JP4158612B2

JP4158612B2 - Vehicle exhaust heat recovery system

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Publication number: JP4158612B2
Application number: JP2003175295A
Authority: JP
Inventors: 隆山中
Original assignee: Denso Corp
Current assignee: Denso Corp
Priority date: 2003-06-19
Filing date: 2003-06-19
Publication date: 2008-10-01
Anticipated expiration: 2023-06-19
Also published as: JP2005009789A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、車両の内燃機関の排熱から動力を回収する車両用排熱回収装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来から、車両に搭載される内燃機関の排熱から動力を回収する車両用排熱回収装置としては、ランキンサイクルシステム、またはスターリングエンジンなどがある。
【０００３】
ランキンサイクルシステムは、エンジンから排出される排気ガスの熱で冷媒を蒸発するまで加熱し、蒸気状態にする蒸発器と、蒸気となった冷媒が吹き付けられる事によって回転駆動力を出力するタービンと、タービンから出力される回転駆動力をエンジンの出力軸へ伝達するギア装置と、タービンに回転駆動力を出力させた蒸気状態の冷媒を冷却し、再び液化するコンデンサと、上述した循環で冷媒を圧送する圧送手段としてのポンプとからなる。
【０００４】
上述した構成により、エンジンの軸出力は増加するので、排気ガスに含まれる排熱から動力が回収される事となる。
【０００５】
また、上述したランキンサイクルシステムのその他の構成としては、エンジン本体を冷却する事で、高温になった冷却水にて冷媒を加熱、蒸発させるタイプのものもある。
【０００６】
またさらに、上述した構成のランキンサイクルシステムは独自の冷媒回路（蒸発器→膨張機（動力回収器）→コンデンサ→ポンプ→（再び）蒸発器）を有しているが、特許文献１には、車両が搭載する空調装置が有する冷媒を流通する冷凍サイクルから冷媒を分流させ、分流した冷媒を用いて動力を回収し、冷媒は再び元の空調装置の冷凍サイクルに戻す、と言うタイプのランキンサイクルシステムが提案されている。
【０００７】
【特許文献１】
特許第２５４０７３８号公報
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、上述したランキンサイクルシステムに限らず、一般的な車両用排熱回収装置は、いずれも冷媒を蒸気状態にまで加熱する蒸発器を備えている。この蒸発器は排熱を含む媒体が例えば冷却水であった場合、冷却水と冷媒とを熱交換する事で、冷却水を冷却している。
【０００９】
周知の通り、エンジンはその本体を冷却する為に冷却水を循環させている。通常、冷却水は、エンジン本体から受け取った排熱をラジエータにて外気と熱交換する事で冷却している。
【００１０】
ラジエータにて外気と熱交換し、排熱を外気に放出した冷却水はまたエンジン本体に向かって流通し、再びエンジン本体から排熱を受け取る、と言う循環を繰り返す。
【００１１】
すなわち、冷却水が含む排熱から動力を回収するタイプの車両用排熱回収装置の場合、通常車両に備わっているラジエータとしての役割を（すなわち、冷却水がエンジン本体から受け取った排熱を放出させ、冷却水を冷却する役目）外気ではなく冷媒で行っている事になる。
【００１２】
本発明は上記の点に注目してなされた。すなわち、冷媒と冷却水とが熱交換する蒸発器（水−冷媒熱交換器）に、外気を導入しラジエータ的な空冷効果を持たせるように構成する事で、この蒸発器（水−冷媒熱交換器）を備えるランキンサイクルシステムを搭載した車両のエンジン系ユニットの冷却水回路からラジエータを削減し、安価に、かつ冷却水回路の構造を簡易に構成する事を目的とする。
【００１３】
【課題を解決するための手段】
請求項１に記載の車両用排熱回収装置は、冷媒と、車両に搭載される発熱体が有する冷却水回路を流通する冷却水とを用い、前記冷却水に含まれる排熱から動力を回収する為に、前記冷却水と前記冷媒とを熱交換する熱交換手段を備える車両用排熱回収装置であって、
前記熱交換手段は、前記冷却水回路から流入する前記冷却水と、前記冷媒とを熱交換する水−冷媒熱交換器と、
前記水−冷媒熱交換器を流通する前記冷却水が、外気とも熱交換するように、前記水−冷媒熱交換器に対して前記外気を導入する導入手段と、
前記水−冷媒熱交換器の前記冷却水における下流側に設けられて、前記冷却水と外気とを熱交換する水−外気熱交換器と、
前記水−冷媒熱交換器から流出した前記冷却水を、前記冷却水回路、または前記水−外気熱交換器のどちらか一方に選択的に流入するように切り替えを行う弁とを備え、
前記導入手段は、前記外気を前記水−冷媒熱交換器に導入する吹き込み口と、
前記吹き込み口を開閉するドアとを備えており、
前記冷却水回路から前記水−冷媒熱交換器へ流入する直前の前記冷却水の水温を検知する水温検知手段と、
前記水温検知手段と接続し、前記水温に基づいて前記ドアの開閉、および前記弁の切り替えを制御する制御手段とを設け、
前記制御手段は、予め前記ドアを閉成しておくと共に、前記水−冷媒熱交換器から流出した前記冷却水が前記冷却水回路に流入するように前記弁を切り替えておき、
前記水温検知手段が検知した前記水温が、所定の第１水温を上回っていれば、前記外気を前記水−冷媒熱交換器に導入するように前記ドアを開扉し、
更に、前記水温検知手段が検知した前記水温が、前記所定の第１水温よりも高い側に設定される所定の第２水温を上回ると、前記水−冷媒熱交換器から流出した前記冷却水が前記水−外気熱交換器に流入するように前記弁を切り替えることを特徴とする。
【００１４】
この発明により、冷媒と冷却水とを熱交換する水−冷媒熱交換器に、外気を導入し、水−冷媒交換器内を流通する冷却水が、冷媒だけではなく外気とも熱交換出来るように構成する事で、車両からラジエータを削減する、または小型化する事が可能になり、車両の構成を安価に、かつエンジン冷却水回路の構造を簡易に構成する事が可能になる。
周知の車両用排熱回収装置が備える水−冷媒熱交換器（蒸発器）を流通する冷媒は、なるべく高温の冷却水と熱交換した方が良い。その理由は、高温の冷却水と熱交換する事で膨張機入口圧力を高くすることができ、動力回収効率が高くできるからである。
その為、常時導入手段にて、水−冷媒熱交換器（蒸発器）に外気を導入していると、高温の冷却水は、冷媒とだけではなく外気とも熱交換するので、冷媒側から見ると、外気とも熱交換し冷めた（低い温度になった）冷却水と冷媒とが熱交換する事となり、冷媒の気化効率（蒸発化）が下がり、ひいては動力の回収率も下がる事となる。
この発明により、水−冷媒熱交換器（蒸発器）の冷却能力を上回る水温の冷却水が水−冷媒熱交換器に流入してきた時にだけ、水−冷媒熱交換器（蒸発器）に外気を導入するようにドアが開扉するよう制御出来るので、水−冷媒熱交換器（蒸発器）の冷却能力を上回る水温の冷却水が流入するまでは、冷媒の気化効率（蒸発化）を維持する事が可能となり、効率的な動力の回収が可能となる。
【００１６】
導入手段によって外気を導入された水−冷媒熱交換器内を流通する冷却水は、冷媒と外気との両方に排熱を放出する事が可能となるが、それでも冷却水が望ましい水温にまで冷却されなかった場合は、水−冷媒熱交換器の冷却水における下流に設けられる水−外気熱交換器（ラジエータ）にて、更に水温を冷却する事が可能になるので、水−冷媒熱交換器（蒸発器）に外気を導入しただけでは足りなかった冷却水からの放熱を補う事が可能となる。
【００１８】
エンジン本体の排熱を含む冷却水の水温は、エンジンの稼働状態によって時系列的に大幅に変化している。従って、ある時点の水温によっては、水−冷媒熱交換器が持つ冷却性能だけで十分、望ましい水温にまで冷却される場合があり、この場合だと、水−冷媒熱交換器の冷却水における下流に設けられる水−外気熱交換器にて更に冷却する必要がなくなる場合もある。
【００１９】
以上のような理由から、この発明によりエンジン本体の排熱を含む冷却水の水温が、水−冷媒熱交換器の冷却性能によって十分、望ましい水温にまで冷却可能だった場合は、冷却水は水−外気熱交換器を循環する事なく、すぐに冷却水回路に戻るように弁によって流通路が切り替えられるので、水-外気熱交換器にて排熱を無駄に捨てなくてよく、エンジンの冷却水の温度を低下させないため、動力回収効率を高める事が可能となる。
【００２０】
請求項２に記載の車両用排熱回収装置は、前記弁は、前記水−冷媒熱交換器と前記水−外気熱交換器との間に設けられる事を特徴とする。
【００２１】
この発明により、水−冷媒熱交換器と水−外気熱交換器との流路の構成をコンパクトにする事が可能となる。
【００２２】
請求項３に記載の車両用排熱回収装置は、前記水−冷媒熱交換器に流入する前記冷媒は、前記車両に搭載される空調装置が備える冷凍サイクルから分流する事を特徴とする。
【００２３】
この発明により、専用の冷媒回路（冷凍サイクル）を備える必要がなくなり、車両用排熱回収装置の構成を簡易で安価なものにする事が可能となる。
【００２８】
請求項４に記載の車両用排熱回収装置は、前記ドアは、スリッドドアにて構成する事を特徴とする。
【００２９】
この発明により、導入する外気の風圧の向きと、スリッドドアの作動方向が略垂直となり、風圧による影響を小さくする事が可能となるとともに、スリッドドアはスライドする移動距離が小さいので、ドアを開閉する機構を簡素化する事が可能となる。
【００３０】
請求項５に記載の車両用排熱回収装置は、前記ドアは、バタフライドアにて構成する事を特徴とする。
【００３１】
この発明により、開扉時に導入する外気の風圧の影響を受け難くする事が可能となり、ドアを開閉する機構を簡素化する事が可能となる。
【００３４】
請求項６に記載の車両用排熱回収装置は、前記水−冷媒熱交換器は、前記冷媒が流通する冷媒配管と、前記冷媒配管の外側に密着して形成される前記冷却水が流通する冷却水配管と、前記冷却水配管の外側に形成される冷却フィンとからなり、前記冷却水配管は、前記冷媒配管の両側に形成される事を特徴とする。
【００３５】
この発明により、水−冷媒熱交換器（蒸発器）における冷却水と外気との熱交換、すなわち空冷の冷却効率（冷媒の気化効率）を向上させる事が可能になる。
【００３６】
請求項７に記載の車両用排熱回収装置は、前記水−冷媒熱交換器は、前記冷媒が流通する前記冷媒配管と、前記冷媒配管の外側に密着して形成される前記冷却水が流通する前記冷却水配管と、前記冷却水配管の外側に形成される前記冷却フィンとからなり、前記冷却水配管は、前記冷媒配管の片側に形成される事を特徴とする。
【００３８】
請求項８に記載の車両用排熱回収装置は、前記水−冷媒熱交換器は、前記冷媒が流通する前記冷媒配管と、前記冷媒配管の外側に密着して形成される前記冷却水が流通する前記冷却水配管とからなり、前記冷却水配管は、前記冷媒配管に対し凸状に形成される事を特徴とする。
【００３９】
この発明により、水−冷媒熱交換器に導入される外気が、凸状に形成された冷却水配管によって、通常の通気経路よりも長い通気経路を吹き抜ける事となるので、冷却水と外気との熱交換効率を向上させる事が出来るとともに、冷却フィンを削減する事が可能となるので、水−冷媒熱交換器を安価でかつ簡易に構成する事が可能となる。
【００４０】
【発明の実施の形態】
（第一参考例）
本発明の第一参考例にかかるランキンサイクルシステム（車両用排熱回収装置）３００を、図を用いて説明する。図１は本発明の車両用排熱回収装置１００を搭載した車両４００の内部の構成の概略を示した構成図である。
【００４１】
車両４００には、エンジン系ユニット１００と、空調装置２００と、車両用排熱回収装置の一種であるランキンサイクルシステム３００とが搭載されている。
【００４２】
次にエンジン系ユニット１００について説明する。
【００４３】
エンジン系ユニット１００は、エンジン本体１０と、エンジン本体１０の駆動力を後述するコンプレッサ１１０に伝達する伝達経路の一つであるエンジン本体１０側プーリ１１と、エンジン本体１０を冷却する冷却水回路内を流通する冷却水を圧送する冷却水ポンプ２０とからなる。
【００４４】
エンジン本体１０は、周知の車両用の内燃機関である。すなわち内部で発生させた熱エネルギーを継続的に機械的エネルギーに変換し、変換する事よって得た機械的エネルギーで他のものを駆動する事を目的とする装置である。
【００４５】
エンジン本体１０側プーリ１１は、エンジン本体１０が熱エネルギーを継続的に変換する事によって得た機械的エネルギー（この場合の機械的エネルギーは回転動力）をコンプレッサ１１０に伝達する、上述した伝達経路の一つである。
【００４６】
エンジン本体１０の駆動力は、エンジン本体１０側プーリ１１のあと、ベルト１１１→コンプレッサ１１０側プーリ１１２→電磁クラッチ１１３を介してコンプレッサ１１０へと伝達している。
【００４７】
このエンジン本体１０は、請求項で示す所の発熱体に相当する。
【００４８】
次に、空調装置２００について説明する。空調装置２００は、後述するランキンサイクルシステム３００に備わる冷媒回路とは別体の冷媒回路を流通する冷媒を圧縮するコンプレッサ１１０と、コンプレッサ１１０で圧縮した冷媒を凝縮液化させるコンデンサ１２０と、コンデンサ１２０で液化した冷媒を気液分離するレシーバ１３０と、レシーバ１３０で気液分離された冷媒のうちの液冷媒を、図示しない小孔からエバポレータ１５１内に噴射し、液化冷媒を減圧、膨張させるエキスパッションバルブ１４０と、エキスパッションバルブ１４０から噴射された液化冷媒を蒸発させる事により外部を通過する空気（外気）から熱を奪うエバポレータ１５１、ならびにエバポレータ１５１を通過した冷却空気（外気）を加熱、除湿するヒータコア１５２とからなる。
【００４９】
エバポレータ１５１にて気化し低温、低圧となった冷媒は、再びコンプレッサ１１０に吸入され、圧力を掛けられ高圧、高温の冷媒となる。
【００５０】
上述したエバポレータ１５１と、ヒータコア１５２は、あわせてクーラーユニット１５０として一体に構成されている。
【００５１】
上述したコンプレッサ１１０→コンデンサ１２０→レシーバ１３０→エキスパッションバルブ１４０→エバポレータ１５１→（再び）コンプレッサ１１０から構成される冷媒回路は冷凍サイクルと称され、コンプレッサ１１０は、冷媒を圧送する圧送装置としての機能もある。
【００５２】
次に、コンプレッサ１１０が冷媒を高圧、高温にするとともに、冷媒を圧送する為に必要な駆動力の伝達経路について説明する。
【００５３】
コンプレッサ１１０が、冷媒を圧縮するための駆動力は、後述するエンジン本体１０→エンジン本体１０側プーリ１１→ベルト１１１→コンプレッサ１１０側プーリ１１２→電磁クラッチ１１３を介して伝達される。
【００５４】
上述した電磁クラッチ１１３は、図示しないエアコンＥＣＵと電気的に接続しており、ユーザーがエアコンをＯＮすると、コンプレッサ１１０側プーリ１１２と、コンプレッサ１１０とが連動的に回転出来るように、電磁的に両者（すなわちコンプレッサ１１０とコンプレッサ１１０側プーリ１１２）を接続する制御可能な電磁石型ユニットである。
【００５５】
上述した通り、通常のコンプレッサ１１０は、エンジン本体１０から駆動力を伝達されて冷媒を圧縮、圧送しているので、この事はエンジン本体１０側から見ると、コンプレッサ１１０に伝達する駆動力は一定の負荷となっている。
【００５６】
ランキンサイクルシステム３００は、クーリングユニット２４０と、膨張器２５０と、凝縮器２６０と、受液器２７０と、冷媒用ポンプ２８０とからなる。
【００５７】
クーリングユニット２４０は、水−冷媒熱交換器２１０と、外気導入口２３０とからなる。
【００５８】
水−冷媒熱交換器２１０は、後述するエンジン系ユニット１００が備える冷却水回路から流入する高温の冷却水と、後述するランキンサイクルシステム３００が備える冷媒回路を流通する冷媒とを熱交換する周知の熱交換器である。
【００５９】
この水−冷媒熱交換器２１０は、高温の冷却水に含まれる熱量によって、冷媒を気化（蒸気化）する働きをするので、蒸発器とも称するが、本実施形態では水−冷媒熱交換器と称して説明する。
【００６０】
この水−冷媒熱交換器２１０の断面を示した説明図を図２に示す。
【００６１】
図２に示す水−冷媒熱交換器２１０は、冷媒が流通する冷媒配管２１１と、この冷媒配管２１１を両側から挟み込むように密着して構成され、内部を高温の冷却水が流通する扁平型の冷却水配管２１２と、冷却水配管２１２の冷媒配管２１１とは略対になる位置に、冷却水配管２１２に流通する冷却水と外気との熱交換を促進する為に設けられる冷却フィン２１３とからなる。
【００６２】
次に外気導入口２３０の構成を図３を用いて説明する。図３は、外気導入口２３０と上述した水−冷媒熱交換器２１０とからなるクーリングユニット２４０の全体的な断面を示す説明図である。
【００６３】
図３に示す外気導入口２３０は、車両４００の進行方向に向かって実質的に対面する位置に形成される外気取り入れ口２３１と、この外気取り入れ口２３１から異物が侵入する事を未然に防ぐ為のフィルタ２３２とからなる。
【００６４】
外気導入口２３０から導入された外気は、水−冷媒熱交換器２１０に矢印の向きにて吹き抜ける事により、冷却水配管２１２を流通している冷却水は、冷媒配管２１１を流通している冷媒だけでなく、冷却フィン２１３を介して外気にも熱量を放出（すなわち熱交換）する事が可能になる。
【００６５】
水−冷媒熱交換器２１０にて、冷却水から熱量を伝達され、高温、高圧の蒸気と化した冷媒は、次に膨張器２５０に流通する。
【００６６】
膨張器２５０は、タービン２５１と動力伝達器２５２とからなる動力回収器である。水−冷媒熱交換器２１０にて高温、高圧の蒸気と化した冷媒の圧力で、タービン２５１が回転運動を開始する。回転運動によって生じる回転駆動力は、タービン２５１の軸と、上述したコンプレッサ１１０と直列的に接続する動力伝達器２５２によってコンプレッサ１１０へ伝達される。
【００６７】
上述した通り、コンプレッサ１１０の駆動力は、後述するエンジン本体１０から伝達されるものであるが、タービン２５１からも回転駆動力を伝達されるので、エンジン本体１０のコンプレッサ１１０へ伝達する駆動力は軽減する事になる。
【００６８】
ランキンサイクルシステム３００は、上述したような作動で、冷却水に含まれるエンジン本体１０からの排熱から動力を回収している。
【００６９】
上述した構成のランキンサイクルシステム３００によって、冷媒と冷却水とが熱交換する水−冷媒熱交換器２１０に、外気を導入しラジエータ的な空冷効果をも発揮するように構成する事で、この水−冷媒熱交換器２１０を備えるランキンサイクルシステム３００を搭載した車両のエンジン系ユニット３００から、ラジエータに相当する部品を削減し、安価に、かつエンジン系ユニット３００の冷却水回路の構造を簡易に構成する事が可能になる。
【００７０】
（第二参考例）
上述した第一参考例で説明した構成では、クーリングユニット２４０を構成する水−冷媒熱交換器２１０は、外気導入口２３０から導入される外気に常に晒される事になるので、必然的に冷却水は常時、冷媒と外気との２つの物質と同時に熱交換をする事になる。
【００７１】
これは、エンジン系ユニット１００の冷却水回路からラジエータを削減する事には繋がるが、本来のランキンサイクルシステム（排熱回収装置）としては、排熱の回収効率が低下する原因となるおそれがある。
【００７２】
何故なら、水−冷媒熱交換器２１０の冷媒配管２１１内を流通する冷媒は、出来るだけ高温、高圧状態の蒸気とならなければ、膨張器２５０のタービン２５１を高効率に回転駆動させられないからである。
【００７３】
図１〜図３に示した水−冷媒熱交換器２１０の構成では、いくらエンジン本体１０から高温状態の冷却水が水−冷媒熱交換器２１０に流入しても、冷媒と直接的に熱交換する冷却水の熱量は、外気導入口から導入された外気と熱交換し終わった、言わば、ある程度冷めた冷却水と冷媒とが熱交換する事になる。
【００７４】
そこで、上述した問題点を解決可能な構成を図４に示す。
【００７５】
図４は、図１に示した構成に、上述した問題点を解決可能な構成を、追加した構成となっている。以下にその追加点について説明する。
【００７６】
まず、第一に、エンジン本体１０を有する冷却回路の冷却水の水温を検知する為に、水−冷媒熱交換器２１０の冷却水入口直前の配管に水温検知センサ２９１を設ける。
【００７７】
次に、外気を水−冷媒熱交換器２１０へ導入する導入手段である外気導入口２３１に、電動式のフィルムドア２３３を設ける。
【００７８】
そして、水温検知センサ２９１が検知した水温と、所定の水温とを比較演算し、その比較演算した結果に基づいて、フィルムドア２３３の開閉を制御するＥＣＵ２９０を設ける。
【００７９】
外気導入口２３１にフィルムドア２３３を設けた際のクーリングユニット２４０の断面を示す断面の構成を示す説明図を図５に示す。
【００８０】
上述した構成によって、まず、フィルムドア２３３を閉じ、外気を導入しないようにし、その上で水−冷媒熱交換器２１０に流入する高温の冷却水を冷媒とだけ熱交換するようにする。
【００８１】
こうする事で、冷却水は冷媒にだけ熱量を放出するので、引き続き冷却水回路にラジエータを設ける必要がなくなるとともに、冷却水が含む熱量を冷媒にのみ放出するので、冷媒の気化効率が高くなり、ランキンサイクルシステム１００の動力回収率を高める事が可能になる。
【００８２】
そして、水温検知センサ２９１にて検知した冷却水の水温が、水−冷媒熱交換器２１０が持つ予定熱量放出率（水−冷媒熱交換器２１０が持つ、固有の熱量回収効率の予定値の事）を上回り、冷却水が水−冷媒熱交換器２１０内を流出しても、所望する水温にまで冷却出来ないほどの水温であったならば、ＥＣＵ２９０は、フィルムドア２３３を開扉し、外気を水−冷媒熱交換器２１０へ導入し、水−冷媒熱交換器２１０を流通する冷却水が、導入した外気とも熱交換するようにすれば良い。
【００８３】
上述したＥＣＵ２９０の、水温検知センサ２９１が検知した水温に基づいてフィルムドア２３３の開閉を制御する作動を示すフローチャートを図６に示す。
【００８４】
図６に示すフローチャートのステップＳ１にて、ＥＣＵ２９０は、初期化処理の一環として、フィルムドア２３３を閉成する。
【００８５】
続くステップＳ２にて、水温検知センサ２９１が検知した水−冷媒熱交換器２１０に流入する直前の冷却水の水温（検知水温Ｔ１）を取得する。
【００８６】
続くステップＳ３にて、検知水温Ｔ１と、所定の水温Ｔ２とを比較する。この所定の水温Ｔ２とは、上述した水−冷媒熱交換器２１０が持つ予定熱量放出率に基づいて演算されるもので、水−冷媒熱交換器２１０が冷却出来る予定の水温と、エンジン本体１０に再度流入する際に望ましい冷却水の水温との和の値である。
【００８７】
例えば、水−冷媒熱交換器２１０が最大で、冷却水を約２０℃冷却出来る冷却能力（熱放出能力）を持っており、かつ、水−冷媒熱交換器２１０を流出した冷却水が、エンジン本体１０に再度流入する際に望ましい水温が約５℃であったとすると、ステップＳ３で検知水温Ｔ１と比較演算される所定の水温Ｔ２とは、約２５℃となる。
【００８８】
続くステップＳ４にて、検知水温Ｔ１が、所定の水温Ｔ２を上回っているか否かを判定し、もし上回っているならば、ステップＳ５に進み、ＥＣＵ２９０はフィルムドア２３３を開扉し、水−冷媒熱交換器２１０に外気を導入する。ステップＳ４にてフィルムドア２３３を開扉した後は、ステップＳ２に再び戻る。
【００８９】
しかし、ステップＳ４で、検知水温Ｔ１は所定の水温Ｔ２を下回っていると判定したならば、再びステップＳ２に戻る。
【００９０】
上述した構成と作動とにより、水−冷媒熱交換器２１０に外気を導入し、冷却水を冷媒と外気と同時に熱交換する構成にする事により、ランキンサイクルシステム１００における排熱の回収効率（すなわち動力の回収効率）の低下を防ぐ事が可能となる。
【００９１】
（第三参考例）
上述した第二参考例では、外気導入口２３１をフィルムドア２３３にて開閉する構成を示したが、このフィルムドア２３３がスリッドタイプのドアであっても良い。
【００９２】
何故なら、スリッドタイプのドアは、フィルムドア２３３よりも開閉する際の外気の風圧を受けにくく、また作動距離も短いと言う特徴がある。
【００９３】
一般的に電動式のドアの開閉とは、小さな動力で簡易な開閉構造によって行われる事が望ましい。
【００９４】
しかし、フィルムドア２３３は、図示しないがドアフィルムと巻き取り器とからなり、この巻き取り器が回転する事でドアフィルムを巻き取り、外気導入口２３１を開放する。
【００９５】
そして、巻き取り器によって巻き取られているドアフィルムは、巻き取り器とは対の位置に設けられた弾性体によって所定のテンションが常に係っており、巻き取り器がドアフィルムを開放すると、そのテンションに引っ張られて、ドアフィルムが外気導入口２３１を閉成する、と言う開閉作動をなすものである。
【００９６】
この構造は複雑で、ドアフィルムが開閉作動している最中には、外気の風圧によって、故障など影響を受けやすい事が知られている。また、巻き取り器が要する動力も大きなものである。
【００９７】
そこで外気導入口２３１の開閉を、フィルムドア２３３ではなく、構造が簡易で要する動力も、フィルムドア２３３に比して小さいスリッドタイプのドアに置き換える事によって、外気の風圧によって、故障などの影響を受けにくくするとともに、開閉作動に要する動力、作動距離も小さなものに出来る。
【００９８】
図７に、導入手段をスリッドドア２３４に変更したクーリングユニット２４０の断面の構成を示す説明図を示す。
【００９９】
（第四参考例）
上述した第三参考例では、外気導入口２３１をスリッドドア２３４にて開閉する構成を示したが、外気導入口２３１を開閉するドアは、スリッドドア２３４と同程度に外気の風圧の影響を受けにくい、バタフライタイプのドアであっても良い。
【０１００】
周知の通り、バタフライタイプのドアは、開閉作動が個々のバタフライドアの中心軸の自転によって、バタフライドアに掛かる風圧と略直交する形で行われるものである。従って、多少強度の高い風圧が掛かっても、ドアとしての開閉に故障を初めとする影響が発生しにくい。
【０１０１】
図８に、導入手段をバタフライドア２３５に変更したクーリングユニット２４０の断面の構成を示した説明図を示す。
【０１０２】
（第五参考例）
上述した第二、第三、第四参考例では、外気導入口２３１をフィルムドア２３３、スリッドドア２３４、またはバタフライドア２３５にて開閉する構成を示したが、どのドアも水温検知センサ２９１と、この水温検知センサ２９１が検知した検知水温Ｔ１と、所定の水温Ｔ２とを比較演算し、その演算結果によって開閉制御を行うＥＣＵ２９０が必要となる電動式のドアである。
【０１０３】
この水温検知センサ２９１と、ＥＣＵ２９０とを設けるとコスト的に高くなる可能性がある。
【０１０４】
その為、水温検知センサ２９１とＥＣＵ２９０とを設けなくても、冷却水の水温に応じて、外気の導入を制御する事が可能なドア（導入手段）が望まれる。
【０１０５】
以下に、その望まれる導入手段（すなわち、水温検知センサ２９１と、ＥＣＵ２９０とを設けなくても良い導入手段）の一例について図９を用いて説明する。
【０１０６】
冷却水に直接的に接触するように、冷却水配管２１２に配設される熱伝達部２３６ａと、この熱伝達部２３６ａが冷却水から伝達された熱量が、上述した所定の水温Ｔ２以上であれば、所定の形状に変形する性質を持った金属などで構成されるヒンジ部２３６ｂと、このヒンジ部２３６ｂに係合して、外気導入口２３１を開閉するドア部２３６ｃとからなる形状変形型ドア２３６を設ける。
【０１０７】
この形状変形型ドア２３６のヒンジ部２３６ｂが、伝達部２３６ａから伝達された冷却水の水温（熱量）が、上述した所定の水温Ｔ２（すなわち、水−冷媒熱交換器２１０の冷却能力を上回る水温）以上であった場合、ドア部２３６ａを開扉するように伸張、または収縮などの変形運動を行うので、水−冷媒熱交換器２１０に、所定の水温Ｔ２以上の冷却水が流入した場合、自動的に外気を導入する事が可能になる。
【０１０８】
上述した構成により、外気を水−冷媒熱交換器２１０に導入する導入手段から、水温検知センサ２９１と、ＥＣＵ２９０とを削減する事ができるので、コストを安価にする事が可能になる。
【０１０９】
（第六参考例）
上述した第一から第五までの参考例では、各図に示しているように、冷却水配管２１２の断面は扁平型の形状をなしている。
【０１１０】
しかし、図１０に示すように、冷却水配管２１２を断面が凸状になるように形成する事で、外気との熱交換性（放熱性）が更に高められるとともに、冷却フィン２１３を削減する事が可能になる。
【０１１１】
（第七参考例）
上述した第一から第六までの参考例では、クーリングユニット２４０に流入する冷却水は、水−冷媒熱交換器２１０で、冷媒または冷媒と併せて外気とともに冷却するのみであった。
【０１１２】
しかし、エンジン本体１０の駆動状態によっては、冷媒、または冷媒と外気と冷却（すなわち熱交換）するだけでは、望ましい水温にまで低下しない程、高温の冷却水が流入する場合も考えられる。
【０１１３】
そのような場合は、上述した水−冷媒熱交換器２１０の冷却水における下流側に、新たに水−外気熱交換器２２０（すなわちラジエータ）を接続する事で対応しても良い。
【０１１４】
図１１に、水−冷媒熱交換器２１０の冷却水における下流側に、新たに水−外気熱交換器２２０（ラジエータ）を設けた場合のランキンサイクルシステム３００の構成図を示す（図１１には、ランキンサイクルシステム１００の他に、エンジン系ユニット１００と、空調装置２００とを併記する）。
【０１１５】
上述した構成を取る事で、水−冷媒熱交換器２１０による冷媒と外気との並列的な熱交換だけでも望ましい水温にまで冷却する事が難しい冷却水が流入した場合にも対応する事が可能になる。
【０１１６】
（第一実施形態）
上述した第七参考例にて示すクーリングユニット２４０の構成では、水−冷媒熱交換器２１０を流出した冷却水は、自動的に水−外気熱交換器２２０に流入する事になる。
【０１１７】
これでは、水−冷媒熱交換器２１０にて、十分望ましい水温にまで冷却している冷却水であっても、更に水−外気熱交換器２２０（ラジエータ）にて冷却される事になり、冷却水の温度が低くなる可能性がある。
【０１１８】
その為、上述した水温検知センサ２９１にて、水−冷媒熱交換器２１０で、十分望ましい水温にまで冷却する事が可能な水温の冷却水（すなわち、超高温ではなく、高温か中低温の冷却水）が水−冷媒熱交換器２１０に流入して来た事を検知した場合と、水−冷媒熱交換器２１０による冷却（すなわち、冷媒、外気の同時的熱交換）であっても、望ましい水温にまで冷却する事が難しい水温（すなわち超高温の冷却水）が流入して来た事を検知した場合とで、水−冷媒熱交換器２１０を流出した後の冷却水の冷却水流路を、最適な冷却水流路に適宜変更出来るようにする事が望ましい。
【０１１９】
ここで言う「水−冷媒熱交換器２１０を流出した後の冷却水の水温に応じた、最適な冷却水流路」とは、２系統ある。
【０１２０】
２系統のうちのまず１つは、水−冷媒熱交換器２１０に流入する冷却水が、水−冷媒熱交換器２１０のみで、十分に冷却出来うる水温の冷却水であれば、水−冷媒熱交換器２１０を流出した後は、エンジン系ユニット１００の冷却回路に直接的に戻すと言う第一の冷却水流路である。
【０１２１】
この第一の冷却水流路により、不要な冷却を防ぐことができるので、冷却水温度を高く維持することができる。これにより、動力回収効率が高くなるという特徴がある。
【０１２２】
２系統のうちのいま１つは、水−冷媒熱交換器２１０に流入する冷却水が、水−冷媒熱交換器２１０だけでは、十分冷却出来ない水温の冷却水であれば、更に冷却が必要な為に、水−冷媒熱交換器２１０を流出した後は、水−外気熱交換器２２０（ラジエータ）に流入させ、その後にエンジン系ユニット１００の冷却回路に戻すと言う第二の冷却水流路である。
【０１２３】
この第二の冷却水流路により、エンジン本体１０からの排熱量が多い場合でもエンジン本体１０に対し、安定的な冷却性能を備えると言う特徴がある。
【０１２４】
上述した第一の冷却水流路と、第二の冷却水流路とを選択的に切り替える事が可能なクーリングユニット２４０の構成を図１２に示す（図１２には、クーリングユニット２４０を備えるランキンサイクルシステム３００だけでなく、エンジン系ユニット１００、空調装置２００も併記する）。
【０１２５】
図１２に示すクーリングユニット２４０は、エンジン系ユニット１００が備える冷却回路から冷却水が流入する水−冷媒熱交換器２１０と、水−冷媒熱交換器２１０と直列的に接続し、水−冷媒熱交換器２１０から流出した冷却水を、冷却回路に戻すバイパス路２４２か、水−外気熱交換器２２０か、どちらか一方へ選択的に流通させる弁２４１と、弁２４１と接続する水−外気熱交換器２２０、そして弁２４１と冷却回路とをバイパスするように接続するバイパス路２４２と、水−冷媒熱交換器２１０に外気を導入する導入手段２３０とからなる。
【０１２６】
上述した弁２４１は、電磁式の２方弁であり、ＥＣＵ２９０と電気的に接続しており、その切り替え作動はＥＣＵ２９０が、水温検知センサ２９１が検知する水温に基づいて行う。
【０１２７】
このＥＣＵ２９０の、弁２４１の切り替え作動を示すフローチャートを図１３に示す。
【０１２８】
図１３に示すフローチャートのステップＳ１１にて、導入手段２３０（上述した各実施形態に示すどのタイプのドアでも可）を閉成する。
【０１２９】
次にステップＳ１２として、弁２４１をバイパス路２４２に接続する。
【０１３０】
上述したステップＳ１１、ステップＳ１２が初期設定処理である。
【０１３１】
続くステップＳ１３にて、ＥＣＵ２９０は、水温検知センサ２９１が検知した冷却水の水温Ｔ１を取得する。
【０１３２】
ステップＳ１４にて、検知水温Ｔ１と、所定の水温Ｔ２ならびに所定の水温Ｔ３とを各々比較演算する。
【０１３３】
ステップＳ１５にて、もし、ステップＳ１４の比較演算の結果が、検知水温Ｔ１が所定の水温Ｔ２を上回っているならば、ステップＳ１６に進み、ステップＳ１１にて閉成した導入手段２３０を開扉する（水−冷媒熱交換器２１０に外気を導入し、冷却水を冷媒ならびに外気と同時的に熱交換するように促す）。下回っていればステップＳ１３に戻る。
【０１３４】
ステップＳ１６にて、導入手段２３０を開扉した後は、ステップ１７に進み検知水温Ｔ１が所定の水温Ｔ３を上回っていれば、ステップＳ１８に進み、弁２４１を水−外気熱交換器２２０（ラジエータ）に接続する。しかし、下回っていればステップＳ１３に戻る。
【０１３５】
ステップＳ１８に示す処理が終了すると、ステップＳ１３に戻り、上述したステップＳ１３からステップＳ１８までの処理内容を繰り返す。
【０１３６】
上述した構成と作動とにより、水−冷媒熱交換器２１０の下流の冷却水流路を、水−冷媒熱交換器２１０に流入した冷却水の水温に基づいて、最適な冷却水流路に適宜、変更する事が出来、クーリングユニット２４０の冷却効率を高める、またはその冷却性能を安定化する事が可能になる。
【０１３７】
（第二実施形態）
上述した実施形態では、冷却水が含む高い熱量を、冷媒と熱交換する事で、冷却水を冷却化する場合のみを開示した。
【０１３８】
しかし、例えば低温時またはエンジン１０の駆動初期時などは、エンジン本体１０を望ましい温度にまで上昇させる暖気を行う事がある。
【０１３９】
この暖気を促進する為に、空調装置２００が備える冷凍サイクルを流通する冷媒を用いても良い。
【０１４０】
以下に、図１４として、空調装置２００の冷凍サイクルを流通する冷媒にて、冷却水に熱量を渡し、エンジン本体１０の暖気を促進する事が出来る構成の概略を示す。
【０１４１】
空調装置２００のコンプレッサ１１０の直下流に２方弁１６０を設けるとともに、ランキンサイクルシステム３００の水−冷媒熱交換器２１０と、膨張器２５０との間の冷媒配管上に２方弁２９２を設け、この２つの２方弁、２方弁１６０と、２方弁２９２とを接続する。
【０１４２】
また、水−冷媒熱交換器２１０と、冷媒ポンプ２８０との間に、２方弁２９３を設け、前述の２方弁１６０と、コンデンサ１２０との間の冷媒配管上に合流点Ａを設け、２方弁２９３と合流点Ａとを接続する。
【０１４３】
上述した構成において、以下の作動を行う事により、低温時のエンジン本体１０の暖気を空調装置２００の冷媒にて促進する事が可能になる。
【０１４４】
まず、コンプレッサ１１０から流通してきた高温、高圧の冷媒を、２方弁１６０にてコンデンサ１２０ではなく、２方弁２９２側へ流通するように制御するとともに、同時に２方弁２９２を、膨張器２５０ではなく、水−冷媒熱交換器２１０側へ冷媒が流通するように制御する。
【０１４５】
同時に、水−冷媒熱交換器２１０から、２方弁２９３へ流通してきた冷媒を、冷媒ポンプ２８０側ではなく合流点Ａへ流通するように２方弁２９３を制御する。
【０１４６】
このようにして制御された３つの２方弁、１６０、２９２、２９３にて形成される冷媒流路にて、低温時のエンジン本体１０の断機を空調装置２００の冷媒にて促進する事が可能になる。
【０１４７】
その際の冷媒の流路を時系列的に説明する。
【０１４８】
まず、コンプレッサ１１０から高温、高圧の冷媒が２方弁１６０へ流通する。２方弁１６０にて、２方弁２９２へ流通するように切り替えられている。
【０１４９】
２方弁２９２へ到達した冷媒は、そのまま通常の冷媒流路方向とは逆方向に流通し、水−冷媒熱交換器２１０にて、低温時のエンジン本体１０から流通してきた冷却水と熱交換する。この場合の熱交換は、高温、高圧の冷媒の熱量が、低温の冷却水に伝達され、冷却水が暖められると言う事である。
【０１５０】
水−冷媒熱交換器２１０にて、冷却水を暖めた冷媒は、２方弁２９３に到達する。２方弁２９３に到達した冷媒は、２方弁１６０と、コンデンサ１２０との間に設けられた合流点Ａにて、冷凍サイクルに合流する。
【０１５１】
また、水−冷媒熱交換器２１０にて、高温、高圧の冷媒から熱量を伝達され、暖められた冷却水は、再度エンジン本体１０を循環する事で、エンジン本体１０自体を暖めるので、エンジン本体１０の暖気は促進される。
【０１５２】
以上が、低温時のエンジン本体１０を、空調装置２００の冷凍サイクルを流通する冷媒にて、暖気を促進する作動である。
【０１５３】
（第三実施形態）
また、上述した第二実施形態で示した水−冷媒熱交換器２１０での熱交換は、冷却水を暖めるとともに、冷媒を冷却する作用もある。
【０１５４】
水−冷媒熱交換器２１０を流出した冷媒は、つまるところ、２方弁２９３と、合流点Ａを介し、コンデンサ１２０にて凝縮されるものなので、水−冷媒熱交換器２１０にて、ある程度冷却し、液化しておいた方が、後工程のコンデンサ１２０の凝縮効率を高める事になる。
【０１５５】
その為、水−冷媒熱交換器２１０の構成を、単に冷媒の熱量を冷却水に伝達させるに止めるのではなく、積極的に冷媒を冷却する構成にした方が望ましい。
【０１５６】
その、積極的に水−冷媒熱交換器２１０にて冷媒を積極的に冷却する事が可能な水−冷媒熱交換器２１０の構成の例を図１５に示す。
【０１５７】
図１５に示す水−冷媒熱交換器２１０は、冷媒が流通する冷媒配管２１１と、この冷媒配管２１１と熱交換するように密着して構成され、冷却水が流通する冷却水配管２１２と、冷媒２１１を流通する冷媒が、導入手段２３０から導入された冷却風と直接的に熱交換する事が可能なように設けられた冷却フィン２１３とからなる。
【０１５８】
水−冷媒熱交換器２１０の内部の各配管の構成を、上述した構成にする事で、冷媒配管２１１は、密着構成される冷却水配管２１２を流通する冷却水だけでなく、冷却フィン２１３を介して、冷却風とも熱交換するので、より冷却化される。
【０１５９】
上述した構成の水−冷媒熱交換器２１０を、第二実施形態で示した構成と併用する事で、コンデンサ１２０の凝縮効率を高め、ひいては空調装置２００の冷房能力を向上させる事が可能になる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第一参考例にかかるランキンサイクルシステム３００の構成の概略を示す構成図である。
【図２】第一参考例のランキンサイクルシステム３００を構成する水−冷媒熱交換器２１０の構成の概略を示す説明図である。
【図３】第一参考例のランキンサイクルシステム３００を構成するクーリングユニット２４０の全体的な断面を示す説明図である。
【図４】第二参考例のランキンサイクルシステム３００の構成の概略を示す構成図である。
【図５】第二参考例のランキンサイクルシステム３００を構成するクーリングユニット２４０の全体的な断面を示す説明図である。
【図６】第二参考例のランキンサイクルシステム３００において、水温検知センサ２９１が検知した水温に基づいてフィルムドア２３３の開閉を制御する作動を示すフローチャートである。
【図７】第三参考例のランキンサイクルシステム３００の導入手段をスリッドタイプのドアにて構成したクーリングユニット２４０の断面を示す説明図である。
【図８】第四参考例のランキンサイクルシステム３００の導入手段をバタフライタイプのドアにて構成したクーリングユニット２４０の断面を示す説明図である。
【図９】第五参考例のランキンサイクルシステム３００の導入手段を形状変形タイプのドアにて構成したクーリングユニット２４０の断面を示す説明図である。
【図１０】第六参考例のランキンサイクルシステム３００の冷却水配管２１２の断面を凸状に形成したクーリングユニット２４０の断面を示す説明図である。
【図１１】第七参考例のランキンサイクルシステム３００の水−冷媒熱交換器２１０の下流側に、水−外気熱交換器２２０を接続した構成を示す構成図である。
【図１２】第一実施形態のランキンサイクルシステム３００において、第一の冷却水流路と、第二の冷却水流路とを選択的に切り替える事が可能なクーリングユニット２４０の構成を示した構成図である。
【図１３】第一実施形態のランキンサイクルシステム３００における弁２４１の切り替え作動を示すフローチャートである。
【図１４】第二実施形態のランキンサイクルシステム３００において、空調装置２００の冷凍サイクルを流通する冷媒にて、冷却水に熱量を渡し、エンジン本体１０の暖気を促進する事が出来る構成の概略を示した構成図である。
【図１５】第三実施形態のランキンサイクルシステム３００において、冷媒配管２１１に冷却フィン２１３を設けた構成を示す構成図である。[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to a vehicle exhaust heat recovery device that recovers power from exhaust heat of an internal combustion engine of a vehicle.
[0002]
[Prior art]
Conventionally, as a vehicle exhaust heat recovery device that recovers power from exhaust heat of an internal combustion engine mounted on a vehicle, there is a Rankine cycle system or a Stirling engine.
[0003]
The Rankine cycle system is heated until the refrigerant evaporates with the heat of the exhaust gas exhausted from the engine, and is converted into a vapor state, and the turbine that outputs rotational driving force by blowing the refrigerant that has become vapor, A gear device that transmits the rotational driving force output from the turbine to the output shaft of the engine, a condenser that cools and liquefies the refrigerant in the vapor state that has output the rotational driving force to the turbine, and pumps the refrigerant through the circulation described above. And a pump as a pressure feeding means.
[0004]
With the above-described configuration, the shaft output of the engine increases, so that power is recovered from the exhaust heat contained in the exhaust gas.
[0005]
Further, as another configuration of the Rankine cycle system described above, there is a type in which the coolant is heated and evaporated by cooling water that has become high temperature by cooling the engine body.
[0006]
Furthermore, the Rankine cycle system having the above-described configuration has an original refrigerant circuit (evaporator → expander (power recovery device) → capacitor → pump → (again) evaporator). Rankine cycle of the type that the refrigerant is divided from the refrigeration cycle that distributes the refrigerant of the air conditioner installed in the vehicle, the power is recovered using the divided refrigerant, and the refrigerant returns to the refrigeration cycle of the original air conditioner again. A system has been proposed.
[0007]
[Patent Document 1]
Japanese Patent No. 2540738
[0008]
[Problems to be solved by the invention]
However, not only the Rankine cycle system described above, but also general vehicle exhaust heat recovery devices include an evaporator that heats the refrigerant to a vapor state. In this evaporator, when the medium containing exhaust heat is, for example, cooling water, the cooling water is cooled by exchanging heat between the cooling water and the refrigerant.
[0009]
As is well known, the engine circulates cooling water to cool its body. Usually, the cooling water cools the exhaust heat received from the engine body by exchanging heat with the outside air using a radiator.
[0010]
The cooling water which exchanges heat with the outside air by the radiator and releases the exhaust heat to the outside air circulates again toward the engine body, and repeats the circulation of receiving the exhaust heat from the engine body again.
[0011]
In other words, in the case of a vehicle exhaust heat recovery device that recovers power from exhaust heat contained in cooling water, it normally serves as a radiator provided in the vehicle (that is, the cooling water releases the exhaust heat received from the engine body). The role of cooling the cooling water) is performed not by the outside air but by the refrigerant.
[0012]
The present invention has been made paying attention to the above points. That is, an evaporator (water-refrigerant heat exchanger) that exchanges heat between the refrigerant and the cooling water is configured to introduce outside air to have a radiator-like air cooling effect, thereby providing the evaporator (water-refrigerant heat). The purpose is to reduce the radiator from the cooling water circuit of the engine system unit of the vehicle equipped with the Rankine cycle system equipped with the exchanger, and to construct the structure of the cooling water circuit at a low cost.
[0013]
[Means for Solving the Problems]
  The vehicle exhaust heat recovery device according to claim 1 recovers power from exhaust heat contained in the cooling water using a refrigerant and cooling water flowing through a cooling water circuit of a heating element mounted on the vehicle. In order to do so, it is a vehicle exhaust heat recovery device comprising heat exchange means for exchanging heat between the cooling water and the refrigerant,
  The heat exchange means includes a water-refrigerant heat exchanger for exchanging heat between the cooling water flowing from the cooling water circuit and the refrigerant.
  Introducing means for introducing the outside air to the water-refrigerant heat exchanger so that the cooling water flowing through the water-refrigerant heat exchanger exchanges heat with the outside air;,
  A water-outside air heat exchanger that is provided on the downstream side of the cooling water of the water-refrigerant heat exchanger and exchanges heat between the cooling water and outside air;
The cooling water flowing out of the water-refrigerant heat exchanger is provided with a valve for switching so as to selectively flow into either the cooling water circuit or the water-outside air heat exchanger,
The introducing means includes a blowing port for introducing the outside air into the water-refrigerant heat exchanger;
A door that opens and closes the air inlet,
Water temperature detection means for detecting the temperature of the cooling water immediately before flowing into the water-refrigerant heat exchanger from the cooling water circuit;
Control means for controlling the opening and closing of the door and switching of the valve based on the water temperature, connected to the water temperature detection means,
The control means closes the door in advance and switches the valve so that the cooling water flowing out from the water-refrigerant heat exchanger flows into the cooling water circuit,
If the water temperature detected by the water temperature detection means is higher than a predetermined first water temperature, the door is opened to introduce the outside air into the water-refrigerant heat exchanger,
Further, when the water temperature detected by the water temperature detecting means exceeds a predetermined second water temperature set on a higher side than the predetermined first water temperature, the cooling water flowing out from the water-refrigerant heat exchanger is Switching the valve to flow into the water-outside heat exchanger.Features.
[0014]
  According to the present invention, outside air is introduced into a water-refrigerant heat exchanger that exchanges heat between the refrigerant and the cooling water so that the cooling water flowing through the water-refrigerant exchanger can exchange heat not only with the refrigerant but also with the outside air. By configuring, it is possible to reduce or reduce the size of the radiator from the vehicle, and it is possible to configure the vehicle at low cost and easily configure the structure of the engine coolant circuit.
It is preferable that the refrigerant flowing through the water-refrigerant heat exchanger (evaporator) provided in the well-known vehicle exhaust heat recovery device exchanges heat with the coolant as high as possible. This is because the expander inlet pressure can be increased by exchanging heat with high-temperature cooling water, and the power recovery efficiency can be increased.
Therefore, when the outside air is introduced into the water-refrigerant heat exchanger (evaporator) by the constant introduction means, the high-temperature cooling water exchanges heat not only with the refrigerant but also with the outside air. Then, the cooling water that has been cooled by the heat exchange with the outside air and the refrigerant (heated to a low temperature) and the refrigerant will exchange heat, and the vaporization efficiency (evaporation) of the refrigerant will decrease, and the power recovery rate will also decrease.
According to the present invention, only when cooling water having a water temperature exceeding the cooling capacity of the water-refrigerant heat exchanger (evaporator) flows into the water-refrigerant heat exchanger, the outside air is supplied to the water-refrigerant heat exchanger (evaporator). Since the door can be controlled to open as it is introduced, the cooling efficiency of the refrigerant (evaporation) is maintained until cooling water with a water temperature exceeding the cooling capacity of the water-refrigerant heat exchanger (evaporator) flows. And efficient recovery of power is possible.
[0016]
Cooling water flowing through the water-refrigerant heat exchanger introduced with outside air by the introducing means can release exhaust heat to both the refrigerant and the outside air, but the cooling water is still cooled to the desired water temperature. If not, the water-outside heat exchanger (radiator) provided downstream of the cooling water of the water-refrigerant heat exchanger can further cool the water temperature, so the water-refrigerant heat exchanger It becomes possible to compensate for the heat radiation from the cooling water, which was not enough just by introducing outside air into the (evaporator).
[0018]
The temperature of the cooling water, including the exhaust heat from the engine body, varies greatly in time series depending on the operating state of the engine. Therefore, depending on the water temperature at a certain point in time, the cooling performance of the water-refrigerant heat exchanger may be sufficient and the water temperature may be cooled to a desirable water temperature. In some cases, there is no need for further cooling by a water-outside air heat exchanger provided in the heat exchanger.
[0019]
For the above reasons, when the cooling water temperature including the exhaust heat of the engine body can be sufficiently cooled to the desired water temperature by the cooling performance of the water-refrigerant heat exchanger according to the present invention, the cooling water is water. -Since the flow path is switched by a valve so that it can return to the cooling water circuit immediately without circulating through the outside air heat exchanger, it is not necessary to waste the waste heat in the water-outside air heat exchanger and cool the engine. Since the temperature of water is not lowered, power recovery efficiency can be increased.
[0020]
  Claim 2The vehicle exhaust heat recovery device described in 1 is characterized in that the valve is provided between the water-refrigerant heat exchanger and the water-outside air heat exchanger.
[0021]
By this invention, it becomes possible to make compact the structure of the flow path of a water-refrigerant heat exchanger and a water-outside air heat exchanger.
[0022]
  Claim 3The vehicle exhaust heat recovery device described in 1 is characterized in that the refrigerant flowing into the water-refrigerant heat exchanger is diverted from a refrigeration cycle provided in an air conditioner mounted on the vehicle.
[0023]
According to the present invention, there is no need to provide a dedicated refrigerant circuit (refrigeration cycle), and the configuration of the vehicle exhaust heat recovery device can be made simple and inexpensive.
[0028]
  Claim 4The vehicle exhaust heat recovery device described in 1 is characterized in that the door is constituted by a sliding door.
[0029]
According to the present invention, the direction of the wind pressure of the outside air to be introduced and the operating direction of the slide door are substantially vertical, and it is possible to reduce the influence of the wind pressure, and the sliding door has a short moving distance, so the mechanism for opening and closing the door Can be simplified.
[0030]
  Claim 5The vehicle exhaust heat recovery device described in 1 is characterized in that the door is constituted by a butterfly door.
[0031]
By this invention, it becomes possible to make it difficult to be influenced by the wind pressure of the outside air introduced when the door is opened, and it is possible to simplify the mechanism for opening and closing the door.
[0034]
  Claim 6The vehicle exhaust heat recovery device according to claim 1, wherein the water-refrigerant heat exchanger includes a coolant pipe through which the refrigerant flows and a cooling water pipe through which the cooling water formed in close contact with the outside of the refrigerant pipe flows. And cooling fins formed outside the cooling water pipe, wherein the cooling water pipe is formed on both sides of the refrigerant pipe.
[0035]
According to the present invention, it is possible to improve heat exchange between cooling water and outside air in a water-refrigerant heat exchanger (evaporator), that is, cooling efficiency of air cooling (refrigeration efficiency of refrigerant).
[0036]
  Claim 7The vehicle exhaust heat recovery device according to claim 1, wherein the water-refrigerant heat exchanger is configured such that the coolant flows through the refrigerant pipe and the cooling water formed in close contact with the outside of the refrigerant pipe. It consists of water piping and the said cooling fin formed in the outer side of the said cooling water piping, The said cooling water piping is formed in the one side of the said refrigerant | coolant piping, It is characterized by the above-mentioned.
[0038]
  Claim 8The vehicle exhaust heat recovery device according to claim 1, wherein the water-refrigerant heat exchanger is configured such that the coolant flows through the refrigerant pipe and the cooling water formed in close contact with the outside of the refrigerant pipe. Consisting of water piping,Cooling waterThe piping isRefrigerantIt is characterized by being formed in a convex shape with respect to the piping.
[0039]
According to the present invention, since the outside air introduced into the water-refrigerant heat exchanger is blown through the ventilation path longer than the normal ventilation path by the cooling water pipe formed in a convex shape, the cooling water and the outside air The heat exchange efficiency can be improved and the number of cooling fins can be reduced, so that the water-refrigerant heat exchanger can be configured inexpensively and easily.
[0040]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
  (firstReference example)
  Of the present inventionFirst reference exampleA Rankine cycle system (vehicle exhaust heat recovery device) 300 according to the present invention will be described with reference to the drawings. FIG. 1 is a configuration diagram showing an outline of an internal configuration of a vehicle 400 equipped with a vehicle exhaust heat recovery device 100 of the present invention.
[0041]
The vehicle 400 is mounted with an engine system unit 100, an air conditioner 200, and a Rankine cycle system 300 that is a kind of vehicle exhaust heat recovery device.
[0042]
Next, the engine system unit 100 will be described.
[0043]
The engine system unit 100 includes an engine body 10, an engine body 10 side pulley 11 that is one of transmission paths for transmitting driving force of the engine body 10 to a compressor 110 described later, and a cooling water circuit that cools the engine body 10. And a cooling water pump 20 for pumping the cooling water flowing through.
[0044]
The engine body 10 is a known internal combustion engine for a vehicle. That is, it is a device intended to continuously convert the heat energy generated inside into mechanical energy, and to drive others with the mechanical energy obtained by the conversion.
[0045]
The pulley 10 on the engine body 10 side transmits the mechanical energy (the mechanical energy in this case is rotational power) obtained by the engine body 10 continuously converting the heat energy to the compressor 110. One.
[0046]
The driving force of the engine body 10 is transmitted to the compressor 110 via the belt 111 → the compressor 110 side pulley 112 → the electromagnetic clutch 113 after the engine body 10 side pulley 11.
[0047]
The engine main body 10 corresponds to a heating element shown in the claims.
[0048]
  Next, the air conditioner 200 will be described. The air conditioner 200 includes a compressor 110 that compresses a refrigerant that circulates through a refrigerant circuit separate from the refrigerant circuit included in the Rankine cycle system 300 described later, a capacitor 120 that condenses and liquefies the refrigerant compressed by the compressor 110, and a capacitor 120. Gas-liquid separation of liquefied refrigerantReceiver130 and the refrigerant refrigerant separated from the gas and liquid by the receiver 130 are injected into the evaporator 151 through a small hole (not shown), and the liquefied refrigerant is decompressed and expanded, and the expansion valve 140 is injected. The evaporator 151 takes heat from the air (outside air) that passes outside by evaporating the liquefied refrigerant, and the heater core 152 that heats and dehumidifies the cooling air (outside air) that has passed through the evaporator 151.
[0049]
The refrigerant that has been vaporized by the evaporator 151 and has become low-temperature and low-pressure is again sucked into the compressor 110 and is pressurized to become high-pressure and high-temperature refrigerant.
[0050]
The evaporator 151 and the heater core 152 described above are integrally configured as a cooler unit 150.
[0051]
The refrigerant circuit composed of the above-described compressor 110 → condenser 120 → receiver 130 → expansion valve 140 → evaporator 151 → (again) the compressor 110 is called a refrigeration cycle, and the compressor 110 functions as a pressure feeding device that pumps the refrigerant. There is also.
[0052]
Next, the transmission path of the driving force necessary for the compressor 110 to make the refrigerant high pressure and high temperature and to pump the refrigerant will be described.
[0053]
The driving force for the compressor 110 to compress the refrigerant is transmitted via the engine main body 10 → the engine main body 10 side pulley 11 → the belt 111 → the compressor 110 side pulley 112 → the electromagnetic clutch 113 which will be described later.
[0054]
The electromagnetic clutch 113 described above is electrically connected to an air conditioner ECU (not shown). When the user turns on the air conditioner, both of the electromagnetic clutch 113 and the compressor 110 can be rotated electromagnetically so that the compressor 110 side pulley 112 and the compressor 110 can rotate together. This is a controllable electromagnet unit that connects the compressor 110 and the compressor 110 pulley 112.
[0055]
As described above, the normal compressor 110 receives the driving force from the engine body 10 and compresses and pumps the refrigerant. Therefore, when viewed from the engine body 10 side, the driving force transmitted to the compressor 110 is constant. It is a load.
[0056]
The Rankine cycle system 300 includes a cooling unit 240, an expander 250, a condenser 260, a liquid receiver 270, and a refrigerant pump 280.
[0057]
The cooling unit 240 includes a water-refrigerant heat exchanger 210 and an outside air inlet 230.
[0058]
The water-refrigerant heat exchanger 210 is a well-known heat exchanger that exchanges heat between high-temperature cooling water flowing from a cooling water circuit included in an engine system unit 100 described later and refrigerant flowing through a refrigerant circuit included in a Rankine cycle system 300 described later. It is a heat exchanger.
[0059]
This water-refrigerant heat exchanger 210 functions to vaporize (vaporize) the refrigerant by the amount of heat contained in the high-temperature cooling water, and is also referred to as an evaporator. In this embodiment, the water-refrigerant heat exchanger 210 Will be described.
[0060]
An explanatory view showing a cross section of the water-refrigerant heat exchanger 210 is shown in FIG.
[0061]
A water-refrigerant heat exchanger 210 shown in FIG. 2 is configured to be in close contact with a refrigerant pipe 211 through which refrigerant flows and sandwiches the refrigerant pipe 211 from both sides, and a flat type through which high-temperature cooling water flows. From the cooling water pipe 212 and the cooling fin 213 provided to promote heat exchange between the cooling water flowing through the cooling water pipe 212 and the outside air at a position where the cooling water pipe 212 and the refrigerant pipe 211 of the cooling water pipe 212 are approximately paired. Become.
[0062]
Next, the configuration of the outside air inlet 230 will be described with reference to FIG. FIG. 3 is an explanatory diagram showing an overall cross section of the cooling unit 240 including the outside air inlet 230 and the water-refrigerant heat exchanger 210 described above.
[0063]
The outside air introduction port 230 shown in FIG. 3 prevents the entry of foreign matter from the outside air intake port 231 formed at a position substantially facing the traveling direction of the vehicle 400 and the outside air intake port 231 in advance. Filter 232.
[0064]
The outside air introduced from the outside air inlet 230 is blown through the water-refrigerant heat exchanger 210 in the direction of the arrow, so that the cooling water flowing through the cooling water pipe 212 is the refrigerant flowing through the refrigerant pipe 211. In addition, it is possible to release heat (that is, heat exchange) to the outside air through the cooling fins 213.
[0065]
In the water-refrigerant heat exchanger 210, the refrigerant that has received heat from the cooling water and has become high-temperature, high-pressure steam flows next to the expander 250.
[0066]
The expander 250 is a power recovery device that includes a turbine 251 and a power transmission device 252. The turbine 251 starts to rotate at the pressure of the refrigerant converted into high-temperature and high-pressure steam in the water-refrigerant heat exchanger 210. The rotational driving force generated by the rotational motion is transmitted to the compressor 110 by the shaft of the turbine 251 and the power transmitter 252 connected in series with the compressor 110 described above.
[0067]
As described above, the driving force of the compressor 110 is transmitted from the engine body 10 to be described later. However, since the rotational driving force is also transmitted from the turbine 251, the driving force transmitted to the compressor 110 of the engine body 10 is Will be reduced.
[0068]
Rankine cycle system 300 recovers power from exhaust heat from engine body 10 contained in the cooling water by the operation as described above.
[0069]
With the Rankine cycle system 300 having the above-described configuration, the water-refrigerant heat exchanger 210 that exchanges heat between the refrigerant and the cooling water is configured so as to introduce outside air and exhibit a radiator-like air cooling effect. -From the engine system unit 300 of a vehicle equipped with the Rankine cycle system 300 including the refrigerant heat exchanger 210, parts equivalent to a radiator are reduced, and the structure of the cooling water circuit of the engine system unit 300 is simply configured at low cost. It becomes possible to do.
[0070]
  (secondReference example)
  First mentioned aboveReference exampleIn the configuration described above, the water-refrigerant heat exchanger 210 constituting the cooling unit 240 is always exposed to the outside air introduced from the outside air inlet 230, so that the cooling water is inevitably always supplied with the refrigerant and the outside air. And heat exchange at the same time.
[0071]
This leads to the reduction of the radiator from the cooling water circuit of the engine system unit 100, but as the original Rankine cycle system (exhaust heat recovery device), there is a possibility that the exhaust heat recovery efficiency is reduced. .
[0072]
This is because if the refrigerant flowing through the refrigerant pipe 211 of the water-refrigerant heat exchanger 210 is not as high-temperature and high-pressure steam as possible, the turbine 251 of the expander 250 cannot be rotationally driven with high efficiency. It is.
[0073]
In the configuration of the water-refrigerant heat exchanger 210 shown in FIGS. 1 to 3, no matter how much high-temperature cooling water flows from the engine body 10 into the water-refrigerant heat exchanger 210, heat exchange directly with the refrigerant is performed. The amount of heat of the cooling water to be exchanged after the heat exchange with the outside air introduced from the outside air introduction port, that is, the cooling water cooled to some extent and the refrigerant exchange heat.
[0074]
FIG. 4 shows a configuration that can solve the above-described problems.
[0075]
FIG. 4 is a configuration in which a configuration capable of solving the above-described problems is added to the configuration shown in FIG. The additional points will be described below.
[0076]
First, in order to detect the temperature of the cooling water in the cooling circuit having the engine body 10, the water temperature detection sensor 291 is provided in the pipe immediately before the cooling water inlet of the water-refrigerant heat exchanger 210.
[0077]
Next, an electric film door 233 is provided at the outside air inlet 231 that is an introduction means for introducing outside air into the water-refrigerant heat exchanger 210.
[0078]
Then, an ECU 290 that compares and calculates the water temperature detected by the water temperature detection sensor 291 and a predetermined water temperature and controls the opening and closing of the film door 233 based on the result of the comparison calculation is provided.
[0079]
FIG. 5 is an explanatory diagram showing a cross-sectional configuration showing a cross section of the cooling unit 240 when the film door 233 is provided in the outside air inlet 231. FIG.
[0080]
With the above-described configuration, first, the film door 233 is closed so that the outside air is not introduced, and then the high-temperature cooling water flowing into the water-refrigerant heat exchanger 210 is heat-exchanged only with the refrigerant.
[0081]
In this way, since the cooling water releases heat only to the refrigerant, it is not necessary to continuously provide a radiator in the cooling water circuit, and the heat contained in the cooling water is released only to the refrigerant, so that the efficiency of vaporization of the refrigerant is increased. The power recovery rate of the Rankine cycle system 100 can be increased.
[0082]
The water temperature of the cooling water detected by the water temperature detection sensor 291 is the planned heat release rate of the water-refrigerant heat exchanger 210 (the specific value of the specific heat recovery efficiency of the water-refrigerant heat exchanger 210. The ECU 290 opens the film door 233 to open the outside air if the water temperature is so high that the cooling water flows out of the water-refrigerant heat exchanger 210 and cannot be cooled to the desired water temperature. May be introduced into the water-refrigerant heat exchanger 210 so that the cooling water flowing through the water-refrigerant heat exchanger 210 exchanges heat with the introduced outside air.
[0083]
FIG. 6 is a flowchart showing the operation of the ECU 290 for controlling the opening / closing of the film door 233 based on the water temperature detected by the water temperature detection sensor 291.
[0084]
In step S1 of the flowchart shown in FIG. 6, the ECU 290 closes the film door 233 as part of the initialization process.
[0085]
In subsequent step S2, the coolant temperature (detected coolant temperature T1) immediately before flowing into the water-refrigerant heat exchanger 210 detected by the coolant temperature detection sensor 291 is acquired.
[0086]
In subsequent step S3, the detected water temperature T1 is compared with a predetermined water temperature T2. The predetermined water temperature T2 is calculated based on the planned heat release rate of the water-refrigerant heat exchanger 210 described above. The water temperature at which the water-refrigerant heat exchanger 210 can be cooled, the engine body 10 This is the sum of the desired cooling water temperature when re-entering the water.
[0087]
For example, the water-refrigerant heat exchanger 210 has the maximum cooling capacity (heat release capacity) that can cool the cooling water at about 20 ° C., and the cooling water that has flowed out of the water-refrigerant heat exchanger 210 is the engine. Assuming that the desired water temperature when flowing into the main body 10 again is about 5 ° C., the predetermined water temperature T2 that is compared with the detected water temperature T1 in step S3 is about 25 ° C.
[0088]
In subsequent step S4, it is determined whether or not the detected water temperature T1 is higher than a predetermined water temperature T2, and if so, the process proceeds to step S5, where the ECU 290 opens the film door 233, and the water-refrigerant is opened. Outside air is introduced into the heat exchanger 210. After opening the film door 233 in step S4, the process returns to step S2.
[0089]
However, if it is determined in step S4 that the detected water temperature T1 is lower than the predetermined water temperature T2, the process returns to step S2.
[0090]
With the configuration and operation described above, the outside air is introduced into the water-refrigerant heat exchanger 210 and the cooling water is exchanged with the refrigerant at the same time as the outside air. It is possible to prevent a reduction in power recovery efficiency.
[0091]
  (ThirdReference example)
  Second mentioned aboveReference exampleThen, although the structure which opens and closes the external air inlet 231 with the film door 233 was shown, this film door 233 may be a sliding type door.
[0092]
This is because the sliding type door is less susceptible to the wind pressure of the outside air when opening and closing than the film door 233 and has a feature that the working distance is short.
[0093]
In general, the opening and closing of the electric door is preferably performed by a simple opening and closing structure with small power.
[0094]
However, the film door 233 includes a door film and a winder (not shown), and the winder rotates to wind the door film and open the outside air introduction port 231.
[0095]
And the door film wound up by the winder is always in a predetermined tension by the elastic body provided at a position opposite to the winder, and when the winder opens the door film, The door film is opened and closed by being pulled by the tension, and the outside air inlet 231 is closed.
[0096]
This structure is complex, and it is known that the door film is susceptible to failure and the like due to the wind pressure of the outside air while the door film is opening and closing. Also, the power required by the winder is large.
[0097]
Therefore, the opening and closing of the outside air inlet 231 is not a film door 233, but the power that is simple in structure is replaced with a sliding type door that is smaller than the film door 233, so that the influence of a failure or the like is affected by the wind pressure of the outside air. In addition to making it difficult to receive, the power and working distance required for opening and closing operations can be reduced.
[0098]
FIG. 7 is an explanatory diagram showing a cross-sectional configuration of the cooling unit 240 in which the introduction means is changed to the slide door 234.
[0099]
  (FourthReference example)
    Third mentioned aboveReference exampleIn the above description, the configuration in which the outside air introduction port 231 is opened and closed by the slide door 234 is shown. May be.
[0100]
As is well known, in the butterfly type door, the opening / closing operation is performed in a form substantially orthogonal to the wind pressure applied to the butterfly door by the rotation of the center axis of each butterfly door. Therefore, even if a slightly high wind pressure is applied, the opening and closing of the door is unlikely to be affected by failure.
[0101]
FIG. 8 is an explanatory diagram showing a cross-sectional configuration of the cooling unit 240 in which the introduction means is changed to the butterfly door 235.
[0102]
  (FifthReference example)
  Second, third and fourth mentioned aboveReference exampleThen, although the structure which opens and closes the external air inlet 231 with the film door 233, the slide door 234, or the butterfly door 235 was shown, all the doors are the water temperature detection sensor 291 and the detection water temperature T1 which this water temperature detection sensor 291 detected, This is an electric door that requires an ECU 290 that compares and calculates a predetermined water temperature T2 and performs opening and closing control based on the calculation result.
[0103]
Providing the water temperature detection sensor 291 and the ECU 290 may increase the cost.
[0104]
Therefore, a door (introduction means) that can control the introduction of outside air according to the coolant temperature without using the water temperature detection sensor 291 and the ECU 290 is desired.
[0105]
Hereinafter, an example of the desired introduction means (that is, the introduction means that does not require the water temperature detection sensor 291 and the ECU 290) will be described with reference to FIG.
[0106]
The heat transfer portion 236a disposed in the cooling water pipe 212 so as to directly contact the cooling water, and the amount of heat transferred from the cooling water by the heat transfer portion 236a is equal to or higher than the predetermined water temperature T2 described above. For example, a shape deformable door comprising a hinge portion 236b made of metal having a property of deforming into a predetermined shape and a door portion 236c that engages with the hinge portion 236b and opens and closes the outside air inlet 231. 236 is provided.
[0107]
The hinge portion 236b of the shape deformable door 236 is such that the coolant temperature (heat quantity) transmitted from the transmission portion 236a exceeds the predetermined water temperature T2 (that is, the cooling capacity of the water-refrigerant heat exchanger 210). ) If it is above, since deformation such as expansion or contraction is performed to open the door portion 236a, when cooling water having a predetermined water temperature T2 or more flows into the water-refrigerant heat exchanger 210, It becomes possible to introduce outside air automatically.
[0108]
With the configuration described above, the water temperature detection sensor 291 and the ECU 290 can be reduced from the introduction means for introducing the outside air into the water-refrigerant heat exchanger 210, so that the cost can be reduced.
[0109]
  (SixthReference example)
  From the first to the fifth mentioned aboveReference exampleThen, as shown in each figure, the cross section of the cooling water pipe 212 has a flat shape.
[0110]
However, as shown in FIG. 10, by forming the cooling water pipe 212 so that the cross section is convex, heat exchange with the outside air (heat dissipation) is further improved, and cooling fins 213 are reduced. Is possible.
[0111]
  (SeventhReference example)
  From the first to the sixth mentioned aboveReference exampleThen, the cooling water flowing into the cooling unit 240 is only cooled together with the outside air in the water-refrigerant heat exchanger 210 together with the refrigerant or the refrigerant.
[0112]
However, depending on the driving state of the engine body 10, there may be a case where cooling water flows so high that the refrigerant or the refrigerant and the outside air are cooled (that is, heat exchange) so that the cooling water does not decrease to a desirable water temperature.
[0113]
Such a case may be dealt with by newly connecting the water-outside air heat exchanger 220 (that is, the radiator) to the downstream side of the cooling water of the water-refrigerant heat exchanger 210 described above.
[0114]
FIG. 11 shows a configuration diagram of the Rankine cycle system 300 when a water-outside air heat exchanger 220 (radiator) is newly provided on the downstream side of the cooling water of the water-refrigerant heat exchanger 210 (FIG. 11). In addition to the Rankine cycle system 100, the engine system unit 100 and the air conditioner 200 are also shown).
[0115]
By adopting the above-described configuration, it is possible to cope with the case where cooling water flows that is difficult to cool to a desirable water temperature only by parallel heat exchange between the refrigerant and the outside air by the water-refrigerant heat exchanger 210. become.
[0116]
  (No.oneEmbodiment)
  The seventh mentioned aboveReference exampleIn the configuration of the cooling unit 240 shown in FIG. 4, the cooling water that has flowed out of the water-refrigerant heat exchanger 210 automatically flows into the water-outside air heat exchanger 220.
[0117]
In this case, even the cooling water cooled to a sufficiently desirable water temperature by the water-refrigerant heat exchanger 210 is further cooled by the water-outside air heat exchanger 220 (radiator). Water temperature can be lowered.
[0118]
For this reason, the water temperature detection sensor 291 described above allows the water-refrigerant heat exchanger 210 to cool the water temperature to a sufficiently desirable water temperature (that is, not a super high temperature but a high or medium low temperature cooling). Even when it is detected that water has entered the water-refrigerant heat exchanger 210 and cooling by the water-refrigerant heat exchanger 210 (that is, simultaneous heat exchange between the refrigerant and the outside air) is desirable. The cooling water flow path after cooling water after flowing out of the water-refrigerant heat exchanger 210 is detected when it is detected that a water temperature that is difficult to cool to the water temperature (that is, ultra-high temperature cooling water) has flowed in. It is desirable that the optimum cooling water flow path can be appropriately changed.
[0119]
Here, “optimal cooling water flow paths according to the temperature of the cooling water after flowing out of the water-refrigerant heat exchanger 210” are two systems.
[0120]
The first of the two systems is that if the cooling water flowing into the water-refrigerant heat exchanger 210 is only water-refrigerant heat exchanger 210 and has a water temperature that can be sufficiently cooled, the water-refrigerant After flowing out of the heat exchanger 210, it is a first cooling water flow path that returns directly to the cooling circuit of the engine system unit 100.
[0121]
Since the first cooling water channel can prevent unnecessary cooling, the cooling water temperature can be kept high. Thereby, there exists the characteristic that power recovery efficiency becomes high.
[0122]
The other of the two systems requires further cooling if the cooling water flowing into the water-refrigerant heat exchanger 210 is cooling water having a water temperature that cannot be sufficiently cooled by the water-refrigerant heat exchanger 210 alone. Therefore, after flowing out the water-refrigerant heat exchanger 210, the second cooling water flow path is said to flow into the water-outside air heat exchanger 220 (radiator) and then return to the cooling circuit of the engine system unit 100. It is.
[0123]
The second cooling water flow path has a feature that the engine body 10 has a stable cooling performance even when the amount of heat exhausted from the engine body 10 is large.
[0124]
FIG. 12 shows a configuration of a cooling unit 240 capable of selectively switching between the first cooling water flow path and the second cooling water flow path described above (FIG. 12 shows a Rankine cycle system including the cooling unit 240. In addition to 300, the engine system unit 100 and the air conditioner 200 are also shown).
[0125]
A cooling unit 240 shown in FIG. 12 is connected in series with a water-refrigerant heat exchanger 210 into which cooling water flows from a cooling circuit included in the engine system unit 100 and a water-refrigerant heat exchanger 210, and water-refrigerant heat. A valve 241 for selectively circulating the cooling water flowing out from the exchanger 210 to either the bypass 242 returning to the cooling circuit or the water-outside air heat exchanger 220, and the water-outside air heat connected to the valve 241 It consists of the exchanger 220, a bypass 242 that connects the valve 241 and the cooling circuit so as to bypass, and an introduction means 230 that introduces outside air into the water-refrigerant heat exchanger 210.
[0126]
The above-described valve 241 is an electromagnetic two-way valve, and is electrically connected to the ECU 290. The switching operation is performed by the ECU 290 based on the water temperature detected by the water temperature detection sensor 291.
[0127]
A flowchart showing the switching operation of the valve 241 of the ECU 290 is shown in FIG.
[0128]
In step S11 of the flowchart shown in FIG. 13, the introducing means 230 (any type of door shown in each of the embodiments described above) is closed.
[0129]
Next, as step S12, the valve 241 is connected to the bypass 242.
[0130]
Steps S11 and S12 described above are initial setting processes.
[0131]
In subsequent step S13, ECU 290 obtains coolant temperature T1 detected by coolant temperature sensor 291.
[0132]
In step S14, the detected water temperature T1, the predetermined water temperature T2, and the predetermined water temperature T3 are respectively compared and calculated.
[0133]
  In step S15, if the result of the comparison operation in step S14 indicates that the detected water temperature T1 exceeds the predetermined water temperature T2,Proceeding to step S16, the introduction means 230 closed in step S11 is opened (outside air is introduced into the water-refrigerant heat exchanger 210, and the cooling water is urged to exchange heat simultaneously with the refrigerant and the outside air). . If so, the process returns to step S13.
[0134]
  In step S16,After opening the introduction means 230,If the detected water temperature T1 exceeds the predetermined water temperature T3 in step 17,Proceeding to step S18, the valve 241 is connected to the water-outside heat exchanger 220 (radiator). However, if it is lower, the process returns to step S13.
[0135]
  When the process shown in step S18 ends, the process returns to step S13 and the above-described step S1.3To S18 are repeated.
[0136]
  With the above-described configuration and operation, the cooling water flow path downstream of the water-refrigerant heat exchanger 210 is connected to the water-refrigerant heat exchanger 210.InflowBased on the water temperature of the cooling water, the optimal cooling water flow path can be appropriately changed, and the cooling efficiency of the cooling unit 240 can be increased or the cooling performance thereof can be stabilized.
[0137]
  (No.twoEmbodiment)
  In the above-described embodiment, only the case where the cooling water is cooled by exchanging heat with the refrigerant for the high amount of heat contained in the cooling water has been disclosed.
[0138]
However, for example, at a low temperature or at the initial driving of the engine 10, warming up to raise the engine body 10 to a desired temperature may be performed.
[0139]
In order to promote this warm air, a refrigerant circulating in the refrigeration cycle provided in the air conditioner 200 may be used.
[0140]
FIG. 14 shows an outline of a configuration in which the amount of heat can be transferred to the cooling water and the warming of the engine body 10 can be promoted by the refrigerant flowing through the refrigeration cycle of the air conditioner 200.
[0141]
  A two-way valve 160 is provided immediately downstream of the compressor 110 of the air conditioner 200, and the two-way valve 29 is provided on the refrigerant pipe between the water-refrigerant heat exchanger 210 and the expander 250 of the Rankine cycle system 300.2The two two-way valve, the two-way valve 160, and the two-way valve 292And connect.
[0142]
Further, a two-way valve 293 is provided between the water-refrigerant heat exchanger 210 and the refrigerant pump 280, and a confluence point A is provided on the refrigerant pipe between the two-way valve 160 and the condenser 120, The two-way valve 293 and the junction A are connected.
[0143]
In the above-described configuration, by performing the following operation, warming of the engine body 10 at a low temperature can be promoted by the refrigerant of the air conditioner 200.
[0144]
  First, the high-temperature and high-pressure refrigerant circulated from the compressor 110 is not the condenser 120 but the two-way valve 29 in the two-way valve 160.2At the same time, the two-way valve 292 is controlled so that the refrigerant flows not to the expander 250 but to the water-refrigerant heat exchanger 210 side.
[0145]
At the same time, the two-way valve 293 is controlled so that the refrigerant flowing from the water-refrigerant heat exchanger 210 to the two-way valve 293 flows to the junction A instead of the refrigerant pump 280 side.
[0146]
In the refrigerant flow path formed by the three two-way valves 160, 292, and 293 controlled in this way, the disconnection of the engine body 10 at a low temperature can be promoted by the refrigerant of the air conditioner 200. It becomes possible.
[0147]
The flow path of the refrigerant at that time will be described in time series.
[0148]
First, high-temperature and high-pressure refrigerant flows from the compressor 110 to the two-way valve 160. The two-way valve 160 is switched to flow to the two-way valve 292.
[0149]
The refrigerant that has reached the two-way valve 292 flows in the direction opposite to the normal refrigerant flow direction as it is, and in the water-refrigerant heat exchanger 210, heat exchange with the cooling water circulated from the engine body 10 at a low temperature. To do. The heat exchange in this case is that the amount of heat of the high-temperature and high-pressure refrigerant is transmitted to the low-temperature cooling water, and the cooling water is warmed.
[0150]
In the water-refrigerant heat exchanger 210, the refrigerant that has warmed the cooling water reaches the two-way valve 293. The refrigerant that has reached the two-way valve 293 joins the refrigeration cycle at a joining point A provided between the two-way valve 160 and the condenser 120.
[0151]
Further, in the water-refrigerant heat exchanger 210, the amount of heat transmitted from the high-temperature and high-pressure refrigerant and the heated cooling water circulates through the engine body 10 again to warm the engine body 10 itself. Ten warmths are promoted.
[0152]
The above is the operation for promoting warm-up of the engine body 10 at the low temperature with the refrigerant flowing through the refrigeration cycle of the air conditioner 200.
[0153]
  (No.threeEmbodiment)
  In addition, the above mentionedtwoThe heat exchange in the water-refrigerant heat exchanger 210 shown in the embodiment warms the cooling water and also cools the refrigerant.
[0154]
The refrigerant that has flowed out of the water-refrigerant heat exchanger 210 is, after all, condensed in the condenser 120 via the two-way valve 293 and the junction A, and thus cooled to some extent in the water-refrigerant heat exchanger 210. If the liquid is liquefied, the condensation efficiency of the capacitor 120 in the subsequent process is increased.
[0155]
For this reason, it is desirable that the configuration of the water-refrigerant heat exchanger 210 is configured not to simply transfer the amount of heat of the refrigerant to the cooling water but to actively cool the refrigerant.
[0156]
An example of the configuration of the water-refrigerant heat exchanger 210 that can actively cool the refrigerant in the water-refrigerant heat exchanger 210 is shown in FIG.
[0157]
A water-refrigerant heat exchanger 210 shown in FIG. 15 is configured to be in close contact with the refrigerant pipe 211 through which the refrigerant flows, to exchange heat with the refrigerant pipe 211, and to pass through the cooling water pipe 212 through which the cooling water flows. The refrigerant flowing through 211 includes cooling fins 213 provided so as to be able to directly exchange heat with the cooling air introduced from the introduction means 230.
[0158]
By configuring each pipe in the water-refrigerant heat exchanger 210 as described above, the refrigerant pipe 211 has not only the cooling water flowing through the closely configured cooling water pipe 212 but also the cooling fins 213. In this way, heat is also exchanged with the cooling air.
[0159]
  The water-refrigerant heat exchanger 210 configured as described abovetwoBy using together with the configuration shown in the embodiment, it is possible to increase the condensation efficiency of the condenser 120 and thus improve the cooling capacity of the air conditioner 200.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 of the present inventionReference exampleIt is a block diagram which shows the outline of a structure of Rankine cycle system 300 concerning.
[Figure 2] FirstReference exampleIt is explanatory drawing which shows the outline of a structure of the water-refrigerant heat exchanger 210 which comprises the Rankine cycle system 300 of this.
[Figure 3] FirstReference exampleIt is explanatory drawing which shows the whole cross section of the cooling unit 240 which comprises the Rankine cycle system 300 of.
[Figure 4] SecondReference exampleIt is a block diagram which shows the outline of a structure of the Rankine cycle system 300 of.
[Figure 5] SecondReference exampleIt is explanatory drawing which shows the whole cross section of the cooling unit 240 which comprises the Rankine cycle system 300 of.
[Figure 6] SecondReference example5 is a flowchart showing an operation of controlling opening / closing of the film door 233 based on the water temperature detected by the water temperature detection sensor 291 in the Rankine cycle system 300 of FIG.
[Figure 7] ThirdReference exampleIt is explanatory drawing which shows the cross section of the cooling unit 240 which comprised the introduction means of the Rankine cycle system 300 of the sliding type door.
[Figure 8] FourthReference exampleIt is explanatory drawing which shows the cross section of the cooling unit 240 which comprised the introduction means of the Rankine cycle system 300 of the butterfly type door.
[Figure 9] FifthReference exampleIt is explanatory drawing which shows the cross section of the cooling unit 240 which comprised the introduction means of the Rankine-cycle system 300 of the shape deformation type door.
FIG. 10Reference exampleIt is explanatory drawing which shows the cross section of the cooling unit 240 which formed the cross section of the cooling water piping 212 of the Rankine cycle system 300 of convex.
FIG. 11Reference exampleIt is a block diagram which shows the structure which connected the water-outside air heat exchanger 220 to the downstream of the water-refrigerant heat exchanger 210 of the Rankine cycle system 300 of FIG.
FIG. 12oneIt is the block diagram which showed the structure of the cooling unit 240 which can selectively switch a 1st cooling water flow path and a 2nd cooling water flow path in Rankine cycle system 300 of embodiment.
FIG. 13oneIt is a flowchart which shows the switching operation | movement of the valve 241 in the Rankine cycle system 300 of embodiment.
FIG. 14twoIn Rankine cycle system 300 of an embodiment, it is a block diagram showing an outline of a configuration that can transfer the amount of heat to cooling water and promote warm-up of engine body 10 with a refrigerant flowing through the refrigeration cycle of air conditioner 200. .
FIG. 15threeIt is a block diagram which shows the structure which provided the cooling fin 213 in the refrigerant | coolant piping 211 in Rankine cycle system 300 of embodiment.

Claims

Heat exchange is performed between the cooling water and the refrigerant in order to recover power from exhaust heat contained in the cooling water using a refrigerant and cooling water flowing through a cooling water circuit included in a heating element mounted on the vehicle. A vehicle exhaust heat recovery device comprising heat exchanging means for performing
The heat exchange means includes a water-refrigerant heat exchanger for exchanging heat between the cooling water flowing from the cooling water circuit and the refrigerant.
Introducing means for introducing the outside air to the water-refrigerant heat exchanger so that the cooling water flowing through the water-refrigerant heat exchanger exchanges heat with the outside air ;
A water-outside air heat exchanger that is provided on the downstream side of the cooling water of the water-refrigerant heat exchanger and exchanges heat between the cooling water and outside air;
The cooling water flowing out of the water-refrigerant heat exchanger is provided with a valve for switching so as to selectively flow into either the cooling water circuit or the water-outside air heat exchanger,
The introducing means includes a blowing port for introducing the outside air into the water-refrigerant heat exchanger;
A door that opens and closes the air inlet,
Water temperature detection means for detecting the temperature of the cooling water immediately before flowing into the water-refrigerant heat exchanger from the cooling water circuit;
Control means for controlling the opening and closing of the door and switching of the valve based on the water temperature, connected to the water temperature detection means,
The control means closes the door in advance and switches the valve so that the cooling water flowing out from the water-refrigerant heat exchanger flows into the cooling water circuit,
If the water temperature detected by the water temperature detection means is higher than a predetermined first water temperature, the door is opened to introduce the outside air into the water-refrigerant heat exchanger,
Further, when the water temperature detected by the water temperature detecting means exceeds a predetermined second water temperature set on a higher side than the predetermined first water temperature, the cooling water flowing out from the water-refrigerant heat exchanger is The exhaust heat recovery apparatus for vehicles , wherein the valve is switched so as to flow into the water-outside air heat exchanger .

2. The vehicle exhaust heat recovery device according to claim 1 , wherein the valve is provided between the water-refrigerant heat exchanger and the water-outside air heat exchanger.

The exhaust heat recovery apparatus for a vehicle according to claim 1 or 2 , wherein the refrigerant flowing into the water-refrigerant heat exchanger is diverted from a refrigeration cycle provided in an air conditioner mounted on the vehicle.

The exhaust heat recovery apparatus for a vehicle according to any one of claims 1 to 3 , wherein the door is constituted by a sliding door.

The exhaust heat recovery apparatus for a vehicle according to any one of claims 1 to 3 , wherein the door is configured by a butterfly door.

The water-refrigerant heat exchanger includes a refrigerant pipe through which the refrigerant flows,
A cooling water pipe through which the cooling water is formed in close contact with the outside of the refrigerant pipe;
It consists of cooling fins formed on the outside of the cooling water pipe,
The exhaust heat recovery apparatus for a vehicle according to any one of claims 1 to 5 , wherein the cooling water pipe is formed on both sides of the refrigerant pipe.

The water-refrigerant heat exchanger includes the refrigerant pipe through which the refrigerant flows,
The cooling water pipe through which the cooling water formed in close contact with the outside of the refrigerant pipe flows;
The cooling fins formed on the outside of the cooling water pipe,
The exhaust heat recovery apparatus for a vehicle according to any one of claims 1 to 5 , wherein the cooling water pipe is formed on one side of the refrigerant pipe.

The water-refrigerant heat exchanger includes the refrigerant pipe through which the refrigerant flows,
The cooling water pipe through which the cooling water formed in close contact with the outside of the refrigerant pipe flows,
The exhaust heat recovery apparatus for a vehicle according to claim 6 or 7 , wherein the cooling water pipe is formed in a convex shape with respect to the refrigerant pipe.