JP5381323B2 - 排熱回収装置 - Google Patents

Description

本発明は、内燃機関の排気熱を利用して自動車等の車両における適宜の加熱対象の昇温を促進可能にする排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、触媒の暖機（活性化）を促進させるためや、内燃機関の暖機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１〜３参照。）。

特許文献１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、凝縮部の内部空間の容積を一定に設定している。

特許文献２に係る従来例は、複数のヒートパイプ１１０の下半分を内燃機関の排気通路に配置して蒸発部（受熱部に相当）１１０Ａとし、複数のヒートパイプ１１０の上半分を内燃機関の冷却水通路に配置して凝縮部（放熱部に相当）１１０Ｂとし、ヒートパイプ１１０の凝縮部１１０Ｂ側にサーモスタット１１３によって昇降される弁体１１２を設けるようにした構成が開示されている。

この従来例の動作としては、段落００４０〜００４３に示されているように、エンジン始動後、冷却水温度が所定温度に達するまで、弁体１１２の外周が弁座１１１ｂから離れた状態になり、凝縮部１１０Ｂ内の凝縮水がヒートパイプ１１０の内壁面１１１ａに沿って蒸発部１１０Ａに戻る。一方、冷却水温度が所定温度以上になると、サーモスタット１１３によって弁体１１２が下降されて弁座１１１ｂに着座した状態になり、凝縮部１１０Ｂ内の凝縮水が蒸発部１１０Ａに還流されなくなって、冷却水の加熱が停止される。

特許文献３に係る従来例は、複数のヒートパイプ１１０の下半分を内燃機関の排気通路に配置して蒸発部（受熱部に相当）１１０Ａとし、複数のヒートパイプ１１０の上半分を内燃機関の冷却水通路に配置して凝縮部（放熱部に相当）１１０Ｂとし、各ヒートパイプ１１０の蒸発部１１０Ａの下端を連通タンク１４０で連通し、この連通タンク１４０の一端に、媒体収容量を変更可能とする媒体容器１３０を設けるようにした構成が開示されている。

この従来例の動作としては、段落００３９に示されているように、排気ガス温度が高い場合にヒートパイプ１１０内の圧力が上昇し、ベローズ１３１を伸長させて媒体容器１３０の媒体収容量を増大するので、ヒートパイプ１１０内の水量が減少し、熱輸送能力が低下する。一方、排気ガス温度が低い場合にはヒートパイプ１１０内の圧力が低下し、ベローズ１３１が収縮して媒体容器１３０の媒体収容量が減少するので、ヒートパイプ１１０内の水量が増加し、熱輸送能力が増加する。

特開２００８−１４３０４号公報 特開２００６−３１７０１３号公報 特開２００６−２９２３３７号公報

特許文献１に係る従来例のように、凝縮部（放熱部に相当）の内部空間の容積を一定にしている場合、次のような点で改良の余地がある。

まず、凝縮部による加熱対象との熱交換能力を高めるために凝縮部の内部空間の容積を大きく設定すると、例えば内燃機関を冷間始動した場合、蒸発部（受熱部に相当）での流体の蒸発量が少ないので、蒸発部から凝縮部へ十分な量の蒸気を送れなくなり、凝縮部の熱交換能力の立ち上がりに時間がかかる。そこで、蒸発部から凝縮部への流体移送路の断面積を大きくして蒸気の移送量を多くさせようとすると、この蒸気が前記流体移送路の内壁面に摩擦して当該蒸気の熱が奪われることになるために、逆に蒸発部から凝縮部への熱輸送能力が低下しやすくなって、加熱対象を昇温させるのに時間がかかる結果となる。

これに対し、前記凝縮部の容積を小さく設定すると、例えば内燃機関を冷間始動した場合、蒸発部（受熱部に相当）での流体の蒸発量が少ないものの、凝縮部で凝縮されずに蒸発部に通過する量が多くなるので、蒸発部と凝縮部との間の熱循環経路内に蒸気が溜まりやすくなり、蒸発部による熱回収を効率良く行える状態に早期に立ち上げることが可能になる。しかしながら、当然ながら、凝縮部の容積が小さいことに起因して凝縮部による熱交換能力が不足するために、加熱対象を昇温させるのに時間がかかる。このように、凝縮部の容積の設定が困難であった。

特許文献２に係る従来例では、凝縮部（放熱部に相当）１１０Ｂから蒸発部（受熱部に相当）１１０Ａへの凝縮水の還流を許容する状態や阻止する状態に切り替えることで、加熱対象となる冷却水の加熱を実行可能にしたり停止したりするようになっているが、凝縮部１１０Ｂの熱交換能力を調整するという技術思想は伺えない。

特許文献３に係る従来例には、排気ガスの温度に応じて蒸発部（受熱部に相当）１１０Ａ内の媒体の収容量を変更することで、蒸発部１１０Ａから凝縮部１１０Ｂへの熱輸送能力を変更させるようにしている。しかしながら、この従来例には、本発明のように、熱回収を効率良く行える状態に早期に立ち上げてから放熱部による熱交換能力を高める状態に移行させるという技術思想についての開示や示唆はない。そのため、当然ながら、この従来例には、前記技術思想を具現化するために凝縮部の内部空間の容積を変更可能にするという構成についての記載もない。

このような事情に鑑み、本発明は、内燃機関の排気通路に設けられかつ内部の流体を排気熱で蒸発させるための受熱部と、この受熱部で蒸発された流体を受け入れて当該流体と加熱対象との間で熱交換させるための放熱部とを含むループ式ヒートパイプ構造の排熱回収装置において、受熱部による熱回収を効率良く行える状態に早期に立ち上げてから放熱部による熱交換能力を高める状態に移行させることにより、加熱対象を速やかに昇温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設けられかつ内部の流体を排気熱で蒸発させるための受熱部と、この受熱部で蒸発された流体を受け入れて当該流体と前記排気通路に設けられる触媒との間で熱交換させるための放熱部と、前記受熱部から前記放熱部へ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構造の排熱回収装置であって、前記放熱部は、前記触媒を包囲するように設けられるケースを有し、この放熱部には前記ケースの内部空間の容積を変更することによって前記触媒との熱交換能力を調整するための調整機構が設けられており、前記調整機構は、前記ケースの内部空間に前記触媒の排気流れ方向に沿ってスライド可能に設置されかつ前記内部空間の容積を変更するための区画部材と、この区画部材を適宜の初期位置に配置するための弾性力を発生する弾性体とを備え、前記移送路は、前記放熱部のケースにおいて前記触媒の排気流れ方向の下流側に位置する下流側壁面に連通連結され、前記区画部材には、前記ケースの下流側壁面に対する前記移送路の連通部を開閉するための弁体が設けられ、前記調整機構は、前記区画部材を必要に応じて強制的にスライドさせるための駆動装置をさらに備える、ことを特徴としている。

この構成では、例えば受熱部による熱回収の開始時に前記放熱部のケースの内部空間容積を小さくすれば、放熱部による触媒との熱交換能力が低くなるから、この放熱部内の気相状流体が凝縮されずに受熱部へ通過する量が多くなる。これにより、受熱部内で蒸発された気相状流体を、受熱部と放熱部との熱循環経路内に速やかに満たすことが可能になるので、受熱部による熱回収を効率良く行える状態に早期に立ち上げることが可能になる。

このように熱循環経路内に気相状流体を満たした後で、放熱部のケース内の空間容積を大きくすれば、放熱部による前記触媒との熱交換能力が高くなるから、前記触媒の昇温が促進されるようになる。しかも、この段階では、熱循環経路内に多量の気相状流体が存在する状態になっているから、受熱部から放熱部への気相状流体の移動が緩やかになり、流体の移送経路の内壁面に対する流体の摩擦に伴う熱の損失が抑制されることになる。このことによっても、熱輸送が効率良く行えるようになる。

このように、受熱部による熱回収を効率良く行える状態に早期に立ち上げてから、放熱部による熱交換能力を高める状態に移行させることが可能になり、それによって、前記触媒を速やかに昇温させることが可能になる。

また、前記構成では、受熱部で蒸発された気相状流体が移送路を経て放熱部のケースの下流側壁面側からケース内に導入されることになる。その際、ケース内に導入される気相状流体の圧力が区画部材に作用する。この気相状流体の圧力が弾性体の弾性力を上回るまでは区画部材は不動となってケースの内部空間の容積が初期設定のまま保持される。しかし、前記ケース内に導入される気相状流体の圧力が弾性体の弾性力を上回ると、区画部材がケースの上流側壁面寄りへ徐々にスライドされることになって、ケースの内部空間の容積が徐々に増えるようになる。

このように、受熱部による熱回収量の増加つまり流体の蒸発量の増加に伴い、自動的にケースの内部空間の容積を大きくさせるように構成しているので、区画部材のスライド動作を電気的に制御するための装置を用いる場合に比べて構成簡素化、低コスト化を図るうえで有利となる。

さらに、前記構成では、例えば駆動装置で区画部材をケースの下流側壁面寄りへスライドさせることによって、この区画部材に設けている弁体で前記連通部を閉塞させることが可能になる。これにより、受熱部で蒸発された気相状流体が放熱部に導入されなくなるので、前記触媒の加熱が停止されることになる。

ここで、例えば、前記触媒が目標温度にまで昇温した場合に、前記のような形態で区画部材をスライドさせて弁体で連通部を閉塞させれば、前記触媒の加熱を停止させることができるので、前記触媒が必要以上に昇温することを防げるようになる。

好ましくは、本発明の排熱回収装置は、前記受熱部から前記放熱部へ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流体を戻すための還流路とをさらに含み、前記放熱部のケース内には、前記触媒の排気流れ方向に複数の部屋を隣り合わせに作るための区画壁が設けられ、前記移送路において流体送り方向下流側は、前記部屋数と同数に分岐されて前記ケースの各部屋に個別に連通連結され、前記調整機構は、前記移送路の分岐により得られる複数の支流部のうちの１つを除く残りに設けられる弁装置を有する。

ここで、移送路の分岐によって得られる複数の支流部における１つを除く残りに弁装置を設置する場合、例えば受熱部による熱回収の開始時に前記弁装置を閉塞させると、受熱部内で蒸発される気相状流体が前記弁装置を設けていない１つの支流部から放熱部の１つの部屋のみに導入されるようになる。これはつまり、放熱部による熱交換能力が低くなるということであるから、放熱部に導入された気相状の流体が凝縮されずに受熱部へ通過する量が多くなる。

これにより、受熱部内で蒸発された気相状流体を、受熱部と放熱部との熱循環経路内に速やかに満たすことが可能になるので、受熱部による熱回収を効率良く行える状態に早期に立ち上げることが可能になる。

このように熱循環経路内に気相状の流体を満たした後で、前記弁装置を開放させると、受熱部内で蒸発される気相状流体がすべての支流部から放熱部のすべての部屋内に導入されるようになる。これはつまり、放熱部による熱交換能力が高くなるということであるから、加熱対象の昇温が促進されるようになる。しかも、この段階では、受熱部と放熱部との熱循環経路内に多量の気相状流体が存在する状態になっているから、受熱部から放熱部への気相状流体の移動が緩やかになり、流体の移送経路の内壁面に対する流体の摩擦に伴う熱の損失が抑制されることになる。このことによっても、熱輸送が効率良く行えるようになる。

このように、受熱部による熱回収を効率良く行える状態に早期に立ち上げてから、放熱部による熱交換能力を高める状態に移行させることが可能になり、それによって、加熱対象を速やかに昇温させることが可能になる。

なお、移送路の分岐によって得られる複数の支流部すべてに弁装置を設置する場合、例えば受熱部による熱回収の開始時にいずれか１つの弁装置以外の残りの弁装置を閉塞させると、受熱部内で蒸発される気相状流体がいずれか１つの支流部から放熱部のいずれか１つの部屋のみに導入されるようになる。これはつまり、放熱部による熱交換能力が低くなるということであるから、放熱部に導入された気相状の流体が凝縮されずに受熱部へ通過する量が多くなる。

これにより、受熱部内で蒸発された気相状流体を、受熱部と放熱部との熱循環経路内に速やかに満たすことが可能になるので、受熱部による熱回収を効率良く行える状態に早期に立ち上げることが可能になる。この後は、さらに前記閉塞している弁装置を開放させることにより、気相状流体をすべての支流部から放熱部のすべての部屋に導入させるようにすれば、放熱部による熱交換能力が高くなる。

好ましくは、前記弁装置は、予め設定される作動条件に従い自動的に開度を制御する自己作動タイプとされ、かつ、前記受熱部から放熱部へ移送される高温の流体の圧力が規定値未満の場合に閉じて、前記規定値以上の場合に開くものとされる。

ここでは、弁装置を自動的に開閉する構成にしているので、弁装置の開閉動作を電気的に制御するための装置を用いる場合に比べて構成簡素化、低コスト化を図るうえで有利となる。

本発明に係る排熱回収装置によれば、受熱部による熱回収を効率良く行える状態に早期に立ち上げてから放熱部による熱交換能力を高める状態に移行させることにより、加熱対象を速やかに昇温させることが可能になる。

本発明に係る排熱回収装置の一実施形態を示す概略構成図である。 図１の排熱回収装置の具体構成を示す断面図であり、放熱部内の空間容積を略半分にした初期状態を示している。 図２の（３）−（３）線断面の矢視図である。 図２の調整機構により放熱部内の空間容積を最大にした状態を示す断面図である。 図２の調整機構により移送路から放熱部への流体導入を遮断した状態を示す断面図である。 本発明に係る排熱回収装置の他実施形態を示す概略構成図である。 図６において放熱部内の空間容積を略半分にした初期状態を示す断面図である。 図６において放熱部内の空間容積を最大にした状態を示す断面図である。 本発明に係る排熱回収装置のさらに他実施形態を示す概略構成図であり、調整機構の初期状態を示している。 図９において放熱部内の空間容積を最大にした状態を示す断面図である。

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５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熱回収装置を例に挙げている。

図１を参照して、排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る。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、エキゾーストマニホールド２と排気管４との適度な揺動を許容するとともに、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ように機能する。

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、前記の冷却水の熱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とでヒータユニット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、排熱回収装置２０が付設されている。

この排熱回収装置２０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上流側触媒５に伝達することにより上流側触媒５の昇温を促進させる形態としたもので、主として、受熱部２１、放熱部２２、移送路２３、還流路２４を含んだループ式ヒートパイプ構造になっている。

なお、ループ式ヒートパイプ構造の排熱回収装置２０とは、受熱部２１と放熱部２２との間で流体を相転移させながら循環させることによって、排気熱の回収と放熱とを繰り返すようなもののことである。

図示例の排熱回収装置２０は、受熱部２１と放熱部２２とを離隔して配置したセパレートタイプとされている。

この排熱回収装置２０の内部は、真空状態とされていて、そこに適量の流体が封入されている。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、排気熱回収装置１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、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、排熱回収装置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。

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相状の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回収する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２に示すように、上部タンク２１ａと下部タンク２１ｂとを複数の流体通路２１ｃ・・・で連通させて、隣り合う各流体通路２１ｃの対向間の排気通路２１ｄに、多数のフィン２１ｅ・・・を設けた構成になっている。このフィン２１ｅは、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２１ｅ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。

なお、上部タンク２１ａは、主に蒸発された気相状の流体が集められるので、高温側タンクとなる。下部タンク２１ｂは、主に凝縮された液相状の流体が集められるので、低温側タンクとなる。

放熱部２２は、加熱対象となる上流側触媒５に付設されており、受熱部２１で蒸気とされた流体を受け取って、この流体の熱を上流側触媒５に伝達させるものであり、流体は熱伝達に伴い凝縮されて受熱部２１に戻される。この放熱部２２の構成は後で詳細に説明する。

移送路２３は、受熱部２１の上部タンク２１ａと放熱部２２の内部空間とを連通連結するための配管で、受熱部２１で蒸発された気相状の流体を放熱部２２へ移送するものである。

還流路２４は、放熱部２２の内部空間と受熱部２１の下部タンク２１ｂとを連通連結するための配管で、放熱部２２で凝縮された液相状の流体を受熱部２１へ戻すものである。この還流路２４は、放熱部２２で凝縮された液相状の流体を受熱部２１へ戻しやすくするために適宜の下り勾配がつけられている。

次に、内燃機関１の動作に関連した排熱回収装置２０の基本的な動作について、まず簡単に説明する。

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。

この暖機運転中に排熱回収装置２０でさらに上流側触媒５を加熱することにより上流側触媒５の活性化を促進させるようにする。

この排熱回収装置２０の基本的な動作について説明する。

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内の液相状の流体が排気ガスの熱により加熱されて、蒸発されることになる。

この蒸発された気相状の流体が、移送路２３を経て放熱部２２に移送される。この放熱部２２に送り込まれた気相状の流体の熱は、上流側触媒５に伝達される。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うえ、前記気相状の流体で外側から加熱されるので、上流側触媒５の昇温が促進されることになって早期に活性化されることになる。なお、下流側触媒６は、上流側触媒５で浄化されることに伴い高温化する排気ガスによって昇温するようになる。

この放熱部２２内に導入された高温の気相状の流体と上流側触媒５との間の熱交換に伴い、放熱部２２内の気相状の流体が凝縮されて液相状となる。この液相状の流体は、還流路２４から受熱部２１に戻される。以降、受熱部２１と放熱部２２との間を流体が相転移しながら循環されることによって、上流側触媒５が加熱される。

次に、図２を参照して、放熱部２２の構成を詳細に説明する。放熱部２２は、加熱対象としての上流側触媒５を包囲するような円形のケース２２ａを有している。このケース２２ａにおいて上流側触媒５の排気流れ方向の下流側に位置する下流側壁面２２ｂには、移送路２３が連通連結されている。また、ケース２２ａの外周壁の下側には、還流路２４が連通連結されている。ケース２２ａと上流側触媒５との対向環状空間が、ケース２２ａの内部空間となる。

この放熱部２２には、下記する調整機構が設けられている。この調整機構は、要するに、ケース２２ａの内部空間つまりケース２２ａと上流側触媒５との対向環状空間の容積を変更することによって、放熱部２２による熱交換能力つまり放熱部２２による加熱能力を調整するものである。

この調整機構は、主として、区画部材としてのスライドプレート３２と、弾性体３３と、スライドプレート３２を強制的にスライドさせるための駆動装置３４とを含む構成になっている。

スライドプレート３２は、放熱部２２のケース２２ａ内に、上流側触媒５の排気流れ方向に沿ってスライド可能に設置されている。このスライドプレート３２は、この実施形態において、ケース２２ａと上流側触媒５との対向環状空間の断面形状に略合致するような円環状の板とされており、その停止位置によってケース２２ａの内部空間の容積を変更することができる。このスライドプレート３２の一側面の所定位置には、前記したケース２２ａと移送路２３との連通部２６を開閉するための弁体３５が設けられている。

弾性体３３は、スライドプレート３２を図２に示す初期位置に配置させるものであって、例えば円筒形状のコイルスプリング等とされる。この弾性体３３の一端は、スライドプレート３２に取り付けられ、弾性体３３の他端は、上流側触媒５のハウジング等に取り付けられている。この初期位置は、この実施形態において、ケース２２ａと上流側触媒５との対向環状空間の容積を略半分とする位置、つまり排気流れ方向の中央位置に設定されている。なお、このようにスライドプレート３２を初期位置に配置するときの弾性体３３は、圧縮も伸張もしていない自然な状態になっている。

駆動装置３４は、必要に応じてスライドプレート３２を強制的にスライドさせるものであって、駆動源３６と、操作部材３７と、制御装置３８とを含んで構成されている。

駆動源３６は、例えば直線的な往復推進力つまり直線駆動力を発生するものであって、例えば直線駆動力を直接発生する直動シリンダとされている。この他、駆動源３６は、例えば回転動力を発生するモータと、前記回転動力を直線駆動力に変換する変換機構とを組み合わせた構成等とすることができる。

操作部材３７は、駆動源３６で発生する直線駆動力をスライドプレート３２に伝達するものであって、例えば図２に示しているように複数本の真っ直ぐな棒を組み合わせたような構成とされている。

制御装置３８は、一般的に公知のＥＣＵ（Electronic Control Unit）とされ、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）等を含んだ構成になっている。

この制御装置３８は、上流側触媒５において排気流れ方向の下流側に設置される温度センサ３９からの検出出力に基づいて上流側触媒５の触媒床温度を検知し、この検知結果が判定基準値以上である場合に、上流側触媒５の暖機が完了していると判断して、受熱部２１から放熱部２２への流体移送を停止させる処理を行う。

この処理としては、駆動源３６を作動させることにより、スライドプレート３２をケース２２ａの下流側壁面２２ｂ側へスライドさせて、このスライドプレート３２に設けている弁体３５をケース２２ａと移送路２３との連通部２６に嵌入させることにより、当該連通部２６を閉塞させる形態とされている。

次に、前記した構成の調整機構の動作について説明する。

まず、内燃機関１の冷間始動時には、２つの触媒５，６の温度が低く、排熱回収装置２０の閉ループ内に蒸気が存在していないとする。そのため、調整機構のスライドプレート３２は、弾性体３３の弾性復元力により図２に示す初期位置つまり中央位置に配置されているものとする。なお、このときの弾性体３３は、圧縮も伸張もしていない自然な状態になっている。この場合、ケース２２ａと上流側触媒５との対向環状空間の容積が略半分になる。

ここで、下流側触媒６を通過した排気ガスの熱を受熱部２１が回収することにより、受熱部２１内に存在する液相状の流体が蒸発されることになって、この蒸発されて高温となった気相状の流体が移送路２３を経て放熱部２２に順次導入されるようになる。

この熱回収の初期には、受熱部２１内に存在している流体の温度が低く、かつ受熱部２１と放熱部２２との熱循環経路内に存在する蒸気の量が少ないが、放熱部２２と上流側触媒５との対向環状空間の容積が最大時の略半分になっていて、放熱部２２による熱交換能力が略半減している。

これにより、放熱部２２内の気相状流体が凝縮されずに受熱部２１へ通過する量が多くなる。言い換えれば、放熱部２２から受熱部２１への液相状流体の還流量が少なくなるので、高温の気相状流体が受熱部２１と放熱部２２との熱循環経路内に速やかに満たされることになって、受熱部２１内の雰囲気温度が高温になるので、この受熱部２１による熱回収が効率良く行えるようになる。

こうして受熱部２１による熱回収量つまり受熱部２１内での液相状流体の蒸発量が増加することに伴い、放熱部２２に作用する圧力が徐々に高くなる。この圧力が弾性体３３の弾性力に打ち勝つと、スライドプレート３２がケース２２ａの上流側壁面２２ｃ側に徐々にスライドされて、ケース２２ａと上流側触媒５との対向環状空間の容積が徐々に増加することになる。

これで、例えば図４に示すように、スライドプレート３２が弾性体３３を圧縮させて上流側壁面２２ｃに最も近寄った位置に到達すると、ケース２２ａと上流側触媒５との対向環状空間の容積が最大になり、放熱部２２によるの熱交換能力が最大になる。そのために、上流側触媒５の昇温が促進されることになる。しかも、この段階では、受熱部２１と放熱部２２との熱循環経路内に多量の気相状流体が存在する状態になっているから、受熱部２１から放熱部２２への気相状流体の移動が緩やかになり、移送路２３の内壁面に対する流体の摩擦に伴う熱の損失が抑制されることになる。このことによっても、熱輸送が効率良く行えるようになる。

このように、受熱部２１による熱回収を効率良く行える状態に早期に立ち上げてから放熱部２２による熱交換能力を高める状態に移行させているので、上流側触媒５の暖機を速やかに完了することが可能になる。

ところで、例えば上流側触媒５の暖機が完了した場合、例えば温度センサ３９からの出力に基づいて上流側触媒５の温度が所定の判定基準値以上になったことを制御装置３８が認識した場合には、この制御装置３８が駆動装置３６の駆動源３７を制御してスライドプレート３２をケース２２ａの下流側壁面２２ｂへ向けてスライドさせることにより、図５に示すように、スライドプレート３２の弁体３５を放熱部２２のケース２２ａと移送路２３との連通部２６に嵌入させて当該連通部２６を閉塞させる。

これにより、受熱部２１で蒸発された流体が放熱部２２に導入できなくなる。そのため、放熱部２２による上流側触媒５の加熱が停止され、放熱部２２と受熱部２１との間における熱循環が停止されることになる。しかも、弁体３５で連通部２６を閉塞すると、受熱部２１内で蒸発された高温の気相状流体が放熱部２２へ流入されなくなるので、放熱部２２による上流側触媒５の加熱を速やかに停止させることが可能になり、上流側触媒５が過剰に昇温することを防止できるようになる。

なお、前記判定基準値は、上流側触媒５の活性化温度（例えば４００℃）に基づいて適宜のマージンを見込んだ値に設定される。

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構造の排熱回収装置２０において、受熱部２１による熱回収を効率良く行える状態に早期に立ち上げてから放熱部２２による熱交換能力を高める状態に移行させることが可能になる。これにより、上流側触媒５の暖機を速やかに完了することが可能になって、内燃機関１の冷間始動時におけるエミッション低減を図るうえで有利となる。さらに、上流側触媒５の過剰昇温時には排熱回収装置２０による上流側触媒５の加熱を即座に停止して上流側触媒５の機能低下を回避することが可能になる。

次に、図６から図８を参照して、本発明の他の実施形態を説明する。この実施形態では、調整機構において放熱部２２の容積を変更するための具体構成が上記実施形態と相違している。

具体的に、放熱部２２のケース２２ａ内には、区画壁２２ｄが設けられている。この区画壁２２ｄは、ケース２２ａ内において排気流れ方向中央に設置されており、それによってケース２２ａと上流側触媒５との対向環状空間を２つの部屋２２Ａ，２２Ｂに仕切るようになっている。この２つの部屋２２Ａ，２２Ｂの容積は、略同じに設定されている。

このようにケース２２ａの外周壁において２つの部屋２２Ａ，２２Ｂの天井に相当する位置には、２つの導入口が設けられており、また、ケース２２ａの外周壁において２つの部屋２２Ａ，２２Ｂの底に相当する位置には、２つの排出口が設けられている。

移送路２３において流体送り方向下流側は、前記部屋数と同数、つまり二股に分岐されている。この移送路２３の第１、第２の支流部２３ａ，２３ｂは、前記２つの導入口に個別に連通連結されている。

また、還流路２４において流体送り方向上流側は、前記部屋数と同数、つまり二股に分岐されている。この還流路２４の第１、第２の支流部２４ａ，２４ｂは、前記２つの排出口に個別に連通連結されている。

そして、移送路２３における第２の支流部２４ｂには、弁装置２７が設けられている。この弁装置２７は、予め設定される作動条件に従い自動的に開度を制御する自己作動タイプとされている。

この自己作動タイプの弁装置２７としては、例えば図７および図８に示すように、主として、シリンダケース２７ａと、弁体２７ｂと、駆動源としてのダイアフラムスプリング２７ｃとを含む構成の感圧式弁装置が用いられている。

移送路２３の途中が分断されており、この分断された移送路２３の受熱部２１側の端部がシリンダケース２７ａの周壁に設けられている流体導入口に連通連結されており、前記分断された移送路２３の放熱部２２側の端部がシリンダケース２７ａの一端壁に設けている流体排出口に連通連結されている。

シリンダ室２７ｄ内には、弁体２５ｂがスライド可能に収納配置されている。弁体２７ｂのバルブステムエンドは、ダイアフラムスプリング２７ｃを介してシリンダケース２７ａの他端壁に取り付けられている。このダイアフラムスプリング２７ｃは、シリンダ室２７ｄの内圧の変化によって弾性変形して伸びた形状になったり弾性復元して湾曲した形状になったりするものであり、この弾性変形や弾性復元に伴い弁体２７ｂをスライドさせることでケース２２ａの前記流体排出口を開閉させるようになっている。

この弁装置２７の動作としては、例えば受熱部２１から放熱部２２へ移送される高温の気相状流体の圧力が規定値未満の場合にダイアフラムスプリング２７ｃが弾性変形していない自然な湾曲姿勢になっていて弁体２７ｂを閉じる状態になり、また、前記規定値以上の場合に前記気相状流体の圧力でダイアフラムスプリング２７ｃが弾性変形されて真っ直ぐな姿勢になって弁体２７ｂを開く状態になる。この規定値については、上流側触媒５が冷間時の温度よりも高く、かつ暖機完了時の温度よりも低い適宜の値に設定される。

さらに、移送路２３の分岐よりも流体移送方向上流側には、熱循環停止用の弁装置２８が設けられている。この弁装置２８は、予め設定される作動条件に従い自動的に開度を制御する自己作動タイプとされている。

この自己作動タイプの弁装置２８としては、詳細に図示していないが、例えばサーモスタットを駆動源として弁体を開閉位置に変位させる感熱式の弁装置が用いられており、例えば上流側触媒５の暖機が完了するまで開放されていて、上流側触媒５の暖機が完了した場合に閉塞されるようになっている。

次に、この実施形態の動作について説明する。

まず、内燃機関１の冷間始動時には、弁装置２８が開放しているとともに、図７に示すように弁装置２７が閉塞しているので、受熱部２１で蒸発された気相状流体が第１の支流部２４ａのみから放熱部２２の第１部屋２２Ａ内に導入されることになる。この状態では、放熱部２２の熱交換可能な容積が最大時の略半分になっているので、放熱部２２によるの熱交換能力つまり放熱部２２による加熱能力が略半減する。

これにより、放熱部２２内の気相状流体が凝縮されずに受熱部２１へ通過する量が多くなる。言い換えれば、放熱部２２から受熱部２１への液相状の流体の還流量が少なくなるので、気相状の流体が受熱部２１と放熱部２２との熱循環経路内に速やかに満たされることになって、受熱部２１による熱回収が速やかに立ち上げられることになる。

こうして受熱部２１による熱回収量つまり受熱部２１内での流体の蒸発量が増加することに伴い、放熱部２２に作用する圧力が高くなる。この圧力が弁装置２７の規定値以上になると、図８に示すように、弁装置２７が開放されることになる。

これにより、受熱部２１内で蒸発された気相状の流体が第１、第２の支流部２４ａ，２４ｂから第１、第２の部屋２２Ａ，２２Ｂ内にそれぞれ導入されることになるので、ケース２２ａにおいて熱交換可能な空間容積が最大となり、放熱部２２による熱交換能力が最大になる。そのため、上流側触媒５の昇温が促進される。しかも、この段階では、受熱部２１と放熱部２２との熱循環経路内に多量の気相状流体が存在する状態になっているから、受熱部２１から放熱部２２への気相状流体の移動が緩やかになり、移送路２３の内壁面に対する流体の摩擦に伴う熱の損失が抑制されることになる。このことによっても、熱輸送が効率良く行えるようになる。

このように、受熱部２１による熱回収を効率良く行える状態に早期に立ち上げてから放熱部２２による熱交換能力を高める状態に移行させているので、上流側触媒５の暖機を速やかに完了することが可能になる。

ところで、例えば上流側触媒５の暖機が完了した場合、例えば上流側触媒５の温度が弁装置２８の作動判定値以上になった場合には、この弁装置２８が移送路２３を閉塞させることになり、それによって、受熱部２１で蒸発された流体が放熱部２２に導入できなくなる。なお、前記作動判定値は、上流側触媒５の活性化温度（例えば４００℃）に基づいて適宜のマージンを見込んだ値に設定される。そして、前記の状態になると、放熱部２２による上流側触媒５の加熱が停止され、放熱部２２と受熱部２１との間における熱循環が停止されることになる。しかも、弁体３５で連通部２６を閉塞すると、受熱部２１内で蒸発された高温の気相状流体が放熱部２２へ流入されなくなるので、放熱部２２による上流側触媒５の加熱を速やかに停止させることが可能になり、上流側触媒５が過剰に昇温することを防止できるようになる。

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）図１から図５に示す実施形態では、加熱対象としての上流側触媒５に付設する放熱部２２のケース２２ａの外形について上流側触媒５を包囲するような形状とした例を挙げているが、このケース２２ａの外形形状は特に限定されるものではない。その場合、スライドプレート３２の形状はケース２２ａの外形形状と上流側触媒５の外形形状とで作る対向環状空間の断面形状と合致する形状とされる。

（２）図６から図８に示す実施形態において、例えば図９および図１０に示すように、区画壁２２ｄを変形することが可能である。つまり、放熱部２２のケース２２ａ内に設けられる区画壁２２ｄについて、その底部に切り欠き２２ｅを設けることによって、２つの部屋２２Ａ，２２Ｂを完全に独立させずに、２つの部屋２２Ａ，２２Ｂの底部を連通させるようになっている。そして、還流路２４については、前記のように分岐していない形状にしている。これら以外の構成については前記と同じになっている。

この場合の動作については、前記した実施形態と基本的に同じとなる。但し、図９に示すように弁装置２７が閉塞されている場合には、受熱部２１で蒸発された気相状流体が第１の部屋２２Ａにのみ導入されるようになる。一方、図１０に示すように弁装置２７が開放されている場合には、受熱部２１で蒸発された気相状流体が２つの部屋２２Ａ，２２Ｂに導入されるようになる。そして、２つの部屋２２Ａ，２２Ｂでそれぞれ凝縮されて液相状となる流体は、各部屋２２Ａ，２２Ｂの底部に集められるようになって、この底部に集められた液相状の流体が還流路２４からまとめて受熱部２１へ戻されるようになる。

このような実施形態の場合も、図６から図８に示す実施形態と略同様の作用、効果が得られる。

（３）図６から図８に示す実施形態や図９および図１０に示す実施形態において、２つの弁装置２７，２８を自己作動タイプとした例を挙げているが、これらの弁装置２７，２８はアクチュエータ駆動タイプとすることができる。

また、図６から図８に示す実施形態や図９および図１０に示す実施形態では、移送路２３に熱循環停止用の弁装置２８を設けているが、この弁装置２８を無くし、その代わりに、図示していないが、移送路２３の第１、第２支流部２３ａ，２３ｂの両方にアクチュエータ駆動タイプの弁装置を設ける構成とすることができる。

この場合、例えば適宜の制御装置を用いて、内燃機関１の冷間始動の初期において前記いずれか一方の弁装置を開いて残り他方を閉じた状態にすることにより受熱部２１による熱回収を早期に立ち上げ、その後、両方の弁装置を開くことにより放熱部２２による熱交換能力を最大にし、さらに上流側触媒５の暖機が完了したときに両方の弁装置を閉じることにより、上流側触媒５の過剰な加熱を停止させるようにすることができる。

（４）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。

（５）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。

（６）上記各実施形態では、加熱対象として上流側触媒５を例に挙げているが、例えば内燃機関１からヒータ流路１３へ一旦取り出される冷却水を加熱対象とすることが可能である。

１ 内燃機関
２ エキゾーストマニホールド
４ 排気管
５ 上流側触媒
６ 下流側触媒
２０ 排熱回収装置
２１ 受熱部
２２ 放熱部
２２ａ ケース
２３ 移送路
２４ 還流路
３２ スライドプレート（区画部材）
３３ 弾性体
３４ 駆動装置
３５ 弁体
３６ 駆動装置の駆動源
３７ 駆動装置の操作部材
３８ 駆動装置の制御装置

Claims (1)

1. 内燃機関の排気通路に設けられかつ内部の流体を排気熱で蒸発させるための受熱部と、この受熱部で蒸発された流体を受け入れて当該流体と前記排気通路に設けられる触媒との間で熱交換させるための放熱部と、前記受熱部から前記放熱部へ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構造の排熱回収装置であって、
   前記放熱部は、前記触媒を包囲するように設けられるケースを有し、この放熱部には前記ケースの内部空間の容積を変更することによって前記触媒との熱交換能力を調整するための調整機構が設けられており、
   前記調整機構は、前記ケースの内部空間に前記触媒の排気流れ方向に沿ってスライド可能に設置されかつ前記内部空間の容積を変更するための区画部材と、この区画部材を適宜の初期位置に配置するための弾性力を発生する弾性体とを備え、
   前記移送路は、前記放熱部のケースにおいて前記触媒の排気流れ方向の下流側に位置する下流側壁面に連通連結され、
   前記区画部材には、前記ケースの下流側壁面に対する前記移送路の連通部を開閉するための弁体が設けられ、
   前記調整機構は、前記区画部材を必要に応じて強制的にスライドさせるための駆動装置をさらに備える、ことを特徴とする排熱回収装置。

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