JP4840436B2 - 排気熱回収装置 - Google Patents

Description

本発明は、排気熱回収装置に関するものである。

従来、排気熱回収装置として、鉄製のコンテナ内部に作動流体としての水を封入したヒートパイプが知られている。このようなヒートパイプでは、鉄と水とが反応して水素ガスが発生し、発生した水素ガスによって蒸気の凝縮が阻害されるため、ヒートパイプの性能が劣化するという問題が生じる。

この問題の解決を図るために、特許文献１に記載の技術では、加熱部と冷却部とが蒸気流路と液流路とによって環状に連結されており、冷却部から加熱部への作動流体の供給・供給停止とを切り替える切替弁を備える排気熱回収装置において、加熱部をステンレス鋼で構成している。

これによれば、ステンレス鋼は、５００℃よりも低温のときと比較して５００℃以上の高温のときに高い水素透過性を有するので、冷却部から加熱部への作動流体の供給を停止して加熱部を５００〜８００℃とすることで、発生した水素ガスを加熱部から外部に排出させることができる。
特開２００８−１４６２５号公報

しかし、上記した特許文献１の技術において、ステンレス鋼としてクロム系ステンレス鋼を用いた場合、以下の問題が生じることがわかった。ここで、ステンレス鋼はクロム系、ニッケル・クロム系の２種類に大別される。クロム系はＮｉを含まないものであり、ニッケル・クロム系はオーステナイト系とも呼ばれるものである。

図８にステンレス鋼の水素透過メカニズムを説明するための模式図を示す。図中加熱部Ｊ１よりも左側が加熱部Ｊ１の内側であり、図中加熱部Ｊ１よりも右側が加熱部Ｊ１の外側である。

加熱部Ｊ１の内側に存在する水素分子Ｈ_２は、破線領域Ｃ１に示すように、加熱部Ｊ１の内面で解離して水素原子Ｈ^＋となり、破線領域Ｃ３に示すように、加熱部Ｊ１中を水素原子Ｈ^＋が拡散し、破線領域Ｃ２に示すように、加熱部Ｊ１の外面で水素原子Ｈ^＋が再結合して水素分子Ｈ_２となる。このようにして、加熱部Ｊ１の外部に水素分子Ｈ_２が放出される。

このとき、加熱部Ｊ１をニッケル・クロム系ステンレス鋼で構成した場合、ニッケル・クロム系ステンレス鋼の内面、外面に存在するＦｅおよびＮｉが触媒として働くことによって、破線領域Ｃ１での水素分子の解離作用および破線領域Ｃ２での水素原子の再結合作用が促進される。

これに対して、加熱部をクロム系ステンレス鋼で構成した場合では、ステンレス鋼と水の酸化反応により、加熱部の内面に緻密なＣｒ_２Ｏ_３の酸化被膜が形成され、この酸化被膜によって加熱部の内面のＦｅが覆われてしまうので、破線領域Ｃ１に示すような水素分子の解離作用が促進されない。このため、加熱部をクロム系ステンレス鋼で構成した場合では、ニッケル・クロム系ステンレス鋼で構成した場合と比較して水素透過速度が著しく低下してしまう。

なお、ニッケル・クロム系でもＣｒ_２Ｏ_３の酸化被膜が形成されるが、酸化被膜中に触媒として働くＮｉが存在しており、このＮｉによって水素分子の解離作用が促進されるので、クロム系のような水素透過速度の著しい低下は生じない。

本発明は上記点に鑑みて、クロム系ステンレス鋼が有する５００℃以上の高温下での高い水素透過性能を利用して水素ガスを外部に排出する排気熱回収装置において、水素透過性能を向上させることを目的とする。

上記目的を達成するため、請求項１に記載の発明では、排気管（１０）の外側に隣接して配置され、加熱部（２）と第１流路（４）とに連通し、加熱部（２）から気化した作動流体が流入し、流入した作動流体が第１流路（４）に向かって流れる部分であって、作動流体から発生した水素ガスを排気管（１０）の外側に排出する水素ガス排出部（２１）を備え、水素ガス排出部（２１）は、排気ガスを熱源として加熱された水素ガス排出部（２１）を保温する保温手段（２２、２３、４１）によって外側が覆われており、水素ガス排出部（２１）は、クロム系ステンレス鋼からなる母材（３１）で構成され、母材（３１）の内面の全域もしくは一部に、母材（３１）よりもＮｉを多く含む内面側金属層（３２）が設けられ、母材（３１）の外面の全域もしくは一部に、母材（３１）よりもＮｉを多く含む外面側金属層（３３）が設けられていることを特徴としている。

請求項１に係る発明は、切替弁（６）によって加熱部（２）への作動流体の供給停止状態としたとき、保温手段（２２、２３、４１）によって、水素ガス排出部（２１）を５００℃以上の高温に保持することで、クロム系ステンレスの水素ガス透過性能を利用して、水素ガス排出部から外部に水素ガスを排出させるものである。

そして、請求項１に係る発明では、クロム系ステンレスからなる母材の内面に母材よりもＮｉを多く含む内面側金属層を設けているので、母材の内面での酸化被膜の形成を抑制でき、酸化被膜が形成されたとしてもその酸化被膜中に触媒として作用するＮｉを存在させることができるので、水素の解離を促進させることができる。さらに、母材の外面に母材よりもＮｉを多く含む外面側金属層を設けているので、母材の外面に存在するＮｉが触媒として作用して水素の再結合を促進させることができる。よって、本発明によれば、母材に内面側金属層および外面側金属層を設けない場合と比較して、水素透過性能を向上させることができる。

また、請求項１に係る発明では、加熱部ではなく、排気管の外側に隣接して配置される水素ガス排出部の外面に、Ｎｉを多く含む外面側金属層を設けている。

ここで、加熱部の構成を、本発明における水素ガス排出部の構成と同様の構成とすることでも、クロム系ステンレスの水素透過性能を向上させることができる。しかし、加熱部の外面にＮｉを含むＮｉ金属層を設けた場合、加熱部の外面は排気ガスに曝されるため、排気ガス中の煤、ＮＯｘ等の腐食成分によってＮｉ金属層が腐食し、母材の表面に存在するＮｉが減少する恐れがある。

これに対して、本発明によれば、水素ガス排出部の外面に設けた外面側金属層は、排気管の外側に位置し、排気ガスと接触しないので、外面側金属層の排気ガスによる腐食を防止できる。

請求項１に係る発明については、例えば、請求項２に記載のように、加熱部（２）は、内部を作動流体が流れ、外部を排気ガスが流れる複数のチューブ（２ａ）で構成され、 複数のチューブ（２ａ）は、作動流体の流れ方向を上下方向として配置されており、 複数のチューブ（２ａ）の上端側には、複数のチューブ（２ａ）で気化された作動流体が集合して流れる上側ヘッダタンク（７）が連通されており、上側ヘッダタンク（７）は、排気ガスと非接触の部分であるタンク本体部（２１）を有しており、水素ガス排出部は、タンク本体部（２１）である構成を採用できる。

このような構成の場合では、加熱部である複数のチューブよりも、上側に位置する上側ヘッダタンクに水素ガスが溜まる。したがって、請求項２に係る発明によれば、加熱部から水素ガスを排出させる場合と比較して、高い水素ガス排出効果が得られる。

また、例えば、請求項３に記載のように、内面側金属層および外面側金属層として、Ｎｉを用いたメッキ法により形成されたＮｉメッキ層（３２、３３）を採用することができる。

上記保温手段（２２、２３、４１）は、請求項４に記載のように、切替弁（６）によって加熱部への作動流体の供給停止状態とされた場合に、水素ガス排出部（２１）を５００℃以上排気ガス温度以下の温度で保温するものである。

なお、この欄および特許請求の範囲で記載した各手段の括弧内の符号は、後述する実施形態に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）
図１に、本発明の第１実施形態における排気熱回収装置１を示す。本実施形態の排気熱回収装置１は、内燃機関としての自動車の走行用エンジンより排出される排気ガスから回収した熱を、冷却媒体としてのエンジン冷却水に伝えるものである。排気ガスから回収した熱が伝えられたエンジン冷却水は、エンジンの暖機あるいは暖房用の熱源等に利用される。

図１に示すように、排気熱回収装置１は、加熱部２と、冷却部３と、第１流路としての蒸気流路４と、第２流路としての液流路５と、切替弁６とを備えている。

加熱部２は、内部を流れる作動流体としての水と、走行用エンジンより排出される排気ガスとの間で熱交換させる熱交換部であり、排気ガスによって加熱されることで内部を流れる水を気化させる。加熱部２は、排気ガスが流れる排気管１０の内部に配置される部分であり、加熱部２の外側を排気ガスが流れる。この加熱部２は、その大半が排気ガスに曝される部分である。

本実施形態では、加熱部２は複数のチューブ２ａによって構成されている。チューブ２ａは、その内部に水が流れ、その外部を排気ガスが流れるものであり、水の流れ方向を上下方向として配置されている。

また、チューブ２ａの外面には、水と排気ガスとの間の熱交換を促進させるためのアウターフィン２ｂが設けられている。アウターフィン２ｂは、例えば、コルゲートフィンである。

図２にチューブ２ａの分解斜視図を示し、図３に図２中のチューブプレート１１、１２の積層体の斜視図を示す。

図２、３に示すように、本実施形態では、チューブ２ａを構成するチューブプレート１１、１２によって排気ガス１３が流れる排気ガス通路１４と、水１５が流れる作動流体通路１６との両方が形成されている。

具体的には、図２に示すように、１本のチューブ２ａは、２枚のチューブプレート１１、１２を合わせて形成される。チューブプレート１１、１２は、作動流体通路１６を形成するために、チューブ２ａの内側に屈曲する壁１１ａ、１２ａを有している。

そして、排気ガス通路１４は、隣り合うチューブ２ａの一方を構成するチューブプレート１１と、隣り合うチューブ２ａの他方を構成するチューブプレート１２との間に形成される。これらのチューブプレート１１、１２の間にアウターフィン２ｂが挟まれている。チューブプレート１１、１２は、排気ガス通路１４を形成するために、チューブ２ａの外側に屈曲する壁１１ｂ、１２ｂを有している。

本実施形態では、複数のチューブ２ａは、図３に示すように積層されて一体的に形成されている。図３中の複数のチューブプレート１１、１２およびアウターフィン２ｂは、ろう付けによって接合されている。そして、複数のチューブ２ａの積層体の最外壁によって、図１中の破線で示す排気管１０が構成されている。この排気管１０が、エンジンに連通する図示しない排気管の途中に接続される。

また、図１に示すように、複数のチューブ２ａの上端側に上側ヘッダタンク７が連通し、複数のチューブ２ａの下端側に下側ヘッダタンク８が連通している。

上側ヘッダタンク７は複数のチューブ２ａからの作動流体が合流した後、合流した作動流体が蒸気流路４に向かって流れる部位である。下側ヘッダタンク８は複数のチューブ２ａに向かって作動流体が分配される部位である。両ヘッダタンク７、８は、それらの長手方向を複数のチューブ２ａの積層方向、すなわち、水平方向と平行として配置されている。

本実施形態では、この上側ヘッダタンク７が水素ガスを排気管１０の外側に排出する水素ガス排出部を構成している。上側ヘッダタンク７は、複数のチューブ２ａに隣接していることから、加熱部２が内部に配置されている排気管１０の外側に隣接している。

具体的には、上側ヘッダタンク７は、タンク本体部２１と、図３中のチューブ２ａの上部の壁１１ｂ、１２ｂとによって構成されている。

タンク本体部２１は、上側ヘッダタンク７のうちチューブ２ａ側の壁を除く部分を構成している。このタンク本体部２１は、図示しないが、横断面形状がチューブ側に開口部を有する略Ｕ字形状であり、タンク本体部２１の開口部側が、図３中のチューブ２ａの上部の壁１１ｂ、１２ｂに、ろう付けによって接合される。

図３中のチューブ２ａの上部の壁１１ｂ、１２ｂは、上述の通り、排気ガスと作動流体を隔てているのに対して、タンク本体部２１は、排気管１０の外側の空間と作動流体とを隔てている。したがって、タンク本体部２１の外面は排気ガスと非接触である。

また、タンク本体部２１の外周全域は、空気層２２を挟んで外周壁２３に覆われており、本実施形態のタンク本体部２１は２重管構造となっている。外周壁２３は、例えば、タンク本体部２１の母材と同じ金属で構成され、タンク本体部２１にろう付けによって接合されている。

空気層２２および外周壁２３は、タンク本体部２１を保温する保温手段である。すなわち、空気層２２が断熱層となり、外周壁２３がタンク本体部２１の周囲で発生する大気の対流を防止する手段となる。空気層２２および外周壁２３は、後述するように、切替弁６によって加熱部２への作動流体の供給停止状態としたとき、排気ガスを熱源としてタンク本体部２１の温度を５００℃以上の高温にするためのものである。例えば、加熱部２が排気ガスによって８００℃に加熱されたとき、タンク本体部２１が５００℃以上となるように、空気層２２および外周壁２３の断熱性が設定されている。

また、タンク本体部２１と外周壁２３との間は密閉空間ではなく、外周壁２３には外周壁２３の外部と連通する連通口が設けられている。この連通口は、タンク本体部２１を透過した水素ガスを外部に放出するためのものである。このような連通口を設けたのは、タンク本体部２１と外周壁２３との間が密閉空間の場合、その密閉空間にタンク本体部２１を透過した水素ガスが溜まり、タンク本体部２１からの水素ガスの透過の妨げとなるからである。

ここで、図４に、図１中の領域Ａ１の拡大図を示す。図４に示すように、タンク本体部２１は、クロム系ステンレス鋼からなる母材３１で構成されている。そして、母材３１の内面に内面側金属層としてのＮｉメッキ層３２が設けられ、母材３１の外面に外面側金属層としてのＮｉメッキ層３３が設けられている。

ここでいうクロム系ステンレス鋼とは、Ｎｉをほとんど含まず、Ｎｉ含有量が３％未満のステンレス鋼を意味する。一方、Ｎｉメッキ層３２、３３は、９割以上がＮｉ元素で構成され、母材３１よりもＮｉを多く含んでいる。

また、Ｎｉメッキ層３２、３３は、Ｎｉを用いたメッキ法により形成された金属層である。このメッキ法としては電気Ｎｉメッキ、無電解Ｎｉ−Ｐメッキ、これらの組み合わせ等が採用可能である。このＮｉメッキは、例えば、クロム系ステンレス鋼の板をタンク本体部２１の形状に成型した後であって、タンク本体部２１と加熱部２とのろう付けの前に行われる。なお、クロム系ステンレス鋼の板をタンク本体部２１の形状に成型する前にＮｉメッキをしても良い。

本実施形態では、母材３１の内面側のＮｉメッキ層３２は、タンク本体部２１の内面全域を覆っており、作動流体の流路に面している。一方、母材３１の外面側のＮｉメッキ層３３はタンク本体部２１の外面全域を覆っており、排気ガス通路とは別の空間に面している。

Ｎｉメッキ層３２、３３の厚さは、５μｍ以上、２０μｍ以下であることが好ましい。これは、タンク本体部２１の加熱部２とのろう付け時では、Ｎｉメッキ層３２、３３が１０００℃以上の高温に曝されることを考慮した厚さである。すなわち、Ｎｉメッキ層が５μｍよりも薄い場合、Ｎｉメッキ層とステンレス鋼との相互拡散により、タンク本体部２１の表面にステンレス鋼の成分が出現するためであり、Ｎｉメッキ層が２０μｍよりも厚い場合、Ｎｉメッキ層の割れが起こり、タンク本体部２１の表面にステンレス鋼の成分が出現するためである。

図１に示すように、冷却部３は、加熱部２で気化した水、すなわち、蒸気とエンジン冷却水との間で熱交換させる熱交換部である。冷却部３は、エンジン冷却水が流れる流路の一部をなす筐体２００の内部に配置され、エンジン冷却水によって外部から冷却されることによって、内部を流れる蒸気を凝縮させる。なお、筐体２００には、エンジンの冷却水出口側に接続されて、筐体２００にエンジン冷却水を流入させる冷却水入口２０１と、エンジンの冷却水入口側に接続されて、筐体２００からエンジン冷却水を流出させる冷却水出口２０２とが設けられている。

冷却部３は、内部を水が流れる複数本のチューブ３ａと、この複数本のチューブ３ａに連通する一組のヘッダタンク３ｂ、３ｃと、チューブ３ａの外面に接触して取り付けられるアウターフィン３ｄとを有している。

チューブ３ａは、その長手方向を天地方向と平行として配置されている。複数のチューブ３ａの上端側と連通する上側ヘッダタンク３ｂおよび複数のチューブ３ａの下端側と連通する下側ヘッダタンク３ｃは、それらの長手方向を複数のチューブ３ａの積層方向、すなわち、水平方向と平行として配置されている。アウターフィン３ｄは、コルゲートフィンである。

蒸気流路４は、加熱部２と冷却部３とに連通し、加熱部２で発生した蒸気を冷却部３に導く配管である。本実施形態では、蒸気流路４は、上側ヘッダタンク７を介して、加熱部２と連通しており、上側ヘッダタンク７を介して、加熱部２から蒸気が流入する。

液流路５は、蒸気流路４とは別に設けられて、加熱部２と冷却部３とに連通しており、冷却部３で凝縮した凝縮液を加熱部２に導く配管である。このように、加熱部２と冷却部３とが蒸気流路４および液流路５によって環状に連通されることで、密閉された作動流体回路が構成されている。

本実施形態では、加熱部２、下側ヘッダタンク８、冷却部３、蒸気流路４および液流路５も、クロム系ステンレス鋼で構成されている。加熱部２、下側ヘッダタンク８、冷却部３、蒸気流路４および液流路５については、タンク本体部２１と同様に、クロム系ステンレス鋼からなる母材の内面と外面にＮｉメッキ層を設けても良く、銅、アルミニウム等の他の金属によって構成しても良い。

切替弁６は、冷却部３から加熱部２への凝縮水の供給状態と供給停止状態とを切り替えるものであり、言い換えると、作動流体の流路を開閉する開閉手段である。

切換弁６は、例えば、冷却部３の下側ヘッダタンク３ｃに組み込まれており、この下側ヘッダタンク３ｃに流れ込む凝縮液の圧力に応じて変位するダイアフラム６ａと、このダイアフラム６ａの変位に連動して液流路５を開閉する弁体６ｂとを有するダイアフラム弁である。

凝縮液の圧力とダイアフラム室６ｃに導入される圧力との差圧がダイアフラム弁の設定圧力より低くなると、ダイアフラム６ａが変位して弁体６ｂが液流路５を開くことによって凝縮水の供給状態となる。一方、凝縮液の圧力とダイアフラム室６ｃに導入される圧力との差圧がダイアフラム弁の設定圧力より高くなると、ダイアフラム６ａが変位して弁体６ｂが液流路５を閉じることによって凝縮水の供給停止状態となる。

次に、排気熱回収装置１の作動および効果について説明する。

上記した構成の排気熱回収装置１は、エンジン冷却水の温度が例えば７０℃以下の低温時では、切替弁６によって、冷却部３から加熱部２へ凝縮水が供給される供給状態となる。一方、エンジン冷却水の温度が例えば７０℃よりも高い高温時では、切替弁６によって、排気熱回収装置１は冷却部３から加熱部２への凝縮水の供給が停止される供給停止状態となる。

そして、排気熱回収装置１が凝縮水の供給状態のときでは、加熱部２の内部で排気ガスより受熱して水が気化して蒸気となり、その蒸気が蒸気流路４を通って冷却部３に流れ込み、冷却部３でエンジン冷却に蒸発潜熱を放出して蒸気が凝縮して凝縮液となる。凝縮液は、液流路５を通って加熱部２に還流する。この水の気化と凝縮の相変化が連続的に行われることにより、排気ガスの熱がエンジン冷却水に効率良く回収される。このとき、加熱部２から冷却部３へ連続して熱輸送されるため、加熱部２の温度は、例えば３００℃以下である。

一方、排気熱回収装置１が凝縮水の供給停止状態のときでは、凝縮水が冷却部３に貯留されるため、加熱部２の温度が排気ガスの温度と同等の温度、例えば、５００〜８００℃まで上昇する。このとき、上側ヘッダタンク７においても、タンク本体部２１が空気層２２および外周壁２３に覆われているので、排気ガスの熱によってタンク本体部２１も５００℃以上の高温となる。

ここで、本実施形態では、タンク本体部２１をクロム系ステンレス鋼からなる母材３１で構成している。クロム系ステンレス鋼は、３００〜８００℃の範囲で温度が高くなる程、水素透過性が高くなる傾向があり、５００℃よりも低温のときと比較して５００℃以上のときに高い水素透過性を有する。

さらに、本実施形態では、母材３１の内面全域にＮｉメッキ層３２を設けているので母材３１の内面での酸化被膜の形成を抑制でき、その結果、加熱部２、冷却部３等を構成する部材に含まれる鉄分と水とが反応して発生した水素ガスをタンク本体部２１から外部に排出することができる。

また、本実施形態では、母材３１の内面全域にＮｉメッキ層３２を設け、母材３１の外面全域にＮｉメッキ層３３を設けている。このため、水素ガスがタンク本体部２１を透過する際では、図４中の破線領域Ｂ１に示すように、母材３１の内面に存在するＮｉによって、水素分子Ｈ_２の解離作用を促進させることができ、図４中の破線領域Ｂ２に示すように、母材３１の外面に存在するＮｉによって、母材３１中を拡散した水素原子Ｈ^＋の再結合作用を促進させることができる。

よって、本実施形態によれば、タンク本体部２１をクロム系ステンレス鋼からなる母材３１で構成する場合において、母材３１の内面および外面にＮｉメッキ層３２、３３を設けない場合と比較して、水素透過性能を向上させることができる。

参考として、図５にクロム系ステンレス鋼製の筒状容器の内側と外側の両側表面にＮｉメッキ層を形成したとき、片側のみＮｉメッキ層を形成したとき、Ｎｉメッキ層を形成しないときの水素透過速度の比較結果を示す。図５に示す結果は、筒状容器内に水素ガスを封入した状態で、筒状容器を８００℃で加熱したときの筒状容器内の圧力を測定し、水素ガスの圧力低下量から水素透過速度を算出したものである。また、このときではＮｉメッキ層の厚さを１０μｍとした。

図５に示すように、筒状容器の内側と外側のどちらか一方の表面にＮｉメッキ層を形成したときでは、Ｎｉメッキ層が無いときに対して、それぞれ、水素透過速度が約５倍であった。さらに、筒状容器の内側と外側の両方の表面にＮｉメッキ層を形成したときでは、Ｎｉメッキ層が無いときに対して、水素透過速度が約２０倍であった。

なお、図５に示す結果は加熱温度が８００℃のときの結果であるが、加熱温度が５００℃等の他の温度のときでも、筒状容器の内側と外側の両方の表面にＮｉメッキ層を形成したときでは、Ｎｉメッキ層が無いときに対して、水素透過速度が約２０倍となる。

この結果から、クロム系ステンレス鋼からなる母材３１の内面にＮｉメッキ層３２を設け、母材３１の外面にＮｉメッキ層３３を設けることで、クロム系ステンレス鋼の水素透過性能を向上できることがわかる。

また、図６に排気熱回収装置の性能指数と水素透過速度との関係を示す。図６は、水素ガスに阻害されずに作動液の気化と凝縮とがされる場合の排気熱回収装置の熱の回収性能を１としたとき、作動流体回路内に所定量の水素ガスが存在する場合において、水素透過部の水素透過速度と熱の回収性能との関係を調査した結果である。なお、水素透過部の加熱温度は５００℃である。

排気熱回収装置による熱回収性能の劣化を抑制するという観点では、性能指数を０．９以上に維持できることが望ましい。したがって、図６に示す結果より、水素透過部を構成する部材の水素透過速度は、少なくとも５００℃のときに、２．５×１０^−９［ｍｏｌ・ｍｍ・ｈｒ^−１ｃｍ^−２Ｐａ^−１／２］以上であることが望まれる。

そこで、５００℃での水素透過速度が２．５×１０^−９［ｍｏｌ・ｍｍ・ｈｒ^−１ｃｍ^−２Ｐａ^−１／２］以上となるように、Ｎｉメッキ層３２、３３の組成、厚さ等の諸条件を設定することが好ましい。

また、本実施形態によれば、下記に記載の効果を奏する。

本実施形態では、上側ヘッダタンク７から水素ガスを排気管１０の外側に排出する構成を採用している。

ここで、本実施形態と異なり、加熱部２の構成を上述のタンク本体部２１と同様の構成として、加熱部２から排気管１０の内部に水素ガスを排出する構成を採用することも可能である。すなわち、チューブ２ａをクロム系ステンレス鋼からなる母材で構成し、母材の外面と内面の両方にＮｉメッキ層を設けることも可能である。

しかし、加熱部２の外面にＮｉメッキ層を設けた場合、加熱部の外面は排気ガスに曝されるため、排気ガス中の煤、ＮＯｘ等の腐食成分によってＮｉメッキ層が腐食し、母材の外面に存在するＮｉが減少する恐れがある。

また、加熱部２への凝縮水の供給が停止状態のときでは、加熱部２の最高温度は８００℃付近の高温になる。クロム系ステンレス鋼の水素透過性能の観点では、５００℃以上の高温であることが望ましいが、８００℃付近のように温度が高すぎると、クロム系ステンレス鋼とＮｉメッキ層との間の相互拡散が多くなり、母材の表面に存在するＮｉが減少してしまう。

これに対して、本実施形態では、上側ヘッダタンク７を排気管１０の外側に配置し、上側ヘッダタンク７を形成するタンク本体部２１を、クロム系ステンレス鋼からなる母材３１で構成し、母材３１の外面と内面の両方にＮｉメッキ層３２、３３を設けている。このため、母材３１の外面のＮｉメッキ層３３は、排気管１０の外側に位置し、排気ガスと接触しないので、母材３１の外面のＮｉメッキ層３３の排気ガスによる腐食を防止できる。

また、本実施形態では、上側ヘッダタンク７のタンク本体部２１を空気層２２等の保温手段で保温する構成を採用しているので、保温手段によって、上側ヘッダタンク７の温度が高くなりすぎないように調整できる。例えば、加熱部２が８００℃のとき、上側ヘッダタンク７を６００℃付近にすることができる。これにより、クロム系ステンレス鋼とＮｉメッキ層との間の相互拡散を抑制できる。

また、本実施形態のように、加熱部２を上下方向に延びる複数のチューブ２ａで構成し、複数のチューブ２ａの上端側に上側ヘッダタンク７が連通する構成の場合では、チューブ２ａよりも上方に位置する上側ヘッダタンク７に水素ガスが溜まる。したがって、本実施形態では、上側ヘッダタンク７から水素ガスを排出する構成を採用しているので、加熱部から水素ガスを排出させようとする場合と比較して、高い水素ガス排出効果が得られる。

また、本実施形態のように、加熱部２を上下方向に延びる複数のチューブ２ａで構成し、複数のチューブ２ａの上端側に上側ヘッダタンク７が連通する構成の場合では、上側ヘッダタンク７のタンク本体部２１の比表面積と、複数のチューブ２ａの全比表面積とを比較した場合、タンク本体部２１の比表面積の方が小さい。よって、本実施形態によれば、複数のチューブ２ａの表面にＮｉメッキ層を設ける場合と比較して、Ｎｉメッキ層の形成に必要なＮｉ量を低減できる。

（第２実施形態）
図７に、本実施形態における排気熱回収装置１を示す。図７では、図１と同様の構成部に図１と同一の符号を付している。

本実施形態の排気熱回収装置１は、上側ヘッダタンク７のタンク本体部２１を保温する保温手段が第１実施形態と異なるものである。

本実施形態では、保温手段として断熱材４１を用いている。断熱材４１は、例えば、空気層を内部に有する構造である。断熱材４１は、タンク本体部２１の外周全域を覆っており、タンク本体部２１の外面に接触している。なお、断熱材４１とタンク本体部２１との間に空気層を形成するように、断熱材４１とタンク本体部２１との間に間隔を設けても良い。

断熱材４１としては、断熱性に優れていることの他に、耐熱性に優れ、車両の振動に耐えられるように強度に優れたものを用いることが好ましい。例えば、アルミナ等のセラミックス製のマットを断熱材４１として用いることができる。

（他の実施形態）
（１）上述の各実施形態では、加熱部２、冷却部３、蒸気流路４、液流路５等の上側ヘッダタンク７以外のものをクロム系ステンレスで構成していたが、上側ヘッダタンク７のタンク本体部２１以外のものは、クロム系ステンレス以外の材料、例えば、銅で構成しても良い。

（２）上述の各実施形態では、上側ヘッダタンク７のタンク本体部２１においてのみ、母材３１の内面および外面にＮｉメッキ層３２、３３を設ける構成を採用していたが、チューブ２ａ等のタンク本体部２１以外において、母材の内面および外面にＮｉメッキ層を設ける構成を併用しても良い。これにより、タンク本体部２１以外の部位からも水素ガスを排出することができる。

（３）上述の各実施形態では、Ｎｉメッキ層３２、３３を、それぞれ、母材３１の内面全域、外面全域に設けていたが、本発明の効果が得られる範囲であれば、全域でなく、一部にＮｉメッキ層を設けても良い。

（４）上述の各実施形態では、Ｎｉを用いたメッキ法によってＮｉメッキ層３２、３３を形成していたが、メッキ法以外の方法によってＮｉ金属層を母材の表面に形成しても良い。例えば、ろう付け時に用いられるクラッド材のように、母材にＮｉ金属層を貼り合わせても良い。なお、このＮｉ金属層とは９割以上がＮｉ元素で構成されている金属層を意味する。

（５）上述の各実施形態では、保温手段がタンク本体部２１の外周全域を覆っていたが、所望の温度に保温できれば、タンク本体部２１の一部を覆う構成としても良い。

（６）第１実施形態では、タンク本体部２１と外周壁２３との間に空気層２２が形成された構成であったが、この構成に加えて、タンク本体部２１と外周壁２３との間に放熱を抑制するための輻射防止板を設置しても良い。これにより、タンク本体部２１の保温性を向上させることができる。

（７）上述の各実施形態では、チューブ２ａを構成するチューブプレートによって排気管１０を構成していたが、チューブ２ａとは別体の排気管１０の内部に複数のチューブ２ａを配置する構成を採用しても良い。例えば、チューブとは別の壁によって排気管を形成し、この排気管を形成する壁を貫通させて、上側ヘッダタンク７と複数のチューブ２ａとを連通させる構成を採用しても良い。

（８）上述の各実施形態では、複数のチューブ２ａで加熱部２を構成し、上側ヘッダタンク７で水素ガス排出部を構成していたが、加熱部および水素ガス排出部を他の構成に変更しても良い。例えば、１本のチューブ、すなわち、１本の筒状容器によって、加熱部、水素ガス排出部をそれぞれ構成しても良い。この場合、水素ガス排出部は、排気管の外側に隣接して配置された部位であって、加熱部２と蒸気流路４とに連通しており、加熱部２から蒸気が流入し、流入した蒸気が蒸気流路４に向かって流れる流路である。

（９）上述の各実施形態では、作動流体として水を用いていたが、水を用いる場合に限らず、排気熱回収装置を構成する材料と反応して水素を発生するものであれば、他のものを用いても良い。このような作動流体を用いる場合であれば、上記した各実施形態と同様の効果が得られる。

（１０）上述の各実施形態では、切換弁６として、ダイアフラム弁を用いていたが、弁体の開閉動作を電気的に制御する電磁弁等の他の弁機構を用いても良い。

（１１）上述の各実施形態の排気熱回収装置１は、排気ガスから回収した熱をエンジン冷却水に伝えるものであったが、排気ガスから回収した熱を、オイルや空気等の他の冷却媒体に伝えるようにしても良い。

（１２）上述の各実施形態を実施可能な範囲で組み合わせても良い。

本発明の第１実施形態における排気熱回収装置１の断面図である。 図１中のチューブ２ａの分解斜視図である。 図２中のチューブプレート１１、１２の積層体の斜視図である。 図１中の領域Ａ１の拡大図である。 クロム系ステンレス鋼製の筒状容器の内側と外側の両側表面にＮｉメッキ層を形成したとき、片側のみＮｉメッキ層を形成したとき、Ｎｉメッキ層を形成しないときの水素透過速度の比較結果である。 排気熱回収装置の性能指数と水素透過速度との関係を示す図である。 第２実施形態における排気熱回収装置１の断面図である。 ステンレス鋼の水素透過メカニズムを説明するための模式図である。

符号の説明

１ 排気熱回収装置
２ 加熱部
２ａ チューブ
３ 冷却部
４ 蒸気流路
５ 液流路
６ 切替弁
７ 上側ヘッダタンク
２１ タンク本体部
２２ 空気層
２３ 外周壁
３１ タンク本体部を構成する母材
３２ Ｎｉメッキ層
３３ Ｎｉメッキ層
４１ 断熱材

Claims (4)

1. 内燃機関から排出された排気ガスが流れる排気管（１０）の内部に配置され、排気ガスによって加熱されることで、内部を流れる作動流体を気化させる加熱部（２）と、
   冷却媒体によって冷却されることで、前記加熱部（２）で気化した作動流体を凝縮させる冷却部（３）と、
   前記加熱部（２）と前記冷却部（３）とに連通し、前記加熱部（２）で気化した作動流体を前記冷却部（３）に導く第１流路（４）と、
   前記第１流路（４）とは別に設けられ、前記加熱部（２）と前記冷却部（３）とに連通し、前記冷却部（３）で凝縮した作動流体を前記加熱部（２）に導く第２流路（５）と、
   前記冷却部（３）から前記加熱部（２）への作動流体の供給状態と供給停止状態とを切り替える切替弁（６）とを備える排気熱回収装置において、
   前記排気管（１０）の外側に隣接して配置され、前記加熱部（２）と前記第１流路（４）とに連通し、前記加熱部（２）から気化した作動流体が流入し、流入した作動流体が前記第１流路（４）に向かって流れる部分であって、作動流体から発生した水素ガスを前記排気管（１０）の外側に排出する水素ガス排出部（２１）を備え、
   前記水素ガス排出部（２１）は、排気ガスを熱源として加熱された前記水素ガス排出部（２１）を保温する保温手段（２２、２３、４１）によって外側が覆われており、
   前記水素ガス排出部（２１）は、クロム系ステンレス鋼からなる母材（３１）で構成され、
   前記母材（３１）の内面の全域もしくは一部に、前記母材（３１）よりもＮｉを多く含む内面側金属層（３２）が設けられ、
   前記母材（３１）の外面の全域もしくは一部に、前記母材（３１）よりもＮｉを多く含む外面側金属層（３３）が設けられていることを特徴とする排気熱回収装置。
2. 前記加熱部（２）は、内部を作動流体が流れ、外部を排気ガスが流れる複数のチューブ（２ａ）で構成され、
   前記複数のチューブ（２ａ）は、作動流体の流れ方向を上下方向として配置されており、
   前記複数のチューブ（２ａ）の上端側には、前記複数のチューブ（２ａ）で気化された作動流体が集合して流れる上側ヘッダタンク（７）が連通されており、
   前記上側ヘッダタンク（７）は、排気ガスと非接触の部分であるタンク本体部（２１）を有しており、
   前記水素ガス排出部は、前記タンク本体部（２１）であることを特徴とする請求項１に記載の排気熱回収装置。
3. 前記内面側金属層および前記外面側金属層は、Ｎｉを用いたメッキ法により形成されたＮｉメッキ層（３２、３３）であることを特徴とする請求項１または２に記載の排気熱回収装置。
4. 前記保温手段（２２、２３、４１）は、前記切替弁（６）によって前記加熱部への作動流体の供給停止状態とされた場合に、前記水素ガス排出部（２１）を５００℃以上排気ガス温度以下の温度で保温することを特徴とする請求項１ないし３のいずれか１つに記載の排気熱回収装置。
   

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