JP2009167995A - 内燃機関の廃熱利用装置 - Google Patents

Abstract

【課題】廃熱利用装置のエネルギー回収効率を大幅に向上することができる内燃機関の廃熱利用装置を提供する。
【解決手段】内燃機関(2)の廃熱によって加熱された冷却水を外気により冷却させるラジエータ(12)を有する冷却水回路(4)と、冷媒を外気の通風により凝縮させる第１凝縮器(24)を有するランキンサイクル(6)と、冷媒を外気の通風により凝縮させる第２凝縮器(36)を有する冷凍サイクル(8)とを備えた内燃機関の廃熱利用装置であって、外気の通風方向から順に、第２凝縮器、第１凝縮器、ラジエータを互いに所定の隙間(D₁,D₂)を存して重ねられた熱交換ユニット(48)が構成され、熱交換ユニットは、第１凝縮器とラジエータとの間の第１の隙間(D₁)を外気の通風方向に沿って閉塞する閉塞板(52)を有する。
【選択図】図５

Description

本発明は、内燃機関の廃熱利用装置に係り、例えば、車両に好適な内燃機関の廃熱利用装置に関する。

この種の内燃機関の廃熱利用装置は、例えば車両に搭載され、車両のエンジンを冷却する冷却水を介して廃熱を回収しており、この廃熱によって加熱された蒸発冷媒を膨張させて駆動力を発生する膨張機、この膨張機を流通した冷媒を外気により凝縮させるランキンサイクルコンデンサ（ＲＣコンデンサ）を有するランキンサイクル（ＲＣ）と、車室内の空気によって加熱された蒸発冷媒を外部動力によって圧縮する圧縮機、この圧縮機を流通した冷媒を外気により凝縮させるエアコンサイクルコンデンサ（ＡＣコンデンサ）を有する冷凍サイクルとしてのエアコンサイクル（ＡＣ）とを備えている。

そして、例えば特許文献１には、上記各サイクルの共用コンデンサを設け、このコンデンサをＲＣコンデンサまたはＡＣコンデンサとして使用する技術が開示されている。
特開昭６３−９６４４９号公報

ところで、このようなコンデンサは、概して車両のエンジンを冷却するべく車両の前面からの走行風を受けるラジエータの前側に重ねて設置されるため、ラジエータ手前における通風抵抗が増大、すなわち通風量が低下し、ラジエータの熱交換性能を悪化させる。
また、上記従来技術では、共用コンデンサとすることによりラジエータ手前における通風抵抗を低減することができるものの、共用コンデンサをＡＣ及びＲＣ回路にて同時に使用することができないため、エアコン運転時には廃熱利用装置を運転できず、廃熱利用装置のエネルギー回収効率の向上には依然として課題が残されている。

本発明は、このような課題に鑑みてなされたもので、廃熱利用装置のエネルギー回収効率を大幅に向上することができる内燃機関の廃熱利用装置を提供することを目的とする。

上記の目的を達成するべく、請求項１記載の内燃機関の廃熱利用装置は、内燃機関の廃熱によって加熱された冷却水を外気により冷却させるラジエータを有する冷却水回路と、冷却水によって加熱された冷媒を膨張させて駆動力を発生する膨張機、該膨張機を流通した冷媒を外気の通風により凝縮させる第１凝縮器を有するランキンサイクルと、熱源によって加熱された冷媒を圧縮する圧縮機、該圧縮機を流通した冷媒を外気の通風により凝縮させる第２凝縮器を有する冷凍サイクルとを備えた内燃機関の廃熱利用装置であって、外気の通風方向から順に、第２凝縮器、第１凝縮器、ラジエータを互いに所定の隙間を存して重ねた熱交換ユニットを備え、熱交換ユニットは、所定の隙間のうちの第１凝縮器とラジエータとの間の第１の隙間を外気の通風方向に沿って閉塞する閉塞板を有することを特徴としている。

また、請求項２記載の発明では、請求項１において、熱交換ユニットは、冷凍サイクルの稼動時に所定の隙間のうちの第１凝縮器と第２凝縮器との間の第２の隙間を外気の通風方向に沿って閉塞するべく閉作動される一方、冷凍サイクルの非稼動時に第２の隙間を開放するべく開作動されるフラッパーを有することを特徴としている。
更に、請求項３記載の発明では、請求項２において、フラッパーは、第２の隙間の閉塞から開放方向に回動可能に第１凝縮器に支持される固定端と、フラッパーの開作動時に第２凝縮器の側面よりも外方側に位置づけられる可動端とを有することを特徴としている。

更にまた、請求項４記載の発明では、請求項１乃至３の何れかにおいて、熱交換ユニットは、第２凝縮器に支持される固定端を有する第２フラッパーを備え、該第２フラッパーは冷凍サイクルの稼動時に第２凝縮器の側面よりも外方側に位置づけられる可動端を有することを特徴としている。
また、請求項５記載の発明では、請求項１乃至４の何れかにおいて、少なくとも閉塞板、フラッパー、及び第２フラッパーのいずれかは、熱交換ユニットの左右上下の側面に設けられることを特徴としている。

請求項１記載の本発明の内燃機関の廃熱利用装置によれば、閉塞板が第１凝縮器とラジエータとの間の第１の隙間を外気の通風方向に沿って閉塞することにより、第１凝縮器を迂回した外気の第１の隙間からの流入が抑制されるため、第１凝縮器の通風量低下を防止することができる。従って、廃熱利用装置のエネルギー回収効率を向上することができる。

また、請求項２記載の発明によれば、フラッパーが冷凍サイクルの稼動時に第１凝縮器と第２凝縮器との間の第２の隙間を閉塞することにより、この隙間からの第２凝縮器を迂回した外気の流入が抑制されるため、第２凝縮器の通風量低下を防止することができる。
一方、フラッパーが冷凍サイクルの非稼動時に第２の隙間を開放することにより、この隙間を介して外気を直接に第１凝縮器に導くことができる。従って、冷凍サイクルの稼動、非稼動に応じて、第１凝縮器または第２凝縮器における冷媒の凝縮性能を向上することができ、ひいては廃熱利用装置のエネルギー回収効率を向上することができる。

更に、請求項３記載の発明によれば、フラッパーの可動端がフラッパーの開作動時に第２凝縮器の側面よりも外方側に位置づけられることにより、第１凝縮器における外気の受面積を実質的に大きくすることができるため、冷凍サイクルの非稼動時において外気を第１凝縮器に更に効果的に導くことができる。従って、第１凝縮器における冷媒の凝縮性能、ひいては廃熱利用装置のエネルギー回収効率を更に向上することができる。

更にまた、請求項４記載の発明によれば、第２フラッパーの可動端が冷凍サイクルの稼動時に第２凝縮器の側面よりも外方側に位置づけられることにより、第２凝縮器における外気の受面積を実質的に大きくすることができるため、冷凍サイクルの稼動時において外気を第１及び第２凝縮器に更に効果的に導くことができる。従って、第１及び第２凝縮器における冷媒の凝縮性能、ひいては廃熱利用装置のエネルギー回収効率を更に向上することができる。

また、請求項５記載の発明によれば、少なくとも閉塞板、フラッパー、及び第２フラッパーのいずれかが熱交換ユニットの左右上下の側面に設けられることにより、第１及び第２の隙間の密閉性を高めることができるため、各フラッパーを閉作動したときの各隙間における外気の漏洩を確実に抑制することができるとともに、第１及び第２凝縮器における外気の受面積を更に大きくすることができるため、第１及び第２凝縮器における冷媒の凝縮性能、ひいては廃熱利用装置のエネルギー回収効率をより一層向上することができる。

本実施形態の内燃機関の廃熱利用装置は、例えば車両に搭載され、図１の模式図に示されるように、車両のエンジン２を冷却する冷却水回路４と、エンジン２の廃熱を回収するランキンサイクル回路（ランキンサイクル）６（以下、ＲＣ回路という）とを備え、更に、図２の模式図に示されるように、車両の図示しない車室内の空調を行うエアコンサイクル回路（冷凍サイクル）８（以下、ＡＣ回路という）とを備えている。

冷却水回路４は、エンジン２から延設される冷却水の循環路５に、冷却水の流れ方向から順に蒸発器１０、ラジエータ１２、サーモスタット１４、水ポンプ１６が介挿されて閉回路を構成している。
蒸発器１０は、冷却水回路４の冷却水とＲＣ回路６の冷媒とを熱交換することにより、エンジン２で加熱された冷却水、すなわち温水を熱媒体としてエンジン２の廃熱をＲＣ回路６側に吸熱させて回収している。一方、蒸発器１０を通過して冷媒に吸熱された冷却水は、エンジン２を冷却することにより再び加熱された温水となる。

ラジエータ１２は、蒸発器１０と直列に配列され、蒸発器１０を通過して冷媒に吸熱された冷却水を外気との熱交換により更に冷却している。
サーモスタット１４は、冷却水温度に応じてラジエータ１２へ通水される冷却水量を制御する機械式の３方弁であって、２つ入口ポートと１つの出口ポートとを有している。２つの入口ポートには、ラジエータ１２から延設される流路５ａと、蒸発器１０とラジエータ１２との間の流路５ｂからラジエータ１２を迂回して接続されるバイパス路５ｃとがそれぞれ接続され、これにより、冷却水温度に応じてラジエータ１２へ通水される冷却水量が増減されてエンジン２の過熱や過冷却が防止される。

水ポンプ１６は、エンジン２に装着され、エンジン２の回転数に応じて駆動されて冷却水回路４に冷却水を好適に循環させる。
一方、ＲＣ回路６は、冷媒の循環路７に、冷媒の流れ方向から順に蒸発器１０、加熱器１８、膨張機２０、再生器２２、ランキンサイクルコンデンサ（第１凝縮器）２４（以下、ＲＣコンデンサという）、気液分離器２６、冷媒ポンプ２８が順に介挿されて閉回路を構成している。

加熱器１８は、エンジン４の排ガス管１９を流れる排ガスで冷媒を加熱する排ガス熱交換器であって、蒸発器１０で加熱された冷媒を更に加熱している。
膨張機２０は、蒸発器１０で加熱されて過熱蒸気の状態となった冷媒を膨張させ、回転駆動力を発生する流体機器であって、膨張機２０には、発生した回転駆動力を電力変換して廃熱利用装置の外部で利用可能とする発電機３０が機械的に連結されている。

再生器２２は、膨張機２０出口の冷媒で蒸発器１０入口の冷媒を加熱するＲＣ回路６の内部熱交換器であって、膨張機２０出口側の熱量を膨張機２０入口側に積極的に供給することにより、ＲＣ回路６における回収エネルギーを増大させている。
ＲＣコンデンサ２４は、再生器２２を経由した冷媒を凝縮液化させる熱交換器である。
気液分離器２６は、ＲＣコンデンサ２４にて凝縮された冷媒を気液二層に分離するレシーバであり、ここで分離された液冷媒のみが冷媒ポンプ２８側に流出される。

冷媒ポンプ２８は、その駆動部に入力される信号に応じて駆動される電動ポンプであり、気液分離器２６から流出された液冷媒は冷媒ポンプ２８によって蒸発器１０側に圧送され、ＲＣ回路６を好適に循環させる。
一方、ＡＣ回路８は、冷媒の循環路９に、冷媒の流れ方向から順にエアコンサイクル蒸発器３２、圧縮機３４、エアコンサイクルコンデンサ（第２凝縮器）３６（以下、ＡＣコンデンサという）、気液分離器３８、膨張弁４０が介挿されて閉回路を構成している。

エアコンサイクル蒸発器３２は、車両の車室内の空気とＡＣ回路８の冷媒とを熱交換させる熱交換器であって、車室内の空気を熱源として冷媒を蒸発させることにより、ＡＣ回路８側に車室内の空気の熱を回収し、車室内を所望の空調温度に調整している。
圧縮機３４は、機械的に連結された動力源４２により駆動され、蒸発器３２で蒸発した冷媒を圧縮して過熱蒸気の状態としている。

ＡＣコンデンサ３６は、圧縮機３４から吐出される冷媒を凝縮液化する熱交換器であり、ＡＣコンデンサ３６で凝縮された液冷媒は気液分離器３８を経て膨張弁４０に送出され、膨張弁４０を経由して膨張された後にエアコンサイクル蒸発器３２に向けて送出される。
図３には、廃熱利用装置が搭載された車両４４の前面４４ａ側のみの縦断面図が概略的に示されている。車両４４のボンネット４４ｂの下部にエンジン２が搭載され、エンジン２より前面４４ａ側には、前面４４ａ側から順に車両４４の前後方向にＡＣコンデンサ３６、ＲＣコンデンサ２４、ラジエータ１２が重ねて配置されている。これら各コンデンサ３６，２４及びラジエータ１２からなる熱交換ユニット４８には車両４４の走行に伴い走行風４６が通風され、各回路６，８における冷媒、冷却水回路４における冷却水と外気との熱交換が行われる。

また、図４の車両４４の前面４４ａ側を上方からみた透視図にも示されるように、熱交換ユニット４８は、その背面側に熱交換器３６，２４，１２に共用のファン５０を備え、ファン５０は熱交換ユニット４８に通風される走行風４６の通風量を制御している。
図５の熱交換ユニット４８を上方からみた拡大図に示されるように、熱交換ユニット４８には、ＲＣコンデンサ２４とラジエータ１２との間に所定幅を有する隙間（第１の隙間）Ｄ_１が形成され、ＲＣコンデンサ２４とＡＣコンデンサ３６との間には所定幅を有する隙間（第２の隙間）Ｄ_２が形成されており、特に、隙間Ｄ_１は、ＲＣコンデンサ２４とラジエータ１２との左右の側面側が走行風４６の通風方向に沿って閉塞板５２で閉塞されている。

このように、本実施形態では、閉塞板５２がＲＣコンデンサ２４とラジエータ１２との間の隙間Ｄ_１を走行風４６の通風方向に沿って閉塞することにより、ＡＣコンデンサ３６を迂回した走行風４６の隙間Ｄ_１からの流入が抑制されるため、走行風４６をＲＣコンデンサ２４に効果的に導くことができる。従って、ＲＣコンデンサ２４の性能、ひいては廃熱利用装置のエネルギー回収効率を向上することができる。

次に、第２実施形態について説明する。
当該第２実施形態は、上記第１実施形態の熱交換ユニット４８に各コンデンサ２４，３６の左右の側面側にて隙間Ｄ_２を開放または閉塞可能なフラッパー５６を更に設けたものであり、他は上記第１実施形態と同一の構成をなしている。
図６には本実施形態の熱交換ユニット５４を上方からみた拡大図が示されている。図６の状態では、隙間Ｄ_２はその左右の側面側が各フラッパー５６でそれぞれ閉塞されており、各フラッパー５６は、その固定端が隙間Ｄ_２の閉塞から開放方向に回動可能にＲＣコンデンサ２４の左右の側面に支持されるとともに、その可動端がＡＣコンデンサ３６の左右の側面よりも前面４４ａ側に向けて突出して延設されている。

そして、フラッパー５６の固定端には図示しないモータが内蔵され、このモータは車両４４の図示しない電子コントロールユニット（ＥＣＵ）に電気的に接続されている。そして、ＥＣＵは、ＡＣ回路８の稼動時には隙間Ｄ_２の左右の側面側を閉塞させるべくフラッパー５６を閉作動させる。
一方、ＡＣ回路８の非稼動時には、図７に示すように、隙間Ｄ_２の左右の側面側を開放させるべくフラッパー５６を開作動させるフラッパー開閉制御を行っており、このときのフラッパー５６の可動端は、ＡＣコンデンサ３６の側面よりも外方側に位置づけられている。

このように、上記第１実施形態と同様、第２実施形態においても、ラジエータ１２における冷却水の冷却性能を向上し、及び廃熱利用装置のエネルギー回収効率を向上することができる。
特に当該第２実施形態の場合には、フラッパー５６がＡＣ回路８の稼動時に隙間Ｄ_２を閉塞することにより、隙間Ｄ_２からＡＣコンデンサ３６を迂回した走行風４６の流入が抑制されるため、走行風４６をＡＣコンデンサ３６に効果的に導くことができる。

一方、フラッパー５６がＡＣ回路８の非稼動時に隙間Ｄ_２を開放することにより、隙間Ｄ_２を介して走行風４６をＲＣコンデンサ２４に直接に導くことができる。従って、ＡＣ回路８の稼動、非稼動に応じて、ＡＣコンデンサ３６またはＲＣコンデンサ２４における冷媒の凝縮性能を向上することができ、ひいては廃熱利用装置のエネルギー回収効率を向上することができる。

しかも、フラッパー５６の可動端がフラッパー５６の閉作動時にＡＣコンデンサ３６の前面から突出されることにより、ＡＣコンデンサ３６の前面で受けた走行風４６がＡＣコンデンサ３６の側面側に流れることが抑制されるため、ＡＣ回路８の稼動時において走行風４６をＡＣコンデンサ３６に更に効果的に導くことができる。
一方、フラッパー５６の可動端がフラッパー５６の開作動時にＡＣコンデンサ３６の側面よりも外方側に位置づけられることにより、ＲＣコンデンサ２４における走行風４６の受面積を実質的に大きくすることができるため、ＡＣ回路８の非稼動時において走行風４６をＲＣコンデンサ２４に更に効果的に導くことができる。従って、各コンデンサ２４，３６における冷媒の凝縮性能、ひいては廃熱利用装置のエネルギー回収効率を更に向上することができる。

なお、隙間Ｄ_２の幅やフラッパー５６を極力大きくすることにより、ＲＣコンデンサ２４における走行風４６の受面積を更に大きくすることができるため、ＲＣコンデンサ２４の凝縮性能がより一層向上して好ましい。
以上で本発明の第１、第２実施形態についての説明を終えるが、本発明は上記各実施形態に限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で種々の変更ができるものである。

例えば、図８に示される熱交換ユニット５８の場合、第２実施形態のＲＣコンデンサ２４に設けられた各フラッパー５６に加え、ＡＣコンデンサ３６にも各第２フラッパー６０が設けられている。
第２フラッパー６０は、その固定端がＡＣコンデンサ３６の左右の側面に支持されるとともに、その可動端がＡＣコンデンサ３６より前面４４ａ側に向けて突出して延設されている。

そして、フラッパー５６と同様に、第２フラッパー６０の固定端にもＥＣＵに電気的に接続される図示しないモータが内蔵され、ＥＣＵは、各フラッパー５６，６０によるフラッパー開閉制御を行っている。
本変形例のフラッパー開閉制御では、ＡＣ回路８の稼動時には隙間Ｄ_２を閉塞させるべくフラッパー５６が閉作動されるとともに第２フラッパー６０が開作動される一方、ＡＣ回路８の非稼動時には、図９に示すように、隙間Ｄ_２を開放させるべくフラッパー５６が開作動され、第２フラッパー６０の可動端が第２フラッパー６０の開作動時にＡＣコンデンサ３６の側面よりも外方側に位置づけられることにより、ＡＣコンデンサ３６における走行風４６の受面積を実質的に大きくすることができるため、ＡＣ回路８の稼動時において走行風４６をＡＣコンデンサ３６に更に効果的に導くことができる。従って、各コンデンサ２４，３６における冷媒の凝縮性能、ひいては廃熱利用装置のエネルギー回収効率を更に向上することができる。

なお、第２フラッパー６０を極力大きくすることにより、ＡＣ回路８の稼動時にＡＣコンデンサ３６における走行風４６の受面積を更に大きくすることができるため、ＡＣコンデンサ３６の凝縮性能がより一層向上して好ましい。
また、上記各実施形態及び変形例では、閉塞板５２や各フラッパー５６，６０はそれぞれラジエータ１２や各コンデンサ２４，３６の左右側面のみに設けているが、ラジエータ１２や各コンデンサ２４，３６の上下側面にもこれら閉塞板５２やフラッパー５６，６０を設けて４枚の閉塞・フラッパー構造としても良い。

この場合には、隙間Ｄ_１，Ｄ_２における密閉性を高めることができるとともに、各コンデンサ２４，３６における走行風４６の受面積を更に大きくすることができるため、各コンデンサ２４，３６における冷媒の凝縮性能をより一層向上することができて好適である。

本発明の第１実施形態に係る内燃機関の廃熱利用装置のランキンサイクル回路を概略的に示した模式図である。 図１のランキンサイクル回路と併せて稼働されるエアコンサイクル回路を概略的に示した模式図である。 図１，２の廃熱利用装置が搭載された車両の前面側のみを概略的に示した縦断面図である。 図３の車両の前面側のみを上方から概略的に示した透視図である。 図４の熱交換ユニットを示した拡大図である。 本発明の第２実施形態に係る熱交換ユニットを示した拡大図である。 図６の熱交換ユニットに設けられたフラッパーが開作動されたときの状態を示した図である。 本発明の変形例に係る熱交換ユニットを示した拡大図である。 図８の熱交換ユニットに設けられたフラッパーが開作動されるとともに、第２フラッパーが閉作動されたときの状態を示した図である。

符号の説明

２ エンジン（内燃機関）
４ 冷却水回路
６ ランキンサイクル回路（ランキンサイクル）
８ エアコンサイクル回路（冷凍サイクル）
１２ ラジエータ
２０ 膨張機
２４ ランキンサイクルコンデンサ（第１凝縮器）
３４ 圧縮機
３６ エアコンサイクルコンデンサ（第２凝縮器）
４８，５４，５８ 熱交換ユニット
５２ 閉塞板
５６ フラッパー
６０ 第２フラッパー

Claims (5)

1. 内燃機関の廃熱によって加熱された冷却水を外気により冷却させるラジエータを有する冷却水回路と、
   前記冷却水によって加熱された冷媒を膨張させて駆動力を発生する膨張機、該膨張機を流通した冷媒を外気の通風により凝縮させる第１凝縮器を有するランキンサイクルと、
   熱源によって加熱された冷媒を圧縮する圧縮機、該圧縮機を流通した冷媒を外気の通風により凝縮させる第２凝縮器を有する冷凍サイクルとを備えた内燃機関の廃熱利用装置であって、
   外気の通風方向から順に、前記第２凝縮器、前記第１凝縮器、前記ラジエータを互いに所定の隙間を存して重ねた熱交換ユニットを備え、
   前記熱交換ユニットは、前記所定の隙間のうちの前記第１凝縮器と前記ラジエータとの間の第１の隙間を外気の通風方向に沿って閉塞する閉塞板を有することを特徴とする内燃機関の廃熱利用装置。
2. 前記熱交換ユニットは、前記冷凍サイクルの稼動時に前記所定の隙間のうちの前記第１凝縮器と前記第２凝縮器との間の第２の隙間を外気の通風方向に沿って閉塞するべく閉作動される一方、前記冷凍サイクルの非稼動時に前記第２の隙間を開放するべく開作動されるフラッパーを有することを特徴とする請求項１に記載の内燃機関の廃熱利用装置。
3. 前記フラッパーは、前記第２の隙間の閉塞から開放方向に回動可能に前記第１凝縮器に支持される固定端と、該フラッパーの開作動時に前記第２凝縮器の側面よりも外方側に位置づけられる可動端とを有することを特徴とする請求項２に記載の内燃機関の廃熱利用装置。
4. 前記熱交換ユニットは、前記第２凝縮器に支持される固定端を有する第２フラッパーを備え、該第２フラッパーは前記冷凍サイクルの稼動時に前記第２凝縮器の側面よりも外方側に位置づけられる可動端を有することを特徴とする請求項１乃至３の何れかに記載の内燃機関の廃熱利用装置。
5. 少なくとも前記閉塞板、前記フラッパー、及び前記第２フラッパーのいずれかは、前記熱交換ユニットの左右上下の側面に設けられることを特徴とする請求項１乃至４の何れかに記載の内燃機関の廃熱利用装置。

Images