(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
内部に封入された作動媒体を内燃機関（１１）の排気との熱交換により加熱して蒸発させる蒸発部（２１）と、
前記蒸発部（２１）より上方に設けられ、前記蒸発部（２１）で蒸発した前記作動媒体を、前記内燃機関（１１）を冷却する冷却水との熱交換により冷却して凝縮させる第１の凝縮部（３１）と、
前記蒸発部（２１）より上方に配された空調ケース（５１）内に設けられ、前記蒸発部（２１）で蒸発した前記作動媒体を、前記空調ケース（５１）内の空調空気との熱交換により冷却して凝縮させる第２の凝縮部（３２）と、
前記第１及び第２の凝縮部（３１、３２）を前記蒸発部（２１）に対しそれぞれ環状に並列接続する配管（２５、２６、２７、３３、３４、３５）とを備えたループ型のヒートパイプ（２０）を有し、
更に、前記第１の凝縮部（３１）の上流側と前記蒸発部（２１）とを接続する第１の蒸気管（２６）と前記第２の凝縮部（３２）の上流側と前記蒸発部（２１）とを接続する第２の蒸気管（２７）との合流点に設けられ、前記蒸発部（２１）で蒸発した前記作動媒体が前記第１及び第２の凝縮部（３１、３２）のいずれに流入するかを切り替える流路切替部（２８）と、
前記第１の凝縮部（３１）の下流側と前記蒸発部（２１）とを接続する第１の還流管（３３）と前記第２の凝縮部（３２）の下流側と前記蒸発部（２１）とを接続する第２の還流管（３４）との合流点（３６）よりも第２の還流管（３４）側の上流に設けられた遮断弁（３７）とを有する排気熱回収システムであって、
前記冷却水の温度が第１の閾値温度（Ｔｔｈ１）以下の場合には、前記流路切替部（２８）は、前記作動媒体が前記第２の凝縮部（３２）にのみ流入する流路に切り替えるとともに、前記遮断弁（３７）は、開状態となって初期暖房を行い、
前記冷却水の温度が第１の閾値温度（Ｔｔｈ１）を超え、且つ第２の閾値温度（Ｔｔｈ２）以下の場合には、前記流路切替部（２８）は、前記作動媒体が前記第１の凝縮部（３１）にのみ流入する流路に切り替えるとともに、前記遮断弁（３７）は、開状態となって前記内燃機関（１１）の暖機を行い、
前記冷却水の温度が第２の閾値温度（Ｔｔｈ２）を超えた場合には、前記流路切替部（２８）は、前記作動媒体が前記第２の凝縮部（３２）にのみ流入する流路に切り替えるとともに、前記遮断弁（３７）は、閉状態となって前記作動媒体の循環を遮断することを特徴とする排気熱回収システム。
【請求項２】
前記複数の凝縮部（３１、３２）は、互いに異なる用途に用いられることを特徴とする請求項１に記載の排気熱回収システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、内燃機関から排出される排気熱を回収する排気熱回収システムに関するものである。
【背景技術】
【０００２】
特許文献１には、エンジンからの排気熱を利用して補助的な暖房を行う排気熱回収システムが開示されている。この排気熱回収システムには、蒸発部（受熱端）を一端に備え、凝縮部（放熱端）を他端に備えるヒートパイプが用いられている。蒸発部はエンジンの排気ガス通路内に配置され、凝縮部は車室空調用の温風排出路内にヒータコアと隣接して配置されている。この排気熱回収システムでは、排気ガスの温度がエンジン始動直後から比較的高温になることを利用して、即効性のある暖房効果が得られるようになっている。
【特許文献１】特開平３−１２８７１９号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
しかしながら、上記の排気熱回収システムの構成では、暖房の必要な冬季以外には回収した熱の使用用途がないため、回収した熱を有効利用するのが困難であるという問題があった。
【０００４】
本発明の目的は、回収した熱を有効利用できる排気熱回収システムを提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
本発明は上記目的を達成するために、以下の技術的手段を採用する。
【０００６】
請求項１に記載の発明は、内部に封入された作動媒体を内燃機関（１１）の排気との熱交換により加熱して蒸発させる蒸発部（２１）と、蒸発部（２１）より上方に設けられ、蒸発部（２１）で蒸発した作動媒体を、内燃機関（１１）を冷却する冷却水との熱交換により冷却して凝縮させる第１の凝縮部（３１）と蒸発部（２１）より上方に配された空調ケース（５１）内に設けられ、蒸発部（２１）で蒸発した作動媒体を、空調ケース（５１）内の空調空気との熱交換により冷却して凝縮させる第２の凝縮部（３２）と、第１及び第２の凝縮部（３１、３２）を蒸発部（２１）に対しそれぞれ環状に並列接続する配管（２５、２６、２７、３３、３４、３５）とを備えたループ型のヒートパイプ（２０）を有し、更に、第１の凝縮部（３１）の上流側と蒸発部（２１）とを接続する第１の蒸気管（２６）と第２の凝縮部（３２）の上流側と蒸発部（２１）とを接続する第２の蒸気管（２７）との合流点に設けられ、蒸発部（２１）で蒸発した作動媒体が第１及び第２の凝縮部（３１、３２）のいずれに流入するかを切り替える流路切替部（２８）と、第１の凝縮部（３１）の下流側と蒸発部（２１）とを接続する第１の還流管（３３）と第２の凝縮部（３２）の下流側と蒸発部（２１）とを接続する第２の還流管（３４）との合流点（３６）よりも第２の還流管（３４）側の上流に設けられた遮断弁（３７）とを有する排気熱回収システムであって、冷却水の温度が第１の閾値温度（Ｔｔｈ１）以下の場合には、流路切替部（２８）は、作動媒体が第２の凝縮部（３２）にのみ流入する流路に切り替えるとともに、遮断弁（３７）は、開状態となって初期暖房を行い、冷却水の温度が第１の閾値温度（Ｔｔｈ１）を超え、且つ第２の閾値温度（Ｔｔｈ２）以下の場合には、流路切替部（２８）は、作動媒体が第１の凝縮部（３１）にのみ流入する流路に切り替えるとともに、遮断弁（３７）は、開状態となって内燃機関（１１）の暖機を行い、冷却水の温度が第２の閾値温度（Ｔｔｈ２）を超えた場合には、流路切替部（２８）は、作動媒体が第２の凝縮部（３２）にのみ流入する流路に切り替えるとともに、遮断弁（３７）は、閉状態となって作動媒体の循環を遮断することを特徴としている。
【０００７】
これにより、蒸発部（２１）で蒸発した作動媒体が複数の凝縮部（３１、３２）のいずれに流入するかは流路切替部（２８）により切り替えられるので、回収した熱を複数の凝縮部（３１、３２）で有効に利用できる。
【０００８】
請求項２に記載の発明のように、複数の凝縮部（３１、３２）を互いに異なる用途に用いることにより、回収した熱をより有効に利用できる。
【０００９】
ここで、上記各手段の括弧内の符号は、後述する実施形態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】
【００１０】
（第１実施形態）
本発明の第１実施形態について図１及び図２を用いて説明する。図１は、本実施形態における排気熱回収システム１の構成を示す模式図である。図１に示すように、排気熱回収システム１は、走行用の駆動源としてのエンジン（内燃機関）１１と、エンジン１１から排出される排気が流通する排気管１２とが設けられた車両に搭載されている。
【００１１】
排気熱回収システム１は、エンジン１１からの排気熱を回収するループ型のヒートパイプ２０を有している。ヒートパイプ２０は、１つの蒸発部２１と、蒸発部２１に対してそれぞれ環状に並列接続され、蒸発部２１よりいずれも上方に設けられた２つの凝縮部３１、３２とを備えている。ヒートパイプ２０には、作動媒体が注入される不図示の注入口が設けられている。注入口は、作動媒体がヒートパイプ２０内に注入され、ヒートパイプ２０内が例えば０．０１気圧程度に減圧された後に封止されている。作動媒体としては例えば水が用いられる。水の沸点は１気圧で１００℃であるが、減圧されたヒートパイプ２０内の水の沸点は５〜１０℃となる。作動媒体としては、水の他にアルコール、フロロカーボン、フロン等を用いてもよい。
【００１２】
蒸発部２１は、ヒートパイプ２０内部に封入された作動媒体をエンジン１１からの排気との熱交換により加熱して蒸発させるコア部２２を有している。コア部２２は、上下方向（天地方向）に延び、作動媒体を内部に流通させる複数の扁平チューブと、扁平チューブに熱的に接続されたフィンとが交互に積層された構成を有している。コア部２２の下方には、複数の扁平チューブの下端同士を連通させる連通部２３が設けられている。コア部２２の上方には、複数の扁平チューブの上端同士を連通させる連通部２４が設けられている。
【００１３】
連通部２４には、蒸発部２１で蒸発した作動媒体を流通させる蒸気管（配管）２５の一端が接続されている。蒸気管２５の他端は、後述する切替弁（流路切替部）２８を介して、２つの蒸気管２６、２７のそれぞれ一端に接続されている。
【００１４】
排気熱回収システム１には、排気熱回収回路４０が設けられている。排気熱回収回路４０では、エンジン１１を冷却するエンジン冷却水がエンジン駆動式のウォータポンプ４１により循環するようになっている。排気熱回収回路４０は、同様にエンジン冷却水が循環するラジエータ回路やヒータ回路（共に図示せず）から例えば独立して設けられている。排気熱回収回路４０には、細長容器状の水タンク４２が設けられている。
【００１５】
水タンク４２内には、ヒートパイプ２０の凝縮部３１が配置されている。凝縮部３１は例えば積層式の熱交換器であり、一端側が蒸気管２６の他端に接続され、他端側が還流管（配管）３３の一端に接続されている。凝縮部３１は、蒸発部２１で蒸発した作動媒体との熱交換によりエンジン冷却水（加熱対象）を加熱するようになっており、エンジン１１を暖機する用途に用いられる。
【００１６】
また排気熱回収システム１には、空調装置５０が設けられている。空調装置５０の空調ケース５１内には、車室内に向かう空調空気の流れを発生させるファン５２が設けられている。また空調ケース５１内には、不図示のヒータコアやエバポレータと共に、ヒートパイプ２０の凝縮部３２が配置されている。凝縮部３２は、蒸発部２１で蒸発した作動媒体との熱交換により空調空気（加熱対象）を加熱するようになっている。凝縮部３２は主に、エンジン１１始動直後から、ヒータコア内を流通するエンジン冷却水の温度が上昇するまでの間の初期暖房の用途に用いられる。
【００１７】
凝縮部３２は、作動媒体と空調空気との熱交換を行うコア部４５を有している。コア部４５は、上下方向（天地方向）に延び、作動媒体を内部に流通させる複数の扁平チューブと、扁平チューブに熱的に接続されたフィンとが交互に積層された構成を有している。コア部４５の上方には、蒸気管２７の他端に接続され、複数の扁平チューブの上端同士を連通させる連通部４６が設けられている。コア部４５の下方には、還流管３４の一端に接続され、複数の扁平チューブの下端同士を連通させる連通部４７が設けられている。還流管３４の途中には、作動媒体の還流を停止させるための遮断弁３７が設けられている。還流管３３、３４は合流点３６で合流し、還流管３５として蒸発部２１の連通部２３に接続されている。
【００１８】
図２（ａ）〜（ｃ）は、切替弁２８の構成及び切替弁２８による流路切替え方法の一例を模式的に示す断面図である。図２（ａ）〜（ｃ）に示すように、切替弁２８は、弁本体３０と弁本体３０に組み込まれたボール状の弁体２９とを有している。弁本体３０には、紙面に平行な面内であって互いに異なる方向から３本の蒸気管２５、２６、２７が接続されている。蒸気管２５は図中下方向から弁本体３０に接続され、蒸気管２６は図中上方向から弁本体３０に接続され、蒸気管２７は図中右方向から弁本体３０に接続されている。弁体２９には、紙面に平行な面内にＴ字状の流体通路２９ａが形成されている。弁体２９は、紙面に垂直な方向を軸として不図示のアクチュエータにより回動可能になっており、後述する制御部６０により制御される。これにより切替弁２８は、蒸発部２１で蒸発した作動媒体が凝縮部３１、３２のいずれに流入するかを切り替えるようになっている。
【００１９】
図２（ａ）に示す状態では、蒸気管２５と蒸気管２７とが連通しており、蒸発部２１で蒸発した作動媒体は凝縮部３２側に流通するようになっている。図２（ｂ）に示す状態では、蒸気管２５と蒸気管２６とが連通しており、作動媒体は凝縮部３１側に流通するようになっている。図２（ｃ）に示す状態では、蒸気管２５が蒸気管２６、２７のいずれにも連通せず、作動媒体は凝縮部３１側及び凝縮部３２側のいずれにも流通しないようになっている。このように切替弁２８は、作動媒体が凝縮部３１、３２のいずれかに流入するように流路を切り替えることができるようになっている。また切替弁２８は必要に応じて、作動媒体が凝縮部３１側及び凝縮部３２側のいずれにも流通しないように流路を遮断することもできるようになっている。
【００２０】
また排気熱回収システム１は、外気温度を検出して外気温度信号を出力する外気温度センサ６２と、例えば排気熱回収回路４０に設けられ、エンジン冷却水の温度を検出して冷却水温度信号を出力する冷却水温度センサ６１とを有している。
【００２１】
制御部６０は、不図示のＣＰＵ、ＲＯＭ、ＲＡＭ等を有している。制御部６０は、例えば外気温度センサ６２からの外気温度信号や、冷却水温度センサ６１からの冷却水温度信号等に基づいて、切替弁２８の流路切替制御及び遮断弁３７の開閉制御を行うようになっている。
【００２２】
次に、本実施形態における排気熱回収システムの作動について説明する。エンジン１１が作動すると併せてウォータポンプ４１が作動し、エンジン冷却水が排気熱回収回路４０や不図示のラジエータ回路及びヒータ回路を循環する。エンジン１１からの排気は排気管１２を流れ、ヒートパイプ２０の蒸発部２１を通過して大気中に排出される。これにより蒸発部２１内では、エンジン１１始動初期から比較的高温になる排気との熱交換により、作動媒体が加熱されて蒸発する。蒸気となった作動媒体は、蒸気管２５内を上昇する。
【００２３】
制御部６０は、例えば冷却水温度や暖房要求の有無に基づいて初期暖房の必要性を判断するとともに、冷却水温度に基づいてエンジン１１の暖機の必要性を判断する。本実施形態では初期暖房が暖機よりも優先して行われる。例えば制御部６０は、暖房要求があり、かつ冷却水温度が第１の閾値温度Ｔｔｈ１以下の場合に、暖房の即効性を高めるために初期暖房が必要と判断する。この場合制御部６０は、切替弁２８を図２（ａ）の状態に切り替える。
【００２４】
切替弁２８が図２（ａ）の状態に切り替えられると、蒸発部２１で蒸発した作動媒体は、蒸気管２５、２７を通って凝縮部３２に流入する。凝縮部３２に流入した作動媒体は、空調空気との熱交換により冷却されて凝縮する。同時に、凝縮部３２を通る空調空気は、作動媒体との熱交換により加熱されて車室内に吹き出される。凝縮部３２で凝縮した作動媒体は、還流管３４、３５を流れ落ちて蒸発部２１に戻る。
【００２５】
その後制御部６０は、冷却水温度が上昇して第１の閾値温度Ｔｔｈ１を超えたときには、ヒータコアを用いた暖房が可能になるため凝縮部３２を用いた初期暖房が不要と判断し、切替弁２８を図２（ｂ）の状態に切り替える。
【００２６】
切替弁２８が図２（ｂ）の状態に切り替えられると、蒸発部２１で蒸発した作動媒体は、蒸気管２５、２６を通って凝縮部３１に流入する。凝縮部３１に流入した作動媒体は、水タンク４２内のエンジン冷却水との熱交換により冷却されて凝縮する。同時に、水タンク４２を通るエンジン冷却水は、凝縮部３１の作動媒体との熱交換により加熱される。これによりエンジン１１の暖機が促進される。凝縮部３１で凝縮した作動媒体は、還流管３３、３５を流れ落ちて蒸発部２１に戻る。
【００２７】
また制御部６０は、冷却水温度がさらに上昇して第２の閾値温度Ｔｔｈ２（＞Ｔｔｈ１）を超えたときに、エンジン１１の暖機が終了したと判断する。制御部６０は、切替弁２８を図２（ａ）の状態に切り替えるとともに、遮断弁３７を閉状態にする。これにより、蒸発部２１で蒸発した作動媒体は凝縮部３２で凝縮するが、還流管３４が遮断弁３７により遮断されているので、凝縮した作動媒体は蒸発部２１に戻らない。その後制御部６０は、例えばエンジン１１の停止又は冷却水温度の低下等に基づき排気管１２内（蒸発部２１）の温度が低下したと判断したら、遮断弁３７を開状態にする。これにより、作動媒体は蒸発部２１に戻る。
【００２８】
本実施形態では、初期暖房が必要な場合には凝縮部３２を用いて初期暖房が行われ、暖房の即効性が高められる。また、初期暖房終了後又は初期暖房が不要な場合（例えば冬季以外）には凝縮部３１を用いてエンジン１１の暖機が行われ、暖機性が高められる。このように、本実施形態の排気熱回収システム１では、１つの蒸発部２１に対して、互いに異なる用途に用いられる２つの凝縮部３１、３２が設けられ、蒸発部２１で蒸発した作動媒体が凝縮部３１、３２のいずれに流入するかは切替弁２８により切り替えられるようになっている。したがって本実施形態によれば、回収した熱の利用範囲が拡大し、エンジン１１からの排気熱を有効利用できる。
（その他の実施形態）
上記実施形態では、凝縮部３２が冷却水温度上昇までの初期暖房用に用いられているが、冷却水温度が上昇した後においてもヒータコアと共に空調空気を加熱する補助暖房用として凝縮部３２を用いるようにしてもよい。
【００２９】
また上記実施形態では、１つの蒸発部２１に対し２つの凝縮部３１、３２が設けられているが、１つの蒸発部２１に対し３つ以上の凝縮部を設けるようにしてもよい。３つ以上の凝縮部が互いに異なる用途に用いられるようにすれば、回収した熱をさらに有効に利用できる。
【００３０】
さらに上記実施形態では、凝縮部３１、３２がそれぞれエンジン１１の暖機及び初期暖房に用いられているが、例えば車両用蓄熱器に温水を貯留したり、エンジン１１の吸入空気温度を高めたり、バッテリ液の温度を高めたりする他の用途に用いられるようにしてもよい。
【図面の簡単な説明】
【００３１】
【図１】第１実施形態における排気熱回収システムの構成を示す模式図である。
【図２】切替弁の構成及び切替弁による流路切替え方法の一例を模式的に示す断面図である。
【符号の説明】
【００３２】
１  排気熱回収システム
１１  エンジン（内燃機関）
２０  ヒートパイプ
２１  蒸発部
２５、２６、２７  蒸気管（配管）
２８  切替弁（流路切替部）
３３、３４、３５  還流管（配管）
３１、３２  凝縮部
【図１】
0004432979.tif 000002
【図２】
0004432979.tif 000003