JP2009222254A - 排気熱回収器 - Google Patents

Abstract

【課題】蒸発により体積が増大した純水の蒸発部側ヒートパイプ部分での流通抵抗を低減し、純水による熱の循環を促進させて暖機性能の向上を図ることができる排気熱回収器を提供する。
【解決手段】エンジンから排出された排気ガスの熱により純水を加熱する貯留部２１側の貯留部側ヒートパイプ部分２３ａと、この各貯留部側ヒートパイプ部分２３ａにより加熱された純水を排気ガスの熱により蒸発させる蒸発部２２側の蒸発部側ヒートパイプ部分２３ｂとを有するヒートパイプ２３を設ける。そして、蒸発部側ヒートパイプ部分２３ｂの流路断面積を、その蒸発部側ヒートパイプ部分２３ｂの下端での幅方向の寸法を蒸発部側ヒートパイプ部分２３ｂの上端において略２倍の幅方向の寸法まで拡げるように、純水の送出方向に行くに従い幅方向に漸増させている。
【選択図】図３

Description

本発明は、自動車等の車両に用いられる排気熱回収器に関する。

従来より、ヒートパイプの原理を利用して車両のエンジンから排出された排気ガスの排気熱を回収して、この排気熱を暖機促進等に利用する技術が知られている。

また、ヒートパイプの原理を利用した熱交換器として、ループ型ヒートパイプ式熱交換器が提案されている（例えば、特許文献１参照）。これは、閉ループを形成する密閉された循環経路と、循環経路内に封入され、蒸発および凝縮可能な作動流体と、循環経路に配設され、外部からの入熱により作動流体を蒸発させる蒸発部と、循環経路の蒸発部より高い位置に配設され、蒸発部で蒸発した作動流体と外部からの被伝熱流体との間で熱交換を行う凝縮部とを有するものである。

ところで、排気熱回収器は、車両に搭載されるため、体格をコンパクトにまとめたいという要求がある。このため、従来より、ループ型ヒートパイプ式熱交換器を排気熱回収器として用いる上で、エンジンの始動時にそのエンジンから排出された排気ガスの熱により加熱される作動流体が貯留される貯留部と、この貯留部において加熱されて蒸発する作動流体を凝縮部に送出する蒸発部とを有する複数のヒートパイプを水平方向に並列に配置し、各ヒートパイプの鉛直方向両端部同士をそれぞれ連通させるヘッダ（連通部）を持つように構成したものが知られている（例えば、特許文献２参照）。そして、各ヒートパイプの蒸発部側のヘッダは、蒸発した作動流体が暖機促進対象との熱交換に供されるように凝縮部に連結されている一方、各ヒートパイプの貯留部側のヘッダは、暖機促進対象との熱交換により凝縮された作動流体が戻されるように凝縮部に流体通路を介して連結されている。この場合、各ヒートパイプは、エンジンの始動時にそのヒートパイプ内に貯留される作動流体の貯留面を境にして貯留部側に位置する貯留部側ヒートパイプ部分と蒸発部側に位置する蒸発部側ヒートパイプ部分とに区分され、その貯留部側ヒートパイプ部分から蒸発部側ヒートパイプ部分に亘って同じ流路断面積に設定されている。
特開平４−４５３９３号公報 特開２００６−３１３０５６号公報

ところで、貯留部において排気ガスにより加熱された作動流体は、蒸発する際に体積が増大している。その場合、上記従来のもののように、各ヒートパイプが貯留部側ヒートパイプ部分から蒸発部側ヒートパイプ部分に亘って同じ流路断面積に設定されていると、貯留部側ヒートパイプ部分において蒸発した作動流体の体積が増大しているため、蒸発部側ヒートパイプ部分を流通する際の流通抵抗が非常に大きなものとなる。このため、蒸発した作動流体を凝縮部に向けてスムーズに送出することができず、作動流体による熱の循環が遅延して暖機性能が悪化することになる。

本発明は、かかる点に鑑みてなされたものであり、その目的とするところは、蒸発により体積が増大した作動流体の蒸発部側ヒートパイプ部分での流通抵抗を低減し、作動流体による熱の循環を促進させて暖機性能の向上を図ることができる排気熱回収器を提供することにある。

上記目的を達成するため、本発明では、排気熱回収器として、排気管の内部に、エンジンの始動時にそのエンジンから排出された排気ガスの熱により加熱される作動流体が貯留される貯留部と、この貯留部において加熱されて蒸発する作動流体を凝縮部に送出する蒸発部とを有するヒートパイプを設ける。更に、上記ヒートパイプを、エンジンの始動時にそのヒートパイプ内に貯留される作動流体の貯留面を境にして上記貯留部側に位置する貯留部側ヒートパイプ部分と上記蒸発部側に位置する蒸発部側ヒートパイプ部分とに区分する。そして、上記蒸発部側ヒートパイプ部分の流路断面積を、上記貯留部側ヒートパイプ部分の流路断面積よりも拡張させている。

この特定事項により、蒸発部側ヒートパイプ部分の流路断面積が貯留部側ヒートパイプ部分の流路断面積よりも拡張されているので、貯留部側ヒートパイプ部分において蒸発した作動流体の体積が増大しても、流路断面積が拡張された蒸発部側ヒートパイプ部分を流通する際の作動流体の流通抵抗が低減されることになる。これにより、蒸発した作動流体が凝縮部に向けて円滑に送出され、作動流体による熱の循環が促進されて暖機性能の向上を図ることが可能となる。

特に、蒸発部側ヒートパイプ部分の流路断面積を拡張させる具体的な手法を特定するものとして、以下の構成が掲げられる。つまり、上記蒸発部側ヒートパイプ部分の流路断面積を、排気ガスの流れ方向から見て奥行き方向に拡張させている。

この特定事項により、蒸発部側ヒートパイプ部分の流路断面積が排気ガスの流れ方向から見て奥行き方向、つまり排気ガスの流れ方向に沿って、拡張されているので、蒸発部側ヒートパイプ部分の流路断面積が排気ガスの流れ方向から見て幅方向に拡張されることがない。これにより、蒸発部側ヒートパイプ部分の流路断面積を拡張させたことによる排気ガスの流通抵抗の悪化を招くことがなく、暖機性能の向上に加えて、排気熱回収器の設置による排気ガスの流れ方向下流側での背圧の上昇を抑制することが可能となる。

更に、上記蒸発部側ヒートパイプ部分の流路断面積を、上記作動流体の貯留面より送出方向に行くに従い漸増させている場合には、貯留部側ヒートパイプ部分での蒸発により体積が増大した作動流体が、作動流体の貯留面より送出方向に行くに従い漸増する蒸発部側ヒートパイプ部分の流路断面積に沿って積極的に蒸発し、作動流体の蒸発が促進される上、蒸発部側ヒートパイプ部分を流通する作動流体の送出もスムーズに行われる。

以上、要するに、蒸発部側ヒートパイプ部分の流路断面積を貯留部側ヒートパイプ部分の流路断面積よりも拡張させることで、貯留部側ヒートパイプ部分において蒸発した作動流体の体積が増大した際の蒸発部側ヒートパイプ部分での作動流体の流通抵抗を低減させて作動流体を凝縮部に向けて円滑に送出し、作動流体による熱の循環を促進させて暖機性能の向上を図ることができる。

以下、本発明を実施するための形態を図面に基づいて説明する。

図１および図２は本発明の実施例１に係る排気熱回収器が適用された自動車の排気管を示し、この排気管１の途中に排気熱回収器２が介設されている。具体的には、排気管１は、排気熱回収器２を境にして上流側排気管路１１と下流側排気管路１２とに分割され、排気熱回収器２の蒸発側筐体２５（後述する）の排気ガス流れ方向上流側に取り付けられた上流側接続具２５ａが上流側排気管路１１に接続されている一方、蒸発側筐体２５の排気ガス流れ方向下流側に取り付けられた下流側接続具２５ｂが下流側排気管路１２に接続されている。また、上流側排気管路１１の上流側（排気熱回収器２よりも上流側）には触媒コンバータが設けられている。一方、下流側排気管路１２の下流側（排気熱回収器２よりも下流側）にはマフラーが設けられている。

また、図３に示すように、排気熱回収器２は、貯留部２１および蒸発部２２を有する６本のヒートパイプ２３，２３，…と、凝縮部２４とを備えている。各ヒートパイプ２３の貯留部２１は、エンジンの始動時にそのエンジンから排出された排気ガスの熱により加熱される純水を貯留している。また、蒸発部２２は、貯留部２１において加熱されて蒸発する純水を凝縮部２４に送出している。

各ヒートパイプ２３は、作動流体としての純水が流通可能とされ、略矩形枠状の蒸発側筐体２５の内部に収容されている。この各ヒートパイプ２３が位置する蒸発側筐体２５の中央部分は、排気管１の内部に臨むように配置されている。各ヒートパイプ２３は、エンジンの始動時にその各ヒートパイプ２３内に貯留される純水の貯留面Ｘ、つまり貯留部２１の上端を境にして貯留部２１側（図３では下側）に位置する貯留部側ヒートパイプ部分２３ａと蒸発部２２側（図３では上側）に位置する蒸発部側ヒートパイプ部分２３ｂとに区分されている。そして、各ヒートパイプ２３は、貯留部側ヒートパイプ部分２３ａおよび蒸発部側ヒートパイプ部分２３ｂの内部を流通する純水とエンジンから排出された排気管１内の排気ガスとの間で熱交換を行い、純水を加熱して蒸発させるようになっている。この場合、図４に示すように、貯留部側ヒートパイプ部分２３ａおよび蒸発部側ヒートパイプ部分２３ｂは、排気管１内を流通する排気ガスの流れ方向に所定（例えば６０ｍｍ程度）の長さを有している。

凝縮部２４は、密閉されたタンク形状を呈し、排気管１の外部に配置されている。この凝縮部２４には、自動車のエンジン冷却水を循環させる冷却水通路３の導入口３１および導出口３２が接続されている。また、図５にも示すように、凝縮部２４と蒸発側筐体２５とは、上側および下側連通路２６ａ，２６ｂを介して連結され、蒸発側筐体２５のヒートパイプ２３（貯留部側ヒートパイプ部分２３ａおよび蒸発部側ヒートパイプ部分２３ｂ）により蒸発された気相の純水つまり蒸気が上側連通路２６ａを介して凝縮部２４に導入されるようになっている。蒸発側筐体２５の上端部には、ヒートパイプ２３により蒸発された蒸気を合流させる蒸気層２５１が設けられ、この蒸気層２５１の下面にヒートパイプ２３の各蒸発部側ヒートパイプ部分２３ｂの上端が嵌挿されている。一方、蒸発側筐体２５の下端部には、後述する貯留槽２７において貯留された液相の純水が導入される導入部２５２が設けられ、この導入部２５２の上面にヒートパイプ２３の各貯留部側ヒートパイプ部分２３ａの下端が嵌挿されている。そして、上側連通路２６ａは、蒸発側筐体２５の蒸気層２５１と凝縮部２４との間に接続されている一方、流体通路としての下側連通路２６ｂは、蒸発側筐体２５の導入部２５２に一端（上端）が接続され、貯留部の近傍を螺旋状に旋回しながら下方に延びて他端（下端）が貯留槽２７（後述する）に接続されている。この場合、貯留部側ヒートパイプ部分２３ａおよび蒸発部側ヒートパイプ部分２３ｂは、それぞれ同一径に形成されている。

そして、図６にも示すように、凝縮部２４は、仕切壁２４１により二層構造に仕切られ、その仕切壁２４１よりも外方となる外層２４１ａ側に冷却水通路３の導入口３１から導入されたエンジン冷却水と、仕切壁２４１よりも内方となる内層２４１ｂ側に蒸気層２５１から導入された蒸気との間で熱交換を行い、エンジン冷却水との熱交換により熱を奪われた蒸気が気相から液相の純水に凝縮されるようになっている。この凝縮部２４において蒸気と熱交換されたエンジン冷却水は、その凝縮部２４の外層２４１ａ側から冷却水通路３の導出口３２を介して導出されるようになっている。この場合、冷却水通路３の導入口３１は、凝縮部２４の外層２４１ａ側における蒸気層２５１側に位置し、蒸気層２５１から導入された直後の高温の蒸気の熱が付与されるようになってる。

一方、凝縮部２４の下面には、貯留槽２７が設けられ、凝縮部２４においてエンジン冷却水との熱交換により液相となった純水が凝縮部２４から貯留槽２７に移動して貯留されるようになっている。そして、貯留槽２７に貯留された液相の純水は、下側連通路２６ｂを介して蒸発側筐体２５に戻されるようになっている。また、貯留槽２７の下側連通路２６ｂとの接続部には、蒸発側筐体２５下部の貯留槽２７への液相の純水の戻りを規制するバルブ２７１が設けられている。このバルブ２７１は、エンジン側からの負圧により作動する作動部２７２により開閉され、凝縮部２４においてエンジン冷却水との熱交換が不要となった暖機完了時などに作動部２７２の作動により閉じられることによって、純水（蒸気）の移動を規制してラジエータへの熱負荷を軽減させるようにしている。この場合、排気熱回収器２の作動流体として用いられる純水は、ヒートパイプ２３（貯留部側ヒートパイプ部分２３ａおよび蒸発部側ヒートパイプ部分２３ｂ）、凝縮部２４、貯留槽２７、上側および下側連通路２６ａ，２６ｂの内部を真空引き（減圧）した状態で封入されている。また、ヒートパイプ２３、凝縮部２４、貯留槽２７、上側および下側連通路２６ａ，２６ｂは、高耐食性を備えたステンレス材から成る。そして、図３に示すように、ヒートパイプ２３の外周囲、つまり蒸発側筐体２５とこれに隣接する貯留部側ヒートパイプ部分２３ａおよび蒸発部側ヒートパイプ部分２３ｂとの間、並びに互いに相隣なる貯留部側ヒートパイプ部分２３ａ，２３ａ同士の間および互いに相隣なる蒸発部側ヒートパイプ部分２３ｂ，２３ｂ同士の間には、排気ガスの熱を受熱するコルゲートフィン２８，２８，…が接合されている。この場合、コルゲートフィン２８，２８，…により蒸発部側および貯留部側ヒートパイプ部分２３ａ，２３ｂの伝熱面積を増大させて純水と排気ガスとの熱交換が促進されるようにしている。

そして、図７にも示すように、各ヒートパイプ２３の蒸発部側ヒートパイプ部分２３ｂの流路断面積は、貯留部側ヒートパイプ部分２３ａの流路断面積よりも排気ガスの流れ方向から見て幅方向に拡張されている。具体的には、蒸発部側ヒートパイプ部分２３ｂの流路断面積は、エンジンの始動時における純水の貯留面Ｘつまり貯留部側ヒートパイプ部分２３ａの上端（蒸発部側ヒートパイプ部分２３ｂの下端）より純水の送出方向（図３および図７では上方）に行くに従い漸増し、蒸発部側ヒートパイプ部分２３ｂの下端での排気ガスの流れ方向から見た幅方向（左右方向）の寸法Ｗ１を蒸発部側ヒートパイプ部分２３ｂの上端での排気ガスの流れ方向から見た幅方向の寸法Ｗ２まで拡げている。この場合、蒸発部側ヒートパイプ部分２３ｂの上端での幅方向の寸法Ｗ２は、蒸発部側ヒートパイプ部分２３ｂの下端での幅方向の寸法Ｗ１の略２倍に設定されている。

したがって、上記実施例１では、蒸発部側ヒートパイプ部分２３ｂの流路断面積は、その蒸発部側ヒートパイプ部分２３ｂの下端での幅方向（排気ガスの流れ方向から見て左右方向）の寸法Ｗ１を蒸発部側ヒートパイプ部分２３ｂの上端において略２倍の幅方向の寸法Ｗ２まで拡げるように、純水の送出方向に行くに従い幅方向に漸増させることによって、貯留部側ヒートパイプ部分２３ａの流路断面積よりも拡張されているので、貯留部側ヒートパイプ部分２３ａにおいて蒸発した純水の体積が蒸気となって増大しても、流路断面積が拡張された蒸発部側ヒートパイプ部分２３ｂを流通する際の純水の流通抵抗が低減されることになる。これにより、蒸発して蒸気となった純水が上側連通路２６ａを介して凝縮部２４に向けて円滑に送出され、純水による熱の循環が促進されて暖機性能の向上を図ることができる。

しかも、蒸発部側ヒートパイプ部分２３ｂの流路断面積が貯留部側ヒートパイプ部分２３ａの上端（純水の貯留面Ｘ）より送出方向に行くに従い漸増していることにより、貯留部側ヒートパイプ部分２３ａでの蒸発により体積が増大した蒸気（純水）が、純水の貯留面Ｘより送出方向に行くに従い漸増する蒸発部側ヒートパイプ部分２３ｂの流路断面積に沿って積極的に蒸発し、純水の蒸発を促進することができる上、蒸発部側ヒートパイプ部分２３ｂを流通する蒸気の送出もよりスムーズなものとなる。

次に、本発明の実施例２を図８ないし図１０に基づいて説明する。

この実施例２では、蒸発部側ヒートパイプ部分の流路断面積を拡張させる方向を変更している。なお、蒸発部側ヒートパイプ部分を除くその他の構成は、上記実施例１の場合と同じであり、同一の部分については同じ符号を付して、その詳細な説明は省略する。

すなわち、本実施例では、図８ないし図１０に示すように、蒸発部側ヒートパイプ部分２３ｃの流路断面積は、エンジンの始動時における純水の貯留面Ｘ（図９に表れる）つまり貯留部側ヒートパイプ部分２３ａの上端（蒸発部側ヒートパイプ部分２３ｃの下端）より純水の送出方向（図１０では上方）に行くに従い漸増し、図８および図１０に示すように、蒸発部側ヒートパイプ部分２３ｃの下端での排気ガスの流れ方向から見た奥行き方向（つまり排気ガスの流れ方向）の寸法Ｌ１を蒸発部側ヒートパイプ部分２３ｃの上端での奥行き方向の寸法Ｌ２まで拡げている。この場合、蒸発部側ヒートパイプ部分２３ｃの上端での奥行き方向の寸法Ｌ２は、蒸発部側ヒートパイプ部分２３ｃの下端での奥行き方向の寸法Ｌ１の略２倍に設定されている。

したがって、上記実施例２では、蒸発部側ヒートパイプ部分２３ｃの流路断面積は、その蒸発部側ヒートパイプ部分２３ｃの下端での奥行き方向（排気ガスの流れ方向）の寸法を蒸発部側ヒートパイプ部分２３ｃの上端において略２倍の幅方向寸法Ｗ２まで拡げるように、純水の送出方向（図１０では上方）に行くに従い奥行き方向に漸増させることによって、貯留部側ヒートパイプ部分２３ａの流路断面積よりも拡張されているので、蒸発部側ヒートパイプ部分２３ｃの流路断面積が排気ガスの流れ方向から見て幅方向に拡張されることがない。これにより、蒸発部側ヒートパイプ部分２３ｃの流路断面積を拡張させたことによる排気ガスの流通抵抗の悪化を招くことがなく、暖機性能の向上に加えて、排気熱回収器２の設置による排気ガスの流れ方向下流側での背圧の上昇を抑制することができる。

なお、本発明は、上記各実施例に限定されるものではなく、その他種々の変形例を包含している。例えば、上記各実施例では、蒸発部側ヒートパイプ部分２３ｂ，２３ｃの流路断面積を純水の送出方向に行くに従い漸増させたが、蒸発部側ヒートパイプ部分の流路断面積を純水の送出方向に行くに従い局部的に漸増させ、それ以降は直線状または緩やかな漸増となるようにしてもよい。

また、上記実施形態では、排気熱回収器２において排気ガスとの熱交換を行う熱交換対象としてエンジン冷却水を適用したが、エンジンオイルやトランスミッションオイルなどが熱交換対象であってもよいのはいうまでもない。

更に、上記各実施例では、作動流体として純水を適用したが、水の他にアルコール、フロロカーボンなどの作動流体が適用されていてもよい。

本発明の実施例１に係る排気熱回収器を自動車の排気管に適用した状態を示す斜視図である。 同じく排気熱回収器を自動車の排気管に適用した状態で上方から見た平面図である。 同じく図６のＤ−Ｄ線において切断した排気熱回収器の断面図である。 同じく図２のＥ−Ｅ線において切断した排気熱回収器の断面図である。 同じく図３のＦ−Ｆ線において切断した排気熱回収器の断面図である。 同じく図３のＧ−Ｇ線において切断した排気熱回収器の断面図である。 同じく排気熱回収器を正面側から見たヒートパイプの説明図である。 本発明の実施例２に係る図２相当図である。 同じく図３相当図である。 同じく図４相当図である。

符号の説明

１ 排気管
２１ 貯留部
２２ 蒸発部
２３ ヒートパイプ
２３ａ 貯留部側ヒートパイプ部分
２３ｂ 蒸発部側ヒートパイプ部分
２３ｃ 蒸発部側ヒートパイプ部分
２４ 凝縮部
Ｘ 貯留面

Claims (3)

1. 排気管の内部には、エンジンの始動時にそのエンジンから排出された排気ガスの熱により加熱される作動流体を貯留する貯留部と、この貯留部において加熱されて蒸発する作動流体を凝縮部に送出する蒸発部とを有するヒートパイプが設けられ、
   上記ヒートパイプは、エンジンの始動時にそのヒートパイプ内に貯留される作動流体の貯留面を境にして上記貯留部側に位置する貯留部側ヒートパイプ部分と上記蒸発部側に位置する蒸発部側ヒートパイプ部分とに区分されており、
   上記蒸発部側ヒートパイプ部分の流路断面積は、上記貯留部側ヒートパイプ部分の流路断面積よりも拡張されていることを特徴とする排気熱回収器。
2. 請求項１に記載の排気熱回収器において、
   上記蒸発部側ヒートパイプ部分の流路断面積は、排気ガスの流れ方向から見て奥行き方向に拡張されていることを特徴とする排気熱回収器。
3. 請求項１または請求項２に記載の排気熱回収器において、
   上記蒸発部側ヒートパイプ部分の流路断面積は、上記作動流体の貯留面より送出方向に行くに従い漸増していることを特徴とする排気熱回収器。

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