JP2011214537A - 排気ガス熱回収装置 - Google Patents

Abstract

【課題】
排ガス熱回収装置の熱回収効率を向上させる。
【解決手段】
排ガス熱回収装置は、内部空間が第１排ガス通路１５となるインナーパイプ１０と、インナーパイプ１０の外周に配置されインナーパイプ１０との間に第２排ガス通路２５を形成してなるアウターシェル２０と、媒体パイプ５０とを備えている。媒体パイプ５０は、第２排ガス通路２５においてインナーパイプ１０を巻くようにして配置されたコイル部５１を有している。排ガスが第２排ガス通路２５を流れている時に、媒体パイプ５０を流れる媒体により排ガス熱を回収する。アウターシェル２０は、シェル本体２１と、このシェル本体２１の内周に固定された薄肉の内装筒２２とを有し、両者の間に断熱空気層２３が形成されている。内装筒２２の内周には、コイル部５１の隣接する巻き部分５１ａ間に位置する螺旋状の凸部２２ａが形成されている。
【選択図】 図１

Description

本発明は、内燃機関からの排気ガス熱を回収する装置に関する。

内燃機関の排気系の途中に設けられた排ガス熱回収装置は公知である。例えば特許文献１に開示された装置では、車両用のエンジンの始動時に、エンジンからの排ガス熱とエンジン冷却水の熱交換を行い（排ガス熱の回収を行ない）、エンジンを暖めてその始動を円滑に行うようになっている。

上記排ガス熱回収装置は、インナーパイプと、インナーパイプの外周に配置されたアウターシェルとを備えている。インナーパイプの内部空間が第１排ガス通路となっており、インナーパイプとアウターシェルとの間の空間が第２排ガス通路となっている。
上記インナーパイプとアウターシェルとの間、すなわち上記第２排ガス通路には、インナーパイプを巻くようにして水路パイプ（媒体パイプ）のコイル部が配置されている。

さらに上記排ガス熱回収装置は、インナーパイプの下流端に設けられた弁（切替手段）を備えている。この弁は、エンジンの通常運転時には開いていて排気ガスを第１排ガス通路に流すが、エンジンの始動時には閉じていて、排気ガスを第２排ガス通路に流し、この排ガス熱により水路パイプを通るエンジン冷却水を加熱するようになっている。

実開昭６３−１１５５２０号公報

特許文献１に開示された排ガス熱回収装置は、水路パイプがコイル部を有しているので、簡単な構成でありながら冷却水の流路長を長くすることができるが、第２排ガス通路での排ガスの流れに工夫が足りないため、排ガス熱の回収効率を向上させることができなかった。

特許文献１における第２排ガス通路での排ガスの流れについて詳しく説明する。第２排ガス通路は、水路パイプのコイル部の配置領域において、このコイル部の隣接する巻き部分間に形成された螺旋状の第１流路と、コイル部の外周とアウターシェルの内周との間に形成された第２流路とを有している。
上記第２流路は第１流路に比べて流通抵抗が小さいため、排ガスの大部分はこの第２流路を軸線方向に流れてしまい、良好な熱交換ができなかった。

本発明は、上記課題を解決するためになされてものであり、
ア．第１排ガス通路となる内部空間を有するインナーパイプと、
イ．上記インナーパイプの外周に配置されインナーパイプとの間に第２排ガス通路を形成してなるアウターシェルと、
ウ．上記第２排ガス通路において上記インナーパイプを巻くようにして配置されたコイル部を有する媒体パイプと、
エ．排ガスを上記第１排ガス通路と第２排ガス通路のいずれかに選択的に流す切替手段と、
を備え、上記第２排ガス通路が、上記媒体パイプのコイル部の配置領域において、コイル部の隣接する巻き部分間に形成された螺旋状の第１流路と、コイル部の外周と上記アウターシェルの内周との間に形成された第２流路を含み、
排ガスが上記第２排ガス通路を流れている時に、上記媒体パイプを流れる媒体により排ガス熱を回収するようにした装置において、
上記アウターシェルの内周には、上記コイル部の隣接する巻き部分間に位置する螺旋状の凸部が形成されていることを特徴とする。

上記構成によれば、上記アウターシェルに形成された螺旋状の凸部により、アウターシェル内周と媒体パイプのコイル部外周との間に形成された第２通路の流通抵抗を増大させることができる。そのため、排ガスが第２排ガス通路を選択的に流れている時、コイル部間の巻き部分間に形成された螺旋状の第１通路を流れる排ガスの割合を増大させることができ、媒体パイプのコイル部に沿って長い流路にわたって媒体と排ガスとの間で熱交換を行うことができる。その結果、排ガス熱の回収効率を向上させることができる。

好ましくは、上記アウターシェルが、シェル本体と、このシェル本体の内周に固定された内装筒とを有し、これらシェル本体と内装筒との間に断熱空気層が形成され、この内装筒の内周に上記螺旋状の凸部が形成されている。
この構成によれば、第２排ガス通路を通る排ガス熱の外部への放散を防ぐことができ、これにより、排ガス熱の回収効率をより一層向上させることができる。

好ましくは、上記内装筒は上記シェル本体の周壁よりも薄肉をなし、その加工変形により上記螺旋状の凸部が形成されている。
この構成によれば、内装筒が薄肉であり熱容量が小さいので、アウターシェルにより奪われる排ガスの熱量を減じることができ、これによって排ガス熱の回収効率をより一層向上させることができる。

好ましくは、上記媒体パイプのコイル部の内周と上記インナーパイプの外周との間に、クッション性、耐熱性を有するとともに装置の軸線方向に延びる細長い支持部材が、周方向に間隔をおいて複数介在されており、上記支持部材間に、上記第２排ガス通路の第３流路が形成されている。
この構成によれば、支持部材により媒体パイプのコイル部の振動を抑制することができるとともに、排ガスが支持部材間の第３流路を流れるのを許容してコイル部の内周部側を流れる媒体との間の熱交換を可能にする

好ましくは、上記媒体パイプのコイル部の内周と上記インナーパイプの外周との間に上記第２排ガス通路の第３流路が形成され、上記インナーパイプの外周にも、上記コイル部の隣接する巻き部分間に位置する螺旋状の他の凸部が形成されている。
この構成によれば、第３流路での流通抵抗を増大させることにより螺旋状の第１流路を流れる排ガスの割合をより一層増大させることができる。

本発明によれば、媒体パイプのコイル部に沿って長い流路にわたって、媒体と排ガスの熱交換を行うことができ、排ガス熱の回収効率を向上させることができる。

本発明の第１実施態様に係わる排ガス熱回収装置を示す縦断面図である。 本発明の第２実施形態に係わる排ガス熱回収装置を示す縦断面図である。 本発明の第３実施態様に係わる排ガス熱回収装置を示す縦断面図である。 本発明の第４実施形態に係わる排ガス熱回収装置を示す縦断面図である。

以下、本発明の第１実施形態に係わる排ガス熱回収装置について図１を参照しながら説明する。この排ガス熱回収装置は、車両用エンジン（内燃機関）の排気系の途中に設けられるものであり、インナーパイプ１０と、インナーパイプ１０の外周に配置されたアウターシェル２０とを備えている。

上記インナーパイプ１０は直管状をなしその両端部が縮径されている。上記アウターシェル２０は円筒形状のシェル本体２１を有している。このシェル本体２１の両端部も縮径されている。
上記シェル本体２１の流入側端部（図中左端部）はインナーパイプ１０の流入側端部に固定されるとともに、インレットパイプ１に固定されている。シェル本体２１の流出側端部（図中右端部）はアウトレットパイプ２に固定されている。
上記インレットパイプ１とアウトレットパイプ２とインナーパイプ１０とシェル本体２１は、同軸をなしている。これらの共通の軸線（装置の軸線）を図１に符号Ａで示す。

上記インナーパイプ１０は上記シェル本体２１より短く形成されており、その流出側端部は上記シェル本体２１の流出側端部から軸線Ａ方向に離れている。このインナーパイプ１０の流出側端部は、シェル本体２１の内周に固定された支持構造体３０に支持されている。この支持構造対３０は排ガスの流通を許容するように構成されている。

上記インナーパイプ１０の内部空間が第１排ガス通路１５として提供される。また、インナーパイプ１０とアウターシェル２０との間の空間が第２排ガス通路２５として提供される。

排ガスは、切替手段４０の切替動作により、上記第１排ガス通路１５と第２排ガス通路２５のいずれかに選択的に流れるようになっている。
上記切替手段４０は弁からなり、インナーパイプ１０の流出側端部に固定された弁座４１と、この弁座４１に対して着座したり離れたりする弁体４２とを有している。
上記弁体４２はシェル本体２１を貫通するシャフト４３を介してシェル本体２１外に配置された駆動手段（図示しない）に連結されており、この駆動手段によりシャフト４３を中心に回動し、実線で示すように軸線Ａと直交した着座位置でインナーパイプ１０の流出側開口を閉じ、想像線で示すように軸線Ａと平行な位置でインナーパイプ１０の流出側開口を開くようになっている。

上記インナーパイプ１０の流入側端部の周壁には多数の連通孔１１が形成されており、この連通孔１１を介して第１排ガス通路１５と第２排ガス通路２５の流入側端部が連なっている。

上記弁体４２が開き位置にある時には、インレットパイプ１から流入した排ガスは、流通抵抗の少ない第１排ガス通路１５を通ってアウトレットパイプ２へと向かう。上記弁体４２が閉じ位置にある時には、インレットパイプ１から流入した排ガスは、上記連通孔１１を通って第２排ガス通路２５に入り、この第２排ガス通路２５を通ってアウトレットパイプ２へと向かう。

排ガス熱回収装置はさらに、水路パイプ５０（媒体パイプ）を備えている。この水路パイプ５０は、エンジンの冷却水系の一部をなすものであり、上記インナーパイプ１０とアウターシェル２０との間、すなわち上記第２排ガス通路２５に配置されたコイル部５１と、このコイル部５１の両端に連なる入口部５２と出口部５３とを有している。

上記コイル部５１はインナーパイプ１０と同軸をなしインナーパイプ１０を巻くようにして配置されるとともに、インナーパイプ１０およびアウターシェル２０から離れている。上記入口部５２と出口部５３は、装置の径方向に延びてアウターシェル２０の周壁を貫通し、外部に導出されており、シェル本体２１に固定されている。

上記コイル部５１の隣接する巻き部分５１ａは互いに離れており、この隣接する巻き部分５１ａ間が、螺旋状の第１流路６１として提供される。
上記水路パイプ５０のコイル部５１の外周とアウターシェル２０の内周との間は全周にわたって離れており、その隙間が第２流路６２として提供される。
上記水路パイプ５０のコイル部５１の内周とインナーパイプ１０の外周との間は全周にわたって離れており、その隙間が第３流路６３として提供される。

次に、本発明の特徴部について説明する。上記コイル部５１とインナーパイプ１０との間には複数例えば３つの金属メッシュ７０（クッション性、耐熱性を有する支持部材）が周方向に等間隔をなして配置されている。この金属メッシュ７０は、軸線Ａ方向に細長く形成され、インナーパイプ１０の外周にスポット溶接されている。金属メッシュ７０によりコイル部５１が支持されるが、両者は固定関係に無い。

上記アウターシェル２０は上述したシェル本体２１に加えて、このシェル本体２１と同軸をなす内装筒２２を有している。この内装筒２２の両端部は、シェル本体２１の内周に溶接固定されており、この内装筒２２とシェル本体２１との間には密閉された断熱空気層２３が形成されている。
上記アウターシェル２０がシェル本体２１と内装筒２２により二重筒構造をなしているので、上記第２流路６２は上記内装筒２２の内周とコイル部５１の外周の間に形成されることになる。

上記アウターシェル２０の内装筒２２は、シェル本体２１より薄肉をなし、シェル本体２１の３０〜５０％である。例えば、シェル本体２１の厚さが１．２〜１．５ｍｍであるのに対して内装筒２２の厚さは０．４〜０．５ｍｍである。

上記内装筒２２には、その加工変形により、径方向内方向に突出した螺旋状の凸部２２ａが形成されている。この凸部２２ａは水路パイプ５０のコイル部５１と同ピッチ、同リード角の螺旋を描き、コイル部５１の隣接する巻き部分５１ａ間に入り込んでいる。

内装筒２２の縦断面の輪郭は、上述のように加工変形したことにより、波を打っている。内装筒２２の凸部２２ａ間の部位は、上記コイル部５１の巻き部分５１ａを収容するための螺旋状の凹溝となっている。

上記構成をなす排ガス熱回収装置の作用を説明する。エンジンの始動時には、エンジン冷却水（媒体）を排ガス熱回収装置に流して冷却水を加熱し、これによりエンジンを暖める。具体的には、弁体４２を閉じて排ガスを第２排ガス通路２５へと流す。この排ガス熱により水路パイプ５０を流れるエンジン冷却水を加熱する。

上記水路パイプ５０は第２排ガス通路２５内にコイル部５１を有しており、このコイル部５１の長い流路をエンジン冷却水が流れる。他方、排ガスはコイル部５１の配置領域において、第１〜第３の３つの流路６１〜６３を流れる。

本実施形態では、内装筒２２に螺旋状の凸部２２ａが形成されていて、第２流路６２の流通抵抗が増大しているため、第２流路６２を通る排ガス量を抑制できる。換言すれば、コイル部５１の螺旋に沿う長い第１流路６１に沿って流れる排ガスの割合を、従来に比べて高めることができ、これによって、エンジン冷却水を効率良く加熱することができる（排ガス熱を効率良く回収できる）。

なお、コイル部５１の外周と内装筒２２の内周との間の第２通路６２にも排ガスが流れるため、このコイル部５１の外周側を流れる冷却水と排ガスとの間でも熱交換を行うことができる。
また、コイル部５１の内周とインナーパイプ１０の外周との間の第３通路６３にも排ガスが流れるため、このコイル部５１の内周側を流れる冷却水と排ガスとの間でも熱交換を行うことができる。

本実施例では、アウターシェル２０が二重筒形状をなしシェル本体２１と内装筒２２との間に断熱空気層２３が形成されるため、アウターシェル２０からの排ガス熱の放散を抑制できること、および内装筒２２が薄肉をなし熱容量が小さいのでアウターシェル２０が排ガスの熱を奪うのを抑制できることから、より一層排ガス熱の回収効率を向上させることができる。

上記のように高効率で排ガス熱を回収できるため、エンジン冷却水を介してエンジンを短時間で暖めることができる。
エンジンが暖まったら、弁体４２を開き、排ガスをインナーパイプ１０の第１排ガス通路１５に通すようにする。これにより、排ガス熱回収は終了する。

上記内装筒２２は薄肉であるので、螺旋状の凸部２２ａを形成するための加工が容易である。金属メッシュ７０によりコイル部５１を、振動を抑制しながら安定して支持することができる。

次に、本発明の第２〜第４実施形態について図２〜図４を参照しながら説明する。これら実施形態において、第１実施形態と同様の構成部材には同番号を付してその詳細な説明を省略する。

図２に示す第２実施形態では、アウターシェル２０のシェル本体２１Ａの構成が第１実施形態と異なる。このシェル本体２１Ａは、円筒形状の筒部材２７と、この筒部材２７の両端に溶接されたキャップ２８，２９とを有している。

上記シェル本体２１Ａの筒部材２７の内周に、内装筒２２が固定されるとともに支持構造体３０が固定されている。
流入側のキャップ２８の中央穴にはインナーパイプ１０とインレットパイプ１が挿入固定され、このキャップ２８の中央から偏倚した箇所には、水路パイプ５０の出口部５３がインナーパイプ１０と平行に延びて貫通固定されている。
流出側のキャップ２９の中央穴には、アウトレットパイプ２が挿入固定され、このキャップ２８の中央から偏倚した箇所には、水路パイプ５０の入口部５２がインナーパイプ１０と平行に延びて貫通固定されている。

図３に示す第３実施形態では、インナーパイプ１０にも螺旋状の凸部１０ａが形成されている。この凸部１０ａは、上記コイル部５１の巻き部分５１ａ間に位置し、上記アウターシェル２０の内装筒２２の凸部２２ａと間隔をおいて径方向に対向している。

上記第３実施形態では、上記螺旋状の凸部１０ａにより第３流路６３での流通抵抗を大きくすることにより、第１流路６１を流れる排ガスの割合を更に高めることができ、熱回収効率をさらに向上させることができる。
なお、この実施形態においてインナーパイプ１０とコイル部５１との間の金属メッシュは省かれているが、第１実施形態と同様に設けてもよい。

図４に示す第４実施形態では、アウターシェル２０Ｂが内装筒を有さず、シェル本体２１だけで構成されている。シェル本体２１の内周に、別部材を固定することにより、螺旋形状の凸部２１ｘが形成されている。

本発明は、上記実施例に制約されず、種々の態様を採用することができる。例えば、図１〜図３の実施形態において、内装体２２の内周に別部材を固定することにより、螺旋形状の凸部を形成してもよい。
第４実施形態において、シェル本体２１を第１実施形態の内装筒２２と同様に加工変形させて凸部を形成してもよい。この場合、シェル本体２１の軸線方向の断面は波を打つことになる。

第１〜第４実施形態におけるアウターシェルの螺旋状の凸部と第３実施形態におけるインナーシェルの螺旋状の凸部は、媒体パイプのコイル部より少ないピッチ数であってもよいし、軸線方向に間欠的に設けてもよい。
また、アウターシェルの内周と媒体パイプのコイル部の外周との間に、第２流路での排ガスの流れを大きく阻害しない程度の限られた領域において、クッション性、耐熱性を有する支持部材を介在させてもよい。

アウターシェルの螺旋状の凸部の内接円径は、第１〜第４実施形態において媒体パイプのコイル部の外接円径より小さいが、このコイル部の外接円径以上であってもよい。
切替手段の弁は、インナーパイプの流入側端部に設けてもよい。

本発明は、車両エンジンを始動時に暖めるための排ガス熱回収装置等に適用することができる。

１０ インナーパイプ
１０ａ 螺旋状の凸部
１５ 第１排ガス通路
２０ アウターシェル
２１ シェル本体
２１ｘ 螺旋状の凸部
２２ 内装筒
２２ａ 螺旋状の凸部
２５ 第２排ガス通路
４０ 切替手段
５０ 水路パイプ（媒体パイプ）
５１ コイル部
６１ 第１流路
６２ 第２流路
６３ 第３流路
７０ 金属メッシュ（支持部材）

Claims (5)

1. ア．第１排ガス通路となる内部空間を有するインナーパイプと、
   イ．上記インナーパイプの外周に配置されインナーパイプとの間に第２排ガス通路を形成してなるアウターシェルと、
   ウ．上記第２排ガス通路において上記インナーパイプを巻くようにして配置されたコイル部を有する媒体パイプと、
   エ．排ガスを上記第１排ガス通路と第２排ガス通路のいずれかに選択的に流す切替手段と、
   を備え、上記第２排ガス通路が、上記媒体パイプのコイル部の配置領域において、コイル部の隣接する巻き部分間に形成された螺旋状の第１流路と、コイル部の外周と上記アウターシェルの内周との間に形成された第２流路を含み、
   排ガスが上記第２排ガス通路を流れている時に、上記媒体パイプを流れる媒体により排ガス熱を回収するようにした装置において、
   上記アウターシェルの内周には、上記コイル部の隣接する巻き部分間に位置する螺旋状の凸部が形成されていることを特徴とする排ガス熱回収装置。
2. 上記アウターシェルが、シェル本体と、このシェル本体の内周に固定された内装筒とを有し、これらシェル本体と内装筒との間に断熱空気層が形成され、この内装筒の内周に上記螺旋状の凸部が形成されていることを特徴とする請求項１に記載の排ガス熱回収装置。
3. 上記内装筒は上記シェル本体の周壁よりも薄肉をなし、その加工変形により上記螺旋状の凸部が形成されていることを特徴とする請求項２に記載の排ガス熱回収装置。
4. 上記媒体パイプのコイル部の内周と上記インナーパイプの外周との間に、クッション性、耐熱性を有するとともに装置の軸線方向に延びる細長い支持部材が、周方向に間隔をおいて複数介在されており、
   上記支持部材間に、上記第２排ガス通路の第３流路が形成されていることを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載の排ガス熱回収装置。
5. 上記媒体パイプのコイル部の内周と上記インナーパイプの外周との間に上記第２排ガス通路の第３流路が形成され、上記インナーパイプの外周にも、上記コイル部の隣接する巻き部分間に位置する螺旋状の他の凸部が形成されていることを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載の排ガス熱回収装置。