JP4892578B2 - 排熱回収器 - Google Patents

Description

本発明は、排気ガスの熱で冷却水を温める排熱回収器に関する。

車両の駆動源が内燃機関である場合には、この内燃機関から排気ガスが発生する。この排気ガスが保有する熱との熱交換により冷却水を温め、この温められた冷却水の熱により車室内を温めることが行われている（例えば、特許文献１（図３）参照。）。

図８に示すように、排熱回収器１００は、矢印（１）のように流入する排ガスの温度が所定温度以下の場合は、迂回路１０２が感温バルブ１０３で閉じられているため、排気ガスは、矢印（２）で示すとおり熱回収室１０４を通過する。
このとき、排気ガスの熱でウォータージャケット１０５内を流れる冷却水は温められる。
一方、冷却水の温度が所定の温度より高い場合は、感温バルブ１０３が時計回りに回動して熱回収室１０４への流れを遮断する。結果、矢印（３）で示すとおり排気ガスは迂回路１０２を通過する。

ところで、排気ガスの流量は車両の走行状態等に合わせて常に変化する。即ち、多量の排気ガスが熱回収室１０４に向かって流されることがある。熱回収室１０４内にはウォータージャケット１０５が配置され、このウォータージャケット１０５により排気ガスの通路が狭められている。このため、多量の排気ガスが熱回収室１０４に向かって排出されることにより、円滑な排気が妨げられる。これにより、エンジンの出力に影響が出る。

エンジンの出力を維持しつつ、排気を円滑に行うことができる排熱回収器の提供が望まれる。

特開２００８−１５７２１１公報

本発明は、排気を円滑に行うことができる排熱回収器の提供を課題とする。

請求項１に係る発明は、排気ガスが通されこの排気ガスの熱により冷却水が温められる熱回収室と、この熱回収室を迂回して前記排気ガスを流す迂回路と、この迂回路の入口に配置され前記冷却水の温度が所定の温度よりも高いときに前記排気ガスを前記迂回路へ流し前記冷却水の温度が所定の温度以下のときに前記排気ガスを前記熱回収室へ流す感温式バルブとを備える排熱回収器において、
前記熱回収室は、前記排気ガスの排気圧が所定の圧力よりも高い場合に開き前記排気圧が所定の圧力以下の場合に閉じる排気圧バルブと、この排気圧バルブの下流に配置され前記排気圧が所定の圧力よりも高い場合に前記排気ガスの一部が通過する高圧ガス流路とが配置されることを特徴とする排熱回収器。

請求項２に係る発明は、熱回収室は、排気ガスが通過するガス流路が複数配置され、これらのガス流路のうちいずれか一つのガス流路を高圧ガス流路としたことを特徴とする。

請求項３に係る発明は、排気圧バルブは、弁体に板ばねが用いられ、排気圧が所定の圧力以下の場合に高圧ガス流路の内面に板ばねの先端が接触することにより高圧ガス流路を閉じ、排気圧が所定の圧力を超える場合に高圧ガス流路の内面から板ばねの先端が離間することにより高圧ガス流路が開かれることを特徴とする。

請求項４に係る発明は、排気圧バルブは、板ばねが開く方向に配置され先端が板ばねに接触する補助ばねが備えられ、この補助ばねは、板ばねが開く際に板ばねが閉じる方向へ力を付勢することを特徴とする。

請求項５に係る発明は、板ばねは、基部が高圧ガス流路の一部を折曲げ形成した折曲げ部で支持され、この折曲げ部は、板ばねが高圧ガス流路を閉じる角度に傾斜していることを特徴とする。

請求項１に係る発明では、排気ガスの排気圧が所定の圧力より高い場合に開かれる排気圧バルブと、排気圧バルブが開いた際に排気ガスが流れる高圧ガス流路を備えている。排気ガスの流量が多くなり排気圧が所定の圧力より高い場合に、排気圧バルブが開かれ、排気ガスは熱回収室の他に高圧ガス流路から流される。高圧ガス流路内は抵抗が低く、排気ガスが円滑に流されるため、エンジンの出力を維持しつつ、排気を円滑に行うことができる

また、排気圧が高い場合も熱回収室に排気ガスを流し続けるため、効率よく熱回収を行うことができる。一方で、排気圧が高い場合には、高圧ガス流路から一部の排気ガスを逃がすため、エンジン出力に対する影響を抑えることができる。即ち、エンジン出力に対する影響を抑えつつ、効率よく熱回収を行うことができる排熱回収器ということがいえる。

請求項２に係る発明では、ガス流路のうちいずれか一つのガス流路を高圧ガス流路とした。即ち、ガス流路を高圧ガス流路として使用することにより、別途高圧ガス流路を設ける必要がない。別途高圧ガス流路を設ける必要がないので、排熱回収器をコンパクトにすることができる。

請求項３に係る発明では、排気圧バルブは、弁体に板ばねが用いられる。板ばねの端部が高圧ガス流路の内周面に接触することで、高圧ガス流路を閉じることができる。一方、高圧ガス流路を開放する場合は、板ばねの端部を高圧ガス流路の内周面から離間させればよい。即ち、弁体を板ばねとすることにより、ストッパー部材や剛性フレームを用いる必要がない。これにより部品点数の削減が図られ、廉価に排熱回収器を製造することができる。

請求項４に係る発明では、補助ばねは、板ばねが開く際に板ばねが閉じる方向へ力を付勢する。板ばねが開く際にこれと逆方向に補助ばねの力が加わる。これにより、開閉時のそれぞれのばねの振動を抑制することができ、ばねの振動により発生する騒音を低減させることができる。

請求項５に係る発明では、折曲げ部は、板ばねが高圧ガス流路を閉じる角度に傾斜している。このため、板ばねを折曲げ部で支持するだけで、板ばねの先端が高圧ガス流路を閉じる。即ち、板ばねを曲げる必要がなく一枚板状の板ばねを用いることができる。板ばねが一枚板であれば、取付け作業が容易になり排熱回収器の生産効率が高まる。

本発明に係る排熱回収器の断面図である。 図１の２部拡大図である。 本発明に係る排熱回収器の側面図である。 本発明に係る感温式バルブの説明をする図である。 本発明に係る排気圧バルブの説明をする図である。 本発明に係る排熱回収器の作用説明図である。 図２の別実施例図である。 従来の技術の基本構成を説明する図である。

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。なお、図面は符号の向きに見るものとする。

先ず、本発明の実施例１を図面に基づいて説明する。
図１に示されるように、排熱回収器１０は、筒状の本体１１と、この本体１１の上流側（図面左側）に接続される排気ガス導入部１２と、この排気ガス導入部１２の反対側に接続される排気ガス排出部１３と、本体１１を上下に区画する仕切り壁１４と、仕切り壁１４の上部に配置され排気ガスの熱により冷却水が温められる熱回収室１５と、この熱回収室１５に対して仕切り壁１４を挟んで下側に配置され熱回収室１５を迂回する迂回路１６と、この迂回路１６の入口に配置され冷却水の温度が所定の温度よりも高いときに排気ガスを迂回路１６へ流し冷却水の温度が所定の温度以下のときに排気ガスを熱回収室１５へ流す感温式バルブ１７とからなる。

熱回収室１５には、冷却水を導入する冷却水入口２１と、この冷却水入口２１から導入された冷却水を通過させるための複数の冷却水路２２と、これらの冷却水路２２の間に積層するように配置され排気ガスが通過する複数のガス流路２３と、冷却水を排出する冷却水出口（詳細は後述）と、一番下のガス流路２３が利用され排気圧が所定の圧力よりも高い場合に排気ガスの一部が通過する高圧ガス流路２５と、この高圧ガス流路２５内に配置され排気ガスの排気圧が所定の圧力よりも高い場合に開き排気圧が所定の圧力以下の場合に閉じる排気圧バルブ２６とが配置される。

ガス流路２３を高圧ガス流路２５として使用することにより、別途高圧ガス流路２５を設ける必要がない。別途高圧ガス流路２５を設ける必要がないので、排熱回収器１０をコンパクトにすることができる。

仕切り壁１４の上下に熱回収室１５と迂回路１６を配置することにより、排熱回収器１０をコンパクトにすることができる。
次図以降で排気圧バルブの詳細について説明する。

図２に示すように、排気圧バルブ２６の主要部は、高圧ガス流路２５内に配置され高圧ガス流路２５の開閉を行う板ばね２８と、この板ばね２８の基部を支持する折曲げ部２９と、半円状に形成された先端３１が板ばね２８に接触する補助ばね３２と、この補助ばね３２を支持する支持部３３である。

折曲げ部２９と支持部３３は、高圧ガス流路２５を折り曲げることにより形成している。加えて、板ばね２８の先端で直接的に高圧ガス流路２５を閉じる。高圧ガス流路２５内に直接排気圧バルブ２６を設ける。これにより、ストッパー部材や剛性フレームを使わずに廉価に排気圧バルブ２６を形成することができる。

また、板ばね２８は、基部が高圧ガス流路２５の一部を折曲げ形成した折曲げ部２９で支持され、この折曲げ部２９は、板ばね２８が高圧ガス流路を閉じる角度に傾斜している。

このため、板ばね２８を折曲げ部２９で支持するだけで、板ばね２８の先端が高圧ガス流路２５を閉じる。即ち、板ばね２８を曲げる必要がなく一枚板状の板ばね２８を用いることができる。板ばね２８が一枚板であれば、取付け作業が容易になり排熱回収器１０の生産効率が高まる。
次図で詳細について説明する。

図３に示すように、冷却水出口４３は、本体１１の外面に配置される冷却水タンク４４を介して設けられる。冷却水タンク４４には更に、感温式バルブ１７に冷却水を送る冷却水送入管４５と、この冷却水送入管４５によって送入れられた冷却水を送出する冷却水送出管４６とが接続される。

感温式バルブ１７は、温度が上昇することにより溶融されるワックスが内蔵されたサーモワックス部４８と、このサーモワックス部４８の先端に配置されサーモワックス部４８の伸縮に合わせて図面左右に作動されるロッド４９と、このロッド４９の先端のピン５１が長穴５２に接続されロッド４９が左右に作動することにより回動されるレバー５３と、このレバー５３を回動自在に支持する回動軸５４と、この回動軸５４にレバー５３と共に回動可能に支持され排気ガスの流路を切替える流路切替ダンパ５５とから構成される。

絞り形状に構成された排気ガス導入部１２の絞り面５８に、流路切替ダンパの先端５９が接触する。絞り面５８に接触させるため、排気ガスの流れに対してより平行に近い角度で流路切替ダンパ５５を配置することができる。排気ガスの流れに対してより平行に近いほど、排気ガスを円滑に導入することができる。即ち、効率よく排気ガスを流すことができる。

流路切替ダンパ５５の作動範囲が狭まれば、流路切替ダンパ５５を作動させるための駆動源を小型化することができ、感温式バルブ１７を小型化することもできる。
次図で感温式バルブの詳細について説明する。

図４に示すように、サーモワックス部４８と、ロッド４９が収納されるケース６１内にはサーモワックス部４８に抗する方向に力を加える戻しばね６２が配置される。

冷却水送入管４５から送られた冷却水の温度が上昇すると、サーモワックス部４８に内蔵されるワックスが溶融し始める。ワックスが溶融することによりワックスの体積が膨張し、サーモワックス部４８が戻しばね６２の力に抗して図面左側に向かって伸張する。これによって想像線で示すようにロッド４９が左方向に移動され、レバー５３及び流路切替ダンパ５５が回動軸５４を中心に時計回り方向に回動される。流路切替ダンパの先端５９が絞り面（図１符号５８）に接触することで熱回収室の入口（図１符号１５）は閉じられる。

一方、想像線で示される状態から冷却水の温度が低下すると、サーモワックス部４８内のワックスが固化し、ワックスの体積が縮小する。これにより、戻しばね６２がサーモワックス部４８の力に抗して図面右側に向かって伸張する。これによってロッド４９が右方向に移動され、レバー５３及び流路切替ダンパ５５が反時計回り方向に回動される。流路切替ダンパ５５が絞り面（図１符号５８）に接触することで迂回路（図１符号１６）は閉じられる。
感温式バルブが作動される所定の温度を変えたい場合は、種類の異なるアクチュエータに取替えればよい。

感温式バルブは、サーモワックスや形状記憶合金ばね、ダイヤフラム等の機械的に作動されるバルブの他、センサ及びアクチュエータを用いる電気的なバルブ等様々なものを用いることができる。
機械的に作動されるバルブを用いる場合は、センサやアクチュエータ等の高価な部品が不要であるため、安価に排熱回収器を製造することができる。
次図で排気圧バルブの作用について説明する。

図５（ａ）に示すように、排気ガスが流れていない場合や排気圧が低い場合は、板ばね２８及び補助ばね３２がそれぞれ矢印で示す方向に力を付勢することで、排気圧バルブは閉じている。即ち、矢印の方向がそれぞれのばね２８、３２が閉じる方向であり、この矢印に対して逆の方向がばね２８、３２が開く方向である。

排気圧バルブ２６は、板ばね２８が開く方向に配置され先端３１が板ばね２８に接触する補助ばね３２が備えられ、この補助ばね３２は、板ばね２８が開く際に板ばね２８が閉じる方向へ力を付勢する

排気ガスの排気圧が高くなると、（ｂ）に示すように板ばね２８及び補助ばね３２は、排気圧により傾倒される。板ばね２８が開く際にこれと逆方向に補助ばね３２の力が加わる。これにより、開閉時のそれぞれのばね２８、３２の振動を抑制することができ、ばね２８、３２の振動により発生する騒音を低減させることができる。
次図で本発明にかかる排熱回収器の作用について説明する。

図６（ａ）に示すように、冷却水の温度が高い場合は、熱回収室１５が閉じられ、排気ガスは迂回路１６を通過する。この場合排気ガスの排気圧に関係なく、全ての排気ガスが迂回路を通過する。

（ｂ）に示すように、冷却水の温度が低い場合は、迂回路１６が閉じられ、加えて排気ガスの排気圧が低い場合は、排気圧バルブ２６が閉じた状態にある。排気ガスは熱回収室１５を通過し、冷却水を温める。

（ｃ）に示すように、冷却水の温度が低い場合は、迂回路１６が閉じられ、加えて排気ガスの排気圧が高い場合は、排気圧バルブ２６が開いた状態にある。従って、排気ガスは熱回収室１５の他に高圧ガス流路２５を通過する。

排気ガスの排気圧が所定の圧力より高い場合に開かれる排気圧バルブ２６と、排気圧バルブ２６が開いた際に排気ガスが流れる高圧ガス流路２５を備えている。排気ガスの流量が多くなり排気圧が所定の圧力より高い場合に、排気圧バルブ２６が開かれ、排気ガスは熱回収室１５の他に高圧ガス流路２５から流される。高圧ガス流路２５内は抵抗が低く、排気ガスが円滑に流されるため、エンジンの出力を維持しつつ、排気を円滑に行うことができる

また、排気圧が高い場合も熱回収室１５に排気ガスを流し続けるため、効率よく熱回収を行うことができる。さらに、排気圧が高い場合には、高圧ガス流路２５から一部の排気ガスを逃がすため、エンジン出力に対する影響を抑えることができる。即ち、エンジン出力に対する影響を抑えつつ、効率よく熱回収を行うことができる排熱回収器１０ということがいえる。

次に、本発明の実施例２を図面に基づいて説明する。
図７（ａ）に示すように、排気圧バルブ２６は開閉ダンパ７０を開閉させる構成とした。
より詳細には、高圧ガス流路２５を開閉する開閉ダンパ７０と、この開閉ダンパ７０を回動可能に支持する回動軸７１と、この回動軸７１の端部に接続されるハンドル７２と、このハンドル７２のピン７３に一端が繋げられ他端が高圧ガス流路２５の外周面に配置されるピン７４に繋げられ開閉ダンパ７０が閉じる方向へ付勢する圧縮ばね７５とから構成される。

排気ガスの排気圧が低い場合は、圧縮ばね７５の力により開閉ダンパ７０の先端が高圧ガス流路２５の内周面に接している。これにより高圧ガス流路２５は閉じられている。

（ｂ）に示すように、排気ガスの排気圧が所定の圧力よりも高くなると、開閉ダンパ７０は排気ガスにより時計回り方向に回動される。回動されることにより開閉ダンパ７０の先端が高圧ガス流路２５の内周面から離間し、高圧ガス流路２５内を排気ガスが流される。

このような排気圧バルブ２６を用いた場合であっても、高圧ガス流路２５から排気ガスを流すことにより、多量の排気ガスを円滑に流すことができるという本発明の効果を得ることができる。

なお、このような開閉ダンパ７０の下流側に開閉ダンパ７０が開く方向と逆の方向に力を付勢する補助ダンパを配置することもできる。開閉ダンパが開く際にこれと逆方向に補助ダンパの力が加わる。これにより、開閉時のそれぞれのダンパの振動を抑制することができ、ダンパの振動により発生する騒音を低減させることができる。

尚、本発明に係る排熱回収器は、車両等の運輸機器の他、コージェネレーションシステム等エンジンの排気熱を使用するものであれば使用することができ、用途は限定されない。

本発明の排熱回収器は、車両の暖房装置に好適である。

１０…排熱回収器、１５…熱回収室、１６…迂回路、１７…感温式バルブ、２５…高圧ガス流路、２６…排気圧バルブ、２８…板ばね、３２…補助ばね。

Claims (5)

1. 排気ガスが通されこの排気ガスの熱により冷却水が温められる熱回収室と、この熱回収室を迂回して前記排気ガスを流す迂回路と、この迂回路の入口に配置され前記冷却水の温度が所定の温度よりも高いときに前記排気ガスを前記迂回路へ流し前記冷却水の温度が所定の温度以下のときに前記排気ガスを前記熱回収室へ流す感温式バルブとを備える排熱回収器において、
   前記熱回収室は、前記排気ガスの排気圧が所定の圧力よりも高い場合に開き前記排気圧が所定の圧力以下の場合に閉じる排気圧バルブと、この排気圧バルブの下流に配置され前記排気圧が所定の圧力よりも高い場合に前記排気ガスの一部が通過する高圧ガス流路とが配置されることを特徴とする排熱回収器。
2. 前記熱回収室は、前記排気ガスが通過するガス流路が複数配置され、これらのガス流路のうちいずれか一つのガス流路を前記高圧ガス流路としたことを特徴とする請求項１記載の排熱回収器。
3. 前記排気圧バルブは、弁体に板ばねが用いられ、前記排気圧が所定の圧力以下の場合に前記高圧ガス流路の内面に前記板ばねの先端が接触することにより前記高圧ガス流路を閉じ、前記排気圧が所定の圧力を超える場合に前記高圧ガス流路の内面から前記板ばねの先端が離間することにより前記高圧ガス流路が開かれることを特徴とする請求項１又は請求項２記載の排熱回収器。
4. 前記排気圧バルブは、前記板ばねが開く方向に配置され先端が前記板ばねに接触する補助ばねが備えられ、この補助ばねは、前記板ばねが開く際に前記板ばねが閉じる方向へ力を付勢することを特徴とする請求項３記載の排熱回収器。
5. 前記板ばねは、基部が前記高圧ガス流路の一部を折曲げ形成した折曲げ部で支持され、この折曲げ部は、前記板ばねが前記高圧ガス流路を閉じる角度に傾斜し
   ていることを特徴とする請求項３又は請求項４記載の排熱回収器。

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