JP6110912B2 - 排気管接続構造 - Google Patents

Description

本発明は、より高温の気体が排気される高温排気管と、より低温の気体が排気される低温排気管とを、一つの排気管に接続する場合に、接続部分において偏熱が生じにくい排気管接続構造に関する。

ターボチャージャー等を使用する内燃機関等においては、より高温の気体が排気される高温排気管と、より低温の気体が排気される低温排気管とを、フランジおよびガスケットを用いて一つの排気管に接続することがある。

より高温の気体が排気される高温排気管と、より低温の気体が排気される低温排気管とを、一つの排気管に接続する排気管接続構造においては、高温排気管に近い側が専ら高熱に曝されるため、接続部付近の部材（例えばガスケット、フランジ、または排気管）、または排気管にさらに接続される別の排気管もしくは部材が、部分的に著しく劣化することがある。また、高温排気管からの気体は上側を通過しやすく、低温排気管からの気体は下側を通過しやすい。そのため、排気管においては、高温の気体と低温の気体の層流が形成されやすく、そのこともまた、接続部付近の部材、または排気管にさらに接続される別の排気管もしくは部材を、部分的に著しく劣化させる要因となる。そのため、高温排気管と低温排気管を合わせて一つの排気管に接続する接続構造においては、偏熱を抑制することが望まれている。

さらに、ターボチャージャー等を使用する内燃機関等においては、低温排気管から、例えば、２００〜３００℃程度であり、場合によっては最大で数百気圧という高圧である気体と、高温排気管から、例えば、８００〜１０００℃程度の高温であり、かつ場合によっては最大で数百気圧という高圧である気体が交互に排気されることがある。すなわち、上記の排気管接続構造において、接続部付近の部材が、高温環境と低温環境に繰り返し曝されることがあり、そのこともまた、接続部付近の部材の劣化を促進する要因となる。

本発明は、高温排気と低温排気に同時に曝される接続部において、高温排気および低温排気がそれぞれ偏った流れを形成することを抑制し、もって接続部付近の部材等の部分的な劣化を抑制し得る排気管接続構造を提供することを目的とする。

本発明は、
より高い温度の排気が通過する一または複数の高温排気管Ａと、より低い温度の排気が通過する一または複数の低温排気管Ｂとを、フランジおよびガスケットを介して一つの排気管Ｃに接続する排気管接続構造であって、
フランジは、そのフランジ面が重力が作用する方向と平行な面との間で０°〜７５°の角度αをなすように配置されており、
フランジ面を重力が作用する方向と平行となるように角度αだけ傾けたときに、フランジ面において、重力が作用する方向を下向き、および重力が作用する方向と直交する方向を左右方向としたときに、
少なくとも一つの高温排気管Ａが少なくとも出口部分にて、フランジ面に対して垂直な線に対して、下向きに０°より大きく６０°以下の角度で、および／または左向きもしくは右向きに、０°より大きく３０°以下の角度で傾斜しており、ならびに／あるいは
少なくとも一つの低温排気管Ｂが少なくとも出口部分にて、フランジ面に対して垂直な線に対して、上向きに０°より大きく６０°以下の角度で、および／または左向きもしくは右向きに、０°より大きく３０°以下の角度で傾斜している、
排気管接続構造を提供する。

本発明の排気管接続構造は、高温排気管Ａおよび低温排気管Ｂから排出される気体の経路が、フランジ面に対して垂直な線から傾くようにしたものであり、それにより高温排気と低温排気との混合を促進して、高温排気および低温排気がそれぞれ排気管Ｃ内の上部および下部に集中することを緩和している。したがって、本発明の排気管接続構造によれば、高温でかつ場合により高圧である気体に連続的又は間欠的に曝されることに起因する、接続部付近の部材（特に、ガスケット）、または排気管Ｃに接続される部材の劣化を抑制して、それらの部材を長期間にわたって使用することが可能となる。

本発明の一実施形態に係る排気管接続構造の立断面図である。 本発明の一実施形態に係る排気管接続構造を左右方向に切断した断面図である。 本発明の一実施形態に係る排気管接続構造の高温排気管Ａおよび低温排気管Ｂの出口部分の配置を示す模式図である。 （ａ）および（ｂ）はそれぞれ、本発明の一実施形態に係る排気管接続構造の高温排気管Ａおよび低温排気管Ｂの配置を示す模式図である。 本発明の一実施形態に係る排気管接続構造の高温排気管Ａおよび低温排気管Ｂの配置を示す模式図である。 （ａ）および（ｂ）はそれぞれ、本発明の一実施形態に係る排気管接続構造の高温排気管Ａおよび低温排気管Ｂの配置を示す模式図である。 本発明の一実施形態に係る排気管接続構造の立断面図である。

本発明の一実施形態を、図面を参照して説明する。なお、図面はいずれも模式図であって、理解の容易のため、各構成要素は必ずしも同一縮尺で表示されていない。また、複数の図面において、同じ符号で示された要素は、同じ機能を奏する要素である。

先に［発明が解決しようとする課題］の欄で説明したとおり、より高い温度であり、かつ場合により高圧である排気（以下、単に「高温排気」という）が通過する高温排気管Ａからの排気と、より低い温度であり、かつ場合により高圧である排気が通過する低温排気管Ｂからの排気とを、一つの排気管Ｃに供給して、当該一つの排気管から排気をまとめて排出することがある。そのような場合には、高温排気管Ａおよび低温排気管Ｂの出口を、排気管Ｃに接続する必要があり、その接続部分で用いられるフランジおよびガスケットは、高温排気と低温排気に曝されることとなる。重力が作用する方向を下方向としたときに、排気管Ｃを上下方向に対して垂直に配置して、排気管Ｃ内に高温排気と低温排気とを供給すると、高温排気は一般に上側を通過しようとし、低温排気は下側を通過しようとして、排気管Ｃ内で二つの排気の層流が形成される。そのため、フランジおよびガスケットはその上部が専ら高温に曝されることとなり、それらの上部において劣化がより進行する傾向にある。

フランジおよびガスケットの上部だけが劣化しないようにするには、高温排気と低温排気が層流を形成せず、高温排気と低温排気が混合して中間の温度の排気を形成することが好ましい。そこで、本実施形態においては、高温排気と低温排気が排気管Ｃ内で層流を形成しにくいように、あるいは高温排気と低温排気が層流を形成しても層流の混合が促進される又はこれらの層流が排気管Ｃに与える影響をより少なくし得るように、高温排気および低温排気の方向を適宜設定することにより、加えて／あるいは高温排気および低温排気の混合により、排気管Ｃの上下における熱の影響を平均化することが可能となるように、高温排気管Ａおよび低温排気管Ｂを配置して、高温排気および低温排気の流れをコントロールした排気管接続構造を説明する。

図１は、本実施形態に係る排気管接続構造の一例を説明する立断面図である。図示した排気管接続構造４０は、高温排気管Ａ４２と低温排気管Ｂ４４とが、排気管Ｃ５０に接続されたものであり、高温排気管Ａ４２がフランジ４６およびガスケット４８を通過して、その出口が排気管Ｃ５０内に開いており、低温排気管Ｂ４４がフランジ４６およびガスケット４８を通過して、その出口が排気管Ｃ５０内に開いている。フランジ４６は高温排気管Ａ４２および低温排気管Ｂ４４を通過させる開口部を有しており、各排気管と開口部との間は例えば溶接等によりシールされる。ガスケット４８は、排気管接続に用いられる任意のガスケットであり、例えばメタルリングガスケットまたはメタルジャケット型ガスケット等である。図示した接続構造において、フランジ４６／ガスケット４８／排気管Ｃ５０は、ボルト５２およびナット５４によって一体に接続されている。

図１において、排気管Ｃ５０はバタフライ弁であり、バタフライ弁は別の排気管（図示せず）に接続されているが、排気管Ｃ５０は必ずしもバタフライ弁に限定されない。バタフライ弁は、その弁体５０ａが高温排気管４２の出口部分４２ａおよび低温排気管４４の出口部分４４ａと干渉しないように選択される。弁体５０ａの回転方向は矢印で示すとおりである。バタフライ弁は、流量調節または流路の開閉のために用いられる。

図示した形態において、排気管Ｃ５０は重力が作用する方向を下向きとする上下方向に対して、垂直な方向に延びている。また、フランジ４６のフランジ面４６ａは、上下方向と平行な面であり、かつ排気管Ｃ５０の長手方向に対して垂直な面である。フランジ面４６ａは、例えばガスケット４８の長寿命化を図るために、重量が作用する方向と平行な面（以下、「面Ｓ」とも呼ぶ）との間で７５°以下、特に７０°以下、より特には６０°以下の角度αをなすように、傾けて配置されていてよい。その場合、排気管Ｃ５０等が延びる方向も傾くこととなる。フランジ面と面Ｓとの間に形成される角度は鋭角で規定するものとする。また、フランジ面４６ａ（より厳密には、ガスケット４８と接している側の面）は、それが下を向くように傾いていてよく、あるいは上を向くように傾いていてよい。高温排気管Ａ４２は、低温排気管Ｂ４４よりも下側に配置され、低温排気管Ｂ４４は高温排気管Ａ４２よりも上側に配置されている。これは、高温排気が低温排気よりも上側に移動しやすいことを考慮して、上側に移動するまでに低温排気と衝突させて、その温度を低下させようとするものである。

高温排気管Ａ４２および低温排気管Ｂ４４はともに、フランジ４４に至る直前までは排気管Ｃ５０と平行な方向に延びているが、その出口部分４２ａおよび４２ｂがともに屈曲して、フランジ面４６ａに対して垂直な線Ｌに対して傾斜している。具体的には、高温排気管Ａ４２の出口部分４２ａは、線Ｌに対して下向きに０°よりも大きく、６０°以下の角度θ１で傾斜し、低温排気管Ｂ４４の出口部分４４ａは、線Ｌに対して上向きに０°よりも大きく、６０°以下の角度θ２で傾斜している。θ１およびθ２は好ましくは３０°以下であり、１０°以下であってもよく、５°以下であってもよい。出口部分４２ａ（高温排気管）が下向きに傾斜していることによって、高温排気の上側への移動がより抑制され、出口部分４２ｂ（低温排気管）が上向きに傾斜していることによって、低温排気の上側の移動がより抑制され、これにより高温排気と低温排気の層流が、フランジ４６およびガスケット４８近傍でただちに形成されるのを有効に抑制できる。その結果、フランジ４６およびガスケット４８の上部における、偏熱による劣化をより抑制でき、あるいは排気管Ｃ５０または排気管Ｃ５０に接続される他の部材の偏熱による部分的な劣化をより抑制できる。一つの変形例において、出口部分４２ａおよび４４ｂのいずれか一方のみが上下方向に傾斜し、他方は上下方向に傾斜していなくてよい。そのような場合でも、高温排気および低温排気の層流の形成をある程度抑制できる。

加えて／あるいは、出口部分４２ａおよび４２ｂは、フランジ面４６ａに対して垂直な線Ｌに対して左右方向に３０°以下の角度で傾いていてよい。図２に、出口部分４２ａおよび出口部分４４ｂが左右方向に傾いた状態を、接続構造を左右方向に切断した断面図にて示す。図２に示す排気管接続構造においては、左右方向に高温排気管Ａ４２および低温排気管Ｂ４４が配置され、右側に低温排気管Ｂ４４が、左側に高温排気管Ａ４２が配置されている。高温排気管Ａ４２の出口部分４２ａは、線Ｌに対して右側に０°よりも大きく３０°以下の角度θ３で傾き、低温排気管Ｂ４４の出口部分４４ａは、線Ｌに対して左側に０°よりも大きく３０°以下の角度θ４で傾いている。このように出口部分４２ａ、４４ａを左右方向に傾けることによっても、高温排気および低温排気が層流を形成しにくくなり、二つの排気の混合が促進され、あるいは層流が形成されるとしても層流間の温度差を小さくすることができる。一つの変形例において、出口部分４２ａは、線Ｌに対して左側に傾き、出口部分４２ｂは、線Ｌに対して右側に傾いていてよい。
図２に示す接続構造においても、排気管Ｃ５０はバタフライ弁であり、図示した形態において弁体５０ａは矢印の方向に回転する。

出口部分４２ａ、４４ａを左右方向に傾ける場合、それらは互いに反対の方向に傾いていることが好ましいが、同じ方向に傾いていてよい。あるいは、一方の出口部分のみが左右いずれかの方向に傾いていてよい。少なくとも一つの出口部分を線Ｌに対して左右いずれかの方向に傾けることによって、排気の流れが変化し、層流の形成をある程度抑制することが可能となる。

θ１、θ２、θ３およびθ４は、高温排気管Ａ４２および低温排気管Ｂ４４の寸法、およびそれらを流れる気体の温度、ならびに排気管Ｃ５０の寸法等に応じて、層流の形成を抑制するのに適した値となるように、決定する。θ１等の決定に際しては、金属ベローズを用いることができる。具体的には、図１等に示された高温排気管Ａ４２および低温排気管Ｂ４４に代えて、金属ベローズを接続し、金属ベローズを適宜折り曲げることによって、金属ベローズを通過する気体の方向を適宜変化させて、層流形成の抑制および／または偏熱防止に効果的な角度（θ１等）を決定するとよい。それから、決定した角度で出口部分４２ａ、４４ｂが傾くように、高温排気管４２ａおよび低温排気管４４ｂを設計して作製するか、あるいは後述するように、高温排気管４２ａおよび低温排気管４４ｂを傾けて設置する。

出口部分４２ａおよび出口部分４４ａは、線Ｌに対して上下方向および左右方向の両方で傾斜していてよい。例えば、図１に示すように、上下方向に高温排気管Ａ４２（下側）および低温排気管Ｂ４４（上側）が配置された接続構造において、出口部分４２ａが、線Ｌに対して下方向に傾斜するとともに、右方向に傾斜している場合、図３に示すとおり、フランジ４６手前まで延びる高温排気管Ａ４２の位置（図において破線で示す）に対して、出口４２ｂが斜め方向にずれることとなる。同様に、出口部分４４ａが、線Ｌに対して上方向に傾斜するとともに、左方向に傾斜している場合、図３に示すとおり、フランジ４６手前まで延びる低温排気管Ｂ４４の位置（図において破線で示す）に対して、出口４４ｂが斜め方向にずれることとなる。

図１においては、高温排気管Ａ４２および低温排気管Ｂ４４がそれぞれ一つずつ、上下方向に設けられている。これをフランジ面４６ａで見ると、図４（ａ）に示すような配置となる。別の実施形態において、高温排気管Ａ４２および低温排気管Ｂ４４は、図２および図４（ｂ）に示すように、左右方向にそれぞれ一つずつ設けられてよい。
なお、図４ないし図６はいずれも、フランジ面４６ａで見た、高温排気管Ａ４２および低温排気管Ｂ４４の配置を示す模式図である。

あるいは、さらに別の実施形態において、高温排気管Ａ４２および低温排気管Ｂ４４は、それぞれ複数設けられてよい。例えば、図５に示すように、高温排気管Ａ４２および低温排気管Ｂ４４は、二つずつ設けてよい。高温排気管Ａ４２および低温排気管Ｂ４４をそれぞれ複数設ける場合には、図６（ａ）に示すように、高温排気管Ａ４２の群を下側に配置し、低温排気管Ｂ４４の群を上側に配置してよく、あるいは、図６（ｂ）に示すように、高温排気管Ａ４２の群を左右一方の側に、低温排気管Ｂ４４の群を左右の他方の側に配置してよい。高温排気管Ａ４２と低温排気管Ｂ４４をそれぞれ複数設ける場合には、少なくとも一つの高温排気管Ａ４２の出口部分４２ａと少なくとも一つの低温排気管Ｂ４４の出口部分４４ａを上下左右のいずれかの方向に傾斜させる。

本実施形態において、高温排気管Ａおよび低温排気管Ｂの出口部分はいずれも、フランジまでフランジ面に対して垂直に延びる管から、フランジ付近で屈曲させている。出口部分は、出口から出ていく排気が、フランジ面に対して垂直とならず、フランジ面に対して垂直な線から傾斜した方向に流れる限りにおいて、いずれの部位で屈曲していてよい。したがって、別の形態において、出口部分は、フランジより前で屈曲し、傾斜した出口部分がフランジの開口部を通過してよい。高温排気管Ａおよび低温排気管Ｂの出口部分は別部材であってよく、フランジ面に対して垂直に延びる管部材と例えば螺合により一体化させてよい。あるいは、高温排気管Ａおよび低温排気管Ｂの出口部分は屈曲していなくてよく、例えば、図７に示すとおり、直線状の高温排気管Ａ４２および低温排気管Ｂ４４を、その出口部分がフランジ面４６ａに垂直な線に対して所定のように傾斜するように、全体を傾けた状態にてフランジ４６に通してよい。それにより、出口からの排気が所定の方向に流れるようになる。

高温排気管Ａ４２と低温排気管Ｂ４４とを排気管Ｃ５０に接続する構造は、例えば、ターボチャージャーを使用する内燃機関において用いることができる。そのような内燃機関においては、高温排気管Ａ４２はターボチャージャーからの排気（これは上記のとおり高圧となることもある）を通過させるものであり、低温排気管Ｂ４４は通常の排気（高圧となることもあるエンジン排気）を通過させるものである。ターボチャージャーからの排気の温度は例えば６００℃以上であり、通常の排気の温度は例えば５０〜２００℃である。ターボチャージャーからの排気の温度は局部的に９００℃程度となることもあり、通常の排気の温度も場合により２００〜３００℃となることもある。また、ターボチャージャーからは常に排気が生じているわけではなく間欠的に排気が生じるので、そのような内燃機関では、フランジおよびガスケットは低温環境と高温環境に交互に曝されることとなり、劣化しやすい。同様に、二酸化炭素削減のために用いられるターボチャージャーを用いる難燃機関でも、フランジおよびガスケットは低温環境と高温環境に交互に曝されることとなり、劣化しやすい。本実施形態によれば、高温排気と低温排気の層流の形成が抑制されて、または層流の温度差が小さくなって、フランジおよびガスケットの一部のみ、または排気管Ｃ５０およびこれに接続される他の部材の一部のみが高温に曝されることを抑制できる。したがって、本実施形態の排気管接続構造は、ターボチャージャーを使用する内燃機関で使用するのに特に適している。
あるいは、本実施形態の排気管接続構造は発電所で用いるのに適している。

本発明の排気管接続構造は、高温排気および低温排気の層流の形成を抑制して、または層流の温度差を小さくして、排気管接続構造での偏熱を軽減させる構造となっているから、例えば、ターボチャージャーを使用する内燃機関で使用できる。

４０ 排気管接続構造
４２ 高温排気管Ａ
４２ａ 高温排気管Ａの出口部分
４２ｂ 出口
４４ 低温排気管Ｂ
４４ａ 低温排気管Ｂの出口部分
４４ｂ 低温排気管Ｂの出口
４６ フランジ
４６ａ フランジ面
４８ ガスケット
５０ 排気管Ｃ
５２ ボルト
５４ ナット

Claims (4)

1. より高い温度の排気が通過する一または複数の高温排気管Ａと、より低い温度の排気が通過する一または複数の低温排気管Ｂとを、フランジおよびガスケットを介して一つの排気管Ｃに接続する排気管接続構造であって、
   フランジは、そのフランジ面が重力が作用する方向と平行な面との間で０°〜７５°の角度αをなすように配置されており、
   フランジ面を重力が作用する方向と平行となるように角度αだけ傾けたときに、フランジ面において、排気管Ｃの側からフランジ面を正面に見て、重力が作用する方向を下向き、および重力が作用する方向と直交する方向を左右方向としたときに、
   少なくとも一つの高温排気管Ａが少なくとも出口部分にて、フランジ面に対して垂直な線に対して、下向きに０°より大きく６０°以下の角度で傾斜しており、ならびに／あるいは
   少なくとも一つの低温排気管Ｂが少なくとも出口部分にて、フランジ面に対して垂直な線に対して、上向きに０°より大きく６０°以下の角度で傾斜している、
   排気管接続構造。
2. 前記高温排気管Ａおよび前記低温排気管Ｂをそれぞれ一つずつ有し、前記高温排気管Ａと前記低温排気管Ｂが、左右方向に配置されている、請求項１に記載の排気管接続構造。
3. 前記高温排気管Ａを複数含み、前記低温排気管Ｂを複数含み、
   前記高温排気管Ａの群と、前記低温排気管Ｂの群が、左右方向に分かれて配置されている、請求項１に記載の排気管接続構造。
4. 前記少なくとも一つの高温排気管Ａが少なくとも出口部分にて、左向きもしくは右向きに、０°より大きく３０°以下の角度で傾斜しており、ならびに／あるいは
   前記少なくとも一つの低温排気管Ｂが少なくとも出口部分にて、左向きもしくは右向きに、０°より大きく３０°以下の角度で傾斜している、
   請求項１〜３のいずれか１項に記載の排気管接続構造。

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