JP5698941B2

JP5698941B2 - 排気熱回収装置

Info

Publication number: JP5698941B2
Application number: JP2010203101A
Authority: JP
Inventors: 洋輔安藤; 弘二松岡; 佳寛神谷
Original assignee: Futaba Industrial Co Ltd
Current assignee: Futaba Industrial Co Ltd
Priority date: 2010-09-10
Filing date: 2010-09-10
Publication date: 2015-04-08
Anticipated expiration: 2030-09-10
Also published as: JP2012057573A

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。

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。この装置は、排気と熱交換媒体との間で熱交換を行う排気熱回収部を備えると共に、排気を下流の排気流路に導く非熱回収流路と、非熱回収流路から上流側で分岐され排気を排気熱回収部を介して下流の排気流路に導く熱回収流路と、下流側で非熱回収流路を弁体により遮断して、熱回収流路を通る流れに切り換える切換バルブとを備えている。

特開２００７−３１５３７０号公報

しかしながら、こうした従来のものでは、切換バルブの弁体がばねにより非熱回収流路を遮断する閉弁方向に付勢されており、排気圧力によりばね付勢力に抗して弁体を揺動させて非熱回収流路を排気が通るようにしていた。

このため、ばねが高温の排気に晒され、高温による劣化によりばね付勢力が減少してしまうおそれがあるという問題があった。また、弁体にはばね付勢力が常時閉弁方向に加わり、開弁時には、ばね付勢力に抗する背圧が常時弁体に加わっていなければならない。非熱回収流路を通る排気にはばね付勢力に応じた排気による背圧を必要とする。よって、切換バルブの開弁時に、背圧に応じた排気圧力が非熱回収流路に生じるため、排気熱回収部に一部の排気が流れてしまい、排気熱の過剰な回収の原因になる場合があるという問題があった。

本発明の課題は、ばねの劣化を招くことがなく、排気熱の過剰な回収を防止した排気熱回収装置を提供することにある。

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、
前記切換バルブは揺動して前記排気管の開口端を閉弁する弁体を有すると共に、前記切換バルブは前記弁体が前記排気による圧力を開弁方向に受け、かつ、前記弁体の自重により閉弁方向に揺動すると共に、前記弁体から排気上流側に向かって延設された延設部の先と磁着して、前記弁体を閉弁方向に引き寄せる磁石を設け、前記磁石を前記熱交換媒体により冷却することを特徴とする排気熱回収装置がそれである。

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、前記排気管と前記アウタケースとの間に前記排気熱回収部を設けた構成でもよい。その際、前記排気熱回収部はリング状の熱交換媒体流路が形成されたジャケットを有し、前記磁石を前記ジャケット内の前記熱交換媒体流路に面して設け、前記弁体に前記磁石と対向する吸着部を設けた構成としてもよい。また、前記ジャケットに前記磁石を収納する収納部を形成した構成としてもよい。更に、前記ジャケットは磁性体で形成した構成としてもよい。

本発明の排気熱回収装置は、磁石により弁体を閉弁方向に引き寄せ、磁石を熱交換媒体により冷却するので、高温による磁石の磁力の低下を招くことがなく、また、排気圧力により磁石の吸引力に抗して弁体を揺動して開弁すると、磁石による閉弁方向の作用力は小さくなるので、開弁時の弁体への排気による背圧が小さく、排気熱回収部に流れる排気を低減でき、排気熱の過剰な回収を防止できるという効果を奏する。

本発明の一実施形態としての排気熱回収装置の断面図である。図１のＡＡ断面図である。図１のＢＢ断面図である。図１のＣＣ断面図である。

以下本発明を実施するため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は排気管で、排気管１の一端には図示しない内燃機関に接続される上流側の排気通路に接続される。排気管１は、排気管１よりも直径の大きな円筒状のアウタシェル２内に挿入されて排気管１の外側がアウタシェル２により覆われると共に、排気管１とアウタシェル２とは同軸上に配置され、排気管１の上流側はアウタシェル２から突出されている。また、排気管１は排気管１の下流側の開口端に向かってテーパ状に拡径されて装着部１ａが形成されており、装着部１ａはアウタシェル２の中程に配置されている。

アウタシェル２の下流側はテーパ状に縮径されて、下流側の排気通路に接続されている。排気管１の外周とアウタシェル２の内周との間には排気熱回収部４が設けられている。排気熱回収部４は、排気管１の外周に装着された大径管６を備え、排気管１の外周と大径管６の内周との間には隙間が形成されると共に、大径管６が装着部１ａの外周に嵌着されている。排気管１の管壁の一部と、大径管６の管壁の一部とが互いに接触するように形成され、接触箇所に複数の貫通孔８，１０が形成されて、排気管１の内部が大径管６の外周側に連通されている。

排気管１と大径管６との間には、リング状のジャケット１２が挿入されている。図２に示すように、ジャケット１２は内部にリング状の熱交換媒体流路１４を形成した多数の中空リング部材１６を積層して形成されている。各中空リング部材１６は所定の隙間を空けて配置され、図１に示すように、各中空リング部材１６の熱交換媒体流路１４が２箇所で連通されると共に、ジャケット１２に一対の接続管１８，２０が接続されている。

一方の接続管１８に熱交換媒体が供給されると、熱交換媒体は接続管１８から各中空リング部材１６の熱交換媒体流路１４に流入し、熱交換媒体流路１４を循環して他方の接続管２０から流出するように構成されている。

一対の接続管１８，２０は、アウタシェル２の外周に嵌着されてアウタシェル２の一方の端を閉塞する蓋部材２２を貫通して、アウタシェル２の外部に延出されている。大径管６も蓋部材２２を貫通して、アウタシェル２の外部に延出されている。

ジャケット１２の両側には、それぞれリング状のブラケット２４，２６が配置されて、ジャケット１２が一対のブラケット２４，２６により挟持され、ジャケット１２がアウタシェル２、大径管６に固定されている。

貫通孔８，１０側のブラケット２４には、図２、図３に示すように、一部にアウタシェル２の内周と隙間２８が形成されており、また、同様に、ジャケット１２とアウタシェル２の内周との間にも隙間３０が形成されている。

一方、ブラケット２４の隙間２８と１８０度反対側に、反対側のブラケット２６には、図２、図４に示すように、一部にアウタシェル２の内周と隙間３２が形成されており、また、同様に、ジャケット１２とアウタシェル２の内周との間にも隙間３４が形成されている。

本実施形態では、貫通孔８，１０、アウタシェル２の内部、ブラケット２４の隙間２８、ジャケット１２の隙間３０、各中空リング部材１６の隙間、ジャケット１２の隙間３４、ブラケット２６の隙間３２により熱回収流路３６が形成されている。また、排気管１の内部に非熱回収流路３８が形成されている。

図１に示すように、排気管１の装着部１ａには、切換バルブ４０が取り付けられている。切換バルブ４０は、排気管１の開口端に挿入される円筒部４２を備えた支持部材４４を有し、支持部材４４は円筒部４２に連接したテーパ部４６を備えている。テーパ部４６の内周面にはワイヤメッシュ４８が取り付けられている。

切換バルブ４０は、支持部材４４に設けられた支点軸５０の廻りに揺動可能に支持された弁体５２を備えている。弁体５２には、テーパ部４６側に向かって突出された円錐部５４が形成されている。弁体５２は、支点軸５０の廻りに揺動して、円錐部５４がワイヤメッシュ４８の内周面に接触して、排気管１の開口端を閉塞するように形成されている。

支点軸５０は、車両に取り付けた際に、排気管１より重力方向上側に配置されると共に、支点軸５０の軸方向が水平となるように配置されている。また、自重により、弁体５２が支点軸５０の廻りに、排気管１の開口端を閉塞する閉弁方向に揺動するように、支点軸５０と弁体５２の重心位置とが決められている。

本実施形態では、弁体５２に重り５６を取り付けて、閉弁方向に揺動するようにしている。重り５６は必要に応じて設ければよく、弁体５２の自重により弁体５２が支点軸５０の廻りに揺動して排気管１の開口端を閉塞する際には、重り５６を設ける必要はない。

支点軸５０に対して排気管１を間にして、排気管１より重力方向下側に、磁石５８が配置されている。磁石５８はジャケット１２の内部に設けられており、最も下流側の中空リング部材１６の隔壁が弁体５２側に向かって円筒状に突出されて収納部６０が形成されている。収納部６０は下流側のブラケット２６を貫通して形成されており、収納部６０に円柱状の磁石５８が収納されて、磁石５８が熱交換媒体流路１４に面して配置されている。ジャケット１２は磁性材で形成されており、磁石５８にはネオジウム磁石等の永久磁石が用いられている。磁石５８は温度が約２００度程度を超えると、磁力が大きく低下する。

弁体５２には、図１、図４に示すように、下側に伸ばされた吸着部６２が形成されており、吸着部６２は円錐部５４の幅より狭い幅で、本実施形態では、一旦ジャケット１２側に伸ばされてから垂直に形成されて、収納部６０に対向するように形成されている。本実施形態では、弁体５２が磁性体で形成されているが、少なくとも吸着部６２を磁性体で形成すればよい。

円錐部５４がワイヤメッシュ４８の内周面に接触して、排気管１の開口端を閉塞した際に、吸着部６２が収納部６０に接触するように、吸着部６２や収納部６０が形成されている。その際、磁石５８の磁力により、磁石５８が吸着部６２を引き寄せて、円錐部５４がワイヤメッシュ４８に接触した閉弁状態を維持するように構成されている。

また、弁体５２は、自重により、円錐部５４がワイヤメッシュ４８の内周面に接触する方向に、支点軸５０の廻りに揺動するが、その際、自重により、円錐部５４がワイヤメッシュ４８の内周面に接触するまで揺動するように構成するとよい。これに限らず、弁体５２が、自重では、円錐部５４がワイヤメッシュ４８の内周面に接触する手前で止まるが、磁石５８の磁力により吸着部６２を引き寄せて、円錐部５４をワイヤメッシュ４８の内周面に接触させるようにすればよい。

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、上流側の排気流路を介して排気管１に流入する。そして、排気管１の装着部１ａに流入し、排気の圧力が弁体５２に作用するが、回転数が低いときのように排気の圧力が低いと、弁体５２は磁石５８の磁力により吸着部６２を収納部６０に引き寄せ、円錐部５４をワイヤメッシュ４８の内周面に接触させた状態を維持し、切換バルブ４０は閉弁状態を維持する。

よって、排気は、貫通孔８，１０から熱回収流路３６内に流入し、熱回収流路３６内では、アウタシェル２の内部、ブラケット２４の隙間２８、ジャケット１２の隙間３０、各中空リング部材１６の隙間、ジャケット１２の隙間３４、ブラケット２６の隙間３２を通り、ブラケット２６の隙間３２からアウタシェル２内に流入し、アウタシェル２から下流側の排気流路に排出される。

図示しないラジエータ等から冷却水を用いた熱交換媒体が一方の接続管１８に流入し、熱交換媒体はジャケット１２の熱交換媒体流路１４を流れて、他方の接続管２０からラジエータ等に戻される。熱交換媒体流路１４を流れる熱交換媒体と、熱回収流路３６内を流れる排気との間で熱交換が行われ、熱交換媒体の温度が上昇し、排気の温度が低下する。また、熱交換媒体が熱交換媒体流路１４を流れる際に、熱交換媒体流路１４に面した磁石５８を冷却する。

一方、加速時や内燃機関の回転数が高いとき等の排気圧力が高いとき、その高い圧力の排気が排気管１に流入する。流入した排気の圧力が弁体５２に作用し、排気の圧力が高いので、弁体５２は磁石５８の磁力や弁体５２と重り５６との自重に抗して、図１に二点鎖線で示すように、支点軸５０の廻りに揺動し、円錐部５４がワイヤメッシュ４８の内周面から離間して、切換バルブ４０は開弁する。

よって、排気は、排気管１内の非熱回収流路３８、切換バルブ４０を通って、直接、アウタシェル２内に流入し、下流側の排気流路に排出される。即ち、排気圧力が高いときには、切換バルブ４０により、排気の流れが熱回収流路３６から非熱回収流路３８に切り換えられ、排気は排気熱回収部４を通ることなく、非熱回収流路３８から下流側の排気流路に流出する。

排気圧力により開弁されると、磁石５８が吸着部６２から離れ、弁体５２を磁石５８に引き寄せる吸引力が弱くなる。従って、開弁すると、支点軸５０の廻りに弁体５２を閉弁方向に揺動する作用力は、自重のみになるので、開弁状態を維持するために弁体５２への作用力は小さくてよい。よって、排気の圧力が小さくても、弁体５２を支点軸５０の廻りに大きな角度で揺動でき、十分な開弁状態を維持できる。

これにより、開弁状態を維持するための弁体５２に作用する背圧は小さくてもよく、背圧に応じた非熱回収流路３８の排気圧力も小さく、開弁時に、排気が貫通孔８，１０から排気熱回収部４に流入するのを抑制できる。よって、排気熱回収部４での排気と熱交換媒体との間での熱交換が行われないので、過剰な排気熱の回収を防止することができる。

また、磁石５８は熱交換媒体流路１４に設けられているので、磁石５８が熱交換媒体で冷却され、磁石５８が高温になるのを防止するので、高温による磁力の低下を招くことがない。

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。

１…排気管２…アウタシェル
４…排気熱回収部６…大径管
８，１０…貫通孔１２…ジャケット
１４…熱交換媒体流路１６…中空リング部材
２２…蓋部材２４，２６…ブラケット
３６…熱回収流路３８…非熱回収流路
４０…切換バルブ４４…支持部材
４８…ワイヤメッシュ５０…支点軸
５２…弁体５６…重り
５８…磁石６０…収納部
６２…吸着部

Claims

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、
前記切換バルブは揺動して前記排気管の開口端を閉弁する弁体を有すると共に、前記切換バルブは前記弁体が前記排気による圧力を開弁方向に受け、かつ、前記弁体の自重により閉弁方向に揺動すると共に、前記弁体から排気上流側に向かって延設された延設部の先と磁着して、前記弁体を閉弁方向に引き寄せる磁石を設け、前記磁石を前記熱交換媒体により冷却することを特徴とする排気熱回収装置。
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、前記排気管と前記アウタケースとの間に前記排気熱回収部を設けたことを特徴とする請求項１に記載の排気熱回収装置。
前記排気熱回収部はリング状の熱交換媒体流路が形成されたジャケットを有し、前記磁石を前記ジャケット内の前記熱交換媒体流路に面して設け、前記弁体に前記磁石と対向する吸着部を設けたことを特徴とする請求項２に記載の排気熱回収装置。
前記ジャケットに前記磁石を収納する収納部を形成したことを特徴とする請求項３に記載の排気熱回収装置。
前記ジャケットは磁性体で形成したことを特徴とする請求項４に記載の排気熱回収装置。