(57)【要約】【課題】熱交換器に凝縮水が滞留することを防止することができる排気熱回収装置を得る。【解決手段】排気熱回収システム１０は、水平方向に沿って配設されたバイパス流路２２の周囲に排気ガスと冷却媒体との熱交換を行う排気ガス熱交換路３８が形成された排気熱回収用熱交換器１８と、該排気熱回収用熱交換器１８のバイパス流路２２を開閉し得る流路切替バルブ２４と、排気ガス熱交換路３８における重力方向の低所に形成された凝縮水溜り凹部５６と、一端が凝縮水溜り凹部５６で開口すると共に他端が排気ガス熱交換路３８とバイパス流路２２とが合流する排気ガス出口ヘッダ４０で開口する吸出管５８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】
水平方向に沿って配設されたバイパス部の周囲に排気ガスと冷却媒体との熱交換を行う熱交換部が形成された熱交換器と、
前記熱交換器のバイパス部を開閉し得る流路切替装置と、
前記熱交換部における排気ガス流通部分の重力方向の低所と、前記バイパス部と熱交換部における排気ガス流通部分とが合流する前記合流部とを連通する吸出管と、
を備えた排気熱回収装置。
【請求項２】
前記吸出管の周囲に、通過する排気ガスの流速を上昇させるための排気ガス流絞り部を設けた請求項１記載の排気熱回収装置。
【請求項３】
前記熱交換部における排気ガス流通部分の重力方向の低所は、重力方向下向きに凹設された凝縮水溜り部である請求項１又は請求項２記載の排気熱回収装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、例えば自動車等の排気ガスと冷却液との熱交換を行って排気熱を回収する排気熱回収装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
自動車の排気系に、内燃機関エンジンの排気ガスとエンジン冷却水との熱交換を行う冷媒排熱交換器と、該冷媒排熱交換器をバイパスするバイパス経路と、排気ガスの流れ経路を冷媒排熱交換器及びバイパス経路の何れか一方に選択的に切り替えるための開閉弁とを備えた暖房用の排気熱回収装置が知られている（例えば、特許文献１参照）。
【特許文献１】特開２００５−１６４７７号公報
【特許文献２】特開２００４−２９３３９５号公報
【特許文献３】特開平５−７９７９１号公報
【特許文献４】特開平５−２２２９３９号公報
【特許文献５】特開２０００−３１０１１６号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
しかしながら、上記の如き従来の技術では、冷媒排熱交換器におけるエンジン冷却水との熱交換によって排気ガスが冷却されると凝縮水が生成され、この凝縮水が冷媒排熱交換器に滞留することが懸念される。冷媒排熱交換器に滞留した凝縮水は、例えば排気ガス流れの偏りに伴う熱交換性能低下の原因となる。
【０００４】
本発明は、上記事実を考慮して、熱交換器に凝縮水が滞留することを防止することができる排気熱回収装置を得ることが目的である。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
上記目的を達成するために請求項１記載の発明に係る排気熱回収装置は、水平方向に沿って配設されたバイパス部の周囲に排気ガスと冷却媒体との熱交換を行う熱交換部が形成された熱交換器と、前記熱交換器のバイパス部を開閉し得る流路切替装置と、前記熱交換部における排気ガス流通部分の重力方向の低所と、前記バイパス部と熱交換部における排気ガス流通部分とが合流する前記合流部とを連通する吸出管と、を備えている。
【０００６】
請求項１記載の排気熱回収装置では、例えば流路切替装置によって排気ガスの排出経路がバイパス部側に切り替えられている状態では、排気ガスは熱交換部での冷却媒体との熱交換によって冷却されることなく大気中に排出される。また例えば、流路切替装置によって排気ガスの排出経路が熱交換部側に切り替えられている状態では、排気ガスが熱交換部を流通しつつ冷却媒体との熱交換を行い、排気ガスの熱が冷媒に回収される。この熱交換に伴って冷却された排気ガスからは、水分が凝縮されて凝縮水が生成される場合がある。生成された凝縮水は、水平方向に沿って配設されたバイパス部の周囲に形成された熱交換部におけるバイパス部よりも重力方向の下側部分である低所に溜まり易い。
【０００７】
ここで、本排気熱回収装置では、熱交換器における凝縮水が溜まり易い低所と該低所に対する排気ガス流れ方向の下流側である合流部とを連通する吸出管を設けたため、排気ガスの流れに伴って生じる圧力差（吸出管一端側の負圧）によって、凝縮水が吸出管を通じて熱交換器の低所から合流部側に吸い出される。すなわち、熱交換器から凝縮水が排出される。これにより、凝縮水が熱交換器に滞留することが防止される。
【０００８】
このように、請求項１記載の排気熱回収装置では、バイパス部を熱交換部の内側に配置したコンパクトな構成において、熱交換器に凝縮水が滞留することを防止することができる。また、吸出管は、排気経路内（例えば熱交換器のヘッダ部分や排気管の内側）に配設されているため、路面干渉や異物の飛散等から保護される。
【０００９】
請求項２記載の発明に係る排気熱回収装置は、請求項１記載の排気熱回収装置において、前記吸出管の周囲に、通過する排気ガスの流速を上昇させるための排気ガス流絞り部を設けた。
【００１０】
請求項２記載の排気熱回収装置では、流路切替装置によって排気ガスの排出経路が熱交換部側に切り替えられている状態では、排気ガスの一部が排気ガス流絞り部を通過して流速が上昇する。このため、排気ガス流絞り部の下流では圧力が低下し、換言すれば、吸出管の端部感の圧力差が大きくなり、熱交換部の低所に集合した凝縮水が効果的に排出される。これにより、流路切替装置によって排気ガスの排出経路が熱交換部側に切り替えられている状態での凝縮水排出性能が向上する。
【００１１】
請求項３記載の発明に係る排気熱回収装置は、請求項１又は請求項２記載の排気熱回収装置において、前記熱交換部における排気ガス流通部分の重力方向の低所は、重力方向下向きに凹設された凝縮水溜り部である。
【００１２】
請求項３記載の排気熱回収装置では、凹状の凝縮水溜り部すなわち吸出管の凝縮水入口側に凝縮水を一時的に集めることで、該吸出管にて凝縮水を効果的に排出することができる。
【発明の効果】
【００１３】
以上説明したように本発明に係る排気熱回収装置は、熱交換器に凝縮水が滞留することを防止することができるという優れた効果を有する。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１４】
本発明の実施形態に係る排気熱回収装置としての排気熱回収システム１０について、図１乃至図３に基づいて説明する。なお、以下の説明で、単に上流・下流の語を用いるときは、排気ガスの流れ方向の上流・下流を示すものとする。また、各図に示す矢印ＵＰ、矢印ＬＯは、重力方向（車体上下方向）の上側、下側をそれぞれ示すものとする。
【００１５】
図２には、排気熱回収システム１０の概略全体構成が模式的なフロー図にて示されている。この図に示される如く、排気熱回収システム１０は、自動車の内燃機関エンジン１２の排気ガスが有する熱をエンジン冷却水との熱交換によって回収し、暖房やエンジン１２の暖気促進等に利用する装置である。
【００１６】
エンジン１２には、排気ガスを導出する排気系路を構成する排気管１４が接続されている。排気管１４による排気ガスの排出経路上には、上流側から順に触媒コンバータ１６、排気熱回収用熱交換器１８、メインマフラ２０が配設されている。触媒コンバータ１６は、内蔵した触媒１６Ａによって通過する排気ガスを浄化するように構成されている。メインマフラ２０は、排気ガスを大気中に排出するのに伴って生じる排気音を低減するように構成されている。
【００１７】
熱交換器としての排気熱回収用熱交換器１８は、排気ガスとエンジン冷却水のとの熱交換によって排気ガスの熱をエンジン冷却水に回収させる構成とされている。また、この排気熱回収用熱交換器１８内には、排気ガスのバイパス部としてのバイパス流路２２、該バイパス流路２２を開閉するための流路切替装置としての流路切替バルブ２４が配設されており、排気ガスがエンジン冷却水との熱交換を行う排気熱回収モードと、排気ガスがバイパス流路２２を通過するノーマルモードとを切り替え得る構成とされている。以下、具体的に説明する。
【００１８】
図１に示される如く、排気熱回収用熱交換器１８は、それぞれ円筒状に形成されると共に同心円状に配置された内筒２６と外筒２８とを含み、排気ガス流通部を構成するシェル３０を備えている。さらに、シェル３０は、排気管１４よりも大径とされた外筒２８の上流端２８Ａと排気管１４における触媒コンバータ１６側に位置する部分とを接続するコニカル胴３２と、外筒２８の下流端２８Ｂと排気管１４における排気熱回収用熱交換器１８側に位置する部分とを接続するコニカル胴３４とを備えている。
【００１９】
このシェル３０の内部には、コニカル胴３２内の空間である排気ガス入口ヘッダ３６と、内筒２６と外筒２８との間に形成された円筒状空間である熱交換部としての排気ガス熱交換路３８と、内筒２６の内部空間であり流路切替バルブ２４が配設された上記バイパス流路２２と、コニカル胴３４内の空間である合流部としての排気ガス出口ヘッダ４０とが形成されている。
【００２０】
そして、シェル３０の排気ガス熱交換路３８内には、エンジン冷却水管４２が配設されており、排気熱回収用熱交換器１８におけるエンジン冷却水の流通路であるエンジン冷却水熱交換路４４を構成している。この実施形態では、エンジン冷却水管４２は、二重円筒の内側に円筒形状のエンジン冷却水熱交換路４４が形成された例を示しているが、例えば、多数の直管の集合体や１条若しくは複数条の螺旋管として構成されても良い。エンジン冷却水管４２は、エンジン冷却水流れ方向の上流側部分が外筒２８を貫通して設けられた入口ポート４６に接続されると共に、エンジン冷却水流れ方向の下流側部分が外筒２８を貫通して設けられた出口ポート４８に接続されている。この実施形態では、入口ポート４６は、出口ポート４８よりもシェル３０における下流側に配設されており、排気熱回収用熱交換器１８は向流型熱交換器とされている。
【００２１】
この排気熱回収用熱交換器１８では、流路切替バルブ２４が内筒２６（バイパス流路２２）を閉止している場合には、排気ガスが排気ガス熱交換路３８に流れることで熱交換機能を果たし、流路切替バルブ２４が内筒２６を開放している場合には、排気ガスが主にバイパス流路２２を流れて排気ガスバイパス機能を果たす構成とされている。なお、エンジン冷却水管４２が配設された排気ガス熱交換路３８の流動抵抗（圧力損失）は、開放されているバイパス流路２２の流動抵抗に対し大きく、流路切替バルブ２４が内筒２６を開放している場合には、排気ガス熱交換路３８には殆ど排気ガスが流れない構成とされている。
【００２２】
流路切替バルブ２４は、図示しない制御装置としてのＥＣＵによって制御され、例えばエンジン１２の暖機促進要求がされた場合（エンジン冷却水温が閾値（例えば８０℃）以下である場合）などにバイパス流路２２を閉止するようになっている。
【００２３】
一方、排気熱回収システム１０は、エンジン冷却水の熱を暖房用に回収するフロントヒータコア５０、リヤヒータコア５２、及びエンジン冷却水をフロントヒータコア５０、リヤヒータコア５２に循環させるヒータ温水路５４を備えている。フロントヒータコア５０とリヤヒータコア５２とは、並列に配置されている。そして、ヒータ温水路５４におけるリヤヒータコア５２の下流側に排気熱回収用熱交換器１８が配置されている。すなわち、ヒータ温水路５４におけるリヤヒータコア５２側に入口ポート４６が配置されると共に、ヒータ温水路５４におけるエンジン１２の上流側に出口ポート４８が配置されている。この実施形態では、排気熱回収用熱交換器１８は、エンジン冷却水の系統においては、フロントヒータコア５０に対し並列でかつリヤヒータコア５２に対し直列に配置されている。
【００２４】
したがって、排気熱回収システム１０では、図２のヒータ温水路５４上に示す矢印の通りエンジン冷却水が流れるようになっている。これにより、エンジン１２を通った高温の温水がフロントヒータコア５０及びリヤヒータコア５２を通る際に熱交換されて暖房に利用され、リヤヒータコア５２にて降温されたエンジン冷却水が排気熱回収用熱交換器１８に導入されて必要（ＥＣＵの制御）に応じて排気ガスと熱交換する構成である。排気熱回収用熱交換器１８を通過したエンジン冷却水は、フロントヒータコア５０を通過したエンジン冷却水と共にエンジン１２に戻されるようになっている。このように、排気熱回収用熱交換器１８は、エンジン暖機の観点からは、エンジン１２に導入される前のエンジン冷却水を加熱する加熱器として機能する構成である。
【００２５】
そして、図１に示される如く、排気熱回収用熱交換器１８のシェル３０を構成する外筒２８には、排気ガスから生じる凝縮水を一時的に滞留させるための凝縮水溜り部としての凝縮水溜り凹部５６が形成されている。凝縮水溜り凹部５６は、外筒２８における排気ガス熱交換路３８の下流端に該排気ガス熱交換路３８の最低所となるように重力方向上向きに開口して形成されている。
【００２６】
また、排気熱回収システム１０は、排気熱回収用熱交換器１８の凝縮水溜り凹部５６に一時的に滞留させた凝縮水を該排気熱回収用熱交換器１８の下流側に排出するための吸出管５８を備えている。吸出管５８は、上流端５８Ａが凝縮水溜り凹部５６内で開口されると共に、下流端５８Ｂが排気ガス出口ヘッダ４０（と排気管１４との境界近傍）で開口されている。吸出管５８の下流端５８Ｂは、排気管１４（内筒２６）の最低所と重力方向の位置（高さ）が略一致するか若干下側に位置している。具体的には、吸出管５８の下流端５８Ｂは、排気管１４及びバイパス流路２２の最低所を結ぶ仮想線Ｌに一致するか、該仮想線Ｌの若干下側に位置している。
【００２７】
さらに、排気熱回収システム１０では、シェル３０（主に排気ガス出口ヘッダ４０）内で吸出管５８を覆うように設けられた排気ガス流絞り部（ベンチュリ部）６０を備えている。排気ガス流絞り部６０は、絞り部形成部材６２をコニカル胴３４に取り付けることで形成されている。具体的には、図３に示される如く、絞り部形成部材６２は、略半円錐台の周面形状（１葉双曲面の外周を軸線方向および軸直角方向にそれぞれ半分に切断した如き形状）とされた絞り形成部６２Ａと、絞り形成部６２Ａの長手（ガス流れ）方向に沿った開口縁から延設された一対のフランジ部６２Ｂとを含んで構成されている。
【００２８】
この絞り部形成部材６２は、絞り形成部６２Ａの絞り側が下流側に位置する姿勢で、一対のフランジ部６２Ｂがコニカル胴３４の軸線方向各部の最低所を跨ぐように該コニカル胴３４の内周面に固着されることで、該コニカル胴３４の内周面との間に吸出管５８を覆う排気ガス流絞り部６０を形成している。これにより、排気ガス熱交換路３８の下部を通過する排気ガスは、排気ガス流絞り部６０を通過することで流速が増大し、吸出管５８の下流端５８Ｂが開口する領域の圧力を低下させるようになっている。
【００２９】
また、絞り部形成部材６２は、吸出管５８の下流端５８Ｂの周囲で開口する絞り側の下流端６２Ｃが上記した仮想線Ｌに一致するか、該仮想線Ｌの若干下側に位置している。一方、絞り部形成部材６２における排気ガス熱交換路３８の最低部の下流端に臨む上流端６２Ｄは、エンジン冷却水管４２の最低部４２Ａの上下両側で開口しており、該最低部４２Ａの上下両側を通過する排気ガスが導入されるようになっている。
【００３０】
次に、本実施形態の作用を説明する。
【００３１】
上記構成の排気熱回収システム１０では、エンジン１２の始動直後のようにエンジン冷却水温が低い場合には、例えば暖機促進要求に基づいてＥＣＵが流路切替バルブ２４を閉駆動してバイパス流路２２を閉止させる。すなわち、排気熱回収モードが選択される。すると、エンジン１２の排気ガスはバイパス流路２２を流れず、排気熱回収用熱交換器１８の排気ガス熱交換路３８に導入される。排気ガス熱交換路３８に導入された排気ガスは、エンジン冷却水との間で熱交換を行い、エンジン冷却水を加熱させる。一方、排気ガスはエンジン冷却水との熱交換によって冷却されるので、排気ガス熱交換路３８内では排気ガス中の水分が凝縮して液化する。すなわち、凝縮水が生じる。このように排気ガス熱交換路３８内で生じた凝縮水の一部は、重力によって排気ガス熱交換路３８（シェル３０）内の凝縮水溜り凹部５６に一時的に滞留する。
【００３２】
そして、排気熱回収システム１０では、凝縮水溜り凹部５６に滞留した凝縮水は、排気ガスの流れによって生じる吸出管５８の上流端５８Ａと下流端５８Ｂとの圧力差によって、該吸出管５８を通じて凝縮水溜り凹部５６から吸い出され、霧状化されて排気管１４に排出される。特に、排気ガス熱交換路３８の下部を通過してきた排気ガスは、排気ガス流絞り部６０に導入されて該排気ガス流絞り部６０を通過することで流速が増大されて排気管１４に排気されるので、下流端５８Ｂの周囲の圧力が一層低くなり、吸出管５８の上流端５８Ａと下流端５８Ｂとの圧力差が増幅される。これにより、凝縮水が一層強い吸引力で凝縮水溜り凹部５６から吸い出され、また霧状化が促進される。すなわち、排気熱回収システム１０では、排気ガス流絞り部６０を設けることで、短時間で凝縮水溜り凹部５６から凝縮水を排出することができる。
【００３３】
このため、例えばエンジン冷却水温が閾値を超えず流路切替バルブ２４がバイパス流路２２を開放する前に運転を終了してしまうような短時間運転の場合でも、排気熱回収用熱交換器１８への凝縮水の滞留が効果的に防止される。すなわち、排気ガスをエンジン冷却水との熱交換によって冷却する排気熱回収用熱交換器１８は排気系の中でも凝縮水を生じ易い部分であり、特にエンジン冷却水温が低い短時間運転（始動直後）の場合は凝縮水の生成量が多くなるが、吸出管５８及び排気ガス流絞り部６０を設けることで上記の通り短時間で凝縮水を排出することができる。
【００３４】
これにより、例えば駐停車中などに凝縮水が凍結することで排気ガスの流路断面積が減少し排気熱回収用熱交換器１８の熱交換性能が低下してしまうことが防止される。また、排気熱回収システム１０では、凝縮水溜り凹部５６を設けたため、凝縮水を吸出管５８の上流端５８Ａ廻りに集めることができ、吸出管５８による凝縮水排出能力が向上する。しかも、凝縮水溜り凹部５６内の凝縮水は仮に凍結しても排気熱回収用熱交換器１８の熱交換性能に与える影響が小さい。
【００３５】
一方、エンジン冷却水温が上昇して閾値を超えると、ＥＣＵは流路切替バルブ２４を開作動して２２を開放させる。すなわち、排気熱回収モードからノーマルモードに切り替わる。すると、排気ガスは主にバイパス流路２２を流通する。この場合、排気ガスからの凝縮水の生成量は、排気系の他の部分（例えばマフラなど）と同程度になり、生じた凝縮水は、一部がそのまま排気管１４に排出され、他の一部は凝縮水溜り凹部５６に一時的に滞留する。このとき、バイパス流路２２から排出され排気管１４を流れる排気ガス流によって、吸出管５８の上流端５８Ａと下流端５８Ｂとの間には圧力差が生じているので、凝縮水溜り凹部５６の凝縮水は吸出管５８によって吸い出され、霧状化されて１４に排出される。
【００３６】
この凝縮水排出能力は、排気ガスが排気ガス流絞り部６０を通過する排気熱回収モードの場合よりも低いが、凝縮水の生成量が少ないため、該凝縮水の生成量に対しては十分である。これにより、排気熱回収システム１０では、ノーマルモードにおいても排気熱回収用熱交換器１８への凝縮水の滞留が防止される。
【００３７】
このように、本発明の実施形態に係る排気熱回収システム１０では、排気熱回収用熱交換器１８に凝縮水が滞留することを防止することができる。特に、排気熱回収システム１０では、バイパス流路２２の周囲に配設された排気ガス熱交換路３８におけるバイパス流路２２よりも下側部分に凝縮水滞留し易い排気熱回収用熱交換器１８を備えた構成において、吸出管５８及び排気ガス流絞り部６０を設けて凝縮水排出性能を向上させたので、バイパス流路２２の周囲に排気ガス熱交換路３８を配設して全体としてコンパクトな構成とされた排気熱回収用熱交換器１８を実用的なものとすることができた。
【００３８】
また、排気熱回収システム１０では、吸出管５８、及び排気ガス流絞り部６０を構成する絞り部形成部材６２が仮想線Ｌよりも上側に突出しないため、換言すれば、吸出管５８、絞り部形成部材６２がノーマルモードでの排気ガスの流れ部分に張り出さない構造であるため、ノーマルモードでの排気背圧の上昇を防止することができる。これにより、運転時間の大部分を占めるノーマルモードにおいて、排気流路中に吸出管５８の下流端５８Ｂを突出させた構造のように背圧上昇に伴う燃費悪化が生じることを防止することができる。
【００３９】
さらに、排気熱回収システム１０では、吸出管５８が排気熱回収用熱交換器１８のシェル３０内に配設されているため、吸出管５８が外部に露出している構成のように走行中に突起物、落下物、飛散物等と接触して吸出管５８が損傷を受けることが防止される。すなわち、吸出管５８が他の接触による破損等に対し保護されている。これにより、吸出管５８の損傷による凝縮水の排出性能の低下が防止される。また、例えば中間部が排気熱回収用熱交換器１８の外部に配設された吸出管５８を備えた構成では、吸出管５８が破断した場合には排気ガスがメインマフラ２０の上流で大気開放されることになるので、排気系としての消音性能が低下することが懸念されるが、吸出管５８を排気熱回収用熱交換器１８内に配設した排気熱回収システム１０では、消音性能が低下することも防止される。
【００４０】
なお、上記実施形態では、流路切替バルブ２４はバイパス流路２２の開閉を切り替える装置である例を示したが、本発明はこれに限定されず、例えば、流路切替バルブ２４はバイパス流路２２の開度（バイパス流路２２と排気ガス熱交換路３８との排気ガス流量バランス）を切り替える装置であっても良い。
【００４１】
また、上記実施形態では、バイパス流路２２、排気ガス熱交換路３８等が円形又は円環状断面を有する例を示したが、本発明はこれに限定されず、例えば、バイパス流路２２、排気ガス熱交換路３８をそれぞれ矩形状断面、矩形環状断面を有する形状に形成しても良い。
【図面の簡単な説明】
【００４２】
【図１】本発明の実施形態に係る排気熱回収システムを構成する排気熱回収用熱交換器の側断面図である。
【図２】本発明の実施形態に係る排気熱回収システムの概略全体構成を示すシステムフロー図である。
【図３】本発明の実施形態に係る排気熱回収システムの排気ガス流絞り部を構成する絞り部形成部材の斜視図である。
【符号の説明】
【００４３】
１０    排気熱回収システム（排気熱回収装置）
１８    排気熱回収用熱交換器（熱交換器）
２２    バイパス流路（バイパス部）
２４    流路切替バルブ（流路切替装置）
３８    排気ガス熱交換路（熱交換部）
４０    排気ガス出口ヘッダ（合流部）
５６    凝縮水溜り凹部（低所、凝縮水溜り部）
５８    吸出管
６０    排気ガス流絞り部
【図１】
2007321741.tif 000003
【図２】
2007321741.tif 000004
【図３】
2007321741.tif 000005