JP2013185806A - 熱交換器 - Google Patents

Abstract

【課題】エンジンの排気の熱を冷却水に回収する場合であっても、エンジンの冷却水を沸騰気化させることがない熱交換器を提供する。
【解決手段】エンジンの排気ガスを通流させる排気ガス通路（３）と、常に液相で用いる第１媒体を通流させる第１媒体通路（１１）とを備え、前記排気ガスと前記第１媒体との間で熱交換を行なう熱交換器（２１）において、排気ガス通路（３）と第１媒体通路（１１）は、第２媒体を通流させる第２媒体通路（２５）を間に挟んで隣接しており、排気ガスと第１媒体の熱交換を促進させるときは排気ガス通路（３）と第１媒体通路（１１）に挟まれた第２媒体通路（２５）内を液相の第２媒体で満たし、排気ガスと第１媒体の熱交換を抑制するときは排気ガス通路（３）と第１媒体通路（１１）に挟まれた第２媒体通路（２５）内を気体で満たす。
【選択図】図２Ｂ

Description

この発明は熱交換器、特にエンジンから出る排気の熱を回収する熱交換器に関する。

排気マニホールドの外周にウォータジャケットを設けて排気の熱をウォータジャケットを流れる冷却水に回収するようにした熱交換器がある（特許文献１参照）。

特開平１１−３１７９４７号公報

しかしながら、上記特許文献１の技術では、エンジンの高負荷であるときに高温となった排気の熱によってウォータジャケットを流れる冷却水が沸騰気化することが考えられる。エンジンは液状の冷却水によって冷却することを基本としているので、冷却水が沸騰気化してしまうと問題である。

そこで本発明は、エンジンの排気の熱を冷却水に回収する場合であっても、エンジンの冷却水を沸騰気化させることがない熱交換器を提供することを目的とする。

本発明の熱交換器は、エンジンの排気ガスを通流させる排気ガス通路と、常に液相で用いる第１媒体を通流させる第１媒体通路とを備え、排気ガスと第１媒体との間で熱交換を行なう熱交換器において、排気ガス通路と第１媒体通路は、第２媒体を通流させる第２媒体通路を間に挟んで隣接しており、排気ガスと第１媒体の熱交換を促進させるときは排気ガス通路と第１媒体通路に挟まれた第２媒体通路内を液相の第２媒体で満たし、排気ガスと第１媒体の熱交換を抑制するときは排気ガス通路と第１媒体通路に挟まれた第２媒体通路内を気体で満たすようにした熱交換器である。

本発明によれば、排気ガス通路と第１媒体通路は、間に第２媒体通路を挟んで隣接しており、排気ガスと第１媒体の熱交換を促進するときは第２媒体通路内を液相の第２媒体で満たすので、液相の第２媒体の対流を利用した熱交換によって、第２媒体を介さず直接熱交換させる場合に比べて第１媒体の沸騰気化を抑制しつつ穏やかに熱交換を促進することができ、排気ガスと第１冷媒の熱交換を抑制するときは第２媒体通路内を気体で満たすので、気体に置き換えるだけの簡単な操作によって第１媒体の沸騰気化を効果的に抑制することができる。

本発明の第１実施形態の熱交換器の設置場所を示す排気マニホールドの平面図である。 図１のＸ−Ｘ線に沿った断面図である。 図１のＸ−Ｘ線に沿った断面図である。 図１のＸ−Ｘ線に沿った断面図である。 第１実施形態の熱交換器のモデル図である。 エンジン冷却水回路の全体図である。 図１のＹ−Ｙ線に沿った断面図である。 図１のＹ−Ｙ線に沿った断面図である。 エンジン暖機完了後の開閉弁、ポンプ及び流量調整弁の制御を説明するためのフローチャートである。 エンジンの運転領域図である。 エンジン停止時の開閉弁及びポンプの制御を説明するためのフローチャートである。 エンジン冷間始動時の開閉弁及びポンプの制御を説明するためのフローチャートである。

以下、添付図面を参照しながら本発明の実施形態について説明する。

（第１実施形態）
図１は本発明の第１実施形態の熱交換器２１の設置場所を示す排気マニホールドの平面図、図２Ａ、図２Ｂ、図２Ｃは図１のＸ−Ｘ線に沿った断面図、図５Ａ、図５Ｂは図１のＹ−Ｙ線に沿った断面図である。

図１に示したように３気筒エンジン１では、排気マニホールド２は、３つの分岐部２ａ、これら分岐部を集合させる集合部２ｂから構成され、その直ぐ下流に三元触媒等の触媒１５が設けられている。３つの分岐部のうちの１つの分岐部２ａに第１実施形態の熱交換器２１を設けている。図１では左側の分岐部２ａに熱交換器２１を設けているが中央や右側、或いは全ての分岐部２ａに、又は集合部２ｂに熱交換器２１を設けてもかまわない。

図３は第１実施形態の熱交換器２１をモデルで示している。すなわち、全体は内管２２、中間管２３、外管２４の３つの円筒状の管からなる３重管で構成され、内管２２が分岐部２ａに相当し、内管２２の内部の通路３が排気通路である。ここでは排気通路３を排気が一方向（図３で左方）に流れるとする。

中間管２３と外管２４との間に形成される円筒状の空間を冷却水通路１１（第１媒体通路）として冷却水（第１媒体）を流す。ここで、エンジン冷却水回路の全体について説明すると、図４に示したようにエンジン１を出た冷却水は、ラジエータ４を通る冷却水通路６と、ラジエータ４をバイパスするバイパス冷却水通路７とに分かれて流れる。その後、２つの流れは両通路６、７を流れる冷却水流量の配分を決めるサーモスタット８で再び合流し、さらに冷却水ポンプ９を経てエンジン１に戻る。第１実施形態の熱交換器２１に備える上記の冷却水通路１１はバイパス冷却水通路７の途中に設けている。つまり、エンジン１の冷間始動時には、熱交換器２１によって排気の熱を冷却水通路１１を流れる冷却水に回収することで、エンジン１の暖機を早めることができる。なお、図３のように冷却水通路１１の内部の冷却水の流れは排気の流れとは逆（図３で右方）に流れるようにしている。

さて、本実施形態の熱交換器２１のように中間管２３を設けるのでなく、内管と外管の２重管として、内管の内部に排気を、内管と外管の間の空間に冷却水を流し、冷却水と排気との間で直接熱交換を行わせる従来装置がある。しかしながら、従来装置のように冷却水と排気との間で直接熱交換を行わせるのだと、排気との間で行う熱交換量を低減したいほど冷却水が高温となる条件のときに熱交換器を流れる途中で冷却水が沸騰気化することが考えられる。しかし、冷却水（第１冷媒）は常に液相でのみ使用されるものである。冷却水が沸騰気化したのではエンジン１を液体によって効率よく冷却することができなくなる。

そこで本実施形態２１では、エンジン１の排気と液体である冷却水とを液体である第２媒体を介して熱交換する熱交換器２１であって、液体である第２媒体を気体に置換することを可能にした熱交換器２１とする。具体的には、図３のように中間管２３を追加し、内管２２と中間管２３との間の円筒状の空間を新たに冷媒通路２５（第２媒体通路）として形成する。この冷媒通路２５に液体の冷媒（第２媒体）を満たしておき、エンジン１の排気との間で行う熱交換量を低減したいほど冷却水が高温となる条件のときにこの液体の冷媒が高温の排気と熱交換して沸騰気化し気体となるようにする。すなわち、エンジンの排気（排気ガス）を通流させる排気通路３（排気ガス通路）と、常に液相で用いる冷却水（第１媒体）を通流させる冷却水通路１１（第１媒体通路）とを備え、排気と冷却水との間で熱交換を行なう熱交換器２１において、排気通路３と冷却水通路１１は、冷媒（第２媒体）を通流させる冷媒通路２５（第２媒体通路）を間に挟んで隣接しており、排気と冷却水の熱交換を促進させるときは排気通路３と冷却水通路１１に挟まれた冷媒通路２５内を液相の冷媒で満たし、排気と冷却水の熱交換を抑制するときは排気通路３と冷却水通路１１に挟まれた冷媒通路２５内を気体で満たすようにした。

ここで、エンジン１の排気との間で行う熱交換量を低減したいほど冷却水が高温となる条件のときとは、具体的にはエンジン１の排気の温度が最も高くなるエンジン１の高負荷状態である。このため、第２媒体について、エンジン１の高負荷状態でないときに液体であり、エンジン１の高負荷状態であるときに沸騰蒸発して気体となるのに適した性質を有する媒体（例えば純水）を冷媒として選定する。但し、気体は必ずしも気相の第２冷媒でなければならない訳ではなく、例えば冷媒通路２５内を気体で満たす際に、第２冷媒を空気に置き換えるように構成されていても構わない。

このように熱交換器２１を構成したとき、熱交換器２１の内部で熱交換がどのように行われるのかを図５Ａ、図５を参照して説明する。まずエンジン１の高負荷状態でないときには冷媒通路２５を満たしている冷媒は液体である。このときには、図５Ａに示したように排気通路３の排気と冷媒通路２５に満たされている冷媒との間で熱交換が行われ、排気の有する熱が冷媒へと伝えられる。また、冷媒通路２５に満たされている冷媒と冷却水通路１１の冷却水との間でも熱交換が行われ、冷媒に伝えられた熱が冷却水通路１１の冷却水に伝えられる。つまり、エンジン１の高負荷状態でないときには、排気通路３を流れる排気の熱は液体の冷媒を介して冷却水通路１１を流れる冷却水へと伝えられる。特に、冷媒が冷媒通路２５の中で流れを生じている場合には、冷媒の強制対流が生じて排気と冷却水の間の熱伝達が促進される。

一方、エンジン１の高負荷状態であるときには冷媒通路２５を満たしている液体の冷媒が沸騰気化する。この沸騰気化によって冷媒通路２５の内部が気体に置換されてゆき、やがては内部が全て気体に置換される。この状態では、冷却水通路１１と排気通路３との間にある円筒状の冷媒通路２５が図５Ｂに示したように断熱層となる。内管２２の外周を包むこの断熱層（２５）の存在によって、冷却水通路１１の冷却水が排気通路３の排気との間で行う熱交換量が大きく低減する。熱交換量を低減することで、エンジン１の高負荷状態であるときであっても冷却水通路１１の冷却水が沸騰気化することを回避できる。

冷媒通路２５で沸騰気化した冷媒を冷媒通路２５から取り去って冷媒タンク３１（第２媒体タンク）へと逃すため、３重管の熱交換器２１を水平方向に対して傾かせ、例えば図３のように冷媒通路２５の一端２５ａ（図３で右方端）を持ち上げておく。このため、冷媒通路２５の他端２５ｂ（図３で左方端）は鉛直下方に垂れている。一端２５ａを持ち上げるのは、鉛直上方に向かう沸騰気化した冷媒をこの一端２５ａに導くためである。そして、図２Ａ、図２Ｂ、図２Ｃにも示したように冷媒通路２５の一端２５ａと冷媒タンク３１の底面３１ａとを第１循環通路３２（連通通路）で、また冷媒通路２５の他端２５ｂと冷媒タンク３１の底面３１ａとを第２循環冷媒３３（連通通路）でそれぞれ接続し、冷媒が熱交換器２１の冷媒通路２５と冷媒タンク３１との間を行ったり来たりする循環路を形成する。上記の冷媒タンク３１としては、鉛直上方に大気との開口端を設けた開放タンクあってもよいし、密閉タンクであってもかまわない。ここで、図２Ａは初期状態であるときに、図２Ｂはエンジン１の高負荷域であるときに、図２Ｃはエンジン１の高負荷域でないときに冷媒の状態がそれぞれどのように変化するのかを示している。

第１循環通路３２には常閉の開閉弁３４とポンプ３５を設けている。高負荷状態以外、例えば低負荷状態においては、図２Ｃのように冷媒通路２５は液相の冷媒で満たされている。開閉弁３４を開いてポンプ３５を作動させることにより、冷媒を連通通路を介して循環させ、冷媒通路内の冷媒に生じる強制対流によって排気と冷却水との間の熱交換を促進する。常閉の開閉弁３４は、エンジン１の高負荷状態であるときに冷媒通路２５の内部で沸騰気化した冷媒ガスの圧力を閉じ込めるためのものである。エンジン１が高負荷状態になったときには開閉弁３４を閉じ、冷媒通路２５の内部で沸騰気化した冷媒ガスは鉛直上方に向かう。冷媒通路２５はその一端２５ａが最も鉛直上方にあるので、冷媒ガスはこの一端２５ａへと向かい、さらに一端２５ａに接続されている第１循環通路３２に侵入して開閉弁３４の手前に貯まる。ある程度の量の冷媒ガスが開閉弁３４の手前に貯まると、この冷媒ガスの圧力が、冷媒通路２５の内部にあってまだ液体の冷媒を、冷媒通路２５の他端２５ｂから第２循環通路３３へと押し出す。開閉弁３４の手前に貯まるガス量が増えるにつれて、冷媒通路２５の他端２５ｂから第２循環通路３３へと押し出される液体の冷媒の量が増えてゆき、やがては冷媒通路２５の全てから液体の冷媒が追い出された状態に至る（図２Ｂ参照）。

このようにして、エンジン１の高負荷状態であるときに冷媒通路２５の状態を液相から気相へと切換えることができる。冷媒通路２５を気体で満たす場合、例えば冷媒を空気で置き換えるように構成しても良いが、空気導入用の専用通路やポンプが必要になって複雑になってしまう。これに対して、本実施形態のように気化した冷媒を利用すれば、構造が大幅に簡素化される。第２循環通路３３には、冷媒通路２５から第２循環通路３３へと追い出された液体の冷媒が冷媒通路２５に戻ることを阻止する逆止弁３６を設けておく。

次に、エンジン１の運転条件が変化してエンジン１の高負荷状態でなくなったときには再び冷媒通路２５の状態を気相から液相へと戻してやる必要がある。この場合は、開閉弁３４を開き、ポンプ３５を作動させることによって、冷媒タンク３１の液相の冷媒を冷媒通路２５へと供給する。また、別の方法としては、冷媒タンク３１の高さを活用した位置エネルギを利用することもできる。すなわち、エンジン１の高負荷状態であるときに第２循環通路３３へと追い出される液体の冷媒によって冷媒タンク３１の内部の液面３１ｂを押し上げるようにする。そして、冷媒通路２５の全てから液体の冷媒が追い出された状態に至ったとき、図２Ｂに示したように冷媒タンク３１の内部の液面３１ｂの高さＨ２が冷媒通路２５の一端２５ａの鉛直方向高さＨ１より所定値ΔＨ（正の値）だけ高くなるようにする。これは、高さＨ１より鉛直上方にある液体の冷媒に位置エネルギーをため込ませるためである。

一方、エンジン１の高負荷状態でなくなったときに開閉弁３４を開く。なお、ポンプ３５は非作動時には第１循環通路３２を遮断することなく開いているものとする。すると、高さＨ１より鉛直上方にある冷媒タンク３１内の液体の冷媒が第１循環通路３２へと流れる。第１循環通路３２に流れた冷媒はさらに冷媒通路２５の一端２５ａから冷媒通路２５の内部へと流れ込み、冷媒通路２５の内部を液体の冷媒で全て満たす。このとき、第１循環通路３２が全て液密となるよう、図２Ｃに示したように冷媒タンク３１の内部の液面３１ｂの高さＨ３は第１循環通路３２の位置より高くなるようにする。このようにして、冷媒通路２５及び第１、第２の循環通路３２、３３の全てを気相から液相へと戻すことができる。

どのくらいの時間で冷媒通路２５の状態を液相から気相へとあるいはこの逆に気相から液相へと切換えたらよいかは要求により定まる。従って、要求により定まった時間で冷媒通路２５の状態が液相から気相へとあるいはこの逆に気相から液相へと切換わり得るように、熱交換器２１、第１、第２の循環通路３２、３３、冷媒タンク３１、開閉弁３４の各仕様及び冷媒の種類、総量を決定する。図２では、ポンプ３５を備えることによってポンプを利用して冷媒を冷媒通路に導入することができるにも拘わらず、冷媒タンク３１が上方に設けられて重力を利用して冷媒を冷媒通路に導入することもできる例を示したが、どちらか一方の方法だけを採用した構成にしても良い。

エンジン１の運転を停止させるときに冷媒通路２５内に液相の冷媒が満たされていると、次回にエンジン１を始動する際、排気の熱が冷却水に奪われて排気温度が低下し、排気通路に設けられた触媒の活性が遅れる可能性がある。停止前に冷媒通路２５から液相の冷媒を抜いておけば、上述のように冷媒通路２５から第２循環通路３３へと追い出された液体の冷媒が冷媒通路２５に戻ることを阻止する逆止弁３６があるために、冷媒タンク３１の内部の液体の冷媒が第２循環通路３３を介して冷媒通路２５に流入することはない。

エンジン１の冷間始動時に、熱交換器２１を図２Ａに示した初期状態としておけば、冷媒通路２５を断熱層として働かせることで、排気の熱が冷却水通路１１の冷却水に奪われることがなくなる。これによって排気の熱を全て触媒１５に供給することが可能となり、触媒１５の暖機完了を早めることができる。触媒１５の暖機完了を早めることができれば、その分、三元触媒を用いての空燃比フィードバック制御を早期に開始できる。

触媒１５の暖機はエンジン１の冷間始動タイミングより所定の時間が経過すれば完了するので、そのタイミングで触媒１５の暖機を完了したと判断し、次にはエンジン１の暖機を行わせるため、開閉弁３４を全開状態とする。すると、図２Ａにおいて高さＨ１より鉛直上方にある冷媒タンク３１内の液体の冷媒が第１循環通路３２へと流れる。第１循環通路３２に流れた冷媒はさらに冷媒通路２５の一端２５ａから冷媒通路２５の内部へと流れ込み、冷媒通路２５の内部を液体の冷媒で全て満たす。そして、図２Ｃに示したように冷媒タンク３１の内部の液面３１ｂの高さＨ３が第１循環通路３２の位置より高くなる。このようにして、冷媒通路２５及び第１、第２の循環通路３２、３３の全てを気相から液相へと戻すことで、触媒１５の暖機完了後には冷媒の強制対流を利用して冷却水通路１１の冷却水の昇温を行わせることが可能となり、エンジン１の暖機を行うことができる。尚、上述したように、冷媒通路２５を液相の第２冷媒で満たすためには、ポンプ３５を作動させることにしても良い。

上記開閉弁３４の開閉駆動及びポンプ３５の作動・非作動は、エンジンコントローラ４１により行わせる。すなわち、エンジンコントローラ４１では、エンジン１の運転中にはエンジン１の負荷に基づいてエンジン１の高負荷状態であるか否かを判定し、エンジン１の高負荷状態でないと判断したときに開閉弁３４を開いてポンプ３５を作動させ、熱交換器２１を図２Ｃに示す状態に保持する。エンジン１の高負荷状態であると判断したときには開閉弁３４を全開状態としポンプ３５を停止して、熱交換器２１を図２Ｂに示す状態とする。その後にエンジン１の高負荷状態でなくなったときには開閉弁３４を開いてポンプ３５を作動させ、熱交換器２１を図２Ｃに示す状態に戻す。また、エンジン１の停止の直前には開閉弁３４を全閉状態としポンプ３５を停止して、熱交換器２１を図２Ａに示す初期状態とする。尚、冷媒の気化が不十分で液相の冷媒が冷媒通路２５内に残ってしまう場合、ポンプ３５を作動（通常とは逆回転）させて冷媒タンク３１に回収させるようにしても良い。初期状態とした後には開閉弁３４を全閉状態とする。エンジン１の次回の始動には開閉弁３４を全閉状態に保ち、ポンプ３５の作動を停止させて触媒１５の暖機が完了するのを待つ。触媒１５の暖機完了後にはエンジン１の暖機を促進するため、開閉弁３４を全開状態として熱交換器２１を図２Ｃに示す状態へと移行させる。

エンジンコントローラ４１で行われるこの制御を図６、図８、図９のフローチャートを参照して説明する。

まず、図６のフローはエンジン１の暖機完了後に開閉弁３４、ポンプ３５及び流量調整弁４２を制御するためのもので、一定時間毎（例えば１０ｍｓ毎）に実行する。

ステップ１ではエンジン１の高負荷状態であるか否かをみる。例えばエンジン１の負荷と回転速度とをパラメータとする図７に示すような運転領域図のマップ上に高負荷域を定めておけばよい。そして、エンジン１の負荷と回転速度とから定まる運転域がこの高負荷域に属していれば、エンジン１の高負荷状態であると、また低中負荷域に属していればエンジン１の高負荷状態でないと判断させればよい。エンジン１の高負荷状態でないときにはステップ２に進み流量調整弁４２（図４参照）を全開状態にする。

ステップ３、４では開閉弁３４を全開状態とし、ポンプ３５を作動させる。これによって、熱交換器２１を図２Ｃに示す状態とする。

一方、ステップ１で高負荷状態であるときにはステップ５に進み、流量調整弁４２の開度を減少させる。流量調整弁４２は、熱交換器２１内部の冷却水通路１１を流れる冷却水の流量を調整し得る弁で、図４に示したようにエンジン出口から熱交換器２１内部の冷却水通路１１までのバイパス冷却水通路７に介装されている。エンジン１の高負荷状態であるときに、流量調整弁４２の開度をエンジン１の高負荷状態でないときより減少させる（つまり冷却水通路１１を流れる冷却水流量を減少させる）理由は、図２Ｃに示す状態から図２Ｂに示す状態への移行を早めるためである。すなわち、冷却水通路１１を流れる冷却水の流量を減少させると、冷媒通路２５の冷媒から冷却水通路１１の冷却水に伝わる排気の熱が減少し、その減少させた分の熱が液体の冷媒に保留される。液体の冷媒に保留された熱は液体の冷媒の温度を上昇させることに使われることから、液体の冷媒の沸騰気化が早まる。冷媒の沸騰気化が早まる分、冷媒通路２５から液体の冷媒を取り去った図２Ｂに示す状態へと早期に導くことができるのである。

ステップ６、７では開閉弁３４を全閉状態とし、ポンプ３５の作動を停止する。これによって、熱交換器２１を図２Ｂに示す状態とする。

次に、図８のフローは、エンジン停止時に開閉弁３４及びポンプ３５を制御するためのもので、一定時間毎（例えば１０ｍｓ毎）に実行する。

ステップ２１では今回にイグニッションスイッチ４４（図２Ａ参照）がＯＦＦであるか否かをみる。イグニッションスイッチ４４がＯＦＦでないときにはエンジンの停止時でないと判断し、そのまま今回の処理を終了する。

ステップ２１で今回にイグニッションスイッチ４４がＯＦＦであるときにはステップ２２に進み、開閉弁３４を全閉状態とする。

ステップ２３では前回にイグニッションスイッチ４４がＯＦＦであったか否かをみる。前回にイグニッションスイッチ４４がＯＦＦでなかった、つまりイグニッションスイッチ４４がＯＮからＯＦＦへと切換わったときにはエンジンの停止時になったと判断し、ステップ２４、２５に進む。ステップ２４、２５では、タイマを起動し（タイマ値ｔ１＝０）、ポンプ３５を作動する。タイマはイグニッションスイッチ４４のＯＮからＯＦＦへの切換時からの経過時間を計測するためのものである。

ステップ２３で前回にイグニッションスイッチ４４がＯＦＦであった、つまり続けてイグニッションスイッチ４４がＯＦＦにあるときにはステップ２６以降に進む。ステップ２６ではタイマ値ｔ１と所定時間Δ１を比較する。所定時間Δ１は図２Ｃに示す状態から図２Ａに示す状態への移行に要する時間を定めるもので、予め設定しておく。タイマ値ｔ１が所定時間Δ１を経過する前には図２Ａに示す状態への移行がまだ完了していないと判断しステップ２５に進んでエンジンの運転を継続する。ステップ２２で開閉弁３４を全閉としステップ２５でエンジンの運転を継続することによって液体の冷媒が冷媒通路２５から追い出されてゆく。

ステップ２６でタイマ値ｔ１が所定時間Δ１に到達したときには、液体の冷媒が冷媒通路２５から全て追い出され、図２Ａに示す状態への移行が完了したと判断し、ステップ２６からステップ２７に進んでエンジンの運転を停止する。

このように本実施形態では、イグニッションスイッチ４４のＯＮからＯＦＦへの切換時から少しのあいだ、エンジン停止時の制御を行うので、この間はエンジンを運転させておく。従って、図８のフローで行うところは、エンジンの停止時の操作となる。

本実施形態では、イグニッションスイッチをＯＦＦにしてからもしばらくエンジンの運転を継続させたが、イグニッションスイッチのＯＦＦと同時にエンジンの運転を停止する共に開閉弁３４を閉じ、エンジン停止時に余熱を利用して冷媒通路２５の内部を気相の冷媒に置き換えるようにしてもよい。また、ナビゲーションシステムからの情報等に基づき、目的地到着前にエンジンが停止されることを予測して、予め冷媒通路２５の内部を気相の冷媒に置き換えておき、イグニッションスイッチのＯＦＦと同時にエンジンの運転を停止するようにしてもよい。

次に、図９のフローはエンジン１の冷間始動時に開閉弁３４及びポンプ３５を制御するためのもので、一定時間毎（例えば１０ｍｓ毎）に実行する。

ステップ３１では冷間始動であるか否かをみる。これは、次のようにすればよい。すなわち、水温センサ４３（図２Ａ参照）により検出される始動時水温と所定値を比較させ、始動時水温が所定値以下のときに冷間始動であり、また始動時水温が所定値を超えているときに冷間始動でないと判定させる。ここで、所定値としては触媒１５を暖機したい温度域の上限値を定めておけばよい。冷間始動でないときにはそのまま今回の処理を終了する。

冷間始動であるときにはステップ３２に進み排気通路に設けている触媒の暖機が完了しているか否かをみる。これは、例えば、イグニッションスイッチ４４のＯＦＦからＯＮへの切換時より所定時間Δ３が経過すれば、触媒の暖機が完了したと判断させればよい。触媒の暖機が完了する前にはステップ３３、３４に進み、開閉弁３４を全閉とし、ポンプ３５を非作動とする。つまり、図２Ａの状態を保たせることで、熱交換器２１によって排気から熱が奪われないようにし、触媒の暖機を促進させる。

一方、ステップ３２で触媒の暖機が完了したと判断したときにはステップ３５、３６に進み、開閉弁３４を全開とし、ポンプ３５を作動させる。これによって、熱交換器２１を図２Ｃに示す状態へと移行させる。

ここで、本実施形態の作用を説明する。

本実施形態によれば、エンジンの排気（排気ガス）を通流させる排気通路３（排気ガス通路）と、常に液相で用いる冷却水（第１媒体）を通流させる冷却水通路１１（第１媒体通路）とを備え、排気と冷却水との間で熱交換を行なう熱交換器２１において、排気通路３と冷却水通路１１は、冷媒（第２媒体）を通流させる冷媒通路２５（第２媒体通路）を間に挟んで隣接しており、排気と冷却水の熱交換を促進させるときは排気通路３と冷却水通路１１に挟まれた冷媒通路２５内を液相の冷媒で満たし、排気と冷却水の熱交換を抑制するときは排気通路３と冷却水通路１１に挟まれた冷媒通路２５内を気体で満たすようにしたので、排気通路３と冷却水通路１１は、間に冷媒通路２５を挟んで隣接しており、熱交換を促進するときは冷媒通路２５内を液相の冷媒で満たすので、液相の冷媒の対流を利用した熱交換によって、冷媒を介さず直接熱交換させる場合に比べて冷却水の沸騰気化を抑制しつつ穏やかに熱交換を促進することができ、熱交換を抑制するときは冷媒通路２５内を気体で満たすので、気体に置き換えるだけの簡単な操作によって冷却水の沸騰気化を効果的に抑制することができる。

本実施形態によれば、冷媒（第２媒体）として、エンジン１の高負荷状態であるとき（エンジン１の排気との間で行う熱交換量を低減したいほど冷却水（第１媒体）が高温となっている条件のとき）に沸騰気化する媒体を採用するので、エンジン１の高負荷状態であるときに冷却水が排気との間で行う熱交換量を、冷媒が液体であるときよりも低減することが可能となり、冷却器２１の内部で冷却水が沸騰気化することを回避できる。

本実施形態によれば、冷媒を貯蔵する冷媒タンク３１と、冷媒タンク３１と冷媒通路２５内との間で冷媒を循環させるポンプ３５と、冷媒通路２５と冷媒タンク３１とポンプ３５とを冷媒が循環するように連通する循環通路３２、３３（連通通路）とを備え、排気と冷却水の熱交換を促進させるときはポンプ３５によって冷媒を循環し（図６のステップ１、４参照）、排気と冷却水の熱交換を抑制するときはポンプ３５を停止させる（図６のステップ１、７〜１１参照）ので、熱交換を促進するときはポンプ３５の循環によって冷媒通路２５内における冷媒の強制対流を利用した熱交換が促進され、熱交換を抑制するときはポンプ３５の停止によって冷媒通路２５内に留まった冷媒が、排気の熱を受け続けることによって気化蒸発し、排気通路３と冷却水通路１１に挟まれた冷媒通路２５内を容易に気体で満たすことができる。

本実施形態によれば、冷媒を貯蔵する冷媒タンク３１と、冷媒通路２５と冷媒タンク３１とを冷媒が循環するように連通する循環通路３２、３３（連通通路）と、循環通路３２、３３を開閉する開閉弁３４を備え、冷媒通路２５は、循環通路３２、３３に接続する一端２５ａと、一端２５ａより鉛直方向下方に位置した他端２５ｂとを備え、冷媒タンク３１は、冷媒通路２５に液体で存在する冷媒を導いて貯留すると共に、冷媒を導いて貯留したときの内部の冷媒の液面３１ｂが一端２５ａの鉛直方向高さより高くなり、排気と冷却水の熱交換を抑制するときは開閉弁３４を閉じ（図６のステップ１、６参照）、排気と冷却水の熱交換を促進するときは開閉弁３４を開く（図６のステップ１、３参照）ことにしたので、冷媒の気化蒸発を利用して冷媒タンク３１に回収された冷媒は、重力を利用して再び冷媒通路２５に導入することができるので、冷媒ポンプを利用しなくても冷媒通路２５を液相の冷媒で満たし、或いはこれを気体に置き換えることができる。

本実施形態によれば、第１循環通路３２を開閉し得る開閉弁３４を備え、エンジン１の高負荷状態であるときに開閉弁３４を全閉状態とすると共に（図６のステップ１、６参照）、冷媒タンク３１（第２媒体タンク）の内部の冷媒（第２媒体）の液面３１ｂが冷媒通路２５（第２媒体通路）の一端２５ａの鉛直方向高さより高くなるようにし、エンジン１の高負荷状態でなくなったときに開閉弁３４を全開状態とする（図６のステップ１、３参照）ので、簡単な構成で冷媒通路２５及び第１、第２の循環通路３２、３３に液体の冷媒が満たされている状態（図２Ｃ参照）と、冷媒通路２５から液体の冷媒を取り去った状態（図２Ｂ参照）とを切換えることができる。

本実施形態によれば、冷却水通路１１（第１媒体通路）は冷媒通路２５（第２媒体通路）の外周を被覆しているので、エンジン１の高負荷状態であるときに排気から冷却水への熱の伝導を抑えることができる。

本実施形態によれば、冷媒通路２５内に液相の冷媒が流入するのを阻止する逆止弁３６を備えるので、エンジン１の高負荷状態であるときに、冷媒通路２５の内部の液体の冷媒を冷媒通路２５から速やかに取り去ることができる。

本実施形態によれば、エンジン１は排気通路（２）に触媒１５を備えるエンジンであり、エンジン１の停止時に冷媒通路２５内を気体で満たすので（図８のステップ２１〜２７参照）、エンジン１の次回の冷間始動時に排気の熱が冷却水に奪われることがなく、その分、触媒１５の暖機完了を早めることができる。

本実施形態によれば、冷却水通路１１（第１媒体通路）を流れる冷却水（第１媒体）の流量を調整し得る流量調整弁４２を備え、排気ガスと第１媒体の熱交換を抑制するときは（エンジン１の高負荷状態であるときに）この流量調整弁４２を用いて冷却水通路１１（第１媒体通路）を流れる冷却水（第１媒体）の流量を排気ガスと第１媒体の熱交換を促進させる（エンジン１の高負荷状態でない）ときより低減するので（図６のステップ１、２、５参照）、エンジン１の高負荷状態であるときに冷却水に伝わる排気の熱が減少し、その減少した排気の熱が液体の冷媒に保留されることから、液体の冷媒の沸騰気化が早まる。液体の冷媒の沸騰気化が早まる分、冷媒通路２５から液体の冷媒を取り去った状態へと早期に移行させることができる。

実施形態では、冷媒通路２５と冷媒タンク３１とを２つの循環通路３２、３３で接続することにより、冷媒の循環路を形成する場合で説明したが、必ずしもこれに限られるものでない。例えば、一方の循環通路３２を設けるだけの場合であってもかまわない。

１１ 冷却水通路（第１媒体通路）
１５ 触媒
２１ 熱交換器
２５ 冷媒通路（第２媒体通路）
２５ａ 一端
２５ｂ 他端
３１ 冷媒タンク（第２媒体タンク）
３２ 第１循環通路
３３ 第２循環通路
３４ 開閉弁
３５ ポンプ
３６ 逆止弁
４１ エンジンコントローラ
４２ 流量調整弁
４３ 水温センサ

Claims (7)

1. エンジンの排気ガスを通流させる排気ガス通路と、常に液相で用いる第１媒体を通流させる第１媒体通路とを備え、前記排気ガスと前記第１媒体との間で熱交換を行なう熱交換器において、
   前記排気ガス通路と前記第１媒体通路は、第２媒体を通流させる第２媒体通路を間に挟んで隣接しており、排気ガスと第１媒体の熱交換を促進させるときは排気ガス通路と第１媒体通路に挟まれた前記第２媒体通路内を液相の第２媒体で満たし、排気ガスと第１媒体の熱交換を抑制するときは排気ガス通路と第１媒体通路に挟まれた前記第２媒体通路内を気体で満たすことを特徴とする熱交換器。
2. 第２媒体を貯蔵するタンクと、該タンクと前記第２媒体通路内との間で第２媒体を循環させるポンプと、第２媒体通路とタンクとポンプとを第２媒体が循環するように連通する連通通路とを備え、
   前記排気ガスと第１媒体の熱交換を促進させるときは前記ポンプによって第２媒体を循環し、排気ガスと第１媒体の熱交換を抑制するときは前記ポンプを停止させることを特徴とする請求項１に記載の熱交換器。
3. 第２媒体を貯蔵するタンクと、第２媒体通路とタンクとを第２媒体が循環するように連通する連通通路と、連通通路を開閉する開閉弁を備え、
   前記第２媒体通路は、前記連通通路に接続する一端と、一端より鉛直方向下方に位置した他端とを備え、
   前記タンクは、前記第２媒体通路に液体で存在する第２媒体を導いて貯留すると共に、第２媒体を導いて貯留したときの内部の第２媒体の液面が前記一端の鉛直方向高さより高くなり、
   前記排気ガスと第１媒体の熱交換を抑制するときは前記開閉弁を閉じ、前記排気ガスと第１媒体の熱交換を促進させるときは前記開閉弁を開くことを特徴とする請求項１に記載の熱交換器。
4. 前記第１媒体通路は前記第２媒体通路の外周を被覆していることを特徴とする請求項１から３までのいずれか一つに記載の熱交換器。
5. 第２冷媒通路内に液相の冷媒が流入するのを阻止する逆止弁が設けられることを特徴とする請求項１から４までのいずれか一つに記載の熱交換器。
6. 前記エンジンは排気通路に触媒を備えるエンジンであり、
   エンジンの停止時に前記第２媒体通路内を気体で満たすことを特徴とする請求項５に記載の熱交換器。
7. 前記第１媒体通路を流れる第１媒体の流量を調整し得る流量調整弁を備え、
   排気ガスと第１媒体の熱交換を抑制するときは前記流量調整弁を用いて前記第１媒体通路を流れる第１媒体の流量を排気ガスと第１媒体の熱交換を促進させるときより低減することを特徴とする請求項１から６までのいずれか一つに記載の熱交換器。

Images