(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装置を提供する。【解決手段】蒸発部１１０に、並列に配置された複数の蒸発側チューブ１１１と、複数の蒸発側チューブ１１１の下方側の端部を連通させるとともに、凝縮部１３０で凝縮した作動流体が流入する蒸発側下ヘッダ１１３とを設け、ダクト部１２０における蒸発部１１０の排気ガス流れ上流側に設けられ、蒸発側下ヘッダ１１３に排気ガスが直接当たることを抑制する遮蔽部材５と、エンジン１０の負荷が予め定めた基準負荷より小さい場合、遮蔽部材５を駆動して蒸発側下ヘッダ１１３に排気ガスが直接当たることを抑制した状態にし、エンジン１０の負荷が基準負荷以上の場合、遮蔽部材５を駆動して蒸発側下ヘッダ１１３に排気ガスが直接当たる状態にする制御部７とを備える。【選択図】図３
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
内燃機関（１０）から排出された加熱流体が流通する加熱流体経路（１２０）内に配置され、前記加熱流体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（１１０）と、
被加熱流体が流通する被加熱流体経路（１４０）内に配置され、前記蒸発部（１１０）で蒸発した前記作動流体と前記被加熱流体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（１３０）とを備える排気熱回収装置であって、
前記蒸発部（１１０）は、並列に配置された複数の蒸発側チューブ（１１１）と、前記複数の蒸発側チューブ（１１１）の下方側の端部を連通させるとともに、前記凝縮部（１３０）で凝縮した前記作動流体が流入する連通部（１１３）とを有しており、
前記加熱流体経路（１２０）における前記蒸発部（１１０）の前記加熱流体流れ上流側に設けられ、前記連通部（１１３）に前記加熱流体が直接当たることを抑制する遮蔽手段（５）と、
前記内燃機関（１０）の負荷が予め定めた基準負荷より小さい場合、前記遮蔽手段（５）を駆動して前記連通部（１１３）に前記加熱流体が直接当たることを抑制した状態にし、前記内燃機関（１０）の負荷が前記基準負荷以上の場合、前記遮蔽手段（５）を駆動して前記連通部（１１３）に前記加熱流体が直接当たる状態にする制御手段（７）とを備えることを特徴とする排気熱回収装置。
【請求項２】
前記制御手段（７）は、前記被加熱流体の温度を検出する被加熱流体温度検出手段（８）によって検出された前記被加熱流体の温度が予め定めた基準温度より小さい場合、前記遮蔽手段（５）を駆動して前記連通部（１１３）に前記加熱流体が直接当たることを抑制した状態にし、前記被加熱流体検出手段（８）によって検出された前記被加熱流体の温度が前記基準温度以上の場合、前記遮蔽手段（５）を駆動して前記連通部（１１３）に前記加熱流体が直接当たる状態にするように構成されていることを特徴とする請求項１に記載の排気熱回収装置。
【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装置に関する。
【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。このような排気熱回収装置は、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）。
【０００３】
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、外部の加熱流体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加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】
【０００４】
上記のような排気熱回収装置の一例を示すと、図４および図５に示すような、複数本のヒートパイプＪ１１１を有する蒸発部Ｊ１１０と凝縮部Ｊ１３０とが水平方向に隣接して配置されるような構成が考えられる。このとき、蒸発部Ｊ１１０は加熱流体である排気ガスが流通するダクト部Ｊ１２０内に配置され、凝縮部Ｊ２は被加熱流体が流通する被加熱流体経路内に配置されている。
【０００５】
ところで、被加熱流体としてエンジンの冷却水を用いた場合、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。
【０００６】
このため、排気熱回収装置に、作動流体の循環を停止させる弁機構Ｊ１６を設けることが望ましい。弁機構Ｊ１６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Ｊ１６が考えられる。このように、排気熱回収装置に弁機構Ｊ１６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。
【０００７】
しかしながら、排気熱回収装置に上記のような弁機構を設けると、ダイアフラムや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。
【０００８】
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装置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（１０）から排出された加熱流体が流通する加熱流体経路（１２０）内に配置され、加熱流体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（１１０）と、被加熱流体が流通する被加熱流体経路（１４０）内に配置され、蒸発部（１１０）で蒸発した作動流体と被加熱流体との間で熱交換を行い、作動流体を凝縮させる凝縮部（１３０）とを備える排気熱回収装置であって、蒸発部（１１０）は、並列に配置された複数の蒸発側チューブ（１１１）と、複数の蒸発側チューブ（１１１）の下方側の端部を連通させるとともに、凝縮部（１３０）で凝縮した作動流体が流入する連通部（１１３）とを有しており、加熱流体経路（１２０）における蒸発部（１１０）の加熱流体流れ上流側に設けられ、連通部（１１３）に加熱流体が直接当たることを抑制する遮蔽手段（５）と、内燃機関（１０）の負荷が予め定めた基準負荷より小さい場合、遮蔽手段（５）を駆動して連通部（１１３）に加熱流体が直接当たることを抑制した状態にし、内燃機関（１０）の負荷が基準負荷以上の場合、遮蔽手段（５）を駆動して連通部（１１３）に加熱流体が直接当たる状態にする制御手段（７）とを備えることを特徴としている。
【００１０】
これによれば、内燃機関（１０）の負荷が大きいとき、すなわち加熱流体の熱量が多いときに、連通部（１１３）に加熱流体が直接当たるようにすることができる。連通部（１１３）に加熱流体が直接当たると、連通部（１１３）において作動流体が加熱流体の熱により蒸発し、ドライアウト状態となる。これにより、凝縮部（１３０）からの作動流体の還流が略停止状態となるため、熱交換性能が著しく低下し、熱の回収量が極めて小さくなる。
【００１１】
以上のように、加熱流体の熱量が多いときに熱の回収量を極めて小さくできるので、過剰な熱量の回収を抑制することができる。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。
【００１２】
なお、内燃機関（１０）の負荷が小さいとき、すなわち加熱流体の熱量が少ないときには、連通部（１１３）に加熱流体が直接当たることを抑制できるため、蒸発部（１１０）における熱交換性能を確保することができる。
【００１３】
また、上記特徴の排気熱回収装置において、制御手段（７）は、被加熱流体の温度を検出する被加熱流体温度検出手段（８）によって検出された被加熱流体の温度が予め定めた基準温度より小さい場合、遮蔽手段（５）を駆動して連通部（１１３）に加熱流体が直接当たることを抑制した状態にし、被加熱流体検出手段（８）によって検出された被加熱流体の温度が基準温度以上の場合、遮蔽手段（５）を駆動して連通部（１１３）に加熱流体が直接当たる状態にするように構成されていてもよい。
【００１４】
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】
【００１５】
以下、本発明の一実施形態について図１〜図３に基づいて説明する。本実施形態の排気熱回収装置１００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。なお、排気ガスが本発明の加熱流体に相当し、エンジン冷却水が被加熱流体に相当している。
【００１６】
図１は、本実施形態に係る排気熱回収装置１００の車両への搭載状態を示す模式図である。図１に示すように、エンジン１０は水冷式の内燃機関であり、燃料が燃焼した後の排気ガスが排出される排気筒１１を有している。エンジン１０は、エンジン１０冷却用のエンジン冷却水（以下、冷却水と略す）が循環するラジエータ回路２０と、このラジエータ回路２０とは別の流路として冷却水が循環する排熱回収回路３０と、空調空気加熱用のヒータコア４１に冷却水（温水）が循環するヒータ回路４０とを有している。
【００１７】
ラジエータ回路２０にはラジエータ２１が設けられており、ラジエータ２１は、ウォータポンプ２２によって循環される冷却水を外気との熱交換により冷却する。ラジエータ回路２０中にはラジエータ２１を迂回して冷却水が流通するバイパス流路２３が設けられており、サーモスタット２４によってラジエータ２１を流通する冷却水量とバイパス流路２３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流路２３側の冷却水量が増加されて暖機が促進される。つまり、ラジエータ２１による冷却水の過冷却が防止される。
【００１８】
排熱回収回路３０は、ラジエータ回路２０のエンジン出口部から分岐して、ウォータポンプ２２に接続される流路であり、ウォータポンプ２２によって冷却水が循環されるようになっている。排熱回収回路３０の途中には後述する排気熱回収装置１００の水タンク１４０（凝縮部１３０）が接続されている。
【００１９】
また、ヒータ回路４０は、ラジエータ回路２０のエンジン出口部とは異なる部位から冷却水（温水）が流出して、排熱回収回路３０の下流側に合流する回路としている。このヒータ回路４０には、暖房用熱交換器としてのヒータコア４１が設けられており、上記のウォータポンプ２２によって冷却水（温水）が循環されるようにしている。ヒータコア４１は、図示しない空調ユニットの空調ケース内に配設されており、送風機によって送風される空調空気を温水との熱交換により加熱する。
【００２０】
図２は、図１のＡ−Ａ断面図である。図２に示すように、本実施形態の排気熱回収装置１００は、蒸発部１１０、ダクト部１２０、凝縮部１３０、水タンク１４０等を有しており、蒸発部１１０と凝縮部１３０とが互いに接続されることでループ式のヒートパイプ１０１を形成している。
【００２１】
ヒートパイプ１０１には図示しない封入部が設けられており、この封入部からヒートパイプ１０１内が真空引き（減圧）され、作動媒体が封入された後に封入部は封止されている。作動媒体は、ここでは水を使用している。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、フロン等を用いてもよい。
【００２２】
蒸発部１１０は、内部を排気ガスが流通するダクト部１２０内に収容されている。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。なお、ダクト部１２０が、本発明の加熱流体経路に相当している。
【００２３】
凝縮部１３０は、排気筒１１の外部に設けられており、排熱回収回路３０（図１参照）内に配置される水タンク１４０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。水タンク１４０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（図示せず）と、エンジンの冷却水入口側に接続される冷却水流出口（図示せず）とが設けられている。なお、水タンク１４０が、本発明の被加熱流体経路に相当している。
【００２４】
蒸発部１１０および凝縮部１３０は、水平方向に隣接するように配置されている。通常、排気筒１１は車両前後方向に亘って設けられているため、蒸発部１１０および凝縮部１３０の配置方向は、車両幅方向に一致している。
【００２５】
次に、蒸発部１１０の構成について説明する。蒸発部１１０は、複数本の蒸発側チューブ１１１と、蒸発側チューブ１１１の外表面に接合されたコルゲート状の蒸発側フィン１１２とを有している。蒸発側チューブ１１１は、排気ガスの流通方向（図２の紙面垂直方向）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】
蒸発部１１０において、蒸発側チューブ１１１の長手方向両端部には、蒸発側チューブ１１１の積層方向に延びて、複数の蒸発側チューブ１１１と連通する蒸発側ヘッダ１１３、１１４がそれぞれ設けられている。蒸発側ヘッダのうち、下方側に配置されるものを蒸発側下ヘッダ１１３といい、上方側に配置されるものを蒸発側上ヘッダ１１４という。なお、蒸発側下ヘッダ１１３が、本発明の連通部に相当している。
【００２７】
各蒸発側ヘッダ１１３、１１４の蒸発側チューブ１１１に対応する位置には、チューブ孔（図示せず）が穿設されている。そして、複数の蒸発側チューブ１１１の長手方向両端部は、それぞれ各蒸発側ヘッダ１１３、１１４のチューブ孔に接合されており、複数の蒸発側チューブ１１１は、各蒸発側ヘッダ１１３、１１４内と連通している。
【００２８】
次に、凝縮部１３０の構成について説明する。凝縮部１３０は、上記蒸発部１１０と同様に、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る凝縮側チューブ１３１を有しており、各凝縮側チューブ１３１の間には凝縮側フィン１３２が介在されているとともに、各凝縮側チューブ１３１の長手方向両端部が凝縮側上ヘッダ１３３、凝縮側下ヘッダ１３４に接合されて形成されている。複数の凝縮側チューブ１３１は、各凝縮側ヘッダ１３３、１３４内と連通している。なお、凝縮側下ヘッダ１３４は、排気熱回収装置１００が水平状態の車両に搭載された際に、蒸発側下ヘッダ１１３より上方側になるように配置されている。
【００２９】
また、蒸発側ヘッダ１１３、１１４と凝縮側ヘッダ１３３、１３４は、筒状の連結部１５１、１５２を介して連通状態に接続されている。ここで、連結部のうち、上方側に配置され、蒸発側上ヘッダ１１４と凝縮側上ヘッダ１３３とを接続し、蒸発部１１０で蒸発した作動流体を凝縮部１３０に導くものを第１連結部１５１といい、下方側に配置され、凝縮側下ヘッダ１３４と蒸発側下ヘッダ１１３とを接続し、凝縮部１３０で凝縮された作動流体を蒸発部１１０に導くものを第２連結部１５２という。
【００３０】
そして、蒸発側、凝縮側チューブ１１１、１３１、蒸発側、凝縮側ヘッダ１１３、１１４、１３３、１３４および第１、第２連結部１５１、１５２によって閉ループが形成されており、作動流体は蒸発部１１０および凝縮部１３０を循環するようになっている。すなわち、蒸発側下ヘッダ１１３→蒸発側チューブ１１１→蒸発側上ヘッダ１１４→第１連結部１５１→凝縮側上ヘッダ１３３→凝縮側チューブ１３１→凝縮側下ヘッダ１３４→第２連結部１５２→蒸発側下ヘッダ１１３が環状に繋がっており、ヒートパイプ１０１を形成している。
【００３１】
以上のように排気熱回収装置１００は形成されており、この排気熱回収装置１００は車両の床下の地上側から見て車室内側にへこむように形成されたへこみ部に配設される。そして、ダクト部１２０（蒸発部１１０）が排気筒１１に介在され、また、水タンク１４０の両パイプ（図示せず）が排熱回収回路３０に接続されている。なお、本実施形態では、ダクト部１２０は排気筒１１と一体に成形されている。
【００３２】
図３は図２のＢ−Ｂ概略断面図で、（ａ）は遮蔽部材５の遮蔽状態を、（ｂ）は遮蔽部材５の開放状態を示している。図２および図３（ａ）、（ｂ）に示すように、ダクト部１２０における蒸発部１１０の排気ガス流れ上流側には、蒸発側下ヘッダ１１３に排気ガスが直接当たることを防止する遮蔽部材（遮蔽手段）５が設けられている。この遮蔽部材５は、蒸発側下ヘッダ１１３に排気ガスが直接当たることを防止した遮蔽状態と、蒸発側下ヘッダ１１３に排気ガスが直接当たる開放状態とを切り替え可能に構成されている。
【００３３】
具体的には、遮蔽部材５は、ダクト部１２０の底面における蒸発部１１０の排気ガス流れ上流側に配置された回転軸５ａと板部５ｂを有しており、回転軸５ａを中心として回動可能にダクト部１２０に保持されている。回転軸５ａの一端部は排気筒１１の外部に突出して、電動アクチュエータ（本実施形態では電動モータ６）に連結されている。
【００３４】
電動モータ６には、後述する制御部７からの制御信号が入力されるようになっている（図２参照）。このため、遮蔽部材５の遮蔽状態および開放状態は、制御部７の制御によって変化する構造となっている。また、遮蔽部材５は、通常時は遮蔽状態を維持している、すなわち通常時は蒸発側下ヘッダ１１３に排気ガスが直接当たらないようになっている。
【００３５】
制御部（ＥＣＵ、制御手段）７は、ＣＰＵ、ＲＯＭ、ＲＡＭ等からなる周知のマイクロコンピュータとその周辺回路にて構成されている。そして、制御部７には、冷却水の温度を検出する冷却水温度センサ（被加熱流体温度検出手段）８からの冷却水温度信号が入力される。また、制御部７は、演算結果に基づいて、電動モータ６に制御信号を出力する。
【００３６】
次に、本実施形態の排気熱回収装置１００による遮蔽部材５の制御方法について説明する。制御部７は、通常時、すなわち冷却水温度センサ８で検出された冷却水の温度が予め定めた基準温度より低い場合、遮蔽部材５を駆動して蒸発側下ヘッダ１１３に排気ガスが直接当たらない遮蔽状態にする。一方、制御部は７、冷却水温度センサ８で検出された冷却水の温度が基準温度以上になった場合、遮蔽部材５を駆動して蒸発側下ヘッダ１１３に排気ガスが直接当たる開放状態にする。
【００３７】
以上説明したように、冷却水温度が基準温度以上になった場合にのみ、遮蔽部材５を駆動して蒸発側下ヘッダ１１３に排気ガスが直接当たる開放状態にすることで、エンジン１０の負荷が大きいとき、すなわち排気ガスの熱量が多いときにのみ、蒸発側下ヘッダ１１３に排気ガスが直接当たるようにすることができる。
【００３８】
蒸発側下ヘッダ１１３に排気ガスが直接当たると、蒸発側下ヘッダ１１３において作動流体が排気ガスの熱により蒸発し、ドライアウト状態となる。これにより、凝縮部１３０からの作動流体の還流が略停止状態となるため、熱交換性能が著しく低下し、熱の回収量が極めて小さくなる。
【００３９】
したがって、排気ガスの熱量が多く、排気熱の回収を停止したいときに、排気熱の回収を略停止することができる。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。
【００４０】
なお、蒸発側下ヘッダ１１３の径は、排気熱の回収を停止したいとき、すなわち蒸発側下ヘッダ１１３に排気ガスが直接当たったときにドライアウトするような大きさに予め設定されている。
【００４１】
また、本実施形態では、冷却水温度が基準温度より低いとき、すなわち排気ガスの熱量が少ない通常時には、蒸発側下ヘッダ１１３に排気ガスが直接当たることを防止できるため、蒸発部１１０の熱交換性能を確保することが可能となる。
【００４２】
通常、車両には冷却水温度センサ８が元々搭載されている。このため、本実施形態のように、冷却水温度センサ８によって検出された冷却水温度に基づいて遮蔽部材５を制御するように構成することで、排気ガスの熱量を検出するための部材を新たに設ける必要がないため、部品点数の増加を抑制することが可能となる。
【００４３】
（他の実施形態）
なお、上記実施形態では、制御部７を、冷却水温度に基づいて遮蔽部材５を制御するように構成した例について説明したが、これに限らず、エンジンオイルの温度や、エンジン回転数、排気ガスの温度等に基づいて遮蔽部材５を制御するように構成してもよい。
【００４４】
また、上記実施形態では、遮蔽部材５を電動モータ６で駆動する例について説明したが、これに限らず、ワイヤケーブル等で駆動するようにしてもよい。
【００４５】
また、上記実施形態では、被加熱流体として冷却水を採用しているが、被加熱流体としては、エンジンオイル、車両オートマチックトランスミッション用のトルクコンバータ内のオイル等を採用してもよい。
【００４６】
また、上記実施形態では、蒸発部１１０および凝縮部１３０を、水平方向に隣接するように配置した例について説明したが、これに限らず、凝縮部１３０を蒸発部１１０の上方側に配置してもよい。
【００４７】
また、上記実施形態では、凝縮部１３０を、凝縮側チューブ１３１を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することにより構成にしたが、これに限らず、凝縮部１３０は任意の構成にすることができる
【図面の簡単な説明】
【００４８】
【図１】本発明の実施形態に係る排気熱回収装置１００の車両への搭載状態を示す模式図である。
【図２】図１のＡ−Ａ断面図である。
【図３】図２のＢ−Ｂ概略断面図であり、（ａ）は遮蔽部材５の遮蔽状態を、（ｂ）は遮蔽部材５の開放状態を示している。
【図４】従来の排気熱回収装置を示す断面図である。
【図５】図４のＪ−Ｊ断面図である。
【符号の説明】
【００４９】
５…遮蔽部材（遮蔽手段）、７…制御部（制御手段）、８…冷却水温度センサ（被加熱流体温度検出手段）、１０…エンジン（内燃機関）、１１０…蒸発部、１１１…蒸発側チューブ、１１３…蒸発側下ヘッダ（連通部）、１２０…ダクト部（加熱流体経路）、１３０…凝縮部、１４０…水タンク（被加熱流体経路）。
【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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