JP2010249424A - 排気熱回収装置 - Google Patents

Abstract

【課題】排気の熱を回収して適宜の加熱対象５６を昇温可能にするためのループ式ヒートパイプ構造の排気熱回収装置１において、流体封入量を可及的に少なくしながらも、排気の熱を効率良く回収可能にする。
【解決手段】排気熱回収装置１は、受熱部２と放熱部３と移送路４と還流路５とにより作られる閉ループ内で流体を相転移させながら循環させることによって、排気の熱の回収と放熱とを繰り返し行う。この熱の回収形態を次のようにする。放熱部３で凝縮された液相状の流体を還流路５から流入部８に戻し、この流入部８から液相状の流体を流体通路２３にその上から流し入れ、その過程で排気通路２２を流れる排気との間で熱交換させることで蒸発させ、この蒸発した流体が、その上昇流によって流体通路２３を上昇して送出部７に入り、移送路４を経て放熱部３へと送り出される。
【選択図】図２

Description

本発明は、排気の熱を回収して所定部位を昇温可能とするための排気熱回収装置に関する。排気熱回収装置は、例えば自動車等の車両に用いられる。

従来において、ヒートパイプの原理を利用して車両の内燃機関から排出された排気の熱を回収して、この熱を暖機促進等に利用する装置が提案されている（例えば、特許文献１〜４参照）。

この従来装置は、要するに、内燃機関の排気の熱を受けて閉ループの循環経路内に封入される冷媒を蒸発させ、この蒸発した冷媒で適宜の加熱対象（例えば車両室内の座席、変速機の作動油、内燃機関の冷却水など）を加熱するように構成されている。

特許文献１に係る従来例は、エキゾーストパイプ４にループ型ヒートパイプ１４の蒸発部１を横切るように配置し、座席７にループ型ヒートパイプ１４の凝縮部６を設置し、凝縮部６と蒸発部１との間に、凝縮部６で凝縮された作動流体を溜めるリザーバー１５を配置した構成である。リザーバー１５は、この従来例の図１および図２に示されているように、蒸発部１の上側通路と同じ高さに設置されているが、このリザーバー１５内の作動流体は、一旦下向きに流出させた後、蒸発部１の下側通路に横方向から供給するようになっている。

特許文献２に係る従来例は、排気管５の中心部に排気管５と平行に蒸発部１１であるパイプを挿入し、この蒸発部１１で発生した蒸気をオートマチックトランスミッション２に設置した凝縮部１２に送ってＡＴＦを加熱し、凝縮部１２で凝縮された凝縮液を蒸発部１に戻すようになっている。この従来例の図２に示されているように、凝縮液が蒸発部１の上から送られてくるようになっているが、凝縮液は蒸発部１であるパイプに横向きに流し入れるようになっている。

特許文献３に係る従来例は、蒸発器１４と凝縮器１５とが横並びに設置された構成のループ式ヒートパイプにおいて、凝縮器１５で凝縮された液冷媒を蒸発器１４の下タンク１８に戻すようになっている。この従来例の図１に示されているように、下タンク１８の上に蒸発器１４の複数のチューブ１７ａを上下に沿うように設置し、各チューブ１７ａの間の空間に熱交換用のフィン１７ｂを設けている。そして、凝縮部１５で凝縮された液冷媒が下向きに落とされて下側のタンク１８に送られてから、この液冷媒の位置エネルギーによって下側のタンク１８からチューブ１７ａへ送り込むようになっている。

特許文献４に係る従来例は、特許文献３に係る従来例と類似した構成であり、凝縮部１３０で凝縮された作動媒体が下向きに落とされて下側のタンク１１４に送られてから、この作動媒体の位置エネルギーによって下側のタンク１１４からチューブ１１１，１１２へ送り込むようになっている。さらに、蒸発部１１０と凝縮部１３０との間に断熱部１２１を設けている。この断熱部１２１は、この従来例の段落００５３に示されているように、凝縮部１３０の冷却水によって蒸発部１１０が冷却されることを防止するために設けられている。

特開平７−２１８１６０号公報 特開２０００−１３０９６８号公報 特開２００８−２７９３号公報 特開２００８−２７５２９２号公報

上記特許文献１に係る従来例では、リザーバー１５内から下向きに排出される作動流体が、略９０度、方向転換されて蒸発部１における水平姿勢の下側通路に横向きに供給されるようになっていて、この下側通路内のみで作動流体が排気ガスと熱交換されるようになっているために、熱交換効率が悪いことが指摘される。

上記特許文献２に係る従来例では、凝縮部１２で凝縮された凝縮液が下向きに送出されて蒸発部１である水平姿勢のパイプに横向きに流れるようになっており、また、蒸発部１であるパイプが排気管５の中心に平行に配置されているために、パイプ内の凝縮液と排気ガスとの熱交換効率が悪いと言える。

上記特許文献３，４に係る従来例では、凝縮部１５，１３０で凝縮された液冷媒や作動媒体が下向きに落とされて下側のタンク１８，１１４に送られてから、この液冷媒や作動媒体の位置エネルギーによって下側のタンク１８，１１４からチューブ１７ａ，１１１，１１２へ送り込むようになっている。そのために、チューブ１７ａ，１１１，１１２内にできるだけ多くの液冷媒や作動媒体を入れて排気ガスとの熱交換面積を大きくするには、液冷媒や作動媒体の封入量を可及的に多くする必要があると言える。

このような事情に鑑み、本発明は、排気の熱を回収して所定部位を昇温可能にするためのループ式ヒートパイプ構造の排気熱回収装置において、流体封入量を可及的に少なくしながらも、排気の熱を効率良く回収可能にすることを目的としている。

本発明に係る排気熱回収装置は、内部に封入される流体を排気の熱で蒸発させるための受熱部と、この受熱部で蒸発された気相状の流体を受け入れて当該流体の熱と加熱対象とを熱交換させるための放熱部と、前記受熱部から気相状の流体を前記放熱部へ移送するための移送路と、前記放熱部での熱交換に伴い凝縮される液相状の流体を前記受熱部へ戻すための還流路とを含むループ式ヒートパイプ構造とされ、前記受熱部は、排気が流入通過されかつ排気の熱を受け取る受熱体が設けられる排気通路と、上下方向に沿って流体を流すための流体通路とを、前記排気流れ方向と直交する方向に交互に隣り合わせに多数設けた構成とされ、前記多数の流体通路の上部には、前記還流路から戻される液相状の流体を流入させるための流入部と、前記流体通路内において排気との熱交換で蒸発される気相状の流体を前記移送路へ送り出すための送出部とが設けられている、ことを特徴としている。

このようなループ式ヒートパイプ構造の排気熱回収装置では、受熱部と放熱部と移送路と還流路とにより作られる閉ループ内で流体が相転移しながら循環されることによって、排気の熱の回収と放熱とが繰り返されるものである。

本発明の構成では、還流路から戻される液相状の流体が流入部を経て流体通路の上から下へと流し入れられるので、従来例のように流体通路の下から凝縮流体を流入させる場合に比べて、流体の流入抵抗が大幅に軽減されるとともに、受熱部と放熱部との設置位置の高低差を小さくすることが可能になり、設置自由度を向上するうえで有利となる。

また、前記液相状の流体が流体通路を下降する過程や下側に溜まった状態で、排気通路を流れる排気との間で熱交換されるようになるから、従来例に比べて、受熱距離が長くなる等、熱回収効率が向上するようになる。

さらに、流体通路内において熱交換により蒸発した流体は、その上昇流と共に流体通路を上向きに流れるようになるので、送出部および移送路を経て放熱部へと速やかに送られるようになる。

このように、受熱部において熱回収を効率良く行うことが可能になるとともに、受熱部への流体の流入動作と受熱部からの流体の送出動作とを円滑に行うことが可能になるから、閉ループ内に対する流体封入量を可及的に少なくすることが可能になる。したがって、本発明の構成によれば、流体封入量を可及的に少なくしながらも、排気の熱を効率良く回収することが可能になる。

好ましくは、前記多数の流体通路は、それぞれ、排気流れ方向の上流側と下流側とに区画されるとともに、この区画された上流側領域と下流側領域とが下部で連通され、前記下流側領域の上部に前記流入部が、また、前記上流側領域の上部に前記送出部がそれぞれ設けられる。

この構成では、多数の流体通路において、下流側領域の上から凝縮流体が流し入れられて、連通部分を経て上流側領域に送られるようになる。

その移動の過程で、液相状の流体が排気通路を流れる排気との間で熱交換されるようになって、蒸発されることになる。この気相状の流体は、上流側領域を上昇して送出部および移送路を経て放熱部へと速やかに送られるようになる。

このような熱の回収形態では、受熱部の流体通路の上流側領域が下流側領域よりも高温となるために、流体通路の下流側領域を下降する液相状の流体が比較的低温の排気で加熱されることになって、流体通路の上流側領域を上昇する気相状の流体が比較的高温の排気で加熱されることになる。

これにより、流体通路の上流側領域を上昇する気相状の流体がその過程で凝縮することが回避される他、流体通路の下流側領域を下降する液相状の流体が蒸発して、この蒸発した流体が上昇して流入部に逆流して放熱部へ送られるという逆流現象が回避されるようになる。そのため、閉ループ内での熱の循環が円滑になるので、排気の熱を効率良く回収して効率良く利用することが可能になる。

好ましくは、前記流入部には、前記下流側領域に液相状の流体を分散流入させるためのタンクが設けられ、前記送出部には、前記上流側領域を上昇する気相状の流体を集めて移送路へ送り出すためのタンクが設けられる。

この構成では、前記下流側領域の略全域に流入された液相状の流体が排気熱により加熱されることになり、また、前記上流側領域の略全域で蒸発された気相状の流体を効率良く集めて放熱部へ送ることが可能になる。これにより、閉ループ内での熱の循環がより円滑になる。

好ましくは、前記多数の流体通路は、それぞれ、排気流れ方向で上流側と下流側とに区画されるとともに、この区画された上流側領域と下流側領域とが下部で連通され、前記上流側領域の上部に前記流入部が、また、前記下流側領域の上部に前記送出部がそれぞれ設けられる。

この構成では、多数の流体通路において、上流側領域の上から凝縮流体が流し入れられて、連通部分を経て下流側領域に送られるようになる。その移動の過程で、液相状の流体が排気通路を流れる排気との間で熱交換されるようになって、蒸発されることになる。この気相状の流体は、下流側領域を上昇して送出部および移送路を経て放熱部へと速やかに送られるようになる。

このような状況において、受熱部の排気通路を通過する排気は、流体通路の上流側領域が下流側領域よりも高温となる。そのため、流体通路の上流側領域を下降する液相状の流体が比較的高温の排気で加熱されることになって、流体通路の下流側領域を上昇する気相状の流体が比較的低温の排気で加熱されることになる。

これにより、上流側領域を下降する液相状の流体がその過程で早期に蒸発されやすくなり、また、下流側領域を上昇する気相状の流体が過剰に加熱されなくなる。そのため、流体通路において排気流れ方向での温度の高低差が小さくなるので、流体通路を構成する部材に対する局部的な熱的応力の集中を軽減できるようになる等、受熱部の耐久性を向上するうえで有利となる。

好ましくは、前記流入部には、前記上流側領域に液相状の流体を分散流入させるためのタンクが設けられ、前記送出部には、前記下流側領域を上昇する気相状の流体を集めて移送路へ送り出すためのタンクが設けられる。

この構成では、前記上流側領域の略全域に流入された液相状の流体が排気熱により加熱されることになり、また、前記下流側領域の略全域で蒸発された気相状の流体を効率良く集めて放熱部へ送ることが可能になる。これにより、閉ループ内での熱の循環がより円滑になる。

好ましくは、前記多数の流体通路および排気通路は、それぞれ、排気流れ方向と直交する方向で３つのグループに分けられるとともに、この各グループに属するすべての流体通路が下部で連通され、前記流入部は、前記両側のグループに属する流体通路の上部にそれぞれ設けられ、前記送出部は、前記中央のグループに属する流体通路の上部に設けられる。

この構成では、多数の流体通路において、両側のグループに属する流体通路の上から凝縮流体が流し入れられて、連通部分を経て中央のグループに属する流体通路に送られるようになる。その移動の過程で、液相状の流体が排気通路を流れる排気との間で熱交換されるようになって、蒸発されることになる。この気相状の流体は、中央のグループに属する流体通路を上昇して送出部および移送路を経て放熱部へと速やかに送られるようになる。

この場合、前記両側のグループに属する流体通路が、中央のグループに属する流体通路と外気との熱伝導を遮断することが可能になる。つまり受熱部内から外への熱放出や、冷たい外気で受熱部が冷却されるといったことを回避することが可能になる。

これにより、受熱部の設置場所の周辺に及ぼす熱害を回避するうえで有利となり、受熱部の設置自由度が向上する。一方、例えば外気温が低い状況においても、前記中央のグループに属する流体通路を上昇する気相状の流体が再度凝縮されてしまうといったことを回避することが可能になる。

また、仮に、両側のグループに属する流体通路を下降する液相状の流体が外気で温度低下したとしても、この液相状の流体が連通部分および中央のグループに属する流体通路において加熱されるようになる。そのため、流体の蒸発作用が著しく低下することがなくなる等、排気の熱を効率良く回収するうえで有利となる。

好ましくは、前記流入部には、前記両側のグループに属する流体通路に液相状の流体を分散流入させるためのタンクが設けられ、前記送出部には、前記中央のグループに属する流体通路を上昇する気相状の流体を集めて移送路へ送り出すためのタンクが設けられる。

この構成では、前記両側のグループに属する略すべての流体通路に流入された液相状の流体が排気熱により加熱されることになり、また、前記中央のグループに属する略すべての流体通路で蒸発された気相状の流体を効率良く集めて放熱部へ送ることが可能になる。これにより、閉ループ内での熱の循環がより円滑になる。

好ましくは、前記流入部と送出部との間には、断熱部が設けられる。

なお、前記断熱部としては、空気層や、断熱材料等とすることが可能である。この構成では、送出部内の気相状流体の熱が流入部内の液相状流体に奪われなくなる。これにより、例えば排気熱回収装置の作動開始後、早期段階において排気熱を回収して有効に利用することが可能になる。

好ましくは、前記断熱部には、前記送出部に取り付けられる取り付け部と、前記流入部に当接可能に離隔して設けられる自由端部とを有する熱伝導部材が設置され、この熱伝導部材は、前記送出部が規定温度未満のときに前記自由端部が前記流入部に離隔する状態となる一方、前記送出部が規定温度以上のときに前記自由端部が前記流入部に当接する状態になる。

この熱伝導部材は、バイメタル、あるいは形状記憶合金等とすることができる。この構成では、前記送出部が規定温度未満のときに熱伝導部材が前記流入部から離隔するので、送出部から流入部へ熱が伝導されなくなる。これにより、一方、前記送出部が規定温度以上のときに熱伝導部材が前記流入部に当接するので、送出部から流入部へ熱が伝導されるようになる。

ところで、例えば排気熱の回収動作を開始した直後等では、送出部内に蒸発した流体が少ないので、送出部の温度も低くなっている。しかし、排気熱の開始動作を開始してからある程度時間が経過すると、送出部内に蒸発した流体が溜まるので、この突出部が高温になっている。

このような状況において、送出部が低温である場合には、この送出部内における気相状の流体の熱が流入部内の液相状の流体に奪われなくなるので、送出部内で気相状の流体が再度凝縮されることがなくなり、可及的に多くの気相状の流体を放熱部へ送ることが可能になる。

一方、送出部が高温である場合には、この送出部内における気相状の流体の熱を流入部内の液相状の流体に伝達することが可能になるので、流入部内の液相状の流体が加熱されることになって、流体通路内に流入してから早期に蒸発されるようになる。つまり、熱の早期回収が可能になる。しかも、送出部の熱を流入部に伝達しても、送出部内には高温の気相状の流体が順次流入されるので、送出部の温度が低下することはない。

本発明に係る排気熱回収装置は、閉ループ内への流体封入量を可及的に少なくしながらも、排気の熱を効率良く回収することが可能になる。

本発明に係る排気熱回収装置の一実施形態で、その全体の外観を示す斜視図である。 図１の排気熱回収装置を排気流れ方向に沿って断面にした図である。 図１および図２の受熱部を分解して示す斜視図である。 図２の（４）−（４）線断面の矢視図である。 図２の（５）−（５）線断面の矢視図である。 本発明に係る排気熱回収装置の他実施形態で、その全体の外観を示す斜視図である。 図６の排気熱回収装置を排気流れ方向に沿って断面にした図である。 本発明に係る排気熱回収装置の他実施形態で、その全体の外観を示す斜視図である。 図１の排気熱回収装置を排気流れ方向に沿って断面にした図である。 図８の受熱部を分解して示す斜視図である。 図９の（１１）−（１１）線断面の矢視図である。 図９の（１２）−（１２）線断面の矢視図である。 本発明に係る排気熱回収装置の他実施形態で、その全体の外観を示す斜視図である。 図１３の排気熱回収装置を排気流れ方向と直交する方向で断面にした図である。 本発明に係る排気熱回収装置の他実施形態を示す平面図であり、熱伝導部材が弾性変形していない自然状態を示している。 図１５において熱伝導部材が弾性変形した状態を示す図である。

以下、本発明を実施するための最良の実施形態について添付図面を参照して詳細に説明する。

図１から図５に本発明の一実施形態を示している。図中、１は排気熱回収装置の全体を示している。排気熱回収装置１は、主として受熱部２、放熱部３、移送路４、還流路５を含んだループ式ヒートパイプ構造になっている。

図示例の排気熱回収装置１は、受熱部２と放熱部３とが接近して配置されてコンパクトにユニット化されているタイプを例に挙げている。

この排気熱回収装置１の内部は、真空状態とされていて、そこに適量の流体が封入されている。流体は、例えば純水等とされる。水の沸点は、１気圧で１００℃であるが、排気熱回収装置１内を減圧（例えば０．０１気圧）しているため、沸点は、例えば５〜１０℃となる。なお、流体は、純水の他に、例えばアルコール、フロロカーボン、フロン等とすることが可能である。また、排気熱回収装置１の主要構成要素は、例えば高耐食性を備えるステンレス材で形成されている。

受熱部２は、内部に封入される液相状の流体を排気の熱で蒸発させるものである。この受熱部２は、単一のコア２１を用いた構成になっている。このコア２１には、多数の排気通路２２と多数の流体通路２３とが交互に隣り合わせに配置された状態で設けられている。この受熱部２の構成については後で詳しく説明する。

放熱部３は、受熱部２で蒸気とされた気相状の流体を受け入れて、この流体の潜熱で加熱対象（例えば内燃機関の冷却水）を加熱するものである。この放熱部３内の気相状の流体は、前記熱交換に伴い凝縮されて液相状となり、受熱部２に戻される。

この放熱部３は、内部が密閉されたケースからなり、その底壁には移送路４の下流端および還流路５の上流端がそれぞれ接続されている。この放熱部３の内部空間には、加熱対象（例えば下記する冷却水通路５６）が挿入される。

移送路４は、受熱部２で蒸発された気相状の流体を放熱部３へ移送するための配管である。この移送路４は、受熱部２で蒸発されて気相状となった流体を放熱部３へ送り出しやすくするために適宜の上り勾配がつけられている。

還流路５は、放熱部３で凝縮した液相状の流体を受熱部２へ戻すための配管である。この還流路５は、放熱部３で凝縮されて液相状となった流体を受熱部２へ戻しやすくするために適宜の下り勾配がつけられている。なお、放熱部３内で凝縮された液相状の流体を還流路５にさらに流入させやすくするために、放熱部３のケースの底壁を傾斜させて、この傾斜した底壁の最下位置に還流路５を接続している。

次に、前記した排気熱回収装置１の使用形態について、図１および図２を参照して説明する。

排気熱回収装置１は、例えば自動車等の車両に搭載される内燃機関から排出される排気の熱を回収して、内燃機関の冷却水（ＬＬＣ：ロングライフクーラントと呼ばれる冷媒）を加熱する形態で使用することができる。

図示しているように、排気熱回収装置１の受熱部２が、自動車等の車両に備える排気管５１の途中に設置され、排気熱回収装置１の放熱部３内に、内燃機関の冷却水を外部に取り出してから戻すための冷却水通路５６が挿入されている。

排気管５１は、排気熱回収装置１を設置することによって、それを境に上流部５２と下流部５３とに分割される。ちなみに、図示していないが、排気管５１の上流部５２側に触媒が設けられ、排気管５１の下流部５３側に消音マフラー等が設けられる。

排気熱回収装置１の受熱部２における各排気通路２２の入口が排気管５１の上流部５２側に配置されて、各排気通路２２の出口が排気管５１の下流部５３に配置される。

受熱部２における排気入口側と排気管５１の上流部５２との連結部分、および排気熱回収装置１の受熱部２における排気出口側と排気管５１の下流部５３との連結部分には、テーパコーン形状の中継パイプ５４，５５が設けられている。

上流側連結部分に設置される中継パイプ５４は、排気流れ方向の上流側から下流側へ向けて内径寸法を漸次大きくする形状であり、それによって排気管５１の上流部５２を流れる排気を排気熱回収装置１の受熱部２の排気入口全域に行き届かせることが可能になっている。

下流側連結部分に設置される中継パイプ５５は、排気流れ方向の上流側から下流側へ向けて内径寸法を漸次小さくする形状であり、それによって排気熱回収装置１の受熱部２の排気出口全域から流出する排気を排気管５１の下流部５３に抵抗少なく集めて流すことが可能になっている。

ここで、前記した受熱部２の構成を詳しく説明する。

受熱部２のコア２１は、図３に示すように、適宜数のチューブ２４・・・を横方向に積層して連結した積層構造体になっている。この連結は、積層部分を溶接またはロウ付け等により接合することにより行われる。

チューブ２４は、この実施形態において四角い筒のような形状とされている。このチューブ２４の内孔が、排気通路２２となる。

チューブ２４の両側壁における左右方向の中間領域には、上下方向に沿う凹み２５，２６が設けられている。各チューブ２４を積層して連結すると、各凹み２５，２６の底側が向き合わされて孔が作られる。つまり、チューブ２４の片側の凹み２５と、このチューブ２４に隣り合うチューブ２４の片側の凹み２６とが合わされて孔が作られるようになり、この孔が流体通路２３となる。

また、各チューブ２４の排気通路２２には、排気の熱を受ける受熱体としてのフィン２７が設けられている。このフィン２７は、例えば一般的に公知のコルゲートタイプのフィンとされている。

このように、排気通路２２と、流体通路２３とは、交互に隣り合わせに多数配置されている。ここでは、排気通路２２は、排気流れ方向に沿う横穴として、また、流体通路２３は、排気流れ方向と直交して上下方向に沿う縦穴として利用される。

このようなコア２１の上部には、流体通路２３内で蒸発された気相状の流体を集めて放熱部３へ送り出すための送出用バッファタンク７と、放熱部３で凝縮された液相状の流体を受け入れて流体通路２３内に落とし入れるための流入用バッファタンク８とが設置されている。

送出用バッファタンク７は、すべての流体通路２３において排気流れ方向の上流側領域の上部開口を覆うように、コア２１の上部に設置されている。これにより、送出用バッファタンク７には、コア２１のすべての流体通路２３内で蒸発された気相状の流体を集めることが可能になる。この送出用バッファタンク７の上部には、移送路４が接続されている。

流入用バッファタンク８は、すべての流体通路２３の排気流れ方向下流側領域の上部開口を覆うように、コア２１の上部に設置されている。これにより、流入用バッファタンク８には、放熱部３から受け入れた液相状の流体が、コア２１のすべての流体通路２３に分散して流し入れることが可能になる。この流入用バッファタンク８の上部には、還流路５が接続されている。

このように、放熱部３で凝縮された液相状の流体を受熱部２の排気流れ方向の下流側から入れるタイプを「後入れ」と言うことにする。この場合、送出用バッファタンク７が、流入用バッファタンク８よりも高温となる。

送出用バッファタンク７と流入用バッファタンク８とは、この実施形態において、排気流れ方向に離れた状態で設置されている。このような設置状態では、コア２１のすべての流体通路２３において排気流れ方向の中間領域が前記離隔部分から露出することになる。そこで、前記離隔部分に蓋９を取り付けることにより、前記露出部分を閉塞するようにしている。前記両タンク７，８の離隔部分は、互いの熱の伝導を遮断するための空気層からなる断熱部１４となる。

また、コア２１には、底面と両側面を覆うようにケース１０が取り付けられており、上面と、排気通路２２の入口および出口とが露呈されている。

このケース１０は、一側から見てＵ字形に形成されており、平坦な底板部１１の両側に立ち上がり壁１２，１３を設けた形状になっている。このケース１１の底板部１１は、コア２１のすべての流体通路２３の下部開口を閉塞するようになっている。また、ケース１０の一方の立ち上がり壁１２は、コア２１の一側に位置する凹み２５を閉塞して、この閉塞空間を流体通路２３とするようになっている。また、ケース１０の他方の立ち上がり壁１３は、コア２１の他側に位置する凹み２６を閉塞して、この閉塞空間を流体通路２３とするようになっている。

ここで、排気熱回収装置１の基本的な動作を説明する。

排気管５１を流れる排気は、受熱部２におけるコア２１の排気通路２２に流入して通過することになるが、その過程で排気通路２２内のフィン２７の外表面に接触して下流側へ流れる。これにより、フィン２７に排気の熱が伝わることになる。

その一方で、放熱部３から還流路５を経て流入用バッファタンク８内に戻された液相状の流体は、コア２１におけるすべての流体通路２３内における下流側領域に上から流し入れられる。このすべての流体通路２３内で液相状の流体が落ちる過程、あるいはすべての流体通路２３内の下に液相状の流体が溜まった状態で、液相状の流体が前記フィン２７の熱で加熱されることになって、蒸発される。

この蒸発した気相状の流体は、すべての流体通路２３内を上昇して上流側領域に配置される送出用バッファタンク７に集められ、移送路４を経て放熱部３に移送される。

この放熱部３においては、気相状の流体の潜熱で冷却水通路５６内を流通する内燃機関の冷却水が加熱される。これにより、放熱部３内の気相状の流体が凝縮されて液相状となり、還流路５を経て受熱部２の流入用バッファタンク８に戻される。

以降は、受熱部２と放熱部３と移送路４と還流路５とにより作られる閉ループ内で流体が相転移しながら循環されることになって、排気の熱の回収と機関冷却水の加熱とを繰り返すようになる。これにより、内燃機関の暖機運転を早期に終了させることが可能になる。

ところで、例えば放熱部３において機関冷却水との熱交換が不要となった暖機完了時等に、放熱部３への気相状の流体の移送を停止させることにより、機関冷却水の過剰昇温を防止させるのが好ましい。そのためには、図示していないが、還流路５に、流体の戻り量を規制するためのバルブを設ければよい。そして、例えば放熱部３において加熱対象との熱交換が不要となった時等に前記バルブを全閉状態とすればよい。

以上説明したように、本発明の特徴を適用した実施形態の排気熱回収装置１では、受熱部２において、図２中の太線矢印で示すように、流体が相転移しながら熱を回収するように工夫しているので、次のような効果が得られる。

まず、還流路５から戻される液相状の流体が、流入用バッファタンク８を経て各流体通路２３の下流側領域にその上から下へと流し入れられるので、従来例のように流体通路の下から凝縮流体を流入させる場合に比べて、流体の流入抵抗が大幅に軽減されるとともに、受熱部２と放熱部３との設置位置の高低差を小さくすることが可能になって、それらの設置自由度を向上するうえで有利となる。

また、液相状の流体が流体通路２３を下降する過程や下側に溜まった状態で、排気通路２２を流れる排気との間で熱交換されるようになるから、従来例に比べて、受熱距離が長くなる等、熱回収効率が向上するようになる。

さらに、流体通路２３内において熱交換により蒸発した流体は、その上昇流と共に流体通路２３の上流側領域を上向きに流れるようになるので、送出用バッファタンク７および移送路４を経て放熱部３へと速やかに送られるようになる。

このように、受熱部２において熱回収を効率良く行うことが可能になるとともに、受熱部２への流体の流入動作と受熱部２からの流体の送出動作とを円滑に行うことが可能になるから、閉ループ内に対する流体封入量を可及的に少なくすることが可能になる。したがって、本発明の構成によれば、流体封入量を可及的に少なくしながらも、排気の熱を効率良く回収することが可能になる。

この他、前記したような後入れタイプによる熱の回収形態では、受熱部２の流体通路２３の上流側領域が下流側領域よりも高温となるために、流体通路２３の下流側領域を下降する液相状の流体が比較的低温の排気で加熱されることになって、流体通路２３の上流側領域を上昇する気相状の流体が比較的高温の排気で加熱されることになる。

これにより、流体通路２３の上流側領域を上昇する気相状の流体がその過程で凝縮することが回避される他、流体通路２３の下流側領域を下降する液相状の流体が蒸発して、この蒸発した流体が上昇して流入用バッファタンク８に逆流して放熱部３へ送られるという逆流現象が回避されるようになる。そのため、閉ループ内での熱の循環が円滑になるので、排気の熱を効率良く回収して効率良く利用することが可能になる。

なお、本発明は、上記実施形態のみに限定されるものではなく、特許請求の範囲内および当該範囲と均等の範囲で包含されるすべての変形や応用が可能である。以下で例を挙げる。

（１）上記実施形態では、受熱部２のコア２１において排気流れ方向の上流側領域に送出用バッファタンク７を設置して、下流側領域に流入用バッファタンク８を設置した場合を例に挙げている。しかし、例えば図６および図７に示すように、受熱部２のコア２１において排気流れ方向の下流側領域に流入用バッファタンク８を設置して、上流側領域に送出用バッファタンク７を設置することも可能である。このように、放熱部３で凝縮した流体を受熱部２の排気流れ方向の上流側から入れるタイプを「前入れ」と言うことにする。

このような前入れタイプの場合、受熱部２において、図７中の太線矢印で示すように、流体が相転移しながら熱を回収するようになる。

具体的に、還流路５から流入用バッファタンク８に戻された液相状の流体は、受熱部２のすべての流体通路２３における排気流れ方向の上流側領域に上から流し入れられるが、この落下過程あるいは流体通路２３の下側に溜まった状態で液相状の流体が排気通路２２を流れる排気との間で熱交換されるようになって、蒸発されることになる。

この蒸発して気相状になった流体は、すべての流体通路２３における排気流れ方向下流側領域を上昇して送出用バッファタンク７に集められることになり、この送出用バッファタンク７から移送路４を経て放熱部３へと速やかに送られるようになる。

このように、この実施形態でも上記実施形態と同様の作用、効果を得ることができる。しかも、その他に下記するような作用、効果が得られる。

つまり、前記したような受熱部２による熱の回収状況では、受熱部２におけるすべての流体通路２３の上流側領域が下流側領域よりも高温となる。これにより、流体通路２３の上流側領域を下降する液相状の流体が比較的高温の排気で加熱されるので、早期に蒸発されやすくなる。その一方で、流体通路２３の下流側領域を上昇する気相状の流体が比較的低温の排気で加熱されるので、過剰に加熱されずに済む。このようなことから、流体通路２３において排気流れ方向全域における温度の高低差が小さくなるので、流体通路２３を構成するコア２１に対する局部的な熱的応力の集中を軽減できるようになる等、受熱部２の耐久性を向上するうえで有利となる。

（２）上記実施形態では、受熱部２について単一のコア２１を用いる構成にした場合を例に挙げている。しかし、例えば図８および図１２に示すように、受熱部２について２つのコア２１Ａ，２１Ｂを用いる構成にすることが可能である。

この実施形態では、受熱部２について２つのコア２１Ａ，２１Ｂを排気流れ方向に並べた状態で設けた構成になっている。２つのコア２１Ａ，２１Ｂは、同じ構成とされ、ケース１０に取り付けられて一体化されている。

排気流れ方向の上流側に位置するコア２１Ａの上部には、それらすべての流体通路２３Ａの上部開口を覆うように、送出用バッファタンク７が設置されている。また、排気流れ方向の下流側に位置するコア２１Ｂの上部には、それらすべての流体通路２３Ｂの上部開口を覆うように、流入用バッファタンク８が設置されている。送出用バッファタンク７の上部には、移送路４が接続されており、流入用バッファタンク８の上部には、還流路５が接続されている。

２つのコア２１Ａ，２１Ｂの両方の下部には、両方の流体通路２３Ａ，２３Ｂの下部を連通するための連通用のタンク１５が設けられている。

そして、２つのコア２１Ａ，２１Ｂは、排気流れ方向に所定寸法離れて配置されており、これと同じように送出用バッファタンク７と流入用バッファタンク８とについても、排気流れ方向に所定寸法離れて配置されている。

２つのコア２１Ａ，２１Ｂの離隔部分の側方開口は、ケース１０の立ち上がり壁１２，１３により閉塞されているが、２つのバッファタンク７，８の離隔部分における側方開口や上方開口は、上記実施形態で示すような蓋９で閉塞せずに、開放されている。これにより、２つのコア２１Ａ，２１Ｂの間の離隔部分が、互いの熱の伝導を遮断するための空気層からなる断熱部１６になり、また、２つのバッファタンク７，８の間の離隔部分が、互いの熱の伝導を遮断するための空気層からなる断熱部１４となる。

この場合、放熱部３から流入用バッファタンク８に戻された液相状の流体は、排気流れ方向の下流側に位置するコア２１Ｂにおける多数の流体通路２３Ｂから下向きに落とされることになるので、その過程で排気との熱交換により蒸発される他、蒸発されなかった液相状の流体が連通用タンク１５内に溜まるとともに、排気流れ方向の上流側に位置するコア２１Ａにおける多数の流体通路２３Ａの下部から入り込む。この連通用タンク１５内や上流側の流体通路２３Ａ内においても排気との熱交換により蒸発されるようになる。この蒸発された気相状の流体は、排気流れ方向の上流側に位置するコア２１Ａにおける多数の流体通路２３Ａを上昇して送出用バッファタンク７に集められることになり、この送出用バッファタンク７から移送路４を経て放熱部３へと速やかに送られるようになる。

この実施形態の場合、上記実施形態と同様の作用、効果を得ることができる。しかも、その他に下記するような作用、効果が得られる。

つまり、上流側のコア２１Ａの流体通路２３Ａと、下流側のコア２１Ｂの流体通路２３Ｂとを完全に分離しているとともに、２つのバッファタンク７，８を分離していて、受熱部２において、上流側の排気通路２２Ａを通過する排気が下流側の排気通路２２Ｂを通過する排気よりも高温となる。そのため、下流側の流体通路２３Ｂを下降する液相状の流体が比較的低温の排気で加熱されることになって、上流側の流体通路２３Ａを上昇する気相状の流体が比較的高温の排気で加熱されることになる。

これにより、上流側の流体通路２３Ａを上昇する気相状の流体がその過程で凝縮することが回避される他、下流側の流体通路２３Ｂを下降する液相状の流体が蒸発して、そのまま上昇して流入用バッファタンク８に逆流して放熱部３へ送られるという逆流現象が回避されるようになる。これにより、閉ループ内での熱の循環が円滑になるので、排気の熱を効率良く回収して効率良く利用することが可能になる。

また、上流側のコア２１Ａの流体通路２３Ａと、下流側のコア２１Ｂの流体通路２３Ｂとの間、および送出用バッファタンク７と流入用バッファタンク８との間に、断熱部１６を設けているので、送出バッファタンク７内に集められる気相状の流体の熱が流入バッファタンク８内の液相状の流体に奪われなくなる。これにより、例えば排気熱回収装置１の作動開始後、早期段階において排気熱を回収して有効に利用することが可能になる。

なお、この実施形態では、２つのコア２１Ａ，２１Ｂを用いることによって、２つの流体通路２３Ａ，２３Ｂに分けているが、１つのコア２１に備える流体通路２３を排気流れ方向の上流側領域と下流側領域とに区画壁等を用いて区画することも可能である。また、この実施形態において、上記（１）の実施形態で示したように、流入用バッファタンク８を排気流れ方向の上流側に位置するコア２１Ａの上部に設け、送出用バッファタンク７を排気流れ方向の下流側に位置するコア２１Ｂの上部に設けるようにしてもよい。

（３）上記実施形態では、受熱部２の流入用バッファタンク８と送出用バッファタンク７とを排気流れ方向に並べて配置した場合を例に挙げている。しかし、例えば図１３および図１４に示すように、受熱部２の流入用バッファタンク８と送出用バッファタンク７とを排気流れ方向と直交する方向に並べて配置することが可能である。

この実施形態では、受熱部２について１つのコア２１をケース１０に取り付け、この１つのコア２１に備える多数の流体通路２３を排気流れ方向と直交する方向で３つのグループに分けたうえで、両側のグループに属する複数の流体通路２３Ａ，２３Ｂの上部に流入用バッファタンク８Ａ，８Ｂを設置し、また、中央のグループに属する複数の流体通路２３Ｃの上部に、単一の送出用バッファタンク７が設置されている。

送出用バッファタンク７の上部には、移送路４が接続されており、２つの流入用バッファタンク８Ａ，８Ｂの各上部には、二股に分岐された還流路５が接続されている。

コア２１の下部には、両側のグループに属する流体通路２３Ａ，２３Ｂの下部と中央のグループに属する流体通路２３Ｃの下部とを連通するための連通用のタンク１５が設けられている。

そして、３つのバッファタンク７，８Ａ，８Ｂは、互いに所定寸法離れて配置されている。３つのバッファタンク７，８Ａ，８Ｂの離隔部分の側方開口および上方開口は、上記実施形態で示すような蓋９で閉塞せずに、開放されている。これにより、両側の送出用バッファタンク７と流入用バッファタンク８との間の離隔部分が、互いの熱の伝導を遮断するための空気層からなる断熱部１４となる。

この場合、放熱部３から流入用バッファタンク８に戻された液相状の流体は、両側のグループに属する各流体通路２３Ａ，２３Ｂから下向きに落とされることになるので、その過程で排気との熱交換により蒸発される他、蒸発されなかった液相状の流体が連通用タンク１５内に溜まるとともに、中央のグループに属する流体通路２３Ｃの下部から入り込む。この連通用タンク１５内や中央のグループに属する流体通路２３Ｃ内においても排気との熱交換により蒸発されるようになる。この蒸発された気相状の流体は、中央のグループに属する各流体通路２３Ｃを上昇して送出用バッファタンク７に集められることになり、この送出用バッファタンク７から移送路４を経て放熱部３へと速やかに送られるようになる。

この実施形態の場合、上記実施形態と同様の作用、効果を得ることができる。しかも、その他に下記するような作用、効果が得られる。

つまり、両側のグループに属する流体通路２３Ａ，２３Ｂが、中央のグループに属する流体通路２３Ｃと外気との熱伝導を遮断することが可能になる。つまり受熱部２内から外への熱放出や、冷たい外気で受熱部２が冷却されるといったことを回避することが可能になる。

これにより、受熱部２の設置場所の周辺に及ぼす熱害を回避するうえで有利となり、受熱部２の設置自由度が向上する。一方、例えば外気温が低い状況においても、中央のグループに属する流体通路２３Ｃを上昇する気相状の流体が再度凝縮されてしまうといったことを回避することが可能になる。

また、仮に、両側のグループに属する流体通路２３Ａ，２３Ｂを下降する液相状の流体が外気で温度低下したとしても、この液相状の流体が連通用タンク１５および中央のグループに属する流体通路２３Ｃにおいて加熱されるようになる。そのため、流体の蒸発作用が著しく低下することがなくなる等、排気の熱を効率良く回収するうえで有利となる。

なお、この実施形態では、１つのコア２１に備える流体通路２３を排気流れ方向と直交する方向で３つのグループに分けるようにしているが、例えば３つのコアを排気流れ方向と直交する方向に並べた状態で設けるようにすることが可能である。この場合、３つのコアは、同じ構成とされ、ケース１０に取り付けられて一体化される。

（４）上記実施形態で説明したように、受熱部２の流入バッファタンク８と送出バッファタンク７とを離隔して配置する場合、この離隔部分の空気層からなる断熱部１４に、例えば図１５および図１６に示すように、熱伝導部材３０を設けることが可能である。

具体的に、熱伝導部材３０は、バイメタル、あるいは形状記憶合金等で帯板状に形成されている。

この熱伝導部材３０は、その一端側が送出用バッファタンク７に取り付けられていて、かつ、他端側が、送出用バッファタンク７に対して離隔または当接可能に対向配置されている。

そして、送出用バッファタンク７が規定温度（例えば９０℃）未満のときに、例えば図１５に示すように、熱伝導部材３０の他端側が流入用バッファタンク８から離隔する状態になる。このときの熱伝導部材３０の形状は、弾性変形していない自然な状態である。

一方、送出用バッファタンク７が前記規定温度以上のときに、例えば図１６に示すように、熱伝導部材３０が弾性変形して、その他端側（自由端側）が流入用バッファタンク８に当接する状態になる。

このように、送出用バッファタンク７が規定温度未満のときに熱伝導部材３０の他端側が流入用バッファタンク８から離隔しているので、送出用バッファタンク７から流入用バッファタンク８への熱の伝導が遮断されるようになる。

一方、送出用バッファタンク７が規定温度以上のときに熱伝導部材３０の他端側が流入バッファタンク８に当接しているので、送出用バッファタンク７から流入用バッファタンク８へ熱が伝導されるようになる。

ところで、例えば排気熱の回収動作を開始した直後等では、送出用バッファタンク７内に蒸発した流体が少ないので、送出用バッファタンク７の温度も低くなっている。しかし、排気熱の開始動作を開始してからある程度時間が経過すると、送出用バッファタンク７内に蒸発した流体が溜まるので、この送出用バッファタンク７が高温になっている。

このような状況において、送出用バッファタンク７が低温である場合には、この送出用バッファタンク７内の気相状の流体の熱が流入用バッファタンク８内の液相状流体に奪われなくなるので、送出用バッファタンク７内で気相状流体が再度凝縮されることがなくなり、可及的に多くの気相状の流体を放熱部３へ送ることが可能になる。

一方、送出用バッファタンク７が高温である場合には、この送出用バッファタンク７内の気相状の流体の熱を流入用バッファタンク８内の液相状の流体に伝達することが可能になるので、流入用バッファタンク８内の液相状の流体が加熱されることになって、流体通路２３内に流入してから早期に蒸発されるようになる。つまり、熱の早期回収が可能になる。しかも、送出用バッファタンク７の熱を流入用バッファタンク８に伝達しても、送出用バッファタンク７内には高温の気相状の流体が順次流入されるので、送出用バッファタンク７の温度が低下することはない。

（５）上記実施形態では、排気熱回収装置１で回収した熱による加熱対象として内燃機関の冷却水とする場合を例に挙げている。しかし、この加熱対象としては、例えば内燃機関の排気管５１に設けられる触媒、内燃機関のオイル、あるいは変速機のオイル等とすることが可能である。

（６）上記実施形態では、受熱部２と放熱部３とを接近して配置するコンパクトタイプの排気熱回収装置１を例に挙げているが、本発明は、それに限定されるものではなく、例えば受熱部２と放熱部３とを遠く離して配置するセパレートタイプの排気熱回収装置として実施することも可能である。

１ 排気熱回収装置
２ 受熱部
３ 放熱部
４ 移送路
５ 還流路
７ 送出用バッファタンク
８ 流入用バッファタンク
９ 蓋
１０ ケース
２１ 受熱部のコア
２２ 受熱部の排気通路
２３ 受熱部の流体通路
２４ チューブ
２７ フィン
５１ 排気管
５６ 冷却水通路

Claims (9)

1. 内部に封入される流体を排気の熱で蒸発させるための受熱部と、この受熱部で蒸発された気相状の流体を受け入れて当該流体の熱と加熱対象とを熱交換させるための放熱部と、前記受熱部から気相状の流体を前記放熱部へ移送するための移送路と、前記放熱部での熱交換に伴い凝縮される液相状の流体を前記受熱部へ戻すための還流路とを含むループ式ヒートパイプ構造とされ、
   前記受熱部は、排気が流入通過されかつ排気の熱を受け取る受熱体が設けられる排気通路と、上下方向に沿って流体を流すための流体通路とを、前記排気流れ方向と直交する方向に交互に隣り合わせに多数設けた構成とされ、
   前記多数の流体通路の上部には、前記還流路から戻される液相状の流体を流入させるための流入部と、前記流体通路内において排気との熱交換で蒸発される気相状の流体を前記移送路へ送り出すための送出部とが設けられている、ことを特徴とする排気熱回収装置。
2. 請求項１に記載の排気熱回収装置において、
   前記多数の流体通路は、それぞれ、排気流れ方向の上流側と下流側とに区画されるとともに、この区画された上流側領域と下流側領域とが下部で連通され、
   前記下流側領域の上部に前記流入部が、また、前記上流側領域の上部に前記送出部がそれぞれ設けられる、ことを特徴とする排気熱回収装置。
3. 請求項２に記載の排気熱回収装置において、
   前記流入部には、前記下流側領域に液相状の流体を分散流入させるためのタンクが設けられ、
   前記送出部には、前記上流側領域を上昇する気相状の流体を集めて移送路へ送り出すためのタンクが設けられる、ことを特徴とする排気熱回収装置。
4. 請求項１に記載の排気熱回収装置において、
   前記多数の流体通路は、それぞれ、排気流れ方向で上流側と下流側とに区画されるとともに、この区画された上流側領域と下流側領域とが下部で連通され、
   前記上流側領域の上部に前記流入部が、また、前記下流側領域の上部に前記送出部がそれぞれ設けられる、ことを特徴とする排気熱回収装置。
5. 請求項４に記載の排気熱回収装置において、
   前記流入部には、前記上流側領域に液相状の流体を分散流入させるためのタンクが設けられ、
   前記送出部には、前記下流側領域を上昇する気相状の流体を集めて移送路へ送り出すためのタンクが設けられる、ことを特徴とする排気熱回収装置。
6. 請求項１に記載の排気熱回収装置において、
   前記多数の流体通路および排気通路は、それぞれ、排気流れ方向と直交する方向で３つのグループに分けられるとともに、この各グループに属するすべての流体通路が下部で連通され、
   前記流入部は、前記両側のグループに属する流体通路の上部にそれぞれ設けられ、前記送出部は、前記中央のグループに属する流体通路の上部に設けられる、ことを特徴とする排気熱回収装置。
7. 請求項６に記載の排気熱回収装置において、
   前記流入部には、前記両側のグループに属する流体通路に液相状の流体を分散流入させるためのタンクが設けられ、
   前記送出部には、前記中央のグループに属する流体通路を上昇する気相状の流体を集めて移送路へ送り出すためのタンクが設けられる、ことを特徴とする排気熱回収装置。
8. 請求項１から７のいずれか１つに記載の排気熱回収装置において、
   前記流入部と送出部との間には、断熱部が設けられる、ことを特徴とする排気熱回収装置。
9. 請求項８に記載の排気熱回収装置において、
   前記断熱部には、前記送出部に取り付けられる取り付け部と、前記流入部に当接可能に離隔して設けられる自由端部とを有する熱伝導部材が設置され、
   この熱伝導部材は、前記送出部が規定温度未満のときに前記自由端部が前記流入部に離隔する状態となる一方、前記送出部が規定温度以上のときに前記自由端部が前記流入部に当接する状態になる、ことを特徴とする排気熱回収装置。

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