JP2011191033A - 熱回収装置 - Google Patents

Abstract

【課題】高温流体の温度が高いことに起因して熱交換効率が低下することを抑制することのできる熱回収装置を提供する。
【解決手段】この熱回収装置６０は、作動媒体と排気との間で熱交換を行う蒸発部７０と、同蒸発部７０から供給された作動媒体の蒸気と冷却水との間で熱交換を行う凝縮部８０とを含み、蒸発部７０と凝縮部８０との間で作動媒体を循環させる。蒸発部７０で生じた作動媒体の蒸気を蒸発部７０内に閉じこめる蒸気保持部７４が設けられ、この蒸気保持部７４には作動媒体が流れ込む開口部７４Ｋが設けられる。
【選択図】図３

Description

本発明は、作動媒体と高温流体との間で熱交換を行う蒸発部と、同蒸発部から供給された作動媒体の蒸気と低温流体との間で熱交換を行う凝縮部とを含み、前記蒸発部と前記凝縮部との間で作動媒体を循環させる熱回収装置に関する。

上記熱回収装置としては、例えば特許文献１に記載のものが知られている。
従来の熱回収装置は、作動媒体が流れる第１の媒体流路、およびこの第１の媒体流路と隣り合うところに設けられて内部に高温流体が流れる高温流路を含む蒸発部と、同蒸発部から供給された作動媒体の蒸気が流れる第２の媒体流路、およびこの媒体流路と隣り合うところに設けられて内部に低温流体が流れる低温流路を含む凝縮部とを備えている。

そして、蒸発部において液状の作動媒体と高温流体との熱交換により生じた蒸気が凝縮部に供給され、凝縮部において作動媒体の蒸気と低温流体との間で熱交換が行われる。すなわち、高温流体の熱が作動媒体を介して低温流体に伝達される。

特開２００８−０５１４７９号公報

ところで、高温流体の温度が高いときには作動媒体の蒸発量が多くなるため、蒸発部の作動媒体の液位が低くなるとともに同媒体と高温流路との接触面積が小さくなる。このため、高温流体の温度が低いときと比較して作動媒体と高温流体との間での熱交換効率が低下する。特許文献１の熱回収装置をはじめとする従来の熱回収装置においては、上記の問題点についての対策が行われていないため、この点において改善の余地が残されている。

本発明はこのような実情に鑑みてなされたものであり、その目的は、高温流体の温度が高いことに起因して熱交換効率が低下することを抑制することのできる熱回収装置を提供することにある。

以下、上記目的を達成するための手段およびその作用効果について記載する。
（１）請求項１に記載の発明は、作動媒体と高温流体との間で熱交換を行う蒸発部と、同蒸発部から供給された作動媒体の蒸気と低温流体との間で熱交換を行う凝縮部とを含み、前記蒸発部と前記凝縮部との間で作動媒体を循環させる熱回収装置において、前記蒸発部で生じた作動媒体の蒸気を前記蒸発部内に閉じこめる蒸気保持部が設けられ、この蒸気保持部には作動媒体が流れ込む開口部が設けられることを要旨としている。

この発明によれば、作動媒体の蒸気が蒸発部内に閉じこめられたとき、蒸発部内に滞留している作動媒体に蒸気保持部内の蒸気圧が加えられる。これにより、蒸発部内の作動媒体のうち蒸気保持部に対応する部分の液位が押し下げられるため、蒸発部内の他の部分においては作動媒体の液位が押し上げられる。これにより、高温流体が流れる高温流路と作動媒体との接触面積が大きくなるため、高温流体の温度が高いことに起因して熱交換効率が低下することを抑制することができる。

（２）請求項２に記載の発明は、請求項１に記載の熱回収装置において、前記蒸発部の壁部のうち前記高温流体が流れる高温流路と接する部分を高温壁部として、この高温壁部と隣り合うところに前記蒸気保持部が設けられることを要旨としている。

この発明によれば、蒸発部の高温壁部と隣り合うところに蒸気保持部が設けられているため、同蒸気保持部に閉じこめられた蒸気により蒸発部の高温壁部が冷却される。従って、同壁部の変形を抑制することができる。

（３）請求項３に記載の発明は、請求項１または２に記載の熱回収装置において、前記蒸発部には前記凝縮部から供給された作動媒体を貯留する側部貯留部が設けられ、前記蒸発部の壁部のうち前記高温流体が流れる高温流路と接する部分を高温壁部として、この高温壁部と隣り合うところに前記側部貯留部が設けられることを要旨としている。

この発明によれば、蒸発部の高温壁部と隣り合うところに側部貯留部が設けられているため、同貯留部内の作動媒体により蒸発部の高温壁部が冷却される。従って、同壁部の変形を抑制することができる。

（４）請求項４に記載の発明は、請求項２を引用する請求項３に記載の熱回収装置において、前記蒸発部の一方の側壁としての高温壁部と隣り合うところに前記蒸気保持部が設けられ、前記蒸発部の一方の側壁と対をなす前記蒸発部の他方の側壁としての高温壁部と隣り合うところに前記側部貯留部が設けられることを要旨としている。

この発明によれば、蒸発部の高温壁部と隣り合うところに蒸気保持部および側部貯留部が設けられているため、蒸気保持部内および側部貯留部内の作動媒体により蒸発部の高温壁部が冷却される。従って、同壁部の変形を抑制することができる。

（５）請求項５に記載の発明は、請求項２〜４のいずれか一項に記載の熱回収装置において、前記凝縮部は、前記低温流体との熱交換により発生した作動媒体の凝縮液を貯留する凝縮貯留部を含むことを要旨としている。

（６）請求項６に記載の発明は、請求項１〜５のいずれか一項に記載の熱回収装置において、前記蒸発部で発生した作動媒体の蒸気を前記凝縮部に供給する第１通路と、前記凝縮部で発生した作動媒体の凝縮液を前記蒸発部に供給する第２通路とを含むことを要旨としている。

この発明によれば、蒸発部で発生した作動媒体の蒸気が第１通路を介して凝縮部に流れ込む。また、凝縮部で発生した作動媒体の凝縮液が第２通路を介して蒸発部に流れ込む。これにより、蒸発部と凝縮部との間で作動媒体が循環する。

（７）請求項７に記載の発明は、請求項６に記載の熱回収装置において、前記第２通路を開放および閉鎖する弁を含むことを要旨としている。
この発明によれば、弁により第２通路が閉鎖されたとき、凝縮部から蒸発部への作動媒体の流れが遮断される。第２通路が閉鎖された状態が継続されたとき、作動媒体の全部が蒸発して凝縮部への蒸気の供給が行われなくなる。すなわち、弁により第２通路を閉鎖することにより、作動媒体と低温流体との間の熱交換を停止することができる。

本発明の熱回収装置を具体化した第１実施形態について、同装置を含む内燃機関の構成を模式的に示す模式図。 同実施形態の熱回収装置について、その平面構造を模式的に示す模式図。 同実施形態の熱回収装置について、図２のＡ−Ａ線に沿う断面構造を模式的に示す模式図。 同実施形態の熱回収装置について、第２冷却回路の冷却水の水温、蒸発部の蒸気圧、および開閉弁の開閉状態の関係を示すグラフ。 同実施形態の熱回収装置について、仮想の熱回収装置と比較して高温時および低温時における作動媒体の液位変位を模式的に示す模式図。 同実施形態の熱回収装置について、仮想の熱回収装置と比較して第２冷却水路の冷却水の水温変化を示すグラフ。 本発明の熱回収装置を具体化した第２実施形態について、同装置を模式的に示す模式図。

（第１実施形態）
図１〜図６を参照して、本発明の第１実施形態について説明する。
図１に、熱回収装置を含む内燃機関の構成を模式的に示す。

内燃機関１は、シリンダブロック１１およびシリンダヘッド１２を含む機関本体１０と、機関本体１０からの排気を外部に排出する排気装置５０と、冷却水を循環して機関本体１０を冷却する熱交換装置２０とを含む。

熱交換装置２０は、機関本体１０を介して冷却水を循環するための冷却水回路３０と、外気と冷却水との間で熱交換を行うラジエータ２１と、車室内の空気と冷却水との間で熱交換を行うヒータコア２２と、排気の熱を回収して冷却水に伝達するための熱回収装置６０とを含む。

冷却水回路３０は、機関本体１０およびラジエータ２１を介して冷却水が循環する第１冷却水回路３０Ａと、機関本体１０およびヒータコア２２および熱回収装置６０を介して冷却水が循環する第２冷却水回路３０Ｂとを含む。

第１冷却水回路３０Ａは、シリンダブロック１１およびシリンダヘッド１２内に形成された第１水通路３１と、第１水通路３１の出口とラジエータ２１の入口とを接続する第２水通路３２と、ラジエータ２１の出口と第１水通路３１の入口とを接続する第３水通路３３とを含む。

第２冷却水回路３０Ｂは、第１水通路３１の入口から第２水通路３２の分岐部３２Ｘまでの部分と、分岐部３２Ｘとヒータコア２２の入口とを接続する第４水通路３４と、ヒータコア２２の出口と熱回収装置６０の入口とを接続する第５水通路３５と、熱回収装置６０の出口と第３水通路３３の合流部３３Ｘとを接続する第６水通路３６と、第３水通路３３の合流部３３Ｘよりも下流側の部分とを含む。

第１冷却水回路３０Ａにおいては次のように冷却水が流れる。すなわち、冷却水は機関本体１０から流れ出て第２水通路３２を経由してラジエータ２１に流れこみ、ラジエータ２１内で外気により冷却される。その後、冷却水は第３水通路３３を経由して機関本体１０に戻り、第１水通路３１内を流れて機関本体１０を冷却する。

第２冷却水回路３０Ｂにおいては次のように冷却水が流れる。すなわち、冷却水は機関本体１０から流れ出て分岐部３２Ｘで分流し第４水通路３４を経由してヒータコア２２に流れ込みヒータコア２２を暖める。その後、冷却水はヒータコア２２から流れ出て第５水通路３５を経由して熱回収装置６０に流れ込み、排気熱により加熱される。そして、熱回収装置６０から流れ出た冷却水は第６水通路３６を経由して合流部３３Ｘを通過し機関本体１０に戻る。

なお、第２冷却水回路３０Ｂを循環する冷却水は所定温度になるまで熱回収装置６０によって加熱される。すなわち、冷却水が所定温度ＴＢよりも低いときに熱回収装置６０が動作する一方、冷却水が所定温度ＴＡよりも高温になったときには熱回収装置６０の動作が停止して冷却水の加熱が停止される。すなわち、冷却水が所定温度ＴＢ以上かつ所定温度ＴＡ以下となるように制御されている。

排気装置５０は、機関本体１０から送り出された排気が流れる排気通路５１と、排気を浄化する排気浄化装置５２と、排気の音を低減するマフラ５３とを含む。また、排気浄化装置５２の下流側において排気通路５１の一部が熱回収装置６０を通過している。

図２に、熱回収装置６０およびその周辺の平面構造を示す。
排気通路５１は複数の分岐通路５４に分岐している。分岐通路５４の上部には、第２冷却水回路３０Ｂがこの分岐通路５４に交差するように配置されている。熱回収装置６０は、分岐通路５４と第２冷却水回路３０Ｂとの交差部分に設けられている。

図３に、図２のＡ−Ａ線に沿う熱回収装置６０の断面構造を示す。
図３に示すように、熱回収装置６０は、作動媒体を蒸発させる蒸発部７０と、作動媒体の蒸気を凝縮させる凝縮部８０とを含めて構成されている。蒸発部７０は、蒸気を発生させるとともに一部の蒸気を保持する蒸発貯留部７１と、発生した蒸気を凝縮部８０に供給する供給流路７８と、凝縮部８０で凝縮された作動媒体を底部貯留部７３に還流する排出流路８３を含む。なお、作動媒体としては例えば水が用いられる。

蒸発貯留部７１は、作動媒体を貯留する底部貯留部７３と、作動媒体と分岐通路５４を通る排気との間で熱交換を行う熱交換部７５と、蒸気を閉じ込める蒸気保持部７４と、凝縮部８０で凝縮された作動媒体を貯留する側部貯留部７２とを備えている。

底部貯留部７３は分岐通路５４の下側に設けられている。底部貯留部７３の端部には側部貯留部７２が設けられている。側部貯留部７２は蒸発部７０の入口側壁部７５Ａに接して設けられている。作動媒体は側部貯留部７２を通じて底部貯留部７３に流れ込む。作動媒体が側部貯留部７２に滞留しているときに入口側壁部７５Ａを冷却する。

熱交換部７５は、底部貯留部７３の上側に設けられている。熱交換部７５の本体部７６内には分岐通路５４が通っている。分岐通路５４同士の間には作動媒体が流通する熱交換流路７７が形成されている。分岐通路５４の内部には、排気熱を分岐通路５４の壁面に伝達する熱交換フィン５５が設けられている。すなわち、高温流体としての排気が流れる分岐通路５４と作動媒体とを接触させることにより排気と作動媒体との間で熱交換が行われる。

蒸発部７０の一方の側壁すなわち入口側壁部７５Ａは、複数の分岐通路５４のうちで一方の外側に配置されている同通路の外側壁を兼ねている。また、蒸発部７０の他方の側壁すなわち保持側壁部７５Ｂは、複数の分岐通路５４のうちで他方の外側に配置されている同通路の外側壁を兼ねている。なお、蒸発部７０の側壁は、熱交換部７５の本体部７６の壁部をも兼ねている。

供給流路７８は熱交換部７５の上部に設けられて、各熱交換流路７７が供給流路７８の下流部に接続されている。供給流路７８の上流部は凝縮部８０に接続されている。すなわち、熱交換流路７７からの蒸気が供給流路７８に流れ込むとともに供給流路７８を通じて凝縮部８０に導かれる。

凝縮部８０は蒸発部７０の上部に設けられている。凝縮部８０は、作動媒体の蒸気を冷却する熱交換室８１と、凝縮した作動媒体を貯留する凝縮貯留部８２とを備えている。熱交換室８１には、低温流体としての冷却水が流れる第２冷却水回路３０Ｂが通っている。第２冷却水回路３０Ｂと作動媒体の蒸気とを接触させることにより作動媒体が凝縮する。凝縮貯留部８２は熱交換室８１の下部に設けられている。凝縮貯留部８２の底部には作動媒体を蒸発部７０に戻す排出流路８３が設けられている。

蒸気保持部７４の下部には作動媒体が流通する開口部７４Ｋが設けられて、開口部７４Ｋは底部貯留部７３に接続されている。蒸気保持部７４の上部は閉塞されて片閉空間を形成している。蒸気保持部７４には、開口部７４Ｋを通じて作動媒体が流れ込む。蒸気保持部７４は、蒸発部７０において側部貯留部７２が設けられている入口側壁部７５Ａとは反対側の保持側壁部７５Ｂに接して設けられている。蒸気保持部７４の内部の作動媒体は、保持側壁部７５Ｂを通じて排気熱により加熱される一方で、作動媒体は保持側壁部７５Ｂを冷却する。蒸気保持部７４で発生した蒸気は、蒸気保持部７４の片閉空間内に蓄えられる。

排出流路８３には開閉弁８４が設けられている。開閉弁８４は供給流路７８により熱交換部７５と接続されて、熱交換部７５の蒸気圧により駆動する。開閉弁８４は、熱交換部７５の蒸気圧が所定圧力ＰＢのときに開弁することにより、排出流路８３を開放する。また開閉弁８４は、所定圧力ＰＢよりも大きい所定圧力ＰＡに達したときに閉弁することにより、排出流路８３を閉鎖する。排出流路８３の閉鎖により、凝縮貯留部８２からの底部貯留部７３への作動媒体の還流が停止する。

ここで、熱回収装置６０内の作動媒体の循環態様について説明する。
作動媒体は排気通路５１の熱交換流路７７内で分岐通路５４の壁面に接触して排気熱により加熱される。作動媒体の一部は蒸気となって供給流路７８を通じて凝縮部８０に流れ込み、第２冷却水回路３０Ｂの管壁に接触して凝縮する。凝縮液となった作動媒体は第２冷却水回路３０Ｂの管壁から凝縮貯留部８２に滴下して凝縮貯留部８２に溜まる。凝縮貯留部８２の作動媒体は排出流路８３および側部貯留部７２を通じて底部貯留部７３に戻される。このような作動媒体の循環により、作動媒体を媒体として排気と冷却水との間で熱交換が行われる。

次に、開閉弁の動作について説明する。
作動媒体の加熱が持続されると蒸気圧が上昇する。蒸気圧が所定圧力ＰＡ以上になると開閉弁８４が閉弁する。排出流路８３からの作動媒体の底部貯留部７３への還流が阻止される。このような状態で熱交換部７５での作動媒体の加熱が維持されると、凝縮貯留部８２に作動媒体が溜り続ける。この状態は、熱交換部７５内の作動媒体がなくなるまで持続する。そして、熱交換部７５内の作動媒体がなくなったとき熱交換部７５で蒸気が発生しなくなるため、第２冷却水回路３０Ｂの加熱が止まる。すなわち、機関本体１０から排気が排出されているときでも、蒸気圧が所定圧力ＰＡ以上となったときには、第２冷却水回路３０Ｂの冷却水の加熱が停止される。

次に、作動媒体の蒸気圧と冷却水の温度の関係について説明する。
蒸発部７０の蒸気圧は、第２冷却水回路３０Ｂに流れる冷却水の温度の影響を受けている。すなわち、内燃機関１の駆動が開始されると、作動媒体が加熱されて蒸発部７０内で蒸気が発生する。蒸気は凝縮部８０に流れ込み凝縮部８０内で凝縮する。このため、第２冷却水回路３０Ｂの冷却水の温度が所定範囲にあるときは蒸発部７０内の蒸気圧は所定範囲の値に維持される。第２冷却水回路３０Ｂの冷却水の温度が上昇すると、凝縮部８０内での蒸気の凝縮量が少なくなるため蒸発部７０内の蒸気圧が上昇する。第２冷却水回路３０Ｂの冷却水の温度が低下すると、凝縮部８０での蒸気の凝縮量が多くなるため蒸気圧が低下する。すなわち、蒸発部７０の蒸気圧は、第２冷却水回路３０Ｂの冷却水の温度に相関する。

開閉弁８４の開弁するときの所定圧力ＰＢは、第２冷却水回路３０Ｂの冷却水に所定温度ＴＢに対応する値として設定されている。開閉弁８４の閉弁するときの所定圧力ＰＡは、第２冷却水回路３０Ｂの冷却水に所定温度ＴＡに対応する値として設定されている。なお、所定温度ＴＡは所定温度ＴＢよりも大きい値をとる。

第２冷却水回路３０Ｂの冷却水が所定温度ＴＡ以上のとき、すなわち蒸気圧が所定圧力ＰＡ以上のとき、開閉弁８４が閉弁して、第２冷却水回路３０Ｂの冷却水の加熱が停止される。第２冷却水回路３０Ｂの冷却水が所定温度ＴＢ以下のとき、すなわち蒸気圧が所定圧力ＰＢ以下のときに、開閉弁８４が開弁して、第２冷却水回路３０Ｂの冷却水が排気熱により加熱される。すなわち、冷却水の温度は所定温度ＴＡと所定温度ＴＢとの間に制御される。

図４を参照して、開閉弁８４の動作と第２冷却水回路３０Ｂの冷却水の温度との関係について説明する。
時刻ｔ１すなわち、第２冷却水回路３０Ｂの冷却水の温度が所定温度ＴＢ以下のとき、蒸気圧が所定圧力ＰＢ以下となるため、開閉弁８４が開弁した状態に維持される。すなわち、凝縮部８０で凝縮した作動媒体が排出流路８３を通じて底部貯留部７３に還流して、作動媒体が熱回収装置６０内で循環するため、排気熱により第２冷却水回路３０Ｂの冷却水が加熱される。

その後、排気熱により熱交換部７５の作動媒体が暖められるため、蒸気圧が上昇するとともに、第２冷却水回路３０Ｂの冷却水は熱交換部７５からの蒸気により加熱されるため、第２冷却水回路３０Ｂの冷却水の温度も上昇する。第２冷却水回路３０Ｂの冷却水は機関本体１０によっても暖められる。なお、第２冷却水回路３０Ｂの冷却水の温度が所定温度ＴＡ未満である間、すなわち時刻ｔ１〜ｔ２までの間は、蒸気圧が所定圧力ＰＡ未満となるため、開閉弁８４が開弁状態に維持される。

時刻ｔ２すなわち、第２冷却水回路３０Ｂの冷却水が所定温度ＴＡのとき、蒸気圧が所定圧力ＰＡとなり開閉弁８４が閉弁する。すると、作動媒体の循環が停止して、作動媒体の全てが凝縮貯留部８２に蓄えられて熱交換部７５の作動媒体がなくなる。このため熱交換部７５での蒸気の発生が停止する。また、排気熱による第２冷却水回路３０Ｂの加熱が停止する。これにともない、蒸気圧の上昇が止まるとともに第２冷却水回路３０Ｂの冷却水の温度上昇も止まる。

時刻ｔ３すなわち、内燃機関１が停止したとき、機関本体１０による第２冷却水回路３０Ｂの冷却水の加熱が停止するため、第２冷却水回路３０Ｂの冷却水の温度が低下し始める。またこれにともない熱交換部７５の蒸気圧が低下する。第２冷却水回路３０Ｂの冷却水の温度が所定温度ＴＢ以上である間、すなわち時刻ｔ３〜ｔ４までの間は、蒸気圧が所定圧力ＰＢより大きいため、開閉弁８４が閉弁した状態に維持される。

時刻ｔ４すなわち、第２冷却水回路３０Ｂの冷却水が所定温度ＴＢのとき、蒸気圧が所定圧力ＰＢとなり開閉弁８４が開弁する。このとき、凝縮部８０で凝縮した作動媒体が排出流路８３を通じて底部貯留部７３に還流して作動媒体が熱回収装置６０内で循環するようになる。このため、排気熱により第２冷却水回路３０Ｂの冷却水が加熱されるようになる。以降、上記時刻ｔ１〜時刻ｔ４までのサイクルが繰り返される。

図５（ａ）を参照して熱回収装置６０の熱交換部７５の液位の変動について説明する。
内燃機関１が停止しているとき、すなわち作業媒体が低温のときは、熱回収装置６０の作動媒体の液位は熱交換部７５の上方にある。内燃機関１が駆動し始めたとき、分岐通路５４に流れる排気により作動媒体が加熱され、その一部が蒸発する。蒸気は熱交換流路７７および供給流路７８を通って凝縮部８０に導かれ、凝縮部８０内の第２冷却水回路３０Ｂに接触して凝縮する。凝縮した作動媒体は排出流路８３および凝縮貯留部８２を通じて底部貯留部７３に戻される。

内燃機関１の駆動が維持されて熱交換部７５が高温になると、作動媒体の蒸発により、熱交換部７５の液位が低下するとともに、凝縮貯留部８２の液位が上昇する。これは、作動媒体は排出流路８３を通じて底部貯留部７３に還流されるものの、排出流路８３が細いため作動媒体の底部貯留部７３への戻りが遅くなるためである。

一方、蒸気保持部７４では、保持側壁部７５Ｂからの熱によりこの蒸気保持部７４内の作動媒体が加熱されて蒸気が発生する。蒸気保持部７４の上部は閉塞されているため、この蒸気は蒸気保持部７４内に保持される。蒸気保持部７４内の蒸気は同蒸気保持部７４内の作動媒体の液位を押し下げて、熱交換部７５内の液位を上昇させる。

すなわち、熱交換部７５内での作動媒体の蒸発は、熱交換部７５の液位を低下させるように作用するのに対して、蒸気保持部７４内での作動媒体の蒸発は、熱交換部７５の液位を上昇させるように作用する。このため、蒸気保持部７４がない構造の熱回収装置６０と比較して、低温時と高温時との間の熱交換部７５の液位の変動量は小さくなる。

図５（ａ）および図５（ｂ）を参照して、蒸気保持部７４を備えることにより奏する効果について説明する。ここでは、熱回収装置６０から蒸気保持部７４を省略した仮想の熱回収装置を「仮想回収装置」として、この仮想回収装置の熱交換態様と熱回収装置６０の熱交換態様とを対比して上記効果の説明をする。なお、仮想熱回収装置１００は蒸気保持部７４が設けられていない点を除いては内燃機関１と同じ構成を有するものとする。すなわち、熱交換部７５の構造は、分岐通路５４の数、排気通路５１の断面積の大きさ、熱交換フィン５５の構造、熱交換流路７７の長さおよび断面席の大きさ等について、本実施形態の同様の熱交換部７５と同様の構造としている。このため、本実施形態の熱回収装置６０の熱交換部７５の液位と仮想熱回収装置１００の熱交換部７５の液位とが同じ高さにあるとすれば、熱交換部７５での熱変換効率が同じものとなる。また、熱回収装置６０および仮想熱回収装置１００が装着される内燃機関１は出力について同一のものとし、排気通路５１を通じて熱回収装置６０および仮想熱回収装置１００に入力される熱量は同等とする。

同図には、熱回収装置６０の熱交換部７５の液位変動と、仮想熱回収装置１００の熱交換部７５の液位変動とを示している。すなわち、内燃機関１の始動時すなわち熱交換部７５が低温であるときの熱交換部７５内の作動媒体の液位（以下、低温時の液位）と、内燃機関１が所定時間駆動した時点すなわち熱交換部７５が高温であるときの熱交換部７５内の作動媒体の液位（高温時の液位）とが示されている。なお、各図の二点鎖線は低温時の液位を示し、実線は高温時の液位を示す。

低温時の液位は、熱回収装置６０と仮想熱回収装置１００ともに同じ高さにある。すなわち、低温時において、作動媒体と分岐通路５４の壁面とが接触する接触面積は、熱回収装置６０と仮想熱回収装置１００との間で同じものとなる。これに対して、高温時は、本実施形態の熱回収装置６０の作動媒体の液位の方が、仮想熱回収装置１００の作動媒体の液位に比べて高い位置にある。すなわち、高温時においては、熱回収装置６０の接触面積の方が、仮想熱回収装置１００の接触面積よりも大きい。このような接触面積の相違は熱交換効率の相違として現れる。仮想熱回収装置１００では、高温時においては熱交換効率が低下するため、第２冷却水回路３０Ｂの冷却水を暖める加熱効率が低下する。これに対し、熱回収装置６０では高温時においても接触面積が比較的維持されて熱交換効率の低下が抑制されるため第２冷却水回路３０Ｂの冷却水を暖める加熱効率の低下が抑制される。

図６に、熱回収装置６０と仮想熱回収装置１００との間の冷却水の加熱効率の相違を表すグラフを示す。実線が本実施形態の熱回収装置６０についての冷却水の温度変化グラフを示し、点線が仮想熱回収装置１００についての冷却水の温度変化グラフを示している。

第２冷却水回路３０Ｂの冷却水の温度制御は、仮想熱回収装置１００と本実施形態の熱回収装置６０との間に相違はなく、いずれの装置とも同様の開閉弁８４を備えて図４に示すグラフのように冷却水の温度を制御する。すなわち、両者とも、第２冷却水回路３０Ｂの冷却水を所定温度ＴＡと所定温度ＴＢとの間で制御する。

ここに示されるように両者が相違するのは冷却水の昇温速度にある。上記したように、仮想熱回収装置１００では、高温になると作動媒体と分岐通路５４との接触面積が小さくなって低温から高温にかけて蒸発量は低下する。このため、低温から高温にかけて第２冷却水回路３０Ｂの加熱度合いが大きく低下して第２冷却水回路３０Ｂの冷却水の温度上昇の程度が小さくなる。

これに対して、熱回収装置６０では、高温のときにも作動媒体と分岐通路５４との接触面積が大きく変化しないため、低温から高温にかけて蒸発量は大きく低下しない。このため、低温から高温にかけて第２冷却水回路３０Ｂの加熱度合いが大きく低下せずに速やか第２冷却水回路３０Ｂの冷却水の温度が上昇する。

本実施形態の熱回収装置６０によれば以下に示す効果を奏することができる。
（１）本実施形態では、蒸発部で生じた作動媒体の蒸気を蒸発部内に閉じこめる蒸気保持部が設けられるともに、この蒸気保持部に、作動媒体が流れ込む開口部７４Ｋが設けられている。

この構成によれば、作動媒体の蒸気が蒸発部７０内に閉じこめられたとき、蒸発部７０内に滞留している作動媒体に蒸気保持部７４内の蒸気圧が加えられる。これにより、蒸発部７０内の作動媒体のうち蒸気保持部７４に対応する部分の液位が押し下げられるため、熱交換部７５内においては作動媒体の液位が押し上げられる。これにより、排気が流れる分岐通路５４と作動媒体との接触面積が大きくなるため、排気の温度が高いことに起因して熱交換効率が低下することを抑制することができる。

なお、作動媒体の高温状態における熱交換効率を従来の熱回収装置と同じとするならば、熱回収装置６０を小型にすることができる。すなわち、熱回収装置は、作動媒体が高温になるときでも分岐通路５４と作動媒体との接触面積とが確保する必要がある。従来の熱交換流路７７では、作動媒体が高温になるときの熱交換部７５内の作動媒体の液位の低下を想定して熱交換流路７７の長さが決められていた。一方、上記構成によれば、作動媒体が高温になるときでも熱交換部７５内の作動媒体の液位の低下が抑制されるため、熱交換流路７７の長さを従来に比べて短くすることができる。すなわち、作動媒体が高温になるときの熱変換効率を従来のものと同じに設定する場合は、熱交換部７５ひいては熱回収装置６０を小型化することができる。

（２）本実施形態では、蒸発部７０の保持側壁部７５Ｂと隣り合うところに蒸気保持部７４が設けられる。この構成によれば、蒸気保持部７４に閉じこめられた蒸気により保持側壁部７５Ｂが冷却される。従って、保持側壁部７５Ｂの変形を抑制することができる。

（３）本実施形態では、蒸発部７０の入口側壁部７５Ａと隣り合うところに側部貯留部７２が設けられる。この構成によれば、側部貯留部７２内の作動媒体により入口側壁部７５Ａが冷却される。従って、同入口側壁部７５Ａの変形を抑制することができる。

（４）本実施形態では、蒸発部７０の保持側壁部７５Ｂと隣り合うところに蒸気保持部７４が設けられるとともに、蒸発部７０の入口側壁部７５Ａと隣り合うところに側部貯留部７２が設けられている。

この構成によれば、排気により高温となる壁部と隣り合うところに蒸気保持部７４および側部貯留部７２が設けられているため、蒸気保持部７４内および側部貯留部７２内の作動媒体により蒸発部７０の壁部が冷却される。従って、同壁部の変形を抑制することができる。

（５）本実施形態では、排出流路８３を開放および閉鎖する開閉弁８４が設けられている。この構成によれば、開閉弁８４により排出流路８３が閉鎖されたとき、凝縮部８０から蒸発部７０への作動媒体の流れが遮断される。このため、排出流路８３が閉鎖された状態が継続されたとき、作動媒体の全部が蒸発して凝縮部８０への蒸気の供給が行われなくなる。すなわち、開閉弁８４を駆動して排出流路８３を閉鎖することにより作動媒体と冷却水との間の熱交換を停止することができる。

（第２実施形態）
図７を参照して、本発明の熱回収装置を具体化した第２実施形態について説明する。
本実施形態の熱回収装置６０は、第１実施形態の構成に対して次の変更を加えたものとなっている。すなわち、第１実施形態の熱回収装置６０では蒸発部７０に対して一方の保持側壁部７５Ｂに蒸気保持部７４を設けるとともに他方の入口側壁部７５Ａに側部貯留部７２を設けた構成としている。これに対して、本実施形態の熱回収装置６０では蒸発部７０の入口側壁部７５Ａおよび保持側壁部７５Ｂにそれぞれ蒸気保持部７４を設ける構成としている。以下、この変更にともない生じる前記第１実施形態の構成からの詳細な変更について説明する。なお、前記第１実施形態と共通する構成については同一の符合を付してその説明を省略する。

本実施形態の熱回収装置６０には、２つの蒸気保持部すなわち第１蒸気保持部７４Ａおよび第２蒸気保持部７４Ｂが蒸発部７０の両側壁に設けられている。すなわち、第１蒸気保持部７４Ａは、蒸発部７０の入口側壁部７５Ａに設けられている。第２蒸気保持部７４Ｂは、入口側壁部７５Ａとは反対側の保持側壁部７５Ｂに設けられている。第１蒸気保持部７４Ａおよび第２蒸気保持部７４Ｂは、その下部において底部貯留部７３に接続される一方でその上部は閉塞されて片閉空間を形成している。また、第２蒸気保持部７４Ｂの底部には排出流路８３が接続されている。

本実施形態の熱回収装置６０によれば、先の第１実施形態による前記（１）の効果、すなわち排気の温度が高いことに起因して熱交換効率が低下することを抑制することができる旨の効果、ならびに（２）および（５）の効果に加えて、さらに以下に示す効果を奏することができる。

（６）本実施形態では、第１蒸気保持部７４Ａが蒸発部７０の一方の入口側壁部７５Ａに設けられるとともに、第２蒸気保持部７４Ｂが蒸発部７０の他方の保持側壁部７５Ｂに接して設けられている。この構成によれば、蒸気保持部７４が蒸発部７０の両壁に設けられているため、蒸気保持部７４が１つ設けられたものと比較して、熱交換部７５の液位を上昇させる効果が大きくなる。これにより、熱交換効率の低下の抑制効果を大きくすることができる。

（その他の実施形態）
なお、本発明の実施態様は上記各実施形態にて例示した態様に限られるものではなく、これを例えば以下に示すように変更して実施することもできる。また以下の各変形例は、上記各実施形態についてのみ適用されるものではなく、異なる変形例同士を互いに組み合わせて実施することもできる。

・上記第２実施形態では蒸気保持部７４を２つ備え、上記第１実施態では蒸気保持部７４を１つ備えたものとして熱回収装置６０を構成しているが、蒸気保持部７４の個数は１または２に限定されるものではない。

・上記第１実施形態では、蒸発部７０の一部として蒸気保持部７４を設けているが、次の（Ａ）〜（Ｃ）に変更もできる。
（Ａ）蒸気保持部７４を蒸発部７０とは別体に形成し、これを蒸発部７０に取り付ける。
（Ｂ）蒸気保持部７４を蒸発部７０とは別体に形成し、熱交換部７５の本体部７６に取り付ける。
（Ｃ）蒸気保持部７４を熱交換部７５の本体部７６の一部として形成する。

・上記第１実施形態では、蒸発部７０の入口側壁部７５Ａに側部貯留部７２を設ける構成としているが、このような側部貯留部７２を省略してもよい。このような場合であっても、上記（１）および（２）の効果を奏する。

・上記第１実施形態では、開閉弁８４は熱交換部７５の蒸気圧に連動して駆動するように構成されているが、これに代えて、第２冷却水回路３０Ｂの冷却水の温度に基づいて駆動するように構成してもよい。

・上記第１実施形態では、排出流路８３に開閉弁８４を設ける構成としているが、これらの構成を省略してもよい。この場合は、排出流路８３を通じて底部貯留部７３に還流する作動媒体の流れを停止することができないため、開閉弁８４の閉鎖による第２冷却水回路３０Ｂの加熱の停止を行うことはできなくなるものの、このような構成であっても上記（１）〜（４）の効果を奏する。

・上記第１実施形態では、蒸発部７０の保持側壁部７５Ｂに隣り合うように蒸気保持部７４を設けているが、これに代えて、蒸気保持部７４を保持側壁部７５Ｂから離して設けてもよい。この場合は、蒸気保持部７４が分岐通路５４により加熱されないためその当該部分で保持される蒸気量が少なくなる。しかし、分岐通路５４に流通する排気温度の急激な上昇にともなう蒸気保持部７４の作動媒体の過熱が抑制されるため、液位の急激な変動が抑制される。

・上記第１実施形態では、蒸気保持部７４を蒸発部７０の壁部に設けているが、蒸気保持部７４を熱交換部７５の内部に設けてもよい。例えば、熱交換流路７７の一つ選び出しその上端を閉塞することにより、これを蒸気保持部７４としてもよい。このような蒸気保持部７４の場合は、蒸気保持部７４がその両側の分岐通路５４から加熱されるため、蒸気の発生量が増大する。これにより、高温時と低温時との液位の差をさらに小さくすることができる。

・上記第１実施形態では、排気通路５１を分岐して各分岐通路５４の間を熱交換流路７７に作動媒体を通過させる構造としているが、排気通路５１に熱交換流路７７を設けない構成としてよい。この場合は、例えば、排気通路５１の側壁に作動媒体を接触させて同作動媒体を加熱することができる。また、熱交換流路７７の代わりに、排気通路５１の側壁に溝を設けてもよい。

・上記第１実施形態では、凝縮部８０は熱交換部７５の上部に設けられているが、凝縮部８０の配置は同位置に限定されない。例えば、熱交換部７５の横側に配置してもよい。すなわち、熱交換部７５で発生した蒸気が凝縮しないで届く範囲の場所であれば、凝縮部８０の配置場所は限定されない。

・上記第１実施形態では、排気通路５１が熱交換部７５内を通っているが、これに代えて排気通路５１の一部が熱交換部７５を通るように構成してもよい。すなわち、排気通路５１に、蒸発部７０を迂回するバイパス通路を設けてもよい。

・上記第１実施形態では、作動媒体を加熱する手段として内燃機関１の排気通路５１の排気熱を用いているが、本発明の加熱手段はこのような手段に限定されない。
・上記各実施形態では、第２冷却水回路３０Ｂは凝縮部８０を通る構成としているが、これに代えて、第２冷却水回路３０Ｂの一部が凝縮部８０を通過する構成としてもよい。すなわち第２冷却水回路３０Ｂに、凝縮部８０を迂回するバイパス通路を設けてもよい。

・上記各実施形態では、作動媒体により加熱する対象を内燃機関１の第２冷却水回路３０Ｂとしているが、本発明における加熱対象物は当該第２冷却水回路３０Ｂに限定されるものではなく、蒸気温度よりも温度が低くなるものであって加熱を要するものであれば、これを対象物とすることができる。

１…内燃機関、１０…機関本体、１１…シリンダブロック、１２…シリンダヘッド、２０…熱交換装置、２１…ラジエータ、２２…ヒータコア、３０…冷却水回路、３０Ａ…第１冷却水回路、３０Ｂ…第２冷却水回路、３１…第１水通路、３２…第２水通路、３２Ｘ…分岐部、３３…第３水通路、３３Ｘ…合流部、３４…第４水通路、３５…第５水通路、３６…第６水通路、５０…排気装置、５１…排気通路、５２…排気浄化装置、５３…マフラ、５４…分岐通路（高温流路）、５５…熱交換フィン、６０…熱回収装置、７０…蒸発部、７１…蒸発貯留部、７２…側部貯留部、７３…底部貯留部、７４…蒸気保持部、７４Ａ…第１蒸気保持部、７４Ｂ…第２蒸気保持部、７４Ｋ…開口部、７５…熱交換部、７５Ａ…入口側壁部（高温壁部）、７５Ｂ…保持側壁部（高温壁部）、７６…本体部、７７…熱交換流路、７８…供給流路（第１通路）、８０…凝縮部、８１…熱交換室、８２…凝縮貯留部、８３…排出流路（第２通路）、８４…開閉弁、１００…仮想熱回収装置。

Claims (7)

1. 作動媒体と高温流体との間で熱交換を行う蒸発部と、同蒸発部から供給された作動媒体の蒸気と低温流体との間で熱交換を行う凝縮部とを含み、前記蒸発部と前記凝縮部との間で作動媒体を循環させる熱回収装置において、
   前記蒸発部で生じた作動媒体の蒸気を前記蒸発部内に閉じこめる蒸気保持部が設けられ、この蒸気保持部には作動媒体が流れ込む開口部が設けられる
   ことを特徴とする熱回収装置。
2. 請求項１に記載の熱回収装置において、
   前記蒸発部の壁部のうち前記高温流体が流れる高温流路と接する部分を高温壁部として、この高温壁部と隣り合うところに前記蒸気保持部が設けられる
   ことを特徴とする熱回収装置。
3. 請求項１または２に記載の熱回収装置において、
   前記蒸発部には前記凝縮部から供給された作動媒体を貯留する側部貯留部が設けられ、前記蒸発部の壁部のうち前記高温流体が流れる高温流路と接する部分を高温壁部として、この高温壁部と隣り合うところに前記側部貯留部が設けられる
   ことを特徴とする熱回収装置。
4. 請求項２を引用する請求項３に記載の熱回収装置において、
   前記蒸発部の一方の側壁としての高温壁部と隣り合うところに前記蒸気保持部が設けられ、前記蒸発部の一方の側壁と対をなす前記蒸発部の他方の側壁としての高温壁部と隣り合うところに前記側部貯留部が設けられる
   ことを特徴とする熱回収装置。
5. 請求項１〜４のいずれか一項に記載の熱回収装置において、
   前記凝縮部は、前記低温流体との熱交換により発生した作動媒体の凝縮液を貯留する凝縮貯留部を含む
   ことを特徴とする熱回収装置。
6. 請求項１〜５のいずれか一項に記載の熱回収装置において、
   前記蒸発部で発生した作動媒体の蒸気を前記凝縮部に供給する第１通路と、前記凝縮部で発生した作動媒体の凝縮液を前記蒸発部に供給する第２通路とを含む
   ことを特徴とする熱回収装置。
7. 請求項６に記載の熱回収装置において、
   前記第２通路を開放および閉鎖する弁を含む
   ことを特徴とする熱回収装置。

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