JP6400294B2 - 排気熱回収器 - Google Patents

Description

本発明は、排ガスとともに排出される熱を回収する排気熱回収器に関する。

乗用車のエンジンから排ガスとともに排出される熱（排気熱）を回収し、その熱を再利用することで、乗用車の燃費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、乗用車のエンジンから排出される排ガスと、電動ポンプによって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、走行時のエンジンや触媒の冷却を主な目的として用いられるものであり、冷却水流路に配置されたラジエータにおいて空気と熱交換を行い、冷却される。一方、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や触媒へと排気熱を移動させる役割を果たしており、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排気熱を回収するシステムにおいては、排気熱を回収した冷却水が著しく高温となり、沸騰することを防止するために、冷却水が所定温度に達した後は、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、冷却水の流量の調整によって行っている。詳細には、電動ポンプを制御することにより、冷却水流路を流れる冷却水の流量を調整するものであって、冷却水が所定温度に達するまでは流量を大きくして熱交換を促す一方、冷却水が所定温度に達した後は流量を小さくして熱交換を抑制している。

特開２００８−１９０４３７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、冷却水流路を流れる冷却水の流量を調整可能とするために、電動ポンプの制御や構成が複雑になり、製造コストが増大し易いという課題を有していた。

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、制御や構成を簡易なものとして製造コストを抑制しながらも、冷却水と排ガスとの熱交換を適切に制御することが可能な排気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、本発明に係る排気熱回収器は、排ガスとともに排出される熱を回収する排気熱回収器であって、排ガスを流す排ガス流路と、冷却水を流す冷却水流路と、前記排ガス流路内に配置された熱交換器と、前記冷却水流路内の冷却水を、前記冷却水流路に設けられた分岐部から前記熱交換器へと流す分配流路と、前記熱交換器において排ガスと熱交換した冷却水を、前記分岐部よりも下流側の前記冷却水流路に設けられた合流部から前記冷却水流路内へと戻す帰還流路と、前記冷却水流路内から分配し前記分配流路を介して前記熱交換器へと流す冷却水の流量を調整する分配流量調整器と、を備え、前記分配流量調整器は、前記冷却水流路内を流れる冷却水の温度が高い場合は、温度が低い場合に比べて前記熱交換器へと流す冷却水の流量を小さくするように構成されていることを特徴としている。

本発明に係る排気熱回収器によれば、冷却水の温度が高まった場合に、冷却水流路内から分配される冷却水の流量を調整することで、熱交換器における熱交換を抑制することが可能となる。したがって、ポンプの複雑な制御によることなく、冷却水と排ガスとの熱交換を適切に制御することができ、その制御や構成も簡易なものとすることができるため、製造コストの抑制を図ることが可能となる。

また本発明に係る排気熱回収器では、前記分配流量調整器は、前記冷却水流路内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、分配流量調整器を冷却水流路内に配置することで、全体の構成をコンパクトなものにするとともに、冷却水流路内の冷却水の温度変化に高い精度で感応し、冷却水流路内から分配される冷却水の流量を適切に調整することが可能となる。

また本発明に係る排気熱回収器では、前記分配流量調整器は、前記分岐部と前記合流部との間の前記冷却水流路内に配置され、前記冷却水流路内を流れる冷却水の温度が高い場合は、温度が低い場合に比べて前記冷却水流路の通水断面積を大きくするように構成されていることも好ましい。

この好ましい態様では、分配流量調整器は、冷却水流路内を流れる冷却水の温度が高い場合に、冷却水流路の通水断面積を大きくするため、分配されることなく冷却水流路内を流れ続ける冷却水の流量が大きくなる一方、冷却水流路内から分配されて熱交換器へと流される冷却水の流量が小さくなる。このため、冷却水流路内を流れる冷却水の温度が高い場合に、熱交換器における熱交換が抑制されるように冷却水の流量を調整し、冷却水と排ガスとの熱交換を適切に制御することが可能となる。

本発明によれば、制御や構成を簡易なものとして製造コストを抑制しながらも、冷却水と排ガスとの熱交換を適切に制御することが可能な排気熱回収器を提供することができる。

本発明の実施形態に係る排気熱回収器の排気熱回収時の状態を表す断面図である。 本発明の実施形態に係る排気熱回収器の非排気熱回収時の状態を表す断面図である。

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を参照して、本発明の実施形態に係る排気熱回収器の概要を説明する。図１は、本発明の実施形態に係る排気熱回収器１００の排気熱回収時の状態を表す断面図である。

図１に示すように、排気熱回収器１００は、排気装置１０と、冷却装置２０と、熱交換器３０と、分岐管４０と、帰還管５０と、分配流量調整器６０と、を備えている。

排気装置１０は、乗用車のエンジン（図示せず）から排出される排ガスを、車外へと導く装置であり、マフラー１１を有している。マフラー１１は、乗用車の前方部に配置されるエンジンから、乗用車の後方部にかけて延びる管状の金属製部材であり、図１にはその一部分が表されている。マフラー１１の内部には、矢印Ｅ１１及びＥ１２で表す方向に排ガスを流す排ガス流路１２が形成されている。また、マフラー１１の内部には触媒（図示せず）が配置されており、エンジンから排出された排ガスは、当該触媒を通過することで所定の浄化処理が行われ、その後に乗用車の後方部から車外へと排出される。

冷却装置２０は、乗用車の走行時に、エンジン及びラジエータ（図示せず）に冷却水を循環させてエンジンの冷却を行う装置であり、入口管２１と、大径管２２と、出口管２３と、を有している。入口管２１、大径管２２及び出口管２３は、いずれも管状の金属製部材である。これらを直線状に配置して連結することで、その内部には冷却水流路２４が形成されており、ポンプ（図示せず）によって圧送された冷却水が、矢印Ｃ１１で表すように入口管２１から流入する。入口管２１及び出口管２３は、その内径がほぼ等しくなるように形成されているのに対し、それらの間に配置される大径管２２は、その内径が入口管２１及び出口管２３の２倍程度に設定されている。大径管２２は、その側面に開口である分岐部２２ａ及び合流部２２ｂが開設されている。

熱交換器３０は、流体間で熱交換を行わせる装置であり、排ガス流路１２内に配置されている。熱交換器３０は、薄肉の鋼材によって形成されており、その内部に形成された流路を流れる流体と、熱交換器３０の外部を流れる流体との間で、鋼材を介した熱交換を行わせる。熱交換器３０の側面のうち、冷却装置２０側の一側面には、入口部３１及び出口部３２が形成されている。入口部３１から熱交換器３０内に流入した流体は、内部流路を流れて熱交換を行った後、出口部３２から熱交換器３０外に流出する。

分岐管４０は、管状の金属製部材であり、その内部には分配流路４１が形成されている。分岐管４０は、排気装置１０と冷却装置２０との間を跨ぐように配置され、その一端部４０ａが熱交換器３０の入口部３１に接続され、他端部４０ｂが冷却装置２０の大径管２２の分岐部２２ａに接続されている。これにより、分配流路４１は、矢印Ｃ１２及びＣ１３で表すように、冷却水流路２４内から分配した冷却水を熱交換器３０へと流す流路を形成している。

帰還管５０は、管状の金属製部材であり、その内部には帰還流路５１が形成されている。帰還管５０は、排気装置１０と冷却装置２０との間を跨ぐように配置され、その一端部５０ａが熱交換器３０の出口部３２に接続され、他端部５０ｂが冷却装置２０の大径管２２の合流部２２ｂに接続されている。これにより、帰還流路５１は、矢印Ｃ１４及びＣ１５で表すように、熱交換器３０において熱交換した冷却水を合流部２２ｂから冷却水流路２４内へと戻す流路を形成している。

分配流量調整器６０は、分岐部２２ａと合流部２２ｂとの間の冷却水流路２４内に配置され、ロッド支持部材６１と、ロッド６２と、弁体６３と、弁座部材６４と、コイルばね６５と、を有している。分配流量調整器６０は、冷却水流路２４内を流れる冷却水の温度に応じて弁体６３を移動させることで、冷却水流路２４の通水断面積を変化させる弁装置である。図１では、弁体６３がコイルばね６５によって付勢され、環状の弁座部材６４に押し付けられた状態を表している。この状態では、分配流量調整器６０が配置された部位における冷却水流路２４の通水断面積はゼロとなり、冷却水は分配流量調整器６０を通過することができない。弁体６３は、その端部に凹部６３ａが設けられており、その凹部６３ａ内には、大径管２２に対し固定されたロッド支持部材６１によって支持されるロッド６２が挿入されている。後に詳述するように、この挿入されたロッド６２の先端と凹部６３ａとの間にはワックス６６が充填されており、このワックス６６が冷却水の温度に応じて膨張又は収縮することで、弁体６３をロッド６２に沿って移動させる。

次に、図１に加えて図２を参照して、本発明の実施形態に係る排気熱回収器の動作原理を説明する。図２は、本発明の実施形態に係る排気熱回収器１００の非排気熱回収時の状態を表す断面図である。

乗用車のエンジンの始動時は、排気熱回収器１００は図１に表す形態となることで排ガスから排気熱を回収し、エンジンの暖機に利用する。以下、この排気熱回収時における排気熱回収器１００の動作について説明する。

乗用車のエンジンの始動とともに、ポンプによって圧送された冷却水が冷却水流路２４内を流れ始める。このとき、冷却水流路２４内を流れる冷却水の温度はまだ低いため、分配流量調整器６０のワックス６６の温度も低く、その体積は小さい。このため、分配流量調整器６０の弁体６３は、ワックス６６から膨張力を受けることなく、コイルばね６５によって付勢されて弁座部材６４に押し付けられる。これにより、弁体６３と弁座部材６４との間には隙間がないため、分配流量調整器６０が配置された部位における冷却水流路２４の通水断面積はゼロとなり、冷却水は分配流量調整器６０を通過することができない。

矢印Ｃ１１で表すように入口管２１内に流入した冷却水は、分配流量調整器６０を通過することできないことで、矢印Ｃ１２で表すように、その全量が分岐部２２ａから分配流路４１内に流入する。次に、冷却水は、矢印Ｃ１３で表すように、分配流路４１を介して入口部３１から熱交換器３０内へと流入する。この冷却水は、熱交換器３０内に形成された流路を流れることで、熱交換器３０の外部を流れる高温の排ガスと間で熱交換を行う。すなわち、冷却水による排気熱の回収が行われる。

排気熱を回収し、高温となった冷却水は、出口部３２から熱交換器３０外に流出する。次に、冷却水は、矢印Ｃ１４及びＣ１５で表すように、帰還流路５１を介して、分配流量調整器６０の下流側の合流部２２ｂから冷却水流路２４内へと戻される。

このようにして排ガスから回収された排気熱は、矢印Ｃ１６で表すように冷却水が出口管２３から流出してエンジンや触媒に至ることで、それらの暖機に利用される。

排気熱の回収によって冷却水が著しく高温となり、沸騰することを防止するために、冷却水が所定温度に達した後は、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。以下、図２に表すように、排ガスとの熱交換を抑制又は停止させるために、冷却水による排気熱の回収を行わない非排気熱回収時における排気熱回収器１００の動作について説明する。尚、「非排気熱回収時」とは、冷却水による排気熱の回収が全く行われない場合のみならず、冷却水が殆ど昇温しない微量の排気熱の回収を行う場合をも含むものとする。

冷却水流路２４内を流れる冷却水が高温になると、分配流量調整器６０の弁体６３の凹部６３ａ内のワックス６６も高温となって溶け始め、その体積が膨張する。ロッド６２の先端と凹部６３ａとの間でワックス６６が体積膨張することにより、弁体６３は、ロッド６２と離反する方向にその膨張力を受けることとなる。このため、ワックス６６から膨張力を受けた弁体６３は、弁体６３を付勢しているコイルばね６５を押し縮めるようにして、ロッド６２に沿って移動する。

この移動により、弁体６３はそれまで押しつけられていた弁座部材６４からも離反し、両者の間に隙間が形成される。すなわち、分配流量調整器６０が配置された部位における冷却水流路２４の通水断面積が増加する。このため、矢印Ｃ２１で表すように入口管２１に流入した冷却水は、その一部が矢印Ｃ２２で表すように大径管２２の分岐部２２ａから熱交換器３０内へと流されるとともに、残りが矢印Ｃ２７で表すように分配流量調整器６０を通過するように分配される。

図１に表した排気熱回収時では、入口管２１に流入した冷却水の全てが熱交換器３０へと流されるのに対し、図２に表した非排気熱回収時では、冷却水の一部のみが熱交換器３０へと流される。したがって、非排気熱回収時では、熱交換器３０における熱交換が抑制されるように冷却水の流量が調整されることとなり、冷却水が沸騰しないよう、冷却水と排ガスとの熱交換を適切に制御することが可能となる。

また、非排気熱回収時では、熱交換器３０において排ガスと熱交換した冷却水は、矢印Ｃ２４及びＣ２５で表すように、帰還流路５１を介して合流部２２ｂから冷却水流路２４内へと戻される。したがって、非排気熱回収時に出口管２３から流出する冷却水（図２の矢印Ｃ２６）の流量を、排気熱回収時に出口管２３から流出する冷却水（図１の矢印Ｃ１６）の流量から変化させることなく、熱交換器３０へと流される冷却水の流量を調整することが可能となる。すなわち、冷却水を圧送するポンプの複雑な制御を伴うことなく、冷却水と排ガスとの熱交換を適切に制御することが可能となる。

また、分配流量調整器６０を冷却水流路２４内に配置することで、全体の構成をコンパクトなものにするとともに、冷却水流路２４内の冷却水の温度変化に高い精度で感応し、冷却水流路２４から分配される冷却水の流量を適切に調整することが可能となる。

さらに、分配流量調整器６０は、冷却水流路２４内を流れる冷却水の温度が高い場合に、冷却水流路２４の通水断面積を大きくするため、分配されることなく冷却水流路２４内を流れ続ける冷却水の流量が大きくなる一方、冷却水流路２４内から分配されて熱交換器３０へと流される冷却水の流量が小さくなる。このため、冷却水流路２４内を流れる冷却水の温度が高い場合に、熱交換器３０における熱交換が抑制されるように冷却水の流量を調整し、冷却水と排ガスとの熱交換を適切に制御す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。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 ：排気装置
１２ ：排ガス流路
２０ ：冷却装置
２２ａ：分岐部
２２ｂ：合流部
２４ ：冷却水流路
３０ ：熱交換器
４１ ：分配流路
５１ ：帰還流路
６０ ：分配流量調整器
１００：排気熱回収器

Claims (2)

1. 排ガスとともに排出される熱を回収する排気熱回収器であって、
   排ガスを流す排ガス流路と、
   冷却水を流す冷却水流路と、
   前記排ガス流路内に配置された熱交換器と、
   前記冷却水流路内の一部の冷却水を、前記冷却水流路に設けられた分岐部から前記熱交換器へと流す分配流路と、
   前記熱交換器において排ガスと熱交換した前記一部の冷却水を、前記分岐部よりも下流側の前記冷却水流路に設けられた合流部から前記冷却水流路内へと戻し、前記分配流路に流入することなく前記合流部に流れてくる他部の冷却水と合流させる帰還流路と、
   前記冷却水流路内から分配し前記分配流路を介して前記熱交換器へと流す冷却水の流量を調整する分配流量調整器と、を備え、
   前記分配流量調整器は、前記分配流路に連通する前記分岐部と前記帰還流路に連通する前記合流部との間を繋いで前記他部の冷却水を流す前記冷却水流路内に配置され、前記他部の冷却水の温度が高い場合は、温度が低い場合に比べて前記熱交換器へと流す冷却水の流量を小さくするように構成されていることを特徴とする排気熱回収器。
2. 前記分配流量調整器は、前記他部の冷却水の温度が高い場合は、温度が低い場合に比べて前記冷却水流路の通水断面積を大きく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。

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