JP2007247554A - 排気熱回収装置 - Google Patents

Abstract

【課題】熱交換器に凝縮水が滞留することを防止することができる排気熱回収装置を得る。
【解決手段】排気熱回収システム１０は、排気管１４による排気ガスの排出経路中に配設され排気ガスとエンジン冷却水との熱交換を行うための排気系熱交換器１８と、上記排気ガスの排出経路における排気系熱交換器１８の下流に配設されたメインマフラ２０と、排気管１４とは独立して排気系熱交換器１８の排気ガス熱交換路３８とメインマフラ２０とを連通する凝縮排出用管５６とを備えている。
【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液との熱交換を行って排気熱を回収する排気熱回収装置に関する。

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冷媒排熱交換器と、該冷媒排熱交換器をバイパスするバイパス経路と、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開閉弁とを備えた暖房用の排気熱回収装置が知られている（例えば、特許文献１参照）。
特開２００５−１６４７７号公報 特開２００４−２９３３９５号公報 特開平５−７９７９１号公報

しかしながら、上記の如き従来の技術では、冷媒排熱交換器におけるエンジン冷却水との熱交換によって排気ガスが冷却されると凝縮水が生成され、この凝縮水が冷媒排熱交換器に滞留することが懸念される。冷媒排熱交換器に滞留した凝縮水は、例えば排気ガス流れの偏りに伴う熱交換性能低下の原因となる。

本発明は、上記事実を考慮して、熱交換器に凝縮水が滞留することを防止することができる排気熱回収装置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熱回収装置は、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、前記排気ガスの排出経路における前記熱交換器の下流に配設された消音器と、前記熱交換器の排気ガス流通部分と前記消音器とを前記排気ガスの排出経路とは独立して連通する凝縮水排出用管と、を備えている。

請求項１記載の排気熱回収装置では、排気ガスが熱交換器の排気ガス流通部位を流通しつつ冷却媒体との熱交換を行うと、排気ガスの熱が冷却媒体に回収される。この熱交換に伴って冷却された排気ガスからは、水分が凝縮されて凝縮水が生成される場合がある。ここで、本排気熱回収装置では、熱交換器の排気ガス流通部分と該排気ガス流通部分に対する排気ガス流れ方向の下流に配設された消音器とを、排気ガスの排出経路とは独立して連通する凝縮水排出用管を備えるため、該熱交換器の排気ガス流通部分と消音器との圧力差によって凝縮水が消音器側に吸い出されて熱交換器から排出される。これにより、凝縮水が熱交換器に滞留することが防止される。

このように、請求項１記載の排気熱回収装置では、熱交換器に凝縮水が滞留することを防止することができる。また、単に一端が大気開放された凝縮水排出用のドレンパイプを熱交換器に設けた構成のように排気音が増大する等の問題を生じることがない。

請求項２記載の発明に係る排気熱回収装置は、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、前記排気ガスの排出経路中に前記熱交換器に対し並列に設けられたバイパス路と、排気ガスが前記熱交換器を通過する状態と、排気ガスが前記バイパス路を通過する状態とを切り替えるための流路切替装置と、前記排気ガスの排出経路における前記熱交換器の下流に配設された消音器と、前記熱交換器と前記消音器とを前記排気ガスの排出経路とは独立して連通する凝縮水排出用管と、を備えている。

請求項２記載の排気熱回収装置では、例えば流路切替装置によって排気ガスの排出経路がバイパス路に切り替えられている状態では、排気ガスは熱交換器によって冷却されることなく大気中に排出される。また例えば、流路切替装置によって排気ガスの排出経路が熱交換器（の排気ガス流通部分）に切り替えられている状態では、排気ガスが熱交換器の排気ガス流通部位を流通しつつ冷却媒体との熱交換を行い、排気ガスの熱が冷却媒体に回収される。この熱交換に伴って冷却された排気ガスからは、水分が凝縮されて凝縮水が生成される場合がある。

ここで、本排気熱回収装置では、熱交換器の排気ガス流通部分と該排気ガス流通部分に対する排気ガス流れ方向の下流に配設された消音器とを排気ガスの排出経路とは独立して連通する凝縮水排出用管を備えるため、該熱交換器の排気ガス流通部分と消音器との圧力差によって凝縮水が消音器側に吸い出されて熱交換器から排出される。これにより、凝縮水が熱交換器に滞留することが防止される。

このように、請求項２記載の排気熱回収装置では、請求項１記載の排気熱回収装置では、熱交換器に凝縮水が滞留することを防止することができる。また、単に一端が大気開放された凝縮水排出用のドレンパイプを熱交換器に設けた構成のように排気音が増大する等の問題を生じることがない。

請求項３記載の発明に係る排気熱回収装置は、請求項２記載の排気熱回収装置において、前記熱交換器は、水平方向に沿った軸線を有する筒状に形成されており、前記バイパス路は、前記熱交換器の軸心部に配設された管によって形成されている。

請求項３記載の排気熱回収装置では、水平方向に沿って配置された管によって形成されたバイパス路の周囲を囲むように熱交換器が配設されており、全体としてコンパクトに構成されている。この筒状の熱交換器には、重力方向においてバイパス路（よりも下流に位置する排気ガス排出経路との合流部）よりも低位となる部分、すなわち凝縮水が滞留し易い部分が形成されている。ここで、本排気熱回収装置では、上記の通り凝縮水排出用管を備えるため、熱交換器自体は凝縮水が滞留し易い構造でありながら、該熱交換器の排気ガス流通部分における低所に凝縮水が滞留することが防止される。

請求項４記載の発明に係る排気熱回収装置は、請求項１乃至請求項３の何れか１項記載の排気熱回収装置において、前記凝縮水排出用管は、前記熱交換器の排気ガス流通部分における重力方向の低所と前記消音器とを連通している。

請求項４記載の排気熱回収装置では、凝縮水排出用管の上流側端部が熱交換器の排気ガス流通部分における重力方向の低所で開口しているため、凝縮水は、一時的に熱交換器に滞留しても、低圧側である消音器側に効果的に吸い出される。なお、排気ガス流通部分における重力方向の低所には、熱交換器全体としての低所の他に、例えば、排気ガス流通部分が上下（重力方向）に仕切られている場合の上側流通部分の下部（仕切壁の上）を含む。

請求項５記載の発明に係る排気熱回収装置は、請求項１乃至請求項４の何れか１項記載の排気熱回収装置において、前記熱交換器の排気ガス流通部分側の開口端よりも前記消音器側の開口端の方が重力方向の低位に位置している。

請求項５記載の排気熱回収装置では、凝縮水排出用管における業種縮水の排出方向下流側が上流側よりも低位に位置するため、圧力差だけでなく、高低差を利用して効果的に凝縮水を排出することができる。また、熱交換器と消音器とに圧力差が生じない（排気ガス流れがない）場合にも凝縮水を排出することも可能となる。

以上説明したように本発明に係る排気熱回収装置は、熱交換器に凝縮水が滞留することを防止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熱回収装置としての排気熱回収システム１０について、図１及び図２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。また、各図に示す矢印ＵＰ、矢印ＬＯは、重力方向（車体上下方向）の上側、下側をそれぞれ示すものとする。

図１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、この排気熱回収用熱交換器１８内には、排気ガスのバイパス流路２２、該バイパス流路２２を開閉するための流路切替装置としての流路切替バルブ２４が配設されており、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２に示される如く、排気熱回収用熱交換器１８は、それぞれ円筒状に形成されると共に同心円状に配置された内筒２６と外筒２８とを含み、排気ガス流通部を構成するシェル３０を備えている。さらに、シェル３０は、排気管１４よりも大径とされた外筒２８の上流端２８Ａと排気管１４における触媒コンバータ１６側に位置する部分とを接続するコニカル胴３２と、外筒２８の下流端２８Ｂと排気管１４における排気熱回収用熱交換器１８側に位置する部分とを接続するコニカル胴３４とを備えている。

このシェル３０の内部には、コニカル胴３２内の空間である排気ガス入口ヘッダ３６と、内筒２６と外筒２８との間に形成された円筒状空間である排気ガス熱交換路３８と、内筒２６の内部空間であり流路切替バルブ２４が配設された上記したバイパス流路２２と、コニカル胴３４内の空間である排気ガス出口ヘッダ４０とが形成されている。

そして、シェル３０の排気ガス熱交換路３８内には、冷却水管４２が配設されており、排気熱回収用熱交換器１８におけるエンジン冷却水の流通路である冷却水熱交換路４４を構成している。この実施形態では、冷却水管４２は、二重円筒の内側に円筒形状の冷却水熱交換路４４が形成された例を示しているが、例えば、多数の直管の集合体や１条若しくは複数条の螺旋管として構成されても良い。冷却水管４２は、冷却水流れ方向の上流側部分が外筒２８を貫通して設けられた入口ポート４６に接続されると共に、冷却水流れ方向の下流側部分が外筒２８を貫通して設けられた出口ポート４８に接続されている。この実施形態では、入口ポート４６は、出口ポート４８よりもシェル３０における下流側に配設されており、排気熱回収用熱交換器１８は向流型熱交換器とされている。

この排気熱回収用熱交換器１８では、流路切替バルブ２４が内筒２６（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熱交換路３８に流れることで熱交換機能を果たし、流路切替バルブ２４が内筒２６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、冷却水管４２が配設された排気ガス熱交換路３８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、流路切替バルブ２４が内筒２６を開放している場合には、排気ガス熱交換路３８には殆ど排気ガスが流れない構成とされている。

流路切替バルブ２４は、図示しない制御装置としてのＥＣＵによって制御され、例えば、エンジン１２の暖機促進要求がされた場合、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を閉止するようになっている。

一方、排気熱回収システム１０は、エンジン冷却水の熱を暖房用に回収するフロントヒータコア５０、リヤヒータコア５２、及びエンジン冷却水をフロントヒータコア５０、リヤヒータコア５２に循環させるヒータ温水路５４を備えている。フロントヒータコア５０とリヤヒータコア５２とは、並列に配置されている。そして、ヒータ温水路５４におけるリヤヒータコア５２の下流側に排気熱回収用熱交換器１８が配置されている。すなわち、ヒータ温水路５４におけるリヤヒータコア５２側に入口ポート４６が配置されると共に、ヒータ温水路５４におけるエンジン１２の上流側に出口ポート４８が配置されている。この実施形態では、排気熱回収用熱交換器１８は、エンジン冷却水の系統においては、フロントヒータコア５０に対し並列でかつリヤヒータコア５２に対し直列に配置されている。

したがって、排気熱回収システム１０では、図１のヒータ温水路５４上に示す矢印の通りエンジン冷却水が流れるようになっている。これにより、エンジン１２を通った高温の温水がフロントヒータコア５０及びリヤヒータコア５２を通る際に熱交換されて暖房に利用され、リヤヒータコア５２にて降温されたエンジン冷却水が排気熱回収用熱交換器１８に導入されて上記排気ガスと熱交換する構成である。排気熱回収用熱交換器１８を通過したエンジン冷却水は、フロントヒータコア５０を通過したエンジン冷却水と共にエンジン１２に戻されるようになっている。このように、排気熱回収用熱交換器１８は、例えば暖房機能の観点からは、エンジン１２によって加熱される前のエンジン冷却水を予熱する予熱器として機能する構成である。

そして、図１に示される如く、排気熱回収システム１０は、排気熱回収用熱交換器１８の排気ガス熱交換路３８（又は排気ガス出口ヘッダ４０）と排気熱回収用熱交換器１８とを連通する凝縮水排出用管５６を備えている。より具体的には、凝縮水排出用管５６は、排気管１４とは独立した管であって、上流端５６Ａが排気ガス熱交換路３８における下流端側（排気ガス出口ヘッダ４０との境界近傍）でかつ重力方向の低所（最低所の近傍）に開口すると共に、下流端５６Ｂが排気熱回収用熱交換器１８よりも下流に位置するメインマフラ２０の内部空間（拡張室）で開口している。

これにより、排気熱回収システム１０では、排気ガスの流通によって生じる排気ガス熱交換路３８とメインマフラ２０との圧力差によって、排気ガス熱交換路３８内で生成した凝縮水が凝縮水排出用管５６を経由してメインマフラ２０に吸い出される構成とされている。

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、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、ＥＣＵは流路切替バルブ２４を閉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の排気ガス熱交換路３８に導入される。排気ガス熱交換路３８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、エンジン冷却水を加熱させる。一方、排気ガスはエンジン冷却水との熱交換によって冷却されるので、排気ガス熱交換路３８内では排気ガス中の水分が凝縮して液化する。すなわち、凝縮水が生じる。このように排気ガス熱交換路３８内で生じた凝縮水の一部は、重力によって排気ガス熱交換路３８内の低所である下部に集合する。

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の排気ガス熱交換路３８とメインマフラ２０とを連通する凝縮水排出用管５６を備えるため、排気ガス熱交換路３８で生成された凝縮水は、排気ガス熱交換路３８とメインマフラ２０との圧力差によって、凝縮水排出用管５６を経由してメインマフラ２０に吸い出される。これにより、排気ガスとエンジン冷却水（特に低温時のエンジン冷却水）との熱交換によって排気ガス中の水分等が凝縮した場合でも、排気熱回収用熱交換器１８の排気ガス熱交換路３８に凝縮水が滞留することを防止することができる。

特に、排気管１４と同軸的に（一直線状に）配置されるバイパス流路２２を構成する内筒２６の径方向外側に排気ガス熱交換路３８が形成された排気熱回収用熱交換器１８では、該内筒２６（排気管１４）よりも下側部分に凝縮水が滞留し易いが、凝縮水排出用管５６を設けることで凝縮水を確実に排出する構造が実現された。これにより、バイパス流路２２を排気熱回収用熱交換器１８とは独立した（排気熱回収用熱交換器１８の側方に並列に配置された）管で構成した場合と比較して、排気熱回収システム１０を全体としてコンパクトに構成しながら、凝縮水の滞留を防止することができた。

また、排気ガス熱交換路３８における重力方向の低所に凝縮水排出用管５６の上流端を開口させているため、換言すれば、排気ガス熱交換路３８（排気熱回収用熱交換器１８）における凝縮水が溜まりやすい（集まる）部分から凝縮水を抜き出す構造としたため、凝縮水の滞留を一層効果的に防止することができた。

そして、凝縮水の滞留防止によって、例えば排気ガス熱交換路３８内での排気ガス流の偏りによる排気熱回収用熱交換器１８の熱交換性能の悪化も防止され、また例えば凝縮水の凍結によるエンジン１２の始動不良が防止される。さらに、シェル３０の腐食対策が不要となり安価な材料を使用して低コストで排気熱回収用熱交換器１８を得ることが可能となる。

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、排気熱回収用熱交換器１８に凝縮水が滞留することを防止することができる。また、凝縮水の排出先がメインマフラ２０であるため、凝縮水を排気ガスと共に大気中に直接排出するためのドレンパイプを熱交換器に設けた構成のように排気音が増大する等の問題を生じることがない。

次いで、本発明に第２の実施形態に係る排気熱回収システム６０について、図３に基づいて説明する。この図に示される如く、排気熱回収システム６０は、凝縮水排出用管５６に代えて凝縮水排出用管６２を備える点で、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。

凝縮水排出用管６２は、上流端６２Ａの排気ガス熱交換路３８内での開口位置は、凝縮水排出用管５６の上流端５６Ａと同様に排気ガス熱交換路３８の下流端でかつ低所（最低所の近傍）であり、また下流端６２Ｂのメインマフラ２０内で開口位置は、上流端６２Ａに対し重力方向に低位とされている。すなわち、図３に示される如く、凝縮水排出用管６２の上流端６２Ａと下流端６２Ｂとには、高位差ΔＨが設定されている。また、この実施形態では、凝縮水排出用管６２は、上流端６２Ａから下流端６２Ｂに向けて重力方向上向きの流路が形成されないように、水平又は下り流路のみで構成されている。すなわち、凝縮水排出用管６２は、その中間部に凝縮水貯り形状が形成されない構成である。

排気熱回収システム６０の他の構成は、排気熱回収システム１０における対応する構成と同じである。

したがって、第２の実施形態に係る排気熱回収システム６０によっても第１の実施形態に係る排気熱回収システム１０と同様の作用によって同様の効果を得ることができる。また、排気熱回収システム６０では、凝縮水排出用管６２の凝縮水排出端である６２Ｂが上流端６２Ａよりも低位とされているため、排気ガス熱交換路３８と排気熱回収用熱交換器１８との圧力差による凝縮水の排出作用を得ることに加えて、上流端６２Ａと下流端６２Ｂとの高低差ΔＨを利用して凝縮水を排出することができる。これにより、例えばエンジン１２の停止中や流路切替バルブ２４によるバイパス流路２２の開放中等、排気ガス熱交換路３８に排気ガスが流れない場合等にも排気熱回収用熱交換器１８から凝縮水を排出することができる。

なお、上記実施形態では、バイパス流路２２が排気熱回収用熱交換器１８を構成する内筒２６内に形成された例を示したが、本発明はこれに限定されず、例えば、バイパス流路２２を排気熱回収用熱交換器１８の側方に並列して配置した管によって構成しても良い。

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側断面図である。 本発明の第２の実施形態に係る排気熱回収システムの概略全体構成を示すシステムフロー図である。

符号の説明

１０ 排気熱回収システム
１４ 排気管（排気ガスの排気経路）
１８ 排気熱回収用熱交換器（熱交換器）
２０ メインマフラ（消音器）
２２ バイパス流路
２４ 流路切替バルブ（流路切替装置）
２６ 内筒（熱交換器の軸心部に配設された管）
３８ 排気ガス熱交換路（熱交換器の排気ガス流通部分）
５６ 凝縮水排出用管
６０ 排気熱回収システム
６２ 凝縮水排出用管

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、
   前記排気ガスの排出経路における前記熱交換器の下流に配設された消音器と、
   前記熱交換器の排気ガス流通部分と前記消音器とを前記排気ガスの排出経路とは独立して連通する凝縮水排出用管と、
   を備えた排気熱回収装置。
2. 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、
   前記排気ガスの排出経路中に前記熱交換器に対し並列に設けられたバイパス路と、
   排気ガスが前記熱交換器を通過する状態と、排気ガスが前記バイパス路を通過する状態とを切り替えるための流路切替装置と、
   前記排気ガスの排出経路における前記熱交換器の下流に配設された消音器と、
   前記熱交換器と前記消音器とを前記排気ガスの排出経路とは独立して連通する凝縮水排出用管と、
   を備えた排気熱回収装置。
3. 前記熱交換器は、水平方向に沿った軸線を有する筒状に形成されており、
   前記バイパス路は、前記熱交換器の軸心部に配設された管によって形成されている請求項２記載の排気熱回収装置。
4. 前記凝縮水排出用管は、前記熱交換器の排気ガス流通部分における重力方向の低所と前記消音器とを連通している請求項１乃至請求項３の何れか１項記載の排気熱回収装置。
5. 前記凝縮水排出用管は、前記熱交換器の排気ガス流通部分側の開口端よりも前記消音器側の開口端の方が重力方向の低位に位置している請求項１乃至請求項４の何れか１項記載の排気熱回収装置。

Images