JP6467191B2 - 回転型排熱回収装置 - Google Patents
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Description
本発明は、車両のエンジン燃焼後に捨てられる排熱を回収して活用する排熱回収装置に係り、より詳しくは、回転軸を基準に一側面が閉鎖され、他側面が開放される半円筒形状の熱交換器を排気ガス管の内部に回転可能に設けてバイパスバルブおよび熱交換器の機能を同時にする回転型排熱回収装置に関する。
一般的に、車両は、走行状態に応じ、初期始動時にエンジンのウォームアップ（ｗａｒｍ ｕｐ）および暖房ステップが行われ、車両の走行時に熱電発電ステップが行われ、車両が傾斜した所を登るか過速時にバイパスステップが行われる。
車両の排熱回収装置は、エンジン燃焼後に捨てられる排熱を回収してエンジンのウォームアップ、変速機のウォームアップに用いるか、または回収された熱エネルギーを空調装置に伝達して車両の室内暖房に用いる装置をいう。
車両の排熱回収装置を用いる場合、初期始動時に高温の排気ガスを用いて冷却水を加熱することができ、それによってエンジンの予熱時間を短縮して燃費向上および排気ガス低減の効果を得ることができる。例えば特許文献１参照。
車両から排出される汚染物質は、エンジンがウォームアップされる前であるアイドリング時に最も多く排出されるが、排熱回収装置を用いてウォームアップ時間を短縮させることによって車両から排出される汚染物質を低減することができる。
また、排熱回収装置を介して加熱された冷却水はエンジン冷却水および変速機オイルの温度を速やかに上昇させてエンジン内部および変速機内部の摩擦を低減させ、冬季の迅速な室内暖房の効果を得ることができるようにする。
図１および図２に示すように、従来の車両の排熱回収装置は、バルブアクチュエータ６によって回転可能なバイパスバルブ５をバイパス通路４上に設け、バイパス通路４の側部に冷却水通路１および排気ガス通路２からなる熱交換器３を取り付ける構造からなる。
図２に示すように、バイパス通路４がバイパスバルブ５によって閉鎖された時、排気ガスは熱交換器３方向に誘導され、熱交換器の排気ガス通路２を流動する高温の排気ガスと冷却水通路１を流動する低温の冷却水との間の熱交換によって作動流体の温度が上昇してエンジン（図示せず）および変速機（図示せず）がウォームアップ（ｗａｒｍ ｕｐ）される。
しかし、従来の排熱回収装置は、熱交換器、バイパス通路、バイパスバルブ、バルブアクチュエータなどといった構成部品の数が過度に多くてその構造が複雑であり、生産原価および重量が過度に上昇するという問題点がある。
また、従来の排熱回収装置は、バイパス通路が開放された状態、すなわち、バイパス時に熱交換器に排気ガスが流入することを防ぐことができないので冷却水の断熱性能が低下するという問題があり、バイパス時に熱交換器に流入する排気ガスを防ぐために別途のバルブ作動リンク構造を追加する場合、組み立て工程が複雑になり、生産原価が上昇するという問題がある。
本発明は前記のような点に鑑みてなされたものであって、本発明の目的は、バイパスバルブを削除し、熱交換器に熱交換機能およびバイパス通路の開閉機能を統合することにより、製作工程を単純化し、生産原価および重量を節減し、追加の部品なしでバイパス時に熱交換器に排気ガスが流入することを防止して冷却水の断熱性能を向上させる回転型排熱回収装置を提供することにある。
このような目的を達成するための、本発明の構成は、内部に高温の排気ガスがバイパスされるバイパス通路および前記バイパス通路の側部に半円筒形状に拡張されて排気ガスが通過する拡張部を含む排気ガス管、および前記排気ガス管の内部に回転可能に収容され、バイパス通路から供給される高温の排気ガスと冷却水流入口を通して流入する低温の冷却水との間に熱交換が行われる半円筒形状の熱交換器を含み、前記熱交換器の側面は、扁平な面で形成される直径面および湾曲した面で形成される円弧面からなり、前記熱交換器の直径面は、熱交換器の回転軸を基準に一側面は閉鎖されており、他側面は排気ガスが流入して排気ガス通路を通して流動できるように貫通形成される排気ガス入口を備えることを特徴とする。
また、前記冷却水流入口は、熱交換器の上端に結合され、熱交換器の内部に形成された冷却水通路に冷却水を流入させ、前記熱交換器の下端には、冷却水通路へ流動した冷却水を排出できるように形成された冷却水排出口が結合され、前記冷却水流入口および冷却水排出口は、熱交換器の回転軸と同一線上に配置されることを特徴とする。
なお、前記冷却水流入口および冷却水排出口の末端には、熱交換器の回転に応じた冷却水流入口および冷却水排出口の動きを受けることができるように柔軟な素材で形成されたホースが結合されることを特徴とする。
さらに、前記熱交換器の円弧面の一側には排気ガス通路を通して流動した排気ガスが排出できるように貫通して排気ガス出口が形成され、前記熱交換器が回転して拡張部に収納された時、円弧面と拡張部の内側面は完全に接触して、排気ガス出口が拡張部の内側面によって閉鎖されることを特徴とする。
また、前記熱交換器は、冷却水流入口を通して流入した冷却水が流動できるように形成された半円板状の複数の冷却水通路と、排気ガスが流動できるように形成された半円板状の複数の排気ガス通路とが互いに平行に隣り合って交互に積層される形態で配置されることを特徴とする。
なお、前記熱交換器は、冷却水流入口を通して流入した冷却水が流動できるように形成された半円板状の複数の冷却水通路が互いに平行に離隔して配置され、前記冷却水通路の間に排気ガスが流動できるように形成された管状の複数の排気ガス通路が互いに離隔して配置されることを特徴とする。
前記のような構成を有する本発明は、直径面および円弧面からなる半円筒形状の熱交換器を排気ガス管の内部に回転可能に設け、前記直径面は、熱交換器の回転軸を基準に一側面は閉鎖され、他側面は貫通して、内部に排気ガスが流動できるようにすることにより、熱交換器が排気ガス管を横切って配置された時には熱交換機能をし、排気ガス管の拡張部に収納された時にバイパス通路を開放してバイパス機能をする効果がある。
すなわち、熱交換器がバイパスバルブおよび熱交換機能を両方とも行うことができるように構成して排熱回収装置の構造を単純化し、それによって製作が容易であり、生産原価および重量が節減されるという効果がある。
また、熱交換器の上端に結合される冷却水流入口および熱交換器の下端に結合される冷却水排出口を熱交換器の回転軸と同一線上に配置することにより、熱交換器の回転による変動領域を最小化できるという効果がある。
なお、熱交換器が回転して拡張部に収納された時、円弧面と拡張部の内側面が完全に接触する構造に構成して排気ガス出口が完全に閉鎖されるようにすることにより、別途の部品やリンク構造なしでバイパス時に熱交換器に排気ガスが流入することを防止して冷却水の断熱性能が向上するという効果がある。
以下、添付図面に基づいて本発明を詳しく説明する。
本発明の実施形態による回転型排熱回収装置は、内部に高温の排気ガスがバイパスされるバイパス通路１２および前記バイパス通路１２の側部に半円筒形状に拡張されて排気ガスが通過する拡張部１４を含む排気ガス管１０、および前記排気ガス管１０の内部に回転可能に収容され、バイパス通路１２から供給される高温の排気ガスと冷却水流入口３１を通して流入する低温の冷却水との間に熱交換が行われる半円筒形状の熱交換器２０を含み、前記熱交換器２０の側面は、扁平な面で形成される直径面２１および湾曲した面で形成される円弧面２２からなり、前記熱交換器２０の直径面２１は、熱交換器２０の回転軸２３を基準に一側面は閉鎖されており、他側面は排気ガスが流入して排気ガス通路４０を通して流動できるように貫通形成される排気ガス入口４１を備えることを特徴とする。
本発明の実施形態による回転型排熱回収装置は、内部に高温の排気ガスがバイパスされるバイパス通路１２および前記バイパス通路１２の側部に半円筒形状に拡張されて排気ガスが通過する拡張部１４を含む排気ガス管１０、および前記排気ガス管１０の内部に回転可能に収容され、バイパス通路１２から供給される高温の排気ガスと冷却水流入口３１を通して流入する低温の冷却水との間に熱交換が行われる半円筒形状の熱交換器２０を含み、前記熱交換器２０の側面は、扁平な面で形成される直径面２１および湾曲した面で形成される円弧面２２からなり、前記熱交換器２０の直径面２１は、熱交換器２０の回転軸２３を基準に一側面は閉鎖されており、他側面は排気ガスが流入して排気ガス通路４０を通して流動できるように貫通形成される排気ガス入口４１を備えることを特徴とする。
図３に示すように、バイパス通路１２は、排気ガスが流入するバイパス入口１１および排気ガスが排出されるバイパス出口１３を備え、内部に高温の排気ガスが通過できるようにパイプ形状に形成される。
図示された実施形態において、前記バイパス通路１２は円筒形状であるが、車両の種類、排出する排気ガス量、車体の全体的な外観などを考慮して、六角形筒、楕円形筒などの様々な形状に形成されることができる。
図４に示すように、前記バイパス通路１２の側部には、バイパス入口１１に流入した排気ガスが後述する熱交換器２０を経ることなく直ちにバイパス出口１３に排出される状態、すなわち、排気ガスのバイパス状態の時、熱交換器２０が収納されるように半円筒形状に拡張された拡張部１４が取り付けられる。
図３に示すように、前記バイパス通路１２および拡張部１４を含む排気ガス管１０の内部には、半円筒形状の熱交換器２０が回転可能に収容され、高温の排気ガスと低温の冷却水との間に熱交換が行われるようにする。
図３に示すように、前記熱交換器２０の側面は、扁平な面で形成され、半円の直径部分を含む面である直径面２１、および湾曲した面で形成され、半円の円弧部分を含む円弧面２２に区分される。
図３に示すように、前記熱交換器２０の直径面２１は、熱交換器２０の回転軸２３を基準に一側面（図示された実施形態において回転軸２３を基準に左側面）は塞がっており、他側面（図示された実施形態において回転軸２３を基準に右側面）は排気ガスが通過できるように排気ガス入口４１が形成されている。
図３および図５に示すように、前記円弧面２２は、熱交換器２０の回転軸２３を基準に一側面（前記直径面２１において閉鎖された面と対向する面）は排気ガスが排出できるように排気ガス出口４２が貫通形成されており、他側面（前記直径面２１において排気ガス入口４１が形成された面と対向する面）は閉鎖されている。
すなわち、図３に示すように、排気ガスは前記排気ガス入口４１に流入し、熱交換器２０内部の排気ガス通路４０を通して熱交換器２０全体を流動した後、排気ガス入口４１と対角線方向に配置された排気ガス出口４２を通して排出される。
図３に示すように、排気ガスと冷却水との間の熱交換時、前記熱交換器２０は直径面２１が排気ガスのバイパス入口１１を通して流入する方向を眺める方向に排気ガス管１０を横切って配置され、排気ガスは直径面２１に形成された排気ガス入口４１を通過して排気ガス通路４０を経た後に排気ガス出口４２に排出され、冷却水と熱交換を行う。
図４に示すように、排気ガスのバイパス時、前記熱交換器２０はバイパス通路１２を開放できるように回転して拡張部１４内に収納され、排気ガスはバイパス入口１１に流入した後にバイパス出口１３へ直ちに排出される。
前記熱交換器２０を回転させる方式としては、内部にワックスが密封され、冷却水の温度に応じてワックスの膨張または収縮によって上下に移動するワックスサーモスタット（ｗａｘ ｔｈｅｒｍｏｓｔａｔ）の直線運動をカムまたはリンク構造を介して回転運動に変更して熱交換器を回転させる方式（機械式アクチュエータ）、冷却水の温度をセンサで測定して制御器を介してモーターを回転させることによって熱交換器を回転させる方式（電子式アクチュエータ）などを利用することができる。
図３に示すように、前記熱交換器２０の上端には熱交換器２０の内部に形成された冷却水通路３０に冷却水を流入する冷却水流入口３１が結合され、前記熱交換器２０の下端には冷却水通路３０を通して流動した冷却水を排出させる冷却水排出口３２が結合されることが好ましい。
勿論、前記冷却水流入口３１および冷却水排出口３２は、排熱回収装置の構造変更などに応じて、冷却水流入口３１が熱交換器２０の下端に結合され、冷却水排出口３２が熱交換器２０の上端に結合される方式で配置されることもできる。
図３および図４に示すように、前記冷却水流入口３１および冷却水排出口３２は熱交換器２０の回転軸２３と同一線上に配置され、熱交換器２０が回転しても冷却水流入口３１および冷却水排出口３２はほぼ移動しないように形成される。
すなわち、前記冷却水流入口３１および冷却水排出口３２は、熱交換器２０の回転軸２３を基準に各々熱交換器２０の上端および下端に対向して配置されることが好ましい。
また、図３および図４に示すように、前記冷却水流入口３１および冷却水排出口３２の末端には、熱交換器２０の回転に応じた冷却水流入口３１および冷却水排出口３２の動きを受けることができるように柔軟な素材で形成されたホース３３が結合されることが好ましい。
前記ホース３３はゴム、ビニル、布などの自由に曲げられる柔軟な素材のパイプで形成され、冷却水流入口３１および冷却水排出口３２の動きに関係なく冷却水通路３０に冷却水が供給できるようにする。
図４に示すように、前記熱交換器２０が回転して拡張部１４内に収納された時、円弧面２２と拡張部１４の内側面は完全に接触して、円弧面２２の一側に形成された排気ガス出口４２が拡張部１４の内側面によって閉鎖されるようにすることが好ましい。
すなわち、図示された実施形態においては、拡張部１４と熱交換器２０の円弧面２２との間が若干離れているように示されているが、これは説明の便宜のためのものであり、前記熱交換器２０の円弧面２２と拡張部１４の内側面はほぼ同一の半径、同一の円弧および同一の高さを有するように形成されることが好ましい。
図６および図７は、排気ガス出口４２が開放された時と排気ガス出口４２が閉鎖された時にバイパスされる排気ガスのうち熱交換器２０に流入する排気ガスの量を調べるために熱交換器２０およびバイパス通路１２を概略的に示して解釈した例示図である。
図６に示すように、前記排気ガス出口４２が開放される場合、バイパス時であっても排気ガス流量の５％程度が熱交換器２０の内部に流入して冷却水の断熱性能が低下する反面、図７に示すように、排気ガス出口４２が閉鎖される場合、バイパス時に熱交換器２０の内部に流入する排気ガスが殆ど無いことが分かる。
したがって、本発明の実施形態のように前記円弧面２２と拡張部１４の内側面を完全に接触させて排気ガス出口４２を閉鎖する場合、バイパス時に冷却水の断熱性能が向上するという効果がある。
図８に示すように、前記熱交換器２０は、冷却水流入口３１を通して流入した冷却水が流動できるように形成された半円板状の複数の冷却水通路３０と、排気ガスが流動できるように形成された半円板状の複数の排気ガス通路４０とが互いに平行に隣り合って交互に積層される形態で配置される積層型熱交換器であることが好ましい。
上記のように、冷却水通路３０と排気ガス通路４０が互いに隣り合った状態で交互に配置される構造を取ることにより、熱交換器２０を介した熱交換性能が最大になるように構成することができる。
また、図９に示すように、前記熱交換器２０は、冷却水流入口３１を通して流入した冷却水が流動できるように形成された半円板状の複数の冷却水通路３０が互いに平行に離隔して配置され、前記冷却水通路３０の間に排気ガスが流動できるように形成された管状の複数の排気ガス通路４０が互いに離隔して配置される細管型熱交換器であっても良い。
図８に示された積層型熱交換器のように半円板状の冷却水通路３０が互いに離隔した状態で配置され、図９に示すように、冷却水通路３０が離隔した間に複数の小さい管状の排気ガス通路４０が配置される方式で熱交換性能を最大化することができる。
本発明の実施形態による回転型排熱回収装置の作動過程は次の通りである。
図３に示すように、車両の始動初期時、エンジン（図示せず）から排出される排気ガスはバイパス入口１１を通して排気ガス管１０の内部に流入され、冷却水はエンジンと連結した冷却水流入口３１を通して冷却水通路３０に流入する。
図３に示すように、車両の始動初期時、エンジン（図示せず）から排出される排気ガスはバイパス入口１１を通して排気ガス管１０の内部に流入され、冷却水はエンジンと連結した冷却水流入口３１を通して冷却水通路３０に流入する。
この時、熱交換器２０は直径面２１が排気ガス流入方向を眺める方向に排気ガス管１０を横切って配置され、排気ガスは熱交換器２０の排気ガス入口４１を通して熱交換器２０の内部を流動した後、排気ガス出口４２を通して排出される。
したがって、熱交換器２０の内部においては、高温の排気ガスと低温の冷却水との間に熱交換が行われ、加熱された冷却水はエンジン（図示せず）および変速機（図示せず）をウォームアップさせる役割をする。
図４に示すように、車両のウォームアップ後、熱交換器２０は回転して排気ガス管１０の拡張部１４に収容され、バイパス通路１２上から熱交換器２０が除かれることによってバイパス通路１２は開放される。
したがって、バイパス入口１１を通してバイパス通路１２に流入した高温の排気ガスは熱交換器２０を経ることなく、ほぼ大半がバイパス出口１３を通して排出され、エンジン（図示せず）の過度な熱負荷が防止される。
以上で説明した本発明は、前述した実施形態および添付図面によって限定されるものではなく、本発明の技術的思想を逸脱しない範囲内で色々な置換、変形および変更が可能であることは本発明が属する技術分野の当業者に明らかなものである。
本発明は、車両のエンジン燃焼後に捨てられる排熱を回収する回転型排熱回収装置の分野に適用できる。
１０ 排気ガス管
１１ バイパス入口
１２ バイパス通路
１３ バイパス出口
１４ 拡張部
２０ 熱交換器
２１ 直径面
２２ 円弧面
２３ 回転軸
３０ 冷却水通路
３１ 冷却水流入口
３２ 冷却水排出口
３３ ホース
４０ 排気ガス通路
４１ 排気ガス入口
４２ 排気ガス出口
１１ バイパス入口
１２ バイパス通路
１３ バイパス出口
１４ 拡張部
２０ 熱交換器
２１ 直径面
２２ 円弧面
２３ 回転軸
３０ 冷却水通路
３１ 冷却水流入口
３２ 冷却水排出口
３３ ホース
４０ 排気ガス通路
４１ 排気ガス入口
４２ 排気ガス出口
Claims (5)
- 内部に高温の排気ガスがバイパスされるバイパス通路および前記バイパス通路の側部に半円筒形状に拡張されて排気ガスが通過する拡張部を含む排気ガス管と、
前記排気ガス管の内部に回転可能に収容され、バイパス通路から供給される高温の排気ガスと冷却水流入口を通して流入する低温の冷却水との間に熱交換が行われる半円筒形状の熱交換器を含み、
前記熱交換器の側面は、扁平な面で形成される直径面および湾曲した面で形成される円弧面からなり、
前記熱交換器の直径面は、熱交換器の回転軸を基準に一側面は閉鎖されており、他側面は排気ガスが流入して排気ガス通路を通して流動できるように貫通形成される排気ガス入口を備え、
前記熱交換器の前記円弧面の一側には前記排気ガス通路を通して流動した前記排気ガスが排出できるように貫通した排気ガス出口が形成され、
前記熱交換器が回転して拡張部に収納された時、円弧面と拡張部の内側面は完全に接触して、前記排気ガス出口が前記拡張部の内側面によって閉鎖されることを特徴とする回転型排熱回収装置。 - 前記冷却水流入口は、前記熱交換器の上端に結合され、前記熱交換器の内部に形成された冷却水通路に前記冷却水を流入させ、
前記熱交換器の下端には、前記冷却水通路へ流動した前記冷却水を排出できるように形成された冷却水排出口が結合され、
前記冷却水流入口および冷却水排出口は、前記熱交換器の回転軸と同一線上に配置されることを特徴とする請求項１に記載の回転型排熱回収装置。 - 前記冷却水流入口および冷却水排出口の末端には、前記熱交換器の回転に応じた前記冷却水流入口および冷却水排出口の動きを受けることができるように柔軟な素材で形成されたホースが結合されることを特徴とする請求項２に記載の回転型排熱回収装置。
- 前記熱交換器は、
前記冷却水流入口を通して流入した前記冷却水が流動できるように形成された半円板状の複数の冷却水通路と、前記排気ガスが流動できるように形成された半円板状の複数の前記排気ガス通路とが互いに平行に隣り合って交互に積層される形態で配置されることを特徴とする請求項１に記載の回転型排熱回収装置。 - 前記熱交換器は、
前記冷却水流入口を通して流入した前記冷却水が流動できるように形成された半円板状の複数の冷却水通路が互いに平行に離隔して配置され、前記冷却水通路の間に前記排気ガスが流動できるように形成された管状の複数の前記排気ガス通路が互いに離隔して配置されることを特徴とする請求項１に記載の回転型排熱回収装置。
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