。

【００２０】なお、上記各手段の括弧内の符号は、後述
する実施形態に記載の具体的手段との対応関係を示すも
のである。

【００２１】

【発明の実施の形態】（第１実施形態）以下、本発明を
適用した第１実施形態を図１、２に基づいて説明する。
図１は本第１実施形態の排熱回収装置の概略構成を示し
ている。本第１実施形態は、排熱回収装置を内燃機関を
備える車両に適用したものである。排熱源となる高温の
第１流体として排気ガスを用い、加熱したい低温の第２
流体としてエンジンオイル（Ｅ／Ｇオイル）やオートマ
チックオイル（ＡＴオイル）といった潤滑オイルを用い
ており、排気ガスから大気中に放出される排熱を回収し
て潤滑オイルを加熱している。

【００２２】図１に示すように、排熱回収装置には、２
つの熱交換器１０、１１が設けられている。これらの熱
交換器１０、１１には、異なる流体が流れる２つの流体
通路１、３；２、３がそれぞれ設けられている。第１熱
交換器１０には高温の排気ガス（第１流体）が流れる第
１流体通路１が設けられている。第２熱交換器１１に
は、加熱したい低温の潤滑オイル（第２流体）が流れる
第２流体通路が設けられている。なお、第２流体として
例えばエンジン冷却水等を用いてもよい。

【００２３】これらの熱交換器１０、１１のそれぞれも
う一方の流体通路は、互いに接続されて第３流体通路３
を形成しており、第３流体である外気（空気）が流れる
ように構成されている。２つの熱交換器１０、１１は近
接して配置されるか、あるいはダクト等によって第３流
体通路３が構成される。第３流体通路３における第１熱
交換器１０の上流側には、第３流体供給手段としての押
込式の送風機（送風手段）１２が設けられている。この
送風機１２により、外気は高温側の第１熱交換器１０か
ら低温側の第２熱交換器１１に向けて流れる。

【００２４】第２流体通路２における第２熱交換器１１
の出口側には、第２熱交換器１１にて加熱された第２流
体の温度を検出する温度センサ１３が設けられている。
温度センサ１３にて検出したセンサ信号は制御手段であ
る制御装置（ＥＣＵ）１４に入力される。ＥＣＵ１４
は、このセンサ信号に基づいて送風機１２のファン回転
数を制御して、第３流体通路３を流れる外気の流量を制
御するように構成されている。

【００２５】上記のような排熱回収装置の構成により、
まず、上流側の第１熱交換器１０では、第１流体通路１
を流れる高温の排気ガスから第３流体通路３を流れる外
気に熱交換が行われる。次に、下流側の第２熱交換器１
１では、第１熱交換器１０を通過して高温となった外気
から第２流体通路２を流れる低温の潤滑オイルに熱交換
が行われる。このように、本実施形態の排熱回収装置で
は、外気を介して高温の排気ガスから低温の循環オイル
へと排熱回収（熱交換）が行われる。

【００２６】ところで、排気ガスは必要なエンジン出力
を得るための条件で運転されるため、温度が変動する。
一方、Ｅ／ＧオイルやＡＴオイル等は、フリクション低
減による燃費向上のために早期に温度上昇させることが
望ましいが、温度上昇後はエンジンを効率的に運転する
ために一定温度に制御されることが望ましい。

【００２７】そこで、本第１実施形態では、上記のよう
に第２熱交換器１１で加熱された潤滑オイルの温度に基
づいて第３流体通路を流れる外気の流量を制御するよう
に構成されている。高温の第１流体である排気ガスから
直接熱を受け取る第３流体は気体（外気）なので、大き
な温度上昇が起こったとしても液体のような沸騰や劣化
といった問題は生じない。一方、第３流体通路３を流れ
る外気の流量調整は容易に行うことができるので、第２
流体である潤滑オイルの加熱量を容易に調整することが
できる。これにより、排気ガスから潤滑オイルへの排熱
回収量を容易に調整することができる。従って、排気ガ
ス温度が変動しても、熱交換器内における潤滑オイルの
劣化や冷却水の沸騰といった不具合を防止することがで
き、ポンプのキャビテーション、ポンプの空回り、エン
ジンの焼き付き等を防止することが可能となる。

【００２８】従って、本実施形態の排熱回収装置の構成
によれば、高温の第１流体の温度変動に対応して、低温
の第２流体の温度が必要以上に上昇することを防止でき
る。特に本実施形態のように、第２流体として潤滑オイ
ルや冷却水のような加熱温度の上限に制約がある流体を
用いる場合に有効である。

【００２９】また、本第１実施形態では、外気を送風す
る送風機１２が熱交換器１０、１１の上流側に配置され
ているので、送風機１２が高温流体の熱にさらされて破
損することを防止することができる。従って、送風機１
２に耐熱性に優れた材料を用いる必要が無くなり、例え
ば樹脂製のファンを用いることもできる。

【００３０】図２（ａ）は本第１実施形態の排熱回収装
置の具体的構成の一例を示している。図２（ａ）に示す
排熱回収装置では、２つの熱交換器１０、１１を、フィ
ン１０ａ、１１ａとチューブ１０ｂ、１１ｂとから構成
されるプレートフィン型熱交換器１０、１１としてい
る。プレートフィン型熱交換器１０、１１は、拡管によ
り構成するのでロウ付け等が少なくなり、２つ熱交換器
１０、１１を高温用の熱交換器にすることができる。

【００３１】これらの熱交換器１０、１１は、ケース
（図中破線）に入れられた上で排気ガスのパイプと接続
され、エンジンルーム内に配置される。また、第１熱交
換器１０のチューブ１０ｂは、図２（ｂ）に示すように
熱交換性を向上させるために、チューブ１０ｂ内にフィ
ンが設けられている。

【００３２】図２（ａ）中手前側の第１熱交換器１０で
は、第１流体通路１は図中上方から下方に向けて形成さ
れており、排気ガスはプレート１０ａの隙間を通過す
る。このような構成により前面面積をとりやすくなり、
第１熱交換器１０内における排気ガス通過工程を短くす
ることができ、排気抵抗を小さくすることができる。

【００３３】また、図２（ａ）中奥側の第２熱交換器１
１では、第２流体通路２は図中左右方向に形成されてお
り、潤滑オイルはオイルポンプ等で圧送され、図中左側
からチューブ１１ｂ内に流入し、第２熱交換器１１内を
循環した後で図中左側から流出する。第３流体通路３は
図中手前側から奥側に向けて形成されており、外気は、
第１熱交換器１０ではチューブ１０ｂ内を通過し、第２
熱交換器１１ではフィン１１ａの隙間を通過する。

【００３４】なお、図２（ａ）では、第２流体通路２と
してＥ／ＧオイルとＡＴオイルの２系統の流路構成とし
ているが、いずれか一方のみでもよく、また必要に応じ
て冷却水系の流路を付加してもよい。

【００３５】（第２実施形態）次に本発明の第２実施形
態について図３〜５に基づいて説明する。本第２実施形
態の排熱回収装置は、上記第１実施形態に比較して２つ
の熱交換器の構成が異なるものである。上記第１実施形
態と同様の部分については同一の符号を付して説明を省
略する。

【００３６】図３は第２実施形態の排熱回収装置の具体
的構成を示す透視斜視図である。図３に示すように本第
２実施形態の排熱回収装置では、第１熱交換器１００を
プレート１００ａとコルゲートフィン１００ｂから構成
される熱交換器とし、第２熱交換器１１０をチューブ１
１０ａとコルゲートフィン１１０ｂから構成される熱交
換器としている。

【００３７】また、図３に示すように第１熱交換器１０
０は、プレート１００ａとコルゲートフィン１００ｂが
図中左右方向に交互に設けられている。また、プレート
１００ａによって排気ガスが通過する第１流体通路１
と、外気が通過する第３流体通路３とが仕切られてお
り、第１流体通路１と第３流体通路３は図３中左右方向
に交互に形成され、それぞれにコルゲートフィン１００
ｂが配置されている。なお、図３では、第１流体通路１
のコルゲートフィン１００ｂのみが図示されている。

【００３８】図４は第１熱交換器１００をＡ方向から見
たものであり、第１流体通路１と第３流体通路３の構成
を示す説明図である。図４（ａ）に示すように、排気ガ
スは図中上方から第１熱交換器１００に流入してコルゲ
ートフィン１００ｂを通過した後、図中左側（図３中手
前側）から流出する。また、図４（ｂ）に示すように、
外気は第１熱交換器１００の図中下方に設けられた送風
機１２により、図中下方から第１熱交換器１００に流入
してコルゲートフィン１００ｂを通過した後、図中右側
（図３中奥側）に流出する。

【００３９】このとき、第１流体通路１を通過する排気
ガスの熱は、第１流体通路１のコルゲートフィン１００
ｂ、第１流体通路１と第３流体通路３とを仕切るプレー
ト１００ａ、第３流体通路３のコルゲートフィン１００
ｂを介して、第３流体通路３を通過する外気に伝達され
る。

【００４０】図５は、図３の排熱回収装置をＡ方向から
見た透視側面図である。図５に示すように、第１熱交換
器１００にて排気ガスと熱交換して高温となった外気
は、第２熱交換器１１０に流入し、第２熱交換器１１０
のコルゲートフィン１１０ａを介してチューブ１１０ｂ
内を流れる潤滑オイルを加熱する。

【００４１】以上、第２実施形態の排熱回収装置のよう
な構成によっても、上記第１実施形態と同様の効果を得
ることができる。

【００４２】（他の実施形態）なお、上記実施形態では
排熱回収装置を内燃機関を備える車両に適用したが、こ
れに限らず、高温流体から低温流体に排熱回収するもの
であれば広く適用可能である。

【００４３】また、上記実施形態では、高温の第１流体
を気体（排気ガス）、低温の第２流体を液体（潤滑オイ
ル）、第３流体を気体（外気）としたが、これに限ら
ず、それぞれ種々の流体を用いることができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】第１実施形態の排熱回収装置の概念図である。

【図２】第１実施形態の排熱回収装置の具体的構成を示
す透視斜視図である。

【図３】第２実施形態の排熱回収装置の具体的構成を示
す透視斜視図である。

【図４】図３の第１熱交換器をＡ方向から見た場合の第
１流体通路および第３流体通路の説明図ある。

【図５】図３の排熱回収装置をＡ方向から見た透視側面
図である。

【符号の説明】

１…第１流体通路、２…第２流体通路、３…第３流体通
路、１０…第１熱交換器、１１…第２熱交換器、１２…
送風機、１３…温度センサ、１４…制御装置。

Claims (14)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 排熱源となる第１の流体と加熱したい第
   ２の流体との間で熱交換して、前記第１の流体から前記
   第２の流体に排熱回収を行う排熱回収装置であって、 前記第１の流体と前記第２の流体との間の熱交換は、前
   記第１の流体と第３の流体との間で一旦熱交換し、さら
   に前記第３の流体と前記第２の流体との間で熱交換する
   ことにより行うことを特徴とする排熱回収装置。
2. 【請求項２】 前記第３の流体の流量を調整することに
   より、前記第１の流体から前記第２の流体への排熱回収
   量を制御することを特徴とする請求項１に記載の排熱回
   収装置。
3. 【請求項３】 熱回収後の前記第２の流体の温度が所定
   温度となるように、前記第３の流体の流量を制御するこ
   とを特徴とする請求項２に記載の排熱回収装置。
4. 【請求項４】 前記第３の流体が気体であることを特徴
   とする請求項１ないし３のいずれか１つに記載の排熱回
   収装置。
5. 【請求項５】 排熱源となる第１の流体と加熱したい第
   ２の流体との間で熱交換して、前記第１の流体から前記
   第２の流体に排熱回収を行う排熱回収装置であって、 前記第１の流体と前記第３の流体との間の熱交換を行う
   第１の熱交換器（１０、１００）と、 前記第３の流体と前記第２の流体との間の熱交換を行う
   第２の熱交換器（１１、１１０）と、 前記第３の流体を前記第１の熱交換器（１０、１００）
   から前記第２の熱交換器（１１、１１０）に向けて供給
   する第３流体供給手段（１２）を備えることを特徴とす
   る排熱回収装置。
6. 【請求項６】 前記第３流体供給手段（１２）による前
   記第３流体の供給量を制御する制御手段（１４）を備え
   ることを特徴とする請求項５に記載の排熱回収装置。
7. 【請求項７】 前記第２の熱交換器（１１、１１０）に
   て熱交換された前記第２流体の温度を検出する温度セン
   サ（１３）を備え、 前記制御手段（１４）は、前記温度センサ（１３）の検
   出値に基づいて前記第３の流体の供給量制御を行うこと
   を特徴とする請求項６に記載の排熱回収装置。
8. 【請求項８】 前記第３の流体が気体であることを特徴
   とする請求項５ないし７のいずれか１つに記載の排熱回
   収装置。
9. 【請求項９】 前記第３流体供給手段は送風手段（１
   ２）であり、前記送風手段（１２）は前記第１の熱交換
   器（１０、１００）の上流側に配置されていることを特
   徴とする請求項８に記載の排熱回収装置。
10. 【請求項１０】 前記第３の流体が空気であることを特
    徴とする請求項４、８または９のいずれか１つに記載の
    排熱回収装置。
11. 【請求項１１】 前記第１の流体が気体であることを特
    徴とする請求項１ないし１０のいずれか１つに記載の排
    熱回収装置。
12. 【請求項１２】 前記第２の流体が液体であることを特
    徴とする請求項１ないし１１のいずれか１つに記載の排
    熱回収装置。
13. 【請求項１３】 排熱源となる内燃機関の排気ガスと、
    内燃機関における加熱が必要な液体との間で熱交換し
    て、前記排気ガスから前記液体に排熱回収を行う内燃機
    関用の排熱回収装置であって、 前記排気ガスと外気との間の熱交換を行う第１の熱交換
    器（１０、１００）と、 前記外気と前記液体との間の熱交換を行う第２の熱交換
    器（１１、１１０）と、 前記外気を前記第１の熱交換器（１０、１００）から前
    記第２の熱交換器（１１、１１０）に向けて送風する送
    風手段（１２）と、 前記送風手段（１２）による前記外気の送風量を制御す
    る制御手段（１４）を備えることを特徴とする内燃機関
    用の排熱回収装置。
14. 【請求項１４】 前記第２の熱交換器（１１、１１０）
    にて熱交換された前記液体の温度を検出する温度センサ
    （１３）を備え、 前記制御手段（１４）は、前記温度センサ（１３）の検
    出値に基づいて前記送風手段（１２）による前記外気の
    送風量を制御することを特徴とする内燃機関用の排熱回
    収装置。