JP6034147B2 - 排熱回収装置 - Google Patents

Description

本発明は、車両等に設けられ、排気ガスと冷却媒体との間で熱交換を行う排熱回収装置に関する。

従来のこの種の排熱回収装置としては、排気ガスが排出される排気管部から分岐されて排気管部の上方に設置され、排気ガスと冷却水との間で熱交換を行う排熱回収器と、排熱回収器に近接して設置され、排気管部に導入される排気ガスの流路を排気管部と排熱回収器とのいずれか一方に切換えるバルブを駆動するサーモアクチュエータとを備えたものが知られている（例えば、特許文献１参照）。

特開２０１２−３１７９６号公報

しかしながら、このような従来の排熱回収装置にあっては、排気管部の近傍にサーモアクチュエータが設置されているため、排気管部を流れる高温の排気ガスの輻射熱によってサーモアクチュエータが熱害を受けてしまい、サーモアクチュエータが劣化してしまうというおそれがあった。

本発明は、上述のような従来の問題を解決するためになされたもので、排気ガスの輻射熱の熱害を受けてアクチュエータが劣化するのを防止することができる排熱回収装置を提供することを目的とする。

本発明に係る排熱回収装置は、上記目的を達成するため、（１）排気ガスが排出される排気管部と、前記排気管部から分岐されて前記排気管部の上方に設置され、前記排気ガスと冷却媒体との間で熱交換を行う排熱回収器と、前記排熱回収器に前記冷却媒体を導入する冷却配管と、前記排気管部の横側に設置され、前記冷却配管の上流側配管の途中に設けられて上流側配管の一部を構成するハウジングを備えており、前記排気管部に導入される前記排気ガスの流路を前記排気管部と前記排熱回収器とのいずれか一方に切換える切換弁を駆動するアクチュエータとを備えた排熱回収装置であって、前記ハウジングに対して下流側に位置する前記冷却配管の上流側配管の一部を前記アクチュエータと前記排熱回収器との間に設置したものから構成されている。

この排熱回収装置は、冷却配管をアクチュエータと排熱回収器との間に設置したので、アクチュエータの周囲の雰囲気温度を冷却媒体によって低下させることができ、排気管部を流れる高温の排気ガスからアクチュエータに伝達される輻射熱の温度を低減することができる。このため、アクチュエータが排気ガスの輻射熱の熱害を受けて劣化するのを防止することができる。

また、排熱回収器が排気管部の上方に設置されるので、排熱回収器で高温の排気ガスが冷却水に冷却されることで凝縮水が発生した場合に、自重によって凝縮水を排気管部に排出することができる。このため、排熱回収器が凝縮水によって腐食するのを防止することができる。

上記（１）に記載の排熱回収装置において、（２）前記排熱回収器が車両のフロアパネルに対向するようにして、前記フロアパネルの下方に設置されるものから構成されている。
この排熱回収装置は、排熱回収器が車両のフロアパネルに対向するようにしてフロアパネルの下方に設置されるので、フロアパネルが排熱回収装置によって熱害を受けるのを防止することができる。

すなわち、排熱回収装置をフロアパネルの下方に設置すると、車両の走行風が排熱回収装置に衝突する。この走行風の風速は、フロアパネルの近傍の領域よりもフロアパネルの下方に領域の方が速いため、排熱回収器を排気管部の上方に設けて排熱回収器をフロアパネルに対向するように設置すれば、高温の雰囲気に晒されるフロアパネルの近傍を排熱回収器に導入される冷却媒体で冷やすことができる。

このため、フロアパネルと排熱回収器との間に断熱用のインシュレータ等を設けるのを不要にして、排気管部を流れる排気ガスの輻射熱からフロアパネルを保護することができる。

上記（１）または（２）に記載の排熱回収装置において、（３）前記冷却配管の端部が前記排熱回収器の下部に接続されるものから構成されている。
この排熱回収器は、冷却配管の端部が排熱回収器の下部に接続されるので、フロアパネルと冷却配管とが干渉するのを防止することができ、フロアパネルと排熱回収装置との隙間を小さくすることができる。このため、排熱回収装置の車載性を向上させることができる。

上記（１）〜（３）に記載の排熱回収装置において、（４）前記排熱回収器は、前記排気管部から前記排気ガスが導入される導入管部と、前記冷却配管から前記冷却媒体が導入される冷却管部と、前記導入管部に高温部が対向するとともに、前記冷却管部に低温部が対向し、前記高温部と前記低温部との温度差に応じて発電を行う熱電変換モジュールとを備えたものから構成されている。

この排熱回収装置は、排熱回収器が熱電変換モジュールを有するので、高温の排気ガスと低温の冷却媒体との温度差によって発電を行うことができ、排気ガスの熱エネルギーを有効利用することができる。

また、走行風の影響を受け難いフロアパネルに対向する位置に排熱回収器を設置したので、排熱回収によって温められた冷却媒体が走行風によって冷却されてしまうのを防止することができ、排熱回収性能が低下するのを防止することができる。

また、排熱回収によって温められた冷却媒体が走行風によって冷却されてしまうのを抑制することができるため、高温の排気ガスと冷却媒体との間で適切な熱交換を行うことができる。すなわち、排熱回収された冷却媒体が走行風によって過度に冷却されてしまうと、高温の排気ガスが低温の冷却媒体に多くの熱を奪われてしまい、冷却媒体と排気ガスとの温度差が小さくなり、熱電変換モジュールの発電効率が低下してしまう。

これに対して、本発明は、排熱回収によって温められた冷却媒体が走行風によって冷却されてしまうのを抑制することができるため、高温の排気ガスの熱が冷却媒体によって過度に奪われてしまうのを防止することができる。この結果、熱電変換モジュールの高温部に作用する排気ガスと低温部に作用する冷却媒体との温度差を大きくすることができ、熱電変換モジュールの発電効率を向上させることができる。

本発明によれば、排気ガスの輻射熱の熱害を受けてアクチュエータが劣化するのを防止することができる排熱回収装置を提供することができる。

本発明に係る排熱回収装置の第１の実施の形態を示す図であり、排熱回収装置を備える車両の概略構成図である。 本発明に係る排熱回収装置の第１の実施の形態を示す図であり、フロアトンネルの下方に設置された排熱回収装置の正面図である。 本発明に係る排熱回収装置の第１の実施の形態を示す図であり、排熱回収装置の上面図である。 本発明に係る排熱回収装置の第１の実施の形態を示す図であり、図３のＣ−Ｃ方向矢視断面図である。 本発明に係る排熱回収装置の第１の実施の形態を示す図であり、図３のＤ−Ｄ方向矢視断面図である。 本発明に係る排熱回収装置の第１の実施の形態を示す図であり、図４の排熱回収器の拡大図である。 本発明に係る排熱回収装置の第１の実施の形態を示す図であり、サーモアクチュエータの一部を断面で示す図１のＡ−Ａ方向断面図である。 本発明に係る排熱回収装置の第１の実施の形態を示す図であり、サーモアクチュエータの一部を断面で示す図１のＢ−Ｂ矢視方向断面図である。 本発明に係る排熱回収装置の第１の実施の形態を示す図であり、本発明に係る排熱回収装置の第１の実施の形態を示す図であり、カムとロッド部材の係合状態と非係合状態とを示す図である。 本発明に係る排熱回収装置の第２の実施の形態を示す図であり、フロアトンネルの下方に設置された排熱回収装置の正面図である。 本発明に係る排熱回収装置の第２の実施の形態を示す図であり、排熱回収装置の横断面図である。 本発明に係る排熱回収装置の第２の実施の形態を示す図であり、排熱回収装置の縦断面図である。 本発明に係る排熱回収装置の第２の実施の形態を示す図であり、熱電変換モジュールの斜視図である。

以下、本発明に係る排熱回収装置の実施の形態について、図面を用いて説明する。なお、本実施の形態では、排熱回収装置を、自動車等の車両に搭載される水冷式の多気筒の内燃機関、例えば４サイクルガソリンエンジン（以下、単にエンジンという）に適用した場合について説明している。また、エンジンは、ガソリンエンジンに限定されるものではない。
（第１の実施の形態）
図１〜図９は、本発明に係る排熱回収装置の第１の実施の形態を示す図である。
まず、構成を説明する。
図１に示すように、自動車等の車両に搭載される内燃機関としてのエンジン１は、吸気系から供給される空気と燃料供給系から供給される燃料とを適宜の空燃比で混合して成る混合気を燃焼室に供給して燃焼させた後、この燃焼に伴って発生する排気ガスを排気系から大気に放出するようになっている。

排気系は、エンジン１に取付けられたエキゾーストマニホールド２と、このエキゾーストマニホールド２に球面継手３を介して連結された排気管４とを含んで構成されており、エキゾーストマニホールド２と排気管４とによって排気通路が形成されている。

球面継手３は、エキゾーストマニホールド２と排気管４との適度な揺動を許容するとともに、エンジン１の振動や動きを排気管４に伝達させないか、または、減衰して伝達するように機能する。

排気管４上には、２つの触媒５、６が直列に設置されており、この触媒５、６により排気ガスが浄化されるようになっている。

この触媒５、６のうち、排気管４において排気ガスの排気方向の上流側に設置される触媒５は、所謂、スタートキャタリスタ（Ｓ／Ｃ）と呼ばれるものであり、排気管４において排気ガスの排気方向の下流側に設置される触媒６は、所謂、メインキャタリスタ（Ｍ／Ｃ）またはアンダーフロアキャタリスタ（Ｕ／Ｆ）と呼ばれるものである。

これらの触媒５、６は、例えば三元触媒により構成されている。この三元触媒は、一酸化炭素（ＣＯ）、炭化水素（ＨＣ）、窒素酸化物（ＮＯｘ）を一括して化学反応により無害な成分に変化させるといった浄化作用を発揮する。

エンジン１の内部には、ウォータジャケットが形成されており、このウォータジャケットにはロングライフクーラント（ＬＬＣ）と呼ばれる冷却媒体としての冷却液（以下、単に冷却水と言う）が充填されている。

この冷却水は、エンジン１に取付けられた導出管８から導出された後、ラジエータ７に供給され、このラジエータ７から冷却水の還流管９を経てエンジン１に戻されるようになっている。

ラジエータ７は、ウォータポンプ１０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ものである。

また、還流管９にはバイパス管１２が連結されており、このバイパス管１２と還流管９との間にはサーモスタット１１が介装され、このサーモスタット１１によって、ラジエータ７を流通する冷却水量とバイパス管１２を流通する冷却水量とが調節されるようになっている。
例えば、エンジン１の暖機運転時においてはバイパス管１２側の冷却水量が増加されて暖機が促進されるようになっている。

バイパス管１２にはヒータ配管１３が連結されており、このヒータ配管１３の途中には、ヒータコア１４が設けられている。このヒータコア１４は、冷却水の熱を利用して車室内の暖房を行うための熱源である。

このヒータコア１４によって暖められた空気は、ブロアファン１５によって車室内に導入されるようになっている。なお、ヒータコア１４とブロアファン１５とによりヒータユニット１６が構成されている。

また、ヒータ配管１３には後述する排熱回収装置１７に冷却水を供給する冷却配管としての上流側配管１８Ａが設けられており、排熱回収装置１７と還流管９との間には排熱回収装置１７から還流管９に冷却水を排出する下流側配管１８Ｂが設けられている。

このため、排熱回収装置１７において排熱回収動作（この排熱回収動作の詳細については後述する）が行われている場合には、下流側配管１８Ｂを流れる冷却水は、上流側配管１８Ａを流れる冷却水の温度よりも高くなる。

一方、エンジン１の排気系には、排熱回収装置１７が設けられており、この排熱回収装置１７は、エンジン１から排出される排気ガスの熱を回収して冷却水と熱交換を行うことにより、冷却水を加熱するようになっている。

図１〜図４に示すように、排熱回収装置１７は、排気管部１９、排熱回収器２０、アクチュエータを構成するサーモアクチュエータ２１、上流側配管１８Ａおよび下流側配管１８Ｂを含んで構成されている。

図１、図５に示すように、排気管部１９の上流端は、排気管４に接続されており、排気管部１９の内部には排気管４から排気ガスが導入される排気通路２２が形成されている。また、排気管部１９の下流端は、テールパイプ２３に接続されており、排気通路２２に導入される排気ガスは、テールパイプ２３に排出されるようになっている。

このため、エンジン１から排気管４を通して排気通路２２に排出された排気ガスは、排気通路２２を通してテールパイプ２３に排出された後、テールパイプ２３から外気に排出される。

また、排熱回収器２０は、排熱回収管部２４を備えており、この排熱回収管部２４は、排気管部１９の上方に設置されており、排熱回収管部２４の内部には排気通路２５が形成されている。

排気管部１９の上流側に連通孔２６が形成されており、排気通路２２の上流側と排気通路２５の上流側とは連通孔２６を介して連通している。排気管部１９の下流側に連通孔２７が形成されており、排気通路２２の下流側と排気通路２５の下流側とは連通孔２７を介して連通している。

また、排熱回収管部２４には複数の導入管部２８、２９、３０が設けられている。この導入管部２８〜３０の内部は、排気通路２５の上流側および下流側に連通しており、導入管部２８〜３０には排気ガスが導入されるようになっている。

また、導入管部２８〜３０の上流側および下流側は、それぞれプレート３１、３２に取付けられており、導入管部２８〜３０は、このプレート３１、３２によって上下方向に離隔して支持されている。

また、このプレート３１、３２、排熱回収管部２４の上部２４ａおよび下部２４ｂによって冷却水管３３が構成されており、プレート３１、３２、排熱回収管部２４の上部２４ａおよび下部２４ｂによって囲まれる空間は、冷却水通路３４を画成している。

また、図６に示すように、導入管部２８〜３０の内部には櫛歯形状の伝熱部材３５が設けられている。この伝熱部材３５は、導入管部２８〜３０の幅方向（図６の左右方向）に沿って折り曲げられているとともに導入管部２８〜３０の長手方向（図５の左右方向）に延在しており、上端と下端の折り曲げ部位が導入管部２８〜３０の内周上面および内周下面に接触している。

このため、導入管部２８〜３０の内部を流れる排気ガスの熱は、伝熱部材３５を伝わって冷却水に効率よく伝達される。
また、図１、図２、図４に示すように、排熱回収管部２４の底部には上流側配管１８Ａが接続されており、冷却水管３３の冷却水通路３４には上流側配管１８Ａから冷却水が導入されるようになっている。

排熱回収管部２４の側部には下流側配管１８Ｂが接続されており、冷却水通路３４に導入された冷却水は、下流側配管１８Ｂに導出されるようになっている。

一方、図５に示すように、排気管部１９には切換弁として開閉弁３６が設けられており、この開閉弁３６は、排気管部１９の内部に設けられた円筒状の絞り部１９ａを開閉することにより、排気通路２５に導入される排気ガスの流路を排気通路２５と排熱回収器２０の排気通路２２とのいずれか一方に切換えるようになっている。

この開閉弁３６は、排気管部１９に支持された軸部材３７に一体的に設けられており、開閉弁３６は、軸部材３７が排気管部１９に対して回転することにより、絞り部１９ａを開閉する。

図７に示すように、軸部材３７の一端部は、排気管部１９から横方向に突出して排気管部１９の外方に設けられている。軸部材３７の一端部にはカム保持部材３８が接続されており、このカム保持部材３８は、図９に示すカム３９を有し、このカム３９は、サーモアクチュエータ２１によって回転駆動される。

また、軸部材３７の一端部の外周部にはコイルスプリング４０が設けられており、このコイルスプリング４０は、排気管部１９に取付けられたスプリング収容ケース４６に収容されている。また、コイルスプリング４０の一端部は、スプリング収容ケース４６に固定されているとともに、コイルスプリング４０の他端部はカム保持部材３８に固定されている。

コイルスプリング４０は、開閉弁３６が絞り部１９ａを閉塞する閉塞位置に位置するように開閉弁３６を付勢するようになっており、開閉弁３６の初期位置は、絞り部１９ａを閉塞する位置に設定されている。

サーモアクチュエータ２１は、上流側配管１８Ａの途中に設けられており、サーモアクチュエータ２１は、図１〜図４に示すように、排気管部１９の横側に設置されている。

図７、図８において、サーモアクチュエータ２１は、上流側配管１８Ａの途中に設けられて上流側配管１８Ａの一部を構成するハウジング４１を備えており、このハウジング４１の内部には図示しないサーモワックス等の感温部材を収容したサーモエレメントが内蔵されている。

ハウジング４１のフランジ４１ａには中空部材４３のフランジ４３ａが連結されており、この中空部材４３には、サーモエレメントに接続されたロッド部材４４が内蔵されている。このロッド部材４４の周囲にはコイルスプリング４５が設けられており、コイルスプリング４５は、ロッド部材４４を図７中、左方に付勢している。
また、ハウジング４１のフランジ４１ａおよび中空部材４３のフランジ４３ａは、排気管部１９の側面に形成された扇形状のブラケット４２にボルト４７によって固定されており、ハウジング４１および中空部材４３は、ブラケット４２を介して排気管部１９に固定されている。

サーモエレメントの周囲には冷却水が流通するようになっており、サーモエレメントのサーモワックスは、冷却水の温度が予め定められた所定温度に達すると膨張してロッド部材４４を図７中、右方に押圧するようになっている。

ロッド部材４４が図７中、右方に押圧されると、中空部材４３の外方に位置してロッド部材４４の先端に取付けられた押圧部４４ａがカム３９を押圧するようになっている。押圧部４４ａがカム３９を押圧すると、コイルスプリング４０の付勢力に抗して軸部材３７が反時計回転方向に回転することにより、開閉弁３６が閉塞位置から開放位置に移動して絞り部１９ａを開放するようになっている。

また、上流側配管１８Ａを流れる冷却水の温度が所定温度未満になると、サーモエレメントのサーモワックスが収縮し、ロッド部材４４がコイルスプリング４５に付勢されて図７中、左方に移動する。ロッド部材４４が図７中、左方に移動すると、コイルスプリング４０の付勢力によって軸部材３７が時計回転方向に回転して開閉弁３６を閉塞位置に移動させる。

また、図１、図２、図４に示すように、サーモアクチュエータ２１のハウジング４１に対して下流側に位置する上流側配管１８Ａの部位は、ハウジング４１から折り曲げられてサーモアクチュエータ２１の中空部材４３と排熱回収器２０との間に設置され、上流側配管１８Ａの端部１８ｂは、冷却水管３３の底部に接続されている。以下、ハウジング４１と排熱回収管部２４との間に位置する上流側配管１８Ａの部位を折り曲げ部１８ａという。

また、図６に示すように、導入管部２８〜３０の幅方向（図６の左右方向）の両端部は、同一直線Ｌ上に位置しており、導入管部２８〜３０の幅方向の両端部は、同一軸線Ｌ上に揃えられている。なお、図２では、導入管部２８〜３０の右側の直線は省略している。

また、上流側配管１８Ａの端部１８ｂは、排熱回収管部２４の底部に接続されており、図６に示すように、上流側配管１８Ａの端部１８ｂの開口面積の右半分は、最下部の導入管部２８に対向し、上流側配管１８Ａの端部１８ｂの開口面積の左半分は、導入管部２８〜３０の幅方向左端部に対向しないようになっている。

このため、上流側配管１８Ａから冷却水管３３に導入される冷却水の一部（矢印Ａ１で示す）が最下部の導入管部２８に衝突して導入管部２８と冷却水管３３の内周下面との間に導入される。

また、残りの冷却水は、導入管部２９、３０に分流されて導入管部２８と導入管部２９との間、導入管部２９と導入管部３０との間および導入管部３０と冷却水管３３の内周上面との間に導入される（矢印Ａ２〜Ａ４で示す）。すなわち、上流側配管１８Ａから冷却水管３３に導入される冷却水は、導入管部２８〜３０のいずれかに偏ることなく、導入管部２８〜３０の外周部に流通されることになる。

一方、図２に示すように、排熱回収装置１７は、車両のフロアパネル５１に形成されたフロアトンネル５２の内周面によって囲まれる空間部５３に設置されており、排熱回収器２０がフロアトンネル５２の天井部５２ａに対向している。

次に、作用を説明する。
エンジン１の冷間始動時には、触媒５、６、エンジン１の冷却水の全てが低温（外気温程度）になっている。

この状態からエンジン１が始動されると、エンジン１の始動に伴いエンジン１からエキゾーストマニホールド２を経て排気管４に、排気ガスが排出されることになり、２つの触媒５、６が排気ガスにより昇温されることになる。

また、冷却水がラジエータ７を通らずにバイパス管１２を経てエンジン１に戻されることによって暖機運転が行われることになる。

エンジン１の冷間始動時には、例えば、冷却水の温度が低いため、開閉弁３６が閉じた状態となる。このため、排気管４から排気管部１９の排気通路２２に導入された排気ガスが連通孔２６を介して排熱回収管部２４に導入される。

また、上流側配管１８Ａを流れる冷却水は、サーモアクチュエータ２１のハウジング４１から排熱回収器２０とサーモアクチュエータ２１の中空部材４３との間に位置する折り曲げ部１８ａを通って冷却水管３３に導入される。

このため、導入管部２８〜３０を流れる排気ガスによって冷却水管３３を流通する冷却水が昇温され、エンジン１の暖機が促される。
また、導入管部２８〜３０に導入された排気ガスは、連通孔２７を通して排気管部１９の排気通路２２に導入され、テールパイプ２３を介して外気に排出される。

また、エンジン１の暖機終了後には、エンジン１から導出管８に導入された冷却水の温度が高くなるため、サーモスタット１１が作動することでバイパス管１２と還流管９との連通が遮断されるので、エンジン１から導出管８を介して導出された冷却水がラジエータ７を介して還流管９に導出される。このため、エンジン１に低温の冷却水が供給され、エンジン１の冷却性能を高めることができる。

また、導出管８から上流側配管１８Ａに導入された冷却水の温度が所定温度に達すると、サーモエレメントのサーモワックスが膨張してロッド部材４４を図７中、右方に押圧し、押圧部４４ａがカム３９を押圧する。

このとき、コイルスプリング４０の付勢力に抗して軸部材３７が反時計回転方向に回転することにより、開閉弁３６が閉塞位置から開放位置に移動して絞り部１９ａを開放する。このため、排気管４から排気管部１９に導入された排気ガスが排気通路２２を通してテールパイプ２３に排出され、テールパイプ２３を通して外気に排出される。なお、所定温度は、暖機温度、または、暖気温度以上の温度でもよく、特に限定されるものではない。

このように本実施の形態の排熱回収装置１７は、上流側配管１８Ａの折り曲げ部１８ａを、サーモアクチュエータ２１の中空部材４３と排熱回収器２０との間に設置したので、サーモアクチュエータ２１の周囲の雰囲気温度を冷却水によって低下させることができ、排気管部１９を流れる高温の排気ガスからサーモアクチュエータ２１に伝達される輻射熱の温度を低減することができる。

このため、サーモアクチュエータ２１の中空部材４３に内蔵されたロッド部材４４やコイルスプリング４５が排気ガスの輻射熱の熱害を受けて劣化するのを防止することができる。
また、排熱回収器２０で高温の排気ガスが冷却水に冷却されることで導入管部２８〜３０内に凝縮水が発生し、この凝縮水が導入管部２８〜３０を流れる排気ガスによって導入管部２８〜３０の下流側の排熱回収管部２４に溜まることがある。

本実施の形態の排熱回収装置１７は、排熱回収器２０を排気管部１９の上方に設置したので、排熱回収管部２４に溜まった凝縮水が自重によって排気管部１９に排出されるので、特に、排熱回収管部２４が凝縮水によって腐食するのを防止することができる。

また、本実施の形態の排熱回収装置１７は、車両のフロアトンネル５２によって囲まれる空間部５３に収容されており、排熱回収器２０がフロアトンネル５２の天井部５２ａに対向しているので、フロアトンネル５２が排熱回収装置１７によって熱害を受けるのを防止することができる。

すなわち、排熱回収装置１７をフロアトンネル５２の空間部５３に設置すると、車両の走行風が排熱回収装置１７に衝突する。この走行風の風速は、フロアトンネル５２の天井部５２ａの周囲の領域、すなわち、空間部５３の上方の領域よりもフロアトンネル５２の下方の領域の方が速い。このため、排熱回収器２０を排気管部１９の横側や下方に設置すると、空間部５３の上方が高温となってフロアトンネル５２の上部が高温となってしまい、フロアトンネル５２の上部が熱害を受けることになる。

このため、フロアトンネル５２の天井部５２ａと排熱回収装置１７との間にインシュレータ等を設置する必要があり、部品点数が増大して排気系の製造コストが増大してしまう。

本実施の形態の排熱回収装置１７は、排熱回収器２０を排気管部１９の上方に設けて排熱回収器２０をフロアトンネル５２の天井部５２ａに対向するように設置しているので、高温の雰囲気に晒されるフロアトンネル５２の上方を排熱回収器２０に導入される冷却水で冷やすことができる。

このため、フロアトンネル５２と排熱回収器２０との間に断熱用のインシュレータ等を設けるのを不要にして、排気管部１９を流れる排気ガスの輻射熱からフロアトンネル５２を保護することができ、排気系の製造コストが増大するのを防止することができる。

また、本実施の形態の排熱回収装置１７は、上流側配管１８Ａの端部１８ｂを排熱回収管部２４の下部に接続しているため、フロアトンネル５２と上流側配管１８Ａとが干渉するのを防止することができ、フロアトンネル５２の天井部５２ａと排熱回収装置１７との隙間を小さくすることができる。このため、排熱回収装置１７の車載性を向上させることができる。

（第２の実施の形態）
図１０〜図１３は、本発明に係る排熱回収装置の第２の実施の形態を示す図である。本実施の形態は、排熱回収器の構成が第１の実施の形態と異なるのみであり、その他の構成は、第１の実施の形態と同一であるため、第１の実施の形態と同一の構成には同一番号を付して説明を省略する。

図１０〜図１２に示すように、排熱回収装置１７は、排熱回収器６０を備えており、この排熱回収器６０は、排熱回収管部６１を備え、排熱回収管部６１は、排気通路６２を有している。

排熱回収管部６１は、排気管部１９の上方に設置されており、排熱回収管部６１には複数の導入管部６３、６４が設けられている。この導入管部６３、６４の内部は、排気通路６２の上流側および下流側に連通しており、導入管部６３、６４には排気ガスが導入されるようになっている。

また、導入管部６３、６４の上流側および下流側は、それぞれプレート６６、６７に取付けられており、導入管部６３、６４は、このプレート６６、６７によって上下方向に離隔して支持されている。

また、このプレート６６、６７、排熱回収管部６１の上部６１ａおよび下部６１ｂによって冷却管部としての冷却水管６８が構成されており、プレート６６、６７、排熱回収管部６１の上部６１ａおよび下部６１ｂによって囲まれる空間は、冷却水管６８の冷却水通路６９が画成されている。

また、導入管部６３、６４の内部には櫛歯形状の伝熱部材７０が設けられている。この伝熱部材７０は、導入管部６３、６４の幅方向に沿って折り曲げられているとともに導入管部６３、６４の長手方向に延在しており、上端と下端の折り曲げ部位が導入管部６３、６４の内周上面および内周下面に接触している。

このため、導入管部６３、６４の内部を流れる排気ガスの熱は、伝熱部材７０を伝わって導入管部６３、６４に効率よく伝達される。
また、排熱回収管部６１の底部には上流側配管１８Ａが接続されており、冷却水管６８の冷却水通路６９には上流側配管１８Ａから冷却水が導入されるようになっている。

導入管部６３、６４の外方には外管７１、７２が設けられており、導入管部６３、６４と外管７１、７２の間の空間には熱電変換モジュール７３が収容される密閉空間からなるモジュール室７４、７５が画成されている。

図１３に示すように、熱電変換モジュール７３は、高温部を構成する絶縁セラミックス製の受熱基板７６と、低温部を構成する絶縁セラミックス製の放熱基板７７との間に、ゼーベック効果により温度差に応じた起電力を発生するＮ型熱電変換素子７８およびＰ型熱電変換素子７９が複数個設置されており、Ｎ型熱電変換素子７８およびＰ型熱電変換素子７９が電極８０ａ、８０ｂを介して交互に直列に接続されている。また、隣接する熱電変換モジュール７３は、配線８１を介して電気的に連結されている。

この熱電変換モジュール７３は、受熱基板７６が導入管部６３、６４に対向して導入管部６３、６４に接触するとともに、放熱基板７７が外管７１、７２に対向して外管７１、７２に接触しており、排気ガスの排気方向に並列に設置されている。なお、図１１、図１２では、図１３に示す熱電変換モジュール７３を簡略化している。

そして、熱電変換モジュール７３は、受熱基板７６と放熱基板７７との温度差に応じて発電を行うことにより、ケーブル８２を介して後述する補機バッテリに発電電力を供給（充電）するようになっている。

また、図１２に示すように、導入管部６３、６４の幅方向（図１２の左右方向）の両端部は、同一直線Ｌ上に位置しており、導入管部６３、６４の幅方向の両端部は、同一軸線Ｌ上に揃えられている。なお、図１２では、導入管部６３、６４の右側の直線は省略している。

また、上流側配管１８Ａの端部１８ｂは、排熱回収管部６１の底部に接続されており、図１２に示すように、上流側配管１８Ａの端部１８ｂの開口面積の右半分は、下方の導入管部６３に対向し、上流側配管１８Ａの端部１８ｂの開口面積の左半分は、導入管部６３、６４の幅方向左端部に対向しないようになっている。

このため、上流側配管１８Ａから冷却水管６８に導入される冷却水の一部（矢印Ｂ１で示す）が下方の導入管部６３に衝突して外管７１と排熱回収管部６１の内周下面との間に導入される。

また、残りの冷却水は、外管７２に分流されて外管７２と排熱回収管部６１の内周上面との間に導入される（矢印Ｂ２、Ｂ３で示す）。すなわち、上流側配管１８Ａから冷却水管６８に導入される冷却水は、外管７１、７２のいずれかに偏ることなく、外管７１、７２の外周部に流通されることになる。

このような構成を有する排熱回収装置１７は、開閉弁３６が閉じた状態にあるときに、排気管４から排気管部１９の排気通路２２に導入された排気ガスが連通孔２６を介して排熱回収管部６１に導入される。

また、上流側配管１８Ａを流れる排気ガスは、サーモアクチュエータ２１のハウジング４１から排熱回収器６０とサーモアクチュエータ２１の中空部材４３との間に位置する折り曲げ部１８ａを通って冷却水管３３に導入される。
このため、導入管部６３、６４を流れる排気ガスによって冷却水管６８を流通する冷却水が昇温され、エンジン１の暖機が促される。

本実施の形態の排熱回収器６０は、受熱基板７６に作用する高温の排気ガスと放熱基板７７に作用する低温の冷却水との温度差によって発電を行う熱電変換モジュール７３を有するので、排気ガスの熱エネルギーを有効利用することができる。

また、本実施の形態の排熱回収器６０は、走行風の影響を受け難いフロアトンネル５２の天井部５２ａに対向する位置に排熱回収器６０を設置したので、排熱回収によって温められた冷却水が走行風によって冷却されてしまうのを防止することができ、排熱回収性能が低下するのを防止することができる。

また、排熱回収によって温められた冷却水が走行風によって冷却されてしまうのを抑制することができるため、高温の排気ガスと冷却水との間で適切な熱交換を行うことができる。

すなわち、排熱回収された冷却水が走行風によって過度に冷却されてしまうと、高温の排気ガスが低温の冷却水に多くの熱を奪われてしまい、冷却水と排気ガスとの温度差が小さくなり、熱電変換モジュール７３の発電効率が低下してしまう。

これに対して、本実施の形態の排熱回収装置１７は、排熱回収によって温められた冷却水が走行風によって冷却されてしまうのを抑制することができるため、高温の排気ガスの熱が冷却水によって過度に奪われてしまうのを防止することができる。この結果、熱電変換モジュール７３の受熱基板７６に作用する排気ガスと放熱基板７７に作用する冷却水との温度差を大きくすることができ、熱電変換モジュール７３の発電効率を向上させることができる。

なお、上記各実施の形態にあっては、アクチュエータを、冷却水の温度に応じて作動するサーモエレメントを有するサーモアクチュエータ２１から構成しているが、これに限定されるものではなく、電磁アクチュエータ等から構成してもよい。

また、上記各実施の形態の排熱回収装置１７は、フロアトンネル５２の下方の空間部５３に設けられているが、平坦なフロアパネルの下方に排熱回収装置１７を設置し、排熱回収器２０、６０をフロアパネルに対向させてもよい。

この平坦なフロアパネルにあっても、フロアパネルの近傍の領域は、フロアパネルから下方に離れた領域よりも走行風の風速が遅く雰囲気が高温となるため、排熱回収器２０、６０をフロアパネルに対向させるようにすれば、高温の雰囲気に晒されるフロアパネルの上方を排熱回収器２０、６０に導入される冷却水で冷やすことができる。

以上のように、本発明に係る排熱回収装置は、排気ガスの輻射熱の熱害を受けてアクチュエータが劣化するのを防止することができるという効果を有し、車両等に設けられ、排気ガスと冷却媒体との間で熱交換を行う排熱回収装置等として有用である。

１７…排熱回収装置、１８Ａ…上流側配管（冷却配管）、１９…排気管部、２０，６０…排熱回収器、２１…サーモアクチュエータ（アクチュエータ）、２８，２９，３０，６３，６４…導入管部、３６…開閉弁（切換弁）、５１…フロアパネル、７３…熱電変換モジュール、６８…冷却水管（冷却管部）

Claims (4)

1. 排気ガスが排出される排気管部と、前記排気管部から分岐されて前記排気管部の上方に設置され、前記排気ガスと冷却媒体との間で熱交換を行う排熱回収器と、前記排熱回収器に前記冷却媒体を導入する冷却配管と、前記排気管部の横側に設置され、前記冷却配管の上流側配管の途中に設けられて上流側配管の一部を構成するハウジングを備えており、前記排気管部に導入される前記排気ガスの流路を前記排気管部と前記排熱回収器とのいずれか一方に切換える切換弁を駆動するアクチュエータとを備えた排熱回収装置であって、
   前記ハウジングに対して下流側に位置する前記冷却配管の上流側配管の一部を前記アクチュエータと前記排熱回収器との間に設置したことを特徴とする排熱回収装置。
2. 前記排熱回収器が車両のフロアパネルに対向するようにして、前記フロアパネルの下方に設置されることを特徴とする請求項１に記載の排熱回収装置。
3. 前記冷却配管の端部が前記排熱回収器の下部に接続されることを特徴とする請求項１または請求項２に記載の排熱回収装置。
4. 前記排熱回収器は、前記排気管部から前記排気ガスが導入される導入管部と、前記冷却配管から前記冷却媒体が導入される冷却管部と、前記導入管部に高温部が対向するとともに、前記冷却管部に低温部が対向し、前記高温部と前記低温部との温度差に応じて発電を行う熱電変換モジュールとを備えたことを特徴とする請求項１ないし請求項３のいずれか１の請求項に記載の排熱回収装置。

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