WO2007142292A1

WO2007142292A1 - 排熱回収装置

Info

Publication number: WO2007142292A1
Application number: PCT/JP2007/061533
Authority: WO
Inventors: Masashi Miyagawa; Yasutoshi Yamanaka; Koichi Ban; Kimio Kohara
Original assignee: Denso Corp
Current assignee: Denso Corp
Priority date: 2006-06-08
Filing date: 2007-06-07
Publication date: 2007-12-13
Anticipated expiration: 2008-12-08
Also published as: US7946112B2; DE112007000046T5; US20090293461A1; CN101356347A; DE112007000046B4; CN101356347B

Abstract

　排熱回収装置において、中間部分の断面が縮小されることなく連続的に形成されると共に、内燃機関（１０）の排気管（１１）の途中に介在されて、内燃機関の排気ガスが流通する収容部（１２０）と、収容部内に配設されて、排気ガスを浄化する触媒（１２）と、収容部内の触媒の排気ガス流れ下流側に隣接して配設されて、排気ガスの熱によって内部の作動媒体を蒸発させる蒸発部（１１０）と、蒸発部から流入する作動媒体の熱を内燃機関の冷却水側に放熱回収して作動媒体を凝縮させると共に、凝縮された作動媒体を蒸発部に戻す凝縮部（１３０）とを設ける。

Description

明細書

排熱回収装置

技術分野

[0001] 本発明は、ヒートパイプを用いる排熱回収装置に関するものであり、例えば内燃機関を備える車両に用いて好適である。

背景技術

[0002] 従来、例えば、特開平 7— 120178号公報に示されるようなヒートサイホン式排熱回収装置が知られている。この排熱回収装置は、蒸発部と凝縮部とが環状に接続されたヒートサイホン力成るものである。蒸発部をエンジンの排気管内に配設し、凝縮部をエンジン冷却水配管内に配設することで、エンジンの排気ガスの熱をエンジン冷却水に回収するようにしている。

[0003] 通常、排気管途中には排気ガスを浄化するための触媒 (触媒コンバータ）が設けられる力特開平 7— 120178号公報には、この触媒を加味した蒸発部の効果的な配置、あるいは排気管の好適な形状等にっレヽてはなんら記載されてレ、なレ、。

[0004] 例えば、触媒は排気ガス温度が所定温度以上で機能するものであるので、蒸発部が触媒よりも排気ガス流れの上流側に配設されると、排気ガスは蒸発部によって冷却されることになるため、触媒にとってはその機能を充分に発揮させることができなくなる。

[0005] また、蒸発部は排気管内に配設されるため、排気管は蒸発部に対する入口部、出口部にて拡管、縮管されることになり、排気ガスにとっては、流通の圧損を伴う。更には、触媒、蒸発部を効率良く車両等に搭載できるものが望まれる。

[0006] 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、特開平 4— 45393号公報)。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伝熱流体と、循環経路に配設され、外部からの入熱により作動流体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、蒸発部で蒸発した伝熱流体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。 [0007] 車両への搭載性に有利な、簡素でコンパ外な構造の排気熱回収装置を提供しょうとする場合、蒸発部と凝縮部を一体に構成する事が望ましい。一例を示すと、図 8に示すような、蒸発部 J1と凝縮部 J2を水平方向に隣接して配置し、蒸発部 J1および凝縮部 J2のヒートパイプ J3の鉛直方向両端部をそれぞれ連通させるヘッダ (連通部) J5 を持つような構成できる。

[0008] 上記排気熱回収装置にぉレ、て、蒸発部 J1で蒸発した作動流体は、上側のヘッダ J5 を通って凝縮部 J2に流入し、凝縮部 J2で作動流体は凝縮して液体となり、下側のへッダ J5を通って蒸発部 J1に流入する。このような蒸発部 J1における作動流体の蒸発と、凝縮部 J2における作動流体の凝縮とのバランスによって、蒸発部 J1および凝縮部 J 2間で作動流体 (液体)の水位差 (水頭差 h)が生じる。この水頭差" h"によって、凝縮部 J2から蒸発部 J1に作動流体が還流され、これにより作動流体の循環が行われてレ、る。したがって、凝縮部 J2から蒸発部 J1に十分な量の作動流体を還流させるためには、水頭差" h"を確保する必要がある。

[0009] ところで、上記排気熱回収装置では、凝縮部 J2の上流側において、蒸発部 J1で蒸発した作動流体とエンジン冷却水との熱交換を行っている。したがって、凝縮部 J2の熱交換性能を確保するためには、凝縮部 J2に配置されるヒートパイプ J3の上方側 (蒸発部 J1で蒸発した作動流体が流入する側）の放熱性能を確保する必要がある。発明の開示

[0010] 本発明の一つの目的は、上記問題に鑑み、排気ガスの浄化機能、および排気ガス力の排熱回収機能を共に良好に発揮させると共に、搭載性に優れる排熱回収装置を提供することにある。

[0011] 本発明のもう一つの目的は、作動流体循環時における蒸発部および凝縮部間の水頭差を確保するとともに、凝縮部に配置されるヒートパイプの上方側の放熱性能を確保することができる排気熱回収装置を提供することにある。

[0012] 本発明の第一例では、排熱回収装置において、中間部分の断面が縮小されることなく連続的に形成されると共に、内燃機関の排気管の途中に介在されて、内燃機関の排気ガスが流通する収容部と、収容部内に配設されて、排気ガスを浄化する触媒と、収容部内の触媒の排気ガス流れ下流側に隣接して配設されて、排気ガスの熱によって内部の作動媒体を蒸発させる蒸発部と、蒸発部から流入する作動媒体の熱を内燃機関の冷却水側に放熱回収して作動媒体を凝縮させると共に、凝縮された作動媒体を蒸発部に戻す凝縮部とを有することを特徴としている。

[0013] これにより、収容部内に触媒および蒸発部を共に備えるコンパクトな排熱回収装置とすることができるので、一括して効率的に搭載することができる。

[0014] また、触媒は、蒸発部に対して排気ガス流れの上流側に配置されるので、蒸発部による排気ガスの冷却を受けることが無ぐ排気ガスに対する浄化機能を充分に発揮させること力できる。また、蒸発部にとっては、触媒によって浄化されて温度上昇する排気ガスとの熱交換をすることになるので、効果的な排熱回収が可能となる。

[0015] 触媒および蒸発部を収容する収容部は、断面が縮小されることなく連続的に形成されるようにしているので、排気管に形成される拡管部、縮管部の数を減らして、排気ガスに対する流通圧損を低減することができる。

[0016] 例えば、収容部の下面には、排気管の後端側に延びる溝部が形成されてもよい。これにより、蒸発部において排気ガスが温度低下して排気ガス中の水分が凝縮水となつても、この凝縮水を溝部に集めて、更に排気ガスの流れと共に排気管の後端側に流すことができるので、被水による触媒、蒸発部への影響を抑制することができる。また、溝部は、複数設けられてもよい。この場合、より効果的に凝縮水を集めて後端側に流すことができる。

[0017] あるいは、溝部は、排気管の後端側に向けて下側に傾斜してもよい。あるいは、収容部の下面は、溝部の幅方向において、溝部に向けて下側に傾斜してもよい。

[0018] あるいは、収容部の下面は、蒸発部よりも排気ガス流れ上流側が、蒸発部を含む排気ガス流れ下流側よりも高い位置となるように設けてよい。この場合、蒸発部において排気ガスが温度低下して排気ガス中の水分が凝縮水となっても、この凝縮水が触媒側に流れることを阻止できると共に、排気ガスの流れと共に排気管の後端側に流すことができるので、被水による触媒、蒸発部への影響を抑制することができる。

[0019] あるいは、蒸発部の熱交換部を構成する熱交換部材には、貴金属触媒が付加してもよレ、。これにより、蒸発部の熱交換部に排気ガスに対する浄化機能を持たすことができる。よって、その分、本来の触媒コンバータを小型にすることができる。 [0020] 本発明の第二例によると、内燃機関を走行用駆動源とする車両に搭載される排気熱回収装置は、内燃機関から排出された排気ガスが流通する排気ガス径路内に配置され、排気ガスと内部に封入された蒸発および凝縮可能な作動流体との間で熱交換を行うようにする。この排気熱回収装置は、作動流体を蒸発させる蒸発部と、内燃機関の冷却水が流通する冷却水径路内に配置され、蒸発部で蒸発した作動流体と冷却水との間で熱交換を行い、作動流体を凝縮させる凝縮部とを備える。蒸発部および凝縮部が、作動流体が循環する閉ループ状流路内に配置されており、蒸発部および凝縮部は、略水平方向に隣接するように配置されており、凝縮部は、並列に配置された複数の凝縮側ヒートパイプを有しており、凝縮側ヒートパイプは、その上端部より断面積が小さい小断面積部を有しておる。小断面積部は、凝縮側ヒートパイプにおける、蒸発部が加熱されている場合の作動流体の上面よりも下方側に配置されている。

[0021] 作動流体の循環が停止している（蒸発部が加熱されていない）状態から、蒸発部が加熱されて作動流体の循環が開始されたとき、凝縮側の作動流体の上面（水面)位置が上昇する。このとき、凝縮側において、その上端部より断面積 (凝縮側ヒートパイプの長手方向に対して垂直な断面の面積）が小さい小断面積部を、蒸発部が加熱されている場合の作動流体の上面（水面）よりも下方側に配置することで、作動流体循環時における凝縮側内の作動流体の上面（水面)位置をより上昇させることができる。これにより、蒸発部および凝縮部間の水頭差を大きくすることができる。

[0022] また、凝縮側ヒートパイプにおいて、小断面積部は蒸発部が加熱されている場合の作動流体の上面（水面）よりも下方側に配置される。よって、凝縮側ヒートパイプにおける、蒸発部が加熱されている場合の作動流体の上面 (水面）より上方側の部位の断面積を小さくする必要がない。これにより、凝縮側ヒートパイプの上方側の外表面積を大きくすることができ、放熱性能を向上させることができる。

[0023] したがって、作動流体循環時における蒸発部および凝縮部間の水頭差を確保するとともに、凝縮側ヒートパイプの上方側の放熱性能を確保することが可能となる。

[0024] また、凝縮部における下流側に、凝縮した前記作動流体が前記蒸発部に流入する流路を開閉する弁機構を設けてもよい。この場合、弁機構が閉じ、作動流体の還流が停止すると、作動流体が凝縮部に貯留される。したがって、凝縮部における弁機構の上流側には、凝縮した作動流体を貯留するための容積が必要となる。よって、凝縮側ヒートパイプにおレ、て、小断面積部を蒸発部が加熱されてレ、る場合の作動流体の上面 (水面）よりも下方側に配置することで、凝縮側ヒートパイプにおける、蒸発部が加熱されている場合の作動流体の上面 (水面）より上方側の部位の流路断面積を大きくすること力 Sできる。このため、凝縮側ヒートパイプの上方側において、凝縮した作動流体の貯留容積を確保することが可能となる。

[0025] また、小断面積部を、凝縮側ヒートパイプにおける、蒸発部が加熱されていない場合の作動流体の上面より少なくとも下方側に配置してもよい。

図面の簡単な説明

[0026] [図 1]第 1実施形態における排熱回収装置の車両への搭載状態を示す模式図である

[図 2]図 1の A— A断面において、排熱回収装置を示す断面図である。す模式図である。

[図 3]第 2実施形態におけるダクト部の形状を示す側面図である。

[図 4]第 4実施形態に係る排気熱回収装置を示す断面図である。

[図 5]第 4実施形態に係る凝縮側ヒートパイプの一部を示す拡大斜視図である。

[図 6]凝縮側ヒートパイプの一部を示す拡大斜視図であり、 (a)は本第 5実施形態の構成を、（b)は比較例の構成を示している。

[図 7]第 6実施形態に係る凝縮側ヒートパイプの一部を示す拡大斜視図である。

[図 8]従来の排気熱回収装置を示す断面図である。

発明を実施するための最良の形態

[0027] (第 1実施形態）

本発明の第 1実施形態における排熱回収装置 100は、エンジン 10を走行用の駆動源とする車両（自動車）に適用されるものとしている。排熱回収装置 100は、ェンジン 10の排気管 11および排熱回収回路 30に配設されている。以下、具体的な構成について図 1、図 2を用いて説明する。図 1は排熱回収装置 100の車両への搭載状態を示す模式図、図 2は図 1の A_A部（排熱回収装置 100)を示す断面図である。 [0028] 図 1に示すように、エンジン 10は水冷式の内燃機関であり、燃料が燃焼した後の排気ガスが排出される排気管 11を有している。エンジン 10は、エンジン 10冷却用のェンジン冷却水（以下、冷却水）が循環するラジェータ回路 20と、このラジェータ回路 2 0とは別の流路として冷却水が循環する排熱回収回路 30と、空調空気加熱用のヒータコア 41に冷却水（温水）が循環するヒータ回路 40とを有している。

[0029] ラジェータ回路 20にはラジェータ 21が設けられており、ラジェータ 21は、ウォータポンプ 22によって循環される冷却水を外気との熱交換により冷却する。ラジェータ回路 20中にはラジェータ 21を迂回して冷却水が流通するバイパス流路 23が設けられており、サーモスタット 24によってラジェータ 21を流通する冷却水量とバイパス流路 2 3を流通する冷却水量とが調節されるようになっている。特に暖機時においてはバイパス流路 23側の冷却水量が増加されて暖機が促進される。つまり、ラジェータ 21による冷却水の過冷却が防止される。

[0030] 排熱回収回路 30は、ラジェータ回路 20のエンジン出口部力も分岐して、ウォータポンプ 22に接続される流路であり、ウォータポンプ 22によって冷却水が循環されるようになつている。排熱回収回路 30の途中には後述する排熱回収装置 100の水タンク 140 (凝縮部 130)が接続されてレ、る。

[0031] 尚、ヒータ回路 40は、ラジェータ回路 20のエンジン出口部とは異なる部位から冷却水（温水）が流出して、排熱回収回路 30の下流側に合流する回路としている。このヒータ回路 40には、暖房用熱交換器としてのヒータコア 41が設けられており、上記のゥォータポンプ 22によって冷却水（温水）が循環されるようにしている。ヒータコア 41は、図示しない空調ユニットの空調ケース内に配設されており、送風機によって送風される空調空気を温水との熱交換により加熱する。

[0032] 排熱回収装置 100は、図 1、図 2に示すように、触媒 12、蒸発部 110、ダクト部 120 、凝縮部 130、水タンク 140等を有しており、ダクト部 120内に触媒 12と蒸発部 110とが収容されると共に、蒸発部 110と凝縮部 130とが互いに接続されることでループ式のヒートパイプ 101を形成している。

[0033] 触媒 12は、排気ガスを浄化するものであり、例えばセラミック材力成る角柱状の部材 (モノリス）に触媒物質が付加されて形成されてレ、る。 [0034] ヒートパイプ 101には図示しない封入部が設けられており、この封入部からヒートパイブ 101内が真空引き (減圧）され、作動媒体が封入された後に封入部は封止されている。作動媒体は、ここでは水を使用している。水の沸点は、 1気圧で 100°Cであるが、ヒートパイプ 101内を減圧（例えば 0. 01気圧）しているため、沸点は、 5〜： 10°Cとなる。尚、作動媒体としては、水の他にアルコール、フロロカーボン、フロン等を用いても良い。

[0035] 上記触媒 12を除く排熱回収装置 100を構成する各部材 (以下説明）は、高耐食性を備えるステンレス材から成り、各部材が組み付けされた後に、当接部や嵌合部に設けられたろう材により、一体的にろう付けされている。

[0036] 蒸発部 110は、チューブ 111、フィン 112、下タンク部 113、上タンク部 114等から形成されている。チューブ 111は、断面扁平状を成す細長の管部材であり、長手方向が上下を向くようにして、図 2中の左右方向に所定のチューブピッチを持って複数並べられて列を成している（この方向を以下、配列方向と呼ぶ）。更に図 2の紙面に対して垂直方向にも上記列が複数並ぶように配置されている（この方向を以下、列方向と呼ぶ)。

[0037] 上記配列方向となる各チューブ 111の間には、熱交換部材としてのフィン 112が介在されて、各チューブ 111の外壁面（表面）に接合されている。フィン 112は、排気ガスとの熱交換面積を拡大するものであり、ここでは薄肉の帯板材からローラ加工によつて波形に成形されたコルゲートタイプのフィンとしてレ、る。上記チューブ 111とフィン 112は蒸発部 110の熱交換部を形成してレ、る。

[0038] 下タンク部 113、上タンク部 114は、共に扁平の容器体として形成されており、上記チューブ 111の長手方向端部側に配設されている。各タンク部 113、 114のチューブ 111に対応する位置には、チューブ孔（図示省略）が穿設されている。そして、複数のチューブ 111の長手方向両端部は、それぞれ各タンク部 113、 114のチューブ孔に接合されており、複数のチューブ 111は、各タンク部 113、 114内と連通している。

[0039] ダクト部 120は、本発明における収容部に対応するものであり、後述するように内部を排気ガスが流通するようになっている。ダクト部 120は、断面矩形状を成す筒体であり、軸方向の一端側と他端側との間となる中間部分の断面が縮小されることなぐ同一断面で連続的に形成されている。また、ダクト部 120の下面 121には、排気管 1 1の途中に介在された時に、排気管 11の後端側に延びる溝部 122が形成されている。溝部 122の断面形状は、図 2に示すように、半円形としたり、その他に四角形、 V字形等種々の形状とすることができる。

[0040] そして、触媒 12および蒸発部 110は、ダクト部 120内に収容されている。蒸発部 11 0は、ダクト部 120内で、触媒 12に対して排気ガス流れの下流側になるように、且つ、触媒 12に隣接するように配置されている。また、蒸発部 110は、チューブ 111の列方向（図 2の紙面に対して垂直方向）と、排気ガスの流れ方向（図 2の紙面に対して垂直方向）とが一致するようにダクト部 120内に収容されている。

[0041] 凝縮部 130は、上記蒸発部 110と同様に、長手方向が上下方向を向くように複数配列されるチューブ 131を有しており、各チューブ 131の長手方向両端部が上タンク部 132、下タンク部 133に接合されて形成されている。複数のチューブ 131は、各タンク咅 132、 133内と連通してレヽる。

[0042] 上記凝縮部 130は、水タンク 140内に収容されている。水タンク 140は、チューブ 1 31の長手方向に沿うように細長に形成された容器体であり、一方の端部側に冷却水を内部に導入する冷却水導入パイプ 141が設けられ、また、他方の端部側に冷却水を外部に排出する冷却水排出パイプ 142が設けられている。

[0043] 凝縮部 130の下タンク部 133内には、弁機構 150が設けられている。弁機構 150の内部は、ダイヤフラム 151によって、大気側と連通する大気側空間 152と、下タンク部 133および下タンク部 113とを連通させる連通流路 153とに区画されている。連通流路 153にはダイヤフラム 151に接続されて、この連通流路 153を開閉する弁体 154 が設けられている。

[0044] ダイヤフラム 151は、外気側からかかる大気圧と、凝縮部 130 (ヒートパイプ 101)の内圧とのバランスによって図 2中の左右方向に変位する。よって、ダイヤフラム 151の変位に伴って弁体 154が変位することで、連通流路 153が開閉される。このように、弁機構 150は作動媒体の圧力に応じて連通流路 153を開閉する弁として機能する。更に具体的には、凝縮部 130 (ヒートパイプ 101)の内圧が所定内圧（閉弁圧）よりも上昇して、大気圧に打ち勝つと、弁体 154は図 2中の右方向に摺動して、連通流路 1 53を閉じる。逆に、凝縮部 130 (ヒートパイプ 101)の内圧が所定内圧（閉弁圧）以下で開弁するようにしている。

[0045] そして、凝縮部 130は、ダクト部 120の外側で蒸発部 110の側方に配設されて、上タンク部 114と上タンク部 132とが連通するように接続されている。また、弁機構 150 の連通流路 153と下タンク部 113とが連通するように接続されている。よって、下タンク部 113→チューブ 111→上タンク部 114→上タンク部 132→チューブ 131→下タンク部 133→弁機構 150 (連通流路 153)→下タンク部 113が環状に繋がっており、ヒ一トパイプ 101を形成してレ、る。

[0046] 以上のように排熱回収装置 100は形成されており、この排熱回収装置 100は車両の床下の地上側から見て車室内側にへこむように形成されたへこみ部に配設される。そして、ダクト部 120 (触媒 12、蒸発部 110)が排気管 11に介在され、また、水タンク 140の両パイプ 141、 142が排熱回収回路 30に接続されている（図 1)。

[0047] 次に、上記構成に基づく排熱回収装置 100の作動、およびその作用効果について説明する。

[0048] エンジン 10が作動されると併せてウォータポンプ 22が作動され、冷却水はラジェ一タ回路 20、排熱回収回路 30、ヒータ回路 40を循環する。エンジン 10で燃焼された燃料の排気ガスは、排気管 11を流れ、排熱回収装置 100の触媒 12によって浄化される。この時、排気ガスは触媒 12による浄化作用により温度上昇を伴う。そして、触媒 12を通過した排気ガスはダクト部 120による流れの影響をほとんど受けない状態で下流側の蒸発部 110に流入した後に大気中に排出される。また、排熱回収回路 3 0を循環する冷却水は、排熱回収装置 100の水タンク 140内（凝縮部 130)を通過する。

[0049] エンジン 10が始動された後は、冷却水温が上昇を始めると共に、徐々にヒートパイプ 101の内圧が上昇する。尚、排気熱量はエンジン 10の負荷状態によって変化するため、一般的なエンジンを備えた車両では加速、減速、停止など様々な車両の運転状態に合わせて内圧は変動する。

[0050] ヒートパイプ 101の内圧が上昇していくなかで閉弁圧よりも低い状態にある場合は、弁機構 150は、開弁状態となる。そして、ヒートパイプ 101内の水（作動媒体）は、蒸発部 110でダクト部 120内を流れる排気ガスから受熱して沸騰気化し始めて、蒸気となってチューブ 111内を上昇し、上タンク部 114を経て凝縮部 130 (上タンク部 132、チューブ 131)内に流れ込む。凝縮部 130内へ流入した蒸気は、排熱回収回路 30 力水タンク 140内を流れる冷却水によって冷却され、凝縮水となって下タンク部 13 3、弁機構 150の連通流路 153を通り蒸発部 110の下タンク部 113に還流する。

[0051] このように、排気ガスの熱が水に伝達されて蒸発部 110から凝縮部 130へ輸送され、この凝縮部 130で蒸気が凝縮する際に凝縮潜熱として放出され、排熱回収回路 30 を流れる冷却水が積極的に加熱される。つまり、エンジン 10の暖機が促進されることになるので、エンジン 10のフリクションロスの低減、低温始動性向上のための燃料増量の抑制等が図られ燃費性能が向上される。また、冷却水を加熱源とするヒータコア 41の暖房性能が向上される。尚、排気ガスの熱はヒートパイプ 101の外壁面を介して熱伝導によって蒸発部 110から凝縮部 130に移動される分も存在する。

[0052] また、蒸発部 110に複数のチューブ 111およびフィン 112を設けることで、排気ガスに対する受熱面積を増大させて、蒸発部 110における作動媒体の蒸発を促進でき、凝縮部 130への熱輸送量の増大を可能としている。

[0053] その後、冷却水温が所定温度（例えば 70°C)を越えて、内圧が閉弁圧を超えると、弁機構 150は閉弁状態となって、ヒートパイプ 101内の凝縮水の還流が阻止される。すると、蒸発部 110においては内部の水が完全に蒸発されて（ドライアウト）、凝縮部 130に流入すると共に、凝縮部 130においては、凝縮された凝縮水が溜められることになる。

[0054] つまり、水の蒸発、凝縮による熱輸送が確実に停止され (排熱回収の停止）、冷却水側に伝達される熱量がヒートパイプ 101を介した熱伝導のみとなる。よって、ェンジン 10の負荷増加に伴い排気ガス温度が高くなる中で、排熱回収をそのまま続けると、冷却水温が上昇しすぎて、ラジェータ 21での放熱能力を超え、オーバーヒートに至つてしまうところを、排熱回収停止への切替えにより、その不具合が防止されることになる。

[0055] 本実施形態では、ダクト部 120内に触媒 12および蒸発部 110を共に配設するようにしているので、コンパクトな排熱回収装置 100とすることができ、従来、触媒 12、および蒸発部 110の搭載位置をそれぞれ決定して対応してレ、たものに対して、一括して効率的に車両の床下部（相手側）に搭載することができる。

[0056] また、触媒 12は、蒸発部 110に対して排気ガス流れの上流側に配置されることになるので、蒸発部 110による排気ガスの冷却を受けることが無ぐ排気ガスに対する浄化機能を充分に発揮させることができる。

[0057] また、蒸発部 110にとつては、触媒によって浄化されて温度上昇する排気ガスとの熱交換をすることになるので、効果的な排熱回収が可能となる。

[0058] また、触媒 12および蒸発部 110を収容するダクト部 120は、断面が縮小されることなく連続的に形成されるようにしているので、排気管 11に形成される拡管部、縮管部の数を減らして、排気ガスに対する流通圧損を低減することができる。

[0059] ここで、排熱回収装置 100によって上記のように排気ガスの熱を冷却水側に輸送するとレ、うことは、排気ガスにとっては冷却されることになり、排気ガス中に含まれる水分は凝縮水となってダクト部 120の下面 121に溜まる。通常、この溜まった凝縮水は、蒸発部 110での圧損を受けて乱流となる排気ガスによって、触媒 12や蒸発部 110に飛散する。

[0060] し力しながら、本実施形態では、蒸発部 110を収容するダクト部 120の下面 121に溝部 122を設けるようにしているので、下面 121に溜まる凝縮水を溝部 122に集めて、更に排気ガスの流れと共に排気管 11の後端側に流すことができるので、被水による触媒 12、蒸発部 110への影響を抑制することができる。尚、被水による影響というのは、触媒 12にとつては、通常のセラミック材から成るものであると、急冷作用によつて割れが発生するということである。また、蒸発部 110にとつては、被水によって腐食が発生するということである。

[0061] 尚、下面 121に設ける溝部 122については、複数の設定とするようにしても良ぐこれにより、より効果的に凝縮水を集めて後端側に流すことができる。

[0062] また、溝部 122は、排気管 11の後端側に向けて下側に傾斜するようにしても良ぐこれにより、更に効果的に凝縮水を後端側に流すことができる。

[0063] また、下面 121の溝部 122の幅方向（図 2中の左右方向）において、下面 121を溝部 122に向けて下側に傾斜するようにすると良ぐこれにより、更に効果的に凝縮水を溝部 122に集めることができる。

[0064] 更に、排気管 11の後端側におけるマフラーを通過させずに排気ガスの一部を外部に排出する際の音が問題とならないレベルであれば、溝部 122には外部下方に開口する排出孔を設けて、溝部 122に溜められた凝縮水をその排出孔から外部に排出するようにしても良い。

[0065] (第 2実施形態）

本発明の第 2実施形態を図 3に示す。第 2実施形態は、上記第 1実施形態に対して、ダクト部 120の下面 121の形状を変更したものとしている。

[0066] ダクト部 120の下面 121は、触媒 12が配設される側の領域であって、蒸発部 110よりも排気ガス流れ上流側の方が、蒸発部 110を含む領域であって、この蒸発部 110 よりも排気ガス流れ下流側よりも天地方向に高レ、位置となるように形成されてレ、る。

[0067] つまり、ダクト部 120の下面 121は、排気ガス流れの上流側力触媒 12を過ぎた部位で、段部をもって下側に拡がるように形成されて、排気ガス流れの下流側に向けて同一面高さで延びるように形成されてレ、る。

[0068] これにより、蒸発部 110において排気ガスが温度低下して排気ガス中の水分が凝縮水となっても、この凝縮水が触媒 12側に流れることを阻止できると共に、排気ガスの流れと共に排気管 11の後端側に流すことができるので、第 1実施形態と同様に被水による触媒 12、蒸発部 110への影響を抑制することができる。

[0069] (第 3実施形態）

第 3実施形態は、基本形状は上記第 1実施形態と同一として、蒸発部 110の熱交換部を構成するフィン 112の材質を変更したものとしている。ここでは、フィン 112は例えば白金 (Pt)のような貴金属触媒を付加している。

[0070] これにより、蒸発部 110の熱交換部に排気ガスに対する浄化機能を持たすことができる。つまり、エンジンの高出力時等では、ヒートパイプ 101の内圧は閉弁圧を超え、弁機構 150によって連通流路 153が閉じられて、排熱回収装置 100による熱輸送が停止される。この場合は、排熱回収装置 100による排気ガスに対する冷却作用は働かず、フィン 112による浄化作用が効果的に働く。よって、その分、本来の触媒コンパータ 12を小型にすることができる。あるいは、触媒コンバータ 12の浄化能力を据え置くとすれば、フィン 112による浄化能力分を向上させることができる。フィン 112は、本来、熱交換面積を拡大するものであるので、表面面積が大きい分、排気ガスの浄化効果を高めることができ、浄化作用を持たせるための対象部材として好適となる。

[0071] 尚、貴金属触媒を付加する対象部材としては、蒸発部 110の熱交換部を構成するチューブ 111としても良レ、。更には、チューブ 111とフィン 112の両者としても良い。 (第 4実施形態）

以下、本発明の第 4実施形態について図 4および図 5に基づいて説明する。本実施形態の排気熱回収装置は、例えば、車両のエンジン（内燃機関）の排気系から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できる。

[0072] 図 4は、本第 4実施形態に係る排気熱回収装置を示す断面図である。図 4に示すように、本実施形態の排気熱回収装置は、蒸発部 110と凝縮部 130とを備えている。蒸発部 110および凝縮部 130は、水平方向に隣接するように配置されている。

[0073] 蒸発部 110は、図示しないエンジンの排気筒内に配置される第 1の筐体 120a (収容部）内に設けられている。また、蒸発部 110は、排気ガスと後述する作動流体との間で熱交換を行い、作動流体を蒸発させるようになつている。

[0074] 凝縮部 130は、排気筒の外部に設けられており、図示しないエンジンの冷却水経路内に配置される第 2の筐体 120b (収容部）内に設けられている。また、凝縮部 130 は、蒸発部 110で蒸発した作動流体とエンジン冷却水との間で熱交換を行い、作動流体を凝縮させるようになっている。第 2の筐体 120bには、エンジンの冷却水出口側に接続される冷却水流入口 201と、エンジンの冷却水入口側に接続される冷却水流出口 202とが設けられている。

[0075] 次に、蒸発部 110の構成について説明する。

[0076] 蒸発部 110は、複数本の蒸発側ヒートパイプ 3aと、蒸発側ヒートパイプ 3aの外表面に接合されたコルゲートフィン 4aとを有している。蒸発側ヒートパイプ 3aは、排気ガスの流通方向（紙面垂直方向）が長径方向と一致するように扁平状に形成されているとともに、その長手方向が鉛直方向に一致するように複数本平行に配置されている。

[0077] 蒸発部 110において、蒸発側ヒートパイプ 3a長手方向両端部には、蒸発側ヒートパイブ 3a積層方向に延びて、全ての蒸発側ヒートパイプ 3aと連通する蒸発側ヘッダ 5a 力 Sそれぞれ設けられている。蒸発側ヘッダ 5aのうち、排気熱回収装置の上端側に配置される蒸発側ヘッダ 5aを第 1の蒸発側ヘッダ 51aといい、下端側に配置される蒸発側ヘッダ 5aを第 2の蒸発側ヘッダ 52aという。

[0078] 次に、凝縮部 130の構成について説明する。

[0079] 凝縮部 130は、複数本の凝縮側ヒートパイプ 3bと、凝縮側ヒートパイプ 3bの外表面に接合されたストレートフィン 4bとを有している。凝縮側ヒートパイプ 3bは、排気ガスの流通方向（紙面垂直方向）が長径方向と一致するように扁平状に形成されているとともに、その長手方向が鉛直方向に一致するように複数本平行に配置されている。

[0080] 凝縮部 130において、凝縮側ヒートパイプ 3b長手方向両端部には、凝縮側ヒートパイブ 3b積層方向に延びて、全ての凝縮側ヒートパイプ 3bと連通する凝縮側ヘッダ 5b がそれぞれ設けられている。凝縮側ヘッダ 5bのうち、排気熱回収装置の鉛直方向上端側に配置される凝縮側ヘッダ 5bを第 1の凝縮側ヘッダ 51bといい、鉛直方向下端側に配置される凝縮側ヘッダ 5bを第 2の凝縮側ヘッダ 52bという。

[0081] 蒸発側ヘッダ 5aと凝縮側ヘッダ 5bは、連通状態に接続されている。そして、蒸発側、凝縮側ヒートパイプ 3a、 3b、および蒸発側、凝縮側ヘッダ 5a、 5bによって閉ループが形成されており、これらの内部に水やアルコール等の蒸発 ·凝縮可能な作動流体が封入されている。

[0082] また、第 2の凝縮側ヘッダ 52b内には、弁機構 150が配設されている。弁機構 150 は、凝縮側ヒートパイプ 3bと、第 2の蒸発側ヘッダ 52aとを接続する流路を形成するとともに、蒸発側ヒートパイプ 3aの内圧（作動流体の圧力）に応じて流路を開閉するダィァフラム式の開閉手段となっている。具体的には、弁機構 150は、通常の開弁状態から、所定の冷却水温において内圧が上昇して第 1の所定圧力を超えると閉弁し、逆に内圧が低下して、第 1の所定圧力より低い第 2の所定圧力を下回ると、再び開弁するように構成されている。これにより、夏季のエンジン高負荷時等において、オーバ一ヒートを回避するために排気熱の回収を停止することができる。

[0083] 次に、本第 4実施形態における凝縮側ヒートパイプ 3bの詳細な構成について説明する。本実施形態では、複数の凝縮側ヒートパイプ 3bの構成は、全て同一となっている。 [0084] 図 5は、本第 4実施形態における凝縮側ヒートパイプ 3bを示す斜視図である。図 5 に示すように、本実施形態の凝縮側ヒートパイプ 3bは、上方側（第 1の凝縮側ヘッダ 51b側）に配置される上方部 31、下方側（第 2の凝縮側ヘッダ 52b側）に配置される下方部 32、および上方部 31と下方部 32との間に配置される中間部 33からなつている。

[0085] 凝縮側ヒートパイプ 3bにおける下方部 32の断面積 (凝縮側ヒートパイプ 3bの長手方向に対して垂直な断面の面積）は、上方部 31の断面積より小さくなつている。また、中間部 33は、上方部 31の下端から下方部 32の上端に向かって断面積が徐々に小さくなるように、上方部 31と下方部 32とを接続している。このため、中間部 33は、全ての部位において上方部 31より断面積が小さくなつている。本実施形態では、下方部 32および中間部 33を、小断面積部 300を構成する。また、凝縮側ヒートパイプ 3 bの幅方向の長さのみを変化させることで断面積を変化させている。

[0086] また、小断面積部 300は、蒸発部 110が加熱されている場合、すなわち作動流体が循環してレ、る場合の凝縮側ヒートパイプ 3b内の作動流体の上面（以下、循環時水面という、図 5中破線 A参照）よりも下方側に配置されている。循環時水面位置は、排気熱回収装置の大きさや作動条件によって異なるが、例えば、蒸発部 110が加熱されている場合に凝縮側ヒートパイプ 3b内の作動流体の上面が存在しうる範囲における任意の位置に設定することができる。

[0087] また、本実施形態では、中間部 33より断面積の小さい下方部 32は、蒸発部 110が加熱されてレ、なレ、場合、すなわち作動流体の循環が停止してレ、る場合の凝縮側ヒートパイプ 3b内の作動流体の上面（以下、停止時水面という、図 5中破線 B参照）より下方側に配置されている。ここで、停止時水面位置は、排気熱回収装置の製造時に封入した作動流体の量によって決まる。

[0088] 作動流体の循環が停止している（蒸発部 110が加熱されていない）状態から、蒸発部 110が加熱されて作動流体の循環が開始されたとき、凝縮側ヒートパイプ 3b内の作動流体の上面 (水面)位置が上昇する。このとき本実施形態のように、凝縮側ヒートパイプ 3bにおいて、上方部 31より断面積が小さい小断面積部 300を、循環時水面よりも下方側に配置することで、作動流体循環時における凝縮側ヒートパイプ 3b内の作動流体の上面（水面)位置をより上昇させることができる。これにより、蒸発部 110および凝縮部 130間の水頭差を大きくすることができる。

[0089] また、凝縮側ヒートパイプ 3bにおいて、小断面積部 300は循環時水面よりも下方側に配置されるので、循環時水面より上方側の部位の断面積を小さくする必要がない。これにより、凝縮側ヒートパイプ 3bの上方側の外表面積を大きくすることができ、放熱性能を向上させることができる。

[0090] したがって、作動流体循環時における蒸発部 110および凝縮部 130間の水頭差を確保するとともに、凝縮側ヒートパイプ 3bの上方側の放熱性能を確保することが可能となる。

[0091] また、本実施形態では、第 2の凝縮側ヘッダ 52b内に、凝縮部 130から蒸発部 110 への作動流体の流れを制御する弁機構 150が配設されている。この場合、弁機構 1 50が閉じ、作動流体の還流が停止すると、作動流体が凝縮部 130に貯留される。したがって、凝縮部 130における弁機構 150の上流側には、凝縮した作動流体を貯留するための容積が必要となる。上記のように、凝縮側ヒートパイプ 3bにおいて小断面積部 300を循環時水面よりも下方側に配置することで、凝縮側ヒートパイプ 3bにおける循環時水面より上方側の部位の流路断面積を大きくすることができる。このため、凝縮側ヒートパイプ 3bの上方部 31において、凝縮した作動流体の貯留容積を確保すること力 S可言となる。

[0092] (第 5実施形態）

次に、本発明の第 5実施形態について図 6に基づいて説明する。上記第 4実施形態と同様の部分については同一の符号を付して説明を省略する。

[0093] 図 6は凝縮側ヒートパイプ 3bの要部を示す拡大斜視図であり、（a)は本第 5実施形態の構成を、 (b)は比較例の構成を示している。

[0094] 図 6 (a)に示すように、本実施形態の凝縮部 130は、いわゆるドロンカップ型であり、 2枚のチューブプレートを互いに最中合わせに複数積層されて形成した後ろう付けにて接合することにより、複数の偏平状の凝縮側ヒートパイプ 3bが積層して形成されるとともに、凝縮側ヒートパイプ 3bの長手方向の両端に凝縮側ヘッダ 5bが形成されている。本実施形態では、凝縮側ヒートパイプ 3bの下方部 32が第 2の凝縮側ヘッダ 52bに対応している。また、第 2の凝縮側ヘッダ 52b内には、凝縮部 130から蒸発部 110への作動流体の流れを制御する外形が略円柱状の弁機構 150が配設されている。

[0095] 従来、図 6 (b)に示すように、第 2の凝縮側ヘッド J52bにおける弁機構 J6より下方側の部分（図 6 (b)中斜線部 X参照）は、蒸発部 110および凝縮部 130間の水頭差の確保に全く寄与しないデッドスペースとなっていた。

[0096] これに対し、第 5実施形態では、凝縮側ヒートパイプ 3bにおける下方部 32、すなわち第 2の凝縮側ヘッダ 52bの断面積を上方部 31の断面積より小さくすることで、デッドスペース（図 6 (a)中斜線部 Y参照）の容積を小さくすることができる。これにより、蒸発部 110および凝縮部 130間の水頭差を大きくすることができ、凝縮部 130から蒸発部 110に流入する作動流体の流量を増加することができる。このため、作動流体の循環量を増加させ、熱回収性能を向上させることができる。

[0097] (第 6実施形態）

次に、本発明の第 6実施形態について図 7に基づいて説明する。上記第 4実施形態と同様の部分については同一の符号を付して説明を省略する。

[0098] 図 7は、本第 6実施形態に係る凝縮側ヒートパイプ 3bの要部を示す拡大斜視図である。図 7に示すように、本実施形態の小断面積部 300は、上方から下方に向かって作動流体流路が徐々に小さくなり、その後徐々に大きくなる形状になっている。これにより、上記第 4実施形態と同様の効果を得ることができる。

[0099] (他の実施形態）

上記第 4〜第 6実施形態では、凝縮側ヒートパイプ 3bの幅方向の長さのみを変化させることで断面積を変化させたが、これに限らず、例えば凝縮側ヒートパイプ 3bの厚さ方向の長さを変化させることで断面積を変化させてもよい。

[0100] また、上記第 4〜第 6実施形態では、小面積部 300を複数の凝縮側ヒートパイプ 3b の全てに設けたが、これに限らず、少なくとも 1つの凝縮側ヒートパイプ 3bに設ければよい。また、上記各実施形態では、第 2の凝縮部側ヘッダ 52b内に弁機構 150を設けたが、弁機構 150は設けなくてもよい。

[0101] 上記第 1〜第 3実施形態では、ダクト部 120は断面が矩形状の筒体としたが、触媒 12を円柱状に形成した場合は、触媒 12に対応する領域の断面を矩形状に内接するような円形として、蒸発部 110に対応する矩形状断面部に滑らかに接続されるものとしても良い。

[0102] また、上記第 1〜第 3実施形態では、排熱回収装置 100の基本構造として、蒸発部 110の側方に凝縮部 130を配設するようにしたが、これに限らず、蒸発部 110の上方に凝縮部 130を配設するようにしても良レ、。この場合は、凝縮部 130のチューブ 131 を水平配置となるようにすると良レ、。

[0103] また、弁機構 150は、ヒートパイプ 101の内圧、即ち作動媒体の圧力によって開閉するものとしたが、これに代えて、冷却水の温度、あるいは作動媒体の温度に応じて開閉する弁としても良い。

[0104] また、弁機構 150は、ラジェータ 21での放熱能力に余裕があれば廃止して、下タンク部 133と下タンク部 113とを直接接続したものとしても良い。

Claims

請求の範囲

[1] 中間部分の断面が縮小されることなく連続的に形成されると共に、内燃機関（10) の排気管（11)の途中に介在されて、前記内燃機関（10)の排気ガスが流通する収容部（120)と、

前記収容部（ 120)内に配設されて、前記排気ガスを浄化する触媒（ 12)と、前記収容部（120)内の前記触媒（12)の前記排気ガス流れ下流側に隣接して配設されて、前記排気ガスの熱によって内部の作動媒体を蒸発させる蒸発部（110)と前記蒸発部（110)から流入する前記作動媒体の熱を前記内燃機関（10)の冷却水側に放熱回収して前記作動媒体を凝縮させると共に、凝縮された前記作動媒体を前記蒸発部（110)に戻す凝縮部（130)とを有することを特徴とする廃熱回収装置。

[2] 前記収容部（120)の下面（121)には、前記排気管（11)の後端側に延びる溝部（ 122)が形成されたことを特徴とする請求項 1に記載の排熱回収装置。

[3] 前記溝部（122)は、複数設けられたことを特徴とする請求項 2に記載の排熱回収装置。

[4] 前記溝部（122)は、前記排気管（11)の後端側に向けて下側に傾斜していることを特徴とする請求項 2または請求項 3に記載の排熱回収装置。

[5] 前記下面（121)は、前記溝部（122)の幅方向において、前記溝部（122)に向けて下側に傾斜していることを特徴とする請求項 2〜請求項 4のいずれ力 4つに記載の排熱回収装置。

[6] 前記溝部（122)には、外部下方に開口する排出孔が設けられたことを特徴とする請求項 2〜請求項 5のいずれ力 4つに記載の排熱回収装置。

[7] 前記収容部（120)の下面（121)は、前記蒸発部（110)よりも前記排気ガス流れ上流側が、前記蒸発部（110)を含む前記排気ガス流れ下流側よりも高い位置となるように形成されたことを特徴とする請求項 1〜請求項 6のいずれ力 1つに記載の排熱回収装置。

[8] 前記蒸発部（110)の熱交換部を構成する熱交換部材（112)には、貴金属触媒が付加されたことを特徴とする請求項 1〜請求項 7のいずれ力 1つに記載の排熱回収装置。

[9] 前記熱交換部材（112)は、熱交換面積を拡大するフィン（112)であることを特徴とする請求項 8に記載の排熱回収装置。

[10] 内燃機関を走行用駆動源とする車両に搭載される排気熱回収装置であって、

前記内燃機関力排出された排気ガスが流通する排気ガス径路内に配置され、前記排気ガスと内部に封入された蒸発および凝縮可能な作動流体との間で熱交換を行い、前記作動流体を蒸発させる蒸発部（110)と、

前記内燃機関の冷却水が流通する冷却水径路内に配置され、前記蒸発部（110) で蒸発した前記作動流体と前記冷却水との間で熱交換を行い、前記作動流体を凝縮させる凝縮部（130)とを備え、

前記蒸発部（110)および前記凝縮部（130)が、前記作動流体が循環する閉ループ状流路内に配置されており、

前記蒸発部（110)および前記凝縮部（130)は、略水平方向に隣接するように配置されており、

前記凝縮部（130)は、並列に配置された複数の凝縮側ヒートパイプ（3b)を有しており、

前記凝縮側ヒートパイプ（3b)は、その上端部より断面積が小さい小断面積部（300 )を有しており、

前記小断面積部（300)は、前記凝縮側ヒートパイプ（3b)における、前記蒸発部（1 10)が加熱されている場合の前記作動流体の上面よりも下方側に配置されていることを特徴とする排気熱回収装置。

[11] 前記凝縮部（130)における下流側に設けられ、凝縮した前記作動流体が前記蒸発部（110)に流入する流路を開閉する弁機構（150)を備えることを特徴とする請求項 10に記載の排気熱回収装置。

[12] 前記小断面積部（300)は、前記凝縮側ヒートパイプ (3b)における、前記蒸発部（11 0)が加熱されていない場合の前記作動流体の上面より少なくとも下方側に配置されていることを特徴とする請求項 10または 11に記載の排気熱回収装置。