JP2010059862A - 排気熱回収装置 - Google Patents

Abstract

【課題】内燃機関１の排気熱回収装置１８において、可及的に簡素な構成としながら、内燃機関１の排気通路４に設けられる触媒５の昇温促進処理と、内燃機関１の冷却水の昇温促進処理とを必要に応じて実行可能とする。
【解決手段】状態切り替え手段（２８，１９）で、受熱部２１→第１移送路２４→熱交換部２２→第１還流路２５→受熱部２１といった第１熱循環経路４０を形成すると、触媒５より下流側の排気熱で触媒５を加熱できる。熱交換部２２→第２移送路２６→放熱部２３→第２還流路２７→熱交換部２２といった第２熱循環経路５０を形成すると、触媒５の熱で内燃機関１の冷却水を加熱できる。受熱部２１→第１移送路２４→熱交換部２２→第２移送路２６→放熱部２３→第２還流路２７→第１還流路２４→受熱部２１といった第３熱循環経路６０を形成すると、触媒５より下流側の排気熱で触媒５を加熱せずに内燃機関１の冷却水を加熱できる。
【選択図】図１

Description

本発明は、内燃機関の排気熱を利用して内燃機関の排気通路に設けられる触媒の昇温を促進可能にするとともに、内燃機関から一旦取り出される冷却水の昇温を促進可能にする排気熱回収装置に関する。

従来から、自動車等の車両に搭載される内燃機関の排気ガスの熱を、ヒートパイプでもって回収し、触媒の活性化を促進させるためや、内燃機関の暖機運転を促進させるため等に利用することが知られている（特許文献１，２参照。）。

特許文献１に係る従来例は、ヒートパイプの一端を、内燃機関の排気通路において触媒装置より下流側に取り付けて加熱部（受熱部に相当）とするとともに、ヒートパイプの他端を、排気通路において触媒装置より上流側に取り付けて冷却部（放熱部に相当）とし、触媒装置よりも上流側の排気ガスを加熱昇温させることで、触媒装置を間接的に昇温させるような構成になっている。

この従来例に示すヒートパイプは、その内部空間に純水等の作動流体を密封し、一端側を加熱して作動流体を蒸発させることで他端側に送り、他端側で蒸気からなる作動流体の熱を放出させることで凝縮させて一端側へ戻すような構成になっている。

特許文献２に係る従来例は、内燃機関の排気通路の排気熱を回収して作動流体を蒸発させる蒸発部（受熱部に相当）と、この蒸発させた作動流体を凝縮させる凝縮部（放熱部に相当）とを隣り合わせに配置した状態で一体化し、それらを閉ループに接続した構成の排熱回収装置であり、前記凝縮部に内燃機関の冷却水流路の一部を近接配置させることにより、この冷却水と気体状の作動流体との間で熱交換を行わせるようにしている。

この従来例では、蒸発部と凝縮部とを隣り合わせに一体化したタイプのループ式ヒートパイプが用いられており、排気通路を横切らせるように前記蒸発部を配置するようになっている。

この他、ループ式ヒートパイプの受熱部と凝縮部（放熱部に相当）とを離隔配置するものとして、例えば特許文献３が知られている。この特許文献３に係る従来例では、内燃機関の排気通路において触媒より下流側にループ式ヒートパイプの受熱部を設置し、内燃機関の冷却水を一旦引き出してから戻す冷却水通路の途中に設置される温風ヒータのヒータコアの近傍に、前記ループ式ヒートパイプの凝縮部を設置した構成になっている。

ところで、参考までに、例えば内燃機関の排気通路に設けられる触媒を冷却することを目的とした排気管構造が、特開平１１−２４７６５２号公報に記載されている。この先行技術は、内燃機関の排気通路に設けられる触媒の上流側にフィンを設け、このフィンをケースで包囲し、このケース内に必要に応じて走行風を流入させるようにしている。

さらに、参考までに、簡単な構造で耐圧強度を有する車両用蓄熱器が、特開２００１−５０６７５号公報に記載されている。この先行技術は、内側容器を外側容器で囲んだ２重管構造であり、内側容器に外側容器に接触する突条部材を設け、外側容器に内側容器に接触する突条部材を設けた構造になっている。
実開昭６３−２２３２１号公報 特開２００８−１４３０４号公報 実開平２−７６５０８号公報

上記従来例の排気熱回収装置は、内燃機関の排気通路に設置される触媒を昇温させるためのヒートパイプと、内燃機関の冷却水を昇温させるためのヒートパイプとのうちの片方しか備えておらず、両方を併せ持つものがない。

本願発明者らは、前記したような加熱対象の異なる２系統のループ式ヒートパイプを備える排気熱回収装置を開発することに鋭意研究しているが、その際に、単純に２系統のループ式ヒートパイプを用いた場合には、構成要素に無駄があることを知見し、本発明を提案するに至った。

このような事情に鑑み、本発明は、内燃機関の排気熱回収装置において、可及的に簡素な構成としながら、内燃機関の排気通路に設けられる触媒の昇温促進処理と、内燃機関の冷却水の昇温促進処理とを必要に応じて実行可能とすることを目的としている。

本発明は、内燃機関の排気通路において触媒より下流側の排気熱により内部に密封される作動流体を気化させる受熱部と、この受熱部から移送される作動流体と前記触媒または前記排気通路において前記触媒の入口寄り領域との間で熱交換させて前記作動流体を凝縮させる放熱作用や、前記触媒の熱により内部に密封される作動流体を気化させる受熱作用を発揮する放熱兼受熱用の熱交換部と、前記熱交換部から移送される作動流体と前記内燃機関から一旦取り出される冷却水との間で熱交換させて前記作動流体を凝縮させる放熱部と、前記受熱部から前記熱交換部へ作動流体を移送するための第１移送路と、前記熱交換部から前記受熱部へ作動流体を戻すための第１還流路と、前記熱交換部から前記放熱部へ作動流体を移送するための第２移送路と、前記放熱部から前記熱交換部へ作動流体を戻すための第２還流路と、前記受熱部→第１移送路→熱交換部→第１還流路→受熱部といった第１熱循環経路や、前記熱交換部→第２移送路→放熱部→第２還流路→熱交換部といった第２熱循環経路や、前記受熱部→第１移送路→熱交換部→第２移送路→放熱部→第２還流路→第１還流路→受熱部といった第３熱循環経路を、必要に応じて形成する状態切り替え手段とを含む、ことを特徴としている。

この構成において、第１熱循環経路が形成されたときには、受熱部により排気通路の触媒より下流側の排気熱を取り込んで触媒を外側から加熱して触媒の昇温を促進することが可能になる。また、第２熱循環経路が形成されたときには、触媒の熱を取り込んで触媒を冷却しつつ内燃機関の冷却水の昇温を促進させることが可能になる。さらに、第３熱循環経路が形成されたときには、受熱部により排気通路の触媒より下流側の排気熱を取り込むとともに、この排気熱に熱交換部で触媒の熱を加算させて放熱部へ移送させることにより触媒を加熱せずに内燃機関の冷却水の昇温を促進させることが可能になる。

このように、内燃機関に付設される触媒の昇温や、内燃機関の冷却水の昇温を効率よく行うことが可能になる。しかも、上記構成では、前記３つの熱循環経路を独立して形成する構成とせずに、放熱作用と受熱作用とを行う熱交換部を用いるようにしているから、構成を簡素化することが可能になり、設備コストを低減するうえで有利になっている。

好ましくは、前記第１還流路の上流側と前記第２還流路の下流側とは、合流されて前記熱交換部に連通連結され、前記状態切り替え手段は、前記第１還流路において前記合流部寄りに設けられる第１弁装置を有する、ものとすることができる。

この構成では、例えば第１弁装置を開放すると、第１、第３熱循環経路での熱循環が可能な状態になる一方、第１弁装置を閉塞すると、第２熱循環経路での熱循環が可能な状態になる。

なお、例えば触媒を暖機する状況において、第１弁装置を開放すると、第１熱循環経路で熱循環が行われるようになって、排気熱を利用して触媒の暖機を優先的に行うことが可能になる。

この第１熱循環経路での熱循環に伴い、例えば触媒の暖機が終了するが、その段階でも内燃機関の冷却水の昇温が必要な状況であると、第１弁装置を開放していても、第１熱循環経路ではなく、第３熱循環経路での熱循環が行われるようになって、排気熱および触媒の熱で内燃機関の冷却水を加熱する形態となるので、触媒の昇温が抑制されつつ、内燃機関の暖機が行えるようになる。

また、例えば触媒が過剰に昇温しそうで、かつ内燃機関の冷却水が過剰に昇温していない状況では、第１弁装置を閉塞して第２熱循環経路で熱循環を行わせるようにする。これにより、触媒が排気熱で加熱されなくなるうえ、この触媒の熱を取り込むことで触媒を冷却しつつこの熱で内燃機関の冷却水の昇温を促進させることが可能になる。

好ましくは、前記第１還流路の上流側と前記第２還流路の下流側とは、合流されて前記内部環状空間に連通連結され、前記状態切り替え手段は、前記第１還流路において前記合流部寄りに設けられる第１弁装置と、前記第２還流路において前記合流部寄りに設けられる第２弁装置とを有する、ものとすることができる。

この構成では、第１弁装置を開放して第２弁装置を閉塞すると、第１熱循環経路での熱循環が可能な状態になり、第１弁装置を閉塞して第２弁装置を開放すると、第２熱循環経路での熱循環が可能な状態になり、第１、第２弁装置を共に開放すると、第３熱循環経路での熱循環が可能な状態になり、第１、第２弁装置を共に閉塞すると、第１〜第３熱循環経路での熱循環すべてが不可能な状態になる。

例えば触媒の暖機を行う場合に、第１熱循環経路を形成すれば、排気熱を利用して触媒の暖機を優先的に行うことが可能になる。これにより、触媒が排気熱で加熱されなくなるうえ、この触媒の熱を取り込むことで触媒を冷却しつつこの熱で内燃機関の冷却水の昇温を促進させることが可能になる。

例えば触媒の暖機が済んでも内燃機関の暖気が必要な場合に、第３熱循環経路を形成すれば、排気熱および触媒の熱で内燃機関の冷却水を加熱する形態となるので、触媒の昇温が抑制されつつ、内燃機関の暖機が行えるようになる。

また、例えば触媒が過剰に上昇しそうな場合で内燃機関の冷却水が過剰に昇温しない場合には、第２熱循環経路を形成すれば、熱交換部が触媒の熱を回収して作動流体を気化させることになり、この気化された作動流体が第２移送路を経て放熱部に移送されるので、触媒が冷却されつつ内燃機関の冷却水を加熱することが可能になる。

さらに、例えば触媒の温度や内燃機関の水温が過剰に上昇しそうな場合に、第１〜第３熱循環経路での熱循環をすべて不可能な状態にすれば、前記触媒の過剰加熱による機能低下や内燃機関の万一のオーバーヒートを回避することが可能になる。

好ましくは、前記第２還流路において前記第２弁装置より上流側には、作動流体を貯留するタンクが設けられる。

この構成によれば、例えば第２弁装置を閉塞した状態において、放熱部から熱交換部へ向かう作動流体がタンク内に貯留されることになり、熱交換部へ作動流体を戻せなくなる。そのため、第２弁装置の閉塞後において所定時間が経過すると、熱交換部から放熱部への熱移送が停止されることになる。

好ましくは、前記触媒は、触媒担体を外装ケース内に収納した構成とされ、前記外装ケースの排気ガス導入部は、上流側から触媒担体配置部へ向けて漸次拡径するテーパ形状とされ、前記熱交換部は、前記触媒を包囲して単一の内部環状空間を形成する単一のケースと、前記触媒の排気ガス導入部の外径側に設けられるフィンとを含んで構成される。

ここでは、触媒の外形形状を特定したうえで、熱交換部について前記触媒を包囲するような構成に特定している。これらの特定により、熱交換部でもって、触媒に熱を効率よく移送したり、触媒の熱を効率よく取り込んだり、することが可能になる。

好ましくは、前記触媒は、触媒担体を外装ケース内に収納した構成とされ、前記外装ケースの排気ガス導入部は、上流側から触媒担体配置部へ向けて漸次拡径するテーパ形状とされ、前記熱交換部は、前記触媒を包囲して単一の内部環状空間を形成する単一のケースと、前記触媒の排気ガス導入部の外周面において上流側から下流側へ向けて複数取り付けられる作動流体のガイドとを含み、かつ、このガイドは、前記排気ガス導入部の外周面において左右領域にそれぞれ別々に設けられ、前記熱交換部のケースに対する前記第１移送路の連結位置は、第１移送路から吐出される作動流体を前記各ガイドの各上端開口へ向かわせる位置とされ、前記熱交換部のケースに対する前記第１還流路の連結位置は、前記外装ケースにおける触媒担体配置部寄りとされる。

この構成によれば、熱交換部の構成、および熱交換部の内部環状空間に対する第１移送路および第１還流路の連結位置を特定している。これらの特定により、受熱部から第１移送路を経て熱交換部内へ移送された作動流体は、ガイドによって熱交換部の内部環状空間を鉛直方向の上側から下側へ流されることになるので、気化されている作動流体が触媒の排気ガス導入部の外周面の広域に触れることになる。そのため、熱交換部内において作動流体の熱が触媒へ効率よく伝導されるようになる。この内部環状空間において下側へ導かれた作動流体は、前記熱伝導に伴い凝縮されて第１還流路から排出されるようになる。

好ましくは、前記排気通路における内燃機関寄りの位置には、振動伝達減衰手段が設けられ、前記放熱部は、前記振動伝達減衰手段から前記触媒までの間の領域に付設される。

ここでは、要するに、内燃機関から排気通路への振動伝達が、振動伝達減衰手段により減衰されるようになっており、排気通路において振動伝達減衰手段より下流側領域に受熱部と熱交換部と放熱部との主要構成要素を設置するようにしている。

これはつまり、排気通路において振動伝達減衰手段より下流側領域が振動すると、受熱部と熱交換部と放熱部とがすべて略同期して動くことになるので、それらに連通連結される第１、第２移送路や第１、第２還流路の付け根に、前記振動による曲げ応力が作用しにくくなることを意味している。

そのため、第１、第２移送路や第１、第２還流路が経時的な疲労破損を起こしにくくなる等、長寿命化を達成することが可能になる。ここで、前記曲げ応力が作用するようになっている場合では、第１、第２移送路や第１、第２還流路の板厚や外径サイズを大きくして剛性アップを図ったり、あるいは第１、第２移送路や第１、第２還流路をフレキシブルパイプで形成したりするといった対策が必要になるが、本発明の場合には、そのような対策が不要となる。

本発明の排気熱回収装置では、可及的に簡素な構成としながら、内燃機関の排気通路に設けられる触媒の昇温促進処理と、内燃機関の冷却水の昇温促進処理とを、必要に応じて実行することが可能になる。

以下、本発明を実施するための最良の形態について添付図面を参照して詳細に説明する。
（第１実施形態）
図１から図４に本発明の第１実施形態を示している。この実施形態では、車両に搭載される内燃機関に適用される排気熱回収装置を例に挙げている。

図１を参照して、排気熱回収装置の概略構成を説明する。図中、１は水冷式の内燃機関であり、この内燃機関１は、吸気系から供給される空気と燃料供給系から供給される燃料とを適宜の空燃比で混合してなる混合気を内燃機関１の燃焼室に供給して燃焼させた後、燃焼室内の排気ガスを排気系から大気放出させるようになっている。

排気系は、内燃機関１に取り付けられるエキゾーストマニホールド２と、このエキゾーストマニホールド２に球面継手３を介して接続される排気管４とを少なくとも有する構成である。エキゾーストマニホールド２と排気管４とが、排気通路を構成している。

球面継手３は、図２に示すように、エキゾーストマニホールド２の下流側開口端に設けられた径方向外向きの平坦フランジ３ａと、排気管４の上流側開口端に設けられた半球状フランジ３ｂと、平坦フランジ３ａと半球状フランジ３ｂとの間に挟持されたガスケット３ｃと、平坦フランジ３ａと半球状フランジ３ｂとを締結するためのボルト３ｄおよびナット３ｅと、ボルト３ｄと平坦フランジ３ａとの間に圧縮状態で介装されたコイルスプリング３ｆとを含んだ構成になっている。

ガスケット３ｃは、平坦フランジ３ａに当たる側が平面に形成されており、半球状フランジ３ｂの内面に当たる側がそれに倣う半球面形状に形成されている。このガスケット３ｃは、コイルスプリング３ｆの弾性復元力により平坦フランジ３ａとの当接面および半球状フランジ３ｂとの当接面をシールする。エキゾーストマニホールド２と排気管４とが揺動中心３ｇを中心に互いに揺動するような外力が作用したときには、ガスケット３ｃと半球状フランジ３ｂとの間で摺動することによって、前記揺動を無理なく許容するようになっている。つまり、この球面継手３は、内燃機関１の振動や動きを排気管４に伝達させないか、あるいは減衰して伝達するもので、請求項に記載の振動伝達減衰手段として機能する。

排気管４には、２つの触媒５，６が直列に設置されており、この２つの触媒５，６により排気ガスが浄化される。

これらの触媒５，６のうち、排気管４において排気ガスの流れ方向の上流側に設置される触媒５は、いわゆるスタートキャタリスト（Ｓ／Ｃ）と呼ばれるもので、上流側触媒と言うことにし、一方、排気管４において排気ガスの流れ方向の下流側に設置される触媒６は、いわゆるメインキャタリスト（Ｍ／Ｃ）またはアンダーフロアキャタリスト（Ｕ／Ｆ）と呼ばれるもので、下流側触媒と言うことにする。

これらの触媒５，６は、共に、例えば三元触媒と呼ばれるものとすることができる。この三元触媒は、一酸化炭素（ＣＯ）、炭化水素（ＨＣ）、窒素酸化物（ＮＯｘ）を一括して化学反応により無害な成分に変化させる、浄化作用を発揮するものである。

そして、この実施形態では、上流側触媒５について、触媒担体５ａを外装ケース５ｂ内に収納した構成とされている。外装ケース５ｂは、触媒担体５ａが配置される触媒担体配置部５ｃと、触媒担体配置部５ｃより上流側に設けられる排気ガス導入部５ｄとを有している。触媒担体配置部５ｃは、円筒形に形成されている。排気ガス導入部５ｄは、上流側から触媒担体配置部５ｃへ向けて漸次拡径するテーパ形状とされている。

内燃機関１には、その内部に封入されるロングライフクーラント（ＬＬＣ）と呼ばれる冷媒（以下、単に冷却水と言う）が冷却水取り出し路８から一旦取り出されてラジエータ７に供給され、このラジエータ７から冷却水還流路９を経て内燃機関１に戻される。ラジエータ７は、ウォータポンプ１０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ものである。

そして、サーモスタット１１によってラジエータ７を流通する冷却水量とバイパス流路１２を流通する冷却水量とが調節されるようになっている。例えば暖機時においてはバイパス流路１２側の冷却水量が増加されて暖機が促進され、ラジエータ７による冷却水の過冷却が防止される。

冷却水取り出し路８から分岐されて冷却水還流路９においてウォータポンプ１０の上流側に接続されるヒータ流路１３の途中には、ヒータコア１４が設けられている。このヒータコア１４は、前記の冷却水を利用して車室内の暖房を行うための熱源である。このヒータコア１４によって暖められた空気は、ブロアファン１５によって車室１７内に導入されるようになっている。なお、前記のヒータコア１４とブロアファン１５とで温風ヒータ１６が構成されている。ヒータ流路１３においてヒータコア１４より下流側領域を流れる冷却水の温度は、ヒータコア１４からの放熱により低温になる。

このような構成の内燃機関１の排気系には、排気熱回収装置１８が付設されている。

この排気熱回収装置１８は、内燃機関１から排出される排気ガスの熱を取り込んで例えば上流側触媒５の昇温を促進させる処理や、上流側触媒５の熱を取り込んでヒータコア１４から内燃機関１へ戻す冷却水の昇温を促進させる処理を行うことを可能としたもので、主として、受熱部２１、放熱兼受熱用の熱交換部２２、放熱部２３、第１移送路２４、第１還流路２５、第２移送路２６、第２還流路２７、第１弁装置２８を含む構成で、いわゆるループ式ヒートパイプ構造とされている。

これらの主要構成要素は、後で詳細に説明するが、その内部には、真空状態とされた状態で作動流体が封入されている。この作動流体は、例えば純水等とされる。水の沸点は、１気圧で１００℃であるが、主要構成要素内を減圧（例えば０．０１気圧）しているため、沸点は、例えば５〜１０℃となる。なお、作動流体は、純水の他に、例えばアルコール、フロロカーボン、フロン等とすることが可能である。また、これらの主要構成要素は、例えば高耐食性を備えるステンレス材で形成されている。

排気熱回収装置１８の動作は、コントローラ１９により制御される。このコントローラ１９は、一般的に公知のＥＣＵ（Electronic Control Unit）と同様、双方向性バスによって相互に接続した中央処理装置（ＣＰＵ）、プログラムメモリ（ＲＯＭ）、データメモリ（ＲＡＭ）、バックアップメモリ（不揮発性ＲＡＭ）等から構成されている。

次に、主要構成要素について、図３を参照して詳細に説明する。

受熱部２１は、排気管４において下流側触媒６より下流側に設置されており、内部に密封される液状の作動流体が排気熱を受けて蒸発することにより気化熱として熱を取り込むように構成されている。

具体的に、受熱部２１は、排気管４に対してその排気ガス通過方向と直交する方向に設置されるものであって、上部タンク２１ａと下部タンク２１ｂとを複数本のチューブ２１ｃ・・・で連通させて、隣り合う各チューブ２１ｃの対向隙間に、各チューブ２１ｃの外壁面それぞれに接合されるフィン２１ｄ・・・を配置させたような構成になっている。

前記隣り合う各チューブ２１ｃの対向隙間が、排気管４内を流通する排気ガスの流通路になっている。この対向隙間に配置されるフィン２１ｄは、前記対向隙間を通過する排気ガスとの熱交換面積を拡大するように、コルゲートタイプとされている。このコルゲートタイプのフィン２１ｄとは、例えば薄肉の帯板材をローラ加工によって波形に成形したものである。要するに、排気ガスの熱をフィン２１ｄが吸収してチューブ２１ｃ内を流通する作動流体を加熱、気化させるようになっている。したがって、チューブ２１ｃとフィン２１ｄとが、熱交換器となっている。

熱交換部２２は、上流側触媒５の外径側に付設されており、受熱部２１から移送される蒸気からなる作動流体でもって、上流側触媒５を加熱させることで作動流体を凝縮させる放熱作用や、上流側触媒５の熱により内部に密封される作動流体を気化させる受熱作用を発揮するように構成されている。

具体的に、熱交換部２２は、上流側触媒５を包囲して単一の内部環状空間を形成する単一のケース２２ａと、上流側触媒５の排気ガス導入部５ｄの外径側に設けられるフィン２２ｂ・・・とを含んだ構成とすることができる。

ケース２２ａは、その上流側約半分領域がテーパ形状とされ、下流側約半分領域が円形とされている。

フィン２２ｂは、上流側触媒５の外装ケース５ｂの外径側に径方向外向きに突出するように接合されている。このフィン２２ｂは、この実施形態において、ケース２２ａの内部空間を通過する蒸気からなる作動流体との熱交換面積を拡大するように、コルゲートタイプとされている。このコルゲートタイプのフィン２２ｂとは、例えば図４に示すように、薄肉の帯板材をローラ加工によって円周方向に波形に成形したものである。

放熱部２３は、上流側触媒５と球面継手３との間で球面継手３寄りに付設されており、熱交換部２２から移送される蒸気からなる作動流体でもって、ヒータコア１４から内燃機関１へ戻す冷却水を加熱させることにより作動流体を凝縮させるように構成されている。

具体的に、放熱部２３は、内部が密閉されたケース２３ａに第２移送路２６の下流端および第２還流路２７の上流端がそれぞれ接続された構成になっており、このケース２３ａの内部空間には、ヒータ流路１３においてヒータコア１４より下流側領域が挿入されている。このヒータ流路１３においてケース２３ａ内に挿入される領域は、その外周にフィン１３ａが設けられており、熱交換面積が拡大されている。動作としては、要するに、この放熱部２３に、熱交換部２２で気化される作動流体が第２移送路２６を経て移送されてくると、この作動流体の熱がフィン１３ａで吸収されて、この吸収された熱がヒータ流路１３内を流通する冷却水を加熱するようになっている。

第１移送路２４は、受熱部２１で気化された作動流体を熱交換部２２へ移送するための配管である。この第１移送路２４は、排気通路（排気管４、上流側触媒５ならびに下流側触媒６）の近傍に沿うように適宜のクリアランスを介して配置されている。

具体的に、第１移送路２４と、排気通路（排気管４、上流側触媒５ならびに下流側触媒６）との離隔距離は、第１移送路２４内を移送される蒸気からなる作動流体を凝縮させない温度を保つのに必要な寸法とされる。その寸法は、第１移送路２４の全長寸法や、素材、肉厚、対向面積等に応じて、実験等によって把握し、経験的に設定することが好ましい。

このような第１移送路２４の配置を実現するために、第１移送路２４の途中の複数箇所（この実施形態では２箇所）を、下流側触媒６の外壁と排気管４とに対し、ブラケット３１ａ，３１ｂを介して支持させている。このブラケット３１ａ，３１ｂは、熱伝導性の高い材料（例えばステンレス鋼等）とすることが好ましい。

第１還流路２５は、熱交換部２２で凝縮された作動流体を受熱部２１へ戻すための配管である。この第１還流路２５は、前記した第１移送路２４とは逆に、第１還流路２５を流れる液状の作動流体が再び気化することがないように排気通路（排気管４、上流側触媒５ならびに下流側触媒６）や第１移送路２４から可及的に遠くへ離れた位置に配置されている。しかも、この第１還流路２５は、凝縮されて液状となった作動流体を受熱部２１へ還流させやすくするために適宜の下り勾配がつけられている。

具体的に、第１還流路２５と、排気通路（排気管４、上流側触媒５ならびに下流側触媒６）との離隔距離は、排気通路側からの輻射熱によって第１還流路２５を流れる液状の作動流体が再蒸発しない状態を保つのに必要な寸法とされる。その寸法は、第１還流路２３の全長寸法や、素材、肉厚、対向面積等に応じて、実験等によって把握し、経験的に設定することが好ましい。また、前記の下り勾配は、例えば６度程度とすることができるが、任意である。

第２移送路２６は、熱交換部２２で気化された作動流体を放熱部２３へ移送するための配管である。この第２移送路２６は、第１移送路２４と同様に、排気管４に近接させるように配置することも可能であるが、この実施形態では、放熱部２３を熱交換部２２に近い位置に配置している関係より、特別に排気管４に近接させるように配置していない。

第２還流路２７は、放熱部２３で凝縮された作動流体を熱交換部２２へ戻すための配管である。この第２還流路２７は、第１還流路２５と同様に、排気管４から可及的に遠くへ離れた位置に配置されている。しかも、第２還流路２７は、凝縮されて液状となった作動流体を受熱部２１へ還流させやすくするために適宜の下り勾配（例えば６度程度）がつけられている。

この実施形態では、第１還流路２５の上流端と第２還流路２７の下流端とが合流されて熱交換部２２の内部環状空間の下流側に連通連結されており、この第１還流路２５において前記合流部寄りには、第１弁装置２８が設けられている。

この第１弁装置２８は、開放状態と閉塞状態とに切り替えられるような電磁弁とされ、コントローラ１９により制御される。なお、第１弁装置２８は、開度を無段階に制御することにより、熱交換部２２から受熱部２１に作動流体を戻す量を調節可能なものとすることも可能である。

この第１弁装置２８を開放すると、熱交換部２２から第１還流路２５を経て受熱部２１への作動流体の還流を許容する状態になる。一方、第１弁装置２８を閉塞すると、熱交換部２２から第１還流路２５を経て受熱部２１への作動流体の還流を禁止する状態になる。

次に、内燃機関１の動作に関連した排気熱回収装置１８の動作を説明する。

要するに、内燃機関１を冷間始動する場合、上流側触媒５および下流側触媒６、内燃機関１の冷却水のすべてが低温になっているが、内燃機関１からエキゾーストマニホールド２を経て排気管４に例えば３００〜４００℃の排気ガスが排出されることになり、２つの触媒５，６が内部から排気ガスで昇温されることになる一方、冷却水がラジエータ７を通らずにバイパス流路１２を経て内燃機関１へ戻されることによって暖機運転されることになる。

（１）まず、前記冷間始動時には、つまり上流側触媒５の温度Ｔｓｃが第１閾値Ｔ１未満である場合には、第１弁装置２８を開放する。

なお、コントローラ１９は、例えば上流側触媒５の触媒床温度を検出するセンサ（図示省略）からの検出出力に基づいて上流側触媒５の温度Ｔｓｃを認識する。また、第１閾値Ｔ１は、例えば上流側触媒５が活性化する温度（例えば３００〜４００℃）に基づいて適宜に設定される。

内燃機関１の始動に伴い、内燃機関１から排気管４に排出された排気ガスが２つの触媒５，６を経て受熱部２１に到達すると、この受熱部２１内の作動流体が前記排気ガスの熱により蒸発される。このようにして受熱部２１を通過する排気ガスの熱が回収されると、この排気ガスのボリュームが減って、排気音が低減することになる。

この受熱部２１で気化された作動流体は、第１移送路２４を経て熱交換部２２へ移送される。この熱交換部２２内では、気化された作動流体と上流側触媒５との間で熱交換が行われることになる。

これにより、上流側触媒５が排気ガスで内側から加熱されると同時に、下流側触媒６を通過した排気ガスの熱を回収して上流側触媒５が外側から加熱されるようになるので、上流側触媒５の昇温が促進されることになり、早期に活性化されることになる。なお、上流側触媒５の昇温に伴い、その排気ガスの浄化作用によりその下流側の下流側触媒６も昇温されることになる。

そして、熱交換部２２において作動流体と上流側触媒５との間の熱交換に伴い当該作動流体が凝縮されることになるので、この凝縮された作動流体が第１還流路２５を経て受熱部２１に戻される。

ところで、上流側触媒５が活性化温度に到達するまでの間は、熱交換部２２で作動流体が蒸発されないので、この熱交換部２２から放熱部２３へ熱が移送されない状態になる。

したがって、上流側触媒５が活性化温度に到達するまでの間は、受熱部２１→第１移送路２４→熱交換部２２→第１還流路２５→受熱部２１といった閉ループからなる第１熱循環経路４０（図１および図３の実線矢印参照）での熱循環が繰り返されるようになって、熱交換部２２→第２移送路２６→放熱部２３→第２還流路２７→熱交換部２２といった閉ループからなる第２熱循環経路５０（図１および図３の一点鎖線矢印参照）での熱循環は行われなくなる。

この場合、要するに、熱交換部２２は主として放熱作用を発揮するようになり、受熱部２１で受熱する排気熱が熱交換部２２に移送されることにより、上流側触媒５の昇温を促進することになるが、ヒータコア１４から内燃機関１へ戻す冷却水は加熱されない。

（２）この後、上流側触媒５が加熱され続けることによって、例えば上流側触媒５の温度Ｔｓｃが第１閾値Ｔ１、例えば活性化温度を越えると、今度は、上流側触媒５の熱によって熱交換部２２内の作動流体が蒸発されることになり、この気化された作動流体が熱交換部２２から第２移送路２４を経て放熱部２３へ移送されることになる。

この放熱部２３に移送された蒸気からなる作動流体は、ヒータ流路１３においてヒータコア１４を通過した冷却水との間で熱交換が行われることになり、当該冷却水が加熱される。

この熱交換により放熱部２３内の作動流体が凝縮されると、この凝縮された作動流体は、放熱部２３から第２還流路２７および第１還流路２５を経て受熱部２１に戻される。

そして、受熱部２１内の作動流体が前記排気ガスの熱により再度蒸発され、この蒸気からなる作動流体が第１移送路２４を経て熱交換部２２へ移送されるが、上流側触媒５が活性化温度になっているので、この熱交換部２２で熱交換が行われない。そのため、熱交換部２２で作動流体が凝縮されずに蒸気のまま通過することになり、第２移送路２６を経て放熱部２３に移送されることになる。

このように、受熱部２１→第１移送路２４→熱交換部２２→第２移送路２６→放熱部２３→第２還流路２７→第１還流路→受熱部２１といった閉ループからなる第３熱循環経路６０（図１および図３の二点鎖線矢印参照）での熱循環が繰り返されるようになって、第２還流路２７から熱交換部２２へは作動流体が流入しなくなる。

この場合、要するに、熱交換部２２は主として受熱作用を発揮するようになり、熱交換部２２で受熱する上流側触媒５の熱と受熱部２１で受熱する排気熱とが放熱部２３に移送される。これにより、上流側触媒５の過剰昇温を抑制しつつ、内燃機関１に戻す冷却水を加熱するようになる。

（３）次に、上流側触媒５の温度Ｔｓｃが過剰に昇温した場合、例えば上流側触媒５の温度Ｔｓｃが第１閾値Ｔ１より大きい第２閾値Ｔ２以上になった場合には、第１弁装置２８を閉塞する。なお、第２閾値Ｔ２は、例えば上流側触媒５の耐熱温度（例えば８００〜９００℃）に基づいて適宜に設定される。

これにより、熱交換部２２内の作動流体は第１還流路２５を経て受熱部２１へ戻せなくなるので、受熱部２１で作動流体を蒸発させることができない状態になる。そのため、受熱部２１から熱交換部２２へ蒸気からなる作動流体を移送できなくなるので、排気熱による上流側触媒５の加熱が休止される。

その一方で、上流側触媒５の熱で熱交換器２２内の作動流体が蒸発されることになるために、この気化した作動流体が第２移送路２６を経て放熱部２３へ移送されることになり、この放熱部２３内において、気化している作動流体と、ヒータ流路１３においてヒータコア１４を通過した冷却水との間で熱交換が行われることになって、当該冷却水が加熱される。この熱交換により放熱部２３内の作動流体が凝縮されると、この凝縮された液状の作動流体は、放熱部２３から第２還流路２７を経て熱交換部２２に戻される。

このように、熱交換部２２→第２移送路２６→放熱部２３→第２還流路２７→熱交換部２２といった閉ループからなる第２熱循環経路５０（図１および図３の一点鎖線矢印参照）での熱循環が繰り返されるようになる。

この場合、要するに、排気熱で上流側触媒５を加熱させないようにしたうえで、上流側触媒５から熱を回収し、この回収した熱でヒータコア１４から内燃機関１へ戻される冷却水を加熱するので、結果的に上流側触媒５が冷却されることになる。これにより、上流側触媒５の過剰加熱による機能低下を回避することが可能になる。

以上説明したように、本発明を適用した第１実施形態では、第１熱循環経路４０を形成することにより内燃機関１から排出される排気ガスの熱を取り込んで上流側触媒５を外側から加熱してその昇温を促進することが可能になり、また、第２熱循環経路５０を形成することにより上流側触媒５の熱を取り込んで当該上流側触媒５を冷却しつつ内燃機関１の冷却水の昇温を促進させることが可能になる。さらに、第３熱循環経路６０を形成することにより排気ガスの熱で上流側触媒５を加熱せずに内燃機関１の冷却水の昇温を促進させることが可能になる。このように、内燃機関１に付設される触媒の暖機や、内燃機関１の冷却水の暖機を効率よく行うことが可能になる。

しかも、この実施形態では、ループ式ヒートパイプ構造の排気熱回収装置１８において、３つの経路４０〜６０を個別に形成する構成とせずに、放熱作用と受熱作用とを行う熱交換部２２を用いることにより、構成を簡素化するとともに、設備コストを低減可能にしている。
（第２実施形態）
図５に、本発明の第２実施形態を示している。この第２実施形態において第１実施形態との相違は、第２還流路２７に第２弁装置２９を設けていることである。

この第２弁装置２９は、開放状態と閉塞状態とに切り替えられるような電磁弁とされ、コントローラ１９により制御される。なお、第２弁装置２９は、開度を無段階に制御することにより、放熱部２３から熱交換部２２に作動流体を戻す量を調節可能なものとすることも可能である。

この第２弁装置２９を開放すると、放熱部２１から第２還流路２７を経て熱交換部２２への作動流体の還流を許容する状態になる。一方、第２弁装置２９を閉塞すると、放熱部２１から第２還流路２７を経て熱交換部２２への作動流体の還流を禁止する状態になる。

要するに、この第２実施形態では、上記第１実施形態と同様に第１〜第３熱循環経路４０，５０，６０を確保することに加えて、第１、第２弁装置２８，２９を共に閉塞することにより第１〜第３熱循環経路４０，５０，６０をすべて熱循環できない状態にすることを可能にしている。

例えば上流側触媒５の温度や内燃機関１の水温が過剰に上昇するような状況のときに、前記の非熱循環状態とすれば、上流側触媒５の過剰加熱による機能低下や内燃機関１のオーバーヒートを回避することが可能になる。

次に、動作を説明する。

（１）まず、上流側触媒５が第１閾値Ｔ１、例えば活性化温度に昇温するまでの間は、第１弁装置２８を開放して、第２弁装置２９を閉塞する。

この場合、受熱部２１→第１移送路２４→熱交換部２２→第１還流路２５→受熱部２１といった閉ループからなる第１熱循環経路４０（図５の実線矢印参照）において熱循環が繰り返されるようになる。

しかし、熱交換部２２→第２移送路２６→放熱部２３→第２還流路２７→熱交換部２２といった閉ループからなる第２熱循環経路５０（図５の一点鎖線矢印参照）や、受熱部２１→第１移送路２４→熱交換部２２→第２移送路２６→放熱部２３→第２還流路２７→第１還流路→受熱部２１といった閉ループからなる第３熱循環経路６０（図１および図３の二点鎖線矢印参照）では熱循環が行われない。

この場合、熱交換部２２は主として放熱作用を発揮する。要するに、受熱部２１で受熱する排気熱が熱交換部２２に移送されることにより上流側触媒５の昇温を促進することになるが、ヒータコア１４から内燃機関１へ戻す冷却水は加熱されない。

（２）この後、上流側触媒５が加熱され続けることによって、例えば上流側触媒５の温度Ｔｓｃが第１閾値Ｔ１、例えば活性化温度を越えると、第１、第２弁装置２８，２９を共に開放する。

この場合、受熱部２１→第１移送路２４→熱交換部２２→第２移送路２６→放熱部２３→第２還流路２７→第１還流路→受熱部２１といった閉ループからなる第３熱循環経路６０（図１および図３の二点鎖線矢印参照）での熱循環が繰り返されるようになる。

つまり、上流側触媒５の熱によって熱交換部２２内の作動流体が蒸発されることになり、この気化された作動流体が熱交換部２２から第２移送路２４を経て放熱部２３へ移送されることになる。この放熱部２３で凝縮された作動流体は、第２還流路還流路２７および第１還流路２５を経て受熱部２１に戻される。そして、受熱部２１内の作動流体が前記排気ガスの熱により再度蒸発され、この蒸気からなる作動流体が第１移送路２４を経て熱交換部２２へ移送されるが、上流側触媒５が活性化温度になっているので、この熱交換部２２で熱交換が行われない。そのため、熱交換部２２で作動流体が凝縮されずに蒸気のまま通過することになり、第２移送路２６を経て放熱部２３に移送されることになる。

この場合、熱交換部２２は主として受熱作用を発揮する。要するに、熱交換部２２で受熱する上流側触媒５の熱と受熱部２１で受熱する排気熱とが放熱部２３に移送され、ヒータコア１４から内燃機関１へ戻す冷却水が加熱される。

（３）例えば上流側触媒５が過剰に上昇しそうな場合で内燃機関１の冷却水が過剰に昇温しない場合には、第１弁装置２８を開放して、第２弁装置２９を閉塞する。

この場合、熱交換部２２→第２移送路２６→放熱部２３→第２還流路２７→熱交換部２２といった閉ループからなる第２熱循環経路５０（図５の一点鎖線矢印参照）での熱循環が繰り返されるようになる。

この第２熱循環経路５０での熱循環が繰り返されると、熱交換部２２が上流側触媒５の熱を回収して作動流体を気化させることになり、この気化された作動流体が第２移送路２６を経て放熱部２３に移送されるので、上流側触媒５が冷却されつつ内燃機関１の冷却水を加熱することが可能になる。

（４）次に、上流側触媒５の温度Ｔｓｃが過剰に昇温した場合、例えば上流側触媒５の温度Ｔｓｃが第１閾値Ｔ１より大きい第２閾値Ｔ２以上になった場合や、内燃機関１の冷却水の温度Ｔｗが通常範囲（６０〜８０℃）を越えてオーバーヒート温度（例えば１１０℃）に上昇した場合には、第１、第２弁装置２８，２９を共に閉塞する。なお、第２閾値Ｔ２は、例えば上流側触媒５の耐熱温度（例えば８００〜９００℃）に基づいて適宜に設定される。

まず、第１弁装置２８を閉塞すると、熱交換部２２内の作動流体は第１還流路２５を経て受熱部２１へ戻せなくなるので、受熱部２１で作動流体を蒸発させることができない状態になる。そのため、受熱部２１から熱交換部２２へ蒸気からなる作動流体を移送できなくなるので、排気熱による上流側触媒５の加熱が休止される。つまり、第１熱循環経路４０での熱循環が停止される。

その一方で、第２弁装置２９を閉塞すると、放熱部２３内の作動流体は第２還流路２７を経て熱交換部２２へ戻せなくなるので、熱交換部２２で作動流体を蒸発させることができない状態になる。そのため、熱交換部２１から放熱部２３へ蒸気からなる作動流体を移送できなくなるので、上流側触媒５の熱による内燃機関１へ戻す冷却水の加熱が休止される。つまり、第２熱循環経路５０での熱循環が停止される。

このように、上流側触媒５の加熱と、ヒータコア１４から内燃機関１へ戻される冷却水の加熱とが停止されることになる。

以上説明したように、本発明を適用した第２実施形態では、上記第１実施形態と同様に、第１熱循環経路４０を形成することにより内燃機関１から排出される排気ガスの熱を取り込んで上流側触媒５を外側から加熱してその昇温を促進することが可能になり、また、第２熱循環経路５０を形成することにより上流側触媒５の熱を取り込んで当該上流側触媒５を冷却しつつ内燃機関１の冷却水の昇温を促進させることが可能になり、さらに、第３熱循環経路６０を形成することにより排気ガスの熱で上流側触媒５を加熱せずに内燃機関１の冷却水の昇温を促進させることが可能になる。このように内燃機関１に付設される触媒の暖機や、内燃機関１の冷却水の暖機を効率よく行うことが可能になる。

しかも、第２実施形態では、第１〜第３熱循環経路３０〜６０のすべてにおける熱循環を停止させることが可能になるから、上流側触媒５や、ヒータコア１４から内燃機関１へ戻される冷却水を過剰に加熱してしまう現象を回避できるようになる。

なお、本発明は、上記実施形態のみに限定されるものではなく、特許請求の範囲内および当該範囲と均等の範囲で包含されるすべての変形や応用が可能である。以下で例を挙げる。

（１）上記各実施形態において、内燃機関１はガソリンエンジンやディーゼルエンジン、その他のエンジンに限定されるものではない。ディーゼルエンジンとする場合には、触媒５，６を例えばＤＰＦ（Diesel Particulate Filter）やＤＰＮＲ（Diesel Particulate -NOx Reduction system）等とすることができる。

なお、ディーゼルエンジンの場合において、上流側触媒５をＮＯｘ吸蔵還元触媒（ＮＳＲ：NOx storage reduction）として、下流側触媒６をＮＯｘ選択還元触媒（ＳＣＲ：Selective Catalytic Reduction）とすることも可能である。

（２）上記各実施形態では、２つの触媒５，６を備える場合の例を挙げているが、触媒の数は限定されるものではなく、例えば１個、あるいは３個以上であってもよい。

（３）上記各実施形態では、上流側触媒５に付設する熱交換部２２の外形について上流側触媒５を包囲するような環状とした例を挙げているが、熱交換部２２の外形形状は、特に限定されるものではない。熱交換部２２の外形形状は、例えば上流側触媒５の外壁面における一部領域に付設されるように湾曲した形状とすることも可能である。

（４）上記各実施形態では、放熱部２３を球面継手３から上流側触媒５までの間に付設した例を挙げているが、放熱部２３の設置場所は、特に限定されるものではない。例えば放熱部２３は、排気通路（２，４）から離れた内燃機関１の冷却水取り出し路８寄りに設置することも可能である。

（５）上記各実施形態では、放熱部２３について温風ヒータ１６のヒータコア１４から内燃機関１へ戻す冷却水を加熱するのに用いるようにした例を挙げているが、本発明は、それに限定されるものではない。

例えば放熱部２３により加熱する対象について、ヒータコア１４へ導入する冷却水とすることも可能である。この場合、内燃機関１の暖機運転時に温風ヒータ１６を作動させている状況において、ヒータコア１４に導入する冷却水の昇温を促進させることが可能になるから、暖機運転での早期暖房が可能になる。

また、放熱部２３により加熱する対象について、バイパス流路１２を流通する冷却水とすることも可能である。前記のバイパス流路１２は、そもそも内燃機関１の暖機運転時等、冷却水を昇温させる必要がある場合に使用される流路である。したがって、バイパス流路１２を流れる冷却水を放熱部２３により昇温促進させることが可能になるから、内燃機関１の暖機運転を迅速に終了させることが可能になる。

いずれの形態においても、加熱対象の昇温促進が不要な場合には、第２弁装置３５を閉塞して、排気熱回収を休止状態にすればよい。

（６）上記各実施形態において、第１弁装置２８を無くし、その代わりに、図示していないが、第１還流路２５の上流端と第２還流路２７の下流端との合流部に、三方弁を設けるようにしてもよい。

三方弁は、熱交換部２２から第１還流路２５への作動流体の流入を許容したうえで第２還流路２７から熱交換部２２への作動流体の流入を禁止することで第１熱循環経路４０での熱循環を許容する状態と、熱交換部２２から第１還流路２５への作動流体の流入を禁止したうえで第２還流路２７から熱交換部２２への作動流体の流入を許容することで第２熱循環５０での熱循環を禁止する状態とのいずれか一方を確保するものである。この三方弁の状態切り替えは、コントローラ１９により制御される。

（７）上記各実施形態では、熱交換部２２として内径側を開放させたケース２２ａを用いる構成とした例を挙げているが、本発明はこれに限定されず、例えば図示していないが、それぞれケース２２を用いずに、ケース２２ａの内径側を内周壁で閉塞したような中空スリーブを用いることが可能である。その場合、フィン２２ｂは中空スリーブの内周壁の外径側に設けるようにすればよい。

（８）上記各実施形態において、図１には第１還流路２５や第２還流路２７を排気管４より下側に配置したような例を挙げているが、本発明はこれに限定されず、例えば図示していないが、第１還流路２５や第２還流路２７を第１移送路２４や第２移送路２６より上側に配置することも可能である。

（９）上記各実施形態において、熱交換部２２は、例えば図６に示すように、上流側触媒５の外装ケース５ｂにおいてテーパ形状の排気ガス排出部５ｅの外径側に設けられるフィン２２ｆを備える構成とすることができる。

（１０）上記第２実施形態において、図示していないが、第２還流路２６の上流側に作動流体を貯留するタンクを設けることが可能である。

この場合、例えば上流側触媒５の温度や内燃機関１の水温が過剰に上昇しようとする場合に、第１、第２弁装置２８，２９を共に閉塞すると、放熱部２３からタンクへ作動流体を移動させることが可能になる。そのため、作動流体を隔離できるから、作動流体が熱の影響が受けなくなる。

（１１）上記各実施形態において、熱交換部２２のケース２２ａは、例えば図７に示すように、波打ち形状あるいは蛇腹形状とすることが可能である。図７では、ケース２２ａにおいてテーパ形状領域２２ｃと円形領域２２ｄとに、それぞれ複数の環状隆起部２２ｅおよび環状陥没部２２ｆを設けることにより、ケース２２ａのテーパ形状領域２２ｃと円形領域２２ｄとを、波打ち形状あるいは蛇腹形状としている。但し、ケース２２ａのテーパ形状領域２２ｃと円形領域２２ｄとのいずれか一方を、波打ち形状あるいは蛇腹形状とすることも可能である。

この場合、ケース２２ａの表面積が大きくなるから、熱交換部２２が過剰に昇温したときの放熱性が良好となる。

ところで、ケース２２ａは、図７に示すように、その小径端の内周面と大径端の内周面とを排気管４に、例えば溶接等によって接合することで取り付けることができる。通常、上流側触媒５とケース２２ａとに温度差が生じると、それぞれの熱伸縮度合いに差が生じるために、前記接合部位に伸縮応力が作用する。このような伸縮応力が発生したときでも、前記した形状のケース２２ａを備える場合には、波打ち形状あるいは蛇腹形状となった部分が前記伸縮応力を逃がすことが可能になり、前記接合部分の万一の破損を長期にわたって防止することが可能になる。

（１２）上記各実施形態で提示した熱交換部２２については、例えば図８から図１０に示すような構成とすることができる。

この例では、上流側触媒５の外装ケース５ｂに、フィン２２ｂの代わりにガイド２２ｇが設けられている。

このガイド２２ｇは、第１移送路２４から移送されてくる気化された作動流体を上流側触媒５の広域に触れさせるための流路を確保するものである。

ここで例示するガイド２２ｇは、図８および図９に示すように、円筒形のパイプをその半割としたようなものであって、長手方向と直交する方向の断面形状がＵ字形とされた棒状の部材からなる。当然ながら前記断面形状はＵ字形に限らず、いろいろいな形状とすることが可能である。

このような形状のガイド２２ｇは、上流側触媒５の外装ケース５ｂにおけるテーパ形状の排気ガス導入部５ｄの外周面の左半分領域と右半分領域とに、排気ガス排出方向の上流側から下流側へ向けて隣り合うように複数取り付けられている。

前記左右両方の領域に設けられる各ガイド２２ｇの各上端側開口は、図８および図９に示すように、排気ガス排出方向の上流側に位置するものから下流側に位置するものへ向けて円周方向の横面側へ後退されている。この後退によって、各ガイド２２ｇの各上端側開口それぞれを結ぶ仮想直線Ｌが、上流側触媒５の中心線Ｏに対して適宜の角度θがつけられている。この角度は、任意であるが、各ガイド２２ｇの各上端側開口への作動流体の流入効率を実験等で把握して、経験的に設定するのが好ましい。

そして、前記左右両方の領域に設けられる各ガイド２２ｇの各下流側開口は、図８および図９に示すように、当該各上端側開口それぞれを結ぶ仮想直線Ｌが、上流側触媒５の中心線Ｏと略平行となるように揃えられている。この各ガイド２２ｇの各下流側開口は、各上流側開口と同様に後退させるようにしてもよい。

また、各ガイド２２ｇは、図１０に示すように、その上端側開口から全長略中央位置までの領域が排気ガス排出方向の上流側へ向かうように前傾姿勢とされており、この全長略中央位置から下流側開口までの領域が排気ガス排出方向の下流側へ向かうように後傾姿勢とされている。

このようなガイド２２ｇを備える構成の場合、熱交換部２２のケース２２ａに対する第１移送路２４の連結位置は、第１移送路２４から吐出される作動流体を各ガイド２２ｇの各上端側開口へ向かわせる位置に設定されている。

また、熱交換部２２のケース２２ａに対する第１還流路２５の連結位置は、外装ケース５ｂにおける触媒担体配置部５ｃ寄り、この実施形態では、外装ケース５ｂにおいて排気ガス排出方向下流端に設定されている。

このようなガイド２２ｇを備える構成の場合、例えば受熱部２１から第１移送路２４を経て熱交換部２２の内部環状空間へ移送された蒸気からなる作動流体は、鉛直方向の上側から下側へ流されることになる。但し、前記第１移送路２４から内部環状空間に移送された作動流体の大半は、各ガイド２２ｇのトンネル空間に入って上流側触媒５の外装ケース５ｂにおける排気ガス導入部５ｄの外周面に沿って鉛直方向の上側から下側へ流されることになる。

これにより、蒸気からなる作動流体が上流側触媒５の排気ガス導入部５ｄの外周面の広域に触れることになる。その他、熱交換部２２の内部環状空間において各ガイド２２ｇの外表面とケース２２ａとの対向隙間を流れる作動流体の熱は、各ガイド２２ｇを通じて上流側触媒５の外装ケース５ｂに伝導されることになる。これらの相乗作用により、熱交換部２２内において作動流体の熱が上流側触媒５へ効率よく伝導されるようになる等、熱交換部２２による熱交換効率が高くなっている。

そして、熱交換部２２の内部環状空間において鉛直方向下側へ導かれた作動流体は、その移動の熱交換過程によって凝縮されて液状化し、第１還流路２５を経て受熱部２１へ還流されるようになる。

以上、ガイド２２ｇを備えることによって、熱交換部２２による熱交換効率を高くすることが可能になるから、熱交換部２２が放熱作用を発揮する際には、上流側触媒５の暖機時間をさらに短縮するうえで有利となり、また、熱交換部２２が受熱作用を発揮する際には、上流側触媒５の熱を効率よく回収して、放熱部２３へ送ることが可能になる等、上流側触媒５の過剰加熱を回避するうえで有利となる。

本発明に係る排気熱回収装置の第１実施形態を示す概略構成図である。 図１の球面継手を示す断面図である。 図１の排気熱回収装置の具体構成を示す部分断面図である。 図１の熱交換部のフィンを示す斜視図である。 本発明に係る排気熱回収装置の第２実施形態で、図１に対応する概略構成図である。 図３の熱交換部の変形例を示す部分断面図である。 図３の熱交換部の変形例を示す部分断面図である。 図３の熱交換部の変形例を示す部分断面図で、上流側触媒および熱交換部を上から見た図である。 図８の上流側触媒および熱交換部を矢印Ｘ方向から見た図である。 図８の上流側触媒および熱交換部を側面から見た図である。

符号の説明

１ 内燃機関
２ エキゾーストマニホールド
３ 球面継手
４ 排気管
５ 上流側触媒
５ａ 触媒担体
５ｂ 外装ケース
５ｃ 触媒担体配置部
５ｄ 排気ガス導入部
６ 下流側触媒
７ ラジエータ
８ 冷却水取り出し路
９ 冷却水還流路
１０ ウォータポンプ
１３ ヒータ流路
１４ ヒータコア
１６ 温風ヒータ
１８ 排気熱回収装置
２１ 受熱部
２２ 熱交換部
２２ａ ケース
２２ｂ フィン
２３ 放熱部
２４ 第１移送路
２５ 第１還流路
２６ 第２移送路
２７ 第２還流路
２８ 第１弁装置
２９ 第２弁装置
４０ 第１熱循環経路
５０ 第２熱循環経路
６０ 第３熱循環経路

Claims (7)

1. 内燃機関の排気通路において触媒より下流側の排気熱により内部に密封される作動流体を気化させる受熱部と、
   この受熱部から移送される作動流体と前記触媒または前記排気通路において前記触媒の入口寄り領域との間で熱交換させて前記作動流体を凝縮させる放熱作用や、前記触媒の熱により内部に密封される作動流体を気化させる受熱作用を発揮する放熱兼受熱用の熱交換部と、
   前記熱交換部から移送される作動流体と前記内燃機関から一旦取り出される冷却水との間で熱交換させて前記作動流体を凝縮させる放熱部と、
   前記受熱部から前記熱交換部へ作動流体を移送するための第１移送路と、
   前記熱交換部から前記受熱部へ作動流体を戻すための第１還流路と、
   前記熱交換部から前記放熱部へ作動流体を移送するための第２移送路と、
   前記放熱部から前記熱交換部へ作動流体を戻すための第２還流路と、
   前記受熱部→第１移送路→熱交換部→第１還流路→受熱部といった第１熱循環経路や、前記熱交換部→第２移送路→放熱部→第２還流路→熱交換部といった第２熱循環経路や、前記受熱部→第１移送路→熱交換部→第２移送路→放熱部→第２還流路→第１還流路→受熱部といった第３熱循環経路を、必要に応じて形成する状態切り替え手段とを含む、ことを特徴とする排気熱回収装置。
2. 請求項１に記載の排気熱回収装置において、
   前記第１還流路の上流側と前記第２還流路の下流側とは、合流されて前記熱交換部に連通連結され、
   前記状態切り替え手段は、前記第１還流路において前記合流部寄りに設けられる第１弁装置を有する、ことを特徴とする排気熱回収装置。
3. 請求項１に記載の排気熱回収装置において、
   前記第１還流路の上流側と前記第２還流路の下流側とは、合流されて前記内部環状空間に連通連結され、
   前記状態切り替え手段は、前記第１還流路において前記合流部寄りに設けられる第１弁装置と、前記第２還流路において前記合流部寄りに設けられる第２弁装置とを有する、ことを特徴とする排気熱回収装置。
4. 請求項３に記載の排気熱回収装置において、
   前記第２還流路において前記第２弁装置より上流側には、作動流体を貯留するタンクが設けられる、ことを特徴とする排気熱回収装置。
5. 請求項１から４のいずれか１つに記載の排気熱回収装置において、
   前記触媒は、触媒担体を外装ケース内に収納した構成とされ、前記外装ケースの排気ガス導入部は、上流側から触媒担体配置部へ向けて漸次拡径するテーパ形状とされ、
   前記熱交換部は、前記触媒を包囲して単一の内部環状空間を形成する単一のケースと、前記触媒の排気ガス導入部の外径側に設けられるフィンとを含んで構成される、ことを特徴とする排気熱回収装置。
6. 請求項１から４のいずれか１つに記載の排気熱回収装置において、
   前記触媒は、触媒担体を外装ケース内に収納した構成とされ、前記外装ケースの排気ガス導入部は、上流側から触媒担体配置部へ向けて漸次拡径するテーパ形状とされ、
   前記熱交換部は、前記触媒を包囲して単一の内部環状空間を形成する単一のケースと、前記触媒の排気ガス導入部の外周面において上流側から下流側へ向けて複数取り付けられる作動流体のガイドとを含み、かつ、このガイドは、前記排気ガス導入部の外周面において左右領域にそれぞれ別々に設けられ、
   前記熱交換部のケースに対する前記第１移送路の連結位置は、第１移送路から吐出される作動流体を前記各ガイドの各上端開口へ向かわせる位置とされ、
   前記熱交換部のケースに対する前記第１還流路の連結位置は、前記外装ケースにおける触媒担体配置部寄りとされる、ことを特徴とする排気熱回収装置。
7. 請求項１から６のいずれか１つに記載の排気熱回収装置において、
   前記排気通路における内燃機関寄りの位置には、振動伝達減衰手段が設けられ、前記放熱部は、前記振動伝達減衰手段から前記触媒までの間の領域に付設される、ことを特徴とする排気熱回収装置。

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