JP2007278623A - 排熱回収装置 - Google Patents

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Abstract

【課題】蒸発部のチューブにフィンを設ける場合でも、チューブの熱膨張差に伴うフィンの破損を防止可能とする排熱回収装置を提供する。
【解決手段】複数のチューブ111が配列されて、内燃機関10の排気ガスの熱によって内部の作動媒体を蒸発させる蒸発部110と、蒸発部110から流入する作動媒体の熱を内燃機関10の冷却水側に放熱回収して作動媒体を凝縮させると共に、凝縮された作動媒体を蒸発部110に戻す凝縮部130とを有する排熱回収装置において、複数配列されるチューブ111の間には、伝熱面積を拡大するフィン112が介在されてチューブ111表面に接合されており、複数のチューブ111の配列方向となるフィン112の中間部に、複数のチューブ111の長手方向の熱膨張差に伴って作用するフィンへ112の作用力を緩和させる作用力緩和部112a、112bを形成する。
【選択図】図2

Description

本発明は、ヒートパイプを用いて内燃機関の排気ガスの排熱を回収して、内燃機関の冷却水加熱のために利用する排熱回収装置に関するものであり、例えば内燃機関を備える車両に用いて好適である。
従来、例えば特許文献1に示されるようなヒートサイホン式の排熱回収装置が知られている。この排熱回収装置は、蒸発器と凝縮器とが環状に接続されたヒートサイホンから成るものであって、蒸発器は複数配列されるチューブから形成されている。そして、蒸発器がエンジンの排気管に配置され、また、凝縮器がエンジン冷却水側に配置されて、エンジンの排気ガスの熱をエンジン冷却水に回収するようにしている。
特開平7−120178号公報
上記のような排熱回収装置においては、蒸発器における熱媒体と排気ガスとの熱交換を促進させるために、複数のチューブ外表面に、伝熱面積を拡大するフィンをろう付け等して設けることが好ましい。
しかしながら、高温の排気ガスの流れに温度分布があると、その温度分布に応じて各チューブに温度差が生じる。よって、性能向上のために上記のようなフィンをチューブに設けた場合に、各チューブの温度差に伴ってチューブに熱膨張差が生じて、フィンにとっては引張り荷重がかかり、例えばチューブとの接合部となるろう付けのフィレット部で破断するといった不具合が生ずる。
本発明の目的は、上記問題に鑑み、蒸発部のチューブにフィンを設ける場合でも、チューブの熱膨張差に伴うフィンの破損を防止可能とする排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に記載の発明では、複数のチューブ(111)が配列されて、内燃機関(10)の排気ガスの熱によって内部の作動媒体を蒸発させる蒸発部(110)と、蒸発部(110)から流入する作動媒体の熱を内燃機関(10)の冷却水側に放熱回収して作動媒体を凝縮させると共に、凝縮された作動媒体を蒸発部(110)に戻す凝縮部(130)とを有する排熱回収装置において、複数配列されるチューブ(111)の間には、伝熱面積を拡大するフィン(112)が介在されてチューブ(111)表面に接合されており、複数のチューブ(111)の配列方向となるフィン(112)の中間部には、複数のチューブ(111)の長手方向の熱膨張差に伴って作用するフィンへ(112)の作用力を緩和させる作用力緩和部(112a、112b)が形成されたことを特徴としている。
これにより、蒸発部(110)のチューブ(111)にフィン(112)を設けるものにおいて、作用力緩和部(112a、112b)によってチューブ(111)の熱膨張差に伴うフィン(112)への作用力を緩和させることができ、フィン(112)の破損を防止することができる。
請求項2に記載の発明では、フィン(112)は、波形に形成されたコルゲートフィン(112)であり、作用力緩和部(112a、112b)は、フィン(112)がチューブ(111)の配列方向に複数層に分割されて、対向するフィン(112)同士が非接合となる非接合部(112a)として形成されたことを特徴としている。
これにより、フィン(112)はチューブ(111)の熱膨張に伴って変位可能とすることができるので、熱膨張差に伴うフィン(112)への作用力の発生を無くして、フィン(112)の破損を防止することができる。
請求項3に記載の発明では、対向するフィン(112)のいずれか一方には、対向するフィン(112)同士を仕切る仕切りプレート(116)が接合されたことを特徴としている。
これにより、チューブ(111)の間に複数層のフィン(112)を介在させる際に、フィン(112)の山部と谷部が重なり合うことがなく、フィン(112)の組付けを支障なく行うことができる。
請求項2に記載の発明に対して、請求項4に記載の発明のように、作用力緩和部(112a、112b)は、フィン(112)の中間部が曲げられた屈曲部(112b)として形成されるようにしても良い。
これにより、フィン(112)は、屈曲部(112b)が直線状に延びるまで、作用力を直接受けないようにすることができるので、フィン(112)の破損を防止することができる。
上記請求項4における屈曲部(112b)は、請求項5、請求項6に記載の発明のように、への字状に曲げられたもの、あるいは、S字状に曲げられたものとすることができる。
請求項4〜請求項6に記載の発明においては、請求項7に記載の発明のように、フィン(112)は、波形に形成されたコルゲートフィン(112)を用いて好適であり、これにより、フィン効率の高いフィンを採用することができる。
請求項8に記載の発明では、凝縮部(130)から蒸発部(110)に作動媒体が戻される流路には、作動媒体の圧力、冷却水の温度、作動媒体の温度のいずれか1つに応じてこの流路を開閉する弁機構(150)が設けられたことを特徴としている。
これにより、凝縮部(130)から蒸発部(110)へ流れる作動媒体の流量を調節でき、過剰な熱量の回収を回避することができる。ここで、弁機構(150)を有するものにおいては、例えば排熱回収を再始動する際に、弁機構(150)を開いて凝縮部(130)から蒸発部(110)の各チューブ(111)に作動媒体を還流させると、弁機構(150)と各チューブ(111)との距離の差から、各チューブ(111)での作動媒体の流量に差が生じやすい。よって、この流量差によって各チューブ(111)の熱膨張差が出やすく、それに伴う作用力によってフィン(112)が破損するおそれが生ずることから、弁機構(150)を有するものにおいて本発明を適用して好適となる。
尚、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を示すものである。
(第1実施形態)
本発明の第1実施形態における排熱回収装置100は、エンジン10を走行用の駆動源とする車両(自動車)に適用されるものとしている。排熱回収装置100は、エンジン10の排気管11および排熱回収回路30に配設されている。以下、具体的な構成について図1〜図3を用いて説明する。尚、図1は排熱回収装置100の車両への搭載状態を示す模式図、図2は排熱回収装置100を示す断面図、図3は図2におけるチューブ111およびフィン112を示す拡大図である。
図1に示すように、エンジン10は水冷式の内燃機関であり、燃料が燃焼した後の排気ガスが排出される排気管11を有している。排気管11には排気ガスを浄化する触媒コンバータ12が設けられている。また、エンジン10は、エンジン10冷却用のエンジン冷却水(以下、冷却水)が循環するラジエータ回路20と、このラジエータ回路20とは別の流路として冷却水が循環する排熱回収回路30と、冷却水(温水)を加熱源として空調空気を加熱するヒータ回路40とを有している。
ラジエータ回路20にはラジエータ21が設けられており、ラジエータ21は、ウォータポンプ22によって循環される冷却水を外気との熱交換により冷却する。ラジエータ回路20中にはラジエータ21を迂回して冷却水が流通するバイパス流路23が設けられており、サーモスタット24によってラジエータ21を流通する冷却水量とバイパス流路23を流通する冷却水量とが調節されるようになっている。特に暖機時においてはバイパス流路23側の冷却水量が増加されて暖機が促進される。つまり、ラジエータ21による冷却水の過冷却が防止される。
排熱回収回路30は、ラジエータ回路20のエンジン出口部から分岐して、ウォータポンプ22に接続される流路であり、ウォータポンプ22によって冷却水が循環されるようになっている。排熱回収回路30の途中には後述する排熱回収装置100の水タンク140(凝縮部130)が接続されている。
尚、ヒータ回路40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冷却水(温水)が流出して、排熱回収回路30の下流側に合流する回路としている。このヒータ回路40には、暖房用熱交換器としてのヒータコア41が設けられており、上記のウォータポンプ22によって冷却水(温水)が循環されるようにしている。ヒータコア41は、図示しない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温水との熱交換により加熱する。
排熱回収装置100は、図2、図3に示すように、ダクト部120内に収容される蒸発部110と、水タンク140内に収容される凝縮部130とが接続流路115および還流路135によってそれぞれ接続されて成るループ式のヒートパイプ101を有している。
ヒートパイプ101には図示しない封入部が設けられており、この封入部からヒートパイプ101内が真空引き(減圧)され、作動媒体が封入された後に封入部は封止されている。作動媒体は、ここでは水を使用している。水の沸点は、1気圧で100℃であるが、ヒートパイプ101内を減圧(例えば0.01気圧)しているため、沸点は、5〜10℃となる。尚、作動媒体としては、水の他にアルコール、フロロカーボン、フロン等を用いても良い。
排熱回収装置100を構成する各部材(以下説明)は、高耐食性を備えるステンレス材から成り、各部材が組み付けされた後に、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。
蒸発部110は、チューブ111、フィン112、下タンク部113、上タンク部114等から形成されている。チューブ111は、断面扁平状を成す細長の管部材であり、長手方向が上下を向くようにして、図2中の左右方向に所定のチューブピッチを持って複数並べられて列を成している(この方向を以下、配列方向と呼ぶ)。更に図2の紙面に対して垂直方向にも上記列が複数並ぶように配置されている(この方向を以下、列方向と呼ぶ)。
上記配列方向となる各チューブ111の間には、薄肉板材から形成されたフィン112が介在されて、各チューブ111の外壁面(表面)に接合されている。尚、フィン112の詳細については後述する。
下タンク部113、上タンク部114は、共に扁平の容器体として形成されており、上記チューブ111の長手方向端部側に配設されている。各タンク部113、114のチューブ111に対応する位置には、チューブ孔(図示省略)が穿設されている。そして、複数のチューブ111の長手方向両端部は、それぞれ各タンク部113、114のチューブ孔に接合されており、複数のチューブ111は、各タンク部113、114内と連通している。
そして、凝縮部110は、ダクト部120内に収容されている。ダクト部120は、断面矩形状を成す筒体であり、後述するように内部を排気ガスが流通するようになっている。凝縮部110は、チューブ111の列方向(図2の紙面に対して垂直方向)と、排気ガスの流れ方向(図2の紙面に対して垂直方向)とが一致するように収容されている。
凝縮部130は、上記蒸発部110と同様に、長手方向が上下方向を向くように複数配列されるチューブ131の間に、クランク状に形成されたフィン132が介在されて、接合されると共に、各チューブ131の長手方向両端部が下タンク部133、上タンク部134に接合されて形成されている。複数のチューブ131は、各タンク部133、134内と連通している。
そして、凝縮部130は、水タンク140内に収容されている。水タンク140は、チューブ131の長手方向に沿うように細長に形成された容器体であり、一方の端部側に冷却水を内部に導入する冷却水導入パイプ141が設けられ、また、他方の端部側に冷却水を外部に排出する冷却水排出パイプ142が設けられている。
凝縮部130は、蒸発部110の側方に配設されて、上タンク部114と上タンク部134とが、ダクト部120および水タンク140を貫通する接続流路115によって接続されている。また、下タンク部113と下タンク部133とが、ダクト部120および水タンク140を貫通する還流路135によって接続されている。よって、下タンク部113→チューブ111→上タンク部114→接続流路115→上タンク部134→チューブ131→下タンク部142→還流路135→下タンク部113が環状に繋がっており、ヒートパイプ101を形成している。
尚、ダクト部120と水タンク140との間には、隙間が設けられており、この隙間部に対応する接続流路115、および還流路135は蒸発部110と凝縮部130との間に形成される断熱部121となっている。
蒸発部110におけるフィン112は、本実施形態における特徴部を成している。フィン112は、薄肉の帯板材からローラ加工によって波形に成形された、コルゲートタイプのフィンであり、図3に示すように、配列方向となるチューブ111の間において、この配列方向に層状となるように複数に分割されて形成されている。ここでは、2層となる分割フィン1121、1122としている。チューブ111間におけるフィン1121、1122は、それぞれチューブ111の外壁面(表面)に当接する部位で、ろう付けによるフィレットを形成して接合されている。
そして、フィン1121とフィン1122との間(本発明における中間部に対応)には、薄肉の板部材から成る仕切りプレート(以下、プレート)116が設けられて、このプレート116は、フィン1121、1122のうち、一方のフィン(ここでは、フィン1122)と接合されており、また、他方のフィン(ここでは、フィン1121)とは非接合(非接合部112aを形成)となっている。上記非接合部112aは、本発明における作用力緩和部に対応する。
以上のように排熱回収装置100は形成されており、蒸発部110(ダクト部120)が触媒コンバータ12の下流側となる排気管11に介在され、また、水タンク140の両パイプ141、142が排熱回収回路30に接続されている(図1)。
次に、上記構成に基づく排熱回収装置100の作動、およびその作用効果について説明する。
エンジン10が作動されると併せてウォータポンプ22が作動され、冷却水はラジエータ回路20、排熱回収回路30、ヒータ回路40を循環する。エンジン10で燃焼された燃料の排気ガスは、触媒コンバータ12を経て排気管11を流れ、排熱回収装置100の蒸発部110を通過して大気中に排出される。また、排熱回収回路30を循環する冷却水は、排熱回収装置100の水タンク140内(凝縮部130)を通過する。
エンジン10が始動された後は、ヒートパイプ101内の水(作動媒体)は、蒸発部110でダクト部120内を流れる排気ガスから受熱して沸騰気化し始めて、蒸気となってチューブ111内を上昇し、上タンク部114、接続流路115を経て凝縮部130(上タンク部134、チューブ131)内に流れ込む。凝縮部130内へ流入した蒸気は、排熱回収回路30から水タンク140内を流れる冷却水によって冷却され、凝縮水となって還流路135を通り蒸発部110の下タンク部113に還流する。
このように、排気ガスの熱が水に伝達されて蒸発部110から凝縮部130へ輸送され、この凝縮部130で蒸気が凝縮する際に凝縮潜熱として放出され、排熱回収回路30を流れる冷却水が積極的に加熱される。つまり、エンジン10の暖機が促進されることになるので、エンジン10のフリクションロスの低減、低温始動性向上のための燃料増量の抑制等が図られ燃費性能が向上される。また、冷却水を加熱源とするヒータコア41の暖房性能が向上される。尚、排気ガスの熱はヒートパイプ101の外壁面を介して熱伝導によって蒸発部110から凝縮部130に移動される分も存在する。
また、蒸発部110に複数のチューブ111およびフィン112を設けることで、排気ガスに対する受熱面積を増大させて、蒸発部110における作動媒体の蒸発を促進でき、凝縮部130への熱輸送量の増大を可能としている。
また、蒸発部110と凝縮部130との間に断熱部121を設けることで、凝縮部130における冷却水によって蒸発部110が冷却されることが防止でき、蒸発部110内で凝縮作用が発生することが無い。
本実施形態では、蒸発部110においてフィン112をチューブ111間に2層となるように分割して、分割フィン1121、1122としている。そして、フィン1121とフィン1122との間は、非接合となる非接合部112a(作用力緩和部)として形成しているので、例えばダクト部120内の排気ガス流れの温度分布によって、各チューブ111に温度差が生じ、その温度差に伴う熱膨張差が生じても、フィン1121、1122への引張り力(作用力)を緩和させることがでる。即ち、フィン1121、1122は、チューブ111間において、チューブ111の熱膨張に伴って変位可能とすることができるので、熱膨張差に伴うフィン1121、1122への作用力の発生を無くして、フィン1121、1122の破損を防止することができる。
また、フィン1121、1122の間には、プレート116を設けるようにしているので、チューブ111の間にフィン1121、1122を介在させる際に、フィン1121、1122の山部と谷部が重なり合うことがなく、フィン1121、1122の組付けを支障なく行うことができる。
尚、上記実施形態では、フィン112を2層に分割したが、これに限らず、図4に示すように、例えば、3層(フィン1121、1122、1123)以上に分割したものとしても良い。
(第2実施形態)
本発明の第2実施形態を図5、図6に示す。第2実施形態は、上記第1実施形態に対して、作用力緩和部の構成を変更したものである。即ち、ここでは、配列方向となるチューブ111の間に1つずつコルゲートタイプのフィン112が介在されるものとしており、チューブ111間となるフィン112の中間部で曲げられた屈曲部112bを、このフィン112における作用力緩和部として形成している。
屈曲部112bは、図5に示すように、チューブ111間となるフィン112の略中央部で、への字状に曲げられた屈曲部112bとしたり、また、図6に示すように、チューブ111間となるフィン112の全体がS字状に曲げられた屈曲112bとすることができる。
これにより、各チューブ111の熱膨張差が生じた場合に、フィン112は、屈曲部112bが直線状に延びるまで、作用力を直接受けないようにすることができるので、フィン112の破損を防止することができる。
尚、フィン112の屈曲部112bは、上記のへの字状やS字状のものに限らず、波形等の他の形状を採用するようにしても良い。また、フィン112は、コルゲートタイプのフィンに代えて、プレートタイプのフィンとしても良い。
(第3実施形態)
本発明の第3実施形態を図7に示す。第3実施形態は、上記第1、第2実施形態に対して、凝縮部130と蒸発部110とを接続する還流路(流路)135に弁機構150を設けたものとしている。
弁機構150は、例えば、ヒートパイプ101の内圧(作動媒体の圧力)に応じて還流路135を開閉するダイヤフラム式の開閉手段として形成することができる。弁機構150は、ヒートパイプ101内の内圧が所定内圧(以下、閉弁圧)を超えると閉弁し、所定内圧(閉弁圧)以下で開弁するようにしている。
上記のように弁機構150を有する排熱回収装置100においては、エンジン10が始動された後は、冷却水温が上昇を始めると共に、徐々にヒートパイプ101の内圧が上昇する。尚、排気熱量はエンジン10の負荷状態によって変化するため、一般的なエンジンを備えた車両では加速、減速、停止など様々な車両の運転状態に合わせて内圧は変動する。
ヒートパイプ101の内圧が上昇していくなかで閉弁圧よりも低い状態にある場合は、弁機構150は、開弁状態となって、第1実施形態で説明したように、排気ガスの熱が冷却水に輸送される(排熱回収の実行)。
その後、冷却水温が所定温度(例えば70℃)を越えて、内圧が閉弁圧を超えると、弁機構150は閉弁状態となって、ヒートパイプ101内の凝縮水の還流が阻止される。すると、蒸発部110においては内部の水が完全に蒸発されて(ドライアウト)、凝縮部130に流入すると共に、凝縮部130においては、凝縮された凝縮水が溜められることになる。
つまり、水の蒸発、凝縮による熱輸送が確実に停止され(排熱回収の停止)、冷却水側に伝達される熱量がヒートパイプ101を介した熱伝導のみとなる。よって、エンジン10の負荷増加に伴い排気ガス温度が高くなる中で、排熱回収をそのまま続けると、冷却水温が上昇しすぎて、ラジエータ21での放熱能力を超え、オーバーヒートに至ってしまうところを、排熱回収停止への切替えにより、その不具合が防止されることになる。
尚、ヒートパイプ101の内圧が閉弁圧以下となれば、弁機構150は、再び開弁状態となって、熱輸送が再開される(排熱回収の再始動)。
ここで、上記のような弁機構150を有する排熱回収装置100においては、例えば排熱回収を再始動する際に、弁機構150を開いて凝縮部130から蒸発部110の各チューブ111に作動媒体を還流させると、弁機構150と各チューブ111との距離の差から、各チューブ111での作動媒体の流量に差が生じやすい。よって、排気ガス流れの温度分布の影響に加えて、上記流量差によって各チューブ111の熱膨張差が出やすく、それに伴う作用力によってフィン112が破損するおそれが生ずることになる。しかしながら、フィン112に設けた作用力緩和部(非接合部112a、屈曲部112b)によって、フィン112の破損を防止することができる。このように、本実施形態のように弁機構150を有するものに本発明を用いて好適なものとなる。
尚、弁機構150は、上記のように作動媒体の圧力に応じて開閉作動するダイヤフラム式のものに代えて、冷却水の温度、あるいは作動媒体の温度に応じて開閉作動するサーモワックス式の弁機構としても良い。
(その他の実施形態)
上記各実施形態では、排熱回収装置100の基本構造として、蒸発部110の側方に凝縮部130を配設するようにしたが、これに限らず、蒸発部110の上方に凝縮部1130を配設するようにしても良い。この場合は、凝縮部130のチューブ131を水平配置となるようにすると良い。
排熱回収装置の車両への搭載状態を示す模式図である。 第1実施形態における排熱回収装置を示す断面図である。 第1実施形態におけるチューブおよびフィンを示す拡大図である。 第1実施形態の変形例におけるチューブおよびフィンを示す拡大図である。 第2実施形態におけるチューブおよびフィン(その1)を示す拡大図である。 第2実施形態におけるチューブおよびフィン(その2)を示す拡大図である。 第3実施形態における排熱回収装置を示す断面図である。
符号の説明
10 エンジン(内燃機関)
100 排熱回収装置
110 蒸発部
111 チューブ
112 フィン
112a 非接合部(作用力緩和部)
112b 屈曲部(作用力緩和部)
116 仕切りプレート
130 凝縮部
135 還流路(流路)
150 弁機構

Claims (8)

  1. 複数のチューブ(111)が配列されて、内燃機関(10)の排気ガスの熱によって内部の作動媒体を蒸発させる蒸発部(110)と、
    前記蒸発部(110)から流入する前記作動媒体の熱を前記内燃機関(10)の冷却水側に放熱回収して前記作動媒体を凝縮させると共に、凝縮された前記作動媒体を前記蒸発部(110)に戻す凝縮部(130)とを有する排熱回収装置において、
    複数配列される前記チューブ(111)の間には、伝熱面積を拡大するフィン(112)が介在されて前記チューブ(111)表面に接合されており、
    複数の前記チューブ(111)の配列方向となる前記フィン(112)の中間部には、複数の前記チューブ(111)の長手方向の熱膨張差に伴って作用する前記フィンへ(112)の作用力を緩和させる作用力緩和部(112a、112b)が形成されたことを特徴とする排熱回収装置。
  2. 前記フィン(112)は、波形に形成されたコルゲートフィン(112)であり、
    前記作用力緩和部(112a、112b)は、前記フィン(112)が前記チューブ(111)の配列方向に複数層に分割されて、対向するフィン(112)同士が非接合となる非接合部(112a)として形成されたことを特徴とする請求項1に記載の排熱回収装置。
  3. 前記対向するフィン(112)のいずれか一方には、前記対向するフィン(112)同士を仕切る仕切りプレート(116)が接合されたことを特徴とする請求項2に記載の排熱回収装置。
  4. 前記作用力緩和部(112a、112b)は、前記フィン(112)の中間部が曲げられた屈曲部(112b)として形成されたことを特徴とする請求項1に記載の排熱回収装置。
  5. 前記屈曲部(112b)は、への字状に曲げられたことを特徴とする請求項4に記載の排熱回収装置。
  6. 前記屈曲部(112b)は、S字状に曲げられたことを特徴とする請求項4に記載の排熱回収装置。
  7. 前記フィン(112)は、波形に形成されたコルゲートフィン(112)であることを特徴とする請求項4〜請求項6のいずれか1つに記載の排熱回収装置。
  8. 前記凝縮部(130)から前記蒸発部(110)に前記作動媒体が戻される流路には、前記作動媒体の圧力、前記冷却水の温度、前記作動媒体の温度のいずれか1つに応じてこの流路を開閉する弁機構(150)が設けられたことを特徴とする請求項1〜請求項7のいずれか1つに記載の排熱回収装置。
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