(57)【要約】【課題】燃焼機関の廃熱回収において、排気管内に配置され、高温の排気ガスにさらされる触媒担体の変形を抑制し、触媒の機能を維持することを課題とする。【解決手段】熱交換装置１は、エンジンの排気管２内に固定され、ランキンサイクルの作動流体と排気ガスとが熱交換するように、作動流体が流通する作動流体用通路３ａと、排気ガスが流通する排気ガス用通路３ｂとが形成された過熱器３と、この過熱器３の作動流体用通路の出口３ｃに接続された作動流体が流通する作動流体管４と、排気管２内の過熱器３の上流側において、作動流体管４に固定されたメタル担体５と、を備えている。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
ランキンサイクルの作動流体と燃焼機関の排気ガスとが熱交換するように、前記作動流体が流通する作動流体用通路と、前記排気ガスが流通する排気ガス用通路とが形成された過熱器と、
当該過熱器の前記作動流体用通路の出口に接続された前記作動流体が流通する作動流体管と、
前記燃焼機関の排気ガスが流通する排気管内において、前記作動流体管に固定された触媒担体と、
を備えたことを特徴とする熱交換装置。
【請求項２】
請求項１記載の熱交換装置において、
前記過熱器は、前記排気管内に固定され、
前記触媒担体は、前記排気管における前記過熱器の上流側において、前記作動流体管に固定されたことを特徴とする熱交換装置。
【請求項３】
請求項１または２記載の熱交換装置において、
前記触媒担体は、貫通孔が設けられ、当該貫通孔を前記作動流体管が通過することを特徴とする熱交換装置。
【請求項４】
請求項１または２記載の熱交換装置において、
前記触媒担体に設けられた貫通孔を前記作動流体管が通過し、螺糸部が設けられた前記作動流体管に前記触媒担体が固定されていることを特徴とする熱交換装置。
【請求項５】
請求項１乃至４のいずれか一項記載の熱交換装置において、
前記過熱器と前記触媒担体との間に設けられた台座を備え、
当該台座に前記触媒担体を固定したことを特徴とする熱交換装置。
【請求項６】
請求項１乃至５のいずれか一項記載の熱交換装置と、
当該熱交換装置において排気ガスから熱を付与された作動流体からエネルギーを回収する動力回収部と、
を備えたことを特徴とするエンジン。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、燃焼機関において発生する廃熱を、ランキンサイクルの作動流体に回収させる熱交換装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、内燃機関（エンジン）の駆動に伴って発生する廃熱を、ランキンサイクルを利用して回収する廃熱回収装置が知られている。このような廃熱回収装置には、例えば、エンジンの水冷冷却系統を密閉構造とし、エンジンにおける廃熱によって気化した冷却水、すなわち蒸気によって膨張機（タービン）を駆動して、その蒸気の持つ熱エネルギーを電気エネルギー等に変換して回収するものがある。
【０００３】
このような廃熱回収装置を改良したものが特許文献１に開示されている。特許文献１のガスエンジンは、排気通路に設けられた熱交換器で発生させた水蒸気により、蒸気タービンを駆動するランキンサイクルを備えている。さらに、このガスエンジンは、天然ガス改質装置を備えている。この天然ガス改質装置は、排気ガスが流れる排気ガスパイプと、排気ガスパイプの外側に配置され、触媒が被覆された多孔質部材により形成されたガス燃料通路とを有する。特許文献１によると、排気ガスパイプを流れる排気ガスによりガス燃料通路に充填された触媒が過熱され、天然ガスの主成分を改質燃料に変換する。
【０００４】
【特許文献１】特開平１１−９３７７７号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
ところで、特許文献１では、高温の排気ガスの熱により暖機する触媒担体を、排気管の外部へ設けているが、このような触媒担体を排気ガスの流路、すなわち、排気管内に設けるものが考えられる。排気管内に触媒担体を配置する場合、触媒担体は、配管の側面部に巻回したマットにより排気管に支持される。さらに、このような触媒担体は、ランキンサイクルにおける廃熱回収の効率化の要求から、エキゾーストマニホールドの下流側直下に配置され、高温の排気ガスにさらされる。
【０００６】
このような触媒担体が、例えば、メタル担体であって、１０００℃ほどの高温の排気ガスに長時間さらされる場合、触媒担体が熱膨張し、強度限界の信頼性が低下することが考えられる。特に、温度の高い排気ガスが通過する流路中央部では、熱膨張により伸長してたわみが生じ、強度限界の信頼性が低下することが考えられる。
【０００７】
そこで、本発明は、排気管内に配置され、高温の排気ガスにさらされる触媒担体の変形を抑制し、触媒の機能を維持することを課題とする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
かかる課題を解決する本発明の熱交換装置は、ランキンサイクルの作動流体と燃焼機関の排気ガスとが熱交換するように、前記作動流体が流通する作動流体用通路と、前記排気ガスが流通する排気ガス用通路とが形成された過熱器と、当該過熱器の作動流体用通路の出口に接続された前記作動流体が流通する作動流体管と、前記燃焼機関の排気ガスが流通する排気管内において、前記作動流体管に固定された触媒担体と、を備えたことを特徴とする。
【０００９】
このような構成とすることにより、高温の排気及び蒸気が流通することを前提に形成された作動流体管に触媒担体を固定するため、触媒担体の熱膨張による変形を抑制できる。また、このような構成とすることにより、排気ガスにより高温となる触媒担体内を通過する作動流体管内の作動流体が過熱され、さらに高温となるため、ランキンサイクルの効率が改善できる。また、従来の固定方法と比較して、容易に触媒担体を固定することができるため、車両への搭載性が向上できる。
【００１０】
また、本発明のエンジンは、上記の熱交換装置と、当該熱交換装置において排気から熱を付与された作動流体からエネルギーを回収する動力回収部と、を備えたことを特徴とする。このように熱交換装置を組み込むことにより、作動流体がさらに高温となるため、ランキンサイクルの効率が改善できる。
【発明の効果】
【００１１】
本発明は、高温の排気ガス内に配置され、高温の排気ガスにさらされる触媒担体の変形を抑制し、触媒の機能を維持することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１２】
以下、本発明を実施するための最良の形態を図面と共に詳細に説明する。
【実施例】
【００１３】
本発明の実施例について図面を参照しつつ説明する。図１は本発明の熱交換装置１の概略構成を示した説明図である。図２は、メタル担体５の過熱器３への組付けの様子を示した説明図である。
【００１４】
熱交換装置１は、エンジンのエキゾーストマニホールドの下流側直下に接続され、燃焼機関（エンジン）の排気ガスが流通する排気管２内に形成されている。この熱交換装置１は、過熱器３、作動流体管４、排ガス浄化用のメタル担体５を備えている。過熱器３は、燃焼機関の排気管２内に固定されている。過熱器３は、ランキンサイクルの作動流体と排気ガスとが熱交換するように、作動流体が流通する作動流体用通路３ａと、排気ガスが流通する排気ガス用通路３ｂとが形成されている。作動流体用通路３ａは、過熱器３内に設けた複数の細管３１内を作動流体が流通するように形成されている。一方、排気ガス用通路３ｂは、この細管の外部を排気ガスが流通するように形成され、細管３１を介して、作動流体と排気ガスとが熱交換するように構成されている。
【００１５】
作動流体管４は、過熱器３の作動流体通路３ａの出口３ｃに接続されている。この作動流体管４内を作動流体が流通する。すなわち、作動流体管４は作動流体について過熱器３の下流側に配置されている。作動流体管４は、ランキンサイクルの作動流体が循環する作動流体通路の一部を形成している。作動流体管４は、排気管２の中央を通過するように、熱交換装置１内を貫通する。作動流体管４は、高温、高圧状態の作動流体が通過することから、作動流体高圧蒸気の圧力に対する耐圧性、耐熱性を備えた肉厚の配管である。
【００１６】
メタル担体５は、金属製の波状薄板と平状薄板とを交互に重ね、これらを多重に巻回して形成された円形断面のハニカム構造をしている。また、メタル担体５の中心部には、貫通孔５ａが設けられており、この貫通孔５ａを作動流体管４が通過する。このメタル担体５は、マット６により排気管２に支持されている。詳しくは、メタル担体５と排気管２の内壁面との間に、マット６が配置され、メタル担体５を支持している。マット６は伸縮性があり、メタル担体５が熱膨張した際の伸長分マット６が縮小する。また、マット６はメタル担体５の振動を抑え、破損から触媒を保護する機能を備えている。さらに、このメタル担体５は、過熱器３と触媒担体５との間に設けられた台座７に着座し、作動流体管４に設けた螺糸部にナット８の締結により、過熱器３に固定されている。このように、触媒担体５はナット８の締結により、作動流体管４、及び過熱器３に固定されるので、マット６による支持を緩めにすることができる。すなわち、触媒担体５の熱膨張時のマージンを得ることができる。
【００１７】
ここで、このようなメタル担体５の組み付けについて説明する。図２に示すように、作動流体管４には、ナット８の嵌合する螺糸部４１、ナット受け４２とが形成されている。この螺糸部４１、ナット受け４２は、ナット８を締結した際にメタル担体５が隙間無く締結されるような位置に形成されている。このような作動流体管４を軸として、台座７へメタル担体５、ワッシャー８１、ナット８の順に積み上げ、ナット８の締結によりメタル担体５を固定する。
【００１８】
このようにメタル担体５は、耐熱性、耐圧性の備えられた作動流体管４に固定されることにより、たわみによる変形が抑制される。したがって、メタル担体５が高温の排気ガスに長時間さらされて、熱膨張した場合であっても変形が抑制される。このとき、メタル担体５の熱膨張による伸長は、マット６の縮小により吸収される。特に、高温の排気ガスが通過する排気管２の中央部は、熱膨張が顕著であるが、本発明のように、メタル担体５の中央部を固定することにより、メタル担体５の熱膨張による変形が抑制される。
【００１９】
また、作動流体管４がメタル担体５の内部を通過することにより、過熱器３を通過して熱を回収した作動流体蒸気は、メタル担体５を通過する際にさらに過熱され、高温となる。これにより、ランキンサイクルの効率が改善できる。
【００２０】
さらに、本発明のようにメタル担体５を固定したことにより、従来の触媒担体固定方法であるマット部材による圧接保持、担体の前後の配管を絞る構造による保持、担体固定専用部材による保持などのための加工、組み付けの煩雑さを解消し、固定用部品の点数を減らすことができる。なお、本実施例は、マット６を取りはずした構成とすることもでき、さらに、部品点数を削減することもできる。
【００２１】
次に、本発明のエンジン１００について説明する。上記の熱交換装置１は、ランキンサイクルにより廃熱を回収する廃熱回収装置を備えたエンジン１００に組み込まれている。図３は、本発明のエンジン１００の概略構成を示した説明図である。エンジン１００は、エンジン本体１０、エンジン本体１０からの排気ガスが通過するエキゾーストマニホールド２１、エキゾーストマニホールド２１の下流側直下に接続され、エンジン本体１０からの排気ガスが流通する排気管２を備えている。熱交換装置１は、排気管２内に形成されている。
【００２２】
また、エンジン１００には、ランキンサイクルの作動流体が循環する作動流体通路４０が備えられている。作動流体管４は、作動流体通路４０の一部を形成している。さらに、エンジン１００は、排気ガスから熱を付与された高温蒸気の状態の作動流体からエネルギーを回収する動力回収部６０と、蒸気の状態の作動流体を液相へ戻す凝縮器７０と、液相状態の作動流体を貯留するタンク８０と、タンク８０から熱交換装置１へ作動流体を圧送するポンプ９０を備えている。これらの機器は、熱交換装置１から作動流体の流通方向に、動力回収部６０、凝縮器７０、タンク８０、ポンプ９０の順に作動流体通路４０に配置されている。動力回収部６０には、タービン６０１が設けられており、高温蒸気の作動流体によりタービン６０１が回転する。タービン６０１はエンジン本体１０のクランクシャフトに連結されており、タービン６０１の回転をクランクシャフトの補助動力として利用する。なお、エンジン１００は、タービン６０の回転軸を発電機と接続し、回転動力を電気エネルギーとして回収する構成としてもよい。
【００２３】
上記実施例は本発明を実施するための例にすぎず、本発明はこれらに限定されるものではなく、これらの実施例を種々変形することは本発明の範囲内であり、さらに本発明の範囲内において、他の様々な実施例が可能であることは上記記載から自明である。
【図面の簡単な説明】
【００２４】
【図１】本発明の熱交換装置の概略構成を示した説明図である。
【図２】メタル担体の過熱器への組付けの様子を示した説明図である。
【図３】本発明のエンジンの概略構成を示した説明図である。
【符号の説明】
【００２５】
１  熱交換装置
２  排気管
３  過熱器
４  作動流体管
５  メタル担体
７  台座
１０  エンジン本体
６０  動力回収部
１００  エンジン
【図１】
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【図２】
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【図３】
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