JP6649730B2 - 排気熱回収装置 - Google Patents

Description

本発明は、排気熱回収装置に関する。

特許文献１の排熱回収システムでは、排熱回収通路に、エンジンの排気と当該通路を流れる冷却水との間で熱交換を行う排熱回収器が設けられている。さらに、この排熱回収通路には、排熱回収器の下流側に流量調整サーモスタット（開閉冷却水バルブ）が設けられていると共に、流量調整サーモスタットの配置区間に並行してバイパス通路が設けられている。そして、寒冷地でのエンジン始動時には流量調整サーモスタットが閉鎖され、冷却水は全てバイパス通路を流れる。これにより、排熱回収通路を流れる冷却水の流量が制限され、冷却水の昇温が促進される。

特開２０１３−２４１８５７号公報

ところで、寒冷地においては、排気管に多くの凝縮水が溜まっていると、凝縮水が凍結して排気管が閉塞する恐れがあるが、排気の熱で凝縮水を蒸発させ、閉塞を防止することができる。しかし、特許文献１のようにして寒冷地でのエンジン始動時に排気と冷却水の熱交換を行うと、排気の温度が低下し、凝縮水を除去できなくなる。

本発明は、凝縮水の凍結による排気経路の閉塞を抑制することを目的とする。

本発明の一側面の排気熱回収装置は、内燃機関からの排気を外部に排出する排気経路に沿って配されており、内部を流れる流体に排気の熱を伝達させる熱交換器と、熱交換器に流入する流体が通過する入口部分と、熱交換器から流出した流体が通過する出口部分とを繋ぐバイパス流路と、入口部分に設けられ、バイパス流路に流入する流体の量と、熱交換器に流入する流体の量とを調整するバルブと、バルブを制御する制御部と、出口部分におけるバイパス流路と交差する部分の上流側を流れる流体の温度が予め定められた水準に達していない場合には、排気経路における熱交換器が配された部分の下流側の位置を閉鎖すると共に、該温度が該水準に達している場合には、該位置を開放する開閉部と、を備え、制御部は、排気経路が排気から生成された凝縮水により閉塞される危険性を判定すると共に、判定結果に基づきバルブを制御し、バイパス流路に流入する流体の量と、熱交換器に流入する流体の量とを調整する。

このような構成によれば、排気経路内にて凝縮水が溜まっていたり、凝縮水が凍結していたりする場合には、熱交換器への流体の流入を制限できる。これにより、熱交換器内部での流体の入れ替わりが滞り、熱交換器内部に流体が留まった状態になるため、熱交換器内部では流体の温度が早期に上昇する。その結果、早期に排気経路が開放され、高温の排気が排気経路の下流側に流出するため、排気経路内に溜まっている凝縮水や凍結している凝縮水を蒸発させることができ、凝縮水の凍結による排気経路の閉塞を抑制できる。

なお、本発明の一側面の排気熱回収装置において、出口部分は、入口部分よりも上側に配されていても良い。
このような構成によれば、熱交換器への流体の流入が制限されている時に、高温の流体が出口部分側に集まり易くなり、出口部分とバイパス流路が交差する部分の上流側における流体の温度が早期に上昇する。このため、熱交換器内部における流体の温度の上昇に応じて、より早期に排気経路が開放される。

本実施形態の排気熱回収装置の斜視図である。 本実施形態の排気熱回収装置の側面図である。 本実施形態の排気熱回収装置における排気部，シェル部材，熱交換室，流入部，閉鎖された状態の排気バルブ等を側方から見た際の断面図であり、図１におけるIII−III断面図である。 本実施形態の冷却液バルブ制御処理のフローチャートである。

以下、本発明の実施形態について図面を用いて説明する。なお、本発明の実施の形態は、下記の実施形態に何ら限定されることはなく、本発明の技術的範囲に属する限り種々の形態を採りうる。

［構成の説明］
本実施形態の排気熱回収装置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（図１〜３）。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１００が有する熱を、排気１００よりも低温の流体である内燃機関の冷却液１１０に伝達させることにより、排気１００から熱を回収する。なお、冷却液１１０は、例えば、冷却水であってもよいし、油液であってもよい。また、排気熱回収装置１は、内燃機関の冷却液１１０に限らず、移動体に搭載された他の装置の冷却や加熱に用いる流体と排気１００との間で熱交換を行っても良い。また、以後、排気１００の流路の上流，下流を、単に上流，下流と記載する。

排気熱回収装置１は、排気部２と、シェル部材３と、熱交換室４と、流入部５と、排気バルブ６と、冷却液流路７と、サーモアクチュエータ８と、制御部９とを備えている。
排気部２は、内燃機関からの排気１００を下流側へと導く流路を形成する。排気部２は、両端が開口した円筒状の排気管として構成されており、内燃機関からの排気１００が流入するエキゾーストマニホールド等に接続されている。

シェル部材３は、排気部２の外側を覆う部材である。
熱交換室４は、排気部２とシェル部材３との間に形成された環状の空間である。熱交換室４には熱交換器４０が配され、排気１００と、熱交換器４０を通過する冷却液１１０との間で熱交換がされる。

流入部５は、排気１００が熱交換室４に流入する際の流入口に相当する部位である。
排気バルブ６は、排気１００の流路における流入部５よりも下流側の位置を開放または閉塞する弁である。排気バルブ６が開放されると、排気１００の大部分は熱交換室４を経由することなく排気バルブ６の下流に流れる。一方、排気バルブ６が閉塞されると、排気１００の大部分は流入部５から熱交換室４に流入し、熱交換室４を経由してから排気バルブ６の下流に流れる。つまり、排気バルブ６の開閉に応じて排気１００の流路が切り替えられる。

冷却液流路７は、冷却液１１０の流路となる管状の部位であり、内燃機関から流下する冷却液１１０を熱交換器４０に導くと共に、熱交換器４０を通過した冷却液１１０を内燃機関に導く。

サーモアクチュエータ８は、冷却液１１０の温度に応じて排気バルブ６を開閉する。
制御部９は、ＣＰＵ，ＲＯＭ，ＲＡＭ等を備えるマイクロコントローラ等を備え、冷却液流路７に設けられた冷却液バルブ７３を制御する部位である。なお、制御部９は、冷却液バルブ７３を制御するＡＳＩＣや電子回路等として構成されていても良い。

また、制御部９は、ＣＡＮやＬＩＮ等といったバスを介して、排気熱回収装置１が搭載された移動体（以後、単に移動体と記載）に搭載された他の装置と通信可能に構成されていても良い。また、制御部９は、移動体に搭載された各種センサからの信号が入力されても良い。

また、シェル部材３は、外殻部材３０と、排気管３１と、蓋部材３２と、保持部材３３とを備えている。
排気管３１は、両端が開口した円筒状に形成されており、その上流側の端部は、排気バルブ６を外側から覆った状態で配される。

外殻部材３０は、両端が開口し、排気部２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３０の下流側の端部は、排気管３１の上流端に接続される。
蓋部材３２は、外殻部材３０の上流側の開口を閉塞し、保持部材３３は、外殻部材３０の下流側の開口を閉塞する。これにより、外殻部材３０と蓋部材３２と排気部２と保持部材３３に囲まれた環状の空間である熱交換室４が形成される。

なお、冷却液１１０は、蓋部材３２を貫通する入口側流路７１から熱交換器４０の内部に流入し、熱交換器４０の内部において熱交換が行われた後に、蓋部材３２を貫通する出口側流路７２を介して熱交換器４０の外部へと流出する。

流入部５は、円筒状の導入部材５０を備える。円筒状の排気部２の下流端２１と導入部材５０との間には、下流端２１の周方向に渡って開口が形成される。そして、下流端２１と導入部材５０との間の開口が、熱交換室４への排気１００の流入口として機能する。

排気バルブ６は、弁体６０と、弁座６１と、弁軸６２とを有する。
弁座６１は、導入部材５０の先端部位に相当する。弁座６１の内周面にはメッシュ部材６３が取り付けられており、これにより、弁体６０が閉鎖された際の衝撃が緩和される。

弁体６０は、導入部材５０や排気部２の直径よりも大きな直径を有した円板状の部材であり、弁座６１を開閉する。
弁軸６２は、弁体６０に接続された軸であり、弁軸６２が回転することで、弁体６０は、弁座６１を閉塞する位置と開放する位置とに変位する。

冷却液流路７は、バイパス流路７０と、入口側流路７１と、出口側流路７２と、冷却液バルブ７３とを有する。
入口側流路７１は、内燃機関から流下する冷却液１１０を熱交換器４０に導く管状の部材である。

出口側流路７２は、熱交換器４０を通過した冷却液１１０を内燃機関に導く管状の部材であり、入口側流路７１よりも上方に配される。出口側流路７２はサーモアクチュエータ８に繋がっており、出口側流路７２を流下する通過した冷却液１１０は、サーモアクチュエータ８を経由して内燃機関に向かう。

バイパス流路７０は、入口側流路７１と出口側流路７２とを繋ぐ管状の部材である。冷却液１１０は、バイパス流路７０を通過することで、熱交換器４０を通過すること無く内燃機関に向かう。

冷却液バルブ７３は、入口側流路７１におけるバイパス流路７０への分岐点に設けられており、該分岐点を通過して熱交換器４０に向かう冷却液１１０の量と、バイパス流路７０に流入する冷却液１１０の量を調整する。冷却液バルブ７３は、モータやソレノイド等により駆動される。

サーモアクチュエータ８は、出口側流路７２におけるバイパス流路７０との交差地点よりも上流側を流れる冷却液１１０の温度に応じて、排気バルブ６を開閉する。具体的には、該温度が一定の水準に達している（予め定められた閾値を超えている）場合には排気バルブ６を開放し、そうでない場合には排気バルブ６を閉鎖する。サーモアクチュエータ８は、弁軸６２を介して弁体６０を駆動することで、弁座６１を開閉する。サーモアクチュエータ８は、例えば、温度センサにより検出された冷却液１１０の温度に応じてモータやソレノイド等を駆動し、排気バルブ６を開閉しても良いし、冷却液１１０が高温になった際に膨張する熱膨張体により、排気バルブ６を開閉しても良い。

［動作の説明］
次に、制御部９の動作について説明する。上述したように、本実施形態の排気熱回収装置１では、熱交換器４０を通過した冷却液１１０（出口側流路７２を流れる冷却液１１０）の温度が低い場合には、排気バルブ６が閉鎖される。このため、例えば、寒冷地での内燃機関の始動時等には、排気１００と冷却液１１０との間の熱交換が促進され、早期に冷却液１１０の温度を上昇させることができるが、これにより熱交換により排気１００の温度が低下する。

しかし、冷却液１１０の温度が低い場合には、移動体全体の温度が低くなっていると考えられる。このため、排気部２や排気管３１等といった排気１００を外部に排出する排気経路では、排気１００に含まれる水蒸気が凝縮して生成された凝縮水が溜まっていたり、凝縮水が凍結している等の可能性がある。このような場合には、排気１００が高温であれば凝縮水を蒸発させて除去できるが、排気１００が低温である場合には凝縮水を除去できず、凍結した凝縮水により排気経路が閉塞される恐れがある。

これに対し、排気熱回収装置１には、上述したバイパス流路７０や冷却液バルブ７３が設けられている。そして、制御部９は、冷却液バルブ７３を制御することで、熱交換器４０に流入する冷却液１１０の量と、熱交換器４０に流入せず、バイパス流路７０を通過して内燃機関に向かう冷却液１１０の量を調整する。

熱交換器４０に流入せずに内燃機関に向かう冷却液１１０が多い場合には、熱交換器４０内部に存在する冷却液１１０の入れ替わりが滞り、熱交換器４０内部に冷却液１１０が留まった状態になるため、冷却液１１０の温度が早期に上昇する。その結果、内燃機関で用いられる冷却液１１０全体の温度が低い時でも、排気バルブ６が開放される。これにより、排気熱回収装置１の下流側の排気経路に存在する凝縮水を除去することが可能となる。

制御部９は、以下に示す冷却液バルブ制御処理により冷却液バルブ７３を制御する（図４）。なお、冷却液バルブ調整処理は、内燃機関の始動時に実行されても良いし、内燃機関の動作中、定期的に実行されても良い。

Ｓ１００では、制御部９は、排気１００から生成された凝縮水による排気経路の閉塞の危険性を判定する。換言すれば、排気経路上に凝縮水が溜まっているか否かや、排気経路が凍結した凝縮水により閉鎖されているか否かを判定する。具体的には、例えば、他の装置から取得した情報やセンサからの信号等に基づき移動体の外部の温度（外気温）や天候等を把握し、これに基づき該判定を行っても良いし、外気温や天候等の履歴に基づき該判定を行っても良い。また、例えば、他の装置から取得した情報に基づき内燃機関の過去の稼働状況を把握し、これに基づき該判定を行っても良い。なお、内燃機関の過去の稼働状況とは、例えば、前回内燃機関が稼働した後、どの程度の時間が経過しているかや、どの程度の頻度で内燃機関が稼働しているかや、前回の稼働時に内燃機関がどの程度の時間にわたって稼働したか等が考えられる。

そして、制御部９は、排気経路の閉塞の危険性が高い場合には（Ｓ１００：Ｙｅｓ）、Ｓ１０５に移行し、該危険性が低い場合には（Ｓ１００：Ｎｏ）、Ｓ１１０に移行する。
Ｓ１０５では、制御部９は、冷却液バルブ７３を制御して熱交換器４０への冷却液１１０の流入量が制限された状態にし、本処理を終了する。具体的には、例えば、熱交換器４０への流入量を０にしても良いし、入口側流路７１に到達した冷却液１１０の一部のみを熱交換器４０に流入させ、通常時よりも流入量が減少した状態にしても良い。なお、既に流入量が制限された状態になっている場合には、Ｓ１０５の処理を行わなくても良いことを念のため付言しておく。

一方、Ｓ１１０では、制御部９は、冷却液バルブ７３を制御して熱交換器４０への冷却液１１０の流入量を通常の状態にし、本処理を終了する。この時、制御部９は、入口側流路７１に到達した冷却液１１０を全て熱交換器４０に流入させても良いし、冷却液１１０の一部のみを熱交換器４０に流入させても良い。また、既に熱交換器４０への流入量が通常の状態になっている場合には、Ｓ１１０の処理は行わなくても良いことを念のため付言しておく。

［効果］
本実施形態の排気熱回収装置１によれば、排気経路内にて凝縮水が溜まっていたり、凝縮水が凍結していたりする場合には、熱交換器４０への冷却液１１０の流入が制限される。これにより、熱交換器４０の内部での冷却液１１０の入れ替わりが滞り、熱交換器４０に冷却液１１０が留まった状態になるため、熱交換器４０の内部の冷却液１１０の温度が早期に上昇する。その結果、早期に排気バルブ６が開放され、高温の排気１００が流出するため、排気熱回収装置１の下流側の排気経路に溜まっている凝縮水や凍結している凝縮水を蒸発させることができ、凝縮水の凍結による排気経路の閉塞を抑制できる。

［他の実施形態］
（１）本実施形態の冷却液バルブ制御処理では、入口側流路７１に流入した冷却液１１０が熱交換器４０に流入する度合い（流入度合）を２段階で切り替えている。

しかしながら、これに限らず、排気経路が閉塞される危険性を３段階以上で判定すると共に、該危険性に応じて流入度合を３段階以上で切り替え、該危険性が大きくなるに従い段階的に流入度合を小さくしても良い。

（２）本実施形態では、出口側流路７２は、入口側流路７１よりも上方に配されているが、これに限らず、出口側流路７２と入口側流路７１とが同じ高さに配されていても良いし、入口側流路７１が出口側流路７２よりも上方に配されていても良い。

また、この他にも、出口側流路７２におけるサーモアクチュエータに繋がっている部分が、排気熱回収装置１に形成された冷却液１１０の流路の中で最も高い位置に配置されるようにしても良い。

（３）本実施形態の冷却液バルブ制御処理では、凝縮水の凍結による排気経路の閉塞の危険性に基づき冷却液バルブ７３が制御されるが、他の要因に基づき冷却液バルブ７３を制御しても良い。

［特許請求の範囲との対応］
上記実施形態の説明で用いた用語と、特許請求の範囲の記載に用いた用語との対応を示す。

バイパス流路７０がバイパス流路の一例に、入口側流路７１が入口部分の一例に、出口側流路７２が出口部分の一例に、冷却液バルブ７３がバルブの一例に、排気バルブ６，サーモアクチュエータ８が開閉部の一例に相当する。

１…排気熱回収装置、２…排気部、３…シェル部材、４…熱交換室、５…流入部、６…排気バルブ、７…冷却液流路、８…サーモアクチュエータ、９…制御部、３０…外殻部材、３１…排気管、３２…蓋部材、３３…保持部材、４０…熱交換器、５０…導入部材、６０…弁体、６１…弁座、６２…弁軸、７０…バイパス流路、７１…入口側流路、７２…出口側流路、７３…冷却液バルブ、１００…排気、１１０…冷却液。

Claims (2)

1. 内燃機関からの排気を外部に排出する排気経路に沿って配されており、内部を流れる流体に前記排気の熱を伝達させる熱交換器と、
   前記熱交換器に流入する前記流体が通過する入口部分と、前記熱交換器から流出した前記流体が通過する出口部分とを繋ぐバイパス流路と、
   前記入口部分に設けられ、前記バイパス流路に流入する前記流体の量と、前記熱交換器に流入する前記流体の量とを調整するバルブと、
   前記バルブを制御する制御部と、
   前記出口部分における前記バイパス流路と交差する部分の上流側を流れる前記流体の温度が予め定められた水準に達していない場合には、前記排気経路における前記熱交換器が配された部分の下流側の位置を、前記流体の温度に応じて作動するアクチュエータにより閉鎖すると共に、該温度が該水準に達している場合には、該位置を前記アクチュエータにより開放する開閉部と、を備え、
   前記制御部は、前記排気経路が前記排気から生成された凝縮水により閉塞される危険性を判定すると共に、判定結果に基づき前記バルブを制御し、前記バイパス流路に流入する前記流体の量と、前記熱交換器に流入する前記流体の量とを調整すること、
   を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、
   前記出口部分は、前記入口部分よりも上方に配されていること、
   を特徴とする排気熱回収装置。

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