JP5841788B2 - 熱交換器 - Google Patents

Description

本発明は、排気ガスの熱で水を温める熱交換器に関する。

近年、コージェネレーション装置が各種提案されている（例えば、特許文献１（図１、図３）参照。）。

特許文献の図１にコージェネレーション装置（１０）（括弧付き数字は特許文献１記載の符号を示す。以下同じ。）が示されている。エンジン（１２）で発電機（２７）を作動し、電気エネルギーを得る。エンジン（１２）で発生する排気ガスは熱交換器（１４）へ送られる。熱交換器（１４）送られる排気ガスの熱で水を加熱する。熱効率を高める上で、熱交換器（１４）は重要な機器である。この熱交換器（１４）の詳細を次図で説明する。

特許文献１を次図に基づいて説明する。
図９に示すように、熱交換器１００は、排気ガス導入管１０１が繋がれる基体１０２と、この基体１０２に支持され排気ガスを浄化する触媒担体１０３と、この触媒担体１０３を囲うと共に外周に向かって螺旋状に突出する突出部１０４が形成された筒体１０５と、この筒体１０５を囲い筒体１０５との間に排気ガスが流される第１のケース１０６と、この第１のケース１０６を囲い複数の排気ガス管１０７，１０７を支持すると共に排気ガス管１０７，１０７の周りに水が流される第２のケース１０８と、この第２のケース１０８にそれぞれ繋がれている排気ガス排出管１１１、水導入管１１２、水排出管１１３とからなる。

排気ガス導入管１０１から導入された排気ガスは、触媒担体１０３で浄化される。浄化された排気ガスは、図面上側に向かって、筒体１０５と第１のケース１０６との間を流される。筒体１０５と第１のケース１０６との間を流れる排気ガスは、螺旋状に形成される突出部１０４にガイドされて螺旋状に流れる。筒体１０５と第１のケース１０６との間を流れ、基体１０２の下面に達した排気ガスは、排気ガス管１０７，１０７を通って図面下側に向かって流れる。排気ガス管１０７，１０７を通過した排気ガスは、排気ガス排出管１１１から排出される。

一方、水導入管１１２から導入された水は、図面上に向かって第２のケース１０８内を流れる。水も排気ガスと同様、第２のケース１０８内を螺旋状に流れる。
第２のケース１０８内を流れる水は、第１のケース１０６及び排気ガス管１０７，１０７を介して、排気ガスによって温められる。温められた水は、水排出管１１３から排出される。

ところで、熱交換器１００によれば、第２のケース１０８内の全体に渡って水を流すことができるよう、水の流れを規制する流路規制板１１５が第２のケース１０８内に複数接合されている。即ち、第２のケース１０８内の全体に渡って水を流すために、複数の部品を用いている。部品の点数が増加することで、熱交換器のコストが高まる。
低いコストで製造することのできる熱交換器の提供が望まれる。

特開２０１１−２１５６２公報

本発明は、低いコストで製造することのできる熱交換器の提供を課題とする。

請求項１に係る発明は、排気ガスを浄化する触媒担体と、この触媒担体の外周面を囲う触媒ケースと、この触媒ケースを囲い触媒ケースとの間に触媒担体で浄化された排気ガスを通す排気ガス通路を有する第１筒体と、この第１筒体を囲い第１筒体との間に水を通す水路を有する第２筒体とを備える熱交換器において、水が排出される水排出口は、第２筒体に設けられ、第１筒体の中心軸が、第２筒体の中心軸に対して、水排出口に近付けて配置され、排気ガスを排出する排気ガス排出口は、第１筒体の中心軸を基準にして、水排出口の反対側に設けられ、第２筒体の中心軸が、触媒担体の中心軸に一致していることを特徴とする。

請求項２に係る発明は、第１筒体の一端が第１底部で塞がれ、第２筒体の一端が、水を導入する水導入口を有する第２底部で塞がれ、第１底部に、触媒担体に向かって膨出させた膨出部が形成されていることを特徴とする。

請求項１に係る発明では、相対的に見て、第１筒体の中心軸が、第２筒体の中心軸に対して、水排出口に近付けて配置されている。第１筒体が水排出口側にずらされることで、第１筒体と第２筒体との間に形成される水路は、水排出口側で狭く、水排出口から離れた部位で広く形成される。水導入口から水排出口までの最短距離を通過する流路の面積を狭めることで、最短距離を通過する水の流量を減少させる。一方、水排出口から遠く、水の流れにくい部位の流路面積を広げ、水の流量を増加させる。これにより、第１筒体と第２筒体との間の全周にわたってより均一に水を流すことができる。第１筒体と第２筒体との間の全周にわたってより均一に水を流すための部品を必要としないため、部品点数を削減することができ、熱交換器のコストを低下させることができる。

さらに、請求項１に係る発明では、第１筒体は、触媒担体の中心軸を基準にして、水排出口側にずらされる。即ち、第１筒体を排気ガス排出口から離れる方向にずらす。ずらすことで、触媒ケースと第１筒体との間に形成される排気ガスの流路面積を、排気ガス排出口側で狭く、排気ガス排出口から離れた部位（図面左側）で広くすることができる。排気ガス排出口までの最短距離を通過する流路の面積を狭めることで、最短距離を通過する排気ガスの流量を減少させる。一方、排気ガス排出口から遠く、排気ガスの流れにくい部位の流路面積を広げ、排気ガスの流量を増加させる。これにより、触媒ケースと第１筒体との間の全周にわたってより均一に排気ガスを流すことができる。より均一に排気ガスを流すことで、排気ガスを円滑に流すことができ、熱交換の効率を高めることができる。

請求項２に係る発明では、第１底部に、触媒担体に向かって膨出させた膨出部が形成されている。膨出部が形成されることで、噴流で流すことができ、また、水の流路面積を大きく取ることができる。水の流路面積を大きくすることで、水の流量を増やすことができる。水の流量が多いことで水温の急激な上昇を防ぎ、水が沸騰することを防ぐことができる。水の沸騰を防ぐことで、水を円滑に流し、効率よく熱交換を行うことができる。

実施例１に係る熱交換器の断面図である。 本発明に係る熱交換器の斜視図である。 基体及び第１ケースの分解斜視図である。 図１の４−４線断面図である。 排気ガスが導入されてから触媒担体を通過するまでを説明する図である。 浄化された排気ガスの流れ及び水の流れを説明する図である。 実施例２に係る熱交換器の断面図である。 実施例３に係る熱交換器を説明する図である。 従来の技術の基本構成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。

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、熱交換器１０は、排気ガスを浄化する円筒状の触媒担体１１と、この触媒担体１１を囲うと共に保持する触媒ケース１２と、この触媒ケース１２が支持される基体１３と、この基体１３に支持され触媒ケース１２を囲う第１のケース１５と、この第１のケース１５を囲うと共に基体１３に支持される第２のケース１６と、この第２のケース１６の下端中央部に接合され水を第２のケース１６内に導入する水導入管１７と、この水導入管１７の上方で第２のケース１６の側面に接合され水を排出する水排出管１８と、基体１３の下面に接合され基体１３内を通過した排気ガスを排出する排気ガス排出管２１とからなる。基体１３の上端には、他の部材に締結するためのフランジ２２が接合されている。

基体１３は、触媒ケース１２が下面に接合されている第１の部材２４と、この第１の部材２４に接合される第２の部材２５とからなる。基体１３は、これらの第１の部材２４と第２の部材２５とを重ね合わせることで中空状に形成されている。

第２の部材２５に接合されている第１のケース１５は、触媒ケース１２を囲う円筒形状の第１筒体２７と、この第１筒体２７の下端部に接合され触媒担体１１の下端部を被う第１底部２８とからなる。プレス成形により成形された鋼製の第１筒体２７及び第１底部２８を溶接することで、第１のケース１５を製造することができる。

第２のケース１６は、第１筒体２７を囲う略円筒状の第２筒体３１と、この第２筒体３１の下端に接合され第１底部２８を被う第２底部３２とからなる。

第１の部材２４は、底３４と、この底３４の周縁から第２の部材２５に向かって延びる壁部３５とからなる。底３４に形成されている開口から、排気ガスの導入側（図面上側）に向かって縮径し、断面視テーパ状に形成されるテーパ部３６が形成される。テーパ部３６の先端には、排気ガスを導入すると共にフランジ２２が取り付けられる排気ガス導入口３７が形成される。これらのテーパ部３６及び排気ガス導入口３７が、第１の部材２４に一体的に形成されている。

即ち、排気ガスを導入する排気ガス導入口３７と、この排気ガス導入口３７の上流側から連続的に拡径し、排気ガスを触媒担体１１に向かって円滑に流すテーパ部３６とが、基体１３に一体的に形成されている。一体的に形成することで、熱交換器１０の部品点数を削減することができる。

第２の部材２５は、底４１と、この底４１の周縁から第１の部材２４に向かって立ち上げられる壁部４２と、基体１３内を通過した排気ガスを排出する排気ガス排出口４３とからなる。排気ガス排出口４３に排気ガス排出管２１が接合される。

なお、第１の部材及び第２の部材は、共に底部及び壁部からなる構造の他、底部のみからなる部材に底部及び壁部からなる部材を重ね合わせる構造等も採用することができる。即ち、中空状になるものであれば、任意の形状を採用することができる。また、互いの壁部を外周方向に向かって延ばした上で溶接する等、容易に溶接するために適宜形状を変更することや、互いの壁部同士を突き合せて突き合せ溶接を行うこともできる。

第１筒体２７から触媒ケース１２に向かって突出すると共に、先端が触媒ケース１２に接触することで排気ガスの流路を規制する排気ガス規制部２７ａが形成されている。即ち、排気ガスは、この排気ガス規制部２７ａの形成されている部分を避けるようにして、蛇行して流れる。詳細は後述する。
第１底部２８の略中央に、触媒担体１１に向かって膨出するドーム形状の膨出部２８ａが形成されている。

第２筒体３１は、水導入管１７が接続されると共に下端が第２底部３２で塞がれる一般部３１ａと、この一般部３１ａから拡径し水排出管１８が接合される拡径部３１ｂとからなる。拡径部３１ｂに水排出管１８が接合される水排出口３１ｄが形成されている。
第２底部３２の中央に、水導入管１７が接合され、水が導入される水導入口３２ａが形成されている。

触媒担体１１の中心軸４５に対して、第２筒体３１の一般部３１ａの中心軸４６が、水排出口３１ｄから離れる方向にずらされている。
一方、触媒担体１１の中心軸４５に対して、排気ガス導入口３７、テーパ部３６、第１筒体２７の中心軸は一致している。理由は後述する。
第１の部材２４及び第２の部材２５の詳細について次図で説明する。

図２に示すように、第１の部材２４の底３４は、第２筒体３１の上部に沿って略円形状に形成される一般部３４ａと、この一般部３４ａから延び排気ガス排出口（図１、符号４３）に被せられる延出部３４ｂとからなる。

第２の部材２５の底４１も同様である。即ち、第２筒体３１に一般部４１ａが被せられ、この一般部４１ａから延出される延出部４１ｂに排気ガス排出口が設けられると共に排気ガス排出管２１が接合されている。排気ガス排出口を形成するのに必要な分だけ延出部４１ｂを設ければよく、第２の部材２５を楕円形とした場合等に比べ、コンパクトにすることができる。
第１筒体（図１、符号２７）の詳細を次図で説明する。

図３に示すように、第１筒体２７に複数の排気ガス規制部２７ａが形成されている。円筒状の第１筒体２７の一部に形成されることで、排気ガス規制部２７ａは、平面視で略Ｃ字状を呈する。これらの排気ガス規制部２７ａは、それぞれが同じ形状に形成されると共に、高さ方向で同じ高さに２箇所ずつ形成されている。同じ高さに形成された２つの排気ガス規制部２７ａを１段としたときに、このような排気ガス規制部２７ａが７段形成されている。

なお、排気ガス規制部２７ａの段数は任意である。排気ガスが通過する排気ガス通路と水が通過する水路について、詳細を次図で説明する。

図４に示すように、触媒担体１１の中心軸４５に、触媒ケース１２、第１筒体２７の中心軸が一致している。即ち、触媒担体１１の中心軸４５は、第１筒体２７の中心軸４５であるともいえる。
第２筒体３１の一般部３１ａの中心軸４６に対して、第１筒体２７の中心軸４５が、σ１だけ水排出管１８（水排出口）側にずらされている。
即ち、相対的に見て、第１筒体２７の中心軸４５は、第２筒体３１の中心軸４６に対して、水排出口側に近付けて配置されている。

排気ガスは、触媒担体１１内を図面表から裏に向かって流れ、浄化された排気ガスが、触媒ケース１２と第１筒体２７との間の排気ガス通路を図面裏から表に向かって通過する。

水は、第１筒体２７と第２筒体３１との間の水路を、図面裏から表に向かって流れる。第１筒体２７の中心軸４５を水排出管１８（水排出口）側に近付けて配置することで、第１筒体２７と第２筒体３１との間に形成される水路は、水排出管１８側で狭く（σ２）、水排出管１８から離れた部位で広く形成される（σ３）。即ち、水排出口近傍で流路面積が狭く、水排出口から離れた部位で流路面積が広い。このように形成されている理由については、後述する。
熱交換器１０の作用を次図以降で説明する。

図５の矢印（１）で示すように、排気ガス導入口３７から導入された排気ガスは、触媒担体１１に向かって流れる。排気ガスは、矢印（２）で示すように、触媒担体１１内を通過し、浄化される。浄化された排気ガスは、矢印（３）で示すように、触媒担体１１の下端から触媒ケース１２と第１筒体２７との間の排ガス流路に向かって流れる。

第１底部２８に膨出部２８ａが形成されていることで、排気ガスを触媒ケース１２と第１筒体２７との間に向かって円滑に流すことができる。即ち、膨出部２８ａは、排気ガスの流れを導くガイドの役割を果たす。
触媒担体１１から出た後の作用について次図で説明する。

図６に示すように、排気ガスは、排気ガス規制部２７ａを避けるようにして、蛇行しながら上に向かって流れる。蛇行し第１筒体２７の上端から出た排気ガスは、基体１３の内部を通過し、排気ガス排出口４３及び排気ガス排出管２１から外部へ排出される。

白抜き矢印（５）で示すように、水導入管１７及び水導入口３２ａから導入された水は、一部が白抜き矢印（６）で示されるように、水排出口３１ｄに向かって水排出口３１ｄまでの最短経路を通過する。導入された水の残部は、白抜き矢印（７）で示すように、水排出口３１ｄから離れた部位を上に向かって流れる。上に向かって流れた水は、白抜き矢印（８）で示すように、水排出口３１ｄ及び水排出管１８から外に向かって流れる。第１筒体２７を介して、排気ガスの熱が水に伝わる。即ち、水が温められる。

水排出口３１ｄ側（図面左側）の水の流路面積を狭く、水排出口３１ｄから離れた部位（図面右側）の水の流路面積を広くした（併せて図４も参照）。水導入口３２ａから水排出口３１ｄまでの最短距離を通過する流路の面積を狭めることで、最短距離を通過する水の流量を減少させる。一方、水排出口３１ｄから遠く、水の流れにくい部位の流路面積を広げ、水の流量を増加させる。これにより、第１筒体２７と第２筒体３１との間の全周にわたってより均一に水を流すことができる。より均一に水を流すことで、水を円滑に流すことができ、熱交換の効率を高めることができる。第１筒体２７と第２筒体３１との間の全周にわたってより均一に水を流すための部品を必要としないため、部品点数を削減することができ、熱交換器１０のコストを低下させることができる。
また、σ３の値はσ２の値に対して、１．５〜２．０倍となるように設定されることが望ましい。

さらに、第１底部２８に膨出部２８ａが形成されている。膨出部２８ａが形成されることで、噴流で流すことができ、また、水の流路面積を大きく取ることができる。水の流路面積を大きくすることで、水の流量を増やすことができる。水の流量が多いことで水温の急激な上昇を防ぎ、水が沸騰することを防ぐことができる。水の沸騰を防ぐことで、水を円滑に流し、効率よく熱交換を行うことができる。

加えて、膨出部２８ａの下方に水導入口３２ａを形成し、膨出部２８ａに向かって水を導入する。即ち、排気ガスによって温められる前の水を膨出部２８ａに向かって流す。膨出部２８ａ近傍には、触媒担体１１を通過したばかりの温度の高い排気ガスが流れるため、効率よく熱を回収することができると共に、より確実に沸騰の発生を防ぐことができる。
また、水導入口３２ａの上方に球面形状（断面視円弧形状）の膨出部２８ａが形成されていることで、水を円滑に流すことができる。

加えて、基体１３は、第１の部材２４と、この第１の部材２４に接合される第２の部材２５とからなる、排気ガスの通路を兼ねる中空体である。触媒担体１１や筒体２７，３１を支持するための基体１３を、排気ガスの通路としても用いる。基体１３の周縁に別途排気ガスの通路を設ける必要がなくなり、熱交換器１０を小型化することができる。
本発明の別実施例について次図以降で説明する。

次に、本発明の実施例２を図面に基づいて説明する。
図７は実施例２の熱交換器の断面構成を示し、上記図４に対応させて表している。
熱交換器７０は、触媒担体７１の中心軸７２に、第２筒体７３の中心軸が一致している。即ち、第２筒体の中心軸７２ということもできる。また、第１筒体７５の中心軸７６は、触媒担体７１の中心軸７２からσ５水排出口３１ｄ側にずらされている。即ち、第２筒体７３の中心軸７２に対して、第１筒体７５の中心軸７６が、水排出口３１ｄ側にずらされている。

水排出口３１ｄと排気ガス排出口４３とは、触媒担体７１の中心軸７２を基準に１８０°離して設けられている。
なお、排気ガス規制部（図１、符号２７ａ）の形成は任意である。排気ガス規制部を形成する場合には、触媒ケース７７と第１筒体７５との距離が変化するのに合わせて、周方向で深さが変化する。

触媒担体７１及び第２筒体７３に対して、第１筒体７５を水排出口３１ｄ側にずらす。水排出口３１ｄ側にずらすことで、水排出口３１ｄ側の水の流路面積を狭く（σ６）、水排出口３１ｄから離れた部位の流路面積を広くする（σ７）。水導入口から水排出口３１ｄまでの最短距離を通過する流路の面積を狭めることで、最短距離を通過する水の流量を減少させる。一方、水排出口３１ｄから遠く、水の流れにくい部位の流路面積を広げ、水の流量を増加させる。これにより、第１筒体７５と第２筒体７３との間の全周にわたってより均一に水を流すことができる。より均一に水を流すことで、水を円滑に流すことができ、熱交換の効率を高めることができる。

さらに、触媒担体７１の中心軸７２を挟んで排気ガス排出口４３を設けることで、以下の効果を奏する。

第１筒体７５は、触媒担体７１の中心軸７２を基準にして、水排出口３１ｄ側にずらされる。即ち、第１筒体７５を排気ガス排出口４３から離れる方向にずらす。ずらすことで、触媒ケース７７と第１筒体７５との間に形成される排気ガスの流路面積を、排気ガス排出口４３側で狭く（σ８）、排気ガス排出口４３から離れた部位（図面左側）で広くすることができる（σ９）。排気ガス排出口４３までの最短距離を通過する流路の面積を狭めることで、最短距離を通過する排気ガスの流量を減少させる。一方、排気ガス排出口４３から遠く、排気ガスの流れにくい部位の流路面積を広げ、排気ガスの流量を増加させる。これにより、触媒ケース７７と第１筒体７５との間の全周にわたってより均一に排気ガスを流すことができる。より均一に排気ガスを流すことで、排気ガスを円滑に流すことができ、熱交換の効率を高めることができる。

次に、本発明の実施例３を図面に基づいて説明する。
図８（ａ）に示すように、第１底部８１は、中央に膨出部８１ａが形成されている。膨出部８１ａは、平板を湾曲形成してなり、さらに凹凸成型して補強された補強ビード部８１ｂが複数形成されている。

図８（ｂ）に示すように、膨出部８１ａは、全体が断面視で略台形状を呈すると共に、この台形状の部位に補強ビード部８１ｂが形成されている。補強ビード部８１ｂが形成されることで、略台形状の表面は凹凸を有する。

このような膨出部８１ａを形成した場合も、噴流で流すことができ、また、水の流路面積を大きく取ることができる。水の流路面積を大きくすることで、水の流量を増やすことができる。水の流量が多いことで水温の急激な上昇を防ぎ、水が沸騰することを防ぐことができる。水の沸騰を防ぐことで、水を円滑に流し、効率よく熱交換を行うことができる。

さらに、膨出部８１ａに補強ビード部８１ｂを形成することで、膨出部８１ａを補強する。加えて、膨出部８１ａに補強ビード部８１ｂが形成されることで、膨出部８１ａの凹凸形状により、排気ガス及び水との接触面積を広げることができる。接触面積を広げることで、熱交換効率をさらに高めることができる。

尚、本発明に係る熱交換器は、コージェネレーション装置や、その他の用途に適用することは差し支えない。また、本発明に係る熱交換器には、水に冷却水を用いることが望ましく、用途に応じて、最適な種類の媒体を用いることができる。

本発明の熱交換器は、コージェネレーション装置に好適である。

１０，７０…熱交換器、１１，７１…触媒担体、１２，７７…触媒ケース、２７，７５…第１筒体、２８，８１…第１底部、２８ａ，８１ａ…膨出部、３１，７３…第２筒体、３１ｄ…水排出口、３２…第２底部、３２ａ…水導入口、４３…排気ガス排出口、４５，７６…第１筒体の中心軸、４６，７２…第２筒体の中心軸。

Claims (2)

1. 排気ガスを浄化する触媒担体と、この触媒担体の外周面を囲う触媒ケースと、この触媒ケースを囲い前記触媒ケースとの間に前記触媒担体で浄化された排気ガスを通す排気ガス通路を有する第１筒体と、この第１筒体を囲い前記第１筒体との間に水を通す水路を有する第２筒体とを備える熱交換器において、
   前記水が排出される水排出口は、前記第２筒体に設けられ、
   前記第１筒体の中心軸が、前記第２筒体の中心軸に対して、前記水排出口に近付けて配置され、
   前記排気ガスを排出する排気ガス排出口は、前記第１筒体の中心軸を基準にして、前記水排出口の反対側に設けられ、
   前記第２筒体の中心軸が、前記触媒担体の中心軸に一致していることを特徴とする熱交換器。
2. 前記第１筒体の一端が第１底部で塞がれ、
   前記第２筒体の一端が、前記水を導入する水導入口を有する第２底部で塞がれ、
   前記第１底部に、前記触媒担体に向かって膨出させた膨出部が形成されていることを特徴とする請求項１記載の熱交換器。

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