JP3730904B2 - 熱交換装置 - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、内燃機関の排気ガスと熱媒通路を流れる熱媒との間で熱交換を行う第１熱交換器と、第１熱交換器に隣接して配置された第２熱交換器とを備え、それら第１、第２熱交換器に低温の熱媒が別個に供給される熱交換装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
内燃機関の排気ガスと水との間で熱交換を行い、排気ガスの熱で水を加熱して高温高圧の蒸気を発生させる蒸発器が、特開２００１−２０７９１０号公報、特開２００１−２０７８３９号公報により公知である。
【０００３】
特開２００１−２０７９１０号公報には、多気筒内燃機関の複数の排気ポートにそれぞれ蒸発器を配置することで、高温の排気ガスで高い熱交換効率を得るとともに排気干渉の発生を回避して内燃機関の出力を確保し、かつ複数の排気通路の集合部に単一の蒸発器を配置することで、合流後の脈動が減少して温度が均一になった排気ガスにより熱交換効率の向上を図るものが記載されている。また特開２００１−２０７８３９号公報には、内燃機関の排気通路に複数の熱交換器を積層状態で配置し、排気ガスの流速が高い上流側の熱交換器の伝熱密度低くするとともに、排気ガスの流速が低い下流側の熱交換器の伝熱密度高くすることで、各熱交換器の全域に亘って均一な伝熱性能を確保するものが記載されている。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、かかる蒸発器に排気ガスの状態を検出するセンサを設けた場合、排気ガスの熱がセンサを介して外部に逃げてしまい、蒸発器の廃熱回収効率が低下する可能性がある。
【０００５】
本発明は前述の事情に鑑みてなされたもので、内燃機関の排気ガスと熱媒との間で熱交換を行う熱交換装置の廃熱回収効率を高め、特に排気ガスの状態を検出するセンサを介しての熱逃げを最小限に抑えることを目的とする。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために、請求項１に記載された発明によれば、内燃機関の排気ガスと熱媒通路を流れる熱媒との間で熱交換を行う第１熱交換器と、第１熱交換器に隣接して配置された第２熱交換器とを備え、それら第１、第２熱交換器に低温の熱媒が別個に供給される熱交換装置であって、第１熱交換器の排気ガス通路は排気ガスの流れ方向の上流側が径方向内側に位置して下流側が径方向外側に位置するように配置されるとともに、第１熱交換器の熱媒通路は熱媒の流れ方向が排気ガスの流れ方向に対向するように配置され、かつ第２熱交換器は一側面が第１熱交換器の径方向内側部分に面して他側面が大気に面しており、第１熱交換器の排気ガス通路を流れる排気ガスの状態を検出するセンサが第２熱交換器に設けたられることを特徴とする熱交換装置が提案される。
【０００７】
上記構成によれば、低温の熱媒が別個に供給される第１熱交換器および第２熱交換器を備えた熱交換装置において、第１熱交換器の排気ガス通路は排気ガスの流れ方向の上流側が径方向内側に位置して下流側が径方向外側に位置するように配置されるので、高温の排気ガスが流れる上流側の排気ガス通路を低温の排気ガスが流れる下流側の排気ガス通路で覆って熱逃げを抑制することができ、しかも第１熱交換器の熱媒通路は熱媒の流れ方向が排気ガスの流れ方向に対向するように配置されるので、熱媒通路の全域に亘って熱媒と排気ガスとの温度差を確保して熱交換効率を高めることができる。また第２熱交換器は一側面が第１熱交換器の径方向内側部分に面して他側面が大気に面しているので、低温の熱媒が供給される第２熱交換器で第１熱交換器の高温となる径方向内側部分を覆って熱逃げを抑制することができ、しかも第１熱交換器の排気ガス通路を流れる排気ガスの状態を検出するセンサを第２熱交換器に設けたので、第１熱交換器からセンサを介して逃げる熱を第２熱交換器で効果的に回収することができる。
【０００８】
また請求項２に記載された発明によれば、請求項１の構成に加えて、第１熱交換器の内部には排気ガス浄化触媒が配置され、センサは酸素濃度センサであることを特徴とする熱交換装置が提案される。
【０００９】
上記構成によれば、第１熱交換器の内部に排気ガス浄化触媒を配置したので、第１熱交換器の内部を通過する排気ガスを浄化することができる。またセンサは酸素濃度センサであるので、排気ガス中の酸素濃度を検出することができる。
【００１０】
また請求項３に記載された発明によれば、請求項１または請求項２の構成に加えて、第２熱交換器の熱媒通路の下流側は第１熱交換器の熱媒通路に接続されることを特徴とする熱交換装置が提案される。
【００１１】
上記構成によれば、第２熱交換器の熱媒通路の下流側を第１熱交換器の熱媒通路に接続したので、第１、第２熱交換器で回収した排気ガスの熱エネルギーを統合して出力することができる。
【００１２】
尚、実施例の主蒸発器１１は本発明の第１熱交換器に対応し、実施例の酸素濃度センサ冷却部９２は本発明の第２熱交換器に対応し、実施例の酸素濃度センサ９１は本発明のセンサに対応し、実施例の水通路Ｗ３，Ｗ４は本発明の熱媒通路に対応する。
【００１３】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態を、添付図面に示した本発明の実施例に基づいて説明する。
【００１４】
図１〜図２３は本発明の一実施例を示すもので、図１はランキンサイクル装置の全体構成を示す図、図２は内燃機関のシリンダヘッドまわりの縦断面図、図３は図２の３部拡大図、図４は図２の４−４線矢視図、図５は図４の５−５線断面図、図６は図４の６−６線断面図、図７は独立排気ポートの一部破断斜視図、図８は図７の８方向矢視図、図９は図８の９方向矢視図、図１０は図８の１０方向矢視図、図１１は集合排気ポートにおける水の流れ方向を示す模式図、図１２は図２の要部拡大断面図、図１３は図１２の１３−１３線矢視図、図１４は図１２の１４方向矢視図、図１５は図１２の１５−１５線断面図、図１６は図１５の１６部拡大図、図１７は図１４の１７−１７線断面図、図１８は図１４の１８−１８線断面図、図１９は図１４の１９−１９線断面図、図２０は図１２の２０−２０線断面図、図２１は図１２の２１−２１線断面図、図２２は主蒸発器における水の流れ方向を示す図、図２３は主蒸発器における排気ガスの流れ方向を示す図である。
【００１５】
図１には本発明が適用されるランキンサイクル装置の全体構成が示される。
【００１６】
内燃機関Ｅの排気ガスの熱エネルギーを回収して機械エネルギーに変換するランキンサイクル装置は、内燃機関Ｅが排出する排気ガスで水を加熱して高温・高圧蒸気を発生させる主蒸発器１１と、主蒸発器１１で発生した高温・高圧蒸気により作動して機械エネルギーを発生する膨張機１２と、膨張機１２で仕事を終えた降温・降圧蒸気を冷却して水に戻す凝縮器１３と、凝縮器１３を出た水を貯留するリザーブタンク１４と、リザーブタンク１４に貯留した水を加圧する供給ポンプ１５とを備える。供給ポンプ１５を出た水の一部は内燃機関Ｅの排気ポート１６の下流に設けた主蒸発器１１に供給され、そこで高温・高圧蒸気になって膨張機１２に供給され、また前記供給ポンプ１５を出た水の残部は排気ポート１６の外周部に設けた副蒸発器１７を通過して加熱された後、主蒸発器１１の内部の所定位置に合流する。
【００１７】
主蒸発器１１は、主として排気ポート１６を出た排気ガスとの間で熱交換を行って蒸気を発生させるものであるが、副蒸発器１７は、排気ポート１６を流れる排気ガスとの間で熱交換を行うだけでなく、高温の排気ガスに接触する排気ポート１６自体との間で熱交換を行い、蒸気を発生させると同時に排気ポート１６の冷却を行うようになっている。
【００１８】
図２に示すように、直列四気筒の内燃機関Ｅのシリンダブロック１９にはシリンダヘッド２０およびヘッドカバー２１が結合されており、シリンダブロック１９に収納した４個のシリンダスリーブ２２に摺動自在に嵌合する４個のピストン２３の上面とシリンダヘッド２０の下面との間に４個の燃焼室２４が形成される。シリンダヘッド２０には各々の燃焼室２４に連なる吸気ポート２６および排気ポート１６が形成されており、吸気ポート２６の下流端の吸気バルブシート２７は吸気バルブ２８の傘部２８ａで開閉され、排気ポート１６の上流端の排気バルブシート２９は排気バルブ３０の傘部３０ａで開閉される。吸気ポート２６はシリンダヘッド２０に直接形成されるが、排気ポート１６は４個の独立排気ポート１６Ａと１個の集合排気ポート１６Ｂとから構成され、それぞれシリンダヘッド２０と別部材で構成されてシリンダヘッド２０に嵌め込まれる。
【００１９】
シリンダヘッド２０には、単一のカムシャフト３１と、吸気ロッカーアームシャフト３２と、排気ロッカーアームシャフト３３とが支持される。吸気ロッカーアームシャフト３２に揺動自在に支持された吸気ロッカーアーム３４は、その一端がカムシャフト３１に設けた吸気カム３５に当接するとともに、その他端がシリンダヘッド２０に設けた吸気バルブガイド３６に摺動自在に支持されてバルブスプリング３７で上方に付勢された吸気バルブ２８のステム２８ｂに当接する。また排気ロッカーアームシャフト３３に揺動自在に支持された排気ロッカーアーム３８は、その一端がカムシャフト３１に設けた排気カム３９に当接するとともに、その他端がシリンダヘッド２０に設けた排気バルブガイド４０に摺動自在に支持されてバルブスプリング４１で上方に付勢された排気バルブ３０のステム３０ｂの上端に当接する。
【００２０】
排気ポート１６は排気ガスの流れ方向の上流側に位置する４個の独立排気ポート１６Ａと、その下流に連なる１個の集合排気ポート１６Ｂとから構成されており、集合排気ポート１６Ｂの内部に主蒸発器１１の上流側端部が嵌合する。そして副蒸発器１７は独立排気ポート１６Ａと、その下流に連なる集合排気ポート１６Ｂとに跨がって設けられる。
【００２１】
先ず、図３および図７に基づいて独立排気ポート１６Ａの構造を詳細に説明する。
【００２２】
独立排気ポート１６Ａは、第１ポート部材５１と、第１カバー部材５２と、第２ポート部材５３と、第２カバー部材５４とから構成される。第１ポート部材５１および第１カバー部材５２は燃焼室２４に連なる独立排気ポート１６Ａの上流部分５５を構成するもので、内側の第１ポート部材５１を外側の第１カバー部材５２で覆った構造を有しており、第１ポート部材５１の外面に形成した溝と第１カバー部材５２の内面との間に迷路状の水通路Ｗ２が形成される。第１ポート部材５１および第１カバー部材５２の下面は、シリンダヘッド２０に形成された排気バルブシート２９の上面にシール部材５６を介して当接する。また第１ポート部材５１の上壁には排気バルブ３０のステム３０ｂが貫通する開口５１ａが形成されるとともに、第１カバー部材５２の上壁に形成した開口５２ａには排気バルブガイド４０の下端がシール部材５７を介して嵌合する。
【００２３】
第２ポート部材５３および第２カバー部材５４は集合排気ポート１６Ｂに連なる独立排気ポート１６Ａの下流部分５８を構成するもので、内側の第２ポート部材５３を外側の第２カバー部材５４で覆った構造を有しており、第２ポート部材５３の外面に形成した溝と第２カバー部材５４の内面との間に迷路状の水通路Ｗ２が形成される。第２カバー部材５４の端部は第１カバー部材５２の側面に形成した開口５２ｂに嵌合しており、これにより第１ポート部材５１および第２ポート部材５３が滑らかに接続されて湾曲した排気ガスの通路が区画される。第２ポート部材５３および第２カバー部材５４により区画された水通路Ｗ２は、その下側に水入口５９を備えるとともに、その上側に水出口６０を備える。
【００２４】
次に、図８〜図１０を参照して独立排気ポート１６Ａの水通路Ｗ２の形状を説明する。
【００２５】
水通路Ｗ２は独立排気ポート１６Ａの対称面Ｐ１に関して左右対称に構成されており、水入口５９の直後において対称面Ｐ１を挟むように２系統に分岐した水通路Ｗ２は、水出口６０の直前において再び合流する。更に詳しく説明すると、水通路Ｗ２は水入口５９から下流部分５８の下面に沿って直線状に延び（ａ部参照）、そこから上流部分５５に移行して排気バルブ３０の傘部３０ａの周囲の半周するように円弧状に延び（ｂ部参照）、そこから排気バルブ３０のステム３０ｂに沿って排気バルブガイド４０の下端近傍まで直線状の上方に延び（ｃ部参照）、そこからジグザグに屈曲しながら排気バルブ３０の傘部３０ａに向かって延び（ｄ部参照）、そこから再度下流部分５８に移行してジグザグに屈曲しながら水出口６０に向かって延びている（ｅ部参照）。
【００２６】
続いて、図２〜図６に基づいて集合排気ポート１６Ｂの構造を詳細に説明する。
【００２７】
集合排気ポート１６Ｂは長方形の枠状に形成されたフランジ６１を備えており主蒸発器１１のフランジ１１ａを貫通する複数本のボルト６２…をシリンダヘッド２０に締結することで主蒸発器１１および集合排気ポート１６Ｂがシリンダヘッド２０に共締めされる（図２参照）。集合排気ポート１６Ｂのフランジ６１に板材をプレス加工した第３ポート部材６３の下流端が溶接されており、その上流端に形成した４個の開口６３ａ…が４個の独立排気ポート１６Ａの出口に連通する。板材をプレス加工した第４ポート部材６４の下流端が第３ポート部材６３の内面に溶接されており、その上流端は第３ポート部材６３の４個の開口６３ａ…に重ね合わされて溶接される。従って、４個の独立排気ポート１６Ａから出た排気ガスは集合排気ポート１６Ｂにおいて合流し、主蒸発器１１に均等に導かれる。
【００２８】
集合排気ポート１６Ｂの第３ポート部材６３および第４ポート部材６４に囲まれた空間に、パイプ材よりなる水通路Ｗ１，Ｗ１が配置される。水通路Ｗ１，Ｗ１は対称面Ｐ２に関して対称の構造を有しているため、図４〜図６および図１１には対称面Ｐ２の片側の水通路Ｗ１が示される。水通路Ｗ１は対称面Ｐ２に近い側の独立排気ポート１６Ａ（１）を通る第１の系統と、対称面Ｐ２から遠い側の独立排気ポート１６Ａ（２）を通る第２の系統とを有している。
【００２９】
即ち、フランジ６１の端部に設けられた水入口６５から始まる水通路Ｗ１は、第４ポート部材６４の内面に沿って直線状に延び（ｆ部参照）、そこから第３ポート部材６３の内面に沿って直線状に延びる（ｇ部参照）。ｇ部には継ぎ手６６が設けられており、この継ぎ手６６に独立排気ポート１６Ａ（１）の水入口５９が接続される。独立排気ポート１６Ａ（１）の水出口６０が接続される継ぎ手６７から延びる水通路Ｗ１は、第３ポート部材６３の内面に沿って直線状に延び（ｈ部参照）、そこから第３ポート部材６３の内面に沿ってジグザグに延び（ｉ部参照）、そこから第３ポート部材６３の内面に沿って直線状に延び（ｊ部参照）、そこから下方に９０°方向を変えて水出口６８に連通する。水出口６８は後述する連結パイプ１０６を介して主蒸発器１１の中間部に連通する。
【００３０】
一方、継ぎ手６６を通過して延びる水通路Ｗ１は、第３ポート部材６３の内面に沿ってジグザグに延び（ｋ部参照）、そこから第４ポート部材６４の内面に沿って直線状に延び（ｍ部参照）、そこから９０°方向を変えて直線状に延び（ｎ部参照）、そこから更に９０°方向を変えて第３ポート部材６３の内面に沿って直線状に延び（ｏ部参照）、そこに設けられた継ぎ手６９を介して独立排気ポート１６Ａ（２）の水入口５９に接続される。独立排気ポート１６Ａ（２）の水出口６０が接続される継ぎ手７０は水通路Ｗ１のｊ部に合流する。
【００３１】
次に、図１２〜図２１に基づいて主蒸発器１１の構造を詳細に説明する。
【００３２】
副蒸発器１７の下流側に連なる主蒸発器１１は、そのフランジ１１ａに固定された断面が略長方形のケーシング８１を備えており、ケーシング８１の下面に排気管８２（図１３参照）に連なる排気出口１１ｂが形成される。ケーシング８１の内部には、金属薄板よりなる多数の伝熱板８３…が所定ピッチで平行に配置される。そして全ての伝熱板８３…の表面に排気ガスを浄化するための排気ガス浄化触媒が担持される。
【００３３】
図１６から明らかなように、伝熱板８３は面対称な凹凸部を有する第１伝熱板８３（１）および第２伝熱板８３（２）からなり、それらは交互に重ね合わされる。その結果、第１伝熱板８３（１）および第２伝熱板８３（２）が当接部８４…，８５…において相互に接触してろう付けされ、その部分に排気ガスの流通を阻止する仕切り壁８６が形成される。
【００３４】
仕切り壁８６は図１２に示す形状に配置されており、その仕切り壁８６によって隣接する伝熱板８３…間に屈曲した排気ガス通路が形成される。排気ガス通路は、副蒸発器１７の下流端に連なってシリンダヘッド２０から遠ざかる方向に直線状に延びる第１排気ガス通路８７と、第１排気ガス通路８７の下流端から１８０°屈曲してシリンダヘッド２０に近づく方向に直線状に延びる第２排気ガス通路８８と、第２排気ガス通路８８の下流端から１８０°屈曲してシリンダヘッド２０から遠ざかる方向に延び、更に９０°屈曲して下方に延びることで全体としてＬ字状をなす第３排気ガス通路８９とから構成される。第３排気ガス通路８９の下流端が臨むケーシング８１の内部に形成された排気ガス集合部８１ａは、排気出口１１ｂを介して排気管８２に接続される。また伝熱板８３の仕切り壁８６の第１、第２、第３排気ガス通路８７，８８，８９の高温側に位置する部分を切断して間隙８６ａを設け、伝熱板８３の高温部から低温部への伝熱を遮断して高温部および低温部を所望の温度に維持することができる。
【００３５】
水が流通する多数のパイプ部材９０…が全ての伝熱板８３…を貫通しており、両者間で熱伝達が可能なようにろう付けで一体化される。
【００３６】
図１２、図１５および図１９を併せて参照すると明らかなように、主蒸発器１１の下面中央には酸素濃度センサ９１が取り付けられており、その先端の検出部９１ａは第１排気ガス通路８７に臨んでいる。酸素濃度センサ９１が取り付けられる主蒸発器１１の下面には、第１排気ガス通路８７の下方に仕切り壁８６を介して仕切られた酸素濃度センサ冷却部９２が設けられる。平坦な酸素濃度センサ冷却部９２の上面は仕切り壁８６を介して第１排気ガス通路８７に面しており、下面はケーシング８１を介して大気に面している。酸素濃度センサ冷却部９２は伝熱板８３…を貫通してろう付けされた複数本のパイプ部材９３…を備えている。
【００３７】
図１５に最も良く示されるように、主蒸発器１１のケーシング８１の長手方向両端部には、内板９４，９４および外板９５，９５を所定間隔を存して一体に結合した左右のヘッダー９６Ｌ，９６Ｒがそれぞれ設けられる。各々のヘッダー９６Ｌ，９６Ｒは、その内板９４，９４が最も外側に積層された伝熱板８３，８３に重ね合わされる。供給ポンプ１５の下流側に連なる水入口パイプ９７が、主蒸発器１１のケーシング８１の後面を貫通して左側（シリンダヘッド２０に向かって）のヘッダー９６Ｌの外板９５の外面に達し、そこから二股の継ぎ手９８を介して第３排気ガス通路８９の下流端に位置する２本のパイプ部材９０，９０に接続される。
【００３８】
前記２本のパイプ部材９０，９０は２系統の水通路Ｗ３，Ｗ３の始端部を構成するもので、各々の系統のパイプ部材９０…は隣接するものどうしが左右のヘッダー９６Ｌ，９６ＲにおいてＵ字状の継ぎ手９９…により順次接続されてジクザグの水通路Ｗ３，Ｗ３を構成する。図２２から明らかなように、水通路Ｗ３，Ｗ３における水の流れ方向は、排気ガスの流れ方向である第１排気ガス通路８７→第２排気ガス通路８８→第３排気ガス通路８９と対向する方向に、つまり第３排気ガス通路８９から第２排気ガス通路８８を経て第１排気ガス通路８７へと延びている。つまり、排気ガスと水とは、いわゆる対向流を構成する。
【００３９】
図１２から明らかなように、排気ガスの流れ方向の上流の第１排気ガス通路８７においてパイプ部材９０…の密度は最も疎であり、中流の第２排気ガス８８においてパイプ部材９０…の密度は中程度であり、下流の第３排気ガス８９においてパイプ部材９０…の密度は最も密である。
【００４０】
図１５から明らかなように、供給ポンプ１５の下流側に連なる水入口パイプ１００は、主蒸発器１１のケーシング８１の後面を貫通して左側（シリンダヘッド２０に向かって）のヘッダー９６Ｌの外板９５の外面に達し、そこから二股の継ぎ手１０１を介して２本のパイプ部材９３，９３に接続される。前記２本のパイプ部材９３，９３は２系統の水通路Ｗ４，Ｗ４の始端部を構成するもので、各々の系統のパイプ部材９３…は隣接するものどうしが左右のヘッダー９６Ｌ，９６ＲにおいてＵ字状の継ぎ手１０２…により接続され、かつ酸素濃度センサ９１を囲む空間において５個の継ぎ手１０３…により接続されることで、ジクザグの水通路Ｗ４，Ｗ４を構成する。２系統の水通路Ｗ４，Ｗ４の下流端は、継ぎ手１０４，１０４と、連結パイプ１０５，１０５とを介して、フランジ１１ａ，６１内に形成した副蒸発器１７の水入口６５，６５（図５参照）に連通する。
【００４１】
図１７、図１８および図２１に示すように、副蒸発器１７の水通路Ｗ２，Ｗ２の水出口に連なる２本の連結パイプ１０６，１０６は、ヘッダー９６Ｌ，９６Ｒの外側を通ってケーシング８１の外部に延出し、そこで１８０°屈曲して再びケーシング８１の内部に入り、そこでヘッダーヘッダー９６Ｌ，９６Ｒに設けた二股の継ぎ手１０７，１０７を介して冷却水通路Ｗ３，Ｗ３のパイプ部材９０，９０に接続される。連結パイプ１０６，１０６に接続されるパイプ部材９０，９０の位置は、図２２に符号９０（１）および９０（２）で示されるように、第２排気ガス通路８８の上流端の近傍である。
【００４２】
図２１に示すように、右側のヘッダー９６Ｒにおいて、水通路Ｗ３，Ｗ３の下流端に位置する２本のパイプ部材９０，９０（図２２に符号９０（３）および９０（４）で示す）は二股の継ぎ手１０８を介して、膨張機１２に連なる水出口パイプ１０９に接続される。
【００４３】
次に、上記構成を備えた本発明の実施例の作用について説明する。
【００４４】
図１において、ランキンサイクル装置の供給ポンプ１５を出た水の一部は内燃機関Ｅの排気ポート１６の下流に設けた主蒸発器１１に供給され、また供給ポンプ１５を出た水の残部は排気ポート１６の外周部に設けた副蒸発器１７を通過して主蒸発器１１の内部の所定位置に合流する。
【００４５】
先ず、主蒸発器１１における作用を説明すると、供給ポンプ１５を出た低温の水の一部は、水入口パイプ９７（図１５参照）を介して主蒸発器１１のケーシング８１の左側のヘッダー９６Ｌに達し、そこで継ぎ手９８を介して２系統の水通路Ｗ３，Ｗ３に分流する。各々の水通路Ｗ３，Ｗ３はジグザグに接続した多数本のパイプ部材９０…から構成されており、これらのパイプ部材９０…が貫通する多数の伝熱板８３…間を通る排気ガスとの間で熱交換を行うことで、排気ガスの熱エネルギーを奪って温度上昇する。２系統の水通路Ｗ３，Ｗ３の下流端の２本のパイプ部材９０，９０は継ぎ手１０８を介して水出口パイプ１０９（図２１参照）に合流する。水通路Ｗ３，Ｗ３を流れる間に水は加熱されて高温・高圧蒸気となり、膨張機１２に供給される。
【００４６】
排気ガスの熱は大きな表面積を有して小ピッチで配置された多数の伝熱板８３…から多数のパイプ部材９０…を流れる水に伝達されるため、排気ガスと水との間の熱交換面積を充分に確保することができる。これにより、排気ガスの流速を下げても、つまり主蒸発器１１における排気ガスの流路断面積を増加させても充分な熱交換効率を確保することができ、排気通路の背圧の増加を抑制して内燃機関Ｅの出力低下を防止することができる。また伝熱板８３…をプレス加工する際に当接部８４…，８５…を形成するだけで任意の形状の仕切り壁８６を設けることができるので、仕切り壁８６を設けるための特別の部品を必要とせずに、屈曲した第１〜第３排気ガス通路８７，８８，８９を構成することができる。
【００４７】
しかも、図２２および図２３から明らかなように、排気ガスは第１排気ガス通路８７から第２排気ガス通路８８を経て第３排気ガス通路８９に流れるのに対し、水通路Ｗ３，Ｗ３内の水は排気ガスの流れ方向に対向するように第３排気ガス通路８９から第２排気ガス通路８８を経て第１排気ガス通路８７に流れるので、水通路Ｗ３，Ｗ３の全長に亘って水および排気ガス間の温度差を充分に確保して主蒸発器１１の熱交換効率を更に高めることができる。
【００４８】
更に、排気ガスの流れ方向の上流側の第１排気ガス通路８７においてパイプ部材９０…の密度を疎にし、そこから下流側の第３排気ガス通路８９に向けてパイプ部材９０…の密度を次第に密にしたので、排気ガスが高温で容積が大きいために流速が高い上流部分でパイプ部材９０…の密度を疎にして、排気ガスとパイプ部材９０…との衝突による圧損を最小限に抑えることができ、また排気ガスが低温で容積が小さいために流速が低い下流部分でパイプ部材９０…の密度を密にして、排気ガスとパイプ部材９０…とを充分に接触させて熱交換効率を高めることができる。
【００４９】
また大きな表面積を有する伝熱板８３…に排気ガス浄化触媒を担持させたので、排気ガスが排気ガス浄化触媒に充分に接触するようにして排気ガスを効果的に浄化することができる。
【００５０】
供給ポンプ１５を出た低温の水の残部は、水入口パイプ１００（図１５参照）を介して主蒸発器１１のケーシング８１の左側のヘッダー９６Ｌの内部に入り、そこから継ぎ手１０１を経て２系統の水通路Ｗ４，Ｗ４に分流する。各々の水通路Ｗ４，Ｗ４を構成するパイプ部材９３…の内部をジグザグに流れた水は酸素濃度センサ９１の近傍のＨ形の継ぎ手１０３において一旦合流した後に再び分流し、パイプ部材９３…の内部を更にジグザグに流れた後に、左右のヘッダー９６Ｌ，９６Ｒから継ぎ手１０４，１０４、連結パイプ１０５，１０５および水入口６５，６５を経て副蒸発器１７に供給される。
【００５１】
このように、酸素濃度センサ冷却部９２を貫通する酸素濃度センサ９１の周囲を水通路Ｗ４，Ｗ４を流れる低温の水で冷却するので、酸素濃度センサ９１の検出部９１ａが臨む第１排気ガス通路８７を流れる高温の排気ガスの熱が酸素濃度センサ９１を介して主蒸発器１１の外部に逃げるのを防止し、内燃機関Ｅの廃熱回収効率を高めることができる。
【００５２】
更に、排気ガスの流れ方向上流側に位置して高温の排気ガスが流れる第１排気ガス通路８７および第２排気ガス通路８８を主蒸発器１１の径方向内側部分に配置し、排気ガスの流れ方向下流側に位置して最も低温の水が供給される第３排気ガス通路８９を主蒸発器１１の径方向外側部分に配置し、かつ最も低温の水が供給される酸素濃度センサ冷却部９２を主蒸発器１１の径方向外側部分に配置したので、つまり高温の排気ガスが通過することで高温になる第１排気ガス通路８７および第２排気ガス通路８８の外側を、低温の水が通過することで低温になる第３排気ガス通路８９および酸素濃度センサ冷却部９２で囲んだので、主蒸発器１１の外部に放散される熱エネルギーを最小限に抑えて廃熱回収効率を高めることができる。
【００５３】
尚、ケーシング８１の内周面と伝熱板８３…の外周部との間には空気層を保持する隙間が形成されており、この空気層の断熱効果によって主蒸発器１１の外部に放散される熱エネルギーを更に減少させることができる。
【００５４】
次に、副蒸発器１７における作用を説明すると、図１１において、酸素濃度センサ冷却部９２を出た水は、集合排気ポート１６Ｂの水入口６５から水通路Ｗ１に流入して第１の系統と第２の系統とに分流する。図１１（Ａ）に示す第１の系統は、水通路Ｗ１のｆ部、ｇ部、継ぎ手６６、独立排気ポート１６Ａ（１）の水通路Ｗ２、継ぎ手６７、水通路Ｗ１のｈ部、ｉ部およびｊ部を経て水出口６８に達する経路を有する。一方、図１１（Ｂ）に示す第２の系統は、水通路Ｗ１のｆ部、ｇ部、ｋ部、ｍ部、ｎ部、ｏ部、継ぎ手６９、独立排気ポート１６Ａ（２）の水通路Ｗ２および水通路Ｗ１のｊ部を経て水出口６８に達する経路を有する。第１の系統は水通路Ｗ１の前半部分を短く後半部分を長く設定し、また第２の系統は水通路Ｗ１の前半部分を長く後半部分を短く設定しているので、両系統において水通路Ｗ１の全長を均一化して供給量を略等しくし、廃熱回収の不均衡を防止して熱交換効率を高めることができる。
【００５５】
図７〜図１０に示すように、２個の独立排気ポート１６Ａ（１），１６Ａ（２）に設けられた水通路Ｗ２の構造は同一であり、水入口５９から供給された水は対称面Ｐ１を挟むように分流し、ａ部、ｂ部、ｃ部、ｄ部およびｅ部を経て合流した後、水出口６０から排出される。
【００５６】
このように、副蒸発器１７は排気ガスが通過することで高温になる排気ポート１６の周囲を水通路Ｗ１，Ｗ２で囲んで構成されるので、排気ポート１６からシリンダヘッド２０を経て放散される排気ガスの熱を高温・高圧蒸気として効果的に回収することができる。特に、その水通路Ｗ１，Ｗ２に供給される水は供給ポンプ１５を出て酸素濃度センサ冷却部９２を通過しただけの比較的に低温の水であるため、排気ポート１６の周囲を効果的に冷却するとともに、高温・高圧蒸気を発生させて内燃機関Ｅの廃熱回収効果を高めることができる。また排気ガスの熱は排気バルブ３０を介して外部に逃げ易いが、内燃機関Ｅの要冷却部、つまり排気バルブ３０の傘部３０ａが接触する排気バルブシート２９および排気バルブ３０のステム３０ｂが接触する排気バルブガイド４０の近傍を低温の水で重点的に冷却することで、排気バルブ３０を介しての熱逃げを抑制して廃熱回収効果を一層高めることができるとともに、排気バルブ３０、排気バルブシート２９および排気バルブガイド４０等の熱膨張を抑制して寸法位置精度を維持し、各々の所望の機能を維持することができる。
【００５７】
副蒸発器１７を通過した水は連結パイプ１０６，１０６（図１７および図１８参照）から左右のヘッダー９６Ｌ，９６Ｒに設けた継ぎ手１０７，１０７（図２０参照）を経て、主蒸発器１１の第２排気ガス通路８８のパイプ部材９０，９０に合流する。このとき、前記合流部において主蒸発器１１側の水通路Ｗ３，Ｗ３を流れる水の温度と、副蒸発器１７から供給される水の温度とを略一致させることで、廃熱回収効果を更に高めることができる。上記水の温度の制御は、供給ポンプ１５を出た水を主蒸発器１１側および副蒸発器１７側に分流させる際に、その流量の比率を調整することにより可能である。
【００５８】
以上、本発明の実施例を詳述したが、本発明はその要旨を逸脱しない範囲で種々の設計変更を行うことが可能である。
【００５９】
例えば、実施例では熱交換器として蒸発器１１，１７を例示したが、本発明の熱交換器は蒸発器に限定されるものではない。
【００６０】
また実施例では熱媒として水を例示したが、本発明の熱媒は水に限定されるものではない。
【００６１】
また本発明のセンサは酸素濃度センサ９１に限定されず、排気ガスの状態を検出する任意のセンサを採用することができる。
【００６２】
【発明の効果】
以上のように請求項１に記載された発明によれば、低温の熱媒が別個に供給される第１熱交換器および第２熱交換器を備えた熱交換装置において、第１熱交換器の排気ガス通路は排気ガスの流れ方向の上流側が径方向内側に位置して下流側が径方向外側に位置するように配置されるので、高温の排気ガスが流れる上流側の排気ガス通路を低温の排気ガスが流れる下流側の排気ガス通路で覆って熱逃げを抑制することができ、しかも第１熱交換器の熱媒通路は熱媒の流れ方向が排気ガスの流れ方向に対向するように配置されるので、熱媒通路の全域に亘って熱媒と排気ガスとの温度差を確保して熱交換効率を高めることができる。また第２熱交換器は一側面が第１熱交換器の径方向内側部分に面して他側面が大気に面しているので、低温の熱媒が供給される第２熱交換器で第１熱交換器の高温となる径方向内側部分を覆って熱逃げを抑制することができ、しかも第１熱交換器の排気ガス通路を流れる排気ガスの状態を検出するセンサを第２熱交換器に設けたので、第１熱交換器からセンサを介して逃げる熱を第２熱交換器で効果的に回収することができる。
【００６３】
また請求項２に記載された発明によれば、第１熱交換器の内部に排気ガス浄化触媒を配置したので、第１熱交換器の内部を通過する排気ガスを浄化することができる。またセンサは酸素濃度センサであるので、排気ガス中の酸素濃度を検出することができる。
【００６４】
また請求項３に記載された発明によれば、第２熱交換器の熱媒通路の下流側を第１熱交換器の熱媒通路に接続したので、第１、第２熱交換器で回収した排気ガスの熱エネルギーを統合して出力することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】ランキンサイクル装置の全体構成を示す図
【図２】内燃機関のシリンダヘッドまわりの縦断面図
【図３】図２の３部拡大図
【図４】図２の４−４線矢視図
【図５】図４の５−５線断面図
【図６】図４の６−６線断面図
【図７】独立排気ポートの一部破断斜視図
【図８】図７の８方向矢視図
【図９】図８の９方向矢視図
【図１０】図８の１０方向矢視図
【図１１】集合排気ポートにおける水の流れ方向を示す模式図
【図１２】図２の要部拡大断面図
【図１３】図１２の１３−１３線矢視図
【図１４】図１２の１４方向矢視図
【図１５】図１２の１５−１５線断面図
【図１６】図１５の１６部拡大図
【図１７】図１４の１７−１７線断面図
【図１８】図１４の１８−１８線断面図
【図１９】図１４の１９−１９線断面図
【図２０】図１２の２０−２０線断面図
【図２１】図１２の２１−２１線断面図
【図２２】主蒸発器における水の流れ方向を示す図
【図２３】主蒸発器における排気ガスの流れ方向を示す図
【符号の説明】
１１ 主蒸発器（第１熱交換器）
８７ 第１排気ガス通路（排気ガス通路）
８８ 第２排気ガス通路（排気ガス通路）
８９ 第３排気ガス通路（排気ガス通路）
９１ 酸素濃度センサ（センサ）
９２ 酸素濃度センサ冷却部（第２熱交換器）
Ｅ 内燃機関
Ｗ３ 水通路（熱媒通路）
Ｗ４ 水通路（熱媒通路）
【発明の属する技術分野】
本発明は、内燃機関の排気ガスと熱媒通路を流れる熱媒との間で熱交換を行う第１熱交換器と、第１熱交換器に隣接して配置された第２熱交換器とを備え、それら第１、第２熱交換器に低温の熱媒が別個に供給される熱交換装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
内燃機関の排気ガスと水との間で熱交換を行い、排気ガスの熱で水を加熱して高温高圧の蒸気を発生させる蒸発器が、特開２００１−２０７９１０号公報、特開２００１−２０７８３９号公報により公知である。
【０００３】
特開２００１−２０７９１０号公報には、多気筒内燃機関の複数の排気ポートにそれぞれ蒸発器を配置することで、高温の排気ガスで高い熱交換効率を得るとともに排気干渉の発生を回避して内燃機関の出力を確保し、かつ複数の排気通路の集合部に単一の蒸発器を配置することで、合流後の脈動が減少して温度が均一になった排気ガスにより熱交換効率の向上を図るものが記載されている。また特開２００１−２０７８３９号公報には、内燃機関の排気通路に複数の熱交換器を積層状態で配置し、排気ガスの流速が高い上流側の熱交換器の伝熱密度低くするとともに、排気ガスの流速が低い下流側の熱交換器の伝熱密度高くすることで、各熱交換器の全域に亘って均一な伝熱性能を確保するものが記載されている。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、かかる蒸発器に排気ガスの状態を検出するセンサを設けた場合、排気ガスの熱がセンサを介して外部に逃げてしまい、蒸発器の廃熱回収効率が低下する可能性がある。
【０００５】
本発明は前述の事情に鑑みてなされたもので、内燃機関の排気ガスと熱媒との間で熱交換を行う熱交換装置の廃熱回収効率を高め、特に排気ガスの状態を検出するセンサを介しての熱逃げを最小限に抑えることを目的とする。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために、請求項１に記載された発明によれば、内燃機関の排気ガスと熱媒通路を流れる熱媒との間で熱交換を行う第１熱交換器と、第１熱交換器に隣接して配置された第２熱交換器とを備え、それら第１、第２熱交換器に低温の熱媒が別個に供給される熱交換装置であって、第１熱交換器の排気ガス通路は排気ガスの流れ方向の上流側が径方向内側に位置して下流側が径方向外側に位置するように配置されるとともに、第１熱交換器の熱媒通路は熱媒の流れ方向が排気ガスの流れ方向に対向するように配置され、かつ第２熱交換器は一側面が第１熱交換器の径方向内側部分に面して他側面が大気に面しており、第１熱交換器の排気ガス通路を流れる排気ガスの状態を検出するセンサが第２熱交換器に設けたられることを特徴とする熱交換装置が提案される。
【０００７】
上記構成によれば、低温の熱媒が別個に供給される第１熱交換器および第２熱交換器を備えた熱交換装置において、第１熱交換器の排気ガス通路は排気ガスの流れ方向の上流側が径方向内側に位置して下流側が径方向外側に位置するように配置されるので、高温の排気ガスが流れる上流側の排気ガス通路を低温の排気ガスが流れる下流側の排気ガス通路で覆って熱逃げを抑制することができ、しかも第１熱交換器の熱媒通路は熱媒の流れ方向が排気ガスの流れ方向に対向するように配置されるので、熱媒通路の全域に亘って熱媒と排気ガスとの温度差を確保して熱交換効率を高めることができる。また第２熱交換器は一側面が第１熱交換器の径方向内側部分に面して他側面が大気に面しているので、低温の熱媒が供給される第２熱交換器で第１熱交換器の高温となる径方向内側部分を覆って熱逃げを抑制することができ、しかも第１熱交換器の排気ガス通路を流れる排気ガスの状態を検出するセンサを第２熱交換器に設けたので、第１熱交換器からセンサを介して逃げる熱を第２熱交換器で効果的に回収することができる。
【０００８】
また請求項２に記載された発明によれば、請求項１の構成に加えて、第１熱交換器の内部には排気ガス浄化触媒が配置され、センサは酸素濃度センサであることを特徴とする熱交換装置が提案される。
【０００９】
上記構成によれば、第１熱交換器の内部に排気ガス浄化触媒を配置したので、第１熱交換器の内部を通過する排気ガスを浄化することができる。またセンサは酸素濃度センサであるので、排気ガス中の酸素濃度を検出することができる。
【００１０】
また請求項３に記載された発明によれば、請求項１または請求項２の構成に加えて、第２熱交換器の熱媒通路の下流側は第１熱交換器の熱媒通路に接続されることを特徴とする熱交換装置が提案される。
【００１１】
上記構成によれば、第２熱交換器の熱媒通路の下流側を第１熱交換器の熱媒通路に接続したので、第１、第２熱交換器で回収した排気ガスの熱エネルギーを統合して出力することができる。
【００１２】
尚、実施例の主蒸発器１１は本発明の第１熱交換器に対応し、実施例の酸素濃度センサ冷却部９２は本発明の第２熱交換器に対応し、実施例の酸素濃度センサ９１は本発明のセンサに対応し、実施例の水通路Ｗ３，Ｗ４は本発明の熱媒通路に対応する。
【００１３】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態を、添付図面に示した本発明の実施例に基づいて説明する。
【００１４】
図１〜図２３は本発明の一実施例を示すもので、図１はランキンサイクル装置の全体構成を示す図、図２は内燃機関のシリンダヘッドまわりの縦断面図、図３は図２の３部拡大図、図４は図２の４−４線矢視図、図５は図４の５−５線断面図、図６は図４の６−６線断面図、図７は独立排気ポートの一部破断斜視図、図８は図７の８方向矢視図、図９は図８の９方向矢視図、図１０は図８の１０方向矢視図、図１１は集合排気ポートにおける水の流れ方向を示す模式図、図１２は図２の要部拡大断面図、図１３は図１２の１３−１３線矢視図、図１４は図１２の１４方向矢視図、図１５は図１２の１５−１５線断面図、図１６は図１５の１６部拡大図、図１７は図１４の１７−１７線断面図、図１８は図１４の１８−１８線断面図、図１９は図１４の１９−１９線断面図、図２０は図１２の２０−２０線断面図、図２１は図１２の２１−２１線断面図、図２２は主蒸発器における水の流れ方向を示す図、図２３は主蒸発器における排気ガスの流れ方向を示す図である。
【００１５】
図１には本発明が適用されるランキンサイクル装置の全体構成が示される。
【００１６】
内燃機関Ｅの排気ガスの熱エネルギーを回収して機械エネルギーに変換するランキンサイクル装置は、内燃機関Ｅが排出する排気ガスで水を加熱して高温・高圧蒸気を発生させる主蒸発器１１と、主蒸発器１１で発生した高温・高圧蒸気により作動して機械エネルギーを発生する膨張機１２と、膨張機１２で仕事を終えた降温・降圧蒸気を冷却して水に戻す凝縮器１３と、凝縮器１３を出た水を貯留するリザーブタンク１４と、リザーブタンク１４に貯留した水を加圧する供給ポンプ１５とを備える。供給ポンプ１５を出た水の一部は内燃機関Ｅの排気ポート１６の下流に設けた主蒸発器１１に供給され、そこで高温・高圧蒸気になって膨張機１２に供給され、また前記供給ポンプ１５を出た水の残部は排気ポート１６の外周部に設けた副蒸発器１７を通過して加熱された後、主蒸発器１１の内部の所定位置に合流する。
【００１７】
主蒸発器１１は、主として排気ポート１６を出た排気ガスとの間で熱交換を行って蒸気を発生させるものであるが、副蒸発器１７は、排気ポート１６を流れる排気ガスとの間で熱交換を行うだけでなく、高温の排気ガスに接触する排気ポート１６自体との間で熱交換を行い、蒸気を発生させると同時に排気ポート１６の冷却を行うようになっている。
【００１８】
図２に示すように、直列四気筒の内燃機関Ｅのシリンダブロック１９にはシリンダヘッド２０およびヘッドカバー２１が結合されており、シリンダブロック１９に収納した４個のシリンダスリーブ２２に摺動自在に嵌合する４個のピストン２３の上面とシリンダヘッド２０の下面との間に４個の燃焼室２４が形成される。シリンダヘッド２０には各々の燃焼室２４に連なる吸気ポート２６および排気ポート１６が形成されており、吸気ポート２６の下流端の吸気バルブシート２７は吸気バルブ２８の傘部２８ａで開閉され、排気ポート１６の上流端の排気バルブシート２９は排気バルブ３０の傘部３０ａで開閉される。吸気ポート２６はシリンダヘッド２０に直接形成されるが、排気ポート１６は４個の独立排気ポート１６Ａと１個の集合排気ポート１６Ｂとから構成され、それぞれシリンダヘッド２０と別部材で構成されてシリンダヘッド２０に嵌め込まれる。
【００１９】
シリンダヘッド２０には、単一のカムシャフト３１と、吸気ロッカーアームシャフト３２と、排気ロッカーアームシャフト３３とが支持される。吸気ロッカーアームシャフト３２に揺動自在に支持された吸気ロッカーアーム３４は、その一端がカムシャフト３１に設けた吸気カム３５に当接するとともに、その他端がシリンダヘッド２０に設けた吸気バルブガイド３６に摺動自在に支持されてバルブスプリング３７で上方に付勢された吸気バルブ２８のステム２８ｂに当接する。また排気ロッカーアームシャフト３３に揺動自在に支持された排気ロッカーアーム３８は、その一端がカムシャフト３１に設けた排気カム３９に当接するとともに、その他端がシリンダヘッド２０に設けた排気バルブガイド４０に摺動自在に支持されてバルブスプリング４１で上方に付勢された排気バルブ３０のステム３０ｂの上端に当接する。
【００２０】
排気ポート１６は排気ガスの流れ方向の上流側に位置する４個の独立排気ポート１６Ａと、その下流に連なる１個の集合排気ポート１６Ｂとから構成されており、集合排気ポート１６Ｂの内部に主蒸発器１１の上流側端部が嵌合する。そして副蒸発器１７は独立排気ポート１６Ａと、その下流に連なる集合排気ポート１６Ｂとに跨がって設けられる。
【００２１】
先ず、図３および図７に基づいて独立排気ポート１６Ａの構造を詳細に説明する。
【００２２】
独立排気ポート１６Ａは、第１ポート部材５１と、第１カバー部材５２と、第２ポート部材５３と、第２カバー部材５４とから構成される。第１ポート部材５１および第１カバー部材５２は燃焼室２４に連なる独立排気ポート１６Ａの上流部分５５を構成するもので、内側の第１ポート部材５１を外側の第１カバー部材５２で覆った構造を有しており、第１ポート部材５１の外面に形成した溝と第１カバー部材５２の内面との間に迷路状の水通路Ｗ２が形成される。第１ポート部材５１および第１カバー部材５２の下面は、シリンダヘッド２０に形成された排気バルブシート２９の上面にシール部材５６を介して当接する。また第１ポート部材５１の上壁には排気バルブ３０のステム３０ｂが貫通する開口５１ａが形成されるとともに、第１カバー部材５２の上壁に形成した開口５２ａには排気バルブガイド４０の下端がシール部材５７を介して嵌合する。
【００２３】
第２ポート部材５３および第２カバー部材５４は集合排気ポート１６Ｂに連なる独立排気ポート１６Ａの下流部分５８を構成するもので、内側の第２ポート部材５３を外側の第２カバー部材５４で覆った構造を有しており、第２ポート部材５３の外面に形成した溝と第２カバー部材５４の内面との間に迷路状の水通路Ｗ２が形成される。第２カバー部材５４の端部は第１カバー部材５２の側面に形成した開口５２ｂに嵌合しており、これにより第１ポート部材５１および第２ポート部材５３が滑らかに接続されて湾曲した排気ガスの通路が区画される。第２ポート部材５３および第２カバー部材５４により区画された水通路Ｗ２は、その下側に水入口５９を備えるとともに、その上側に水出口６０を備える。
【００２４】
次に、図８〜図１０を参照して独立排気ポート１６Ａの水通路Ｗ２の形状を説明する。
【００２５】
水通路Ｗ２は独立排気ポート１６Ａの対称面Ｐ１に関して左右対称に構成されており、水入口５９の直後において対称面Ｐ１を挟むように２系統に分岐した水通路Ｗ２は、水出口６０の直前において再び合流する。更に詳しく説明すると、水通路Ｗ２は水入口５９から下流部分５８の下面に沿って直線状に延び（ａ部参照）、そこから上流部分５５に移行して排気バルブ３０の傘部３０ａの周囲の半周するように円弧状に延び（ｂ部参照）、そこから排気バルブ３０のステム３０ｂに沿って排気バルブガイド４０の下端近傍まで直線状の上方に延び（ｃ部参照）、そこからジグザグに屈曲しながら排気バルブ３０の傘部３０ａに向かって延び（ｄ部参照）、そこから再度下流部分５８に移行してジグザグに屈曲しながら水出口６０に向かって延びている（ｅ部参照）。
【００２６】
続いて、図２〜図６に基づいて集合排気ポート１６Ｂの構造を詳細に説明する。
【００２７】
集合排気ポート１６Ｂは長方形の枠状に形成されたフランジ６１を備えており主蒸発器１１のフランジ１１ａを貫通する複数本のボルト６２…をシリンダヘッド２０に締結することで主蒸発器１１および集合排気ポート１６Ｂがシリンダヘッド２０に共締めされる（図２参照）。集合排気ポート１６Ｂのフランジ６１に板材をプレス加工した第３ポート部材６３の下流端が溶接されており、その上流端に形成した４個の開口６３ａ…が４個の独立排気ポート１６Ａの出口に連通する。板材をプレス加工した第４ポート部材６４の下流端が第３ポート部材６３の内面に溶接されており、その上流端は第３ポート部材６３の４個の開口６３ａ…に重ね合わされて溶接される。従って、４個の独立排気ポート１６Ａから出た排気ガスは集合排気ポート１６Ｂにおいて合流し、主蒸発器１１に均等に導かれる。
【００２８】
集合排気ポート１６Ｂの第３ポート部材６３および第４ポート部材６４に囲まれた空間に、パイプ材よりなる水通路Ｗ１，Ｗ１が配置される。水通路Ｗ１，Ｗ１は対称面Ｐ２に関して対称の構造を有しているため、図４〜図６および図１１には対称面Ｐ２の片側の水通路Ｗ１が示される。水通路Ｗ１は対称面Ｐ２に近い側の独立排気ポート１６Ａ（１）を通る第１の系統と、対称面Ｐ２から遠い側の独立排気ポート１６Ａ（２）を通る第２の系統とを有している。
【００２９】
即ち、フランジ６１の端部に設けられた水入口６５から始まる水通路Ｗ１は、第４ポート部材６４の内面に沿って直線状に延び（ｆ部参照）、そこから第３ポート部材６３の内面に沿って直線状に延びる（ｇ部参照）。ｇ部には継ぎ手６６が設けられており、この継ぎ手６６に独立排気ポート１６Ａ（１）の水入口５９が接続される。独立排気ポート１６Ａ（１）の水出口６０が接続される継ぎ手６７から延びる水通路Ｗ１は、第３ポート部材６３の内面に沿って直線状に延び（ｈ部参照）、そこから第３ポート部材６３の内面に沿ってジグザグに延び（ｉ部参照）、そこから第３ポート部材６３の内面に沿って直線状に延び（ｊ部参照）、そこから下方に９０°方向を変えて水出口６８に連通する。水出口６８は後述する連結パイプ１０６を介して主蒸発器１１の中間部に連通する。
【００３０】
一方、継ぎ手６６を通過して延びる水通路Ｗ１は、第３ポート部材６３の内面に沿ってジグザグに延び（ｋ部参照）、そこから第４ポート部材６４の内面に沿って直線状に延び（ｍ部参照）、そこから９０°方向を変えて直線状に延び（ｎ部参照）、そこから更に９０°方向を変えて第３ポート部材６３の内面に沿って直線状に延び（ｏ部参照）、そこに設けられた継ぎ手６９を介して独立排気ポート１６Ａ（２）の水入口５９に接続される。独立排気ポート１６Ａ（２）の水出口６０が接続される継ぎ手７０は水通路Ｗ１のｊ部に合流する。
【００３１】
次に、図１２〜図２１に基づいて主蒸発器１１の構造を詳細に説明する。
【００３２】
副蒸発器１７の下流側に連なる主蒸発器１１は、そのフランジ１１ａに固定された断面が略長方形のケーシング８１を備えており、ケーシング８１の下面に排気管８２（図１３参照）に連なる排気出口１１ｂが形成される。ケーシング８１の内部には、金属薄板よりなる多数の伝熱板８３…が所定ピッチで平行に配置される。そして全ての伝熱板８３…の表面に排気ガスを浄化するための排気ガス浄化触媒が担持される。
【００３３】
図１６から明らかなように、伝熱板８３は面対称な凹凸部を有する第１伝熱板８３（１）および第２伝熱板８３（２）からなり、それらは交互に重ね合わされる。その結果、第１伝熱板８３（１）および第２伝熱板８３（２）が当接部８４…，８５…において相互に接触してろう付けされ、その部分に排気ガスの流通を阻止する仕切り壁８６が形成される。
【００３４】
仕切り壁８６は図１２に示す形状に配置されており、その仕切り壁８６によって隣接する伝熱板８３…間に屈曲した排気ガス通路が形成される。排気ガス通路は、副蒸発器１７の下流端に連なってシリンダヘッド２０から遠ざかる方向に直線状に延びる第１排気ガス通路８７と、第１排気ガス通路８７の下流端から１８０°屈曲してシリンダヘッド２０に近づく方向に直線状に延びる第２排気ガス通路８８と、第２排気ガス通路８８の下流端から１８０°屈曲してシリンダヘッド２０から遠ざかる方向に延び、更に９０°屈曲して下方に延びることで全体としてＬ字状をなす第３排気ガス通路８９とから構成される。第３排気ガス通路８９の下流端が臨むケーシング８１の内部に形成された排気ガス集合部８１ａは、排気出口１１ｂを介して排気管８２に接続される。また伝熱板８３の仕切り壁８６の第１、第２、第３排気ガス通路８７，８８，８９の高温側に位置する部分を切断して間隙８６ａを設け、伝熱板８３の高温部から低温部への伝熱を遮断して高温部および低温部を所望の温度に維持することができる。
【００３５】
水が流通する多数のパイプ部材９０…が全ての伝熱板８３…を貫通しており、両者間で熱伝達が可能なようにろう付けで一体化される。
【００３６】
図１２、図１５および図１９を併せて参照すると明らかなように、主蒸発器１１の下面中央には酸素濃度センサ９１が取り付けられており、その先端の検出部９１ａは第１排気ガス通路８７に臨んでいる。酸素濃度センサ９１が取り付けられる主蒸発器１１の下面には、第１排気ガス通路８７の下方に仕切り壁８６を介して仕切られた酸素濃度センサ冷却部９２が設けられる。平坦な酸素濃度センサ冷却部９２の上面は仕切り壁８６を介して第１排気ガス通路８７に面しており、下面はケーシング８１を介して大気に面している。酸素濃度センサ冷却部９２は伝熱板８３…を貫通してろう付けされた複数本のパイプ部材９３…を備えている。
【００３７】
図１５に最も良く示されるように、主蒸発器１１のケーシング８１の長手方向両端部には、内板９４，９４および外板９５，９５を所定間隔を存して一体に結合した左右のヘッダー９６Ｌ，９６Ｒがそれぞれ設けられる。各々のヘッダー９６Ｌ，９６Ｒは、その内板９４，９４が最も外側に積層された伝熱板８３，８３に重ね合わされる。供給ポンプ１５の下流側に連なる水入口パイプ９７が、主蒸発器１１のケーシング８１の後面を貫通して左側（シリンダヘッド２０に向かって）のヘッダー９６Ｌの外板９５の外面に達し、そこから二股の継ぎ手９８を介して第３排気ガス通路８９の下流端に位置する２本のパイプ部材９０，９０に接続される。
【００３８】
前記２本のパイプ部材９０，９０は２系統の水通路Ｗ３，Ｗ３の始端部を構成するもので、各々の系統のパイプ部材９０…は隣接するものどうしが左右のヘッダー９６Ｌ，９６ＲにおいてＵ字状の継ぎ手９９…により順次接続されてジクザグの水通路Ｗ３，Ｗ３を構成する。図２２から明らかなように、水通路Ｗ３，Ｗ３における水の流れ方向は、排気ガスの流れ方向である第１排気ガス通路８７→第２排気ガス通路８８→第３排気ガス通路８９と対向する方向に、つまり第３排気ガス通路８９から第２排気ガス通路８８を経て第１排気ガス通路８７へと延びている。つまり、排気ガスと水とは、いわゆる対向流を構成する。
【００３９】
図１２から明らかなように、排気ガスの流れ方向の上流の第１排気ガス通路８７においてパイプ部材９０…の密度は最も疎であり、中流の第２排気ガス８８においてパイプ部材９０…の密度は中程度であり、下流の第３排気ガス８９においてパイプ部材９０…の密度は最も密である。
【００４０】
図１５から明らかなように、供給ポンプ１５の下流側に連なる水入口パイプ１００は、主蒸発器１１のケーシング８１の後面を貫通して左側（シリンダヘッド２０に向かって）のヘッダー９６Ｌの外板９５の外面に達し、そこから二股の継ぎ手１０１を介して２本のパイプ部材９３，９３に接続される。前記２本のパイプ部材９３，９３は２系統の水通路Ｗ４，Ｗ４の始端部を構成するもので、各々の系統のパイプ部材９３…は隣接するものどうしが左右のヘッダー９６Ｌ，９６ＲにおいてＵ字状の継ぎ手１０２…により接続され、かつ酸素濃度センサ９１を囲む空間において５個の継ぎ手１０３…により接続されることで、ジクザグの水通路Ｗ４，Ｗ４を構成する。２系統の水通路Ｗ４，Ｗ４の下流端は、継ぎ手１０４，１０４と、連結パイプ１０５，１０５とを介して、フランジ１１ａ，６１内に形成した副蒸発器１７の水入口６５，６５（図５参照）に連通する。
【００４１】
図１７、図１８および図２１に示すように、副蒸発器１７の水通路Ｗ２，Ｗ２の水出口に連なる２本の連結パイプ１０６，１０６は、ヘッダー９６Ｌ，９６Ｒの外側を通ってケーシング８１の外部に延出し、そこで１８０°屈曲して再びケーシング８１の内部に入り、そこでヘッダーヘッダー９６Ｌ，９６Ｒに設けた二股の継ぎ手１０７，１０７を介して冷却水通路Ｗ３，Ｗ３のパイプ部材９０，９０に接続される。連結パイプ１０６，１０６に接続されるパイプ部材９０，９０の位置は、図２２に符号９０（１）および９０（２）で示されるように、第２排気ガス通路８８の上流端の近傍である。
【００４２】
図２１に示すように、右側のヘッダー９６Ｒにおいて、水通路Ｗ３，Ｗ３の下流端に位置する２本のパイプ部材９０，９０（図２２に符号９０（３）および９０（４）で示す）は二股の継ぎ手１０８を介して、膨張機１２に連なる水出口パイプ１０９に接続される。
【００４３】
次に、上記構成を備えた本発明の実施例の作用について説明する。
【００４４】
図１において、ランキンサイクル装置の供給ポンプ１５を出た水の一部は内燃機関Ｅの排気ポート１６の下流に設けた主蒸発器１１に供給され、また供給ポンプ１５を出た水の残部は排気ポート１６の外周部に設けた副蒸発器１７を通過して主蒸発器１１の内部の所定位置に合流する。
【００４５】
先ず、主蒸発器１１における作用を説明すると、供給ポンプ１５を出た低温の水の一部は、水入口パイプ９７（図１５参照）を介して主蒸発器１１のケーシング８１の左側のヘッダー９６Ｌに達し、そこで継ぎ手９８を介して２系統の水通路Ｗ３，Ｗ３に分流する。各々の水通路Ｗ３，Ｗ３はジグザグに接続した多数本のパイプ部材９０…から構成されており、これらのパイプ部材９０…が貫通する多数の伝熱板８３…間を通る排気ガスとの間で熱交換を行うことで、排気ガスの熱エネルギーを奪って温度上昇する。２系統の水通路Ｗ３，Ｗ３の下流端の２本のパイプ部材９０，９０は継ぎ手１０８を介して水出口パイプ１０９（図２１参照）に合流する。水通路Ｗ３，Ｗ３を流れる間に水は加熱されて高温・高圧蒸気となり、膨張機１２に供給される。
【００４６】
排気ガスの熱は大きな表面積を有して小ピッチで配置された多数の伝熱板８３…から多数のパイプ部材９０…を流れる水に伝達されるため、排気ガスと水との間の熱交換面積を充分に確保することができる。これにより、排気ガスの流速を下げても、つまり主蒸発器１１における排気ガスの流路断面積を増加させても充分な熱交換効率を確保することができ、排気通路の背圧の増加を抑制して内燃機関Ｅの出力低下を防止することができる。また伝熱板８３…をプレス加工する際に当接部８４…，８５…を形成するだけで任意の形状の仕切り壁８６を設けることができるので、仕切り壁８６を設けるための特別の部品を必要とせずに、屈曲した第１〜第３排気ガス通路８７，８８，８９を構成することができる。
【００４７】
しかも、図２２および図２３から明らかなように、排気ガスは第１排気ガス通路８７から第２排気ガス通路８８を経て第３排気ガス通路８９に流れるのに対し、水通路Ｗ３，Ｗ３内の水は排気ガスの流れ方向に対向するように第３排気ガス通路８９から第２排気ガス通路８８を経て第１排気ガス通路８７に流れるので、水通路Ｗ３，Ｗ３の全長に亘って水および排気ガス間の温度差を充分に確保して主蒸発器１１の熱交換効率を更に高めることができる。
【００４８】
更に、排気ガスの流れ方向の上流側の第１排気ガス通路８７においてパイプ部材９０…の密度を疎にし、そこから下流側の第３排気ガス通路８９に向けてパイプ部材９０…の密度を次第に密にしたので、排気ガスが高温で容積が大きいために流速が高い上流部分でパイプ部材９０…の密度を疎にして、排気ガスとパイプ部材９０…との衝突による圧損を最小限に抑えることができ、また排気ガスが低温で容積が小さいために流速が低い下流部分でパイプ部材９０…の密度を密にして、排気ガスとパイプ部材９０…とを充分に接触させて熱交換効率を高めることができる。
【００４９】
また大きな表面積を有する伝熱板８３…に排気ガス浄化触媒を担持させたので、排気ガスが排気ガス浄化触媒に充分に接触するようにして排気ガスを効果的に浄化することができる。
【００５０】
供給ポンプ１５を出た低温の水の残部は、水入口パイプ１００（図１５参照）を介して主蒸発器１１のケーシング８１の左側のヘッダー９６Ｌの内部に入り、そこから継ぎ手１０１を経て２系統の水通路Ｗ４，Ｗ４に分流する。各々の水通路Ｗ４，Ｗ４を構成するパイプ部材９３…の内部をジグザグに流れた水は酸素濃度センサ９１の近傍のＨ形の継ぎ手１０３において一旦合流した後に再び分流し、パイプ部材９３…の内部を更にジグザグに流れた後に、左右のヘッダー９６Ｌ，９６Ｒから継ぎ手１０４，１０４、連結パイプ１０５，１０５および水入口６５，６５を経て副蒸発器１７に供給される。
【００５１】
このように、酸素濃度センサ冷却部９２を貫通する酸素濃度センサ９１の周囲を水通路Ｗ４，Ｗ４を流れる低温の水で冷却するので、酸素濃度センサ９１の検出部９１ａが臨む第１排気ガス通路８７を流れる高温の排気ガスの熱が酸素濃度センサ９１を介して主蒸発器１１の外部に逃げるのを防止し、内燃機関Ｅの廃熱回収効率を高めることができる。
【００５２】
更に、排気ガスの流れ方向上流側に位置して高温の排気ガスが流れる第１排気ガス通路８７および第２排気ガス通路８８を主蒸発器１１の径方向内側部分に配置し、排気ガスの流れ方向下流側に位置して最も低温の水が供給される第３排気ガス通路８９を主蒸発器１１の径方向外側部分に配置し、かつ最も低温の水が供給される酸素濃度センサ冷却部９２を主蒸発器１１の径方向外側部分に配置したので、つまり高温の排気ガスが通過することで高温になる第１排気ガス通路８７および第２排気ガス通路８８の外側を、低温の水が通過することで低温になる第３排気ガス通路８９および酸素濃度センサ冷却部９２で囲んだので、主蒸発器１１の外部に放散される熱エネルギーを最小限に抑えて廃熱回収効率を高めることができる。
【００５３】
尚、ケーシング８１の内周面と伝熱板８３…の外周部との間には空気層を保持する隙間が形成されており、この空気層の断熱効果によって主蒸発器１１の外部に放散される熱エネルギーを更に減少させることができる。
【００５４】
次に、副蒸発器１７における作用を説明すると、図１１において、酸素濃度センサ冷却部９２を出た水は、集合排気ポート１６Ｂの水入口６５から水通路Ｗ１に流入して第１の系統と第２の系統とに分流する。図１１（Ａ）に示す第１の系統は、水通路Ｗ１のｆ部、ｇ部、継ぎ手６６、独立排気ポート１６Ａ（１）の水通路Ｗ２、継ぎ手６７、水通路Ｗ１のｈ部、ｉ部およびｊ部を経て水出口６８に達する経路を有する。一方、図１１（Ｂ）に示す第２の系統は、水通路Ｗ１のｆ部、ｇ部、ｋ部、ｍ部、ｎ部、ｏ部、継ぎ手６９、独立排気ポート１６Ａ（２）の水通路Ｗ２および水通路Ｗ１のｊ部を経て水出口６８に達する経路を有する。第１の系統は水通路Ｗ１の前半部分を短く後半部分を長く設定し、また第２の系統は水通路Ｗ１の前半部分を長く後半部分を短く設定しているので、両系統において水通路Ｗ１の全長を均一化して供給量を略等しくし、廃熱回収の不均衡を防止して熱交換効率を高めることができる。
【００５５】
図７〜図１０に示すように、２個の独立排気ポート１６Ａ（１），１６Ａ（２）に設けられた水通路Ｗ２の構造は同一であり、水入口５９から供給された水は対称面Ｐ１を挟むように分流し、ａ部、ｂ部、ｃ部、ｄ部およびｅ部を経て合流した後、水出口６０から排出される。
【００５６】
このように、副蒸発器１７は排気ガスが通過することで高温になる排気ポート１６の周囲を水通路Ｗ１，Ｗ２で囲んで構成されるので、排気ポート１６からシリンダヘッド２０を経て放散される排気ガスの熱を高温・高圧蒸気として効果的に回収することができる。特に、その水通路Ｗ１，Ｗ２に供給される水は供給ポンプ１５を出て酸素濃度センサ冷却部９２を通過しただけの比較的に低温の水であるため、排気ポート１６の周囲を効果的に冷却するとともに、高温・高圧蒸気を発生させて内燃機関Ｅの廃熱回収効果を高めることができる。また排気ガスの熱は排気バルブ３０を介して外部に逃げ易いが、内燃機関Ｅの要冷却部、つまり排気バルブ３０の傘部３０ａが接触する排気バルブシート２９および排気バルブ３０のステム３０ｂが接触する排気バルブガイド４０の近傍を低温の水で重点的に冷却することで、排気バルブ３０を介しての熱逃げを抑制して廃熱回収効果を一層高めることができるとともに、排気バルブ３０、排気バルブシート２９および排気バルブガイド４０等の熱膨張を抑制して寸法位置精度を維持し、各々の所望の機能を維持することができる。
【００５７】
副蒸発器１７を通過した水は連結パイプ１０６，１０６（図１７および図１８参照）から左右のヘッダー９６Ｌ，９６Ｒに設けた継ぎ手１０７，１０７（図２０参照）を経て、主蒸発器１１の第２排気ガス通路８８のパイプ部材９０，９０に合流する。このとき、前記合流部において主蒸発器１１側の水通路Ｗ３，Ｗ３を流れる水の温度と、副蒸発器１７から供給される水の温度とを略一致させることで、廃熱回収効果を更に高めることができる。上記水の温度の制御は、供給ポンプ１５を出た水を主蒸発器１１側および副蒸発器１７側に分流させる際に、その流量の比率を調整することにより可能である。
【００５８】
以上、本発明の実施例を詳述したが、本発明はその要旨を逸脱しない範囲で種々の設計変更を行うことが可能である。
【００５９】
例えば、実施例では熱交換器として蒸発器１１，１７を例示したが、本発明の熱交換器は蒸発器に限定されるものではない。
【００６０】
また実施例では熱媒として水を例示したが、本発明の熱媒は水に限定されるものではない。
【００６１】
また本発明のセンサは酸素濃度センサ９１に限定されず、排気ガスの状態を検出する任意のセンサを採用することができる。
【００６２】
【発明の効果】
以上のように請求項１に記載された発明によれば、低温の熱媒が別個に供給される第１熱交換器および第２熱交換器を備えた熱交換装置において、第１熱交換器の排気ガス通路は排気ガスの流れ方向の上流側が径方向内側に位置して下流側が径方向外側に位置するように配置されるので、高温の排気ガスが流れる上流側の排気ガス通路を低温の排気ガスが流れる下流側の排気ガス通路で覆って熱逃げを抑制することができ、しかも第１熱交換器の熱媒通路は熱媒の流れ方向が排気ガスの流れ方向に対向するように配置されるので、熱媒通路の全域に亘って熱媒と排気ガスとの温度差を確保して熱交換効率を高めることができる。また第２熱交換器は一側面が第１熱交換器の径方向内側部分に面して他側面が大気に面しているので、低温の熱媒が供給される第２熱交換器で第１熱交換器の高温となる径方向内側部分を覆って熱逃げを抑制することができ、しかも第１熱交換器の排気ガス通路を流れる排気ガスの状態を検出するセンサを第２熱交換器に設けたので、第１熱交換器からセンサを介して逃げる熱を第２熱交換器で効果的に回収することができる。
【００６３】
また請求項２に記載された発明によれば、第１熱交換器の内部に排気ガス浄化触媒を配置したので、第１熱交換器の内部を通過する排気ガスを浄化することができる。またセンサは酸素濃度センサであるので、排気ガス中の酸素濃度を検出することができる。
【００６４】
また請求項３に記載された発明によれば、第２熱交換器の熱媒通路の下流側を第１熱交換器の熱媒通路に接続したので、第１、第２熱交換器で回収した排気ガスの熱エネルギーを統合して出力することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】ランキンサイクル装置の全体構成を示す図
【図２】内燃機関のシリンダヘッドまわりの縦断面図
【図３】図２の３部拡大図
【図４】図２の４−４線矢視図
【図５】図４の５−５線断面図
【図６】図４の６−６線断面図
【図７】独立排気ポートの一部破断斜視図
【図８】図７の８方向矢視図
【図９】図８の９方向矢視図
【図１０】図８の１０方向矢視図
【図１１】集合排気ポートにおける水の流れ方向を示す模式図
【図１２】図２の要部拡大断面図
【図１３】図１２の１３−１３線矢視図
【図１４】図１２の１４方向矢視図
【図１５】図１２の１５−１５線断面図
【図１６】図１５の１６部拡大図
【図１７】図１４の１７−１７線断面図
【図１８】図１４の１８−１８線断面図
【図１９】図１４の１９−１９線断面図
【図２０】図１２の２０−２０線断面図
【図２１】図１２の２１−２１線断面図
【図２２】主蒸発器における水の流れ方向を示す図
【図２３】主蒸発器における排気ガスの流れ方向を示す図
【符号の説明】
１１ 主蒸発器（第１熱交換器）
８７ 第１排気ガス通路（排気ガス通路）
８８ 第２排気ガス通路（排気ガス通路）
８９ 第３排気ガス通路（排気ガス通路）
９１ 酸素濃度センサ（センサ）
９２ 酸素濃度センサ冷却部（第２熱交換器）
Ｅ 内燃機関
Ｗ３ 水通路（熱媒通路）
Ｗ４ 水通路（熱媒通路）
Claims (3)
- 内燃機関（Ｅ）の排気ガスと熱媒通路（Ｗ３）を流れる熱媒との間で熱交換を行う第１熱交換器（１１）と、第１熱交換器（１１）に隣接して配置された第２熱交換器（９２）とを備え、それら第１、第２熱交換器（１１，９２）に低温の熱媒が別個に供給される熱交換装置であって、
第１熱交換器（１１）の排気ガス通路（８７，８８，８９）は排気ガスの流れ方向の上流側が径方向内側に位置して下流側が径方向外側に位置するように配置されるとともに、第１熱交換器（１１）の熱媒通路（Ｗ３）は熱媒の流れ方向が排気ガスの流れ方向に対向するように配置され、
かつ第２熱交換器（９２）は一側面が第１熱交換器（１１）の径方向内側部分に面して他側面が大気に面しており、第１熱交換器（１１）の排気通路（８７，８８，８９）を流れる排気ガスの状態を検出するセンサ（９１）が第２熱交換器（９２）に設けたられることを特徴とする熱交換装置。 - 第１熱交換器（１１）の内部には排気ガス浄化触媒が配置され、センサは酸素濃度センサ（９１）であることを特徴とする、請求項１に記載の熱交換装置。
- 第２熱交換器（９２）の熱媒通路（Ｗ４）の下流側は第１熱交換器（１１）の熱媒通路（Ｗ３）に接続されることを特徴とする、請求項１または請求項２に記載の熱交換装置。
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