JP2011247206A - Exhaust heat recovery device - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、排気ガスの熱を回収する、排熱回収装置に関する。 The present invention relates to an exhaust heat recovery apparatus that recovers heat of exhaust gas.
内燃機関で発生する排気ガスを熱回収器に送り、この熱回収器内に流される冷却水を、排気ガスの熱で温めることが知られている(例えば、特許文献1(図1、図2)参照。)。 It is known that exhaust gas generated in an internal combustion engine is sent to a heat recovery device, and cooling water flowing in the heat recovery device is heated by the heat of the exhaust gas (for example, Patent Document 1 (FIGS. 1 and 2). )reference.).
特許文献1を次図に基づいて説明する。
図9(a)に示すように、排熱回収装置100は、排気ガスが導入される導入口101と、この導入口101から直線的に延ばされる迂回路102と、この迂回路102とは別に導入口101近傍から延ばされ曲げられる第1曲管部103と、この第1曲管部103に繋げられ排気ガスの熱を回収する熱回収器104と、この熱回収器104から迂回路102に向かって延ばされる第2曲管部105と、この第2曲管部105近傍に設けられ排気ガスの流路を切り替えるために回転軸106で回転可能に支持されるバルブ107と、このバルブ107に回転軸106を介して繋げられ熱回収器104内の冷却水の温度で作動されるサーモアクチュエータ108とからなる。
Patent document 1 is demonstrated based on the following figure.
As shown in FIG. 9 (a), the exhaust
バルブ107が迂回路102の下流端部109を閉じることで、排気ガスは熱回収器104に流され、熱回収器104内の冷却水との間で熱交換を行う。バルブ107が迂回路102の下流端部109を開放することで、大部分の排気ガスが迂回路102を流れる。
When the
(b)に示すように、排熱回収装置100は、複数のパーツを溶接することで組み立てられる。このような溶接は一般的に、溶接トーチ111が用いられる。
ところで、排熱回収装置100は、熱回収器104と迂回路102との間が狭い。狭いことで、第1曲管部103近傍で、溶接トーチ111の入りにくい箇所が生ずる。溶接トーチ111が入りにくいことで、溶接作業に多大な時間がかかり、排熱回収装置100全体の組立時間が長大化する。
As shown in (b), the exhaust
By the way, the exhaust
一方、熱回収器104と迂回路102との間のスペースを単純に広くすることは、排熱回収装置100の大型化を招き、好ましくない。
On the other hand, simply widening the space between the
効率よく短時間で組み立てることができる排熱回収装置の提供が望まれる。 It is desired to provide an exhaust heat recovery apparatus that can be assembled efficiently and in a short time.
本発明は、効率よく短時間で組み立てることができる排熱回収装置の提供を課題とする。 An object of the present invention is to provide an exhaust heat recovery apparatus that can be efficiently assembled in a short time.
請求項1に係る発明は、導入口から排気ガスが流される導入部材の下流に第2出口が設けられ、この第2出口に迂回路を接続し、前記導入口の軸線にほぼ直交するように前記導入部材から第1出口を形成し、前記迂回路の軸線にほぼ直交するように前記迂回路から合流部を分岐し、前記第1出口にガス流入部材を接続し、このガス流入部材に前記排気ガスの保有熱を回収する熱回収器を接続し、この熱回収器にガス流出部材を接続し、このガス流出部材を前記合流部に接続し、前記排ガスの流れを切替えバルブで前記第2出口へ又は前記第1出口へ切り替えるようにした排熱回収装置において、
前記第1出口と前記ガス流入部材とは共に前記切替えバルブのバルブ軸に沿った長さがバルブ軸直角方向の長さより長い横長矩形断面とされ、前記第1出口と前記ガス流入部材とを繋ぐ溶接部が、前記熱回収器の長手軸上に設けられ、前記ガス流入部材の最小半径面は、前記熱回収器の長手軸近傍に至るように湾曲形成されていることを特徴とする。
In the first aspect of the invention, a second outlet is provided downstream of the introduction member through which the exhaust gas flows from the introduction port, and a detour is connected to the second exit so that the second exit is substantially orthogonal to the axis of the introduction port. A first outlet is formed from the introduction member, a junction is branched from the bypass so as to be substantially orthogonal to the axis of the bypass, a gas inflow member is connected to the first outlet, and the gas inflow member is connected to the gas inflow member. A heat recovery unit that recovers the retained heat of the exhaust gas is connected, a gas outflow member is connected to the heat recovery unit, the gas outflow member is connected to the junction, and the flow of the exhaust gas is switched by the switching valve. In the exhaust heat recovery apparatus adapted to switch to the outlet or to the first outlet,
Both the first outlet and the gas inflow member have a horizontally long rectangular cross section in which the length along the valve axis of the switching valve is longer than the length perpendicular to the valve axis, and connects the first outlet and the gas inflow member. A welding part is provided on the longitudinal axis of the heat recovery unit, and the minimum radius surface of the gas inflow member is curved so as to reach the vicinity of the longitudinal axis of the heat recovery unit.
請求項2に係る発明は、第2出口は、断面視で第1出口に接続部を介して直線的に繋がれ、この接続部と第2出口とのなす角が鈍角であることを特徴とする。
The invention according to
請求項3に係る発明は、接続部と第1出口とのなす角が鈍角であることを特徴とする。
The invention according to
請求項1に係る発明は、ガス流入部材の最小半径面が、熱回収器の長手軸近傍に至るように湾曲形成されている。熱回収器の長手軸近傍に向かって湾曲させるため、溶接部が迂回路に対して斜めに設けられる。溶接部が斜めにされるため、溶接トーチが溶接部に臨みやすくなる。溶接トーチが溶接部に臨みやすいことで、溶接作業が容易にでき、排熱回収装置の作業時間を短縮することができる。 In the first aspect of the invention, the minimum radius surface of the gas inflow member is curved so as to reach the vicinity of the longitudinal axis of the heat recovery unit. In order to curve toward the vicinity of the longitudinal axis of the heat recovery unit, the welded portion is provided obliquely with respect to the detour. Since the welded portion is inclined, the welding torch can easily face the welded portion. Since the welding torch can easily face the welded portion, the welding work can be facilitated, and the working time of the exhaust heat recovery apparatus can be shortened.
請求項2に係る発明では、接続部と第2出口とのなす角が鈍角である。第2出口に繋がれる迂回路が、熱により膨張することがある。この膨張する力は、第2出口を伝って接続部へ達し、接続部を変形させるものと考えられる。接続部の変形量は、接続部と第2出口とのなす角が鋭角である場合に比べ、鈍角である場合の方が少ないものと考えられる。変形量が少なければ、接続部にかかる負荷も少なくなる。負荷を軽減することで、排熱回収装置の耐久性を高めることができる。
In the invention which concerns on
請求項3に係る発明では、接続部と第1出口とのなす角が鈍角である。迂回路の熱が接続部に伝わり、接続部が熱により膨張することがある。この膨張する力は、第1出口を伝ってガス流入部材へ達し、ガス流入部材を変形させるものと考えられる。ガス流入部材の変形量は、接続部と第1出口とのなす角が鋭角である場合に比べ、鈍角である場合の方が少ないものと考えられる。変形量が少なければ、第1出口にかかる負荷も少なくなる。負荷を軽減することで、排熱回収装置の耐久性を高めることができる。
In the invention which concerns on
本発明の実施の形態を添付図に基づいて以下に説明する。なお、図面は符号の向きに見るものとする。 Embodiments of the present invention will be described below with reference to the accompanying drawings. The drawings are viewed in the direction of the reference numerals.
先ず、本発明の実施例1を図面に基づいて説明する。
図1に示されるように、排熱回収装置10は、排気ガスが導入される導入口11の外周にフランジ12が取り付けられる導入部材13と、この導入部材13の第2出口14に繋がれ下流端部にフランジ15が取付けられる迂回路16と、導入口11の軸線17にほぼ直交するように設けられる第1出口18にガス流入口22が繋げられるガス流入部材23と、このガス流入部材23の下流端部に一体的に設けられたガス流出口24で支持される熱回収器25と、この熱回収器25の下流側を一体的に設けられたガス流入口26で支持し迂回路16に設けられた合流部27に繋がれるガス流出部材29と、導入部材13の幅方向(図面表裏方向)に延ばされ回転可能に支持される回転軸31と、この回転軸31に支持され第1出口18又は第2出口14を閉じることで排気ガスの流路を切替える切替えバルブ32と、この切替えバルブ32が着座するメッシュ性の着座部33とからなる。
First, Embodiment 1 of the present invention will be described with reference to the drawings.
As shown in FIG. 1, the exhaust
切替えバルブ32は、第1出口18を閉じる熱回収路開閉部35と、第2出口14を閉じる迂回路開閉部36とがV字形を呈する、V字バルブである。V字バルブは、直線的なバルブに比べ狭い場所であっても設けることができ、有益である。
The
着座した際の、迂回路開閉部36に沿うように、導入部材13を曲げた曲げ部37が設けられる。迂回路開閉部36に沿う形状とすることで、第2出口14を閉じた場合の密閉性が増す。
A
迂回路16には、合流部27が設けられている。この合流部27は、迂回路16の軸線41にほぼ直交するように設けられる。
A
切替えバルブ32の熱回収路開閉部35によって閉じられる第1出口18は、ガス流入部材23に溶接されることで接続される。第1出口18とガス流入部材23とを繋ぐ溶接部42は、熱回収器25の長手軸44上に設けられる。
The
ガス流入部材23の最小半径面45が、長手軸44近傍に至るよう、ガス流入部材23を湾曲させる。湾曲させたガス流入部材23に向かって第1出口18を設けることで、溶接部42は長手軸44上に設けられる。
The
ガス流入部材23に上流側が支持される熱回収器25は、コアケース47内に複数個(この例では2個)の伝熱部材48を収納してなる。
排気ガスを伝熱部材48に通すことで、伝熱部材48の外周を通る冷却水に、排気ガスの熱を与える。排気ガスの熱で、冷却水が温められる。
The
By passing the exhaust gas through the
ガス流入部材23に、熱回収器25を支持するガス流出口24が一体的に設けられる。一体的に設けることで部品点数が削減される。ガス流出部材29のガス流入口26も、ガス流出部材29に一体的に設けることで、さらに部品点数が削減される。
また、ラインの割り形状にすることにより、部品点数の削減を図ることができる。
A
In addition, the number of parts can be reduced by using a split line shape.
なお、熱回収器25の長手軸44は、長手方向の軸の意である。長手軸44が水平方向に平行である場合、ガス流入部材23の溶接部42は、コアケース47の下面51から上面52までの間の高さに設ければよい。即ち、長手軸44は熱回収器25の略中央を通る長手軸44に限られない。
Note that the
第2出口14から第1出口18までは、接続部53で接続される。このような第2出口14と接続部53との関係、及び接続部53と第1出口18との関係について、次図以降で詳細に説明する。
The
図2に示すように、接続部53は、第2出口14に対して所定の角度θ1で接続される。この所定の角度θ1は鈍角である。即ち、接続部53と第2出口14とのなす角が鈍角である。所定の角度θ1が鈍角であることにより、排熱回収装置10の耐久性を高めることができる。理由は後述する。
As shown in FIG. 2, the
図3に示すように、接続部53は、第1出口18に対して所定の角度θ2で接続される。この所定の角度θ2は鈍角である。即ち、接続部53と第1出口18とのなす角が鈍角である。所定の角度θ2が鈍角であることにより、排熱回収装置10の耐久性を高めることができる。理由は後述する。
As shown in FIG. 3, the
図4に示すように、熱回収器25のコアケース47の側面にコアケース47内に冷却水を導くための冷却水導入管56が繋げられる。同様にコアケース47の側面に、コアケース47で温められた冷却水を排出するための排出支持部材57が設けられ、この排出支持部材57から冷却水排出管58が延ばされる。
As shown in FIG. 4, a cooling
さらに、排出支持部材57は、冷却水の温度で作動するサーモアクチュエータ61が繋げられる。サーモアクチュエータ61のロッド62の先端は、付勢手段63に接続される。付勢手段63は、回転軸(図1、符号31)に繋げられ、回転軸を付勢する。
Furthermore, the
排熱回収装置10内に排気ガスが送られることで、熱回収器25内の冷却水の温度が上昇する。温度が上昇した冷却水の一部は、排出支持部材57からサーモアクチュエータ61に向かって流れる。サーモアクチュエータ61内には、ワックスが収納されており、冷却水の温度が所定の温度を超えることで、ワックスが溶融し、ワックスの体積が膨張する。膨張することで、ロッド62は付勢手段63の力に抗して前進する。
By sending the exhaust gas into the exhaust
一方、ロッド62が前進している状態で、冷却水の温度が所定の温度よりも低くなることがある。冷却水の温度が低くなることで、ワックスが固化し、収縮する。収縮すると、サーモアクチュエータ61内に設けられロッド62を後退させる方向に付勢する戻しばね及び付勢手段63の力により、ロッド62は後退させられる。
On the other hand, in a state where the
ロッド62が前進又は後退することで、ロッド62の先端に接続される付勢手段63は、回転させられる。付勢手段63が回転させられることで、付勢手段63に繋がれる回転軸(図1、符号31)及び回転軸に支持される切替えバルブ(図1、符号32)がともに回転させられる。切替えバルブが回転することで、排気ガスの流路が切り替えられる。
このような排熱回収装置10の組立について次図で説明する。
As the
The assembly of the exhaust
図5(a)に示すように、第1出口121をガス流入部材122に溶接することで、導入部材123がガス流入部材122に接続される。この溶接に、溶接トーチ124が用いられることがある。
As shown in FIG. 5A, the
排熱回収装置120は、迂回路125とガス流入部材122との間のスペースが狭いため、特に幅方向(図面表裏方向)の溶接が困難である。溶接が困難であることで、排熱回収装置120の製造に多大な時間を要する。
Since the space between the
一方、(b)に示すように、実施例に係る排熱回収装置10は、ガス流入部材23の最小半径面45が、熱回収器25の長手軸44近傍に至るように湾曲形成される。熱回収器25の長手軸44近傍に向かって湾曲させるため、溶接部42が迂回路16に対して斜めに設けられる。溶接部42が斜めにされるため、溶接トーチ65が溶接部42に臨みやすくなる。溶接トーチ65が溶接部42に臨みやすいことで、溶接作業が容易にでき、排熱回収装置10の作業時間を短縮することができる。
On the other hand, as shown in (b), the exhaust
加えて、ガス流入部材23を湾曲形成することで、ガス流入部材23の長手方向の長さがαだけ短くなり、排熱回収装置10の小型化を図ることができる。
In addition, by forming the
さらに、ガス流入部材23の頂部66は、熱回収器25を支持するガス流出口24とほぼ同じ高さとされる。ガス流出口24とほぼ同じ高さ又はこれよりも低くすることで、従来と同じスペースで排熱回収装置10を搭載することができる。即ち、搭載される位置の自由度を確保しつつ、組立作業の容易な排熱回収装置10を提供することができる。
溶接の容易性について、次図でさらに詳細に説明する。
Further, the top 66 of the
The ease of welding will be described in more detail with reference to the following figure.
図6に示すように、第1出口18は、切替えバルブ(図1、符号32)のバルブ軸67に沿った長さ(図面左右方向)が、バルブ軸67直角方向(図面上下方向)の長さより長い横長矩形断面とされる。この第1出口18に被せられ溶接される、ガス流入部材(図1、符号23)のガス流入口(図1、符号22)も、同様に横長矩形断面とされる。
As shown in FIG. 6, the
溶接部42を、1辺ごとに溶接部42a、42b、42c、42dとした場合に、迂回路(図1、16)側から溶接トーチ65を入れなければならない溶接部42cの溶接が特に困難であった。
When the
横長矩形断面の溶接部42cの中央部68近傍は、特に溶接トーチ65が届きにくい。このような横長矩形断面を有する第1出口18に対して、図5で説明したように、溶接トーチ65を臨みやすくした。
このようにして製造される排熱回収装置10の耐久性について次図で説明する。
The
The durability of the exhaust
図7に示すように、冷却水が所定の温度まで高まると、サーモアクチュエータ(図4、符号61)が作動し、回転軸31及び切替えバルブ32を回転させる。切替えバルブ32が回転されることで、切替えバルブ32は第1出口18を閉じ、第2出口14を開放する。
As shown in FIG. 7, when the cooling water rises to a predetermined temperature, the thermoactuator (FIG. 4, reference numeral 61) operates to rotate the
第2出口14を開放することで排気ガスは、第2出口14から迂回路16へ流される。排気ガスは非常に高温(例えば700℃)であるため、熱により迂回路16が膨張する。特に、迂回路16は長さが長いため、他の部品に比べ大きく膨張する。
一方、第2出口14が閉じられ、排気ガスが流れなくなることで、迂回路16は元の長さに収縮する。
By opening the
On the other hand, when the
排熱回収装置10を繰り返し使用することで、迂回路16は伸縮を繰り返す。伸縮を繰り返すことで、導入部材13との溶接部69は、特に伸縮の影響を受ける。
このような伸縮の影響に対して、第2出口14と接続部53とのなす角θ1を鈍角とすると、この角度を鋭角にした場合に比べ高い耐久性を得ることができることが分かった。
高い耐久性を得ることができた理由について、次図で説明する。
By repeatedly using the exhaust
With respect to the influence of such expansion and contraction, it was found that when the angle θ1 formed by the
The reason why high durability can be obtained will be described with reference to the next figure.
図8(a)に示すように、第1の管71と第2の管72を鋭角(90°より小さい角)である角度θ3で接続する。排気ガスが流される前の第2の管72の断面は円形である。このような状態で第1の管71に排気ガスを流す。排気ガスの熱で第1の管71が膨張する。
As shown in FIG. 8A, the
(b)に示すように、第1の管71が膨張する力で、第2の管72は傾けられ、第1の管71と第2の管72とのなす角度θ4は、(a)の角度θ3よりも鋭い角度とされるものと考えられる。このとき、第2の管72は変形され、断面が楕円形とされる。
As shown in (b), the
同様に、(c)に示すように、第1の管73と第2の管74を鈍角(90°よりも大きく180°より小さい角)である角度θ5で接続する。排気ガスが流される前の第2の管74の断面は円形である。このような状態で第1の管73に排気ガスを流す。排気ガスの熱で第1の管73が膨張する。
Similarly, as shown in (c), the
(d)に示すように、第1の管73が膨張する力で、第2の管74は立てられ、第1の管71と第2の管72とのなす角度θ6は、(c)の角度θ5よりも鋭い角度とされるものと考えられる。このとき、第2の管74は変形され、断面が楕円形とされる。
As shown in (d), the
(b)と(d)の断面を比べると、第1の管73と第2の管74とを鈍角で繋いだ(d)の方が、第1の管71と第2の管72とを鋭角で繋いだ(b)よりも、変形量が少ないものと考えられ、第2の管74にかかる負荷も小さいと考えられる。第2の管74にかかる負荷が小さいことで、耐久性が高まったものと考えられる。
Comparing the cross sections of (b) and (d), the
このことを、図7に戻り本発明に係る排熱回収装置10に当てはめると、以下のようにいうことができるものと考えられる。
接続部53と第2出口14とのなす角θ1が鈍角である。第2出口14に繋がれる迂回路16が、熱により膨張することがある。この膨張する力は、第2出口14を伝って接続部53へ達し、接続部53を変形させるものと考えられる。接続部53の変形量は、接続部53と第2出口14とのなす角が鋭角である場合に比べ、鈍角である場合の方が少ないものと考えられる。変形量が少なければ、接続部53にかかる負荷も少なくなる。負荷を軽減することで、排熱回収装置10の耐久性を高めることができる。
Returning to FIG. 7 and applying this to the exhaust
An angle θ1 formed by the
また、以下のこともいえる。
接続部53と第1出口18とのなす角θ2が鈍角である。迂回路16の熱が接続部53に伝わり、接続部53が熱により膨張することがある。この膨張する力は、第1出口18を伝ってガス流入部材23へ達し、ガス流入部材23を変形させるものと考えられる。ガス流入部材23の変形量は、接続部53と第1出口18とのなす角が鋭角である場合に比べ、鈍角である場合の方が少ないものと考えられる。変形量が少なければ、第1出口18にかかる負荷も少なくなる。負荷を軽減することで、排熱回収装置10の耐久性を高めることができる。
The following can also be said.
An angle θ2 formed by the connecting
また、以下のこともいえる。
熱回収器25を通過し低温にされた排気ガス(例えば90℃)が流れるガス流出部材29に比べて、高温の排気ガスが流れる迂回路16は、熱による伸びが大きい。即ち、部位ごとに流れる排気ガスの温度が異なり、熱伸びする量も異なる。熱伸びする量が異なることで、応力が生じる。この応力は、接続部53付近に特に大きくかかる。
The following can also be said.
Compared with the
接続部53と第2出口14とのなす角θ1が鈍角であり、接続部53と第1出口18とのなす角θ2も鈍角である。鈍角とすることで応力が分散しやすくなるものと考えられる。応力が分散しやすくなったことで、排熱回収器10の耐久性を高めることができる。
An angle θ1 formed by the
尚、本発明は、実施の形態では排熱回収装置に適用したが、EGR(Exhaust Gas Recirculation)クーラにも適用可能であり、これらのものに用途は限定されない。 In addition, although this invention was applied to the exhaust-heat recovery apparatus in embodiment, it is applicable also to an EGR (Exhaust Gas Recirculation) cooler, and an application is not limited to these things.
本発明の排熱回収装置は、車両の排気系に好適である。 The exhaust heat recovery device of the present invention is suitable for an exhaust system of a vehicle.
10…排熱回収装置、11…導入口、14…第2出口、16…迂回路、17…(導入口の)軸線、18…第1出口、23…ガス流入部材、25…熱回収器、27…合流部、29…ガス流出部材、32…切替えバルブ、41…(迂回路の)軸線、42…溶接部、44…長手軸、45…最小半径面、53…接続部。
DESCRIPTION OF
Claims (3)
前記第1出口と前記ガス流入部材とは共に前記切替えバルブのバルブ軸に沿った長さがバルブ軸直角方向の長さより長い横長矩形断面とされ、前記第1出口と前記ガス流入部材とを繋ぐ溶接部が、前記熱回収器の長手軸上に設けられ、前記ガス流入部材の最小半径面は、前記熱回収器の長手軸近傍に至るように湾曲形成されていることを特徴とする排熱回収装置。 A second outlet is provided downstream of the introduction member through which the exhaust gas flows from the introduction port. A bypass is connected to the second outlet, and the first outlet is connected to the introduction member so as to be substantially orthogonal to the axis of the introduction port. Formed, branching the junction from the bypass so as to be substantially perpendicular to the axis of the bypass, connecting a gas inflow member to the first outlet, and recovering the retained heat of the exhaust gas to the gas inflow member A heat recovery unit is connected, a gas outflow member is connected to the heat recovery unit, the gas outflow member is connected to the junction, and the flow of the exhaust gas is switched to the second outlet or the first outlet by a switching valve. In the exhaust heat recovery device that has been switched,
Both the first outlet and the gas inflow member have a horizontally long rectangular cross section in which the length along the valve axis of the switching valve is longer than the length perpendicular to the valve axis, and connects the first outlet and the gas inflow member. Waste heat is provided on a longitudinal axis of the heat recovery unit, and a minimum radius surface of the gas inflow member is curved so as to reach the vicinity of the longitudinal axis of the heat recovery unit. Recovery device.
Priority Applications (1)
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