JPWO2017126082A1 - 排気熱回収装置 - Google Patents

Abstract

排気熱回収装置は、第一排気管から流入する排気と加熱対象となる流体との間で熱交換を行う熱交換器を備える。熱交換器において、シェルの内部における排気の流路は、排気流入路から流入する排気が分割領域においてプレートに接触してから分岐部に到達し、かつ、分岐部において排気再循環流路へ分岐しなかった排気が分割領域においてプレートに接触してから第二排気管へ流出するように構成されている。

Description

本開示は、排気熱回収装置に関する。

内燃機関の排気から熱を回収する排気熱回収機能と、排気の一部を内燃機関の吸気系へと再循環させるＥＧＲにおいて、再循環させる排気を冷却するＥＧＲクーラー機能とを兼ね備えた装置が提案されている（例えば、特許文献１参照。）。なお、ＥＧＲは、Ｅｘａｕｓｔ Ｇａｓ Ｒｅｃｉｒｃｕｌａｔｉｏｎ（すなわち、排気再循環。）の略称である。

特許文献１に記載の技術において、内燃機関から排出される排気は、バルブの開度に応じて、一部又は全部が熱交換器に通され、熱回収及び排気の冷却が行われる。冷却された排気は、切替バルブの位置に応じて、一部又は全部が第１分岐路を介して内燃機関の吸気系へと再循環する。排気の一部を内燃機関の吸気系へ再循環させた場合、排気の残りの一部は、第２分岐路を介してセンターパイプへと合流し、系外へ排出される。

特開２００８−１６３７７３号公報

上記特許文献１に記載の技術において、熱交換器が配置されている箇所では、熱交換器自体が障害物となって排気の流通を妨げ得る。一方、第２分岐路がセンターパイプに合流する合流点では、センターパイプから第２分岐路への逆流を妨げるような障害物はない。

そのため、切替バルブにより、熱交換器から切替バルブに至る流路、第１分岐路、及び第２分岐路の全てを連通させた際には、センターパイプから第２分岐路へ排気が逆流することがある。より具体的には、例えば、第２分岐路側へ吸入される排気の量に対し、熱交換器側から供給される排気の量が過小になる場合には、センターパイプから第２分岐路へ排気が逆流し得る。

この場合、センターパイプから第２分岐路へ逆流する排気は、熱交換器に通されていない高温の排気となる。そのため、このような高温の排気を内燃機関の吸気系へ再循環させると、吸気温が上昇して吸気の充填効率が低下しやすくなる。すなわち、センターパイプから第２分岐路へ逆流する排気により、ＥＧＲクーラー機能が損なわれることになる。

以上のような事情から、ＥＧＲクーラー機能を兼ね備えた排気熱回収装置において、ＥＧＲクーラー機能の性能低下を抑制可能な技術を提供することが望ましい。

以下に説明する排気熱回収装置は、第一排気管と、第二排気管と、熱交換器と、バルブと、分岐部とを備える。第一排気管は、内燃機関からの排気が内周側へ流入するように構成される。第二排気管は、第一排気管よりも排気の流通方向下流側にある。熱交換器は、第一排気管から流入する排気と加熱対象となる流体との間で熱交換を行う。バルブは、第一排気管から熱交換器を経ることなく第二排気管へ流出する排気の流量と第一排気管から熱交換器へと流入する排気の流量との流量比を変更可能に構成される。分岐部は、熱交換器において流体との熱交換が行われた排気の一部又は全部を、内燃機関の吸気系へ再循環させる排気再循環流路へと分岐させる。

熱交換器は、複数のプレート、及びシェルを有する。複数のプレートは、それぞれが環状に構成されて第一排気管の外周を囲む位置に配列されている。シェルは、第一排気管の外周を囲む位置に設けられて、内部に複数のプレートを収容している。複数のプレートの内部には、加熱対象となる流体の流路が構成されて、流体供給路を介して各プレートの内部へ流体を供給可能、かつ流体排出路を介して各プレートの内部から流体を排出可能に構成されている。シェルの内部かつ複数のプレートの外部となる箇所には、排気流入路を介して第一排気管から排気が流入可能、かつ、排気流出路を介して第二排気管へ排気が流出可能に構成されている。

このような排気熱回収装置において、シェルの内部は複数の分割領域に区画され、当該分割領域それぞれの内部には少なくとも一つのプレートが配置されている。シェルの内部における排気の流路は、排気流入路から流入する排気が少なくとも一つの分割領域においてプレートに接触してから分岐部に到達するように構成されている。しかも、シェルの内部における排気の流路は、分岐部において排気再循環流路へ分岐しなかった排気が少なくとも一つの分割領域においてプレートに接触してから第二排気管へ流出するように構成されている。

このように構成された排気熱回収装置によれば、バルブの開度を調節することにより、上記排気流入路を介して第一排気管から熱交換器へ排気を流入させることができる。シェルの内部では、プレートを介して排気と流体との間で熱が伝達され、これにより、熱の回収（すなわち、流体の加熱。）及び排気の冷却を図ることができる。なお、回収した熱はどのような用途で利用されてもよく、例えば、内燃機関やそれに付随する各種装置（例えば、排気浄化用の触媒装置、トランスミッションなど。）の暖機、あるいは暖房用の熱源等として利用することができる。冷却された排気は、必要に応じて一部又は全部が分岐部から排気再循環流路側へ供給される。排気の一部が排気再循環流路側へ供給される場合、排気の残りの一部は、排気流出路を介して第二排気管へと流出し、その後は系外へ排出される。

ここで、上述のような排気流出路が設けられている場合、排気再循環流路側へ吸入される排気の量に対し、排気流入路を介してシェルの内部へ供給される排気の量が過小になれば、排気流出路を介して第二排気管からシェルの内部へ高温の排気が逆流する可能性がある。ただし、上記排気熱回収装置の場合、シェルの内部における排気の流路は、分岐部において排気再循環流路へ分岐しなかった排気が、少なくとも一つの分割領域においてプレートに接触してから第二排気管へ流出するように構成されている。

そのため、仮に排気流出路を介して第二排気管からシェルの内部へ高温の排気が逆流したとしても、そのような排気は少なくとも一つの分割領域においてプレートに接触してから分岐部に到達することになる。したがって、排気流出路を介して逆流した排気であっても、プレートとの接触に伴って熱交換が行われて冷却されることになる。よって、熱交換による冷却が行われていない高温の排気が排気再循環流路へ流入するのを抑制でき、これにより、吸気温の上昇を抑制し、吸気の充填効率が低下するのを抑制することができる。すなわち、排気流出路を介して排気が逆流することに起因して、熱交換器によるＥＧＲクーラー機能が損なわれるのを抑制することができる。

以上のような排気熱回収装置において、シェルの内部は、第一排気管の軸方向に対して略垂直に配置された仕切り部によって、二つの分割領域に区画されていてもよい。あるいは、以上のような排気熱回収装置において、シェルの内部は、第一排気管の軸方向に対して略平行に配置された仕切り部によって、二つの分割領域に区画されていてもよい。

このように構成されている場合、シェルの内部は二つの分割領域に区画されるので、より多くの分割領域に区画される場合に比べ、シェルの内部の流路の形状がいたずらに複雑化せず、シェルの内部における流路抵抗を低下させることができる。また、より多くの分割領域に区画される場合に比べ、シェルの内部の構造が簡素化されるので、部品点数の削減を図ることができ、排気熱回収装置の生産性を向上させることができる。

また、上述のような排気熱回収装置とは異なる構成として、以下に説明するような構成を採用することもできる。すなわち、以下に説明する排気熱回収装置は、第一排気管と、熱交換器と、バルブと、分岐部とを備える。熱交換器は、第一排気管から流入する排気と加熱対象となる流体との間で熱交換を行う。バルブは、第一排気管から熱交換器を経ることなく第二排気管へ流出する排気の流量と第一排気管から熱交換器へと流入する排気の流量との流量比を変更可能に構成される。分岐部は、熱交換器において流体との熱交換が行われた排気の一部又は全部を、内燃機関の吸気系へ再循環させる排気再循環流路へと分岐させる。

熱交換器は、複数のプレート、及びシェルを有し、いわゆるシェルアンドプレート型の熱交換器として構成されている。複数のプレートは、それぞれが環状に構成されて第一排気管の外周を囲む位置に配列されている。シェルは、第一排気管の外周を囲む位置に設けられて、内部に複数のプレートを収容している。これらの構成により、熱交換器全体が、第一排気管の外周を囲む筒状の構造とされている。複数のプレートの内部には、加熱対象となる流体の流路が構成されて、流体供給路を介して各プレートの内部へ流体を供給可能、かつ流体排出路を介して各プレートの内部から流体を排出可能に構成されている。シェルの内部かつ複数のプレートの外部となる箇所には、排気流入路を介して第一排気管から排気が流入可能、かつ、排気流出路を介して第二排気管へ排気が流出可能に構成されている。

これらの構成は、先に説明した排気熱回収装置と同様の構成である。そのため、この排気熱回収装置の場合でも、熱の回収及び排気の冷却を図ることができる点は、先に説明した排気熱回収装置と同様である。一方、この排気熱回収装置において、排気流出路は、排気流入路よりも流路抵抗が高くなる構造とされている。そのため、排気流出路を介して第二排気管からシェルの内部へ高温の排気が逆流する可能性は低く、仮に逆流したとしても、逆流する排気の量は、排気流入路を介してシェルの内部へ流入する排気の量に比べると少なくなっている。

したがって、仮に逆流したとしても、シェルの内部では、排気流入路経由で流入して熱交換器を通過した排気の割合が多くなり、排気流出路経由で流入して熱交換器を通過しない排気の割合が少なくなる。よって、上述のような排気流入路及び排気流出路それぞれの流路抵抗を調節して、そのバランスを最適化すれば、熱交換器を通過していない高温の排気が過剰に排気再循環流路へ流入するのを抑制できる。これにより、吸気温の上昇を抑制し、吸気の充填効率が低下するのを抑制することができる。すなわち、排気流出路を介して排気が逆流することに起因して、熱交換器によるＥＧＲクーラー機能が損なわれるのを抑制することができる。

図１は第一実施形態の排気熱回収装置を示す斜視図である。 図２は流路切り替えバルブ及びＥＧＲバルブが閉じられた状態にある第一実施形態の排気熱回収装置を水平に切断して示す切断部端面図である。 図３Ａは流路切り替えバルブ及びＥＧＲバルブが開かれた状態にある第一実施形態の排気熱回収装置を水平に切断して示す切断部端面図である。図３Ｂは流路切り替えバルブが開かれ、ＥＧＲバルブが閉じられた状態にある第一実施形態の排気熱回収装置を水平に切断して示す切断部端面図である。 図４は流路切り替えバルブ及びＥＧＲバルブが閉じられた状態にある第二実施形態の排気熱回収装置を水平に切断して示す切断部端面図である。 図５Ａは図４中にＶＡ−ＶＡ線で示した切断箇所における断面図である。図５Ｂは図４中にＶＢ−ＶＢ線で示した切断箇所における断面図である。図５Ｃは図４中にＶＣ−ＶＣ線で示した切断箇所における断面図である。 図６Ａは流路切り替えバルブ及びＥＧＲバルブが開かれた状態にある第二実施形態の排気熱回収装置を水平に切断して示す切断部端面図である。図６Ｂは流路切り替えバルブが開かれ、ＥＧＲバルブが閉じられた状態にある第二実施形態の排気熱回収装置を水平に切断して示す切断部端面図である。 図７は流路切り替えバルブ及びＥＧＲバルブが閉じられた状態にある第三実施形態の排気熱回収装置を水平に切断して示す切断部端面図である。 図８Ａは流路切り替えバルブ及びＥＧＲバルブが開かれた状態にある第三実施形態の排気熱回収装置を水平に切断して示す切断部端面図である。図８Ｂは流路切り替えバルブが開かれ、ＥＧＲバルブが閉じられた状態にある第三実施形態の排気熱回収装置を水平に切断して示す切断部端面図である。

１，２，３…排気熱回収装置、１１…第一排気管、１３…熱交換器、１５…分岐部、１７…流体供給路、１９…流体排出路、２１…第二排気管、２３…排気再循環流路、２５…プレート、２７…シェル、２７Ａ…筒状部、３１…排気流入路、３３…排気流出路、３５Ａ，３５Ｂ…仕切り部、３７Ａ…前側分割領域、３７Ｂ…後側分割領域、３７Ｃ…左側分割領域、３７Ｄ…右側分割領域、３９…流路切り替えバルブ、４１…緩衝材、４３…ＥＧＲバルブ、４５…連通路、４７…第一隔壁、４９…第二隔壁、５１，５２…開口箇所、５３，５４…開口箇所、５５，５６…隙間、５９…邪魔板、６１…領域。

次に、上述の排気熱回収装置について、例示的な実施形態を挙げて説明する。
（１）第一実施形態
まず、第一実施形態について説明する。図１に示す排気熱回収装置１は、内燃機関を有する移動体（例えば、乗用車等。）に搭載され、内燃機関から排出される排気から熱を回収する排気熱回収機能を備えた装置である。また、この排気熱回収装置１は、排気の一部を内燃機関の吸気系へと再循環させるＥＧＲにおいて、再循環させる排気を冷却するＥＧＲクーラー機能を兼ね備える装置でもある。

なお、以下の説明においては、必要に応じて図中に併記した前後左右上下の各方向を利用して説明を行う。これらの各方向は、図１に示す排気熱回収装置１において、排気熱回収装置１への排気の流入方向上流側から排気熱回収装置１を見た状態が正面図に表れる六面図において、正面図に表れる箇所が向けられる方向を前、背面図に表れる箇所が向けられる方向を後、左側面図に表れる箇所が向けられる方向を左、右側面図に表れる箇所が向けられる方向を右、平面図に表れる箇所が向けられる方向を上、底面図に表れる箇所が向けられる方向を下、と規定した相対的な方向である。ただし、これらの各方向は、排気熱回収装置１を構成する各部の相対的な位置関係を簡潔に説明するために規定した方向に過ぎない。したがって、例えば排気熱回収装置１が移動体に搭載される際、排気熱回収装置１が移動体に対して相対的にどのように傾けて搭載されるか等は任意である。

排気熱回収装置１は、図１に示すように、第一排気管１１と、第二排気管１２と、熱交換器１３と、分岐部１５とを備える。第一排気管１１は、排気熱回収装置１の内部へ排気を導入する流路を構成する管状の部材である。この第一排気管１１の一方の端部（図１中でいう前側の端部。）には、排気の流通方向上流側の流路を構成する部材（図示略。）が接続され、内燃機関からの排気が内周側へ流入するように構成される。第二排気管１２は、第一排気管１１よりも排気の流通方向下流側の流路を構成する部材である。

熱交換器１３は、第一排気管１１から流入する排気と加熱対象となる流体（例えば冷却水、あるいはオイル等。）との間で熱交換を行う装置である。この熱交換器１３は、全体的な形状が略円筒状に構成されて、第一排気管１１の外周を囲む位置に取り付けられている。熱交換器１３の一方の端部（図１中でいう前方の端部。）には、加熱対象となる流体が流入する流体供給路１７、及び熱交換器１３において加熱された流体が流出する流体排出路１９が設けられている。熱交換器１３の他方の端部（図１中でいう後方の端部。）には、第二排気管１２が接続されている。

分岐部１５は、管材によって構成され、熱交換器１３の外周面から遠心方向（図１中でいう左方。）に向かって延び出ている。分岐部１５には、図２に示すように、排気の一部を内燃機関の吸気系（すなわち、内燃機関に供給される空気が流通する流路。）へと再循環させる排気再循環流路２３を構成する部材が接続される。これにより、熱交換器１３において流体との熱交換が行われた排気の一部又は全部を排気再循環流路２３へと分岐させる。なお、図２は、図１中に一点鎖線で示した水平な切断面で排気熱回収装置１を切断して、その切断部を矢印ＩＩ−ＩＩで示す方向から見た切断部端面図である。図２において、排気再循環流路２３は、一部を破断して模式的に描いてある。

熱交換器１３は、いわゆるシェルアンドプレート型の熱交換器であり、図２に示すように、複数（本実施形態の場合は十二枚。）のプレート２５と、シェル２７とを有する。複数のプレート２５は、熱交換器１３における熱交換を行う部分である。複数のプレート２５は、熱伝導性の高い素材（例えばステンレス、アルミニウム合金、又は銅合金等の金属。）で構成され、それぞれが環状かつ中空に構成されている。より詳しくは、各プレート２５は、それぞれが凹面を有する一対の環状金属板を互いの凹面が対向する向きにして互いに接合することにより、互いの凹面間が中空部分となるように構成されている。

複数のプレート２５の内周には第一排気管１１が通されて、複数のプレート２５は、第一排気管１１の外周を囲む位置において、第一排気管１１の軸方向（図２中でいう前後方向。）に配列されている。複数のプレート２５の内部には、各プレート２５の中空部分を利用して、加熱対象となる流体の流路が構成される。より詳しくは、隣り合う位置にあるプレート２５は、互いの中空部分が一対の流路を介して連通している。これら一対の流路のうち、一方の流路には上述の流体供給路１７が接続され、他方の流路には上述の流体排出路１９が接続される。これにより、流体供給路１７を介して各プレート２５の内部へ流体を供給可能、かつ流体排出路１９を介して各プレート２５の内部から流体を排出可能に構成されている。

シェル２７は、熱交換器１３における外装を構成する部分である。シェル２７は、第一排気管１１の外周を囲む位置に設けられて、その内部に複数のプレート２５を収容している。シェル２７の内部かつ複数のプレート２５の外部となる箇所には、排気流入路３１を介して第一排気管１１から排気が流入可能に構成されている。排気流入路３１は、第一排気管１１の一部において第一排気管１１の外周側と内周側との間を貫通する貫通孔である。この貫通孔を介してシェル２７の内部と第一排気管１１の内周側との間が連通している。本実施形態の場合、排気流入路３１は、第一排気管１１の一部を外周側へ切り起こすことによって形成されている。ただし、このような切り起こし加工によって排気流入路３１を形成するか否かは任意である。

また、シェル２７の内部かつ複数のプレート２５の外部となる箇所からは、排気流出路３３を介して第二排気管１２の内周側へ排気が流出可能に構成されている。排気流出路３３は、シェル２７の端部（図２中でいう後方の端部。）において、シェル２７と第一排気管１１との間に隙間を設けることによって構成されている。この隙間を介してシェル２７の内部と第二排気管１２の内周側との間が連通している。

シェル２７の内部は、仕切り部３５Ａによって複数の分割領域３７Ａ，３７Ｂに区画されている。本実施形態の場合、仕切り部３５Ａは、第一排気管１１の軸方向（図２中でいう前後方向。）に対して略垂直に配置された壁面を有し、この仕切り部３５Ａによって、シェル２７の内部は二つの分割領域３７Ａ，３７Ｂに区画されている。この仕切り部３５Ａは、環状に構成されており、仕切り部３５Ａの外径はプレート２５の外径よりも大きくされ、仕切り部３５Ａの内径はプレート２５の内径よりも小さくされている。仕切り部３５Ａの内周は、第一排気管１１の外周面に隙間なく接合されている。一方、仕切り部３５Ａの外周は、シェル２７の内面との間に隙間があり、これにより、二つの分割領域３７Ａ，３７Ｂは、仕切り部３５Ａの外周側で連通している。

分割領域３７Ａ，３７Ｂそれぞれの内部には少なくとも一つのプレート２５が配置されている。より詳しくは、本実施形態の場合、一方の分割領域３７Ａ（図２中でいう前側の分割領域、以下、前側分割領域３７Ａとも称する。）の内部には、四枚のプレート２５が配置されている。また、もう一方の分割領域３７Ｂ（図２中でいう後側の分割領域、以下、後側分割領域３７Ｂとも称する。）の内部には、八枚のプレート２５が配置されている。排気流入路３１は、前側分割領域３７Ａにおいて、プレート２５の内周側へ排気を流入させる。また、排気流出路３３は、後側分割領域３７Ｂにおいて、プレート２５の内周側から排気を流出させる。

これらのような流路をシェル２７の内部に構成することにより、シェル２７の内部では、図２中に矢印付きの破線で示すように、排気流入路３１から流入する排気が、前側分割領域３７Ａにおいてプレート２５の内周側から外周側へと流れ、その際にプレート２５に接触しつつ分岐部１５に到達するように構成されている。また、分岐部１５において排気再循環流路２３へ分岐しなかった排気は、後側分割領域３７Ｂにおいてプレート２５の外周側から内周側へと流れ、その際にプレート２５に接触しつつ排気流出路３３に至り、排気流出路３３を介して第二排気管１２の内周側へ流出するように構成されている。

第一排気管１１の端部付近（図２中でいう後方の端部付近。）には、流路切り替えバルブ３９（本明細書でいうバルブの一例に相当。）が設けられている。この流路切り替えバルブ３９は、流路切り替えバルブ３９の上端側において左右方向に延びる軸（図示略。）を回転中心として、下端が後方かつ上方へと変位する向きに揺動可能に構成され、第一排気管１１の端部（図２中でいう後方の端部。）にある開口を開閉可能に構成されている。第一排気管１１の他端には、耐熱性及び緩衝性のある素材（例えば金属メッシュ等。）で構成された緩衝材４１が設けられ、流路切り替えバルブ３９が閉じられた際には、流路切り替えバルブ３９が緩衝材４１に接触するように構成されている。

このような流路切り替えバルブ３９の開度を調節することにより、第一排気管１１から熱交換器１３を経ることなく第二排気管１２へ流出する排気の流量と第一排気管１１から熱交換器１３へと流入する排気の流量との流量比を変更することができる。第一排気管１１から熱交換器１３へ流入する排気の流量Ｆ１と熱交換器１３へは流入しない排気との流量Ｆ２の流量比Ｆ１：Ｆ２は、０：１００〜１００：０の範囲内で切り替え得る。この切り替えは、全開又は全閉の二段階の切り替えであってもよいし、それらの間の段階を含む多段階又は無段階の切り替えであってもよい。また、流量Ｆ１が最小値ｘ１未満にはならないものであってもよい。また、流量Ｆ２が最小値ｘ２未満にはならないものであってもよい。すなわち、流量比Ｆ１：Ｆ２は、ｘ１：（１００−ｘ１）〜１００：０の範囲内で切り替え可能であってもよいし、０：１００〜（１００−ｘ２）：ｘ２の範囲内で切り替え可能であってもよいし、あるいは、ｘ１：（１００−ｘ１）〜（１００−ｘ２）：ｘ２の範囲内等で切り替え可能であってもよい。

なお、図２には、排気再循環流路２３に配置されるＥＧＲバルブ４３を併記してある。ＥＧＲバルブ４３は、内燃機関の吸気系へ排気を再循環させる場合に開かれて、その開度が調節され、排気を再循環させない場合には閉じられる。このＥＧＲバルブ４３についても、その開度の段階は、上述の流路切り替えバルブ３９と同様に任意に設定することができる。

以上のように構成された排気熱回収装置１においては、流路切り替えバルブ３９の開度を調節することにより、排気流入路３１を介して第一排気管１１から熱交換器１３へ流入する排気の流量を増減することができる。例えば、内燃機関の始動時等、排気熱を積極的に回収した状況下においては、図２に示すように、流路切り替えバルブ３９が閉じられる。この場合、第一排気管１１の内周側へと流入する排気は、ほぼ全量が排気流入路３１を介して第一排気管１１から熱交換器１３へ流入する。

このとき、シェル２７の内部では、プレート２５を介してプレート２５の外部を通る排気とプレート２５の内部を流通する流体との間で熱が伝達され、これにより、熱の回収（すなわち、流体の加熱。）及び排気の冷却を図ることができる。なお、図示等は省略するが、回収した熱はどのような用途で利用されてもよく、例えば、内燃機関やそれに付随する各種装置（例えば、排気浄化用の触媒装置、トランスミッションなど。）の暖機、あるいは暖房用の熱源等として利用することができる。

また、排気を排気再循環流路２３側へ供給したい状況下では、図３Ａに示すように、ＥＧＲバルブ４３が開かれる。このとき、流路切り替えバルブ３９は、第一排気管１１へ流入する排気の量に応じて適量が熱交換器１３へ流入するように開度が調整されるが、図３Ａには、流路切り替えバルブ３９が開かれた状態を例示してある。ＥＧＲバルブ４３が開かれた場合、図３Ａ中に矢印付きの破線で示すように、熱交換器１３での熱交換によって冷却された排気は、必要に応じて一部又は全部が分岐部１５から排気再循環流路２３側へ供給される。

この場合、熱交換器１３は、ＥＧＲクーラーとして機能する。これにより、吸気温の上昇を抑制することができるので、吸気の充填効率が低下するのを抑制することができる。なお、流路切り替えバルブ３９が開かれている場合、熱交換器１３へ流入しない排気は、第一排気管１１からそのまま第二排気管１２へと流出する。また、図３Ａにおいては図示を省略してあるが、ＥＧＲバルブ４３の開度や排気流入路３１からの排気の流入量によっては、排気の一部だけが排気再循環流路２３側へ供給されることもある。この場合、排気の残りの一部は、排気流出路３３を介して第二排気管１２の内周側へと流出する。

また、排気を排気再循環流路２３側へ供給せず、かつ、排気からの熱回収も不要な状況下では、図３Ｂに示すように、ＥＧＲバルブ４３が閉じられ、流路切り替えバルブ３９が開かれる。この場合、第一排気管１１の内周側へと流入する排気は、ほぼ全量が第一排気管１１からそのまま第二排気管１２へと流出する。この場合、熱交換器１３では排気熱が回収されないので、暖機等が不要な場合に余計な熱を回収するのを抑制できる。

ところで、排気再循環流路２３側へ吸入される排気の量に対し、排気流入路３１を介してシェル２７の内部へ供給される排気の量が過小になる場合、排気流出路３３を介して第二排気管１２からシェル２７の内部へ高温の排気が逆流する可能性がある。ただし、上記排気熱回収装置１の場合、シェル２７の内部における排気の流路は、分岐部１５において排気再循環流路２３へ分岐しなかった排気が、後側分割領域３７Ｂにおいてプレート２５に接触してから第二排気管１２側へ流出するように構成されている。

そのため、仮に排気流出路３３を介して第二排気管１２からシェル２７の内部へ高温の排気が逆流したとしても、そのような排気は後側分割領域３７Ｂにおいてプレート２５に接触してから分岐部１５に到達することになる。したがって、排気流出路３３を介して逆流した排気であっても、プレート２５との接触に伴って熱交換が行われて冷却されることになる。よって、熱交換による冷却が行われていない高温の排気が排気再循環流路２３へ流入するのを抑制でき、これにより、吸気温の上昇を抑制し、吸気の充填効率が低下するのを抑制することができる。すなわち、排気流出路３３を介して排気が逆流することに起因して、熱交換器１３によるＥＧＲクーラー機能が損なわれるのを抑制することができる。

また、上記排気熱回収装置１の場合、シェル２７の内部を二つの分割領域３７Ａ，３７Ｂに区画してあるので、より多くの分割領域３７Ａ，３７Ｂに区画される場合に比べ、シェル２７の内部の流路の形状がいたずらに複雑化せず、シェル２７の内部における流路抵抗を低下させることができる。また、より多くの分割領域３７Ａ，３７Ｂに区画される場合に比べ、シェル２７の内部の構造が簡素化されるので、仕切り部３５Ａの数がいたずらに増大せず、部品点数の削減を図ることができ、排気熱回収装置１の生産性を向上させることができる。

さらに、上記排気熱回収装置１の場合、熱交換器１３は、全体的な形状が略円筒状に構成されて、第一排気管１１を中心にして同軸に配置されている。そのため、第一排気管相当物とは同軸ではない位置に熱交換器を設ける場合とは異なり、第一排気管相当物と熱交換器との間に排気の流路となるパイプ類を配置しなくても済み、また、第一排気管相当物が配置される場所から離れた別の場所に、熱交換器を設ける場所を確保しなくても済む。したがって、上記排気熱回収装置１であれば、移動体への搭載性が高く、より小さなスペースであっても搭載可能となる。

また、上記排気熱回収装置１の場合、分岐部１５の位置を選定するに当たって、排気流出路３３から高温の排気が逆流する可能性を考慮しなくても済み、分岐部１５の位置を選定する際の自由度が高い。したがって、例えば、分岐部１５と排気流出路３３との間の距離を短縮することも可能であり、これにより、装置の構造をコンパクトにすることができる。

（２）第二実施形態
次に、第二実施形態について説明する。なお、第二実施形態以降の各実施形態は、第一実施形態で例示した構成と同等又は類似の構成を備えているので、第一実施形態との相違点を中心に詳述する。また、第一実施形態と同等又は類似の部分に関しては、図中に第一実施形態と共通する符号を付し、その詳細な説明については省略する。

図４に示す排気熱回収装置２は、第一実施形態と同様に、排気熱回収機能及びＥＧＲクーラー機能を兼ね備える装置である。この排気熱回収装置２も、第一排気管１１、第二排気管１２、熱交換器１３、分岐部１５、排気流入路３１、排気流出路３３、及び流路切り替えバルブ３９等を備え、これらの構成それぞれの機能は、第一実施形態と同様である。ただし、第一排気管１１の細部の形状、熱交換器１３の内部構造、分岐部１５の位置、排気流入路３１の位置、排気流出路３３の位置等は、第一実施形態とは相違する。

より詳しくは、第二実施形態の場合、第一排気管１１の端部（図４中でいう後方の端部。）は、シェル２７の内部に配置されている。具体的には、図４中でいうシェル２７の後端には、後方に向かって筒状に突出する筒状部２７Ａが設けられ、筒状部２７Ａの内周側に第一排気管１１の後端が配置されている。流路切り替えバルブ３９は、筒状部２７Ａの後端（すなわち、シェル２７の後端。）にある開口を開閉可能に構成されている。そのため、第二実施形態では、緩衝材４１も筒状部２７Ａの後端に設けられている。

第一排気管１１の外周と筒状部２７Ａの内周との間には空隙が設けられ、これにより、排気流入路３１が構成されている。ただし、この排気流入路３１は、図４中でいう左右方向中央よりも左側となる範囲においてシェル２７の内部に連通している。そのため、第一排気管１１の外周と筒状部２７Ａの内周との間には、全周にわたる範囲で排気が流入し得るが、図４中でいう左右方向中央よりも右側となる範囲において第一排気管１１の外周と筒状部２７Ａの内周との間に流入する排気は、第一排気管１１の外周に沿って左右方向中央よりも左側となる範囲へと流れてから、シェル２７の内部へと流入する。

シェル２７の内部は、第一排気管１１の軸方向に対して略平行に配置された仕切り部３５Ｂによって、二つの分割領域３７Ｃ，３７Ｄに区画されている。以下、図４中でいう左側にある一方の分割領域３７Ｃのことを、左側分割領域３７Ｃとも称する。また、図４中でいう右側にあるもう一方の分割領域３７Ｄのことを、右側分割領域３７Ｄとも称する。シェル２７の内部に流入する排気は、シェル２７の内周側において左側分割領域３７Ｃへ流入する。左側分割領域３７Ｃに流入した排気は、左側分割領域３７Ｃにおいてプレート２５の内周側から外周側へと流れ、その際にプレート２５に接触してプレート２５内の流体との熱交換が行われる。

シェル２７の端部（図４中でいう前方の端部。）には、左側分割領域３７Ｃと右側分割領域３７Ｄとを連通する連通路４５が設けられている。左側分割領域３７Ｃにおいてプレート２５の外周側へと流れた排気は、シェル２７の外周側において連通路４５へと流入し、連通路４５を介してシェル２７の内周側において右側分割領域３７Ｄへと流入する。右側分割領域３７Ｄへ流入した排気は、右側分割領域３７Ｄにおいてプレート２５の内周側から外周側へと流れ、その際にプレート２５に接触してプレート２５内の流体との熱交換が行われる。右側分割領域３７Ｄにおいてプレート２５の外周側へと流れた排気は、シェル２７の外周側において第二排気管１２の内周側へと流出する。分岐部１５は連通路４５に設けられており、換言すれば、分岐部１５は、左側分割領域３７Ｃと右側分割領域３７Ｄとの間に設けられている。

以上のような流路を構成するため、シェル２７の背面側には、図４及び図５Ａに示すような第一隔壁４７が設けられている。また、プレート２５が配置された範囲には、図４及び図５Ｂに示すように、上述の仕切り部３５Ｂが設けられている。さらに、シェル２７の正面側には、図４及び図５Ｃに示すような第二隔壁４９が設けられている。なお、図５Ａ，図５Ｂ，及び図５Ｃにおいて網掛け表示とされている範囲が、各部材の開口箇所となっている。

第一隔壁４７は、図５Ａに示すように、シェル２７の内周側においてシェル２７の外部から左側分割領域３７Ｃへ排気を流入させ、かつ、シェル２７の外周側において右側分割領域３７Ｄからシェル２７の外部へ排気を流出させるため、それに応じた箇所に開口箇所５１，５２が設けられている。第二隔壁４９は、図５Ｃに示すように、シェル２７の外周側において左側分割領域３７Ｃから連通路４５へ排気を流出させ、かつ、シェル２７の内周側において連通路４５から右側分割領域３７Ｄへ排気を流入させるため、それに応じた箇所に開口箇所５３，５４が設けられている。図５Ｂに示すように、プレート２５の内周側において第一排気管１１の外周との間には、隙間５５が設けられ、プレート２５の外周側においてシェル２７の内面との間には、隙間５６が設けられているが、これらの隙間５５，５６は仕切り部３５Ｂによって図５Ｂ中でいう左右に分断されている。

以上のように構成された排気熱回収装置２において、排気熱を積極的に回収した状況下においては、図４に示すように、流路切り替えバルブ３９が閉じられる。この場合、第一排気管１１の内周側へと流入する排気は、ほぼ全量が排気流入路３１を介して第一排気管１１から熱交換器１３へ流入する。これにより、熱の回収（すなわち、流体の加熱。）及び排気の冷却を図ることができる。

また、排気を排気再循環流路２３側へ供給したい状況下では、図６Ａに示すように、ＥＧＲバルブ４３が開かれる。この場合、図６Ａ中に矢印付きの破線で示すように、熱交換器１３での熱交換によって冷却された排気は、必要に応じて一部又は全部が分岐部１５から排気再循環流路２３側へ供給される。この場合、熱交換器１３は、ＥＧＲクーラーとして機能し、吸気温の上昇を抑制でき、吸気の充填効率が低下するのを抑制できる。なお、流路切り替えバルブ３９が開かれている場合、熱交換器１３へ流入しない排気は、第一排気管１１からそのまま第二排気管１２へと流出する。また、図６Ａにおいては図示を省略してあるが、ＥＧＲバルブ４３の開度や排気流入路３１からの排気の流入量によっては、排気の一部だけが排気再循環流路２３側へ供給されることもある。この場合、排気の残りの一部は、排気流出路３３を介して第二排気管１２の内周側へと流出する。

また、排気を排気再循環流路２３側へ供給せず、かつ、排気からの熱回収も不要な状況下では、図６Ｂに示すように、ＥＧＲバルブ４３が閉じられ、流路切り替えバルブ３９が開かれる。この場合、第一排気管１１の内周側へと流入する排気は、ほぼ全量が第一排気管１１からそのまま第二排気管１２へと流出する。

さらに、排気再循環流路２３側へ吸入される排気の量に対し、排気流入路３１を介してシェル２７の内部へ供給される排気の量が過小になる場合、排気流出路３３を介して第二排気管１２からシェル２７の内部へ高温の排気が逆流する可能性がある。ただし、仮に排気流出路３３を介して第二排気管１２からシェル２７の内部へ高温の排気が逆流したとしても、そのような排気は右側分割領域３７Ｄにおいてプレート２５に接触してから分岐部１５に到達することになる。したがって、排気流出路３３を介して逆流した排気であっても、プレート２５との接触に伴って熱交換が行われて冷却されることになる。よって、熱交換による冷却が行われていない高温の排気が排気再循環流路２３へ流入するのを抑制でき、これにより、吸気温の上昇を抑制し、吸気の充填効率が低下するのを抑制することができる。

この他、熱交換器１３が第一排気管１１を中心に同軸配置されるので、移動体への搭載性が高い点、分岐部１５の位置を選定する際の自由度が高い点等は、第一実施形態と同様である。

（３）第三実施形態
次に、第三実施形態について説明する。図７に示す排気熱回収装置３は、第一実施形態及び第二実施形態と同様に、排気熱回収機能及びＥＧＲクーラー機能を兼ね備える装置である。この排気熱回収装置３も、第一排気管１１、第二排気管１２、熱交換器１３、分岐部１５、排気流入路３１、排気流出路３３、及び流路切り替えバルブ３９等を備え、これらの構成それぞれの機能は、第一実施形態と同様である。ただし、第一排気管１１の細部の形状、熱交換器１３の内部構造、分岐部１５の位置、排気流入路３１の位置、排気流出路３３の位置等は、第一実施形態や第二実施形態とは相違する。

より詳しくは、第三実施形態の場合、シェル２７の内部には、八枚のプレート２５が配置され、この点で第一実施形態や第二実施形態よりも熱交換器１３の軸方向寸法（図７中でいう前後方向寸法。）がコンパクトに構成されている。分岐部１５については、第一実施形態と同様に、シェル２７の外周に設けられている。第一排気管１１の端部（図７中でいう後方の端部。）付近の構造は、第二実施形態と同様の構造とされている。すなわち、シェル２７の後端に筒状部２７Ａが設けられている点、筒状部２７Ａの内周側に第一排気管１１の後端が配置されている点、流路切り替えバルブ３９が筒状部２７Ａの後端にある開口を開閉可能に構成されている点等は、第二実施形態と同様である。

排気流入路３１の構造は、第二実施形態と類似の構造になっている。ただし、第三実施形態の場合、排気流入路３１は、シェル２７の内周側のほぼ全周にわたる範囲において、排気がシェル２７の内部へ流入可能に構成されている。そのため、第三実施形態の場合、排気流入路３１は、第二実施形態以上に流路抵抗が低くなっている。一方、第三実施形態の場合、排気流出路３３は、排気流入路３１よりも流路抵抗が高くなる構造とされている。

より詳しくは、第三実施形態の場合、排気流出路３３が構成された箇所には、排気が真っ直ぐに流れるのを妨げる邪魔板５９が設けられている。この邪魔板５９が設けられたことにより、排気流出路３３は、シェル２７の内部から図７中でいう後方へと進み、邪魔板５９にぶつかったところで内周方向（すなわち、第一排気管１１の中心方向。）へと屈曲し、更に邪魔板５９にぶつかったところで図７中でいう前方へと屈曲するように構成されている。そして、排気流出路３３は、シェル２７の外面（図７中でいうシェル２７の後側の端面。）にぶつかったところで内周方向（すなわち、第一排気管１１の中心方向。）へと屈曲し、シェル２７の外側かつ第二排気管１２の内周側となる領域６１へと通じている。

以上のように構成された排気熱回収装置３において、排気熱を積極的に回収した状況下においては、図７に示すように、流路切り替えバルブ３９が閉じられる。この場合、第一排気管１１の内周側へと流入する排気は、ほぼ全量が排気流入路３１を介して第一排気管１１から熱交換器１３へ流入する。これにより、熱の回収（すなわち、流体の加熱。）及び排気の冷却を図ることができる。

また、排気を排気再循環流路２３側へ供給したい状況下では、図８Ａに示すように、ＥＧＲバルブ４３が開かれる。この場合、図８Ａ中に矢印付きの破線で示すように、熱交換器１３での熱交換によって冷却された排気は、必要に応じて一部又は全部が分岐部１５から排気再循環流路２３側へ供給される。この場合、熱交換器１３は、ＥＧＲクーラーとして機能し、吸気温の上昇を抑制でき、吸気の充填効率が低下するのを抑制できる。なお、流路切り替えバルブ３９が開かれている場合、熱交換器１３へ流入しない排気は、第一排気管１１からそのまま第二排気管１２へと流出する。また、図８Ａにおいては図示を省略してあるが、ＥＧＲバルブ４３の開度や排気流入路３１からの排気の流入量によっては、排気の一部だけが排気再循環流路２３側へ供給されることもある。この場合、排気の残りの一部は、排気流出路３３を介して第二排気管１２の内周側へと流出する。

また、排気を排気再循環流路２３側へ供給せず、かつ、排気からの熱回収も不要な状況下では、図８Ｂに示すように、ＥＧＲバルブ４３が閉じられ、流路切り替えバルブ３９が開かれる。この場合、第一排気管１１の内周側へと流入する排気は、ほぼ全量が第一排気管１１からそのまま第二排気管１２へと流出する。

さらに、排気再循環流路２３側へ吸入される排気の量に対し、排気流入路３１を介してシェル２７の内部へ供給される排気の量が過小になる場合、排気流出路３３を介して第二排気管１２からシェル２７の内部へ高温の排気が逆流する可能性がある。ただし、上述のように、排気流出路３３については何度も屈曲する狭い流路としてあり、一方、排気流入路３１については排気流出路３３よりも格段に排気が流入しやすい構造としてある。

そのため、排気流出路３３を介して第二排気管１２からシェル２７の内部へ高温の排気が逆流する可能性は低くなっている。また、仮に排気流出路３３において排気が逆流したとしても、逆流する排気の量は、排気流入路３１を介してシェル２７の内部へ流入する排気の量に比べると格段に少なくなっている。したがって、仮に排気流出路３３において排気が逆流したとしても、シェル２７の内部では、排気流入路３１経由で流入して熱交換器１３を通過した排気の割合が多くなり、排気流出路３３経由で流入して熱交換器１３を通過しない排気の割合が少なくなる。

よって、上述のような排気流入路３１及び排気流出路３３それぞれの流路抵抗を調節して、そのバランスを最適化することにより、熱交換器１３を通過していない高温の排気が過剰に排気再循環流路２３へ流入するのを抑制できる。これにより、吸気温の上昇を抑制し、吸気の充填効率が低下するのを抑制することができる。

この他、熱交換器１３が第一排気管１１を中心に同軸配置されるので、移動体への搭載性が高い点等は、第一実施形態及び第二実施形態と同様である。
（４）その他の実施形態
以上、排気熱回収装置について、例示的な実施形態を挙げて説明したが、上述の実施形態は本開示の一態様として例示されるものに過ぎない。すなわち、本開示は、上述の例示的な実施形態に限定されるものではなく、本開示の技術的思想を逸脱しない範囲内において、様々な形態で実施することができる。

例えば、上記第二実施形態においては、シェル２７の内部を左右に分割する例を示したが、このような分割構造を前後方向に延びる軸線を中心に九十度回転させれば、シェル２７の内部を上下に分割する構造となる。したがって、このようなシェル２７の内部が上下に分割された構造にしてもよい。

また、上記第一実施形態及び第二実施形態においては、シェル２７の内部に二つの分割領域を設ける例を示したが、シェル２７の内部に三つ以上の分割領域を設けて、各分割領域を順に排気が通過するように構成してもよい。このような場合でも、分岐部１５については、分岐部１５よりも排気の流路上流側となる箇所に少なくとも一つの分割領域があり、かつ、分岐部１５よりも排気の流路下流側となる箇所に少なくとも一つの分割領域があるように構成する。このような構成とすることにより、仮に排気流入路３１を介して排気が逆流したとしても、分岐部１５へ高温の排気が到達するのを抑制することができる。

また、上記第一実施形態においては、二つの分割領域それぞれに含まれるプレート２５の枚数について、特定の枚数を例示したが、各分割領域に含まれるプレート２５の枚数は、任意に設定することができる。

また、上記実施形態では、本開示の排気熱回収装置が備える構成要素について、例示的に材質、形状、構造等を示したが、これらは上述の実施形態に限定されない。例えば、上記実施形態においては一つの構成要素で実現していた箇所を、複数の構成要素で実現するように構成してあってもよい。あるいは、上記実施形態では、複数の構成要素で実現していた箇所を、一つの構成要素で実現するように構成してあってもよい。また、機能を完全に損ねることない範囲内であれば、上記実施形態において例示した構成の一部を省略してもよい。また、ある実施形態の構成の少なくとも一部を、他の実施形態の構成に対して付加又は置換してもよい。また、上述の実施形態の構成の少なくとも一部を同様の機能を有する公知の構成に置き換えてもよい。

Claims (4)

1. 内燃機関からの排気が内周側へ流入する第一排気管と、
   前記第一排気管よりも排気の流通方向下流側にある第二排気管と、
   前記第一排気管から流入する排気と加熱対象となる流体との間で熱交換を行う熱交換器と、
   前記第一排気管から前記熱交換器を経ることなく前記第二排気管へ流出する排気の流量と前記第一排気管から前記熱交換器へ流入する排気の流量との流量比を変更可能なバルブと、
   前記熱交換器において前記流体との熱交換が行われた排気の一部又は全部を、内燃機関の吸気系へ再循環させる排気再循環流路へと分岐させる分岐部と
   を備え、
   前記熱交換器は、それぞれが環状かつ中空に構成されて前記第一排気管の外周を囲む位置に配列された複数のプレート、及び前記第一排気管の外周を囲む位置に設けられて、内部に前記複数のプレートを収容するシェルを有し、前記複数のプレートの内部には、加熱対象となる流体の流路が構成されて、流体供給路を介して各プレートの内部へ流体を供給可能、かつ流体排出路を介して各プレートの内部から流体を排出可能に構成され、前記シェルの内部かつ前記複数のプレートの外部となる箇所には、排気流入路を介して前記第一排気管から排気が流入可能、かつ、排気流出路を介して前記第二排気管へ排気が流出可能に構成され、
   前記シェルの内部は複数の分割領域に区画され、当該分割領域それぞれの内部には少なくとも一つの前記プレートが配置され、前記シェルの内部における排気の流路は、前記排気流入路から流入する排気が少なくとも一つの前記分割領域において前記プレートに接触してから前記分岐部に到達し、かつ、前記分岐部において前記排気再循環流路へ分岐しなかった排気が少なくとも一つの前記分割領域において前記プレートに接触してから前記第二排気管へ流出するように構成されている
   排気熱回収装置。
2. 請求項１に記載の排気熱回収装置であって、
   前記シェルの内部は、前記第一排気管の軸方向に対して略垂直に配置された仕切り部によって、二つの前記分割領域に区画されている
   排気熱回収装置。
3. 請求項１に記載の排気熱回収装置であって、
   前記シェルの内部は、前記第一排気管の軸方向に対して略平行に配置された仕切り部によって、二つの前記分割領域に区画されている
   排気熱回収装置。
4. 内燃機関からの排気が内周側へ流入する第一排気管と、
   前記第一排気管よりも排気の流通方向下流側にある第二排気管と、
   前記第一排気管から流入する排気と加熱対象となる流体との間で熱交換を行う熱交換器と、
   前記第一排気管から前記熱交換器を経ることなく前記第二排気管へ流出する排気の流量と前記第一排気管から前記熱交換器へ流入する排気の流量との流量比を変更可能なバルブと、
   前記熱交換器において前記流体との熱交換が行われた排気の一部又は全部を、内燃機関の吸気系へ再循環させる排気再循環流路へと分岐させる分岐部と
   を備え、
   前記熱交換器は、それぞれが環状かつ中空に構成されて前記第一排気管の外周を囲む位置に配列された複数のプレート、及び前記第一排気管の外周を囲む位置に設けられて、内部に前記複数のプレートを収容するシェルを有し、前記複数のプレートの内部には、加熱対象となる流体の流路が構成されて、流体供給路を介して各プレートの内部へ流体を供給可能、かつ流体排出路を介して各プレートの内部から流体を排出可能に構成され、前記シェルの内部かつ前記複数のプレートの外部となる箇所には、排気流入路を介して前記第一排気管から排気が流入可能、かつ、排気流出路を介して前記第二排気管へ排気が流出可能に構成され、
   前記排気流出路は、前記排気流入路よりも流路抵抗が高くなる構造とされている
   排気熱回収装置。

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