(57)【要約】【課題】  暖房性能に即効性を持たせ、年間を通じて排気熱を有効に利用できる車両用廃熱回収装置とこれを実現するための車室内暖房用の熱交換器を提供する。【解決手段】  車両用廃熱回収装置は、車両の走行の動力源である内燃機関の排気熱を回収する排気熱回収回路と、内燃機関の冷却水と熱交換するためのエンジン冷却水回路と、車両室内の少なくとも暖房を行う空調装置に組み込まれる熱交換器とを具備する。排気熱回収回路は、内燃機関の排気管に接続されていて且つその排気が通る排気熱回収器を具備しており、更に排気熱回収回路を熱媒体が流通しており、熱媒体は熱交換器を流通しており、更に冷却水は、エンジン冷却水回路と熱交換器を流通している。熱交換器は、排気熱回収用熱媒体と、エンジン冷却水と、空調装置用の空気の３つの流体間においてそれぞれ熱交換が可能であるように形成される。【選択図】      図１
2006176042.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
車両の走行の動力源であるエンジン（１５）の排気熱を回収するための排気熱回収回路（２）と、
前記エンジン（１５）の冷却水と熱交換するためのエンジン冷却水回路（１）と、
車両室内の少なくとも暖房を行う空調装置（８）に組み込まれる熱交換器（６）と、
を具備する、車両用廃熱回収装置（１０）において、
前記排気熱回収回路（２）は、前記エンジン（１５）の排気管（３）に接続されていて且つその排気が通る排気熱回収器（４）を具備しており、更に前記排気熱回収回路（２）を熱媒体が流通して前記排気熱回収器（４）において前記排気と熱交換可能であり、
前記熱媒体は前記熱交換器（６）を流通しており、更に前記冷却水は、前記エンジン冷却水回路（１）と、前記熱交換器（６）を流通しており、
前記熱交換器（６）は、前記排気熱回収用熱媒体と、前記エンジン冷却水と、前記空調装置（８）用の空気の３つの流体間においてそれぞれ熱交換が可能であるように形成されることを特徴とする廃熱回収装置。
【請求項２】
前記熱交換器（６）は、前記排気熱回収用熱媒体と前記空調装置用の空気との間で熱交換を行う第１の熱交換部（１６）と、前記排気熱回収用熱媒体と前記エンジン冷却水との間で熱交換を行う第２の熱交換部（１７）と、を具備しており、
前記排気熱回収回路（２）において、前記第１の熱交換部（１６）は前記第２の熱交換部（１７）より上流側に位置していることを特徴とする請求項１に廃熱回収装置。
【請求項３】
前記熱交換器（１０６）は、
前記排気熱回収用熱媒体と前記空調装置用の空気との間で熱交換を行う第１の熱交換部（１６）と、
前記排気熱回収用熱媒体と前記エンジン冷却水との間で熱交換を行う第２の熱交換部（１７）と、
前記エンジン冷却水と前記空調装置用の空気との間で熱交換を行う第３の熱交換部（１１０）と、
を具備することを特徴とする請求項１に記載の廃熱回収装置。
【請求項４】
前記熱交換器（１０６）における前記エンジン冷却水回路（１）において、前記第１の熱交換部（１６）と前記第３の交換部（１１０）は並列であり、その下流側に前記第２の熱交換部（１７）が位置しており、前記の３つの熱交換部（１６，１７，１１０）が一体化されていることを特徴とする請求項３に記載の廃熱回収装置。
【請求項５】
前記排気熱回収器（４）は、
排気と熱媒体との間で熱交換を行う排気熱交換部（４１）と、
排気が前排気熱交換部（４１）をバイパスする排気バイパス通路（４２）と、
前記排気熱交換部（４１）と前記排気バイパス通路（４２）との間で排気の通路の切り換えを行う排気切替弁（４３）と、
を具備することを特徴とする請求項１から４のいずれか一項に記載の廃熱回収装置。
【請求項６】
前記排気熱回収回路（２）は、熱媒体ポンプ（５）と、温度センサ（１４）とを更に具備することを特徴とする請求項１から５のいずれか一項に記載の廃熱回収装置。
【請求項７】
前記温度センサ（１４）は、前記排気熱回収器（４）の下流で前記熱交換器（６）の上流に設置されており、
前記温度センサ（１４）の検知した熱媒体の温度が、第１の設定温度を超えると、前記空調装置（８）の具備するブロワ（７）を運転して、前記熱交換器（６）において前記空調装置用の空気と前記排気熱回収用熱媒体との間で熱交換を行い、更に
前記温度センサ（１４）の検知した熱媒体の温度が、前記第１の設定温度より高い第２の設定温度を超えると、前記排気切替弁（４３）を作動させて、前記排気熱回収器（４）において排気が前記排気バイパス通路（４２）を通るように制御することを特徴とする請求項６に記載の廃熱回収装置。
【請求項８】
前記排気熱回収回路（２）は蓄熱装置（１１）を更に具備することを特徴とする請求項１から７のいずれか一項に記載の廃熱回収装置。
【請求項９】
前記エンジン冷却水回路（１）は高温蒸発器（１２）を更に具備することを特徴とする請求項１から８のいずれか一項に記載の廃熱回収装置。
【請求項１０】
第１の流体と第２の流体との間で熱交換を行う第１の熱交換部（１６）と、前記第１の流体と第３の流体との間で熱交換を行う第２の熱交換部（１７）とを具備する、熱交換器（６）において、
前記第１の流体は前記第１の熱交換部（１６）に流入して前記第２の流体と熱交換した後に、前記第２の熱交換部（１７）に流入して前記第３の流体と熱交換することを特徴とする熱交換器。
【請求項１１】
前記第１の熱交換部（１６）は、
前記第１の流体が流入する入口パイプ（６３）を備える入口タンク（６４）と、
前記第１の流体が通る複数のチューブ（６１）により構成された第１の流体通路であって、前記複数のチューブ（６１）の上流側端部が前記入口タンク（６４）に流体接続する第１の流体通路と、
前記チューブ（６１）と交互に配置されたフィン（６２）を備えた前記第２の流体が通る第２の流体通路と、
を具備しており、
前記第２の熱交換部（１７）は、
前記複数のチューブ（６１）がその下流側の端部で流体接続する外管（６５）であって、前記第１の流体が流出する出口パイプ（６９）を有する外管と、
前記外管（６５）に囲まれて２重管を形成していて且つ前記第３の流体が流通する内管（６６）であって、第３の流体入口（６８ｃ）と第３の流体出口（６８ｄ）とを有する内管（６６）と、
前記内管（６６）と前記外管（６５）の間に設けられているフィン（６７）と、
前記外管（６５）を囲むように形成されていて且つ前記第３の流体入口（６８ｃ）と前記第３の流体出口（６８ｄ）に流体接続するタンク（６８ｂ）と、
を具備することを特徴とする請求項１０に記載の熱交換器。
【請求項１２】
請求項１から９のいずれか一項に記載の廃熱回収装置（１０，１２０）の具備する前記熱交換器（６）として使用されることを特徴とする請求項１０又は１１のいずれかに記載の熱交換器。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、エンジン排気等の廃熱回収装置及びそのための熱交換器に係り、より特別には、自動車用暖房装置に適用する廃熱回収装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
エンジンの排気ガスの廃熱を回収して再利用するシステムについては、電力プラント、船舶等種々の分野で検討されている。自動車においても暖房用廃熱回収システム（装置）に関して、従来技術として提案されているものがある（例えば、特許文献１参照）が、このシステムでは、エンジンの排気熱をエンジン冷却水に回収し暖房性能向上を図っている。しかしながら、この様な構成では下記に理由により、水温の上昇が遅く室内暖房に即効性を持たせることができないという問題があった。即ち、該問題の理由１として、エンジン冷却水は熱容量が大きく、そもそも暖まりにくいという特性がある。理由２として、エンジン冷却水はエンジン本体の内部を流れるため、排気ガスから回収した廃熱はエンジン本体にも奪われてしまうことがある。
【０００３】
この様な問題を回避する方法として提案されるもの（例えば、特許文献２参照）があり、この場合には排気熱回収回路をエンジン冷却水回路から独立させたヒートパイプによってエンジン冷却水を介さず直接空気を暖め室内暖房に利用する方法が考えられている。しかしながら、この方法では排気熱の利用範囲が室内暖房に限定されてしまい、夏場など暖房を必要としない時期においては排気熱を有効利用できないシステムになってしまう。
【０００４】
【特許文献１】特開平２−２９９９２２
【特許文献２】特開平３−１２８７１９
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
本発明は、上述した事情に鑑みなされたもので、暖房性能に即効性を持たせ、年間を通じて排気熱を有効に利用できるシステム（装置）と、これを実現するための車室内暖房用の熱交換器を提供することを目的とする。
【０００６】
本発明のその他の目的は、３つの異なる温度の流体間での熱交換を可能にすることにより、高温の流体の熱を有効に利用可能な熱交換器であって、例えば車両のエンジンの排気及びエンジンの冷却水から廃熱を効率的に回収するための廃熱回収装置等に使用可能である熱交換器を提供することを目的としている。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明の請求項１の形態では、上述した目的を達成するために、車両用廃熱回収装置１０は、車両の走行の動力源である内燃機関（エンジン）１５の排気熱を回収するための排気熱回収回路２と、前記内燃機関１５の冷却水と熱交換するためのエンジン冷却水回路１と、車両室内の少なくとも暖房を行う空調装置８に組み込まれる熱交換器６とを具備する。車両用廃熱回収装置１０において、前記排気熱回収回路２は、前記内燃機関１５の排気管３に接続されていて且つその排気が通る排気熱回収器４を具備しており、更に前記排気熱回収回路２を熱媒体が流通して排気熱回収器４において排気と熱交換可能であり、前記熱媒体は前記熱交換器６を流通しており、更に前記冷却水は、前記エンジン冷却水回路１と、前記熱交換器６を流通している。前記熱交換器は、前記排気熱回収用熱媒体と、前記エンジン冷却水と、前記空調装置用の空気の３つの流体間においてそれぞれ熱交換が可能であるように形成されることを特徴とする。
【０００８】
この様に構成することにより、排気熱回収回路２はエンジン冷却回路１から独立しているため、エンジン冷却回路より比較的熱容量が小さく、またエンジン本体などの影響も受けないので熱媒体は排気熱回収器４で回収された熱によりエンジン冷却水よりも早く高温になり、冬季等車室内暖房が必要な場合は、従来の排気熱をエンジン冷却系の冷却水に回収して暖房する方法よりも即効性の高い室内暖房を実現することができる。また、走行負荷が小さいなど、十分な排気熱が得られない状況においてもエンジン冷却水の熱とあわせて利用することが可能なので暖房性能を確保することができる。更には、夏季など暖房が不必要な場合は、排気熱によってエンジン冷却水を過熱することができエンジン暖機を早めることができるのでエンジンのフリクションを低減でき、燃費向上を図ることができるので、年間を通じて排気熱を有効に利用することができる。
【０００９】
本発明の請求項２の形態では、上記請求項１の形態において、前記熱交換器６は、前記排気熱回収用熱媒体と前記空調装置用の空気との間で熱交換を行う第１の熱交換部１６と、前記排気熱回収用熱媒体と前記エンジン冷却水との間で熱交換を行う第２の熱交換部１７とを具備する。前記排気熱回収回路２において、前記第１の熱交換部１６は前記第２の熱交換部１７より上流側に位置していることを特徴とする。
本形態によれば、本発明の廃熱回収装置の具備する熱交換器のより具体的な形態を開示しており、排気の廃熱に加えてエンジン冷却水の廃熱を利用可能であると共に、必要に応じてエンジンの暖機も可能である。
【００１０】
本発明の請求項３の形態では、上記請求項１の形態において、前記熱交換器１０６は、前記排気熱回収用熱媒体と前記空調装置用の空気との間で熱交換を行う第１の熱交換部１６と、前記排気熱回収用熱媒体と前記エンジン冷却水との間で熱交換を行う第２の熱交換部１７と、前記前記エンジン冷却水と前記空調装置用の空気との間で熱交換を行う第３の熱交換部１１０とを具備することを特徴とする。
本形態によれば、例えばハイブリッド自動車などエンジンを間欠運転する車両において、エンジンが停止しており排気熱がない場合でも、エンジン冷却水及びエンジン本体の熱容量を利用して暖房性能を確保することができる。
【００１１】
本発明の請求項４の形態では、上記請求項３の形態において、前記熱交換器１０６における前記エンジン冷却水回路１において、前記第１の熱交換部１６と前記第３の交換部１１０は並列であり、その下流側に前記第２の熱交換部１７が位置しており、前記の３つの熱交換部１６，１７，１１０が一体化されていることを特徴とする。
本形態によれば、エンジン冷却水及びエンジン本体の熱容量を利用可能な熱交換器をより具体化する。
【００１２】
本発明の請求項５の形態では、上記請求項１から４の形態のいずれか一項において、前記排気熱回収器４は、排気と熱媒体との間で熱交換を行う排気熱交換部４１と、排気が前排気熱交換部４１をバイパスする排気バイパス通路４２と、前記排気熱交換部４１と前記排気バイパス通路４２との間で排気の通路の切り換えを行う排気切替弁４３とを具備することを特徴とする。
本形態によれば、本発明の廃熱回収装置の具備する排気熱回収器のより具体的な形態を開示する。
【００１３】
また、本発明の請求項６の形態では、上記請求項１から５の形態いずれか一項において、前記排気熱回収回路２は、熱媒体ポンプ５と、温度センサ１４とを更に具備することを特徴とする。
本形態によれば、本発明の廃熱回収装置の排気熱回収回路をより具体化する。
【００１４】
本発明の請求項７の形態では、上記請求項６の形態において、前記温度センサ１４は、前記排気熱回収器４の下流で前記熱交換器６の上流に設置されており、前記温度センサ１４の検知した熱媒体の温度が、第１の設定温度を超えると、前記空調装置８の具備するブロワ７を運転して、前記熱交換器６において前記空調装置用の空気と前記排気熱回収用熱媒体との間で熱交換を行い、更に前記温度センサ１４の検知した熱媒体の温度が、前記第１の設定温度より高い第２の設定温度を超えると、前記排気切替弁４３を作動させて、前記排気熱回収器４において排気が前記排気バイパス通路４２を通るように制御することを特徴とする。
本形態によれば、暖房用空気の適切な加熱が可能であると共に、排気熱回収回路内の熱媒体温度は一定範囲の温度に制御されるので、同回路の内圧が過剰に上昇して破損に至ったり、エンジン冷却水温度が過剰に高温になってオーバーヒートに至ることを防止できる。
【００１５】
本発明の請求項８の形態では、上記請求項１から７の形態いずれか一項において、前記排気熱回収回路２は蓄熱装置１１を更に具備することを特徴とする。
本形態によれば、エンジンの始動時には蓄熱装置に蓄熱されてた熱を利用できるため、さらに即効性のある暖房が得られる。
【００１６】
本発明の請求項９の形態では、上記請求項１から８の形態いずれか一項において、前記エンジン冷却水回路１は高温蒸発器１２を更に具備することを特徴とする。
本形態によれば、例えば車室内の暖房感が得られた後にも、エンジン冷却水の熱と排気熱をあわせてランキンサイクルによって廃熱を利用することができるため車両の燃費低減効果を増大することができる。
【００１７】
本発明の請求項１０の形態では、熱交換器６は、第１の流体と第２の流体との間で熱交換を行う第１の熱交換部１６と、前記第１の流体と第３の流体との間で熱交換を行う第２の熱交換部１７とを具備する。この熱交換器６は、前記第１の流体は前記第１の熱交換部１６に流入して前記第２の流体と熱交換した後に、前記第２の熱交換部１７に流入して前記第３の流体と熱交換するように形成されることを特徴とする。
【００１８】
この様に構成することにより、３つの異なる温度の流体間で熱交換を可能にすることにより、高温の流体の熱を有効に利用可能な熱交換器を提供することが出来る。この様な熱交換器は、車両のエンジンの排気及びエンジンの冷却水からの廃熱を回収するための廃熱回収装置等に使用可能である。
【００１９】
本発明の請求項１１の形態では、上記請求項１０の形態において、前記第１の熱交換部１６は、前記第１の流体が流入する入口パイプ６３を備える入口タンク６４と、前記第１の流体が通る複数のチューブ６１により構成された第１の流体通路であって、前記複数のチューブ６１の上流側端部が前記入口タンク６４に流体接続する第１の流体通路と、前記チューブ６１と交互に配置されたフィン６２を備えた前記第２の流体が通る第２の流体通路とを具備する。前記第２の熱交換部１７は、前記複数のチューブ６１がその下流側の端部で流体接続する外管６５であって、前記第１の流体が流出する出口パイプ６９を有する外管と、前記外管６５に囲まれて２重管を形成していて且つ前記第３の流体が流通する内管６６であって、第３の流体入口６８ｃと第３の流体出口６８ｄとを有する内管６６と、前記内管６６と前記外管６５の間に設けられているフィン６７と、前記外管６５を囲むように形成されていて且つ前記第３の流体入口６８ｃと前記第３の流体出口６８ｄに流体接続するタンク６８ｂとを具備することを特徴とする。
本形態によれば、３つの異なる温度の流体間で熱交換を可能にする熱交換器をより具体化する。
【００２０】
また、本発明の請求項１２の形態では、上記請求項１０又は１１の形態いずれかの熱交換器が、請求項１から９のいずれか一項に記載の廃熱回収装置１０，１２０の具備する前記熱交換器６として使用されることを特徴とする。
本形態によれば、本発明の熱交換器の用途をより具体化する。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２１】
以下、図面に基づいて本発明の実施の形態の車両用廃熱回収装置を詳細に説明する。図１、図２Ａ〜２Ｃ及び図３Ａ〜３Ｄは、本発明に係る車両用廃熱回収装置の第１の実施の形態を図解的に示しており、図１は本発明の第１の実施の形態の廃熱回収装置１０の概略的な構成を示す系統図であり、図２Ａ〜２Ｃは第１の実施の形態の含む熱交換器６の構成の詳細の図解的説明図であり、図３Ａ〜３Ｄは第１の実施の形態の含む排気熱回収器４の構成の詳細を図解的説明図である。
【００２２】
まず図１を参照すると、本発明の第１の実施の形態の廃熱回収装置１０の回路を示す。本回路は、従来のエンジン冷却水回路１と、エンジン１５の排気ガスから廃熱を回収する排気熱回収回路２の２つの回路を具備しており、これら２つの回路はいずれも熱交換器６につながっている。排気熱回収回路２は、エンジン１５の排気管３に装着された排気熱回収器４と、熱交換器６と、熱媒体ポンプ５をつなげた閉回路になっており、排気熱回収回路２内には熱媒体ポンプ５によって循環する熱媒体が封入されている。また、熱交換器６は従来の空調装置８内のヒータコア部分に配置されている。エンジン１５の排気管３には排気熱回収器４が配置されており、ここで排気ガスによって熱媒体は加熱される。この排気熱回収器４によって加熱された熱媒体は、排気熱回収回路２を構成するパイプ内を熱媒体ポンプ５によって圧送され熱交換器６に送られる。
【００２３】
エンジン冷却水回路１は、エンジン１５自体の主冷却水回路に接続している。主冷却水回路は、図１に示すように、ラジエータ２１と、冷却水ポンプ２２と、温度調節弁２３等を具備する。主冷却水回路において冷却水は、冷却水ポンプ２２からエンジン１５、ラジエータ２１、温度調節弁２３の順で流れる。エンジン冷却水温度が低い場合に、冷却水はラジエータ２１のバイパス流路２４をバイパスするように制御される。本実施の形態において、エンジン冷却水回路１は図１に示すように、エンジン１５の出口側と冷却水ポンプ２２の吸い込み側とで接続しており、冷却水は冷却水ポンプ２２により圧送されてエンジン冷却水回路１を循環する。従って、冷却水ポンプ２２とエンジン１５とは、主冷却水回路に含まれると共に、エンジン冷却水回路１にも含まれる。
【００２４】
図２Ａは第１の実施の形態の廃熱回収装置１０の具備する熱交換器６の正面図であり、図２Ｂは図２ＡにおけるＸ２ｂ−Ｘ２ｂ断面図であり、図２Ｃは図２ＡにおけるＸ２ｃ−Ｘ２ｃ断面図である。
熱交換器６は、図２Ｂに示すように熱媒体と暖房用空気とを熱交換する第１の熱交換部（Ａ部）１６と熱媒体とエンジン冷却水とを熱交換する第２の熱交換部（Ｂ部）１７とを備えており、熱媒体の流路においてＡ部１６はＢ部１７の上流側に位置している。熱交換器６内に入った熱媒体は、冬季など外気温が低く暖房の必要がある場合は、空調装置８内にある空調用ブロワ７によって送風された暖房用空気をＡ部１６において加熱した後、Ｂ部１７を経て排気熱回収回路２内を熱媒体ポンプ５へと循環する。熱交換器６は熱伝導性の良いアルミニウム製であり、Ａ部１６は、複数のチューブ６１によって構成された熱媒体通路と、チューブ６１と交互に配置されたフィン６２を備えた空気側通路と、熱媒体を導入する入口パイプ６３と、入口タンク６４とによって構成される。
【００２５】
熱交換器６のＡ部１６のチューブ６１はその断面が実質的に矩形形状の直線状のパイプであり、複数のチューブ６１の上流側の一方の端部は図２Ａに示すように、入口タンク６４内に挿入されており、各チューブ６１の外周は溶接、ロウ付け等により入口タンク６４に密閉状態で接合される。複数のチューブ６１は実質的に等間隔で且つ平行に配置されており、隣り合うチューブ６１の間にフィン６２が各チューブ６１に接合されて配置されていることが好ましいが、接合されず接しているだけでも良い。複数のチューブ６１の下流側の他方の端部は、図２Ｂに示される上部が開いた外管６５に、上流側の端部と同様に挿入される。各チューブ６１の外周は溶接、ロウ付け等により外管６５に密閉状態で接合される。
【００２６】
Ｂ部１７は２重管状の熱交換器で、図２Ｂに示すように、円筒状の外管６５と、円筒状の内管６６と、フィン６７と、外管６５を取り囲むエンジン冷却水通路６８ａを形成するためのタンク６８ｂと、冷却水を導入・導出するためのパイプ６８ｃ、６８ｄと、さらに熱媒体を導出する出口パイプ６９とを具備する。外管６５には複数のチューブ６１が、図２Ａに示すように挿入されることにより、外管６５はＡ部１６の複数のチューブ６１と連通しており、熱媒体は外管６５と内管６６の間を通って外管６５に連通する出口パイプ６９より熱交換器６の外に排出される。冷却水は、導入パイプ６８ｃから流入し、内管６６内とエンジン冷却水通路６８ａをそれぞれ並行して通り、その際それぞれ外管６５を通る熱媒体と熱交換して導出パイプ６８ｄから流出する。
【００２７】
フィン６７は、内管６６を取り囲むように放射状に内管６６に接合されており、熱媒体との伝熱面積を増大させる。本実施の形態において、タンク６８ｂは実質的に細長い直方体形状であり、外管６５を囲むように形成されて、それと外管６５との間にエンジン冷却水通路６８ａを形成する。Ａ部１６の複数のチューブ６１がタンク６８ｂの上蓋７０に挿入されており、上蓋７０はタンク６８ｂの外周に溶接、ロウ付け等により接合されてタンク６８ｂを密閉する。
【００２８】
図３Ａは第１の実施の形態の廃熱回収装置１０の具備する排気熱回収器４の正面図であり、図３Ｂは図３ＡにおけるＸ３ｂ−Ｘ３ｂ断面図である。図３Ｃは図３ＢにおけるＸ３ｃ−Ｘ３ｃ断面図であり、排気ガス流路の上流側から見た排気熱回収器４の排気流路を示している。図３Ｄは図３ＢにおけるＸ３ｄ−Ｘ３ｄ断面図であり、下流側から見た排気熱回収器４の排気流路を示している。
【００２９】
排気熱回収器４は、主に高耐食性を備えたステンレス製であることが好ましく、図３Ｂに示すように、その熱交換部４１と、円筒状の第２のパイプ５１により形成された排気バイパス通路４２と、更にこれらの排気ガス流路における下流側に排気切替（バイパス）弁４３とを備えており、エンジンの高負荷運転時など過剰に排気熱が発生した場合は、エンジン冷却水が高温化してオーバーヒートしないように排気流路を熱交換部４１の流路から排気バイパス通路４２に切替えて、排気熱を回収しないようにすることができる。図３Ｄにおいて排気切替弁４３が、排気バイパス通路４２を全閉した状態を示している。熱交換部４１は、円筒状の第１のパイプ４４を備え、第１のパイプ４４内に複数の小径パイプ４６が略等間隔で、図３Ｃ及び３Ｄで良く分かるように平行して設置されており、これらの小径パイプ４６内を排気ガスが流通し、外側の空間４９を、入口４７から流入し出口４８から流出する熱媒体が流通し、排気ガスと熱媒体との間で熱交換される。熱媒体はエンジン冷却水を用いても良いが、シリコン系オイルなどの沸点の高い熱媒油を用いた方が排気熱回収回路２を高耐圧仕様にすることなく、より高温の熱が回収できるのでコスト面、暖房性能面で望ましい。
【００３０】
排気熱回収器４は、平行に走る２本のパイプ４４，５１を具備する形態であり、２本のパイプ４４，５１の両端には図３Ｂに示すようにフランジ５２，５３が溶接等により接合されている。フランジ５２，５３には複数のボルト穴（本実施の形態においては２個であるが、２個より多くても良い）が設けられており、排気管３に容易に接続可能である。排気切替（バイパス）弁４３は、図に示すように排気流路の形状に合わせて円板状の弁体を回転軸に取り付けた単純な構成を有しており、弁体部分がフランジ５３の厚みの範囲に収まるように形成されることが好ましい。従って、弁体は排気管３内で作動可能である。本実施の形態において、排気切替弁４３は電動モータ４５により駆動され、１８０度回転することにより排気流路の切り換えを行う。排気切替弁４３の電動モータ４５は図３Ａに示すように、フランジ５３に台座を設け、排気管路の気密性を保持するように該台座に設置される。
【００３１】
次に第１の実施の形態の廃熱回収装置１０の作動について説明する。
（冬季において室内暖房用に必要な熱量＜排気熱の場合）
以下説明するケースは、冬季において車室が暖房されている場合で、室内暖房のために必要な熱量が、排気ガスからの回収熱量より小さい場合である。エンジン始動後に、高温になった排気は、排気熱回収器４（熱交換部４１）によって排気熱回収回路２内を循環する熱媒体を加熱する。熱媒体は熱媒体ポンプ５により熱交換器６に送られる。この熱媒体の温度は、図１に示す温度センサ１４によって検知され、熱媒体温度が予め定められた温度（例えば、６０℃）を超えると空調用ブロワ７が作動し、熱交換器６のＡ部１６に向けて送風を開始し、Ａ部１６において熱媒体と暖房用空気が熱交換し、加熱された暖房用空気によって車室内の暖房が開始される。
【００３２】
その後、車室内が十分に暖房されると空調用ブロワ７は風量を低下させるとともに、エアミックスドア９は熱交換器６に対して閉じる方向に作動し、車室内への送風量を減少させて車室内の温度調整を行う。このため、熱交換器６のＡ部１６における熱交換量は低下し、熱媒体は高温のまま熱交換器６のＢ部１７に流入し、エンジン冷却水を過熱する。これにより、排気熱はエンジン暖機のために利用される。
更に車両の運転が継続され排気熱回収回路２内の熱媒体温度が予め定められた温度（例えば、１５０℃）を超えた場合は、排気熱回収器４に備えられた排気切替弁４３が排気バイパス通路４２を開く方向に作動し、熱交換部４１に流入する排気ガス量を低減することで回収する排気熱量を抑制する。これにより排気熱回収回路２内の熱媒体温度は一定範囲の温度に制御されるので同回路２の内圧が過剰に上昇して破損に至ったり、エンジン冷却水温度が過剰に高温になってオーバーヒートに至ることを防止できる。
【００３３】
（冬季おける室内暖房用に必要な熱量＞排気熱の場合）
次に説明するケースは、冬季において車室が暖房されている場合で、室内暖房のために必要な熱量が、排気ガスからの回収熱量より大きい場合である。極低温時又は車両の走行負荷が小さく十分な排気熱が得られない時等の、室内暖房用に必要な熱量が排気ガスから回収される熱量よりも大きい場合には、熱媒体の熱は熱交換器６のＡ部１６において全て暖房用空気に奪われ、Ａ部１６を通過後の熱媒体の温度はほぼ外気温並みに低下する。このような場合には、排気熱による最大限の暖房を継続している間にエンジン冷却水の温度が上昇し熱交換器６のＢ部１７における熱媒体温度より高くなった時点で、熱交換器６のＢ部１７においてエンジン冷却水から熱媒体側に熱回収がなされ、その後排気熱回収器４に循環した熱媒体は排気熱も回収した後、再び熱交換器６のＡ部１６で暖房用空気を過熱する。この様にして排気ガス、エンジン冷却水の両方から受熱することで暖房性能が確保される。
【００３４】
（夏季等室内暖房が不要な場合）
夏季等室内暖房が不要な場合には、熱媒体は熱交換器６のＡ部１６では熱を奪われることなく高温を保持したまま、熱交換器６のＢ部１７に流入し、エンジン冷却水を加熱することによってエンジン暖機を行う。これによりエンジン暖機を早めることができるのでエンジンのフリクションを低減でき燃費向上を図ることができる。
【００３５】
図４Ａ〜４Ｄに本発明の第２の実施の形態の排気熱回収装置の具備する熱交換器１０６を示す。図４Ａは第２の実施の形態の廃熱回収装置の具備する熱交換器１０６の正面図であり、図４Ｂは図４ＡにおけるＸ４ｂ−Ｘ４ｂ断面図であり、図４Ｃは図４ＡにおけるＸ４ｃ−Ｘ４ｃ断面図である。また、図４Ｄは図４ＢにおけるＸ４ｄ−Ｘ４ｄ断面図である。図４Ａ〜４Ｄを参照すると、特に図２Ａ〜２Ｃに開示される第１の実施の形態の熱交換器６の要素部分と同じ又は同様である図４Ａ〜４Ｄの熱交換器１０６の要素部分は、同じ参照符号により指定されている。
【００３６】
本発明の第２の実施の形態においては、上記第１の実施の形態の熱交換器６と従来構造のヒータコアを一体化したもので、第１実施例での熱交換器６のエンジン冷却水通路６８ａをヒータコアの冷却水出口側タンクと共有する構造となっている。図４Ｂを参照すると、左側に第１の実施の形態の熱交換器６と同様な熱交換器６’が具備されており、右側に従来構造のヒータコア１１０が具備される。従って、図４Ａは熱交換器６’側の正面図であり、図４Ｄはヒータコア１１０側の正面図である。熱交換器６’は第１の実施の形態の熱交換器６と同様に、熱伝導性の良いアルミニウム製のＡ部１６とＢ部１７を具備しており、更にＡ部１６は複数のチューブ６１によって構成された熱媒体通路と、チューブ６１と交互に配置されたフィン６２を備えた空気側通路と、熱媒体を導入する入口パイプ６３と、タンク６４とによって構成される。Ｂ部１７はやはり２重管状の熱交換部で、外管６５と、内管６６と、フィン６７と、外管６５を取り囲むエンジン冷却水通路６８ａを形成するためのタンク６８ｂと、冷却水を導入・導出するためのパイプ６８ｃ、６８ｄと、さらに熱媒体を導出する出口パイプ６９とによって構成されている。このような熱交換器６’の構成は既に説明した第１の実施の形態の熱交換器６と同様である。
【００３７】
ヒータコア１１０は図４Ｂに示すように、冷却水の入口パイプ１１２と、入口タンク１１４と、入口タンク１１４に連通する複数のチューブ１１６によって構成された冷却水通路と、チューブ１１６と交互に配置されたフィン１１７を備えた空気側通路とを具備する。チューブ１１６はタンク６８ｂに接合される。このようなヒータコア１１０の構成は、熱交換部であるＡ部１６の構成と同様である。このようにタンク６８ｂは熱交換器６’とヒータコア１１０との共通のタンクである。
【００３８】
熱冷媒は、第１の実施の形態における熱交換器６の場合と同じルートで熱交換器６’を通過するので、説明の重複を避け詳しい説明は省略する。一方で熱交換器６’側ではエンジン冷却水は、導入パイプ６８ｃから流入し、内管６６内とエンジン冷却水通路６８ａをそれぞれ並行して通り、その際それぞれ外管６５を通る熱媒体と熱交換して導出パイプ６８ｄから流出する。他方でヒータコア１１０側ではエンジン冷却水は、入口パイプ１１２から流入し、チューブ１１６内を通り、その際空調暖房用空気と熱交換して、タンク６８ｂ内（冷却水通路６８ａ）に流入し導出パイプ６８ｄから流出する。
上記以外の本実施の形態の排気熱回収装置の構成は第１の実施の形態の排気熱回収装置１０の構成と同様である。
【００３９】
図５に本発明の第３の実施の形態の廃熱回収装置１２０を示しており、図５は第３の実施の形態の廃熱回収装置１２０の概略的な構成を示す図１と同様な系統図である。図５を参照すると、特に図１に開示される第１の実施の形態の廃熱回収装置１０の要素部分と同じ又は同様である図５の廃熱回収装置１２０の要素部分は、同じ参照符号により指定されている。
本実施の形態では、排気熱回収回路２において、排気熱回収器４の下流側で熱交換器６の上流側に蓄熱装置１１を有し、またエンジン冷却回路１には特許第２５４０７３８号に示されるランキンサイクルの高温蒸発器１２が図５に示すように具備されている。蓄熱装置１１は、排気熱回収器４又は熱交換器６で回収した熱を蓄熱出来る一方で、蓄熱した熱エネルギを放熱することが出来る。また、蓄熱装置１１周辺に必要な回路及び構成要素を設けて適宜制御することにより、必要に応じて蓄熱装置１１への蓄熱及びそれからの放熱を実施することが出来る。上記の必要な回路及び構成要素等の構成は、バイパス経路、制御弁等により構成されるものであり、当業者には既知なものである。
【００４０】
高温蒸発器１２は、熱媒体の回収熱エネルギを利用する装置であり、図５の例では、高温蒸発器１２を含む熱エネルギ回収回路１３０が具備される。熱エネルギ回収回路１３０は、例えば図５に示すように、ポンプ１３１と、タービン１３２と、コンデンサ１３３とを具備しており、回路１３０内には蒸気等の別の熱媒体が封入されている。別の熱媒体は、高温蒸発器１２において加熱されて蒸発、膨張し、タービン１３２を駆動する。その後、別の熱媒体は、コンデンサ１３３で冷却されて液体となり、ポンプ１３１により吸引されて、高温蒸発器１２へ送られ、この回路１３０を循環する。この様な熱エネルギ回収回路１３０は既知のものであり、当業者に既知な上記以外のエネルギ回収回路であっても良い。また、排気熱回収回路２は、熱媒体が高温蒸発器１２をバイパスする経路を具備しており、適宜制御されて、必要に応じて高温蒸発器１２において熱エネルギを回収するように制御されても良い。
上記以外の本実施の形態の排気熱回収装置１２０の構成は第１の実施の形態の排気熱回収装置１０の構成と同様である。
【００４１】
次に上記実施の形態の効果及び作用について説明する。本発明の第１の実施の形態の廃熱回収装置により以下の効果が期待できる。
・排気熱回収回路２がエンジン冷却回路１から独立しているため、エンジン冷却回路より比較的熱容量が小さく、またエンジン本体などの影響も受けないので熱媒体は排気熱回収器４で回収された熱によりエンジン冷却水よりも早く高温になり、冬季等車室内暖房が必要な場合は、従来の排気熱をエンジン冷却系の冷却水に回収して暖房する方法よりも即効性の高い室内暖房を実現することができる。
・また走行負荷が小さいなど、十分な排気熱が得られない状況においてもエンジン冷却水の熱とあわせて利用することが可能であるので暖房性能を確保することができる。
・更には、夏季など暖房が不必要な場合は、排気熱によってエンジン冷却水を加熱することができエンジン暖機を早めることができるので、エンジンのフリクションを低減でき、燃費向上を図ることができる。
・上記の如く年間を通じて排気熱を有効に利用することができる。
【００４２】
本発明の第２の実施の形態の廃熱回収装置により、上記第１の実施の形態の効果に加えて以下の効果が期待できる。
・例えばハイブリッド自動車などエンジンを間欠運転する車両において、エンジンが停止しており排気熱がない場合でも、エンジン冷却水及びエンジン本体の熱容量を利用して暖房性能を確保することができる。
【００４３】
本発明の第３の実施の形態の廃熱回収装置により、上記第１の実施の形態の効果に加えて以下の効果が期待できる。
・エンジンの始動時には蓄熱装置に蓄熱されてた熱を利用できるため、さらに即効性のある暖房が得られると共に、例えば車室内の暖房感が得られた後にも、エンジン冷却水の熱と排気熱をあわせてランキンサイクルによって廃熱を利用することができるため車両の燃費低減効果を増大することができる。
【００４４】
上記の説明において、本発明の廃熱回収装置及びそのための熱交換器は車両用として記載されたが、該装置は車両用以外の用途に使用されても良い。
また、上記において記載した、あるいは添付図面に示した実施の形態において、本発明の廃熱回収装置は基本的に最小限の構成要素を具備する構成で説明されており、該廃熱回収装置の機能上、制御上、適用対象の要求等により、付属要素、制御要素等の種々の構成要素が本発明に追加的に組み込まれても良く、更には廃熱回収装置の構成、各構成要素の配置、配列等が必要に応じて変更又は修正されても良い。
【００４５】
また、上記実施の形態において、熱交換器、排気熱回収器、熱媒体等の材質が規定されたが、これらの材質は、コスト、使用条件、設計条件等に応じて、別の安価な、高価な、あるいは異なる特性の材質により置換されても良い。
また、上記において記載した、あるいは添付図面に示した実施の形態において、熱交換器、排気熱回収器、及びそれらの構成要素等の形状、配置、構成、構造、接続形式等の仕様は具体的に規定されているが、本発明はこれに限定されず、当業者が思料可能な別の仕様であっても良い。
【００４６】
上記の実施の形態は本発明の例であり、本発明は、該実施の形態により制限されるものではなく、請求項に記載される事項によってのみ規定されており、上記以外の実施の形態も実施可能である。
【図面の簡単な説明】
【００４７】
【図１】図１は本発明の第１の実施の形態の廃熱回収装置１０の概略的な構成を示す系統図である。
【図２Ａ】図２Ａは，第１の実施の形態の廃熱回収装置１０の具備する熱交換器６の構成の詳細を図解的に説明する正面図である。
【図２Ｂ】図２Ｂは図２ＡにおけるＸ２ｂ−Ｘ２ｂ断面図である。
【図２Ｃ】図２Ｃは図２ＡにおけるＸ２ｃ−Ｘ２ｃ断面図である。
【図３Ａ】図３Ａは、第１の実施の形態の含む排気熱回収器４の構成の詳細を図解的に説明する正面図である。
【図３Ｂ】図３Ｂは図３ＡにおけるＸ３ｂ−Ｘ３ｂ断面図である。
【図３Ｃ】図３Ｃは図３ＢにおけるＸ３ｃ−Ｘ３ｃ断面図である。
【図３Ｄ】図３Ｄは図３ＢにおけるＸ３ｄ−Ｘ３ｄ断面図である。
【図４Ａ】図４Ａは、本発明の第２の実施の形態の排気熱回収装置の具備する熱交換器１０６の正面図である。
【図４Ｂ】図４Ｂは図４ＡにおけるＸ４ｂ−Ｘ４ｂ断面図である。
【図４Ｃ】図４Ｃは図４ＡにおけるＸ４ｃ−Ｘ４ｃ断面図である。
【図４Ｄ】図４Ｄは図４ＢにおけるＸ４ｄ−Ｘ４ｄ断面図である。
【図５】図５に本発明の第３の実施の形態の廃熱回収装置を示しており、概略的な構成を示す図１と同様な系統図である。
【符号の説明】
【００４８】
１    エンジン冷却水回路
２    排気熱回収回路
３    排気管
４    排気熱回収器
５    熱媒体ポンプ
６    熱交換器
７    ブロワ
８    空調用装置
９    エアミックスドア
１０    廃熱回収装置
１４    温度センサ
【図１】
2006176042.tif 000003
【図２Ａ】
2006176042.tif 000004
【図２Ｂ】
2006176042.tif 000005
【図２Ｃ】
2006176042.tif 000006
【図３Ａ】
2006176042.tif 000007
【図３Ｂ】
2006176042.tif 000008
【図３Ｃ】
2006176042.tif 000009
【図３Ｄ】
2006176042.tif 000010
【図４Ａ】
2006176042.tif 000011
【図４Ｂ】
2006176042.tif 000012
【図４Ｃ】
2006176042.tif 000013
【図４Ｄ】
2006176042.tif 000014
【図５】
2006176042.tif 000015