JP2008275292A - 排熱回収装置 - Google Patents

Abstract

【課題】排熱回収量を下げることなく、蒸発部内に配置されるチューブ内における作動媒体のヘッドを略均等化して、チューブ内でのドライアウトを防止することができる排熱回収装置を提供する。
【解決手段】複数のチューブ１１１，１１２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に還流させる凝縮部１３０とを有する排熱回収装置において、複数のチューブ１１１，１１２のうち、作動媒体の蒸発部１１０から凝縮部１３０への流入側で、凝縮部１３０に対してより遠位に接続されるチューブ１１２ほど、作動媒体の凝縮部１３０から蒸発部１１０への還流側で、凝縮部１３０に対して短い距離で接続されている。
【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パイプを用いた排熱回収装置が知られている。この排熱回収装置は、蒸発部と凝縮部とが環状に接続されてなるループ式のヒートパイプを有している。そして、蒸発部がエンジンの排気管に配置され、また、凝縮部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。

こうした排熱回収装置において、蒸発部内には、複数のチューブが配列形成されている。そして、各チューブは、その一端側が凝縮部に接続され、その他端側が凝縮部に接続されることにより、蒸発部と凝縮部とが環状に形成されている。

そして、作動時には、蒸発部および凝縮部内の作動媒体（例えば水）が、液体と気体（蒸気）とに状態を変化させつつヒートパイプ内を循環するようになっている。
特開平４−４５３９３号公報

ところで、作動媒体は気体（蒸気）となった際の体積が非常に大きいため（液体時の約１０００倍）、蒸気流速が非常に早くなり、液体が流通する場合と比較して流路抵抗の影響を顕著に受ける。ここで、凝縮部に対して遠位側に配置されたチューブにおける蒸気連通流路（作動媒体が循環する循環流路の一部を構成するもので、蒸気が移動する流路）の流路長は、凝縮部に対して近位側に配置されたチューブにおける蒸気連通流路の流路長より長いために、遠位側のチューブを介する流路抵抗は、近位側のチューブを介する流路抵抗より大きくなる。

上記構成による装置では、凝縮部内で液体状態にある作動媒体は、凝縮部と蒸発部との圧力差により、すなわち、位置エネルギーのみによって蒸発部（各チューブ内）へと供給される。しかし、上記したように、遠位のチューブを介する流路での流路抵抗が、近位のチューブを介する流路での流路抵抗より大きいため、すなわち、遠位のチューブを介する流路での圧力損失がより大きくなり、凝縮部から蒸発部へ作動媒体が流入した際には、各チューブにおいてヘッド（液面高さ）の差が生ずることになる。

このとき、遠位のチューブ内のヘッドは近位のチューブ内のヘッドより低くなり、十分なヘッドが得られない場合には、遠位のチューブ内でドライアウトを招いてしまうことがあった。ひいては、回収熱量（＝排熱輸送量）が不足するという問題を引き起こしていた。

本発明の目的は、上記問題に鑑み、排熱回収量を下げることなく、蒸発部内に配置されるチューブ内における作動媒体のヘッドを略均等化して、チューブ内でのドライアウトを防止することができ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（１１１，１１２）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）に還流させる凝縮部（１３０）とを有する排熱回収装置において、複数のチューブ（１１１，１１２）のうち、作動媒体の蒸発部（１１０）から凝縮部（１３０）への流入側で、凝縮部（１３０）に対してより遠位に接続されるチューブ（１１２）ほど、作動媒体の凝縮部（１３０）から蒸発部（１１０）への還流側で、凝縮部（１３０）に対して短い距離で接続されていることを特徴とする。

凝縮部（１３０）の流入側でより遠位となるチューブ（１１２）は、凝縮部（１３０）の流入口（１３１ｆ）との距離が長くなることから、この間での作動媒体に対する圧力損失が他のチューブ（１１１）より大きくなる。したがって、通常であれば、凝縮部（１３０）から遠位となるチューブ（１１２）に流入される作動媒体の液面高さ（Ｈ２）が低くなってしまう。

しかしながら、請求項１に記載の発明では、より遠位となるチューブ（１１２）ほど、凝縮部（１３０）の還流側において、短い距離で接続されるようにしているので、他のチューブ（１１１）より優先的に凝縮部（１３０）からの作動媒体を流入させることができ、遠位となるチューブ（１１２）内の液面高さ（Ｈ２）を十分に確保することができる。

請求項２に記載の発明では、複数のチューブ（１１１，１１２）は、作動媒体が凝縮部（１３０）から前記蒸発部（１１０）へ還流する側で、連通部（１１４）によって互いに連通しており、凝縮部（１３０）と、連通部（１１４）の遠位となるチューブ（１１２）側とが接続されることで、短い距離での接続がなされていることを特徴とする。

この構成によれば、容易かつコンパクトに短い距離での接続が可能となる。

請求項３に記載の発明では、複数のチューブ（１１１，１１２）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）で蒸発された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凝縮部（１３０，１３０ａ，１３０ｂ）とを有し、複数のチューブ（１１１，１１２）に対応し、蒸発部（１１０）で蒸発された作動媒体が蒸発部（１１０）から凝縮部（１３０，１３０ａ，１３０ｂ）に向けて移動する流路である蒸気連通流路（Ｒ１，Ｒ２，Ｒ１１，Ｒ１２）を介して、蒸発部（１１０）と凝縮部（１３０，１３０ａ，１３０ｂ）との間で作動媒体を循環させて排気ガスの排熱を冷却水へ輸送する排熱回収装置において、排気ガスの排熱輸送量を減少させることなく、複数の蒸気連通流路（Ｒ１，Ｒ２，Ｒ１１，Ｒ１２）における圧力損失を略均等化したことを特徴とする。

作動媒体が気化した状態では、作動媒体の体積が大きくなることに伴い流速が増大するために、蒸発部（１１０）と凝縮部（１３０）とが接続されてなる循環流路は、その流路の一部を構成する蒸気連通流路（Ｒ１，Ｒ２，Ｒ１１，Ｒ１２）内の圧力損失の影響を顕著に受けることになる。本構成によれば、各蒸気連通流路（Ｒ１，Ｒ２，Ｒ１１，Ｒ１２）内の圧力損失が略均等化されることにより、各チューブ（１１１，１１２）内の作動媒体の液面高さ（Ｈ１,Ｈ２）が均等化される。そして、各チューブ（１１１，１１２）内の作動媒体の液面高さ（Ｈ１,Ｈ２）を十分に確保することができ、ドライアウトを防止することができる。

請求項４に記載の発明では、複数の蒸気連通流路（Ｒ１，Ｒ２）は、当該蒸気連通流路（Ｒ１，Ｒ２）を構成する管径および管摩擦係数を略同一にするものであって、複数の蒸気連通流路（Ｒ１，Ｒ２）の流路長がそれぞれ略均等化されていることを特徴とする。

流路内の圧力損失は、流路を構成する管の物性（管径、管摩擦係数）および管内を流れる流体（密度、速度）が同一であれば、その流路の流路長に反比例する。本構成によれば、それぞれの蒸気連通流路（Ｒ１，Ｒ２）の流路長を略均等化することで、容易に各蒸気連通流路（Ｒ１，Ｒ２）内の圧力損失を均等化することができる。

請求項５に記載の発明では、複数のチューブ（１１１，１１２）のうち、作動媒体の蒸発部（１１０）から凝縮部（１３０）への流入側で、当該凝縮部（１３０）に対してより遠位に接続されるチューブ（１１２）に対応する蒸気連通流路（Ｒ１２）の径（ｄ２）を、近位に接続されるチューブ（１１１）に対応する蒸気連通流路（Ｒ１１）の径（ｄ１）よりも大きく設定したことを特徴とする。

この構成によれば、各蒸気連通流路（Ｒ１１，Ｒ１２）における圧力損失を容易に均等化することができる。

請求項６に記載の発明では、内部を第１の作動媒体が通過し、並列配列された複数のチューブ（１１１，１１２）と、チューブ（１１１，１１２）の下流側端部（１１１ａ，１１２ａ）に接続されてチューブ（１１１，１１２）を通過した第１の作動媒体を集合させる上タンク部（１１５）と、チューブ（１１１，１１２）の上流側端部（１１１ｂ，１１２ｂ）に接続されてチューブ（１１１，１１２）へと流入する第１の作動媒体を分配する下タンク部（１１４）とを有し、内燃機関（１０）の排気ガスの熱によってチューブ内部の第１の作動媒体を蒸発させる蒸発部（１１０）と、蒸発部（１１０）から流入する第１の作動媒体の熱を、加熱対象を有する回路を通過する第２の作動媒体に放熱回収して第１の作動媒体を凝縮させると共に、凝縮された第１の作動媒体を蒸発部（１１０）に還流させる凝縮部（１３０）とを有する排熱回収装置において、複数のチューブ（１１１，１１２）のうち、凝縮部（１３０）に対してより遠位に接続されるチューブ（１１２）ほど、チューブ（１１２）の上流側端部（１１２ｂ）と前記凝縮部（１３０）とが短い距離で接続されていることを特徴とする。

請求項６に記載の発明によれば、凝縮部に対してより遠位に配されるチューブ（１１２）ほど、第１作動媒体の上流側端部（１１２ｂ）と凝縮部（１３０）とが短い距離で接続されるようにしているので、他のチューブ（１１１）より優先的に凝縮部（１３０）から第１の作動媒体を流入させることができ、遠位となるチューブ（１１２）内の液面高さ（Ｈ２）を十分に確保することができる。

なお、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）
図１は、本発明の第１実施形態における排熱回収装置１００Aの車両への搭載状態を示す模式図である。図１に示すように、排熱回収装置１００A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１００A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。

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、エンジン冷却用のエンジン冷却水（以下、冷却水、請求項における第２の作動媒体）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１００Aの水タンク１４０（凝縮部１３０）が接続されている。

なお、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。

図２は、本発明の第１実施形態における排熱回収装置１００Aの断面を示す模式図である。図２に示すように、排熱回収装置１００Aは、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１１６および還流路１３６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（請求項における第１の作動媒体）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。なお、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。また、図２における矢印は、水の循環方向を示している。

排熱回収装置１００A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、複数のチューブ（第１チューブ１１１、第２チューブ１１２）、フィン１１３、下タンク部１１４、上タンク部１１５等から形成されている。第１チューブ１１１、第２チューブ１１２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）。さらに、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）。

なお、図２において左側に配置される第２チューブ１１２は、後述する凝縮部１１０を構成するチューブ１３１の上流側部位１３１ｄに対して（流入方向において）、第１チューブ１１１と比較してより上流側、すなわち、水の流入口１３１ｆが形成されるチューブ１３１の上流側部位１３１ｄから遠い位置に配置されている。

また、上記配列方向となる各チューブ１１１，１１２の間には、薄肉板材から形成されたフィン１１３が介在されて、各チューブ１１１，１１２の外壁面（表面）に接合されている。蒸発部１１０におけるフィン１１３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る。

下タンク部１１４、上タンク部１１５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１１１，１１２の長手方向端部側に配設されている。各タンク部１１４，１１５において、チューブ１１１，１１２の上端部１１１ａ，１１２ａ（下流側端部）および下端部１１１ｂ，１１２ｂ（上流側端部）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１１１，１１２の長手方向両端部１１１ａ，１１２ａ，１１１ｂ，１１２ｂは、それぞれ各タンク部１１４，１１５のチューブ孔に接合されており、複数のチューブ１１１，１１２は、各タンク部１１４，１１５内と連通している。下タンク部１１４は本発明の連通部に対応する。

そして、蒸発部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。蒸発部１１０は、チューブ１１１，１１２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チューブ１３１が図２の紙面に対して垂直方向に複数配設され、各チューブ１３１の長手方向両端部が下タンク部１３４、上タンク部１３５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１３４，１３５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（図２中の右側）に配設されて、上タンク部１１５と上タンク部１３５とが、ダクト部１２０および水タンク１４０を貫通する接続流路１１６によって接続されている。また、下タンク部１１４と下タンク部１３４とが、ダクト部１２０および水タンク１４０を貫通する還流路１３６によって接続されている。

よって、下タンク部１１４→チューブ１１１，１１２→上タンク部１１５→接続流路１１６→上タンク部１３５→チューブ１３１→下タンク部１３４→還流路１３６→下タンク部１１４が環状に繋がっており、ヒートパイプ１０１を形成している。

なお、還流路１３６は、本実施形態における特徴部を成している。還流路１３６は、蒸発部１１０の下部を迂回して第２チューブ１１２の下端部１１２ｂ側から下タンク部１１４に連通するようになっている。すなわち、凝縮部１３０と、下タンク部１１４において遠位の第２チューブ１１２側とが接続されているため、第２チューブ１１２は、第１チューブ１１１と比較して、下タンク部１１４の配列方向の長さ分だけ、チューブ１３１の下流側部位１３１ｅと短い距離で接続されている。よって、本実施形態では、第１チューブ１１１を介してヒートパイプ１０１内を冷却水が循環するルートの全長と、第２チューブ１１２を介してヒートパイプ１０１内を冷却水が循環するルートの全長が略同じになっている。

なお、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１１６、および還流路１３６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。

以上のように排熱回収装置１００A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（図１）に接続されている。

次に、上記構成に基づく排熱回収装置１００A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１００A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１１１，１１２内を上昇し、上タンク部１１５、接続流路１１６を経て凝縮部１３０（上タンク部１３５、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１３６を通り蒸発部１１０の下タンク部１１４に還流する。

ここで、第２チューブ１１２は、第１チューブ１１１と比較して、凝縮部１３０内のチューブ１３１の流入口１３１ｆから遠い位置に配置されているため、蒸気となった水が連通する蒸気連通流路Ｒ２２の流路長が、第１チューブ１１１を介して連通する蒸気連通流路Ｒ２１の流路長よりも長くなっている。したがって、以下の式の関係から、第２チューブ１１２内では第１チューブ１１１よりも大きな圧力損失（抵抗）が生ずることになる。

（数１）
ΔP＝λ×（Ｌ／ｄ）×（ρｖ^２／２）
ここで、ΔPは圧力損失、Ｌは管長（流路長）、ｄは管径、ρは流体密度、ｖは流体速度である。

しかし、第２チューブ１１２は、第１チューブ１１１と比較して、凝縮部１３０内のチューブ１３１の流出口１３１ｇから還流路１３６によって短い距離で接続されていることで、チューブ１３１から下タンク部１３４を介して還流路１３６を流通してきた水は、その流勢を受けてまず、第２チューブ１１２内を上昇し、その後、さらに下タンク部１３４を進んで第１チューブ１１１内を上昇することになる。

これにより、例えば、還流路１３６が迂回しておらず、第１チューブ１１１の下端部１１１ｂ側に連通している場合には、第２チューブ１１２内のヘッドＨ２が第１チューブ１１１内のヘッドＨ１よりも低くなってしまうところ、本実施形態では、図２に示すように、第１チューブ１１１、第２チューブ１１２ともに、ほぼ均等のヘッドＨ１、Ｈ２となり、特に凝縮部１３０から遠位にある第２チューブ１１２内のヘッドＨ２を十分に確保することができる。そして、排熱回収装置１００Aの排熱回収量を下げることなく第２チューブ１１２内でのドライアウトを防止することができる。

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。なお、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１１１，１１２およびフィン１１３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への排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。

（第２実施形態）
図３は、本発明の第２実施形態における排熱回収装置１００Bの断面を示す模式図である。なお、本実施形態では、第１実施形態と共通する構成部材には第１実施形態と同様の符号を付しており、以下、第１実施形態との相違部分に着目して、説明することとする。

図３に示すように、本実施形態の排熱回収装置１００Bは、蒸発部１１０と凝縮部１３０とを有し、ループ式のヒートパイプ１０１内で作動媒体を循環させる構成となっている点は第１実施形態と同様である。しかし、本実施形態では、蒸発部１１０の両側にそれぞれ凝縮部１３０（右側凝縮部１３０ａ、左側凝縮部１３０b）が設けられており、接続流路（右側接続流路１１６ａ，左側接続流路１１６ｂ）および還流路１３６（右側還流路１３６ａ、左側還流路１３６ｂ）が各凝縮部１３０ａ，１３０bに対してそれぞれ設けられている点が第１実施形態と異なっている。以下、詳細に説明する。

蒸発部１１０の左右両側に設けられる凝縮部１３０ａ，１３０bの内部構成は第１実施形態と同様であって、それぞれに複数のチューブ１３１（右側チューブ１３１ａ、左側チューブ１３１ｂ）を有し、各チューブ１３１ａ，１３１bは、上下の各タンク部１３４ａ、１３４ｂ、１３５ａ、１３５ｂ内と連通している。

主に第１チューブ１１１からの水が循環する右側凝縮部１３０ａは、蒸発部１１０の右側方に配設されている。そして、上タンク部１１５と右側上タンク部１３５ａとが、ダクト部１２０および右側水タンク１４０ａを貫通する右側接続流路１１６ａによって接続されている。また、下タンク部１１４と右側下タンク部１３４ａとが、ダクト部１２０および右側水タンク１４０ａを貫通する右側還流路１３６ａによって接続されている。

よって、下タンク部１１４→第１チューブ１１１→上タンク部１１５→右側接続流路１１６ａ→右側上タンク部１３５ａ→右側チューブ１３１ａ→右側下タンク部１３４ａ→右側還流路１３６ａ→下タンク部１１４が環状に繋がっており、右ヒートパイプ１０１ａを形成している。そして、右ヒートパイプ１０１ａ内に、第１チューブ１１１を介して蒸気となった水が移動する流路である蒸気連通流路Ｒ１（第１チューブ１１１の一部→右側接続流路１１６ａ→右側上タンク部１３５ａ→右側チューブ１３１ａの一部）が構成されている。

一方、主に第２チューブ１１２からの水が循環する左側凝縮部１３０ｂは、蒸発部１１０の左側方に配設されている。そして、上タンク部１１５と左側上タンク部１３５ｂとが、ダクト部１２０および左側水タンク１４０ｂを貫通する左側接続流路１１６ｂによって接続されている。また、下タンク部１１４と左側下タンク部１３４ｂとが、ダクト部１２０および左側水タンク１４０ｂを貫通する左側還流路１３６ｂによって接続されている。

よって、下タンク部１１４→第２チューブ１１２→上タンク部１１５→左側接続流路１１６ｂ→左側上タンク部１３５ｂ→左側チューブ１３１ｂ→左側下タンク部１３４ｂ→左側還流路１３６ｂ→下タンク部１１４が環状に繋がっており、左ヒートパイプ１０１ｂを形成している。そして、左ヒートパイプ１０１ｂ内に、第２チューブ１１２を介して蒸気となった水が移動する流路である蒸気連通流路Ｒ２（第２チューブ１１２→上タンク部１１５→左側接続流路１１６ｂ→左側上タンク部１３５ｂ→左側チューブ１３１ｂの一部）が構成されている。

以上の構成により、第１チューブ１１１内の水は主に右側凝縮部１３０ａへ、第２チューブ１１２内の水は主に左側凝縮部１３０ｂへそれぞれのルートで循環するようになっている。また、第１チューブ１１１に対応する蒸気連通流路Ｒ１の流路長と、第２チューブ１１２に対応する蒸気連通流路Ｒ２の流路長とは、略同じとなるように形成されている。さらに、右側還流路１３６ａと左側還流路１３６ｂの流路長も略同じであるため、第１チューブ１１１を介して右ヒートパイプ１０１ａ内を冷却水が循環する右回りルート（循環流路）の全長と、第２チューブ１１２を介して左ヒートパイプ１０１ｂ内を冷却水が循環する左回りルート（循環流路）の全長が略同じになっている。

次に、上記構成に基づく排熱回収装置１００Bの作動、およびその作用効果について説明する。

上記第１実施形態と同様に、エンジン１０が始動された後は、ヒートパイプ１０１内の水は、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１１１，１１２内を上昇する。

まず、第１チューブ１１１内を上昇した蒸気は、上タンク部１１５、右側接続流路１１６ａを経て右側凝縮部１３０ａ（右側上タンク部１３５ａ、右側チューブ１３１ａ）内に流れ込む。右側凝縮部１３０ａ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、凝縮水となって右側還流路１３６ａを通り蒸発部１１０の下タンク部１１４に還流する。そして、さらに、右側凝縮部１３０ａの右側チューブ１３１ａとの差圧に応じて再び第１チューブ１１１内を還流（上昇）する。

同様に、第２チューブ１１２内を上昇した蒸気は、上タンク部１１５、左側接続流路１１６ｂを経て左側凝縮部１３０ｂ（左側上タンク部１３５ｂ、左側チューブ１３１ｂ）内に流れ込む。左側凝縮部１３０ｂ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、凝縮水となって左側還流路１３６ｂを通り蒸発部１１０の下タンク部１１４に還流する。そして、さらに、左側凝縮部１３０ｂの左側チューブ１３１ａとの差圧に応じて再び第２チューブ１１２内を還流（上昇）する。

ここで、上記したように第１チューブ１１１に対応する蒸気連通流路Ｒ１の流路長と、第２チューブ１１２に対応する蒸気連通流路Ｒ２の流路長とは略同じであり、かつ、第１チューブ１１１を介する右回りルートの全長と、第２チューブ１１２を介する左回りルートの全長も略同じである。したがって、上記数式１の関係から、第１チューブ１１１を介する右回りルートと、第２チューブ１１２を介する左回りルートにおいてそれぞれ生じる圧力損失が略同じとなる。

したがって、第１チューブ１１１、第２チューブ１１２ともに、ほぼ均等のヘッドＨ１、Ｈ2となり、いずれかのチューブ１１１，１１２内でヘッドが不足するといったことを回避し、ドライアウトを防止することができる。

（第３実施形態）
図４は、本発明の第３実施形態における排熱回収装置１００Cの断面を示す模式図である。なお、本実施形態では、第２実施形態と同様、第１実施形態と共通する構成部材には第１実施形態と同様の符号を付しており、以下、第１実施形態との相違部分に着目して、説明することとする。

図４に示すように、本実施形態の排熱回収装置１００Cは、蒸発部１１０と凝縮部１３０とを有し、それぞれの内部に配列されるチューブ１１１，１１２，１３１の構成は第１実施形態と同様である。しかし、本実施形態では、第１チューブ１１１と第２チューブ１１２とが、それぞれ別の接続流路１１６ｃ，１１６ｄによって凝縮部１３０と接続されている点が異なる。以下、詳細に説明する。

第１チューブ１１１の長手方向上端部１１１ａには、上タンク部１１５ｃが配設されており、第２チューブ１１２の長手方向上端部１１２ａには、上タンク部１１５ｄが配設されている。各上タンク部１１５ｃ，１１５ｄの各チューブ１１１，１１２の上端部１１１ａ，１１２ａに対応する位置には、チューブ孔（図示略）が穿設されている。そして、各チューブ１１１，１１２の上端部１１１ａ，１１２ａは、それぞれ上タンク部１１５ｃ，１１５ｄのチューブ孔に接合されており、各チューブ１１１，１１２は各上タンク部１１５ｃ，１１５ｄ内と連通している。各チューブ１１１，１１２の下端部１１１b、１１２bと下タンク部１１４との接続については上記各実施形態と共通であるため、詳しい説明は省略する。

なお、上タンク部１１５ｄにおいて蒸気連通流路Ｒ１２の一部を構成する流路の流路管径ｄ２は、上タンク部１１５ｃにおいて蒸気連通流路Ｒ１１の一部を構成する流路の流路管径ｄ１よりも大きくなっている。

また、下タンク部１１４と下タンク部１３４とが、ダクト部１２０および水タンク１４０を貫通する還流路１３６ｃによって接続されている。還流路１３６ｃは、第１実施形態とは異なり、蒸発部１１０の下部を迂回することなく、下タンク部１３４から下タンク部１１４の第１チューブ１１１側に連通するようになっている。よって、本実施形態では、第１チューブ１１１を介してヒートパイプ１０１ｃ内を作動媒体が循環する内回りルート（循環流路）と、第２チューブ１１２を介してヒートパイプ１０１ｄ内を作動媒体が循環する外回りルート（循環流路）とが存在し、外回りルート（第２チューブ１１２を介するルート）は内回りルート（第１チューブ１１１を介するルート）と比較してその全長が長くなっている。

また、第２チューブ１１２は、凝縮部１３０に対して第１チューブ１１１と比較して遠位に配設されているため、第２チューブ１１２に対応する蒸気連通流路Ｒ１２の流路長は第１チューブ１１１に対応する蒸気連通流路Ｒ１１の流路長より長くなっている。

次に、上記構成に基づく排熱回収装置１００Cの作動、およびその作用効果について説明する。

上記各実施形態と同様に、エンジン１０が始動された後は、まず、第１チューブ１１１内を上昇した蒸気は、上タンク部１１５ｃ、接続流路１１６ｃを経て凝縮部１３０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１３６ｃを通り蒸発部１１０の下タンク部１１４に還流する。そして、さらに、凝縮部１３０のチューブ１３１との差圧に応じて、再び第１チューブ１１１内を還流（上昇）する。

同様に、第２チューブ１１１内を上昇した蒸気は、上タンク部１１５ｄ、接続流路１１６ｄを経て凝縮部１３０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１３６ｃを通り蒸発部１１０の下タンク部１１４に還流する。そして、さらに、凝縮部１３０のチューブ１３１との差圧に応じて、再び第２チューブ１１２内を還流（上昇）する。

ここで、外回りルート（第２チューブ１１２を介するルート）における蒸気連通流路Ｒ１２の流路長は内回りルート（第１チューブ１１１を介するルート）における蒸気連通流路Ｒ１１の流路長より長くなっている。しかし、蒸気連通流路Ｒ１２の一部を構成する流路の流路管径ｄ２は、蒸気連通流路Ｒ１１の一部を構成する流路の流路管径ｄ１よりも大きくなっているため、上記数式１の関係より、距離Lと径ｄの差異が相殺されて、各流路Ｒ１１，Ｒ１２での圧力損失が略同じとなっている。

すなわち、流路管径ｄ２を流路管径ｄ１よりも大きくすることで、蒸発部１３０から遠位にある外回りルート（第２チューブ１１２を介するルート）における圧力損失が軽減されることになり、各流路Ｒ１１，Ｒ１２内の圧力損失が略均等化されている。その結果、第１チューブ１１１、第２チューブ１１２ともに、略均等のヘッドＨ１、Ｈ２となり、特に凝縮部１３０から遠位にある第２チューブ１１２内のヘッドＨ２を十分に確保することができ、ドライアウトを防止することができる。

また、フィン１１３が配置される第２チューブ１１２の径を大きくする場合と比較して、蒸発部１１０内での排気ガスからの受熱面積が小さくなることがないため、排熱輸送量が減少することがない。

（その他の実施形態）
上記第１実施形態において、還流路１３６は、蒸発部１１０の下部を迂回するものとした。しかし、還流路１３６は、第２チューブ１１２の下端部１１２ｂ側から下タンク部１１４に連通するようになっていればよく、例えば、蒸発部１１０の側面部を迂回させて下タンク部１１４に連通するように構成しても良い。

上記第２実施形態において、第１チューブ１１１を介する蒸気連通流路Ｒ１と第２チューブ１１２を介する蒸気連通流路Ｒ２とは、上タンク部１１５、下タンク部１１４を共有しているが、各々別個の上タンク部、下タンク部としてもよい。この構成によれば、第１チューブ１１１内を上昇する作動媒体は確実に右側ルートを循環し、第２チューブ１１２内を上昇する作動媒体は確実に左側ルートを循環する構成とできる。

上記第３実施形態において、上タンク部１１５ｃ，１１５ｄは上下方向に差をもって配設されているが、各上タンク部１１５ｃ，１１５ｄを奥行き方向（図４においては紙面と垂直方向）にずらして配設することで、同一高さ位置となるように構成してもよい。

上記第２実施形態および第３実施形態を組み合わせて、例えば、蒸気連通流路Ｒ１，Ｒ２，Ｒ１１，Ｒ１２の流路長と管径ｄ１，d２の両方を適宜変更することで、数式１におけるＬ／ｄ（Ｌは流路長、ｄは管径）値が各流路Ｒ１，Ｒ２，Ｒ１１，Ｒ１２で一致するように構成してもよい。このようにしても、圧力損失の大きさを略均等化することができる。

上記各実施形態において、蒸発部１１０内のチューブ本数および、凝縮部１３０，１３０ａ，１３０b内のチューブ本数は適宜変更できる。

上記各実施形態では第２の作動媒体として冷却水を用いた実施形態について述べたが、例えばＡＴＦ（オートマチックトランスミッションフルイド）が通過する回路に凝縮部を設け、第２作動媒体としてＡＴＦウォーマーを通過するオイルなどの他の作動媒体を用いてもよい。

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の断面を示す模式図である。 第２実施形態における排熱回収装置の断面を示す模式図である。 第３実施形態における排熱回収装置の断面を示す模式図である。

符号の説明

１０ エンジン（内燃機関）
１００A，１００B，１００C 排熱回収装置
１１０ 蒸発部
１１１，１１２ チューブ
１１１ａ，１１２ａ 上端部（下流側端部）
１１１ｂ，１１２ｂ 下端部（上流側端部）
１１４ 下タンク部（連通部）
１１５ 上タンク部
１３０，１３０ａ，１３０ｂ 凝縮部
Ｒ１，Ｒ２，Ｒ１１，Ｒ１２ 蒸気連通流路

Claims (6)

1. 複数のチューブ（１１１，１１２）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）に還流させる凝縮部（１３０）とを有する排熱回収装置において、
   複数の前記チューブ（１１１，１１２）のうち、前記作動媒体の前記蒸発部（１１０）から前記凝縮部（１３０）への流入側で、前記凝縮部（１３０）に対してより遠位に接続されるチューブ（１１２）ほど、前記作動媒体の前記凝縮部（１３０）から前記蒸発部（１１０）への還流側で、前記凝縮部（１３０）に対して短い距離で接続されていることを特徴とする排熱回収装置。
2. 複数の前記チューブ（１１１，１１２）は、前記作動媒体が前記凝縮部（１３０）から前記蒸発部（１１０）へ還流する側で、連通部（１１４）によって互いに連通しており、
   前記凝縮部（１３０）と、前記連通部（１１４）の前記遠位となるチューブ（１１２）側とが接続されることで、前記短い距離での接続がなされていることを特徴とする請求項１に記載の排熱回収装置。
3. 複数のチューブ（１１１，１１２）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）で蒸発された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凝縮部（１３０，１３０ａ，１３０ｂ）とを有し、
   複数の前記チューブ（１１１，１１２）に対応し、前記蒸発部（１１０）で蒸発された前記作動媒体が前記蒸発部（１１０）から前記凝縮部（１３０，１３０ａ，１３０ｂ）に向けて移動する流路である蒸気連通流路（Ｒ１，Ｒ２，Ｒ１１，Ｒ１２）を介して、前記蒸発部（１１０）と前記凝縮部（１３０，１３０ａ，１３０ｂ）との間で前記作動媒体を循環させて前記排気ガスの排熱を前記冷却水へ輸送する排熱回収装置において、
   前記排気ガスの排熱輸送量を減少させることなく、複数の前記蒸気連通流路（Ｒ１，Ｒ２，Ｒ１１，Ｒ１２）における圧力損失を略均等化したことを特徴とする排熱回収装置。
4. 複数の前記蒸気連通流路（Ｒ１，Ｒ２）は、当該蒸気連通流路（Ｒ１，Ｒ２）を構成する管径および管摩擦係数を略同一にするものであって、
   複数の前記蒸気連通流路（Ｒ１，Ｒ２）の流路長がそれぞれ略均等化されていることを特徴とする請求項３に記載の排熱回収装置。
5. 複数の前記チューブ（１１１，１１２）のうち、前記作動媒体の前記蒸発部（１１０）から前記凝縮部（１３０）への流入側で、当該凝縮部（１３０）に対してより遠位に接続されるチューブ（１１２）に対応する前記蒸気連通流路（Ｒ１２）の径（ｄ２）を、近位に接続されるチューブ（１１１）に対応する前記蒸気連通流路（Ｒ１１）の径（ｄ１）よりも大きく設定したことを特徴とする請求項３に記載の排熱回収装置。
6. 内部を第１の作動媒体が通過し、並列配列された複数のチューブ（１１１，１１２）と、当該チューブ（１１１，１１２）の下流側端部（１１１ａ，１１２ａ）に接続されて前記チューブ（１１１，１１２）を通過した前記第１の作動媒体を集合させる上タンク部（１１５）と、前記チューブ（１１１，１１２）の上流側端部（１１１ｂ，１１２ｂ）に接続されて前記チューブ（１１１，１１２）へと流入する前記第１の作動媒体を分配する下タンク部（１１４）とを有し、内燃機関（１０）の排気ガスの熱によって前記チューブ内部の第１の作動媒体を蒸発させる蒸発部（１１０）と、
   当該蒸発部（１１０）から流入する前記第１の作動媒体の熱を、加熱対象を有する回路を通過する第２の作動媒体に放熱回収して前記第１の作動媒体を凝縮させると共に、凝縮された前記第１の作動媒体を前記蒸発部（１１０）に還流させる凝縮部（１３０）とを有する排熱回収装置において、
   複数の前記チューブ（１１１，１１２）のうち、前記凝縮部（１３０）に対してより遠位に接続されるチューブ（１１２）ほど、前記チューブ（１１２）の上流側端部（１１２b）と前記凝縮部（１３０）とが短い距離で接続されていることを特徴とする排熱回収装置。

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