JP2017133362A

JP2017133362A - 排気熱回収装置

Info

Publication number: JP2017133362A
Application number: JP2016011307A
Authority: JP
Inventors: 出居　一博; Kazuhiro Idei; 一博出居
Original assignee: Calsonic Kansei Corp
Current assignee: Marelli Corp
Priority date: 2016-01-25
Filing date: 2016-01-25
Publication date: 2017-08-03

Abstract

【課題】冷媒出口付近での冷却媒体の過度の加熱を防止することができ、安全性を高めることができる排気熱回収装置を提供する。【解決手段】内管１０の内部のバイパス通路１１が閉鎖された際に、バイパス通路１１から内管１０と外管２０の間の円環状の熱交換通路２１に排気ガスを導入する連通孔が内管１０に形成され、外管２０の外周側に冷媒入口３６と冷媒出口３７を有する冷媒通路３５が設けられた排気熱回収装置であって、冷媒出口３７の位置に対応した内管１０の管壁上の周方向の位置に、連通孔を形成しない非形成領域Ｒａを設け、この非形成領域Ｒａを除く全周領域Ｒｂに多数の連通孔をそれぞれ形成した。【選択図】図５

Description

本発明は、エンジンや燃焼機器等から排気ガスと共に排出される熱を回収する排気熱回収装置（排気熱回収器）に関するものである。

例えば、エンジンから排出される排気ガスの熱を回収する排気熱回収装置として、特許文献１に記載された図６に示すものが知られている。

図６に示すように、この排気熱回収装置は、排気ガスＧが流れるバイパス通路１１１を形成する内管１１０と、この内管１１０の外周側に配置され、内管１１０の外周面との間に熱交換通路としての環状の受熱通路１２１を形成する外管１２０と、環状の受熱通路１２１を流れる排気ガスＧの熱を、流通する冷却媒体（例えば冷却水）Ｗに伝達するように外管１２０の外周側に環状の冷媒通路１３５を形成するジャケット１３０と、冷媒通路１３５の一端と他端に設けられた冷媒入口１３６および冷媒出口１３７と、内管１１０の上流側の円周方向に形成され、バイパス通路１１１の上流端に導入された排気ガスＧをバイパス通路１１１から環状の受熱通路１２１の上流側に導入可能な多数の連通孔１１５と、バイパス通路１１１の下流側に設けられ、開いた状態で排気ガスＧをバイパス通路１１１に流通させ、閉じた状態で排気ガスＧを多数の連通孔１１５を通して環状の受熱通路１２１に流通させる開閉弁１８０と、を備えている。

ＷＯ２０１３／１０８２８７

ところで、前述した従来の排気熱回収装置では、バイパス通路１１１から環状の受熱通路１２１に排気ガスＧを導入する連通孔１１５を、内管１１０の円周方向の全周に亘り等間隔に多数形成していた。

このため、高温の排気ガスGが冷媒出口１３７の存在する方向にも多く流れることになり、冷媒出口１３７の近傍において冷却媒体Ｗが過度に加熱されてしまい、沸騰による気泡を発生するおそれがあった。これにより、気泡の溜まる部分の冷却が滞り、冷媒通路１３５の内圧が上がると共に、ジャケット１３０が局部的に昇温し、熱疲労でジャケット１３０に亀裂や破損が発生して、冷却媒体Ｗの漏れに繋がるおそれがあった。

本発明は、上記事情を考慮し、冷媒出口付近での冷却媒体の過度の加熱を防止することができ、安全性を高めることができる排気熱回収装置を提供することを目的とする。

上記課題を解決するために、請求項１の発明は、排気ガスの熱を伝熱部材を介して冷却媒体に伝熱することで排気熱を回収する排気熱回収装置において、前記排気ガスが流れるバイパス通路を形成する内管と、前記内管の外周側に配置され、前記内管の外周との間に環状の熱交換通路を形成する外管と、前記環状の熱交換通路に配置され、該環状の熱交換通路を軸方向に流れる排気ガスから熱を受け取る環状の伝熱部材と、前記環状の伝熱部材の受け取った熱を、流通する冷却媒体に伝達するように前記環状の伝熱部材の外周側に配置され、且つ、前記外管の外側、内側、またはその両側にかかって形成された環状の冷媒通路と、前記環状の冷媒通路の周方向の異なる位置に設けられた冷媒入口および冷媒出口と、前記内管の上流側の管壁に穿設され、前記バイパス通路の上流端に導入された排気ガスを前記バイパス通路から前記環状の熱交換通路の上流側に導入可能な多数の連通孔と、前記バイパス通路の下流側に設けられ、開いた状態で排気ガスを前記バイパス通路に流通させ、閉じた状態で排気ガスを前記連通孔を通して前記環状の熱交換通路に流通させる開閉弁と、を備え、前記冷媒出口の位置に対応した前記内管の管壁上の周方向の位置に、前記連通孔を形成しない非形成領域を設け、前記非形成領域を避けた領域の全周に前記多数の連通孔をそれぞれ形成したことを特徴とする。

請求項２の発明は、請求項１記載の排気熱回収装置であって、前記環状の冷媒通路に設けられた前記冷媒出口の開口縁の周方向の両端位置から前記内管の断面中心に向けて２本の仮想線を引き、前記２本の仮想線に挟まれた前記内管の管壁上の区間を前記連通孔を形成しない非形成領域とし、前記非形成領域を避けた領域の全周に前記多数の連通孔をそれぞれ形成したことを特徴とする。

請求項３の発明は、請求項１又は請求項２記載の排気熱回収装置であって、前記伝熱部材が軸線方向に貫通した多数のセルを伝熱隔壁で画成した構造体として形成されていることを特徴とする。

請求項４の発明は、請求項１〜３のいずれか１項に記載の排気熱回収装置であって、前記冷媒通路の前記伝熱部材との境界壁に螺線状の凹凸が形成されていることを特徴とする。

請求項１の発明によれば、バイパス通路から環状の熱交換通路に排気ガスを導入する内管の管壁上の連通孔を、冷媒出口に対応した領域を避けるように設けている、つまり、冷媒出口の存在する方向に連通孔を設けないようにしている。このため、冷媒出口の近傍の伝熱部材に直接排気ガスが当たらないようにすることができ、冷媒出口付近の冷却媒体が過度に加熱されない状態にすることができて、気泡の発生を防ぐことができる。これにより、冷媒通路の内圧上昇や冷媒通路を構成する部材の温度上昇の抑制を図ることができ、部材の亀裂や破損による冷却媒体の漏れの防止に効果をあげることができ、安全性を高めることができる。

請求項２の発明によれば、冷媒出口の近傍の伝熱部材への排気ガスの流れを抑制することができ、気泡の発生を有効に防止することができる。

請求項３の発明によれば、環状の熱交換通路を流通する排気ガスの流れを阻害せずに効率よく排気ガスの熱を伝熱部材で受け取ることができる。

請求項４の発明によれば、伝熱部材が受け取った熱を冷却媒体に効率よく伝えることができる。

本発明の実施形態の排気熱回収装置の側面図である。図１のＡ矢視図である。図１中Ｂ−Ｂ線に沿う断面図である。排気熱回収装置に用いられる内管の斜視図である。図３中Ｃ−Ｃ線に沿う断面図である。従来の排気熱回収装置の断面図である。

以下、本発明の実施形態を図面を参照して説明する。

図１は実施形態の排気熱回収装置の側面図、図２は図１のＡ矢視図、図３は図１中Ｂ−Ｂ線に沿う断面図、図４は排気熱回収装置に用いられる内管の斜視図、図５は図３中Ｃ−Ｃ線に沿う断面図である。

この排気熱回収装置（排気熱回収器）１は、上流側から下流側へ向かって排気ガスＧが流れる図示しない排気管の途中に設けられるもので、図１〜図５に示すように、内管１０と外管２０と冷媒ジャケット部材３０と開閉弁８０と下流側連絡管５０及び取付フランジ１８，５３等から構成されている。

図３及び図４に示すように、内管１０は、排気ガスＧが流れるバイパス通路１１を形成する小径の円形配管からなり、その上流側にはテーパ部１３を介して大径の上流側連絡管１２が一体に形成されている。この上流側連絡管１２の上流端には、排気管に接続するための上流側取付フランジ１８が溶接で接合されている。

外管２０は、内管１０の外周側に同心に配置され、内管１０の外周面との間に円環状の熱交換通路２１を形成している。即ち、外管２０は、内管１０よりも大径の円形管で構成され、その内周面に外管２０と一体に設けられた円環状の伝熱部材２２を備えている。この円環状の伝熱部材２２は、円環状の熱交換通路２１の略中央に配置されており、円環状の熱交換通路２１を軸方向に流れる排気ガスＧから熱を受け取る役目を果たす。

円環状の伝熱部材２２としては、軸線方向に貫通した多数のセルを伝熱隔壁で画成したハニカム構造体や多数のフィンを放射状に配設したフィン構造体等を使用することができる。

また、外管２０は、その外周側に冷媒ジャケット部材３０を一体に備えている。冷媒ジャケット部材３０は、円環状の膨出部３１と、その上流側及び下流側のストレート管部３２，３３とを有し、円環状の膨出部３１と外管２０との間に円環状の冷媒通路３５を形成している。この円環状の冷媒通路３５は、その中を流れる冷却媒体（例えばクーラント）Ｗに伝熱部材２２の受け取った熱を有効に伝えることができるように、伝熱部材２２の外周側に設けられている。尚、円環状の冷媒通路３５の軸方向長さは、円環状の伝熱部材２２の軸方向長さに対応させてある。

外管２０及び冷媒ジャケット部材３０は、冷媒ジャケット部材３０のストレート管部３２，３３の端部を、円環板状の支持板４１，４２を介して上流側連絡管１２及び内管１０に溶接で接合することで、内管１０に一体に結合されている。ここで、上流側支持板４１は閉塞板として構成されているが、下流側支持板４２には、排気ガスＧを流通させるための開口４３が形成されている。

また、外管２０及び冷媒ジャケット部材３０の下流端には下流側連絡管５０が接続され、下流側連絡管５０の下流側にテーパ部５１を介して設けられた小径連絡管５２の下流端に、排気管に接続するための下流側取付フランジ５３が設けられている。

また、冷媒ジャケット部材３０の円環状の膨出部３１の外周壁には、冷媒入口３６および冷媒出口３７が設けられている。これら冷媒入口３６および冷媒出口３７は、円環状の冷媒通路３５の周方向の異なる位置（図示例では、９０°周方向に離れた位置）に配置されている。

また、内管１０の上流側の管壁には、バイパス通路１１の上流端に導入された排気ガスＧをバイパス通路１１から円環状の熱交換通路２１の上流側に導入可能な多数の連通孔１５が設けられている。この場合、図４及び図５に示すように、冷媒出口３７の位置に対応した内管１０の管壁上の周方向の位置に、連通孔１５を形成しない非形成領域Ｒａが設けられており、この非形成領域Ｒａを避けた全周領域Ｒｂに多数の連通孔１５がそれぞれ形成されている。

具体的には、円環状の冷媒通路３５に設けられた冷媒出口３７の開口縁の周方向の両端位置から内管１０の断面中心Ｏに向けて２本の仮想線３８，３８を引き、この２本の仮想線３８，３８に挟まれた内管１０の管壁上の区間が連通孔１５を形成しない非形成領域Ｒａとされており、この非形成領域Ｒａを避けた領域Ｒｂの全周に多数の連通孔１５がそれぞれ形成されている。

また、バイパス通路１１を構成する内管１０の下流端には、開いた状態で排気ガスＧをバイパス通路１１に流通させ、閉じた状態で排気ガスＧを連通孔１５を通して環状の熱交換通路２１に図３及び図４中矢印Ｇａのように流通させる開閉弁８０が設けられている。この開閉弁８０は支軸８１を介して下流側連絡管５０に開閉自在に取り付けられており、図示しないアクチュエータにより開閉される。尚、開閉弁８０を、アクチュエータではなく、排気圧に応じて開閉させたり、冷却媒体の温度に応じて開閉させたり、その両方に応じて開閉させたりしても良い。

次に作用を述べる。

開閉弁８０が開いているときには、排気ガスＧはバイパス通路１１を流れて下流側に到達する。一方、開閉弁８０が閉じているときには、排気ガスＧは図３及び図４中矢印Ｇａで示すように、バイパス通路１１から円環状の熱交換通路２１に流れ、支持板４２の開口４３を経て下流側連絡管５０に流れる。この間に、排気ガスＧの熱は、伝熱部材２２に受け渡され、この伝熱部材２２に受け渡され熱が、図５に示すように、円環状の冷媒通路３５を流れる冷却媒体Ｗに伝達されて回収される。

この際に、バイパス通路１１から円環状の熱交換通路２１に排気ガスＧを導入する内管１０の管壁上の連通孔１５が、冷媒出口３７に対応した領域を避けるように設けられているので、つまり、冷媒出口３７の存在する方向に連通孔１５が設けられていないので、冷媒出口３７の近傍の伝熱部材２２に直接排気ガスＧが当たらないようになる。従って、冷媒出口３７付近の冷却媒体Ｗが過度に加熱されない状態になり、気泡の発生を防ぐことができる。これにより、冷媒通路３５の内圧上昇や冷媒通路３５を構成する冷媒ジャケット部材３０の温度上昇の抑制を図ることができて、冷媒ジャケット部材３０の亀裂や破損による冷却媒体Ｗの漏れの防止に効果をあげることができる。

また、円環状の伝熱部材２２が、軸線方向に貫通した多数のセルを伝熱隔壁で画成したハニカム構造体で構成されている場合は、円環状の熱交換通路２１を流通する排気ガスＧの流れを阻害せずに効率よく排気ガスＧの熱を伝熱部材２２で受け取ることができるので、熱回収効率の向上が図れる。

また、冷媒通路３５の伝熱部材２２との境界壁（例えば外管２０の管壁）に螺線状の凹凸を形成すれば、伝熱部材２２が受け取った熱を冷却媒体により効率よく伝えることができる。

尚、前記実施形態では、円環状の冷媒通路３５を外管２０の外側に形成しているが、外管２０の内側や外管２０の外側と内側にかかるように形成することも可能である。

１排気熱回収装置
１０内管
１１バイパス通路
１５連通孔
２０外管
２１円環状の熱交換通路（環状の熱交換通路）
２２円環状の伝熱部材（環状の伝熱部材）
３５円環状の冷媒通路（環状の冷媒通路）
３６冷媒入口
３７冷媒出口
３８仮想線
８０開閉弁
Ｇ排気ガス
Ｗ冷却媒体
Ｒａ連通孔の非形成領域
Ｒｂ連通孔の非形成領域を避けた領域
Ｏ断面中心

Claims

排気ガス（Ｇ）の熱を伝熱部材（２２）を介して冷却媒体（Ｗ）に伝熱することで排気熱を回収する排気熱回収装置（１）において、
前記排気ガス（Ｇ）が流れるバイパス通路（１１）を形成する内管（１０）と、
前記内管（１１）の外周側に配置され、前記内管（１１）の外周との間に環状の熱交換通路（２１）を形成する外管（２０）と、
前記環状の熱交換通路（２１）に配置され、該環状の熱交換通路（２１）を軸方向に流れる排気ガス（Ｇ）から熱を受け取る環状の伝熱部材（２２）と、
前記環状の伝熱部材（２２）の受け取った熱を、流通する冷却媒体（Ｗ）に伝達するように前記環状の伝熱部材（２２）の外周側に配置され、且つ、前記外管（２０）の外側、内側、またはその両側にかかって形成された環状の冷媒通路（３５）と、
前記環状の冷媒通路（３５）の周方向の異なる位置に設けられた冷媒入口（３６）および冷媒出口（３７）と、
前記内管（１０）の上流側の管壁に穿設され、前記バイパス通路（１１）の上流端に導入された排気ガス（Ｇ）を前記バイパス通路（１１）から前記環状の熱交換通路（２１）の上流側に導入可能な多数の連通孔（１５）と、
前記バイパス通路（１１）の下流側に設けられ、開いた状態で排気ガス（Ｇ）を前記バイパス通路（１１）に流通させ、閉じた状態で排気ガス（Ｇ）を前記連通孔（１５）を通して前記環状の熱交換通路（２１）に流通させる開閉弁（８０）と、
を備え、
前記冷媒出口（３７）の位置に対応した前記内管（１０）の管壁上の周方向の位置に、前記連通孔（１５）を形成しない非形成領域（Ｒａ）を設け、前記非形成領域（Ｒａ）を避けた領域（Ｒｂ）の全周に前記多数の連通孔（１５）をそれぞれ形成したことを特徴とする排気熱回収装置。
請求項１記載の排気熱回収装置（１）であって、
前記環状の冷媒通路（３５）に設けられた前記冷媒出口（３７）の開口縁の周方向の両端位置から前記内管（１０）の断面中心（Ｏ）に向けて２本の仮想線（３８，３８）を引き、前記２本の仮想線（３８，３８）に挟まれた前記内管（１０）の管壁上の区間を前記連通孔（１５）を形成しない非形成領域（Ｒａ）とし、前記非形成領域（Ｒａ）を避けた領域（Ｒｂ）の全周に前記多数の連通孔（１５）をそれぞれ形成したことを特徴とする排気熱回収装置。
請求項１又は請求項２記載の排気熱回収装置（１）であって、
前記伝熱部材（２２）が軸線方向に貫通した多数のセルを伝熱隔壁で画成した構造体として形成されていることを特徴とする排気熱回収装置。
請求項１〜３のいずれか１項に記載の排気熱回収装置（１）であって、
前記冷媒通路（３５）の前記伝熱部材（２２）との境界壁に螺線状の凹凸が形成されていることを特徴とする排気熱回収装置。