JP2007024423A - 排熱回収装置 - Google Patents
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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
【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
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。
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。
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。
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。
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
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)
- 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。 - 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。
- 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。
- 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。
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP2005208996A JP2007024423A (ja) | 2005-07-19 | 2005-07-19 | 排熱回収装置 |
Applications Claiming Priority (1)
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JP2005208996A JP2007024423A (ja) | 2005-07-19 | 2005-07-19 | 排熱回収装置 |
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Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
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-
2005
- 2005-07-19 JP JP2005208996A patent/JP2007024423A/ja not_active Withdrawn
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