JP4706513B2

JP4706513B2 - 排熱回収装置

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Publication number: JP4706513B2
Application number: JP2006064489A
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: 2006-03-09
Filing date: 2006-03-09
Publication date: 2011-06-22
Anticipated expiration: 2026-03-09
Also published as: DE102007000137A1; JP2007239661A; US20070209359A1; US7895835B2

Description

本発明は、内燃機関の排ガスや工場排熱等から熱エネルギー回収して動力を発生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は、例えば、理論熱効率に優れるスターリングエンジンのような外燃機関が用いられる。

特許文献１には、燃焼機関と、補機と、電動機と、この発電機を駆動するスターリングエンジンとを備え、発電機で発生した電力を電動機及びバッテリーに供給し、電動機によって補機を駆動するシステムにおいて、補機と燃焼機関との間にクラッチを設け、補機は前記クラッチを介して燃焼機関又は電動機で択一的に駆動される技術が開示されている。また、特許文献２には、内燃機関とスターリングエンジンとの間にクラッチを設け、スターリングエンジンを内燃機関の付加駆動装置として用いる技術が開示されている。

特開２００４−３３２６６５号公報特表２００３−５１８４５８号公報

ところで、排熱回収機関が回収した熱エネルギーを電気エネルギーとして取り出す場合、発電機及びバッテリーのエネルギー変換効率は１００％よりも小さいため、排熱回収機関で回収した熱エネルギーが目減りしてしまう。そして、発電機及びバッテリーのエネルギー変換効率は、ギヤやチェーン等のような機械的な伝達手段を用いた場合の伝達効率よりも小さい。

このため、エネルギーを有効利用する観点からは、上記特許文献２に開示されているように、排熱回収機関が回収した熱エネルギーを運動エネルギーに変換して動力を発生するとともに、排熱回収機関の発生する動力と熱機関の発生する動力とを機械的な伝達手段によって合成して取り出すことが好ましい。

しかし、スターリングエンジンのような外燃機関では、排ガスその他の熱源からの入熱は、熱交換器を経て外燃機関の作動流体へ伝熱するため、入熱の変化に対する応答性が悪い。また、スターリングエンジンのような外燃機関は、ヒータを介して熱源から熱エネルギーを取得するが、ヒータに蓄えられた熱によって、入熱が停止した後でも動力を発生し続けることがある。

その結果、スターリングエンジンのような外燃機関を排熱回収機関に用いる場合、排熱回収機関に排熱が供給されない場合であっても、排熱回収機関が備えるヒータに蓄えられた熱によって、排熱回収機関が動力を発生し続けてしまうことがある。そして、このような場合、排熱回収機関の出力と熱機関の出力とをともに取り出す構成においては、熱機関に対する駆動要求がない場合にも排熱回収機関が余剰の動力を発生することになる。

そこで、この発明は、上記に鑑みてなされたものであって、排熱回収機関の発生する動力と熱機関の発生する動力とを合成して同軸から取り出す構成とするにあたり、前記熱機関に対する駆動要求がない場合において、排熱回収機関が発生する余剰の動力を有効に利用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、排熱から熱エネルギーを回収して動力を発生し、発生した動力は熱機関が発生する動力とともに合成されて取り出される排熱回収機関と、少なくとも前記排熱回収機関によって駆動される補機と、前記熱機関と前記排熱回収機関との間、かつ前記熱機関と前記補機との間に設けられて、前記熱機関に対する駆動要求がない場合には前記熱機関と前記排熱回収機関との接続を解除する第１の動力断続手段と、前記排熱回収機関と前記補機との間に設けられて、前記補機を駆動する必要がなく、かつ前記排熱回収機関の動力を前記熱機関に伝達する場合には、前記排熱回収機関と前記補機との接続を開放する第２の動力断続手段と、を含むことを特徴とする。

この排熱回収装置は、排熱回収機関の発生する動力と熱機関の発生する動力とを合成して同軸から取り出すとともに、少なくとも排熱回収機関によって駆動される補機を備え、熱機関と排熱回収機関との間、かつ熱機関と補機との間には、動力断続手段が設けられる。そして、熱機関に対する駆動要求がない場合には、前記動力断続手段によって熱機関と補機との接続を解除して、前記排熱回収機関単独で前記補機を駆動する。これによって、熱機関に対する駆動要求がない場合には、熱機関と排熱回収機関とを切り離して、排熱回収機関のみで補機を駆動することができるので、熱機関に対する駆動要求がない場合においても、排熱回収機関が発生する余剰の動力を有効に利用できる。

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、前記排熱回収機関は、前記熱機関が排出する排ガスから熱エネルギーを回収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、前記熱機関の排ガスから得られる熱を蓄える蓄熱手段を備え、前記熱機関に対する駆動要求がなく、かつ前記排熱回収機関が熱エネルギーを回収するために備えるヒータの温度が前記蓄熱手段の温度よりも低くなった場合には、前記蓄熱手段から前記ヒータへ熱を供給して前記排熱回収機関を駆動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、前記蓄熱手段と前記ヒータとの間にはヒートパイプが設けられ、前記ヒートパイプの放熱部は前記蓄熱手段に取り付けら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、前記排熱回収装置において、前記排熱回収機関の高温部に前記ヒートパイプの入熱部が取り付けら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、前記排熱回収装置において、前記排熱回収機関が備える高温側のシリンダに前記ヒートパイプの入熱部が取り付けられることを特徴とする。

この発明は、排熱回収機関の発生する動力と熱機関の発生する動力とを合成して同軸から取り出す構成とするにあたり、前記熱機関に対する駆動要求がない場合において、排熱回収機関が発生する余剰の動力を有効に利用できる。

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、排熱回収機関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ガスから熱エネルギーを回収する場合を例とする。なお、排熱回収機関としては、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。また、熱機関の種類は問わない。

（実施形態１）
実施形態１は、次の点に特徴がある。すなわち、排熱回収機関の発生する動力と熱機関の発生する動力とを合成して同軸から取り出すとともに、少なくとも排熱回収機関によって駆動される補機を備え、熱機関と排熱回収機関との間、かつ熱機関と補機との間には、動力断続手段が設けられる。そして、熱機関に対する駆動要求がない場合には、前記動力断続手段によって熱機関と補機との接続を解除して、前記排熱回収機関単独で前記補機を駆動する。まず、この実施形態に係る排熱回収機関の構成を説明する。

図１は、実施形態１に係る排熱回収機関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機関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。このように、ヒータ１０５を略Ｕ字形状にすることによって、内燃機関の排ガス通路内のような比較的狭い空間にも、ヒータ１０５を容易に配置することができる。また、このスターリングエンジン１００のように、高温側シリンダ１０１と低温側シリンダ１０２とを直列に配置することにより、内燃機関の排気通路５のような筒状の空間にもヒータ１０５を比較的容易に配置することができる。

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。

熱交換器１０８は、少なくともヒータ１０５が排気通路５内に配置される。ヒータ１０５は、排気通路５を流れる排ガスＥｘからの熱エネルギーによってヒータ１０５内の作動流体を加熱する。なお、排気通路５内には、熱交換器１０８の再生器１０６を配置してもよい。

この実施形態において、排ガスＥｘは、高温側シリンダ１０１側から低温側シリンダ１０２側に向かって流れる。これによって、熱機関から排出された排ガスＥｘは、温度低下が抑えられた状態でヒータ１０５に供給されるので、排ガスＥｘの熱エネルギーを効率よく回収することができる。

上述したように、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を運転して熱エネルギーを回収できる。

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、クランク軸１１０等の各構成要素は、筺体１００Ｃに格納される。ここで、スターリングエンジン１００の筺体１００Ｃは、クランクケース１１４Ａと、シリンダブロック１１４Ｂとを含んで構成されている。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からより多くの動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、筺体１００Ｃにはシール軸受１１６が取り付けられており、クランク軸１１０がシール軸受１１６により支持される。クランク軸１１０の発生する動力は、オルダムカップリングのようなフレキシブルカップリング１１８を介して筺体１００Ｃの外部へ取り出される。次に、この実施形態に係る排熱回収装置の構成を説明する。

図２は、実施形態１に係る排熱回収装置の構成を示す正面図である。図３は、実施形態１に係る排熱回収装置の構成を示す平面図である。この実施形態に係る排熱回収装置１０は、車両に搭載されて動力発生源となる。この実施形態に係る排熱回収装置１０は、排熱回収機関であるスターリングエンジン１００と、動力断続手段６と、補機２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では、スターリングエンジン１００は排熱回収対象の熱機関である内燃機関１の近傍に配置される。このとき、スターリングエンジン１００のクランク軸１１０と内燃機関１の出力軸１ｓとが略平行になるようにスターリングエンジン１００と内燃機関１とが配置される。これによって、スターリングエンジン１００が発生した動力を、ベルトやチェーン、あるいは歯車列等を用いて内燃機関１の出力軸（熱機関出力軸）１ｓに伝達することができる。また、既存の内燃機関１に大きな設計変更を加えることなく、スターリングエンジン１００を内燃機関１の排熱回収に用いることができる。

スターリングエンジン１００のヒータ１０５は、内燃機関１の排気通路５内に配置される。そして、スターリングエンジン１００は、ヒータ１０５から内燃機関１が排出した排ガスＥｘの熱エネルギーを回収して動力を発生する。この動力は、スターリングエンジン１００のクランク軸（排熱回収機関出力軸）１１０から取り出される。

スターリングエンジン１００のクランク軸１１０には、スターリングエンジン用プーリ３Ｓが取り付けられる。また、内燃機関１の出力軸１ｓには、内燃機関用プーリ３Ｅが取り付けられる。スターリングエンジン用プーリ３Ｓと内燃機関用プーリ３Ｅとには、動力伝達手段であるベルト４が掛けられている。このような構成によって、スターリングエンジン１００が発生した動力は内燃機関１の出力軸１ｓに伝達される。そして、スターリングエンジン１００が発生した動力は、内燃機関１が発生する動力とともに内燃機関１の出力軸１ｓから取り出される。なお、スターリングエンジン１００の動力を内燃機関１の出力軸１ｓに伝達する機構はこのような機構に限られず、例えばチェーンとスプロケットとを用いたり、歯車列を用いたりすることができる。

内燃機関１及びスターリングエンジン１００は、例えば、乗用車やトラック等の車両に搭載されて、前記車両の動力発生源となる。そして、内燃機関１は、前記車両の走行中においては主たる動力発生源として常に動力を発生する。ここで、スターリングエンジン１００は、排ガスＥｘの温度がある程度の温度にならないと、必要最低限の動力を生み出すことができない。したがって、スターリングエンジン１００は、排ガスＥｘの温度が所定温度を超えたら内燃機関１の排ガスＥｘから回収した熱エネルギーによって動力を発生し、内燃機関１とともに前記車両を駆動する。このように、スターリングエンジン１００は、前記車両の従たる動力発生源となる。

熱機関である内燃機関１と排熱回収機関であるスターリングエンジン１００との間、かつ内燃機関１と補機２との間には、動力断続手段であるクラッチ６が設けられる。この実施形態では、内燃機関１の出力軸１ｓに、動力断続手段であるクラッチ６が取り付けられている。これによって、内燃機関用プーリ３Ｅから内燃機関１の出力軸１ｓに入力されるスターリングエンジン１００の動力を断続することができる。クラッチ６を係合すると、スターリングエンジン１００のクランク軸１１０と内燃機関１の出力軸１ｓとが機械的に接続する。これによって、スターリングエンジン１００が発生した動力はクラッチ６を介して内燃機関１の出力軸１ｓに伝達される。また、クラッチ６を開放すると、内燃機関１とスターリングエンジン１００との接続が解除されるので、内燃機関用プーリ３Ｅから内燃機関１の出力軸１ｓにスターリングエンジン１００の動力は伝達されない。クラッチ６の動作は、機関ＥＣＵ（Electronic Control Unit）５０内に備えられるクラッチ制御部３０によって制御される。

この実施形態に係る排熱回収装置１０では、少なくともスターリングエンジン１００で補機２を駆動する。補機２は、スターリングエンジン１００及び内燃機関１が搭載される車両の補機であり、例えば、前記車両の空調装置が備える圧縮機や内燃機関１の冷却水やスターリングエンジン１００のクーラー１０７の冷却水を循環させるウォーターポンプ等である。

補機２は、補機２の入力軸（補機入力軸）２ｓから動力が入力されて駆動されて、補機としての機能を発揮する。入力軸２ｓには補機用プーリ３Ａが取り付けられており、ベルト４を介してスターリングエンジン１００又は内燃機関１のうち少なくとも一方によって駆動される。すなわち、クラッチ６を係合すればスターリングエンジン１００及び内燃機関１によって補機２は駆動され、クラッチ６を開放すればスターリングエンジン１００によって補機２が駆動される。このような構成により、内燃機関１に対する駆動要求がない場合（例えば、アイドリングストップによる内燃機関停止時）にクラッチ６を開放することで、スターリングエンジン１００によって補機２を駆動することができる。

図４は、実施形態１に係る排熱回収装置の他の構成例を示す正面図である。図５は、実施形態１に係る排熱回収装置の他の構成例を示す平面図である。この排熱回収装置１０ａは、スターリングエンジン１００のクランク軸１１０と、補機２の入力軸２ｓの一端とが連結されている。また、補機２の入力軸２ｓの他端には、補機／スターリングエンジン用プーリ３ＡＳが取り付けられている。

補機／スターリングエンジン用プーリ３ＡＳと内燃機関１の出力軸１ｓに取り付けられる内燃機関用プーリ３Ｅとには、ベルト４が掛けられる。これによって、スターリングエンジン１００は補機２を駆動するとともに、補機２を駆動した残りの動力は、補機２の入力軸２ｓを介して内燃機関１に伝達されて、内燃機関１が発生する動力とともに取り出される。このように、スターリングエンジン１００の動力を内燃機関１の動力とともに取り出すので、スターリングエンジン１００の動力を一旦電気エネルギーに変換する場合と比較してエネルギーの損失を低減できる。

熱機関である内燃機関１と排熱回収機関であるスターリングエンジン１００との間、かつ内燃機関１と補機２との間には、動力断続手段であるクラッチ６が設けられる。この実施形態では、内燃機関１の出力軸１ｓに、動力断続手段であるクラッチ６が取り付けられている。クラッチ６の動作は、機関ＥＣＵ５０内に備えられるクラッチ制御部３０によって制御される。このような構成により、内燃機関１に対する駆動要求がない場合（例えば、アイドリングストップやエコノミー走行による内燃機関停止時）にクラッチ６を開放することで、スターリングエンジン１００によって補機２を駆動することができる。

図６は、実施形態１に係る排熱回収装置を搭載した車両の走行、停止時における内燃機関の発生する動力（出力）及びスターリングエンジンの発生する動力（出力）の時間変化を示す概念図である。この実施形態に係る排熱回収装置１０が搭載された車両は、スターリングエンジン１００が内燃機関１の排出する排ガスから熱エネルギーを回収して動力（出力）を発生するようになると、クラッチ６が係合されて内燃機関１及びスターリングエンジン１００によって駆動される。この状態において、前記車両に対する要求出力Ｐｄは、内燃機関１が発生する動力（内燃機関出力）Ｐｅと、スターリングエンジン１００が発生する動力（排熱回収機関出力）Ｐｓとの和となる。

図６に示す例において、前記車両はｔ₁で減速を開始し、ｔ₂で停止する。そして、前記車両はｔ₃で走行を開始して加速し、ｔ₄において一定の車速で走行する。前記車両が減速状態になると（ｔ₁〜ｔ₂）、内燃機関１の発生する動力Ｐｅは徐々に低下する。これにともなって、内燃機関１が排出する排ガスの温度も低くなる。

スターリングエンジン１００は、ヒータ１０５や再生器１０６の熱容量によって、ヒータ１０５等に蓄えられた熱量が低下するまでは、動力を発生し続ける。したがって、内燃機関出力Ｐｅがｔ₁〜ｔ₂の期間で低下しても、排熱回収機関出力Ｐｓは、略一定となる。そして、前記車両が停止して内燃機関出力Ｐｅが０になってからある程度の時間が経過して、排熱回収機関出力Ｐｓは低下し始める。

前記車両の停止時において、要求出力Ｐｄは０になる。すなわち、内燃機関１に対する駆動要求はなく、またスターリングエンジン１００に対する駆動要求もない。このとき、内燃機関出力Ｐｅは０になるが、スターリングエンジン１００は、ヒータ１０５等の熱容量によって、内燃機関１が停止しても動力を発生するので、排熱回収機関出力Ｐｓが余剰となる。この実施形態では、前記車両に対する要求出力Ｐｄが０である場合（すなわち、内燃機関１及びスターリングエンジン１００に対する駆動要求がない場合）、クラッチ６を開放することによって、余剰の排熱回収機関出力Ｐｓを用いて補機２を駆動する。これによって、余剰の排熱回収機関出力Ｐｓを有効に利用することができる。

前記車両がｔ₃で走行を開始すると内燃機関出力Ｐｅは増加し、内燃機関１が発生する排ガスの温度も上昇する。スターリングエンジン１００は、排ガスの入熱は、ヒータ１０５を経て作動流体へ伝熱するため、入熱の変化に対する応答性が悪く、急な入熱の変化に対する出力の追従が遅い。このため、排熱回収機関出力Ｐｓは、内燃機関出力Ｐｅの増加に対して遅れて増加することになる。この場合、内燃機関１によってスターリングエンジン１００が駆動されることになり、内燃機関１の発生する動力がスターリングエンジン１００によって消費されてしまう。その結果、内燃機関１が発生する動力の低下を招き、要求出力Ｐｄが得られないおそれがある。

このような場合、この実施形態ではクラッチ６を開放することで、スターリングエンジン１００が内燃機関１の負荷となることを回避してもよい。そして、要求出力Ｐｄは内燃機関１のみで発生させるようにする。これによって、内燃機関出力Ｐｅの無駄な消費を抑制できる。次に、この実施形態に係る排熱回収装置１０の制御例を簡単に説明する。

図７は、実施形態１に係る排熱回収装置の運転制御の一例を示すフローチャートである。この実施形態に係る排熱回収装置１０、１０ａの運転制御を実行するにあたっては、内燃機関１の排ガスからスターリングエンジン１００が熱エネルギーを回収して、動力を発生していることが前提となる。かかる場合、機関ＥＣＵ５０のクラッチ制御部３０は、この実施形態に係る排熱回収装置１０等を搭載する車両を走行させるための要求出力Ｐｄがあるか否かを判定する（ステップＳ１０１）。要求出力は、アクセル開度や前記車両の走行速度等に基づいて求めることができる。

要求出力Ｐｄがある場合（ステップＳ１０１：Ｙｅｓ）、クラッチ制御部３０はクラッチ６を係合する（ステップＳ１０２）。これによって、スターリングエンジン１００が発生する動力を、内燃機関１が発生する動力とともに取り出して、前記車両を駆動する。要求出力Ｐｄがない場合（ステップＳ１０１：Ｎｏ）、すなわち、内燃機関１及びスターリングエンジン１００に対する駆動要求がない場合、クラッチ制御部３０はクラッチ６を開放する（ステップＳ１０３）。これにより、スターリングエンジン１００の発生する動力は内燃機関１へは伝達されず、スターリングエンジン１００によって補機２を駆動することができる。その結果、スターリングエンジン１００が発生する余剰の動力を有効に利用することができる。

（変形例）
この実施形態の変形例は、上記実施形態と同様であるが、排熱回収機関と排熱回収対象（内燃機関）との間、及び排熱回収機関と補機との間に、それぞれ動力断続手段を設ける点が異なる。他の構成は上記実施形態と同様である。

図８は、実施形態１の変形例に係る排熱回収装置の構成を説明する概念図である。この変形例に係る排熱回収装置１０ｂでは、熱機関である内燃機関１と排熱回収機関であるスターリングエンジン１００との間、かつ内燃機関１と補機２との間に、第１の動力断続手段である第１クラッチ６Ｅが設けられる。この変形例においては、内燃機関１の出力軸１ｓに、第１クラッチ６Ｅが設けられている。そして、内燃機関１の出力軸１ｓには、第１クラッチ６Ｅを介して内燃機関用プーリ３Ｅが取り付けられる。

また、この変形例に係る排熱回収装置１０ｂは、スターリングエンジン１００のクランク軸１１０と、補機２の入力軸２ｓとに、補機／スターリングエンジン用プーリ３ＡＳが取り付けられる。そして、補機２の入力軸２ｓには、第２の動力断続手段である第２クラッチ６Ａが設けられる。補機／スターリングエンジン用プーリ３ＡＳと内燃機関用プーリ３Ｅとには、動力伝達手段であるベルト４が掛けられている。第１クラッチ６Ｅ及び第２クラッチ６Ａの動作は、機関ＥＣＵ５０のクラッチ制御部３０によって制御される。

このような構成によって、第１クラッチ６Ｅを係合すると、スターリングエンジン１００のクランク軸１１０と内燃機関１の出力軸１ｓとが機械的に接続される。これによって、スターリングエンジン１００が発生した動力は内燃機関１の出力軸１ｓに伝達される。そして、スターリングエンジン１００が発生した動力は、内燃機関１が発生する動力とともに内燃機関１の出力軸１ｓから取り出される。一方、第１クラッチ６Ｅを開放すると、内燃機関１とスターリングエンジン１００との接続が解除されるため、内燃機関用プーリ３Ｅから内燃機関１の出力軸１ｓに、スターリングエンジン１００が発生する動力は伝達されない。

補機２を駆動する際には、第１クラッチ６Ｅを開放するとともに第２クラッチ６Ａを係合すると、スターリングエンジン１００単独で補機２を駆動することができる。補機２を駆動する必要がない場合には、第２クラッチ６Ａを開放することができる。補機２を駆動する必要がなく、かつスターリングエンジン１００の動力を内燃機関１の出力軸１ｓに伝達する場合には、第２クラッチ６Ａを開放することによって補機２はスターリングエンジン１００の負荷になることはない。その結果、スターリングエンジン１００が発生する動力を無駄なく内燃機関１の出力軸１ｓに伝達して、内燃機関１が発生する動力とともに取り出すことができる。次に、この変形例に係る排熱回収装置１０ｂの制御例を簡単に説明する。

図９は、実施形態１の変形例に係る排熱回収装置の運転制御の一例を説明するフローチャートである。この変形例に係る排熱回収装置１０ｂの運転制御を実行するにあたっては、内燃機関１の排ガスからスターリングエンジン１００が熱エネルギーを回収して、動力を発生していることが前提となる。かかる場合、機関ＥＣＵ５０のクラッチ制御部３０は、この実施形態に係る排熱回収装置１０ｂを搭載する車両を走行させるための要求出力Ｐｄがあるか否かを判定する（ステップＳ２０１）。要求出力は、アクセル開度や前記車両の走行速度等に基づいて求めることができる。

要求出力Ｐｄがある場合（ステップＳ２０１：Ｙｅｓ）、クラッチ制御部３０は、補機の駆動要求があるか否かを判定する（ステップＳ２０２）。補機２の駆動要求がない場合（ステップＳ２０２：Ｎｏ）、クラッチ制御部３０は、第１クラッチ６Ｅを係合するとともに第２クラッチ６Ａを開放する（ステップＳ２０３）。このときには、第２クラッチ６Ａが開放されているので、補機２はスターリングエンジン１００の負荷になることはない。その結果、スターリングエンジン１００が発生する動力は、補機／スターリングエンジン用プーリ３ＡＳ、ベルト４及び内燃機関用プーリ３Ｅを介して無駄なく内燃機関１の出力軸１ｓに伝達されて、内燃機関１が発生する動力とともに取り出される。

要求出力Ｐｄがあり（ステップＳ２０１：Ｙｅｓ）、かつ補機２の駆動要求がある場合（ステップＳ２０２：Ｙｅｓ）、クラッチ制御部３０は、第１クラッチ６Ｅを係合するとともに第２クラッチ６Ａを係合する（ステップＳ２０４）。これによって、補機２が駆動され、かつスターリングエンジン１００の発生する動力は内燃機関１の発生する動力とともに取り出される。

要求出力Ｐｄがない場合（ステップＳ２０１：Ｎｏ）、すなわち、内燃機関１及びスターリングエンジン１００に対する駆動要求がない場合、クラッチ制御部３０は、少なくとも第１クラッチ６Ｅを開放する（ステップＳ２０５）。これによって、仮に補機２の駆動要求がある場合には、内燃機関１と独立してスターリングエンジン１００のみで補機２を駆動することができる。

以上、この実施形態及びその変形例では、排熱回収機関の発生する動力と熱機関の発生する動力とを合成して同軸から取り出すとともに、少なくとも排熱回収機関によって駆動される補機を備え、熱機関と排熱回収機関との間、かつ熱機関と補機との間には、動力断続手段が設けられる。そして、熱機関に対する駆動要求がない場合には、前記動力断続手段によって熱機関と補機との接続を解除して、前記排熱回収機関単独で前記補機を駆動する。これによって、熱機関に対する駆動要求がない場合には、熱機関と排熱回収機関とを切り離して、排熱回収機関のみで補機を駆動することができるので、熱機関に対する駆動要求がない場合においても、排熱回収機関が発生する余剰の動力を有効に利用できる。なお、この実施形態及びその変形例で開示した構成と同様の構成を備えるものは、この実施形態及びその変形例と同様の作用、効果を奏する。また、この実施形態及びその変形例で開示した構成は、以下の実施形態においても適宜適用することができる。

（実施形態２）
実施形態２は、実施形態１及びその変形例と略同様であるが、排熱回収機関の高温部に排ガスの熱を蓄熱する蓄熱手段を取り付け、排熱回収対象である熱機関の運転停止後には蓄熱手段へ蓄えられた熱を用いて排熱回収機関を駆動する点が異なる。他の構成は実施形態１と同様である。

図１０は、実施形態２に係る排熱回収機関であるスターリングエンジンを示す断面図である。図１１は、実施形態２に係る排熱回収装置の構成を示す正面図である。図１２は、実施形態２に係る排熱回収装置の構成を示す平面図である。図１０に示すように、この実施形態に係る排熱回収装置１０ｃが備えるスターリングエンジン（排熱回収機関）１００ｂは、高温部に蓄熱手段である蓄熱材１２０が設けられる。

蓄熱材１２０は、内燃機関１が排出する排ガスＥｘの熱を蓄えるものであり、例えば鉄やアルミニウムのような金属材料やセメント等を用いることができる。蓄熱材１２０は、断熱材１２２で囲まれており、蓄熱材１２０に蓄熱された熱の放出が抑制される。蓄熱材１２０に排ガスＥｘの熱を伝えて蓄えさせるため、この実施形態では伝熱手段としてヒートパイプ１２１を用いる。そして、ヒートパイプ１２１の内部に封入された差動液の蒸発、凝縮を利用して、排ガスＥｘの熱を蓄熱材１２０へ伝える。このように、ヒートパイプ１２０を用いることにより、蓄熱材１２０と熱源とが離れている場合にも、熱源から蓄熱材１２０へ熱を移動させることができる。

ヒートパイプ１２１の入熱部１２１ｉはスターリングエンジン１００ｂの高温部分に取り付けることが好ましい。このようにすれば、ヒートパイプ１２１の入熱部１２１ｉを排気通路５内に設ける必要はないので、排気通路５の圧力損失増加を抑制できる。なお、排気通路５に分岐通路を設け、この分岐通路内にヒートパイプ１２１の入熱部１２１ｉを設けて排ガスＥｘの熱を蓄えるようにしてもよい。

ここで、スターリングエンジン１００ｂの高温部分とは、再生器１０６の温度以上の温度となる部分をいい、再生器１０６も含まれる。この実施形態では、高温側シリンダ１０１のフランジ部１１９にヒートパイプ１２１の入熱部１２１ｉが取り付けられる。また、ヒートパイプ１２１の放熱部１２１ｏは蓄熱材１２０に取り付けられる。これによって、スターリングエンジン１００ｂの高温部分を介して排ガスＥｘの熱が蓄熱材１２０に蓄えられる。

このように、高温側シリンダ１０１のフランジ部１１９を利用すれば、比較的容易にヒートパイプ１２１の入熱部１２１ｉをスターリングエンジン１００ｂの高温部に取り付けることができる。ここで、高温側シリンダ１０１のフランジ部１１９とは、高温側シリンダ１０１と一体に形成されるとともに、高温側シリンダ１０１とヒータ１０５との接続側に張り出して、基板１１１と係合する部分をいう。

内燃機関１に対する要求出力が０になったり、アイドリングストップが行われたりすることによって内燃機関１が停止して、スターリングエンジン１００ｂのヒータ１０５へ排ガスＥｘが供給されなくなると、ヒータ１０５に蓄えられた熱によってスターリングエンジン１００ｂが駆動される。このとき、ＥＣＵ５０が備えるクラッチ制御部３０によってクラッチ６が開放されて、スターリングエンジン１００によって補機２が駆動される。

ヒータ１０５に蓄えられた熱がスターリングエンジン１００ｂの駆動に消費されると、ヒータ１０５の温度が低下する。ヒータ１０５の温度が蓄熱材１２０の温度よりも低くなると、ヒートパイプ１２１の金属部分による熱伝導で、蓄熱材１２０の熱がヒータ１０５に伝わる。これによって、蓄熱材１２０に蓄えられた熱を用いてスターリングエンジン１００ｂが運転される。スターリングエンジン１００ｂを駆動できなくなるまで蓄熱材１２０に蓄えられた熱が消費されると、スターリングエンジン１００ｂは停止する。このように、この実施形態に係る排熱回収装置１０ｃでは、蓄熱材１２０に内燃機関１の排ガスＥｘのもつ熱エネルギーを蓄えるので、内燃機関１の排ガスＥｘの熱エネルギーをより有効に活用することができる。

なお、ヒートパイプ１２１の入熱部１２１ｉを蓄熱材１２０に取り付け、ヒートパイプ１２１の放熱部１２０ｏをスターリングエンジン１００の高温部分（例えば高温側シリンダ１０１のフランジ部１１９）に取り付けてもよい。そして、ヒートパイプ１２１の内部に封入された差動液の蒸発、凝縮を利用して、蓄熱材１２０からヒータ１０５へ熱を伝えてもよい。なお、この場合には、ヒートパイプ１２１の金属部分による熱伝導を用いて、排ガスＥｘの熱を蓄熱材１２０に伝える。

以上、この実施形態では、排熱回収機関の高温部に排ガスの熱を蓄熱する蓄熱手段を取り付け、排熱回収対象である熱機関の運転停止後には蓄熱手段へ蓄えられた熱を用いて排熱回収機関を駆動する。これによって、熱機関の排出する排ガスの熱エネルギーをより有効に活用することができる。なお、この実施形態で開示した構成と同様の構成を備えるものは、この実施形態と同様の作用、効果を奏する。

以上のように、本発明に係る排熱回収装置は、排熱回収機関の発生する動力と熱機関の発生する動力とを合成して同軸から取り出す構成に対して有用であり、特に、熱機関に対する駆動要求がない場合において、排熱回収機関が発生する余剰の動力を有効に利用することに適している。

実施形態１に係る排熱回収機関であるスターリングエンジンを示す断面図である。実施形態１に係る排熱回収装置の構成を示す正面図である。実施形態１に係る排熱回収装置の構成を示す平面図である。実施形態１に係る排熱回収装置の他の構成例を示す正面図である。実施形態１に係る排熱回収装置の他の構成例を示す平面図である。実施形態１に係る排熱回収装置を搭載した車両の走行、停止時における内燃機関の発生する動力（出力）及びスターリングエンジンの発生する動力（出力）の時間変化を示す概念図である。実施形態１に係る排熱回収装置の運転制御の一例を示すフローチャートである。実施形態１の変形例に係る排熱回収装置の構成を説明する概念図である。実施形態１の変形例に係る排熱回収装置の運転制御の一例を説明するフローチャートである。実施形態２に係る排熱回収機関であるスターリングエンジンを示す断面図である。実施形態２に係る排熱回収装置の構成を示す正面図である。実施形態２に係る排熱回収装置の構成を示す平面図である。

符号の説明

１内燃機関
１ｓ出力軸
２補機
２ｓ入力軸
３Ａ補機用プーリ
３ＡＳ補機／スターリングエンジン用プーリ
３Ｅ内燃機関用プーリ
３Ｓスターリングエンジン用プーリ
４ベルト
５排気通路
６クラッチ
６Ｅ第１クラッチ
６Ａ第２クラッチ
１０、１０ａ、１０ｂ、１０ｃ排熱回収機関
３０クラッチ制御部
５０機関ＥＣＵ
１００、１００ｂスターリングエンジン
１０１高温側シリンダ
１０２低温側シリンダ
１０３高温側ピストン
１０４低温側ピストン
１０５ヒータ
１０６再生器
１０７クーラー
１０８熱交換器
１１０クランク軸
１２０蓄熱材
１２１ヒートパイプ
１２２断熱材

Claims

排熱から熱エネルギーを回収して動力を発生し、発生した動力は熱機関が発生する動力とともに合成されて取り出される排熱回収機関と、
少なくとも前記排熱回収機関によって駆動される補機と、
前記熱機関と前記排熱回収機関との間、かつ前記熱機関と前記補機との間に設けられて、前記熱機関に対する駆動要求がない場合には前記熱機関と前記排熱回収機関との接続を解除する第１の動力断続手段と、
前記排熱回収機関と前記補機との間に設けられて、前記補機を駆動する必要がなく、かつ前記排熱回収機関の動力を前記熱機関に伝達する場合には、前記排熱回収機関と前記補機との接続を開放する第２の動力断続手段と、
を含むことを特徴とする排熱回収装置。
前記排熱回収機関は、前記熱機関が排出する排ガスから熱エネルギーを回収することを特徴とする請求項１に記載の排熱回収装置。
前記熱機関の排ガスから得られる熱を蓄える蓄熱手段を備え、
前記熱機関に対する駆動要求がなく、かつ前記排熱回収機関が熱エネルギーを回収するために備えるヒータの温度が前記蓄熱手段の温度よりも低くなった場合には、前記蓄熱手段から前記ヒータへ熱を供給して前記排熱回収機関を駆動することを特徴とする請求項２に記載の排熱回収装置。
前記蓄熱手段と前記ヒータとの間にはヒートパイプが設けられ、前記ヒートパイプの放熱部は前記蓄熱手段に取り付けられることを特徴とする請求項３に記載の排熱回収装置。
前記排熱回収機関の高温部に前記ヒートパイプの入熱部が取り付けられることを特徴とする請求項４に記載の排熱回収装置。
前記排熱回収機関が備える高温側のシリンダに前記ヒートパイプの入熱部が取り付けられることを特徴とする請求項５に記載の排熱回収装置。