(57)【要約】【課題】熱回収性能が高く、エンジン冷却水の局部沸騰を防止できる排気熱回収装置を提供する。【解決手段】エンジン冷却水を循環させる排気熱回収回路２１に介設される水タンク３１と、水タンク３１に設けられ、排気熱回収回路２１のエンジン冷却水を水タンク３１内に導入する入口パイプ３２と、入口パイプ３２よりも上方に設けられ、水タンク３１内のエンジン冷却水を排気熱回収回路２１に導出する出口パイプ３３と、排気との熱交換により、内部に封入された作動流体を加熱して蒸発させる蒸発部４０と、蒸発した作動流体と水タンク３１内のエンジン冷却水との熱交換により作動流体を冷却して凝縮させるとともにエンジン冷却水を加熱する凝縮部５０と、蒸発部４０で蒸発した作動流体を凝縮部５０に流入させる蒸気管６０と、凝縮部５０で凝縮した作動流体を蒸発部４０に還流させる還流管６１とを有するように構成する。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
内燃機関（１０）から排出される排気の排気熱を回収して被加熱流体を加熱する排気熱回収装置であって、
前記被加熱流体を循環させる被加熱流体回路（２１）に介設される被加熱流体タンク（３１）と、
前記被加熱流体タンク（３１）に設けられ、前記被加熱流体回路（２１）の前記被加熱流体を前記被加熱流体タンク（３１）内に導入する導入部（３２）と、
前記被加熱流体タンク（３１）の前記導入部（３２）よりも上方に設けられ、前記被加熱流体タンク（３１）内の前記被加熱流体を前記被加熱流体回路（２１）に導出する導出部（３３）と、
前記排気との熱交換により、内部に封入された作動流体を加熱して蒸発させる蒸発部（４０）と、
蒸発した前記作動流体と前記被加熱流体タンク（３１）内の前記被加熱流体との熱交換により前記作動流体を冷却して凝縮させるとともに前記被加熱流体を加熱する凝縮部（５０）と、
前記蒸発部（４０）で蒸発した前記作動流体を前記凝縮部（５０）に流入させる蒸気管（６０）と、
前記凝縮部（５０）で凝縮した前記作動流体を前記蒸発部（４０）に還流させる還流管（６１）と
を有することを特徴とする排気熱回収装置。
【請求項２】
前記導出部（３４）は、前記被加熱流体タンク（３１）の側面上端部近傍に設けら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。
【請求項３】
前記導出部（３５）は、前記被加熱流体タンク（３１）の上面部に設けら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、内燃機関から排出される排気熱を回収して被加熱流体を加熱する排気熱回収装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
特許文献１には、ループ型のヒートパイプ式熱交換器が開示されている。この熱交換器は、内部に封入された作動流体を外部からの入熱により蒸発させる蒸発部と、蒸発部の上方に配置され、蒸発部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、作動流体を冷却して凝縮させるとともに被加熱流体を加熱する凝縮部とを有している。蒸発部と凝縮部との間は、蒸気管路及び凝縮管路により環状に接続されている。蒸発部で蒸発した作動流体は蒸気管路を通って凝縮部に流入し、凝縮部で凝縮した作動流体は凝縮管路を通って蒸発部に流入する。
【特許文献１】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】
【０００３】
上記のヒートパイプ式熱交換器は、車両のエンジンから排出される排気熱を回収してエンジン冷却水を加熱する排気熱回収装置に適用できる。図５は、ループ型のヒートパイプを備えた排気熱回収装置のうち凝縮部近傍の構成を模式的に示す断面図である。図５の上下方向は、概ね鉛直上下方向を表している。図５中の細実線矢印は液体状態の作動流体の流れ方向を表し、破線矢印は気体状態の作動流体の流れ方向を表し、太矢印はエンジン冷却水の流れ方向を表している。
【０００４】
図５に示すように、ヒートパイプの凝縮部１４０は、エンジン冷却水が循環する冷却水回路の途中に介設された水タンク１３１内に設けられている。水タンク１３１の側面には、冷却水回路を流れるエンジン冷却水を水タンク１３１内に導入する入口パイプ１３２と、水タンク１３１内のエンジン冷却水を冷却水回路に導出する出口パイプ１３３とが設けられている。入口パイプ１３２は水タンク１３１の側面上部に設けられており、出口パイプ１３３は入口パイプ１３２よりも下方に設けられている。
【０００５】
上記のような構成の場合、水タンク１３１を通過するエンジン冷却水に空気等の気体が混入していると、水タンク１３１内の上部に気体（気泡）１３４が溜まってしまう。水タンク１３１内に気体１３４が溜まってしまうと、凝縮部１４０の凝縮性能が低下するため作動流体が蒸発部に還流し難くなる。したがって、排気熱回収装置の熱回収性能が低下してしまうという問題が生じる。
【０００６】
また、一般にエンジン冷却水はエンジン駆動式のウォータポンプによって冷却水回路を循環しているため、エンジンが停止するとエンジン冷却水の循環も停止する。エンジンの停止直後のデッドソーク時には、余熱を回収し続ける蒸発部からの熱移動により、循環の停止した水タンク１３１内のエンジン冷却水が加熱される。一方、水タンク１３１内に気体１３４が溜まっていると、水タンク１３１内のエンジン冷却水が減少するため熱容量が減少する。したがって、デッドソーク時にエンジン冷却水が水タンク１３１内で局部沸騰してしまう可能性が高まるという問題が生じる。
【０００７】
本発明の目的は、熱回収性能が高く、被加熱流体の局部沸騰を防止できる排気熱回収装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
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。
【０００９】
請求項１に記載の発明は、内燃機関（１０）から排出される排気の排気熱を回収して被加熱流体を加熱する排気熱回収装置であって、被加熱流体を循環させる被加熱流体回路（２１）に介設される被加熱流体タンク（３１）と、被加熱流体タンク（３１）に設けられ、被加熱流体回路（２１）の被加熱流体を被加熱流体タンク（３１）内に導入する導入部（３２）と、被加熱流体タンク（３１）の導入部（３２）よりも上方に設けられ、被加熱流体タンク（３１）内の被加熱流体を被加熱流体回路（２１）に導出する導出部（３３）と、排気との熱交換により、内部に封入された作動流体を加熱して蒸発させる蒸発部（４０）と、蒸発した作動流体と被加熱流体タンク（３１）内の被加熱流体との熱交換により作動流体を冷却して凝縮させるとともに被加熱流体を加熱する凝縮部（５０）と、蒸発部（４０）で蒸発した作動流体を凝縮部（５０）に流入させる蒸気管（６０）と、凝縮部（５０）で凝縮した作動流体を蒸発部（４０）に還流させる還流管（６１）とを有することを特徴としている。
【００１０】
被加熱流体タンク（３１）の導出部（３３）が導入部（３２）よりも上方に設けられることにより被加熱流体タンク（３１）内の被加熱流体には上向きの流れが生じるため、被加熱流体に生じた気泡は被加熱流体の流れとともに導出部（３３）を介して被加熱流体回路（２１）に押し出され、被加熱流体タンク（３１）の上部に溜まり難くなる。したがって、被加熱流体タンク（３１）の上部に気体が溜まるのを防止できるため、凝縮部（５０）の凝縮性能の低下を防止でき、排気熱回収装置の熱回収性能を向上できる。また、被加熱流体の流れが停止した状態での被加熱流体タンク（３１）内の熱容量を増加させることができるため、デッドソーク時に被加熱流体が被加熱流体タンク（３１）で局部沸騰するのを防止できる。
【００１１】
請求項２に記載の発明は、導出部（３４）は、被加熱流体タンク（３１）の側面上端部近傍に設けられていることを特徴としている。
【００１２】
これにより、被加熱流体に生じた気泡は導出部（３４）を介して被加熱流体回路（２１）に押し出され易くなるため、被加熱流体タンク（３１）の上部にさらに溜まり難くなる。
【００１３】
請求項３に記載の発明は、導出部（３５）は、被加熱流体タンク（３１）の上面部に設けられていることを特徴としている。
【００１４】
これにより、被加熱流体に生じた気泡は導出部（３５）を介して被加熱流体回路（２１）に押し出され易くなるため、被加熱流体タンク（３１）の上部にさらに溜まり難くなる。
【００１５】
なお、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の一例を示している。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１６】
（第１実施形態）
本発明の第１実施形態について図１乃至図４を用いて説明する。図１は、本実施形態の排気熱回収装置を搭載した車両の冷却系及び排気系の概略構成を示す模式図である。図１ではエンジン冷却水（被加熱流体）の流れ方向を矢印で示している。図１に示すように、排気熱回収装置１が搭載される車両は、走行用の駆動源として水冷式のエンジン（内燃機関）１０を備えている。エンジン１０には、エンジン１０からの排気を外部に排出するための排気管１１が接続されている。排気管１１の途中には、当該排気管１１を流通する排気を浄化する触媒コンバータ１２が介設されている。また排気管１１のうち触媒コンバータ１２の下流側には、後述する排気熱回収装置１のダクト部１３が設けられている。
【００１７】
エンジン１０には、ラジエータ回路２０、排気熱回収回路（被加熱流体回路）２１及びヒータ回路２２が接続されている。ラジエータ回路２０、排気熱回収回路２１及びヒータ回路２２には、エンジン１０を冷却するためのエンジン冷却水が例えばエンジン駆動式のウォータポンプ２３により循環するようになっている。エンジン冷却水には例えばＬＬＣが用いられる。
【００１８】
ラジエータ回路２０には、エンジン冷却水を外気との熱交換により冷却するラジエータ２４と、ラジエータ２４を迂回してエンジン冷却水を流通させるバイパス流路２５とが設けられている。ラジエータ２４を通過するエンジン冷却水の流量とバイパス流路２５を通過するエンジン冷却水の流量とは、サーモスタット２６によって調節されるようになっている。
【００１９】
排気熱回収回路２１は、エンジン出口部でラジエータ回路２０から分岐し、ウォータポンプ２３でラジエータ回路２０に合流している。排気熱回収回路２１の途中には、後述する排気熱回収装置１の水タンク（被加熱流体タンク）３１が設けられている。
【００２０】
ヒータ回路２２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流出するエンジン冷却水（温水）を排気熱回収装置１より下流側で排気熱回収回路２１に合流させる回路である。ヒータ回路２２には、暖房用熱交換器としてのヒータコア２７が設けられている。ヒータコア２７は、不図示の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エンジン冷却水との熱交換により加熱するようになっている。
【００２１】
図２は、本実施形態における排気熱回収装置の構成を模式的に示す断面図である。図２の上下方向は、概ね鉛直上下方向を表している。図２中の細実線矢印は液体状態の作動流体の流れ方向を表し、破線矢印は気体状態の作動流体の流れ方向を表し、太矢印はエンジン冷却水の流れ方向を表している。
【００２２】
図２に示すように、排気熱回収装置１は、エンジン１０から排出される排気熱を回収してエンジン冷却水を加熱するループ型のヒートパイプ２を有している。ヒートパイプ２には、作動流体を内部に封入する際に用いられる不図示の封止部が設けられている。封止部は、ヒートパイプ２内を減圧して作動流体を注入した後に封止されている。作動流体としては、水、アルコール、フルオロカーボン又はクロロフルオロカーボン（フロン）等が用いられる。
【００２３】
ヒートパイプ２は、内部に封入された作動流体を排気との熱交換により加熱して蒸発させる蒸発部（吸熱部）４０を有している。蒸発部４０は、排気管１１の途中に介設されたダクト部１３内に設けられている。
【００２４】
蒸発部４０は例えば、それぞれほぼ鉛直方向に延びる複数の扁平チューブ４１と、各扁平チューブ４１の外壁面に熱的に接続された波状のフィン４２とが水平方向に積層された構造を有している。各扁平チューブ４１の下端には、扁平容器状の下タンク４３が接続されている。また各扁平チューブ４１の上端には、扁平容器状の上タンク４４が接続されている。下タンク４３及び上タンク４４は、各扁平チューブ４１を介して互いに連通されている。
【００２５】
またヒートパイプ２は、蒸発部４０で蒸発した作動流体とエンジン冷却水との熱交換により、作動流体を冷却して凝縮させるとともにエンジン冷却水を加熱する凝縮部（放熱部）５０を有している。凝縮部５０は、排気熱回収回路２１の途中に介設され、ダクト部１３の側方に配置された水タンク３１内に収容されている。
【００２６】
凝縮部５０は例えば、それぞれほぼ鉛直方向に延びる複数の扁平チューブ５１と、各扁平チューブ５１の外壁面に熱的に接続された波状のフィン５２とが水平方向に積層された構造を有している。各扁平チューブ５１の下端には、扁平容器状の下タンク５３が接続されている。また各扁平チューブ５１の上端には、扁平容器状の上タンク５４が接続されている。下タンク５３及び上タンク５４は、各扁平チューブ５１を介して互いに連通されている。
【００２７】
凝縮部５０の下タンク５３内には、内圧作動弁７０が設けられている。内圧作動弁７０の内部は、大気側と連通する大気側空間７１と、下タンク５３及び後述する還流管６１間を連通させる連通流路７２とに、ダイヤフラム７３によって区画されている。連通流路７２には、ダイヤフラム７３に接続され、連通流路７２を開閉する弁体７４が設けられている。
【００２８】
ダイヤフラム７３は、外気側からかかる大気圧と、ヒートパイプ２（凝縮部５０）の内圧とのバランスによって図２中の左右方向に変位する。ダイヤフラム７３の変位に伴い弁体７４が変位することで、連通流路７２が開閉される。このように、内圧作動弁７０は作動流体の圧力に応じて連通流路７２を開閉するダイヤフラム式の弁として機能する。具体的には、ヒートパイプ２の内圧が所定圧力（閉弁圧）未満のときには、連通流路７２は開状態にある。ヒートパイプ２の内圧が所定圧力以上に上昇して大気圧に打ち勝つと、弁体７４が図２中の右方向に変位して連通流路７２が閉じられる。
【００２９】
蒸発部４０の上タンク４４と凝縮部５０の上タンク５４とは、ダクト部１３及び水タンク３１を貫通する蒸気管６０によって連通している。また、内圧作動弁７０の連通流路７２と蒸発部４０の一部の扁平チューブ４１とは、水タンク３１及びダクト部１３を貫通する還流管６１によって連通している。これにより、下タンク４３、扁平チューブ４１、上タンク４４、蒸気管６０、上タンク５４、扁平チューブ５１、下タンク５３、内圧作動弁７０（連通流路７２）、還流管６１、扁平チューブ４１及び下タンク４３は環状に接続され、内部に封入された作動流体を循環させるようになっている。
【００３０】
水タンク３１の側面下方には、排気熱回収回路２１を流れるエンジン冷却水を水タンク３１内に導入する入口パイプ（導入部）３２が設けられている。また水タンク３１の側面のうち入口パイプ３２よりも上方には、水タンク３１内のエンジン冷却水を排気熱回収回路２１に導出する出口パイプ（導出部）３３が設けられている。
【００３１】
ヒートパイプ２を構成する上記の各部材は、高い耐食性を備えたステンレス鋼製である。各部材は、互いに組み付けられた後に、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されている。
【００３２】
次に、本実施形態の排気熱回収装置の作動について説明する。
【００３３】
エンジン１０が起動すると併せてウォータポンプ２３が作動し、エンジン冷却水はラジエータ回路２０、排気熱回収回路２１及びヒータ回路２２を循環する。エンジン１０からの排気は、排気管１１内を流れ、触媒コンバータ１２及び排気熱回収装置１のダクト部１３（蒸発部４０）を通過して大気中に排出される。また、排気熱回収回路２１を循環するエンジン冷却水は、排気熱回収装置１の水タンク３１内（凝縮部５０）を通過する。ヒートパイプ２の内圧は、エンジン１０起動時には比較的低く、エンジン１０の作動に伴い徐々に上昇する。
【００３４】
ヒートパイプ２の蒸発部４０では、排気との熱交換により作動流体が加熱されて蒸発する。蒸気となった作動流体は扁平チューブ４１内を上昇し、蒸気管６０内を通って凝縮部５０に流入する。
【００３５】
一方、排気熱回収回路２１を流れるエンジン冷却水は、入口パイプ３２を介して水タンク３１内に流入する。水タンク３１内に流入したエンジン冷却水は、水タンク３１内を出口パイプ３３に向かって上向きに流れる。
【００３６】
凝縮部５０では、蒸発部４０で蒸発した作動流体と水タンク３１内を流れるエンジン冷却水との熱交換によって、作動流体が冷却されて凝縮するとともにエンジン冷却水が加熱される。ヒートパイプ２の内圧が内圧作動弁７０の閉弁圧未満である状態では連通流路７２が開状態にあるため、凝縮した作動流体は扁平チューブ５１内を流れ落ち、還流管６１を通って蒸発部４０に戻る。また、加熱されたエンジン冷却水は、水タンク３１から出口パイプ３３を介して外部に流出する。
【００３７】
このように、エンジン１０から排出される排気熱は、作動流体によって蒸発部４０から凝縮部５０に輸送され、凝縮部５０で作動流体が凝縮する際に凝縮潜熱として放出される。これにより排気熱回収回路２１を流れるエンジン冷却水が積極的に加熱されるため、エンジン１０の暖機が促進されるとともに、エンジン冷却水を用いた暖房性能が向上するようになっている。
【００３８】
ヒートパイプ２の内圧が上昇して閉弁圧以上になると、内圧作動弁７０のダイヤフラム７３及び弁体７４が図２の右方向に変位し、連通流路７２が閉じられる。これにより、凝縮部５０で凝縮した作動流体の蒸発部４０への還流が阻止される。このため、蒸発部４０に残存する作動流体が全て蒸発すると排気熱の回収が停止し、凝縮した作動流体は凝縮部５０側に溜められる。この状態では、ヒートパイプ２の内圧は徐々に低下する。
【００３９】
ヒートパイプ２の内圧が低下して所定の開弁圧以下になると、ダイヤフラム７３及び弁体７４が図２の左方向に戻り、連通流路７２が再び開かれる。これにより、凝縮部５０で凝縮した作動流体の蒸発部４０への還流が再開され、排気熱の回収が再開される。
【００４０】
本実施形態では、水タンク３１の出口パイプ３３は入口パイプ３２よりも上方に設けられている。このため、水タンク３１内のエンジン冷却水は水タンク３１の上方に向かって流れ、水タンク３１の上部を通過して出口パイプ３３から外部に流出する。空気等の気体の混入によりエンジン冷却水に生じた気泡は、エンジン冷却水との密度差により上方に向かう。ところが、気泡はエンジン冷却水の流れと共に出口パイプ３３から外部に押し出されるため、水タンク３１の上部に溜まり難くなっている。
【００４１】
したがって本実施形態によれば、水タンク３１の上部に気体が溜まることを防止できるため、凝縮部５０の凝縮性能の低下を防止でき、排気熱回収装置１の熱回収性能を向上できる。
【００４２】
また本実施形態によれば、水タンク３１の上部に気体が溜まることを防止できるため、エンジン冷却水の流れが停止した状態での水タンク３１内の熱容量を増加させることができる。したがって、デッドソーク時にエンジン冷却水が水タンク３１内で局部沸騰するのを防止できる。
【００４３】
図３は、本実施形態における排気熱回収装置の凝縮部近傍の構成の変形例を模式的に示す断面図である。図３に示すように、本変形例では、出口パイプ３４が水タンク３１の側面上端部近傍に設けられている。これにより、エンジン冷却水に生じた気泡は出口パイプ３４から水タンク３１外部にさらに押し出され易くなるため、水タンク３１の上部に気体が溜まることをより確実に防止できる。
【００４４】
図４は、本実施形態における排気熱回収装置の構成の他の変形例を模式的に示す断面図である。図４に示すように、本変形例では、出口パイプ３５が水タンク３１の上面部に上向きに設けられている。これにより、エンジン冷却水に生じた気泡は出口パイプ３５から水タンク３１外部にさらに押し出され易くなるため、水タンク３１の上部に気体が溜まることをより確実に防止できる。
【００４５】
（その他の実施形態）
上記実施形態では、被加熱流体としてエンジン冷却水が用いられているが、それ以外に、インバータの冷却水、オートマチック・トランスミッション・フルード（ＡＴＦ）、エンジンオイル等を被加熱流体として用いることもできる。
【図面の簡単な説明】
【００４６】
【図１】第１実施形態の排気熱回収装置を搭載した車両の冷却系及び排気系の概略構成を示す模式図である。
【図２】第１実施形態における排気熱回収装置の構成を模式的に示す断面図である。
【図３】第１実施形態における排気熱回収装置の構成の変形例を模式的に示す断面図である。
【図４】第１実施形態における排気熱回収装置の構成の他の変形例を模式的に示す断面図である。
【図５】ループ型のヒートパイプを備えた排気熱回収装置のうち凝縮部近傍の構成を模式的に示す断面図である。
【符号の説明】
【００４７】
１  排気熱回収装置
２  ヒートパイプ
１０  エンジン（内燃機関）
２１  排気熱回収回路（被加熱流体回路）
３１  水タンク（被加熱流体タンク）
３２  入口パイプ（導入部）
３３、３４、３５  出口パイプ（導出部）
４０  蒸発部
５０  凝縮部
６０  蒸気管
６１  還流管
【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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