JP6917967B2

JP6917967B2 - 排気熱回収器

Info

Publication number: JP6917967B2
Application number: JP2018202100A
Authority: JP
Inventors: 邦和白井
Original assignee: Futaba Industrial Co Ltd
Current assignee: Futaba Industrial Co Ltd
Priority date: 2018-10-26
Filing date: 2018-10-26
Publication date: 2021-08-11
Anticipated expiration: 2038-10-26
Also published as: JP2020067079A

Description

本開示は、排気熱回収器に関する。

自動車用の内燃機関における排気ガスの熱を冷却水によって回収する排気熱回収器が公知である。排気熱回収器は、排気ガスの排出流路に設けられる。排気熱回収器内で冷却水によって回収された排気熱は、車内の暖房、内燃機関の暖機等に供される。

このような排気熱回収器において、排気熱の回収量を調整するために、熱交換部への排気ガスの供給量を調整するためのバルブと、このバルブを駆動するアクチュエータとが設けられたものが知られている（特許文献１参照）。

特開２０１６−４４６６６号公報

上記公報では、主流路内の流れ方向に対し垂直な方向に熱交換部が配置される。熱交換部に導入された排気ガスは、主流路と平行に熱交換部内を流動したのち、主流路に戻る。上記公報では、アクチュエータの位置は明示されていないが、例えばアクチュエータを主流路の側方に配置すると、アクチュエータの上下にデッドスペースが発生する。

本開示の一局面は、スペース効率を高められる排気熱回収器を提供することを目的としている。

本開示の一態様は、内燃機関の排気ガスと冷却水との間で熱交換を行う熱交換部と、排気ガスを導入する導入口と、導入口に対向して配置されると共に導入口から第１方向に流れた排気ガスを外部に排出する主排出口と、熱交換部へ排気ガスを供給する供給口と、熱交換部を通過した排気ガスが戻る戻り口と、を有する主流路と、主流路から熱交換部への排気ガスの供給量を調整するバルブと、バルブを開閉させるアクチュエータと、を備える排気熱回収器である。

また、供給口は、排気ガスを第１方向と交差する第２方向に流すことで排気ガスを熱交換部へ供給する。熱交換部は、第１方向と第２方向とに交差する第３方向と、第１方向と、第３方向と逆向きの第４方向とに排気ガスを流す。戻り口は、排気ガスを第２方向と逆向きの第５方向に流すことで排気ガスを主流路に戻す。

このような構成によれば、主流路の流れ方向（つまり第１方向）に加え、主流路の流れ方向と直行する２つの第２方向及び第３方向にも排気ガスの流路を延長できる。そのため、熱交換部を通過する排気ガスの流路長が主流路の長さによって制限されないので、主流路、熱交換部及びアクチュエータを効率よく配置することで、スペース効率を高めることができる。その結果、排気熱回収器を従来よりも小型化することができる。あるいは、従来と同等のサイズとしたまま、排気熱回収器の性能を従来よりも高めることができる。

本開示の一態様では、アクチュエータは、主流路に対し第３方向側、かつ熱交換部に対し第５方向側に配置されてもよい。このような構成によれば、より確実にスペース効率を高めることができる。

本開示の一態様では、熱交換部は、主流路に向けて排気ガスを排出する第１排出口と、内燃機関に排気ガスを供給する排気再循環流路に排気ガスを排出する第２排出口と、を有してもよい。このような構成によれば、排気ガスの流路を３次元的に拡張しつつ、排気ガスの一部を内燃機関に再循環させることができる。つまり、スペース効率を高めつつ、ＥＧＲ機能を排気熱回収器に付加することができる。

図１は、実施形態の排気熱回収器の模式的な斜視図である。図２は、図１の排気熱回収器を異なる方向から視た模式的な部分透過斜視図である。図３は、図１のＩＩＩ−ＩＩＩ線での模式的な断面図である。図４Ａは、図１の熱交換部の伝熱部材の模式的部分拡大図であり、図４Ｂは、図４Ａとは異なる実施形態の伝熱部材の模式的部分拡大図である。図５は、図１のＶ−Ｖ線での模式的な断面図である。図６は、図１のＶＩ−ＶＩ線での模式的な断面図である。図７は、図１のＶＩＩ−ＶＩＩ線での模式的な断面図である。図８Ａは、図１の排気熱回収器における非回収モードを示す模式的な断面図であり、図８Ｂは、図１の排気熱回収器におけるＥＧＲモードを示す模式的な断面図である。

以下、本開示が適用された実施形態について、図面を用いて説明する。
［１．第１実施形態］
［１−１．構成］
図１に示す排気熱回収器１は、内燃機関の排気ガス流路内に設けられ、排気ガスＧの熱を冷却水に回収する。排気熱回収器１が設けられる内燃機関としては、例えば、自動車に用いられるガソリンエンジン又はディーゼルエンジンが挙げられる。

排気熱回収器１は、主流路２と、熱交換部３と、バルブ４と、アクチュエータ５とを備える。排気熱回収器１は、排熱回収を行う回収モードと、排熱回収を行わない非回収モードと、排気再循環を行うＥＧＲモードとに切り替え可能である。

＜主流路＞
主流路２は、導入口２１と、主排出口２２と、供給口２３と、戻り口２４（図３参照）とを有する。

導入口２１は、排気ガスＧを排気熱回収器１の内部へ導入する。主排出口２２は、導入口２１から第１方向Ｄ１に流れた排気ガスＧを排気熱回収器１の外部に排出する。供給口２３は、熱交換部３へ排気ガスＧを供給する。戻り口２４は、熱交換部３を通過した排気ガスＧが主流路２へ戻る開口である。

主流路２内には、バルブ４が配置されている。また、導入口２１と主排出口２２とは、対向するように配置されている。つまり、導入口２１における排気ガスＧの流れ方向と、主排出口２２における排気ガスＧの流れ方向とは平行である。さらに、導入口２１の中心は、導入口２１における排気ガスＧの流れ方向から視て、主排出口２２と重なっている。なお、主流路２は、その一部が湾曲していてもよい。

供給口２３は、排気ガスＧを第１方向Ｄ１と垂直な第２方向Ｄ２に流すことで、排気ガスＧを熱交換部３へ供給する。戻り口２４は、排気ガスＧを第２方向Ｄ２と逆向きの第５方向Ｄ５に流すことで、排気ガスＧを主流路２に戻す。

＜熱交換部＞
熱交換部３は、内燃機関の排気ガスＧと冷却水との間で熱交換を行う部位である。熱交換部３は、主流路２に対し第２方向Ｄ２側に並んで配置されている。

熱交換部３は、図２及び図３に示すように、伝熱部材３１と、取込口３２と、第１排出口３３とを有する。また、熱交換部３は、図１に示すように、第２排出口３４と、第１通水口３５と、第２通水口３６と、セパレータ３８と、下部ケーシング３９とをさらに有する。

本実施形態の伝熱部材３１は、複数のプレートが重ね合わされたものである。図４Ａに示すように、伝熱部材３１を構成するプレートの間には、第１方向Ｄ１と第２方向Ｄ２とに直交する第３方向Ｄ３に沿って延伸する通路が形成されている。この通路に沿って、排気ガスＧの第３方向Ｄ３、又は第３方向Ｄ３と逆向きの第４方向Ｄ４の流れを形成することができる。また、伝熱部材３１の各プレートには、第１部３１Ａと第２部３１Ｂとを区分けする仕切りが配置される。

また、伝熱部材３１として、図４Ｂに示すように、外面に複数のフィン３１Ｃが取り付けられたチューブを用いてもよい。つまり、熱交換部３は、フィンアンドチューブ型であってもよい。複数のフィン３１Ｃは、第３方向Ｄ３に延伸した板状の部材であり、互いに平行に設けられている。フィン３１Ｃは、平板状でもよいし、第１方向Ｄ１に湾曲（つまりウェービング）していてもよい。

熱交換部３は、伝熱部材３１に設けられた通路を流れる排気ガスと、伝熱部材３１に設けられた別の通路を流れる冷却水との間で伝熱部材３１を介して熱交換を行う。これにより、熱交換部３は、排気ガスの熱を冷却水に与える。

取込口３２は、図３に示すように、主流路２の供給口２３と連結されている。取込口３２から導入された排気ガスＧは、セパレータ３８（図２参照）によって第２方向Ｄ２に誘導される。セパレータ３８は、第２方向Ｄ２に延伸する板状の部材であり、伝熱部材３１の第４方向Ｄ４側に配置されている。排気ガスＧは、セパレータ３８と、熱交換部３の第４方向Ｄ４側に配置された下部ケーシング３９とによって画定された流路を第２方向Ｄ２に流動する。

第１排出口３３は、主流路２の戻り口２４と連結されている。主流路２内に導入された排気ガスＧは、図５に示すように、取込口３２から第２方向Ｄ２に流れて熱交換部３の内部に進入する。伝熱部材３１で熱交換を行った排気ガスＧは、図６に示すように、第１排出口３３から第５方向Ｄ５に流れて主流路２内に排出される。

排気ガスＧを冷却する冷却水は、第１通水口３５及び第２通水口３６の一方から熱交換部３内に供給され、伝熱部材３１を通過した後、第１通水口３５及び第２通水口３６の他方から排出される。

例えば、図７に示すように、第２通水口３６から伝熱部材３１に供給された冷却水Ｗは、熱交換部３の第１通水口３５及び第２通水口３６と対向する端部まで流れ、第１通水口３５から排出される。また、冷却水Ｗの一部は、伝熱部材３１に設けられたバイパス路を第３方向Ｄ３に通過する。

伝熱部材３１は、図７に示すように、第３方向Ｄ３に排気ガスＧが流れる第１部３１Ａと、第４方向Ｄ４に排気ガスＧが流れる第２部３１Ｂとを有する。第２部３１Ｂは、第１部３１Ａよりも排気ガスの流れ方向において下流側に位置し、第１部３１Ａの第１方向Ｄ１側に配置されている。

第１部３１Ａを通過した排気ガスＧは、伝熱部材３１の第３方向Ｄ３側に設けられた内部空間３７を第１方向Ｄ１に流れたのち、第２部３１Ｂを通過して第１排出口３３に向かう。したがって、熱交換部３は、第３方向Ｄ３と、第１方向Ｄ１と、第４方向Ｄ４とに排気ガスＧを流す。

第２排出口３４は、内燃機関に排気ガスＧを供給する排気再循環流路（図示省略）に排気ガスＧを排出するための開口である。つまり、第２排出口３４には、排気再循環経路１００が接続される。

第２排出口３４は、熱交換部３における排気ガスＧの流路の途中に設けられている。本実施形態では、第２排出口３４は、排気ガスＧの流れにおける伝熱部材３１の第１部３１Ａと第２部３１Ｂとの間に設けられている。つまり、第２排出口３４は、第２部３１Ｂよりも上流側に配置されている。

そのため、排気再循環を行うＥＧＲモードでは、熱交換部３に供給された排気ガスの一部は、第２部３１Ｂを通過することなく、第２排出口３４から内燃機関に向かって排出される。

＜バルブ＞
バルブ４は、主流路２から熱交換部３への排気ガスＧの供給量を調整する。バルブ４は、排気熱回収器１のモードに応じて、開度が変化する。

バルブ４は、図３に示すように、主流路２内において少なくとも一部が供給口２３と排気ガスＧの流れ方向で重なる位置に配置されたバタフライバルブである。ただし、バルブ４は、供給口２３よりも排気ガスＧの流れ方向における上流側に配置されてもよい。また、バルブ４は、バタフライバルブに限定されない。

バルブ４は、回収モードと、非回収モードと、ＥＧＲモードとの間で変位可能である。ただし、バルブ４は、これ以外のモード（つまり、任意のバルブ開度）に変位可能であってもよい。バルブ４は、後述するアクチュエータ５によって開閉動作をする。

図３に示す回収モードでは、バルブ４によって、供給口２３よりも下流側の主流路２への流路が閉塞される。そのため、排気ガスＧは、全量が供給口２３に誘導され、熱交換部３に供給される。

図８Ａに示す非回収モードでは、排気ガスＧは、バルブ４によって、供給口２３をバイパスして主流路２を主排出口２２に向かって流動する。つまり、熱交換部３への排気ガスＧの供給が規制される。

図８Ｂに示すＥＧＲモードでは、一部の排気ガスＧは、供給口２３を介して熱交換部３に供給され、さらに第２排出口３４から排気再循環経路１００に供給される。残りの排気ガスＧは、熱交換部３をバイパスして主排出口２２から排出される。

＜アクチュエータ＞
アクチュエータ５は、バルブ４を動作させる。具体的には、アクチュエータ５は、バルブ４を軸回転させることにより、バルブ４を少なくとも回収モード、非回収モード及びＥＧＲモードのいずれかに変位させる。

アクチュエータ５としては、電力、空気圧、油圧等の動力を用いて駆動するモータ、冷却水の温度に対応して伸縮する熱膨張体を用いたサーモアクチュエータ等を使用することができる。

本実施形態では、アクチュエータ５は、主流路２に対し第３方向Ｄ３側、かつ熱交換部３に対し第５方向Ｄ５側に配置されている。アクチュエータ５は、主流路２及び熱交換部３に隣接するように配置されている。

＜排気ガスの流れ＞
回収モード又はＥＧＲモードにおいて、主流路２に導入された排気ガスＧは、供給口２３から熱交換部３へ供給される際に、第１方向Ｄ１と交差する第２方向Ｄ２に流れる。

次に、排気ガスＧは、熱交換部３において、第３方向Ｄ３と、第１方向Ｄ１と、第４方向Ｄ４とにこの順に流れて熱交換を行う。最後に、排気ガスＧは、熱交換部３から戻り口２４へ戻される際に、第５方向Ｄ５に流れる。主流路２に戻った排気ガスＧは、再び第１方向Ｄ１に流れて戻り口２４から外部に排出される。

なお、非回収モード又はＥＧＲモードにおいて、熱交換部３に供給されない（つまり熱交換部３をバイパスする）排気ガスＧは、主流路２内を第１方向Ｄ１に流れて戻り口２４から外部に排出される。

［１−２．効果］
以上詳述した実施形態によれば、以下の効果が得られる。
（１ａ）主流路２の流れ方向（つまり第１方向Ｄ１）に加え、主流路の流れ方向と直行する２つの第２方向Ｄ２及び第３方向Ｄ３にも排気ガスの流路を延長できる。そのため、熱交換部３を通過する排気ガスの流路長が主流路２の長さによって制限されないので、主流路２、熱交換部３及びアクチュエータ５を効率よく配置することで、スペース効率を高めることができる。その結果、排気熱回収器１を従来よりも小型化することができる。あるいは、従来と同等のサイズとしたまま、排気熱回収器１の性能を従来よりも高めることができる。

（１ｂ）アクチュエータ５が主流路２に対し第３方向Ｄ３側、かつ熱交換部３に対し第５方向Ｄ５側に配置されることで、より確実に排気熱回収器１のスペース効率を高めることができる。

（１ｃ）熱交換部３が第２排出口３４を有するので、排気ガスの流路を３次元的に拡張しつつ、排気ガスの一部を内燃機関に再循環させることができる。つまり、スペース効率を高めつつ、ＥＧＲ機能を排気熱回収器１に付加することができる。

［２．他の実施形態］
以上、本開示の実施形態について説明したが、本開示は、上記実施形態に限定されることなく、種々の形態を採り得ることは言うまでもない。

（２ａ）上記実施形態の排気熱回収器１において、第２方向Ｄ２は、第１方向Ｄ１と交差する方向であれば、必ずしも第１方向Ｄ１と垂直な方向でなくてもよい。同様に、第３方向Ｄ３は、第１方向Ｄ１及び第２方向に交差する方向であれば、必ずしもこれらの方向と垂直な方向でなくてもよい。

（２ｂ）上記実施形態の排気熱回収器１において、熱交換部３における排気ガスＧの第３方向Ｄ３の流れの前あるいは後、第１方向Ｄ１の流れの後、又は第４方向Ｄ４の流れの後に、さらに別向きの排気ガスＧの流れがあってもよい。

（２ｃ）上記実施形態の排気熱回収器１において、アクチュエータ５は、必ずしも主流路２に対し第３方向Ｄ３側、かつ熱交換部３に対し第５方向Ｄ５側に配置されなくてもよい。アクチュエータ５は、任意の位置に配置可能である。

（２ｄ）上記実施形態の排気熱回収器１において、熱交換部３は、必ずしも第２排出口３４を有しなくてもよい。つまり、排気熱回収器１は、必ずしもＥＧＲ機能を有しなくてもよい。

（２ｅ）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したりしてもよい。また、上記実施形態の構成の一部を省略してもよい。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、置換等してもよい。なお、特許請求の範囲に記載の文言から特定される技術思想に含まれるあらゆる態様が本開示の実施形態である。

１…排気熱回収器、２…主流路、３…熱交換部、４…バルブ、５…アクチュエータ、
２１…導入口、２２…主排出口、２３…供給口、２４…戻り口、３１…伝熱部材、
３１Ａ…第１部、３１Ｂ…第２部、３１Ｃ…フィン、３２…取込口、
３３…第１排出口、３４…第２排出口、３５…第１通水口、３６…第２通水口、
３７…内部空間、３８…セパレータ、３９…下部ケーシング、
１００…排気再循環経路。

Claims

内燃機関の排気ガスと冷却水との間で熱交換を行う熱交換部と、
前記排気ガスを導入する導入口と、前記導入口に対向して配置されると共に前記導入口から第１方向に流れた前記排気ガスを外部に排出する主排出口と、前記熱交換部へ前記排気ガスを供給する供給口と、前記熱交換部を通過した前記排気ガスが戻る戻り口と、を有する主流路と、
前記主流路から前記熱交換部への前記排気ガスの供給量を調整するバルブと、
前記バルブを開閉させるアクチュエータと、
を備え、
前記供給口は、前記排気ガスを前記第１方向と交差する第２方向に流すことで前記排気ガスを前記熱交換部へ供給し、
前記熱交換部は、前記第１方向と前記第２方向とに交差する第３方向と、前記第１方向と、前記第３方向と逆向きの第４方向とに前記排気ガスを流し、
前記戻り口は、前記排気ガスを前記第２方向と逆向きの第５方向に流すことで前記排気ガスを前記主流路に戻す、排気熱回収器。
請求項１に記載の排気熱回収器であって、
前記アクチュエータは、前記主流路に対し前記第３方向側、かつ前記熱交換部に対し前記第５方向側に配置される、排気熱回収器。
請求項１又は請求項２に記載の排気熱回収器であって、
前記熱交換部は、
前記主流路に向けて前記排気ガスを排出する第１排出口と、
前記内燃機関に前記排気ガスを供給する排気再循環流路に前記排気ガスを排出する第２排出口と、
を有する、排気熱回収器。