JP6423262B2 - 排気熱回収装置 - Google Patents

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Description

本発明は、排気ガスから熱を回収する排気熱回収装置に関する。
上記の排気熱回収装置として、水温感応式のアクチュエータによって排気ガスの流路に配置されたバルブを開閉するものが知られている(例えば、特許文献1参照)。この排気熱回収装置では、水温感応式のアクチュエータが水温に応じて直線運動することによってバルブを開閉し、バルブが閉じられたときに排気ガスの流路が熱交換器側に切り替えられる。すると、熱交換器に排気ガスが流入し、排気ガスの熱が回収される。
特開2010−071454号公報
上記の排気熱回収装置では、水温感応式のアクチュエータを用いるので、作動するか否かが水温によって決まる。よって、任意のタイミングで排気ガスの熱を回収できないという問題点がある。
そこで、排気ガスから熱を回収する排気熱回収装置において、任意のタイミングで排気ガスの熱を回収できるようにすることを本発明の目的とする。
本発明の一側面の排気熱回収装置は、排気ガスから熱を回収する技術に関するものであり、バルブ開閉機構と、熱交換器と、回転式のモータとを備える。
バルブ開閉機構は、排気ガスの流路内に配置されたバルブを開閉させることによって排気ガスの流路を変更する。熱交換器は、バルブの開閉によって変更される複数の流路のうちの少なくとも何れかに配置されている。回転式のモータは、バルブ開閉機構を作動させることによってバルブを開閉させる。
このような排気熱回収装置によれば、回転式のモータの作動によりバルブを開閉させるので、任意のタイミングで熱交換器において排気ガスの熱を回収することができる。
また、本発明の一側面の排気熱回収装置において、バルブ開閉機構は、バルブが開閉される際の回転軸となる弁軸を回転させることでバルブを開閉させるよう構成されている。
このような排気熱回収装置によれば、回転式のモータによる回転エネルギを弁軸の回転エネルギとして伝達すればよく、エネルギを伝達するための構成を簡素化することができる。また、バルブ開閉機構を回転させる際に任意のバルブ開度に設定しやすくすることができる。
また、本発明の一側面の排気熱回収装置においては、モータの回転力をバルブに駆動力として伝達する伝達機構、を備えている。
このような排気熱回収装置によれば、バルブ開閉機構を駆動させる際のトルクを大きくすることができる。
また、本発明の一側面の排気熱回収装置においては、モータの回転軸と弁軸とは非平行に設定されている。
このような排気熱回収装置によれば、モータが弁軸の方向に大きく突出して配置されることを抑制することができる。
また、本発明の一側面の排気熱回収装置においては、モータの回転軸とバルブが開いている状態において排気ガスがバルブを通過する際の流れ方向とが平行または略平行に設定されている。
このような排気熱回収装置によれば、モータを流れ方向に沿って配置することで、モータの長手方向を当該排気熱回収装置の長手方向となりやすい排気ガスの流れ方向とを一致させるので、排気熱回収装置を省スペース化することができる。
また、本発明の一側面の排気熱回収装置において、バルブ開閉機構は、弁軸または弁軸に連動する軸に配置された扇形歯車を備え、扇形歯車は、バルブが開状態から閉状態に遷移する際に、扇形歯車が弁軸周りを一周する際の軌跡として生じる仮想的な円弧において、通過しない領域ができるよう設定されている。
このような排気熱回収装置によれば、扇形歯車が通過するために必要となる領域を狭くすることができるので、排気熱回収装置を小型化することができる。
なお、各請求項の記載は、可能な限りにおいて任意に組み合わせることができる。この際、一部構成を除外してもよい。
実施形態における排気熱回収装置の外観を示す斜視図である。 閉弁した状態での排気熱回収装置の断面図であり、図1におけるII―II断面図である。 バルブ開閉機構および弁の一部構成を示す分解斜視図である。 抑制機構の係合関係のうちの非係合初期状態を示す正面図である。 抑制機構の係合関係のうちの係合初期状態を示す正面図である。 抑制機構の係合関係のうちの係合回転状態を示す正面図である。 変形例において扇形歯車を示す説明図である。
以下に本発明における一例としての実施形態を図面と共に説明する。
<排気熱回収装置の概要>
図1および図2に示す排気熱回収装置1は、例えば乗用車等の内燃機関を有する移動体に搭載される。この排気熱回収装置1は、高温流体である内燃機関からの排気142(排気ガス)が有する熱を、排気142よりも低温の低温流体である内燃機関の冷却液144に伝達させることにより、排気142から熱を回収する。本実施形態における冷却液144は、冷却水であってもよいし、油液であってもよい。
本実施形態の排気熱回収装置1は、排気部2と、シェル部材4と、熱交換部6と、流入部8と、バルブ10と、モータ70と、バルブ開閉機構80とを備えている。
排気部2は、内燃機関からの排気142を下流側へと導く流路を形成する。シェル部材4は、排気部2の外側を覆う部材である。熱交換部6は、排気部2とシェル部材4との間に配置された熱交換器30を有し、排気142と冷却液144との間で熱交換する。
流入部8は、図2に示すように、排気部2から熱交換部6へと排気142が流入する部位である。バルブ10は、排気142の流路を開放または閉塞する弁であり、排気部2における排気142の流路に沿って流入部8よりも下流側に配置されている。
バルブ10が開放されると、排気142の大部分は熱交換部6を経由することなくバルブ10の下流に流れる。バルブ10が閉塞されると、排気142の大部分は熱交換部6を経由してからバルブ10の下流に流れる。つまり、バルブ10は開閉に応じて排気142の流路を切り替える。
モータ70は、バルブ10を駆動する駆動力を発生する。バルブ開閉機構80は、モータ70にて発生した回転力によってトルクを増大させつつバルブ10を開閉するための弁軸66に伝達する。
また、バルブ開閉機構80には、抑制機構100(図3参照)を備えている。抑制機構100は、排気142の圧力が瞬間的に増大したとき等にバルブ10に加わる外力によってバルブ10が押され、閉状態から開状態に変位する際に、この際の外力がバルブ開閉機構80を介してモータ70に加わることを抑制するための機構である。
<排気熱回収装置の構造>
排気部2は、図2に示すように、排気管12を備えている。排気管12は、両端が開口した円筒状に形成されている。排気管12は、内燃機関からの排気142が流入するエキゾーストパイプやエキゾーストマニホールドなどに接続されている。
シェル部材4は、排気管14と、外殻部材20と、蓋部材22と、保持部材24とを備えている。排気管14は、両端が開口した円筒状に形成されている。
外殻部材20は、両端が開口し、排気管12の直径よりも大きな内径の円筒状に形成されている。外殻部材20の下流側の端部は、排気管14の上流端16に接続される。
蓋部材22は、排気管12における排気142の流路に沿った外殻部材20の上流側の開口を閉塞する。つまり、外殻部材20と蓋部材22と排気管12とにより、外殻部材20と蓋部材22と排気管12とに囲まれた、環状の空間である熱交換室28が形成される。
この熱交換室28に配置される熱交換器30には、例えば前述の特許文献1にて開示された周知の熱交換器等、任意の熱交換器を採用できる。
なお、冷却液144は、蓋部材22を貫通する流入管44から熱交換器30の内部に流入し、熱交換器30の内部において熱交換が行われた後に、蓋部材22を貫通する流出管46を介して熱交換器30の外部へと流出する。
保持部材24は、熱交換室28に配置された熱交換器30を保持する。
流入部8は、導入部材56を備える。排気管12の排気下流端18と、導入部材56との間には、周方向に渡って開口が形成される。そして、排気管12の排気下流端18と導入部材56との間の開口が、熱交換部6への排気142の流入口として機能する。
バルブ10は、弁体62と、弁座64と、弁軸66とを少なくとも有する。弁体62は、導入部材56(排気管12)の直径よりも大きな直径を有した円板状の部材である。弁軸66は、弁体62に接続された軸であり、弁体62を駆動する軸である。
弁座64は、弁体62と接触することで、排気部2(導入部材56)を閉塞する部材である。本実施形態における弁座64は、導入部材56の先端部位58である。弁座64の内周面には、メッシュ状に形成されたメッシュ部材68が取り付けられている。
<モータの構造>
モータ70は、図1に示すように、電力が供給されることによって回転駆動する回転式のモータアクチュエータとして構成されている。このモータ70においては、モータ70の回転軸と弁軸66とが非平行になるよう設定されている。特に、バルブ10が開いている状態において排気142がバルブ10を通過する際の流れ方向(図1に示す排気部2への排気142の流入方向)と、モータ70の回転軸とが平行または略平行に設定されている。
なお、排気142の流れ方向とモータ70の回転軸とが平行または略平行とは、モータ70の回転軸が、排気熱回収装置1の周囲の形状に沿う方向に向けて配置される構成を含む。
<バルブ開閉機構の構造>
バルブ開閉機構80は、モータ70の回転軸に発生する回転運動を弁軸66の回転運動として伝達する機構である。このバルブ開閉機構80としては、図1に示すウォーム72、ウォームホイール74、駆動軸ギヤ76と、図3に示す駆動軸160、抑制機構100、ねじりバネ126、バネ保持部132とを備えている。なお、図1においては、抑制機構100、ねじりバネ126、バネ保持部132の記載を省略し、破線にて弁軸66を表記している。実際には、図1の破線にて示す領域に、図3に示す抑制機構100、ねじりバネ126、およびバネ保持部132が配置される。
ウォーム72は、図1に示すように、モータ70の回転軸と同軸上に配置されており、モータ70による回転力をウォームホイール74に伝える。
ウォームホイール74は、平歯車等の一般的な歯車として構成されており、ウォーム72による回転力をさらに駆動軸ギヤ76に伝える。
駆動軸ギヤ76は、平歯車等の一般的な歯車として構成されており、駆動軸160に配置されている。駆動軸ギヤ76は、ウォームホイール74による回転力を駆動軸160に伝える。
バネ保持部132は、金属にて構成され、図3に示すように、弁軸66が挿通される孔を備えている。バネ保持部132は、ねじりバネ126のバルブ10側の端部を移動しないよう保持する。
ねじりバネ126は、いわゆる、ねじりコイルばねとして構成されている。ねじりバネ126は、バルブ10側の端部がバネ保持部132に固定され、駆動軸160側の端部が抑制機構100を構成する被係合部材110に接続される。ねじりバネ126の駆動軸160側の端部は、被係合部材110の回転に伴って変位する。なお、本実施形態において、ねじりバネ126は、弁体62を閉弁する方向に付勢力を加えるように取り付けられる。
抑制機構100は、バルブ10に加わる外力がバルブ開閉機構80を介してモータ70に加わることを抑制するための機構である。詳細には、抑制機構100は、図3に示すように、被係合部材110と、係合部材150とを備えている。
被係合部材110は、係合部112と、係止孔114とが形成されている。係合部112は、後述するピン152が係合される切り欠きであり、回転軸となる係止孔114からある程度離れた位置に形成されている。この係合部112は、ピン152を損傷させることなく受け止めるためにピン152の外形に沿った形状とされている。
係止孔114は、被係合部材110に穿設された孔である。この係止孔114には、弁軸66における駆動軸160側の端部67が挿入した状態で固定される。この構成により被係合部材110は、弁軸66とともに回動することになる。
係合部材150は、ピン152と、孔部154とを備えている。係合部材150は、孔部154に駆動軸160が挿通された状態で駆動軸160に対して固定される。また、ピン152は、係合部材150の本体部分(板状の部位)から被係合部材110側に突出して配置されている。
また、ピン152は、回転軸となる駆動軸160からある程度離れて配置されている。つまり、駆動軸160の回転に伴って、ピン152の位置が変位するよう設定されている。
係合部材150は、駆動軸160の回転に伴って移動し、被係合部材110の係合部112に接触させたり接触させなかったりする状態を切り替えられるよう構成される。なお、駆動軸160と弁軸66とは同軸上となるよう設定される。
<抑制機構の作動>
このような抑制機構100において、バルブ10が閉じられた閉状態では、図4に示すように、係合部材150のピン152と、被係合部材110の係合部112とが非接触になるよう設定され、ピン152と係合部112との間には隙間が形成される。このとき、排気142の圧力が一時的に高まると、バルブ10が押されてバルブ10が僅かに開いた半開状態となるが、この際、ピン152と係合部112との間には隙間が形成されているため、被係合部材110から係合部材150へは回転力が伝わりにくい。
また、抑制機構100において、バルブ10が所定の最大開放位置まで完全に開いた全開状態に遷移させるときには、図5に示す例では、モータ70を駆動することによって係合部材150を反時計回りに回転させる。すると、係合部材150のピン152は、被係合部材110の係合部112と接触し、モータ70による回転力が弁軸66に伝達されるようになる。
この状態からさらに係合部材150を反時計回りに回転させると、弁軸66が被係合部材110とともに反時計回りに回転し、図6に示すように、弁体62が弁座64から離れ、半開状態を経て全開状態となる。
なお、バルブ10を閉じる際には、上記作動とは逆にモータ70を作動させればよい。つまり、図6に示す例において係合部材150を時計回りに回転させると、バルブ10は、ねじりバネ126の付勢力によって半開状態を経て閉状態に遷移する。バルブ10が閉状態になってからそのままモータ70を作動させると、ピン152と係合部112との間に再び隙間が形成される。
<排気熱回収装置の効果>
以上のように詳述した排気熱回収装置1は、排気ガスから熱を回収する技術に関するものであり、バルブ開閉機構80と、熱交換器30と、回転式のモータ70とを備える。
バルブ開閉機構80は、排気ガスの流路内に配置されたバルブ10を開閉させることによって排気ガスの流路を変更する。熱交換器30は、バルブ10の開閉によって変更される複数の流路のうちの少なくとも何れかに配置されている。回転式のモータ70は、バルブ開閉機構80を作動させることによってバルブ10を開閉させる。
このような排気熱回収装置1によれば、回転式のモータ70の作動によりバルブ10を開閉させるので、任意のタイミングで熱交換器30において排気ガスの熱を回収することができる。また、水温感応式のアクチュエータと比較すると、排気熱回収装置1では、モータ70に冷却水を流す必要がないため、冷却水漏れのリスクを軽減できる。また、モータ70に冷却水を流すための配管が不要となるため、排気熱回収装置1を小型化できる。
さらに、モータ70を用いてバルブ10を開閉させるので、低温環境下であってもバルブ10を作動させることができ、作動の応答性や制御の容易さを確保することができる。また、モータ70の交換にも容易に対応することができる。
また、上記の排気熱回収装置1において、バルブ開閉機構80は、バルブ10が開閉される際の回転軸となる弁軸66を回転させることでバルブ10を開閉させるよう構成されている。
このような排気熱回収装置1によれば、回転式のモータ70による回転エネルギを弁軸66の回転エネルギとして伝達すればよく、エネルギを伝達するための構成を簡素化できる。また、バルブ開閉機構80を回転させる際に任意のバルブ開度に設定しやすくすることができる。
また、上記の排気熱回収装置1においては、モータ70の回転力をバルブ10に駆動力を伝達するウォーム72、ウォームホイール74、駆動軸ギヤ76、を備えている。
このような排気熱回収装置1によれば、バルブ開閉機構80を駆動させる際のトルクを大きくすることができる。
また、上記の排気熱回収装置1においては、モータ70の回転軸と弁軸66とは非平行に設定されている。
このような排気熱回収装置1によれば、モータ70が弁軸66の方向に突出して配置されることを抑制することができる。
また、上記の排気熱回収装置1においては、モータ70の回転軸とバルブ10が開いている状態において排気ガスがバルブ10を通過する際の流れ方向とが平行または略平行に設定されている。
このような排気熱回収装置1によれば、モータ70を流れ方向に沿って配置することで、モータ70の長手方向を当該排気熱回収装置1の長手方向となりやすい排気ガスの流れ方向とを一致させるので、排気熱回収装置1を省スペース化することができる。
また、上記の排気熱回収装置1においては、抑制機構100は、バルブ10が外力によってバルブ10が閉状態から開状態に変位する際にバルブ開閉機構80に生じる力がモータ70に加わることを抑制する。
このような排気熱回収装置1によれば、バルブ10が外力によってバルブ10が閉状態から開状態に変位する際にバルブ開閉機構80に生じる力がモータ70に加わることを抑制するので、モータ70の破損を抑制できる。
また、上記の排気熱回収装置1においては、抑制機構100は、モータ70側から伝達される力に伴って移動するピン152と、バルブ10の開閉に伴ってバルブ開閉機構80側から伝達される力に伴って移動し、ピン152と係合するとモータ70による力をバルブ開閉機構80に伝達可能となる係合部112と、を備え、バルブ10が閉状態のときに、ピン152および係合部112が非接触の状態にされうるよう構成されている。
このような排気熱回収装置1によれば、バルブ10が閉状態のときに、ピン152と係合部112とが非接触にされうるので、ピン152と係合部112とが非接触にされていれば、バルブ10に加わる衝撃をピン152と係合部112との隙間の部位で吸収することができる。よって、バルブ10に加わる衝撃がモータ70に伝達されず、モータ70の破損を抑制することができる。
また、上記の排気熱回収装置1において、ピン152および係合部112のうちの一方は、モータ70の駆動またはバルブ10の開閉に伴って移動する移動体から突出するピンとして構成されている。また、ピン152および係合部112のうちの他方は、ピンの外形に沿った形状として構成されている。
このような排気熱回収装置1によれば、ピン152および係合部112をピンとピンの外形に沿った形状との組み合わせで構成するので、簡素な構成とすることができる。
また、上記の排気熱回収装置1において、ピン152および係合部112は、それぞれ異なる回転体の回転軸から離れた位置において相手方の回転体に向かって突出して配置されており、ピン152および係合部112が係合したときに、一方の回転体の回転運動を他方の回転体の回転運動に伝達するよう構成される。
このような排気熱回収装置1によれば、相手方の回転体(ピン152であれば、係合部112が配置された回転体、係合部112であればピン152が配置された回転体)に対して、回転運動を回転運動として伝達するので、モータ70の回転力を円滑に伝達することができる。また、抑制機構100は、回転運動を回転運動として伝達するので、ピン152および係合部112を係合させないときに、それぞれを任意の位置に移動させておくことができる。つまり、ピン152および係合部112を係合させない状態にしておく際の互いの位置についての精度を不要とすることができる。
[その他の実施形態]
本発明は、上記の実施形態によって何ら限定して解釈されない。また、上記の実施形態の説明で用いる符号を特許請求の範囲にも適宜使用しているが、各請求項に係る発明の理解を容易にする目的で使用しており、各請求項に係る発明の技術的範囲を限定する意図ではない。上記実施形態における1つの構成要素が有する機能を複数の構成要素として分散させたり、複数の構成要素が有する機能を1つの構成要素に統合させたりしてもよい。また、上記実施形態の構成の少なくとも一部を、同様の機能を有する公知の構成に置き換えてもよい。また、上記実施形態の構成の一部を、課題を解決できる限りにおいて省略してもよい。また、上記実施形態の構成の少なくとも一部を、他の上記実施形態の構成に対して付加又は置換してもよい。なお、特許請求の範囲に記載した文言のみによって特定される技術思想に含まれるあらゆる態様が本発明の実施形態である。
上述した排気熱回収装置1の他、当該排気熱回収装置1を構成要素とするシステム、当該排気熱回収方法など、種々の形態で本発明を実現することもできる。
例えば、上記実施形態においては、駆動軸ギヤ76を省略し、ウォームホイール74を駆動軸160に配置してもよい。この構成においては、図7に示すように、ウォームホイール74に換えて、扇形歯車(セクター歯車)として構成された扇形ギヤ74Bを採用してもよい。
このとき、扇形ギヤ74Bは、例えば、扇形ギヤ74Bの回転軸75A(駆動軸160)の周囲の図7に示す[A]から[B]までの領域を移動する。なお、図7に示す[A]の状態では、バルブ10が閉塞し、かつ、ピン152および係合部112が離れた状態とされる。また、図7に示す[B]の状態では、バルブ10が全開状態とされる。
つまり、図7に示す例では、回転軸75Aを中心として扇形ギヤ74Bが弁軸66周りを一周する際の軌跡として生じる仮想的な円弧75Bにて表される領域において、概ね下側の半分だけを利用する。このため、円弧75Bの領域に、扇形ギヤ74Bが通過しない領域が存在する。
よって、このようなその他の実施形態の排気熱回収装置では、扇形ギヤ74Bが通過するために必要となる領域を狭くすることができるので、図7に示す例では、円弧75Bの上側の概ね半分の領域分だけ、排気熱回収装置を小型化することができる。
[実施形態の構成と本発明の手段との対応関係]
上記実施形態におけるウォーム72、ウォームホイール74、駆動軸ギヤ76は、本発明でいう伝達機構に相当し、上記実施形態におけるピン152は、本発明でいう第1係合部に相当し、上記実施形態における係合部112は、本発明でいう第2係合部に相当する。
1…排気熱回収装置、2…排気部、4…シェル部材、6…熱交換部、8…流入部、10…バルブ、12…排気管、14…排気管、16…上流端、18…排気下流端、20…外殻部材、22…蓋部材、24…保持部材、28…熱交換室、30…熱交換器、44…流入管、46…流出管、56…導入部材、58…先端部位、62…弁体、64…弁座、66…弁軸、67…端部、68…メッシュ部材、70…モータ、72…ウォーム、74…ウォームホイール、74B…扇形ギヤ、76…駆動軸ギヤ、80…バルブ開閉機構、100…抑制機構、110…被係合部材、112…係合部、114…係止孔、126…ねじりバネ、132…バネ保持部、142…排気、144…冷却液、150…係合部材、152…ピン、154…孔部、160…駆動軸。

Claims (6)

  1. 排気ガスから熱を回収する排気熱回収装置であって、
    排気ガスの流路内に配置されたバルブを開閉させることによって排気ガスの流路を変更するバルブ開閉機構と、
    前記バルブの開閉によって変更される複数の流路のうちの少なくとも何れかに配置された熱交換器と、
    前記バルブ開閉機構を作動させることによって前記バルブを開閉させる回転式のモータと、
    前記モータの回転軸と同軸上に配置されたウォームと、
    前記バルブが開閉される際の回転軸となる弁軸に平行な軸上に配置され、前記ウォームに噛み合うウォームホイールと、
    を備え
    前記バルブ開閉機構は、前記モータが前記ウォーム及び前記ウォームホイールを介して前記弁軸を回転させることで前記バルブを開閉させるよう構成されていること
    特徴とする排気熱回収装置。
  2. 請求項1に記載の排気熱回収装置において、
    前記バルブが閉状態から開状態に変位する際に前記バルブ開閉機構に生じる力がモータに加わることを抑制する抑制機構、をさらに備えること
    を特徴とする排気熱回収装置。
  3. 請求項2に記載の排気熱回収装置において、
    前記抑制機構は、
    前記モータの回転軸の駆動と連動する係合部材と、
    前記弁軸とともに回動し、前記係合部材と係合可能な被係合部材と、を備え、
    前記バルブが閉状態の際に、前記係合部材と前記被係合部材とが非接触の状態となるように構成されること
    を特徴とする排気熱回収装置。
  4. 請求項1〜請求項3の何れか1項に記載の排気熱回収装置において、
    前記モータの回転軸と前記弁軸とは非平行に設定されていること
    を特徴とする排気熱回収装置。
  5. 請求項〜請求項4の何れか1項に記載の排気熱回収装置において、
    前記モータの回転軸とバルブが開いている状態において排気ガスがバルブを通過する際の流れ方向とが平行または略平行に設定されていること
    を特徴とする排気熱回収装置。
  6. 請求項〜請求項5の何れか1項に記載の排気熱回収装置において、
    前記バルブ開閉機構は、前記弁軸または前記弁軸に連動する軸に配置された扇形歯車を備え、
    該扇形歯車は、前記バルブが開状態から閉状態に遷移する際に、該扇形歯車が前記弁軸周りを一周する際の軌跡として生じる仮想的な円弧において、通過しない領域ができるよう設定されていること
    を特徴とする排気熱回収装置。
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