JP2009013838A - 排気熱回収装置 - Google Patents

Abstract

【課題】排気熱回収装置の小型化を図るとともに、排気熱の回収を行う時と排気熱の回収を行わない時とを切り替える際の排気ガス経路の圧力損失の急変を抑制する。
【解決手段】排気ガス経路１１ａを形成する排気管１１内に、冷却水を流通させる第１熱交換通路１９および排気ガスを流通させる第２熱交換通路２０が形成された熱交換器１２を回転変位可能に配置する。さらに、排気熱回収運転時には、第２熱交換通路２０における排気ガス流通方向および排気管１１におけるガス流れ方向が平行となるように熱交換器１２の回転位置を変化させ、熱遮断運転時には、排気ガス流通方向およびガス流れ方向が垂直となるように熱交換器１２の回転位置を変化させる。これにより、排気ガス経路１１ａを１つとして小型化を図るとともに、排気熱回収運転時と熱遮断運転時との切り替える際の排気ガス経路の圧力損失の急変を抑制する。
【選択図】図２

Description

本発明は、排気熱を回収する排気熱回収装置に関する。

従来、特許文献１、２に、車両走行用のエンジンから排出される排気ガスと熱媒体であるエンジン冷却用の冷却水とを熱交換させて、排気ガスの排気熱を冷却水に回収させる排気熱回収装置が開示されている。

例えば、特許文献１の排気熱回収装置は、排気ガスが流れる排気ガス経路として、排気ガスと冷却水とを熱交換させる熱交換器が配置された熱交換用経路、および、熱交換器を迂回させて排気ガスを流すバイパス経路の２つの排気ガス経路を備え、さらに、バイパス経路を開閉する切替弁を備えて構成されている。

そして、排気熱の回収を行う時には、切替弁を閉弁させて排気ガスの流れを熱交換用経路へ導いて、排気ガスの排気熱を冷却水に回収させている。一方、排気熱の回収を行わない時には、切替弁を開弁させて排気ガスの流れをバイパス経路へ導いている。

また、特許文献２の排気熱回収装置は、特許文献１の排気熱回収装置と同様に、熱交換用経路、バイパス経路および切替弁を備え、熱交換用経路を形成する外側管の内側にバイパス経路を形成する内側管を配置した二重管構造とすることで、排気熱回収装置全体としての小型化を図ろうとしている。
特開２００６−３１２８８４号公報 特開２００７−３２５６１号公報

ところが、特許文献１、２の排気熱回収装置では、いずれも切替弁の開閉によって、排気熱の回収を行う時には熱交換用経路側に排気ガスを流し、排気熱の回収を行わない時にはバイパス経路側に排気ガスを流す構成になっているので、熱交換用経路およびバイパス経路の２つの独立した排気ガス経路を設けなければならない。そのため、排気熱回収装置全体としての小型化には限界がある。

さらに、排気熱の回収を行う時と排気熱の回収を行わない時とでは排気ガス経路が異なるため、切替弁の開閉によって排気ガス経路を切り替える際に、排気ガス経路の圧力損失が急変する。このような圧力損失の急変は、燃費向上や排気ガス中の有害成分低減のために行われるエンジンの最適制御の妨げになることがある。

上記点に鑑み、本発明は、２つの独立した排気ガス経路が設けられた排気熱回収装置に対して、充分に小型化された排気熱回収装置を提供することを第１の目的とする。

また、本発明は、排気熱の回収を行う時と排気熱の回収を行わない時とを切り替える際に、排気ガス経路の圧力損失の急変を抑制できる排気熱回収装置を提供することを第２の目的とする。

上記目的を達成するため、本発明は、排気ガスの排気熱を熱媒体に回収させる排気熱回収装置であって、排気ガスが流れる排気ガス経路（１１ａ）を形成する排気管（１１）と、排気管（１１）内に配置されて、排気ガスと熱媒体とを熱交換させる熱交換器（１２）とを備え、熱交換器（１２）には、排気管（１１）に回転可能に支持された回転軸部（１４）、熱媒体を流通させる第１熱交換通路（１９）および第１熱交換通路（１９）の周囲に形成されて排気ガスを流通させる第２熱交換通路（２０）が設けられており、熱交換器（１２）の回転位置を変化させて第２熱交換通路（２０）を流通する排気ガス量を調整することによって、排気熱の回収量を調整する排気熱回収装置を特徴とする。

これによれば、熱交換器（１２）の回転位置を変化させて熱交換器（１２）の第２熱交換通路（２０）を流通する排気ガス量を調整することによって、排気熱の回収量を調整しているので、排気熱の回収量を変化させた場合であっても、排気ガスは排気管（１１）によって形成された同じ排気ガス経路（１１ａ）を流れる。

つまり、特許文献１、２に記載された排気熱回収装置にように、２つの独立した排気ガス経路を設ける必要がない。その結果、２つの独立した排気ガス経路が設けられた排気熱回収装置に対して、充分に小型化を図ることができる。さらに、特許文献１、２のように、切替弁の開閉によって排気ガス経路を切り替える必要がないので、排気ガス経路の圧力損失が急変することも回避できる。

また、上記特徴の排気熱回収装置において、回収量を最も多くする排気熱回収運転時には、第２熱交換通路（２０）における排気ガス流通方向および排気管（１１）におけるガス流れ方向が平行となるように熱交換器（１２）の回転位置を変化させ、排気熱の回収量を最も少なくする熱遮断運転時には、排気ガス流通方向およびガス流れ方向が垂直となるように熱交換器（１２）の回転位置を変化させるようになっていてもよい。

これによれば、排気熱回収運転時には、排気ガス流通方向およびガス流れ方向が平行となるので、熱交換器（１２）の第２熱交換通路（２０）を通過する排気ガス量を増加させることができる。従って、排気熱の回収量を多くできる。

また、熱遮断運転時には、排気ガス流通方向およびガス流れ方向が垂直となるので、熱交換器（１２）の第２熱交換通路（２０）に排気ガスが通過しない。従って、実質的に、排気熱をほぼ回収しない状態とすることができる。

さらに、排気熱回収運転時および熱遮断運転時における熱交換器（１２）の回転位置が決定されているので、それぞれの運転時における排気ガス経路（１１ａ）の圧力損失を予め調整しておくことで、排気熱回収運転時と熱遮断運転時とを切り替えても、排気ガス経路（１１ａ）の圧力損失を一定に保つことができる。

なお、本発明のように、排気管（１１）内に熱交換器（１２）が配置される場合、熱交換器（１２）の回転位置によらず、排気ガスの排気熱が熱交換器（１２）に伝熱される。そのため、「回収量を最も多くする排気熱回収運転時」とは、特許文献１、２における「排気熱の回収を行う時」に対応し、「排気熱の回収量を最も少なくする熱遮断運転時」とは、特許文献１、２における「排気熱の回収を行わない時」に対応する運転である。

また、本発明における「平行」および「垂直」という用語は、それぞれ排気ガス流通方向およびガス流れ方向が完全な平行および垂直になっている場合のみを意味するものではなく、排気熱回収装置の製造誤差、組付誤差等によって平行および垂直から微小にずれている場合も含む意味である。

また、上記特徴の排気熱回収装置において、排気熱回収運転時における排気ガス経路（１１ａ）の圧力損失および熱遮断運転時における排気ガス経路（１１ａ）の圧力損失が同等になっていてもよい。

これによれば、排気熱回収運転時と熱遮断運転時とを切り替えた際に、排気ガス経路（１１ａ）の圧力損失が急変してしまうことを確実に回避できる。なお、本発明における「同等」という用語は、圧力損失が完全に一致している場合のみを意味するものではなく、僅かにずれている場合も含む意味である。

また、上述の特徴の排気熱回収装置において、熱交換器（１２）の外周部を形成する外枠部材（１５）のうち、熱遮断運転時において、ガス流れ方向の上流側に位置する部位のガス流れ方向に平行かつ回転軸部（１４）の軸方向に垂直な断面形状は、ガス流れ方向の上流側に向かって尖った形状になっていてもよい。

これによれば、熱遮断運転時に、熱交換器（１２）の外周部に衝突する排気ガスの流れを整流して、排気ガス経路（１１ａ）の圧力損失を低減できる。その結果、熱遮断運転時における圧力損失を、排気熱回収運転時における圧力損失に、容易に一致させることができる。

また、上述の特徴の排気熱回収装置において、排気管（１１）には、回転軸部（１４）が挿入されるとともに、排気管（１１）の内外を貫通する貫通穴（１１ｄ）が設けられ、回転軸部（１４）には、第１熱交換通路（１９）に熱媒体を流入出させる流入出通路（１４ａ）が形成されていてもよい。

これによれば、排気管（１１）の外部から、排気管（１１）の内部に配置された熱交換器（１２）へ、熱媒体を容易に流入出させることができる。

さらに、貫通穴（１１ｄ）と回転軸部（１４）との隙間は、ラビリンスシール構造によってシールされていてもよい。なお、ラビリンスシールとは、貫通穴（１１ｄ）と回転軸部（１４）との間に凹凸の隙間を何段にも組み合わせて、各段ごとに徐々に隙間から漏れるガスの圧力を低下させていく非接触型のシール構造である。

従って、熱交換器（１２）を回転変位させる際の摺動抵抗を低減できる。さらに、排気ガスが高温となる時には、貫通穴（１１ｄ）および回転軸部（１４）の熱膨張によって、貫通穴（１１ｄ）と回転軸部（１４）との隙間寸法が縮小するのでシール性が向上する。

また、上述の特徴の排気熱回収装置において、排気管（１１）のうち、熱交換器（１２）のガス流れ方向上流側には、排気ガス経路（１１ａ）の経路断面積を徐々に縮小させるスロープ部（１１ｅ）が形成されていてもよい。

これによれば、ガス流れ方向を変更して熱交換器（１２）に向けることができるので、排気熱回収運転時の排気熱の回収量を効果的に増加できる。

また、上述の特徴の排気熱回収装置において、排気管（１１）には、排気ガス経路（１１ａ）の経路断面積を拡大させる膨出部（１１ｆ）が形成されており、熱交換器（１２）は、排気管（１１）内のうち、膨出部（１１ｆ）によって排気ガス経路（１１ａ）の経路断面積が拡大された部位に配置されていてもよい。

これによれば、熱交換器（１２）の熱交換面積を拡大できるので、排気熱回収運転時の排気熱の回収量を効果的に増加できる。

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。

（第１実施形態）
図１〜４により、本発明の第１実施形態を説明する。本実施形態では、本発明の排気熱回収装置１０を、車両用排気熱回収システム１に適用している。このシステムは、エンジン２から排出された排気ガスの有する熱量（排気熱）を排気熱回収装置１０にてエンジン冷却用の冷却水（以下、単に冷却水という。）に回収し、回収された熱量をエンジン２の暖機促進および車室内の暖房に利用するものである。図１は、本実施形態の車両用排気熱回収システム１の模式的な全体構成図である。

図１に示すように、車両用排気熱回収システム１では、エンジン２から排出された排気ガスが排気熱回収装置１０へ導かれる（矢印Ａ１）。そして、排気熱回収装置１０から流出した排気ガスは、消音用のマフラ３に導かれ（矢印Ａ２）、マフラ３から大気へ放出される（矢印Ａ３）。

さらに、エンジン２には、冷却水を循環させる冷却水回路４が接続されている。この冷却水回路４のうち、エンジン２の冷却水入口側には、エンジン２により回転駆動されるウォータポンプ５が配置されている。そして、このウォータポンプ５が作動することによって、冷却水が冷却水回路４を循環する。

さらに、冷却水回路４は、冷却水の有する熱量を大気に放熱させるラジエータ側回路４ａおよび排気ガスの有する熱量を冷却水に回収させて利用する排気熱回収側回路４ｂに大別される。なお、ラジエータ側回路４ａおよび排気熱回収側回路４ｂは、エンジン２の冷却水出口側とウォータポンプ５の冷却水吸入側との間に、並列的に接続されている。

まず、ラジエータ側回路４ａには、ラジエータ６、バイパス通路７およびサーモスタット８が設けられている。ラジエータ６は、エンジン２の冷却水出口から流出した冷却水と図示しない送風機から送風される外気とを熱交換させて冷却水を冷却する放熱器である。バイパス通路７は、ラジエータ６の入口側と出口側とを直接接続して、ラジエータ６を迂回させて冷却水を流す通路である。

サーモスタット８は、サーモワックス（感温部材）の温度による体積変化を利用して弁体を変位させる周知の温度応動弁である。具体的には、サーモスタット８は、ラジエータ６の出口側とバイパス通路７の出口側との合流部に配置されており、冷却水温度が所定温度（本実施形態では、８０℃）以上になると、ラジエータ６の出口側を開口させ、所定温度より低くなるとバイパス通路７の出口側を開口させる。

一方、排気熱回収側回路４ｂには、ヒータコア９および排気熱回収装置１０が設けられている。ヒータコア９は、図示しない車両用空調装置を構成する構成機器の１つであり、車室内へ送風される室内送風空気（矢印Ｂ）と排気熱回収装置１０から流出した冷却水とを熱交換させて、室内送風空気を加熱する加熱用熱交換器である。

排気熱回収装置１０は、エンジン２から排出された排気ガスと冷却水とを熱交換させて、排気ガスの排気熱を冷却水に回収させるものである。従って、本実施形態における熱媒体は冷却水である。

排気熱回収装置１０の詳細については、図２〜４により説明する。なお、図２は、排気熱回収装置１０のガス流れ方向の断面図であり、図２（ａ）は、後述する排気熱回収運転時における断面図であり、図２（ｂ）は、後述する熱遮断運転時における断面図である。また、図３は、図２（ａ）のＣ−Ｃ断面を拡大した拡大断面図である。

この排気熱回収装置１０は、内部に排気ガスが流れる排気ガス経路１１ａを形成する排気管１１、排気ガス経路１１ａを流れる排気ガスと冷却水とを熱交換させる熱交換器１２および熱交換器１２を回転変位させる電動アクチュエータ１３等を有して構成される。

排気管１１は、耐熱性に優れる金属（例えば、フェライト系ステンレス）で形成された略円筒状の管である。より具体的には、図３に示すように、排気管１１は２つの分割部材１１ｂ、１１ｃによって構成されており、内部に熱交換器１２を収容した状態で、各分割部材１１ｂ、１１ｃを一体に接合して形成されている。

また、それぞれの分割部材１１ｂ、１１ｃには、排気管１１として接合された際に排気管１１の内外を貫通する貫通穴１１ｄが形成されている。従って、排気管１１としては、貫通穴１１ｄが２つ形成される。さらに、２つの貫通穴１１ｄは互いに同軸上、かつ、その中心軸線が排気管１１の略中央部を通過するように配置される。

熱交換器１２は、排気管１１の貫通穴１１ｄに挿入される回転軸部１４、回転軸部１４に一体的に形成されて熱交換器１２の外周部（外枠）を形成する外枠部材１５、外枠部材１５の内部に配置される変形チューブ１６、変形チューブ１６の空隙部１６ｃに配置されて排気ガスと冷却水との熱交換を促進する熱交換フィン１７等を有して構成される。

回転軸部１４は、耐熱製に優れる金属で形成されており、この回転軸部１４が貫通穴１１ｄに挿入されることによって、熱交換器１２が排気管１１に対して回転可能に支持される。なお、本実施形態では、回転軸部１４と貫通穴１１ｄとの隙間は、Ｏ−リング１８によってシールされている。

また、回転軸部１４の内部には、回転軸部１４の軸方向に冷却水回路４（より具体的には、排気熱回収側回路４ｂ）と変形チューブ１６内に形成される第１熱交換通路１９とを接続する流入出通路１４ａが形成されている。この流入出通路１４ａは、排気管１１の外部に設けられた冷却水回路４と排気管１１の内部に配置された熱交換器１２の第１熱交換通路１９との間で冷却水を流入出させる機能を果たす。

外枠部材１５は、排気管１１内壁面の断面形状（略円形状）に沿うように形成された円筒状の環状部材である。また、外枠部材１５と排気管１１の内壁面との間には予め定めた間隔Ｓの隙間が形成されている。この間隔Ｓは、熱交換器１２が回転軸部１４を中心に回転した際に、熱交換器１２と排気管１１の内壁面が接触・干渉してしまうことを防止できるように決定されている。

変形チューブ１６は、外枠部材１５の内側で、外枠部材１５の内周形状に沿うように円弧状に湾曲する複数本の湾曲チューブ部１６ａおよび外枠部材１５の内側で直線上に延びる直線チューブ部１６ｂによって構成され、各チューブ１６ａ、１６ｂの相互間に空隙部１６ｃが形成されている。

なお、このような変形チューブ１６は、例えば、図４に示すように、プレス加工等で形成された２枚の金属板１６ｄを接合することによって、容易に製造できる。なお、図４（ａ）は、変形チューブ１６の正面図であり、図４（ｂ）は、図４（ａ）のＤ−Ｄ断面図である。

具体的には、この２枚の金属板１６ｄには、それぞれ接合面側から外側へ向かって凹ませた凹部および貫通穴が形成されており、２枚の金属板１６ｄを接合した際に、それぞれの金属板１６ｄの凹部間に形成される空間によって、冷却水を流通させる第１熱交換通路１９が形成され、貫通穴によって空隙部１６ｃが形成される。

熱交換フィン１７は、熱伝導性に優れる金属（例えば、銅）の薄板を波形状に曲げ加工したコルゲートフィンである。この熱交換フィン１７は、図３に示すように、外枠部材１５と変形チューブ１６の各チューブ部１６ａ、１６ｂとの間および隣接する各チューブ部１６ａ、１６ｂの相互間に配置されている。

そして、熱交換フィン１７と変形チューブ１６の空隙部１６ｃによって、排気ガスを流通させる第２熱交換通路２０が、第１熱交換通路１９の周囲に形成される。

なお、熱交換フィン１７は、その波状面が第１熱交換通路１９を流通する冷却水流通方向に対して垂直に配置されているので、第１熱交換通路１９を流通する冷却水流通方向（図３では、紙面平行方向）および第２熱交換通路２０を流通する排気ガス流通方向（図３では、紙面垂直方向）は互いに垂直になっている。

電動アクチュエータ１３は、熱交換器１２を回転軸部１４の軸中心に回転変位させるものである。この電動アクチュエータ１３は、電動モータ１３ａおよびギア機構１３ｂ等によって構成され、熱交換器１２の回転軸部１４の一端側に連結されている。なお、電動アクチュエータ１３は、図示しない制御装置２１によって、その作動が制御される。

具体的には、回収量を最も多くする排気熱回収運転時には、制御装置２１は、図２（ａ）に示すように、第２熱交換通路２０における排気ガス流通方向および排気管１１におけるガス流れ方向が平行となるように熱交換器１２の回転位置を変化させ、排気熱の回収量を最も少なくする熱遮断運転時には、図２（ｂ）に示すように、排気ガス流通方向およびガス流れ方向が垂直となるように熱交換器１２の回転位置を変化させる。

さらに、本実施形態の熱交換器１２では、排気熱回収運転時における排気ガス経路１１ａの圧力損失および熱遮断運転時における排気ガス経路１１ａの圧力損失が略同等となっている。このような圧力損失の調整は、前述の変形チューブ１６の空隙部１６ｃの開口面積、外枠部材１５の軸方向長さ等を調整することで、容易に行うことができる。

なお、制御装置２１の入力側には、エンジン２の冷却水出口側の冷却水温度を検出する図示しない冷却水温度センサが接続されており、制御装置２１では、この冷却水温度センサの検出値に基づいて、電動アクチュエータ１３の作動を制御している。

次に、上記の構成における本実施形態の作動について説明する。本実施形態の車両用排気熱回収システム１の適用される車両では、一般的な車両と同様に、冷却水の温度を８０℃以上、１００℃以下に維持することが望ましい。

例えば、冷却水の温度が８０℃より低くなると、エンジンオイルの粘性が低下してエンジン２の駆動フリクションが増加して燃費が悪化し、さらに、ヒータコア９へ供給できる熱源が不足して暖房能力が不足してしまうからである。また、冷却水の温度が１００℃より高くなるとエンジン２がオーバーヒートしてしまうおそれがあるからである。

そこで、本実施形態では、冷却水の温度が８０℃より低い場合に排気熱回収運転を行い、冷却水の温度が１００℃以上になった場合に熱遮断運転を行う。なお、冷却水の温度が８０℃以上、１００℃以下では上述の燃費悪化、暖房能力不足およびオーバーヒートのおそれがないので、排気熱回収運転を行ってもよいし、熱遮断運転を行ってもよい。

仮に、冷却水の温度が８０℃以上、１００℃以下に場合に、排気熱回収運転が行われても、冷却水の温度が８０℃以上では、前述の如く、サーモスタット８がラジエータ６の出口側を開口させるので、回収された排気熱はラジエータ６にて放熱されることになる。

まず、排気熱回収運転時の作動について説明する。なお、本実施形態のように、排気管１１内に熱交換器１２が配置される構成では、熱交換器１２の回転位置によらず、排気ガスの排気熱が熱交換器１２に伝熱されてしまう。従って、本実施形態の排気熱回収装置１０では、「排気熱の回収を行う時」と「排気熱の回収を完全に行わない時」とを厳密に切り替えることができない。

従って、本実施形態では、特許文献１、２における「排気熱の回収を行う時」と実質的に同じ意義の運転を示すものとして「回収量を最も多くする排気熱回収運転時」という表現を用い、特許文献１、２における「排気熱の回収を行わない時」と実質的に同じ意義の運転を示すものとして「排気熱の回収量を最も少なくする熱遮断運転時」という表現を用いている。

排気熱回収運転時には、前述の如く、制御装置２１が電動アクチュエータ１３の作動を制御して、図２（ａ）に示すように、第２熱交換通路２０における排気ガス流通方向および排気管１１におけるガス流れ方向が平行となるように熱交換器１２の回転位置を変化させる。

これにより、熱交換器１２の第２熱交換通路２０を通過する排気ガス量を増加させることができるので、冷却水に回収させる排気熱の回収量を最も多くできる。さらに、冷却水の温度が８０℃以下になっている場合には、サーモスタット８がバイパス通路７の出口側を開口させるので、回収した排気熱がラジエータ５にて外気に放熱されることはない。

その結果、排気熱回収装置１０にて回収した排気熱によって高温となった冷却水をヒータコア９へ流入させて、回収した排気熱を車室内の暖房に利用することができる。さらに、ヒータコア９から流出した冷却水がエンジンへ流入するので、エンジンの暖機を促進することができる。

次に、熱遮断運転時の作動について説明する。熱遮断運転時は、前述の如く、制御装置２１が電動アクチュエータ１３の作動を制御して、図２（ｂ）に示すように、第２熱交換通路２０における排気ガス流通方向および排気管１１におけるガス流れ方向が垂直となるように熱交換器１２の回転位置を変化させる。

これにより、実質的に熱交換器１２の第２熱交換通路２０に排気ガスが通過しなくなるので、冷却水に回収させる排気熱の回収量を最も少なくできる。その結果、実質的に排気熱を回収していない冷却水をラジエータ５にて放熱させて、再びエンジンへ流入させるので、エンジンの冷却ができる。

本実施形態では、上記の如く、熱交換器１２の回転位置を変化させて熱交換器１２の第２熱交換通路２０を流通する排気ガス量を調整することによって、排気熱の回収量を調整している。従って、排気熱の回収量を最も多くする排気熱回収運転時であっても、排気熱の回収量を最も少なくする熱遮断運転時であっても、排気ガスは排気管１１によって形成された同じ排気ガス経路１１ａを流れる。

つまり、特許文献１、２に記載された排気熱回収装置のように、２つの独立した排気ガス経路を設けることなく、１つの排気ガス経路１１ａを設けるだけで、排気熱回収運転時と熱遮断運転時とを切り替えることができる。その結果、２つの独立した排気ガス経路が設けられた排気熱回収装置に対して、排気熱回収装置１０全体として大幅な小型化を図ることができる。

さらに、特許文献１、２のように、切替弁の開閉によって排気ガス経路を切り替える必要がなく、しかも、排気熱回収運転時における排気ガス経路１１ａの圧力損失および熱遮断運転時における排気ガス経路１１ａの圧力損失が略同等となっているので、排気熱回収運転と熱遮断運転とを切り替えても、排気ガス経路１１ａの圧力損失が急変することも回避できる。その結果、排気熱回収装置１０における圧力損失の急変によって、エンジンの最適制御が妨げられることもない。

（第２実施形態）
本実施形態では、第１実施形態に対して、図５に示すように、熱交換器１２の外枠部材１５のうち、熱遮断運転時において、ガス流れ方向の上流側に位置する部位のガス流れ方向に平行かつ回転軸部１４の軸方向に垂直な断面形状が、ガス流れ方向の上流側に向かって尖った形状になっている。その他の構成および作動は第１実施形態と同様である。

なお、図５（ａ）は、本実施形態の排気熱回収装置１０の熱遮断運転時におけるガス流れ方向の断面図であり、図５（ｂ）は、（ａ）のＥ−Ｅ断面図である。なお、図５では、第１実施形態と同一もしくは均等部分には同一の符号を付している。これは以下の実施形態でも同様である。

本実施形態の構成によれば、第１実施形態と同様の効果を得ることができるだけでなく、熱遮断運転時において、熱交換器１２の外枠部材１５に衝突する排気ガスの流れを整流して排気ガス経路１１ａの圧力損失を低減できる。これにより、熱遮断運転時における排気ガス経路１１ａの圧力損失を、排気熱回収運転時における排気ガス経路１１ａの圧力損失に、より一層、容易に一致させることができる。

さらに、熱交換器１２の外枠部材１５に衝突する排気ガスの流れが矢印Ａ４方向に整流されるので、熱遮断運転時に、より一層、第２熱交換通路２０に排気ガスが通過しにくくなる。その結果、本実施形態のように、排気管１１内に熱交換器１２が配置される構成であっても、熱遮断運転時に実質的に排気熱を回収しないようにすることができる。

（第３実施形態）
本実施形態では、第１実施形態に対して、図６に示すように、排気管１１のうち、熱交換器１２のガス流れ方向上流側に、スロープ部１１ｅを形成したものである。その他の構成および作動は第１実施形態と同様である。なお、図６は、本実施形態の排気熱回収装置１０の排気熱回収運転時におけるガス流れ方向の断面図である。

スロープ部１１ｅは、排気管１１の排気ガス経路の経路断面積を徐々に縮小させるもので、排気管１１における排気ガスのガス流れ方向から見たときに、スロープ部１１ｅの最下流部における排気ガス経路１１ａの経路断面が、熱交換器１２の外枠部材１５の内周側よりも内側に位置するように形成されている。

従って、本実施形態では、第１実施形態と同様の効果を得ることができるだけでなく、スロープ部１１ｅにて排気ガスの流れ方向を、矢印Ａ５に示すように熱交換器１２に向けることができる。その結果、排気熱回収運転時の排気熱の回収量を効果的に増加できる。さらに、熱交換器１２において、排気ガス中の水分が凝縮しても、スロープ１１ｅによって、凝縮水がガス流れ方向上流側へ向かって逆流してしまうことを防止できる。

（第４実施形態）
本実施形態は、第１実施形態に対して、図７に示すように、排気管１１のうちガス流れ方向の略中央部に、排気ガス経路１１ａの経路断面積を拡大させる膨出部１１ｆが形成されており、さらに、熱交換器１２が膨出部１１ｆよって経路断面積が拡大された部位に配置されている。その他の構成および作動は第１実施形態と同様である。

なお、図７は、本実施形態の排気熱回収装置１０の排気熱回収運転時におけるガス流れ方向の断面図である。

本実施形態の構成によれば、前述の図３にて説明した、熱交換器１２と排気管１１の内壁面が接触・干渉してしまうことを防止するための間隔Ｓの隙間を、排気管１１を膨らませることによって形成できる。従って、熱交換器１２の熱交換面積を、上述の実施形態に対して、拡大できる。

その結果、第１実施形態と同様の効果を得ることができるだけでなく、熱交換器１２の熱交換面積を拡大することによって、排気熱回収運転時の排気熱の回収量を効果的に増加できる。

（第５実施形態）
上述の実施形態では、回転軸部１４と貫通穴１１ｄとの隙間を、Ｏ−リング１８によってシールしたが、本実施形態では、図８に示すように、排気管１１の貫通穴１１ｄ側に複数の溝１１ｇを形成して、ラビリンスシール構造にてシールしている。なお、図８は、本実施形態の排気熱回収装置１０の排気熱回収運転時におけるガス流れ方向の断面図である。

さらに、本実施形態では、熱交換部１２の回転軸部１４を、排気管１１よりも熱膨張係数の高い金属（例えば、オーステナイト系ステンレス）によって形成している。その他の構成および作動は第１実施形態と同様である。

本実施形態の構成によれば、第１実施形態と同様の効果を得ることができるだけでなく、非接触型のシールであるラビリンスシール構造を採用しているので、電動アクチュエータ１３が熱交換器１２を回転変位させる際の摺動抵抗を低減できる。

さらに、排気ガス経路１１ａを通過する排気ガスが高温になると、排気管１１の貫通穴１１ｄと熱交換器１２の回転軸部１４の熱膨張変形によって、貫通穴１１ｄと回転軸部１４との隙間寸法を縮小させてシール性を向上できる。特に、本実施形態では、熱交換器１２の回転軸部１４を、排気管１１に対して、熱膨張係数の高い金属で形成しているので、排気ガスが高温になった際のシール性を効果的に向上できる。

（第６実施形態）
上述の実施形態では、図３に示すように、２つの回転軸部１４のうち、一方に形成された流入出通路１４ａを介して、冷却水回路４から熱交換器１２の第１熱交換通路１９へ冷却水を流入させ、他方に形成された流入出通路１４ａを介して、第１熱交換通路１９から冷却水回路４へ冷却水を流出させているが、本実施形態では、図９に示すように、一方の回転軸部１４に２つの流入出通路１４ａを形成している。

さらに、一方の回転軸部１４に設けられた２つの流入出通路１４ａに適合するように、変形チューブ１６の第１、２チューブ部１６ａ、１６ｂの形状も変更している。本実施形態の構成によれば、第１実施形態と同様の効果を得ることができるだけでなく、貫通穴１１ｄを１箇所設けるだけでよく、冷却水回路４との接続が一方の回転軸部１４側のみとなるので、排気熱回収装置１０の組付性が向上する。

（第７、８実施形態）
上述の実施形態では、熱交換器１２を１つ設けた例を説明したが、熱交換器１２の個数はこれに限定されない。例えば、第７実施形態では、図１０に示すように、３つの熱交換器１２を設けて、それぞれの熱交換器１２を冷却水回路４に対して直列に接続している。また、第８実施形態では、図１１に示すように、３つの熱交換器１２を設けて、それぞれの熱交換器１２を冷却水回路４に対して直列に接続している。

これにより、排気熱回収運転時の排気熱の回収量を増加させることができる。さらに、各熱交換器１２を回転変位させる各電動アクチュエータ１３の作動を独立して制御することによって、排気熱回収運転時に排気熱の回収を行う熱交換器１２の数を変更すれば、排気熱の回収量を調整することもできる。

（他の実施形態）
本発明は上述の実施形態に限定されることなく、以下のように種々変形可能である。

（１）上述の実施形態では、排気熱回収装置１０の運転モードとして、排気熱回収運転と熱遮断運転との２つの運転モードを切り替える例を説明したが、排気熱回収装置１０の運転モードは、これに限定されない。

つまり、本発明の排気熱回収装置１０では、熱交換器１２の回転位置を変化させることによって、第２熱交換通路２０の排気ガス流通方向および排気管１１のガス流れ方向を変化させることができる。これにより、第２熱交換通路２０を流通する排気ガス量を調整することができ、排気熱の回収量を調整できる。

従って、例えば、制御装置２１が、冷却水の温度に応じて目標回収熱量を決定して、目標回収熱量が得られるように熱交換器１２の回転位置を制御する運転モードを設けてもよい。

（２）上述の実施形態では、２枚の金属板１６ｄを接合することによって、変形チューブ１６を形成しているが、変形チューブ１６の形成手段はこれに限定されない。

例えば、断面扁平の扁平チューブあるいは断面円形の丸チューブを適宜接続して形成してもよい。この場合は、外枠部材１５の内側で、外枠部材１５の内周形状に沿うように円弧状に湾曲させた複数本の湾曲チューブ１６ａと、外枠部材１５の内側で直線上に延びる直線チューブ１６ｂとを接続継手等により接続して形成すればよい。

さらに、変形チューブ１６によって形成される第１熱交換通路１９の通路構成は、上述の実施形態の構成に限定されない。例えば、外枠部材１５の内側で一本のチューブを蛇行状に曲げるようにして形成してもよい。さらに、上述の各実施形態では、排気管１１を円筒状に形成しているが、中空の角柱状、楕円柱状に形成してもよい。この場合も、外枠部材１５の形状を排気ガス経路の経路断面形状に沿って形成すればよい。

（３）上述の第５実施形態では、ラビリンスシール構造として、排気管１１の貫通穴１１ｄ側に複数の溝１１ｇを形成した例を説明したが、もちろん、回転軸部１４の外周側に複数の溝を形成して、ラビリンスシール構造を実現してもよい。

さらに、図１２に示すように、排気管１１の貫通穴１１ｄと回転軸部１４の外周との間に、複数枚の異なる径のワッシャ１１ｈ、１１ｉを挟み込むことで、ラビリンスシール構造を実現してもよい。なお、図１２は、貫通穴１１ｄおよび回転軸部１４周辺の拡大断面図である。

（４）上述の実施形態では、排気熱回収装置１０にて回収した熱量をエンジン２の暖機促進および車室内の暖房に利用しているが、回収した熱量の利用はこれに限定されない。他の車両搭載機器の暖機促進に用いてもよい。例えば、ハイブリッド車両のように、エンジンと電動モータとを切り換えて走行する車両では、電動モータに電力を供給するバッテリの暖機促進に用いてもよい。

さらに、本発明の適用は車両用に限定されない。例えば、汎用エンジン、据置型燃焼装置等の排気ガスが発生する装置の排気熱回収装置として適用してもよい。また、上述の実施形態では、冷却水の温度を８０℃以上、１００℃以下となるように維持しているが、もちろん、この温度範囲は適用されるシステムに応じて変更してもよい。

（５）上述の各実施形態の構成を、それぞれ組み合わせてもよい。例えば、第２実施形態の構成に、第３実施形態のスロープ部１１ｅを設け、さらに、貫通穴１１ｄと回転軸部１４の外周との隙間をラビリンスシール構造によってシールしてもよい。

（６）上述の実施形態では、熱交換器１２の回転制御を冷却水温度センサと電動アクチュエータを用いて行う例を説明したが、この回転制御は温度感知で作動するアクチュエータ（サーモワックス、バイメタル、形状記憶合金など）を用いて行ってもよい。

第１実施形態の車両用排気熱回収システムの全体構成図である。 （ａ）は、第１実施形態の排気熱回収装置の排気熱回収運転時の断面図であり、（ｂ）は、第１実施形態の排気熱回収装置の熱遮断運転時の断面図である。 図２（ａ）のＣ−Ｃ断面図である。 （ａ）は、第１実施形態の熱交換器の変形チューブの正面図であり、（ｂ）は、（ａ）のＤ−Ｄ断面図である。 （ａ）は、第２実施形態の排気熱回収装置の熱遮断運転時の断面図であり、（ｂ）は、（ａ）のＥ−Ｅ断面図である。 第３実施形態の排気熱回収装置の排気熱回収運転時の断面図である。 第４実施形態の排気熱回収装置の排気熱回収運転時の断面図である。 第５実施形態の排気熱回収装置の排気熱回収運転時の断面図である。 第６実施形態の排気熱回収装置の熱遮断運転時の断面図である。 第７実施形態の排気熱回収装置の熱遮断運転時の断面図である。 第８実施形態の排気熱回収装置の熱遮断運転時の断面図である。 他の実施形態のラビリンスシール構造を示す断面図である。

符号の説明

１１…排気管、１１ａ…排気ガス経路、１１ｄ…貫通穴、１１ｅ…スロープ部、
１１ｆ…膨出部、１２…熱交換器、１４…回転軸部、１４ａ…流入出通路、
１５…外枠部材、１９…第１熱交換通路、２０…第２熱交換通路。

Claims (8)

1. 排気ガスの排気熱を熱媒体に回収させる排気熱回収装置であって、
   前記排気ガスが流れる排気ガス経路（１１ａ）を形成する排気管（１１）と、
   前記排気管（１１）内に配置されて、前記排気ガスと前記熱媒体とを熱交換させる熱交換器（１２）とを備え、
   前記熱交換器（１２）には、前記排気管（１１）に回転可能に支持された回転軸部（１４）、前記熱媒体を流通させる第１熱交換通路（１９）および前記第１熱交換通路（１９）の周囲に形成されて前記排気ガスを流通させる第２熱交換通路（２０）が設けられており、
   前記熱交換器（１２）の回転位置を変化させて前記第２熱交換通路（２０）を流通する前記排気ガス量を調整することによって、前記排気熱の回収量を調整することを特徴とする排気熱回収装置。
2. 前記回収量を最も多くする排気熱回収運転時には、前記第２熱交換通路（２０）における排気ガス流通方向および前記排気管（１１）におけるガス流れ方向が平行となるように前記熱交換器（１２）の回転位置を変化させ、
   前記排気熱の回収量を最も少なくする熱遮断運転時には、前記排気ガス流通方向および前記ガス流れ方向が垂直となるように前記熱交換器（１２）の回転位置を変化させることを特徴とする請求項１に記載の排気熱回収装置。
3. 前記排気熱回収運転時における前記排気ガス経路（１１ａ）の圧力損失および前記熱遮断運転時における前記排気ガス経路（１１ａ）の圧力損失が同等になっていることを特徴とする請求項２に記載の排気熱回収装置。
4. 前記熱交換器（１２）の外周部を形成する外枠部材（１５）のうち、前記熱遮断運転時において、前記ガス流れ方向の上流側に位置する部位の前記ガス流れ方向に平行かつ前記回転軸部（１４）の軸方向に垂直な断面形状は、前記ガス流れ方向の上流側に向かって尖った形状になっていることを特徴とする請求項２または３に記載の排気熱回収装置。
5. 前記排気管（１１）には、前記回転軸部（１４）が挿入されるとともに、前記排気管（１１）の内外を貫通する貫通穴（１１ｄ）が設けられ、
   前記回転軸部（１４）には、前記第１熱交換通路（１９）に熱媒体を流入出させる流入出通路（１４ａ）が形成されていることを特徴とする請求項１ないし４のいずれか１つに記載の排気熱回収装置。
6. 前記貫通穴（１１ｄ）と前記回転軸部（１４）との隙間は、ラビリンスシール構造によってシールされていることを特徴とする請求項５に記載の排気熱回収装置。
7. 前記排気管（１１）のうち、前記熱交換器（１２）のガス流れ方向上流側には、前記排気ガス経路（１１ａ）の経路断面積を徐々に縮小させるスロープ部（１１ｅ）が形成されていることを特徴とする請求項１ないし６のいずれか１つに記載の排気熱回収装置。
8. 前記排気管（１１）には、前記排気ガス経路（１１ａ）の経路断面積を拡大させる膨出部（１１ｆ）が形成されており、
   前記熱交換器（１２）は、前記排気管（１１）内のうち、前記膨出部（１１ｆ）によって前記排気ガス経路（１１ａ）の経路断面積が拡大された部位に配置されていることを特徴とする請求項１ないし７のいずれか１つに記載の排気熱回収装置。

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