(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
排気通路内を流れる排気ガスが、熱交換通路とバイパス通路とに分岐して流れるように構成され、上記熱交換通路が、熱交換用の冷媒との間で熱交換が行われるように、上記冷媒に近接して配置される一方、上記バイパス通路が上記熱交換通路を迂回するように配置された熱交換装置において、
排気ガスの流量が多いときに、上記熱交換通路へ流入する排気ガスの流量が一定となるように、上記熱交換通路の途中に第１の絞り部が設けられ、
上記バイパス通路の途中に第２の絞り部が設けられ、
この第２の絞り部は、第１の絞り部よりも下流側に配置され、
通路長手方向に関して上記第１の絞り部と第２の絞り部との間に、上記熱交換通路とバイパス通路とを連通する連通路が形成され、
排気ガスの総流量が大きくなるときに、上記熱交換通路とバイパス通路のうち、上記熱交換通路が第１の絞り部により先に流量が制限されるように、第１の絞り部と第２の絞り部との絞り径が設定されていることを特徴とする排気熱交換装置。
【請求項２】
上記熱交換通路の周囲に、上記冷媒が通流する冷媒通路が配置され、上記冷媒通路は、上記熱交換通路とバイパス通路とが下流側で合流する合流部よりも上流側に配置されていることを特徴とする請求項１に記載の排気熱装置
【請求項３】
上記熱交換通路の周囲に、上記冷媒が通流する冷媒通路が配置され、
上記バイパス通路が、上記熱交換通路の内側に同心状に配置されていることを特徴とする請求項１又は２に記載の排気熱交換装置。
【請求項４】
上記バイパス通路が内部に形成された内側管状部材と、
この内側管状部材を覆う中間管状部材と、
この中間管状部材を覆う外側管状部材と、を有し、
上記内側管状部材と中間管状部材との間に上記熱交換通路が形成され、
上記中間管状部材と外側管状部材との間に上記冷媒通路が形成されていることを特徴とする請求項３に記載の排気熱交換装置。
【請求項５】
上記中間管状部材は、上記内側管状部材を挟み込む一対の分割部材により構成されていることを特徴とする請求項４に記載の排気熱交換装置。
【請求項６】
上記熱交換通路及びバイパス通路よりも上流側の排気通路に、排気ガスの流れを上記バイパス通路側へと偏向・案内する偏向部を設けたことを特徴とする請求項１〜５のいずれかに記載の排気熱交換装置。
【請求項７】
上記連通路の通路断面積と第２の絞り部の通路断面積との総和が、少なくとも上記バイパス通路の入口部分の通路断面積よりも大きいことを特徴とする請求項１〜６のいずれかに記載の排気熱交換装置。
【請求項８】
上記熱交換通路の周囲に、上記冷媒が通流する冷媒通路が配置され、
上記バイパス通路が、上記熱交換通路の内側に同心状に配置され、
上記バイパス通路が内部に形成された内側管状部材と、
この内側管状部材を覆う中間管状部材と、
この中間管状部材を覆う外側管状部材と、を有し、
上記内側管状部材と中間管状部材との間に上記熱交換通路が形成され、
上記中間管状部材と外側管状部材との間に上記冷媒通路が形成され、
上記中間管状部材の上流側端部には、その管部外周よりも大径なリング部が、複数の支持リブ部を介して設けられ、
上記中間管状部材を構成する一対の分割部材が、上記リング部を挟持することで、上記内側管状部材が中間管状部材に固定され、
かつ、上記内側管状部材の管部外周とリング部と支持リブとの隙間が、上記第１の絞り部を構成していることを特徴とする請求項１〜７のいずれかに記載の排気熱交換装置。
【請求項９】
上記熱交換通路の周囲に、上記冷媒が通流する冷媒通路が配置され、
上記第１の絞り部は、上記冷媒通路よりも上流側に配置されていることを特徴とする請求項１〜８のいずれかに記載の排気熱交換装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、例えば車両用内燃機関の排気系に設けられ、排気ガスと冷媒（冷却水）との間で熱交換を行う排気熱交換装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
特許文献１には、排気熱を回収して、暖房や暖機時間の短縮を図る技術が記載されている。このものでは、排気ガスと熱交換用の冷却水（冷媒）との間で熱交換が行われるように、排気ガスが流れる排気通路として、冷却水が流れる冷却水通路に近接して配置された熱交換通路と、この冷却水通路を迂回するように配置されたバイパス通路と、を設け、排気ガスの流量に応じて両通路を切り換えている。つまり、バイパス通路を開閉する第１弁部材と、熱交換通路を開閉する第２弁部材と、を一体的に回動するように連結し、第１弁部材がバイパス通路を開放するのに伴い第２弁部材が熱交換通路を閉塞するようにしている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２００７−２４７６３８号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかしながら、上記特許文献１のものでは、弁部材が必要であるために構成が複雑である。また、弁部材及びこの弁部材を回転可能に支持する支持機構などの可動部品が、常に高温な排気ガスに晒されるために、これら可動部品の耐久性・信頼性の確保が非常に困難である。更に、排気ガスの流量の少ない低回転，低出力側では、積極的に熱交換を行って排気熱を回収することが望ましいが、排気ガスの流量が多くなる中・高回転，中・高出力側では、熱交換が過剰に行われて冷媒が過熱すると、ラジエータなどの冷却系部品の過熱（オーバーヒート）を招くおそれがある。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
本発明は、このような事情に鑑みてなされたものである。すなわち本発明に係る熱交換装置は、排気通路内を流れる排気ガスが、熱交換通路とバイパス通路とに分岐して流れるように構成されている。上記熱交換通路が、熱交換用の冷媒との間で熱交換が行われるように、上記冷媒に近接して配置される一方、上記バイパス通路が上記熱交換通路を迂回するように配置されている。そして、排気ガスの流量が多いとき、つまり、ある一定の流量を超えるときに、上記熱交換通路へ流入する排気ガスの流量が一定となるように、上記熱交換通路とバイパス通路とを含めた排気通路の通路形状が設定されている。
そして、排気ガスの流量が多いときに、上記熱交換通路へ流入する排気ガスの流量が一定となるように、上記熱交換通路の途中に第１の絞り部が設けられ、上記バイパス通路の途中に第２の絞り部が設けられ、この第２の絞り部は、第１の絞り部よりも下流側に配置され、通路長手方向に関して上記第１の絞り部と第２の絞り部との間に、上記熱交換通路とバイパス通路とを連通する連通路が形成され、排気ガスの総流量が大きくなるときに、上記熱交換通路とバイパス通路のうち、上記熱交換通路が第１の絞り部により先に流量が制限されるように、第１の絞り部と第２の絞り部との絞り径が設定されている。
【０００６】
このような本発明によれば、排気ガスの流量が少ないときには、熱交換通路を通流する排気ガスと冷媒との間で熱交換が行われ、排気ガスの熱エネルギーを冷媒を介して回収することができる。回収した熱エネルギーは、暖房装置や暖機促進に用いることができる他、例えば特開２０１０−７７９６４号公報に記載のようにランキンサイクルに利用することも可能である。
【０００７】
また、排気ガスの流量が多いとき、つまり流量が所定流量を超えるときには、熱交換通路の流量が一定となるために、冷媒との過剰な熱交換・熱回収を防止し、ラジエータなどの冷却系部品の過熱を回避することができる。このとき、熱交換通路側に一定の流量の排気ガスが流れるために、過剰とならない範囲で排気熱を回収することができる。
【０００８】
そして本発明にあっては、熱交換通路とバイパス通路とを含めた排気通路の通路形状によって、上述した作用効果を実現している。このため、上記特許文献１のように、熱交換通路やバイパス通路を開閉する弁部材などの可動部品を高温化に晒される排気系に設ける必要がなく、信頼性・耐久性に優れるとともに、部品点数の削減やコスト削減を図ることができる。
【発明の効果】
【０００９】
このように本発明によれば、弁部材等の可動部品を用いることのない簡素な構成でありながら、排気ガスと冷媒との熱交換により排気ガスの熱エネルギーを回収しつつ、流量が多いときにあっては、熱交換通路側へ流入する排気ガスの流量を一定に保つことによって、過剰な熱交換を防止し、ラジエータなどの冷却系部品の過熱を回避することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
【図１】本発明に係る排気熱交換装置の一例を示す分解斜視図。
【図２】本発明の第１実施例に係る排気熱交換装置を示す断面図。
【図３】図２の排気熱交換装置の要部を拡大して示す断面図。
【図４】排気ガスの流量が少ないときの排気ガスの流れを模式的に示す断面図。
【図５】排気ガスの流量が多いときの排気ガスの流れを模式的に示す断面図。
【図６】上記第１実施例に係る排気ガスの流量と排気熱交換量との関係を示す説明図。
【図７】本発明の第２実施例に係る排気熱交換装置を示す断面図。
【図８】図７の排気熱交換装置の要部を拡大して示す断面図。
【図９】上記第１実施例に係る通路構成を簡略的に示す構成図（ａ）及び各通路の流量の関係を示す特性図（ｂ）。
【図１０】上記第２実施例に係る通路構成を簡略的に示す構成図（ａ）及び各通路の流量の関係を示す特性図（ｂ）。
【発明を実施するための形態】
【００１１】
以下、本発明に係る排気熱交換装置の一実施例について図面を参照して説明する。この排気熱交換装置１０は、車両用内燃機関の排気系に適用されて、排気通路の一部を構成するとともに、排気通路内を流れる排気ガスと熱交換用の冷媒としての冷却水との間で熱交換を行い、排気熱を回収するものであり、図２に示すように、上流側が内燃機関のシリンダヘッド１の排気側の側壁２に取り付けられ、下流側に排気管５（図３参照）が取り付けられる。排気熱交換装置１０内の排気通路は、その上流側でシリンダヘッド側壁２に開口する３つの排気ポート３に連通するとともに、途中で合流して下流側の排気管５へと接続しており、後述する内側管状部材１２によってバイパス通路１４と熱交換通路１５とに区画されている。
【００１２】
図１及び図２を参照して、この排気熱交換装置１０は、内側管状部材１１と、この内側管状部材１１を覆う中間管状部材１２と、この中間管状部材１２を覆うカバー状の外側管状部材１３と、により大略構成されている。これらの通路形成体を構成する部品は、鉄あるいはアルミ合金等の耐熱性に優れた金属材料により形成されている。内側管状部材１１の内部には排気ガスが通流するバイパス通路１４が形成され、この内側管状部材１１と中間管状部材１２との隙間に、排気ガスが通流する熱交換通路１５が形成され、この中間管状部材１２と外側管状部材１３との隙間に、熱交換用の冷媒である冷却水が通流するウォータジャケットとしての冷却水通路１６が形成されている。
【００１３】
図１に示すように、内側管状部材１１は、上流側の３本の管状の内側ブランチ部１７が下流側で１本の管状の内側合流部１８に一体的に接続する枝管構造をなしている。各内側ブランチ部１７の上流側端部には、その管部外周よりも大径なリング部１９が４本の支持リブ部２０を介して同心状に設けられている。これらのリング部１９は、中間管状部材１２の上流側の板状をなす入口フランジ部２１に形成された環状溝部２１Ａに嵌合し、かつ、図２に示す組立後の状態にあっては、シリンダヘッド１の排気側の側壁２との間に挟み込まれることによって、内側管状部材１１が中間管状部材１２及びシリンダヘッド１に対して位置決めされた状態で支持・固定される。この固定状態にあっては、内側管状部材１１の外周と中間管状部材１２の内周との間に全周にわたって隙間が確保されており、この隙間が上記の熱交換通路１５の一部を構成している。なお、排気ガスは、リング部１９と支持リブ部２０と管部外周との隙間２２を通って熱交換通路１５へ供給される。
【００１４】
なお、この実施例では、内側管状部材１１の入口側端部のみを中間管状部材１２に対して嵌合・固定する構造としているが、これに限らず、例えば内側管状部材１１の出口側端部にも入口側端部と同様の固定構造を適用し、内側管状部材１１の入口側と出口側の両端を固定するようにしても良い。
【００１５】
中間管状部材１２は、内包する内側管状部材１１と同様、３本の中間ブランチ部２３が下流側で一本の中間合流部２４に合流する枝管形状をなしており、中間ブランチ部２３は上流側で上記の入口フランジ部２１に一体的に接続している。また、中間管状部材１２は、上記の入口フランジ部２１，中間ブランチ部２３及び中間合流部２４を含めて、通路長手方向に沿って２つの分割部材２５，２６に２分割された半割構造をなしており、組立時には、一対の分割部材２５，２６により内側管状部材１１を挟み込んだ状態で、各分割部材２５，２６のそれぞれが複数本の固定ボルト２７（図４，図５参照）によってシリンダヘッド１側へ固定される。
【００１６】
外側管状部材１３は、中間管状部材１２の全体を覆うカバー状をなしており、図４，図５にも示すように、上流側のフランジ部２８が、中間管状部材１２の入口フランジ部２１とともに、上記の固定ボルト２７によってシリンダヘッド１の排気側の側壁２に共締め固定される。また、図１に示すように、この外側管状部材１３の下流側の出口フランジ部２９には、排気管５を接続するボルト（図示省略）が挿通するボルト孔３１が形成されている。
【００１７】
このような構造の排気熱交換装置１０にあっては、図２にも示すように、内側管状部材１１によって、内部の排気通路がその全長にわたって外周側の熱交換通路１５と内周側のバイパス通路１４とに隔てられており、かつ、中間管状部材１２によって、その全長にわたって外周側の冷却水通路１６と内周側の熱交換通路１５とに隔てられている。つまり、熱交換通路１５がバイパス通路１４と同心状に配置され、この熱交換通路１５の周囲に冷却水通路１６が形成されている。熱交換通路１５内を流れる排気ガスと冷却水通路１６内を流れる冷却水との間で熱交換が行われるように、熱交換通路１５が冷却水通路１６（つまり冷却水通路１６内を流れる冷却水）と近接して配置され、具体的には中間管状部材１２の壁部のみを挟んで配置されている。これに対し、バイパス通路１４と冷却水通路１６との間には熱交換通路１５が介在しており、つまりバイパス通路１４は、熱交換を抑制・回避するように、冷却水通路１６から離間・迂回して配設されている。
【００１８】
内燃機関の燃焼によりシリンダ４から排気ポート３へ排出された排気ガスは、排気熱交換装置１０の入口部分において、バイパス通路１４と熱交換通路１５とに分岐し、それぞれの通路１４，１５内を流れた後、下流側の排気管５へと排出される。冷却水通路１６は、ラジエータ等の冷却系部品を含む内燃機関の冷却水循環経路の一部を構成するもので、図示せぬ入口部及び出口部を介して冷却水が通流するようになっている。熱交換により冷媒としての冷却水に回収された排気熱は、暖房や暖機促進に用いられる他、上述したランキンサイクルに用いることも可能である。
【００１９】
そして本実施例においては、熱交換通路１５の途中に、部分的に縮径した絞り部（第１の絞り部）４０が設けられている。この絞り部４０は、熱交換通路１５へ流入する排気ガスの流量が所定量以上となると、いわゆるチョークされた状態となって、排気ガスの流量を一定にする（音速と同等になり質量流量がそれ以上増加しなくなる）ように、その形状・寸法（隙間距離Ｄ１等）が設定されている。具体的には、図３に示すように、熱交換通路１５を下流側へ向けて徐々に縮径するテーパ面４１とすることで、このテーパ面４１の下流端に絞り部４０が形成されている。熱交換通路１５における最小断面となる絞り部４０の通路断面積は、バイパス通路１４における最小断面積よりも小さく設定されている。また、絞り部４０における隙間距離Ｄ１は、バイパス通路１４の最小半径Ｄ２よりも小さく設定されている。なお、絞り部４０の位置や形状・寸法は図３に示すものに限らず、例えば内側管状部材１１の外壁を部分的に外側に張り出させることで、熱交換通路１５の途中に絞り部を設けるようにしても良い。
【００２０】
この絞り部４０による作用効果について、図６を参照して説明する。この図６の縦軸は、排気ガスから冷却水への熱交換量・熱回収量を表し、この熱交換量は熱交換通路１５を流れる排気ガスの流量にほぼ比例する。横軸は内燃機関が出力する機関出力で、この機関出力が機関負荷，機関回転速度あるいは排気ガスの流量とほぼ比例する。符号Ｌ０は、ラジエータが許容し得る（オーバーヒートとならない）熱交換量の許容ラインに相当し、この許容ラインＬ０よりも上側の領域は、熱交換量が過剰となってラジエータがオーバーヒートするおそれがある領域に相当する。符号Ｌ１は上述した本実施例の排気熱交換装置１０を用いた場合の特性を表しており、符号Ｌ２は、絞り部４０が設けられておらず、熱交換通路とバイパス通路との流量比率が流量にかかわらず一定となる比較例の特性を表している。
【００２１】
内燃機関が燃焼により生じるエネルギーは、機関出力、冷却系への放熱、排気系への放熱、及びフリクション損失などへ分配されるが、その分配比率は発生エネルギーの大きさにかかわらず概ね一定である。従って、機関出力が大きくなるほど、冷却水の温度も上昇し、排気温度も上昇する。このため、機関出力が小さい低出力域では、機関回転速度が低く排気ガスの流量も少なく、冷却水や排気ガスの温度も低いので、実施例Ｌ１と比較例Ｌ２とにかかわらず、熱回収量が許容ラインＬ０を上回るおそれはない。
【００２２】
しかしながら、中・高出力域では、機関出力の増大に応じて冷却水温度が上昇するためにラジエータが許容し得る熱交換量の許容ラインＬ０が低くなる一方、機関出力の増大に応じて機関回転速度や機関負荷が高くなって排気ガスの流量が多くなるために、比較例Ｌ１のように流量比率が一定の場合には、排気ガスの流量の増大に伴って熱交換量が必然的に増加し、図中の領域αに示すように、熱交換量が上限ラインＬ０を上回るおそれがある。
【００２３】
これに対して本実施例Ｌ１では、上述したように、機関出力の増加に伴って排気ガスの流量が多くなる中・高出力域のときに、熱交換通路１５の流量が一定に制限されるために、その熱交換量も一定となり、熱交換量がラジエータの許容ラインＬ０を上回る事態を招くことがない。
【００２４】
このように本実施例では、低出力域では、排気ガスの流量が少ないために、熱交換通路１５の流量が絞り部４０によって制限されることがなく、排気熱を利用して冷却水温度を高めて暖房や暖機促進を図ることができる一方、ラジエータの許容ラインＬ０が低くなるような中・高出力域では、機関出力の増大に伴って排気ガスの流量が多くなるものの、絞り部４０によって熱交換通路１５の流量は一定に制限されるために、ラジエータがオーバーヒートとなるような過剰な熱交換を回避することができる。また本実施例においては、この中・高出力域においても、熱交換通路１５内を流れる排気ガスを遮断するのではなく、一定流量の排気ガスが熱交換通路１５を流れるように構成されているために、熱交換が過剰に行われることを回避しつつ、所定量の熱交換が行われて排気熱を適宜に回収することができる。また、熱交換通路１５を遮断することがないので、通気抵抗が過度に高くなることもない。
【００２５】
更に本実施例にあっては、図３〜図５に示すように、熱交換通路１５及びバイパス通路１４よりも上流側の排気通路であるシリンダヘッド１の排気ポート３に、流量の増加に伴って排気ガスの流れをバイパス通路１４側へと偏向・案内する偏向部４３を設けている。この偏向部４３は、通路断面を部分的に絞るように、排気ポート３の内壁より内側へ張り出している。この偏向部４３には、上流側から下流側へ向けて徐々に通路を縮径するように傾斜するテーパ面４４が設けられている。流速が高いときには、このテーパ面４４に沿う排気ガスの流れが中央のバイパス通路１４の入口近傍へ向かうように、テーパ面４４に沿う延長線４５がバイパス通路１４の入口周縁部を指向するように設定されている。
【００２６】
このような構成により、排気ガスの流量が少ないときには、図４に示すように、流速が遅いために偏向部４３を回り込んで外周側の熱交換通路１５にも排気ガスが十分に流れ込む一方、排気ガスの流量が多いときには、図５に示すように、流速が速くなるために、偏向部４３によって中央のバイパス通路１４へ向かう流れが支配的となって、バイパス通路１４の流量比率が増加し、熱交換通路１５側の流量比率が低下する。このため、排気ガスの流量が多くなる中・高出力域では、熱交換通路１５側の流量比率、つまりは流量を抑制して、過剰な熱交換が行われることを更に確実に抑制することができる。
【００２７】
そして本実施例にあっては、上述したような作用効果を、熱交換通路１５及びバイパス通路１４を含めた排気通路の通路形状の設定によって実現しており、具体的には絞り部４０や偏向部４３を設けることによって実現しており、弁部材などの可動部品を必要としない。このように、高温下で使用される排気通路内に可動部品を設ける必要がないので、信頼性・耐久性に優れるとともに、部品点数の削減やコスト削減を図ることができ、製造も容易であるなど、実用上多大な効果が得られる。
【００２８】
また、熱交換通路１５が冷却水通路１６の内側に内包されるとともに、この熱交換通路１５の内側にバイパス通路１４が内包されており、すなわち熱交換通路１５の内側と外側にそれぞれバイパス通路１４と熱交換通路１５とが同心状に配置された３重の管構造をなしており、３つの通路１４〜１６を用途に応じて適切に配置しつつコンパクトに構成することができる。
【００２９】
仮に中間管状部材１２を、上記実施例のように２つの分割部材２５，２６に分割した構成とせず、一体の部品とした場合、その内部に配置される内側管状部材の形状の自由度が大幅に損なわれる。具体的には、内側管状部材を中間管状部材の上流側もしくは下流側の開口端から差し込む必要があるために、この内側管状部材を上記実施例のような複雑な枝管構造とすることができない。このため、例えば３つの内側ブランチ部１７を短縮した上で別部材として上流側から差し込ませる構造とする必要があり、この場合、部品点数が増加するとともに、バイパス通路内を流れた排気ガスが途中で熱交換通路と合流して熱交換がなされるために、バイパス効率が低下する。
【００３０】
これに対して本実施例では、中間管状部材１２を、内側管状部材１１を挟み込む２つの分割部材２５，２６により構成しているために、内側管状部材１１の形状の自由度が高く、要求に応じた適切な形状とすることができる。従って、上記実施例のように、内側管状部材１１を３つのブランチ部１７から一つの合流部１８にわたって一体的に接続する構造とすることによって、その通路全長にわたってバイパス通路１４を延長形成し、バイパス効率を向上することが可能となる。
【００３１】
また、図３に示すように、熱交換通路１５とバイパス通路１４とは下流側の排気管５内部の合流部５Ａで合流することとなるが、この合流部５Ａよりも冷却水通路１６が上流側に配置されている。これにより、バイパス通路１４を流れた排気ガスが合流部５Ａで熱交換されることを抑制・防止して、バイパス効率の低下を抑制することができる。
【００３２】
次に、本発明の第２実施例を図７〜図１０を参照して説明する。なお、第１実施例と同じ構成要素には同じ参照符号を付して重複する構成及び作用効果等の説明を適宜省略し、第１実施例と異なる部分について主に説明する。
【００３３】
この第２実施例では、熱交換通路１５に、この熱交換通路１５を流れる排気ガスの流量を所定値以下に制限する第１絞り部４０Ａが設けられることに加え、バイパス通路１４の途中に、このバイパス通路１４を流れる排気ガスの流量を所定値以下に制限する第２絞り部５１が設けられている。この第２絞り部５１は、第１絞り部４０Ａよりも排気ガスの流れ方向で下流側・排気管５側に配置されている。そして、通路長手方向に関して第１絞り部４０Ａと第２絞り部５１との間に、熱交換通路１５とバイパス通路１４とを連通する連通路５２が形成されている。
【００３４】
第１絞り部４０Ａは、この実施例では、内側管状部材１１を中間管状部材１２に固定するためのリング部１９を利用して設けられている。詳しくは、内側管状部材１１の上流側端部には、第１実施例と同様、その管部外周よりも大径なリング部１９が４本の支持リブ部２０を介して同心状に設けられている。これらのリング部１９は、中間管状部材１２の入口フランジ部２１に形成された環状溝部２１Ａに嵌合し、かつ、図７に示す組立後の状態にあっては、シリンダヘッド１の排気側の側壁２との間に挟み込まれることによって、内側管状部材１１が中間管状部材１２及びシリンダヘッド１に対して位置決めされた状態で支持・固定される。そして、リング部１９と支持リブ２０と管部外周との隙間２２が、熱交換通路１５を絞る第１絞り部４０Ａとして機能している。このように、内側管状部材１１を中間管状部材１２に固定するためのリング部１９を利用して第１絞り部４０Ａを通路の上流側に設けることができ、別途絞り部を形成する必要がなく、構成の簡素化を図ることができる。
【００３５】
また、この第１絞り部４０Ａは、通路長手方向に関し、隣接する冷却水通路１６よりも上流側に外れた位置に配置されている。これによって、第１絞り部４０Ａに至る前に熱交換が不用意に行われることがなく、熱交換量を適切に調整することができる。
【００３６】
また、第１絞り部４０Ａを適切な通路断面積とするように、リング部１９には、熱交換通路１５の壁面よりも通路内方へ張り出した張出部５３を設けている。また、第１絞り部４０Ａが熱交換通路１５の途中に設けられるように、内側管状部材１１の管状部分の上流側端部５４を、リング部１９よりも上流側、つまりシリンダヘッド１の吸気ポート３の内側まで張り出させている。
【００３７】
これらの第１絞り部４０Ａ及び第２絞り部５１は、上記第１実施例の絞り部４０と同様に、通路断面積を部分的に絞ることによって、流量が所定値以上となると、音速と同等になり質量流量がそれ以上増加しなくなるように、流量を所定値以下に制限する機能を有するものである。また、第２絞り部５１は、圧力損失を低減するように、徐々に通路断面積を変化させるベンチュリ型の形状に形成されている。
【００３８】
次に、図９及び図１０を参照して、この第２実施例の作用効果について、上記の第１実施例と比較しつつ説明する。なお、図９（ｂ），図１０（ｂ）の符号Ｑｅは熱交換通路１５を通過した排気ガスの流量、符号Ｑｂはバイパス通路１４を通過した排気ガスの流量、符号Ｑａは、上記の流量Ｑｅと流量Ｑｂとをあわせた排気ガスの総流量を表している（Ｑａ＝Ｑｅ＋Ｑｂ）。なお、このグラフに示す流量Ｑｅ，Ｑｂは、熱交換通路１５やバイパス通路１４に流入する流量ではなく、熱交換通路１５やバイパス通路１４を通過した流量、つまり各通路１４，１５の出口部分の流量に相当する。また、符号Ｌ０は、図６と同様、ラジエータが許容し得る（オーバーヒートとならない）熱交換量の許容ラインに相当し、この許容ラインＬ０よりも上側の領域は、熱交換量が過剰となってラジエータがオーバーヒートするおそれがある領域に相当する。
【００３９】
図９に示すように、第１実施例では、機関出力の増加に比例して排気ガスの総流量Ｑａが増加すると、先ず、熱交換通路１５に流入する流量Ｑｅが所定値ｓＱｅ以上となった時点ｔ１で、絞り部４０によって熱交換通路１５の流量Ｑｅがこの所定値ｓＱｅに制限され、これ以降、総流量Ｑａが増加しても、熱交換通路１５の流量Ｑｅは一定ｓＱｅに維持され、総流量Ｑａの増加に伴ってバイパス通路１４を通過する排気ガスの流量Ｑｂが増加する。なお、この第１実施例においては、第２実施例のような連通路５２が設けられていないために、熱交換通路１５に流入する流量と、熱交換通路１５を通過した後の流量Ｑｅとは同じである。
【００４０】
これに対して第２実施例では、図１０に示すように、排気ガスの総流量Ｑａの増加に伴い、熱交換通路１５に流入する排気ガスの流量が所定値ｓＱｅ以上となった時点ｔ１で、先ず、第１絞り部４０Ａによって、熱交換通路１５へ流入する流量が所定値ｓＱｅに制限される。但し、この第２実施例においては、熱交換通路１５とバイパス通路１４とが連通路５２により連通しているために、第１絞り部４０Ａによる流量制限後も、総流量Ｑａの増加に伴ってバイパス通路１４の流量Ｑｂが増加すると、その一部が連通路５２を通して第１絞り部４０Ａよりも下流側の熱交換通路１５側へ供給されるため、熱交換通路１５を通過する流量Ｑｅも僅かながら増加していく。
【００４１】
更に排気ガスの総流量Ｑａが増加して、バイパス通路１４に流入する排気ガスの流量が所定値ｓＱｂに達した時点ｔ２で、第２絞り部５１によりバイパス通路１４を流れる排気ガスの流量Ｑｂが所定値ｓＱｂに制限される。従って、この時点ｔ２以降は、総流量Ｑａの増加に伴って、バイパス通路１４を流れる流量が一定に制限される一方、バイパス通路１４に流入した排気ガスのうち、所定値ｓＱｂをこえる分は連通路５２を通して熱交換通路１５側へ流れ込むこととなり、このため、熱交換通路１５を流れる流量は、総流量Ｑａの増加に比例する形で大きく増加していく。
【００４２】
このように第２実施例では、第１実施例と同様、低出力域（ｔ０〜ｔ１）においては、機関回転速度が低く排気ガスの総流量Ｑａが少ないために、熱交換通路１５の流量Ｑｅが第１絞り部４０Ａによって制限されることがなく、排気熱を利用して冷却水温度を高めて暖房や暖機促進を図ることができる。また、ラジエータの許容ラインＬ０が特に低くなる中出力域（ｔ１〜ｔ２）では、機関出力の増加に伴って排気ガスの総流量Ｑａが多くなるものの、第１絞り部４０Ａによって熱交換通路１５に流入する流量は所定値ｓＱｅ以下に制限されるために、ラジエータがオーバーヒートとなるような過剰な熱交換を回避することができる。
【００４３】
そして、この第２実施例においては、中負荷域よりも更に機関出力の高い高出力域（ｔ２〜）においては、第２絞り部５１によってバイパス通路１４の流量Ｑｂが一定値ｓＱｂ以下に制限される。このため、バイパス通路１４の流量Ｑｂが一定値ｓＱｂに達した後、機関出力の増加に伴って排気ガスの総流量Ｑａが更に増加すると、連通路５２を通してバイパス通路１４から熱交換通路１５へ流れる排気ガスの流量が増加し、総流量Ｑａの増加に比例する形で熱交換通路１５の出口部分の流量Ｑｅが増加する。このように、高出力域（ｔ２〜）では排気ガスの総流量Ｑａの増加に伴って熱交換通路１５の流量Ｑｅが増加し、熱交換量を高めることで、排気温度及び排気通路の下流に配置される触媒温度の過度な上昇を抑制することができる。
【００４４】
ここで、図９に示すように、ラジエータの許容ラインＬ０は、中出力域（ｔ１〜ｔ２）の付近で最も低くなり、この中出力域よりも機関出力・機関回転速度の高い高出力域では、機関出力の増加に伴って、車速・風量が増加することなどから、逆に許容ラインＬ０が高くなっていく。従って、本実施例のように、高出力域において排気ガスの総流量Ｑａの増加にあわせて熱交換通路１５の流量Ｑｅを増加して熱交換量を増加させても、ラジエータがオーバーヒートとなるような事態を生じることはない。
【００４５】
つまり、この第２実施例においては、流量が絞られるチョーク点を二つもち、所定の中出力域（ｔ１〜ｔ２）では、第１絞り部４０Ａによって熱交換通路１５に流入する流量Ｑｅを一定値ｓＱｅに制限することで、過剰な熱交換を抑制・防止しつつ、この中出力域よりも機関出力の高い高出力域（ｔ２〜）では、第２絞り部５１によってバイパス通路１４の流量Ｑｂを一定値ｓＱｂに制限することで、排気ガスの総流量Ｑａの増加に伴って熱交換通路１５の流量Ｑｅを積極的に増加させて、排気温度の低下を促進することができる。
【００４６】
そして第１実施例と同様に、このような作用効果を、熱交換通路１５及びバイパス通路１４を含めた排気通路の通路形状の設定によって実現しており、具体的には第１絞り部４０Ａ，第２絞り部５１及び連通路５２等を設けることによって実現しており、弁部材などの可動部品を敢えて必要としないので、信頼性・耐久性に優れるとともに、部品点数の削減やコスト削減を図ることができる。
【００４７】
このような作用効果を実現するための具体的な通路構成について説明すると、上述したように、排気ガスの総流量Ｑａの増加に伴って、先ず、第１絞り部４０Ａによって熱交換通路１５の流量Ｑｅが所定値ｓＱｅに制限され、更に総流量Ｑａが増加すると、第２絞り部５１によってバイパス通路１４の流量Ｑｂが所定値ｓＱｂに制限されるように、第１絞り部４０Ａと第２絞り部５１との絞り径が設定されている。具体的には、第１絞り部４０Ａの絞り径が第２絞り部５１の絞り径よりも小さく設定されており、また、第１絞り部４０Ａにより制限される流量ｓＱｅが、第２絞り部５１により制限される流量ｓＱｂよりも小さく設定されている。
【００４８】
更に、連通路５２の通路断面積と第２絞り部５１の通路断面積との総和が、少なくともバイパス通路１４の入口部分の通路断面積よりも大きく設定されている。これによって、第２絞り部５１によってバイパス通路１４の流量Ｑｂが所定値ｓＱｂに制限されているときにも、連通路５２を通してバイパス通路１４から熱交換通路１５へ排気ガスが流れ込むことで、圧力損失を抑制することができる。
【００４９】
以上のように本発明を具体的な実施例に基づいて説明してきたが、本発明は上記実施例に限定されるものではなく、その趣旨を逸脱しない範囲で、種々の変形・変更を含むものである。例えば、熱交換用の冷媒としては、上記実施例のような冷却水に限らず、適宜な液体あるいは気体を用いることができる。また、上記実施例では車両用内燃機関に本発明を適用しているが、これに限らず、排気ガスを生じる様々な燃焼装置に本発明を適用可能である。
【符号の説明】
【００５０】
１０…排気熱交換装置
１１…内側管状部材
１２…中間管状部材
１３…外側管状部材
１４…バイパス通路
１５…熱交換通路
１６…冷却水通路
２５，２６…分割部材
４０…絞り部（第１の絞り部）
４０Ａ…第１絞り部（第１の絞り部）
４３…偏向部
５１…第２絞り部（第２の絞り部）
５２…連通路
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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