JPWO2017126118A1 - 排気熱回収装置 - Google Patents

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、１または複数の熱交換器と、１または複数の被覆部材とを備える。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、主流路の周囲を取り囲んで配置される。副流路には、排気ガスの少なくとも一部が流通する。１または複数の熱交換器は、副流路内に配置されている。１または複数の被覆部材は、熱交換器の周囲の少なくとも一部を覆い、内部の空間が副流路の一部を構成する。被覆部材は、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、排気ガスの主流路の周囲に熱交換器を有する排気ガス回収装置において、熱交換器を通過後のパイプに排気ガスを取り出すための分岐部を設けたものが開示されている。

特開２００８−１６３７７３号公報

しかしながら、パイプを分岐するものでは分岐部において振動の影響等を受けやすく、この部位の強度を確保するためには大型化や高重量化が避けられない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、装置が大型化、或いは高重量化することを抑制しつつ排気ガスを取り出すことが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は、主流路と、副流路と、１または複数の熱交換器と、１または複数の被覆部材とを備える。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、主流路の周囲を取り囲んで配置される。副流路には、排気ガスの少なくとも一部が流通する。

１または複数の熱交換器は、副流路内に配置される。１または複数の被覆部材は、熱交換器の周囲の少なくとも一部を覆い、内部の空間が副流路の一部を構成する。被覆部材は、排気ガス取出口を備える。

このような排気熱回収装置によれば、主流路の周囲を副流路が取り囲んで配置された構成において被覆部材に排気ガス取出口を配置しているので、比較的太い部位に取出口を設けることができる。したがって、パイプを分岐して取出口を設ける場合と比較して、パイプの振動による悪影響を受けにくい構成とすることができる。

また、パイプにて分岐する構成では、排気熱回収装置とパイプの分岐部位とを含む構成が大型化しやすくなるが、本構成では、装置が大型化、或いは高重量化することを抑制しつつ排気ガスを取り出すことができる。

また、本開示の一局面の排気熱回収装置において、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、該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、液体流路の周囲に排気ガスを通過させる構成とするので、熱交換器の外側の任意の場所に排気ガス取出口を設けることができる。よって排気ガス取出口の配置の自由度を向上させることができる。

また、本開示の一局面の排気熱回収装置において、排気ガス取出口は、排気再循環に用いられる排気ガスの取出口とされてもよい。
このような排気熱回収装置によれば、熱交換器で冷却された排気ガスを再循環させることができる。

実施形態における排気熱回収装置の外観を示す斜視図である。 閉弁した状態での排気熱回収装置の断面図であり、図１におけるII―II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の断面図である。

１…排気熱回収装置、２…排気部、４…シェル部材、６…熱交換部、８…流入部、１０…バルブ、１２，１４…排気管、１８…排気下流端、２０…外殻部材、２２…蓋部材、２４…保持部材、２８…熱交換室、３０…熱交換器、４４…流入管、４６…流出管、５６…導入部材、７１…排気ガス取出口、７２…ＥＧＲパイプ、８０…液体流路、９１…主流路、９２…副流路、１４４…冷却液、１４２…排気。

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。
［１−１．排気熱回収装置の概要］
図１および図２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、排気部２と、シェル部材４と、熱交換部６と、流入部８と、バルブ１０とを備えている。
排気部２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。シェル部材４は、排気部２の外側を覆う部材である。熱交換部６は、排気部２とシェル部材４との間に配置された熱交換器３０を有し、排気１４２と冷却液１４４との間で熱交換する。

流入部８は、図２に示すように、排気部２から熱交換部６へと排気１４２が流入する部位である。バルブ１０は、排気１４２の流路を開放または閉塞する弁であり、排気部２における排気１４２の流路に沿って流入部８よりも下流側に配置されている。

バルブ１０が開放されると、排気１４２の大部分は熱交換部６を経由することなく主流路９１を通りバルブ１０の下流に流れる。バルブ１０が閉塞されると、排気１４２の大部分は熱交換部６を経由する副流路９２を通りバルブ１０の下流に流れる。つまり、バルブ１０は開閉に応じて排気１４２の流路を切り替える。

なお、バルブ１０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、主流路９１とは、主に排気管１２，１４および導入部材５６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、主に、排気下流端１８、外殻部材２０、蓋部材２２、保持部材２４とにより囲まれた流路を表す。副流路９２は、主流路９１から分岐した流路であり、主流路９１の周囲に形成され、本実施形態では特に、主流路９１を取り囲んで形成される。なお、「取り囲んで」とは、少なくとも一部を覆う旨を含む。つまり、副流路９２は、主流路９１の全周に渡って配置されている必要はなく、主流路９１の少なくとも一部を覆って配置されていればよい。

言い換えれば、排気熱回収装置１は、同軸構造とされている。同軸構造とは、主流路９１における中心軸と、副流路９２や熱交換器３０等、主流路９１の周囲において環状に形成された部材の中心軸とが一致する構成を示す。

［１−２．排気熱回収装置の構造］
排気部２は、図２に示すように、排気管１２を備えている。排気管１２は、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。

シェル部材４は、排気管１４と、外殻部材２０と、蓋部材２２と、保持部材２４とを備えている。排気管１４は、両端が開口した円筒状に形成されている。
外殻部材２０は、両端が開口し、排気管１２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２０の下流側の端部は、排気管１４の上流端１６に接続される。

蓋部材２２は、排気管１２における排気１４２の流路に沿った外殻部材２０の上流側の開口を閉塞する。つまり、外殻部材２０と蓋部材２２と排気管１２とにより、外殻部材２０と蓋部材２２と排気管１２とに囲まれた、環状の空間である熱交換室２８が形成される。

この熱交換室２８に配置される熱交換器３０には、例えば、図示しない熱交換フィンによって熱交換を行う周知の熱交換器等、任意の熱交換器を採用できる。ただし、熱交換器３０は、液体流路８０の周囲に排気１４２が流通するよう構成される。例えば、液体流路８０の周囲に形成された熱交換フィンの隙間を排気１４２が流れることによって排気１４２と冷却液１４４との熱交換が行われる。

なお、冷却液１４４は、蓋部材２２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、蓋部材２２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。なお、流入管４４や流出管４６は、蓋部材２２に限らず外殻部材２０を貫通する構成であってもよい。

保持部材２４は、熱交換室２８に配置された熱交換器３０を保持する。
流入部８は、導入部材５６を備える。排気管１２の排気下流端１８と、導入部材５６との間には、周方向に渡って開口が形成される。そして、排気管１２の排気下流端１８と導入部材５６との間の開口が、熱交換部６への排気１４２の流入口として機能する。

バルブ１０は、弁体６２と、弁座６４と、弁軸６６とを少なくとも有する。弁体６２は、導入部材５６（排気管１２）の直径よりも大きな直径を有した円板状の部材である。弁軸６６は、弁体６２に接続された軸であり、弁体６２を駆動する軸である。

弁座６４は、弁体６２と接触することで、排気部２（導入部材５６）を閉塞する部材である。本実施形態における弁座６４は、導入部材５６の先端部位５８である。弁座６４の内周面には、メッシュ状に形成されたメッシュ部材６８が取り付けられている。

ここで、外殻部材２０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が形成される。排気ガス取出口７１は、熱交換室２８において熱交換器３０を通過後の排気ガスが流通する領域に配置される。つまり、流入部８から見て熱交換器３０を隔てた位置に配置されており、熱交換器３０を通過した後の排気１４２が排気ガス取出口７１に供給されるよう設定される。

なお、排気ガス取出口７１にはＥＧＲパイプ７２が接続される。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。すなわち、熱交換器３０を通過し、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、１または複数の熱交換器３０と、１または複数の被覆部材とを備える。なお、被覆部材とは、排気管１２、外殻部材２０、蓋部材２２のうちの少なくとも１つを表す。

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、主流路９１の周囲を取り囲んで配置される。副流路９２には、排気ガスの少なくとも一部が流通する。

１または複数の熱交換器３０は、副流路９２内に配置されている。１または複数の被覆部材は、熱交換器３０の周囲の少なくとも一部を覆い、内部の空間が副流路９２の一部を構成する。被覆部材は、排気ガス取出口７１を備える。

このような排気熱回収装置１によれば、主流路９１の周囲を副流路９２が取り囲んで配置された構成において被覆部材に排気ガス取出口７１を配置しているので、比較的太い部位に取出口７１を設けることができる。したがって、パイプを分岐して取出口７１を設ける場合と比較して、パイプの振動による悪影響を受けにくい構成とすることができる。

また、パイプにて分岐する構成では、排気熱回収装置１とパイプの分岐部位とを含む構成が大型化しやすくなるが、本構成では、装置が大型化、或いは高重量化することを抑制しつつ排気ガスを取り出すことができる。

（１ｂ）上記の排気熱回収装置１において、熱交換器３０は、排気ガスと熱交換される液体が流通する液体流路８０を備え、この液体流路８０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、液体流路８０の周囲に排気ガスを通過させる構成とするので、熱交換器３０の外側の任意の場所に排気ガス取出口７１を設けることができる。よって排気ガス取出口７１の配置の自由度を向上させることができる。

（１ｃ）上記の排気熱回収装置１において、排気ガス取出口７１は、排気再循環に用いられる排気ガスの取出口７１とされる。
このような排気熱回収装置１によれば、熱交換器３０で冷却された排気ガスを再循環させることができる。

［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、外殻部材２０において排気ガス取出口７１を配置したが、これに限定されるものではなく、熱交換器３０を覆う部材に配置されていればよい。例えば、熱交換器３０を覆う部材として、図３に示すように、蓋部材２２に排気ガス取出口７１を配置してもよい。

このようにしても、上記（１ａ）と同様の効果を得ることができる。
（２ｂ）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。

（２ｃ）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排気管１２、外殻部材２０、および蓋部材２２は本開示でいう被覆部材の一例に相当する。

Claims (3)

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、前記主流路の周囲を取り囲んで配置され、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１または複数の熱交換器と、
   前記熱交換器の周囲の少なくとも一部を覆い、内部の空間が前記副流路の一部を構成するように構成された１または複数の被覆部材と、
   を備え、
   前記被覆部材は、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１または請求項２に記載の排気熱回収装置であって、
   前記排気ガス取出口は、排気再循環に用いられる排気ガスの取出口である、排気熱回収装置。

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