JP5316452B2 - 排気熱回収装置 - Google Patents

Description

本発明は、熱交換器を用いて内燃機関の排気の排熱を回収して、内燃機関の冷却水加熱のために利用する排気熱回収装置に関するものであり、例えば内燃機関を備える車両に用いて好適である。

従来の排気熱回収装置として、例えば特許文献１に示されるものが知られている。特許文献１では、排気管に配設される触媒（触媒コンバータ）の排気流れの上流側に熱交換器が設けられて、この熱交換器によって、排気の熱がエンジンの冷却回路における冷却水に回収されるようになっている。更に、特許文献１では、排気管に熱交換器をバイパスするバイパス管が設けられており、排気の温度が触媒の臨界動作温度以下の場合には、排気をバイパス管に流し、排気の熱が冷却水へ回収されないようにして、つまり熱交換器による排気の温度低下を抑制して触媒の暖機を優先するようにしている。

また、特許文献２には、排気管の途中に配設されて、エンジン冷却水と排気との間で熱交換すると共に、排気によって暖機される触媒を有する排気熱回収器と、冷却水の循環を行う電動ポンプとを備える排気熱回収装置が記載されている。特許文献２では、エンジンの始動後で、触媒が暖機中にあると、排気熱回収器への冷却水の循環流量を所定量以下にして、排気熱の冷却水側への回収を抑えて、触媒の暖機を優先させるようにしている。

特開平１１−２１８０２０号公報 特開２００８−１９０４３７号公報

しかしながら、特許文献１の排気熱回収装置では、熱交換器に対して排気をバイパスさせるようにしているが、バイパス管を設けることで触媒の上流側の排気管の構造が複雑になる。また、触媒上流側の熱容量も大きくなり、この上流側における排気の放熱ロスが増加するため、触媒の暖機に要する時間が長くなる。

また、特許文献２の排気熱回収装置では、排気熱回収器への冷却水循環量を所定量以下にするようにしているが、排気と冷却水との熱交換は止めることができないので、排気の温度低下を生じ、触媒の暖機に要する時間が長くなる。

本発明の目的は、上記問題に鑑み、排気管における触媒よりも排気流れの上流側に排気熱回収器を設けるものにおいて、排気管の複雑な構成や冷却水流量の制御を不要として、触媒の暖機時間を短縮可能とする排気熱回収装置を提供することにある。

本発明は上記目的を達成するために、以下の技術的手段を採用する。

請求項１に記載の発明では、内燃機関（１０）の排気管（１１）の途中に、内燃機関（１０）の排気を浄化する触媒（１２）が配設されており、排気管（１１）の触媒（１２）よりも排気流れの上流側に設けられる排気熱回収装置であって、
排気の熱によって内部の作動媒体を蒸発させる蒸発部（１１０）と、
蒸発部（１１０）から流入する作動媒体の熱を内燃機関（１０）の冷却水に放熱して作動媒体を凝縮させる凝縮部（１３０）と、
凝縮された作動媒体を蒸発部（１１０）に戻す戻し通路（１３４）と、
戻し通路（１３４）に設けられ、戻し通路（１３４）の通路面積を調整する弁機構（１５０）と、
内燃機関（１０）が停止した時、あるいは停止の直前、あるいは停止の直後で、弁機構（１５０）によって戻し通路（１３４）を閉状態にし、且つ、内燃機関（１０）が次回、始動されて触媒（１２）の温度（Ｔｃ）が予め定められた所定の触媒温度（Ｔｃ１）に達するまで戻し通路（１３４）の閉状態を維持する制御部（１６０）とを備えることを特徴としている。

この発明によれば、内燃機関（１０）が停止した時、あるいは停止直前、あるいは停止の直後で、戻し通路（１３４）が閉じられることによって、凝縮部（１３０）で凝縮された作動媒体は、蒸発部（１１０）に戻されずに凝縮部（１３０）に溜められることになる。また、内燃機関（１０）が停止された後も、排気の余熱によって蒸発部（１１０）における作動媒体は蒸発され、凝縮部（１３０）へ流入することになる。

よって、次回、内燃機関（１０）が始動される時には、蒸発部（１１０）内に液相の作動媒体の無い状態とすることができ、また、凝縮部（１３０）から蒸発部（１１０）への作動媒体の還流ができないようにすることができる。そして、内燃機関（１０）が始動されて、触媒（１２）の温度（Ｔｃ）が所定の触媒温度（Ｔｃ１）に達するまでは、蒸発、凝縮による作動媒体の内部循環を停止させ、つまり排気と冷却水との熱交換を停止させて、排気の温度低下をなくすことができるので、触媒（１２）を短時間で暖機することが可能となる。

請求項２に記載の発明では、弁機構（１５０）は、電気式の駆動弁（１５０）であり、
制御部（１６０）によって通電が停止されている時には戻し通路（１３４）を閉じるようになっており、制御部（１６０）によって通電された時に戻し通路（１３４）を開くように構成されたことを特徴としている。

この発明によれば、内燃機関（１０）が停止した時、あるいは停止直前で、戻し通路（１３４）を閉じるために、制御部（１６０）は弁機構（１５０）に対する通電を停止してやれば良いことになる。よって、内燃機関（１０）の停止中、さらには次回内燃機関（１０）が始動されて触媒（１２）が所定の触媒温度（Ｔｃ１）に達するまで、戻し通路（１３４）を閉じるために電力を使用せずに対応することができる。

請求項３に記載の発明では、制御部（１６０）は、触媒（１２）の温度（Ｔｃ）が所定の触媒温度（Ｔｃ１）に達すると、弁機構（１５０）によって戻し通路（１３４）を開くことを特徴としている。

この発明によれば、戻し通路（１３４）を開くことによって、凝縮部（１３０）に溜められた作動媒体が蒸発部（１１０）に戻り、更に蒸発部（１１０）および凝縮部（１３０）間において作動媒体を循環させることができるので、本来の排気の熱を活用した冷却水の加熱、即ち内燃機関（１０）の暖機が可能となる。ここでは、排気熱の回収が触媒（１２）の上流側で行われるので、下流側で行われる場合では触媒によって排気温度が低下してしまうものに比較して、温度低下の無い排気を使用することができ、排気の熱を効果的に活用した排気熱の回収が可能となり、短時間で冷却水を加熱することができる。

請求項４に記載の発明では、制御部（１６０）は、戻し通路（１３４）を開いた後に、冷却水の温度（Ｔｗ）が予め定めた所定の冷却水温度（Ｔｗ１）よりも高いと、弁機構（１５０）によって戻し通路（１３４）を閉じる側に変更し、冷却水の温度（Ｔｗ）が所定の冷却水温度（Ｔｗ１）よりも低いと、戻し通路（１３４）を開く側に変更することを特徴としている。

この発明によれば、冷却水温度（Ｔｗ）が所定の冷却水温度（Ｔｗ１）よりも高い場合に、弁機構（１５０）によって戻し通路（１３４）を閉じる側に変更することで、蒸発部（１１０）および凝縮部（１３０）間の作動媒体の循環量を低下させることができるので、排気の熱回収を抑え、冷却水温度（Ｔｗ）の上昇を抑えることができる。

また、冷却水温度（Ｔｗ）が所定の冷却水温度（Ｔｗ１）よりも低い場合に、弁機構（１５０）によって戻し通路（１３４）を開く側に変更することで、蒸発部（１１０）および凝縮部（１３０）間の作動媒体の循環量を増加させることができるので、排気の熱回収を促進させて、冷却水温度（Ｔｗ）を上昇させることができる。よって、冷却水温度（Ｔｗ）を適切に維持することができる。

請求項５に記載の発明のように、本排気熱回収装置においては、蒸発部（１１０）、凝縮部（１３０）、および戻し通路（１３４）は、ループ式のヒートパイプを形成している。

尚、上記各手段の括弧内の符号は、後述する実施形態記載の具体的手段との対応関係を示すものである。

第１実施形態における排気熱回収装置の車両への搭載状態を示す模式図である。 熱交換部を示す断面図である。 制御部が行う制御内容を示すフローチャートである。 各部の作動状態を示すタイムチャートである。

以下に、図面を参照しながら本発明を実施するための複数の形態を説明する。各形態において先行する形態で説明した事項に対応する部分には同一の参照符号を付して重複する説明を省略する場合がある。各形態において構成の一部のみを説明している場合は、構成の他の部分については先行して説明した他の形態を適用することができる。各実施形態で具体的に組み合わせが可能であることを明示している部分同士の組み合わせばかりではなく、特に組み合わせに支障が生じなければ、明示していなくても実施形態同士を部分的に組み合せることも可能である。

（第１実施形態）
本発明の第１実施形態における排気熱回収装置１００は、エンジン１０を走行用の駆動源とする車両（自動車）に適用されるものとしている。排気熱回収装置１００は、エンジン１０の排気管１１およびヒータ回路３０に配設されている。以下、具体的な構成について図１、図２を用いて説明する。尚、図１は排気熱回収装置１００の車両への搭載状態を示す模式図、図２は熱交換部１０１を示す断面図である。

図１に示すように、エンジン１０は水冷式の内燃機関であり、燃料が燃焼した後の排気が排出される排気管１１を有している。排気管１１の途中部位には、触媒１２が設けられている。触媒１２は、排気を浄化するものであり、例えばセラミック材から成る角柱状の部材（モノリス）に触媒物質が付加されて形成されている。また、触媒１２には、触媒の温度を検出する温度センサ１２ａが設けられており、この温度センサ１２ａによって検出された触媒温度Ｔｃ（温度信号）は後述する制御部１６０に出力されるようになっている。

また、エンジン１０からは、エンジン１０の稼動状態を示す稼動状態信号が後述する制御部１６０に出力されるようになっている。稼動状態信号は、例えば、燃料噴射量、吸入空気量、エンジン回転数等が挙げられる。ここでは、稼動状態信号として燃料噴射量を用いている。制御部１６０は、燃料噴射量の信号を受けるとエンジン１０は作動状態にあり、更に燃料噴射量の信号の増加に伴いエンジン１０の出力が増加されていると判定し、逆に、燃料噴射量がゼロの状態であればエンジン１０は停止状態にあると判定する。

また、エンジン１０は、エンジン１０冷却用のエンジン冷却水（以下、冷却水）が循環するラジエータ回路２０と、このラジエータ回路２０とは別の回路として冷却水（温水）が循環するヒータ回路３０とを有している。

ラジエータ回路２０は、冷却水がエンジン１０の流出部から外部に流出され、再び流入部に戻されるように循環される回路である。ラジエータ回路２０の途中にはラジエータ２１が設けられており、ラジエータ２１は、エンジン１０の流出部に設けられたウォータポンプ２２によって循環される冷却水を外気との熱交換により冷却する。ラジエータ回路２０においてラジエータ２１の冷却水流れの下流側には、サーモスタット２３が設けられている。サーモスタット２３は、冷却水の温度に応じてラジエータ回路２０および後述するヒータ回路３０を流通する冷却水量を調整するようになっている。特に暖機時においては、サーモスタット２３によって、ラジエータ回路２０側への冷却推量が低下され、逆にヒータ回路３０側への冷却水量が増加されて暖機が促進される。つまり、ラジエータ２１による冷却水の過冷却が防止されるようになっている。また、ラジエータ回路２０のウォータポンプ２２の出口側には、冷却水の温度を検出する水温センサ（図示せず）が設けられており、水温センサによって検出された冷却水温度Ｔｗ（温度信号）は後述する制御部１６０に出力されるようになっている。

ヒータ回路３０は、ラジエータ回路２０においてウォータポンプ２２とラジエータ２１との間から分岐して、サーモスタット２３に接続される回路であり、ラジエータ回路２０と同様にウォータポンプ２２によって冷却水（温水）が循環されるようになっている。ヒータ回路３０の途中には、暖房用熱交換器としてのヒータコア３１が設けられている。ヒータコア３１には、ヒータ回路３０を循環する冷却水（温水）が流通される。ヒータコア３１は、図示しない空調ユニットの空調ケース内に配設されており、送風機によって送風される空調空気を温水との熱交換により加熱する。そして、ヒータ回路３０においてヒータコア３１の冷却水流れの下流側には、後述する排気熱回収装置１００の水タンク１４０（凝縮部１３０）が接続されている。

排気熱回収装置１００は、図１、図２に示すように、熱交換部１０１、弁機構１５０、制御部１６０等を備えている。

熱交換部１０１は、蒸発部１１０、ダクト部１２０、凝縮部１３０、および水タンク１４０を備えている。蒸発部１１０と凝縮部１３０は、連通路１１５および戻し通路１３４によって環状に接続されて、熱交換部１０１はループ式のヒートパイプを形成している。このヒートパイプ内には、図示しない封入部が設けられており、この封入部からヒートパイプ内が真空引き（減圧）され、作動媒体が封入された後に封入部は封止されている。作動媒体は、ここでは水を使用している。水の沸点は、１気圧で１００℃であるが、ヒートパイプ１０１内を減圧（例えば０．０１気圧）しているため、沸点は、５〜１０℃となる。尚、作動媒体としては、水の他にアルコール、フロロカーボン、フロン等を用いても良い。

上記排気熱回収装置１００を構成する各部材（以下説明）は、高耐食性を備えるステンレス材から成り、各部材が組み付けされた後に、当接部や嵌合部に設けられたろう材により、一体的にろう付されている。

蒸発部１１０は、チューブ１１１、フィン１１２、下タンク部１１３、および上タンク部１１４を有している。チューブ１１１は、断面扁平状を成す細長の管部材であり、長手方向が上下を向くようにして、図２中の左右方向に所定のチューブピッチを持って複数並べられている。

フィン１１２は、上記のように複数並べられた各チューブ１１１の間に介在された熱交換部材であり、各チューブ１１１の外壁面（表面）に接合されている。フィン１１２は、排気との熱交換面積を拡大するものであり、ここでは薄肉の帯板材からローラ加工によって波形に成形されたコルゲートタイプのフィンとしている。

下タンク部１１３、および上タンク部１１４は、共に扁平の容器体として形成されており、上記チューブ１１１の長手方向両端部側に配設されている。各タンク部１１３、１１４のチューブ１１１に対応する位置には、チューブ孔（図示省略）が穿設されている。そして、複数のチューブ１１１の長手方向両端部は、それぞれ各タンク部１１３、１１４のチューブ孔に接合されており、複数のチューブ１１１は、各タンク部１１３、１１４内と連通している。

ダクト部１２０は、断面矩形状を成す筒体であり、内部に排気が流れるようになっている。ダクト部１２０内には、蒸発部１１０が収容されている。蒸発部１１０は、チューブ１１１が複数並ぶ方向、およびチューブ１１１の長手方向に直交する方向が排気の流れ方向となるように、ダクト部１２０内に収容されている。蒸発部１１０の外周面とダクト部１２０の内周面との間は極力隙間が形成されないようにして、排気がチューブ１１１およびフィン１１２の配設された部位を確実に通過するようにしている。

凝縮部１３０は、上記蒸発部１１０と同様に、長手方向が上下方向を向くチューブ１３１を有しており、チューブ１３１の長手方向両端部が上タンク部１３２、および下タンク部１３３に接合されて形成されている。チューブ１３１は、各タンク部１３２、１３３内と連通している。上記凝縮部１３０は、後述する水タンク１４０内に収容されている。

水タンク１４０は、チューブ１３１の長手方向に沿うように細長に形成された容器体であり、長手方向の一方の側壁には冷却水を内部に導入する冷却水導入パイプ１４１が設けられ、また、長手方向の他方の側壁には冷却水を外部に排出する冷却水排出パイプ１４２が設けられている。

蒸発部１１０の上タンク部１１４と凝縮部１３０の上タンク部１３２とは、管部材から成る連通路１１５によって連通されている。連通路１１５は、上タンク部１１４の長手方向の一方の端部からダクト部１２０を貫通するように外部に延設されると共に、更に水タンク１４０を貫通して上タンク部１３２の長手方向の一方の端部に接続されている。

また、凝縮部１３０の下タンク部１３３と蒸発部１１０の下タンク部１１３とは、管部材から成る戻し通路１３４によって連通されている。戻し通路１３４は、下タンク部１３３の内部から水タンク１４０を貫通するように外部に延設されると共に、更にダクト部１２０を貫通して下タンク部１１３の長手方向の一方の端部に接続されている。

弁機構１５０は、戻し通路１３４の通路面積を調整する電気式の駆動弁であり、凝縮部１３０の下タンク部１３３内に設けられている。弁機構１５０の弁体１５１は、戻し通路１３４内に配設されている。弁機構１５０は、後述する制御部１６０によって弁体１５１の弁開度が制御されることによって、戻し通路１３４の通路面積をゼロにする全閉状態、更には通路面積を本来の戻し通路１３４の通路面積とする全開状態に加えて、全閉状態と全開状態との間で任意の通路面積とする中間状態の形成を可能としている。

弁機構１５０は、制御部１６０からの通電が停止されている時は、戻し通路１３４を全閉状態とする常閉弁であって、通電された時に、戻し通路１３４を開き、通電量に応じて通路面積を大きくするようになっている。

制御部１６０は、エンジン１０の稼動状態信号（燃料噴射量）、触媒温度Ｔｃ、冷却水温度Ｔｗに基づいて弁機構１５０の弁体１５１の弁開度を制御する制御手段である。制御部１６０による弁機構１５０の制御の詳細については後述する。

以上のように排気熱回収装置１００は形成されており、ダクト部１２０（蒸発部１１０）は、排気管１１において触媒１２に対して排気流れの上流側になるように、排気管１１に介在されている。また、水タンク１４０の冷却水導入パイプ１４１、および冷却水排出パイプ１４２は、ヒータ回路３０におけるヒータコア３１の下流側に接続されて、水タンク１４０内には、ヒータ回路３０の冷却水（温水）が流通するようになっている。

次に、上記構成に基づく排気熱回収装置１００の作動、およびその作用効果について、図３、図４を加えて説明する。図３は制御部１６０が行う制御内容を示すフローチャート、図４は、各部の作動状態を示すタイムチャートである。

制御部１６０は、エンジン１０が始動されて停止するまでの間に図３に示す制御フローを実行し、エンジン１０が始動されるたびにこの制御フローを繰り返し実行する。図３に示す制御フローでは、制御部１６０は、後述するようにエンジン１０が停止されると弁機構１５０の弁体を全閉状態にするようにしており（ステップＳ１４０）、次回、エンジン１０が始動されると、まず、ステップＳ１００で弁体１５１の全閉状態を維持したまま制御を開始する。弁体１５１の全閉状態の維持は、弁機構１５０への通電停止を継続することで行う。

エンジン１０が始動されると、エンジン１０には燃料が噴射され（図４（ｂ））、燃料の燃焼によって発生する排気は排気管１１を流れ、車外に排出されていく。その間に排気はダクト部１２０（蒸発部１１０）、および触媒１２を通過していく。また、エンジン１０の始動時は、冷却水の温度が充分に上昇していない段階であることから（図４（ｄ））、サーモスタット２３によってラジエータ回路２０が閉じられて、冷却水は主にヒータ回路３０を循環し、その間にヒータコア３１、および水タンク１４０（凝縮部１３０）を通過する。

エンジン１０の始動時には、先のエンジン１０の停止時に全閉状態とされた弁体１５１の状態が上記ステップＳ１００によって、そのまま維持されるので（図４（ｅ））、凝縮部１３０内には凝縮した液相作動媒体が溜まっており、また蒸発部１１０内は、作動媒体がすべて蒸発した状態となっており液相作動媒体のない状態にある（図４（ｆ））。そして、排気は蒸発部１１０におけるチューブ１１１、およびフィン１１２の配設された部位を通過するものの、排気による蒸発部１１０での作動媒体の蒸発作用は起こらない。よって、排気は作動媒体の蒸発潜熱によって温度低下されることがなく、この温度低下を伴わない排気によって、蒸発部１１０よりも下流側の触媒１２は積極的に加熱され、温度上昇していく（図４（ｃ）の触媒暖機領域）。

上記のように触媒１２が昇温されていく中で、ステップＳ１１０で、温度センサ１２ａによって検出された触媒温度Ｔｃが予め定めた所定触媒温度Ｔｃ１以上であるか否かを判定する。所定触媒温度Ｔｃ１は、触媒１２が排気に対する本来の浄化機能を発揮し得る温度（例えば４００℃）として予め定めたものである。ステップＳ１１０で否と判定するとステップＳ１００、ステップＳ１１０を繰り返し、また、触媒温度Ｔｃが所定触媒温度Ｔｃ１以上であると判定すると、ステップＳ１２０に進む。

ステップＳ１２０では、冷却水に対する要求熱回収量に応じて弁体１５１の弁開度を調整するようにしている。要求熱回収量は例えば触媒温度Ｔｃと冷却水温度Ｔｗとを基にして対応することができる。

具体的には、まず、触媒温度Ｔｃが所定触媒温度Ｔｃ１以上になると、触媒１２の加熱が完了したとして、次に冷却水を効果的に加熱していく。つまり、弁機構１５０に対して通電することで、全閉状態にしていた弁体１５１を全開状態とする（図４（ｅ）の熱回収の始めの点）。すると、凝縮部１３０内の液相作動媒体は戻し通路１３４から蒸発部１１０に還流する。そして、蒸発部１１０内においては、排気の熱によって液相作動媒体が蒸発し、蒸発した気相作動媒体が連通路１１５から凝縮部１３０内に流入する。凝縮部１３０内に流入した気相作動媒体は、水タンク１４０内を流通する冷却水によって冷却されて凝縮される。そして、凝縮された液相作動媒体は戻し通路１３４から蒸発部１１０に還流する。このように、排気の熱の一部が蒸発潜熱として作動媒体に伝達されて、作動媒体は蒸気となって蒸発部１１０から凝縮部１３０へ輸送され、凝縮部１３０で蒸気が凝縮する際に凝縮潜熱として放出され、水タンク１４０（ヒータ回路３０）を流れる冷却水が積極的に加熱されることになる（図４（ｄ）の冷却水暖機領域）。

そして、冷却水温度Ｔｗが、予め定めた所定冷却水温度Ｔｗ１以上となると、弁体１５１の弁開度を小さくし、戻し通路１３４を閉じる側に変更する。所定冷却水温度Ｔｗ１は、エンジン１０の暖機を完了すると共に、冷却水によるヒータコア３１での暖房能力が充分に得られるための温度（例えば６０℃）として予め定めたものである。

弁体１５１の弁開度を小さくすることで、凝縮部１３０における液相作動媒体の蒸発部１１０への還流量が低下されて、蒸発部１１０における液相作動媒体の蒸発が抑制される。よって、凝縮部１３０へ流入する気相作動媒体の流量が抑制されて、凝縮部１３０における気相作動媒体の凝縮が抑制されて、冷却水温度Ｔｗの上昇が抑えられる。この時、蒸発部１１０を通過する排気の温度低下度合いが小さくなって、排気による触媒１２の加熱作用は大きくなる。

一方、冷却水温度Ｔｗが、所定冷却水温度Ｔｗ１を下回ると、弁体１５１の弁開度を大きくし、戻し通路１３４を開く側に変更する。弁体１５１の弁開度を大きくすることで、凝縮部１３０における液相作動媒体の蒸発部１１０への還流量が増加されて、蒸発部１１０における液相作動媒体の蒸発が促進される。よって、凝縮部１３０へ流入する気相作動媒体の流量が増加されて、凝縮部１３０における気相作動媒体の凝縮が促進されて、冷却水温度Ｔｗの上昇が促進される。この時、蒸発部１１０を通過する排気の温度低下度合いが大きくなって、排気による触媒１２の加熱作用は小さくなる。

尚、冷却水温度Ｔｗが所定冷却水温度Ｔｗ１を超えた状態が続くと、逆にエンジン１０のオーバヒートに繋がるおそれがあるため、弁体１５１は、全閉状態にされる場合もあり得る。この場合は、エンジン１０始動時と同様に、蒸発部１１０での液相作動媒体の蒸発、および凝縮部１３０での気相作動媒体の凝縮による冷却水の加熱はなくなり、排気は単純に蒸発部１１０を通過し、触媒１２を加熱することになる。

このように、エンジン１０の運転中においては、冷却水温度Ｔｗが所定冷却水温度Ｔｗ１以上に上昇した後は、弁体１５１の弁開度が調整されて、触媒温度Ｔｃ、および冷却水温度Ｔｗが調整される。

そして、ステップＳ１３０で、例えば稼動状態信号における燃料噴射量に基づいてエンジン１０が停止されたか否かを判定する。エンジン１０の停止は、燃料噴射量がゼロになったことで判定する。エンジン１０が停止されるまでは、ステップＳ１２０、ステップＳ１３０を繰り返し、エンジン１０が停止されたと判定すると、ステップＳ１４０で弁体１５１を全閉状態とする。

弁体１５１を全閉状態とすると、凝縮部１３０における液相作動媒体の蒸発部１１０への還流が阻止され、また、蒸発部１１０においては、排気の余熱によって蒸発部１１０内に残った液相作動媒体は、蒸発して凝縮部１３０内に流入していく。即ち、蒸発部１１０内は、蒸発によって液相作動媒体がなくなった状態となり、また凝縮部１３０内は、液相作動媒体が溜められた状態となる。

以上のように、本実施形態では、エンジン１０が停止した時に、弁機構１５０によって戻し通路１３４を全閉状態にし、且つ、エンジン１０が次回、始動されて触媒温度Ｔｃが所定触媒温度Ｔｃ１に達するまで戻し通路１３４の全閉状態を維持するようにしている。

エンジン１０が停止した時に、戻し通路１３４が閉じられることによって、凝縮部１３０で凝縮された作動媒体は、蒸発部１１０に戻されずに凝縮部１３０に溜められることになる。また、エンジン１０が停止された後も、排気の余熱によって蒸発部１１０における作動媒体は蒸発され、凝縮部１３０へ流入することになる。

これにより、次回、エンジン１０が始動される時には、蒸発部１１０内に液相作動媒体の無い状態とすることができ、また、凝縮部１３０から蒸発部１１０への作動媒体の還流ができないようにすることができる。そして、エンジン１０が始動されて、触媒温度Ｔｃが所定触媒温度Ｔｃ１に達するまでは、蒸発、凝縮による作動媒体の内部循環を停止させ、つまり排気と冷却水との熱交換を停止させて、排気の温度低下をなくすことができるので、触媒１２を短時間で暖機することが可能となる。

そして、触媒温度Ｔｃが所定触媒温度Ｔｃ１に達すると、弁機構１５０によって戻し通路１３４を開く（全開状態にする）ようにしている。

戻し通路１３４を開くことによって、凝縮部１３０に溜められた作動媒体が蒸発部１１０に戻り、更に蒸発部１１０および凝縮部１３０間において作動媒体を循環させることができるので、本来の排気の熱を活用した冷却水の加熱が可能となり、よって、エンジン１０の短時間での暖機、およびヒータコア３１の暖房性能の向上を図ることが可能となる。ここでは、排気熱の回収が触媒１２の上流側で行われるので、下流側で行われる場合では触媒１２によって排気温度が低下してしまうものに比較して、温度低下の無い排気を使用することができ、排気の熱を効果的に活用した排気熱の回収が可能となり、短時間で冷却水を加熱することができる。

また、戻し通路１３４を開いた後に、冷却水温度Ｔｗが所定冷却水温度Ｔｗ１よりも高いと、弁機構１５０によって戻し通路１３４を閉じる側に変更し、冷却水温度Ｔｗが所定冷却水温度Ｔｗ１よりも低いと、戻し通路１３４を開く側に変更するようにしている。

これにより、冷却水温度Ｔｗが所定冷却水温度Ｔｗ１よりも高い場合に、弁機構１５０によって戻し通路１３４を閉じる側に変更することで、蒸発部１１０および凝縮部１３０間の作動媒体の循環量を低下させることができるので、排気の熱回収を抑え、冷却水温度Ｔｗの上昇を抑えることができる。

また、冷却水温度Ｔｗが所定冷却水温度Ｔｗ１よりも低い場合に、弁機構１５０によって戻し通路１３４を開く側に変更することで、蒸発部１１０および凝縮部１３０間の作動媒体の循環量を増加させることができるので、排気の熱回収を促進させて、冷却水温度Ｔｗを上昇させることができる。よって、冷却水温度Ｔｗを適切に維持することができる。

また、弁機構１５０は、電気式の駆動弁１５０であり、制御部１６０によって通電が停止されている時には戻し通路１３４を閉じるようになっており、制御部１６０によって通電された時に戻し通路１３４を開くように構成されている。

これにより、エンジン１０が停止した時に、戻し通路１３４を閉じるために、制御部１６０は弁機構１５０に対する通電を停止してやれば良いことになる。よって、エンジン１０の停止中、さらには次回エンジン１０が始動されて触媒１２が所定触媒温度Ｔｃ１に達するまで、戻し通路１３４を閉じるために電力を使用せずに対応することができる。

（第２実施形態）
上記第１実施形態では、エンジン１０が停止した時に弁機構１５０によって戻し通路１３４を閉じるようにしたが、これに限らず、エンジン１０が停止する直前で戻し通路１３４を閉じるようにしても良い。エンジン１０停止の直前とは、例えばエンジン１０停止の５〜１０秒程度、前となるようにする。

尚、エンジン１０停止直前のタイミングは、例えば、車速センサからの車速信号（図４（ａ））を制御部１６０に出力させて、制御部１６０は、車速が連続的に低下していく際に、車速ゼロとなる手前のタイミングを算出して、「直前」のタイミングを決定することで対応が可能となる。

このように、戻し通路１３４を閉じるタイミングを多少早めることで、蒸発部１１０に残る液相作動媒体を蒸発させるための時間を稼ぐことができ、次回のエンジン１０始動時において、確実に蒸発部１１０内に液相作動媒体のない状態とすることができる。

（第３実施形態）
上記第１実施形態では、エンジン１０が停止した時に弁機構１５０によって戻し通路１３４を閉じるようにしたが、これに限らず、エンジン１０が停止した直後で戻し通路１３４を閉じるようにしても良い。エンジン１０停止の直後とは、例えばエンジン１０停止後の１〜５秒程度、後となるタイミングとなるようにする。

尚、エンジン１０停止直後のタイミングは、例えば、第１実施形態の燃料噴射量がゼロとなった時点から計時して、所定秒経過した時点を「直後」のタイミングとして決定することが可能となる。

このように、戻し通路１３４を閉じるタイミングがエンジン１０停止タイミングから多少遅れても、実質的には第１実施形態と同様の効果を得ることができる。

（第４実施形態）
上記第１、第２実施形態では、弁機構１５０は、電気式の駆動弁を用いて、戻し通路１３４の通路面積をゼロにする全閉状態、更には通路面積を本来の戻し通路１３４の通路面積とする全開状態に加えて、全閉状態と全開状態との間で任意の通路面積とする中間状態の形成を可能とするものとしたが、電磁石の磁力を用いて開閉し、全閉状態と全開状態とを形成可能とする電磁弁としても良い。電磁弁は制御部１６０からの通電が停止されている時は、全閉状態を形成し、通電時に全開状態を形成する常閉弁とするのが良い。

この場合では、第１実施形態で説明した制御フローにおけるステップＳ１２０の制御を全閉状態と全開状態との切り替えで行うようにする。これにより、弁機構１５０を安価にすることができる。

（その他の実施形態）
上記第１実施形態では、エンジン１０の停止タイミングを判定するために燃料噴射量を使用し、第２実施形態では、エンジン１０の停止直前タイミングを判定するために車速を使用し、第３実施形態では、エンジン１０の停止直後タイミングを判定するために燃料噴射量を使用したが、これらに加えて、エンジン１０の吸入空気量、エンジン回転数等を使用するようにしても良い。

また、上記各実施形態では、排気熱回収装置１００の基本構造として、蒸発部１１０の側方に凝縮部１３０を配設するようにしたが、これに限らず、蒸発部１１０の上方に凝縮部１３０を配設するようにしても良い。この場合は、凝縮部１３０のチューブ１３１を水平配置となるようにすると良い。

１０ エンジン（内燃機関）
１１ 排気管
１２ 触媒
１００ 排気熱回収装置
１１０ 蒸発部
１３０ 凝縮部
１３４ 戻し通路
１５０ 弁機構
１６０ 制御部

Claims (5)

1. 内燃機関（１０）の排気管（１１）の途中に、前記内燃機関（１０）の排気を浄化する触媒（１２）が配設されており、前記排気管（１１）の前記触媒（１２）よりも排気流れの上流側に設けられる排気熱回収装置であって、
   前記排気の熱によって内部の作動媒体を蒸発させる蒸発部（１１０）と、
   前記蒸発部（１１０）から流入する前記作動媒体の熱を前記内燃機関（１０）の冷却水に放熱して前記作動媒体を凝縮させる凝縮部（１３０）と、
   凝縮された前記作動媒体を前記蒸発部（１１０）に戻す戻し通路（１３４）と、
   前記戻し通路（１３４）に設けられ、前記戻し通路（１３４）の通路面積を調整する弁機構（１５０）と、
   前記内燃機関（１０）が停止した時、あるいは停止の直前、あるいは停止の直後で、前記弁機構（１５０）によって前記戻し通路（１３４）を閉状態にし、且つ、前記内燃機関（１０）が次回、始動されて前記触媒（１２）の温度（Ｔｃ）が予め定められた所定の触媒温度（Ｔｃ１）に達するまで前記戻し通路（１３４）の前記閉状態を維持する制御部（１６０）とを備えることを特徴とする排気熱回収装置。
2. 前記弁機構（１５０）は、電気式の駆動弁（１５０）であり、
   前記制御部（１６０）によって通電が停止されている時には前記戻し通路（１３４）を閉じるようになっており、前記制御部（１６０）によって通電された時に前記戻し通路（１３４）を開くように構成されたことを特徴とする請求項１に記載の排気熱回収装置。
3. 前記制御部（１６０）は、前記触媒（１２）の温度（Ｔｃ）が前記所定の触媒温度（Ｔｃ１）に達すると、前記弁機構（１５０）によって前記戻し通路（１３４）を開くことを特徴とする請求項１または請求項２に記載の排気熱回収装置。
4. 前記制御部（１６０）は、前記戻し通路（１３４）を開いた後に、前記冷却水の温度（Ｔｗ）が予め定めた所定の冷却水温度（Ｔｗ１）よりも高いと、前記弁機構（１５０）によって前記戻し通路（１３４）を閉じる側に変更し、前記冷却水の温度（Ｔｗ）が前記所定の冷却水温度（Ｔｗ１）よりも低いと、前記戻し通路（１３４）を開く側に変更することを特徴とする請求項３に記載の排気熱回収装置。
5. 前記蒸発部（１１０）、前記凝縮部（１３０）、および前記戻し通路（１３４）は、ループ式のヒートパイプを形成していることを特徴とする請求項１〜請求項４のいずれか１つに記載の排気熱回収装置。

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