JP2008076040A - 熱交換器 - Google Patents

Abstract

【課題】インナーフィンを備えるヒートパイプ式熱交換器において、作動流体の凝固による内圧の発生を抑制し、熱交換器の耐久性を向上させる。
【解決手段】ヒートパイプ３ａ内に設けられたインナーフィン８の下端８ｃを、液相状態時の作動流体の上面位置Ｆよりも上方に位置させる。ヒートパイプ３ａ内の液相の作動流体が凝固し始める時点では、その作動流体の上面がインナーフィン８に接していないため、伝熱が鈍くなり、ヒートパイプ３ａ内の作動流体の上面の凝固が遅くなる。したがって、ヒートパイプ３ａ内の作動流体の上面が凝固して閉塞された時点で固相の作動流体の内部に閉じこめられる液相の作動流体の量が少なくなり、その液相の作動流体の凝固による内圧の発生が抑制される。
【選択図】図１

Description

本発明は、ヒートパイプを用いた熱交換器に関するものである。

ヒートパイプを用いた熱交換器として、特許文献１には、給湯システムに用いられるループ型ヒートパイプ式熱交換器が開示されている。これは、蒸発および凝縮可能な作動流体が閉ループの循環経路内を循環し、作動流体は蒸発部で蓄熱体から吸熱して蒸発し、凝縮部で水に放熱して凝縮するようになっている。複数のヒートパイプの下方の端部は下ヘッダー（以下、下部連通部という）にて連通されており、凝縮部で凝縮した作動流体は下部連通部を介して複数のヒートパイプに流入するようになっている。

また、ヒートパイプ式熱交換器において、ヒートパイプと作動流体との伝熱面積を増加させるとともにヒートパイプの耐圧性能を確保するために、インナーフィンをヒートパイプ内に設けることは周知である。

さらに、多数のヒートパイプを積層してろう付けするヒートパイプ式熱交換器において、インナーフィンを設けない場合は、ろう付け性向上及び耐圧強度確保のためのリブをヒートパイプに設けている。具体的には、ヒートパイプは、平板状の第１プレートと平板状の第２プレートとが対向配置されて内部流体通路が形成され、第１プレートおよび第２プレートには内部流体通路中に突出するリブが形成され、リブの先端部同士が接合されている。

さらにまた、ヒートパイプ式熱交換器の用途として、車両の内燃機関（以下、エンジンという）の排気ガスの排気熱を回収して、この排気熱をエンジンの暖機促進等に利用することが提案されている。
特開平４−４５３９３号公報

ところで、排気ガスの温度環境は最高９００℃程度であり、そうした高温温度環境で使用可能な作動流体の一つが水であるが、水は０℃以下では凍結（凝固）し、液相の状態に対して約９％の体積膨張を伴うため、以下のような問題が発生する。

すなわち、インナーフィンをヒートパイプ内に設けた熱交換器において作動流体として水を用いた場合、氷点下のような低温環境下において作動流体が凝固する際には、ヒートパイプ、下部連通部、およびインナーフィンに接している部分から凝固し始め、図１１に示すように、作動流体の上面が凝固して閉塞された時点で、固相の作動流体Ａ（便宜的に斑点を付した範囲）の内部に液相の作動流体Ｂが閉じこめられた状態になる。そして、図１１の状態から液相の作動流体Ｂが凝固していくに従い体積膨張による内圧が発生し、ヒートパイプ３ａや下部連通部５ｂ等に負荷がかかって熱交換器３００の耐久性が低下してしまう。ここで、作動流体の上面がインナーフィン８に接している場合は、作動流体の上面が早期に凝固して閉塞されるため、閉塞された時点で固相の作動流体Ａの内部に閉じこめられる液相の作動流体Ｂの量が多くなり、上記の問題が顕著になる。

また、リブをヒートパイプに設けた熱交換器において作動流体として水を用いた場合、作動流体の上面がリブに接していると、作動流体が凝固する際に作動流体の上面が早期に凝固して閉塞されるため、上述したインナーフィンをヒートパイプ内に設けた熱交換器と同様の問題が発生する。

本発明は上記点に鑑みて、インナーフィンまたはリブを備えるヒートパイプ式熱交換器において、作動流体の凝固による内圧の発生を抑制し、熱交換器の耐久性を向上させることを目的とする。

本発明の第１の特徴では、蒸発側ヒートパイプ（３ａ）と凝縮側ヒートパイプ（３ｂ、３ｃ）が閉ループに接続されて作動流体が両ヒートパイプ（３ａ、３ｂ、３ｃ）内を循環するように構成された熱交換器であって、蒸発側ヒートパイプ（３ａ）内に設けられたインナーフィン（８）の下端（８ｃ）が、液相状態時の作動流体の上面よりも上方に位置している。

このような構成では、蒸発側ヒートパイプ（３ａ）内の液相の作動流体が凝固し始める時点では、その作動流体の上面がインナーフィン（８）に接していないため、伝熱が鈍くなり、蒸発側ヒートパイプ（３ａ）内の作動流体の上面の凝固が遅くなる。したがって、蒸発側ヒートパイプ（３ａ）内の作動流体の上面が凝固して閉塞された時点で固相の作動流体の内部に閉じこめられる液相の作動流体の量が少なくなり、その液相の作動流体の凝固による内圧の発生が抑制されるため、熱交換器の耐久性を向上させることができる。

この場合、蒸発側ヒートパイプ（３ａ）と凝縮側ヒートパイプ（３ｂ）が水平方向に並べて配置され、凝縮側ヒートパイプ（３ｂ）内にインナーフィン（８）が設けられた熱交換器においては、凝縮側ヒートパイプ（３ｂ）内のインナーフィン（８）の下端（８ｃ）を、液相状態時の作動流体の上面よりも上方に位置させることができる。

このようにすれば、凝縮側ヒートパイプ（３ｂ）内の液相の作動流体が凝固し始める時点では、その作動流体の上面がインナーフィン（８）に接していないため、伝熱が鈍くなり、凝縮側ヒートパイプ（３ｂ）内の作動流体の上面の凝固が遅くなる。したがって、凝縮側ヒートパイプ（３ｂ）内の作動流体の上面が凝固して閉塞された時点で固相の作動流体の内部に閉じこめられる液相の作動流体の量が少なくなり、その液相の作動流体の凝固による内圧の発生が抑制されるため、熱交換器の耐久性を向上させることができる。

本発明の第２の特徴では、両端が閉塞されたヒートパイプ（３ｄ）内に作動流体が封入された熱交換器であって、ヒートパイプ（３ｄ）内に設けられたインナーフィン（８）の下端（８ｃ）が、液相状態時の作動流体の上面よりも上方に位置している。

このような構成では、ヒートパイプ（３ｄ）内の液相の作動流体が凝固し始める時点では、その作動流体の上面がインナーフィン（８）に接していないため、伝熱が鈍くなり、ヒートパイプ（３ｄ）内の作動流体の上面の凝固が遅くなる。したがって、ヒートパイプ（３ｄ）内の作動流体の上面が凝固して閉塞された時点で固相の作動流体の内部に閉じこめられる液相の作動流体の量が少なくなり、その液相の作動流体の凝固による内圧の発生が抑制されるため、熱交換器の耐久性を向上させることができる。

また、第１の特徴および第２の特徴において、インナーフィン（８）の下端（８ｃ）を、固相状態時の作動流体の上面よりも上方に位置させることができる。

このようにすれば、作動流体の凝固に伴って作動流体の上面の位置が上昇しても、作動流体の上面がインナーフィン（８）に接することはないため、伝熱が鈍くなり、作動流体の上面の凝固を確実に遅くすることができる。

本発明の第３の特徴では、蒸発側ヒートパイプ（３ａ）と凝縮側ヒートパイプ（３ｂ、３ｃ）が閉ループに接続されて作動流体が両ヒートパイプ（３ａ、３ｂ、３ｃ）内を循環するように構成された熱交換器であって、蒸発側ヒートパイプ（３ａ）に設けられたリブ（３４ａ）が、液相状態時の作動流体の上面にかからない位置に配置されている。

このような構成では、蒸発側ヒートパイプ（３ａ）内の液相の作動流体が凝固し始める時点では、その作動流体の上面がリブ（３４ａ）に接していないため、伝熱が鈍くなり、蒸発側ヒートパイプ（３ａ）内の作動流体の上面の凝固が遅くなる。したがって、蒸発側ヒートパイプ（３ａ）内の作動流体の上面が凝固して閉塞された時点で固相の作動流体の内部に閉じこめられる液相の作動流体の量が少なくなり、その液相の作動流体の凝固による内圧の発生が抑制されるため、熱交換器の耐久性を向上させることができる。

この場合、蒸発側ヒートパイプ（３ａ）と凝縮側ヒートパイプ（３ｂ）が水平方向に並べて配置され、凝縮側ヒートパイプ（３ｂ）にリブが設けられた熱交換器においては、凝縮側ヒートパイプ（３ｂ）のリブを液相状態時の作動流体の上面にかからない位置に配置することができる。

このようにすれば、凝縮側ヒートパイプ（３ｂ）内の液相の作動流体が凝固し始める時点では、その作動流体の上面が凝縮側ヒートパイプ（３ｂ）のリブに接していないため、伝熱が鈍くなり、凝縮側ヒートパイプ（３ｂ）内の作動流体の上面の凝固が遅くなる。したがって、凝縮側ヒートパイプ（３ｂ）内の作動流体の上面が凝固して閉塞された時点で固相の作動流体の内部に閉じこめられる液相の作動流体の量が少なくなり、その液相の作動流体の凝固による内圧の発生が抑制されるため、熱交換器の耐久性を向上させることができる。

本発明の第４の特徴では、両端が閉塞されたヒートパイプ（３ｄ）内に作動流体が封入された熱交換器であって、ヒートパイプ（３ｄ）に設けられたリブ（３４ａ）が、液相状態時の前記作動流体の上面にかからない位置に配置されている。

このような構成では、ヒートパイプ（３ｄ）内の液相の作動流体が凝固し始める時点では、その作動流体の上面がリブ（３４ａ）に接していないため、伝熱が鈍くなり、ヒートパイプ（３ｄ）内の作動流体の上面の凝固が遅くなる。したがって、ヒートパイプ（３ｄ）内の作動流体の上面が凝固して閉塞された時点で固相の作動流体の内部に閉じこめられる液相の作動流体の量が少なくなり、その液相の作動流体の凝固による内圧の発生が抑制されるため、熱交換器の耐久性を向上させることができる。

また、第３の特徴および第４の特徴において、リブ（３４ａ）を、固相状態時の前記作動流体の上面よりも上方に位置させることができる。

このようにすれば、作動流体の凝固に伴って作動流体の上面の位置が上昇しても、作動流体の上面がリブ（３４ａ）に接することはないため、伝熱が鈍くなり、作動流体の上面の凝固を確実に遅くすることができる。

また、第１の特徴〜第４の特徴において、水冷式内燃機関から排出される排気ガスを高温流体とし、水冷式内燃機関の冷却水を低温流体とすることができる。

このようにすれば、排気熱をエンジンの暖機促進に利用することができる。また、エンジン冷却水を熱源とする暖房装置を備える車両の場合、エンジン暖機中の暖房の即効性を高めることができる。

なお、特許請求の範囲およびこの欄で記載した各手段の括弧内の符号は、後述する実施形態に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実施形態について説明する。本実施形態の熱交換器は、車両の水冷式エンジンの排気系から排気ガスの排気熱を回収してエンジン冷却水を加熱し、加熱したエンジン冷却水をエアコン等の熱源として利用するものである。

図１は本実施形態に係る熱交換器を排気ガス流れ上流側から見た正面断面図、図２は図１のＣ−Ｃ線に沿う断面図、図３は図１のＤ−Ｄ線に沿う断面図、図４は図１のＥ−Ｅ線に沿う断面図である。

図１に示すように、本実施形態の熱交換器３００は、水平方向に隣接して並べて配置された蒸発部１と凝縮部２とを備えている。

蒸発部１は、図示しないエンジンの排気筒内に配置されて内部を高温流体である排気ガスが流通する筒状の第１筐体１００内に設けられている。蒸発部１は、排気ガスと後述する作動流体との間で熱交換を行い、作動流体を蒸発させるようになっている。

蒸発部１は、複数の蒸発側ヒートパイプ３ａを有している。蒸発側ヒートパイプ３ａは、排気ガスの流通方向（図１の紙面垂直方向）が長径方向と一致するように扁平状に形成されているとともに、その長手方向が鉛直方向に一致するようにして複数本平行に配置されている。また、蒸発側ヒートパイプ３ａの両側の扁平面にはコルゲートフィン４ａが接合されており、このコルゲートフィン４ａにより排気ガスとの伝熱面積を増大させて作動流体と排気ガスとの熱交換を促進している。

凝縮部２は、図示しないエンジンの冷却水経路内に配置されて内部を低温流体であるエンジン冷却水が流通する第２筐体２００内に設けられている。凝縮部２は、蒸発部１で蒸発した作動流体とエンジン冷却水との間で熱交換を行い、作動流体を凝縮させるようになっている。

凝縮部２は、複数本の凝縮側ヒートパイプ３ｂを有している。凝縮側ヒートパイプ３ｂは、エンジン冷却水の流通方向（図１の紙面垂直方向）が長径方向と一致するように扁平状に形成されているとともに、その長手方向が鉛直方向に一致するようにして複数本平行に配置されている。より詳細には、凝縮側ヒートパイプ３ｂは、長手方向が蒸発側ヒートパイプ３ａの長手方向と一致するようにして配置されている。また、凝縮側ヒートパイプ３ｂの両側の扁平面にはストレートフィン４ｂが接合されており、このストレートフィン４ｂによりエンジン冷却水との伝熱面積を増大させて作動流体とエンジン冷却水との熱交換を促進している。

ヒートパイプ３ａ、３ｂの長手方向（鉛直方向）両端部には、ヒートパイプ３ａ、３ｂの長手方向と直交する方向に延びて全てのヒートパイプ３ａ、３ｂと連通する一対の連通部５ａ、５ｂがそれぞれ設けられている。この一対の連通部５ａ、５ｂは、蒸発部１および凝縮部２の一部を構成している。なお、一対の連通部５ａ、５ｂのうち、鉛直方向上方側に配置されるものを上部連通部５ａといい、鉛直方向下方側に配置されるものを下部連通部５ｂという。

そして、ヒートパイプ３ａ、３ｂおよび一対の連通部５ａ、５ｂによって閉ループが形成されており、これらの内部に蒸発・凝縮可能な作動流体（本実施形態では水）が封入されている。因みに、作動流体の量は、少なくとも下部連通部５ｂよりも上に液面があるように設定されており、図１のＦは液相状態時の作動流体の上面（水面）位置を示し、図１のＧは固相状態時の作動流体の上面位置を示している。

蒸発部１の両端部には、蒸発側ヒートパイプ３ａの長手方向と略平行に延びて蒸発部１を補強するサイドプレート７がそれぞれ設けられている。

図２に示すように、蒸発側ヒートパイプ３ａにおける鉛直方向上方部には、作動流体との伝熱面積を増加させるインナーフィン８が設けられている。また、図３に示すように、蒸発側ヒートパイプ３ａにおける鉛直方向下方部にはインナーフィンは設けられていない。

具体的には、インナーフィン８の下端８ｃ（図１参照）は、液相状態時の作動流体の上面位置Ｆ（図１参照）よりも上方に位置し、より詳細には、固相状態時の作動流体の上面位置Ｇ（図１参照）よりも上方に位置する。

このインナーフィン８は、板状部材を折り曲げることにより、頂部８ａと平板部８ｂが交互に形成されている。頂部８ａは、蒸発側ヒートパイプ３ａの内壁に接合されており、平板部８ｂは、蒸発側ヒートパイプ３ａの対向する内壁の間をまたがるように配置されている。

なお、凝縮側ヒートパイプ３ｂにおける鉛直方向上方部にもインナーフィン（図示せず）が設けられており、凝縮側ヒートパイプ３ｂのインナーフィンの下端は、蒸発側ヒートパイプ３ａと同様に、液相状態時の作動流体の上面位置Ｆ（図１参照）よりも上方に位置し、より詳細には、固相状態時の作動流体の上面位置Ｇ（図１参照）よりも上方に位置する。

上記構成になる本実施形態の熱交換器３００は、排気ガスが蒸発部１を流通することにより、蒸発側ヒートパイプ３ａ内の液相の作動流体が排気ガスから吸熱して蒸発し、気相の作動流体が上部連通部５ａを介して凝縮部２へ流入する。凝縮側ヒートパイプ３ｂ内を流通する気相の作動流体は、エンジン冷却水に放熱して凝縮し、この凝縮した作動流体は下部連通部５ｂを介して蒸発部１へ流入する。このように、閉ループになったヒートパイプ３ａ、３ｂおよび連通部５ａ、５ｂ内を作動流体が循環することにより、排気ガスの排気熱を回収してエンジン冷却水を加熱する。

ここで、排気ガスが蒸発部１を流通しないときに外気温が氷点下になると、ヒートパイプ３ａ、３ｂにおける鉛直方向下方部および下部連通部５ｂに滞留する作動流体が凝固する。

作動流体が凝固し始める時点では、作動流体の上面がインナーフィン８に接していないため、伝熱が鈍くなり、作動流体の上面の凝固が遅くなる。一方、ヒートパイプ３ａ、３ｂおよび下部連通部５ｂに接している部分は、作動流体の上面よりも相対的に早く凝固する。したがって、作動流体の上面が凝固して閉塞されるタイミングが遅くなるため、図４に示すように、作動流体の上面が凝固して閉塞された時点で固相の作動流体Ａの内部に閉じこめられる液相の作動流体Ｂの量が少なくなり、その液相の作動流体Ｂの凝固による内圧の発生が抑制される。よって、熱交換器３００の耐久性を向上させることができる。

また、本実施形態では、インナーフィン８の下端８ｃは固相状態時の作動流体の上面位置Ｇよりも上方に位置するため、作動流体の凝固に伴って作動流体の上面の位置が上昇しても、作動流体の上面がインナーフィン８に接することはない。したがって、伝熱が鈍くなり、作動流体の上面の凝固を確実に遅くすることができる。

（第２実施形態）
本発明の第２実施形態について説明する。図５は本実施形態に係る熱交換器を排気ガス流れ上流側から見た正面断面図である。第１実施形態と同一もしくは均等部分には同一の符号を付し、その説明を省略する。

第１実施形態の熱交換器３００は、蒸発部１と凝縮部２とを水平方向に並べて配置したが、本実施形態の熱交換器３００は、蒸発部１の上部に凝縮部２を配置している。

図５に示すように、本実施形態の熱交換器３００は、蒸発側ヒートパイプ３ａ、凝縮側ヒートパイプ３ｃ、および還流パイプ１０が順次接続されて閉ループになっており、これらの内部に蒸発・凝縮可能な作動流体（本実施形態では水）が封入されている。

蒸発部１における蒸発側ヒートパイプ３ａの外表面には、薄肉板材から形成されたプレートタイプのフィン４ｃが複数枚接合されている。また、蒸発側ヒートパイプ３ａの長手方向両端部は、孔が穿設された下プレート５１ｂ、上プレート５１ａに接合されている。

下プレート５１ｂには、蒸発側ヒートパイプ３ａの端部側に対向して下タンクプレート５２ｂが接合されている。この下プレート５１ｂと下タンクプレート５２ｂによって、下部連通部５ｂが形成されている。

同様に、上プレート５１ａには、蒸発側ヒートパイプ３ａの端部側に対向して上タンクプレート５２ａが接合されている。この上プレート５１ａと上タンクプレート５２ａによって、上部連通部５ａが形成されている。

第２筐体２００は、平板状の水タンクプレート２０１と断面Ｕ字状の水タンク部２０２とによって形成されており、蒸発部１の上部に重なるように配置されている。そして、この第２筐体２００の内部に凝縮部２が配設されている。したがって、蒸発部１の上部に凝縮部２が重なるように配置されている。

凝縮部２における凝縮側ヒートパイプ３ｃは、いわゆるドロンカップタイプと呼ばれる熱交換器に類似する流路を形成するものであり、２枚のチューブプレート３１ｃ、３２ｃが互いに最中合わせに複数積層されて形成されている。凝縮側ヒートパイプ３ｃは、中間部が中間流通部３３ｃ、長手方向の両端部側がそれぞれ積層方向に張出すタンク部３４ｃ、３５ｃとなっており、タンク部３４ｃ、３５ｃが互いに積層方向に接合されると共に、接合部に形成された連通穴によって連通している。

そして、タンク部３４ｃの内部には、一端側（下側）が上部連通部５ａ内に開口して接合され、他端側（上側）がタンク部３４ｃの上端壁近傍に延びて開口する蒸気導入パイプ１１が設けられている。この蒸気導入パイプ１１によって、上部連通部５ａ内の空間は、タンク部３４ｃの上側、タンク部３４ｃ内、および凝縮側ヒートパイプ３ｃの中間流通部３３ｃを経て、タンク部３５ｃに連通している。

還流パイプ１０は、一端側（上側）が凝縮部２のタンク部３５ｃの内部に連通し、上部連通部５ａを貫通して、他端側（下側）が蒸発部１の下部連通部５ｂ内に連通するように設けられている。

さらに、第１実施形態と同様に、蒸発側ヒートパイプ３ａにおける鉛直方向上方部にはインナーフィン８が設けられており、このインナーフィン８の下端８ｃは、液相状態時の作動流体の上面位置Ｆよりも上方に位置し、より詳細には、固相状態時の作動流体の上面位置Ｇよりも上方に位置する。一方、凝縮側ヒートパイプ３ｃには、インナーフィンは設けられていない。

本実施形態の熱交換器３００は、排気ガスが蒸発部１を流通することにより、蒸発側ヒートパイプ３ａ内の液相の作動流体が排気ガスから吸熱して蒸発し、気相の作動流体が上部連通部５ａを介して凝縮部２へ流入する。凝縮側ヒートパイプ３ｃ内を流通する気相の作動流体は、エンジン冷却水に放熱して凝縮し、この凝縮した作動流体は、還流パイプ１０を介して下部連通部５ｂへ流入し、下部連通部５ｂを介して蒸発部１へ流入する。

ここで、排気ガスが蒸発部１を流通しないときに外気温が氷点下になると、蒸発側ヒートパイプ３ａにおける鉛直方向下方部および下部連通部５ｂに滞留する作動流体が凝固する。

作動流体が凝固し始める時点では、作動流体の上面がインナーフィン８に接していないため、伝熱が鈍くなり、作動流体の上面の凝固が遅くなる。一方、蒸発側ヒートパイプ３ａおよび下部連通部５ｂに接している部分は、作動流体の上面よりも相対的に早く凝固する。したがって、第１実施形態と同様に、作動流体の上面が凝固して閉塞されるタイミングが遅くなるため、作動流体の上面が凝固して閉塞された時点で固相の作動流体の内部に閉じこめられる液相の作動流体の量が少なくなり、その液相の作動流体の凝固による内圧の発生が抑制される。よって、熱交換器３００の耐久性を向上させることができる。

また、インナーフィン８の下端８ｃは固相状態時の作動流体の上面位置Ｇよりも上方に位置するため、作動流体の凝固に伴って作動流体の上面の位置が上昇しても、作動流体の上面がインナーフィン８に接することはない。したがって、伝熱が鈍くなり、作動流体の上面の凝固を確実に遅くすることができる。

（第３実施形態）
本発明の第３実施形態について説明する。図６は本実施形態に係る熱交換器を排気ガス流れ上流側から見た正面断面図である。第１実施形態と同一もしくは均等部分には同一の符号を付し、その説明を省略する。

第１実施形態の熱交換器３００は、閉ループになったヒートパイプ３ａ、３ｂおよび連通部５ａ、５ｂ内を作動流体が循環するループ型ヒートパイプ式熱交換器であるのに対し、本実施形態の熱交換器３００は、両端が閉塞されたヒートパイプ内を作動流体が往復動するサイフォン型ヒートパイプ式熱交換器である。

図６に示すように、本実施形態の熱交換器３００は、中空棒状で両端が閉塞されたヒートパイプ３ｄを有している。このヒートパイプ３ｄの内部には、蒸発・凝縮可能な作動流体（本実施形態では水）が封入されている。

そして、ヒートパイプ３ｄは、長手方向が鉛直方向と一致するようにして複数本平行に配置されている。ヒートパイプ３ｄの鉛直方向下方部は、エンジンから排出された排気ガスが流通する第１筐体１００内に配置されており、ヒートパイプ３ｄの鉛直方向上方部は、エンジン冷却水が流通する第２筐体２００内に配置されている。ヒートパイプ３ｄの外表面には、プレートタイプのフィン４ｃが複数枚接合されている。

ヒートパイプ３ｄの内部には、インナーフィン８が設けられている。インナーフィン８は、ヒートパイプ３ｄにおける鉛直方向上方部から鉛直方向中間部の位置に配置されており、インナーフィン８の下端８ｃは、液相状態時の作動流体の上面位置Ｆよりも上方に位置し、より詳細には、固相状態時の作動流体の上面位置Ｇよりも上方に位置する。

第１筐体１００と第２筐体２００との間には、二つ筐体１００、２００と部分的に接触する伝熱フィン（伝熱部材）１２が設けられている。伝熱フィン１２は、板状の平板部１２ａおよび隣り合う平板部１２ａを所定距離離して位置づける頂部１２ｂを有するように形成されている。平板部１２ａと頂部１２ｂとの間には、ほぼ直角の曲げ部が設けられている。また、頂部１２ｂは、筐体１００、２００に接合されている。このため、伝熱フィン１２は２つ筐体１００、２００と部分的に接合されており、２つ筐体１００、２００は伝熱フィン１２を介して熱伝達可能となっている。

本実施形態の熱交換器３００は、ヒートパイプ３ｄにおける鉛直方向下方部に滞留する液相の作動流体が排気ガスから吸熱して蒸発し、気相の作動流体がヒートパイプ３ｄにおける鉛直方向上方部に移動する。その気相の作動流体はエンジン冷却水に放熱して凝縮し、この凝縮した作動流体は再びヒートパイプ３ｄにおける鉛直方向下方部に戻る。

ここで、排気ガスが蒸発部１を流通しないときに外気温が氷点下になると、ヒートパイプ３ｄにおける鉛直方向下方部に滞留する作動流体が凝固する。

作動流体が凝固し始める時点では、作動流体の上面がインナーフィン８に接していないため、伝熱が鈍くなり、作動流体の上面の凝固が遅くなる。一方、ヒートパイプ３ｄに接している部分は、作動流体の上面よりも相対的に早く凝固する。したがって、第１実施形態と同様に、作動流体の上面が凝固して閉塞されるタイミングが遅くなるため、作動流体の上面が凝固して閉塞された時点で固相の作動流体の内部に閉じこめられる液相の作動流体の量が少なくなり、その液相の作動流体の凝固による内圧の発生が抑制される。よって、熱交換器３００の耐久性を向上させることができる。

また、インナーフィン８の下端８ｃは固相状態時の作動流体の上面位置Ｇよりも上方に位置するため、作動流体の凝固に伴って作動流体の上面の位置が上昇しても、作動流体の上面がインナーフィン８に接することはない。したがって、伝熱が鈍くなり、作動流体の上面の凝固を確実に遅くすることができる。

（第４実施形態）
本発明の第４実施形態について説明する。図７は本実施形態に係る熱交換器における蒸発側ヒートパイプの側面図、図８は図７のＨ−Ｈ線に沿う断面図、図９は図７のＩ−Ｉ線に沿う断面図である。第１実施形態と同一もしくは均等部分には同一の符号を付し、その説明を省略する。

第１実施形態の熱交換器３００における蒸発側ヒートパイプ３ａには、インナーフィン８を設けたが、本実施形態の熱交換器における蒸発側ヒートパイプ３ａは、インナーフィンを廃止し、リブを設けている。

図７〜図９に示すように、蒸発側ヒートパイプ３ａは、平板状の第１プレート３１ａと平板状の第２プレート３２ａとが対向配置され、両プレート３１ａ、３２ａの外縁部がろう付けにて接合されて、作動流体が流れる内部流体通路３３ａが両プレート３１ａ、３２ａ間に形成されている。

両プレート３１ａ、３２ａには、内部流体通路３３ａ中に突出するリブ３４ａが複数個形成されており、第１プレート３１ａのリブ３４ａの先端部と第２プレート３２ａのリブ３４ａの先端部とがろう付けにて接合されている。

このリブ３４ａは、両プレート３１ａ、３２ａやコルゲートフィン４ａ（図１参照）等を積層してろう付けする際のろう付け性向上、及び耐圧強度確保のために設けられている。本例では、蒸発側ヒートパイプ３ａを図７のように側面から見たときのリブ３４ａの形状は円形である。

また、リブ３４ａは、排気ガスの流通方向（図７の紙面左右方向）に離して配置されるとともに、蒸発側ヒートパイプ３ａにおける排気ガスの流通方向の中間部（すなわち、蒸発側ヒートパイプ３ａにおける排気ガスの流通方向の端部から離れた位置）に配置されている。

さらに、リブ３４ａは、鉛直方向に離して配置されるとともに、いずれのリブ３４ａも液相状態時の作動流体の上面にかからない位置に配置されている。具体的には、鉛直方向の上側に位置するリブ３４ａは、液相状態時の作動流体の上面位置Ｆよりも上方に位置し、より詳細には、固相状態時の作動流体の上面位置Ｇよりも上方に位置する。また、鉛直方向の下側に位置するリブ３４ａは、液相状態時の作動流体の上面位置Ｆよりも下方に位置する。

本実施形態では、作動流体が凝固し始める時点では、作動流体の上面がリブ３４ａに接していないため、伝熱が鈍くなり、作動流体の上面の凝固が遅くなる。したがって、第１実施形態と同様に、作動流体の上面が凝固して閉塞された時点で固相の作動流体の内部に閉じこめられる液相の作動流体の量が少なくなり、その液相の作動流体の凝固による内圧の発生が抑制される。よって、熱交換器の耐久性を向上させることができる。

また、本実施形態では、鉛直方向の上側に位置するリブ３４ａは、固相状態時の作動流体の上面位置Ｇよりも上方に位置するため、作動流体の凝固に伴って作動流体の上面の位置が上昇しても、作動流体の上面がリブ３４ａに接することはない。したがって、伝熱が鈍くなり、作動流体の上面の凝固を確実に遅くすることができる。

なお、図１０（ａ）に示すように、蒸発側ヒートパイプ３ａを側面から見たときのリブ３４ａの形状を長丸にしてもよい。また、図１０（ｂ）に示すように、リブ３４ａは、蒸発側ヒートパイプ３ａにおける排気ガスの流通方向の端部に配置してもよい。

また、第１実施形態の熱交換器３００のように、蒸発側ヒートパイプ３ａと凝縮側ヒートパイプ３ｂが水平方向に並べて配置されている熱交換器の場合、凝縮側ヒートパイプ３ｂを、本実施形態の蒸発側ヒートパイプ３ａと同様の構成にしてもよい。

すなわち、凝縮側ヒートパイプ３ｂは、平板状の凝縮側第１プレートと平板状の凝縮側第２プレートとが対向配置されて凝縮側第１プレートと凝縮側第２プレートとの間に作動流体が流れる凝縮側内部流体通路が形成される。そして、凝縮側第１プレートおよび凝縮側第２プレートは、凝縮側内部流体通路中に突出して先端部同士が接合されたリブを備え、この凝縮側ヒートパイプ３ｂのリブは、液相状態時の作動流体の上面にかからない位置に配置される。具体的には、凝縮側ヒートパイプ３ｂのリブのうち鉛直方向の上側に位置するリブは、液相状態時の作動流体の上面位置Ｆよりも上方に位置し、より詳細には、固相状態時の作動流体の上面位置Ｇよりも上方に位置する。また、凝縮側ヒートパイプ３ｂのリブのうち鉛直方向の下側に位置するリブは、液相状態時の作動流体の上面位置Ｆよりも下方に位置する。

このようにすれば、凝縮側ヒートパイプ３ｂ内の液相の作動流体が凝固し始める時点では、その作動流体の上面が凝縮側ヒートパイプ３ｂのリブに接していないため、伝熱が鈍くなり、凝縮側ヒートパイプ３ｂ内の作動流体の上面の凝固が遅くなる。したがって、凝縮側ヒートパイプ３ｂ内の作動流体の上面が凝固して閉塞された時点で固相の作動流体の内部に閉じこめられる液相の作動流体の量が少なくなり、その液相の作動流体の凝固による内圧の発生が抑制されるため、熱交換器の耐久性を向上させることができる。

さらに、第３実施形態のようなサイフォン型ヒートパイプ式熱交換器のヒートパイプ３ｄとして、本実施形態の蒸発側ヒートパイプ３ａと同様の構成のヒートパイプ、すなわちインナーフィンを廃止しリブを設けたヒートパイプを用いてもよい。

（他の実施形態）
上記各実施形態では、ヒートパイプ３ａ、３ｂ、３ｄを、その長手方向が鉛直方向になるように配置したが、凝縮した作動流体がヒートパイプ３ａ、３ｂ、３ｄの下端部に滞留するようになっていればよいため、非水平で且つ鉛直方向に対して傾斜していてもよい。

また、上記各実施形態では、低温流体としてエンジン冷却水を用いたが、エンジンオイル、インバータ用冷却水などを、低温流体として用いてもよい。

本発明の第１実施形態に係る熱交換器を排気ガス流れ上流側から見た正面断面図である。 図１のＣ−Ｃ線に沿う断面図である。 図１のＤ−Ｄ線に沿う断面図である。 図１のＥ−Ｅ線に沿う断面図である。 本発明の第２実施形態に係る熱交換器を排気ガス流れ上流側から見た正面断面図である。 本発明の第３実施形態に係る熱交換器を排気ガス流れ上流側から見た正面断面図である。 本発明の第４実施形態に係る熱交換器における蒸発側ヒートパイプの側面図である。 図７のＨ−Ｈ線に沿う断面図である。 図７のＩ−Ｉ線に沿う断面図である。 本発明の第４実施形態に係る熱交換器における蒸発側ヒートパイプの変形例を示す側面図である。 従来の熱交換器における要部の断面図である。

符号の説明

３ａ…蒸発側ヒートパイプ、３ｂ、３ｃ…凝縮側ヒートパイプ、８…インナーフィン。

Claims (10)

1. 内部に封入された作動流体と外部の高温流体との熱交換により前記作動流体を蒸発させる蒸発側ヒートパイプ（３ａ）と、
   前記作動流体と外部の低温流体との熱交換により前記作動流体を凝縮させる凝縮側ヒートパイプ（３ｂ、３ｃ）とを備え、
   前記蒸発側ヒートパイプ（３ａ）と前記凝縮側ヒートパイプ（３ｂ、３ｃ）が閉ループに接続されて前記作動流体が前記両ヒートパイプ（３ａ、３ｂ、３ｃ）内を循環するように構成された熱交換器であって、
   前記蒸発側ヒートパイプ（３ａ）は前記作動流体の流れ方向が非水平になるように配置され、
   前記蒸発側ヒートパイプ（３ａ）内に、前記蒸発側ヒートパイプ（３ａ）と前記作動流体との伝熱面積を増加させるインナーフィン（８）が設けられ、
   前記インナーフィン（８）の下端（８ｃ）が、液相状態時の前記作動流体の上面よりも上方に位置することを特徴とする熱交換器。
2. 前記蒸発側ヒートパイプ（３ａ）と前記凝縮側ヒートパイプ（３ｂ）は水平方向に並べて配置され、
   前記凝縮側ヒートパイプ（３ｂ）は前記作動流体の流れ方向が非水平になるように配置され、
   前記凝縮側ヒートパイプ（３ｂ）内に、前記凝縮側ヒートパイプ（３ｂ）と前記作動流体との伝熱面積を増加させるインナーフィン（８）が設けられ、
   前記凝縮側ヒートパイプ（３ｂ）内のインナーフィン（８）の下端（８ｃ）が、液相状態時の前記作動流体の上面よりも上方に位置することを特徴とする請求項１に記載の熱交換器。
3. 両端が閉塞されたヒートパイプ（３ｄ）内に作動流体が封入され、
   前記ヒートパイプ（３ｄ）の一端側にて前記作動流体と外部の高温流体との熱交換により前記作動流体を蒸発させるとともに、前記ヒートパイプ（３ｄ）の他端側にて前記作動流体と外部の低温流体との熱交換により前記作動流体を凝縮させるように構成された熱交換器であって、
   前記ヒートパイプ（３ｄ）は前記作動流体の流れ方向が非水平になるように配置され、
   前記ヒートパイプ（３ｄ）内に、前記ヒートパイプ（３ｄ）と前記作動流体との伝熱面積を増加させるインナーフィン（８）が設けられ、
   前記インナーフィン（８）の下端（８ｃ）が、液相状態時の前記作動流体の上面よりも上方に位置することを特徴とする熱交換器。
4. 前記インナーフィン（８）の下端（８ｃ）が、固相状態時の前記作動流体の上面よりも上方に位置することを特徴とする請求項１ないし３のいずれか１つに記載の熱交換器。
5. 内部に封入された作動流体と外部の高温流体との熱交換により前記作動流体を蒸発させる蒸発側ヒートパイプ（３ａ）と、
   前記作動流体と外部の低温流体との熱交換により前記作動流体を凝縮させる凝縮側ヒートパイプ（３ｂ、３ｃ）とを備え、
   前記蒸発側ヒートパイプ（３ａ）と前記凝縮側ヒートパイプ（３ｂ、３ｃ）が閉ループに接続されて前記作動流体が前記両ヒートパイプ（３ａ、３ｂ、３ｃ）内を循環するように構成された熱交換器であって、
   前記蒸発側ヒートパイプ（３ａ）は前記作動流体の流れ方向が非水平になるように配置され、
   前記蒸発側ヒートパイプ（３ａ）は、平板状の第１プレート（３１ａ）と平板状の第２プレート（３２ａ）とが対向配置されて前記第１プレート（３１ａ）と前記第２プレート（３２ａ）との間に前記作動流体が流れる内部流体通路（３３ａ）が形成され、
   前記第１プレート（３１ａ）および前記第２プレート（３２ａ）は、前記内部流体通路（３３ａ）中に突出して先端部同士が接合されたリブ（３４ａ）を備え、
   前記リブ（３４ａ）は、液相状態時の前記作動流体の上面にかからない位置に配置されていることを特徴とする熱交換器。
   
6. 前記蒸発側ヒートパイプ（３ａ）と前記凝縮側ヒートパイプ（３ｂ）は水平方向に並べて配置され、
   前記凝縮側ヒートパイプ（３ｂ）は前記作動流体の流れ方向が非水平になるように配置され、
   前記凝縮側ヒートパイプ（３ｂ）は、平板状の凝縮側第１プレートと平板状の凝縮側第２プレートとが対向配置されて前記凝縮側第１プレートと前記凝縮側第２プレートとの間に前記作動流体が流れる凝縮側内部流体通路が形成され、
   前記凝縮側第１プレートおよび前記凝縮側第２プレートは、前記凝縮側内部流体通路中に突出して先端部同士が接合されたリブを備え、
   前記凝縮側ヒートパイプ（３ｂ）のリブは、液相状態時の前記作動流体の上面にかからない位置に配置されていることを特徴とする請求項５に記載の熱交換器。
7. 両端が閉塞されたヒートパイプ（３ｄ）内に作動流体が封入され、
   前記ヒートパイプ（３ｄ）の一端側にて前記作動流体と外部の高温流体との熱交換により前記作動流体を蒸発させるとともに、前記ヒートパイプ（３ｄ）の他端側にて前記作動流体と外部の低温流体との熱交換により前記作動流体を凝縮させるように構成された熱交換器であって、
   前記ヒートパイプ（３ｄ）は前記作動流体の流れ方向が非水平になるように配置され、
   前記ヒートパイプ（３ｄ）は、平板状の第１プレート（３１ａ）と平板状の第２プレート（３２ａ）とが対向配置されて前記第１プレート（３１ａ）と前記第２プレート（３２ａ）との間に前記作動流体が流れる内部流体通路（３３ａ）が形成され、
   前記第１プレート（３１ａ）および前記第２プレート（３２ａ）は、前記内部流体通路（３３ａ）中に突出して先端部同士が接合されたリブ（３４ａ）を備え、
   前記リブ（３４ａ）は、液相状態時の前記作動流体の上面にかからない位置に配置されていることを特徴とする熱交換器。
8. 前記リブ（３４ａ）は、固相状態時の前記作動流体の上面よりも上方に位置することを特徴とする請求項１ないし７のいずれか１つに記載の熱交換器。
9. 前記作動流体は水であることを特徴とする請求項１ないし８のいずれか１つに記載の熱交換器。
10. 前記高温流体は水冷式内燃機関から排出される排気ガスであり、前記低温流体は前記水冷式内燃機関の冷却水であることを特徴とする請求項１ないし９のいずれか１つに記載の熱交換器。

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