JP2013068376A - 熱交換器 - Google Patents

Abstract

【課題】排気ガスの熱で水を温める熱交換器に関して排気ガス規制部を高い精度で加工する熱交換器を提供する。
【解決手段】排気ガスを浄化する触媒担体１１と、触媒担体１１を囲う触媒ケース１２と、触媒ケース１２を囲い触媒ケース１２との間で浄化された排気ガスの通路を形成する第１筒体２７と、第１筒体２７を囲い第１筒体２７との間で水の通路を形成する第２筒体３１とを備える熱交換器１０において、第１筒体２７から触媒ケース１２へ、プレス成形により第１筒体２７の周方向に断続的に形成される排気ガス規制部２７ａを突出させ、触媒ケース１２と第１筒体２７との間を流れる排気ガスを蛇行させるようにした。
【選択図】図１

Description

本発明は、排気ガスの熱で水を温める熱交換器に関する。

近年、コージェネレーション装置が各種提案されている（例えば、特許文献１（図１、図３）参照。）。

特許文献の図１にコージェネレーション装置（１０）（括弧付き数字は特許文献１記載の符号を示す。以下同じ。）が示されている。エンジン（１２）で発電機（２７）を作動し、電気エネルギーを得る。エンジン（１２）で発生する排気ガスは熱交換器（１４）へ送られる。熱交換器（１４）へ送られる排気ガスの熱で水を加熱する。熱効率を高める上で、熱交換器（１４）は重要な機器である。この熱交換器（１４）の詳細を次図で説明する。

特許文献１を次図に基づいて説明する。
図１０に示すように、熱交換器１００は、排気ガス導入管１０１が繋がれる基体１０２と、この基体１０２に支持され排気ガスを浄化する触媒担体１０３と、この触媒担体１０３を囲うと共に外周に向かって螺旋状に突出する排気ガス規制部１０４が形成された筒体１０５と、この筒体１０５を囲い筒体１０５との間に排気ガスが流される第１のケース１０６と、この第１のケース１０６を囲い複数の排気ガス管１０７，１０７を支持すると共に排気ガス管１０７，１０７との間に水が流される第２のケース１０８と、この第２のケース１０８にそれぞれ繋がれている排気ガス排出管１１１、水導入管１１２、水排出管１１３とからなる。

白抜き矢印（１）で示すように、排気ガス導入管１０１から導入された排気ガスは、白抜き矢印（２）及び（３）で示すように触媒担体１０３で浄化される。浄化された排気ガスは、図面上側に向かって、筒体１０５と第１のケース１０６との間を流される。筒体１０５と第１のケース１０６との間を流れる排気ガスは、白抜き矢印（４）で示すように、螺旋状に形成される排気ガス規制部１０４にガイドされて螺旋状に流れる。筒体１０５と第１のケース１０６との間を流れ、基体１０２の下面に達した排気ガスは、白抜き矢印（５）で示すように、排気ガス管１０７，１０７を通って図面下側に向かって流れる。排気ガス管１０７，１０７を通過した排気ガスは、白抜き矢印（６）で示すように、排気ガス排出管１１１から排出される。

一方、水導入管１１２から導入された水は、図面上に向かって第２のケース１０８内を流れる。水も排気ガスと同様、第２のケース１０８内を螺旋状に流れる。
第２のケース１０８内を流れる水は、第１のケース１０６及び排気ガス管１０７，１０７を介して、排気ガスによって温められる。温められた水は、水排出管１１３から排出される。

ところで、排気ガスを螺旋状に流すために、排気ガス規制部１０４は、筒体１０５の周方向に螺旋状に連続して形成されている。螺旋状に連続して排気ガス規制部１０４を形成する一例として、液圧成形加工が挙げられる。
しかし、液圧成形加工は、高い精度で加工を行うことが難しく、この点で課題が残る。即ち、排気ガス規制部を高い精度で加工することのできる技術の提供が望まれる。

特開２０１１−２１５６２公報

本発明は、排気ガス規制部を高い精度で加工することのできる技術の提供を課題とする。

請求項１に係る発明は、排気ガスを浄化する触媒担体と、この触媒担体を囲う触媒ケースと、この触媒ケースを囲い触媒ケースとの間で浄化された排気ガスの通路を形成する第１筒体と、この第１筒体を囲い第１筒体との間で水の通路を形成する第２筒体とを備える熱交換器において、第１筒体から触媒ケースへ排気ガス規制部を突出させ、触媒ケースと第１筒体との間を流れる排気ガスを蛇行させるようにしたことを特徴とする。

請求項２に係る発明では、排気ガス規制部は、第１筒体の高さ方向に複数段形成され、各段に同形状の排気ガス規制部が２つ形成されると共に、これらの排気ガス規制部は、第１筒体の中心軸に対して対称に形成され、このような一対の排気ガス規制部が、隣り合う段の排気ガス規制部に対して、位相を９０°ずらして形成されていることを特徴とする。

請求項１に係る発明では、排気ガス規制部により、触媒ケースと第１筒体との間を流れる排気ガスを蛇行させる。蛇行させるために、排気ガス規制部は、第１筒体の周方向に断続的に形成される。断続的に形成するため、排気ガス規制部の成形にはプレス成形を用いることができる。プレス成形であれば、排気ガス規制部を高い精度で加工することができる。また、プレス成形であれば、成形にかかる費用が安価である。第１筒体が安価になることで、完成品である熱交換器も安価にすることができる。

請求項２に係る発明では、各段に同形状の排気ガス規制部が、中心軸に対して対称に２つ形成されると共に、排気ガス規制部が、隣り合う段の排気ガス規制部に対して、位相を９０°ずらして形成されている。隣り合う段の排気ガス規制部の位相が９０°ずれているため、排気ガスは周方向を略９０°通過してから次の段に移動する。排気ガスの通路を長くすることで、熱交換を行う時間を長くすることができる。熱交換の時間を長くすることで、多くの排気ガスの熱を回収することができる。また、排気ガス規制部を形成することで、熱交換できる接触面積を大きくすることができる。

実施例１に係る熱交換器の断面図である。 本発明に係る熱交換器の斜視図である。 基体及び第１ケースの分解斜視図である。 第１筒体の展開図である。 図１の５−５線断面図である。 第１筒体の成形方法を説明する図である。 排気ガスが導入されてから触媒担体を通過するまでを説明する図である。 浄化された排気ガスの流れ及び水の流れを説明する図である。 実施例２に係る熱交換器の断面図である。 従来の技術の基本構成を説明する図である。

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。

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、熱交換器１０は、排気ガスを浄化する円筒状の触媒担体１１と、この触媒担体１１を囲うと共に保持する触媒ケース１２と、この触媒ケース１２が支持される基体１３と、この基体１３に支持され触媒ケース１２を囲う第１のケース１５と、この第１のケース１５を囲うと共に基体１３に支持される第２のケース１６と、この第２のケース１６の下端部近傍の側面に接合され水を第２のケース１６内に導入する水導入管１７と、この水導入管１７の上方で第２のケース１６に接合され水を排出する水排出管１８と、基体１３の下面に接合され基体１３内を通過した排気ガスを排出する排気ガス排出管２１とからなる。基体１３の上端には、他の部材に締結するためのフランジ２２が接合されている。

基体１３は、触媒ケース１２が下面に接合されている第１の部材２４と、この第１の部材２４に接合される第２の部材２５とからなる。基体１３は、これらの第１の部材２４と第２の部材２５とを重ね合わせることで中空状に形成されている。

第２の部材２５に接合されている第１のケース１５は、触媒ケース１２を囲う円筒形状の第１筒体２７と、この第１筒体２７の下端部に接合され触媒担体１１の下端部を被う第１底部２８とからなる。プレス成形により成形された鋼製の第１筒体２７及び第１底部２８を溶接することで、第１のケース１５を製造することができる。

第２のケース１６は、第１筒体２７を囲う略円筒状の第２筒体３１と、この第２筒体３１の下端に接合され第１底部２８を被う第２底部３２とからなる。

第１の部材２４は、底３４と、この底３４の周縁から第２の部材２５に向かって延びる壁部３５とからなる。底３４に形成されている開口から、排気ガスの導入側（図面上側）に向かって縮径し、断面視テーパ状に形成されるテーパ部３６が形成される。テーパ部３６の先端には、排気ガスを導入すると共にフランジ２２が取り付けられる排気ガス導入口３７が形成される。これらのテーパ部３６及び排気ガス導入口３７が、第１の部材２４に一体的に形成されている。

即ち、排気ガスを導入する排気ガス導入口３７と、この排気ガス導入口３７の下流側から連続的に拡径し、排気ガスを触媒担体１１に向かって円滑に流すテーパ部３６とが、基体１３に一体的に形成されている。一体的に形成することで、熱交換器１０の部品点数を削減することができる。

第２の部材２５は、底４１と、この底４１の周縁から第１の部材２４に向かって立ち上げられる壁部４２と、基体１３内を通過した排気ガスを排出する排気ガス排出口４３とからなる。排気ガス排出口４３に排気ガス排出管２１が接合される。

なお、第１の部材及び第２の部材は、共に底部及び壁部からなる構造の他、底部のみからなる部材に底部及び壁部からなる部材を重ね合わせる構造等も採用することができる。即ち、中空状になるものであれば、任意の形状を採用することができる。また、互いの壁部を外周方向に向かって延ばした上で溶接する等、容易に溶接するために適宜形状を変更することや、互いの壁部同士を突き合せて突き合せ溶接を行うこともできる。

第１筒体２７から触媒ケース１２に向かって突出すると共に、先端が触媒ケース１２に接触することで排気ガスの流路を規制する排気ガス規制部２７ａが形成されている。即ち、排気ガスは、この排気ガス規制部２７ａの形成されている部分を避けるようにして、蛇行して流れる。詳細は後述する。
第１底部２８の略中央に、触媒担体１１に向かって膨出する膨出部２８ａが形成されている。

第２筒体３１は、水導入管１７が接続されると共に下端が第２底部３２で塞がれる一般部３１ａと、この一般部３１ａから拡径し水排出管１８が接合される拡径部３１ｂとからなる。一般部３１ａに水導入管１７が接合される水導入口３１ｃが形成され、拡径部３１ｂに水排出管１８が接合される水排出口３１ｄが形成されている。

触媒担体１１の中心軸４５に対して、第２筒体３１の一般部３１ａの中心軸４６が、水排出口３１ｄから離れる方向にずらされている。
一方、触媒担体１１の中心軸４５に対して、排気ガス導入口３７、テーパ部３６、第１筒体２７の中心軸は一致している。中心軸４５，４６がずらされている理由は後述する。
第１の部材２４及び第２の部材２５の詳細について次図で説明する。

図２に示すように、第１の部材２４の底３４は、第２筒体３１の上部に沿って略円形状に形成される一般部３４ａと、この一般部３４ａから延び排気ガス排出口（図１、符号４３）に被せられる延出部３４ｂとからなる。

第２の部材２５の底４１も同様である。即ち、第２筒体３１に一般部４１ａが被せられ、この一般部４１ａから延出される延出部４１ｂに排気ガス排出口が設けられると共に排気ガス排出管２１が接合されている。排気ガス排出口を形成するのに必要な分だけ延出部４１ｂを設ければよく、第２の部材２５を楕円形とした場合等に比べ、コンパクトにすることができる。
第１筒体（図１、符号２７）の詳細を次図で説明する。

図３に示すように、第１筒体２７に複数の排気ガス規制部２７ａが形成されている。円筒状の第１筒体２７の一部に形成されることで、排気ガス規制部２７ａは、平面視で略Ｃ字状を呈する。これらの排気ガス規制部２７ａは、それぞれが同じ形状に形成されると共に、高さ方向で同じ高さに２箇所ずつ形成されている。同じ高さに形成された２つの排気ガス規制部２７ａを１段としたときに、このような排気ガス規制部２７ａが７段形成されている。

なお、排気ガス規制部２７ａの段数は任意であるが、次図で説明するような配置のされ方であることが望ましい。第１筒体２７について、さらに詳細に次図で説明する。

図４は、第１筒体２７を展開し内側から見た図であり、排気ガス規制部２７ａは、図面手前側に向かって突出している。同じ段（図面水平方向）の排気ガス規制部２７ａ，２７ａ間に形成され、排気ガスが通る規制部間通路２７ｂの長さは、全てαである。

同じ段に形成されている規制部間通路２７ｂ，２７ｂの中点を、それぞれＣ１とする。２つの中点Ｃ１間の長さＰは、第１筒体２７の半周の長さに等しい。即ち、規制部間通路２７ｂの中点Ｃ１と規制部間通路２７ｂの中点Ｃ１とは、１８０°離して形成される。１８０°離して形成された排気ガス規制部２７ａは、第１筒体２７の中心軸（図１、符号４５）を挟んで対称に形成されている。

規制部間通路２７ｂの中点Ｃ１は、隣り合う段（図面上下方向）の排気ガス規制部２７ａの中点Ｃ２に高さ方向で一致する。即ち、隣り合う段の排気ガス規制部２７ａに対して、９０°位相をずらして配置されている。

排気ガス規制部２７ａの長さβ、排気ガス規制部２７ａの一端から規制部間通路２７ｂの中点Ｃ１までの長さ（１／２）α、排気ガス規制部２７ａの他端から規制部間通路２７ｂの中点Ｃ１までの長さ（１／２）αを足した長さ、β＋（１／２）α・２＝Ｐを１ピッチとする。この場合、１ピッチは１８０°であると共に、排気ガス規制部２７ａは、隣り合う段の排気ガス規制部２７ａに対して、９０°位相をずらして配置されているといえる。

１ピッチを１２０°とし、隣り合う排気ガス規制部に対して６０°位相をずらす、１ピッチを９０°とし、隣り合う排気ガス規制部に対して４５°位相をずらすことも可能である。ただし、熱交換量及び製造の容易から１ピッチを１８０°とし、隣り合う排気ガス規制部に対して９０°位相をずらすことが望ましい。

排気ガス規制部２７ａにより、触媒ケース（図１、符号１２）と第１筒体２７との間を流れる排気ガスを蛇行させる。蛇行させるために、排気ガス規制部２７ａは、第１筒体２７の周方向に断続的に形成される。断続的に形成するため、排気ガス規制部２７ａの成形にはプレス成形を用いることができる。プレス成形については詳細を後述する。
排気ガスが通過する排気ガス通路と水が通過する水通路について、詳細を次図で説明する。

図５に示すように、触媒担体１１の中心軸４５に、触媒ケース１２、第１筒体２７の中心軸が一致している。即ち、触媒担体１１の中心軸４５は、第１筒体２７の中心軸４５であるともいえる。
第２筒体３１の一般部３１ａの中心軸４６に対して、第１筒体２７の中心軸４５が、σ１だけ水排出管１８（水排出口）側にずらされている。
即ち、相対的に見て、第１筒体２７の中心軸４５は、第２筒体３１の中心軸４６に対して、水排出口側に近付けて配置されている。

排気ガスは、触媒担体１１内を図面表から裏に向かって流れ、浄化された排気ガスが、触媒ケース１２と第１筒体２７との間の排気ガス通路を図面裏から表に向かって通過する。

水は、第１筒体２７と第２筒体３１との間の水通路を、図面裏から表に向かって流れる。第１筒体２７の中心軸４５を水排出管１８（水排出口）側に近付けて配置することで、第１筒体２７と第２筒体３１との間に形成される水通路は、水排出管１８側で狭く（σ２）、水排出管１８から離れた部位で広く形成される（σ３）。即ち、水排出口近傍で流路面積が狭く、水排出口から離れた部位で流路面積が広い。このように形成されている理由については、後述する。
第１筒体２７の成形方法について次図で詳細に説明する。

図６（ａ）に、第１筒体（図１、符号２７）の成形に用いられるプレス成形装置を概念的に示す図である。プレス成形装置５０は、半割円柱状のパンチ５１，５１と、半割円柱状のダイ５２，５２とからなる。

パンチ５１，５１はそれぞれ、中心部が下方に向かって縮径するテーパ形状部５４，５４を有すると共に、排気ガス規制部（図６（ｂ）、符号２７ａ）を成形するために凹状に形成された複数の凹溝部５５を有している。パンチ５１，５１の上部と下部とにそれぞれ引張りばね５６，５６が取り付けられている。

ダイ５２，５２は、凹溝部５５，５５のそれぞれに対応する部位に、排気ガス規制部を成形するために凸状に形成された複数の凸状部５７を有している。ダイ５２，５２は、図面左右方向に移動することができる。

テーパ形状部５４，５４の間に臨むように、昇降可能な昇降部材５９が設けられている。昇降部材５９は、テーパ形状部５４，５４に接触するテーパ面６１，６１がそれぞれ矩形を呈する。

このようなプレス成形装置５０による第１筒体の成形方法を説明する。まず、パンチ５１，５１とダイ５２，５２との間に筒状の素材６２をセットする。素材をセットしたら、昇降部材５９を下降させる。昇降部材５９が下降することで、引張りばね５６，５６の力に抗してパンチ５１，５１が周方向に広がるように前進する。パンチ５１，５１を周方向に向かって前進させると共にダイ５２，５２を中心に向かって前進させる。

図６（ｂ）に示すように、パンチ５１，５１とダイ５２，５２とで素材６２を挟み込むことで、排気ガス規制部２７ａが成形される。昇降部材５９を上昇させることで、引張りばね５６，５６の力により、パンチ５１，５１は中心に向かって後退する。パンチ５１，５１を後退させるのと共にダイ５２，５２も周方向に向かって後退させる。これにより、排気ガス規制部２７ａが成形された素材６２を取り出すことができる。

凹溝部５５の形成される位置が異なるパンチ、凸状部５７の形成される位置が異なるダイを用いて、同様の方法により、９０°位相をずらして排気ガス規制部を形成することで、第１筒体を形成することができる。

プレス成形であれば、排気ガス規制部２７ａを高い精度で加工することができる。また、プレス成形であれば、成形にかかる費用が安価である。第１筒体が安価になることで、完成品である熱交換器（図１、符号１０）も安価にすることができる。
熱交換器の作用を次図以降で説明する。

図７の矢印（１）で示すように、排気ガス導入口３７から導入された排気ガスは、触媒担体１１に向かって流れる。排気ガスは、矢印（２）で示すように、触媒担体１１内を通過し、浄化される。浄化された排気ガスは、矢印（３）で示すように、触媒担体１１の下端から触媒ケース１２と第１筒体２７との間に向かって流れる。

第１底部２８に膨出部２８ａが形成されていることで、排気ガスを触媒ケース１２と第１筒体２７との間に向かって円滑に流すことができる。即ち、膨出部２８ａは、排気ガスの流れを導くガイドの役割を果たす。
触媒担体１１から出た後の作用について次図で説明する。

図８に示すように、排気ガスは、排気ガス規制部２７ａを避けるようにして、蛇行しながら上に向かって流れる。蛇行し第１筒体２７の上端から出た排気ガスは、基体１３の内部を通過し、排気ガス排出口４３及び排気ガス排出管２１から外部へ排出される。

白抜き矢印（５）で示すように、水導入管１７及び水導入口３１ｃから導入された水は、一部が白抜き矢印（６）で示されるように、水排出口３１ｄに向かって水排出口３１ｄまでの最短経路を通過する。導入された水の残部は、第１筒体２７の外周を周り、白抜き矢印（７）で示すように、水排出口３１ｄから離れた部位を上に向かって流れる。上に向かって流れた水は、白抜き矢印（８）で示すように、水排出口３１ｄ及び水排出管１８から外に向かって流れる。第１筒体２７を介して、排気ガスの熱が水に伝わる。即ち、水が温められる。

隣り合う段の排気ガス規制部２７ａの位相が９０°ずれているため、排気ガスは周方向を略９０°通過してから次の段に移動する。排気ガスの通路を長くすることで、熱交換を行う時間を長くすることができる。熱交換の時間を長くすることで、多くの排気ガスの熱を回収することができる。

加えて、基体１３は、第１の部材２４と、この第１の部材２４に接合される第２の部材２５とからなる、排気ガスの通路を兼ねる中空体である。触媒担体１１や筒体２７，３１を支持するための基体１３を、排気ガスの通路としても用いる。基体１３の周縁に別途排気ガスの通路を設ける必要がなくなり、熱交換器１０を小型化することができる。

さらに、第１底部２８に膨出部２８ａが形成されている。膨出部２８ａが形成されることで、噴流で流すことができ、また、水の流路面積を大きく取ることができる。水の流路面積を大きくすることで、水の流量を増やすことができる。水の流量が多いことで水温の急激な上昇を防ぎ、水が沸騰することを防ぐことができる。水の沸騰を防ぐことで、水を円滑に流し、効率よく熱交換を行うことができる。

加えて、水排出口３１ｄ側の流路面積を狭く、水排出口３１ｄから離れた部位の流路面積を広くした（併せて図５も参照）。水導入口３１ｃから水排出口３１ｄまでの最短距離を通過する流路の面積を狭めることで、最短距離を通過する水の流量を減少させる。一方、水排出口３１ｄから遠く、水の流れにくい部位の流路面積を広げ、水の流量を増加させる。これにより、第１筒体２７と第２筒体３１との間の全周にわたってより均一に水を流すことができる。より均一に水を流すことで、水を円滑に流すことができ、熱交換の効率を高めることができる。
本発明の別実施例について次図以降で説明する。

次に、本発明の実施例２を図面に基づいて説明する。
図９は実施例２の熱交換器の断面構成を示し、上記図１に対応させて表している。
図９に示すように、熱交換器７０は、基体７１を構成する第２の部材７２が、第１筒体７３の上端から一体的に形成される。プレス成形により第２の部材７２と第１筒体７３とを一体的に形成し、プレス成形で排気ガス規制部２７ａを形成する。第２の部材７２の下面には、第２筒体３１が取り付けられている。

第１筒体７３の端部に第２の部材７２を一体的に形成した場合も、本発明の効果を得ることができる。また、第１底部２８も一体的に成形してもよい。

熱交換器７０は、第２の部材７２と第１筒体７３とを一体的に形成することで、部品点数を削減することができると共に、組み立て工数を削減することができる。

尚、本発明に係る熱交換器は、コージェネレーション装置や、その他の用途に適用することは差し支えない。また、本発明に係る熱交換器には、水に冷却水を用いることが望ましく、用途に応じて、最適な種類の媒体を用いることができる。

本発明の熱交換器は、コージェネレーション装置に好適である。

１０，７０…熱交換器、１１…触媒担体、１２…触媒ケース、２７，７３…第１筒体、２７ａ…排気ガス規制部、３１…第２筒体、４５…第１筒体の中心軸。

Claims (2)

1. 排気ガスを浄化する触媒担体と、この触媒担体を囲う触媒ケースと、この触媒ケースを囲い前記触媒ケースとの間で浄化された排気ガスの通路を形成する第１筒体と、この第１筒体を囲い前記第１筒体との間で水の通路を形成する第２筒体とを備える熱交換器において、
   前記第１筒体から前記触媒ケースへ排気ガス規制部を突出させ、
   前記触媒ケースと前記第１筒体との間を流れる排気ガスを蛇行させるようにしたことを特徴とする熱交換器。
2. 前記排気ガス規制部は、前記第１筒体の高さ方向に複数段形成され、
   各段に同形状の前記排気ガス規制部が２つ形成されると共に、これらの排気ガス規制部は、前記第１筒体の中心軸に対して対称に形成され、
   このような一対の排気ガス規制部が、隣り合う段の前記排気ガス規制部に対して、位相を９０°ずらして形成されていることを特徴とする請求項１記載の熱交換器。

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