JP2006258084A

JP2006258084A - 熱回収器

Info

Publication number: JP2006258084A
Application number: JP2005113873A
Authority: JP
Inventors: Tetsuomi Tamura; 哲臣田村; Shinji Ota; 真志太田
Original assignee: Sango Co Ltd
Current assignee: Sango Co Ltd
Priority date: 2005-03-14
Filing date: 2005-03-14
Publication date: 2006-09-28

Abstract

【課題】流路切換型の熱回収器において、凝縮水の内部滞留を防止する。
【解決手段】外筒２の後流側にテーパ部１６を設け、使用状態において、テーパ部１６の大径端の最下部ａを小径端の最下部ｂ以上の高位に配する。
【選択図】図１

Description

本発明は、内燃機関等の排気通路に介装され排気ガスの熱と冷却媒体を熱交換する熱回収器に関し、特に、熱交換を積極的に行う流路とバイパス流路とを選択的に切換え得る熱回収器に係る。

従来、内燃機関や燃焼装置等の排気管の途中に横置き介装され、必要に応じ内部流路を切換えて、排気ガスの熱を気体媒体や液体媒体へ回収する熱交換器（以下、熱回収器と言う）が知られている。回収された熱は、媒体（以下、冷却媒体と言う）を介して車両等の必要箇所まで配送され、あるいは途中で別の冷却媒体と二次的な熱交換をして、熱を最終的に暖房や機器の暖機促進や油脂類の早期加熱等に供する。一方、熱回収が不要な際には、熱回収器内の流路を切換えて排気ガスをバイパス流路に誘導し、熱回収部を経由することなくストレートに排出して、圧損の増加を抑えている。

この種の流路切換式熱回収器の構造としては、同軸状に重なる複数管間の環状空隙を流路とし、軸方向に亘って熱交換を行う多重管式が一般的である。多重管式熱回収器の構造としては実開昭６３−１１０６１５号公報に記載のものが知られており、図５は同公報に記載の代表的な構造を示す。外筒１０１と中間筒１０３と内筒１０２は同軸状に配されており、内筒１０２内は第１排気通路１０６に、内筒１０２と中間筒１０３の間隙は第２排気通路１０７に、中間筒１０３と外筒１０１の間隙は冷却媒体通路１０８に、夫々画定されている。そして上流側には内筒１０６前端を略開閉自在な弁体１０４が設けられ、閉塞時には排気ガスを熱回収路たる第２排気通路１０７へ主体的に誘導した後、小孔群１０５から第１排気通路内へ還流し器外へ排出する。一方、開放時には、排気ガスはバイパス流路たる第１排気通路１０６へ主体的に誘導・排出される。熱回収要否に応じ弁体１０４を開閉回動して、主体流路を適宜選択している。

実開昭６３−１１０６１５号公報

しかしながら、熱回収器においては、排気ガスが熱交換で温度降下するに伴い多くの凝縮水が生成される。この凝縮水は、アイドリング時など排気ガス流速が小さい状況が継続すると、排出されずに器内に滞留する。例えば、特許文献１に記載の熱回収器においては、第２排気通路２内の下方、イ，ロ，ハ部に多量に滞留する。この滞留凝縮水が腐食性であったり、寒冷時に凍結すると、熱回収器各部にダメージを与える懸念がある。特に凍結は、弁体１０４の作動にも悪影響を与え、切換えの確実性を損なう惧れがあるばかりか、排気流路を狭くするため、熱交換効率や圧力損失の悪化が惹起される。従って、本発明の目的は、凝縮水を確実に排出し器内に滞留させない熱回収器を提供することにある。

上記課題を解決するため、本発明は請求項１記載のように、排気通路に介装され排気ガスと冷却媒体を熱交換する熱回収器であって、内包する切換手段によって排気ガスの流路を選択し熱回収状態を変更するものにおいて、外筒の少なくとも後流側にテーパ部を設け、使用状態におけるテーパ部の大径端の最下部が小径端の最下部以上の高位にあるようにした。

さらに、請求項２に記載の発明は、請求項１に記載の熱回収器において、外筒が後流側へ傾斜している。

そして、請求項３に記載の発明は、請求項１又は請求項２に記載の熱回収器において、小径端の最下部が外筒の仮想延長面より張り出している。

請求項１記載の発明によれば、後流に向かって縮径するテーパ部の、使用状態におけるテーパ部の大径端の最下部が小径端の最下部と同じ高さか更に上方に位置するので、滞留凝縮水の後方流下を妨げる堰が無くなる。従って、排気ガス流に押され凝縮水が自ら流下するので、生成された凝縮水を確実に器外へ排出でき、滞留に伴う不具合を防止できる。

請求項２記載の発明によれば、更に外筒自体を後流側へ傾斜させることによって、外筒内で発生した凝縮水がテーパ部へ流下するのを助長し、更に確実に凝縮水の滞留を防止できる。

請求項３記載の発明によれば、使用状態において、外筒を水平配置か上流側へ傾斜して配置するしかない場合であっても、テーパ部の大径端最下部を小径端最下部以上の高位に配置が可能となる。

本発明を実施するための最良の形態を図１乃至図４に示す実施例に基づいて説明する。なお、各実施例の図は全て熱回収器として機能し得る使用状態、即ち自動車への適用であれば搭載状態を現しており、各図の左右方向が水平方向で天地方向が鉛直方向に一致する。また、各実施例において、排気ガスは図の左方から右方へ流下する。図１及び図２に示す第１の実施例の熱回収器１において、熱回収部は胴部たる外筒２に内包され、外筒２の上流側には、上流側に向かって徐々に縮径するテーパ部１９と、その先端には相手部品の接続部たる直管部２０とが一体形成されている。また、外筒２の後流側にも同様にテーパ部１６と直管部１７が一体形成され、後流排気管１８を嵌合固定している。テーパ部１６と直管部１７の下方は、外筒２の一般面を仮想的に後方へ延長した筒状面（図示しない）の外へ張り出している。そして、外筒２の上流側テーパ部内には内筒３が嵌合固定され、内筒３は外筒２内へ延出する。外筒２には、冷却媒体（冷却水）の導入ポート５と排出ポート６を夫々貫通固定している。本実施例において熱回収器１は外筒２の水平配置において機能を発揮するように設計され、外筒２，直管部２０，直管部１７は全て、その軸芯が水平配置されている。すなわち、本実施例の熱回収器１の使用状態とは外筒２の略水平配置であり、例えば自動車の床下に懸架搭載する場合には、望ましい使用状態である。

そして、内筒３の下流端には排気ガス圧により開閉される弁体１０がブラケット１１を介して軸支されており、図示しない付勢手段によって常時は内筒３後端を閉塞している。また、内筒３の上流側には小孔群１２が穿設されており、弁体１０による閉塞時には、排気ガスが第１排気通路７から第２排気通路８へ誘導される。以上の構成部材は、全て金属製である。なお、図示しない上流排気管あるいは排気部品との接続は、通常は直管部２０内に内嵌されるが、内筒３を上流に延出し上流排気管としてもよい。

排気ガス圧によって開閉する弁体１０は、排気装置においては周知の所謂動圧式可変バルブであるので詳細説明を省くが、内筒３内の排気ガス動圧が一定以下の時は閉塞しており、一定値以上で付勢に抗して開き始め、動圧の増大に応じ開度を増す。これに伴い、弁体１０が開いた時点で主流は第２排気通路８から第１排気通路７へと変わり、熱回収優先から排気ガスの流出（通過）優先へと換わる。従って、熱回収を基本としつつも、内燃機関等の高出力時（大流量時）には熱回収をバイパスさせ、低抵抗にて排気ガスを通過させることができる。また、切換え制御を排気ガス圧に依存せず任意に行いたい場合には、弁体１０の駆動軸を外筒２外へ気密に延出し、それを周知のアクチュエータ等により強制駆動制御してもよい。強制開閉によれば、排気ガスが動圧として弁体を開ける分の仕事が不要となるので、バイパス時の低圧損要求に一層適う。また、動圧式、強制開閉式ともに弁体１０は、フラップ式以外にも、バタフライ式、スライド式、閉塞体移動式等、周知の弁方式を援用すればよい。アクチュエータに関しては、電気式、油圧式、空圧式などが周知だが、熱に応じてストロークするサーモワックスや形状記憶合金等を動圧式可変バルブに組合せて、排気ガスや冷媒の温度に応じた補助制御を加えてもよい。

外筒２の内面には、軸方向に延在する環状の冷却媒体通路９が画定されるように中間筒４が設置され、その両端の密着部１３及び１４が外筒２の内面へ気密に固定されている。導入ポート５から流入した冷却媒体（水）は冷却媒体通路（ウオータージャケット）９を満たし、上流へ流れながら排気ガスと熱交換し、熱を持って排出ポート６から流出する。このように軸方向で熱回収が実施される過程で、熱交換面積をより多く確保するために、中間筒４には螺旋溝状の凹凸１５が形成されているが、これによって冷却媒体と排気ガスに乱流が発生し境界層を活性化して、一層熱交換が促進される。

以上のような構成により、必要に応じ熱回収を随時選択できる。そして、熱回収に伴うガス温降下により第２排気通路８内で凝縮水が生成され、排気ガス圧に押されてテーパ部１６内に到達する。しかし、テーパ部１６の底部（図下方）の（板内側）大径端の最下部ａが、同じくテーパ部１６の（板内側）小径端の最下部ｂよりも高位差ｃだけ高位に位置するので、排気ガス圧と重力により凝縮水はテーパ部１６内を後流側へ流下し、滞留条件であっても確実に排出される。特に、小径端の最下部ｂが外筒２下面よりも更に下方へ張り出しているので、外筒２の形状や姿勢に拘らず、高位差ｃを強制的に現出可能である。なお、大径端の最下部ａと小径端の最下部ｂは、共に板内側の屈曲点同士が好ましい。そして、板内側であれ板外側であれ、大径端の最下部ａ及び小径端の最下部ｂは、面の変局部に現れる３次元の屈曲線の最底部（最下方）に位置するものである。更に、大径端の最下部ａと小径端の最下部ｂは必ずしも同一鉛直面内に存在する必要はなく、大径端の最下部ａと小径端の最下部ｂの間のテーパ１６形状も任意に設定して構わない。

なお、各筒の横断面形状は円に限らず任意の異形断面、例えば所謂花びら形状でもよいし、同軸配置に限らず相互に偏芯（オフセット）配置されていても構わない。また、外筒とテーパ部を一体形成する場合は、内装物を挿入後にスピニング加工やスエージング加工等、周知の塑性加工法を適用しネッキングすれば良い。また、モナカ半体の溶接物から成る別体テーパ部を溶接等で接続しても構わないし、外筒２とテーパ部全体をプレス部品から成る溶接組付体としても構わない。スピニング加工を適用する場合には、特許登録第２９５７１５３号の偏芯スピニング加工法や、特許登録第２９５７１５４号の傾斜スピニング加工法を用いるとよい。特に本実施例のように縮小径端の最下部ｂが外筒２一般面よりも下方に張り出す形状には、特開２００２−２０５１２４号の張出スピニング加工法を適用するのが好適である。

中間筒４も同様に一体形成でも別体組立品でも構わないが、外筒２への固定においては、密着部１３及び１４を気密に溶接固定する必要があり、全周ろう付けやレーザー溶接を適用するとよい。あるいは、軸方向の相対熱膨張差を吸収するために、外筒２及び／又は中間筒４の一部を蛇腹構造としても良いし、密着部１３あるいは１４に気密性の緩衝部材を嵌合させてもよい。さらに、中間筒４表面に設ける凹凸１５については、螺旋等の線条溝、突起、ディンプル、全体の緩やかな起伏等、その形状や配列や大きさは任意である。熱交換促進と流体抵抗増加という背反を適宜バランスさせるように、設定すればよい。

図３に示す第２の実施例は、上記第１の実施例と熱回収部の基本構成は同じであるが、使用状態（姿勢）及び前後テーパ形状が異なる。本実施例の好適な使用状態は、外筒３０の上流側（図の左方）を高位にするとともに後流側を低位とし、鉛直面内において水平に対し後流側へ数度後傾させた状態である。傾斜状態の外筒３０と上流排気管３８を繋ぐテーパ部３１と、同じく後流排気管３９を繋ぐテーパ部３３は、共に外筒３０と一体的に形成されている。詳細には、前述の傾斜スピニング工法によって、偏芯を伴う傾斜状に形成されている。そして、テーパ部３３下部においては、大径端の最下部ｄと小径端の最下部ｅの間に高位差ｆが設定されている。

以上のような構成により、熱回収部で凝縮水が生成されても、外筒３０の後傾により凝縮水は自ら流下しテーパ部３３に至る。そして、前述の通り、落差たる高位差ｆによって、確実に後流排気管３９へ排出される。凝縮水の流下には、排気ガスの流下力の他に外筒３０後傾による重力も加わり、流下が促進される。なお、外筒３０の傾斜角度及び傾斜方向は任意であるが、上述理由により、傾斜方向は後流側が望ましい。

図４に示す第３の実施例は、自動車の排気系において一般的な、上流排気管４９と後流排気管５０とが略水平かつ同軸である場合の実施例である。外筒４０は略水平配置され、外筒４０と上流排気管４９を繋ぐテーパ部４１と、同じく後流排気管５０を繋ぐテーパ部４４は、共にプレス品の溶接体で偏芯エルボ状に形成されており、夫々外筒４０と嵌合部４２及び４５にて溶接固定されている。また、内筒４７の上流側も偏芯屈曲し、先端をテーパ部４１の先端部４３内に嵌合している。屈曲部には先の実施例と同様、小孔群４８が穿設されている。そして、テーパ部４４下部においては、大径端の最下部ｇと小径端の最下部ｈの間に高位差ｉが設定されている。

以上のような構成により、実施例１及び実施例２と同様、熱回収部で生成された凝縮水は、高位差ｉによって確実に後流排気管５０へ排出される。なお、本実施例においても、外筒２は必ずしも略水平である必要はなく、適宜傾斜を付与してもよい。また、両端のテーパ部も、可能であれば実施例１及び実施例２と同様外筒４０と一体的に形成することが、強度上望ましい。

以上、本発明の実施例を説明してきたが、本発明は上述の実施例に限られるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲の設計変更があっても、本発明に包含される。また、冷却媒体への熱回収を主目的とする狭義の熱回収器（所謂ヒートコレクタ）に限らず、排気ガスの冷却を主目的とする熱交換器（排気クーラ等）も熱回収器として包含する。熱交換部はウオータージャケット式に限らず、複数本の伝熱パイプでも良いし、適宜周知の構造を援用できる。冷却媒体は水に限らず、最適な液体や気体を適宜用いればよい。また、排気浄化装置及び／又は消音器を一体的に組合せても良い。更に、主たる排気管への装着のみならず、ＥＧＲガスクーラ等、傍流（枝流）排気管への適用も包含する。そして、適用対象は自動車等の内燃機関用に限定するものではなく、汎用エンジンや据置式燃焼装置等、あらゆる排気ガス発生装置の排気系に適用可能である。

第１の実施例の熱回収器を示す概略断面図である。第１の実施例のＡ−Ａ断面図である。第２の実施例の熱回収器を示す概略断面図である。第３の実施例の熱回収器を示す概略断面図である。従来例の熱回収器を示す概略断面図である。

符号の説明

１熱回収器
２，３０，４０外筒
３，３８，４７内筒
４中間筒
５導入ポート
６排出ポート
７第１排気通路
８第２排気通路
９冷却媒体通路
１０弁体
１１ブラケット
１２，４８小孔群
１３，１４密着部
１５凹凸
１６，１９，３１，３３，４１，４４テーパ部
１７，２０直管部
４２，４５嵌合部
４３，４６先端部
３８，４９上流排気管
１８，３９，５０後流排気管
ａ，ｄ，ｇ大径端の最下部
ｂ，ｅ，ｈ小径端の最下部
ｃ，ｆ，ｉ高位差

Claims

排気通路に介装され排気ガスと冷却媒体を熱交換する熱回収器であって、
内包する切換手段によって排気ガスの流路を選択し熱回収状態を変更するものにおいて、
外筒の少なくとも後流側にテーパ部を設け、使用状態における前記テーパ部の大径端の最下部が小径端の最下部以上の高位にあることを特徴とする熱回収器。
前記外筒は、後流側へ傾斜していることを特徴とする請求項１記載の熱回収器。
前記小径端の最下部が、前記外筒の仮想延長面より張り出していることを特徴とする請求項１又は請求項２記載の熱回収器。