JPH068263Y2 - エンジンの排気熱回収装置 - Google Patents

Description

【考案の詳細な説明】 （産業上の利用分野） 本考案は、エンジンの排気ガスと水との熱交換を行なう
熱交換器を設けて排気熱を回収するようにしたエンジン
の排気熱回収装置に関する。

（従来技術） エンジンの排気熱を回収して暖房あるいはヒートポンプ
回路の熱源として利用する装置において、エンジンの排
気熱の回収は、一般に内部に排気ガスが通されるコア部
とこのコア部との間で冷却水通路を形成する外側ケース
とからなる熱交換器を排気ガス通路に配設することによ
って行なっているが、排気マニホールドから放散される
熱を回収してさらに熱回収率を高めるため、例えば実開
昭６０−１９１１号公報に開示されているように、排気
マニホールドをウォータジャケットで囲んだ構成のも
の、すなわち、排気マニホールドをその内部の排気ガス
の流通を妨げることなく、熱交換用ケースにて包囲して
密閉空間を形成し、この密閉空間に熱媒流体を流入およ
び流出させるようにしたものが知られている。

ところで、このような排気マニホールド熱交換器におい
ては、一般にその一端から冷却水が導入され、他端から
高温となった冷却水が取出されるように構成されている
が、冷却水通路における冷却水の局部的な停滞が生じ易
く、この停滞した冷却水の局部沸騰により排気マニホー
ルドに部分的な温度差が生じ、排気マニホールドにクラ
ックが発生するという懸念があった。

このように排気マニホールドにクラックが発生すると、
熱交換用の水が排気マニホールドを介してエンジン内に
流入したり、あるいは排気ガスが冷却水回路に混入した
りして、種々の障害を発生することになる。

（考案の目的） 上述の事情に鑑み、本考案は排気マニホールド熱交換器
において冷却水の停滞が生じないようにして上記クラッ
クの発生を防止したエンジンの排気熱回収装置を提供す
ることを目的とする。

（考案の構成） 上記目的を達成するために、本考案は、エンジンの複数
の排気マニホールドから吐出される排気ガスを集合させ
る集合室と、この集合室の室壁の周囲に冷却水通路を形
成する外側ケースとによって排気熱回収用熱交換器を構
成し、上記冷却水通路内の冷却水を外部に取出すための
冷却水取出口を上記外側ケースの上部および下部にそれ
ぞれ設けるとともに、上記上部取出口をヒートポンプ装
置に接続し、かつ上記下部取出口を上記エンジンのウォ
ータジャケットに冷却水を供給するウォータポンプに接
続したものである。

（考案の効果） このような構成によれば、高温になった冷却水は上部取
出口から流出してヒートポンプ装置の熱交換器に供給さ
れ、比較的低温の冷却水はウォータポンプによって下部
取出口を通じて吸引されてエンジン内のウォータジャケ
ットを循環してエンジンを冷却するから、装置全体の熱
効率を向上させることができるとともに、冷却水が平滑
に流れるために冷却水の停滞は生じなくなり、また気泡
が生じてもこの気泡は上部取出口から逃されるから、冷
却水の局部沸騰は阻止される。したがって排気マニホー
ルドおよび集合室壁におけるクラックの発生を防止する
ことができる。

（実施例） 以下、本考案の実施例について図面を参照して詳細に説
明する。

まず、第９図により、本考案によるエンジンの排気熱回
収装置が適用されるヒートポンプ装置の全体システムを
説明すると、ヒートポンプユニット側システムＡには、
冷媒加圧用コンプレッサ１と、室内側熱交換器２と、四
方弁３と、膨張弁４と、室外側熱交換器（熱負荷）５と
からなるヒートポンプ冷媒回路６が設けられ、また上記
室外側熱交換器５および後述する熱交換器１０に対する
放熱ファン７が設けられている。一方、エンジン側シス
テムＢには、コンプレッサ１を駆動する出力軸８ａを備
えたエンジン８が設けられ、このエンジン８の排気熱を
回収するとともに、この回収した熱を熱交換器１０にて
放熱し、かつエンジン８を冷却する冷却水通路９が設け
られている。

この冷却水通路９は、ヒートポンプユニット側システム
Ａの室外側熱交換器５と熱交換を行なう熱交換器１０お
よび循環水ポンプ１１と、エンジン側システムＢにおけ
るエンジン８の排気ガスと熱媒体としての冷却水とが熱
交換して排気熱を回収する主熱交換器１２および排気マ
ニホールドの外周を冷却水通路で囲んで構成した排気マ
ニホールド熱交換器１３からなるエンジン排気通路熱交
換器と、エンジン８内のウォータポンプ１４と、サーモ
スタット１５とが直列接続されることにより形成されて
いる。また、熱交換器１２および１３で構成されるエン
ジン排気通路熱交換器で高温にされた冷却水を直接ヒー
トポンプユニット側システムＡの熱交換器１０に供給す
るためにバイパス通路１６が形成されている。主熱交換
器１２はエンジン８のコンプレッサ１側の側面において
出力軸８ａの上方空間に配設されている。なお、第９図
において、８ｂはエンジン出力による回動されるフライ
ホイールが収容されたハウジングである。

次に第１図〜第３図によりエンジン側システムＢの構成
について説明すると、主熱交換器１２は、エンジン８本
体の後面すなわちコンプレッサ側の側面において出力軸
８ａの上方に配設され、また排気マニホールド熱交換器
１３はエンジン８本体の排気マニホールド側の側面上方
に、すなわち上記主熱交換器１２の排気ガス流の上流側
に設けられている。主熱交換器１２は排気マニホールド
熱交換器１３の高さ位置よりも低い位置に設けられ、こ
の主熱交換器１２の排気ガス流の上流端に冷却水取入口
１２ａが設けられている。また排気マニホールド熱交換
器１３とは連結部１２ｂにより連結されているととも
に、この主熱交換器１２の排気ガス流の下流側は下方に
傾斜している。そして主熱交換器１２の傾斜下端部の上
部には、図示が省略されている排気管路およびサイレン
サが接続される排気出口１２ｃが設けられ、また下部に
は凝縮水ドレイン１２ｄが設けられている。

第４図〜第６図は上記主熱交換器１２の概略的断面構成
を示し、内部に排気ガスが通されるコア部２０と、この
コア部２０との間に冷却水通路２１を形成する外側ケー
ス２２とにより構成されている。なお、上記コア部２０
の構成は公知であるから、それについての詳細な図示お
よび説明は省略する。そして前述のように、冷却水取入
口１２ａが排気ガス流の上流端に設けられ、さらにこの
冷却水取入口から取入れられた冷却水をコア部２０の排
気ガス流の下流側に直接導くための冷却導入通路２３が
冷却水通路２１と平行に外側ケース２２に形成されてい
る。

主熱交換器１２をこのように構成することにより、冷却
水取入口１２ａから取入れられた冷却水は冷却水導入通
路２３を通って直接外側ケース２２内の排気出口１２ｃ
側に対応する部分１２ｅに導かれ、この部分１２ｅから
コア部分２０内を排気ガス流の上流側に向って流れて冷
却水出口部１２ｆに達し、この間に排気ガスとの間に熱
交換が行なわれるが、排気ガス流と冷却水とか互いに逆
方向に流れるいわゆる対向流となるため、熱交換効率を
向上させることができるのである。

冷却水出口部１２ｆに達した冷却水は排気マニホールド
熱交換器１３との連結部１２ｂを通って排気マニホール
ド熱交換器１３内に流入するが、その排気マニホールド
熱交換器１３は第７図および第８図に示されているよう
に、シリンダヘッド２５の４つの排気ポート２６から排
気マニホールド２７内を通って排出される排気ガスを集
合させる円筒状の集合室２８と、この集合室２８の室壁
２９のまわりに冷却水通路３０を形成する外側ケース３
１とからなる。そして第７図から明らかなように、各排
気マニホールド２７の集合室２８への開口部３２の中心
は水平線ｌ_１上に整列しているが、円筒状の集合室２８
は、その軸線ｌ_２が排気ガス流の下流側すなわち主熱交
換器１２側が低くなるように傾斜して形成されている。
したがって集合室２８の底部２８ａも排気ガスの下流側
が低くなるゆに水平ｌ_１に対して傾斜しており、さらに
この底部２８ａは排気マニホールド２７の集合室２８へ
の開口部３２よりも下方に位置するように形成されてい
る。

このような構成により、排気ガス中の水分が冷却される
ことによって集合室２８内に発生する酸性度の高い凝縮
水は主熱交換器１２側に流れ、主熱交換器１２の凝縮水
ドレイン１２ｄから排出されるから、凝縮水の酸性によ
って集合室２８の室壁２９が腐蝕するおそれがなくな
る。また万一腐蝕による穴あるいは熱によるクラック等
が集合室２８の室壁２９に生じて冷却水が集合室２８内
に漏出したとしても、この冷却水は主熱交換器１２のド
レイン１２ｄから排出されるから、冷却水が排気マニホ
ールド２７からエンジン８内の燃焼室に逆流してエンジ
ン８を損傷するおそれもなくなる。

一方、主熱交換器１２を通った冷却水は連結部１２ｂか
らこの排気マニホールド熱交換器１３内の冷却水通路３
０内に流入し、ここでも熱交換が行なわれるが、この冷
却水を熱交換器１３の上部および下部から外部に取出す
ために、その外側ケース３１に、その排気ガス流の上流
端に対応する位置に上部取出口１３ａおよび下部取出口
１３ｂが設けられている。そして排気ガスによって高温
の温水となされた冷却水を上部取出口１３ａから取出
し、比較的低温の冷却水を下部取出口１３ｂから取出す
ように構成されている。さらに上部取出口１３ａは第９
図のバイパス通路１６を通じてヒートポンプユニット側
システムＡの熱交換器１０に接続され、また下部取出口
１３ｂはエンジン８のウォータジャケットに冷却水を供
給するウォータポンプ１４に接続されている。したがっ
て上部取出口１３ａから取出された高温の冷却水はバイ
パス通路１６を通じて直接熱交換器１０に供給される
が、下部取出口１３ｂから取出された比較的低温の冷却
水はウォータポンプ１４に流入し、次にエンジン８本体
内のウォータジャケットを通過し、さらにサーモスタッ
ト１５を通った後、バイパス通路１６を通って流出する
冷却水と合流して熱交換器１０に供給される。

このように排気マニホールド熱交換器１３の外側ケース
３１に上部取出口１３ａおよび下部取出口１３ｂを設け
たことにより、ヒートポンプユニット側システムＡにお
ける熱交換効率を向上させることができる。また、外側
ケース３１内での冷却水の停滞が防止され、かつ気泡が
上部取出口１３ａから逃がされるから、冷却水の局部沸
騰による排気マニホールド２７および集合室壁２９のク
ラック発生を防止することもできる。

次に第９図のヒートポンプ装置の動作について説明する
と、エンジン８が運転されることにより、出力軸８ａを
介してコンプレッサ１が駆動され、ヒートポンプ冷媒回
路６が運転され、室内側熱交換器２が凝縮器、室外側熱
交換器５が蒸発器として作用するときには、室内側の暖
房を行なうことができ、また四方弁３の切替により、室
内側熱交換器２が蒸発器、室外側熱交換器５が凝縮器と
して作用するときには、室内側の冷房を行なうことがで
きる。一方、冷却水についてみれば、ヒートポンプユニ
ット側システムＡにおける循環水ポンプ１１はエンジン
８の停止時にも作動し、冷却水は主熱交換器１２から排
気マニホールド熱交換器１３を経由して熱交換器１０に
一定流量が循環するようになっている。また、エンジン
８の運転中はエンジン８内のウォータポンプ１４が排気
マニホールド熱交換器１３の下部取出口１３ｂを通じて
冷却水を吸引し、この冷却水がエンジン８内の各ウォー
タジャケットを循環してエンジン８を冷却する。

したがって、冷却水と排気ガスとは主熱交換器１２およ
び排気マニホールド熱交換器１３にて熱交換を行ない、
排気熱の効率的な回収がなされ、この回収された排気熱
は熱交換器１０にてヒートポンプ回路側の室外側熱交換
器５に熱交換され、ヒートポンプ冷媒回路６が室内の暖
房運転を行なっている際には有効に廃熱利用がなされる
のである。

そして本考案の実施例では、前述のように、４つの排気
マニホールド２７から吐出される排気ガスを集合させる
集合室２８と、この集合室２８の室壁２９の周囲に冷却
水通路３０を形成する外側ケース３１とによって排気マ
ニホールド熱交換器１３を構成し、冷却水通路３０内の
冷却水を外部に取出すための上部取出口１３ａおよび下
部取出口１３ｂを外側ケース３１に設けるとともに、上
部取出口１３ａをヒートポンプユニット側システムＡの
熱交換器１０に接続し、また下部取出口１３ｂをエンジ
ン８のウォータポンプ１４に接続したので、高温になっ
た冷却水は上部取出口１３ａから流出してヒートポンプ
ユニット側システムＡの熱交換器１０に供給され、比較
的低温の冷却水はウォータポンプ１４によって下部取出
口１３ｂを通じて吸引されてエンジン８内のウォータジ
ャケットを循環してエンジン８を冷却し、高温になって
からヒートポンプユニット側システムＡの熱交換器１０
に供給されるから、装置全体の熱効率を向上させること
ができとともに、冷却水が停滞することなく流れるた
め、冷却水の局部沸騰は阻止される。したがって排気マ
ニホールド２７および集合室壁２９におけるクラックの
発生を防止することができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本考案による排気熱回収装置を実施したエンジ
ンの背面図、第２図は同平面図、第３図は同側面図、第
４図は同排気熱回収装置における主熱交換器の概略的横
断面図、第５図は同縦断面図、第６図は第５図のVI−VI
線に沿った縦断面図、第７図は排気マニホールド熱交換
器の縦断面図、第８図は第７図のVIII−VIII線に沿った
縦断面図、第９図はエンジン駆動式ヒートポンプ装置の
全体構成を示す概略図である。 １……コンプレッサ、８……エンジン １２……主熱交換器 １３……排気マニホールド熱交換器 ２０……コア部、２２、３１……外側ケース ２３……冷却水導入通路 ２７……排気マニホールド ２８……集合室

Claims (1)

【実用新案登録請求の範囲】
1. 【請求項１】エンジンの複数の排気マニホールドから吐
   出される排気ガスを集合させる集合室と、この集合室の
   室壁の周囲に冷却水通路を形成する外側ケースとによっ
   て排気熱回収用熱交換器を構成し、上記冷却水通路内の
   冷却水を外部に取出すための冷却水取出口を上記外側ケ
   ースの上部および下部にそれぞれ設けるとともに、上記
   上部取出口をヒートポンプ装置に接続し、かつ上記下部
   取出口を上記エンジンのウォータジャケットに冷却水を
   供給するウォータポンプに接続したことを特徴とするエ
   ンジンの排気熱回収装置。