JP2015183639A - 排気熱回収装置 - Google Patents

Abstract

【課題】熱媒の熱よる影響を少なくして、排熱回収を行うか否かを切り替えできるようにする。【解決手段】エンジン１４からの排気が流れる第１配管１６から分岐する第２配管１８に熱回収器２６が設けられる。第１配管１６の弁部材３４を駆動するアクチュエータ３６は、熱媒であるエンジン冷却水が流れる回収配管３２及び熱回収器と非接触に配置されることで、通電加熱によるアクチュエータ内のワックスの体積変化に対し、エンジン冷却水からの熱の影響を少なくできる。【選択図】図１

Description

本発明は、排気熱回収装置に関する。

エンジンからの排気の熱を用いて、エンジン冷却水等を昇温させる技術がある。たとえば、特許文献１には、エンジンからの冷却水配管におけるラジエータの下流側にサーモスタットを配置した内燃機関の排気通路構造が記載されている。また、特許文献２には、熱交換器を備えた熱交換経路と、熱交換器をバイパスするバイパス経路を備え、バイパス経路に設けた弁体の制御で、排気の流路を切り替える排気熱回収装置が記載されている。さらに、特許文献３には、冷却水温が所定温度以上である場合に、ワックスの熱膨張で押圧ロッドを伸長させて熱交換器シェルのバルブを全開位置にする排気系構造が記載されている。

特開２００７−１００６６５号公報 特開２００６−３１２８８４号公報 特開２００８−１０１４８１号公報

排熱回収（排気熱をエンジン冷却水等の熱媒に作用させる動作）を行うか否かの切替を、上記のように冷却水の温度によって行うと、冷却水の温度に基づいた切替になってしまう。すなわち、冷却水の温度以外の条件で、排熱の回収・非回収を切替できるようにするためには、改善の余地がある。

本発明は上記事実を考慮し、熱媒の熱による影響を少なくして、排熱回収を行うか否かを切り替えできるようにすることを課題とする。

本発明の第１の態様では、エンジンからの排気が流れる第１配管と、前記第１配管から分岐し、前記排気の熱を熱媒に作用させる熱回収器が備えられる第２配管と、前記第２配管への前記排気の流量を調整する弁部材と、前記熱媒の流路と非接触で配置され、通電による加熱でワックスを体積変化させて前記弁部材を駆動する駆動部材と、を有する。

この排気熱回収装置では、駆動部材が、通電による加熱でワックスを体積変化させることで、弁部材を駆動する。弁部材の駆動により、エンジンからの排気の第２配管への流量が調整される。第２配管には、熱回収器が備えられており、第２配管への排気の流量を多くすることで、より多くの排気熱を熱媒（たとえばエンジン冷却水）に作用させることができる。

駆動部材は、熱媒の流路と非接触で配置されている。したがって、ワックスの体積変化に対し、熱媒からの熱の影響を少なくできる。そして、通電加熱によるワックスの体積変化に基づいて、弁部材を駆動制御し、排熱回収を行うか否かを切り替えできる。

本発明の第２の態様では、第１の態様において、熱源から前記ワックスに伝熱する伝熱部材を有する。

熱源からの熱を利用して、ワックスを加熱できる。たとえば、ワックスの膨張状態を維持するときに、通電の消費電力を抑制することが可能である。

本発明の第３の態様では、第２の態様において、前記熱源が前記第１配管である。

これにより、第１配管を流れる排気の熱を、ワックスに効率的に伝熱できる。

本発明の第４の態様では、第２又は第３の態様において、前記伝熱部材が前記ワックスを包囲する包囲部を有する。

伝熱部材がワックスを包囲することで、包囲していない構造と比較して、効率的にワックスに伝熱できる。なお、この「包囲」とは、たとえば、ワックスが収容された部材を閉曲線状にあるいは閉曲面状に取り囲んでいる状態をいう。

本発明の第５の態様では、第２〜第４のいずれか１つの態様において、前記駆動部材は、前記ワックスの温度上昇により前記第２配管への排気の流量を少なくするよう前記弁部材を制御する。

ワックスが温度上昇している状態では、第２配管への排気の流量が少なくなる。すなわち、熱回収器で回収する熱量が少ない状態で、ワックスへの加熱を効率的に熱源の熱で補い、消費電力を低減できる。

本発明の第６の態様では、第１〜第５のいずれか１つの態様において、前記ワックスを外部から断熱する断熱部材を有する。

断熱部材によって、ワックスが外部から断熱されるので、ワックスの体積変化に対する外部の熱の影響が少なくなる。

本発明は上記構成としたので、熱媒の熱よる影響を少なくして、排熱回収を行うか否かを切り替えできる。

本発明の第１実施形態の排気熱回収装置を示す概略構成図である。 本発明の第１実施形態の排気熱回収装置を示す断面図である。 本発明の第１実施形態の排気熱回収装置を示す図２の３−３線断面図である。

本発明の第１実施形態の排気熱回収装置について、図面を参照して説明する。

図１には、本発明の第１実施形態の排気熱回収装置１２が示されている。排気熱回収装置１２は、エンジン１４からの排気が流れる第１配管１６を有する。以下において、単に「上流」及び「下流」というときは、この排気の流れ方向（矢印Ｆ１方向）における「上流」及び「下流」を意味する。

第１配管１６には、排気中の特定成分を除去する触媒コンバータ１５が設けられる。第１配管１６からは、触媒コンバータ１５の下流側において、分岐部２０において第２配管１８が分岐している。第２配管１８は、分岐部２０よりも下流側の合流部２２で、第１配管１６に合流している。第２配管１８の内部には、熱回収器２６が設けられている。第１配管１６において、分岐部２０と合流部２２の間の部分は、排気が熱回収器２６をバイパスするバイパス流路２４となっている。

エンジン１４の冷却水は、循環配管２８によってラジエータ３０との間で循環されて冷却される。循環配管２８からは回収配管３２が分岐している。循環配管２８を流れる冷却水の一部を、回収配管３２によって熱回収器２６に導き、さらに熱回収器２６から循環配管２８に戻すことが可能である。回収配管３２及び熱回収器２６は、冷却水が流れるため、冷却水の流路となっている。なお、図１に示す例では、回収配管３２には、必要に応じて冷却水を加熱するヒータ３３が設けられている。

第１配管１６におけるバイパス流路２４（分岐部２０と合流部２２の間の位置）には、弁部材３４が設けられる。弁部材３４は、後述するアクチュエータ３６によって制御され、図１及び図２に実線で示す閉位置と、二点鎖線で示す開位置との間を移動する。弁部材３４は、閉位置では、バイパス流路２４の流路断面積を小さくする（但し完全に閉塞している必要はない）ので、排気の多くは第２配管１８に流れる。これに対し、弁部材３４は、開位置では、閉位置よりもバイパス流路２４の流路断面積を大きくするので、第２配管１８に流れる排気の量は少なくなる。

アクチュエータ３６は、エンジン冷却水が流れる流路、すなわち、回収配管３２及び熱回収器２６と非接触で、図示しない取付具により第１配管１６に取り付けられている。

図２に詳細に示すように、アクチュエータ３６は、第１ハウジング４０と第２ハウジング４２と備えたハウジング本体３８を有している。第１ハウジング４０は、筒部４０Ａ及び底部４０Ｂを有する（ただし後述する挿通孔４４が形成される）円筒状である。第２ハウジング４２も、筒部４２Ａ及び底部４２Ｂを有する円筒状である。そして、第１ハウジング４０と第２ハウジング４２のそれぞれのフランジ部４０Ｆ、４２Ｆを接合することで、全体として略円筒状の外形を成すハウジング本体３８が構成されている。

ハウジング本体３８の内部は、弾性隔壁４７によって、第１ハウジング４０側の第１空間４６と第２ハウジング４２側の第２空間４８とに区画されている。第１空間４６には、挿通孔４４から進退可能となるロッド５０が収容されている。

ロッド５０の先端には支軸５２Ａ周りに回転する変換円板５２が配置されており、ロッド５０の一端の保持部５４が、変換円板５２の保持ピン５６を保持している。

変換円板５２には弁部材３４の一端３４Ａ側（図２では上側）が固定されており、ロッド５０が矢印Ｍ１方向に移動（進出）すると、変換円板５２が矢印Ｒ１方向に回転し、弁部材３４が矢印Ｂ１で示すように開位置へ移動（回動）する。これに対し、ロッド５０が矢印Ｍ２方向に移動（後退）すると、変換円板５２が矢印Ｒ２方向に回転し、弁部材３４が矢印Ｂ２で示すように閉位置へ移動（回動）する。すなわち、変換円板５２は、ロッド５０の直線運動を、弁部材３４の回転運動（回動）に変換する。

ロッド５０の他端はブラケット５８に取り付けられている。ブラケット５８と第１ハウジング４０の底部４０Ｂの間にはバネ６０が収容されている。バネ６０は、ブラケット５８を介して、ロッド５０を矢印Ｍ２方向（第１ハウジング４０内に後退する方向）に付勢している。

アクチュエータ３６の第２空間４８には、移動ピン６４が収容されると共に、ワックス６２が充填されている。移動ピン６４の一端は、弾性隔壁４７に固定されている。さらに、第２空間４８には、通電用リード線６８により通電されると発熱する発熱体６６が収容されている。ワックス６２は、所定の粘性を有する液状の部材であり、加熱による温度上昇で体積が増大する。弾性隔壁４７は、このようなワックス６２の体積変化を許容し、且つ、第２空間４８からのワックス６２の漏出を抑制している。

そして、ワックス６２の体積が増大すると、弾性隔壁４７がわずかに伸びて第２空間４８の容積が増大し、移動ピン６４が矢印Ｍ１方向に移動する。そして、移動ピン６４が弾性隔壁４７を介して、ロッド５０を矢印Ｍ１方向に押すので、ロッド５０が矢印Ｍ１方向に移動する。

これに対し、ワックス６２の体積が減少すると、弾性隔壁４７がわずかに縮んで第２空間４８の容積が縮小し、移動ピン６４が矢印Ｍ２方向に移動する。移動ピン６４がロッド５０を押さなくなるので、ロッド５０は、バネ６０の力を受けて矢印Ｍ２方向に移動する。

第１配管１６のバイパス流路２４とアクチュエータ３６には、伝熱部材７０が装着されている。図３にも詳細に示すように、伝熱部材７０は、第１配管１６の外周に接触する部分円筒状の受熱部７０Ａと、第２ハウジング４２の筒部４０Ａを包囲する環状の放熱部７０Ｂとが、連結部７０Ｃで連結された構造である。

伝熱部材７０は、たとえば金属等の熱伝導率の高い材料で形成されており、第１配管１６の熱を受熱部７０Ａで受け、放熱部７０Ｂから第２ハウジング４２に放熱する。これにより、伝熱部材７０は、排気の熱をワックス６２に伝える。

図２に示す例では、受熱部７０Ａは第２ハウジング４２のフランジ部４２Ｆに接触配置されており、受熱部７０Ａの第２ハウジング４２に対するガタツキが抑制されている。

第２ハウジング４２の筒部４０Ａ及び底部４０Ｂの外側には、断熱部材７２が配置されている。図２及び図３に示す例では、断熱部材７２は、伝熱部材７０の放熱部７０Ｂを避けてはいるが、筒部４０Ａの略全範囲と、底部４０Ｂの全範囲を覆っている。断熱部材７２は、たとえば、多孔性の樹脂材料で形成されており、第２空間４８の内部（ワックス６２）と外部とを断熱する。

次に、本実施形態の作用を説明する。

アクチュエータ３６に通電している状態では、ワックス６２の体積が増大するので、移動ピン６４が矢印Ｍ１方向に移動し、ロッド５０を矢印Ｍ１方向に押す。ロッド５０はバネ６０の付勢力に抗して矢印Ｍ１方向に移動（進出）するので、弁部材３４は開位置へ回動する。

弁部材３４が開位置にある状態では、第１配管１６のバイパス流路２４の流路断面積が大きくなるので、バイパス流路２４に流れる燃料が多い。したがって、熱回収器２６において、排気の熱によりエンジン冷却水を加熱し昇温する効果は小さい。

これに対し、アクチュエータ３６に通電していない状態では、ワックス６２が膨張していないので、移動ピン６４はロッド５０を矢印Ｍ１方向に押さない。ロッド５０は、バネ６０の付勢力を受けて矢印Ｍ２方向に移動（退避）しているので、弁部材３４は閉位置にある。

弁部材３４が閉位置にある状態では、第１配管１６のバイパス流路２４の流路断面積が小さいので、排気の多くが第２配管１８に流れる。そして、熱回収器２６では、排気の熱をエンジン冷却水に作用させて、エンジン冷却水を加熱し昇温する効果が大きい。たとえば、エンジン冷却水の温度が低い場合には、アクチュエータ３６に通電することで、排気の熱を用いてエンジン冷却水を効率的に昇温させることが可能である。

そして、本実施形態では、アクチュエータ３６が、エンジン冷却水が流れる流路（回収配管３２及び熱回収器２６）と非接触で配置されている。アクチュエータ３６がエンジン冷却水の流路と接触している構造と比較して、ワックス６２の体積変化（特に体積増加）に対するエンジン冷却水の熱の影響が小さい。たとえば、エンジン冷却水の温度に依存せず、任意の条件でアクチュエータ３６への通電・非通電を切り替え、排気からの熱の非回収・回収を調整できる。

しかも、本実施形態では、アクチュエータ３６を、エンジン冷却水の流路と非接触にすることで、アクチュエータ３６をエンジン冷却水に対し防水する必要がない。防水のための構造が不要なので、排気熱回収装置１２の軽量化、低コスト化に寄与できる。また、アクチュエータ３６に水分が接触しないので、信頼性や耐久性が高くなる。

特に、本実施形態では、伝熱部材７０を有しており、第１配管１６の熱を、伝熱部材７０を介してワックス６２に作用させることができる。これにより、たとえば、ワックス６２の体積が増大した状態を維持する場合に、アクチュエータ３６への通電の消費電力を抑制することが可能である。

なお、伝熱部材７０によってワックス６２に作用させる熱の熱源は、上記した第１配管１６に限定されない。すなわち、第１配管１６以外にも高い熱エネルギーを有する部材があれば、この部材を熱源として利用できる。第１配管１６等の排気管は、あらかじめ車両に備えられた部材であるので、熱源としてあらたな部材を追加する必要がなく、第１配管を流れる排気の熱を、効率的にワックス６２に伝熱できる。

伝熱部材７０は、第２ハウジング４２の外側でワックス６２を包囲する放熱部７０Ｂを有している、ワックス６２を包囲しない構造であっても、たとえば、第２ハウジング４２に接触していれば、排気から受けた熱をワックス６２に作用させることは可能である。上記実施形態のように、放熱部７０Ｂがワックス６２を包囲していると、ワックス６２に効率的に伝熱できる。

本実施形態では、ワックス６２の温度が上昇している状態では、図２に二点鎖線で示すように弁部材３４が開位置にあり、第２配管１８への排気の流量が少なくなる。すなわち、熱回収器２６で回収する熱量が少ない状態（弁部材３４を開位置に維持する状態）では、ワックス６２への加熱を第１配管１６の熱で補うことができ、弁部材３４を効率的に開位置に維持できると共に、アクチュエータ３６の消費電力の抑制に寄与できる。

また、本実施形態では、断熱部材７２を有する。断熱部材７２により、ワックス６２が外部から断熱されるので、ワックス６２の体積変化に対し、外部の熱の影響が少なくなる。たとえば、第１配管１６、第２配管１８及び熱回収器２６等からの熱の影響が少なくなる。

アクチュエータ３６の周囲、特に断熱部材７２の周囲には、伝熱部材７０を除き空気が存在している。空気は、水と比較して熱伝導率が低い。したがって、アクチュエータ３６をエンジン冷却水に接触させた構造と比較して、ワックス６２の温度を短時間で上昇させることができ、同じ電力投入量であっても、ロッド５０を早く移動させたり、移動量を大きく確保したりすることが可能である。

また、ワックス６２が断熱部材７２によって保温されるので、アクチュエータ３６に通電してワックス６２の体積を増大させるときの消費電力を低減できる。

さらに、ワックス６２は、第２ハウジング４２の周囲に位置しているので、第２ハウジング４２を異物や衝撃などから保護できる。なお、このように外部からの異物や衝撃から保護する観点では、たとえば、断熱部材７２を、第１ハウジング４０の周囲も覆うように配置してもよい。

熱媒としては、エンジン冷却水に限定されず、熱交換に用いられる液体や気体等の流体を広く適用できる。そして、この熱媒に対し、本実施形態の排気熱回収装置１２で排気熱を作用させ、温度上昇させることができる。

上記のアクチュエータ３６は、ハウジング本体３８内の密閉空間（第２空間４８）にワックス６２を密封し、加熱によるワックスの膨張で移動ピン６４を移動させる構造である。このようにワックス６２（液体）の体積変化を弁部材３４の駆動力に用いているので、たとえば、モータを用いる構造や、密閉空間内での気体の体積変化で駆動力を得る構造（いわゆる負圧アクチュエータ）と比較して、大きな駆動力が得られる。

そして、弁部材３４に開弁方向（図２の矢印Ｂ１方向）の大きな力が排気から作用しても、この力に抗して、弁部材３４を閉弁方向（図２の矢印Ｂ２方向）へ回動させたり、閉位置に保持したりすることが可能であり、弁部材３４の形状や配置の自由度が高い。弁部材３４の構造としても、図２に示したような、回動中心が弁部材３４の端部（支軸５２Ａ）に設定されたいわゆるスイング弁を採用できる。もちろん、本実施形態において、回動中心が弁部材３４の中央に設定された、いわゆるバタフライ弁を採用することも可能である。

そして、加熱によるワックスの膨張で移動ピンを移動させる構造のアクチュエータでは、ワックスに意図しない温度変化が作用した場合でも、移動ピンが大きく移動してしまうことがある。本実施形態では、アクチュエータ３６を、エンジン冷却水が流れる流路（回収配管３２及び熱回収器２６）と非接触し、ワックス６２の体積変化に対するエンジン冷却水の熱の影響を小さくしている。これにより、不用意に移動ピン６４が移動して弁部材３４が意図しない回動をすることを抑制すると共に、アクチュエータ３６への通電により、弁部材３４の回動を確実に制御できる構造としている。

１２ 排気熱回収装置
１４ エンジン
１６ 第１配管
１８ 第２配管
２６ 熱回収器
３４ 弁部材
３６ アクチュエータ（駆動部材）
６２ ワックス
７０ 伝熱部材
７０Ｂ 放熱部（包囲部）
７２ 断熱部材

Claims (6)

1. エンジンからの排気が流れる第１配管と、
   前記第１配管から分岐し、前記排気の熱を熱媒に作用させる熱回収器が備えられる第２配管と、
   前記第２配管への前記排気の流量を調整する弁部材と、
   前記熱媒の流路と非接触で配置され、通電による加熱でワックスを体積変化させて前記弁部材を駆動する駆動部材と、
   を有する排気熱回収装置。
2. 熱源から前記ワックスに伝熱する伝熱部材を有する請求項１に記載の排気熱回収装置。
3. 前記熱源が前記第１配管である請求項２に記載の排気熱回収装置。
4. 前記伝熱部材が前記ワックスを包囲する包囲部を有する請求項２又は請求項３に記載の排気熱回収装置。
5. 前記駆動部材は、前記ワックスの温度上昇により前記第２配管への排気の流量を少なくするよう前記弁部材を制御する請求項２〜請求項４のいずれか１項に記載の排気熱回収装置。
6. 前記ワックスを外部から断熱する断熱部材を有する請求項１〜請求項５のいずれか１項に記載の排気熱回収装置。

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