JP2009535554A - 排気系のための逆流熱交換器 - Google Patents

Abstract

排気系は、吸気室と排気室とを分離する板を有する逆流熱交換器を含み、各室は、入口及び出口を通じる流れを許容するよう両側に配置される入口及び出口を有する。板は、入口又は出口の近傍で板の端部に接続される翼部を含み得る。翼部は、吸気室入口付近で流体流への抵抗を減少するよう構成される。排気系は、吸気室から排気流を受け取り、排気流をさらに加熱し、排気流を排気室に戻すよう構成される、燃焼室のような加熱マニフォルドを含む。系の実施態様は、触媒コンバータ及び／又はマフラとして追加的に機能するよう構成され得る。

Description

本発明は、一般的には、排気制御に関し、より具体的には、排気流内の粒子を減少するためのシステムに関する。

燃料が不完全に燃焼するとき、粒子及び炭化水素のような汚染物が大気中に解放される。米国環境保護庁は、例えば、ディーゼルトラック、動力装置(power plant)、機関（エンジン）、自動車、及び、オフロード車両が大気中に解放し得る汚染物の量を制限する規制を通過した。

現在、業界は、それらの排気系に集塵装置、触媒コンバータ、及び、粒子トラップを加えることによって、これらの規制に従うことを試みている。しかしながら、これらの解決策は、機関又は燃焼系に加えられる背圧を増大し、性能を減少する。加えて、集塵装置及び粒子トラップは、それら自体が詰まるようになり、背圧を最小限化するために定期的な洗浄を必要とする。

例えば、粒子トラップ(trap)又はフィルタベッド(filter bed)を定期的に洗浄するために、放射線源及びヒータが排気系内で使用されている。他の解決策は、フィルタベッド内で粒子を燃焼するよう、排気がフィルタベッドに入るときに、フィルタベッド又は排気流内に燃料を噴射することを含む。しかしながら、フィルタベッドは高温に敏感であり得るし、放射線源及びヒータは定期的に停止されなければならない。

排気系は、平面を定め且つ排気室と吸気室とを分離する板を含む逆流熱交換器を含む。熱交換器の各室は、入口及び出口を有し、入口及び出口は、それらの間の流れを許容するよう両側に配置される。排気系は、逆流熱交換器に結合され且つ吸気口入口と流体連絡する第一マニフォルドも含む。第一マニフォルド内に配置される翼部が、吸気室入口付近で流体流に対する抵抗を減少するよう、吸気室入口に対して位置付けられる。排気系は、吸気室からの排気を受け取り、排気を加熱し、且つ、排気を排気室に戻す加熱マニフォルドも含み得る。一部の実施態様では、加熱マニフォルドは、排気内の粒子を燃焼するための燃焼室である。これらの実施態様において、排気系は、粒子を少なくとも点火温度に加熱するための放射線源も含み得る。

他の例示的な排気系は、第一マニフォルドと、第一マニフォルドに結合される逆流熱交換器とを含む。ここで、逆流熱交換器は、横断平面を定め、多数の室を分離する平行な板を含み、各室は、入口及び出口を有する。これらの室は、一組の排気室と交互する一組の吸気室を含み、吸気室の入口は、第一マニフォルドと流体連絡し、吸気室の出口は、排気室の入口と流体連絡する。排気系は、さらに、吸気室の出口と排気室の入口との間に流体連絡をもたらすよう逆流熱交換器に結合される加熱マニフォルドを含み得る。

内燃機関と、上述の排気系とを含む車両も提供される。排気系は、マフラ及び触媒コンバータの一方又は双方として作用し得る。

排気系は、排ガスによって運ばれる粒子を燃焼するための燃焼室のような排ガスを加熱するための手段に結合される逆流熱交換器を含む。逆流熱交換器は、加熱手段を通過した後に排ガスからの熱を回収し、加熱手段に入る排ガスに熱を移転する。熱回収は、排気系のエネルギ効率を増大し、以下に記載されるようなさらなる利点をもたらす。

図１及び図２は、例示的な排気系１００の上面図及び正面図をそれぞれ示している。排気系１００は、例えば、車両、動力装置、又は、暖炉の一部として概ね適用可能であり且つ含められ得る。図１及び図２に描写された実施態様は、板１２０（板が熱交換器１１０の内部にあることを表示するよう破線で示されている）によって分離された２つの室を含む逆流熱交換器１１０を含む。熱交換器１１０の１つの室は、第一マニフォルド２２０と燃焼室１３０との間で流体連絡している。熱交換器１１０の第二の室は、燃焼室１３０と第二マニフォルド２３０との間で流体連絡している。熱交換器１１０内の室は、以下により詳細に記載される。板１２０と、燃焼室１３０と、マニフォルド２２０，２３０とを含む熱交換器１１０は、排気系１００の動作温度にある排ガスに耐え得る如何なる適切な材料をも使用して構成され得る。適切な材料は、ステンレス鋼、チタン、及び、セラミックスを含む。板１２０は、室間の良好な熱移転をもたらすよう、金属のような高い熱伝導率を備える材料で構成される。

動作中、ディーゼルエンジンのような源からの排ガス２１０は、マニフォルド２２０に入り、熱交換器１１０を通じて燃焼室１３０に向けられる。例証されている実施態様では、排気中の粒子は、燃焼室１３０内で燃焼され、排ガスの温度を著しく上昇する。粒子の燃焼は、燃焼室１３０に取り付けられる放射線源１４０によって促進される。適切な放射線源１４０及び燃焼室１３０のための設計は、２００６年４月１４日に出願された“Ｐａｒｔｉｃｌｅ Ｂｕｒｎｉｎｇ ｉｎ ａｎ Ｅｘｈａｕｓｔ Ｓｙｓｔｅｍ”と題する米国特許出願第１１／４０４，４２４号に記載されている。

加熱された排ガス２４０は、燃焼室１３０を出て、熱交換器１１０に戻って進み、マニフォルド２３０を通じて排気系１００を出る。熱交換器１１０内では、燃焼室１３０から出る熱いガス２４０からの熱は、板１２０を通じて、マニフォルド２２０から、入ってくる排ガス２１０に移転される。入ってくる排ガス２１０を加熱するために粒子の燃焼の残留熱を使用することによって、排気系１００は、より少ないエネルギを利用する。熱交換器１１０の他の利点は、ここにおいて議論される。

図１及び図２に例証されている実施態様は燃焼室１３０を含むが、本発明は燃焼室を含む排気系に限定されないことが理解されよう。熱交換器１１０は、排ガスの温度を上げるために、何らかの加熱源に結合されなければならないが、燃焼室１３０は、１つの実施例であるに過ぎない。燃焼室１３０は、例えば、抵抗加熱素子によって加熱される物質上に支持される触媒材料を含む触媒コンバータと置換され得る。一般的な言い方をすると、燃焼室１３０は、熱交換器１１０の吸気室３１０からの排ガスを加熱し且つ熱交換器１１０の排気室４１０に排ガスを戻す加熱マニフォルドの一例である。

図３及び図４は、排気系１００の断面図である。図３では、断面３００は、吸気室３１０を通じて図１の断面３−３に沿って取られている。吸気室３１０は、板１２０と、熱交換器１１０の外壁（この視野では見えない）と、外壁と板１２０との間の適切な間隔を維持する２つのスペーサ３２０との間に形成されている。スペーサ３２０間の開口は、吸気室３１０の入口３３０及び出口３４０を形成している。入口３３０及び出口３４０は、吸気室３１０とマニフォルド２２０と燃焼室１３０との間の流体連絡をそれぞれもたらしている。

断面３００は、図３中の縁部から見られるとき、熱交換器１１０の長手軸に沿って熱交換器を二分する、横断平面３５０によって特徴付けられる。この実施態様において、入口３３０は、横断平面３５０より下にあり、出口３４０は、横断平面３５０より上にある。入口３３０及び出口３４０を横断平面３５０の両側に配置することは、排ガスを吸気室３１０の対角に横断させる。

図４では、断面４００が、排気室４１０を通じて図１の断面４−４に沿って取られている。排気室４１０は、板１２０（この視野では見えない）と、熱交換器１１０の他の外壁と、２つのスペーサ３２０’との間に形成されている。上記同様、スペーサ３２０’間の開口は、燃焼室１３０及びマニフォルド２３０との流体連絡をそれぞれもたらす入口４２０及び出口４３０を形成している。様々な実施態様では、マニフォルド２２０及び２３０は、マニフォルド２２０及び２３０の間の流体連絡を防止するよう構成される、横断平面３５０と概ね整列される、バフル(baffle)４４０によって分離される連続的な管で構成される。これらの実施態様において、マニフォルド２２０及び２３０は、板１２０によって定められる平面とほぼ平行であり且つ横断平面３５０に対して垂直な共通の長手軸を共有する。

例証されている実施態様において、入口４２０は、横断平面３５０より下にあり、出口４３０は、横断平面３５０より上にある。吸気室３１０と同様、入口４２０及び出口４３０は、流体流が出口室４１０を横断して対角であるよう、横断平面３５０の両側にある。２つの室３１０，４１０の対角に沿って流体流を配置することは、ガス２１０及び２４０の間で熱を移転するより大きな機会をガス２１０及び２４０に提供する。

熱交換器１１０の一部の実施態様は、より一層大きな熱移転をもたらすよう、複数の交互の吸気室３１０及び排気室４１０を形成するために、複数の板１２０を含む。図１及び図２は、これらの実施態様の代表でもある。図５は、複数の板１２０を含む排気系１００の図２中の断面５−５に沿って取られた断面５００を示している。断面５００は、交互の吸気室５１０及び排気室５２０を形成する複数の板１２０を示しており、吸気室５１０は、マニフォルド２２０から排気を受け取るために開放されている。上記の室３１０，３２０と同様、室５１０，５２０のそれぞれは、スペーサ３２０によって分離された２つの板１２０によって形成されており、入口及び出口をもたらすよう、それらの間に開口を備える。これらの実施態様、並びに、単一の組の室３１０，４１０のみを備える実施態様では、熱交換器１１０の外壁も板１２０であり得る。熱交換器１１０を形成する１つの方法は、交互する板１２０及びスペーサ３２０の積重ねを組み立て、組立体を一体に溶接し或いはボルト締めすることである。

マニフォルド２２０は、吸気室入口３３０付近で流体流に対する抵抗を減少するよう吸気室入口３３０に対して配置される、１つ又はそれよりも多くの翼部も含み得る。例えば、翼部５３０は、図５中の板１２０から延在し得る。翼部５３０は、流体摩擦を減少するために、入口３３０のオリフィスサイズを効果的に増大し得る。様々な実施態様において、翼部５３０は、板１２０の端部に接合され得る。他の実施態様では、翼部５３０は、板１２０と一体的であり、熱交換器１１０を組み立てる前に、板１２０の端部を屈曲することによって形成され得る。

図６は、排気系１００の図２中の断面６−６に沿って取られた断面６００を示している。断面６００は、交互の吸気室５１０及び排気室５２０を形成する複数の板１２０を示しており、排気室５２０は、マニフォルド２２０に排気を排出するために開放されている。マニフォルド２３０も、排気室出口４３０付近で流体流に対する抵抗を減少するために出口室出口４３０に対して配置される、１つ又はそれよりも多くの翼部５３０を含み得る。例えば、翼部５３０は、図６に示されるように、板１２０の端部から延在する。様々な実施態様において、翼部５３０は、燃焼室１３０と連絡する吸気室出口３４０及び排気室入口４２０で、板１２０の端部からも延在する。

図７は、図１の排気系１００の断面７−７に沿って取られた断面７００を示している。断面７００は、複数の板１２０の真向き図を示しており、翼部５３０と、交互の吸気室入口３３０及び排気室出口４３０を形成する複数のスペーサ３２０とを含む。同様に図７中に描写されているのは、マニフォルド２２０及び２３０の間の流体連絡を防止するよう構成されたバフル４４０である。

図８及び図９は、排気系８００の他の例示的な上面図及び正面図をそれぞれ示している。排気系８００は、排気系１００と概ね類似しているが、熱交換器１１０の向きに関して相違している。具体的には、熱交換器は、熱交換器１１０の横断平面５３０が水平にではなくむしろ垂直に整列されるよう、マニフォルド２２０，２３０及び／又は燃焼室１３０に対して回転される。従って、バフル４４０も水平から垂直に回転される。

排気系１００，８００の一部の実施態様は、図９に示されるように、熱交換器１１０及び燃焼室１３０の周りに絶縁材９１０を含む。絶縁材の使用は、燃焼室１３０内で排ガスを加熱するのに必要とされるエネルギの量を減少する。より一般的には、絶縁材９１０は、熱交換器１１０、燃焼室１３０、及び、マニフォルド２２０のいずれにも、或いは、これらの構成部品の如何なる組み合わせにも適用され得る。

図１０及び図１１は、排気系８００の断面図である。図１０では、断面１０００が、吸気室３１０を通じて図９中の断面１０−１０に沿って取られており、図１１では、断面１１００が、排気室４１０を通じて図９中の線１１−１１に沿って取られている。前記のように、吸気室３１０及び排気室４１０は、板１２０と、熱交換器１１０の外壁と、スペーサ３２０との間に形成されている。スペーサ３２０間の空間が、入口３３０，４２０及び出口３４０，４３０を形成している。吸気室３１０は、マニフォルド２２０と燃焼室１３０との間で流体連絡している。排気室４１０は、燃焼室１３０とマニフォルド２３０との間で流体連絡している。様々な実施態様において、マニフォルド２２０及び２３０は、垂直バフル４４０によって分離される連続的な管で構成される。

熱交換器１１０は、再び、横断平面１０１０によって特徴付けられ、入口３３０は横断平面１０１０より下にあり、出口３４０は横断平面１０１０より上にある。同様に、入口４２０は、横断平面１０１０より下にあり、出口４３０は、横断平面１０１０より上にある。入口３３０，４２０及び出口３４０，４３０は、流体が室３１０，４１０を通じて対角に流れるよう、横断平面１０１０の両側にある。

図１２は、排気系８００のマニフォルド２２０内で断面１２−１２に沿って取られた断面１２００を示している。断面１２００は、交互の吸気室５１０及び排気室５２０を形成する複数の板１２０を示している。上記のように、各室５１０，５２０は、２つの板１２０とスペーサ３２０との間に形成されている。図１２は、板１２０の端部から延在し得る翼部５３０の多数の代替的な着想を示している。一部の実施態様において、翼部１２１０は、開口の両側に配置される。他の実施態様では、翼部１２２０は、球状であり得るし、翼部１２３０は、異なる長さであり得るし、翼部１２４０は、空力的形状であり得る。連続的な開口上の翼部５３０が、図５及び図６に示されるように、マニフォルド内に次第に延在するか、或いは、翼部１２２０，１２３０，１２４０の連続として延在するとき、翼部５３０は、「羽根化」(“feathered”)されると言われる。羽根化は、流体摩擦損失を減少するために、それぞれのマニフォルド内で流れを方向付けるのをさらに助ける。

図１３は、排気系８００の断面１３−１３に沿って取られた断面１３００を示している。断面１３００は、複数の板１２０を示しており、翼部５３０と、交互の吸気室入口３３０及び排気室出口４３０を形成する複数のスペーサ３２０とを含む。同様に描写されているのは、マニフォルド２２０及び２３０の間の流体連絡を防止するよう構成されたバフル４４０である。これらの実施態様において、マニフォルド２２０及び２３０は、別個ではあるが平行な長手軸を定めることが理解されよう。これらの軸は、板１２０によって定められる平面に対して垂直であり、横断平面３５０と平行である。

逆流熱交換器１１０の幾つかのさらなる利点が付記されなければならない。例えば、これらの熱交換器は自己洗浄型である。堆積物が板１２０の１つの内表面上に形成するならば、堆積物の周りの排ガスの流れに対する制限は、制限部で温度の局所的な上昇を引き起こしがちであることが理解されよう。究極的には、局所的な温度上昇は、体積材料の点火温度に達し、堆積物を焼失させる。熱交換器１１０の他の利点は、室３１０，４１０の被加熱表面が、室３１０，４１０を通じる流体流に対する抵抗を減少し、それによって、排気系１００を通じる水頭損失を減少することである。さらに、熱交換器１１０は、排ガスが連続的な開口を通過するときに排ガスが受ける膨張及び収縮の故に、音を消音する働きをし得ることが理解されよう。消音効果は、共振室として挙動するよう室の寸法を調整することによってさらに強化され得る。従って、熱交換器１１０は、車両に付いているマフラと置換し得る。

図１４は、ディーゼル機関のような内燃機関１４１０を含む車両１４００の概略図を示している。車両１４００は、機関１４１０から逆流熱交換器１４４０への排気パイプ１４３０と、燃焼室１４５０と、放射線源１４６０とを含む排気系１４２０も含む。車両１４００は、さらに、放射線源への電力を制御するためのコントローラ１４７０を含む。コントローラ１４７０は、例えば、機関が動作していないときに、電力が放射線源１４６０に行かないよう、機関１４１０に結合され得る。コントローラ１４７０は、機関１４１０動作条件に応答するようにも放射線源１４６０を制御し得る。さらに、コントローラ１４７０は、燃焼室１４５０内の条件に従って放射線源１４６０を制御もし得る。例えば、コントローラ１４７０は、燃焼室１４５０内の温度が自立燃焼反応を維持するほど十分に高いときに、放射線源１４６０に電力が行かないよう、燃焼室１４５０内の熱電対を監視し得る。

前述の明細書において、本発明はその特定の実施態様を参照して記載されているが、当業者は本発明がそれらに限定されないことを理解しよう。上述された本発明の様々な機能及び特徴は、個々に或いは共同で使用され得る。さらに、本発明は、本明細書のより広義の精神及び範囲から逸脱せずに、ここに記載されたものを越えて、如何なる数の環状及び用途においても利用され得る。従って、明細書及び図面は、制限というよりも、むしろ例証として考慮されるべきである。ここで使用されるような「含む」「包含する」及び「有する」の用語は、開放型専門用語として読まれることが特に意図されている。

本発明の実施態様に従った排気系内で粒子を燃焼するための例示的なシステムを示す上面図である。 本発明の実施態様に従った排気系内で粒子を燃焼するための例示的なシステムを示す正面図である。 図１及び図２に示されるシステムの吸気室を示す断面図である。 図１及び図２に示されるシステムの排気室を示す断面図である。 図２の線５−５に沿って取られた断面を示す断面図である。 図２の線６−６に沿って取られた断面を示す断面図である。 図１の線７−７に沿って取られた断面を示す断面図である。 本発明の他の実施態様に従った排気系内で粒子を燃焼するための例示的なシステムを示す上面図である。 本発明の他の実施態様に従った排気系内で粒子を燃焼するための例示的なシステムを示す正面図である。 図８及び図９に示されるシステムの吸気室を示す断面図である。 図８及び図９に示されるシステムの排気室を示す断面図である。 翼部の幾つかの代替的な実施を備える図８の線１２−１２に沿って取られた断面を示す断面図である。 図８の線１３−１３に沿って取られた断面を示す断面図である。 内燃機関と本発明の他の実施態様に従った排気系とを含む車両を示す概略図である。

Claims (27)

1. 平面を定め且つ排気室と吸気室とを分離する板を含む逆流熱交換器を含み、各室は、入口及び出口を有し、該入口及び出口は、それらの間の流れを許容するよう、両側に配置され、
   前記逆流熱交換器に結合され且つ前記吸気口入口と流体連絡する第一マニフォルドを含み、
   前記吸気室入口付近で流体流に対する抵抗を減少するよう前記吸気室入口に対して配置される前記第一マニフォルド内の翼部とを含む、
   排気系。
2. 前記熱交換器に結合され且つ前記排気室出口を通じて前記逆流熱交換器と流体連絡する第二マニフォルドをさらに含む、請求項１に記載の排気系。
3. 前記第一マニフォルド及び前記第二マニフォルドは、バフルによって接続され且つ分離される、請求項２に記載の排気系。
4. 前記第一マニフォルド及び前記第二マニフォルドは、前記板の平面とほぼ平行な共通の長手軸を共有する、請求項３に記載の排気系。
5. 前記第一マニフォルド及び前記第二マニフォルドは、前記板の平面に対してほぼ垂直な長手軸をそれぞれ定める、請求項３に記載の排気系。
6. 前記翼部は、前記板の端部から延在する、請求項１に記載の排気系。
7. 前記翼部は、丸められた端部を含む、請求項１に記載の排気系。
8. 前記吸気室出口及び前記排気室入口と流体連絡する加熱マニフォルドをさらに含む、請求項１に記載の排気系。
9. 前記加熱マニフォルド内に放射線を生成するよう構成される放射線源をさらに含む、請求項８に記載の排気系。
10. 前記逆流熱交換器は、熱絶縁層をさらに含む、請求項１に記載の排気系。
11. 複数の板をさらに含み、各板は、そこから延在する翼部を含み、該翼部は、羽根化される、請求項１に記載の排気系。
12. 第一マニフォルドと、
    該第一マニフォルドに結合される逆流熱交換器とを含み、
    該逆流熱交換器は、
    横断平面と、
    多数の室を分離する複数の平行な板とを含み、各室は、入口及び出口を含み、前記室は、一組の排気室と交互する一組の吸気室を含み、前記吸気室の前記入口は、前記第一マニフォルドと流体連絡し、前記吸気室の前記出口は、前記排気室の前記入口と流体連絡する、
    排気系。
13. 前記吸気室の前記入口は、前記横断平面より下に配置される、請求項１２に記載の排気系。
14. 前記吸気室の前記出口は、前記横断平面より上に配置される、請求項１３に記載の排気系。
15. 前記排気室の前記入口は、前記横断平面より下に配置される、請求項１４に記載の排気系。
16. 前記排気室の前記出口は、前記横断平面より上に配置される、請求項１５に記載の排気系。
17. 前記逆流熱交換器に結合される加熱マニフォルドをさらに含み、前記吸気室の前記出口は、前記加熱マニフォルドを通じて、前記排気室の前記入口と流体連絡する、請求項１２に記載の排気系。
18. 前記加熱マニフォルド内で放射線を生成するよう構成される放射線源をさらに含む、請求項１７に記載の排気系。
19. 前記逆流熱交換器に結合され且つ前記排気室出口を通じて前記逆流熱交換器と流体連絡する第二マニフォルドをさらに含む、請求項１２に記載の排気系。
20. 内燃機関と、
    該内燃機関の排気から粒子を除去するための排気系とを含み、
    該排気系は、
    第一マニフォルドと、
    該第一マニフォルドに結合され且つ多数の室を分離する複数の平行な板を含む逆流熱交換器とを含み、各室は、入口及び出口を有し、前記室は、一組の排気室と交互する一組の吸気室を含み、該吸気室の前記入口は、前記第一マニフォルドと流体連絡し、前記吸気室の前記出口は、前記排気室の前記入口と流体連絡する、
    車両。
21. 前記板から前記第一マニフォルド内に延在する複数の翼部をさらに含む、請求項２０に記載の車両。
22. 前記翼部は、羽根化される、請求項２０に記載の車両。
23. 前記逆流熱交換器に結合される燃焼室をさらに含み、前記吸気室の前記出口は、前記燃焼室を通じて、前記排気室の前記入口と流体連絡する、請求項２０に記載の車両。
24. 前記逆流熱交換器は、熱絶縁層をさらに含む、請求項２０に記載の車両。
25. 前記室は、共振室として作用するよう構成される、請求項２０に記載の車両。
26. 前記吸気室の前記出口と前記排気室の前記入口との間の流体連絡をもたらす加熱マニフォルドをさらに含む、請求項２０に記載の車両。
27. 前記加熱マニフォルドは、放射線源を含む燃焼室である、請求項２６に記載の車両。

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