JP2015048806A

JP2015048806A - 熱回収装置

Info

Publication number: JP2015048806A
Application number: JP2013182380A
Authority: JP
Inventors: 井上　勝文; Katsufumi Inoue; 勝文井上; 史朗中嶋; Shiro Nakajima; 宗一郎青▲柳▼; Soichiro Aoyanagi
Original assignee: Calsonic Kansei Corp
Current assignee: Marelli Corp
Priority date: 2013-09-03
Filing date: 2013-09-03
Publication date: 2015-03-16

Abstract

【課題】構造が簡単で小型化可能な熱回収装置を提供する。【解決手段】熱回収装置１０は、排気通路１の内周に接触する第１排気流通部２と、排気通路１内、かつ、排気流れ方向に対して直交する方向に第１排気流通部２と並んで配置され、排気温度が低い低温時は第１排気流通部２よりも通気抵抗が大きいが、前記低温時よりも排気温度が高い高温時は第１排気流通部２よりも通気抵抗が小さくなる温度特性を有する第２排気流通部３と、排気通路１の第１排気流通部２が接触している部位に設けられるウォータージャケット４と、を備える。【選択図】図１

Description

本発明は、車両から排出される熱を回収する熱回収技術に関する。

車両から排出される熱を回収し、回収した熱でエンジン冷却水を温めれば、エンジンの暖機時間を短縮することができ、冷機時の燃費、排気性能を向上させることができる。

しかしながら、エンジン暖機後は、熱を回収する必要がなくなるので、熱回収装置による熱回収量を調整できるようにする必要がある。

この点に関し、特許文献１では、エンジン冷却水と排気との熱交換を行う熱交換部を有する熱回収装置に切換バルブを設け、当該切換バルブを切り換えることによって、熱交換部に排気を流す状態と熱交換部に排気を流さない状態とを切り換えられるようにしている。

特開２００６−１０５１２４号公報

切換バルブを用いた上記構成では、高い熱回収率を実現することができるものの、切換バルブが必要なため、熱回収装置が複雑化・大型化してしまう。

複雑化はコストの増加につながり、また、大型化により熱回収装置の搭載位置がエンジンから離れた車両床下等に制限されると、熱回収の効率が低下する。熱回収の効率を考えると、熱回収装置は、排気温度が高いエンジン近く（例えば、エキゾーストマニホールド）に搭載されるのが好ましい。

本発明は、このような技術的課題に鑑みてなされたもので、構造が簡単で小型化可能な熱回収装置を提供することを目的とする。

本発明のある態様によれば、排気通路を流れる排気から熱を回収する熱回収装置であって、前記排気通路の内周に接触する第１排気流通部と、前記排気通路内、かつ、排気流れ方向に対して直交する方向に前記第１排気流通部と並んで配置され、排気温度が低い低温時は前記第１排気流通部よりも通気抵抗が大きいが、前記低温時よりも排気温度が高い高温時は前記第１排気流通部よりも通気抵抗が小さくなる温度特性を有する第２排気流通部と、前記排気通路の前記第１排気流通部が接触している部位に設けられる熱回収ジャケットと、を備えたことを特徴とする熱回収装置が提供される。

上記態様によれば、第２排気流通部の通気抵抗が排気温度に応じて変化することを利用して、熱回収量の調整が行われる。切換バルブを設ける必要がないので、装置を簡略化、小型化することができる。

本発明の実施形態に係る熱回収装置が設けられた排気通路の縦断面図である。図１のＩＩ−ＩＩ断面図である。熱交換が行われる領域を説明するための図である。熱交換が行われる領域を説明するための図である。第１排気流通部及び第２排気流通部のガス流量−通気抵抗特性が排気温度に応じてどのように変化するかを示した図である。低温時の第２排気流通部を流れる排気の流れの状態を示している。高温時の第２排気流通部を流れる排気の流れの状態を示している。低温時の熱回収装置における排気の流れを説明するための図である。高温時の熱回収装置における排気の流れを説明するための図である。

以下、添付図面を参照しながら本発明の実施形態について説明する。

図１、図２は本発明の実施形態に係る熱回収装置１０を示している。熱回収装置１０は、エンジンの排気通路１（例えば、エキゾーストマニホールド）の内周に沿って、かつ、内周に接触する環状の第１排気流通部２と、第１排気流通部２の内側に配置される中実円筒状の第２排気流通部３と、排気通路１の第１排気流通部２が接触している部位の外周に沿って設けられるウォータージャケット４とを備える。

第１排気流通部２は、ステンレス鋼等の金属製の平箔と波箔とを交互に積層し、これを環状に丸めることで形成されるハニカム構造である。図２では、平箔及び波箔を簡略化して同心円状に描いているが、実際は渦巻き状に配置される。第１排気流通部２には、排気流れ方向に延びる複数の通路が形成される。隣接する通路の間は第１排気流通部２を構成する平箔又は波箔によって遮断されており、隣接する通路間での排気の移動はない。すなわち、各通路は一本道である。

第２排気流通部３は、ステンレス鋼等の金属製のラス平箔とラス波箔とを交互に積層し、これを中実円筒状に丸めることで形成されるハニカム構造である。図２では、ラス平箔及びラス波箔を簡略化して同心円状に描いているが、実際は渦巻き状に配置される。ラス平箔は、スリットが千鳥状に形成された箔を引き延ばして形成される網目状のエキスパンドメタルであり、多数の開口を表面に有している。ラス波箔は、ラス平箔を波形に加工したものである。

このため、第２排気流通部３には、第１排気流通部２と同様に複数の通路が形成されるが、隣接する通路は通路途中に形成される開口を介して連通しており、排気は隣接する通路間を移動することができる。

なお、ラス平箔及びラス波箔は、押し切り刃、回転刃等を用いて、公知の方法で製造される。また、網目の粗さ及び第２排気流通部３の長さは、後述する第１排気流通部２と第２排気流通部３との間で排気温度に応じた通気抵抗の逆転現象が起こるように、適宜調節される。

ウォータージャケット４は、下側に冷却水入口４１、上側に冷却水出口４２を有している。冷却水入口４１からウォータージャケット４に冷却水が流入すると、冷却水は排気通路１の第１排気流通部２が接触している部位に沿って流れ、この間に排気から熱を受け取り、冷却水出口４２から排出される。排気から熱を受け取ることで温度が上昇した冷却水はエンジンへと戻され、これによってエンジンの暖機が促進される。

排気と冷却水との間の熱交換は、排気通路１の内周からの距離が２０ｍｍ以下の領域で行われることに鑑み、第１排気流通部２は排気通路１の内周に沿った形状とし、かつ、その厚みを２０ｍｍ以下、好ましくは１０ｍｍ〜１５ｍｍに設定し、排気と冷却水との間の熱交換が効率的に行われるようにしている。

これは、図３に示すような長径１４０ｍｍ、短径９０ｍｍの楕円断面の外筒一体タイプの金属製ハニカム構造を用意し、ハニカム内に高温のガスを流しハニカム構造内部の温度を調べたところ、図４に示すように、長径部、短径部ともに、外周から２０ｍｍ以内の領域において温度降下が起きていた、すなわちハニカム内の熱はもっぱら外周から２０ｍｍ以内の領域から逃げているという実験結果に基づいている。

図５は、第１排気流通部２及び第２排気流通部３のガス流量−通気抵抗特性が排気温度に応じてどのように変化するかを示している。

第１排気流通部２も第２排気流通部３もガス流量が増大するにつれて通気抵抗が増大するという点に関しては同じであるが、第１排気流通部２は低温時（この例では常温）、高温時（この例では４００℃）とも略同じガス流量−通気抵抗となるのに対し、第２排気流通部３は高温時の通気抵抗が低温時に比べて６０％程度まで低下する。

これは、第１排気流通部２のように、隣接する通路間が遮断された一本道構造であれば、排気温度が変化しても第１排気流通部２を流れる排気は層流のままであり、通気抵抗の変化は基本的には起こらないのに対し、第２排気流通部３のように、隣接する通路間が開口を介して連通する構造では、排気温度に応じて排気が乱流から層流に変化し、通気抵抗が変化すると考えられるからである。

図６Ａは、低温時の第２排気流通部３を流れる排気の状態を示している。排気温度が低い状態では、排気は乱流であり、通気抵抗が高くなると考えられる。

これに対し、図６Ｂは、高温時の第２排気流通部３を流れる排気の状態を示している。排気温度が高くなると、排気の粘度が上がり、流量が同じであればレイノズル数が下がるので、排気は層流に変化し、通気抵抗が低下すると考えられる。

このため、排気温度が低い低温時（排気温度＜特定の閾値温度、特定の閾値温度は第１排気流通部２及び第２排気流通部３の諸元によって決まる）は、第１排気流通部２の通気抵抗よりも第２排気流通部３の通気抵抗が大きく、図７Ａに示すように、排気が第２排気流通部３よりも第１排気流通部２に多く流入し、第１排気流通部２を流れる排気からウォータージャケットを流れる冷却水に熱が伝えられ、効率良く熱の回収が行われる。

これに対し、上記低温時よりも排気温度が高い高温時（排気温度＞特定の閾値温度）は、第１排気流通部２の通気抵抗よりも第２排気流通部３の通気抵抗が小さくなり、図７Ｂに示すように排気が第１排気流通部２よりも第２排気流通部３に多く流入する。第１排気流通部２に流れる排気の量が減少することから、第１排気流通部２を流れる排気からウォータージャケット４を流れる冷却水に伝えられる熱量、すなわち回収される熱量が減少する。

このように、本実施形態に係る熱回収装置１０では、第２排気流通部３のガス流量−通気抵抗特性が排気温度に応じて変化することを利用して、熱回収量の調整が可能である。

切換バルブを設ける必要がないので、装置の簡略化、小型化が可能であり、装置のコストを下げ、また、熱回収装置１０をエキゾーストマニホールドに設置して熱回収効率を向上させることができる。

以上、本発明の実施形態について説明したが、上記実施形態は本発明の適用例の一部を示したに過ぎず、本発明の技術的範囲を上記実施形態の具体的に限定する趣旨ではない。

例えば、第２排気流通部３はラス平箔とラス波箔とを積層することによって形成しているが、隣接する通路同士が通路途中の開口を介して連通する他の構造を採用してもよい。例えば、第１排気流通部２に用いられる平箔及び波箔を用い、これらにルーバー（切り欠き）を形成することによって隣接する通路同士を連通させてもよい。あるいは、波箔の山の一部を反転させて、山部と谷部とを有する箔とし、これを積層することで隣接する通路同士を連通させてもよい。

また、第２排気流通部３を、網目状のラス平箔と網目状のラス波箔を積層して形成しているが、平箔、波箔のいずれか一方を開口を有さない通常の箔としてもよい。

また、第１排気流通部２、第２排気流通部３及びウォータージャケット４の形状及び配置は上記形状及び配置に限定されず、第１排気流通部２が排気通路１の内周に接触し、第１排気流通部２と第２排気流通部３とが排気流れ方向に対して直交する方向に並んで配置され、ウォータージャケット４が排気通路１の第１排気流通部２と接触している部位に設けられていれば、他の形状及び配置であってもよい。

１排気通路
２第１排気流通部
３第２排気流通部
４ウォータージャケット（熱回収ジャケット）
１０熱回収装置

Claims

排気通路を流れる排気から熱を回収する熱回収装置であって、
前記排気通路の内周に接触する第１排気流通部と、
前記排気通路内、かつ、排気流れ方向に対して直交する方向に前記第１排気流通部と並んで配置され、排気温度が低い低温時は前記第１排気流通部よりも通気抵抗が大きいが、前記低温時よりも排気温度が高い高温時は前記第１排気流通部よりも通気抵抗が小さくなる温度特性を有する第２排気流通部と、
前記排気通路の前記第１排気流通部が接触している部位に設けられる熱回収ジャケットと、
を備えたことを特徴とする熱回収装置。
請求項１に記載の熱回収装置であって、
前記第２排気流通部は、排気の流れ方向に延びる複数の通路で構成され、
前記複数の通路は、通路途中に形成される開口を介して隣接する通路同士が連通する、
ことを特徴とする熱回収装置。
請求項２に記載の熱回収装置であって、
前記第２排気流通部は、網目状のラス平箔と網目状のラス波箔とを交互に積層して構成される、
ことを特徴とする熱回収装置。
請求項１から３のいずれかに記載の熱回収装置であって、
前記第１排気流通部は、前記排気通路の内周に沿った形状である、
ことを特徴とする熱回収装置。
請求項４に記載の熱回収装置であって、
前記第１排気流通部は、前記排気通路の内周に沿った環状であり、
前記第２排気流通部は、前記第１排気流通部内に配置される中実円筒状である、
ことを特徴とする熱回収装置。
請求項４又は５に記載の熱回収装置であって、
前記第１排気流通部の厚みは、２０ｍｍ以下である、
ことを特徴とする熱回収装置。