JP2007022452A - 熱回収装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 廃熱の発生メカニズムが異なる複数の発熱部から効果的に熱を回収するとともに利用できる装置を提供する。
【解決手段】 複数の発熱部から熱を回収する熱回収装置において、発熱のメカニズムおよび発熱温度ならびに温度上昇率が互いに異なる複数の発熱部１，２と熱輸送媒体５との間でそれぞれ熱交換する複数の熱交換部３，４が設けられるとともに、その熱輸送媒体５が、発熱温度が相対的に低くかつ温度上昇率の相対的に大きい第１の発熱部１との熱交換部３側から発熱温度が相対的に高くかつ温度上昇率が相対的に小さい第２の発熱部２との熱交換部３に向けて流動するように第１の熱輸送経路１５，１３，１６が設けられ、さらに前記熱輸送媒体５によって運ばれた熱を蓄える蓄熱部１４が設けられている。
【選択図】 図１

Description

この発明は、動作することにより発熱する装置から熱を回収し、また利用する装置に関するものである。

各種の動力装置は、エネルギーを消費して動力を出力するが、そのエネルギー変換効率が１００％になることは殆どないから、不可避的に熱が生じ、これがいわゆる廃熱となる。また、建物の内部や車両のキャビンなどを冷暖房する空調装置においても、冷媒を加圧圧縮することに伴って発熱し、その冷媒を断熱膨張させて冷房を行う場合には、その加圧圧縮によって生じた熱が廃熱となる。

この種の廃熱を有効に利用するように構成した暖房装置が、特許文献１に記載されている。この特許文献１に記載された装置は、エンジンや空調装置で生じた発熱を蓄冷器に蓄え、その熱を暖房やエンジンの暖機に利用するように、冷却水の循環経路を適宜に選択するように構成されている。また、特許文献２には、発電用エンジンと低温水との間で熱交換する熱交換器と、そのエンジンの排ガスと低温水との間で熱交換する熱交換器と、これらの熱交換器との間で前記温水を循環させて蓄熱を行う蓄熱器とを備えた排熱回収装置が記載されている。この特許文献２の装置では、エンジン温度が排ガス温度に対して相対的に低温であるから、低温水を、先ず、エンジンの熱で加熱し、その後に排ガスの熱でその温水を更に加熱するようになっている。
特開平６−２９７９３３号公報 実開平５−６９５６７号公報

上記の特許文献１に記載された発明は、自動車用の暖房装置であり、蓄熱器に蓄えられた熱を暖房とエンジンの暖機とに使用するように構成されている。したがって、蓄熱量が少ない場合には、暖房はもちろんのこと、暖房のための発熱を行うべく駆動するエンジンの早期暖機をも行うことが困難であり、さらには、冷房の際の廃熱を回収する手段がなく、この点で改良すべき余地があった。

また、特許文献２の発明では、エンジンとその排ガスとの二つの発熱部から熱を回収し、しかもその熱回収のための温水は、低温の発熱部との熱交換器側から高温の発熱部との熱交換器側に向けて流しているので、蓄熱部に対する熱回収効率が向上する。しかしながら、これらの発熱部は、いずれも、エンジンが運転されることにより熱を発するものであって、熱の発生メカニズムやタイミングがほぼ同等である。そのために、エンジンの始動時にその暖機を促進するように機能させることが困難であり、特に、蓄熱器での蓄熱量が少ない場合には、エンジンの早期暖機を行うことができない。

この発明は上記の技術的課題に着目してなされたものであり、発熱温度や温度上昇率などが異なる複数の発熱部で生じるいわゆる廃熱を有効に回収して利用することのできる装置を提供することを目的とするものである。

上記目的を達成するため請求項１の発明は、複数の発熱部から熱を回収する熱回収装置において、発熱のメカニズムおよび発熱温度ならびに温度上昇率が互いに異なる複数の発熱部と熱輸送媒体との間で熱交換する複数の熱交換部が設けられるとともに、その熱輸送媒体が、発熱温度が相対的に低くかつ温度上昇率の相対的に大きい第１の発熱部との熱交換部側から発熱温度が相対的に高くかつ温度上昇率が相対的に小さい第２の発熱部との熱交換部に向けて流動するように第１の熱輸送経路が設けられ、さらに前記熱輸送媒体によって運ばれた熱を蓄える蓄熱部が設けられていることを特徴とするものである。

請求項２の発明は、請求項１の発明において、前記第１の発熱部は、車両に搭載された空調装置における発熱部であり、前記第２の発熱部は、車両におけるエンジンと変速機と燃料電池と駆動用モータと駆動用モータの制御機器との少なくともいずれかであることを特徴とする熱回収装置である。

請求項３の発明は、請求項１または２の発明において、前記第１の発熱部の温度が前記第２の発熱部の温度より高い場合に前記第１の熱交換部から前記第２の熱交換部に熱を伝達する熱伝達手段を更に備えていることを特徴とする熱回収装置である。

請求項４の発明は、請求項３の発明において、前記熱伝達手段は、前記熱輸送媒体を、前記蓄熱部をバイパスさせて、前記第１の熱交換部から前記第２の熱交換部に向けて循環流動させる第２の熱輸送経路によって構成されていることを特徴とする熱回収装置である。

請求項５の発明は、請求項４の発明において、温度が高い場合に低い場合に比較して出力が増大する蓄電手段を備え、前記蓄電手段の温度が低い場合に前記第１の熱交換部で温度の上昇した前記熱輸送媒体の熱を前記蓄電手段に伝達する手段が前記第２の熱輸送経路に設けられていることを特徴とする熱回収装置である。

請求項６の発明は、請求項１ないし５のいずれかの発明において、前記第１の熱輸送経路に前記熱輸送媒体の逆流を防止する逆止弁が設けられていることを特徴とする熱回収装置である。

請求項７の発明は、請求項１ないし６のいずれかの発明において、前記蓄熱部から前記第１の熱交換部に到る前記第１の熱輸送経路に、前記熱輸送媒体を流動させるポンプが設けられていることを特徴とする熱回収装置である。

請求項１の発明によれば、第１の発熱部に対して第２の発熱部の温度が高く、蓄熱部に熱を運ぶ熱輸送媒体が、これら第１の発熱部と熱交換する第１の熱交換部から第２の発熱部との間で熱交換する第２の熱交換部の順に流動するので、各熱交換部における熱輸送媒体とその周囲との温度差が大きく保たれ、その結果、熱交換効率や熱回収効率を向上させることができる。また、各発熱部は発熱メカニズムが異なり、一方を停止した状態で他方を運転して発熱させ、その熱を利用して停止状態もしくは始動直後の一方の発熱部を加熱することが可能になる。特に請求項１の発明では、輸送媒体の流動方向での下流側に位置する熱交換部に熱を与える発熱部は自らの発熱では温度上昇率が小さく、これに対して上流側の熱交換部に熱を与える発熱部が早期に温度上昇するので、蓄熱部の蓄熱量が少ないなどの場合には、上流側の発熱部の熱を利用して下流側の発熱部を加熱もしくは加温することができる。

請求項２の発明によれば、冷房時に生じる熱などを空調装置から廃熱として回収でき、また車両のエンジンや変速機、燃料電池、駆動用モータ、その制御機器などから生じる廃熱を回収することができる。特に、空調装置における発熱部の温度は、エンジンなどの車両の駆動用機器よりも早く上昇するので、車両の始動時に、空調廃熱を利用して駆動用機器の暖機を促進し、早期に運転効率の良好な状態を達成し、ひいては燃費を向上させ、また排ガスの悪化を回避もしくは抑制できる。

請求項３あるいは請求項４の発明によれば、第１の発熱部の温度が第２の発熱部の温度に対して相対的に高い状態では、第１の発熱部の熱を各熱交換器を介して第２の発熱部に伝達でき、その結果、第２の発熱部の暖機を促進することができる。

請求項５の発明によれば、第２の発熱部の温度が未だ低い場合、第１の発熱部で生じた熱が第２の熱輸送経路を介して蓄電手段に与えられて蓄電手段が加熱される。したがって始動時における蓄電手段の出力特性が向上し、例えばその電力によってエンジンをクランキングし、あるいはモータ走行するなどの場合、円滑なエンジン始動や走行が可能になる。

請求項６の発明によれば、蓄熱器と各熱交換部との間を循環流動する熱輸送媒体の逆流が、第１の熱輸送経路に介装した逆止弁によって阻止されるので、蓄熱器から不必要に放熱したり、それに伴って熱損失が生じたりすることを防止することができる。

そして、請求項７の発明によれば、熱輸送媒体と外気との両方に接触することになるポンプが、蓄熱器に対して熱を輸送して温度の低下した熱輸送媒体に接触する位置に設けられているので、ポンプを介した放熱を可及的に抑制でき、その結果、装置の全体としての熱効率を向上させることができる。

つぎにこの発明を具体例に基づいて詳細に説明する。この発明の熱回収装置は、固定設置されたものに限られず、車両に搭載されたものであってもよく、以下の説明では、車両用の熱回収装置を例にして説明する。図１は、その一例を模式的に示しており、動作することにより熱を発生する発熱部として空調装置１および動力源２を備えている。その空調装置１は、一例として、冷媒を加熱圧縮した後放熱させて液化し、ついで断熱膨張させて冷却するヒートポンプ式のものであり、したがって冷房時には冷媒を加圧圧縮することに伴う廃熱が生じる。なお、エンジンなどの動力源２の廃熱で暖房を行う構成とすることにより、暖房時には空調装置１から廃熱は殆ど生じない。

動力源２は、走行のための動力だけでなく、車両の全体としての動力を発生する装置であり、ガソリンや軽油もしくは天然ガスなどの燃料を燃焼して動力を出力する内燃機関（エンジン）によって主として構成され、これ以外に例えば水素と空気とを反応させる燃料電池で生じた電力で動作する駆動用モータなどが含まれる。図１には、エンジンを採用した例を示してあり、したがって以下の説明では動力源２をエンジン２と記すことがある。

空調装置１は、エンジン２の動力で直接駆動するように構成してもよく、あるいは図示しないモータによって駆動するように構成してもよい。冷房時におけるその発熱は、冷媒の加圧圧縮に伴うものであり、これに対してエンジン２での発熱は燃料を燃焼させることに伴うものであるから、発熱温度は空調装置１よりエンジン２で高くなる。また、空調装置１は冷媒を加圧圧縮することにより冷媒の温度が直ちに高くなるのに対して、エンジン２はその強度上の要求などによって熱容量が大きく、そのため始動直後では空調装置１のの温度の上昇率が大きくなる。したがって、空調装置１がこの発明の第１の発熱部に相当し、動力源（エンジン）２がこの発明の第２の発熱部に相当する。

動力源２でのエネルギー変換効率は１００％になることがなく、したがって前記の空調装置１で冷房を行う場合と同様に、不可避的に廃熱が生じる。そこで、これらの発熱部からの発熱を回収するために、熱交換器３，４が設けられている。これらの熱交換器３，４は、要は、熱輸送媒体５と空調装置１あるいはエンジン２との間で熱の伝達を生じさせるためのものであり、その一例を挙げると、空調装置１用の熱交換器３は、その内部に、空調冷媒用流路と熱輸送媒体流路（それぞれ図示せず）とを熱伝導率の良い隔壁などによって区画して形成した構成である。したがってその隔壁を介して空調冷媒と熱輸送媒体との間で熱交換が生じるようになっている。

なお、空調冷媒は、空調装置１で直接加圧圧縮される冷媒であってもよいが、その冷媒との間で熱交換して熱を熱交換器３に輸送するための水などの媒体であってもよい。したがって、空調装置１とその熱交換器３との間には、空調冷媒を循環流動させるための循環路６が設けられており、その循環路６には、逆止弁７が介装されている。

他方、エンジン２用の熱交換器４は、その内部に、エンジン２の冷却水用流路と熱輸送媒体流路（それぞれ図示せず）とを熱伝導率の良い隔壁などによって区画して形成した構成である。したがってその隔壁を介してエンジン冷却水と熱輸送媒体との間で熱交換が生じるようになっている。そして、エンジン２とその熱交換器４との間で冷却水を循環流動させるための循環路８が設けられている。この循環路８のうち、冷却水がエンジン２から熱交換器４に向かう部分に、冷却水の逆流を阻止する逆止弁９が設けられている。また、循環路８のうち、冷却水が熱交換４からエンジン２に向かう部分に、ポンプ１０が設けられている。すなわち、ポンプ１０は、熱交換器４において熱輸送媒体５に熱を与えて温度の下がった冷却水が接触する位置に設けられている。これは、ポンプ１０を介した放熱を回避もしくは抑制するためである。

上記の各熱交換器３，４は、互いに隣接して配置され、もしくは実質的に一体化されて構成されている。これは、各熱交換器３，４の間で熱伝達を生じさせるための構成であり、空調冷媒とエンジン冷却水との間で熱交換が生じるようになっている。このような熱交換機能は、後述するように、それぞれの熱交換器３，４の内部を流通する熱輸送媒体によって生じさせ、あるいはヒートパイプなどの適宜の手段で生じさせることもできるので、そのような手段を採用する場合には、各熱交換器３，４を離隔させて構成してもよい。

各熱交換器３，４の内部に形成されている熱輸送媒体流路は、この発明における第１の熱輸送経路の一部を構成するものであって、互いに連通されている。そして、その熱輸送媒体流路の空調装置１用の熱交換器３側における外部への開口端が熱交換器３，４の全体としての流入口１１となり、またエンジン２用の熱交換器４側における外部への開口端が熱交換器３，４の全体としての流出口１２となっている。その流入口１１が第一管路１３を介して蓄熱器１４の流出部に連通され、また前記流出口１２が第二管路１５を介して蓄熱器１４の流入部に連通されている。すなわち、これらの管路１３，１５によって、各熱交換器３，４と蓄熱器１４との間に、この発明における第１の熱輸送経路に相当する循環流路が形成されている。

第一管路１３には、熱輸送媒体を蓄熱器１４から前記熱交換器３に向けて流動させるポンプ１６が介装されている。これは、蓄熱器１４に熱を蓄える場合、蓄熱器１４で熱交換して温度の低下した熱輸送媒体５がポンプ１６に接触することにより、ポンプ１６を介した外部への放熱を可及的に抑制して熱損失を防止するためである。また、第二管路１５には、前記熱交換器４から蓄熱器１４に向けた熱輸送媒体５の流動を許容し、これとは反対方向の流動を阻止する逆止弁１７が介装されている。熱輸送媒体５の逆流による蓄熱器１４からの熱の持ち出しや放熱を防止するためである。

さらに、第二管路１５のうち、エンジン２用の熱交換器４と逆止弁１７との間に三方切換弁１８が介装されている。そして、この三方切換弁１８と前記第一管路１３における前記ポンプ１６の吸入口側の部分とが、バイパス管１９によって連通されている。すなわち、三方切換弁１８によって、前記第１の熱輸送経路を熱輸送媒体５が循環流動する状態と、蓄熱器１４をバイパスして各熱交換器３，４を熱輸送媒体５が循環流動する状態とを切り替えて設定するように構成されている。熱輸送媒体５がこのバイパス管１９を通る経路がこの発明の第２の熱輸送経路に相当している。

前述した蓄熱器１４は、顕熱もしくは潜熱の形で熱を蓄えるように構成されており、その蓄熱材としては従来知られている各種のものを使用することができる。この蓄熱器１４と一体に蓄冷器２０が設けられている。この蓄冷器２０は、いわゆる冷熱を蓄えるためのものであって、水やエチレングリコールなどを蓄熱材とし、これを冷却して熱エネルギーの低い状態を維持するように構成されている。そして、この蓄冷器２０と前記空調装置１とが、空調装置１で冷却された冷媒を循環させる冷却循環路２１によって連通されている。その冷却循環路２１には、いわゆる順方向への冷媒の流動を許容し、これとは反対の流動を阻止する逆止弁２２が介装されている。また、蓄冷器２０と空調装置１との間の冷却循環路２１には、ポンプ２３が介装されている。

なお、蓄熱器１４および蓄冷器２０の外側には、熱電変換素子２４が密着して取り付けられている。これは、蓄熱器１４や蓄冷器２０の余剰熱もしくは余剰冷熱を利用して発電し、また蓄熱量が不足しているのに対して電力に余裕がある場合に、その電力によって蓄熱あるいは蓄冷するためである。したがって、その熱電変換素子２４としては、Ｐ型半導体およびＮ型半導体からなるπ型構成の公知のものが使用される。

つぎに上記の装置の作用について説明する。先ず、エンジン２が定常運転されている場合について説明する。車両が走行しているなどの状態でエンジン２が定常運転されていると、その冷却水はエンジン２から熱を奪ってその温度が上昇する。その冷却水がポンプ１０によって循環路８内を循環するので、エンジン２用の熱交換器４での温度が高くなる。また、車室内の冷房のために空調装置１が動作していると、それに伴う廃熱で循環路６内の冷媒が加熱され、したがって空調装置１用の熱交換器３での温度が高くなるが、その温度は、エンジン２用の熱交換器４での温度より低い。

一方、これらの熱交換器３，４を介して熱を回収するべく前述した第１の熱輸送経路を熱輸送媒体５が循環流動している。その流動方向は、図１での下側から上側、すなわち空調装置１用の熱交換器３側からエンジン２用の熱交換器４に向けた方向である。したがって、熱輸送媒体５は、空調装置１の廃熱で温度が高くなっている冷媒との間で熱交換して温度が高くなる。その後、エンジン２の廃熱で温度が高くなった冷却水との間で熱交換して温度が更に高くなる。その場合、熱輸送媒体５の温度が既に高くなっているとしても、冷却水の温度が空調装置１の冷媒温度より更に高いので、熱交換が迅速もしくは効率良く行われる。換言すれば、熱輸送媒体５の温度の上昇に合わせて熱交換器３，４を配置してあるので、いずれの熱交換器３，４においても、熱輸送媒体５と冷媒もしくは冷却水との温度差を大きく設定でき、その結果、いずれの熱交換器３，４においても効率よく熱交換し、ひいては空調装置１およびエンジン２からの排熱回収を効率よく行うことができる。

こうして回収された熱は、蓄熱器１４に蓄えられ、また余剰の熱が生じた場合には、熱電変換素子２４によって電力に変換され、図示しないバッテリーに電力として蓄えられる。また、蓄熱器１４に蓄えた熱は、適宜に使用することができ、その例を挙げると、温度の低下しているエンジン２を始動する場合に、蓄熱器１４から前記熱交換器３，４に熱輸送媒体５を循環流動させて温度の高くなった熱輸送媒体５を熱交換器３に供給し、ここでエンジン冷却水に熱を与えてこれを加熱する。その結果、エンジン２が燃料の燃焼だけでなく、外部の熱によって加熱されるから、エンジン２の温度が早期に上昇し、好適な燃焼状態を達成できる。そのため、排ガスが向上する。なお、その場合、蓄熱器１４の有する熱によって排ガス浄化触媒（図示せず）を併せて加熱してもよい。

また、蓄熱器１４の有する熱を急速暖房に使用することができる。前述したように車室内の暖房には、エンジン２の廃熱を利用するのが一般的であるが、エンジン２を始動した直後は、エンジン冷却水の温度が十分に高くなっていないので、暖房のための熱量が不足する。そこで、上述したエンジン２の暖機の場合と同様に、蓄熱器１４から熱交換器４に熱輸送媒体５を流動させて蓄熱器１４の有する熱を冷媒に伝達することにより、空調装置１に暖房のための熱を供給でき、その結果、エンジン２の暖機が完了していない状態であっても、急速暖房を行うことができる。その急速暖房を行うために、空調装置１から蓄熱器１４に向けた熱輸送媒体の流動を許容する逆止弁２２Ａと、蓄熱器１４から空調装置１に向けて熱輸送媒体を加圧して流動させるポンプ２３Ａとを有する循環管路を設けてもよい。この循環管路を介して蓄熱器１４から空調装置１に直接熱輸送媒体を流動させることにより、急速暖房を行うことができる。

さらに、適宜の被加熱箇所２５の加熱のために蓄熱器１４の熱を利用することができる。その場合、熱輸送媒体５の温度は、流動途中での不可避的な放熱によって次第に低下するので、熱輸送媒体５との間の熱交換は、可及的に上流側で行うことが好ましい。したがって、例えば、図１に示すように、空調装置１用の熱交換器３に循環路２６を介して被加熱箇所２５を連通するとともに、その循環路２６に制御弁２７を設け、その循環路２６内を流れる媒体によって熱交換器３から被加熱箇所２５に熱を伝達して被加熱箇所２５の加温・加熱を行うように構成すればよい。なお、この被加熱箇所２５には、エンジン２をクランキングするため電源となるバッテリーを含むことができ、低温時の始動の際にバッテリーを加熱することとすれば、バッテリーの出力電圧が相対的に高くなって、エンジン２のクランキングやエンジン２の始動を円滑に行うことができる。

つぎに、蓄熱量が少ない状態でエンジン２を始動する場合の作用について説明する。この場合、蓄熱器１４を利用できないので、それぞれ発熱部である空調装置１およびエンジン２の熱を相互に利用することになる。そのために、前述した三方切換弁１８を切り替えて、エンジン２用の熱交換器４をバイパス管１９に連通させ、熱輸送媒体５をポンプ１６および各熱交換器３，４の間で循環させる。これと相前後してエンジン２を始動し、また空調装置１によって冷房を行う。エンジン２では、燃料の燃焼によって熱が発生し、また空調装置１では、冷媒の圧縮によって熱が生じるが、エンジン２の熱容量が大きいのに対して、空調装置１では冷房の際に積極的に熱を排出するから、空調装置１に連通している前記循環路６を流れる冷媒の温度がエンジン２の温度より早く上昇する。すなわち、空調装置１での温度上昇率が大きい。

したがって、各熱交換器３，４の熱輸送媒体流路を流れる熱輸送媒体５は、その流動方向の上流側に位置する熱交換器３において、空調装置１の廃熱で加熱される。その後、下流側の熱交換器４において、熱輸送媒体５がエンジン冷却水に熱を伝達し、その熱によってエンジン２が暖機される。さらに、エンジン２に熱を与えて温度の低下した熱輸送媒体５は、三方切換弁１８からバイパス管１９に流入し、再度、ポンプ１６によって各熱交換器３，４に供給される。このようにして熱輸送媒体５が、この発明における第２の熱輸送経路を循環して流動することにより、空調装置１で生じる廃熱によってエンジン２が暖められ、その温度が次第に上昇する。その結果、エンジン２の温度が予め定めた所定の温度に達した後は、三方切換弁１８を切り替えて、蓄熱器１４を通って熱輸送媒体５が循環流動するように設定する。

したがって、図１に示す装置によれば、熱の発生メカニズムが異なる空調装置１の廃熱を有効に利用して動力源２を加熱することができ、そのため、エンジン２の温度が低く、また蓄熱量が少ない場合であっても、エンジン２の暖機を早期に完了して、排ガスを向上させることができる。また、空調装置１から積極的に熱を奪うから、迅速に冷房を行うことができ、始動時のいわゆるクールダウンに要する時間を短くして快適性を向上させることができる。

上述した具体例では、空調装置１と動力源２とが発熱部となる例を説明したが、車両の駆動形態によっては更に他の機構あるいは部分が発熱部となり、そのような構成の車両にもこの発明を適用することができる。図２は、ハイブリッド車のパワープラントの一例を模式的に示しており、エンジン３０とジェネレータ（発電機）３１とが動力分配機構３２に連結されている。この動力分配機構３２は、一例として相互に差動作用をなす三つの要素を備えた遊星歯車機構によって構成されており、エンジン３０が入力要素に連結され、またジェネレータ３１が反力要素に連結され、さらに出力軸３３が出力要素に連結されている。その出力軸３３にモータ３４が連結されている。すなわち、モータ３４の出力するトルクを出力軸トルクすなわち駆動トルクに付加するように構成されている。そして、この出力軸３３が減速機３５を介して左右の車軸３６に連結されている。

一方、上記のジェネレータ３１およびモータ３４は、例えば永久磁石式の動機電動機によって構成されており、これらの発電量や出力トルクを制御するためのインバータ３７が設けられている。すなわち、ハイブリッド（ＨＶ）バッテリー３８に対する充電量やＨＶバッテリー３８からの出力電力をインバータ３７によって制御するように構成されている。これらのインバータ３７およびＨＶバッテリー３８などがこの発明の制御機器に相当している。

この種のハイブリッド車では、エンジン３０を駆動して走行している場合、動力分配機構３２では、エンジン３０からの入力トルクに対してジェネレータ３１を駆動するためのトルクが反力トルクとして作用するので、ジェネレータ３１が発電を行うとともにその反力トルクに応じてエンジン３０の回転数が制御される。したがって、上記のジェネレータ３１および動力分配機構３２ならびに前記減速機３５が、実質上、変速機を構成しており、この変速機においては、ジェネレータ３１での発電に伴う発熱や、トルクの伝達に伴う不可避的な摩擦による発熱がある。

ジェネレータ３１で発生した電力は、インバータ３７を介してモータ３４に供給され、そのモータ３４の出力するトルクが出力軸３３に付加される。そのため、モータ３４においてもジュール熱などによる発熱がある。さらにまた、インバータ３７は、電流や電圧、周波数などの制御を行うことに伴って発熱する。そして、ＨＶバッテリー３８は、充電と放電とを繰り返すことにより発熱する一方、出力電圧が所定温度範囲で相対的に高くなる温度特性を有しているので、被加熱箇所となることもある。

したがって図２に示す構成のハイブリッド車を対象とする場合には、エンジン３０やジェネレータ３１あるいは上記の変速機をこの発明における第２の発熱部とし、定常的な運転状態では熱回収を行い、また始動時などの低温時には蓄熱器１４の熱で加熱するように構成することができる。また、始動時などの低温時でかつ蓄熱量が少ない場合には、ＨＶバッテリー３８をこの発明の第２の発熱部とし、この発明の第１の発熱部に相当する空調装置１やジェネレータ３１あるいはモータ３４などの熱を前記熱交換器３から熱交換器４に伝達し、その熱でＨＶバッテリー３８を加熱するように構成することができる。このような構成では、低温時であってもＨＶバッテリー３８の出力を増大させることができるので、ハイブリッド車の走行を円滑に行うことができ、またエンジン３０を始動する場合には円滑に始動できる。

この発明に係る熱回収装置は、要は、蓄熱する際に、熱輸送媒体が、相対的に低温の熱交換器側から相対的に高温の熱交換器側に流動し、これが、始動直後の温度の上昇過程では、温度上昇率の相対的に大きい発熱部との熱交換器側から温度上昇率の相対的に小さい熱交換器側に向けて熱輸送媒体が流動することになるように構成されていればよい。したがって、この発明における発熱部や熱交換部は、二つ以上設けられていてもよく、その例を示せば、図３のとおりである。

ここに示す例は、変速機（トランスミッション）４０から熱を回収する第３の熱交換器４１を、前述したエンジン２と熱輸送媒体５との熱交換器４に隣接して設け、他の構成は図１に示す構成と同様とした例である。なお、図３には、被加熱箇所２５およびこれに関連する循環路２６ならびに制御弁２７は省略してある。すなわち、変速機４０は、その変速制御および潤滑のためのオイル（ＡＴＦ）を有しており、そのオイルの剪断や撹拌あるいはギヤ（図示せず）の摩擦によって発熱する。その温度は、定常運転状態では、エンジン２の冷却水温度より高くなることがあるが、その始動後の温度の上昇率は、エンジン２の冷却水の温度上昇率より小さい。

前述した熱輸送媒体５が、空調装置１との熱交換器３側からエンジン２の冷却水との熱交換器４を通って第３の熱交換器４１を貫通して流れるように管路が形成されており、したがって前述した流出口１２は、第３の熱交換器４１に設けられている。他方、変速機４０と第３の熱交換器４１との間には、オイルを循環させる循環路４２が形成されている。そして、変速機４０から熱交換器４１に到る循環路４２に、熱交換器４１に向けたオイルの流動のみを許容する逆止弁４３が介装され、また熱交換器４１から変速機４０に到る循環路４２には、オイルを流動させるポンプ４４が介装されている。ここにポンプ４４が設けられているのは、第３の熱交換器４１で熱輸送媒体５に熱が奪われて温度の低下したオイルをポンプ４４で加圧するように構成することにより、ポンプ４４を介した放熱を可及的に抑制するためである。

したがって図３に示すように構成した装置においては、エンジン２を始動し、また空調装置１で冷房を開始する場合、冷房に伴う廃熱が生じるので、その冷媒の温度が先ず最初に高くなる。これに対してエンジン２を始動することにより、燃料の燃焼で熱が生じるが、エンジン２の熱容量が大きいので、その冷却水の温度は直ちに高くならず、空調装置１の冷媒の温度上昇に遅れて温度が上昇する。さらに、変速機４０はエンジン２に連結されていてその入力部材（図示せず）が回転するが、始動後のために未だ発進していない状態では、変速機４０での積極的なトルク伝達が生じないので、オイルの温度が直ちに上昇することはなく、エンジン２の冷却水の温度上昇に対して遅れで温度が上昇する。

そして、熱輸送媒体５は、空調装置１用の熱交換器３側から変速機４０用の熱交換器４１側に向けてこれらの熱交換器３，４，４１を貫通するように流動する。すなわち、熱輸送媒体５は、温度上昇率の大きい方から小さい方に向けて流動するので、始動直後は、温度の高い空調装置１の冷媒から熱を奪い、これをエンジン２の冷却水に与えてエンジン２の暖機が促進される。また、第３の熱交換器４１では、オイルの温度が未だ十分に上昇していなければ、熱輸送媒体５が空調装置１側あるいはエンジン２側から運んだ熱をオイルに伝達するので、変速機４０の暖機が促進され、その結果、オイルの粘度が早期に低下して、動力損失を低減することができる。

これに対して定常走行時（定常運転時）には、空調装置１の冷媒の温度が相対的に低く、エンジン２の冷却水および変速機４０のオイルの順に温度が高くなる。したがって熱輸送媒体５は、温度の低い熱交換器３側から温度の高い熱交換器４１側に向けて流動することになる。そのため、熱輸送媒体５の温度が各熱交換器３，４，４１を流れる間に次第に高くなるが、熱を受け取る相手となる流体の温度も次第に高くなっているので、両者の温度差が下流側の熱交換器４１でも維持される。すなわち、熱輸送媒体５とこれに熱を伝達する流体もしくは媒体との間の温度差が上流側と下流側とのいずれでも維持されるので、熱交換器３，４，４１での熱交換率が良好になり、その結果、熱回収率を向上させることができる。なお、図３に示す例では、オイルを直接、熱交換器４１に循環させずに、冷却水との間で熱交換した後、その冷却水を上記の熱交換器４１に循環させるようにしてもよい。

また、図３に示す構成では、エンジン２や変速機４０の熱を蓄熱器１４に回収するだけでなく、エンジン２や変速機４０の温度が低下した場合には、蓄熱器１４の熱で加熱もしくは加温できる。このようにした場合には、エンジン２や変速機４０の温度変化を抑制できるので、摩擦による動力損失を低減でき、またエンジン２での燃焼を安定させて、出力や排ガスを改善することが可能になる。

なお、この発明は上述した各具体例に限定されないのであって、車両以外の熱回収装置に適用でき、例えば家庭や工場で固定設置されるコージェネレーションシステムにも適用することができる。

この発明に係る装置の全体的な構成を模式的に示すブロック図である。 この発明を適用できるハイブリッド車のパワートレーンの一例を模式的に示すブロック図である。 この発明に係る他の装置の全体的な構成を模式的に示すブロック図である。

符号の説明

１…空調装置、 ２，３０…エンジン（動力源）、 ３，４，４１…熱交換器、 ５…熱輸送媒体、 １３…第一管路、 １４…蓄熱器、 １５…第二管路、 １６…ポンプ、 １７…逆止弁、 １８…三方切換弁、 １９…バイパス管、 ２５…被加熱箇所、 ３１…ジェネレータ、 ３２…動力分配機構、 ３４…モータ、 ３５…減速機、 ３７…インバータ、 ３８…ハイブリッドバッテリー、 ４０…変速機。

Claims (7)

1. 複数の発熱部から熱を回収する熱回収装置において、
   発熱のメカニズムおよび発熱温度ならびに温度上昇率が互いに異なる複数の発熱部と熱輸送媒体との間でそれぞれ熱交換する複数の熱交換部が設けられるとともに、
   その熱輸送媒体が、発熱温度が相対的に低くかつ温度上昇率の相対的に大きい第１の発熱部との熱交換部側から発熱温度が相対的に高くかつ温度上昇率が相対的に小さい第２の発熱部との熱交換部に向けて流動するように第１の熱輸送経路が設けられ、
   さらに前記熱輸送媒体によって運ばれた熱を蓄える蓄熱部が設けられている
   ことを特徴とする熱回収装置。
2. 前記第１の発熱部は、車両に搭載された空調装置における発熱部であり、前記第２の発熱部は、車両におけるエンジンと変速機と燃料電池と駆動用モータと駆動用モータの制御機器との少なくともいずれかであることを特徴とする請求項１に記載の熱回収装置。
3. 前記第１の発熱部の温度が前記第２の発熱部の温度より高い場合に、前記第１の発熱部と熱輸送媒体との熱交換を行う第１の熱交換部から前記第２の発熱部と熱輸送媒体との熱交換を行う第２の熱交換部に熱を伝達する熱伝達手段を更に備えていることを特徴とする請求項１または２に記載の熱回収装置。
4. 前記熱伝達手段は、前記熱輸送媒体を、前記蓄熱部をバイパスさせて、前記第１の熱交換部から前記第２の熱交換部に向けて循環流動させる第２の熱輸送経路によって構成されていることを特徴とする請求項３に記載の熱回収装置。
5. 温度が高い場合に低い場合に比較して出力が増大する蓄電手段を備え、
   前記蓄電手段の温度が低い場合に前記第１の熱交換部で温度の上昇した前記熱輸送媒体の熱を前記蓄電手段に伝達する手段が前記第２の熱輸送経路に設けられていることを特徴とする請求項４に記載の熱回収装置。
6. 前記第１の熱輸送経路に前記熱輸送媒体の逆流を防止する逆止弁が設けられていることを特徴とする請求項１ないし５のいずれかに記載の熱回収装置。
7. 前記蓄熱部から前記第１の熱交換部に到る前記第１の熱輸送経路に、前記熱輸送媒体を流動させるポンプが設けられていることを特徴とする請求項１ないし６のいずれかに記載の熱回収装置。

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