JP6622688B2 - 熱交換器 - Google Patents

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Description

本発明は、内燃機関等の排ガスの熱を利用する熱交換器に関する。
特許文献１には、発電機に接続された内燃機関の冷却水を排気熱と熱交換させて昇温する熱交換器を備えたコージェネレーション装置が記載されている。特許文献１に記載の熱交換器では、排気ガスを通す伝熱管が、冷却水の水路内に上下に連結され、冷却水は伝熱管を螺旋状に流れて排気と熱交換している。また、特許文献２にも、内燃機関から排出される排ガスと冷却水との間で熱交換を行う熱交換器が記載されており、当該熱交換器には、冷却水の水路内に複数の伝熱管を上下に連結した構造を有する。
特開２００９−２９３４４８号公報 特開２０００−２５７４１５号公報
上記説明した特許文献１に記載の熱交換器又は特許文献２に記載の熱交換器のような、冷却水の水路内を上下に通る伝熱管を複数設けた構造は、十分な熱交換に必要な排ガス流路の長さを保証する一方で、伝熱管の接続箇所が多いために、構造及び製造工程が複雑化するといった課題を有する。
本発明の目的は、熱交換を行う排ガス流路の長さを十分に有する簡単な構造の熱交換器を提供することである。
上記の目的を達成するために、請求項１に記載の発明は、
流体（例えば、後述の実施形態での流体Ｂ）を収容する有底状のケース部（例えば、後述の実施形態でのケース部２）と、
前記ケース部内に設けられた排ガス流路（例えば、後述の実施形態での排ガス流路１０）と、を備え、
前記排ガス流路を流れる排ガスから前記流体に伝熱する熱交換器（例えば、後述の実施形態での熱交換器１，１Ａ，１Ｂ）であって、
前記排ガス流路は、
前記ケース部内を通る第１排ガス流路（例えば、後述の実施形態での第１排ガス流路１１）と、
前記ケース部内の前記流体が収容された空間で前記第１排ガス流路の周囲を旋回する螺旋状の第２排ガス流路（例えば、後述の実施形態での第２排ガス流路１２）と、を有し、
前記第１排ガス流路と前記第２排ガス流路は直列接続され、
前記第１排ガス流路は、前記排ガスの成分を処理する触媒（例えば、後述の実施形態での触媒６）を収容する触媒収容室（例えば、後述の実施形態での触媒収容室１１ａ）と、前記触媒収容室を囲み前記触媒収容室の周りに前記排ガスの流路を形成する有底状の内筒（例えば、後述の実施形態での内筒１１ｂ，１１ｄ，１１ｅ）と、によって構成され、
前記内筒の外周面には、前記第２排ガス流路の前記内筒に面した凹凸形状に倣う凸部（例えば、後述の実施形態での凸部１１ｂｅ）が形成されている。
請求項２に記載の発明は、請求項１に記載の発明において、
前記第２排ガス流路は、１本の流路によって構成されている。
請求項３に記載の発明は、請求項１又は２に記載の発明において、
前記内筒の底面（例えば、後述の実施形態での底面１１ｂｄ）は、前記ケース部の底部（例えば、後述の実施形態での底部２ｂ）に形成された凸部（例えば、後述の実施形態での凸部２ｄ）にて一点支持されている。
請求項４に記載の発明は、請求項１から３のいずれか１項に記載の発明において、
前記ケース部の底部とは反対側には、前記第１排ガス流路から前記第２排ガス流路に連通した空間（例えば、後述の実施形態での空間１３）を形成する蓋部（例えば、後述の実施形態での蓋部８）が設けられ、
前記蓋部の内面（例えば、後述の実施形態での内面８ｓ）には、前記第２排ガス流路の流入口（例えば、後述の実施形態での流入口１２ｉ）に指向する溝（例えば、後述の実施形態での溝８ｇ）が形成されている。
請求項５に記載の発明は、請求項１から４のいずれか１項に記載の発明において、
前記第１排ガス流路と前記第２排ガス流路は直接接続されている。
請求項１の発明によれば、ケース部内に設けられた排ガス流路は、ケース部内を通る第１排ガス流路と、ケース部内の流体が収容された空間で第１排ガス流路の周囲を旋回する螺旋状の第２排ガス流路とが直列接続されている。このように、第２排ガス流路が螺旋状に形成されているため、十分な熱交換に必要な排ガス流路の長さを保証でき、かつ、第１排ガス流路と第２排ガス流路の接続は直列であるため、構造が簡単な熱交換器を提供できる。また、請求項１の発明によれば、第１排ガス流路には、排ガスの成分を処理する触媒を収容する触媒収容室が設けられ、触媒収容室の周りには、有底状の内筒によって排ガスの流路が形成されているため、螺旋状に形成された第２排ガス流路の内側のスペースを無駄なく利用できる。この結果、熱交換器を小型化できる。また、請求項１の発明によれば、内筒の外周面に凸部が形成されているため、流体が内筒の外周面と接する面積を大きくでき、熱交換量を増すことができる。また、凸部が第２排ガス流路の内筒に面した凹凸形状に倣うように構成され、内筒の外周面の凹部に第２排ガス流路が配置されているため、熱交換器を小型化できる。
請求項２の発明によれば、第２排ガス流路は１本の流路によって構成されているため、第２排ガス流路のための部品点数を削減できる。また、熱交換器における第２排ガス流路の他の箇所との接続は流入口と流出口の２箇所に行えば良いため、熱交換器の製造工程を簡略化できる。
請求項３の発明によれば、内筒の底面は、ケース部の底部に形成された凸部にて一点で支持されているため、第１排ガス流路から内筒及びケース部の底部を介した熱交換器外部への放熱量を低減できる。その結果、熱交換器の熱回収効率を向上できる。
請求項４の発明によれば、蓋部の内面には、第２排ガス流路の流入口に指向する溝が形成されているので、流入口が１箇所であっても、蓋部の内面に沿って流れる排ガスを第２排ガス流路の流入口に効果的に誘導することができ、排ガスの流れを良くできる。
請求項５の発明によれば、第１排ガス流路と第２排ガス流路は直接接続されるため、排ガスが熱交換器に導入されて排出されるまでの経路上には、流体以外の部材に伝熱する箇所がない。このため、熱交換器の熱回収効率を向上できる。
本発明に係る第１実施形態の熱交換器の分解斜視図である。 第１実施形態の熱交換器の組み立て状態における、図１に示すＸ−Ｘ線に沿った垂直断面図である。 蓋部内面の第２排ガス流路の流入口に対向する部分の斜視図である。 第２実施形態の熱交換器の組み立て状態における、図１に示すＸ−Ｘ線に沿った垂直断面図である。 本発明に係る第３実施形態の熱交換器の分解斜視図である。 第３実施形態の熱交換器の組み立て状態における、図５に示すＹ−Ｙ線に沿った垂直断面図である。
以下、本発明の実施形態について、図面を参照して説明する。
（第１実施形態）
本発明に係る第１実施形態の熱交換器について、図１及び図２を参照して説明する。図１は、第１実施形態の熱交換器の分解斜視図である。図２は、第１実施形態の熱交換器の組み立て状態における、図１に示したＸ−Ｘ線に沿った垂直断面図である。
図１及び図２に示すように、熱交換器１は、熱交換用の流体Ｂを収容する有底円筒状のケース部２と、ケース部２内に設けられた排ガス流路１０とを備える。熱交換器１では、排ガス流路１０を流れる内燃機関等から排出された排ガスから、ケース部２内に収容された流体に伝熱することで熱交換が行われる。なお、流体は、内燃機関等の冷却水である。
熱交換器１は、全体が円筒状に形成されており、中心線ＣＬを軸とした熱交換器１の一端面と外周面はケース部２によって構成されており、他端面には、排ガス導入管３を略中央に有する蓋部８が設けられる。蓋部８の排ガス導入管３には、内燃機関等から排出された排ガスＡ１が導入され、ケース部２の底部２ｂに設けられた排ガス排出管４からは、熱交換済みの排ガスＡ３が排出される。また、流体Ｂは、熱交換器１の下方側（底部２ｂに近接した箇所）に設けられた流入口２ｉから導入され、熱交換器１の上方側（蓋部８に近接した箇所）に設けられた流出口２ｕから排出される。
排ガス流路１０は、ケース部２内に熱交換器１の中心線ＣＬに沿って設けられた第１排ガス流路１１と、ケース部２内の流体Ｂが収容された空間で第１排ガス流路１１の周囲を旋回する螺旋状に形成された１本の第２排ガス流路１２とを有し、第１排ガス流路１１と第２排ガス流路１２は直列接続されている。すなわち、１本の配管が中心線ＣＬを中心に略同心円状に旋回するコイル状ともいえる形状の第２排ガス流路１２の内側には、第１排ガス流路１１が中心線ＣＬに沿って配置されている。排ガス導入管３から導入された排ガスは、まず第１排ガス流路１１を流れる。
第１排ガス流路１１は、中心線ＣＬに沿って配置された触媒収容室１１ａと、触媒収容室１１ａを囲み触媒収容室１１ａの周りに排ガスの流路を形成する有底円筒状の内筒１１ｂとによって構成される。なお、内筒１１ｂは、ケース部２の底部２ｂに対して間隔を空けて配置されており、内筒１１ｂの底面１１ｂｄは、ケース部２の底部２ｂの略中央に形成された凸部２ｄにて一点で支持されている。
排ガス導入管３から第１排ガス流路１１に導入された排ガスは、まず触媒収容室１１ａに送られる。触媒収容室１１ａには、排ガス導入管３から導入された排ガスＡ１の成分を処理する触媒６が収容されている。触媒収容室１１ａは、上方から供給された排ガスＡ１を触媒６によって処理した排ガスＡ２を下方へ排出するように下面が開口した構造を有する。触媒収容室１１ａから排出された処理済みの排ガスＡ２は、触媒収容室１１ａと内筒１１ｂとの間に形成された連結流路１１ｃを通り、第１排ガス流路１１と第２排ガス流路１２をつなぐ空間１３に排出される。空間１３は蓋部８の内面に対面し、ケース部２の外壁部２ａと内筒１１ｂとを連結した上壁部２ｃには、第２排ガス流路１２の流入口１２ｉが１つ設けられている。
図３は、蓋部８内面の第２排ガス流路１２の流入口１２ｉに対向する部分の斜視図である。図３に示すように、蓋部８の内面８ｓには、第２排ガス流路１２の流入口１２ｉに対向する円形の凹部８ｐに指向した複数の溝８ｇが形成されている。なお、溝８ｇは、凹部８ｐから離れるほど深さが増すように形成されている。
ケース部２の上壁部２ｃに設けられた第２排ガス流路１２の流入口１２ｉには、第２排ガス流路１２の一方の開口端が接続される。また、ケース部２の外壁部２ａと底部２ｂと上壁部２ｃと内筒１１ｂとによって区画された流体Ｂが収容される空間をコイル状に旋回する第２排ガス流路１２のもう一方の開口端には、排ガス排出管４が接続される。
以下、本実施形態の熱交換器１の作用について説明する。
熱交換器１上部の排ガス導入管３から導入された排ガスＡ１は、第１排ガス流路１１内に流入する。排ガスＡ１は、触媒収容室１１ａで成分の処理が行われて触媒収容室１１ａの下面から排出される。触媒収容室１１ａから排出された処理済みの排ガスＡ２は、触媒収容室１１ａと内筒１１ｂとの間に形成された連結流路１１ｃを通過する。連結流路１１ｃを通過中の排ガスＡ２の熱は、内筒１１ｂを介して流体Ｂに伝わる。
連結流路１１ｃを通過した排ガスＡ２は、第１排ガス流路１１と第２排ガス流路１２をつなぐ空間１３に排出された後、蓋部８の内面８ｓに設けられた複数の溝８ｇによって、第２排ガス流路１２の流入口１２ｉに案内される。流入口１２ｉから第２排ガス流路１２に流入した排ガスは、螺旋状の第２排ガス流路１２を通過し、熱交換器１下部の排ガス排出管４から排ガスＡ３として排出される。第２排ガス流路１２を通過中の排ガスの熱は、第２排ガス流路１２を囲む流体Ｂに伝わる。
以上説明したように、本実施形態によれば、ケース部２内に設けられる排ガス流路１０は、ケース部２の中心線ＣＬに沿って設けられる第１排ガス流路１１と、ケース部２内の流体Ｂが収容された空間で第１排ガス流路１１の周囲を旋回するコイル状の第２排ガス流路１２とが直列接続されている。このように、第２排ガス流路１２がコイル状に形成されているため、十分な熱交換に必要な排ガス流路１０の長さを保証でき、かつ、第１排ガス流路１１と第２排ガス流路１２の接続は直列であるため、構造が簡単な熱交換器を提供できる。
また、第２排ガス流路１２は１本の流路によって構成されているため、第２排ガス流路１２のための部品点数を削減できる。また、熱交換器１における第２排ガス流路１２の他の箇所との接続は流入口と流出口の２箇所に行えば良いため、熱交換器１の製造工程を簡略化できる。
また、第１排ガス流路１１には、排ガスの成分を処理する触媒６を収容する触媒収容室１１ａが設けられ、触媒収容室１１ａの周りには、有底状の内筒１１ｂによって排ガスの流路が形成されているため、コイル状に形成された第２排ガス流路１２の内側のスペースを無駄なく利用できる。この結果、熱交換器１を小型化できる。
また、内筒１１ｂの底面１１ｂｄは、ケース部２の底部２ｂに形成された凸部２ｄにて一点で支持されているため、第１排ガス流路１１から内筒１１ｂ及びケース部２の底部２ｂを介した熱交換器１外部への放熱量を低減できる。その結果、熱交換器１の熱回収効率を向上できる。
また、蓋部８の内面８ｓには、第２排ガス流路１２の流入口１２ｉに指向する溝８ｇが形成されているため、流入口１２ｉが１箇所であっても、蓋部８の内面８ｓに沿って流れる排ガスを第２排ガス流路１２の流入口１２ｉに効果的に誘導することができ、排ガスの流れを良くできる。
（第２実施形態）
図４は、第２実施形態の熱交換器の組み立て状態における、図１に示したＸ−Ｘ線に沿った垂直断面図である。第２実施形態の熱交換器１Ａが第１実施形態の熱交換器１と異なる点は、内筒１１ｄの構造である。この点以外は第１実施形態と同様であり、図４において、図２と共通する構成要素には同じ参照符号が付されている。
図４に示すように、本実施形態の内筒１１ｄの外周面には、凸部１１ｂｅが形成されている。凸部１１ｂｅは、内筒１１ｄの外周面に沿って螺旋形に構成されている。また、中心線ＣＬに沿った凸部１１ｂｅ間の間隔ｗは、第２排ガス流路１２の内筒１１ｄに面した凹凸形状に倣うように構成されている。すなわち、第２排ガス流路１２が、凸部１１ｂｅ間に形成された凹部に嵌まり込んだ状態で設置されている。
このように、本実施形態では、内筒１１ｄの外周面に凸部１１ｂｅが形成されているため、流体Ｂが内筒１１ｂの外周面と接する面積を大きくでき、熱交換量を増すことができる。また、凸部１１ｂｅが第２排ガス流路１２の内筒１１ｄに面した凹凸形状に倣うように構成され、内筒１１ｄの外周面の凹部に第２排ガス流路１２が配置されているため、熱交換器１を径方向に小型化できる。
（第３実施形態）
第１実施形態又は第２実施形態では、第１排ガス流路１１と第２排ガス流路１２の間に、蓋部８と対面する空間１３が存在する。第１排ガス流路１１から空間１３に排出された排ガスＡ２は、蓋部８の内面８ｓに当たった後に第２排ガス流路１２へと流れるため、熱交換器１の上面を構成する蓋部８の温度は、排ガスＡ２からの熱によって上昇してしまう。すなわち、排ガスの熱の一部が熱交換器１の蓋部８から放熱されてしまい、熱交換器１の熱回収効率が低下してしまう。第３実施形態では、熱交換器の熱回収効率を向上するため、主に、第１排ガス流路１１と第２排ガス流路１２の接続形態を変更した。
図５は、第３実施形態の熱交換器の分解斜視図である。図６は、第３実施形態の熱交換器の組み立て状態における、図５に示したＹ−Ｙ線に沿った垂直断面図である。第３実施形態の熱交換器１Ｂが第１実施形態の熱交換器１と異なる点は、第１排ガス流路１１と第２排ガス流路１２の接続形態、並びに、内筒１１ｅ及び蓋部１８等の構造である。この点以外は第１実施形態と同様であり、図５及び図６において、図１及び図２と共通する構成要素には同じ参照符号が付されている。なお、本実施形態の内筒１１ｅの外周面には、第２実施形態と同様の凸部１１ｂｅが形成されていても良い。
図６に示すように、本実施形態では、第１実施形態での第１排ガス流路１１と第２排ガス流路１２の間の空間１３は設けられず、第１排ガス流路１１と第２排ガス流路１２とは直接接続される。この接続形態を構成するため、本実施形態の内筒１１ｅの外周面には流出口１１ｏが設けられ、流出口１１ｏには第２排ガス流路１２の一方の開口端が接続される。したがって、第１排ガス流路１１の連結流路１１ｃを通過した排ガスＡ２は、第２排ガス流路１２に直接流入する。
なお、本実施形態の蓋部１８は、第１実施形態のように内面に溝は形成されておらず、ケース部２に嵌合された状態では、連結流路１１ｃと流体Ｂが貯留される空間との間を水密に封止する。
このように、本実施形態では、第１排ガス流路１１と第２排ガス流路１２とは直接接続されるため、排ガスが熱交換器１Ｂに導入されて排出されるまでの経路上には、流体Ｂ以外の部材に伝熱する箇所がない。このため、熱交換器１Ｂの熱回収効率を向上できる。
なお、本発明は、前述した実施形態に限定されるものではなく、適宜、変形、改良、等が可能である。例えば、第１〜第３実施形態では、第２排ガス流路１２の形状を、第１排ガス流路１１を中心線として同心的に囲むコイル状としたが、ケース部２が円筒形でない場合、第２排ガス流路１２の形状は、コイル状に限らず、ケース部２の形状に応じた他の螺旋形状であっても良い。また、第２排ガス流路１２の螺旋構造は、第１排ガス流路１１を中心とした一重のコイル状であるが、第１排ガス流路１１を中心に二重、三重に重なる螺旋形状であっても良い。
また、排ガス流路１０を形成する配管形状についても、図示の如く円形でなく、適宜凹凸を備える構造であってもよい。また、蓋部８の内面８ｓに形成された溝８ｇは、図示の形態に限るものでなく、例えば、蓋部８の構造などにより適宜変更できるものである。
また、上記実施形態においては、内燃機関の排ガスを利用した熱交換器について説明したが、本発明における利用熱源は、内燃機関に限定されるものでなく外燃機関など種々の熱源を利用することができる。
１，１Ａ，１Ｂ 熱交換器
２ ケース部
２ｂ 底部
２ｄ 凸部
６ 触媒
８，１８ 蓋部
１０ 排ガス流路
１１ 第１排ガス流路
１１ａ 触媒収容室
１１ｂ，１１ｄ，１１ｅ 内筒
１１ｃ 連結流路
１１ｂｄ 底面
１１ｂｅ 凸部
１２ 第２排ガス流路
ＣＬ 中心線

Claims (5)

  1. 流体を収容する有底状のケース部と、
    前記ケース部内に設けられた排ガス流路と、を備え、
    前記排ガス流路を流れる排ガスから前記流体に伝熱する熱交換器であって、
    前記排ガス流路は、
    前記ケース部内を通る第１排ガス流路と、
    前記ケース部内の前記流体が収容された空間で前記第１排ガス流路の周囲を旋回する螺旋状の第２排ガス流路と、を有し、
    前記第１排ガス流路と前記第２排ガス流路は直列接続され、
    前記第１排ガス流路は、前記排ガスの成分を処理する触媒を収容する触媒収容室と、前記触媒収容室を囲み前記触媒収容室の周りに前記排ガスの流路を形成する有底状の内筒と、によって構成され、
    前記内筒の外周面には、前記第２排ガス流路の前記内筒に面した凹凸形状に倣う凹凸部が形成されている、熱交換器。
  2. 請求項１に記載の熱交換器であって、
    前記第２排ガス流路は、１本の流路によって構成されている、熱交換器。
  3. 請求項１又は２に記載の熱交換器であって、
    前記内筒の底面は、前記ケース部の底部に形成された凸部にて一点支持されている、熱交換器。
  4. 請求項１から３のいずれか１項に記載の熱交換器であって、
    前記ケース部の底部とは反対側には、前記第１排ガス流路から前記第２排ガス流路に連通した空間を形成する蓋部が設けられ、
    前記蓋部の内面には、前記第２排ガス流路の流入口に指向する溝が形成されている、熱交換器。
  5. 請求項１から４のいずれか１項に記載の熱交換器であって、
    前記第１排ガス流路と前記第２排ガス流路は直接接続されている、熱交換器。
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