JP4551272B2 - 排気熱回収装置 - Google Patents

Description

本発明は排気熱回収装置に関する。

従来、排気熱回収装置として、例えば、車両に搭載されたエンジンの排気熱を回収し、車室内の暖房や機器の暖機などの熱源として利用する排気熱回収装置が知られている。

このような排気熱回収装置として、排気ガスと媒体との間で熱交換を行なう熱交換器を備えた熱交換経路と、熱交換器を迂回するバイパス経路とを備え、排気熱の回収の必要に応じて、切替弁により排気ガスの流れを熱交換経路又はバイパス経路へと切替えるものが知られている（特許文献１参照）。
特開２００４−２７８３４５号公報

前記従来の排気熱回収装置において、排気ガスを熱交換経路を流通させて排気熱を回収した際には、熱交換により排気ガスの温度が低下し、排気ガス中の水分が凝縮して凝縮水が多量に生成され、排気ガスとともに下流側に導かれる。

しかし、切替弁によりバイパス経路側への排気ガスの流れが遮断され、バイパス経路内を排気ガスが流通していないために、熱交換経路とバイパス経路の合流部における排気ガスの流れに乱れが生じ、スムーズに排気ガスが下流方向へ流通せず、排気ガスの流れから外れた凝縮水が経路の下側に溜まり、バイパス経路側へと逆流することがある。この逆流した凝縮水は、その凝縮水の凍結などによるバイパス経路の閉塞や切替弁の動作不具合を引き起こす虞があった。

そこで、本発明は前記のような凝縮水の逆流を抑制した排気熱回収装置を提供することを目的とするものである。

前記の課題を解決するために、請求項１記載の発明は、排気ガスと媒体との間で熱交換を行なう熱交換器を備えた熱交換経路と、前記熱交換器をバイパスするバイパス経路とを備えた排気熱回収装置において、
バイパス経路内に弁体を設け、該弁体が閉作動した際においても排気ガスがバイパス経路を流通できる逆流抑制部を該弁体又はバイパス経路における該弁体が位置する部分に設けたことを特徴とするものである。

請求項２記載の発明は、請求項１記載の発明において、前記弁体を、前記熱交換経路とバイパス経路との合流部近傍に設けたことを特徴とするものである。

請求項３記載の発明は、請求項１又は２記載の発明において、前記逆流抑制部を前記弁体又はバイパス経路における熱交換経路側に設けたことを特徴とするものである。

請求項４記載の発明は、請求項１又は２記載の発明において、前記逆流抑制部を前記弁体又はバイパス経路の搭載状態における下側に設けたことを特徴とするものである。

請求項５記載の発明は、請求項１乃至４のいずれかに記載の発明において、前記逆流抑制部は、弁体の一部に設けた切欠部からなることを特徴とするものである。

請求項６記載の発明は、請求項１乃至４のいずれかに記載の発明において、前記逆流抑制部は、弁体の表裏を貫通して形成した小孔からなることを特徴とするものである。

請求項７記載の発明は、請求項１乃至４のいずれかに記載の発明において、前記弁体の閉作動終了状態において、弁体と前記バイパス経路との間に、前記逆流抑制部である間隙が形成されるように弁体の閉作動を制御する制御手段を設けたことを特徴とするものである。

本発明によれば、排気ガスを熱交換経路に流通させて排気熱を回収する際においても、逆流抑制部を通じて排気ガスが熱交換経路とバイパス経路の合流部に流出するために、凝縮水が合流部からバイパス経路に逆流することを抑制し、凝縮水の凍結などによるバイパス経路の閉塞や切替弁の動作不具合を抑制できる。

請求項４記載の発明によれば、更に、合流部の下側に溜まった凝縮水をより効率的に下流側へ流出させて、凝縮水がバイパス経路を逆流することをより抑制することができる。

本発明の排気熱回収装置は、媒体への熱回収を主目的とするヒートコレクタやオイルウォーマー等の狭義の熱回収器に限らず、排気ガスの冷却を主目的とする熱交換器（排気クーラーやＥＧＲクーラー等）も熱回収装置として包含する。

排気熱回収装置を車両の排気系に適用した具体的な実施例に基づいて、本発明を実施するための最良の形態を説明する。

図１、図２は、本発明の実施例１を示す。
図１は排気熱回収装置１を示す模式図で、排気熱回収装置１は、排気ガス流入管部２と排気ガス流出管部３を有し、排気ガス流入管部２の上流側に（図１の左側）は図示しない上流側排気管に接続され、排気ガス流出管部３の下流側に（図１の右側）は図示しない下流側排気管に接続されている。排気熱回収装置１は、熱交換経路４とバイパス経路５を有し、該熱交換経路４は、分岐パイプ６と合流パイプ７と熱交換器８とで構成され、バイパス経路５はバイパスパイプ９で構成されている。

前記排気ガス流入管部２の下流側は、分岐パイプ６とバイパスパイプ９に分岐され、合流パイプ７の下流側はバイパスパイプ９と合流して排気ガス流出管部３に接続されている。分岐パイプ６の下流側は熱交換器８の上流側に接続され、合流パイプ７の上流側は熱交換器８の下流側に接続されている。バイパス経路５は、熱交換器８を迂回（バイパス）して形成されている。

熱交換器８は、例えば車両の冷却系１４、１５などに接続され、該冷却系１４、１５を循環する媒体（冷却水）と熱交換器８内を流通する排気ガスとの間で熱交換が可能にされたもので、多管式や積層式など周知の形式のものを任意に採用することが出来る。

バイパスパイプ９は、図１に示すように、排気ガス流入管部２と排気ガス流出管部３とともに略直線状に形成されている。

そして、熱交換経路４は、排気熱回収装置１を車両に搭載した際に、熱交換経路４がバイパス経路５の上方に位置するか或いはバイパス経路と略同じ高さ、又は上方で、かつ、バイパス経路５よりも車両の内側に位置するように配置されている。

合流パイプ７とバイパスパイプ９の合流部近傍のバイパスパイプ９内には、弁体１０が弁軸１１を中心にして回動可能に設けられている。弁軸１１は、バイパスパイプ９の軸方向に対して直交する方向に設けられている。

前記弁体１０は、図２に示すように、一部に逆流抑制部である切欠部１２を有し、該切欠部１２以外の部分はバイパスパイプ９の横断面形状（本実施例においては円形）と略同一の外形に形成され、合流パイプ７が合流する側に前記逆流抑制部である切欠部１２が設けられている。

弁体１０の回動は、熱回収の必要に応じて、図示しない駆動用のアクチュエータと制御用のコンピュータにより制御され、熱交換経路４とバイパス経路５内の排気ガスの流れを制御する。

なお、弁体１０の駆動には、アクチュエータ以外にもモータなど周知の形式のものを任意に採用することができる。また、コイルスプリングなどの付勢体により弁体１０を排気ガス流に抗してバイパス経路５を閉塞するように付勢して、排気ガスの圧力に応じて開閉させるようにしてもよい。

温度センサーやバイメタルなどを用いて、熱交換器８を循環する媒体の温度に応じて弁体１０の開閉制御を行なうようにしてもよい。

排気熱の回収を行わない時は、弁体１０がバイパスパイプ９の軸方向と略平行になるように回動して、バイパス経路５は開放される。このため、上流側排気管から排気ガス流入管部２を通じて流通してきた排気ガスは、略直線状に設けられたバイパス経路５に大部分は流通し、下流側排気管へと導かれる。

一方、排気熱の回収を行うときは、弁体１０がバイパスパイプ９の軸方向に対して略直交するように回動し、バイパス経路５を略閉塞する。このため、上流側排気管から流通してきた排気ガスの大部分は、分岐パイプ６、熱交換器８、合流パイプ７からなる熱交換経路４へと導かれ、そして、合流部１３から排気ガス流出管部３へ流出し、下流側排気管へ流出する。また、弁体１０に切欠部１２が設けられているために、少量の排気ガスが、バイパス経路５から切欠部１２により形成される流路１６を通じて、合流部１３、排気ガス流出管部３、下流側排気管へと流出する。

この時、排気ガスの熱は、熱交換器８において媒体と熱交換され、排気ガスの温度が低下して排気ガス中に含まれる気体状態の水分が凝縮し凝縮水が生じる。該凝縮水は、排気ガスとともに合流パイプ７を流通し、合流パイプ７とバイパスパイプ９との合流部１３に到達する。

従来の技術においては、弁体１０がバイパスパイプの上流側において閉塞されるために、バイパスパイプ内を排気ガスが流通せず、合流部１３において排気ガスの流れに乱れが生じ、凝縮水が排気ガスの流れから外れて合流部からバイパスパイプ９を逆流することがあった。

しかし、本実施例においては、排気ガスが、切欠部１２を通じてバイパス経路５から合流部１３に流出するために、合流パイプ７から合流部１３へと流出した排気ガスは、切欠部１２から流出する排気ガスにアシストされて、排気ガス流出管部３方向、すなわち下流側排気管方向へとスムーズに流向が変えられる。これにより、合流部１３において、排気ガスの流れから凝縮水が逸れることを抑制し、凝縮水がバイパスパイプ９を逆流することを抑制することができ、凝縮水の凍結などによる経路の閉塞や弁体１０の動作不具合を抑制できる。

また、熱交換経路４はバイパス経路５の上方に配置するか、或いはバイパス経路５と略同じ高さ又は上方で、かつ、バイパス経路５よりも車両の内側に配置されており、タイヤからの飛び石等が直接熱交換器８を打撃することを防止している。また、熱回収装置１が何らかの理由により路面等と干渉する際に、バイパス管９が先に干渉し、熱交換器８が路面等と干渉して破損することを防止できる。

図３、図４は、本発明の実施例２を示す。
本実施例２は、前記実施例１の変形例で、前記熱交換経路４をバイパス経路５より高い位置で車両に搭載した場合において、前記実施例１の弁体１０と異なる形状の弁体２０を用いたものである。

該弁体２０は、図４に示すように、一部に逆流抑制部である切欠部２２を有し、該切欠部２２以外の部分はバイパスパイプ９の横断面形状（本実施例においては円形）と略同一の外形に形成され、排気熱回収装置１を車両に搭載した際の下方向の一部に前記の逆流抑制部である切欠部２２を設けたものである。

その他の構造は、前記実施例１と同様であるために前記実施例１と同様の符号を付し、説明を省略する。

従来技術においては、排気ガスの流れから外れた凝縮水が経路の下方に溜まり経路の下方からバイパスパイプ９を逆流する虞がある。

しかし、本実施例２においては、排気ガスの流れから外れた凝縮水がバイパス経路の下方に溜った場合においても、排気ガスが下方に設けた切欠部２２からなる流路１６を通じてバイパス経路５の下方において合流部１３へと流出するために、下方に溜まった凝縮水は排気ガスとともに効率的に下流側排気管へと流出させ、凝縮水が溜まりを抑制し、凝縮水のバイパスパイプ９への逆流をより抑制することができる。

なお、弁体２０の切欠部２２は、バイパス経路５の底部側に設ければよく、熱交換経路４をバイパス経路５と略同等の高さの位置に設けた場合には、弁体２０の切欠部２２はバイパス経路５の底部側に位置して形成する。

図５は、本発明の実施例３を示す。
本実施例３は、前記実施例１、２の変形例で、弁体３０を前記実施例１、２の弁体１０、２０とは異なる形状にしたものである。

該弁体３０は、図５に示すように、逆流抑制部である切欠部３２ａ、３２ｂを２箇所に形成し、該切欠部３２ａ、３２ｂ以外の部分は、バイパスパイプ９の横断面形状（本実施例においては円形）と略同一の外形に形成され、排気熱回収装置１を車両に搭載した際の合流パイプ７側（本実施例３においては上方向）とバイパス経路５の底部の２箇所に前記の逆流抑制部である切欠部３２ａ、３２ｂが配置されるようにしたものである。

その他の構造は、前記実施例１、２と同様であるために前記実施例１、２と同様の符号を付し、説明を省略する。

本実施例２においても、前記実施例１、２と同様の効果を奏する。

図６は、本発明の実施例４を示す。
前記実施例１乃至３においては、逆流抑制部として切欠部１２、２２、３２ａ、３２ｂを設けたが、本実施例４は逆流抑制部として弁体４０の表裏を貫通する小孔４２を形成したものである。

この小孔４２の形成位置は前記実施例３の切欠部３２ａ、３２ｂと同様の位置である。なお、この小孔４２は、１個にして、前記実施例１及び２の切欠部１２、２２と同様の位置に形成してもよい。

その他の構造は、前記実施例と同様であるために前記実施例と同様の符号を付し、説明を省略する。

該小孔４２は、前記実施例１乃至３における切欠部１２、２２、３２ａ、３２ｂと同様に、凝縮水がバイパスパイプ９を逆流することを抑制することができる。

前記各実施例は、弁体１０、２０、３０に切欠部１２、２２、３２ａ、３２ｂを設けて逆流抑制部を形成したが、弁体にこれらの切欠部を形成することなく、弁体が位置する部分におけるバイパス経路５を構成するバイパスパイプ９を弁体と離間するように折曲して、弁体とバイパスパイプ９間に排気ガスの流路を設けて、該流路で逆流抑制部を形成してもよい。

また、前記実施例のような弁体１０、２０、３０に切欠部１２、２２、３２ａ、３２ｂや弁体４０に小孔４２を設けることなく、弁体の閉方向の回動を制御する制御手段を設け、該制御手段により、弁体が閉作動した際にも弁体とバイパス経路間に間隙を形成し、該間隙により逆流抑制部を形成するようにしてもよい。

該弁体を制御する手段として例えば次のような手段が挙げられる。
弁体は、切欠部等を形成することなく、バイパスパイプ９の横断面形状（本実施例においては円形）と略同一の外形に形成する。この弁体は、モータの回動により駆動され、該回動はコンピュータにより制御する。そして、該モータの回動を制御することにより、弁体が閉作動した際に、弁体によりバイパスパイプ９（バイパス経路５）を完全に閉塞する少し手前の位置で弁体の閉作動を終了させる。これにより、弁体とバイパスパイプ９間には微小な間隙が形成され、該間隙で逆流抑制部を形成する。

なお、前記間隙を形成するための弁体の制御手段として、アクチュエータのロッドの移動を制御したり、バイパスパイプ９内に、前記の間隙が形成されるように、弁体の閉作動方向の回動を所定の位置で阻止する係止部を設けるなどして構成してもよい。

その他の構造は、前記実施例と同様であり、本実施例においても前記実施例と同様の作用、効果を奏する。

本発明は、前記実施例の車両等の内燃機関用以外にも、汎用エンジン、据置式燃焼装置等のあらゆる排気ガス発生装置の排気系の排気熱回収装置として適用可能である。

本発明の実施例１の排気熱回収装置の側面模式図。 本発明の実施例１に用いる弁体の前面図。 本発明の実施例２の排気熱回収装置の側面模式図。 本発明の実施例２に用いる弁体の前面図。 本発明の実施例３に用いる弁体の前面図。 本発明の実施例４に用いる弁体の前面図。

符号の説明

１ 排気熱回収装置
４ 熱交換経路
５ バイパス経路
１０、２０、３０、４０ 弁体
１２、２２、３２ａ、３２ｂ 切欠部（逆流抑制部）
１３ 合流部
４２ 小孔（逆流抑制部）

Claims (7)

1. 排気ガスと媒体との間で熱交換を行なう熱交換器を備えた熱交換経路と、前記熱交換器をバイパスするバイパス経路とを備えた排気熱回収装置において、
   バイパス経路内に弁体を設け、該弁体が閉作動した際においても排気ガスがバイパス経路を流通できる逆流抑制部を該弁体又はバイパス経路における該弁体が位置する部分に設けたことを特徴とする排気熱回収装置。
2. 前記弁体を、前記熱交換経路とバイパス経路との合流部近傍に設けたことを特徴とする請求項１記載の排気熱回収装置。
3. 前記逆流抑制部を前記弁体又はバイパス経路における熱交換経路側に設けたことを特徴とする請求項１又は２記載の排気熱回収装置。
4. 前記逆流抑制部を前記弁体又はバイパス経路の搭載状態における下側に設けたことを特徴とする請求項１又は２記載の排気熱回収装置。
5. 前記逆流抑制部は、弁体の一部に設けた切欠部からなることを特徴とする請求項１乃至４のいずれかに記載の排気熱回収装置。
6. 前記逆流抑制部は、弁体の表裏を貫通して形成した小孔からなることを特徴とする請求項１乃至４のいずれかに記載の排気熱回収装置。
7. 前記弁体の閉作動終了状態において、弁体と前記バイパス経路との間に、前記逆流抑制部である間隙が形成されるように弁体の閉作動を制御する制御手段を設けたことを特徴とする請求項１乃至４のいずれかに記載の排気熱回収装置。
   
   
   

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