JP4627254B2 - ヒートパイプ装置 - Google Patents

Description

本発明は、ヒートパイプを用いて、例えば車両用内燃機関の排気ガスの排熱を回収して、内燃機関の冷却水を加熱する排熱回収に適用して好適なヒートパイプ装置に関するものである。

従来、特許文献１に示されるように、ヒートパイプによる熱移動を、熱電発電システムに用いたものがある。このシステムは、ヒートパイプの蒸発部の表面に熱電発電素子を張り合わせ、この蒸発部を例えば高温排気ガスのような高温流体の流路中に配置固定し、またヒートパイプの凝縮部を冷却水が流通する冷却装置内に配置固定したものとしている。

これにより、熱電発電素子の表面は、高温流体によって加熱され、また、熱電発電素子の裏面、即ちヒートパイプに張り付けられた面は、ヒートパイプの蒸発部によって冷却され、その両面間に生じる温度差によって発電が行われる。
特開平１１−２１５８６７号公報

しかしながら、上記システムにおいては、ヒートパイプの一端側（蒸発部）と他端側（凝縮部）とがそれぞれ高温流体流路と冷却装置に固定拘束されながら、高温と低温とに晒されるため、この温度差に伴う膨脹差よって、特にヒートパイプの中間部（断熱部）に熱応力がかかるという問題がある。

本発明の目的は、上記問題に鑑み、ヒートパイプの両端がそれぞれ高温部および低温部に配設固定されるものにおいて、両者の温度差によるヒートパイプの熱応力の緩和を可能とするヒートパイプ装置を提供することにある。

本発明は上記目的を達成するために、以下の技術的手段を採用する。

請求項１に記載の発明では、内部に作動媒体が封入され、一端側で周囲から吸熱して作動媒体を蒸発させる蒸発部（１１０Ａ）、および他端側で蒸発部（１１０Ａ）と連通し、周囲へと放熱して蒸発部（１１０Ａ）において蒸発した作動媒体を凝縮液化させる凝縮部（１１０Ｂ）を有するヒートパイプ（１１０）が使用されるものであって、蒸発部（１１０Ａ）が外部の高温部（１３０）に、凝縮部（１１０Ｂ）が高温部（１３０）より低温となる外部の低温部（１４０）にそれぞれ配置され、ヒートパイプ（１１０）、高温部（１３０）、低温部（１４０）が一体的に形成されるヒートパイプ装置において、蒸発部（１１０Ａ）と凝縮部（１１０Ｂ）との間に、蒸発部（１１０Ａ）、凝縮部（１１０Ｂ）よりも大きく弾性変形可能となる弾性変形可能部（１１１、１１１Ａ、１１１Ｂ）が形成されており、
弾性変形可能部（１１１、１１１Ａ、１１１Ｂ）は、ヒートパイプ（１１０）の長手方向に対して直交する方向に突出するように曲げられた屈曲部（１１１）であり、
低温部（１４０）は、低温流体が内部を流通することで形成され、
蒸発部（１１０Ａ）は、凝縮部（１１０Ｂ）の下側に配置されており、
屈曲部（１１１）の凹部（１１１ａ）側は、低温流体の上流側を向くように配設されたことを特徴としている。

これにより、蒸発部（１１０Ａ）と凝縮部（１１０Ｂ）との間に、高温部（１３０）と低温部（１４０）との温度差による熱応力がかかっても、ここに設けた弾性変形可能部（１１１、１１１Ａ、１１１Ｂ）の弾性変形によってその熱応力を緩和できる。

また、屈曲部（１１１）の凹部（１１１ａ）側と凸部（１１１ｂ）側とでは、蒸発部（１１０Ａ）で蒸発して凝縮部（１１０Ｂ）に上昇する蒸気の流速は、凸部（１１１ｂ）側では流れの淀みができやすいことから、凹部（１１１ａ）側で有効に得られる。また、低温流体は凝縮部（１１０Ｂ）からの放熱により上流側から下流側に向けて温度上昇していくので、上流側の方が下流側よりも低温である。

よって、蒸発部（１１０Ａ）で蒸発した蒸気は、主に屈曲部（１１１）の凹部（１１１ａ）側の内壁を通り、凝縮部（１１０Ｂ）の冷却水上流側の内壁で優先的に凝縮される。そして、凝縮された凝縮液は落下する際に、再び屈曲部（１１１）の凹部（１１１ａ）側の内壁を優先的に通過する。

この時、落下する凝縮液は、上向きの蒸気の流速を受けることになり、蒸発部（１１０Ａ）での蒸発が促進されると、蒸気流速が増大し、この蒸気流速によって、凝縮部（１１０Ｂ）から下降して蒸発部（１１０Ａ）に還流しようとする凝縮液は跳ね上げられ、凝縮液の還流量を飛散限界として一定とすることができる。つまり、輸送しうる熱量を限界熱輸送量（最大熱輸送量）として、より効果的に設定することができる。

請求項２に記載の発明では、ヒートパイプ（１１０）は、複数設けられており、屈曲部（１１１ａ）の曲げ方向はすべて同一に形成されたことを特徴としている。

これにより、どのヒートパイプ（１１０）においても熱応力による変形がほぼ等しくなり、凹部（１１１ａ）の方向の不統一による余分な熱応力がかかることがない。

また、請求項１に記載の発明において、弾性変形可能部（１１１、１１１Ａ、１１１Ｂ）は、請求項３に記載の発明のように、ベローズ（１１１Ａ）としても良い。

請求項４に記載の発明では、弾性変形可能部（１１１、１１１Ａ、１１１Ｂ）における作動媒体の流路断面積は、蒸発部（１１０Ａ）、凝縮部（１１０Ｂ）よりも小さく形成されたことを特徴としている。

これにより、流路断面積を予め所定値として決定することにより、ここを流通する蒸気の流速を調整でき、凝縮作動媒体の飛散限界に基づく限界熱輸送量（最大熱輸送量）を任意に設定できる。

請求項５に記載の発明のように、高温部（１３０）を内燃機関（１０）の排気ガス流通用の排気管部（１３０）とし、低温部（１４０）を内燃機関（１０）の冷却水流通用の冷却水管部（１４０）として、ヒートパイプ（１１０）によって、排気ガスの排熱を冷却水へ輸送するものに適用して好適である。

尚、上記各手段の括弧内の符号は、後述する実施形態記載の具体的手段との対応関係を示すものである。

（第１実施形態）
本発明の第１実施形態におけるヒートパイプ装置は、エンジン１０を走行用の駆動源とする車両（自動車）の排熱回収装置１００としたものであり、まず具体的な構成について図１、図２を用いて以下説明する。尚、図１は排熱回収装置１００の車両への搭載状態を示す模式図、図２は排熱回収装置１００を示す断面図である。

図１に示すように、エンジン１０は水冷式の内燃機関であり、燃料が燃焼した後の排気ガスが排出される排気管１１を有している。排気管１１には排気ガスを浄化する触媒コンバータ１２が設けられている。

また、エンジン１０は、エンジン冷却水（以下、冷却水）の循環によってエンジン１０が冷却されるラジエータ回路２０と、冷却水（温水）を加熱源として空調空気を加熱するヒータ回路３０とを有している。

ラジエータ回路２０にはラジエータ２１が設けられており、ラジエータ２１は、ウォータポンプ２２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。尚、ラジエータ回路２０中にはラジエータ２１を迂回して冷却水が流通するバイパス通路（図示せず）が設けられており、サーモスタット（図示せず）によってラジエータ２１を流通する冷却水量とバイパス通路を流通する冷却水量とが調節されるようになっている。特に暖機時においてはバイパス通路側の冷却水量が増加されて暖機が促進される。つまり、ラジエータ２１による冷却水の過冷却が防止される。

ヒータ回路３０には、暖房用熱交換器としてのヒータコア３１が設けられており、上記のウォータポンプ２２によって冷却水（温水）が循環されるようにしている。ヒータコア３１は、図示しない空調ユニットの空調ケース内に配設されており、送風機によって送風される空調空気を温水との熱交換により加熱する。

排熱回収装置１００は、図１、図２に示すように、連通タンク１１２によって互いに連通される複数（ここでは４つ）のヒートパイプ１１０を有している。そして、ヒートパイプ１１０の外部にはフィン１２０が設けられて、ヒートパイプ１１０の一端側（蒸発部１１０Ａ）が、排気管部１３０内に配設、固定され、また、他端側（凝縮部１１０Ｂ）が、冷却水管部１４０内に配設、固定されて形成されている。尚、排熱回収装置１００を構成する各部材（以下説明）は、高耐食性を備えるステンレス材から成り、各部材が組み付けされた後に、当接部や嵌合部に設けられたろう材により、一体的にろう付けされている。

ヒートパイプ１１０は、一端側となる蒸発部１１０Ａと他端側となる凝縮部１１０Ｂとの間、即ち中間の断熱部１１０Ｃに後述する屈曲部１１１を有する円管から成り、下端側は開口されている。ヒートパイプ１１０は、複数（４つ）設けられており、その長手方向が上下方向を向く姿勢で使用される。複数のヒートパイプ１１０の下端側（開口部）には連通タンク１１２が接続されて、複数のヒートパイプ１１０は互いに連通するように形成されている。連通タンク１１２は、排気管部１３０の外表面に当接するように配置されている。

ヒートパイプ１１０には図示しない封入部が設けられており、この封入部からヒートパイプ１１０内が真空引き（減圧）され、作動媒体が封入された後に封入部は封止されている。作動媒体は、ここでは水を使用している。水の沸点は、通常（１気圧で）１００℃であるが、ヒートパイプ１１０内を減圧（例えば０．０４気圧）しているため、沸点は、３０〜４０℃となる。尚、作動媒体としては、水の他にアルコール、フロロカーボン、フロン等を用いても良い。

上記構成によるヒートパイプ１１０は、蒸発部１１０Ａが下側、凝縮部１１０Ｂが上側となって、ボトムヒート型として機能するようになっている。尚、ヒートパイプ１１０内に封入された水（作動媒体）は、初期状態（作動前状態）で、連通タンク１１２によって各ヒートパイプ１１０の蒸発部１１０Ａに分配されている。

そして、上記ヒートパイプ１１０の蒸発部１１０Ａと凝縮部１１０Ｂとの間、即ち断熱部１１０Ｃには、弾性変形可能部としての屈曲部１１１が形成されている。屈曲部１１１は、ヒートパイプ１１０の長手方向に対して直交する方向にＵ字状、あるいはＶ字状を描くように突出する曲げ部として形成されている。ここでは、屈曲部１１１の内側に凹む側を凹部１１１ａ、外側に突出する側を凸部１１１ｂとしている。屈曲部１１１は、上記のように曲げられて形成されていることから、他の蒸発部１１０Ａ、および凝縮部１１０Ｂよりも、より大きく弾性変形が可能であり、ヒートパイプ１１０の長手方向、あるいは長手方向に交差する方向に付加される力に対して、容易に弾性変形可能となっている。

また、屈曲部１１１の断面積（本発明における流路断面積に対応）は、上記Ｕ字状、あるいはＶ字状に曲げられることで、他の蒸発部１１０Ａ、および凝縮部１１０Ｂの断面積よりも小さくなるように形成されている。即ち、ヒートパイプ１１０は、屈曲部１１１によって、円管の途中部位に所定断面積の絞りが形成されるものに相当するように形成されている。

更に、屈曲部１１１の凹部１１１ａは、冷却水管部１４０を流通する冷却水の流れ方向に対して、上流側を向くよう配設されている。ここでは、図２中の左側が冷却水の上流側であり、凹部１１１ａが左側を向き、凸部１１１ｂが右側を向いている。そして、この凹部１１１ａの向きは、複数のヒートパイプ１１０において、すべて同一としている。

フィン１２０は、薄肉板材から形成されたプレートタイプのフィンであり、上記複数のヒートパイプ１１０の蒸発部１１０Ａおよび凝縮部１１０Ｂに対応する部位の外壁面に複数接合されている。

排気管部１３０は、排気管１１からの排気ガスが流通して高温部を形成する管部材であり、ヒートパイプ１１０の蒸発部１１０Ａを内部に収容している。

冷却水管部１４０は、ヒータ回路３０を循環する冷却水が流通して低温部を形成する管部材であり、ヒートパイプ１１０の凝縮部１１０Ｂを内部に収容している。

尚、エンジン１０の作動に伴って、排気ガスの温度は雰囲気温度〜４００℃前後までとなり、また、冷却水温度は雰囲気温度〜１００℃前後となり、文字通り、低温部は高温部よりも低温となる。

以上のように本排熱回収装置１００は形成されており、排気管部１３０が触媒コンバータ１２の下流側となる排気管１１に介在され、また、冷却水管部１４０がヒータ回路３０に介在されている（図１）。

次に、上記構成に基づく作動およびその作用効果について説明する。エンジン１０が作動されると併せてウォータポンプ２２が作動され、冷却水はラジエータ回路２０、ヒータ回路３０を循環する。エンジン１０で燃焼された燃料の排気ガスは、触媒コンバータ１２を経て排気管１１、排気管部１３０を流れ、ヒートパイプ１１０の蒸発部１１０Ａの外部を通過して大気中に排出される。また、ヒータ回路３０を循環する冷却水は、冷却水管部１４０内を流通し、ヒートパイプ１１０の凝縮部１１０Ｂの外部を通過する。

排熱回収装置１００において、エンジン１０の始動後、排気ガス温度が比較的低い（約４００℃程度以下）場合には、ヒートパイプ１１０内の水（作動媒体）は、蒸発部１１０Ａで、排気管部１３０を流れる排気ガスから受熱（吸熱）して沸騰気化し、蒸気となってヒートパイプ１１０内を上昇し、屈曲部１１１を経て凝縮部１１０Ｂ内に流れ込む。凝縮部１１０Ｂ内へ流入した蒸気は、冷却水管部１４０内を流れる冷却水によって冷却され、ヒートパイプ１１０の内壁面１１０ａで凝縮水となって重力によって下降し、内壁面１１０ａに沿って屈曲部１１１を経て蒸発部１１０Ａに還流する。

このように、排気ガスの熱が水に伝達されて蒸発部１１０Ａから凝縮部１１０Ｂへ輸送され、この凝縮部１１０Ｂで蒸気が凝縮する際に凝縮潜熱として放出（放熱）され、ヒータ回路３０を流れる冷却水が加熱される（排熱回収の実行）。尚、排気ガスの熱はヒートパイプ１１０の外壁面を介して熱伝導によって蒸発部１１０Ａから凝縮部１１０Ｂに移動される分も存在する。

よって、外気温が比較的低い場合や、エンジン１０の始動後等、ヒートパイプ１１０による排熱回収が実行され、積極的に冷却水が加熱され、エンジン１０の暖機が促進されることになるので、エンジン１０のフリクションロスの低減、低温始動性向上のための燃料増量の抑制等が図られ燃費性能が向上される。また、冷却水を加熱源とするヒータコア３１の暖房性能が向上される。

ここで、ヒートパイプ１１０の蒸発部１１０Ａは高温の排気ガスに晒され、また、凝縮部１１０Ｂは低温の冷却水に晒されるため、両者１１０Ａ、１１０Ｂ間に温度差が生じ、この温度差に伴う膨張差によって、特に断熱部１１０Ｃに熱応力がかかりやすくなる。しかし、本実施形態では、弾性変形可能部としての屈曲部１１１を断熱部１１０Ｃに設けているので、屈曲部１１１の弾性変形によってその熱応力を緩和でき、耐久性に優れる排熱回収装置１００とすることができる。

更に、屈曲部１１１の凹部１１１ａの方向を複数のヒートパイプ１１０においてすべて同一となるようにしているので、どのヒートパイプ１１０においても熱応力による変形がほぼ等しくなり、凹部１１１ａの方向の不統一による余分な熱応力がかかることがない。

また、屈曲部１１１の凹部１１１ａを、冷却水管部１４０を流通する冷却水の上流側となるように配置しているので、以下説明するように、ヒートパイプ１１０によって輸送しうる熱量としての限界熱輸送量（最大熱輸送量）を、より効果的に設定することができる。

つまり、図３に示すように、屈曲部１１１の凹部１１１ａ側と凸部１１１ｂ側とでは、蒸発部１１０Ａで蒸発して凝縮部１１０Ｂに上昇する蒸気の流速は、凸部１１１ｂ側では流れの淀みができやすいことから、凹部１１１ａ側で有効に得られる。また、冷却水は凝縮部１１０Ｂからの放熱により上流側から下流側に向けて温度上昇していくので、上流側の方が下流側よりも低温である。

よって、蒸発部１１０Ａで蒸発した蒸気は、主に屈曲部１１１の凹部１１１ａ側の内壁を通り、凝縮部１１０Ｂの冷却水上流側の内壁で優先的に凝縮される。そして、凝縮された凝縮水は落下する際に、再び屈曲部１１１の凹部１１１ａ側の内壁を優先的に通過する。

この時、落下する凝縮水は、上向きの蒸気の流速を受けることになり、蒸発部１１０Ａでの蒸発が促進されると、蒸気流速が増大し、この蒸気流速によって、凝縮部１１０Ｂから下降して蒸発部１１０Ａに還流しようとする凝縮液は跳ね上げられ、凝縮水の還流量を飛散限界として一定とすることができる。つまり、輸送しうる熱量を限界熱輸送量（最大熱輸送量）として、より効果的に設定することができるようになる。

更に、屈曲部１１１における断面積が、蒸発部１１０Ａ、凝縮部１１０Ｂに対して小さくなるように設定しており、この断面積を予め所定値として決定することにより、ここを流通する蒸気の流速を調整でき、凝縮水の飛散限界に基づく限界熱輸送量（最大熱輸送量）を任意に設定できる。具体的には、断面積を小さくするほど、蒸気流速を大きくでき、凝縮水の飛散量を増大させて、限界熱輸送量を小さくすることができる。

また、複数のヒートパイプ１１０を連通させる連通タンク１１２を設けるようにしているので、複数のうち一箇所からの真空引きや水の封入が可能となる。また、各ヒートパイプ１１０においては、連通タンク１１２によって、水が均等に分配されるので、安定した熱輸送能力を得ることができる。

（第２実施形態）
本発明の第２実施形態を図４に示す。第２実施形態は、上記第１実施形態に対して、弾性変形可能部を屈曲部１１１に代えて、ベローズ１１１Ａとして形成したものである。

ベローズ１１１Ａは、ヒートパイプ１１０の円管に対して蛇腹状に形成されたものであり、上記屈曲部１１１と同様に、他の蒸発部１１０Ａ、および凝縮部１１０Ｂよりも、より大きく弾性変形が可能であり、ヒートパイプ１１０の長手方向、あるいは長手方向に交差する方向に付加される力に対して、容易に弾性変形可能となっている。

また、ベローズ１１１Ａの蛇腹のうち、ヒートパイプ１１０の内側にへこむ部位は、円管の断面積に対して小さくなる絞り部に相当する部位として形成されている。これにより、上記第１実施形態と同様の効果を得ることができる。

尚、ベローズ１１１Ａは、図５に示すように、単純にヒートパイプ１１０の全周に突出するのみの一重のベローズ１１１Ａ１としても良い。この場合、断面積縮小による限界熱輸送量（最大熱輸送量）の任意設定はできなくなるが、ベローズ１１１Ａ１の加工が容易となって、安価な排熱回収装置１００とすることができる。

また、ベローズ１１１Ａ１に対して、単純にヒートパイプ１１０の全周にへこむのみのものとしても良い。この場合は、断面積縮小による限界熱輸送量（最大熱輸送量）の任意設定が可能であり、且つ、安価な排熱回収装置１００とすることができる。

（第３実施形態）
本発明の第３実施形態を図６に示す。第３実施形態は、上記第１実施形態に対して、弾性変形可能部を屈曲部１１１に代えて、薄肉部１１１Ｂとして形成したものである。

薄肉部１１１Ｂは、ヒートパイプ１１０の円管に対して外径側から除肉して形成したものであり、上記屈曲部１１１と同様に、他の蒸発部１１０Ａ、および凝縮部１１０Ｂよりも、より大きく弾性変形が可能であり、ヒートパイプ１１０の長手方向、あるいは長手方向に交差する方向に付加される力に対して、容易に弾性変形可能となっている。

これにより、上記第１実施形態と同様に、蒸発部１１０Ａと凝縮部１１０Ｂとの温度差に伴う熱応力を緩和できる。

尚、薄肉部１１１Ｂは、図７に示すように、薄肉化と共に断面積を小さくした薄肉部１１１Ｂ１としても良い。この場合、断面積縮小による限界熱輸送量（最大熱輸送量）の任意設定が可能となる。

（その他の実施形態）
上記各実施形態においては、ヒートパイプ１１０の形状を円管としたが、これに限らず、角管、扁平管、多穴管等としても良い。

また、高温部として排気管部１３０、低温部として冷却水管部１４０として、排気ガスの熱を冷却水に輸送するものとして説明したが、他の発熱機器の排熱を所定部位の加熱用に用いるようにしても良い。あるいは高温部から低温部に熱輸送させて、高温部を冷却するものとして良い。

排熱回収装置の車両への搭載状態を示す模式図である。 第１実施形態における排熱回収装置を示す断面図である。 第１実施形態におけるヒートパイプの作動状態を示す断面図である。 第２実施形態における排熱回収装置を示す断面図である。 第２実施形態におけるヒートパイプの変形例を示す断面図である。 第３実施形態における排熱回収装置を示す断面図である。 第３実施形態におけるヒートパイプの変形例を示す断面図である。

符号の説明

１０ エンジン（内燃機関）
１００ 排熱回収装置（ヒートパイプ装置）
１１０ ヒートパイプ
１１０Ａ 蒸発部
１１０Ｂ 凝縮部
１１１ 屈曲部（弾性変形可能部）
１１１ａ 凹部
１１１Ａ ベローズ（弾性変形可能部）
１１１Ｂ 薄肉部（弾性変形可能部）
１３０ 排気管部（高温部）
１４０ 冷却水管部（低温部）

Claims (5)

1. 内部に作動媒体が封入され、一端側で周囲から吸熱して前記作動媒体を蒸発させる蒸発部（１１０Ａ）、および他端側で前記蒸発部（１１０Ａ）と連通し、周囲へと放熱して前記蒸発部（１１０Ａ）において蒸発した作動媒体を凝縮液化させる凝縮部（１１０Ｂ）を有するヒートパイプ（１１０）が使用されるものであって、
   前記蒸発部（１１０Ａ）が外部の高温部（１３０）に、前記凝縮部（１１０Ｂ）が前記高温部（１３０）より低温となる外部の低温部（１４０）にそれぞれ配置され、前記ヒートパイプ（１１０）、前記高温部（１３０）、前記低温部（１４０）が一体的に形成されるヒートパイプ装置において、
   前記蒸発部（１１０Ａ）と前記凝縮部（１１０Ｂ）との間に、前記蒸発部（１１０Ａ）、前記凝縮部（１１０Ｂ）よりも大きく弾性変形可能となる弾性変形可能部（１１１、１１１Ａ、１１１Ｂ）が形成されており、
   前記弾性変形可能部（１１１、１１１Ａ、１１１Ｂ）は、前記ヒートパイプ（１１０）の長手方向に対して直交する方向に突出するように曲げられた屈曲部（１１１）であり、
   前記低温部（１４０）は、低温流体が内部を流通することで形成され、
   前記蒸発部（１１０Ａ）は、前記凝縮部（１１０Ｂ）の下側に配置されており、
   前記屈曲部（１１１）の凹部（１１１ａ）側は、前記低温流体の上流側を向くように配設されたことを特徴とするヒートパイプ装置。
2. 前記ヒートパイプ（１１０）は、複数設けられており、
   前記屈曲部（１１１ａ）の曲げ方向はすべて同一に形成されたことを特徴とする請求項１に記載のヒートパイプ装置。
3. 前記弾性変形可能部（１１１、１１１Ａ、１１１Ｂ）は、ベローズ（１１１Ａ）であることを特徴とする請求項１に記載のヒートパイプ装置。
4. 前記弾性変形可能部（１１１、１１１Ａ、１１１Ｂ）における前記作動媒体の流路断面積は、前記蒸発部（１１０Ａ）、前記凝縮部（１１０Ｂ）よりも小さく形成されたことを
   特徴とする請求項１〜請求項３のいずれか１つに記載のヒートパイプ装置。
5. 前記高温部（１３０）は、内燃機関（１０）の排気ガス流通用の排気管部（１３０）であり、
   前記低温部（１４０）は、前記内燃機関（１０）の冷却水流通用の冷却水管部（１４０）であり、
   前記ヒートパイプ（１１０）によって、前記排気ガスの排熱を前記冷却水へ輸送することを特徴とする請求項１〜請求項４のいずれか１つに記載のヒートパイプ装置。

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