JP4582042B2 - 消音機能付き排気熱回収装置 - Google Patents

Description

本発明は、例えば自動車の車室内暖房用としてエンジンの排気熱を回収する場合などに利用され且つ排気音に対する消音機能を兼ね備えた消音機能付き排気熱回収装置に係る。特に、本発明は、消音機能及び排気熱回収機能の適正化を図るための対策に関する。

従来より、例えば下記の特許文献１に開示されているように、自動車用エンジンの排気ガスの熱を回収して車室内の暖房に供することが知られている。この場合、排気管の途中に排気熱回収装置（排熱回収器ともいう）を取り付けると共にエンジン冷却水が流れる冷却水配管を排気熱回収装置に接続する構成を採用している。これにより、排気熱回収装置の内部で排気ガスとエンジン冷却水との間で熱交換が行われ、このエンジン冷却水によって回収された排気熱が車室内の暖房に利用されることになる。また、エンジンの冷間時（例えばエンジンの始動初期時）に排気熱を回収して冷却水温度を急速に上昇させることでエンジンの暖機運転を早期に完了させることも行われている。

上述したように排気管の途中に排気熱回収装置を取り付ける場合、そのレイアウトが問題になる。つまり、排気管は、自動車のフロアパネルの下側に配設され、且つ消音器（マフラ）や触媒コンバータ等といった種々の機器が取り付けられている。そして、排気管に排気熱回収装置を取り付けようとすると、排気管の延長方向に沿って排気熱回収装置や消音器等を直列に配置する必要がある。この場合に、消音器の設置スペースを十分に確保できない可能性があり、消音器を小型化せねばならない状況では十分な消音性能が得られなくなってしまう。また、十分な大きさの排気熱回収装置や消音器を設けようとすると床下空間を大きく確保するためにフロアパネルの高さ位置を高くする必要があるが、これら機器が排気管の延長方向に沿って直列配置されていると、フロアパネルの略全体を高い位置に設定せねばならず車室内空間を十分に広く得ることが困難になってしまう。また、排気熱回収装置の配設位置としては、熱交換効率を高く得るために排気ガス温度の高い箇所、つまりエンジンに近い位置であることが好ましい。また、消音器の配設位置としても、消音すべき排気音の周波数帯によってはできるだけエンジンに近い位置であることが好ましい場合がある。ところが、排気熱回収装置と消音器とを直列配置するものでは、どちらかが排気管延長方向の下流側に位置することになり、最適な箇所への設置が困難になる。

これらの不具合を解消するため、例えば下記の特許文献２や特許文献３に開示されているように排気熱回収装置と消音器とを一体化することが提案されている。
実開平５−５６５１４号公報 実開平１−８５４１５号公報 特公平４−１９３６６号公報

ところで、上記排気熱回収装置の機能として、排熱回収動作を常時行うことは好ましくない。何故なら、上述した如く車室内の暖房時やエンジンの冷間時には排熱回収を行うことが有効であるが、車室内の暖房が必要ない場合やエンジンの暖機完了後に冷却水温度が高くなり過ぎるとエンジン本体の冷却性能が悪化してしまう可能性があるからであり、このような状況では排熱回収量を低減することが望まれる。つまり、排気熱回収装置としてはエンジンの運転状況などに応じて排熱回収量を調整可能にする構成が望まれている。

この要求を満たすものとして、排熱回収の必要が無くなった時点で、排気ガスが排気熱回収装置をバイパスして流れる構成とすることが考えられる。上記特許文献１では、排気熱回収装置をバイパスする配管を設けると共にこの配管の分岐部に切り換え弁を備えさせ、この切り換え弁の切り換え動作によって排熱回収量を変更可能にする構成が開示されている。

しかしながら、この特許文献１に開示されている排気熱回収装置は排熱回収専用の装置であって消音機能を備えたものではない。上述した如く排気熱回収装置及び消音器の設置スペース等を考慮してこれらを一体化した構成において、この特許文献１の如くバイパス配管によって排熱回収量を可変とした場合には、排熱回収量を低減させるべくバイパス配管を開放した際に、排気ガスは消音器をもバイパスして流れてしまうことになるため、消音機能を発揮できなくなる。つまり、排熱回収量を低減させる動作の開始に伴って排気音が大きくなってしまうといった不具合を招くことになる。

以上のように、「排気熱回収装置と消音器とを一体化してこれらの設置スペースの縮小化を図ること」と、「排熱回収が不要になった時点での排熱回収量を低減すること」と、「排熱回収量の調整に関わりなく消音機能を継続的に維持させること」といった各要求を連立する構成については未だ提案されていない。

本発明は、かかる点に鑑みてなされたものであり、その目的とするところは、上記各要求を連立することが可能な消音機能付き排気熱回収装置を提案することにある。

−課題の解決原理−
上記の目的を達成するために講じられた本発明の解決原理は、排熱回収部と消音部とが一体的に組み合わされた消音機能付き排気熱回収装置に対し、排熱回収部における排熱回収動作時と非排熱回収動作時とで、消音部における消音原理を異ならせ、非排熱回収動作時であって排気ガスが消音部を通過する状況である場合には勿論のこと、排熱回収動作時であって排気ガスが消音部を通過しない状況であっても消音機能を発揮できるようにしている。

−解決手段−
具体的に、本発明は、内燃機関の排気ガスの熱を熱回収媒体によって回収する排熱回収部と、排気音を消音する消音部とが一体的に組み合わされて成る消音機能付き排気熱回収装置を前提とする。この消音機能付き排気熱回収装置に対し、上記排熱回収部に、排気ガスが流れるガス流路を備えさせ、このガス流路を排気ガスが流れる間に排気ガスと熱回収媒体との間で熱交換を行うことによって排熱回収動作が行われるようにする。一方、上記消音部に、排気ガス流入口を有する比較的通路断面積の小さな小断面通路部と、この小断面通路部の下流側に配設され排気ガス流出口を有すると共に上記小断面通路部よりも通路断面積の大きな大断面通路部と、この大断面通路部の排気ガス流出口を開閉可能な開閉弁とを備えさせる。そして、上記開閉弁が大断面通路部の排気ガス流出口を閉鎖している状態では、排気ガスの大部分が排熱回収部のガス流路を流れて上記排熱回収動作が行われると共に、消音部では小断面通路部から大断面通路部に亘る空間によってヘルムホルツの共鳴原理による消音機能が発揮される一方、上記開閉弁が大断面通路部の排気ガス流出口を開放している状態では、排熱回収部のガス流路を流れる排気ガス量よりも消音部を流れる排気ガス量が多くなり、上記小断面通路部と大断面通路部との境界部分における流路の拡張による消音機能が発揮される構成としている。

この特定事項により、例えば車室内の暖房時や内燃機関の冷間時であって排気ガスの熱回収を行う必要がある場合には、開閉弁が大断面通路部の排気ガス流出口を閉鎖する。これにより、排気熱回収装置に流入した排気ガスの大部分は排熱回収部のガス流路を流れ、この排熱回収部において排気ガスと熱回収媒体との間で熱交換が行われることで排気熱が回収される。そして、この回収された熱が車室内暖房や内燃機関の暖機のために利用される。この場合、開閉弁によって大断面通路部の排気ガス流出口は閉鎖されているため、消音部には排気ガスが通過しないが、上記小断面通路部から大断面通路部に亘る空間によってヘルムホルツの共鳴原理による消音機能が発揮されることになる。つまり、この状態では、上記排熱回収部での排熱回収動作と消音部での消音動作とが並行されることになる。一方、車室内の暖房が必要ない場合や内燃機関の暖機完了後であって排気ガスの熱回収を行う必要がない場合には、開閉弁が大断面通路部の排気ガス流出口を開放する。これにより、排気熱回収装置に流入した排気ガスの大部分は消音部を通過することになる。つまり、排熱回収部における排気ガスの通過量が低減されることで排熱回収量も低減されることになる。また、排気ガスが消音部を通過する際、上記小断面通路部と大断面通路部との境界部分では流路が拡張されているためこの部分で消音機能が発揮される。つまり、この状態では、上記排熱回収部での排熱回収量を低減しながら消音部での消音動作が行われることになる。このように、本解決手段によれば、開閉弁の開閉動作によって排熱回収量を調整可能としながらも、この排熱回収量の調整動作に関わりなく消音機能を継続的に発揮させることが可能な消音機能付き排気熱回収装置が得られる。

上記の目的を達成するための他の解決手段としては以下のものも挙げられる。内燃機関の排気ガスの熱を熱回収媒体によって回収する排熱回収部と、排気音を消音する消音部とが一体的に組み合わされて成る消音機能付き排気熱回収装置を前提とする。この消音機能付き排気熱回収装置に対し、上記排熱回収部に、排気ガスが流れるガス流路を備えさせ、このガス流路を排気ガスが流れる間に排気ガスと熱回収媒体との間で熱交換を行うことによって排熱回収動作が行われるようにする。一方、上記消音部に、排気ガス流入口を有する比較的通路断面積の小さな小断面通路部と、この小断面通路部の下流側に配設され排気ガス流出口を有すると共に上記小断面通路部よりも通路断面積の大きな大断面通路部と、上記小断面通路部の通路途中に設けられてこの小断面通路部を開閉可能な開閉弁とを備えさせる。そして、上記開閉弁が小断面通路部を閉鎖している状態では、排気ガスの大部分が排熱回収部のガス流路を流れて上記排熱回収動作が行われると共に、消音部では小断面通路部の内部空間によって消音機能が発揮される一方、上記開閉弁が小断面通路部を開放している状態では、排熱回収部のガス流路を流れる排気ガス量よりも消音部を流れる排気ガス量が多くなり、上記小断面通路部と大断面通路部との境界部分における流路の拡張による消音機能が発揮される構成としている。

この特定事項によっても、上述した解決手段の場合と同様に、開閉弁の開閉動作によって排熱回収量を調整可能としながらも、この排熱回収量の調整動作に関わりなく消音機能を継続的に発揮させることが可能になる。特に、本解決手段の場合、開閉弁は小断面通路部の通路途中に設けられており、この開閉弁が小断面通路部を閉鎖している状態では、消音部における消音のための空間が比較的小さくなる。このため、比較的高周波数帯の排気音を効果的に消音することができる。

上記開閉弁を開閉させるための機構として具体的には以下のものが挙げられる。つまり、開閉弁に、付勢手段によって閉鎖方向への付勢力を付与し、排気ガスの圧力が付勢手段の付勢力よりも高まった場合に開閉弁が開放状態となる構成としている。

これは、内燃機関の冷間時に排熱回収動作を行い、暖機完了後に排熱回収動作を解除する場合に有効な構成である。つまり、上記冷間時には内燃機関はアイドリング状態で暖機運転される場合が多く、この際、内燃機関の回転数が比較的低いことから排気ガスの排出量も少なく排気圧も低くなっている。従って、排気圧が付勢手段の付勢力よりも低くなっており、開閉弁は閉鎖状態を維持する。この状態では上述した如く排気ガスの大部分が排熱回収部のガス流路を流れることになり、排熱回収量が大きいために内燃機関の暖機運転を早期に完了させることができる。一方、暖機完了後であって内燃機関が高速回転される状況になると排気ガスの排出量が多くなり排気圧も高くなる。従って、排気圧が付勢手段の付勢力よりも高くなり、開閉弁は開放状態となる。この状態では上述した如く排熱回収部における排気ガスの通過量が低減されることで排熱回収量も低減されることになる。従って、冷却水温度が高くなり過ぎることがなく、内燃機関本体の冷却性能を良好に確保できる。

上記各解決手段の適用形態として具体的には自動車用エンジンの排気ガスの熱を回収するものが挙げられる。具体的には、内燃機関が自動車用エンジンであり、熱回収媒体がエンジン冷却水である。そして、排熱回収部においてエンジン冷却水により回収した排気ガスの熱を車室内の暖房用として利用する構成としたものである。

この特定事項によれば、車室内の暖房要求時に開閉弁を閉鎖状態にして排熱回収量を増大させ車室内の暖房効果の促進を図ることができ、冬季等における車室内の快適性を高めることができる。

本発明では、排熱回収部と消音部とが一体的に組み合わされた消音機能付き排気熱回収装置に対し、排熱回収部における排熱回収動作時及び非排熱回収動作時共に消音部における消音効果を発揮させることができ、「排気熱回収機能と消音機能とを兼ね備えさせることによる装置の設置スペースの縮小化」、「排熱回収が不要になった時点での排熱回収量の低減化」、「排熱回収量の調整に関わりなく消音機能の継続的な維持」を連立することが可能になる。

以下、本発明の実施の形態を図面に基づいて説明する。本実施形態は、本発明を自動車用エンジンの排気熱回収装置として適用した場合について説明する。

（第１実施形態）
−冷却水循環経路−
図１は、本実施形態に係るエンジンにおける冷却水循環経路の概略を示す回路図である。この図１に示すように、冷却水循環経路には、ラジエータ１、サーモスタット２、ウォータポンプ３、ヒータコア４、本実施形態の特徴とする装置である排気熱回収装置５、これら各機器１，２，３，４，５を接続する配管及びホースＨ１，Ｈ２，Ｈ３，Ｈ４，Ｈ５，Ｈ６が備えられている。

具体的には、ラジエータ１のロアタンク１１とサーモスタット２とはロアホースＨ１によって接続されており、ウォータポンプ３の吐出口はエンジン本体Ｅに形成されたウォータジャケット６に連通している。このウォータジャケット６では、ウォータポンプ３からの冷却水（熱回収媒体）がシリンダブロック側のウォータジャケット６１を経た後、シリンダヘッド側のウォータジャケット６２に導入され、その後、取り出し管Ｈ２によってエンジン本体Ｅから取り出される。この取り出し管Ｈ２は分岐され、一方は導入ホースＨ３によって排気熱回収装置５に接続されている一方、他方がアッパホースＨ４によってラジエータ１のアッパタンク１２に接続されている。排気熱回収装置５とヒータコア４とはヒータ用導入ホースＨ５によって接続されており、ヒータコア４とウォータポンプ３の吸入側とはヒータ用排出ホースＨ６によって接続されている。

以下、この冷却水循環経路を構成している各機器の構成及び機能について簡単に説明する。

本実施形態におけるラジエータ１は、ダウンフロータイプのものであり、アッパタンク１２とロアタンク１１との間にラジエータコア１３が備えられている。これにより、エンジン本体ＥからアッパホースＨ４を経てアッパタンク１２に回収された冷却水がロアタンク１１に向けてラジエータコア１３の内部を流下する際に外気（走行風や冷却ファンの駆動による送風）との間で熱交換を行い、外気に放熱することで冷却水が冷却されるようになっている。また、上記アッパタンク１２にはラジエータキャップ１４が着脱自在に装着されている。このラジエータキャップ１４は、冷却水循環経路の内圧を大気圧以上に維持することにより冷却水の沸点を高くしてラジエータコア１３での熱交換効率を高める機能を有している。また、このラジエータキャップ１４は、冷却水循環経路への注水時や冷却水循環経路からのエア抜き作業時にはアッパタンク１２から取り外される。これにより、ラジエータ１の注水口が開放されて冷却水循環経路が大気に連通する。

サーモスタット２は、冷却水循環経路の水路を切り換えることによって冷却水の温度を調整するものであって、例えば内部に封入されたワックスの熱膨張を利用し、内装されたバルブが冷却水温度に応じて開閉される機構を備えている。そして、エンジン本体Ｅの冷間時、つまり冷却水温度が比較的低い場合には、サーモスタット２のバルブが閉鎖して、ラジエータ１のロアタンク１１とウォータポンプ３との間の水路を遮断し、ラジエータ１に冷却水を流さないことでエンジン本体Ｅの暖機運転の早期完了を図るようになっている。一方、エンジン本体Ｅの暖機完了後、つまり冷却水温度が比較的高い場合には、サーモスタット２のバルブが開放して、ラジエータ１のロアタンク１１とウォータポンプ３との間の水路を開放し、ラジエータ１に冷却水の一部を流すことでその冷却水が回収した熱をラジエータ１によって大気に放出するようにしている。

ウォータポンプ３は、冷却水循環経路内に水流を発生させるためのものであって、その駆動軸に備えられたウォータポンププーリとクランクシャフトプーリとの間に伝動ベルトが掛け渡されていることにより、クランクシャフトの回転力を受けて駆動するようになっている。

ヒータコア４は、冷却水の熱を利用して車室内を暖房するためのものであって、エアコンディショナの送風ダクトに臨んでいる。つまり、車室内の暖房時には送風ダクト内を流れる空調風をヒータコア４に通過させて温風として車室内に供給する一方、それ以外（例えば冷房時）では空調風がヒータコア４をバイパスするようになっている。

−排気熱回収装置５−
次に、本実施形態において特徴とする装置である排気熱回収装置５について説明する。図２は、この排気熱回収装置５の内部構造を示し、排気ガスの流通方向に沿って切断した縦断面図である。また、図３は、図２（ａ）においてIII−III線に対応した位置における断面図である。

これらの図に示すように、排気熱回収装置５は、略円筒形状の部材であって、その外周側に配設された排熱回収部５Ａと、この排熱回収部５Ａよりも内周側に配設された消音部５Ｂとを備え、これらが一体形成された構成となっている。以下、具体的に説明する。

この排気熱回収装置５は、外筒部材５１、中間筒部材５２、内筒部材５３の３つの部材により略三重管構造で構成されている。そして、外筒部材５１と中間筒部材５２との間の空間において上記排熱回収部５Ａが構成されていると共に、内筒部材５３によって消音部５Ｂが構成されている。

外筒部材５１は、排気ガス流通方向の中央部分が、比較的大径の円筒形状で成る本体部５１ａとなっている一方、排気ガス流通方向の両端部が、それぞれ排気管７に接続する導入側接続管部５１ｂ及び排出側接続管部５１ｃとして形成されている。つまり、エンジン本体Ｅから排出されて排気管７を流れてきた排気ガスは導入側接続管部５１ｂより排気熱回収装置５内に導入され、後述する排熱回収動作及び消音動作を経た後、排出側接続管部５１ｃから排気管７の下流側に向けて排出されることになる。

中間筒部材５２は、円筒形状の部材であり、その外周面と上記外筒部材５１の本体部５１ａの内周面との間に排熱回収空間（ガス流路）５４を形成している。そして、この中間筒部材５２には、一端が上記導入ホースＨ３に、他端がヒータ用導入ホースＨ５にそれぞれ接続する螺旋配管５５が巻き付けられている。この螺旋配管５５は、両端が上記外筒部材５１の本体部５１ａを貫通して排熱回収空間５４に配置されていると共に、排熱回収空間５４の内部にあっては外筒部材５１の本体部５１ａの内周面との間に所定間隔を存するように配設されている。つまり、この螺旋配管５５の管体の外径寸法は排熱回収空間５４の高さ寸法よりも僅かに小さく設定されている。このため、排熱回収部５Ａを排気ガスが流れる際には、この螺旋配管５５よりも外周側（外筒部材５１の内周面側）の空間（排熱回収空間５４）を流れる排気ガスと螺旋配管５５の内部を流れる冷却水との間で熱交換が行われ、排気ガスの熱が冷却水に与えられて排気ガスの温度が低下すると共に冷却水の温度が上昇することになる。また、この螺旋配管５５は、中間筒部材５２における排気ガス流通方向の一端から他端に亘って配設されており、その内部における冷却水の流通方向としては、排気熱回収装置５の排気ガス導入側が冷却水の入口側であり、排気熱回収装置５の排気ガス排出側が冷却水の出口側となるように、上記導入ホースＨ３及びヒータ用導入ホースＨ５が接続されている。

内筒部材５３は、上記中間筒部材５２の内周面に取り付けられた筒体で成り、排気ガス流通方向の上流側から小断面通路部５６及び大断面通路部５７が順に形成されている。小断面通路部５６は内部の通路断面積が上記排気管７の通路断面積よりも僅かに小径であって、その軸心方向の長さ寸法は内筒部材５３の全長の約１／４程度に設定されている。そして、この小断面通路部５６の排気ガス流通方向の上流端が消音部５Ｂの排気ガス流入口５６ａとして形成されている。一方、大断面通路部５７は内部の通路断面積が上記小断面通路部５６の通路断面積及び排気管７の通路断面積よりも大径であって、その軸心方向の長さ寸法は内筒部材５３の全長の約３／４程度に設定されている。そして、この大断面通路部５７の排気ガス流通方向の下流端が消音部５Ｂの排気ガス流出口５７ａとして形成されている。このようにして小断面通路部５６及び大断面通路部５７が形成されているため、この小断面通路部５６と大断面通路部５７との境界部分には段部Ａが形成され、小断面通路部５６から大断面通路部５７に亘って流路が拡張されている。

そして、上記大断面通路部５７には、排気ガス流出口５７ａを開閉可能とする開閉弁５８が備えられている。この開閉弁５８は、排気ガス流出口５７ａの開口形状に略一致する円板形状で成り、上記中間筒部材５２の内周面の上端部分に取り付けられた回動軸５８ａに支持されて水平軸回りに回動し、排気ガス流出口５７ａを開閉可能としている。また、この回動軸５８ａにはスプリングが巻き付けられており、このスプリングの付勢力によって開閉弁５８は排気ガス流出口５７ａを閉鎖する方向への付勢力が付与されている。従って、この開閉弁５８によって排気ガス流出口５７ａが閉鎖されている状態では、内筒部材５３の内部空間は一方側（排気ガス流通方向の上流側）のみが開放された空間となり、開閉弁５８によって排気ガス流出口５７ａが開放されている状態では、内筒部材５３の内部空間は上流側及び下流側共に開放された空間となる。

−冷却水循環動作、排熱回収動作、消音動作−
次に、冷却水の循環動作、排気熱回収装置５により行われる排熱回収動作及び消音動作について説明する。

先ず、エンジンの始動初期時等のような冷間時には、サーモスタット２が閉鎖され、図１（ａ）に矢印で示すように、ウォータポンプ３、ウォータジャケット６、取り出し管Ｈ２、導入ホースＨ３、排気熱回収装置５、ヒータ用導入ホースＨ５、ヒータコア４、ヒータ用排出ホースＨ６、ウォータポンプ３の順で冷却水が流れる循環動作が行われる。これにより、比較的少量の冷却水を、ラジエータ１をバイパスして循環させラジエータ１における放熱動作を行わせないことでエンジンの暖機を早期に完了させるようにする。

このようなエンジンの始動初期時には、エンジンはアイドリング状態で暖機運転される場合が多く、この際、エンジン回転数が比較的低いことから排気ガスの排出量も少なく排気圧も低くなっている。従って、上記開閉弁５８を閉方向に付勢しているスプリングの付勢力よりも排気圧は低くなっており、図２（ａ）に示すように、開閉弁５８は閉鎖状態を維持する。従って、排気熱回収装置５に流入した排気ガスの大部分は排熱回収部５Ａの排熱回収空間５４を流れ（図２（ａ）の矢印参照）、この排熱回収部５Ａにおいて排気ガスと螺旋配管５５内を流れる冷却水との間で熱交換が行われることで排熱が回収される。そして、この回収された熱が車室暖房やエンジン暖機のために利用される。

この場合、開閉弁５８によって大断面通路部５７の排気ガス流出口５７ａは閉鎖されているため、消音部５Ｂでは排気ガスが通過しないが、上記小断面通路部５６から大断面通路部５７に亘る空間によってヘルムホルツの共鳴原理による消音機能が発揮されることになる。この消音機能によって消音される排気音の周波数（ｆ）は以下の式により決定される。

ｆ＝（ｃ／２π）×（Ｓ／（Ｌ×Ｖ））^1/2 …（１）
ここで、ｃは音速、Ｓは小断面通路部５６の通路断面積、Ｌは小断面通路部５６の通路長さ、Ｖは大断面通路部５７の容積である。

このように開閉弁５８の閉鎖状態では小断面通路部５６から大断面通路部５７に亘る空間の形状によって消音される排気音の周波数が調整できるため、これら小断面通路部５６及び大断面通路部５７の形状は、排気音の出力レベルの高い周波数帯を消音できるように設計することが好ましい。

以上のように、開閉弁５８が閉鎖された状態では、排熱回収部５Ａでの排熱回収動作と消音部５Ｂでのヘルムホルツの共鳴原理による消音動作とが並行される。尚、上記排熱回収空間５４にあっては、流通する排気ガスが冷却水によって冷却されて排気ガス体積が縮小するため、これによっても消音効果が発揮されている。

一方、エンジンの暖機完了後には、サーモスタット２が開放され、図１（ｂ）に矢印で示すように、ラジエータ１、ロアホースＨ１、サーモスタット２、ウォータポンプ３、ウォータジャケット６、取り出し管Ｈ２の順で冷却水が流れる。そして、この取り出し管Ｈ２によりエンジン本体Ｅから取り出された冷却水は、導入ホースＨ３とアッパホースＨ４とに分流される。導入ホースＨ３に分流された冷却水は、排気熱回収装置５、ヒータ用導入ホースＨ５、ヒータコア４、ヒータ用排出ホースＨ６を経た後、ウォータポンプ３に吸入される。一方、アッパホースＨ４に分流された冷却水は、ラジエータ１に戻される。これにより、一部の冷却水の熱をラジエータ１によって大気に放出して冷却水を冷却し、エンジン本体Ｅを適温に維持することになる。

このようなエンジンの暖機完了後には、自動車の発進に伴ってエンジンが高速回転される状況になり、排気ガスの排出量が多くなり排気圧も高くなる。従って、上記開閉弁５８を閉方向に付勢しているスプリングの付勢力よりも排気圧は高くなり、図２（ｂ）に示すように、開閉弁５８は開放状態となる。従って、排気熱回収装置５に流入した排気ガスの大部分は消音部５Ｂを通過することになる（図２（ｂ）の矢印参照）。つまり、排熱回収部５Ａにおける排気ガスの通過量が低減されることで排熱回収量も低減されることになる。従って、冷却水温度が高くなり過ぎることがなく、エンジン本体Ｅの冷却性能を良好に確保できる。また、排気ガスが消音部５Ｂを通過する際、上記小断面通路部５６と大断面通路部５７との境界部分に形成されている段部Ａにおいて流路が拡張されているためこの部分で消音機能が発揮される。

以上のように、開閉弁５８が開放された状態では、排熱回収部５Ａでの排熱回収量を低減しながら消音部５Ｂでの消音動作が行われることになる。また、排気ガスの大部分が、上記排熱回収空間５４よりも通路断面積の大きな消音部５Ｂを流れることで、排気ガスの排出性能が向上し、エンジン出力を高く維持することもできる。

このように、本実施形態によれば、開閉弁５８の開閉動作によって排熱回収量を調整可能としながらも、この排熱回収量の調整動作に関わりなく消音機能を継続的に発揮させることが可能となり、「排気熱回収機能と消音機能とを兼ね備えた装置の設置スペースの縮小化」、「排熱回収が不要になった時点での排熱回収量の低減化」、「排熱回収量の調整に関わりなく消音機能の継続的な維持」を連立することが可能になる。

（第２実施形態）
次に、第２実施形態について説明する。本実施形態は、開閉弁５８の配設位置が上記第１実施形態のものと異なっており、その他の構成は第１実施形態と同様である。従って、ここでは第１実施形態との相違点についてのみ説明する。

図４は、本実施形態における図２相当図である。この図に示すように、本実施形態における消音部５Ｂの開閉弁５８は小断面通路部５６の通路途中に設けられており、この小断面通路部５６を開閉可能としている。

このような本実施形態の構成によっても、開閉弁５８の開閉動作によって排熱回収量を調整可能としながらも、この排熱回収量の調整動作に関わりなく消音機能を継続的に発揮させることが可能である。特に、本実施形態の場合、開閉弁５８が小断面通路部５６を閉鎖している状態では、消音部５Ｂにおける消音のための空間が上記第１実施形態の場合に比べて小さくなる。このため、比較的高周波数帯の排気音を効果的に消音することが可能になる。

（第３実施形態）
次に、第３実施形態について説明する。本実施形態は、上記第１実施形態の構成に対して、排熱回収が不要になった場合に排熱回収空間５４へ排気ガスを流さないようにするための構成を追加したものである。その他の構成は第１実施形態と同様である。従って、ここではこの追加した構成についてのみ説明する。

図５は、本実施形態における図２相当図である。この図に示すように、本実施形態では、中間筒部材５２の先端部（排気ガス流通方向の上流側端）に、排熱回収空間５４の上流側端を開閉自在とする複数枚の補助開閉弁５８ｂ，５８ｂが設けられている。この補助開閉弁５８ｂは中間筒部材５２の周方向に亘る複数箇所に形成されていると共にアクチュエータによって開放状態（図５（ａ）に示す状態）と閉鎖状態（図５（ｂ）に示す状態）とが切り換え可能となっている。

従って、エンジンの始動初期時等のような冷間時にあっては、補助開閉弁５８ｂが開放状態となり（図５（ａ）参照）、排熱回収空間５４を排気ガスが通過することで排気ガスと冷却水との間で熱交換が行われる。一方、エンジンの暖機完了後には、補助開閉弁５８ｂが閉鎖状態となり（図５（ｂ）参照）、排熱回収空間５４への排気ガスの流入を遮断することで排気熱回収が行われないようにする。これにより、冷却水温度が高くなり過ぎることが確実に回避できる。

−その他の実施形態−
以上説明した各実施形態は、本発明を自動車用エンジンの排気熱回収装置として適用した場合について説明した。本発明は、自動車用に限らず、その他の用途に使用されるエンジンの排気熱回収装置にも適用可能である。

また、上述した各実施形態では、排気圧に応じて開閉弁５８の開閉動作が行われるようにしたが、開閉弁５８を開閉させるためのアクチュエータを備えさせ、排熱回収動作と排熱非回収動作とを任意のタイミングで切り換え可能な構成としてもよい。

また、排熱回収部５Ａにおける排気ガスと冷却水とを熱交換させる構成としては上述した螺旋配管５５によるものには限定されない。例えば排熱回収空間５４に隣接して円筒形状の空間で成る冷却水槽を備えさせ、この冷却水槽を流れる冷却水と排熱回収空間５４を流れる排気ガスとの間で熱交換が行われる構成としてもよい。

更に、上記実施形態では、排気熱回収装置５の外周側に排熱回収部５Ａを配設し、その内周側に消音部５Ｂを配設するレイアウトとしたが、本発明はこれに限らず、排気熱回収装置５の軸線に対して一方側（例えば車体左側）に排熱回収部５Ａを配設し、他方側（例えば車体右側）に消音部５Ｂを互いに隣接して配設するレイアウト等、種々のものが採用可能である。

加えて、上記実施形態は、回収した排熱を車室内暖房用やエンジン暖機用の熱として利用するものであったが、この熱を他の用途に利用するものにも本発明は適用可能である。例えば回収した排熱エネルギを電気エネルギに変換して利用するものなどである。

冷却水循環経路の概略を示す回路図であって、図１（ａ）はエンジン冷間時の循環動作を、図１（ｂ）はエンジン暖機完了後の循環動作をそれぞれ示す図である。 第１実施形態における排気熱回収装置の内部構造を示し、図２（ａ）は開閉弁の閉鎖状態を、図２（ｂ）は開閉弁の開放状態をそれぞれ示す図である。 図２においてIII−III線に対応した位置における断面図である。 第２実施形態における排気熱回収装置の内部構造を示し、図４（ａ）は開閉弁の閉鎖状態を、図４（ｂ）は開閉弁の開放状態をそれぞれ示す図である。 第３実施形態における排気熱回収装置の内部構造を示し、図５（ａ）は開閉弁の閉鎖状態を、図５（ｂ）は開閉弁の開放状態をそれぞれ示す図である。

符号の説明

５ 排気熱回収装置
５Ａ 排熱回収部
５Ｂ 消音部
５４ 排熱回収空間（ガス流路）
５６ 小断面通路部
５６ａ 排気ガス流入口
５７ 大断面通路部
５７ａ 排気ガス流出口
５８ 開閉弁
Ｅ エンジン本体
Ａ 段部

Claims (4)

1. 内燃機関の排気ガスの熱を熱回収媒体によって回収する排熱回収部と、排気音を消音する消音部とが一体的に組み合わされて成る消音機能付き排気熱回収装置において、
   上記排熱回収部は、排気ガスが流れるガス流路を備えており、このガス流路を排気ガスが流れる間に排気ガスと熱回収媒体との間で熱交換を行うことによって排熱回収動作が行われるようになっている一方、
   上記消音部は、排気ガス流入口を有する比較的通路断面積の小さな小断面通路部と、この小断面通路部の下流側に配設され排気ガス流出口を有すると共に上記小断面通路部よりも通路断面積の大きな大断面通路部と、この大断面通路部の排気ガス流出口を開閉可能な開閉弁とを備えており、
   上記開閉弁が大断面通路部の排気ガス流出口を閉鎖している状態では、排気ガスの大部分が排熱回収部のガス流路を流れて上記排熱回収動作が行われると共に、消音部では小断面通路部から大断面通路部に亘る空間によってヘルムホルツの共鳴原理による消音機能が発揮される一方、
   上記開閉弁が大断面通路部の排気ガス流出口を開放している状態では、排熱回収部のガス流路を流れる排気ガス量よりも消音部を流れる排気ガス量が多くなり、上記小断面通路部と大断面通路部との境界部分における流路の拡張による消音機能が発揮される構成となっていることを特徴とする消音機能付き排気熱回収装置。
2. 内燃機関の排気ガスの熱を熱回収媒体によって回収する排熱回収部と、排気音を消音する消音部とが一体的に組み合わされて成る消音機能付き排気熱回収装置において、
   上記排熱回収部は、排気ガスが流れるガス流路を備えており、このガス流路を排気ガスが流れる間に排気ガスと熱回収媒体との間で熱交換を行うことによって排熱回収動作が行われるようになっている一方、
   上記消音部は、排気ガス流入口を有する比較的通路断面積の小さな小断面通路部と、この小断面通路部の下流側に配設され排気ガス流出口を有すると共に上記小断面通路部よりも通路断面積の大きな大断面通路部と、上記小断面通路部の通路途中に設けられてこの小断面通路部を開閉可能な開閉弁とを備えており、
   上記開閉弁が小断面通路部を閉鎖している状態では、排気ガスの大部分が排熱回収部のガス流路を流れて上記排熱回収動作が行われると共に、消音部では小断面通路部の内部空間によって消音機能が発揮される一方、
   上記開閉弁が小断面通路部を開放している状態では、排熱回収部のガス流路を流れる排気ガス量よりも消音部を流れる排気ガス量が多くなり、上記小断面通路部と大断面通路部との境界部分における流路の拡張による消音機能が発揮される構成となっていることを特徴とする消音機能付き排気熱回収装置。
3. 上記請求項１または２記載の消音機能付き排気熱回収装置において、
   開閉弁は、付勢手段によって閉鎖方向への付勢力が付与されており、排気ガスの圧力が付勢手段の付勢力よりも高まった場合に開放状態となるよう構成されていることを特徴とする消音機能付き排気熱回収装置。
4. 上記請求項１、２または３記載の消音機能付き排気熱回収装置において、
   内燃機関は自動車用エンジンであり、熱回収媒体はエンジン冷却水であって、排熱回収部においてエンジン冷却水により回収した排気ガスの熱は車室内の暖房用として利用されるものであることを特徴とする消音機能付き排気熱回収装置。

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