JP6171699B2 - 排気熱回収器 - Google Patents
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Description
一方、熱回収が不要な時には、排気バルブ等により排気熱回収器内の流路を切換えて、バイパス流路に誘導し、熱回収部を経由することなく排気ガスを下流側にストレートに排出することで、圧力損失の増加を抑えている。
すなわち、特許文献1の排気熱回収器50は、図5に示すように、排気ガス51を通過させる排気ガス流路52が形成されている内筒部53と、該内筒部53の下流側に設けられ、排気ガス流路52を開閉する排気バルブ54と、内筒部53の外周側に間隔を空けて設けられる外筒部55と、内筒部53及び外筒部55の間に設けられる熱交換部(排気熱回収流路56a,56b及び冷却水流路57a,57b)とを備えている。なお、符号58は冷却水である。
そして、排気熱の回収を行うときは、排気バルブ54を閉じ、内筒部53内に導入された排気ガス51を小孔59から内筒部53の外周に位置する熱交換部の排気熱回収流路56a,56bへ流し、冷却水流路57a,57bを流れる冷却水58との間で熱交換している。一方、エンジンの始動から一定時間経過して暖機運転や暖房のニーズが低下したときには、排気バルブ54を開き、冷却水58と接する熱交換部を経由せずに排気熱の回収を行わず、内筒部53内に導入された排気ガス51を直接下流側へ排出している。
そして、排気熱の回収を行うときは、排気バルブ62を開くとともに、排気バルブ63を閉じ、排気熱回収器60を含む流路61aに排気ガスを流動させている。一方、排気熱を排出するときは、排気バルブ62を閉じるとともに、排気バルブ63を開き、排気ガスを排出するバイパス流路61bに排気ガスを流動させて排出している。
ここで、排気熱をランキンサイクルシステムにおいて使用するためには、エンジンの定常運転時や高負荷運転時において、継続的に排気熱を回収する必要がある。しかも、ランキンサイクルシステムに対しては、エンジンの定常運転時に排気熱回収器で排気熱を継続的に回収できるだけではなく、排気熱の回収量を容易にコントロールできることが求められている。
なお、上記ランキンサイクルシステムは排気熱回収方法の一例であり、これ以外にも吸着冷凍機、ケミカル蓄熱、熱音響発電、スターリングエンジン、熱電発電など種々の方法があるが、これらすべてを含め、以下「ランキンサイクルシステム」という。
第1に、車体前部にエンジンが搭載されている車両では、排気管が車体前部からフロア下面を通って車両後方へと導かれているため、排気熱回収器がフロア下面に配置されることとなる。しかし、特許文献1の構成では、冷却水流路57a,57bが排気ガス流路52を覆うように配置されているので、冷却水58は排気ガス51と接するだけでなく、外筒部55を介して外気とも接している。そのため、次のような問題点がある。この点は、特許文献2の構成においても同様である。
冷却水58は、排気ガス51と接する部位においては排気熱の回収を行うが、外気と接する部位においては、折角回収した排気熱を放熱してしまう。例えば、エンジンの定常運転時や高速運転時に走行風の流れが速くなると、冷却水58がより冷却され、折角回収した排気熱をより一層放熱してしまう。すなわち、外気への熱量の損失が発生するため、排気熱の回収効率が低下してしまう。
また、冷却水58は、エンジンの稼働が一定時間経過すると温度が上昇するが、冷却水58の温度が上昇すると、冷却水58と外気の温度差が大きくなってしまうため、外気と接する部位において、冷却水58から外気への放熱量が増加してしまい、上記と同様の問題が生じることになる。
第3に、特許文献2の構成では、排気熱回収器60において熱交換のため排ガス流路が狭まり、排ガス流路内の流れを意図的に乱すフィンなどが配置されているため、排気ガスの圧力損失が大きくなってしまう。その結果として、第2で述べたと同様の問題が生じることになる。
そして、本発明において、前記内筒部のフィンの総表面積は、前記第3の筒部のフィンの総表面積よりも小さく設定されている。
しかも、本発明において、前記撹拌装置は、スタティックミキサーである。
しかも、本発明の排気熱回収器においては、従来の排気熱回収器で排気ガス流路の内部に配置されていた排気バルブを廃止することが可能になるため、排気バルブで発生していた圧力損失を取り除くことができ、圧力損失を低減できる。さらに、排気バルブの廃止により排気ガスが流動する空間を直線形状に形成することができる。これによって、空間の内部における排気ガスの流れが円滑になり、従来の排気熱回収器における排気バルブ及び曲がりの存在等に起因した渦の発生による圧力損失を小さくすることができる。さらに、本発明の排気熱回収器によれば、空間の内部において排気ガスが円滑に流れるため、空間の内部における排気ガス流路の断面積の大きさ、後述するフィンの配置数またはフィンの密集度などの設定の自由度を高くすることができる。その結果、空間の内部を流れる排気ガスの流路については、排気ガスの圧力損失を低減させるための設計が可能となるので、排気ガスの圧力損失をより一層低減できる。
それに加えて、本発明の排気熱回収器においては、排気熱回収部である内筒部の内部及び放熱部である第3の筒部の内部を流れる冷却媒体の流量の割合を制御バルブによって振り分けることが可能となるため、冷却媒体への排気ガスの回収熱量を容易かつ確実に制御することができる。したがって、冷却媒体に回収された排気ガスの熱をランキンサイクルシステムの加熱器の熱源として利用する場合にも、当該ランキンサイクルシステムの要請である熱量の制御に迅速に対応できる。
しかも、本発明において、前記内筒部のフィンの総表面積は、前記第3の筒部のフィンの総表面積よりも小さく設定されているので、内筒部の内部における排気ガスの熱の回収熱量と、第3の筒部の内部における外気への放熱熱量とを略同等にすることができる。すなわち、内筒部と第3の筒部のそれぞれの冷却媒体が合流した後の冷却媒体の温度を、内筒部と第3の筒部とに振り分ける前(分岐前)の冷却媒体の温度と略同等にすることが可能となり、冷却媒体流路の下流側に位置するラジエータへの負荷が発生しないようにしながら、排気熱回収熱量を容易に制御することができる。
しかも、本発明において、前記撹拌装置は、スタティックミキサーとすることができるので、内部を流れる冷却媒体を確実に撹拌できる上、内筒部の外周部外側の空間を流れる排気ガスと内筒部の内部を流れる冷却媒体との熱交換効率を向上させ、冷却媒体による排気ガスの回収熱量を増大させることができる。
図1〜図4は、本発明の実施形態に係る排気熱回収器を示すものである。なお、図1〜図3中の矢印Fr方向は車両前方側を示し、矢印Re方向は車両後方側を示している。
このため、本実施形態の排気熱回収器1は、図1に示すように、内部に冷却水3が流動する横置きの内筒部4と、該内筒部4の外周部側に所定の間隔を空けて配置される横置きの外筒部5と、該外筒部5から所定の間隔を空けて並行に配置され、内部に冷却水3が流動する横置きの第3の筒部6とを備えており、これら内筒部4、外筒部5及び第3の筒部6は、車両前後方向に延在して設けられている。また、第3の筒部6は、内筒部4及び外筒部5に対して、車両上下方向の上側もしくは下側のいずれかに配置され、あるいは車両幅方向の左側もしくは右側のいずれかに配置されている。
そのため、制御バルブ15には、ボール15aのB側への回転を制限するストッパー(図示せず)が設けられ、図4(a)に示すように、ボール15aをB側に回したときでも、このストッパーにより「A⇒B」のみの流れにならず、「A⇒B(最大流量)かつC(小流量)」という流れを確保している。一方、図4(b)に示すように、ボール15aをC側に回す方向にはストッパーが設けられておらず、排気熱回収部Xである内筒部4の第1冷却水流路7に冷却水3の全流量を流すことが可能に構成されている。これにより、内筒部4の内部の第1冷却水流路7における冷却水3の過熱や、突沸の原因となる冷却水3の滞留を防止し、冷却水3の循環障害に起因するエンジンの異常発生や、圧力変動による冷却水系への損傷を防いでいる。
また、本実施形態の排気熱回収器1においては、内筒部4のフィン16の総表面積が第3の筒部6のフィン17の総表面積よりも小さく設定され、言い換えれば、放熱部である第3の筒部6のフィン17の総表面積が排気熱回収部Xである内筒部4のフィン16の総表面積よりも大きく設定されており、エンジンの定常運転時や高負荷運転時でランキンサイクルシステムからの熱要請が無い場合(冷却水3の半分以上が放熱部Yである第3の筒部6の内部の第2冷却水流路12に送られる時)に、内筒部4の内部の第1冷却水流路7を流れる冷却水3による排気ガス2の熱の回収熱量と、第3の筒部6の内部の第2冷却水流路12を流れる冷却水3からの外気10への放熱熱量とが略同等になるように構成されている。これにより、内筒部4の第1冷却水流路7と第3の筒部6の第2冷却水流路12の各冷却水3が合流した後の冷却水3の温度が、内筒部4の第1冷却水流路7と第3の筒部の第2冷却水流路12とに振り分ける前(分岐前)の冷却水3の温度と略同等にすることが可能となり、冷却水循環流路14の下流側に位置するラジエータ(図示せず)への負荷が発生しない。
また、ランキンサイクルシステムからの熱要請がある場合は、その要請される熱量に応じて冷却水3を内筒部4の第1冷却水流路7と第3の筒部6の内部の第2冷却水流路12とに振り分けることができ、排気熱回収熱量の制御が容易に行えるようにしている。
まず、エンジン始動時において、エンジンの暖機運転や車室内の暖房の要求がある場合は、図2に示すように、冷却水循環流路14の上流部14aに設けた制御バルブ15を制御することにより、冷却水循環流路14の上流部14aから排気熱回収部Xである内筒部4の第1冷却水流路7に冷却水3の全量が送られ、放熱部Yである第3の筒部6の第2冷却水流路12には冷却水3が送られない。第1冷却水流路7に送られた冷却水3は、第1冷却水流路7を流れながら、内筒部4の外側の排気ガス流路9を流れる排気ガス2と熱交換を行って、排気ガス2の熱を回収する。熱回収を行った後、冷却水3は、内筒部4の第1冷却水流路7から流出し、そのままの状態で、冷却水循環流路14の下流部14bを経て図外のラジエータに送られることになる。
熱回収を行った小流量の冷却水3は、内筒部4の第1冷却水流路7から流出する一方、第2冷却水流路12に送られた大流量の冷却水3は、第3の筒部6の第2冷却水流路12を流れながら、第3の筒部6の外側を流れる車両走行風11などにより外気10へ放熱されるとともに、第2冷却水流路12から流出する。そして、第2冷却水流路12から流出した冷却水3は、第1冷却水流路7から流出した冷却水3と合流し、冷却水循環流路14の下流部14bを経て図外のラジエータに送られることになる。この際、放熱部Yである第3の筒部6は、車速に比例して増加する車両走行風11に晒されているため、第2冷却水流路12を流れる冷却水3は車速に比例して冷却されることになる。しかも、第3の筒部6の外周部に設けられたフィン17の総表面積が内筒部4の外周部に設けられたフィン16の総表面積よりも大きくなるように設定されているため、内筒部4の第1冷却水流路7を流れる冷却水3による排気ガス2の熱の回収熱量と、第3の筒部6の第2冷却水流路12を流れる冷却水3からの外気10への放熱熱量とを略同等にすることが可能である。これにより、内筒部4の第1冷却水流路7から流出した冷却水3と、第3の筒部6の第2冷却水流路12から流出した冷却水3とが合流した後の温度は、第1冷却水流路7と第2冷却水流路12とに振り分ける前(分岐前)の冷却水3の温度と略同等にすることが可能となり、冷却水循環流路14の下流側に位置するラジエータ(図示せず)への負荷が増大せず、排気熱回収熱量の制御が容易となる。
例えば、既述の実施形態の制御バルブ15は、図4に示すようなストッパー付きの三方弁の形式に限らず、同様の機能を発揮できるものであれば、他の形式の三方弁であっても良い。
2 排気ガス
3 冷却水(冷却媒体)
4 内筒部
5 外筒部
6 第3の筒部
7 第1冷却水流路(内筒部の内部)
8,13 スタティックミキサー(撹拌装置)
9 排気ガス流路(空間)
10 外気
11 車両走行風
12 第2冷却水流路(第3の筒部の内部)
14 冷却水循環流路(冷却媒体流路)
14a 上流部
14b 下流部
15 制御バルブ
16,17 フィン
X 排気熱回収部
Y 放熱部
Claims (7)
- 内部に冷却媒体が流動する内筒部と、該内筒部の外周部に間隔を空けて配置され、かつ該内筒部をその中に含むように配置される外筒部と、該外筒部の外周部に間隔を空けて配置され、かつ該外筒部の外に配置され、内部に前記冷却媒体が流動し、前記冷却媒体に回収された熱を外気へ放熱する第3の筒部とを備えた排気熱回収器において、
前記内筒部の外周部と前記外筒部の内周部との間には、排気ガスが流動する空間が形成され、
前記内筒部と前記第3の筒部とは、前記冷却媒体が流動する冷却媒体流路の上流部と下流部でそれぞれ連結され、
前記冷却媒体流路の上流部には、前記内筒部の内部及び前記第3の筒部の内部に流れる前記冷却媒体の流量を制御する制御バルブが設けられていることを特徴とする排気熱回収器。 - 前記内筒部の内部には、前記制御バルブの流量制御によって前記冷却媒体が常に流動するように構成されていることを特徴とする請求項1に記載の排気熱回収器。
- 前記制御バルブは、ストッパー付きの三方弁であることを特徴とする請求項1または2に記載の排気熱回収器。
- 前記内筒部の外周部及び前記第3の筒部の外周部には、フィンが設けられていることを特徴とする請求項1〜3のいずれかに記載の排気熱回収器。
- 前記内筒部のフィンの総表面積は、前記第3の筒部のフィンの総表面積よりも小さく設定されていることを特徴とする請求項4に記載の排気熱回収器。
- 前記内筒部及び前記第3の筒部のうち、少なくともどちらか一方の内部には、前記冷却媒体を撹拌する撹拌装置が設けられていることを特徴とする請求項1〜5のいずれかに記載の排気熱回収器。
- 前記撹拌装置は、スタティックミキサーであることを特徴とする請求項6に記載の排気熱回収器。
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