JPWO2017126117A1 - 排気熱回収装置 - Google Patents

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Abstract

本開示の一局面における排気熱回収装置は、主流路と、副流路と、複数の熱交換器と、連通部と、を備える。主流路には排気ガスが流通する。副流路は主流路から分岐された流路であり、副流路には排気ガスの少なくとも一部が流通する。複数の熱交換器は副流路内に配置されている。連通部は複数の熱交換器を連通し、副流路の一部を構成する。連通部は、排気再循環に用いられる排気ガスの取出口である排気ガス取出口を備える。

Description

本開示は、熱交換器を用いて排気ガスから熱を回収する技術に関する。
下記特許文献１には、熱交換器を用いて排気ガスから熱を回収する排気熱回収装置において、熱交換器の内部におけるガス流路を分岐して排気ガスの取出部を設けたものが開示されている。
特開２００９−１２７５４７号公報
しかしながら、上記の排気熱回収装置では、排気ガスの取出部の位置を変更しようとする場合、熱交換器の液体流路配置等の設計変更をしなければならず、排気ガスの取出部の位置を変更する際にコストがかさむという問題があった。
本開示の一局面は、熱交換器を用いて排気ガスから熱を回収する技術において、排気ガスの取出部の位置を容易に変更できることが望ましい。
本開示の一局面の排気熱回収装置においては、主流路と、副流路と、複数の熱交換器と、連通部と、を備える。主流路には排気ガスが流通する。副流路は主流路から分岐された流路であり、副流路には排気ガスの少なくとも一部が流通する。
複数の熱交換器は副流路内に配置されている。連通部は複数の熱交換器を連通し、副流路の一部を構成する。また、連通部は、排気再循環に用いられる排気ガスの取出口である排気ガス取出口を備える。
このような排気熱回収装置は、複数の熱交換器を連通する連通部に排気ガス取出口を備えるので、熱交換器の設計変更をすることなく排気ガス取出口の位置を変更することができる。
また、本開示の一局面の排気熱回収装置において、複数の熱交換器は、排気ガスと熱交換される液体が流通する液体流路を備え、この液体流路の周囲に排気ガスを通過させてもよい。
このような排気熱回収装置によれば、熱交換器に例えば水等の液体を流動させる液体流路を備えることによって水冷式の熱交換器とすることができる。
また、本開示の一局面の排気熱回収装置において、複数の熱交換器のうちの少なくとも主流路から排気ガスが直に供給される熱交換器は、液体流路において冷却液が排出される排出部と、排出部よりも主流路側に配置され、液体流路において冷却液が供給される供給部と、を備えてもよい。
このような排気熱回収装置によれば、供給部が排出部よりも主流路側に配置されるので、熱交換器は、主流路から流入した高温の排気ガスに対してより低温の冷却液を用いて熱交換を行うことができる。
また、本開示の一局面の排気熱回収装置において、複数の熱交換器のうちの主流路において排気ガスの流れ方向上流側に位置する熱交換器は、主流路において排気ガスの流れ方向下流側に位置する熱交換器よりも熱交換能力が高く設定されてもよい。
このような排気熱回収装置によれば、より高温の排気ガスと熱交換を行う熱交換器について熱交換能力が高く設定されているので、排気ガスが連通部に到達するまでに効率よく排気ガスを冷却することができる。
また、本開示の一局面の排気熱回収装置において、副流路は、熱交換器が配置された部位における排気ガスの流れ方向が、主流路における排気ガスの流れ方向と直交するよう設定されてもよい。
このような排気熱回収装置によれば、主流路と熱交換器とを隣接させ、熱交換器における排気ガスの取込口を主流路のすぐそばに配置することができるので、排気ガスを熱交換器に導入するための経路が不要とすることができ、装置を小型化することができる。
実施形態における排気熱回収装置を示す断面図である。 その他の実施形態における排気熱回収装置を示す断面図である。
１…排気熱回収装置、８…流入部、９…流出部、１０Ａ，１０Ｂ…バルブ、１２…排気管、１４…拡幅部、３０…熱交換部、３０Ａ，３０Ｂ…熱交換器、３１Ａ，３１Ｂ…熱交換フィン、３２，３３，３４…液体流路、４４…流入管、４６…流出管、５６…分離壁、７１…排気ガス取出口、７２…ＥＧＲパイプ、７５…連通部、９１…主流路、９２…副流路、１４２…排気、１４４…冷却液。
以下、本開示の例示的な実施形態について図面を参照しながら説明する。
［１．第１実施形態］
［１−１．排気熱回収装置の概要］
図１に示す排気熱回収装置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。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ガス等の排気１４２が有する熱を、排気１４２よりも低温の低温流体である内燃機関の冷却液１４４に伝達させることにより、排気１４２から熱を回収する。本実施形態における冷却液１４４は、冷却水であってもよいし、油液であってもよい。
本実施形態の排気熱回収装置１は、排気管１２と、熱交換部３０と、バルブ１０Ａとを備えている。
排気管１２は、内燃機関からの排気１４２を下流側へと導く流路を形成する。また、排気管１２は、断面積が周囲よりも広く構成された拡幅部１４を備える。この拡幅部１４において熱交換部３０が配置される。

拡幅部１４においては、流入部８および流出部９が隣接して配置される。
流入部８は、排気管１２から熱交換部３０へと排気１４２が流入する部位である。流出部９は、熱交換部３０から排気管１２へと排気１４２が流出する部位である。バルブ１０Ａは、排気１４２の流路を開放または閉塞する弁であり、排気管１２における排気１４２の流路に沿って流入部８よりも下流側であって、主流路９１において後述する複数の熱交換器３０Ａ，３０Ｂの間となる位置に配置されている。
バルブ１０Ａが開放されると、排気１４２の大部分は熱交換部３０を経由することなく主流路９１を通りバルブ１０Ａの下流に流れる。バルブ１０Ａが閉塞されると、排気１４２の大部分は熱交換部３０を経由する副流路９２を通りバルブ１０Ａの下流に流れる。つまり、バルブ１０Ａは開閉に応じて排気１４２の流路を切り替える。
なお、バルブ１０Ａは、周知のモータやサーモアクチュエータ等のアクチュエータによって開閉される。また、バルブ１０Ａは、排気１４２の圧力によって開閉する特性も有する。また、主流路９１とは、主に排気管１２によって形成される排気１４２の流路を表す。また、副流路９２とは、主流路９１から分岐した流路であり、主に、拡幅部１４と後述する分離壁５６とにより囲まれた流路を表す。
［１−２．排気熱回収装置の構造］
排気管１２は、例えば、両端が開口した円筒状に形成されている。排気管１２は、内燃機関からの排気１４２が流入するエキゾーストパイプやエキゾーストマニホールドなどに接続されている。排気管１２の断面形状は矩形等任意の形状を採りうる。
熱交換器３０は、複数の熱交換器３０Ａ，３０Ｂと、分離壁５６と、連通部７５とを備える。分離壁５６は、複数の熱交換器３０Ａ，３０Ｂの間にこれらを隔てるよう配置され、熱交換器３０Ａ，３０Ｂを流れる排気１４２が混ざりにくいよう仕切る壁面として機能する。熱交換器３０Ａは、副流路９２において上流側に配置された熱交換器であり、主流路９１から排気ガスが直に供給される。
なお、本開示において「直に供給される」とは、他の熱交換器３０Ｂを経由せずに主流路９１から排気ガスが供給されることを示す。また、上流側とは、後述するＥＧＲバルブが閉じられた状態において排気１４２が流れる方向における上流側を示す。
熱交換器３０Ａは、熱交換フィン３１Ａと、液体流路３２，３３，３４とを備える。熱交換器３０Ｂは、副流路９２において熱交換器３０Ａおよび連通部７５よりも下流側に配置された熱交換器である。熱交換器３０Ｂは、熱交換フィン３１Ｂと、液体流路３２，３３，３４とを備える。
液体流路３２は、液体流路３３よりも主流路９１側に配置され、冷却液１４４が排出される流出管４６よりも冷却液１４４が供給される流入管４４側に配置されている。また、液体流路３３は、液体流路３２よりも主流路９１とは反対側に配置され、流入管４４よりも流出管４６側に配置されている。液体流路３４は、多数設けられており、液体流路３２を分岐しつつ液体流路３３に接続する。
熱交換フィン３１Ａ，３１Ｂは、液体流路３２，３３，３４を流れる冷却液１４４等の液体と効率よく熱交換をするために設けられた周知のフィンである。副流路９２において排気１４２の上流側に配置された熱交換器３０Ａは、下流側に配置された熱交換器３０Ｂよりも熱交換能力が高く設定される。熱交換能力とは、単位時間、単位熱量当たりの熱交換量の大きさを示す。
具体的には、例えば、熱交換フィン３１Ａの表面積が熱交換フィン３１Ｂの表面積よりも大きくされ、図１に示す例では、熱交換フィン３１Ａの長さが熱交換フィン３１Ｂの長さよりも長く設定される。また、熱交換フィン３１Ａにおける液体流路３２は熱交換器３０Ｂにおける液体流路３２よりも流入管４４により近く配置されている。このため、熱交換器３０Ｂよりも低温の冷却液１４４が供給され、熱交換能力が向上する。
また、熱交換器３０Ａ，３０Ｂにおいては、液体流路３２，３３，３４や熱交換フィン３１Ａ，３１Ｂの周囲に排気１４２が流通するよう構成されている。
連通部７５は、複数の熱交換器３０Ａ，３０Ｂの主流路９１とは反対側において複数の熱交換器３０Ａ，３０Ｂを連通する空間を有し、副流路９２の一部を構成する。なお、連通とは、複数の空間が連なった状態であることを示す。本実施形態では、熱交換器３０Ａ，３０Ｂが有する排気１４２を通過させるための空間同士を繋げた状態を示す。
副流路９２においては、熱交換器３０Ａ，３０Ｂが配置された部位における排気１４２の流れ方向が、主流路９１における排気ガスの流れ方向と直交するよう設定される。すなわち、熱交換器３０Ａにおいては、主流路９１を流れる排気１４２が約９０度方向転換して流入し、連通部７５において１８０度方向転換する。
そして、熱交換器３０Ｂにおいては、排気１４２が主流路９１に向けて主流路９１を流れる排気１４２とは直交して流れる。なお、本開示において「直交」とは、完全に直交する場合だけでなく、略直交等、概ね同様の作用および効果が得られる程度の角度を含む概念である。
また、連通部７５には、排気再循環（ＥＧＲ）に用いられる排気ガスの取出口である排気ガス取出口７１が連通して形成される。つまり、拡幅部１４において、排気ガス取出口７１が形成され、ここにＥＧＲパイプ７２が接続される。
なお、冷却液１４４は、拡幅部１４を貫通する流入管４４から熱交換器３０の内部に流入し、熱交換器３０の内部において熱交換が行われた後に、拡幅部１４を貫通する流出管４６を介して熱交換器３０の外部へと流出する。
ＥＧＲパイプ７２においては、図示しない周知のＥＧＲバルブを備え、このＥＧＲバルブが開放されている際に、排気１４２の一部がＥＧＲパイプ７２に流入する。特に、主流路９１において設けられたバルブ１０Ａが閉塞されているときには、熱交換器３０Ａを通過し、冷却された排気１４２がＥＧＲパイプ７２に供給される。また、主流路９１において設けられたバルブ１０Ａが開放されているときには、熱交換器３０Ａを通過した排気１４２、およびバルブ１０Ａの下流側から逆流し熱交換器３０Ｂを通過した排気１４２がＥＧＲパイプ７２に供給される。つまり、複数の熱交換器３０Ａ，３０Ｂを用いて冷却された排気１４２がＥＧＲパイプ７２に供給される。
［１−３．効果］
以上詳述した第１実施形態によれば、以下の効果が得られる。
（１ａ）上記の排気熱回収装置１においては、主流路９１と、副流路９２と、複数の熱交換器３０Ａ，３０Ｂと、連通部７５と、を備える。主流路９１には排気ガスが流通する。副流路９２は主流路９１から分岐された流路であり、副流路９２には排気ガスの少なくとも一部が流通する。
複数の熱交換器３０Ａ，３０Ｂは副流路９２内に配置されている。連通部７５は複数の熱交換器３０Ａ，３０Ｂを連通し、副流路９２の一部を構成する。また、連通部７５には、排気再循環に用いられる排気ガスの取出口である排気ガス取出口７１が形成される。
このような排気熱回収装置１によれば、複数の熱交換器３０Ａ，３０Ｂを連通する連通部７５に排気ガス取出口７１を設けるので、熱交換器３０Ａ，３０Ｂの設計変更をすることなく排気ガス取出口７１の位置を変更することができる。
（１ｂ）上記の排気熱回収装置１において、複数の熱交換器３０Ａ，３０Ｂは、排気ガスと熱交換される液体が流通する液体流路３２，３３，３４を備え、この液体流路３２，３３，３４の周囲に排気ガスを通過させる。
このような排気熱回収装置１によれば、熱交換器３０Ａ，３０Ｂに液体流路３２，３３，３４を備えることによって水冷式の熱交換器３０Ａ，３０Ｂとすることができる。
（１ｃ）上記の排気熱回収装置１において、複数の熱交換器３０Ａ，３０Ｂのうちの少なくとも主流路９１から排気ガスが直に供給される熱交換器３０Ａは、液体流路３３において冷却液が排出される流出管４６と、流出管４６よりも主流路９１側に配置され、液体流路３２において冷却液が供給される流入管４４と、を備える。
このような排気熱回収装置１によれば、流入管４４が流出管４６よりも主流路９１側に配置されるので、熱交換器３０Ａ，３０Ｂは、主流路９１から流入した高温の排気ガスに対してより低温の冷却液を用いて熱交換を行うことができる。
（１ｄ）上記の排気熱回収装置１において、複数の熱交換器３０Ａ，３０Ｂのうちの主流路９１において排気ガスの流れ方向上流側に位置する熱交換器３０Ａは、主流路９１において排気ガスの流れ方向下流側に位置する熱交換器３０Ｂよりも熱交換能力が高く設定される。
このような排気熱回収装置１によれば、より高温の排気ガスと熱交換を行う熱交換器３０Ａについて熱交換能力が高く設定されているので、排気ガスが連通部７５に到達するまでに効率よく排気ガスを冷却することができる。
（１ｅ）上記の排気熱回収装置１において、副流路９２は、熱交換器３０Ａ，３０Ｂが配置された部位における排気ガスの流れ方向が、主流路９１における排気ガスの流れ方向と直交するよう設定される。
このような排気熱回収装置１によれば、主流路９１と熱交換器３０Ａ，３０Ｂとを隣接させ、熱交換器３０Ａ，３０Ｂにおける排気ガスの取込口を主流路９１のすぐそばに配置することができるので、排気ガスを熱交換器３０Ａ，３０Ｂに導入するための経路が不要とすることができ、装置を小型化することができる。
（１ｆ）上記の排気熱回収装置１において、バルブ１０Ａは、主流路９１において複数の熱交換器３０Ａ，３０Ｂの間となる位置に配置されている。つまり、主流路９１から副流路９２への流入部８、および副流路９２から主流路９１への流出部９を隣接して配置し、主流路９１において流入部８と流出部９との間となる位置にバルブ１０Ａを配置している。
このような排気熱回収装置１によれば、バルブ１０Ａが開放されたときに、流出部９から下流側の熱交換器３０Ｂを介してＥＧＲパイプ７２に供給される排気１４２をより多くすることができる。よってＥＧＲパイプ７２に供給される排気１４２を効率的に冷却することができる。
［２．他の実施形態］
以上、本開示を実施するための形態について説明したが、本開示は上述の実施形態に限定されることなく、種々変形して実施することができる。
（２ａ）上記実施形態では、複数の熱交換器３０Ａ，３０Ｂの主流路９１とは反対側に連通部７５を設けたが、これに限定されるものではない。例えば、図２に示すように、複数の熱交換器３０Ａ，３０Ｂを主流路９１における排気の流れ方向１４２に沿って並べて配置し、その間に連通部７５を形成してもよい。この場合においても連通部７５には排気ガス取出口７１が形成される。なお、主流路９１においては、流入部８と流出部９との間となる位置にバルブ１０Ａと同等のバルブ１０Ｂが配置されているとよい。
（２ｂ）複数の熱交換器３０Ａ，３０Ｂの構成は、周知の構成その他、任意の構成とすることができる。例えば、上記実施形態では、複数の熱交換器３０Ａ，３０Ｂが熱交換フィン３１Ａ，３１Ｂを備える構成としたが、冷却液と排気１４２との熱交換ができれば、熱交換フィン３１Ａ，３１Ｂを備えていなくてもよい。また、複数の熱交換器３０Ａ，３０Ｂにおいては、液体流路３２，３３を分岐しないもの等、周知の構成を組み合わせて採用してもよい。
これらのようにしても、上記（１ａ）と同様の効果が得られる。
（２ｃ）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させたりしてもよい。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または置換してもよい。なお、特許請求の範囲に記載した文言のみによって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。
（２ｄ）上述した排気熱回収装置１の他、当該排気熱回収装置１を構成要素とするシステム、排気熱回収方法など、種々の形態で本開示を実現することもできる。
［３．本実施形態の構成と本開示の構成と対応関係］
上記実施形態における流入管４４は本開示でいう供給部の一例に相当し、上記実施形態における流出管４６は本開示でいう排出部の一例に相当する。

Claims (5)

  1. 排気ガスが流通するように構成された主流路と、
    前記主流路から分岐された流路であり、排気ガスの少なくとも一部が流通するように構成された副流路と、
    前記副流路内に配置された複数の熱交換器と、
    前記複数の熱交換器を連通し、前記副流路の一部を構成するように構成された連通部と、
    を備え、
    前記連通部は、排気再循環に用いられる排気ガスの取出口である排気ガス取出口を備える、排気熱回収装置。
  2. 請求項１に記載の排気熱回収装置であって、
    前記複数の熱交換器は、排気ガスと熱交換される液体が流通するように構成された１または複数の液体流路を備え、該液体流路の周囲に排気ガスを通過させるように構成されている、排気熱回収装置。
  3. 請求項２に記載の排気熱回収装置であって、
    前記複数の熱交換器のうちの少なくとも前記主流路から排気ガスが直に供給される熱交換器は、さらに、
    前記液体流路において冷却液が排出されるように構成された排出部と、
    前記排出部よりも前記主流路側に配置され、前記液体流路において冷却液が供給されるように構成された供給部と、
    を備える、排気熱回収装置。
  4. 請求項１から請求項３までのいずれか１項に記載の排気熱回収装置であって、
    前記複数の熱交換器のうちの前記主流路において排気ガスの流れ方向上流側に位置する熱交換器は、前記主流路において排気ガスの流れ方向下流側に位置する熱交換器よりも熱交換能力が高く設定されている、排気熱回収装置。
  5. 請求項１から請求項４までのいずれか１項に記載の排気熱回収装置であって、
    前記副流路は、前記熱交換器が配置された部位における排気ガスの流れ方向が、前記主流路における排気ガスの流れ方向と直交するよう設定されている、排気熱回収装置。
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