JPWO2016140068A1 - 熱交換器、及び該熱交換器を備えた排気熱回収装置 - Google Patents

Abstract

熱交換器（１）は、ハウジング内に並設される複数個の熱交換セグメント（１０）と、ハウジングに液密的に接合され、相互に隣接する熱交換セグメントの各間隙に冷却媒体流路（ＦＰ）を形成するように熱交換セグメントを支持する封止部材（２３）を備える。各熱交換セグメントは、一つの面のみに開口を有し、少なくとも開口の外側が封止部材によって液密的に封止される筐体（１１）と、筐体内に収容され、所定方向の排気ガス流のみを許容する複数の流路（ＧＰ）を有すると共に、その上流側及び下流側にガス導入流路（ＧＩ）及びガス排出流路（ＧＯ）を有する案内部材（１２）、例えばフィン（１３）を具備し、各々の筐体の開口に、ガス導入流路に連通するガス導入口（１１ａ）を有すると共に、ガス排出流路に連通するガス排出口（１１ｂ）を有する。

Description

本発明は、熱交換器及びこれを備えた排気熱回収装置に関し、特に、内燃機関に好適な熱交換器及び排気熱回収装置に係る。

エネルギー効率向上の要請に応えるべく、各業界において、大気に排出されるガスの熱、即ち排気熱を回収し、これを再利用する対策が講じられている。特に、内燃機関を搭載する自動車分野においては、総合的な熱効率向上のため、内燃機関の排気ガスの熱を回収する排気熱回収装置が排気管に介装され、排気熱との熱交換によって加熱された冷却媒体を暖機促進や暖房性能向上に供することが一般化しつつある。例えば、下記の特許文献１には、「排気ガスと熱交換を行なう熱交換器と、排気ガスが熱交換器を迂回するバイパス経路と、バイパス経路を開閉する弁体とを備える排気熱回収装置において、熱交換器から排出直後の媒体に接触する温度作動アクチュエータを備え、温度作動アクチュエータは媒体温度が所定の値以上になると伸長運動し弁体を開駆動するようにした」排気熱回収装置が開示されている（特許文献１の段落〔０００８〕に記載）。

更に、上記の排気熱回収装置として、特許文献１には「インレットコーン、アウトレットコーン、バイパスパイプ、熱交換器が、溶接等によって相互に気密に嵌合固定し構成される。インレットコーンにはバイパスパイプと熱交換器の上流端部が嵌合され、アウトレットコーンにはバイパスパイプと熱交換器の下流端部が嵌合され」る構成が開示され（特許文献１の段落〔００１３〕に記載。但し、付記された符合は省略）、更に、熱交換器について「ケーシング内に偏平断面の９本の伝熱管が、その両端部を仕切板に液密に貫通固定され」、「２枚の仕切板の間において、ケーシング内面と伝熱管外面とによって、媒体が流動するウオータージャケットが形成される」旨記載されている（同段落〔００１４〕に記載。但し、付記された符合は省略）。

また、下記の特許文献２には、「内部に排気ガスが流される伝熱チューブが複数積層され、これらの積層された伝熱チューブがコアケースに収納され、このコアケースに媒体を導入する導入口と伝熱チューブで温められた媒体を排出する排出口とが設けられ、導入口から排出口に向かって媒体が流されると共に、伝熱チューブの内部に排気ガスが流され、伝熱チューブの外周に流される媒体が排気ガスの熱で温められ、伝熱チューブは、少なくとも３つ積層され、３つ以上の伝熱チューブが積層されることで、伝熱チューブの上面とコアケースとの間、伝熱チューブと伝熱チューブとの間、伝熱チューブの下面とコアケースとの間に形成される流路は、断面視で４層以上形成され、伝熱チューブの側面とコアケースとの間に、媒体が他の層へ移動する層間路が形成され」た熱交換器が開示され、「流路閉塞手段で任意の層間路を塞ぐ」ための構成が提案されている（特許文献２の段落〔０００９〕に記載）。

更に、特許文献２には、「排熱回収装置は、内燃機関で発生した排気ガスが導入される導入部材と、この導入部材に上部通路を介して繋がれ先端がガス流入部材に支持される熱交換器と、この熱交換器の後端に接続され熱交換器を通過した排気ガスが流されるガス流出部材と、熱交換器の下方に設けられ上部通路に流されない排気ガスが流される下部通路と、媒体排出部のアクチュエータ支持部で支持され媒体の温度で作動するサーモアクチュエータと、このサーモアクチュエータの先端に設けられ上部通路に流される排気ガスの量を調節するバルブ機構とからなる」構成が開示されている（特許文献２の段落〔００３２〕に記載。但し、付記された符合は省略）。

特開２００８−１５７２１１号公報 特開２０１２−１３２６１４号公報

上記の特許文献に開示された熱交換器に関し、特許文献１においては「９本の伝熱管」が用いられ、排気熱回収装置に適用される際には「インレットコーンにはバイパスパイプと熱交換器の上流端部が嵌合され、アウトレットコーンにはバイパスパイプと熱交換器の下流端部が嵌合され」る構成とされている。また、特許文献２においては、「３つ以上の伝熱チューブ」の熱交換器が用いられ、排気熱回収装置に適用される際には「内燃機関で発生した排気ガスが導入される導入部材と、この導入部材に上部通路を介して繋がれ先端がガス流入部材に支持される熱交換器と、この熱交換器の後端に接続され熱交換器を通過した排気ガスが流されるガス流出部材」を備えた構成とされている。

上記の特許文献１及び２に開示された熱交換器は何れも、両側端部に、排気ガスを導入する「インレットコーン」あるいは「導入部材」が設けられると共に、排気ガスを排出する「アウトレットコーン」あるいは「ガス流出部材」が設けられており、本体部を含む三つの部材で構成されている。従って、熱交換器の一層の小型化が望まれる。また、熱交換器に対し排気ガスを均一に導入するためには、その前後に接合される部材を含めた対策を講ずる必要があり、特許文献２でも提案されているが、複雑な構造となり、容易ではない。更に、熱交換器の小型化のみでは直ちに排気熱回収装置の小型化につながらず、組み付け等も容易ではない。

内燃機関に搭載される排気熱回収装置においては、内燃機関及び冷却媒体が冷えた状態での冷間始動時には、早急に冷却媒体を温める必要があり、排気ガスを導入する迂回流路での熱損失を極力抑える必要があるが、上記の「インレットコーン」や「導入部材」は熱容量が大きいので、質量及び表面積の低減が要求される。また、自動車への搭載に際し、装置全体として一層の小型化が要請されている。更には、熱交換器における冷却媒体との効率的な熱交換という観点からも、特許文献１及び２に開示された熱交換器及び排気熱回収装置では、近時の要求性能を満たすことはできない。このため、所望の熱交換効率を維持しつつ、特に、迂回流路が占めるヒートマス（熱容量）及びスペース（空間）を最小化することが喫緊の課題となっている。

そこで、本発明は、排気ガスと冷却媒体との熱交換を行う熱交換器において、少ない構成部品で一層の小型化を可能とすることを課題とする。

また、本発明は、内燃機関の迂回流路を通過する排気ガスを熱交換器内で冷却媒体と熱交換して排気熱を回収する排気熱回収装置において、迂回流路を含めて熱交換器を適切に構成することによって、小型で効率的な熱回収を行い得る排気熱回収装置を提供することを課題とする。

上記の課題を達成するため、本発明は、ハウジング内で排気ガスと冷却媒体との熱交換を行う熱交換器であって、前記ハウジング内に並設される複数個の熱交換セグメントと、前記ハウジングに液密的に接合され、相互に隣接する前記熱交換セグメントの各間隙に冷却媒体流路を形成するように前記複数個の熱交換セグメントを支持する封止部材を備え、前記複数個の熱交換セグメントを構成する各熱交換セグメントが、一つの面のみに開口を有し、少なくとも該開口の外側が前記封止部材によって液密的に封止される筐体と、該筐体内に収容され、所定方向の排気ガス流のみを許容する複数の流路を有すると共に、該複数の流路の上流側及び下流側にガス導入流路及びガス排出流路を有する案内部材とを具備し、各々の前記筐体の開口に、前記ガス導入流路に連通するガス導入口を有すると共に、前記ガス排出流路に連通するガス排出口を有する構成としたものである。例えば、上記の筐体は、長手方向の一つの面のみに開口を有する直方体形状に形成され得るが、その場合には上記の所定方向は長手方向となる。

上記の熱交換器において、前記複数個の熱交換セグメントの各々の前記案内部材は、一枚の熱交換用板材が屈曲され、連続するＳ字状断面を有する波状に形成されたフィンを備え、該フィンの延出方向の一側面が前記ガス導入口と前記ガス排出口の間の前記筐体の開口を遮蔽し、当該フィンの両端面側が夫々前記ガス導入口と前記ガス排出口に連通するように配置される構成とするとよい。

更に、上記の熱交換器は、前記ハウジングに形成され前記冷却媒体流路に連通する冷却媒体導入口及び冷却媒体排出口と、該冷却媒体導入口及び冷却媒体排出口の間に介装される整流板を備えたものとするとよい。この整流板は櫛型形状を有するものとし、該櫛型を構成する櫛歯の一部が、前記複数個の熱交換セグメントが相互に隣接する各間隙に介装される構成とするとよい。更に、前記整流板は、前記櫛型を構成する櫛歯の一部の先端が折曲された折曲部を有し、該折曲部によって前記各間隙に対する冷却媒体案内路が形成されている構成とするとよい。

また、上記の熱交換器において、前記複数個の熱交換セグメントの各々の前記筐体は、相互に隣接する各側面の同位置に少なくとも一つの凸部を有し、該凸部が前記冷却媒体流路内に配置されているものとするとよい。

更に、上記の熱交換器において、前記封止部材は、平行に形成された複数のスリットを有し、該スリット内に夫々前記筐体の開口の外側が嵌合されて、前記複数個の熱交換セグメントが支持される構成とするとよい。

そして、本発明の排気熱回収装置は、内燃機関の排気ガスを導入する主排気流路と、該主排気流路の一部から分岐してガス導入口を構成すると共に当該主排気流路の他の部分に合流してガス排出口を構成する迂回流路と、該迂回流路を通過する排気ガスをハウジング内で冷却媒体と熱交換して排気熱を回収する熱交換器とを備え、該熱交換器が、前記ハウジング内に並設される複数個の熱交換セグメントと、前記ハウジングに液密的に接合され、相互に隣接する前記熱交換セグメントの各間隙に冷却媒体流路を形成するように前記複数個の熱交換セグメントを支持する封止部材を備え、前記複数個の熱交換セグメントを構成する各熱交換セグメントが、一つの面のみに開口を有し、少なくとも該開口の外側が前記封止部材によって液密的に封止される筐体と、該筐体内に収容され、所定方向の排気ガス流のみを許容する複数の流路を有すると共に、該複数の流路の上流側及び下流側にガス導入流路及びガス排出流路を有する案内部材とを具備し、各々の前記筐体の開口に、前記ガス導入流路に連通するガス導入口を有し、該ガス導入口が前記迂回流路のガス導入口を構成すると共に、各々の前記筐体の開口に、前記ガス排出流路に連通するガス排出口を有し、該ガス排出口が前記迂回流路のガス排出口を構成することとしたものである。

上記の排気熱回収装置において、前記複数個の熱交換セグメントの各々の前記案内部材は、一枚の熱交換用板材が屈曲され、連続するＳ字状断面を有する波状に形成されたフィンを備え、該フィンの延出方向の一側面が前記ガス導入口と前記ガス排出口の間の前記筐体の開口を遮蔽し、当該フィンの両端面側が夫々前記ガス導入口と前記ガス排出口に連通するように配置される構成とするとよい。

上記の排気熱回収装置に供される前記熱交換器は、前記ハウジングに形成され前記冷却媒体流路に連通する冷却媒体導入口及び冷却媒体排出口と、該冷却媒体導入口及び冷却媒体排出口の間に介装される整流板とを備えたものとし、該整流板は櫛型形状を有し、該櫛型を構成する櫛歯の一部が、前記複数個の熱交換セグメントが相互に隣接する各間隙に介装される構成とするとよい。更に、前記整流板は、前記櫛型を構成する櫛歯の一部の先端が折曲された折曲部を有し、該折曲部によって前記各間隙に対する冷却媒体案内路が形成されているものとしてもよい。

上記の排気熱回収装置に供される前記熱交換器において、前記複数個の熱交換セグメントの各々の前記筐体は、相互に隣接する各側面の同位置に少なくとも一つの凸部を有し、該凸部が前記冷却媒体流路内に配置されている構成とするとよい。また、前記熱交換器のハウジングは、前記開口が下方に位置すると共に前記主排気流路に対し上方に配置されるアッパハウジングを構成し、該アッパハウジングに接合されて筐体形状に形成されるロアハウジングを備え、該ロアハウジング内に前記主排気流路が構成されているものとしてもよい。

更に、前記主排気流路と前記迂回流路との間の連通を開閉する弁装置であって、前記ロアハウジング内に収容される少なくとも弁部材を有する弁装置と、前記主排気流路から前記迂回流路に分岐する分岐部と、前記迂回流路から前記弁部材を介して前記主排気流路に合流する合流部とを備えたものとしてもよい。

前記弁装置は、前記主排気流路を開閉する第１の弁部材と、前記迂回流路を開閉する第２の弁部材と、前記第１の弁部材及び前記第２の弁部材を支持する単一の軸部材と、該軸部材を囲繞するように保持し前記ロアハウジングの少なくとも一方の側面に支持される保持部材とを備えたものとするとよい。

更に、前記第２の弁部材は前記合流部で前記迂回流路を開閉するように配設され、前記第１の弁部材が前記主排気流路を開とするときには、前記第２の弁部材が前記迂回流路を閉とすると共に、前記保持部材を前記主排気流路に対し遮蔽する構成とするとよい。

そして、前記アッパハウジング及び前記ロアハウジングの少なくとも一方に固定されたブラケットを備えたものとし、前記弁装置は、前記軸部材を回転駆動するアクチュエータを具備し、前記ブラケットに、前記アクチュエータが支持されると共に前記保持部材が嵌合される構成とするとよい。

本発明は上述のように構成されているので以下の効果を奏する。即ち、本発明は、ハウジング内で排気ガスと冷却媒体との熱交換を行う熱交換器であって、前記ハウジング内に並設される複数個の熱交換セグメントと、前記ハウジングに液密的に接合され、相互に隣接する前記熱交換セグメントの各間隙に冷却媒体流路を形成するように前記複数個の熱交換セグメントを支持する封止部材を備え、前記複数個の熱交換セグメントを構成する各熱交換セグメントが、一つの面のみに開口を有し、少なくとも該開口の外側が前記封止部材によって液密的に封止される筐体と、該筐体内に収容され、所定方向の排気ガス流のみを許容する複数の流路を有すると共に、該複数の流路の上流側及び下流側にガス導入流路及びガス排出流路を有する案内部材とを具備し、各々の前記筐体の開口に、前記ガス導入流路に連通するガス導入口を有すると共に、前記ガス排出流路に連通するガス排出口を有する構成であるので、必要な空間を極力小さくしつつ効率的な熱交換を行うことができ、一層の小型化が可能となる。

上記の熱交換器において、複数個の熱交換セグメントの各々の案内部材は、一枚の熱交換用板材が屈曲され、連続するＳ字状断面を有する波状に形成されたフィンを備えたものとし、フィンの延出方向の一側面がガス導入口とガス排出口の間の筐体の開口を遮蔽し、フィンの両端面側が夫々ガス導入口とガス排出口に連通するように配置される構成とすれば、熱交換効率が良好な案内部材を各熱交換セグメント内に容易に組み込むことができる。

更に、上記の熱交換器において、ハウジングに形成され冷却媒体流路に連通する冷却媒体導入口及び冷却媒体排出口と、該冷却媒体導入口及び冷却媒体排出口の間に介装される整流板を備えたものとすれば、冷却媒体を円滑に循環させて、効率的に熱交換を行うことができる。上記の整流板は櫛型形状を有するものとし、櫛型を構成する櫛歯の一部が、複数個の熱交換セグメントが相互に隣接する各間隙に介装される構成とすれば、各熱交換セグメント内で冷却媒体を適切且つ円滑に循環させることができる。更に、櫛型を構成する櫛歯の一部の先端が折曲された折曲部を有し、折曲部によって各間隙に対する冷却媒体案内路が形成されている整流板を用いれば、各熱交換セグメント内で均等に熱交換を行うことができ、効率的に熱交換を行うことができる。

また、複数個の熱交換セグメントの各々の筐体は、相互に隣接する各側面の同位置に少なくとも一つの凸部を有し、この凸部が冷却媒体流路内に配置されている構成とすれば、各熱交換セグメント内で、冷却媒体に含まれ得る気泡を、対向する凸部間で確実に分離して、冷却媒体を適切且つ円滑に循環させることができる。更に、封止部材は、平行に形成された複数のスリットを有し、スリット内に夫々筐体の開口の外側が嵌合されて、複数個の熱交換セグメントが支持される構成とすれば、容易かつ適切に各熱交換セグメントの筐体を液密的に封止することができる。

そして、本発明の排気熱回収装置においては、内燃機関の排気ガスを導入する主排気流路と、主排気流路の一部から分岐してガス導入口を構成すると共に主排気流路の他の部分に合流してガス排出口を構成する迂回流路と、迂回流路を通過する排気ガスをハウジング内で冷却媒体と熱交換して排気熱を回収する熱交換器であって、前述のように構成された熱交換器とを備え、各々の筐体の開口に形成されるガス導入口及びガス排出口が、夫々迂回流路のガス導入口及びガス排出口を構成しているので、迂回流路の熱容量及びこれに必要な空間を極力小さくしつつ、効率的な熱回収を行うことができ、熱交換器のみならず、排気熱回収装置全体として小型化が可能となる。

上記の排気熱回収装置において、複数個の熱交換セグメントの各々の案内部材は、一枚の熱交換用板材が屈曲され、連続するＳ字状断面を有する波状に形成されたフィンを備え、フィンの延出方向の一側面がガス導入口とガス排出口の間の筐体の開口を遮蔽し、フィンの両端面側が夫々ガス導入口とガス排出口に連通するように配置される構成とすれば、熱交換効率が良好な案内部材を各熱交換セグメント内に容易に組み込むことができる。

上記の排気熱回収装置に供される熱交換器は、ハウジングに形成され冷却媒体流路に連通する冷却媒体導入口及び冷却媒体排出口と、冷却媒体導入口及び冷却媒体排出口の間に介装される整流板とを備えたものとし、この整流板は櫛型形状を有するものとし、櫛型を構成する櫛歯の一部が、複数個の熱交換セグメントが相互に隣接する各間隙に介装される構成とすれば、上記各熱交換セグメント内で冷却媒体を適切且つ円滑に循環させることができ、効率的に熱回収を行うことができる。更に、櫛型を構成する櫛歯の一部の先端が折曲された折曲部を有し、折曲部によって各間隙に対する冷却媒体案内路が形成されている整流板を用いれば、各熱交換セグメント内で均等に熱交換を行うことができ、効率的に熱回収を行うことができる。

また、複数個の熱交換セグメントの各々の筐体は、相互に隣接する各側面の同位置に少なくとも一つの凸部を有し、この凸部が冷却媒体流路内に配置されている構成とすれば、各熱交換セグメント内で、冷却媒体に含まれ得る気泡を、対向する凸部間で確実に分離して、冷却媒体を適切且つ円滑に循環させることができる。

また、上記の排気熱回収装置において、熱交換器のハウジングは、開口が下方に位置すると共に主排気流路に対し上方に配置されるアッパハウジングを構成し、アッパハウジングに接合されて筐体形状に形成されるロアハウジングを備えたものとし、ロアハウジング内に主排気流路を構成すれば、主排気流路に対し容易且つ適切に熱交換器を装着することができる。

更に、主排気流路と迂回流路との間の連通を開閉する弁装置であって、ロアハウジング内に収容される少なくとも弁部材を有する弁装置と、主排気流路から迂回流路に分岐する分岐部と、迂回流路から弁部材を介して主排気流路に合流する合流部とを備えたものとすれば、小型の弁装置で、排気ガス流の主排気流路と迂回流路への切り換えを容易且つ適切に行うことができる。

また、弁装置は、主排気流路を開閉する第１の弁部材と、迂回流路を開閉する第２の弁部材と、第１の弁部材及び第２の弁部材を支持する単一の軸部材と、軸部材を囲繞するように保持しロアハウジングの少なくとも一方の側面に支持される保持部材とを備えたものとすれば、保持部材によって軸部材を適切に保護することができる。

特に、第２の弁部材は合流部で迂回流路を開閉するように配設され、第１の弁部材が主排気流路を開とするときには、第２の弁部材が迂回流路を閉とすると共に、保持部材を主排気流路に対し遮蔽する構成とすれば、主排気流路内の高温の排気ガスから、軸部材を適切に保護することができる。

そして、アッパハウジング及びロアハウジングの少なくとも一方に固定されたブラケットを備えたものとし、弁装置は、軸部材を回転駆動するアクチュエータを具備し、ブラケットに、アクチュエータが支持されると共に保持部材が嵌合される構成とすれば、高温の部材に対しアクチュエータを適切に保護しつつ、確実に軸部材を回転駆動することができる。

本発明の一実施形態に係る熱交換器を備えた排気熱回収装置の横断面図である。 本発明の一実施形態に係る熱交換器における冷却媒体の流れを示す部分断面図である。 本発明の一実施形態に係る排気熱回収装置の縦断面図である。 本発明の一実施形態における隣接する熱交換セグメント間の関係を拡大して示す縦断面図である。 本発明の一実施形態に供される熱交換セグメントを構成する部品の組付前の状態を示す斜視図である。 本発明の一実施形態に供される熱交換セグメント及び整流板の組付状況を示す斜視図である。 本発明の一実施形態に係る熱交換器をハウジングの開口側から見た斜視図である。 本発明の一実施形態に供される隔壁部材の斜視図である。 本発明の一実施形態に供される熱交換セグメントの筐体を構成する蓋部材の縦断面図である。 本発明の一実施形態に供される熱交換セグメントを構成する筐体の部分断面正面図である。 本発明の一実施形態に供される封止部材に複数の熱交換セグメント及び整流板が装着された状態を示す平面図である。 本発明の一実施形態に供される封止部材に熱交換セグメント及び整流板が装着された状態を示す側面図である。 本発明の一実施形態に供されるアッパハウジングの側面図である。 本発明の一実施形態に供されるアッパハウジングの縦断面図である。 本発明の一実施形態に係る排気熱回収装置の部分断面図である。 本発明の一実施形態に係る排気熱回収装置の平面図である。 本発明の一実施形態に係る排気熱回収装置の正面図である。 本発明の他の実施形態に係る排気熱回収装置の一部を示す断面図である。 本発明の更に他の実施形態に係る排気熱回収装置の一部を示す断面図である。

以下、本発明の望ましい実施形態について図面を参照して説明する。図１乃至図３は本発明の一実施形態に係る熱交換器１を備えた排気熱回収装置を示すもので、排気熱回収装置は、内燃機関（図示せず）の排気ガスを導入する主排気流路２と、この主排気流路２から分岐し主排気流路２に合流する迂回流路３と、この迂回流路３を通過する排気ガスと冷却媒体との熱交換を行い排気熱を回収する熱交換器１を備えている。本実施形態においては、排気熱回収装置のハウジング２０は、主排気流路２に対し（車両に搭載した状態で）上方に配置されたアッパハウジング２１と、これに接合されるロアハウジング２２によって筐体形状に形成され、封止部材２３によって液密的に分離されている。尚、本実施形態においては、二つの部材２２ａ及び２２ｂが接合されてロアハウジング２２が形成されている。更に、主排気流路２と迂回流路３との連通を開閉する弁装置４が設けられているが、先ず熱交換器１について説明する。

本実施形態の熱交換器１は、そのハウジングが排気熱回収装置のアッパハウジング２１によって構成され、図１乃至図７に示すように、複数個（本実施形態では５個）の熱交換セグメント（代表して１０で示す）を有し、各熱交換セグメント１０は、一つの面のみが開口する筐体１１と、筐体１１内に収容された案内部材１２によって構成されている。本実施形態の筐体１１は長手方向の下側平面部が開口する直方体形状に形成されているが、例えば、両側面が正方形で下側平面部が開口する直方体形状に形成してもよく、あるいは、図１等の上方に円弧状曲面を有し、両側面が半円形で下側平面部が開口する形状等に形成してもよい。

各案内部材１２は、所定方向（本実施形態では筐体１１の長手方向）の排気ガス流のみを許容する複数の流路ＧＰを有すると共に、その上流側及び下流側にガス導入流路ＧＩ及びガス排出流路ＧＯを有し、後述するように、各々の筐体１１の開口に、ガス導入流路ＧＩに連通するガス導入口１１ａを有すると共に、ガス排出流路Ｇ０に連通するガス排出口１１ｂを有する構成とされる。上記５個の熱交換セグメント１０は所定の間隙を隔てて平行に配置され、各熱交換セグメント１０の開口面１０ａと同じ側の面に開口２１ａを有するアッパハウジング２１によって囲繞されている。而して、アッパハウジング２１内に５個の熱交換セグメント１０が収容され、各熱交換セグメント１０の所定方向（筐体１１の長手方向）の前後に設けられるガス導入口１１ａ及びガス排出口１１ｂによって、夫々、迂回流路３のガス導入口３ａ及びガス排出口３ｂが構成される。

上記の熱交換器１は、アッパハウジング２１内を液密的に区画し、少なくとも筐体１１の開口の外側を液密的に封止する封止部材２３を備えており、この封止部材２３には、図５及び図６に示すように５箇所にスリット（代表して２３ａで示す）が平行に形成されており、各スリット２３ａに夫々熱交換セグメント１０が嵌合されて図１及び図２（並びに後述の図１１及び図１２）に示すように支持される。而して、アッパハウジング２１及び封止部材２３の内面と５個の熱交換セグメント１０の外面との間、並びに、それらの熱交換セグメント１０が相互に隣接する筐体１１、１１間の間隙に、冷却媒体流路ＦＰが形成される。本実施形態のアッパハウジング２１においては、図２及び図７（並びに後述の図１３）に示すように、冷却媒体流路ＦＰへの冷却媒体導入口２１ｂが、冷却媒体流路ＦＰからの冷却媒体排出口２１ｃより（車両に搭載した状態で）下方に設けられており、冷却媒体導入口２１ｂと冷却媒体排出口２１ｃとの間に整流板２４が介装されている。

整流板２４は、図５及び図６に示すように櫛型形状を有し、櫛型を構成する櫛歯２４ａ乃至２４ｆのうち櫛歯２４ｂ乃至２４ｅは、５個の熱交換セグメント１０が相互に隣接する各間隙に介装されている。更に、櫛歯２４ｂ乃至２４ｅの先端が折曲されて折曲部２４ｇ乃至２４ｊが形成されており、幅方向中央に位置する折曲部２４ｈ及び２４ｉが最長となるように設定されている。これら折曲部２４ｈ及び２４ｉによって、上記の熱交換セグメント１０間の各間隙に対する冷却媒体案内路が形成される。而して、櫛歯２４ａ乃至２４ｆによって、各熱交換セグメント１０の幅方向の中間部では冷却媒体の流速が速く、端部では遅くなるように調整されるので、各熱交換セグメント１０内で均等に熱交換を行うことができる。

各熱交換セグメント１０の筐体１１は、図５（及び、後述の図１０）に示すように、二つの蓋部材１１ｘ及び１１ｙの開口側壁部が接合されて（長手方向の一つの面が開口する）直方体形状に形成される。図５及び図６（並びに、後述の図９及び図１０）に示すように、各筐体１１の相互に隣接する側の側面に少なくとも一つの凸部１１ｐが同位置に形成されており、凸部１１ｐが冷却媒体流路ＦＰ内に配置される。本実施形態においては、長手方向に延在する長尺の凸部１１ｐに加え、複数の突起状の凸部１１ｑが形成されている。図４に示すように、相互に隣接する凸部１１ｐ、１１ｐの間に空隙（ｓ）が形成されており、ここで、冷却媒体に混入した気泡が分離されて図４の上方に移動する。一方、相互に隣接する凸部１１ｑ、１１ｑは当接しているが、これらによって、隣接する筐体１１、１１間の間隙が規定され、図１に実線の矢印で示し、図２に実線及び二点鎖線の矢印で示すように冷却媒体が案内され、上記の整流板２４と共に、所望の冷却媒体流路ＦＰが確保される。

また、本実施形態においては、各熱交換セグメント１０の案内部材１２は、図１、図３、図４及び図５に示すように、一枚の熱交換用板材が屈曲され、連続するＳ字状断面を有する波状に形成されたフィン１３で構成されている。そして、図１及び図７に示すように、フィン１３の延出方向の一側面１３ａが筐体１１の長手方向の開口を遮蔽すると共に、フィン１３の両端面１３ｂ、１３ｃが夫々ガス導入口１１ａ（ひいては、迂回流路３のガス導入口３ａ）及びガス排出口１１ｂ（ひいては、迂回流路３のガス排出口３ｂ）に連通するように配置されている。而して、図１に示す排気ガスの流路（ＧＩ、ＧＰ、ＧＯ）が構成され、排気ガスの流れは破線矢印で示すようになる。上記の蓋部材１１ｘ及び１１ｙの接合、筐体１１とフィン１３との接合、各熱交換セグメント１０が各スリット２３ａに嵌合された後の接合に際しては、ロウ付け等によって適宜、気密的あるいは液密的に固定される。尚、筐体１１における上記長手方向の開口は、フィン１３の延在方向の一側面１３ａに代えて、別部材（図示せず）を接合することとしてもよく、あるいは、筐体１１と一体的に閉塞部（図示せず）を形成することとしてもよい。

一方、弁装置４はロアハウジング２２に装着され、ロアハウジング２２内に主排気流路２が形成されている。従って、主排気流路２から迂回流路３に分岐する分岐部２ａと、迂回流路３から（後述する第２の弁部材４２を介して）主排気流路２に合流する合流部２ｂが、ロアハウジング２２内に形成されている。図１に示すように、弁座２５ａを有する隔壁部材２５が部材２２ａに接合されると共に、連通孔２６ａを有する隔壁部材２６が部材２２ｂに嵌合されており、隔壁部材２５によって分岐部２ａと合流部２ｂが分離されている。尚、隔壁部材２５及び２６は接合されて一体的な部材として、図７に二点鎖線で示すように配置される。

隔壁部材２６は、図７及び図８に示すように、鞍型の筐体に形成されており、合流部２ｂで主排気流路２に連通する連通孔２６ａと、後述の保持部材４４が嵌合する連通孔２６ｂ、２６ｂが形成されている。隔壁部材２６には、図８に示すように傾斜面部２６ｃが形成されており、各熱交換セグメント１０の開口面１０ａに対向するように配置され、各熱交換セグメント１０から排出される熱交換後のガスが連通孔２６ａ方向に案内される。また、連通孔２６ｂ、２６ｂの中心を結ぶ軸に平行に形成された平面部２６ｄが形成されており、この平面部２６ｄが、図１及び図３に示すように、緩衝部材として機能するワイヤメッシュ２７を介して、各熱交換セグメント１０の開口面１０ａ及びフィン１３の延在方向の側面１３ａの中央部を遮蔽し、迂回流路３をガス導入口３ａ側とガス排出口３ｂ側に分離するように配置されている。

而して、隔壁部材２６は、図１に示すように、その開口２６ｅが主排気流路２の弁装置４下流側に開口するように配置される。この結果、前述のように、フィン１３の両端面１３ｂ、１３ｃが夫々ガス導入口１１ａ（３ａ）及びガス排出口１１ｂ（３ｂ）に連通し、図１に示す排気ガスの流路（ＧＩ、ＧＰ、ＧＯ）が構成される。尚、図７に示すように、隔壁部材２６の側面の上下方向に凹部２６ｆが形成されているが、これは、排気ガス中の水分が凝縮した凝縮水を排出する溝に供される。

ここで、上記の構成になる熱交換器１について、更に、図９乃至図１４を参照して主要な構成部品の組付手順に沿って説明する。図９に断面を示す蓋部材１１ｘと略同形状の蓋部材１１ｙが、図１０の左方に一部断面を示すように、両者の開口側壁部が重合するように接合されて、図１０に示す筐体１１が形成される。この筐体１１には、高さが異なる前述の長尺の凸部１１ｐと突起状の凸部１１ｑが形成されており、両者の高さの差は（ｓ／２）に設定されている。そして、図５に示すように、フィン１３が筐体１１内に収容された状態で蓋部材１１ｘ及び１１ｙが接合されると、図６に示す熱交換セグメント１０が構成される。

図５及び図６に示すように、封止部材２３には５箇所にスリット２３ａが平行に形成されており、各スリット２３ａに夫々熱交換セグメント１０が嵌合されると図１１及び図１２に示すように支持され、図４に拡大して示すように、相互に隣接する筐体１１の凸部１１ｐ、１１ｐの間に空隙（ｓ）が形成される。次に、図５及び図６に示す整流板２４の櫛歯２４ｂ乃至２４ｅが５個の熱交換セグメント１０の隣接する各間隙に介装されると共に、図６及び図１１に示すように、櫛歯２４ａ及び２４ｆが両側の熱交換セグメント１０の外側に位置するように配設され、アッパハウジング２１内に収容される。

熱交換器１のハウジングを構成するアッパハウジング２１は、図１３及び図１４に示す筐体形状で、冷却媒体導入口２１ｂ及び冷却媒体排出口２１ｃが形成されており、効率的な熱交換を企図し、冷却媒体導入口２１ｂが冷却媒体排出口２１ｃより（車両に搭載した状態で）下方に設けられている。同様の趣旨で、図２及び図１２に示すように両者間に整流板２４が位置するように構成されており、図２及び図３に示すようにアッパハウジング２１内に配置される。

一方、本実施形態の排気熱回収装置に供される弁装置４は、主排気流路２を開閉する第１の弁部材４１と、迂回流路３を開閉する第２の弁部材４２と、これら第１及び第２の弁部材４１、４２を支持する単一の軸部材４３と、軸部材４３を囲繞するように保持しロアハウジング２２の少なくとも一方の側面（本実施形態では図３の左側の側面）に支持される保持部材４４を備え、アクチュエータ５０によって軸部材４３が回転駆動されるように構成されている。尚、保持部材４４は、見かけ上はロアハウジング２２の一方（図３の左側）の側面のみに支持された片持支持構造であるが、隔壁部材２６に両端が支持されているので、実質的には両端支持構造となっている。

本実施形態の第２の弁部材４２は、円板状の第１の弁部材４１の支持部に接合された湾曲板で構成されており、（隔壁部材２６に両端が支持された）保持部材４４に対し回動自在に軸支された軸部材４３を中心に、第１の弁部材４１と一体となってピボット作動するように構成されている。そして、第２の弁部材４２は合流部２ｂで迂回流路３を開閉するように配設され、第１の弁部材４１が主排気流路２を開とするときには、第２の弁部材４２が迂回流路３を閉とする（但し、必ずしも全閉状態とする必要はない）と共に、保持部材４４を主排気流路２内の排気ガスに対し遮蔽するように配設されている。これにより、保持部材４４ひいては軸部材４３が主排気流路２内の高温の排気ガスに晒されることを阻止することができる。また、前述のように隔壁部材２５及び２６は接合されて一体的な部材として配設されるので、作動時のみならず組付工程においても、弁座２５ａ及び連通孔２６ａに対する第１及び第２の弁部材４１、４２の位置関係を確実に維持することができる。

図１５乃至図１７に示すように、ロアハウジング２２にブラケット２８が固定されており、このブラケット２８に、アクチュエータ５０が支持されると共に弁装置４の保持部材４４が嵌合されている。この保持部材４４は図３及び図８に示す隔壁部材２６の連通孔２６ｂに嵌合されており、保持部材４４に収容され回動自在に支持されている軸部材４３がロアハウジング２２の外側に延出し、ブラケット２８に一端が係止されたリターンスプリング４５によって所定位置（第１の弁部材４１の閉位置）方向に付勢されている。更に、軸部材４３の先端部にはレバー４６が装着されており、その端部４６ａに対しアクチュエータ５０のロッド５０ａが当接可能に配設されている。

そして、図１５乃至図１７に示すように、内燃機関（図示せず）の冷却媒体が導入側パイプＦＴｂを介して冷却媒体導入口２１ｂからアッパハウジング２１内に導入され、冷却媒体排出口２１ｃから排出される熱交換後の高温の冷却媒体が排出側パイプＦＴｃ及び温度検出部ＦＴｘを介して内燃機関（図示せず）に還流するように配管されている。尚、図１７のＡ−Ａ線断面図が図１、Ｂ−Ｂ線断面図が図２、Ｃ−Ｃ線断面図が図１５に夫々対応している。このため、冷却媒体導入口２１ｂは、図１と図２（及び図１３）とで異なる形状（上下方向寸法）が表れている。

本実施形態においては、アクチュエータ５０として、図１５に示すように、従前と同様の温度感応ワックスを内蔵した温度感応部材（サーモエレメント）５０ｂが用いられており、温度検出部ＦＴｘ内の熱交換後の冷却媒体温度に応じて、温度感応部材５０ｂがリターンスプリング５０ｃの付勢力に抗してロッド５０ａを前進駆動するように構成されているが、負圧駆動式のアクチュエータや電動モータ等を用いることとしてもよい。尚、図１５及び図１６には、例えば凍結時に強制的に第１の弁部材４１を駆動するため、更に、電気加熱式のアクチュエータ６０が装着され、レバー４６の端部４６ａと反対側の端部４６ｂに対しロッド６０ａが当接可能に配設されているが、これは省略することとしてもよい。

上記のように構成された排気熱回収装置において、図１乃至図３に示す態様は、内燃機関（図示せず）の暖気過程（冷間時）において、排気熱回収優先とし、冷却媒体を早急に温めて暖機及び暖房に供する状態を示しており、主排気流路２が第１の弁部材４１によって全閉状態とされると共に、迂回流路３が全開状態とされている。これにより、排気ガスの流れを破線矢印で示すように、排気管（図示せず）から流入する排気ガスの全てがガス導入口１１ａ（迂回流路３のガス導入口３ａ）から熱交換器１へ流入して積極的に熱回収（冷却）され、ガス排出口１１ｂ（迂回流路３のガス排出口３ｂ）から主排気流路２内へ排出される。尚、暖気過程（冷間時）においては、第１の弁部材４１によって主排気流路２が全閉状態となるのが好ましいが、排気ガスの完全遮断が必須ではないので、主排気流路２の排気流量が必要量だけ絞られていれば、必ずしも全閉状態とする必要はなく、若干開いた状態でも構わない。

一方、内燃機関（図示せず）の中回転乃至高回転時における排気効率優先時には、図１に二点鎖線で示すように主排気流路２が全開状態とされると共に、迂回流路３が第２の弁部材４２によって略全閉状態とされ、排気ガスの殆どが主排気流路２から排気管（図示せず）へ排出される。

次に、図１８及び図１９は、本発明の他の実施形態に係る熱交換器１ｘ、１ｙを示すもので、各熱交換セグメント１０の案内部材１２として、図１及び図２に示すフィン１３に代えて、フィン１３ｘ、１３ｙが用いられている。即ち、図１８においては、フィン１３ｘの両端面１３ｂｘ、１３ｃｘと筐体１１の内面との間に形成されるガス導入流路ＧＩ及びガス排出流路ＧＯが、夫々、ガス導入口１１ａ（迂回流路３のガス導入口３ａ）及びガス排出口１１ｂ（迂回流路３のガス排出口３ｂ）側から離隔する側（図１８の上方）に向かって流路面積が漸減するように形成されている。

また、図１９に示す実施形態においては、フィン１３ｙａ、１３ｙｂ及び１３ｙｃの三部材から成るフィン１３ｙが用いられ、排気ガスの流路（ＧＩ、ＧＰ、ＧＯ）に夫々配置されている。尚、図１８及び図１９におけるその他の構成は図１に示す構成と同様であるので、図１と実質的に同じ構成部材には図１と同じ符合を付して説明を省略する。

以上のように、何れの実施形態においても、アッパハウジング２１内に複数個の熱交換セグメント１０が収容され、各熱交換セグメント１０内に夫々排気ガスの流路（ＧＩ、ＧＰ、ＧＯ）が形成されており、これらによって迂回流路３が構成されているので、迂回流路３の熱容量及びこれに必要な空間を極力小さくしつつ、熱交換器１、１ｘ、１ｙによって効率的な熱回収を行うことができるので、排気熱回収装置全体の小型化が可能となる。

尚、図１及び図３に示す車両搭載状態における複数個の熱交換セグメント１０の配置に限らず、各熱交換セグメント１０が図１及び図３の紙面上下方向に積層された状態で車両に搭載することとしてもよい。また、本発明の排気熱回収装置は、上記の熱交換器１、主排気流路２及び迂回流路３を基本構成とするものであり、装置の用途や名称に限定されるものではない。即ち、内燃機関の排気管に介装される狭義の排気熱回収器に留まらず、例えば、内燃機関に搭載される所謂ＥＧＲクーラのように、排気ガス冷却を目的としながらも結果的に排気熱を回収する装置に対しても、本発明を適用し所期の効果を奏することができる。

１、１ｘ、１ｙ 熱交換器
２ 主排気流路
２ａ 分岐部
２ｂ 合流部
３ 迂回流路
３ａ、１１ａ ガス導入口
３ｂ、１１ｂ ガス排出口
４ 弁装置
１０ 熱交換セグメント
１１ 筐体
１２ 案内部材
１３、１３ｘ、１３ｙ フィン
２１ アッパハウジング
２２ ロアハウジング
２３ 封止部材
２４ 整流板
２５、２６ 隔壁部材
２７ ワイヤメッシュ
２８ ブラケット
４１ 第１の弁部材
４２ 第２の弁部材
４３ 軸部材
４４ 保持部材
４５ リターンスプリング
４６ レバー
５０、６０ アクチュエータ

Claims (17)

1. ハウジング内で排気ガスと冷却媒体との熱交換を行う熱交換器であって、
   前記ハウジング内に並設される複数個の熱交換セグメントと、
   前記ハウジングに液密的に接合され、相互に隣接する前記熱交換セグメントの各間隙に冷却媒体流路を形成するように前記複数個の熱交換セグメントを支持する封止部材を備え、
   前記複数個の熱交換セグメントを構成する各熱交換セグメントが、
   一つの面のみに開口を有し、少なくとも該開口の外側が前記封止部材によって液密的に封止される筐体と、
   該筐体内に収容され、所定方向の排気ガス流のみを許容する複数の流路を有すると共に、該複数の流路の上流側及び下流側にガス導入流路及びガス排出流路を有する案内部材とを具備し、
   各々の前記筐体の開口に、前記ガス導入流路に連通するガス導入口を有すると共に、前記ガス排出流路に連通するガス排出口を有する
   熱交換器。
2. 前記複数個の熱交換セグメントの各々の前記案内部材は、
   一枚の熱交換用板材が屈曲され、連続するＳ字状断面を有する波状に形成されたフィンを備え、
   該フィンの延出方向の一側面が前記ガス導入口と前記ガス排出口の間の前記筐体の開口を遮蔽し、当該フィンの両端面側が夫々前記ガス導入口と前記ガス排出口に連通するように配置される
   請求項１記載の熱交換器。
3. 前記ハウジングに形成され前記冷却媒体流路に連通する冷却媒体導入口及び冷却媒体排出口と、
   該冷却媒体導入口及び冷却媒体排出口の間に介装される整流板を備えた
   請求項１記載の熱交換器。
4. 前記整流板は櫛型形状を有し、
   該櫛型を構成する櫛歯の一部が、前記複数個の熱交換セグメントが相互に隣接する各間隙に介装される
   請求項３記載の熱交換器。
5. 前記整流板は、前記櫛型を構成する櫛歯の一部の先端が折曲された折曲部を有し、
   該折曲部によって前記各間隙に対する冷却媒体案内路が形成されている
   請求項４記載の熱交換器。
6. 前記複数個の熱交換セグメントの各々の前記筐体は、相互に隣接する各側面の同位置に少なくとも一つの凸部を有し、該凸部が前記冷却媒体流路内に配置されている
   請求項１記載の熱交換器。
7. 前記封止部材は、平行に形成された複数のスリットを有し、該スリット内に夫々前記筐体の開口の外側が嵌合されて、前記複数個の熱交換セグメントが支持される
   請求項１記載の熱交換器。
8. 内燃機関の排気ガスを導入する主排気流路と、
   該主排気流路の一部から分岐してガス導入口を構成すると共に当該主排気流路の他の部分に合流してガス排出口を構成する迂回流路と、
   該迂回流路を通過する排気ガスをハウジング内で冷却媒体と熱交換して排気熱を回収する熱交換器とを備え、
   該熱交換器が、
   前記ハウジング内に並設される複数個の熱交換セグメントと、
   前記ハウジングに液密的に接合され、相互に隣接する前記熱交換セグメントの各間隙に冷却媒体流路を形成するように前記複数個の熱交換セグメントを支持する封止部材を備え、
   前記複数個の熱交換セグメントを構成する各熱交換セグメントが、
   一つの面のみに開口を有し、少なくとも該開口の外側が前記封止部材によって液密的に封止される筐体と、
   該筐体内に収容され、所定方向の排気ガス流のみを許容する複数の流路を有すると共に、該複数の流路の上流側及び下流側にガス導入流路及びガス排出流路を有する案内部材とを具備し、
   各々の前記筐体の開口に、前記ガス導入流路に連通するガス導入口を有し、該ガス導入口が前記迂回流路のガス導入口を構成すると共に、各々の前記筐体の開口に、前記ガス排出流路に連通するガス排出口を有し、該ガス排出口が前記迂回流路のガス排出口を構成する
   排気熱回収装置。
9. 前記複数個の熱交換セグメントの各々の前記案内部材は、
   一枚の熱交換用板材が屈曲され、連続するＳ字状断面を有する波状に形成されたフィンを備え、
   該フィンの延出方向の一側面が前記ガス導入口と前記ガス排出口の間の前記筐体の開口を遮蔽し、当該フィンの両端面側が夫々前記ガス導入口と前記ガス排出口に連通するように配置される
   請求項８記載の排気熱回収装置。
10. 前記熱交換器は、
    前記ハウジングに形成され前記冷却媒体流路に連通する冷却媒体導入口及び冷却媒体排出口と、
    該冷却媒体導入口及び冷却媒体排出口の間に介装される整流板を備え、
    該整流板は櫛型形状を有し、
    該櫛型を構成する櫛歯の一部が、前記複数個の熱交換セグメントが相互に隣接する各間隙に介装される
    請求項８記載の排気熱回収装置。
11. 前記整流板は、前記櫛型を構成する櫛歯の一部の先端が折曲された折曲部を有し、
    該折曲部によって前記各間隙に対する冷却媒体案内路が形成されている
    請求項１０記載の排気熱回収装置。
12. 前記複数個の熱交換セグメントの各々の前記筐体は、相互に隣接する各側面の同位置に少なくとも一つの凸部を有し、該凸部が前記冷却媒体流路内に配置されている
    請求項８記載の排気熱回収装置。
13. 前記熱交換器のハウジングは、
    前記開口が下方に位置すると共に前記主排気流路に対し上方に配置されるアッパハウジングを構成し、
    該アッパハウジングに接合されて筐体形状に形成されるロアハウジングを備え、
    該ロアハウジング内に前記主排気流路が構成されている
    請求項８記載の排気熱回収装置。
14. 前記主排気流路と前記迂回流路との間の連通を開閉する弁装置であって、前記ロアハウジング内に収容される少なくとも弁部材を有する弁装置と、
    前記主排気流路から前記迂回流路に分岐する分岐部と、
    前記迂回流路から前記弁部材を介して前記主排気流路に合流する合流部とを備えた
    請求項１３記載の排気熱回収装置。
15. 前記弁装置は、
    前記主排気流路を開閉する第１の弁部材と、
    前記迂回流路を開閉する第２の弁部材と、
    前記第１の弁部材及び前記第２の弁部材を支持する単一の軸部材と、
    該軸部材を囲繞するように保持し前記ロアハウジングの少なくとも一方の側面に支持される保持部材とを備えた
    請求項１４記載の排気熱回収装置。
16. 前記第２の弁部材は前記合流部で前記迂回流路を開閉するように配設され、
    前記第１の弁部材が前記主排気流路を開とするときには、前記第２の弁部材が前記迂回流路を閉とすると共に、前記保持部材を前記主排気流路に対し遮蔽する
    請求項１５記載の排気熱回収装置。
17. 前記アッパハウジング及び前記ロアハウジングの少なくとも一方に固定されたブラケットを備え、
    前記弁装置は、前記軸部材を回転駆動するアクチュエータを具備し、
    前記ブラケットに、前記アクチュエータが支持されると共に前記保持部材が嵌合される
    請求項１５記載の排気熱回収装置。

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