JP2018109384A - Exhaust heat recovery system - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、改良された排熱回収装置に関する。 The present invention relates to an improved exhaust heat recovery apparatus.
内燃機関において発生した排気ガスの熱を利用して、熱交換器内の媒体を温める排熱回収装置が知られている。このような排熱回収装置に関する従来技術として特許文献1に開示される技術がある。 2. Description of the Related Art An exhaust heat recovery apparatus that warms a medium in a heat exchanger using heat of exhaust gas generated in an internal combustion engine is known. As a conventional technique related to such an exhaust heat recovery apparatus, there is a technique disclosed in Patent Document 1.
図6(a)を参照する。図6(a)は、特許文献1の図5を再掲した図である。符号は、適宜振り直している。特許文献1に示されるような、排熱回収装置100は、排気ガスが流れる第1流路101と、この第1流路101に沿って設けられた第2流路102と、この第2流路102に設けられ排気ガスの熱によって内部に流れる冷却水を温める熱交換器103と、第1流路101を開閉可能に設けられ排気ガスの流れる流路を制御するバルブ装置104と、を備えている。
Reference is made to FIG. FIG. 6A is a diagram showing FIG. 5 of Patent Document 1 again. The reference numerals are appropriately reassigned. As shown in Patent Document 1, an exhaust
ところで、このような排気ガスの熱を利用する装置として、熱電発電装置が知られている。特許文献1には、排熱回収装置の他に、熱電発電装置が開示されている。 By the way, a thermoelectric generator is known as a device that uses the heat of such exhaust gas. Patent Document 1 discloses a thermoelectric power generation apparatus in addition to an exhaust heat recovery apparatus.
図6(b)を参照する。図6(b)は、特許文献1の図11を再掲した図である。符号は、適宜振り直している。特許文献1に示されるような、熱電発電装置200は、排気ガスが通過する排気ガス路201と、この排気ガス路201に沿って隙間を介して設けられ媒体が通過する媒体路202と、これらの排気ガス路201及び媒体路202の間の隙間に配置され排気ガスの熱と媒体の熱との温度差に基づいて発電を行う熱電素子203と、を有する。
Reference is made to FIG. FIG. 6B is a diagram showing FIG. 11 of Patent Document 1 again. The reference numerals are appropriately reassigned. As shown in Patent Document 1, a thermoelectric
図6(a)を併せて参照する。排気ガスによって、冷却水を温めると共に、発電を行うことができれば、エネルギを効率よく利用することができ、望ましい。 Reference is also made to FIG. If the cooling water can be warmed by the exhaust gas and power generation can be performed, energy can be used efficiently, which is desirable.
一方、限られた配置スペースに、排熱回収装置100及び熱電発電装置200の両方を配置するには、効率よくスペースを利用する必要がある。
On the other hand, in order to arrange both the exhaust
本発明は、コンパクトでありながら、冷却水を温めることができると共に、発電可能である排熱回収装置の提供を課題とする。 It is an object of the present invention to provide an exhaust heat recovery device that is capable of warming cooling water and generating power while being compact.
請求項1による発明によれば、エンジンにおいて発生した排気ガスが導入される排気ガス導入口と、この排気ガス導入口から導入された排気ガスを2つの流路に分岐させる分岐部と、この分岐部に接続され上流側の端部が前記排気ガス導入口に臨む第1流路と、この第1流路に沿って設けられ上流側の端部が前記分岐部に接続された第2流路と、この第2流路に設けられ前記排気ガスの熱によって内部に流れる水を温める熱交換器と、この熱交換器に接続され前記水の温度によって作動するサーモアクチュエータと、このサーモアクチュエータによって作動され前記第1流路を開閉可能なバルブ装置と、を有する排熱回収装置において、
前記第1流路は、前記排気ガスの熱と内部に流される媒体の熱との温度差に基づいて発電を行う熱電発電装置を有していることを特徴とする排熱回収装置が提供される。
According to the first aspect of the present invention, the exhaust gas introduction port into which the exhaust gas generated in the engine is introduced, the branch portion for branching the exhaust gas introduced from the exhaust gas introduction port into two flow paths, and the branch A first flow path that is connected to the first section and has an upstream end facing the exhaust gas inlet, and a second flow path that is provided along the first flow path and has an upstream end connected to the branch section. A heat exchanger that is provided in the second flow path and that heats the water flowing inside by the heat of the exhaust gas, a thermoactuator that is connected to the heat exchanger and that operates according to the temperature of the water, and that is operated by the thermoactuator A waste heat recovery device having a valve device capable of opening and closing the first flow path,
An exhaust heat recovery device is provided, wherein the first flow path includes a thermoelectric power generation device that generates power based on a temperature difference between heat of the exhaust gas and heat of a medium flowing inside. The
請求項2に記載のごとく、好ましくは、前記第1流路は、前記排気ガスが上下方向に流れるよう上下方向に向けて、且つ、前記エンジンに沿って配置されている。 According to a second aspect of the present invention, preferably, the first flow path is arranged in the vertical direction and along the engine so that the exhaust gas flows in the vertical direction.
請求項1に係る発明では、熱電発電装置は、排気ガス導入口の下流に配置される第1流路に設けられ、熱交換器は、第1流路から分岐した第2流路に設けられている。エンジンが作動した直後においては、水の温度は低い。このとき、バルブは、第1流路を閉じる。これにより、排気ガスは、第2流路に流れ熱交換器内を流れる水を温める。これにより、急速に温める。水の温度が所定の温度に達すると、サーモアクチュエータが作動して、第1流路を開放する。排気ガス導入口の下流に配置される第1流路が開放されると、排気ガスは、直線的に第1流路を流れる。第1流路には、熱電発電装置が配置されており、排気ガスの熱と内部に流される媒体の熱との温度差に基づいて発電を行う。冷却水を温めることができると共に、発電可能である排熱回収装置は、熱交換器と熱電発電装置とが並列に配置されているため、コンパクトである。即ち、コンパクトでありながら、冷却水を温めることができると共に、発電可能である排熱回収装置を提供することができる。 In the invention according to claim 1, the thermoelectric generator is provided in the first flow path disposed downstream of the exhaust gas inlet, and the heat exchanger is provided in the second flow path branched from the first flow path. ing. Immediately after the engine is running, the water temperature is low. At this time, the valve closes the first flow path. As a result, the exhaust gas flows through the second flow path and warms the water flowing through the heat exchanger. This warms up rapidly. When the temperature of water reaches a predetermined temperature, the thermoactuator operates to open the first flow path. When the first flow path disposed downstream of the exhaust gas inlet is opened, the exhaust gas flows linearly through the first flow path. A thermoelectric generator is disposed in the first flow path, and generates power based on the temperature difference between the heat of the exhaust gas and the heat of the medium flowing inside. The exhaust heat recovery device that can warm the cooling water and generate electric power is compact because the heat exchanger and the thermoelectric power generation device are arranged in parallel. That is, it is possible to provide an exhaust heat recovery device that can warm the cooling water and generate power while being compact.
請求項2に係る発明では、第1流路は、排気ガスが上下方向に流れるよう上下方向に向けて、且つ、エンジンに沿って配置されている。エンジンに近接して配置することにより、高温の排気ガスを導入することができる。これにより、熱交換、及び、発電を効率的に行うことができる。また、上下方向に向けて配置することにより、エンジンの周縁に排熱回収装置をコンパクトに配置することができる。即ち、コンパクトに配置することのできる排熱回収装置でありながら、熱交換、及び、発電を効率的に行うことができる。 In the invention according to claim 2, the first flow path is arranged in the vertical direction and along the engine so that the exhaust gas flows in the vertical direction. By disposing it close to the engine, high-temperature exhaust gas can be introduced. Thereby, heat exchange and electric power generation can be performed efficiently. Moreover, the exhaust heat recovery device can be compactly disposed on the periphery of the engine by being disposed in the vertical direction. That is, heat exchange and power generation can be efficiently performed while being an exhaust heat recovery device that can be arranged in a compact manner.
本発明の実施の形態を添付図に基づいて以下に説明する。
<実施例>
Embodiments of the present invention will be described below with reference to the accompanying drawings.
<Example>
図1を参照する。排熱回収装置20は、エンジンEnの後面に沿って縦向きに配置されている。エンジンEnには、内部で発生した排気ガスをエンジンEnの外部へ排出するための排出口を有し、この排出口に接続管11の一端が接続されている。接続管11は、エンジンEnの排出口から、排熱回収装置20まで延びている。即ち、排熱回収装置20は、接続管11を介してエンジンEnに接続されている。
Please refer to FIG. The exhaust
図2、及び、図3を参照する。排熱回収装置20は、導入された排気ガスを2つの流路に分岐させる分岐部30と、この分岐部30に接続された第1流路22と、この第1流路22に設けられ排気ガスの熱と内部に流される媒体の熱との温度差に基づいて発電を行う熱電発電装置40と、第1流路22に沿って設けられ上流側の端部が分岐部30に接続された第2流路24と、この第2流路24に設けられ排気ガスの熱によって内部に流れる水を温める熱交換器60と、この熱交換器60に接続され前記水の温度によって作動するサーモアクチュエータ26と、このサーモアクチュエータ26によって作動され第1流路22を開閉可能なバルブ装置27と、このバルブ装置27を収納し第1流路22及び第2流路24が合流する合流部70と、を有する。
Please refer to FIG. 2 and FIG. The exhaust
分岐部30は、断面略U字状の2枚の部材を互いに向かい合わせに設けることにより箱状に形成されている。分岐部30は、上流側に配置された上流側分岐部材31と、この上流側分岐部材31に接続された下流側分岐部材32と、からなる。ここで、上流側とは、排気ガスの流れを基準として上流側をいう。下流側とは、排気ガスの流れを基準として下流側をいう。以下についても同様である。
The
上流側分岐部材31は、接続管11(図1参照)が接続され、排気ガスが導入される排気ガス導入口31aを含む。
The
下流側分岐部材32は、第1流路22の上流側の端部が差し込まれた第1流路上流側差込孔32aと、第2流路24の上流側の端部が差し込まれた第2流路上流側差込孔32bと、を有している。
The downstream branching
第1流路22は、上流側の端部を構成する熱電発電装置40と、この熱電発電装置40の下流側の端部から合流部70の近傍まで延びる第1流路本体部22aと、この第1流路本体部22aの下流側の端部から合流部70の内部まで延びる第1流路延出部22bと、を有する。第1流路本体部22aは、下流に向かって流路が細くなっている。
The
図3に示される状態において、第1流路延出部22bの下流側の端部は、バルブ装置27によって閉じられている。即ち、第1流路延出部22bの下流側の端部は、バルブ装置27の座とされている。
In the state shown in FIG. 3, the downstream end of the first
熱電発電装置40は、ケース41と、このケース41の両端をそれぞれ閉じる一対のエンドプレート42,43と、これらのエンドプレート42,43によって両端が支持され内部に排気ガスが通過する排気ガス路44と、この排気ガス路44に沿って隙間を介してケース41の内部に設けられ媒体が通過する媒体路45と、この媒体路45に設けられた媒体用フィン46と、これらの排気ガス路44及び媒体路45の間の隙間に配置され排気ガスの熱と媒体の熱との温度差に基づいて発電を行う熱電素子47(ペルチェ素子)と、を有する。
The
ケース41は、断面略U字状の2枚の部材を互いに向かい合わせに設けることにより形成されている。ケース41は、第1流路上流側差込孔32aに差し込まれた上流側ケース半体41aと、この上流側ケース半体41aに重ねられた下流側ケース半体41bと、からなる。上流側ケース半体41a、及び、下流側ケース半体41bは、共に、金属の板材を深絞り加工してなる。
The
上流側のエンドプレート42は、上流側ケース半体41aの上流側の端部に一体的に形成されている。即ち、深絞り加工した板材の底部が上流側のエンドプレート42とされている。
The
下流側のエンドプレート43は、排気ガス流路44の下流側の端部、及び、下流側ケース半体41bを接続している。
The
排気ガス路44は、扁平チューブ状に形成されたチューブ44aと、このチューブ44aの内部に配置された板状のセパレータ44bと、このセパレータ44bの両面にそれぞれ配置された排気ガス用フィン44c,44cと、からなる。
The
排気ガス路44に沿ってケース48が配置されている。これらの排気ガス路44とケース48とによって隙間が形成されている。排気ガス路44の上流側の端部は、ケース48に接続されている。一方、排気ガス路44の下流側の端部は、ケース48に接続されずに、下流側のエンドプレート43に接続されている。
A
ケース48の外周には低温の媒体が流れる。ケース48の内側に設けられた排気ガス路44の内周には、高温の排気ガスが流れる。排気ガス路44は、温度差により熱伸びする量が異なる。下流側のエンドプレート43は、熱伸びを吸収可能な構成とされ、熱伸びを吸収することにより、ケース41等に加わり得る負荷を軽減している。
A low temperature medium flows on the outer periphery of the
第2流路24は、第2流路上流側差込孔32bに差し込まれ熱交換器60まで延びる上流側第2流路24aと、熱交換器60と、この熱交換器60から合流部70まで延びる下流側第2流路24bと、からなる。
The
熱交換器60は、コアケース61の内部に複数の熱交換チューブ62が積層され、熱交換チューブ62の内部に排気ガスを流すと共に、熱交換チューブ62の外部に冷却水を流す、周知の装置である。熱交換チューブ62を介して、排気ガスの熱が冷却水に伝わる。
The
図2を参照する。冷却水は、ケース41に接続された冷却水導入管63によって熱電発電装置40の内部に導かれる。ケース41の内部を通過した冷却水は、連結管66を通り、熱交換器60の内部に導かれる。コアケース61の内部において温められた冷却水は、コアケース61に接続された第1の冷却水排出管64からサーモアクチュエータ26に導かれる。サーモアクチュエータ26に流れた冷却水は、サーモアクチュエータ26に接続された第2の冷却水排出管65から排出される。
Please refer to FIG. The cooling water is guided into the
サーモアクチュエータ26は、冷却水の温度によってロッド26aが進退する。ロッド26aの先端は、リンク機構29に接続されている。
In the
図3を併せて参照する。バルブ装置27は、リンク機構29を介してサーモアクチュエータ26に接続された軸部材27aと、この軸部材27aに固定された第1弁体27b、及び、第2弁体27cと、からなる。
Please refer to FIG. The
軸部材27aは、両端部が回転可能に合流部70に固定されている。軸部材27aは、サーモアクチュエータ26のロッド26aが進退すると、リンク機構29を介して回転する。軸部材27aは、軸線に対して垂直に交わる断面を基準として、略D字状を呈する。
Both ends of the
第1弁体27bは、軸部材27aと共に回転可能であり、第1流路22の下流側の端部を開閉可能な弁体である。第2弁体27cは、軸部材27aと共に回転可能であり、第2流路24の下流側の端部を開閉可能な弁体である。第1弁体27b、及び、第2弁体27cは、第1弁体27bが第1流路22を閉じている場合に第2弁体27cが第2流路24を開放し、第1弁体27bが第1流路22を開放している場合に第2弁体27cが第2流路24を閉じるよう、軸部材27aに取り付けられている。
The
第1弁体27b、及び、第2弁体27cは、共に、軸部材27aの平坦な面に共締めされて固定されている。組み立て作業を容易にすると共に、第1弁体27b及び第2弁体27cの互いの位置決めを容易に行うためである。一方、第1弁体27b及び第2弁体27cがそれぞれ別体で製造されることにより、それぞれの形状に関して設計の自由度を高めることができる。即ち、それぞれの弁体27b,27cの高い設計の自由度を確保しつつ、それぞれの弁体27b,27cを正確な位置に取り付けることができる。
Both the
合流部70は、断面略U字状の2枚の部材を互いに向かい合わせに設けることにより箱状に形成されている。合流部70は、第1流路22及び第2流路24が接続された上流側合流部材71と、この上流側合流部材71に接続された下流側合流部材72と、を有する。
The joining
上流側合流部材71は、第1流路延出部22bを差し込むために空けられた第1流路下流側差込孔71aと、下流側第2流路24bに連通するよう空けられた第2流路下流側孔71bと、を有する。
The upstream
下流側合流部材72は、外部に排気ガスを排出するために空けられた排気ガス排出口72aを有している。
The downstream
以上の構成による排熱回収装置20の作用を、以下に説明する。
The operation of the exhaust
図3を参照する。エンジンEn(図1参照)の始動直後においては、冷却水の温度が低い。このため、排気ガスを熱交換器60に流し、排気ガスの熱により冷却水を温める。このため、バルブ装置27は、第1流路22の下流側の端部を閉じている。
Please refer to FIG. Immediately after starting the engine En (see FIG. 1), the temperature of the cooling water is low. For this reason, exhaust gas is flowed to the
排気ガス導入口31aから導入された排気ガスは、第2流路24を流れる。熱交換器60は、第2流路24の一部を構成している。このため、導入された排気ガスは、熱交換器60を通過する。
The exhaust gas introduced from the
熱交換器60に導入された排気ガスは、熱交換チューブ62の内部を通過する。排気ガスが通過することにより、熱交換チューブ62は、温められる。一方、熱交換チューブ62の外周には、冷却水が流されている。温められた熱交換チューブ62の熱は、冷却水へと伝えられる。これにより冷却水が温められる。
The exhaust gas introduced into the
図1を参照する。所定の温度まで冷却水が温められることにより、サーモアクチュエータ26の内部に充填されたワックスの体積が膨張する。これにより、ロッド26aは、ワックスに押し出されるようにして前進する。ロッド26aが前進することにより、リンク機構29が軸部材27aを回転させる。
Please refer to FIG. When the cooling water is heated to a predetermined temperature, the volume of the wax filled in the
図5を参照する。軸部材27aが回転することにより、第2弁体27cは、第2流路24を閉鎖し、第1弁体27bは、第1流路22を開放する。これにより、排気ガスは、第1流路22を流れる。
Please refer to FIG. As the
第1流路22の上流側の端部は、熱電発電装置40によって構成されている。このため、排気ガスは、熱電発電装置40に導入される。導入された排気ガスは、排気ガス路44を通過する。排気ガス路44は、排気ガスの熱により温められ、高温になる。一方、媒体路45には、排気ガスよりも低温の媒体が流れている。ケース48は、低温の媒体によって冷却されている。
The upstream end of the
熱電素子47は、一端が排気ガス路44の外周に接し、他端が媒体路45の外周に接している。そして、排気ガス路44は、高温であり、媒体路45は、排気ガス路44よりも低温である。熱電素子47は、これらの温度差に基づいて発電を行う。
One end of the
以上に説明した本発明によれば、以下の効果を奏する。 According to the present invention described above, the following effects can be obtained.
冷却水を温めることができると共に、発電可能である排熱回収装置20は、熱交換器60と熱電発電装置40とが並列に配置されているため、コンパクトである。即ち、コンパクトでありながら、冷却水を温めることができると共に、発電可能である排熱回収装置20を提供することができる。
The exhaust
図1を参照する。第1流路22は、排気ガスが上下方向に流れるよう上下方向に向けて、且つ、エンジンEnに沿って配置されている。エンジンEnに近接して配置することにより、高温の排気ガスを導入することができる。これにより、熱交換、及び、発電を効率的に行うことができる。また、上下方向に向けて配置することにより、エンジンEnの周縁に排熱回収装置20をコンパクトに配置することができる。即ち、コンパクトに配置することのできる排熱回収装置20でありながら、熱交換、及び、発電を効率的に行うことができる。
Please refer to FIG. The
熱電発電装置40及び熱交換器60は、内部に水が流れる連結管66によって連結されている。それぞれの装置に個別に水(媒体)の導入部及び排出部を形成する場合に比べて、部品点数を削減することができると共に、システムも簡略化でき、省スペース化にも資する。なお、この場合には、熱交換器60内を流れる媒体は、熱電発電装置40の内部を流れる水である。
The
加えて、熱電発電装置40、連結管66、熱交換器60の順に水を流す。熱交換器60によって温められる前の水を熱電発電装置40に流す。これにより、水と排気ガスの温度差をより大きくすることができる。温度差によって発電する熱電発電装置40をより効率的に作動させることができる。一方、熱電発電装置40を通過して僅かに温まった水を熱交換器60に導入することにより、より迅速に水を温めることができる。
In addition, water is allowed to flow in the order of the
尚、本発明の排熱回収装置は、実施の形態では四輪車に適用したが、車両全般に適用可能であり、さらに車両以外の乗り物、さらに乗り物以外の用途にも適用可能である。 Although the exhaust heat recovery apparatus of the present invention is applied to a four-wheeled vehicle in the embodiment, it can be applied to all vehicles, and can also be applied to vehicles other than vehicles and uses other than vehicles.
また、本発明の排熱回収装置は、車体の下のスペースなどエンジン(パワーユニット)近傍以外のスペースに配置しても良い。 Further, the exhaust heat recovery apparatus of the present invention may be disposed in a space other than the vicinity of the engine (power unit) such as a space under the vehicle body.
即ち、本発明は、作用及び効果を奏する限りにおいて、実施例に限定されるものではない。 That is, the present invention is not limited to the examples as long as the effects and effects are exhibited.
本発明の排熱回収装置は、四輪車に好適である。 The exhaust heat recovery apparatus of the present invention is suitable for a four-wheeled vehicle.
20…排熱回収装置
22…第1流路
24…第2流路
26…サーモアクチュエータ
27…バルブ装置
30…分岐部
31a…排気ガス導入口
40…熱電発電装置
60…熱交換器
En…エンジン
DESCRIPTION OF
Claims (2)
前記第1流路は、前記排気ガスの熱と内部に流される媒体の熱との温度差に基づいて発電を行う熱電発電装置を有していることを特徴とする排熱回収装置。 An exhaust gas introduction port through which exhaust gas generated in the engine is introduced, a branch part for branching the exhaust gas introduced from the exhaust gas introduction port into two flow paths, and an upstream end connected to the branch part A first flow path facing the exhaust gas inlet, a second flow path provided along the first flow path and having an upstream end connected to the branch section, and provided in the second flow path A heat exchanger that heats the water flowing inside by the heat of the exhaust gas, a thermoactuator that is connected to the heat exchanger and that operates according to the temperature of the water, and that can be opened and closed by the thermoactuator. A waste heat recovery device having a valve device,
The exhaust heat recovery apparatus according to claim 1, wherein the first flow path includes a thermoelectric power generation device that generates power based on a temperature difference between the heat of the exhaust gas and the heat of the medium flowing inside.
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