JP2005306280A - 車両 - Google Patents

Abstract

【課題】車両において、走行状態に応じてヒートパイプを適正に作動させることで熱回収効率の向上を図る。
【解決手段】車両１１の前部にガソリンエンジン１２を搭載して排気管１４を後方に延設すると共に、このガソリンエンジン１２の後方に隣接してスターリングエンジン１５を搭載し、ヒートパイプ１６を車両１１の走行方向（前後方向）に沿って後方の蒸発部１６ａを排気管１４の拡大部１４ｃに、前方の凝縮部１６ｂをスターリングエンジン１５のヒータ１５ａにそれぞれ設け、凝縮部１６ｂが蒸発部１６ａより上方に位置するように配設する。
【選択図】 図１

Description

本発明は、内燃機関から排出される排気ガスの熱エネルギを利用する車両に関するものである。

内燃機関を搭載した車両において、この内燃機関の駆動時には大量の熱エネルギを含んだ排気ガスが排出されており、この排気ガスの熱エネルギを回収して再利用することが考えられており、例えば、下記特許文献１に記載されたように、排気ガスの熱エネルギを室内の暖房装置として再利用する技術がある。

この特許文献１に記載された「自動車用暖房装置」は、排気ガスの熱量を保存する断熱蓄熱槽を設けると共に、排気ガスの熱量を冷却水に移送するヒートパイプと、蓄熱槽の熱量を冷却水に移送するヒートパイプと、排気ガスの熱量を蓄熱槽に移送するヒートパイプとを設け、エンジンの冷間時には、２つのヒートパイプにより排気ガスの熱量を冷却水に移送すると共に蓄熱槽の熱量を冷却水に移送し、エンジンの暖気終了後には別のヒートパイプにより排気ガスの熱量を蓄熱槽に移送することで、排気ガスの熱量を暖房装置に効率的に利用するものである。

実開昭６３−００９０２３号公報

上述した特許文献１に記載された「自動車用暖房装置」では、車両にエンジンや蓄熱層、排気管を搭載すると共に、３つのヒートパイプを所定の位置に装着し、エンジンの運転状態に応じて使用するヒートパイプを切り換えることで、排気ガスの熱量を効率的に回収して再利用している。そして、このヒートパイプは、蒸発部と凝縮部の温度により内部の作動流体が移動することで熱を移送することができる。即ち、液体が蒸発部で加熱されて蒸気となり、この蒸気が凝縮部に移動することで熱を放出しており、ここで凝縮された液体が蒸発部に戻る。この場合、熱移送の効率化は、凝縮部にある液体をスムースに蒸発部に戻すこと、つまり、凝縮部への液体の還流量が大きく影響を及ぼしており、上述した従来の技術では、凝縮部の液体をヒートパイプの内壁に設けたウイックにより蒸発部に戻している。

ところで、車両はその走行状態により色々な挙動が作用する。即ち、車両の加速時や登坂時には車両後方へ重力が作用する一方、減速時や降坂時には車両前方へ重力が作用し、また、車両の旋回時には車両左右方向の遠心力が作用する。そして、この車両の加速度や遠心力は、ヒートパイプ内の作動流体にも作用するため、その配設方向や位置を考慮する必要がある。ところが、上述した特許文献１の「自動車用暖房装置」では、特に、このヒートパイプの配設方向や位置を規定しておらず、車両の加速度や遠心力によりヒートパイプ内の液体がスムースに流れず、液体を効率よく蒸発部に戻すことができず、熱移送効率、つまり、熱回収効率が低下してしまうという問題がある。

本発明は、このような問題を解決するためのものであって、走行状態に応じてヒートパイプを適正に作動させることで熱回収効率の向上を図った車両を提供することを目的とする。

上述した課題を解決し、目的を達成するために、本発明の車両は、内燃機関と、熱交換部と、内部に作動流体が封入されると共に蒸発部が前記内燃機関の排気系に設けられて凝縮部が前記熱交換部に設けられたヒートパイプとを具えた車両において、前記凝縮部は、前記蒸発部より前方で、且つ、上方に配設されたことを特徴とするものである。

本発明の車両では、前記ヒートパイプは、車両の走行方向に沿って配設されたことを特徴としている。

本発明の車両では、前記熱交換部は、前記内燃機関から排出される排気ガスの熱を前記ヒートパイプを介して回収する排熱回収部であることを特徴としている。

本発明の車両では、前記熱交換部は、前記内燃機関から排出される排気ガスの熱を前記ヒートパイプを介して回収して駆動する外燃機関であることを特徴としている。

本発明の車両では、前記外燃機関は、回収した熱により駆動して車両の駆動力を出力可能であることを特徴としている。

本発明の車両では、前記外燃機関は、前記内燃機関の後部に近接して設けられたことを特徴としている。

本発明の車両では、前記外燃機関は、スターリングエンジンであることを特徴としている。

本発明の車両によれば、内部に作動流体が封入されたヒートパイプの蒸発部を内燃機関の排気系に設け、凝縮部を熱交換部に設けると共に、この凝縮部を蒸発部より前方で、且つ、上方に配設したので、車両の定常走行時には、凝縮部の液体が重力により蒸発部に戻ることで排気ガスから適正な熱回収が行われ、車両の加速時や登坂時には車両後方へ作用する重力により凝縮部の液体が早期に蒸発部に戻ることで、排気ガスから効率的な熱回収が行われることとなり、走行状態に応じてヒートパイプを適正に作動させて熱回収効率の向上を図ることができる。

以下に、本発明にかかる車両の実施例を図面に基づいて詳細に説明する。なお、この実施例によりこの発明が限定されるものではない。

図１は、本発明の実施例１に係る車両の側面概略図、図２は、実施例１の車両の平面概略図である。

実施例１において、図１及び図２に示すように、車両１１の前部には内燃機関としてのガソリンエンジン１２が搭載されており、一側に図示しない吸気系が設けられる一方、他側に排気系として排気マニホールド１３が設けられ、この排気マニホールド１３からは排気管１４が後方に延設されている。この排気管１４は、排気マニホールド１３に連結される連結部１４ａと、屈曲部１４ｂと、大径の拡大部１４ｃと、先端部１４ｄとを有しており、この先端部に図示しない触媒装置やマフラが連結されている。

このガソリンエンジン１２の後方にはスターリングエンジン（熱交換部、排熱回収部、外燃機関）１５が近接して搭載されている。このスターリングエンジン１５は、例えば、２つのパワーピストンで構成されるα形スターリングエンジンであって、このピストンを収容するシリンダやコンロッドを介して連結されるクランク軸等を有している。また、シリンダの周囲には、熱交換器としてヒータ、再生器、クーラを有しており、このヒータ、再生器、クーラにより外部からシリンダの加熱及び冷却を繰り返すことで、内部の気体の圧力変化によりピストンを交互に移動させ、その結果、クランク軸を回転して駆動力を得ることができる。

そして、ガソリンエンジン１２における排気管１４の拡大部１４ｃと、スターリングエンジン１５のヒータ１５ａとの間にはヒートパイプ１６が設けられている。このヒートパイプ１６は、閉じた中空円筒形状のパイプ内に作動流体として水やフロン、ナトリウムなどを封入して構成されており、一端部が蒸発部（入熱部）１６ａ、他端部が凝縮部（放熱部）１６ｂとなっている。なお、このヒートパイプ１６は、蒸発部１６ａの外周面に多数のフィンが取付けられる一方、内壁面には凝縮した液体の作動流体を凝縮部１６ｂから蒸発部１６ａに戻す毛細管部として図示しないウイックが形成されている。

このように構成されたヒートパイプ１６は、車両１１の走行方向（前後方向）に沿って配設されており、後方に位置する蒸発部１６ａが排気管１４の拡大部１４ｃに貫通して内部に設けられ、前方に位置する凝縮部１６ｂがスターリングエンジン１５のヒータ１５ａに設けられている。この場合、ヒートパイプ１６は、凝縮部１６ｂが蒸発部１６ａより前方で、且つ、上方に位置するように、このスターリングエンジン１５のヒータ１５ａと位置及び高さと、排気管１４の拡大部１４ｃの位置及び高さが設定されており、このヒートパイプ１６は、前方から後方に向けて下方に所定角度（例えば、５度〜１０度）傾斜して配設されている。但し、ヒートパイプ１６自体は傾斜した状態に固定されるものの、蒸発部１６ａ及び凝縮部１６ｂは水平をなして固定されている。なお、スターリングエンジン１５にて、シリンダを加熱するヒータ１５ａは、熱媒体が流動する細管により構成されており、この細管がヒートパイプ１６の凝縮部１６ｂと近接且つ接触して設けられている。

本実施例の車両１１は、ガソリンエンジン１２とスターリングエンジン１５の２つの駆動源を組み合わせたハイブリッド車両であり、ガソリンエンジン１２の出力とスターリングエンジン１５の出力とを選択的に、また、加算して使用可能なものである。

このように構成された実施例１の車両１１にて、ガソリンエンジン１２が駆動すると、排気ガスが排気マニホールド１３から排出され、排気管１４を通って外部に排出される。このとき、ヒートパイプ１６は後部が下方に傾斜して配設されているため、内部の作動流体は後方の蒸発部１６ａに滞留しており、この蒸発部１６ａにて、作動流体は高温の排気ガスから熱交換により吸熱し、液体から蒸気に状態変化する。そして、この蒸気となった作動流体はヒートパイプ内１６を前方に流れ、凝縮部１６ｂに至る。

この凝縮部１６ｂにて、蒸気の作動流体は、スターリングエンジン１５のヒータ１５ａで熱媒体との熱交換により放熱して凝縮し、蒸気から液体に状態変化する。そして、液体となった作動流体はその重力並びにウイックによりヒートパイプ１６内を後方に流れ、蒸発部１６ａに至る。このとき、液体の作動流体は、前述のように、排気ガスから熱交換により吸熱して蒸気となり、再びヒートパイプ内１６を通って凝縮部１６ｂに流れる。この繰り返しにより排気ガスの熱エネルギを回収してスターリングエンジン１５に伝達する。

スターリングエンジン１５では、このヒートパイプ１６との熱交換により受け取った熱を利用してヒータ１５ａを作動し、また、クーラ及び再生器を作動し、シリンダの加熱及び冷却を繰り返すことで、内部の気体の圧力変化によりピストンを交互に移動させ、その結果、クランク軸を回転して駆動力を得る。そして、車両１１は、ガソリンエンジン１２の駆動力とこのスターリングエンジン１５の駆動力を利用して走行することができる。

この場合、車両１１が平坦路を定常走行するとき、車両１１には前後加速度が作用していないが、ヒートパイプ１６は後部が下方に傾斜した状態が維持される。そのため、ヒートパイプ１６の蒸発部１６ａで排気ガスにより蒸気となった作動流体は適正に凝縮部１６ｂに流れ、ここで凝縮して液体となった作動流体は重力によりヒートパイプ１６を後方に流れて確実に蒸発部１６ａに戻ることとなる。従って、排気ガスの熱をヒートパイプ１６により回収し、適正にスターリングエンジン１５のヒータ１５ａに伝達することができる。

また、車両１１が平坦路を加速走行したり、登坂路を走行するとき、ドライバはアクセルペダルを踏み込み、ガソリンエンジン１２の出力が向上して排気ガスの温度が上昇すると共に、車両１１には後方へ定常走行時よりも大きな重力が作用する。そのため、ヒートパイプ１６の蒸発部１６ａでは、作動流体が高温の排気ガスにより早期に蒸気となって凝縮部１６ｂに流れ、ここで凝縮して大きな重力によりヒートパイプ１６を後方に高速で流れて早期に蒸発部１６ａに戻ることとなる。従って、ヒートパイプ１６内で作動流体の還流速度が上昇して熱移送量が増大し、高温の排気ガスの熱をヒートパイプ１６により確実に回収し、効率良くスターリングエンジン１５のヒータ１５ａに伝達し、エンジン出力を向上することができる。

一方、車両１１が平坦路を減速走行したり、降坂路を走行するとき、ドライバはブレーキペダルを踏み込んだりシフトダウン操作し、ガソリンエンジン１２の出力が減少して排気ガスの温度が低下すると共に、車両１１には前方へ重力が作用する。そのため、ヒートパイプ１６の凝縮部１６ｂでは、ここで凝縮した作動流体がヒートパイプ１６を後方に流れにくくなり、蒸発部１６ａで蒸気になる作動流体の発生量が減少することとなる。従って、ヒートパイプ１６内で作動流体の還流速度が低下して熱移送量が減少し、排気ガスからのヒートパイプ１６による熱回収量が減少し、必要熱量だけをスターリングエンジン１５のヒータ１５ａに伝達し、エンジン出力を低下することができる。

更に、車両１１が旋回走行するとき、車両１１には遠心力（左右の加速度）が作用する。しかし、ヒートパイプ１６は車両走行方向に沿って後部が傾斜して配設されており、ヒートパイプ１６の長手方向に重力が付与されることはなく、ヒートパイプ１６内で作動流体の還流速度に影響を与えることなく一定の熱回収量を確保し、適正にスターリングエンジン１５のヒータ１５ａに伝達することができる。

このように実施例１の車両にあっては、車両１１の前部にガソリンエンジン１２を搭載して排気管１４を後方に延設すると共に、このガソリンエンジン１２の後方に隣接してスターリングエンジン１５を搭載し、ヒートパイプ１６を車両１１の走行方向（前後方向）に沿って後方の蒸発部１６ａを排気管１４の拡大部１４ｃに、前方の凝縮部１６ｂをスターリングエンジン１５のヒータ１５ａにそれぞれ設け、凝縮部１６ｂが蒸発部１６ａより上方に位置するように配設している。

従って、ヒートパイプ１６は後部が下方に傾斜することで、凝縮部１６ｂで凝縮して液体となった作動流体はその重力によりヒートパイプ１６を後方に流れて確実に蒸発部１６ａに戻ることとなり、排気ガスから一定の排熱回収量を確保することができる。また、車両１１の加速時や登坂時には、排気ガスの温度が上昇すると共に後方へ大きな重力が作用し、ヒートパイプ１６内での作動流体の還流速度が上昇して熱移送量が増大し、排気ガスからの排熱回収量を増加することができる。更に、車両１１の減速時や降坂時には、排気ガスの温度が低下すると共に前方へ重力が作用し、ヒートパイプ１６内での作動流体の還流速度が低下して熱移送量が減少し、排気ガスからの排熱回収量を減少することができる。

その結果、車両１１の定常走行時には、ヒートパイプ１６により所定量の熱量を回収してスターリングエンジンに供給することができると共に、加速時や登坂時には多量の熱量を回収し、減速時や降坂時には少量の熱量を回収することとなる。そのため、車両１１の運転状態に応じた排熱回収を実行することで、加速時や登坂時にはスターリングエンジン１５の出力を向上し、減速時や降坂時には出力を低下させることができ、ガソリンエンジン１２の負担を軽減して燃費を向上することができる。

また、車両１１の旋回時走に、ヒートパイプ１６に車両１１の遠心力が作用するが、このヒートパイプ１６は車両走行方向に沿って配設されているため、ヒートパイプ１６の長手方向に作用する重力にはほとんど影響はなく、ヒートパイプ１６により一定の熱回収量が確保されることとなり、適正にスターリングエンジン１５を作動することができる。

更に、ガソリンエンジン１２の後方にスターリングエンジン１５を配設しており、ガソリンエンジン１２とスターリングエンジン１５とを近接して車両に搭載することで、各エンジン１２，１５の出力を効率的に加算して駆動車輪に伝達することができる。また、各エンジン１２，１５を車両１１の前部に搭載することができ、車両１１における良好な重量バランス性を確保することができると共に、室内の良好な居住性を確保することができる。

また、ヒートパイプ１６は後部の蒸発部１６ａに対して前部の凝縮部１６ｂが上方に位置するように傾斜して配設されるものの、この蒸発部１６ａ及び凝縮部１６ｂは水平状態をなしており、蒸発部１６ａに対する凝縮部１６ｂの高さ位置、つまり、スターリングエンジン１５の高さを抑えて搭載性を向上することができる。

図３は、本発明の実施例２に係る車両に搭載される各エンジンとヒートパイプとの関係を表す概略図である。なお、前述した実施例で説明したものと同様の機能を有する部材には同一の符号を付して重複する説明は省略する。

実施例２において、図３に示すように、車両１１のガソリンエンジン１２が搭載されると共に、その後方にスターリングエンジン１５が近接して搭載されており、ガソリンエンジン１２における排気管１４の拡大部１４ｃと、スターリングエンジン１５のヒータ１５ａとの間にはヒートパイプ２１が設けられている。このヒートパイプ２１は、前述の実施例１と同様に、閉じた中空円筒形状のパイプ内に作動流体が封入されて構成されており、一端部が蒸発部２１ａ、他端部が凝縮部２１ｂとなっている。そして、このヒートパイプ２１は車両１１の走行方向に沿って配設され、後方の蒸発部２１ａが排気管１４の拡大部１４ｃに設けられ、前方の凝縮部２１ｂがスターリングエンジン１５のヒータに設けられている。この場合、ヒートパイプ２１は、凝縮部２１ｂが蒸発部２１ａより上方に位置するように所定角度傾斜し、且つ、直線状をなして配設されている。

従って、ガソリンエンジン１２が駆動して排気ガスが排気管１４を通って外部に排出されるとき、ヒートパイプ２１は後部が下方に傾斜しているため、作動流体は後方の蒸発部２１ａに滞留しており、高温の排気ガスから吸熱して液体から蒸気に状態変化する。そして、この蒸気となった作動流体はヒートパイプ内２１を前方に流れて凝縮部２１ｂに至り、この凝縮部２１ｂにて、蒸気の作動流体はスターリングエンジン１５のヒータで熱媒体に放熱して凝縮し、蒸気から液体に状態変化する。そして、液体となった作動流体はその重力並びにウイックによりヒートパイプ２１内を後方に流れて蒸発部２１ａに戻る。

このように実施例２の車両にあっては、ヒートパイプ２１を車両１１の走行方向に沿って後方の蒸発部２１ａを排気管１４の拡大部１４ｃに、前方の凝縮部２１ｂをスターリングエンジン１５のヒータ１５ａにそれぞれ設け、凝縮部２１ｂが蒸発部２１ａより上方に位置するように直線状に傾斜して配設している。

従って、ヒートパイプ２１に水平部分が存在しないため、液体の作動流体が蒸発部２１ａや凝縮部２１ｂに滞留することはなく、蒸発部２１ａで効率良く熱交換して蒸気とすることができると共に、凝縮部２１ｂで凝縮して早期に蒸発部２１ａに戻すことができ、排熱回収効率を向上することができる。また、ヒートパイプ２１に曲げ加工を不要として製造コストを低減することができる。

なお、上述した実施例では、内燃機関をガソリンエンジン１２としたが、ディーゼルエンジンなど内燃機関であっても良い。また、熱交換部をスターリングエンジン１５としたが、排気ガスの熱をヒートパイプを介して回収する排熱回収部として、例えば、暖房装置などであっても良く、また、排気ガスの熱をヒートパイプを介して回収して駆動する他の外燃機関として、例えば、ガスタービンエンジンやスチームエンジンなどであってもよい。

以上のように、本発明にかかる車両は、内燃機関の排気系と熱交換部との間にヒートパイプを傾斜状態で配設することで、凝縮した作動流体の戻りを良くして排熱回収効率を向上するようにしたものであり、内燃機関と熱交換部を搭載した全ての車両に有用である。

本発明の実施例１に係る車両の側面概略図である。 実施例１の車両の平面概略図である。 本発明の実施例２に係る車両に搭載される各エンジンとヒートパイプとの関係を表す概略図である。

符号の説明

１１ 車両
１２ ガソリンエンジン
１４ 排気管（排気系）
１５ スターリングエンジン（熱交換部、排熱回収部、外燃機関）
１６，２１ ヒートパイプ
１６ａ，２１ａ 蒸発部
１６ｂ，２１ｂ 凝縮部

Claims (7)

1. 内燃機関と、熱交換部と、内部に作動流体が封入されると共に蒸発部が前記内燃機関の排気系に設けられて凝縮部が前記熱交換部に設けられたヒートパイプとを具えた車両において、前記凝縮部は、前記蒸発部より前方で、且つ、上方に配設されたことを特徴とする車両。
2. 請求項１記載の車両において、前記ヒートパイプは、車両の走行方向に沿って配設されたことを特徴とする車両。
3. 請求項１記載の車両において、前記熱交換部は、前記内燃機関から排出される排気ガスの熱を前記ヒートパイプを介して回収する排熱回収部であることを特徴とする車両。
4. 請求項１記載の車両において、前記熱交換部は、前記内燃機関から排出される排気ガスの熱を前記ヒートパイプを介して回収して駆動する外燃機関であることを特徴とする車両。
5. 請求項４記載の車両において、前記外燃機関は、回収した熱により駆動して車両の駆動力を出力可能であることを特徴とする車両。
6. 請求項４記載の車両において、前記外燃機関は、前記内燃機関の後部に近接して設けられたことを特徴とする車両。
7. 請求項４から６のいずれか一つに記載の車両において、前記外燃機関は、スターリングエンジンであることを特徴とする車両。

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