JP2011169514A - 排熱回収装置 - Google Patents

Abstract

【課題】凝縮部での熱量の損失を抑え、排熱回収効率の大幅な向上を図ることが可能な排熱回収装置を提供する。
【解決手段】排気ガスと熱媒体との間で熱交換を行って熱媒体を加熱する熱回収部３０の直上方に、熱媒体とエンジン冷却水との間で熱交換を行ってエンジン冷却水を加熱する凝縮部４０を配置し、熱回収部３０の上部と凝縮部４０の下部とを蒸気供給管５０により接続する。凝縮部４０の内部空間において、蒸気供給管５０の開口部の周囲を囲むようにエンジン冷却水が流れるＬＬＣパイプ４２を配設する。これにより、熱媒体及び冷却水共に外部への放熱量が大幅に低減されることになり、排熱回収効率の向上が図れる。
【選択図】図５

Description

本発明は、内燃機関等に設けられ、排気熱を回収することにより適宜の加熱対象の昇温を促進させる排熱回収装置に係る。特に、本発明は、排熱回収効率の向上を図るための対策に関する。

従来より、自動車等の車両に搭載される内燃機関（以下、エンジンと呼ぶ）の排気ガスの熱をヒートパイプを利用して回収し、エンジンの暖機を促進させるようにした排熱回収装置が知られている（例えば下記の特許文献１及び特許文献２を参照）。

この種の排熱回収装置は、熱回収部と凝縮部とを備えている。熱回収部では、排気ガスの熱によって熱媒体（例えば水等の冷媒）を蒸発させる。そして、この気相の熱媒体を凝縮部に搬送し、この凝縮部において、熱媒体とエンジンの冷却水との間で熱交換を行い、この冷却水の温度を急速に高める。これにより、エンジンの暖機運転時間の短縮化を図ることができ、燃料消費率の改善を図ることができる。

また、凝縮部において冷却水との間で熱交換を行った熱媒体は凝縮され、熱回収部に戻される。そして、この熱回収部において熱媒体が再び排気ガスの熱によって蒸発し、凝縮部に搬送されるといった循環を行う。

特開２００９−８３１８号公報 特開２００７−１７０２９９号公報

ところが、従来の排熱回収装置にあっては、以下の点で排熱回収効率を高めるのに限界があり、この排熱回収効率を更に高めるための改良が求められていた。

つまり、従来の排熱回収装置における凝縮部にあっては、エンジンの冷却水が流れる空間は凝縮部の外壁を介して大気に晒された状態となっているため、この凝縮部の外壁から冷却水の熱が大気中に大量に放出（放熱）されてしまう可能性の高いものとなっていた。つまり、上記熱媒体（例えば蒸気）から受熱した冷却水が凝縮部の内部を流れている間に、この凝縮部の外壁を経て大気中に大量に放熱し、冷却水の温度が低くなって、その放熱分が損失熱量となってしまうものであった。尚、この凝縮部の外壁は耐食性等を考慮してステンレス製である場合が多いが、このステンレスは熱伝導率が比較的高い材料である（エンジンの冷却水を流すためのホースに比べて熱伝導率が高い）ことから大気中への放熱を助長するものであった。

また、従来の排熱回収装置にあっては、上記凝縮部に送り込まれる熱媒体（蒸気）の大部分が凝縮部の内壁面に向けて直接的に吹き付けられる形態となっている。このような形態の場合、上述した冷却水に熱量損失が生じる場合と同様に、この熱媒体の熱が凝縮部の外壁を経て大気中に大量に放出されてしまう可能性がある。つまり、熱媒体によって凝縮部に搬送された熱のうちのかなりの熱量が上記冷却水に与えられることなく凝縮部の外壁から大気中に放出されてしまい、その放熱分だけ損失熱量が大きくなってしまうものであった。

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、凝縮部での熱量の損失を抑え、排熱回収効率の大幅な向上を図ることが可能な排熱回収装置を提供することにある。

−課題の解決原理−
上記の目的を達成するために講じられた本発明の解決原理は、排熱により加熱された流体（加熱用流体）と加熱対象流体（被加熱用流体）との間で熱交換を行わせる放熱部（凝縮部）の内部空間に、加熱対象流体を流すための配管を配置すると共に、この放熱部の内部空間に導入される加熱用流体をこの配管に対して直接的に吹き付けることにより、加熱対象流体が受けた熱の外部への放熱量及び加熱用流体の外部への放熱量を共に低減し、これによって熱量の損失を大幅に抑えるようにしている。

−解決手段−
具体的に、本発明は、排気の熱により流体を加熱して蒸発させるための受熱部と、この受熱部で蒸発した気相状の流体を受け入れてその流体により加熱対象流体を加熱するための放熱部と、上記受熱部で蒸発した気相状の流体を放熱部の内部空間に供給する流体供給管と、上記放熱部で凝縮して液相状となった流体を上記受熱部へ戻すための還流路とを備えた排熱回収装置を前提とする。この排熱回収装置に対し、上記放熱部の内部空間に、この内部空間への加熱対象流体の流入経路を成す第１配管部分と、この内部空間またはこの内部空間の外側において屈曲された屈曲配管部分を介して第１配管部分に連続され且つこの内部空間からの加熱対象流体の流出経路を成す第２配管部分とを有する加熱対象流路配管を配設する。そして、上記放熱部の内部空間における上記流体供給管の開口位置を、上記第１配管部分と第２配管部分との間の空間に上記気相状の流体を供給する位置に設定している。

この特定事項により、上記受熱部にあっては排気の熱により流体が加熱されて蒸発する。この気相状の流体は、流体供給管を経て放熱部に供給され、この放熱部の内部に配設された加熱対象流路配管の内部を流れる加熱対象流体との間で熱交換を行う。これにより、加熱対象流体が加熱されることになる。また、加熱対象流体を加熱した後の流体は凝縮され、還流路を経て受熱部へ戻される。このような流体の循環が行われる状態において、上記放熱部にあっては、流体供給管の開口位置が、上記第１配管部分と第２配管部分との間の空間に上記気相状の流体を供給する位置に設定されているため、これら第１配管部分及び第２配管部分それぞれの外面に向けて直接的に気相状の流体が流されることになる。つまり、この気相状の流体の熱量のうち放熱部の外壁からの放熱量を抑制しながら、その大部分を第１配管部分及び第２配管部分を経て加熱対象流体の加熱に寄与させることができる。また、加熱対象流体は、放熱部の内部空間において加熱対象流路配管の内部を流れているため、この加熱対象流体が受けた熱は放熱部の外壁から放熱されることは殆ど無い。その結果、気相状の流体から受けた熱量の略全量を維持したまま加熱対象流体は放熱部から流出されることになる。このように、気相状の流体及び加熱対象流体共に外部への放熱量が大幅に低減されることになるため、排熱回収効率の向上を図ることができる。

より好ましい構成として、上記屈曲配管部分を、上記放熱部の内部空間に配置して第１配管部分と第２配管部分とを連続させるものとする。そして、上記流体供給管の開口位置を、上記第１配管部分、屈曲配管部分及び第２配管部分によって囲まれた空間に上記気相状の流体を供給する位置に設定することが挙げられる。

この構成によれば、流体供給管から放熱部の内部空間に供給された気相状の流体の大部分は、第１配管部分、屈曲配管部分、第２配管部分の各外面に向けてそれぞれ直接的に流されることになる。このため、気相状の流体の熱量のうち放熱部の外壁からの放熱量を大幅に抑制することが可能になり、排熱回収効率の大幅な向上を図ることができる。

上記受熱部と放熱部との配置形態として具体的には以下のものが挙げられる。つまり、放熱部を受熱部の直上方に配設する。そして、上記流体供給管により、受熱部の上部と放熱部の下部とを連結してそれぞれの内部空間を互いに連通させる構成としている。

このように放熱部を受熱部の直上方に配設したことにより、受熱部から放熱部への気相状流体の搬送時の熱損失を削減できる。つまり、上記流体供給管の長さ寸法を短く設定できることによって、流体供給管の表面からの放熱量を抑制でき、受熱部で得られた熱量の大部分を放熱部に供給することが可能になり、放熱部における熱交換効率の向上を図ることができる。

上記受熱部と放熱部との配置形態としてより具体的には、排熱回収装置を、車両に搭載された内燃機関から排出される排気ガスの熱を回収するものとし、上記受熱部及び放熱部を、車両フロアに形成されているトンネル部の下側空間に収容配置した構成が挙げられる。

この構成によれば、車両の走行時において車両フロアのトンネル部内に流れ込む走行風は、排熱回収装置における受熱部の下面及び側面に沿って流れることになる。つまり、放熱部の側面や上面には殆ど走行風は流れないことになるので、この走行風によって放熱部から熱が奪われてしまうことが殆どなくなる。このため、気相状の流体及び加熱対象流体共に外部への放熱量（走行風により奪われる熱量）が大幅に低減されることになり、排熱回収効率の向上を図ることができる。

また、この場合、上記第１配管部分及び第２配管部分は、放熱部の平面視において放熱部のケーシング側面と流体供給管との間に位置させている。

これによれば、放熱部での熱交換によって凝縮した流体が、その自重により第１配管部分や第２配管部分から滴下したとしても、その流体（液相状の流体）が流体供給管を経て受熱部へ戻されるといったことはなく、還流路に向けて流下されて受熱部へ戻されることになる。このため、流体の循環に逆流が生じることなく、円滑な循環動作が行われ、効率の良い熱回収が実現できる。

また、上記流体供給管における上記放熱部の内部空間での上端高さ位置としては、上記第１配管部分及び第２配管部分の下端の高さ位置と同一高さ位置、または、この第１配管部分及び第２配管部分の下端の高さ位置よりも低い位置に設定している。

これによれば、放熱部の内部空間に供給される気相状の流体は、流体供給管の上端から水平方向へ拡散されることになり、この気相状の流体の大部分が放熱部の上面に直接的に吹き付けられることなしに第１配管部分及び第２配管部分の各外面に向けて流される。これにより、放熱部における熱交換効率の向上を図ることができる。

本発明では、排熱により加熱された流体と加熱対象流体との間で熱交換を行わせる放熱部の内部空間に、加熱対象流体を流すための配管を配置すると共に、この放熱部の内部空間に導入される加熱用流体がこの配管に対して直接的に吹き付けられるようにしている。これにより、気相状の流体及び加熱対象流体共に外部への放熱量が大幅に低減されることになり、排熱回収効率の向上を図ることができる。

実施形態に係る排熱回収システムの概略構成を示す図である。 排熱回収装置の設置状態を示す斜視図である。 排熱回収装置の設置状態を車体前方から見た図である。 熱回収部のコアを示す斜視図である。 排熱回収装置を車体前方から見た断面図である。 図３のＶＩ−ＶＩ線に沿った断面図である。 各変形例における図６相当図である。

以下、本発明の実施の形態を図面に基づいて説明する。本実施形態では、自動車に搭載された多気筒ガソリンエンジン（内燃機関）に備えられる排熱回収装置に本発明を適用した場合について説明する。

−排熱回収システム−
図１は、本実施形態に係るエンジン１に備えられた排熱回収システムの概略構成を示している。

本実施形態に係るエンジン１は、吸気系から供給される空気と燃料供給系から供給される燃料とを適宜の空燃比で混合して成る混合気を燃焼室に供給して燃焼させた後、その燃焼に伴って発生する排気ガスを排気系から大気に放出するようになっている。

排気系は、エンジン１に取り付けられたエキゾーストマニホールド２と、このエキゾーストマニホールド２に球面継手３を介して接続された排気管４とを少なくとも有した構成となっている。そして、上記エキゾーストマニホールド２と排気管４とによって排気通路が形成されている。

上記球面継手３は、エキゾーストマニホールド２と排気管４との適度な揺動を許容するとともに、エンジン１の振動や動きを排気管４に伝達させないか、あるいは減衰して伝達するように機能する。

上記排気管４には、２つの触媒５，６が直列に設置されており、この２つの触媒５，６により排気ガスが浄化される。

これらの触媒５，６のうち、排気管４において排気ガスの流れ方向の上流側に設置される触媒５は、いわゆるスタートキャタリスタ（Ｓ／Ｃ）と呼ばれるものであって、以下、上流側触媒と呼ぶ。一方、排気管４において排気ガスの流れ方向の下流側に設置される触媒６は、いわゆるメインキャタリスタ（Ｍ／Ｃ）またはアンダーフロアキャタリスタ（Ｕ／Ｆ）と呼ばれるものであって、以下、下流側触媒と呼ぶ。

これらの触媒５，６は、共に、例えば三元触媒により構成されている。この三元触媒は、一酸化炭素（ＣＯ）、炭化水素（ＨＣ）、窒素酸化物（ＮＯｘ）を一括して化学反応により無害な成分に変化させるといった浄化作用を発揮する。

エンジン１の内部（ウォータジャケット）にはロングライフクーラント（ＬＬＣ）と呼ばれる冷却液（以下、単に冷却水と言う）が充填されている。この冷却水は、冷却水取り出し路８から一旦取り出されてラジエータ７に供給され、このラジエータ７から冷却水還流路９を経てエンジン１に戻されるようになっている。ラジエータ７は、ウォータポンプ１０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ものである。

そして、サーモスタット１１によって、ラジエータ７を流通する冷却水量とバイパス路１２を流通する冷却水量とが調節されるようになっている。例えばエンジン１の暖機運転時においてはバイパス路１２側の冷却水量が増加されて暖機が促進されるようになっている。

冷却水取り出し路８から分岐されて冷却水還流路９においてウォータポンプ１０の上流側に接続されるヒータ流路１３の途中には、ヒータコア１４が設けられている。このヒータコア１４は、上記冷却水の熱を利用して車室内の暖房を行うための熱源である。このヒータコア１４によって暖められた空気は、ブロアファン１５によって車室内に導入されるようになっている。尚、上記ヒータコア１４とブロアファン１５とによりヒータユニット１６が構成されている。上記ヒータ流路１３は、後述する排熱回収装置２０よりも上流側（冷却水の流れ方向の上流側）の上流側流路１３ａと、排熱回収装置２０よりも下流側の下流側流路１３ｂとを備えている。この下流側流路１３ｂを流れる冷却水の温度は、排熱回収装置２０での排熱回収動作（この排熱回収動作の詳細については後述する）が行われている場合には、上流側流路１３ａを流れる冷却水の温度よりも高くなる。

−排熱回収装置の構成−
上述の如く構成されたエンジン１の排気系には、排熱回収装置２０が付設されている。

図２は排熱回収装置２０の設置状態を示す斜視図である。図３は排熱回収装置２０の設置状態を車体前方から見た図である。図４は排熱回収装置２０の内部に収容されているコア３１を示す斜視図である。図５は排熱回収装置２０を車体前方から見た断面図である。また、図６は図３のＶＩ−ＶＩ線に沿った断面図である。

この排熱回収装置２０は、エンジン１から排出される排気ガスの熱を回収して上記冷却水の昇温を促進させるためのものであって、主として、熱回収部（受熱部）３０及び凝縮部（放熱部）４０を備え、これら熱回収部３０と凝縮部４０とが、蒸気供給管（流体供給管）５０及び凝縮水還流部（還流路）６０によって接続された構成となっている（図３及び図５を参照）。

具体的には、熱回収部３０の上側に凝縮部４０が配置されている。そして、この熱回収部３０の上部と凝縮部４０の下部とが蒸気供給管５０によって接続され、熱回収部３０の側部と凝縮部４０の側部とが凝縮水還流部６０によって接続された構成となっている。これにより、熱回収部３０、蒸気供給管５０、凝縮部４０、凝縮水還流部６０の順で熱媒体（流体）を循環させるループ式ヒートパイプ構造となっている。

尚、上記ループ式ヒートパイプ構造の排熱回収装置２０とは、熱回収部３０と凝縮部４０との間で熱媒体を相転移（液相と気相との間で相転移）させながら循環させることによって、熱回収部３０での排気熱の回収と凝縮部４０での放熱（冷却水への放熱）とを繰り返して行うものをいう。

上記熱回収部３０、蒸気供給管５０、凝縮部４０及び凝縮水還流部６０により形成される熱媒体の循環経路の内部は真空状態とされており、その循環経路内に適量の熱媒体が封入されている。この熱媒体は、例えば純水等が採用される。水の沸点は、１気圧で１００℃であるが、上記熱媒体の循環経路内を減圧（例えば０．０１気圧に減圧）していることにより、沸点は、例えば５〜１０℃となる。尚、熱媒体としては、純水の他に、例えばアルコール、フロロカーボン、フロン等を採用することも可能である。また、排熱回収装置２０の主要構成要素は、例えば高耐食性を有するステンレス材で形成されている。

この排熱回収装置２０の構成部材の概要として、上記熱回収部３０は、内部に封入される液相状の熱媒体を排気ガスの熱で蒸発させるものである。この熱回収部３０は、単一のコア３１を用いた構成になっている。このコア３１には、図４及び図５に示すように、複数の排気通路３２と複数の熱媒体通路３３とが交互に隣り合わせに配置された状態で設けられ、排気通路３２を流れる排気ガスと熱媒体通路３３を流れる熱媒体との間で熱交換を行う構成となっている。この熱回収部３０の具体的な構成については後述する。

凝縮部４０は、熱回収部３０で蒸気とされた気相状の熱媒体を受け入れて、この熱媒体の潜熱及び顕熱によって加熱対象である上記冷却水を加熱するものである。この凝縮部４０内の気相状の熱媒体は、冷却水との間での熱交換に伴い凝縮されて液相状となり、凝縮水還流部６０を経て熱回収部３０に戻されるようになっている。この凝縮部４０の具体的な構成についても後述する。

−排熱回収装置２０の配置形態−
次に、上記排熱回収装置２０の配置形態について説明する。

図１及び図２に示すように、排熱回収装置２０は、上記熱回収部３０が排気管４の途中に設置され、この排気管４を経て流れ込んだ排気ガスの熱が、熱回収部３０において熱媒体により回収されるようになっている。

排気管４は、排熱回収装置２０を設置することによって、それを境に上流部４ａと下流部４ｂとに分割されている。

上記熱回収部３０における各排気通路３２の入口が排気管４の上流部４ａ側に配置されている一方、各排気通路３２の出口が排気管４の下流部４ｂ側に配置されている。

熱回収部３０における排気入口側と排気管４の上流部４ａとの連結部分、及び、熱回収部３０における排気出口側と排気管４の下流部４ｂとの連結部分には、テーパコーン形状の中継パイプ４ｃ，４ｄ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４ｃ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４の上流部４ａを流れる排気を排熱回収装置２０の熱回収部３０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４ｄ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、それによって排熱回収装置２０の熱回収部３０の排気出口全域から流出する排気を排気管４の下流部４ｂに抵抗を少なくしながら集めて流すことが可能になっている。

また、上記排気管４は、車体のフロアパネル（車両フロア）１７に形成され且つ車体前後方向に延びるトンネル部１７ａ内に収容されている。このため、図３に示すように、上記中継パイプ４ｃ，４ｄの間に配設されている熱回収部３０、この熱回収部３０の上側に配置されている凝縮部４０もそれぞれトンネル部１７ａ内（フロアパネル１７の下側空間）に収容されている。

このような排熱回収装置２０の設置状態によれば、車両の走行時においてフロアパネル１７のトンネル部１７ａ内に流れ込む走行風は、熱回収部３０の下面及び側面に沿って流れることになる（図３では、この走行風の流量が比較的多い領域に破線の斜線を付している）。つまり、上記凝縮部４０の側面や上面には殆ど走行風は流れないことになるので、この走行風によって凝縮部４０から熱が奪われてしまうことは殆どない。

−熱回収部３０の構成−
次に、上記熱回収部３０の構成を詳しく説明する。

熱回収部３０において上記排気通路３２及び熱媒体通路３３を形成しているコア３１は、図４に示すように、適宜数のチューブ３４，３４，…を横方向（車幅方向）に積層して連結した積層構造体として構成されている。各チューブ３４，３４，…同士の連結は、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３４は、本実施形態では略直方体形状とされ、その内部に形成された空間が上記排気通路３２となっている。

チューブ３４の両側壁における中間領域（排気ガスの流れ方向の中間領域）には、上下方向の全体に亘って延びる凹み３４ａ，３４ａが設けられている。各チューブ３４を積層して連結すると、上記凹み３４ａ，３４ａが設けられていない部分である排気ガスの流れ方向の両端部分が接合されることになる。これにより、互いに対向する凹み３４ａ，３４ａ同士の間で上下方向に延びる空間が形成される。この空間が上記熱媒体が流れる熱媒体通路３３となる。

また、各チューブ３４の内部空間である排気通路３２には、排気の熱を受ける受熱体としてのフィン３４ｂが設けられている。このフィン３４ｂ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３２と、熱媒体通路３３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３２は、排気ガスの流れ方向に沿う横穴として、また、熱媒体通路３３は、排気流れ方向に対して直交する上下方向に沿う縦穴としてそれぞれ形成されている。

このような構成とされたコア３１の上部には、上側ケース３５が取り付けられ（図５を参照）、この上側ケース３５によって、上記熱媒体通路３３内で蒸発した気相状の熱媒体を集めて凝縮部４０に向けて送り出すための送出用の合流空間３５ａが形成されている。この上側ケース３５は、全ての熱媒体通路３３，３３，…の上部開口を覆うように、コア３１の上部に設置されている。これにより、上記合流空間３５ａには、コア３１の全ての熱媒体通路３３，３３，…内で蒸発した気相状の熱媒体が集められることになり、この合流空間３５ａに集められた気相状の熱媒体が蒸気供給管５０によって凝縮部４０に供給されることになる。

また、コア３１の下部及び側部には、下側ケース３６が取り付けられ、この下側ケース３６によって、上記凝縮部４０で凝縮された水を回収するための回収空間３６ａが形成されている。この下側ケース３６は、全ての熱媒体通路３３，３３，…の下部開口を覆うように、コア３１の下部に設置されている。これにより、上記回収空間３６ａには、凝縮部４０から受け入れた液相状の熱媒体が、コア３１の全ての熱媒体通路３３，３３，…に分散して流入されるようになっている。

−蒸気供給管５０−
蒸気供給管５０は、鉛直方向に延びる軸線を有して熱回収部３０の上部（上壁）と凝縮部４０の下部（下壁）とを接続し、これら熱回収部３０の内部空間（熱媒体通路３３，３３，…及び合流空間３５ａ）と凝縮部４０の内部空間とを連通させている。より具体的には、熱回収部３０の上面の中央部と凝縮部４０の下面の中央部とを接続している。

また、この蒸気供給管５０の上端は、凝縮部４０の下壁を貫通して凝縮部４０の内部空間に延びており、その蒸気供給管５０の上端位置は、この凝縮部４０の内部空間において、比較的低い位置に設定されている。つまり、熱回収部３０で蒸発した熱媒体が蒸気供給管５０により凝縮部４０の内部空間に供給される場合、その凝縮部４０の内部空間の比較的低い位置で、その熱媒体（蒸気）は水平方向へ拡散されるようになっている。言い換えると、熱媒体に対し、蒸気供給管５０による上向きのガイドが凝縮部４０の内部空間の比較的低い位置で解除されることによって、その熱媒体（蒸気）は水平方向へ拡散されるようになっている（図５の矢印Ａを参照）。これにより、蒸気供給管５０から凝縮部４０の内部空間に導入された熱媒体の大部分が凝縮部４０の上面に直接的に吹き付けられるといった状態を招きにくい構成となっている。

この蒸気供給管５０の上端位置として具体的には、後述するＬＬＣパイプ４２の外面の下端の高さ位置と同一高さ位置、または、このＬＬＣパイプ４２の外面の下端の高さ位置よりも低い位置に設定されている。

−凝縮部４０の構成−
次に、上記凝縮部４０の構成を詳しく説明する。

凝縮部４０は、略直方体形状の中空のケーシング４１と、このケーシング４１内に配設されたＬＬＣパイプ（加熱対象流路配管）４２とを備えている。

上記ケーシング４１は、平面視形状が上記熱回収部３０の平面視形状に略一致している一方、その高さ寸法は熱回収部３０の高さ寸法に対して約１／４程度となっており、偏平な形状となっている。また、このケーシング４１の内部空間は、上記蒸気供給管５０により供給された熱媒体（蒸気）が導入され且つ水平方向へ拡散される熱媒体拡散空間として構成されている。

そして、このケーシング４１内に配設されたＬＬＣパイプ４２の形状としては、上記蒸気供給管５０の開口位置（凝縮部４０の底面の中央位置）を囲むように屈曲されている。

具体的には、図６（図３のＶＩ−ＶＩ線に沿った断面図）に示すように、ＬＬＣパイプ４２の上流端及び下流端が、ケーシング４１の各側壁のうち車体前方側の側壁４１ａを貫通している。このＬＬＣパイプ４２としては、導入パイプ部分（第１配管部分）４２ａ、屈曲パイプ部分（屈曲配管部分）４２ｂ、導出パイプ部分（第２配管部分）４２ｃが連続して形成されている。

上記導入パイプ部分４２ａは、上記ヒータ流路１３の上流側流路１３ａを形成する上流側配管１３Ａに連続し且つケーシング４１における車体前方側の側壁４１ａを貫通した直管部分である。導出パイプ部分４２ｃは、上記ヒータ流路１３の下流側流路１３ｂを形成する下流側配管１３Ｂに連続し且つケーシング４１における車体前方側の側壁４１ａを貫通した直管部分である。そして、屈曲パイプ部分４２ｂは、凝縮部４０のケーシング４１内部において上記導入パイプ部分４２ａの下流端と導出パイプ部分４２ｃの上流端とを連結する屈曲（湾曲）された配管部分である。また、これら導入パイプ部分４２ａ、屈曲パイプ部分４２ｂ、導出パイプ部分４２ｃは、ケーシング４１内の上下方向の略中央位置にそれぞれの軸線の高さ位置が設定されている。つまり、これらパイプ部分４２ａ，４２ｂ，４２ｃは、同一の仮想水平面上に配置されている。

このような構成により、ヒータ流路１３の上流側流路１３ａからＬＬＣパイプ４２内に冷却水が流入されると、この冷却水は、導入パイプ部分４２ａ、屈曲パイプ部分４２ｂ、導出パイプ部分４２ｃの順に流れ、ヒータ流路１３の下流側流路１３ｂに流出されることになる。このようにして冷却水がＬＬＣパイプ４２内を流れている間に、凝縮部４０のケーシング４１内に導入されている熱媒体（蒸気）との間での熱交換により、上記冷却水が加熱される構成となっている。

このような構成により、図６に示すように、凝縮部４０の内部にあっては、蒸気供給管５０の下流端に対して、三方向（図６における左右方向及び上側方向）に、導入パイプ部分４２ａ、導出パイプ部分４２ｃ、屈曲パイプ部分４２ｂがそれぞれ位置することになる。つまり、蒸気供給管５０の下流端に対し、その周囲を取り囲むようにＬＬＣパイプ４２が配設されている。これにより、蒸気供給管５０の下流端からケーシング４１内に流入された熱媒体が導入パイプ部分４２ａ、導出パイプ部分４２ｃ、屈曲パイプ部分４２ｂそれぞれに向けて直接的に（ケーシング４１の内壁面（側面）に達する前に）流れるようになっている。

−凝縮水還流部６０−
凝縮水還流部６０は、図５に示すように、凝縮部４０の側壁と熱回収部３０の側壁（下側ケース３６）とを接続している還流配管６１の途中に開閉弁６２が設けられた構成となっている。この開閉弁６２は、排熱回収動作時には開放し、凝縮部４０から熱回収部３０への熱媒体の回収を可能にして、上述した熱回収部３０、蒸気供給管５０、凝縮部４０、凝縮水還流部６０での熱媒体の循環が行われるようにする。一方、例えば冷却水温度が所定温度に達して排熱回収動作が不要になった場合には開閉弁６２が閉鎖し、凝縮部４０から熱回収部３０への熱媒体の回収を禁止することで上述した熱媒体の循環を停止するようになっている。この開閉弁６２は電磁開閉弁で構成されていてもよいし、温度変化に伴って開閉動作を行うサーモスタットで構成されていてもよい。

−排熱回収装置２０の動作−
次に、排熱回収装置２０の動作について説明する。

エンジン１の冷間始動時には、上流側触媒５及び下流側触媒６、エンジン１の冷却水の全てが低温（外気温程度）になっている。この状態からエンジン１が始動されると、それに伴いエンジン１からエキゾーストマニホールド２を経て排気管４に例えば３００〜４００℃の排気ガスが排出されることになり、２つの触媒５，６が排気ガスにより昇温されることになる。また、冷却水がラジエータ７を通らずにバイパス路１２を経てエンジン１へ戻されることによって暖機運転が行われることになる。

このような暖機運転中において、排気管４を流れる排気ガスは、熱回収部３０におけるコア３１の排気通路３２，３２，…に流入して通過することになるが、その過程で排気通路３２内のフィン３４ｂの外表面に接触して下流側へ流れる。これにより、フィン３４ｂに排気の熱が伝わることになる。

その一方で、熱回収部３０の回収空間３６ａや熱媒体通路３３，３３，…に貯留されている液相状の熱媒体は、コア３１における全ての熱媒体通路３３，３３，…内において、上記排気通路３２，３２，…を流れる排気ガスの熱を受け、加熱されて蒸発する。

この蒸発した気相状の熱媒体は、全ての熱媒体通路３３，３３，…内を上昇（図５に破線で示す矢印を参照）して合流空間３５ａにおいて合流され、蒸気供給管５０を経て凝縮部４０に導入される（図５の矢印Ａを参照）。

この凝縮部４０においては、気相状の熱媒体の潜熱や顕熱によってＬＬＣパイプ４２内を流通する冷却水が加熱される。これにより、凝縮部４０内の気相状の熱媒体が凝縮されて液相状となり、凝縮水還流部６０を経て熱回収部３０の回収空間３６ａに戻される（図５の矢印Ｂを参照）。暖機運転中には上記開閉弁６２は開放状態となっており、熱回収部３０の回収空間３６ａに戻された液相状の熱媒体は、再び、排気通路３２，３２，…を流れる排気ガスの熱を受けて蒸発し、凝縮部４０に導入される。このような熱媒体の循環動作が暖機運転中に繰り返される。

このようにして、熱回収部３０、蒸気供給管５０、凝縮部４０、凝縮水還流部６０により形成される閉ループ内で熱媒体が相転移しながら循環されることになって、排気の熱の回収と冷却水の加熱とが繰り返されることになる。これにより、エンジン１の暖機運転を早期に終了させることが可能になり、燃料消費率の改善を図ることができる。

そして、凝縮部４０において冷却水との熱交換が不要となった暖機完了時にあっては、開閉弁６２が閉鎖し、凝縮部４０から熱回収部３０への熱媒体の回収を禁止することで上述した熱媒体の循環を停止する。

そして、本実施形態の特徴とする動作としては、上記凝縮部４０での熱交換動作にある。具体的には、上述した如く、凝縮部４０の内部にあっては、蒸気供給管５０の下流端（上端）に対して、三方向（図６における左右方向及び上側方向）に、導入パイプ部分４２ａ、導出パイプ部分４２ｃ、屈曲パイプ部分４２ｂがそれぞれ位置している。また、蒸気供給管５０の上端位置は、凝縮部４０の内部空間において、比較的低い位置に設定されており、凝縮部４０の内部空間の比較的低い位置で、熱媒体（蒸気）は水平方向へ拡散されるようになっている。

このため、凝縮部４０の内部空間に導入された熱媒体の大部分は、水平方向へ拡散され、凝縮部４０の内面（側面）に吹き付けられる前に導入パイプ部分４２ａ、導出パイプ部分４２ｃ、屈曲パイプ部分４２ｂそれぞれに向けて直接的に吹き付けられることになる。このため、この気相状の熱媒体の熱量のうち凝縮部４０のケーシング４１の壁面からの放熱量を抑制しながら、その大部分を、ＬＬＣパイプ４２を経て冷却水の加熱に寄与させることができる。

また、冷却水は、凝縮部４０の内部空間においてＬＬＣパイプ４２の内部を流れているため、この冷却水が受けた熱量のうち凝縮部４０のケーシング４１の壁面からの放熱量は殆ど無くなり、その結果、気相状の熱媒体から受けた熱量の略全量を維持したまま冷却水は凝縮部４０からヒータ流路１３の下流側流路１３ｂに向けて流出されることになる。

このように、気相状の熱媒体及び冷却水共に外部への放熱量が大幅に低減されることになるため、排熱回収効率の向上を図ることができる。また、本実施形態では、蒸気供給管５０及びＬＬＣパイプ４２の配置形態を変更することで上記効果を奏することができるため、コストの低廉化及び排熱回収装置２０の軽量化も図ることができる。

また、本実施形態では、凝縮部４０を熱回収部３０の直上方に配設したことにより、これらを接続している蒸気供給管５０の長さ寸法を短く設定できる。このため、この蒸気供給管５０の表面からの放熱量を抑制でき、熱回収部３０で得られた熱量の大部分を凝縮部４０に供給することが可能になり、凝縮部４０における熱交換効率の向上を図ることができる。

更に、本実施形態では、上記導入パイプ部分４２ａ、導出パイプ部分４２ｃ、屈曲パイプ部分４２ｂそれぞれを、凝縮部４０の平面視においてケーシング４１の側面と蒸気供給管５０の開口位置との間に位置させている。つまり、蒸気供給管５０の開口の上方には、ＬＬＣパイプ４２が位置しないようにしている。このため、凝縮部４０での熱交換によって凝縮した液相状の熱媒体が、その自重によりＬＬＣパイプ４２から滴下したとしても、その液相状の熱媒体が蒸気供給管５０を経て熱回収部３０へ戻されるといったことはない。つまり、液相状の熱媒体は、常に、凝縮水還流部６０を経て熱回収部３０へ戻されることになる。このため、熱媒体の循環に逆流が生じることなく、円滑な循環動作が行われ、効率の良い熱回収が実現できる。

また、上述した如く、排熱回収装置２０はフロアパネル１７のトンネル部１７ａ内に収容されており、また、凝縮部４０は熱回収部３０の上側に配置されている。このため、車両の走行時においてフロアパネル１７のトンネル部１７ａ内に流れ込む走行風は、熱回収部３０の下面及び側面に沿って流れることになる（図３において破線の斜線を付した領域を参照）。つまり、上記凝縮部４０の側面や上面には殆ど走行風は流れないことになるので、この走行風によって凝縮部４０から熱が奪われてしまうことは殆どない。以下、具体的に説明する。

排熱回収装置２０のうち走行風を受ける領域での移動熱量は以下の式（１）となる。

但し、上記境膜伝熱係数は流体の状態により決まる値であり、平板上の発達した乱流の強制対流伝熱において、

となる。

よって、走行風を受けない領域にあっては強制対流伝熱は生じないため、走行風を受ける領域（熱回収部３０の下面及び側面）が支配的となり、凝縮部４０から熱が奪われてしまうことは殆どない。

このため、凝縮部４０における外部への放熱量（走行風により奪われる熱量）が大幅に低減されることになり、排熱回収効率の向上を図ることができる。また、ＬＬＣパイプ４２は凝縮部４０のケーシング４１内部に配設されているため、このＬＬＣパイプ４２を流れる冷却水の熱が走行風により奪われることはない。

また、上記ＬＬＣパイプ４２は外部環境に晒されていないため、塩害腐食等を考慮する必要がなくなる。特に、このＬＬＣパイプ４２は塩害腐食等によって冷却水の漏れが生じた場合にはエンジン１のオーバヒートを回避するべくエンジン停止を余儀なくされるが、この塩害腐食等を考慮する必要がなくなるため、このＬＬＣパイプ４２の構成材料の採用の幅が拡がることになり、比較的安価な材料の選択や、熱交換効率の高い材料（熱伝導率の高い材料）の選択が可能になる。

−変形例−
次に、本発明の変形例について図７に沿って説明する。以下の変形例は、凝縮部４０内におけるＬＬＣパイプ４２の配設状態の変形例である。

図７（ａ）に示すものでは、ＬＬＣパイプ４２の導入パイプ部分４２ａが凝縮部４０のケーシング４１における車体前方側の側壁４１ａを貫通し、略９０°に屈曲する（軸線の延長方向の変更角度が９０°とされた）屈曲パイプ部分４２ｂを経て、導出パイプ部分４２ｃが、凝縮部４０のケーシング４１における車体側方の側壁４１ｂを貫通した構成となっている。つまり、蒸気供給管５０の下流端に対して、図７（ａ）における左方向から上側方向に亘って、導入パイプ部分４２ａ、屈曲パイプ部分４２ｂ、導出パイプ部分４２ｃがそれぞれ位置された構成となっている。

図７（ｂ）に示すものでは、ＬＬＣパイプ４２の導入パイプ部分４２ａが凝縮部４０のケーシング４１における車体側方の側壁４１ｂを貫通し、略１８０°に屈曲する屈曲パイプ部分４２ｂを経て、導出パイプ部分４２ｃが、凝縮部４０のケーシング４１における車体側方の側壁４１ｂを貫通した構成となっている。つまり、蒸気供給管５０の下流端に対して、図７（ｂ）における左方向及び上下方向に、導入パイプ部分４２ａ、屈曲パイプ部分４２ｂ、導出パイプ部分４２ｃがそれぞれ位置された構成となっている。

図７（ｃ）に示すものでは、ＬＬＣパイプ４２の導入パイプ部分４２ａが凝縮部４０のケーシング４１における車体側方の側壁４１ｂを貫通し、略２７０°に屈曲する屈曲パイプ部分４２ｂを経て、導出パイプ部分４２ｃが、凝縮部４０のケーシング４１における車体側方の側壁４１ｂを貫通した構成となっている。

図７（ｄ）に示すものでは、ＬＬＣパイプ４２の導入パイプ部分４２ａが凝縮部４０のケーシング４１における車体前方側の側壁４１ａを貫通し、凝縮部４０のケーシング４１の外部に配置され且つ略１８０°に屈曲する屈曲パイプ部分４２ｂを経て、導出パイプ部分４２ｃが、凝縮部４０のケーシング４１における車体前方側の側壁４１ａを貫通した構成となっている。つまり、蒸気供給管５０の下流端に対して、図７（ｄ）における左右方向に、導入パイプ部分４２ａ、導出パイプ部分４２ｃがそれぞれ位置された構成となっている。この図７（ｄ）に示すものにあっては、屈曲パイプ部分４２ｂが外部環境に晒されることになるため、この屈曲パイプ部分４２ｂの構成材料としては、塩害腐食等を考慮した材料（例えばステンレス）を適用することが必要である。

−他の実施形態−
以上説明した実施形態及び変形例における排熱回収装置２０はガソリンエンジンに設けられたものとしていた。本発明はこれに限らず、ディーゼルエンジンに設けられるものであってもよい。この場合、触媒装置としては例えばＤＰＦ（Diesel Particulate Filter）やＤＰＮＲ（Diesel Particulate -NOx Reduction system）等が適用されることになる。
また、上流側触媒５をＮＯｘ吸蔵還元触媒（ＮＳＲ：NOx storage reduction）として、下流側触媒６をＮＯｘ選択還元触媒（ＳＣＲ：Selective Catalytic Reduction）とすることも可能である。

また、本発明は、動力源として内燃機関と電動モータとを併用可能な構成とされたハイブリッド車両に対しても適用可能である。このハイブリッド車両に適用した場合、冷間時の暖機運転完了（暖機運転完了によるエンジンの停止）を短時間で達成することができ、燃料消費量の削減を図ることができる。

また、上述した実施形態及び変形例におけるＬＬＣパイプ４２では、屈曲パイプ部分４２ｂを１箇所のみに備えていたが、複数箇所で屈曲されたＬＬＣパイプを採用することも可能である。また、屈曲パイプ部分４２ｂの屈曲形状も特に限定されるものではなく、屈曲角度（屈曲パイプ部分４２ｂの軸線の延長方向の変更角度）も鋭角、直角、鈍角の何れであってもよい。

本発明は、自動車用エンジンに搭載され、排気ガスの熱を回収して冷却水の温度上昇を促進させる排熱回収装置に適用可能である。

１ エンジン（内燃機関）
１７ フロアパネル（車両フロア）
１７ａ トンネル部
２０ 排熱回収装置
３０ 熱回収部（受熱部）
４０ 凝縮部（放熱部）
４１ ケーシング
４２ ＬＬＣパイプ（加熱対象流路配管）
４２ａ 導入パイプ部分（第１配管部分）
４２ｂ 屈曲パイプ部分（屈曲配管部分）
４２ｃ 導出パイプ部分（第２配管部分）
５０ 蒸気供給管（流体供給管）
６０ 凝縮水還流部（還流路）

Claims (6)

1. 排気の熱により流体を加熱して蒸発させるための受熱部と、この受熱部で蒸発した気相状の流体を受け入れてその流体により加熱対象流体を加熱するための放熱部と、上記受熱部で蒸発した気相状の流体を放熱部の内部空間に供給する流体供給管と、上記放熱部で凝縮して液相状となった流体を上記受熱部へ戻すための還流路とを備えた排熱回収装置において、
   上記放熱部の内部空間には、この内部空間への加熱対象流体の流入経路を成す第１配管部分と、この内部空間またはこの内部空間の外側において屈曲された屈曲配管部分を介して第１配管部分に連続され且つこの内部空間からの加熱対象流体の流出経路を成す第２配管部分とを有する加熱対象流路配管が配設されており、
   上記放熱部の内部空間における上記流体供給管の開口位置は、上記第１配管部分と第２配管部分との間の空間に上記気相状の流体を供給する位置に設定されていることを特徴とする排熱回収装置。
2. 請求項１記載の排熱回収装置において、
   上記屈曲配管部分は、上記放熱部の内部空間に配置されて第１配管部分と第２配管部分とを連続させるものであり、
   上記流体供給管の開口位置は、上記第１配管部分、屈曲配管部分及び第２配管部分によって囲まれた空間に上記気相状の流体を供給する位置に設定されていることを特徴とする排熱回収装置。
3. 請求項１または２記載の排熱回収装置において、
   上記放熱部は、受熱部の直上方に配設されており、
   上記流体供給管は、受熱部の上部と放熱部の下部とを連結してそれぞれの内部空間を互いに連通させる構成となっていることを特徴とする排熱回収装置。
4. 請求項３記載の排熱回収装置において、
   車両に搭載された内燃機関から排出される排気ガスの熱を回収するものであって、
   上記受熱部及び放熱部は、車両フロアに形成されているトンネル部の下側空間に収容配置されていることを特徴とする排熱回収装置。
5. 請求項３または４記載の排熱回収装置において、
   上記第１配管部分及び第２配管部分は、放熱部の平面視において放熱部のケーシング側面と流体供給管との間に位置していることを特徴とする排熱回収装置。
6. 請求項３、４または５記載の排熱回収装置において、
   上記流体供給管における上記放熱部の内部空間での上端高さ位置は、上記第１配管部分及び第２配管部分の下端の高さ位置と同一高さ位置、または、この第１配管部分及び第２配管部分の下端の高さ位置よりも低い位置に設定されていることを特徴とする排熱回収装置。

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