JP2010059954A - 排気熱回収装置 - Google Patents

Abstract

【課題】ループ式ヒートパイプ２０の受熱部２１と放熱部２２とを離隔配置する形態の排気熱回収装置１８において、受熱部２１から放熱部２２へ蒸気からなる作動流体を移送する過程で放熱しにくくさせて、放熱部２２へ高温の作動流体を効率良く移送可能とする。
【解決手段】ループ式ヒートパイプ２０は、内燃機関１の排気通路４において触媒５より下流側の排気熱で内部の作動流体を蒸発させる受熱部２１と、この受熱部２１で蒸発された作動流体が移送されて当該作動流体と加熱対象（１３）との間で熱交換させて凝縮させる放熱部２２と、受熱部２１から放熱部２２へ作動流体を移送するための移送路２３と、放熱部２２から受熱部２１へ作動流体を戻すための還流路２４とを含む。放熱部２２は、触媒５または当該触媒５より上流側に付設される。移送路２３は、排気通路４の近傍に沿って配置されている。
【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や、内燃機関から一旦取り出される冷却水を昇温させる形態の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、触媒装置を昇温させるようにした構成になっている。

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。
実開昭６３−２２３２１号公報 特開２００８−１４３０４号公報 実開平２−７６５０８号公報

上記特許文献１に係る従来例では、回収した排気熱で排気通路において触媒よりも上流側を加熱することにより間接的に触媒を加熱するようなものであって、回収した排気熱で触媒を直接的に加熱させる形態にはなっていない。また、この従来例に示すヒートパイプは、加熱部と冷却部とを別々の移送路と還流路とで連接するようなループ式になっていない。ここに改良の余地がある。

上記特許文献２に係る従来例では、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を用いているために、内燃機関の排気通路に設置される凝縮部の存在位置まで、内燃機関の冷却水取り出し流路を引き延ばす必要がある。

つまり、排気熱を回収するという観点からは、排気通路において触媒より下流側がもっとも高温であるので、この位置に、前記のループ式ヒートパイプの蒸発部を設置するのが好ましいが、その場合、蒸発部と凝縮部とが隣り合わせに配置される関係より、この凝縮部に近接配置される前記冷却水取り出し流路をかなり長く引き延ばす必要がある。このようなことから、前記冷却水取り出し流路や還流流路などの配管の取り回しが煩雑になるとともに、冷却水の使用量を多くする必要が生じる等といった不具合が懸念される。

上記特許文献３に係る従来例では、ループ式ヒートパイプの受熱部と凝縮部とを離隔配置した構成になっているが、受熱部を排気通路において触媒の下流側に、また、凝縮部を温風ヒータの設置場所の近傍に設置する必要がある。

そのために、受熱部から凝縮部に蒸気からなる作動流体を移送するための移送路を長くする必要があるために、移送途中で蒸気からなる作動流体が凝縮しやすくなる等、熱の移送ロスが増大することが懸念される。さらに、例えば、受熱部が設置される排気通路と、凝縮部が設置される車室内とには、別々の振動が発生する関係より、これら受熱部と凝縮部とが相対的に動くことがある。そのために、受熱部と凝縮部とを連通連結する移送路や還流路の付け根に、曲げ応力等の負荷が繰り返しかかることになる等、経時的に疲労破損しやすくなることが懸念される。

このような事情に鑑み、本発明は、ループ式ヒートパイプの受熱部と放熱部とを離隔配置する形態の排気熱回収装置において、受熱部から放熱部へ蒸気からなる作動流体を移送する過程で放熱しにくくさせて、放熱部へ高温の作動流体を効率良く移送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で内部の作動流体を蒸発させる受熱部と、この受熱部で蒸発された作動流体が移送されて当該作動流体と加熱対象との間で熱交換させて凝縮させる放熱部と、前記受熱部から前記放熱部へ作動流体を移送するための移送路と、前記放熱部から前記受熱部へ作動流体を戻すための還流路とを含むループ式ヒートパイプを有し、前記放熱部が、前記触媒または当該触媒より上流側に付設され、前記移送路の少なくとも一部が、前記排気通路に接近あるいは一体化した状態で設置されている、ことを特徴としている。

なお、前記加熱対象としては、例えば内燃機関から一旦取り出される冷却水や、触媒等が挙げられる。内燃機関から一旦取り出される冷却水については、温風ヒータに利用される冷却水や、ラジエータをバイパスして内燃機関に戻される冷却水等が挙げられる。前者の冷却水の場合には、温風ヒータの上流側で冷却水を加熱させるように放熱部を利用すれば、温風ヒータによる暖房能力向上に貢献できるようになり、また、後者の冷却水の場合には、内燃機関に戻す冷却水を加熱させるように放熱部を利用すれば、内燃機関の暖機運転の促進に貢献できるようになる。

この構成では、ループ式ヒートパイプの受熱部と放熱部とを離隔配置する形態としているが、その理由は、受熱部の設置位置（排気通路の触媒より下流側の位置）から離れた場所に存在しているものを、放熱部により加熱可能とするためである。

また、移送路を排気通路の近傍に沿って配置する形態としているから、排気通路からの輻射熱で移送路が加熱または保温されるようになる。これにより、移送路で受熱部から放熱部へ作動流体を移送する過程で当該作動流体が凝縮することが抑制または防止されるようになる。このように、熱の移送ロスを軽減できるから、放熱部へ高温の熱を効率良く移送することが可能になる。

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。

この構成では、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、それによって排気通路において振動伝達減衰手段より下流側領域にループ式ヒートパイプの受熱部と放熱部と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、受熱部と放熱部とが同期して動くことになるので、それらに連通連結される移送路や還流路の付け根に、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、ループ式ヒートパイプ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、移送路や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、あるいは移送路や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。

好ましくは、前記加熱対象は、前記内燃機関から一旦取り出される冷却水とされる。この構成によれば、ループ式ヒートパイプにより排気熱を利用して内燃機関に用いる冷却水の昇温を促進させることが可能になる。

詳しくは、内燃機関から一旦取り出される冷却水としては、温風ヒータに利用される冷却水や、ラジエータをバイパスして内燃機関に戻される冷却水等が挙げられる。この前者の冷却水の場合には、温風ヒータの上流側で冷却水を加熱させるように放熱部を利用することができるから、温風ヒータによる暖房能力向上に貢献できるようになる。一方、後者の冷却水の場合には、内燃機関に戻す冷却水を加熱させるように放熱部を利用することができるから、内燃機関に暖かい冷却水を戻すことが可能になり、例えば内燃機関の暖機運転の促進に貢献できるようになる。

好ましくは、前記加熱対象は、前記触媒とされる。この構成によれば、触媒が内部を通過する排気ガスによって昇温されることに加えて、ループ式ヒートパイプにより排気熱を利用して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。これにより、触媒を効率よく迅速に活性化させることが可能になり、エミッション低減を図るうえで有利となる。

好ましくは、前記還流路は、前記排気通路から離れた位置に配置される。この構成によれば、放熱部で凝縮された液状の作動流体が還流路から受熱部に還流される過程において、前記作動流体が排気通路からの輻射熱で加熱されにくくなるから、還流過程で液状の作動流体が気化されることが抑制または防止されることになる。

好ましくは、前記放熱部は、排気通路において触媒より上流側に付設され、前記移送路の途中が前記触媒に熱伝導性に優れたブラケットを介して支持される。

この構成では、仮に触媒が活性化温度に到達していない場合だと、移送路内を流れる気体状の作動流体の熱がブラケットを介して触媒に伝導されるようになり、触媒の加熱を補助するようになる。一方、触媒が活性化温度に到達している場合には、前記とは逆に、触媒の熱がブラケットを介して移送路に伝導されるようになり、触媒の冷却が可能になる。

好ましくは、前記還流路の途中には、作動流体を貯留するタンクが設けられ、この還流路において前記タンクから前記受熱部までの領域に弁装置が設けられる。

この構成では、例えば触媒が活性化温度に到達していない場合に、例えば前記弁装置を開放することで、タンク内に作動流体を貯留させずに受熱部に作動流体を戻すようにすることが可能になり、それによって排気熱回収機能を有効とすることが可能になる。

一方、例えば触媒が活性化温度に到達している場合に、例えば前記弁装置を閉塞することで、タンク内に作動流体を貯留させて受熱部に作動流体を戻さないようにすることが可能になり、それによって排気熱回収機能を休止させることが可能になる。

このように、常に排気熱を回収して放熱部に移送させるようにしている場合に比べて、加熱対象を過剰に加熱することが回避される。

ところで、前記移送路の少なくとも一部を前記排気通路に一体化する設置形態についての例を挙げる。まず、前記排気通路の少なくとも一部領域の内壁面または外壁面には、当該内壁面または外壁面との間に隙間を作るためのプレートが取り付けられ、前記隙間が前記移送路の少なくとも一部とされる。また、前記排気通路の少なくとも一部領域の内壁面または外壁面には、当該内壁面または外壁面との間に環状隙間を作るためのパイプが取り付けられ、前記環状隙間が前記移送路の少なくとも一部とされる。さらに、前記移送路の少なくとも一部領域が、前記排気通路内に貫通挿入される。

このようにした場合には、排気通路の排気ガスの熱によって、移送路内を通過する蒸気からなる作動流体を凝縮させない温度を保ちやすくなる等、保温性を向上させることが可能になる。そのため、受熱部の小型化を図ることが可能になる。また、前記移送路の少なくとも一部をその周辺部分から遠ざけることが可能になるので、周辺部分に対する熱害を低減または防止することが可能になる。

本発明によれば、ループ式ヒートパイプの受熱部と放熱部とを離隔配置する形態の排気熱回収装置において、受熱部から放熱部へ蒸気からなる作動流体を移送する過程で放熱しにくくさせて、放熱部へ高温の作動流体を効率良く移送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。

図１から図３に本発明の一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タ（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タ（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。

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回収して例えば温風ヒータ１６のヒータコア１４に導入される冷却水の昇温促進に利用する形態としたもので、主として、ループ式ヒートパイプ２０と、コントローラ４０とを含んで構成されている。

ループ式ヒートパイプ２０は、主として、受熱部２１、放熱部２２、移送路２３、還流路２４を含んで構成されている。

このループ式ヒートパイプ２０の内部全体には、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、ヒートパイプ２０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、ループ式ヒートパイプ２０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。

コントローラ４０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）等から構成されており、少なくとも排気熱回収装置１８の動作を制御する。

以下でループ式ヒートパイプ２０の構成要素を詳細に説明する。

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、例えば図３に示すように、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。

放熱部２２は、球面継手３と上流側触媒５との間で球面継手３寄りに付設されており、第１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、内燃機関１から一旦取り出されてヒータコア１４へ導入される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２２は、内部が密閉されたケース２２ａに移送路２３の下流端および還流路２４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２２ａの内部空間には、ヒータ流路１３においてヒータコア１４より上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２２ａ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。

移送路２３は、受熱部２１で気化された作動流体を放熱部２２へ移送するための配管である。この移送路２３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、移送路２３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、移送路２３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、移送路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。

このような移送路２３の配置を実現するために、移送路２３の途中の複数箇所（この実施形態では２箇所）を、上流側触媒５の外壁と下流側触媒６の外壁とに対し、ブラケット２７ａ，２７ｂを介して支持させている。このブラケット２７ａ，２７ｂ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。

還流路２４は、放熱部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。この還流路２４は、前記した移送路２３とは逆に、還流路２４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）や移送路２３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、この還流路２４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、還流路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、排気通路側からの輻射熱によって還流路２４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、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。

このような還流路２４の配置を実現するために、還流路２４の途中の適宜位置（この実施形態では１箇所）を、移送路２３に対し、ブラケット２７ｃを介して支持させている。このブラケット２７ｃは、熱伝導性の低い材料（例えばエンジニアリングプラスチック等の合成樹脂）とすることが好ましい。

この還流路２４の途中には、凝縮された液状の作動流体を貯留するタンク２５が設置されており、このタンク２５より下流側には、弁装置２６が設けられている。

この弁装置２６は、コントローラ４０により必要に応じて、タンク２５から受熱部２１への作動流体の流通を、許容する開放状態と禁止する閉塞状態とに切り替えられるようなもので、例えば電磁弁とされている。なお、コントローラ４０により弁装置２６の開度を無段階に制御することにより、タンク２５の底側から受熱部２１に作動流体を戻す量を調節するように設定することも可能である。

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。

一般的に、例えば内燃機関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。

そこで、このような冷間始動時において、コントローラ４０は、弁装置２６を開放する。これにより、ループ式ヒートパイプ２０内で作動流体が循環可能になるので、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に排出された排気ガスが受熱部２１に到達すると、この受熱部２１内の作動流体が排気ガスの熱により加熱、蒸発されることになる。

この蒸発された作動流体、つまり蒸気は、移送路２３を経て放熱部２２に移送される。この放熱部２２に移送された蒸気からなる作動流体の熱は、ヒータ流路１３のフィン１３ａで吸収されて、この吸収された熱がヒータコア１４へ導入される冷却水を加熱するようになる。

このような熱交換により放熱部２２内の作動流体が凝縮されるのであるが、この凝縮潜熱によってもヒータコア１４に導入される冷却水が積極的に加熱される。このとき、温風ヒータ１６を非作動状態にしている場合には、ヒータコア１４を通過しても冷却水温度が低下せずに済むので、内燃機関１へ戻される冷却水の温度が高くなって、内燃機関１の暖機運転が促進されることになる。

そして、放熱部２２内で凝縮された液状の作動流体は、還流路２４からタンク２５へ流れ込むことになり、必要に応じてタンク２５から受熱部２１に戻されることになる。

このように受熱部２１および放熱部２２のそれぞれで熱交換が繰り返されることになるが、例えばコントローラ４０により暖機運転が終了したと判断した場合、つまりヒータ流路１３から内燃機関１へ戻される冷却水の温度が規定値以上になった場合には、弁装置２６を閉塞することにより、放熱部２２から受熱部２１へ還流する作動流体をタンク２５内に貯留させて、受熱部２１に戻さないようにすることができる。

これにより、受熱部２１がいわば空焚き状態になって、排気熱を作動流体に取り込めない状態となるので、受熱部２１から放熱部２２へ熱の移送ができなくなる。そのため、ヒータ流路１３から内燃機関１へ戻される冷却水が過剰に昇温されることが防止されるようになる。

ところで、前記内燃機関１の冷間始動時に、温風ヒータ１６が作動されている場合について説明すると、放熱部２２によりヒータコア１４へ導入される冷却水が加熱されることに伴い、ヒータコア１４内の冷却水と外部の空気との間で熱交換されることになるので、内燃機関１の冷間始動時においても始動直後から暖房の効きが良好となるまでに要する時間が短縮されることになる。

この他、内燃機関１が暖機された後の通常運転中において、温風ヒータ１６が作動される場合では、ヒータコア１４へ導入させる冷却水の温度が、排気熱回収装置１８を用いない場合に比べて高くなるので、暖房性能が向上するうえ、ヒータコア１４から内燃機関１へ戻す冷却水の温度が高く保たれるので、内燃機関１の冷却水温度を安定に保つことが可能になる。

そして、コントローラ４０が、暖房動作つまり温風ヒータの作動が不要になったと判断した場合には、弁装置２６を閉塞することにより、放熱部２２から受熱部２１へ還流する作動流体をタンク２５内に貯留させて、受熱部２１に戻さないようにすることができる。

特に、この実施形態では、移送路２３を熱伝導性に優れたブラケット２７ａ，２７ｂを介して上流側触媒５や下流側触媒６の外壁に支持させているので、両触媒５，６が活性化温度に到達していない状況においては、移送路２３内を流れる蒸気からなる作動流体の熱がブラケット２７ａ，２７ｂを介して上流側触媒５や下流側触媒６に伝導されるようになって、触媒５，６の昇温を促進させることが可能になる。

一方、上流側触媒５や下流側触媒６が活性化温度に到達している状況では、前記とは逆に、上流側触媒５や下流側触媒６の熱がブラケット２７ａ，２７ｂを介して移送路２３に伝導されるようになる。

このように、移送路２３内を流れる蒸気からなる作動流体が、上流側触媒５や下流側触媒６からブラケット２７ａ，２７ｂを介して伝導される熱によって加熱または保温されることになるので、受熱部２１から離隔している放熱部２２へ高温の熱を効率よく移送することが可能になる。換言すれば、蒸気からなる作動流体がその移送過程で凝縮することが防止される等、熱の移送ロスを抑制または無くすことが可能になる。

以上説明したように、本発明を適用した実施形態では、ループ式ヒートパイプ２０の受熱部２１と放熱部２２とを離隔して設置する形態でありながら、受熱部２１から放熱部２２へ蒸気からなる作動流体を移送する過程で、当該作動流体が凝縮されてしまう現象を回避することが可能になっている。

特に、この実施形態では、温風ヒータ１６のヒータコア１４に導入する冷却水を排気熱回収装置１８の放熱部２２で加熱させる形態としていることを考慮し、この放熱部２２を温風ヒータ１６の設置場所に可及的に近い場所に設置しているから、ヒータ流路１３を長く引き延ばすように施工する必要がなくなる。その結果、特許文献２に係る従来例に比べて、前記冷却水取り出し流路や還流流路などの配管の取り回しが煩雑になるとともに、冷却水の使用量を多くする必要が生じる等といった不具合の発生を回避できる。

しかも、放熱部２２を球面継手３より下流側に設置することで、放熱部２２と受熱部２１とを共に排気管４に取り付けるようにしているから、排気管４に車室１７と無関係の振動が発生したときでも、前記放熱部２２と受熱部２１とが相対的に変位せずに、同期して変位することになるので、それらに連通連結される移送路２３や還流路２４の付け根に、曲げ応力が作用せずに済む結果となる。

したがって、ループ式ヒートパイプ２０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他、前記曲げ応力が作用する場合（例えば特許文献３に係る従来例）において考えられる対策、つまり移送路２３や還流路２４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、あるいは移送路２３や還流路２４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不要となる。

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）上記実施形態では、温風ヒータ１６のヒータコア１４へ導入する冷却水を放熱部２２で加熱する形態とするとともに、この放熱部２２を球面継手３と上流側触媒５との間の領域に付設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く、放熱部２２を上流側触媒５の外径側に付設する形態として実施することも可能である。

この場合、放熱部２２によって温風ヒータ１６のヒータコア１４へ導入する冷却水を加熱することに加えて、上流側触媒５の加熱をも行うことが可能になる。

（４）上記実施形態では、温風ヒータ１６のヒータコア１４へ導入する冷却水を放熱部２２で加熱する形態を例に挙げているが、本発明は、それに限定されるものではなく、放熱部２２により加熱する対象について、ヒータコア１４から内燃機関１へ戻す冷却水とする形態、あるいはバイパス流路１２を流通する冷却水とする形態として実施することも可能である。

仮に、前者の形態とする場合、内燃機関１に暖かい冷却水を戻すことが可能になるので、内燃機関１の暖機運転時には暖機運転を迅速に終了させることが可能になり、また、内燃機関１の暖気運転後の通常運転時において温風ヒータ１６を作動させている状況において、内燃機関１の水温を安定に保つことが可能になる。

また、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。そのため、仮に、後者の形態とする場合、バイパス流路１２を流れる冷却水を放熱部２２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。

このような両方の形態において、加熱対象の加熱が不要な場合には、弁装置２６を閉塞して、排気熱回収を休止させる状態とすればよい。

（５）上記実施形態では、温風ヒータ１６のヒータコア１４へ導入する冷却水を放熱部２２で加熱する形態を例に挙げているが、本発明は、それに限定されるものではなく、上流側触媒５を放熱部２２で加熱する形態として実施することが可能である。

その形態を採用する場合、放熱部２２を上流側触媒５における少なくとも上流領域に付設することにより、受熱部２１から放熱部２２へ移送される高温の作動流体で上流側触媒５を加熱可能とすることが考えられる。ちなみに、上流側触媒５は、その触媒担体（図示省略）による熱伝播が良好であるために、上流側触媒５の上流領域のみを加熱すれば、速やかに全体が昇温するようになる。このことから、上流側触媒５における上流領域のみに放熱部２２を付設するようにしているのである。

具体的に、上流側触媒５に対する放熱部２２の設置形態としては、例えば図４に示すように、外形が円柱形の上流側触媒５を包囲させるように設置する形態、あるいは図示していないが、外形が円柱形の上流側触媒５の外壁面における一部領域に当接させるように付設する形態とすることができる。

前者の形態とする場合、例えば図５に示すように、放熱部２２は、上流側触媒５の上流領域を包囲するような中空スリーブ２２Ａと、この中空スリーブ２２Ａの内径周壁の外径側に接合される径方向外向きに延出するフィン２２Ｂ・・・とを含んだ構成とすることができる。

このフィン２２Ｂは、中空スリーブ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。

そして、受熱部２１で気化される作動流体が移送路２３を経て放熱部２２の中空スリーブ２２Ａに移送され、フィン２２Ｂから熱を吸収することにより上流側触媒５の上流領域を加熱し、それによって気化されていた作動流体が凝縮されることになって液化される。この液化された作動流体は、還流路２４を経て受熱部２１へと戻される。

一方、後者の形態とする場合には、放熱部２２を上記実施形態と同様の構成としたうえで、その外形について、円柱形の上流側触媒５の外壁面に沿わせるように湾曲させた形状とすることができる。

このような両方の形態であれば、上流側触媒５を効率よく迅速に活性化温度にまで昇温させることが可能になり、エミッション低減を図るうえで有利となる。

なお、上流側触媒５の加熱が不要な場合には、弁装置２６を閉塞して、排気熱回収を休止させる状態とすればよい。

（６）上記（５）に示す実施形態では、図５に示すように、放熱部２２としてそれぞれ中空スリーブ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、中空スリーブ２２Ａを用いずに、当該中空スリーブ２２Ａの内周壁を無くしたようなケースを用いることが可能である。その場合、フィン２２Ｂを上流側触媒５の外装ケースの外径側に設けるようにすればよい。

（７）上記実施形態において、還流路２４の途中に、放熱部２２で凝縮された液状の作動流体を貯留するタンク２５と、タンク２５から受熱部２１への作動流体の還流を許容または禁止するための弁装置２６とを設け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く、これらのタンク２５および弁装置２６を無くすことも可能である。

（８）上記実施形態において、図１や図４には還流路２４を移送路２３より上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、還流路２４を排気管４より下側に配置することも可能である。

（９）上記実施形態では、移送路２３を排気管４に接近させた状態で設置した例を挙げているが、本発明はこれに限定されず、例えば移送路２３の一部、あるいは略全体を排気管４に一体化した状態で設置することが可能である。

このようにした場合には、排気管４の排気ガスの熱によって、移送路２３内を通過する蒸気からなる作動流体を凝縮させない温度を保ちやすくなる等、保温性を向上させることが可能になる。そのため、受熱部２１の小型化や、フィン２１ｄ（図５参照）の数を削減することが可能になる。また、前記移送路２３の一部をその周辺部分から遠ざけることが可能になるので、周辺部分に対する熱害を低減または防止することが可能になる。

具体的に、例えば図６に示すように、移送路２３の一部を、排気管４において下流側触媒６より上流側の領域に一体化した状態で設置することが可能である。

まず、図６の設置状態を実現するための一実施形態としては、例えば図７および図８に示すように、排気管４の前記領域の内壁面に、当該内壁面との間に適宜の隙間５２を作るためのプレート５１を取り付け、前記隙間５２を移送路２３の一部として利用する。この隙間５２の上流側と下流側とには、パイプからなる移送路２３が連通連結されている。ところで、図７に二点鎖線で示すように、排気管４が車両のフロア５３に設けられる凹み５３ａ内に配置されるようなことがあるが、そのような場合、前記移送路２３の一部を形成する隙間５２を、排気管４の上半分側に設けることにより、移送路２３の一部に走行風が当たらないようにさせることが好ましい。

この場合の特有の効果としては、排気管４の外形形状を変えていないので、排気管４をそのまま流用できるとともに、設置スペースを増大する必要がない。また、移送路２３の一部に走行風が当たりにくいので、高い保温性を確保できる。

また、図６の設置状態を実現するための他実施形態としては、例えば図９および図１０に示すように、排気管４の前記領域内に、移送路２３の一部を貫通挿入する。

この場合の特有の効果としては、排気管４内に貫通挿入した移送路２３の一部が走行風をまったく受けない。例えば図１１に示すように、排気管４の途中にフランジ継手６０を設けるような場合であっても、排気管４の内部に移送路２３を貫通挿入することが簡単に行える。

この他、例えば図１２に示すように、移送路２３の略全体を排気通路（排気管４、下流側触媒６）に一体化した状態で設置することが可能である。

まず、図１２の設置状態を実現するための一実施形態としては、例えば図１３に示すように、排気管４および下流側触媒６の上半分領域を凹ませるように変形させ、この変形させた上半分領域の外壁面に、当該外壁面との間に適宜の隙間５５を作るためのプレート５４を取り付け、前記隙間５５を移送路２３として利用する。このように排気管４や下流側触媒６の外径側にプレート５４を貼り付ける形態とすれば、移送路２３の略全体を排気管４および下流側触媒６と一体に形成することが可能になるのである。

この場合の特有の効果としては、排気管４や下流側触媒６にプレート５４を取り付けた状態での外形形状がプレート５４を取り付けない場合と基本的に変わっていないので、設置スペースを増大する必要がない。また、移送路２３に走行風が当たりにくいので、高い保温性を確保できる。

また、図１２の設置状態を実現するための他実施形態としては、例えば図１４に示すように、排気管４や下流側触媒６のケースの内径側に、当該排気管４や下流側触媒６のケースの内壁面との間に環状隙間５７を作るためのパイプ５６を取り付け、前記環状隙間５７を移送路２３として利用する。言い換えれば、排気管４や下流側触媒６のケースを２重管構造とし、外側管（排気管４や下流側触媒６のケースに相当）と内側管（パイプ５６に相当）との間の環状隙間５７を移送路２３とし、内側管の内孔を本来の排気通路とするのである。

この場合の特有の効果としては、排気管４や下流側触媒６の外形形状が変わらないので、排気管４や下流側触媒６をそのまま流用できるとともに、それらの設置スペースを増大する必要がない。また、移送路２３に走行風が当たりにくいので、高い保温性を確保できる。なお、前記のように排気管４や下流側触媒６のケースを２重管構造とする場合、前記とは逆に、外側管をパイプ５６として、内側管を排気管４や下流側触媒６のケースとするこも可能である。

さらに、図１２の設置状態を実現するための他実施形態としては、例えば図１５に示すように、排気管４および下流側触媒６の上半分領域の外径側に、当該排気管４および下流側触媒６の外壁面との間に適宜の隙間５９を作るためのプレート５８を取り付け、前記隙間５９を移送路２３として利用する。このように排気管４および下流側触媒６の外径側にプレート５８を貼り付ける形態とすれば、移送路２３の略全体を排気管４および下流側触媒６と一体に形成することが可能になるのである。

この場合の特有の効果としては、移送路２３に走行風が当たりにくいので、高い保温性を確保できる。

本発明に係る排気熱回収装置の一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断面図である。 本発明に係る排気熱回収装置の他実施形態を示す概略構成図である。 図１の排気熱回収装置の具体構成を示す断面図である。 本発明に係る排気熱回収装置の他実施形態を示す概略構成図である。 図６の（７）−（７）線断面の矢視図である。 図７の（８）−（８）線断面の矢視図である。 図６の構成を前提とした場合の他実施形態で、図７に対応する図である。 図９の（１０）−（１０）線断面の矢視図である。 排気通路の途中に設けられることもあるフランジ継手を示す断面図である。 本発明に係る排気熱回収装置の他実施形態を示す概略構成図である。 図１２の（１３）−（１３）線断面の矢視図である。 図１２の構成を前提とした場合の他実施形態で、図１３に対応する図である。 図１２の構成を前提とした場合の他実施形態で、図１３に対応する図である。

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
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
２０ ループ式ヒートパイプ
２１ 受熱部
２２ 放熱部
２３ 移送路
２４ 還流路
２５ タンク
２６ 弁装置
２７ａ，２７ｂ ブラケット

Claims (10)

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で内部の作動流体を蒸発させる受熱部と、この受熱部で蒸発された作動流体が移送されて当該作動流体と加熱対象との間で熱交換させて凝縮させる放熱部と、前記受熱部から前記放熱部へ作動流体を移送するための移送路と、前記放熱部から前記受熱部へ作動流体を戻すための還流路とを含むループ式ヒートパイプを有し、
   前記放熱部が、前記触媒または当該触媒より上流側に付設され、前記移送路の少なくとも一部が、前記排気通路に接近あるいは一体化した状態で設置されている、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。
3. 請求項１または２に記載の排気熱回収装置において、
   前記加熱対象は、前記内燃機関から一旦取り出される冷却水とされる、ことを特徴とする排気熱回収装置。
4. 請求項１または２に記載の排気熱回収装置において、
   前記加熱対象は、前記触媒とされる、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、
   前記還流路は、前記排気通路から離れた位置に配置される、ことを特徴とする排気熱回収装置。
6. 請求項１から５のいずれか１つに記載の排気熱回収装置において、
   前記放熱部は、排気通路において触媒より上流側に付設され、前記移送路の途中が前記触媒に熱伝導性に優れたブラケットを介して支持される、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、
   前記還流路の途中には、作動流体を貯留するタンクが設けられ、この還流路において前記タンクから前記受熱部までの領域に弁装置が設けられる、ことを特徴とする排気熱回収装置。
8. 請求項１から７のいずれか１つに記載の排気熱回収装置において、
   前記排気通路の少なくとも一部領域の内壁面または外壁面には、当該内壁面または外壁面との間に隙間を作るためのプレートが取り付けられ、前記隙間が前記移送路の少なくとも一部とされる、ことを特徴とする排気熱回収装置。
9. 請求項１から７のいずれか１つに記載の排気熱回収装置において、
   前記排気通路の少なくとも一部領域の内壁面または外壁面には、当該内壁面または外壁面との間に環状隙間を作るためのパイプが取り付けられ、前記環状隙間が前記移送路の少なくとも一部とされる、ことを特徴とする排気熱回収装置。
10. 請求項１から７のいずれか１つに記載の排気熱回収装置において、
    前記移送路の少なくとも一部領域が、前記排気通路内に貫通挿入される、ことを特徴とする排気熱回収装置。

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