(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
内胴と外胴とにより囲まれて形成されて、冷却水により貫流される水室が設けられ、該水室内に触媒収容室が設けられ、該触媒収容室は、筒体により形成されて、前記内胴および前記外胴と同心に配置され、前記触媒収容室内には触媒が配置され、触媒収容室の前記筒体と前記内筒との間に、前記排ガスが流れる螺旋状の通路が形成され、前記水室内には、前記内胴を囲んで周方向に等間隔に複数本の伝熱管が設けられ、前記触媒収容室内を触媒と接触しつつ貫流する排ガスが、前記触媒収容室の触媒中を流れ、前記螺旋状通路と前記水室内の複数本の前記伝熱管内を流れて前記冷却水と間接熱交換をして、外部に排出されるようになされたことを特徴とする触媒一体型排気熱交換器。
【請求項２】
前記筒体は、薄い断熱ガス層を隔てて、熱遮蔽筒体により包囲されたことを特徴とする請求項１記載の触媒一体型排気熱交換器。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本願の発明は、触媒一体型排気熱交換器に関し、特に内燃機関の排気系に使用される触媒を利用した排ガス浄化装置（触媒コンバーター）と排ガス熱回収用熱交換器とを一体化して、排気系のコンパクト化と、消音効果の向上、熱交換性能の向上等を図った触媒一体型排気熱交換器に関する。
【０００２】
【従来技術】
従来、この種内燃機関における排気系は、図４に図示されるように構成されていた。
すなわち、図４において、内燃機関01から排出された排ガスは、先ず、排ガス浄化装置（触媒コンバーター）02に入り、ここで、排ガス中の有害成分が浄化されて、外部に排出される。
【０００３】
次いで、浄化されて幾分温度の上昇した排ガスは、熱交換器03に入り、ここで、内燃機関01の冷却水と熱交換をして、その保有熱を冷却水に与え、自身は低温の排ガスとなって、外部に放出される。
【０００４】
熱交換器03に入る内燃機関01の冷却水は、内燃機関01を出た後廃熱回収用の熱交換器04において水道水等の冷水と熱交換をして熱を放出して十分に温度を下げられた冷却水であるので、浄化された幾分温度の上昇した排ガスを効果的に冷却することができる。冷却水は、ここでの熱交換により、やや温度が上昇するが、内燃機関01に還流されて、内燃機関01の各部を支障なく冷却する。
【０００５】
熱交換器04において、内燃機関01を出た後の冷却水と熱交換をして温度の上昇した水道水は、温水となって、事業所用もしくは家庭用の給湯冷暖房等の各種の用途に向けられ、直接温水として、もしくは温水熱源として、使用される。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
従来の内燃機関01における排気系は、前記のように構成されているので、排ガス浄化装置02は、排ガス通路の上流側に配設され、該排ガス浄化装置02と熱交換器03とは、別体に形成されていた。このため、排気系の構成にスペースを要し、構造も複雑になっていた。
【０００７】
本願の発明は、従来のこの種内燃機関01における排気系が有する前記のような問題点を解決して、排気系をコンパクト化し、構造を簡単化して、製作コストを低減するとともに、消音効果の向上と熱交換性能の向上とを可能にする、この種内燃機関における排気系に使用されて好適な触媒一体型排気熱交換器を提供することを課題とする。
【０００８】
【課題を解決するための手段および効果】
本願の発明は、前記のような課題を解決した触媒一体型排気熱交換器に係り、その請求項１に記載された発明は、内胴と外胴とにより囲まれて形成されて、冷却水により貫流される水室が設けられ、該水室内に触媒収容室が設けられ、該触媒収容室は、筒体により形成されて、前記内胴および前記外胴と同心に配置され、前記触媒収容室内には触媒が配置され、触媒収容室の前記筒体と前記内筒との間に、前記排ガスが流れる螺旋状の通路が形成され、前記水室内には、前記内胴を囲んで周方向に等間隔に複数本の伝熱管が設けられ、前記触媒収容室内を触媒と接触しつつ貫流する排ガスが、前記触媒収容室の触媒中を流れ、前記螺旋状通路と前記水室内の複数本の前記伝熱管内を流れて前記冷却水と間接熱交換をして、外部に排出されるようになされたことを特徴とする触媒一体型排気熱交換器である。
【０００９】
請求項１に記載された発明は、前記のように構成されているので、内燃機関の排気系に使用される触媒を使用する排ガス浄化装置（触媒コンバータ）に相当する触媒収容室が水室内に設けられ、触媒収容室内を触媒に接して流れた後の排ガスが水室内の冷却水と間接熱交換をするようになされており、排ガス浄化装置と排ガス熱回収用の熱交換器とが一体化されて構成されている。そして、触媒収容室内を流れた後の排ガスの冷却水との前記間接熱交換は、螺旋状の通路と水室内に設けられた複数本の伝熱管内を排ガスが流れることでなされている。
【００１０】
この結果、内燃機関における排気系をコンパクト化し、構造を簡単化して、製作コストを低減することができる。
また、触媒収容室が水室に包囲されているので、排ガスの保有熱および排ガスと触媒との反応熱が水室内の冷却水により十分に吸収されて、熱交換性能が向上する。
さらに、触媒中を流れた排ガスは螺旋状の通路と水室内に設けられた複数本の伝熱管内を流れることで、十分な熱交換面積が確保されて、冷却水と十分な熱交換をするので、さらなる熱交換性能の向上が図られる。
【００１１】
また、排ガス浄化装置と排ガス熱回収用の熱交換器とが一体化されることにより、排気系がコンパクト化されるとはいえ、全体としての装置の容量は、従来の単体としての排ガス浄化装置や排ガス熱回収用の熱交換器の容量よりも大型化するので、排ガスが発する騒音は、排ガスが大容量室内を流通する過程において減衰され、しかも、周囲を包囲する水室により閉じ込められることにより、さらに減衰されて、消音効果が向上する。
【００１２】
また、触媒一体型排気熱交換器の水室は、内胴と外胴とにより囲まれて形成され、触媒収容室は、筒体により形成されて、内胴と外胴と同心に配置され、触媒は、筒体内に配置され、内胴と筒体との間に、排ガスが流れる螺旋状の通路が形成され、水室内には、内胴を囲んで周方向に等間隔に複数本の伝熱管が設けられ、排ガスが触媒中を流れて、螺旋状の通路に流入し、次いで、複数本の伝熱管内を流れて、冷却水と熱交換をするようにされる。
【００１３】
この結果、触媒一体型排気熱交換器は、外胴、複数本の伝熱管、内胴、螺旋状の通路、筒体（触媒収容室）、触媒が同心円状に配置されて構成されるので、全体外観を円柱体形状にして、全体をさらにコンパクトにし、構造を簡単化して、製作コストをさらに低減することができる。
【００１４】
また、排ガスは、触媒中を流れて後、螺旋状の通路に入り、次いで、水室内に設けられた複数本の伝熱管内を流れるので、内胴および複数本の伝熱管により十分な熱交換面積が確保されて、冷却水と十分な熱交換をするので、熱交換性能がさらに向上する。
【００１５】
また、請求項２記載のように請求項１記載の発明を構成することにより、筒体は、薄い断熱ガス層を隔てて、熱遮蔽筒体により包囲される。
【００１６】
この結果、螺旋状の通路と触媒間には断熱ガス層が介在させられ、かつ、その断熱ガス層の下側から、断熱ガス層内に、触媒通過直後で螺旋状の通路に入る前の熱い排ガスが入り込むので、触媒に螺旋状の通路内の排ガス温度が伝わりにくく、たとえ螺旋状の通路内で排ガスが水室内の冷却水により冷却されたとしても、触媒の温度低下を防止することができ、排ガス中の有害成分の浄化が促進されて、排ガス浄化性能が向上する。
【００１７】
さらに、触媒の外側の断熱ガス層内に高温の排ガスが回り込むので、内燃機関の始動時から触媒が活性化するまでの時間が短縮され、排ガス中の有害成分の浄化が促進されて、この面からも、排ガス浄化性能が向上する。
【００１８】
【発明の実施の形態】
以下、図１ないし図３に図示される本願の請求項１ないし請求項３に記載された発明の一実施形態について説明する。
図１は、本実施形態における触媒一体型排気熱交換器の縦断面図であって、図２のＩ−Ｉ線矢視縦断面図、図２は、同平面図、図３は、図１のＩＩＩ−ＩＩＩ線矢視横断面図である。
【００１９】
本実施形態における触媒一体型排気熱交換器は、自家発電用内燃機関等の内燃機関の排気系に使用され、従来の触媒を利用した排ガス浄化装置（触媒コンバーター）と排ガス熱回収用熱交換器とを一体化したものである。
【００２０】
図１において、本実施形態における触媒一体型排気熱交換器１は、冷却水により貫流される水室２内に、触媒収容室３が設けられ、矢印Ａ方向から流入する排ガスが、触媒収容室３内を触媒４と接触しつつ貫流し、該触媒収容室３を出た後に、水室２内の冷却水と間接熱交換をして、排気管24内を矢印Ｂ方向に流れて、外部に排出されるようになっている。
【００２１】
水室２は、内胴５と外胴６とにより囲まれて形成されている。触媒収容室３は、円筒状の筒体７により形成されて、内胴５および外胴６と同心に配置されている。筒体７内には、触媒４が収容され、その周囲は、薄い断熱ガス層８を隔てて、熱遮蔽筒体９により包囲されている。
【００２２】
内胴５と熱遮蔽筒体９との間の横断面環状間隙には、螺旋管10が介設されていて、この横断面環状間隙に、排ガスが流れる螺旋状の通路11が形成されている。前記した、触媒中を貫流した排ガスは、次いで、この螺旋状の通路11内に流入して、この通路11を旋回しながら上方に流れる。
【００２３】
内胴５は、有底円筒状の胴体部５a と環状蓋体部５b とからなっている。環状蓋体部５b は、その外周側の短い筒状部（図１において下向きに折曲形成されている）が胴体部５a の開口側の軸方向に短い拡径筒部５c の周壁に嵌着されて、該拡径筒部５c を塞ぎ、そこに環状の排ガス反転室12を形成している。
【００２４】
環状蓋体部５b の内周側の図１において上方にわずかに膨出した部分の下方平坦面には、熱遮蔽筒体９の上端鍔部が当接して、そこに固着されていて、内胴５と熱遮蔽筒体９との間に形成された、前記した螺旋状の通路11の上端部を閉塞している。
【００２５】
有底円筒状の胴体部５a の底部５d は、同心円状に多段に下方にわずかに膨出させられていて、その中央膨出部５e は、外胴６の有底円筒状の胴体部６a の底部６c に形成された円孔６d に液密に嵌着されている。そして、この嵌着により、内胴５の底部５d と外胴６の底部６c とが液密に固着されている。
【００２６】
外胴６は、前記した有底円筒状の胴体部６a と、中央円孔付きの浅い逆コップ状蓋体部６b とからなっている。逆コップ状蓋体部６b は、その外周側の短い筒状部６b1が胴体部６a の開口側の軸方向に短い拡径筒部６e の外周壁に嵌着されて、胴体部６a の開口部を環状に塞いでいる。
【００２７】
逆コップ状蓋体部６b の底部６b2の内周縁は、内胴５の環状蓋体部５b の内周側の図１において上方にわずかに膨出した部分の上方平坦面に当接して、そこに固着されていて、この固着により、内胴５の天井部と外胴６の天井部とが液密に固着されている。
【００２８】
したがって、内胴５と外胴６とは、中央膨出部５e の円孔６d への嵌着と、環状蓋体部５b の内周側の上方膨出部の上方平坦面と底部６b2の内周縁との固着とによって、それらの間に挟まれた内部空間に、密閉された横断面環状の水室２を形成している。
【００２９】
逆コップ状蓋体部６b は、環状の排ガス反転室12を画成する壁面を上方および側方から覆い、該逆コップ状蓋体部６b と該壁面との間には、縦断面形状がＬ字状で、環状の水室部２a が形成されている。
【００３０】
逆コップ状蓋体部６b の底部６b2には、熱交換を終えた冷却水の出口開口15が形成されている。この出口開口15は、底部６b2の外表面に固着されたフランジ16に形成された円孔17に連通している。この円孔17には、冷却水出口用配管( 図示されず）が接続される。
【００３１】
フランジ16には、図２に図示されるように、複数のボルトねじ孔18が形成されていて、排ガス用配管19の取付け固定用に使用される。排ガス用配管19の端部は、フランジ16の中央円孔20と筒体７の上端部との間の環状間隙に嵌入されて支持されている。
【００３２】
フランジ16の中央円孔20は、図１に図示されるように、その略下半に近い部分が拡径されていて、この拡径部の空隙および排ガス用配管19の端部下方の空隙内には、環状蓋体部５b の内周側の図１において上方にわずかに膨出した部分の平坦壁に続く短い筒状折曲部（図１において上向きに折曲されている）が嵌入されている。
【００３３】
筒体７は、前記のとおり、その内部に触媒４を一体に保持していて、その下端は、熱遮蔽筒体９の下端に内方に折曲形成された爪９a により支持されている。爪９a は、熱遮蔽筒体９の下端に周方向に等間隔に複数個（３個）形成されている（図３参照）。
【００３４】
水室２への冷却水の入口開口13は、外胴６の胴体部６a の下方部の側壁に形成されており、この冷却水の入口開口13には、冷却水入口用配管14が接続されている。
【００３５】
外胴６の胴体部６a の底部６c には、浅い皿状の底蓋壁21が嵌着されていて、これら胴体部６a の底部６c と底蓋壁21との間には、排ガスの集合室22が形成されている。この排ガスの集合室22は、底蓋壁21に形成された排ガスの出口開口23を介して該出口開口23に接続された排気管24に連通している。
【００３６】
内胴５の胴体部５a の開口側の拡径筒部５c に至る段壁５f と外胴６の胴体部６a の底部６c との間には、内胴５の胴体部５a を囲んで周方向に等間隔に複数本の伝熱管25が配設されている。伝熱管25の図１において上端開口は、排ガス反転室12に臨み、同下端開口は、排ガス集合室22に臨んでいる。伝熱管25内には、螺旋状のフィン25a が挿入されている（図３参照）。
【００３７】
横断面環状の水室２の図１において上下方向略中央部には、該水室２内を上下に仕切る仕切板26が、複数本の伝熱管25により貫通されて設けられている。この仕切板26は、その周方向の一部が扇形に切り落とされていて、この切り落とされた部分に、上下水室部間を連絡する連絡水路２b が形成されている。
【００３８】
なお、底蓋壁21の下面には、触媒一体型排気熱交換器１の取付け用ブラケット28が固着されている。
【００３９】
次に、本実施形態の作用について説明する。
図示されない内燃機関から排出された排ガスは、排ガス用配管19内を矢印Ａ方向に流れて、触媒収容室３内に流入し、該触媒収容室３内の触媒中を流れて、触媒４と接触しつつ、これとの酸化反応等により浄化される。
【００４０】
そして、触媒収容室３を出て、螺旋状の通路11内に流入し、内胴５の壁面を介して水室２内の冷却水と熱交換をする。次いで、排ガス反転室12において反転して複数本の伝熱管25内に流入し、再度水室２内の冷却水と熱交換をして、排ガス集合室22内に集合する。
【００４１】
排ガス集合室22内に集合した排ガスは、外胴６の胴体部６a の底部６c の壁面を介してなおその余熱を水室２内の冷却水に放出しつつ、排気管24内を矢印Ｂ方向に流れて、外部に放出される。
【００４２】
他方、冷却水は、冷却水入口用配管14内を矢印Ｃ方向に流れて、水室２の仕切板26により仕切られた下方水室部内に流入し、仕切板26により堰止められつつ滞留して、複数本の伝熱管25の下半部分を介して該伝熱管25内を流れる排ガスと十分な熱交換を行ない、また、内胴５の下半部分の壁面を介して螺旋状通路11内を流れる排ガスと十分な熱交換を行ない、次いで、連絡水路２b 内を上方に流れて、水室２の仕切板26により仕切られた上方水室部内に流入する。
【００４３】
上方水室部内に流入した冷却水は、複数本の伝熱管25の上半部分を介して該伝熱管25内を流れる排ガスと十分な熱交換を行ない、また、内胴５の上半部分の壁面を介して螺旋状の通路11内を流れる排ガスと十分な熱交換を行ない、次いで、環状の水室部２a 内を巡って、出口開口15、円孔17を経て図示されない冷却水出口用配管内を矢印Ｄ方向に流れて、図示されない内燃機関に還流される。
【００４４】
本実施形態は、前記のように構成されているので、次のような効果を奏することができる。
内燃機関の排気系に使用される触媒を使用する排ガス浄化装置（触媒コンバーター）に相当する触媒収容室３が、水室２内に設けられ、触媒収容室３内を流れた後の排ガスが、内胴５および複数本の伝熱管25を介して水室２内の冷却水と間接熱交換をするようにされており、排ガス浄化装置と排ガス熱回収用の熱交換器とが一体化されて構成されている。この結果、内燃機関における排気系をコンパクト化し、構造を簡単化して、製作コストを低減することができる。
【００４５】
また、触媒収容室３が水室２に包囲されており、排ガスは、触媒４中を流れて後、螺旋状の通路11に入り、次いで、水室２内に設けられた複数本の伝熱管25内を流れるので、内胴５および複数本の伝熱管25により十分な熱交換面積が確保されて、排ガスの保有熱および排ガスと触媒４との反応熱が水室２内の冷却水に十分に吸収され、熱交換性能が向上する。
【００４６】
また、排ガス浄化装置と排ガス熱回収用の熱交換器とが一体化されることにより、排気系がコンパクト化されるとはいえ、全体としての装置の容量は、従来の単体としての排ガス浄化装置や排ガス熱回収用の熱交換器の容量よりも大型化するので、排ガスが発する騒音は、排ガスが大容量室内を流通する過程において減衰され、しかも、周囲を包囲する水室２により閉じ込められることにより、さらに減衰されて、消音効果が向上する。
【００４７】
さらに、触媒一体型排気熱交換器１の水室２は、内胴５と外胴６とにより囲まれて形成され、触媒収容室３は、筒体７により形成されて、内胴５および外胴６と同心に配置され、触媒４は、筒体７内に配置され、内胴５の胴体部５a と熱遮蔽筒体９との間には、排ガスが流れる螺旋状の通路11が形成され、水室２内には、内胴５を囲んで周方向に等間隔に複数本の伝熱管25が設けられている。
【００４８】
この結果、触媒一体型排気熱交換器１は、外胴６、複数本の伝熱管25、内胴５、螺旋状の通路11、筒体７（触媒収容室３）、触媒４が同心円状に配置されて構成されるので、全体外観を円柱体形状にして、全体をさらにコンパクトにし、構造を簡単化して、製作コストをさらに低減することができる。
【００４９】
また、筒体７は、薄い断熱ガス層８を隔てて、熱遮蔽筒体９により包囲されているので、螺旋状の通路11と触媒４間には断熱ガス層８が介在させられ、かつ、その断熱ガス層８の下側から、断熱ガス層８内に、触媒４通過直後で螺旋状の通路11に入る前の熱い排ガスが入り込むので、触媒４に螺旋状の通路11内の排ガス温度が伝わりにくく、たとえ螺旋状の通路11内で排ガスが水室２内の冷却水により冷却されたとしても、触媒４の温度低下を防止することができ、排ガス中の有害成分の浄化が促進されて、排ガス浄化性能が向上する。
【００５０】
また、触媒４の外側の断熱ガス層８内に高温の排ガスが回り込むので、内燃機関の始動時から触媒４が活性化するまでの時間が短縮され、排ガス中の有害成分の浄化が促進されて、この面からも、排ガス浄化性能が向上する。
【００５１】
さらに、排ガスは、螺旋状の通路11内を上昇する間に、内胴５の壁面を介して水室２内の冷却水と十分な熱交換をするので、ここで十分に温度を下げており、排ガス反転室12内に流入した排ガスが、伝熱管25の付け根部に熱衝撃を与えることはなく、触媒一体型排気熱交換器１の信頼性を向上させることができる。
【００５２】
本実施形態において、触媒一体型排気熱交換器１は、縦置きとされたが、これに限定されず、横置きとされてもよい。その他、本願の発明を逸脱しない範囲において、種々の変形が可能である。
【図面の簡単な説明】
【図１】本願の請求項１ないし請求項３に記載された発明の一実施形態における触媒一体型排気熱交換器の縦断面図であって、図２のＩ−Ｉ線矢視縦断面図である。
【図２】図１の触媒一体型排気熱交換器の平面図である。
【図３】図１のＩＩＩ−ＩＩＩ線矢視横断面図である。
【図４】従来例を示す図である。
【符号の説明】
１…触媒一体型排気熱交換器、２…水室、２a …水室部、２b …連絡水路、３…触媒収容室、４…触媒、５…内胴、５a …胴体部、５b …環状蓋体部、５c …拡径筒部、５d …底部、５e …中央膨出部、５f …段壁、６…外胴、６a …胴体部、６b …逆コップ状蓋体部、６b1…筒状部、６b2…底部、６c …底部、６d …円孔、６e …拡径筒部、７…筒体、８…断熱ガス層、９…熱遮蔽筒体、９a …爪、10…螺旋管、11…螺旋状通路、12…排ガス反転室、13…冷却水入口開口、14…冷却水入口用配管、15…冷却水出口開口、16…フランジ、17…円孔、18…ボルトねじ孔、19…排ガス用配管、20…中央円孔、21…底蓋壁、22…排ガス集合室、23…排ガス出口開口、24…排気管、25…伝熱管、25a …フィン、26…仕切板、28…ブラケット。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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