JP2007239595A - 排気系熱交換器の配置構造 - Google Patents

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Abstract

【課題】アクチュエータを排気系の熱から保護することができる排気系熱交換器の配置構造を得る。
【解決手段】排気系熱交換器の配置構造が適用された排気熱回収システム10は、排気管14の中間部に配設され排気ガスと冷却媒体との熱交換を行うための排気熱回収用熱交換器18と、排気熱回収用熱交換器18熱交換器を通過する排気ガスの割合を変化させ得るバルブ52と、バルブ52を駆動するためのアクチュエータ58とを備える。アクチュエータ58は、排気熱回収用熱交換器18の外側に隣接して配置されている。
【選択図】図1

Description

本発明は、例えば自動車等の排気ガスと冷却媒体との熱交換を行うための排気系熱交換器の配置構造に関する。
自動車の排気系に、内燃機関エンジンの排気ガスとエンジン冷却水との熱交換を行う排ガス熱交換器と、該排ガス熱交換器をバイパスするためのバイパス経路と、排気ガスの流れ経路を冷媒排熱交換器及びバイパス経路の何れか一方に選択的に切り替えるための仕切弁とを設ける技術が知られている(例えば、特許文献1参照)。
実開平1−173320号公報
ところで、排気ガスの流路を熱交換器又はバイパス路に自動的に切り替えるためには、仕切弁を駆動するためのアクチュエータを設ける必要がある。このため、高温の排気ガスが流れる排気系に熱交換器をバイパス可能に配置する技術においては、アクチュエータを排気系の熱から保護することが望まれる。
本発明は、上記事実を考慮して、アクチュエータを排気系の熱から保護することができる排気系熱交換器の配置構造を得ることが目的である。
請求項1記載の発明に係る排気系熱交換器の配置構造は、排気ガスの排出経路中に配設され、排気ガスと冷却媒体との熱交換を行うための熱交換器と、前記熱交換器を通過する排気ガスの割合を変化させ得るバルブと、前記熱交換器の外側に隣接して配置され、前記バルブを駆動するためのアクチュエータと、を備えている。
請求項1記載の排気系熱交換器の配置構造では、熱交換器を流れる排気ガスの割合を変化させる(排気ガスの排出経路を切り替える)際には、アクチュエータによってバルブを駆動してバルブの開度を変化させる。ここで、バルブを駆動するためのアクチュエータが熱交換器に隣接しているため、このアクチュエータは、排気系における排気ガスのみが流通する熱交換器の上流又は下流部分に隣接する場合と比較して、その温度上昇が抑制される。
このように、請求項1記載の排気系熱交換器の配置構造では、アクチュエータを排気系の熱から保護することができる。
請求項2記載の発明に係る排気系熱交換器の配置構造は、請求項1記載の排気系熱交換器の配置構造において、前記熱交換器は、最外層が前記冷却媒体の流路とされている。
請求項2記載の排気系熱交換器の配置構造では、熱交換器の最外層が冷却媒体の流路であるため、熱交換器の周囲温度は冷却媒体の温度を超えて上昇することが防止される。これにより、アクチュエータの温度上昇を熱交換器の外表面温度程度(以下)に抑制することが可能になる。
請求項3記載の発明に係る排気系熱交換器の配置構造は、請求項1又は請求項2記載の排気系熱交換器の配置構造において、前記熱交換器は、前記排気ガスの排出経路中に前記熱交換器をバイパス可能に設けられたバイパス路を外周側から囲むように設けられており、前記アクチュエータは、前記熱交換器の外側に隣接して配置されている。
請求項3記載の排気系熱交換器の配置構造では、熱交換器に外側から覆われた(熱交換器の軸心部を貫通した)バイパス路は、アクチュエータが位置する熱交換器の外側には露出しないので、バイパス路からの輻射熱によって熱交換器の外側に隣接するアクチュエータの温度が上昇することが防止される。これにより、バイパス路を備えた構成において、アクチュエータの温度上昇を効果的に抑制することができる。
請求項4記載の発明に係る排気系熱交換器の配置構造は、請求項1又は請求項2記載の排気系熱交換器の配置構造において、前記熱交換器は、前記排気ガスの排出経路中に前記熱交換器をバイパス可能に設けられたバイパス路に並列して配置されており、前記アクチュエータは、前記熱交換に対し前記バイパス路とは反対側に配置されている。
請求項4記載の排気系熱交換器の配置構造では、アクチュエータは、熱交換器を挟んでバイパス路とは反対側に位置するため、換言すれば、バイパス路とは離間しているため、該バイパス路からの入熱が抑えられる。特に、熱交換器がバイパス路からアクチュエータへの熱の輻射経路を遮る位置に配置された構成とすれば、アクチュエータの温度上昇を効果的に抑制することができる。
請求項5記載の発明に係る排気系熱交換器の配置構造は、請求項1又は請求項2記載の排気系熱交換器の配置構造において、前記熱交換器は、前記排気ガスの排出経路中に前記熱交換器をバイパス可能に設けられたバイパス路に並列して配置されており、前記バイパス路から前記アクチュエータへの輻射熱を遮るように配置されている。
請求項5記載の排気系熱交換器の配置構造では、熱交換器がバイパス路からアクチュエータへの熱の輻射経路を遮るため、アクチュエータの温度上昇を効果的に抑制することができる。
以上説明したように本発明に係る排気系熱交換器の配置構造は、アクチュエータを排気系の熱から保護することができるという優れた効果を有する。
本発明の第1の実施形態に係る排気系熱交換器の配置構造が適用された排気熱回収システム10について、図1乃至図3に基づいて説明する。なお、以下の説明で、単に上流・下流の語を用いるときは、排気ガスの流れ方向の上流・下流を示すものとする。
図3には、排気熱回収システム10の概略全体構成が模式的なフロー図にて示されている。この図に示される如く、排気熱回収システム10は、自動車の内燃機関エンジン12の排気ガスが有する熱をエンジン冷却水との熱交換によって回収し、暖房やエンジン12の暖機促進等に利用する装置である。
エンジン12には、排気ガスを導出する排気経路を構成する排気管14が接続されている。排気管14による排気ガスの排出経路上には、上流側から順に触媒コンバータ16、排気熱回収用熱交換器18、メインマフラ20が配設されている。触媒コンバータ16は、内蔵した触媒16Aによって通過する排気ガスを浄化するように構成されている。消音器としてのメインマフラ20は、排気ガスを大気中に排出するのに伴って生じる排気音を低減するように構成されている。
熱交換器としての排気熱回収用熱交換器18は、排気ガスとエンジン冷却水のとの熱交換によって排気ガスの熱をエンジン冷却水に回収させる構成とされている。また、排気熱回収システム10は、排気ガスに排気熱回収用熱交換器18をバイパスさせるためのバイパス流路22、該バイパス流路22を開閉するためのバルブとしての流路切替バルブ24を備えている。これにより、排気熱回収システム10では、排気ガスがエンジン冷却水との熱交換を行う排気熱回収モードと、排気ガスがバイパス流路22を通過するノーマルモードとを切り替え得る構成とされている。以下、具体的に説明する。
図1に示される如く、排気熱回収システム10は、その内部にバイパス流路22が設けられた内管26を備えている。内管26は、同軸的に設けられた外管28によって外側から覆われると共に外管28よりも上流部分が排気管14に接続されており、該外管28との間における軸線方向の一部(図1の領域A参照)に排気熱回収用熱交換器18を構成している。外管28の上流端は、内管26の外周部に全周に亘り気密状態で接合されており、外管28の下流端は、レデューサ管29を介して排気管14における排気熱回収用熱交換器18の下流側部分に接続されている。
より具体的には、図2(A)及び図2(B)に示される如く、内管26と外管28と間には、内管26側から順に、内側伝熱筒30、外側伝熱筒32が略同軸的に配設されている。内側伝熱筒30の長手方向両端は、それぞれ内管26の外周部に全周に亘り気密状態で固定されており、外側伝熱筒32の長手方向両端は、それぞれ外管28の内周部に全周に亘り気密状態で固定されている。これらの固定部位は、内管26と外管28との間隔を保持するためのスペーサ34によって挟み込まれている。スペーサ34は、周方向に部分的に設けられ、後述する排気ガス流路36を確保するようになっている。
そして、排気熱回収用熱交換器18は、内側伝熱筒30と外側伝熱筒32との間に形成された排気ガス流路36が、内管26と内側伝熱筒30との間及び外側伝熱筒32と外管28との間にそれぞれ形成された冷却水流路38に径方向の両側から挟まれて構成されている。以下、冷却水流路38における排気ガス流路36よりも内側部分と外側部分とを区別する場合は、内側冷却水流路38A、外側冷却水流路38Bと言うこととする。図2(B)に示される如く、内側伝熱筒30、外側伝熱筒32は、所要の熱交換面積を確保するために、それぞれの筒壁が軸直角断面視で波形に形成されている。また、内側伝熱筒30と外側伝熱筒32とは、周方向の一部が互いに当接しており、剛性を確保すると共に、後述する連通部38Cの設置部を構成している。
また、内管26における排気熱回収用熱交換器18よりも上流部分には、該内管26の内外を連通し、排気管14からの排気ガスを排気熱回収用熱交換器18の排気ガス流路36に導入するための連通孔40が設けられている。一方、排気ガス流路36の下流端は、内管26(後述するバイパス管46)の下流側開口端26Aと連通している。したがって、連通孔40から排気熱回収用熱交換器18に導入された排気ガスは、排気ガス流路36を上流側から下流側に1パスで通過するようになっている。
一方、図2(A)及び図2(B)に示される如く、排気熱回収用熱交換器18の冷却水流路38にエンジン冷却水を導入するためのエンジン冷却水入口ノズル42は、冷却水流路38における外側冷却水流路38Bに連通されると共に、エンジン冷却水を排出するためのエンジン冷却水出口ノズル44は、冷却水流路38における内側冷却水流路38Aに連通されている。さらに、冷却水流路38におけるガス流方向上流側部分には、内側冷却水流路38Aと外側冷却水流路38Bとを連通する連通部38Cが設けられている。
以上により、冷却水流路38は、外周側のエンジン冷却水入口ノズル42から外側冷却水流路38B導入されたエンジン冷却水が連通部38Cで折り返され、内側冷却水流路38Aを経由してエンジン冷却水出口ノズル44から排出される2パスの熱交換路形成している。エンジン冷却水入口ノズル42が外側冷却水流路38Bに連通することで、排気熱回収用熱交換器18における最低温部(排気熱回収モード、ノーマルモードともに最低温部)は最外層に形成されている。
そして、図3に示される如く、冷却水流路38のエンジン冷却水入口ノズル42、エンジン冷却水出口ノズル44は、エンジン冷却水をエンジン12、排気熱回収用熱交換器18、及び図示しないヒータコアに循環させる冷却水循環路62に、エンジン12に対し直列の冷却水流れが生じるように接続されている。
また、内管26内には、内部がバイパス流路22とされたバイパス管46が同軸的に配設されている。バイパス管46における連通孔40よりも下流側に位置している上流端と内管26との間には、排気ガスの導入を防止するシール部48が設けられている。これにより、バイパス管46(バイパス流路22)と内管26(排気熱回収用熱交換器18)との間には、断熱空気層50が形成されている。
図1に示される如く、流路切替バルブ24は、内管26(図1では図示を省略するバイパス管46)内に配設され、バイパス流路22を開閉するバルブ(弁体)52を備えている。バルブ52は、略円板状に形成されたバタフライ弁とされており、バイパス管46の直径方向に沿って設けられた回転軸54廻りに回動することで、バイパス流路22を開閉するようになっている。回転軸54は、一対の軸受56によって内管26、外管28(排気系)に回動自在に軸支されている。
排気熱回収用熱交換器18では、バルブ52がバイパス流路22を閉止している場合には、排気ガスが排気ガス流路36に流れることで熱交換機能を果たし、バルブ52がバイパス流路22を開放している場合には、排気ガスが主にバイパス流路22を流れて排気ガスバイパス機能を果たす構成とされている。なお、排気ガス流路36の流動抵抗(圧力損失)は、開放されているバイパス流路22の流動抵抗に対し大きく、バルブ52がバイパス流路22を開放している場合には、排気ガス流路36には殆ど排気ガスが流れない構成とされている。
また、流路切替バルブ24は、バルブ52を駆動するためのアクチュエータ58を備えている。この実施形態では、アクチュエータ58は、アクチュエータ本体58Aと、アクチュエータ本体58Aに対し直線的に進退(伸縮)するアクチュエータロッド58Bとを主要構成要素として構成されている。アクチュエータロッド58Bの先端は、回転軸54における排気熱回収用熱交換器18(外管28)の外側に突出した端部に一体回転可能に設けられたリンク部材60の先端に相対角変位可能に連結されている。これにより、アクチュエータロッド58Bのアクチュエータ本体58Aに対する進退に伴ってバルブ52が回転軸54廻りに回動するようになっている。
この実施形態では、流路切替バルブ24のアクチュエータ58は、バキューム式のアクチュエータ(負圧ダイヤフラム)とされており、エンジン12の吸気系との間に配設された図示しないバキュームスイッチングバルブが図示しない制御装置に指令に基づいて開閉されて、流路切替バルブ24を駆動するようになっている。制御装置は、例えば、エンジン12の暖機促進要求がされた場合等、エンジン冷却水温が低いときに暖房要求がされた場合などにバイパス流路22を閉止して排気熱回収モードを実行し、他の場合にはノーマルモードを選択するようになっている。
図1に示される如く、アクチュエータ58は、排気熱回収用熱交換器18の外表面に隣接して配置されている。より具体的には、排気熱回収システム10では、外管28における排気熱回収用熱交換器18を構成する部分(図1の領域A参照)に、アクチュエータ58が隣接して配置されている。アクチュエータ58のアクチュエータ本体58Aは、例えば図示しないブラケットを介して外管28に固定的に支持(保持)されている。
次に、本第1の実施形態の作用を説明する。
上記構成の排気熱回収システム10では、例えばエンジン12の始動直後のように冷却水温が低いときに暖房要求又はエンジン12の暖機促進要求があった場合等には、排気熱回収モードを選択し、制御装置が流路切替バルブ24のアクチュエータ58によってバルブ52を閉方向に駆動してバイパス流路22を閉止させる。すると、エンジン12の排気ガスはバイパス流路22を流れず、排気熱回収用熱交換器18の排気ガス流路36に導入される。排気ガス流路36に導入された排気ガスは、エンジン冷却水との間で熱交換を行い、エンジン冷却水を昇温させる。エンジン12が十分に暖機された後、制御装置は、アクチュエータ58によってバルブ52を開駆動して、ノーマルモードに切り替える。
ここで、排気熱回収システム10では、排気熱回収用熱交換器18への排気ガスの導入有無を切り替えるためのバルブ52を駆動するアクチュエータ58が、排気ガスを冷却する排気熱回収用熱交換器18に隣接して配置されているため、例えば、アクチュエータ58をバルブ52よりも前方で排気管14に隣接して配置した構成と比較して、高温の排気ガスを流通させる排気系からの受熱によるアクチュエータ58の温度上昇が抑制される。
特に、排気熱回収システム10では、排気熱回収用熱交換器18の最外層は、エンジン冷却水が流れる冷却水流路38(における排気ガス流路36の外側部分)であるため、排気熱回収用熱交換器18の周囲の雰囲気温度がエンジン冷却水温度を超えて上昇することが防止され、アクチュエータ58の温度上昇(の上限)がエンジン冷却水温程度に抑制される。しかも、冷却水流路38は、排気ガス流路36よりも外側の外側冷却水流路38B(最外層)からエンジン冷却水が導入されるため、排気熱回収用熱交換器18の表面温度が一層低く抑えられ、アクチュエータ58の温度上昇(の上限)がより低く抑えられる。
また特に、排気熱回収システム10では、排気熱回収用熱交換器18の軸心部にバイパス流路22が形成されているため、換言すれば、排気熱回収用熱交換器18を挟んでバイパス流路22(バイパス管46)とは反対側にアクチュエータ58が配置されているため、バイパス管46からの輻射熱が排気熱回収用熱交換器18によって遮られ、アクチュエータ58の温度上昇が一層効果的に抑制される。
このように、第1の実施形態に係る排気熱回収システム10では、アクチュエータ58を排気系の熱から保護することができる。
次いで、本発明の他の実施形態を説明する。なお、上記第1の実施形態又は前出の構成と基本的に同一の部品・部分については、上記第1の実施形態又は前出の構成の同一の符号を付して説明を省略し、また図示を省略する場合もある。
図4には、本発明の第2の実施形態に係る排気熱回収システム70の要部が平面図にて示されている。この図に示される如く、排気熱回収システム70では、排気熱回収用熱交換器72とバイパス流路22を構成するバイパス管74とが並列して配置されている点で、第1の実施形態に係る排気熱回収システム10とは異なる。
図5(A)及び図5(B)に示される如く、排気熱回収用熱交換器72は、上下流端がそれぞれ円板状の管板76を貫通した複数のガス管78を有している。この排気熱回収用熱交換器72は、一対の管板76を略円筒形状のシェル80に嵌合保持させることで、ガス管78を通過する排気ガスと、シェル80内における一対の管板76間でかつガス管78の外側に形成された冷却水流路82を流れるエンジン冷却水との熱交換を行うようになっている。したがって、排気熱回収用熱交換器72の最外層は、冷却水流路82とされている。
シェル80内における一対の管板76の軸線方向外側部分には、排気ガスが分岐又は集合するヘッダ部とされている。シェル80の軸線方向両端は、それぞれコニカル状のレデューサ管84を介して排気管14に接続されている。また、エンジン冷却水入口ノズル42、エンジン冷却水出口ノズル44は、シェル80に上下流方向に離間して配置されている。
この実施形態では、排気熱回収用熱交換器72は、その上下流の排気系を構成する排気管14に対し略一直線状に配置されている。したがって、バイパス管74は、平面視で略コ字状に形成されており、排気熱回収用熱交換器72を跨ぐように排気管14に接続されている。流路切替バルブ24のバルブ52は、バイパス管74における排気熱回収用熱交換器72との分岐部近傍に配設されている。この実施形態では円板状に形成されたリンク部材60にはアクチュエータロッド58Bの先端が接続されており、アクチュエータ本体58Aは、排気熱回収用熱交換器72を挟んでバイパス管74とは反対側において、排気熱回収用熱交換器72と隣接して配置されている。
排気熱回収システム70の他の構成は、排気熱回収システム10の対応する構成と同じである。
以上説明した排気熱回収システム70では、アクチュエータ58が排気熱回収用熱交換器72に隣接して配置されているため、排気熱回収システム10と同様に、アクチュエータ58の温度上昇が抑制される。また、排気熱回収用熱交換器72の最外層が冷却水流路82であるため、アクチュエータ58の温度上昇がエンジン冷却水温程度に抑制される。さらに、アクチュエータ58は、排気熱回収用熱交換器72を挟んでバイパス管74とは反対側に配置されているため、該バイパス管74からの離間距離が大きく熱影響を受け難い。しかも、排気熱回収用熱交換器72がバイパス管74からアクチュエータ58への熱輻射経路を遮るように位置するため、該アクチュエータ58の温度上昇が効果的に抑制される。
図6には、本発明の第3の実施形態に係る排気熱回収システム90の要部が斜視図にて示されている。この図に示される如く、排気熱回収システム90は、略円柱状の外観を有する排気熱回収用熱交換器72に代えて、略直方体状の外観を有する排気熱回収用熱交換器92を備える点で、第2の実施形態に係る排気熱回収システム70とは異なる。
この排気熱回収用熱交換器92は、上下方向に対し幅方向(水平方向)が広い扁平形状に形成されている。詳細説明は省略するが、排気熱回収用熱交換器92の内部構造は、例えばガス管78の開口部と冷却水流路82とを隔てる一対の管板76に代えて矩形状の管板を設けることで、排気熱回収用熱交換器72と同様に構成することができる。
そして、排気熱回収システム90では、アクチュエータ58は排気熱回収用熱交換器92の扁平面92Aに隣接して配置されている。この実施形態では、扁平面92Aは車体上下方向(重力方向)の上向きの面とされており、アクチュエータ58は、排気熱回収用熱交換器92の扁平面92A上におけるバイパス管74から幅(水平)方向に離間した位置に配置されている。
排気熱回収システム90の他の構成は、排気熱回収システム70の対応する構成と同じである。したがって、第3の実施形態に係る排気熱回収システム90では、排気熱回収システム70と同様の作用によって、アクチュエータ58の温度上昇が抑制される。
なお、第3の実施形態における排気熱回収用熱交換器92を幅方向よりも上下方向に広い構成とし(略90°起立させ)、第2の実施形態の如く排気熱回収用熱交換器92を挟むバイパス管74の反対側にアクチュエータ58を配設するようにしても良い。この構成では、バイパス管74からアクチュエータ58への熱輻射経路がほぼ完全に排気熱回収用熱交換器92によって遮られる。
なお、上記各実施形態では、バルブ52がバイパス流路22における上流端側を開閉する例を示したが、本発明はこれに限定されず、例えば、バルブ52がバイパス流路22の下流端側を開閉するように構成しても良い。また、流路切替バルブ24は、単なる開閉弁(仕切弁)には限定されず、例えば、弁開度を調整し得る調節弁としても良い。
また、上記各実施形態では、アクチュエータ58がバキューム式アクチュエータである例を示したが、本発明はこれに限定されず、例えば、モータアクチュエータを用いても良い。
さらに、上記各実施形態では、アクチュエータ58がブラケットを介して排気熱回収用熱交換器18に固定された例を示したが、本発明はこれに限定されず、アクチュエータ58(の少なくとも一部)を車体側に支持させる構成としても良い。
さらにまた、上記各実施形態では、バイパス流路22を有する例を示したが、本発明はこれに限定されず、例えば、排気熱回収用熱交換器18、72、92を排気系の下流端(大気開放端)の近傍に設け、バルブ52によって排気熱回収用熱交換器18側とは独立した大気開放端を開閉するようにしても良い。
本発明の第1の実施形態に係る排気熱回収システムの要部を模式的に示す側断面図である。 本発明の第1の実施形態に係る排気熱回収システムを構成する排気熱回収用熱交換器を示す図であって、(A)は側断面図、(B)は図2(A)の2B−2B線に沿った断面図である。 本発明の第1の実施形態に係る排気熱回収システムの概略全体構成を示すシステムフロー図である。 本発明の第2の実施形態に係る排気熱回収システムの要部を模式的に示す一部切り欠いた平面図である。 本発明の第2の実施形態に係る排気熱回収システムを構成する排気熱回収用熱交換器を示す図であって、(A)は側断面図、(B)は図5(A)の5B−5B線に沿った断面図である。 本発明の第3の実施形態に係る排気熱回収システムの要部を模式的に示す斜視図である。
符号の説明
10 排気熱回収システム(熱交換器)
14 排気管(排気経路)
18 排気熱回収用熱交換器(熱交換器)
46 バイパス管(バイパス路)
52 バルブ
58 アクチュエータ
70・90 排気熱回収システム(熱交換器)
72・92 排気熱回収用熱交換器(熱交換器)
74 バイパス管(バイパス路)

Claims (5)

  1. 排気ガスの排出経路中に配設され、排気ガスと冷却媒体との熱交換を行うための熱交換器と、
    前記熱交換器を通過する排気ガスの割合を変化させ得るバルブと、
    前記熱交換器の外側に隣接して配置され、前記バルブを駆動するためのアクチュエータと、
    を備えた排気系熱交換器の配置構造。
  2. 前記熱交換器は、最外層が前記冷却媒体の流路とされている請求項1記載の排気系熱交換器の配置構造。
  3. 前記熱交換器は、前記排気ガスの排出経路中に前記熱交換器をバイパス可能に設けられたバイパス路を外周側から囲むように設けられており、
    前記アクチュエータは、前記熱交換器の外側に隣接して配置されている請求項1又は請求項2記載の排気系熱交換器の配置構造。
  4. 前記熱交換器は、前記排気ガスの排出経路中に前記熱交換器をバイパス可能に設けられたバイパス路に並列して配置されており、
    前記アクチュエータは、前記熱交換に対し前記バイパス路とは反対側に配置されている請求項1又は請求項2記載の排気系熱交換器の配置構造。
  5. 前記熱交換器は、前記排気ガスの排出経路中に前記熱交換器をバイパス可能に設けられたバイパス路に並列して配置されており、前記バイパス路から前記アクチュエータへの輻射熱を遮るように配置されている請求項1又は請求項2記載の排気系熱交換器の配置構造。
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