JP2009287433A - 内燃機関の廃熱利用装置 - Google Patents

Abstract

【課題】作動流体の熱分解や作動流体に含まれる循環オイルの炭化を防止し、エネルギー回収効率を向上することができ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)の廃熱利用装置は、循環オイルを含む作動流体の循環路(5)に、内燃機関(2)の廃熱により作動流体を加熱する蒸発器(10)、該蒸発器を経由した作動流体を内燃機関の排ガスにより更に加熱する排ガス熱交換器(18)、膨張機(20)、凝縮器(24)、ポンプ(28)が順次介挿されたランキンサイクル(6)を備え、排ガス熱交換器を凝縮器よりも下側に位置づける。
【選択図】図３

Description

本発明は、車両に組み込まれて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、作動流体を内燃機関の冷却水との熱交換により蒸発させ、更に排ガス熱交換器により加熱するランキンサイクルを備えたものが知られている（例えば特許文献１参照）。
特開２００５−４２６１８号公報

ところで、エンジンの排ガス温度はアイドリング時でも約１５０℃以上はあり、過負荷時は約６００℃以上となることもある。ランキンサイクルが作動していれば、排ガス熱交換器にはランキンサイクルを循環する作動流体が順次通液されて作動流体と排ガスとの間で所定量の熱交換が行われるため、ランキンサイクルを循環する作動流体温度は１５０℃よりも小さい温度に保持される。

しかしながら、上記従来技術は、ランキンサイクルの作動を停止したとき、排ガス熱交換器に滞留する作動流体の温度が排ガスによって極度に上昇し、作動流体が熱分解したり、或いは作動流体に含まれる循環オイルが炭化し、ひいては廃熱利用装置のエネルギー回収効率が低下するとの問題がある。
本発明は、このような課題に鑑みてなされたもので、作動流体の熱分解や作動流体に含まれる循環オイルの炭化を防止し、エネルギー回収効率を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、循環オイルを含む作動流体の循環路に、内燃機関本体側と作動流体とを熱交換させる熱交換器、該熱交換器を経由した作動流体を内燃機関の排ガスにより更に加熱する排ガス熱交換器、該排ガス熱交換器を経由した作動流体を膨張させて駆動力を発生する膨張機、該膨張機を経由した作動流体を凝縮させる凝縮器、該凝縮器を経由した作動流体を熱交換器に送出するポンプが順次介挿されたランキンサイクルを備え、排ガス熱交換器を凝縮器よりも下側に位置づけ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、凝縮器を経由した作動流体を気液分離してポンプに液状の作動流体を送出するレシーバを備え、排ガス熱交換器をレシーバよりも下側に位置づけ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、ランキンサイクルの作動を制御する制御手段と、排ガス熱交換器の作動流体入口または出口と凝縮器の作動流体入口とを接続する第１バイパス路を備え、制御手段は、ポンプを停止したとき、第１バイパス路を連通させ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２または３において、ランキンサイクルの作動を制御する制御手段と、凝縮器またはレシーバの作動流体出口と排ガス熱交換器の作動流体入口または出口とを接続する第２バイパス路とを備え、制御手段は、ポンプが停止したとき、第２バイパス路を連通させ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２において、ランキンサイクルの作動を制御する制御手段と、排ガス熱交換器の作動流体出口と凝縮器の作動流体入口とを接続する第１バイパス路と、凝縮器またはレシーバの作動流体出口と排ガス熱交換器の作動流体入口または出口とを接続する第２バイパス路とを備え、制御手段は、ポンプが停止したとき、第１バイパス路を連通させた後に第２バイパス路を連通させることを特徴としている。

更に、請求項６記載の発明では、請求項５において、排ガス熱交換器出口の作動流体温度を検出する作動流体温度検出手段を備え、制御手段は、作動流体温度検出手段にて検出された作動流体の温度が所定の上限温度以上となるとき、凝縮器の冷却手段を起動することを特徴としている。
更にまた、請求項７記載の発明では、請求項５または６において、排ガス熱交換器出口の作動流体温度を検出する作動流体温度検出手段と、ポンプの作動流体出口と排ガス熱交換器の作動流体入口または出口とを接続する第３バイパス路とを備え、制御手段は、作動流体温度検出手段にて検出された作動流体の温度が所定の第２の上限温度以上となるとき、第３バイパス路を連通させるとともにポンプを起動することを特徴としている。

また、請求項８記載の発明では、請求項４乃至７の何れかにおいて、排ガス熱交換器は熱交換器よりも下側に位置づけられ、排ガス熱交換器の作動流体入口または出口と熱交換器の作動流体入口とを接続する第４バイパス路と、熱交換器の作動流体出口と排ガス熱交換器の作動流体入口または出口とを接続する第５バイパス路とを備え、制御手段は、内燃機関の暖機のためにポンプを停止したとき、第４バイパス路及び第５バイパス路を連通させることを特徴としている。

更に、請求項９記載の発明では、請求項８において、制御手段は、第２バイパス路を連通させた後に第４バイパス路を連通し、その後に第２バイパス路を閉鎖し、その後に第５バイパス路を連通させることを特徴としている。

請求項１及び２記載の本発明の内燃機関の廃熱利用装置によれば、排ガス熱交換器を凝縮器よりも下側に位置づけ、或いはレシーバがある場合にはレシーバよりも下側に位置づけることにより、例えばポンプの駆動を停止してランキンサイクルの作動が停止されたとき、排ガス熱により排ガス熱交換器に滞留する作動流体を蒸気ガスとして凝縮器に移動させてそこで凝縮させ、凝縮器で凝縮液とされた作動流体は排ガス熱交換器と凝縮器またはレシーバとの高低差による重力によって排ガス熱交換器に還流させることができる。これにより、ランキンサイクルに、作動流体の蒸発、蒸気移動、凝縮、液還流のサイクルからなる、いわゆるヒートパイプの形式の一例としてのサーモサイフォンループを形成することができ、排ガス熱交換器側から凝縮器側への定常的な熱移動を行うことができる。従って、ランキンサイクル停止後に排ガス熱交換器に滞留する作動流体が排ガス熱によって熱分解したり、或いは作動流体に含まれる循環オイルが炭化することを簡易にして防止することができ、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。

また、請求項３記載の発明によれば、制御手段は、ポンプが停止したとき、ランキンサイクルの第１バイパス路を連通させる。これにより、排ガス熱交換器に滞留する蒸気ガスとなる作動流体を膨張機における作動流体の通ガス抵抗を排除して凝縮器に速やかに移動させてそこで凝縮させることができる。従って、サーモサイフォンループにおける作動流体循環速度、ひいては熱移動速度を上昇することができるため、作動流体の熱分解や循環オイルの炭化を効果的に防止することができる。

更に、請求項４記載の発明によれば、制御手段は、ポンプが停止したとき、ランキンサイクルの第２バイパス路を連通させる。これにより、凝縮器で凝縮液となる作動流体をポンプや熱交換器における作動流体の通液抵抗を排除して排ガス熱交換器に速やかに還流させることができる。従って、サーモサイフォンループにおける作動流体循環速度、ひいては熱移動速度を更に上昇することができるため、排ガス熱交換器に滞留する作動流体の熱分解や循環オイルの炭化を更に効果的に防止することができる。

更にまた、請求項５記載の発明によれば、制御手段は、ポンプが停止したとき、第１バイパス路を連通させた後に第２バイパス路を連通させる。これにより、排ガス熱交換器に滞留する蒸気ガスとなる作動流体を膨張機における作動流体の通ガス抵抗を排除して凝縮器に速やかに移動させてそこで凝縮させ、排ガス熱交換器側と凝縮器側との圧力差を解消した後に、その凝縮液となる作動流体を排ガス熱交換器に速やかに還流させることができる。従って、サーモサイフォンループにおける作動流体循環速度、ひいては熱移動速度を更に上昇することができるため、作動流体の熱分解や循環オイルの炭化をより一層効果的に防止することができる。

また、請求項６記載の発明によれば、制御手段は、作動流体温度検出手段にて検出された作動流体の温度が所定の上限温度以上となるとき、凝縮器の冷却手段を起動する。これにより、排ガス熱交換器に滞留する作動流体が所定温度以上の高温となる場合であっても、凝縮器において凝縮液を速やかに生成することができ、サーモサイフォンループにおける作動流体循環速度、ひいては熱移動速度を更に上昇させることができるため、それ以上の作動流体の温度上昇を防止し、作動流体の熱分解や循環オイルの炭化を確実に防止することができる。

更に、請求項７記載の発明によれば、制御手段は、作動流体温度検出手段にて検出された作動流体の温度が所定の第２の上限温度以上となるとき、ポンプの作動流体出口と排ガス熱交換器の作動流体入口または出口とを接続する第３バイパス路を連通させるとともにポンプを起動する。これにより、排ガス熱交換器に滞留する作動流体が第２の所定温度以上の高温となる場合であっても、サーモサイフォンループにおける作動流体循環速度、ひいては熱移動速度をポンプにより強制的に上昇させることができるため、それ以上の作動流体の温度上昇を防止し、作動流体の熱分解や循環オイルの炭化を更に確実に防止することができる。

更にまた、請求項８記載の発明によれば、制御手段は、内燃機関の暖機のためにポンプを停止したとき、排ガス熱交換器の作動流体入口または出口と熱交換器の作動流体入口とを接続する第４バイパス路、及び熱交換器の作動流体出口と排ガス熱交換器の作動流体入口または出口とを接続する第５バイパス路を連通させる。これにより、サーモサイフォンループの形成に際し、排ガス熱交換器にて作動流体を蒸発させ、ランキンサイクルの熱交換器にて内燃機関の暖機のために作動流体から熱を奪って凝縮させ、排ガス熱交換器側から熱交換器を介して内燃機関側への定常的な熱移動を行うことができる。従って、作動流体の熱分解や循環オイルの炭化を防止しつつ、内燃機関の暖機の迅速化をも図ることができる。

また、請求項９記載の発明によれば、制御手段は、第２バイパスを連通後、第４バイパス路を連通させた後に第２バイパス路を閉鎖し、その後に第５バイパス路を連通させる。これにより、凝縮器にて生成された作動流体の凝縮液を排ガス熱交換器に一旦導いてから排ガス熱交換器と熱交換器との間にサーモサイフォンループを形成することができるため、サーモサイフォンループにおける作動流体循環量、ひいては熱移動量を増大させることができ、作動流体の熱分解や循環オイルの炭化を効果的に防止しつつ、内燃機関の暖機の更なる迅速化を図ることができる。

以下、図面により本発明の実施形態について、先ず第１実施形態から説明する。
図１は内燃機関の廃熱利用装置の一例を模式的に示しており、こ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６（以下、ＲＣ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を循環する冷却水とＲＣ回路６を循環する作動流体としての冷媒とが対向流をなして熱交換されることにより、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の送風による熱交換により更に冷却し、ひいてはエンジン２を所望の温度に冷却している。
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三方弁であって、２つの入口ポートと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ラジエータバイパス路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冷却水温度が適正に保持される。

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、排ガス熱交換器１８、膨張機２０、内部熱交換器２２、凝縮器２４、レシーバ２６、冷媒ポンプ（ポンプ）２８が順に介挿されて閉回路を構成している。

排ガス熱交換器１８は、エンジン２の排ガス管１９から排出される排ガスにより蒸発器１０で加熱された冷媒を更に加熱する。また、排ガス熱交換器１８出口には排ガス熱交換器１８を経由した冷媒の温度を検出する冷媒温度センサ（作動流体温度検出手段）２１が設置されている。
膨張機２０は、蒸発器１０、排ガス熱交換器１８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。

内部熱交換器２２は、膨張機２０出口の冷媒で蒸発器１０入口の冷媒を加熱し、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。
凝縮器２４は、内部熱交換器２２を経由した冷媒をファン（冷却手段）２５による外気の送風により凝縮液化させる放熱器であり、ファン２５はその駆動部に入力される信号に応じて駆動される。尚、凝縮器２４は外気により冷却された水で凝縮液化する水冷方式でも良い。この場合には、凝縮器２４が介挿され、冷却水が循環する冷却水回路を別途設ける。

レシーバ２６は、凝縮器２４にて凝縮された冷媒を気液二層に分離する気液分離器であり、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、レシーバ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。

ここで、図２に詳しく示されるように、排ガス管１９内には、排ガス管１９内を排ガス熱交換器１８が設置される側の通路１９ａと、排ガス熱交換器１８をバイパスする側の排ガス熱交換器バイパス路１９ｂとに区画する仕切壁３２が設けられ、仕切壁３２のエンジン２側の一端にはダンパ３４が可動自在に接続されている。ダンパ３４は、その駆動部に入力される信号に応じて駆動される。

このように構成される冷却水回路４及びＲＣ回路６は、車両を総合的に制御する電子制御装置である図示しないＥＣＵ（制御手段）により制御される。具体的には、ＥＣＵには、ファン２５及び冷媒ポンプ２８並びにダンパ３４などの各駆動部とともに、冷媒温度センサ２１などのセンサが電気的に接続されており、ＥＣＵは、これらセンサからの入力信号に応じて上記各駆動部に出力信号を出力し、冷却水回路４及びＲＣ回路６、即ち廃熱利用装置を制御している。例えば、ＥＣＵは、冷媒温度センサ２１にて検出される冷媒温度が冷媒の分解や冷媒に含まれる循環オイルの炭化を来す温度である例えば１５０℃以上となると、排ガスをバイパス路１９ｂに流入させて冷媒と熱交換させないようにダンパ３４を駆動する。

ところで、本実施形態では、図３のＲＣ回路６の構成機器の配置高低を示した模式図に示されるように、排ガス熱交換器１８を凝縮器２４及びレシーバ２６よりも下側に位置づけている。
また、ＲＣ回路６は、ＲＣ回路６の形成時における排ガス熱交換器１８の冷媒出口と凝縮器２４の冷媒入口とを直接に接続する第１バイパス路３６と、ＲＣ回路６の形成時におけるレシーバ２６の冷媒出口と排ガス熱交換器１８の冷媒入口とを直接に接続する第２バイパス路３８とを備えている。

第１バイパス路３６は、ＲＣ回路６の形成時における冷媒の流れ方向にて、排ガス熱交換器１８から流出した冷媒を膨張機２０及び内部熱交換器２２を迂回させて凝縮器２４に流入させる。
一方、第２バイパス路３８は、ＲＣ回路６の形成時における冷媒の流れ方向にて、レシーバ２６から流出した冷媒を冷媒ポンプ２８及び内部熱交換器２２並びに蒸発器１０を迂回させて排ガス熱交換器１８に流入させる。

これら各バイパス路３６，３８にはＥＣＵに電気的に接続された電磁弁４０，４２がそれぞれ設けられ、これら電磁弁４０，４２はＲＣ回路６の作動中には閉弁されている。
更に、蒸発器１０の冷媒出口と排ガス熱交換器１８の冷媒入口との間の流路５ｄ、及び内部熱交換器２２の冷媒出口と凝縮器２４の冷媒入口との間の流路５ｅにはそれぞれ逆止弁４４，４６が設けられている。

このように構成されるＲＣ回路６において、ＥＣＵは、例えばポンプ２８の駆動が停止してＲＣ回路６の作動が停止されたとき、電磁弁４０，４２を開弁してＲＣ回路６に、冷媒の蒸発、蒸気移動、凝縮、液還流のサイクルからなる、いわゆるヒートパイプの形式の一例としてのサーモサイフォンループを形成するための回路切換制御を実行する。
以下、図４のフローチャートを参照して、ＥＣＵで実行される当該回路切換制御の制御ルーチンについて説明する。

先ず、本制御がスタートされるとＳ１に移行し、Ｓ１ではポンプ２８及びファン２５の停止によりＲＣ回路６が停止しているか否かを判定し、判定結果が真（Ｙｅｓ）でＲＣ回路６は停止していると判定された場合にはＳ２に移行し、判定結果が偽（Ｎｏ）でＲＣ回路６は停止していないと判定された場合には再びＳ１に戻る。
Ｓ２では、図３に示されるように電磁弁４０を開弁（白抜きで図示、以下同様とする）して第１バイパス路３６を連通させてＳ３に移行する。

Ｓ３では、所定の時間ｔが経過したか否かを判定し、判定結果が真（Ｙｅｓ）で所定の時間ｔが経過したと判定された場合にはＳ４に移行し、判定結果が偽（Ｎｏ）で所定の時間ｔが経過していないと判定された場合には再びＳ３に戻る。
Ｓ４では、図３に示されるように電磁弁４２を開弁して第２バイパス路３８を連通させてＳ５に移行する。

Ｓ５では、冷媒温度センサ２１にて検出された冷媒温度Ｔｒが所定の上限温度Ｔｒｈ以上となるか否かを判定し、判定結果が真（Ｙｅｓ）でＴｒ≧Ｔｒｈが成立すると判定された場合にはＳ６に移行し、判定結果が偽（Ｎｏ）でＴｒ≧Ｔｒｈが成立しないと判定された場合にはＳ７に移行する。尚、上限温度Ｔｒｈは、上述したように、冷媒の分解や冷媒に含まれる循環オイルの炭化を来す温度である例えば１５０℃程度に設定される。

Ｓ６ではファン２５を起動する一方、Ｓ７ではファン２５を停止し、何れの場合もＳ８に移行する。
Ｓ８では、ＲＣ回路６が始動したか否かを判定し、判定結果が真（Ｙｅｓ）でＲＣ回路６が始動したと判定された場合には本制御ルーチンを終了し、判定結果が偽（Ｎｏ）でＲＣ回路６が始動していないと判定された場合には再びＳ５に戻る。

こうしてＲＣ回路６の作動が停止したときには、ＲＣ回路６にサーモサイフォンループを好適に形成する。
以上のように、本実施形態では、排ガス熱交換器１８を凝縮器２４及びレシーバ２６よりも下側に位置づけることにより、ＲＣ回路６の作動が停止されたときにサーモサイフォンループを形成することができ、排ガス熱交換器１８側から凝縮器２４側への定常的な熱移動を行うことができる。

具体的には、ＲＣ回路６の停止時に、排ガス熱交換器１８は排ガス熱により排ガス熱交換器に滞留する冷媒を蒸気ガスとして凝縮器２４に移動させてそこで凝縮させる。この過程では、冷媒の相変化と高速の蒸気流によって動力や電力によらないで排ガス熱交換器１８側から凝縮器２４側への大量の熱移動が可能である。そして、凝縮器２４で凝縮液とされた冷媒は、レシーバ２６を介して排ガス熱交換器１８と凝縮器２４及びレシーバ２６との高低差による重力によって排ガス熱交換器１８に還流される。従って、ＲＣ回路６停止後に排ガス熱交換器１８に滞留する冷媒が排ガス熱によって熱分解したり、或いは冷媒に含まれる循環オイルが炭化することを簡易にして防止することができ、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。

また、ＲＣ回路６の作動が停止したとき、ＲＣ回路６の第１バイパス路３６を連通させることにより、排ガス熱交換器１８に滞留する蒸気ガスとなる冷媒を膨張機２０における冷媒の通ガス抵抗を排除して凝縮器２４に速やかに移動させてそこで凝縮させることができる。
更に、ＲＣ回路６の作動が停止したとき、ＲＣ回路６の第２バイパス路３８を連通させることにより、凝縮器２４で凝縮液となる冷媒をポンプ２８や蒸発器１０における冷媒の通液抵抗を排除して排ガス熱交換器１８に速やかに還流させることができる。従って、サーモサイフォンループにおける冷媒循環速度、ひいては熱移動速度を上昇することができるため、排ガス熱交換器１８に滞留する冷媒の熱分解や循環オイルの炭化を効果的に防止することができる。

更にまた、ＲＣ回路６の作動が停止したとき、第１バイパス路３６を連通させた後に第２バイパス路３８を連通させることにより、排ガス熱交換器１８に滞留する蒸気ガスとなる冷媒を膨張機２０における冷媒の通ガス抵抗を排除して凝縮器２４に速やかに移動させてそこで凝縮させ、排ガス熱交換器１８側と凝縮器２４側との圧力差を解消した後に、その凝縮液となる冷媒を排ガス熱交換器１８に速やかに還流させることができる。従って、サーモサイフォンループにおける冷媒循環速度、ひいては熱移動速度を更に上昇することができるため、冷媒の熱分解や循環オイルの炭化をより一層効果的に防止することができる。

また、冷媒温度センサ２１にて検出された冷媒の温度Ｔｒが所定の上限温度Ｔｒｈ以上となるとき、凝縮器２４のファン２５を起動することにより、排ガス熱交換器１８に滞留する冷媒が極度に高温となる場合であっても、凝縮器２４において凝縮液を速やかに生成することができ、サーモサイフォンループにおける冷媒循環速度、ひいては熱移動速度を更に上昇させることができるため、冷媒の熱分解や循環オイルの炭化を確実に防止することができる。尚、第１バイパス路３６は、ＲＣ回路６の形成時における排ガス熱交換器１８の冷媒入口と凝縮器２４の冷媒入口とを直接に接続しても良い。この場合、第２バイパス路３８は、ＲＣ回路６の形成時におけるレシーバ２６の冷媒出口と排ガス熱交換器１８の冷媒出口とを直接に接続する。

次に、第２実施形態について説明する。
当該第２実施形態のＲＣ回路６は、図５に示されるポンプ２８廻りの回路以外は上記第１実施形態と同様の構成をなしている。
具体的には、ポンプ２８と内部熱交換器２２との間には電磁弁４８が設けられ、電磁弁４８とポンプ２８との間からはポンプ２８の冷媒出口と排ガス熱交換器１８の冷媒入口とを接続する第３バイパス路５０が分岐して第２バイパス路３８に合流し、第３バイパス路５０はその一部を第２バイパス路３８と共用している。

また、第３バイパス路５０には第２バイパス路３８との共用路を除いた流路に電磁弁５２が設けられ、これら電磁弁４８，５２はＥＣＵに電気的に接続されている。更に、ＲＣ回路６の作動中には電磁弁４８は開弁される一方、電磁弁５２は電磁弁４０，４２とともに閉弁されている。
このように構成されるＲＣ回路６において、ＥＣＵは、ＲＣ回路６の作動が停止されたときのサーモサイフォンループにおける冷媒の液還流に際し、ポンプ２８を利用するための回路切換制御を実行する。

以下、図６のフローチャートを参照して、ＥＣＵで実行される当該回路切換制御の制御ルーチンについて説明する。尚、上記第１実施形態の図４におけるフローチャートと同じステップについてはその説明を省略する。
先ず、本制御がスタートしてＳ５からＳ６に移行した場合には次にＳ９に移行する。
Ｓ９では、冷媒温度センサ２１にて検出された冷媒温度Ｔｒが所定の上限温度Ｔｒｈ２（第２の上限温度）以上となるか否かを判定し、判定結果が真（Ｙｅｓ）でＴｒ≧Ｔｒｈ２が成立すると判定された場合にはＳ１０に移行し、判定結果が偽（Ｎｏ）でＴｒ≧Ｔｒｈ２が成立しないと判定された場合にはＳ１１に移行する。一方、Ｓ５からＳ７に移行した場合にも次にＳ１１に移行する。尚、上限温度Ｔｒｈ２は、Ｓ５の上限温度Ｔｒｈと同じ値に設定しても良いし、上限温度Ｔｒｈよりも若干高い温度に設定しても良い。

Ｓ１０では、電磁弁４２，４８を閉弁（黒塗りで図示、以下同様とする）するとともに、電磁弁５２を開弁して第３バイパス路５０を連通させてＳ１２に移行する。
Ｓ１２では、ポンプ２８を起動してからＳ１４に移行する。
一方、Ｓ１１では、電磁弁４２，４８を開弁するとともに、電磁弁５２を閉弁して第３バイパス路５０を閉鎖させてＳ１３に移行する。

Ｓ１２では、ポンプ２８を起動してからＳ１４に移行する一方、Ｓ１３ではポンプ２８を停止してからＳ１４に移行する。
Ｓ１４では、ＲＣ回路６が始動したか否かを判定し、判定結果が真（Ｙｅｓ）でＲＣ回路６が始動したと判定された場合には本制御ルーチンを終了し、判定結果が偽（Ｎｏ）でＲＣ回路６が始動していないと判定された場合には再びＳ５に戻る。

こうしてＲＣ回路６の作動が停止したときには、ＲＣ回路６にポンプ２８を利用したサーモサイフォンループを好適に形成する。
このように、当該第２実施形態の場合にも上記第１実施形態と同様に、ＲＣ回路６の作動が停止されたとき、ＲＣ回路６にサーモサイフォンループを形成して排ガス熱交換器１８側から凝縮器２４側への定常的な熱移動を行うことができるため、排ガス熱交換器１８に滞留する冷媒の熱分解や循環オイルの炭化を防止し、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。

特に当該第２実施形態の場合には、冷媒温度センサ２１にて検出された冷媒の温度Ｔｒが所定の上限温度Ｔｒｈ２以上となるとき、ポンプ２８の冷媒出口と排ガス熱交換器１８の冷媒入口とを接続する第３バイパス路５０を連通させた後にポンプ２８を起動する。これにより、排ガス熱交換器１８に滞留する冷媒が極度に高温となる場合であっても、サーモサイフォンループにおける冷媒循環速度、ひいては熱移動速度をポンプ２８により強制的に上昇させることができるため、冷媒の熱分解や循環オイルの炭化を更に確実に防止することができる。

次に、第３実施形態について説明する。
当該第３実施形態のＲＣ回路６は、図７に示されるように、排ガス熱交換器１８を蒸発器１０よりも下側に位置づけ、第１バイパス路３６の代わりに第４バイパス路５４を設け、更に第５バイパス路５６を新たに設けた以外は上記第１実施形態とほぼ同様の構成をなしている。

第４バイパス路５４は、ＲＣ回路６の形成時における排ガス熱交換器１８の冷媒出口と蒸発器１０の冷媒出口とを直接に接続し、ＲＣ回路６の形成時における冷媒の流れ方向とは逆の流れ方向にて、排ガス熱交換器１８から流出した冷媒をそのまま蒸発器１０に流入させる。
一方、第５バイパス路５６は、ＲＣ回路６の形成時における蒸発器１０の冷媒入口と排ガス熱交換器１８の冷媒入口とを直接に接続し、第４バイパス路５４を経て蒸発器１０から流出した冷媒をそのまま排ガス熱交換器１８に流入させる。

また、第４バイパス路５４には電磁弁５８が設けられ、また、第５バイパス路５６は、第２バイパス路３８と排ガス熱交換器１８の冷媒入口にかけての流路を共用しており、その共用路を除いた第５バイパス路５６には電磁弁６０が設けられている。
更に、流路５ｄには逆止弁４４の代わりに電磁弁６２が設けられ、一方、逆止弁４６は撤去されている。そして、これら電磁弁５８，６０，６２はＥＣＵに電気的に接続されており、ＲＣ回路６の作動中には電磁弁５８，６０は電磁弁４２とともに閉弁される一方、電磁弁６２は開弁されている。

このように構成されるＲＣ回路６において、ＥＣＵは、ＲＣ回路６の作動が停止されたときに形成されるサーモサイフォンループにおける冷媒の凝縮に際し、その凝縮熱を蒸発器１０を介してエンジン２の暖機に利用するための回路切換制御を実行する。
以下、図８のフローチャートを参照して、ＥＣＵで実行される当該回路切換制御の制御ルーチンについて説明する。

先ず、本制御がスタートされるとＳ２１に移行し、Ｓ２１ではエンジン２の本体温度低下による暖機要求によってＲＣ回路６が停止しているか否かを判定し、判定結果が真（Ｙｅｓ）でＲＣ回路６は停止していると判定された場合にはＳ２２に移行し、判定結果が偽（Ｎｏ）でＲＣ回路６は停止していないと判定された場合には再びＳ２１に戻る。
Ｓ２２では、電磁弁４２，５８を開弁して第２バイパス路３８及び第４バイパス路５４を連通させるとともに電磁弁６２を閉弁してＳ２３に移行する。

Ｓ２３では、所定の時間ｔ１が経過したか否かを判定し、判定結果が真（Ｙｅｓ）で所定の時間ｔ１が経過したと判定された場合にはＳ２４に移行し、判定結果が偽（Ｎｏ）で所定の時間ｔ１が経過していないと判定された場合には再びＳ２３に戻る。
Ｓ２４では、図８に示されるように電磁弁４２を閉弁して第２バイパス路４２を閉鎖させてからＳ２５に移行する。

Ｓ２５では、図８に示されるように電磁弁６０を開弁して第５バイパス路５６を連通させ、その後本制御ルーチンを終了する。
こうしてＲＣ回路６の作動が停止したときには、ＲＣ回路６に冷媒の凝縮熱を蒸発器１０を介してエンジン２の暖機に利用したサーモサイフォンループを好適に形成する。
このように、当該第３実施形態の場合にも上記第１、第２実施形態と同様に、ＲＣ回路６の作動が停止されたとき、ＲＣ回路６にサーモサイフォンループを形成して排ガス熱交換器１８側からの定常的な熱移動を行い、排ガス熱交換器１８に滞留する冷媒の熱分解や循環オイルの炭化を防止し、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。

特に当該第３実施形態の場合には、エンジン２の暖機のためにＲＣ回路６の作動を停止したとき、排ガス熱交換器１８の冷媒出口と蒸発器１０の冷媒入口とを接続する第４バイパス路５４、及び蒸発器１０の冷媒出口と排ガス熱交換器１８の冷媒入口とを接続する第５バイパス路５６を連通させる。これにより、サーモサイフォンループの形成に際し、排ガス熱交換器１８にて冷媒を蒸発させ、蒸発器１０にてエンジン２の暖機のために冷媒から熱を奪って凝縮させ、排ガス熱交換器１８側から蒸発器１０を介してエンジン２側への定常的な熱移動を行うことができる。従って、冷媒の熱分解や循環オイルの炭化を防止しつつ、エンジン２の暖機の迅速化をも図ることができる。

また、第２バイパス路３８及び第４バイパス路５４を連通させた後に第２バイパス路３８を閉鎖し、その後に第５バイパス路５６を連通させることにより、凝縮器２４にて生成された冷媒の凝縮液を排ガス熱交換器１８に一旦導いてから排ガス熱交換器１８と蒸発器１０との間にサーモサイフォンループを形成することができるため、サーモサイフォンループにおける冷媒循環量、ひいては熱移動量を増大させることができ、冷媒の熱分解や循環オイルの炭化を効果的に防止しつつ、エンジン２の暖機の更なる迅速化を図ることができる。

以上で本発明の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、上記各実施形態では、ＲＣ回路６にバイパス路を設け、ファン２５やポンプ２８を利用した回路切換制御を行っているが、排ガス熱交換器を単に凝縮器及びレシーバよりも、或いは蒸発器よりも下側に位置づけて高低差を設けるだけでも良く、またはＲＣ回路６に各バイパス路３６，３８，５０，５４，５６を単独で設けても良く、この場合であっても冷媒の相変化と高速の蒸気流によって冷媒の熱移動が行われ、高低差による重力によって冷媒の凝縮液の還流が行われ、サーモサイフォンループを形成することは可能であり、上記と同様に冷媒の熱分解や循環オイルの炭化を防止するという効果を奏する。

また、上記各実施形態では、回路切換制御におけるＳ３やＳ２３で時間経過を判定して待機するようにしているが、待機しないようにしても良い。但し、これらのステップにて待機することによりＲＣ回路６における高圧側と低圧側との圧力差解消や、サーモンサイフォンループを循環する冷媒量の確保を確実に行えて好適である。
更に、上記各実施形態では、第２バイパス路３８はレシーバ２６の冷媒出口と排ガス熱交換器１８の冷媒入口とを接続しているが、凝縮器２４の冷媒出口と排ガス熱交換器１８の冷媒入口とを接続するようにして形成しても良い。

更にまた、上記第３実施形態では、排ガス熱交換器１８の冷媒出口と蒸発器１０の冷媒出口とを接続して第４バイパス路５４を形成し、蒸発器１０の冷媒入口と排ガス熱交換器１８の冷媒入口とを接続して第５バイパス路５６を形成している。しかし、これに限らず、第４バイパス路５４をＲＣ回路６の形成時における排ガス熱交換器１８の冷媒出口と蒸発器１０の冷媒入口とを直接に接続して形成し、これに伴い、第５バイパス路５６をＲＣ回路６の形成時における蒸発器１０の冷媒出口と排ガス熱交換器１８の冷媒入口とを直接に接続して形成しても良い。この場合には、サーモサイフォンループ形成時の冷媒流れがＲＣ回路６の形成時における冷媒の流れ方向と同じになり、ひいては冷却水回路４を流れる冷却水と対向流をなすため、蒸発器１０における熱回収が促進され、エンジン２の暖機のより一層の迅速化を図ることができて好ましい。

また、第１実施形態の図３、または第２実施形態の図５のＲＣ回路６と、第３実施形態の図７のＲＣ回路６とを組み合わせても良く、例えば、図７において図５の如くポンプ２８を利用することにより、凝縮器２４側からの凝縮液の還流を速めることができるためエンジン２の暖機をより一層迅速化できて好ましい。

本発明の一実施形態に係る内燃機関の廃熱利用装置を概略的に示した模式図である。 図１の排ガス熱交換器の詳細を示した模式図である。 本発明の第１実施形態に係るランキンサイクルの構成機器の配置高低を示した模式図である。 図３のランキンサイクルにおいてサーモサイフォンループを形成するための回路切換制御の制御ルーチンを示したフローチャートである。 本発明の第２実施形態に係るランキンサイクルの構成機器の配置高低を示した模式図である。 図５のランキンサイクルにおいてサーモサイフォンループを形成するための回路切換制御の制御ルーチンを示したフローチャートである。 本発明の第３実施形態に係るランキンサイクルの構成機器の配置高低を示した模式図である。 図７のランキンサイクルにおいてサーモサイフォンループを形成するための回路切換制御の制御ルーチンを示したフローチャートである。

符号の説明

２ 内燃機関
５ 循環路
６ ランキンサイクル
１０ 蒸発器
１８ 排ガス熱交換器
２０ 膨張機
２１ 冷媒温度センサ（作動流体温度検出手段）
２４ 凝縮器
２５ ファン（冷却手段）
２６ レシーバ
２８ 冷媒ポンプ（ポンプ）
３６ 第１バイパス路
３８ 第２バイパス路
５０ 第３バイパス路
５４ 第４バイパス路
５６ 第５バイパス路

Claims (9)

1. 循環オイルを含む作動流体の循環路に、内燃機関本体側と作動流体とを熱交換させる熱交換器、該熱交換器を経由した作動流体を前記内燃機関の排ガスにより更に加熱する排ガス熱交換器、該排ガス熱交換器を経由した作動流体を膨張させて駆動力を発生する膨張機、該膨張機を経由した作動流体を凝縮させる凝縮器、該凝縮器を経由した作動流体を前記熱交換器に送出するポンプが順次介挿されたランキンサイクルを備え、
   前記排ガス熱交換器を前記凝縮器よりも下側に位置づけることを特徴とする内燃機関の廃熱利用装置。
2. 前記凝縮器を経由した作動流体を気液分離して前記ポンプに液状の作動流体を送出するレシーバを備え、
   前記排ガス熱交換器を前記レシーバよりも下側に位置づけ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. 前記ランキンサイクルの作動を制御する制御手段と、
   前記排ガス熱交換器の作動流体入口または出口と前記凝縮器の作動流体入口とを接続する第１バイパス路を備え、
   前記制御手段は、前記ポンプを停止したとき、前記第１バイパス路を連通させ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. 前記ランキンサイクルの作動を制御する制御手段と、
   前記凝縮器または前記レシーバの作動流体出口と前記排ガス熱交換器の作動流体入口または出口とを接続する第２バイパス路とを備え、
   前記制御手段は、前記ポンプが停止したとき、前記第２バイパス路を連通させることを特徴とする請求項２または３に記載の内燃機関の廃熱利用装置。
5. 前記ランキンサイクルの作動を制御する制御手段と、
   前記排ガス熱交換器の作動流体入口または出口と前記凝縮器の作動流体入口とを接続する第１バイパス路と、
   前記凝縮器または前記レシーバの作動流体出口と前記排ガス熱交換器の作動流体入口または出口とを接続する第２バイパス路とを備え、
   前記制御手段は、前記ポンプが停止したとき、前記第１バイパス路を連通させた後に前記第２バイパス路を連通させ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。
6. 前記排ガス熱交換器出口の作動流体温度を検出する作動流体温度検出手段を備え、
   前記制御手段は、前記作動流体温度検出手段にて検出された作動流体の温度が所定の上限温度以上となるとき、前記凝縮器の冷却手段を起動することを特徴とする請求項５に記載の内燃機関の廃熱利用装置。
7. 前記排ガス熱交換器出口の作動流体温度を検出する作動流体温度検出手段と、
   前記ポンプの作動流体出口と前記排ガス熱交換器の作動流体入口または出口とを接続する第３バイパス路とを備え、
   前記制御手段は、前記作動流体温度検出手段にて検出された作動流体の温度が所定の第２の上限温度以上となるとき、前記第３バイパス路を連通させるとともに前記ポンプを起動することを特徴とする請求項５または６に記載の内燃機関の廃熱利用装置。
8. 前記排ガス熱交換器は前記熱交換器よりも下側に位置づけられ、
   前記排ガス熱交換器の作動流体入口または出口と前記熱交換器の作動流体入口とを接続する第４バイパス路と、
   前記熱交換器の作動流体出口と前記排ガス熱交換器の作動流体入口または出口とを接続する第５バイパス路とを備え、
   前記制御手段は、前記内燃機関の暖機のために前記ポンプを停止したとき、前記第４バイパス路及び前記第５バイパス路を連通させることを特徴とする請求項４乃至７の何れかに記載の内燃機関の廃熱利用装置。
9. 前記制御手段は、前記第２バイパス路を連通させた後に前記第４バイパス路を連通し、その後に前記第２バイパス路を閉鎖し、その後に前記第５バイパス路を連通させることを特徴とする請求項８に記載の内燃機関の廃熱利用装置。

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