JP6076002B2

JP6076002B2 - 熱交換器

Info

Publication number: JP6076002B2
Application number: JP2012194359A
Authority: JP
Inventors: 将太郎飯窪; 幸浩辻
Original assignee: Hino Motors Ltd
Current assignee: Hino Motors Ltd
Priority date: 2012-09-04
Filing date: 2012-09-04
Publication date: 2017-02-08
Anticipated expiration: 2032-09-04
Also published as: JP2014048038A

Description

本発明は、凝縮器に設けられる熱交換器に関する。

ランキンサイクルシステムでは、蒸発器で作動媒体を気化させて膨張機でエネルギー回生を行った後、凝縮器で再度その作動媒体を液体に戻している。このため、凝縮器では大量の放熱が必要になる。ランキンサイクルシステムの効率は、膨張機前後の圧力差（温度差）が大きいほど高くなるため、ランキンサイクルシステムの出力向上を図るには、凝縮器のサイズを大きくして放熱量を増やすことが有効である。

通常、凝縮器は、作動媒体が流れる断面扁平板状の熱交換器が複数配列されて、全体としてプレート状に形成されている。このため、このようなランキンサイクルシステムをトラックやバスなどの大型車両に搭載する場合、凝縮器は、走行風が得られやすい車両前面に設置するのが熱交換効率の面から理想である。しかしながら、車両前面にはフレームとキャブフロアに囲まれたスペースしかないため、車両前面に凝縮器を配置すると、凝縮器を大きくすることができない。このような大きさの制限が、車載用ランキンサイクルシステムの出力向上の阻害要因となっていた。

そこで、車両側面に凝縮器を設置することが考えられている（特許文献１参照）。

特開２００５−１７８７８２号公報

しかしながら、従来の凝縮器は、熱交換器が凝縮器の表裏面に対して垂直に配置されているため、このような従来の凝縮器を車両側面に設置すると、隣接する熱交換器の間に走行風が流れ込みにくくなり、熱交換効率が落ちる。その結果、必要放熱量を確保するために、本来の大きさよりも更に大型化する必要がある。

そこで、本発明は、凝縮器を大型化することなく熱交換効率を向上させることができる熱交換器を提供することを目的とする。

本発明に係る熱交換器は、車両の側面に配置される凝縮器に複数設けられる熱交換器であって、車両上下方向に延びる扁平板状の外形に形成されて、車両前後方向前側が車幅方向外側を向くように車両前後方向に対して傾斜している。

本発明に係る熱交換器によれば、車両上下方向に延びる扁平板状の外形に形成されて、車両前後方向前側が車幅方向外側を向くように車両前後方向に対して傾斜しているため、車両の走行により発生する走行風が熱交換器の間に入り込み易くなる。このため、凝縮器を車両の側面に配置したとしても、熱交換器における熱交換を促進して、熱交換効率の低下を抑制することができる。これにより、凝縮器を大型化することなく熱交換効率を向上させることができる。

この場合、車両前後方向に対する傾斜角度が５°以上１５°以下であるものとすることができる。このように、車両前後方向に対する傾斜角度が５°以上１５°以下とすれば、コアンダ効果により、走行風の空力特性の変化を抑制しつつ、熱交換器の間に走行風を入り込ませるとともに、熱交換器の間から走行風を抜け出させることができる。

また、整流板は、熱交換器の傾斜方向に沿って熱交換器の端部から車幅方向外側に向けて延びる第一整流板部と、第一整流板部の先端から車両前後方向前方に延びる第二整流板部と、を備えるものとすることができる。このような第一整流板部及び第二整流板部を備えることで、走行風を整流しながら熱交換器の間に入り込ませることができるとともに、走行時の飛び石などから熱交換器を保護することができる。

本発明によれば、凝縮器を大型化することなく熱交換効率を向上させることができる熱交換器を提供することができる。

ランキンサイクルシステムの基本原理図である。車両の概略平面図である。本実施形態に係る熱交換器が設けられる凝縮器の正面図である。図３に示すＩＶ−ＩＶ線における概略断面図である。熱交換器の横断面図である。第２の実施形態に係る熱交換器を示す概略断面図である。図６に示す熱交換器の概略側面図である。熱交換器を示す概略断面図である。熱交換器を示す概略断面図である。熱交換器を示す概略断面図である。熱交換器を示す概略断面図である。

以下、本発明の好適な実施形態について、図面を参照して詳細に説明する。本実施形態は、本発明に係る熱交換器を、トラック等の車両に搭載されるランキンサイクルシステムの凝縮器に適用したものである。なお、以下の説明において同一又は相当要素には同一符号を付し、重複する説明を省略する。

［第１の実施形態］
まず、本実施形態に係る熱交換器を説明する前に、ランキンサイクルシステムの基本原理について簡単に説明する。

図１は、ランキンサイクルシステムの基本原理図である。図１に示すように、ランキンサイクルシステムは、エンジン廃熱（エンジン冷却水や排気ガスなどの熱）を利用して作動媒体を蒸発させる蒸発器１と、蒸発器１で蒸発された気体の作動媒体を利用して発電を行う膨張機付発電機２と、膨張機付発電機２において発電に利用された気体の作動媒体を液体に凝縮する凝縮器３と、凝縮器３で凝縮された作動媒体の液体を蒸発器１に送り出す媒体用ポンプ４と、を備えている。そして、この凝縮器３において熱交換を行う熱交換器が、本実施形態に係る熱交換器である。

次に、本実施形態に係る熱交換器が設けられる凝縮器３の配置について説明する。

図２は、凝縮器の配置を示す図であって、凝縮器が搭載される車両の概略平面図である。なお、図において、「Ｆｒ」及び「Ｒｒ」は、車両前後方向における「前」及び「後」を示しており、「Ｒｈ」及び「Ｌｈ」は、車幅方向における「右」及び「左」を示している。

図２に示すように、凝縮器３は、トラックやバス等の車両１０に搭載されるとともに、当該車両１０の側面に配置されるものである。凝縮器３は、車両１０の側面に配置されれば、車両１０の如何なる場所に配置してもよいが、車両１０が図２に示す構成の場合は、以下の場所に配置することができる。

図２に示す車両１０には、エンジン２１が搭載されるキャブ２２の下方に前輪２３（右前輪２３Ｒ及び左前輪２３Ｌ）が配置されており、キャブ２２の後方に後輪２４（右後輪２４Ｒ及び左後輪２４Ｌ）が配置されている。

車両１０の左側面には、左前輪２３Ｌと左後輪２４Ｌとの間に、ランキンサイクルユニット２５と燃料タンク２６とが前から順に配置されている。そして、燃料タンク２６と左後輪２４Ｌとの間と、左後輪２４Ｌと車両１０の後端との間に、空間が形成されている。なお、ランキンサイクルユニット２５には、図１に示した蒸発器１、膨張機付発電機２及び媒体用ポンプ４が設けられている。なお、ランキンサイクルユニット２５の各構成要素は、周知の物を用いることができる。

車両１０の右側面には、右前輪２３Ｒと右後輪２４Ｒとの間に、マフラー２７とバッテリ・補機類２８とが前から順に配置されている。そして、バッテリ・補機類２８と右後輪２４Ｒとの間と、右後輪２４Ｒと車両１０の後端との間に、空間が形成されている。

そこで、凝縮器３は、車両１０の側面において空間が形成される場所、すなわち、燃料タンク２６と左後輪２４Ｌとの間（ａ）、バッテリ・補機類２８と右後輪２４Ｒとの間（ｂ）、左後輪２４Ｌと車両１０の後端との間（ｃ）、右後輪２４Ｒと車両１０の後端との間（ｄ）の何れかに配置することができる。この場合、凝縮器３を配置する優先順位は、凝縮器３とランキンサイクルユニット２５との間の配管を短くして効率を上げる観点から、（ａ）（ｂ）（ｃ）（ｄ）の順となる。なお、凝縮器３は、必ずしも一つである必要はなく、二以上であってもよい。

次に、本実施形態に係る熱交換器が設けられる凝縮器の構成について説明する。

図３は、本実施形態に係る熱交換器が設けられる凝縮器の正面図である。図３に示すように、凝縮器３は、所謂チューブ型の熱交換器であり、車両前後方向に直線状に延びるアッパータンク１１と、車両前後方向に直線状に延びてアッパータンク１１と上下方向に対向配置されるロアタンク１２と、アッパータンク１１とロアタンク１２とに連結されて上下方向に延びる複数の熱交換器１３と、熱交換器１３間に配置されるフィン１４と、を備えている。

アッパータンク１１は、膨張機付発電機２（図１参照）に連通されるとともに、熱交換器１３を支持する上側支持容器部である。

ロアタンク１２は、媒体用ポンプ４（図１参照）に連通されるとともに、熱交換器１３を支持する下側容器部である。

熱交換器１３は、アッパータンク１１及びロアタンク１２に連通されて内部に流路が形成された、所謂チューブと呼ばれるものである。この熱交換器１３は、アッパータンク１１及びロアタンク１２の延在方向に沿って直線状に配列されており、隣接する熱交換器１３が所定間隔に離間されている。このため、隣接する熱交換器１３の間において外気の通過が可能となっている。

フィン１４は、熱交換器１３に当接されて熱交換器１３の熱交換を促進する放熱板である。

このため、車両１０の走行により発生する走行風は、凝縮器３の一方側面側から熱交換器１３の間に入り込み、凝縮器３の他方側面側に抜けていく。このとき、この走行風及び当該走行風に冷却されたフィン１４と熱交換器１３とが熱交換されて、熱交換器１３内を流れる作動媒体が冷却される。これにより、膨張機付発電機２からアッパータンク１１を介して送られてきた気体の作動媒体は、熱交換器１３を通過する際に液体に凝縮されて、ロアタンク１２を介して媒体用ポンプ４に送られる。

次に、本実施形態に係る熱交換器１３の構成及び配置について説明する。

図４は、図３に示すＩＶ−ＩＶ線における概略断面図であって、車両１０の左側（図２の下側）に配置される凝縮器３を示している。図５は、熱交換器の横断面図である。

図３〜図５に示すように、熱交換器１３は、内部に作動媒体が流れる流路１５が形成されており、車両上下方向に延びる扁平板状の外形に形成されている。そして、熱交換器１３は、車両前後方向前側が車幅方向外側を向くように車両前後方向に対して傾斜しており、車幅方向外側に向けられる凝縮器３の一方側面３Ａ（又は一方側面３Ａ付近）から車幅方向内側に向けられる凝縮器３の他方側面３Ｂ（又は他方側面３Ｂ付近）まで延びている。なお、凝縮器３の一方側面３Ａは、アッパータンク１１及びロアタンク１２の車幅方向外側の側面を結んだ面となり、凝縮器３の他方側面３Ｂは、アッパータンク１１及びロアタンク１２の車幅方向内側の側面を結んだ面となる。

熱交換器１３の車両前後方向に対する傾斜角度αは、特に限定されるものではないが、走行風Ｗの空力特性の変化を抑制する観点から、５°以上１５°以下であることが好ましい。なお、全ての熱交換器１３の傾斜角度αが同一である必要はないが、全ての熱交換器１３の傾斜角度αが同一であることが好ましい。

そして、車両１０を走行させると、走行風Ｗが、凝縮器３の一方側面３Ａから各熱交換器１３の間に入り込み、各熱交換器１３により車幅方向内側かつ車両前後方向後方に案内されて、凝縮器３の他方側面３Ｂから抜けていく。このとき、走行風Ｗ及び当該走行風Ｗに冷却されたフィン１４と熱交換器１３とが熱交換されるため、膨張機付発電機２から凝縮器３に送られてきた気体の作動媒体は、熱交換器１３を通過する際に液体に凝縮されて、媒体用ポンプ４に送り出される。

このように、本実施形態に係る熱交換器１３によれば、車両上下方向に延びる扁平板状の外形に形成されて、車両前後方向前側が車幅方向外側を向くように車両前後方向に対して傾斜しているため、車両１０の走行により発生する走行風Ｗが熱交換器１３の間に入り込み易くなる。このため、凝縮器３を車両１０の側面に配置したとしても、熱交換器１３における熱交換を促進して、熱交換効率の低下を抑制することができる。これにより、凝縮器３を大型化することなく熱交換効率を向上させることができ、ランキンサイクルシステムの出力を上げることができる。

しかも、熱交換器１３の車両前後方向に対する傾斜角度αが５°以上１５°以下であるため、コアンダ効果により、走行風Ｗの空力特性の変化を抑制しつつ、熱交換器１３の間に走行風Ｗを入り込ませるとともに、熱交換器１３の間から走行風Ｗを抜け出させることができる。

［第２の実施形態］
次に、第２の実施形態に係る熱交換器の構成及び配置について説明する。第２の実施形態は、基本的に第１の実施形態と同様であるが、熱交換器の車幅方向外側に整流板が取り付けられている点のみ、第１の実施形態と相違する。このため、第１の実施形態と相違する点のみ説明し、第１の実施形態と同様の点については説明を省略する。

図６は、第２の実施形態に係る熱交換器を示す概略断面図であり、図４に対応する図である。図７は、図６に示す熱交換器の概略側面図である。

図６及び図７に示すように、本実施形態に係る熱交換器３３は、内部に作動媒体が流れる流路３４が形成されており、車両上下方向に延びる扁平板状の外形に形成されている。また、熱交換器３３は、車両前後方向前側が車幅方向外側を向くように車両前後方向に対して傾斜している。なお、熱交換器３３の車両前後方向に対する傾斜角度は、特に限定されるものではないが、第１の実施形態に係る熱交換器１３と同様に、５°以上１５°以下であることが好ましい。

そして、熱交換器３３は、凝縮器３の他方側面３Ｂ（又は他方側面３Ｂ付近）から凝縮器３の一方側面３Ａの手前まで延びており、熱交換器３３における凝縮器３の一方側面３Ａ側の端部には、熱交換器３３の延在方向に沿って延びる整流板３５が設けられている。

整流板３５は、熱交換器３３の端部から凝縮器３の一方側面３Ａ（又は一方側面３Ａ付近）まで延びる第一整流板部３６と、第一整流板部３６の先端から車両前後方向前方に延びる第二整流板部３７と、を備えている。

第一整流板部３６は、熱交換器３３の車両前後方向後側の面から、熱交換器３３の傾斜方向と平行な線（熱交換器３３の傾斜方向に延びる線）に沿って延びている。このため、第一整流板部３６の車両前後方向に対する傾斜角度は、熱交換器３３の車両前後方向に対する傾斜角度と同じである。

第二整流板部３７は、車両前後方向前側に配置される第二整流板部３７との間に空間を形成するように、第一整流板部３６の先端から車両前後方向前側に向けて延びている。このため、凝縮器３の一方側面３Ａは、第二整流板部３７により覆われており、第二整流板部３７に形成された流入口３８からのみ、凝縮器３の一方側面３Ａの内側に走行風Ｗが入り込めるようになっている。

そして、車両１０を走行させると、走行風Ｗは、流入口３８から凝縮器３の一方側面３Ａの内側に入り込み、第一整流板部３６により車幅方向内側かつ車両前後方向後方に案内されて熱交換器３３に到達する。そして、この走行風Ｗは、更に、熱交換器３３により車幅方向内側かつ車両前後方向後方に案内されて、凝縮器３の他方側面３Ｂから抜けていく。このとき、走行風Ｗ及び当該走行風Ｗに冷却されたフィン１４と熱交換器３３とが熱交換されるため、膨張機付発電機２から凝縮器３に送られてきた気体の作動媒体は、熱交換器３３を通過する際に液体に凝縮されて、媒体用ポンプ４に送り出される。

このように、本実施形態に係る熱交換器３３によれば、整流板３５を備えることで、走行風Ｗを整流しながら熱交換器１３の間に入り込ませることができる。しかも、第二整流板部３７により、車両側面視において熱交換器３３の一部を隠すことができるため、走行時の飛び石などから熱交換器１３を保護することができる。

以上、本発明の好適な実施形態について説明したが、本発明は上記実施形態に限定されるものではない。

上記実施形態において、熱交換器は、１本のチューブ状の部材で構成されるものとして説明したが、図８〜図１１に示す熱交換器のように、車両上下方向に延びる扁平板状の外形に形成されていれば、如何なる構造であってもよい。なお、図８〜図１１は、熱交換器を示す概略断面図であり、図４に対応する図である。

図８に示す熱交換器４１は、上記実施形態の熱交換器と基本的には同様であり、内部に形成される流路４２内に、車両上下方向に延びる複数の仕切板４３を挿入し、当該流路４２を細かく仕切ったものである。このように流路４２を細かくすることで、作動媒体と熱交換器４１の壁面との接触面積が増えるため、熱交換効率を向上させることができる。

図９に示す熱交換器５１は、矩形の平板状部材５２の片面に溝加工を施すことで細い溝５３を多数形成し（図９（ａ）参照）、この平板状部材５２を積層することで、外形を扁平板状に形成したものである（図９（ｂ）参照）。なお、溝５３が露出される平板状部材５２には、当該溝５３を覆うように、別の平板状部材５５が積層されている。このように熱交換器を構成すれば、熱交換器５１の厚さ方向にも複数段の流路５４が形成されることから、作動媒体と熱交換器４１の壁面との接触面積が更に増えるため、熱交換効率を更に向上させることができる。

図１０に示す熱交換器６１は、内部に流路６３が形成された細い円管部材６２を一列に並べたものである。これにより、作動媒体と熱交換器６１の壁面との接触面積が増えるため、熱交換効率を向上させることができる。

図１１に示す熱交換器７１は、図１０に示す円管部材６２よりも細い径を有して内部に流路７３が形成された円管部材７２を２以上の列に並べたものである。このように熱交換器を構成すれば、図１０に示す熱交換器６１よりも、作動媒体と熱交換器６１の壁面との接触面積が増えるため、熱交換効率を更に向上させることができる。

また、上記実施形態では、図２を参照してランキンサイクルユニット２５の配置を具体的に説明したが、ランキンサイクルユニット２５の配置は特に限定されるものではなく、車両の任意の位置にランキンサイクルユニット２５を配置することが可能である。

また、上記実施形態では、車両としてトラックを例示しているが、例えばバス、トラクタ又はその他の車両でもよい。

１…蒸発器、２…膨張機付発電機、３…凝縮器、３Ａ…一方側面、３Ｂ…他方側面、４…媒体用ポンプ、１０…車両、１１…アッパータンク、１２…ロアタンク、１３…熱交換器、１４…フィン、１５…流路、２１…エンジン、２２…キャブ、２３…前輪、２３Ｌ…左前輪、２３Ｒ…右前輪、２４…後輪、２４Ｌ…左後輪、２４Ｒ…右後輪、２５…ランキンサイクルユニット、２６…燃料タンク、２７…マフラー、２８…バッテリ・補機類、３３…熱交換器、３４…流路、３５…整流板、３６…第一整流板部、３７…第二整流板部、３８…流入口、４１…熱交換器、４２…流路、４３…仕切板、５１…熱交換器、５２…平板状部材、５３…溝、５４…流路、５５…平板状部材、６１…熱交換器、６２…円管部材、６３…流路、７１…熱交換器、７２…円管部材、７３…流路、Ｗ…走行風、α…傾斜角度。

Claims

車両の側面に配置されてランキンサイクルシステムの作動媒体を凝縮させる凝縮器に複数設けられる熱交換器であって、
車両上下方向に延びる扁平板状の外形に形成されて、車両前後方向前側が車幅方向外側を向くように車両前後方向に対して傾斜しており、
前記熱交換器の傾斜方向に沿って前記熱交換器の端部から車幅方向外側に向けて延びる第一整流板部と、
前記第一整流板部の先端から車両前後方向前方に延びる第二整流板部と、を備える、
熱交換器。