(57)【要約】【課題】簡易な構成で過剰な熱量の回収を抑制できる排気熱回収器を提供する。【解決手段】内燃機関から排出された排気ガスが流通する排気ガス経路内に配置され、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経路内に配置され、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、蒸発部１で蒸発した作動流体を凝縮部２に導く蒸発側連結部６１と、凝縮部２で凝縮した作動流体を蒸発部１に導く凝縮側連結部６２とを備え、蒸発側連結部６１に固定絞り７を設ける。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
内燃機関から排出された排気ガスが流通する排気ガス経路内に配置され、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経路内に配置され、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、
前記蒸発部（１）で蒸発した前記作動流体を前記凝縮部（２）に導く蒸発側連結部（６１）と、
前記凝縮部（２）で凝縮した前記作動流体を前記蒸発部（１）に導く凝縮側連結部（６２）とを備え、
前記蒸発側連結部（６１）には、絞り機構（７、７ａ〜７ｃ）が設けられていることを特徴とする排気熱回収器。
【請求項２】
前記絞り機構は、固定絞り（７）であ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】
前記絞り機構は、前記冷却水の温度もしくは前記作動流体の温度に応じて絞り開度を変化する可変絞り（７ａ〜７ｃ）であ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４】
前記可変絞り（７ａ〜７ｃ）は、前記冷却水の温度上昇もしくは前記作動流体の温度上昇に応じて前記絞り開度を小さくするように構成されていることを特徴とする請求項３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作動流体と、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、蒸発部で蒸発した作動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】
上記のような排気熱回収器の一例を図５に示す。図５は、排気熱回収器の断面図である。
【０００６】
図５に示す排気熱回収器では、熱交換部である蒸発部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を設けている。
【０００７】
ところで、排気熱回収器は、例えば冬季の始動時等には、排気熱を回収することで早期に冷却水温度を上昇させることができるため、燃費や暖房性能を向上させることができる。一方、夏季のエンジン高負荷時等には、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必要がある。
【０００８】
このため、排気熱回収器に、作動流体の循環を停止させる弁機構を設けることが望ましい。弁機構としては、例えば、作動流体の圧力に応じて変位するダイアフラムによって弁体を駆動するダイアフラム式の弁機構が考えられる。このように、排気熱回収器に弁機構を設けることにより、過剰な熱量を回収することを抑制できる。
【０００９】
しかしながら、排気熱回収器に上記のような弁機構を設けると、ダイアフラム、弁体等が必要となり構成が複雑になるため、製造コストが増加するという問題がある。
【００１０】
本発明は、上記点に鑑み、簡易な構成で過剰な熱量の回収を抑制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】
【００１１】
上記目的を達成するため、本発明では、内燃機関から排出された排気ガスが流通する排気ガス経路内に配置され、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経路内に配置され、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、蒸発部（１）で蒸発した作動流体を凝縮部（２）に導く蒸発側連結部（６１）と、凝縮部（２）で凝縮した作動流体を蒸発部（１）に導く凝縮側連結部（６２）とを備え、蒸発側連結部（６１）には、絞り機構（７、７ａ〜７ｃ）が設けられていることを特徴としている。
【００１２】
蒸発部（１）で蒸発した作動流体は、絞り機構（７、７ａ〜７ｃ）を通過する際に流速が最大となる。そして、絞り機構（７、７ａ〜７ｃ）通過時の作動流体の流速が音速に達すると、流れは閉塞し、絞り機構（７、７ａ〜７ｃ）を通過する作動流体の流量はそれ以上増加しない。すなわち、絞り機構（７、７ａ〜７ｃ）通過時の作動流体の流速が音速になったとき、絞り機構（７、７ａ〜７ｃ）を通過する作動流体の流量が最大となり、排気熱回収器の回収熱量が最大となる。
【００１３】
したがって、絞り機構（７、７ａ〜７ｃ）通過時の作動流体の流速が音速に達するときに所望の最大回収熱量が得られるように、予め絞り機構（７、７ａ〜７ｃ）の絞り開度を設定することで、回収熱量の上限を決定することができる。このとき、ダイアフラム等の弁機構を構成する部材を廃止することができるため、簡易な構成で過剰な熱量の回収を抑制することが可能となる。
【００１４】
また、上記特徴の排気熱回収器において、絞り機構は、固定絞り（７）であってもよい。これによれば、より簡易な構成で過剰な熱量の回収を抑制することができる。
【００１５】
また、上記特徴の排気熱回収器において、絞り機構は、冷却水の温度もしくは作動流体の温度に応じて絞り開度を変化する可変絞り（７ａ〜７ｃ）であってもよい。
【００１６】
これによれば、冷却水もしくは作動流体の温度が高温になったときに、絞り機構（７ａ〜７ｃ）の絞り開度を小さくして、回収熱量を制限するようにできる。このため、冷却水および作動流体の温度が高温になる夏季のエンジン高負荷時等には、回収熱量を制限することができるため、オーバーヒートを回避することができる。一方、冷却水および作動流体の温度が低温になる冬季の始動時等には、回収熱量が制限されることはないため、早期に冷却水温度を上昇させることができ、燃費や暖房性能を向上させることができる。
【００１７】
また、上記特徴の排気熱回収器において、可変絞り（７ａ〜７ｃ）は、冷却水の温度上昇もしくは作動流体の温度上昇に応じて絞り開度を小さくするように構成されていてもよい。
【００１８】
これによれば、冷却水および作動流体の温度が高温になる夏季のエンジン高負荷時等には、絞り機構（７ａ〜７ｃ）の絞り開度が小さくなるため、回収熱量を制限することができる。これにより、オーバーヒートを回避することができる。一方、冷却水および作動流体の温度が低温になる冬季の始動時等には、絞り機構（７ａ〜７ｃ）の絞り開度が大きくなるため、回収熱量が制限されることはない。これにより、早期に冷却水温度を上昇させることができるので、燃費や暖房性能を向上させることができる。
【００１９】
なお、この欄および特許請求の範囲で記載した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】
【００２０】
（第１実施形態）
以下、本発明の第１実施形態について図１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。
【００２１】
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。
【００２２】
蒸発部１は、図示しないエンジンの排気ガス経路（本実施形態では、排気筒）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。
【００２３】
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。
【００２４】
本実施形態では、第１の筐体１００と第２の筐体２００は、隣接するように配置されている。また、第１の筐体１００と第２の筐体２００の間には、クリアランスが設けられている。
【００２５】
次に、蒸発部１の構成について説明する。
【００２６】
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蒸発側コルゲートフィン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。
【００２７】
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。二つの蒸発側ヘッダ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。
【００２８】
次に、凝縮部２の構成について説明する。
【００２９】
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凝縮側コルゲートフィン４ｂとを有している。凝縮側ヒートパイプ３ｂは、蒸発部１における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。
【００３０】
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。二つの凝縮側ヘッダ５ｂのうち、排気熱回収器の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、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。
【００３１】
蒸発側ヘッダ５ａと凝縮側ヘッダ５ｂは、筒状の連結部６を介して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、蒸発側、凝縮側ヘッダ５ａ、５ｂおよび連結部６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。これにより、作動流体は蒸発部１および凝縮部２を循環するようになっている。
【００３２】
ここで、二つの連結部６のうち、上方側に配置され、第１の蒸発側ヘッダ５１ａと第１の凝縮側ヘッダ５１ｂとを接続し、蒸発部１で蒸発した作動流体を凝縮部２に導くものを蒸発側連結部６１という。また、二つの連結部６のうち、下方側に配置され、第２の蒸発側ヘッダ５２ａと第２の凝縮側ヘッダ５２ｂとを接続し、凝縮部２で凝縮された作動流体を蒸発部１に導くものを凝縮側連結部６２という。
【００３３】
また、蒸発側連結部６１内には固定絞り７が設けられている。本実施形態では、固定絞り７は絞り部材７０に形成されており、この絞り部材７０が蒸発側連結部６１に挿入されている。
【００３４】
絞り部材７０は、蒸発部１で蒸発した作動流体が通過する流路の断面積を徐々に縮小させた後、徐々に拡大させるような形状に形成されている。すなわち、絞り部材７０は、作動流体流れ上流側から下流側に向かって縮径した第１のテーパ面７０１と、第１のテーパ面７０１の作動流体流れ下流側に連続的に形成され、作動流体流れ上流側から下流側に向かって拡径した第２のテーパ面７０２とを有して構成されている。
【００３５】
本実施形態では、蒸発部１で蒸発した作動流体は、固定絞り７を通過する際に流速が最大となる。そして、固定絞り７通過時の作動流体の流速が音速に達すると、流れは閉塞し、固定絞り７を通過する作動流体の流量はそれ以上増加しない。すなわち、固定絞り７通過時の作動流体の流速が音速になったとき、固定絞り７を通過する作動流体の流量が最大となり、排気熱回収器の回収熱量が最大となる。
【００３６】
したがって、固定絞り７通過時の作動流体の流速が音速に達するときに所望の最大回収熱量が得られるように、予め固定絞り７の絞り開度を設定することで、回収熱量の上限を決定することができる。このとき、ダイアフラム、弁体等の弁機構を構成する部材を廃止することができるため、簡易な構成で過剰な熱量の回収を抑制することが可能となる。
【００３７】
（第２実施形態）
次に、本発明の第２実施形態について図２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。
【００３８】
図２は本第２実施形態に係る排気熱回収器の蒸気側連結部６１を示す拡大断面図で、（ａ）は作動流体高温時、（ｂ）は作動流体低温時を示している。
【００３９】
図２（ａ）、（ｂ）に示すように、蒸発側連結部６１内には、作動流体の温度に応じて絞り開度を変化する可変絞り７ａが配設されている。この可変絞り７ａは、作動流体の温度上昇に応じて絞り開度を小さくする、すなわち作動流体の流通する通路の通路断面積を減少させるように構成されている。
【００４０】
本実施形態では、可変絞り７ａは周囲温度によって変形可能な素材からなっている。可変絞り７ａの素材としては、例えばバイメタルや形状記憶合金等を用いることができる。なお、本実施形態では、蒸発側連結部６１内の作動流体の温度が上昇しても、作動流体の流通する通路を完全に閉塞することがないように構成されている。
【００４１】
本実施形態では、作動流体の温度が高温になったときには、可変絞り７ａの絞り開度が小さくなるので、回収熱量が制限される。このため、作動流体の温度が高温になる夏季のエンジン高負荷時等に回収熱量を制限することができるので、オーバーヒートを回避することができる。
【００４２】
一方、作動流体の温度が低温になったときには、可変絞り７ａの絞り開度が大きくなるので、回収熱量が制限されることはない。このため、作動流体の温度が低温になる冬季の始動時等に早期に冷却水温度を上昇させることができ、燃費や暖房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３に基づいて説明する。上記第２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３は、本第３実施形態に係る排気熱回収器の蒸気側連結部６１を示す拡大断面図である。図３に示すように、本実施形態の可変絞り７ｂは、絞り穴７１と、絞り穴７１を開閉する弁体７２と、弁体７２における絞り穴７１に対向する面と反対側の面に一端が固定された感温変形部材７３とを有している。
【００４５】
感温変形部材７３の他端は、蒸発側連結部６１内に配設された支持部材７４に固定されている。また、感温変形部材７３は、例えば、蒸気側連結部６１を構成する金属よりも熱膨張率の高い金属からなるサーモメタルや、サーモワックス等から構成されており、蒸発側連結部６１内の作動流体の温度が所定温度以上になると、熱膨張するようになっている。
【００４６】
したがって、蒸発側連結部６１内の作動流体の温度が上昇すると、弁体７２が絞り穴７１の開度を小さくする方向に移動する。一方、蒸発側連結部６１内の作動流体の温度が低下すると、弁体７２が絞り穴７１の開度を大きくする方向に移動する。なお、本実施形態では、蒸発側連結部６１内の作動流体の温度が上昇しても、弁体７２が絞り穴７１を完全に閉塞することがないように構成されている。
【００４７】
本実施形態では、作動流体の温度が高温になったときには、可変絞り７ｂの絞り開度が小さくなるので、回収熱量が制限される。また、作動流体の温度が低温になったときには、可変絞り７ｂの絞り開度が大きくなるので、回収熱量が制限されることはない。これにより、上記第２実施形態と同様の効果を得ることができる。
【００４８】
（第４実施形態）
次に、本発明の第４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。
【００４９】
図４は、本第４実施形態に係る排気熱回収器を示す断面図である。図４に示すように、蒸発側連結部６１内には、冷却水の温度に応じて絞り開度を変化させる可変絞り７ｃが配設されている。この可変絞り７ｃは、冷却水の温度上昇に応じて絞り開度を小さくする、すなわち作動流体の流通する通路の通路断面積を減少させるように構成されている。
【００５０】
可変絞り７ｃは、蒸発側連結部６１内に設けられた弁体７５と、この弁体７５が接離する弁座７６とを有している。そして、可変絞り７ｃは、弁体７５と弁座７６と隙間により形成される最小作動流体通路Ａの通路断面積を変化させることにより、絞り開度を調整するようになっている。
【００５１】
より詳細には、弁体７５における弁座７６に対向する面と反対側の面には、感温変形部材７７の一端が固定されている。感温変形部材７７は第２の筐体２００内に設けられており、冷却水と直接接触するようになっている。感温変形部材７７の他端は、第２の筐体２００内に配設された支持部材７８に固定されている。また、感温変形部材７７は、例えば、第２の筐体２００を構成する金属よりも熱膨張率の高い金属からなるサーモメタルや、サーモワックス等から構成されており、冷却水の温度が所定温度以上になると、熱膨張するようになっている。
【００５２】
したがって、冷却水の温度が上昇すると、弁体７５が最小作動流体通路Ａの通路断面積を小さくする方向に移動する。一方、冷却水の温度が低下すると、弁体７５が最小作動流体通路Ａの通路断面積を大きくする方向に移動する。なお、本実施形態では、冷却水の温度が上昇しても、弁体７５と弁座７６とが完全に接触することはない、すなわち最小作動流体通路Ａの通路断面積が０にはならないように構成されている。
【００５３】
本実施形態では、冷却水の温度が高温になったときには、可変絞り７ｃの絞り開度が小さくなるので、回収熱量が制限される。このため、冷却水の温度が高温になる夏季のエンジン高負荷時等に回収熱量を制限することができるので、オーバーヒートを回避することができる。
【００５４】
一方、冷却水の温度が低温になったときには、可変絞り７ｃの絞り開度が大きくなるので、回収熱量が制限されることはない。このため、冷却水の温度が低温になる冬季の始動時等に早期に冷却水温度を上昇させることができ、燃費や暖房性能を向上させることができる。
【００５５】
（他の実施形態）
なお、上記第１実施形態では、固定絞り７を絞り部材７０に形成した例について説明したが、これに限らず、蒸発側連結部６１の内径を部分的に小さくすることにより形成してもよい。この場合、絞り部材７０が不要であり、部品点数の増加を抑制することができる。
【００５６】
また、上記第１実施形態では、絞り部材７０を、蒸発部１で蒸発した作動流体が通過する流路の断面積を徐々に縮小させた後、徐々に拡大させるような形状に形成した例について説明したが、これに限らず、絞り部材７０を円筒形状に形成してもよい。
【００５７】
また、上記第２、第３実施形態では、可変絞り７ａ、７ｂを作動流体に直接接触するように配置し、作動流体の温度に応じて可変絞り７ａ、７ｂの絞り開度が機械的に制御される例について説明したが、これに限らず、蒸発側連結部６１内の作動流体温度を検出する温度センサを設け、この温度センサの検出温度に基づいて可変絞り７ａ、７ｂの絞り開度が電気的に制御されるようにしてもよい。
【００５８】
同様に、上記第４実施形態では、可変絞り７ｃを冷却水に直接接触するように配置し、冷却水の温度に応じて可変絞り７ａ、７ｂの絞り開度が機械的に制御される例について説明したが、これに限らず、第２の筐体２００内の冷却水温度を検出する温度センサを設け、この温度センサの検出温度に基づいて可変絞り７ｃの絞り開度が電気的に制御されるようにしてもよい。
【図面の簡単な説明】
【００５９】
【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２実施形態に係る排気熱回収器の蒸気側連結部６１を示す拡大断面図で、（ａ）は作動流体高温時、（ｂ）は作動流体低温時を示している。
【図３】第３実施形態に係る排気熱回収器の蒸気側連結部６１を示す拡大断面図である。
【図４】第４実施形態に係る排気熱回収器を示す断面図である。
【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】
【００６０】
１…蒸発部、２…凝縮部、７…固定絞り（絞り機構）、７ａ〜７ｃ…可変絞り（絞り機構）、６１…蒸発側連結部、６２…凝縮側連結部。
【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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