JP2010024907A - 排気熱回収器 - Google Patents

Abstract

【課題】排気熱回収器において、排気熱の回収不要時の排気熱回収部への排気ガスの流れを抑制し、高温時の回収熱量を低減すること。
【解決手段】パンチングパイプ６の開口５を遮蔽する、バイパスパイプ４の後端とパンチングパイプ６の開口５との相対的な位置関係が、排気熱回収部３の冷却媒体に起因する熱膨張と排気ガス入口の排気ガス温度に起因する熱膨張との差により変化するにした。これにより、高負荷による排気ガスの温度上昇、および冷却水への受熱をラジエータ負荷から抑えたいときには、バイパスパイプ４が変位量Ｃをもって熱伸びする。
【選択図】図１

Description

本発明は、排気ガスの熱を冷却媒体に伝熱することで排気熱を有効に活用するために使用される排気熱回収器に関する。

一般に、内燃機関や燃焼装置等の排気管の途中に設けられ、必要時に内部流路を切り替えて、気体媒体や液体媒体へ排気ガスの熱を回収する熱交換器（以下、「排気熱回収器」という。）が知られている。

この排気熱回収器において、回収された熱は、冷却媒体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、最終的に暖房、各種機器の暖機、および油脂類の加熱等に供される。一方、熱回収不要時には、排気熱回収器内の流路を切り替えて排気ガスをバイパス流路へ誘導し、熱交換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。したがって、バイパス時においては、流路内に熱交換部がないことは勿論のこと、バイパス流路が太くストレートであることが望まれる。

この種の流路切換式排気熱回収器の構造としては、同軸状に配置された複数管間の環状空隙を流路とする、いわゆる多重管式が一般的である。

かかる多重管式排気熱回収器の典型的な例としては、特許文献１および２で提案されているものを挙げることができる。

特許文献１にて提案された多重管式排気熱回収器では、外筒と中間筒と内筒が同軸状に配されており、内筒内は第１の排気通路に、内筒と中間筒の間隙は第２の排気通路に、中間筒と外筒の間隙は冷却媒体通路に、それぞれ画定されている。そして、それらの上流側には、内筒前端を開閉自在な弁体が設けられ、閉塞時には排気ガスを熱回収路たる第２の排気通路へ主体的に誘導した後、小孔群から第１の排気通路内へ還流し排出する。一方、開放時には、排気ガスは、バイパス流路たる第１の排気通路へ主体的に誘導・排出される。熱回収の要否に応じて弁体を開閉回動して、流路が適宜選択される。

特許文献２にて提案された多重管式排気熱回収器では、外筒と内筒とが同軸状に配されており、内筒内は第１の排気通路に、内筒と外筒の間隙は第２の排気通路にそれぞれ画定されている。そして、螺旋管の冷却媒体通路が第２の排気通路内に設けられている。内筒下流端内には、弁体が開閉自在に配されており、内筒上流端には、小孔群が穿設されている。このような構成により、弁体閉塞時には排気ガスを熱回収路たる第２の排気通路へ主体的に誘導し、螺旋管状の冷却媒体通路に当てて、熱回収を行う。

ところが、特許文献１に記載の多重管式排気熱回収器においては、構造強度を中間筒が担うため厚肉化を避けられないが、熱交換効率を向上させるためには伝熱壁である中間筒を薄くしなければならないという背反を有し、効率的で高い強度の排気熱回収器を得難い。

また、特許文献２に記載の多重管式排気熱回収器においては、簡素な２重管構造であるものの、冷却媒体通路が螺旋管であるが故の問題を内包する。すなわち、高温の排気ガスは最上流の（１巻き目）螺旋には当たるがそれ以降は全面に当り難いため、熱交換効率が低い。したがって、この冷却媒体通路では、螺旋長や太さを増したとしても所望の熱回収は困難という問題がある。さらに、螺旋状の管を環状の第２の排気通路と干渉せぬよう固定し、両端を外筒に貫通させることは非常に製造困難であるとともに、ばね状物を脈動流体中に曝す構造は、振動破損を招くおそれがある。

そこで、特許文献３では、流路切換型の多重管式熱回収器において、軸方向へ延在する環状の冷却媒体通路を、外筒内面に固定した中間筒によって構成することによって、簡素な構造で熱回収効率を向上させるようにしている。
実開昭６３−１１０６１５号公報 実開昭６３−１１５５２０号公報 特開２００６−２５０５２４号公報

しかしながら、特許文献３に記載の排気熱回収器にあっては、ラジエータの熱負荷に関して、排気熱回収器の設定は、排気熱非回収時も少なからず冷却水に影響を与えてしまう。つまり、ラジエータの負荷増による冷却増分だけ電力消費に至り、実用の燃費に影響するという問題がある。加えて、周辺熱害などの配慮も必要となる。

これは、排気熱回収部への排気ガス導入口が常に一定面積開口しており、高負荷時には、高温ガスがこの開口から排気熱回収部に伝熱されるため、コンパクトな排気熱回収器を考えると、導入口から排気熱回収部までの距離を長く取ることが難しいからである。

本発明は、上記技術的課題に鑑みなされたもので、排気熱の回収不要時の排気熱回収部への排気ガスの流れを抑制し、高温時の回収熱量を低減し得る、排気熱回収器の提供を目的とする。

上記目的を達成するため、本発明にかかる排気熱回収器は、排気ガスの熱を冷却媒体に伝熱することで排気熱を有効に活用するために使用される排気熱回収器であって、内部に排気ガスの熱を冷却媒体に伝熱する熱交換部を有する排気熱回収部と、前端側を排気ガス入口とするバイパスパイプと、排気ガスを排気熱回収部へ導入するために多数の開口が形成されているパンチングパイプと、パンチングパイプの後端を開閉することにより排気ガスの回収／非回収を切り替える排気バルブとを含み、上記バイパスパイプは、排気流上流側で閉塞部材としてのエンドプレートに固定された状態で後方に延出され、上記パンチングパイプは、後端側が排気流下流側で上記排気熱回収部に固定された状態で前方に延出され、上記排気熱回収部の冷却媒体に起因する熱膨張と上記排気ガス入口の排気ガス温度に起因する熱膨張との差により、上記パンチングパイプの開口を遮蔽する、上記バイパスパイプの後端と上記パンチングパイプの開口との相対的な位置関係が変化する。

上記構成において、パンチングパイプの開口を遮蔽する、バイパスパイプの後端とパンチングパイプの開口との相対的な位置関係は、排気熱回収部の冷却媒体に起因する熱膨張と排気ガス入口の排気ガス温度に起因する熱膨張との差により変化する。それゆえ、早期に暖機させるために冷却媒体温度の上昇を促したい、冷間始動時には、バイパスパイプの温度が低いのでパンチングパイプの開口の有効領域面積を大きく取れるので、排気熱回収性能が向上する。一方、高負荷による排気ガスの温度上昇、および冷却媒体への受熱をラジエータ負荷から抑えたいときには、バイパスパイプが熱伸びするので、排気バルブの開放と合わせて、排気熱回収部への熱の回り込みが抑制され、回収熱量を低減することができる。

本発明によると、排気熱の回収不要時の排気熱回収部への排気ガスの流れを抑制し、高温時の回収熱量を低減することができる。

以下、本発明の実施の形態を添付図面に基づいて詳細に説明する。

[第１の実施の形態]
図１は本発明の第１の実施の形態にかかる排気熱回収器の内部構造を簡略化して示す図である。

図１を参照して、本実施の形態にかかる排気熱回収器１は、エンジンの排気ガスの熱を冷却水に伝熱することで排気熱を有効に活用するために使用されるものであって、内部に排気ガスの熱を冷却水に伝熱する熱交換部２ａ，２ｂを有する排気熱回収部３と、前端側を排気ガス入口とするバイパスパイプ４と、排気ガスを排気熱回収部３へ導入するために多数の微小な開口５が形成されているパンチングパイプ６と、パンチングパイプ６の後端を開閉することにより排気ガスの回収／非回収を切り替える排気バルブ７とを備えている。

熱交換部２ａ，２ｂには、それぞれ、冷却水流路が設けられている。これら熱交換部２ａ，２ｂは、間隔を隔てて内外に配置されている。これにより、内側熱交換部２ａとパンチングパイプ６との間には、内側排気ガス流路８ａが形成され、外側熱交換部２ｂと内側熱交換部２ａとの間には、外側排気ガス流路８ｂが形成される。

バイパスパイプ４は、排気流上流側（図1においてＡで示す箇所）で閉塞部材としてのエンドプレート９に固定された状態で後方に延出されている。一方、パンチングパイプ６は、後端側が排気流下流側（図1においてＢで示す箇所）で排気熱回収部３に固定された状態で前方に延出されている。そして、排気熱回収部３の冷却水に起因する熱膨張と排気ガス入口の排気ガス温度に起因する熱膨張との差により、パンチングパイプ６の開口５を遮蔽する、バイパスパイプ４の後端とパンチングパイプ６の開口５との相対的な位置関係が変化するようになっている。

また、バイパスパイプ４は、図示しない前側接続管に接続されるが、パンチングパイプ６は、バイパスパイプ４に対してリング状のメッシュ構造を有する保持部材１０で支持されている。さらに、バイパスパイプ４の肉厚は、パンチングパイプ６に比して薄肉とされている。

排気バルブ７は、バルブ軸１１に開閉自在に支持され、その開閉動作は、図示しないサーモアクチュエータにより行なわれる。

ここで、本排気熱回収器１において行なわれる排気ガスの熱回収について説明する。

エンジンから排出された排気ガスがバイパスパイプ４内を流れているときに、図1（ａ）に示すように、排気バルブ７が閉じられると、バイパスパイプ４を通過していた排気ガスは、矢印で示すように、パンチングパイプ６の開口５を通過して、内側熱回収排気ガス流路８ａへ導入され矢印の方向へ向かって流れる。内側熱回収排気ガス流路８ａを流れる排気ガスは、内側熱交換部２ａ内の冷却水との間で熱交換を行なった後、エンドプレート９内で反転して外側熱回収排気ガス流路８ｂへ導入される。

同様に、外側熱回収排気ガス流路８ｂ内を流れる排気ガスも、内側熱交換部２ａおよび外側熱交換部２ｂ内の冷却水との間で熱交換を行ないつつ、外側熱回収排気ガス流路８ｂを通り抜ける。その後、排気ガスは、下流側の排気系構成部材へと排出される。

本排気熱回収器１で排気ガスの熱を回収しない場合や、本排気熱回収器１で回収する熱量を抑える場合は、図１（ｂ）に示すように、排気バルブ７が開放される。排気バルブ７が開放されると、バイパスパイプ４の開口５を通じて、内側熱回収排気ガス流路８ａへ導かれていた排気ガスの大部分が、矢印で示すように、バイパスパイプ４を通過して、パンチングパイプ６の後端から下流側の排気系構成要素へ排出される。

ところで、上述したように、パンチングパイプ６の開口５を遮蔽する、バイパスパイプ４の後端とパンチングパイプ６の開口５との相対的な位置関係は、排気熱回収部３の冷却水に起因する熱膨張と排気ガス入口の排気ガス温度に起因する熱膨張との差により変化する。

それゆえ、早期に暖機させるために冷却水温度の上昇を促したい、冷間始動時には、バイパスパイプ４の温度が低いのでパンチングパイプ６の開口５の有効領域面積を大きく取れるので、排気熱回収性能が向上する。

一方、高負荷による排気ガスの温度上昇、および冷却水への受熱をラジエータ負荷から抑えたいときには、バイパスパイプ４が、図1（ｂ）に示すように、変位量Ｃをもって熱伸びするので、排気バルブ７の開放と合わせて、排気熱回収部３への熱の回り込みが抑制され、回収熱量を低減することができる。

ちなみに、図３に示すように、Ｅを基準としたＦの伸び（Ｅ〜F）、Ｆを基準としたＧの伸び（Ｆ〜Ｇ）およびＥを基準としたＨの伸びは、以下の式で求められる。

（１）Ｅを基準としたＦの伸び（Ｅ〜F）
（長さ）３００ｍｍ×（平均温度）８０℃×（熱膨張率）１．２×１０^-5
＝０．２９ｍｍ
（２）Ｆを基準としたＧの伸び（Ｆ〜Ｇ）
（長さ）２０ｍｍ×（平均温度）５００℃×（熱膨張率）１．２×１０^-5
＝０．１２ｍｍ
（３）Ｅを基準としたＨの伸び
（長さ）３００ｍｍ×（平均温度）８００℃×（熱膨張率）１．２×１０^-5
＝２．８８ｍｍ
上記（１）〜（３）より、バイパスパイプ４の伸び時、開口５の相対変位量は、（３）−（（１）−（２））＝２．８８ｍｍ−０．２９ｍｍ＋０．１２mm＝２．７１ｍｍとなる。

また、バイパスパイプ４をリング状のメッシュ構造を有する保持部材１０でパンチングパイプ６と接触支持することで、直接伝熱が避けられるので、さらに急激な冷却水の温度上昇を抑えることができる。

さらに、バイパスパイプ４の肉厚をパンチングパイプ６に比して薄肉とすることで、熱容量自体を低減でき、この点においても、さらに急な冷却水の温度上昇を抑制できる。

[第２の実施の形態]
図３は本発明の第２の実施の形態にかかる排気熱回収器の内部構造を簡略化して示す図である。

図３を参照して、本実施の形態にかかる排気熱回収器１の特徴は、バイパスパイプ４とパンチングパイプ６との間に生じるギャップ（隙間）に、触媒マットのような断熱材２０を介在させた点にあり、その他の構成は第１の実施の形態と同様である。

なお、本実施の形態において、バイパスパイプ４とパンチングパイプ６との間に生じるギャップの全領域に断熱材２０を介在させてもかまわない。

本実施の形態によると、第1の実施の形態と同様の作用・効果を奏することに加えて、以下の作用・効果を奏する。

バイパスパイプ４とパンチングパイプ６との間に生じるギャップに断熱材２０を配置しているので、内部空気の対流に起因する熱伝導を抑止できる。そのため、排気ガスバイパス（排気ガス非回収）時に熱交換部２ａ，２ｂへの熱伝導が抑制される。

[第３の実施の形態]
図４は本発明の第３の実施の形態にかかる排気熱回収器の内部構造を簡略化して示す図である。

図４を参照して、本実施の形態にかかる排気熱回収器１の特徴は、バイパスパイプ４と前側接続管３０との接続部を２重管構造にした点にあり、その他の構成は第２の実施の形態と同様である。

本実施の形態によると、第２の実施の形態と同様の作用・効果を奏することに加えて、以下の作用・効果を奏する。

バイパスパイプ４と前側接続管３０との接続部を２重管構造とすることにより、排気熱回収時の排気ガス温度の放射冷却を抑えつつ、高負荷時には、パンチングパイプ６の温度上昇も抑えることができる。

[第４の実施の形態]
図５は本発明の第４の実施の形態にかかる排気熱回収器の内部構造を簡略化して示す図である。

図５を参照して、本実施の形態にかかる排気熱回収器１の特徴は、バルブ軸１１の軸ケース４０を排気流下流側に向かって開放した円弧形状とし、この円弧形状をなす軸ケース４０を排気熱回収部３の直後に所定の間隔を隔てて近接配置し、それによってバルブ軸１１を半円状に覆った点にあり、その他の構成は実施の形態と同様である。

本実施の形態によると、第３の実施の形態と同様の作用・効果を奏することに加えて、以下の作用・効果を奏する。

回収直後の排気ガスがバルブ軸１１および軸ケース４０に集中して当たるため、バルブ軸１１周りが高温にさらされない。

また、排気ガス非回収時も、排気熱回収部３に軸ケース４０（バルブ軸１１周り）が近接しているので、排気バルブ７の開口付近に比べ温度を低く抑えることができる。

さらに、回収器出ガス直下のバルブ軸１１は、軸ケース４０で半円状に覆われているので、出ガス中の凝縮水を軸ケース４０でさえぎり、バルブ軸１１が被水するのを防止できる。

[排気熱回収器１の冷却水出口側の水配管構造]
図６は排気熱回収器の冷却水出口側の水配管構造を簡略化して示す図である。なお、この図では、第１の実施の形態にかかる排気熱回収器を適用した例を示しているが、他の実施の形態２〜４にかかる排気熱回収器を適用してもよいことは云うまでもない。

図６を参照して、この排気熱回収器１の冷却水出口側の水配管構造は、通常、車両は、車両中央に床下トンネル５０を有していることに着目したものであって、このトンネル５０内面を覆うインシュレータ５１の下部に排気熱回収器１を含む排気系５２が配置されてなる。

具体的には、排気熱回収器１の出口水配管５３を排気熱回収器本体の上部から上方に延出させるともに、出口水配管５３が接続されるアウト管５４を車両前方に向かって上向きに配索させ、さらに、出口水配管５３とアウト管５４とは、ともにインシュレータ５１の下でほぼ平行に排気管５５と並んで配索されている。

このような配管構造とすることで、冷却水の大気冷却を低減でき、かつ、安定した上向き配索を実現できる。

なお、本発明は上記実施の形態に限定されるものではなく、本明細書に添付の特許請求の範囲内での種々の設計変更および修正を加え得ることは勿論である。

本発明の第１の実施の形態にかかる排気熱回収器の内部構造を簡略化して示す図である。 バイパスパイプの伸び時、開口の形成部の相対変位量の計算基準点などを示す図である。 本発明の第２の実施の形態にかかる排気熱回収器の内部構造を簡略化して示す図である。 本発明の第３の実施の形態にかかる排気熱回収器の内部構造を簡略化して示す図である。 本発明の第４の実施の形態にかかる排気熱回収器の内部構造を簡略化して示す図である。 排気熱回収器の冷却水出口側の水配管構造を簡略化して示す図である。

符号の説明

１ 排気熱回収器
２ａ，２ｂ 熱交換部
３ 排気熱回収部
４ バイパスパイプ
５ 開口
６ パンチングパイプ
９ エンドプレート

Claims (1)

1. 排気ガスの熱を冷却媒体に伝熱することで排気熱を有効に活用するために使用される排気熱回収器であって、
   内部に排気ガスの熱を冷却媒体に伝熱する熱交換部を有する排気熱回収部と、
   前端側を排気ガス入口とするバイパスパイプと、
   排気ガスを排気熱回収部へ導入するために多数の開口が形成されているパンチングパイプと、
   パンチングパイプの後端を開閉することにより排気ガスの回収／非回収を切り替える排気バルブとを含み、
   上記バイパスパイプは、排気流上流側で閉塞部材としてのエンドプレートに固定された状態で後方に延出され、
   上記パンチングパイプは、後端側が排気流下流側で上記排気熱回収部に固定された状態で前方に延出され、
   上記排気熱回収部の冷却媒体に起因する熱膨張と上記排気ガス入口の排気ガス温度に起因する熱膨張との差により、上記パンチングパイプの開口を遮蔽する、上記バイパスパイプの後端と上記パンチングパイプの開口との相対的な位置関係が変化することを特徴とする排気熱回収器。

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