JP5950054B2

JP5950054B2 - 熱輸送装置

Info

Publication number: JP5950054B2
Application number: JP2015540379A
Authority: JP
Inventors: 山田　賢一; 賢一山田; 嘉之山下; 隆幸岩川
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2013-04-18
Filing date: 2014-03-20
Publication date: 2016-07-13
Anticipated expiration: 2034-03-20
Also published as: BR112015021071A2; JP2016509147A; RU2015144315A; US20160076426A1; EP2986830A1; CN105102783A; WO2014171067A1

Description

本発明は、熱輸送装置に関する。

液相の作動媒体を内燃機関の排気ガスの熱を利用して蒸気化させ、蒸気化した作動媒体の熱を凝縮させてこの際に生じる凝縮熱を、例えば内燃機関の暖機や暖房等に利用する技術がある。特許文献１では、蒸気化した作動媒体の熱を蓄くわえる蓄熱材を、次回の内燃機関の始動時での作動媒体を蒸気化させる熱源として利用する技術が開示されている。また、特許文献２〜５には、このような技術に関連した技術が開示されている。

特開２００８−２５５９４５号公報特開２００８−２９２１１６号公報特開２０１２−２５５５７７号公報特開２００６−１８３９４３号公報特開２００６−１８３９４２号公報

内燃機関が停止してから再始動するまでの間に蓄熱材が放熱すると、次回の内燃機関の始動時に熱源として有効に利用できないおそれがある。

そこで、蓄熱材の放熱を抑制する熱輸送装置を提供することを目的とする。

上記目的は、内燃機関の排気ガスの熱により作動媒体を蒸気化する蒸発部と、蒸気化された前記作動媒体を凝縮させる凝縮部と、前記蒸発部と前記凝縮部との間で前記作動媒体を循環させる循環経路部と、前記蒸発部内に設けられた蓄熱材と、前記内燃機関の始動時に前記蒸発部内へ前記作動媒体を供給し、前記内燃機関の停止時に凝縮した前記作動媒体が前記蓄熱材に接触しないように前記作動媒体を回収する供給回収部と、を備え、前記内燃機関が停止して前記作動媒体が前記供給回収部に回収されることにより前記蒸発部内は真空状態になり、前記蒸発部内には、前記内燃機関の排気ガスが流れる流通管が設けられ、前記蓄熱材は、前記流通管に非接触で前記蒸発部内に配置されている、熱輸送装置によって達成できる。

前記蒸発部は、前記蓄熱材と共に前記流通管を包囲する筐体、前記筐体の内面に前記蓄熱材が直接接触しないように前記蓄熱材を支持する支持部、を含んでもよい。

前記支持部は、前記蓄熱材側の面積よりも前記筐体の内面側の面積が小さくてもよい。

前記支持部は、断熱材であってもよい。

前記作動媒体は、前記蒸発部で蒸発し、前記凝縮部で凝縮することを繰り返すように前記循環経路部内を循環してもよい。

前記供給回収部は、大気に開放しており前記作動媒体を液相状態で貯留するタンク、前記タンクと前記循環経路部又は前記蒸発部に連通した供給回収経路部、前記供給回収経路部に設けられた開閉弁、を含み、前記内燃機関の始動中には、前記循環経路部及び前記蒸発部内の圧力は大気圧を超え、前記循環経路部及び前記蒸発部内の圧力は大気圧が超えている場合に前記開閉弁を開くことにより凝縮した前記作動媒体は前記タンクに吸引されてもよい。

蓄熱材の放熱を抑制する熱輸送装置を提供できる。

図１は、熱輸送装置の概略構成図である。図２Ａ、２Ｂは、蒸発部の説明図である。図３は、ＥＣＵが実行する制御の一例を示したフローチャートである。図４は、図３に対応するタイミングチャートである。図５Ａ〜５Ｃは、蒸発部の変形例の説明図である。

図１は熱輸送装置１Ａの概略構成図である。図１では熱輸送装置１Ａとともにエンジン５０や排気管５１やスタータコンバータ５２やアンダーフロアコンバータ５３を示す。図１に示す各構成は図示しない車両に搭載されている。熱輸送装置１Ａは循環経路部１０と分岐経路部２０とリザーブタンク３０とＥＣＵ４０Ａとを備えている。熱輸送装置１Ａは熱の輸送として、受熱によって蒸気化するとともに放熱によって凝縮する現象を利用した作動媒体（以下、単に作動媒体と称す）による熱の輸送を行う。

循環経路部１０は、蒸発部１１と凝縮部１２との間を連通する、供給配管１３及び戻り配管１４を備えている。循環経路部１０、蒸発部１１内には作動媒体が大気圧よりも減圧された状態（例えば大気圧から１００ｋＰａ減圧した状態）で予め封入されている。そしてこれにより、作動媒体による熱の輸送を行うにあたり、使用環境に合わせて作動媒体の沸点を調整している。この点、作動媒体には具体的にはここではＨ_２Ｏが用いられている。

蒸発部１１内には、詳しくは後述するが熱交換器が配置されており、作動媒体を蒸気化する。熱交換器は、具体的にはエンジン５０の排気ガスと作動媒体との間で熱交換を行うことで排気から熱を回収し、作動媒体を蒸気化する。また、詳しくは後述するが蒸発部１１内には、蓄熱材Ｈが配置されている。

エンジン５０の始動は熱輸送装置１Ａの作動開始条件となり、エンジン５０の停止は熱輸送装置１Ａの作動停止条件となる。そして、循環経路部１０は作動停止条件成立後に冷却が進む結果、作動媒体の凝縮が進むことで真空状態を有することになる。

エンジン５０の排気は排気管５１に設けられたスタータコンバータ５２やアンダーフロアコンバータ５３で浄化された上で、排気管５１を介して排出される。そして、蒸発部１１は具体的には排気管５１のうち、アンダーフロアコンバータ５３よりも下流側の部分に設けられている。

凝縮部１２では蒸気化された作動媒体が凝縮する。凝縮部１２は、蒸気化した作動媒体が輸送する熱を利用する部分となっている。凝縮部１２は、例えば、エンジン５０のうち、蒸気が輸送する熱を暖機に利用する部分である。このため、熱輸送装置１Ａは、エンジン５０と共有して凝縮部１２を備えている。凝縮部１２は、エンジン５０のうち、蒸気が輸送する熱で冷間時のエンジン５０のフリクショントルクを低減可能な部分であってもよい。凝縮部１２は、例えばエンジン５０のクランクシャフトの軸受部であってもよい。また、凝縮部１２は、エンジン５０のシリンダヘッドやシリンダブロックに接触するように設けてもよい。また、凝縮部１２を車両の室内を暖房するために用いてもよい。凝縮部１２での作動媒体の凝縮熱の使用用途は上記以外であってもよい。また、本熱輸送装置は、ヒートパイプや蒸気を用いてタービンを回すランキンサイクルシステムであってもよい。

供給配管１３は、蒸発部１１から凝縮部１２に蒸気を供給する。戻り配管１４は凝縮部１２から蒸発部１１に凝縮した作動媒体を戻す。戻り配管１４は具体的には、凝縮した作動媒体を凝縮部１２から蒸発部１１に重力の作用によって戻すことができるように設けられている。

供給配管１３には圧力センサ６１と温度センサ６２とが設けられている。圧力センサ６１は供給配管１３内の圧力を検知することで、循環経路部１０内の圧力を検知する。温度センサ６２は供給配管１３内の温度を検知することで、循環経路部１０内の温度を検知する。

この点、圧力センサ６１は循環経路部１０のうち、最も位置が高い部分に設けられている。また、温度センサ６２は循環経路部１０のうち、圧力センサ６１が系内圧を検知する部分の系内温を検知するように設けられている。

分岐経路部２０は、分岐配管２１とバルブ２２とを備えている。分岐配管２１は、循環経路部１０から分岐している。バルブ２２は、分岐配管２１を流通する作動媒体の流量を制御し、例えば流量調節弁であるがこれに限定されず開閉弁であってもよい。分岐配管２１は、リザーブタンク３０に接続されている。リザーブタンク３０は、循環経路部１０及び蒸発部１１に補充するための作動媒体を、液相状態で貯留する。２１、バルブ２２、リザーブタンク３０は、作動媒体を供給、回収可能な供給回収部の一例である。

この点、分岐配管２１は具体的にはバルブ２２を介してリザーブタンク３０の底部に下方から接続されている。そしてこれにより、リザーブタンク３０で少なくとも確保されるべき液面の高さよりも低い位置で開口するようにリザーブタンク３０に接続されている。分岐配管２１は、戻り配管１４から重力作用方向において上方に向かって分岐し、また、戻り配管１４のうち蒸発部１１寄りの部分から分岐している。

リザーブタンク３０は、具体的には液相状態で貯留する作動媒体に大気圧が作用する大気開放型のタンクとなっている。リザーブタンク３０の容量は、液相状態で貯留する作動媒体に加えて、循環経路部１０内を循環する作動媒体を液相状態で貯留可能な容量である。リザーブタンク３０は例えば所定の圧力で開弁することで、内圧の上昇を抑制するブリーザバルブ付きのタンクであってもよい。

ＥＣＵ４０Ａは電子制御装置であり、ＥＣＵ４０Ａには圧力センサ６１や温度センサ６２のほか、大気圧を検知する大気圧センサ６３や、大気温を検知する大気温センサ６４や、エンジン５０の運転状態を検出するためのセンサ群６５がセンサ・スイッチ類として電気的に接続されている。また、バルブ２２が制御対象として電気的に接続されている。

センサ群６５はエンジン５０の回転数ＮＥを検出可能なクランクセンサや、エンジン５０の吸入空気量を計測可能なエアフロメータや、エンジン５０に対して加速要求を行うアクセルペダルの踏み込み量を検知するアクセル開度センサや、エンジン５０の冷却水温を検知する水温センサや、エンジン５０の排気温を検知する排気温センサや、エンジン５０を始動するためのイグニッションスイッチを含む。センサ群６５の出力やセンサ群６５の出力に基づく各種の情報は例えばエンジン５０制御用のＥＣＵを介して取得されてもよい。或いは、ＥＣＵ４０Ａがエンジン５０制御用のＥＣＵであってもよい。

ＥＣＵ４０ＡではＣＰＵがＲＯＭに格納されたプログラムに基づき、必要に応じてＲＡＭの一時記憶領域を利用しつつ処理を実行する。

次に、蒸発部１１について詳細に説明する。図２Ａ、２Ｂは、蒸発部１１の説明図である。蒸発部１１は、筐体１１ａ、筐体１１ａ内に配置された蓄熱材Ｈ、熱交換器６０等を含む。熱交換器６０には、排気管５１を介して排気ガスが流れる。熱交換器６０は、例えば多管式であるが、これに限定されない。熱交換器６０は、流通管の一例である。また、このような熱交換器を設けなくても、蒸発部１１内を排気管５１がそのまま貫通してもよい。この場合、排気管５１が流通管に相当する。

筐体１１ａ内には、蓄熱材Ｈが設けられている。蓄熱材Ｈは、塩化カルシウム水和物、硫酸ナトリウム水和物、酢酸ナトリウム水和物、チオ硫酸ナトリウム水和物、パラフィン等のいずれであってもよい。

図２Ａは、蒸発部１１内で凝縮した作動媒体に蓄熱材Ｈが晒されている状態を示し、図２Ｂは、液相の作動媒体がリザーブタンク３０に回収された状態を示している。詳しくは後述するが、エンジン５０の駆動中は図２Ａに示すように蒸発部１１内で液相の作動媒体が蒸発する。エンジン５０の停止中では、図２Ｂに示すように液相の作動媒体がリザーブタンク３０に回収されて、蓄熱材Ｈは液相の作動媒体が接触しない状態となり、蒸発部１１内は真空状態となる。

図２Ａに示すように、蓄熱材Ｈは、排気ガスの熱により沸騰する作動媒体から熱を受けて蓄える。この場合、作動媒体は液体であるため、効率的に作動媒体の熱が蓄熱材Ｈに蓄えられる。詳しくは後述するが、蓄熱材Ｈはエンジン５０の再始動時の熱源として利用され、エンジン５０の停止中には以下のように蓄熱材Ｈの放熱が抑制されている。

エンジン５０の停止中では、液相の作動媒体は蓄熱材Ｈに接触しないようにリザーブタンク３０により回収される。これにより、エンジン５０の停止中で蓄熱材Ｈが液相の作動媒体を介して放熱することが抑制されている。

また、エンジン５０が停止中においては、蒸発部１１内は真空状態、即ち蒸発部１１内の圧力は大気圧以下となる。この状態では、蓄熱材Ｈ周辺に蓄熱材Ｈの熱が伝達される気体が少ないため、蓄熱材Ｈの放熱が抑制される。

また、蓄熱材Ｈは、熱交換器６０から所定のクリアランスＣだけ離れて支持されている。これは次の理由による。エンジン５０の停止中には排気ガスが排出されずに熱交換器６０が低温となる。蓄熱材Ｈが熱交換器６０に接触していると、エンジン５０の停止後に熱交換器６０の温度が低下して蓄熱材Ｈの放熱が熱交換器６０により促進される。本実施例では、蓄熱材Ｈは熱交換器６０に非接触であるため、エンジン５０の停止中での蓄熱材Ｈの放熱が抑制されている。

蓄熱材Ｈは、柱部Ｂにより筐体１１ａの内面に接触せずに離れて支持されている。具体的には、蓄熱材Ｈと、筐体１１ａの内底面と内横側面との間に柱部Ｂが配置されている。柱部Ｂは、蓄熱材Ｈに固定されていている。蓄熱材Ｈが筐体１１ａに接触しないので、エンジン５０の停止中で筐体１１ａを介しての蓄熱材Ｈの放熱が抑制されている。柱部Ｂは、例えば金属製であってもよいし断熱材であってもよい。柱部Ｂは、支持部の一例である。

柱部Ｂの形状は、蓄熱材Ｈ側から筐体１１ａの内面に向かって断面積が減少するテーパー状である。柱部Ｂの、筐体１１ａ側の断面積が小さいので、エンジン５０の停止中で柱部Ｂを介して蓄熱材Ｈの熱が筐体１１ａに伝達することが抑制されている。尚、柱部Ｂはこのようなテーパー状でなくてもよい。柱部Ｂは、筐体１１ａ側と点接触又は線接触するものであってもよい。また、柱部Ｂは、蓄熱材Ｈ側の面積よりも筐体１１ａ側の面積が小さければよい。

柱部Ｂは、筐体１１ａの内底面から所定の高さで蓄熱材Ｈを支持している。このため、例えばエンジン５０の停止中にリザーブタンク３０により十分に液相の作動媒体を回収できずに蒸発部１１内に少量の液相の作動媒体が残留していたとしても、蓄熱材Ｈが液相の作動媒体に浸ることが防止される。これにより、蓄熱材Ｈの放熱が抑制される。

筐体１１ａの内面の蓄熱材Ｈ周辺には薄い断熱材１１ｂが貼り付けされている。これにより、筐体１１ａ内を温度の低下を抑制し、エンジン５０の停止中での蓄熱材Ｈの放熱が抑制される。

図３は、ＥＣＵ４０Ａが実行する制御の一例を示したフローチャートである。尚、この制御は、エンジン５０の停止中に実行される。図４は、図３に対応するタイミングチャートである。図４では、蓄熱材Ｈの蓄熱状態、放熱状態、バルブ２２の開閉状態、循環経路部１０や蒸発部１１等の経路内の圧力の状態を示している。また、図４には、タイミングチャートに合わせて蒸発部１１内での作動媒体の状態を簡略化して示している。

ＥＣＵ４０Ａは、イグニッションスイッチのオン、オフを検出するセンサ等の出力から、エンジン５０が停止したか否かを判定する（ステップＳ１）。エンジン５０は、否定判定の場合には再度ステップＳ１の処理を実行する。エンジン５０の駆動中は、蒸発部１１内で液相の作動媒体が蒸発する。

エンジン５０が停止すると、ＥＣＵ４０Ａは、系内の圧力が大気圧を超えているか否かを判定する（ステップ２）。否定判定の場合には、ＥＣＵ４０Ａは本制御を終了する。肯定判定の場合には、ＥＣＵ４０Ａはバルブ２２を所定期間開いて（ステップＳ３）、その後に閉じる（ステップＳ４）。これにより、経路内の液相の作動媒体はリザーブタンク３０により回収される。この理由は、経路内の圧力は、蒸発した作動媒体によって大気圧を超えており、リザーブタンク３０は大気に開放されているので、バルブ２２を開くことにより、経路内の液相の作動媒体は低圧側のバルブ２２に吸引されるからである。ＥＣＵ４０Ａは、液相の作動媒体の回収に必要な期間だけバルブ２２を開いて、その後に閉じる。

液相の作動媒体がリザーブタンク３０により回収された後、エンジン５０が停止しているため熱交換器６０の温度が低下し、即ち、経路内の温度が低下する。これにより、経路内の圧力が低下して、真空状態、即ち大気圧以下の圧力となる。

次に、ＥＣＵ４０Ａは、エンジン５０が再始動したか否かを検出する（ステップＳ５）。エンジン５０の始動はイグニッションスイッチのオン、オフを検出するセンサからの出力に基づいて判断する。否定判定の場合にはＥＣＵ４０Ａは、ステップＳ５の処理を繰り返す。

肯定判定の場合には、ＥＣＵ４０Ａはバルブ２２を所定期間開いて（ステップＳ６）、その後に閉じる（ステップＳ７）。これにより、循環経路部１０、蒸発部１１内に液相の作動媒体が供給される。この理由は、経路内の圧力はエンジン５０の停止中に大気圧より低い真空状態になっているため、バルブ２２を開くことにより大気に開放しているリザーブタンク３０から液相の作動媒体が循環経路部１０、蒸発部１１へと流れる。これにより、蓄熱材Ｈは液相の作動媒体に晒される。

上述したように、蓄熱材Ｈはエンジン５０の停止中での放熱が抑制されている。このため、再始動時においても蓄熱材Ｈは熱を有している。エンジン５０の再始動時に蓄熱材Ｈが液相の作動媒体に浸されることにより、蓄熱材Ｈの熱により液相の作動媒体が高温となる。このため、エンジン５０の再始動時において、蓄熱材Ｈを熱源として利用できる。これにより、エンジン５０の再始動時においても短期間で作動媒体を蒸発させることができる。これにより、エンジン５０の再始動時での暖機性等が向上する。

以上のように、本実施例では、エンジン５０の停止中での蓄熱材Ｈの放熱を抑制するために、エンジン５０の停止中に液相の作動媒体が蓄熱材Ｈに接触しないように回収して、蒸発部１１内を真空状態に形成し、更に蓄熱材Ｈを熱交換器６０に非接触で支持している。

尚、ステップＳ５では、ＥＣＵ４０Ａがエンジン５０の再始動に先立って車両の運転席側のドアが開いたか否かを検出し、ドアが開いたことを検出した場合にエンジンが再始動されることを見越してバルブ２２を開いてもよい。この場合、ドアの開閉を検出するセンサの出力によりＥＣＵ４０Ａは、ドアの開閉状態を検出する。

図５Ａ〜５Ｃは、蒸発部の変形例について説明する。尚、図５Ａ〜５Ｃは、熱交換器６０等は省略してあり、理解を容易にするために液相の作動媒体が回収された状態での蒸発部を示している。図５Ａに示すように、蒸発部１１´の筐体１１ａ´の内側には、断熱材１１ｂ´が固定され、蓄熱材Ｈは筐体１１ａ´に接触しないように断熱材１１ｂ´に固定されている。これにより、蓄熱材Ｈの熱が筐体１１ａ´に伝達することが抑制されている。

図５Ｂに示すように、蒸発部１１´´の筐体１１ａ´´は、部分的に開放しており、開放部分を塞ぐように断熱材１１ｂ´´が固定されている。蓄熱材Ｈはこの断熱材１１ｂ´´に支持されている。これによっても、蓄熱材Ｈの熱が筐体１１ａ´´に伝達することが抑制されている。

また、図５Ｃに示すように、蒸発部１１´´´では、複数の断熱材１１ｂ´´´により、筐体１１ａの内面から離れて支持されている。これによっても、蓄熱材Ｈの熱が筐体１１ａに伝達することが抑制されている。断熱材１１ｂ´、１１ｂ´´、１１ｂ´´´は支持部の一例である。

以上、本発明の実施例について詳述したが、本発明はかかる特定の実施例に限定されるものではなく、特許請求の範囲に記載された本発明の要旨の範囲内において、種々の変形・変更が可能である。

例えば上述した実施例では作動媒体がＨ_２Ｏである場合について説明した。しかしながら、本発明においては必ずしもこれに限られず、作動媒体には例えばアルコールなど適宜のものが用いられてもよい。また、作動媒体は必ずしも減圧された状態で循環経路部内に予め封入されていなくてもよい。この場合でも例えば作動停止時に冷却が進む結果、作動媒体の凝縮が進むことで循環経路部が真空状態をしていればよい。また、例えば熱輸送装置はランキンサイクルを行う熱輸送装置であってもよい。また、ポンプなどにより液相の作動媒体を供給、回収してもよい。

熱輸送装置１Ａ
循環経路部１０
蒸発部１１
筐体１１ａ
断熱材１１ｂ、１１ｂ´、１１ｂ´´、１１ｂ´´´
凝縮部１２
分岐経路部２０
バルブ２２
リザーブタンク３０
ＥＣＵ４０Ａ
蓄熱材Ｈ
柱部Ｂ

Claims

内燃機関の排気ガスの熱により作動媒体を蒸気化する蒸発部と、
蒸気化された前記作動媒体を凝縮させる凝縮部と、
前記蒸発部と前記凝縮部との間で前記作動媒体を循環させる循環経路部と、
前記蒸発部内に設けられた蓄熱材と、
前記内燃機関の始動時に前記蒸発部内へ前記作動媒体を供給し、前記内燃機関の停止時に凝縮した前記作動媒体が前記蓄熱材に接触しないように前記作動媒体を回収する供給回収部と、を備え、
前記内燃機関が停止して前記作動媒体が前記供給回収部に回収されることにより前記蒸発部内は真空状態になり、
前記蒸発部内には、前記内燃機関の排気ガスが流れる流通管が設けられ、
前記蓄熱材は、前記流通管に非接触で前記蒸発部内に配置されている、熱輸送装置。
前記蒸発部は、前記蓄熱材と共に前記流通管を包囲する筐体、前記筐体の内面に前記蓄熱材が直接接触しないように前記蓄熱材を支持する支持部、を含む、請求項１の熱輸送装置。
前記支持部は、前記蓄熱材側の面積よりも前記筐体の内面側の面積が小さい、請求項２の熱輸送装置。
前記支持部は、断熱材である、請求項２又は３の熱輸送装置。
前記作動媒体は、前記蒸発部で蒸発し、前記凝縮部で凝縮することを繰り返すように前記循環経路部内を循環する、請求項１乃至４の何れかの熱輸送装置。
前記供給回収部は、大気に開放しており前記作動媒体を液相状態で貯留するタンク、前記タンクと前記循環経路部又は前記蒸発部に連通した供給回収経路部、前記供給回収経路部に設けられた開閉弁、を含み、
前記内燃機関の始動中には、前記循環経路部及び前記蒸発部内の圧力は大気圧を超え、
前記循環経路部及び前記蒸発部内の圧力は大気圧が超えている場合に前記開閉弁を開くことにより凝縮した前記作動媒体は前記タンクに吸引される、請求項１乃至５の熱輸送装置。