JP5439311B2 - 排熱回収装置 - 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９（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。

内燃機関を作動させると、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での圧力が、バルブ１０４より下流側の迂回路１０８内の点Ｂでの圧力よりも大きくなることがある。即ち、点Ａでの圧力＞点Ｂでの圧力となる。

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、点Ａでの圧力≒点Ｂでの圧力となり、着座部１０５側へ付勢する回転軸１０３に取り付けられたばねで、バルブ１０４が迂回路１０８を閉じる方向に回転される。

さらに、点Ａでの圧力＜点Ｂでの圧力となった場合は、（ａ）に示すように、回転軸１０３が迂回路１０８を閉じる方向にバルブ１０４を付勢する上に、さらに白抜き矢印で示す圧力がバルブ１０４にかかる。迂回路１０８を閉じる方向に大きな力が加わることで、バルブ１０４は勢いよく閉じる。バルブ１０４が勢いよく着座部１０５に当たることで、打音等の騒音が発生する。

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、所定の回転数以下では、バルブ１０４の先端が着座部１０５に当たって騒音を出してから後に、次の燃焼による排気圧がバルブ１０４にかかり開こうとする。この繰り返しにより、バルブ１０４が着座部１０５に勢いよく当たることで、特に打音等の騒音が大きくなる。

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１０に示すように、排気装置２００は、図面右から左に向かって排気ガスが流される流路２０１と、この流路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流路２０１を閉じる方向に付勢するばね２０５とを備えている。

排気装置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、このような排気装置２００は、おもり２０３を取付けることで、部品点数が増加し、また重量が増加する。
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、排気ガスの熱で冷却水を温める熱回収器と、この熱回収器に繋げられ熱回収器内に排気ガスを導く熱回収路と、この熱回収路を迂回するように設けられる迂回路と、これらの迂回路及び熱回収路の上流に回動可能に設けられ迂回路又は熱回収路を閉じることで排気ガスの流路を切替えるバルブと、このバルブを回動させる回動軸に接続され冷却水の温度が所定の温度に達することで作動するサーモアクチュエータとからなる排熱回収装置であって、
前記バルブは、前記迂回路の入口又は前記熱回収路の入口を閉じる流路閉じ面が、前記回動軸に対して垂直な断面視で円弧形状を呈し、
前記回動軸に基部が取付けられると共に、前記バルブが前記迂回路を閉じている場合に、前記迂回路の軸に対して略垂直に設けられ、前記排気ガスを通すための通し穴が空けられている板状部材を備えたことを特徴とする。

請求項２に係る発明は、バルブの回動する軌跡に沿ってバルブの下流側にカバー部材が設けられ、
このカバー部材に、迂回路に向かって開けられる第１開口部及び熱回収路に向かって開けられる第２開口部が備えられ、
第１開口部を迂回路の入口とし、第２開口部を熱回収路の入口としたことを特徴とする。

請求項３に係る発明は、カバー部材は、熱回収路側の先端部から軌跡を延長するようにして延ばされる延長部を、一体的に備えていることを特徴とする。

請求項１に係る発明では、流路閉じ面が、断面視で球面である。バルブが迂回路を開いている場合において、バルブの上流と下流とで圧力の差が生じることがある。この圧力の差により、流路閉じ面に所定の力が加わる。流路閉じ面は球面であるため、力の向きが分散されると同時にバルブの着座方向に力が働きにくい。そのため、勢いよくバルブが閉じることを防止することができる。バルブが勢いよく閉じることを防止することで、打音等の騒音の発生を抑える。

本発明によれば、流路閉じ面を球面とすることで騒音の発生を防ぐため、バルブの固有振動数の調節をする必要がない。固有振動数の調節をする必要がないから、バルブに錘を取付ける必要がなくなる。さらに錘を付けても取りきれない着座音を改善することができる。錘を取り付ける必要がないことで、部品点数を削減することができる。
加えて、請求項１に係る発明では、バルブが迂回路を閉じている場合に、迂回路の軸に対して略垂直に設けられる板状部材が備えられている。迂回路の軸に対して板状部材を略垂直に設けることで、排気ガスの一部は板状部材に接触する。排気ガスの流量が一定の量を超えることで、排気ガスは、バルブの閉まろうとする力に抗してバルブを開く。冷却水の温度に関係なく、流量が多い場合に一部の排気ガスを迂回路から逃がすことで、効率よく排気を行うことができる。

請求項２に係る発明では、カバー部材に、迂回路に向かって開けられる第１開口部及び熱回収路に向かって開けられる第２開口部が備えられる。流路閉じ面は、第１開口部又は第２開口部を閉じることで、排気ガスの流路を切り替える。迂回路の入口又は熱回収路の入口の全てを塞ぐ場合に比べ、排気ガスを漏らすことなく、確実に流路を切り替えることができる。

請求項３に係る発明では、カバー部材は、熱回収路側の先端部から軌跡を延長するようにして延ばされる延長部を、一体的に備えている。サーモアクチュエータが所定の範囲を超えて作動する、オーバーリフトが生じることがある。オーバーリフト分を、延長部で吸収する。延長部でオーバーリフトを吸収することで、サーモアクチュエータにオーバーリフトを吸収するための部品を取付ける必要がない。部品を取付けるためのスペースが不要になり、サーモアクチュエータを小型化することができる。

本発明に係る排熱回収装置の断面図である。 本発明に係る排熱回収装置の側面図である。 実施例１に係るバルブの斜視図である。 カバー部材の側面図である。 冷却水の温度が低い状態での作用説明図である。 冷却水の温度が高い状態での作用説明図である。 サーモアクチュエータの断面図である。 実施例２に係るバルブの断面図である。 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送りこまれる排ガス導入部１１と、この排ガス導入部１１の近傍で排気ガスの流れ方向に対して垂直（図面表裏方向）に設けられる回動軸１２と、この回動軸１２に支持されるバルブ１３と、このバルブ１３の下流側に設けられバルブ１３が回動する軌跡に沿って設けられるカバー部材１４と、このカバー部材１４に接続されバルブ１３で切替えられる一方の流路である熱回収路１５と、この熱回収路１５の下部に熱回収路１５を迂回するように設けられる迂回路１６と、この迂回路１６の上面に設けられ熱回収路１５から流される排気ガスの熱で冷却水を温める熱回収器１８と、この熱回収器１８を通過した排気ガスを迂回路１６へ排出する排出穴１９とからなる。

バルブ１３は、回動軸１２に取付けられる球状の本体部２１と、回動軸１２に基部２２が取付けられ迂回路１６の軸２３に対して略垂直に設けられる板状部材２４とからなる。

熱回収器１８は、本体としてのコアケース２６と、このコアケース２６内に複数設けられ排気ガスが流されるヒートプレート２７とからなる。
コアケース２６内に流される冷却水は、ヒートプレート２７内を流される排気ガスの熱によって温められる。

回動軸１２は、ばね等により、矢印（１）で示すように時計回り方向に付勢される。回動軸１２が時計回り方向に付勢されることで、本体部２１は迂回路１６を閉じる。即ち、回動軸１２はバルブ１３が迂回路１６を閉じるよう、付勢される。このとき迂回路１６に臨み、迂回路１６を閉じる面を流路閉じ面２８という。

バルブ１３は、カバー部材１４の下部に設けられたストッパ２９によって、迂回路１６を閉じる方向への移動が規制される。
バルブ１３は、冷却水の温度が高くなることで、回動し熱回収路１５を閉じる。詳細を次図で説明する。

図２に示すように、熱回収器１８は、冷却水を導入する冷却水導入部３２と、コアケース２６内を通過した冷却水を排出する冷却水排出部３３とがコアケース２６に接続される。

サーモアクチュエータ３５は、冷却水排出部３３に基部が支持され、冷却水排出部３３から排出される冷却水の一部が送られる。
サーモアクチュエータ３５のロッド３６は、回動軸１２に支持されるリンク部材３７に先端が接触する。

冷却水の温度が上がることで、サーモアクチュエータ３５のロッド３６が、矢印（２）で示すように図左側に向かって進出する。ロッド３６が進出することで、リンク部材３７は矢印（３）で示すように反時計回りに回転させられる。リンク部材３７に支持される回動軸１２及びバルブ１３も反時計回りに回転し、バルブ１３が熱回収路１５を閉じる。

バルブ１３が熱回収路１５を閉じている状態から、冷却水の温度が低下すると、ロッド３６が後退する。ロッド３６が後退することで、時計回り方向に付勢される回動軸１２は、バルブ１３を時計回りに回動させる。回動されたバルブ１３は、迂回路１６を閉じる。即ち、図に示すような状態となる。
このようにして回転されるバルブ１３について次図で詳細に説明する。

図３に示すように、バルブ１３の本体部２１は、球を分割した分割球状を呈する。板状部材２４は、基部２２が回動軸１２に取付けられ、本体部２１の内周に沿って半円形状を呈する。

本体部２１と板状部材２４は、図に示す分割球状と半円形状の他、分割円柱状と長方形の組み合わせであってもよい。即ち、回動軸１２に対して垂直に断面した場合に、本体部２１の流路閉じ面２８が球面であればよい。また、板状部材２４は、本体部２１の内周に沿う形状であればよい。

板状部材２４は、排気ガスを通すための複数の異なる形状の通し穴３９ａ〜ｃが設けられる。これらの通し穴３９ａ〜ｃの面積の合計が大きいほど、排気ガスの通りがよくなる。排気ガスの通りがよくなることで、排気ガスの流量が増えた場合でも、円滑に排気ガスを熱回収路へ流すことができる。

一方、通し穴３９の面積の合計が小さいほど、板状部材２４に接触する排気ガスの量が増加する。板状部材２４に接触する排気ガスの量が増加することで、バルブ１３が回転しやすくなる。
このようなバルブ１３を覆うカバー部材について次図で説明する。

図４に示すように、カバー部材１４は、迂回路（図１、符号１６）に向かって開けられる第１開口部４１が備えられると共に、熱回収路（図１、符号１５）に向かって開けられる第２開口部４２が備えられる。

バルブ１３ａ（ａは、バルブが第１開口部４１を閉じる位置にあることを示す添え字。以下同じ。）が第１開口部４１を閉じることで、排気ガスは、第２開口部４２から熱回収路に流れる。

一方、バルブ１３ｂ（ｂは、バルブが第２開口部４２を閉じる位置にあることを示す添え字。以下同じ。）が第２開口部４２を閉じることで、排気ガスは、第１開口部４１から迂回路に流れる。
即ち、第１開口部４１は迂回路への入口とされ、第２開口部４２は熱回収路への入口とされる。

ところで、バルブ１３ａ、ｂは想像線で示す範囲を回動し、排気ガスの流路を切り替える。このため、バルブ１３ａ、ｂを覆うカバー部材１４は、Ｐ１からＰ２までの区間に設けられればよい。カバー部材１４のうち、Ｐ１からＰ２までをベース部４４と呼ぶことにする。

一方で、冷却水の温度が所定の温度を超えた場合に、バルブ１３ｂがＰ２からさらにＰ３に向かって移動することがある。バルブ１３ｂの過移動を吸収するために、カバー部材１４はＰ３まで設けられることが望ましい。即ち、Ｐ２からＰ３までをベース部４４から延長された延長部４５と呼ぶ。
即ち、カバー部材１４は、ベース部４４の先端部Ｐ２から、バルブ１３ｂの軌跡に沿って延長される延長部４５を、一体的に備えている。

流路閉じ面２８は、第１開口部４１又は第２開口部４２を閉じることで、排気ガスの流路を切り替える。迂回路の入口又は熱回収路の入口の全てを塞ぐ場合に比べ、排気ガスを漏らすことなく、確実に流路を切り替えることができる。簡単な構成で確実に流路を切り替えることができ望ましい。

特に本発明では、流路閉じ面２８の断面が球面である。球面である流路閉じ面２８で確実に流路を閉じるために、バルブ１３ａ、ｂの軌跡に沿った形状のカバー部材１４を設けることは望ましい。
排熱回収装置の作用について次図以降で詳細に説明する。

図５（ａ）に示すように、冷却水の温度がＴ１と低い場合は、バルブ１３が迂回路１６を閉じる。迂回路１６を閉じることで、排気ガスは熱回収路１５を通過し、熱回収器１８で冷却水と熱交換を行い、冷却水を温める。熱回収器１８を通過した排気ガスは、排出穴１９を通じて外部へ排出される。

バルブ１３が迂回路１６を閉じている場合に、瞬間的に排気ガスの流量が増加することがある。（ｂ）に示すように、排気ガスの一部は板状部材２４に接触する。排気ガスの流量が一定の量を超えることで、板状部材２４に接触した排気ガス（白抜き矢印（４）参照。）は、バルブ１３の閉まろうとする力に抗してバルブ１３を開く。バルブ１３を開くことで、白抜き矢印（５）で示すように、排気ガスを迂回路１６へ逃がすことができる。

排気ガスを迂回路１６へ逃がした後に、バルブ１３より上流Ｃの圧力がバルブ１３より下流Ｄの圧力とほぼ同等になることがある。流路閉じ面２８は球面であるため、白抜き矢印（６）、（６）で示すように、力の向きが分散される。即ち、バルブ１３が閉じる方向へ圧力が加わることを防止することができる。力の向きを分散させ、勢いよくバルブ１３が閉じることを防止することで、騒音の発生を抑える。

本発明によれば、流路閉じ面２８を球面とすることで騒音の発生を防ぐため、バルブ１３の固有振動数の調節をする必要がない。固有振動数の調節をする必要がないから、バルブ１３に錘を取付ける必要がなくなる。さらに錘を取り付けてもとりきれない着座音を改善することができる。錘を取り付ける必要がないことで、部品点数を削減することができる。

加えて、冷却水の温度に関係なく、排気ガスの流量が多い場合に一部の排気ガスを迂回路１６から逃がす。流路抵抗の高い熱回収路１５を迂回することで、効率よく排気を行うことができる。

さらに、通し穴３９の総面積を調節することで、バルブ１３が開く際の排気ガスの流量を調節することができる。即ち、通し穴３９の総面積が大きければバルブ１３が開きにくくなり、通し穴３９の総面積が小さければバルブ１３が開きやすくなる。通し穴３９を設けるだけで調節を行うことができ、調節にかかる労力を低減させることができる。
冷却水を温め続けることで、冷却水の温度が所定の温度まで上昇する。所定の温度まで冷却水が上昇した際の作用を次図で説明する。

図６（ａ）に示すように、冷却水の温度が所定の温度Ｔ２まで上昇することで、バルブ１３は熱回収路１５を閉じ、熱交換を停止する。排気ガスは、迂回路１６を流れる。

ところで、冷却水の温度が当初想定していた最高の温度Ｔ２よりも上昇することがある。Ｔ２よりも高い温度Ｔ３まで上昇することで、サーモアクチュエータのロッド（図２、符号３６）が所定の範囲を超えて前進することがある。

（ｂ）に示すように、サーモアクチュエータのロッドが所定の範囲を超えて前進するオーバーリフトが生じた場合に、延長部４５でバルブ１３の過移動を吸収する。延長部４５でオーバーリフトを吸収することで、次図で説明するような効果を得ることができる。

図７（ａ）に示すように、比較例に係るサーモアクチュエータ３００は、冷却水導入部３０１及び冷却水排出部３０２が設けられ内部にワックスが収納されるケース３０３と、このケース３０３内に収納されワックスによって作動されるピストン３０４と、このピストン３０４の先端に吸収ばね３０５を介して配置されるロッド３０６と、このロッド３０６の一部を収納しケース３０３に接続される蓋体３０７と、この蓋体３０７に収納されワックスの収縮時にロッド３０６を戻すための戻しばね３０８とからなる。

比較例に係るサーモアクチュエータ３００は、オーバーリフトを吸収するために吸収ばね３０５が設けられる。

一方、（ｂ）に示す、実施例に係るサーモアクチュエータ３５は、オーバーリフトをカバー部材（図１、符号カバー部材１４）に設けられた、延長部（図１、符号延長部４５）で吸収する。このため、サーモアクチュエータ３５に、吸収ばねを用いる必要がない。吸収ばねを配置しない分、サーモアクチュエータ３５をαだけ小型化することができる。

次に、本発明の実施例２を図面に基づいて説明する。
図８に示されるように、バルブ５０は、板状部材５１の基部５２から折曲げるようにして延長支持部５３を延ばすことで、Ｖ字状の支持部材５４を形成し、この支持部材５４を回動軸５５に取付け、支持部材５４に流路閉じ面５７を備えた本体部５８を取付ける。

６１、６２は、排気ガスを通すための通し穴である。通し穴は、板状部材５１と延長支持部５３の両方に設けられる。

このようなバルブ５０を用いた場合も、流路閉じ面５７が断面視で球面とされ、力の向きが分散される。バルブ５０が勢いよく閉じることを防止し、打音等の騒音の発生を防ぐ。騒音の発生を防ぐために、錘を取り付ける必要がないため、部品点数を削減することができる。

加えて、Ｖ字形状の支持部材５４に本体部５８を取付けるため、バルブ５０の組立作業が容易である。

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、１２、５５…回動軸、１３、５０…バルブ、１４…カバー部材、１５…熱回収路、１６…迂回路、１８…熱回収器、２２、５２…基部、２３…（迂回路の）軸、２４、５１…板状部材、２８…流路閉じ面、３５…サーモアクチュエータ、３９…通し穴、４１…第１開口部、４２…第２開口部、４５…延長部。

Claims (3)

1. 排気ガスの熱で冷却水を温める熱回収器と、この熱回収器に繋げられ前記熱回収器内に前記排気ガスを導く熱回収路と、この熱回収路を迂回するように設けられる迂回路と、これらの迂回路及び熱回収路の上流に回動可能に設けられ前記迂回路又は熱回収路を閉じることで前記排気ガスの流路を切替えるバルブと、このバルブを回動させる回動軸に接続され前記冷却水の温度が所定の温度に達することで作動するサーモアクチュエータとからなる排熱回収装置であって、
   前記バルブは、前記迂回路の入口又は前記熱回収路の入口を閉じる流路閉じ面が、前記回動軸に対して垂直な断面視で円弧形状を呈し、
   前記回動軸に基部が取付けられると共に、前記バルブが前記迂回路を閉じている場合に、前記迂回路の軸に対して略垂直に設けられ、前記排気ガスを通すための通し穴が空けられている板状部材を備えたことを特徴とする排熱回収装置。
2. 前記バルブの回動する軌跡に沿って前記バルブの下流側にカバー部材が設けられ、
   このカバー部材に、前記迂回路に向かって開けられる第１開口部及び前記熱回収路に向かって開けられる第２開口部が備えられ、
   前記第１開口部を前記迂回路の入口とし、前記第２開口部を前記熱回収路の入口としたことを特徴とする請求項１記載の排熱回収装置。
3. 前記カバー部材は、前記熱回収路側の先端部から前記軌跡を延長するようにして延ばされる延長部を、一体的に備えていることを特徴とする請求項２記載の排熱回収装置。

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