(57)【要約】【課題】循環液の過熱を防止することができる排気系熱交換装置を得る。【解決手段】排気熱回収システム１０は、内燃機関エンジン１２の排気ガスと内燃機関エンジン１２を循環するエンジン冷却水との熱交換を行う排気熱回収用熱交換器１８と、エンジン１２及び排気熱回収用熱交換器１８にエンジン冷却水を循環させるための冷却水循環路３０と、エンジン冷却水の温度が所定温度以上である場合に該エンジン冷却水から熱を吸収する吸熱部３２とを備えており、吸熱部３２は冷却水循環路３０に設けられている。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
内燃機関エンジンの排気ガスと前記内燃機関エンジンを循環する循環液との熱交換を行う熱交換器と、
前記内燃機関エンジン及び前記熱交換器に前記循環液を循環させるための液循環路に設けられ、前記循環液の温度が所定温度以上である場合に該循環液から熱を吸収する吸熱部と、
を備えた排気系熱交換装置。
【請求項２】
前記吸熱部は、相転移によって前記循環液から熱を吸収する潜熱蓄熱材を含んで構成され、相転移温度が前記循環液の沸点以下に設定されている請求項１記載の排気系熱交換装置。
【請求項３】
前記吸熱部は、前記液循環路における前記熱交換器から前記内燃機関エンジンに向けて前記循環液が流れる部分に設けられている請求項１又は請求項２記載の排気系熱交換装置。
【請求項４】
前記循環液は、前記内燃機関エンジンを冷却するためのエンジン冷却液であり、
前記液循環路は、前記エンジン冷却液に前記内燃機関エンジン、前記熱交換器、及びラジエータを循環させるようになっている請求項１乃至請求項３の何れか１項記載の排気系熱交換装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、内燃機関エンジンの排気ガスと該内燃機関エンジンの循環液とで熱交換を行うための排気系熱交換装置に関する。
【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、該エンジンの潤滑油と、蓄熱材との熱交換器を配設した内燃機関用排熱利用装置が知られている（例えば、特許文献１参照）。この技術では、熱交換器を過熱から守るために、エンジンが十分に暖機された後は、排気ガスが熱交換器をバイパスするようになっている。
【特許文献１】特開平７−１１９４５５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、熱交換器をバイパスするバイパス経路を設ける等の制約があり、またバイパスへの切り替え不良が生じた場合には、蓄熱材の蓄熱容量を超えた排気ガスから入熱によって潤滑油や蓄熱材が過熱状態になってしまうことが懸念される。
【０００４】
本発明は、上記事実を考慮して、循環液の過熱を防止することができる排気系熱交換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】
請求項１記載の発明に係る排気系熱交換装置は、内燃機関エンジンの排気ガスと前記内燃機関エンジンを循環する循環液との熱交換を行う熱交換器と、前記内燃機関エンジン及び前記熱交換器に前記循環液を循環させるための液循環路に設けられ、前記循環液の温度が所定温度以上である場合に該循環液から熱を吸収する吸熱部と、を備えている。
【０００６】
請求項１記載の排気系熱交換装置では、例えば潤滑油や冷却水といった循環液（低温流体）と排気ガス（高温流体）との熱交換によって、例えば、排気熱を循環液に回収したり、また例えば排気ガスを冷却したりすることができる。ここで、循環液を内燃機関エンジンと熱交換器（の低温側）とに循環させる液循環路に吸熱部が設けられているため、循環液の温度が所定温度以上になると、循環液の熱は、排気ガスとの熱交換を行わない部位（液循環路）において吸熱部に吸収される。これにより、吸熱部は、例えば排気ガスの熱によって劣化することなく、循環液から効果的に熱を奪うことができる。
【０００７】
このように、請求項１記載の排気系熱交換装置では、循環液の過熱を防止することができる。なお、所定温度以上で吸熱を行う吸熱部としては、例えば、相転移による潜熱を奪う蓄熱材、吸熱反応（例えば脱水反応）によって反応熱を奪う蓄熱材などを用いることができる。
【０００８】
請求項２記載の発明に係る排気系熱交換装置は、請求項１記載の排気系熱交換装置において、前記吸熱部は、相転移によって前記循環液から熱を吸収する潜熱蓄熱材を含んで構成され、相転移温度が前記循環液の沸点以下に設定されている。
【０００９】
請求項２記載の排気系熱交換装置では、吸熱部を構成する潜熱蓄熱材は、例えば固相から液相に相転移し、また例えば結晶相から非結晶相への相転移することで、該相転移に要する潜熱を循環液から奪い、循環液の過熱による沸騰が防止される。また、潜熱蓄熱材（蓄熱材）は、例えばマイクロカプセルに封入して液循環路に容易に設置することができる。
【００１０】
請求項３記載の発明に係る排気系熱交換装置は、請求項１又は請求項２記載の排気系熱交換装置において、前記吸熱部は、前記液循環路における前記熱交換器から前記内燃機関エンジンに向けて前記循環液が流れる部分に設けられている。
【００１１】
請求項３記載の排気系熱交換装置では、液循環路における少なくとも循環液が熱交換器から内燃機関エンジンに向けて流れる部分に吸熱部が設けられているため、吸熱部は、排気ガスによって昇温（加熱）されて熱交換器から排出された高温の循環液から吸熱する。このため、循環液の過熱を一層効果的に防止することができる。
【００１２】
請求項４記載の発明に係る排気系熱交換装置は、請求項１乃至請求項３の何れか１項記載の排気系熱交換装置において、前記循環液は、前記内燃機関エンジンを冷却するためのエンジン冷却液であり、前記液循環路は、前記エンジン冷却液に前記内燃機関エンジン、前記熱交換器、及びラジエータを循環させるようになっている。
【００１３】
請求項４記載の排気系熱交換装置では、エンジン冷却液は、通常は、液循環路によって内燃機関エンジン、熱交換器、ラジエータを循環しつつ、内燃機関エンジンを冷却する。エンジン冷却液温が所定温度以上になると、該エンジン冷却液の熱が吸熱部に吸収されて、比較的沸点の低いエンジン冷却液の過熱が防止される。これにより、エンジン及び熱交換器でエンジン冷却水の供給される熱量がラジエータの能力を超える（一時的に超える）場合でも、この余剰熱を吸熱部に吸収させることができる。
【発明の効果】
【００１４】
以上説明したように本発明に係る排気系熱交換装置は、循環液の過熱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】
【００１５】
本発明の第１の実施形態に係る排気系熱交換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。
【００１６】
図１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循環液（エンジン冷却液）としての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の暖機促進等に利用する装置である。
【００１７】
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、排気ガスの流れ方向の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。消音器としてのメインマフラ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。
【００１８】
熱交換器としての排気熱回収用熱交換器１８は、エンジン１２を冷却するためのエンジン冷却水と排気ガス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。排気熱回収用熱交換器１８としては、図１では排気管１４の周囲に設けたシェル２２によってエンジン冷却水の熱交換流路２２Ａを形成したジャケット式の熱交換器である例が示されているが、これに代えて各種形式の熱交換器を採用することができる。
【００１９】
シェル２２には、エンジン冷却水を導入するための入口ノズル２４、エンジン冷却水を排出するための出口ノズル２６が設けられている。入口ノズル２４、出口ノズル２６は、エンジン冷却水をエンジン１２、排気熱回収用熱交換器１８、ラジエータ２８、及び図示しないヒータコアに循環させる冷却水循環路３０に直列（の流れが生じるよう）に接続されている。これにより、排気熱回収システム１０では、図１に矢印Ａにて示す方向にエンジン冷却水の循環流が生じる構成とされている。
【００２０】
そして、排気熱回収システム１０では、エンジン冷却水が循環する冷却水循環路３０に吸熱部３２が設けられている。この実施形態では、冷却水循環路３０における排気熱回収用熱交換器１８（出口ノズル２６）からエンジン１２までの熱交換器出口流路３０Ａ、及びエンジン１２から排気熱回収用熱交換器１８（入口ノズル２４）までの熱交換器入口流路３０Ｂを含む部分に、吸熱部３２が設けられている。
【００２１】
図２に示される如く、吸熱部３２は、内部が冷却水循環路３０（熱交換器出口流路３０Ａ、熱交換器入口流路３０Ｂ）とされたアルミパイプ３４を被覆する被膜（被覆材）３６に、多数の微小な蓄熱体３８を分散保持させて構成されている。多数の蓄熱体３８は、それぞれ潜熱蓄熱材４０を周壁４２にて封入（カプセル化）したマイクロカプセルとして構成されている。
【００２２】
潜熱蓄熱材４０は、例えば硫酸ナトリウム水和物等の無機物を用いることができ、固相から液相への相転移に要する潜熱を熱源であるエンジン冷却水から吸熱（潜熱を蓄熱）するようになっている。この実施形態では、潜熱蓄熱材４０の固相から液相への相転移温度（融点）は、エンジン冷却水の沸点（略１１０℃〜１２０℃）よりも低い８０℃〜１００℃に設定されている（潜熱蓄熱材４０の材料が選択されている）。周壁４２は、例えばポリエチレン、ゼラチン、メラミン樹脂等の高分子化合物にて構成されている。
【００２３】
したがって、上記蓄熱体３８を被膜３６に分散保持させた吸熱部３２は、冷却水循環路３０（アルミパイプ３４）エンジン冷却水の温度が潜熱蓄熱材４０の相転移温度以上の温度になると、エンジン冷却水からの熱供給によって潜熱蓄熱材４０が固相から液相に相転移し、その結果、エンジン冷却水から潜熱蓄熱材４０の融解潜熱を奪う構成とされている。
【００２４】
次に、本第１の実施形態の作用を説明する。
【００２５】
上記構成の排気熱回収システム１０では、排気熱回収用熱交換器１８において排気ガスとエンジン冷却水のとの熱交換が行われ、排気ガスの熱がエンジン冷却水に回収される（排気ガスが冷却される）。これにより、例えばエンジン１２の始動直後のように冷却水温が低いときに暖房要求又はエンジン１２の暖機促進要求があった場合等に、排気ガスの熱を有効利用して暖房促進や暖機促進が果たされる。
【００２６】
ここで、排気熱回収システム１０では、多数の潜熱蓄熱材４０（蓄熱体３８）を含んで構成された吸熱部３２が冷却水循環路３０に設けられているため、エンジン冷却水温が周壁４２の融点以上の温度になった場合に吸熱部３２は、排気ガスからの熱供給を受けることなく、潜熱蓄熱材４０が固相から液相に相転移して潜熱をエンジン冷却水から奪う（吸熱する）。特に、潜熱蓄熱材４０の融点がエンジン冷却水の沸点よりも低い温度に設定されているため、エンジン冷却水が沸騰することが防止される。
【００２７】
例えば、排気熱回収システム１０が適用された自動車の高負荷（排気ガス温度が高くなる条件）での登坂条件（エンジン負荷に対し走行風が弱い条件）では、エンジン１２及び排気熱回収用熱交換器１８でエンジン冷却水に供給される熱量がラジエータ２８の冷却能力を超える場合が想定される。この場合、例えば排気ガスの温度は６００℃を超え、排気管１４における排気熱回収用熱交換器１８を構成する管壁でも３００℃を超えるものと予測される。このため、潜熱蓄熱材４０（蓄熱体３８）を排気熱回収用熱交換器１８に設けた構成では、排気ガスからの熱（高温）によって潜熱蓄熱材４０が劣化（破壊）してしまう恐れがある。また、潜熱蓄熱材４０（蓄熱体３８）を低温側の熱交換媒体とした構成や蓄熱体３８をエンジン冷却水に分散させた構成では、排気熱回収用熱交換器１８内に生じた局所的なよどみで潜熱蓄熱材４０が劣化したり、エンジン冷却水の流れが停止した場合に潜熱蓄熱材４０が劣化したりする恐れがある。
【００２８】
これに対して上記の如く、排気ガスから直接的な熱供給を受けない冷却水循環路３０に吸熱部３２を設けた排気熱回収システム１０では、潜熱蓄熱材４０を劣化させることなく、ラジエータ２８能力が不足した分のエンジン冷却水の余剰熱を該潜熱蓄熱材４０に一時的に吸収させ、エンジン冷却水が異常昇温（沸騰）されることが防止される。特に、排気熱回収システム１０では、排気ガスとの熱交換によって加熱された直後のエンジン冷却水が別の熱源であるエンジン１２に至る前に流れる熱交換器出口流路３０Ａを含む部分に吸熱部３２を設けているため、エンジン冷却水の沸騰が確実に防止される。また、多数の潜熱蓄熱材４０に一時的に蓄えられた熱は、降温したエンジン冷却水又は大気中に排出される。
【００２９】
このように、第１の実施形態に係る排気熱回収システム１０では、エンジン冷却水の過熱を防止することができる。また、吸熱部３２に潜熱蓄熱材４０を用いたため、潜熱蓄熱材４０の相転移温度以下の温度ではエンジン冷却水から熱を奪うことなく排気ガスの熱を有効利用することができる。さらに、顕熱をエンジン冷却水から奪う吸熱部を設けた構成と比較して、吸熱部を軽量コンパクトに構成することができる。
【００３０】
しかも、潜熱蓄熱材４０は、マイクロカプセル化が容易であり、このマイクロカプセルを被膜３６に分散保持させることで、簡単な構造で吸熱部３２を構成することができる。
【００３１】
次いで、本発明の第２の実施形態を説明する。なお、上記第１の実施形態と基本的に同一の部品・部分については、上記第１の実施形態と同一の符号を付して説明を省略し、また図示を省略する場合もある。
【００３２】
図４には、本発明の第２の実施形態に係る排気熱回収システム５０を構成する吸熱部５２が図２に対応する断面図にて示されている。この図に示される如く、吸熱部５２は、冷却水循環路３０を構成するゴムホース５４に多数の蓄熱体３８を分散保持させることで構成されている。排気熱回収システム５０の他の構成は、排気熱回収システム１０の対応する構成と同じである。
【００３３】
したがって、第２の実施形態に係る排気熱回収システム５０によっても、第１の実施形態に係る排気熱回収システム１０と同様の作用によって同様の効果を得ることができる。
【００３４】
なお、冷却水循環路３０の一部がアルミパイプ３４にて構成されると共に他の一部がゴムホース５４に構成される排気熱回収システムにおいては、吸熱部３２と吸熱部５２とを共に設けた構成とすることができる。
【００３５】
また、上記各実施形態では、吸熱部３２を構成する蓄熱材として、周壁４２に封入することでマイクロカプセル化した潜熱蓄熱材４０を用いた例を示したが、本発明はこれに限定されず、例えば、所定温度以上の場合に脱水反応等の吸熱反応（化学反応）によってエンジン冷却水から熱を奪う蓄熱材（例えば、ゼオライトと水の混合物や結晶水を含有する塩等の水和反応と脱水反応とを可逆的に生じ得るもの）を用いて吸熱部３２、５２を構成しても良い。
【００３６】
さらに、上記各実施形態では、内燃機関エンジン１２の循環液がエンジン冷却水である例を示したが、本発明はこれに限定されず、例えば、エンジン１２の潤滑油を循環液として本発明を適用しても良い。
【図面の簡単な説明】
【００３７】
【図１】本発明の第１の実施形態に係る排気熱回収システムを模式的に示すシステムフロー図である。
【図２】本発明の第１の実施形態に係る排気熱回収システムを構成する吸熱部の構造を概念的に示す断面図である。
【図３】本発明の第１の実施形態に係る排気熱回収システムを構成する蓄熱体の構造を概念的に示す断面図である。
【図４】本発明の第２の実施形態に係る排気熱回収システムを構成する吸熱部の構造を概念的に示す断面図である。
【符号の説明】
【００３８】
１０    排気熱回収システム（排気系熱交換装置）
１２    内燃機関エンジン
１８    排気熱回収用熱交換器（熱交換器）
２８    ラジエータ
３０    冷却水循環路（液循環路）
３２    吸熱部
４０    潜熱蓄熱材
５０    排気熱回収システム（排気系熱交換装置）
５２    吸熱部
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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