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WO2003044344A1 - Heat exchange device - Google Patents

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WO2003044344A1
WO2003044344A1 PCT/JP2002/011472 JP0211472W WO03044344A1 WO 2003044344 A1 WO2003044344 A1 WO 2003044344A1 JP 0211472 W JP0211472 W JP 0211472W WO 03044344 A1 WO03044344 A1 WO 03044344A1
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WO
WIPO (PCT)
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heat
water
exhaust gas
passage
exhaust
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Ceased
Application number
PCT/JP2002/011472
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English (en)
French (fr)
Inventor
Masashi Shinohara
Tsuneo Endoh
Atsushi Baba
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Honda Motor Co Ltd
Original Assignee
Honda Motor Co Ltd
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Honda Motor Co Ltd filed Critical Honda Motor Co Ltd
Priority to US10/496,125 priority Critical patent/US7021059B2/en
Priority to EP02775479A priority patent/EP1455062B1/en
Priority to DE60208076T priority patent/DE60208076T2/de
Publication of WO2003044344A1 publication Critical patent/WO2003044344A1/ja
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    • F28D7/1638—Heat-exchange apparatus having stationary tubular conduit assemblies for both heat-exchange media, the media being in contact with different sides of a conduit wall the conduits being arranged in parallel spaced relation with conduit assemblies having a particular shape, e.g. square or annular; with assemblies of conduits having different geometrical features; with multiple groups of conduits connected in series or parallel and arranged inside common casing with particular pattern of flow or the heat exchange medium flowing inside the conduits assemblies, e.g. change of flow direction from one conduit assembly to another one
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    • F28F1/24—Tubular elements and assemblies thereof with means for increasing heat-transfer area, e.g. with fins, with projections, with recesses the means being only outside the tubular element and extending transversely
    • F28F1/32—Tubular elements and assemblies thereof with means for increasing heat-transfer area, e.g. with fins, with projections, with recesses the means being only outside the tubular element and extending transversely the means having portions engaging further tubular elements
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    • F01N2240/02—Combination or association of two or more different exhaust treating devices, or of at least one such device with an auxiliary device, not covered by indexing codes F01N2230/00 or F01N2250/00, one of the devices being a heat exchanger
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    • Y02T—CLIMATE CHANGE MITIGATION TECHNOLOGIES RELATED TO TRANSPORTATION
    • Y02T10/00—Road transport of goods or passengers
    • Y02T10/10—Internal combustion engine [ICE] based vehicles
    • Y02T10/12—Improving ICE efficiencies

Definitions

  • the present invention relates to a heat exchange device for recovering heat energy of a high-temperature fluid flowing inside a fluid passage extending from a heat source into a heat medium.
  • This evaporator flows the exhaust gas and water in a direction opposite to the flow direction of the exhaust gas discharged from the combustion chamber of the internal combustion engine, that is, by flowing water from the downstream side to the upstream side in the exhaust gas flow direction.
  • a temperature difference is secured over the entire area of the water passage.
  • the present invention has been made in view of the above-mentioned circumstances, and has a heat energy efficiency by suppressing heat dissipation from a heat source while securing heat exchange efficiency between a high-temperature fluid discharged from the heat source and a heat medium.
  • the aim is to reduce the loss of
  • a flow extending from a heat source is provided.
  • a heat exchanger that recovers the heat energy of a high-temperature fluid flowing inside a body passage into a heat medium, comprising a first heat exchanger located upstream of the fluid passage and a second heat exchanger located downstream of the fluid passage
  • the heat medium flows inside the first heat medium passage provided in the first heat exchanger in parallel with the flow of the high-temperature fluid, and the heat medium flows through the second heat medium passage provided in the second heat exchanger.
  • a heat exchange device is proposed, characterized in that it flows in the interior so as to oppose the flow of the high-temperature fluid, and the downstream of the first heat medium passage merges with the second heat medium passage.
  • the first heat exchanger located on the upstream side of the fluid passage through which the high-temperature fluid flows flows through the inside of the first heat medium passage so that the heat medium flows in parallel with the flow of the high-temperature fluid. Effectively cools the upstream portion of the fluid passage, which becomes hot because of its close proximity, with a low-temperature heat medium, suppresses heat escape from the upstream portion, increases the efficiency of heat energy recovery, and effectively cools the parts that require cooling. In this way, thermal expansion can be suppressed to maintain the dimensional position accuracy, etc., and the function of the part requiring cooling can be secured.
  • the second heat exchanger located downstream of the fluid passage passes through the inside of the second heat medium passage so as to face the flow of the high-temperature fluid.
  • the temperature difference between the heat medium and the high-temperature fluid can be secured, and the heat exchanger efficiency can be increased.
  • the heat exchange efficiency between the high-temperature fluid and the heat medium can be increased while suppressing the dissipation of heat from the heat source to reduce the loss of heat energy. Can be.
  • the temperature of the heat medium in the first heat medium passage and the second heat medium passage in addition to the first aspect, at the junction of the first heat medium passage and the second heat medium passage, the temperature of the heat medium in the first heat medium passage and the second heat medium passage (2)
  • a heat exchange device is proposed in which the temperature of the heat medium in the heat medium passage is substantially matched.
  • the temperature of the heat medium is made substantially the same at the junction of the first and second heat medium passages, so that the loss of heat energy due to the merge of the heat medium having a temperature difference can be minimized. it can.
  • the heat source is a combustion chamber of the internal combustion engine
  • the high-temperature fluid is exhaust gas discharged from the combustion chamber
  • a heat exchanger is proposed in which the heat exchanger is provided near an exhaust port of the internal combustion engine.
  • the combustion chamber of the internal combustion engine is used as a heat source
  • the exhaust gas discharged from the combustion chamber is used as a high-temperature fluid
  • the first heat exchanger is provided near the exhaust port of the internal combustion engine.
  • the first heat exchanger effectively collects the heat energy of the exhaust gas discharged from the combustion chamber of the internal combustion engine to the exhaust port, and also effectively cools the cooling required parts to suppress thermal expansion. The function of the part requiring cooling can be ensured while maintaining accuracy and the like.
  • the first heat medium passage of the first heat exchanger is provided so as to cover an exhaust port of the internal combustion engine.
  • a switching device is proposed.
  • the exhaust port of the internal combustion engine is covered by the first heat medium passage of the first heat exchanger, the high-temperature exhaust gas discharged from the combustion chamber of the internal combustion engine to the exhaust port and the first heat medium passage Heat exchange with the heat medium flowing through the exhaust gas, effectively recovers the heat energy of the exhaust gas, and effectively cools the high-temperature exhaust port to minimize heat escape and requires cooling.
  • the parts can be effectively cooled to suppress the thermal expansion, and the functions of the parts requiring cooling can be secured while maintaining the dimensional accuracy.
  • a heat exchange apparatus characterized in that an upstream portion of the first heat medium passage cools a cooling portion of an exhaust port.
  • the cooling portion of the exhaust port can be effectively cooled with a low-temperature heat medium before sufficient heat exchange.
  • the parts requiring cooling can be effectively cooled to suppress thermal expansion, and the functions of the parts requiring cooling can be secured by maintaining dimensional accuracy and the like.
  • the internal combustion engine has a plurality of combustion chambers
  • the exhaust port has a plurality of independent chambers extending from each combustion chamber.
  • An exhaust port and a collective exhaust port connected to the downstream side of the plurality of independent exhaust ports are provided.
  • At least a part of the first heat exchanger is provided in the independent exhaust port, and a second heat exchanger is provided.
  • a heat exchange device characterized by being provided at least in part in a collective exhaust port is proposed.
  • At least a part of the first heat exchanger is provided in each of the plurality of independent exhaust ports extending from the plurality of combustion chambers, and the second heat exchanger is provided in the combined exhaust port in which the plurality of independent exhaust ports are gathered. At least a part of the Heat can be exchanged between the exhaust gas and the heating medium in the entire area of the exhaust port and the collective exhaust port.
  • the sub-evaporator 17 and the main evaporator 11 of the embodiment correspond to the first heat exchanger and the second heat exchanger of the present invention, respectively, and the combustion chamber 24 of the embodiment corresponds to the heat source of the present invention.
  • the exhaust valve sheet 29 and the exhaust valve guide 40 of the embodiment correspond to the cooling portion of the present invention, and the water passage W 2 of the embodiment corresponds to the first heat medium passage of the present invention.
  • the water passage W3 corresponds to the second heat medium passage of the present invention.
  • FIGS. 1 to 23 show one embodiment of the present invention.
  • FIG. 1 is a diagram showing the overall configuration of a Rankine cycle device
  • FIG. 2 is a longitudinal sectional view around a cylinder head of an internal combustion engine
  • FIG. Fig. 4 is a cross-sectional view taken along the line 4-14 in Fig. 2
  • Fig. 5 is a cross-sectional view taken along the line 5-5 in Fig. 4
  • Fig. 6 is a cross-sectional view taken along the line 6-6 in Fig. 4
  • Fig. 7 is independent.
  • 8 is a partially cutaway perspective view of the exhaust port
  • FIG. 8 is a view in the direction of arrow 8 in FIG. 7
  • FIG. 9 is a view in the direction of arrow 9 in FIG. 8, FIG.
  • FIG. 10 is a view in the direction of arrow 10 in FIG. A and FIG. 11B are schematic diagrams showing the flow direction of water in the collective exhaust port
  • FIG. 12 is an enlarged cross-sectional view of a main part of FIG. 2
  • FIG. 13 is a view taken along the line 13--13 in FIG.
  • FIG. 14 is a view taken in the direction of arrow 14 in FIG. 12
  • FIG. 15 is a cross-sectional view taken along the line 15--15 in FIG. 12
  • FIG. 16 is an enlarged view of a part 16 in FIG. 15,
  • FIG. 18 is a sectional view taken along the line 18-18 in FIG. 14
  • FIG. 19 is a sectional view taken along the line 19-19 in FIG.
  • FIG. 14 20 is a sectional view taken along the line 20-20 in FIG. 12
  • FIG. 21 is a sectional view taken along the line 21-21 in FIG. 12
  • FIG. 22 is a view showing a flow direction of water in the main evaporator.
  • 23 is a diagram showing the flow direction of the exhaust gas in the main evaporator.
  • FIG. 1 shows the overall configuration of a Rankine cycle device to which the present invention is applied.
  • the Rankine cycle device which recovers the thermal energy of the exhaust gas of the internal combustion engine E and converts it into mechanical energy, is a main evaporator that generates high-temperature high-pressure steam by heating water with the exhaust gas discharged by the internal combustion engine E. 1 and an expander 1 2 that generates mechanical energy by operating with the high-temperature and high-pressure steam generated in the main evaporator 1 1, and a temperature-lowering device that has completed work with the expander 1 2 Return condenser 1 3 and store water exiting condenser 1 3 And a supply pump 15 for pressurizing the water stored in the reserve tank 14.
  • Part of the water that has exited the feed pump 15 is supplied to the main evaporator 11 provided downstream of the internal combustion engine E.
  • the expander 1 2 The remaining part of the water that has exited the supply pump 15 is heated after passing through a sub-evaporator 17 provided on the outer periphery of the exhaust port 16, Merge at the predetermined position.
  • the main evaporator 11 mainly exchanges heat with the exhaust gas that has exited the exhaust port 16 to generate steam, while the secondary evaporator 17 has the exhaust gas flowing through the exhaust port 16. Not only exchange heat with the exhaust port 16 but also exchange heat with the exhaust port 16 itself, which is in contact with high-temperature exhaust gas, to generate steam and cool the exhaust port 16 at the same time. Has become.
  • a cylinder head 19 and a head cover 21 are coupled to a cylinder block 19 of an in-line four-cylinder internal combustion engine E, and four cylinder heads 19 accommodated in the cylinder block 19 are provided.
  • the four combustion chambers 24 are formed between the upper surface of the four pistons 23 slidably fitted to the cylinder sleeve 22 and the lower surface of the cylinder head 20.
  • the cylinder head 20 has an intake port 26 and an exhaust port 16 connected to each combustion chamber 24.
  • the intake valve seat 27 at the downstream end of the intake port 26 has an intake valve 28.
  • the exhaust valve seat 29 at the upstream end of the exhaust port 16 is opened and closed by the umbrella portion 30 a of the exhaust valve 30.
  • the intake port 26 is formed directly on the cylinder head 20, while the exhaust port 16 is composed of four independent exhaust ports 16A and one collective exhaust port 16B, Each is composed of a separate member from the cylinder head 20 and is fitted into the cylinder head 20.
  • the cylinder head 20 supports a single camshaft 31, an intake rocker arm shaft 32, and an exhaust port locker arm shaft 33.
  • An intake rocker arm 34 supported swingably on the intake rocker shaft 32 has one end in contact with an intake cam 35 provided on the camshaft 31 and the other end provided with a cylinder head.
  • the valve spring 37 slidably supports the intake valve guide 36 provided at 20 and comes into contact with the stem 28 b of the intake valve 28 urged upward by the valve spring 37.
  • Exhaust rocker arm shaft 3 One end of the arm 38 contacts the exhaust cam 39 provided on the camshaft 31, and the other end is movably supported by an exhaust valve guide 40 provided on the cylinder head 20. Abuts on the upper end of the stem 30 b of the exhaust valve 30 urged upward by the valve spring 41.
  • the exhaust port 16 is composed of four independent exhaust ports 16 A located upstream in the exhaust gas flow direction and one collective exhaust port 16 B downstream of the exhaust ports 16 A.
  • the upstream end of the main evaporator 11 fits inside the exhaust port 16B.
  • the sub-evaporator 17 is provided across the independent exhaust port 16A and the collective exhaust port 16B connected downstream thereof.
  • the independent exhaust port 16A includes a first port member 51, a first cover member 52, a second port member 53, and a second cover member 54.
  • the first port member 51 and the first cover member 52 constitute an upstream portion 55 of the independent exhaust port 16A connected to the combustion chamber 24, and the inner first port member 51 is connected to the outer first port member 51.
  • 1 has a structure covered with a cover member 52, and a maze-like water passage W2 is formed between a groove formed on the outer surface of the first port member 51 and the inner surface of the first cover member 52. Is done.
  • the lower surfaces of the first port member 51 and the first cover member 52 are in contact with the upper surface of an exhaust valve seat 29 formed on the cylinder head 20 via a seal member 56.
  • the upper wall of the first port member 51 has an opening 51 a through which the stem 30 b of the exhaust valve 30 penetrates, and the opening 51 formed in the upper wall of the first cover member 52.
  • the lower end of the exhaust valve guide 40 is fitted into a via a seal member 57.
  • the second port member 53 and the second cover member 54 constitute the downstream portion 58 of the independent exhaust port 16A connected to the collective exhaust port 16B, and the inner second port member 5 3 is covered with an outer second cover member 54, and a maze-like water is formed between a groove formed on the outer surface of the second boat member 53 and the inner surface of the second cover member 54.
  • a passage W2 is formed.
  • the end of the second cover member 54 is fitted into an opening 52 b formed on the side surface of the first cover member 52, thereby forming the first port member 51 and the second port member 5. 3 is smoothly connected to define a curved exhaust gas passage. 2nd point
  • the water passage W2 defined by the first member 53 and the second cover member 54 has a water inlet 59 on its lower side and a water outlet 60 on its upper side.
  • the water passage W 2 is configured symmetrically with respect to the symmetry plane P 1 of the independent exhaust port 16 A, and the water passage W 2 branched into two systems so as to sandwich the symmetry plane P 1 immediately after the water inlet 59. Merge again just before water outlet 60. More specifically, the water passage W2 extends linearly from the water inlet 59 along the lower surface of the downstream portion 58 (see section a), and then goes to the upstream portion 55 where the exhaust valve 30 is closed. It extends in an arc so as to make a round around the umbrella part 30a (see part b). From there, it extends straight along the stem 30b of the exhaust valve 30 to the vicinity of the lower end of the exhaust valve guide 40.
  • the collective exhaust port 16B includes a flange 61 formed in a rectangular frame shape.
  • the main evaporator 11 and the collective exhaust port 16 B are fastened together to the cylinder head 20 by fastening multiple ports 62 through the flange 1 1 a to the cylinder head 20. (See Figure 2).
  • the downstream end of the third port member 63 formed by pressing a plate is welded to the flange 61 of the collective exhaust port 16 B, and four openings 63 a ... formed at the upstream end are independent of four Connect to the exhaust port 16 A outlet.
  • the downstream end of the fourth port member 64 formed by pressing the plate material is welded to the inner surface of the third port member 63, and its upstream end is overlapped with the four openings 63 of the third port member 63. Being welded. Therefore, the exhaust gas discharged from the four independent exhaust ports 16 A merges at the collective exhaust port 16 B, and is uniformly guided to the main evaporator 11 1.
  • water passages Wl and W1 made of a pipe material are arranged in the space surrounded by the port member 63 and the fourth port member 64. Water passage W l, W Since 1 has a symmetric structure with respect to the symmetry plane P2, FIGS. 4 to 6, FIGS. 11A and 11B show a water passage W1 on one side of the symmetry plane P2.
  • the water passage W 1 has a first system passing through the independent exhaust port 16 A (1) near the symmetry plane P 2 and a second system passing through the independent exhaust port 16 A (2) far from the symmetry plane P 2.
  • System that is, the water passage W1 starting from the water inlet 65 provided at the end of the flange 61 extends linearly along the inner surface of the fourth port member 64 (see section f), from which the third port member 63 It extends linearly along the inner surface of (see g).
  • the joint g is provided with a joint 66, and the water inlet 59 of the independent exhaust port 16A (1) is connected to the joint 66.
  • the water passage W1 extending from the joint 67 to which the water outlet 60 of the independent exhaust port 16A (1) is connected extends linearly along the inner surface of the third port member 63 (see the h section), and from there the third port Extends zigzag along the inner surface of member 63 (see section i), and extends straight from there along the inner surface of third port member 63 (see section j).
  • the water outlet 68 communicates with an intermediate portion of the main evaporator 11 via a connecting pipe 106 described later.
  • the water passage W1 extending through the joint 66 extends in a zigzag manner along the inner surface of the third port member 63 (see k), and from there linearly extends along the inner surface of the fourth port member 64. Extend (see section m), then extend in a 90 ° direction and extend in a straight line (see section n), and further extend in a 90 ° direction and extend in a straight line along the inner surface of the third port member 63 (o Section), and connected to the water inlet 59 of the independent exhaust port 16A (2) via a joint 69 provided there.
  • the joint 70 to which the water outlet 60 of the independent exhaust port 16A (2) is connected joins the j part of the water passage W1.
  • the main evaporator 11 connected to the downstream side of the sub-evaporator 17 includes a casing 81 having a substantially rectangular cross section fixed to its flange 11a, and an exhaust pipe 82 (FIG. 13) is provided on the lower surface of the casing 81.
  • the exhaust outlet 1 1b connected to is formed.
  • a number of heat transfer plates 83 made of a thin metal plate are arranged in parallel at a predetermined pitch.
  • An exhaust gas purifying catalyst for purifying exhaust gas is carried on the surfaces of all the heat transfer plates 83.
  • the heat transfer plate 83 is the first heat transfer plate 8 3 (1) and a second heat transfer plate 8 3 (2), which are superposed alternately.
  • the first heat transfer plate 83 (1) and the second heat transfer plate 83 (2) come into contact with each other at the contact portions 84, 85, and are brazed.
  • a partition wall 86 that blocks the flow of exhaust gas is formed.
  • the partition wall 86 is arranged in the shape shown in FIG. 12, and the partition wall 86 forms a bent exhaust gas passage between the adjacent heat transfer plates 83.
  • the exhaust gas passage is connected to a downstream end of the sub-evaporator 17 and extends linearly in a direction away from the cylinder head 20.
  • a second exhaust gas passage 88 extending straight in the direction approaching the cylinder head 20 by bending at 80 °, and a cylinder head bending at 180 ° from the downstream end of the second exhaust gas passage 88
  • the third exhaust gas passage 89 extends in a direction away from 20 and further bends 90 ° to extend downward to form an L-shape as a whole.
  • An exhaust gas collecting portion 81a formed inside the casing 81 facing the downstream end of the third exhaust gas passage 89 is connected to an exhaust pipe 82 via an exhaust outlet 11b. Further, the first, second, and third exhaust gas passages 87, 88, and 89 of the partition wall 86 of the heat transfer plate 83 are cut at the high temperature side to provide a gap 86 a, Heat transfer from the high-temperature portion to the low-temperature portion of the heat transfer plate 83 can be cut off to maintain the high-temperature portion and the low-temperature portion at desired temperatures.
  • an oxygen concentration sensor 91 is attached to the center of the lower surface of the main evaporator 11, and a detection section 9 1 a at the tip of the oxygen concentration sensor 91 is provided. Faces the first exhaust gas passage 87.
  • the upper surface of the flat oxygen concentration sensor cooling unit 92 faces the first exhaust gas passage 87 via the partition wall 86, and the lower surface faces the atmosphere via the casing 81.
  • the oxygen concentration sensor cooling section 9 2 includes a plurality of pipe members 9 3... that are brazed through the heat transfer plates 8 3... As best shown in FIG. 15, the main evaporator 1 1 Case 8 8 1 longitudinal direction At both ends, left and right headers 96 L and 96 R are provided, respectively, in which the inner plates 94 and 94 and the outer plates 95 and 95 are integrally joined at a predetermined interval. Each of the headers 96 L and 96 R is superimposed on the heat transfer plates 83 and 83 on which the inner plates 94 and 94 are laminated on the outermost side.
  • a water inlet pipe 97 connected to the downstream side of the feed pump 15 passes through the rear surface of the casing 8 1 of the main evaporator 11 1, and a header 9 on the left side (toward the cylinder head 20). LiC d reaches the outer surface of the 6 L outer plate 95, and from there contacts two pipe members 90, 90 located at the downstream end of the third exhaust gas passage 89 via a forked joint 98. It is.
  • the two pipe members 90, 90 constitute the starting ends of the two systems of water passages W3, W3, and the pipe members 90,.
  • the zigzag water passages W 3, W 3 are sequentially connected by U-shaped joints 99,.
  • the flow direction of the water in the water passages W 3 and W 3 is the first exhaust gas passage 8 ⁇ ⁇ which is the flow direction of the exhaust gas ⁇ the second exhaust gas passage 88 ⁇ the third exhaust gas. It extends in a direction facing the passage 89, that is, from the third exhaust gas passage 89 to the first exhaust gas passage 87 via the second exhaust gas passage 88. That is, the exhaust gas and the water constitute a so-called counter flow.
  • the density of the pipe members 90 in the first exhaust gas passage 87 upstream of the flow direction of the exhaust gas is the lowest, and the pipe member 90 in the middle exhaust gas 88 has the lowest density.
  • the density of the members 90 is medium, and the density of the pipe members 90 in the third exhaust gas 89 downstream is the highest.
  • the water inlet pipe 100 connected to the downstream side of the feed pump 15 passes through the rear surface of the casing 81 of the main evaporator 11 to the left (toward the cylinder head 20). ) Reaches the outer surface of the outer plate 95 of the header 96 L, from which it is connected to the two pipe members 93, 93 via a forked joint 101.
  • the two pipe members 93, 93 constitute the starting ends of the two systems of water passages W4, W4, and the pipes of each system 3 ⁇ 45 material 93 are adjacent.
  • the headers 96 L and 96 R are connected by a U-shaped joint 10 2... and in the space surrounding the oxygen concentration sensor 91 by five joints 10 3... Construct water passages W4 and W4.
  • the downstream end of the two water passages W 4 and W 4 is a joint 10 Via the connecting pipes 105, 105 and the connecting pipes 105, 105, they communicate with the water inlets 65, 65 of the sub-evaporator 17 formed in the flanges 11a, 61 (see FIG. 5).
  • two connecting pipes 106, 106 connected to the water outlets of the water passages W2, W2 of the sub-evaporator 17 pass through the outside of the headers 96L, 96R. It extends to the outside of the casing 81, bends 180 ° there, and enters the inside of the casing 81 again, where the cooling water passage W passes through the fork joints 107, 107 provided on the headers 96 L, 96 R. 3, Connected to W3 pipe members 90, 90. The position of the pipe members 90, 90 connected to the connecting pipes 106, 106 is located near the upstream end of the second exhaust gas passage 88 as shown by reference numerals 90 (1) and 90 (2) in FIG. is there.
  • two pipe members 90, 90 are located at the downstream end of the water passages W3, W3. Is connected to a water outlet pipe 109 connected to the expander 12 via a forked joint 108.
  • a part of the water flowing out of the supply pump 15 of the Rankine cycle device is supplied to the main evaporator 11 provided downstream of the exhaust port 16 of the internal combustion engine E, and the water discharged from the supply pump 15 is also provided.
  • the remaining part passes through the sub-evaporator 17 provided on the outer peripheral part of the exhaust port 16 and joins to a predetermined position inside the main evaporator 11.
  • a part of the low-temperature water exiting the feed pump 15 is supplied to the casing of the main evaporator 11 via a water inlet pipe 97 (see FIG. 15).
  • a water inlet pipe 97 To the left header 96 L, where it is diverted to two water passages W3 and W3 via a joint 98.
  • Each of the water passages W3 and W3 is composed of a large number of pipe members 90 connected in a zigzag manner, and the pipe members 90 ... pass through a large number of heat transfer plates 83 ... By exchanging heat between them, the heat energy of exhaust gas is deprived and the temperature rises.
  • the two pipe members 90, 90 at the downstream ends of the two systems of water passages W3, W3 join a water outlet pipe 109 (see FIG. 21) via a joint 108. While flowing through the water passages W3 and W3, the water is heated to become high-temperature high-pressure steam and supplied to the expander 12. The heat of the exhaust gas is transferred from the large number of heat transfer plates 8 3... having a large surface area and arranged at a small pitch to the water flowing through the large number of pipe members 90.... A sufficient heat exchange area can be secured.
  • the exhaust gas flows from the first exhaust gas passage 87 to the third exhaust gas passage 89 via the second exhaust gas passage 88, while the water
  • the water in the passages W3 and W3 flows from the third exhaust gas passage 89 to the first exhaust gas passage 87 via the second exhaust gas passage 88 so as to face the flow direction of the exhaust gas.
  • a sufficient temperature difference between water and exhaust gas over the entire length of W 3, W 3 can further increase the heat exchange efficiency of the main evaporator 11.
  • the density of the pipe members 90 is reduced in the first exhaust gas passage 87 on the upstream side in the flow direction of the exhaust gas, and the pipe members 9 are moved from there toward the third exhaust gas passage 89 on the downstream side. Since the density of 0... has been gradually increased, the density of the pipe members 90... has been reduced in the upstream part where the flow velocity is high due to the high temperature and large volume of the exhaust gas, and the exhaust gas has collided with the pipe members 90.... The pressure loss due to the exhaust gas can be minimized, and the density of the pipe members 90... is increased in the downstream part where the flow velocity is low due to the low temperature and small volume of the exhaust gas.
  • the heat exchange efficiency can be increased by sufficiently contacting the heat exchanger.
  • the heat transfer plates 83 having a large surface area carry the exhaust gas purifying catalyst, the exhaust gas can be effectively purified by sufficiently contacting the exhaust gas purifying catalyst.
  • the remainder of the cold water leaving the feed pump 15 enters the interior of the header 96 L on the left side of the casing 81 of the main evaporator 111 via a water inlet pipe 100 (see Figure 15). From there, the water splits into two water passages W 4 and W 4 via a joint 101. Each water The water flowing in a zigzag manner inside the pipe members 93 constituting the paths W 4, W 4, once merges at the H-shaped joint 103 near the oxygen concentration sensor 91, and then diverges again. After flowing further zigzag through the interior of 93, joints 104, 104, connecting pipes 105, 105 and water inlets 65, 65 from the left and right headers 96L, 96R. And is supplied to the sub-evaporator 17.
  • the surroundings of the oxygen concentration sensor 91 penetrating the oxygen concentration sensor cooling section 92 are cooled by the low-temperature water flowing through the water passages W4 and W4, so that the detection section 91 of the oxygen concentration sensor 91 is cooled.
  • a first exhaust gas passage 87 and a second exhaust gas passage 88 which are located on the upstream side in the exhaust gas flow direction and through which high-temperature exhaust gas flows, are arranged on the radially inner portion of the main evaporator 11;
  • a third exhaust gas passage 89 which is located downstream of the exhaust gas flow direction and is supplied with the lowest temperature water, is arranged on the radially outer portion of the main evaporator 11 and is supplied with the lowest temperature water.
  • the oxygen concentration sensor cooling section 92 Since the oxygen concentration sensor cooling section 92 is located outside the main evaporator 11 in the radial direction, the first exhaust gas passage 87 and the second exhaust gas passage, which become hot when high-temperature exhaust gas passes, Since the outside of 8 is surrounded by the third exhaust gas passage 8 9 and the oxygen concentration sensor cooling section 9 2 whose temperature becomes low when low-temperature water passes, the thermal energy dissipated outside the main evaporator 11 1 Can minimize waste heat recovery efficiency.
  • a gap for holding an air layer is formed between the inner peripheral surface of the casing 81 and the outer peripheral portion of the heat transfer plates 83... Due to the heat insulating effect of this air layer. The heat energy dissipated in the air can be further reduced.
  • the water that has exited from the oxygen concentration sensor cooling section 92 is the water of the collective exhaust port 16B.
  • the water flows from the inlet 65 into the water passage W1 and is divided into a first system and a second system.
  • the first system shown in Fig. 11A is the f and g sections of the water passage W1, the joint 66, the water passage W2 of the independent exhaust port 16A (1), the joint 67, and the water passage W It has a route to the water outlet 68 via the h, i and j parts of 1.
  • Wl reaches f, g, k, m, n, o, fitting 69, water passage W2 of independent exhaust port 16A (2) and water outlet 68 via j of water passage Wl Has a route.
  • the first half of the water passage W1 is shorter and the latter half is longer, and in the second system, the first half of the water passage W1 is longer and the latter half is shorter.
  • the length of the heat exchanger can be made uniform, the supply amount can be made substantially equal, and the imbalance in waste heat recovery can be prevented, and the heat exchange efficiency can be increased.
  • the structure of the water passage W2 provided in the two independent exhaust ports 16A (1) and 16A (2) is the same, and the water is supplied from the water inlet 59.
  • the diverted water is diverted so as to sandwich the symmetry plane P 1, merges through the a part, the b part, the c part, the d part, and the e part, and is discharged from the water outlet 60.
  • the sub-evaporator 17 is configured by surrounding the exhaust port 16 that becomes high in temperature by the passage of the exhaust gas with the water passages 1 and W2.
  • the heat of the exhaust gas that is dissipated through is efficiently recovered as high-temperature and high-pressure steam.
  • the water supplied to the water passages Wl and W2 is relatively low-temperature water that has just exited the supply pump 15 and passed through the oxygen concentration sensor cooling section 92, so that the area around the exhaust port 16 is effective.
  • high-temperature and high-pressure steam can be generated to enhance the waste heat recovery effect of the internal combustion engine E.
  • the cooling valve of the internal combustion engine E that is, the exhaust valve seat 29 and the stem 30 b of the exhaust valve 30 that comes into contact with the umbrella portion 30 a of the exhaust valve 30.
  • the thermal expansion of the exhaust valve seat 29 and the exhaust valve guide 40 can be suppressed to maintain the dimensional position accuracy and maintain the desired functions of each.
  • the water that has passed through the sub-evaporator 17 passes through the connecting pipes 106 and 106 (see Figs. 17 and 18) to connect the joints 107 and 107 (see Fig. 20) provided on the left and right headers 96L and 96R. After that, it joins the pipe members 90, 90 of the second exhaust gas passage 88 of the main evaporator 11 1.
  • the temperature of the water flowing through the water passages W3 and W3 on the side of the main evaporator 11 at the junction and the temperature of the water supplied from the sub-evaporator 17 are substantially matched.
  • the above-mentioned temperature control of the water is possible by adjusting the ratio of the flow rates when the water exiting the supply pump 15 is divided into the main evaporator 11 and the sub-evaporator 17. .
  • the evaporators 11 and 17 are illustrated as the heat exchangers, but the heat exchanger of the present invention is not limited to the evaporators.
  • water was exemplified as the heat medium, but the heat medium of the present invention is not limited to water.
  • the present invention can be suitably applied to an evaporator for a Rankine cycle device, particularly an evaporator for a Rankine cycle device that recovers thermal energy of exhaust gas of an internal combustion engine of an automobile and converts it into mechanical energy.
  • the invention can be applied to a heat exchanger for any other use.

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Description

明 細 書
発明の分野
本発明は、 熱源から延びる流体通路の内部を流れる高温流体が持つ熱エネルギ 一を熱媒に回収する熱交換装置に関する。
背景技術
内燃機関の排気ガスと水との間で熱交換を行い、 排気ガスの熱で水を加熱して 高温高圧の蒸気を発生させる蒸発器が、 日本特開 2 0 0 1 - 2 0 7 8 3 9号公報 により公知である。
この蒸発器は、 内燃機関の燃焼室から排出される排気ガスの流れ方向に対向す る方向に、 つまり排気ガスの流れ方向の下流側から上流側に水を流すことにより 、 排気ガスと水との間の温度差を水通路の全域に亘つて確保して熱交換効率の向 上を図っている。
ところで、 上記従来のものは、 排気ガスの流れ方向と水の流れ方向とを対向さ せているため、 排気ポートの上流端 （つまり水通路の下流端） の近傍の水通路を 流れる水は既に温度上昇しており、 排気ポートの上流端の最も高温となる部分を 充分に冷却することが難しかった。 そのために、 高温の排気ポートの熱がシリン ダへッドを介して放散されてしまい、 内燃機関の廃熱の回収効率が低下するとい う問題があった。 の問題を回避するために、 排気ガスの流れ方向と水の流れ方 向とを並行させれば、 高温となる排気ポートの上流端を低温の水で効果的に冷却 することができるが、 排気ガスの温度が低下する排気ポートの下流側において水 通路を流れる水の温度が上昇するため、 その部分で排気ガスと水との温度差が減 少して熱交換効率が低下する問題がある。
発明の開示
' 本発明は前述の事情に鑑みてなされたもので、 熱源から排出される高温流体と 熱媒との間の熱交換効率を確保しながら、 熱源からの熱の放散を抑えて熱ェネル ギ一の損失を減少させることを目的とする。
上記目的を達成するために、 本発明の第 1の特徴によれば、 熱源から延びる流 体通路の内部を流れる高温流体が持つ熱エネルギーを熱媒に回収する熱交換装置 において、 流体通路の上流側の位置する第 1熱交換器と下流側に位置する第 2熱 交換器とから構成され、 熱媒は第 1熱交換器に設けた第 1熱媒通路の内部を高温 流体の流れに並行するように流れるとともに、 熱媒は第 2熱交換器に設けた第 2 熱媒通路の内部を高温流体の流れに対向するように流れ、 かつ第 1熱媒通路の下 流は第 2熱媒通路に合流することを特徴とする熱交換装置が提案される。
上記構成によれば、 高温流体が流れる流体通路の上流側に位置する第 1熱交換 器は、 その第 1熱媒通路の内部を熱媒が高温流体の流れに並行するように流れる ので、 熱源に近いために高温となる流体通路の上流部分を低温の熱媒で効果的に 冷却し、 前記上流部分からの熱逃げを抑制して熱エネルギーの回収効率を高める とともに、 冷却必要部位を効果的に冷却して熱膨張を抑制し、 寸法位置精度等を 維持して冷却必要部位の機能を確保することができる。 また流体通路の下流側に 位置する第 2熱交換器は、 その第 2熱媒通路の内部を熱媒が高温流体の流れに対 向するように流れるので、 第 2熱媒通路の全長に亘つて熱媒および高温流体間の 温度差を確保して熱交換器効率を高めることができる。 このように第 1、 第 2熱 交換器の協働により、 高温流体と熱媒との間の熱交換効率を高めながら、 熱源か らの熱の放散を抑えて熱エネルギーの損失を減少させることができる。
また本発明の第 2の特徴によれば、 上記第 1の特徴に加えて、 第 1熱媒通路お よび第 2熱媒通路の合流部において、 第 1熱媒通路の熱媒の温度および第 2熱媒 通路の熱媒の温度を略一致させたことを特徴とする熱交換装置が提案される。 上記構成によれば、 第 1、 第 2熱媒通路の合流部において熱媒の温度を略一致 させたので、 温度差のある熱媒の合流による熱エネルギーの損失を最小限に抑え ることができる。
また本発明の第 3の特徴によれば、 上記第 1または第 2の特徴に加えて、 熱源 は内燃機関の燃焼室であり、 高温流体は燃焼室から排出される排気ガスであり、 第 1熱交換器は内燃機関の排気ポートの近傍に設けられることを特徴とする熱交 換装置が提案される。
上記構成によれば、 内燃機関の燃焼室を熱源とし、 燃焼室から排出される排気 ガスを高温流体とし、 内燃機関の排気ポートの近傍に第 1熱交換器を設けたので 、 内燃機関の燃焼室から排気ポートに排出される排気ガスの熱エネルギーを第 1 熱交換器で効果的に回収するとともに、 冷却必要部位を効果的に冷却して熱膨張 を抑制し、 寸法位置精度等を維持して冷却必要部位の機能を確保することができ る。
また本発明の第 4の特徵によれば、 上記第 3の特徴に加えて、 第 1熱交換器の 第 1熱媒通路は内燃機関の排気ポートを覆うように設けられることを特徴とする 熱交換装置が提案される。
上記構成によれば、 第 1熱交換器の第 1熱媒通路で内燃機関の排気ポートを覆 つたので、 内燃機関の燃焼室から排気ポートに排出された高温の排気ガスと第 1 熱媒通路を流れる熱媒との間で熱交換を行わせ、 排気ガスの熱エネルギーを効果 的に回収するとともに、 高温になる排気ポートを効果的に冷却して熱逃げを最小 限に抑えるとともに、 冷却必要部位を効果的に冷却して熱膨張を抑制し、 寸法位 置精度等を維持して冷却必要部位の機能を確保することができる。
また本発明の第 5の特徴によれば、 上記第 4の特徴に加えて、 第 1熱媒通路の 上流部分が排気ポートの要冷却部を冷却することを特徴とする熱交換装置が提案 される。
上記構成によれば、 第 1熱媒通路の上流部分が排気ポートの要冷却部を冷却す るので、 熱交換を充分に行う前の低温の熱媒で排気ポートの要冷却部を効果的に 冷却するとともに、 冷却必要部位を効果的に冷却して熱膨張を抑制し、 寸法位置 精度等を維持して冷却必要部位の機能を確保することができる。
また本発明の第 6の特徵によれば、 上記第 3〜第 5の何れかの特徴に加えて、 内燃機関は複数の燃焼室を備えており、 排気ポートは各燃焼室から延びる複数の 独立排気ポートと、 これら複数の独立排気ポートの下流側に連なる集合排気ポー トとから構成されており、 第 1熱交換器の少なくとも一部は独立排気ポートに設 けられ、 第 2熱交換器の少なくとも一部は集合排気ポートに設けられることを特 徵とする熱交換装置が提案される。
上記構成によれば、 複数の燃焼室から延びる複数の独立排気ポートにそれぞれ 第 1熱交換器の少なくとも一部が設けられ、 複数の独立排気ポートが集合した集 合排気ポートに第 2熱交換器の少なくとも一部が設けられるので、 独立排気ポー トおよび集合排気ポートの全域において排気ガスと熱媒との間で熱交換を行うこ とができる。
尚、 実施例の副蒸発器 1 7および主蒸発器 1 1はそれぞれ本発明の第 1熱交換 器および第 2熱交換器に対応し、 実施例の燃焼室 2 4は本発明の熱源に対応し、 実施例の排気バルブシ一ト 2 9および排気バルブガイド 4 0は本発明の要冷却部 に対応し、 実施例の水通路 W 2は本発明の第 1熱媒通路に対応し、 実施例の水通 路 W 3は本発明の第 2熱媒通路に対応する。
図面の簡単な説明
図 1〜図 2 3は本発明の一実施例を示すもので、 図 1はランキンサイクル装置 の全体構成を示す図、 図 2は内燃機関のシリンダヘッドまわりの縦断面図、 図 3 は図 2の 3部拡大図、 図 4は図 2の 4一 4線矢視図、 図 5は図 4の 5— 5線断面 図、 図 6は図 4の 6— 6線断面図、 図 7は独立排気ポートの一部破断斜視図、 図 8は図 7の 8方向矢視図、 図 9は図 8の 9方向矢視図、 図 1 0は図 8の 1 0方向 矢視図、 図 1 1 Aおよび図 1 1 Bは集合排気ポートにおける水の流れ方向を示す 模式図、 図 1 2は図 2の要部拡大断面図、 図 1 3は図 1 2の 1 3— 1 3線矢視図 、 図 1 4は図 1 2の 1 4方向矢視図、 図 1 5は図 1 2の 1 5 _ 1 5線断面図、 図 1 6は図 1 5の 1 6部拡大図、 図 1 7は図 1 4の 1 7— 1 7線断面図、 図 1 8は 図 1 4の 1 8— 1 8線断面図、 図 1 9は図 1 4の 1 9— 1 9線断面図、 図 2 0は 図 1 2の 2 0— 2 0線断面図、 図 2 1は図 1 2の 2 1— 2 1線断面図、 図 2 2は 主蒸発器における水の流れ方向を示す図、 図 2 3は主蒸発器における排気ガスの 流れ方向を示す図である。
発明を実施するための最良の形態
以下、 本発明の実施例を図 1〜図 2 3に基づいて説明する。
図 1には本発明が適用されるランキンサイクル装置の全体構成が示される。 内燃機関 Eの排気ガスの熱エネルギーを回収して機械エネルギーに変換するラ ンキンサイクル装置は、 内燃機関 Eが排出する排気ガスで水を加熱して高温 ·高 圧蒸気を発生させる主蒸発器 1 1と、 主蒸発器 1 1で発生した高温 ·高圧蒸気に より作動して機械エネルギーを発生する膨張機 1 2と、 膨張機 1 2で仕事を終え た降温 ·降圧蒸気を冷却して水に戻す凝縮器 1 3と、 凝縮器 1 3を出た水を貯留 するリザーブタンク 1 4と、 リザ一ブタンク 1 4に貯留した水を加圧する供給ポ ンプ 1 5とを備える。 供給ポンプ 1 5を出た水の一部は内燃機関 Eの排気ポ一ト. 1 6の下流に設けた主蒸発器 1 1に供給され、 そこで高温 ·高圧蒸気になって膨 張機 1 2に供給され、 また前記供給ポンプ 1 5を出た水の残部は排気ポ一ト 1 6 の外周部に設けた副蒸発器 1 7を通過して加熱された後、 主蒸発器 1 1の内部の 所定位置に合流する。
主蒸発器 1 1は、 主として排気ポート 1 6を出た排気ガスとの間で熱交換を行 つて蒸気を発生させるものであるが、 副蒸発器 1 7は、 排気ポート 1 6を流れる 排気ガスとの間で熱交換を行うだけでなく、 高温の排気ガスに接触する排気ポー ト 1 6自体との間で熱交換を行い、 蒸気を発生させると同時に排気ポート 1 6の 冷却を行うようになっている。
図 2に示すように、 直列四気筒の内燃機関 Eのシリンダブロック 1 9にはシリ ンダへッド 2 0およびへッドカバー 2 1が結合されており、 シリンダブ口ック 1 9に収納した 4個のシリンダスリーブ 2 2に摺動自在に嵌合する 4個のピストン 2 3の上面とシリンダへッド 2 0の下面との間に 4個の燃焼室 2 4が形成される 。 シリンダへッド 2 0には各々の燃焼室 2 4に連なる吸気ポート 2 6および排気 ポート 1 6が形成されており、 吸気ポート 2 6の下流端の吸気バルブシ一卜 2 7 は吸気バルブ 2 8の傘部 2 8 aで開閉され、 排気ポート 1 6の上流端の排気バル ブシ一ト 2 9は排気バルブ 3 0の傘部 3 0 aで開閉される。 吸気ポ一ト 2 6はシ リンダへッド 2 0に直接形成されるが、 排気ポート 1 6は 4個の独立排気ポート 1 6 Aと 1個の集合排気ポート 1 6 Bとから構成され、 それぞれシリンダヘッド 2 0と別部材で構成されてシリンダへッド 2 0に嵌め込まれる。
シリンダヘッド 2 0には、 単一のカムシャフト 3 1と、 吸気ロッカーアームシ ャフト 3 2と、 排気口ッカ一アームシャフト 3 3とが支持される。 吸気ロッカー ァ一ムシャフト 3 2に揺動自在に支持された吸気ロッカーアーム 3 4は、 その一 端がカムシャフト 3 1に設けた吸気カム 3 5に当接するとともに、 その他端がシ リンダへッド 2 0に設けた吸気バルブガイド 3 6に摺動自在に支持されてバルブ スプリング 3 7で上方に付勢された吸気バルブ 2 8のステム 2 8 bに当接する。 また排気ロッカーアームシャフト 3 3に揺動自在に支持された排気ロッカーァー ム 3 8は、 その一端がカムシャフト 3 1に設けた排気カム 3 9に当接するととも に、 その他端がシリンダへッド 2 0に設けた排気バルブガイド 4 0に搢動自在に 支持されてバルブスプリング 4 1で上方に付勢された排気バルブ 3 0のステム 3 0 bの上端に当接する。
排気ポート 1 6は排気ガスの流れ方向の上流側に位置する 4個の独立排気ボー ト 1 6 Aと、 その下流に連なる 1個の集合排気ポート 1 6 Bとから構成されてお り、 集合排気ポート 1 6 Bの内部に主蒸発器 1 1の上流側端部が嵌合する。 そし て副蒸発器 1 7は独立排気ポート 1 6 Aと、 その下流に連なる集合排気ポート 1 6 Bとに跨がって設けられる。
先ず、 図 3.および図 7に基づいて独立排気ポート 1 6 Aの構造を詳細に説明す る。
独立排気ポート 1 6 Aは、 第 1ポート部材 5 1と、 第 1カバー部材 5 2と、 第 2ポー卜部材 5 3と、 第 2カバー部材 5 4とから構成される。 第 1ポー卜部材 5 1および第 1カバー部材 5 2は燃焼室 2 4に連なる独立排気ポート 1 6 Aの上流 部分 5 5を構成するもので、 内側の第 1ポート部材 5 1を外側の第 1カバー部材 5 2で覆った構造を有しており、 第 1ポート部材 5 1の外面に形成した溝と第 1 カバ一部材 5 2の内面との間に迷路状の水通路 W 2が形成される。 第 1ポート部 材 5 1および第 1カバ一部材 5 2の下面は、 シリンダへッド 2 0に形成された排 気バルブシート 2 9の上面にシール部材 5 6を介して当接する。 また第 1ポート 部材 5 1の上壁には排気バルブ 3 0のステム 3 0 bが貫通する開口 5 1 aが形成 されるとともに、 第 1カバ一部材 5 2の上壁に形成した開口 5 2 aには排気バル ブガイド 4 0の下端がシール部材 5 7を介して嵌合する。
第 2ポート部材 5 3および第 2カバ一部材 5 4は集合排気ポート 1 6 Bに連な る独立排気ポート 1 6 Aの下流部分 5 8を構成するもので、 内側の第 2ポート部 材 5 3を外側の第 2カバ一部材 5 4で覆った構造を有しており、 第 2ボート部材 5 3の外面に形成した溝と第 2カバー部材 5 4の内面との間に迷路状の水通路 W 2が形成される。 第 2カバー部材 5 4の端部は第 1カバ一部材 5 2の側面に形成 した開口 5 2 bに嵌合しており、 これにより第 1ポ一ト部材 5 1および第 2ポー ト部材 5 3が滑らかに接続されて湾曲した排気ガスの通路が区画される。 第 2ポ 一ト部材 5 3および第 2カバ一部材 5 4により区画された水通路 W 2は、 その下 側に水入口 5 9を備えるとともに、 その上側に水出口 6 0を備える。
次に、 図 8〜図 1 0を参照して独立排気ポート 1 6 Aの水通路 W 2の形状を説 明する。
水通路 W 2は独立排気ポート 1 6 Aの対称面 P 1に関して左右対称に構成され ており、 水入口 5 9の直後において対称面 P 1を挟むように 2系統に分岐した水 通路 W 2は、 水出口 6 0の直前において再び合流する。 更に詳しく説明すると、 水通路 W 2は水入口 5 9から下流部分 5 8の下面に沿って直線状に延び （ a部参 照）、 そこから上流部分 5 5に移行して排気バルブ 3 0の傘部 3 0 aの周囲の半 周するように円弧状に延び （b部参照）、 そこから排気バルブ 3 0のステム 3 0 bに沿って排気バルブガイド 4 0の下端近傍まで直線状の上方に延び （ c部参照 )、 そこからジグザグに屈曲しながら排気バルブ 3 0の傘部 3 0 aに向かって延 び （d部参照）、 そこから再度下流部分 5 8に移行してジグザグに屈曲しながら 水出口 6 0に向かって延びている （e咅 |5参照）。
続いて、 図 2〜図 6に基づいて集合排気ポート 1 6 Bの構造を詳細に説明する 集合排気ポート 1 6 Bは長方形の枠状に形成されたフランジ 6 1を備えており 主蒸発器 1 1のフランジ 1 1 aを貫通する複数本のポルト 6 2…をシリンダへッ ド 2 0に締結することで主蒸発器 1 1および集合排気ポート 1 6 Bがシリンダへ ッド 2 0に共締めされる （図 2参照）。 集合排気ポート 1 6 Bのフランジ 6 1に 板材をプレス加工した第 3ポート部材 6 3の下流端が溶接されており、 その上流 端に形成した 4個の開口 6 3 a…が 4個の独立排気ポ一卜 1 6 Aの出口に連通す る。 板材をプレス加工した第 4ポート部材 6 4の下流端が第 3ポート部材 6 3の 内面に溶接されており、 その上流端は第 3ポート部材 6 3の 4個の開口 6 3 ^… に重ね合わされて溶接される。 従って、 4個の独立排気ポート 1 6 Aから出た排 '気ガスは集合排気ポ一ト 1 6 Bにおいて合流し、 主蒸発器 1 1に均等に導かれる 集合排気ポート 1 6 Bの第 3ポ一卜部材 6 3および第 4ポート部材 6 4に囲ま れた空間に、 パイプ材よりなる水通路 W l , W 1が配置される。 水通路 W l， W 1は対称面 P 2に関して対称の構造を有しているため、 図 4〜図 6、 図 1 1Aお よび図 1 1 Bには対称面 P 2の片側の水通路 W 1が示される。 水通路 W 1は対称 面 P 2に近い側の独立排気ポート 16 A (1) を通る第 1の系統と、 対称面 P 2 から遠い側の独立排気ポート 16 A (2) を通る第 2の系統とを有している。 即ち、 フランジ 61の端部に設けられた水入口 65から始まる水通路 W1は、 第 4ポート部材 64の内面に沿って直線状に延び （f部参照）、 そこから第 3ポ 一ト部材 63の内面に沿って直線状に延びる （g部参照）。 g部には継ぎ手 66 が設けられており、 この継ぎ手 66に独立排気ポート 16 A (1) の水入口 59 が接続される。 独立排気ポート 16A (1) の水出口 60が接続される継ぎ手 6 7から延びる水通路 W1は、 第 3ポート部材 63の内面に沿って直線状に延び （ h部参照）、 そこから第 3ポート部材 63の内面に沿ってジグザグに延び （ i部 参照）、 そこから第 3ポート部材 63の内面に沿って直線状に延び （j部参照）、 そこから下方に 90° 方向を変えて水出口 68に連通する。 水出口 68は後述す る連結パイプ 106を介して主蒸発器 11の中間部に連通する。
一方、 継ぎ手 66を通過して延びる水通路 W1は、 第 3ポート部材 63の内面 に沿ってジグザグに延び （k部参照）、 そこから第 4ポ一ト部材 64の内面に沿 つて直線状に延び （m部参照）、 そこから 90° 方向を変えて直線状に延び （n 部参照）、 そこから更に 90° 方向を変えて第 3ポート部材 63の内面に沿って 直線状に延び （o部参照）、 そこに設けられた継ぎ手 69を介して独立排気ポ一 ト 16A (2) の水入口 59に接続される。 独立排気ポート 16 A (2) の水出 口 60が接続される継ぎ手 70は水通路 W 1の j部に合流する。
次に、 図 12〜図 21に基づいて主蒸発器 1 1の構造を詳細に説明する。
副蒸発器 17の下流側に連なる主蒸発器 1 1は、 そのフランジ 1 1 aに固定さ れた断面が略長方形のケーシング 81を備えており、 ケーシング 81の下面に排 気管 82 (図 1 3参照） に連なる排気出口 1 1 bが形成される。 ケーシング 81 の内部には、 金属薄板よりなる多数の伝熱板 83…が所定ピッチで平行に配置さ れる。 そして全ての伝熱板 83…の表面に排気ガスを浄化するための排気ガス浄 化触媒が担持される。
図 16から明らかなように、 伝熱板 83は面対称な凹凸部を有する第 1伝熱板 8 3 ( 1 ) および第 2伝熱板 8 3 ( 2 ) からなり、 それらは交互に重ね合わされ る。 その結果、 第 1伝熱板 8 3 ( 1 ) および第 2伝熱板 8 3 ( 2 ) が当接部 8 4 ···, 8 5…において相互に接触してろう付けされ、 その部分に排気ガスの流通を 阻止する仕切り壁 8 6が形成される。
仕切り壁 8 6は図 1 2に示す形状に配置されており、 その仕切り壁 8 6によつ て隣接する伝熱板 8 3…間に屈曲した排気ガス通路が形成される。 排気ガス通路 は、 副蒸発器 1 7の下流端に連なってシリンダヘッド 2 0から遠ざかる方向に直 線状に延びる第 1排気ガス通路 8 7と、 第 1排気ガス通路 8 7の下流端から 1 8 0 ° 屈曲してシリンダへッド 2 0に近づく方向に直線状に延びる第 2排気ガス通 路 8 8と、 第 2排気ガス通路 8 8の下流端から 1 8 0 ° 屈曲してシリンダヘッド 2 0から遠ざかる方向に延び、 更に 9 0 ° 屈曲して下方に延びることで全体とし て L字状をなす第 3排気ガス通路 8 9とから構成される。 第 3排気ガス通路 8 9 の下流端が臨むケーシング 8 1の内部に形成された排気ガス集合部 8 1 aは、 排 気出口 1 1 bを介して排気管 8 2に接続される。 また伝熱板 8 3の仕切り壁 8 6 の第 1、 第 2、 第 3排気ガス通路 8 7 , 8 8， 8 9の高温側に位置する部分を切 断して間隙 8 6 aを設け、 伝熱板 8 3の高温部から低温部への伝熱を遮断して高 温部および低温部を所望の温度に維持することができる。
水が流通する多数のパイプ部材 9 0…が全ての伝熱板 8 3…を貫通しており、 両者間で熱伝達が可能なようにろう付けで一体化される。
図 1 2、 図 1 5および図 1 9を併せて参照すると明らかなように、 主蒸発器 1 1の下面中央には酸素濃度センサ 9 1が取り付けられており、 その先端の検出部 9 1 aは第 1排気ガス通路 8 7に臨んでいる。 酸素濃度センサ 9 1が取り付けら れる主蒸発器 1 1の下面には、 第 1排気ガス通路 8 7の下方に仕切り壁 8 6を介 して仕切られた酸素濃度センサ冷却部 9 2が設けられる。 平坦な酸素濃度センサ 冷却部 9 2の上面は仕切り壁 8 6を介して第 1排気ガス通路 8 7に面しており、 下面はケ一シング 8 1を介して大気に面している。 酸素濃度センサ冷却部 9 2は 伝熱板 8 3…を貫通してろう付けされた複数本のパイプ部材 9 3…を備えている 図 1 5に最も良く示されるように、 主蒸発器 1 1のケ一シング 8 1の長手方向 両端部には、 内板 9 4， 9 4および外板 9 5， 9 5を所定間隔を存して一体に結 合した左右のヘッダー 9 6 L , 9 6 Rがそれぞれ設けられる。 各々のヘッダ一 9 6 L , 9 6 Rは、 その内板 9 4， 9 4が最も外側に積層された伝熱板 8 3， 8 3 に重ね合わされる。 供給ポンプ 1 5の下流側に連なる水入口パイプ 9 7が、 主蒸 発器 1 1のケ一シング 8 1の後面を貫通して左側 （シリンダへッド 2 0に向かつ て） のヘッダー 9 6 Lの外板 9 5の外面に達し、 そこから二股の継ぎ手 9 8を介 して第 3排気ガス通路 8 9の下流端に位置する 2本のパイプ部材 9 0 , 9 0に接 liC dれる。
前記 2本のパイプ部材 9 0， 9 0は 2系統の水通路 W 3 , W 3の始端部を構成 するもので、 各々の系統のパイプ部材 9 0…は隣接するものどうしが左右のへッ ダ一 9 6 L , 9 6 Rにおいて U字状の継ぎ手 9 9…により順次接続されてジクザ グの水通路 W 3 , W 3を構成する。 図 2 2から明らかなように、 水通路 W 3 , W 3における水の流れ方向は、 排気ガスの流れ方向である第 1排気ガス通路 8 Ί→ 第 2排気ガス通路 8 8→第 3排気ガス通路 8 9と対向する方向に、 つまり第 3排 気ガス通路 8 9から第 2排気ガス通路 8 8を経て第 1排気ガス通路 8 7へと延び ている。 つまり、 排気ガスと水とは、 いわゆる対向流を構成する。
図 1 2から明らかなように、 排気ガスの流れ方向の上流の第 1排気ガス通路 8 7においてパイプ部材 9 0…の密度は最も疎であり、 中流の第 2排気ガス 8 8に おいてパイプ部材 9 0…の密度は中程度であり、 下流の第 3排気ガス 8 9におい てパイプ部材 9 0…の密度は最も密である。
図 1 5から明らかなように、 供給ポンプ 1 5の下流側に連なる水入口パイプ 1 0 0は、 主蒸発器 1 1のケーシング 8 1の後面を貫通して左側 （シリンダヘッド 2 0に向かって） のヘッダー 9 6 Lの外板 9 5の外面に達し、 そこから二股の継 ぎ手 1 0 1を介して 2本のパイプ部材 9 3， 9 3に接続される。 前記 2本のパイ プ部材 9 3 , 9 3は 2系統の水通路 W 4， W 4の始端部を構成するもので、 各々 の系統のパイプ ¾5材9 3…は隣接する.ものどうしが左右のヘッダー 9 6 L , 9 6 Rにおいて U字状の継ぎ手 1 0 2…により接続され、 かつ酸素濃度センサ 9 1を 囲む空間において 5個の継ぎ手 1 0 3…により接続されることで、 ジクザグの水 通路 W 4， W 4を構成する。 2系統の水通路 W 4 , W 4の下流端は、 継ぎ手 1 0 4, 104と、 連結パイプ 105, 105とを介して、 フランジ 1 1 a， 61内 に形成した副蒸発器 17の水入口 65， 65 (図 5参照） に連通する。
図 17、 図 18および図 21に示すように、 副蒸発器 17の水通路 W 2, W2 の水出口に連なる 2本の連結パイプ 106， 106は、 ヘッダー 96 L， 96 R の外側を通ってケーシング 81の外部に延出し、 そこで 180° 屈曲して再びケ —シング 81の内部に入り、 そこでヘッダ一ヘッダー 96 L， 96Rに設けた二 股の継ぎ手 1 07， 107を介して冷却水通路 W 3, W3のパイプ部材 90, 9 0に接続される。 連結パイプ 106， 106に接続されるパイプ部材 90, 90 の位置は、 図 22に符号 90 (1) および 90 (2) で示されるように、 第 2排 気ガス通路 88の上流端の近傍である。
図 21に示すように、 右側のヘッダー 96 Rにおいて、 水通路 W3, W3の下 流端に位置する 2本のパイプ部材 90, 90 (図 22に符号 90 (3) および 9 0 (4) で示す） は二股の継ぎ手 108を介して、 膨張機 12に連なる水出口パ イブ 109に接続される。
次に、 上記構成を備えた本発明の実施例の作用について説明する。
図 1において、 ランキンサイクル装置の供給ポンプ 15を出た水の一部は内燃 機関 Eの排気ポート 16の下流に設けた主蒸発器 1 1に供給され、 また供給ボン プ 1 5を出た水の残部は排気ポ一ト 16の外周部に設けた副蒸発器 17を通過し て主蒸発器 1 1の内部の所定位置に合流する。
先ず、 主蒸発器 1 1における作用を説明すると、 供給ポンプ 1 5を出た低温の 水の一部は、 水入口パイプ 97 (図 1 5参照） を介して主蒸発器 1 1のケーシン グ 81の左側のヘッダー 96 Lに達し、 そこで継ぎ手 98を介して 2系統の水通 路 W3， W 3に分流する。 各々の水通路 W 3, W 3はジグザグに接続した多数本 のパイプ部材 90…から構成されており、 これらのパイプ部材 90…が貫通する 多数の伝熱板 83…間を通る排気ガスとの間で熱交換を行うことで、 排気ガスの 熱エネルギーを奪って温度上昇する。 2系統の水通路 W 3， W 3の下流端の 2本 のパイプ部材 90, 90は継ぎ手 108を介して水出口パイプ 109 (図 21参 照） に合流する。 水通路 W3， W3を流れる間に水は加熱されて高温 ·高圧蒸気 となり、 膨張機 12に供給される。 排気ガスの熱は大きな表面積を有して小ピッチで配置された多数の伝熱板 8 3 …から多数のパイプ部材 9 0…を流れる水に伝達されるため、 排気ガスと水との 間の熱交換面積を充分に確保することができる。 これにより、 排気ガスの流速を 下げても、 つまり主蒸発器 1 1における排気ガスの流路断面積を増加させても充 分な熱交換効率を確保することができ、 排気通路の背圧の増加を抑制して内燃機 関 Eの出力低下を防止することができる。 また伝熱板 8 3…をプレス加工する際 に当接部 8 4 ···, 8 5…を形成するだけで任意の形状の仕切り壁 8 6を設けるこ とができるので、 仕切り壁 8 6を設けるための特別の部品を必要とせずに、 屈曲 した第 1〜第 3排気ガス通路 8 7， 8 8 , 8 9を構成することができる。
しかも、 図 2 2および図 2 3から明らかなように、 排気ガスは第 1排気ガス通 路 8 7から第 2排気ガス通路 8 8を経て第 3排気ガス通路 8 9に流れるのに対し 、 水通路 W 3， W 3内の水は排気ガスの流れ方向に対向するように第 3排気ガス 通路 8 9から第 2排気ガス通路 8 8を経て第 1排気ガス通路 8 7に流れるので、 水通路 W 3 , W 3の全長に亘つて水および排気ガス間の温度差を充分に確保して 主蒸発器 1 1の熱交換効率を更に高めることができる。
更に、 排気ガスの流れ方向の上流側の第 1排気ガス通路 8 7においてパイプ部 材 9 0…の密度を疎にし、 そこから下流側の第 3排気ガス通路 8 9に向けてパイ プ部材 9 0…の密度を次第に密にしたので、 排気ガスが高温で容積が大きいため に流速が高い上流部分でパイプ部材 9 0…の密度を疎にして、 排気ガスとパイプ 部材 9 0…との衝突による圧損を最小限に抑えることができ、 また排気ガスが低 温で容積が小さいために流速が低い下流部分でパイプ部材 9 0…の密度を密にし て、 排気ガスとパイプ部材 9 0…とを充分に接触させて熱交換効率を高めること ができる。
また大きな表面積を有する伝熱板 8 3…に排気ガス浄化触媒を担持させたので 、 排気ガスが排気ガス浄化触媒に充分に接触するようにして排気ガスを効果的に 浄化することができる。
供給ポンプ 1 5を出た低温の水の残部は、 水入口パイプ 1 0 0 (図 1 5参照） を介して主蒸発器 1 1のケーシング 8 1の左側のヘッダー 9 6 Lの内部に入り、 そこから継ぎ手 1 0 1を経て 2系統の水通路 W 4， W 4に分流する。 各々の水通 路 W 4 , W 4を構成するパイプ部材 9 3…の内部をジグザグに流れた水は酸素濃 度センサ 9 1の近傍の H形の継ぎ手 1 0 3において一旦合流した後に再び分流し 、 パイプ部材 9 3…の内部を更にジグザグに流れた後に、 左右のヘッダー 9 6 L , 9 6 Rから継ぎ手 1 0 4， 1 0 4、 連結パイプ 1 0 5 , 1 0 5および水入口 6 5 , 6 5を経て副蒸発器 1 7に供給される。
このように、 酸素濃度センサ冷却部 9 2を貫通する酸素濃度センサ 9 1の周囲 を水通路 W 4， W 4を流れる低温の水で冷却するので、 酸素濃度センサ 9 1の検 出部 9 1 aが臨む第 1排気ガス通路 8 7を流れる高温の排気ガスの熱が酸素濃度 センサ 9 1を介して主蒸発器 1 1の外部に逃げるのを防止し、 内燃機関 Eの廃熱 回収効率を高めることができる。
更に、 排気ガスの流れ方向上流側に位置して高温の排気ガスが流れる第 1排気 ガス通路 8 7および第 2排気ガス通路 8 8を主蒸発器 1 1の径方向内側部分に配 置し、 排気ガスの流れ方向下流側に位置して最も低温の水が供給される第 3排気 ガス通路 8 9を主蒸発器 1 1の径方向外側部分に配置し、 かつ最も低温の水が供 給される酸素濃度センサ冷却部 9 2を主蒸発器 1 1の径方向外側部分に配置した ので、 つまり高温の排気ガスが通過することで高温になる第 1排気ガス通路 8 7 および第 2排気ガス通路 8 8の外側を、 低温の水が通過することで低温になる第 3排気ガス通路 8 9および酸素濃度センサ冷却部 9 2で囲んだので、 主蒸発器 1 1の外部に放散される熱エネルギーを最小限に抑えて廃熱回収効率を高めること ができる。
尚、 ケーシング 8 1の内周面と伝熱板 8 3…の外周部との間には空気層を保持 する隙間が形成されており、 この空気層の断熱効果によって主蒸発器 1 1の外部 に放散される熱エネルギーを更に減少させることができる。
次に、 副蒸発器 1 7における作用を説明すると、 図 1 1 Aおよび図 1 1 Bにお いて、 酸素濃度センサ冷却部 9 2を出た水は、 集合排気ポ一ト 1 6 Bの水入口 6 5から水通路 W 1に流入して第 1の系統と第 2の系統とに分流する。 図 1 1 Aに 示す第 1の系統は、 水通路 W 1の f部、 g部、 継ぎ手 6 6、 独立排気ポー卜 1 6 A ( 1 ) の水通路 W 2、 継ぎ手 6 7、 水通路 W 1の h部、 i部および j部を経て 水出口 6 8に達する経路を有する。 一方、 図 1 1 Bに示す第 2の系統は、 水通路 Wlの f部、 g部、 k部、 m部、 n部、 o部、 継ぎ手 69、 独立排気ポート 16 A (2) の水通路 W 2および水通路 Wlの j部を経て水出口 68に達する経路を 有する。 第 1の系統は水通路 W1の前半部分を短く後半部分を長く設定し、 また 第 2の系統は水通路 W1の前半部分を長く後半部分を短く設定しているので、 両 系統において水通路 W1の全長を均一化して供給量を略等しくし、 廃熱回収の不 均衡を防止して熱交換効率を高めることができる。
図 7〜図 1 0に示すように、 2個の独立排気ポート 16 A (1), 1 6 A (2 ) に設けられた水通路 W 2の構造は同一であり、 水入口 59から供給された水は 対称面 P 1を挟むように分流し、 a部、 b部、 c部、 d部および e部を経て合流 した後、 水出口 6 0から排出される。
このように、 副蒸発器 17は排気ガスが通過することで高温になる排気ポート 16の周囲を水通路 1， W 2で囲んで構成されるので、 排気ポート 16からシ リンダへッド 20を経て放散される排気ガスの熱を高温 ·高圧蒸気として効果的 に回収することができる。 特に、 その水通路 Wl, W2に供給される水は供給ポ ンプ 15を出て酸素濃度センサ冷却部 92を通過しただけの比較的に低温の水で あるため、 排気ポート 16の周囲を効果的に冷却するとともに、 高温 ·高圧蒸気 を発生させて内燃機関 Eの廃熱回収効果を高めることができる。 また排気ガスの 熱は排気バルブ 30を介して外部に逃げ易いが、 内燃機関 Eの要冷却部、 つまり 排気バルブ 30の傘部 30 aが接触する排気バルブシート 29および排気バルブ 30のステム 30 bが接触する排気バルブガイド 40の近傍を低温の水で重点的 に冷却することで、 排気バルブ 30を介しての熱逃げを抑制して廃熱回収効果を 一層高めることができるとともに、 排気バルブ 30、 排気バルブシート 29およ び排気バルブガイド 40等の熱膨張を抑制して寸法位置精度を維持し、 各々の所 望の機能を維持することができる。
副蒸発器 1 7を通過した水は連結パイプ 106, 106 (図 17および図 1 8 参照） から左右のへッダ一 96 L , 96 Rに設けた継ぎ手 107， 107 (図 2 0参照） を経て、 主蒸発器 1 1の第 2排気ガス通路 88のパイプ部材 90， 90 に合流する。 このとき、 前記合流部において主蒸発器 11側の水通路 W 3, W3 を流れる水の温度と、 副蒸発器 17から供給される水の温度とを略一致させるこ とで、 廃熱回収効果を更に高めることができる。 上記水の温度の制御は、 供給ポ ンプ 1 5を出た水を主蒸発器 1 1側および副蒸発器 1 7側に分流させる際に、 そ の流量の比率を調整することにより可能である。
以上、 本発明の実施例を詳述したが、 本発明はその要旨を逸脱しない範囲で種 々の設計変更を行うことができる。
例えば、 実施例では熱交換器として蒸発器 1 1， 1 7を例示したが、 本発明の 熱交換器は蒸発器に限定されるものではない。
また実施例では熱媒として水を例示したが、 本発明の熱媒は水に限定されるも のではない。
産業上の利用可能性
本発明はランキンサイクル.装置用の蒸発器、 特に自動車の内燃機関の排気ガス の熱エネルギーを回収して機械エネルギーに変換するランキンサイクル装置用の 蒸発器に好適に適用することができるが、 本発明は他の任意の用途の熱交換器に 対しても適用することができる。

Claims

請求の範囲
1. 熱源 （24) から延びる流体通路の内部を流れる高温流体が持つ熱エネルギ 一を熱媒に回収する熱交換装置において、
流体通路の上流側の位置する第 1熱交換器 （17) と下流側に位置する第 2熱 交換器 （1 1) とから構成され、
熱媒は第 1熱交換器 （17) に設けた第 1熱媒通路 （W2) の内部を高温流体 の流れに並行するように流れるとともに、 熱媒は第 2熱交換器 （1 1) に設けた 第 2熱媒通路 （W3) の内部を高温流体の流れに対向するように流れ、 かつ第 1 熱媒通路 （W2) の下流は第 2熱媒通路 （W3) に合流することを特徴とする熱 父: i
2. 第 1熱媒通路 （W2) および第 2熱媒通路 （W3) の合流部において、 第 1 熱媒通路 （W2) の熱媒の温度および第 2熱媒通路 （W3) の熱媒の温度を略一 致させたことを特徴とする、 請求項 1に記載の熱交換装置。
3. 熱源は内燃機関 （E) の燃焼室 （24) であり、 高温流体は燃焼室 （24) から排出される排気ガスであり、 第 1熱交換器 （17) は内燃機関 （E) の排気 ポート （16) の近傍に設けられることを特徴とする、 請求項 1または請求項 2 に記載の熱交換装置。
4. 第 1熱交換器 （17) の第 1熱媒通路 （W2) は内燃機関 （E) の排気ボー ト （16) を覆うように設けられることを特徴とする、 請求項 3に記載の熱交換
5. 第 1熱媒通路 （W2) の上流部分が排気ポート （16) の要冷却部 （29, 40) を冷却することを特徴とする、 請求項 4に記載の熱交換装置。
6. 内燃機関 （E) は複数の燃焼室 （24) を偉えており、 排気ポート （16) は各燃焼室 （24) から延びる複数の独立排気ポート （16A) と、 これら複数 の独立排気ポート （16A) の下流側に連なる集合排気ポート （16B) とから 構成されており、 第 1熱交換器 （17) の少なくとも一部は独立排気ポート （1 6 A) に設けられ、 第 2熱交換器 （11) の少なくとも一部は集合排気ポート （ 16 B) に設けられることを特徴とする、 請求項 3〜請求項 5の何れか 1項に記 17
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Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US20160084580A1 (en) * 2014-09-22 2016-03-24 Hamilton Sundstrand Space Systems International, Inc. Multi-layer heat exchanger and method of distributing flow within a fluid layer of a multi-layer heat exchanger
CN115506885A (zh) * 2022-08-22 2022-12-23 中联重科股份有限公司 模块化动力系统和救援机械

Families Citing this family (11)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP3730904B2 (ja) * 2001-11-21 2006-01-05 本田技研工業株式会社 熱交換装置
DE102006011797A1 (de) * 2006-03-15 2007-09-20 Man Nutzfahrzeuge Ag Fahrzeug oder stationäre Kraftanlage mit einer aufgeladenen Brennkraftmaschine als Antriebsquelle
JP4281789B2 (ja) * 2006-12-06 2009-06-17 トヨタ自動車株式会社 排気熱回収装置
DE102007033611B4 (de) * 2007-07-17 2009-05-07 Amovis Gmbh Anordnung zur Abgaswärmenutzung
DE102008057691B4 (de) * 2008-11-17 2011-03-10 Reinhard Kreis Verfahren und Vorrichtung zur Abwärmenutzung von Brennkraftmaschinen
JP5539135B2 (ja) * 2010-09-16 2014-07-02 本田技研工業株式会社 冷却手段付き液冷エンジン
EP2864728B1 (de) * 2012-06-26 2017-06-21 Eberspächer Exhaust Technology GmbH & Co. KG Verdampfer
US10252611B2 (en) * 2015-01-22 2019-04-09 Ford Global Technologies, Llc Active seal arrangement for use with vehicle condensers
US10428713B2 (en) 2017-09-07 2019-10-01 Denso International America, Inc. Systems and methods for exhaust heat recovery and heat storage
CA3023875C (en) 2018-05-08 2023-04-11 Enginuity Power Systems, Inc. Combination systems and related methods for providing power, heat and cooling
CN111237037B (zh) * 2020-01-14 2021-06-29 高长生 一种热能高效回收利用发动机组

Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPS57166495A (en) * 1981-04-07 1982-10-13 Toshiyuki Toyonaka Heat collecting device for high temperature exhaust gas
WO2001053671A1 (en) * 2000-01-21 2001-07-26 Honda Giken Kogyo Kabushiki Kaisha Heat exchangers
JP2001289042A (ja) * 2000-04-03 2001-10-19 Denso Corp 排熱回収装置

Family Cites Families (8)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US3350876A (en) * 1966-01-19 1967-11-07 Roy W P Johnson Internal combustion engine plant
DE2800287A1 (de) * 1978-01-04 1979-07-05 Gea Luftkuehler Happel Gmbh Luftgekuehlte kondensationsanlage
FR2524559A1 (fr) * 1982-04-02 1983-10-07 Semt Procede de recuperation d'energie dans un generateur de puissance, et generateur de puissance pour la mise en oeuvre dudit procede
ES2005135A6 (es) * 1987-04-08 1989-03-01 Carnot Sa Ciclo termico con fluido de trabajo mezcla
JP3348984B2 (ja) 1994-06-30 2002-11-20 ヤマハ発動機株式会社 エンジン駆動式空気調和装置
DE19746658A1 (de) * 1997-10-22 1999-04-29 Emitec Emissionstechnologie Verfahren und Vorrichtung zur Regelung des Temperaturbereiches eines NOx-Speichers in einer Abgasanlage eines Verbrennungsmotors
JP2002097946A (ja) * 2000-09-25 2002-04-05 Honda Motor Co Ltd 内燃機関の廃熱回収装置
AU2001294201B2 (en) * 2000-10-10 2005-02-10 Honda Giken Kogyo Kabushiki Kaisha Rankine cycle device of internal combustion engine

Patent Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPS57166495A (en) * 1981-04-07 1982-10-13 Toshiyuki Toyonaka Heat collecting device for high temperature exhaust gas
WO2001053671A1 (en) * 2000-01-21 2001-07-26 Honda Giken Kogyo Kabushiki Kaisha Heat exchangers
JP2001289042A (ja) * 2000-04-03 2001-10-19 Denso Corp 排熱回収装置

Non-Patent Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
See also references of EP1455062A4 *

Cited By (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US20160084580A1 (en) * 2014-09-22 2016-03-24 Hamilton Sundstrand Space Systems International, Inc. Multi-layer heat exchanger and method of distributing flow within a fluid layer of a multi-layer heat exchanger
US10161690B2 (en) * 2014-09-22 2018-12-25 Hamilton Sundstrand Space Systems International, Inc. Multi-layer heat exchanger and method of distributing flow within a fluid layer of a multi-layer heat exchanger
US10976117B2 (en) 2014-09-22 2021-04-13 Hamilton Sundstrand Space Systems International, Inc. Multi-layer heat exchanger and method of distributing flow within a fluid layer of a multi-layer heat exchanger
CN115506885A (zh) * 2022-08-22 2022-12-23 中联重科股份有限公司 模块化动力系统和救援机械

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Publication number Publication date
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