JP2018119418A

JP2018119418A - 排気熱回収器

Info

Publication number: JP2018119418A
Application number: JP2017009540A
Authority: JP
Inventors: 統澤井; Osamu Sawai; 高基中川; Takaki Nakagawa
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2017-01-23
Filing date: 2017-01-23
Publication date: 2018-08-02
Anticipated expiration: 2037-01-23
Also published as: JP6620764B2

Abstract

【課題】内管の後端部が開放されている場合に、内管から熱交換部へ排気ガスが流入することを抑制する。【解決手段】流路６０における熱交換部７０よりも流通方向下流側だけでなく、流路６０へ排気ガスを導く導入部分にも絞り部５１が設けられている。絞り部５１、８２では、流路断面積が所定の範囲に制限されることで、排気ガスの流速が高められている。流速が高いと、ベルヌーイの定理により、圧力が低下するため、流路６０への導入部分での圧力と、流路６０における熱交換部７０よりも流通方向下流側での圧力との差が小さくなる。これにより、インナーパイプ２０の内部の排気ガスが、第一絞り部５１及び流路６０を通じて、熱交換部７０へ流入しくい。したがって、インナーパイプ２０における下流側パイプ２４の下流部２４Ｃが開放されている場合に、インナーパイプ２０から熱交換部７０へ排気ガスが流入することを抑制できる。【選択図】図１

Description

本発明は、排気熱回収器に関する。

特許文献１には、排気熱回収器が開示されている。特許文献１の排気熱回収器では、パンチングパイプの後端部をバルブで閉じることで、パンチングパイプの内部の排気ガスがパンチングパイプの孔を通じてパンチングパイプの径方向外側へ流入し、パンチングパイプの径方向外側の熱交換部で、排気ガスの熱が回収される。

特開２０１０−２４９０７号公報

特許文献１の排気熱回収器では、パンチングパイプが、例えば、外管の内部に配置される内管として構成され、排気熱を回収しない場合において、内管の後端部が開放される。内管の後端部が開放されると、内管の内部の排気ガスは、内管の後端部を通じて、車両後方へ流通するが、内管の内部の排気ガスの一部が、内管の孔を通じて内管の径方向外側へ流入する場合がある。排気ガスが内管の径方向外側へ流入すると、内管の径方向外側の熱交換部で、排気ガスの熱が回収されてしまう。

本発明は、上記事実を考慮して、内管の後端部が開放されている場合に、内管から熱交換部へ排気ガスが流入することを抑制できる排気熱回収器を得ることが目的である。

請求項１に係る排気熱回収器は、エンジンからの排気ガスを車両後方側へ流通させる内管と、前記内管の外周に前記内管の軸方向に沿って配置され、前記内管の後端部よりも車両後方側に延出された外管と、前記内管の後端部を開閉するバルブと、前記内管の内部に対して車両後方側へ向かって開口する流入口を有し、前記内管の内部から前記流入口を通じて流入した排気ガスを車両前方側へ流通させ、該排気ガスを前記内管に形成された孔を通じて前記内管の径方向外側へ導く第一絞り部と、前記内管と前記外管との間に形成され、前記孔を通じて前記内管の径方向外側へ導かれた排気ガスを、前記内管の径方向外側で車両後方側へ流通させる流路と、前記内管の径方向外側に配置され、前記流路を流通する排気ガスと冷媒との間で熱交換する熱交換部と、前記流路における前記熱交換部よりも流通方向下流側に設けられた第二絞り部と、を備える。

なお、絞り部とは、流路断面積が所定の範囲に制限されることで、排気ガスの流速が高められた部分をいう。

請求項１に係る排気熱回収器によれば、エンジンからの排気ガスが、内管を車両後方側へ流通する。バルブによって内管の後端部が閉鎖されると、内管の内部の排気ガスは、内管の内部から流入口を通じて第一絞り部に流入する。第一絞り部に流入した排気ガスは、第一絞り部を車両前方側へ流通し、内管に形成された孔を通じて、内管の径方向外側へ導かれる。

内管の径方向外側へ導かれた排気ガスは、内管と外管との間に形成された流路を、内管の径方向外側で車両後方側へ流通する。流路を流通する排気ガスは、熱交換部において、冷媒との間で熱交換される。熱交換部において熱交換された排気ガスは、第二絞り部を流通する。

一方、バルブによって内管の後端部が開放されると、内管の内部の排気ガスは、内管の後端部を通じて、外管における内管の後端部よりも車両後方側へ延出された部分へ流入する。また、内管の内部の排気ガスの一部が、第一絞り部、内管の孔及び流路を通じて、熱交換部へ向かおうとする。

ここで、請求項１の構成では、流路における熱交換部よりも流通方向下流側だけでなく、内管の孔を通じて流路へ排気ガスを導く導入部分にも絞り部（第一絞り部）が設けられている。絞り部では、流路断面積が所定の範囲に制限されることで、排気ガスの流速が高められている。流速が高いと、ベルヌーイの定理により、圧力が低下するため、流路への導入部分にも絞り部（第一絞り部）を設けることで、流路への導入部分での圧力と、流路における熱交換部よりも流通方向下流側での圧力との差が小さくなる。

これにより、内管の内部の排気ガスの一部が、第一絞り部、内管の孔及び流路を通じて、熱交換部へ流入しくい。したがって、請求項１の構成によれば、内管の後端部が開放されている場合に、内管から熱交換部へ排気ガスが流入することを抑制できる。

本発明は、上記構成としたので、内管の後端部が開放されている場合に、内管から熱交換部へ排気ガスが流入することを抑制できるという優れた効果を有する。

本実施形態に係る排気熱回収器を示す側断面図である。図１に示す排気熱回収器において、バルブでインナーパイプの後端部を閉鎖した状態を示す側断面図である。

以下に、本発明に係る実施形態の一例を図面に基づき説明する。なお、各図に示される矢印ＲＲ及び矢印ＵＰは、それぞれ、車両後方側、車両上方側を示している。また、以下の説明では、車両の前後方向及び車両の上下方向を、それぞれ、単に、前後、上下と表現する場合がある。また、以下の説明では、排気ガスの流通方向上流側、及び排気ガスの流通方向下流側を、それぞれ、単に、上流側、下流側と表現する場合がある。

（排気熱回収器１０）
まず、本実施形態に係る排気熱回収器１０の構成について説明する。図１は、排気熱回収器１０を示す側断面図である。

排気熱回収器１０は、水などの冷媒と排気ガスとの間で熱交換することで排気ガスの熱を回収し、その熱を再利用する機能を有している。具体的には、排気熱回収器１０は、インナーパイプ２０と、アウターパイプ３０と、バルブ４０と、シールドパイプ５０と、第一絞り部５１と、流路６０と、熱交換部７０と、セパレータ８０と、第二絞り部８２と、を備えている。これらの各構成部分の具体的な構成について、以下、説明する。

（インナーパイプ２０）
インナーパイプ２０は、車両（自動車）のエンジンからの排気ガスを車両後方側へ流通させる内管の一例である。具体的には、インナーパイプ２０は、上流側パイプ２２と、下流側パイプ２４と、を有している。

上流側パイプ２２は、インナーパイプ２０の上流側部分（前方側部分）を構成するパイプである。具体的には、上流側パイプ２２は、上流部２２Ａと、下流部２２Ｃと、連結部２２Ｂと、を有している。

上流部２２Ａは、排気熱回収器１０に対する車両前方側（上流側）に配置された排気管１０２に接続される。この上流部２２Ａには、上流部２２Ａをその径方向（厚み方向）に貫通する複数の円孔２２Ｈ（孔の一例）が形成されている。複数の円孔２２Ｈは、上流部２２Ａの周方向に沿って一列に配置されている。

下流部２２Ｃは、上流部２２Ａに対して下流側に配置された部分である。この下流部２２Ｃは、上流部２２Ａよりも小径とされている。

連結部２２Ｂは、上流部２２Ａの下流端と下流部２２Ｃの上流端とを連結する部分である。連結部２２Ｂは、上流部２２Ａの下流端から下流部２２Ｃの上流端にかけて、徐々に縮径されるテーパ状に形成されている。

下流側パイプ２４は、インナーパイプ２０の下流側部分を構成するパイプである。下流側パイプ２４は、上流側パイプ２２に対して下流側に配置されている。具体的には、下流側パイプ２４は、上流部２４Ａと、下流部２４Ｃと、を有している。

上流部２４Ａは、上流端部の外周面が、上流側パイプ２２の下流部２２Ｃの下流端部の内周面に接合されている。この上流部２４Ａは、上流側パイプ２２の下流部２２Ｃの下流端部から車両後方側へ延出されている。

下流部２４Ｃは、上流部２４Ａの下流端から車両後方側へ延出されている。この下流部２４Ｃは下流側に向けて徐々に拡径されたテーパ状に形成されている。下流部２４Ｃは、インナーパイプ２０の後端部を構成している。

（アウターパイプ３０）
アウターパイプ３０は、インナーパイプ２０の外周にインナーパイプ２０の軸方向に沿って配置された外管の一例である。このアウターパイプ３０は、インナーパイプ２０の下流部２４Ｃよりも車両後方側に延出されている。具体的には、アウターパイプ３０は、上流側パイプ３２と、中間パイプ３３と、下流側パイプ３４と、を有している。

上流側パイプ３２は、アウターパイプ３０の上流側部分を構成するパイプである。この上流側パイプ３２は、上流側部分（前端側部分）が縮径されている。この上流側部分がインナーパイプ２０の上流側パイプ２２の上流部２２Ａに接合されている。

下流側パイプ３４は、アウターパイプ３０の下流側部分を構成するパイプである。この下流側パイプ３４は、下部３４Ｂにおいて、インナーパイプ２０の軸方向（車両前後方向）に沿ったストレート形状とされている。下流側パイプ３４の上部３４Ａは、上側へ突出する凸状に形成されている。これにより、バルブ４０を配置する配置スペースが確保されている。

また、下流側パイプ３４は、インナーパイプ２０の後端部よりも車両後方側へ延び出ている。下流側パイプ３４の下流端部（後端部）は、排気熱回収器１０に対する車両後方側（下流側）に配置された排気管１０４に接続される。

中間パイプ３３は、インナーパイプ２０の軸方向（車両後方）に沿って一定の径とされたパイプで構成されている。中間パイプ３３の上流端部の内周面及び下流端部の内周面は、それぞれ、上流側パイプ３２の下流端部の外周面、下流側パイプ３４の上流端部の外周面に接合されている。

（バルブ４０）
バルブ４０は、インナーパイプ２０における下流側パイプ２４の下流部２４Ｃを開閉する弁である。具体的には、バルブ４０は、弁体４２と、バルブ軸４２と、支持部材４４と、を有している。

弁体４２は、車両前後方向視にて円形とされた略円盤状に形成されている。弁体４２は、車両後方側に向けて徐々に拡径されている。弁体４２は、インナーパイプ２０における下流側パイプ２４の下流部２４Ｃの内側に嵌まって、下流部２４Ｃの開口を閉じることが可能な大きさ及び形状とされている。

支持部材４４は、一端部が弁体４２の背面（弁体４２が図２に示す閉じた状態において車両後方側の面）に固定されている。支持部材４４の他端部は、バルブ軸４２の外周に固定されている。これにより、弁体４２は、バルブ軸４２に支持される。

バルブ軸４２は、インナーパイプ２０における下流部２４Ｃと、アウターパイプ３０の下流側パイプ３４の上部３４Ａとの間で、車両幅方向に沿って配置されている。このバルブ軸４２は、弁体４２が下流部２４Ｃの開口を開く開位置（図１に示す位置）と、下流部２４Ｃの開口を閉じる閉位置（図２に示す位置）と、の間を回転するようになっている。バルブ軸４２は、サーモアクチュエータなどの駆動部により、開位置と、閉位置との間を回転する。

（シールドパイプ５０及び第一絞り部５１）
シールドパイプ５０は、インナーパイプ２０の内側に配置され、インナーパイプ２０との間に第一絞り部５１を形成するパイプである。シールドパイプ５０は、上流部５２と、下流部５６と、連結部５４と、を有している。

上流部５２は、その外周面が、インナーパイプ２０の上流側パイプ２２の上流部２２Ａの内周面に接合されている。上流部５２の外周面は、具体的には、円孔２２Ｈよりも上流側（前方側）であって、上流部２２Ａと排気管１０２との接続部分よりも下流側（後方側）において、上流部２２Ａの内周面に接合されている。

下流部５６は、上流部５２に対して下流側に配置された部分である。この下流部５６は、上流部５２よりも小径とされている。これにより、下流部５６の外周面は、上流部２２Ａの内周面に対して、隙間を有した状態で対向している。下流部５６の外周面は、具体的には、円孔２２Ｈよりも下流側（後方側）において、上流部２２Ａの内周面に対して対向している。

連結部５４は、上流部５２の下流端と下流部５６の上流端とを連結する部分である。連結部５４は、上流部５２の下流端から下流部５６の上流端にかけて、徐々に縮径されるテーパ状に形成されている。これにより、連結部５４の外周面は、下流側に行くにつれて、徐々に、上流部２２Ａの内周面から離れている。連結部５４の外周面は、円孔２２Ｈに対して対向している。

そして、連結部５４の外周面及び下流部５６の外周面と、上流部２２Ａの内周面との間の隙間が、第一絞り部５１として構成される。第一絞り部５１は、インナーパイプ２０の内部に対して下流側（後方側）へ向かって開口する流入口５３を有している。この流入口５３は、シールドパイプ５０の下流部５６の下流端と、インナーパイプ２０の上流側パイプ２２の上流部２２Ａの下流端と、の間に形成されている。この流入口５３を通じて、インナーパイプ２０の内部から第一絞り部５１へ排気ガスが流入する。

第一絞り部５１では、流入口５３からインナーパイプ２０における上流側（前方側）へ流路が形成されている。さらに、第一絞り部５１の流路の下流端は、円孔２２Ｈと連通している。

これにより、第一絞り部５１では、インナーパイプ２０の内部から流入口５３を通じて流入した排気ガスを前方側へ流通させて、その排気ガスを円孔２２Ｈを通じてインナーパイプ２０の径方向外側へ導く。

第一絞り部５１では、流路断面積が所定の範囲に制限されることで、排気ガスの流速が高められている。なお、第一絞り部５１は、少なくとも、流路幅（シールドパイプ５０の径方向に沿った幅）が、円孔２２Ｈの孔径よりも小さくされている。また、第一絞り部５１の上下流側（インナーパイプ２０の内部流路及び円孔２２Ｈ）よりも、流路断面積が狭くされることで、排気ガスの流速が高くされていることが望ましい。

（流路６０）
流路６０は、インナーパイプ２０とアウターパイプ３０との間に形成された流路である。流路６０は、第一絞り部５１から円孔２２Ｈを通じてインナーパイプ２０の径方向外側へ導かれた排気ガスを、インナーパイプ２０の径方向外側で車両後方側へ流通させる。流路６０を流通した排気ガスは、アウターパイプ３０におけるインナーパイプ２０の下流部２２Ｃよりも車両後方側へ延出した延出部３７の内部を通って、排気管１０４へ流入する。

（熱交換部７０）
熱交換部７０は、インナーパイプ２０の径方向外側に配置されており、流路６０を流通する排気ガスと冷媒との間で熱交換する熱交換部である。冷媒としては、一例として、エンジン冷却水が用いられる。具体的には、熱交換部７０は、複数のフィン７２と、水路形成パイプ７４と、断熱材７６と、を有している。

各フィン７２は、インナーパイプ２０の周方向を厚み方向とする板状に形成されている。複数のフィン７２は、インナーパイプ２０の周方向に沿って、間隔をおいて配置されている。流路６０を流通する排気ガスは、複数のフィン７２の間を通過するようになっている。

断熱材７６は、断熱性を有する材料によって円筒状に形成されており、インナーパイプ２０と同軸で配置されている。断熱材７６の材料としては、例えば、ムライトやインタラム（スリーエム社の商品名）を挙げることができるが、これらに限定されない。

水路形成パイプ７４は、冷媒としてのエンジン冷却水を流通させる水路７５を形成するためのパイプである。水路形成パイプ７４は、前端部及び後端部が縮径されて、中間パイプ３３の外周面に接合されている。これにより、水路形成パイプ７４の軸方向中間部の内周面と、中間パイプ３３の外周面との間に、水路７５が形成されている。水路形成パイプ７４には、水路７５に冷却水を流入させる流入口（図示省略）と、水路７５から冷却水を流出させる流出口（図示省略）と、が形成されている。なお、本実施形態では、水路形成パイプ７４は、二部品で構成されているが、一部品で構成されていてもよい。

熱交換部７０では、流路６０を流通する排気ガスの熱が、複数のフィン７２及び中間パイプ３３を通じて、水路７５を流通する冷却水に伝わる。これにより、流路６０を流通する排気ガスと冷却水との間で熱交換がなされる。なお、前述の中間パイプ３３は、熱交換部７０の一部を構成するものと把握することができる。

（セパレータ８０及び第二絞り部８２）
セパレータ８０は、インナーパイプ２０の径方向外側であってアウターパイプ３０の内側に配置されており、流路６０に第二絞り部８２を形成するパイプである。

セパレータ８０は、円筒部８５と、フランジ部８３と、を有している。円筒部８５は、円筒状に形成されており、内周面が、インナーパイプ２０における上流側パイプ２２の下流部２２Ｃの外周面に接合されている。

フランジ部８３は、円筒部８５の前端部から円筒部８５の径方向外側へ張り出している。このフランジ部８３の外周端部とアウターパイプ３０の下流側パイプ３４との間に第二絞り部８２が形成されている。第二絞り部８２では、流路断面積が所定の範囲に制限されることで、排気ガスの流速が高められている。具体的には、第二絞り部８２は、流路６０における第二絞り部８２の前後（上下流側）よりも、流路断面積が狭くされることで、排気ガスの流速が高くされている。

（本実施形態の作用効果）
次に、本実施形態の作用効果を説明する。

本実施形態に係る排気熱回収器１０によれば、エンジンからの排気ガスが、インナーパイプ２０を車両後方側へ流通する。図２に示されるように、バルブ４０によって、インナーパイプ２０における下流側パイプ２４の下流部２４Ｃが閉鎖されると、インナーパイプ２０の内部の排気ガスは、インナーパイプ２０の内部から流入口５３を通じて第一絞り部５１に流入する。第一絞り部５１に流入した排気ガスは、第一絞り部５１を車両前方側へ流通し、インナーパイプ２０の円孔２２Ｈを通じて、インナーパイプ２０の径方向外側へ導かれる。

インナーパイプ２０の径方向外側へ導かれた排気ガスは、インナーパイプ２０とアウターパイプ３０との間に形成された流路６０を車両後方側へ流通する。流路６０を流通する排気ガスは、熱交換部７０において、水路７５を流通する冷却水との間で熱交換される。熱交換部７０において熱交換された排気ガスは、第二絞り部８２を流通し、流路６０からアウターパイプ３０の延出部３７の内部を通じて、排気管１０４へ流入する。

一方、図１に示されるように、バルブ４０によって、インナーパイプ２０における下流側パイプ２４の下流部２４Ｃが開放されると、インナーパイプ２０の内部の排気ガスは、下流側パイプ２４の下流部２４Ｃからアウターパイプ３０の延出部３７の内部を通じて、排気管１０４へ流入する。

また、インナーパイプ２０の内部の排気ガスの一部が、第一絞り部５１、円孔２２Ｈ及び流路６０を通じて、熱交換部７０へ向かおうとする。

ここで、本実施形態の構成では、流路６０における熱交換部７０よりも流通方向下流側だけでなく、円孔２２Ｈを通じて流路６０へ排気ガスを導く導入部分にも絞り部（第一絞り部５１）が設けられている。絞り部では、流路断面積が所定の範囲に制限されることで、排気ガスの流速が高められている。流速が高いと、ベルヌーイの定理により、圧力が低下するため、流路６０への導入部分にも絞り部（第一絞り部５１）を設けることで、流路６０への導入部分での圧力と、流路６０における熱交換部７０よりも流通方向下流側での圧力との差が小さくなる。

これにより、インナーパイプ２０の内部の排気ガスの一部が、第一絞り部５１、円孔２２Ｈ及び流路６０を通じて、熱交換部７０へ流入しくい。したがって、本実施形態の構成によれば、インナーパイプ２０における下流側パイプ２４の下流部２４Ｃが開放されている場合に、インナーパイプ２０から熱交換部７０へ排気ガスが流入することを抑制できる。これにより、排気ガスの熱の回収を望まない場合において、排気ガスの熱が回収されることが抑制される。

本発明は、上記の実施形態に限るものではなく、その主旨を逸脱しない範囲内において種々の変形、変更、改良が可能である。

１０排気熱回収器
２０インナーパイプ（内管の一例）
２２Ｈ円孔（孔の一例）
２４Ｃ下流部（後端部の一例）
３０アウターパイプ（外管の一例）
４０バルブ
５１第一絞り部
５３流入口
６０流路
７０熱交換部
８２第二絞り部

Claims

エンジンからの排気ガスを車両後方側へ流通させる内管と、
前記内管の外周に前記内管の軸方向に沿って配置され、前記内管の後端部よりも車両後方側に延出された外管と、
前記内管の後端部を開閉するバルブと、
前記内管の内部に対して車両後方側へ向かって開口する流入口を有し、前記内管の内部から前記流入口を通じて流入した排気ガスを車両前方側へ流通させ、該排気ガスを前記内管に形成された孔を通じて前記内管の径方向外側へ導く第一絞り部と、
前記内管と前記外管との間に形成され、前記孔を通じて前記内管の径方向外側へ導かれた排気ガスを、前記内管の径方向外側で車両後方側へ流通させる流路と、
前記内管の径方向外側に配置され、前記流路を流通する排気ガスと冷媒との間で熱交換する熱交換部と、
前記流路における前記熱交換部よりも流通方向下流側に設けられた第二絞り部と、
を備える排気熱回収器。