JP2021004568A - 廃熱回収装置 - Google Patents

Abstract

【課題】エンジンの廃熱を利用してエンジンの暖機を促進させることのできる廃熱回収装置を提供する。【解決手段】廃熱回収装置２０は、作動媒体が流れる第１流通路２１に、上流側から順に、第１圧送機２２、前段蒸発器２３、後段蒸発器２４、第１膨張機２５、第２膨張機２６、および、凝縮器２７を有している。また、廃熱回収装置２０は、第１流通路２１における第１膨張機２５と第２膨張機２６との間に、混合器３０と、熱交換器３５とを有する。また、廃熱回収装置２０は、第１および第２膨張機２５，２６をバイパスする第１および第２バイパス路３６，３８と、第１および第２バイパス路３６，３８に対する作動媒体の流入を制御する第１および第２三方弁３７，３９と、を有する。エンジン１０が暖機状態にあるとき、制御部５０は、第１および第２膨張機２５，２６を作動媒体が迂回して流れるように第１および第２三方弁３７，３９を制御する。【選択図】図１

Description

本発明は、エンジンの廃熱を回収する廃熱回収装置に関する。

エンジンの廃熱を回収する廃熱回収装置は、作動媒体が循環する回路に圧送機、蒸発器、膨張機、および、凝縮器を備えている。圧送機は、液相状態の作動媒体を循環回路に圧送し、蒸発器は、液相状態の作動媒体をエンジンの廃熱で蒸発させることにより気相状態へ相転移させる。膨張機は、気相状態の作動媒体を膨張させることにより作動媒体の熱エネルギーを力学的エネルギーに変換し、凝縮器は、膨張機を通過した気相状態の作動媒体を凝縮して液相状態へ相転移させる。こうした廃熱回収装置として、例えば特許文献１には、ＥＧＲガスとの熱交換により気相状態へと相転移した作動媒体で複数の膨張機を駆動することによりエンジンの廃熱を回収する技術が開示されている。

特開２００９−１４４６７６号公報

ところで、エンジンは、冷間始動後の暖機運転が早期に完了することが好ましい。そのため、廃熱回収装置が回収したエンジンの廃熱を利用してエンジンの暖機を早期に完了させることが求められている。

本発明の目的は、エンジンの廃熱を利用してエンジンの暖機を促進させることのできる廃熱回収装置を提供することにある。

上記課題を解決する廃熱回収装置は、作動媒体を圧送する圧送機と、前記圧送機の下流に位置して前記圧送機が圧送した作動媒体をエンジンの排気ガスとの熱交換により蒸発させる蒸発器と、前記蒸発器の下流に位置する膨張機と、前記膨張機の下流に位置し、エンジン冷却水と熱交換する熱交換器と、前記熱交換器の下流に位置する凝縮器と、前記膨張機をバイパスする膨張機バイパス路と、前記膨張機バイパス路に対する作動媒体の流入を制御する制御弁と、エンジンの運転状態を取得し、前記取得した運転状態に基づいて前記制御弁を制御する制御部と、を備え、前記制御部は、前記運転状態が暖機状態にあるとき、前記膨張機バイパス路に作動媒体が流入するように前記制御弁を制御する。

上記構成によれば、作動媒体は、膨張機において熱エネルギーを損失することなく熱交換器に流入する。そのため、排気ガスから作動媒体が回収した廃熱をエンジン冷却水の加熱に効果的に利用できることから、エンジンの暖機を促進させることができる。

上記廃熱回収装置において、前記制御部は、前記熱交換器から流出する作動媒体が液相状態となるように作動媒体の圧送量およびエンジン冷却水の冷却水流量の少なくとも一方を制御することが好ましい。

上記構成によれば、熱交換器を通過した作動媒体は液相状態で圧送機に流入する。液相状態の作動媒体を圧送機が圧送することで圧送機による作動媒体の圧送量を高い精度のもとで制御することができる。

上記廃熱回収装置において、前記制御部は、前記運転状態が暖機状態にあるときには前記圧送機が圧送する作動媒体の圧力を高めることが好ましい。
上記構成によれば、エンジンの運転状態が暖機状態にあるときに作動媒体の飽和温度を高めることができる。これにより、熱交換器において作動媒体とエンジン冷却水との間に温度差が生じやすくなるとともに、エンジン１０の暖機を促進させることができ、エンジン１０の暖機をより早期に完了させることができる。

上記廃熱回収装置は、前記凝縮器をバイパスする凝縮器バイパス路と、前記運転状態が暖機状態にあるときに前記凝縮器バイパス路に作動媒体が流入可能に構成された流路選択部と、を備えることが好ましい。

上記構成によれば、エンジンが暖機状態にあるときに作動媒体が凝縮器を迂回して流通可能であることから、凝縮器での冷却に起因した熱エネルギーの損失を抑えつつ作動媒体を流通させることができる。これにより、排気ガスから得た熱エネルギーをエンジン冷却水の加熱に効果的に活用することができる。

上記廃熱回収装置において、前記流路選択部は、気相状態の作動媒体を前記凝縮器に流入させるとともに液相状態の作動媒体を前記凝縮器バイパス路に流入させる気液分離器を含むことが好ましい。

上記構成によれば、熱交換器から流出する作動媒体の一部が気相状態であったとしても、その気相状態の作動媒体の凝縮を効果的に行うことができる。また、液相状態にある作動媒体は、凝縮器での冷却によって熱エネルギーを失うことなく圧送機によって再び圧送される。これにより、排気ガスから得た熱エネルギーをエンジン冷却水の加熱により効果的に活用することができる。

上記廃熱回収装置において、前記流路選択部は、前記凝縮器バイパス路を開閉する開閉弁を備え、前記制御部は、前記運転状態が前記暖機状態にあるときに前記開閉弁を開状態に制御し、前記運転状態が前記暖機状態にないときに前記開閉弁を閉状態に制御することが好ましい。

上記構成によれば、エンジンが暖機状態にあるときは液相状態の作動媒体の熱エネルギーが凝縮器において失われることを防ぎつつ、エンジンが暖機状態にないときは全ての作動媒体が凝縮器に流入することでエンジンの廃熱回収を効果的に行うことができる。

上記廃熱回収装置において、前記制御弁は、前記膨張機に作動媒体を流入させる状態と前記膨張機バイパス路に作動媒体を流入させる状態とを有する三方弁であるとよい。
上記構成のように制御弁として三方弁を使用することにより、暖機状態にあるときに膨張機に作動媒体に流入することがない。これにより、膨張機における作動媒体のエネルギー損失を確実に抑えることができ、より多くの熱エネルギーをエンジン冷却水の加熱に活用することができる。

上記廃熱回収装置において、前記圧送機が第１圧送機であり、前記膨張機が第１膨張機であり、前記膨張機バイパス路が第１バイパス路であり、前記制御弁が第１制御弁であり、前記熱交換器と前記凝縮器との間に位置する第２膨張機と、前記第２膨張機をバイパスする第２バイパス路と、前記制御部によって制御され、前記第２バイパス路に対する作動媒体の流入を制御する第２制御弁と、前記凝縮器の下流で分流させた作動媒体を圧送する第２圧送機と、前記第１膨張機と前記熱交換器との間に位置し、前記第２圧送機が圧送した作動媒体と前記第１膨張機を通過した作動媒体とを混合する混合器と、前記第２圧送機から前記混合器へ向けた作動媒体の流通を許可するとともに前記混合器から前記第２圧送機へ向けた作動媒体の流通を禁止する逆止弁と、を備え、前記制御部は、前記運転状態が暖機状態にあるとき、前記第２バイパス路に作動媒体が流入するように前記第２制御弁を制御することが好ましい。

上記構成によれば、２つの膨張機が直列に接続された廃熱回収装置において、エンジンが暖機状態にあるときに第２膨張機での作動媒体の熱エネルギーの損失を抑えることができる。これにより、熱交換器には、第１膨張機および第２膨張機での熱エネルギーの損失が抑えられた作動媒体が流入することから、エンジンの暖機を促進させることができる。

上記廃熱回収装置にて、前記第２制御弁は、前記第２膨張機に作動媒体を流入させる状態と前記第２バイパス路に作動媒体を流入させる状態とを有する三方弁であってもよい。
上記構成のように第２制御弁として三方弁を使用することにより、暖機状態にあるときに第２膨張機に作動媒体に流入することがない。これにより、第２膨張機における作動媒体のエネルギー損失を確実に抑えることができ、より多くの熱エネルギーをエンジン冷却水の加熱に使用することができる。

上記廃熱回収装置において、前記逆止弁は、前記混合器と前記第２圧送機との間に位置していることが好ましい。
上記構成によれば、混合器と逆止弁との間の配管長を短くすることができ、混合器と逆止弁との間の配管部分における作動媒体の熱エネルギーの損失を小さくできる。

廃熱回収装置の一実施形態の概略構成を示す図。 （ａ）混合器の一例を示す断面図、（ｂ）２ｂ−２ｂ線における第１配管の断面を第１配管に流入する作動媒体の流れとともに示す断面図。 （ａ）暖機完了後における第１バイパス弁の開閉を制御する処理の一例を示すフローチャート、（ｂ）暖機完了後における第２バイパス弁の開閉を制御する処理の一例を示すフローチャート。 暖機アシスト状態にあるときの作動媒体の流れを示す図。 廃熱回収装置による暖機アシストの有無に応じた冷却水温度の推移の一例を示すグラフ。 変形例において、（ａ）第１弁が設置された第１バイパス路を模式的に示す図、（ｂ）第２弁が設置された第２バイパス路を模式的に示す図。 変形例において、廃熱回収装置の一例の概略構成を示す図。

図１〜図５を参照して、廃熱回収装置の一実施形態について説明する。
図１に示すように、廃熱回収装置２０は、ランキンサイクルを利用してエンジン１０の廃熱を回収する。エンジン１０は、エンジン１０が吸入する作動ガスが流れるインテークマニホールド１１と、エンジン１０からの排気ガスが流入するエキゾーストマニホールド１２とを備えている。エンジン１０は、エキゾーストマニホールド１２に接続されて大気中に排出される排気ガスが流れる排気通路１３と、エキゾーストマニホールド１２とインテークマニホールド１１とを接続してエンジン１０の吸気側へ還流される排気ガスが流れるＥＧＲ（ＥＧＲ：Ｅｘｈａｕｓｔ Ｇａｓ Ｒｅｃｉｒｃｕｌａｔｉｏｎ）通路１４とを備えている。

廃熱回収装置２０は、作動媒体が循環する循環回路を構成する第１流通路２１を有している。作動媒体は、エンジン１０を冷却するエンジン冷却水が平衡状態にあるとき、すなわちエンジン１０の暖機が完了した状態にあるときにエンジン冷却水との熱交換によって蒸発可能な熱媒体である。作動媒体は、たとえばペンタン、代替フロン、アンモニア水、アルコールなど、大気圧下において水よりも沸点が低い熱媒体であることが好ましい。廃熱回収装置２０は、第１流通路２１における上流側から順に、第１圧送機２２、前段蒸発器２３、後段蒸発器２４、および、第１膨張機２５を有している。

第１圧送機２２は、液相状態にある作動媒体を第１流通路２１に圧送する電動式のポンプであって、エンジン１０の運転状態に応じた第１圧送量で作動媒体を圧送する。
前段蒸発器２３および後段蒸発器２４は、第１流通路２１に配設された蒸発器を構成し、エンジン１０の廃熱を含む高温媒体との熱交換により、第１圧送機２２が圧送した作動媒体を昇温させる。前段蒸発器２３は、第１流通路２１の一部が低温側流路に設定され、排気通路１３の一部が高温側流路に設定されている。前段蒸発器２３は、作動媒体の流れ方向と排気ガスの流れ方向とが同じ方向に設定された並行流式の熱交換器である。前段蒸発器２３は、排気通路１３を流れる排気ガスと作動媒体との間で熱交換を行うことで作動媒体を昇温させる。

後段蒸発器２４は、前段蒸発器２３の下流側に位置しており、第１流通路２１の一部が低温側流路に設定され、ＥＧＲ通路１４の一部が高温側流路に設定されている。後段蒸発器２４は、作動媒体の流れ方向とＥＧＲガスの流れ方向とが相反する方向に設定された対向流式の熱交換器である。後段蒸発器２４は、作動媒体とＥＧＲガスとの間で熱交換を行うことで作動媒体を昇温しつつＥＧＲガスを冷却する。

こうした前段蒸発器２３および後段蒸発器２４において、作動媒体は、排気通路１３を流れる排気ガスおよびＥＧＲ通路１４を流れる排気ガスであるＥＧＲガスとの熱交換を通じて液相状態から気相状態へと相転移する。第１膨張機２５は、気相状態の作動媒体を膨張させることで作動媒体の熱エネルギーを第１膨張機２５の出力軸２５ａを回転させる力学的エネルギーへと変換する。

なお、前段蒸発器２３が作動媒体とＥＧＲ通路１４を流れるＥＧＲガスとの間で熱交換を行い、後段蒸発器２４が作動媒体と排気通路１３を流れる排気ガスとの間で熱交換を行う構成であってもよい。また、前段蒸発器２３および後段蒸発器２４は対向流式および並行流式のどちらであってもよいし、前段蒸発器２３および後段蒸発器２４のいずれか一方が省略される構成であってもよい。

廃熱回収装置２０は、第１流通路２１における第１膨張機２５の下流に第２膨張機２６と凝縮器２７とを有している。また、廃熱回収装置２０は、第１流通路２１における第１膨張機２５と第２膨張機２６との間に混合器３０と熱交換器３５とを有している。

第２膨張機２６は、後述する熱交換器３５を通過した気相状態の作動媒体を膨張させることにより作動媒体の熱エネルギーを第２膨張機２６の出力軸２６ａを回転させる力学的エネルギーへと変換する。第１膨張機２５の出力軸２５ａと第２膨張機２６の出力軸２６ａは同軸上に配設されており、図示されない減速機を介して機械的に連結されている。減速機においては、エンジン１０の運転状態のうちで最も頻度の高い運転状態において最も効率が高くなるように減速比が規定されている。第１膨張機２５の出力軸２５ａおよび第２膨張機２６の出力軸２６ａの回転により、たとえば発電装置による発電やエンジン１０の出力のアシストが可能となる。

凝縮器２７は、たとえば空冷式の熱交換器であり、第１流通路２１の一部が高温側流路に設定され、走行風や図示しないファンによる送出風が流れる流路が低温側流路に設定されている。凝縮器２７は、第２膨張機２６を通過した気相状態の作動媒体を放熱・凝縮することにより作動媒体を液相状態に相転移させる。

廃熱回収装置２０は、第２流通路２８と第２圧送機２９とを有している。第２流通路２８は、第１流通路２１における凝縮器２７と第１圧送機２２との間に上流端が接続され、第１流通路２１における第１膨張機２５と第２膨張機２６との間に位置する混合器３０に下流端が接続されている。第２流通路２８は、第１流通路２１における凝縮器２７の下流において作動媒体を分流させる分流回路を構成する。第２圧送機２９は、第２流通路２８に配設されており、凝縮器２７で凝縮した作動媒体の一部を第２流通路２８に圧送する。第２圧送機２９は、エンジン１０の運転状態に応じた第２吐出量で作動媒体を圧送する電動式のポンプである。第２流通路２８および第２圧送機２９により、凝縮器２７で凝縮した作動媒体の一部が混合器３０に供給される。

図２（ａ）および図２（ｂ）に示すように、混合器３０においては、第１流通路２１を流れる作動媒体に対して第２流通路２８を流れる作動媒体が混合される。混合器３０は、第１流通路２１を構成する第１配管３１と、第２流通路２８を構成する第２配管３２であって第１配管３１の一部を取り囲む下流端部３３を有する第２配管３２とを有している。第１配管３１には、第２配管３２の下流端部３３で取り囲まれた部分に作動媒体を導入する複数の導入孔３４が形成されている。複数の導入孔３４は、第１配管３１の延在方向および周方向の全体にわたって規則的に配列されている。混合器３０においては、第１配管３１を流れる気相状態の作動媒体に対して、第２配管３２を流れる液相状態の作動媒体が第１配管３１の中心方向へと向かう流れ、すなわち第１配管３１を流れる作動媒体の流れ方向に直交する方向に向かう流れとして流入する。そして、気相状態の作動媒体から液相状態の作動媒体への熱移動が生じることで気相状態の作動媒体の一部が液相状態へと相転移する。作動媒体は、気相状態と液相状態とが混在した状態で混合器３０から流出する。

図１に示すように、熱交換器３５は、エンジン冷却水と作動媒体との間で熱交換を行う。熱交換器３５は、エンジン１０の暖機が完了した状態にあるときには作動媒体を昇温させる。このとき、熱交換器３５は、第１流通路２１の一部が低温側流路に設定され、エンジン冷却水が流れる冷却水回路１５の一部が高温側流路に設定される。また、熱交換器３５は、エンジン１０の暖機状態にあるときにはエンジン冷却水を昇温させる。このとき、熱交換器３５は、第１流通路２１の一部が高温側流路に設定され、冷却水回路１５の一部が低温側流路に設定される。

廃熱回収装置２０は、第１流通路２１において第１膨張機２５を迂回する第１バイパス路３６と、作動媒体の流入先を第１膨張機２５あるいは第１バイパス路３６に切り替え可能な第１三方弁３７と、を有している。第１バイパス路３６は第１膨張機２５についての膨張器バイパス路であり、第１三方弁３７は第１制御弁である。第１バイパス路３６と第１三方弁３７とは第１バイパス部を構成する。廃熱回収装置２０は、作動媒体が第１バイパス路３６に流入して第１膨張機２５を迂回する第１バイパス状態と作動媒体が第１膨張機２５に流入する第１作動状態とを有する。

廃熱回収装置２０は、第２膨張機２６を迂回する第２バイパス路３８と、作動媒体の流入先を第２膨張機２６あるいは第２バイパス路３８に切り替え可能な第２三方弁３９と、を有している。第２バイパス路３８は第２膨張機２６についての膨張器バイパス路であり、第２三方弁３９は第２制御弁である。第２バイパス路３８と第２三方弁３９とは第２バイパス部を構成する。廃熱回収装置２０は、作動媒体が第２バイパス路３８に流入して第２膨張機２６を迂回する第２バイパス状態と、作動媒体が第２膨張機２６に流入する第２作動状態と、を有する。

廃熱回収装置２０は、凝縮器バイパス路４０、気液分離器４１、開閉弁４２、および、逆止弁４３を有している。凝縮器バイパス路４０は、第１流通路２１において凝縮器２７を迂回する流路である。気液分離器４１は、気相状態の作動媒体を凝縮器２７へ向けて通過させる一方で液相状態の作動媒体を凝縮器バイパス路４０に流入させる。開閉弁４２は、凝縮器バイパス路４０を開閉する弁である。逆止弁４３は、第２流通路２８において第２圧送機２９と混合器３０とを接続する下流側第２流通路２８ｂに配置されている。逆止弁４３は、第２圧送機２９から混合器３０への作動媒体の流通を許可し、混合器３０から第２圧送機２９への作動媒体の流通を禁止する。

廃熱回収装置２０は、第１圧送機２２、第２圧送機２９、第１三方弁３７、第２三方弁３９、および、開閉弁４２を制御対象とする制御部５０を有している。制御部５０は、各種情報を取得し、その取得した各種の情報、および、メモリーに記憶したプログラムや各種のデータに基づいて各種の処理を実行する。制御部５０は、ＡＳＩＣ等の１つ以上の専用のハードウェア回路、コンピュータプログラム（ソフトウェア）に従って動作する１つ以上のプロセッサ、或いは、それらの組み合わせ、を含む回路として構成し得る。プロセッサは、ＣＰＵ並びに、ＲＡＭ及びＲＯＭ等のメモリーを含み、メモリーは、処理をＣＰＵに実行させるように構成されたプログラムコードまたは指令を格納している。メモリーすなわちコンピューター可読媒体は、汎用または専用のコンピューターでアクセスできるあらゆる利用可能な媒体を含む。

制御部５０は、エンジン１０の運転状態に関する情報を取得する。運転状態に関する情報は、例えば、エンジン１０の運転状態が暖機状態であるか否かを判断可能となる情報のほか、前段蒸発器２３、後段蒸発器２４、熱交換器３５の各々に対する入熱量が演算可能となる情報である。こうした情報として、制御部５０は、たとえばエンジン回転数や燃料噴射量、エンジン冷却水の冷却水温度や冷却水流量、吸入空気量などを取得する。エンジン回転数、燃料噴射量、および、吸入空気量などは、前段蒸発器２３および後段蒸発器２４における熱交換量に関する情報である。冷却水温度および冷却水流量は、熱交換器３５における熱交換量に関する情報である。

制御部５０は、エンジン冷却水の温度である冷却水温度を検出する冷却水温度センサー５５からの検出信号に基づいて冷却水温度を取得する。そして制御部５０は、取得した冷却水温度が暖機完了温度未満である場合にエンジン１０の運転状態が暖機状態にあると判断する。

制御部５０は、冷却水回路１５にエンジン冷却水を圧送するウォーターポンプ１５Ｐがエンジン１０を動力源とする機械式である場合、エンジン回転数に基づいて冷却水流量を取得する。制御部５０は、ウォーターポンプ１５Ｐがバッテリーを動力源とする電動式である場合、ウォーターポンプ１５Ｐの駆動量を制御するとともにウォーターポンプ１５Ｐの駆動量に基づいて冷却水流量を取得する。

制御部５０は、第１膨張機２５に流入する作動媒体の圧力である第１入口圧力を検出する第１入口圧力センサー５１からの検出信号に基づいて第１入口圧力を取得する。制御部５０は、第１膨張機２５から流出する作動媒体の圧力である第１出口圧力を検出する第１出口圧力センサー５２からの検出信号に基づいて第１出口圧力を取得する。制御部５０は、第２膨張機２６に流入する作動媒体の圧力である第２入口圧力を検出する第２入口圧力センサー５３からの検出信号に基づいて第２入口圧力を取得する。制御部５０は、第２膨張機２６から流出する作動媒体の圧力である第２出口圧力を検出する第２出口圧力センサー５４からの検出信号に基づいて第２出口圧力を取得する。

制御部５０は、第１圧送機２２による作動媒体の第１圧送量、第２圧送機２９による作動媒体の第２圧送量、第１三方弁３７の状態、第２三方弁３９の状態、および、開閉弁４２の開閉を制御する。なお、以下では、エンジン１０が暖機完了後にあるときの廃熱回収装置２０の状態を通常状態といい、エンジン１０が暖機状態にあるときの廃熱回収装置２０の状態を暖機アシスト状態という。

（通常状態）
通常状態における第１圧送量について、制御部５０は、エンジン１０の運転状態に関する情報に基づいて前段蒸発器２３および後段蒸発器２４の各々に対する入熱量を演算し、その演算した入熱量に応じた量の作動媒体が第１流通路２１を流れるように第１圧送機２２を制御する。

通常状態における第２圧送量について、制御部５０は、エンジン１０の運転状態に関する情報に基づいて熱交換器３５に対する入熱量を演算し、その演算した入熱量に応じた量の作動媒体が第２流通路２８を流れるように第２圧送機２９による圧送量を制御する。

通常状態における第１三方弁３７の状態について、制御部５０は、第１入口圧力と第１出口圧力との比である第１膨張比π１に関して、第１膨張機２５の上限膨張比である第１設定値π１ｍａｘをメモリーに保持している。制御部５０は、第１膨張比π１が第１設定値π１ｍａｘ以下に保持されるように第１三方弁３７の状態を制御する。制御部５０は、第１膨張比π１が第１設定値π１ｍａｘ以下に保持されるように第１三方弁３７の状態を制御する。

たとえば、図３（ａ）に示すように、第１三方弁３７の制御において、制御部５０は、第１入口圧力と第１出口圧力とを取得して第１膨張比π１を演算する（ステップＳ１１）。制御部５０は、第１膨張比π１が第１設定値π１ｍａｘ以下である場合（ステップＳ１２：ＹＥＳ）、第１三方弁３７を第１作動状態に制御し（ステップＳ１３）、一連の処理を一旦終了する。一方、制御部５０は、第１膨張比π１が第１設定値π１ｍａｘよりも大きい場合（ステップＳ１２：ＮＯ）、第１三方弁３７を第１バイパス状態に制御し（ステップＳ１４）、一連の処理を一旦終了する。

通常状態における第２三方弁３９の状態について、制御部５０は、第２入口圧力と第２出口圧力との比である第２膨張比π２に関して、第２膨張機２６の上限膨張比である第２設定値π２ｍａｘをメモリーに保持している。制御部５０は、第２膨張比π２が第２設定値π２ｍａｘ以下に保持されるように第２三方弁３９の状態を制御する。

たとえば、図３（ｂ）に示すように、第２三方弁３９の制御において、制御部５０は、まず、第２入口圧力と第２出口圧力とを取得して第２膨張比π２を演算する（ステップＳ２１）。制御部５０は、第２膨張比π２が第２設定値π２ｍａｘ以下である場合（ステップＳ２２：ＹＥＳ）、第２三方弁３９を第２作動状態に制御し（ステップＳ２３）、一連の処理を一旦終了する。一方、第２膨張比π２が第２設定値π２ｍａｘよりも大きい場合（ステップＳ２２：ＮＯ）、制御部５０は、第２三方弁３９を第２バイパス状態に制御し（ステップＳ２４）、一連の処理を一旦終了する。

通常状態における開閉弁４２の開閉について、制御部５０は、開閉弁４２を閉状態に制御する。これにより、凝縮器バイパス路４０に対する作動媒体の流入が規制されることから、第１流通路２１を流される作動媒体の全てが凝縮器２７に流入する。

（暖機アシスト状態）
暖機アシスト状態における第１圧送量について、制御部５０は、エンジン１０の運転状態に関する情報に基づいて、前段蒸発器２３および後段蒸発器２４の各々における作動媒体への入熱量を演算する。制御部５０は、エンジン１０の運転状態に関する情報に基づいて、熱交換器３５における作動媒体の放熱量を演算する。制御部５０は、演算した入熱量と放熱量とに基づいて、熱交換器３５での熱交換によって全ての作動媒体が液相状態となることを優先条件として、熱交換器３５に流入する作動媒体のうちで気相状態にある作動媒体の割合ができるだけ高くなるように第１圧送量を制御する。

制御部５０は、通常状態の圧力である通常圧力よりも高い圧力である暖機用圧力で作動媒体を圧送する。これにより、作動媒体の飽和温度が上昇して作動媒体が液相状態に維持されやすくなることから、排気ガスからの吸熱量、すなわち熱交換器３５に流入する際に作動媒体が有している熱エネルギーを大きくすることができる。

暖機アシスト状態における第２圧送量について、制御部５０は、第２圧送機２９を停止させる。すなわち、制御部５０は、第２流通路２８における作動媒体の流通を停止する。
暖機アシスト状態における第１三方弁３７の状態について、制御部５０は、第１バイパス状態に制御する。すなわち、制御部５０は、全ての作動媒体が第１膨張機２５を迂回するように第１三方弁３７を制御する。

暖機アシスト状態における第２三方弁３９の状態について、制御部５０は、第２バイパス状態に制御する。すなわち、制御部５０は、全ての作動媒体が第２膨張機２６を迂回するように第２三方弁３９を制御する。

暖機アシスト状態における開閉弁４２の開閉について、制御部５０は、開閉弁４２を開状態に制御する。すなわち、制御部５０は、気液分離器４１で分離された作動媒体のうち、気相状態にある作動媒体が凝縮器２７に流入し、液相状態にある作動媒体が凝縮器バイパス路４０を通じて凝縮器２７を迂回するように開閉弁４２を制御する。気液分離器４１および開閉弁４２は、流路選択部を構成する。

（作用）
図４を参照して廃熱回収装置２０の作用について説明する。
図４に示すように、エンジン１０が暖機状態にあるとき、廃熱回収装置２０は、暖機アシスト状態にある。暖機アシスト状態では、第２圧送機２９が停止状態に制御され、第１圧送機２２のみで作動媒体の圧送が行われる。第１圧送機２２で圧送された作動媒体は、前段蒸発器２３および後段蒸発器２４における排気ガスとの熱交換によって昇温すると、第１三方弁３７によって第１膨張機２５を迂回させられたのち、混合器３０を通過して熱交換器３５に流入する。このとき、熱交換器３５では、エンジン冷却水を低温側流体、作動媒体を高温側流体として熱交換が行われることでエンジン冷却水が加熱される。熱交換器３５を通過した作動媒体は、第２三方弁３９によって第２膨張機２６を迂回させられたのち、気液分離器４１によって液相状態の作動媒体と気相状態の作動媒体とに分離される。暖機アシスト状態では開閉弁４２が開状態にあることから、液相状態の作動媒体は、凝縮器バイパス路４０を通じて凝縮器２７を迂回する。一方、気相状態の作動媒体は、凝縮器２７において凝縮されて液相状態へと相転移したのち、凝縮器２７を迂回した作動媒体に合流する。合流後、作動媒体は、第１圧送機２２によって再び圧送される。

エンジン１０の暖機が完了すると、廃熱回収装置２０は、通常状態へ移行する。通常状態において、凝縮器２７によって凝縮された液相状態の作動媒体は、一部が第１流通路２１を流通し、残りが第２流通路２８を流通する。第１流通路２１を流通する作動媒体は、前段蒸発器２３および後段蒸発器２４における排気ガスとの熱交換により液相状態から気相状態へ相転移したのちに第１膨張機２５を駆動し、気相状態のまま混合器３０に流入する。一方、第２流通路２８を流通する作動媒体は、液相状態のまま混合器３０に流入する。混合器３０においては、気相状態の作動媒体と液相状態の作動媒体とが混合され、一部の作動媒体が気相状態から液相状態へと相転移する。その後、混合器３０から流出した作動媒体は、熱交換器３５におけるエンジン冷却水との熱交換によって液相状態から気相状態に相転移したのちに第２膨張機２６を駆動し、凝縮器２７によって再び凝縮される。

上述した廃熱回収装置２０では、暖機アシスト状態においては（１）〜（８）、通常状態においては（９）〜（１８）に列挙する効果が得られる。
（１）暖機アシスト状態にある廃熱回収装置２０は、エンジン１０の廃熱を利用してエンジン冷却水を加熱する。これにより、エンジン１０の暖機を促進させることができ、エンジン１０の暖機を早期に完了させることができる。

図５は、廃熱回収装置２０による暖機アシストの有無に応じた冷却水温度の推移の一例を示したグラフである。このグラフは、以下の条件のもとで行った実験での冷却水温度の測定結果である。図５に示すように、暖機アシストを行うことによって冷却水温度が８０℃に到達するまでの時間が約６％短縮されることが認められた。

・エンジン１０および廃熱回収装置２０を１２時間以上停止させる。
・その後、冷却水温度が６０℃に到達するまでエンジン回転数１０００ｒｐｍ、エンジントルク３００Ｎｍでエンジン１０を駆動する。

・冷却水温度が６０℃に到達したら、以後、エンジン回転数１０００ｒｐｍ、エンジントルク５００Ｎｍでエンジン１０を駆動する。
（２）暖機アシスト状態にある廃熱回収装置２０においては、熱交換器３５から流出する作動媒体が液相状態となるように第１圧送機２２の第１圧送量が制御される。すなわち、第１圧送量は、前段蒸発器２３および後段蒸発器２４で作動媒体が蒸発すると、熱交換器３５でのエンジン冷却水との熱交換により、その蒸発した気相状態の作動媒体が液相状態に相転移するように制御される。その結果、第１圧送機２２が圧送する作動媒体が液相状態となることから、第１圧送機２２による作動媒体の圧送量を高い精度のものとで制御することができる。

（３）暖機アシスト状態にある廃熱回収装置２０において、第１圧送機２２は、通常圧力よりも高い暖機用圧力で作動媒体を圧送している。これにより、作動媒体の飽和温度が上昇することから、熱交換器３５において作動媒体とエンジン冷却水との間に温度差が生じやすくなるとともに、エンジン１０の暖機を促進させることができ、エンジン１０の暖機をより早期に完了させることができる。

（４）暖機アシスト状態にある廃熱回収装置２０では、気液分離器４１で分離された気相状態の作動媒体が凝縮器２７に流入し、気液分離器４１で分離された液相状態の作動媒体が凝縮器バイパス路４０に流入する。これにより、熱交換器３５から流出する作動媒体の一部が気相状態であったとしても、その気相状態の作動媒体の凝縮を効果的に行うことができる。また、液相状態にある作動媒体は、凝縮器２７を通過することに起因する熱エネルギーの損失を生じることなく第１圧送機２２によって再び圧送される。これにより、排気ガスから作動媒体が得た熱エネルギーをエンジン冷却水の加熱に有効的に活用することができる。

（５）廃熱回収装置２０は、凝縮器バイパス路４０に、暖機アシスト状態において開状態に制御され、通常状態において閉状態に制御される開閉弁４２を有している。これにより、エンジン１０が暖機状態にあるときは液相状態の作動媒体が有する熱エネルギーの凝縮器２７での損失を防ぐことができる。また、エンジン１０が暖機状態にないときは全ての作動媒体が凝縮器２７に流入することから、排気ガスを通じたエンジン１０の廃熱回収を効果的に行うことができる。

（６）廃熱回収装置２０は、第１三方弁３７によって第１バイパス状態と第１作動状態とに切り替えられる。このように、第１バイパス状態と第１作動状態とが三方弁によって切り替えられることにより、第１バイパス状態において第１膨張機２５に作動媒体が流入することがない。これにより、第１膨張機２５を通過することに起因した作動媒体の熱エネルギーの損失を抑えることができ、より多くの熱エネルギーをエンジン冷却水の加熱に活用することができる。

（７）廃熱回収装置２０は、第２三方弁３９によって第２バイパス状態と第２作動状態とに切り替えられる。このように、第２バイパス状態と第２作動状態とが三方弁によって切り替えられることにより、第２バイパス状態において第２膨張機２６に作動媒体が流入することがない。これにより、第２膨張機２６を通過することに起因した作動媒体の熱エネルギーの損失を抑えることができ、より多くの熱エネルギーをエンジン冷却水の加熱に活用することができる。

（８）廃熱回収装置２０は、混合器３０と第２圧送機２９との間に逆止弁４３を有している。こうした構成によれば、混合器３０から第２圧送機２９への作動媒体の流通が禁止されるため、第１圧送機２２が圧送した作動媒体の全てを熱交換器３５に流入させることができる。また、こうした逆止弁４３が混合器３０と第２圧送機２９との間に配設されていることにより、混合器３０から逆止弁４３までの配管長が短くなり、混合器３０と逆止弁４３との間の配管部分を通じて作動媒体が失う熱エネルギーを小さくできる。

（９）通常状態にある廃熱回収装置２０は、エンジン１０からの排気ガスだけでなくエンジン冷却水との熱交換によりエンジン１０の廃熱を回収している。また、廃熱回収装置２０は、第１膨張機２５を駆動した作動媒体を高温作動媒体、第２流通路２８を流通している作動媒体を低温作動媒体として、これら高温作動媒体と低温作動媒体とを混合する混合器３０を有している。混合器３０においては、気相状態にある高温作動媒体に対して、気相状態ではなく液相状態にある低温作動媒体が混合されて中温作動媒体が生成される。この混合により、第１膨張機２５を通過した気相状態の作動媒体を凝縮させることができ、エンジン冷却水との熱交換量を大きくすることができる。その結果、エンジンの廃熱を効率よく回収することができる。

（１０）廃熱回収装置２０のように通常状態において排気ガスおよびエンジン冷却水といった２つの熱源を通じてエンジン１０の廃熱を回収する装置においては、車両への搭載性や重量やコスト、これらの観点から各種構成要素の小型化が望まれている。この点、廃熱回収装置２０では、混合器３０によって熱交換器３５に流入する液相状態の作動媒体を昇温させることができ、熱交換器３５において作動媒体を気相状態へ相転移させるために必要となる熱量が少なくなる。その結果、熱交換器３５の小型化を図ることができる。

（１１）混合器３０においては、第１配管３１に複数の導入孔３４が形成されており、高温作動媒体と低温作動媒体との衝突が複数箇所において行われる。また、高温作動媒体と流れ方向と低温作動媒体の流れ方向とが互いに直交する方向に設定される。これらのことから、高温作動媒体と低温作動媒体との接触機会が多くなることで、これら高温作動媒体と低温作動媒体とを効果的に混合させることができる。

（１２）第１膨張機２５を駆動した高温作動媒体に対してエンジン冷却水との熱交換により気相状態へと相転移した低温作動媒体を混合させる構成においては、上述した廃熱回収装置２０よりも第２膨張機２６に流入する作動媒体の温度が高くなる。そのため、第２膨張機２６の下流に位置する凝縮器２７に流入する作動媒体の温度も自ずと高くなる。この点、廃熱回収装置２０においては、高温作動媒体と低温作動媒体とを混合器３０で混合させてから蒸発させている。そのため、第２膨張機２６に流入する作動媒体の温度を抑えることができ、これにより凝縮器２７に流入する作動媒体の温度も抑えることができる。

（１３）第１膨張機２５の出力軸２５ａと第２膨張機２６の出力軸２６ａとが同軸に設定されていることから、飽和温度の異なる２つの系統における出力を１つの系統の出力として取り出すことができる。これにより、各々の系統における出力を各別に取り出す構成に比べて廃熱回収装置２０の省スペース化を図ることができる。

（１４）廃熱回収装置２０は、第１膨張機２５を迂回する第１バイパス路３６と作動媒体の流入先を第１バイパス路３６へ切り替え可能な第１三方弁３７とを有している。また、第１三方弁３７を制御する制御部５０は、第１膨張機２５での第１膨張比を取得し、第１膨張比が第１設定値を超えている場合に第１三方弁３７を第１バイパス状態に制御する。こうした構成によれば、たとえば過回転など、第１膨張機２５に対する負荷を抑えることができる。

（１５）廃熱回収装置２０は、第２膨張機２６を迂回する第２バイパス路３８と作動媒体の流入先を第２バイパス路３８へ切り替え可能な第２三方弁３９とを有している。また、第２三方弁３９を制御する制御部５０は、第２膨張機２６での第２膨張比を取得し、第２膨張比が第２設定値を超えている場合に第２三方弁３９を第２バイパス状態に制御する。こうした構成によれば、たとえば過回転など、第２膨張機２６に対する負荷を抑えることができる。

（１６）蒸発器は、排気ガスと熱交換を行う前段蒸発器２３と、ＥＧＲガスと熱交換を行う後段蒸発器２４とによって構成されている。そのため、エンジン１０の廃熱を効率よく回収しつつＥＧＲガスを冷却することができる。

（１７）前段蒸発器２３がＥＧＲガスでなく排気通路１３を流れる排気ガスとの間で熱交換を行う。そのため、たとえば当該排気通路１３がターボチャージャーを構成するタービンの下流側の部分であり、ＥＧＲガスよりも幾分温度が低いとしても、高温側流体と低温側流体との間の温度差を前段蒸発器２３および後段蒸発器２４の双方において確保することができる。

（１８）第１膨張機２５を駆動して凝縮器２７で作動媒体を凝縮させる構成では、第１膨張機２５から流出した作動媒体の温度が高く大きなエネルギーが残っているため、凝縮器２７における放熱量は大きくなってしまう。この点、廃熱回収装置２０では、作動媒体が第１膨張機２５を駆動した後、更に第２膨張機２６を駆動するため、大きなエネルギーを回収することが出来ると共に、凝縮器２７における放熱量を小さくできるので、凝縮器２７を小さくできる。これにより、廃熱の回収をより精密に行うことが出来る。

本実施形態は、以下のように変更して実施することができる。本実施形態及び以下の変更例は、技術的に矛盾しない範囲で互いに組み合わせて実施することができる。
・廃熱回収装置２０は、第２流通路２８における第２圧送機２９の上流側に逆止弁４３を有していてもよい。

・廃熱回収装置２０において、流路選択部は、気液分離器４１のみで構成されていてもよいし、開閉弁４２のみで構成されていてもよい。また流路選択部は、作動媒体の流入先を凝縮器２７あるいは凝縮器バイパス路４０に切り替え可能な三方弁で構成されていてもよい。こうした構成であっても液相状態にある作動媒体の凝縮器２７での熱エネルギーの損失を抑えることができる。廃熱回収装置２０は、流路選択部を有していなくともよい。

・廃熱回収装置２０は、暖機アシスト状態において、通常状態において第１圧送機２２が圧送する作動媒体の圧力と同じ圧力で作動媒体を圧送してもよい。
・廃熱回収装置２０は、作動媒体の一部が気相状態で熱交換器３５から流出するように第１圧送量を制御してもよい。

・廃熱回収装置２０は、ウォーターポンプ１５Ｐが電動式である場合、作動媒体の第１圧送量ではなく冷却水流量の調整により、熱交換器３５から流出する作動媒体が液相状態となるように調整してもよい。具体的には、制御部５０は、例えば、前段蒸発器２３および後段蒸発器２４における作動媒体への入熱量と熱交換器３５における作動媒体の放熱量とに基づいて冷却水流量を調整する。また、廃熱回収装置２０は、作動媒体の第１圧送量および冷却水流量の双方の調整により、熱交換器３５から流出する作動媒体が液相状態となるように調整してもよい。

・前段蒸発器２３がＥＧＲガスとの間で熱交換を行い、後段蒸発器２４が排気ガスとの間で熱交換を行ってもよい。
・第１膨張機２５の出力軸２５ａと第２膨張機２６の出力軸２６ａとは、同軸に設定されていなくともよい。すなわち、たとえば、第１膨張機２５で発電装置を駆動し第２膨張機２６でエンジン１０の出力をアシストするように、第１膨張機２５の駆動対象と第２膨張機２６の駆動対象とが異なっていてもよい。

・廃熱回収装置２０は、凝縮器２７で凝縮された作動媒体と第１膨張機２５を駆動した作動媒体とが混合器３０で混合したのちに熱交換器３５に流入し、熱交換器３５で蒸発した作動媒体で第２膨張機２６が駆動される構成であればよい。

・混合器３０は、第１膨張機２５を通過した気相状態の作動媒体と凝縮器２７で凝縮された液相状態の作動媒体とを混合するものであればよい。そのため、第１配管３１の一部を第２配管３２の下流端部３３が取り囲む構成に限らず、たとえば第１流通路２１と第２流通路２８の下流端部とが複数の連通孔により互いに連通した状態にて上下方向で並ぶ構成であってもよい。

・混合器３０は、熱交換器３５の下流に備えられて、熱交換器３５で部分的に気化した媒体と、第１膨張機２５を駆動した気体状態の作動媒体を混合器３０で混合し、気化させて第２膨張機２６を駆動させる構成であってもよい。

・排気ガスの熱交換器である前段蒸発器２３とＥＧＲガスの熱交換器である後段蒸発器２４が、それぞれに専用の圧送器を備えた別系統の作動媒体の回路を備えて、別系統の作動媒体の回路が並列に接続して、第１膨張機２５を駆動させる構成であってもよい。

・図６（ａ）に示すように、廃熱回収装置２０は、第１バイパス路３６を開閉する、あるいは、第１バイパス路３６の流路断面積を開度により制御する第１弁６１を有していてもよい。第１弁６１は、第１三方弁３７に代えて、あるいは、第１三方弁３７に加えて設置することが可能であり、制御部５０に制御されることにより第１制御弁として機能可能である。

・図６（ｂ）に示すように、廃熱回収装置２０は、第２バイパス路３８を開閉する、あるいは、第２バイパス路３８の流路断面積を開度により制御する第２弁６２を有していてもよい。第２弁６２は、第２三方弁３９に代えて、あるいは、第２三方弁３９に加えて設置可能であり、制御部５０に制御されることにより第２制御弁として機能可能である。また、第２弁６２を有していることにより、暖機アシスト状態において熱交換器３５に流入する作動媒体の圧力調整および流量調整をより高い精度のもとで行うことができる。

・第２三方弁３９は、第２膨張機２６へ向かう作動媒体の流路断面積よりも第２バイパス路３８へ向かう作動媒体の流路断面積が小さくともよい。こうした構成によれば、第２三方弁３９を第２バイパス状態に制御するだけで作動媒体の圧力を高めることができる。

・図７に示すように、廃熱回収装置２０は、第１膨張機２５および第２膨張機２６を有する構成に限らず、第１膨張機２５のみを有する構成であってもよい。すなわち、廃熱回収装置２０は、第１流通路２１において熱交換器３５の下流に凝縮器２７が配設される構成であってもよい。こうした構成であっても、上記（１）〜（６）に記載した効果に準ずる効果を得ることができる。なお、図７においては、上述した廃熱回収装置２０と同じ機能を有する構成について同じ符号を付している。

１０…エンジン、１１…インテークマニホールド、１２…エキゾーストマニホールド、１３…排気通路、１４…ＥＧＲ通路、１５…冷却水回路、１５Ｐ…ウォーターポンプ、２０…廃熱回収装置、２１…第１流通路、２２…第１圧送機、２３…前段蒸発器、２４…後段蒸発器、２５…第１膨張機、２５ａ…出力軸、２６…第２膨張機、２６ａ…出力軸、２７…凝縮器、２８…第２流通路、２８ｂ…下流側第２流通路、２９…第２圧送機、３０…混合器、３１…第１配管、３２…第２配管、３３…下流端部、３４…導入孔、３５…熱交換器、３６…第１バイパス路、３７…第１三方弁、３８…第２バイパス路、３９…第２三方弁、４０…凝縮器バイパス路、４１…気液分離器、４２…開閉弁、４３…逆止弁、５０…制御部、５１…第１入口圧力センサー、５２…第１出口圧力センサー、５３…第２入口圧力センサー、５４…第２出口圧力センサー、５５…冷却水温度センサー、６１…第１弁、６２…第２弁。

Claims (10)

1. 作動媒体を圧送する圧送機と、
   前記圧送機の下流に位置して前記圧送機が圧送した作動媒体をエンジンの排気ガスとの熱交換により蒸発させる蒸発器と、
   前記蒸発器の下流に位置する膨張機と、
   前記膨張機の下流に位置し、エンジン冷却水と熱交換する熱交換器と、
   前記熱交換器の下流に位置する凝縮器と、
   前記膨張機をバイパスする膨張機バイパス路と、
   前記膨張機バイパス路に対する作動媒体の流入を制御する制御弁と、
   エンジンの運転状態を取得し、前記取得した運転状態に基づいて前記制御弁を制御する制御部と、を備え、
   前記制御部は、前記運転状態が暖機状態にあるとき、前記膨張機バイパス路に作動媒体が流入するように前記制御弁を制御する
   廃熱回収装置。
2. 前記制御部は、前記熱交換器から流出する作動媒体が液相状態となるように作動媒体の圧送量およびエンジン冷却水の冷却水流量の少なくとも一方を制御する
   請求項１に記載の廃熱回収装置。
3. 前記制御部は、前記運転状態が暖機状態にあるときには前記圧送機が圧送する作動媒体の圧力を高める
   請求項１または２に記載の廃熱回収装置。
4. 前記凝縮器をバイパスする凝縮器バイパス路と、
   前記凝縮器バイパス路に対する作動媒体の流入を選択可能な流路選択部と、を備える
   請求項１〜３のいずれか一項に記載の廃熱回収装置。
5. 前記流路選択部は、気相状態の作動媒体を前記凝縮器に流入させるとともに液相状態の作動媒体を前記凝縮器バイパス路に流入させる気液分離器を含む
   請求項４に記載の廃熱回収装置。
6. 前記流路選択部は、前記凝縮器バイパス路を開閉する開閉弁を備え、
   前記制御部は、
   前記運転状態が前記暖機状態にあるときに前記開閉弁を開状態に制御し、
   前記運転状態が前記暖機状態にないときに前記開閉弁を閉状態に制御する
   請求項４または５に記載の廃熱回収装置。
7. 前記制御弁は、前記膨張機に作動媒体を流入させる状態と前記膨張機バイパス路に作動媒体を流入させる状態とを有する三方弁である
   請求項１〜６のいずれか一項に記載の廃熱回収装置。
8. 前記圧送機が第１圧送機であり、
   前記膨張機が第１膨張機であり、
   前記膨張機バイパス路が第１バイパス路であり、
   前記制御弁が第１制御弁であり、
   前記熱交換器と前記凝縮器との間に位置する第２膨張機と、
   前記第２膨張機をバイパスする第２バイパス路と、
   前記制御部によって制御され、前記第２バイパス路に対する作動媒体の流入を制御する第２制御弁と、
   前記凝縮器の下流で分流させた作動媒体を圧送する第２圧送機と、
   前記第１膨張機と前記熱交換器との間に位置し、前記第２圧送機が圧送した作動媒体と前記第１膨張機を通過した作動媒体とを混合する混合器と、
   前記第２圧送機から前記混合器へ向けた作動媒体の流通を許可するとともに前記混合器から前記第２圧送機へ向けた作動媒体の流通を禁止する逆止弁と、を備え、
   前記制御部は、前記運転状態が暖機状態にあるとき、前記第２バイパス路に作動媒体が流入するように前記第２制御弁を制御する
   請求項１〜７のいずれか一項に記載の廃熱回収装置。
9. 前記第２制御弁は、前記第２膨張機に作動媒体を流入させる状態と前記第２バイパス路に作動媒体を流入させる状態とを有する三方弁である
   請求項８に記載の廃熱回収装置。
10. 前記逆止弁は、前記混合器と前記第２圧送機との間に位置している
    請求項８または９に記載の廃熱回収装置。