JP2006313056A - ヒートパイプおよびそれを用いた排熱回収装置 - Google Patents

Abstract

【課題】内部への作動媒体の封入量の規制を不要とすると共に、必要とされる熱輸送量の設定を容易に可能とするヒートパイプおよびそれを用いた排熱回収装置を提供する。
【解決手段】管状の密閉容器１１１の一端側に設定され、外部の高温部１１の熱によって内部の作動媒体を蒸発させる蒸発部１１０Ａと、密閉容器１１１の他端側に設定され、外部の低温部３０に放熱して蒸発された作動媒体を凝縮させる凝縮部（１１０Ｂ）とを有するヒートパイプにおいて、蒸発部１１０Ａは、凝縮部１１０Ｂの下側に配置され、蒸発部１１０Ａよりも上側に、作動媒体の流路断面積を縮小する絞り部１１２、１１２Ａを形成する。
【選択図】図２

Description

本発明は、例えば車両用内燃機関の排気ガスの排熱を回収して、内燃機関の冷却水加熱に適用して好適なヒートパイプおよびそれを用いた排熱回収装置に関するものである。

従来、ヒートパイプを用いた温度制御方法として、特許文献１に開示されたものが知られている。これはヒートパイプに封入する作動液量を予め規制することで、所定温度において作動液を完全に気化させ、作動液の沸騰、凝縮によるヒートパイプの熱輸送機能を停止させて、加熱部側（ヒートダム）の温度制御を可能としている。
特開２００１−１６５５８３号公報

しかしながら、上記の制御方法では作動液をヒートパイプ内に非常に精度良く封入する必要がある。また、所定温度で作動液を完全に気化させるには、ヒートパイプ内容積に対する作動液量が非常に微量となり、本来の熱輸送に必要とされる性能が充分に確保できない。

即ち、上記特許文献１中に示されるように１９０℃（飽和蒸気密度約６ｋｇ／ｍ^３、圧力約１．２ＭＰａ）で作動液を完全に気化させるには、例えば一般的なヒートパイプ（内径６ｍｍ×長さ１２０ｍｍ、内容積３．４ｃｍ^３）において、作動液量はわずか内容積の０．６％（０．０２ｇ）となる。よって、０．６％レベルの作動液の封入量管理は事実上極めて難しく、また、通常のヒートパイプにおける作動液量が数％〜１０数％レベルであることを考えると、基本的な熱輸送性能が確保できないと言える。

本発明の目的は、上記問題に鑑み、内部への作動媒体の封入量の規制を不要とすると共に、必要とされる熱輸送量の設定を容易に可能とするヒートパイプおよびそれを用いた排熱回収装置を提供することにある。

本発明は上記目的を達成するために、以下の技術的手段を採用する。

請求項１に記載の発明では、管状の密閉容器（１１１）の一端側に設定され、外部の高温部（１１）の熱によって内部の作動媒体を蒸発させる蒸発部（１１０Ａ）と、密閉容器（１１１）の他端側に設定され、外部の低温部（３０）に放熱して蒸発された作動媒体を凝縮させる凝縮部（１１０Ｂ）とを有するヒートパイプにおいて、蒸発部（１１０Ａ）は、凝縮部（１１０Ｂ）の下側に配置され、蒸発部（１１０Ａ）よりも上側に、作動媒体の流路断面積を縮小する絞り部（１１２、１１２Ａ、１１２Ｂ）が形成されたことを特徴としている。

これにより、密閉容器（１１１）内部への作動媒体の封入量の規制（管理）を不要として、絞り部（１１２、１１２Ａ、１１２Ｂ）によって流路断面積を予め決定することにより、凝縮作動媒体の飛散限界に基づく限界熱輸送量（最大熱輸送量）を容易に設定できる。

請求項２に記載の発明では、絞り部（１１２、１１２Ａ、１１２Ｂ）は、蒸発部（１１０Ａ）と凝縮部（１１０Ｂ）との間に形成されたことを特徴としている。

これにより、凝縮部（１１０Ｂ）の機能を確保したまま、上記絞り部（１１２、１１２Ａ、１１２Ｂ）による限界熱輸送量（最大熱輸送量）の設定が可能となる。

ところで、上記請求項１および請求項２に記載のヒートパイプ（１１０）においては、図１５（ａ）に示すように、高温部（１１）からの熱の増加に伴い作動媒体の蒸発が進むと、図１５（ｂ）に示すように、蒸発部（１１０Ａ）における作動媒体がすべて蒸発して、凝縮部（１１０Ｂ）に凝縮液が集まる状態、即ち、ドライアウトの状態となる。すると、蒸発部（１１０Ａ）および凝縮部（１１０Ｂ）の圧力差（Ｐ１−Ｐ２）と、凝縮液の自重（Ｇ）と、更には絞り部（１１２）に形成される凝縮液膜の表面張力（Ｔ）とのバランスによっては、凝縮液が蒸発部（１１０Ａ）側に落下しない（還流しない）場合が生ずる。よって、この状態のままでは、高温部（１１）からの熱が低下した後に、再びヒートパイプ（１１０）による熱輸送を行うことができなくなる。

そこで、この問題を解決するために、請求項３に記載の発明では、作動媒体の封入量は、密閉容器（１１１）内における絞り部（１１２、１１２Ａ、１１２Ｂ）の下端より上側となる空間の容積よりも大きくなるように設定されたことを特徴としている。

これにより、ドライアウトした時でも絞り部（１１２、１１２Ａ、１１２Ｂ）の下側に凝縮部（１１０Ｂ）からの凝縮液を確実に存在させることができるので、絞り部（１１２、１１２Ａ、１１２Ｂ）における凝縮液膜の形成を阻止（表面張力の発生を阻止）することができる。そして、高温部（１１）の温度が低下していけば、絞り部（１１２、１１２Ａ、１１２Ｂ）の下側に存在する凝縮液が呼び水となって、凝縮部（１１０Ｂ）の凝縮液を蒸発部（１１０Ａ）側に容易に落下（還流）させることができるので、ヒートパイプ（１１０）としての機能を速やかに復帰させることができる。

また、請求項４に記載の発明では、絞り部（１１２、１１２Ａ、１１２Ｂ）には、密閉容器（１１１）の長手方向に切欠きされた切欠き部（１１２ｄ）が形成されたことを特徴としている。

これにより、ドライアウトした後にも切欠き部（１１２ｄ）を通して凝縮部（１１０Ｂ）の凝縮液を蒸発部（１１０Ａ）側に容易に落下（還流）させることができるので、請求項３に記載の発明と同様にヒートパイプ（１１０）としての機能を速やかに復帰させることができる。

上記絞り部（１１２、１１２Ａ、１１２Ｂ）としては、請求項５に記載の発明のように、オリフィス（１１２）とすることができ、これにより容易に対応が可能となる。

請求項６に記載の発明では、オリフィス（１１２）の下側面（１１２ｂ）と、オリフィス（１１２）が形成される流路壁（１１０ａ）とが成す第１角度（θｈ）は、９０度より小さくなるように設定されたことを特徴としている。

これにより、凝縮した作動媒体がオリフィス（１１２）の下側面（１１２ｂ）を伝わり、更には密閉容器（１１１）の内壁面に沿って蒸発部（１１０Ａ）に還流するようになるので、凝縮した作動媒体がオリフィス（１１２）から直接蒸発部（１１０Ａ）に滴下することが無くなる。よって、作動媒体の滴下による蒸発部（１１０Ａ）での急激な沸騰、およびそれに伴う急激な圧力上昇の発生を防止できる。

請求項７に記載の発明では、オリフィス（１１２）の上側面（１１２ｃ）と、オリフィス（１１２）が形成される流路壁（１１０ａ）とが成す第２角度（θｃ）は、第１角度（θｈ）よりも大きくなるように設定されたことを特徴としている。

これにより、凝縮部（１１０Ｂ）で凝縮された作動媒体をオリフィス（１１２）の上側面（１１２ｃ）で効果的に保持することができるので、高温部（１１）の温度上昇に伴う内圧上昇を抑制することができる。

絞り部（１１２、１１２Ａ、１１２Ｂ）については、請求項８に記載の発明のように、多孔質体（１１２Ａ）から形成するようにしても良い。

請求項９に記載の発明では、密閉容器（１１１）は、流路断面積が蒸発部（１１０Ａ）よりも凝縮部（１１０Ｂ）の方が小さく設定されて、両者（１１０Ａ、１１０Ｂ）の少なくとも一方が他方側に延設され、接続されて形成されており、絞り部（１１２、１１２Ａ、１１２Ｂ）は、接続される部位に形成される段差部（１１２Ｂ）であることを特徴としている。

これにより、例えば流路断面積の異なる管状部材を接続するだけで、絞り部（段差部１１２Ｂ）を有する密閉容器（１１１）を容易に加工でき、安価なヒートパイプ（１１０）とすることができる。

請求項１０に記載の発明では、凝縮部（１１０Ｂ）の内壁面に、内壁面面積を拡大する面積拡大部（１１３）が形成されたことを特徴としている。

これにより、凝縮部（１１０Ｂ）における熱抵抗を低減でき、通常の熱輸送時の低温部（３０）側への放熱性能を向上できる。また、凝縮部（１１０Ｂ）における液相状態の作動媒体を面積拡大部（１１３）で効果的に保持することができるので、高温部（１１）の温度上昇に伴う内圧上昇を抑制することができる。

請求項１１に記載の発明では、密閉容器（１１１）は、複数設けられており、複数の密閉容器（１１１）の下端側には、複数の密閉容器（１１１）を互いに連通させる連通部（１１４）が設けられたことを特徴としている。

これにより、密閉容器（１１１）を複数設ける場合でも、密閉容器（１１１）の一箇所のみに封入部（１１５）を設けることで、密閉容器（１１１）内部の真空引きや作動媒体の封入が可能となる。

請求項１２に記載の発明は、請求項１〜請求項１１に記載のヒートパイプ（１１０）を用いた排熱回収装置に関するものであり、ヒートパイプ（１１０）の蒸発部（１１０Ａ）が内燃機関（１０）の排気ガス流通用の排気管（１１）に配設され、凝縮部（１１０Ｂ）が内燃機関（１０）の冷却水流通用の冷却水流路（３０）に配設されるようにして、ヒートパイプ（１１０）によって排気ガスの排熱を冷却水へ輸送するものに適用して好適である。

尚、上記各手段の括弧内の符号は、後述する実施形態記載の具体的手段との対応関係を示すものである。

（第１実施形態）
本発明の第１実施形態における排熱回収装置１００は、エンジン１０を走行用の駆動源とする車両（自動車）に適用されるものとしており、まず具体的な構成について図１〜図３を用いて以下説明する。尚、図１は排熱回収装置１００の車両への搭載状態を示す模式図、図２は排熱回収装置１００を示す断面図、図３はオリフィス１１２の詳細を示す断面図である。

図１に示すように、エンジン１０は水冷式の内燃機関であり、燃料が燃焼した後の排気ガスが排出される排気管（本発明における高温部に対応）１１を有している。排気管１１には排気ガスを浄化する触媒コンバータ１２が設けられている。

また、エンジン１０は、エンジン冷却水（以下、冷却水）の循環によってエンジン１０が冷却されるラジエータ回路２０と、冷却水（温水）を加熱源として空調空気を加熱するヒータ回路３０とを有している。

ラジエータ回路２０にはラジエータ２１が設けられており、ラジエータ２１は、ウォータポンプ２２によって循環される冷却水を外気との熱交換により冷却する。尚、ラジエータ回路２０中にはラジエータ２１を迂回して冷却水が流通するバイパス通路（図示せず）が設けられており、サーモスタット（図示せず）によってラジエータ２１を流通する冷却水量とバイパス通路を流通する冷却水量とが調節されるようになっている。特に暖機時においてはバイパス通路側の冷却水量が増加されて暖機が促進される（つまり、ラジエータ２１による冷却水の過冷却が防止される）。

ヒータ回路（本発明における低温部、冷却水流路に対応）３０には、暖房用熱交換器としてのヒータコア３１が設けられており、上記のウォータポンプ２２によって冷却水（温水）が循環されるようにしている。ヒータコア３１は、図示しない空調ユニットの空調ケース内に配設されており、送風機によって送風される空調空気を温水との熱交換により加熱する。

排熱回収装置１００は、複数のコンテナ１１１から形成されるヒートパイプ１１０の外部にフィン１２０が設けられて形成されている。排熱回収装置１００を構成する各部材（以下説明）は、高耐食性を備えるステンレス材から成り、各部材が組み付けされた後に、当接部や嵌合部に設けられたろう材により、一体的にろう付けされている。

以下、図２を用いて排熱回収装置１００の詳細について説明する。ヒートパイプ１１０は、まっすぐな円管から成る複数のコンテナ（本発明における密閉容器に対応）１１１を有しており、コンテナ１１１の長手方向が上下方向を向く姿勢で使用される。複数のコンテナ１１１の下端側には連通部１１４が設けられて、複数のコンテナ１１１は互いに連通するように形成されている。

複数のコンテナ１１１のうち、１つのコンテナ（図２中の右側のコンテナ）１１１の上端部には封入部１１５が設けられている。そして、封入部１１５から各コンテナ１１１内が真空引き（減圧）され、作動媒体が封入された後に封入部１１５は封止されている。作動媒体は、ここでは水を使用している。水の沸点は、通常（１気圧で）１００℃であるが、チューブ１１０内を減圧（０．０４気圧）しているため、沸点は、３０〜４０℃となる。尚、作動媒体としては、水の他にアルコール、フロロカーボン、フロン等を用いても良い。

上記構成によるヒートパイプ１１０は、下側に蒸発部１１０Ａ、上側に凝縮部１１０Ｂ、両者１１０Ａ、１１０Ｂの間に断熱部１１０Ｃを形成して、ボトムヒート型として機能するようになっている。尚、凝縮部１１０Ｂに対応するコンテナ１１１の内壁面には、金属製メッシュ、金属製フェルト、発砲金属あるいは焼結金属等から成るウィック（本発明における面積拡大部に対応）１１３が設けられている。

また、ヒートパイプ１１０の蒸発部１１０Ａおよび凝縮部１１０Ｂに対応する部位の外壁面には、薄肉板材から形成されたプレートタイプのフィン１２０が接合されている。

そして、本実施形態における特徴部として、蒸発部１１０Ａと凝縮部１１０Ｂとの間（断熱部１１０Ｃ）に、コンテナ１１１内の流路断面積を縮小する絞り部としてのオリフィス１１２を設けるようにしている。

オリフィス１１２は、図３に示すように、コンテナ１１１内の流路壁１１１ａから中心側に向けて肉部が張出して、中心部に円形の穴部１１２ａが形成されたものである。更にここでは、オリフィス１１２の下側面１１２ｂは上側に向けて傾斜し、また、上側面１１２ｃは下側に向けて傾斜するようにしている。具体的には、下側面１１２ｂとオリフィス１１２が形成される流路壁１１０ａとが成す角度（本発明における第１角度に対応）をθｈと定義した時に、角度θｈ＜９０度として下側面１１２ｂが鋭角的な傾斜となるようにしている。また、上側面１１２ｃと流路壁１１０ａとが成す角度（本発明における第２角度に対応）をθｃと定義した時に、９０度＞角度θｃ＞角度θｈとして上側面１１２ｃが緩やかな傾斜となるようにしている。

以上のように排熱回収装置１００は形成されており、ヒートパイプ１１０の蒸発部１１０Ａおよびフィン１２０が触媒コンバータ１２の下流側となる排気管１１内に配設され、また、ヒートパイプ１１０の凝縮部１１０Ｂおよびフィン１２０がヒータ回路３０内に配設されている（図１、図２）。尚、連通部１１４は、排気管１１の外部で外表面に接する位置となるように配置されている。

次に、上記構成に基づく作動について図４〜図６を用いて説明する。尚、図４はヒートパイプ１１０の作動状態を示す断面図、図５は排熱回収装置１００によるエンジン冷却水への伝熱量を示すグラフ、図６はヒートパイプ１１０における飛散限界、沸騰限界に基づく限界熱輸送量を示すグラフである。

エンジン１０が作動されると併せてウォータポンプ２２が作動され、冷却水はラジエータ回路２０、ヒータ回路３０を循環する。エンジン１０で燃焼された燃料の排気ガスは、触媒コンバータ１２を経て排気管１１を流れ、排熱回収装置１００の蒸発部１１０Ａの外部を通過して大気中に排出される。また、ヒータ回路３０を循環する冷却水は、排熱回収装置１００の凝縮部１１０Ｂの外部を通過する。

排熱回収装置１００において、エンジン１０が低負荷〜中負荷状態にある時に、図４（ａ）に示すように、まず、ヒートパイプ１１０内の水（作動媒体）は、蒸発部１１０Ａ（連通部１１４を含む）で、排気管１１を流れる排気ガスから受熱して沸騰気化し始めて、蒸気となってヒートパイプ１１０内を上昇し、オリフィス１１２を経て凝縮部１１０Ｂ内に流れ込む。凝縮部１１０Ｂ内へ流入した蒸気は、ヒータ回路３０を流れる冷却水によって冷却され、内壁面に設けられたウィック１１３で凝縮水となって重力によって下降し、オリフィス１１２を経て蒸発部１１０Ａに還流する。

更に、蒸発部１１０Ａでの蒸発が進行すると、図４（ｂ）、（ｃ）に示すように、蒸発部１１０Ａからの上向きの蒸気流速が増大し、この蒸気流速によって、凝縮部１１０Ｂから下降して蒸発部１１０Ａに還流しようとする凝縮水は跳ね上げられ、凝縮水の還流量が一定となり（飛散限界）、輸送しうる熱量は限界熱輸送量（最大熱輸送量）として定まる。

このように、排気ガスの熱が水に伝達されて蒸発部１１０Ａから凝縮部１１０Ｂへ輸送され、この凝縮部１１０Ｂで蒸気が凝縮する際に凝縮潜熱として放出され、ヒータ回路３０を流れる冷却水が加熱される。尚、排気ガスの熱はヒートパイプ１１０の外壁面を介して熱伝導によって蒸発部１１０Ａから凝縮部１１０Ｂに移動される分も存在する。

そして、図５に示すように、エンジン１０の負荷に応じて増加する排気ガス温度に伴って、所定負荷（伝熱量切替え点）までは蒸発部１１０Ａから凝縮部１１０Ｂに輸送される熱量、即ち冷却水への伝熱量が順次増加する（ヒートパイプによる排熱回収の実行）。

このように、外気温が比較的低い時にエンジン１０を始動した場合、ヒートパイプ１１０による排熱回収が実行され、積極的に冷却水が加熱され、エンジン１０の暖機が促進されることになるので、エンジン１０のフリクションロスの低減、低温始動性向上のための燃料増量の抑制等が図られ燃費性能が向上される。また、冷却水を加熱源とするヒータコア３１の暖房性能が向上される。

一方、エンジン１０の負荷が所定負荷より増加し、排気ガス温度が更に高くなっていくと、図４（ｄ）に示すように、蒸発部１１０Ａにおいては核沸騰が生じ、蒸発部１１０Ａの内壁面に沸騰膜が形成される。すると、蒸発部１１０Ａの熱抵抗が増加し、排気ガスからの熱が蒸発部１１０Ａに伝達されにくくなり、図５に示すように、排気ガス温度の上昇と共に限界熱輸送量が一気に低下する（沸騰限界に基づく限界熱輸送量）。

更には、蒸発部１１０Ａ内の水は完全に蒸発され、また、上向きの蒸気流速によって、凝縮部１１０Ｂで凝縮された凝縮水の下降が阻止されて、凝縮水はウィック１１３で保水されたままとなる（ドライアウト）。そして、水の蒸発、凝縮による熱輸送が停止され、冷却水側に伝達される熱量がヒートパイプ１１０を介した熱伝導のみとなる（ヒートパイプによる排熱回収の停止）。

よって、エンジン１０の負荷増加に伴い排気ガス温度が高くなる中で、排熱回収をそのまま続けると、冷却水温度が上昇しすぎて、ラジエータ２０での放熱能力（例えば４ｋＷ）を超え、オーバーヒートに至ってしまうところを、排熱回収停止への切替えにより、その不具合が防止されることになる。

ここで、図６に示すように、ヒートパイプ１１０における上記飛散限界に基づく限界熱輸送量は、オリフィス１１２の穴部１１２ａの内径寸法（以下、オリフィス穴径と呼ぶ）の初期設定により任意に設定が可能である。即ち、飛散限界基づく限界熱輸送量は、オリフィス穴径に関連するものであって、オリフィス穴径を大きくするほど、限界熱輸送量を大きくでき、逆に、オリフィス穴径を小さくするほど、限界熱輸送量を小さくすることができるのである。

また、ヒートパイプ１１０における上記沸騰限界に基づく限界熱輸送量は、ヒートパイプ１１０の蒸発部１１０Ａの内径（以下、ヒートパイプ内径と呼ぶ）の初期設定により任意に設定が可能である。即ち、沸騰限界に基づく限界熱輸送量はヒートパイプ内径に関連するものであって、ヒートパイプ内径を大きくするほど、限界熱輸送量を大きくでき、逆に、オリフィス穴径を小さくするほど、限界熱輸送量を小さくすることができるのである。

このように、本実施形態ではヒートパイプ１１０内にオリフィス１１２を設けており、オリフィス１１２によって流路断面積を予め決定することにより、凝縮水の飛散限界に基づく限界熱輸送量（最大熱輸送量）を容易に設定できるので、ヒートパイプ１１０内部への作動媒体の封入量の規制（管理）を不要とすることができる。また、排気ガスの高温側での沸騰限界に基づく限界熱輸送量については、蒸発部１１０Ａにおけるヒートパイプ内径寸法を予め決定することによって、容易に設定できる。

また、オリフィス１１２の下側面１１２ｂを鋭角的な傾斜となるようにしているので、凝縮水がオリフィス１１２の下側面１１２ｂを伝わり、更にはヒートパイプ１１０の内壁面に沿って蒸発部１１０Ａに還流するようになり、凝縮水がオリフィス１１２から直接蒸発部１１０Ａに滴下することが無くなる。よって、凝縮水の滴下による蒸発部１１０Ａでの急激な沸騰、およびそれに伴う急激な圧力上昇の発生を防止できる。

また、オリフィス１１２の上側面１１２ｃについては緩やかな傾斜となるようにしているので、通常の熱輸送時においては凝縮水の還流を妨げないようにできる。そして、排気ガスの高温時において凝縮部１１０Ｂからの凝縮水をオリフィス１１２の上側面１１２ｃで効果的に保持することができるので、ヒートパイプ１１０内を作動媒体の気液二相状態に維持して、排気ガスの温度上昇に伴う内圧上昇を抑制することができる。

また、凝縮部１１０Ｂの内壁面にウィック１１３を設けるようにしているので、凝縮部１１０Ｂにおける表面積を拡大して、熱抵抗を低減でき、通常の熱輸送時のヒータ回路３０側への放熱性能を向上できる。また、排気ガスの高温時において凝縮部１１０Ｂにおける凝縮水をウィック１１３で効果的に保持することができるので、ヒートパイプ１１０内を作動媒体の気液二相状態に維持して、排気ガスの温度上昇に伴う内圧上昇を抑制することができる。

また、複数のコンテナ１１１に対して連通部１１４を設けるようにしているので、コンテナ１１１を複数設ける場合でも、コンテナ１１１の一箇所のみに封入部１１５を設けることで、コンテナ１１１内部の真空引きや作動媒体の封入が可能となる。

（第２実施形態）
本発明の第２実施形態を図７に示す。第２実施形態は上記第１実施形態に対して、絞り部としてのオリフィス１１２の断面形状を変更したものである。オリフィス１１２の断面形状については、図３で説明したものに限定されるものではなく、図７（ａ）〜（ｃ）に示すように種々な形状での対応が可能である。

（第３実施形態）
本発明の第３実施形態を図８に示す。第３実施形態は上記第１実施形態に対して、絞り部としてのオリフィス１１２を金属製メッシュ、金属製フェルト、発砲金属あるいは焼結金属等の多孔質体１１２Ａに変更したものである。ここでは多孔質体１１２Ａの孔の粗密をオリフィス穴径に置換えて飛散限界に基づく限界熱輸送量を決定でき、上記第１実施形態と同様の効果を得ることができる。尚、図８（ａ）は図４（ａ）に対応し、また、図８（ｂ）は図４（ｃ）に対応するものである。

（第４実施形態）
本発明の第４実施形態を図９に示す。第４実施形態は上記第１実施形態に対して、絞り部としてのオリフィス１１２を段差部１１２Ｂに変更したものである。

本ヒートパイプ１１０の凝縮部１１０Ｂでは、内部（水）と外部（冷却水）との温度差が蒸発部１１０Ａでの内外温度差より小さいこと、また、上記第１実施形態で説明したウィック１１３（面積拡大部であり、図９中では省略）を設定することで表面積が拡大されることから、凝縮部１１０Ｂの熱抵抗は蒸発部１１０Ａの熱抵抗よりも小さくなっており、凝縮部１１０Ｂとしてはコンテナ１１１の内径（流路断面積）を小さくすることができる。

よって、ここでは、主に蒸発部１１０Ａを形成するコンテナ１１１ａと、このコンテナ１１１ａよりも内径が小さく設定されて、主に凝縮部１１０Ｂを形成するコンテナ１１１ｂと設けて、両者を互いの方向に延設させて断熱部１１０Ｃにおいて接続することでコンテナ１１１としている。この時、上記接続部において蒸発部１１０Ａから凝縮部１１０Ｂに向けて内径が縮小される段差部１１２Ｂが形成され、この段差部１１２Ｂを絞り部として活用する。尚、段差部１１２Ｂは、蒸発部１１０Ａ側、あるいは凝縮器１１０Ｂ側に片寄った位置としなるように設定しても良い。

これにより、例えば内径の異なるコンテナ１１１ａ、１１１ｂを接続するだけで、絞り部（段差部１１２Ｂ）を有するコンテナ１１１を容易に加工でき、安価なヒートパイプ１１０とすることができると共に、コンテナ１１１ｂの内径をオリフィス穴径に置換えて飛散限界に基づく限界熱輸送量を決定でき、上記第１実施形態と同様の効果を得ることができる。

（第５実施形態）
本発明の第５実施形態を図１０に示す。第５実施形態は上記第１実施形態に対して、面積拡大部としてのウィック１１３をヒートパイプ１１０の長手方向に形成される複数のグルーブ１１３Ａや、ヒートパイプ１１０の周方向に形成される複数のグルーブ１１３Ｂとしたものであり、上記第１実施形態と同様の効果が得られる。

（第６実施形態）
本発明の第６実施形態を図１１に示す。第６実施形態は上記第１実施形態に対して、連通部１１４を廃止し、各コンテナ１１１にそれぞれ封入部１１５を設けたものである。この場合は、各コンテナ１１１への作動媒体の封入作業は１つずつ行うことになるが、排気ガスの熱を冷却水に輸送する、あるいは排気ガス温度に応じて輸送を停止する機能については何ら変わらない。

（第７実施形態）
本発明の第７実施形態を図１２に示す。第７実施形態は、ヒートパイプ１１０内の水の封入量Ｌを予め考慮することによって、ドライアウト時に凝縮部１１０Ｂに集まった凝縮水を、効果的に蒸発部１１０Ａに還流させるようにしたものである。

ここでは、図１２（ａ）に示すように、初期の水の封入量Ｌが、絞り部としてのオリフィス１１２の下端よりも上側となる空間の容積Ｖよりも大きくなるようにしている。

本第７実施形態のヒートパイプ１１０では、上記第１実施形態（図４、図５）で説明したように、排気ガスの温度上昇に伴って、図１２（ｂ）に示すように蒸発部１１０Ａから凝縮部１１０Ｂへの熱輸送による排熱回収の実行が成される。そして、排気ガスの温度が更に上昇していくと、図１２（ｃ）に示すように、蒸発部１１０Ａにおける水が完全に蒸発されてドライアウトとなる。

この時、初期の水の封入量Ｌの設定により、オリフィス１１２の下側に凝縮部１１０Ｂからの凝縮液を確実に存在させることができるので、オリフィス１１２（穴部１１２ａ）における凝縮水膜の形成を阻止（表面張力の発生を阻止）することができる。そして、図１２（ｄ）に示すように、排気ガスの温度が低下していけば、オリフィス１１２の下側に存在する凝縮水が呼び水となって、凝縮部１１０Ｂの凝縮水を蒸発部１１０Ａ側に容易に落下（還流）させることができるので、ヒートパイプ１１０としての機能を速やかに復帰させることができる。

尚、オリフィス１１２は、図１３に示すように、凝縮部１１０Ｂ内に設けるようにしても良い。この場合の初期の水の封入量Ｌ１は上記と同様の考え方で、図１３（ａ）に示すように、オリフィス１１２の下端より上側となる空間の容積Ｖ１よりも大きくなるようにすれば良い。これにより、図１３（ｂ）〜図１３（ｄ）に示すように、上記と同様の作動が得られる。

（第８実施形態）
本発明の第８実施形態を図１４に示す。第８実施形態は、上記第１実施形態に対して、絞り部の形状を変更したものである。

ここでは、リング状部材をヒートパイプ１１０の断熱部１１０Ｃに対応する内壁に接合することで、絞り部としてのオリフィス１１２を形成している。更に、リング状部材には、ヒートパイプ１１０の長手方向に切り欠きされる切欠き部１１２ｄを設けるようにしている。

本実施形態においては、上記第７実施形態と同様の効果を得ることができる。即ち、ドライアウトした後にも切欠き部１１２ｄを通して凝縮部１１０Ｂの凝縮液を蒸発部１１０Ａ側に容易に落下（還流）させることができるので、ドライアウトの後にヒートパイプ１１０としての機能を速やかに復帰させることができる。

（その他の実施形態）
上記各実施形態においては、ヒートパイプ１１０（コンテナ１１１）の形状を円管としたが、これに限らず、角管、扁平管、多穴管等としても良い。

また、高温部として排気管１１、低温部としてヒータ回路３０として、排気ガスの熱を冷却水に輸送するものとして説明したが、他の発熱機器の排熱を所定部位の加熱用に用いるようにしても良い。

排熱回収装置の車両への搭載状態を示す模式図である。 第１実施形態における排熱回収装置を示す断面図である。 第１実施形態におけるオリフィスの詳細を示す断面図である。 第１実施形態におけるヒートパイプの作動状態を示す断面図である。 排熱回収装置によるエンジン冷却水への伝熱量を示すグラフである。 ヒートパイプにおける飛散限界、沸騰限界に基づく限界熱輸送量を示すグラフである。 第２実施形態におけるオリフィスを示す断面図である。 第３実施形態における絞り部としての多孔質体を示す断面図である。 第４実施形態におけるヒートパイプを示す断面図である。 第５実施形態における面積拡大部としてのグルーブを示す（ａ）は平面図、（ｂ）は斜視図である。 第６実施形態における排熱回収装置を示す側面図である。 第７実施形態におけるヒートパイプの作動状態を示す断面図である。 第７実施形態の変形例におけるヒートパイプの作動状態を示す断面図である。 第８実施形態におけるヒートパイプを示す断面図である。 排熱回収が進んで、ドライアウトした時の凝縮水の状態を示す断面図である。

符号の説明

１０ エンジン（内燃機関）
１１ 排気管
３０ ヒータ回路（冷却水流路）
１００ 排熱回収装置
１１０ ヒートパイプ
１１０ａ 流路壁
１１０Ａ 蒸発部
１１０Ｂ 凝縮部
１１０Ｃ 断熱部
１１１ コンテナ（密閉容器）
１１２ オリフィス（絞り部）
１１２Ａ 多孔質体（絞り部）
１１２Ｂ 段差部（絞り部）
１１２ｂ 下側面
１１２ｃ 上側面
１１２ｄ 切欠き部
１１３ ウィック（面積拡大部）
１１４ 連通部

Claims (12)

1. 管状の密閉容器（１１１）の一端側に設定され、外部の高温部（１１）の熱によって内部の作動媒体を蒸発させる蒸発部（１１０Ａ）と、
   前記密閉容器（１１１）の他端側に設定され、外部の低温部（３０）に放熱して蒸発された前記作動媒体を凝縮させる凝縮部（１１０Ｂ）とを有するヒートパイプにおいて、
   前記蒸発部（１１０Ａ）は、前記凝縮部（１１０Ｂ）の下側に配置され、
   前記蒸発部（１１０Ａ）よりも上側に、前記作動媒体の流路断面積を縮小する絞り部（１１２、１１２Ａ、１１２Ｂ）が形成されたことを特徴とするヒートパイプ。
2. 前記絞り部（１１２、１１２Ａ、１１２Ｂ）は、前記蒸発部（１１０Ａ）と前記凝縮部（１１０Ｂ）との間に形成されたことを特徴とする請求項１に記載のヒートパイプ。
3. 前記作動媒体の封入量は、前記密閉容器（１１１）内における前記絞り部（１１２、１１２Ａ、１１２Ｂ）の下端より上側となる空間の容積よりも大きくなるように設定されたことを特徴とする請求項１または請求項２に記載のヒートパイプ。
4. 前記絞り部（１１２、１１２Ａ、１１２Ｂ）には、前記密閉容器（１１１）の長手方向に切欠きされた切欠き部（１１２ｄ）が形成されたことを特徴とする請求項１または請求項２に記載のヒートパイプ。
5. 前記絞り部（１１２、１１２Ａ、１１２Ｂ）は、オリフィス（１１２）であることを特徴とする請求項１〜請求項４のいずれか１つに記載のヒートパイプ。
6. 前記オリフィス（１１２）の下側面（１１２ｂ）と、前記オリフィス（１１２）が形成される流路壁（１１０ａ）とが成す第１角度（θｈ）は、９０度より小さくなるように設定されたことを特徴とする請求項５に記載のヒートパイプ。
7. 前記オリフィス（１１２）の上側面（１１２ｃ）と、前記オリフィス（１１２）が形成される流路壁（１１０ａ）とが成す第２角度（θｃ）は、前記第１角度（θｈ）よりも大きくなるように設定されたことを特徴とする請求項６に記載のヒートパイプ。
8. 前記絞り部（１１２、１１２Ａ、１１２Ｂ）は、多孔質体（１１２Ａ）であることを特徴とする請求項１〜請求項４のいずれか１つに記載のヒートパイプ。
9. 前記密閉容器（１１１）は、前記流路断面積が前記蒸発部（１１０Ａ）よりも前記凝縮部（１１０Ｂ）の方が小さく設定されて、両者（１１０Ａ、１１０Ｂ）の少なくとも一方が他方側に延設され、接続されて形成されており、
   前記絞り部（１１２、１１２Ａ、１１２Ｂ）は、前記接続される部位に形成される段差部（１１２Ｂ）であることを特徴とする請求項２〜請求項４のいずれか１つに記載のヒートパイプ。
10. 前記凝縮部（１１０Ｂ）の内壁面に、内壁面面積を拡大する面積拡大部（１１３）が形成されたことを特徴とする請求項１〜請求項９のいずれか１つに記載のヒートパイプ。
11. 前記密閉容器（１１１）は、複数設けられており、
    複数の前記密閉容器（１１１）の下端側には、複数の前記密閉容器（１１１）を互いに連通させる連通部（１１４）が設けられたことを特徴とする請求項１〜請求項１０のいずれか１つに記載のヒートパイプ。
12. 請求項１〜請求項１１に記載のヒートパイプ（１１０）の前記蒸発部（１１０Ａ）が内燃機関（１０）の排気ガス流通用の排気管（１１）に配設され、
    前記凝縮部（１１０Ｂ）が前記内燃機関（１０）の冷却水流通用の冷却水流路（３０）に配設され、
    前記ヒートパイプ（１１０）によって前記排気ガスの排熱を前記冷却水へ輸送することを特徴とするヒートパイプを用いた排熱回収装置。

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