JP5439258B2 - 排熱回収装置 - Google Patents

Description

本発明は、内燃機関で生じた排気ガスの熱で冷却水を温める、排熱回収装置に関する。

内燃機関を作動させることで排気ガスが生ずる。この排気ガスの熱を利用して冷却水を温めることが広く行われている。このとき、排熱回収を行う熱回収路とは別に、迂回路を設けて排気ガスを円滑に排出する排熱回収装置が知られている。このような排熱回収装置は、次図で説明するような問題点を有していた。

図１１（ａ）に示すように、排熱回収装置１００は、排気ガス導入部材１０１内に設けられているセパレータ１０２と、このセパレータ１０２の上流に設けられている回転軸１０３と、この回転軸１０３に固定され回転軸１０３が回転することで回転するバルブ１０４と、バルブ１０４の先端が着座する着座部１０５とを備えている。

セパレータ１０２の上が、排気ガスの熱を回収するための熱回収路１０７である。一方、セパレータ１０２の下は、熱回収が必要でない場合、及び熱回収時でも排気ガスが所定の流量を超えた場合に排気ガスを逃がすための迂回路１０８である。

導入部材１０１の外部には、迂回路１０８を閉じる方向に回転軸１０３を回転させるばねが備えられている。バルブ１０４が迂回路１０８を閉じることで、排気ガスが熱回収路１０７に流される。

このような排熱回収装置１００が繋がれる内燃機関が作動すると、内燃機関で生じた排気ガスが排熱回収装置１００に向かって流される。
排気ガスが流されることで、バルブ１０４より上流側の点Ａでの圧力Ｐ１が、バルブ１０４より下流側の迂回路１０８内の点Ｂでの圧力Ｐ２よりも大きくなる。即ち、点Ａでの圧力Ｐ１＞点Ｂでの圧力Ｐ２となる。

すると、（ｂ）に示すように、バルブ１０４が押され、迂回路１０８が開放される。
迂回路１０８が開放された後のある瞬間では、逆に圧力Ｐ１＜圧力Ｐ２となり、再び（ａ）に示すように、バルブ１０４が迂回路１０８を閉じる方向に回転される。このとき、バルブ１０４が着座部１０５に当たることで、騒音が発生する。

ここで、内燃機関は、吸気、圧縮、燃焼、排気を繰り返している。このため、所定の回転数では、バルブ１０４の先端が着座部１０５に当たって騒音を出すのと同時に、次の排気による排気ガスが送り込まれる。着座の反動で開こうとするバルブ１０４に、排気ガスが送り込まれることで、バルブ１０４が大きく開かれる。この大きく開かれたバルブ１０４が着座部１０５に勢いよく当たることで、特に騒音が大きくなる。

このような騒音を低減させる技術が提案されている（例えば、特許文献１（図１（ｂ））参照。）。

特許文献１を次図に基づいて説明する。
図１２に示すように、排熱回収装置２００は、図面右から左に向かって排気ガスが流される迂回路２０１と、この迂回路２０１の下流端を閉じるバルブ２０２と、このバルブ２０２の上部に取付けられているおもり２０３と、回転軸２０４を囲うように設けられ迂回路２０１を閉じる方向に付勢するばね２０５とを備えている。

排熱回収装置２００によれば、バルブ２０２におもり２０３を取付けることで、バルブ２０２の重量を変えている。バルブ２０２の重量が変わることで、固有振動数を変化させ、騒音を低減させている。

しかし、このような排熱回収装置２００は、おもり２０３を取付けることで、部品点数が増加し、重量も増加する。
少ない部品点数で騒音を低減させることができる、排熱回収装置の提供が望まれる。

特許第４０５６２２７号公報

本発明は、少ない部品点数で騒音を低減させることができる、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、内部に排気ガスが流される筒体と、この筒体の軸線方向に平行に配置され前記筒体の内部を２分するセパレータと、このセパレータによって２分された一方の通路であって前記排気ガスの熱を冷却水へ伝える熱回収路と、この熱回収路に対して前記セパレータを隔てて設けられる迂回路と、前記セパレータの上流側で前記軸線方向に垂直に設けられる回転軸と、この回転軸に固定され前記回転軸を回転させることで前記熱回収路又は前記迂回路の一方を塞ぐＶ字型のＶ字バルブと、このＶ字バルブが前記迂回路を閉じるよう前記回転軸を付勢し前記回転軸に接続される付勢手段とからなる排熱回収装置において、
前記セパレータと前記回転軸との間に、前記迂回路から前記熱回収路へ圧力を逃がす圧力逃がし部が設けられ、
前記圧力逃がし部は、前記セパレータの前記回転軸側の端部に形成された穴、ルーバー又は切欠きであることを特徴とする。

請求項２に係る発明は、セパレータは、回転軸側の端部に熱回収路側から迂回路側に向かって段差部が設けられ、この段差部の一部に穴、ルーバー又は切欠きが設けられることを特徴とする。

請求項１に係る発明は、セパレータと回転軸との間に、圧力逃がし部が設けられている。迂回路内の圧力が、迂回路上流側の圧力よりも高くなることがある。このとき、一部の圧力は、迂回路を閉じる方向に作用する。これと同時に、圧力逃がし部から逃げた残りの圧力は、迂回路を開ける方向に作用する。即ち、迂回路を閉じる方向の圧力に、迂回路を開ける方向の圧力が加わる。閉じ方向の圧力が小さくなるため、Ｖ字バルブは穏やかに閉まる。Ｖ字バルブに起因する騒音を低減することができる。騒音を低減するのに圧力逃がし部を設ければよく、別途部品を設ける必要がない。少ない部品点数で騒音を低減することができる。

加えて、請求項１に係る発明では、圧力逃がし部は、セパレータの回転軸側の端部に形成された穴、ルーバー又は切欠きである。セパレータに穴、ルーバー又は切欠きを設けるだけで、圧力逃がし部を形成することができる。従って圧力逃がし部を容易に設けることができる。

請求項２に係る発明では、熱回収路側から迂回路側に向かって段差部が設けられる。段差部を設けることで、セパレータとＶ字バルブとの間に空間を確保することができる。この空間に迂回路を開ける方向の圧力が加わる。結果、より広い範囲でＶ字バルブを迂回路が開く方向へ押すことができる。迂回路が開く方向へ押す力を強めることで、より騒音の低減を図ることができる。

本発明に係る排熱回収装置の断面図である。 図１の２−２線断面図である。 実施例１に係るセパレータの斜視図である。 図１の４矢視図である。 図４の５−５線断面図である。 実施例１に係る排熱回収装置を作動させた状態を説明する図である。 実施例２に係る排熱回収装置の要部を説明する図である。 実施例３に係る排熱回収装置の要部を説明する図である。 実施例４に係る排熱回収装置の要部を説明する図である。 実施例５に係る排熱回収装置の要部を説明する図である。 従来の技術の問題点を説明する図である。 従来の技術の基本原理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、内燃機関で発生した排気ガスが導入され内部に回転軸１１が設けられている筒体１２と、この筒体１２内に設けられているセパレータ１３と、このセパレータ１３によって２分された一方の通路であって排気ガスの熱を冷却水へ伝える熱回収路１５と、この熱回収路１５の下方であってセパレータ１３を隔てて設けられる迂回路１６と、回転軸１１にボルト１７を介して固定され先端が着座部１８に着座しているＶ字型のＶ字バルブ２０とからなる。

熱回収路１５は、筒体１２に繋げられている第１通路２２と、この第１通路２２の下流に設けられ一端がガス流入部材２３に支持されている熱交換器２４と、この熱交換器２４の他端を支持するガス流出部材２５から迂回路１６に向かって延ばされる第２通路２６とからなる。

Ｖ字バルブ２０は、熱回収路１５を閉じるための熱回収路バルブ３３と、この熱回収路バルブ３３の回転軸１１側の端部に繋がれボルト１７で固定される基部３４と、この基部３４から迂回路１６に向かって延ばされ先端が着座部１８に着座する迂回路バルブ３５とからなる。

熱交換器２４は、一端がガス流入部材２３に繋がれ他端がガス流出部材２５に繋がれるコアケース２８と、このコアケース２８内に複数個（この例では４個）が積層状態で収納され排気ガスが内部に流される伝熱部材２９と、これらの伝熱部材２９の両端を支持しているエンドプレート３１、３１とからなる。

このような排熱回収装置１０は、筒状の伝熱部材２９内に排気ガスを通し、伝熱部材２９の外に冷却水を通す。排気ガスの熱が伝熱部材２９を介して、冷却水に伝わり冷却水が温められる。即ち、排気ガスと冷却水との間で熱を交換させる。

伝熱部材２９には、ヒートプレートを用いることができるほか、フィンケースにフィンを収納したものを用いてもよい。
内燃機関が作動しない場合は、Ｖ字バルブ２０が迂回路１６を閉じるよう、回転軸１１は付勢手段（図２、ばね４６）によって付勢されている。この付勢手段と回転軸１１の関係について次図で詳細に説明する。

図２に示すように、回転軸１１は、筒体１２の側面で支持された回転軸支持部材３７、３８に、軸受３９、４１を介して回転可能に支持されている。
軸受４１の外周側に向かって、複数のスペーサ４２、カラー４３、メッシュ４４、蓋体４５が配置され、これらを囲うようにして付勢手段としてのばね４６が設けられている。ばね４６は、ばね支持部材４７で図面左右方向に移動しないよう固定され、周縁がカバー部材４８によって覆われている。

回転軸１１の中央に、熱回収路バルブ３３をガイドするガイド部５１が設けられている。ガイド部５１に熱回収路バルブ３３を嵌合させるようにして、熱回収路バルブ３３を配置する。熱回収路バルブ３３を配置したら、ボルト１７、１７を用いてＶ字バルブ２０を回転軸１１に固定する。回転軸１１にガイド部５１を設けることで、Ｖ字バルブ２０を正確な位置に迅速に配置することができる。

このような回転軸１１に所定間隔の隙間を空けて設けられるセパレータ（図１、符号１３）について次図で詳細に説明する。

図３に示すように、セパレータ１３は、熱回収路（図１、符号１５）及び迂回路（図１、符号１６）の間に挟まれる基部５２と、この基部５２の先端で熱回収路バルブ（図２、符号３３）に覆われる凸部５３とからなる。

凸部５３の一部に、上部から下部に向かって凹まされた段差部５４が設けられている。セパレータ１３は、１枚板をプレス成形することで製造することができる。このため、容易に製造することができる。
このようなセパレータ１３の配置の仕方について次図で詳細に説明する。

図４に示すように、セパレータ１３は、回転軸１１に対して所定間隔の隙間５５を空けて設けられる。この隙間５５が、図面裏側から表側に向かって圧力を逃がす、圧力逃がし部である。

セパレータ１３の裏面側の圧力が、回転軸１１の左側の圧力よりも高くなることがある。このとき、圧力がかかることでＶ字バルブ２０は迂回路（図１、符号１６）を閉じようとする。他方、隙間５５から圧力の一部が図面裏側から表側に向かって逃げる。隙間５５から逃げた圧力は、熱回収路バルブ３３を図面表側に向かって押す。即ち、熱回収路（図１、符号１５）を閉じる方向に作用する。Ｖ字バルブ２０には、迂回路を閉じようとする力が加わるのと同時に、迂回路を開けようとする力も加わる。

このようなＶ字バルブ２０の具体的な配置位置について次図で説明する。
図５に示すように、セパレータ１３は、回転軸１１に対して、長さＬだけ離して設けられる。この長さＬは、具体的には１ｍｍ〜５ｍｍであることが望ましい。

即ち、セパレータ１３から回転軸１１までの長さが１ｍｍ未満であると、十分に圧力を逃がすことができない。一方、５ｍｍを超えてしまうと、熱回収路１５から迂回路１６へ排気ガスが逆流しやすくなってしまい、排気ガスから冷却水への伝熱効率が低下する。

熱回収路バルブ３３は、迂回路バルブ３５が迂回路１６を閉じている場合に、セパレータ１３に対して平行になる位置に設けられる。この熱回収路バルブ３３の先端は、セパレータ１３の凸部５３に向かって曲げられる曲げ部５６である。
このような排熱回収装置１０の作用を次図で説明する。

図６（ａ）に示すように、内燃機関を作動させることで、迂回路１６より上流側の点Ｃの圧力Ｐ３が、迂回路１６内である点Ｄの圧力Ｐ４より大きくなることがある。

圧力Ｐ３＞圧力Ｐ４となることで、ばね（図２、符号４６）の時計回り方向の力（矢印）に抗して、排気ガスが迂回路バルブ３５を反時計回りに回転させる（白抜き矢印）。
（ａ）に示すような状態から、圧力の関係が逆転し、圧力Ｐ３＜圧力Ｐ４となることがある。このとき、（ｂ）に示すように、圧力の差により、迂回路バルブ３５に対して時計回り方向の力が加わる（図面下側の白抜き矢印）。

一方、隙間５５から逃げた一部の圧力は、熱回収路バルブ３３を押し上げるように作用する（図面上側の白抜き矢印）。即ち、熱回収路バルブ３３に対して反時計回り方向の力が加わる。
迂回路１６を閉じようとする力（図面下側の白抜き矢印）が加わる場合に、一部の圧力を逃がして迂回路１６を開く方向に力を加える（図面上側の白抜き矢印）。

即ち、一部の圧力は、迂回路１６を閉じる方向に作用する（図面下側の白抜き矢印）。これと同時に、隙間５５（圧力逃がし部）から逃げた残りの圧力は、熱回収路１５を閉じる方向、即ち、迂回路１６を開ける方向に作用する（図面上側の白抜き矢印）。

迂回路１６を閉じる方向の圧力に、迂回路１６を開ける方向の圧力が加わる。閉じ方向の圧力が小さくなるため、Ｖ字バルブ２０は穏やかに閉まる。Ｖ字バルブ２０に起因する騒音を低減することができる。騒音を低減するのに隙間５５（圧力逃がし部）を設ければよく、別途部品を設ける必要がない。少ない部品点数で騒音を低減することができる。

圧力逃がし部は、セパレータ１３と回転軸１１との間に設けられた所定間隔の隙間５５である。回転軸１１との間に隙間５５を空けてセパレータ１３を配置すればよい。汎用品であるセパレータ１３を用いることができ、経済的である。

加えて、Ｖ字バルブ２０は、先端にセパレータ１３に向かって曲げられる曲げ部５６を有する。セパレータ１３とＶ字バルブ２０との間隔を狭めることで、熱回収路１５側から迂回路１６側への排気ガスの逆流を防ぐことができる。

さらに、段差部５４を設けることで、セパレータ１３とＶ字バルブ２０との間に空間を確保することができる。この空間に迂回路１６を開ける方向の圧力が加わる。結果、より広い範囲でＶ字バルブ２０を迂回路１６が開く方向へ押すことができる。迂回路１６が開く方向へ押す力を強めることで、より騒音の低減を図ることができる。

次に、本発明の実施例２を図面に基づいて説明する。
図７に示されるように、セパレータ５８は、回転軸１１側の端部に熱回収路側（図面表側）から迂回路側（図面裏側）に向かって段差部６１が設けられ、この段差部６１の一部に切欠き６２が設けられる。圧力逃がし部は、セパレータ５８の回転軸１１側の端部に形成された矩形の切欠き６２である。

このようなセパレータ５８を用いた場合も、切欠き６２から圧力を逃がすことができる。迂回路を閉じる方向の圧力に、迂回路を開ける方向の圧力が加わる。閉じ方向の圧力が小さくなるため、Ｖ字バルブは穏やかに閉まる。Ｖ字バルブに起因する騒音を低減することができる。本発明の効果を、部品点数を増加させることなく、得ることができる。

加えて、圧力逃がし部は、セパレータ５８の回転軸１１側の端部に形成された矩形の切欠き６２である。セパレータ５８に切欠き６２を設けるだけで、圧力逃がし部を形成することができる。従って圧力逃がし部を容易に設けることができる。

なお、セパレータ５８が回転軸１１に対してわずかに離されて（例えば、０．５ｍｍ以上１ｍｍ未満）配置されている。これは、回転軸１１の回転にセパレータ５８が干渉しないようにするために離して配置される。

次に、本発明の実施例３を図面に基づいて説明する。
図８に示されるように、セパレータ６４は、回転軸１１側の端部に熱回収路側（図面表側）から迂回路側（図面裏側）に向かって段差部６６が設けられ、この段差部６６の一部に穴６７が設けられる。圧力逃がし部は、セパレータ６４の回転軸１１側の端部に形成された円形の穴６７である。

このようなセパレータ６４を用いた場合も、穴６７から圧力を逃がすことができる。即ち、迂回路を閉じる方向の圧力に、迂回路を開ける方向の圧力が加わる。閉じ方向の圧力が小さくなるため、Ｖ字バルブは穏やかに閉まる。Ｖ字バルブに起因する騒音を低減することができる。本発明の効果を、部品点数を増加させることなく、得ることができる。

加えて、穴６７は、パンチングで容易に開けることができる。即ち、圧力逃がし部を容易に形成することができ、好ましい。

次に、本発明の実施例４を図面に基づいて説明する。
図９に示されるように、セパレータ７１は、回転軸１１側の端部に熱回収路１５側から迂回路１６側に向かって段差部７３が設けられ、この段差部７３の一部にルーバー７４が設けられる。圧力逃がし部は、セパレータ７１の回転軸１１側の端部に形成されたルーバー７４である。

このようなセパレータ７１を用いた場合も、ルーバー７４から圧力を逃がすことができる。即ち、迂回路１６を閉じる方向の圧力に、迂回路１６を開ける方向の圧力が加わる。閉じ方向の圧力が小さくなるため、Ｖ字バルブ２０は穏やかに閉まる。Ｖ字バルブ２０に起因する騒音を低減することができる。本発明の効果を、部品点数を増加させることなく、得ることができる。

加えて、ルーバー７４は、回転軸１１に対向するように切り起こされている。排気ガスが熱回収路１５側から迂回路１６側に逆流しようとした場合に、この排気ガスはルーバー７４の背面７５に接触する。ルーバー７４の背面７５で排気ガスの逆流をより防ぐことができる。

次に、本発明の実施例５を図面に基づいて説明する。
図１０に示されるように、セパレータ１３の上面に、メッシュ部材７７を設けた。安価なメッシュ部材７７で、排気ガスの逆流をより防ぐことができる。

尚、本発明に係る排熱回収装置は、排熱回収器の他、ＥＧＲ（Ｅｘｈａｕｓｔ Ｇａｓ Ｒｅｃｉｒｃｕｌａｔｉｏｎ）クーラ等にも適用可能であり、その他の用途に適用することは差し支えない。

本発明の排熱回収装置は、ハイブリッド車に好適である。

１０…排熱回収装置、１１…回転軸、１２…筒体、１３…セパレータ、１５…熱回収路、１６…迂回路、２０…Ｖ字バルブ、４６…ばね（付勢手段）、５５…隙間（圧力逃がし部）、５９…凸部、６１…段差部、６２…切欠き（圧力逃がし部）、６７…穴（圧力逃がし部）、７４…ルーバー（圧力逃がし部）。

Claims (2)

1. 内部に排気ガスが流される筒体と、この筒体の軸線方向に平行に配置され前記筒体の内部を２分するセパレータと、このセパレータによって２分された一方の通路であって前記排気ガスの熱を冷却水へ伝える熱回収路と、この熱回収路に対して前記セパレータを隔てて設けられる迂回路と、前記セパレータの上流側で前記軸線方向に垂直に設けられる回転軸と、この回転軸に固定され前記回転軸を回転させることで前記熱回収路又は前記迂回路の一方を塞ぐＶ字型のＶ字バルブと、このＶ字バルブが前記迂回路を閉じるよう前記回転軸を付勢し前記回転軸に接続される付勢手段とからなる排熱回収装置において、
   前記セパレータと前記回転軸との間に、前記迂回路から前記熱回収路へ圧力を逃がす圧力逃がし部が設けられ、
   前記圧力逃がし部は、前記セパレータの前記回転軸側の端部に形成された穴、ルーバー又は切欠きであることを特徴とする排熱回収装置。
2. 前記セパレータには、前記回転軸側の端部に前記熱回収路側から前記迂回路側に向かって段差部が設けられ、この段差部の一部に前記穴、ルーバー又は切欠きが設けられることを特徴とする請求項１記載の排熱回収装置。

Images