JP2008069750A - 排気熱回収装置 - Google Patents

Abstract

【課題】上記事実を考慮して、排気熱を回収しない運転状態で排気ガスの熱交換流路への流入を抑制することができる排気熱回収装置を得る。
【解決手段】排気熱回収システム１０では、排気ガスを流通させるためのガス流路２２と、ガス流路２２の外周を覆って設けられ冷媒との熱交換を行う排気ガスを流通させるための排気ガス熱交換路３８と、ガス流路２２を開閉する流路切替バルブ２４と、排気ガス熱交換路３８における排気ガス流れ方向の上流側とガス流路２２とを連通する熱交換ガス入口３８Ａと、排気ガス熱交換路３８の排気ガス流れ方向下流端側とガス流路２２とを連通する熱交換ガス出口３８Ｂと、流路切替バルブ２４がガス流路２２を開放する状態で、熱交換ガス入口３８Ａから排気ガス熱交換路３８へのガス流を抑制する方向の負圧を生じさせる負圧発生構造と、を備えている。
【選択図】図１

Description

本発明は、例えば自動車等の排気ガスと冷媒との熱交換を行って排気熱を回収する排気熱回収装置に関する。

内燃機関の排気ガスと冷却水との熱交換を行う排気熱回収部を、排気系の主流を成すマフラ部の外周側に設けた排気熱回収マフラが知られている（例えば、特許文献１参照）。この排気熱回収マフラでは、マフラ部の上流の排気管における排気熱回収部への分岐部よりも下流に配置したバタフライ弁で該排気管を開閉することで、排気ガスが主にマフラ部を流通する状態と、排気ガスが排気熱回収部を流通する状態とを切り替えるようになっている。
特開２００６−１０５１２４号公報 特開２００６−７７７４１号公報 特開２００４−２４５１２７号公報 特開２００５−２０１５７８号公報

しかしながら、上記の如き従来の技術では、排気ガスの流量が多くなる運転状態では、バタフライ弁がマフラ部に連通する排気管を開放している状態でも排気ガスの一部が排気熱回収部に流れ込む問題が懸念される。

本発明は、上記事実を考慮して、排気熱を回収しない運転状態で排気ガスの熱交換流路への流入を抑制することができる排気熱回収装置を得ることが目的である。

請求項１記載の発明に係る排気熱回収装置は、排気ガスを流通させるためのガス流路と、前記ガス流路の外周を覆って設けられ、冷媒との熱交換を行う排気ガスを流通させるための熱交換流路と、前記ガス流路を開閉する弁装置と、前記熱交換流路における排気ガス流れ方向の上流側と前記ガス流路とを連通する熱交換ガス入口と、前記熱交換流路の排気ガス流れ方向下流端側と前記ガス流路とを連通する熱交換ガス出口と、前記ガス流路を排気ガスが流通するのに伴って、前記熱交換ガス入口から前記熱交換流路へのガス流入を抑制する方向の負圧を生じさせる負圧発生構造と、を備えている。

請求項１記載の排気熱回収装置では、弁装置がガス流路を閉止している場合、排気ガスは、熱交換ガス入口から熱交換流路に導入され、熱交換流路を流通しつつ冷媒との熱交換を行って、熱交換ガス出口からガス流路に戻り、所定の排出部から排出される。一方、弁装置がガス流路を開放している場合には、排気ガスは、主にガス流路を流れ、所定の排出部から排出される。ここで、本排気熱回収装置では、負圧発生構造を備えるため、排気ガスがガス流路を流通するのに伴って、熱交換ガス入口（の近傍）には、熱交換流路からガスを吸い出す方向の負圧が発生する。このため、熱交換ガス出口が開放されていても、該熱交換ガス入口から熱交換流路に排気ガスが導入されることが抑制又は防止される。

このように、請求項１記載の排気熱回収装置では、排気熱を回収しない運転状態で排気ガスの熱交換流路への流入を抑制することができる。

請求項２記載の発明に係る排気熱回収装置は、請求項１記載の排気熱回収装置において、前記負圧発生構造は、少なくとも排気ガス流量が所定流量である場合に、前記熱交換ガス入口に生じさせる負圧が前記熱交換ガス出口に生じる負圧と同等になるように構成されている。

請求項２記載の排気熱回収装置では、弁装置がガス流路を開放している場合、排気ガスの主流は上記の通りガス流路に生じるので、ガス流路における熱交換ガス出口の近傍では熱交換流路からガスを吸い出す方向の負圧が発生する。排気ガス流量が所定の流量である場合には、上記した熱交換ガス出口の近傍での負圧と、負圧発生構造が熱交換ガス入口近傍で生じる負圧とが同等になるので、熱交換流路でのガス流が効果的に抑制又は防止される。なお、所定の排気ガス流量は、排気ガス排出する内燃機関の高負荷運転（例えば、常用域の上限又は最高出力発生時）の際の流量として設定することが望ましい。

請求項３記載の発明に係る排気熱回収装置は、請求項１又は請求項２記載の排気熱回収装置において、前記負圧発生構造は、排気ガス流れ方向の下流側に向けて流路断面積を徐々に広げるように傾斜され前記熱交換流路と前記ガス流路とを隔てるテーパ筒壁に、前記熱交換ガス入口を形成して構成されている。

請求項３記載の排気熱回収装置では、ガス流路（の排気ガス流れ方向中間部）にテーパ筒壁が設けられているため、ガス流路を流れる排気ガス流は、テーパ筒壁の内面からの剥離（渦）を生じる。このテーパ筒壁に熱交換ガス入口が設けられているので、弁装置がガス流路を閉止する状態では、テーパ筒壁からの排気ガス流れの剥離に伴って、熱交換ガス入口の近傍で負圧が発生する。このように、単にテーパ筒壁に熱交換ガス入口を設ける簡単な構成で負圧発生構造を得ることができる。

請求項４記載の発明に係る排気熱回収装置は、排気ガスを流通させるためのガス流路と、前記ガス流路の外側に設けられ冷媒との熱交換を行う排気ガスを流通させるための熱交換流路とを隔てる内筒と、前記ガス流路を開閉するための弁装置と、前記内筒の排気ガス流れ方向の上流側に連続し、該内筒に向けて流路断面積を徐々に拡大するテーパ状に形成されたテーパ筒壁と、前記テーパ筒壁を貫通して設けられ、前記熱交換流路における排気ガス流れ方向の上流側部分と前記ガス流路とを連通する熱交換ガス入口と、前記熱交換流路における排気ガス流れ方向の下流側部分と前記ガス流路とを連通する熱交換ガス出口と、を備えている。

請求項４記載の排気熱回収装置では、弁装置がガス流路を閉止している場合、排気ガスは、熱交換ガス入口から熱交換流路に導入され、熱交換流路を流通しつつ冷媒との熱交換を行って、熱交換ガス出口からガス流路に戻り、所定の排出部から排出される。一方、弁装置がガス流路を開放している場合には、排気ガスは、主にガス流路を流れ、所定の排出部から排出される。このとき、排気ガス流れ方向の下流に向けて流路断面積が広がるテーパ筒壁内に導入された排気ガス流は、テーパ筒壁の内面からの剥離を生じる（渦が発生する）。ここで、本排気熱回収装置では、テーパ筒壁に熱交換ガス入口が設けられているので、弁装置がガス流路を閉止する状態では、テーパ筒壁からの排気ガス流れの剥離に伴って、熱交換ガス入口の近傍で負圧が発生する。このため、熱交換ガス出口が開放されていても、該熱交換ガス入口から熱交換流路に排気ガスが導入されることが抑制又は防止される。

このように、請求項４記載の排気熱回収装置では、排気熱を回収しない運転状態で排気ガスの熱交換流路への流入を抑制することができる。

請求項５記載の発明に係る排気熱回収装置は、排気ガスを流通させるためのガス流路と、前記ガス流路の外側に設けられ冷媒との熱交換を行う排気ガスを流通させるための熱交換流路とを隔てる内筒と、前記ガス流路を開閉するための弁装置と、前記内筒における排気ガス流れ方向の上流側に設けられ、前記ガス流路に排気ガスを導入するための湾曲流路と、前記内筒における前記湾曲流路の内周側に連続する部分を貫通して設けられ、前記熱交換流路における排気ガス流れ方向の上流側部分と前記ガス流路とを連通する熱交換ガス入口と、を備えている。

請求項５記載の排気熱回収装置では、弁装置がガス流路を閉止している場合、排気ガスは、熱交換ガス入口から熱交換流路に導入され、熱交換流路を流通しつつ冷媒との熱交換を行って、該熱交換流路から排出される。一方、弁装置がガス流路を開放している場合には、排気ガスは、主にガス流路を流れ、所定の排出部から排出される。この際、排気ガスは湾曲流路を経由して内筒内側のガス流路に至るため、排気ガスの主流は湾曲流路の外周側に偏る（偏流が生じる）。このため、内筒における湾曲流路の内周側では排気ガスの流量が小さく、該内筒における湾曲流路の内周側に設けられた熱交換ガス入口から熱交換流路へのガス流入が抑制される。

このように、請求項５記載の排気熱回収装置では、排気熱を回収しない運転状態で排気ガスの熱交換流路への流入を抑制することができる。

請求項６記載の発明に係る排気熱回収装置は、排気ガスを流通させるためのガス流路と、前記ガス流路の外周を覆って設けられ、冷媒との熱交換を行う排気ガスを流通させるための熱交換流路と、前記ガス流路を閉止すると共に前記熱交換流路を開放する第１状態と、前記ガス流路を開放すると共に前記熱交換流路を閉止する第２状態とを選択的に切り替え得る弁装置と、を備えている。

請求項６記載の排気熱回収装置では、弁装置を第１状態に切り替える（選択する）と、ガス流路が閉止され、排気ガスは熱交換流路に導入される。これにより、排気ガスと冷媒との熱交換が行われる。一方、弁装置を第２状態に切り替える（選択する）と、ガス流路が開放され、排気ガスはガス流路を流通する。この第２状態をとる弁装置は、熱交換流路を閉止するので、排気熱を回収しない運転状態で排気ガスが熱交換流路を流れることが防止される。

このように、請求項６記載の排気熱回収装置では、排気熱を回収しない運転状態で排気ガスの熱交換流路への流入を抑制することができる。

以上説明したように本発明に係る排気熱回収装置は、排気熱を回収しない運転状態で排気ガスの熱交換流路への流入を抑制することができるという優れた効果を有する。

本発明の第１の実施形態に係る排気熱回収装置が適用された排気熱回収システム１０について、図１乃至図３に基づいて説明する。なお、以下の説明で、単に上流・下流の語を用いるときは、排気ガスの流れ方向の上流・下流を示すものとする。

図３には、排気熱回収システム１０の概略全体構成が模式的なフロー図にて示されている。この図に示される如く、排気熱回収システム１０は、自動車の内燃機関エンジン１２の排気ガスが有する熱をエンジン冷却水との熱交換によって回収し、暖房やエンジン１２の暖機促進等に利用する装置である。

エンジン１２には、排気ガスを導出する排気経路を構成する排気管１４が接続されている。排気管１４による排気ガスの排出経路上には、上流側から順に触媒コンバータ１６、排気熱回収用熱交換器１８、メインマフラ２０が配設されている。触媒コンバータ１６は、内蔵した触媒１６Ａによって通過する排気ガスを浄化するように構成されている。消音器としてのメインマフラ２０は、排気ガスを大気中に排出するのに伴って生じる排気音を低減するように構成されている。

熱交換器としての排気熱回収用熱交換器１８は、排気ガスとエンジン冷却水との熱交換によって排気ガスの熱をエンジン冷却水に回収させる構成とされている。また、この排気熱回収用熱交換器１８内には、排気ガスのガス流路２２、該ガス流路２２を開閉するための弁装置としての流路切替バルブ２４が配設されており、排気ガスがエンジン冷却水との熱交換を行う排気熱回収モードと、排気ガスがガス流路２２を通過するノーマルモードとを切り替え得る構成とされている。以下、具体的に説明する。

図１に示される如く、排気熱回収用熱交換器１８は、それぞれ円筒状に形成された内筒２６と外筒２８とを含み、排気ガス流通部を構成するシェル３０を備えている。さらに、シェル３０は、排気管１４よりも大径とされた外筒２８の上流端２８Ａと排気管１４における触媒コンバータ１６側に位置する部分とを接続するコニカル胴３２と、外筒２８の下流端２８Ｂと排気管１４におけるメインマフラ２０側に位置する部分とを接続するコニカル胴３４とを備えている。

また、この実施形態では、コニカル胴３２の内側に、排気管１４よりも大径とされた内筒２６の上流端２６Ａと排気管１４における触媒コンバータ１６側に位置する部分とを接続するテーパ筒壁としてのコニカル胴３５が設けられている。

したがって、シェル３０の内部には、コニカル胴３２（及び外筒２８における上流端２８Ａ側の一部）の内側空間である排気ガス入口ヘッダ部（分岐集合部）３６と、内筒２６と外筒２８との間に形成された円筒状空間である熱交換流路としての排気ガス熱交換路３８と、内筒２６の内部空間であり流路切替バルブ２４が配設された上記のガス流路２２と、コニカル胴３４（及び外筒２８における下流端２８Ｂ側の一部）の内側空間である排気ガス出口ヘッダ部（合流集合部）４０とが形成されている。排気ガス入口ヘッダ部３６は、コニカル胴３５を貫通して形成された熱交換ガス入口３８Ａによって、排気ガス熱交換路３８側とガス流路２２側とが連通する（分岐部が形成される）構成とされている。

また、この実施形態では、排気ガス熱交換路３８における排気ガス出口ヘッダ部４０との合流部分、すなわち内筒２６の下流側開口端２６Ｂの外周側部分が、熱交換ガス出口３８Ｂとされている。したがって、この実施形態では、排気管１４、コニカル胴３５（排気ガス入口ヘッダ部３６）、内筒２６（ガス流路２２）、コニカル胴３４（排気ガス出口ヘッダ部４０）、排気管１４が本発明におけるガス流路を構成している。このようにガス流路２２の周囲に排気ガス熱交換路３８が同軸的に配置されている排気熱回収用熱交換器１８は、ノーマルモードでの背圧が小さくなる構成である。また、この排気熱回収用熱交換器１８では、表面温度が低くなり自動車の他の部品との間隔を小さく設定して車両スペースを有効利用することができる構成である。さらに、この排気熱回収用熱交換器１８では、外筒２８（シェル３０）内を通過する排気ガス温（エネルギ）が低く、またノーマルモードでは排気ガス熱交換路３８が断熱層として機能するので、外筒２８からの放射音が低減されるようになっている。

さらに、シェル３０の排気ガス熱交換路３８内には、冷却水管４２が配設されており、排気熱回収用熱交換器１８におけるエンジン冷却水の流通路である冷却水熱交換路４４を構成している。この実施形態では、冷却水管４２は、二重円筒の内側に円筒形状の冷却水熱交換路４４が形成された例を示しているが、例えば、多数の直管の集合体や１条若しくは複数条の螺旋管として構成されても良い。冷却水管４２は、冷却水流れ方向の上流側部分が外筒２８を貫通して設けられた入口ポート４６に接続されると共に、冷却水流れ方向の下流側部分が外筒２８を貫通して設けられた出口ポート４８に接続されている。この実施形態では、入口ポート４６は、出口ポート４８よりもシェル３０における下流側に配設されており、排気熱回収用熱交換器１８は向流型熱交換器とされている。

この排気熱回収用熱交換器１８では、流路切替バルブ２４が内筒２６（ガス流路２２）を閉止している場合には、排気ガスが排気ガス熱交換路３８に流れることで熱交換機能を果たし、流路切替バルブ２４が内筒２６を開放している場合には、排気ガスが主にガス流路２２を流れて排気ガスバイパス機能を果たす構成とされている。なお、冷却水管４２が配設された排気ガス熱交換路３８の流動抵抗（圧力損失）は、開放されているガス流路２２の流動抵抗に対し十分に大きく、流路切替バルブ２４が内筒２６を開放している場合には、排気ガスが主にガス流路２２を流れる構成とされている。

また、排気熱回収システム１０を構成する排気熱回収用熱交換器１８では、本発明における負圧発生構造の作用によって、流路切替バルブ２４が内筒２６を開放している場合には、排気ガスが排気ガス熱交換路３８を流れ難い構成とされている。この実施形態では、熱交換ガス入口３８Ａが形成されたコニカル胴３５がガス流路２２に向かう排気ガスの流れを剥離させることで、熱交換ガス入口３８Ａの近傍に排気ガス熱交換路３８からガスを吸い出す方向の負圧Ｐｎｉを発生させる構成とされている。排気ガス流れの剥離（に伴い渦）を生じさせるコニカル胴３５の内面の軸線（マクロ的な排気ガスの流れ方向）に対する傾斜角θは、７°以上として設定されている。

さらに、排気熱回収用熱交換器１８では、図２（Ｂ）に示される如く、流路切替バルブ２４が内筒２６を開放している場合に熱交換ガス入口３８Ａの近傍で生じる負圧Ｐｎｉは、エンジン１２の所定の運転状態（における排気ガスの流量）において、熱交換ガス出口３８Ｂの近傍で生じる負圧Ｐｎｏとほぼ等しくなる（Ｐｎｉ≒Ｐｎｏ）ように、傾斜角θ等が決められている。この実施形態では、エンジン１２の所定の運転状態は、例えば最高出力の７５％以上の出力を発生する運転条件とされている。すなわち、排気熱回収システム１０では、エンジン１２の熱負荷の大きい場合をターゲットに、排気ガス流量に対する依存性が比較的大きい負圧Ｐｎｏに対し、排気ガス流量に対する依存性が小さい負圧Ｐｎｉを略一致させるように構成されている。

また、排気熱回収システム１０では、流路切替バルブ２４は、図示しない制御装置としてのＥＣＵによって制御され、例えば、エンジン１２の暖機促進要求がされた場合、エンジン冷却水温が低いときに暖房要求がされた場合などにガス流路２２を閉止するようになっている。

一方、図３に示される如く、排気熱回収システム１０は、エンジン冷却水の熱を暖房用に回収するフロントヒータコア５０、リヤヒータコア５２、及びエンジン冷却水をフロントヒータコア５０、リヤヒータコア５２に循環させるヒータ温水路５４を備えている。フロントヒータコア５０とリヤヒータコア５２とは、並列に配置されている。そして、ヒータ温水路５４におけるリヤヒータコア５２の下流側に排気熱回収用熱交換器１８が配置されている。すなわち、ヒータ温水路５４におけるリヤヒータコア５２側に入口ポート４６が配置されると共に、ヒータ温水路５４におけるエンジン１２の上流側に出口ポート４８が配置されている。この実施形態では、排気熱回収用熱交換器１８は、エンジン冷却水の系統においては、フロントヒータコア５０に対し並列でかつリヤヒータコア５２に対し直列に配置されている。

したがって、排気熱回収システム１０では、図３のヒータ温水路５４上に示す矢印の通りエンジン冷却水が流れるようになっている。これにより、エンジン１２を通った高温の温水がフロントヒータコア５０及びリヤヒータコア５２を通る際に熱交換されて暖房に利用され、リヤヒータコア５２にて降温されたエンジン冷却水が排気熱回収用熱交換器１８に導入されて上記排気ガスと熱交換する構成である。排気熱回収用熱交換器１８を通過したエンジン冷却水は、フロントヒータコア５０を通過したエンジン冷却水と共にエンジン１２に戻されるようになっている。このように、排気熱回収用熱交換器１８は、例えば暖房機能の観点からは、エンジン１２によって加熱される前のエンジン冷却水を予熱する予熱器として機能する構成である。なお、図３に示される構成に代えて、例えば、フロントヒータコア５０及びリヤヒータコア５２をエンジン１２の下流で分岐すると共に排気熱回収用熱交換器１８（入口ポート４６）の上流で合流する並列配置としても良く、図３の構成に対しフロントヒータコア５０とリヤヒータコア５２との配置を入れ替えた構成としても良く、フロントヒータコア５０及びリヤヒータコア５２をエンジン１２の下流で分岐すると共に排気熱回収用熱交換器１８（出口ポート４８）の下流で合流する並列配置としても良く、フロントヒータコア５０及びリヤヒータコア５２をエンジン１２と排気熱回収用熱交換器１８（入口ポート４６）との間に直列に配置しても良い。

この実施形態では、狭義には排気熱回収用熱交換器１８が本発明における排気熱回収装置に相当し、広義には、排気熱回収システム１０の排気ガス系統が本発明における排気熱回収装置に相当し、より広義には排気熱回収システム１０全体が本発明における排気熱回収装置に相当する。

次に、本第１の実施形態の作用を説明する。

上記構成の排気熱回収システム１０では、エンジン１２の始動直後のように冷却水温が低いときに暖房要求又はエンジン１２の暖機促進要求があった場合、ＥＣＵは流路切替バルブ２４を閉駆動してガス流路２２を閉止させる。すなわち、排気熱回収モードを選択する。すると、図２（Ａ）に示される如く、エンジン１２の排気ガスはガス流路２２を流れず、排気熱回収用熱交換器１８において熱交換ガス入口３８Ａから排気ガス熱交換路３８に導入される。

排気ガス熱交換路３８に導入された排気ガスは、冷却水熱交換路４４を流れるエンジン冷却水との間で熱交換を行い、エンジン冷却水に排気熱を回収させる。このエンジン冷却水がエンジン１２やフロントヒータコア５０、リヤヒータコア５２を循環することで、排気熱が暖機や暖房に利用される。排気ガス熱交換路３８にてエンジン冷却水との熱交換を行った排気ガスは、熱交換ガス出口３８Ｂ、排気ガス出口ヘッダ部４０を経由してガス流路２２と合流し、排気管１４、メインマフラ２０を経由して系外に排出される。

一方、例えばエンジン冷却水温が所定温度以上の温度になった場合やエンジン１２に高出力の出力要求があった場合等に、ＥＣＵは流路切替バルブ２４を開駆動してガス流路２２を開放させる。すなわち、ノーマルモードに切り替える。すると、図２（Ｂ）に示される如く、エンジン１２の排気ガスは、主にガス流路２２を流れ、排気ガス出口ヘッダ部４０、排気管１４、メインマフラ２０を経由して系外に排出される。

このとき、熱交換ガス出口３８Ｂの近傍（排気ガス出口ヘッダ部４０）では、ガス流路２２、排気ガス出口ヘッダ部４０を通過する排気ガスの流れに伴って、排気ガス熱交換路３８内のガスを排気ガス出口ヘッダ部４０に吸い出す方向の負圧Ｐｎｏが生じる。

ここで、排気熱回収システム１０を構成する排気熱回収用熱交換器１８では、熱交換ガス入口３８Ａをコニカル胴３５に設けているため、ノーマルモードにおいてコニカル胴３５で排気ガスの剥離が生じ、これに伴って熱交換ガス入口３８Ａの近傍では渦が生じ、排気ガス熱交換路３８内のガスを排気ガス入口ヘッダ部３６、コニカル胴３５内に吸い出す方向の負圧Ｐｎｏが生じる。このため、排気ガスの正圧によって、熱交換ガス入口３８Ａから排気ガス熱交換路３８に排気ガスが流入することが抑制又は防止される。

これにより、エンジン冷却水への熱回収が不要であるノーマルモードにおいて排気熱がエンジン冷却水に回収されることが抑制又は防止され、エンジン冷却水を冷却するためのラジエータの負荷が軽減される。

しかも、排気熱回収システム１０では、エンジン１２が最高出力に近い出力を発揮する運転状態、換言すれば熱負荷の高い運転状態において、熱交換ガス入口３８Ａの近傍における負圧Ｐｎｉが熱交換ガス出口３８Ｂの近傍における負圧Ｐｎｏが略一致するので、負圧Ｐｎｏによって排気ガス熱交換路３８に排気ガス流れが生じることが抑制又は防止される。すなわち、排気熱回収用熱交換器１８では、排気ガス熱交換路３８の排気ガス流れが殆どなくなり、エンジン冷却水への熱回収（冷却水の昇温）が一層効果的に抑制又は防止される。これにより、熱負荷の高い状態でラジエータの負荷を軽減することができる。

したがって、排気熱回収システム１０では、ノーマルモードで排気ガスが排気ガス熱交換路３８を流れてしまう排気熱回収用熱交換器を備えた構成と比較して、ラジエータの小型化（大型化の防止）に寄与することができる。

次に、本発明の他の実施形態について説明する。なお、上記第１の実施形態又は前出の構成と基本的に同一の部品・部分については、上記第１の実施形態又は前出の構成と同一の符号を付して説明を省略し、図示を省略する場合がある。

（第２の実施形態）
図４には、本発明の第２の実施系に係る排気熱回収装置が適用された排気熱回収システム６０の要部が断面図にて示されている。この図に示される如く、排気熱回収システム６０は、コニカル胴３５を備えた排気熱回収用熱交換器１８に代えて、内筒２６が排気管１４と略同径とされた排気熱回収用熱交換器６２を備える点で、第１の実施形態に係る排気熱回収システム１０とは異なる。

排気熱回収用熱交換器６２は、内筒２６の上流端２６Ａ側に、排気管１４の一部を構成する湾曲管（エルボ管）６４が連続（一体化）され又は一体的に接続されている。湾曲管６４の湾曲方向は、円直面に沿う方向、水平面に沿う方向、これらに交差する面に沿う方向等、各種方向を採用することができる。

上記湾曲管６４を有する排気熱回収システム６０では、内筒２６内のガス流路２２に導入される排気ガスは、慣性によって、湾曲管６４の外周６４Ａ側の流量が大きく、内周６４Ｂ側の流量が少ない偏流を生じるようになっている。

そして、排気熱回収用熱交換器６２では、内筒２６における湾曲管６４の内周６４Ｂ側に連続する部分を貫通して、ガス流路２２と排気ガス熱交換路３８を連通する熱交換ガス入口３８Ａを形成することで、コニカル胴３２（及び外筒２８の上流端２８Ａ側の一部）の内側に排気ガス入口ヘッダ部３６が形成されている。すなわち、排気熱回収用熱交換器６２では、熱交換ガス入口３８Ａから排気ガス入口ヘッダ部３６に導入された排気ガスは、該排気ガス入口ヘッダ部３６にて周方向に分散しつつ排気ガス熱交換路３８に流入するようになっている。

排気熱回収システム６０の他の構成は、排気熱回収システム１０の対応する構成と同じである。すなわち、排気熱回収用熱交換器６２の他の構成は、排気熱回収用熱交換器１８の対応する構成と同じである。なお、この実施形態では、狭義には排気熱回収用熱交換器６２及び湾曲管６４が本発明における排気熱回収装置に相当する。

排気熱回収システム６０の作用について、排気熱回収システム１０の作用と異なる部分を主に説明する。

上記構成の排気熱回収システム６０では、排気熱回収モードにおける作用は、排気熱回収システム１０の排気熱回収モードにおける作用と同じである。この排気熱回収システム６０では、湾曲管６４から内筒２６内のガス流路２２に排気ガスが流入するノーマルモードにおいて、湾曲管６４の外周６４Ａ側の流量が大きく内周６４Ｂ側の流量が小さい偏流が生じるため、ガス流路２２において湾曲管６４の内周６４Ｂに連続する側の流量が小さい。

このため、ノーマルモードにおいては、熱交換ガス入口３８Ａから排気ガス入口ヘッダ部３６すなわち排気ガス熱交換路３８への排気ガスの流入が著しく抑制される。これにより熱回収が不要であるノーマルモードにおいて排気熱がエンジン冷却水に回収されることが抑制又は防止され、エンジン冷却水を冷却するためのラジエータの負荷が軽減される点は、第１の実施形態に係る排気熱回収システム１０と同じである。

なお、上記した第１及び第２の実施形態では、流路切替バルブ２４としてバタフライ弁を備えた例を示したが、本発明はこれに限定されず、各種構造の弁装置を採用することができるのはいうまでもない。

（第３の実施形態）
図５（Ａ）及び図５（Ｂ）には、本発明の第３の実施系に係る排気熱回収装置が適用された排気熱回収システム７０の要部がそれぞれ断面図にて示されている。これらの図に示される如く、排気熱回収システム７０は、コニカル胴３５を備えた排気熱回収用熱交換器１８に代えて、内筒２６が排気管１４と略同径とされた排気熱回収用熱交換器７２を備える点で、第１の実施形態に係る排気熱回収システム１０とは異なる。また、排気熱回収システム７０は、流路切替バルブ２４に代えて流路切替バルブ７４を備える点で、第１の実施形態に係る排気熱回収システム１０とは異なる。

排気熱回収用熱交換器７２は、内筒２６の上流端２６Ａと、上流側の排気管１４とが離間しており、この離間部分が、熱交換ガス入口３８Ａとされてコニカル胴３２の内側に排気ガス入口ヘッダ部３６を形成している。図５（Ａ）乃至図５（Ｃ）に示される如く、内筒２６の上流端２６Ａと外筒２８の上流端２８Ａとの間には、リング状二形成された仕切板７６が、内外周共にほぼ気密となるように配設されている。これにより、排気ガス入口ヘッダ部３６と排気ガス熱交換路３８とは仕切板７６にて仕切られている。

図５（Ｃ）に示される如く、仕切板７６は、その周方向の一部が貫通して形成され、排気ガス入口ヘッダ部３６から排気ガス熱交換路３８に排気ガスを導入するための熱交換ガス入口７６Ａを有する。

流路切替バルブ７４は、ガス流路２２を開閉するための第１弁体７８と、熱交換ガス入口７６Ａを開閉するための第２弁体８０とを有する。この実施形態では、第１弁体７８、第２弁体８０は、それぞれ共通の回動軸８２に一体的に回動するように固定されている。回動軸８２は、内筒２６の上流端２６Ａの近傍で、熱交換ガス入口７６Ａとガス流路２２との間を仕切るように延在している（図５（Ｃ）参照）。そして、流路切替バルブ７４では、回動軸８２廻りの回動によって、図５（Ａ）に示される如く第１弁体７８がガス流路２２を閉止すると共に第２弁体８０が熱交換ガス入口７６Ａを開放する第１状態としての排気熱回収モードと、図５（Ｂ）に示される如く第１弁体７８がガス流路２２を開放すると共に第２弁体８０が熱交換ガス入口７６Ａを閉止する第２状態としてのノーマルモードとを選択的にとり得る構成とされている。

排気熱回収システム７０の他の構成は、排気熱回収システム１０の対応する構成と同じである。すなわち、排気熱回収用熱交換器７２の他の構成は、排気熱回収用熱交換器１８の対応する構成と同じである。

排気熱回収システム７０の作用について、排気熱回収システム１０の作用と異なる部分を主に説明する。

上記構成の排気熱回収システム７０では、流路切替バルブ７４がガス流路２２を閉止しつつ熱交換ガス入口７６Ａを開放している排気熱回収モードにおいて排気ガスは、排気管１４から排気ガス入口ヘッダ部３６、熱交換ガス入口７６Ａを経由して排気ガス熱交換路３８に導入される。その後の作用は、第１の実施形態に係る排気熱回収システム１０の排気熱回収モードにおける作用と同じである。

一方、ノーマルモードでは、排気ガスは、排気管１４から排気ガス入口ヘッダ部３６を経由してガス流路２２に導入される。ここで排気熱回収システム７０では、ノーマルモードにおいて流路切替バルブ７４の第２弁体８０が熱交換ガス入口７６Ａを閉止するため、排気ガスが排気ガス熱交換路３８に流入することが効果的に防止される。これにより熱回収が不要であるノーマルモードにおいて排気熱がエンジン冷却水に回収されることが抑制又は防止され、エンジン冷却水を冷却するためのラジエータの負荷が軽減される点は、第１の実施形態に係る排気熱回収システム１０と同じである。

（第４の実施形態）
図６（Ａ）及び図６（Ｂ）には、本発明の第４の実施系に係る排気熱回収装置が適用された排気熱回収システム９０の要部がそれぞれ断面図にて示されている。これらの図に示される如く、排気熱回収システム９０を構成する排気熱回収用熱交換器９２は、ガス流路２２の上流側に設けられた流路切替バルブ７４に代えて、ガス流路２２の下流側に設けられた流路切替バルブ９４を備える点で、第３の実施形態に係る排気熱回収システム７０とは異なる。

排気熱回収用熱交換器９２は、内筒２６の上流端２６Ａ側には仕切板７６が設けられておらず、排気ガス入口ヘッダ部３６と排気ガス熱交換路３８との間の部分が全周に亘る熱交換ガス入口３８Ａとされている。一方、排気熱回収用熱交換器９２では、内筒２６の下流側開口端２６Ｂと外筒２８との間に仕切板９６が配設されており、この仕切板９６には熱交換ガス出口９６Ａが周方向の一部に形成されている。図示は省略するが、仕切板９６は正面視（軸方向視）で仕切板７６と同じ形状に形成されている。この実施形態では、排気ガス出口ヘッダ部４０は、コニカル胴３４及び外筒２８における下流端２８Ｂ側部分の内側空間として形成されている。

流路切替バルブ９４は、ガス流路２２を開閉するための第１弁体９８と、熱交換ガス出口９６Ａを開閉するための第２弁体１００とを有する。この実施形態では、第１弁体９８、第２弁体１００は、それぞれ共通の回動軸１０２に一体的に回動するように固定されている。回動軸１０２は、内筒２６の下流側開口端２６Ｂの近傍で、熱交換ガス出口９６Ａとガス流路２２との間を仕切るように延在している。そして、流路切替バルブ９４では、回動軸１０２廻りの回動によって、図６（Ａ）に示される如く第１弁体９８がガス流路２２を閉止すると共に第２弁体１００が熱交換ガス出口９６Ａを開放する第１状態としての排気熱回収モードと、図６（Ｂ）に示される如く第１弁体９８がガス流路２２を開放すると共に第２弁体１００が熱交換ガス出口９６Ａを閉止する第２状態としてのノーマルモードとを選択的にとり得る構成とされている。

排気熱回収システム９０の他の構成は、排気熱回収システム７０（排気熱回収システム１０）の対応する構成と同じである。すなわち、排気熱回収用熱交換器９２の他の構成は、排気熱回収用熱交換器７２（排気熱回収用熱交換器１８）の対応する構成と同じである。

排気熱回収システム９０の作用について、排気熱回収システム７０の作用と異なる部分を主に説明する。

上記構成の排気熱回収システム９０では、流路切替バルブ９４がガス流路２２を閉止しつつ熱交換ガス出口９６Ａを開放している排気熱回収モードにおいて排気ガスは、排気管１４から排気ガス入口ヘッダ部３６を経由して排気ガス熱交換路３８に導入され、排気ガス熱交換路３８での熱交換後、熱交換ガス出口９６Ａ、排気ガス出口ヘッダ部４０を経由してガス流路２２に合流する。その後の作用は、第１の実施形態に係る排気熱回収システム１０の排気熱回収モードにおける作用と同じである。

一方、ノーマルモードでは、排気ガスは、排気管１４から排気ガス入口ヘッダ部３６を経由してガス流路２２に導入される。ここで排気熱回収システム９０では、ノーマルモードにおいて流路切替バルブ９４の第２弁体１００が熱交換ガス出口９６Ａを閉止するため、排気ガスが排気ガス熱交換路３８に流入することが効果的に防止される。これにより熱回収が不要であるノーマルモードにおいて排気熱がエンジン冷却水に回収されることが抑制又は防止され、エンジン冷却水を冷却するためのラジエータの負荷が軽減される点は、第１の実施形態に係る排気熱回収システム１０と同じである。

（第５の実施形態）
図７（Ａ）及び図７（Ｂ）には、本発明の第５の実施系に係る排気熱回収装置が適用された排気熱回収システム１１０の要部がそれぞれ断面図にて示されている。これらの図に示される如く、排気熱回収システム１１０を構成する排気熱回収用熱交換器１１２は、２つの弁体９８、１００を有する流路切替バルブ９４に代えて、１つの弁体１１６でガス流路２２と排気ガス熱交換路３８とを閉止し得る流路切替バルブ１１４を備える点で、第５の実施形態に係る排気熱回収システム９０とは異なる。

排気熱回収用熱交換器１１２は、内筒２６が上下流側共に排気管１４に連続（一体化）され又は一体的に接続されている。排気ガス入口ヘッダ部３６は、コニカル胴３２の内側で内筒２６を貫通する熱交換ガス入口３８Ａを形成することで構成されている。熱交換ガス入口３８Ａは、内筒２６の周方向に沿って複数設けられている。排気ガス出口ヘッダ部４０は、排気熱回収システム９０と同様に、コニカル胴３４及び外筒２８における下流端２８Ｂ側部分の内側に位置し、内筒２６の周方向の所定範囲に該内筒２６を貫通して熱交換ガス出口３８Ｂを形成することで構成されている。

流路切替バルブ１１４は、ガス流路２２を閉止する状態と、熱交換ガス出口３８Ｂを閉止する状態とを選択的にとり得る単一の弁体１１６を備えている。弁体１１６は、熱交換ガス出口３８Ｂの上流側縁部の近傍で排気ガス熱交換路３８とガス流路２２と野間を通過するように配設された回動軸１１８廻りに回動可能とされ、該回動によって、上記の通り、ガス流路２２を閉止する状態と、熱交換ガス出口３８Ｂを閉止する状態とを選択的にとり得る。この実施形態では、弁体１１６は、円形断面の内筒２６に形成された熱交換ガス出口３８Ｂを閉止するために、円弧状断面を有すると共に円弧の周方向中央部において回動軸１１８に支持又は固定されている。

排気熱回収システム１１０の他の構成は、排気熱回収システム９０（排気熱回収システム１０）の対応する構成と同じである。すなわち、排気熱回収用熱交換器１１２の他の構成は、排気熱回収用熱交換器９２（排気熱回収用熱交換器１８）の対応する構成と同じである。

排気熱回収システム１１０の作用について、排気熱回収システム９０の作用と異なる部分を主に説明する。

上記構成の排気熱回収システム１１０では、流路切替バルブ１１４がガス流路２２を閉止して熱交換ガス出口３８Ｂを開放している排気熱回収モードにおいて排気ガスは、排気管１４から排気ガス入口ヘッダ部３６を経由して排気ガス熱交換路３８に導入され、排気ガス熱交換路３８での熱交換後、排気ガス出口ヘッダ部４０、熱交換ガス出口３８Ｂを経由してガス流路２２に合流する。その後の作用は、第１の実施形態に係る排気熱回収システム１０の排気熱回収モードにおける作用と同じである。

一方、ノーマルモードでは、排気ガスは、排気管１４から排気ガス入口ヘッダ部３６を経由してガス流路２２に導入される。ここで排気熱回収システム９０では、ノーマルモードにおいて流路切替バルブ１１４の弁体１１６が熱交換ガス出口３８Ｂを閉止するため、排気ガスが排気ガス熱交換路３８に流入することが効果的に防止される。これにより熱回収が不要であるノーマルモードにおいて排気熱がエンジン冷却水に回収されることが抑制又は防止され、エンジン冷却水を冷却するためのラジエータの負荷が軽減される点は、第１の実施形態に係る排気熱回収システム１０と同じである。

なお、上記した各実施形態では、内筒２６、外筒２８、コニカル胴３５、湾曲管６４等が円形断面を有する例を示したが、本発明はこれに限定されず、例えば、これらの一部又は全部が矩形断面を有して構成されていても良い。この構成では、例えば弁体１１６を平板状に構成することができる。

また、上記した各実施形態では、各種形態の排気熱回収用熱交換器を示したが、本発明はこれに限定されず、例えば、第２に実施形態における熱交換ガス入口３８Ａに代えて、第３の実施形態に係る熱交換ガス入口７６Ａを湾曲管６４の内周６４Ｂ側に設けても良い。

本発明の第１の実施形態に係る排気熱回収システムを構成する排気熱回収用熱交換器の概略全体構成を示す側断面図である。 本発明の第１の実施形態に係る排気熱回収システムを構成する排気熱回収用熱交換器の排気ガス流れを示す図であって、（Ａ）は排気熱回収モードの側断面図、（Ｂ）はノーマルモードの側断面図である。 本発明の第１の実施形態に係る排気熱回収システムの概略全体構成を示すシステムフロー図である。 本発明の第２の実施形態に係る排気熱回収システムを構成する排気熱回収用熱交換器を示す側断面図である。 本発明の第３の実施形態に係る排気熱回収システムを構成する排気熱回収用熱交換器を示す図であって、（Ａ）は排気熱回収モードの側断面図、（Ｂ）はノーマルモードの側断面図、（Ｃ）は仕切板を示す軸直角断面図である。 本発明の第４の実施形態に係る排気熱回収システムを構成する排気熱回収用熱交換器の排気ガス流れを示す図であって、（Ａ）は排気熱回収モードの側断面図、（Ｂ）はノーマルモードの側断面図である。 本発明の第５の実施形態に係る排気熱回収システムを構成する排気熱回収用熱交換器の排気ガス流れを示す図であって、（Ａ）は排気熱回収モードの側断面図、（Ｂ）はノーマルモードの側断面図である。

符号の説明

１０ 排気熱回収システム（排気熱回収装置）
１８ 排気熱回収用熱交換器（排気熱回収装置）
２２ ガス流路
２４ 流路切替バルブ（弁装置）
２６ 内筒
３５ コニカル胴（テーパ筒壁）
３８Ａ 熱交換ガス出口
３８Ｂ 熱交換ガス出口
６０・７０・９０・１１０ 排気熱回収システム（排気熱回収装置）
６２・７２・９２・１１２ 排気熱回収用熱交換器（排気熱回収装置）
６４ 湾曲管（湾曲流路）
７４・９４・１１４ 流路切替バルブ
７６Ａ 熱交換ガス入口
９６Ａ 熱交換ガス出口

Claims (6)

1. 排気ガスを流通させるためのガス流路と、
   前記ガス流路の外周を覆って設けられ、冷媒との熱交換を行う排気ガスを流通させるための熱交換流路と、
   前記ガス流路を開閉する弁装置と、
   前記熱交換流路における排気ガス流れ方向の上流側と前記ガス流路とを連通する熱交換ガス入口と、
   前記熱交換流路の排気ガス流れ方向下流端側と前記ガス流路とを連通する熱交換ガス出口と、
   前記ガス流路を排気ガスが流通するのに伴って、前記熱交換ガス入口から前記熱交換流路へのガス流入を抑制する方向の負圧を生じさせる負圧発生構造と、
   を備えた排気熱回収装置。
2. 前記負圧発生構造は、少なくとも排気ガス流量が所定流量である場合に、前記熱交換ガス入口に生じさせる負圧が前記熱交換ガス出口に生じる負圧と同等になるように構成されている請求項１記載の排気熱回収装置。
3. 前記負圧発生構造は、排気ガス流れ方向の下流側に向けて流路断面積を徐々に広げるように傾斜され前記熱交換流路と前記ガス流路とを隔てるテーパ筒壁に、前記熱交換ガス入口を形成して構成されている請求項１又は請求項２記載の排気熱回収装置。
4. 排気ガスを流通させるためのガス流路と、前記ガス流路の外側に設けられ冷媒との熱交換を行う排気ガスを流通させるための熱交換流路とを隔てる内筒と、
   前記ガス流路を開閉するための弁装置と、
   前記内筒の排気ガス流れ方向の上流側に連続し、該内筒に向けて流路断面積を徐々に拡大するテーパ状に形成されたテーパ筒壁と、
   前記テーパ筒壁を貫通して設けられ、前記熱交換流路における排気ガス流れ方向の上流側部分と前記ガス流路とを連通する熱交換ガス入口と、
   前記熱交換流路における排気ガス流れ方向の下流側部分と前記ガス流路とを連通する熱交換ガス出口と、
   を備えた排気熱回収装置。
5. 排気ガスを流通させるためのガス流路と、前記ガス流路の外側に設けられ冷媒との熱交換を行う排気ガスを流通させるための熱交換流路とを隔てる内筒と、
   前記ガス流路を開閉するための弁装置と、
   前記内筒における排気ガス流れ方向の上流側に設けられ、前記ガス流路に排気ガスを導入するための湾曲流路と、
   前記内筒における前記湾曲流路の内周側に連続する部分を貫通して設けられ、前記熱交換流路における排気ガス流れ方向の上流側部分と前記ガス流路とを連通する熱交換ガス入口と、
   を備えた排気熱回収装置。
6. 排気ガスを流通させるためのガス流路と、
   前記ガス流路の外周を覆って設けられ、冷媒との熱交換を行う排気ガスを流通させるための熱交換流路と、
   前記ガス流路を閉止すると共に前記熱交換流路を開放する第１状態と、前記ガス流路を開放すると共に前記熱交換流路を閉止する第２状態とを選択的に切り替え得る弁装置と、
   を備えた排気熱回収装置。

Images