(57)【要約】【課題】ヒートパイプ内の温度が異常な温度となった場合に、ヒートパイプの破損を回避することができる排熱回収装置を提供する。【解決手段】車両エンジン１による排気ガスの排熱を冷却水へ輸送するためにヒートパイプ１７〜２１を備え、ヒートパイプ１７〜２１は、前記排気ガスが流通する排気管３内に配置されている加熱部２ｃと、前記ヒートパイプ内の冷媒が加熱部２ｃにおいて気化して移動し、外部を流れる前記冷却水によって凝縮される冷却部２ａと、加熱部２ｃまたは冷却部２ａの間に設けられた断熱部２ｂと、を備え、冷却部２ａ側または断熱部２ｂ側に、前記ヒートパイプ内の冷媒を封止するとともに、前記冷媒の温度に応じて前記封止を解放するメルトボルト１３を設け、排熱回収装置２を構成している。【選択図】  図３
2007024424.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
車両エンジン（１）による排気ガスの排熱を前記車両エンジン（１）の冷却水へ輸送するためにヒートパイプ（１７〜２１）によって排熱回収を行う排熱回収装置であって、
前記ヒートパイプは、前記排気ガスが流通する排気管（３）内に配置されている加熱部（２ｃ）と、
前記ヒートパイプ内の冷媒が前記加熱部（２ｃ）において気化して移動し、外部を流れる前記冷却水によって凝縮される冷却部（２ａ）と、
前記加熱部（２ｃ）または前記冷却部（２ａ）の間に設けられた断熱部（２ｂ）と、を備え、
前記冷却部（２ａ）側または前記断熱部（２ｂ）側に、前記ヒートパイプ内の冷媒を封止するとともに、前記冷媒の温度に応じて前記封止を解放する封止開放手段（１３）を設けたことを特徴とする排熱回収装置。
【請求項２】
前記封止開放手段（１３）は、着脱可能であるとともに、前記冷媒の温度が、前記ヒートパイプ内部と外部空気との間に介在する金属部（１４）の溶融温度以上であるときに、前記金属部（１４）が溶融することにより前記封止を開放することを特徴とする請求項１に記載の排熱回収装置。
【請求項３】
前記ヒートパイプは複数個からなり、前記複数個のヒートパイプのうち少なくとも２個以上は連通するように構成され、前記封止開放手段（１３）は前記連通したヒートパイプ内を封止することを特徴とする請求項１または２に記載の排熱回収装置。
【請求項４】
車両エンジン（１）による排気ガスの排熱を前記車両エンジン（１）の冷却水へ輸送するためにヒートパイプ（１７〜２１）によって排熱回収を行う排熱回収装置であって、
前記排気ガスが流通する排気管（３）内に配置される前記ヒートパイプの加熱部（２ｃ）と、
前記ヒートパイプ内の冷媒が前記加熱部（２ｃ）において気化して移動し、外部を流れる前記冷却水によって凝縮される冷却部（２ａ）と、
前記加熱部（２ｃ）または前記冷却部（２ａ）の間に設けられた断熱部（２ｂ）と、
前記冷却部（２ａ）側または前記断熱部（２ｂ）側に、着脱可能であるとともに、前記ヒートパイプ内に封止した冷媒の温度に応じて前記封止を解放する封止開放手段（１３）と、を備え、
前記封止開放手段（１３）により前記封止が開放されて前記冷媒を放出した場合に、前記ヒートパイプの内部を真空状態にするために真空引きに使用する通路を閉塞する第１の閉塞手段（３３）と、前記ヒートパイプ内に冷媒を補充するために使用する通路を閉塞する第２の閉塞手段（３５、３５Ａ）と、を有した冷媒充填装置（４０、４０Ａ）を用いて、冷媒を補充することを特徴とする排熱回収装置。
【請求項５】
前記第２の閉塞手段（３５Ａ）は、真空引きを行う通路上に配置され、かつ前記第１の閉塞手段（３３）よりも前記ヒートパイプ寄りに配置されていることを特徴する請求項４に記載の排熱回収装置。
【請求項６】
車両エンジン（１）による排気ガスが流通する排気管（３）内に配置されるヒートパイプ（１７〜２１）の加熱部（２ｃ）と、
前記ヒートパイプ内の冷媒が前記加熱部（２ｃ）において気化して移動し、外部を流れる前記車両エンジン（１）の冷却水によって凝縮される冷却部（２ａ）と、
前記加熱部（２ｃ）または前記冷却部（２ａ）の間に設けられた断熱部（２ｂ）と、
前記冷却部（２ａ）側または前記断熱部（２ｂ）側に、前記ヒートパイプ内の冷媒を封止するとともに、前記冷媒の温度に応じて前記封止を解放する封止開放手段（１３）と、を備えて排気ガスの排熱を回収する排熱回収装置（２）において、前記封止開放手段（１３）により前記封止が開放されて前記冷媒を放出した場合に、排熱回収装置（２）に冷媒を充填する排熱回収装置の冷媒充填方法であって、
前記排熱回収装置（２）に冷媒充填装置（４０、４０Ａ）を装着するステップと、
前記ヒートパイプの内部を真空状態にするために真空引きを行うステップと、
前記真空引きを行った後、前記冷媒充填装置（４０、４０Ａ）の真空引きに使用された通路を閉塞するステップと、
冷媒補充装置（３０）を用いて前記ヒートパイプ内に冷媒を補充するステップと、
前記冷媒を補充するステップを行った後、前記ヒートパイプ内に冷媒を補充するための通路を閉塞するステップと、
を有することを特徴とする排熱回収装置の冷媒充填方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ヒートパイプを用いて内燃機関の排気ガスの排熱を利用することにより、内燃機関の冷却水の加熱を行う排熱回収装置、および排熱回収装置の冷媒充填方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、この種の排熱回収装置としては、ヒートパイプの加熱部および冷却部のうち、加熱部を車両エンジンの排気管内に配設し、冷却部を車両エンジンの冷却水と熱接触させることにより、排気ガスの排熱が車両エンジンの冷却水に輸送されて、低温時における冷却水が加熱されるため、エンジンの暖機性能や、前記冷却水を加熱源とする暖房機の暖房性能を向上することができる装置が知られている（例えば、非特許文献１参照）。
【０００３】
さらに、非特許文献１では、ヒートパイプ内に封入される作動媒体液量を規制することにより、エンジン回転数が上昇しても、加熱部でドライアウトを起こして熱輸送の抑制が可能となることが記載されている。
【非特許文献１】Ｗｏｌｆ  Ｄｉｅｔｒｉｃｈ  Ｍｕｎｚｅｌ、Ｄａｉｍｌｅｒ−Ｂｅｎｚ  ＡＧ、「Ｈｅａｔ  Ｐｉｐｅｓ  ｆｏｒ  Ｒｅｃｏｖｅｒｙ  ｆｒｏｍ  Ｅｘｈａｕｓｔ  Ｇａｓ  ｏｆ  ａ  Ｄｉｅｓｅｌ  Ｅｎｇｉｎｅ  ｉｎ  ａ  Ｐａｓｓｅｎｇｅｒ  Ｃａｒ」    Ｐｒｏｃ．ｏｆ  Ｉｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌ  Ｈｅａｔ  Ｐｉｐｅ  Ｃｏｎｆｅｒｅｎｃｅ  ｉｎ  Ｇｒｅｎｏｕｂｌｅ、Ｆｒａｎｃｅ、１９８７、ＰＰ．７４０−７４３
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかしながら、上記非特許文献１のように、ヒートパイプによる熱輸送を用いて排熱回収を行う装置においては、例えば、冷却部に冷却水が供給されないといった現象により、ヒートパイプ内の冷媒温度が異常なほど上昇するような状況が起こった場合、ヒートパイプ内の内圧が上昇して設計の許容値を超えてしまい、ヒートパイプが破損してしまうという問題があった。
【０００５】
そこで本発明の目的は、上記問題点に鑑みてなされたものであり、ヒートパイプ内の温度が異常な温度となった場合に、ヒートパイプの破損を回避することができる排熱回収装置を提供し、および前記破損を回避した場合に排熱回収装置に冷媒を充填する方法を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
上記目的を達成するために、以下に記載の技術的手段を採用する。すなわち、請求項１の発明は、車両エンジン（１）による排気ガスの排熱を前記車両エンジン（１）の冷却水へ輸送するためにヒートパイプ（１７〜２１）によって排熱回収を行う排熱回収装置であって、前記ヒートパイプは、前記排気ガスが流通する排気管（３）内に配置されている加熱部（２ｃ）と、前記ヒートパイプ内の冷媒が前記加熱部（２ｃ）において気化して移動し、外部を流れる前記冷却水によって凝縮される冷却部（２ａ）と、前記加熱部（２ｃ）または前記冷却部（２ａ）の間に設けられた断熱部（２ｂ）と、を備え、前記冷却部（２ａ）側または前記断熱部（２ｂ）側に、前記ヒートパイプ内の冷媒を封止するとともに、前記冷媒の温度に応じて前記封止を解放する封止開放手段（１３）を設けたことを特徴とする。
【０００７】
請求項１に記載の発明によれば、冷却部側または断熱部側に、ヒートパイプ内の冷媒を封止するとともに、前記冷媒の温度に応じて冷媒の封止を解放する封止開放手段を設けたことにより、ヒートパイプ内の冷媒が異常な温度になった場合に、冷媒を外部に放出してヒートパイプの内圧を下げるため、ヒートパイプの破損を防止することができる。
【０００８】
請求項２に記載の発明は、請求項１に記載の排熱回収装置において、前記封止開放手段（１３）は、着脱可能であるとともに、前記冷媒の温度が、前記ヒートパイプ内部と外部空気との間に介在する金属部（１４）の溶融温度以上であるときに、前記金属部（１４）が溶融することにより前記封止を開放することを特徴とする。
【０００９】
請求項２に記載の発明によれば、ヒートパイプ内の冷媒が異常な温度に上昇し、その温度が金属部の溶融温度に達した場合に、前記金属部が溶融して冷媒を外部に放出するので、ヒートパイプの破損を防止することができる。さらに、前記金属部が溶融した後の封止開放手段を外して、再度新たな封止開放手段を装着することで、元の状態の封止開放手段を有する排熱回収装置に戻すことができる。
【００１０】
請求項３に記載の発明は、請求項１または２に記載の排熱回収装置において、前記ヒートパイプは複数個からなり、前記複数個のヒートパイプのうち少なくとも２個以上は連通するように構成され、前記封止開放手段（１３）は前記連通したヒートパイプ内を封止することを特徴とする。
【００１１】
請求項３に記載の発明によれば、少なくとも２個以上のヒートパイプを連通するように構成し、この連通したヒートパイプ内を封止するように封止開放手段を設けることにより、複数個のヒートパイプを備えた排熱回収装置において、連通する複数のヒートパイプの破損を防止することができる。また、封止開放手段の開放による不足した冷媒を補充する作業の工数を低減することができる排熱回収装置が得られる。
【００１２】
請求項４に記載の発明は、車両エンジン（１）による排気ガスの排熱を前記車両エンジン（１）の冷却水へ輸送するためにヒートパイプ（１７〜２１）によって排熱回収を行う排熱回収装置であって、前記排気ガスが流通する排気管（３）内に配置される前記ヒートパイプの加熱部（２ｃ）と、前記ヒートパイプ内の冷媒が前記加熱部（２ｃ）において気化して移動し、外部を流れる前記冷却水によって凝縮される冷却部（２ａ）と、前記加熱部（２ｃ）または前記冷却部（２ａ）の間に設けられた断熱部（２ｂ）と、前記冷却部（２ａ）側または前記断熱部（２ｂ）側に、着脱可能であるとともに、前記ヒートパイプ内に封止した冷媒の温度に応じて前記封止を解放する封止開放手段（１３）と、を備え、前記封止開放手段（１３）により前記封止が開放されて前記冷媒を放出した場合に、前記ヒートパイプの内部を真空状態にするために真空引きに使用する通路を閉塞する第１の閉塞手段（３３）と、前記ヒートパイプ内に冷媒を補充するために使用する通路を閉塞する第２の閉塞手段（３５、３５Ａ）と、を有した冷媒充填装置（４０、４０Ａ）を用いて、冷媒を補充することを特徴とする。
【００１３】
請求項４に記載の発明によれば、このような構成の冷媒充填装置を用いて冷媒を補充することにより、封止開放手段が働いて冷媒が放出された場合でも、再度、元の機能を有する排熱回収装置に復帰させることが可能となる。
【００１４】
請求項５に記載の発明は、請求項４に記載の排熱回収装置において、前記第２の閉塞手段（３５Ａ）は、真空引きを行う通路上に配置され、かつ前記第１の閉塞手段（３３）よりも前記ヒートパイプ寄りに配置されていることを特徴する。
【００１５】
請求項５に記載の発明によれば、このような構成の冷媒充填装置を用いて排熱回収装置に冷媒を充填することにより、冷媒を充填して通路を閉塞した後、前記第２の閉塞手段よりも外側に存在する通路を切断することにより、前記第１の閉塞手段などを排熱回収装置から切り離すことができ、装置全体として小型化を図ることができる。
【００１６】
請求項６に記載の発明は、車両エンジン（１）による排気ガスが流通する排気管（３）内に配置されるヒートパイプ（１７〜２１）の加熱部（２ｃ）と、前記ヒートパイプ内の冷媒が前記加熱部（２ｃ）において気化して移動し、外部を流れる前記車両エンジン（１）の冷却水によって凝縮される冷却部（２ａ）と、前記加熱部（２ｃ）または前記冷却部（２ａ）の間に設けられた断熱部（２ｂ）と、前記冷却部（２ａ）側または前記断熱部（２ｂ）側に、前記ヒートパイプ内の冷媒を封止するとともに、前記冷媒の温度に応じて前記封止を解放する封止開放手段（１３）と、を備えて、排気ガスの排熱を回収する排熱回収装置（２）において、前記封止開放手段（１３）により前記封止が開放されて前記冷媒を放出した場合に、排熱回収装置（２）に冷媒を充填する排熱回収装置の冷媒充填方法であって、前記排熱回収装置（２）に冷媒充填装置（４０、４０Ａ）を装着するステップと、前記ヒートパイプの内部を真空状態にするために真空引きを行うステップと、前記真空引きを行った後、前記冷媒充填装置（４０、４０Ａ）の真空引きに使用された通路を閉塞するステップと、冷媒補充装置（３０）を用いて前記ヒートパイプ内に冷媒を補充するステップと、前記冷媒を補充するステップを行った後、前記ヒートパイプ内に冷媒を補充するための通路を閉塞するステップと、を有することを特徴とする。
【００１７】
請求項６に記載の発明によれば、このような冷媒を充填する方法を用いることにより、封止開放手段が働いて冷媒が放出された場合でも、再度、元の機能を有する排熱回収装置に復帰させることが可能となる。
【００１８】
なお、上記各手段の括弧内の符号は、後述する実施形態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】
【００１９】
（第１実施形態）
本発明の排熱回収装置は、ヒートパイプ内の冷媒が異常な温度となるような状況が起こったときに、ヒートパイプ内の内圧が上昇してヒートパイプが破損してしまうことを回避するために、ヒートパイプ内の冷媒の温度を検出して冷媒の積極的に外部に放出する封止開放手段を備えることを特徴としている。
【００２０】
以下に、第１実施形態について図１〜図８を用いて説明する。図１は、本実施形態の排熱回収装置と車両エンジン等との関係を示した模式図である。図２は、本実施形態の排熱回収装置と車両エンジン等との他の関係を示した模式図である。図３は、本実施形態における排熱回収装置の構成を示した模式図である。図４は、本実施形態の排熱回収装置における封止開放手段の構成を示した部分拡大図である。
【００２１】
図１に示す車両エンジン１と、排熱回収装置２および他の構成部品との関係について、以下に説明する。車両エンジン１は、水冷式の内燃機関であり、車両エンジン１の冷却水を循環させることによって車両エンジン１を冷却するラジエータ回路８と、前記冷却水を温水の加熱源として空調空気を加熱するヒータ５とが接続されている。また、前記内燃機関において燃料が燃焼した後の排気ガスは、車両エンジン１と連通する排気管３内を通り、排熱回収装置２で排気ガスの排熱が回収されるとともに、触媒コンバータ（図示しない）などにより浄化されて屋外に排出される。
【００２２】
このラジエータ回路８にはラジエータ４が設けられ、ラジエータ４は、ウォーターポンプ６によってラジエータ回路８を循環する冷却水を外気との熱交換により冷却する。また、ラジエータ回路８中にはラジエータ４を迂回して冷却水が流通するバイパス通路が設けられ、サーモスタット７によってラジエータ４を流通する冷却水量とバイパス通路を流通する冷却水量とが調節されるようになっている。特に暖機時においては、バイパス通路側の冷却水量が増加して暖機が促進されることになる。つまり、ラジエータ４による冷却水の過冷却が防止されることになる。ラジエータ回路８中の、車両エンジン１、ラジエータ４、サーモスタット７、ウォーターポンプ６の順に接続される配管は、図１に示すように、他の回路を構成する配管よりもその管内径が大きく、多量の冷却水が流れることになる。
【００２３】
車両エンジン１、ウォーターポンプ６、および暖房用熱交換器としてのヒータ５を結ぶ回路は、ウォーターポンプ６によって冷却水（温水）が循環される。ヒータ５は、空調ユニットの空調ケース（図示しない）内に配設され、送風機（図示しない）によって送風される空調空気を冷却水（温水）との熱交換により加熱する。
【００２４】
排熱回収装置２は、複数のチューブで構成されるヒートパイプを有し、各ヒートパイプの一方側の加熱部２ｃが排気管３内に配設され、他方側の冷却部２ａが冷却水の流路内に配設されている。排熱回収装置２の各構成部材は、高耐食性を備えるステンレス材から成り、各構成部材が組み付けされた後に、当接部や嵌合部に設けられたろう材により、一体的にろう付け結合されている。
【００２５】
冷却水の流れ方は、その温度によって変化するものである。車両エンジン１の始動直後などの冷却水温度が比較的低いときは、サーモスタット７は閉じているため、ウォーターポンプ６の吸い込みにより車両エンジン１から流れ出た冷却水は、ヒータ５を通ってウォーターポンプ６を経由して車両エンジン１に戻る。同時に、車両エンジン１から流れ出た冷却水は、ウォーターポンプ６の吸い込みにより、排熱回収装置２の冷却部２ａを通ってヒータ５に流れないでウォーターポンプ６を経由して車両エンジン１に戻る。
【００２６】
一方、冷却水温度が比較的高温になると、サーモスタット７は開いて、ウォーターポンプ６の吸い込みにより車両エンジン１から流れ出た冷却水は、主にラジエータ４に流れ、冷却されてウォーターポンプ６を経由して車両エンジン１に戻る。同時に、前記ラジエータ４に流れる冷却水の水量ほど大きくはないが、ウォーターポンプ６の吸い込みにより、排熱回収装置２を経由して車両エンジン１に戻ってくる冷却水の流れと、ヒータ５を経由して車両エンジン１に戻ってくる冷却水の流れとが、発生する。なお、サーモスタット７は、水温が所定温度に超えると流路を開くように構成され、例えば、８０℃を超えると流路を開き、８５℃以上で全開するように構成されている。
【００２７】
また、図２を用いて、排熱回収装置２と車両エンジン１等との関係を表す他の例を説明する。図２に示す冷却水の経路は、前述の図１に示す冷却水の経路に対して、ウォーターポンプ６の吸い込みにより車両エンジン１から流れ出た冷却水が、排熱回収装置２の冷却部２ａを通った後、ヒータ５を経由しないで車両エンジン１に戻る経路を備えていないという点と、ウォーターポンプ６の吸い込みにより車両エンジン１から流れ出た冷却水が排熱回収装置２の冷却部２ａを通った後、ヒータ５を経由して車両エンジン１に戻るというヒータ経由回路９を備えている点とが、異なっている。図２に示すその他の同一符号を付した構成部品は、図１のものと同一であり、その作用等についての説明は省略する。
【００２８】
以下、図３を用いて排熱回収装置２の構成について説明する。排熱回収装置２を構成する各チューブは、内部が真空状態となるように真空引きされた後に作動媒体としての冷媒が所定量封入されてヒートパイプとして作動するものである。作動媒体としての冷媒に水を使用した場合には、水の沸点は、通常、１気圧で１００℃であるが、ヒートパイプ内を真空引きしているため、封入された水の沸点は、３０〜４０℃と低くなる。なお、作動媒体としては、水の他にアルコール、フロロカーボン、フロン等を用いることもできる。
【００２９】
各ヒートパイプは、その長手方向が上下方向となる姿勢で使用され、下側に加熱部２ｃと、上側に冷却部２ａと、加熱部２ｃと冷却部２ａの間に断熱部２ｂとを備えた、いわゆるボトムヒート型で構成されている。また、冷却部２ａに対応するチューブの内壁には、金属製メッシュ、金属製フェルト、焼結金属等からなるウィック（多孔性物質）が設けられることにより、熱輸送量が高められている。ヒートパイプは、内部に封入された作動液としての冷媒の蒸発と凝縮による潜熱を利用した閉ループ型の伝熱素子であり、小さな温度差で大量の熱輸送ができる。各ヒートパイプの加熱部２ｃの内部に封入された冷媒は、加熱部２ｃの外部に加えられる排気ガスの排熱により蒸発し、蒸気となって断熱部２ｂ内を通り冷却部２ａ側へ移動し、冷却部２ａ内で外部を流れる冷却水によって冷やされて凝縮する。冷媒は、この凝縮と同時に、蒸発時に受熱した排気ガスの排熱を冷却水へ輸送して、冷却水を加熱することになり、この輸送された熱が、車両エンジン１の暖機や、冬季などの始動時における暖房エネルギーとして使用されることになる。
【００３０】
各ヒートパイプは、外形が略四角形状をなすサイドプレート２５などによって加熱部２ｃの周囲を囲み、排気ガスの流れ方向を開放する流入口２３および流出口（図示せず）を形成した筒状箱体内に、所定間隔を設けて配置されている。また、前記筒状箱体は、流入口２３の周囲に形成された上流側フランジ２２、および前記流出口の周囲に形成された下流側フランジ（図示せず）を介して排気管３と接続されている。この排気管３との接続により、前記筒状箱体の内部は、略矩形断面形状の排気ガス流通ダクトを構成することになる。
【００３１】
各ヒートパイプは、一端が閉じた筒状体であるが、特に、ヒートパイプ１８の一端側は、冷媒充填のためにタンク１０の上部に開口した冷媒補充口１６と連通し、他端側は他のヒートパイプの内部と連通する連通部２９と連通している。この冷媒補充口１６を構成するタンク１０上部の煙突部１０ａには、ヒートパイプ１８内と連通するすべてのヒートパイプ内に充填された冷媒を封止するとともに、この冷媒の温度に応じてその封止を解放する機構を有した封止開放手段が取り付けられている。この封止開放手段は、着脱可能であるとともに、封止されている冷媒の温度が、ヒートパイプ内部と外部空気との間に介在する金属部１４の溶融温度以上となったときに、この金属部１４が溶融することにより、前記ヒートパイプ内部と外部空気が連通した状態になり、前記封止を開放する構成を有していることが望ましい。この封止開放手段の一例としては、図４に示すようなメルトボルト１３が有用であり、メルトボルト１３は、頭部にボルト部を有し、冷媒補充口１６に螺合される雄ねじ部１５を前記ボルト部から突出した形態で備えている。なお、前記封止開放手段は、ヒートパイプ内に充填されている冷媒の温度が異常な温度に上昇した場合に、冷媒が高圧になりヒートパイプが破損してしまうのを防止するために作動するものであるので、図３および図４に示すような冷却部２ａ側に設ける他に、断熱部２ｂ側に設けるように構成してもよく、同様の作用効果を奏するものである。
【００３２】
また、ヒートパイプ１８と連通する関係にある他のヒートパイプは、少なくとも１個以上であればよく、連通する関係にあるヒートパイプのグループの数と同数の封止開放手段が必要になる。したがって、排熱回収装置２を構成するすべてのヒートパイプが、ヒートパイプ１８と連通する関係にあるような構成とするのが、封止開放手段を１個備えるだけでよいので、部品点数や、後述する冷媒充填作業の手間、という点を鑑みると、最も望ましい。
【００３３】
加熱部２ｃを囲む前記筒状箱体よりも上側には、各ヒートパイプの断熱部２ｂが形成され、ヒートパイプの表面や周囲を断熱する構成を採用することにより加熱部２ｃで蒸発したヒートパイプ内の冷媒が凝縮することを防止している。この断熱部２ｂよりも上側には、ヒートパイプの冷却部２ａが形成され、ヒートパイプの断熱部２ｂ表面と隔絶するように冷却部２ａを完全に取り囲む扁平箱体状のタンク１０が設けられている。タンク１０には、図１および図２に示す車両エンジン１と連通する配管が接続される冷却水流入口１１および冷却水流出口１２が備えられている。そして、ウォーターポンプ６の吸い込みにより車両エンジン１から流れ出た冷却水は、配管内を通り冷却水流入口１１から流入して、タンク１０の内部に配置されたヒートパイプの冷却部２ａを介して冷媒の凝縮潜熱を受け取って温められて冷却水流出口１２から流出し、ウォーターポンプ６を経由して再び車両エンジン１に戻ることになる。また、ヒートパイプは、排気ガス流れ方向と垂直な方向で、図３の奥行き方向にも複数列配設されている。
【００３４】
各ヒートパイプの下端部は、外形が四角形状を成して、各ヒートパイプに対応する位置にチューブ孔が形成された第１プレート２６に接合されている。また、第１プレート２６と同様の第２プレート２７のチューブ孔に各ヒートパイプが貫通され、第２プレート２７はフィン２４の上端となる位置に配設されて各ヒートパイプに接合されている。さらに、第２プレート２７と同様に、第３プレート２８が冷却部２ａと断熱部２ｂとの境界位置に配設されて各ヒートパイプに接合されている。
【００３５】
排熱回収装置２の左右方向両端における両最外方のフィン２０には、外形が四角形状を成すサイドプレート２５と、ヒートパイプ２０および２１とが接合され、サイドプレート２５はフィン２４に接合されるとともに、サイドプレート２５の下端部および上端部はそれぞれ第１プレート２６、第２プレート２７に接合されている。
【００３６】
第１プレート２６、第２プレート２７、両側部のサイドプレート２５によって、流路断面として矩形状の排気ガス流通ダクトが形成され、このダクトが前記筒状箱体となっている。したがって、加熱部２ｃおよびフィン２４は前記筒状箱体内に配設される形態となっている。第１プレート２６の下側面には、底浅の連通部２９が接合されており、各ヒートパイプの内部が、この連通部２９によって互いに連通するように構成されている。
【００３７】
上記構成に基づく排熱回収装置２の作動について説明する。車両エンジン１が作動されると、これとともにウォーターポンプ６が作動し、冷却水はラジエータ回路８、ヒータ回路９などを循環する。ヒータ回路９などを循環する冷却水は、排熱回収装置２の冷却部２ａの周囲を流通する。また、車両エンジン１で燃焼された燃料の排気ガスは、排気管３内を通り、排熱回収装置２の加熱部２ｃの周囲を通った後、さらに排気管を通じて大気中に排出される。
【００３８】
排熱回収装置２において、各ヒートパイプ内の冷媒は、加熱部２ｃにおいて、排気管３に連通する前記筒状箱体内を流れる排気ガスから受熱して沸騰気化し、蒸気となってヒートパイプ内を上昇し、冷却部２ａ内に流れ込む。冷却部２ａ内へ流入した蒸気は、タンク１０内を流れる冷却水によって冷却され、内壁に設けられたウィックによって凝縮水となって重力によって下降し、加熱部２ｃへ還流する。
【００３９】
このように、排気ガスの熱が冷媒に伝達されて加熱部２ｃから冷却部２ａへ輸送され、この冷却部２ａで蒸気が凝縮する際に凝縮潜熱として放出され、タンク１０内を流れる冷却水が加熱されることになる。なお、排気ガスの排熱の中には、各ヒートパイプの壁面を介して熱伝導によって加熱部２ｃから冷却部２ａに移動される分も存在する。
【００４０】
そして、車両エンジン１の負荷に応じて増加する排気熱量に伴って、所定負荷までは加熱部２ｃから冷却部２ａに輸送される熱量、すなわち、冷却水への伝熱量が増加することになる。以上をヒートパイプによる排熱回収スイッチのＯＮという。
【００４１】
このように、外気温が比較的低い時に車両エンジン１を始動した場合、ヒートパイプによる排熱回収スイッチがＯＮされ、積極的に冷却水が加熱され、車両エンジン１の暖機が促進されることになるので、車両エンジン１のフリクションロスの低減、低温始動性向上のための燃料増量の抑制等が図られて燃費性能を向上することができる。また、冷却水を加熱源とするヒータ５の暖房性能を向上することもできる。
【００４２】
一方、車両エンジン１の負荷が所定負荷より増加し、排気熱量がさらに増加していくと、加熱部２ｃにおける水の蒸発が促進され、冷却部２ａ側、つまり上方に向かう蒸気流速が増大することになる。そして、この時の蒸気流速の増大によって、冷却部２ａで凝縮された凝縮水の下降が阻止されて、凝縮水はウィックで保水されたままとなる。すると、加熱部２ｃの水は蒸発しきってしまってドライアウトが発生し、水の蒸発、凝縮による熱輸送が停止されてしまう。このような状況においては、冷却水側に伝達される熱量がヒートパイプを介した熱伝導のみとなる。以上をヒートパイプによる排熱回収スイッチのＯＦＦという。なお、前記ヒートパイプによる排熱回収スイッチのＯＮ、ＯＦＦの切替えが、熱スイッチ機能に対応するものである。
【００４３】
しかし、上述のような熱スイッチ機能が働く通常の作動範囲においては、ヒートパイプ内の作動冷媒の温度と内圧は、排熱回収装置２で想定される設計値を大きく上回ることはないが、異常事態が起こった場合、例えば、タンク１０内に冷却水が供給されなくなったような場合においては、ヒートパイプ内の冷媒の温度上昇にともなってヒートパイプ内部の圧力が異常値となり、ヒートパイプが破損、破裂することがある。この際には、破裂による破裂音の発生や、マフラーなどから白煙のように冷媒蒸気が噴き出すという事態が起こり、乗員等に不安感を与えることになる。
【００４４】
このような異常事態が起こり、ヒートパイプ内の冷媒温度が、封止開放手段の一例であるメルトボルト１３における金属部１４の溶融温度以上となった場合には、金属部１４が溶融して、ヒートパイプ内部と外部空気が連通し、冷媒蒸気が外部に噴き出されることになる。これにより、ヒートパイプ内の圧力は低下するので、ヒートパイプが破損するといった状況は回避される。しかしながら、ヒートパイプ内の冷媒は不足状態となるので、元の排熱回収装置の機能を果たすためには、冷媒を補充する必要がある。
【００４５】
次に、排熱回収装置２に冷媒を充填する方法について説明する。図５は、本実施形態の排熱回収装置２に冷媒を充填するときの主なステップを示したフロー図である。図６は、排熱回収装置２に冷媒を充填するときに用いる冷媒充填装置の構成を示した模式図である。図７は、図６における冷媒充填装置の構成を拡大して示した模式図である。
【００４６】
封止開放手段としてのメルトボルト１３による開放機能が働いて、冷媒蒸気が外部に噴き出された場合、メルトボルト１３によって封止されていたヒートパイプ内部には、冷媒が不足している。そこで、冷媒を補充するためのステップとして、まず、冷媒充填装置４０を排熱回収装置２にセッティングする。冷媒充填装置４０は、冷媒充填装置４０内部の主要通路３７とタンク１０上部に開口した冷媒補充口１６とが連通するように、タンク１０上部の煙突部１０ａに取り付けられる。ここで、冷媒充填装置４０には、煙突部１０ａに取り付けられる前に、金属部３６を有し、新たな封止開放手段となるメルトボルト３１が取り付けられており、冷媒充填装置４０は、このメルトボルト３１を螺合することにより煙突部１０ａに取り付けられることになる。さらに、主要通路３７から分岐した冷媒補充通路３８に連通するように、ゲージマニホールドを介して冷媒補充装置３０を接続する。この冷媒補充装置３０は、ヒートパイプ内に補充する冷媒を供給するものであり、例えば、サービス缶などの冷媒を気化状態で封入した容器で構成してもよい。冷媒充填装置４０には、主要通路３７を閉塞する第１の閉塞手段である第１閉塞弁３３と、冷媒補充通路３８を閉塞する第２の閉塞手段である第２閉塞弁３５とが設けられ、冷媒補充通路３８が主要通路３７から分岐する地点は、第２閉塞弁３５よりも排熱回収装置２寄りに配置されている（以上、ステップ１００）。
【００４７】
ステップ１００のセッティングが完了すると、ヒートパイプ内を真空状態にするために、真空引きステップを行う。これは、第１閉塞弁３３よりも反排熱回収装置２側の主要通路３７に真空引き装置（図示せず）を接続して、主要通路３７を通じてヒートパイプ内を真空状態にすることである。真空引き装置は、例えば、ゲージマニホールドを介して真空ポンプを接続したものであり、真空引きステップでは、真空状態を確認するため、気密チェックも行っている（以上、ステップ１１０）。
【００４８】
真空引きステップが終わると、第１閉塞弁３３を閉弁して真空装置に通じる主要通路３７を閉じることにより、ヒートパイプ内を真空状態に維持する（以上、ステップ１２０）。
【００４９】
次に、冷媒注入ステップを行う。冷媒注入ステップは、冷媒補充装置３０を作動させて規定容量の冷媒をヒートパイプ内に注入し、ゲージマニホールドによって冷媒充填量を確認している（以上、ステップ１３０）。
【００５０】
規定量の冷媒注入が確認できると、第２閉塞弁３５を閉弁して冷媒補充装置３０に通じる冷媒補充通路３８を閉じることにより、ヒートパイプ内を完全に密閉した状態にする（以上、ステップ１４０）。さらに、排熱回収装置２から、真空装置と冷媒補充装置を切り離す必要があるため、第１閉塞弁３３と真空装置との間の配管、および第２閉塞弁３５と冷媒補充装置３０との間の配管、をそれぞれ切断する。
【００５１】
このような各ステップを有する冷媒充填方法を行うことにより、冷媒充填装置４０を用いて、冷媒が不足した排熱回収装置２に再度、冷媒を充填することが可能になる。
【００５２】
また、図８に示す他の冷媒充填装置４０Ａを用いることで、最終的に、排熱回収装置２から真空装置と冷媒補充装置を切り離す作業が、１回の切断で完了するとともに、排熱回収装置全体として小型化を図ることも可能になる。冷媒充填装置４０Ａが冷媒充填装置４０に対して異なる構成は、第２閉塞弁３５Ａが、真空引きを行う通路上に配置され、かつ第１閉塞弁３３よりも排熱回収装置２のヒートパイプ寄りに配置されている構成と、冷媒補充通路３８Ａが主要通路３７Ａから分岐する地点が、第２閉塞弁３５Ａと第１閉塞弁３３との間に配置されている構成、である。この冷媒充填装置４０Ａを用いて冷媒を充填した場合には、第２閉塞弁３５Ａよりも外側に存在する通路、詳細には、冷媒補充通路３８Ａとの分岐点と第２閉塞弁３５Ａとの間の通路（図８に示すＸ−Ｘ線）を切断すればよい。
【００５３】
このように本実施形態の排熱回収装置は、車両エンジン１による排気ガスの排熱を冷却水へ輸送するためにヒートパイプ１７〜２１を備え、ヒートパイプ１７〜２１は、前記排気ガスが流通する排気管３内に配置されている加熱部２ｃと、前記ヒートパイプ内の冷媒が加熱部２ｃにおいて気化して移動し、外部を流れる前記冷却水によって凝縮される冷却部２ａと、加熱部２ｃまたは冷却部２ａの間に設けられた断熱部２ｂと、を備え、冷却部２ａ側または断熱部２ｂ側に、前記ヒートパイプ内の冷媒を封止するとともに、前記冷媒の温度に応じて前記封止を解放する封止開放手段を設けた構成としている。また、前記封止開放手段は、例えばメルトボルト１３のように、着脱可能であるとともに、前記冷媒の温度が、ヒートパイプ内部と外部空気との間に介在する金属部１４の溶融温度以上であるときに、金属部１４が溶融することにより前記封止を開放する。この構成によれば、ヒートパイプ内の冷媒の温度が金属部の溶融温度に達した場合に、前記金属部が溶融して冷媒を外部に放出するので、ヒートパイプの破損を防止することができる。さらに、封止開放手段は、着脱可能であるので、金属部１４が溶融した後の封止開放手段を外して、再度新たな封止開放手段を装着することで、元の状態の封止開放手段を有する排熱回収装置に戻すことができる。
【００５４】
また、ヒートパイプは複数個からなり、前記複数個のヒートパイプのうち少なくとも２個以上は連通するように構成され、メルトボルト１３は前記連通したヒートパイプ内を封止するように構成されている。この構成の場合には、複数個のヒートパイプを備えた排熱回収装置２において、連通する複数のヒートパイプの破損を防止することができる。また、ヒートパイプの個数に対してメルトボルト１３の個数を少なくなるので、不足した冷媒を補充する作業の工数を低減することができる。
【００５５】
また、排熱回収装置２において、メルトボルト１３により前記封止が開放されて前記冷媒を放出した場合に、前記ヒートパイプの内部を真空状態にするために真空引きに使用する通路を閉塞する第１閉塞弁３３と、前記ヒートパイプ内に冷媒を補充するために使用する通路を閉塞する第２閉塞弁３５、３５Ａと、を有した冷媒充填装置４０、４０Ａを用いて冷媒を補充する構成としている。この構成を採用した場合には、メルトボルト１３が働いて冷媒が放出された場合でも、再度、元の機能を有する排熱回収装置２に復帰させることが可能となる。
【００５６】
また、第２閉塞弁３５Ａは、真空引きを行う通路上に配置され、かつ第１閉塞弁３３よりも前記ヒートパイプ寄りに配置されている構成とする。この構成を採用した場合には、冷媒を充填して通路を閉塞した後、第２閉塞弁３５Ａよりも外側に存在する通路を切断することにより、第１閉塞弁３３などを排熱回収装置２から切り離すことができ、装置全体として小型化を図ることができる。
【００５７】
また、排熱回収装置２に冷媒を充填する方法は、排熱回収装置２においてメルトボルト１３により冷媒の封止が開放されて前記冷媒を放出した場合に、排熱回収装置２に冷媒充填装置４０、４０Ａを装着するステップと、ヒートパイプの内部を真空状態にするために真空引きを行うステップと、前記真空引きを行った後、冷媒充填装置４０、４０Ａの真空引きに使用された通路を閉塞するステップと、冷媒補充装置３０を用いて前記ヒートパイプ内に冷媒を補充するステップと、前記冷媒を補充するステップを行った後、前記ヒートパイプ内に冷媒を補充するための通路を閉塞するステップと、を有するである。このような冷媒を充填する方法を用いた場合には、メルトボルト１３が働いて冷媒が放出された場合でも、再度、元の機能を有する排熱回収装置２に復帰させることが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００５８】
【図１】第１実施形態の排熱回収装置と車両エンジン等との関係を示した模式図である。
【図２】第１実施形態の排熱回収装置と車両エンジン等との他の関係を示した模式図である。
【図３】第１実施形態における排熱回収装置の構成を示した正面図である。
【図４】第１実施形態の排熱回収装置における封止開放手段の構成を示した部分拡大図である。
【図５】第１実施形態の排熱回収装置に冷媒を充填するときの主なステップを示したフロー図である。
【図６】第１実施形態の排熱回収装置に冷媒を充填するときに用いる冷媒充填装置の構成を示した模式図である。
【図７】図６における冷媒充填装置の構成を拡大して示した模式図である。
【図８】第１実施形態における他の冷媒充填装置の構成を示した模式図である。
【符号の説明】
【００５９】
１              車両エンジン
２              排熱回収装置
２ａ            冷却部
２ｂ            断熱部
２ｃ            加熱部
３              排気管
１３            メルトボルト（封止開放手段）
１４            金属部
１７〜２１      ヒートパイプ
３０            冷媒補充装置
３３            第１閉塞弁（第１の閉塞手段）
３５、３５Ａ    第２閉塞弁（第２の閉塞手段）
４０、４０Ａ    冷媒充填装置
【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】
2007024424.tif 000008
【図７】
2007024424.tif 000009
【図８】
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