JP4995706B2 - Exhaust heat recovery device - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、内燃機関からの排気流路に介装され、排気と熱交換媒体との間で熱交換を行い排気熱を回収する排気熱回収装置に関する。 The present invention relates to an exhaust heat recovery device that is interposed in an exhaust passage from an internal combustion engine and recovers exhaust heat by exchanging heat between exhaust and a heat exchange medium.
従来より、特許文献1にあるように、排気流路に介装され、内燃機関からの排気と内燃機関の冷却水等の熱交換媒体との間で熱交換を行う装置が知られている。
この装置では、マフラ部のアウタパイプと、アウタパイプの外周を覆う排気熱回収部の筒状のシェルとを同軸上に配置し、排気熱回収部は、シェルの内周とアウタパイプの外周との間に設けた一対の仕切板により形成された熱交換室を備えると共に、一対の仕切板を貫通して熱交換室内を通る小径パイプを設け、小径パイプに排気を流通させると共に、熱交換室内に熱交換媒体を流通させている。マフラ部は、排気が通過するインナパイプと、インナパイプの外側を覆うアウタパイプとを備え、インナパイプには、アウタパイプ内に連通する多数の小孔が穿設されている。また、マフラ部と排気熱回収部とに流れる排気を切り換える切換バルブを設けている。
In this apparatus, the outer pipe of the muffler part and the cylindrical shell of the exhaust heat recovery part that covers the outer periphery of the outer pipe are coaxially arranged, and the exhaust heat recovery part is disposed between the inner periphery of the shell and the outer periphery of the outer pipe. Provided with a heat exchange chamber formed by a pair of provided partition plates, and provided with a small-diameter pipe that passes through the heat-exchange chamber through the pair of partition plates, distributes exhaust through the small-diameter pipe, and exchanges heat in the heat-exchange chamber The medium is distributed. The muffler portion includes an inner pipe through which the exhaust passes and an outer pipe that covers the outer side of the inner pipe, and the inner pipe has a large number of small holes communicating with the inner pipe. Further, a switching valve for switching the exhaust gas flowing between the muffler part and the exhaust heat recovery part is provided.
こうした従来の装置では、切換バルブよりも上流側に連通孔を形成して、切換バルブによりマフラ部への排気の流入を遮断し、連通孔から排気熱回収部に排気を導いている。そして、排気熱回収部を通った排気は、切換バルブの下流側で、排気流路に流入するように構成されている。 In such a conventional apparatus, a communication hole is formed on the upstream side of the switching valve, the exhaust of the exhaust gas to the muffler portion is blocked by the switching valve, and the exhaust is led from the communication hole to the exhaust heat recovery unit. Then, the exhaust gas that has passed through the exhaust heat recovery section is configured to flow into the exhaust flow path on the downstream side of the switching valve.
しかし、切換バルブを排気がマフラ部を通過するように切り換えた際でも、上流側の排気熱回収部に排気を導入する連通孔と、下流側の排気熱回収部を通過した排気が排気流路に流入する箇所とでは圧力差が生じ、排気熱回収部にも排気が流入してしまう。そのため、排気熱回収部に流入した排気と熱交換媒体との間で熱交換が行われてしまうという問題があった。 However, even when the switching valve is switched so that the exhaust gas passes through the muffler part, the communication hole that introduces the exhaust gas to the upstream exhaust heat recovery part and the exhaust gas that has passed through the downstream exhaust heat recovery part are exhausted. A pressure difference is generated between the exhaust gas and the exhaust gas, and the exhaust gas also flows into the exhaust heat recovery unit. Therefore, there has been a problem that heat exchange is performed between the exhaust gas flowing into the exhaust heat recovery section and the heat exchange medium.
例えば、熱交換媒体として冷却水を用い、内燃機関が高負荷状態で運転されているような、冷却水と排気との間で熱交換を行いたくない場合でも、排気と冷却水との間で熱交換が行われてしまい、冷却水の温度が過度に上昇してしまうという問題があった。 For example, even when cooling water is used as a heat exchange medium and the internal combustion engine is operated under a high load condition and heat exchange is not desired between the cooling water and the exhaust, There was a problem that heat exchange was performed and the temperature of the cooling water would rise excessively.
本発明の課題は、簡単な構造で、排気の流れを確実に切り換えることができる排気熱回収装置を提供することにある。 An object of the present invention is to provide an exhaust heat recovery apparatus that can switch the flow of exhaust gas with a simple structure.
かかる課題を達成すべく、本発明は課題を解決するため次の手段を取った。即ち、
内燃機関からの排気流路に介装され、上流側からの排気を下流側に導く排気管と、前記排気と熱交換媒体との間で熱交換を行う排気熱回収部と、前記排気管を遮断して前記排気熱回収部を通る流れに切り換える切換バルブとを備えた排気熱回収装置において、
前記排気管の外周に径方向に開口する流出孔と流入孔とを設けると共に、前記流出孔と前記流入孔とは前記排気管の軸方向に対して近傍に設け、
かつ、前記排気熱回収部は前記排気管と同軸上に配置され前記排気管の外側を覆うアウタケースを備え、前記流出孔から前記アウタケース内に流入した前記排気が前記アウタケースの内周側を前記排気管の軸方向に流れ、前記排気管と前記アウタケースとの間で熱交換を行い、流入とは逆方向に前記排気管の軸方向に戻して前記流入孔に導き、
また、前記切換バルブは前記排気管を通る流れを遮断して前記流出孔に前記排気を導くことを特徴とする排気熱回収装置がそれである。
In order to achieve this problem, the present invention has taken the following measures in order to solve the problem. That is,
An exhaust pipe that is interposed in an exhaust flow path from the internal combustion engine and guides exhaust from the upstream side to the downstream side, an exhaust heat recovery section that exchanges heat between the exhaust and the heat exchange medium, and the exhaust pipe In an exhaust heat recovery apparatus comprising a switching valve that shuts off and switches to a flow that passes through the exhaust heat recovery unit,
Provided with a outlet hole and the inlet hole opened in the radial direction on the outer circumference of the exhaust pipe, wherein the outlet hole and the inlet hole is provided in the vicinity of the axial direction of the exhaust pipe,
The exhaust heat recovery section includes an outer case that is arranged coaxially with the exhaust pipe and covers the outside of the exhaust pipe, and the exhaust gas that has flowed into the outer case from the outflow hole is on the inner peripheral side of the outer case Flowing in the axial direction of the exhaust pipe, performing heat exchange between the exhaust pipe and the outer case, and returning to the axial direction of the exhaust pipe in the opposite direction to the inflow, leading to the inflow hole,
The switching valve is an exhaust heat recovery device characterized in that the flow through the exhaust pipe is blocked and the exhaust is guided to the outflow hole.
その際、前記アウタケースと前記排気管との間に、前記流出孔と前記流入孔との連通を遮断する仕切板を、前記排気管の軸方向に設けた構成としてもよい。あるいは、前記アウタケースと前記排気管との間に、前記流出孔からの前記排気を前記排気熱回収部に導き、前記排気熱回収部からの前記排気を前記流入孔に導くガイド部材を設けた構成としてもよい。 In this case, a partition plate that blocks communication between the outflow hole and the inflow hole may be provided between the outer case and the exhaust pipe in the axial direction of the exhaust pipe. Alternatively, a guide member is provided between the outer case and the exhaust pipe to guide the exhaust from the outflow hole to the exhaust heat recovery unit and guide the exhaust from the exhaust heat recovery unit to the inflow hole. It is good also as a structure.
また、前記切換バルブは揺動可能に支持された板状の弁体を備えたバタフライバルブで、前記排気管に径方向から流入管を前記弁体に向かって挿入して、前記流入管の先端開口により前記流入孔を形成し、前記弁体の揺動により前記流入孔を閉塞可能に配置した構成としてもよい。 The switching valve is a butterfly valve having a plate-like valve body supported so as to be swingable. An inflow pipe is inserted into the exhaust pipe from the radial direction toward the valve body, and the tip of the inflow pipe is inserted. The inflow hole may be formed by an opening, and the inflow hole may be arranged to be closed by swinging the valve body.
本発明の排気熱回収装置は、流出孔と流入孔とが近傍に設けられ、流出孔と流入孔とでは圧力差が生じないので、流出孔と流入孔とが排気管に開口して形成されていても、流出孔から排気熱回収部を介して流入孔に流れる排気はほとんどなく、簡単な構造で、排気の流れを確実に切り換えることがで、排気と熱交換媒体との間で熱交換を行なうと、熱交換媒体の温度が過度に上昇するような場合、不必要な排気と熱交換媒体との熱交換を抑制できるという効果を奏する。 In the exhaust heat recovery apparatus of the present invention, the outflow hole and the inflow hole are provided in the vicinity, and no pressure difference is generated between the outflow hole and the inflow hole, so that the outflow hole and the inflow hole are formed in the exhaust pipe. However, there is almost no exhaust flowing from the outflow hole to the inflow hole via the exhaust heat recovery part, and the heat flow can be exchanged between the exhaust and the heat exchange medium by switching the exhaust flow reliably with a simple structure. If the temperature of the heat exchange medium is excessively increased, unnecessary heat exchange between the exhaust gas and the heat exchange medium can be suppressed.
また、仕切板やガイド部材を設けると、流出孔から流入孔に直接排気が通るのを遮断できる。更に、流入管を設けて、流入孔を弁体で閉塞するようにすると、更に確実に排気熱回収部に排気が流入するのを抑制できる。 Further, if the partition plate and the guide member are provided, it is possible to block the exhaust from directly passing from the outflow hole to the inflow hole. Furthermore, if an inflow pipe is provided and the inflow hole is closed with a valve body, it is possible to more reliably suppress the exhaust from flowing into the exhaust heat recovery section.
以下本発明を実施するための最良の形態を図面に基づいて詳細に説明する。
図1に示すように、1は本実施形態の排気熱回収装置で、図示しない内燃機関からの排気流路に介装されている。2は排気管で、排気管2の外側を覆って排気熱回収部4が配置されている。
The best mode for carrying out the present invention will be described below in detail with reference to the drawings.
As shown in FIG. 1,
排気熱回収部4は、排気管2の外側を覆うアウタケース6を備え、アウタケース6は円筒状で、排気管2と同軸上に配置されている。アウタケース6の両端は、排気管2の外径よりも僅かに大きい外径に縮径されて連結部8,10が形成されている。両連結部8,10は同軸上に形成されており、一方の連結部8には、図示しない内燃機関からの上流側の排気流路が接続され、他方の連結部10は下流側の排気流路に接続されている。
The exhaust
他方の連結部10の内周には、排気管2の一端外周が挿入されて固定されている。排気管2の他端側は、一方の連結部8の近傍にまで延出されている。排気管2の外周には、径方向に開口する流出孔12と流入孔14とが設けられている。流出孔12と流入孔14とは、排気管2の軸方向に対して、本実施形態では、同軸上の同じ位置で、180度反対側に対向して設けられている。
The outer periphery of one end of the
流出孔12と流入孔14とは、同じ位置に限らず、排気管2の軸方向に対して近傍に設けられていればよく、また、180度反対側に限らず、90度の位置に設けてもよい。本実施形態では、流出孔12と流入孔14とは、他方の連結部10の近くに設けられている。
The outflow hole 12 and the inflow hole 14 are not limited to the same position, and need only be provided in the vicinity of the axial direction of the
流出孔12と流入孔14との上流側の排気管2の外周には、所定間隔をあけて一対のリング状のメッシュ16,18が装着されている。メッシュ16,18の外側には更にインナ管20が装着されている。アウタケース6とインナ管20との間の、上流側の一方の連結部8側には、リング状の蓋板22が装着されて、閉塞されている。
A pair of ring-
また、アウタケース6とインナ管20との間には、熱交換部24が設けられている。熱交換部24は、例えば、図3に示すように、アウタケース6を外側から内側に貫通すると共に排気管2の軸方向に沿って屈曲した媒体流入管26と、アウタケース6を外側から内側に貫通すると共に排気管2の軸方向に沿って屈曲した媒体流出管28とを備えている。
In addition, a
媒体流入管26と媒体流出管28とは、アウタケース6の内周形状に応じてリング状に形成された多数の枝管29により連通されると共に、媒体流入管26と媒体流出管28とには、リング状の多数のフィン30が取り付けられている。
The
熱交換部24に流入した排気は、図3に矢印で示すように、媒体流出管28側からアウタケース6の内周側に沿って排気の上流側に、排気管2の軸方向に流れ、多数のフィン30の間を通って、180度反対側の媒体流入管26側に流れる。その際、蓋板22により、排気管2の軸方向に沿ったそれ以上の上流側への流れは規制される。
The exhaust gas flowing into the
そして、排気は、アウタケース6の内周側に沿って排気の下流側に、排気管2の軸方向に、流入側とは逆方向に流れるように形成されている。排気の流れを、排気熱回収部4内でUターンさせて、排気管2の軸方向に沿って上流側に向かう流れを、排気管2の軸方向に沿って下流側に向かう流れに戻すように構成されている。
The exhaust gas is formed so as to flow in the axial direction of the
図1に示すように、排気管2には、切換バルブ31が設けられており、切換バルブ31は板状の弁体32を備えたバタフライバルブで、弁体32は揺動可能に支持された揺動軸34に取り付けられている。弁体32は、排気管2内に設けられると共に、本実施形態では、揺動軸34は排気管2の軸方向中心を通るように配置され、また、流出孔12及び流入孔14の中心を結ぶ位置に配置されている。
As shown in FIG. 1, the
図1に実線で示すように、弁体32は、揺動軸34を揺動させて、弁体32を排気管2の内周に接触させて排気管2を遮断した位置と、弁体32を排気管2の軸方向とほぼ平行にして排気管2を連通した位置との間で揺動できるように構成されている。
As shown by a solid line in FIG. 1, the
排気の圧力が高いときには、弁体32を軸方向と平行にして排気管2を連通し、排気の圧力が低いときには排気管2を遮断する位置に揺動するように、揺動軸34を図示しないアクチュエータにより揺動させる構成でも、あるいは、弁体32により排気管2を遮断する位置にスプリング等の付勢部材により揺動付勢するように構成してもよい。
When the exhaust pressure is high, the
また、弁体32は流出孔12及び流入孔14に対向して配置されており、排気管2を遮断した位置に弁体32を揺動した際には、弁体32を境にして、上流側の排気管2と流出孔12とが連通され、下流側の排気管2と流入孔14とが連通されるように構成されている。
Further, the
更に、図2に示すように、排気管2の外周とアウタケース6の内周との間には、排気が流出孔12から熱交換部24を通らずに流入孔14に流入するのを遮断する一対の仕切板38,40が設けられている。
Further, as shown in FIG. 2, between the outer periphery of the
次に、前述した本実施形態の排気熱回収装置の作動について説明する。
まず、内燃機関からの排気が上流側の排気流路から一方の連結部8に流入すると、排気管2内を下流側に流れる。排気の圧力が低いときには、揺動軸34を介して、弁体32が排気管2の内周に接触して排気管2を遮断する位置に弁体32が揺動される。
Next, the operation of the exhaust heat recovery apparatus of the present embodiment described above will be described.
First, when the exhaust from the internal combustion engine flows into the one connecting
これにより、上流からの排気は、流出孔12からアウタケース6内に流入し、熱交換部24に流れ込む。熱交換部24に流入した排気は、排気管2の軸方向に、アウタケース6の内周側に沿って上流側に流れる。そして、多数のフィン30の間を通って、180度反対側に流れ、排気管2の軸方向に沿って、また、アウタケース6の内周側に沿って下流側に流れる。
Thus, the exhaust from the upstream flows into the
排気の流れは、排気熱回収部4内でUターンして、排気管2の軸方向に沿って上流側に向かって流れた後、排気管2の軸方向に沿って下流側に向かって流れ、流入孔14から排気管2内に戻る。そして、排気管2から下流側の排気流路に流出する。
The exhaust flow makes a U-turn in the exhaust
排気は、熱交換部24を流れる間に、媒体流入管26から多数の枝管29を介して媒体流出管28に流れる熱交換媒体との間で熱交換が行われる。これにより、排気の温度は下がり、熱交換媒体の温度は上がる。
While the exhaust gas flows through the
一方、内燃機関からの排気の圧力が高いときには、揺動軸34を介して、弁体32が排気管2の軸方向と平行に揺動され、上流からの排気は、一方の連結部8に流入すると、排気管2内を下流側に流れ、切換バルブ31を通って、他方の連結部10から下流側の排気流路に流出する。
On the other hand, when the pressure of the exhaust gas from the internal combustion engine is high, the
排気は排気管2を下流側に流れる際に、流出孔12と流入孔14とが設けられている箇所を通過する。流出孔12と流入孔14とは近傍に設けられているので、流出孔12と流入孔14とでは圧力差が生じない。従って、流出孔12と流入孔14とが排気管2に開口して形成されていても、流出孔12から熱交換部24を介して流入孔14に流れる排気はほとんどない。
When the exhaust gas flows through the
従って、排気の圧力が高く、排気と熱交換媒体との間で熱交換を行なうと、熱交換媒体の温度が過度に上昇するような場合、弁体32を軸方向と平行にして、排気管2を連通しても、熱交換部24へ排気が流入しないので、不必要な排気と熱交換媒体との熱交換を抑制できる。
Therefore, when the exhaust pressure is high and heat exchange between the exhaust and the heat exchange medium causes the temperature of the heat exchange medium to rise excessively, the
前述した実施形態では、揺動軸34を排気管2の軸方向中心に配置したが、これに限らず、図4に示す第2実施形態のように、揺動軸34を排気管2の軸方向中心から偏芯した位置に配置しても同様に実施可能である。尚、前述した実施形態と同じ部材については同一番号を付して詳細な説明を省略する。以下同様。
In the above-described embodiment, the
また、図5に示す第3実施形態のように、排気管2に形成した流入孔14に代えて、排気管2に、排気管2の軸方向と直交する流入管50を挿入して、流入管50の先端開口により流入孔52を形成し、アウタケース6と排気管2内とを流入管50を介して連通してもよい。その際、排気管2内の流入管50の先端の流入孔52を、排気管2の軸方向と平行に弁体32を揺動した際に弁体32により閉塞するように配置する。
Further, as in the third embodiment shown in FIG. 5, instead of the inflow hole 14 formed in the
これにより、排気の圧力が高い際に、弁体32を軸方向と平行にして排気管2を連通した際、流入孔52を弁体32により閉塞して、より確実に熱交換部24を排気が流れないようにすることができる。
As a result, when exhaust pressure is high, when the
更に、図6に示す第4実施形態のように、揺動軸34を排気管2の軸方向中心から離れた位置に配置した際には、流入管50の長さを短くして、第5実施形態と同様に構成してもよい。
Furthermore, as in the fourth embodiment shown in FIG. 6, when the
あるいは、図7に示す第5実施形態のように、前述した実施形態の仕切板38,40に代えて、流出孔12から熱交換部24に排気を導く筒状のガイド部材54を設けると共に、熱交換部24からの排気を流入孔14に導く筒状のガイド部材56を設けてもよい。
Alternatively, as in the fifth embodiment shown in FIG. 7, instead of the
また、図8に示す第6実施形態のように、前述した実施形態とは上流側と下流側とを対称に配置した構成としてもよい。図8に示すように、排気管2の上流側に、切換バルブ31、流出孔12、流入孔14を配置し、これよりも下流側に熱交換部24を配置した構成としても同様に実施可能である。
Moreover, it is good also as a structure which has arrange | positioned upstream and downstream symmetrically like embodiment mentioned above like 6th Embodiment shown in FIG. As shown in FIG. 8, the configuration can be similarly implemented by arranging the switching valve 31, the outflow hole 12, and the inflow hole 14 on the upstream side of the
以上本発明はこの様な実施形態に何等限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲において種々なる態様で実施し得る。 The present invention is not limited to such embodiments as described above, and can be implemented in various modes without departing from the gist of the present invention.
1…排気熱回収装置 2…排気管
4…排気熱回収部 6…アウタケース
8,10…連結部 12…流出孔
14,52…流入孔 22…蓋板
24…熱交換部 26…媒体流入管
28…媒体流出管 29…枝管
30…フィン 31…切換バルブ
32…弁体 34…揺動軸
38,40…仕切板 50…流入管
54,56…ガイド部材
DESCRIPTION OF
Claims (4)
前記排気管の外周に径方向に開口する流出孔と流入孔とを設けると共に、前記流出孔と前記流入孔とは前記排気管の軸方向に対して近傍に設け、
かつ、前記排気熱回収部は前記排気管と同軸上に配置され前記排気管の外側を覆うアウタケースを備え、前記流出孔から前記アウタケース内に流入した前記排気が前記アウタケースの内周側を前記排気管の軸方向に流れ、前記排気管と前記アウタケースとの間で熱交換を行い、流入とは逆方向に前記排気管の軸方向に戻して前記流入孔に導き、
また、前記切換バルブは前記排気管を通る流れを遮断して前記流出孔に前記排気を導くことを特徴とする排気熱回収装置。 An exhaust pipe that is interposed in an exhaust flow path from the internal combustion engine and guides exhaust from the upstream side to the downstream side, an exhaust heat recovery section that exchanges heat between the exhaust and the heat exchange medium, and the exhaust pipe In an exhaust heat recovery apparatus comprising a switching valve that shuts off and switches to a flow that passes through the exhaust heat recovery unit,
Provided with a outlet hole and the inlet hole opened in the radial direction on the outer circumference of the exhaust pipe, wherein the outlet hole and the inlet hole is provided in the vicinity of the axial direction of the exhaust pipe,
The exhaust heat recovery section includes an outer case that is arranged coaxially with the exhaust pipe and covers the outside of the exhaust pipe, and the exhaust gas that has flowed into the outer case from the outflow hole is on the inner peripheral side of the outer case Flowing in the axial direction of the exhaust pipe, performing heat exchange between the exhaust pipe and the outer case, and returning to the axial direction of the exhaust pipe in the opposite direction to the inflow, leading to the inflow hole,
In addition, the switching valve is configured to block the flow through the exhaust pipe and guide the exhaust to the outflow hole.
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