JP6517951B2 - 排気熱回収装置 - Google Patents

Description

本開示は、排気熱回収装置に関する。

排気から熱を回収して、その熱をエンジンの暖機に利用する装置が提案されている。（例えば、特許文献１参照。）。また、特許文献１には、排気から熱を回収する仕組みとして、ループヒートパイプを利用した仕組みが開示されている。

特開２００８−２５５９４４号公報

上記特許文献１に記載の技術の場合、ループヒートパイプの蒸発部が排気の流路内に組み込まれている。そのため、例えばエンジンが高回転数で運転されている場合等、排気が大量に排出されるような状況下では、蒸発部が排気の排出を妨げる障害物となり、エンジンの排気系に余計な負荷がかかるという問題がある。

また、上記特許文献１に記載の技術の場合、蒸発部には排気からの熱が常時伝わるため、例えば排気が大量に排出されるような状況下では、蒸発部が過剰に加熱されるおそれがある。その場合、熱媒体の気化量が過大になり、ループヒートパイプの系内における圧力が過大になるなど、ループヒートパイプに負荷がかかるという問題がある。また、そのような負荷がループヒートパイプにかかっても、ループヒートパイプが故障しないようにするには、ループヒートパイプ各部を十分に耐圧性の高い構造にする必要が生じる等、その対策に相応の手間がかかるという問題がある。

さらに、上記特許文献１に記載の技術の場合、ループヒートパイプの凝縮部がエンジンブロック等に組み込まれている。そのため、例えば、エンジンブロック等が既に十分に高温になっているような場合には、熱媒体からエンジンブロック等へ熱が移動する効率が低下し、これもループヒートパイプの系内が過剰に加熱される要因になる。

以上のような事情から、ループヒートパイプによって排気から熱を回収可能で、ループヒートパイプの系内が過剰に加熱されるのを抑制可能な排気熱回収装置を提供することが望ましい。

以下に説明する排気熱回収装置は、第一熱交換部、第二熱交換部、気体流路、液体流路、及び自圧式バルブを備える。第一熱交換部は、内燃機関から排出される排気と熱媒体との間で熱交換を行うことにより、熱媒体を気化させる部分である。第二熱交換部は、冷却水及びオイルのうち、少なくとも一方を加熱対象として、当該加熱対象と第一熱交換部において気化させた熱媒体との間で熱交換を行うことにより、加熱対象を加熱するとともに、熱媒体を液化させる部分である。気体流路は、第一熱交換部において気化させた熱媒体を第二熱交換部へと流通させる流路である。液体流路は、第二熱交換部において液化させた熱媒体を第一熱交換部へと流通させる流路である。自圧式バルブは、開閉可能に構成されて排気の圧力によって開度を変更可能に構成されたバルブである。自圧式バルブは、開度に応じて第一熱交換部へ流入する排気の流量を調節する。これらの構成のうち、第一熱交換部、第二熱交換部、気体流路、及び液体流路によって、ループヒートパイプが構成されている。ループヒートパイプは、毛細管現象を利用して流体を循環させ、その際に気液の相変化を利用して熱輸送を行うデバイスである。

このように構成された排気熱回収装置によれば、第一熱交換部、第二熱交換部、気体流路、及び液体流路によって構成されるループヒートパイプを利用して、排気と熱媒体との間で熱交換を行い、排気から熱を回収することができる。また、熱媒体と加熱対象との間で熱交換を行い、加熱対象を加熱することができる。したがって、ポンプや電力などを使うことなく、第一熱交換部と第二熱交換部との間で熱媒体を移動させることができるので、エネルギー消費を抑制することができ、ひいては、燃費の向上に寄与する。

また、上記排気熱回収装置の場合、自圧式バルブの開度に応じて第一熱交換部へ流入する排気の流量を調節することができる。そのため、例えばエンジンが高回転数で運転されている場合等、排気が大量に排出されるような状況下では、排気の一部だけを第一熱交換部へ流入させ、残りの一部については第一熱交換部へ流入させることなく系外へと排出することができる。したがって、排気の全部が熱媒体との熱交換対象として利用される技術とは異なり、上記残りの一部に相当する排気については、第一熱交換部によって流通が妨げられることはなく、これにより、エンジンの排気系にかかる負荷を軽減することができる。

また、上記排気熱回収装置の場合、自圧式バルブの開度に応じて第一熱交換部へ流入する排気の流量が調節されるので、排気が大量に排出されるような状況下であっても、第一熱交換部においては排気の一部から熱が回収されるだけで、上記残りの一部からは熱が回収されない。そのため、熱媒体の気化量が過大になるのを抑制でき、ループヒートパイプの系内における圧力が過大になるのを抑制でき、ループヒートパイプに過剰な負荷がかからないようにすることができる。したがって、ループヒートパイプ各部を過度に耐圧性の高い構造にしなくても済み、そのような耐圧構造を構成する手間を省くことができる。

また、上記排気熱回収装置の場合、自圧式バルブは、排気の圧力によって開度が変更される。そのため、例えば電動式バルブとは異なり、ソレノイドやモーターといったアクチュエータを必要とせず、そのようなアクチュエータを制御対象とする制御装置も必要とせず、そのような制御装置による制御も必要としない。したがって、電動式バルブを採用する場合よりも構造や制御を簡素化することができる。また、電力などを使うことなく、バルブの開閉を実施できるので、この点でもエネルギー消費を抑制することができ、ひいては、燃費の向上に寄与する。

さらに、上記排気熱回収装置の場合、第二熱交換器においては、熱媒体と加熱対象との間で熱交換を行うが、その加熱対象は冷却水及びオイルのうちの少なくとも一方とされている。そのため、エンジンブロック等が加熱対象とされる技術とは異なり、冷却水の場合であればラジエーターで放熱を図ることができる。また、オイルの場合であればオイルクーラーで放熱を図ることができる。したがって、冷却水及びオイルのいずれが加熱対象となる場合であっても、エンジンブロック等が加熱対象とされる場合より、ループヒートパイプの系内が過剰に加熱されるのを容易に抑制することができる。つまり、冷却水やオイルが低温状態にある状況下では、ループヒートパイプによって冷却水やオイルを加熱でき、冷却水やオイルが十分に昇温した後は、冷却水やオイルをラジエーターやオイルクーラーで冷却することにより、ループヒートパイプの系内からの放熱を促すことができる。

図１は排気熱回収装置を含む車載装置群の概略の構成を示す説明図である。 図２Ａは第二熱交換部を構成する三流体熱交換器の概略の構造を示す斜視図である。図２Ｂは第二熱交換部を構成する三流体熱交換器の概略の構造を示す縦断面図である。

１…排気熱回収装置、２…内燃機関、３…トランスミッション、５…インテークマニホールド、７…エキゾーストマニホールド、１１…第一触媒部、１２…第二触媒部、１３…排気管、１５…ラジエーター、１７…ウォーターポンプ、１９…冷却水用配管、２１…第一熱交換部、２２…第二熱交換部、２３…気体流路、２５…液体流路、２７…自圧式バルブ、３１…オイル用プレート、３３…熱媒体用プレート、３５…冷却水用プレート、３７…シェル、４１…オイル供給路、４３…オイル排出路、４５…冷却水供給路、４７…冷却水排出路、４９…蒸気放熱トラップ装置。

次に、上述の排気熱回収装置について、例示的な実施形態を挙げて説明する。
［排気熱回収装置の構成］
図１に示す排気熱回収装置１は、内燃機関２を有する移動体（例えば、乗用車等。）に搭載され、内燃機関２から排出される排気から熱を回収する装置である。移動体には、内燃機関２の他、トランスミッション３などが搭載されている。また、内燃機関２の吸気系（すなわち、吸気流路を構成する機器及び部材等。）として、インテークマニホールド５などが設けられている。内燃機関２の排気系（すなわち、排気の流路を構成する機器及び部材等。）としては、エキゾーストマニホールド７、第一触媒部１１、第二触媒部１２、及び排気管１３などが設けられている。また、内燃機関２の冷却系（すなわち、冷却水の流路を構成する機器及び部材等。）として、ラジエーター１５、ウォーターポンプ１７、及び冷却水用配管１９などが設けられている。

排気熱回収装置１は、第一熱交換部２１、第二熱交換部２２、気体流路２３、液体流路２５、及び自圧式バルブ２７などを備える。これらの構成のうち、第一熱交換部２１、第二熱交換部２２、気体流路２３、及び液体流路２５によって、ループヒートパイプが構成されている。より詳しくは、第一熱交換部２１は、ループヒートパイプにおける蒸発器として機能する構成である。第二熱交換部２２は、ループヒートパイプにおける凝縮器として機能する構成である。これら第一熱交換部２１、及び第二熱交換部２２は、気体流路２３、及び液体流路２５を介して連通し、これにより、第一熱交換部２１から気体流路２３を介して第二熱交換部２２に至り、更に第二熱交換部２２から液体流路２５を介して第一熱交換部２１へと戻る閉ループ構造の循環流路が構成されている。

第一熱交換部２１は、ウィック搭載蒸発器によって構成されている。ウィック搭載蒸発器は、内部にウィックと呼ばれる多孔質体が配置された蒸発器である。液体流路２５側から供給される液状の熱媒体は、毛細管現象によってウィックに吸引される。ウィックに吸引された熱媒体は、排気からの熱を受けて気化し、その気化した熱媒体が気体流路２３へと流入する。熱媒体は、排気からの熱で加熱された際には蒸発（すなわち、気化。）する物質であればよく、例えば、水、アルコール水溶液、アンモニア水溶液等を利用し得る。気体流路２３は、第一熱交換部２１において気化させた熱媒体を第二熱交換部２２へと流通させる流路である。

第二熱交換部２２は、本実施形態の場合、冷却水（本実施形態の場合は不凍液。）及びオイル（本実施形態の場合はトランスミッションオイル。）の双方を加熱対象として、加熱対象と第一熱交換部２１において気化させた熱媒体との間で熱交換を行う。これにより、第二熱交換部２２は、加熱対象を加熱するとともに、熱媒体を液化させる。

第二熱交換部２２は、図２Ａ及び図２Ｂに示すような、三流体熱交換器によって構成されている。より詳しくは、第二熱交換部２２は、オイル用プレート３１、熱媒体用プレート３３、及び冷却水用プレート３５が、この順序で積層されて単位構造を構成し、更にその単位構造が複数組積層された積層体を構成している。この積層体は、第二熱交換部２２の外装であるシェル３７の内部に収容されている。

複数のオイル用プレート３１は、互いの内部がオイル供給路４１及びオイル排出路４３を介して連通している。オイル供給路４１を介して第二熱交換部２２へと供給されるオイルは、複数のオイル用プレート３１の内部を通ってオイル排出路４３に至り、オイル排出路４３を介して第二熱交換部２２から排出される。オイル供給路４１及びオイル排出路４３は、図１に示すように、それぞれがトランスミッション３に接続されている。これにより、トランスミッション３からオイル供給路４１を介して第二熱交換部２２に至り、更に第二熱交換部２２からオイル排出路４３を介してトランスミッション３へと戻る閉ループ構造の循環流路が構成されている。

複数の冷却水用プレート３５は、互いの内部が冷却水供給路４５及び冷却水排出路４７を介して連通している。冷却水供給路４５を介して第二熱交換部２２へと供給される冷却水は、複数の冷却水用プレート３５の内部を通って冷却水排出路４７に至り、冷却水排出路４７を介して第二熱交換部２２から排出される。冷却水供給路４５は、図１に示すように、ラジエーター１５からウォーターポンプ１７及び内燃機関２を経て第二熱交換部２２に至る流路を構成している。また、冷却水排出路４７は、第二熱交換部２２から内燃機関２を経てラジエーター１５へと戻る流路を構成している。これら冷却水供給路４５及び冷却水排出路４７により、閉ループ構造の循環流路が構成されている。

熱媒体用プレート３３は、気化した熱媒体が熱媒体用プレート３３の一端から流入するように構成されている。熱媒体用プレート３３へ熱媒体が流入すると、熱媒体からの熱によって熱媒体用プレート３３が加熱され、更に熱媒体用プレート３３からの熱によってオイル用プレート３１及び冷却水用プレート３５が加熱される。その結果、オイル用プレート３１の内部を流通するオイルが加熱され、また、冷却水用プレート３５の内部を流通する冷却水が加熱される。一方、熱媒体用プレート３３の内部では、熱媒体から熱が奪われるため、熱媒体が凝縮、液化する。液化した熱媒体は、熱媒体用プレート３３の他端から流出して、液体流路２５へと流入する。

液体流路２５は、第二熱交換部２２において液化させた熱媒体を第一熱交換部２１へと流通させる流路である。液体流路２５には、蒸気放熱トラップ装置４９が設けられ、気化した熱媒体が第一熱交換部２１から液体流路２５へと逆流するのを抑制している。

自圧式バルブ２７は、排気管１３の内部において流路を開閉可能に構成され、かつ排気の圧力によって開度を変更可能に構成されている。この自圧式バルブ２７の開度に応じて、第一熱交換部２１へ流入する排気の流量が調節される。本実施形態の場合、自圧式バルブ２７が閉じている場合には、排気のほぼ全量が第一熱交換部２１へ流入し、自圧式バルブ２７が開いた場合には、その開度が大となるほど、第一熱交換部２１へは流入しない排気の割合が増大する。

［効果］
以上のように構成された排気熱回収装置１によれば、第一熱交換部２１、第二熱交換部２２、気体流路２３、及び液体流路２５によって構成されるループヒートパイプを利用して、排気と熱媒体との間で熱交換を行い、排気から熱を回収することができる。また、ループヒートパイプを利用して、熱媒体と加熱対象（すなわち、本実施形態の場合は冷却水及びオイル。）との間で熱交換を行い、加熱対象を加熱することができる。したがって、冷却水を昇温させて、内燃機関２の暖機を図ることができ、その熱を暖房用途などで利用することも可能となる。また、オイルを昇温させて、トランスミッション３のフリクション低減に寄与することができる。しかも、ループヒートパイプを利用すれば、ポンプや電力などを使うことなく、第一熱交換部２１と第二熱交換部２２との間で熱媒体を移動させることができるので、エネルギー消費を抑制することができ、ひいては、燃費の向上に寄与する。

また、上記排気熱回収装置１の場合、自圧式バルブ２７の開度に応じて第一熱交換部２１へ流入する排気の流量を調節することができる。そのため、例えばエンジンが高回転数で運転されている場合等、排気が大量に排出されるような状況下では、排気の一部だけを第一熱交換部２１へ流入させ、残りの一部については第一熱交換部２１へ流入させることなく系外へと排出することができる。したがって、排気の全部が熱媒体との熱交換対象として利用される技術とは異なり、上記残りの一部に相当する排気については、第一熱交換部２１によって流通が妨げられることはなく、これにより、エンジンの排気系にかかる負荷を軽減することができる。

また、上記排気熱回収装置１の場合、自圧式バルブ２７の開度に応じて第一熱交換部２１へ流入する排気の流量が調節されるので、排気が大量に排出されるような状況下であっても、第一熱交換部２１においては排気の一部から熱が回収されるだけで、上記残りの一部からは熱が回収されない。そのため、熱媒体の気化量が過大になるのを抑制でき、ループヒートパイプの系内における圧力が過大になるのを抑制でき、ループヒートパイプに過剰な負荷がかからないようにすることができる。したがって、ループヒートパイプ各部を過度に耐圧性の高い構造にしなくても済み、そのような耐圧構造を構成する手間を省くことができる。

また、上記排気熱回収装置１の場合、自圧式バルブ２７は、排気の圧力によって開度が変更される。そのため、例えば電動式バルブとは異なり、ソレノイドやモーターといったアクチュエータを必要とせず、そのようなアクチュエータを制御対象とする制御装置も必要とせず、そのような制御装置による制御も必要としない。したがって、電動式バルブを採用する場合よりも構造や制御を簡素化することができる。また、電力などを使うことなく、バルブの開閉を実施できるので、この点でもエネルギー消費を抑制することができ、ひいては、燃費の向上に寄与する。

さらに、上記排気熱回収装置１の場合、第二熱交換器においては、熱媒体と加熱対象との間で熱交換を行うが、その加熱対象は冷却水及びオイルとされている。そのため、エンジンブロック等が加熱対象とされる技術とは異なり、冷却水の場合であればラジエーター１５で放熱を図ることができる。また、オイルの場合であればオイルクーラーで放熱を図ることができる。したがって、エンジンブロック等が加熱対象とされる場合より、ループヒートパイプの系内が過剰に加熱されるのを容易に抑制することができる。

［他の実施形態］
以上、排気熱回収装置について、例示的な実施形態を挙げて説明したが、上述の実施形態は本開示の一態様として例示されるものに過ぎない。すなわち、本開示は、上述の例示的な実施形態に限定されるものではなく、本開示の技術的思想を逸脱しない範囲内において、様々な形態で実施することができる。

例えば、上記実施形態では、排気熱回収装置１で排気から回収した熱により、トランスミッションオイルを加熱する例を示したが、他のオイルを加熱してもよい。具体例を挙げれば、エンジンオイルを加熱対象としてもよい。

また、上記実施形態では、三流体熱交換器によって第二熱交換部２２を構成してあったが、三流体熱交換器を利用するか否かは任意である。例えば、二流体熱交換器によって第二熱交換部２２を構成してもよい。この場合、加熱対象は、冷却水又はオイルのいずれか一方にすればよい。

また、上記実施形態では、オイル用プレート３１、熱媒体用プレート３３、及び冷却水用プレート３５が、特定の順序で積層される例を示したが、その積層順序や、各プレートの枚数、及び各プレートの枚数比などは、任意に変更できる。

また、上記実施形態では、本開示の排気熱回収装置が備える構成要素について、例示的に材質、形状、構造等を示したが、これらは上述の実施形態に限定されない。例えば、上記実施形態においては一つの構成要素で実現していた箇所を、複数の構成要素で実現するように構成してあってもよい。あるいは、上記実施形態では、複数の構成要素で実現していた箇所を、一つの構成要素で実現するように構成してあってもよい。また、機能を完全に損ねることない範囲内であれば、上記実施形態において例示した構成の一部を省略してもよい。また、ある実施形態の構成の少なくとも一部を、他の実施形態の構成に対して付加又は置換してもよい。また、上述の実施形態の構成の少なくとも一部を同様の機能を有する公知の構成に置き換えてもよい。

また、上述した排気熱回収装置１の他、上述の排気熱回収装置１を構成要素とする排気熱回収システム、内燃機関の暖機システム、トランスミッションの暖機システム、オイル加熱システム、上述の排気熱回収装置１を利用した排気熱回収方法、内燃機関の暖機方法、トランスミッションの暖機方法、オイル加熱方法など、種々の形態で本開示を実現することもできる。

［補足］
なお、以上説明した例示的な実施形態から明らかなように、本開示の排気熱回収装置は、更に以下に挙げるような構成を備えていてもよい。

まず、本開示の排気熱回収装置において、第二熱交換部は、熱媒体、冷却水、及びオイルの三者間で熱交換が可能に構成された三流体熱交換器によって構成されていてもよい。
このように構成された排気熱回収装置によれば、冷却水及びオイルの双方を加熱することができる。また、冷却水用のラジエーターとオイル用のオイルクーラーとをそれぞれ備えていなくても、いずれか一方を備えるだけで、他の系内からの放熱を図ることができる。例えば、冷却水用のラジエーターがあれば、冷却水からの放熱を図ることができ、これにより、熱媒体及びオイルから冷却水への熱移動を促し、熱媒体及びオイルからの放熱を図ることができる。

また、本開示の排気熱回収装置において、オイルは、トランスミッションオイルであってもよい。
このように構成された排気熱回収装置によれば、トランスミッションオイルを昇温させて、トランスミッションのフリクション低減に寄与することができる。これにより、例えば、トランスミッションにおける変速ショックの低減を図ることができるなど、トランスミッションの性能を最適に発揮させることができる。

［関連技術の開示］
本開示の排気熱回収装置では、構成及び制御を簡素化するために自圧式バルブを採用していたが、バルブの開閉を行うことだけに着目すれば、電動式バルブを採用しても、排気熱回収機能に関しては同等な性能を有する排気熱回収装置を構成することができる。すなわち、「開閉可能に構成されて電力によって開度を変更可能に構成され、当該開度に応じて前記第一熱交換部へ流入する排気の流量を調節する電動式バルブ」を、上記自圧式バルブに代えて採用することが可能である。

このような構成を採用した場合でも、排気から熱を回収でき、加熱対象を加熱することができる。また、電動式バルブの開度に応じて第一熱交換部へ流入する排気の流量を調節することができるので、エンジンの排気系にかかる負荷を軽減することができる。また、熱媒体の気化量が過大になるのを抑制でき、ループヒートパイプに過剰な負荷がかからないようにすることができ、ループヒートパイプ各部を過度に耐圧性の高い構造にしなくても済む。さらに、エンジンブロック等が加熱対象とされる技術とは異なり、冷却水の場合であればラジエーターで放熱を図ることができる。また、オイルの場合であればオイルクーラーで放熱を図ることができる。したがって、エンジンブロック等が加熱対象とされる場合より、ループヒートパイプの系内が過剰に加熱されるのを容易に抑制することができる。

また、上記自圧式バルブに代えて電動式バルブを採用した場合でも、第二熱交換部については、熱媒体、冷却水、及びオイルの三者間で熱交換が可能に構成された三流体熱交換器によって構成されていると好ましい。このような構成を採用すれば、冷却水及びオイルの双方を加熱することができる。また、冷却水用のラジエーターとオイル用のオイルクーラーとをそれぞれ備えていなくても、いずれか一方を備えるだけで、他の系内からの放熱を図ることができる。例えば、冷却水用のラジエーターがあれば、冷却水からの放熱を図ることができ、これにより、熱媒体及びオイルから冷却水への熱移動を促し、熱媒体及びオイルからの放熱を図ることができる。

Claims (2)

1. 内燃機関のエンジンブロックに接続された排気管に接続され、前記排気管を流れる排気と熱媒体との間で熱交換を行うことにより、前記熱媒体を気化させる第一熱交換部と、
   前記内燃機関のエンジンブロックの外部に設けられている冷却水流路及びオイル流路に接続された第二熱交換部であって、前記冷却水流路を流れる冷却水及び前記オイル流路を流れるオイルを加熱対象として、当該加熱対象と前記第一熱交換部において気化させた前記熱媒体との間で熱交換を行うことにより、前記加熱対象を加熱するとともに、前記熱媒体を液化させる第二熱交換部と、
   前記第一熱交換部において気化させた前記熱媒体を前記第二熱交換部へと流通させる流路である気体流路と、
   前記第二熱交換部において液化させた前記熱媒体を前記第一熱交換部へと流通させる流路である液体流路と、
   開閉可能に構成されて排気の圧力によって開度を変更可能に構成され、当該開度に応じて前記第一熱交換部へ流入する排気の流量を調節する自圧式バルブと
   を備え、
   前記エンジンブロックの外側において、前記第一熱交換部、前記第二熱交換部、前記気体流路、及び前記液体流路によって、ループヒートパイプが構成されており、
   前記第二熱交換部は、前記熱媒体、前記冷却水、及び前記オイルの三者間で熱交換が可能に構成された三流体熱交換器によって構成されている
   排気熱回収装置。
2. 請求項１に記載の排気熱回収装置であって、
   前記オイルは、トランスミッションオイルである
   排気熱回収装置。

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