JP2012102923A - 熱回収装置 - Google Patents

Abstract

【課題】熱媒体が流通する偏平形状の管部材がバーリング加工部に接合された構造に対し、熱媒体の流通の円滑化を図り、且つ応力集中を緩和することができる熱回収装置を提案する。
【解決手段】排熱回収装置の熱回収部のコアはケーシングのロアプレート３７ｄにバーリング加工された開口が形成され、このバーリング加工部７１の内部に偏平形状のチューブ３４が挿入されてロウ付けされた構成となっている。バーリング加工部７１における屈曲部分は、前後端部分７１ｂにおける曲率半径に対して側面部分７１ａにおける曲率半径の方が大きく設定される。これにより、バーリング加工部７１の側面部分７１ａの剛性を高め、バーリング加工部７１の各部の剛性の均等化を図る。
【選択図】図７

Description

本発明は、内燃機関等に設けられ、例えば排気の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熱回収装置に係る。特に、本発明は、熱回収を行う熱媒体が流通する管部材（チューブ）の接合箇所の構成の改良に関する。

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、蒸発部（熱回収部）と凝縮部とを備え、これら蒸発部と凝縮部との間で熱媒体（例えば水等の冷媒）を循環させるようになっている。具体的に、蒸発部では、熱媒体と排気ガスとの間で熱交換を行い排気ガスの熱によって熱媒体を蒸発させる。そして、気相となった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、例えばエンジンの冷間始動時におけるエンジンの暖機運転時間を短縮化し、燃料消費率の改善を図ることができる。

また、上記凝縮部では、冷却水との間で熱交換を行った熱媒体が凝縮し、自重によって蒸発部に戻される。そして、この蒸発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。

このような排熱回収装置における上記蒸発部の具体構成としては、熱媒体の導入空間を形成する導入側シェル（例えば下側に位置するシェル）と熱媒体の導出空間を形成する導出側シェル（例えば上側に位置するシェル）との間を金属製の管部材（以下、チューブと呼ぶ場合もある）によって連結している。つまり、凝縮部から導入側シェルを経てチューブに戻された熱媒体を排気ガスの熱によって蒸発させ、気相となった熱媒体を、導出側シェルを経て凝縮部に搬送する構成となっている。また、上記チューブとしては、例えば下記の特許文献３に開示されているように、断面が偏平形状のものとし、チューブの内部流路面積に対する表面積の比率を高めることで熱媒体と排気ガスとの間の熱交換効率を高める構成が採用可能である。

このような偏平形状のチューブを使用する場合におけるチューブと各シェルとの接合構造としては、例えば図９（チューブａの下端部と導入側シェルｂとの接合箇所の斜視図）及び図１０（チューブａの下端部と導入側シェルｂとの接合箇所の断面図：図９におけるＸ−Ｘ線に沿った断面図）に示すように、チューブａが接続される導入側シェルｂの開口縁部をバーリング加工しておき、そのバーリング加工部ｃの内側にチューブａの下端部を差し込んで、これら両者をロウ付けや溶接により接合することが挙げられる。また、チューブａの上端部も同様にして導出側シェルに接合される。

特開２０１０−５９８６２号公報 特開２０１０−８４６９２号公報 実開昭６３−３０７８９号公報

ところが、上述した偏平形状のチューブａの接合構造にあっては、排気ガスの熱を受けてチューブａにその長手方向（図９及び図１０における上下方向）の寸法が長くなる熱変形が生じた場合に以下に述べるような不具合が生じる可能性があった。

チューブａに上記熱変形が生じた場合、上記バーリング加工部ｃには、チューブａの熱変形に伴う応力が作用する。つまり、例えばチューブａの下端部が接合しているバーリング加工部ｃに対しては下方に向かう応力（図１０における矢印ｆ，ｆを参照）が、逆に、チューブａの上端部が接合しているバーリング加工部に対しては上方に向かう応力がそれぞれ作用することになる。以下では、上記熱変形によってチューブａの下端部が接合しているバーリング加工部ｃに応力が作用する場合を代表して説明する。

上記チューブａの熱変形に伴う応力がバーリング加工部ｃに作用した場合、その応力の作用に伴う変形状態や応力集中状態は、バーリング加工部ｃの側面部分と前後端部分とで異なっている。ここで、バーリング加工部ｃの側面部分とは、シェルｂの開口縁部の長手方向に沿って延びている部分であって、図９において破線ｄで囲んだ領域である。一方、バーリング加工部ｃの前後端部分とは上記シェルｂの開口縁部の長手方向の端部であって、図９において破線ｅで囲んだ領域である。以下、バーリング加工部ｃの側面部分ｄ及び前後端部分ｅそれぞれの変形状態について説明する。

−バーリング加工部ｃの側面部分ｄの変形状態−
バーリング加工部ｃの側面部分ｄは、平板形状であるため剛性が比較的低く、上記チューブａの熱変形に伴う応力の作用に伴って比較的容易に変形する。図１１（ａ）は、その変形状態を示している（図９におけるＸ−Ｘ線に沿った断面での変形状態を示している）。図１１（ａ）における仮想線は変形前の状態を、実線は変形後の状態をそれぞれ示している。このように、チューブａの熱変形によってその下端部が下方に移動することに伴い、バーリング加工部ｃ，ｃの各側面部分ｄ，ｄは、互いに近付くように（倒れ込むように）弾性変形することになる。

このようにバーリング加工部ｃ，ｃの側面部分ｄ，ｄでは、剛性が比較的低いことに起因して、変形量が大きくなり熱媒体の流路面積が極端に小さくなって熱媒体の流量が少なくなったり、チューブａの内圧が上昇することに伴って凝縮部からの熱媒体の戻し動作（熱媒体の自重による戻し動作）に支障を来してしまう可能性がある。図１２は、この側面部分ｄ，ｄの変形によって熱媒体の流路面積が小さくなっている状態を示す断面図（図９におけるＸＩＩ−ＸＩＩ線に沿った断面図）である。

これらの不具合を防止するためには、予め熱媒体の流路面積（チューブａの断面積）を大きく設定しておく必要があるが、これでは排熱回収装置全体の大型化や製造コストの高騰を招いてしまうため好ましくない。また、凝縮部からの熱媒体の戻し動作に支障を来さないためには、凝縮部を高い位置に配置して、この凝縮部内の熱媒体の位置エネルギを高くしておく必要があるが、この場合にも排熱回収装置全体の大型化や製造コストの高騰を招いてしまうため好ましくない。

−バーリング加工部ｃの前後端部分ｅの変形状態−
一方、バーリング加工部ｃの前後端部分ｅは、平面視において大きく屈曲しているため剛性が比較的高く、上記チューブａの熱変形に伴う応力が作用してもその変形量は僅かである。また、この部分ではチューブａの外面形状も屈曲（バーリング加工部ｃと同様に平面視において大きく屈曲）しているため剛性が比較的高くなっており、これによってもバーリング加工部ｃの変形量は制限される。図１１（ｂ）は、その変形状態を示している（図９におけるＹ−Ｙ線に沿った断面での変形状態を示している）。図１１（ｂ）における破線は変形前の状態を、実線は変形後の状態をそれぞれ示している。このように、チューブａの熱変形によってその下端部が下方に移動した場合、このバーリング加工部ｃの前後端部分ｅでは倒れ込むような変形は殆ど生じず、バーリング加工部ｃの形状（Ｒ形状）が略維持されたままシェルｂを構成しているプレートｂ１，ｂ１自体が下方へ湾曲するように弾性変形することになる。このような状況にあっては、バーリング加工部ｃの変形量が少ないためにその反力が大きくなり、その結果、このバーリング加工部ｃの前後端部分ｅでの応力は、上記バーリング加工部ｃの側面部分ｄに比べて高くなる。つまり、この前後端部分ｅに応力が集中することになる。更には、バーリング加工部ｃの変形量が少ないことに起因し、上記ロウ付け部分にはチューブａとバーリング加工部ｃとを剥離させる方向の力が作用することになる。

このようにバーリング加工部ｃの前後端部分ｅは、剛性が比較的高いことに起因して、応力が高くなり、且つ上記剥離方向の力が作用するため、ロウ付け部分における接合強度の信頼性が害される可能性があった。

以上のような応力の作用による課題は、チューブａの上端部が接合しているバーリング加工部においても同様に生じている。

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、熱媒体が流通する偏平形状の管部材がバーリング加工部に接合された構造に対し、管部材が熱変形する状況となっても熱媒体の流通の円滑化を図り、且つ応力集中を緩和することができる熱回収装置を提案することにある。

−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、偏平形状のチューブが接合されるバーリング加工部の曲率半径をバーリング加工部の各部で異ならせることにより、このバーリング加工部の各部の剛性の差を小さくし、チューブに熱変形が生じた場合におけるバーリング加工部の変形量の抑制及び応力集中の緩和が図れるようにしている。

−解決手段−
具体的に、本発明は、長辺側部分及び短辺側部分を有して断面が偏平形状とされたチューブの先端部を、シェルプレートにおいてバーリング加工された開口部に接合し、このチューブの内部空間を流れる流体とチューブの外部空間を流れる流体との間で熱交換を行う構成とされた熱回収装置を前提とする。この熱回収装置に対し、上記バーリング加工により成形された屈曲部分の曲率半径として、上記チューブの長辺側部分に対応する箇所での曲率半径に対してチューブの短辺側部分に対応する箇所での曲率半径の方を小さく設定している。

この特定事項により、チューブの長辺側部分に対応する箇所での剛性が高まり、この部分での剛性が、チューブの短辺側部分に対応する箇所での剛性に近付く。つまり、バーリング加工部の全体に亘って剛性の均等化が図れることになる。このため、例えばチューブの外部空間を流れる流体の熱を受けてチューブにその長手方向の寸法が長くなる熱変形が生じた場合、チューブの長辺側部分に対応する箇所での変形（倒れ込むような変形）は抑制され、チューブ内部の流体の流路面積が極端に小さくなってしまうといったことは回避される。また、上記チューブの熱変形に伴うバーリング加工部の変形も、その全体に亘って均一化され、一部分のみの剛性が高いことで応力集中が生じるといったことがなくなる。このため、シェルプレートに対するチューブの接合部分の接合強度の信頼性が害されるといったこともなくなる。更には、チューブの短辺側部分に対応する箇所での曲率半径を小さく設定したことで、この部分にあってはチューブとバーリング加工部との接触面積を拡大することができる。つまり、ロウ付け面積または溶接面積の拡大を図ることができる。その結果、この部分に作用していた剥離方向の力（チューブに対してバーリング加工部を剥離させる方向の力）に対して十分な接合強度を確保することができ、その信頼性を確保できる。

上記バーリング加工により成形された屈曲部分の曲率半径として、より具体的には以下の構成が挙げられる。つまり、上記バーリング加工により成形された屈曲部分における上記チューブの長辺側部分に対応する箇所と短辺側部分に対応する箇所との境界部分では、長辺側部分に対応する箇所から短辺側部分に対応する箇所に向かうに従って上記屈曲部分の曲率半径が次第に小さくなる構成としている。

これによれば、屈曲部分の曲率半径が急激に変化することに伴う応力集中を回避することができ、シェルプレートに対するチューブの接合部分の接合強度の信頼性が十分に確保できる。

熱回収装置の具体構成としては以下のものが挙げられる。先ず、上記チューブの内部空間には熱搬送用流体が、チューブの外部空間には熱源用流体がそれぞれ流れる構成とする。そして、熱源用流体の熱が熱搬送用流体に与えられることで熱搬送用流体が蒸発し、この気相となった熱搬送用流体を放熱部に搬送し、この放熱部において熱搬送用流体により加熱対象流体を加熱する構成としている。例えば内燃機関の排気熱を回収して冷却水の昇温を促進させる場合、上記熱源用流体が排気ガスとなり、上記加熱対象流体が内燃機関の冷却水となる。つまり、熱搬送用流体を介して排気ガスの熱を冷却水に与えることで、この冷却水の昇温を促進させることになる。

本発明では、偏平形状のチューブが接合されるバーリング加工部の曲率半径を、チューブの長辺側部分に対応する箇所での曲率半径に対してチューブの短辺側部分に対応する箇所での曲率半径の方を小さく設定している。これにより、バーリング加工部の各部の剛性の差を小さくし、チューブに熱変形が生じた場合におけるバーリング加工部の変形量の抑制及び応力集中の緩和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におけるＶＩ−ＶＩ線に沿った断面図である。 実施形態におけるチューブの下端部とケーシングロアプレートとの接合箇所を示す斜視図である。 図８（ａ）は図７におけるＡ−Ａ線に沿った断面図、図８（ｂ）は図７におけるＢ−Ｂ線に沿った断面図、図８（ｃ）は図７におけるＣ−Ｃ線に沿った断面図である。 従来例におけるチューブの下端部と下側シェルとの接合箇所を示す斜視図である。 図９におけるＸ−Ｘ線に沿った断面図である。 図１１（ａ）は図９におけるＸ−Ｘ線に沿った断面での変形状態を示す図であり、図１１（ｂ）は図９におけるＹ−Ｙ線に沿った断面での変形状態を示す図である。 バーリング加工部の側面部分の変形によって熱媒体の流路面積が小さくなっている状態を示す図９におけるＸＩＩ−ＸＩＩ線に沿った断面図である。

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、単に冷却水という）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、このラジエータ７をバイパスさせるバイパス路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、ラジエータ７をバイパスしてウォータポンプ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（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２０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、上下方向に延びる複数本の金属製のチューブ３４，３４，…を備えており、このチューブ３４の内部である熱媒体通路３３を流通する熱媒体と、チューブ３４，３４，…の外部である排気通路３２，３２，…を流れる排気ガス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は、図４に示すコア３１を備えている。このコア３１は、ケーシング３７内に複数本のチューブ３４，３４，…が収容された構成となっている。

上記ケーシング３７は、排気流れ方向の上流側に位置する中継パイプ４ｃに臨む排気ガス導入開口３７ａ及び排気流れ方向の下流側に位置する中継パイプ４ｄに臨む排気ガス導出開口３７ｂを備えている。つまり、排気管４を流れてきた排気ガスが、排気ガス導入開口３７ａからケーシング３７内に導入され、排気ガス導出開口３７ｂから排出される構成となっている。

そして、このケーシング３７のアッパプレート３７ｃ及びロアプレート３７ｄには、上記各チューブ３４，３４，…を接続するための複数の開口３８，３８，…、３９，３９，…（図５参照）が形成されている。つまり、ケーシング３７のロアプレート３７ｄには各チューブ３４，３４，…の下端部がそれぞれ接続される熱媒体導入開口３９，３９，…が形成され、ケーシング３７のアッパプレート３７ｃには各チューブ３４，３４，…の上端部がそれぞれ接続される熱媒体導出開口３８，３８，…が形成されている。

各開口３８，３８，…、３９，３９，…の形状はチューブ３４の外形形状に略一致している。具体的に、チューブ３４は、図７（この図７では後述するフィン３４ｂを省略している）に示すように、流路の断面形状が、排気流れ方向に沿う方向を長辺とする偏平形状（略長円形状）の配管で成っており、ケーシング３７内において、その幅方向（排気流れ方向に対して直交する水平方向）に６本が並設されている。つまり、このチューブ３４は、上記排気流れ方向に沿う長辺側部分３４ｃ，３４ｃと、各長辺側部分３４ｃ，３４ｃ同士を接続するように屈曲された短辺側部分３４ｄ，３４ｄとを備えている。このため、ケーシング３７のアッパプレート３７ｃ及びロアプレート３７ｄに形成されている複数の開口３８，３８，…、３９，３９，…も、排気流れ方向に沿う方向を長辺とする略長円形状で形成され、ケーシング３７の幅方向（排気流れ方向に対して直交する水平方向）の６箇所に形成されている。

また、このケーシング３７のアッパプレート３７ｃ及びロアプレート３７ｄに形成されている複数の開口３８，３８，…、３９，３９，…の開口縁には、バーリング加工によってケーシング３７の内側空間に向かって延びるバーリング加工部７０，７０，…、７１，７１，…（図３及び図７を参照）が形成されている。つまり、ケーシング３７のロアプレート３７ｄに形成されているバーリング加工部７１，７１，…は、このケーシング３７のロアプレート３７ｄの熱媒体導入開口３９の開口縁が上側に屈曲されて形成されている。一方、ケーシング３７のアッパプレート３７ｃに形成されているバーリング加工部７０，７０，…は、このケーシング３７のアッパプレート３７ｃの熱媒体導出開口３８の開口縁が下側に屈曲されて形成されている。このバーリング加工部７０，７１のより詳細な形状については後述する。また、これらバーリング加工部７０，７１の加工方法は従来から周知のバーリング加工が採用可能である。

そして、各チューブ３４，３４，…の下端部は、ケーシング３７のロアプレート３７ｄに形成されているバーリング加工部７１，７１，…に対してその内側に差し込まれ、ロウ付けにより接合されている。同様に、各チューブ３４，３４，…の上端部は、ケーシング３７のアッパプレート３７ｃに形成されているバーリング加工部７０，７０，…に対してその内側に差し込まれ、ロウ付けにより接合されている。

このようにしてケーシング３７内に複数本のチューブ３４，３４，…が配設されていることにより、各チューブ３４，３４，…の内部空間である熱媒体通路３３，３３，…と、各チューブ３４，３４，…の外側空間（ケーシング３７の内部空間）である排気通路３２，３２，…とが隣接されることになり、熱媒体と排気ガスとの間で熱交換が可能となっている。

また、互いに隣り合うチューブ３４，３４同士の間、及び、車幅方向の両端に位置するチューブ３４とケーシング３７のサイドプレート３７ｅ，３７ｅとの間には、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、上記チューブ３４の内部空間である熱媒体通路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。つまり、上記ケーシング３７のアッパプレート３７ｃと上記上側ケース３５とによって上側のシェルが形成されている。このため、ケーシング３７のアッパプレート３７ｃは本発明でいうシェルプレートに相当することになる。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。つまり、上記ケーシング３７のロアプレート３７ｄと上記下側ケース３６とによって下側のシェルが形成されている。このため、ケーシング３７のロアプレート３７ｄは本発明でいうシェルプレートに相当することになる。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４２ａ、屈曲パイプ部分４２ｂ、導出パイプ部分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。

−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やチューブ３４，３４，…の内部空間である熱媒体通路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。

−チューブ３４の接合部の構成−
本実施形態の特徴は、上記ケーシング３７のアッパプレート３７ｃ及びロアプレート３７ｄに対してチューブ３４を接合する部分の構成にある。

上述した如くケーシング３７のアッパプレート３７ｃ及びロアプレート３７ｄにおけるチューブ３４の接続部分にはバーリング加工部７０，７１が設けられている。本実施形態の特徴は、このバーリング加工部７０，７１とケーシング３７のアッパプレート３７ｃ及びロアプレート３７ｄとの間に形成されている屈曲部分の曲率半径にある。以下の説明では、ケーシング３７のロアプレート３７ｄに対するチューブ３４の下端部の接合部分を代表して説明する。

図７においてバーリング加工部７１の側面部分７１ａ（上記チューブ３４の長辺側部分３４ｃに対応する箇所）と、バーリング加工部７０の前後端部分７１ｂ（上記チューブ３４の短辺側部分３４ｄに対応する箇所）とでは、バーリング加工により成形された屈曲部分の曲率半径が異なっている。具体的には、バーリング加工部７０の前後端部分７１ｂの屈曲部分における曲率半径に対してバーリング加工部７０の側面部分７１ａの屈曲部分における曲率半径の方が大きく設定されている。言い換えると、バーリング加工部７０の側面部分７１ａの屈曲部分における曲率半径に対してバーリング加工部７０の前後端部分７１ｂの屈曲部分における曲率半径の方が小さく設定されている。また、これらバーリング加工部７０の側面部分７１ａと前後端部分７１ｂとの境界部分の屈曲部分にあっては、バーリング加工部７０の前後端部分７１ｂから側面部分７１ａに向かうに従って上記曲率半径が次第に大きくなっている。

図８（ａ）は図７におけるＡ−Ａ線に沿った断面図であって、バーリング加工部７０の前後端部分７１ｂにおける屈曲部分の断面形状を示している。また、図８（ｂ）は図７におけるＢ−Ｂ線に沿った断面図であって、バーリング加工部７０の前後端部分７１ｂと側面部分７１ａとの境界部分における屈曲部分の断面形状を示している。また、図８（ｃ）は図７におけるＣ−Ｃ線に沿った断面図であって、バーリング加工部７０の側面部分７１ａにおける屈曲部分の断面形状を示している。

具体的に、バーリング加工部７０の前後端部分７１ｂの曲率半径は０．５ｍｍとされ、バーリング加工部７０の側面部分７１ａの曲率半径は２．０ｍｍとされている。尚、本実施形態では、チューブ３４の幅寸法（車幅方向の寸法）が４ｍｍ、奥行き寸法（車体前後方向の寸法）が５０ｍｍ、肉厚寸法が０．８ｍｍであって、バーリング加工部７１の板厚寸法（上記ロアプレート３７ｄの板厚寸法に一致）が１．２ｍｍのものを採用している。以上の値はこれに限定されるものではなく、適宜設定が可能である。

このようにバーリング加工部７１の前後端部分７１ｂにおける屈曲部分の曲率半径に対してバーリング加工部７０の側面部分７１ａにおける屈曲部分の曲率半径を大きく設定したことにより、バーリング加工部７０の前後端部分７１ｂの剛性に対して、側面部分７１ａの剛性を高く設定することができる。

尚、ケーシング３７のアッパプレート３７ｃに対するチューブ３４の上端部の接合部分も同様の構成となっている。

従来では、これらバーリング加工部の前後端部分の曲率半径と側面部分の曲率半径とが同一であった。この場合、上述した如く、バーリング加工部の側面部分は剛性が比較的低く、このため、チューブの熱変形に伴う応力が作用した場合には、各側面部分が互いに近付くように（倒れ込むように）弾性変形し、熱媒体の流路面積が極端に小さくなって熱媒体の流量が少なくなったり、チューブの内圧が上昇することに伴って凝縮部からの熱媒体の戻し動作に支障を来してしまう可能性があった（図１１（ａ）を参照）。一方、バーリング加工部の前後端部分は、平面視において大きく屈曲しているため剛性が比較的高く、このため、チューブの熱変形に伴う応力が作用してもその変形量は僅かである。その結果、このバーリング加工部の前後端部分では反力が大きくなり、この部分に応力が集中していた。また、バーリング加工部の変形量が少ないことに起因し、上記ロウ付け部分にはチューブに対してバーリング加工部を剥離させる方向の力が作用し、ロウ付け部分における接合強度の信頼性が害される可能性があった（図１１（ｂ）を参照）。

これに対し、本実施形態では、上述の如く各部の曲率半径を変更したことにより、バーリング加工部７０，７１の側面部分７１ａでは剛性が高まり、この部分での剛性が、バーリング加工部７０，７１の前後端部分７１ｂでの剛性に近付くことになる。つまり、バーリング加工部７０，７１の全体に亘って剛性の均等化が図れることになる。このため、例えばチューブ３４の外部空間（排気通路３２）を流れる排気ガスの熱を受けてチューブ３４にその長手方向の寸法が長くなる熱変形が生じた場合、チューブ３４の長辺側部分３４ｃに対応する箇所である上記側面部分７１ａの変形（倒れ込むような変形）は抑制され、チューブ３４内部の熱媒体の流路面積が極端に小さくなってしまうといったことは回避される。また、上記チューブ３４の熱変形に伴うバーリング加工部７０，７１の変形も、その全体に亘って均一化され、一部分のみの剛性が高いことで応力集中が生じるといったことがなくなる。このため、ケーシング３７のアッパプレート３７ｃやロアプレート３７ｄに対するチューブの接合部分の接合強度の信頼性が害されるといったこともなくなる。更には、バーリング加工部７０，７１の前後端部分７１ｂでの屈曲部分の曲率半径を小さく設定したことで、この部分にあってはチューブ３４とバーリング加工部７０，７１との接触面積を拡大することができる（図８（ａ）における寸法ｔを参照）。つまり、ロウ付け面積の拡大を図ることができる。その結果、この部分に作用していた剥離方向の力（チューブ３４に対してバーリング加工部７０，７１を剥離させる方向の力）に対して十分な接合強度を確保することができ、その信頼性を確保できる。

−他の実施形態−
以上説明した実施形態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、上記実施形態におけるバーリング加工部７０，７１はケーシング３７の内側に向かって延びる構成とした。本発明はこれに限らず、ケーシング３７の外側に向かって延びるバーリング加工部に対しても適用可能である。

また、上記実施形態では、バーリング加工部７０，７１の内部にチューブ３４の先端部を挿入して接合するものとしていた。本発明はこれに限らず、バーリング加工部７０，７１の外部にチューブ３４の先端部を外嵌して接合するものに対しても適用可能である。

更に、上述した実施形態では、本発明を、エンジン１の排気ガスの熱を回収して冷却水温度を上昇させるための排熱回収装置２０に適用した場合について説明した。本発明はこれに限定されるものではなく種々の熱回収装置に適用可能である。例えば、エンジンからのＥＧＲガスを吸気系に還流させる際に、このＥＧＲガスを冷却するＥＧＲクーラに適用することなどが挙げられる。

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）
２０ 排熱回収装置
３０ 熱回収部
３２ 排気通路
３３ 熱媒体通路
３４ チューブ
３４ｃ 長辺側部分
３４ｄ 短辺側部分
３７ ケーシング
３７ｃ アッパプレート（シェルプレート）
３７ｄ ロアプレート（シェルプレート）
３８ 熱媒体導入開口（開口部）
３９ 熱媒体導出開口（開口部）
４０ 凝縮部（放熱部）
７０，７１ バーリング加工部

Claims (3)

1. 長辺側部分及び短辺側部分を有して断面が偏平形状とされたチューブの先端部を、シェルプレートにおいてバーリング加工された開口部に接合し、このチューブの内部空間を流れる流体とチューブの外部空間を流れる流体との間で熱交換を行う構成とされた熱回収装置において、
   上記バーリング加工により成形された屈曲部分の曲率半径は、上記チューブの長辺側部分に対応する箇所での曲率半径に対してチューブの短辺側部分に対応する箇所での曲率半径の方が小さく設定されていることを特徴とする熱回収装置。
2. 請求項１記載の熱回収装置において、
   上記バーリング加工により成形された屈曲部分における上記チューブの長辺側部分に対応する箇所と短辺側部分に対応する箇所との境界部分では、上記長辺側部分に対応する箇所から短辺側部分に対応する箇所に向かうに従って上記屈曲部分の曲率半径が次第に小さくなっていることを特徴とする熱回収装置。
3. 請求項１または２記載の熱回収装置において、
   上記チューブの内部空間には熱搬送用流体が、チューブの外部空間には熱源用流体がそれぞれ流れ、熱源用流体の熱が熱搬送用流体に与えられることで熱搬送用流体が蒸発し、この気相となった熱搬送用流体を放熱部に搬送し、この放熱部において熱搬送用流体により加熱対象流体を加熱するよう構成されていることを特徴とする熱回収装置。

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