JP5307987B2 - 排熱回収装置 - Google Patents

Description

本発明は、ヒートパイプを用いて排気ガスの熱を回収する排熱回収装置に関する。

従来、鉄製のコンテナ内部に水を封入したヒートパイプが知られている。このヒートパイプは、コンテナの強度の高さと、水の作動液としての性能の高さから広範囲に使用されている。しかし、この様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、短時間でヒートパイプの性能を劣化させる問題があった。この水素ガスの発生によるヒートパイプの性能劣化を防止する従来技術として、例えば、特許文献１には、作動液を封入する外筒（コンテナ）の少なくとも一部が、水素ガスを透過する特性を有するパラジウムないしはパラジウム系合金から形成されたヒートパイプが示されている。

また、特許文献２には、コンテナの凝縮部内に、水素ガスを酸化させて水に戻す酸化剤からなる多孔質焼結体を配置したヒートパイプが示されている。
さらに、特許文献３には、アルミニウム、鋼またはねずみ鋳鉄からなるヒートパイプの内側全面に耐水性金属（銅またはニッケルまたは銅およびニッケル）の被膜を形成することにより、水素ガスの発生を防止する技術が開示されている。
実開昭５０−４９０６４号公報 特開平６−６６４８６号公報 特開昭６１−７６８８３号公報

ところが、特許文献１に記載されたヒートパイプでは、コンテナの少なくとも一部を高価なパラジウムないしはパラジウム系合金で形成するため、鉄製コンテナを使用したヒートパイプと比較してコストが高くなる。
また、特許文献２に記載されたヒートパイプは、コンテナの凝縮部内に多孔質焼結体を配置するため、構造が複雑で高価になるだけでなく、発生する水素ガスをどの程度、酸化させて水に戻すことができるのか疑問である。

さらに、特許文献３に記載された従来技術では、ヒートパイプの内側全面に耐水性金属を被覆処理するのにコストがかかる。また、被膜の一部が熱応力等によって破損した場合に、水素の発生を防ぐことができず、性能低下を招く問題があった。
本発明は、上記事情に基づいて成されたもので、その目的は、ヒートパイプの内部に発生した水素を除去できる排熱回収装置を低コストに提供することにある。

（請求項１の発明）
本発明は、排気ガス通路の内部に配置され、排気ガスによって加熱されることで、内部に作動流体として封入された水（以下、作動流体と呼ぶ。）を蒸発させる加熱部と、被加熱流体に蒸発潜熱を放出し、加熱部で蒸発した作動流体を凝縮させる冷却部と、加熱部の下流側と冷却部の上流側とを連結する蒸気流路および加熱部の上流側と冷却部の下流側とを連結する液還流路からなる循環流路を有し、加熱部から冷却部へ熱輸送するループ式のヒートパイプを備えている。
また、加熱部と冷却部とを連通させて排気ガスの熱を回収する熱回収モードと、加熱部と冷却部との連通を遮断して、加熱部の温度を排気ガスの温度と略同じ温度に昇温させる熱遮断モードとを、循環流路を開閉することで切り換えるモード切換弁を備えている。
そして、ヒートパイプは、少なくとも前記加熱部が５００℃以上で水素透過性を有するオーステナイト系ステンレス（以下、単に鋼材とも呼ぶ。）により構成されており、モード切換弁は、液還流路に配置され、冷却部の下流側における作動流体の圧力を感知して、当該圧力が設定圧力より高くなると液還流路を閉じて熱遮断モードへの切り換えを行う構成であることを特徴とする。

本発明の排熱回収装置は、モード切換弁により熱回収モードが設定されると、ヒートパイプの内部に封入された作動流体が、加熱部で排気ガスより受熱して蒸発した後、冷却部で蒸発潜熱を放出して凝縮することにより、排気ガスの熱が加熱部から冷却部へ輸送される。この熱回収モードでは、加熱部から冷却部へ熱輸送されるため、加熱部の温度（ヒートパイプの容器内側の表面温度）は、さほど上昇しない（例えば３００℃以下）。
一方、モード切換弁により熱遮断モードが設定されると、加熱部から冷却部への熱輸送が遮断されるため、加熱部の温度が排気ガスの温度と略同じ５００〜８００℃まで上昇する。ここで、ヒートパイプの加熱部を構成する鋼材には、５００℃以上で水素を透過する特性があるため、ヒートパイプの内部に発生した水素は、加熱部を構成する鋼材を透過して外部に排出される。
そして、モード切換弁が、冷却部の下流側に発生する作動流体の圧力を感知して、設定圧力より高くなると熱回収モードから熱遮断モードへの切り換えを行う。
また、ヒートパイプの加熱部を構成するオーステナイト系ステンレスは、高温での水素透過性が高く、且つ、高温強度や耐食性、耐酸化性に優れることから、本発明の排熱回収装置においては最適な材料である。

（請求項２の発明）
モード切換弁は、作動流体の圧力を感知して変位するダイヤフラムとこのダイヤフラムの変位により液還流路を開閉する弁体とを有するダイヤフラム弁で構成されていることを特徴とする。
本発明では、冷却部の下流側に発生する作動流体の圧力に応じて弁体を開閉することにより、熱回収モードと熱遮断モードとを切り換えることができる。

（請求項３の発明）
請求項２に記載した排熱回収装置において、モード切換弁は、冷却部の下流側に発生する作動流体の圧力を感知して、排気ガス温度が５００℃より低い時に弁体が開状態となり、排気ガス温度が５００℃以上の時に弁体が閉状態となることを特徴とする。
上記の構成によれば、排気ガス温度が５００℃より低い時は、弁体が開状態となって熱回収モードが設定されることにより、作動流体の蒸発と凝縮により加熱部から冷却部へ熱輸送される。
また、排気ガス温度が５００℃以上の時は、弁体が閉状態となって熱遮断モードに切り換わるため、加熱部の温度が排気ガスの温度と略同じ温度（５００℃以上）まで上昇する。この場合、ヒートパイプの内部に発生した水素は、加熱部を構成する鋼材を透過して外部に排出される。

（請求項４の発明）
請求項１〜３に記載した何れかの排熱回収装置において、冷却部は、車両走行用エンジンの冷却水によって冷却されることを特徴とする。
例えば、自動車用の排熱回収装置では、排気ガスの熱を走行用エンジンの冷却水に回収することにより、エンジン始動時には、エンジンの暖機を速やかに行うことが可能である。また、暖房用の熱源として利用することもできる。

本発明を実施するための最良の形態を、以下、図に示す３つの実施例により詳細に説明する。ただし、実施例１は、本発明が適用された例を示すものであるが、実施例２および実施例３は、本発明が適用されない参考例を示すものである。

図１は排熱回収装置１の正面図である。
実施例１に示す排熱回収装置１は、例えば、自動車の走行用エンジンより排出される排気ガスの熱を回収してエンジン冷却水（被加熱流体）に伝えるもので、以下に説明するループ式のヒートパイプ２と、モード切換弁３等より構成される。
ヒートパイプ２は、内部に純水（以下、作動流体または作動液と呼ぶ。）が封入された密閉容器を有する。この密閉容器は、図１に示す様に、排気ガス通路４の内部に配置される加熱部５と、冷却水槽６の内部に配置される冷却部７とを有し、加熱部５と冷却部７とが蒸気流路と液還流路とによる循環流路によって環状に連結されている。

加熱部５は、排気ガス通路４を流れる排気ガスと作動流体（作動液）との熱交換を行う熱交換器であり、内部を作動流体が流れる複数本のチューブ５ａと、この複数本のチューブ５ａに連通する一組のヘッダ５ｂ、５ｃと、チューブ５ａの外壁に接触して取り付けられる伝熱用フィン５ｄ等より構成される。この加熱部５を構成する材料には、５００℃以上で水素を透過する特性（図２参照）を有する鋼材としてオーステナイト系ステンレス（以下、鋼材またはステンレス鋼とも呼ぶ。）が用いられている。なお、図２に示すグラフは、オーステナイト系ステンレスの水素透過特性を示すものであり、鋼材の温度が高くなる程、水素透過係数が大きくなる（水素透過性が良くなる）ことを表している。
冷却部７は、冷却水槽６の内部を流れるエンジン冷却水と作動流体（蒸気）との熱交換を行う熱交換器であり、内部を作動流体が流れる複数本のチューブ７ａと、この複数本のチューブ７ａに連通する一組のヘッダ７ｂ、７ｃ等より構成される。冷却水槽６は、２本の接続パイプ７ｄを介してエンジンの冷却水回路（図示せず）に接続されている。

加熱部５と冷却部７は、両者のヘッダ５ｂ、５ｃ、７ｂ、７ｃを通じて環状に連結されている。具体的には、加熱部５の一方（図示上側）のヘッダ５ｂと、冷却部７の一方のヘッダ７ｂとが連結され、加熱部５の他方（図示下側）のヘッダ５ｃと、冷却部７の他方のヘッダ７ｃとが連結されている。これにより、加熱部５で排気ガスより受熱して沸騰した蒸気は、加熱部５の一方のヘッダ５ｂから冷却部７の一方のヘッダ７ｂへ流入し、冷却部７でエンジン冷却水に放熱して凝縮した作動液は、冷却部７の他方のヘッダ７ｃから加熱部５の他方のヘッダ５ｃへ流入することができる。なお、加熱部５の一方のヘッダ５ｂと冷却部７の一方のヘッダ７ｂとで蒸気流路が形成され、加熱部５の他方のヘッダ５ｃと冷却部７の他方のヘッダ７ｃとで液還流路が形成される。

モード切換弁３は、例えば、冷却部７の他方のヘッダ７ｃに組み込まれており、この他方のヘッダ７ｃに流れ込む作動流体の圧力、つまり冷却部７の下流側に発生する作動流体の圧力に応じて変位するダイアフラム３ａと、このダイアフラム３ａの変位に連動して液還流路を開閉できる弁体３ｂとを有するダイアフラム弁である。
このモード切換弁３は、作動流体によって加熱部５より輸送された熱をエンジン冷却水に回収する熱回収モードと、加熱部５から冷却部７への熱輸送を遮断する熱遮断モードとを切り換えることができる。つまり、作動流体の圧力とダイアフラム室３ｃに導入される圧力（例えば大気圧）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３ａが図示左側へ変位して弁体３ｂが液還流路を開くことにより、熱回収モードとなる。また、作動流体の圧力とダイアフラム室３ｃ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３ａが図示右側へ変位して弁体３ｂが液還流路を閉じることにより、熱遮断モードとなる。

次に、排熱回収装置１の作動を説明する。
上記の排熱回収装置１は、エンジン冷却水の温度（以下、冷却水温と言う）が低い時に、排気ガスからエンジン冷却水に熱回収を行い、冷却水温が高い時に熱遮断する。つまり、冷却水温が低い時（例えば７０℃以下）は、ダイアフラム３ａに作用する作動液の圧力が低く、大気圧との差圧がダイアフラム弁の設定圧力より低いため、モード切換弁３が開弁状態（弁体３ｂが液還流路を開いた状態）となって熱回収モードが設定される。
また、冷却水温が上昇して、ダイアフラム３ａに作用する作動液の圧力が高くなると、大気圧との差圧がダイアフラム弁の設定圧力より高くなり、モード切換弁３が閉弁状態（弁体３ｂが液還流路を閉じた状態）となって熱遮断モードが設定される。

ａ）熱回収モード
ヒートパイプ２に封入された作動流体は、図３に示す様に、加熱部５で排気ガスより受熱して沸騰した後、蒸気流路（加熱部５の一方のヘッダ５ｂ→冷却部７の一方のヘッダ７ｂ）を通って冷却部７に流れ込み、冷却部７でエンジン冷却水に蒸発潜熱を放出して凝縮する。凝縮した作動液は、液還流路（冷却部７の他方のヘッダ７ｃ→加熱部５の他方のヘッダ５ｃ）を通って加熱部５に還流する。この作動流体の蒸発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。作動流体の蒸発潜熱を吸収して昇温し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。
この熱回収モードでは、加熱部５から冷却部７へ連続して熱輸送されるため、加熱部５の温度（チューブ５ａの内側の表面温度）は、さほど上昇することはなく、例えば３００℃以下である。

ｂ）熱遮断モード
加熱部５と冷却部７との間で作動流体の循環が停止することにより、加熱部５から冷却部７への熱輸送が遮断される。これにより、図４に示す様に、作動液が冷却部７に貯留されるため、加熱部５の温度が排気ガスの温度と略同じ５００〜８００℃まで上昇する。
ところで、加熱部５に鋼材を用いた密閉容器の内部に作動液として水を封入したヒートパイプ２では、以下の式（１）に示される様に、鉄が水と反応（高温酸化）して水素が発生する。
２Ｆｅ＋３Ｈ₂ Ｏ→Ｆｅ₂ Ｏ₃ ＋３Ｈ₂ ………………（１）
これに対し、加熱部５を構成する鋼材（ステンレス鋼）には、５００℃以上で水素を透過する特性があるため、ヒートパイプ２の内部に発生した水素は、加熱部５を構成する鋼材を透過して外部に排出される。

（実施例１の効果）
上記の排熱回収装置１では、ヒートパイプ２の加熱部５が５００℃以上に加熱された時（熱遮断モード時）に、ヒートパイプ２の内部に発生した水素が鋼材を透過して外部に排出されることにより、ヒートパイプ２の内部から水素を除去できる。このヒートパイプ２は、加熱部５に高価なパラジウム等を使用する必要はなく、また、ヒートパイプ２の内側全面に耐水性金属の被膜を形成する必要もないので、例えば、先の特許文献１、３に示される公知技術を用いた排熱回収装置より、低コストな排熱回収装置１を提供できる。
また、本実施例のヒートパイプ２は、加熱部５を構成する鋼材より水素を透過させて除去するため、特許文献２に示される様に、ヒートパイプ２の内部に酸化剤からなる多孔質焼結体を配置する必要はなく、ヒートパイプ２の構造が複雑になることもない。

なお、この実施例１に記載したモード切換弁３は、作動流体の圧力に応じて弁体３ｂが開閉するダイアフラム弁であるが、例えば、ヒートパイプ２の内部に封入された作動流体の圧力をセンサにより感知して、弁体の開閉動作を電気的に制御する電磁弁を用いることもできる。

図５は排熱回収装置１の構成を模式的に示した断面図である。
本実施例の排熱回収装置１は、排気ガス温度に応じてモード切換弁３を開閉させる構成である。
モード切換弁３は、例えば、排気ガス温度を直接感知して、その排気ガス温度に応じて弁体が変位するサーモスタット弁、あるいは電磁弁であり、排気ガス温度が５００℃より低い時に開弁状態（弁体が液還流路を開いた状態）となり、排気ガス温度が５００℃以上の時に閉弁状態（弁体が液還流路を開いた状態）となる。

以下、本実施例の作動を説明する。
（ａ）排気ガス温度が５００℃未満の時
モード切換弁３が開弁状態となって熱回収モードに設定される。これにより、ヒートパイプ２に封入された作動流体は、図５（ａ）に示す様に、加熱部５で排気ガスより受熱して沸騰した後、冷却部７に流れ込み、冷却部７でエンジン冷却水に蒸発潜熱を放出して凝縮液となり、加熱部５に還流する。この作動流体の蒸発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。作動流体の蒸発潜熱を吸収して昇温し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。

（ｂ）排気ガス温度が５００℃以上の時
モード切換弁３が閉弁状態となって熱遮断モードに切り換わる。これにより、加熱部５と冷却部７との間で作動流体の循環が停止して、加熱部５から冷却部７への熱輸送が遮断される。これにより、図５（ｂ）に示す様に、作動液が冷却部７に貯留されるため、加熱部５の温度が排気ガスの温度と略同じ温度（５００℃以上）まで上昇する。その結果、ヒートパイプ２の内部に発生した水素は、加熱部５を構成する鋼材（ステンレス鋼）を透過して外部に排出される。
なお、本実施例のモード切換弁３は、排気ガス温度を直接感知する代わりに、排気ガス温度に相関する物理量を感知して弁体を開閉させる構成でも良い。排気ガス温度に相関する物理量としては、排気ガスの流量、流速、圧力、または、作動流体の温度、圧力、または、アクセル開度などがある。

図６は排熱回収装置１の構成を模式的に示した断面図である。
実施例１に記載した排熱回収装置１は、熱回収モードと熱遮断モードとを切り換えるモード切換弁３を備えているが、この実施例２に示す排熱回収装置１は、常時熱回収を行うタイプであり、例えば、図６に示す様に、ヒートパイプ２の内部空間に連通する連通容器９を備えている。
連通容器９は、排気ガス通路４の内部に配置されて、排気ガス通路４を流れる排気ガスに晒されると共に、ヒートパイプ２の内部で作動流体が沸騰して蒸気となる空間（主に加熱部５）に連通管１０を介して連通している。この連通容器９は、５００℃以上で水素透過性を有する鋼材（例えばステンレス鋼）により構成されている。

上記の排熱回収装置１は、ヒートパイプ２によって常時熱回収が行われる。つまり、ヒートパイプ２の加熱部５で作動流体が排気ガスより受熱して蒸発した後、冷却部７で蒸発潜熱を放出して凝縮することにより、排気ガスの熱が加熱部５から冷却部７へ輸送される。この場合、加熱部５の温度（チューブ５ａの容器内側の表面温度）は、さほど上昇しない（例えば３００℃以下）。
これに対し、ヒートパイプ２に連通する連通容器９は、排気ガスの流れに晒されて５００℃以上に加熱される。この連通容器９を構成する鋼材には、５００℃以上で水素を透過する特性があるため、ヒートパイプ２の内部に発生した水素は、連通容器９を構成する鋼材を透過して外部に排出される。

なお、図６に示す構成では、ヒートパイプ２と連通容器９とを連通管１０によって接続しているが、例えば、図７に示す様に、連通容器９をヒートパイプ２の加熱部５に隣接して配置することにより、ヒートパイプ２と連通容器９とを繋ぐ連通管１０を廃止することもできる。
また、図６及び図７に示す排熱回収装置１は、実施例１と同じく、ループ式のヒートパイプ２を使用しているが、例えば、図８に示す様に、一般的な単管タイプのヒートパイプ２を使用することもできる。

（変形例）
実施例１では、ヒートパイプ２の加熱部５を鋼材（例えばステンレス鋼）で構成する例を記載したが、冷却部７も同じ鋼材で構成しても良い。

排熱回収装置の正面図である。 鋼材（ステンレス）の水素透過特性を示すグラフである。 熱回収モード時の作動を説明する排熱回収装置の正面図である。 熱遮断モード時の作動を説明する排熱回収装置の正面図である。 排熱回収装置の構成を模式的に示した断面図である（実施例２）。 排熱回収装置の構成を模式的に示した断面図である（実施例３）。 排熱回収装置の構成を模式的に示した断面図である（実施例３）。 排熱回収装置の構成を模式的に示した断面図である（実施例３）。

符号の説明

１ 排熱回収装置
２ ヒートパイプ
３ モード切換弁
３ｂ モード切換弁の弁体
５ ヒートパイプの加熱部
７ ヒートパイプの冷却部
９ 連通容器

Claims (4)

1. 排気ガス通路の内部に配置され、排気ガスによって加熱されることで、内部に作動流体として封入された水（以下、作動流体と呼ぶ。）を蒸発させる加熱部と、被加熱流体に蒸発潜熱を放出し、前記加熱部で蒸発した作動流体を凝縮させる冷却部と、前記加熱部の下流側と前記冷却部の上流側とを連結する蒸気流路および前記加熱部の上流側と前記冷却部の下流側とを連結する液還流路からなる循環流路を有し、前記加熱部から前記冷却部へ熱輸送するループ式のヒートパイプと、
   前記加熱部と前記冷却部とを連通させて排気ガスの熱を回収する熱回収モードと、前記加熱部と前記冷却部との連通を遮断して、前記加熱部の温度を前記排気ガスの温度と略同じ温度に昇温させる熱遮断モードとを、前記循環流路を開閉することで切り換えるモード切換弁とを備え、
   前記ヒートパイプは、少なくとも前記加熱部が５００℃以上で水素透過性を有するオーステナイト系ステンレスにより構成されており、
   前記モード切換弁は、前記液還流路に配置され、前記冷却部の下流側における前記作動流体の圧力を感知して、当該圧力が設定圧力より高くなると前記液還流路を閉じて前記熱遮断モードへの切り換えを行う構成であることを特徴とする排熱回収装置。
2. 請求項１に記載した排熱回収装置において、
   前記モード切換弁は、前記作動流体の圧力を感知して変位するダイヤフラムとこのダイヤフラムの変位により前記液還流路を開閉する弁体とを有するダイヤフラム弁で構成されていることを特徴とする排熱回収装置。
3. 請求項１または２に記載した排熱回収装置において、
   前記モード切換弁は、前記作動流体の圧力を感知して、排気ガス温度が５００℃より低い時に前記弁体が開状態となり、排気ガス温度が５００℃以上の時に前記弁体が閉状態となることを特徴とする排熱回収装置。
4. 請求項１〜３に記載した何れかの排熱回収装置において、
   前記加熱部は、車両走行用エンジンの排気ガスによって加熱され、前記冷却部は、前記エンジンの冷却水によって冷却されることを特徴とする排熱回収装置。

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