JP4882699B2 - 排熱回収装置 - Google Patents

Description

本発明は、ループ式のヒートパイプを用いて内燃機関の排気ガスの排熱を回収して、内燃機関の冷却水加熱のために利用する排熱回収装置に関するものであり、例えば内燃機関を備える車両に用いて好適である。

従来のヒートパイプ式熱交換器として、例えば特許文献１に示されるものが知られている。即ち、この熱交換器は、ループ型のヒートパイプを使用したものであり、凝縮部から蒸発部へ至る凝縮管路の途中に内部を流通する伝熱流体の流量を調整する制御弁を有している。

そして、蒸発部から凝縮部に至る間の蒸発管路途中に分岐接続された分岐管路が設けられ、この分岐管路に蒸発管路から受ける所定値以上の蒸気圧力により作動する駆動部が設けられている。また、上記制御弁の凝縮器側には、駆動部の作動に連動して、凝縮管路を閉塞する従動弁が設けられている。

尚、駆動部は、例えばダイヤフラムに固定された弁体を有するダイヤフラムモータとして形成されており、また、従動弁は、例えば、上記ダイヤフラムの変位に連動するリンクおよびケーブルによって凝縮管路を閉じる緊急閉止弁として形成されている。また、ダイヤフラムモータと緊急閉止弁との間には、ダイヤフラムモータ内に侵入した蒸気を緊急閉止弁側に排出する連結管が設けられている。

これにより、凝縮部における被伝熱流体の温度等に応じて、制御弁の開度が制御され、被伝熱流体への熱輸送量が調節されると共に、ヒートパイプ内の圧力が設定値以内に維持される。

また、制御弁が何らかの異常によって、常に開状態のままとなり、蒸発部での過剰な蒸発が続き、蒸気圧力が所定値を超えると、駆動部が作動され、それに連動する従動弁によって、凝縮管路が閉塞される。よって、伝熱流体の流れが強制的に停止されるので、それ以上の蒸気圧力の異常上昇を防止することができ、ヒートパイプの破裂等を防止できるとしている。
特開平４−４５３９３号公報

しかしながら、上記熱交換器においては、駆動部が蒸発管路側に設けられており、また、緊急閉止弁が凝縮管路側に設けられているので、両者を連動させるためのリンクおよびワイヤを必要としている。また、駆動部に蒸気が侵入した場合に、この蒸気を緊急閉止弁側に排出するための連結管を必要としており、総じて複雑な構成となっている。

更には、緊急閉止弁が閉じてヒートパイプが作動を停止すると、ヒートパイプの内圧が低下するため再度、緊急閉止弁が開いてしまうが、これを回避するために、リンクあるいはケーブルにインターロック手段が必要とされており、構成の複雑さを助長している。

本発明の目的は、上記問題に鑑み、ループ式のヒートパイプを利用するものにおいて、過剰な熱量を回収しないための制御をより簡便な構成によって実現可能とする排熱回収装置を提供することにある。

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。

請求項１に記載の発明では、内燃機関（１０）の排気の熱によって内部に封入された作動媒体を蒸発させる蒸発部（１１０）と、
蒸発部（１１０）で蒸発した作動媒体を、内燃機関（１０）の冷却水によって冷却する凝縮部（１３０）と、
蒸発部（１１０）と凝縮部（１３０）とを連通させる連通部（１６１）とを備えるループ式のヒートパイプ（１０１）を有する排熱回収装置であって、
作動媒体の圧力に応じて作動する作動動力源（１５３）と、
作動動力源（１５３）と一体的に形成され、作動動力源（１５３）に連動して連通部（１６１）を開閉する弁体（１５５）とを備える弁機構（１５０）を有し、
弁機構（１５０）の弁体（１５５）は、凝縮部（１３０）の流路内の下流側、もしくは蒸発部（１１０）の流路内の上流側に配されており、
作動動力源（１５３）は、凝縮部（１３０）の流路内の下流側、もしくは蒸発部（１１０）の流路内の上流側を通過する作動媒体の内圧に応じて作動することを特徴としている。

これにより、弁機構（１５０）を簡便な構成とすることができ、作動動力源（１５３）が感知する圧力あるいは温度に応じて凝縮部（１３０）から蒸発部（１１０）へ流れる作動媒体の流量を調節でき、過剰な熱量の回収を回避することができる。
請求項２に記載の発明では、作動動力源（１５３）の一部は、凝縮部（１３０）の流路内の下流側、もしくは蒸発部（１１０）の流路内の上流側に配されていることを特徴としている。
請求項３に記載の発明では、作動動力源（１５３）は、凝縮部（１３０）の流路内の下流側、もしくは蒸発部（１１０）の流路内の上流側に配されていることを特徴している。

請求項４に記載の発明では、弁体（１５５）の開閉作動特性に、ヒステリシスを持たせたことを特徴としている。

これにより、ヒートパイプ（１０１）内の圧力あるいは温度の微小変動に対して、弁体（１５５）の開弁状態、あるいは閉弁状態がハンチングするのを防止することができるので、安定した熱回収、あるいは熱回収の停止が可能となる。

請求項５に記載の発明では、弁体（１５５）のヒステリシスは、作動動力源（１５３）が感知する圧力が第１所定圧力以上で閉弁し、第１所定圧力より低く設定された第２所定圧力以下で開弁することを特徴としている。

これにより、作動動力源（１５３）が感知する圧力が、第１所定圧力以上で弁体（１５５）が閉弁して、ヒートパイプ（１０１）内の作動媒体の還流を停止して、熱回収を停止すると共に、第２所定圧力以下で弁体（１５３）が開弁して、ヒートパイプ（１０１）内の作動媒体を還流させて熱回収を可能とする。また、作動動力源（１５３）が感知する圧力が、第１所定圧力および第２所定圧力の間にある場合は、その圧力範囲になる以前の弁体（１５５）の開閉状態が維持される。

請求項６に記載の発明のように、作動媒体を水とした場合は、第１所定圧力を０．１ＭＰａ、第２所定圧力を０．０５ＭＰａに設定すれば、排熱回収装置（１００）として内燃機関（１０）の排熱回収に好適な設定となる。

尚、請求項６に記載の発明に対して、請求項７に記載の発明のように、作動媒体を水として、第１所定圧力を０．１ＭＰａ、第２所定圧力を０．６ｋＰａに設定するようにしても良い。

開弁圧を０．６ｋＰａに設定することにより、水の飽和蒸気温度は０℃相当となり、その圧力以上であれば水は凍ることなく、ヒートパイプ（１０１）内での蒸発、凝縮による基本的な熱輸送が可能となる条件とすることができる。よって、冷却水に対する排熱回収を可能とする作動範囲を最大限拡大することができる。

請求項８に記載の発明では、弁機構（１５０）には、弁体（１５５）が閉じられた時でも、作動媒体の凝縮部（１３０）から蒸発部（１１０）への微量流通を可能とする微小孔（１５２ｅ）が設けられたことを特徴としている。

これにより、弁体（１５５）が閉弁状態であっても、凝縮部（１３０）からの凝縮液を微小孔（１５２ｅ）を通して蒸発部（１１０）に供給して、蒸発部（１１０）を冷却することができるので、排熱回収装置（１００）の耐熱性を向上させることができる。

請求項９に記載の発明では、蒸発部（１１０）と凝縮部（１３０）との間に設けられ、蒸発部（１１０）と凝縮部（１３０）との間を断熱する断熱部（１２０）を有することを特徴としている。

これにより、凝縮部（１３０）における冷却水によって蒸発部（１１０）が冷却されることが防止でき、蒸発部（１１０）内で凝縮作用が発生することが無い。

請求項１０に記載の発明では、断熱部（１２０）は、蒸発部（１１０）と凝縮部（１３０）との間に配設される断熱壁（１２１）によって形成される空間部（１２０）としたことを特徴としている。

これにより、空間部における空気層により断熱効果を持たせることができ、簡単な構成で断熱部（１２０）を形成できる。

請求項１１に記載の発明では、連通部（１６１）は、排気が通過する領域から外れた領域に配置されたことを特徴としている。

これにより、連通部（１６１）内の作動媒体が排気によって蒸発されないようにすることができるので、凝縮部（１３０）から蒸発部（１１０）へのスムースな作動媒体の還流が可能となる。

請求項１２に記載の発明では、蒸発部（１１０）および連通部（１６１）は、排気が通過する排気通路（１１３、１１４、１１８）に配されていることを特徴としている。

これにより、凝縮部（１３０）と蒸発部（１１０）とをコンパクトに接続できると共に、連通部（１６１）を蒸発部（１１０）の複数の流路（１１１）と併せて組付けが可能となり、排熱回収装置（１００）の製造が容易となる。

請求項１３に記載の発明では、連通部（１６１）の少なくとも排気流れ上流側に、排気の熱を遮熱する還流路断熱壁（１６２）が設けられていることを特徴としている。

これにより、連通部（１６１）内の作動媒体に対して排気の熱が伝達するのを防止できるので、連通部（１６１）内において作動媒体が蒸発するのを防止でき、凝縮部（１３０）から蒸発部（１１０）へのスムースな作動媒体の還流が可能となる。

請求項１４に記載の発明では、蒸発部（１１０）は、長手方向が上下方向となるように、内燃機関（１０）の排気が通過する排気通路（１１３、１１４、１１８）内に配された複数の流路（１１１）から成り、凝縮部（１３０）は、蒸発部（１１０）の上方に配され、内燃機関（１０）の冷却水が通過する冷却水流路（１４０）内に配されており、連通部（１６１）は、流路（１１１）とほぼ同一の長手方向寸法を有する還流路（１６１）であることを特徴としている。

これにより、熱輸送性能に優れると共に、コンパクトな排熱回収装置（１００）とすることができる。即ち、蒸発部（１１０）に複数の流路（１１１）を設けることで、排気に対する受熱面積を増大させて、蒸発部（１１０）における作動媒体の蒸発を促進できるので、凝縮部（１３０）への熱輸送量を増大させることができる。

また、還流路（１６１）の長手方向寸法を複数の流路（１１１）と略同一に形成することで、凝縮部（１３０）と蒸発部（１１０）とをコンパクトに接続できる。

請求項１５に記載の発明では、連通部（１６１）は、複数の流路（１１１）の排気流れ下流側に配されていることを特徴としている。

これにより、排気が複数の流路（１１１）内の作動媒体を加熱することで排気は下流側ほど温度低下していくので、連通部（１６１）において排気による作動媒体の蒸発を更に抑制することができる。

請求項１６に記載の発明のように、蒸発部（１１０）は、長手方向が上下方向となるように、内燃機関（１０）の排気が通過する排気通路（１１３、１１４、１１８）内に配された複数の流路（１１１）と、複数の流路（１１１）で蒸発した作動媒体を集める第１のヘッダ（１１４、１２１）と、凝縮部（１３０）で凝縮された作動媒体を複数の流路（１１１）に分配する第２のヘッダ（１１３、１１５）とから形成して、また、凝縮部（１３０）は、内燃機関（１０）の冷却水が通過する冷却水流路（１４０）内に配され、第１のヘッダ（１１４、１２１）および第２のヘッダ（１１３、１１５）に対して連通部（１６１）を介して連通するように形成することができる。

請求項１７に記載の発明のように、弁機構（１５０、１７０）は、作動媒体の圧力に応じて変位するダイヤフラム（１５３）によって弁体（１５５）を駆動するダイヤフラム式を用いて好適である。

請求項１８に記載の発明では、連通部（１６１）は、蒸発部（１１０）で蒸発された作動媒体が凝縮部（１３０）へ流入する流入路（１６３）と、凝縮部（１３０）で冷却された作動媒体が蒸発部（１１０）に還流する還流路（１６４）とを備えており、流入路（１６３）および還流路（１６４）は、互いに隣接して設けられ、流入路（１６３）は、非作動時における蒸発部（１１０）内の作動媒体の液面よりも上側に配設されたことを特徴としている。

蒸発部（１１０）と凝縮部（１３０）とを接続する上記２つの流路（１６３、１６４）部においては、排気および冷却水の温度差によって熱応力（熱歪）が発生する。この熱応力は２つの流路（１６３、１６４）間の距離が大きいほど大きくなる。しかしながら、請求項１８に記載の発明では、２つの流路（１６３、１６４）を隣接させることで、２つの流路（１６３、１６４）間の距離を小さくすることができるので、２つの流路（１６３、１６４）部に発生する熱応力を低減することができる。この時、流入路（１６３）は作動媒体の液面より上側に配設されることより、作動媒体（液体）によって満たされることがないので、蒸発部（１１０）で蒸発されて凝縮部（１３０）に向かう作動媒体（蒸気）が滞ることがない。

また、請求項１９に記載の発明では、連通部（１６１）は、１つの流路（１６５）によって形成されると共に、非作動時における蒸発部（１１０）内の作動媒体の液面よりも上側に配設されたことを特徴としている。

これにより、上記請求項１８に記載の発明のように、２つの流路（１６３、１６４）を設定する場合に対して、２つの流路（１６３、１６４）間の距離を実質的に無くすことができるので、発生する熱応力を更に低減することができる。

上記請求項１９に記載の発明において、請求項２０に記載の発明では、流路（１６５）の内部には、蒸発部（１１０）で蒸発された作動媒体と、凝縮部（１３０）で冷却された作動媒体とを非接触とする隔壁（１６６）が設けられたことを特徴としている。

これにより、流路（１６５）内において、蒸発された作動媒体が冷却された作動媒体と接触することが防止されるので、蒸発された作動媒体が凝縮部（１３０）に流入する前に冷却（凝縮）されるのを防止できる。

請求項２１に記載の発明では、弁機構（１５０）は、非作動時における蒸発部（１１０）内の作動媒体の液面よりも上側に配設されたことを特徴としている。

排熱回収装置（１００）に設けられる弁機構（１５０）が作動媒体の液面より下側に配設されていると、排熱回収装置（１００）の非作動時において、低温環境下で作動媒体と共に弁機構（１５０）も凍結してしまう場合がある。弁機構（１５０）が凍結すると、その開閉作動が機能しなくなる。よって、排熱回収装置（１００）を作動させた時に、弁機構（１５０）の周りが解凍されるまでは、作動媒体の還流が阻止されて排熱回収装置（１００）として機能しないことになる。しかしながら、請求項２１に記載の発明では、弁機構（１５０）は、作動媒体によって凍結することがないので、上記のような不具合を起こすことがない。

請求項２２に記載の発明では、凝縮部（１３０）の内部には、冷却された作動媒体が蒸発器（１１０）側に逆流するのを阻止する逆流阻止手段（１３３ｄ、１３３ｅ）が設けられたことを特徴としている。

弁機構（１５０）が閉弁状態となって作動媒体の還流が停止されている時には、蒸発部（１１０）は空焚き状態となって、非常に高温となる。このような状態の中で、凝縮部（１３０）で冷却された作動媒体が蒸発部（１１０）に逆流すると、蒸発部（１１０）は急冷されて熱応力が発生する。また、逆流した作動媒体が蒸発して蒸発部（１１０）内の圧力が上昇し、更には、熱輸送は蒸発部（１１０）内で完結してしまい、総じて排熱回収装置（１００）の強度面、機能面で好ましくない状態となる。しかしながら、請求項２２に記載の発明では、逆流阻止手段（１３３ｄ、１３３ｅ）によって上記のような不具合を防止することができる。

逆流阻止手段としては、請求項２３に記載の発明のように、作動媒体の流れ方向に傾斜する板状の返し部（１３３ｄ）としたり、また、請求項２４に記載の発明のように、作動媒体の流路を縮径する絞り部（１３３ｅ）とすることができる。

尚、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。

（第１実施形態）
本発明の第１実施形態における排熱回収装置１００は、エンジン１０を走行用の駆動源とする車両（自動車）に適用されるものとしている。排熱回収装置１００は、エンジン１０の排気管１１および排熱回収回路３０に配設されている。以下、具体的な構成について図１〜図５を用いて説明する。尚、図１は排熱回収装置１００の車両への搭載状態を示す模式図、図２は排熱回収装置１００を示す断面図、図３は図２におけるIII−III部を示す断面図、図４は排熱回収装置１００内に設けられる弁機構１５０の開弁状態を示す断面図、図５は排熱回収装置１００内に設けられる弁機構１５０の閉弁状態を示す断面図である。

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（排気）が排出される排気管１１を有している。排気管１１には排気ガスを浄化する触媒コンバータ１２が設けられている。また、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）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、空調空気を加熱する加熱源としての冷却水（温水）が循環するヒータ回路４０とを有している。

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。

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熱回収装置１００の水タンク１４０（凝縮部１３０）が接続されている。

尚、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。

排熱回収装置１００は、図２、図３に示すように、蒸発部１１０、凝縮部１３０、弁機構１５０、凝縮水還流路１６０が順次接続されて成るループ式のヒートパイプ１０１を有している。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。水の沸点は、１気圧で１００℃であるが、ヒートパイプ１０１内を減圧（例えば０．０１気圧）しているため、沸点は、５〜１０℃となる。尚、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良い。

ヒートパイプ１０１の凝縮部１３０および弁機構１５０は、水タンク１４０内に配設されている。尚、排熱回収装置１００を構成する各部材（以下説明）は、高耐食性を備えるステンレス材から成り、各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、一体的にろう付けされている。

蒸発部１１０は、チューブ１１１、フィン１１２、各プレート１１３、１１４、１１５等から形成されている。チューブ（本発明における流路に対応）１１１は、断面扁平状を成す細長の管部材であり、長手方向が上下を向くようにして、図２、図３中の左右方向に所定のチューブピッチＴＰを持って複数並べられて列を成している。更に図２の紙面に対して垂直方向（図３中の上下方向）にも上記列が複数（ここでは３列）並ぶように配置されて、長手方向の両端部がそれぞれ、チューブ孔の穿設された下プレート１１３、上プレート１１４に接合されている。チューブ１１１の外壁面には、薄肉板材から形成されたプレートタイプのフィン１１２が複数枚、接合されている。

下プレート１１３には、チューブ１１１の端部側から対向するように下タンクプレート１１５が接合されて、ヘッダを形成している。このヘッダは本発明における第２のヘッダに対応する。そして、下プレート１１３と下タンクプレート１１５との間に形成される空間は、連通部１１６となっており、複数のチューブ１１１の下側は、この連通部１１６によって互いに連通している。

同様に、上プレート１１４には、チューブ１１１の端部側から対向するように断面波形に形成された断熱プレート（本発明における断熱壁に対応）１２１が接合されて、ヘッダと形成している。このヘッダは本発明における第１のヘッダに対応する。そして、上プレート１１４と断熱プレート１２１との間に形成される空間は、連通部１１７となっており、複数のチューブ１１１の上側は、この連通部１１７によって互いに連通している。尚、複数並べられたチューブ１１１の配列方向の左右の最外方には、補強部材および取付け部材としてのサイドプレート１１８が接合されている。

上記の下プレート１１３、上プレート１１４、左右のサイドプレート１１８によって、図２の紙面に対して垂直方向に排気ガスが流通する断面四角状の排気通路が形成される。

水タンク（本発明の冷却水流路に対応）１４０は、平板状の水タンクプレート１４１と断面Ｕ字状の水タンク部１４２とによって、チューブ１１１の配列方向に細長となる容器体として形成されており、上記連通部１１７の上側に接合されている。水タンク１４０の長手方向の一方の端部（図２中の左側）には、内部に連通する冷却水導入パイプ１４３が接合され、また、水タンク１４０の長手方向の他方の端部（図２中の右側）には、内部に連通する冷却水排出パイプ１４４が接合されている。そして、この水タンク１４０の内部に、凝縮部１３０が配設されている。

凝縮部１３０は、いわゆるドロンカップタイプと呼ばれる熱交換器に類似する流路を形成するものであり、２枚のチューブプレート１３１、１３２が互いに最中合わせに接合されて成るチューブ１３３が複数積層されて形成されている。チューブ１３３は、中間部が中間流通部１３３ａ、長手方向の両端部側がそれぞれ積層方向に張出すタンク部１３３ｂ、１３３ｃとなっており、タンク部１３３ｂ、１３３ｃが互いに積層方向に接合されると共に、接合部に形成された連通穴によって連通している。

そして、タンク部１３３ｂの内部には、一端側（下側）が連通部１１７内に開口して接合され、他端側（上側）がタンク部１３３ｂの上端壁近傍に延びて開口する蒸気導入パイプ１３４が設けられている。この蒸気導入パイプ１３４によって、連通部１１７内の空間は、タンク部１３３ｂの上側、タンク部１３３ｂ内、チューブ１３３の中間流通部１３３ａを経て、タンク部１３３ｃに連通している。即ち、蒸気導入パイプ１３４は、蒸発部１１０の上側のヘッダ（上プレート１１４と断熱プレート１２１）と、凝縮部１３０とを連通させる連通部となっている。

上記断熱プレート１２１と水タンクプレート１４１との間には、断熱プレート１２１の波形形状と水タンクプレート１４１の平板形状とによって、空気層を有する空間部が複数並ぶように形成され、この空間部が蒸発部１１０と凝縮部１３０との間に配設される断熱部１２０となっている。

凝縮水還流路１６０は、還流パイプ（本発明における連通部、還流路に対応）１６１と、断熱壁（本発明における還流路断熱壁に対応）１６２とから形成されている。還流パイプ１６１は、断面丸形状を成す一本の管部材であり、チューブ１１１と長手方向寸法が略同一に形成されて、一端側（上側）が凝縮部１３０のタンク部１３３ｃの内部に連通し、連通部１１７を貫通して、他端側（下側）が蒸発部１１０の連通部１１６（下プレート１１３と下タンクプレート１１５から成る下側のヘッダ）内に連通するように設けられている。還流パイプ１６１は、複数のチューブ１１１と共に所定のチューブピッチＴＰを持って蒸発部１１０の領域内、即ち排気通路内に配列されており、更にその配列位置は、後述するように複数のチューブ１１１に対してエンジンの排気ガスが流通する際の最下流側となるようにしている（図３中の下側のチューブ列の端）。尚、還流パイプ１６１は、上記１本に限らず、チューブ１１１の本数を越えない範囲で、複数本設けるようにしても良い。

そして、断熱壁１６２は、上記還流パイプ１６１に対して、排気ガス流れ方向の上流側に配置されるようにしており、ここでは、断面半円形状となる半管部材としている。尚、断熱壁１６２は完全な管部材として、還流パイプ１６１の外側全周を覆うようにしても良い。

弁機構１５０は、タンク部１３３ｃ内に配設されて、チューブ１３３の中間流通部１３３ａと、還流パイプ１６１とを接続する流路を形成すると共に、ヒートパイプ１０１の内圧（作動媒体の圧力）に応じて流路を開閉するダイヤフラム式の開閉手段としている。

弁機構１５０は、水タンク１４０の上方からタンク部１３３ｃ内に挿入されて、下端側の外周部がタンク部１３３ｃ、水タンクプレート１４１を貫通すると共に、断熱プレート１２１に当接して、還流パイプ１６１の開口部を内包するように配置されている。ここで弁機構１５０が設けられる位置は、ヒートパイプ１０１において作動媒体が循環する際の凝縮部１３０の下流側に対応している。

そして、弁機構１５０は、図４、図５に示すように、上ケース１５１と下ケース１５２とから成る本体部１５０Ａ内にダイヤフラム１５３、スプリング１５４、弁体１５５が配設されて形成されている。

本体部１５０Ａは、中間部の外径が大きく設定された円筒状容器を成している。上ケース１５１の上端部には通気孔１５１ａが穿設されており、大気側と本体部１５０Ａの内部とが連通している。また、下ケース１５２の側壁には凝縮水流入穴１５２ａが穿設されており、下端部には凝縮水流出穴１５２ｂが穿設されている。尚、凝縮流出穴１５２ｂには、上記還流パイプ１６１が接続されている。更に、凝縮水流入穴１５２ａと凝縮水流出穴１５２ｂとの間には、中心部に開口穴１５２ｄを有するゲート部（弁座）１５２ｃが形成されている。

ダイヤフラム１５３は、作動動力源を成すものであり、上ケース１５１と下ケース１５２との間に介在されている。そして、弾性体としてのスプリング１５４が、上ケース１５１とダイヤフラム１５３との間に介在されている。ダイヤフラム１５３は、通気孔１５１ａからかかる大気圧Ｐａ、およびスプリング１５４の弾性力Ｆによる図４、図５中の下向きの力と、凝縮水流入穴１５２ａからかかるヒートパイプ１０１（凝縮部１３０）の内圧Ｐｉによる図４、図５中の上向きの力とのバランスによって上下方向に変位する。

弁体１５５は、円形の扁平状部材であり、ゲート部１５２ｃの下側面に対向するように配置されて、弁体１５５と一体的に形成さて開口穴１５２ｄに挿通される弁軸１５５ａによってダイヤフラム１５３に接続されている。よって、弁体１５５は、上記ダイヤフラム１５３の上下方向の変位に同期して、上下方向に移動し、ゲート部１５２ｃの開口穴１５２ｄを開閉する。

更に具体的には、通常の開弁状態から、所定の冷却水温（例えば７０℃）において内圧Ｐｉが上昇して第１所定圧力（Ｐｉ１）を超えると閉弁し（以下、第１所定圧力Ｐｉ１を閉弁圧と言う）、逆に内圧が低下して、第１所定圧力よりも低い第２所定圧力（Ｐｉ２）を下回ると再び開弁するようにしている（以下、第２所定圧力Ｐｉ２を開弁圧と言う）。

ここで、弁機構１５０における弁体１５５の開閉作動特性の設定の考え方について詳述する。まず、図６は、エンジン１０の冷却水温とヒートパイプ１０１の内圧Ｐｉとの関係を排気熱量毎に示したものである。ヒートパイプ１０１の内圧Ｐｉは冷却水温の上昇と共に上昇し、また排気熱量が増大するに従って上昇する。ここで排気熱量はエンジンの運転状態によって変動し高負荷運転状態では排気熱量は大きく、低負荷運転状態では排気熱量は小さい。

そして、弁体１５５の開閉作動特性としては、図７に示すように、例えば、冷却水温７０℃、中負荷走行での排気熱量時の内圧Ｐｉ１（第１所定圧力）によって閉弁し、冷却水温７０℃、アイドリングでの排気熱量時の内圧Ｐｉ２（第２所定圧力）によって開弁するように、ヒステリシスを持たせている。本ヒートパイプ１０１では、作動媒体を水としており、エンジン１０における冷却水温と排気熱量とから、実際の内圧Ｐｉ１を０．１ＭＰａ、内圧Ｐｉ２を０．０５ＭＰａとすることができる。

つまり、内圧Ｐｉが０．１ＭＰａにおける水の飽和蒸気温度は、１００℃相当であり、通常の車両において、１００℃前後でラジエータ２１の冷却水温度が制御されることから、内圧Ｐｉが０．１ＭＰａ以上の時に、弁体１５５を閉じることで、後述するように冷却水への排熱回収を停止させる。また、内圧Ｐｉが０．０５ＭＰａにおける水の飽和蒸気温度は、８０℃相当であり、内圧Ｐｉが０．０５〜０．１ＭＰａの時（水の温度が８０℃〜１００℃の時）に、弁体１５５を開いて、後述するように冷却水への排熱回収を積極的に行う。

以上のように排熱回収装置１００は形成されており、蒸発部１１０が触媒コンバータ１２の下流側となる排気管１１に介在され、また、水タンク１４０の両パイプ１４３、１４４が排熱回収回路３０に接続されている（図１）。

次に、上記構成に基づく排熱回収装置１００の作動について説明する。

エンジン１０が作動されると併せてウォータポンプ２２が作動され、冷却水はラジエータ回路２０、排熱回収回路３０、ヒータ回路４０を循環する。エンジン１０で燃焼された燃料の排気ガスは、触媒コンバータ１２を経て排気管１１を流れ、排熱回収装置１００の蒸発部１１０（各プレート１１３、１１４、１１８によって形成される排気通路）を通過して大気中に排出される。また、排熱回収回路３０を循環する冷却水は、排熱回収装置１００の水タンク１４０内（凝縮部１３０）を通過する。

エンジン１０が始動された後は、図８に示すように、冷却水温が上昇を始めると共に（図８（ｂ））、徐々にヒートパイプ１０１の内圧Ｐｉが上昇する（図８（ａ））。この時、排気熱量はエンジン１０の負荷状態によって変化するため（図８（ｃ））、一般的なエンジンを備えた車両では加速、減速、停止など様々な車両の運転状態に合わせて内圧Ｐｉは変動する（図８（ａ）中の突出部）。

ヒートパイプ１０１の内圧Ｐｉが上昇していくなかで閉弁圧Ｐｉ１よりも低い状態にある場合は、図７の開弁作動特性で説明したように、弁機構１５０の弁体１５５は、開弁状態となっている。よって、ヒートパイプ１０１内の水（作動媒体）は、蒸発部１１０で排気管１１を流れる排気ガスから受熱して沸騰気化し始めて、蒸気となってチューブ１１１内を上昇し、連通部１１７、蒸気導入パイプ１３４を経て凝縮部１３０（タンク部１３３ｂ、中間流通部１３３ａ）内に流れ込む。凝縮部１３０内へ流入した蒸気は、排熱回収回路３０から水タンク１４０内を流れる冷却水によって冷却され、凝縮水となって弁機構１５０の凝縮水流入穴１５２ａ→弁体１５５の開口穴１５２ｄ→凝縮水流出穴１５２ｂ→還流パイプ１６１→蒸発部１１０の連通部１１６に還流する。尚、還流パイプ１６１を流通する凝縮水は、断熱壁１６２によって排気ガスからの受熱による蒸発が阻止されて、スムースな還流が行われる。

このように、排気ガスの熱が水に伝達されて蒸発部１１０から凝縮部１３０へ輸送され、この凝縮部１３０で蒸気が凝縮する際に凝縮潜熱として放出され、排熱回収回路３０を流れる冷却水が積極的に加熱される。つまり、エンジン１０の暖機が促進されることになるので、エンジン１０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燃費性能が向上される。また、冷却水を加熱源とするヒータコア４１の暖房性能が向上される。尚、排気ガスの熱はヒートパイプ１０１の外壁面を介して熱伝導によって蒸発部１１０から凝縮部１３０に移動される分も存在する。

そして、図８中のＡ点のように、内圧Ｐｉが閉弁圧Ｐｉ１を超えると、一旦、弁体１５５は閉弁する。よって、ヒートパイプ１０１内の凝縮水の還流が阻止され、排気熱の回収が停止され、ヒートパイプ１０１の作動停止によって内圧Ｐｉが低下を始める。この内圧Ｐｉの低下に伴って、図８中のＢ点のように、内圧Ｐｉが開弁圧Ｐｉ２を下回ると、弁体１５５は再度開弁し、排気熱の回収が再開されることになる。

その後、冷却水温が７０℃を越えて（時間ｔ１）、図８中のＣ点のように、内圧Ｐｉが閉弁圧Ｐｉ１を超えると、弁体１５５は再度閉弁し、ヒートパイプ１０１の作動停止によって内圧Ｐｉは低下する。ここで、エンジン１０が作動している限り排気熱量はアイドリング以下になることはなく、この後はヒートパイプ１０１の内圧Ｐｉは弁体１５５の開弁圧Ｐｉ２以下に低下することはないので、再度弁体１５５が開弁することはない。つまり、排熱回収の停止が続く。

尚、エンジン１０が停止すると排気熱量はなくなり、冷却水温も低下するので、ヒートパイプ１０１の内圧Ｐｉは低下し、開弁圧Ｐｉ２以下まで低下した時点で、弁体１５５は開弁し、次回の排熱回収が可能となる。

以上のように、本実施形態の排熱回収装置１００においては、ヒートパイプ１０１の内圧Ｐｉを感知して作動する作動動力源としてのダイヤフラム１５３と、このダイヤフラム１５３に連動してヒートパイプ１０１内の流路を開閉する弁体１５５とを一体的に形成した弁機構１５０を、凝縮部１３０の下流側に設けるようにしている。よって、従来技術の項で説明したような複雑な構成を不要として、弁機構１５０を簡便な構成とすることができると共に、冷却水温、排気熱量の両者によって決まるヒートパイプ１０１の内圧Ｐｉを利用して排熱回収を停止させることができるので、排気ガスの熱によって冷却水を過剰に加熱することを回避することができ、オーバーヒートを回避することができる。

また、弁体１５５の開閉作動特性として、ヒートパイプ１０１の内圧Ｐｉが閉弁圧Ｐｉ１以上で閉弁し、開弁圧Ｐｉ２以下で開弁するようなヒステリシスを持たせるようにしているので、ヒートパイプ１０１の内圧Ｐｉの微小変動に対して、弁体１５５の開弁状態、あるいは閉弁状態がハンチングするのを防止することができ、安定した排熱回収、あるいは排熱回収の停止が可能となる。

尚、本廃熱回収装置１００をハイブリッド車両に採用した場合、ハイブリッド車両では車両走行中であってもエンジン１０を停止して、走行用モータによって走行するモードが存在するために、走行中でも冷却水温が低下する場合が生じる。このため一般車に比較してより複雑な内圧Ｐｉの変動が起こり、排熱回収の停止や再開が繰り返されることになるが、冷却水を過剰に加熱することを回避することに関しては一般車と同一でありオーバーヒートを回避できる。

また、本実施形態では、蒸発部１１０に複数のチューブ１１１を設けることで、排気ガスに対する受熱面積を増大させて、蒸発部１１０における作動媒体の蒸発を促進できるので、凝縮部１３０への熱輸送量を増大させることができる。

また、蒸発部１１０と凝縮部１３０との間に断熱部１２０を設けることで、凝縮部１３０における冷却水によって蒸発部１１０が冷却されることが防止でき、蒸発部１１０内で凝縮作用が発生することが無い。よって、蒸発部１１０の上側で凝縮部１２０を近接させた排熱回収装置１００としても、常に正常な熱輸送が可能となる。ここでは、断熱部１２０は、蒸発部１１０と断熱部１３０との間に断熱壁１２１を設けることで形成される空間部の空気層としており、この空気層により断熱効果を持たせることができ、簡単な構成で断熱部１２０を形成できる。

また、還流パイプ１６１の長手方向寸法を複数のチューブ１１１と略同一に形成することで、凝縮部１３０と蒸発部１１０とをコンパクトに接続できる。ここでは、還流パイプ１６１を複数のチューブ１１１と共に蒸発部１１０の領域（排気通路）に配列されるようにしているので、還流パイプ１６１を複数のチューブ１１１と併せて組付けが可能となり、排熱回収装置１００の製造が容易となる。

また、還流パイプ１６１の少なくとも排気ガスの上流側に断熱壁１６２を設けるようにしているので、還流パイプ１６１内の凝縮水に対して排気ガスの熱が伝達するのを防止でき、還流パイプ１６１内において凝縮水が蒸発するのを防止でき、凝縮部１３０から蒸発部１１０への凝縮水のスムースな還流が可能となる。

また、還流パイプ１６１を複数のチューブ１１１に対して、排気ガス流れの下流側に配置するようにしている。これにより、排気ガスが複数のチューブ１１１内の水を加熱することで排気ガスは下流側ほど温度低下していくので、還流パイプ１６１において排気ガスによる凝縮水の蒸発を更に抑制することができる。

総じて、熱輸送性能に優れると共に、コンパクトで、且つ、過剰な熱量回収の回避を簡便な構成で可能とする排熱回収装置１００とすることができる。

尚、上記第１実施形態では、弁機構１５０における弁体１５５の閉弁圧を０．１ＭＰａとし、開弁圧を０．０５ＭＰａとしたが、その他の圧力設定として、閉弁圧はヒートパイプ１０１内の水の飽和蒸気温度を上限とする０．１ＭＰａで同一とし、開弁圧を０．６ｋＰａとしても良い。開弁圧を０．６ｋＰａに設定すると、水の飽和蒸気温度は０℃相当となり、その圧力以上であれば水は凍ることなく、ヒートパイプ１０１内での蒸発、凝縮による基本的な熱輸送可能となる条件とすることができる。よって、冷却水に対する排熱回収を可能とする作動範囲を最大限拡大することができる。

（第２実施形態）
本発明の第２実施形態を図９に示す。第２実施形態は、上記第１実施形態に対して、弁機構１５０のゲート部１５２ｃに微小孔１５２ｅを設けて、弁体１５５によって開口穴１５２ｄが全閉状態となっても、少量の作動媒体が凝縮部１３０から蒸発部１１０に還流するようにしたものである。これはエンジン１０が高負荷運転を行ってもラジエータ２１の冷却能力に若干の余裕がある場合に使用し、微小孔１５２ｅの大きさはこのラジエータ２１の余裕度によってオーバーヒートが回避できる程度に排熱回収が許容されるように設定されている。

これにより、弁体１５５が閉弁状態にあっても、凝縮部１３０からの凝縮液を微小孔１５２ｅを通して蒸発部１１０に供給して、蒸発部１１０を冷却することができるので、排熱回収装置１００の耐熱性を向上させることができる。

（第３実施形態）
本発明の第３実施形態を図１０に示す。第３実施形態は、上記第１実施形態のダイヤフラム式の弁機構１５０に対して、冷却水の温度に応じて開閉作動するサーモワックス式の弁機構１７０に変更したものである。

具体的には、弁機構１７０は、サーモワックス部１７１、作動棒１７２、およびベローズ１７３を有して形成されるようにしている。サーモワックス部１７１は、内部に冷却水温に応じて膨張収縮するワックスが封入されたものである。作動棒１７２は、細長に形成された部材であり、その一端側がサーモワックス部１７１内に挿入され、他端側が下側に延設されている。作動棒１７２はサーモワックス部１７１内のワックスの膨張収縮に応じて、図１０中の上下方向に摺動するようになっている。つまり、ワックスの膨張により作動棒１７２は下側に摺動し、ワックスの収縮により作動棒１７２は上側に摺動する。サーモワックス部１７１および作動棒１７２は、弁機構１７０の作動動力源を成している。

ベローズ１７３は、弁機構１７０の弁体を成すものであり、金属製で長手方向に伸縮可能な蛇腹状の部材から成り、一端側（上側）が開口しており、他端側（下側）が閉塞されている。ベローズ１７３の上側開口部から上記作動棒１７２、サーモワックス部１７１が挿入されて、作動棒１７２の下端がベローズ１７３の下端部と接続されている。サーモワックス部１７１の下側（一部）はベローズ１７３内に収容され、上側がベローズ１７３の外部に突出して、サーモワックス部１７１はベローズ１７３の開口部を閉塞するようにして固定されている。そして、ベローズ１７３のサーモワックス部１７１下側近傍には、通水穴１７４が穿設されており（ここでは２つ）、ベローズ１７３の外部と内部とが連通するようにしている。

弁機構１７０は、凝縮部１３０のタンク部１３３ｃ内に挿入されて、サーモワックス部１７１がタンク部１３３ｃよりも上側の位置となり、更に通水穴１７４がタンク部１３３ｃの外部で開口するように固定されている。そして、ベローズ１７３の下端部は、水タンクプレート１４１から還流パイプ１６１に連通する開口部の周りを弁座として、対向配置されている。

上記弁機構１７０においては、サーモワックス部１７１の上側は水タンク１４０内の冷却水に晒される。また、ベローズ１７３内には通水穴１７４を介して、水タンク１４０内の冷却水が流入して、サーモワックス部１７１の下側、更には作動棒１７２も冷却水に晒される。

冷却水温が低い場合は、サーモワックス部１７１内のワックスは収縮しており、それに伴って作動棒１７２は上側に摺動する。そして、作動棒１７２と共にベローズ１７３の下端部は上側に摺動し、弁機構１７０としては還流パイプ１６１の開口部を開状態とする。これにより、凝縮部１３０と還流パイプ１６１が連通して、排熱回収装置１００による排熱回収が実行される。

一方、冷却水温が上昇していくと、サーモワックス部１７１内のワックスは膨張して、それに伴って作動棒１７２は下側に摺動する。そして、作動棒１７２と共にベローズ１７３の下端部は下側に摺動し、冷却水温が所定温度に至ると弁機構１７０としては、還流パイプ１６１の開口部を閉状態とする。これにより、凝縮部１３０から蒸発部１１０への凝縮水の還流が停止され、排熱回収装置１００による排熱回収が停止される。

このように、本第３実施形態においては、冷却水温に応じた排熱回収の実行、停止が可能となり、冷却水温の制御が容易となる。更に、通水穴１７４を介してベローズ１７３内に冷却水が流入可能となるようにしているので、サーモワックス部１７１全体（および作動棒１７２）が冷却水に晒されることになり、作動媒体側の温度の影響を受けずに、冷却水温に基づく正確な弁体（ベローズ１７３）の開閉が可能となる。

（第４実施形態）
本発明の第４実施形態を図１１に示す。第４実施形態は、上記第１実施形態に対して、蒸発部１１０に対する凝縮部１３０の配設位置を変更したものである。尚、以下説明する第４実施形態の排熱回収装置１００において、第１実施形態と同一の構成部材には、同一の符号を付与している。

凝縮部１３０は、そのチューブ１３３の長手方向が蒸発部１１０のチューブ１１１と同様に上下方向を向くように配置されて、蒸発部１１０の側方（図１１中の右側）に配設されている。

ここで、蒸発部１１０におけるチューブ１１１は、２枚のプレート部材から成るプレートチューブとしており、各チューブ１１１の間には、コルゲートタイプのフィン１１２が介在されるようにしている。チューブ１１１の下側端部の各間には、円筒状の下ヘッダ１１３Ａが介在されて、各チューブ１１１が下ヘッダ１１３Ａ内に連通されるようになっている。即ち、下ヘッダ１１３Ａの内部がチューブ１１１下側の連通部１１６として形成されている。また、チューブ１１１の上側端部の各間には、同様に円筒状の上ヘッダ１１４Ａが介在されて、各チューブ１１１が上ヘッダ１１４Ａ内に連通されるようになっている。即ち、上ヘッダ１１４Ａの内部が連通部１１７として形成されている。

そして、蒸発部１１０の左右にはサイドプレート１１８が配設され、また、上下には上プレート１１９ａ、下プレート１１９ｂが配設されて、これらプレート１１８、１１９ａ、１１９ｂによって断面四角状の排気通路が形成されている。

蒸発部１１０の上ヘッダ１１４Ａと、凝縮部１３０のタンク部１３３ｂとの接続部においては、第１実施形態で説明した蒸気導入パイプ１３４は廃止されており、上ヘッダ１１４Ａとタンク部１３３ｂとが、直接的に連通されている。

また、凝縮部１３０の下流側（タンク部１３３ｃ）に配設される弁機構１５０の凝縮水流出穴１５２ｂは、蒸発部１１０の下ヘッダ１１３Ａに直接接続されている。

本第４実施形態における排熱回収装置１００の作動およびその作用効果は、上記第１実施形態と同一である。加えて、ここでは、凝縮部１３０のチューブ１３３の長手方向が蒸発部１１０のチューブ１１１の長手方向と同一となるようにして、蒸発部１１０の側方に凝縮部１３０を配設するようにしているので、蒸発部１１０の下ヘッダ１１３Ａと凝縮部１３０のタンク部１３３ｃ（弁機構１５０）とが対向するように配置することができ、上記第１実施形態で説明した還流パイプ１６１（併せて断熱壁１６２）の設定を不要として、凝縮部１３０の下流側と蒸発部１１０の上流側とを接続でき、部品点数の低減を図ることができる。

（第５実施形態）
本発明の第５実施形態を図１２に示す。第５実施形態は、上記第４実施形態に対して、蒸発部１１０と凝縮部１３０とを連通させる連通部を変更すると共に、弁機構１５０の配設位置を変更したものとしている。以下説明する第５実施形態の排熱回収装置１００において、第４実施形態と同一の構成部材には、同一の符号を付与している。

連通部は、図１２中の破線丸印部で示すように、流入路１６３と還流路１６４との２つの流路から形成されている。流入路１６３は、蒸発部１１０で蒸発された蒸気を凝縮部１３０内に流入させる流路であり、蒸発部１１０の凝縮部１３０側のチューブ１１１と、凝縮部１３０の蒸発部１１０側のチューブ１３３とを連通させている。

また、還流路１６４は、凝縮部１３０で凝縮された凝縮水を蒸発部１１０の連通部１１６側に還流させる流路であり、弁機構１５０の凝縮水流出穴１５２ｂと、蒸発部１１０の凝縮器１３０側のチューブ１１１とを連通させている。

上記流入路１６３と還流路１６４は、共にチューブ１１１への接続を可能とする範囲で、互いに隣接して配設されている。更に、流入路１６３は、蒸発部１１０内における水（作動媒体）の液面Ｄよりも上側となるように配設されている。ここでの水の液面Ｄは、排熱回収装置１００が非作動時において、内部の水が排気ガスによって蒸発を伴うことなく、すべて凝縮された状態で、蒸発部１１０内に溜められた時の液面としている。

そして、弁機構１５０もまた、上記水の液面Ｄよりも上側となるように配設されている。ここでは、弁機構１５０には上記還流路１６４が接続されていることから、還流路１６４も水の液面Ｄよりも上側の位置となっている。更に、弁機構１５０の配設位置に合わせて、凝縮部１３０の下端側位置が蒸発部１１０の下端側位置よりも上側となるようにしている。

本第５実施形態における排熱回収装置１００の作動およびその作用効果は、上記第４実施形態（第１実施形態）と同一である。加えて、ここでは、連通部として流入路１６３と還流路１６４とを設け、両流路１６３、１６４を隣接して設けるようにしているので、両流路１６３、１６４部に発生する熱応力を低減することができる。

即ち、蒸発部１１０と凝縮部１３０とを互いに接続する（拘束する）両流路１６３、１６４部においては、蒸発部１１０を通過する排気ガスと、凝縮部１３０を通過する冷却水との温度差によって熱応力（熱歪）が発生する。この熱応力は両流路１６３、１６４間の距離が大きいほど大きくなる。しかしながら、ここでは、両流路１６３、１６４を隣接させることで、両流路１６３、１６４間の距離を小さくすることができるので、両流路１６３、１６４部に発生する熱応力を低減することができる。

また、流入路１６３は、水の液面Ｄより上側に配設されるようにしているので、流入路１６３内が水によって満たされることがなく、蒸発部１１０で蒸発されて凝縮部１３０に向かう蒸気が滞ることがない。

また、弁機構１５０においても、水の液面Ｄよりも上側となるように配設しているので、水の凍結に伴う弁機構１５０の機能が阻害されることがない。即ち、弁機構１５０が水の液面Ｄより下側に配設されていると、排熱回収装置１００の非作動時において、例えば低温環境下で内部の水と共に弁機構１５０も凍結してしまう場合がある。弁機構１５０が凍結すると、その開閉作動が機能しなくなるため、排熱回収装置１００を作動させた時に、弁機構１５０の周りが解凍されるまでは、作動媒体（蒸気、凝縮水）の還流が阻止されて排熱回収装置１００として機能しないことになる。しかしながら、ここでは、弁機構１５０は、水の液面Ｄより上側に配設されることで、水によって凍結することがなく、上記のような不具合を起こすことがない。

また、弁機構１５０を水の液面Ｄよりも上側に配設すると共に、凝縮部１３０の下端側位置を蒸発部１１０の下端側位置よりも上側とすることで、排熱回収装置１００の非作動時において内部の水は蒸発部１１０内のみに溜まる形とすることができるので（凝縮部１３０内には水が溜まらないので）、封入すべき水の容量を低減することができる。そして、排熱回収装置１００の作動時で弁機構１５０が閉弁されて、凝縮水をすべて凝縮部１３０内に溜める際に、もともとの水容量が低減されている分、凝縮部１３０を小さくすることができる。

尚、上記第５実施形態に対する変形例を図１３に示す。第５実施形態変形例は、蒸発部１１０の上側に凝縮部１３０を配設したものに対して、流入路１６３と還流路１６４との隣接配置、および弁機構１５０の配設位置変更を適用したものである。凝縮部１３０は、上記第５実施形態のものを９０度回転させた状態で、蒸発部１１０の上側に配設されている。

流入路１６３は、蒸発部１１０の連通部１１７と、凝縮部１３０の蒸発部１１０側のチューブ１３３とを連通させる流路としている。また、還流路１６４は、弁機構１５０の凝縮水流出穴１５２ｂと、蒸発部１１０の連通部１１６とを連通させる細長の流路としている。両流路１６３、１６４は、互いに隣接するように配設されている。上記のような連通関係により、流入路１６３、および弁機構１５０は、共に水の液面Ｄよりも上側に位置している。これにより、上記第５実施形態と同様の作用効果を得ることができる。

（第６実施形態）
本発明の第６実施形態を図１４に示す。第６実施形態は、上記第５実施形態に対して、連通部としての流入路１６３、還流路１６４を１つの流路１６５で形成したものである。以下説明する第６実施形態の排熱回収装置１００において、第５実施形態と同一の構成部材には、同一の符号を付与している。

流路１６５は、蒸発部１１０の凝縮部１３０側のチューブ１１１と、弁機構１５０の凝縮水流出穴１５２ｂとを連通させるように延びており、更に、この流路１６５の延設方向の中間部位の上側が、凝縮部１３０の蒸発部１１０側のチューブ１３３に連通するように形成されている。流路１６５は、水の液面Ｄよりも上側となるように配設されている。

そして、流路１６５の内部には、内部空間を上下方向に区画する隔壁１６６が設けられている。つまり、この隔壁１６６によって、蒸発部１１０のチューブ１１１→流路１６５の上側空間→凝縮部１３０のチューブ１３３の順に連通するようになっており、また、弁機構１５０の凝縮水流出穴１５２ｂ→流路１６５の下側空間→蒸発部１１０のチューブ１１１の順に連通するようになっている。

本第６実施形態においては、連通部を１つの流路１６５によって形成するようにしているので、上記第５実施形態のように２つの流路（１６３、１６４）を設定する場合に対して、２つの流路（１６３、１６４）間の距離を実質的に無くしたものとすることができ、発生する熱応力を更に低減することができる。

また、流路１６５の内部に隔壁１６６を設けるようにしているので、流路１６５内において、蒸発部１１０で蒸発された蒸気が、凝縮部１３０で冷却凝縮された凝縮水と直接的に接触することが防止され、蒸発部１１０からの蒸気が凝縮部１３０に流入する前に凝縮水によって冷却（凝縮）されるのを防止できる。

尚、隔壁１６６は、流路１６５での蒸気と凝縮水との直接的な接触による影響度に応じて、廃止しても良い。

（第７実施形態）
本発明の第７実施形態を図１５〜図１８に示す。第７実施形態は、上記第４実施形態に対して、凝縮部１３０内に、凝縮水の蒸発部１１０側への逆流を阻止する逆流阻止手段を設けたものとしている。

逆流阻止手段は、凝縮部１３０の上流側、ここではチューブ１３３の中間流通部１３３ａの上流側（図１５中の上側となるＥ部）に設けられるようにしている。

逆流阻止手段は、例えば図１６に示すように、複数の返し部１３３ｄとして形成することができる。返し部１３３ｄは、中間流通部１３３ａの内壁において、蒸発部１１０から流入する蒸気の流れ方向に向けて傾斜するように形成された板状の部材であり、互いに対向するように設けられている。尚、複数の返し部１３３ｄは、図１７に示すように、中間流通部１３３ａの内壁において、蒸気の流れ方向に対して千鳥配置となるようにしても良い。更には、逆流阻止手段として、図１８に示すように、中間流通部１３３ａの内径を一部縮小する絞り部１３３ｅとして形成するようにしても良い。

排熱回収装置１００においては、上記第１実施形態で説明したように、蒸発部１１０内での水の蒸発が続いてヒートパイプ１０１の内圧Ｐｉが閉弁圧Ｐｉ１を超えると弁機構１５０は閉弁状態となって、ヒートパイプ１０１（凝縮部１３０）の凝縮水の還流が阻止される。この時、蒸発部１１０は空焚き状態となって、非常に高温となる。このような状態の中で、例えば車両の傾斜路の走行に伴う排熱回収装置１００の傾斜（図１９中のθ）や、過度の振動走行に伴う揺れ等が発生すると、凝縮部１３０で冷却凝縮された凝縮水が蒸発部１１０に逆流する場合がある。

空焚き状態の蒸発部１１０に凝縮水が逆流すると（図１９中の矢印）、蒸発部１１０は急冷されて熱応力が発生する。また、逆流した凝縮水が瞬時に蒸発して蒸発部１１０内の圧力が上昇し、更には、熱輸送は蒸発部１１０内で完結してしまい、総じて排熱回収装置１００の強度面、機能面で好ましくない状態となる。しかしながら、本第７実施形態においては、逆流阻止手段（１３３ｄ、１３３ｅ）によって上記のような不具合を防止することができる。

（その他の実施形態）
上記各実施形態では、弁機構１５０を凝縮部１３０の下流側に設けたが、蒸発部１１０の上流側に設けるようにしても良い。

また、弁機構１５０、１７０は、それぞれ、ヒートパイプ１０１の内圧Ｐｉ（作動媒体の圧力）、冷却水温に応じて連通部を開閉するものとしたが、更に、作動媒体の温度に応じて連通部を開閉するものとしても良い。具体的には、例えば第３実施形態と同様のサーモワックス部１７１とこれに連動する弁体とを設けたサーモワックス式として、サーモワックス部１７１を凝縮部１３０内に配設して、サーモワックス部１７１が作動媒体温度に応じて駆動するものにすれば良い。

また、断熱部１２０として、断熱壁１２１によって形成される空間部の空気層としたが、これに限らず、低熱伝導率材から成る断熱材を蒸発部１１０と凝縮部１３０との間に介在させるようにしても良い。

また、還流パイプ１６１は、排気ガスが流通する領域（蒸発部１１０の排気通路）から外れた領域に配置されるようにしても良く、これにより、断熱壁１６２を不要として、還流パイプ１６１における排気ガスからの熱影響を防止できる。

排熱回収装置の車両への搭載状態を示す模式図である。 第１実施形態における排熱回収装置を示す断面図である。 図２におけるIII−III部を示す断面図である。 第１実施形態における弁機構の開弁状態を示す断面図である。 第１実施形態における弁機構の閉弁状態を示す断面図である。 エンジン冷却水温および排気熱量に対するヒートパイプの内圧を示すグラフである。 弁機構における弁体の開閉作動特性を示すグラフである。 エンジン始動後の（ａ）はヒートパイプの内圧変化、（ｂ）はエンジン冷却水温の変化、（ｃ）はエンジンの負荷状態に対する排気熱量の変化を示すタイムチャートである。 第２実施形態における弁機構を示す断面図である。 第３実施形態における弁機構を示す断面図である。 第４実施形態における排熱回収装置を示す断面図である。 第５実施形態における排熱回収装置を示す断面図である。 第５実施形態変形例における排熱回収装置を示す断面図である。 第６実施形態における排熱回収装置を示す断面図である。 第７実施形態における排熱回収装置を示す断面図である。 第７実施形態における返し部を示す拡大図である。 返し部の他の例を示す拡大図である。 絞り部を示す拡大図である。 排熱回収装置の傾いた状態を示す断面図である。

符号の説明

１０ エンジン（内燃機関）
１００ 排熱回収装置
１０１ ヒートパイプ
１１０ 蒸発部
１１１ チューブ（流路）
１２０ 断熱部（空間部）
１２１ 断熱プレート（断熱壁）
１３０ 凝縮部
１３３ｄ 返し部（逆流阻止手段）
１３３ｅ 絞り部（逆流阻止手段）
１４０ 水タンク（冷却水流路）
１５０ 弁機構
１５２ｅ 微小孔
１５３ ダイヤフラム（作動動力源）
１５５ 弁体
１６１ 還流パイプ（連通部、還流路）
１６２ 断熱壁（還流路断熱壁）
１６３ 流入路（連通部）
１６４ 還流路（連通部）
１６５ 流路（連通部、１つの流路）
１６６ 隔壁
１７０ 弁機構
１７１ サーモワックス部（作動動力源）
１７３ ベローズ（作動動力源）

Claims (24)

1. 内燃機関（１０）の排気の熱によって内部に封入された作動媒体を蒸発させる蒸発部（１１０）と、
   前記蒸発部（１１０）で蒸発した作動媒体を、前記内燃機関（１０）の冷却水によって冷却する凝縮部（１３０）と、
   前記蒸発部（１１０）と前記凝縮部（１３０）とを連通させる連通部（１６１）とを備えるループ式のヒートパイプ（１０１）を有する排熱回収装置であって、
   前記作動媒体の圧力に応じて作動する作動動力源（１５３）と、
   前記作動動力源（１５３）と一体的に形成され、前記作動動力源（１５３）に連動して前記連通部（１６１）を開閉する弁体（１５５）とを備える弁機構（１５０）を有し、
   前記弁機構（１５０）の前記弁体（１５５）は、前記凝縮部（１３０）の流路内の下流側、もしくは前記蒸発部（１１０）の流路内の上流側に配されており、
   前記作動動力源（１５３）は、前記凝縮部（１３０）の流路内の下流側、もしくは前記蒸発部（１１０）の流路内の上流側を通過する前記作動媒体の内圧に応じて作動することを特徴とする排熱回収装置。
2. 前記作動動力源（１５３）の一部は、前記凝縮部（１３０）の流路内の下流側、もしくは前記蒸発部（１１０）の流路内の上流側に配されていることを特徴とする請求項１に記載の廃熱回収装置。
3. 前記作動動力源（１５３）は、前記凝縮部（１３０）の流路内の下流側、もしくは前記蒸発部（１１０）の流路内の上流側に配されていることを特徴とする請求項１に記載の廃熱回収装置。
4. 前記弁体（１５５）の開閉作動特性に、ヒステリシスを持たせたことを特徴とする請求項１〜請求項３のいずれか１つに記載の排熱回収装置。
5. 前記弁体（１５５）のヒステリシスは、前記作動動力源（１５３）が感知する圧力が第１所定圧力以上で閉弁し、
   前記第１所定圧力より低く設定された第２所定圧力以下で開弁することを特徴とする請求項４に記載の排熱回収装置。
6. 前記作動媒体は、水であり、
   前記第１所定圧力は、０．１ＭＰａであり、
   前記第２所定圧力は、０．０５ＭＰａであることを特徴とする請求項５に記載の排熱回収装置。
7. 前記作動媒体は、水であり、
   前記第１所定圧力は、０．１ＭＰａであり、
   前記第２所定圧力は、０．６ｋＰａであることを特徴とする請求項５に記載の廃熱回収装置。
8. 前記弁機構（１５０）には、前記弁体（１５５）が閉じられた時でも、前記作動媒体の前記凝縮部（１３０）から前記蒸発部（１１０）への微量流通を可能とする微小孔（１５２ｅ）が設けられたことを特徴とする請求項１〜請求項７のいずれか１つに記載の排熱回収装置。
9. 前記蒸発部（１１０）と前記凝縮部（１３０）との間に設けられ、前記蒸発部（１１０）と前記凝縮部（１３０）との間を断熱する断熱部（１２０）を有することを特徴とする請求項１〜請求項８のいずれか１つに記載の排熱回収装置。
10. 前記断熱部（１２０）は、前記蒸発部（１１０）と前記凝縮部（１３０）との間に配設される断熱壁（１２１）によって形成される空間部（１２０）としたことを特徴とする請求項９に記載の排熱回収装置。
11. 前記連通部（１６１）は、前記排気が通過する領域から外れた領域に配置されたことを特徴とする請求項１〜請求項１０のいずれか１つに記載の排熱回収装置。
12. 前記蒸発部（１１０）および前記連通部（１６１）は、前記排気が通過する排気通路（１１３、１１４、１１８）に配されていることを特徴とする請求項１〜請求項１０のいずれか１つに記載の排熱回収装置。
13. 前記連通部（１６１）の少なくとも前記排気流れ上流側に、前記排気の熱を遮熱する還流路断熱壁（１６２）が設けられていることを特徴とする請求項１２に記載の排熱回収装置。
14. 前記蒸発部（１１０）は、長手方向が上下方向となるように、前記内燃機関（１０）の排気が通過する排気通路（１１３、１１４、１１８）内に配された複数の流路（１１１）から成り、
    前記凝縮部（１３０）は、前記蒸発部（１１０）の上方に配され、前記内燃機関（１０）の冷却水が通過する冷却水流路（１４０）内に配されており、
    前記連通部（１６１）は、前記流路（１１１）とほぼ同一の長手方向寸法を有する還流路（１６１）であることを特徴とする請求項１〜請求項１３のいずれか１つに記載の排熱回収装置。
15. 前記連通部（１６１）は、前記複数の流路（１１１）の排気流れ下流側に配されていることを特徴とする請求項１２〜請求項１４のいずれか１つに記載の排熱回収装置。
16. 前記蒸発部（１１０）は、長手方向が上下方向となるように、前記内燃機関（１０）の排気が通過する排気通路（１１３、１１４、１１８）内に配された複数の流路（１１１）と、前記複数の流路（１１１）で蒸発した作動媒体を集める第１のヘッダ（１１４、１２１）と、前記凝縮部（１３０）で凝縮された作動媒体を前記複数の流路（１１１）に分配する第２のヘッダ（１１３、１１５）とから成り、
    前記凝縮部（１３０）は、前記内燃機関（１０）の冷却水が通過する冷却水流路（１４０）内に配され、前記第１のヘッダ（１１４、１２１）および前記第２のヘッダ（１１３、１１５）に対して前記連通部（１６１）を介して連通していることを特徴とする請求項１〜請求項１３、請求項１５のいずれか一つに記載の排熱回収装置。
17. 前記弁機構（１５０、１７０）は、前記作動媒体の圧力に応じて変位するダイヤフラム（１５３）によって弁体（１５５）を駆動するダイヤフラム式であることを特徴とする請求項１〜請求項１６のいずれか１つに記載の排熱回収装置。
18. 前記連通部（１６１）は、前記蒸発部（１１０）で蒸発された前記作動媒体が前記凝縮部（１３０）へ流入する流入路（１６３）と、前記凝縮部（１３０）で冷却された前記作動媒体が前記蒸発部（１１０）に還流する還流路（１６４）とを備えており、
    前記流入路（１６３）および前記還流路（１６４）は、互いに隣接して設けられ、
    前記流入路（１６３）は、非作動時における前記蒸発部（１１０）内の前記作動媒体の液面よりも上側に配設されたことを特徴とする請求項１〜請求項１７のいずれか１つに記載の排熱回収装置。
19. 前記連通部（１６１）は、１つの流路（１６５）によって形成されると共に、非作動時における前記蒸発部（１１０）内の前記作動媒体の液面よりも上側に配設されたことを特徴とする請求項１〜請求項１７のいずれか１つに記載の排熱回収装置。
20. 前記流路（１６５）の内部には、前記蒸発部（１１０）で蒸発された前記作動媒体と、前記凝縮部（１３０）で冷却された前記作動媒体とを非接触とする隔壁（１６６）が設けられたことを特徴とする請求項１９に記載の排熱回収装置。
21. 前記弁機構（１５０）は、非作動時における前記蒸発部（１１０）内の前記作動媒体の液面よりも上側に配設されたことを特徴とする請求項１〜請求項２０のいずれか１つに記載の排熱回収装置。
22. 前記凝縮部（１３０）の内部には、冷却された前記作動媒体が前記蒸発器（１１０）側に逆流するのを阻止する逆流阻止手段（１３３ｄ、１３３ｅ）が設けられたことを特徴とする請求項１〜請求項２１のいずれか１つに記載の排熱回収装置。
23. 前記逆流阻止手段（１３３ｄ、１３３ｅ）は、前記作動媒体の流れ方向に傾斜する板状の返し部（１３３ｄ）であることを特徴とする請求項２２に記載の排熱回収装置。
24. 前記逆流阻止手段（１３３ｄ、１３３ｅ）は、前記作動媒体の流路を縮径する絞り部（１３３ｅ）であることを特徴とする請求項２２に記載の排熱回収装置。

Images