JP4345752B2

JP4345752B2 - 排熱回収装置

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Publication number: JP4345752B2
Application number: JP2006025881A
Authority: JP
Inventors: 寛矢口; 大作澤田; 信一三谷
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2006-02-02
Filing date: 2006-02-02
Publication date: 2009-10-14
Anticipated expiration: 2026-02-02
Also published as: JP2007205273A; WO2007088463A1; US20090013686A1; US8166759B2; EP1979601A1; EP1979601B1; CN101379285A

Description

本発明は、熱機関の排熱を回収する排熱回収装置に関する。

熱機関を用いることにより、乗用車やバス、トラック等の車両に搭載される内燃機関の排熱を回収する排熱回収装置がある。このような用途に用いられる排熱回収装置としては、例えば、理論熱効率に優れたスターリングエンジンがある。特許文献１には、内燃機関の排ガスの持つ熱エネルギーを回収する排熱回収装置として用いるスターリングエンジンが開示されている。

このスターリングエンジンは、内燃機関とは別個に用意されて、内燃機関の排ガス通路に設けられる。内燃機関の排ガス通路は、スターリングエンジンの熱交換器に通ずる主排ガス通路と、このスターリングエンジンの熱交換器を迂回するバイパス排ガス通路とから構成される。そして、主排ガス通路とバイパス排ガス通路との上流側における分岐点に、スターリングエンジンを保護するための排ガス流量切替手段を備える。

特開２００５−１１３８１０号公報

ところで、特許文献１のように、内燃機関の排ガス通路にスターリングエンジンを設ける場合、内燃機関から排出された排ガスが排熱回収手段であるスターリングエンジンのヒータに到達するまでに排ガスの温度が低くなる。その結果、スターリングエンジンの出力低下を招き、排熱の回収効率が低下する。特に、内燃機関の排ガスのように低質の熱源で駆動される排熱回収装置においては、熱源である排ガスの温度低下によって、排熱の回収効率の低下は大きくなる。また、特許文献１のように、スターリングエンジンと内燃機関とを別個に用意すると、これらを車両に搭載する際の自由度が低下する。

そこで、この発明は、上記に鑑みてなされたものであって、排熱回収手段の出力低下を抑制すること、排熱回収手段を車両に搭載する際の自由度を向上させること、のうち少なくとも一つを達成できる排熱回収装置を提供することを目的とする。

上述の目的を達成するために、本発明に係る排熱回収装置は、燃料と空気とを燃焼させて動力を発生する熱機関と、前記熱機関から排出される排ガスの熱エネルギーを回収して運動エネルギーに変換する排熱回収手段と、を含み、前記熱機関と前記排熱回収手段とを同一の構造体とすることを特徴とする。

この排熱回収装置は、排熱回収手段が、排熱回収対象である熱機関と合体して一体となり、同一の構造体として構成される。これによって、排熱回収装置の寸法を小さくすることができるので、排熱回収手段を車両に搭載する際の自由度を向上させることができる。また、排熱回収手段を熱機関の極めて近くに配置することができるので、熱機関から排出される排ガスの温度低下が小さい状態で、前記排ガスを排熱回収手段に供給することができる。その結果、排熱回収手段の出力低下を抑制できる。

次の本発明に係る排熱回収装置は、前記排熱回収装置において、前記熱機関の排気通路の内部であって、前記熱機関が排ガスを排出する排気口と前記排ガスを浄化するための浄化触媒との間に、前記排熱回収手段が備える熱交換器の少なくともヒータを配置することを特徴とする。

次の本発明に係る排熱回収装置は、前記排熱回収装置において、前記排気口に取り付けられて、前記熱機関が排出する排ガスを前記浄化触媒に導くための排気マニホールド内に、前記排熱回収手段が備える熱交換器の少なくともヒータを配置することを特徴とする。

次の本発明に係る排熱回収装置は、前記排熱回収装置において、前記排気マニホールドと前記熱交換器の少なくともヒータとを一体として構成することを特徴とする。

次の本発明に係る排熱回収装置は、前記排熱回収装置において、前記熱機関の出力軸と前記排熱回収手段の出力軸とが略平行に配置されることを特徴とする。

次の本発明に係る排熱回収装置は、前記熱機関は車両に搭載される内燃機関であり、また、前記排熱回収手段は前記内燃機関とともに前記車両に搭載されるスターリングエンジンであることを特徴とする。

この発明は、排熱回収手段の出力低下を抑制すること、排熱回収装置を車両に搭載する際の自由度を向上させること、のうち少なくとも一つを達成できる。

以下、この発明につき図面を参照しつつ詳細に説明する。なお、この発明を実施するための最良の形態（以下実施形態という）によりこの発明が限定されるものではない。また、下記実施形態における構成要素には、当業者が容易に想定できるもの、あるいは実質的に同一のものが含まれる。なお、以下の説明では、排熱回収手段としてスターリングエンジンを用い、熱機関である内燃機関の排熱を回収する場合を例とする。なお、排熱回収手段としては、スターリングエンジンの他、ブレイトンサイクルを利用した排熱回収装置等を用いることができる。

この実施形態は、排熱回収手段を、排熱の回収対象である熱機関と合体させ、同一の構造体として構成するとともに、熱機関の排ガス排出口と熱機関が排出する排ガスを浄化する浄化触媒との間に、排熱回収手段のヒータを配置する点に特徴がある。まず、この実施形態に係る排熱回収手段の構成を説明する。

図１は、この実施形態に係る排熱回収手段であるスターリングエンジンを示す断面図である。図２は、この実施形態に係る排熱回収手段であるスターリングエンジンが備える空気軸受の構成例を示す断面図である。図３は、ピストンの支持に用いる近似直線機構の例を示す説明図である。この実施形態に係る排熱回収手段であるスターリングエンジン１００は、いわゆるα型の直列２気筒スターリングエンジンである。そして、第１シリンダである高温側シリンダ１０１内に収められた第１ピストンである高温側ピストン１０３と、第２シリンダである低温側シリンダ１０２内に収められた第２ピストンである低温側ピストン１０４とが直列に配置されている。

高温側シリンダ１０１と低温側シリンダ１０２とは、基準体である基板１１１に、直接、又は間接的に支持、固定されている。この実施形態に係るスターリングエンジン１００においては、この基板１１１が、スターリングエンジン１００の各構成要素の位置基準となる。このように構成することで、前記各構成要素の相対的な位置精度を確保できる。また、後述するように、この実施形態に係るスターリングエンジン１００は、高温側シリンダ１０１と高温側ピストン１０３との間、及び低温側シリンダ１０２と低温側ピストン１０４との間に気体軸受ＧＢを介在させる。基準体である基板１１１に、高温側シリンダ１０１と低温側シリンダ１０２とを直接又は間接的に取り付けることにより、ピストンとシリンダとのクリアランスを精度よく保持することができるので、気体軸受ＧＢの機能を十分に発揮させることができる。さらに、スターリングエンジン１００の組み立ても容易になる。

高温側シリンダ１０１と低温側シリンダ１０２との間には、略Ｕ字形状のヒータ（加熱器）１０５と再生器１０６とクーラー１０７とで構成される熱交換器１０８が配置される。ヒータ１０５の一方の端部は高温側シリンダ１０１側に配置され、他方の端部は再生器１０６側に配置される。再生器１０６は、一方の端部がヒータ１０５側に配置され他方の端部はクーラー１０７側に配置される。クーラー１０７の一方の端部は再生器１０６側に配置され、他方の端部は低温側シリンダ１０２側に配置される。

また、高温側シリンダ１０１、低温側シリンダ１０２及び熱交換器１０８内には作動流体（この実施形態では空気）が封入されており、ヒータ１０５から供給される熱及びクーラー１０７で排出する熱によってスターリングサイクルを構成し、スターリングエンジン１００を駆動する。ここで、例えば、ヒータ１０５、クーラー１０７は、熱伝導率が高く耐熱性に優れた材料のチューブを複数束ねた構成とすることができる。また、再生器１０６は、多孔質の蓄熱体で構成することができる。なお、ヒータ１０５、クーラー１０７及び再生器１０６の構成は、この例に限られるものではなく、排熱回収対象の熱条件やスターリングエンジン１００の仕様等によって、好適な構成を選択することができる。

高温側ピストン１０３と低温側ピストン１０４とは、高温側シリンダ１０１と低温側シリンダ１０２内に気体軸受ＧＢを介して支持されている。すなわち、ピストンリングを介さないで、ピストンをシリンダ内に支持する構造である。これによって、ピストンとシリンダとの摩擦を低減して、スターリングエンジン１００の熱効率を向上させることができる。また、ピストンとシリンダとの摩擦を低減することにより、例えば、内燃機関の排熱回収のような低熱源、低温度差の運転条件下においても、スターリングエンジン１００を運転して排熱を回収できる。

気体軸受ＧＢを構成するため、図２に示すように、高温側ピストン１０３と高温側シリンダ１０１とのクリアランスｔｃは、高温側ピストン１０３等の全周にわたって数十μｍとする。なお、低温側ピストン１０４及び低温側シリンダ１０２も同様の構成である。高温側シリンダ１０１と高温側ピストン１０３と低温側シリンダ１０２と低温側ピストン１０４とは、例えば、加工の容易な金属材料を用いて構成することができる。

高温側ピストン１０３、低温側ピストン１０４の往復運動は、コンロッド１０９によって排熱回収手段側クランク軸１１０に伝達され、ここで回転運動に変換される。なお、コンロッド１０９は、図３に示す近似直線機構（例えばグラスホッパ機構）１１３によって支持してもよい。このようにすれば、高温側ピストン１０３及び低温側ピストン１０４を略直線状に往復運動させることができる。このように、コンロッド１０９を近似直線機構１１３によって支持すれば、高温側ピストン１０３のサイドフォースＦ（ピストンの径方向に向かう力）がほとんど０になるので、負荷能力の小さい気体軸受ＧＢによって十分にピストンを支持することができる。

図１に示すように、スターリングエンジン１００を構成する高温側シリンダ１０１、高温側ピストン１０３、コンロッド１０９、排熱回収手段側クランク軸１１０等の各構成要素は、排熱回収手段側筺体１００Ｃに格納される。排熱回収手段側筺体１００Ｃは、排熱回収手段側クランクケース１１４Ａと、排熱回収手段側シリンダブロック１１４Ｂとを含んで構成されている。

後述するように、排熱回収手段側筺体１００Ｃは、排熱回収対象である熱機関の筺体と共通の構造体として構成される。排熱回収手段側筺体１００Ｃ内は、加圧手段１１５により加圧される。これは、高温側及び低温側シリンダ１０１、１０２、及び熱交換器１０８内の作動流体を加圧して、スターリングエンジン１００からより多くの出力を取り出すためである。

また、この実施形態に係るスターリングエンジン１００では、排熱回収手段側筺体１００Ｃにはシール軸受１１６が取り付けられており、排熱回収手段側クランク軸１１０がシール軸受１１６により支持される。排熱回収手段側クランク軸１１０の出力は、フレキシブルカップリング１１８を介して排熱回収手段側筺体１００Ｃの外部へ取り出される。なお、この実施形態において、フレキシブルカップリング１１８には、オルダムカップリングを使用している。次に、このスターリングエンジン１００を排熱回収手段として備える排熱回収装置の構成を説明する。

図４、図５、図６は、この実施形態に係る排熱回収装置の構成を示す説明図である。図４は、前記排熱回収装置の正面図であり、図５、図６は、前記排熱回収装置の平面図である。この実施形態に係る排熱回収装置１０は、排熱回収手段であるスターリングエンジン１００と、排熱回収対象である熱機関の内燃機関２０とを合体させ、一体として構成される。内燃機関２０は、レシプロ式の内燃機関であり、内部をピストン２１が往復運動する複数（この実施形態では４本）のシリンダ２２が直列に配置される。なお、内燃機関２０は、火花点火式であってもディーゼル式であってもよく、点火形式は問わない。また、シリンダ２２の数や配置も問わない。

シリンダ２２は、内燃機関２０の熱機関側シリンダブロック２６内に配置される。ピストン２１は、燃焼室２０Ｂ内で空気と燃料とが燃焼することによってシリンダ２２内を往復運動する。ピストン２１の往復運動は、コネクティングロッド２４を介して熱機関側クランク軸２５に伝達され、回転運動に変換される。シリンダ２２は熱機関側シリンダブロック２６内に設けられる。また、熱機関側クランク軸２５は熱機関側クランクケース２７内に配置される。内燃機関２０の熱機関側筺体２０Ｃは、熱機関側シリンダブロック２６と熱機関側クランクケース２７とを含んで構成される。

この実施形態に係る排熱回収装置１０は、上述したように、排熱回収手段であるスターリングエンジン１００と、内燃機関２０とを合体させて、両者を一体として構成される。これによって、この実施形態に係る排熱回収装置１０では、スターリングエンジン１００と、内燃機関２０とが同一の構造体として取り扱われる。

この実施形態に係る排熱回収装置１０では、スターリングエンジン１００の排熱回収手段側筺体１００Ｃと、内燃機関２０の熱機関側筺体２０Ｃとを合体し、両者を一体とした排熱回収装置筺体とする。これによって、この実施形態に係る排熱回収装置１０では、スターリングエンジン１００と、内燃機関２０とは同一の構造体として取り扱われる。そして、内燃機関２０又はスターリングエンジン１００の少なくとも一方が運転中である場合には、両者は一体不可分の構造体として取り扱われる。

なお、排熱回収手段側筺体１００Ｃと熱機関側筺体２０Ｃとを合体させて一体とするにあたっては、すべてを同一の構造体とする必要はなく、一部を同一の構造体としてもよい。例えば、排熱回収手段側クランクケース１１４Ａと熱機関側クランクケース２７とを同一の構造体として製造する。もちろん、排熱回収手段側シリンダブロック１１４Ｂと熱機関側シリンダブロック２６とを同一の構造体として製造してもよい。また、同一の構造体として製造した排熱回収手段側クランクケース１１４Ａ及び熱機関側クランクケース２７と、排熱回収手段側シリンダブロック１１４Ｂ及び熱機関側シリンダブロック２６とを合体させ一体として、排熱回収装置１０の筐体としてもよい。

スターリングエンジン１００と、内燃機関２０とを合体させるためには、例えば、排熱回収手段側筺体１００Ｃと、熱機関側筺体２０Ｃとを、例えば鋳造によって同一の構造体として製造する手法がある。また、排熱回収手段側筺体１００Ｃと、熱機関側筺体２０Ｃとを別個の構造体として用意して、両者をボルト等の締結手段で取り付けて合体させたり、両者を溶接等の接合手段によって合体させたりする手法もある。

この実施形態に係る排熱回収装置１０は、内燃機関２０又はスターリングエンジン１００の少なくとも一方が運転中である場合に同一の構造体であればよい。したがって、この実施形態においては、上記いずれの手法を用いてスターリングエンジン１００と内燃機関２０とを合体させて排熱回収装置１０を構成した場合であっても、同一の構造体という概念に含まれる。

このように、スターリングエンジン１００と、内燃機関２０とを合体させ、両者を一体として排熱回収装置１０を構成することにより、排熱回収装置１０をコンパクトにすることができる。その結果、内燃機関２０を含む排熱回収装置１０を車両に搭載する際における配置の自由度が向上する。また、スターリングエンジン１００を内燃機関２０の補機（例えばウォーターポンプ）として使う場合も、補機が内燃機関２０の近傍に配置されることになるので、補機と内燃機関２０との配線や配管を短くすることができる。

なお、排熱回収手段であるスターリングエンジン１００は、上述したように、排熱回収手段側筺体１００Ｃ内が加圧される。すなわち、スターリングエンジン１００の運転中、すなわち排熱回収中においては、排熱回収手段側筺体１００Ｃ内の平均圧力は、熱機関側筺体２０Ｃ内の平均圧力よりも高くなる。このため、排熱回収手段側筺体１００Ｃ内の圧力が熱機関側筺体２０Ｃ内へ漏れないように、排熱回収手段側筺体１００Ｃの内部と、熱機関側筺体２０Ｃの内部とは、仕切り手段（例えば仕切り板）１１によって仕切られる。これによって、排熱回収手段側筺体１００Ｃの内部と、熱機関側筺体２０Ｃの内部とを、別個独立の空間として取り扱うことができる。そして、排熱回収手段側筺体１００Ｃ内の圧力を、熱機関側筺体２０Ｃ内の圧力とは別個独立に調整することができる。

この実施形態に係る排熱回収装置１０は、内燃機関２０から排出される排ガスＥｘの熱エネルギーを、スターリングエンジン１００の出力として回収する。排ガスＥｘは、内燃機関２０のシリンダヘッド２３に設けられる排気口２３ｅ、及び排気口２３ｅに取り付けられる排気マニホールド２８を通って内燃機関２０の燃焼室２０Ｂから排出される。排気マニホールド２８は、内燃機関２０の各燃焼室２０Ｂから排出される排ガスＥｘを通過させる排ガス通路である。排気マニホールド２８は浄化触媒２９に接続されており、内燃機関２０から排出された排ガスＥｘは、浄化触媒２９で未燃のＨＣや一酸化炭素（ＣＯ）等が浄化されてから、大気中へ排出される。

この実施形態に係る排熱回収装置１０は、内燃機関２０の排気口２３ｅから浄化触媒２９までの間における排ガス通路内に、スターリングエンジン１００の熱交換器１０８（図１参照）が備えるヒータ１０５が配置される。この実施形態では、排気マニホールド２８内が、内燃機関２０の排気口２３ｅから浄化触媒２９までの間における排ガス通路内に相当する。また、内燃機関２０のシリンダ中心軸Ｚｃ＿ｅと、スターリングエンジン１００のシリンダ中心軸Ｚｃ＿ｓとは、ほぼ平行に配置される。これによって、スターリングエンジン１００を内燃機関２０に最接近して配置することができる。その結果、内燃機関２０の燃焼室２０Ｂから排出された直後における、最も温度が高い状態の排ガスＥｘによってスターリングエンジン１００が駆動されるので、スターリングエンジン１００、すなわち排熱回収装置１０の出力低下を抑制できる。

また、この実施形態に係るスターリングエンジン１００が備えるヒータ１０５は、略Ｕ字形状をしているので、排気マニホールド２８内のように比較的狭い空間内であっても容易に配置できる。なお、ヒータ１０５とともに、熱交換器１０８が備える再生器１０６（図１参照）を、内燃機関２０の排気口２３ｅから浄化触媒２９までの間における排ガス通路内（排気マニホールド２８内）に配置してもよい。

この実施形態に係る内燃機関２０及びスターリングエンジン１００を備える排熱回収装置１０を車両に搭載する場合、スターリングエンジン１００の熱交換器１０８が備えるクーラー１０７は、内燃機関２０の冷却水によって冷却される。この実施形態に係る排熱回収装置１０では、スターリングエンジン１００と、内燃機関２０とを合体させて、両者を一体として構成されるので、クーラー１０７は内燃機関２０に近接した位置に配置される。これによって、内燃機関２０の冷却水をクーラー１０７へ導くための冷却水経路を必要最小限に抑えることができる。その結果、冷却水経路による圧力損失を最小限に抑制できる。

この実施形態に係る排熱回収装置１０では、内燃機関２０の出力軸である熱機関側クランク軸２５と、スターリングエンジン１００の出力軸である排熱回収手段側クランク軸１１０とが平行に配置される。すなわち、熱機関側クランク軸２５の回転中心（内燃機関回転）Ｚｅと、排熱回収手段側クランク軸１１０の回転中心（スターリングエンジン側回転）Ｚｓとが平行に配置される。これによって、排熱回収装置１０の幅方向（排熱回収手段側クランク軸１１０と直交する方向、図４、図５中の矢印Ｗ方向）における寸法の増加を抑制できる。

また、排熱回収手段側クランク軸１１０と熱機関側クランク軸２５とが平行であるため、排熱回収手段側クランク軸１１０の出力を、熱機関側クランク軸２５を介して取り出す場合には、比較的簡単な構造で済むという利点がある。すなわち、例えば、排熱回収手段側クランク軸１１０と熱機関側クランク軸２５とが直交して配置される場合、排熱回収手段側クランク軸１１０の出力方向を一旦９０度変更する必要があるが、両者が平行に配置される場合には、この必要はない。

排熱回収手段であるスターリングエンジン１００は、ヒータ１０５の取り回しに制限がある。特に、排熱回収対象が車両に搭載される内燃機関であるような場合、ヒータ１０５の取り回しの制限は大きくなる。ここで、より高い温度の排ガスＥｘを利用するためには、可能な限り、排熱回収対象である内燃機関２０に近い位置に搭載する必要がある。そして、内燃機関２０の排気口２３ｅから排出された直後の排ガスＥｘは温度が最も高くなるため、これを利用するためには、スターリングエンジン１００のヒータ１０５を、内燃機関２０に最接近させて配置する必要がある。

これを実現するため、この実施形態に係る排熱回収装置１０は、内燃機関２０とスターリングエンジン１００とを同一の構造体とすることによって一体化して構成し、内燃機関１０のシリンダとスターリングエンジン１００のシリンダとを最接近させる。これによって、内燃機関２０の出力軸である熱機関側クランク軸２５と、スターリングエンジン１００の出力軸である排熱回収手段側クランク軸１１０とがほぼ平行となり、かつ、スターリングエンジン１００のヒータ１０５を、内燃機関２０の排気マニホールド２８内に配置することができる。その結果、車両のように、ヒータ１０５の取り回しに制限が多いものに対して排熱回収対象である内燃機関２０を搭載するような場合であっても、内燃機関２０の排気口２３ｅから排出された直後の温度の高い排ガスＥｘから熱エネルギーを回収することができる。

図７は、この実施形態に係る排熱回収装置の他の構成例を示す説明図である。この排熱回収装置１０'は、上記排熱回収装置１０（図４参照）とほぼ同様であるが、内燃機関２０のシリンダ中心軸Ｚｃ＿ｅと、スターリングエンジン１００'のシリンダ中心軸Ｚｃ＿ｓとが傾斜している点が異なる。

この排熱回収装置１０'は、内燃機関２０のシリンダ中心軸Ｚｃ＿ｅと、スターリングエンジン１００'のシリンダ中心軸Ｚｃ＿ｓとが、所定の角度θだけ傾斜している。これによって、スターリングエンジン１００'の排熱回収手段側筺体１００Ｃ'を構成する排熱回収手段側シリンダブロック１１４Ｂ'と、内燃機関２０の熱機関側筺体２０Ｃを構成する熱機関側シリンダブロック２６とは、所定の角度θだけ傾いて配置される。

このようにすることで、内燃機関２０の排気口２３ｅとスターリングエンジン１００'のヒータ１０５との距離を稼ぐことができる。その結果、内燃機関２０の排気口２３ｅとスターリングエンジン１００'のヒータ１０５との距離が近接しすぎて、ヒータ１０５を排気マニホールド２８内に配置しにくいような場合でも、ヒータ１０５を排気マニホールド２８内に配置しやすくなる。

図８、図９は、この実施形態に係る排熱回収装置の他の構成例を示す説明図である。図８は正面図であり、図９は平面図である。この排熱回収装置１０ａは、２個の上記排熱回収装置１０（図４、図５、図６参照）を、内燃機関側回転軸Ｚｅの方向からみた場合にＶ型となるように組み合わせて構成される。すなわち、内燃機関２０は、Ｖ型のシリンダ配置となる。

この場合、内燃機関２０の排気口２３ｅ及び排気マニホールド２８は排熱回収装置１０ａの幅方向外側に設けられるので、スターリングエンジン１００も、排熱回収装置１０ａの幅方向外側に設けられる。図８に示す排熱回収装置１０ａでは、排熱回収手段側クランク軸１１０と熱機関側クランク軸２５とが平行に配置されるので、２個の排熱回収装置１０をＶ型に配置した場合においても、排熱回収装置１０ａの幅方向（図８、図９の矢印Ｗ方向）における寸法の増加を抑制することができる。

また、この実施形態では、排熱回収装置１０を、熱機関側クランク軸２５と排熱回収手段側クランク軸１１０とを平行に配置したスターリングエンジン１００と内燃機関２０とのユニットとする。これによって、前記排熱回収装置１０を基本形として展開することができるので、例えば、内燃機関のシリンダの配置を変更する際には比較的容易に対応できる。

図１０は、この実施形態の変形例に係る排熱回収装置が備える排熱回収手段を示す断面図である。この排熱回収装置１０ｂは、上記排熱回収装置１０と略同様の構成であるが、排気通路を構成する排気マニホールド２８と、排熱回収手段であるスターリングエンジン１００ｂの熱交換器１０８が備えるヒータ（受熱手段）１０５とを一体に構成する点が異なる。他の構成は、上記排熱回収装置１０と同様である。

スターリングエンジン１００ｂが備えるヒータ１０５の高温側シリンダ１０１側及び再生器１０６側には、フランジ１０５Ｆが取り付けられている。排気マニホールド２８には、ヒータ１０５を内部に入れるための開口部２８ｈが設けられている。ヒータ１０５は、前記開口部２８ｈを通って排気マニホールド２８内に配置される。なお、排気マニホールド２８内には少なくともヒータ１０５が配置されていればよく、熱交換器１０８の再生器１０６を排気マニホールド２８内に配置してもよい。

排気マニホールド２８とヒータ１０５とは、排気マニホールド２８とヒータ１０５のフランジ１０５Ｆとを、締結手段であるボルト１２０及びナット１２１で締結することによって取り付けられ、一体化される。なお、フランジ１０５Ｆと排気マニホールド２８との間には、密封手段としてガスケットが設けられる。

ヒータ１０５と高温側シリンダ１０１、及びヒータ１０５と再生器１０６の間には密封手段としてガスケットを介在させ、ヒータ１０５と高温側シリンダ１０１、及びヒータ１０５と再生器１０６が接続される。この変形例のように、排熱回収手段であるスターリングエンジン１００ｂの少なくともヒータ１０５と、排熱回収対象である内燃機関の排気マニホールドとを一体化させることにより、排気マニホールド２８を内燃機関とスターリングエンジン１００ｂとに取り付け、取り外しする際の作業が容易になる。

以上、この実施形態では、排熱回収手段と、排熱の回収対象である熱機関とを合体させ、同一の構造体として排熱回収装置を構成する。これによって、排熱回収装置をコンパクトにすることができるので、熱機関及び排熱回収手段を含む排熱回収装置を車両に搭載する際における配置の自由度が向上する。

また、熱機関の排ガス排出口と、熱機関が排出する排ガスを浄化する浄化触媒との間に、排熱回収手段のヒータを配置する。これによって、排熱回収手段は、熱機関から排出された直後における、最も温度が高い状態の排ガスによって駆動されるので、排熱回収手段の出力低下を抑制できる。

また、この実施形態では、排熱回収対象である内燃機関を車両に搭載して動力発生源とし、また、排熱回収手段であるスターリングエンジンを前記内燃機関と一体に構成して、同じ車両に搭載する。これによって、内燃機関の燃焼室から排出された直後における、最も温度が高い状態の排ガスによってスターリングエンジンを駆動することができるので、スターリングエンジンからより多くの出力を取り出すことができる。また、スターリングエンジンと内燃機関とを一体に構成することによって、両者をコンパクトに構成することができるため、車両のように、スターリングエンジンを搭載する上での制約が厳しい条件下においても、スターリングエンジンの搭載性を確保することができる。

以上のように、本発明に係る排熱回収装置は、熱機関等の排熱を回収することに有用であり、特に、排熱回収手段から取り出される出力の低下を抑制することに適している。

この実施形態に係る排熱回収手段であるスターリングエンジンを示す断面図である。この実施形態に係る排熱回収手段であるスターリングエンジンが備える空気軸受の構成例を示す断面図である。ピストンの支持に用いる近似直線機構の例を示す説明図である。この実施形態に係る排熱回収装置の構成を示す説明図である。この実施形態に係る排熱回収装置の構成を示す説明図である。この実施形態に係る排熱回収装置の構成を示す説明図である。この実施形態に係る排熱回収装置の他の構成例を示す説明図である。この実施形態に係る排熱回収装置の他の構成例を示す説明図である。この実施形態に係る排熱回収装置の他の構成例を示す説明図である。この実施形態の変形例に係る排熱回収装置が備える排熱回収手段を示す断面図である。

符号の説明

１０、１０'、１０ａ、１０ｂ排熱回収装置
１１仕切り手段
２０内燃機関
２０Ｃ熱機関側筺体
２３ｅ排気口
２４コネクティングロッド
２５熱機関側クランク軸
２６熱機関側シリンダブロック
２７熱機関側クランクケース
２８排気マニホールド
２９浄化触媒
１００、１００ｂスターリングエンジン
１００Ｃ排熱回収手段側筺体
１０５ヒータ
１０６再生器
１０７クーラー
１０８熱交換器
１０９コンロッド
１１０排熱回収手段側クランク軸
１１４Ａ排熱回収手段側クランクケース
１１４Ｂ排熱回収手段側シリンダブロック

Claims

燃料と空気とを燃焼させて動力を発生する熱機関と、
前記熱機関から排出される排ガスの熱エネルギーを回収して運動エネルギーに変換する排熱回収手段と、を含み、
前記熱機関の筐体と前記排熱回収手段の筐体とを合体させ、前記熱機関と前記排熱回収手段とを同一の構造体とし、
前記熱機関の出力軸と前記排熱回収手段の出力軸とをそれぞれ別個に設けるとともに、前記熱機関の出力軸と前記排熱回収手段の出力軸とが略平行に配置され、かつ、前記熱機関と前記排熱回収手段とは、前記排熱回収手段の出力軸と直交する方向に配置されて合体され、さらに、
前記熱機関の筐体の内部と前記排熱回収手段の筐体の内部とは、仕切り手段によって仕切られることを特徴とする排熱回収装置。
前記熱機関の排気通路の内部であって、前記熱機関が排ガスを排出する排気口と前記排ガスを浄化するための浄化触媒との間に、前記排熱回収手段が備える熱交換器の少なくともヒータを配置することを特徴とする請求項１に記載の排熱回収装置。
前記排気口に取り付けられて、前記熱機関が排出する排ガスを前記浄化触媒に導くための排気マニホールド内に、前記排熱回収手段が備える熱交換器の少なくともヒータを配置することを特徴とする請求項２に記載の排熱回収装置。
前記排気マニホールドと前記熱交換器の少なくともヒータとを一体として構成することを特徴とする請求項３に記載の排熱回収装置。
前記熱機関は車両に搭載される内燃機関であり、また、前記排熱回収手段は前記内燃機関とともに前記車両に搭載されるスターリングエンジンであることを特徴とする請求項１〜４のいずれか１項に記載の排熱回収装置。