JP4930447B2

JP4930447B2 - 排気熱回収器

Info

Publication number: JP4930447B2
Application number: JP2008105372A
Authority: JP
Inventors: 知樹馬渕; 宏之土岐
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2008-04-15
Filing date: 2008-04-15
Publication date: 2012-05-16
Anticipated expiration: 2028-04-15
Also published as: JP2009257139A

Description

本発明は、自動車等の車両に用いられる排気熱回収器に関する。

従来より、ヒートパイプの原理を利用して車両のエンジンから排出された排気ガスの排気熱を回収して、この排気熱を暖機促進等に利用する技術が知られている。

また、ヒートパイプの原理を利用した熱交換器として、ループ型ヒートパイプ式熱交換器が提案されている（例えば、特許文献１参照）。これは、閉ループを形成する密閉された循環経路と、循環経路内に封入され、蒸発および凝縮可能な冷媒と、循環経路に配設され、外部からの入熱により冷媒を蒸発させる蒸発部と、循環経路の蒸発部より高い位置に配設され、蒸発部で蒸発した冷媒と外部からの被伝熱流体との間で熱交換を行う凝縮部とを有するものである。

ところで、排気熱回収器は、車両に搭載されるため、体格をコンパクトにまとめたいという要求がある。このため、従来より、ループ型ヒートパイプ式熱交換器を排気熱回収器として用いる上で、排気管の内部を略鉛直方向に横切るように延びるヒートパイプをその幅方向となる略水平方向に複数本並列に配置し、各ヒートパイプの鉛直方向両端部同士をそれぞれ連通させるヘッダ（連通部）を持つように構成したものが知られている（例えば、特許文献２参照）。そして、各ヒートパイプの上側のヘッダは、蒸発した冷媒が暖機促進対象との熱交換に供されるように凝縮部に連結されている一方、各ヒートパイプの下側のヘッダは、暖機促進対象との熱交換により凝縮された冷媒が戻されるように凝縮部に流体通路を介して連結されている。この場合、各ヒートパイプは全て同じ形状を呈している。
特開平４−４５３９３号公報特開２００６−３１３０５６号公報

ところで、エンジンの排気管内を流通する排気ガスは、排気管自体が断面略円環状に形成されているため、その排気管の中心付近を流れる傾向にある。

その場合、上記従来の排気熱回収器のように、複数のヒートパイプとしての冷媒通路が全て同じ形状を呈していると、断面略円環状の排気管に収容した際に、排気管内を流れる排気ガスの各冷媒通路に対する流れに差が生じることになる。このため、冷媒通路内で流通する冷媒の流通量が全て同じであるにもかかわらず、排気管の中心付近を横切る冷媒通路での排気ガスからの受熱量と、排気管の中心から離れた外側付近を横切る冷媒通路での排気ガスからの受熱量とに大きな差が生じ、冷媒通路全体での排気ガスとの熱交換効率が非常に悪いものとなってエンジンの暖機性能を図ることができない。

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、冷媒通路の形状に改良を加え、冷媒通路全体での排気ガスとの熱交換効率を向上させてエンジンの暖機性能の向上を図ることができる排気熱回収器を提供することにある。

上記目的を達成するため、本発明では、排気管の内部を横切るように延びる冷媒通路がその幅方向に複数本並設され、エンジンから排出された排気ガスの熱と上記冷媒通路内を流通する冷媒との熱交換により排気ガスの熱量を受熱して回収する排気熱回収器を前提とする。そして、上記複数の冷媒通路のうちの上記排気管の中心付近を横切る冷媒通路内で流通する冷媒の流通量が上記排気管の中心から離れた外側付近を横切る冷媒通路内で流通する冷媒の流通量よりも多くなるようにそれぞれの冷媒通路の通路形状を異ならせている。

この特定事項により、排気管の中心付近を横切る冷媒通路内で流通する冷媒の流通量が排気管の中心から離れた外側付近を横切る冷媒通路内で流通する冷媒の流通量よりも多くなるように各冷媒通路の通路形状を異ならせているので、排気管の中心付近を流れる傾向があるために排気管の中心から離れた外側付近の冷媒通路に対し十分に導かれない排気ガスと、その排気管の外側付近の冷媒通路内で流通する流通量の少ない冷媒との熱交換が円滑に行われる。一方、排気管の中心付近の冷媒通路に対して十分に導かれる排気ガスと、その排気管の中心付近の冷媒配管内で流通する流通量の多い冷媒との熱交換が円滑に行われる。このため、排気管内を流れる排気ガスの特性に応じて冷媒通路内で流通する冷媒の流通量が設定されることになり、排気管の外側付近の冷媒通路内での流通量の少ない冷媒に対する排気ガスからの受熱量と、排気管の中心付近の冷媒通路内での流通量の多い冷媒に対する排気ガスからの受熱量とに大きな差が生じることはない。これにより、複数の冷媒通路全体での冷媒と排気ガスとの熱交換効率を向上させて、エンジンの冷間始動時の暖機性能の向上を図ることが可能となる。

特に、複数の冷媒通路の形状を特定するものとして、以下の構成が掲げられる。つまり、上記複数の冷媒通路のうちの上記排気管の中心付近を横切る冷媒通路の断面積を上記排気管の中心から離れた外側付近を横切る冷媒通路の断面積よりも大きくなるように上記各冷媒通路の通路形状をそれぞれ設定している。

この特定事項により、排気管の中心付近の冷媒通路の断面積を上記排気管の中心から離れた外側付近の冷媒通路の断面積よりも大きく設定しているので、複数の冷媒通路の断面積を排気管の中心付近ほど大きくなるようにすることで排気ガスからの受熱量に応じて各冷媒通路内での冷媒の流通量にそれぞれ差を保たせることが可能となり、非常に簡単な構成で冷媒の流通量に応じて冷媒通路の通路形状を変更することが可能となる。

更に、上記複数の冷媒通路のうちの上記排気管の中心付近を横切る冷媒通路の長さを上記排気管の中心から離れた外側付近を横切る冷媒通路の長さよりも長くするように上記各冷媒通路の通路形状をそれぞれ設定している場合には、エンジンが停止した冷媒の流通停止時に、排気管の中心付近の冷媒通路内に排気管の外側付近の冷媒配管内よりも多くの冷媒が止まっている。そのため、エンジンの停止時に排気管の中心付近の冷媒通路内に止まる流通量の多い冷媒は、その排気管内で中央寄りとなる冷媒通路のレイアウトと相俟って排気管の外側付近の冷媒配管内に止まる流通量の少ない冷媒よりも冷間時に凍結し難い状況となり、冷間始動時において排気管内で排気ガスが流れ始めると、排気管の中心付近の冷媒配管内において凍結を免れた冷媒に対し排気管の中心付近を流れる排気ガスとの熱交換によって未凍結の冷媒が受熱されて液相から気相に迅速に蒸発し、エンジンの暖機性能の向上を図る上で非常に有利なものとなる。

以上、要するに、排気管の中心付近の冷媒通路内で流通する冷媒の流通量が排気管の外側付近の冷媒通路内で流通する冷媒の流通量よりも多くなるように各冷媒通路の通路形状を異ならせることで、排気管内を流れる排気ガスの流れ特性つまり排気ガスからの受熱量に応じて冷媒通路内での冷媒の流通量を設定でき、排気管の外側付近の冷媒通路内での流通量の少ない冷媒に対する排気ガスからの受熱量と、排気管の中心付近の冷媒通路内での流通量の多い冷媒に対する排気ガスからの受熱量との差を小さくして、複数の冷媒通路全体での冷媒と排気ガスとの熱交換効率を向上させて、エンジンの冷間始動時の暖機性能の向上を図ることができる。

以下、本発明を実施するための形態を図面に基づいて説明する。

図１および図２は本発明の実施形態に係る排気熱回収器が適用された自動車の排気管を示し、この排気管１の途中に排気熱回収器２が介設されている。具体的には、排気管１は、排気熱回収器２を境にして上流側排気管路１１と下流側排気管路１２とに分割され、排気熱回収器２の蒸発側筐体２５（後述する）の排気ガス流れ方向上流側に取り付けられた上流側接続具２５ａが上流側排気管路１１に接続されている一方、蒸発側筐体２５の排気ガス流れ方向下流側に取り付けられた下流側接続具２５ｂが下流側排気管路１２に接続されている。また、上流側排気管路１１の上流側（排気熱回収器２よりも上流側）には触媒コンバータが設けられている。一方、下流側排気管路１２の下流側（排気熱回収器２よりも下流側）にはマフラーが設けられている。

また、図３に示すように、排気熱回収器２は、７本のヒートパイプ２３，２３，…（冷媒通路）と、凝縮部２４とを備えている。

各ヒートパイプ２３は、冷媒としての純水が流通可能とされ、略円環枠形状の蒸発側筐体２５の内部においてそれぞれ排気管１内を鉛直方向へ横切るように延びて水平方向に略等間隔に並んで収容されている。この各ヒートパイプ２３を収容する蒸発側筐体２５は、排気管１の内部に臨むように配置されている。各ヒートパイプ２３は、その内部を流通する純水とエンジンから排出された排気管１内の排気ガスとの間で熱交換を行い、純水を加熱して蒸発させるようになっている。この場合、図４に示すように、各ヒートパイプ２３は、排気管１内を流通する排気ガスの流れ方向に所定（例えば６０ｍｍ程度）の長さを有し、始動時の純水の液面Ｘを境にして上下に区分されている。

凝縮部２４は、密閉されたタンク形状を呈し、排気管１の外部に配置されている。この凝縮部２４には、自動車のエンジン冷却水を循環させる冷却水通路３の導入口３１および導出口３２が接続されている。また、凝縮部２４と蒸発側筐体２５とは、上側および下側連通路２６ａ，２６ｂを介して連結され、蒸発側筐体２５のヒートパイプ２３により蒸発された気相の純水つまり蒸気が上側連通路２６ａを介して凝縮部２４に導入されるようになっている。蒸発側筐体２５の上端部には、ヒートパイプ２３により蒸発された蒸気を合流させる蒸気層２５１が設けられ、この蒸気層２５１の下面にヒートパイプ２３の上端が嵌挿されている。一方、蒸発側筐体２５の上下方向略中央部つまり始動時の純水の液面Ｘ付近の凝縮部２４側面には、後述する貯留部２７において貯留された液相の純水が導入される導入部２５２が設けられている。また、蒸発側筐体２５の下端部には、導入部２５２から導入された純水を合流させる貯留層２５３が設けられ、この貯留層２５３の上面にヒートパイプ２３の下端が嵌挿されている。そして、上側連通路２６ａは、蒸発側筐体２５の蒸気層２５１と凝縮部２４との間に接続されている一方、下側連通路２６ｂは、蒸発側筐体２５の導入部２５２に一端が接続され、他端が貯留部２７（後述する）に接続されている。

そして、図５にも示すように、凝縮部２４は、仕切壁２４１により二層構造に仕切られ、その仕切壁２４１よりも外方となる外層２４１ａ側に冷却水通路３の導入口３１から導入されたエンジン冷却水と、仕切壁２４１よりも内方となる内層２４１ｂ側に蒸気層２５１から導入された蒸気との間で熱交換を行い、エンジン冷却水との熱交換により熱を奪われた蒸気が気相から液相の純水に凝縮されるようになっている。この凝縮部２４において蒸気と熱交換されたエンジン冷却水は、その凝縮部２４の外層２４１ａ側から冷却水通路３の導出口３２を介して導出されるようになっている。この場合、冷却水通路３の導入口３１は、凝縮部２４の外層２４１ａ側における蒸気層２５１側に位置し、蒸気層２５１から導入された直後の高温の蒸気の熱が付与されるようになってる。

一方、凝縮部２４の下面には、貯留部２７が設けられ、凝縮部２４においてエンジン冷却水との熱交換により液相となった純水が凝縮部２４から貯留部２７に移動して貯留されるようになっている。そして、貯留部２７に貯留された液相の純水は、下側連通路２６ｂを介して蒸発側筐体２５に戻されるようになっている。また、貯留部２７の下側連通路２６ｂとの接続部には、蒸発側筐体２５下部の貯留部２７への液相の純水の戻りを規制するバルブ２７１が設けられている。このバルブ２７１は、エンジン側からの負圧により作動する作動部２７２により開閉され、凝縮部２４においてエンジン冷却水との熱交換が不要となった暖機完了時などに作動部２７２の作動により閉じられることによって、純水（蒸気）の移動を規制してラジエータへの熱負荷を軽減させるようにしている。この場合、排気熱回収器２の作動流体として用いられる純水は、各ヒートパイプ２３、凝縮部２４、貯留部２７、上側および下側連通路２６ａ，２６ｂの内部を真空引き（減圧）した状態で封入されている。また、ヒートパイプ２３、凝縮部２４、貯留部２７、上側および下側連通路２６ａ，２６ｂは、高耐食性を備えたステンレス材から成る。

そして、各ヒートパイプ２３のうちの排気管１の中心を鉛直方向に横切る中央のヒートパイプ２３の断面積は、その両隣の中央両側のヒートパイプ２３，２３の断面積よりも大きくなるように設定されている。また、この中央両側のヒートパイプ２３，２３の断面積は、その外側にそれぞれ隣接する中央外側寄りのヒートパイプ２３，２３の断面積よりも大きくなるように設定されている。更に、この中央外側寄りのヒートパイプ２３，２３の断面積は、その外側にそれぞれ隣接する最外側のヒートパイプ２３，２３の断面積よりも大きくなるように設定されている。つまり、各ヒートパイプ２３は、中央のヒートパイプ２３の断面積が最も大きく、次いで中央外側寄りのヒートパイプ２３，２３、中央外側寄りのヒートパイプ２３，２３および最外側のヒートパイプ２３，２３の順で断面積が段階的に大きくなるように設定されている。これにより、各ヒートパイプ２３は、中央のヒートパイプ２３内で流通する純水の流通量が最も多く、次いで中央外側寄りのヒートパイプ２３，２３、中央外側寄りのヒートパイプ２３，２３および最外側のヒートパイプ２３，２３の順で純水の流通量が多くなるように通路形状をそれぞれ異ならせている。この場合、図３に示すように、各ヒートパイプ２３の上端においてその上端同士を繋ぐ円弧に接する接線上の開口幅ａ１，ｂ１，ｃ１，ｄ１，ｅ１，ｆ１，ｇ１、および各ヒートパイプ２３の下端においてその下端同士を繋ぐ円弧に接する接線上の開口幅ｂ２，ｃ２，ｄ２，ｅ２，ｆ２は、それぞれ略一致している。

また、各ヒートパイプ２３のうちの中央のヒートパイプ２３の鉛直方向の長さは、その両隣の中央両側のヒートパイプ２３，２３の鉛直方向の長さよりも長くなるように設定されている。この中央両側のヒートパイプ２３，２３の鉛直方向の長さは、その外側の中央外側寄りのヒートパイプ２３，２３の鉛直方向の長さよりも長くなるように設定されている。更に、この中央外側寄りのヒートパイプ２３，２３の鉛直方向の長さは、その外側の最外側のヒートパイプ２３，２３の鉛直方向の長さよりも長くなるように設定されている。つまり、各ヒートパイプ２３は、中央のヒートパイプ２３の鉛直方向の長さが最も長く、次いで中央外側寄りのヒートパイプ２３，２３、中央外側寄りのヒートパイプ２３，２３および最外側のヒートパイプ２３，２３の順で鉛直方向の長さが長くなるように設定されている。

そして、貯留層２５３の上面が位置する各ヒートパイプ２３の下端は、所定の曲率半径の円弧上に位置し、その各ヒートパイプ２３の下端同士を繋ぐ円弧は、貯留層２５３の下面が位置する蒸発側筐体２５の下端面の円弧の曲率半径よりも大きな曲率半径に設定されている。これによって、中央のヒートパイプ２３の下端から蒸発側筐体２５の下端面までの距離が他のヒートパイプ２３の下端から蒸発側筐体２５の下端面までの距離よりも長くなり、純水の液面Ｘまでの高さが最も確保されることになる。

また、図３に示すように、ヒートパイプ２３の外周囲、つまり蒸発側筐体２５とこれに隣接するヒートパイプ２３との間、並びに互いに相隣なるヒートパイプ２３，２３同士の間には、排気ガスの熱を受熱するコルゲートフィン２８，２８，…が接合され、このコルゲートフィン２８，２８，…によりヒートパイプ２３の伝熱面積を増大させて純水と排気ガスとの熱交換が促進されるようにしている。

したがって、上記実施形態では、各ヒートパイプ２３は、排気管１の中心付近を鉛直方向に横切る中央のヒートパイプ２３の断面積が最も大きく、次いで中央外側寄りのヒートパイプ２３，２３、中央外側寄りのヒートパイプ２３，２３および最外側のヒートパイプ２３，２３の順で断面積が大きく設定されている上、中央のヒートパイプ２３の鉛直方向の長さが最も長く、次いで中央外側寄りのヒートパイプ２３，２３、中央外側寄りのヒートパイプ２３，２３および最外側のヒートパイプ２３，２３の順で鉛直方向の長さが長くなるように設定されている。これによって、中央のヒートパイプ２３内で流通する純水の流通量が最も多く、次いで中央外側寄りのヒートパイプ２３，２３、中央外側寄りのヒートパイプ２３，２３および最外側のヒートパイプ２３，２３の順で純水の流通量が多くなっている。これによって、排気管１の中心付近を流れる傾向があるために排気管１の中心から離れた外側付近のヒートパイプ２３に対し十分に導かれない排気ガスと、その排気管１の外側付近のヒートパイプ２３内で流通する流通量の少ない純水との熱交換が円滑に行われる。一方、排気管１の中心付近のヒートパイプ２３に対して十分に導かれる排気ガスと、その排気管１の中心付近のヒートパイプ２３内で流通する流通量の多い純水との熱交換が円滑に行われる。このため、排気管１内を流れる排気ガスの特性つまり排気ガスからの受熱量に応じて各ヒートパイプ２３内で流通する純水の流通量が設定されることになり、排気管１の外側付近のヒートパイプ２３内での流通量の少ない純水に対する排気ガスからの受熱量と、排気管１の中心付近のヒートパイプ２３内での流通量の多い純水に対する排気ガスからの受熱量とに大きな差が生じることはない。この結果、７本のヒートパイプ２３全体での純水と排気ガスとの熱交換効率を向上させて、エンジンの冷間始動時の暖機性能の向上を図ることができる。

しかも、７本のヒートパイプ２３の断面積を排気管１の中心付近ほど大きくなるようにすることで各ヒートパイプ２３内での純水の流通量にそれぞれ差を保たせることができ、非常に簡単な構成でヒートパイプ２３の通路形状を変更することができる。

更に、各ヒートパイプ２３は、中央のヒートパイプ２３の鉛直方向の長さが最も長く、次いで中央外側寄りのヒートパイプ２３，２３、中央外側寄りのヒートパイプ２３，２３および最外側のヒートパイプ２３，２３の順で鉛直方向の長さが長くなるように設定されている上、中央のヒートパイプ２３の下端から蒸発側筐体２５の下端面までの距離が他のヒートパイプ２３の下端から蒸発側筐体２５の下端面までの距離よりも長くなって、純水の液面Ｘまでの高さが最も確保されているので、エンジンが停止する純水の流通停止時には、排気管１の中心付近のヒートパイプ２３内に排気管１の外側付近のヒートパイプ２３内よりも多くの純水が止まっている。そのため、エンジン停止時に排気管１の中心付近のヒートパイプ２３内に止まる多量の純水は、その排気管１内で中央寄りとなるヒートパイプ２３のレイアウトと相俟って排気管１の外側付近のヒートパイプ２３内に止まる少量の純水よりも冷間時に凍結し難い状況となり、冷間始動時において排気管１内で排気ガスが流れ始めると、排気管１の中心付近のヒートパイプ２３内において凍結を免れた純水に対し排気管１の中心付近を流れる排気ガスとの熱交換によって未凍結の純水が効率よく受熱されて液相から気相に迅速に蒸発し、エンジンの暖機性能の向上を図る上で非常に有利なものとなる。

なお、本発明は上記実施形態に限定されるものではなく、その他種々の変形例を包含している。例えば、上記実施形態では、中央のヒートパイプ２３の断面積が最も大きく、次いで中央外側寄りのヒートパイプ２３，２３、中央外側寄りのヒートパイプ２３，２３および最外側のヒートパイプ２３，２３の順で断面積が段階的に大きくなるようにするとともに、中央のヒートパイプ２３の鉛直方向の長さが最も長く、次いで中央外側寄りのヒートパイプ２３，２３、中央外側寄りのヒートパイプ２３，２３および最外側のヒートパイプ２３，２３の順で鉛直方向の長さが長くなるように各ヒートパイプ２３の形状を設定したが、図６に示すように、各ヒートパイプ２３の断面積を同一にした上で、中央のヒートパイプ２３の鉛直方向の長さが最も長く、次いで中央外側寄りのヒートパイプ２３，２３、中央外側寄りのヒートパイプ２３，２３および最外側のヒートパイプ２３，２３の順で鉛直方向の長さが長くなるように設定していてもよい。これによって、中央のヒートパイプ２３内で流通する純水の流通量が最も多く、次いで中央外側寄りのヒートパイプ２３，２３、中央外側寄りのヒートパイプ２３，２３および最外側のヒートパイプ２３，２３の順で純水の流通量が多くなり、同一の作用効果を得ることが可能となる。

また、上記実施形態では、中央のヒートパイプ２３の断面積が最も大きく、次いで中央外側寄りのヒートパイプ２３，２３、中央外側寄りのヒートパイプ２３，２３および最外側のヒートパイプ２３，２３の順で断面積が段階的に大きくなるように各ヒートパイプ２３の形状を設定したが、各ヒートパイプの断面積を全て同一に設定するとともに、外側のヒートパイプの断面積を可変とする制御弁を設け、この制御弁をエンジンの冷間時に絞って外側のヒートパイプの断面積を小さくするようにしてもよい。

また、上記実施形態では、排気熱回収器２において排気ガスとの熱交換を行う熱交換対象としてエンジン冷却水を適用したが、エンジンオイルやトランスミッションオイルなどが熱交換対象であってもよいのはいうまでもない。

更に、上記各実施例では、冷媒として純水を適用したが、水の他にアルコール、フロロカーボンなどの冷媒が適用されていてもよい。

本発明の実施形態に係る排気熱回収器を自動車の排気管に適用した状態を示す斜視図である。排気熱回収器を自動車の排気管に適用した状態で上方から見た平面図である。図５のＤ−Ｄ線において切断した排気熱回収器の断面図である。図２のＥ−Ｅ線において切断した排気熱回収器の断面図である。図３のＧ−Ｇ線において切断した排気熱回収器の断面図である。本発明の変形例に係る図３相当図である。

符号の説明

１排気管
２排気熱回収器
２３ヒートパイプ（冷媒通路）

Claims

排気管の内部を横切るように延びる冷媒通路がその幅方向に複数本並設され、エンジンから排出された排気ガスの熱と上記冷媒通路内を流通する冷媒との熱交換により排気ガスの熱量を受熱して回収する排気熱回収器であって、
上記複数の冷媒通路は、そのうちの上記排気管の中心付近を横切る冷媒通路内で流通する冷媒の流通量が上記排気管の中心から離れた外側付近を横切る冷媒通路内で流通する冷媒の流通量よりも多くなるようにそれぞれの通路形状を異ならせていることを特徴とする排気熱回収器。
請求項１に記載の排気熱回収器において、
上記複数の冷媒通路の通路形状は、そのうちの上記排気管の中心付近を横切る冷媒通路の断面積が上記排気管の中心から離れた外側付近を横切る冷媒通路の断面積よりも大きくなるようにそれぞれ設定されていることを特徴とする排気熱回収器。
請求項１または請求項２に記載の排気熱回収器において、
上記複数の冷媒通路の通路形状は、そのうちの上記排気管の中心付近を横切る冷媒通路の長さが上記排気管の中心から離れた外側付近を横切る冷媒通路の長さよりも長くなるようにそれぞれ設定されていることを特徴とする排気熱回収器。