JP2008157211A

JP2008157211A - 排気熱回収装置

Info

Publication number: JP2008157211A
Application number: JP2006357391A
Authority: JP
Inventors: Hirohito Suzuki; 浩仁鈴木; Shuichi Hase; 周一長谷
Original assignee: Sango Co Ltd
Current assignee: Sango Co Ltd
Priority date: 2006-12-22
Filing date: 2006-12-22
Publication date: 2008-07-10

Abstract

【課題】
排気ガス径路の切替システムを具備する排気熱回収装置において、媒体温度に即応し熱回収／非回収の切替精度を向上させる。
【解決手段】媒体温度が所定の値以上になると伸長運動する温度作動アクチュエータを、熱交換器から排出直後の媒体に接触させて、弁体を一義的に連動させる。
【選択図】図１

Description

本発明は、内燃機関を搭載した車両などの排気系に設けられ、排気ガスの熱を回収し暖機などに供するための排気熱回収装置に関する。

従来、この種の排気熱回収装置としては、内燃機関の運転状態や媒体（冷却水）の温度に応じて排気ガス流路内の弁体を回動させ、熱交換器を経由する経路と迂回するバイパス経路とに切替制御できるものが知られている。このようにすることで、熱回収が必要な時のみ回収し、不必要時には排気ガスの流れを妨げないことを両立させている。

経路の切替制御には弁体を適宜回動させることが必要であるが、従来の複雑な電気駆動式制御システムに替え、排気ガス圧駆動の弁体と温度作動アクチュエータの組合せだけで切替制御する排気熱回収装置が、特許文献１にて提案されている。これは、切替システムが排気熱回収装置だけで完結している。また、特許文献２にも、感温素子の信号によって弁体作動機構を動かして切替制御する、排気熱回収装置が開示されている。

しかしながら、特許文献１に記載の排気熱回収装置は、排気ガス流量か媒体温度の少なくとも一方が所定の値以上になった際に弁体が開作動するので、媒体温度のみに追従し切替制御したい場合には対応困難である。例えば、媒体温度が所定値以下のためバイパス経路を閉塞しておきたい状況であっても、排気ガス流量が多くなると弁体が開いてしまう場合がある。あるいは、熱交換器に入る前の（熱回収前の）媒体温度に依拠して切替制御されるので、急激なガス流量増により熱回収量が急増しバイパス経路へ切り替えたい場合にタイミングが遅れる懸念がある。

また、特許文献２においては、感温素子と弁体を関連付け、熱交換器通過後の媒体温度信号に依拠して切替制御を行なう旨の記載はあるものの、感温素子や作動機構とはどのようなもので、信号がどのように弁体駆動に供されるのか一切開示が無く、電気的間接駆動と推定される駆動システムの詳細は不明である。

国際特許公開ＷＯ２００６／０９０７２５号公報特開昭５６−１４１０４１号公報

本発明は上記問題に鑑み、排気ガス経路の切替システムを具備する排気熱回収装置において、媒体温度に追従して確実に切替制御し、熱回収／非回収の切替精度を向上させることを目的とする。

上記課題を解決するために、１番目の発明では、排気ガスと熱交換を行なう熱交換器と、排気ガスが熱交換器を迂回するバイパス経路と、バイパス経路を開閉する弁体とを備える排気熱回収装置において、熱交換器から排出直後の媒体に接触する温度作動アクチュエータを備え、温度作動アクチュエータは媒体温度が所定の値以上になると伸長運動し弁体を開駆動するようにした。

２番目の発明では、１番目の発明において、弁体は温度作動アクチュエータの伸縮運動と一義的に連動して排気ガスの上流方向へ回転駆動される３方弁であって、温度作動アクチュエータの最伸長時にバイパス径路の上流開口を閉塞し最縮小時に熱交換器の入口を閉塞する。

３番目の発明では、１または２番目の発明において、温度作動アクチュエータは感温物質の体積変化により伸縮運動するサーモエレメントを具備し、サーモエレメントの感温部が媒体で包囲される。

本発明によれば、排気ガス径路の切替システムを具備する排気熱回収装置において、媒体温度に追従して確実に切替制御し、熱回収／非回収の切替精度を向上させることができる。

以下、図面を参照して本発明の排気熱回収装置について説明する。図１乃至図４は本発明の第１の実施形態による排気熱回収装置であり、図１は正面視、図２は側面視、図３は図２におけるＢ−Ｂ断面視、図４は図１におけるＡ−Ａ断面視を表す。図１紙面左側が排気ガス上流であって、排気ガスは図示しない上流側排気径路から上流開口３を経て排気熱回収装置１に流入し、下流開口５から下流側排気径路へ流出する。

排気熱回収装置１本体は、インレットコーン２，アウトレットコーン４，バイパスパイプ７，熱交換器６が、溶接等によって相互に気密に嵌合固定し構成される。インレットコーン２にはバイパスパイプ７と熱交換器６の上流端部が嵌合され、アウトレットコーン４にはバイパスパイプ７と熱交換器６の下流端部が嵌合される。そして、インレットコーン２とアウトレットコーン４の内側開口は、内壁４１，４２にてそれぞれ閉塞される。バイパスパイプ７と熱交換器６は間隙を有して略平行である。また、上流側排気径路と下流側排気径路が略同軸となるよう上流開口３及び下流開口５が設定され、その軸から偏芯してバイパスパイプ７が配される。

熱交換器６は図３及び図４に示すように、ケーシング３０内に偏平断面の９本の伝熱管３２が、その両端部を仕切板４０に液密に貫通固定され構成されている。偏平の伝熱管３２はその内部に極薄板状のフィン３３を内装し、流通する排気ガスとの接触面積を拡げており、熱交換器で一般的に使用される伝熱管である。そして、２枚の仕切板４０の間において、ケーシング３０内面と伝熱管３２外面とによって、媒体が流動するウオータージャケット３１が形成される。ウオータージャケット３１と連通しインレットパイプ８がケーシング３０に液密に固定され、ケーシング３０上部には連通管１６のフランジ１０が固定手段１１によって液密に固定されて、連通管１６内部は開孔３４を介してウオータージャケット３１と連通している。

このような構成の熱交換器６において、媒体たる冷却水はインレットパイプ８からウオータージャケット３１へ流入し、各伝熱管３２との熱交換を経て、開孔３４から連通管１６内へ流入する。なお、ケーシング３０上部の開孔３４は、気泡排出のため排気熱回収装置１の使用状態における鉛直上方に位置させることが好ましい。

連通管１６内を流通した冷却水は、温度作動アクチュエータ２０を構成するサーモエレメント３７とケーシング１７との間隙であるウオータージャケット３６へ流入する。サーモエレメント３７は、温度感応型の所謂応答弁（例えば、特開２００６−１４４９３６号公報参照）であって、ウオータージャケット３６へ流入する冷却水にサーモエレメント３７の感温部である胴部が接触し、一定以上の温度であれば内部の感温物質（パラフィンワックス）が膨張してロッド部１２を図１左方向に押し出し（伸長運動）、後述のように弁体４６を開駆動する。そして、ケーシング１７内の冷却水はアウトレットパイプ９より排出される。一方、冷却水が一定以下の温度となれば、サーモエレメント３７が具備するリターンスプリング（図示せず）にてロッド部１２は収縮運動し、最縮小時には原位置まで引き戻される。

ロッド部１２の先端はピン１４に枢動自在に軸支されており、ピン１４はクランク１３に固定され、クランク１３は弁体４６の支軸であるシャフト１５の端部に固定されている。したがって、サーモエレメント３７からロッド部１２が図１左方へ展伸されると、ピン１４，クランク１３を介してシャフト１５が右回りに回動し、弁体４６が開方向（排気上流方向）へと回動、すなわち、開駆動される。なお、クランク１３の長さ（アーム長）や弁体４６に対する設定角度は、ロッド部１２の移動量及び移動力に基づき、弁体４７の作動角及び作動トルクを勘案して設定すればよい。

バイパスパイプ７は外管２１と内管２２の間に空隙２３を有する二重構造で、内管２２の上流端が外管２１内面に固着されるとともに、下流端は空隙に緩衝部材（ワイヤメッシュ）４８が挟持され、内外管の熱膨張差が吸収される。外管２１の上流開口は図３における左上方向を指向して斜めに切断され、着座開口４７が形成されている。そして、着座開口４７を全面閉塞可能なように、弁体４６のシャフト１５が外管２２にて軸支されている。

インレットコーン２内面には、熱交換経路４９を区画するセパレータ４３が固定されている。セパレータ４３にはバーリング状の連通孔４４が穿設され、その先端には着座開口４５が形成される。そして、サーモエレメント３７の最伸長時には、弁体４６は図３において略水平の全開位置に至り、連通孔４４に密着して止る。すなわち、着座開口４５を閉塞することで熱交換経路４９の入口が閉塞され、排気ガスの流れはβへと切り替わってバイパス経路２４へ流れる。

一方、弁体４６が着座開口４７を閉塞する全閉状態（最縮小時）においては、排気ガス経路は熱交換器６を通過する熱交換経路４９に切り替わる。すなわち、このような弁体４６の３方弁的な開閉駆動は、前述のロッド部１２の伸縮運動と一義的に連動している。なお、弁体４６による着座開口４７の全閉状態においては、排気ガスが弁体４６に斜めに当たりセパレータ４３方面へ曲折されるので、排気ガスがスムーズに熱交換器６へと誘導されるとともに、動圧で弁体４６の着座密着度が向上して、バイパスパイプ７への漏洩を防止できる。

以上の構成によって、本実施形態においてどのように排気熱回収装置１が切替作動するかについて説明する。図３は、弁体４６が全閉となる直前状態であって、着座開口４７に密着する全閉時には排気ガスが熱交換経路４９へと誘導される。すなわち、熱回収状態である。インレットコーン２の導入孔３から流入した排気ガスは上述のようにα方向へとスムーズに誘導され、各伝熱管３２内を通過した後にアウトレットコーン４へ至り、下流開口５より下流側排気径路へ流出する。ウオータージャケット３１から出た直後にサーモエレメント３７に接触する冷却水温度が一定値以下である限り、この状態が維持される。

一方、サーモエレメント３７に接触する冷却水温度が一定値以上になると、ロッド部１２が展伸し弁体４６を排気上流方向へ回動（右回転）して、セパレータ４３に密着して止まるとともに連通孔４４を閉塞する。これによって排気ガスがβ方向に流れ、バイパス経路２４を流下する径路へと切り替わる。そして、冷却水温度が一定値以上である限り、この状態が維持される。

このように、熱交換器６に入る前の冷却水温度ではなく、熱交換を終えウオータージャケット３１から出た直後の冷却水温度によってサーモエレメント３７を駆動することにより、回収熱量に即応して排気経路切替が可能となる。すなわち、冷却水温度が所定値以下のため（排気ガス流量に関係なく）バイパス経路を閉塞維持したい運転状況であるとか、急激な排気ガス増で熱回収量が急増し直ちにバイパスさせる必要があるなどの運転状況であっても、冷却水温度の変化に即応した経路切替が実現される。

また、サーモエレメント３７の胴部全体をケーシング１７内に収納し、感温部分を冷却水で包囲接触されるようにしたので、確実に温度変化に対応できるとともにロッド部１２の展伸力も強化できる。

図５及び図６（ａ）は、本発明の第２の実施形態を示す。第１の実施形態のウオータージャケット内に、冷却水を強制誘導する誘導体５０を設置したものである。インレットパイプ８の延長方向に延出する誘導体５０の横断面はハット状で、伝熱管３２側に向かって凸部５１を形成しており、凸部５１内を冷却水が流れる。凸部５１は一端をインレットパイプ８に連通するとともに、ウオータージャケット５３との境界平面に複数の開孔５２を有する。そして、ハット状における凸部５１の両側には、平面部５３，５４がケーシング３０内面へ液密に固定されている。

熱回収時において、インレットパイプ８より凸部５１内へ流入した冷却水は、凸部５１内を流通する過程で適宜、複数の開孔５２からウオータージャケット５３内へ流れ出す。そして、冷却水はウオータージャケット５３内を分散して流れるとともに、各伝熱管３２と満遍なく接触する。複数の開孔５２の開孔面積や数や配置を適切にレイアウトすることで、各伝熱管３２で均一に熱交換するように冷却水流動を設定できる。結果として、全体の熱交換効率を向上させることも可能である。また、ウオータージャケットに冷却水が滞留や偏流して、熱交換効率が悪化することも防止できる。

図６（ｂ）は本発明の第３の実施形態を示し、誘導体の他の実施形態を示すものである。誘導体６０は第１の実施形態の誘導体５０と同様の断面であるが、開孔５２の代わりに複数本の排出路６２が、平面部６４に一体形成されている。排出路６２もハット断面で、一端を凸部６１に連通し他端には排出口６３が開いている。

熱回収時において、インレットパイプ８より凸部６１内へ流入した冷却水は、凸部６１内を流通しながら適宜、複数の排出路６２からウオータージャケット５２内へ流れ出る。そして、第２の実施形態と同様の作用効果を得る。更に、排出路６２の形状次第で排出口６３を所定方向へ３次元的に指向させる事が可能なので、ウオータージャケット５２内において優先的に分配させたい方向へ冷却水を指向させるチューニングも可能となる。

図６（ｃ）は本発明の第４の実施形態を示し、第１の実施形態の誘導体５０の他の実施形態を示すものである。誘導体７０は第１の実施形態の誘導体５０と同様の断面及び複数孔を有するが、同径の開孔５２に代わって異形の開孔７２を有するものである。

熱回収時において、第２の実施形態の作用効果に加えて、誘導体７０長手方向における冷却水流出配分を適宜チューニング可能となる。

図６（ｄ）は本発明の第５の実施形態を示し、第１の実施形態の誘導体５０の開孔５２の代わりに、凸部８１に切り起こしルーバー８２を一体形成したものである。

これにより、熱回収時において第３の実施形態と同様、冷却水分配の指向性を持たせるチューニングが可能となる。なお、熱交換器内に誘導体を設置するか否か、設置するのであれば上述の各誘導体の何れを採用するか等は、設計要求や製造要求を勘案し適宜選択すればよい。

以上、本発明の実施形態を説明してきたが、本発明は上述の実施形態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変更があっても本発明に包含される。例えば、サーモアクチュエータや伝熱管や弁体は本実施形態のものに限らず、公知のものを適宜援用すればよい。また、各構成部品の一体化や分割化も任意である。

本発明は、内燃機関を搭載した車両などの排気系に設けられ、排気熱を回収し暖機などに供するための、あらゆる種類の排気熱回収装置に適用できる。

第１の実施形態の構成を示す図である。第１の実施形態の構成を示す図である。第１の実施形態の構成を示す断面図である。第１の実施形態の構成を示す断面図である。第２の実施形態の構成を示す断面図である。第２乃至第５の実施形態の構成を示す図である。

符号の説明

１排気熱回収装置
２インレットコーン
３上流開口
４アウトレットコーン
５下流開口
６熱交換器
７バイパスパイプ
８インレットパイプ
９アウトレットパイプ
１０フランジ
１１固定手段
１２ロッド部
１３クランク
１４ピン
１５シャフト
１６連通パイプ
１７ケーシング
２０温度作動アクチュエータ
２１外管
２２内管
２３空隙
２４バイパス経路
３０ケーシング
３１ウオータージャケット
３２伝熱管
３３フィン
３４，３５，５２，７２開孔
３６ウオータージャケット
３７サーモエレメント
４０仕切板
４１，４２内壁
４３セパレータ
４４連通孔
４５，４７着座開口
４６弁体
４８緩衝材
４９熱交換経路
５０，６０，７０，８０誘導体
５１，６１，７１，８１凸部
５３，５４，６４平面部
６２排出路
６３排出口
８２切り起こしルーバー

Claims

排気ガスと熱交換を行なう熱交換器と、排気ガスが熱交換器を迂回するバイパス経路と、
バイパス経路を開閉する弁体とを備える排気熱回収装置において、
熱交換器から排出直後の媒体に接触する温度作動アクチュエータを備え、
該温度作動アクチュエータは、前記媒体温度が所定の値以上になると伸長運動し前記弁体を開駆動する、
ことを特徴とする排気熱回収装置。
前記弁体は、前記温度作動アクチュエータの伸縮運動と一義的に連動して排気ガスの上流方向へ回転駆動される３方弁であって、
前記温度作動アクチュエータの最伸長時に前記バイパス径路の上流開口を閉塞し最縮小時に前記熱交換器の入口を閉塞する、
ことを特徴とする請求項１に記載の排気熱回収装置。
前記温度作動アクチュエータは、感温物質の体積変化により伸縮運動するサーモエレメントを具備し、
該サーモエレメントの感温部が前記媒体で包囲される、
ことを特徴とする請求項１または２に記載の排気熱回収装置。