(57)【要約】【課題】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器を提供する。【解決手段】内燃機関の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、作動流体を蒸発させる蒸発部１と、蒸発部１で蒸発した作動流体と内燃機関の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２とを備え、蒸発部１および凝縮部２を、作動流体が循環する閉ループ状流路内に配置し、蒸発部１および凝縮部２を、略水平方向に隣接するように配置し、凝縮部２に、並列に配置された複数の凝縮側ヒートパイプ３ｂを設け、凝縮側ヒートパイプ３ｂに、その上端部より断面積が小さい小断面積部３００を設け、小断面積部３００を、凝縮側ヒートパイプ３ｂにおける、蒸発部１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する。【選択図】図２
2008101512.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
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器であって、
前記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、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（１）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（１）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（２）とを備え、
前記蒸発部（１）および前記凝縮部（２）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（１）および前記凝縮部（２）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（２）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）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器。
【請求項２】
前記凝縮部（２）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（１）に流入する流路を開閉する弁機構（６）を備えることを特徴とする請求項１に記載の排気熱回収器。
【請求項３】
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）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１または２に記載の排気熱回収器。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、自動車等の車両に用いられる排気熱回収器に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、ヒートパイプの原理を利用して車両のエンジン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する技術が知られている。
【０００３】
このような排気熱回収器は、エンジンの排気管内にヒートパイプの蒸発部を配設するとともに、エンジンの冷却水経路内にヒートパイプの凝縮部を配設し、排気ガスの排気熱によって冷却水を加熱している（例えば、特許文献１参照）。
【０００４】
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、特許文献２参照）。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。
【特許文献１】特開昭６２−２６８７２２号公報
【特許文献２】特開平４−４５３９３号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
車両への搭載性に有利な、簡素でコンパクトな構造の排気熱回収器を提供しようとする場合、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５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を持つような構成が考えられる。
【０００６】
上記排気熱回収器において、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、下側のヘッダ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Ｊ２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いる。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。
【０００７】
ところで、上記排気熱回収器では、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。
【０００８】
本発明は、上記点に鑑み、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器を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
上記目的を達成するため、本発明では、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器であって、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い、作動流体を蒸発させる蒸発部（１）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（１）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（２）とを備え、蒸発部（１）および凝縮部（２）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（１）および凝縮部（２）は、略水平方向に隣接するように配置されており、凝縮部（２）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、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、小断面積部（３００）は、凝縮側ヒートパイプ（３ｂ）における、蒸発部（１）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ことを特徴としている。
【００１０】
作動流体の循環が停止している（蒸発部（１）が加熱されていない）状態から、蒸発部（１）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、凝縮側ヒートパイプ（３ｂ）において、その上端部より断面積（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）が小さい小断面積部（３００）を、蒸発部（１）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（１）および凝縮部（２）間の水頭差を大きくすることができる。
【００１１】
また、凝縮側ヒートパイプ（３ｂ）において、小断面積部（３００）は蒸発部（１）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（３ｂ）における、蒸発部（１）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（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。
【００１２】
したがって、作動流体循環時における蒸発部（１）および凝縮部（２）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。
【００１３】
また、凝縮部（２）における下流側に、凝縮した前記作動流体が前記蒸発部（１）に流入する流路を開閉する弁機構（６）を設けることができる。
【００１４】
この場合、弁機構（６）が閉じ、作動流体の還流が停止すると、作動流体が凝縮部（２）に貯留される。したがって、凝縮部（２）における弁機構（６）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。上記特徴のように、凝縮側ヒートパイプ（３ｂ）において、小断面積部（３００）を蒸発部（１）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、凝縮側ヒートパイプ（３ｂ）における、蒸発部（１）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ができる。このため、凝縮側ヒートパイプ（３ｂ）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。
【００１５】
また、小断面積部（３００）を、凝縮側ヒートパイプ（３ｂ）における、蒸発部（１）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。
【００１６】
なお、上記各手段の括弧内の符号は、後述する実施形態に記載の具体的手段との対応関係を示すものである。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１７】
（第１実施形態）
以下、本発明の第１実施形態について図１および図２に基づいて説明する。本実施形態の排気熱回収器は、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するものである。
【００１８】
図１は、本第１実施形態に係る排気熱回収器を示す断面図である。図１に示すように、本実施形態の排気熱回収器は、蒸発部１と凝縮部２とを備えている。蒸発部１および凝縮部２は、水平方向に隣接するように配置されている。
【００１９】
蒸発部１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１００内に設けられている。また、蒸発部１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っている。
【００２０】
凝縮部２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２００内に設けられている。また、凝縮部２は、蒸発部１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２００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。
【００２１】
次に、蒸発部１の構成について説明する。
【００２２】
蒸発部１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。
【００２３】
蒸発部１において、蒸発側ヒートパイプ３ａ長手方向両端部には、蒸発側ヒートパイプ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がそれぞれ設けられている。蒸発側ヘッダ５ａのうち、排気熱回収器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。
【００２４】
次に、凝縮部２の構成について説明する。
【００２５】
凝縮部２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。
【００２６】
凝縮部２において、凝縮側ヒートパイプ３ｂ長手方向両端部には、凝縮側ヒートパイプ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、排気熱回収器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。
【００２７】
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。
【００２８】
また、第２の凝縮側ヘッダ５２ｂ内には、弁機構６が配設されている。弁機構６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イアフラム式の開閉手段となっている。具体的には、弁機構６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、オーバー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。
【００２９】
次に、本第１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。
【００３０】
図２は、本第１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２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からなっている。
【００３１】
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っている。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っている。以下、下方部３２および中間部３３を、小断面積部３００ともいう。なお、本実施形態では、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ている。
【００３２】
また、小断面積部３００は、蒸発部１が加熱されている場合、すなわち作動流体が循環してい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２中破線Ａ参照）よりも下方側に配置されている。なお、循環時水面位置は、排気熱回収器の大きさや作動条件によって異なるが、例えば、蒸発部１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。
【００３３】
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１が加熱されていない場合、すなわち作動流体の循環が停止してい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２中破線Ｂ参照）より下方側に配置されている。なお、停止時水面位置は、排気熱回収器の製造時に封入した作動流体の量によって決まる。
【００３４】
作動流体の循環が停止している（蒸発部１が加熱されていない）状態から、蒸発部１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１および凝縮部２間の水頭差を大きくすることができる。
【００３５】
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。
【００３６】
したがって、作動流体循環時における蒸発部１および凝縮部２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。
【００３７】
また、本実施形態では、第２の凝縮側ヘッダ５２ｂ内に、凝縮部２から蒸発部１への作動流体の流れを制御する弁機構６が配設されている。この場合、弁機構６が閉じ、作動流体の還流が停止すると、作動流体が凝縮部２に貯留される。したがって、凝縮部２における弁機構６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が可能となる。
【００３８】
（第２実施形態）
次に、本発明の第２実施形態について図３に基づいて説明する。上記第１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。
【００３９】
図３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２実施形態の構成を、（ｂ）は従来の構成を示している。
【００４０】
図３（ａ）に示すように、本実施形態の凝縮部２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２から蒸発部１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６が配設されている。
【００４１】
従来、図３（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３（ｂ）中斜線部Ｘ参照）は、蒸発部１および凝縮部２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。
【００４２】
これに対し、本第２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３（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１および凝縮部２間の水頭差を大きくすることができ、凝縮部２から蒸発部１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。
【００４３】
（第３実施形態）
次に、本発明の第３実施形態について図４に基づいて説明する。上記第１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。
【００４４】
図４は、本第３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４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１実施形態と同様の効果を得ることができる。
【００４５】
（他の実施形態）
なお、上記各実施形態では、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。
【００４６】
また、上記各実施形態では、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。
【００４７】
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６を設けたが、設けなくてもよい。
【図面の簡単な説明】
【００４８】
【図１】第１実施形態に係る排気熱回収器を示す断面図である。
【図２】第１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３】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２実施形態の構成を、（ｂ）は従来の構成を示している。
【図４】第３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５】従来の排気熱回収器を示す断面図である。
【符号の説明】
【００４９】
１…蒸発部、２…凝縮部、３ｂ…凝縮側ヒートパイプ、６…弁機構、３００…小断面積部。
【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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