JP5368944B2 - 蓄熱システム及びその制御方法 - Google Patents

Description

本発明は、エンジンの蓄熱システムに関する。

エンジンの運転により高温となった冷却水を断熱構造の蓄熱タンクに貯留しておき、冷間始動時に蓄熱タンクに貯留されている冷却水を冷却水回路に戻すことで、冷却水の昇温に要する時間（エンジンの暖機時間）を短縮する技術が知られている。この技術によれば、エンジンの燃費性能、排気性能を向上させることができる。

蓄熱タンクに高温の冷却水を貯留するには、蓄熱タンクに高温の冷却水を注入しつつ蓄熱タンクに元々貯留されていた低温の冷却水を排出し、蓄熱タンク内の冷却水全量を高温の冷却水に入れ替えることで行われる。特許文献１では、エンジンの回転速度から冷却水の入れ替えに要する時間を算出し、算出された時間が経過した時点で冷却水の入れ替えを終了するようにしている。

特開２００４−１１５７２号公報

しかしながら、蓄熱タンク内の冷却水を高温の冷却水に入れ替えただけでは、蓄熱タンクに貯留される冷却水の温度が蓄熱タンクに注入される冷却水の温度よりも低くなってしまうという問題が生じる。これは、蓄熱タンクに高温の冷却水を注入すると、高温の冷却水が持つ熱エネルギーの一部が蓄熱タンクの昇温に使われてしまい、注入された冷却水の温度が下がるからである。

本発明は、このような従来技術の技術的課題に鑑みてなされたもので、エンジンの蓄熱システムにおいて、より高温の冷却水を蓄熱タンクに貯留できるようにすることを目的とする。

本発明のある態様によれば、断熱構造を有し、エンジンの冷却水回路に接続する蓄熱タンクと、前記蓄熱タンクと前記冷却水回路との間に設けられ、前記冷却水回路から前記蓄熱タンクへの冷却水の注入・遮断を切り換える切換弁と、前記蓄熱タンクに前記冷却水を貯留する場合、前記エンジンの暖機完了後に、前記切換弁を前記注入側に切り換えて前記冷却水回路から前記蓄熱タンクに前記冷却水を注入し、前記蓄熱タンクに注入された前記冷却水により前記蓄熱タンクを予熱する予熱処理手段と、前記予熱が完了した後、前記冷却水回路から前記蓄熱タンクに前記冷却水を再び注入するとともに前記予熱により温度が低下した前記蓄熱タンク内の前記冷却水を前記冷却水回路に戻し、前記切換弁を前記遮断側に切り換えて前記再注入された冷却水を前記蓄熱タンクに貯留する蓄熱処理手段と、を備えたことを特徴とする蓄熱システムが提供される。

また、本発明の別の態様によれば、断熱構造を有し、エンジンの冷却水回路に接続する蓄熱タンクを備えた蓄熱システムの制御方法であって、前記蓄熱タンクに前記冷却水を貯留する場合、前記冷却水回路から前記蓄熱タンクに前記冷却水を注入し、前記蓄熱タンクに注入された前記冷却水により前記蓄熱タンクを予熱する予熱処理手順と、前記予熱が完了した後、前記エンジンの暖機完了後に、前記冷却水回路から前記蓄熱タンクに前記冷却水を再び注入するとともに前記予熱により温度が低下した前記蓄熱タンク内の前記冷却水を前記冷却水回路に戻し、前記再注入された冷却水を前記蓄熱タンクに貯留する蓄熱処理手順と、を含むことを特徴とする蓄熱システムの制御方法が提供される。

これらの態様によれば、蓄熱タンクが予熱されているため、再注入される冷却水の温度降下が抑えられ、高温の冷却水を蓄熱タンクに貯留することができる。

本発明の実施形態に係る蓄熱システムの概略構成図である。 コントローラの制御内容を示したフローチャートである。 コントローラの制御内容を示したフローチャートの一部変形例である。 コントローラの制御内容を示したフローチャートの一部変形例である。 蓄熱システムの一部改変例である。

以下、添付図面を参照しながら本発明の実施形態について説明する。

図１は本発明の実施形態に係る蓄熱システム１の概略構成を示す。この例では、蓄熱システム１は、エンジン２の冷却水の熱を利用して空調用空気を加熱するヒータ回路２０に設けられている。

まず、ヒータ回路２０について説明する。

ヒータ回路２０は、空調装置のダクト内に配置されるヒータコア２１と、ヒータコア２１の入口とエンジン２を接続する第１の流路２２と、ヒータコア２１の出口とエンジン２を接続する第２の流路２３と、エンジン２と第２の流路２３の接続位置に設けられるウォーターポンプ２４（図中、「ＷＰ」と表記）と、を備える。エンジン２と第１の流路２２の接続位置には、エンジン２から出る冷却水の温度（以下、「エンジン出口水温」という。）Ｔｅを検出する第１の温度センサ３１が取り付けられている。

ウォーターポンプ２４は、エンジン２の動力によって駆動され、ヒータ回路２０内の冷却水を循環させる。エンジン２を出た冷却水は第１の流路２２を介してヒータコア２１に流入し、冷却水と空調装置のダクト内を流れる空調用空気との間の熱交換により空調用空気を加熱する。熱交換後の冷却水は第２の流路２３を介してエンジン２へと戻される。

次に、蓄熱システム１について説明する。

蓄熱システム１は、蓄熱回路１０とコントローラ３０とを備える。

蓄熱回路１０は、蓄熱タンク１１と、第１の流路２２から分岐して蓄熱タンク１１の入口に接続する第１の分岐路１２と、第１の分岐路１２よりも下流側（ヒータコア２１側）から分岐して蓄熱タンク１１の出口に接続する第２の分岐路１３と、第１の流路２２と第１の分岐路１２の接続位置に設けられる三方弁１４と、第１の分岐路１２の途中に設けられる電動ウォーターポンプ１５（図中、「ＥＷＰ」と表記）と、を備える。

蓄熱タンク１１は、断熱構造を有する容器であり、内部に冷却水を貯留することができる。断熱構造は、図示しないが、蓄熱タンク１１を外容器で覆い、蓄熱タンク１１と外容器の間を真空にする構造でも良いし、蓄熱タンク１１の外周面を断熱材で覆う構造でもよい。蓄熱タンク１１には、蓄熱タンク１１内の冷却水の温度（以下、「タンク内水温」という。）Ｔｈｗを検出する第２の温度センサ３２と、蓄熱タンク１１を構成する容器部分の温度（以下、「タンク温度」という。）Ｔｈｔを検出する第３の温度センサ３３が取り付けられている。

三方弁１４は、ヒータ回路２０から蓄熱タンク１１への冷却水の注入・遮断を切り換える切換弁であり、例えば、電磁弁である。三方弁１４は、少なくとも、エンジン２からの冷却水を第１の分岐路１２に流し、蓄熱タンク１１を流通させてからヒータコア２１に流す状態（以下、「注入側」という。）と、第１の分岐路１２を遮断し、冷却水を蓄熱タンク１１を流通させずにヒータコア２１に流す状態（以下、「遮断側」という。）を切り換えることができる。

三方弁１４を注入側に切り換え、電動ウォーターポンプ１５を作動させると、蓄熱タンク１１に冷却水が注入されるとともに、それまで蓄熱タンク１１に貯留されていた冷却水が蓄熱タンク１１から排出され、第１の流路２２に戻される。これにより、蓄熱タンク１１内の冷却水をヒータ回路２０内の冷却水と入れ替えることができる。

コントローラ３０は、各種演算を行うＣＰＵ、後述する制御のプログラムを記憶する記憶装置（ＲＡＭ、ＲＯＭ）、入出力インターフェースを備え、入出力インターフェースを介して第１〜第３の温度センサ３１〜３３、三方弁１４及び電動ウォーターポンプ１５と電気的に接続される。

コントローラ３０は、第１〜第３の温度センサ３１〜３３の検出信号等に基づき、エンジン２の運転中、三方弁１４の切換え、電動ウォーターポンプ１５の作動・停止を行い、エンジン２の運転によって高温となった冷却水が蓄熱タンク１１内に貯留されるようにする。そして、エンジン２を冷機状態で始動する時（冷間始動時）には、逆に、蓄熱タンク１１内に貯留してある高温の冷却水をヒータ回路２０に戻すようにし、これにより、エンジン２の暖機時間を短縮してエンジン２の燃費性能、排気性能を向上させる。

また、蓄熱タンク１１に高温の冷却水を注入して貯留する時にタンク温度Ｔｈｔが低いと、注入された冷却水の持つ熱エネルギーが蓄熱タンク１１の昇温に消費され、高温の冷却水を蓄熱タンク１１に貯留することができない。このことに鑑み、この実施形態では、蓄熱タンク１１に高温の冷却水を注入して貯留する場合には、まず、高温の冷却水を利用して蓄熱タンク１１を予め暖める予熱処理を行う。そして、蓄熱タンク１１の予熱が完了した後に蓄熱タンク１１に高温の冷却水を再度注入し、高温の冷却水が蓄熱タンク１１に貯留されるようにする。

図２はコントローラ３０の制御内容を示したフローチャートである。このフローチャートはエンジン２の運転中、繰り返し実行される。以下、これを参照しながら本実施形態に係る蓄熱システム１の動作について詳しく説明する。

Ｓ１１では、コントローラ３０は、エンジン出口水温Ｔｅ、タンク内水温Ｔｈｗ、タンク温度Ｔｈｔを読み込む。

Ｓ１２では、コントローラ３０は、蓄熱開始条件が成立しているか判断する。蓄熱開始条件は、エンジン出口水温Ｔｅが第１の閾値を超え、かつ、タンク内水温Ｔｈｗが第２の閾値よりも低くなった場合に成立したと判断される。第１の閾値は、エンジン２の暖機が完了していることを判断するための温度閾値であり、例えば、８５℃に設定される。また、第２の閾値は、タンク内水温Ｔｈｗが入れ替えを要する程度まで低下したことを判断するための温度閾値であり、例えば、７０℃に設定される。蓄熱開始条件が成立したと判断された場合は処理がＳ１３に進み、不成立と判断された場合は処理が終了する。

Ｓ１３〜Ｓ１６では、高温の冷却水を利用して蓄熱タンク１１を予め暖める予熱処理が行われる。

Ｓ１３では、コントローラ３０は、電動ウォーターポンプ１５を作動させるとともに、三方弁１４を注入側に切り換える。これにより、蓄熱タンク１１への高温の冷却水が注入されるとともに、それまで蓄熱タンク１１内に貯留されていた低温の冷却水がヒータ回路２０に排出される。

Ｓ１４では、コントローラ３０は、Ｓ１３で蓄熱タンク１１への高温の冷却水の注入が開始されてからの経過時間を計測し、経過時間がポンプ作動規定時間を超えたか判断する。ポンプ作動規定時間は、蓄熱タンク１１内に高温の冷却水が注入されることでそれまで蓄熱タンク１１内に貯留されていた低温の冷却水が全て新たに注入される高温の冷却水と入れ替わるまでに要する時間である。

ポンプ作動規定時間は、蓄熱タンク１１の容積、電動ウォーターポンプ１５の吐出量によって決まる。蓄熱タンク１１の容積、電動ウォーターポンプ１５の吐出量が固定値であればポンプ作動規定時間も固定値となる。経過時間がポンプ作動規定時間を超えていると判断された場合は処理がＳ１５に進み、超えていないと判断された場合はＳ１４の処理が繰り返される。

Ｓ１５では、コントローラ３０は、電動ウォーターポンプ１５を停止させる。

Ｓ１６では、コントローラ３０は、Ｓ１５で電動ウォーターポンプ１５が停止されてからの経過時間を計測し、経過時間が予熱規定時間を超えたか判断する。予熱規定時間は、蓄熱タンク１１内の冷却水全量が高温の冷却水に入れ替えられてから、タンク温度Ｔｈｔが上昇して第３の閾値を超えるまでに要する時間である。第３の閾値は、蓄熱タンク１１が十分に暖まったか判断するための温度閾値であり、例えば、７０℃に設定される。予熱規定時間は、蓄熱タンク１１の初期温度、蓄熱タンク１１の体積・熱容量、蓄熱タンク１１に注入される冷却水の温度等によって決まる。このため、予熱規定時間は可変値とするのが好適であるが、制御を簡略化するために固定値としてもよい。Ｓ１６において経過時間が予熱規定時間を超えていると判断された場合は処理がＳ１７に進み、超えていないと判断された場合はＳ１６の処理が繰り返される。

Ｓ１７〜Ｓ１９では、予熱された蓄熱タンク１１に高温の冷却水を注入し貯留する蓄熱処理が行われる。

Ｓ１７では、コントローラ３０は、電動ウォーターポンプ１５を作動させる。Ｓ１３で三方弁１４が既に注入側に切り換えられているので、電動ウォーターポンプ１５が作動すると、蓄熱タンク１１への高温の冷却水の注入が再開されるとともに、蓄熱タンク１１内の予熱により温度が低下した冷却水がヒータ回路２０に排出される。

Ｓ１８では、コントローラ３０は、Ｓ１７で蓄熱タンク１１への高温の冷却水の注入が再開されてからの経過時間を計測し、経過時間がポンプ作動規定時間を超えたか判断する。ポンプ作動規定時間はＳ１４で用いた値と同じであるので、経過時間がポンプ作動規定時間を超えると、蓄熱タンク１１の予熱に使用されて温度が低下した蓄熱タンク１１内の冷却水が全て高温の冷却水と入れ替えられる。このとき、蓄熱タンク１１の予熱が既に完了しているので、蓄熱タンク１１内に新たに注入された冷却水の温度降下は少なく、蓄熱タンク１１は高温の冷却水で満たされる。経過時間がポンプ作動規定時間を超えていると判断された場合は処理がＳ１９に進み、超えていないと判断された時はＳ１８の処理が繰り返される。

Ｓ１９では、コントローラ３０は、電動ウォーターポンプ１５を停止させるとともに、三方弁１４を遮断側に切り換え、処理を終了する。この時点では、蓄熱タンク１１には高温の冷却水が貯留されている。

したがって、上記制御によれば、蓄熱タンク１１に冷却水を貯留する場合、まず、蓄熱タンク１１の予熱が行われる。蓄熱タンク１１の予熱は、蓄熱タンク１１内の冷却水を高温の冷却水と入れ替え（Ｓ１３〜Ｓ１５）、その後、蓄熱タンク１１が暖まるまで待機することで行われる（Ｓ１４）。

蓄熱タンク１１の予熱が完了したら、蓄熱タンク１１に高温の冷却水が再度注入され、予熱処理で使用されて温度が下がっている蓄熱タンク１１内の冷却水が全て高温の冷却水と入れ替えられる（Ｓ１７〜Ｓ１９）。蓄熱タンク１１が予熱されていることから蓄熱タンク１１に新たに注入される冷却水の温度降下は少なく、高温の冷却水を蓄熱タンク１１に貯留することができる。

なお、この実施形態では、蓄熱タンク１１の予熱が完了しているかを蓄熱タンク１１に冷却水を注入してからの経過時間に基づき判断しているが（Ｓ１６）、タンク温度Ｔｈｔに基づき直接判断するようにしてもよい。これにより、蓄熱タンク１１の予熱完了をより高い精度で判断することが可能である。

図３はそのような変形例の制御内容を示したフローチャートである。

これについて説明すると、Ｓ２１〜Ｓ２５は、図２のＳ１１〜Ｓ１５の処理と同一であり、蓄熱開始条件が成立したことをもって蓄熱タンク１１への高温の冷却水の注入が開始され、蓄熱タンク１１の予熱が行われる。

Ｓ２６では、コントローラ３０は、蓄熱タンクの予熱が完了したかの判断を行う。この例では、コントローラ３０は、タンク温度Ｔｈｔを新たに取得し、タンク温度Ｔｈｔが第３の閾値を超えた場合に蓄熱タンク１１の予熱が完了したと判断して、Ｓ２７以降の蓄熱処理に移行するようになっている。この点のみが図２に示したフローチャートと相違する。第３の閾値は、蓄熱タンク１１が十分に暖まったか判断するための温度閾値であり、例えば、７０℃に設定される。

Ｓ２７〜Ｓ２９は、図２の１７〜Ｓ１９の処理と同一であり、蓄熱タンク１１への高温の冷却水の再注入が行われ、蓄熱タンク１１に高温の冷却水が貯留される。

あるいは、図４の変形例のように、予熱処理と蓄熱処理をまとめて行うことも可能である。

これについて説明すると、Ｓ３１〜Ｓ３３は図１のＳ１１〜Ｓ１３と同じであり、蓄熱開始条件が成立した場合に蓄熱タンク１１への高温の冷却水の注入が開始される。

Ｓ３４では、コントローラ３０は、タンク温度Ｔｈｔ、タンク内水温Ｔｈｗを新たに取得し、タンク温度Ｔｈｔが第３の閾値を超えているか、また、タンク内水温Ｔｈｗが第４の閾値を超えているか判断する。タンク温度Ｔｈｔが第３の閾値よりも低い間はＳ３４が繰り返され、蓄熱タンク１１への高温の冷却水の注入が継続され、蓄熱タンク１１の予熱が行われる。

第３の閾値は、蓄熱タンク１１が十分に暖まったか判断するための温度閾値であり、例えば、７０℃に設定される。第４の閾値は、蓄熱完了、すなわち、蓄熱タンク１１に高温の冷却水が高温の冷却水と入れ替わったことを判断するための閾値であり、エンジン出口水温Ｔｅと略等しいかやや低い温度、例えば、８５℃に設定される。

タンク温度Ｔｈｔが第３の閾値を超えてもタンク内水温Ｔｈｗが第４の閾値よりも低い場合は、また、蓄熱タンク１１内の冷却水全量が高温の冷却水と入れ替わっていないので、Ｓ３４の処理が繰り返され、蓄熱タンク１１への高温の冷却水の注入が継続される。

そして、最終的に、タンク温度Ｔｈｔが第３の閾値を超え、かつ、タンク内水温Ｔｈｗが第４の閾値を超えると、処理がＳ３５に進み、コントローラ３０は、電動ウォーターポンプ１５を停止させるとともに、三方弁１４を遮断側に切り換える。これにより、蓄熱タンク１１に高温の冷却水が貯留される。

したがって、図４の変形例では、予熱処理中、蓄熱タンク１１に高温の冷却水が連続して注入され、蓄熱タンク１１の予熱が完了したら、蓄熱処理による高温の冷却水の再注入が間断なく連続して行われる。電動ウォーターポンプ１５の作動・停止を繰り返さないので、制御内容が簡単になり、また、予熱処理中、高温の冷却水が連続して注入されるので、予熱に要する時間が短縮されるという利点がある。

以上、本発明の実施形態について説明したが、本発明の技術的範囲を上記実施形態の具体的構成に限定する趣旨ではない。

例えば、図２、図３に示した制御では、予熱処理において蓄熱タンク１１内の冷却水を一回だけ高温の冷却水と入れ替えているが、複数回入れ替えた後に蓄熱処理を行う、あるいは、図４の変形例のように予熱処理中、高温の冷却水を連続して供給するようにしてもよい。

また、上記実施形態では、蓄熱回路１０を第１の流路２２に接続しているが、高温の冷却水を取得できる位置であればよく、例えば、蓄熱回路１０を図５に示すように第２の流路２３に接続してもよいし、ヒータ回路２０ではなくエンジン２と図示しないラジエータを接続する流路に接続してもよい。

また、上記実施形態では、エンジン２の運転中に上記制御を行うが、上記制御を行う時期はエンジン２の運転中に限定されない。例えば、エンジン２が停止している間であっても、ヒータ回路２０内の冷却水温度が十分に高ければ上記制御が可能である。

また、エンジン２の運転中に上記制御を行うのであれば、電動ウォーターポンプ１５を無くし、エンジン２の動力で駆動されるウォーターポンプ２４を利用して蓄熱タンク１１に貯留されている冷却水を入れ替えることも可能である。この場合、蓄熱タンク１１に冷却水を注入するには、三方弁１４に注入側に切り換えるだけでよい。ただし、ウォーターポンプ２４の吐出量がエンジン２の回転速度によって変化することから、規定時間をエンジン２の回転速度に応じて可変とするか、入れ替え途中で十分余裕を持たせた時間を設定する。

１ 蓄熱システム
２ エンジン
１０ 蓄熱回路
１１ 蓄熱タンク
２０ ヒータ回路（冷却水回路）
１４ 三方弁（切換弁）
３０ コントローラ（予熱処理手段、蓄熱処理手段）
３１〜３３ 温度センサ

Claims (6)

1. 断熱構造を有し、エンジンの冷却水回路に接続する蓄熱タンクと、
   前記蓄熱タンクと前記冷却水回路との間に設けられ、前記冷却水回路から前記蓄熱タンクへの冷却水の注入・遮断を切り換える切換弁と、
   前記蓄熱タンクに前記冷却水を貯留する場合、前記エンジンの暖機完了後に、前記切換弁を前記注入側に切り換えて前記冷却水回路から前記蓄熱タンクに前記冷却水を注入し、前記蓄熱タンクに注入された前記冷却水により前記蓄熱タンクを予熱する予熱処理手段と、
   前記予熱が完了した後、前記冷却水回路から前記蓄熱タンクに前記冷却水を再び注入するとともに前記予熱により温度が低下した前記蓄熱タンク内の前記冷却水を前記冷却水回路に戻し、前記切換弁を前記遮断側に切り換えて前記再注入された冷却水を前記蓄熱タンクに貯留する蓄熱処理手段と、
   を備えたことを特徴とする蓄熱システム。
2. 請求項１に記載の蓄熱システムであって、
   前記予熱の完了を、前記予熱処理手段によって前記冷却水回路から前記蓄熱タンクへの前記冷却水の注入を開始してからの経過時間に基づき前記予熱の完了を判定する予熱完了判定手段を備え、
   前記蓄熱処理手段は、前記予熱完了判定手段により前記予熱の完了が判定された場合に、前記冷却水回路から前記蓄熱タンクへの前記冷却水の再注入を開始する、
   ことを特徴とする蓄熱システム。
3. 請求項２に記載の蓄熱システムであって、
   前記予熱完了判定手段は、前記蓄熱タンクへの前記冷却水の注入を開始してからの前記経過時間が、前記蓄熱タンクの初期温度、前記蓄熱タンクの体積及び熱容量、前記蓄熱タンクに注入される冷却水の温度によって決まる予熱規定時間を超えた場合に前記予熱が完了したと判定する、
   ことを特徴とする蓄熱システム。
4. 請求項１に記載の蓄熱システムであって、
   前記予熱の完了を前記蓄熱タンクの温度に基づき判定する予熱完了判定手段を備え、
   前記蓄熱処理手段は、前記予熱完了判定手段により前記予熱の完了が判定された場合に、前記冷却水回路から前記蓄熱タンクへの前記冷却水の再注入を開始する、
   ことを特徴とする蓄熱システム。
5. 請求項１に記載の蓄熱システムであって、
   前記予熱処理手段は、前記蓄熱タンクの予熱が完了するまで前記冷却水回路から前記蓄熱タンクに連続して前記冷却水を注入し、
   前記蓄熱処理手段による前記冷却水回路から前記蓄熱タンクへの前記冷却水の再注入は前記予熱処理手段による前記冷却水回路から前記蓄熱タンクへの前記冷却水の注入と間断なく連続して行われる、
   ことを特徴とする蓄熱システム。
6. 断熱構造を有し、エンジンの冷却水回路に接続する蓄熱タンクを備えた蓄熱システムの制御方法であって、
   前記蓄熱タンクに前記冷却水を貯留する場合、前記エンジンの暖機完了後に、前記冷却水回路から前記蓄熱タンクに前記冷却水を注入し、前記蓄熱タンクに注入された前記冷却水により前記蓄熱タンクを予熱する予熱処理手順と、
   前記予熱が完了した後、前記冷却水回路から前記蓄熱タンクに前記冷却水を再び注入するとともに前記予熱により温度が低下した前記蓄熱タンク内の前記冷却水を前記冷却水回路に戻し、前記再注入された冷却水を前記蓄熱タンクに貯留する蓄熱処理手順と、
   を含むことを特徴とする蓄熱システムの制御方法。

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