JP2009058205A - 排気熱回収装置 - Google Patents

Abstract

【課題】小型化可能な排気熱回収装置を提供する。
【解決手段】エンジン１０から排出される排気との熱交換により、内部に封入された作動流体を加熱して蒸発させる蒸発部４０と、エンジン冷却水が循環する排気熱回収回路２１に設けられ、鉛直方向に延びる筒状の形状を備え、蒸発した作動流体とエンジン冷却水との熱交換により作動流体を冷却して凝縮させるとともにエンジン冷却水を加熱する凝縮部５０と、蒸発部４０で蒸発した作動流体を凝縮部５０に流入させる蒸気管６０と、凝縮部５０で凝縮した作動流体を蒸発部４０に還流させる還流管６１と、凝縮部５０の下流側に設けられ、凝縮した作動流体の蒸発部４０への還流を停止させる弁機構８０と、凝縮部５０内に設けられ、凝縮した作動流体よりも小さい密度を有し、作動流体の液面に浮かぶフロート部材７０とを有するように構成する。
【選択図】図２

Description

本発明は、内燃機関から排出される排気熱を回収する排気熱回収装置に関する。

特許文献１には、ループ型のヒートパイプ式熱交換器が開示されている。この熱交換器は、内部に封入された作動流体を外部からの入熱により蒸発させる蒸発部と、蒸発部の上方に配置され、蒸発部で蒸発した作動流体と加熱対象流体との間で熱交換を行い、作動流体を冷却して凝縮させるとともに加熱対象流体を加熱する凝縮部とを有している。蒸発部と凝縮部との間は、蒸気管路及び凝縮管路により環状に接続されている。蒸発部で蒸発した作動流体は蒸気管路を通って凝縮部に流入し、凝縮部で凝縮した作動流体は凝縮管路を通って蒸発部に流入する。
特開平４−４５３９３号公報

上記のヒートパイプ式熱交換器は、車両のエンジンから排出される排気熱を回収してエンジン冷却水等を加熱する排気熱回収装置に適用できる。図４は、ループ型のヒートパイプ１１０を備えた排気熱回収装置１０１の構成を模式的に示す断面図である。図４では、ヒートパイプが作動している状態を示している。図４に示すように、ヒートパイプ１１０の蒸発部１４０は、エンジンからの排気が流通する排気管の途中に介設されたダクト部１１３内に設けられている。また凝縮部１５０は、エンジン冷却水が循環する冷却水回路の途中に介設された水タンク１３１内に設けられている。蒸発部１４０の上部と凝縮部１５０の上部との間は蒸気管１６０により接続され、凝縮部１５０の下部と蒸発部１４０の下部との間は還流管１６１により接続されている。

蒸発部１４０では排気との熱交換によって内部の作動流体が加熱されて蒸発し、蒸発した作動流体は蒸気管１６０を介して凝縮部１５０に流入する。凝縮部１５０では、作動流体とエンジン冷却水との熱交換により作動流体が冷却されて凝縮するとともにエンジン冷却水が加熱される。

蒸発部１４０では蒸発により作動流体の液面位置が低下し、凝縮部１５０では凝縮により作動流体の液面位置が上昇するため、蒸発部１４０と凝縮部１５０との間には液面の高さの差（水頭差）ｈ０が生じる。凝縮部１５０で凝縮した作動流体は、水頭差ｈ０によって還流管１６１を介して蒸発部１４０に還流する。

例えば冬季のエンジン始動時などには、排気熱によってエンジン冷却水の温度を速やかに上昇させることにより、燃費の改善や暖房性能の向上等の効果が得られる。一方、夏季のエンジン高負荷時には、エンジン冷却水の過熱によるエンジンのオーバーヒートを回避するために、排気熱の回収を停止する必要がある。このため、排気熱回収装置１０１には、ヒートパイプ１１０の内圧上昇時に凝縮部１５０から蒸発部１４０への作動流体の還流を停止させる弁機構１７０が設けられている。

図５は、弁機構１７０が閉じられてヒートパイプ１１０の作動が停止した状態での排気熱回収装置１０１を模式的に示す断面図である。図５に示すように、弁機構１７０が閉じられた状態では、凝縮部１５０から蒸発部１４０への作動流体の還流が阻止されるため、凝縮した作動流体は凝縮部１５０内に貯留される。ヒートパイプ１１０内には所定の水頭差ｈ０を生じさせるために比較的多量の作動流体が封入されており、凝縮部１５０は凝縮した全ての作動流体を貯留できる容積を有している必要がある。このため、排気熱回収装置１０１が大型化してしまうという問題が生じていた。

また、排気熱の回収が停止されているときには、凝縮部１５０内の作動流体はエンジン冷却水とほぼ同じ温度（１００℃前後）であるのに対し、蒸発部１４０は高温の排気ガスによる空焚き状態となるため非常に高温になる。凝縮部１５０内の作動流体が車両の傾斜や振動によって蒸気管１６０を介して蒸発部１４０側に逆流してしまうと、蒸発部１４０が急冷されて熱応力が生じるとともに、作動流体の蒸発によりヒートパイプ１１０の内圧が急上昇するため、排気熱回収装置１０１の機械的強度面で好ましくない。また、逆流した作動流体が蒸発部１４０で蒸発することにより排気熱の回収が行われてしまうため、機能面でも好ましくない。したがって、車両の傾斜や振動による作動流体の逆流を防止するためには、凝縮部１５０の容積をさらに大きくする必要がある。このため、排気熱回収装置１０１がさらに大型化してしまうという問題が生じていた。

本発明の目的は、小型化可能な排気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に記載の発明は、内燃機関（１０）から排出される排気との熱交換により、内部に封入された作動流体を加熱して蒸発させる蒸発部（４０）と、被加熱流体が循環する被加熱流体回路（２１）に設けられ、水平でない所定方向に延びる筒状の形状を備え、蒸発した作動流体と被加熱流体との熱交換により作動流体を冷却して凝縮させるとともに被加熱流体を加熱する凝縮部（５０）と、蒸発部（４０）の上部と凝縮部（５０）の上部とを接続し、蒸発部（４０）で蒸発した作動流体を凝縮部（５０）に流入させる蒸気管（６０）と、凝縮部（５０）の下部と蒸発部（４０）の下部とを接続し、凝縮部（５０）で凝縮した作動流体を蒸発部（４０）に還流させる還流管（６１）と、凝縮部（５０）の下流側に設けられ、凝縮した作動流体の蒸発部（４０）への還流を停止させる弁機構（８０）と、凝縮部（５０）内に設けられ、凝縮した作動流体よりも小さい密度を有し、作動流体の液面に浮かぶフロート部材（７０）とを有することを特徴としている。

これにより、フロート部材（７０）によって凝縮部（５０）での作動流体の液面を上昇させることができるため、作動時における凝縮部（５０）での位置水頭が増加する。このため、作動流体を凝縮部（５０）から蒸発部（４０）に還流させる所定の水頭差を確保するために必要な作動流体の量が減少する。また、作動流体の液面に浮かぶフロート部材（７０）によって、作動流体が蒸気管（６０）を介して蒸発部（４０）側に逆流するのを抑制できる。したがって、凝縮部（５０）の容積を小さくすることができるため、排気熱回収装置の小型化が可能になる。

請求項２に記載の発明は、フロート部材（７０）は、凝縮部（５０）内に緩やかに嵌合する柱状の形状を有し、作動流体の液面位置の変動に伴い凝縮部（５０）に対して所定方向に移動可能であることを特徴としている。

これにより、フロート部材（７０）によって作動流体の液面の面積が減少するため、作動流体が蒸気管（６０）を介して蒸発部（４０）側に逆流するのを抑制できる。

請求項３に記載の発明は、蒸気管（６０）は、凝縮部（５０）の側面上部に形成された開口部（５１）に接続されていることを特徴としている。

これにより、弁機構（８０）により還流が停止して凝縮部（５０）での作動流体の液面が上昇したときに、開口部（５１）の実質的な開口面積をフロート部材（７０）によって減少させることができるため、作動流体が蒸気管（６０）を介して蒸発部（４０）側に逆流するのを抑制できる。

なお、上記各手段の括弧内の符号は、後述する実施形態記載の具体的手段との対応関係の一例を示している。

（第１実施形態）
本発明の第１実施形態について図１乃至図３を用いて説明する。図１は、本実施形態の排気熱回収装置を搭載した車両の冷却系及び排気系の概略構成を示す模式図である。図１ではエンジン冷却水（被加熱流体）の流れ方向を矢印で示している。図１に示すように、排気熱回収装置１が搭載される車両は、走行用の駆動源として水冷式のエンジン（内燃機関）１０を備えている。エンジン１０には、エンジン１０からの排気を外部に排出するための排気管１１が接続されている。排気管１１の途中には、当該排気管１１を流通する排気を浄化する触媒コンバータ１２が介設されている。また排気管１１のうち触媒コンバータ１２の下流側には、後述する排気熱回収装置１のダクト部１３が設けられている。

エンジン１０には、ラジエータ回路２０、排気熱回収回路（被加熱流体回路）２１及びヒータ回路２２が接続されている。ラジエータ回路２０、排気熱回収回路２１及びヒータ回路２２には、エンジン１０を冷却するためのエンジン冷却水が例えばエンジン駆動式のウォータポンプ２３により循環するようになっている。エンジン冷却水には例えばＬＬＣが用いられる。

ラジエータ回路２０には、エンジン冷却水を外気との熱交換により冷却するラジエータ２４と、ラジエータ２４を迂回してエンジン冷却水を流通させるバイパス流路２５とが設けられている。ラジエータ２４を通過するエンジン冷却水の流量とバイパス流路２５を通過するエンジン冷却水の流量とは、サーモスタット２６によって調節されるようになっている。

排気熱回収回路２１は、エンジン出口部でラジエータ回路２０から分岐し、ウォータポンプ２３でラジエータ回路２０に合流している。排気熱回収回路２１の途中には、後述する排気熱回収装置１の水タンク３１が設けられている。

ヒータ回路２２は、ラジエータ回路２０のエンジン出口部とは異なる部位からエンジン冷却水（温水）が流出し、排気熱回収装置１より下流側で排気熱回収回路２１に合流する回路である。ヒータ回路２２には、暖房用熱交換器としてのヒータコア２７が設けられている。ヒータコア２７は、不図示の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エンジン冷却水との熱交換により加熱するようになっている。

図２は、本実施形態における排気熱回収装置の構成を模式的に示す断面図である。図２では、ヒートパイプが作動している状態を示している。また図２の上下方向は、概ね鉛直上下方向を表している。図２中の実線矢印は液体状態の作動流体の流れ方向を表し、破線矢印は気体状態の作動流体の流れ方向を表し、白抜き太矢印はエンジン冷却水の流れ方向を表している。

図２に示すように、排気熱回収装置１は、エンジン１０から排出される排気熱を回収してエンジン冷却水を加熱するループ型のヒートパイプ２を有している。ヒートパイプ２には、作動流体を内部に封入する際に用いられる不図示の封止部が設けられている。封止部は、ヒートパイプ２内を減圧して作動流体を注入した後に封止されている。作動流体としては、水、アルコール、フルオロカーボン又はクロロフルオロカーボン（フロン）等が用いられる。

ヒートパイプ２は、内部に封入された作動流体を排気との熱交換により加熱して蒸発させる蒸発部（吸熱部）４０を有している。蒸発部４０は、排気管１１の途中に介設されたダクト部１３内に設けられている。図示を省略しているが、蒸発部４０は例えば、それぞれほぼ鉛直方向に延びる複数の扁平チューブと、各扁平チューブの外壁面に熱的に接続された波状のフィンとが水平方向に積層されたドロンカップ構造を有している。蒸発部４０の上部には開口部４１が形成され、下部には開口部４２が形成されている。

またヒートパイプ２は、蒸発部４０で蒸発した作動流体とエンジン冷却水との熱交換により、作動流体を冷却して凝縮させるとともにエンジン冷却水を加熱する凝縮部（放熱部）５０を有している。凝縮部５０は、排気熱回収回路２１の途中に設けられた水タンク３１内に収容されている。凝縮部５０は、例えば略四角筒や略半円筒等の筒状の形状を有し、水平でない方向（例えば鉛直方向）に延びている。凝縮部５０の側面上端部には開口部５１が形成され、側面下端部には開口部５２が形成されている。

凝縮部５０の下流側には、ヒートパイプ２の内圧や温度等に基づいて開閉される弁機構８０が設けられている。弁機構８０としては、例えばヒートパイプ２の内圧上昇時に閉となるダイヤフラム式の内圧作動弁が用いられる。

水タンク３１の側面下方には、排気熱回収回路２１を流れるエンジン冷却水を水タンク３１内に導入する導入管３２が設けられている。また水タンク３１の側面上方には、水タンク３１内のエンジン冷却水を排気熱回収回路２１に導出する導出管３３が設けられている。

蒸発部４０の開口部４１と凝縮部５０の開口部５１との間は、ダクト部１３及び水タンク３１を貫通する蒸気管６０によって接続されている。また、凝縮部５０の開口部５２と蒸発部４０の開口部４２との間は、水タンク３１及びダクト部１３を貫通し、蒸気管６０よりも小さい管径を有する還流管６１によって接続されている。これにより、蒸発部４０、蒸気管６０、凝縮部５０、還流管６１及び蒸発部４０がこの順に環状に接続され、内部に封入された作動流体を循環させるようになっている。

ヒートパイプ２を構成する上記の各部材は、高い耐食性を備えたステンレス鋼製である。各部材は、互いに組み付けられた後に、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。

凝縮部５０内には、フロート部材７０が設けられている。フロート部材７０は、少なくともヒートパイプ２作動時の温度及び圧力において、液体状態の作動流体の密度よりも小さい密度を有している。このためフロート部材７０は、凝縮部５０内の作動流体の液面に浮かぶようになっている。フロート部材７０は、例えばテフロン（登録商標）等の多孔質樹脂により形成されている。

またフロート部材７０は、筒状の凝縮部５０内に緩やかに嵌合するように、凝縮部５０内の中空部分とほぼ相似の断面形状を備えた柱状の形状を有している。フロート部材７０の高さは、凝縮部５０の高さよりも低くなっている。フロート部材７０は凝縮部５０に緩やかに嵌合しているため、作動流体の液面位置の変動に伴って凝縮部５０の延伸方向に移動可能になっている。

次に、本実施形態の排気熱回収装置の作動について説明する。

エンジン１０が起動すると併せてウォータポンプ２３が作動し、エンジン冷却水はラジエータ回路２０、排気熱回収回路２１、ヒータ回路２２を循環する。エンジン１０からの排気は排気管１１内を流れ、触媒コンバータ１２及びダクト部１３（蒸発部４０）を通過して大気中に排出される。また、排気熱回収回路２１を循環するエンジン冷却水は、排気熱回収装置１の水タンク３１内（凝縮部５０）を通過する。ヒートパイプ２の内圧は、エンジン１０起動時には比較的低く、エンジン１０の作動に伴い徐々に上昇する。

ヒートパイプ２の蒸発部４０では、排気との熱交換により作動流体が加熱されて蒸発する。蒸気となった作動流体は蒸発部４０内を上昇し、蒸気管６０内を通って凝縮部５０に流入する。凝縮部５０では、作動流体とエンジン冷却水との熱交換によって、作動流体が冷却されて凝縮するとともにエンジン冷却水が加熱される。

蒸発部４０では蒸発により作動流体の液面位置が低下し、凝縮部５０では凝縮により作動流体の液面位置が上昇するため、蒸発部４０と凝縮部５０との間には水頭差ｈ１が生じる。ヒートパイプ２の内圧が比較的低く、弁機構８０が開状態にあるときには、凝縮した作動流体は、水頭差ｈ１によって還流管６１を介して蒸発部４０に戻る。

このように、エンジン１０から排出される排気熱は、作動流体によって蒸発部４０から凝縮部５０に輸送され、凝縮部５０で作動流体が凝縮する際に凝縮潜熱として放出される。これにより排気熱回収回路２１を流れるエンジン冷却水が積極的に加熱されるため、エンジン１０の暖機が促進されるとともに、エンジン冷却水を用いた暖房性能が向上するようになっている。

ヒートパイプ２の内圧が上昇して弁機構８０が閉状態になると、凝縮部５０で凝縮した作動流体の蒸発部４０への還流が阻止される。このため、蒸発部４０に残存する作動流体が全て蒸発すると排気熱の回収が停止し、凝縮した作動流体は凝縮部５０側に貯留される。

図３は、弁機構８０が閉じられてヒートパイプ２の作動が停止した状態での排気熱回収装置１を模式的に示す断面図である。図３に示すように、凝縮部５０での作動流体の液面位置が上昇するのに伴い、フロート部材７０の位置も凝縮部５０上部の開口部５１近傍まで上昇している。開口部５１は凝縮部５０の側面上部に設けられているため、上昇したフロート部材７０は、開口部５１の実質的な開口面積を減少させるようになっている。

ヒートパイプ２の作動が停止した状態では、内圧は徐々に低下する。ヒートパイプ２の内圧が低下して弁機構８０が再び開状態になると、凝縮部５０から蒸発部４０への作動流体の還流が再開され、排気熱の回収が再開される。

本実施形態では、フロート部材７０が作動流体の液面に浮かぶことによって、凝縮部５０での作動流体の液面位置は高さΔｈ分だけ上昇する。このため、作動流体の量が同一であれば、ヒートパイプ２作動時における水頭差ｈ１は、フロート部材７０がない場合の水頭差ｈ０よりも高さΔｈ分増加するようになっている。換言すれば、フロート部材７０を設けることによって、作動流体を凝縮部５０から蒸発部４０に還流させるのに必要な水頭差は、より少量の作動流体によって確保されるようになる。したがって、凝縮部５０の容積を小さくすることができるため、排気熱回収装置１の小型化及び軽量化が可能になる。

また本実施形態では、フロート部材７０が凝縮部５０内に緩やかに嵌合しているため、作動流体の液面の面積はフロート部材７０がない場合よりも大幅に減少する。したがって、凝縮部５０の容積を大きくすることなく、車両の傾斜や振動により作動流体が蒸気管６０を介して蒸発部４０側に逆流するのを抑制できる。

さらに本実施形態によれば、液面上昇時にはフロート部材７０によって開口部５１の実質的な開口面積を減少させることができる。したがって、凝縮部５０の容積を大きくすることなく、車両の傾斜や振動により作動流体が蒸気管６０を介して蒸発部４０側に逆流するのを抑制できる。

（その他の実施形態）
上記実施形態では、被加熱流体としてエンジン冷却水が用いられているが、それ以外に、インバータの冷却水、オートマチック・トランスミッション・フルード（ＡＴＦ）、エンジンオイル等を被加熱流体として用いることもできる。

第１実施形態の排気熱回収装置を搭載した車両の冷却系及び排気系の概略構成を示す模式図である。 第１実施形態における排気熱回収装置の構成を模式的に示す断面図である。 ヒートパイプの作動が停止した状態での排気熱回収装置を模式的に示す断面図である。 ループ型のヒートパイプを備えた排気熱回収装置の構成を模式的に示す断面図である。 ヒートパイプの作動が停止した状態での排気熱回収装置を模式的に示す断面図である。

符号の説明

１ 排気熱回収装置
２ ヒートパイプ
１０ エンジン（内燃機関）
２１ 排気熱回収回路（被加熱流体回路）
４０ 蒸発部
５０ 凝縮部
５１ 開口部
６０ 蒸気管
６１ 還流管
７０ フロート部材
８０ 弁機構

Claims (3)

1. 内燃機関（１０）から排出される排気との熱交換により、内部に封入された作動流体を加熱して蒸発させる蒸発部（４０）と、
   被加熱流体が循環する被加熱流体回路（２１）に設けられ、水平でない所定方向に延びる筒状の形状を備え、蒸発した前記作動流体と前記被加熱流体との熱交換により前記作動流体を冷却して凝縮させるとともに前記被加熱流体を加熱する凝縮部（５０）と、
   前記蒸発部（４０）の上部と前記凝縮部（５０）の上部とを接続し、前記蒸発部（４０）で蒸発した前記作動流体を前記凝縮部（５０）に流入させる蒸気管（６０）と、
   前記凝縮部（５０）の下部と前記蒸発部（４０）の下部とを接続し、前記凝縮部（５０）で凝縮した前記作動流体を前記蒸発部（４０）に還流させる還流管（６１）と、
   前記凝縮部（５０）の下流側に設けられ、凝縮した前記作動流体の前記蒸発部（４０）への還流を停止させる弁機構（８０）と、
   前記凝縮部（５０）内に設けられ、凝縮した前記作動流体よりも小さい密度を有し、前記作動流体の液面に浮かぶフロート部材（７０）と
   を有することを特徴とする排気熱回収装置。
2. 前記フロート部材（７０）は、前記凝縮部（５０）内に緩やかに嵌合する柱状の形状を有し、前記作動流体の液面位置の変動に伴い前記凝縮部（５０）に対して前記所定方向に移動可能であることを特徴とする請求項１に記載の排気熱回収装置。
3. 前記蒸気管（６０）は、前記凝縮部（５０）の側面上部に形成された開口部（５１）に接続されていることを特徴とする請求項１又は２に記載の排気熱回収装置。

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