JP2007024423A - 排熱回収装置 - Google Patents

Abstract

【課題】排気ガスの流れ方向に配列された複数個のヒートパイプの排熱回収効率やドライアウト特性を均等に近づけた排熱回収装置を提供する。
【解決手段】排気ガスの排熱を車両エンジン１の冷却水へ輸送するために複数個のヒートパイプ１３〜１５は、排気ガスが流通する排気管３内に排気ガスの流れ方向に複数列配列されている加熱部２ｃと、前記ヒートパイプ内の冷媒が加熱部２ｃにおいて気化して移動し、外部を流れる前記冷却水によって凝縮される冷却部２ａと、を備え、加熱部２ｃに伝熱用のフィン１６、１７、１８を設け、このフィンの面積は、最も下流に位置するヒートパイプ１５よりも最も上流に位置するヒートパイプ１３における面積の方を小さくした排熱回収装置を構成する。
【選択図】 図３

Description

本発明は、ヒートパイプを用いて内燃機関の排気ガスの排熱を利用することにより、内燃機関の冷却水の加熱を行う排熱回収装置に関する。

従来、この種の排熱回収装置としては、ヒートパイプの加熱部および冷却部のうち、加熱部を車両エンジンの排気管内に配設し、冷却部を車両エンジンの冷却水と熱接触させることにより、排気ガスの排熱が車両エンジンの冷却水に輸送されて、低温時における冷却水が加熱されるため、エンジンの暖機性能や、前記冷却水を加熱源とする暖房機の暖房性能を向上することができる装置が知られている（例えば、非特許文献１参照）。

さらに、非特許文献１では、ヒートパイプ内に封入される作動媒体液量を規制することにより、エンジン回転数が上昇しても、加熱部でドライアウトを起こして熱輸送の抑制が可能となることが記載されている。
Ｗｏｌｆ Ｄｉｅｔｒｉｃｈ Ｍｕｎｚｅｌ、Ｄａｉｍｌｅｒ−Ｂｅｎｚ ＡＧ、「Ｈｅａｔ Ｐｉｐｅｓ ｆｏｒ Ｒｅｃｏｖｅｒｙ ｆｒｏｍ Ｅｘｈａｕｓｔ Ｇａｓ ｏｆ ａ Ｄｉｅｓｅｌ Ｅｎｇｉｎｅ ｉｎ ａ Ｐａｓｓｅｎｇｅｒ Ｃａｒ」 Ｐｒｏｃ．ｏｆ Ｉｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌ Ｈｅａｔ Ｐｉｐｅ Ｃｏｎｆｅｒｅｎｃｅ ｉｎ Ｇｒｅｎｏｕｂｌｅ、Ｆｒａｎｃｅ、１９８７、ＰＰ．７４０−７４３

しかしながら、上記非特許文献１に記載の排熱回収装置において、排気ガスの流れ方向に複数個配列したヒートパイプを用いて排熱回収を行う場合、排気ガス流れの下流側に配置されているヒートパイプは、上流側のヒートパイプよりも周囲を流れる排気ガスの温度が低くなっているため、排気ガスと車両エンジンの冷却水との温度差が小さく、排熱回収効率が低くなるという問題があった。また、排気ガス流れの上流側に配置されているヒートパイプほど、ヒートパイプの加熱部と冷却部における温度差が大きくなるので、ドライアウト（熱輸送停止）が起こりやすくなるという問題があった。

そこで本発明の目的は、上記問題点に鑑みてなされたものであり、排気ガスの流れ方向に配列された複数個のヒートパイプの排熱回収効率やドライアウト特性を均等に近づけ、排熱回収に優れた排熱回収装置を提供することにある。

上記目的を達成するために、以下に記載の技術的手段を採用する。すなわち、請求項１の発明は、車両エンジン（１）による排気ガスの排熱を前記車両エンジン（１）の冷却水へ輸送するために複数個のヒートパイプ（１３〜１５）によって排熱回収を行う排熱回収装置であって、前記複数個のヒートパイプ（１３〜１５）は、前記排気ガスが流通する排気管（３）内に前記排気ガスの流れ方向に複数列配列されている加熱部（２ｃ）と、前記ヒートパイプ内の冷媒が前記加熱部（２ｃ）において気化して移動し、外部を流れる前記冷却水によって凝縮される冷却部（２ａ）と、を備え、前記加熱部（２ｃ）における排熱回収面積は、前記排気ガスが前記加熱部（２ｃ）の周囲を通って流れる最も下流に位置するヒートパイプ（１５）における排熱回収面積よりも、最も上流に位置するヒートパイプ（１３）における排熱回収面積の方を小さくなるように構成したことを特徴とする。

請求項１に記載の発明によれば、排気ガスの流れ方向に複数個配列されたヒートパイプついて、上流側に位置するヒートパイプの排熱回収面積を小さくすることにより、前記上流側のヒートパイプの排熱吸収量を小さくして前記流れ方向に配列したヒートパイプの排熱回収効率やドライアウト特性を均等に近づけることができるので、排熱回収装置全体として排熱回収性能を向上させることができる。

請求項２に記載の発明は、請求項１に記載の排熱回収装置において、前記加熱部（２ｃ）に伝熱用のフィン（１６、１７、１８）を設け、前記フィンの面積は、前記最も下流に位置するヒートパイプ（１５）よりも前記最も上流に位置するヒートパイプ（１３）における面積の方を小さくしたことを特徴とする。

請求項２に記載の発明によれば、排気ガスの流れ方向上流側に位置するフィンの面積の方を小さく構成したことにより、前記上流側のヒートパイプの排熱吸収量を小さくして前記流れ方向に配列したヒートパイプの排熱回収効率やドライアウト特性を均等に近づけることができるので、排熱回収装置全体として排熱回収性能を向上させることができる。

請求項３に記載の発明は、請求項１に記載の排熱回収装置において、前記加熱部（３０ｃ）を構成する複数個のヒートパイプ（２４〜２８）の長さは、前記最も下流に位置するヒートパイプ（２８）よりも前記最も上流に位置するヒートパイプ（２４）の方を短くしたことを特徴とする。

請求項３に記載の発明によれば、排気ガスの流れ方向上流側に位置するヒートパイプの長さの方を短く構成したことにより、前記上流側のヒートパイプの排熱吸収量を小さくして前記流れ方向に配列したヒートパイプの排熱回収効率やドライアウト特性を均等に近づけることができるので、排熱回収装置全体として排熱回収性能を向上させることができる。

請求項４に記載の発明は、請求項１に記載の排熱回収装置において、前記加熱部（４０ｃ）を構成するヒートパイプ（１３〜１５）内の冷媒流路断面積は、前記最も下流に位置するヒートパイプ（１５）よりも前記最も上流に位置するヒートパイプ（１３）の方を大きくしたことを特徴とする。

請求項４に記載の発明によれば、排気ガスの流れ方向上流側に位置するヒートパイプの冷媒流路断面積を下流側のヒートパイプよりも大きく構成したことにより、ドライアウトが起こりにくくしたので、前記流れ方向に複数個配列したヒートパイプのドライアウト特性を均等に近づけることができる。

なお、上記各手段の括弧内の符号は、後述する実施形態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）
以下に、第１実施形態について図１〜図３を用いて説明する。図１は、本実施形態の排熱回収装置と車両エンジン等との関係を示した模式図である。図２は、本実施形態の排熱回収装置と車両エンジン等との他の関係を示した模式図である。図３は、本実施形態における排熱回収装置の構成を示した模式図である。

図１に示す車両エンジン１と、排熱回収装置２および他の構成部品との関係について、以下に説明する。車両エンジン１は、水冷式の内燃機関であり、車両エンジン１の冷却水を循環させることによって車両エンジン１を冷却するラジエータ回路８と、前記冷却水を温水の加熱源として空調空気を加熱するヒータ５とが接続されている。また、前記内燃機関において燃料が燃焼した後の排気ガスは、車両エンジン１と連通する排気管３内を通り、排熱回収装置２で排気ガスの排熱が回収されるとともに、触媒コンバータ（図示しない）などにより浄化されて屋外に排出される。

このラジエータ回路８にはラジエータ４が設けられ、ラジエータ４は、ウォーターポンプ６によってラジエータ回路８を循環する冷却水を外気との熱交換により冷却する。また、ラジエータ回路８中にはラジエータ４を迂回して冷却水が流通するバイパス通路が設けられ、サーモスタット７によってラジエータ４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して暖機が促進されることになる。つまり、ラジエータ４による冷却水の過冷却が防止されることになる。ラジエータ回路８中の、車両エンジン１、ラジエータ４、サーモスタット７、ウォーターポンプ６の順に接続される配管は、図１に示すように、他の回路を構成する配管よりもその管内径が大きく、多量の冷却水が流れることになる。

車両エンジン１、ウォーターポンプ６、および暖房用熱交換器としてのヒータ５を結ぶ回路は、ウォーターポンプ６によって冷却水（温水）が循環される。ヒータ５は、空調ユニットの空調ケース（図示しない）内に配設され、送風機（図示しない）によって送風される空調空気を冷却水（温水）との熱交換により加熱する。

排熱回収装置２は、複数のチューブで構成されるヒートパイプを有し、各ヒートパイプの一方側の加熱部２ｃが排気管３内に配設され、他方側の冷却部２ａが冷却水の流路内に配設されている。排熱回収装置２の各構成部材は、高耐食性を備えるステンレス材から成り、各構成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、一体的にろう付け結合されている。

冷却水の流れ方は、その温度によって変わるものである。車両エンジン１の始動直後などの冷却水温度が比較的低いときは、サーモスタット７は閉じているため、ウォーターポンプ６の吸い込みにより車両エンジン１から流れ出た冷却水は、ヒータ５を通ってウォーターポンプ６を経由して車両エンジン１に戻る。同時に、車両エンジン１から流れ出た冷却水は、ウォーターポンプ６の吸い込みにより、排熱回収装置２の冷却部２ａを通ってヒータ５に流れないでウォーターポンプ６を経由して車両エンジン１に戻る。

一方、冷却水温度が比較的高温になると、サーモスタット７は開いて、ウォーターポンプ６の吸い込みにより車両エンジン１から流れ出た冷却水は、主にラジエータ４に流れ、冷却されてウォーターポンプ６を経由して車両エンジン１に戻る。同時に、前記ラジエータ４に流れる冷却水の水量ほど大きくはないが、ウォーターポンプ６の吸い込みにより、排熱回収装置２を経由して車両エンジン１に戻ってくる冷却水の流れと、ヒータ５を経由して車両エンジン１に戻ってくる冷却水の流れとが、発生する。なお、サーモスタット７は、水温が所定温度に超えると流路を開くように構成され、例えば８０℃を超えると流路を開き、８５℃以上で全開するように構成されている。

また、図２を用いて、排熱回収装置２と車両エンジン１等との関係を表す他の例を説明する。図２に示す冷却水の経路は、前述の図１に示す冷却水の経路に対して、ウォーターポンプ６の吸い込みにより車両エンジン１から流れ出た冷却水が、排熱回収装置２の冷却部２ａを通った後、ヒータ５を経由しないで車両エンジン１に戻る経路を備えていないという点と、ウォーターポンプ６の吸い込みにより車両エンジン１から流れ出た冷却水が排熱回収装置２の冷却部２ａを通った後、ヒータ５を経由して車両エンジン１に戻るというヒータ経由回路９を備えている点とが、異なっている。図２に示すその他の同一符号を付した構成部品は、図１のものと同一であり、その作用等についての説明は省略する。

以下、図３を用いて排熱回収装置２の構成について説明する。排熱回収装置２を構成する各チューブは、内部が真空状態となるように真空引きされた後に作動媒体としての冷媒が所定量封入されてヒートパイプとして作動するものである。作動媒体としての冷媒に水を使用した場合には、水の沸点は、通常、１気圧で１００℃であるが、ヒートパイプ内を真空引きしているため、封入された水の沸点は、３０〜４０℃と低くなる。なお、作動媒体としては、水の他にアルコール、フロロカーボン、フロン等を用いることもできる。

各ヒートパイプは、その長手方向が上下方向となる姿勢で使用され、下側に加熱部２ｃと、上側に冷却部２ａと、加熱部２ｃと冷却部２ａの間に断熱部２ｂとを備えた、いわゆるボトムヒート型で構成されている。また、冷却部２ａに対応するチューブの内壁には、金属製メッシュ、金属製フェルト、焼結金属等からなるウィック（多孔性物質）が設けられることにより、熱輸送量が高められている。ヒートパイプは、内部に封入された作動液としての冷媒の蒸発と凝縮による潜熱を利用した閉ループ型の伝熱素子であり、小さな温度差で大量の熱輸送ができる。各ヒートパイプの加熱部２ｃの内部に封入された冷媒は、加熱部２ｃの外部に加えられる排気ガスの排熱により蒸発し、蒸気となって断熱部２ｂ内を通り冷却部２ａ側へ移動し、冷却部２ａ内で外部を流れる冷却水によって冷やされて凝縮する。冷媒は、この凝縮と同時に、蒸発時に受熱した排気ガスの排熱を冷却水へ輸送して、冷却水を加熱することになり、この輸送された熱が、車両エンジン１の暖機や、冬季などの始動時における暖房エネルギーとして使用されることになる。

ヒートパイプ１３、１４、１５は、外形が略四角形状をなすサイドプレート２３などにより加熱部２ｃの周囲を囲まれ、排気ガスの流れ方向を開放する流入口１９および流出口２０を形成した筒状箱体内に、排気ガスの流れ方向の上流側から順に配置されている。また、加熱部２ｃを囲む前記筒状箱体は、流入口１９の周囲に形成された上流側フランジ２１、および流出口２０の周囲に形成された下流側フランジ２２を介して排気管３と接続されている。この排気管３との接続により、前記筒状箱体の内部は、略矩形断面形状の排気ガス流通ダクトを構成することになる。

各ヒートパイプは、筒状体であり、一端側が冷媒充填のための冷媒補充口（図示しない）と連通しており、他端側は閉塞されている。加熱部２ｃを囲む前記筒状箱体よりも上側には、各ヒートパイプの断熱部２ｂが形成され、ヒートパイプの表面や周囲を断熱する構成を採用することにより加熱部２ｃで蒸発したヒートパイプ内の冷媒が凝縮することを防止している。この断熱部２ｂよりも上側には、ヒートパイプの冷却部２ａが形成され、ヒートパイプの断熱部２ｂ表面と隔絶するように冷却部２ａを完全に取り囲む扁平箱体状のタンク１０が設けられている。タンク１０には、図１および図２に示す車両エンジン１と連通する配管が接続される冷却水流入口１１および冷却水流出口１２が備えられている。そして、ウォーターポンプ６の吸い込みにより車両エンジン１から流れ出た冷却水は、配管内を通り冷却水流入口１１から流入して、タンク１０の内部に配置されたヒートパイプの冷却部２ａを介して冷媒の凝縮潜熱を受け取って温められて冷却水流出口１２から流出し、ウォーターポンプ６を経由して再び車両エンジン１に戻ることになる。また、ヒートパイプは、排気ガス流れ方向と垂直な方向で、図３の奥行き方向にも複数列配設されている。

各ヒートパイプにはその加熱部２ｃにおいて、伝熱用のフィンが設けられ、このフィンの面積は、排気ガスの流れ方向の最も下流に位置するヒートパイプ１５よりも最も上流に位置するヒートパイプ１３における面積の方が小さく構成されている。つまり、排気ガスが加熱部２ｃの周囲を通って流れる最も下流に位置するヒートパイプ１５における排熱回収面積よりも、最も上流に位置するヒートパイプ１３における排熱回収面積の方を小さくなるように構成するものである。

好ましくは、排気ガス流れ方向の上流側に位置するヒートパイプほど排気ガスの排熱を多く受熱するため、ヒートパイプ１３、１４、１５の順に上流側の位置に存在するヒートパイプほど、排熱回収面積に相当するフィンの面積が小さくなるように構成するのがよい。このフィンは、各ヒートパイプによって貫通されるような形態で設けられ、ヒートパイプ１３にはフィン１６がその周囲を取り囲むような形態で結合し、ヒートパイプ１４にはフィン１６およびフィン１７がその周囲を取り囲むような形態で結合し、ヒートパイプ１５にはフィン１６、フィン１７、およびフィン１８がその周囲を取り囲むような形態で結合している。また、言い換えれば、フィン１８、フィン１７、フィン１６が加熱部４０ｃの上部から下方に向けて所定間隔を設けて順番に配列され、この順番の配列が加熱部２ｃの上端部から下端部に至るまで繰り返されて、加熱部４０ｃにおける各ヒートパイプがこれらのフィンすべてを貫通するような形態で各ヒートパイプとフィンが結合している構成とする。また、これらのフィン１６、１７、１８の配置は、図３の奥行き方向に複数列配置されているヒートパイプについても、図３の左右方向と同様に、フィンの面積が、排気ガスの流れ方向の最も下流に位置するヒートパイプ１５よりも最も上流に位置するヒートパイプ１３における面積の方が小さくなるように構成されている。

上記構成に基づく排熱回収装置２の作動について説明する。車両エンジン１が作動されると、これとともにウォーターポンプ６が作動し、冷却水はラジエータ回路８、ヒータ回路９などを循環する。ヒータ回路９などを循環する冷却水は、排熱回収装置２の冷却部２ａの周囲を流通する。また、車両エンジン１で燃焼された燃料の排気ガスは、排気管３内を通り、排熱回収装置２の加熱部２ｃの周囲を通った後、さらに排気管を通じて大気中に排出される。

排熱回収装置２において、各ヒートパイプ内の冷媒は、加熱部２ｃにおいて、前記排気管３に連通する前記筒状箱体内を流れる排気ガスから受熱して沸騰気化し、蒸気となってヒートパイプ内を上昇し、冷却部２ａ内に流れ込む。冷却部２ａ内へ流入した蒸気は、タンク１０内を流れる冷却水によって冷却され、内壁に設けられたウィックによって凝縮水となって重力によって下降し、加熱部２ｃへ還流する。

このように、排気ガスの熱が冷媒に伝達されて加熱部２ｃから冷却部２ａへ輸送され、この冷却部２ａで蒸気が凝縮する際に凝縮潜熱として放出され、タンク１０内を流れる冷却水が加熱されることになる。なお、排気ガスの排熱の中には、各ヒートパイプの壁面を介して熱伝導によって加熱部２ｃから冷却部２ａに移動される分も存在する。

そして、車両エンジン１の負荷に応じて増加する排気熱量に伴って、所定負荷までは加熱部２ｃから冷却部２ａに輸送される熱量、すなわち、冷却水への伝熱量が増加することになる。以上をヒートパイプによる排熱回収スイッチのＯＮという。

このように、外気温が比較的低い時に車両エンジン１を始動した場合、ヒートパイプによる排熱回収スイッチがＯＮされ、積極的に冷却水が加熱され、車両エンジン１の暖機が促進されることになるので、車両エンジン１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て燃費性能を向上することができる。また、冷却水を加熱源とするヒータ５の暖房性能を向上することもできる。

一方、車両エンジン１の負荷が所定負荷より増加し、排気熱量がさらに増加していくと、加熱部２ｃにおける水の蒸発が促進され、冷却部２ａ側、つまり上方に向かう蒸気流速が増大することになる。そして、この時の蒸気流速の増大によって、冷却部２ａで凝縮された凝縮水の下降が阻止されて、凝縮水はウィックで保水されたままとなる。すると、加熱部２ｃの水は蒸発しきってしまってドライアウトが発生し、水の蒸発、凝縮による熱輸送が停止されてしまう。このような状況においては、冷却水側に伝達される熱量がヒートパイプを介した熱伝導のみとなる。以上をヒートパイプによる排熱回収スイッチのＯＦＦという。なお、前記ヒートパイプによる排熱回収スイッチのＯＮ、ＯＦＦの切替えが、熱スイッチ機能に対応するものである。

したがって、車両エンジン１の負荷増加に伴い排気熱量が高くなる中で、排熱回収をそのまま継続すると、冷却水の温度が上昇しすぎて、ラジエータ４での放熱能力を超えてしまい、オーバーヒートに至ってしまう。これを、前述の排熱回収スイッチのＯＦＦへの切替えにより、防止することができる。 このように本実施形態の排熱回収装置は、車両エンジン１による排気ガスの排熱を車両エンジン１の冷却水へ輸送するために複数個のヒートパイプ１３〜１５は、排気ガスが流通する排気管３内に排気ガスの流れ方向に複数列配列されている加熱部２ｃと、ヒートパイプ内の冷媒が加熱部２ｃにおいて気化して移動し、外部を流れる前記冷却水によって凝縮される冷却部２ａと、を備え、加熱部２ｃにおける排熱回収面積は、前記排気ガスが流れる最も下流に位置するヒートパイプ１５における排熱回収面積よりも、最も上流に位置するヒートパイプ１３における排熱回収面積の方を小さくなるように構成されている。この構成によれば、上流側のヒートパイプの排熱吸収量を小さくできるので、排気ガス流れ方向の下流側になるほどヒートパイプの周囲温度が低下して熱回収効率が低下することを解消して、前記流れ方向に配列したヒートパイプの排熱回収効率を均等に近づけることができる。また、この構成によれば、ヒートパイプの加熱部と冷却部における表面温度差が前記排気ガス流れ方向の上流側が大きいことによる、前記上流側のヒートパイプから順番にドライアウトしていく現象を防ぐことができ、前記流れ方向に複数個配列したヒートパイプのドライアウト特性を均等に近づけることができる。

また、加熱部２ｃに伝熱用のフィン１６、１７、１８を設け、これらのフィンの面積を、最も下流に位置するヒートパイプ１５よりも最も上流に位置するヒートパイプ１３における面積の方を小さくする構成としている。この構成を採用した場合には、前記上流側のヒートパイプの排熱吸収量を小さくして前記流れ方向に配列したヒートパイプの排熱回収効率やドライアウト特性を均等に近づけることができる。

（第２実施形態）
本実施形態では、第１実施形態と異なる排熱回収装置の構成を図４を用いて説明する。また、本実施形態に示す排熱回収装置３０の構成は、前述の図３に示す排熱回収装置と比較して、各ヒートパイプの長さ関係、および伝熱用のフィンを備えていないこと、が異なるが、排熱回収装置３０と車両エンジン１との関係や冷却水経路、排熱回収装置３０の作動についての説明は、第１実施形態と同様であり、第１実施形態に委ね、ここでは省略する。図４は、本実施形態における排熱回収装置の構成を示した模式図である。

図４に示すように、排熱回収装置３０を構成する各ヒートパイプは、その長手方向が上下方向となる姿勢で使用され、下側に加熱部３０ｃと、上側に冷却部３０ａと、加熱部３０ｃと冷却部３０ａの間に断熱部３０ｂとを備えた、いわゆるボトムヒート型で構成されている。ヒートパイプ２４、２５、２６、２７、２８は、外形が略台形形状をなすサイドプレート３５などにより加熱部３０ｃの周囲を囲まれ、排気ガスの流れ方向を開放する流入口２９および流出口３１を形成した筒状箱体内に、排気ガスの流れ方向の上流から下流に向けて順に配置されている。ヒートパイプ２４〜２８の長さは、排気ガス流れ方向の最も下流に位置するヒートパイプ２８よりも最も上流に位置するヒートパイプ２４の方が短くなるように構成されている。好ましくは、排気ガス流れ方向の上流側に位置するヒートパイプほど排気ガスの排熱を多く受熱するため、ヒートパイプ２４、２５、２６、２７、２８の順に上流側の位置に存在するヒートパイプほど、その長さが短くなっていくように構成するのがよい。また、加熱部３０ｃを囲む前記筒状箱体は、流入口２９の周囲に形成された上流側フランジ３２、および流出口３１の周囲に形成された下流側フランジ３３を介して排気管３と接続されている。この排気管３との接続により、前記筒状箱体の内部は、略矩形断面形状の排気ガス流通ダクトを構成することになる。

各ヒートパイプの加熱部３０ｃを囲む前記筒状箱体よりも上側には、各ヒートパイプの断熱部３０ｂが形成され、この断熱部３０ｂよりも上側には、ヒートパイプの冷却部３０ａが形成され、ヒートパイプの断熱部３０ｂ表面と隔絶するように冷却部３０ａを完全に取り囲む扁平箱体状のタンク３４が設けられている。タンク３４には、図１および図２に示す車両エンジン１と連通する配管が接続される冷却水流入口１１および冷却水流出口１２が備えられている。そして、ウォーターポンプ６の吸い込みにより車両エンジン１から流れ出た冷却水は、配管内を通り冷却水流入口１１から流入して、タンク３４の内部に配置されたヒートパイプの冷却部３０ａを介して冷媒の凝縮潜熱を受け取って温められて冷却水流出口１２から流出し、ウォーターポンプ６を経由して再び車両エンジン１に戻ることになる。また、ヒートパイプは、排気ガス流れ方向と垂直な方向で、図４の奥行き方向にも複数列配設されている。 このように本実施形態の排熱回収装置によれば、加熱部２ｃを構成する複数個のヒートパイプ２４〜２８の長さは、排気ガス流れ方向の最も下流に位置するヒートパイプ２８よりも最も上流に位置するヒートパイプ２４の方を短くする構成としている。この構成を採用した場合には、前記上流側のヒートパイプの排熱吸収量を小さくすることができるので、排気ガス流れの下流側になるほどヒートパイプの周囲温度が低下して熱回収効率が低下することを解消して、前記流れ方向に配列した複数のヒートパイプの排熱回収効率やドライアウト特性を均等に近づけ、優れた性能の排熱回収装置が得られる。

（第３実施形態）
本実施形態では、第１および第２実施形態と異なる排熱回収装置の構成を図５および図６を用いて説明する。また、本実施形態に示す排熱回収装置４０の構成は、前述の図３に示す排熱回収装置と比較して、各ヒートパイプの冷媒流路断面積の関係、および伝熱用のフィンの構成、が異なるが、排熱回収装置４０と車両エンジン１との関係や冷却水経路、排熱回収装置４０の作動についての説明は、第１実施形態と同様であり、第１実施形態に委ね、ここでは省略する。図５は、本実施形態における排熱回収装置の構成を示した模式図であり、図６は、排熱回収装置におけるヒートパイプの管内構成を示した断面図である。

図５に示すように、排熱回収装置４０を構成する断面が扁平状の各ヒートパイプは、その長手方向が上下方向となる姿勢で使用され、下側に加熱部４０ｃと、上側に冷却部４０ａと、加熱部４０ｃと冷却部４０ａの間に断熱部４０ｂとを備えた、いわゆるボトムヒート型で構成されている。

ヒートパイプ１３、１４、１５は、外形が略四角形状をなすサイドプレート３７などにより加熱部４０ｃの周囲を囲まれ、排気ガスの流れ方向を開放する流入口１９および流出口２０を形成した筒状箱体内に、排気ガスの流れ方向の上流側から順に配置されている。また、加熱部４０ｃを囲む前記筒状箱体は、流入口１９の周囲に形成された上流側フランジ２１、および流出口２０の周囲に形成された下流側フランジ２２を介して排気管３と接続されている。この排気管３との接続により、前記筒状箱体の内部は、略矩形断面形状の排気ガス流通ダクトを構成することになる。

この断熱部４０ｂよりも上側には、ヒートパイプの冷却部４０ａが形成され、断熱部４０ｂ表面と隔絶するように冷却部４０ａを完全に取り囲む扁平箱体状のタンク１０が設けられている。タンク１０には、図１および図２に示す車両エンジン１と連通する配管が接続される冷却水流入口１１および冷却水流出口１２が備えられている。そして、ウォーターポンプ６の吸い込みにより車両エンジン１から流れ出た冷却水は、配管内を通り冷却水流入口１１から流入して、タンク１０の内部に配置されたヒートパイプの冷却部４０ａを介して冷媒の凝縮潜熱を受け取って温められて冷却水流出口１２から流出し、ウォーターポンプ６を経由して再び車両エンジン１に戻ることになる。また、ヒートパイプは、排気ガス流れ方向と垂直な方向で、図５の奥行き方向にも複数列配設されている。

各ヒートパイプにはその加熱部４０ｃにおいて、伝熱用のフィン３６が設けられ、どのヒートパイプ１３、１４、１５についても同様にフィン３６がヒートパイプの周囲を取り囲むような形態で結合している。また、言い換えれば、複数個のフィン３６が加熱部４０ｃの上下方向に所定間隔を設けて配列され、加熱部４０ｃにおける各ヒートパイプがこれらのフィン３６すべてを貫通するような形態で各ヒートパイプとフィン３６が結合している。また、フィン３６は、図５の奥行き方向に複数列配置されているヒートパイプについても、図５の左右方向と同様に設けられている。 図６に示すように、排気ガス流れ方向に配列するヒートパイプ１３〜１５の内部で仕切られた冷媒流路断面積は、排気ガス流れの最も下流に位置するヒートパイプ１５よりも最も上流に位置するヒートパイプ１３の方を大きくする構成とする。好ましくは、排気ガス流れ方向の上流側に位置するヒートパイプほど排気ガスの排熱を多く受熱するため、冷媒蒸気流速は速くなるため、ヒートパイプ１３、１４、１５の順に上流側の位置に存在するヒートパイプほど、その冷媒流路断面積が大きくなるように構成するのがよい。このヒートパイプの冷媒流路断面積の調整は、管内にフィンや仕切板を設けることで、流路分割数を増加することを利用している。例えば、最も上流に位置するヒートパイプ１３については、その管内に２枚の仕切板を管の長手方向に平行に設け、最も下流に位置するヒートパイプ１５については、その管内に４枚の仕切板を管の長手方向に平行に設け、ヒートパイプ１３と１５の間に位置するヒートパイプ１４については、その管内に３枚の仕切板を管の長手方向に平行に設けるように構成している。

このように本実施形態の排熱回収装置によれば、加熱部４０ｃを構成するヒートパイプ１３〜１５内の冷媒流路断面積は、排気ガス流れの最も下流に位置するヒートパイプ１５よりも最も上流に位置するヒートパイプ１３の方を大きくする構成としている。この構成を採用した場合には、ヒートパイプ内における液流の還流を阻害する冷媒蒸気の流速は、ヒートパイプの冷媒流路断面積に反比例することを利用して、上流側に位置するヒートパイプ内の冷媒蒸気流速を小さくするように設計することにより、流れ方向に配列される複数のヒートパイプのドライアウト特性を均等となるように近づけることができるので、優れた性能を有する排熱回収装置が得られることになる。

第１実施形態の排熱回収装置と車両エンジン等との関係を示した模式図である。 第１実施形態の排熱回収装置と車両エンジン等との他の関係を示した模式図である。 第１実施形態における排熱回収装置の構成を示した模式図である。 第２実施形態における排熱回収装置の構成を示した模式図である。 第３実施形態における排熱回収装置の構成を示した模式図である。 第３実施形態の排熱回収装置におけるヒートパイプの管内構成を示した断面図である。

符号の説明

１ 車両エンジン
２、３０、４０ 排熱回収装置
２ａ 冷却部
２ｂ 断熱部
２ｃ 加熱部
３ 排気管
１３〜１５ ヒートパイプ
１６〜１８ フィン
２４〜２８ ヒートパイプ

Claims (4)

1. 車両エンジン（１）による排気ガスの排熱を前記車両エンジン（１）の冷却水へ輸送するために複数個のヒートパイプ（１３〜１５）によって排熱回収を行う排熱回収装置であって、
   前記複数個のヒートパイプ（１３〜１５）は、前記排気ガスが流通する排気管（３）内に前記排気ガスの流れ方向に複数列配列されている加熱部（２ｃ）と、
   前記ヒートパイプ内の冷媒が前記加熱部（２ｃ）において気化して移動し、外部を流れる前記冷却水によって凝縮される冷却部（２ａ）と、を備え、
   前記加熱部（２ｃ）における排熱回収面積は、前記排気ガスが前記加熱部（２ｃ）の周囲を通って流れる最も下流に位置するヒートパイプ（１５）における排熱回収面積よりも、最も上流に位置するヒートパイプ（１３）における排熱回収面積の方を小さくなるように構成したことを特徴とする排熱回収装置。
2. 前記加熱部（２ｃ）に伝熱用のフィン（１６、１７、１８）を設け、前記フィンの面積は、前記最も下流に位置するヒートパイプ（１５）よりも前記最も上流に位置するヒートパイプ（１３）における面積の方を小さくしたことを特徴とする請求項１に記載の排熱回収装置。
3. 前記加熱部（３０ｃ）を構成する複数個のヒートパイプ（２４〜２８）の長さは、前記最も下流に位置するヒートパイプ（２８）よりも前記最も上流に位置するヒートパイプ（２４）の方を短くしたことを特徴とする請求項１に記載の排熱回収装置。
4. 前記加熱部（４０ｃ）を構成するヒートパイプ（１３〜１５）内の冷媒流路断面積は、前記最も下流に位置するヒートパイプ（１５）よりも前記最も上流に位置するヒートパイプ（１３）の方を大きくしたことを特徴とする請求項１に記載の排熱回収装置。

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