JP5493973B2

JP5493973B2 - 車両用廃熱回収システム

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Publication number: JP5493973B2
Application number: JP2010032422A
Authority: JP
Inventors: 吉田　　隆
Original assignee: IHI Corp
Current assignee: IHI Corp
Priority date: 2010-02-17
Filing date: 2010-02-17
Publication date: 2014-05-14
Anticipated expiration: 2030-02-17
Also published as: JP2011169191A

Description

本発明は車両用廃熱回収システムに関するものである。

内燃機関を搭載した車両の廃熱回収手段には、ランキンサイクルを利用して内燃機関の廃熱を運動エネルギーに変換し、更に、電気エネルギーに変換するものがある（例えば、特許文献１参照）。

特許文献１の内燃機関の廃熱利用装置では、エンジンの冷却水回路を循環する冷却液がエンジンの廃熱から回収した熱エネルギーを、冷却水回路とランキンサイクル回路との結合要素となる蒸発器によって、ランキンサイクル回路を循環する作動流体に授けるとともに、作動流体が授かった熱エネルギーを膨張機によって運動エネルギーに変換し、更に、膨張機の運動エネルギーを発電機によって電気エネルギーに変換している。

蒸発器の冷却水経路の冷却水流通方向下流側には、ラジエータ、サーモスタット、及び冷却水をエンジンに送り込むためのポンプが直列に接続され、また、蒸発器から送出される冷却水を、ラジエータの下流側へ導くバイパス路が設けられている。

サーモスタットは、冷却水温度が所定値以下である場合には、冷却水流路が閉じた状態となり、冷却水温度が所定値を上回って上昇する際には、冷却水流路の開度が徐々に拡がり、冷却水温度が所定値へ下降する際には、冷却水流路の開度が徐々に狭まるように構成されている。

長時間駐車していた車両のエンジンを始動した直後は、冷却水回路内の冷却水温度が所定値よりも低く、サーモスタットは冷却水流路が閉じた状態となる。これにより、蒸発器から送出される冷却水は、ラジエータを通過しないので、エンジンの廃熱は積極的に放出されず、いわゆる暖気運転が行われることになる。

車両を走行させるために、燃料噴射量を増加させてエンジンの回転数を高くすると、冷却水回路内の冷却水温度が高くなる。冷却水温度が所定値を超えて上昇し続けると、サーモスタットの冷却水流路の開度が徐々に拡がり、冷却液がラジエータを経て冷却水回路を循環する。冷却液は、ラジエータを通る際にエンジンの廃熱を積極的に放出し、冷却液温度が下降することになる。

特開２００８−１９６３４２号公報

上述した内燃機関の廃熱利用装置は、蒸発器から送出される冷却水をバイパス路によってラジエータの下流側へ導いているので、冷却液温度が所定値を上回ってサーモスタットの冷却液流路が開いた場合でも、蒸発器から送出される冷却水の一部は、ラジエータに比べて圧力損失が小さいバイパス路へと流れしまう。このため、ラジエータの放熱能力が有効に活用されない。

エンジンを冷却するという観点からは、冷却水の熱エネルギーを蒸発器よりランキンサイクル経路の作動媒体に授けても、ラジエータから大気中に放出しても同様であるが、蒸発器の熱回収能力はラジエータの放熱能力よりも低い。従って、車両の高速走行時や登坂時などエンジンの高負荷運転が継続する場合には、当該エンジンを充分に冷却できないという欠点がある。

本発明は上述した実情に鑑みてなしたもので、高負荷運転時のエンジンの廃熱を充分に取り除ける車両用廃熱回収システムを提供することを目的としている。

上記目的を達成するため、請求項１に記載の車両用排熱回収システムは、
エンジン冷却液通路の出口から入口に至る冷却液流路と、当該冷却液流路に直列に組み込んだ冷却液循環用ポンプと、冷却液を外気により冷却するラジエータと、冷却液温度が設定値以下では閉じ且つ冷却液温度が上回った際に開くサーモスタットと、エンジン冷却のための冷却液が通る一次流体通路及び当該冷却液から熱を受けるべき作動冷媒が通る二次流体通路を有する廃熱回収用の蒸発器とを備え、
ラジエータを通過する冷却液の圧力損失に比べて、蒸発器を通過する冷却液の圧力損失のほうが大きくなるように、当該蒸発器の一次流体経路の形状を設定しておき、
前記冷却液流路にラジエータとサーモスタットとを、冷却水流通方向上流側から下流側に向けて直列に組み込み、
前記冷却液流路のラジエータ組み込み箇所よりも冷却液流通方向上流側の部位に、蒸発器の一次流体通路の入口を第１の廃熱回収用冷却液流路を介して接続し、前記冷却液流路のサーモスタット組み込み個所よりも冷却液流通方向下流側の部位に、蒸発器の一次流体通路の出口を第２の廃熱回収用冷却液流路を介して接続し、
前記冷却液流路を、前記ラジエータと前記サーモスタットを通ってエンジンに至る流路と、前記蒸発器を通ってエンジンに至る流路と、を有するように形成し、
前記サーモスタットの開度が拡がるのに応じて、前記蒸発器を通ってエンジンに至る流路を通過する冷却量よりも前記ラジエータと前記サーモスタットを通ってエンジンに至る流路を通過する冷却量の流量が増えることを特徴としている。

請求項２に記載の車両用排熱回収システムは、エンジン冷却液通路の出口から入口に至る冷却液流路と、当該冷却液流路に直列に組み込んだ冷却液循環用ポンプと、冷却液温度が設定値以下では閉じ且つ冷却液温度が上回った際に開くサーモスタットと、冷却液を外気により冷却するラジエータと、エンジン冷却のための冷却液が通る一次流体通路及び当該冷却液から熱を受けるべき作動冷媒が通る二次流体通路を有する廃熱回収用の蒸発器とを備え、
ラジエータを通過する冷却液の圧力損失に比べて、蒸発器を通過する冷却液の圧力損失のほうが大きくなるように、当該蒸発器の一次流体経路の形状を設定しておき、
前記冷却液流路にサーモスタットとラジエータとを、冷却水流通方向上流側から下流側に向けて直列に組み込み、
前記冷却液流路のサーモスタット組み込み箇所よりも冷却液流通方向上流側の部位に、蒸発器の一次流体通路の入口を第１の廃熱回収用冷却液流路を介して接続し、前記冷却液流路のラジエータ組み込み個所よりも冷却液流通方向下流側の部位に、蒸発器の一次流体通路の出口を第２の廃熱回収用冷却液流路を介して接続し、
前記冷却液流路を、前記サーモスタットと前記ラジエータを通ってエンジンに至る流路と、前記蒸発器を通ってエンジンに至る流路と、を有するように形成し、
前記サーモスタットの開度が拡がるのに応じて、前記蒸発器を通ってエンジンに至る流路を通過する冷却量よりも前記サーモスタットと前記ラジエータを通ってエンジンに至る流路を通過する冷却量の流量が増えることを特徴としている。

本発明の車両用廃熱回収システムによれば、下記のような優れた作用効果を奏し得る。

（１）請求項１に記載の車両用廃熱回収システムでは、冷却液温度の上昇に伴ってサーモスタットが全開になると、エンジン冷却液通路から冷却液流路へ送出される冷却液の大半が、蒸発器に比べて圧力損失が小さいラジエータへと導かれるので、当該ラジエータの放熱能力が有効に活用される。従って、車両の高速走行時や登坂時などエンジンの高負荷運転が継続する場合でも、当該エンジンの冷却を充分に行うことができる。

（２）請求項２に記載の車両用廃熱回収システムでは、冷却液温度の上昇に伴ってサーモスタットが全開になると、エンジン冷却液通路から冷却液流路へ送出される冷却液の大半がサーモスタットを経たうえ、蒸発器に比べて圧力損失が小さいラジエータへと導かれるので、当該ラジエータの放熱能力が有効に活用される。従って、車両の高速走行時や登坂時などエンジンの高負荷運転が継続する場合でも、当該エンジンの冷却を充分に行うことができる。なお、当該サーモスタットは、廃熱回収システムの設計温度範囲を超えた場合に、開くように設定される。

本発明の車両用廃熱回収システムの実施の形態の第１の例を示す概念図である。ラジエータのコアを示す部分斜視図である。ランキンサイクルの一例における温度−エントロピー線図である。本発明の車両用廃熱回収システムの実施の形態の第２の例を示す概念図である。

以下、本発明の実施の形態を図面に基づき説明する。

図１は本発明の車両用廃熱回収システムの第１の例を示すものであり、車両に搭載されるエンジン１の冷却液循環経路２６に、廃熱回収発電を行うためのランキンサイクル経路３を併設している。

冷却液循環経路２６は、吐出口がエンジン１内部に設けられた冷却液通路の入口に連なり且つ当該冷却液通路に冷却液を連続的に供給するポンプ４と、前記エンジン１の廃熱で熱せられた冷却液が通る一次流体通路及び当該冷却液から廃熱を受けるべき作動冷媒が通る二次流体通路を有して冷却液循環経路２６とランキンサイクル経路３との結合要素となる蒸発器５と、前記エンジン１の廃熱で熱せられた冷却液を外気により冷却するラジエータ６と、入口ポート７ａと出口ポート７ｂとを有し且つ冷却液の温度に応じて開度が変化するサーモスタット７と備えており、前記ポンプ４は、エンジン１のクランク軸を駆動源としている。ラジエータ６からの放熱量は、エンジン１の出力と同程度であり、蒸発器５の熱差回収能力を、市街地でのエンジン平均出力と同程度の１０ｋＷ程度としている。

前記エンジン１内部に設けられた冷却液通路の出口は、冷却液流路２７を介してラジエータ６の入口に接続され、当該ラジエータ６の出口は、冷却液流路１０を介してサーモスタット７の入口ポート７ａに接続され、当該サーモスタット７の出口ポート７ｂは、前記ポンプ４の吸引口に冷却液流路１１を介して接続されている。更に、前記蒸発器５の一次流体通路の入口は、第１の廃熱回収用冷却液流路２８を介して冷却液流路２７に接続され、当該蒸発器５の一次流体通路の出口は、第２の廃熱回収用冷却液流路２９を介して前記冷却液流路１１に接続されており、ラジエータ６と蒸発器５の一次流体通路とは、上流側の冷却液流路２７及び下流側の冷却液流路１１に対して並列に接続されていることになる。なお、ポンプ４に替えて、別のポンプをエンジン１内部に設けられた冷却液通路の出口に設ける、という構成も採れる。

ラジエータ６には、プレッシャバルブとベントバルブとを内装したラジエータキャップ６ｄが付帯しており、当該ラジエータキャップ６ｄは、冷却液循環経路２内の圧力を一定の範囲に保ち、冷却液の沸点を大気中に比べて上昇させて外気温度と冷却液の温度差を大きくし、熱交換の効率向上を図る役割を担っている。

プレッシャバルブは、ラジエータ６内の圧力が設定値を下回っているときは閉じた状態となり、ラジエータ６内の圧力が設定値を超えると開いた状態となって、ラジエータ６内をリザーブタンク（図示せず）に連通させる。ベントバルブは、ラジエータ６内の圧力が大気圧を上回っているときは閉じた状態となり、ラジエータ６内の圧力が負圧になると開いた状態となって、ラジエータ６内に前記リザーブタンクを連通させる。

エンジン１が回転し続けると、冷却液温度が上がり、冷却液の熱膨張に伴ってラジエータ６内の圧力も上がる。ラジエータ６内の圧力が一定値以上になるとプレッシャバルブが開くことにより、ラジエータ６内の冷却液は一部が蒸気化してリザーブタンクへ回収され、当該ラジエータ６内の圧力上昇が抑止される。エンジン１が停止すると、冷却液温度が次第に下がってラジエータ６内の圧力も下がる。ラジエータ６内の圧力が負圧になると、ベントバルブが開くことにより、リザーブタンクから冷却液がラジエータ６内へ補充され、当該ラジエータ６内が大気圧に保たれる。

図２はラジエータ６のコア６ａを示すもので、冷却液が流通する扁平なチューブ６ｂと、該チューブ６ｂの外側面に設けたコルゲート状のフィン６ｃとを有し、チューブ６ｂ内を流通する冷却液の廃熱はフィン６ｃに伝えられ、当該フィン６ｃを経て大気中に放出される。

サーモスタット７は、例えば冷却液温度が８０℃以下では全閉状態となり、冷却液温度が８０℃から８５℃へ移行する際には開度が徐々に拡がり、冷却液温度が８５℃以上では全開になり、冷却液温度が８５℃から８０℃へ移行する際には開度が徐々に狭まる。

ランキンサイクル経路３は、冷却液循環経路２６とランキンサイクル経路３との結合要素となり且つ一次流体通路を通る冷却液の廃熱で二次流体通路を通る作動冷媒を過熱蒸気化させる先述の蒸発器５と、過熱蒸気化した作動冷媒の膨張により回転し且つ発電機１３を駆動する蒸気タービン１４と、当該発電機１３から得た電力を蓄え得る二次電池１５と、蒸気化した作動冷媒を外気により冷却して液化させる凝縮器１６と、モータ１７によって駆動されるポンプ１８とを備えている。

ポンプ１８の吐出口は、作動媒体流路１９を介して蒸発器５の二次流体通路の入口に接続され、当該蒸発器５の二次流体通路の出口は、作動媒体流路２０を介して蒸気タービン１４の入口に接続され、当該蒸気タービン１４の出口は、作動媒体流路２１を介して凝縮器１６の入口に接続され、当該凝縮器１６の出口は、作動媒体流路２２を介して前記ポンプ１８の吸引口に接続されている。

ランキンサイクル経路３の作動冷媒には、蒸発器５において温度が９０℃以上の冷却液から熱エネルギーを得て蒸発し、蒸気タービン１４を効率よく駆動させた後、凝縮器１６において温度が２５℃程度の大気中に残余の熱エネルギーを放出して凝縮液化可能な物性を有する有機媒体を用いている。

具体的には、図３のＴ−Ｓ（温度−エントロピー）線図に示すように、０．２１ＭＰａで蒸発温度が８５℃となり、０．０６ＭＰａで凝縮温度が４５℃となる有機媒体が適している。蒸発器５における作動冷媒の温度−エントロピー変化は、線図の点Ａから右側へ向けて上昇した後、線図の点Ｂに水平に至る区間に相当し、蒸気タービン１４における作動冷媒の温度−エントロピー変化は、線図の点Ｂから右側に向けて下降して線図の点Ｃに至る区間に相当し、凝縮器１６における温度−エントロピー変化は、線図の点Ｃから右側に向けて下降した後、線図の点Ａに水平に至る区間に相当する。

ランキンサイクル経路３の作動媒体に用いる有機媒体としては、
ハイドロフルオロ―エーテル：Ｃ₃Ｆ₇ＯＣＨ₃
ハイドロフルオロ―エーテル：Ｃ₄Ｆ₉ＯＣＨ₃
パーフルオロケトン：Ｃ₃Ｆ₇ＯＣ₃Ｆ₅
パーフルオロケトン：Ｃ₄Ｆ₉ＯＣ₃Ｆ₅
などがあり、分子量が大きくなるほど、沸点が高くなる。

蒸発器５は、一次流体である冷却液と二次流体である作動媒体とが、互いに接触せずに熱交換を行い得るものであればよく、例えば、シェル・アンド・チューブ型熱交換器を用いる場合、複数のチューブ内を冷却液が流通し、当該チューブを取り囲むシェル内を作動媒体が流通することになる。

更に、図１に示す車両用廃熱回収システムには、エンジン１の冷却液通路から送出される冷却液の温度を検出する温度センサ２３と、二次電池１５の電圧を検出する電圧センサ２４と、当該両センサ２３、２４の検出値に基づきランキンサイクル経路３のポンプ１８を駆動するモータ１７を発動停止させるコントローラ２５とが付帯している。ここでは、コントローラ２５を独立した形で表しているが、実際には、車載のエンジン制御ユニットを利用したものである。

コントローラ２５は、例えば８５℃以上を設定値とし、温度センサ２３の検出値（実質的にはエンジン１の冷却液通路の出口温度）が設定値を下回っている場合、もしくは、例えば１４．４Ｖを上限値とし、電圧センサ２４の検出値（実質的には二次電池１５の充電量）が設定値を上回っている場合に、ランキンサイクル経路３のポンプ１８を駆動するモータ１７に対して停止信号を送信する機能と、前記温度センサ２３の検出値が設定値を上回り、しかも前記電圧センサ２４の検出値が上限値を下回っている場合に、ランキンサイクル経路３のポンプ１８を駆動するモータ１７に対して発動信号を送信する機能とを具備している。

本願発明の特徴部分は、冷却液循環経路２６において、ラジエータ６を通過する冷却液の圧力損失よりも蒸発器５を通過する冷却液の圧力損失のほうが大きくなるように、当該蒸発器５の一次流体経路の形状を設定した点にある。ラジエータ６による冷却液の圧力損失は概ね、チューブ６ｂの本数、流路断面積、及び長さで決まり、蒸発器５がシェル・アンド・チューブ型である場合、蒸発器５による冷却液の圧力損失も概ね、チューブの本数、流路断面積、長さで決まるので、蒸発器５の伝熱部材の冷却液接触面積がラジエータ６の伝熱部材の冷却液接触面よりも大きくなるように、蒸発器５のチューブの設計条件を決定する。

図１に示す車両用廃熱回収システムでは、長時間駐車していた車両のエンジン１を始動した直後は、冷却液循環経路２内の冷却液温度が８５℃よりも低く、サーモスタット７は全閉状態であり、温度センサ２３の検出値もコントローラ２５の設定値よりも低いので、当該コントローラ２５は、ポンプ１８駆動用のモータ１７に停止信号を送信する。

冷却液循環経路２６においては、ポンプ４、エンジン１内部の冷却液通路、冷却液流路２７、第１の廃熱回収用冷却液流路２８、蒸発器５の一次流体通路、第２の廃熱回収用冷却液流路２９、冷却液流路１１、ポンプ４の順で冷却液が循環するが、当該冷却液はラジエータ６を通過しないので、エンジン１の廃熱は積極的に放出されず、いわゆる暖気運転が行われることになる。この結果、冷却液温度が上昇するとともに、潤滑油も温まり、当該潤滑油の粘性に起因した抵抗が減少する。

また、ランキンサイクル経路３においては、モータ１７が停止状態でポンプ１８が稼働しないので、蒸発器５の二次流体通路に作動媒体が送給されない。よって、蒸気タービン１４を回転させるための過熱蒸気が得られず、発電機１３は休止状態になる。

車両を走行させるために、燃料噴射量を増加させてエンジン１の回転数を高くすると、冷却液循環経路２６内の冷却液温度が高くなる。サーモスタット７近辺における冷却液温度が８０℃を超えて上昇し続けると、当該サーモスタット７の開度が徐々に拡がる。これにより、冷却液の一部が、ポンプ４、エンジン１内部の冷却液通路、冷却液流路２７、ラジエータ６、冷却液流路１０、サーモスタット７、冷却液流路１１、ポンプ４の順で冷却液が循環し始め、サーモスタット７の開度が拡がるのに応じてラジエータ６を通過する冷却液の流量が増える。

電圧センサ２４の検出値が１４．４Ｖに及ばず、二次電池１５に充電が継続可能な状況である場合に、温度センサ２３の検出値が８５℃に達すると、コントローラ２５は、ポンプ１８駆動用のモータ１７に発動信号を送信する。ランキンサイクル経路３においては、モータ１７がポンプ１８を駆動することにより、ポンプ１８、作動媒体流路１９、蒸発器５の二次流体通路、作動媒体流路２０、蒸気タービン１４、作動媒体流路２１、凝縮器１６、作動媒体流路２２、ポンプ１８の順で作動媒体が循環し始める。

このとき、蒸発器５の二次流体通路で過熱蒸気化した作動冷媒の膨張によって回転する蒸気タービン１４が発電機１３を駆動し、当該発電機１３で生じた電力が二次電池１５に蓄えられ、蒸気タービン１４を回転させた後の作動冷媒は凝縮器１６で液化され、ポンプ１８へと戻る。

二次電池１５の充電量が満たされて、電圧センサ２４の検出値が１４．４Ｖを上回った場合には、コントローラ２５が、ポンプ１８駆動用のモータ１７に停止信号を送信するので、蒸発器５の二次流体通路に作動媒体が送給されず、発電機１３は休止状態になる。また、温度センサ２３の検出値が設計温度を超える前に電圧センサ２４の検出値が１４．４Ｖを上回っていれば、温度センサ２３の検出値が８５℃を超えても、コントローラ２５からポンプ１８駆動用のモータ１７に対して停止信号が送信される。

サーモスタット７付近における冷却液温度が８５℃を超えると、当該サーモスタット７が全開になる。先述したように、冷却液循環経路２６においては、ラジエータ６を通過する冷却液の圧力損失に比べて、蒸発器５の通過する冷却液の圧力損失のほうが大きくなるようにしてあるので、エンジン１内の冷却液通路から冷却液流路２７へ送出される冷却液の大半は、そのままラジエータ６に流入し、一部の冷却液が、第１の廃熱回収用冷却液流路２８を経て蒸発器５の一次流体通路に流入する。

冷却液は、ラジエータ６を通る際にエンジン１の廃熱を積極的に放出し、冷却液温度が下降することになるが、冷却液の大半がラジエータ６へと導かれるので、当該ラジエータ６の放熱能力が有効に活用される。従って、車両の高速走行時や登坂時などエンジン１の高負荷運転が継続する場合でも、当該エンジン１の廃熱を充分に取り除くことができる。

このとき、冷却液流路２７、冷却回収用冷却液流路２８から蒸発器５の一次流体通路への冷却液の流入や、当該蒸発器５の一次流体通路から第２の冷却回収用冷却液流路２９への冷却液の流出が遮断されるわけではなく、また、元来、蒸発器５の熱回収能力はラジエータ６の放熱能力よりも低く設定されているので、ポンプ１８が駆動している状態（温度センサ２３と電圧センサ２４との検出値に応じてコントローラ２５がポンプ１８駆動用のモータ１７を発動させている状態）であれば、冷却液循環経路２６を循環する冷却液がエンジン１の廃熱から回収した熱エネルギーを、蒸発器５によってランキンサイクル経路３を循環する作動冷媒に授けるとともに、作動冷媒が授かった熱エネルギーを蒸気タービン１４によって運動エネルギーに変換し、蒸気タービン１４の運動エネルギーを発電機１３によって電気エネルギーに変換したうえ、二次電池１５に蓄えることができる。

図４は本発明の車両用廃熱回収システムの第２の例を示すものであり、車両に搭載されるエンジン１の冷却液循環経路３０に、廃熱回収発電を行うためのランキンサイクル経路３を併設しており、当該ランキンサイクル経路３は、図１により説明した車両用廃熱回収システムと同様に作動する。

冷却液循環経路３０は、エンジン１内部に設けられた冷却液通路の入口に冷却液を連続的に供給するポンプ４と、前記エンジン１の廃熱で熱せられた冷却液が通る一次流体通路及び当該冷却液から廃熱を受けるべき作動冷媒が通る二次流体通路を有して冷却液循環経路２とランキンサイクル経路３との結合要素となる蒸発器５と、冷却するラジエータ６と、サーモスタット７と備えている。

前記エンジン１内部に設けられた冷却液通路の出口は、冷却液流路３１を介してサーモスタット７の入口ポート７ａに接続され、当該サーモスタット７の出口ポート７ｂは、冷却液流路３２を介してラジエータ６の入口に接続され、当該ラジエータ６の出口は、前記ポンプ４の吸引口に冷却液流路３３を介して接続されている。更に、前記蒸発器５の一次流体通路の入口は、第１の廃熱回収用冷却液流路３４を介して冷却液流路３１に接続され、当該蒸発器５の一次流体通路の出口は、第２の廃熱回収用冷却液流路３５を介して前記冷却液流路３３に接続されており、ラジエータ６と蒸発器５の一次流体通路とは、上流側の冷却液流路２７、及び下流側の冷却液流路１１に対して並列に接続されていることになる。

冷却液循環経路３０においても、図１に示す車両用廃熱回収システムと同様に、ラジエータ６を通過する冷却液の圧力損失に比べて、蒸発器５の通過する冷却液の圧力損失のほうが大きくなるように、当該蒸発器５の一次流体経路の形状を設定している。

更に、図４に示す車両用廃熱回収システムには、温度センサ２３、電圧センサ２４、及びコントローラ２５とが付帯しており、当該コントローラ２５は図１より説明した車両用廃熱回収システムと同様に作動する。

図４に示す車両用廃熱回収システムと図１に示す車両用廃熱回収システムとの構成上の相違は、図１では、サーモスタット７をラジエータ６の冷却液流通方向下流側に設置しているが、図４では、サーモスタット７をラジエータ６の冷却液流通方向上流側に設置している点にある。

冷却液循環経路３０内の冷却液温度が８０℃よりも低く、サーモスタット７は全閉状態となっている場合、冷却液循環経路３０においては、ポンプ４、エンジン１内部の冷却液通路、冷却液流路３１、第１の廃熱回収用冷却液流路３４、蒸発器５の一次流体通路、第２の廃熱回収用冷却液流路３５、冷却液流路３３、ポンプ４の順で冷却液が循環するが、当該冷却液はラジエータ６を通過しないので、エンジン１の廃熱は積極的に放出されず、いわゆる暖気運転が行われることになる。この結果、冷却液温度が上昇するとともに、潤滑油も温まり、当該潤滑油の粘性に起因した抵抗が減少する。

車両を走行させるために、燃料噴射量を増加させてエンジン１の回転数を高くすると、冷却液循環経路３０内の冷却液温度が高くなる。サーモスタット７近辺における冷却液温度が８０℃を超えて上昇し続けると、当該サーモスタット７の開度が徐々に拡がる。これにより、冷却液の一部が、ポンプ４、エンジン１内部の冷却液通路、冷却液流路３１、サーモスタット７、冷却液流路３２、ラジエータ６、冷却液流路３３、ポンプ４の順で冷却液が循環し始め、サーモスタット７の開度が拡がるのに応じてラジエータ６を通過する冷却液の流量が増える。

サーモスタット７付近における冷却液温度が８５℃を超えると、当該サーモスタット７が全開になる。先述したように、冷却液循環経路３０においては、ラジエータ６を通過する冷却液の圧力損失に比べて、蒸発器５の通過する冷却液の圧力損失のほうが大きくなるようにしているので、エンジン１内の冷却液通路から冷却液流路３１へ送出される冷却液の大半は、サーモスタットを通ってラジエータ６に流入し、一部の冷却液が、第１の廃熱回収用冷却液流路３４を経て蒸発器５の一次流体通路に流入する。

このとき、冷却液流路２７、第１の廃熱回収用冷却液流路３４から蒸発器５の一次流体通路への冷却液の流入や、当該蒸発器５の一次流体通路から第２の廃熱回収用冷却液流路３５への冷却液の流出が遮断されるわけではなく、また、元来、蒸発器５の熱回収能力はラジエータ６の放熱能力よりも低く設定されているので、ポンプ１８が駆動している状態であれば、冷却液循環経路３０を循環する冷却液がエンジン１の廃熱から回収した熱エネルギーを、蒸発器５によってランキンサイクル経路３を循環する作動冷媒に授けるとともに、作動冷媒が授かった熱エネルギーを蒸気タービン１４によって運動エネルギーに変換し、蒸気タービン１４の運動エネルギーを発電機１３によって電気エネルギーに変換したうえ、二次電池１５に蓄えることができる。

なお、本発明の車両用廃熱回収システムは、上述した実施の形態のみに限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲において変更を加え得ることは勿論である。

１エンジン
４ポンプ
５蒸発器
６ラジエータ
７サーモスタット
１０冷却液流路
１１冷却液流路
２７冷却液流路
２８第１の廃熱回収用冷却液流路
２９第２の廃熱回収用冷却液流路
３１冷却液流路
３２冷却液流路
３３冷却液流路
３４第１の廃熱回収用冷却液流路
３５第２の廃熱回収用冷却液流路

Claims

エンジン冷却液通路の出口から入口に至る冷却液流路と、当該冷却液流路に直列に組み込んだ冷却液循環用ポンプと、冷却液を外気により冷却するラジエータと、冷却液温度が設定値以下では閉じ且つ冷却液温度が上回った際に開くサーモスタットと、エンジン冷却のための冷却液が通る一次流体通路及び当該冷却液から熱を受けるべき作動冷媒が通る二次流体通路を有する廃熱回収用の蒸発器とを備え、
ラジエータを通過する冷却液の圧力損失に比べて、蒸発器を通過する冷却液の圧力損失のほうが大きくなるように、当該蒸発器の一次流体経路の形状を設定しておき、
前記冷却液流路にラジエータとサーモスタットとを、冷却水流通方向上流側から下流側に向けて直列に組み込み、
前記冷却液流路のラジエータ組み込み箇所よりも冷却液流通方向上流側の部位に、蒸発器の一次流体通路の入口を第１の廃熱回収用冷却液流路を介して接続し、前記冷却液流路のサーモスタット組み込み個所よりも冷却液流通方向下流側の部位に、蒸発器の一次流体通路の出口を第２の廃熱回収用冷却液流路を介して接続し、
前記冷却液流路を、前記ラジエータと前記サーモスタットを通ってエンジンに至る流路と、前記蒸発器を通ってエンジンに至る流路と、を有するように形成し、
前記サーモスタットの開度が拡がるのに応じて、前記蒸発器を通ってエンジンに至る流路を通過する冷却量よりも前記ラジエータと前記サーモスタットを通ってエンジンに至る流路を通過する冷却量の流量が増えることを特徴とする車両用廃熱回収システム。
エンジン冷却液通路の出口から入口に至る冷却液流路と、当該冷却液流路に直列に組み込んだ冷却液循環用ポンプと、冷却液温度が設定値以下では閉じ且つ冷却液温度が上回った際に開くサーモスタットと、冷却液を外気により冷却するラジエータと、エンジン冷却のための冷却液が通る一次流体通路及び当該冷却液から熱を受けるべき作動冷媒が通る二次流体通路を有する廃熱回収用の蒸発器とを備え、
ラジエータを通過する冷却液の圧力損失に比べて、蒸発器を通過する冷却液の圧力損失のほうが大きくなるように、当該蒸発器の一次流体経路の形状を設定しておき、
前記冷却液流路にサーモスタットとラジエータとを、冷却水流通方向上流側から下流側に向けて直列に組み込み、
前記冷却液流路のサーモスタット組み込み箇所よりも冷却液流通方向上流側の部位に、蒸発器の一次流体通路の入口を第１の廃熱回収用冷却液流路を介して接続し、前記冷却液流路のラジエータ組み込み個所よりも冷却液流通方向下流側の部位に、蒸発器の一次流体通路の出口を第２の廃熱回収用冷却液流路を介して接続し、
前記冷却液流路を、前記サーモスタットと前記ラジエータを通ってエンジンに至る流路と、前記蒸発器を通ってエンジンに至る流路と、を有するように形成し、
前記サーモスタットの開度が拡がるのに応じて、前記蒸発器を通ってエンジンに至る流路を通過する冷却量よりも前記サーモスタットと前記ラジエータを通ってエンジンに至る流路を通過する冷却量の流量が増えることを特徴とする車両用廃熱回収システム。