JP2017180204A - 排熱回収装置 - Google Patents

Abstract

【課題】車両の姿勢が変化しても安定した動作性能を得られる排熱回収装置を提供する。
【解決手段】排熱回収装置１は、内管１１と気泡生成部１２１，１２２，１２３，１２４と外管１３と蒸発部１０Ａとシャッタ１４と切換手段１５とを備える。内管１１は、排気管路１０２の一部に設置される。気泡生成部１２１，１２２，１２３，１２４は、内管１１の下部から内側へ凹み、上流側から下流側へ間隔を空けて配置される。外管１３は、内管１１の外周を覆う。シャッタ１４は、内管１１に対して回動可能に外嵌し、複数の窓１４１，１４２，１４３，１４４を有している。切換手段１５は、蒸発部１０Ａに連通された上流側の気泡生成部１２１（１２２，１２３）が液面から露出する場合に、下流側の気泡生成部１２２（１２３，１２４）を蒸発部１０Ａに連通させる位置に対応させて窓１４２（１４３，１４４）を配置するようシャッタ１４を回動させる。
【選択図】 図１

Description

本発明は、内燃機関の排気ガスから熱を回収する排熱回収装置に関する。

内燃機関のエネルギー効率を向上させるために、内燃機関から排出される排気ガスの熱を回収し、その熱を再利用する排熱回収装置がある。排熱回収装置は、排気管の途中に設置された熱交換器において冷却水等の作動流体と熱交換を行うことで、排気ガスの熱を回収する。しかし、冷却水を循環させる経路が全体的に温まるまでに時間が掛り、排熱回収装置として機能するまでの応答性が悪い。

特許文献１に記載された内燃機関の廃熱回収装置は、二重管ヒートパイプであって、内管と外管の間の空間に作動流体が封入されており、外管から鉛直上方へ延びた放熱管を有している。この廃熱回収装置は、オートバイの排気管に内管が接続されている。作動流体は、内管を流れる排気ガスの熱で蒸気になり、放熱管の先端部で液相に戻る。液相に戻った作動流体は、重力で放熱管の内面を伝って内管と外管の空間に還流する。

また、特許文献２に記載されたループ型ヒートパイプは、蒸発した気泡とともに作動流体が流れる上昇管部と、液相に戻った作動流体が流れる下降管部とを有しており、作動流体が一方向に循環する経路を有している。このヒートパイプは、上昇管部と下降管部とを接続する受熱管部において内壁上面の一部が上方へ膨出した蒸気膨張室を有しており、内部に設置される沸騰石で気泡を発生させている。そして、気泡の上昇力によって作動流体が上昇管部を流れることで作動流体全体を循環させている。

実開平７−００４８５７号公報 特許第４７７１９６４号公報

ところで、これらの排熱回収装置を実際の車両に採用しようとすると、排気管に配置される受熱部に対して高い位置に放熱部を配置できるとも限らない。特に、特許文献１の構造では、作動流体の循環流量が少なく熱の回収が十分とは言えないだけでなく、走行中の車両の姿勢によって作動流体の液面が変化するため、動作が安定しにくい。また、特許文献２の構造では、作動流体の液相の量が多いため暖まるまでに時間を要するだけでなく、特許文献１の場合と同様に、車両の姿勢によって動作が安定しづらい。

そこで、本発明は、車両の姿勢が変化しても安定した動作性能を得られる排熱回収装置を提供する。

本発明の一実施形態に係る排熱回収装置は、内燃機関を有した車両の排気管路を流れる排気ガスから熱エネルギーを回収する排熱回収装置であって、内管と気泡生成部と外管と蒸発部とシャッタと切換手段とを備える。内管は、車両の進行方向に沿う排気管路の一部に設置される。気泡生成部は、内管の下部から内側へ凹み、排気ガスの流れに沿って上流側から下流側へ間隔を空けて複数配置されている。外管は、気泡生成部が少なくとも設けられた範囲を含む内管の外周を覆う。蒸発部は、内管が水平な状態で気泡生成部が沈む高さに液面が位置するように内管と外管との間に伝熱媒体を封入している。シャッタは、内管に対して回動可能に外嵌し、気泡生成部を個別に蒸発部に連通させる複数の窓を周方向にそれぞれオフセットされた位置に有している。切換手段は、車両の前部が後部よりも高くなり窓の１つを介して蒸発部に連通された上流側の気泡生成部が液面から露出する場合に、下流側の気泡生成部の１つを蒸発部に連通させる位置に対応させて窓の他の１つを配置するようシャッタを回動させる。

このとき、シャッタは非磁性体であり、切換手段は、被吸引部と複数の電磁コイルと傾斜センサと制御部とを含む。被吸引部は、磁性体であり、シャッタの外周壁に固定されている。複数の電磁コイルは、複数の窓をそれぞれ個別に気泡生成部に対応させて被吸引部を磁力で引き付けてシャッタを保持する位置に、それぞれ周方向に並べて外管の外周部に配置される。傾斜センサは、車両の前部が後部よりも高くなる仰角を検出し角度情報を出力する。制御部は、角度情報を基に被吸引部を引き付ける電磁コイルを選択し、磁力を発生させる。

切換手段は、被吸引部及び複数の電磁コイルをシャッタの回動中心線に対して対称の位置に一対に配置していることも好ましい。また、複数の電磁コイルは、複数の気泡生成部に対応して窓を個別に合わせる位置以外に、複数の気泡生成部のいずれにも窓を合わせない閉塞位置にシャッタを位置決めするように被吸引部を引き付ける閉塞用電磁コイルを含んでいてもよい。

または、切換手段は、シャッタの外周壁に取り付けられて内管と外管との間を周方向へ移動可能に伝熱媒体の液面に浮かぶフロートを含み、シャッタは、車両の前部が後部よりも高くなった場合にフロートで回動された状態で液面から露出しない気泡生成部を蒸発部に連通させる位置に窓を有していてもよい。

そして、排気ガスの流れの上流側で伝熱媒体の液面よりも高い位置の蒸発部に連通した出口管台と、排気ガスの流れの下流側で伝熱媒体の液面よりも低い位置の蒸発部に連通した入口管台と、シャッタの外面又は外管の内面に取り付けられて内管及び外管の間を入口管台側から出口管台側へ延びたスロープと、をさらに備えることも好ましい。

本発明に係る一実施形態の排熱回収装置によれば、車両の前部が後部よりも高くなり、伝熱媒体の液面が変位しても、切換手段がシャッタを回動させ、複数の気泡生成部のうち水面下に没している気泡生成部を蒸発部に連通させるので、蒸発部において安定して気泡を発生させることができる。その結果、継続的に上り坂を運転される場合であっても、排熱回収装置は、安定した性能を確保することができるため、内燃機関の暖機性能や車室内の暖房性能を向上させることができる。

本発明の第１の実施形態の排熱回収装置を搭載した車両の冷却水循環経路を模式的見示す図。 図１の受熱部の鉛直面に沿う断面を示す斜視図。 図２の受熱部の外管を透明にして上流側下方から見上げた斜視図。 図２の受熱部の断面図。 図４中のＦ５−Ｆ５線に沿う受熱部の断面図。 図４の状態から上り勾配を検出しシャッタを回動させた受熱部の断面図。 図６の状態より大きい上り勾配を検出しさらにシャッタを回動させた受熱部の断面図。 本発明の第２の実施形態の排熱回収装置の一部を断面にした斜視図。 図８の排熱回収装置の受熱部の断面図。 図９の状態から液面が変化してシャッタを回動させた受熱部の断面図。 図１０の状態より大きく液面が変化してシャッタを回動させた受熱部の断面図。

本発明に係る第１の実施形態の排熱回収装置１について、内燃機関１０１を有した車両に採用した場合を例に図１から図７を参照して説明する。この排熱回収装置１は、内燃機関１０１の排気管路１０２を流れる排気ガスＧから熱エネルギーを回収する排熱回収装置１である。以下の説明において、車両の進行方向を基準に「前」、「後」をそれぞれ定義する。また重力の作用する方向を基準に「上」、「下」を定義する。また、排気ガスＧが流れる方向を基準に「上流」、「下流」と呼ぶ。

図１は、内燃機関１０１とその冷却水循環流路２００及び排熱回収装置１を示す。冷却水循環流路２００は、内燃機関１０１とラジエータ２０１の間で冷却水Ｗを循環させる第１の流路２００Ａと、内燃機関１０１と車室内暖房器のヒータコア２０２との間で冷却水を循環させる第２の流路２００Ｂとを有している。内燃機関１０１の暖機運転中は、冷却水Ｗを循環させないために、サーモスタット２０３が第１の流路２００Ａの途中に設置されている。

排熱回収装置１は、図１に示すように内燃機関１０１の排気管路１０２と第２の流路２００Ｂにまたがって設置される。内燃機関１０１から延びた排気管路１０２は、触媒１０３とマフラー１０４を経由して排気ガスＧを排出する。排熱回収装置１は、排気ガスＧから熱エネルギーを回収する受熱部１Ａを触媒１０３とマフラー１０４の間に有し、回収した熱エネルギーを提供する放熱部１Ｂを第２の流路２００Ｂの内燃機関１０１からヒータコア２０２に向かう区間に有している。排気ガスＧから回収された熱エネルギーは、冷却水Ｗの昇温に利用され、暖機運転中の冷却水温を短時間で上昇させることで暖機運転時間を短縮するとともに、車室内の暖房の熱源として利用される。

この排熱回収装置１において、受熱部１Ａは伝熱媒体Ｑを液相から気相へ相転移させる蒸発部１０Ａであり、放熱部１Ｂは伝熱媒体Ｑを気相から液相に相転移させる凝縮部１０Ｂである。つまり、排熱回収装置１は、いわゆる「ヒートパイプ」を構成しており、伝熱媒体Ｑが蒸発と凝縮によって自然に一方向へ循環するループ式ヒートパイプである。この排熱回収装置１は、受熱部１Ａと放熱部１Ｂとの間で伝熱媒体Ｑを循環させるための駆動機構を備えていないので、メンテナンスに手間がほとんどかからない。

排熱回収装置１の受熱部１Ａの構造について図２から図５を参照してさらに詳述する。図２及び図３に示すように、排熱回収装置１の受熱部１Ａは、内管１１と気泡生成部１２１，１２２，１２３，１２４と外管１３と蒸発部１０Ａとシャッタ１４と切換手段１５とを備える。図２は、排気ガスＧの流れの中心に沿う鉛直面で断面にした受熱部１Ａの斜視図である。図３は、受熱部１Ａの外管１３を透明にして上流側下方から見上げた斜視図である。

内管１１は、車両の進行方向に沿う排気管路１０２の一部に設置される。排気管路１０２に対してほぼ同じ内径を有し、フランジ継手、差込継手、ネジ式継手などによって、排気ガスＧの流れの上流側及び下流側の排気管路１０２にそれぞれ接続される。

複数の気泡生成部１２１，１２２，１２３，１２４は、内管１１の下部から内側へ凹んだ凹部であり、排気ガスＧの流れに沿って上流側から下流側へ間隔を空けて配置されている。気泡生成部１２１，１２２，１２３，１２４は、排気ガスＧの熱によって伝熱媒体Ｑが加熱され沸騰するときの気泡を発生させる起点となる。気泡生成部１２１，１２２，１２３，１２４にはポーラスメタルや沸騰石のようなものが嵌め込まれてもよいが、本実施形態では、ブラスト処理などによって凹部の内面を梨地状に面粗度を粗くすることで気泡の発生を促進させる。

外管１３は、図２及び図３に示すように、気泡生成部１２１，１２２，１２３，１２４が少なくとも設けられた範囲を含む内管１１の外周を覆っている。外管１３の上流側及び下流側の端部は、それぞれ内管１１の外周面に接するようにテーパ状に絞られており、全周にわたってシール溶接されている。

蒸発部１０Ａは、内管１１と外管１３の間に作られた空間によって構成され、図４及び図５に示すように内管１１が水平に保たれている状態で気泡生成部１２１，１２２，１２３，１２４が沈む高さに伝熱媒体Ｑの液面Ｑｓが位置するように内管１１と外管１３との間に伝熱媒体Ｑを封入している。伝熱媒体Ｑは、例えば純水であって、排熱回収装置１の蒸発部１０Ａと凝縮部１０Ｂとを循環する伝熱流路１０を大気圧よりも低い圧力に減圧した状態に封入されることで、沸騰を促進される。伝熱媒体Ｑは、純水の代わりに、低沸点の液体や不燃性の液化ガスを利用してもよい。

また、蒸発部１０Ａで液相から気相に相転移して蒸気になった伝熱媒体Ｑを取り出す出口管台１３１は、図４に示すように排気ガスＧの流れの上流側で伝熱媒体Ｑの液面Ｑｓよりも高い位置の蒸発部１０Ａに連通するように、外管１３の上流側の上部に接続されている。また、図１に示す凝縮部１０Ｂにおいて気相から液相に相転移して液体に戻った伝熱媒体Ｑを蒸発部へ戻す入口管台１３２は、図４に示すように排気ガスＧの流れの下流側で伝熱媒体Ｑの液面Ｑｓよりも低い位置の蒸発部１０Ａに連通するように、外管１３の下流側の下部に接続されている。

シャッタ１４は、図４及び図５に示すように、蒸発部１０Ａ内において内管１１に対して回動可能に外嵌しており、半径方向に貫通した複数の窓１４１，１４２，１４３，１４４を有している。これらの窓１４１，１４２，１４３，１４４は、図２に示すように上流から下流へ間隔を空けて配置された気泡生成部１２１，１２２，１２３，１２４に対応してこれらを個別に蒸発部１０Ａに連通させるように周方向にそれぞれオフセットされた位置に配置されている。

切換手段１５は、車両の前部が後部よりも高くなり窓１４１，１４２，１４３の１つを介して蒸発部１０Ａに連通された上流側の気泡生成部１２１，１２２，１２３が液面Ｑｓから露出する場合に、下流側の気泡生成部１２２，１２３，１２４の１つを蒸発部１０Ａに連通させる位置に対応させて窓１４２，１４３，１４４の１つを配置するようにシャッタ１４を回動させる。

具体的には、図３及び図５に示すように、第１の実施形態における切換手段１５は、被吸引部１５０と、複数の電磁コイル１５１，１５２，１５３，１５４と、傾斜センサ１５６と、制御部１５７とを含む。傾斜センサ１５６及び制御部１５７は、車両の他の機能においても使用される。制御部１５７は、車両の運転制御を行うＥＣＵであってもよい。シャッタ１４は、非磁性体で造られており、被吸引部１５０は、磁性体で造られている。

被吸引部１５０は、蒸発部１０Ａ内において外管１３の内面に接触しない隙間を有してシャッタ１４の外周壁に固定されている。被吸引部１５０は、周方向の寸法よりも排気ガスＧの流れに沿う方向へ長く形成されている。この被吸引部１５０は、シャッタ１４の回動中心線Ｃに対して対称となる位置に一対に配置されている。

複数の電磁コイル１５１〜１５４は、排気ガスＧの流れ方向に対して被吸引部１５０の外周に位置しており、周方向に並べて配置され外管１３の外周部に固定されている。これらの電磁コイル１５１〜１５４は、いずれも回動中心線Ｃに対して半径方向に磁力線を発生させる向きにコイルが捲回されている。電磁コイル１５１〜１５４は、回動中心線Ｃに対して対称となる位置に一対に配置されている。図３及び図５において対称の位置関係にある電磁コイル１５１〜１５４どうしは同じ符号を付している。

制御部１５７は、これらの電磁コイル１５１〜１５４の一組に磁力を発生させることで、被吸引部１５０を磁力で引き付けてシャッタ１４を回動させ、回動中心線Ｃに対して直径方向へ被吸引部１５０と磁力を発生させている電磁コイル１５１〜１５４の一組（図２においては電磁コイル１５１）が一列に並ぶ状態で、シャッタ１４を保持する。電磁コイル１５１〜１５４は、それぞれ複数の窓１４１〜１４４をそれぞれ個別に気泡生成部１２１〜１２４に対応させてシャッタ１４を位置決めできる位置に配置されている。

気泡生成部１２１〜１２４は、個々に対応する窓１４１〜１４４を介して蒸発部１０Ａに連通する場合に、気泡を発生することになる。つまり、気泡生成部１２１に窓１４１が合致する状態で気泡生成部１２１から気泡が発生し、気泡生成部１２２に窓１４２が合致する状態で気泡生成部１２２から気泡が発生し、気泡生成部１２３に窓１４３が合致する状態で気泡生成部１２３から気泡が発生し、気泡生成部１２４に窓１４４が合致する状態で気泡生成部１２４から気泡が発生する。そして、窓１４１〜１４４によって蒸発部１０Ａに連通されない気泡生成部１２１〜１２４は、気泡をほとんど発生させることはない。

また、第１の実施形態では、さらに気泡生成部１２１〜１２４のいずれにも窓１４１〜１４４を合わせない閉塞位置にシャッタ１４を位置決めできるように被吸引部１５０を引き付ける閉塞用電磁コイル１５５を有している。図５に示すように、この閉塞用電磁コイル１５５も他の電磁コイル１５１〜１５４と同様に、回動中心線Ｃに対して対称となる一対に設けられている。なお、電磁コイル１５１〜１５４及び閉塞用電磁コイル１５５は、ベアリングを介して取り付けられているなど、シャッタ１４が内管１１に対して滑らかに回動するように構成されている場合には、回動中心線Ｃに対して対称となる一対に設けられている必要はない。

傾斜センサ１５６は、車両の前部が後部よりも高くなる仰角を検出し、その角度情報を出力する。制御部は、この角度情報を基に被吸引部１５０を引き付けるべき電磁コイル１５１〜１５４を選択し磁力を発生させる。被吸引部１５０が選択された電磁コイル１５１〜１５４の組に引き付けられることで、シャッタ１４が回動し、窓１４１〜１４４の１つが内管１１の下部に設けられた気泡生成部１２１〜１２４の対応する１つを蒸発部１０Ａに連通させることができる。

以上のように構成された第１の実施形態の排熱回収装置１は、勾配の無い平坦な道を車両が走行している場合、図４に示すように気泡生成部１２１〜１２４は、いずれも伝熱媒体Ｑの液面Ｑｓよりも低く沈んだ状態である。受熱部１Ａの中でも排気ガスＧが流れてくる上流側が最も温度が高くなるため、上流側に位置する気泡生成部１２１を利用して気泡（蒸気）を発生させることが最も効率が良い。そこで、図２〜図５に示すように、制御部１５７は、気泡生成部１２１に対応する窓１４１が気泡生成部１２１を蒸発部１０Ａに連通させる位置に、電磁コイル１５１を使ってシャッタ１４を位置決めする。

車両の前部が後部よりも少し高くなる上り勾配の角度を有した道を車両が走行する場合、すなわち図６に示すような状態に排熱回収装置１の受熱部１Ａが傾けられると、上流に位置する気泡生成部１２１は、伝熱媒体Ｑの液面Ｑｓから露出した状態となる。このような状態において、伝熱媒体Ｑは、気泡生成部１２１の奥まで入っていきにくくなるため、気泡の発生量も減少するため、排熱回収装置１の熱回収効率が低下する。

そこで、制御部１５７は、傾斜センサ１５６から出力された角度情報を基に、上流側の気泡生成部１２１が伝熱媒体Ｑの液面Ｑｓから露出する角度に車両が傾斜していることを検出すると、その時の車両の傾斜角度において伝熱媒体Ｑの液面Ｑｓから露出しない最も上流側に位置する気泡生成部、図６においては気泡生成部１２２を使用すべき気泡生成部として選択する。そして、制御部１５７は、上流から２番目に位置するこの気泡生成部１２２が蒸発部１０Ａに連通するように、窓１４２を気泡生成部１２２に合わせるための電磁コイル１５２に磁力を発生させる。被吸引部１５０が電磁コイル１５２に引き寄せられてシャッタ１４が回動することで、図６に示すように、気泡生成部１２２が窓１４２を介して蒸発部１０Ａに連通された状態となる。

同様に、車両が走行する道の上り勾配が図６の状態よりも大きい状態、例えば図７に示す状態になると、上流から第２番目の気泡生成部１２２も伝熱媒体Ｑの液面Ｑｓから露出する状態になる。制御部１５７は、この状態において伝熱媒体Ｑの液面Ｑｓよりも低く最も上流側に位置する上流から３番目の気泡生成部１２３を使用すべき気泡生成部として選択する。そして、制御部１５７は、上流側から３番目に位置するこの気泡生成部１２３が蒸発部１０Ａに連通するように、窓１４３を気泡生成部１２３に合わせるための電磁コイル１５３に磁力を発生させる。その結果、シャッタ１４が回動され、図７に示すように気泡生成部１２３が窓１４３を介して蒸発部１０Ａに連通された状態となる。

車両が図７に示す状態よりもさらに急な上り勾配を走行する場合には、さらに下流側、上流側から４番目の気泡生成部１２４を使用するように電磁コイル１５４で被吸引部１５０を引き付けてシャッタ１４を回動させ、窓１４４を気泡生成部１２４に合わせる。

第１の実施形態では、気泡生成部１２１〜１２４は４か所設けられているが、上流側と下流側にそれぞれ１か所ずつ２つの気泡生成部のみであってもよいし、上流部、中間部、下流部の３か所に気泡生成部を設けてもよいし、４か所以上に気泡生成部を設けられていてもよい。さらに、排熱回収装置１の熱回収量を増やすために、２か所の気泡生成部１２１〜１２４が同時に蒸発部１０Ａに連通されるように、複数ある窓１４１〜１４４のうちの２つを排気ガスの流れに沿う方向に並べて配置した部分を設け、これを気泡生成部１２１〜１２４に合うようにシャッタ１４を位置決めする電磁コイルを別途配置してもよい。このとき、個別に気泡生成部１２１〜１２４を蒸発部１０Ａに連通させる窓１４１〜１４４とは別に、２つの気泡生成部１２１と１２２，１２２と１２３，１２３と１２４等同時に蒸発部１０Ａに連通させる窓を設けてもよい。また、図４の状態から図７の状態へ車両の姿勢が著しく変化する場合は、図６の状態を経て図７の状態となるように電磁コイル１５１〜１５４を切り換える。

このように、構成された排熱回収装置１は、気泡生成部１２１〜１２４によって常に安定した気泡が発生されることで、伝熱媒体Ｑの蒸発量（液相から気相へ相転移する量）が安定するため、排熱回収性能が安定する。

また、排気ガスＧから回収される熱エネルギー量が必要量を超える場合や、排気ガスＧから熱エネルギーを回収する必要が無い場合、例えば車室内の暖房を使用しない場合や、暖機運転が完了した場合など、冷却水Ｗの温度が必要以上に高くならないようにするために、排熱回収装置１による熱エネルギーの回収を停止させる。熱エネルギーの量が必要量を超えたか否かの判断は、冷却水Ｗの温度を検出している温度センサによって確認することができる。回収される熱エネルギーを制限する場合、図３及び図５に示す閉塞用電磁コイル１５５に磁場を発生させて、気泡生成部１２１〜１２４のいずれも窓１４１〜１４４を介して蒸発部１０Ａに連通されない位置にシャッタ１４を回動させる。これにより、気泡生成部１２１〜１２４から気泡の発生を抑制し、すなわち蒸気発生量を減らすことで、排気ガスＧから冷却水Ｗへ伝達される熱エネルギー量を減らし、内燃機関のオーバーヒートが防止される。

また、第１の実施形態における排熱回収装置１の切換手段１５の一例として示した磁性体の被吸引部１５０と電磁コイル１５１〜１５４及び閉塞用電磁コイル１５５に代えて、シール性を有した軸受を介して外部からシャッタ１４を回動させるサーボモータや、外管１３の内面に振動子を露出させてシャッタ１４を振動で駆動する超音波モータのようなもので駆動してもよい。また、排熱回収装置１の伝熱流路１０の内圧を安定させるために、伝熱流路１０にアキュムレータを接続してもよい。

次に、本発明に係る第２の実施形態の排熱回収装置１について、図８から図１１を参照して説明する。第２の実施形態において、第１の実施形態の排熱回収装置１と同じ機能を有する構成は、第１の実施形態における各構成の符号と同じ符号を付し、その詳細な説明は、第１の実施形態の記載及び図面を参酌することとする。

第２の実施形態の排熱回収装置１は、シャッタ１４を回転させるための切換手段１５が第１の実施形態の切換手段１５と異なっている。その他の構成は、第１の実施形態と同じである。図８から図１１では、排熱回収装置１の受熱部１Ａを示し、これらの図に表示されない内燃機関１０１、排気管路１０２、触媒１０３、マフラー１０４、冷却水循環流路２００、ラジエータ２０１、ヒータコア２０２、サーモスタット２０３、及び排熱回収装置１の放熱部１Ｂ（凝縮部１０Ｂ）、傾斜センサ１５６、制御部１５７等は、第１の実施形態の図１と同様に構成されているものとする。

第２の実施形態において、切換手段１５は、図８に示すように、下流側のシャッタ１４の外周壁に取り付けられて内管１１と外管１３との間を周方向へ移動可能に伝熱媒体Ｑの液面Ｑｓに浮かぶフロート１５８を含んでいる。また、第２の実施形態では、図８〜図１１に示すように、シャッタの外周面に取り付けられて、内管１１及び外管１３の間の蒸発部１０Ａにおいて入口管台１３２側から出口管台１３１側へ延びたスロープ１６をさらに備えている。

なお、図８は、排気ガスＧの流れの上流の上方から受熱部１Ａを見下ろした斜視図であり、内管１１、外管１３、シャッタ１４の手前側、及び切換手段１５となるフロート１５８を二点鎖線で示すとともに、内管１１に隠れるシャッタ１４の窓１４１〜１４４を実線で示している。図９は、車両が平坦な道を走行している状態の受熱部１Ａの断面を示し、図１０は、車両の前方が後方よりも少し高くなる上り勾配の道を車両が走行している状態の受熱部１Ａの断面を示し、図１１は、図１０の場合よりもさらに角度の急な上り勾配の道を車両が走行している状態の受熱部１Ａの断面を示している。

以上のように構成された第２の実施形態の排熱回収装置１は、勾配の無いほぼ平坦な道を車両が走行している場合、図９に示すように気泡生成部１２１〜１２４は、いずれも伝熱媒体Ｑの液面Ｑｓよりも低く沈んだ状態である。この状態では、受熱部１Ａの中でも排気ガスＧが流れてくる上流側が最も温度が高くなるため、上流側に位置する気泡生成部１２１を利用して気泡（蒸気）を発生させることが最も効率がよい。したがって、図９に示すように、最上流に位置する気泡生成部１２１が蒸発部１０Ａに連通するようにフロート１５８が配置されている。

上り坂などで車両の前部が後部よりも高くなり、図１０や図１１に示すように下流側の液面Ｑｓが上がると、フロート１５８によってシャッタ１４が回動される。図１０では、最上流に位置する気泡生成部１２１が液面Ｑｓに露出する状態であり、このときの液面Ｑｓの位置が変化したことに伴いシャッタ１４がフロート１５８によって回動された状態で、上流から２番目の気泡生成部１２２を蒸発部１０Ａに連通させるように窓１４２がシャッタ１４に設けられている。

同様に、図１１はさらに車両が傾き、２番目の気泡生成部１２２も液面Ｑｓから露出した状態であり、このときフロート１５８によって回動されたシャッタ１４に対して、液面Ｑｓに没している最上流に位置している気泡生成部１２３が蒸発部１０Ａに連通するように、窓１４３が設けられている。

なお、車両が再び平坦な道に戻り、液面Ｑｓが下がった場合にシャッタ１４が元に戻るようにスプリング取り付けたり、シャッタ１４の基準位置となる状態で最下部となる部分にフロート１５８の浮力よりも軽いバラストを取り付けておいたり、フロート１５８の浮力よりも小さい浮力を有したか復元浮を回動中心線Ｃに対してフロート１５８と対称の位置に配置してもよい。

シャッタ１４は、車両の前部が後部よりも高くなり、伝熱媒体Ｑの液面Ｑｓが変化することに伴いフロート１５８で回動されることで、液面Ｑｓから露出しない気泡生成部１２１，１２２，１２３，１２４を蒸発部１０Ａにそれぞれ連通させるちょうどその位置に窓１４１，１４２，１４３，１４４を配置している。したがって、車両の姿勢が変化することで液面Ｑｓが変化すると、それに伴い液面Ｑｓから露出する気泡生成部１２１，１２２，１２３に代えてその下流に位置し液面Ｑｓよりも低い気泡生成部１２２，１２３，１２４を蒸発部１０Ａに連通するようにシャッタ１４をフロート１５８で回動させ、気泡を発生させるために適さなくなった気泡生成部１２１，１２２，１２３を、気泡を発生させるのに適した位置の気泡生成部１２２，１２３，１２４に自動的に切り換える。

また、本実施形態の排熱回収装置１は、出口管台１３１に近い気泡生成部１２１に対して、下流側に離れた気泡生成部１２２，１２３，１２４で発生した蒸気も、スロープ１６によって出口管台１３１へ案内することで、排熱回収装置１の熱回収効率を安定させることができる。

さらに、蒸発部１０Ａ内において、気泡生成部１２１，１２２，１２３，１２４から発生するほどではないが、そのほかの部分からも気泡は発生する。スロープ１６は、蒸発部１０Ａ内で発生したこれらの小さい気泡（蒸気）を出口管台１３１側へ案内することで、熱回収効率を向上させることができる。なお、スロープ１６は、フロート１５８と干渉しない範囲で、外管１３の内面に取り付けられていてもよい。また排気ガスＧが流れる方向に沿って受熱部１Ａを鉛直に横切る面を中心に鏡像の配置にスロープ１６を有していてもよい。

以上、本発明について第１及び第２の実施形態を基に説明した。これらの実施形態は、本発明を実施するにあたって理解しやすくするための一例に過ぎない。したがって、本発明を実施するにあたってその趣旨を逸脱しない範囲で、各構成を同等の機能を有するものに置き換えて実施することも可能であり、それらもまた本発明に含まれる。また、各実施形態で説明した構成のいくつかを互いに組み合わせて、あるいは置き換えて実施されることも本発明に含まれる。例えば第２の実施形態の排熱回収装置１において設けられたスロープ１６を第１の実施形態の排熱回収装置１に適用してもよい。このときシャッタ１４の外面にスロープ１６が取り付けられていてもよいし、外管１３の内面にスロープ１６が取り付けられていてもよい。その時スロープ１６は、被吸引部１５０に干渉しない位置に配置される。

１…排熱回収装置、１０…伝熱流路、１０Ａ…蒸発部、１１…内管、１３…外管、１４…シャッタ、１５…切換手段、１５０…被吸引部、１５１〜１５４…電磁コイル、１５５…閉塞用電磁コイル、１５６…傾斜センサ、１５７…制御部、１５８…フロート、１６…スロープ、１０１…内燃機関、１０２…排気管、１２１〜１２４…気泡生成部、１３１…出口管台、１３２…入口管台、１４１〜１４４…窓、２００…冷却水循環流路、Ｇ…排気ガス、Ｑ…伝熱媒体、Ｑｓ…液面。

Claims (6)

1. 内燃機関を有した車両の排気管路を流れる排気ガスから熱エネルギーを回収する排熱回収装置であって、
   前記車両の進行方向に沿う前記排気管路の一部に設置された内管と、
   前記内管の下部から内側へ凹み前記排気ガスの流れに沿って上流側から下流側へ間隔を空けて複数配置された気泡生成部と、
   前記気泡生成部が少なくとも設けられた範囲を含む前記内管の外周を覆う外管と、
   前記内管が水平な状態で前記気泡生成部が沈む高さに液面が位置するように前記内管と前記外管との間に伝熱媒体を封入した蒸発部と、
   前記内管に対して回動可能に外嵌し前記気泡生成部を個別に前記蒸発部に連通させる複数の窓を周方向にそれぞれオフセットされた位置に有したシャッタと、
   前記車両の前部が後部よりも高くなり前記窓の１つを介して前記蒸発部に連通された上流側の前記気泡生成部が前記液面から露出する場合に下流側の前記気泡生成部の１つを前記蒸発部に連通させる位置に対応させて前記窓の他の１つを配置するよう前記シャッタを回動させる切換手段と、
   を備えることを特徴とする排熱回収装置。
2. 前記シャッタは、非磁性体であり、
   前記切換手段は、
   前記シャッタの外周壁に固定された磁性体の被吸引部と、
   複数の前記窓をそれぞれ個別に前記気泡生成部に対応させて前記被吸引部を磁力で引き付けて前記シャッタを保持する位置に周方向に並べて前記外管の外周部に配置された複数の電磁コイルと、
   前記車両の前部が後部よりも高くなる仰角を検出し角度情報を出力する傾斜センサと、
   前記角度情報を基に前記被吸引部を引き付ける前記電磁コイルを選択し磁力を発生させる制御部と、を含む
   ことを特徴とする請求項１に記載された排熱回収装置。
3. 前記切換手段は、前記被吸引部及び複数の前記電磁コイルを前記シャッタの回動中心線に対して対称の位置に一対に配置している
   ことを特徴とする請求項２に記載された排熱回収装置。
4. 複数の前記電磁コイルは、複数の前記気泡生成部のいずれにも前記窓を合わせない閉塞位置に前記シャッタを位置決めするように前記被吸引部を引き付ける閉塞用電磁コイルを含む
   ことを特徴とする請求項２に記載された排熱回収装置。
5. 前記切換手段は、前記シャッタの外周壁に取り付けられて前記内管と前記外管との間を周方向へ移動可能に前記伝熱媒体の前記液面に浮かぶフロート、を含み、
   前記シャッタは、前記車両の前部が後部よりも高くなった場合に前記フロートで回動された状態で前記液面から露出しない前記気泡生成部を前記蒸発部に連通させる位置に前記窓を有している
   ことを特徴とする請求項１に記載された排熱回収装置。
6. 前記排気ガスの流れの上流側で前記伝熱媒体の前記液面よりも高い位置の前記蒸発部に連通した出口管台と、
   前記排気ガスの流れの下流側で前記伝熱媒体の前記液面よりも低い位置の前記蒸発部に連通した入口管台と、
   前記シャッタの外面又は前記外管の内面に取り付けられて、前記内管及び前記外管の間を前記入口管台側から前記出口管台側へ延びたスロープと、をさらに備える
   ことを特徴とする請求項１から請求項５のいずれか１項に記載された排熱回収装置。

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