特開 2022-34904 エンジン用排熱回収装置

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】公開特許公報(A)

(11)【公開番号】P2022034904

(43)【公開日】2022-03-04

(54)【発明の名称】エンジン用排熱回収装置

(51)【国際特許分類】

   F01N 5/02 20060101AFI20220225BHJP

   F01K 23/10 20060101ALI20220225BHJP

   F02G 5/02 20060101ALI20220225BHJP

【ＦＩ】

F01N5/02 F

F01K23/10 P

F02G5/02 B

【審査請求】未請求

【請求項の数】4

【出願形態】ＯＬ

(21)【出願番号】P 2020138832

(22)【出願日】2020-08-19

(71)【出願人】

【識別番号】000001199

【氏名又は名称】株式会社神戸製鋼所

(71)【出願人】

【識別番号】521362885

【氏名又は名称】コベルコ・コンプレッサ株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】100145403

【弁理士】

【氏名又は名称】山尾 憲人

(74)【代理人】

【識別番号】100111039

【弁理士】

【氏名又は名称】前堀 義之

(74)【代理人】

【識別番号】100218132

【弁理士】

【氏名又は名称】近田 暢朗

(72)【発明者】

【氏名】壷井 昇

【テーマコード（参考）】

3G081

【Ｆターム（参考）】

3G081BA01

3G081BB04

3G081BC07

(57)【要約】

【課題】エンジンを冷却した冷却液とエンジンから出た排気ガスという２つの異なる熱源から有効に排熱回収できる排熱回収装置を提供する。
【解決手段】エンジン用排熱回収装置１は、エンジンから出た排気ガスが流れる排気ガス流路５と、熱媒が循環する熱媒循環流路６と、エンジン２の冷却液が流れる冷却液流路７とを備える。また、排熱回収装置１は、第１熱交換器１１と、第２熱交換器１２と、膨張機１３と、発電機１４と、凝縮器１５と、熱媒ポンプ１６とを備える。第１熱交換器１１は、エンジン２から出た冷却液流路７を流れる冷却液と熱媒循環流路６を流れる熱媒とで熱交換することによって冷却液を冷却するとともに熱媒を加熱する。第２熱交換器１２は、エンジン２から出た排気ガス流路５を流れる排気ガスと第１熱交換器１１から出た熱媒循環流路６を流れる熱媒とで熱交換することによって排気ガスを冷却するとともに熱媒を加熱する。
【選択図】図１

【特許請求の範囲】

【請求項1】

エンジンから出た排気ガスが流れる排気ガス流路と、
熱媒が循環する熱媒循環流路と、
前記エンジンの冷却液が流れる冷却液流路と、
前記エンジンから出た前記冷却液流路を流れる前記冷却液と前記熱媒循環流路を流れる前記熱媒とで熱交換することによって前記冷却液を冷却するとともに前記熱媒を加熱する第１熱交換器と、
前記エンジンから出た前記排気ガス流路を流れる前記排気ガスと前記第１熱交換器から出た前記熱媒循環流路を流れる前記熱媒とで熱交換することによって前記排気ガスを冷却するとともに前記熱媒を加熱する第２熱交換器と、
前記熱媒循環流路において前記第２熱交換器から流出した前記熱媒により駆動される膨張機と、
前記膨張機に機械的に接続され、前記膨張機によって駆動される発電機と、
前記熱媒循環流路において前記膨張機から流出した前記熱媒を凝縮させる凝縮器と、
前記熱媒循環流路の前記熱媒を流動させる熱媒ポンプと
を備える、エンジン用排熱回収装置。

【請求項2】

前記第２熱交換器から出た前記排気ガス流路を流れる前記排気ガスと、前記第１熱交換器に入る前記熱媒循環流路を流れる前記熱媒とで熱交換することによって前記排気ガスを冷却するとともに前記熱媒を加熱する第３熱交換器をさらに備える、請求項１に記載のエンジン用排熱回収装置。

【請求項3】

前記第２熱交換器と前記第３熱交換器は、一体である、請求項２に記載のエンジン用排熱回収装置。

【請求項4】

前記凝縮器に入る前記熱媒循環流路を流れる前記熱媒と、前記凝縮器から出た前記熱媒循環流路を流れる前記熱媒とで熱交換することによって、前記凝縮器に流入する前記熱媒を冷却するとともに前記凝縮器から流出した前記熱媒を加熱する第４熱交換器をさらに備える、請求項１から請求項３のいずれか１項に記載のエンジン用排熱回収装置。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、エンジン用排熱回収装置に関する。

【背景技術】

【0002】

特許文献１には、廃熱回収装置を搭載した車両が開示されている。この廃熱回収装置は、１つの蒸発器において、エンジンを冷却した冷却水と、エンジンから出た排気ガスとから熱回収している。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0003】

【特許文献1】特開２０１５－６８２７９号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0004】

一般に、排気ガスの温度は冷却水の温度よりも高いが、上記廃熱回収装置では、熱回収用の蒸発器が１つのみ設けられている。従って、排気ガスや冷却水といった異なる熱源からの異なる温度の排熱を１つの蒸発器で熱回収しており、排熱回収効率の観点から改善の余地がある。

【0005】

本発明は、エンジンを冷却した冷却液とエンジンから出た排気ガスという２つの異なる熱源から有効に排熱回収できる排熱回収装置を提供することを課題とする。

【課題を解決するための手段】

【0006】

本発明は、エンジンから出た排気ガスが流れる排気ガス流路と、熱媒が循環する熱媒循環流路と、前記エンジンの冷却液が流れる冷却液流路と、前記エンジンから出た前記冷却液流路を流れる前記冷却液と前記熱媒循環流路を流れる前記熱媒とで熱交換することによって前記冷却液を冷却するとともに前記熱媒を加熱する第１熱交換器と、前記エンジンから出た前記排気ガス流路を流れる前記排気ガスと前記第１熱交換器から出た前記熱媒循環流路を流れる前記熱媒とで熱交換することによって前記排気ガスを冷却するとともに前記熱媒を加熱する第２熱交換器と、前記熱媒循環流路において前記第２熱交換器から流出した前記熱媒により駆動される膨張機と、前記膨張機に機械的に接続され、前記膨張機によって駆動される発電機と、前記熱媒循環流路において前記膨張機から流出した前記熱媒を凝縮させる凝縮器と、前記熱媒循環流路の前記熱媒を流動させる熱媒ポンプとを備える、エンジン用排熱回収装置を提供する。

【0007】

この構成によれば、排熱回収装置が２つの熱交換器（第１熱交換器および第２熱交換器）を備えるため、異なる温度の冷却液および排気ガスのそれぞれから有効に排熱回収できる。具体的には、第１熱交換器においてエンジンの冷却に使用された高温の冷却液から熱媒に熱回収し、第２熱交換器においてエンジンから出た高温の排気ガスから熱媒に熱回収する。ここで、エンジンから出た排気ガスは通常エンジンの冷却に使用された冷却液よりも高温である。上記構成では、熱媒循環流路においては、第１熱交換器にて相対的に低温の冷却液から熱回収して熱媒をある程度加熱した後、第２熱交換器にて相対的に高温の排気ガスから熱回収して熱媒をさらに加熱する。従って、熱媒を段階的に加熱することができ、広い温度範囲で有効に排熱回収できる。このようにして熱媒を高温に加熱して蒸発させることができるため、膨張機を高温の熱媒ガスによって高効率で駆動でき、発電機を高効率で駆動できる。なお、膨張機の駆動に使用された熱媒は、凝縮器にて凝縮され、熱媒ポンプによって第１熱交換器および第２熱交換器に圧送され、第１熱交換器および第２熱交換器にて加熱されて蒸発し、再び膨張機に供給される。即ち、熱媒循環流路では、ランキンサイクルが構成されている。

【0008】

前記エンジン用排熱回収装置は、前記第２熱交換器から出た前記排気ガス流路を流れる前記排気ガスと、前記第１熱交換器に入る前記熱媒循環流路を流れる前記熱媒とで熱交換することによって前記排気ガスを冷却するとともに前記熱媒を加熱する第３熱交換器をさらに備えてもよい。

【0009】

この構成によれば、一層有効に排熱回収できる。具体的には、第３熱交換器において、第２熱交換器で熱回収しても未だ高温である排気ガスからさらに熱回収して熱媒を加熱する。これにより、第１熱交換器に流入する熱媒を予加熱できる。即ち、一層段階的に熱媒を加熱でき、一層広い温度範囲で有効に排熱回収できる。

【0010】

前記第２熱交換器と前記第３熱交換器は、一体であってもよい。

【0011】

この構成によれば、第２熱交換器と第３熱交換器とを繋ぐ配管を省略ないし短縮できるため、排気ガスを流しやすくすることができる。またこれにより、第２熱交換器および第３熱交換器における熱交換性能を向上させることができるとともに、第２熱交換器および第３熱交換器を設置するスペースを節約でき、コストダウンを図ることもできる。

【0012】

前記エンジン用排熱回収装置は、前記凝縮器に入る前記熱媒循環流路を流れる前記熱媒と、前記凝縮器から出た前記熱媒循環流路を流れる前記熱媒とで熱交換することによって、前記凝縮器に流入する前記熱媒を冷却するとともに前記凝縮器から流出した前記熱媒を加熱する第４熱交換器をさらに備えてもよい。

【0013】

この構成によれば、一層有効に排熱回収できる。凝縮器に流入する熱媒の温度は、凝縮器から流出した熱媒の温度よりも高いため、凝縮器の流入前後の熱媒で熱交換することにより、凝縮器から流出した熱媒を加熱できる。これにより、第１熱交換器（または第３熱交換器）に流入する熱媒を予加熱できる。即ち、一層段階的に熱媒を加熱でき、一層広い温度範囲で有効に排熱回収できる。

【発明の効果】

【0014】

本発明によれば、排熱回収装置において、エンジンを冷却した冷却液とエンジンから出た排気ガスという２つの異なる熱源からそれぞれ熱回収する第１熱交換器と第２熱交換器を設けているため、広い温度範囲で有効に排熱回収できる。

【図面の簡単な説明】

【0015】

【図1】本発明の第１実施形態に係るエンジン用排熱回収装置の概略構成図。

【図2】図１のエンジン用排熱回収装置のモリエル線図。

【図3】第２実施形態に係るエンジン用排熱回収装置の概略構成図。

【図4】図３のエンジン用排熱回収装置のモリエル線図。

【図5】図３の第２および第３熱交換器が一体となった熱交換器の概略構成図。

【図6】第３実施形態に係るエンジン用排熱回収装置の概略構成図。

【図7】図６のエンジン用排熱回収装置のモリエル線図。

【発明を実施するための形態】

【0016】

以下、添付図面を参照して本発明の実施形態を説明する。

【0017】

（第１実施形態）
図１を参照して、第１実施形態のエンジン用排熱回収装置１（以下、単に排熱回収装置１ともいう。）は、車両や船舶等の様々なエンジン２で発生する排熱を回収して発電を行う発電システムとして構成されている。

【0018】

排熱回収装置１は、排気ガス流路５と、熱媒循環流路６と、冷却液流路７とを備える。排気ガス流路５は、エンジン２から出た排気ガスが流れる流路である。熱媒循環流路６は、熱媒が循環する流路である。冷却液流路７は、エンジン２の冷却液が流れる流路である。各流路５～７は、配管によって構成されていてもよい。

【0019】

第１に、排気ガス流路５について説明する。排気ガス流路５は、エンジン２から開放端５ａまで延びている。開放端５ａは外気に開放されており、エンジン２からの排気ガスは開放端５ａを介して外気に排気される。

【0020】

排気ガス流路５には、第２熱交換器１２が設けられている。第２熱交換器１２は、エンジン２から出た排気ガス流路５を流れる排気ガスと後述する第１熱交換器１１から出た熱媒循環流路６を流れる熱媒とで熱交換することによって排気ガスを冷却するとともに熱媒を加熱する。

【0021】

第２に、熱媒循環流路６について説明する。熱媒循環流路６内を流れる熱媒は、例えばＨＦＯ系のＲ１３３６ｍｚｚＺ、またはＲ２４５ｆａなどの有機媒体であり得る。熱媒循環流路６には、膨張機１３および発電機１４と、凝縮器１５と、熱媒ポンプ１６と、第１熱交換器１１と、第２熱交換器１２とがこの順で設けられている。

【0022】

膨張機１３は、気体状態の熱媒を供給され、熱媒を膨張させることによって発電機１４を駆動する力を取り出す。発電機１４は、膨張機１３と機械的に接続されており、膨張機１３から駆動力を受けて発電する。例えば、膨張機１３は、スクリュ式であってもよい。この場合、膨張機１３は、熱媒を膨張させることによって内部のスクリュロータを回転駆動する。このスクリュロータは発電機１４と機械的に接続されており、発電機１４はこのスクリュロータから回転駆動力を受けて発電する。ただし、膨張機１３の種類は、特に限定されず、代替的にはスクロール式またはターボ式等であり得る。

【0023】

凝縮器１５は、膨張機１３から排出された気体状態の熱媒を冷却して凝縮させ、液体状態の熱媒とする。例えば、凝縮器１５は、汎用の水冷式のものを使用し得る。

【0024】

熱媒ポンプ１６は、凝縮器１５で凝縮した液体状態の熱媒を加圧して流動させる。本実施形態では、熱媒ポンプ１６は、熱媒を第１熱交換器１１に圧送している。熱媒ポンプ１６は、例えば、汎用の遠心ポンプまたはギアポンプ等であり得る。

【0025】

第１熱交換器１１は、後述するようにエンジン２から出た冷却液流路７を流れる冷却液と、凝縮器１５から出た熱媒循環流路６を流れる熱媒とで熱交換することによって冷却液を冷却するとともに熱媒を加熱する。ここで、熱媒は、温度Ｔｈ１１から温度Ｔｈ１２まで昇温する（Ｔｈ１１＜Ｔｈ１２）。熱媒は、第１熱交換器１１で加熱されることにより、液体状態から気体状態に一部変化している。

【0026】

第２熱交換器１２は、前述のようにエンジン２から出た排気ガス流路５を流れる排気ガスと第１熱交換器１１から出た熱媒循環流路６を流れる熱媒とで熱交換することによって排気ガスを冷却するとともに熱媒を加熱する。ここでは、熱媒は温度Ｔｈ１２から温度Ｔｈ１３まで昇温する（Ｔｈ１２＜Ｔｈ１３）。第２熱交換器１２は、第１熱交換器１１よりも熱媒が高温となるように加熱しており、段階的な昇温が実現されている（Ｔｈ１１＜Ｔｈ１２＜Ｔｈ１３）。熱媒は、第２熱交換器１２で加熱されることによって、完全に気体状態となっている。

【0027】

第２熱交換器１２にて加熱された高温の気体状態の熱媒は、膨張機１３に供給され、膨張機の駆動に使用される。このように熱媒は、熱媒循環流路６中を循環している。即ち、熱媒循環流路６では、ランキンサイクルが構成されている。

【0028】

第３に、冷却液流路７について説明する。冷却液流路７内を流れる冷却液の種類は、特に限定されず、例えばクーラント液または水であり得る。冷却液流路７には、冷却機構１７と、第１熱交換器１１と、冷却液ポンプ１８とが、この順で設けられている。

【0029】

冷却機構１７は、例えば、エンジン用のラジエータである。冷却機構１７は、冷却液をエンジンに通液することでエンジン２を冷却する。冷却液はエンジン２の冷却に伴って受熱し、冷却機構１７から流出した後の冷却液は冷却機構１７に流入する前の冷却液よりも昇温している。

【0030】

第１熱交換器１１は、前述のようにエンジン２から出た冷却液流路７を流れる冷却液と、凝縮器１５から出た熱媒循環流路６を流れる熱媒とで熱交換することによって冷却液を冷却するとともに熱媒を加熱する。

【0031】

冷却液ポンプ１８は、冷却液流路７において、冷却液を加圧して流動させている。本実施形態では、冷却液ポンプ１８は、冷却液を冷却機構１７に圧送している。冷却液ポンプ１８は、例えば、汎用の遠心ポンプまたはギアポンプ等を使用し得る。

【0032】

このように、冷却液流路７では、エンジン２を冷却する冷却液が循環している。ただし、冷却液流路７は、必ずしも循環する態様でなくてもよい。

【0033】

図２を参照して、本実施形態の排熱回収装置１の熱媒循環流路６におけるランキンサイクルおよび排熱回収について説明する。

【0034】

図２では、横軸が比エンタルピーを示し、縦軸が圧力を示している。即ち、図２は、モリエル線図を示している。図２中の破線Ｌ１および破線Ｌ２は、飽和液線および飽和蒸気線をそれぞれ示している。図２において、飽和液線Ｌ１よりも左側の領域では熱媒が液体状態であることを示し、飽和液線Ｌ１と飽和蒸気線Ｌ２との間の領域では熱媒が気液混合状態であることを示し、飽和蒸気線Ｌ２よりも右側の領域では熱媒が気体状態であることを示す。図２のグラフ上の状態Ｓ１１～Ｓ１５は、各地点における熱媒の状態を表しており、図１の点Ｓ１１～Ｓ１５にそれぞれ対応している。

【0035】

グラフ右上の状態Ｓ１１は、膨張機１３に流入する気体状態の熱媒を示している。熱媒は、状態Ｓ１１から膨張機１３にて膨張し、圧力と比エンタルピーが減少して状態Ｓ１２となる。状態Ｓ１２では、熱媒は気体状態である。熱媒は、状態Ｓ１２から凝縮器１５にて凝縮して比エンタルピーが減少し、状態Ｓ１３となる。状態Ｓ１３では、熱媒は液体状態である。熱媒は、状態Ｓ１３から熱媒ポンプ１６にて加圧されて圧力が増加し、状態Ｓ１４となる。状態Ｓ１４では、熱媒は液体状態である。熱媒は、状態Ｓ１４から第１熱交換器１１にて加熱されて比エンタルピーが増加し、状態Ｓ１５となる。状態Ｓ１５では、気体状態と液体状態の熱媒が混合している。熱媒は、状態Ｓ１５から、第２熱交換器１２にて加熱されてさらに比エンタルピーが増加し、状態Ｓ１１となる。状態Ｓ１１では、熱媒は気体状態となっている。

【0036】

上記のように、第１熱交換器１１にて状態Ｓ１４から状態Ｓ１５に変化する際に熱媒は部分的に蒸発しており、第２熱交換器１２にて状態Ｓ１５から状態Ｓ１１に変化する際に熱媒は完全に蒸発している。従って、第１熱交換器１１および第２熱交換器１２は、ともに蒸発器として機能している。

【0037】

本実施形態の排熱回収装置１は、以下の作用効果を有している。

【0038】

排熱回収装置１が２つの熱交換器（第１熱交換器１１および第２熱交換器１２）を備えるため、異なる温度の冷却液および排気ガスのそれぞれから有効に排熱回収できる。具体的には、第１熱交換器１１においてエンジン２の冷却に使用された高温の冷却液から熱媒に熱回収し、第２熱交換器１２においてエンジン２から出た高温の排気ガスから熱媒に熱回収する。ここで一般に、エンジン２から出た排気ガスはエンジン２の冷却に使用された冷却液よりも高温である。本実施形態の構成では、熱媒循環流路６においては、第１熱交換器１１にて相対的に低温の冷却液から熱回収して熱媒をある程度加熱した後、第２熱交換器１２にて相対的に高温の排気ガスから熱回収して熱媒をさらに加熱する。従って、熱媒を段階的に加熱することができ、広い温度範囲で有効に排熱回収できる。このようにして熱媒を高温に加熱して蒸発させることができるため、膨張機１３を高温の熱媒ガスによって高効率で駆動でき、発電機１４を高効率で駆動できる。

【0039】

（第２実施形態）
図３に示す第２実施形態の排熱回収装置１は、第１実施形態の構成に加えて第３熱交換器１９をさらに備える。これに関する構成以外は、図１の第１実施形態のエンジン用排熱回収装置１の構成と実質的に同じである。従って、図１に示した構成と同じ部分については同じ符号を付して説明を省略する場合がある。

【0040】

本実施形態では、熱媒循環流路６において凝縮器１５と第１熱交換器１１との間、かつ、排気ガス流路５において第２熱交換器１２と開放端５ａとの間に第３熱交換器１９が設けられている。

【0041】

第３熱交換器１９は、第２熱交換器１２から出た排気ガス流路５を流れる排気ガスと、第１熱交換器１１に入る熱媒循環流路６を流れる熱媒とで熱交換することによって排気ガスを冷却するとともに熱媒を加熱する。ここで、熱媒は、温度Ｔｈ２１から温度Ｔｈ２２まで昇温する（Ｔｈ２１＜Ｔｈ２２）。

【0042】

また、熱媒は、第１熱交換器１１において温度Ｔｈ２２からＴｈ２３まで昇温し（Ｔｈ２２＜Ｔｈ２３）、第２熱交換器１２において温度Ｔｈ２３から温度Ｔｈ２４まで昇温する（Ｔｈ２３＜Ｔｈ２４）。従って、第１熱交換器１１は第３熱交換器１９よりも熱媒が高温となるように加熱しており、第２熱交換器１２は第１熱交換器１１よりも熱媒が高温となるように加熱している。よって、段階的な昇温が実現されている（Ｔｈ２１＜Ｔｈ２２＜Ｔｈ２３＜Ｔｈ２４）。

【0043】

図４を参照して、本実施形態の排熱回収装置１の熱媒循環流路６におけるランキンサイクルおよび排熱回収について説明する。

【0044】

図４は、図２と同様のモリエル線図である。図４のグラフ上の状態Ｓ２１～Ｓ２６は、各地点における熱媒の状態を表しており、図３の点Ｓ２１～Ｓ２６にそれぞれ対応している。

【0045】

グラフ右上の状態Ｓ２１は、膨張機１３に流入する気体状態の熱媒を示している。熱媒は、状態Ｓ２１から膨張機１３にて膨張し、圧力と比エンタルピーが減少して状態Ｓ２２となる。状態Ｓ２２では、熱媒は気体状態である。熱媒は、状態Ｓ２２から凝縮器１５にて凝縮して比エンタルピーが減少し、状態Ｓ２３となる。状態Ｓ２３では、熱媒は液体状態である。熱媒は、状態Ｓ２３から熱媒ポンプ１６にて加圧されて圧力が増加し、状態Ｓ２４となる。状態Ｓ２４では、熱媒は液体状態である。熱媒は、状態Ｓ２４から第３熱交換器１９にて加熱されて比エンタルピーが増加し、状態Ｓ２５となる。状態Ｓ２５では、熱媒は未だ液体状態である。熱媒は、状態Ｓ２５から第１熱交換器１１にて加熱されて比エンタルピーが増加し、状態Ｓ２６となる。状態Ｓ２６では、気体状態と液体状態の熱媒が混合している。熱媒は、状態Ｓ２６から、第２熱交換器１２にて加熱されてさらに比エンタルピーが増加し、状態Ｓ２１となる。状態Ｓ２１では、熱媒は気体状態となっている。

【0046】

上記のように、第１熱交換器１１にて状態Ｓ２５から状態Ｓ２６に変化する際に熱媒は部分的に蒸発しており、第２熱交換器１２にて状態Ｓ２６から状態Ｓ２１に変化する際に熱媒は完全に蒸発している。従って、第１熱交換器１１および第２熱交換器１２は、ともに蒸発器として機能している。ただし、第３熱交換器１９にて状態Ｓ２４から状態Ｓ２５に変化する際には、熱媒は液体状態のままであるので、第３熱交換器１９は蒸発器としては機能していない。

【0047】

図２と図４を比較すると、状態Ｓ２１の比エンタルピーは、状態Ｓ１１の比エンタルピーよりも高い。即ち、第２実施形態では、第１実施形態よりも高温の熱媒を膨張機１３に供給している。従って、第２実施形態では、第１実施形態よりも発電機１４における高効率の発電が可能となっている。

【0048】

本実施形態の排熱回収装置１は、第１実施形態と同様の作用効果に加えて以下の作用効果をさらに有している。

【0049】

本実施形態によれば、一層有効に排熱回収できる。具体的には、第３熱交換器１９において、第２熱交換器１２で熱回収しても未だ高温である排気ガスからさらに熱回収して熱媒を加熱する。これにより、第１熱交換器１１に流入する熱媒を予加熱できる。即ち、一層段階的に熱媒を加熱でき、一層広い温度範囲で有効に排熱回収できる。

【0050】

（変形例）
図５を参照して、第２実施形態の排熱回収装置１の変形例について説明する。本変形例では、第２熱交換器１２と第３熱交換器１９は、一体である。詳細には、第２熱交換器１２と第３熱交換器１９は、一体のケーシング２０内に形成されている。

【0051】

ケーシング２０には、熱媒が流入する熱媒入口ポート２０ａと、熱媒が流出する熱媒出口ポート２０ｂと、第２熱交換器１２と第３熱交換器１９との間で熱媒が一時的に流出する熱媒中間出口ポート２０ｃと、第２熱交換器１２と第３熱交換器１９との間で一時的に流出した熱媒が戻ってくる熱媒中間入口ポート２０ｄとが形成されている。熱媒中間出口ポート２０ｃから熱媒中間入口ポート２０ｄまでの間には、第１熱交換器１１が配置されている。また、ケーシング２０には、排気ガスが流入する排気ガス入口ポート２０ｅと、排気ガスが流出する排気ガス出口ポート２０ｆとが形成されている。

【0052】

第２熱交換器１２と第３熱交換器１９が一体となった熱交換器では、高温の排気ガスが排気ガス入口ポート２０ｅから流入し、第２熱交換器１２および第３熱交換器１９でそれぞれ冷却されて排気ガス出口ポート２０ｆから流出する。また、低温の熱媒が熱媒入口ポート２０ａから流入し、第３熱交換器で加熱され、熱媒中間出口ポート２０ｃから流出し、第１熱交換器１１にて加熱され、熱媒中間入口ポート２０ｄから流入し、第２熱交換器１２で加熱され、熱媒出口ポート２０ｂから流出する。熱媒出口ポート２０ｂは膨張機１３と流体的に接続されており、熱媒出口ポート２０ｂから流出した熱媒は膨張機１３へと流れる。

【0053】

本変形例によれば、第２熱交換器１２と第３熱交換器１９とを繋ぐ配管を省略ないし短縮できるため、排気ガスを流しやすくすることができる。またこれにより、第２熱交換器１２および第３熱交換器１９における熱交換性能を向上させることができるとともに、第２熱交換器１２および第３熱交換器１９を設置するスペースを節約でき、コストダウンを図ることもできる。

【0054】

（第３実施形態）
図６に示す第３実施形態の排熱回収装置１は、第２実施形態の構成に加えて第４熱交換器２１をさらに備える。これに関する構成以外は、図３の第２実施形態のエンジン用排熱回収装置１の構成と実質的に同じである。従って、図３に示した構成と同じ部分については同じ符号を付して説明を省略する場合がある。

【0055】

本実施形態では、熱媒循環流路６において、凝縮器１５の前後に第４熱交換器２１が設けられている。詳細には、第４熱交換器２１は、凝縮器１５の上流側の熱媒と下流側の熱媒とで熱交換するように配置されている。

【0056】

第４熱交換器２１は、凝縮器１５に入る熱媒循環流路６を流れる熱媒と、凝縮器１５から出た熱媒循環流路６を流れる熱媒とで熱交換することによって、凝縮器１５に流入する熱媒を冷却するとともに凝縮器１５から流出した熱媒を加熱する。ここで、凝縮器１５から流出した熱媒は温度Ｔｈ３１からＴｈ３２まで昇温する（Ｔｈ３１＜Ｔｈ３２）。

【0057】

また、熱媒は、第３熱交換器１９において温度Ｔｈ３２からＴｈ３３まで昇温し（Ｔｈ３２＜Ｔｈ３３）、第１熱交換器１１において温度Ｔｈ３３からＴｈ３４まで昇温し（Ｔｈ３３＜Ｔｈ３４）、第２熱交換器１２において温度Ｔｈ３４から温度Ｔｈ３５まで昇温する（Ｔｈ３４＜Ｔｈ３５）。従って、第３熱交換器１９は第４熱交換器２１よりも熱媒が高温となるように加熱しており、第１熱交換器１１は第３熱交換器１９よりも熱媒が高温となるように加熱しており、第２熱交換器１２は第１熱交換器１１よりも熱媒が高温となるように加熱している。よって、段階的な昇温が実現されている（Ｔｈ３１＜Ｔｈ３２＜Ｔｈ３３＜Ｔｈ３４＜Ｔｈ３５）。

【0058】

図７を参照して、本実施形態の排熱回収装置１の熱媒循環流路６におけるランキンサイクルおよび排熱回収について説明する。

【0059】

図７は、図２，４と同様のモリエル線図である。図７のグラフ上の状態Ｓ３１～Ｓ３７は、各地点における熱媒の状態を表しており、図６の点Ｓ３１～Ｓ３７にそれぞれ対応している。

【0060】

グラフ右上の状態Ｓ３１は、膨張機１３に流入する気体状態の熱媒を示している。熱媒は、状態Ｓ３１から膨張機１３にて膨張し、圧力と比エンタルピーが減少して状態Ｓ３２となる。状態Ｓ３２では、熱媒は気体状態である。熱媒は、状態Ｓ３２から第４熱交換器２１にて冷却されるとともに凝縮器１５にて凝縮して比エンタルピーが減少し、状態Ｓ３３となる。状態Ｓ３３では、熱媒は液体状態である。熱媒は、状態Ｓ３３から熱媒ポンプ１６にて加圧されて圧力が増加し、状態Ｓ３４となる。状態３２４では、熱媒は液体状態である。熱媒は、状態Ｓ３４から第４熱交換器にて加熱されて比エンタルピーが増加し、状態Ｓ３５となる。状態Ｓ３５では、熱媒は未だ液体状態である。熱媒は、状態Ｓ３５から第３熱交換器１９にて加熱されて比エンタルピーが増加し、状態Ｓ３６となる。状態Ｓ３６では、熱媒は未だ液体状態である。熱媒は、状態Ｓ３６から第１熱交換器１１にて加熱されて比エンタルピーが増加し、状態Ｓ３６となる。状態Ｓ３６では、気体状態と液体状態の熱媒が混合している。熱媒は、状態Ｓ３７から、第２熱交換器１２にて加熱されてさらに比エンタルピーが増加し、状態Ｓ３１となる。状態Ｓ３１では、熱媒は気体状態となっている。

【0061】

上記のように、第１熱交換器１１にて状態Ｓ３６から状態Ｓ３７に変化する際に熱媒は部分的に蒸発しており、第２熱交換器１２にて状態Ｓ３７から状態Ｓ３１に変化する際に熱媒は完全に蒸発している。従って、第１熱交換器１１および第２熱交換器１２は、ともに蒸発器として機能している。ただし、第４熱交換器２１にて状態Ｓ３４から状態Ｓ３５に変化する際には、熱媒は液体状態のままであるので、第４熱交換器２１は蒸発器としては機能していない。同様に、第３熱交換器１９にて状態Ｓ３５から状態Ｓ３６に変化する際には、熱媒は液体状態のままであるので、第３熱交換器１９は蒸発器としては機能していない。

【0062】

図４と図７を比較すると、状態Ｓ３１の比エンタルピーは、状態Ｓ２１の比エンタルピーよりも高い。即ち、第３実施形態では、第２実施形態よりも高温の熱媒を膨張機１３に供給している。従って、第３実施形態では、第２実施形態よりも発電機１４における高効率の発電が可能となっている。

【0063】

本実施形態の排熱回収装置１は、第１実施形態および第２実施形態と同様の作用効果に加えて以下の作用効果をさらに有している。

【0064】

本実施形態によれば、一層有効に排熱回収できる。凝縮器１５に流入する熱媒の温度は、凝縮器１５から流出した熱媒の温度よりも高いため、凝縮器１５の流入前後の熱媒で熱交換することにより、凝縮器１５から流出した熱媒を加熱できる。これにより、第３熱交換器１９に流入する熱媒を予加熱できる。即ち、一層段階的に熱媒を加熱でき、一層広い温度範囲で有効に排熱回収できる。

【0065】

以上より、本発明の具体的な実施形態およびその変形例について説明したが、本発明は上記形態に限定されるものではなく、この発明の範囲内で種々変更して実施することができる。例えば、個々の実施形態の内容を適宜組み合わせたものを、この発明の一実施形態としてもよい。

【0066】

また、上記各実施形態の排熱回収装置１の用途は広く、例えば発電機１４で発電した電気エネルギーを車両用のバッテリーに供給するようにしてもよく、ＨＶ車（ハイブリッド車）のバッテリーに供給するようにしてもよい。

【符号の説明】

【0067】

１ エンジン用排熱回収装置（排熱回収装置）
２ エンジン
５ 排気ガス流路
５ａ 開放端
６ 熱媒循環流路
７ 冷却液流路
１１ 第１熱交換器
１２ 第２熱交換器
１３ 膨張機
１４ 発電機
１５ 凝縮器
１６ 熱媒ポンプ
１７ 冷却機構
１８ 冷却液ポンプ
１９ 第３熱交換器
２０ ケーシング
２０ａ 熱媒入口ポート
２０ｂ 熱媒出口ポート
２０ｃ 熱媒中間出口ポート
２０ｄ 熱媒中間入口ポート
２０ｅ 排気ガス入口ポート
２０ｆ 排気ガス出口ポート
２１ 第４熱交換器

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】