JP2017166403A - 排気熱回収装置 - Google Patents

Abstract

【課題】熱の非回収性能を向上させ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Ｇを導入する連通孔１５が内管１０に形成され、外管２０の外周側に冷却媒体入口３６と冷却媒体出口を有する冷却媒体通路３５が設けられた排気熱回収装置１であって、円環状の熱交換通路２１に配置される伝熱部材２２は、断面円形の円環状に形成され、その中心部に内管１０が挿通する断面円形の中空部２２ａを有し、この円環状の伝熱部材２２の内周面２２ｂと内管１０の外周面１０ｂとの間に隙間ｔを形成した。
【選択図】図３

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に記載されたものが知られている。

この排気熱回収装置１００は、図６に示すように、排気ガスＧが流れるバイパス通路としての第１排気通路１１１を形成する内筒１１０と、この内筒１１０の外周側に配置された外筒１２０と、内筒１１０と外筒１２０の間に熱交換通路としての環状の第２排気通路１２１を形成する中間筒１３０と、環状の第２排気通路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筒１２０と中間筒１３０との間に形成された環状の冷却媒体通路１４０と、外筒１２０の一端と他端に設けられた冷却媒体導入ポート１２５および冷却媒体導出ポート１２６と、内筒１１０の上流側の円周方向に形成され、第１排気通路１１１の上流端に導入された排気ガスＧを第１排気通路１１１から環状の第２排気通路１２１の上流側に導入可能な多数の連通孔１１５と、第１排気通路１１１の下流側に設けられ、開いた状態で排気ガスＧを第１排気通路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を通して環状の第２排気通路１２１に流通させる弁体１５０と、を備えている。

尚、熱交換通路としての環状の第２排気通路１２１と冷却媒体通路１４０が接する中間筒１３０の第２排気通路１２１側の面には、螺旋溝状の凹凸１３１を設けて、熱交換面積を広くしている。

特開２００６−２５０５２４号公報 特開２００８−１２８１２８号公報

前述した従来の排気熱回収装置１００では、熱回収の不要時（熱の非回収時）に弁体１５０が開いた状態となって、排気ガスＧが内筒１１０の第１排気通路１１１を流れて排出されるが、冷却媒体通路１４０を形成する中間筒１３０の第２排気通路１２１側の面に螺旋溝状の凹凸１３１があるため、熱を冷却媒体Ｗに伝えてしまい、熱の非回収性能（熱を受熱しない性能）が悪かった。

本発明は、上記事情を考慮し、熱の非回収性能を向上させ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、前記外管の外周側に形成された環状の冷却媒体通路と、前記環状の冷却媒体通路の周方向の異なる位置に設けられた冷却媒体入口および冷却媒体出口と、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、を備えて構成され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、前記環状の伝熱部材は、断面円形の円環状に形成され、その中心部に前記内管が挿通する断面円形の中空部を有することを特徴とする。

請求項３の発明は、請求項２記載の排気熱回収装置であって、前記円環状の伝熱部材の内周面と前記内管の外周面との間に隙間を有することを特徴とする。

請求項１の発明によれば、排気ガスが流れるバイパス通路を形成した内管から外周側に環状の熱交換通路を挟んで環状の冷却媒体通路を配置したことにより、熱の回収不要時（非回収時）に排気ガスが流れるバイパス通路から熱交換通路が離されるので、熱の非回収性能を向上させることができる。これにより、排気ガスからの熱伝導が抑えられ、熱遮断性を向上させることができ、熱交換通路からの受熱を抑えることができる。

請求項２の発明によれば、環状の伝熱部材は断面円形の円環状に形成され、その中心部に内管が挿通する中空部を有することにより、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円環状の伝熱部材で受け取ることができる。

請求項３の発明によれば、円環状の伝熱部材の内周面と内管の外周面との間に隙間を有することにより、熱交換通路からの受熱をより一段と抑えることができる。

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と冷却媒体ジャケット部材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１０ｂ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。この伝熱部材２２は、断面円形の円環状に形成され、その中心部に内管１０が挿通する断面円形の中空部２２ａを有している。また、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。さらに、図３に示すように、円環状の伝熱部材２２の中空部２２ａの内周面２２ｂと内管１０の外周面１０ｂとの間には、隙間ｔを形成してある。

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、その外周側に冷却媒体ジャケット部材３０を一体に備えている。冷却媒体ジャケット部材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却媒体通路３５を形成している。この円環状の冷却媒体通路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、円環状の伝熱部材２２の外周側に設けられている。尚、円環状の冷却媒体通路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及び冷却媒体ジャケット部材３０は、冷却媒体ジャケット部材３０のストレート管部３２の端部を円環板状の支持板４１を介して上流側連絡管１２に溶接で固定し、かつ、冷却媒体ジャケット部材３０のストレート管部３３の端部を後述する下流側連絡管５０内に溶接で固定すると共に、内管１０の端部を下流側連絡管５０に溶接で固定された円環板状の支持板４２に挿通自在（摺動自在）に支持することで、内管１０の熱による伸びが吸収されるようになっている。尚、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及び冷却媒体ジャケット部材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、冷却媒体ジャケット部材３０の円環状の膨出部３１の外周壁には、冷却媒体入口３６および冷却媒体出口３７が設けられている。これら冷却媒体入口３６および冷却媒体出口３７は、円環状の冷却媒体通路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。尚、高温の排気ガスGが冷却媒体出口３７の存在する側に流れて冷却媒体出口３７の近傍において冷却媒体Ｗの過度の加熱（沸騰）により気泡が発生する場合があるので、その気泡発生時の気泡の排出性から、図５に示すように、冷却媒体ジャケット部材３０の上部に冷却媒体出口３７を設けた方が良い。

また、内管１０の上流側の管壁の全周には、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。

さらに、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中実線の矢印Ｇ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、図示しない電気制御アクチュエータにより開閉される。尚、開閉弁８０を、冷却媒体温度感知アクチュエータや排気圧感知アクチュエータ等の他のアクチュエータにより開閉させるようにしても良い。

次に作用を述べる。

排気熱回収装置１の開閉弁８０が開いている時には、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。この開閉弁８０が開いている時は、排気ガスＧはバイパス通路１１から円環状の熱交換通路２１に流れないため、排気ガスＧの熱は、円環状の伝熱部材２２に受け渡されることはない。よって、排気ガスＧの熱は、円環状の冷却媒体通路３５を流れる冷却媒体Ｗに伝達されて回収されることはない熱の非回収状態となる。

一方、排気熱回収装置１の開閉弁８０が閉じている時には、排気ガスＧは図３及び図４中実線の矢印Ｇ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、円環状の伝熱部材２２に受け渡され、この円環状の伝熱部材２２に受け渡され熱が、図５に示すように、円環状の冷却媒体通路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、中心部に内管１０が挿通する中空部２２ａを有する円環状の伝熱部材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の熱を円環状の伝熱部材２２で受け取ることができ、熱回収効率の向上を図ることができる。

この排気熱回収装置１によれば、装置の中心から順に、排気ガスＧが流れるバイパス通路１１を形成した内管１０と、この内管１０の外周側に円環状の熱交換通路２１と、この円環状の熱交換通路２１（外管２０）の外周側に円環状の冷却媒体通路３５を配置したことにより、熱の非回収時（開閉弁８０の開時）に排気ガスＧが流れるバイパス通路１１から円環状の冷却媒体通路３５が離されるので、熱の非回収性能（熱を受熱しない性能）を向上させることができる。これにより、排気ガスＧからの熱伝導が抑えられ、熱遮断性を向上させることができ、熱交換通路２１からの受熱を抑えることができる。

また、図３に示すように、中空部２２ａを有する円環状の伝熱部材２２の内周面２２ｂと内管１０の外周面１０ｂとの間に隙間ｔを形成することにより、円環状の熱交換通路２１からの受熱をより一段と抑えることができる。

尚、前記実施形態では、中空部を有する円環状の伝熱部材の内周面と内管の外周面との間に隙間を形成したが、この隙間の両端側をそれぞれ開けて隙間から排気ガスを流すようにしたり、隙間の両端側をそれぞれ閉じて排気ガスが流れないようにしても良い。隙間から排気ガスが流れないようにした場合には、円環状の熱交換通路からの受熱をより一層抑えることができる。

１ 排気熱回収装置
１０ 内管
１０ｂ 外周面
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）
２２ａ 中空部
２２ｂ 内周面
３５ 円環状の冷却媒体通路（環状の冷却媒体通路）
３６ 冷却媒体入口
３７ 冷却媒体出口
８０ 開閉弁
Ｇ 排気ガス
Ｗ 冷却媒体
ｔ 隙間

Claims (3)

1. 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（１０）の外周側に配置され、前記内管（１０）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）の外周側に形成された環状の冷却媒体通路（３５）と、
   前記環状の冷却媒体通路（３５）の周方向の異なる位置に設けられた冷却媒体入口（３６）および冷却媒体出口（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、
   を備えて構成されたことを特徴とする排気熱回収装置。
2. 請求項１記載の排気熱回収装置（１）であって、
   前記環状の伝熱部材（２２）は、断面円形の円環状に形成され、その中心部に前記内管（１０）が挿通する断面円形の中空部（２２ａ）を有することを特徴とする排気熱回収装置。
3. 請求項２記載の排気熱回収装置（１）であって、
   前記円環状の伝熱部材（２２）の内周面（２２ｂ）と前記内管（１０）の外周面（１０ｂ）との間に隙間（ｔ）を有することを特徴とする排気熱回収装置。

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