JP2008303728A - 排気熱回収器 - Google Patents

Abstract

【課題】傾斜時においても熱交換性能を確保することができる排気熱回収器を提供する。
【解決手段】内燃機関を走行用駆動源とする車両に搭載され、排気ガス経路内に配置され、排気ガスと内部に封入された作動流体との間で熱交換を行い、作動流体を蒸発させる蒸発部１と、冷却水経路内に配置され、蒸発部１で蒸発した作動流体と冷却水との間で熱交換を行い、作動流体を凝縮させる凝縮部２とを備える排気熱回収器において、蒸発部１および凝縮部２を、作動流体が循環する閉ループ状流路内に、略水平方向に隣接するように配置し、蒸発部１で蒸発した作動流体を凝縮部２に導く蒸発側連結部７１と、凝縮部２で凝縮した作動流体を蒸発部１に導く凝縮側連結部７２とを設け、蒸発側連結部７１の少なくとも一部を、水平状態の車両に搭載された際に、蒸発部１側よりも凝縮部２側の方が下側になるように傾斜した傾斜部とし、傾斜部を凝縮部２に接続する。
【選択図】図１

Description

本発明は、自動車等の車両に用いられる排気熱回収器に関する。

近年、ヒートパイプの原理を利用して車両のエンジンの排気系から排気ガスの排気熱を回収して、この排気熱を暖機促進等に利用する技術が知られている。このような排気熱回収器は、エンジンの排気管内にヒートパイプの蒸発部を配設するとともに、エンジンの冷却水経路内にヒートパイプの凝縮部を配設し、排気ガスの排気熱によって冷却水を加熱している（例えば、特許文献１参照）。

また、ヒートパイプの原理を利用した熱交換器として、ループ型ヒートパイプ式熱交換器が提案されている（例えば、特許文献２参照）。これは、閉ループを形成する密閉された循環経路と、循環経路内に封入され、蒸発および凝縮可能な伝熱流体と、循環経路に配設され、外部からの入熱により作動流体を蒸発させる蒸発部と、循環経路の蒸発部より高い位置に配設され、蒸発部で蒸発した伝熱流体と外部からの被伝熱流体との間で熱交換を行う凝縮部とを有するものである。
特開昭６２−２６８７２２号公報 特開平４−４５３９３号公報

車両への搭載性に有利な、簡素でコンパクトな構造の排気熱回収器を提供しようとする場合、蒸発部と凝縮部を一体に構成する事が望ましい。一例を示すと、図４に示すような、複数本のヒートパイプＪ３を有する蒸発部Ｊ１と凝縮部Ｊ２とが水平方向に隣接して配置され、蒸発部Ｊ１で蒸発した作動流体を凝縮部Ｊ２に導く蒸発側連結部Ｊ７１と、凝縮部Ｊ２で凝縮した作動流体を蒸発部Ｊ１に導く凝縮側連結部Ｊ７２とを備えるような構成が考えられる。

このような構成の排気熱回収器において、蒸発部Ｊ１で蒸発した作動流体が、蒸発側連結部Ｊ７１を通過する際に外気によって冷却され、凝縮する場合がある。このとき、車両が傾斜して、図５に示すように、排気熱回収器が蒸発部Ｊ１が凝縮部Ｊ２より鉛直方向下側になるように水平方向に対して傾斜すると、蒸発側連結部Ｊ７１で凝縮した作動流体が蒸発部Ｊ１に戻ってしまう。これにより、作動流体の循環が阻害され、熱交換性能が低下するという問題がある。

ところで、排気熱回収器は、例えば冬季の始動時等には、排気熱を回収することで早期に冷却水温度を上昇させることができるため、燃費や暖房性能を向上させることができる。一方、夏季のエンジン高負荷時等には、オーバーヒートを回避するために蒸発部Ｊ１から凝縮部Ｊ２への熱の移動を遮断する、すなわち排気熱の回収を停止する必要がある。このため、排気熱回収器に、作動流体の循環を停止させる弁機構Ｊ６を設けることが望ましい。

このような弁機構Ｊ６を備える排気熱回収器では、弁機構Ｊ６が閉じている場合に、排気熱回収器が蒸発部Ｊ１が凝縮部Ｊ２より下方側になるように水平方向に対して傾斜すると、凝縮部Ｊ２に貯留されている作動流体が逆流して蒸発部Ｊ１に戻り、これにより熱遮断性能が低下する可能性がある。

本発明は、上記点に鑑み、傾斜時においても熱交換性能を確保することができる排気熱回収器を提供することを目的とする。本発明の他の目的は、作動流体の循環を停止させる弁機構を備える場合に、傾斜時においても熱遮断性能を確保することにある。

上記目的を達成するため、本発明では、内燃機関を走行用駆動源とする車両に搭載され、内燃機関から排出された排気ガスが流通する排気ガス経路内に配置され、排気ガスと内部に封入された蒸発および凝縮可能な作動流体との間で熱交換を行い、作動流体を蒸発させる蒸発部（１）と、内燃機関の冷却水が流通する冷却水経路内に配置され、蒸発部（１）で蒸発した作動流体と冷却水との間で熱交換を行い、作動流体を凝縮させる凝縮部（２）とを備える排気熱回収器であって、蒸発部（１）および凝縮部（２）が、作動流体が循環する閉ループ状流路内に配置されており、蒸発部（１）および凝縮部（２）は、略水平方向に隣接するように配置されており、蒸発部（１）で蒸発した作動流体を凝縮部（２）に導く蒸発側連結部（７１）と、凝縮部（２）で凝縮した作動流体を蒸発部（１）に導く凝縮側連結部（７２）とを備え、蒸発側連結部（７１）の少なくとも一部は、水平状態の車両に搭載された際に、蒸発部（１）側よりも凝縮部（２）側の方が下側になるように傾斜した傾斜部になっており、傾斜部は、凝縮部（２）に接続されていることを特徴としている。

このように、予め蒸発側連結部（７１）を、蒸発部（１）側よりも凝縮部（２）側の方が下側になるように傾斜させることで、排気熱回収器全体が、蒸発部（１）が凝縮部（２）より下側になるように傾斜した場合に、蒸発側連結部（７１）内で凝縮した作動流体が蒸発部（１）に戻り、作動流体の循環が阻害されることを抑制できる。これにより、傾斜時においても熱交換性能を確保することが可能となる。

また、上記特徴の排気熱回収器において、蒸発側連結部（７１）は、水平状態の車両に搭載された際に蒸発部（１）側よりも凝縮部（２）側の方が下側になるように傾斜していてもよい。

これによれば、水平状態の車両に搭載された際に凝縮部（２）の上端部が蒸発部（１）の上端部より下方側になるように配置されている排気熱回収器において、蒸発側連結部（７１）全体を蒸発部（１）側よりも凝縮部（２）側の方が下側になるように傾斜させる簡易な構成で、蒸発部（１）が凝縮部（２）より下側になるように排気熱回収器が傾斜した場合に作動流体の循環が阻害されることを抑制し、熱交換性能を確保することが可能となる。

また、上記特徴の排気熱回収器において、蒸発側連結部（７１）は、水平状態の車両に搭載された際に蒸発部（１）側よりも凝縮部（２）側の方が下側になるように傾斜した第１の傾斜部（７１１）と、水平状態の車両に搭載された際に蒸発部（１）側よりも凝縮部（２）側の方が上側になるように傾斜した第２の傾斜部（７１２）とを有しており、第１の傾斜部（７１１）は、凝縮部（２）に接続されていてもよい。

これによれば、水平状態の車両に搭載された際に、凝縮部（２）の上端部が蒸発部（１）の上端部より上方側、もしくは凝縮部（２）の上端部と蒸発部（１）の上端部とが鉛直方向において同位置になるように配置されている排気熱回収器においても、蒸発部（１）が凝縮部（２）より下側になるように排気熱回収器が傾斜した場合に作動流体の循環が阻害されることを抑制し、熱交換性能を確保することが可能となる。

また、上記特徴の排気熱回収器において、水平状態の車両に搭載された際に、凝縮側連結部（７２）は、蒸発部（１）側よりも凝縮部（２）側の方が上側になるように傾斜していてもよい。

これによれば、排気熱回収器全体が、蒸発部（１）が凝縮部（２）より上側になるように傾斜した場合に、蒸発部（１）と凝縮部（２）の水頭差が小さくなるのを抑制することができる。これにより、傾斜時においても、凝縮部（２）から蒸発部（１）に十分な量の作動流体を還流させることができるため、熱交換性能を確保することが可能となる。

また、排気熱回収器全体が、蒸発部（１）が凝縮部（２）より上側になるように傾斜した場合に、凝縮側連結部（７２）内に作動流体が残留してしまうことを防止できる。このため、低温環境下における凝縮側連結部（７２）の閉塞や破損を防止することができる。

また、上記各特徴の排気熱回収器において、凝縮部（２）における下流側に設けられ、凝縮した作動流体が蒸発部（１）に流入する流路を開閉する弁機構（６）を設けてもよい。

これによれば、弁機構（６）が閉じている場合に、蒸発部（１）が凝縮部（２）より下側になるように排気熱回収器が傾斜したときに、凝縮部（２）に貯留されている作動流体が逆流して蒸発部（１）に戻り、熱遮断性能が低下することを抑制できる。したがって、弁機構（６）を備える場合に、傾斜時における熱遮断性能を確保することが可能となる。

なお、上記各手段の括弧内の符号は、後述する実施形態に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）
以下、本発明の第１実施形態について図１に基づいて説明する。本実施形態の排気熱回収器は、車両のエンジン（内燃機関）の排気系から排気ガスの排気熱を回収して、この排気熱を暖機促進等に利用するものである。

図１は、本第１実施形態に係る排気熱回収器を示す断面図である。図１に示すように、本実施形態の排気熱回収器は、蒸発部１と凝縮部２とを備えている。

蒸発部１は、図示しないエンジンの排気筒内に配置される第１の筐体１００内に設けられている。また、蒸発部１は、排気ガスと後述する作動流体との間で熱交換を行い、作動流体を蒸発させるようになっている。

凝縮部２は、排気筒の外部に設けられており、図示しないエンジンの冷却水経路内に配置される第２の筐体２００内に設けられている。また、凝縮部２は、蒸発部１で蒸発した作動流体とエンジン冷却水との間で熱交換を行い、作動流体を凝縮させるようになっている。第２の筐体２００には、エンジンの冷却水出口側に接続される冷却水流入口２０１と、エンジンの冷却水入口側に接続される冷却水流出口２０２とが設けられている。

蒸発部１および凝縮部２は、水平方向に隣接するように配置されている。通常、排気筒は車両前後方向に渡って設けられているため、蒸発部１および凝縮部２の配置方向は、車両幅方向に一致している。

次に、蒸発部１の構成について説明する。

蒸発部１は、複数本の蒸発側ヒートパイプ３ａと、蒸発側ヒートパイプ３ａの外表面に接合されたコルゲートフィン４ａとを有している。蒸発側ヒートパイプ３ａは、排気ガスの流通方向（紙面垂直方向）が長径方向と一致するように扁平状に形成されているとともに、その長手方向が鉛直方向に一致するように複数本平行に配置されている。

蒸発部１において、蒸発側ヒートパイプ３ａ長手方向両端部には、蒸発側ヒートパイプ３ａ積層方向に延びて、全ての蒸発側ヒートパイプ３ａと連通する蒸発側ヘッダ５ａがそれぞれ設けられている。蒸発側ヘッダ５ａのうち、排気熱回収器の上端側に配置される蒸発側ヘッダ５ａを第１の蒸発側ヘッダ５１ａといい、下端側に配置される蒸発側ヘッダ５ａを第２の蒸発側ヘッダ５２ａという。

次に、凝縮部２の構成について説明する。

凝縮部２は、複数本の凝縮側ヒートパイプ３ｂと、凝縮側ヒートパイプ３ｂの外表面に接合されたコルゲートフィン４ｂとを有している。凝縮側ヒートパイプ３ｂは、排気ガスの流通方向（紙面垂直方向）が長径方向と一致するように扁平状に形成されているとともに、その長手方向が鉛直方向に一致するように複数本平行に配置されている。

凝縮部２において、凝縮側ヒートパイプ３ｂ長手方向両端部には、凝縮側ヒートパイプ３ｂ積層方向に延びて、全ての凝縮側ヒートパイプ３ｂと連通する凝縮側ヘッダ５ｂがそれぞれ設けられている。凝縮側ヘッダ５ｂのうち、排気熱回収器の鉛直方向上端側に配置される凝縮側ヘッダ５ｂを第１の凝縮側ヘッダ５１ｂといい、鉛直方向下端側に配置される凝縮側ヘッダ５ｂを第２の凝縮側ヘッダ５２ｂという。

また、第２の凝縮側ヘッダ５２ｂ内には、弁機構６が配設されている。弁機構６は、凝縮側ヒートパイプ３ｂと、第２の蒸発側ヘッダ５２ａとを接続する流路を形成するとともに、蒸発側ヒートパイプ３ａの内圧（作動流体の圧力）に応じて流路を開閉するダイアフラム式の開閉手段となっている。具体的には、弁機構６は、通常の開弁状態から、所定の冷却水温において内圧が上昇して第１の所定圧力を超えると閉弁し、逆に内圧が低下して、第１の所定圧力より低い第２の所定圧力を下回ると、再び開弁するように構成されている。

また、蒸発側ヘッダ５ａと凝縮側ヘッダ５ｂは、筒状の連結部７を介して連通状態に接続されている。そして、蒸発側、凝縮側ヒートパイプ３ａ、３ｂ、蒸発側、凝縮側ヘッダ５ａ、５ｂおよび連結部７によって閉ループが形成されており、これらの内部に水やアルコール等の蒸発・凝縮可能な作動流体が封入されている。これにより、作動流体は蒸発部１および凝縮部２を循環するようになっている。

ここで、二つの連結部７のうち、上方側に配置され、第１の蒸発側ヘッダ５１ａと第１の凝縮側ヘッダ５１ｂとを接続し、蒸発部１で蒸発した作動流体を凝縮部２に導くものを蒸発側連結部７１という。また、二つの連結部７のうち、下方側に配置され、第２の蒸発側ヘッダ５２ａと第２の凝縮側ヘッダ５２ｂとを接続し、凝縮部２で凝縮された作動流体を蒸発部１に導くものを凝縮側連結部７２という。

第１の凝縮側ヘッダ５１ｂは、排気熱回収器が水平状態の車両に搭載された際に、第１の蒸発側ヘッダ５１ａより下方側になるように配置されている。一方、第２の凝縮側ヘッダ５２ｂは、排気熱回収器が水平状態の車両に搭載された際に、第２の蒸発側ヘッダ５２ａより上方側になるように配置されている。なお、凝縮側連結部７２は、凝縮部２側の端部が第２の凝縮側ヘッダ５２ｂに接続されており、蒸発部１側の端部が複数の蒸発側ヒートパイプ３ａのうち最も凝縮部２に近い側のヒートパイプ３０ａに接続されている。

そして、蒸発側連結部７１は、排気熱回収器が水平状態の車両に搭載された際に、蒸発部１側よりも凝縮部２側の方が下側になるように傾斜配置されている。換言すると、蒸発側連結部７１は、排気熱回収器が水平状態の車両に搭載された際に、凝縮部２に近い側の部位が凝縮部２から遠い側の部位より下方側になるように、すなわち凝縮部２に近づくにつれて下方側に位置するように、水平方向に対して傾斜している。本実施形態では、蒸発側連結部７１の水平方向に対する傾斜角度θ_１を、３°〜２０°の範囲内としている。なお、蒸発側連結部７１全体が、本発明の傾斜部に相当している。

また、本実施形態では、凝縮側連結部７２は、排気熱回収器が水平状態の車両に搭載された際に、蒸発部１側よりも凝縮部２側の方が上側になるように傾斜配置されている。換言すると、凝縮側連結部７２は、排気熱回収器が水平状態の車両に搭載された際に、凝縮部２に近い側の部位が凝縮部２から遠い側の部位より上方側になるように、すなわち凝縮部２に近づくにつれて上方側に位置するように、水平方向に対して傾斜している。本実施形態では、凝縮側連結部７２の水平方向に対する傾斜角度θ_２を、３°〜２０°の範囲内としている。

以上説明したように、予め蒸発側連結部７１全体を、蒸発部１側よりも凝縮部２側の方が下側になるように傾斜させることで、排気熱回収器全体が蒸発部１が凝縮部２より下側になるように傾斜した場合に、蒸発側連結部７１内で凝縮した作動流体が蒸発部１に戻り、作動流体の循環が阻害されることを抑制できる。これにより、傾斜時においても熱交換性能を確保することが可能となる。

また、予め凝縮側連結部７２を、蒸発部１側よりも凝縮部２側の方が上側になるように傾斜させることで、排気熱回収器全体が蒸発部１が凝縮部２より上側になるように傾斜した場合に、蒸発部１と凝縮部２の水頭差が小さくなるのを抑制することができる。これにより、傾斜時においても、凝縮部２から蒸発部１に十分な量の作動流体を還流させることができるため、熱交換性能を確保することが可能となる。さらに、排気熱回収器全体が蒸発部１が凝縮部２より上側になるように傾斜した場合に、凝縮側連結部７２内に作動流体が残留してしまうことを防止できる。このため、低温環境下における凝縮側連結部７２の閉塞や破損を防止することができる。

ところで、通常想定される路面の車両幅方向の傾斜角度は２０°以下である。このため、蒸発側連結部７１の水平方向に対する傾斜角度θ_１および凝縮側連結部７２の水平方向に対する傾斜角度θ_２を、ともに３°〜２０°の範囲内とすることで、通常想定される範囲の路面の傾斜に対応することができる。

また、本実施形態では、第２の凝縮側ヘッダ５２ｂ内に、凝縮部２から蒸発部１への作動流体の流れを制御する弁機構６が配設されている。この場合、弁機構６が閉じると、凝縮部２内に作動流体が貯留される。このとき、蒸発部１が凝縮部２より下側になるように排気熱回収器が傾斜すると、凝縮部２に貯留されている作動流体が逆流して蒸発部１に戻り、熱遮断性能が低下してしまう。

これに対し、本実施形態のように、予め蒸発側連結部７１全体を蒸発部１側よりも凝縮部２側の方が下側になるように傾斜させることで、蒸発部１が凝縮部２より下側になるように排気熱回収器が傾斜した際に、凝縮部２内に貯留された作動流体が逆流して蒸発部１に戻ることを抑制し、熱遮断性能を確保することが可能となる。

（第２実施形態）
次に、本発明の第２実施形態について図２に基づいて説明する。上記第１実施形態と同様の部分については同一の符号を付して説明を省略する。

図２は、本第２実施形態に係る排気熱回収器を示す断面図である。図２に示すように、排気熱回収器が水平状態の車両に搭載された際に、第１の蒸発側ヘッダ５１ａと第１の凝縮側ヘッダ５１ｂは、鉛直方向において同一位置になっている。

蒸発側連結部７１は、排気熱回収器が水平状態の車両に搭載された際に、蒸発部１側よりも凝縮部２側の方が下側になるように傾斜した第１の傾斜部７１１と、蒸発部１側よりも凝縮部２側の方が上側になるように傾斜した第２の傾斜部７１２とから構成されている。本実施形態では、第１の傾斜部７１１の水平方向に対する傾斜角度θ_１１および第２の傾斜部７１２の水平方向に対する傾斜角度θ_１２を、ともに３°〜２０°の範囲内としている。なお、第１の傾斜部７１１が、本発明の傾斜部に相当している。

第１の傾斜部７１１の一端側は、凝縮部２の第１の凝縮側ヘッダ５１ｂに接続されている。また、第２の傾斜部７１２の一端側は、蒸発部１の第１の蒸発側ヘッダ５１ａに接続されている。そして、第１の傾斜部７１１の他端側は、第２の傾斜部７１２の他端側に接続されている。

以上説明したように、蒸発側連結部７１を、蒸発部１側よりも凝縮部２側の方が下側になるように傾斜した第１の傾斜部７１１、および蒸発部１側よりも凝縮部２側の方が上側になるように傾斜した第２の傾斜部７１２により構成することで、水平状態の車両に搭載された際に第１の蒸発側ヘッダ５１ａと第１の凝縮側ヘッダ５１ｂが鉛直方向において同一位置になっている排気熱回収器においても、蒸発部１が凝縮部２より下側になるように排気熱回収器が傾斜した場合に、作動流体の循環が阻害されることを抑制し、熱交換性能を確保することが可能となる。

（他の実施形態）
なお、上記各実施形態では、凝縮側連結部７２を、水平状態の車両に搭載された際に蒸発部１側よりも凝縮部２側の方が上側になるように傾斜配置した例について説明したが、これに限らず、図３に示すように、水平方向に配置してもよい。

また、上記各実施形態では、凝縮部２を、凝縮側ヒートパイプ３ｂをその長手方向が鉛直方向に一致するように複数本平行に配置することにより構成にしたが、これに限らず、凝縮部２は任意の構成にすることができる。

また、上記第２実施形態では、水平状態の車両に搭載された際に、第１の蒸発側ヘッダ５１ａと第１の凝縮側ヘッダ５１ｂとが鉛直方向において同一位置になっている例について説明したが、これに限らず、第１の凝縮側ヘッダ５１ｂが第１の蒸発側ヘッダ５１ａより上方側に配置されていてもよい。

また、上記各実施形態は、上記した範囲以外にも、可能な範囲で適宜組み合わせてもよい。

第１実施形態に係る排気熱回収器を示す断面図である。 第２実施形態に係る排気熱回収器を示す断面図である。 他の実施形態に係る排気熱回収器を示す断面図である。 従来の排気熱回収器を示す断面図である。 従来の排気熱回収器が水平方向に対して傾斜した状態を示す断面図である。

符号の説明

１…蒸発部、２…凝縮部、６…弁機構、７１…蒸発側連結部、７２…凝縮側連結部、７１１…第１の傾斜部、７１２…第２の傾斜部。

Claims (5)

1. 内燃機関を走行用駆動源とする車両に搭載され、
   前記内燃機関から排出された排気ガスが流通する排気ガス経路内に配置され、前記排気ガスと内部に封入された蒸発および凝縮可能な作動流体との間で熱交換を行い、前記作動流体を蒸発させる蒸発部（１）と、
   前記内燃機関の冷却水が流通する冷却水経路内に配置され、前記蒸発部（１）で蒸発した前記作動流体と前記冷却水との間で熱交換を行い、前記作動流体を凝縮させる凝縮部（２）とを備える排気熱回収器であって、
   前記蒸発部（１）および前記凝縮部（２）が、前記作動流体が循環する閉ループ状流路内に配置されており、
   前記蒸発部（１）および前記凝縮部（２）は、略水平方向に隣接するように配置されており、
   前記蒸発部（１）で蒸発した前記作動流体を前記凝縮部（２）に導く蒸発側連結部（７１）と、
   前記凝縮部（２）で凝縮した前記作動流体を前記蒸発部（１）に導く凝縮側連結部（７２）とを備え、
   前記蒸発側連結部（７１）の少なくとも一部は、水平状態の車両に搭載された際に、前記蒸発部（１）側よりも前記凝縮部（２）側の方が下側になるように傾斜した傾斜部になっており、
   前記傾斜部は、前記凝縮部（２）に接続されていることを特徴とする排気熱回収器。
2. 前記蒸発側連結部（７１）は、水平状態の車両に搭載された際に前記蒸発部（１）側よりも前記凝縮部（２）側の方が下側になるように傾斜していることを特徴とする請求項１に記載の排気熱回収器。
3. 前記蒸発側連結部（７１）は、水平状態の車両に搭載された際に前記蒸発部（１）側よりも前記凝縮部（２）側の方が下側になるように傾斜した第１の傾斜部（７１１）と、水平状態の車両に搭載された際に前記蒸発部（１）側よりも前記凝縮部（２）側の方が上側になるように傾斜した第２の傾斜部（７１２）とを有しており、
   前記第１の傾斜部（７１１）は、前記凝縮部（２）に接続されていることを特徴とする請求項１に記載の排気熱回収器。
4. 水平状態の車両に搭載された際に、前記凝縮側連結部（７２）は、前記蒸発部（１）側よりも前記凝縮部（２）側の方が上側になるように傾斜していることを特徴とする請求項１ないし３のいずれか１つに記載の排気熱回収器。
5. 前記凝縮部（２）における下流側に設けられ、凝縮した前記作動流体が前記蒸発部（１）に流入する流路を開閉する弁機構（６）を備えることを特徴とする請求項１ないし４のいずれか１つに記載の排気熱回収器。

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