JP5337840B2

JP5337840B2 - 排熱回収装置

Info

Publication number: JP5337840B2
Application number: JP2011119183A
Authority: JP
Inventors: 徹久永; 稔広近藤; 智幸内田
Original assignee: Yutaka Giken Co Ltd
Current assignee: Yutaka Giken Co Ltd
Priority date: 2011-05-27
Filing date: 2011-05-27
Publication date: 2013-11-06
Anticipated expiration: 2031-05-27
Also published as: JP2012246837A

Description

本発明は、排気ガスの熱を熱交換器内の媒体で回収す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、熱交換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が第２流路１０３の下流端部１０３ａを閉じていることで、導入口１０１から導入された排気ガスは、第１流路１０２を流れる。
導入口１０１には、排気ガスを導入するための排ガス導入管１１０が接続されている。

ところで、排ガス導入管１１０に曲り管を用いると、導入口１０１から導入された排気ガスは、矢印（１）で示すように第１流路１０２の壁面１０２ｂに向かって流れる。排気ガスが第１流路１０２の壁面１０２ｂ側に流れることで、分岐部で第２流路１０３側に渦流れが発生してしまったり、排気ガスが分岐部の壁に当たり圧力損失が大きくなる。

一方、排気ガスが第１流路１０２の壁面１０２ｂに接触しないよう、排ガス導入管１１０の導入口１０１近傍の部位を直線状に形成することも考えられる。
しかし、排ガス導入管１１０の導入口１０１近傍の部位を直線状に形成した場合でも、分岐部で排気ガスの流れが広がるため、同様の問題が発生する。

排気ガスを円滑に流すことのできる排熱回収装置の提供が望まれる。

特開２００９−３０５６９公報

本発明は、排気ガスを円滑に流すことのできる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、排気ガスが流される排ガス導入管と、この排ガス導入管が接続され排気ガスを導入する導入口と、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、この分岐部の下流に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、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、
分岐部は、導入口の基端部から導入口の周方向に向かって広げられる拡径部が形成されることで、導入管の径より大きく設定され、
第１流路は、分岐部に縮径管を介して繋がれていることを特徴とする排熱回収装置。

請求項２に係る発明は、排ガス導入管の出口における中心軸は、第１流路の中心軸に対して熱交換器から離間する方向にずらして配置されていることを特徴とする。

請求項３に係る発明は、縮径管を構成する管壁のうち、熱交換器が設置される側の壁部は、他の壁部より第１流路の中心軸に対する傾斜角を大きく設定したことを特徴とする。

請求項１に係る発明では、縮径管の壁部は、分岐部から第１流路までを断面視テーパ状に繋ぐ。第１流路の中心軸に対して排気ガスを斜めに導入された場合でも、分岐部の圧力を上げることなく円滑に第１流路に流すことができる。排気ガスを円滑に流すことのできる排熱回収装置ということができる。

請求項２に係る発明では、排ガス導入管の出口における中心軸は、第１流路の中心軸に対して熱交換器が設置される側とは反体側にオフセットして配置されている。そのことにより、熱回収を行わない非回収状態において、導入管が熱交換器側へ偏って排気ガスが入射された場合でも分岐部で第２流路側へ流れようとする排ガスの量や圧力損失を抑えることができ、第１流路側へ排気ガスを円滑に導くことができる。

請求項３に係る発明では、縮径管を構成する管壁のうち、熱交換器が配置される側の壁部は、他の壁部より第１流路の中心軸に対する傾斜角を大きく設定した。そのことにより、熱交換器が配置される側の壁部は、より多くの排気ガスを受けることができ、熱回収を行わない非回収状態において、導入管が熱交換器側へ偏って排気ガスが入射された場合でも分岐部で第２流路側へ流れようとする排ガスの量や圧力損失を抑えることができ、第１流路側へ排気ガスを円滑に導くことができる。また、第１流路と第２流路との間のスペースを活用して、排気ガスを円滑に流すことができ、特に有効である。

本発明に係る排熱回収装置の斜視図である。実施例１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２の４−４線断面図である。本発明に係る縮径管の形状を説明する図である。本発明に係る排熱回収装置の作用説明図である。実施例２に係る排熱回収装置の平面断面図である。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、排熱回収装置１０は、排気ガスが導入される排ガス導入管１１と、この排ガス導入管１１が接続され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に一体形成され下流に向かって徐々に縮径する縮径管１３と、この縮径管１３に接続され排ガス導入管１１の下流に向かって延びる第１流路１４と、この第１流路１４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１５と、この第２流路１５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１６と、この熱交換器１６の上面に向かって取り付けられ媒体を熱交換器１６に導入する媒体導入部材１７と、この媒体導入部材１７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１８と、このサーモアクチュエータ１８の側方に配置され熱交換器１６内の媒体を排出する媒体排出管１９と、第２流路１５の下流端部から第１流路１４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１４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。

排ガス導入管１１には、曲り管が用いられることが望ましい。理由は後述する。
媒体導入部材１７は、熱交換器１６に取り付けられる支持部２７と、この支持部２７に支持され媒体が導入される媒体導入管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１８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１８が作動する。

サーモアクチュエータ１８の先端部１８ａが接触する付勢部材２４は、矢印（２）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には、排ガス導入管１１に接続される導入口２９が一体形成されている。分岐部１２は、導入口２９が形成されている分岐側第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は、導入口２９の基端部２９ａから導入口２９の周方向に向かって広げられる拡径部３３が形成されている。

また、拡径部３３で拡幅させてから、縮径管１３に繋ぐ。拡径させておくことで、縮径管１３を介しても、第１流路１４の流路面積を排ガス導入管１１の流路面積と同等に保つことができる。第１流路１４の流路面積を広くすることができ、圧力損失を抑制することができる。

さらに、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、回収状態において、排気ガスを均一に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、第１流路１４に向かって徐々に縮径する縮径管１３が一体的に形成されると共に、第２流路１５が接続される分岐側接続口３５が底部３２ａに形成される。

縮径管１３の上流側の端部である最大半径部１３ａは、部屋部２２の図面上側の壁部２２ａよりも幅方向で内側に配置される（想像線参照）。壁部よりも内側に配置することで、排熱回収装置１０をコンパクトにすることができる。
縮径管１３に接続される第１流路１４は、円筒状の基部３７と、この基部３７の下流側で拡径される下流側拡径部３８とが一体形成されてなる。

排ガス導入管１１の出口１１ｂにおける中心軸４１は、第１流路１４の中心軸４２に対して熱交換器１６から離間する方向にずらして配置されている（β参照）。
熱回収を行わない非回収状態において分岐部１２で第２流路１５側へ流れようとする排ガスの量や圧力損失を抑えることができ、第１流路１４側へ排気ガスを円滑に導くことができる。
さらに、排ガス導入管１１の入口１１ａにおける中心軸４３は、第２流路１５（熱交換器１６）の中心軸４４にＰ３で交差する。

縮径管１３を構成する管壁のうち、排ガス導入管１１の入口１１ａにおける中心軸４３に交差する部位の壁部４６は、他の壁部４７より第１流路１４の中心軸４２に対する傾斜角を大きく設定した（θ２＞θ１）。
なお、第１流路１４の中心軸４２に対する傾斜角を、壁部４６と、他の壁部４７とで同じにすることもできる（例えば、θ２＝θ１）。詳細は後述するが、傾斜角が同じ場合であっても、排気ガスを円滑に流すことができる。

第２流路１５は、熱交換器１６によって形成される。即ち、熱交換器１６は、分岐側接続口３５に接続されるということができる。
熱交換器１６は、本体としてのコアケース５１と、このコアケース５１に収納され内部に排気ガスが流される伝熱チューブ５２と、この伝熱チューブ５２の上流側端部を支持し分岐側接続口３５に接続される上流側エンドプレート５３と、伝熱チューブ５２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５４と、伝熱チューブ５２内に設けられ排気ガスの接触面積を増加させるフィン５５とからなる。

伝熱チューブ５２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５２のそれぞれにフィン５５が設けられる。
排気ガスを伝熱チューブ５２内に流すことで、伝熱チューブ５２の外周に流される媒体（冷却水５６）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１４の下流側拡径部３８に向かって設けられる合流側第１部材５８（第１の部材）と、この合流側第１部材５８に重ねられ溶接される合流側第２部材５９（第２の部材）とからなる。

合流側第１部材５８の底部５８ａには、第１流路１４の下流側拡径部３８に向かって開口部６１が設けられると共に、熱交換器１６から離れる方向に突出し円弧形状に形成される凸形状部６２とが形成される。凸形状部６２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５９の底部５９ａには、第１流路１４の基部３７が通される合流側第１接続口６４が形成されると共に、熱交換器１６の下流側エンドプレート５４が接続される合流側第２接続口６５が形成されている。

合流側第１接続口６４の先端部６４ａで第１流路１４は、合流部２１に溶接される。また、縮径管１３の下流端部１３ｂで、第１流路１４は、縮径管１３に溶接される。このように溶接することで、第１流路１４の両端部１４ａ，１４ｂは、軸方向で他の部材に接触しない。

排気ガスは、非常に高温であるため、排気ガスが第１流路１４内を通過することで、第１流路１４は膨張する。軸方向で第１流路１４の両端部１４ａ，１４ｂを他の部材に接触させないことで、第１流路１４の膨張による他の部材への影響を抑制することができる。

また、縮径管１３の下流端部１３ｂを溶接部とすることで、溶接トーチが入りやすく、組立て時の作業性が向上する。また、第１流路１４、第２流路１５の温度差により高い応力が生じる底部３２ａから、溶接部を離すことができる。底部３２ａから離すことで、排熱回収装置１０の長寿命化を図ることができる。

部屋部２２には、第１流路１４の下流端部１４ｂ及びバルブ６７が収納されている。図に示す状態でバルブ６７は、第１流路１４の下流端部１４ｂを閉じている。
バルブ６７の詳細については次図で説明する。

図３に示すように、バルブ６７は、バルブ軸２３にボルト６８を介して固定される固定部７１と、この固定部７１から第１流路１４の下流端部１４ｂに向かって延出される延出部７２と、この延出部７２の先端に設けられ第１流路１４の下流端部１４ｂを閉じる弁体７３とからなる。
弁体７３は、第１流路１４の下流側拡径部３８の内周面に取り付けられた着座部７４に着座している。

側面から見た場合に、排ガス導入管１１の出口１１ｂにおける中心軸４１は、第１流路１４の中心軸４２に合致している。
縮径管１３の詳細について次図で詳細を説明する。

図４に示すように、縮径管１３及び分岐側第２部材３２を正面から見た場合に、第２流路１５側（図面右側）の壁部４６の幅Ｗ１が、第１流路１４の中心軸４２を挟んで対向する部位の壁部４７の幅Ｗ２よりも大きく形成されている。
縮径管１３の管壁についてさらに詳細に次図で説明する。

図５に示すように、縮径管１３の上流側端部の形状は、第１流路１４の中心軸４２を中心とした半径Ｒ１の円形状の一般部７６と、この一般部７６から第２流路１５側に突出する突出部７７とが一体的に形成された形状とされている。
縮径管１３の管壁は、縮径管１３の上流側端部から、第１流路１４の接続される下流側端部までを繋ぐことで、縮径され形成されている。

突出部７７は、第１流路１４の中心軸４２の側方の任意の点を中心７８として描かれた、半径Ｒ１より大きい半径Ｒ２の円弧形状の部位である。突出部７７が形成される分、壁部４６の幅Ｗ１がＷ２よりも広くなる。

なお、Ｒ１とＲ２との関係は、Ｒ１＜Ｒ２である場合に限られない。即ち、Ｒ１≧Ｒ２の関係であっても、一般部７６から第１流路１４に向かって突出部７７が突出していればよい。ただし、Ｒ１＜Ｒ２であれば突出部７７を広くすることができ、より確実に第１流路１４に排気ガスを導くことができる。
このような排熱回収装置１０の作用について説明する。

図２に戻り、矢印（３）で示すように、排ガス導入管１１から排気ガスが導入されると、バルブ６７で第１流路１４の下流端部１４ｂが閉じられているため、排気ガスは、矢印（４）で示すように、分岐部１２内を熱交換器１６に向かって流れる。

矢印（５）で示すように、熱交換器１６内を流れる排気ガスは、冷却水５６と熱交換を行う。熱交換を行った排気ガスは、矢印（６）で示すように、合流部２１へ流れる。合流部２１へ流れた排気ガスは、矢印（７）で示すように、開口部６１から部屋部２２に流れ、外部へ排出される。

熱交換を行い、冷却水５６の温度が上昇すると、バルブ６７を開いて熱交換を終える。このときの作用を図１に戻り説明する。
図１に戻り、熱交換器１６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、媒体導入管２８から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１７に支持されるサーモアクチュエータ１８のワックスが膨張し、サーモアクチュエータ１８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１８の先端部１８ａは、付勢部材２４の付勢する力（矢印（２））に抗して前進する（図面右方向に進出する）。前進することでバルブ軸２３を反時計回りに回転させる。

図３の矢印（８）で示すように、バルブ軸２３が反時計回りに回転することで、矢印（９）で示すように、バルブ６７も反時計回りに回転する。バルブ６７が回転することで、第１流路１４を開く。第１流路１４が開かれることで、排気ガスは、短く流路面積の大きい第１流路１４に向かって流れる。

また、十分に冷却水（図２、符号５６）が温められる前であっても、排気ガスの流量が一時的に多くなることがある。排気ガスの流量が所定の量を超えた場合は、排気ガスの力によってバルブ６７が開かれ、排気ガスは第１流路１４を流れる。
排気ガスが第１流路を流れる場合の作用について次図で説明する。

図６（ａ）の比較例１に示すように、排ガス導入管１２０に曲り管を用いた場合は、例えば所定の高さｈだけ変位させるのに必要な長さはＬ１である。即ち、排熱回収装置をコンパクトにすることができる。

しかし、導入口１２１から導入された排気ガスは、矢印（１１）で示すように第１流路１２２の壁面１２２ｂに向かって流れる。排気ガスが第１流路１２２の壁面１２２ｂに向かって流れることで、流れに偏りができ、排気ガスの円滑な流れを妨げる。

図６（ｂ）の比較例２に示すように、排気ガスが第１流路１３２の壁面１３２ｂに接触しないよう（矢印（１２）参照）、排ガス導入管１３０を図６（ａ）に示す排ガス導入管１２０よりも緩やかに曲げた。
しかし、この場合、所定の高さｈだけ変位させるのに長さがＬ２必要となり、排熱回収装置が大型化する。

図６（ｃ）の実施例に示すように、本発明では、排ガス導入管１１が、曲り管であると共に、分岐部１２と第１流路１４とが縮径管１３で繋がれている。排ガス導入管１１が曲り管であることにより、矢印（１３）で示すように、導入された排気ガスは、第１流路１４の中心軸４２に対して斜めに導入される。縮径管１３の壁部４６は、分岐部１２から第１流路１４までを断面視テーパ状に繋ぐ。テーパ状に繋ぐことで、第１流路１４の中心軸４２に対して斜めに導入される排気ガスを、矢印（１４）で示すように、円滑に第１流路１４に流すことができる。曲り管を用いることで排熱回収装置１０をコンパクト化することができると共に、曲り管を用いた場合であっても、排気ガスを円滑に流すことができる。即ち、コンパクトでありながら、排気ガスを円滑に流すことのできる排熱回収装置１０ということができる。

第１流路１４と第２流路（図２、符号１５）との間のスペースで、壁部４６の傾斜角を大きくする（図２、θ２＞θ１）ことでさらに以下の効果を奏する。デッドスペースを活用して、排気ガスを円滑に流すことができ、特に排熱回収装置１０を小型化できる。

さらに、図２及び図５も参照して、排ガス導入管１１の入口１１ａにおける中心軸４３に交差する部位の壁部４６は、より多くの排気ガスが流れる。排気ガスが多く流れる部位の傾斜角θ２を大きくすることで、排気ガスが流れやすい部位の面積を大きくすることができる（図５、突出部７７参照。）。排気ガスが流れやすい部位の面積を大きくすることで、θ２＝θ１とした場合よりも、より確実に排気ガスを第１流路１４に対して円滑に導くことができる。

次に、本発明の実施例２を図面に基づいて説明する。
図７は実施例２の排熱回収装置の断面構成を示し、上記図２に対応させて表している。

図７に示されるように、排熱回収装置８０は、排ガス導入管８１の入口８１ａにおける中心軸８３が、外側に向かって延びている。
分岐部１２と第１流路１４とは縮径管８５で繋がれている。

この縮径管８５を構成する管壁のうち、排ガス導入管８１の入口８１ａにおける中心軸８３に交差する部位の壁部８６と、他の壁部８７とは、第１流路１４の中心軸４２に対する傾斜角が同一に設定されている（θ３＝θ３）。

このように構成した実施例２に係る排熱回収装置８０においても、曲り管を用いることで排熱回収装置８０をコンパクト化することができると共に、曲り管を用いた場合であっても、排気ガスを円滑に流すことができる。即ち、コンパクトでありながら、排気ガスを円滑に流すことのできる排熱回収装置８０ということができる。

尚、本発明の排熱回収装置は、実施の形態では四輪車に適用したが、車両全般に適用可能であり、さらに車両以外の用途に用いることも差し支えない。

本発明の排熱回収装置は、四輪車に好適である。

１０，８０…排熱回収装置、１１，８１…排ガス導入管、１１ａ，８１ａ…（排ガス導入管の）入口、１１ｂ，８１ｂ…（排ガス導入管の）出口、１２…分岐部、１３…縮径部、１４…第１流路、１５…第２流路、１６…熱交換器、２９…導入口、４１，８２…（出口における）中心軸、４２…（第１流路の）中心軸、４３，８３…（入口における）中心軸、４４…（第２流路の）中心軸、４６，８６…（交差する部位の）壁部、４７，８７…（他の）壁部。

Claims

排気ガスが流される排ガス導入管と、この排ガス導入管が接続され排気ガスを導入する導入口と、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、この分岐部の下流に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、
前記分岐部は、前記導入口の基端部から前記導入口の周方向に向かって広げられる拡径部が形成されることで、前記導入管の径より大きく設定され、
前記第１流路は、前記分岐部に縮径管を介して繋がれていることを特徴とする排熱回収装置。
前記排ガス導入管の出口における中心軸は、前記第１流路の中心軸に対して前記熱交換器から離間する方向にずらして配置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。
前記縮径管を構成する管壁のうち、熱交換器が設置される側の壁部は、他の壁部より前記第１流路の中心軸に対する傾斜角を大きく設定したことを特徴とする請求項１または請求項２記載の排熱回収装置。