(57)【要約】【課題】搭載性を確保しつつ、熱交換性能を向上させ且つ熱膨張差に伴う応力集中を緩和すること。【解決手段】第１流体配管１１の内部を一方の流体が流動すると共に、その第１流体配管１１の外壁面と第２流体配管１２の内壁面との間を前記一方の流体よりも熱エネルギの小さい他方の流体が流動し、これら２つの流体の間で熱エネルギの交換を行う二重管構造の熱交換器１０において、他方の流体の流路における周方向の容積をその周囲に対して拡大させる流路拡大部（入口側均圧グルーブ１７，曲げ部均圧グルーブ１８，出口側均圧グルーブ１９）を第２流体配管１２に少なくとも１つ設けること。【選択図】        図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
第１流体配管の内部を一方の流体が流動すると共に、該第１流体配管の外壁面と第２流体配管の内壁面との間を前記一方の流体よりも熱エネルギの小さい他方の流体が流動し、これら２つの流体の間で熱エネルギの交換を行う二重管構造の熱交換器において、
前記他方の流体の流路における周方向の容積をその周囲に対して拡大させる流路拡大部を前記第２流体配管に少なくとも１つ設けたことを特徴とする熱交換器。
【請求項２】
前記流路拡大部は、前記第２流体配管における前記他方の流体の入口に設けたことを特徴とする請求項１記載の熱交換器。
【請求項３】
前記流路拡大部は、前記第２流体配管の曲げ部分に設けたことを特徴とする請求項１又は２に記載の熱交換器。
【請求項４】
前記第１及び第２の流体配管は、夫々に複数本の分流管と当該各分流管を集合させる集合管とを備え、
前記第２流体配管の集合管における前記分流管側と前記第２流体配管の各分流管における前記集合管側とに前記流路拡大部を設けたことを特徴とする請求項１，２又は３に記載の熱交換器。
【請求項５】
前記第１流体配管は、内燃機関の排気管であることを特徴とする請求項１から４の内の何れか１つに記載の熱交換器。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、熱エネルギの異なる２つの流体の間で熱エネルギの交換を行う熱交換器に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、内燃機関の排気ガスとこれよりも低温の作動流体との間で熱の授受を行い、その排気ガスの排気熱を回収する排気熱回収装置がある。かかる排気熱回収装置においては、その熱エネルギの異なる排気ガスと作動流体との間で熱エネルギの交換を行う熱交換器が設けられており、この熱交換器を介して排気熱の回収が行われる。
【０００３】
例えば、この種の排気熱回収装置としては、排気マニホルドにおける各分流通路と集合通路の夫々に熱交換器を設け、その各々の熱交換器において排気ガスの排気熱を冷却水に受熱させるものが下記の特許文献１に開示されている。
【０００４】
尚、下記の特許文献２には、シリンダヘッドの排気ポートを流れる排気ガス等の高温部分とシリンダヘッドの水通路を流れる水との間で熱の授受を行い、その温度上昇した水を更に排気通路の蒸発器において排気ガスと熱交換して蒸発させ、その蒸気を用いてランキンサイクル装置の膨張機を駆動させる技術が開示されている。
【０００５】
【特許文献１】特開平５−２３１１４４号公報
【特許文献２】特開２００３−１４８２４１号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
ここで、上述した特許文献１の熱交換器は、具体的な構成について詳述されていないが、排気マニホルドの各分流通路及び集合通路と冷却水が流れる配管とを熱伝導率の高い部材で包み込み、この部材を介して排気ガスの排気熱を冷却水に受熱させるものであると図等から推察できる。または、この熱交換器は、排気マニホルドの各分流通路及び集合通路の夫々に覆設した筐体内に冷却水を供給し、その各分流通路と集合通路の外壁面を介して排気ガスの排気熱を冷却水に受熱させるものであるとも推察できる。
【０００７】
何れにせよ、この特許文献１の熱交換器は、排気マニホルド近傍において広い配置空間を必要とするので、排気マニホルドの周囲に狭小な空間しかないような場合には配設することができず、様々な形態の内燃機関において排気熱を回収することができるわけではない。
【０００８】
そこで、排気マニホルドを二重管構造にして、一方の流路に排気ガスを流し、他方の流路に空気等の気体や冷却水等の液体からなる作動流体を流す熱交換器を構築することで、狭小な空間であっても熱交換器を配置することができる。例えば、この種の排気マニホルドにおいては、排気ガスの流路を内側に設け、作動流体の流路（以下、「作動流体流路」という。）を外側に設ける。
【０００９】
しかしながら、一般に、排気マニホルドがストレート管であることは少なく、必ずと言っていいほど曲げ加工が施されているので、作動流体流路における曲げ部分の内側と外側とで作動流体に圧力差が生じてしまい、その作動流体の流速や流量の差異により排気ガスとの間で均等な熱交換が行われない、という不都合があった。
【００１０】
また、多気筒の内燃機関の排気マニホルドにおいては、複数本の分流通路とこれらを一経路に集合させる集合通路とが設けられており、更に夫々に異なる形状の曲げ加工が施されている場合もある。これが為、作動流体流路における曲げ部分の内側と外側との間での作動流体の圧力差によって均等な熱交換が行われず、また、各分流通路の集合通路近傍においては作動流体流路に作動流体が滞留する場合もあるので、かかる場合には排気ガスとの間で熱交換自体が行われない、という不都合があった。更に、一般に、夫々の分流通路は不等長であり、仮に同じ長さであっても夫々で曲げ形状が異なるので、夫々の分流通路間で作動流体の流速や流量に差異が生じ、各分流通路間における熱交換が不均等になってしまう、という不都合があった。
【００１１】
ここで、かかる不都合は、曲げを小さくする等して熱交換性能の向上を図り得る形状に排気マニホルドを成型すれば回避することはできるが、排気ガスの抜けや排気脈動等の排気マニホルドの本来的な要求性能が犠牲になってしまうので、排気マニホルドの形状変更は現実問題として不可能である。
【００１２】
また更に、排気マニホルドの形状に拘わらず、その排気マニホルドには作動流体の供給口と排出口が設けられるが、その供給口から流入した作動流体は、供給直後から作動流体流路の周方向全体に行き渡るわけではなく、ある程度排出口側へと流動した後に作動流体流路の周方向全体に行き渡る。これが為、かかる二重管構造の排気マニホルドにおいては、作動流体流路の全体を利用して排気熱を受熱することができず、効率の良い熱交換を行うことができない、という不都合があった。このことは、作動流体の供給速度が速ければ速いほど顕著に表れ、その供給速度や経路長如何では作動流体が作動流体流路の周方向全体に行き渡ることなく排出口から排出されてしまうので、本来の熱交換性能を発揮することができない。
【００１３】
また、かかる二重管構造にすると、一方の流路には高温の流体（排気ガス）が流れ、他方の流路にはそれよりも熱エネルギの小さい作動流体が流れるので、二重管構造を構成する夫々の配管に熱膨張差が生じ、一方の配管の熱膨張により他方の配管が局部的に引っ張られて応力集中が発生してしまう。
【００１４】
このように、排気マニホルドを二重管構造にして熱交換器として構築することは、熱交換器の搭載性の観点からは有用であるが、その一方で、本来的に熱交換器に求められる熱交換性能の悪化や局部的な応力集中による破損等を招来してしまう。特に、上述した現象は、作動流体が空気等の熱容量の小さい気体のときに顕著に表れる。
【００１５】
そこで、本発明は、かかる従来例の有する不都合を改善し、搭載性を確保しつつ、熱交換性能を向上させ且つ熱膨張差に伴う応力集中を緩和し得る二重管構造の熱交換器を提供することを、その目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１６】
上記目的を達成する為、請求項１記載の発明では、第１流体配管の内部を一方の流体が流動すると共に、その第１流体配管の外壁面と第２流体配管の内壁面との間を前記一方の流体よりも熱エネルギの小さい他方の流体が流動し、これら２つの流体の間で熱エネルギの交換を行う二重管構造の熱交換器において、その他方の流体の流路における周方向の容積をその周囲に対して拡大させる流路拡大部を前記第２流体配管に少なくとも１つ設けている。
【００１７】
これにより、この請求項１記載の発明においては、その流路拡大部にて他方の流体の圧力が均一化されるので、その下流へと流動する他方の流体の周方向における各部位の流速や流量を均等にすることができる。これが為、その他方の流体が熱エネルギの大きい一方の流体の熱を均等に吸熱することができるので熱交換性能が向上する。また、第２流体配管は第１流体配管の熱膨張に伴って引っ張られるが、その流路拡大部によって夫々の熱膨張差が小さくなるので、第２流体配管への応力集中を緩和することができる。
【００１８】
例えば、請求項２記載の発明の如く、その流路拡大部を第２流体配管における前記他方の流体の入口に設けることによって、その入口側から他方の流体を周方向全体に行き渡らせることができるので、供給直後から第１流体配管の外壁面の周方向全体を介して均等に一方の流体の熱が吸熱されて熱交換性能が向上する。
【００１９】
また、例えば、請求項３記載の発明の如く、その流路拡大部を第２流体配管の曲げ部分に設けることによって、その曲げ部分の周方向の各部位における他方の流体の圧力差を無くすことができるので、その下流における熱交換性能を向上させることができる。
【００２０】
また、例えば、請求項４記載の発明の如く、第１及び第２の流体配管が夫々に複数本の分流管と当該各分流管を集合させる集合管とを備えている場合には、その第２流体配管の集合管における分流管側と第２流体配管の各分流管における集合管側とに前記流路拡大部を設けることが好ましい。これによれば、分岐前後の他方の流体の周方向における圧力を均一化することができるので、その分岐前後における熱交換性能を向上させることができる。
【００２１】
ここで、上述した第１流体配管としては、請求項５記載の発明の如く内燃機関の排気管を用いることができる。
【発明の効果】
【００２２】
以上示した如く、本発明に係る熱交換器は、搭載性を犠牲にしない二重管構造を採用しつつも、全経路において均等に熱交換を行うことができ、更に、夫々の配管の熱膨張差に伴う応力集中の緩和を図ることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２３】
以下に、本発明に係る熱交換器の実施例を図面に基づいて詳細に説明する。尚、この実施例によりこの発明が限定されるものではない。
【実施例１】
【００２４】
本発明に係る熱交換器の実施例１を図１から図３に基づいて説明する。
【００２５】
図１の符号１０は、本実施例１の熱交換器を示す。この熱交換器１０は、曲げ加工が施された円筒状の第１流体配管１１と、この第１流体配管１１と同心円上に配置され且つ当該第１流体配管１１の外径よりも大きな内径を有する円筒状の第２流体配管１２とを備えている。即ち、本実施例１の熱交換器１０は、第１流体配管１１と、この第１流体配管１１の外壁面に対して所定の間隔が設けられた内壁面を有する第２流体配管１２とからなる二重管構造になっている。本実施例１にあっては、その第１及び第２の流体配管１１，１２が一定の曲率で曲げ加工されたものを例示する。
【００２６】
ここで、その第１流体配管１１の外壁面と第２流体配管１２の夫々の端部との間は閉塞されており、その第１及び第２の流体配管１１，１２の間に密閉された環状の空間が形成されている。
【００２７】
本実施例１にあっては、その第１流体配管１１の内部を高温流体の流路（以下、「高温流体流路」という。）１３として利用し、その密閉された環状の空間を高温流体との間で熱交換を行う作動流体が流動する作動流体流路１４として利用する。これが為、その密閉された環状の空間に作動流体を供給し、その空間から作動流体を排出させる為に、第２流体配管１２の夫々の端部にはその環状の空間に連通する作動流体供給通路１５と作動流体排出通路１６とが接続又は形成されている。その作動流体は、高温流体よりも熱エネルギが小さいものとする。
【００２８】
ここでは、高温流体の流動方向Ｆｈと作動流体の流動方向Ｆｌとが逆になるように、高温流体の流動方向Ｆｈにおける下流側に作動流体供給通路１５を設け、その上流側に作動流体排出通路１６を設けている。これにより、作動流体の受熱効率（換言すれば、高温流体と作動流体との間の熱交換効率）を高めることができる。
【００２９】
また、本実施例１の第２流体配管１２の外周壁における作動流体供給通路１５側の端部には、その作動流体供給通路１５から供給された作動流体における作動流体流路１４の周方向の各部位の圧力を均一化させる流路拡大部（以下、「入口流路拡大部」という。）が設けられている。
【００３０】
例えば、本実施例１の入口流路拡大部としては、その端部の周方向全体を外壁方向へと膨出させて当該端部における作動流体流路１４の容積拡大を図った図１及び図２−１に示すグルーブ（以下、「入口側均圧グルーブ」という。）１７が形成されている。本実施例１にあっては、その入口側均圧グルーブ１７の内方と作動流体供給通路１５とを連通させている。
【００３１】
これにより、作動流体供給通路１５から作動流体流路１４に作動流体が供給されると、その作動流体は、一旦入口側均圧グルーブ１７の全体に行き渡って圧力が均一化され、作動流体流路１４を一定の流速や流量で周方向全体に行き渡ったまま作動流体排出通路１６側へと流れていく。これが為、作動流体供給通路１５から供給された作動流体は、供給直後から第１流体配管１１の外壁面の周方向全体を介して均等に高温流体の熱を吸熱するので、高温流体との間で効率良く熱交換を行うことができる。
【００３２】
一方、その供給された作動流体は作動流体流路１４を周方向全体に行き渡った状態のまま流動し続けるが、本実施例１の熱交換器１０は曲げ加工が施されているので、その曲げ部分において曲げの内側と外側とで作動流体に圧力差が生じ、その間における作動流体の流速や流量に差異が発生してしまう。特に、本実施例１の熱交換器１０は一定の曲率で曲げ加工が施されているので、その曲げの中間部分において大きな圧力差が生じてしまい、作動流体流路１４の周方向における夫々の部位の作動流体の流速や流量に差異が発生してしまう。
【００３３】
そこで、本実施例１の第２流体配管１２の外周壁における曲げの中間部分には、その曲げの内側と外側との間における作動流体の圧力差を無くし、かかる中間部分に流入してきた作動流体の作動流体流路１４の周方向における各部位の圧力を均一化させる流路拡大部（以下、「曲げ流路拡大部」という。）が設けられている。
【００３４】
例えば、本実施例１の曲げ流路拡大部としては、その曲げの中間部分の周方向全体を外壁方向へと膨出させて当該中間部分における作動流体流路１４の容積拡大を図った図１及び図２−２に示すグルーブ（以下、「曲げ部均圧グルーブ」という。）１８が形成されている。
【００３５】
これにより、作動流体流路１４を流れてきた作動流体は、その曲げ部均圧グルーブ１８にて圧力が均一化された後、作動流体流路１４を一定の流速や流量で周方向全体に行き渡ったまま作動流体排出通路１６側へと流れていく。これが為、かかる中間部分の周方向における作動流体の受熱のムラが無くなり、熱交換が均等に行われる。
【００３６】
そのようにして流速や流量が均一化された作動流体は作動流体流路１４を流動し続けて作動流体排出通路１６側の端部に到達する。しかしながら、上述した曲げ部均圧グルーブ１８からその端部までの間においても曲げ加工が施されており、その間に曲げの内側と外側とで作動流体に圧力差が生じる場合もある。また、その端部においては第２流体配管１２の外周壁の一部分からのみ作動流体が作動流体排出通路１６へと排出されるので、その作動流体排出通路１６の近傍からは作動流体が排出され易く、作動流体排出通路１６から離れた位置からは作動流体が排出され難い。
【００３７】
そこで、本実施例１の第２流体配管１２の外周壁における作動流体排出通路１６側の端部には、その端部に到達した作動流体における作動流体流路１４の周方向の各部位の圧力を均一化させる流路拡大部（以下、「出口流路拡大部」という。）が設けられている。
【００３８】
例えば、本実施例１の出口流路拡大部としては、その端部の周方向全体を外壁方向へと膨出させて当該端部における作動流体流路１４の容積拡大を図った図１及び図２−１に示すグルーブ（以下、「出口側均圧グルーブ」という。）１９が形成されている。本実施例１にあっては、その出口側均圧グルーブ１９の内方と作動流体排出通路１６とを連通させている。
【００３９】
これにより、その端部に到達した作動流体は、その出口側均圧グルーブ１９にて圧力が均一化された後、作動流体排出通路１６へと均等に排出される。
【００４０】
以上示した如く、本実施例１の熱交換器１０は、入口側均圧グルーブ１７，曲げ部均圧グルーブ１８及び出口側均圧グルーブ１９によって作動流体流路１４の全経路において周方向の作動流体の圧力を均一化することができるので、その全経路の夫々の部位の周方向における作動流体の流速や流量が均等になり、また、作動流体が作動流体流路１４の全体を流動する。これが為、この熱交換器１０においては、その作動流体が第１流体配管１１の外壁面の全体から均等に高温流体の熱を吸熱するので、作動流体と高温流体との間で効率良く熱交換され、本来有している熱交換性能を余すことなく発揮することができる。
【００４１】
また、そのように作動流体が作動流体流路１４の全体を流動し、全経路において均等に熱交換されるので、一部分において熱交換されない又は熱交換性能が低くなる等の事象が無くなる。これが為、第１流体配管１１と第２流体配管１２は、全体において夫々均等に熱膨張するので、熱膨張に伴う特定部位での応力集中を緩和することができ、破損等を回避することができる。
【００４２】
ここで、第１流体配管１１と第２流体配管１２の夫々が均等に熱膨張を行うとしても、その第１流体配管１１と第２流体配管１２との間においては、高温流体が流動している第１流体配管１１の方が第２流体配管１２よりも大きく熱膨張する。そして、これにより、例えば第１流体配管１１の熱膨張に伴って第２流体配管１２に引張応力が発生し、局部的な応力集中が起こり得る。しかしながら、本実施例１においては、上述した入口側均圧グルーブ１７，曲げ部均圧グルーブ１８及び出口側均圧グルーブ１９によって第２流体配管１２の引張応力が吸収され、第１流体配管１１と第２流体配管１２との間の熱膨張差が小さくなるので、かかる局部的な応力集中を緩和することができ、破損等を回避することができる。
【００４３】
このように、本実施例１の熱交換器１０によれば、主たる第１流体配管１１の搭載スペースを大きく拡大することなく、熱交換性能を向上させ且つ応力集中を緩和させることができる。
【００４４】
以下に、この熱交換器１０の具体的な利用形態の一例を示す。
【００４５】
例えば、この熱交換器１０は、図１に示す熱エネルギ回収機関との間で作動流体の授受を行うことにより熱エネルギを回収して機械エネルギに変換する熱エネルギ回収装置に利用することができる。
【００４６】
ここでは、熱エネルギ回収機関としてブレイトンサイクル機関を用い、内燃機関から排出された高温流体たる排気ガスの排気熱を利用して作動流体を断熱圧縮→等圧受熱→断熱膨張→等圧放熱させて駆動力を得る熱エネルギ回収装置（換言すれば、排気熱回収装置）について例示する。これが為、本実施例１の熱交換器１０は、その第１流体配管１１を内燃機関（図示略）の排気流路上に図１に示すフランジＦを介して接続している。換言すれば、ここでの熱交換器１０は、内燃機関の排気管たる第１流体配管１１に第２流体配管１２を配設することによって構成されたものである。
【００４７】
具体的に、その熱エネルギ回収装置は、図３に示す如く、吸入した作動流体を断熱圧縮する圧縮機２０と、この圧縮機２０にて断熱圧縮された作動流体に排気ガスの排気熱を等圧力で吸熱させる本実施例１の熱交換器１０と、この熱交換器１０で等圧受熱された作動流体を断熱膨張させる膨張機３０とを備えている。ここでは、その圧縮機２０へと吸入される作動流体として空気等の気体（以下、この例示においては「作動ガス」という。）を例示する。
【００４８】
例えば、その圧縮機２０は、容積Ｖcompが一定のシリンダ２１と、このシリンダ２１内を往復運動するピストン２２とを備えており、更に、大気圧の作動ガスをシリンダ２１内に導く作動ガス供給管２４と、そのシリンダ２１内でピストン２２により断熱圧縮された作動ガスを熱交換器１０の作動流体流路１４へと導く作動ガス排出管２５とを備えている。ここで、その作動ガス供給管２４と作動ガス排出管２５には、夫々に吸気側開閉弁２６と排気側開閉弁２７が配備されている。尚、その圧縮機２０と熱交換器１０との間は、その作動ガス排出管２５又は作動流体供給通路１５の何れか一方のみにより接続してもよい。
【００４９】
また、その膨張機３０は、容積Ｖexp（ここではＶexp≧Ｖcomp）が一定のシリンダ３１と、このシリンダ３１内を往復運動するピストン３２とを備えており、更に、熱交換器１０で等圧受熱された作動ガスをシリンダ３１内に導く作動ガス供給管３４と、断熱膨張後の作動ガスをシリンダ３１の外に導く作動ガス排出管３５とが設けられている。ここで、その作動ガス供給管３４と作動ガス排出管３５には、夫々に吸気側開閉弁３６と排気側開閉弁３７が配備されている。尚、その熱交換器１０と膨張機３０との間は、その作動流体排出通路１６又は作動ガス供給管３４の何れか一方のみにより接続してもよい。
【００５０】
ここで、その圧縮機２０と膨張機３０のピストン２２，３２はコネクティングロッド２３，３３を介してクランクシャフト４０に連結される。尚、そのクランクシャフト４０には、フライホイール５０が配設されている。
【００５１】
このような熱エネルギ回収装置に本実施例１の熱交換器１０を適用することによって、その熱エネルギ回収装置は、効率良く排気ガスの排気熱を回収することができる。これが為、効果的にクランクシャフト４０から出力を取り出すことができる。
【００５２】
尚、本実施例１の熱交換器１０においては、第１流体配管１１の内部を高温流体流路１３とする一方、その第１流体配管１１の外壁面と第２流体配管１２の内壁面との間の空間を作動流体流路１４にしているが、これとは逆に、第１流体配管１１の内部を作動流体流路１４とし、第１流体配管１１の外壁面と第２流体配管１２の内壁面との間の空間を高温流体流路１３としてもよい。かかる場合、上述した入口側均圧グルーブ１７（入口流路拡大部），曲げ部均圧グルーブ１８（曲げ流路拡大部）及び出口側均圧グルーブ１９（出口流路拡大部）は、第１流体配管１１における該当部位の周方向全体を内壁方向へと突出させて作動流体流路１４の容積拡大を図る。これによっても上述した熱交換器１０と同様の効果を奏することができる。
【実施例２】
【００５３】
次に、本発明に係る熱交換器の実施例２を図４及び図５に基づいて説明する。
【００５４】
図４の符号１００は、本実施例２の熱交換器を示す。この熱交換器１００は、複数本の通路に流入した高温流体を一経路に纏めて排出する第１流体配管１１０と、この第１流体配管１１０の外壁面に対して所定の間隔を設けた内壁面を有し且つ当該第１流体配管１１０と同等形状に形成された第２流体配管１２０とを備えている。
【００５５】
具体的に、その第１流体配管１１０は、高温流体が流入する円筒状の第１から第３の分流管１１１，１１２，１１３と、これら第１から第３の分流管１１１〜１１３の高温流体を一経路に纏める円筒状の集合管１１４とで構成されている。一方、その第２流体配管１２０については、第１から第３の分流管１１１〜１１３の夫々の外壁面に対して各々に所定の間隔を設けた内壁面を有する円筒状の第１から第３の分流管１２１〜１２３と、集合管１１４の外壁面に対して所定の間隔を設けた内壁面を有する円筒状の集合管１２４とを有している。
【００５６】
即ち、本実施例２の熱交換器１００は、第１流体配管１１０と、この第１流体配管１１０の外壁面に対して所定の間隔を設けた内壁面を有する第２流体配管１２０とからなる二重管構造になっている。
【００５７】
ここで、第１流体配管１１０における第１から第３の分流管１１１〜１１３の夫々の開口端（高温流体が流入する側の端部）と集合管１１４の開口端（高温流体が流出する側の端部）は、図４に示す如く、第２流体配管１２０における第１から第３の分流管１２１〜１２３の端部と集合管１２４の端部よりも突出させている。そして、その第２流体配管１２０における第１から第３の分流管１２１〜１２３及び集合管１２４の夫々の端部は、第１流体配管１１０における第１から第３の分流管１１１〜１１３及び集合管１１４の夫々の外壁面との間で閉塞させており、その第１及び第２の流体配管１１０，１２０の間に密閉された空間が形成されている。
【００５８】
本実施例２にあっては、その第１流体配管１１０の内部を高温流体流路１３０として利用し、その密閉された空間を作動流体流路１４０として利用する。本実施例２にあっても、作動流体は、高温流体よりも熱エネルギが小さいものとする。
【００５９】
その高温流体流路１３０は、図４に示す第１から第３の高温流体分流路１３１，１３２，１３３と、その第１から第３の高温流体分流路１３１，１３２，１３３の高温流体が集合する高温流体集合路１３４とで構成されている。具体的に、その第１高温流体分流路１３１とは第１流体配管１１０の第１分流管１１１の内方に形成された空間であり、その第２高温流体分流路１３２とは第１流体配管１１０の第２分流管１１２の内方に形成された空間であり、その第３高温流体分流路１３３とは第１流体配管１１０の第３分流管１１３の内方に形成された空間である。また、その高温流体集合路１３４とは、第１流体配管１１０の集合管１１４の内方に形成された空間である。
【００６０】
一方、作動流体流路１４０は、図４に示す作動流体主路１４１と、この作動流体主路１４１から分岐した図４に示す第１から第３の作動流体分岐路１４２，１４３，１４４とで構成されている。具体的に、その作動流体主路１４１とは、各集合管１１４，１２４の間に形成された空間である。また、その第１作動流体分岐路１４２とは各第１分流管１１１，１２１の間に形成された空間であり、その第２作動流体分岐路１４３とは各第２分流管１１２，１２２の間に形成された空間であり、その第３作動流体分岐路１４４とは各第３分流管１１３，１２３の間に形成された空間である。
【００６１】
このことから、本実施例２にあっては、その密閉された空間へと作動流体を供給可能な作動流体供給通路１５０を第２流体配管１２０の集合管１２４の端部に接続又は形成する一方、その空間から作動流体を排出可能な第１から第３の作動流体排出通路１６０，１６１，１６２を第２流体配管１２０の第１から第３の分流管１２１〜１２３に夫々接続又は形成する。即ち、その作動流体供給通路１５０は作動流体流路１４０の作動流体主路１４１に連通させ、その第１から第３の作動流体排出通路１６０〜１６２は夫々に作動流体流路１４０における第１から第３の作動流体分岐路１４２〜１４４に連通させている。
【００６２】
本実施例２にあっても、作動流体の受熱効率（高温流体と作動流体との間の熱交換効率）を高める為に、高温流体の流動方向Ｆｈと作動流体の流動方向Ｆｌとが逆になるよう、高温流体の流動方向Ｆｈにおける下流側に作動流体供給通路１５０を設け、その上流側に第１から第３の作動流体排出通路１６０〜１６２を設けている。
【００６３】
ここで、その第２流体配管１２０の集合管１２４の外周壁における作動流体供給通路１５０側の端部には、実施例１と同様の入口流路拡大部（具体的には入口側均圧グルーブ１７０）が形成されており、その入口側均圧グルーブ１７０の内方と作動流体供給通路１５０とを連通させている。
【００６４】
これにより、作動流体供給通路１５０から作動流体流路１４０に供給された作動流体は、一旦入口側均圧グルーブ１７０の全体に行き渡って圧力が均一化された後、周方向全体に行き渡ったまま作動流体主路１４１を第１から第３の作動流体分岐路１４２〜１４４に向けて流れていく。これが為、その作動流体は、作動流体主路１４１への供給直後から第１流体配管１１０における集合管１１４の外壁面全体を介して均等に高温流体の熱を吸熱するので、高温流体との間で効率良く熱交換を行うことができる。
【００６５】
ところで、その供給された作動流体は周方向全体に行き渡ったまま作動流体主路１４１を流動していくが、その作動流体主路１４１から第１から第３の作動流体分岐路１４２〜１４４へと作動流体が分流する際に、作動流体主路１４１の周方向における夫々の位置で作動流体の流速や流量に差異が生じてしまう場合がある。例えば、本実施例２にあっては、その作動流体主路１４１から直ぐに分流する第３作動流体分岐路１４４もあれば、それよりも遅れて分流する第１作動流体分岐路１４２もあるので、分流直前の作動流体主路１４１の周方向にて第３作動流体分岐路１４４側と第１作動流体分岐路１４２側とで作動流体の流速や流量に違いが出てしまう。
【００６６】
そこで、本実施例２にあっては、その作動流体主路１４１における第１から第３の作動流体分岐路１４２〜１４４との分岐前に、作動流体主路１４１を流れる作動流体の圧力を周方向全体にて均一化させる流路拡大部（以下、「分岐前流路拡大部」という。）が設けられている。
【００６７】
例えば、本実施例２の分岐前流路拡大部としては、かかる部位における第２流体配管１２０の集合管１２４の外周壁の周方向全体を外壁方向へと膨出させて当該部位における作動流体主路１４１の容積拡大を図った図４に示すグルーブ（以下、「分岐前均圧グルーブ」という。）１８０が形成されている。ここで、この分岐前均圧グルーブ１８０の断面図については図示しないが、その断面は、前述した実施例１の曲げ部均圧グルーブ１８と同等の形状になっている。尚、その分岐前均圧グルーブ１８０は、分岐直前に設けることが好ましい。
【００６８】
これにより、作動流体主路１４１を流れる作動流体は、その分岐前均圧グルーブ１８０にて圧力が均一化された後、一定の流速や流量で第１から第３の作動流体分岐路１４２〜１４４に向かって流れていく。これが為、その分岐前均圧グルーブ１８０及び当該分岐前均圧グルーブ１８０を通過した後における作動流体の受熱のムラが無くなり、分流前の熱交換が均等に行われる。
【００６９】
また、同様の理由から、第１から第３の作動流体分岐路１４２〜１４４における作動流体主路１４１からの分流後には、夫々に分流してきた作動流体の圧力を周方向全体で均一化させる流路拡大部（以下、「分岐後流路拡大部」という。）が設けられている。
【００７０】
例えば、本実施例２の分岐後流路拡大部としては、かかる部位における第２流体配管１２０の第１から第３の分流管１２１〜１２３の外周壁の周方向全体を外壁方向へと膨出させ、かかる部位における第１から第３の分流管１２１〜１２３の容積拡大を図った図４に示す第１から第３のグルーブ（以下、「分岐後均圧グルーブ」という。）１９０Ａ，１９０Ｂ，１９０Ｃが形成されている。ここで、その第１から第３の分岐後均圧グルーブ１９０Ａ，１９０Ｂ，１９０Ｃの断面図については図示しないが、その断面は、前述した実施例１の曲げ部均圧グルーブ１８と同等の形状になっている。尚、その第１から第３の分岐後均圧グルーブ１９０Ａ，１９０Ｂ，１９０Ｃは、分岐直後に設けることが好ましい。
【００７１】
これにより、分岐直後の各作動流体は、その第１から第３の分岐後均圧グルーブ１９０Ａ，１９０Ｂ，１９０Ｃにて圧力が均一化された後、一定の流速や流量で第１から第３の作動流体分岐路１４２〜１４４を流れていく。これが為、分流後の第１から第３の分岐後均圧グルーブ１９０Ａ，１９０Ｂ，１９０Ｃにおける夫々の周方向全体の各作動流体の受熱のムラが無くなり、分流後の熱交換が均等に行われる。
【００７２】
更に、本実施例２にあっては、第２流体配管１２０の第１から第３の分流管１２１〜１２３の外周壁における第１から第３の作動流体排出通路１６０〜１６２側の端部に、実施例１と同様の出口流路拡大部（具体的には第１から第３の出口側均圧グルーブ２００Ａ，２００Ｂ，２００Ｃ）が形成されており、その第１から第３の出口側均圧グルーブ２００Ａ〜２００Ｃの内方に図５に示す如く夫々第１から第３の作動流体排出通路１６０〜１６２を連通させている。
【００７３】
これにより、その端部（第１から第３の作動流体分岐路１４２〜１４４の端部）に到達した作動流体は、その第１から第３の出口側均圧グルーブ２００Ａ〜２００Ｃにて圧力が均一化された後、第１から第３の作動流体排出通路１６０〜１６２へと均等に排出される。
【００７４】
一方、ここで例示している第１から第３の作動流体分岐路１４２〜１４４は図４に示す如く夫々に経路長が異なるので、その第１から第３の作動流体分岐路１４２〜１４４に作動流体が同時に流入したとしても、その下流端から第１から第３の作動流体排出通路１６０〜１６２へと排出されるタイミングに差が生じてしまう。ここでは、第１作動流体分岐路１４２の経路長が最も長く、第２作動流体分岐路１４３、第３作動流体分岐路１４４の順に経路長が短くなっている。これが為、第１から第３の作動流体分岐路１４２〜１４４へと同時に流入した作動流体は、経路長の短い第３作動流体分岐路１４４から順に排出される。
【００７５】
そこで、本実施例２にあっては、先ず、第１から第３の作動流体排出通路１６０〜１６２の夫々の流量を調節して、第１から第３の作動流体分岐路１４２〜１４４へと同時に流入した作動流体を略同じタイミングで排出させる。具体的には、早い段階で排出され得る第３作動流体分岐路１４４の第３作動流体排出通路１６２の内径を最も小さくし、第２作動流体排出通路１６１、第１作動流体排出通路１６０の順に内径を大きくしていく。その夫々の内径は、実験やシミュレーションを行い、第１から第３の作動流体分岐路１４２〜１４４へと同時に流入した作動流体が略同時期に排出されるように設定する。
【００７６】
即ち、本実施例２にあっては、第１から第３の作動流体排出通路１６０〜１６２に絞りの機能を持たせることによって、第１から第３の作動流体分岐路１４２〜１４４からの作動流体の排出時期を調節し、均等に作動流体が排出されるようにする。
【００７７】
また、本実施例２にあっては、その第１から第３の作動流体排出通路１６０〜１６２の夫々と連通する当該第１から第３の作動流体排出通路１６０〜１６２よりも容積の大きい連通管２１０を設けている。
【００７８】
これにより、第１から第３の作動流体排出通路１６０〜１６２から排出された夫々の作動流体の圧力は、その連通管２１０で均一化される。
【００７９】
以上示した如く、本実施例２の熱交換器１００は、入口側均圧グルーブ１７０，分岐前均圧グルーブ１８０，第１から第３の分岐後均圧グルーブ１９０Ａ，１９０Ｂ，１９０Ｃ，第１から第３の出口側均圧グルーブ２００Ａ，２００Ｂ，２００Ｃによって作動流体流路１４０の全経路において周方向の作動流体の圧力を均一化することができるので、その全経路の夫々の部位の周方向における作動流体の流速や流量が均等になり、また、作動流体が作動流体流路１４０の全体を流動する。これが為、この熱交換器１００においては、その作動流体が第１流体配管１１０の外壁面の全体から均等に高温流体の熱を吸熱するので、作動流体と高温流体との間で効率良く熱交換され、本来有している熱交換性能を余すことなく発揮することができる。
【００８０】
また、そのように作動流体が作動流体流路１４０の全体を流動し、全経路において高温流体との間の熱交換が行われるので、一部分において熱交換されない又は熱交換性能が低くなる等の事象が無くなる。これが為、第１流体配管１１０と第２流体配管１２０のかかる特定部位における応力集中を緩和することができ、破損等を回避することができる。
【００８１】
ここで、本実施例２の熱交換器１００においても、高温流体が流動している第１流体配管１１０の方が第２流体配管１２０よりも大きく熱膨張するが、前述した実施例１と同様に、入口側均圧グルーブ１７０，分岐前均圧グルーブ１８０，第１から第３の分岐後均圧グルーブ１９０Ａ，１９０Ｂ，１９０Ｃ，第１から第３の出口側均圧グルーブ２００Ａ，２００Ｂ，２００Ｃによって第２流体配管１２０の引張応力が吸収され、第１流体配管１１０と第２流体配管１２０との間の熱膨張差が小さくなるので、かかる局部的な応力集中を緩和することができ、破損等を回避することができる。
【００８２】
このように、本実施例２の熱交換器１００によれば、主たる第１流体配管１１０の搭載スペースを大きく拡大することなく、熱交換性能を向上させ且つ応力集中を緩和させることができる。
【００８３】
尚、本実施例２の熱交換器１００においても、曲げ部分に実施例１と同様の曲げ流路拡大部（曲げ部均圧グルーブ１８）を設けてもよく、これにより、より効果的に熱交換性能の向上と応力集中の緩和を図ることができる。
【００８４】
以上示した本実施例２の如き形状からなる熱交換器１００は、例えば、図４に示す内燃機関３００の排気管（排気マニホルド）により構成することができる。即ち、排気マニホルドたる第１流体配管１１０に第２流体配管１２０を配設して二重管構造にすることにより、その排気マニホルドに本実施例２の熱交換器１００としての機能を設けることができる。かかる場合の熱交換器１００は、図４に示す如く、第１から第３の分流管１１１〜１１３側のフランジＦを介して内燃機関３００に取り付けられる一方、集合管１１４側のフランジＦを介して他の排気管（図示略）に接続される。
【００８５】
ここで、本実施例２の熱交換器１００についても前述した実施例１と同様の熱エネルギ回収装置に適用することができ、これにより、効率良く排気ガスの排気熱を回収することができる、効果的にクランクシャフト４０から出力を取り出すことができる。その際、本実施例２の熱交換器１００は、その作動流体供給通路１５０と圧縮機２０の作動ガス排出管２５とを接続して圧縮作動ガスを作動流体流路１４０に供給している。また、この熱交換器１００は、その連通管２１０と膨張機３０の作動ガス供給管３４とを接続して等圧受熱後の作動ガスをシリンダ３１内に導いている。
【００８６】
尚、本実施例２の熱交換器１００においては、第１流体配管１１０の内部を高温流体流路１３０とする一方、その第１流体配管１１０の外壁面と第２流体配管１２０の内壁面との間の空間を作動流体流路１４０にしているが、これとは逆に、第１流体配管１１０の内部を作動流体流路１４０とし、第１流体配管１１０の外壁面と第２流体配管１２０の内壁面との間の空間を高温流体流路１３０としてもよい。かかる場合、上述した入口側均圧グルーブ１７０（入口流路拡大部），分岐前均圧グルーブ１８０（分岐前流路拡大部），第１から第３の分岐後均圧グルーブ１９０Ａ，１９０Ｂ，１９０Ｃ（分岐後流路拡大部），第１から第３の出口側均圧グルーブ２００Ａ，２００Ｂ，２００Ｃ（出口流路拡大部）は、第１流体配管１１０における該当部位の周方向全体を内壁方向へと突出させて作動流体流路１４０の容積拡大を図る。これによっても上述した熱交換器１００と同様の効果を奏することができる。
【産業上の利用可能性】
【００８７】
以上のように、本発明に係る熱交換器は、搭載性を確保しつつ、熱交換性能の向上と熱膨張差に伴う応力集中の緩和を図る技術に適している。
【図面の簡単な説明】
【００８８】
【図１】本発明に係る熱交換器の実施例１の構成を示す図である。
【図２−１】図１に示すＸ−Ｘ線及びＺ−Ｚ線で切った熱交換器の断面図である。
【図２−２】図１に示すＹ−Ｙ線で切った熱交換器の断面図である。
【図３】本発明に係る熱交換器の適用対象の一例たる熱エネルギ回収装置を示す図である。
【図４】本発明に係る熱交換器の実施例２の構成を示す図である。
【図５】図４に示すＩ−Ｉ線で切った熱交換器の断面図である。
【符号の説明】
【００８９】
１０  熱交換器
１１  第１流体配管
１２  第２流体配管
１４  作動流体流路
１５  作動流体供給通路
１６  作動流体排出通路
１７  入口側均圧グルーブ
１８  曲げ部均圧グルーブ
１９  出口側均圧グルーブ
１００  熱交換器
１１０  第１流体配管
１１１  第１分流管
１１２  第２分流管
１１３  第３分流管
１１４  集合管
１２０  第２流体配管
１２１  第１分流管
１２２  第２分流管
１２３  第３分流管
１２４  集合管
１３０  高温流体流路
１３１  第１高温流体分流路
１３２  第２高温流体分流路
１３３  第３高温流体分流路
１３４  高温流体集合路
１４０  作動流体流路
１４１  作動流体主路
１４２  第１作動流体分岐路
１４３  第２作動流体分岐路
１４４  第３作動流体分岐路
１５０  作動流体供給通路
１６０  第１作動流体排出通路
１６１  第２作動流体排出通路
１６２  第３作動流体排出通路
１７０  入口側均圧グルーブ
１８０  分岐前均圧グルーブ
１９０Ａ  第１分岐後均圧グルーブ
１９０Ｂ  第２分岐後均圧グルーブ
１９０Ｃ  第３分岐後均圧グルーブ
２００Ａ  第１出口側均圧グルーブ
２００Ｂ  第２出口側均圧グルーブ
２００Ｃ  第３出口側均圧グルーブ
２１０  連通管
【図１】
2006308146.tif 000003
【図２−１】
2006308146.tif 000004
【図２−２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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