JP6701686B2 - 熱交換器 - Google Patents

Description

この発明は熱交換器に関する。

特許文献１には、車両用の３重管構造の熱交換器が開示されている。

特開２０１３−１８５８０６号公報

ところで、上記特許文献１に記載の３重管構造の熱交換器では、熱回収促進時に熱回収の効率を良くすること及び熱回収抑制時に熱回収量を低減することについて改善の余地があった。

そこで本発明は、熱回収促進時の熱回収の効率を良くすると共に、熱回収抑制時の熱回収量を低減し得る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、排気通路と、第１媒体通路と、を備え、排気と第１媒体との間で熱交換を行なう。上記排気通路はエンジンの排気を通流させるものである。上記第１媒体通路は常に液相で用いる第１媒体を通流させるものである。また、前記排気通路と前記第１媒体通路は、第２媒体通路を間に挟んで隣接している。上記第２媒体通路は第２媒体を通流させるものである。また、本発明の熱交換器において、排気と第１媒体の熱交換を促進するときには前記第２媒体通路の内部を液相の第２媒体で満たす。また、排気と第１媒体の熱交換を抑制するときには前記第２媒体通路の内部を気相の第２媒体で満たす。さらに、本発明の熱交換器では、前記第１媒体通路の軸方向長さよりも前記第２媒体通路の軸方向長さを大きくする。

本発明によれば、排気と第１媒体の熱交換を促進するときには第２媒体通路の軸方向長さが第１媒体通路の軸方向長さと同一である場合よりも排気と第１媒体の熱交換を促進することができる。また、排気と第１媒体の熱交換を抑制するときには第２媒体通路の軸方向長さが第１媒体通路の軸方向長さと同一である場合よりも排気と第１媒体の熱交換を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概略縦断面図である。 図１のＸ−Ｘ線断面図である。 熱交換器の設けられるエンジンの概略構成図である。 比較例の熱回収促進時、熱回収抑制時の熱の流れをモデルで示した解析結果である。 第１実施形態の熱回収促進時、熱回収抑制時の熱の流れをモデルで示した解析結果である。 登坂走行時と下り坂走行時の水抜け性の違いを説明するためのモデル図である。 第２実施形態の熱交換器の概略縦断面図である。 図７のＸ−Ｘ線断面図である。 第２実施形態の熱回収促進時、熱回収抑制時の熱の流れをモデルで示した解析結果である。 第３実施形態の熱交換器の概略縦断面図である。 第３実施形態の熱回収促進時、熱回収抑制時の熱の流れをモデルで示した解析結果である。

以下、本発明の実施形態を図面に基づき説明する。

（第１実施形態）
図１は本発明の第１実施形態の熱交換器１の概略縦断面図、図２は図１のＸ−Ｘ線断面図である。図１において上下方向は鉛直方向であるとする。

３重管構造の熱交換器１の全体的な構成を、図２を参照して説明すると、熱交換器１の全体は、内管２、中間管１１、外管２１の３つの円筒状の管からなる３重管で構成される。これら３つの各管２，１１，２１は相対的に熱伝導率の高い材料、例えば金属で構成する。ここでは、内管２、中間管１１、外管２１の中心軸は一致しているとする。内管２の内部の空間は排気通路３１として排気を一方向に流す。

中間管１１と外管２１との間に形成される円筒状の空間は、冷却水（第１媒体）を流すウォータジャケット３５（冷却水通路）として構成される。冷却水は常に液相で用いる。冷却水としては、例えば不凍液や水を用いることができる。

中間管１１と内管２との間に形成される円筒状の空間は、冷媒通路３２を構成し、この冷媒通路３２には冷媒（第２媒体）が満たされる。冷媒としては、例えば純水を用いることができる。

次に、３重管構造の熱交換器１の使用方法を説明すると、エンジンの負荷域を大きく低負荷域と高負荷域の２つに分ける。このうち、低負荷域では冷媒を介して、排気と、ウォータジャケット３５を流れる冷却水（以下、単に「ジャケット冷却水」ともいう。）との間での熱交換を促進し、排気の熱（以下、「排熱」あるいは単に「熱」ともいう。）をジャケット冷却水に回収する。一方、排気が高温となる高負荷域では冷媒を介して、排気とジャケット冷却水との間での熱交換を抑制し、熱をジャケット冷却水に回収しないようにする。これによって、ジャケット冷却水が沸騰することを防止する。つまり、エンジンの低負荷域では熱回収を促進し、エンジンの高負荷域になると熱回収を抑制する。

例えば、エンジンの低負荷域では比較的低温の排気が排気通路３１を流れる。この排気通路３１を流れる低温の排気から熱を回収するため、冷媒通路３２に液体の冷媒を満たす。エンジンの低負荷域で冷媒通路３２に液体の冷媒を満たしておくことで、液体の冷媒と排気との間で熱交換が行われ、熱が液体の冷媒に回収される。また、液体の冷媒とジャケット冷却水との間でも熱交換が行われ、液体の冷媒が受け取った熱が、ジャケット冷却水に回収される。

一方、エンジンの高負荷域では比較的高温の排気が流れる。この高温の排気からも熱を回収したのでは、ジャケット冷却水が沸騰することが考えられる。そこで、冷媒通路３２の内部に存在する液体の冷媒と高温の排気とを熱交換させることで、冷媒通路３２の内部に存在する液体の冷媒を沸騰させて気体（水蒸気）とする。冷媒通路３２の内部が気体の冷媒で満たされると、排気から冷媒への熱伝達効率及び冷媒からジャケット冷却水への熱伝達効率が急激に低下する。つまり、冷媒通路３２の内部が気体の冷媒で満たされることは、冷媒通路３２が断熱層となることを意味する。排気とジャケット冷却水との間に断熱層が形成されることになり、ジャケット冷却水が沸騰することが回避される。以下、エンジンの低負荷域において熱回収を促進するときを、「熱回収促進時」という。エンジンの高負荷域において熱回収を抑制するときを、「熱回収抑制時」という。

次に、３重管構造の熱交換器１の具体的な構成を、主に図１を参照して説明する。３つの管２，１１，２１の軸方向（以下、単に「軸方向」という。）は図１において左右方向である。また、各管２，１１，２１の径方向は（以下、単に「径方向」という。）は図１において上下方向である。

図１に示したように、まず中間管１１を例えば全体として円筒状に形成する。中間管１１の内径及び管厚は、後述する排気管６２の内径及び管厚と一致させておく。つまり、中間管１１は排気通路の一部を構成する排気管として機能する。

図１に示したように、外管２１を、中間管１１から径方向外側に離れて位置する外周壁部位２２と、この外周壁部位２２の軸方向の両端から径方向内側に向かって延び中間管１１と当接する２つの側壁部位２３Ａ，２３Ｂとで構成する。ここで、２３Ａは排気通路３１の上流側（以下、単に「上流側」という。）の側壁部位、２３Ｂは排気通路３１の下流側（以下、単に「下流側」という。）の側壁部位である。２つの側壁部位２３Ａ，２３Ｂと中間管１１の外周１１Ａとは両者の当接部位で溶接等によって固定する。これによって、外管２１と中間管１１との間にウォータジャケット３５（第１媒体通路）としての円筒状の空間が形成される。冷却水はウォータジャケット３５の内部を、つまり中間管１１の外周に沿って流れる。

冷却水の流れ方向に直交するウォータジャケット３５の流路断面は、図１にも示したように、上部の流路断面でほぼ等脚台形状、下部の流路断面でほぼ逆等脚台形状である。ウォータジャケット３５の流路断面は、この形状に限られず、長方形、四角形、六角形、三角形、円形、楕円形等の他の形状であってよい。

外管２１にはウォータジャケット３５への冷却水の入口２４と、ウォータジャケット３５からの冷却水の出口２５とを設ける。冷却水の入口２４は外管２１の鉛直下方に、冷却水の出口２５は外管２１の鉛直上方に設ける。

図１に示したように、内管２を、中間管１１から径方向内側に離れて位置する内周壁部位３と、この内周壁部位３の軸方向の両端から径方向外側に向かって延び中間管１１と当接する２つの側壁部位４Ａ，４Ｂとで構成する。ここで、４Ａは上流側の側壁部位、４Ｂは下流側の側壁部位である。２つの側壁部位４Ａ，４Ｂと中間管１１の内周１１Ｂとは両者の当接部位で溶接等によって固定する。これによって、内管２と中間管１１との間に冷媒通路３２（第２媒体通路）としての円筒状の空間が形成される。液体の冷媒は、冷媒供給口５（後述する）からこの冷媒通路３２の内部に侵入し、中間管１１の内周に沿って流れ、内部の全体を冷媒が満たす。

冷媒の流れ方向に直交する冷媒通路３２の流路断面は、図１にも示したように、上部の流路断面でほぼ逆等脚台形状、下部の流路断面でほぼ等脚台形状である。冷媒通路３２の流路断面も、この形状に限られず、長方形、四角形、六角形、三角形、円形、楕円形等の他の形状であってよい。

内管２よりも径方向内側の空間は、排気通路の一部として構成され、図１において左側から右側に向けて一方向に排気を流す。この排気の流れを図１においては複数の短い矢印で示している。

次に、熱交換器１の車両への取り付け位置を、例えば直列のエンジン５１が車両（図示しない）の前方に横置きされて搭載されている場合で説明する。図３は横置きエンジン５１の概略構成図である。本発明では排気が関係するので、図３には特に排気系のみを示している。図３では左側が車両前方側、右側が車両後方側である。

エンジンの排気系を先に説明すると、エンジン５１は、排気マニホールド６１及び排気管６２を備える。排気マニホールド６１は複数の気筒の排気ポートから排出される排気を集合させるものである。排気マニホールド６１に排気管６２が接続される。排気管６２は車両後方に向かって延びている。

排気マニホールド６１の集合部にマニホールド触媒６３を、排気管６２の途中にメイン触媒６４を備える。メイン触媒６４は車両の床下に取り付けられている。２つの各触媒６３，６４は、例えば三元触媒である。

次に、熱交換器１の取り付け位置を説明する。メイン触媒６４下流の排気管６２に、上記の熱交換器１を設ける。例えば、メイン触媒６４下流の排気管６２を途中で切断し、切断した上流側の排気管６２と中間管１１の上流端１３（図１参照）とを溶接等により接続する。また、切断した下流側の排気管６２と中間管１１の下流端１４（図１参照）とを溶接等により接続する。これによって、中間管１１は排気管６２の一部を構成する。

熱交換器１をメイン触媒６４下流の排気管６２に設ける理由は次の通りである。すなわち、触媒６３，６４は活性温度にならないと触媒として機能しない。このため、排気の熱で触媒６３，６４を常時加熱しておくことが必要となる。そのため、メイン触媒６４の上流の排気管６２やマニホールド触媒６３の上流の排気マニホールド６１に熱交換器１を設け、この位置で排熱を回収したのでは、触媒６３，６４の活性化に支障がでることが考えられる。そこで、触媒６３，６４の活性化に支障がでない位置、つまりメイン触媒６４の下流の排気管６２に熱交換器１を設けることとしたものである。

熱交換器１の冷却水の入口２４、出口２５と、エンジン５１の内部に形成されている冷却水通路とは、２本の配管５５，５６で接続する。すなわち、横置きエンジン５１の車両後方側の側壁５１Ａに、エンジン５１の内部に形成されている冷却水通路につながる冷却水の取出し口５２と、熱交換器１から冷却水をエンジン５１の内部に形成されている冷却水通路に戻す戻し口５３とを設ける。車両後方側の側壁５１Ａに設けた取出し口５２と、熱交換器１の冷却水の入口２４とを一方の配管５５で、熱交換器１の冷却水の出口２５と車両後方側の側壁５１Ａに設けた戻し口５３とを他方の配管５６で接続する。これよって、たとえばエンジンの冷間始動時に、取出し口５２から冷たい状態の冷却水が一方の配管５５を介して熱交換器１のウォータジャケット３５に導かれることで温められる。温められたジャケット冷却水は、他方の配管５６を介して戻し口５３に戻されエンジン５１を暖機する。

エンジン５１と、排気マニホールド６１及び排気管６２等からなる排気系とは別個の振動体であるため、剛体としての２本の配管５５，５６でエンジン５１と排気系とを接続したのでは、一方から他方へと振動が伝達されてしまう。そこで、２本の配管５５，５６の途中には、可撓性のあるホース部分５７，５８を設けておき、一方から他方へと振動が伝達されないようにする。

このように熱交換器１をメイン触媒６４の下流に設けることで、エンジン５１の低負荷域においてメイン触媒６４の下流に捨てられる排熱を回収することができる。その一方で、エンジン５１の高負荷域においては排熱をできるだけ回収しないようにすることで、排気通路から分岐するバイパス通路に熱交換器を設けると共に、分岐部に切換バルブを設ける場合より装置の全体をコンパクトにすることができる。図３では熱交換器１の取り付け位置を横置きエンジンの場合で説明したが、エンジンは横置きエンジンの場合に限られるものでない。

さて、従来の熱交換器１では、熱回収促進時に熱回収の効率を良くすること及び熱回収抑制時に熱回収量を低減することについて改善の余地があった。すなわち、従来の熱交換器１では外管２１と内管２の軸方向の長さについてまでは考慮していない。

ここで、熱回収の効率を表す指標として次式を新たに導入する。

熱回収促進／熱回収抑制の比率＝熱回収促進時の総受熱量／熱回収抑制時の総受熱量
…（１）
上記（１）式右辺の分子は熱回収促進時の冷媒からジャケット冷却水への受熱量と、部材からジャケット冷却水への受熱量の合計である。上記（１）式の右辺の分母は熱回収抑制時の冷媒からジャケット冷却水への受熱量と部材からジャケット冷却水への受熱量の合計である。以下、冷媒からジャケット冷却水への受熱を、単に「冷媒からの受熱」ともいう。同様に、部材からジャケット冷却水への受熱を、単に「部材からの受熱」ともいう。

このように熱回収促進／熱回収抑制の比率を導入したとき、上記（１）式右辺の分母が同じであっても、上記（１）式右辺の分子を大きくすることができれば、上記（１）式左辺の熱回収促進／熱回収抑制の比率が大きくなる。また、上記（１）式右辺の分子が同じであっても、上記（１）式右辺の分母を小さくすることができれば、上記（１）式左辺の熱回収促進／熱回収抑制の比率が大きくなる。

本発明の第１実施形態は、この新たに導入した指標に鑑み、外管２１と内管２の軸方向の長さについて考察した結果、得られたものである。すなわち、第１実施形態では、外管２１の軸方向長さよりも内管２の軸方向長さを長くする。図１に示したように外管２１の軸方向長さを所定値Ａ、内管２の軸方向長さを所定値Ｂとしたとき、所定値Ａよりも所定値Ｂのほうが長くなるようにする。

ここでは、外管２１の軸方向の長さとして、外管２１の上流側端から下流端までの長さを採用している。同様に、内管２の軸方向の長さとして、内管２の上流側端から下流端までの長さを採用している。軸方向の長さの採り方としてはこの場合に限られない。例えば、外管２１の軸方向の長さとして、ウォータジャケット３５の上流側端から下流端までの長さを採用してもかまわない。同様に、内管２の軸方向の長さとして、冷媒通路３２の上流側端から下流端までの長さを採用してもかまわない。

これによって、中間管１１には、内管２の上流側側壁部位４Ａと外管２１の上流側側壁部２３Ａとをつなぐ部位１２Ａと、内管２の下流側側壁部位４Ｂと外管２１の下流側側壁部２３Ｂとをつなぐ部位１２Ｂとが軸方向に形成される。以下、当該部位１２Ａ，１２Ｂを「つなぎ部」という。ここで、１２Ａは上流側つなぎ部、１２Ｂは下流側つなぎ部である。つなぎ部１２Ａ，１２Ｂは、換言すれば、冷媒通路３２の外側にウォータジャケット３５が存在しない部位とも言える。

つなぎ部１２Ａ，１２Ｂを中間管１１に形成することで、当該つなぎ部１２Ａ，１２Ｂと内管２との間に、冷媒通路３２を軸方向の上流側と下流側とに拡大する通路部分３３Ａ，３３Ｂが形成される。以下、つなぎ部１２Ａ，１２Ｂと内管２のうちの上流側部分とによって拡大される通路部分３３Ａ，３３Ｂを「通路拡大部」という。ここで、３３Ａは上流側の通路拡大部、３３Ｂは下流側の通路拡大部である。また、本実施形態では冷媒通路３２及び通路拡大部３３Ａ，３３Ｂを合わせた全体についても「冷媒通路」という。

本実施形態では、中間管１１に上流側つなぎ部１２Ａと下流側つなぎ部１２Ｂの両方を設ける場合で説明するが、この場合に限られない。上流側つなぎ部１２Ａと下流側つなぎ部１２Ｂの少なくとも一方を中間管１１に設ける場合であってもよい。

第１実施形態との比較のため、外管２１と内管２の軸方向長さを同じ所定値Ａとした熱交換器（以下「比較例」という。）を図４に示す。ここで、図４（Ａ）は比較例の熱回収促進時の熱の流れを、図４（Ｂ）は比較例の熱回収抑制時の熱の流れをモデルで示した解析結果である。また、図４に対応させて、本実施形態の場合を図５に示す。ここで、図５（Ａ）は本実施形態の熱回収促進時の熱の流れを、図５（Ｂ）は本実施形態の熱回収抑制時の熱の流れをモデルで示した解析結果である。図４，図５においても排気の流れを左から右に向かう複数の短い矢印で示している。

熱交換器１の主要な構成要素である外管２１と内管２は、中間管１１（排気管６２）の外周に沿って設けられているため、熱の流れとしては、基本的に排気流れの中心軸から径方向外側に向かって生じる。解析結果を分かり易くするため、排気の流れとは別の矢印で熱回収に関係する熱の流れを示している。図４，図５に示される縦方向の断面においては、実際には鉛直上方にも鉛直下方と対称的に熱の流れが生じるのであるが、図が煩雑になるのを避けるため、図４，図５においては鉛直下方だけに熱回収に関係する矢印を示している。熱回収に関係する矢印はその棒の太さが太いほど多くの熱が流れるものとする。

以下、図４，図５の順に、熱回収に関係する熱の流れの詳細を説明するが、これらの説明に入る前に、３重管構造の熱交換器１の基本的な熱回収について先に説明しておく。３重管構造の熱交換器１では主に次の２つで熱回収が行われる。

〈１〉冷媒からの受熱
〈２〉部材からの受熱
上記〈１〉の「冷媒からの受熱」とは、冷媒通路３２，３３Ａ，３３Ｂの内部に存在する冷媒そのものを介して、排気からジャケット冷却水へと熱が伝えられることをいう。上記〈２〉の「部材からの受熱」とは、排気通路３１、冷媒通路３２、ウォータジャケット３５の３つを区画している部材（２，１１、２１）を介して、排気からジャケット冷却水へと熱が伝えられることをいう。図４では冷媒からの受熱を鉛直下方に向かう３本の直線の矢印で示している。また、部材からの受熱を、一旦上流側に向かった後に下流側に戻る曲線の矢印と、一旦下流側に向かった後に上流側に戻る曲線の矢印の２本で示している。

冷媒からの受熱に加えて、部材からの受熱が生じるのは、熱交換器１の３つの通路３１，３２，３３Ａ，３３Ｂ，３５を区画している部材（２，１１，２１）が金属で構成されているためである。すなわち、上流側では内管２の上流側側壁部位４Ａから中間管１１へ、中間管１１から外管２１の上流側側壁部位２３Ａへ、上流側側壁部位２３Ａからジャケット冷却水へと熱が伝達される（図４の左右の図において左側の曲線の矢印参照）。同様に、下流側では内管２の下流側側壁部位４Ｂから中間管１１へ、中間管１１から外管２１の下流側側壁部位２３Ｂへ、下流側側壁部位２３Ｂからジャケット冷却水へと熱が伝達される（図４の左右の図において左側の曲線の矢印参照）。言い換えると、冷媒からの受熱とは別個に、３つの通路３１，３２，３３Ａ，３３Ｂ，３５を区画している部材（２，１１，２１）を介して、熱が排気からジャケット冷却水へと伝達されるのである。これで、３重管構造の熱交換器１の基本的な熱回収についての説明を終了する。

まず、図４を参照して比較例による熱回収について述べる。
（１）比較例の熱回収促進時
比較例では熱回収促進時（排気と第１媒体の熱交換を促進するとき）に、冷媒からの受熱量がＨ１１、部材からの受熱量がＨ１２となったとする。ここで、Ｈ１１とＨ１２とでは熱量の大きさが例えば一桁程度相違し、Ｈ１１のほうがＨ１２より大きい。

図４（Ａ）には、比較例の熱回収促進時の冷媒からの受熱を３本の太い直線の矢印で示している。また、比較例の熱回収促進時の部材からの受熱を図４（Ａ）に２本の細い曲線の矢印で示している。これによって、熱回収促進時の部材からの受熱量Ｈ１２が熱回収促進時の冷媒からの受熱量Ｈ１１より小さいことを表している。

（２）比較例の熱回収抑制時
熱回収抑制時（排気と第１媒体の熱交換を抑制するとき）には冷媒通路３２が断熱層として働くので、熱回収抑制時の冷媒からの受熱量Ｈ１３が、熱回収促進時の冷媒からの受熱量Ｈ１１より例えば一桁程度小さくなる。また、熱回収抑制時のほうが熱回収促進時より排気の温度が高いので、熱回収抑制時の部材からの受熱量Ｈ１４は熱回収促進時の部材からの受熱量Ｈ１２より排気温度の上昇分に見合う分だけ大きくなる。この結果、冷媒からの受熱量Ｈ１３が部材からの受熱量Ｈ１４より一桁程度小さい値となる。このように、熱回収抑制時には、冷媒からの受熱量と部材からの受熱量の大小関係が、熱回収促進時と逆転する。

（３）比較例の熱回収促進時と熱回収抑制時の総受熱量の比較
冷媒からの受熱量Ｈ１３が熱回収促進時より一桁程度小さい値となる。一方、部材からの受熱量Ｈ１４は熱回収促進時より排気温度の上昇に対応して増える。この場合に、冷媒からの受熱量の減少割合のほうが、部材からの受熱量の増加割合より大きい。この結果、熱回収抑制時の総受熱量（＝Ｈ１３＋Ｈ１４）は熱回収促進時の総受熱量（＝Ｈ１１＋Ｈ１２）より小さくなる。

図４（Ｂ）には、比較例の熱回収抑制時の冷媒からの受熱を３本の細い直線の矢印で示している。また、比較例の熱回収抑制時の部材からの受熱を図４（Ｂ）に２本の太い曲線の矢印で示している。これによって、熱回収抑制時には、部材からの受熱量Ｈ１４が冷媒からの受熱量Ｈ１３よりも一桁程度大きくなることを表している。

熱交換器１では、ジャケット冷却水を常に液相で用いるため、外管２１の温度はジャケット冷却水が沸騰しない温度に保持される。この温度を１００℃と仮定する。ここで挙げた１００℃はあくまで数値計算を簡単化するための値であり、ジャケット冷却水が沸騰する温度として採用しているのでない。従って、ジャケット冷却水が沸騰しない温度として、１００℃未満の値を用いてもかまわない。一方、熱回収促進時には内管２の温度が例えば２００℃程度にとどまり、熱回収抑制時になると内管２の温度が例えば７００℃程度にまで上昇するとする。このとき、熱回収促進時の内管２と外管２１の温度差は２００℃−１００℃＝１００℃程度、熱回収抑制時の内管２と外管２１の温度差は７００℃−１００℃＝６００℃程度となる。部材からの受熱量は、内管２と外管２１の温度差に比例するので、内管２と外管２１の温度差が相対的に大きくなる（この例では約６倍になる）熱回収抑制時においては、部材からの受熱が無視できないほど大きくなるのである。ここでは、熱回収促進時の部材からの受熱と熱回収抑制時の部材からの受熱の差をイメージとしてつかみやすくするため、熱回収促進時の内管２の温度として２００℃程度を、熱回収抑制時の内管２の温度として７００℃程度を挙げた。しかしながら、これらの温度は一例に過ぎず、熱回収促進時、熱回収抑制時の内管２の温度がこれらの温度に限定されるものでない。

次に、図５を参照して本実施形態による熱回収について述べると、本実施形態において、比較例と相違する構成は次の点である。すなわち、中間管１１につなぎ部１２Ａ，１２Ｂが、内管２の内部に通路拡大部３３Ａ，３３Ｂが形成されることである。これらつなぎ部１２Ａ，１２Ｂ及び通路拡大部３３Ａ，３３Ｂの存在によって、熱回収促進時、熱回収抑制時とも、後述するように本実施形態の冷媒からの受熱量及び部材からの受熱量が比較例と相違してくることとなる。具体的には、通路拡大部３３Ａ，３３Ｂの存在によって冷媒からの受熱量が大きくなり、つなぎ部１２Ａ，１２Ｂの存在によって部材からの受熱量が小さくなる。

（４）本実施形態の熱回収促進時
本実施形態では、比較例と同じエンジン運転条件での熱回収促進時に、冷媒からの受熱量がＨ２１、部材からの受熱量がＨ２２となったとする。ここで、Ｈ２２がＨ２１より一桁程度小さい値となるのは比較例と同じである。

まず、本実施形態の冷媒からの受熱について説明すると、通路拡大部３３Ａ，３３Ｂが存在することによって本実施形態の熱回収促進時の冷媒からの受熱量Ｈ２１が比較例の熱回収促進時の冷媒からの受熱量Ｈ１１より大きくなる。詳述すると、Ｈ２１がＨ１１より大きくなる理由は次の通りである。すなわち、本実施形態の冷媒通路３２，３３Ａ，３３Ｂの流路断面の面積が、通路拡大部３３Ａ，３３Ｂの分だけ、比較例の冷媒通路３２の流路断面の面積より大きくなる。冷媒通路３２，３３Ａ，３３Ｂの流路断面の面積が大きくなると、その分、熱交換にかかわる液体冷媒の量が比較例より多くなる。冷媒からの受熱量は液体冷媒の量に比例するので、熱交換にかかわる液体冷媒の量が大きい分だけ、本実施形態の冷媒からの受熱量Ｈ２１のほうが比較例の冷媒からの受熱量Ｈ１１より大きくなるのである。

図５（Ａ）には、冷媒通路３２，３３Ａ，３３Ｂの流路断面の面積が大きくなるのに対応して冷媒からの受熱量が比較例より大きくなる分（「本実施形態での追加分」で略記。）の熱の流れを、上流側と下流側の２本の太い折れ線の矢印で示している。また、冷媒からの受熱には大気に放出される分（図５（Ａ）では「大気放出分」で略記。）があるので、これを上流側と下流側に２本の下向きの細くて長い直線の矢印で表している。

次に、本実施形態の部材からの受熱について説明すると、中間管１１につなぎ部１２Ａ，１２Ｂが存在することで本実施形態の熱回収促進時の部材からの受熱量Ｈ２２が比較例の熱回収促進時の部材からの受熱量Ｈ１２より小さくなる。詳述すると、Ｈ２２がＨ１２より小さくなる理由は次の通りである。すなわち、部材からの受熱のうち上流側では、熱が内管２の上流側側壁部位４Ａから中間管１１の上流側つなぎ部１２Ａへ、当該つなぎ部１２Ａから外管２１の上流側側壁部位２３Ａへと伝わる。そして、当該側壁部位２３Ａからジャケット冷却水へと熱が伝わる。これによって、中間管１１の上流側つなぎ部１２Ａの分だけ、内管２の上流側側壁部位４Ａと外管２１の上流側側壁部位２３Ａとの距離（つまり熱が伝わる経路の長さ）が比較例より長くなる。同様に、部材からの受熱のうち下流側では、熱が内管２の下流側側壁部位４Ｂから中間管１１の下流側つなぎ部１２Ｂへ、当該つなぎ部１２Ｂから外管２１の下流側側壁部位２３Ｂへと伝わる。そして、当該側壁部位２３Ａからジャケット冷却水へと伝わる。これによって、中間管１１の下流側つなぎ部１２Ｂの分だけ、内管２の下流側側壁部位４Ｂと外管２１の下流側側壁部位２３Ｂとの距離（つまり熱が伝わる経路の長さ）が比較例より長くなる。このように、内管２の側壁部位４Ａ，４Ｂと外管２１の側壁部位２３Ａ，２３Ｂとの距離が長くなると、その分、ジャケット冷却水へと伝わる前に大気に放出される分が比較例の場合より増す。熱が伝わる経路の長さが軸方向に長くなって熱が大気に放出される分だけ本実施形態の部材からの受熱量Ｈ２１のほうが比較例の部材からの受熱量Ｈ１１より小さくなるのである。

図５（Ａ）には、部材（２１，１１，２）を一旦上流側に向かった後に下流側に戻る細い折れ線の矢印と、部材（２１，１１，２）を一旦下流側に向かった後に上流側に戻る細い折れ線の矢印の２本で、部材からの受熱を示している。ここで、部材からの受熱量は、内管２の温度とジャケット冷却水温度との温度差に比例する。上記のように熱回収促進時の内管２の温度が例えば２００℃程度とし、ジャケット冷却水温度を１００℃とすると、両者の温度差は１００℃（＝２００℃−１００℃）になる。部材からの受熱量はこの１００℃の温度差によって生じるのである。

この場合、一旦上流側に向かった後に下流側に戻る細い折れ線の矢印から下方に向けて分岐する２本の破線の矢印を記載している。これは、熱が上流側つなぎ部１２Ａから上流側側壁部位２３Ａに伝わることなく、大気に放出される分（図では「大気放出分」で略記。）があることを示している。同様に、一旦下流側に向かった後に上流側に戻る細い折れ線の矢印から下方に向けて分岐する２本の破線の矢印を記載している。これは、熱が下流側つなぎ部１２Ｂから下流側側壁部位２３Ｂに伝わることなく、大気に放出される分（図では「大気放出分」で略記。）があることを示している。これは、内管２が受ける熱量が比較例と同じであっても、熱が伝わる経路が長いと、熱が経路の途中で大気に放出される分があるためである。ここで、大気に放出される分は、内管２の温度と大気温度との温度差に比例する。上記のように熱回収促進時の内管２の温度が仮に例えば２００℃程度とし、大気温度を２０℃程度とすると、両者の温度差は１８０℃（＝２００℃−２０℃）になる。大気に放出される分は、この１８０℃の温度差によって生じる。このとき、内管２が受ける熱量の例えば半分程度が大気に放出される分になった。なお、内管２が受ける熱量の半分程度が大気に放出される分となる場合に限定されるものでない。内管２が受ける熱量の半分より多い量や半分より少ない量が大気に放出される分となる場合であってよい。

（５）本実施形態と比較例の熱回収促進時の総受熱量の比較
本実施形態では、冷媒通路３２，３３Ａ，３３Ｂの流路断面の面積が比較例より大きくなる分に対応して、冷媒からの受熱量が大きくなる分の熱の流れが新たに加わる。一方、本実施形態の部材からの受熱量は、比較例の半分程度になった。この場合、部材からの受熱量のほうが冷媒からの受熱量より一桁程度小さい値であるので、冷媒からの受熱量の増加分のほうが部材からの受熱量の減少分より大きい。この結果、本実施形態の熱回収促進時の総受熱量（＝Ｈ２１＋Ｈ２２）は、比較例の熱回収促進時の総受熱量（＝Ｈ１１＋Ｈ１２）より大きくなる。

（６）本実施形態の熱回収抑制時
比較例と同じエンジン運転条件での熱回収抑制時には冷媒通路３２，３３Ａ，３３Ｂが断熱層として働くので、本実施形態の熱回収抑制時の冷媒からの受熱量Ｈ２３は本実施形態の熱回収促進時の冷媒からの受熱量Ｈ２１より例えば一桁程度小さくなる。また、熱回収抑制時のほうが熱回収促進時より排気の温度が高いので、熱回収抑制時の部材からの受熱量Ｈ１４は熱回収促進時の部材からの受熱量Ｈ１２より排気温度の上昇分に見合う分だけ大きくなる。この結果、熱回収抑制時の冷媒からの受熱量Ｈ２３が熱回収抑制時の部材からの受熱量Ｈ２４より一桁程度小さい値となる。このように、冷媒からの受熱量と部材からの受熱量の大小関係が、熱回収促進時と逆転する。

まず、冷媒からの受熱について説明すると、本実施形態の熱回収抑制時の冷媒からの受熱量Ｈ２３が比較例の熱回収抑制時の冷媒からの受熱量Ｈ１３より大きくなる。詳述すると、Ｈ２３がＨ１３より大きくなる理由は次の通りである。すなわち、本実施形態の冷媒通路３２，３３Ａ，３３Ｂの流路断面の面積が、通路拡大部３３Ａ，３３Ｂの分だけ、比較例の冷媒通路３２の流路断面の面積より大きくなる。冷媒通路３２，３３Ａ，３３Ｂの流路断面の面積が大きくなると、その分、熱交換にかかわる気体冷媒の量が比較例より多くなる。冷媒からの受熱量は、気体冷媒の量に比例するので、熱交換にかかわる気体冷媒の量が大きい分だけ本実施形態の冷媒からの受熱量Ｈ２３のほうが比較例の冷媒からの受熱量Ｈ１３より大きくなるのである。

図５（Ｂ）には、冷媒通路３２，３３Ａ，３３Ｂの流路断面の面積が大きくなる分に対応して冷媒からの受熱量が比較例より大きくなる分（「本実施形態での追加分」で略記。）の熱の流れを、上流側と下流側の２本の細い折れ線の矢印で示している。また、冷媒からの受熱には大気に放出される分（図５（Ｂ）では「大気放出分」で略記。）があるので、これを上流側と下流側に２本の下向きの細くて長い直線の矢印で表している。

次に、本実施形態の部材からの受熱について説明する。熱回収抑制時のほうが熱回収促進時より排気温度が高いので、本実施形態の熱回収抑制時の部材からの受熱量Ｈ２４は本実施形態の熱回収促進時の部材からの受熱量Ｈ２２より排気温度の上昇分に見合う分だけ大きくなる。

また、中間管１１につなぎ部１２Ａ，１２Ｂが存在することによって本実施形態の熱回収抑制時の部材からの受熱量Ｈ２４が比較例の熱回収抑制時の部材からの受熱量Ｈ１４より小さくなる。内管２の側壁部位４Ａ，４Ｂと外管２１の側壁部位２３Ａ，２３Ｂとの距離が前述の通り長くなっているため、ジャケット冷却水へと伝わる前に大気に放出される分が比較例の場合より増す。熱が伝わる経路の長さが軸方向に長くなって熱が大気に放出される分だけ本実施形態の部材からの受熱量Ｈ２４のほうが比較例の部材からの受熱量Ｈ１４より小さくなるのである。

図５（Ｂ）には、部材（２１，１１，２）を一旦上流側に向かった後に下流側に戻る太い折れ線の矢印と、部材（２１，１１，２）を一旦下流側に向かった後に上流側に戻る太い折れ線の矢印の２本で、部材からの受熱を示している。ここで、部材からの受熱量は、内管２の温度とジャケット冷却水温度との温度差に比例する。上記のように熱回収抑制時の内管２の温度が例えば７００℃程度とし、ジャケット冷却水温度を１００℃とすると、両者の温度差は６００℃（＝７００℃−１００℃）になる。部材からの受熱量はこの６００℃の温度差によって生じるのである。

この場合、一旦上流側に向かった後に下流側に戻る太い折れ線の矢印から下方に向けて分岐する２本の破線の矢印を記載している。これは、熱が上流側つなぎ部１２Ａから上流側側壁部位２３Ａに伝わることなく、大気に放出される分（図では「大気放出分」で略記。）があることを示している。同様に、一旦下流側に向かった後に上流側に戻る太い折れ線の矢印から下方に向けて分岐する２本の破線の矢印を記載している。これは、熱が下流側つなぎ部１２Ｂから下流側側壁部位２３Ｂに伝わることなく、大気に放出される分（図では「大気放出分」で略記。）があることを示している。これは、内管２が受ける熱量が比較例と同じであっても、熱が伝わる経路が長いと、熱が経路の途中で大気に放出される分があるためである。ここで、大気に放出される分は、内管２の温度と大気温度との温度差に比例する。上記のように熱回収抑制時の内管２の温度が仮に例えば７００℃程度とし、大気温度を２０℃程度とすると、両者の温度差は６８０℃（＝７００℃−２０℃）にもなる。大気に放出される分はこの６８０℃の温度差によって生じる。このとき、内管２が受ける熱量の例えば半分程度が大気に放出される分になった。なお、内管２が受ける熱量の半分程度が大気に放出される分となる場合に限定されるものでない。内管２が受ける熱量の半分より多い量や半分より少ない量が大気に放出される分となる場合であってよい。

（７）本実施形態と比較例の熱回収抑制時の総受熱量の比較
本実施形態では、冷媒通路３２，３３Ａ，３３Ｂの流路断面の面積が比較例より大きくなる分に対応して、冷媒からの受熱量が大きくなる分の熱の流れが新たに加わる。一方、本実施形態の部材からの受熱量は、比較例の半分程度になった。この場合、冷媒からの受熱量のほうが部材からの受熱量より一桁程度小さい値であるので、部材からの受熱量の減少分のほうが冷媒からの受熱量の増加分より大きい。この結果、本実施形態の熱回収抑制時の総受熱量（＝Ｈ２３＋Ｈ２４）は比較例の熱回収抑制時の総受熱量（＝Ｈ１３＋Ｈ１４）より小さくなる。

この結果を、新たに導入した上記（１）式に当てはめてみると、本実施形態のほうが比較例より熱回収促進時の総受熱量が大きくなり、本実施形態のほうが比較例より熱回収抑制時の総受熱量が小さくなる。つまり、熱回収促進時の熱回収の効率を良くすると共に、熱回収抑制時の熱回収量を低減することができた。これによって、本実施形態のほうが比較例より、上記（１）式の熱回収促進／熱回収抑制の比率が大きくなるのである。ここでは、上流側と下流側の通路拡大部３３Ａ，３３Ｂが形成されている場合で説明したが、通路拡大部３３Ａ，３３Ｂのいずれか一方だけ形成してある場合であっても、上記（１）式の熱回収促進／熱回収抑制の比率を大きくすることができる。

さらに述べると、エンジンの仕様が同じで、かつ排気管６２の管径が同じである場合に、エンジンの冷却要求によって熱回収促進時の要求総受熱量、熱回収抑制時の要求総受熱量といった、熱交換器１の仕様が予め定まる。ここで、熱回収促進時の要求総受熱量とは、熱回収促進時にジャケット冷却水に対してどのくらいの受熱量があればよいかを定めるものである。また、熱回収抑制時の要求総受熱量とは、熱回収抑制時にジャケット冷却水に対してどのくらいの受熱量があってはだめなのかを定めるものである。本実施形態では、冷媒通路の通路拡大部３３Ａ，３３Ｂが軸方向に長くなるほど、冷媒からの受熱量が大きくなる。かつ、つなぎ部１２Ａ，１２Ｂの軸方向長さが長くなるほど大気に放出される分が増えて部材からの受熱量が小さくなる。従って、熱回収促進時の要求総受熱量、熱回収抑制時の要求総受熱量といった、熱交換器１の仕様を満たすように、つなぎ部１２Ａ，１２Ｂの軸方向長さを定めればよい。

次に、冷媒通路３２，３３Ａ，３３Ｂへの冷媒の供給、戻しについて図１を参照して説明する。本実施形態では中間管１１につなぎ部１２Ａ，１２Ｂが形成された。このうち、下流側つなぎ部１２Ｂの鉛直方向の最下方に冷媒供給口５を設ける。冷媒供給口５と冷媒タンク６とは冷媒供給通路９で接続する。

冷媒タンク６の底面６Ａが中間管１１の外周１１Ａよりも上方（鉛直上方）に位置するように冷媒タンク６を設ける。これは、後述するように、タンク６に貯留する液体の冷媒が自重で冷媒供給通路９を介して冷媒通路３２，３３Ａ，３３Ｂに供給されるようにするためである。

タンク６は、有底円筒状の下部部材７と、上部部材である蓋８とから構成される。タンク６の底面６Ａに冷媒供給通路９を接続する。冷媒供給通路９と冷媒供給口５を接続した後に、タンク６の内部に液体の冷媒を注入する。この注入によってタンク６の内部の液体冷媒が、自重で落下して冷媒通路３２，３３Ａ，３３Ｂにくまなく充満した後には蓋８をし、各フランジ部８Ａ，７Ａを溶接等することによって両者の間を気密状態にする。この場合、液体冷媒をタンク６に一杯にまで注入するのではなく、上部に空間を残して注入する。

このように構成したときの冷媒の動きを説明すると、熱回収促進時に冷媒が液体であるときには、タンク６内の冷媒は自重で冷媒供給通路９を伝って、冷媒通路３２，３３Ａ，３３Ｂに侵入し冷媒通路３２，３３Ａ，３３Ｂの全体を満たす。この液体冷媒の移動で、タンク６の上部に形成される空間部は大気圧よりも低い圧力となる。この状態では、冷媒通路３２，３３Ａ，３３Ｂに満たされた液体冷媒を介して排気とジャケット冷却水との間で熱交換が行われ、ジャケット冷却水が温められる。

一方、排気温度が上昇する熱回収抑制時になると、高温となった排気の熱を受けて冷媒通路３２，３３Ａ，３３Ｂの液体冷媒が沸騰して気体へと変化する。この沸騰による冷媒の体積膨張によって、気体となった部分が、冷媒通路３２，３３Ａ，３３Ｂの内部においてまだ液体である冷媒部分を押しのけようとする圧力が生じる。冷媒通路３２，３３Ａ，３３Ｂの内部での液体冷媒の沸騰が継続すれば、冷媒通路３２，３３Ａ，３３Ｂの内部の冷媒が、やがて全て気体となり、まだ液体で残っている冷媒は冷媒供給通路９を介してタンク６へと戻される。タンク６を当初に隙間無く満たしていると、熱回収抑制時に冷媒通路３２，３３Ａ，３３Ｂに残っているこの液体の冷媒をタンク６に戻せなくなるので、タンク６の上部に空間を残したのである。このようにタンク６の内部における液体の冷媒の量を調整しておくことで、液体の冷媒を冷媒通路３２，３３Ａ，３３Ｂへと吐出するためのポンプや、冷媒供給通路９を開閉するためのバルブを設けることなく、冷媒の供給と戻しとを行わせることができる。

熱回収抑制時に冷媒通路３２，３３Ａ，３３Ｂの内部の液体冷媒が気化することによる断熱効果は、断熱層の厚さが薄くても得られる。このため、内管２の径方向の幅Ｃは、外管２１の径方向の幅Ｄと相違して、あればよいという程度の幅であればよい。一方、ウォータジャケット３５には冷却水が液相で常時流れるため、外管２１の径方向の幅Ｄとしてはある程度の幅があることが必要である。この結果、内管２の径方向の幅Ｃは外管２１の径方向の幅Ｄより小さくてもよい。

なお、上記した冷媒の注入方法では、冷媒通路３２，３３Ａ，３３Ｂの内部に空気の粒（気泡）が残ってしまうことがある。これは、次の理由による。すなわち、液体冷媒は冷媒通路３２，３３Ａ，３３Ｂの下方から浸入し、液体冷媒より軽い空気は鉛直上方の冷媒通路３２，３３Ａ，３３Ｂにたまる。しかしながら、冷媒通路３２，３３Ａ，３３Ｂの鉛直上方に出口がない。鉛直上方の冷媒通路３２，３３Ａ，３３Ｂにたまった気泡は速やかに抜けてゆかないのである。上方の冷媒通路３２，３３Ａ，３３Ｂに気泡が残ってしまうと、その気泡の体積分だけ熱回収促進時に熱回収の効率が低下する。

鉛直上方の冷媒通路３２，３３Ａ，３３Ｂに残るこうした気泡を排除するには真空ポンプを用いた次の方法を用いることが好ましい。すなわち、冷媒供給通路９を冷媒供給口５とタンク底面６Ａに接続した後に、下部部材７の上部に蓋８と同じ形状及び材質の置換蓋（図示しない）を被せ、被覆した内部（タンク６、冷媒供給通路９、冷媒通路３２，３３Ａ，３３Ｂの全体）を密封状態に保持する。次に、被覆した内部の空気を真空ポンプ（図示しない）である程度まで抜く。被覆した内部の空気を真空ポンプである程度まで抜くことで、特に鉛直上方の冷媒通路３２，３３Ａ，３３Ｂに気泡が残らないようにすることができる。この状態でタンク６の内部に液体の冷媒を注入すると、液体の冷媒が鉛直上方の冷媒通路３２，３３Ａ，３３Ｂにも侵入する。こうして液体の冷媒が冷媒通路３２，３３Ａ，３３Ｂにくまなく充満した後には、上記の置換蓋を取り外して蓋８をし、２つのフランジ部８Ａ，７Ａを溶接等することによってタンク６、冷媒供給通路９、冷媒通路３２，３３Ａ，３３Ｂの全体を気密状態にする。

図１では、冷媒供給口５を下流側つなぎ部１２Ｂの鉛直方向の最下方に設けているが、上流側つなぎ部１２Ａの鉛直方向の最下方に冷媒供給口５を設ける場合であってよい。

ただし、下流側つなぎ部１２Ｂの鉛直方向の最下方に冷媒供給口５を設けたほうが次のメリットが生じる。すなわち、熱回収抑制時には冷媒通路３２，３３Ａ，３３Ｂから液体の冷媒を全て抜く必要がある。さて、熱交換器１は車両に配備されているため、熱交換器１が常に水平位置に保持されるとは限らない。図３にも示したように下流側つなぎ部１２Ｂは車両の後方側に、上流側つなぎ部１２Ａは車両の前方側にあるため、車両の登坂走行時には、図６（Ａ）に示したように下流側つなぎ部１２Ｂのほうが上流側つなぎ部１２Ａよりも鉛直下方にくる。このとき、熱回収抑制時で冷媒通路３２，３３Ａ，３３Ｂに残存する液体の冷媒は、軸方向下流側拡大部３３Ｂに貯まる。この貯まった液体の冷媒の底には冷媒供給口５が開口している。この状態であれば、冷媒通路３２，３３Ａ，３３Ｂの気体部分に発生する蒸気圧力によって、軸方向下流側拡大部３３Ｂに貯まっている液体の冷媒が冷媒供給口５からタンク６へと速やかに戻される。このように、下流側つなぎ部１２Ｂの鉛直方向の最下方に冷媒供給口５を設けることで、熱回収抑制時かつ登坂走行時に冷媒通路３２，３３Ａ，３３Ｂから液体の冷媒を容易に排出することができる。

ここで、冷媒が純水であるときには、液体の純水の冷媒通路３２，３３Ａ，３３Ｂからの抜けやすさの程度を「水抜け性」で定義することができる。冷媒通路３２，３３Ａ，３３Ｂから液体の冷媒を容易に排出することができることは、冷媒通路３２，３３Ａ，３３Ｂからの水抜け性をよくすることができる、ことを意味する。

一方、熱回収抑制時で下り坂走行時には、図６（Ｂ）に示したように上流側つなぎ部１２Ａのほうが下流側つなぎ部１２Ｂよりも鉛直下方にくる。このとき、冷媒通路３２，３３Ａ，３３Ｂに残存する液体の冷媒は、軸方向上流側拡大部３３Ａに貯まる。この状態であるときには、軸方向上流側拡大部３３Ａに貯まった液体の冷媒の底に冷媒供給口５が開口していない。冷媒通路３２，３３Ａ，３３Ｂの気体部分に発生する蒸気圧力によって、軸方向上流側拡大部３３Ａに貯まっている液体の冷媒がタンク６へと戻されることはないのである。このように、上流側つなぎ部１２Ａの鉛直方向の最下方に冷媒供給口５を設けたのでは、熱回収抑制時かつ登坂走行時に冷媒通路３２，３３Ａ，３３Ｂから液体の冷媒を容易に排出することができない。

さらに述べると、上流側つなぎ部１２Ａの鉛直方向の最下方に冷媒供給口５を設けることで、下り坂走行時における冷媒通路３２，３３Ａ，３３Ｂからの水抜け性を良くすることができる。しかしながら、エンジンの運転条件を考えると、登坂走行時にエンジンの高負荷時（つまり熱回収抑制時）に移行し、下り坂走行時にエンジンの低負荷時（つまり熱回収促進時）に移行すると思われる。この場合に、冷媒通路３２，３３Ａ，３３Ｂからの水抜け性が良くなって欲しいのは、エンジンの高負荷時（熱回収抑制時）に移行する登坂走行時である。熱回収抑制時かつ登坂走行時に冷媒通路３２，３３Ａ，３３Ｂから液体の冷媒を容易に排出し得るようにして、冷媒通路３２，３３Ａ，３３Ｂの全体を素早く断熱層にすることで、ジャケット冷却水の沸騰防止を確実にするのである。なお、冷媒通路３２，３３Ａ，３３Ｂへの冷媒の供給、戻し方は、第１実施形態の場合に限定されるものでない。

ここで、本実施形態の作用効果を説明する。

本実施形態の熱交換器１は、排気通路３１と、ウォータジャケット３５とを備え、排気と冷却水との間で熱交換を行なう。上記排気通路３１はエンジンの排気を通流させるものである。上記ウォータジャケット３５は常に液相で用いる冷却水を通流させるものである。また、排気通路３１とウォータジャケット３５は、冷媒通路３２を間に挟んで隣接している。上記冷媒通路３２は冷媒を通流させるものである。また、本実施形態の熱交換器１において、熱回収促進時には冷媒通路３２の内部を液相の冷媒で満たす。また、熱回収抑制時には冷媒通路３２の内部を気相の冷媒で満たす。さらに、本実施形態の熱交換器では、ウォータジャケット３５の軸方向長さよりも冷媒通路３２の軸方向長さを大きくする。これによって、熱交換促進時には、冷媒通路３２の軸方向長さがウォータジャケット３５の軸方向長さと同一である場合よりも排気と冷却水の熱交換を促進することができる。また、熱交換抑制時には、冷媒通路３２の軸方向長さがウォータジャケット３５の軸方向長さと同一である場合よりも排気と冷却水の熱交換を抑制することができる。

本実施形態では、中間管１１と、中間管１１の内側に設けられ、中間管１１との間に冷媒通路３２を形成する内管２と、中間管１１の外側に設けられ、中間管１１との間にウォータジャケット３５を形成する外管２１と、を備えている。この場合に、外管２１の軸方向長さ（Ａ）よりも内管２の軸方向長さ（Ｂ）を大きくする。これによって、熱回収促進時には内管２の軸方向長さと外管２１の軸方向長さとが同一（Ａ）である場合よりも排気とジャケット冷却水の熱交換を促進することができる。また、熱交換抑制時には内管２の軸方向長さと外管２１の軸方向長さとが同一（Ａ）である場合よりも排気とジャケット冷却水の熱交換を抑制することができる。

本実施形態では、冷媒タンク６と、冷媒供給通路９と、を備えている。冷媒タンク６の底面６Ａは、冷媒通路３２，３３Ａ，３３Ｂより鉛直上方にあり、熱回収促進時には冷媒が自重で落下して冷媒通路３２，３３Ａ，３３Ｂを満たす。熱回収抑制時には排気の熱を受けて冷媒通路３２，３３Ａ，３３Ｂの内部の冷媒が沸騰して気体となり、この気体の圧力で液体の冷媒を冷媒通路３２，３３Ａ，３３Ｂから排出する。これによって、液体の冷媒を冷媒通路３２，３３Ａ，３３Ｂへと吐出するためのポンプや、冷媒供給通路９を開閉するためのバルブを設けることなく、冷媒の供給と戻しとを行わせることができる。

本実施形態では、エンジン５１が車両に搭載され、排気通路３１が車両の前後方向に設けられている。ウォータジャケット３５の下流側側壁部２３Ｂよりも冷媒通路３２の下流側側壁部４Ｂが排気流れ方向の下流側にある。この場合に、下流側つなぎ部１２Ｂの鉛直方向の最下方（第１媒体通路の排気流れ方向の下流端と第２媒体通路の排気流れ方向の下流端とを区画する部材の下部）に冷媒供給口５（連通路）が開口する。これによって、熱回収抑制時かつ登坂走行時に冷媒通路３２，３３Ａ，３３Ｂから液体の冷媒を容易に排出することができる。

（第２実施形態）
図７，図８は第２実施形態で、第１実施形態の図１，図２と置き換わるものである。図１，図２と同一部分には同一の符号を付している。

第２実施形態は、第１実施形態に対して、熱伝達促進部材としてのフィン部材７１（排熱回収体）を内管２の径方向内側に追加して設けるものである。

フィン部材７１は円柱状部材であって、フィン部材７１の外周７３と内管２の内周壁部位３の内周３Ａとを圧入、溶接等によって固定する。これによって、フィン部材７１の外周７３と内管２の内周壁部位３の内周３Ａとが接合される。

フィン部材７１には、排気が通過可能な複数の貫通孔７２を有する。貫通孔７２は、フィン部材７１の上流端７４から下流端７５まで軸方向に貫通している。フィン部材７１としては、排気管６２や排気マニホールド６１を形成する材料よりも熱伝導率の高い材料、例えば炭化珪素（ＳｉＣ）といったセラミックを用いる。

ここでは、貫通孔７２の断面形状が、図８に示したように正方形である場合であるが、貫通孔７２の断面形状が六角形であるハニカム構造体として構成されてもよい。なお、貫通孔７２の断面形状は、四角形や六角形に限らず、円形や三角形等のその他の形状でもよい。

第２実施形態では、フィン部材７１を内管２の軸方向のちょうど中央の位置に設けているが、フィン部材７１の軸方向の位置は中央の位置に限定されるものでない。フィン部材７１を軸方向のさらに上流側にあるいは下流側にずらして設けてもかまわない。

第２実施形態では排気が通過することによって排気の熱を回収可能な排熱回収体としてのフィン部材７１を内管２の内周面（３Ａ）に当接して設けることで、冷媒からの受熱量を第１実施形態よりも増加させることができる。

詳述すると、第２実施形態では、フィン部材７１を追加することで、第１実施形態と相違して、冷媒からの受熱が次の２つから構成されることとなる。

〈３〉フィン部材７１を介した冷媒からの受熱
〈４〉排気を介した冷媒からの受熱
第１実施形態の冷媒からの受熱は全て、上記〈４〉の排気を介した冷媒からの受熱であった。

一方、第２実施形態では、上記〈３〉のフィン部材７１を介した冷媒からの受熱が新たに生じる。これについて説明すると、格子状に仕切られた多数の貫通孔７２を排気が流れることで、排気から熱をもらってフィン部材７１の温度が上昇する。つまり、フィン部材７１が熱を蓄える。フィン部材７１が蓄えた熱はフィン部材７１の軸心から径方向外側に向かい、フィン部材７１の外周７３から内管２へ、内管２から冷媒通路３２内部の冷媒へ、当該冷媒からジャケット冷却水へと伝達される。このように排気の熱がフィン部材７１に蓄えられ、このフィン部材７１に蓄えられた熱がフィン部材７１から冷媒通路３２内部の冷媒へ、当該冷媒からジャケット冷却水に伝達されることが、上記〈３〉のフィン部材７１を介した冷媒からの受熱である。

第２実施形態では、冷媒からの受熱のうち上記〈３〉のフィン部材７１を介した冷媒からの受熱が支配的となる。これは、次の理由による。すなわち、第１実施形態では、気体と固体の接触による熱伝達であったのが、第２実施形態では固体と固体の接触による熱伝達となる。具体的には、第１実施形態ではフィン部材７１がなく、 排気と内管２が接触し排気（つまり気体）から内管２（つまり固体）へと熱が伝わる。一方、第２実施形態ではフィン部材７１と内管２が接触しフィン部材７１（つまり固体）から内管２（つまり固体）へと伝わる。両者を比較すると、固体と固体の接触による熱伝達によって伝わる熱量のほうが気体と固体の接触による熱伝達によって伝わる熱量より格段に大きくなるのである。

第１実施形態に対してフィン部材７１を追加して設けることで熱回収促進時の冷媒からの受熱量が増加する。しかしながら、その一方で、外管２１の軸方向長さが第１実施形態と同じの所定値Ａのままであると、熱回収促進時にジャケット冷却水への受熱量が第１実施形態の場合より多くなってしまう。エンジンの燃焼状態が最適となるようにエンジン冷却水の温度が予め定められているので、このように熱回収促進時の冷媒からのジャケット冷却水への受熱量が多くなって、その分エンジン温度が上昇してしまう事態が生じることは、必ずしも好ましいことでない。従って、第１実施形態を前提とするなら、第２実施形態においても、熱回収促進時にジャケット冷却水への受熱量が第１実施形態と同じレベルとなるようにして、エンジン温度を上昇させないことが好ましい。

そこで、第２実施形態では、熱回収促進時にジャケット冷却水への受熱量を第１実施形態と同等レベルとするため、図７に示したように外管２１の軸方向長さを、第１実施形態の外管２１の軸方向長さである所定値Ａよりも短い所定値Ｅとする。これは、ジャケット冷却水への受熱量が外管２１の軸方向長さに比例するので、外管２１の軸方向長さをＡよりＥへと短くすることで、その軸方向長さの減少分だけジャケット冷却水への受熱量を減らすことができるためである。言い換えると、熱回収促進時（排気と第１媒体の熱交換を促進するとき）にフィン部材７１を設けたことによる冷媒からの受熱量（第２媒体を介した受熱量）の増加分を相殺するように、外管２の軸方向長さを減少させるのである。

ただし、第２実施形態において外管２１の軸方向長さを第１実施形態より短くすると、中間管１１に形成されるつなぎ部１２Ａ，１２Ｂの軸方向長さが第１実施形態の場合より長くなる。このつなぎ部１２Ａ，１２Ｂの軸方向長さの拡大によって、熱回収促進時、熱回収抑制時とも、後述するように部材からの受熱量が第１実施形態より減少することとなる。

詳述すると、図９（Ａ）は第２実施形態の熱回収促進時の熱の流れを、図９（Ｂ）は熱回収抑制時の熱の流れをモデルで示した解析結果である。第１実施形態の図５と同一部分には同一の符号を付している。

（８）第２実施形態の熱回収促進時
第２実施形態例では、第１実施形態と同じエンジン運転条件での熱回収促進時に、冷媒からの受熱量がＨ３１、部材からの受熱量がＨ３２となったとする。ここで、Ｈ３２がＨ３１より一桁程度小さい値となるのは第１実施形態と同じである。

まず、第２実施形態の熱回収促進時の冷媒からの受熱について説明する。第２実施形態では、冷媒からの受熱のうち、フィン部材７１を介した冷媒からの受熱が支配的になる。このため、図９（Ａ）に、フィン部材７１を介した冷媒からの受熱（図では「〈３〉の受熱」で略記。）の流れを太い１本のみの直線の矢印で示している。この場合に、例えば熱回収促進時のフィン部材７１を介した冷媒からの受熱量と比較例の熱回収促進時の冷媒からの受熱量とが同じになるように、フィン部材７１の仕様を選定する。

また、図９（Ａ）に、通路拡大部３３Ａ，３３Ｂの存在によって、冷媒からの受熱（図では「〈４〉の受熱」で略記。）が大きくなる分の熱の流れを、上流側と下流側の２本の太い折れ線の矢印で示している。また、冷媒からの受熱には大気に放出される分があるので、これを上流側と下流側に２本の下向きの細くて長い直線の矢印で表している。

次に、第２実施形態の熱回収促進時の部材からの受熱について説明する。第２実施形態では外管２の軸方向長さが第１実施形態より短くなったことで、つなぎ部１２Ａ，１２Ｂの軸方向長さが第１実施形態の場合より長くなる。上流側つなぎ部１２Ａの軸方向長さが第１実施形態より拡大された分だけ、内管２の上流側側壁部位４Ａと外管２１の上流側側壁部位２３Ａとの距離が長くなる。同様に、下流側つなぎ部１２Ｂの軸方向長さが第１実施形態より拡大された分だけ、内管２の下流側側壁部位４Ｂと外管２１の下流側側壁部位２３Ｂとの距離が長くなる。このように、内管２の側壁部位４Ａ，４Ｂと外管２１の側壁部位２３Ａ，２３Ｂとの距離が長くなると、その分、ジャケット冷却水へと伝わる前に大気に放出される分が第１実施形態の場合より増す。熱が伝わる経路の長さが軸方向に長くなって熱が大気に放出される分だけ第２実施形態の部材からの受熱量Ｈ３２のほうが第１実施形態の部材からの受熱量Ｈ２２より小さくなるのである。

その一方で、熱が伝わる経路の長さが第１実施形態より長くなると、熱回収促進時の部材からの受熱量のうち、大気に放出される分が第１実施形態より大きくなる。前述したように第１実施形態では図５（Ａ）に、一旦上流側に向かった後に下流側に戻る細い折れ線の矢印から、大気に放出される分を下向きに分岐する２本の細い矢印で表した。同様に、一旦下流側に向かった後に上流側に戻る細い折れ線の矢印から、大気に放出される分を下向きに分岐する２本の細い矢印で表した。このとき、上記のように内管２が受ける熱量の例えば半分程度が大気に放出される分になった。

一方、第２実施形態では図９（Ａ）に、一旦上流側に向かった後に下流側に戻る細い折れ線の矢印から、大気に放出される分を下向きに分岐する３本の細い矢印で表している。同様に、一旦下流側に向かった後に上流側に戻る細い折れ線の矢印から、大気に放出される分を下向きに分岐する３本の細い矢印で表している。第２実施形態では下向きに分岐する矢印の数を２本から３本と多くすることで、熱回収促進時の部材からの受熱量のうち、大気に放出される分が第１実施形態より大きくなることを表しているわけである。このとき、内管２が受ける熱量の例えば２／３程度が大気に放出される分になった。これによって第２実施形態の大気に放出される分が、第１実施形態の半分程度から２／３程度へと大きくなったわけである。なお、内管２が受ける熱量の２／３程度が大気に放出される分となる場合に限定されるものでない。内管２が受ける熱量の２／３より多い量や半分より少ない量が大気に放出される分となる場合であってよい。

（９）第２実施形態と第１実施形態の熱回収促進時の総受熱量の比較
外管２１の軸方向長さを短くし、フィン部材７１を介した冷媒からの受熱量と比較例の熱回収促進時の冷媒からの受熱量とが同じになるようにした。これによって、第２実施形態の熱回収促進時の冷媒からの受熱量Ｈ３１が第１実施形態の熱回収促進時の冷媒からの受熱量Ｈ２１より多少大きくなった。かつ、大気放出分が大きくなる分だけ第２実施形態の熱回収促進時の部材からの受熱量Ｈ３２が第１実施形態の熱回収促進時の部材からの受熱量Ｈ２２より小さくなった。この場合、部材からの受熱量のほうが冷媒からの受熱量より一桁程度小さいために、冷媒からの受熱量の増大のほうが総受熱量の全体に対して大きく影響する。この結果、第２実施形態の熱回収促進時の総受熱量（＝Ｈ３１＋Ｈ３２）は、第１実施形態の熱回収促進時の総受熱量（＝Ｈ２１＋Ｈ２２）とほぼ変わらないこととなった。

（１０）第２実施形態の熱回収抑制時
第２実施形態では、第１実施形態と同じエンジン運転条件での熱回収抑制時に冷媒からの受熱量がＨ３３、部材からの受熱量がＨ３４となったとする。ここで、Ｈ３３がＨ３４より小さい値となるのは第１実施形態と同じである。ただし、Ｈ３３とＨ３４の割合は第１実施形態のＨ２３とＨ２４の割合と同じでない。

第２実施形態では、熱回収抑制時にもフィン部材７１を介した冷媒からの受熱が支配的になる。このため、図９（Ｂ）にフィン部材７１を介した冷媒からの受熱（図では「〈３〉の受熱」で略記。）の流れを細い１つの直線の矢印で示している。この場合に、熱回収促進時のフィン部材７１を介した冷媒からの受熱量と比較例の熱回収促進時の冷媒からの受熱量とはほぼ同じであった。

また、図９（Ｂ）に通路拡大部３３Ａ，３３Ｂの存在によって、冷媒からの受熱（図では「〈４〉の受熱」で略記。）が大きくなる分の熱の流れを、上流側と下流側の２本の細い折れ線の矢印で示している。また、冷媒からの受熱には大気に放出される分があるので、これを上流側と下流側に２本の下向きの細くて長い直線の矢印で表している。

次に、第２実施形態の熱回収抑制時の部材からの受熱について説明する。第２実施形態では外管２の軸方向長さが第１実施形態より短くなったことで内管２の側壁部位４Ａ，４Ｂと外管２１の側壁部位２３Ａ，２３Ｂとの距離が長くなり、ジャケット冷却水へと伝わる前に大気に放出される分が第１実施形態の場合より増す。熱が伝わる経路の長さが長くなって熱が大気に放出される分だけ第２実施形態の部材からの受熱量Ｈ３４のほうが第１実施形態の部材からの受熱量Ｈ２４より小さくなるのである。

その一方で、熱が伝わる経路の長さが第１実施形態より軸方向に長くなると、熱回収抑制時の部材からの受熱量のうち、大気に放出される分が第１実施形態より大きくなる。前述したように第１実施形態では図５（Ｂ）に、一旦上流側に向かった後に下流側に戻る細い折れ線の矢印から、大気に放出される分を下向きに分岐する２本の太い矢印で表した。同様に、一旦下流側に向かった後に上流側に戻る細い折れ線の矢印から、大気に放出される分を下向きに分岐する２本の太い矢印で表した。このとき、上記のように内管２が受ける熱量の例えば半分程度が大気に放出される分になった。

一方、第２実施形態では図９（Ｂ）に、一旦上流側に向かった後に下流側に戻る細い折れ線の矢印から、大気に放出される分を下向きに分岐する３本の太い矢印で表している。同様に、一旦下流側に向かった後に上流側に戻る細い折れ線の矢印から、大気に放出される分を下向きに分岐する３本の太い矢印で表している。第２実施形態では下向きに分岐する矢印の数を２本から３本と多くすることで、熱回収抑制時の部材からの受熱量のうち、大気に放出される分が第１実施形態より大きくなることを表しているわけである。このとき、内管２が受ける熱量の例えば２／３程度が大気に放出される分になった。これによって第２実施形態の大気に放出される分が、第１実施形態の半分程度から２／３程度へと大きくなったわけである。なお、内管２が受ける熱量の２／３程度が大気に放出される分となる場合に限定されるものでない。内管２が受ける熱量の２／３より多い量や半分より少ない量が大気に放出される分となる場合であってよい。

（１１）第２実施形態と第１実施形態の熱回収抑制時の総受熱量の比較
外管２１の軸方向長さを短くしフィン部材７１を介した冷媒からの受熱量と比較例の熱回収促進時の冷媒からの受熱量とが同じになるようにした。これによって、第２実施形態の熱回収抑制時の冷媒からの受熱量Ｈ３３が第１実施形態の熱回収抑制時の冷媒からの受熱量Ｈ２３とほぼ同じになった。かつ、大気放出分が大きくなる分だけ第２実施形態の熱回収抑制時の部材からの受熱量Ｈ３４が第１実施形態の熱回収抑制時の部材からの受熱量Ｈ２４より小さくなった。この場合、冷媒からの受熱量のほうが部材からの受熱量より一桁程度小さいために、部材からの受熱量の減少のほうが総受熱量の全体に対して大きく影響する。この結果、第２実施形態の熱回収抑制時の総受熱量（＝Ｈ３３＋Ｈ３４）が第１実施形態の熱回収抑制時の総受熱量（＝Ｈ２３＋Ｈ２４）よりも小さくなった。

上記のように、第２実施形態と第１実施形態とで熱回収促進時の総受熱量はほぼ同じである。かつ、第２実施形態のほうが第１実施形態より熱回収抑制時の総受熱量が小さくなる。このように、第２実施形態は、熱回収促進時の熱回収の効率を第１実施形態と同様としつつ、熱回収抑制時の熱回収量を第１実施形態より低減することができた。この結果を、新たに導入した上記（１）式に当てはめてみると、第２実施形態のほうが第１実施形態より、上記（１）式の熱回収促進／熱回収抑制の比率が大きくなった。フィン部材７１を追加して設ける第２実施形態のほうが第１実施形態より熱回収の効率が良いこととなった。

第２実施形態では、フィン部材７１を追加して設ける場合に、フィン部材７１を介した冷媒からの受熱量が比較例と同等レベルとなるようにフィン部材７１の仕様を定めたが、フィン部材７１の仕様の定め方はこの場合に限られない。また、ジャケット冷却水への受熱量が第１実施形態と同様となるように外管２１の軸方向長さを定めたが、外管２１の軸方向長さの定め方はこの場合に限られない。

第２実施形態では、内管２の内周面（３Ａ）に当接するように設けられ、排気が通過することによって排気の熱を回収可能な排熱回収体としてのフィン部材７１をさらに備えている。これによって、熱回収促進時に冷媒からの受熱量を、フィン部材７１を設けていない場合より増大させることができる。

第２実施形態では、熱回収促進時にフィン部材７１を設けたことによる冷媒からの受熱量の増加分を相殺するように、外管２１の軸方向長さを減少させる。これによって、フィン部材７１を設けている場合であっても、熱回収促進時のジャケット冷却水への受熱量を、フィン部材７１を設けていない場合と同じレベルとすることができる。

（第３実施形態）
図１０は第３実施形態で、第２実施形態の図７と置き換わるものである。図７と同一部分には同一の符号を付している。

第３実施形態は、第２実施形態に対してフィン部材７１の上流側と下流側にデフューザ８１，９１を追加して設けるものである。

ここで、「デフューザ」とは、流路の入口から流路の出口に向けて流路の断面積を徐々に拡大したり、この逆に徐々に縮小したりするものをいう。すなわち、フィン部材７１より下流側に設けるデフューザ（以下「下流側デフューザ」という。）８１は流路の入口から流路の出口に向けて流路の断面積を徐々に拡大するものである。フィン部材７１より上流側に設けるデフューザ（以下「上流側デフューザ」という。）９１は流路の入口から流路の出口に向けて流路の断面積を徐々に縮小するものである。第３実施形態では、形状が流体力学上のデフューザに似るものの、断熱層を形成するための部材としてデフューザを用いる。解析に用いた熱回収器では、熱回収抑制時には冷媒からの受熱量と部材からの受熱量の大小関係が、熱回収促進時と逆転し、部材からの受熱量のほうが冷媒からの受熱量より大きくなることを前述した。従って、冷媒からの受熱量のほうが大きくなる熱回収抑制時には、この部材からの受熱量を抑制したい要求があり、この要求に応えるためデフューザ８１，９１を設けることとしたものである。これによって、特に熱回収抑制時の部材からの受熱量を第２実施形態よりも減少させることができる。第３実施形態では２つのデフューザ８１，９１を設ける場合で説明するが、少なくとも１つのデフューザを設ける場合であってよい。

下流側デフューザ８１から説明すると、フィン部材７１より下流側の内管（以下、「フィン下流側内管」という。）２Ｂの径方向内側に位置させて下流側デフューザ８１を設け、中間管１１に下流側デフューザ８１の下流端（８２）を固定する。

下流側デフューザ８１の外周８１Ａとフィン下流側内管２Ｂとの間には、フィン下流側内管２Ｂの径方向内側に沿って軸方向に延びる空間８５が形成される。空間８５を設けたのは、特に熱回収抑制時に空間８５を断熱層として機能させるためである。このため、下流側デフューザ８１の外周８１Ａの一部でもフィン下流側内管２Ｂと径方向に接触していると、その接触部で断熱効果が得られなくなるので、下流側デフューザ８１の外周８１Ａの一部でもフィン下流側内管２Ｂと径方向に接触しないようにする。

このように下流側デフューザ８１を設けることで、フィン部材７１から下流に流れ出す排気の一部が、下流側デフューザ８１の外周８１Ａとフィン下流側内管２Ｂとの間に形成された空間８５に入り込む。空間８５の下流側は閉塞されているので、空間８２に入った排気が下流に流れ出すことはなく、空間８５の内部で排気がよどむ。これによって、特に熱回収抑制時に空間８５が断熱層として機能することとなる。一方、フィン部材７１から流れ出す排気の大部分は、下流側デフューザ８１の上流端８１Ｂから下流側デフューザ８１の内部に流入し、流入した排気は下流側デフューザ８１の下流端８１Ｃから下流側へと排出される。

空間８５に排気の一部を導入するため、フィン部材７１の下流端７５から所定の距離Ｆだけ軸方向に離して下流側デフューザ８１の上流端８１Ｂを設ける。これによって、空間８５に排気の一部が入り込むことが確保される。また、金属の下流側デフューザ８１とセラミックのフィン部材７１とが軸方向に接触していると、両者の接触部でフィン部材７１の剥落が生じ得るが、両者を軸方向に離すことで、こうした事態を避けることができる。

下流側デフューザ８１によって断熱層ができさえすればよいので、下流側デフューザ８１の中間管１１への取り付け位置は適当でよい。ただし、下流側デフューザ８１の中間管１１への取り付け位置が下流側になるほど、熱交換器１の全体が軸方向に長くなってしまうので、下流側デフューザ８１の中間管１１への取り付け位置は、最終的には適合により定める。

詳細には、下流側デフューザ８１は、ベース部８２，先端部８３，テーパ状部８４で構成されている。ベース部８２，先端部８３，テーパ状部８４の３つの部位は同じ材料を用いて一体で形成する。このため、ベース部８２，先端部８３，テーパ状部８４の各厚さはほぼ同様である。下流側デフューザ８１の厚さは、内管２の厚さと同等とする。

ベース部８２及び上流側に延び出す先端部８３は円筒状に形成され、先端部８３はベース部８２の外径より小さい外径を有している。テーパ状部８４は先端部８３とベース部８２を連絡している。

下流側デフューザ８１のベース部８２を中間管１１の内周１１Ｂに、例えば溶接することによって、下流側デフューザ８１と中間管１１を接合（固定）する。下流側デフューザ８１は、溶接によって接合される中間管１１と同じ材質である。中間管１１の材料は金属であるので、下流側デフューザ８１の材料も中間管１１と同じ金属である。下流側デフューザ８１の材質は金属に限られず、金属と同等の性質を有する金属以外の材料であってもかまわない。

次に、上流側デフューザ９１を説明すると、フィン部材７１より上流側の内管（以下、「フィン下流側内管」という。）２Ａの径方向内側に位置させて上流側デフューザ９１を設け、中間管１１に上流側デフューザ９１の上流端（９２）を固定する。

上流側デフューザ９１の外周９１Ａとフィン上流側内管２Ａとの間には、フィン上流側内管２Ａの径方向内側に沿って軸方向に延びる空間９５が形成される。空間９５を設けたのは、特に熱回収抑制時に空間９５を断熱層として機能させるためである。このため、上流側デフューザ９１の外周９１Ａの一部でもフィン上流側内管２Ａと径方向に接触していると、その接触部で断熱効果が得られなくなるので、上流側デフューザ９１の外周９１Ａの一部でもフィン上流側内管２Ａと径方向に接触しないようにする。

このように上流側デフューザ９１を設けることで、上流側から上流側デフューザ９１の内部に流れ込んだ排気の一部は、上流側デフューザ９１の外周９１Ａとフィン上流側内管２Ａとの間に形成された空間９５に逆流して入り込む。空間９５の上流側は閉塞されているので、空間９５に入った排気が上流に流れ出すことはなく、空間９５の内部で排気がよどむ。これによって、特に熱回収抑制時に空間９５が断熱層として機能することとなる。一方、上流側デフューザ９１の上流端９１Ｃから下流側デフューザ８１の内部に流入した排気の大部分は上流側デフューザ９１の下流端９１Ｂから下流側へと排出される。

空間９５に排気の一部を導入するため、フィン部材７１の上流端７４から所定の距離Ｇだけ軸方向に離して上流側デフューザ９１の下流端９１Ｂを設ける。これによって、空間９５に排気の一部が逆流して入り込むことが確保される。また、金属の上流側デフューザ９１とセラミックのフィン部材７１とが軸方向に接触していると、両者の接触部でフィン部材７１の剥落が生じ得るが、両者を軸方向に離すことで、こうした事態を避けることができる。第３実施形態では、距離Ｇと上記の距離Ｆとを同じにしているが、両距離Ｆ，Ｇが異なるものであってよい。

上流側デフューザ９１によって断熱層ができさえすればよいので、上流側デフューザ９１の中間管１１への取り付け位置は適当でよい。ただし、上流側デフューザ９１の中間管１１への取り付け位置が上流側になるほど、熱交換器１の全体が軸方向に長くなってしまうので、上流側デフューザ９１の中間管１１への取り付け位置は、最終的には適合により定める。

詳細には、上流側デフューザ９１の構成そのものは、フィン部材７１より下流側に設ける下流側デフューザ８１と同様である。すなわち、上流側デフューザ９１は、ベース部９２，先端部９３，テーパ状部９４で構成されている。ベース部９２，先端部９３，テーパ状部９４の３つの部位は同じ材料を用いて一体で形成する。このため、ベース部９２，先端部９３，テーパ状部９４の各厚さはほぼ同様である。上流側デフューザ９１の厚さは、内管２の厚さと同等とする。

ベース部９２及び下流側に延び出す先端部９３は円筒状に形成され、先端部９３はベース部９２の外径より小さい外径を有している。テーパ状部９４は先端部９３とベース部９２を連絡している。

上流側デフューザ９１のベース部９２を中間管１１の内周１１Ｂに、例えば溶接することによって、上流側デフューザ９１と中間管１１を接合（固定）する。上流側デフューザ９１は、溶接によって接合される中間管１１と同じ材質である。中間管１１の材料は金属であるので、上流側デフューザ９１の材料も中間管１１と同じ金属である。上流側デフューザ９１の材質は金属に限られず、金属と同等の性質を有する金属以外の材料であってもかまわない。

下流側デフューザ８１の外周８１Ａとフィン下流側内管２Ｂとの間に径方向の間隔がありさえすれば断熱効果が得られるので、図１０では下流側デフューザ８１の外周８１Ａとフィン下流側内管２Ｂとの間の間隔が軸方向に一定していない。同様に、上流側デフューザ９１の外周９１Ａとフィン上流側内管２Ａとの間に径方向の間隔がありさえすれば断熱効果が得られるので、図１０では上流側デフューザ９１の外周９１Ａとフィン上流側内管２Ａとの間の間隔が軸方向に一定していない。

デフューザ８１，９１の形状は図１０に示すものに限られない。例えば、下流側デフューザ８１の外周８１Ａとフィン下流側内管２Ｂとの間の間隔が一定となるように下流側デフューザ８１を形成してもかまわない。同様に、上流側デフューザ９１の外周９１Ａとフィン上流側内管２Ａとの間の間隔が一定となるように上流側デフューザ９１を形成してもかまわない。また、デフューザ８１，９１からベース部８２，９２を省略し、テーパ状部８４，９４を中間管１１の内周１１Ｂに例えば溶接することによって、デフューザ８１，９１と中間管１１を接合（固定）することができる。

このように、デフューザ８１，９１を設け空間８５，９５を断熱層として働かせることで、内管２の受熱量が第２実施形態より例えば半分程度にまで減少する（以下、単に「半減する」という。）ものとする。半減する場合で考えるのは、冷媒からの受熱量、部材からの受熱量の把握が容易となるためである。内管２の受熱量が半減すると、冷媒からの受熱について、上記〈４〉の排気を介した冷媒からの受熱量が半減する。

次に、部材からの受熱については、内管２の受熱量が半減することで、第３実施形態の部材からの受熱量が第２実施形態より半減する。ただし、部材からの受熱についての熱の伝わり方は第２実施形態と同様である。すなわち、下流側で内管２が受けた熱は、内管２から下流側つなぎ部１２Ｂを含む中間管１１へ、当該中間管１１から下流側側壁部位２３Ｂへ、下流側側壁部位２３Ｂからジャケット冷却水へと伝わる。同様に、上流側で内管２が受けた熱は、内管２から上流側つなぎ部１２Ａを含む中間管１１へ、当該中間管１１から上流側側壁部位２３Ａへ、上流側側壁部位２３Ａからジャケット冷却水へと伝わる。

第３実施形態では、デフューザ８１，９１の存在によって内管２の受熱量が第２実施形態より半減する場合で説明するが、この場合に限定されるものでない。デフューザの仕様によっては、内管２の受熱量が第２実施形態の半分より多くなることも少なくなることも有り得る。

さらに詳述すると、図１１（Ａ）は第３実施形態の熱回収促進時の熱の流れ様子を、図１１（Ｂ）は熱回収抑制時の熱の流れをモデルで示した解析結果である。第２実施形態の図９と同一部分には同一の符号を付している。

（１２）第３実施形態の熱回収促進時
第３実施形態では、第２実施形態と同じエンジン運転条件での熱回収促進時に、冷媒からの受熱量がＨ４１、部材からの受熱量がＨ４２となったとする。ここで、Ｈ４２がＨ４１より一桁程度小さい値となる。

まず、第３実施形態の熱回収促進時の冷媒からの受熱について説明する。第３実施形態でも、冷媒からの受熱のうち、フィン部材７１を介した冷媒からの受熱が支配的になる。このため、図１１（Ａ）に、フィン部材７１を介した冷媒からの受熱（図では「〈３〉の受熱」で略記。）の流れを太い１つの直線の矢印で示している。

次に、第３実施形態では、空間８５，９５が断熱層として働くことによって、内管２の受熱量が半減するため、排気を介した冷媒からの受熱量が第２実施形態より半減する。しかしながら、第３実施形態においても、フィン部材７１を介した冷媒からの受熱量が支配的であることに変わりないので、この排気を介した冷媒からの受熱量の半減は、熱回収促進時の冷媒からの受熱量全体から見れば微小である。また、冷媒からの受熱には大気へと逃げてしまう分があるが、これも、空間８５，９５が断熱層として働くことによって第２実施形態より半減する。この結果、第３実施形態の熱回収促進時の冷媒からの受熱量Ｈ４１は第２実施形態の熱回収促進時の冷媒からの受熱量Ｈ３１より減少する。

第３実施形態では図１１（Ａ）に、通路拡大部３３Ａ，３３Ｂの存在によって、排気を介した冷媒からの受熱（図では「〈４〉の受熱」で略記。）が大きくなる分の熱の流れを、上流側と下流側の２本の太い折れ線の矢印で示している。また、冷媒からの受熱には大気に放出される分があるので、これを上流側と下流側に２本の下向きの細くて長い直線の矢印で表している。

次に、第３実施形態の熱回収促進時の部材からの受熱について説明する。第３実施形態においても、つなぎ部１２Ａ，１２Ｂの存在によって、熱が伝わる経路の長さが長くなり熱が大気に放出される分だけ、部材からの受熱量が第１実施形態の部材からの受熱量より小さくなる。

その上、空間８５，９５が断熱層として働くことによって、第３実施形態の熱回収促進時の内管２の受熱量が、第２実施形態より半減する。また、内管２の受熱量が半減することで、第３実施形態の熱回収促進時の部材からの受熱量のうち、大気に放出される分についても第２実施形態より半減少する。このように、内管２の受熱量及び大気放出分が第２実施形態より半減するので、第３実施形態の熱回収促進時の部材からの受熱量Ｈ４２が第２実施形態の熱回収促進時の部材からの受熱量Ｈ３２より半減する。

第３実施形態では図１１（Ａ）に、一旦上流側に向かった後に下流側に戻る細い折れ線の矢印から、大気に放出される分を下向きに分岐する３本の細い矢印で表している。同様に、一旦下流側に向かった後に上流側に戻る細い折れ線の矢印から、大気に放出される分を下向きに分岐する３本の太い矢印で表している。

（１３）第３実施形態と第２実施形態の熱回収促進時の総受熱量の比較
デフューザ８１，９１の存在により第３実施形態の冷媒からの受熱量Ｈ４１が第２実施形態の冷媒からの受熱量Ｈ３１より減少する。かつ、デフューザ８１，９１の存在により第３実施形態の部材からの受熱量Ｈ４２が第２実施形態の部材からの受熱量Ｈ３２より半減する。この結果、第３実施形態の熱回収促進時の総受熱量（＝Ｈ４１＋Ｈ４２）は、第２実施形態の熱回収促進時の総受熱量（＝Ｈ３１＋Ｈ３２）より減少する。

（１４）第３実施形態の熱回収抑制時
第３実施形態では、第２実施形態と同じエンジン運転条件での熱回収抑制時に、冷媒からの受熱量がＨ４３、部材からの受熱量がＨ４４となったとする。ここで、Ｈ４３がＨ４４より小さい値となる。

まず、第３実施形態の熱回収抑制時の冷媒からの受熱について説明する。第３実施形態でも、冷媒からの受熱のうち、フィン部材７１を介した冷媒からの受熱が支配的になる。このため、図１１（Ｂ）に、フィン部材７１を介した冷媒からの受熱（図では「〈３〉の受熱」で略記。）の流れを細い１つの直線の矢印で示している。

次に、第３実施形態では、空間８５，９５が断熱層として働くことによって、内管２の受熱量が半減するので、排気を介した冷媒からの受熱量が第２実施形態より半減する。しかしながら、フィン部材７１を介した冷媒からの受熱量が第３実施形態においても支配的であることに変わりないので、この排気を介した冷媒からの受熱量の半減は、熱回収抑制時の冷媒からの受熱量全体から見れば微小である。また、冷媒からの受熱には大気に放出される分があるが、これも、空間８５，９５が断熱層として働くことによって第２実施形態より半減する。この結果、第３実施形態の熱回収抑制時の冷媒からの受熱量Ｈ４３は第２実施形態の熱回収抑制時の冷媒からの受熱量Ｈ３３より減少する。

第３実施形態では図１１（Ｂ）に、通路拡大部３３Ａ，３３Ｂの存在によって、排気を介した冷媒からの受熱（図では「〈４〉の受熱」で略記。）が大きくなる分の熱の流れを、上流側と下流側の２本の細い折れ線の矢印で示している。また、冷媒からの受熱には大気に放出される分があるので、これを上流側と下流側に２本の下向きの細くて長い直線の矢印で表している。

次に、第３実施形態の熱回収抑制時の部材からの受熱について説明する。第３実施形態においても、つなぎ部１２Ａ，１２Ｂの存在によって、熱が伝わる経路の長さが長くなり熱が大気に放出される分だけ、部材からの受熱量が第１実施形態の部材からの受熱量より小さくなる。

その上、空間８５，９５が断熱層として働くことによって、第３実施形態の熱回収抑制時の内管２の受熱量が第２実施形態より半減する。また、内管２の受熱量が半減することで、第３実施形態の熱回収抑制時の部材からの受熱量のうち、大気に放出される分についても第２実施形態より半減する。このように、内管２の受熱量及び大気放出分が第２実施形態より半減するので、第３実施形態の熱回収抑制時の部材からの受熱量Ｈ４４が第２実施形態の熱回収抑制時の部材からの受熱量Ｈ４２より半減する。

第３実施形態では図１１（Ｂ）に、一旦上流側に向かった後に下流側に戻る太い折れ線の矢印から、大気に放出される分を下向きに分岐する３本の太い矢印で表している。同様に、一旦下流側に向かった後に上流側に戻る太い折れ線の矢印から、大気に放出される分を下向きに分岐する３本の太い矢印で表している。

（１５）第３実施形態と第２実施形態の熱回収抑制時の総受熱量の比較
デフューザ８１，９１の存在により第３実施形態の熱回収抑制時の冷媒からの受熱量Ｈ４３が第２実施形態の熱回収抑制時の冷媒からの受熱量Ｈ３３より減少する。かつ、デフューザ８１，９１の存在により第３実施形態の部材からの受熱量Ｈ４４が第２実施形態の部材からの受熱量Ｈ３４より半減する。この結果、第３実施形態の熱回収抑制時の総受熱量（＝Ｈ４３＋Ｈ４４）は、第２実施形態の熱回収抑制時の総受熱量（＝Ｈ３３＋Ｈ３４）より減少した。

上記のように第３実施形態のほうが第２実施形態より熱回収促進時の総受熱量が小さくなり、かつ第３実施形態のほうが第２実施形態より熱回収抑制時の総受熱量が小さくなる。この場合、熱回収促進時の総受熱量の減少割合と、熱回収抑制時の総受熱量の減少割合とを比較すると、熱回収抑制時の総受熱量の減少割合のほうが大きい。この結果を、新たに導入した上記（１）式に当てはめてみると、第３実施形態のほうが第２実施形態より、上記（１）式の熱回収促進／熱回収抑制の比率が大きくなった。このように、デフューザ８１，９１を追加して設ける第３実施形態のほうが第２実施形態より特に熱回収抑制時の熱回収量を低減できることとなった。

第３実施形態では、フィン部材７１よりも下流側の排気管（１１）内に、流路の断面積が上流側に向けて徐々に小さくなる下流側デフューザ８１をさらに備えている。これによって、特に熱回収抑制時の総受熱量を、下流側デフューザ８１を設けていない場合より減らすことができる。

第３実施形態では、フィン部材７１よりも上流側の排気管（１１）内に、流路の断面積が下流側に向けて徐々に小さくなる上流側デフューザ９１をさらに備えている。これによって、特に熱回収抑制時の総受熱量を、上流側デフューザ９１を設けていない場合より減らすことができる。

１ 熱交換器
２ 内管（区画部材）
２Ａ フィン上流側内管
２Ｂ フィン下流側内管
３ 内周壁部位
３Ａ 内周壁部位の内周（内管の内周面）
４Ａ 側壁部位
４Ｂ 側壁部位（第２媒体通路の排気流れ方向の下流端）
６ 冷媒タンク（タンク）
６Ａ 底面
９ 冷媒供給通路（連通路）
１１ 中間管（排気管）
１２Ａ つなぎ部
１２Ｂ つなぎ部（第１媒体通路の排気流れ方向の下流端と第２媒体通路の排気流れ方向の下流端とを区画する部材）
２１ 外管
２２ 外周壁部位
２３Ａ 側壁部位
２３Ｂ 側壁部位（第１媒体通路の排気流れ方向の下流端）
３１ 排気通路
３２ 冷媒通路（第２媒体通路）
３５ ウォータジャケット（第１媒体通路）
５１ エンジン
７１ フィン部材（排熱回収体）
８１ 下流側デフューザ
９１ 上流側デフューザ

Claims (7)

1. エンジンの排気を通流させる排気通路と、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、前記排気と前記第１媒体との間で熱交換を行なう熱交換器であって、
   前記排気通路と前記第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、
   排気と第１媒体の熱交換を促進するときには前記第２媒体通路の内部を液相の第２媒体で満たし、排気と第１媒体の熱交換を抑制するときには前記第２媒体通路の内部を気相の第２媒体で満たす熱交換器において、
   前記排気通路の一部を構成する排気管と、
   前記排気管の内側に設けられ、前記排気管との間に前記第２媒体通路を形成する内管と、
   前記排気管の外側に設けられ、前記排気管との間に前記第１媒体通路を形成する外管と、
   を備え、
   前記第１媒体通路の軸方向長さよりも前記第２媒体通路の軸方向長さを大きくすることを特徴とする熱交換器。
2. 前記内管の内周面に当接するように設けられ、排気が通過することによって排気の熱を回収可能な排熱回収体をさらに備えることを特徴とする請求項１に記載の熱交換器。
3. 前記排気と第１媒体の熱交換を促進するときに前記排熱回収体を設けたことによる前記第２媒体を介した受熱量の増加分を相殺するように、前記外管の軸方向長さを減少させることを特徴とする請求項２に記載の熱交換器。
4. 前記排熱回収体よりも下流側の前記排気管内に、流路の断面積が上流側に向けて徐々に小さくなるデフューザをさらに備えることを特徴とする請求項２または３に記載の熱交換器。
5. 前記排熱回収体よりも上流側の前記排気管内に、流路の断面積が下流側に向けて徐々に小さくなるデフューザをさらに備えることを特徴とする請求項２から４までのいずれか一つに記載の熱交換器。
6. 前記第２媒体を貯溜するタンクと、前記第２媒体通路と前記タンクとを連通する連通路と、を備え、
   前記タンクの底面は前記第２媒体通路より上方にあり、
   前記排気と第１媒体の熱交換を促進するときには前記第２媒体が自重で落下して前記第２媒体通路を満たし、前記排気と第１媒体の熱交換を抑制するときには排気の熱を受けて前記第２媒体通路の内部の第２媒体が沸騰して気体となり、この気体の圧力で液体の第２媒体を前記第２媒体通路から排出することを特徴とする請求項１から５までのいずれか一つに記載の熱交換器。
7. 前記エンジンが車両に搭載され、
   前記排気通路が前記車両の前後方向に設けられ、
   前記第１媒体通路の排気流れ方向の下流端よりも前記第２媒体通路の排気流れ方向の下流端が前記第１媒体通路の排気流れ方向の下流側にある場合に、前記第１媒体通路の排気流れ方向の下流端と前記第２媒体通路の排気流れ方向の下流端とを区画する部材の下部に前記連通路が開口することを特徴とする請求項６に記載の熱交換器。

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