JP4877284B2 - 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、加熱部を例えば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１２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、加熱部をクロム系ステンレス鋼で構成した場合において、加熱部の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、作動流体を気化させる加熱部（２）と、作動流体を凝縮させる冷却部（３）と、加熱部（２）で気化した作動流体を冷却部（３）に導く第１流路（４）と、冷却部（３）で凝縮した作動流体を加熱部（２）に導く第２流路（５）と、冷却部（３）から加熱部（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、加熱部（２）をなす容器（２ａ、２ｂ、２ｃ）は、クロム系ステンレス鋼からなる母材で構成され、容器（２ａ、２ｂ、２ｃ）の内面の全域もしくは一部に、母材よりもＮｉを多く含む内面側金属層（１２、２２）が設けられ、容器（２ａ、２ｂ、２ｃ）の外面の全域もしくは一部に、母材よりもＮｉを多く含む外面側金属層（１３、２１）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、加熱部への作動流体の供給を停止することで、加熱部の温度を５００℃以上の高温として、作動流体から発生した水素ガスをクロム系ステンレス鋼からなる母材で構成された加熱部から外部に排出させるものである。

そして、請求項１に係る発明では、加熱部を構成する母材の内面に母材よりもＮｉを多く含む内面側金属層（１２、２２）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、請求項１に係る発明では、加熱部を構成する母材の外面に母材よりもＮｉを多く含む外面側金属層（１３、２１）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、請求項１に係る発明によれば、加熱部をクロム系ステンレス鋼で構成した場合において、加熱部の水素透過性能を向上させることができる。

内面側金属層、外面側金属層を構成する材料としては、例えば、ＮｉもしくはＮｉ合金が採用可能である。具体的には、内面側金属層、外面側金属層を下記の構成とすることができる。

例えば、請求項２に記載のように、加熱部（２）は、容器（２ａ）の外面にろう材（２１）によって接合されたアウターフィン（２ｄ）を備えており、内面側金属層がＮｉを用いたメッキ法により形成されたＮｉメッキ層（１２）であり、外面側金属層がＮｉ合金で構成されたろう材（２１）である構成を採用できる。

また、例えば、請求項３に記載のように、加熱部（２）は、容器（２ａ）の外面にろう材（２１）によって接合されたアウターフィン（２ｄ）と、容器（２ａ）の内面にろう材（２２）によって接合されたインナーフィン（２ｅ）とを備えており、内面側金属層がインナーフィン（２ｅ）側のＮｉ合金で構成されたろう材（２２）であり、外面側金属層がアウターフィン（２ｄ）側のＮｉ合金で構成されたろう材（２１）である構成を採用できる。

また、例えば、請求項４に記載のように、内面側金属層がＮｉを用いたメッキ法により形成されたＮｉメッキ層（１２）であり、外面側金属層がＮｉを用いたメッキ法により形成されたＮｉメッキ層（１３）である構成を採用できる。

また、請求項５に記載のように、内面側金属層、外面側金属層を、それぞれ、容器（２ａ、２ｂ、２ｃ）の内面、外面の一部に設ける場合では、内面側金属層を内面の全域に対して３０％以上の範囲に設け、外面側金属層を外面の全域に対して３０％以上の範囲に設けることが好ましい。

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。

具体的には、排気熱回収装置１は、図１に示すように、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器である。加熱部２は、エンジンの排気通路をなす排気筒１００内に配置され、排気ガスによって加熱部２の外部から加熱されることによって、内部を流れる水を気化させる。

加熱部２は、内部を水が流れる複数本のチューブ２ａと、この複数本のチューブ２ａに連通する一組のヘッダ２ｂ、２ｃと、チューブ２ａの外面に接触して取り付けられるアウターフィン２ｄとを有している。

チューブ２ａ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２ａの上端側と連通する上部ヘッダ２ｂおよび複数のチューブ２ａの下端側と連通する下部ヘッダ２ｃ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。上部ヘッダ２ｂは複数のチューブ２ａから作動流体が合流する部位であり、下部ヘッダ２ｃは複数のチューブ２ａに向かって作動流体が分流する部位である。アウターフィン２ｄは、コルゲートフィンであり、ろう材によってチューブ２ａに接合されている。

チューブ２ａ、上部ヘッダ２ｂおよび下部ヘッダ２ｃに作動流体としての流れるようになっている。本実施形態では、これらのチューブ２ａ、上部ヘッダ２ｂおよび下部ヘッダ２ｃが加熱部２を構成する容器に相当する。

本実施形態では、チューブ２ａ、上部ヘッダ２ｂおよび下部ヘッダ２ｃは、クロム系ステンレス鋼で構成されている。ここで、図２に図１中の領域Ａ１の拡大図を示す。

図２に示すように、チューブ２ａは、クロム系ステンレス鋼からなる母材１１で構成されている。ここでいうクロム系ステンレスとは、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。

さらに、母材１１の内面に内面側金属層としてのＮｉメッキ層１２が設けられ、母材１１の外面に外面側金属層としてのＮｉメッキ層１３が設けられている。Ｎｉメッキ層１３はチューブ２ａ内を流れる水の流路１４に面している。

チューブ２ａの内側のＮｉメッキ層１２はチューブ２ａの内面全域を覆っており、チューブ２ａの外側のＮｉメッキ層１３もチューブ２ａの外面全域を覆っている。Ｎｉメッキ層１２、１３の厚さは、２、３μｍ以上であれば良く、例えば、１０μｍとする。また、Ｎｉメッキ層１２、１３は、９割以上がＮｉ元素で構成されており、母材１１よりもＮｉを多く含んでいる。Ｎｉメッキ層１２、１３は、Ｎｉを用いたメッキ法により形成されるものである。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。チューブ２ａは、例えば、２枚の板材の表面、裏面の両方をメッキした後、この２枚の板材を向かい合わせに接合することで形成される。なお、チューブ２ａの状態でメッキしても良い。

上部ヘッダ２ｂおよび下部ヘッダ２ｃも、チューブ２ａと同様に、クロム系ステンレス鋼からなる母材１１により構成され、母材１１の内面全域と外面全域とにＮｉメッキ層が形成されている。また、アウターフィン２ｄは、クロム系ステンレス鋼で構成されている。

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器である。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部ヘッダ３ｂおよび複数のチューブ３ａの下端側と連通する下部ヘッダ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り、ろう材によってチューブ３ａに接合されている。

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に導く配管であり、本実施形態では、加熱部２の上部ヘッダ２ａと冷却部３の上部ヘッダ３ａと一体に形成されている。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。

冷却部３、蒸気流路４および液流路５は、例えば、クロム系ステンレス鋼で構成されている。なお、冷却部３、蒸気流路４および液流路５については、加熱部２と同様に母材１１の内面と外面にＮｉメッキ層１２、１３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の下部ヘッダ３ｃに組み込まれており、この下部ヘッダ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５００〜８００℃まで上昇する。

本実施形態では、加熱部２のチューブ２ａ、上部ヘッダ２ｂ、下部ヘッダ２ｃをクロム系ステンレス鋼からなる母材１１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１１の内面全域にＮｉメッキ層１２を設けているので母材１１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加熱部２から外部に排出することができる。

ここで、図３に本実施形態における加熱部２での水素透過メカニズムを示す。本実施形態では、母材１１の内面全域にＮｉメッキ層１２を設け、母材１１の外面全域にＮｉメッキ層１３を設けている。このため、水素ガスが加熱部２を透過する際では、図３中の破線領域Ｂ１に示すように、母材１１の内面に存在するＮｉによって、水素分子Ｈ_２の解離を促進させることができ、図３中の破線領域Ｂ２に示すように、母材１１の外面に存在するＮｉによって、母材１１中を拡散した水素原子Ｈの再結合を促進させることができる。

よって、本実施形態によれば、加熱部２をクロム系ステンレス鋼で構成した排気熱回収装置において、加熱部２の水素透過性能を向上させることができる。

参考として、図４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４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４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４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、本実施形態によれば、加熱部２をクロム系ステンレス鋼で構成した排気熱回収装置において、加熱部２の水素透過性能を向上できることがわかる。

また、図５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５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、加熱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、加熱部の加熱温度は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５に示す結果より、加熱部２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、本実施形態では、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１２、１３の組成、厚さ等の諸条件を設定している。

（第２実施形態）
図６に本実施形態における加熱部２の部分断面図を示す。図６は、図１中の領域Ａ１部分の拡大図であって、図２に対応している。図６では、図２と同様の構成部に図２と同一の符号を付している。以下、第１実施形態と異なる点を説明する。

本実施形態では、加熱部２の一部であるチューブ２ａの外面全域に、外面側金属層としてＮｉ合金で構成されたろう材２１を層状に設けている。具体的には、図２に示すように、母材１１の外面全域にろう材となるＮｉ合金層２１が設けられている。すなわち、本実施形態では、母材１１の外面にＮｉメッキ層を設ける代わりに、アウターフィン２ｄをチューブ２ａの外面に接合するためのろう材２１としてＮｉ合金を用いている。このＮｉ合金は、母材１１よりもＮｉを多く含むものであれば良いが、Ｎｉの成分割合が全体の５０％以上であることが好ましい。

ろう材２１としては、例えば、Ｎｉ：６０％、Ｃｒ：３０％、その他：１０％の組成のものや、ＪＩＳに規定されている一般的なニッケルろうを用いることができる。一般的なニッケルろうは、ニッケルおよびＮｉ−Ｃｒ合金にホウ素、珪素、リンなどを加えたものである。

また、層状のろう材２１、すなわち、Ｎｉ合金層２１は、例えば、母材１１にペースト状のろう材を塗布した後に、アウターフィン２ｄがろう付けされることによって形成される。

また、Ｎｉ合金層２１をクラッド材によって形成することも可能である。図７にろう材としてクラッド材を用いたときのチューブ２ａの部分断面図を示す。図７に示すように、ろう付け前の状態で、母材１１の外面にＰ層２２、Ｃｒ層２３、Ｎｉ層２４が張り合わされた板材を用いて、ろう付けすることで、ろう付け後に母材１１の外面にＮｉ合金層２１を形成することもできる。

そして、本実施形態においても、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１２およびＮｉ合金層２１の組成、厚さ等の諸条件を設定している。

このように、母材１１の外面にＮｉメッキ層を設ける代わりに、アウターフィン２ｄをチューブ２ａの外面に接合するためのろう材２１としてＮｉ合金を用いても、第１実施形態と同様の効果が得られる。

なお、本実施形態では、加熱部２を構成するチューブ２ａ、上部、下部ヘッダ２ｂ、２ｃのうち、チューブ２ａのみにＮｉ合金層２１を設けているが、加熱部２のチューブ２ａ、上部、下部ヘッダ２ｂ、２ｃ、すなわち、加熱部２をなす容器の外面全域にＮｉ合金層２１を設けても良い。

（第３実施形態）
図８に本実施形態における加熱部２の部分断面図を示す。図８は、図１中の領域Ａ１部分の拡大図であって、図６に対応している。図８では、図６と同様の構成部に図６と同一の符号を付している。

第２実施形態では、チューブ２ａの外面全域にろう材となるＮｉ合金層２１を設けていたが、本実施形態では、チューブ２ａの外面の一部分にろう材となるＮｉ合金層２１を設けている。すなわち、本実施形態では、チューブ２ａの外面のうちアウターフィン２ｄとの接合部分のみにろう材２１が設けられている。

第２実施形態のときよりも使用するろう材の量を減らすことで、チューブ２ａの外面の一部分にろう材となるＮｉ合金層２１を形成することができる。

本実施形態においても、母材１１の内面、外面の両方にＮｉメッキ層やＮｉ合金層を設けない場合と比較して、加熱部２の水素透過性能を向上させることができる。

（第４実施形態）
図９に本実施形態における加熱部２の部分断面図を示す。図９は、図１中の領域Ａ１部分の拡大図であって、図２に対応している。図９では、図２と同様の構成部に図２と同一の符号を付している。

本実施形態では、図９に示すように、加熱部２は、チューブ２ａの外面にろう材２１によって接合されたアウターフィン２ｄに加えて、チューブ２ａの内面にろう材２２によって接合されたインナーフィン２ｅを備えている。そして、第２、第３実施形態と同様に、これらのろう材２１、２２としてＮｉ合金を用いている。この結果、チューブ２ａを構成する母材１１の外面全域にＮｉ合金層２１が設けられ、母材１１の内面全域にＮｉ合金層２２が設けられている。

なお、本実施形態では、加熱部２を構成するチューブ２ａ、上部、下部ヘッダ２ｂ、２ｃのうち、チューブ２ａのみにＮｉ合金層２１およびＮｉ合金層２２を設けているが、加熱部２のチューブ２ａ、上部、下部ヘッダ２ｂ、２ｃ、すなわち、加熱部２をなす容器の外面全域にＮｉ合金層２１を設け、内面全域にＮｉ合金層２２を設けても良い。

（第５実施形態）
図１０に本実施形態における加熱部２の部分断面図を示す。図１０は、図１中の領域Ａ１部分の拡大図であって、図９に対応している。図１０では、図９と同様の構成部に図９と同一の符号を付している。

第４実施形態では、チューブ２ａの外面全域にろう材となるＮｉ合金層２１を設け、チューブ２ａの内面全域にろう材となるＮｉ合金層２２を設けていたが、本実施形態では、チューブ２ａの外面の一部分にろう材となるＮｉ合金層２１を設け、チューブ２ａの内面の一部分にろう材となるＮｉ合金層２２を設けている。

すなわち、本実施形態では、チューブ２ａの外面のうちアウターフィン２ｄとの接合部分のみにろう材２１が設けられ、チューブ２ａの内面のうちインナーフィン２ｅとの接合部分のみにろう材２２が設けられている。

ここで、図１１に全表面積に対するＮｉ層の割合と水素透過速度との関係を示す。これは、筒状容器の内面と外面の両面にＮｉメッキ層を形成し、内面に形成したＮｉメッキ層の内面全域に対する割合と、外面に形成したＮｉメッキ層の外面全域に対する割合とを一致させ、これらの割合を変化させたときの水素透過速度の変化を調べた結果である。このときではＮｉメッキ層の厚さを１０μｍとした。水素透過速度については、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算出した。

図１１からわかるように、水素透過速度を２．５×１０^−９［ｍｏｌ・ｍｍ・ｈｒ^−１ｃｍ^−２Ｐａ^−１／２］以上とするためには、内面全域に対するＮｉ層の割合と、外面全域に対するＮｉ層の割合とを、それぞれ、３０％以上とすることが必要である。

また、この結果より、内面全域に対するＮｉ層の割合と外面全域に対するＮｉ層の割合とがともに３０％のときに対して、どちらか一方の割合を増加させることで、水素透過速度を２．５×１０^−９［ｍｏｌ・ｍｍ・ｈｒ^−１ｃｍ^−２Ｐａ^−１／２］以上にできることが推測される。よって、内面全域に対するＮｉ層の割合と外面全域に対するＮｉ層の割合とが、それぞれが３０％以上であれば、内面全域に対するＮｉ層の割合と外面全域に対するＮｉ層の割合とは異なっていても良いと言える。

このように、本願発明は、加熱部２の水素透過性能を向上させることを目的としているので、Ｎｉ層を内面全域および外面全域に対して部分的に設けても効果が得られる。

なお、図１１はＮｉメッキ層を形成したときの結果であるが、Ｎｉ合金層を形成したときも同様の結果が得られると推測される。

よって、本実施形態のように、加熱部２の外面の一部分にろう材となるＮｉ合金層２１を設け、加熱部２の内面の一部分にろう材となるＮｉ合金層２２を設ける場合でも、加熱部２の内面全域に対するＮｉ合金層２２の割合と、加熱部２の外面全域に対するＮｉ合金層２１の割合とを、それぞれ、３０％以上とすることが好ましい。このことは、上記した各実施形態においても言えることであり、例えば、第３実施形態においては、加熱部２の外面全域に対するＮｉ合金層２１の割合を３０％以上とすることが好ましい。

（他の実施形態）
（１）第１〜第３実施形態では、Ｎｉを用いたメッキ法によってＮｉメッキ層１２、１３を形成していたが、メッキ法以外の方法、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１１にＮｉ層を貼り合わせても良い。このＮｉ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。

（２）第２〜第５実施形態では、ろう材としてＮｉ合金層２１、２２を用いていたが、Ｎｉ合金層２１、２２の使用目的がろう材としての使用でなく、単に水素透過性能の向上であっても良い。

（３）第１〜第３実施形態では、Ｎｉメッキ層をチューブ２ａの内面全域や外面全域に設けていたが、チューブ２ａの内面の一部や外面の一部に設けることもできる。

例えば、チューブ２ａを２枚の板材を接合することで構成する場合に、２枚の板材の一方にのみＮｉメッキ層を形成し、他方にはＮｉメッキ層を形成せず、母材のみとする。これにより、１本のチューブ２ａにおいて、内面全域の半分の領域にＮｉメッキ層を形成し、外面全域の半分の領域にＮｉメッキ層を形成できる。

（４）上記した各実施形態では、複数のチューブ２ａと、上部ヘッダ２ｂと、下部ヘッダ２ｃとによって、作動流体が内部を流れる加熱部２を構成していたが、１本のチューブ２ａ、すなわち、１本の筒状容器によって作動流体が内部を流れる加熱部２を構成しても良い。

加熱部２を１つの筒状容器によって構成する場合であっても、容器をクロム系ステンレス鋼からなる母材で構成し、容器の内面の全域もしくは一部にＮｉ層やＮｉ合金層を設け、容器の外面の全域もしくは一部にＮｉ層やＮｉ合金層を設けることで、上記した各実施形態と同様の効果が得られる。

このとき、容器の全域とは、作動流体が流れる部位であって、排気ガスによって加熱される部位全体を意味する。また、容器の外面、内面の一部にＮｉ層やＮｉ合金層を設ける場合、全領域に対する領域の割合を３０％以上８０％以下とすることが好ましい。

（５）上記した各実施形態では、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、ステンレス鋼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。

（６）上記した各実施形態では、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。

（７）上記した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。

（８）上記した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の概略構成を示す断面図である。 図１中の領域Ａ１の拡大図である。 第１実施形態における加熱部２での水素透過メカニズムを説明するための模式図である。 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実施形態における加熱部２の部分断面図である。 ろう材としてクラッド材を用いたときのチューブ２ａの部分断面図である。 第３実施形態における加熱部２の部分断面図である。 第４実施形態における加熱部２の部分断面図である。 第５実施形態における加熱部２の部分断面図である。 水素透過速度とＮｉ層の面積割合との関係を示す図である。 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
１１ 加熱部を構成する母材
１２ Ｎｉメッキ層
１３ Ｎｉメッキ層
２１ Ｎｉ合金層
２２ Ｎｉ合金層

Claims (5)

1. 内部を作動流体が流れる容器（２ａ、２ｂ、２ｃ）であって、内燃機関から排出された排気ガスによって前記容器（２ａ、２ｂ、２ｃ）の外部から加熱され、作動流体と排気ガスとの間での熱交換により、作動流体を気化させる加熱部（２）と、
   冷却媒体によって外部から冷却され、前記加熱部（２）で気化した作動流体と冷却媒体との間での熱交換により、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、
   前記加熱部（２）をなす前記容器（２ａ、２ｂ、２ｃ）は、クロム系ステンレス鋼からなる母材で構成され、
   前記容器（２ａ、２ｂ、２ｃ）の内面の全域もしくは一部に、前記母材よりもＮｉを多く含む内面側金属層（１２、２２）が設けられ、
   前記容器（２ａ、２ｂ、２ｃ）の外面の全域もしくは一部に、前記母材よりもＮｉを多く含む外面側金属層（１３、２１）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、前記容器（２ａ）の前記外面にろう材（２１）によって接合されたアウターフィン（２ｄ）を備え、
   前記内面側金属層は、Ｎｉを用いたメッキ法により形成されたＮｉメッキ層（１２）であり、
   前記外面側金属層は、Ｎｉ合金で構成されたろう材（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. 前記加熱部（２）は、前記容器（２ａ）の前記外面にろう材（２１）によって接合されたアウターフィン（２ｄ）と、前記容器（２ａ）の前記内面にろう材（２２）によって接合されたインナーフィン（２ｅ）とを備え、
   前記内面側金属層は、前記インナーフィン（２ｅ）側のＮｉ合金で構成された前記ろう材（２２）であり、
   前記外面側金属層は、前記アウターフィン（２ｄ）側のＮｉ合金で構成された前記ろう材（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。
4. 前記内面側金属層は、Ｎｉを用いたメッキ法により形成されたＮｉメッキ層（１２）であり、
   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（１３）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。
5. 前記内面側金属層は、前記容器（２ａ、２ｂ、２ｃ）の前記内面の一部であって、前記内面の全域に対して３０％以上の範囲に設けられており、
   前記外面側金属層は、前記容器（２ａ、２ｂ、２ｃ）の前記外面の一部であって、前記外面の全域に対して３０％以上の範囲に設けられていることを特徴とする請求項１ないし４のいずれか１つに記載の排気熱回収装置。
   

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