JP5789433B2

JP5789433B2 - 排熱回収器

Info

Publication number: JP5789433B2
Application number: JP2011148144A
Authority: JP
Inventors: 史朗中嶋; 正義保田; 盛義角倉
Original assignee: Calsonic Kansei Corp
Current assignee: Calsonic Kansei Corp
Priority date: 2011-07-04
Filing date: 2011-07-04
Publication date: 2015-10-07
Anticipated expiration: 2031-07-04
Also published as: JP2013015068A; WO2013005541A1

Description

本発明は、エンジンの排気から熱を回収する排熱回収器に関する。

排熱回収器（熱交換器）によってエンジンの排気から熱を回収し、回収した熱を利用してエンジンの暖機を行ったり、熱を動力に変換してエンジンの出力補助や発電機の駆動に利用したりすることで、エンジンの効率を向上させる技術が知られている。

排熱回収器は、特許文献１に開示されるように、排気と水との間で熱交換を行う熱交換器と、熱の回収が不要の場合又は好ましくない場合に当該熱交換器をバイパスさせるバイパス管とを並列に設け、これらの上流側に排気を熱交換器及びバイパス管のいずれに流すかを選択するフラッパーを設けることによって構成される。

特表２００７−５３６４６６号公報

特許文献１に開示される排熱回収器においては、熱交換器とバイパス管とが、両端において接合されて、一体化されている。

しかしながら、水によって冷却される熱交換器と６００℃前後の高温の排気に晒されるバイパス管とでは、熱膨張の程度が大きく異なり、これらが両端において接合されていると、接合部において大きな熱応力が発生する。熱応力の大きさは、排熱回収器の運転状態に応じて変動するので、応力集中部において疲労が進み、排熱回収器の寿命を短くする原因となる。

本発明は、このような技術的課題に鑑みてなされたもので、排熱回収器内部の熱応力を減らし、排熱回収器の寿命を長くすることを目的とする。

本発明のある態様によれば、ケース内にエンジンの排気の熱を回収する熱交換器と前記熱交換器をバイパスするバイパス管とを並列に設け、前記ケース内に配置されるフラッパーによって前記エンジンの排気を前記熱交換器及び前記バイパス管のいずれかに選択的に流す排熱回収器であって、前記熱交換器は、前記熱交換器に排気との熱交換用の媒体を供給する入口パイプと、前記熱交換器内の媒体を排出する出口パイプと、前記入口パイプ及び前記出口パイプとそれぞれ接合されるとともに、前記熱交換器と前記ケースとにそれぞれ接合されて前記熱交換器と前記ケースとの間に断熱層を形成する一対のボスと、を備え、
前記熱交換器は、前記入口パイプ及び前記出口パイプのみを前記一対のボスを介してそれぞれ前記ケースと接合することによって、前記ケースと接合される、ことを特徴とする排熱回収器が提供される。
また、本発明の別の態様によれば、ケース内にエンジンの排気の熱を回収する熱交換器と前記熱交換器をバイパスするバイパス管とを並列に設け、前記ケース内に配置されるフラッパーによって前記エンジンの排気を前記熱交換器及び前記バイパス管のいずれかに選択的に流す排熱回収器であって、前記熱交換器は、前記熱交換器に排気との熱交換用の媒体を供給する入口パイプと、前記熱交換器内の媒体を排出する出口パイプとを備え、前記熱交換器は、前記入口パイプ及び前記出口パイプのみを前記ケースと接合することによって、前記ケースと接合され、前記ケースの前記バイパス管を収容する部分の外周面を外気に露出させ、かつ、前記外周面にフィンを設けた、ことを特徴とする排熱回収器が提供される。

上記態様によれば、熱応力が発生する接合部の数が少なくなり、排熱回収器の寿命の低下を抑えることができる。

排熱回収器の全体構成図である。排熱回収器の縦断面図である。排熱回収器を図２のIII-III線で切断した横断面図である。図２のＡ部を拡大した部分拡大図である。図２のＢ部を拡大した部分拡大図である。一部変形例を示した図である。

以下、添付図面を参照しながら本発明の実施形態について説明する。

図１は、本発明の実施形態に係る排熱回収器の全体構成図、図２は、排熱回収器の縦断面図、図３は、排熱回収器を図２のIII-III線で切断した横断面図である。

排熱回収器１００は、ケース本体１と、ケース本体１の上流側開口に接続される上流側アダプタ２と、ケース本体１の下流側開口に接続される下流側アダプタ３と、上流側アダプタ２内に配置されるフラッパー４と、ケース本体１内に配置される熱交換器５及びバイパス管６と、を備え、ケース本体１の下側が外気に露出するよう、図示の向き（熱交換器５が上側、バイパス管６が下側となる向き）で、車両の床下に取り付けられる。

ケース本体１は、上流側、下流側及び下側が開いた箱形の上側ケース１１と、上流側、下流側及び上側が開いた断面が半円形状の下側ケース１２とを組み合わせて構成される（図３）。

上流側アダプタ２は、上流側がフランジ２１になっており、フランジ２１を介してエンジンの排気管に接続される。

フラッパー４は、上流側アダプタ２の中央に設けられる。フラッパー４の回転軸４１は、排気の流れに対して直交する方向に延び、上流側アダプタ２を貫通している。回転軸４１を図示しないアクチュエータで駆動することによって、フラッパー４の位置を、排気を熱交換器５に流す位置（バイパス管６の入口を閉塞する位置、以下、「回収位置」とい。）と、排気をバイパス管６に流す位置（熱交換器５の入口を閉塞する位置、以下、「バイパス位置」という。）とで切り換えることができる。

なお、フラッパー４の初期位置（エンジンを始動させる時及びエンジンを停止させる時の位置）はバイパス位置である。

下流側アダプタ３は、下流側がフランジ３１になっており、フランジ３１を介してエンジンの排気管に接続される。

熱交換器５は、エンジンの排気を流通させる排気通路５１と、エンジンの冷却水を流通させる冷却水通路５２を内部に有する（図３）。冷却水通路５２には、熱交換器５の上面から上方に延びる入口パイプ５３と、熱交換器５の側面から側方に延びる出口パイプ５４が接続している。熱交換器５は、フラッパー４が回収位置にある場合は、排気と冷却水との間で熱交換を行わせる。

熱交換器５は上側ケース１１の内部に配置される。熱交換器５と上側ケース１１とは、入口パイプ５３及び出口パイプ５４をボス５５を介して上側ケース１１に接合することによって接合される。熱交換器５と上側ケース１１との接合位置はこの二箇所のみである。また、二箇所の接合位置を除き、熱交換器５と上側ケース１１との間には、断熱層としての空気層が形成される。

図４は、図２のＡ部を拡大した部分拡大図である。図中ハッチング部位は溶接部位を示している。

入口パイプ５３の端部にはボス５５が溶接によって接合されており、ボス５５は上側ケース１１と熱交換器５の上面とに溶接によって接合されており、これによって、入口パイプ５３が上側ケース１１に接合される。入口パイプ５３及びボス５５はいずれも横断面が円形であり、これら接合部における熱応力が分散され、応力集中が緩和されるようにしている。

なお、図４は、入口パイプ５３の接合部の構造を示しているが、出口パイプ５４の接合部の構造もこれと同様である。

バイパス管６は、断面が半円形状の管である（図３）。バイパス管６は下側ケース１２の内部に配置され、バイパス管６の上流側端部が下側ケース１２と溶接によって接合される。バイパス管６の下流側端部はいずれの部材とも接合されておらず、自由端となっている（図２）。

また、下側ケース１２の内側には周方向に延びるリブ１２ｒが形成されており（図２）、バイパス管６と下側ケース１２とはリブ１２ｒを介して接触する。これによって、バイパス管６と下側ケース１２との間には、断熱層としての空気層が形成される。

また、バイパス管６は熱交換器５から離して配置され、両者の間には断熱層としての空気層が形成される。

図５は、図２のＢ部を拡大した部分拡大図である。

熱交換器５とバイパス管６との隙間の最下流側にはグラスウール７１が詰められている。またバイパス管６と下側ケース１２との隙間の最下流側にはＳＵＳ（ステンレス）メッシュ７２が詰められている。グラスウール７１及びＳＵＳメッシュ７２の位置がずれないように、バイパス管６の外周には図示しないビード部が設けられている。バイパス管６の下流側端部は、グラスウール７１及びＳＵＳメッシュ７２によって径方向にのみ緩やかに保持され、これによって、バイパス管６の自由な熱膨張を許容しつつ、隙間への排気の流入を抑制している。

熱交換器５とバイパス管６との隙間にＳＵＳメッシュ７２ではなくグラスウール７１を詰めているのは、バイパス管６から熱交換器５への伝熱を抑えるためである。なお、ここではバイパス管６と下側ケース１２との隙間にＳＵＳメッシュ７２を詰めているが、バイパス管６と下側ケース１２との隙間にもグラスウール７１を詰めるようにしてもよい。

下側ケース１２の外周には、上流側から下流側にかけて延びる複数のフィン８が周方向に略等間隔に放射状に取り付けられている（図１、図３）。排熱回収器１００は図示の向きで車両の床下に取り付けられるので、下側ケース１２及び複数のフィン８は走行風に晒され、走行中は下側ケース１２の熱が放熱される。

続いて、排熱回収器１００を上記の通り構成することによる作用効果について説明する。

まず、上記実施形態は、入口パイプ５３及び出口パイプ５４のみを上側ケース１１と接合することによって熱交換器５と上側ケース１１とを接合するようにした。これによって、熱応力が発生する接合部の数が少なくなり、排熱回収器１００の寿命の低下を抑えることができる。

この構成では、上側ケース１１と入口パイプ５３及び出口パイプ５４との接合部に熱応力が発生するが、入口パイプ５３及び出口パイプ５４の断面形状を円形としたことによって、熱応力を分散させることができ、接合部における強度低下を抑えることができる。

また、上側ケース１１と入口パイプ５３及び出口パイプ５４とを直接接合するのではなく、これらの間にボス５５を介装したことによって、接合部における剛性が上がり、上側ケース１１、入口パイプ５３及び出口パイプ５４の変形が抑えられて、接合部の強度低下をさらに抑えることができる。

また、熱交換器５と上側ケース１１及びバイパス管６との間には断熱層としての空気層が形成される。これによって、バイパス管６を流れる排気の熱が、熱交換器５に直接、又は、上側ケース１１を介して伝わるのが抑えられ、フラッパー４がバイパス位置にあるにもかかわらず排気の熱がエンジンの冷却水に伝えられてしまい、エンジンがオーバーヒートするのを抑えることができる。

また、バイパス管６は、上流側端部においてのみ下側ケース１２と接合され、下流側端部を自由端とした。これによって、バイパス管６は自由に伸縮することができ、接合部における熱応力の発生を抑えることができる。なお、上記実施形態では、バイパス管６の上流側端部を下側ケース１２と接合しているが、下流側端部を下側ケース１２と接合し、上流側端部を自由端としてもよい。又は、上流側端部及び下流側端部の両方を自由端としてもよい。

また、下側ケース１２の内面にリブ１２ｒを設け、バイパス管６と下側ケース１２とがリブ１２ｒを介して接触するようにした。これによって、バイパス管６から下側ケース１２に伝わる熱が少なくなり、下側ケース１２から上側ケース１１に伝わる熱も少なくなる。したがって、この構成によれば、上側ケース１１と入口パイプ５３及び出口パイプ５４との接合部における熱応力の発生をさらに抑えることができる。

また、下側ケース１２の外周面を外気に露出させ、かつ、外周面にフィン８を設けたことによって、下側ケース１２の放熱性を高めることができる。下側ケース１２の放熱性が高まれば、下側ケース１２の温度が下がるので、下側ケース１２から上側ケース１１に伝わる熱が少なくなり、上側ケース１１と入口パイプ５３及び出口パイプ５４との接合部における熱応力の発生をさらに抑えることができる。

なお、上記実施形態では、フィン８は平板であるが、図６に示すようにフィン８の表面に複数の切り起こし部８１を形成し、下側ケース１２の放熱性をさらに高めるようにしてもよい。

また、排熱回収器１００は、熱交換器５がバイパス管６よりも上になる向きで車両に搭載される。この配置によれば、上側ケース１１が走行風に晒されないので、熱交換器５からの放熱を抑えることができ、路面から跳ね上げられた小石等が熱交換器５に当たって熱交換器が損傷するのを防止することができる。また、下側ケース１２が走行風に晒され、下側ケース１２の放熱性をさらに放熱性を高めることができる。

さらに、エンジン停止時に熱交換器５内で発生する凝縮水が重力によってバイパス管６へと移動するので、熱交換器５内に凝縮水が残留することによる熱交換器５の腐食や凍結を防止することができる。

なお、バイパス管６に移動した凝縮水は、フラッパー４の初期位置がバイパス位置であるので、排熱回収器１００の作動状態に関係なく、少なくともエンジンを始動した直後又はエンジンを停止させる直前に排気とともに車外へと放出される。

以上、本発明の実施形態について説明したが、上記実施形態は本発明の適用例を示したものであり、本発明の技術的範囲を上記実施形態の具体的構成に限定する趣旨ではない。

１ケース本体（ケース）
４フラッパー
５熱交換器
６バイパス管
８フィン
１１上側ケース（ケース）
１２下側ケース（ケース）
１２ｒリブ
５３入口パイプ
５４出口パイプ
５５ボス
８１切り起こし部
１００排熱回収器

Claims

ケース内にエンジンの排気の熱を回収する熱交換器と前記熱交換器をバイパスするバイパス管とを並列に設け、前記ケース内に配置されるフラッパーによって前記エンジンの排気を前記熱交換器及び前記バイパス管のいずれかに選択的に流す排熱回収器であって、
前記熱交換器は、前記熱交換器に排気との熱交換用の媒体を供給する入口パイプと、前記熱交換器内の媒体を排出する出口パイプと、
前記入口パイプ及び前記出口パイプにそれぞれ接合されるとともに、前記熱交換器と前記ケースとに接合される一対のボスと、を備え、
前記熱交換器は、前記入口パイプ及び前記出口パイプのみを前記一対のボスを介してそれぞれ前記ケースと接合することによって、前記熱交換器と前記ケースとの間に断熱層を形成するように前記ケースと接合される、
ことを特徴とする排熱回収器。
ケース内にエンジンの排気の熱を回収する熱交換器と前記熱交換器をバイパスするバイパス管とを並列に設け、前記ケース内に配置されるフラッパーによって前記エンジンの排気を前記熱交換器及び前記バイパス管のいずれかに選択的に流す排熱回収器であって、
前記熱交換器は、前記熱交換器に排気との熱交換用の媒体を供給する入口パイプと、前記熱交換器内の媒体を排出する出口パイプとを備え、
前記熱交換器は、前記入口パイプ及び前記出口パイプのみを前記ケースと接合することによって、前記ケースと接合され、
前記ケースの前記バイパス管を収容する部分の外周面を外気に露出させ、かつ、前記外周面にフィンを設けた、
ことを特徴とする排熱回収器。
請求項２に記載の排熱回収器であって、
前記フィンには切り起こし部が形成される、
ことを特徴とする排熱回収器。
請求項１から３のいずれか一つに記載の排熱回収器であって、
前記入口パイプ及び前記出口パイプの断面が円形である、
ことを特徴とする排熱回収器。
請求項１から４のいずれか一つに記載の排熱回収器であって、
前記熱交換器と前記バイパス管との間に断熱層が形成される、
ことを特徴とする排熱回収器。
請求項１から５のいずれか一つに記載の排熱回収器であって、
前記バイパス管は、前記ケース内に径方向に保持され、上流側端部と下流側端部とのいずれか一か所にて前記ケースに接合されるか、又は前記上流側端部と前記下流側端部とがともに前記ケースと接合されない、
ことを特徴とする排熱回収器。
請求項１から６のいずれか一つに記載の排熱回収器であって、
前記ケースは、内面にリブを有しており、
前記バイパス管と前記ケースとは、前記リブを介して接触する、
ことを特徴とする排熱回収器。
請求項１から７のいずれか一つに記載の排熱回収器であって、
前記排熱回収器は、前記熱交換器が前記バイパス管よりも上になるように車両に搭載される、
ことを特徴とする排熱回収器。