JP5247734B2 - 排熱回生システム - Google Patents

Description

この発明は、内燃機関（例えば自動車のエンジン等）からの排熱を動力として回生する排熱回生システムに関するものである。

従来、例えば自動車等の機器の運転効率の向上のために、エンジン等からの排熱をランキンサイクルの利用により動力として回生する排熱回生システムが知られている。

従来の排熱回生システムは、内燃機関の排熱で冷媒を加熱して蒸発させる蒸発器と、蒸発された冷媒を膨張させて駆動力を発生させる膨張機と、膨張後の冷媒を凝縮させて液化する凝縮器と、液化された冷媒を蒸発器へ圧送して循環させるポンプとを有している。膨張機で発生した駆動力は、ベルト式無段変速機及び遊星歯車機構を含む動力伝達装置を介して、例えば内燃機関の駆動等に利用される（例えば特許文献１参照）。

特開２００１−２２７６１６号公報

しかし、従来の排熱回生システムでは、ベルト式無段変速機及び遊星歯車機構を含む動力伝達装置が膨張機と内燃機関等との間に介在しているので、動力伝達装置を設置するためのスペースが必要になる。これにより、排熱回生システム全体が大形化してしまう。また、動力伝達装置内で駆動力を伝達するときに損失が発生するので、膨張機からの駆動力の内燃機関等への伝達効率も低下してしまう。

この発明は、上記のような課題を解決するためになされたものであり、小形化を図ることができるとともに、内燃機関への出力の伝達効率の向上を図ることができる排熱回生システムを得ることを目的とする。

この発明に係る排熱回生システムは、内燃機関の排熱によって作動流体を蒸発させる熱交換装置、内燃機関の出力軸と一体に回転される主軸を有し、熱交換装置からの作動流体を膨張させることにより主軸に回転力を与える膨張機、膨張機で膨張された作動流体を凝縮させる凝縮器、及び凝縮器で凝縮された作動流体を熱交換装置へ送るポンプを備えている。

この発明に係る排熱回生システムでは、膨張機の主軸が内燃機関の出力軸と一体に回転されるので、膨張機と内燃機関との間に動力伝達装置を設置する必要がなくなり、動力伝達装置を設置するスペースをなくすことができる。これにより、排熱回生システムの小形化を図ることができる。また、動力伝達装置をなくすことができるので、動力伝達装置内を伝達されるときの駆動力の損失をなくすことができ、排熱回生システムからの出力の内燃機関への伝達効率の向上も図ることができる。

この発明の実施の形態１による排熱回生システムを示す構成図である。 図１の膨張機及びポンプを示す縦断面図である。 図２のIII-III線に沿った断面図である。 この発明の実施の形態２による排熱回生システムを示す構成図である。 第１の切替弁を示す構成図である。 第２の切替弁を示す構成図である。 排ガス用切替弁を示す構成図である。 この発明の実施の形態３による排熱回生システムを示す構成図である。 この発明の実施の形態４による排熱回生システムを示す構成図である。

実施の形態１．
図１は、この発明の実施の形態１による排熱回生システムを示す構成図である。図において、排熱回生システム１は、熱交換装置２、膨張機３、凝縮器４及びポンプ（冷媒ポンプ）５を有している。熱交換装置２、膨張機３、凝縮器４及びポンプ５間には、排熱回生システム１の作動流体である冷媒を導く循環流路６が接続されている。冷媒は、熱交換装置２、膨張機３、凝縮器４及びポンプ５の順に循環流路６を流れ、熱交換装置２に戻る。即ち、冷媒は、循環流路６を通って熱交換装置２、膨張機３、凝縮器４及びポンプ５間を循環される。排熱回生システム１の熱力学サイクルは、ランキンサイクルとされている。冷媒としては、例えば冷媒Ｒ１３４ａ等が用いられる。

内燃機関であるエンジン７は、駆動力を発生するエンジン本体８と、エンジン本体８に設けられ、エンジン本体８により回転される出力軸９とを有している。出力軸９は、図示しない被駆動部（この例では、自動車の変速機）に連結されている。エンジン７による駆動力は、出力軸９の回転により被駆動部へ出力される。

エンジン７には、エンジン７を冷却する冷却水が流れる冷却水流路１０と、エンジン７からの排ガスが流れる排ガス流路１１とが接続されている。冷却水流路１０には、冷却水ポンプ１２が設けられている。

冷却水は、冷却水ポンプ１２の動力により、冷却水流路１０を通ってエンジン７及び熱交換装置２間を循環される。冷却水は、エンジン７で発生した排熱により加熱され、熱交換装置２へ送られる。熱交換装置２に達した冷却水は、熱交換装置２内を通ってエンジン７に戻される。冷却水の温度は、エンジン７での加熱により約９０〜１００℃となる。

エンジン７からの排ガスは、排ガス流路１１を通って熱交換装置２へ送られる。熱交換装置２に達した排ガスは、熱交換装置２内を通って外部に放出される。排ガスの温度は、エンジン７の排熱で排ガスが加熱されることにより約３００〜４００℃となる。

熱交換装置２は、エンジン７からの冷却水とポンプ５からの冷媒との間で熱交換を行う第１の熱交換器１３と、第１の熱交換器１３からの冷媒とエンジン７からの排ガスとの間で熱交換を行う第２の熱交換器１４とを有している。

第１の熱交換器１３には、ポンプ５からの冷媒が流入する入口（冷媒入口）１３ａと、第１の熱交換器１３内の冷媒が流出する出口（冷媒出口）１３ｂと、冷却水が流入する冷却水入口１３ｃと、冷却水が流出する冷却水出口１３ｄとが設けられている。第１の熱交換器１３では、冷却水と冷媒との間で熱交換が行われることにより、冷却水が冷却され、冷媒が加熱される。即ち、冷媒には、エンジン７からの排熱が冷却水を介して与えられる。これにより、冷媒は、温度が約９０℃の高圧蒸気となる。第１の熱交換器１３で高圧蒸気となった冷媒は、第１の熱交換器１３の出口１３ｂから循環流路６を通って第２の熱交換器１４へ送られる。第１の熱交換器１３で冷却された冷却水は、第１の熱交換器１３の冷却水出口１３ｄから冷却水流路１０を通ってエンジン７へ送られる。

第２の熱交換器１４には、第１の熱交換器１３からの冷媒が流入する入口（冷媒入口）１４ａと、第２の熱交換器１４内の冷媒が流出する出口（冷媒出口）１４ｂと、エンジン７からの排ガスが流入する排ガス入口１４ｃと、排ガスが流出する排ガス出口１４ｄとが設けられている。第２の熱交換器１４では、排ガスと冷媒との間で熱交換が行われることにより、排ガスが冷却され、冷媒が加熱される。即ち、冷媒には、エンジン７からの排熱が排ガスを介して与えられる。これにより、冷媒は、温度が約１２０〜１３０℃の過熱蒸気となる。第２の熱交換器１４で過熱蒸気となった冷媒は、第２の熱交換器１４の出口１４ｂから循環流路６を通って膨張機３へ送られる。第２の熱交換器１４で冷却された排ガスは、第２の熱交換器１４の排ガス出口１４ｄから排ガス流路１１を通って外部へ放出される。

即ち、熱交換装置２は、エンジン７の排熱により冷媒を蒸発させて過熱蒸気とする。

膨張機３は、第２の熱交換器１４からの冷媒（即ち、過熱蒸気となった冷媒）を膨張させる膨張機本体１５と、膨張機本体１５に回転可能に設けられ、ポンプ５を貫通する主軸１６とを有している。膨張機３及びポンプ５は、一体となっている。

主軸１６は、エンジン７の出力軸９と連結されている。これにより、主軸１６は、出力軸９と一体に回転される。また、主軸１６には、膨張機本体１５での冷媒の膨張により回転力が与えられる。膨張機３は、主軸１６に回転力が与えられることにより、エンジン７の出力軸９の回転を助ける動力（回生力）を発生する。

冷媒は、膨張機３で膨張されることにより、温度が約７０℃の蒸気となる。膨張機３で膨張された冷媒は、循環流路６を通って凝縮器４へ送られる。

凝縮器４は、膨張機３で膨張された冷媒を冷却することにより冷媒の状態を液体状態とする（即ち、冷媒を液化する）。この例では、凝縮器４の冷却方式が空冷方式とされている。従って、冷媒は、凝縮器４を通ることにより外気へ放熱しながら凝縮される。冷媒の温度は、冷媒が凝縮器４で凝縮されることにより約３０℃となる。凝縮器４には、膨張機３からの冷媒が流入する入口（冷媒入口）４ａと、凝縮器４内の冷媒が流出する出口（冷媒出口）４ｂとが設けられている。凝縮器４で液化された冷媒は、凝縮器４の出口４ｂから循環流路６を通ってポンプ５へ送られる。

ポンプ５は、膨張機３の主軸１６が回転されることにより、液体状態の冷媒を圧送する。即ち、膨張機３の主軸１６の回転力が、冷媒を圧送するポンプ５の動力となる。冷媒は、循環流路６を通って第１の熱交換器１３へ送られる。熱交換装置２、膨張機３、凝縮器４及びポンプ５間の冷媒の循環は、ポンプ５の動力により行われる。

図２は、図１の膨張機３及びポンプ５を示す縦断面図である。また、図３は、図２のIII-III線に沿った断面図である。図において、膨張機３及びポンプ５は、共通の密閉容器１７に設けられることにより一体化されている。密閉容器１７には、互いに分離された膨張機室１８及びポンプ室１９と、ポンプ室１９に低圧路２２を介して連通された低圧室２０と、ポンプ室１９に高圧路２３（図３）を介して連通された高圧室２１とが設けられている。

また、密閉容器１７には、熱交換装置２からの冷媒を膨張機３へ流入させる膨張機３の入口（冷媒入口）３ａと、膨張機３内の冷媒を凝縮器４へ流出させる膨張機３の出口（冷媒出口）３ｂと、凝縮器４からの冷媒をポンプ５へ流入させるポンプ５の入口（冷媒入口）５ａと、ポンプ５内の冷媒を熱交換装置２へ流出させるポンプ５の出口（冷媒出口）５ｂとが設けられている。膨張機３の入口３ａは膨張室３０に連通し、出口３ｂは膨張機室１８に連通している。ポンプ５の入口５ａは低圧室２０に連通し、ポンプ５の出口５ｂは高圧室２１に連通している。

主軸１６は、膨張機室１８内からポンプ室１９を通って密閉容器１７外へ突出している。出力軸９には、主軸１６の突出端部が連結されている。また、主軸１６は、膨張機室１８内に設けられた軸受２４を介して密閉容器１７に回転自在に支持されている。

主軸１６は、ポンプ室１９を通された中心軸部２５と、中心軸部２５の軸線に対して偏芯し、膨張機室１８内に配置された偏芯軸部２６とを有している。主軸１６は、中心軸部２５の軸線を中心に回転される。従って、主軸１６の回転時には、偏芯軸部２６は中心軸部２５の軸線を中心とする所定の円軌道上を移動される。

膨張機本体１５は、膨張機室１８内に配置されている。また、膨張機本体１５は、膨張機室１８内に固定された固定スクロール２７と、偏芯軸部２６に軸受２９を介して回転自在に設けられ、固定スクロール２７に噛み合う旋回スクロール２８とを有している。固定スクロール２７と旋回スクロール２８との間には、固定スクロール２７及び旋回スクロール２８が噛み合うことにより形成された膨張室３０が設けられている。

固定スクロール２７には、入口３ａからの冷媒を膨張室３０へ導く吸入路３４が設けられている。旋回スクロール２８は、主軸１６の回転により中心軸部２５の軸線を中心とする所定の円軌道上を移動される（即ち、旋回移動される）。膨張室３０の容積は、旋回スクロール２８の旋回移動により変化する。

入口３ａからの冷媒は、旋回スクロール２８の旋回移動により吸引されながら吸入路３４を通って膨張室３０に導かれ、膨張室３０内で膨張された後、膨張機室１８内に排出される。膨張機室１８内に排出された冷媒は、出口３ｂから循環流路６へ流出される。即ち、膨張機３は、スクロール型膨張機とされている。

ポンプ５は、互いに噛み合った状態でポンプ室１９内に設けられた第１ギヤ３１及び第２ギヤ３２を有している。第１ギヤ３１は、中心軸部２５に固定されている。第１ギヤ３１は、中心軸部２５の軸線を中心として主軸１６と一体に回転される。第２ギヤ３２は、第１ギヤ３１の回転に伴って回転される。

ポンプ５の入口５ａから低圧室２０に送られた冷媒は、第１ギヤ３１及び第２ギヤ３２の回転により、低圧路２２を通って高圧路２３へ圧送される。高圧路２３に送られた冷媒は、高圧室２１に送られた後、出口５ｂから循環流路６へ流出される。即ち、ポンプ５は、ギヤ式ポンプとされている。なお、密閉容器１７と中心軸部２５との間には、冷媒の漏れを防止するためのシール３３が設けられている。

次に、動作について説明する。エンジン７の駆動力により出力軸９が回転されると、主軸１６が出力軸９と同期して回転される。これにより、第１ギヤ３１及び第２ギヤ３２が回転され、液体状態の冷媒がポンプ５から第１の熱交換器１３へ圧送される。

一方、エンジン７を冷却する冷却水は、冷却水ポンプ１２の駆動力により、エンジン７及び第１の熱交換器１３間を循環される。また、エンジン７からの排ガスは、排ガス流路１１を通って第２の熱交換器１４へ送られる。

第１の熱交換器１３では、ポンプ５から圧送された液体状態の冷媒と、エンジン７により加熱された冷却水との間で熱交換が行われる。これにより、冷媒は高圧蒸気となる。この後、冷媒は、第２の熱交換器１４へ送られる。第２の熱交換器１４では、高圧蒸気となった冷媒と、エンジン７で加熱された排ガスとの間で熱交換が行われる。これにより、冷媒は過熱蒸気となる。

この後、第２の熱交換器１４で過熱蒸気となった冷媒は、膨張機３へ送られる。膨張機３では、冷媒が膨張されることにより主軸１６に回転力が与えられる。主軸１６に与えられた回転力は、出力軸９に伝達されることによりエンジン７の駆動を補助する。冷媒は、膨張機３で膨張されることにより低圧蒸気となる。

膨張機３で低圧蒸気となった冷媒は、凝縮器４へ送られる。凝縮器４では、冷媒が外気により冷却される。これにより、冷媒は、凝縮されて液体状態となった後、ポンプ５へ送られる。このようにして、冷媒は、ポンプ５、第１の熱交換器１３、第２の熱交換器１４、膨張機３及び凝縮器４の順に状態を変えながら循環を繰り返す。

このような排熱回生システム１では、膨張機３の主軸１６がエンジン７の出力軸９と一体に回転されるので、膨張機３とエンジン７との間に動力伝達装置を設置する必要がなくなり、動力伝達装置を設置するスペースをなくすことができる。これにより、排熱回生システム１の小形化を図ることができる。また、動力伝達装置をなくすことができるので、動力伝達装置内を伝達されるときの駆動力の損失をなくすことができ、排熱回生システム１からの出力のエンジン７への伝達効率の向上も図ることができる。

また、膨張機３及びポンプ５が一体とされ、ポンプ５は、膨張機３の主軸１６が回転されることにより冷媒を熱交換装置２へ送るようになっているので、ポンプ５の動力を発生するモータ等を別個に設ける必要がなくなる。従って、排熱回生システム１全体の小形化をさらに図ることができる。

実施の形態２．
図４は、この発明の実施の形態２による排熱回生システムを示す構成図である。図において、循環流路６には、ポンプ５の出口５ｂからの冷媒をポンプ５の入口５ａへ直接導くための第１のバイパス流路４１と、第１の熱交換器１３の出口１３ｂからの冷媒を凝縮器４の入口４ａへ直接導くための第２のバイパス流路４２とが接続されている。排ガス流路１１には、第２の熱交換器１４を避けてエンジン７からの排ガスを導く排ガス用バイパス流路４３が接続されている。

ポンプ５及び第１の熱交換器１３間を結ぶ循環流路６の部分と第１のバイパス流路４１との境界部分には、第１の切替弁（第１の切替装置）４４が設けられている。第１の切替弁４４は、ポンプ５の出口５ｂからの冷媒を第１のバイパス流路４１に流すバイパス状態と、ポンプ５の出口５ｂからの冷媒が第１のバイパス流路４１を流れることを阻止する循環状態との間で切り替え可能になっている。

第１の熱交換器１３及び第２の熱交換器１４間を結ぶ循環流路６の部分と第２のバイパス流路４２との境界部分には、第２の切替弁（第２の切替装置）４５が設けられている。第２の切替弁４５は、第１の熱交換器１３の出口１３ｂからの冷媒を第２のバイパス流路４２に流すバイパス状態と、第１の熱交換器１３の出口１３ｂからの冷媒が第２のバイパス流路４２を流れることを阻止する循環状態との間で切り替え可能になっている。

排ガス流路１１と排ガス用バイパス流路４３との境界部分には、排ガス用切替弁（排ガス用切替装置）４６が設けられている。排ガス用切替弁４６は、エンジン７からの排ガスを排ガス用バイパス流路４３に流すバイパス状態と、エンジン７からの排ガスを排ガス流路１１に流す循環状態との間で切り替え可能になっている。

図５は第１の切替弁４４を示す構成図であり、図５（ａ）は循環状態となっているときの第１の切替弁４４を示す構成図、図５（ｂ）はバイパス状態となっているときの第１の切替弁４４を示す構成図である。第１の切替弁４４は、収容部４４ａと、収容部４４ａ内に収容され、分岐流路が形成された回転部４４ｂとを有する三方弁とされている。第１の切替弁４４は、回転部４４ｂの回転により、冷媒が流れる流路を切り替える。

第１の切替弁４４の状態が循環状態となっているときには、図５（ａ）に示すように、第１の切替弁４４よりも上流及び下流のそれぞれに位置する循環流路６が回転部４４ｂの分岐流路を通して連通され、第１のバイパス流路４１と循環流路６との連通が阻止される。第１の切替弁４４の状態がバイパス状態となっているときには、図５（ｂ）に示すように、第１の切替弁４４よりも上流に位置する循環流路６と第１のバイパス流路４１とが回転部４４ｂの分岐流路を通して連通され、第１の切替弁４４よりも上流及び下流のそれぞれに位置する循環流路６間の連通が阻止される。

図６は第２の切替弁４５を示す構成図であり、図６（ａ）は循環状態となっているときの第２の切替弁４５を示す構成図、図６（ｂ）はバイパス状態となっているときの第２の切替弁４５を示す構成図である。第２の切替弁４５の構成も第１の切替弁４４の構成と同様とされている。即ち、第２の切替弁４５は、収容部４５ａと、収容部４５ａ内に収容され、分岐流路が形成された回転部４５ｂとを有する三方弁とされている。第２の切替弁４５は、回転部４５ｂの回転により、冷媒が流れる流路を切り替える。

第２の切替弁４５の状態が循環状態となっているときには、図６（ａ）に示すように、第２の切替弁４５よりも上流及び下流のそれぞれに位置する循環流路６が回転部４５ｂの分岐流路を通して連通され、第２のバイパス流路４２と循環流路６との連通が阻止される。第２の切替弁４５の状態がバイパス状態となっているときには、図６（ｂ）に示すように、第２の切替弁４５よりも上流に位置する循環流路６と第２のバイパス流路４２とが回転部４５ｂの分岐流路を通して連通され、第２の切替弁４５よりも上流及び下流のそれぞれに位置する循環流路６間の連通が阻止される。

図７は排ガス用切替弁４６を示す構成図であり、図７（ａ）は循環状態となっているときの排ガス用切替弁４６を示す構成図、図７（ｂ）はバイパス状態となっているときの排ガス用切替弁４６を示す構成図である。排ガス用切替弁４６は、収容部４６ａと、収容部４６ａ内に収容された板状の弁体４６ｂとを有するバタフライ弁とされている。排ガス用切替弁４６は、弁体４６ｂの回動により、冷媒が流れる流路を切り替える。

排ガス用切替弁４６の状態が循環状態となっているときには、図７（ａ）に示すように、排ガス用切替弁４６よりも上流及び下流のそれぞれに位置する排ガス流路１１が収容部４６ａ内を通して連通され、排ガス用バイパス流路４３と排ガス流路１１との連通が弁体４６ｂにより阻止される。排ガス用切替弁４６の状態がバイパス状態となっているときには、図７（ｂ）に示すように、排ガス用切替弁４６よりも上流に位置する排ガス流路１１と排ガス用バイパス流路４３とが収容部４６ａ内を通して連通され、排ガス用切替弁４６よりも上流及び下流のそれぞれに位置する循環流路６間の連通が阻止される。

冷却水流路１０には、エンジン７から第１の熱交換器１３へ送られる冷却水の温度を検出する図示しない水温センサ（冷却水温度検出器）が設けられている。第２の熱交換器１４の出口１４ｂには、第２の熱交換器１４の温度を検出する図示しない熱交換装置温度センサ（第２の熱交換器温度検出器）が設けられている。

水温センサ及び熱交換装置温度センサのそれぞれからの情報は、排熱回生システム１の運転を制御する制御装置（図示せず）へ送られる。制御装置は、自動車の運転状態（即ち、被駆動部の運転状態）に応じて、エンジン７の出力が必要か否かを判断する。即ち、制御装置は、自動車の始動運転時、定速運転時及び加速運転時にエンジン７の出力が必要であると判断し、自動車の減速運転時（即ち、被駆動部の運転状態が所定の状態となっているとき）にエンジン７の出力が不要であると判断する。また、制御装置は、エンジン７の出力の要否の判断結果、水温センサ及び熱交換装置温度センサのそれぞれからの情報に基づいて、第１の切替弁４４、第２の切替弁４５及び排ガス用切替弁４６のそれぞれの動作を制御する。他の構成は実施の形態１と同様である。

次に、自動車の始動運転時の動作について説明する。自動車の始動運転時には、第１の切替弁４４の動作が冷却水の温度に基づいて制御装置により制御され、排ガス用切替弁４６の動作が第２の熱交換器１４の温度に基づいて制御装置により制御される。このとき、第２の切替弁４５の状態は、循環状態及びバイパス状態のいずれの状態であってもよいが、この例では循環状態とされている。

自動車の始動運転時に冷却水の温度が所定の温度（例えば、９０℃）よりも低いときには、第１の切替弁４４の状態がバイパス状態とされる。これにより、ポンプ５の出口５ｂから送り出された冷媒は、第１のバイパス流路４１を通ってポンプ５の入口５ａに戻される。

ここで、エンジン本体８の駆動力により出力軸９が回転されると、主軸１６が出力軸９と同期して回転され、冷媒がポンプ５の出口５ｂから送り出される。第１及び第２の熱交換器１３，１４のいずれの温度も低い状態では、ポンプ５からの冷媒が熱交換装置２へ送られても冷媒の温度が上昇しないため、膨張機３で動力を発生させることができない。また、ポンプ５からの冷媒を熱交換装置２、膨張機３及び凝縮器４の順に送ると、熱交換装置２、膨張機３及び凝縮器４において圧力損失が生じるため、エンジン７にも余分な負荷がかかってしまう。

これに対して、第１の切替弁４４の状態がバイパス状態とされていると、ポンプ５の出口５ｂから送り出された冷媒が第１のバイパス流路４１を通ってポンプ５の入口５ａに戻されるので、冷媒の圧力損失の発生が抑制され、エンジン７に加わる余分な負荷が極めて小さくなる。従って、冷却水の温度が所定の温度よりも低いときには、第１の切替弁４４の状態がバイパス状態とされる。

冷却水の温度が所定の温度に達すると、第１の切替弁４４の状態がバイパス状態から循環状態に切り替えられ、ポンプ５からの冷媒が熱交換装置２へ送られる。このとき、第２の切替弁４５の状態も循環状態とされる。これにより、熱交換装置２、膨張機３、凝縮器４及びポンプ５間で冷媒の循環が開始され、エンジン７の出力軸９の回転を助ける回生力が膨張機３で発生する。

一方、第２の熱交換器１４の温度が所定の温度（例えば、１２０℃）よりも低いときには、排ガス用切替弁４６の状態が循環状態とされる。これにより、エンジン７からの排ガスが第２の熱交換器１４へ送られ、第２の熱交換器１４が排ガスにより予熱される。

第２の熱交換器１４の温度が所定の温度に達すると、排ガス用切替弁４６の状態が循環状態からバイパス状態に切り替えられる。これにより、エンジン７からの排ガスは、第２の熱交換器１４を通らずに外気へ放出される。従って、第２の熱交換器１４の温度が異常に上昇することが防止され、第２の熱交換器１４内に残留する冷媒が高温劣化することが抑制される。

次に、自動車の定速運転時又は加速運転時の動作について説明する。自動車の定速運転時又は加速運転時には、第１及び第２の切替弁４４，４５がいずれも循環状態となっている。このとき、冷媒は、実施の形態１と同様の状態変化をしながら、熱交換装置２、膨張機３、凝縮器４及びポンプ５間を循環される。これにより、エンジン７の出力軸９の回転を助ける回生力が膨張機３で発生する。このとき、排ガス用切替弁４６の状態は循環状態となっている。

次に、自動車の減速運転時について説明する。自動車の減速運転時には、第１及び第２の切替弁４４，４５のそれぞれの動作が冷却水の温度のそれぞれに基づいて制御装置により制御される。

即ち、自動車の減速運転時には、被駆動部に駆動力を与える必要がないので、自動車の運転にエンジン７の出力が不要であると制御装置により判断される。従って、冷却水の温度が所定の温度（例えば、１０５℃）よりも低い場合には、第１の切替弁４４の状態がバイパス状態とされる。これにより、ポンプ５の出口５ｂから送り出された冷媒が第１のバイパス流路４１を通ってポンプ５の入口５ａに戻され、冷媒の圧力損失の発生が抑制される。このとき、この例では、第２の切替弁４５の状態が循環状態とされている。

ここで、自動車の定速運転又は加速運転から減速運転に切り替わった後、定速運転時又は加速運転時に発生したエンジン７の排熱が冷却水に遅れて与えられることがある。この場合、自動車の減速運転に切り替わった後においても冷却水の温度が上昇するので、減速運転時に冷却水の温度が所定の温度に達することがある。

自動車の減速運転時に冷却水の温度が所定の温度に達した場合には、第１の切替弁４４の状態が循環状態とされるとともに、第２の切替弁４５の状態がバイパス状態とされる。

第１の切替弁４４の状態が循環状態となり第２の切替弁４５の状態がバイパス状態となると、ポンプ５からの冷媒は、冷却水と熱交換を行いながら第１の熱交換器１３内を流れた後、第２のバイパス流路４２を通って凝縮器４へ送られる。このとき、第１の熱交換器１３における冷媒と冷却水との熱交換により、冷却水の温度が低下し、冷媒の温度が上昇する。

この後、冷媒は、凝縮器４で熱を外気に放出しながら冷却され、ポンプ５に戻される。これにより、膨張機３での回生力の発生を停止させたまま、冷却水の温度を低下させることができる。

また、自動車の減速運転時には、第１及び第２の切替弁４４，４５のいずれかの状態がバイパス状態となるので、冷媒は第２の熱交換器１４を流れない。従って、自動車の減速運転時には、排ガス用切替弁４６の状態が制御装置の制御によりバイパス状態とされている。これにより、エンジンからの排ガスは第２の熱交換器１４を避けて外部へ放出されるので、第２の熱交換器１４の温度が異常に上昇することが防止され、第２の熱交換器１４内に残留する冷媒の高温劣化が抑制される。

このような排熱回生システムでは、ポンプ５の出口５ｂからの冷媒をポンプ５の入口５ａへ直接導くための第１のバイパス流路４１が循環流路６に接続され、冷媒が流れる流路を第１のバイパス流路４１と循環流路６との間で切り替える第１の切替弁４４が第１のバイパス流路４１と循環流路６との境界部分に設けられているので、膨張機３による回生力を発生させない場合に、熱交換装置２、膨張機３及び凝縮器４を避けて冷媒を循環させることができ、冷媒の圧力損失を小さくすることができる。従って、膨張機３による回生力の発生を停止しているときのポンプ５の動力を小さくすることができ、エンジン７に加わる余分な負荷を抑制することができる。

また、第１の熱交換器１３の出口１３ｂからの冷媒を凝縮器４の入口４ａへ直接導くための第２のバイパス流路４２が循環流路６に接続され、冷媒が流れる流路を第２のバイパス流路４２と循環流路６との間で切り替える第２の切替弁４５が第２のバイパス流路４２と循環流路６との境界部分に設けられているので、膨張機３による回生力を発生させない場合に、第２の熱交換器１４、膨張機３及び凝縮器４を避けて冷媒を循環させることができ、冷媒の圧力損失を小さくすることができる。従って、エンジン７に加わる余分な負荷を抑制することができる。また、膨張機３による回生力の発生が停止されていても第１の熱交換器１３に冷媒を流すことができるので、エンジン７を冷却する冷却水と冷媒との間で熱交換を行うことができ、冷却水の温度が異常に上昇することを防止することができる。

また、第２の熱交換器１４を避けてエンジン７からの排ガスを導く排ガス用バイパス流路４３が排ガス流路１１に接続され、エンジン７からの排ガスが流れる流路を排ガス用バイパス流路４３と排ガス流路１１との間で切り替える排ガス用切替弁４６が排ガス流路１１と排ガス用バイパス流路４３との境界部分に設けられているので、膨張機３による回生力を発生させない場合に、エンジン７からの排ガスを第２の熱交換器１４へ送ることによる第２の熱交換器１４の異常な温度上昇を防止することができる。

また、このような排熱回生システム１の制御方法では、冷却水の温度が所定の温度よりも低いときに第１の切替弁４４の状態をバイパス状態とし、冷却水の温度が所定の温度に達したときに第１の切替弁４４の状態を循環状態とするので、冷却水の温度が冷媒との熱交換を正常に行う温度に達していない場合に、熱交換装置２、膨張機３及び凝縮器４を避けて冷媒を循環させることができ、冷媒の圧力損失を小さくすることができる。これにより、ポンプ５の動力を小さくすることができ、エンジン７に加わる余分な負荷を抑制することができる。

また、排熱回生システム１の制御方法では、エンジン７の出力を受ける被駆動部の運転状態に応じて、第１の切替弁４４の状態をバイパス状態と循環状態との間で切り替えるので、被駆動部にとってエンジン７の出力が不要である場合に、熱交換装置２、膨張機３及び凝縮器４を避けて冷媒を循環させることができ、冷媒の圧力損失を小さくすることができる。これにより、ポンプ５の動力を小さくすることができ、エンジン７に加わる余分な負荷を抑制することができる。

また、排熱回生システム１の制御方法では、エンジン７の出力を受ける被駆動部の運転状態がエンジン７の出力を不要とする所定の状態となっており、かつ冷却水の温度が所定の温度に達したときに、第１の切替弁４４の状態を循環状態とするとともに、第２の切替弁４５の状態をバイパス状態とするので、被駆動部にとってエンジン７の出力が不要である場合に、第２の熱交換器１４、膨張機３及び凝縮器４を避けて冷媒を循環させることができ、冷媒の圧力損失を小さくすることができる。従って、エンジン７に加わる余分な負荷を抑制することができる。また、第１の熱交換器１３に冷媒を流すことができるので、エンジン７を冷却する冷却水と冷媒との間で熱交換を行うことができ、冷却水の温度が異常に上昇することを防止することができる。

また、排熱回生システム１の制御方法では、第２の熱交換器１４の温度が所定の温度よりも低いときに排ガス用切替弁４６の状態を循環状態とし、第２の熱交換器１４の温度が所定の温度に達したときに排ガス用切替弁４６の状態をバイパス状態とするので、第２の熱交換器１４の温度が異常に上昇することを防止することができる。従って、第２の熱交換器１４内に残留する冷媒の高温劣化を抑制することができる。

実施の形態３．
図８は、この発明の実施の形態３による排熱回生システムを示す構成図である。図において、膨張機３とポンプ５とは、互いに離れて配置されている。ポンプ５は、ギヤ式のポンプ本体５１と、ポンプ本体５１に対して回転可能なポンプ軸（回転軸）５２とを有している。

ポンプ５の入口５ａ及び出口５ｂは、ポンプ本体５１に設けられている。凝縮器４からの冷媒は、入口５ａからポンプ本体５１内に流入する。また、ポンプ本体５１内の冷媒は、出口５ｂから第１の熱交換器１３へ流出する。ポンプ５は、ポンプ軸５２の回転により、ポンプ本体５１から第１の熱交換器１３へ冷媒を送る動力を発生する。

主軸１６及びポンプ軸５２間には、主軸１６の回転力をポンプ軸５２に伝達する動力伝達装置５３が設けられている。動力伝達装置５３は、主軸１６に固定された第１のプーリ５４と、ポンプ軸５２に固定された第２のプーリ５５と、第１及び第２のプーリ５４，５５間に巻き掛けられた無端状の伝達ベルト５６とを有している。

伝達ベルト５６は、主軸１６が回転されることにより周回移動される。ポンプ軸５２は、伝達ベルト５６の周回移動により回転される。従って、主軸１６の回転力は、伝達ベルト５６が周回移動されることによりポンプ軸５２に伝達される。この例では、第１のプーリ５４の外径と第２のプーリ５５の外径とは、同一とされている。従って、主軸１６とポンプ軸５２との回転比率は１：１とされている。他の構成は実施の形態２と同様である。

このような排熱回生システム１では、膨張機３とポンプ５とが互いに離れて配置され、主軸１６の回転力が動力伝達装置５３を介してポンプ軸５２に伝達されるので、主軸１６とポンプ軸５２との回転比率を動力伝達装置５３によって自由に設定することができる。これにより、ポンプ５のタイプ（例えば低回転タイプや高回転タイプ等）の選択の自由度を上げることができる。

ここで、主軸１６からポンプ軸５２へ伝達される回転力の大きさは、主軸１６からエンジン７の出力軸９へ伝達される回転力の大きさよりも小さい。従って、主軸１６からポンプ軸５２へ回転力を伝達する動力伝達装置５３の大きさは、主軸１６から出力軸９へ回転力を伝達する動力伝達装置に比べて小さくなる。これにより、実施の形態３による排熱回生システム１によれば、従来の動力伝達装置の設置スペースに比べて動力伝達装置５３の設置スペースを小さくすることができ、排熱回生システム１の小形化を図ることもできる。

なお、主軸１６とポンプ軸５２との回転比率の変更は、第１及び第２のプーリ５４，５５のそれぞれの外径を互いに異ならせることにより行われる。例えば、主軸１６とポンプ軸５２との回転比率を２：１にする場合には、第１のプーリ５４の外径と第２のプーリ５５の外径との比を２：１とすればよい。これにより、主軸１６が例えば２０００ｒｐｍで回転する場合、ポンプ軸５２を１０００ｒｐｍで回転させることができる。

また、上記の例では、伝達ベルト５６の周回移動により主軸１６の回転力をポンプ軸５２に伝達するベルト式の動力伝達装置が動力伝達装置５３として用いられているが、互いに噛み合った複数の歯車を有し、各歯車の回転により主軸１６の回転力をポンプ軸５２に伝達する歯車式の動力伝達装置を動力伝達装置５３として用いてもよい。

実施の形態４．
実施の形態３では、膨張機３の主軸１６の回転力が動力伝達装置５３を介してポンプ５に伝達されるようになっているが、膨張機３から独立してポンプ５を駆動させるようにしてもよい。

即ち、図９は、この発明の実施の形態４による排熱回生システムを示す構成図である。図において、膨張機３とポンプ５とは、互いに離れて配置されている。ポンプ５には、ポンプ５を駆動する電動モータ６１が接続されている。ポンプ５は、電動モータ６１により膨張機３から独立して駆動される。冷媒は、電動モータ６１によるポンプ５の駆動により、第１の熱交換器１３へ送られる。

実施の形態４では、第１のバイパス流路４１及び第１の切替弁４４は排熱回生システム１に設けられていない。他の構成は実施の形態３と同様である。

次に、動作について説明する。自動車の始動運転時には、冷却水の温度が所定の温度（例えば、９０℃）よりも低い場合、膨張機３による回生力を発生させることができない。この場合、ポンプ５の駆動は停止され、冷媒は循環されない。この後、冷却水の温度が所定の温度に達すると、ポンプ５の駆動が電動モータ６１により開始され、冷媒が排熱回生システム１内を循環される。このときの第２の切替弁４５及び排ガス用切替弁４６のそれぞれの動作は、実施の形態２と同様である。

自動車の定速運転時又は加速運転時には、ポンプ５が電動モータ６１により駆動され、冷媒が排熱回生システム１内を循環される。このときの第２の切替弁４５及び排ガス用切替弁４６のそれぞれの動作は、実施の形態２と同様である。

自動車の減速運転時には、冷却水の温度が所定の温度（例えば、１０５℃）よりも低い場合、ポンプ５の駆動は停止され、冷媒は循環されない。しかし、エンジン７からの排熱により冷却水の温度が所定の温度に達したときには、ポンプ５の駆動が電動モータ６１により開始される。このとき、第２の切替弁４５がバイパス状態とされる。これにより、ポンプ５からの冷媒は、第１の熱交換器１３を通った後、第２のバイパス流路４２及び凝縮器４の順に流れ、ポンプ５に戻る。従って、第１の熱交換器１３では冷媒と冷却水との間で熱交換が行われ、冷却水の温度が異常に上昇することが防止される。排ガス用切替弁４６の動作は実施の形態２と同様である。

このような排熱回生システム１では、ポンプ５が電動モータ６１により駆動されるので、ポンプ５の動作をエンジン７の動作から独立して制御することができる。従って、ポンプ５の駆動の開始及び停止や回転数を自由に設定することができる。また、第１のバイパス流路４１及び第１の切替弁４４をなくすことができ、実施の形態２及び３の構成に比べて、排熱回生システム１の小形化を図ることができる。

なお、上記実施の形態２及び３では、第１の切替弁４４が第１のバイパス流路４１と循環流路６との境界部分に設けられているが、第１のバイパス流路４１の中間部に第１の切替弁４４を設けてもよい。このようにしても、膨張機３による回生力を発生させない場合に、ポンプ５の出口５ｂからの冷媒を第１のバイパス流路４１を通してポンプ５の入口５ａへ送ることができ、冷媒の圧力損失を小さくすることができる。従って、ポンプ５の動力を小さくすることができ、エンジン７に加わる余分な負荷を抑制することができる。

また、上記実施の形態２〜４では、第２の切替弁４５が第２のバイパス流路４２と循環流路６との境界部分に設けられているが、第２のバイパス流路４２の中間部に第２の切替弁４５を設けてもよい。このようにしても、膨張機３による回生力を発生させない場合に、第１の熱交換器１３の出口１３ｂからの冷媒を第２のバイパス流路４２を通して凝縮器４の入口４ａへ送ることができ、冷媒の圧力損失を小さくすることができる。従って、ポンプ５の動力を小さくすることができ、エンジン７に加わる余分な負荷を抑制することができる。

また、上記の実施の形態２〜４では、排ガス用切替弁４６がバタフライ弁とされているが、エンジン７からの排ガスに対する耐熱性を持つ切替弁であれば、排ガス用切替弁４６を第１及び第２の切替弁４４，４５と同様の構成の三方弁としてもよい。

１ 排熱回生システム、２ 熱交換装置、３ 膨張機、４ 凝縮器、５ ポンプ、７ エンジン（内燃機関）、９ 出力軸、１３ 第１の熱交換器、１４ 第２の熱交換器、１６ 主軸、４１ 第１のバイパス流路、４２ 第２のバイパス流路、４３ 排ガス用バイパス流路、４４ 第１の切替弁、４５ 第２の切替弁、４６ 排ガス用切替弁、５２ ポンプ軸、６１ 電動モータ。

Claims (10)

1. 内燃機関の排熱によって作動流体を蒸発させる熱交換装置、
   上記内燃機関の出力軸と一体に回転される主軸を有し、上記熱交換装置からの上記作動流体を膨張させることにより上記主軸に回転力を与える膨張機、
   上記膨張機で膨張された上記作動流体を凝縮させる凝縮器、及び
   上記凝縮器で凝縮された上記作動流体を上記熱交換装置へ送るポンプ
   を備え、
   上記膨張機及び上記ポンプは一体とされ、
   上記ポンプは、上記膨張機の上記主軸の回転力により上記作動流体を上記熱交換装置へ送るようになっていることを特徴とする排熱回生システム。
2. 内燃機関の排熱によって作動流体を蒸発させる熱交換装置、
   上記内燃機関の出力軸と一体に回転される主軸を有し、上記熱交換装置からの上記作動流体を膨張させることにより上記主軸に回転力を与える膨張機、
   上記膨張機で膨張された上記作動流体を凝縮させる凝縮器、及び
   上記凝縮器で凝縮された上記作動流体を上記熱交換装置へ送るポンプ
   を備え、
   上記膨張機と上記ポンプとは、互いに離れて配置され、
   上記ポンプは、ポンプ軸を有し、上記ポンプ軸の回転により上記作動流体を上記熱交換装置へ送るようになっており、
   上記主軸の回転力を上記ポンプ軸に伝達する動力伝達装置
   をさらに備えていることを特徴とする排熱回生システム。
3. 上記ポンプの出口からの上記作動流体を上記ポンプの入口へ直接導くための第１のバイパス流路、及び
   上記ポンプの出口からの上記作動流体を上記第１のバイパス流路に流すバイパス状態と、上記ポンプの出口からの上記作動流体が上記第１のバイパス流路を流れることを阻止する循環状態との間で切り替え可能な第１の切替装置
   をさらに備えていることを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の排熱回生システム。
4. 上記熱交換装置は、上記内燃機関を冷却する冷却水と上記ポンプからの上記作動流体との間で熱交換を行う第１の熱交換器と、上記第１の熱交換器からの上記作動流体と上記内燃機関からの排ガスとの間で熱交換を行う第２の熱交換器とを有し、
   上記第１の熱交換器の出口からの上記作動流体を上記凝縮器の入口へ直接導くための第２のバイパス流路、及び
   上記第１の熱交換器の出口からの上記作動流体を上記第２のバイパス流路に流すバイパス状態と、上記第１の熱交換器の出口からの上記作動流体が上記第２のバイパス流路を流れることを阻止する循環状態との間で切り替え可能な第２の切替装置
   をさらに備えていることを特徴とする請求項３に記載の排熱回生システム。
5. 上記熱交換装置は、上記内燃機関を冷却する冷却水と上記ポンプからの上記作動流体との間で熱交換を行う第１の熱交換器と、上記第１の熱交換器からの上記作動流体と上記内燃機関からの排ガスとの間で熱交換を行う第２の熱交換器とを有し、
   上記第２の熱交換器を避けて上記排ガスを導く排ガス用バイパス流路、及び
   上記排ガスを上記排ガス用バイパス流路に流すバイパス状態と、上記排ガスを上記第２の熱交換器に流す循環状態との間で切り替え可能な排ガス用切替装置
   をさらに備えていることを特徴とする請求項３に記載の排熱回生システム。
6. 上記第２の熱交換器を避けて上記排ガスを導く排ガス用バイパス流路、及び
   上記排ガスを上記排ガス用バイパス流路に流すバイパス状態と、上記排ガスを上記第２の熱交換器へ流す循環状態との間で切り替え可能な排ガス用切替装置
   をさらに備えていることを特徴とする請求項４に記載の排熱回生システム。
7. 請求項３に記載の排熱回生システムの制御方法であって、
   上記内燃機関を冷却する冷却水の温度が所定の温度よりも低いときに、上記第１の切替装置の状態を上記バイパス状態とし、上記冷却水の温度が上記所定の温度に達したときに、上記第１の切替装置の状態を上記循環状態とすることを特徴とする排熱回生システムの制御方法。
8. 請求項３に記載の排熱回生システムの制御方法であって、
   上記内燃機関の出力を受ける被駆動部の状態に応じて、上記第１の切替装置の状態を上記バイパス状態と上記循環状態との間で切り替えることを特徴とする排熱回生システムの制御方法。
9. 請求項４に記載の排熱回生システムの制御方法であって、
   上記内燃機関の出力を受ける被駆動部の状態が上記内燃機関の出力を不要とする所定の状態となっており、かつ上記冷却水の温度が所定の温度に達したときに、上記第１の切替装置の状態を上記循環状態とするとともに、上記第２の切替装置の状態を上記バイパス状態とすることを特徴とする排熱回生システムの制御方法。
10. 請求項５又は請求項６に記載の排熱回生システムの制御方法であって、
    上記第２の熱交換器の温度が所定の温度よりも低いときに、上記排ガス用切替装置の状態を上記循環状態とし、上記第２の熱交換器の温度が上記所定の温度に達したときに、上記排ガス用切替装置の状態を上記バイパス状態とすることを特徴とする排熱回生システムの制御方法。

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