JP2018025107A - 熱交換システム - Google Patents

Abstract

【課題】熱交換器をより有効に利用できる熱交換システムを提供する。
【解決手段】熱交換システム１は、エンジン１０の排気ガスが流れる第１通路２０と、長手方向一端が第１通路２０と接続され、排気ガスが大気開放される第１開放口２５ａが長手方向他端に設けられ、内径が前記第１通路の内径よりも大きい第２通路２５と、第２通路２５の周囲に設けられ、排気ガスと冷却水とを熱交換する熱交換器３０と、熱交換器３０を介して第２通路２５と接続するように熱交換器３０の周囲に設けられ、第２開放口２７ａを有する第３通路２７と、排気ガスを熱交換器３０を通過させて第２開放口２７ａから大気開放させるために、第１開放口２５ａを閉塞し、排気ガスと第２開放口２７ａから流入して熱交換器３０を通過した外気とを第１開放口２５ａから大気開放させるために、第１開放口２５ａを開放する開閉弁５０とを備える。
【選択図】図１

Description

本発明は、熱交換システムに関する。

車両は、エンジンの排気通路に設けられ、エンジンの排気ガスと冷媒とを熱交換して排気熱を回収する回収器としての熱交換器を有する。例えば、熱交換器は、冷媒の一例であるエンジンの冷却水と、排気ガスとを熱交換して、冷却水を加熱する。加熱された冷却水は、例えばエンジンの暖機促進に利用される。なお、排気通路には、排気ガスが熱交換器を迂回するようにバイパス経路が設けられている。

特開２００７−２４７５５４号公報

ところで、上述したエンジンの暖機が終了すると、排気ガスは、バイパス経路を介して流れて熱交換器を迂回するため、熱交換器において排気ガスが冷媒と熱交換されない。この結果、暖機の終了後は、熱交換器がほとんど活用されていなかった。

そこで、本発明はこれらの点に鑑みてなされたものであり、熱交換器をより有効に利用できる熱交換システムを提供することを目的とする。

本発明の一の態様においては、エンジンの排気ガスが流れる第１通路と、長手方向一端が前記第１通路と接続され、前記排気ガスが大気開放される第１開放口が長手方向他端に設けられ、内径が前記第１通路の内径よりも大きい第２通路と、前記第２通路の周囲に設けられ、前記排気ガスと冷媒とを熱交換する熱交換器と、前記熱交換器を介して前記第２通路と接続するように前記熱交換器の周囲に設けられ、第２開放口を有する第３通路と、前記排気ガスを前記熱交換器を通過させて前記第２開放口から大気開放させるために、前記第１開放口を閉塞し、前記排気ガスと前記第２開放口から流入して前記熱交換器を通過した外気とを前記第１開放口から大気開放させるために、前記第１開放口を開放する開閉弁とを備える熱交換システムを提供する。
かかる熱交換システムによれば、開閉弁に第１開放口を閉塞させることで、熱交換器を通過する排気ガスによって冷却水を加熱できる。これにより、例えばエンジンの暖機を促進できる。また、開閉弁に第１開放口を開放させることで、排気ガスの第１開放口へ向かう流れに引っ張られて、外気が第２開放口から流入する。そして、第２開放口から流入する外気が、熱交換器を通過する際に冷却水を冷却できる。これにより、熱交換器が、サブラジエータとして機能し、例えば暖機終了後にエンジンを効率良く冷却できる。このように、熱交換器が冷却水を加熱及び冷却する機能を有することで、熱交換器をより有効に利用できる。

また、前記熱交換器は、前記第２通路を囲むように設けられ、前記第３通路は、前記熱交換器を囲むように設けられていることとしてもよい。

また、前記第２開放口は、前記第１開放口よりも小さく、前記第１開放口の周囲に環状に複数設けられていることとしてもよい。

また、前記熱交換システムは、前記エンジンの暖機時に、前記開閉弁に前記第１開放口を閉塞させて、前記第１通路を流れる前記排気ガスを前記熱交換器を経由して前記第２開放口から大気開放させる制御部を更に備えることとしてもよい。

また、前記熱交換システムは、前記エンジンの暖機終了後は、前記開閉弁に前記第１開放口を開放させて、前記第１通路を流れる前記排気ガスと、前記第２開放口から前記熱交換器を通過した外気とを、前記第１開放口から大気開放させる制御部を更に備えることとしてもよい。

本発明によれば、熱交換器をより有効に利用できる熱交換システムを提供できるという効果を奏する。

本発明の一の実施形態に係る熱交換システム１の構成の一例を示す模式図である。 一の実施形態に係る熱交換システム１の構成の一例を示す模式図である。 排気管６０の構成の一例を示す斜視図である。 図３の排気管６０の分解斜視図である。

＜熱交換システムの構成＞
図１及び図２を参照しながら、本発明の一の実施形態に係る熱交換システム１の構成について説明する。

図１及び図２は、一の実施形態に係る熱交換システム１の構成の一例を示す模式図である。なお、図１は、エンジン１０の暖機時の状態を示し、図２は、暖機終了後の状態を示す。また、図１及び図２では、排気ガスの流れが実線の矢印で示され、外気の流れが破線の矢印で示されている。

熱交換システム１は、ここではトラック等の大型車両に搭載されている。熱交換システム１は、図１等に示すように、エンジン１０と、第１通路２０と、後処理装置２３と、第２通路２５と、第３通路２７と、熱交換器３０と、冷却水通路４０と、ラジエータ４５と、開閉弁５０と、ＥＣＵ８０とを有する。熱交換システム１は、エンジン１０の排気ガス又は外気と、冷媒とを熱交換して、冷媒を加熱又は冷却するシステムである。

エンジン１０は、複数の気筒を含むエンジンであり、本実施形態ではディーゼルエンジンであるが、ガソリンエンジンにも適用可能である。エンジン１０は、気筒内で燃料と吸気（空気）の混合気を燃焼、膨張させて、動力を発生させる。吸気は、不図示の吸気通路によりエンジン１０の気筒に吸入されている。また、エンジン１０は、燃焼後の排気ガスを排出する。

第１通路２０は、エンジン１０から排出された排気ガスが流れる通路である。第１通路２０は、例えば管で構成されている。第１通路２０の長手方向の一端は、エンジン１０と接続されており、第１通路２０の長手方向の他端は、第２通路２５と接続されている。

後処理装置２３は、第１通路２０に設けられており、排気ガスを浄化する装置である。後処理装置２３は、ここでは、ＤＰＦ（Diesel Particulate Filter）とＳＣＲ（Selective Catalytic Reduction）を有する。ＤＰＦは、排気ガス中のＰＭを捕集する。ＳＣＲは、尿素水から加水分解されて生成されるアンモニア（ＮＨ_３）を還元剤として排気ガス中のＮＯ_ｘを選択的に還元浄化する。

第２通路２５は、大気開放される排気ガスが流れる通路である。第２通路２５の長手方向の一端は、第１通路２０の長手方向の他端と接続されている。第２通路２５の長手方向の他端には、図２に示すように、排気ガスが大気開放される第１開放口２５ａが設けられている。また、図１に示すように、管形状の第２通路２５の内径は、第１通路２０の内径よりも大きい。

第３通路２７は、第２通路２５から分岐しており、大気開放される排気ガスが流れる通路である。第３通路２７は、第２通路２５の周囲に設けられている。第３通路２７の長手方向の他端には、排気ガスが大気開放される第２開放口２７ａが設けられている。

熱交換器３０は、例えば円筒状に形成されており、第２通路２５を囲むように第２通路２５の周囲に設けられている。なお、第３通路２７は、熱交換器３０を囲むように設けられている。これにより、第２通路２５の排気ガスが、熱交換器３０を通過して第３通路２７へ流れる。本実施形態では、第１通路２０、第２通路２５、第３通路２７及び熱交換器３０は、図３及び図４に示す排気管６０を構成している。

図３は、排気管６０の構成の一例を示す斜視図である。図４は、図３の排気管６０の分解斜視図である。排気管６０は、小径部６１と、大径部６２と、蓋部６３とを有する。
小径部６１は、内部に第１通路２０（図４）が形成されている。小径部６１の長手方向の他端側は、大径部６２と接続されている。

大径部６２は、円筒状に形成されており、内部に熱交換器３０がセットされる。また、大径部６２の内部には、前述した第２通路２５及び第３通路２７（図３）が形成される。具体的には、大径部６２の内部に配置された円筒状の熱交換器３０よりも内側が第２通路２５となっており、熱交換器３０よりも外側が第３通路２７となっている。

蓋部６３は、円板状に形成されており、図３に示すように熱交換器３０を覆うように大径部６２と嵌合している。蓋部６３の中央には、第２通路２５の第１開放口２５ａが形成されている。また、蓋部６３の縁側には、第２開放口２７ａが環状に複数形成されている。これにより、排気ガスが大気開放されやすいと共に、外気が流入しやすくなる。
上記の排気管６０の構成により、第２通路２５、第３通路２７及び熱交換器３０をコンパクトに配置できる。

図１及び図２に戻り、説明を続ける。
熱交換器３０は、排気ガスと冷媒とを熱交換する。冷媒は、ここでは冷却水通路４０を流れるエンジン１０の冷却水である。冷却水は、熱交換器３０の流入部３１（図４参照）から流入し、流出部３２（図４参照）から流出する。冷却水の温度は排気ガスの温度よりも低いので、冷却水は、排気ガスと熱交換することで加熱される。

また、熱交換器３０には、図２に示すように、第２開放口２７ａから流入した外気も通過可能となっている。そして、外気が熱交換器３０を通過する際に、冷却水通路４０を流れる冷却水と熱交換する。冷却水の温度は外気の温度よりも高いので、冷却水は、外気と熱交換することで冷却される。なお、熱交換器３０を通過した外気は、第２通路２５を流れている排気ガスと合流して混ざる。ここで、外気の温度は排気ガスの温度よりも低いので、外気が排気ガスと合流することで、排気ガスの温度が低下する。

冷却水通路４０は、エンジン１０の冷却水が流れる通路である。冷却水は、エンジン１０の内部を冷やす機能を有する。冷却水通路４０は、冷却水がエンジン１０と熱交換器３０との間で循環するように設けられている。エンジン１０の暖機時には、熱交換器３０において排気ガスと熱交換して温められた冷却水がエンジン１０に送られる。なお、冷却水通路４０には、冷却水の流れる方向を切り替える弁４２、４３が設けられている。

ラジエータ４５は、エンジン１０を通過する際に温められた冷却水を冷却する冷却装置である。例えば、ラジエータ４５は、冷却水と走行風とを熱交換することで冷却水を冷却する。

開閉弁５０は、第２通路２５の長手方向の他端側に設けられ、図１及び図２に示すように第１開放口２５ａを開閉する。例えば、開閉弁５０は、エンジン１０の暖機時に第１開放口２５ａを閉塞し、エンジン１０の暖機終了後は第１開放口２５ａを開放する。

図１に示すように、開閉弁５０が第１開放口２５ａを閉塞している場合には、排気ガスが熱交換器３０を通過して第２開放口２７ａから大気開放される。この際、排気ガスは、熱交換器３０を通過する際に、冷却水と熱交換して冷却水を加熱する。

一方で、図２に示すように、開閉弁５０が第１開放口２５ａを開放している場合には、第２通路２５の排気ガスが第１開放口２５ａから大気開放される。なお、第２開放口２７ａも開放されているが、第２通路２５の内径が第３通路２７の内径よりも大きいため、排気ガスは第２通路２５の第１開放口２５ａから大気開放される。この際、第２開放口２７ａから外気が流入する。そして、外気は、熱交換器３０を通過して、第２通路２５の第１開放口２５ａから排気ガスと共に大気開放される。外気は、熱交換器３０を通過する際に、冷却水と熱交換して冷却水を冷却する。

なお、本実施形態では、第１通路２０の内径よりも第２通路２５の内径を大きくしていることで、第１開放口２５ａから大気開放される排気ガスが、第１通路２０から第２通路２５へ流れる際に、第２開放口２７ａから流入した外気が第２通路２５へ流れ込む。これは、噴流が周囲の流体を巻き込む作用を利用した以下の現象が生じているためである。すなわち、第１通路２０の直径よりも三方弁５０の経路の直径が大きくなっていることで、経路の直径が断面変化する部分で第１通路２０から出た排気ガスが噴流となり、経路の直径が大きくなった部分に第３通路２７を接続することで、第３通路２７の外気を引き込んでいる。

ＥＣＵ８０は、ＣＰＵ、ＲＯＭ、ＲＡＭ等を有するマイクロコンピュータを備えた電子制御装置（Electric Control Unit）である。本実施形態において、ＥＣＵ８０は、開閉弁５０の動作を制御する制御部として機能する。

例えば、ＥＣＵ８０は、エンジン１０の暖機時には、図１に示すように、開閉弁５０に第１開放口２５ａを閉塞させて、排気ガスを熱交換器３０を経由して第２開放口２７ａから大気開放させる。この際、熱交換器３０において冷却水が排気ガスによって加熱されるので、エンジン１０の暖機時には暖機が促進される。

また、ＥＣＵ８０は、エンジン１０の暖機終了後には、図２に示すように、開閉弁５０に第１開放口２５ａを開放させて、排気ガスと、第２開放口２７ａから熱交換器３０を通過した外気とを、第１開放口２５ａから大気開放させる。この際、熱交換器３０において冷却水が外気によって冷却されるので、エンジン１０の暖機終了後の通常運転時にはエンジン１０の冷却が促進される。

＜本実施形態における効果＞
本実施形態に係る熱交換システム１においては、第１開放口２５ａが有する第２通路２５の内径が、第１通路２０の内径よりも大きい。そして、第２通路２５の周囲に、熱交換器３０と、第２開放口２７ａを有する第３通路２７とが設けられている。そして、開閉弁５０が第１開放口２５ａを閉塞することで、排気ガスが熱交換器３０を経由して第２開放口２７ａから大気開放される。一方で、開閉弁５０が第１開放口２５ａを開放することで、第２開放口２７ａから流入した外気が、熱交換器３０を経由して排気ガスと共に第１開放口２５ａから大気開放される。
かかる場合には、開閉弁５０に第１開放口２５ａを閉塞させることで、熱交換器３０を通過する排気ガスによって冷却水を加熱できる。これにより、例えばエンジン１０の暖機を促進できる。また、開閉弁５０に第１開放口２５ａを開放させることで、排気ガスの第１開放口２５ａへ向かう流れに引っ張られて、外気が第２開放口２７ａから流入する。そして、第２開放口２７ａから流入した外気が、熱交換器３０を通過する際に冷却水を冷却できる。これにより、熱交換器３０が、サブラジエータとして機能し、例えばエンジン１０の暖機終了後にエンジン１０を効率良く冷却できる。このように、熱交換器３０が冷却水を加熱及び冷却する機能を有することで、熱交換器３０をより有効に利用できる。

また、上記では、熱交換器３０において排気ガスと熱交換する冷媒が、冷却水通路４０を流れる冷却水であるとしたが、これに限定されない。例えば、冷媒が、エンジンオイル等であってもよい。
また、上記では、開閉弁５０がＥＣＵ８０により制御されることとしたが、これに限定されない。例えば、開閉弁５０は、サーモアクチュエータ等の他の方法にて制御されてもよい。

以上、本発明を実施の形態を用いて説明したが、本発明の技術的範囲は上記実施の形態に記載の範囲には限定されない。上記実施の形態に、多様な変更又は改良を加えることが可能であることが当業者に明らかである。そのような変更又は改良を加えた形態も本発明の技術的範囲に含まれ得ることが、特許請求の範囲の記載から明らかである。

１ 熱交換システム
１０ エンジン
２０ 第１通路
２５ 第２通路
２５ａ 第１開放口
２７ 第３通路
２７ａ 第２開放口
３０ 熱交換器
５０ 開閉弁
８０ ＥＣＵ

Claims (5)

1. エンジンの排気ガスが流れる第１通路と、
   長手方向一端が前記第１通路と接続され、前記排気ガスが大気開放される第１開放口が長手方向他端に設けられ、内径が前記第１通路の内径よりも大きい第２通路と、
   前記第２通路の周囲に設けられ、前記排気ガスと冷媒とを熱交換する熱交換器と、
   前記熱交換器を介して前記第２通路と接続するように前記熱交換器の周囲に設けられ、第２開放口を有する第３通路と、
   前記排気ガスを前記熱交換器を通過させて前記第２開放口から大気開放させるために、前記第１開放口を閉塞し、前記排気ガスと前記第２開放口から流入して前記熱交換器を通過した外気とを前記第１開放口から大気開放させるために、前記第１開放口を開放する開閉弁と、
   を備える、熱交換システム。
2. 前記熱交換器は、前記第２通路を囲むように設けられ、
   前記第３通路は、前記熱交換器を囲むように設けられている、
   請求項１に記載の熱交換システム。
3. 前記第２開放口は、前記第１開放口よりも小さく、前記第１開放口の周囲に環状に複数設けられている、
   請求項１又は２に記載の熱交換システム。
4. 前記エンジンの暖機時に、前記開閉弁に前記第１開放口を閉塞させて、前記第１通路を流れる前記排気ガスを前記熱交換器を経由して前記第２開放口から大気開放させる制御部を更に備える、
   請求項１から３のいずれか１項に記載の熱交換システム。
5. 前記エンジンの暖機終了後は、前記開閉弁に前記第１開放口を開放させて、前記第１通路を流れる前記排気ガスと、前記第２開放口から前記熱交換器を通過した外気とを、前記第１開放口から大気開放させる制御部を更に備える、
   請求項１から３のいずれか１項に記載の熱交換システム。
   
   

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