JP2009299478A - 排熱回収器 - Google Patents

Abstract

【課題】作動流体の内圧上昇による排熱回収器の破裂を防止し、被加熱流体が外部に漏れ出すことを回避する。
【解決手段】凝縮部２における下流側に、凝縮した作動流体が蒸発部１に還流する流路を開閉する還流制御弁６を設け、還流制御弁６を、作動流体の内圧が予め定めた第１所定圧力Ｐ１を超えると閉弁するように構成し、閉ループ状流路内に、作動流体の内圧が予め定めた第３所定圧力Ｐ３を超えたときに作動流体を大気中に放出する安全弁８を設け、第３所定圧力Ｐ３を、第１所定圧力Ｐ１より高く設定する。
【選択図】図１

Description

本発明は、自動車等の車両に用いられる排熱回収器に関する。

近年、ヒートパイプの原理を利用して車両のエンジンの排気系から排気ガスの排熱を回収して、この排気熱を暖機促進等に利用する排熱回収器が知られている。このような排熱回収器は、エンジンの排気管内にヒートパイプの蒸発部を配設するとともに、エンジンの冷却水経路内にヒートパイプの凝縮部を配設し、排気ガスの排気熱によって冷却水を加熱している（例えば、特許文献１参照）。

ところで、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ある。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、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備えるものである。

また、凝縮部で凝縮した作動流体を蒸発部に還流する還流経路に還流制御弁を配設し、排熱の回収と遮断の切り替えを行うようにした排熱回収器が提案されている（例えば、特許文献２、３参照）。
特開昭６２−２６８７２２号公報 特開平７−１２０１７９号公報 米国特許第４９７４６６７号明細書

上記特許文献２、３に記載の排熱回収器では、還流制御弁の開閉を冷却水の温度に基づいて行っているため、蒸発部での吸熱量が急増したが冷却水温度がそれに伴って上昇しない場合には、還流制御弁が開弁したままになり、作動流体の内圧が異常に上昇してしまう。その結果、最悪の場合、排熱回収器が破裂して冷却水漏れを引き起こしてしまうという問題がある。

本発明は、上記点に鑑み、作動流体の内圧上昇による排熱回収器の破裂を防止し、被加熱流体が外部に漏れ出すことを回避することを目的とする。

上記目的を達成するため、請求項１に記載の発明では、凝縮部（２）における下流側には、凝縮した作動流体が蒸発部（１）に還流する流路を開閉する第１弁機構（６）が設けられており、第１弁機構（６）は、作動流体の内圧が予め定めた所定閉弁圧力（Ｐ１）を超えると閉弁するように構成されており、閉ループ状流路内には、作動流体の内圧が予め定めた所定開放圧力（Ｐ３）を超えたときに、作動流体を閉ループ状流路の外に放出する第２弁機構（８）が設けられており、所定開放圧力（Ｐ３）は、所定閉弁圧力（Ｐ１）より高く設定されていることを特徴としている。

これによれば、第１弁機構（６）の故障等により、作動流体の内圧が所定閉弁圧力（Ｐ１）を超えても第１弁機構（６）が閉弁せず、排熱の回収が続けられている場合であっても、作動流体の内圧が所定閉弁圧力（Ｐ１）より高い所定開放圧力（Ｐ３）を超えたときには、第２弁機構（８）が開弁して作動流体を閉ループ状流路の外に放出させることができるので、排熱回収器が破裂することを防止できる。このため、被加熱流体が外部に漏れ出すことを回避できる。

また、請求項２に記載の発明では、所定開放圧力（Ｐ３）は、１０気圧より低く設定されていることを特徴としている。

常用の温度で圧力が１０気圧以上となる気体は、高圧ガス保安法における「高圧ガス」に該当し、使用者の届け出が必要になる等の様々な条件が課される。したがって、第２弁機構（８）の所定開放圧力（Ｐ３）を１０気圧より低い範囲に設定することで、高圧ガス保安法による規制が適用されないようにすることができる。

また、請求項３に記載の発明では、第２弁機構（８）は、被加熱流体通路（２０）と熱的に一体に構成されていることを特徴としている。これによれば、第２弁機構（８）の温度を安定させることができるので、第２弁機構（８）の実際の開弁圧が外気温環境の影響を受け難くなる。したがって、第２弁機構（８）の実際の開弁圧が予め定めた所定開放圧力（Ｐ３）から乖離することを抑制できる。

また、請求項４に記載の発明のように、第２弁機構（８）は、閉ループ状流路を開閉する仕切部材（８３）と、開かれた仕切部材（８３）を通して送り出されてきた閉ループ状流路内の作動流体を閉ループ状流路の外に放出する放出孔（８４）とを備えていてもよい。

また、請求項５に記載の発明では、仕切部材は破裂板（８３）であり、閉ループ状流路内の作動流体の内圧が所定開放圧力（Ｐ３）を超えたときに破裂板（８３）が破裂することにより閉ループ状流路内の作動流体が閉ループ状流路の外に放出されることを特徴としている。これによれば、簡易な構成で、排熱回収器が破裂することを防止し、被加熱流体が外部に漏れ出すことを回避できる。

また、請求項６に記載の発明のように、仕切部材（８３）は、スプリング（８６）により閉ループ状流路を閉じる方向に付勢されており、閉ループ状流路内の作動流体の内圧が所定開放圧力（Ｐ３）を超えたときにスプリング（８６）が収縮することにより閉ループ状流路内の作動流体が閉ループ状流路の外に放出されるようにしてもよい。

また、請求項７に記載の発明のように、仕切部材（８３）は、予め定めた所定温度（Ｔ）に融点を有する金属からなり、閉ループ状流路内の作動流体の温度が所定温度（Ｔ）を超えたときに仕切部材（８３）が融解することにより閉ループ状流路内の作動流体が閉ループ状流路の外に放出されるようになっており、所定温度（Ｔ）は、所定開放圧力（Ｐ３）と作動流体の蒸気圧曲線とに基づいて、飽和蒸気圧が所定開放圧力（Ｐ３）であるときの作動流体の温度と同一に設定されていてもよい。

なお、この欄および特許請求の範囲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。

以下、本発明の実施形態について図に基づいて説明する。なお、以下の各実施形態相互において、互いに同一もしくは均等である部分には、図中、同一符号を付してある。

（第１実施形態）
本発明の第１実施形態について図１および図２に基づいて説明する。本実施形態の排熱回収器は、車両のエンジン（内燃機関）の排気系から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ものである。

図１は、本第１実施形態に係る排熱回収器を示す概略断面図である。図１に示すように、本実施形態の排熱回収器は、蒸発部１と凝縮部２とを備えている。蒸発部１は、エンジンの排気ガスが流通する排気通路１０内に設けられている。また、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。なお、排気ガスが本発明の加熱流体に相当し、排気通路１０が加熱流体通路に相当している。

凝縮部２は、排気通路の外部に設けられており、図示しないエンジンの冷却水経路内に配置される筐体２０内に設けられている。また、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。筐体２０には、エンジンの冷却水出口側に接続される冷却水流入口２０１と、エンジンの冷却水入口側に接続される冷却水流出口２０２とが設けられている。なお、冷却水が本発明の被加熱流体に相当し、筐体２０が被加熱流体通路に相当している。

次に、蒸発部１の構成について説明する。

蒸発部１は、複数本の蒸発側ヒートパイプ３ａと、蒸発側ヒートパイプ３ａの外表面に接合されたコルゲートフィン４ａとを有している。蒸発側ヒートパイプ３ａは、排気ガス流れ方向（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複数本平行に配置されている。

蒸発部１において、蒸発側ヒートパイプ３ａの長手方向の両端部には、蒸発側ヒートパイプ３ａの積層方向に延びて、全ての蒸発側ヒートパイプ３ａと連通する蒸発側ヘッダ５ａがそれぞれ設けられている。ここで、蒸発側ヘッダ５ａのうち、蒸発側ヒートパイプ３ａの上端側に配置される蒸発側ヘッダ５ａを第１蒸発側ヘッダ５１ａといい、蒸発側ヒートパイプ３ａの下端側に配置される蒸発側ヘッダ５ａを第２蒸発側ヘッダ５２ａという。

次に、凝縮部２の構成について説明する。

凝縮部２は、凝縮側ヒートパイプ３ｂを有している。凝縮部２において、凝縮側ヒートパイプ３ｂの長手方向両端部には、凝縮側ヒートパイプ３ｂと連通する凝縮側ヘッダ５ｂがそれぞれ設けられている。ここで、凝縮側ヘッダ５ｂのうち、凝縮側ヒートパイプ３ｂの上端側に配置される凝縮側ヘッダ５ｂを第１凝縮側ヘッダ５１ｂといい、凝縮側ヒートパイプ３ｂの下端側に配置される凝縮側ヘッダ５ｂを第２凝縮側ヘッダ５２ｂという。

また、第２凝縮側ヘッダ５２ｂ内には、還流制御弁６が配設されている。還流制御弁６は、凝縮側ヒートパイプ３ｂと第２蒸発側ヘッダ５２ａとを接続する流路を形成するとともに、蒸発側ヒートパイプ３ａの内圧、すなわち作動流体の圧力に応じて流路を開閉するダイアフラム式の開閉手段となっている。具体的には、還流制御弁６は、通常の開弁状態から、所定の作動流体温度において内圧が上昇して第１所定圧力Ｐ１を超えると閉弁し、逆に内圧が低下して、第１所定圧力Ｐ１より低い第２所定圧力Ｐ２を下回ると、再び開弁するように構成されている。なお、還流制御弁６が本発明の第１弁機構に相当し、第１所定圧力Ｐ１が所定閉弁圧力に相当している。

また、蒸発側ヘッダ５ａと凝縮側ヘッダ５ｂは、筒状の連結部７を介して連通状態に接続されている。そして、蒸発側、凝縮側ヒートパイプ３ａ、３ｂ、蒸発側、凝縮側ヘッダ５ａ、５ｂおよび連結部７によって閉ループ状流路が形成されている。閉ループ状流路には図示しない封入部が設けられており、この封入部から閉ループ状流路内が真空引きされ、作動流体が封入された後に封入部は封止されている。作動流体は、ここでは水を使用している。なお、作動流体としては、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よい。

ここで、２つの連結部７のうち、上方側に配置され、第１蒸発側ヘッダ５１ａと第１凝縮側ヘッダ５１ｂとを接続し、蒸発部１で蒸発した作動流体を凝縮部２に導くものを蒸発側連結部７１という。また、２つの連結部７のうち、下方側に配置され、第２蒸発側ヘッダ５２ａと第２凝縮側ヘッダ５２ｂとを接続し、凝縮部２で凝縮された作動流体を蒸発部１に導くものを凝縮側連結部７２という。第２凝縮側ヘッダ５２ｂは、排熱回収器が水平状態の車両に搭載された際に、第２蒸発側ヘッダ５２ａより上方側になるように配置されている。

また、閉ループ状流路内には、安全弁８が組み付けられている。本実施形態では、安全弁８は、筐体２０における排気通路１０と対向していない側面２００の上方部、すなわち第１凝縮側ヘッダ５１ｂの近傍に配置されている。なお、安全弁８が本発明の第２弁機構に相当している。

図２は、本実施形態における安全弁８近傍を示す拡大断面図である。図２に示すように、安全弁８は、一端が第１凝縮側ヘッダ５１ｂにおける蒸発部１と反対側の端部に接続されて、第１凝縮側ヘッダ５１ｂと連通する作動流体通路８１を有する本体部８２と、作動流体通路８１の他端を閉塞するとともに、作動流体通路８１内の作動流体の圧力が予め定めた第３所定圧力Ｐ３を超えたときに破裂する破裂板８３と、破裂板８３が破裂した場合にその部分を通して作動流体通路８１から送り出されてきた閉ループ状流路内の作動流体を閉ループ状流路の外である大気中に放出する放出孔８４を有する蓋部８５とを備えている。なお、破裂板８３が本発明の仕切部材に相当し、第３所定圧力Ｐ３が所定開放圧力に相当している。

本体部８２は、筐体２０と熱的に一体として構成されている。すなわち、本体部８２は、冷却水から伝熱されるようになっている。破裂板８３は、その外周部が本体部８２と蓋部８５との間に挟まれた状態で固定されている。また、第３所定圧力Ｐ３は、第１所定圧力Ｐ１より高く、排熱回収器の安全性を考慮した上限圧力より低い範囲内に設定されている。上限圧力は、排熱回収器の部品強度、構成、設置位置などに応じて定められうる。また、排熱回収器は圧力容器であるから、圧力容器を対象とする法規制により上限圧力は定められる場合もある。上限圧力は、例えば１０気圧に設定することができる。

また、作動流体の圧力が１０気圧前後になると、作動流体の温度が僅かに変化しただけで圧力が大きく変動してしまうので、本実施形態では、第１所定圧力Ｐ１を第３所定圧力Ｐ３の８０％以下に設定している。

次に、本第１実施形態の排熱回収器の作動について述べる。

通常時、すなわち作動流体の内圧が第１所定圧力Ｐ１より低い場合、還流制御弁６は開弁しており、安全弁８は閉弁している。このため、蒸発部１において、排気ガスの熱を受けて蒸発した作動流体が蒸発側連結部７１を介して凝縮部２に流入し、凝縮部２において、作動流体は冷却水との間で熱交換されて凝縮し、凝縮側連結部７２を介して蒸発部１に還流する。これにより、排気ガスから作動流体を介して冷却水へ排熱回収を行っている。

そして、エンジンの高負荷時等、作動流体の内圧が第１所定圧力Ｐ１を超えた場合、還流制御弁６が閉弁する。このため、凝縮部２において凝縮した作動流体が蒸発部１に還流されないので、排気ガスの排熱の回収を停止することができる。また、排熱の回収を停止すると作動流体の内圧は低下していく。このため、作動流体の内圧が第２所定圧力Ｐ２を下回った場合、還流制御弁６が開弁して、排気ガスの排熱の回収を再開させる。一方、還流制御弁６を閉弁しても作動流体の内圧がさらに上昇し、第３所定圧力Ｐ３を超えた場合には、安全弁８が開弁して、作動流体を大気中に放出する。

以上説明したように、作動流体の内圧が第１所定圧力Ｐ１より高い第３所定圧力Ｐ３を超えたときに作動流体を大気中に放出する安全弁８を設けることで、還流制御弁６の故障等により、作動流体の内圧が第１所定圧力Ｐ１を超えても還流制御弁６が閉弁せず、排熱の回収が続けられている場合であっても、作動流体の内圧が第３所定圧力Ｐ３を超えたときに、安全弁８が開弁して作動流体を大気中に放出させることができる。このため、排熱回収器が破裂することを防止し、冷却水が外部に漏れ出すことを回避できる。

ところで、常用の温度で圧力が１０気圧以上となる気体は、圧力容器を対象とする法規制である高圧ガス保安法における「高圧ガス」に該当し、使用者の届け出が必要になる等の様々な条件が課される。したがって、安全弁８の開放圧である第３所定圧力Ｐ３を１０気圧より低い範囲に設定することで、高圧ガス保安法による規制が適用されないようにすることができる。

ところで、排熱回収器を自動車に搭載して屋外環境下で使用する場合、特に寒冷地では安全弁８は走行風によって冷却されるので、安全弁８の実際の開放圧が設定した開放圧、すなわち第３所定圧力Ｐ３より高くなってしまう。

これに対し、本実施形態のように、安全弁８の本体部８２を筐体２０と熱的に一体として構成することで、安全弁８は冷却水からの伝熱を受けるため、安全弁８の温度を外気温より高温に安定させることができる。このため、安全弁８の実際の開弁圧が外気温環境の影響を受け難くなるので、安全弁８の実際の開弁圧が予め定めた第３所定圧力Ｐ３から乖離することを抑制できる。

（第２実施形態）
次に、本発明の第２実施形態について図３に基づいて説明する。図３は、本第２実施形態における安全弁８近傍を示す拡大断面図である。

図３に示すように、筐体２０内には、第１凝縮側ヘッダ５１ｂ（図１参照）と連通し、第１凝縮側ヘッダ５１ｂ内の作動流体を安全弁８側に導く作動流体通路８１が設けられている。安全弁８は、貫通孔８２ａを有する本体部８２を備えている。そして、作動流体通路８１と本体部８２とが、貫通孔８２ａを介して連通するようになっている。また、本体部８２は、筐体２０と熱的に一体に構成されている。

また、安全弁８には、貫通孔８２ａ、すなわち作動流体通路８１を作動流体放出方向について開閉する仕切部材８３と、仕切部材８３が開かれた場合にその部分を通して作動流体通路８１から送り出されてきた閉ループ状流路内の作動流体を大気中に放出する放出孔８４を有する蓋部８５とを備えている。仕切部材８３は、コイルスプリング８６により、貫通孔８２ａを閉塞する方向に付勢されており、冷媒通路８１内の圧力が第３所定圧力Ｐ３以上となったときに、コイルスプリング８６を縮める方向に押して仕切部材８３を開くことができるようになっている。

これにより、作動流体の内圧が第１所定圧力Ｐ１を超えても還流制御弁６が閉弁せず、排熱の回収が続けられている場合であっても、作動流体の内圧が第３所定圧力Ｐ３を超えたときには、安全弁８が開弁して作動流体を大気中に放出させることができる。このため、排熱回収器が破裂することを防止し、冷却水が外部に漏れ出すことを回避できる。

（第３実施形態）
次に、本発明の第３実施形態について図４に基づいて説明する。図４は、本第３実施形態における安全弁８近傍を示す拡大断面図である。

図３に示すように、貫通孔８２ａ、すなわち作動流体通路８１は、安全弁８の本体部８２内に形成された低融点金属からなる栓部８３により閉塞されている。具体的には、栓部８３は、予め定めた所定温度Ｔに融点を有する金属から構成されている。そして、閉ループ状流路内の作動流体の温度が所定温度Ｔを超えたときに栓部８３が融解することにより閉ループ状流路内の作動流体が大気中に放出されるようになっている。なお、栓部８３が本発明の仕切部材に相当している。

ここで、閉ループ状流路内は真空引きされているため、作動流体の蒸気圧曲線により、飽和蒸気圧と温度とが１：１の関係となる。したがって、所定温度Ｔは、作動流体の蒸気圧曲線に基づいて、飽和蒸気圧が上記第１実施形態の安全弁８の開弁圧である第３所定圧力Ｐ３のときの作動流体の温度と一致するように設定されている。

これによれば、作動流体の内圧が第１所定圧力Ｐ１を超えても還流制御弁６が閉弁せず、排熱の回収が続けられている場合であっても、作動流体の温度が所定温度を超えたときには、栓部８３が融解して作動流体を大気中に放出させることができる。このため、排熱回収器が破裂することを防止し、冷却水が外部に漏れ出すことを回避できる。

（他の実施形態）
なお、上記第１〜第３実施形態では、安全弁８を筐体２に組み付けた例について説明したが、これに限らず、例えば、蒸発側連結部７１や凝縮側連結部７２に組み付けてもよい。

また、上記第１〜第３実施形態では、被加熱流体としてエンジン冷却水を用いた例について説明したが、これに限らず、エンジンオイルやＡＴＦ（オートマチックトランスミッションフルード）を用いてもよい。

第１実施形態に係る排熱回収器を示す概略断面図である。 第１実施形態における安全弁８近傍を示す拡大断面図である。 第２実施形態における安全弁８近傍を示す拡大断面図である。 第３実施形態における安全弁８近傍を示す拡大断面図である。

符号の説明

１ 蒸発部
２ 凝縮部
６ 還流制御弁（第１弁機構）
８ 安全弁（第２弁機構）
１０ 排気通路（加熱流体通路）
２０ 筐体（被加熱流体通路）
８３ 破裂板（仕切部材）
８４ 放出孔
８６ スプリング

Claims (7)

1. 加熱流体が流通する加熱流体通路（１０）内に配置され、前記加熱流体と内部に封入された蒸発および凝縮可能な作動流体との間で熱交換を行い、前記作動流体を蒸発させる蒸発部（１）と、
   被加熱流体が流通する被加熱流体通路（２０）内に配置され、前記蒸発部（１）で蒸発した前記作動流体と被加熱流体との間で熱交換を行い、前記作動流体を凝縮させる凝縮部（２）とを備え、
   前記蒸発部（１）および前記凝縮部（２）が、前記作動流体が循環する閉ループ状流路内に配置されている排熱回収器であって、
   前記凝縮部（２）における下流側には、凝縮した前記作動流体が前記蒸発部（１）に還流する流路を開閉する第１弁機構（６）が設けられており、
   前記第１弁機構（６）は、前記作動流体の内圧が予め定めた所定閉弁圧力（Ｐ１）を超えると閉弁するように構成されており、
   前記閉ループ状流路内には、前記作動流体の内圧が予め定めた所定開放圧力（Ｐ３）を超えたときに、前記作動流体を前記閉ループ状流路の外に放出する第２弁機構（８）が設けられており、
   前記所定開放圧力（Ｐ３）は、前記所定閉弁圧力（Ｐ１）より高く設定されていることを特徴とする排熱回収器。
2. 前記所定開放圧力（Ｐ３）は、１０気圧より低く設定されていることを特徴とする請求項１に記載の排熱回収器。
3. 前記第２弁機構（８）は、前記被加熱流体通路（２０）と熱的に一体に構成されていることを特徴とする請求項１または２に記載の排熱回収器。
4. 前記第２弁機構（８）は、前記閉ループ状流路を開閉する仕切部材（８３）と、開かれた前記仕切部材（８３）を通して送り出されてきた前記閉ループ状流路内の前記作動流体を前記閉ループ状流路の外に放出する放出孔（８４）とを備えていることを特徴とする請求項１ないし３のいずれか１つに記載の排熱回収器。
5. 前記仕切部材は破裂板（８３）であり、前記閉ループ状流路内の前記作動流体の内圧が前記所定開放圧力（Ｐ３）を超えたときに前記破裂板（８３）が破裂することにより前記閉ループ状流路内の前記作動流体が前記閉ループ状流路の外に放出されることを特徴とする請求項４に記載の排熱回収器。
6. 前記仕切部材（８３）は、スプリング（８６）により前記閉ループ状流路を閉じる方向に付勢されており、前記閉ループ状流路内の前記作動流体の内圧が前記所定開放圧力（Ｐ３）を超えたときに前記スプリング（８６）が収縮することにより前記閉ループ状流路内の前記作動流体が前記閉ループ状流路の外に放出されることを特徴とする請求項４に記載の排熱回収器。
7. 前記仕切部材（８３）は、予め定めた所定温度（Ｔ）に融点を有する金属からなり、前記閉ループ状流路内の前記作動流体の温度が前記所定温度（Ｔ）を超えたときに前記仕切部材（８３）が融解することにより前記閉ループ状流路内の前記作動流体が前記閉ループ状流路の外に放出されるようになっており、
   前記所定温度（Ｔ）は、前記所定開放圧力（Ｐ３）と前記作動流体の蒸気圧曲線とに基づいて、飽和蒸気圧が前記所定開放圧力（Ｐ３）であるときの前記作動流体の温度と同一に設定されていることを特徴とする請求項４に記載の排熱回収器。

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