JP2005330832A - 蓄熱システム - Google Patents

Abstract

【課題】 本発明は、ヒートパイプと蓄熱タンクを利用して内燃機関の排熱を回収及び蓄熱するシステムにおいて内燃機関の運転状態に関わらず安定した蓄熱を行うことができる技術を提供することを課題とする。
【解決手段】本発明は、蓄熱材（９）を内装した蓄熱タンク（８）と、内燃機関（１）の排熱を前記蓄熱材（９）へ伝導するヒートパイプ（１３）とを備えた蓄熱システムにおいて、ヒートパイプ（１３）の入熱部（１５）をエキゾーストマニフォルド（６）のフランジ（６０）に接続することで、排気温度が変動した場合であっても安定した蓄熱を行えるようにしたことを特徴とする。
【選択図】 図１

Description

本発明は、内燃機関の排熱を回収して蓄熱するシステムに関する。

近年、車両などに搭載される内燃機関では、ヒートパイプと蓄熱タンクを利用して内燃機関の排熱を回収及び蓄熱する技術が提案されている。このような技術ではヒートパイプの入熱部（蒸発部）が内燃機関の排気通路内に配置され、ヒートパイプの放熱部（凝縮部）が蓄熱タンク内の蓄熱材に接続される（たとえば、特許文献１を参照）。

実開昭６３−９０２３号公報 特開平５−１９５７６５号公報 特開２０００−８８４３号公報 特開平３−２８０１７号公報 特開２００３−３８４３号公報

ところで、内燃機関の排気温度は機関運転状態によって大きく変動するため、ヒートパイプの入熱部が排気通路内に配置されると安定した蓄熱を行うことが困難となる場合がある。

例えば、蓄熱材の温度が排気温度より低いときは排気から蓄熱材へ熱が伝導されるが、蓄熱材の温度が排気温度より高いときは蓄熱材から排気へ熱が伝導されるため、これらの現象が交互に繰り返される場合には蓄熱効率が低下してしまう。

本発明は、上記した実情に鑑みてなされたものであり、その目的はヒートパイプと蓄熱タンクを利用して内燃機関の排熱を回収及び蓄熱するシステムにおいて蓄熱効率の低下を抑制することにある。

本発明は上記した課題を解決するために以下のような手段を採用した。すなわち、本発明の特徴は、蓄熱材を内装した蓄熱タンクと、内燃機関の排熱を前記蓄熱材へ伝導するヒートパイプとを備えた蓄熱システムにおいて、ヒートパイプの入熱部をエキゾーストマニフォルドの壁面に接続する点にある。

エキゾーストマニフォルドは比較的熱容量が大きいため、排気温度が大幅に変化した場合であっても温度変化が少ない。従って、ヒートパイプの入熱部がエキゾーストマニフォルド壁面に接続されると、排気温度が大幅に変化した場合であってもヒートパイプの入熱量が大幅に変化することがなく、安定した蓄熱を行うことができる。

更に、エキゾーストマニフォルドは内燃機関に直に接続されるため、排気の熱に加えて内燃機関の熱も受け易い。従って、排気温度が大幅に低下する場合には、エキゾーストマニフォルドが内燃機関の熱を吸収することができるため、エキゾーストマニフォルドの大幅な温度低下が抑制される。その結果、エキゾーストマニフォルド（入熱部）の温度が蓄熱材の温度より低くなり難く、蓄熱効率の低下が抑制される。

尚、ヒートパイプの入熱部がエキゾーストマニフォルドと内燃機関との連結部に接続さ
れれば、ヒートパイプ自体が内燃機関の熱を受け易くなるため、排気温度の変化に対する入熱量の変化を一層少なくすることができる。

次に、本発明に係る蓄熱システムは、上記したような蓄熱材及びヒートパイプを複数組備えるようにしてもよい。この場合、蓄熱容量が増加するため、より多くの排熱を回収及び蓄熱することができ、大気中に放出される熱量を減少させることができる。

本発明に係る蓄熱システムが蓄熱材及びヒートパイプを複数組備える場合には、それらの組の適応温度範囲を相互に異ならせるようにしてもよい。この場合、蓄熱システム全体としての適応温度範囲が広くなるため、より多くの排熱を効率的に回収及び蓄熱することが可能となる。

尚、適応温度範囲が高い組の入熱部は、適応温度範囲が低い組の入熱部に比べてエキゾーストマニフォルドの上流側に接続されるようにしてもよい。

エキゾーストマニフォルドの上流側は内燃機関の排熱及び内燃機関自体の熱を受けて高温になるが、エキゾーストマニフォルドの下流側は大気中への放熱によって温度が低くなる。

従って、エキゾーストマニフォルドの上流側に適応温度範囲の高い組が配置されれば、大気中への無用な放熱を抑制しつつ多くの熱を回収及び蓄熱することができる。

また、本発明に係る蓄熱システムは、エキゾーストマニフォルドの下流に設けられた排気浄化触媒が未活性状態にあるときにはヒートパイプの入熱部とエキゾーストマニフォルド壁面との接続を解除する機構を備えるようにしてもよい。

排気浄化触媒が未活性状態にあるときにヒートパイプの入熱部がエキゾーストマニフォルド壁面に接続されていると、排気の熱がエキゾーストマニフォルドを介してヒートパイプに吸収される。このため、排気浄化触媒へ流入する前に排気温度が低下してしまい、排気浄化触媒が昇温し難くなる。

これに対し、排気浄化触媒が未活性状態にあるときにヒートパイプの入熱部とエキゾーストマニフォルド壁面との接続が解除されると、排気浄化触媒へ流入する前に排気の温度が低下し難くなり、排気浄化触媒が昇温し易くなる。

本発明によれば、ヒートパイプと蓄熱タンクを利用して内燃機関の排熱を回収及び蓄熱するシステムにおいて蓄熱効率の低下を抑制することが可能となる。

以下、本発明に係る蓄熱システムの具体的な実施形態について図面に基づいて説明する。

先ず、本発明に係る蓄熱システムの第１の実施例について図１〜図２に基づいて説明する。

図１は、本発明に係る蓄熱システムを適用する内燃機関の概略構成を示す図である。図１において内燃機関１は、シリンダヘッド２とシリンダブロック３を備えている。

シリンダヘッド２には冷却水通路４が形成されている。シリンダブロック３にはウォータジャケット５が形成されている。冷却水通路４とウォータジャケット５は相互に連通している。

シリンダヘッド２にはエキゾーストマニフォルド６が接続され、エキゾーストマニフォルド６は排気浄化触媒７に接続されている。

内燃機関１には、蓄熱タンク８が併設されている。蓄熱タンク８には蓄熱材９が内装されている。蓄熱材９の内部には冷却水管１０の一部が埋設されている。

前記冷却水管１０の基端は、内燃機関１のウォータジャケット５とサーモスタット１１を介して接続されている。前記冷却水管１０の終端は、内燃機関１の冷却水通路４に接続されている。

前記冷却水管１０の途中には電動ウォータポンプ１２が設けられている。電動ウォータポンプ１２は、ウォータジャケット５から冷却水通路４へ向かう冷却水の流れを発生する。

前記蓄熱材９にはヒートパイプ１３の放熱部（凝集部）１４が挿入されている。ヒートパイプ１３の入熱部（蒸発部）１５は、エキゾーストマニフォルド６のフランジ６０に接続（詳細には、フランジ６０と接触するように固定）されている。

また、冷却水通路４と蓄熱タンク８の間に位置する冷却水管１０には三方切換弁１６が配置されている。尚、以下では、三方切換弁１６より冷却水通路４側に位置する冷却水管１０を第１冷却水管１０ａと称し、三方切換弁１６よりサーモスタット１１側に位置する冷却水管１０を第２冷却水管１０ｂと称する。

三方切換弁１６には、前記した第１冷却水管１０ａ及び第２冷却水管１０ｂに加え、第１のヒータ用冷却水管１７が接続されている。第１のヒータ用冷却水管１７は車室内用ヒータのヒータコア１８と接続されている。ヒータコア１８には第２のヒータ用冷却水管１９が接続されている。第２のヒータ用冷却水管１９は、サーモスタット１１と電動ウォータポンプ１２の間に位置する冷却水管１０と接続されている。

このように構成された内燃機関１の蓄熱システムでは、内燃機関１が暖機完了後の運転状態にあるとき或いは高負荷運転状態にあるときに、蓄熱タンク８に冷却水が流れないように三方切換弁１６が動作するとともに、電動ウォータポンプ１２が停止する。

すなわち、三方切換弁１６は、第２冷却水管１０ｂを閉塞するとともに第１冷却水管１０ａと第１のヒータ用冷却水管１７が導通するように動作する。

この場合、内燃機関１の熱を受けて高温となった冷却水は、ウォータジャケット５からサーモスタット１１を介して第２冷却水管１０ｂへ流入する。第２冷却水管１０ｂへ流入した冷却水は、第２のヒータ用冷却水管１９を介してヒータコア１８へ導かれる。ヒータコア１８へ導かれた冷却水は、車室内暖房用の空気との間で熱交換される。ヒータコア１８において車室内暖房用空気と熱交換された冷却水は、第１のヒータ用冷却水管１７及び三方切換弁１６を介して第１冷却水管１０ａへ導かれる。第１冷却水管１０ａへ流入した冷却水は、内燃機関１の冷却水通路４へ流入する。

一方、エキゾーストマニフォルド６のフランジ６０は、内燃機関１自体からの放熱及び排気からの放熱により昇温する。フランジ６０が昇温すると、フランジ６０の熱がヒート
パイプ１３の入熱部１５に伝達される。入熱部１５にフランジ６０の熱が伝達されると、ヒートパイプ１３内の作動液が蒸発して速やかに放熱部１４へ移動する。

放熱部１４へ移動した作動液は、該作動液の熱を放出して凝集する。作動液から放出された熱は、放熱部１４から蓄熱材９へ伝達され、蓄熱材９に蓄えられる。放熱部１４において凝集した作動液は再び入熱部１５へ移動する。

作動液が上記した動作を繰り返すことにより、フランジ６０の熱が蓄熱材９に蓄えられるようになる。

ところで、内燃機関１の排気温度は機関運転状態に応じて大きく変動するため、エキゾーストマニフォルド６が排気から受ける熱量が変化する。

但し、エキゾーストマニフォルド６自体の熱容量が比較的大きい上、エキゾーストマニフォルド６のフランジ６０が内燃機関１に直に接触しているため、図２に示されるように、排気温度が大幅に変動してもエキゾーストマニフォルド６の大幅の温度変化が抑制される。

特に排気温度が大幅に低下するような場合には、エキゾーストマニフォルド６自体が持つ熱と内燃機関１からフランジ６０へ伝達される熱とによりフランジ６０の温度低下が抑制されるため、フランジ６０の温度が蓄熱材９の温度より低くなり難い。

従って、本実施例のようにヒートパイプ１３の入熱部１５がエキゾーストマニフォルド６のフランジ６０に接続されると、排気温度が大幅に変化した場合であっても入熱部１５の入熱量が大幅に変化せず、若しくは入熱部１５の温度が蓄熱材９の温度より低くなり難くなり、安定した蓄熱を行うことができる。

尚、ヒートパイプ１３の入熱部１５はフランジ６０のみに接触するように配置されてもよいが、フランジ６０とシリンダヘッド２の双方に接触するように配置されるようにしてもよい。この場合、内燃機関１の熱を一層受け易くなるため、入熱部１５の入熱量が一層安定し易い。

次に、本発明に係る蓄熱システムの第２の実施例について図３〜図６に基づいて説明する。ここでは前述した実施例１と異なる構成について説明し、同様の構成については説明を省略する。

前述した実施例１ではヒートパイプ１３の入熱部１５がエキゾーストマニフォルド６のフランジ６０に固定される例について述べたが、本実施例では排気浄化触媒７が未活性状態にあるときは入熱部１５とフランジ６０との接触を解除する例について述べる。

図３、４は、エキゾーストマニフォルド６のフランジ６０周辺の構成を示す図である。図３に示されるように入熱部１５は、断熱材２０によって支持されている。断熱材２０には、該断熱材２０及び入熱部１５を変位させるためのアクチュエータ２１が連結されている。

具体的には、前記アクチュエータ２１は進退自在なシャフト２１ａと該シャフト２１ａを電磁力によって進退駆動するソレノイド２１ｂとを備えており、前記シャフト２１ａが前記断熱材２０に連結されている。また、前記ソレノイド２１ｂは、シリンダヘッド２又はシリンダブロック３と図示しないブラケットを介して固定されている。

前記ソレノイド２１ｂはＥＣＵ２２と電気的に接続され、ＥＣＵ２２からの制御信号に従ってシャフト２１ａを進退駆動させる。

尚、図３、４は前記シャフト２１ａが最も進出した状態を示しており、前記アクチュエータ２１はシャフト２１ａが最も進出したときに入熱部１５とフランジ６０が当接するように構成及び配置されている。

このように構成された蓄熱システムでは、内燃機関１が暖機完了後の運転状態にあるとき或いは高負荷運転状態にあるときには、ＥＣＵ２２は前記シャフト２１ａが進出するように前記ソレノイド２１ｂを制御する。

この場合、シャフト２１ａの進出に伴って断熱材２０及び入熱部１５が変位し、入熱部１５とフランジ６０が当接する。入熱部１５とフランジ６０が当接すると、フランジ６０の熱が入熱部１５に吸収される。入熱部１５に吸収された熱は放熱部１４へ伝達され、放熱部１４から蓄熱材９へ伝達される。

このようにフランジ６０の熱がヒートパイプ１３及び蓄熱タンク８により回収及び蓄熱されると、フランジ６０の温度が低下する。フランジ６０の温度が低下すると、排気からフランジ６０へ伝達される熱量及びエキゾーストマニフォルド６からフランジ６０へ伝達される熱量が増加する。

排気及びエキゾーストマニフォルド６からフランジ６０へ伝達される熱量が増加すると、エキゾーストマニフォルド６通過後の排気、言い換えれば排気浄化触媒７へ流入する排気の温度が低くなる。

従って、高負荷運転時に入熱部１５とフランジ６０が当接させられると、排気浄化触媒７へ流入する排気の温度を低下させることができる。その結果、排気浄化触媒７の過熱防止を目的とした燃料噴射量の増量補正等を行う必要がなくなり、燃費を向上させることができる。

一方、排気浄化触媒７が未活性状態にあるときに入熱部１５とフランジ６０が当接していると、排気浄化触媒７へ流入する際の排気の温度が過剰に低くなり、排気浄化触媒７が活性し難くなる。

これに対し、内燃機関１の始動時から排気浄化触媒７が活性するまでの期間では、ＥＣＵ２２は前記シャフト２１ａが退行するように前記ソレノイド２１ｂを制御する。

この場合、シャフト２１ａの退行に伴って断熱材２０及び入熱部１５が変位するため、図５、６に示されるように入熱部１５とフランジ６０が離間する。入熱部１５とフランジ６０が離間すると、フランジ６０の熱が入熱部１５に吸収されなくなるため、エキゾーストマニフォルド６通過時に排気の温度が低下し難くなる。

その結果、排気浄化触媒７へ流入する排気の温度が不要に低下することがなくなり、排気浄化触媒７の速やかな昇温を図ることができる。

次に、本発明に係る蓄熱システムの第３の実施例について図７に基づいて説明する。ここでは前述した第１の実施例と異なる構成について説明し、同様の構成については説明を省略する。

前述した第１の実施例では、一組のヒートパイプ及び蓄熱材を備えた蓄熱システムについて述べたが、本実施例では複数組のヒートパイプ及び蓄熱材を備える例について述べる。

図７は、蓄熱システムの概略構成を示す図である。図７に示すように、冷却水管１０の途中には、第１蓄熱タンク８０、第２蓄熱タンク８１、第３蓄熱タンク８２、及び第４蓄熱タンク８３が直列に配置されている。

これら第１〜第４蓄熱タンク８０〜８３には、第１蓄熱材９０、第２蓄熱材９１、第３蓄熱材９２、及び第４蓄熱材９３が各々内蔵されている。

第１蓄熱材９０には第１ヒートパイプ１３ａの放熱部１４ａ（以下、第１放熱部１４ａと称する）が挿管されている。第２蓄熱材９１には第２ヒートパイプ１３ｂの放熱部１４ｂ（以下、第２放熱部１４ｂと称する）が挿管されている。第３蓄熱材９２には第３ヒートパイプ１３ｃの放熱部１４（以下、第３放熱部１４ｃ）が挿管されている。第４蓄熱材９ｄには第４ヒートパイプ１３ｄの放熱部１４ｄ（以下、第４放熱部１４ｄと称する）が挿管されている。

第１ヒートパイプ１３ａの入熱部１５ａ（以下、第１入熱部１５ａと称する）は、エキゾーストマニフォルド６のフランジ６０に接続されている。第２ヒートパイプ１３ｂの入熱部１５ｂ（以下、第２入熱部１５ｂと称する）は、前記フランジ６０の直下流のエキゾーストマニフォルド６壁面に接続されている。第３ヒートパイプ１３ｃの入熱部１５ｃ（以下、第３入熱部１５ｃと称する）は、上記の第２入熱部１５ｂより下流のエキゾーストマニフォルド６壁面に接続されている。第４ヒートパイプ１３ｄの入熱部１５ｄ（以下、第４入熱部１５ｄと称する）は、上記の第３入熱部１５ｃより下流のエキゾーストマニフォルド６壁面に接続されている。

ここで、４本のヒートパイプ１３ａ、１３ｂ、１３ｃ、１３ｄに封入される作動液の作動温度範囲（作動温度範囲の最高温度と最低温度）は、第１ヒートパイプ１３ａ、第２ヒートパイプ１３ｂ、第３ヒートパイプ１３ｃ、第４ヒートパイプ１３ｄの順に低くなっている（第１ヒートパイプ１３ａ＞第２ヒートパイプ１３ｂ＞第３ヒートパイプ１３ｃ＞第４ヒートパイプ１３ｄ）。

また、４つの蓄熱材９０、９１、９２、９３の融解温度は、第１蓄熱材９０、第２蓄熱材９１、第３蓄熱材９２、第４蓄熱材９３の順に低くなっている（第１蓄熱材９０＞第２蓄熱材９１＞第３蓄熱材９２＞第４蓄熱材９３）。

このように構成された蓄熱システムによれば、蓄熱材が一つの場合に比べて蓄熱容量が多くなるため、内燃機関１からの排熱をより多く回収及び蓄熱することが可能となり、大気中へ放出される排熱量を減少させることができる。

また、本実施例では、４本のヒートパイプ１３ａ、１３ｂ、１３ｃ、１３ｄに封入される作動液の作動温度範囲を相互に異ならせるとともに、作動液の作動温度範囲が高いヒートパイプを作動液の作動温度範囲が低いヒートパイプに比べてエキゾーストマニフォルド６の上流側に接続しているため、エキゾーストマニフォルド６の熱を有効に蓄熱材９０、９１、９２、９３へ伝導させることができる。

更に、本実施例では、ヒートパイプ１３ａ、１３ｂ、１３ｃ、１３ｄの各々の作動温度範囲に応じて蓄熱材９０、９１、９２、９３の融解温度を異ならせているため、ヒートパ
イプ１３ａ、１３ｂ、１３ｃ、１３ｄによって伝導される熱を有効に蓄えることが可能になる。

尚、本実施例では４つの蓄熱材９０、９１、９２、９３が別個の蓄熱タンク８０、８１、８２、８３に内蔵されているが、単一の蓄熱タンク内に内蔵されるようにしてもよい。

実施例１における蓄熱システムの概略構成を示す図 排気温度とエキゾーストマニフォルドのフランジの温度との関係を示す図 実施例２において入熱部とフランジが当接しているときのフランジ周辺の構成を示す図（１） 実施例２において入熱部とフランジが当接しているときのフランジ周辺の構成を示す図（２） 実施例２において入熱部とフランジが離間しているときのフランジ周辺の構成を示す図（１） 実施例２において入熱部とフランジが離間しているときのフランジ周辺の構成を示す図（１） 実施例３における蓄熱システムの概略構成を示す図

符号の説明

１・・・・・内燃機関
６・・・・・エキゾーストマニフォルド
８・・・・・蓄熱タンク
９・・・・・蓄熱材
１３・・・・ヒートパイプ
２０・・・・断熱材
２１・・・・アクチュエータ
２１ａ・・・シャフト
２１ｂ・・・ソレノイド
６０・・・・フランジ

Claims (5)

1. 蓄熱材を内装した蓄熱タンクと、内燃機関の排熱を前記蓄熱材へ伝導するヒートパイプとを備えた蓄熱システムにおいて、
   前記ヒートパイプの入熱部がエキゾーストマニフォルドの壁面に接続されることを特徴とする蓄熱システム。
2. 請求項1において、前記蓄熱材と前記ヒートパイプを複数組備えることを特徴とする蓄熱
   システム。
3. 請求項２において、前記複数組の前記蓄熱材と前記ヒートパイプは、相互に適応温度範囲が異なることを特徴とする蓄熱システム。
4. 請求項３において、適応温度範囲が高い組の入熱部は、適応温度範囲が低い組の入熱部に比べて、前記エキゾーストマニフォルドの上流側に接続されることを特徴とする蓄熱システム。
5. 請求項１又は２において、前記エキゾーストマニフォルドの下流に設けられた排気浄化触媒が未活性状態にあるときに前記ヒートパイプの入熱部と前記エキゾーストマニフォルドの壁面との接続を解除する機構を更に備えることを特徴とする蓄熱システム。

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