JP6741619B2 - 廃熱回収装置 - Google Patents

Description

本発明は、エンジンの廃熱を回収する廃熱回収装置に関する。

例えば特許文献１のように、エンジンの排気ガスが有する熱、すなわちエンジンの廃熱を回収する廃熱回収装置が知られている。こうした廃熱回収装置は、作動媒体が循環する循環回路にポンプ、蒸発器、膨張機、および、凝縮器を備えている。ポンプは、液相状態の作動媒体を循環回路に圧送し、蒸発器は、液相状態の作動媒体をエンジンの廃熱で蒸発させることにより気相状態へ相転移させる。膨張機は、気相状態の作動媒体を膨張させることにより作動媒体の熱エネルギーを力学的エネルギーに変換し、凝縮器は、膨張機を通過した気相状態の作動媒体を凝縮して液相状態へ相転移させる。

特開２０１４−１２６０３１号公報

廃熱回収装置は、通常、エンジンの運転状態が廃熱量の多い高負荷状態にあるときには装置の容量を超える分の廃熱を回収することができず、反対にエンジンの運転状態が廃熱量の少ない低負荷状態にあるときには膨張機の出力が低下してしまう。そのため、廃熱回収装置には、エンジンの廃熱を効率よく回収する方策が求められている。

本発明は、エンジンの廃熱を効率よく回収することができる廃熱回収装置を提供することを目的とする。

上記課題を解決する廃熱回収装置は、作動媒体が循環可能に構成された循環回路と、前記循環回路に作動媒体を圧送する圧送部と、前記圧送部が圧送した作動媒体をエンジンの廃熱で蒸発させる蒸発器と、前記蒸発器で蒸発した作動媒体の通過により作動する膨張機と、前記膨張機を通過した作動媒体を凝縮する凝縮器とを備え、前記蒸発器は、前記エンジンの排気ガスと作動媒体との間で熱交換が行われる前段熱交換部と、前記排気ガスの熱を蓄熱する中段蓄熱部を有し、前記中段蓄熱部と前記前段熱交換部を通過した作動媒体との間で熱交換が行われる中段熱交換部と、前記排気ガスの熱を蓄熱する後段蓄熱部を有し、前記後段蓄熱部と前記中段熱交換部を通過した作動媒体との間で熱交換が行われる後段熱交換部とを備え、前記中段蓄熱部は、前記後段蓄熱部に対して熱的に絶縁されている。

上記構成によれば、中段蓄熱部および後段蓄熱部は、エンジンの廃熱量が多いときはエンジンの廃熱を蓄熱しつつ作動媒体を加熱し、エンジンの廃熱量が少ないときは蓄熱していた熱で作動媒体を加熱する。これにより、膨張機の出力がエンジンの廃熱量の変化に影響されにくくなる。また、前段熱交換部が蓄熱部を有しておらず、かつ、中段蓄熱部と後段蓄熱部とが互いに熱的に絶縁されていることで、エンジンの廃熱量が少ないときにも各熱交換部において高温側（排気ガスあるいは蓄熱部）と低温側（作動媒体）との温度差が確保されやすくなる。これらの結果、エンジンの廃熱を効率よく回収することができる。

上記構成の廃熱回収装置において、前記蒸発器は、対向流式の熱交換器であるとよい。
上記構成によれば、後段熱交換部において排気ガスと後段蓄熱部との温度差、および、後段蓄熱部と作動媒体との温度差が確保されやすくなることから、廃熱を利用した作動媒体の加熱を効果的に行うことができる。

上記構成の廃熱回収装置において、前記中段蓄熱部は、前記後段蓄熱部よりも大きな蓄熱容量を有することが好ましい。
上記構成によれば、最も熱量が必要となる液相状態から気相状態への相転移が中段熱交換部で行われやすくなる。これにより、後段蓄熱部において気相状態の作動媒体をより高い温度まで昇温させることができる。

上記構成の廃熱回収装置は、前記中段蓄熱部の蓄熱状態を取得する蓄熱状態取得部と、前記循環回路における作動媒体の流通量を制御する制御部とをさらに備え、前記制御部は、前記蓄熱状態が第１蓄熱状態になると前記循環回路における作動媒体の流通を開始し、前記蓄熱状態が前記第１蓄熱状態よりも蓄熱量が少ない第２蓄熱状態になると前記循環回路における作動媒体の流通を禁止することが好ましい。

上記構成によれば、中段蓄熱部における蓄熱量が少ないときには中段蓄熱部に対する蓄熱が優先して行われる。これにより、膨張機に作動媒体の有する熱エネルギーの下限値を高めることができる。その結果、膨張機を高い効率のもとで作動させることができる。

上記構成の廃熱回収装置において、前記蓄熱状態取得部は、前記中段蓄熱部の温度を検出する温度センサーであり、前記第１蓄熱状態は、前記温度センサーの検出値が第１温度よりも高い状態であり、前記第２蓄熱状態は、前記温度センサーの検出値が前記第１温度よりも低い第２温度以下の状態であり、前記第１温度および前記第２温度は、前記蒸発器に対する作動媒体の供給圧力における飽和温度よりも高い温度であることが好ましい。

上記構成のように、中段蓄熱部の温度を中段蓄熱部の蓄熱状態として取得することができる。また、蒸発器に対する作動媒体の供給圧力における飽和温度よりも第２温度が高いことで作動媒体の流通時に蒸発器における作動媒体の蒸発を確実に行うことができる。

廃熱回収装置の一実施形態の概略構成を示す図。 蒸発器の概略構成を模式的に示す図。 廃熱回収装置の電気的な構成の一例を示すブロック図。 流量制御処理の一例を示すフローチャート。 蒸発器における温度推移の一例を示すグラフ。 廃熱回収装置に行ったシミュレーションの結果の一例を示す図。 廃熱回収装置に行ったシミュレーションの結果の一例を示す図。 廃熱回収装置の他の形態の概略構成を示す図。

図１〜図７を参照して、廃熱回収装置の一実施形態について説明する。
図１に示すように、廃熱回収装置２０は、ランキンサイクルを利用した廃熱回収装置であり、エンジン１０の排気通路１１における排気浄化装置１２の下流を流れる排気ガスからエンジン１０の廃熱を回収する。エンジン１０は、排気通路１１に配設されたタービン１３と吸気通路１４に配設されたコンプレッサー１５とを有するターボチャージャー１６を備えている。廃熱回収装置２０は、作動媒体（例えば水）が循環可能に構成された循環回路２１を備えており、この循環回路２１に圧送部２３、蒸発器２４、膨張機２５、凝縮器２７を備えている。

圧送部２３は、循環回路２１に対して液相状態の作動媒体を圧送する。圧送部２３は、循環回路２１における作動媒体の流量と蒸発器２４に供給される作動媒体の圧力である供給圧力ｐ２とを変更可能に構成されている。供給圧力ｐ２は、作動媒体の流量が多いほど高くなり、作動媒体の流量が最大流量にあるときに最大圧力ｐ１となる。圧送部２３の一例は、エンジン１０のクランクシャフトの回転に連動して液相状態の作動媒体を所定の吐出圧（例えば最大圧力ｐ１）で圧送する機械式のポンプと、ポンプの下流において循環回路２１における作動媒体の流路断面積を制御可能な電子制御弁とで構成される。この圧送部２３の一例では、電子制御弁の開度により流量と供給圧力ｐ２とが制御される。また、圧送部２３の他の例は、電源装置からの供給電力によって流量と供給圧力ｐ２とが制御される電動ポンプで構成される。圧送部２３は、循環回路２１に作動媒体を圧送する圧送状態と、循環回路２１に作動媒体を圧送しないことで循環回路２１における作動媒体の循環を禁止する停止状態とを有している。圧送部２３は、後述するＥＣＵ（Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃ Ｃｏｎｔｒｏｌ Ｕｎｉｔ）５０によって制御される。

蒸発器２４は、圧送部２３が圧送した作動媒体をエンジン１０の廃熱で加熱することにより液相状態の作動媒体を気相状態へ相転移させる。膨張機２５は、気相状態の作動媒体を膨張させることにより作動媒体の熱エネルギーを出力軸２６を回転させる力学的エネルギーへと変換する。凝縮器２７は、膨張機２５を通過した気相状態の作動媒体を凝縮することにより液相状態に相転移させる。廃熱回収装置２０においては、作動媒体が相転移を繰り返しながら循環回路２１を循環することによりエンジン１０の廃熱を回収する。

図２に示すように、蒸発器２４は、作動媒体が流通する流路と排気ガスが流通する流路とを有し、排気ガスの流れ方向と作動媒体の流れ方向とが相反する方向に設定された対向流式の熱交換器である。蒸発器２４は、前段熱交換部３１、中段熱交換部３２、後段熱交換部３４を備えている。

前段熱交換部３１は、熱交換部３１，３２，３４のうちで作動媒体の流れ方向において最も上流側に位置する熱交換部である。前段熱交換部３１は、ミリメートルオーダーの肉厚の小さい境界壁を介した排気ガスと作動媒体との直接的な熱交換により液相状態の作動媒体を供給圧力ｐ２における飽和温度である媒体温度Ｔｗ２まで加熱することを目的としている部位であり、主に液相状態にある作動媒体が流通する。

中段熱交換部３２は、作動媒体の流れ方向において前段熱交換部３１の下流側に位置しており、前段熱交換部３１を通過した作動媒体が流入する熱交換部である。中段熱交換部３２は、作動媒体が流通する流路と排気ガスが流通する流路との境界を形成する中段蓄熱部３３を有している。中段熱交換部３２は、中段蓄熱部３３を介した作動媒体と排気ガスとの間接的な熱交換により液相状態の作動媒体を気相状態へと相転移させることを目的としている部位である。中段熱交換部３２は、主に、液相状態の作動媒体と気相状態の作動媒体とが混在する混相状態にある作動媒体が流通する。

後段熱交換部３４は、作動媒体の流れ方向において中段熱交換部３２の下流側に位置しており、中段熱交換部３２を通過した作動媒体が流入する熱交換部である。後段熱交換部３４は、作動媒体が流通する流路と排気ガスが流通する流路との境界を形成する後段蓄熱部３５を有している。後段熱交換部３４は、後段蓄熱部３５を介した作動媒体と排気ガスとの間接的な熱交換により気相状態の作動媒体を昇温させることを目的としている部位であり、主に気相状態の作動媒体が流通する。

中段蓄熱部３３および後段蓄熱部３５は、顕熱蓄熱材、潜熱蓄熱材、および、化学蓄熱材から任意に選択される蓄熱材を備えている。顕熱蓄熱材は、排気ガスの温度範囲よりも高い融解温度を有しており、温度上昇にともなう顕熱を蓄熱する。顕熱蓄熱材は、熱膨張率が小さく、かつ、比熱および熱伝導率が高い材料で構成されることが好ましく、金属であれば銅が好ましい。

潜熱蓄熱材は、排気ガスの温度範囲に融解温度を有しており、顕熱に加えて固相状態から液相状態への相転移にともなう融解熱を蓄熱する。潜熱蓄熱材は、封入容器に対して蓄熱材料が封入されることにより構成される。封入容器は、比熱および熱伝導率が高い材料で形成されることが好ましい。蓄熱材料は、熱膨張率が小さく、かつ、比熱および熱伝導率が高く、かつ、融解熱が大きい材料が好ましい。こうした蓄熱材料としては、例えばパラフィン、キシリトール、エリスリトールが挙げられる。

化学蓄熱材は、封入容器に対して複数の化学物質が封入されることにより構成される。化学蓄熱材は、前記複数の化学物質による化学反応であって排気ガスの温度範囲に反応温度を有する可逆的な化学反応を利用したものである。化学蓄熱材においては、反応温度よりも高い温度における吸熱反応によって蓄熱し、反応温度以下の温度における発熱反応によって放熱する。複数の化学物質による可逆反応は、体積変化が少なく、かつ、蓄熱密度の大きいものが好ましい。こうした複数の化学物質としては、例えば、酸化カルシウムと水との組合せ、塩化ストロチウムとアンモニアとの組合せが挙げられる。

中段蓄熱部３３および後段蓄熱部３５は、例えば互いに離間していることや断熱材の介在などにより絶縁部３６によって熱的に互いに絶縁されており、直接的な熱移動が不可能な状態に設定されている。中段蓄熱部３３は、作動媒体において気相状態の定圧比熱よりも単位質量あたりの蒸発熱が大きいことから、後段蓄熱部３５よりも大きな伝熱面積と大きな蓄熱容量を有している。蓄熱容量は、例えば、想定される排気温度の最大値を容量算出温度とした場合の蓄熱量である。蓄熱容量は、顕熱蓄熱材であれば比熱容量×質量×容量算出温度で演算される熱量であり、潜熱蓄熱材であれば、固相状態における顕熱による蓄熱量と、融解熱×質量で演算される融解熱による蓄熱量と、液相状態における顕熱による蓄熱量との加算値である。

図３に示すように、廃熱回収装置２０は、圧送部２３を制御することにより、循環回路２１における作動媒体の流量を制御するＥＣＵ（Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃ Ｃｏｎｔｒｏｌ Ｕｎｉｔ）５０を備えている。圧送部２３とＥＣＵ５０とは、循環回路２１における作動媒体の流量を制御する制御部を構成する。ＥＣＵ５０は、プロセッサ５１、メモリ５２、入力インターフェース５３、および、出力インターフェース５４等がバス５５を介して互いに接続されたマイクロコントローラーを中心に構成される。

ＥＣＵ５０には、蓄熱状態取得部として機能する温度センサー５６から中段蓄熱部３３の温度である中段蓄熱温度Ｔｍｉｄを示す検出信号が入力される。この中段蓄熱温度Ｔｍｉｄは、中段蓄熱部３３および後段蓄熱部３５の蓄熱状態との間に相関関係を有することから該蓄熱状態を示す指標として機能する。ＥＣＵ５０は、温度センサー５６が出力した中段蓄熱温度Ｔｍｉｄを入力インターフェース５３を通じて取得し、その取得した中段蓄熱温度Ｔｍｉｄとメモリ５２に格納された各種制御プログラムおよび各種データとに基づいて流量制御処理を実行する。ＥＣＵ５０は、流量制御処理を通じて、作動媒体の流量を指示する指示信号を出力インターフェース５４を介して圧送部２３に出力する。

図４を参照してＥＣＵ５０が実行する流量制御処理について説明する。流量制御処理は繰り返し実行される。流量制御処理のスタート時、圧送部２３は停止状態にある。
図４に示すように、ＥＣＵ５０は、まず、温度センサー５６からの検出信号に基づいて中段蓄熱温度Ｔｍｉｄを取得し、その取得した中段蓄熱温度Ｔｍｉｄが第１温度Ｔ１よりも高いか否かを判断する（ステップＳ１１）。第１温度Ｔ１は、供給圧力ｐ２が最大圧力ｐ１にあるときの作動媒体の飽和温度Ｔｓ１よりも高い温度であり、例えば飽和温度Ｔｓ１よりも２０℃ほど高い温度である。第１温度Ｔ１は、中段蓄熱部３３の蓄熱量Ｑｍｉｄ、供給圧力ｐ２の最大圧力ｐ１、および、中段熱交換部３２における伝熱面積などに基づいて行った実験やシミュレーションの結果に基づいて設定される。第１温度Ｔ１は、第１蓄熱状態を示す中段蓄熱温度Ｔｍｉｄである。第１蓄熱状態は、例えば、供給圧力ｐ２が最大圧力ｐ１であるときに、蒸発器２４に対して新たな排気ガスが供給されなくとも膨張機２５に対して最大圧力ｐ１における飽和温度Ｔｓ１以上にある気相状態の作動媒体が供給される状態が所定の第１期間だけ保持される温度である。

中段蓄熱温度Ｔｍｉｄが第１温度Ｔ１以下である場合（ステップＳ１１：ＮＯ）、ＥＣＵ５０は、一連の処理を一旦終了することで圧送部２３を停止状態に維持する。一方、中段蓄熱温度Ｔｍｉｄが第１温度Ｔ１よりも高い場合（ステップＳ１１：ＹＥＳ）、ＥＣＵ５０は、圧送部２３に作動媒体を圧送させる圧送処理を実行する（ステップＳ１２）。圧送処理において、ＥＣＵ５０は、例えば、直前のステップで取得した中段蓄熱温度Ｔｍｉｄに基づいて循環回路２１における作動媒体の流量を演算し、その演算した流量に応じた指示信号を圧送部２３に出力する。この圧送処理において、ＥＣＵ５０は、中段蓄熱温度Ｔｍｉｄが高いほど作動媒体の流量が多くなるように、すなわち中段蓄熱温度Ｔｍｉｄが高いほど供給圧力ｐ２が最大圧力ｐ１に近づくように圧送部２３を制御する。

次のステップＳ１３において、ＥＣＵ５０は、新たな中段蓄熱温度Ｔｍｉｄを取得して、その取得した中段蓄熱温度Ｔｍｉｄが第２温度Ｔ２以下であるか否かを判断する。第２温度Ｔ２は、上述した飽和温度Ｔｓ１よりも高く、かつ、第１温度Ｔ１よりも低い温度であり、例えば飽和温度Ｔｓ１よりも１０℃ほど高い温度である。第２温度Ｔ２は、中段蓄熱部３３の蓄熱量Ｑｍｉｄ、供給圧力ｐ２の最大圧力ｐ１、および、中段熱交換部３２における伝熱面積Ｓなどに基づいて行った実験やシミュレーションの結果に基づいて設定される。第２温度Ｔ２は、第２蓄熱状態を示す中段蓄熱温度Ｔｍｉｄである。第２蓄熱状態は、例えば、供給圧力ｐ２が最大圧力ｐ１であるときに、蒸発器２４に対して新たな排気ガスが供給されなくとも膨張機２５に対して最大圧力ｐ１における飽和温度Ｔｓ１以上にある気相状態の作動媒体が供給される状態が第１期間よりも短い所定の第２期間だけ保持される温度である。

なお、第１温度Ｔ１および第２温度Ｔ２は、中段蓄熱部３３が潜熱蓄熱材で構成される場合には中段蓄熱温度Ｔｍｉｄと蓄熱量とが一義的に定義される温度であること（Ｔ１，Ｔ２≠融解温度）が好ましい。また、第１温度Ｔ１および第２温度Ｔ２は、中段蓄熱部３３が化学蓄熱材で構成される場合には反応温度よりも高い温度であることが好ましい。

中段蓄熱温度Ｔｍｉｄが第２温度Ｔ２よりも高い場合（ステップＳ１３：ＮＯ）、ＥＣＵ５０は、その中段蓄熱温度Ｔｍｉｄを用いてステップＳ１２の圧送処理を実行する。一方、中段蓄熱温度Ｔｍｉｄが第２温度Ｔ２以下である場合（ステップＳ１３：ＹＥＳ）、ＥＣＵ５０は、圧送部２３を停止状態に制御する停止処理を実行し、循環回路２１における作動媒体の流通を禁止する（ステップＳ１４）。ステップＳ１４の停止処理を実行したＥＣＵ５０は、一連の処理を一旦終了する。すなわち、ＥＣＵ５０は、中段蓄熱温度Ｔｍｉｄが第１温度Ｔ１に到達すると圧送部２３を圧送状態に制御し、その後、中段蓄熱温度Ｔｍｉｄが第２温度Ｔ２まで低下すると圧送部２３を停止状態に制御する。

図５を参照して圧送部２３が圧送状態にあるときの蒸発器２４における作動媒体、排気ガス、および、各蓄熱部に関する温度の推移の一例について説明する。図５は、作動媒体が媒体温度Ｔｗ１の液相状態から媒体温度Ｔｗ３の気相状態へと変化し、排気ガスが排気温度Ｔｅ１から排気温度Ｔｅ４に温度が低下する場合の各温度の推移を示している。

図５において、作動媒体は、媒体温度Ｔｗ１の液相状態で前段熱交換部３１に流入すると、前段熱交換部３１における排気ガスとの熱交換により供給圧力ｐ２における飽和温度である媒体温度Ｔｗ２まで加熱される。中段熱交換部３２には、媒体温度Ｔｗ２にある液相状態の作動媒体が流入する。中段熱交換部３２において、作動媒体は、中段蓄熱部３３との熱交換により、媒体温度Ｔｗ２に維持されたまま液相状態から気相状態へと徐々に相転移する。後段熱交換部３４には、媒体温度Ｔｗ２にある気相状態の作動媒体が流入する。後段熱交換部３４において、作動媒体は、後段蓄熱部３５との熱交換により媒体温度Ｔｗ２よりも高い媒体温度Ｔｗ３まで昇温される。

一方、排気ガスは、排気温度Ｔｅ１で後段熱交換部３４に流入する。後段熱交換部３４において、排気ガスは、後段蓄熱部３５との熱交換により排気温度Ｔｅ２まで温度が低下する。後段蓄熱部３５は、排気温度Ｔｅ２よりも低く、かつ、媒体温度Ｔｗ３よりも高い後段蓄熱温度Ｔｌａｔにあり、後段蓄熱温度Ｔｌａｔに基づく熱量を蓄熱している。中段熱交換部３２において、排気ガスは、中段蓄熱部３３との熱交換により排気温度Ｔｅ２から排気温度Ｔｅ３まで温度が低下する。中段蓄熱部３３は、排気温度Ｔｅ３よりも低く、かつ、第２温度Ｔ２よりも高い中段蓄熱温度Ｔｍｉｄにあり、中段蓄熱温度Ｔｍｉｄに基づく熱量を蓄熱している。中段蓄熱部３３は、後段蓄熱部３５よりも温度が低いものの、後段蓄熱部３５よりも大きな熱量を蓄熱している。そして、前段熱交換部３１において、排気ガスは、作動媒体との熱交換により、排気温度Ｔｅ３から媒体温度Ｔｗ１よりも高い排気温度Ｔｅ４へと温度が低下する。

なお、圧送部２３が停止状態にあるとき、循環回路２１における作動媒体の循環が禁止される一方、蒸発器２４に対する排気ガスの流入は継続される。そのため、中段蓄熱部３３においては、中段熱交換部３２に滞留している作動媒体に対する放熱量よりも排気ガスとの熱交換による吸熱量が大きくなり、それら放熱量と吸熱量との差の分の熱量が蓄熱される。同様に、後段蓄熱部３５においては、後段熱交換部３４に滞留している作動媒体に対する放熱量よりも排気ガスとの間の熱交換による吸熱量が大きくなり、それら放熱量と吸熱量との差の分の熱量が蓄熱される。

上述した廃熱回収装置２０の作用について説明する。
廃熱回収装置２０の蒸発器２４は、前段熱交換部３１と、中段蓄熱部３３を有する中段熱交換部３２と、後段蓄熱部３５を有する後段熱交換部３４とで構成されている。こうした構成によれば、各蓄熱部３３，３５は、エンジン１０の廃熱量が多いときは廃熱を蓄熱しつつ作動媒体を加熱し、エンジン１０の廃熱量が少ないときは蓄熱していた熱で作動媒体を加熱する。これにより、エンジン１０の廃熱量が変化したとしても膨張機２５の出力Ｐがその影響を受けにくくなる。

また、廃熱回収装置２０においては、中段蓄熱部３３と後段蓄熱部３５とが熱的に絶縁されていることで中段蓄熱部３３と後段蓄熱部３５との間での直接的な熱移動が不可能な構成となっている。こうした構成によれば、中段蓄熱部３３と後段蓄熱部３５との間で温度が平均化されることがないことから、エンジン１０の廃熱量が少ないときにも中段熱交換部３２および後段熱交換部３４の各々における各位置で蓄熱部と作動媒体との温度差が確保されやすくなる。

また、図５に示すように、例えば、中段熱交換部３２において、中段蓄熱温度Ｔｍｉｄは、中段熱交換部３２から流出する排気ガスの温度である排気温度Ｔｅ３以下に維持される。また、作動媒体は、中段蓄熱温度Ｔｍｉｄの以下の温度で中段熱交換部３２から流出する。こうしたことから、図５に示すケースにおいて前段熱交換部３１に前段蓄熱部が配設されるとなれば、前段熱交換部３１の各位置において前段蓄熱部は図５中の排気温度Ｔｅ４以下の前段蓄熱温度に維持される。そのため、そうした前段蓄熱部に加熱される作動媒体は前段蓄熱温度以下、換言すれば排気温度Ｔｅ４以下の温度で前段熱交換部３１から流出することになる。すなわち、前段熱交換部３１に前段蓄熱部が配設されると、図５に示すケースよりも前段熱交換部３１の各位置において高温側（前段蓄熱部）と低温側（作動媒体）との温度差が小さくなってしまうばかりか、排気温度Ｔｅ４が媒体温度Ｔｗ２よりも高くなければ作動媒体を媒体温度Ｔｗ２まで昇温させることが困難となる。これに対して、廃熱回収装置２０は、前段熱交換部３１に前段蓄熱部を設けることなく蒸発器２４が構成されていることから、前段熱交換部３１の各位置において高温側（排気ガス）と低温側（作動媒体）との温度差が確保されやすくなるとともに作動媒体が媒体温度Ｔｗ２まで昇温されやすくなる。

次に、図６および図７を参照して廃熱回収装置に対して行ったシミュレーションの結果の例について説明する。図６および図７は、上述した廃熱回収装置２０と比較例の廃熱回収装置とに対して共通する入熱量Ｑを入力値として与えた場合における飽和温度Ｔｓおよび膨張機２５の出力Ｐの推移を示すグラフである。入熱量Ｑは、蒸発器に流入する排気ガスの状態量に基づく熱量であり、飽和温度Ｔｓは、膨張機２５に流入する直前の位置での作動媒体の温度である。図６および図７において、実線は、上述した廃熱回収装置２０を対象に行ったシミュレーションの結果を示している。一方、点線は、蓄熱部３３，３５を備えておらず、また、入熱量Ｑが大きいほど循環回路２１における作動媒体の流量が多くなる比較例の廃熱回収装置を対象に行ったシミュレーションの結果を示している。なお、廃熱回収装置２０においては、飽和温度Ｔｓと中段蓄熱温度Ｔｍｉｄとの間に相関関係が認められた。

図６は、エンジン１０の運転状態が高負荷状態にある比率が高い場合のシミュレーションの結果の一例を示している。
図６に示すように、比較例の廃熱回収装置においては、全体として、飽和温度Ｔｓおよび出力Ｐの双方ともその時々の入熱量Ｑの変化、すなわち入熱量Ｑに関する微分的要素に応じて変化することが認められた。また、入熱量Ｑが極少量にある状態においては、飽和温度Ｔｓおよび出力Ｐの双方とも下がり続ける傾向にあることが認められた。また、入熱量Ｑが極大量にある状態（例えばｔ１〜ｔ２）においては、入熱量Ｑが変化したとしても飽和温度Ｔｓおよび出力Ｐの双方がおおよそ一定の値に保持されることが認められた。そして、こうした入熱量Ｑが極大量にあるときに飽和温度Ｔｓおよび出力Ｐが一定の値に保持される状態においては余剰熱量ΔＱが発生していることが認められた。余剰熱量ΔＱは、例えば、余剰熱量ΔＱの有無を示す境界値と、蒸発器２４前後における作動媒体の状態量差に基づく熱量を入熱量Ｑから減算した値との差に基づいて算出される。

一方、廃熱回収装置２０においては、圧送部２３が圧送状態に維持され続けることが認められた。また、入熱量Ｑが極少量にある状態であっても飽和温度Ｔｓおよび出力Ｐの双方が緩やかに低下し、入熱量Ｑが極大量にある状態であっても飽和温度Ｔｓおよび出力Ｐの双方が緩やかに上昇することが認められた。すなわち、飽和温度Ｔｓおよび出力Ｐの双方とも、その時々の入熱量Ｑの変化よりも直前の所定期間における入熱量Ｑの合計、すなわち入熱量Ｑに関する積分的要素に応じて変化することが認められた。そして、比較例の廃熱回収装置に比べて、入熱量Ｑが極大量にある状態の余剰熱量ΔＱが格段に少なく、また、膨張機２５の総出力量も大きいことが認められた。

図７は、エンジン１０の運転状態が低負荷状態にある比率が高い場合のシミュレーションの結果の一例を示している。なお、図７では、本シミュレーションにおいて余剰熱量ΔＱが発生しなかったため、図６の余剰熱量ΔＱに代えて圧送部２３の駆動状態を記載している。図７において、「ＯＮ」は圧送部２３が圧送状態にあることを示し、「ＯＦＦ」は圧送部２３が停止状態にあることを示している。

図７に示すように、比較例の廃熱回収装置においては、飽和温度Ｔｓおよび出力Ｐの双方が入熱量Ｑに関する微分的要素に応じて変化することが認められた。また、エンジン１０の運転状態が低負荷状態である比率が高いため、飽和温度Ｔｓが全体的に低く、また、膨張機２５の出力Ｐも全体的に低いことが認められた。

一方、廃熱回収装置２０においては、中段蓄熱温度Ｔｍｉｄに応じて圧送部２３の停止状態と圧送状態とが繰り返されることにより、比較例の廃熱回収装置に比べて、飽和温度Ｔｓが高い状態が維持されやすいことが認められた。また、膨張機２５について、圧送部２３が停止状態にあるときは出力Ｐを得ることができないが、圧送部２３が圧送状態にあるときは比較例の廃熱回収装置よりも高い出力Ｐが得られやすいことが認められた。そして、比較例の廃熱回収装置に比べて、膨張機２５の総出力量が格段に大きくなることが認められた。

上記実施形態の廃熱回収装置２０によれば、以下に列挙する作用効果が得られる。
（１）廃熱回収装置２０によれば、エンジン１０の廃熱量が変化したとしても膨張機２５の出力Ｐがその影響を受けにくくなるとともに、エンジン１０の廃熱量が少ないときにも各熱交換部３１，３２，３４において作動媒体との温度差が確保されやすくなる。これらのことから、膨張機２５の出力Ｐを安定して得ることができ、結果として、エンジン１０の廃熱を効率よく回収することができる。

（２）蒸発器２４は、各熱交換部３１，３２，３４において作動媒体の流れ方向と排気ガスの流れ方向とが相反する方向に設定された対向流式の熱交換器である。これにより、並行流式の熱交換器よりも後段熱交換部３４において後段蓄熱部３５と作動媒体との温度差が確保されやすくなることから、例えば、圧送部２３を圧送状態に制御する第１温度Ｔ１をより低い温度に設定することができる。その結果、エンジン１０の廃熱を利用した作動媒体の加熱を効果的に行うことができる。

（３）中段蓄熱部３３は、後段蓄熱部３５よりも大きな蓄熱容量を有している。こうした構成によれば、最も熱量が必要とされる液相状態から気相状態への相転移が中段熱交換部３２で行われる確率を高めることができる。これにより、後段熱交換部３４に流入する作動媒体が気相状態である確率が高められるとともに後段熱交換部３４における後段蓄熱部３５と作動媒体との温度差が確保されやすくなる。その結果、後段熱交換部３４において気相状態の作動媒体をより高い温度まで昇温させることができることから、エンジン１０の廃熱量が少ないときであっても膨張機２５に対してより高いエネルギーを有する作動媒体を供給することができる。

（４）廃熱回収装置２０は、中段蓄熱温度Ｔｍｉｄが第１温度Ｔ１まで高くなると圧送部２３を圧送状態に制御し、その後、中段蓄熱温度Ｔｍｉｄが第２温度Ｔ２まで低下すると圧送部２３を停止状態に制御する。こうした構成によれば、各蓄熱部３３，３５における蓄熱量が小さいときには圧送部２３が停止状態に制御されて各蓄熱部３３，３５に対する蓄熱を集中的に行うことができる。これにより、圧送部２３が圧送状態にあるときに膨張機２５に供給される作動媒体の熱エネルギーが高められることから、膨張機２５をより高い効率のもとで作動させることができる。

（５）廃熱回収装置２０においては、中段蓄熱部３３および後段蓄熱部３５の蓄熱状態を示す指標として中段蓄熱温度Ｔｍｉｄが設定されている。こうした構成によれば、中段熱交換部３２における蓄熱量が高い精度のもとで把握されることから、作動媒体の液相状態から気相状態への相転移を中段熱交換部３２においてより確実に行うことができる。また、中段蓄熱温度Ｔｍｉｄと後段蓄熱温度Ｔｌａｔとに基づいて蓄熱状態が取得される場合に比べて簡易な構成のもとで蓄熱状態を取得することができる。

（６）第１温度Ｔ１および第２温度Ｔ２が最大圧力ｐ１における飽和温度Ｔｓ１を基準として規定されている。これにより、圧送部２３の圧送する作動媒体の飽和温度よりも中段蓄熱温度Ｔｍｉｄが高い状態で作動媒体を循環させることができる。

（７）排気浄化装置１２を通過した排気ガスが蒸発器２４に流入することから、排気ガスに含まれる粒子状物質に起因した蒸発器２４の熱効率の低下を抑えることができる。
なお、上記実施形態は、以下のように適宜変更して実施することもできる。

・廃熱回収装置は、エンジンの廃熱を利用して蒸発させた作動媒体で膨張機を作動させる構成であればよい。そのため、廃熱回収装置は、ＥＧＲ（Ｅｘｈａｕｓｔ Ｇａｓ Ｒｅｃｉｒｃｕｌａｔｉｏｎ）を備えた車両においては、吸気側に還流される排気ガスの熱をエンジンの廃熱として用いる構成であってもよい。

例えば、図８に示すように、廃熱回収装置６０は、上述した循環回路２１、圧送部２３（第１圧送部）、蒸発器２４（第１蒸発器）、膨張機２５、および、凝縮器２７に加えて、分岐回路６１、第２圧送部６３、第２蒸発器６４を備えている。分岐回路６１は、循環回路２１の一部であり、循環回路２１における凝縮器２７と圧送部２３との間から分岐して蒸発器２４と膨張機２５との間に接続されている。第２圧送部６３は、分岐回路６１における作動媒体の流量を変更可能に構成されており、圧送部２３と基本的な構成を同じにすることが可能である。第２蒸発器６４は、蒸発器２４と基本的な構成が同じであり、前段熱交換部、中段蓄熱部を有する中段熱交換部、および、後段蓄熱部を有する後段熱交換部を備えた熱交換器である。第２蒸発器６４は、第２圧送部６３を通過した作動媒体をＥＧＲ通路１７におけるＥＧＲクーラー１８の上流を流れる排気ガスを熱源として加熱することにより液相状態の作動媒体を気相状態へと相転移させる。こうした構成において、ＥＣＵ５０は、圧送部２３と同様に、中段蓄熱部の温度に基づいて第２圧送部６３の駆動状態を制御することが可能である。

廃熱回収装置６０によれば、排気通路１１を流れる排気ガスだけでなく、ＥＧＲ通路１７を流れるＥＧＲガスからもエンジン１０の廃熱を回収することができる。しかも、ＥＧＲクーラー１８に流入するまえのＥＧＲガスを熱源としているため、ＥＧＲクーラーの容量を小さくすることもできる。

・第１温度Ｔ１および第２温度Ｔ２は、作動媒体の供給圧力ｐ２における飽和温度よりも高い温度であればよい。そのため、ＥＣＵ５０は、例えば圧力センサーや圧送部２３の駆動状況に基づいて作動媒体の供給圧力ｐ２を所定の制御周期で取得し、その取得した供給圧力ｐ２に基づいて第１温度Ｔ１および第２温度Ｔ２を変更してもよい。

・ＥＣＵ５０は、中段蓄熱部３３の蓄熱状態、あるいは、中段蓄熱部３３および後段蓄熱部３５の蓄熱状態を示す指標として中段蓄熱温度Ｔｍｉｄを取得する構成に限られない。例えば、ＥＣＵ５０は、中段蓄熱温度Ｔｍｉｄと後段蓄熱部３５の温度である後段蓄熱温度Ｔｌａｔとに基づいて蓄熱状態を取得してもよいし、後段蓄熱温度Ｔｌａｔを蓄熱状態を示す指標として取得してよい。また例えば、ＥＣＵ５０は、エンジン１０の運転状態を示す状態量や循環回路２１における作動媒体の流量などを入力値とするモデルを用いた演算により蓄熱状態を取得してもよい。

・中段蓄熱部３３の蓄熱容量は、後段蓄熱部３５の蓄熱容量以下であってもよい。
・蒸発器２４は、排気ガスの流れ方向と作動媒体の流れ方向とが同一の方向に設定された並行流式の熱交換器であってもよい。また、蒸発器２４は、エンジン１０の廃熱を熱源として作動媒体を加熱するものであればよく、プレート式の熱交換器や伝熱管を用いたシェルアンドチューブ式の熱交換器であってもよい。プレート式の熱交換器においては、プレートそのものを蓄熱部に設定することが可能である。シェルアンドチューブ式の熱交換器においては、伝熱管の周囲に蓄熱部を配設することが可能である。

・廃熱回収装置２０は、エンジンの廃熱である排気ガスの熱エネルギーを力学的エネルギーに変換できるものであればよく、エンジンは、ディーゼルエンジンであってもよいし、ガソリンエンジンであってもよいし、ガスエンジンであってもよい。

１０…エンジン、１１…排気通路、１２…排気浄化装置、１３…タービン、１４…吸気通路、１５…コンプレッサー、１６…ターボチャージャー、１７…ＥＧＲ通路、１８…ＥＧＲクーラー、２０…廃熱回収装置、２１…循環回路、２３…圧送部、２４…蒸発器、２５…膨張機、２６…出力軸、２７…凝縮器、３１…前段熱交換部、３２…中段熱交換部、３３…中段蓄熱部、３４…後段熱交換部、３５…後段蓄熱部、３６…絶縁部、５０…ＥＣＵ、５１…プロセッサ、５２…メモリ、５３…入力インターフェース、５４…出力インターフェース、５５…バス、５６…温度センサー、６０…廃熱回収装置、６１…分岐回路、６３…第２圧送部、６４…第２蒸発器。

Claims (5)

1. 作動媒体が循環可能に構成された循環回路と、
   前記循環回路に作動媒体を圧送する圧送部と、
   前記圧送部が圧送した作動媒体をエンジンの廃熱で蒸発させる蒸発器と、
   前記蒸発器で蒸発した作動媒体の通過により作動する膨張機と、
   前記膨張機を通過した作動媒体を凝縮する凝縮器とを備え、
   前記蒸発器は、
   前記エンジンの排気ガスと作動媒体との間で熱交換が行われる前段熱交換部と、
   前記排気ガスの熱を蓄熱する中段蓄熱部を有し、前記中段蓄熱部と前記前段熱交換部を通過した作動媒体との間で熱交換が行われる中段熱交換部と、
   前記排気ガスの熱を蓄熱する後段蓄熱部を有し、前記後段蓄熱部と前記中段熱交換部を通過した作動媒体との間で熱交換が行われる後段熱交換部とを備え、
   前記中段蓄熱部は、前記後段蓄熱部に対して熱的に絶縁されている
   廃熱回収装置。
2. 前記蒸発器は、対向流式の熱交換器である
   請求項１に記載の廃熱回収装置。
3. 前記中段蓄熱部は、前記後段蓄熱部よりも大きな蓄熱容量を有する
   請求項１または２に記載の廃熱回収装置。
4. 前記中段蓄熱部の蓄熱状態を取得する蓄熱状態取得部と、
   前記循環回路における作動媒体の流通量を制御する制御部とをさらに備え、
   前記制御部は、
   前記蓄熱状態が第１蓄熱状態になると前記循環回路における作動媒体の流通を開始し、前記蓄熱状態が前記第１蓄熱状態よりも蓄熱量が少ない第２蓄熱状態になると前記循環回路における作動媒体の流通を禁止する
   請求項１〜３のいずれか一項に記載の廃熱回収装置。
5. 前記蓄熱状態取得部は、前記中段蓄熱部の温度を検出する温度センサーであり、
   前記第１蓄熱状態は、前記温度センサーの検出値が第１温度よりも高い状態であり、
   前記第２蓄熱状態は、前記温度センサーの検出値が前記第１温度よりも低い第２温度以下の状態であり、
   前記第１温度および前記第２温度は、前記蒸発器に対する作動媒体の供給圧力における飽和温度よりも高い温度である
   請求項４に記載の廃熱回収装置。

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