JP6227450B2 - 熱回収器 - Google Patents

Description

本発明は、供給される流体から熱を回収して排出する熱回収器に関する。

供給される流体から熱を回収し、その熱を再利用することで、運転効率の向上等を図る技術が広く普及している。

下記特許文献１には、熱交換器（熱回収部）において、乗用車のエンジンから排出される排ガスと、冷却水流路内を流される冷却水との間で熱交換を行わせることで、排気熱を回収するシステムが記載されている。この冷却水は、走行時のエンジンの冷却を主な目的として用いられるものであるが、エンジンの始動時には、その暖機のために、排ガスからエンジンへと排気熱を移動させる役割を果たしている。このような暖機システムは、寒冷地仕様の乗用車等で採用されている。

この暖気システムのような熱回収システムでは、所定量の熱を回収し、その後の回収が不要となった場合は、冷却水が著しく高温となって沸騰することや、必要以上に高温になることを防止するために、排ガスとの熱交換を抑制又は停止させるように制御する必要がある。

下記特許文献１記載のシステムでは、この熱交換の制御を、開閉動作するバルブによって行っている。詳細には、排ガスを熱交換器へと導く流路の開放及び閉止を行うバルブが設けられており、排気熱の回収を行う場合は、当該バルブを開放して排ガスを熱交換器に導入する一方、排気熱の回収を行わない場合は、当該バルブを閉止して熱交換器を迂回させるように排ガスを流している。

特開２００８−０８８９３５号公報

しかしながら、上記特許文献１記載のシステムでは、機械的動作を行うバルブによって熱回収の制御を行うため、構成が複雑になるとともに、長期間使用する際の耐久性や信頼性に関する懸念があった。

本発明はこのような課題に鑑みてなされたものであり、その目的は、簡易な構成によって長期間の使用にも高い耐久性や信頼性を発揮しながらも、熱回収の制御を行うことが可能な熱回収器を提供することにある。

上記課題を解決するために、本発明に係る熱回収器は、供給される流体から熱を回収して排出する熱回収器であって、前記流体が流れる管状のインナーパイプと、前記インナーパイプを通過した前記流体が当たるように、前記インナーパイプの下流側端部の開口と対向する位置に配置され、前記流体から熱を回収する熱交換器と、を備え、前記インナーパイプの途中には連通口が形成されており、前記インナーパイプを流れる前記流体の流量が大きい場合は、流量が小さい場合に比べて、前記熱交換器に当たることなく前記連通口を介して外部に流出する前記流体の流量が大きくなるように構成されていることを特徴としている。

本発明に係る熱回収器によれば、インナーパイプを流れる流体の流量が大きい場合は、流量が小さい場合に比べて、熱交換器に当たることなく連通口を介して外部に流出する流体の流量が大きくなるように構成されているため、流体からの熱回収が過度に行われることを抑制することが可能となる。さらに、機械的動作を行うバルブ等の構成を用いることなく熱回収の制御を行うため、長期間の使用に対しても高い耐久性や信頼性を発揮することが可能となる。

また本発明に係る熱回収器では、前記インナーパイプは、その下流側端部の開口と前記熱交換器との間に隙間を設けて配置されていることも好ましい。

この好ましい態様では、インナーパイプを流れる流体の流量が増加した場合に、インナーパイプの下流側端部の開口と熱交換器との間に設けられる隙間に流体を滞留させ、それにより下流側端部の開口における静圧を高め、連通口を介して流体を流出させることが可能となる。

また本発明に係る熱回収器では、前記インナーパイプは、その下流側端部の開口から流体が流出する方向に沿って見た場合に、その下流側端部の開口の全体が前記熱交換器と重合するように配置されていることも好ましい。

この好ましい態様では、インナーパイプを流れる流体の流量が増加した場合に、インナーパイプの下流側端部の開口の全体にわたって静圧を高め、流体を開口から流出し難くすることができるため、より確実に連通口を介して流体を外部に流出させることが可能となる。

また本発明に係る熱回収器では、前記インナーパイプは、上流側から下流側にかけてその流路断面積が減少する狭窄部を有するとともに、前記狭窄部よりも上流側の部位に前記連通口が形成されていることも好ましい。

この好ましい態様では、インナーパイプの下流側端部と熱交換器との間に設けられる隙間において静圧が高まった場合に、狭窄部と下流側端部との間で特に静圧が高まるため、狭窄部よりも上流側から流れてくる流体を、より確実に連通口を介して外部に流出させることが可能となる。

本発明によれば、簡易な構成によって長期間の使用にも高い耐久性や信頼性を発揮しながらも、熱回収の制御を行うことが可能な熱回収器を提供することが可能となる。

本発明の実施形態に係る排気熱回収器の側面視断面図である。 本発明の実施形態に係る排気熱回収器の排ガスの流量が比較的小さい状態における平面視断面図である。 図２のＡ−Ａ断面図である。 本発明の実施形態に係る排気熱回収器の排ガスの流量が比較的大きい状態における平面視断面図である。

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。理解を容易にするため、各図面において同一の構成要素に対しては可能な限り同一の符号を付し、重複する説明は省略する。

まず、図１乃至図３を参照して、本発明の実施形態に係る排気熱回収器１００の概略を説明する。図１は、本発明の実施形態に係る排気熱回収器１００の側面視断面図である。図２は、本発明の実施形態に係る排気熱回収器１００の排ガスの流量が比較的小さい状態における平面視断面図である。図３は、図２のＡ−Ａ断面図である。

図１に表すように、排気熱回収器１００は、パイプ１０と、熱交換器２０と、インナーパイプ３０と、を有している。

パイプ１０は、入口部１１と、拡径部（縮径部）１２と、大径部１３と、縮径部（拡径部）１４と、出口部１５とを有する金属製の管状部材であり、その内部に主流路１７を有している。パイプ１０の上流側は乗用車のエンジン（図示せず）に接続されており、主流路１７は、エンジンから供給される高温の排ガスを、入口部１１側から出口部１５側にかけて流す流路となる。

熱交換器２０は、主流路１７に配置されており、複数のプレート２１と、冷却水供給管２３と、冷却水排出管２４とを有している。複数のプレート２１は、それぞれ内部に冷却水を流す流路（図示せず）が形成されており、互いに所定間隔を空けて一列に配列されている。複数のプレート２１は、それぞれの内部の流路を連通させて、一連の冷却水流路が形成されるように連結されており、隣り合うプレート２１、２１の間に形成される隙間は、後述するように排ガスを通過させるためのプレート間流路２１ａとなる。冷却水は、冷却水供給管２３によって熱交換器２０内に供給され、複数のプレート２１の内部流路を流れた後、冷却水排出管２４から熱交換器２０外に排出される。

インナーパイプ３０は、大径部３１と、狭窄部３２と、小径部３３とを有する管状部材であり、その内部に流路３０ａを有している。このうち狭窄部３２は、大径部３１から小径部３３にかけて、流路３０ａの流路断面積を漸次減少させる傾斜した管壁である。インナーパイプ３０は、熱交換器２０よりも上流側の主流路１７に配置されている。インナーパイプ３０の大径部３１は、その外径寸法がパイプ１０の入口部１１の内径寸法とほぼ等しくなるように形成されており、大径部３１が入口部１１に対し固定されることで、主流路１７におけるインナーパイプ３０の位置決めがなされている。これにより、パイプ１０の入口部１１に流入する排ガスは、インナーパイプ３０の上流側端部３０ｂから流路３０ａに流入し、下流側端部３０ｃから流出する。
また、インナーパイプ３０の大径部３１の管壁であって、狭窄部３２の近傍の部位には、インナーパイプ３０の内外を貫通するスリット状の連通口３５ａ、３５ｂが設けられている。図２に表すように、連通口３５ａ、３５ｂは、インナーパイプ３０の大径部３１の管壁のうち、互いに対抗する部位に、それぞれ２つずつ設けられている。
また、インナーパイプ３０は、その下流側端部３０ｃと熱交換器２０の上流側端面２０ａとの間に、隙間１７ａを設けて配置されている。このため、インナーパイプ３０の下流側端部３０ｃの開口３０ｄから流出した排ガスは、まずこの隙間１７ａに導入され、その後、熱交換器２０に当たることとなる。
また、図３に表された熱交換器２０の下流側端面２０ｂとインナーパイプ３０との関係からわかるように、インナーパイプ３０は、正面視した場合（下流側端部３０ｃから排ガスが流出する方向に沿って見た場合）に、その下流側端部３０ｃの開口３０ｄの全体が熱交換器２０と重合するように配置されている。
ここでは、インナーパイプ３０をシームレス管としているが、これに限らず、軸方向や径方向に分割された複数の分割体を、溶接や接着により接合して構成される管としてもよい。

ここで、熱交換器２０は、主流路１７のうち、大径部１３によって形成される部位に配置されている。図２に表すように、平面視において、熱交換器２０と大径部１３の管壁との間には隙間が形成されている。熱交換器２０の両側部に形成されるこの隙間が、主流路１７のうち熱交換器２０よりも上流側の部位から、熱交換器２０を迂回させて熱交換器２０よりも下流側の部位へと排ガスを流すバイパス流路４０ａ、４０ｂとなる。インナーパイプ３０の連通口３５ａ、３５ｂは、インナーパイプ３０の内部の流路３０ａと、バイパス流路４０ａ、４０ｂとを連通させている。

排ガスが熱交換器２０に当たり、複数のプレート間流路２１ａを流れて通過することにより、熱交換器２０のプレート２１の内部を流れる冷却水と、プレート２１の外側面を流れる排ガスとの熱交換が行われる。このため、冷却水供給管２３によって供給された冷却水は、熱交換器２０内を流れることで排ガスから熱を回収して温度が上昇し、冷却水排出管２４によって熱交換器２０外に排出される。一方、排ガスは、熱交換器２０を通過することで冷却水に熱を奪われて温度が低下し、パイプ１０の出口部１５から排出される。このようにして冷却水が排ガスから回収した熱は、乗用車のエンジンの暖機や、触媒（図示せず）の加熱等に利用される。

次に、図２及び図４を参照して、以上のように構成された排気熱回収器１００の動作原理を説明する。図４は、本発明の実施形態に係る排気熱回収器１００の排ガスの流量が比較的大きい状態における平面視断面図である。

まず、図２に表すように、乗用車のエンジンの運転が比較的穏やかで、パイプ１０の入口部１１に流入する排ガスの流量が比較的小さい場合、すなわち、インナーパイプ３０の内部の流路３０ａを流れる排ガスの流量が比較的小さい場合について説明する。

インナーパイプ３０の内部の流路３０ａを流れた後、下流側端部３０ｃの開口３０ｄから流出する排ガスは、開口３０ｄと熱交換器２０の上流側端面２０ａとの間の隙間１７ａに、比較的小さな流量で導入される。隙間１７ａに導入されたこの排ガスは、熱交換器２０の上流側端面２０ａから、熱交換器２０の複数のプレート間流路２１ａ（図１参照）に流入し、その後、熱交換器２０の下流側端面２０ｂから流出することで、熱交換器２０を通過する。

ここでは、インナーパイプ３０の下流側端部３０ｃから隙間１７ａに導入され、熱交換器２０に当たる排ガスの流量が比較的小さいため、その流れの乱れは比較的小さなものとなる。このため、排ガスは熱交換器２０をスムーズに通過することができる。

隙間１７ａに導入された排ガスが熱交換器２０をスムーズに通過できることにより、隙間１７ａにおいて排ガスは殆ど滞留することがない。このため、インナーパイプ３０の下流側端部３０ｃにおける静圧も比較的小さくなり、流路３０ａを流れる排ガスは、下流側端部３０ｃから容易に流出することができる。したがって、流路３０ａを流れる排ガスは、連通口３５ａ、３５ｂからは殆ど流出しない。

以上のように、インナーパイプ３０を流れる排ガスの流量が比較的小さい場合は、排ガスを連通口３５ａ、３５ｂを介してバイパス流路４０ａ、４０ｂに殆ど導入することなく、その大半を熱交換器２０に当て、積極的に冷却水との熱交換を行わせることが可能となる。

続いて、図４に表すように、乗用車のエンジンの運転が比較的活発で、パイプ１０の入口部１１に流入する排ガスの流量が比較的大きい場合、すなわち、インナーパイプ３０の内部の流路３０ａを流れる排ガスの流量が比較的大きい場合について説明する。

インナーパイプ３０の内部の流路３０ａを流れた後、下流側端部３０ｃから流出する排ガスは、下流側端部３０ｃと熱交換器２０の上流側端面２０ａとの間の隙間１７ａに、比較的大きな流量で導入される。隙間１７ａに導入されたこの排ガスは、熱交換器２０の上流側端面２０ａから、熱交換器２０の複数のプレート間流路２１ａ（図１参照）に流入し、その後、熱交換器２０の下流側端面２０ｂから流出することで、熱交換器２０を通過する。

ここでは、インナーパイプ３０の下流側端部３０ｃから隙間１７ａに導入され、熱交換器２０に当たる排ガスの流量が比較的大きいため、その流れの乱れは比較的大きなものとなる。このため、排ガスは熱交換器２０をスムーズに通過することが困難となる。

隙間１７ａに導入された排ガスが熱交換器２０をスムーズに通過することが困難となることにより、隙間１７ａにおいて排ガスの滞留が生じる。このため、インナーパイプ３０の下流側端部３０ｃにおける静圧も比較的大きくなり、流路３０ａを流れる排ガスは、下流側端部３０ｃから流出し難くなる。したがって、流路３０ａを流れる排ガスは、その一部が連通口３５ａ、３５ｂを介して外部に流出するようになる。

連通口３５ａ、３５ｂを介して外部に流出した排ガスは、矢印Ｂ１で表すように、拡径部（縮径部）１２の傾斜する管壁に沿って熱交換器２０の両側部へと流れ、バイパス流路４０ａ、４０ｂに導入される。バイパス流路４０ａ、４０ｂを流れる排ガスは、熱交換器２０内の冷却水に殆ど熱を奪われることなく、その下流側へと流れる。バイパス流路４０ａ、４０ｂの下流側において、矢印Ｂ２で表すように、排ガスは縮径部（拡径部）１４の傾斜する管壁に沿って出口部１５に向かって流れることで、排ガスは熱交換器２０よりも下流側の主流路１７へと流れることになる。

以上のように、インナーパイプ３０を流れる排ガスの流量が比較的大きい場合は、排ガスを連通口３５ａ、３５ｂを介して外部に流出させてバイパス流路４０ａ、４０ｂに導入することができるため、熱交換器２０に当たって通過する排ガスの流量の増加を抑制し、熱交換器２０において冷却水による熱回収が過度に行われることを抑制することが可能となる。

この排気熱回収器１００では、機械的動作を行うバルブ等の構成を用いることなく、排ガスの流量に応じてインナーパイプ３０の下流側端部３０ｃの開口３０ｄにおける静圧が変化することを利用して、熱回収の制御を行っている。このため、長期間の使用に対しても高い耐久性や信頼性を発揮することが可能となる。

また、図３に表したように、インナーパイプ３０は、その下流側端部３０ｃの開口３０ｄから排ガスが流出する方向に沿って見た場合に、その開口３０ｄの全体が熱交換器２０と重合するように配置されている。これにより、インナーパイプ３０を流れる排ガスの流量が増加した場合に、開口３０ｄの全体にわたって静圧を高め、排ガスを開口３０ｄから流出し難くすることができるため、より確実に連通口３５ａ、３５ｂを介して排ガスを外部に流出させることが可能となる。

また、インナーパイプ３０は、上流側から下流側にかけて流路３０ａの流路断面積が減少する狭窄部３２を有するとともに、狭窄部３２よりも上流側の部位に連通口３５ａ、３５ｂを有している。これより、インナーパイプ３０の下流側端部３０ｃと熱交換器２０との間に設けられる隙間１７ａにおいて静圧が高まった場合に、流路３０ａでは狭窄部３２と下流側端部３０ｃとの間で特に静圧が高まるため、狭窄部３２よりも上流側から流れてくる排ガスを、より確実に連通口３５ａ、３５ｂを介して外部に流出させることが可能となる。

以上、具体例を参照しつつ本発明の実施形態について説明した。しかし、本発明はこれらの具体例に限定されるものではない。すなわち、これら具体例に、当業者が適宜設計変更を加えたものも、本発明の特徴を備えている限り、本発明の範囲に包含される。

例えば、前述した各具体例が備える各要素およびその配置、材料、条件、形状、サイズなどは、例示したものに限定されるわけではなく適宜変更することができる。
前述した排気熱回収器１００においては、バイパス流路４０ａ、４０ｂは、主流路１７と同様にパイプ１０の内部に形成されるものとしているが、これに限らず、パイプ１０とは独立した別の管状部材を用いて、熱交換器２０を迂回させて熱交換器２０よりも下流側へと排ガスを流す流路を形成してもよい。
また、排気熱回収器１００においては、インナーパイプ３０の狭窄部３２は、傾斜する管壁によって形成しているが、これに限らず、傾斜することなく大径部３１の下流側端部から小径部３３の上流側端部にかけて垂直に延びる管壁によって形成してもよい。
また、排気熱回収器１００においては、インナーパイプ３０とパイプ１０とを別部材として制作しているが、これに限らず、インナーパイプ３０とパイプ１０とを一体として制作してもよい。
また、排気熱回収器１００は、排ガスからの熱回収を行うものとしているが、これに限らず、気体か液体かを問わず、他の流体から熱回収を行うものとしてもよい。
また、排気熱回収器１００においては、連通口３５ａ、３５ｂはスリット状としているが、これに限らず、円形状としてもよい。
また、排気熱回収器１００においては、パイプ１０の大径部１３の断面形状を楕円形とし、熱交換器２０の外形形状を略直方体としているが、これに限らず、排気熱回収器１００が搭載される乗用車の要求に応じて、これら以外の種々の形状を採用し得る。

また、前述した各実施形態が備える各要素は、技術的に可能な限りにおいて組み合わせることができ、これらを組み合わせたものも本発明の特徴を含む限り本発明の範囲に包含される。

１０ ：パイプ
１７ａ：隙間
２０ ：熱交換器
３０ ：インナーパイプ
３０ｃ：下流側端部
３０ｄ：開口
３２ ：狭窄部
３５ａ、３５ｂ：スリット（連通口）
４０ａ、４０ｂ：バイパス流路
１００：排気熱回収器（熱回収器）

Claims (3)

1. 供給される流体から熱を回収して排出する熱回収器であって、
   前記流体が流れる管状のインナーパイプと、
   前記インナーパイプを通過した前記流体が当たるように、前記インナーパイプの下流側
   端部の開口と対向する位置に配置され、前記流体から熱を回収する熱交換器と、を備え、
   前記インナーパイプの途中には連通口が形成されており、
   前記インナーパイプは、その下流側端部の開口から流体が流出する方向に沿って見た場
   合に、その下流側端部の開口の全体が前記熱交換器と重合するように配置されており、
   前記インナーパイプを流れる前記流体の流量が大きい場合は、流量が小さい場合に比べ
   て、前記熱交換器に当たることなく前記連通口を介して外部に流出する前記流体の流量が
   大きくなるように構成されていることを特徴とする熱回収器。
2. 前記インナーパイプは、その下流側端部の開口と前記熱交換器との間に隙間を設けて配
   置されていることを特徴とする請求項１に記載の熱回収器。
3. 前記インナーパイプは、上流側から下流側にかけてその流路断面積が減少する狭窄部を
   有するとともに、前記狭窄部よりも上流側の部位に前記連通口が形成されていることを特
   徴とする請求項２に記載の熱回収器。

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