JP5222977B2 - 排熱回収装置 - Google Patents

Description

本発明は、排気ガスの熱で媒体を温める排熱回収装置に関する。

内燃機関で発生した排気ガスの熱で、熱回収器内の媒体を温める排熱回収装置が知られている（例えば、特許文献１（図３）参照）。

特許文献１を次図に基づいて説明する。
図８に示すように、排熱回収装置１００は、排気ガスを導入する導入口１０１と、この導入口１０１から延びる第１流路１０２と、この第１流路１０２の上方で第１流路１０２を迂回するように延びる第２流路１０３と、この第２流路１０３の一部に設けられ排気ガスと媒体とで熱交換を行う熱交換器１０４と、第１流路１０２の下流端部１０２ａ近傍に設けられるバルブ軸１０５と、このバルブ軸１０５に支持されているバルブ１０６とからなる。

バルブ１０６は、バルブ軸１０５に支持されている第１弁体１０７と、この第１弁体１０７の裏面から第２流路１０３の下流端部１０３ａに向かって延びる第２弁体１０８とからなる。

熱交換器１０４内を流れる媒体の温度が低い場合は、第１流路１０２の下流端部１０２ａを第１弁体１０７で閉じる。第１流路１０２を閉じることで、想像線で示すように、第２流路１０３へ排気ガスを流す。排気ガスと熱交換器１０４内の媒体とで熱交換を行う。熱交換を行うことで、媒体が温められる。
媒体が十分に温まると、バルブ軸１０５を回転させ、第２弁体１０８で第２流路１０３の下流端部１０３ａを閉じ、熱交換を終了する。

ところで、このような排熱回収装置１００のバルブ１０６によれば、第２弁体１０８で第２流路１０３を正確に閉じることができるよう、第２弁体１０８の先端から第２流路１０３の下流端部１０３ａに向かってガイド部１０９を設ける必要がある。ガイド部１０９を設けることでバルブ１０６が大型化する。

バルブの小さな排熱回収装置の提供が望まれる。

特開２００９−３０５６９公報

本発明は、バルブの小さな排熱回収装置の提供を課題とする。

請求項１に係る発明は、排気ガスが導入される導入口と、この導入口の下流に接続され導入された排気ガスを下流側の２つの流路に分岐する分岐部と、この分岐部に一端が接続され導入口の下流に向かって延びる第１流路と、この第１流路を迂回するように分岐部から下流に向かって延びる第２流路と、この第２流路に設けられ排気ガスの熱と内部に収納された媒体とで熱交換を行う熱交換器と、第２流路の下流端部から第１流路に向かって延びる合流部と、この合流部及び第１流路の下流端部が接続される部屋部と、この部屋部で支持されるバルブ軸と、このバルブ軸に支持され回動することで２つの流路を切り替えるバルブと、からなる排熱回収装置であって、
合流部は、バルブ軸の近傍に形成され第２流路からの排気ガスを部屋部に導く連通口を含み、
バルブは、バルブ軸に支持され第１流路の下流端部を閉じる第１弁体と、この第１弁体から延ばされ連通口を閉じる第２弁体とからなり、
これらの第１弁体及び第２弁体が、バルブ軸を周方向に挟むよう配置され、
第２弁体は、バルブ軸を中心とした円弧形状に形成されていることを特徴とする。

請求項２に係る発明は、合流部は、部屋部から離れる方向に向かって膨出する膨出部が形成されていることを特徴とする。

請求項３に係る発明は、第２弁体は、閉状態で連通口に対して所定の距離だけ離して設けられていることを特徴とする。

請求項１に係る発明では、第２流路からの排気ガスを部屋部に導く連通口がバルブ軸の近傍に形成されると共に、第１弁体から延ばされる第２弁体で連通口を閉じる。即ち、バルブ軸に支持された第１弁体に第２弁体が取り付けられると共に、連通口がバルブ軸の近傍に形成されている。連通口がバルブ軸の近傍に形成されていることで、第１弁体から延びる第２弁体を小型化することができる。第２弁体を小型化することで、バルブを小型化することができる。

加えて、第２弁体は、バルブ軸を中心とした円弧形状に形成されている。円弧形状に形成されていることで、連通口を開状態から閉状態まで切り替えるのに必要な回動範囲を小さくすることができる。回動範囲を小さくすることで、バルブが収納される部屋部の大きさを小さくすることができ、排熱回収装置の小型化することができる。

請求項２に係る発明では、合流部は、部屋部から離れる方向に向かって膨出する膨出部が形成されている。膨出部が形成されることで、熱交換器を大型化することなく、熱回収時に排気ガスが流される流路面積を大きくすることができる。流路面積を大きくすることで排気ガスを円滑に流すことができ、熱交換器における熱の回収効率を高めることができる。

請求項３に係る発明では、第２弁体は、閉状態で連通口に対して所定の距離だけ離して設けられている。即ち、第２弁体と連通口との間にわずかに隙間を開ける。隙間を開けることで、第２弁体と合流部との接触を防止する。第２弁体と合流部が接触する際の騒音の発生を防ぐことができる。騒音の発生を防ぐのに他の部材を用いる必要がなく、部品点数を削減することができる。
また、隙間を設けることで、合流部や第２弁体が排気ガスの熱で膨張しても、円滑にバルブを回動させることができる。

本発明に係る排熱回収装置の斜視図である。 本発明に係る排熱回収装置の平面断面図である。 図２の３−３線断面図である。 図３の４部拡大図である。 本発明に係る合流部を説明する図である。 図４の６−６線断面図である。 本発明に係る排熱回収装置の作用を説明する図である。 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。

本発明の実施例を図面に基づいて説明する。
図１に示されるように、排熱回収装置１０は、排気ガスが導入される導入口１１と、この導入口１１が一体形成され導入された排気ガスを下流側の２つの流路に分岐する分岐部１２と、この分岐部１２に接続され導入口１１の下流に向かって延びる第１流路１３と、この第１流路１３を迂回するように分岐部１２から下流に向かって延びる第２流路１４と、この第２流路１４に設けられ排気ガスの熱と内部に収納された冷却水（媒体）とで熱交換を行う熱交換器１５と、この熱交換器１５の上面に向かって取り付けられ媒体（冷却水）を熱交換器１５に導入する媒体導入部材１６と、この媒体導入部材１６に支持され媒体の温度で作動するサーモアクチュエータ１７と、このサーモアクチュエータ１７の側方に配置され熱交換器１５内の媒体を排出する媒体排出管１８と、第２流路１４の下流端部から第１流路１３に向かって延びる合流部２１と、この合流部２１及び第１流路１３の下流端部が接続される部屋部２２と、この部屋部２２の一対の側壁２２ａ，２２ａで支持されるバルブ軸２３と、このバルブ軸２３に接続されると共に部屋部２２の側方に配置されバルブ軸２３を付勢する付勢部材２４とからなる。

媒体導入部材１６は、熱交換器１５に取り付けられる支持部２７と、この支持部２７に支持され導入される媒体が流れる媒体導入管２８とからなる。支持部２７は、媒体導入管２８を支持すると共に、サーモアクチュエータ１７を支持する。支持部２７を通過する媒体の温度でサーモアクチュエータ１７が作動する。

サーモアクチュエータ１７の先端部１７ａが接触する付勢部材２４は、矢印（１）で示すように、時計回り方向へ向かってバルブ軸２３を付勢する。
排熱回収装置１０の詳細について次図以降で説明する。

図２に示すように、分岐部１２は、底部３１ａに導入口１１が形成された分岐側第１部材３１（第１の部材）と、この分岐側第１部材３１に重合わせて溶接される分岐側第２部材３２（第２の部材）とからなる。

分岐側第１部材３１の底部３１ａには、分岐側第２部材３２側へ向かってテーパ形状部３１ｂが形成されている。テーパ形状部３１ｂを形成することで、分岐部１２の剛性を高められると共に、排気ガスを円滑に流すことができる。加えて、テーパ形状部３１ｂを分岐側第２部材３２に向かって形成することで、分岐部１２をコンパクトにすることができる（α参照）。

分岐側第２部材３２には、導入口１１の下流に対応する部位に形成され第１流路１３の上流端部１３ａが接続される分岐側第１接続口３４と、この分岐側第１接続口３４と共に底部３２ａに形成され第２流路１４が接続される分岐側第２接続口３５とが形成される。

分岐側第１接続口３４は、分岐側第２部材３２の底部３２ａから徐々に縮径するよう形成されている。
分岐側第１接続口３４に接続される第１流路１３は、円筒状の基部３７と、この基部３７の下流側で拡径される拡径部３８とが一体形成されてなる。

第２流路１４は、熱交換器１５によって形成される。即ち、熱交換器１５は、分岐側第２接続口３５に接続されるということができる。
熱交換器１５は、本体としてのコアケース４１と、このコアケース４１に収納され内部に排気ガスが流される伝熱チューブ４２と、この伝熱チューブ４２の上流側端部を支持し分岐側第２接続口３５に接続される上流側エンドプレート４３と、伝熱チューブ４２の下流側端部を支持し合流部２１に接続される下流側エンドプレート４４と、伝熱チューブ４２内に設けられ排気ガスの接触面積を増加させるフィン４５とからなる。

伝熱チューブ４２は、図面表裏方向に向かって複数設けられる。複数設けられる伝熱チューブ４２のそれぞれにフィン４５が設けられる。
排気ガスを伝熱チューブ４２内に流すことで、伝熱チューブ４２の外周に流される媒体（冷却水４６）が温められる。即ち、排気ガスと媒体との間で熱交換が行われる。

合流部２１は、第１流路１３の拡径部３８が接続される合流側第１部材４７と、この合流側第１部材４７に重ねられ溶接される合流側第２部材４８とからなる。
合流側第１部材４７の底部４７ａには、第１流路１３の拡径部３８が嵌め込まれる開口部４７ｂが開けられると共に、熱交換器１５から離れる方向に突出する凸形状部４７ｃとが形成される。凸形状部４７ｃが形成されることで、合流部２１の剛性が高められると共に、排気ガスを円滑に流すことができる。

合流側第２部材４８の底部４８ａには、熱交換器１５の下流側エンドプレート４４が接続される合流側接続口４８ｂと、部屋部２２から離れる方向に向かって膨出する膨出部４８ｃが形成されている。
膨出部４８ｃが形成されることで、熱交換器を大型化することなく、熱回収時に排気ガスが流される流路面積を大きくすることができる。流路面積を大きくすることで排気ガスを円滑に流すことができ、熱交換器１５における熱の回収効率を高めることができる。

膨出部４８ｃの先端部４８ｄは、第１流路１３の外周面に溶接される。膨出部４８ｃの先端部４８ｄを第１流路１３の外周面に溶接することで、第１流路１３を強固に支持することができる。

部屋部２２には、第１流路１３の下流端部１３ｂ及びバルブ５０が収納されている。図に示す状態でバルブ５０は、第１流路１３の下流端部１３ｂを閉じている。
バルブ５０の詳細について詳細を次図で説明する。

図３に示すように、バルブ５０は、バルブ軸２３にボルト５１を介して取り付けられ第１流路１３の下流端部１３ｂを閉じる第１弁体５２と、この第１弁体５２の上部から延ばされる第２弁体５３とからなる。第１弁体５２及び第２弁体５３は、バルブ軸２３を周方向に挟むよう配置されている。

合流部２１は、バルブ軸２３の近傍に形成され第２流路（図２、符号１４）からの排気ガスを部屋部２２に導く連通口５５が形成されている。詳細は後述するが、第２弁体５３は、回動することで連通口５５を閉じる部材である。

第１弁体５２は、バルブ軸２３に固定される固定部５６と、この固定部５６から第１流路１３の下流端部１３ｂに向かって延出される延出部５７と、この延出部５７の先端に設けられ第１流路１３の下流端部１３ｂを閉じる弁体５８とからなる。

延出部５７の一部に、連通口５５から排出される排気ガスの一部を流すための排気穴５９が開けられている。排気穴５９を開けることで、連通口５５から排出される排気ガスを円滑に流すことができる。

弁体５８は、第１流路１３の拡径部３８の内周に取り付けられた着座部６１に接触する。着座部６１の厚さの分だけ第１流路１３を拡径させる。着座部６１の厚さの分だけ第１流路１３を拡径させることで、着座部６１を取り付けた場合であっても、基部３７と同等の流路面積を確保することができる。
第２弁体５３の詳細は次図で説明する。

図４に示すように、第２弁体５３は、第１弁体５２の固定部５６に固定される基部６２と、この基部６２から立ち上げられる立上げ部６３と、この立上げ部６３の先端から延び連通口５５を閉じる弁体６４とからなる。

バルブ軸２３の中心軸６６を中心に、弁体６４の外周面は、半径ｒ１の円弧形状に形成される。加えて、バルブ軸２３の中心軸６６を中心に、連通口５５が形成される部位の部屋部２２側の面は、半径ｒ２の円弧形状に形成される。

ここで、ｒ１＜ｒ２である。ｒ１＜ｒ２とすることで、第２弁体５３は合流部２１に接触しない。即ち、第２弁体５３を反時計回り方向に回転させ、連通口５５を閉じた場合であっても、第２弁体５３の外周面と連通口５５との間には、所定の隙間が保たれる。詳細は後述する。

バルブ軸２３に支持された第１弁体５２に第２弁体５３が取り付けられると共に、連通口５５がバルブ軸２３の近傍に形成されている。連通口５５がバルブ軸２３の近傍に形成されていることで、第１弁体５２から延びる第２弁体５３を小型化することができる。第２弁体５３を小型化することで、バルブ５０を小型化することができる。

加えて、第２弁体５３は、バルブ軸２３を中心とした円弧形状に形成されている。円弧形状に形成されていることで、連通口５５を開状態から閉状態まで切り替えるのに必要な回動範囲を小さくすることができる。回動範囲を小さくすることで、バルブ５０が収納される部屋部２２の大きさを小さくすることができ、排熱回収装置１０を小型化することができる。

想像線６７で示すように、側面視で連通口５５の一部は、第１流路１３の下流端部１３ｂに重なる。連通口５５を第１流路１３の下流端部１３ｂに重なる位置、即ち第１流路１３の下流端部１３ｂ近傍に設ける。第１流路１３の下流端部１３ｂ近傍に近い位置に連通口５５を設けることで、バルブ５０の小型化を図ることができる。

さらに、第２弁体５３の先端部６９が、バルブ軸２３の中心軸６６から連通口５５の端部までを結んだ線７１に重なる。これにより、少ない回動範囲で連通口５５を閉じることができる。少ない回動範囲で連通口５５を閉じることができることで、バルブ５０の小型化を図ることができる。

立上げ部６３の長さによって、弁体６４の外周面の半径ｒ１を調整することができる。容易な手段で寸法の調整を図ることができる。
加えて、立上げ部６３を形成することで、第２弁体５３の剛性を高めることができる。剛性を高めることで、一度調整した寸法を保つことができる。調整した寸法が保たれることで、弁体６４の外周面が合流部２１に接触することを、確実に防止することができる。
部屋部２２に接続される合流部２１について詳細を次図で説明する。

図５（ａ）に示すように、合流部２１は、略Ｌ字形状の合流側第１部材４７（第１の部材）と、略Ｌ字形状の合流側第２部材４８（第２の部材）とからなる。
合流側第１部材４７に開けられる連通口５５は、略矩形を呈すると共に、開口部４７ｂの内径は、第１流路の拡径部（図５（ｃ）、符号３８）の外径に等しい。
合流側第２部材４８の先端部４８ｄの内径は、第１流路の基部（図５（ｃ）、符号３７）の外径に等しい。

合流部２１の組立を行うには、まず、合流側第１部材４７と合流側第２部材４８とを重合わせる。
図５（ｂ）に示すように、重合わせたら、重合わせ部７２を溶接する。溶接することで、合流部２１は組み立てられる。

組み立て後は、図５（ｃ）に示すように、第１流路１３及び第２流路１４（熱交換器１５）が接続される。
図２に戻り、第１弁体５２が第１流路１３の下流端部１３ｂを閉じている場合に、導入口１１から排気ガスが導入されると、排気ガスは矢印（２）で示すように、分岐部１２内を熱交換器１５に向かって流れる。

図５（ｃ）に示すように、熱交換器１５内を流れた排気ガスは、矢印（３）で示すように、合流部２１へ流れる。矢印（４）で示すように、排気ガスは、合流部２１内で第１流路１３の外周に沿って流れ、連通口５５から外部へ排出される。
連通口５５から排出された排気ガスの流れについて詳細を次図で説明する。

図６に示すように、連通口５５から排出された排気ガスは、第２弁体５３の側方（矢印（５））又は第２弁体５３の上方（矢印（６））を通過する。
連通口５５から排気ガスが排出されている際に、熱交換器（図２、符号１５）で熱交換が行われている。熱交換器内の媒体が十分に温められると、熱交換を終了する。

図１に示すように、熱交換器１５内で熱交換を行うことで、媒体の温度が上昇する。媒体は循環されるので、媒体の温度が上昇することで、媒体導入部材１６に導入される媒体の温度も上昇する。媒体の温度が上昇することで、媒体導入部材１６に支持されるサーモアクチュエータ１７が作動する。
媒体の温度が上昇すると、サーモアクチュエータ１７の先端部１７ａは、付勢部材２４の付勢する力に抗して前進する。前進することでバルブ軸２３を反時計回りに回転させる。
このときのバルブ５０の作用について次図で説明する。

図７（ａ）に示すように、媒体の温度が上昇すると、バルブ軸２３が反時計回りに回転する。バルブ軸２３が回転することで、第１弁体５２が開状態になると共に、第２弁体５３が閉状態になる。第１弁体５２が開くことで、排気ガスは第１流路１３内を流れる。

また、媒体の温度が低い場合であっても、排気ガスの流量が所定量を超えることで、排気ガスの力によって第１弁体５２が開かれる。排気ガスの流量が多い場合は、排気ガスを第１流路１３に流すことで、熱交換器（図１、符号１５）に適量の排気ガスが流れるよう調節する。

第２弁体５３は、閉状態で連通口５５に対して所定の距離だけ離して設けられている。隙間を開けることで、第２弁体５３と合流部２１との接触を防止する。第２弁体５３と合流部２１が接触する際の騒音の発生を防ぐことができる。騒音の発生を防ぐのに他の部材を用いる必要がなく、部品点数を削減することができる。

また、隙間を設けることで、合流部２１や第２弁体５３が排気ガスの熱で膨張しても、円滑にバルブ５０を回動させることができる。

図１に戻り、熱交換器１５内の気圧の変化等により、熱交換器１５内の媒体の温度が所定の温度を超えて上昇することがある。温度が所定の温度を超えて高まることで、サーモアクチュエータ１７内のワックスが所定の体積よりも膨張することがある。サーモアクチュエータ１７内のワックスが所定の体積を超えて膨張することで、サーモアクチュエータ１７の先端部１７ａは、所定の量を超えて前進しようとする。サーモアクチュエータ１７の先端部１７ａが所定の量を超えて前進することを、オーバーリフト（過移動）という。

オーバーリフトを防止するために、通常、サーモアクチュエータ１７内に、オーバーリフト分を吸収するための、オーバーリフト吸収手段が設けられる。オーバーリフト吸収手段には、例えばコイルばねが用いられる。

しかし、オーバーリフト吸収手段を搭載することで、サーモアクチュエータが大型化する。サーモアクチュエータが大型化すると、排熱回収装置も大型化する。
このため、本発明ではオーバーリフトを次図で説明する構成により吸収することとした。

図７（ｂ）に示すように、連通口５５の下方且つ第１流路１３の下流端部１３ｂの上方のスペースをオーバーリフト吸収部７４とした。即ち、オーバーリフト吸収部７４は、連通口５５と第１流路１３の下流端部１３ｂとの間に形成される。図７（ａ）に示す状態から、バルブ軸２３が所定の量を超えて回転する場合がある。所定の量を超えて回転した場合に、図７（ｂ）に示すように、オーバーリフト吸収部７４で、オーバーリフト分を吸収する。

部屋部２２内のデッドスペースを用いてオーバーリフトを吸収するので、部屋部２２を大型化させることなく、オーバーリフトを吸収できる。
一方、オーバーリフト吸収部７４でオーバーリフトを吸収するので、サーモアクチュエータ（図１、符号１７）にオーバーリフト吸収手段を設ける必要がない。オーバーリフト吸収手段を用いないことで、サーモアクチュエータを小型化することができる。
部屋部２２の大型化を防止しつつ、サーモアクチュエータを小型化することができるので、排熱回収装置１０を小型化することができる。

尚、本発明にかかる排熱回収装置は、車両に適用したが、船舶等にも適用可能であり、これらのものに用途は限られない。

本発明の排熱回収装置は、四輪車に好適である。

１０…排熱回収装置、１１…導入口、１２…分岐部、１３…第１流路、１４…第２流路、１５…熱交換器、２１…合流部、２２…部屋部、２３…バルブ軸、４８ｃ…膨出部、５０…バルブ、５２…第１弁体、５３…第２弁体。

Claims (3)

1. 排気ガスが導入される導入口と、この導入口の下流に接続され導入された排気ガスを下流側の２つの流路に分岐する分岐部と、この分岐部に一端が接続され前記導入口の下流に向かって延びる第１流路と、この第１流路を迂回するように前記分岐部から下流に向かって延びる第２流路と、この第２流路に設けられ排気ガスの熱と内部に収納された媒体とで熱交換を行う熱交換器と、前記第２流路の下流端部から前記第１流路に向かって延びる合流部と、この合流部及び前記第１流路の下流端部が接続される部屋部と、この部屋部で支持されるバルブ軸と、このバルブ軸に支持され回動することで前記２つの流路を切り替えるバルブと、からなる排熱回収装置であって、
   前記合流部は、前記バルブ軸の近傍に形成され前記第２流路からの排気ガスを前記部屋部に導く連通口を含み、
   前記バルブは、前記バルブ軸に支持され前記第１流路の下流端部を閉じる第１弁体と、この第１弁体から延ばされ前記連通口を閉じる第２弁体とからなり、
   これらの第１弁体及び前記第２弁体が、前記バルブ軸を周方向に挟むよう配置され、
   前記第２弁体は、前記バルブ軸を中心とした円弧形状に形成されていることを特徴とする排熱回収装置。
2. 前記合流部は、前記部屋部から離れる方向に向かって膨出する膨出部が形成されていることを特徴とする請求項１記載の排熱回収装置。
3. 前記第２弁体は、閉状態で前記連通口に対して所定の距離だけ離して設けられていることを特徴とする請求項１又は請求項２記載の排熱回収装置。

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