(57)【要約】【課題】加圧空気の冷却能力に優れた車両用加圧空気熱交換器を提供する。【解決手段】本発明の車両用加圧空気熱交換器は、廃熱利用装置におけるボイラ１５として採用されている。ボイラ１５は、ケース１５３の他、第１〜４扁平多孔管１５４ａ〜１５４ｄ等を備えている。ケース１５３の内部は加圧空気路１５３ａとなっている。加圧空気路１５３ａは、加圧空気流入口１５ａ側から加圧空気流出口１５ｂ側に向けて加圧空気を流通させる。第１〜４扁平多孔管１５４ａ〜１５４ｄは、熱交換媒体流入口１５ｃ側から熱交換媒体流出口１５ｄ側に向けて加圧空気の流通方向に対向する方向で作動流体を流通させる。これにより、ボイラ１５では第１〜４扁平多孔管１５４ａ〜１５４ｄを流通する作動流体と、加圧空気路１５３ａを流通する加圧空気とが対向流で熱交換を行う。【選択図】図３
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
過給器によって圧縮され、前記過給器から内燃機関に供給される加圧空気と、熱交換媒体との間で熱交換を行い、前記加圧空気の冷却を行う車両用加圧空気熱交換器であって、
一端側に位置して内部に前記加圧空気を流入させる加圧空気流入口と、他端側に位置して内部から前記加圧空気を流出させる加圧空気流出口とを有するケースと、
前記ケースに収容され、前記ケースの前記一端側から前記ケースの前記他端側に向かって延び、内部を前記熱交換媒体が流通可能な扁平多孔管とを備え、
前記ケースの内部には、前記加圧空気流入口と前記加圧空気流出口とに連通し、前記加圧空気が前記加圧空気流入口から前記加圧空気流出口に向かって、前記扁平多孔管の周囲を流通可能な加圧空気路が形成され、
前記ケースの内部において、前記熱交換媒体は、前記加圧空気路を流通する前記加圧空気の流通方向に対向する方向で、前記扁平多孔管の内部を流通することを特徴とする車両用加圧空気熱交換器。
【請求項２】
前記加圧空気路に位置して前記加圧空気路の表面積を拡大させる表面積拡大手段を備え、
前記表面積拡大手段は、前記扁平多孔管の外周面に取り付けられたコルゲートフィン又はオフセットフィンである請求項１記載の車両用加圧空気熱交換器。
【請求項３】
前記扁平多孔管は複数であり、
前記各扁平多孔管同士は前記熱交換媒体の流通方向で整列しつつ層状に配置され、
前記加圧空気路は、前記各扁平多孔管同士の間に形成されている請求項１又は２記載の車両用加圧空気熱交換器。
【請求項４】
前記扁平多孔管の前記一端側と前記他端側とは、それぞれ前記ケースの外部に突出している請求項1乃至３のいずれか１項記載の車両用加圧空気熱交換器。
【請求項５】
前記熱交換媒体を前記扁平多孔管の内部に流入させる熱交換媒体流入口が形成された第１ヘッドと、
前記扁平多孔管の内部から前記熱交換媒体を流出させる熱交換媒体流出口が形成された第２ヘッドとを備え、
前記扁平多孔管の前記他端側は前記第１ヘッドに固定され、
前記扁平多孔管の前記一端側は前記第２ヘッドに固定されている請求項４項記載の車両用加圧空気熱交換器。
【請求項６】
前記熱交換媒体は、ランキンサイクルを循環する作動流体であり、
前記ランキンサイクルは、前記過給器と前記内燃機関とを有する駆動系と共に廃熱利用装置を構成している請求項１乃至５のいずれか１項記載の車両用加圧空気熱交換器。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は車両用加圧空気熱交換器に関する。
【背景技術】
【０００２】
特許文献１に従来の熱交換器が開示されている。この熱交換器は、熱交換媒体を流入させる熱交換媒体流入口と、熱交換媒体を流出させる熱交換媒体流出口と、複数の扁平多孔管と、複数の空気路と、複数のコルゲートフィンとを備えている。各扁平多孔管は、熱交換媒体の流通方向で整列しつつ層状に配置されており、それぞれ熱交換媒体流入口及び熱交換媒体流出口に接続されている。各空気路は、各扁平多孔管同士の間に形成されている。各コルゲートフィンは各扁平多孔管の外周面にそれぞれ設けられており、空気路内に配置されている。各コルゲートフィンは、熱交換媒体の流通方向と直交する方向に整列しつつ、各空気路の表面積を拡大している。
【０００３】
この熱交換器は、車両用空調装置の凝縮器に用いられる。この際、この熱交換器では、熱交換媒体流入口から流入した熱交換媒体が熱交換媒体流出口に向かって、各扁平多孔管内を流通する。また、熱交換器の周りの空気が熱交換媒体の流通方向と直交する方向で各空気路を流通する。こうして、この熱交換器では、各扁平多孔管内を流通する熱交換媒体と、各空気路を流通する空気とが直交流で熱交換を行い、熱交換媒体を冷却することが可能となっている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開平１１−１７３７８４号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
ところで、車両等においては、過給器等によって圧縮された空気である加圧空気を内燃機関に供給することによって、内燃機関の出力を向上させることが行われることがある。この際、加圧空気と熱交換媒体との間で熱交換を行う車両用加圧空気熱交換器が用いられ、一定程度まで冷却された加圧空気が内燃機関に供給される。このような車両用加圧空気熱交換器として上記従来の熱交換器を採用することが考えられる。
【０００６】
しかし、発明者らの知見によれば、この熱交換器を車両用加圧空気熱交換器として採用した場合には、加圧空気の目標冷却温度を低く設定することができない。
【０００７】
本発明は、上記従来の実情に鑑みてなされたものであって、加圧空気の冷却能力に優れた車両用加圧空気熱交換器を提供することを解決すべき課題としている。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明の車両用加圧空気熱交換器は、過給器によって圧縮され、前記過給器から内燃機関に供給される加圧空気と、熱交換媒体との間で熱交換を行い、前記加圧空気の冷却を行う車両用加圧空気熱交換器であって、
一端側に位置して内部に前記加圧空気を流入させる加圧空気流入口と、他端側に位置して内部から前記加圧空気を流出させる加圧空気流出口とを有するケースと、
前記ケースに収容され、前記ケースの前記一端側から前記ケースの前記他端側に向かって延び、内部を前記熱交換媒体が流通可能な扁平多孔管とを備え、
前記ケースの内部には、前記加圧空気流入口と前記加圧空気流出口とに連通し、前記加圧空気が前記加圧空気流入口から前記加圧空気流出口に向かって、前記扁平多孔管の周囲を流通可能な加圧空気路が形成され、
前記ケースの内部において、前記熱交換媒体は、前記加圧空気路を流通する前記加圧空気の流通方向に対向する方向で、前記扁平多孔管の内部を流通することを特徴とする。
【０００９】
２種類の流体の一つを加圧空気とし、他の一つを熱交換媒体とし、熱交換器内においてそれらが同方向に流通する並行流と、それらが直交する方向で流通する直交流と、それらが対向する方向で流通する対向流とを検討した場合、それら流体は、熱交換に際し、図１に示す移動単位数（ＮＴＵt）と温度効率（εｔ）との関係を呈することが知られている（参考：瀬下裕、藤井雅雄著「コンパクト熱交換器」日刊工業新聞社）。ここで、移動単位数は、熱容量流量に対する熱コンダクタンスの比である。限界はあるものの、移動単位数が大きくなるに連れて熱が伝わり易くなる。一方、温度効率は、加圧空気と熱交換媒体との最大温度差に対する加圧空気の入口温度と出口温度との温度差の比である。
【００１０】
同図から明らかなように、並行流と直交流と対向流とのいずれの場合においても、移動単位数が増加することにより、温度効率は１の漸近線に徐々に近づくように増加する。しかしながら、移動単位数の増加量に対する温度効率の増加量は、対向流で熱交換を行う場合が最も大きく、次いで直交流で熱交換を行う場合が大きく、並行流で熱交換を行う場合が最も小さい。つまり、加圧空気と熱交換媒体とが対向流で熱交換を行った場合には、これらが並行流や直交流で熱交換を行う場合よりも、熱交換を行う前の加圧空気の温度と、熱交換を終えた後の加圧空気の温度との温度差が大きくなる。
【００１１】
本発明の車両用加圧空気熱交換器では、加圧空気が加圧空気路を流通し、熱交換媒体が扁平多孔管の内部を流通する。ここで、加圧空気路を流通する加圧空気は、扁平多孔管の周囲を流通しつつ、加圧空気流入口側から加圧空気流出口側に向かって流通する。また、扁平多孔管を流通する熱交換媒体は、ケースの内部において、加圧空気路を流通する加圧空気の流通方向と対向する方向で扁平多孔管の内部を流通する。つまり、この車両用加圧空気熱交換器では、ケースの内部において、加圧空気路を流通する加圧空気と、扁平多孔管の内部を流通する熱交換媒体とが対向流で熱交換を行う。このため、この車両用加圧空気熱交換器では、加圧空気の目標冷却温度をより低く設定することが可能であり、内燃機関に供給される加圧空気の温度をより低くすることができる。
【００１２】
したがって、本発明の車両用加圧空気熱交換器は、加圧空気の優れた冷却能力を発揮可能である。
【００１３】
特に、この車両用加圧空気熱交換器は、扁平多孔管がケースに収容されているとともに、ケース内に加圧空気路が形成されている。このため、この車両用加圧空気熱交換器では、扁平多孔管等が走行時における車両の振動の影響を受け難い。また、この車両用加圧空気熱交換器は、熱交換を行う加圧空気や熱交換媒体が車両用加圧空気熱交換器の外部に漏出し難い。
【００１４】
また、扁平多孔管は、扁平形状と各孔同士を隔てる隔壁とにより、高い耐圧性を発揮する。このため、この車両用加圧空気熱交換器では、熱交換媒体として、例えばＨＦＣ１３４ａ等の高圧の冷媒を採用することができる。
【００１５】
本発明の車両用加圧空気熱交換器において、扁平多孔管は少なくとも一つ備えられていれば良い。また、例えば、扁平多孔管のような多孔管や種々のチューブ等の専用の部材をケースの内部に設けることによって、ケースの内部に加圧空気路を形成することができる他、ケースの内部自体を加圧空気路とすることもできる。
【００１６】
また、本発明の車両用加圧空気熱交換器では、ケースの内部において、扁平多孔管を流通する熱交換媒体と加圧空気路を流通する加圧空気とが全ての範囲において対向流の関係で熱交換を行うことが最も好ましい。しかし、扁平多孔管や加圧空気路の形状等により、一部の範囲において熱交換媒体と加圧空気とが直交流や並行流で熱交換を行っても良い。
【００１７】
本発明の車両用加圧空気熱交換器は、加圧空気路に位置して加圧空気路の表面積を拡大させる表面積拡大手段を備え得る。そして、表面積拡大手段は、扁平多孔管の外周面に取り付けられたコルゲートフィン又はオフセットフィンであることが好ましい。
【００１８】
この場合には、表面積拡大手段によって加圧空気路の表面積を拡大できるため、加圧空気と熱交換媒体との間でより効果的に熱交換が行われる。そして、表面積拡大手段がコルゲートフィン又はオフセットフィンであることから、扁平多孔管の外周面に容易に取り付けることができる。このため、車両用加圧空気熱交換器の製造を容易化することが可能となる。また、これらのコルゲートフィンやオフセットフィンであれば、加圧空気路の表面積を好適に拡大させることが可能となる。なお、コルゲートフィンでは、表面にルーバを形成しても良い。この場合には、ルーバによって加圧空気を加圧空気路内で好適に流通させることが可能となる。
【００１９】
また、本発明の車両用加圧空気熱交換器において、扁平多孔管は複数であり得る。さらに、各扁平多孔管同士は熱交換媒体の流通方向で整列しつつ層状に配置され得る。そして、加圧空気路は、各扁平多孔管同士の間に形成されていることが好ましい。
【００２０】
扁平多孔管を複数設けることにより、加圧空気との熱交換を行う際の熱交換媒体の流量を多くすることができる。また、この場合には、個々の扁平多孔管を小型化しても、熱交換媒体の流量を十分に確保することができる。そして、各扁平多孔管同士の間に加圧空気路を設けることにより、ケースの内部において、各扁平多孔管を流通する熱交換媒体と加圧空気路を流通する加圧空気とを十分に熱交換させることが可能となる。これらのため、この車両用加圧空気熱交換器では、より優れた加圧空気の冷却能力を発揮することが可能となる。
【００２１】
本発明の車両用加圧空気熱交換器において、扁平多孔管の一端側と他端側とは、それぞれケースの外部に突出していることが好ましい。この場合、熱交換媒体は、ケースの外部、つまり、ケースとは異なる位置において、扁平多孔管に流入するとともに、ケースの外部で扁平多孔管から流出する。このため、ケースに形成された加圧空気流入口から流入して加圧空気路を流通する加圧空気について、圧損が生じ難くなる。また、この場合には、ケースの内部、すなわち、加圧空気路へ熱交換媒体が漏れ難い。これにより、この車両用加圧空気熱交換器では、加圧空気路において、熱交換媒体と加圧空気とが混合することを防止でき、加圧空気路を通じて熱交換媒体が内燃機関に流入することを防止することができる。
【００２２】
また、この場合、本発明の車両用加圧空気熱交換器は、熱交換媒体を扁平多孔管の内部に流入させる熱交換媒体流入口が形成された第１ヘッドと、扁平多孔管の内部から熱交換媒体を流出させる熱交換媒体流出口が形成された第２ヘッドとを備え得る。そして、扁平多孔管の他端側は第１ヘッドに固定され、扁平多孔管の一端側は第２ヘッドに固定されていることが好ましい。
【００２３】
これにより、第１、２ヘッドを通じて、扁平多孔管の内部に熱交換媒体を流入させ易くなるとともに、扁平多孔管の内部から熱交換媒体を流出させ易くなる。ここで、扁平多孔管と第１、２ヘッドとの固定は、ロウ付けや溶接等によって行われ得る。しかし、ロウ付けや溶接等を行った箇所は劣化が生じ易く、当該箇所から熱交換媒体が漏れ出すことにより、熱交換媒体と加圧空気とが混合することが懸念される。
【００２４】
この点、上記のように、扁平多孔管の一端側と他端側とは、それぞれケースの外部に突出している。これにより、例え第１、２ヘッドと扁平多孔管との固定箇所から熱交換媒体の漏れが生じても、この熱交換媒体はケースの外部に流出するため、加圧空気路を流通する加圧空気と混合することはない。
【００２５】
扁平多孔管とケースとの固定も同様であり、扁平多孔管がケースの外部に突出している箇所において、扁平多孔管とケースとのロウ付け等を行うことにより、例え当該箇所から熱交換媒体の漏れが生じても、加圧空気路を流通する加圧空気と混合することはない。これらのため、この加圧空気熱交換器では、加圧空気路を通じて熱交換媒体が内燃機関に流入することを防止することができる。
【００２６】
熱交換媒体は、ランキンサイクルを循環する作動流体であり得る。そして、ランキンサイクルは、過給器と内燃機関とを有する駆動系と共に廃熱利用装置を構成していることが好ましい。
【００２７】
上記のように、この車両用加圧空気熱交換器では、加圧空気路を流通する加圧空気から扁平多孔管を流通する熱交換媒体へ熱が伝わり易いことから、熱交換によって、熱交換媒体を好適に加熱することも可能である。このため、熱交換媒体を作動流体とすることにより、この作動流体は加圧空気との熱交換の結果、高温高圧の状態となる。このように、この車両用加圧空気熱交換器を作動流体の加熱を行うボイラとして使用することにより、ランキンサイクルにおいて回収可能なエネルギーを大きくすることが可能となる。
【００２８】
また、この車両用加圧空気熱交換器では加圧空気の冷却不足も生じ難く、駆動系においても、加圧空気を更に冷却するための冷却手段を別途設ける必要もない。このため、駆動系が複雑化することを抑制できる。これらのように、この車両用加圧空気熱交換器であれば、廃熱利用装置を小型化しつつ高性能化することが可能となる。
【発明の効果】
【００２９】
本発明の車両用加圧空気熱交換器は、優れた加圧空気の冷却能力を発揮する。
【図面の簡単な説明】
【００３０】
【図１】加圧空気と熱交換媒体とが並行流と、直交流と、対向流とで熱交換を行う場合における加圧空気の移動単位数と温度効率との関係を示すグラフである。
【図２】実施例１の廃熱利用装置を示す模式構造図である。
【図３】実施例１の廃熱利用装置に係り、ボイラを示す側面図及び上面図である。図（Ａ）はボイラの側面図を示している。図（Ｂ）はボイラの上面図を示している。
【図４】ボイラの図３におけるＩＶ−ＩＶ方向からの拡大矢視断面図である。
【図５】ボイラの図３におけるＶ−Ｖ方向からの拡大矢視断面図である。
【図６】第１〜３コルゲートフィンを示す左後方からの部分斜視図である。
【図７】実施例１の廃熱利用装置に係り、ボイラでの熱交換による加圧空気の温度変化と作動流体の温度変化とを示すグラフである。
【図８】実施例２の廃熱利用装置に係り、ボイラを示す図４と同方向の拡大断面図である。
【図９】第１〜３オフセットフィンを示す左後方からの部分斜視図である。
【発明を実施するための形態】
【００３１】
以下、本発明を具体化した実施例１、２を図面を参照しつつ説明する。実施例１、２の廃熱熱利用装置は、いずれも車両に搭載されている。
【００３２】
（実施例１）
図２に示すように、実施例１の廃熱利用装置は、駆動系１とランキンサイクル３とコントローラ２５とを備えている。この廃熱利用装置は、本発明の車両用加圧空気熱交換器であるボイラ１５を採用している。
【００３３】
駆動系１は、内燃機関としてのエンジン５と、過給器としてのターボチャージャ７とを有している。エンジン５は、公知の水冷式ガソリンエンジンである。エンジン５には、排気を排出する排気口５ａと、後述する加圧空気を吸入する吸気口５ｂとが形成されている。また、エンジン５の内部には冷却水が流通可能なウォータジャケット（図示略）が形成されている。エンジン５には、このウォータジャケットとそれぞれ連通する冷却水流出口と冷却水流入口と、これらの冷却水流出口及び冷却水流入口と接続するラジエータ（いずれも図示を省略する。）が形成されている。なお、エンジン５として、ディーゼルエンジンを採用しても良い。
【００３４】
ターボチャージャ７は、エンジン５から生じた排気によって作動され、エンジン５に対し、車外の空気を加圧した加圧空気を供給する。このターボチャージャ７には、その内部に排気を吸入する排気吸入口７ａと、吸入された排気を排出する排出口７ｂとが形成されている。また、ターボチャージャ７には、その内部に外気を吸入する外気吸入口７ｃと、加圧空気を吐出する加圧空気吐出口７ｄとが形成されている。なお、ターボチャージャ７に換えてスーパーチャージャを過給器として採用しても良い。
【００３５】
エンジン５とターボチャージャ７とは配管９〜１１によって接続されている。また、配管１０と配管１１とはボイラ１５に接続されている。配管９は内部を排気が流通可能となっており、エンジン５の排気口５ａとターボチャージャ７の排気吸入口７ａとに接続されている。一方、配管１０及び配管１１は内部を加圧空気が流通可能となっている。配管１０はターボチャージャ７の加圧空気吐出口７ｄと、後述するボイラ１５の加圧空気流入口１５ａとに接続されている。配管１１はボイラ１５の加圧空気流出口１５ｂと、エンジン５の吸気口５ｂとに接続されている。
【００３６】
さらに、ターボチャージャ７の排出口７ｂには、配管１２の一端側が接続されている。この配管１２の他端側は、図示しないマフラと接続されている。また、ターボチャージャ７の外気吸入口７ｃには、配管１３の一端側が接続されている。この配管１３の他端側は図示しない車両のエアインテークと連通している。配管１２は、ターボチャージャ７を介して配管９と連通している。同様に、配管１３は、ターボチャージャ７を介して配管１０と連通している。
【００３７】
ランキンサイクル３は、電動ポンプＰ１と、ボイラ１５と、膨張機１７と、凝縮器１９と、配管２１〜２４とを有している。また、配管２１〜２４には、作動流体としてのＨＦＣ１３４ａが流通可能となっている。
【００３８】
電動ポンプＰ１には、吐出口１０１と吸入口１０２とが形成されている。この電動ポンプＰ１はコントローラ２５に電気的に接続されている。
【００３９】
図３の（Ａ）、（Ｂ）に示すように、ボイラ１５は、第１ヘッド１５１と、第２ヘッド１５２と、ケース１５３と、図４に示す第１〜４扁平多孔管１５４ａ〜１５４ｄと、第１〜３コルゲートフィン１５５ａ〜１５５ｃとを備えている。なお、扁平多孔管及びコルゲートフィンの個数は適宜設計することが可能である。
【００４０】
図３の（Ａ）に示すように、第１ヘッド１５１には、第１〜４扁平多孔管１５４ａ〜１５４ｄ内にそれぞれ作動流体を流入させる熱交換媒体流入口１５ｃが凸設されている。また、第２ヘッド１５２には、第１〜４扁平多孔管１５４ａ〜１５４ｄ内をそれぞれ流通した作動流体を流出させる熱交換媒体流出口１５ｄが凸設されている。なお、熱交換媒体流入口１５ｃ及び熱交換媒体流出口１５ｄは、第１、２ヘッド１５１、１５２に対してそれぞれ凹設されていても良い。
【００４１】
ケース１５３は矩形状に形成されており、第１、２ヘッド１５１、１５２とは別体となっている。同図の（Ｂ）に示すように、このケース１５３の後面には上記の加圧空気流入口１５ａと加圧空気流出口１５ｂとがそれぞれ凸設されている。具体的には、加圧空気流入口１５ａはケース１５３の後面右側に凸設されており、加圧空気流出口１５ｂはケース１５３の後面左側に凸設されている。つまり、ケース１５３を含むボイラ１５の右側が本発明における一端側に相当し、ボイラ１５の左側が本発明における他端側に相当する。そして、これらの加圧空気流入口１５ａと加圧空気流出口１５ｂとは、ケース１５３の内部と連通している。なお、ケース１５３の右側面に加圧空気流入口１５ａを形成するとともに、ケース１５３の左側面に加圧空気流出口１５ｂを形成しても良い。
【００４２】
また、図５に示すように、ケース１５３の左側面には、第１〜４扁平多孔管１５４ａ〜１５４ｄがそれぞれ挿通される挿通孔１５６ａ〜１５６ｄが形成されている。同様に、ケース１５３の右側面には、第１〜４扁平多孔管１５４ａ〜１５４ｄがそれぞれ挿通される挿通孔１５６ｅ〜１５６ｈが形成されている。
【００４３】
図４に示すように、第１〜４扁平多孔管１５４ａ〜１５４ｄは、左端側から右端まで水平に延びる扁平の管状に形成されている。また、第１〜４扁平多孔管１５４ａ〜１５４ｄは、それぞれ内部が複数の隔壁によって区画されており、流路２７〜３８が形成されている。
【００４４】
図５に示すように、第１扁平多孔管１５４ａは、ケース１５３の挿通孔１５６ａ及び挿通孔１５６ｅに挿通されている。第２〜４扁平多孔管１５４ｂ〜１５４ｄも同様に、それぞれ挿通孔１５６ｂ〜１５６ｈに挿通されている。
【００４５】
ここで、各挿通孔１５６ａ〜１５６ｈにそれぞれ挿通された状態で、第１〜４扁平多孔管１５４ａ〜１５４ｄは、各固定箇所Ｂ１〜Ｂ８においてロウ付けが施されることにより、ケース１５３と固定されている。
【００４６】
これらにより、図３の（Ａ）に示すように、第１〜４扁平多孔管１５４ａ〜１５４ｄは、それぞれ左端側と右端側とをケース１５３の外部に突出させつつ、左端側及び右端側を除いた中央部分がケース１３５に収納されている。また、第１〜４扁平多孔管１５４ａ〜１５４ｄ同士は、後述する作動流体の流通方向に沿って、平行かつ等間隔の層状で整列している。
【００４７】
また、このように第１〜４扁平多孔管１５４ａ〜１５４ｄがケース１５３に収納されることにより、図４に示すように、ケース１５３の内部において、第１〜４扁平多孔管１５４ａ〜１５４ｄ同士の間と、第１〜４扁平多孔管１５４ａ〜１５４ｄの周囲とが加圧空気路１５３ａとなっている。加圧空気路１５３ａは加圧空気流入口１５ａから流入した加圧空気が流通可能となっている。
【００４８】
図３の（Ａ）に示すように、第１〜４扁平多孔管１５４ａ〜１５４ｄの左端側は、各固定箇所Ｂ９〜Ｂ１２においてロウ付けが施されることにより、第１ヘッド１５１と固定されている。また、第１〜４扁平多孔管１５４ａ〜１５４ｄの右端側は、各固定箇所Ｂ１３〜Ｂ１６においてロウ付けが施されることにより、第２ヘッド１５２と固定されている。これにより、第１〜４扁平多孔管１５４ａ〜１５４ｄは、第１、２ヘッド１５１、１５２を通じて熱交換媒体流入口１５ｃ及び熱交換媒体流出口１５ｄとそれぞれ連通している。
【００４９】
上記のように、ボイラ１５において、第１、２ヘッド１５１、１５２とケース１５３とは別体であり、また、第１〜４扁平多孔管１５４ａ〜１５４ｄは、それぞれ左端側と右端側とをケース１５３の外部に露出させた状態でケース１３５に収納されている。このため、ボイラ１５では、第１〜４扁平多孔管１５４ａ〜１５４ｄの左端側と第１ヘッド１５１との固定はケース１５３の外部で行われており、第１〜４扁平多孔管１５４ａ〜１５４ｄの右端側と第２ヘッド１５２との固定もケース１５３の外部で行われている。
【００５０】
図６に示すように、第１〜３コルゲートフィン１５５ａ〜１５５ｃは、それぞれアルミニウム合金製であり、後述する加圧空気の流通方向と直交する方向の断面が波型に形成された複数のフィン部１５６を有している。これらのフィン部１５６は、表面が平坦に形成されている。なお、各フィン部１５６の表面にルーバを形成しても良い。
【００５１】
図４に示すように、第１〜３コルゲートフィン１５５ａ〜１５５ｃは、加圧空気路１５３ａ内に設けられている。具体的には、第１コルゲートフィン１５５ａは、第１扁平多孔管１５４ａの下面と第２扁平多孔管１５４ｂの上面とに接合されており、第１扁平多孔管１５４ａと第２扁平多孔管１５４ｂとの間に配置されている。また、第２コルゲートフィン１５５ｂは、第２扁平多孔管１５４ｂの下面と第３扁平多孔管１５４ｃの上面とに接合されており、第２扁平多孔管１５４ｂと第３扁平多孔管１５４ｃとの間に配置されている。そして、第３コルゲートフィン１５５ｃは、第３扁平多孔管１５４ｃの下面と第４扁平多孔管１５４ｄの上面とに接合されており、第３扁平多孔管１５４ｃと第４扁平多孔管１５４ｄとの間に配置されている。
【００５２】
ここで、上記のように、ケース１５３が矩形状に形成されている。これにより、このボイラ１５では、ケース１５３内に収容されている第１〜４扁平多孔管１５４ａ〜１５４ｄの各中央部分と、第１〜３コルゲートフィン１５５ａ〜１５５ｃとは、四方、すなわち、上端、下端、左端及び右端がケース１５３によって覆われた状態となっている。
【００５３】
図２に示すように、膨張機１７には、その内部に作動流体を流入させる膨張機流入口１７ａと、作動流体を流出させる膨張機流出口１７ｂとが形成されている。膨張機１７では、ボイラ１５を経た作動流体を膨張させることにより回転駆動力を発生させる。この膨張機１７には図示しない公知の発電機が接続されている。発電機は膨張機１７の回転駆動力によって発電を行い、図示しないバッテリに電力を充電する。
【００５４】
凝縮器１９には、その内部に作動流体を流入させる凝縮器流入口１９ａと、作動流体を流出させる凝縮器流出口１９ｂとが形成されている。凝縮器１９は、その内部を流通する作動流体と車外の空気との間で熱交換を行い、膨張機１７での膨張によって減圧された作動流体を冷却して液化させる。凝縮器１９の近傍には電動ファン１９ｃが設けられている。この電動ファン１９ｃはコントローラ２５に電気的に接続されている。
【００５５】
これらの電動ポンプＰ１、ボイラ１５、膨張機１７及び凝縮器１９は、配管２１〜２４によって接続されている。具体的には、電動ポンプＰ１の吐出口１０１と、ボイラ１５の熱交換媒体流入口１５ｃとが配管２１によって接続されている。ボイラ１５の熱交換媒体流出口１５ｄと、膨張機１７の膨張機流入口１７ａとが配管２２によって接続されている。また、膨張機１７の膨張機流出口１７ｂと凝縮器１９の凝縮器流入口１９ａとが配管２３によって接続されている。そして、凝縮器１９の凝縮器流出口１９ｂと電動ポンプＰ１の吸入口１０２とが配管２４によって接続されている。
【００５６】
このランキンサイクル３では、電動ポンプＰ１を作動させることにより、作動流体が配管２１〜２４内を循環する。つまり、作動流体は、電動ポンプＰ１の吐出口１０１からボイラ１５及び膨張機１７を経て、凝縮器１９から電動ポンプＰ１の吸入口１０２に至ることとなる。
【００５７】
コントローラ２５は電動ポンプＰ１の作動制御を行う。また、このコントローラ２５は電動ファン１９ｃの作動制御を行う。これにより、コントローラ２５は、凝縮器１９において作動流体が外気に放熱する熱量の調整を行う。
【００５８】
このように構成された廃熱利用装置では、車両の駆動時に以下のように作動する。
【００５９】
駆動系１でエンジン５が作動することにより、排気口５ａから排出された排気が配管９、ターボチャージャ７及び配管１２を経てマフラから車外に排出される。この際、排気吸入口７ａから流入した排気によってターボチャージャ７が作動する。また、車外の空気が配管１３及び外気吸入口７ｄを経て、ターボチャージャ７に吸入される。こうして、この空気がターボチャージャ７によって圧縮され、加圧空気とされる。この加圧空気は、加圧空気吐出口７ｄから吐出されて配管１０を流通する。
【００６０】
ここで、図示を省略しているものの、車両の駆動時には、エンジン５とラジエータとの間で冷却水が循環し、冷却水によるエンジン５の冷却も行われる。
【００６１】
また、コントローラ２５は、電動ポンプＰ１及び電動ファン１９ｃをそれぞれ作動させる。これにより、ランキンサイクル３では、図３の（Ｂ）に示すように、電動ポンプＰ１の吐出口１０１から吐出された作動流体が配管２１を経て熱交換媒体流入口１５ｃから第１ヘッド１５１へ流入する。そして、この作動流体は、それぞれ同図に示す黒色破線矢印（図２及び図５では黒色実線矢印で示す）の方向で第１〜４扁平多孔管１５４ａ〜１５４ｄの各流路２７〜３８を流通する。第１〜４扁平多孔管１５４ａ〜１５４ｄの各流路２７〜３８を流通する作動流体は、各流路２７〜３８を介してケース１５３の内部を流通して第２ヘッド１５２に至り、熱交換媒体流出口１５ｄから流出して配管２２を流通する（図５参照）。
【００６２】
また、図３の（Ｂ）に示すように、このボイラ１５では、ケース１５３に形成された加圧空気流入口１５ａと、配管１０とが接続することにより、配管１０内を流通する加圧空気がケース１５３内、すなわち、加圧空気路１５３ａ内に流入する。そして、この加圧空気は、同図に示す白色破線矢印（図２及び図５では白色実線矢印で示す）方向で加圧空気路１５３ａ内を流通し、加圧空気流出口１５ｂから流出して配管１１を流通する（図５参照）。この際、加圧空気路１５３ａ内の加圧空気は、第１〜３コルゲートフィン１５５ａ〜１５５ｃの各フィン部１５６の間を流通する。
【００６３】
ここで、このボイラ１５において、第１〜４扁平多孔管１５４ａ〜１５４ｄを流通する作動流体の流通方向は、加圧空気路１５３ａを流通する加圧空気の流通方向と対向する方向となっている。これにより、ボイラ１５では、ケース１５３内において、第１〜４扁平多孔管１５４ａ〜１５４ｄを流通する作動流体と、加圧空気路１５３ａを流通する加圧空気とが対向流で熱交換を行う。これにより、加圧空気の冷却と作動流体の加熱とが行われる。この熱交換によって冷却された加圧空気は、図２に示すように、加圧空気流出口１５ｂから流出して配管１１を流通し、吸気口５ｂからエンジン５に吸入される。
【００６４】
一方、熱交換によって加熱された作動流体は、高温高圧の状態で熱交換媒体流出口１５ｄから流出する。そして、高温高圧の作動流体は配管２２を流通して膨張機１７の膨張機流入口１７ａから膨張機１７内へ至る。ここで、作動流体は膨張機１７内で膨張し、減圧される。この際の圧力エネルギーによって膨張機１７に接続された発電機は発電を行う。これにより、この廃熱利用装置におけるランキンサイクル３では、上記の圧力エネルギーを電力として回収する。
【００６５】
膨張機１７内で減圧された作動流体は膨張機流出口１７ｂから流出し、配管２３を経て凝縮器１９の凝縮器流入口１９ａから凝縮器１９内へ至る。凝縮器１９内の作動流体は、凝縮器１９の周りの空気に放熱を行い、冷却される。この際、コントローラ２５は電動ファン１９ｃの作動量を適宜変更して、作動流体を好適に放熱させて液化させる。冷却された作動流体は凝縮器流出口１９ｂから流出し、配管２４を経て電動ポンプＰ１の吸入口１０２に吸入される。そして、作動流体は、再び電動ポンプＰ１の吐出口１０１から吐出される。
【００６６】
このように、このボイラ１５では、第１〜４扁平多孔管１５４ａ〜１５４ｄを流通する作動流体と、加圧空気路１５３ａを流通する加圧空気とが対向流で熱交換を行う。これにより、このボイラ１５では、作動流体と加圧空気との間で熱が伝わり易くなっている。また、このボイラ１５では、第１〜３コルゲートフィン１５５ａ〜１５５ｃが加圧空気路１５３ａに位置して加圧空気路１５３ａの表面積を拡大させるため、効果的に熱交換が行われる。これらより、このボイラ１５では、熱交換によって加圧空気を十分に冷却することができるとともに、作動流体を十分に加熱することができる。
【００６７】
具体的には、図７に示すように、この廃熱利用装置では、加圧空気は圧縮されることにより高温となっており、加圧空気流入口１５ａから加圧空気路１５３ａに流入した際の温度は、約１２０°Ｃとなっている。一方、熱交換媒体流入口１５ｃから流入した際の作動流体の温度は約３５°Ｃとなっている。そして、ボイラ１５における熱交換により、加圧空気の温度を約１２０°Ｃから約４０°Ｃまで低下させることが可能となる。このように、このボイラ１５では、加圧空気流出口１５ｂから流出する際の加圧空気の温度について、熱交換媒体流入口１５ｃから流入した際の作動流体の温度に近づけることが可能となっている。また、このボイラ１５では、熱交換によって作動流体の温度を約３５°Ｃから約７０°Ｃまで上昇させることが可能となる。
【００６８】
ここで、発明者らの研究によれば、ボイラ１５と同じ体格の熱交換器において第１〜４扁平多孔管１５４ａ〜１５４ｄを流通する作動流体と、加圧空気路１５３ａを流通する加圧空気とが直交流で熱交換を行う場合には、加圧空気の温度を約１２０°Ｃから約５０°Ｃ程度までしか低下させることができない。また、作動流体については、約３５°Ｃから約６５°Ｃ程度までしか温度を上昇させることができない。
【００６９】
このように、このボイラ１５によれば、加圧空気の目標冷却温度をより低く設定することが可能である。このため、この廃熱利用装置では、加圧空気の密度を大きくした状態でエンジン５に吸入させることができ、エンジン５の出力を向上させることができる。
【００７０】
また、上記のように、このボイラ１５では、熱交換により第１〜４扁平多孔管１５４ａ〜１５４ｄを流通する作動流体を好適に加熱することも可能である。このため、この廃熱利用装置におけるランキンサイクル３では、作動流体の加熱不足を補うための加熱手段を別途に設ける必要がない。このため、この廃熱利用装置では、ランキンサイクル３の複雑化を抑制できるとともに、ランキンサイクル３において回収可能なエネルギーを大きくすることが可能となっている。さらに、このボイラ１５によれば、駆動系においても、加圧空気の冷却不足を補うための冷却手段を別途設ける必要がない。このため、この廃熱利用装置では、駆動系１の複雑化も抑制できる。
【００７１】
これらのように、ボイラ１５は、優れた加圧空気の冷却能力を発揮するとともに作動流体を好適に加熱することができる。このため、実施例１の廃熱利用装置は、小型化しつつ、高い性能を発揮できる。
【００７２】
特に、このボイラ１５は、第１〜４扁平多孔管１５４ａ〜１５４ｄの各中央部分や第１〜３コルゲートフィン１５５ａ〜１５５ｃがケース１５３に収容されているとともに、ケース１５３の内部が加圧空気路１５３ａとされている。このため、このボイラ１５では、第１〜４扁平多孔管１５４ａ〜１５４ｄや第１〜３コルゲートフィン１５５ａ〜１５５ｃが走行時における車両の振動の影響を受け難くなっている。また、このボイラ１５では、熱交換を行う加圧空気や作動流体がボイラ１５の外部、ひいては、廃熱利用装置の外部に漏出し難くなっている。
【００７３】
ここで、このボイラ１５では、ケース１５３内を加圧空気路１５３ａとするとともに、第１〜４扁平多孔管１５４ａ〜１５４ｄは、左端側と右端側とをそれぞれ外部に突出させた状態でケース１５３に収納されている。そして、第１〜４扁平多孔管１５４ａ〜１５４ｄの各左端側と各右端側とがいずれもケース１５３の外部で第１、２ヘッド１５１、１５２と固定されている。
【００７４】
これにより、このボイラ１５では、作動流体は、ケース１５３の外部で第１ヘッド１５１の熱交換媒体流入口１５ｃから第１〜４扁平多孔管１５４ａ〜１５４ｄに流入するとともに、ケース１５３の外部で第２ヘッド１５２の熱交換媒体流出口１５ｄから流出する。このため、このボイラ１５では、ケース１５３に形成された加圧空気流入口１５ａから流入して加圧空気路１５３ａを流通する加圧空気について、圧損が生じ難くなっている。
【００７５】
また、第１〜４扁平多孔管１５４ａ〜１５４ｄの各左端側と各右端側と第１、２ヘッド１５１、１５２との固定がケース１５３の外部で行われるため、このボイラ１５では、例え固定箇所Ｂ９〜Ｂ１６から作動流体の漏れが生じても、この作動流体はケース１５３の外部に流出する。このため、作動流体が加圧空気路１５３ａを流通する加圧空気と混合することがない。
【００７６】
また、このボイラ１５では、第１〜４扁平多孔管１５４ａ〜１５４ｄとケース１５３との固定箇所Ｂ１〜Ｂ８についてもケース１５３の外周に位置している。このため、このボイラ１５では、例え固定箇所Ｂ１〜Ｂ８から作動流体の漏れが生じても、この作動流体は、加圧空気路１５３ａを流通する加圧空気と混合することはない。これらのため、このボイラ１５では、加圧空気路１５３ａを通じて作動流体がエンジン５に流入することを防止することができる。
【００７７】
さらに、ボイラ１５は第１〜４扁平多孔管１５４ａ〜１５４ｄを備えていることから、加圧空気との熱交換を行う際の作動流体の流量が多くなっている。このため、このボイラ１５では、作動流体との熱交換によって加圧空気を十分に冷却することができる。そして、これらの第１〜４扁平多孔管１５４ａ〜１５４ｄは耐圧性に優れていることから、熱交換による加熱で高圧となった作動流体が流通しても変形や損傷等が生じ難くなっている。
【００７８】
また、このボイラ１５では、第１〜３コルゲートフィン１５５ａ〜１５５ｃを採用していることから、加圧空気路１５３ａの表面積を好適に拡大できるとともに、第１〜４扁平多孔管１５４ａ〜１５４ｄとの取り付けが容易となっている。このため、ボイラ１５では、製造が容易となっている。
【００７９】
（実施例２）
実施例２の廃熱利用装置は、実施例１におけるボイラ１５に換えて、図８に示すボイラ１６を採用している。このボイラ１６も本発明における加圧空気用熱交換に相当する。
【００８０】
ボイラ１６は、ボイラ１５における第１〜３コルゲートフィン１５５ａ〜１５５ｃに換えて、図９に示す第１〜３オフセットフィン１５７ａ〜１５７ｃを備えている。第１〜３オフセットフィン１５７ａ〜１５７ｃも、それぞれアルミニウム合金製である。第１〜３オフセットフィン１５７ａ〜１５７ｃは、加圧空気の流通方向と直交する方向の断面が略コ字形状に形成された複数のフィン部１５８を有している。これらの各フィン部１５８同士は、加圧空気の流通方向と直交する方向で一定程度ずれた状態で配置されている。
【００８１】
図８に示すように、第１〜３オフセットフィン１５７ａ〜１５７ｃは、加圧空気路１５３ａ内に設けられている。具体的には、第１オフセットフィン１５７ａは、第１扁平多孔管１５４ａの下面と第２扁平多孔管１５４ｂの上面とに接合されており、第１扁平多孔管１５４ａと第２扁平多孔管１５４ｂとの間に配置されている。また、第２オフセットフィン１５７ｂは、第２扁平多孔管１５４ｂの下面と第３扁平多孔管１５４ｃの上面とに接合されており、第２扁平多孔管１５４ｂと第３扁平多孔管１５４ｃとの間に配置されている。そして、第３オフセットフィン１５７ｃは、第３扁平多孔管１５４ｃの下面と第４扁平多孔管１５４ｄの上面とに接合されており、第３扁平多孔管１５４ｃと第４扁平多孔管１５４ｄとの間に配置されている。これにより、このボイラ１６においても、ケース１５３内に収容されている第１〜４扁平多孔管１５４ａ〜１５４ｄの各中央部分と、第１〜３オフセットフィン１５７ａ〜１５７ｃとは、上端、下端、左端及び右端がケース１５３によって覆われた状態となっている。このボイラ１６の他の構成を含む実施例２の廃熱利用装置の他の構成は、実施例１の廃熱利用装置と同様であり、同一の構成については同一の符号を付して構成に関する詳細な説明を省略する。
【００８２】
このボイラ１６においても、第１〜３オフセットフィン１５７ａ〜１５７によって加圧空気路１５３ａの表面積が拡大されている。また、各フィン部１５８同士の間を加圧空気が流通することにより、加圧空気が加圧空気路１３ａを好適に流通する。これらのため、ボイラ１６においても、第１〜４扁平多孔管１５４ａ〜１５４ｄを流通する作動流体と加圧空気路１５３ａを流通する加圧空気とが好適に熱交換を行うことが可能となっている。これにより、このボイラ１６でも、熱交換によって加圧空気を十分に冷却することができるとともに、作動流体を十分に加熱することができる。このボイラ１６における他の作用及び実施例２の廃熱利用装置の作用は、実施例１の廃熱利用装置と同様である。
【００８３】
以上において、本発明を実施例１、２に即して説明したが、本発明は上記実施例１、２に制限されるものではなく、その趣旨を逸脱しない範囲で適宜変更して適用できることはいうまでもない。
【００８４】
例えば、本発明の車両用加圧空気熱交換器は、廃熱利用装置におけるボイラ１５、１６としてだけではなく、加圧空気を冷却するためのインタークーラとして用いても良い。この場合には、熱交換媒体として冷却水等を採用することもできる。
【００８５】
また、加圧空気路１５３ａとして、第１〜４扁平多孔管１５４ａ〜１５４ｄと同様の扁平多孔管の他、他の形状の多孔管やチューブをケース１５３の内部に設けることにより、ボイラ１５、１６を構成することもできる。
【産業上の利用可能性】
【００８６】
本発明は加圧空気の冷却手段として利用可能である。
【符号の説明】
【００８７】
１…駆動系
３…ランキンサイクル
５…エンジン（内燃機関）
７…ターボチャージャ（過給器）
１５…ボイラ（車両用加圧空気熱交換器）
１５ａ…加圧空気流入口
１５ｂ…加圧空気流出口
１５ｃ…熱交換媒体流入口
１５ｄ…熱交換媒体流出口
１６…ボイラ（車両用加圧空気熱交換器）
１５１…第１ヘッド
１５２…第２ヘッド
１５３…ケース
１５３ａ…加圧空気路
１５４ａ〜１５４ｄ…第１〜４扁平多孔管（扁平多孔管）
１５５ａ〜１５５ｃ…第１〜３コルゲートフィン
１５７ａ〜１５７ｃ…第１〜３オフセットフィン
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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