JP5769675B2 - 排気熱回収装置 - Google Patents

Description

本発明は、例えば、内燃機関の排気系等に適用される排気熱回収装置に関する。

従来、内燃機関の排気と冷却水等の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が知られている。この排気熱回収装置は、排気管の出口に開閉可能な切替弁を備えている。また、この排気熱回収装置は、排気管の内部に設けられた分岐口から、熱交換部を経て、排気管の外部に設けられた排出口に至る、熱交換経路を備えている（特許文献１参照）。

この排気熱回収装置において、排気管の切替弁を閉としたとき、排気は、主として、上記の熱交換経路を通り、熱交換が行われる。一方、熱交換の必要がない場合は、排気管の切替弁を開とする。このとき、排気は、主として、上記の熱交換経路よりも抵抗が低い排気管を流れ、熱交換経路を流れる排気の量が減少するので、熱交換を抑制することができる。

特開２００９−１１４９９５号公報

しかしながら、従来の排気熱回収装置では、排気管の切替弁を開としたときでも、一部の排気は熱交換経路に流れ、熱交換を行ってしまう。これは、排気管を流れる排気により、ベンチュリー効果が生じ、排出口から排気が引き出され、その結果、熱交換経路における排気の流れが生じるためである。このことにより、不必要な場合にまで熱交換が生じ、車両冷却性能に悪影響を及ぼすおそれがあった。本発明は以上の点に鑑みなされたものであり、上述した課題を解決できる排気熱回収装置を提供することを目的とする。

本発明の排気熱回収装置は、
排気を上流側から下流側に導く排気管と、前記排気管の内部に設けられた前記排気の分岐口と、前記分岐口から分岐された前記排気と熱交換媒体との間で熱交換を行う熱交換部と、前記熱交換部を通過した前記排気を前記排気管の外部において排出する排出口と、前記排気管の出口を開閉する開閉手段と、前記出口及び前記排出口から排出された前記排気を下流側に導くシェル部材と、を備え、前記出口のうち、前記排出口側の端部を起点とし、前記排気管の軸方向に対し７°の角度で外側に傾斜した半直線を想定したとき、前記シェル部材は、前記半直線に交差する交差面を備え、前記交差面は、前記半直線に対し９０〜９７°の角度を成し、前記軸方向における前記排出口の位置は、前記出口と前記交差面との間であり、前記排出口は、前記軸方向から見たとき、前記排気管の外周のうち、周方向における一部に設けられていることを特徴とする。

本発明の排気熱回収装置は、排気管の出口を開閉手段（例えば切替弁）により開としたときに熱交換部を流れる排気の量を一層低減することができる。その理由は以下のとおりであると推測できる。

排気管の出口から排出された排気は、排気管の軸方向に対し、７°の角度を成して外側に広がる。本発明の排気熱回収装置において、シェル部材は、前記出口のうち、前記排出口側の端部を起点とし、前記排気管の軸方向に対し７°の角度で外側に傾斜した半直線を想定したとき、前記半直線に交差する交差面を備え、前記交差面は、前記半直線に対し９０〜９７°の角度を成しているので、排気管の出口から排出された排気の少なくとも一部は、その交差面に当たり、排気の渦を生成する。

そして、排気管の軸方向における、排出口の位置は、出口と交差面との間であるので、排出口は、上記の渦により覆われる。そのため、排気管における排気の流れによって排出口から排気が引き出される現象が生じ難く、結果として、分岐口→熱交換部→排出口の経路を通る排気の量が一層減少する。そのことにより、不必要な熱交換を一層抑制できる。

本発明の排気熱回収装置は、例えば、排出口に設けられ、排気を下流側に誘導する通路を形成する仕切板を備えることができる。この場合、仕切板により形成された通路の出口は、上述した排気の渦に一層近くなるので、排気の渦に一層覆われやすくなる。その結果、不必要な熱交換を一層抑制できる。

第１の実施形態の排気熱回収装置１の構成を表す斜視図である。 図１におけるII-II断面を表す断面図である。 アウターシェル１１を取り外した状態における、第１の実施形態の排気熱回収装置１の構成を表す斜視図である。 アウターシェル１１を取り外した状態における、第２の実施形態の排気熱回収装置１の構成を表す斜視図である。 第２の実施形態の排気熱回収装置１の断面を表す断面図である。 参考例の排気熱回収装置１０１の構成を表す斜視図である。 図６におけるVII-VII断面を表す断面図である。 アウターシェル１１を取り外した状態における、参考例の排気熱回収装置１０１の構成を表す斜視図である。

本発明の実施形態を図面に基づいて説明する。
＜第１の実施形態＞
１．排気熱回収装置１の構成
第１の実施形態の排気熱回収装置の構成を、図１〜図３に基づいて説明する。排気熱回収装置１は、インナーパイプ３と、熱交換部５と、出口部品７と、切替弁９と、アウターシェル１１と、を備える。

インナーパイプ３は、上流側（図２における左側）及び下流側（図２における右側）がそれぞれ開口した中空円筒状部材である。インナーパイプ３は、図示しない内燃機関から排出された排気を、その内部を通すことで、上流側から下流側に導く。インナーパイプ３のうち、熱交換部５に対向する部分に、分岐口２０が設けられている。インナーパイプ３内を流れる排気は、分岐口２０から、熱交換部５の内周側に流入することができる。

熱交換部５は、インナーパイプ３に外挿された、環状の部材である。熱交換部５は、中空の筐体１３と、その内部に螺旋状に巻かれて収容された冷却水配管１５とから成る。筐体１３は、外周板１３ａ、上流側蓋１３ｂ、及び下流側蓋１３ｃにより構成される。外周板１３ａは、インナーパイプ３の外側を１周する板状部材である。また、上流側蓋１３ｂ、及び下流側蓋１３ｃは、外周板１３ａとインナーパイプ３との間に蓋をする部材である。

下流側蓋１３ｃは、図２における上側の部分、及び下側の部分で一部切り欠かれており、それぞれ、隙間１７、１９が設けられている。よって、筐体１３の内外は、この隙間１７、１９において連通している。冷却水配管１５は、１本の連続した配管であって、その両端は、筐体１３の外部に引き出され、図示しない冷却水循環システムに接続している。よって、冷却水循環システムから冷却水配管１５に流入した冷却水は、筐体１３内の冷却水配管１５を流れ、再び、冷却水循環システムに戻る。冷却水配管１５に流入した冷却水は、後述するように筐体１３内に導入された高温の排気により昇温される（すなわち熱交換が行われる）。

出口部品７は、上流側及び下流側において開口した環状の部材であって、インナーパイプ３、及び熱交換部５の下流側に位置する。出口部品７は、基本的には、インナーパイプ３と外周板１３ａとの間を閉塞しているが、図２における下方側において、出口部品７の一部が切り欠かれ、排出口２２が設けられている。よって、隙間１９から、排出口２２を通り、アウターシェル１１の内部に達する通路２７が形成されている。排出口２２の、軸方向Ｂ（インナーパイプ３の軸方向）における位置は、出口部品７の下流側の端部７ｂと同じである。また、排出口２２は、出口部品７の外部に位置し、より詳しくは、出口７ｃにおける中心の真下に位置する。

出口部品７における下流側の端部７ｂは、切替弁９を、後述する「閉塞する状態」にしたとき、弁本体２３と接触し、出口部品７の下流側の開口部（以下、出口７ｃとする）を閉塞する。

切替弁９は、出口部品７の下流側の端部７ｂに設けられている。切替弁９は、図２における上方に設けられた回動軸２１と、その回動軸２１を回動中心として回動する弁本体２３とから構成される。切替弁９は、図２の実線で表されているように、出口７ｃを開放する状態と、図２の点線で表されているように、出口７ｃを閉塞する状態とを切り替えることができる。

アウターシェル１１は、上流側及び下流側が開口した中空の薄肉部材である。アウターシェル１１の上流側は、出口部品７に外接しており、下流側は、図示しない排気経路に接続している。アウターシェル１１は、その内部に出口部品７を包含しており、アウターシェル１１の内径は、出口部品７における出口７ｃの外径より大きい。そのため、出口７ｃを通過した排気は、アウターシェル１１の内部において、外周方向に拡散する。アウターシェル１１のうち、図２における下側には、下流側よりも径が大きい大径部２５が設けられている。その大径部２５は、その下流側において、インナーパイプ３の軸方向Ｂに交差する方向に延びている壁２５ａを備えている。

出口７ｃ及び排出口２２は、アウターシェル１１の内部に存在する。そのため、出口７ｃ及び排出口２２から排出された排気は、アウターシェル１１により、下流側に導かれる。

出口部品７における下流側の端部７ｂのうち、図２における下側（排出口２２側）の部分Ａを起点とし、インナーパイプ３の軸方向Ｂに対し７°の角度で外側に傾斜した半直線Ｃを想定したとき、壁２５ａは、半直線Ｃに交差する。そして、半直線Ｃと壁２５ａとが成す角度θは、９０〜９７°である。ここで角度θは、図２において半直線Ｃの下側の角度である。

上記の構成により、インナーパイプ３の内部から、分岐口２０、筐体１３の内部、隙間１９、通路２７、及び排出口２２を順次経由する排気の経路が形成される。
なお、インナーパイプ３と出口部品７とは、排気管の一実施形態である。冷却水は熱交換媒体の一実施形態である。切替弁９は、開閉手段の一実施形態である。アウターシェル１１は、シェル部材の一実施形態である。壁２５ａは交差面の一実施形態である。

２．排気熱回収装置１の作用効果
（１）切替弁９により、出口７ｃを閉塞した状態
インナーパイプ３に導入された排気は、分岐口２０、筐体１３の内部、隙間１９、通路２７、及び排出口２２を順次経由して、アウターシェル１１内に送られる。排気が筐体１３の内部を通過するとき、冷却水配管１５を流れる水と高温の排気との間で熱交換が行われる。
（２）切替弁９により、出口７ｃを開放した状態
インナーパイプ３に導入された排気は、インナーパイプ３、及び出口部品７を順次通過し、アウターシェル１１に送られる。上述したように、アウターシェル１１の内径は出口部品７における出口７ｃの外径より大きいため、出口７ｃを通過した排気は、外周方向に拡散する。この拡散の角度（軸方向Ｂに対する角度）は、流体力学に基づき、７°であることが知られている。

アウターシェル１１は、上述した半直線Ｃと９０〜９７°の角度θで交差する壁２５ａを備えているので、出口部品７を通過した排気の少なくとも一部は、壁２５ａに当たり、壁２５ａの前方において、大径部２５の空間内で、図２中の矢印Ｄで示すように排気の渦を生成する。この排気の渦の一部は、大径部２５の壁２５ａから下面の壁に向かう方向で流れている。

そして、軸方向Ｂにおける排出口２２の位置は、出口７ｃと同じであるため、排出口２２は、上記の渦により覆われやすくなる。そのため、インナーパイプ３及び出口部品７における排気の流れによって排出口２２から排気が引き出される現象が生じにくく、結果として、分岐口２０、筐体１３の内部、隙間１９、通路２７、及び排出口２２を順次経由する経路を通る排気の量が一層減少する。そのことにより、不必要な熱交換が一層抑制される。
＜第２の実施形態＞
第２の実施形態の排気熱回収装置の構成を図４及び図５に基づいて説明する。本実施形態の排熱回収装置１は、基本的には前記第１の実施形態と同様の構成を備え、さらに、仕切板１２を備える。

仕切板１２は、平板状部材であって、下流側蓋１３ｃのうち、隙間１９側の端部に立設されている。仕切板１２の面はインナーパイプ３の軸方向Ｂに対しほぼ平行であり、軸方向Ｂにおいて、排出口２２よりも下流側にまで達している。仕切板１２は、幅方向（図５における紙面に垂直な方向）の両側においては、アウターシェル１１に達している。よって、隙間１９から、仕切板１２とアウターシェル１１との間を通り、アウターシェル１１の内部に達する通路２９が形成されている。通路２９の下流側の排出口（以下、排出口２９ａとする）の、軸方向Ｂにおける位置は、出口部品７の下流側の端部７ｂよりも下流側である。また、排出口２９ａは、出口部品７の外部に位置し、より詳しくは、出口７ｃにおける中心の真下に位置する。

２．排気熱回収装置１の作用効果
（１）切替弁９により、出口７ｃを閉塞した状態
インナーパイプ３に導入された排気は、分岐口２０、筐体１３の内部、隙間１９、通路２９、及び排出口２９ａを順次経由して、アウターシェル１１内に送られる。排気が筐体１３の内部を通過するとき、冷却水配管１５を流れる冷却水と高温の排気との間で熱交換が行われる。
（２）切替弁９により、出口７ｃを開放した状態
前記第１の実施形態の場合と同様に、出口部品７を通過した排気の少なくとも一部は、壁２５ａに当たり、壁２５ａの前方において、大径部２５の空間内で、図５中の矢印Ｄで示すように排気の渦を生成する。この排気の渦の一部は、大径部２５の壁２５ａから下面の壁に向かう方向で流れている。

そして、軸方向Ｂにおける排出口２９ａの位置は、出口７ｃよりも下流側であるため、排出口２９ａは、上記の渦により覆われやすくなる。そのため、インナーパイプ３及び出口部品７における排気の流れによって排出口２９ａから排気が引き出される現象が生じにくく、結果として、分岐口２０、筐体１３の内部、隙間１９、通路２９、及び排出口２９ａを順次経由する経路を通る排気の量が一層減少する。そのことにより、不必要な熱交換が一層抑制される。

また、仕切板１２の長さ（軸方向Ｂにおける長さ）を調整する事により、軸方向Ｂにおける排出口２９ａの位置を、出口７ｃの位置から、壁２５ａの位置までの範囲内で、適宜設定できる。
＜その他の実施形態＞
前記第１の実施形態において、軸方向Ｂにおける排出口２２の位置は、出口７ｃの位置から、壁２５ａの位置までの範囲内で、適宜設定できる。

上記各実施形態において、インナーパイプ３と出口部品７とは一体の部材であってもよい。筐体１３及び出口部品７は、それぞれ、一体の部材であってもよいし、複数の部品を組み合わせた部材であってもよい。冷却水の代わりに他の熱交換媒体を用いてもよい。熱交換部５は、インナーパイプ３に外挿されず、インナーパイプ３と並列に設けられていてもよい。切替弁９の代わりに他の開閉手段を用いてもよい。他の開閉手段として、例えば、スライド式の弁を備えた開閉手段等が挙げられる。壁２５ａの形状は平面であってもよいし、曲面であってもよい。

上記各実施形態では、交差面を成す壁２５ａは、シェル部材１１の壁２５ａとして説明したが、シェル部材１１の内周面に、交差面の機能をなすように、半直線Ｃに対し９０〜９７°の角度θを成す壁を別部品として設ける構成としてもよい。この壁も、上記各実施形態の壁２５ａと同様の作用効果を得ることができる。

上記各実施形態は、一例に過ぎず、発明の趣旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。
＜参考例＞
１．排気熱回収装置１０１の構成
排気熱回収装置１０１の構成を図６〜図８に基づいて説明する。排気熱回収装置１０１の構成は、基本的には、前記第１の実施形態と同様である。だたし、本参考例では、アウターシェル１１の形状が前記第１の実施形態とは異なり、また、出口部品７は、インナーパイプ３と外周板１３ａとの間を閉塞しない。

本参考例において、アウターシェル１１の径は、上流側から下流側に向けてゆるやかに変化するため、上述した半直線Ｃを想定したとき、半直線Ｃとアウターシェル１１の内面とが成す角度θは、９０°よりも小さい角度となる。そのため、出口部品７を通過した排気がアウターシェル１１の内面にぶつかっても前記各実施形態のような排気の渦は生成しにくい。

また、出口部品７の形態が上記のものであるので、筐体１３内の排気がアウターシェル１１内に排気される排気口は、隙間１９となる。この隙間１９の軸方向Ｂにおける位置は、出口７ｃよりも上流側となる。そのため、仮に、前記各実施形態のように排気の渦が生成しても、その渦で隙間１９を十分に覆うことはできない。

１・・・排気熱回収装置、３・・・インナーパイプ、５・・・熱交換部、
７・・・出口部品、７ｂ・・・端部、７ｃ・・・出口、９・・・切替弁、
１７、１９、２０・・・隙間、１２・・・仕切板、１３・・・筐体、
１３ａ・・・外周板、１３ｂ・・・上流側蓋、
１３ｃ・・・下流側蓋、１５・・・冷却水配管、２１・・・回動軸、
２２、２９ａ・・・排出口、２３・・・弁本体、２５・・・大径部、
２５ａ・・・壁、２７、２９・・・通路、
１０１・・・排気熱回収装置、Ｂ・・・軸方向、
Ｃ・・・半直線

Claims (3)

1. 排気を上流側から下流側に導く排気管と、
   前記排気管の内部に設けられた前記排気の分岐口と、
   前記分岐口から分岐された前記排気と熱交換媒体との間で熱交換を行う熱交換部と、
   前記熱交換部を通過した前記排気を前記排気管の外部において排出する排出口と、
   前記排気管の出口を開閉する開閉部と、
   前記出口及び前記排出口から排出された前記排気を下流側に導くシェル部材と、
   を備え、
   前記出口のうち、前記排出口側の端部を起点とし、前記排気管の軸方向に対し７°の角度で外側に傾斜した半直線を想定したとき、前記シェル部材は、前記半直線に交差する交差面を備え、前記交差面は、前記半直線に対し９０〜９７°の角度を成し、
   前記軸方向における前記排出口の位置は、前記出口と前記交差面との間であり、
   前記排出口は、前記軸方向から見たとき、前記排気管の外周のうち、周方向における一部に設けられていることを特徴とする排気熱回収装置。
2. 前記排出口は、前記シェル部材に内接する板状部材のうち、前記シェル部材から離れた部分を切り欠いたものであることを特徴とする請求項１に記載の排気熱回収装置。
3. 前記排出口に設けられ、前記排気を下流側に誘導する通路を形成する仕切板を備えることを特徴とする請求項１又は２に記載の排気熱回収装置。