JPWO2017141330A1

JPWO2017141330A1 - 排気熱回収装置

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Publication number: JPWO2017141330A1
Application number: JP2017567592A
Authority: JP
Inventors: 裕美石川; 直弘竹本
Original assignee: Futaba Industrial Co Ltd
Current assignee: Futaba Industrial Co Ltd
Priority date: 2016-02-15
Filing date: 2016-02-15
Publication date: 2018-04-26
Anticipated expiration: 2036-02-15
Also published as: DE112016006429T5; CN108026820A; US10697403B2; CN108026820B; WO2017141330A1; JP6483866B2; US20180266368A1

Abstract

本開示の一側面の排気熱回収装置は、熱交換器と、供給流路と、排出流路とを備える。熱交換器は、排気ガスと熱交換媒体との間の熱交換を行うように構成された複数の熱交換流路を有する。供給流路は、排気ガスが流通し、流通する排気ガスを複数の熱交換流路へ分流させつつ供給するように構成される。排出流路は、複数の熱交換流路を通過した熱交換済みの排気ガスを合流させて排出するように構成される。供給流路および排出流路のうちの少なくとも一方の流路は、排気ガスの流れ方向の下流側に向かうに従って狭くなるように構成される。

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、熱交換器の入口において異なる大きさの孔を有する部材を配置することによって熱交換器内の複数の熱交換流路に流入する排気ガスの流量を調整する排気熱回収装置が開示されている。

特開２０１５−０２１４３２号公報

しかしながら、上記の排気熱回収装置では、複数の熱交換流路の手前に排気ガスの流量を調整するための新たな部材を配置するので、構成が煩雑となりコストアップになるという問題があった。

本開示の一側面は、簡素な構成で熱交換器のセルに流入する排気ガスの量を最適化できることが望ましい。

本開示の一側面の排気熱回収装置は、熱交換器と、供給流路と、排出流路とを備える。熱交換器は、排気ガスと熱交換媒体との間の熱交換を行うように構成された複数の熱交換流路を有する。供給流路は、排気ガスが流通し、流通する排気ガスを複数の熱交換流路へ分流させつつ供給するように構成される。

排出流路は、複数の熱交換流路を通過した熱交換済みの排気ガスを合流させて排出するように構成される。そして、供給流路および排出流路のうちの少なくとも一方の流路は、排気ガスの流れ方向の下流側に向かうに従って狭くなるように構成される。

このような排気熱回収装置によれば、供給流路および排出流路の少なくとも一方について、排気ガスの流れ方向の下流側に向かうに従って流路の断面積が小さく設定されるので、例えば流路の断面積を均等に設定する場合と比較して、複数の熱交換流路を流れる排気ガスの流量差を小さくすることができる。よって、熱交換器のセルに流入する排気ガスの量を簡素な構成で最適化することができる。

また、本開示の一側面の排気熱回収装置において供給流路の断面積は、排気ガスの流れ方向の下流側に向かうに従って狭くなるように構成されてもよい。
このような排気熱回収装置によれば、熱交換器のセルに流入する排気ガスの量を簡素な構成で確実に最適化することができる。

また、本開示の一側面の排気熱回収装置において供給流路における排気ガスの流れ方向は、排出流路における排気ガスの流れ方向と同じ方向に設定されてもよい。
このような排気熱回収装置によれば、排気ガスが流れる方向を転換する際に生じる流れに対する抵抗を極力小さくすることができる。

また、本開示の一側面の排気熱回収装置において、供給流路および排出流路のうちの少なくとも一方の流路を挟んで、複数の熱交換流路に向かい合うように構成された壁部をさらに備え、少なくとも一方の流路および複数の熱交換流路が含まれる仮想平面で該壁部を切断した際の該壁部の断面は、直線状に延設して構成された直線部、を備えてもよい。

このような排気熱回収装置によれば、直線部における設計や加工を容易にすることができる。
また、本開示の一側面の排気熱回収装置において、供給流路および排出流路のうちの少なくとも一方の流路を挟んで、複数の熱交換流路に向かい合うように構成された壁部をさらに備え、少なくとも一方の流路および複数の熱交換流路が含まれる仮想平面で該壁部を切断した際の該壁部の断面は、曲線状に延設して構成された曲線部、を備えてもよい。

このような排気熱回収装置によれば、曲線部を排気ガスの流動特性に応じて設定することによって、複数の熱交換流路を流れる排気ガスの流量をより均一に近づけることができる。

また、本開示の一側面の排気熱回収装置において、排気ガスが流通する主流路、をさらに備え、供給流路および熱交換器は、主流路の周囲を取り囲んで配置され、主流路を流通する排気ガスの少なくとも一部が導入されるように構成されてもよい。

このような排気熱回収装置によれば、主流路を流れる排気ガスの少なくとも一部が熱交換器に流れる構造とすることができる。

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（その１）の熱交換器周辺の断面図である。その他の実施形態（その２）の熱交換器周辺の断面図である。その他の実施形態（その３）の熱交換器周辺の断面図である。その他の実施形態（その４）の熱交換器周辺の断面図である。

１…排気熱回収装置、２…排気部、４…シェル部材、８…流入部、１０…バルブ、１２…排気管、１４…排気管、１６…上流端、２０…外殻部材、２０Ａ，２４Ａ…直線部、２２…蓋部材、２４…保持部材、２４Ｂ，２４Ｃ…曲線部、２８…熱交換室、３０…熱交換器、３２…熱交換流路、３４…熱交換セル、３８…供給流路、４０…排出流路、４４…流入管、４６…流出管、５６…弁座支持部材、５８…先端部位、６２…弁体、６４…弁座、６６…弁軸、６８…メッシュ部材、７０…主流路、７１…副流路、１４２…排気、１４４…熱交換媒体、２４１…直線部、２４２…曲線部。

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が有する熱を熱交換媒体１４４に伝達させることにより、排気１４２から熱を回収する。なお、熱交換媒体とは、排気１４２を冷却させるための流体であり、排気１４２よりも低温の流体を表す。本実施形態における熱交換媒体１４４は、内燃機関における冷却水であってもよいし、油液であってもよいし、或いはガスであってもよい。

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、熱交換器３０と、バルブ１０とを備える。
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。なお、以下の説明では、排気１４２の主たる流れ方向の下流側を単に「下流側」と表記し、排気１４２の主たる流れ方向の上流側を単に「上流側」と表記する。また、排気１４２の主たる流れ方向、或いは排気ガスの流れ方向とは、排気１４２の微視的な流れの方向ではなく、排気１４２の全体としての流れの方向を示す。

シェル部材４は、排気部２の外側を覆う部材である。熱交換器３０は、排気部２とシェル部材４との間に配置され、排気１４２と熱交換媒体１４４との間で熱交換する。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の流路に沿って後述する流入部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の大部分は熱交換器３０を経由することなく主流路７０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の大部分は熱交換器３０を経由する副流路７１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、排気１４２の圧力、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７０とは、主に排気管１２，１４、保持部材２４（特に後述する直線部２４Ａ）および弁座支持部材５６によって筒状に構成される排気１４２の流路を表す。

また、副流路７１とは、主に、外殻部材２０、蓋部材２２、保持部材２４とにより囲まれることで筒状に構成される流路を表す。副流路７１は、主流路７０から分岐した流路であり、主流路７０の周囲に形成され、本実施形態では特に、主流路７０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７１は、主流路７０の全周に渡って配置されている必要はなく、主流路７０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７０における中心軸と、副流路７１や熱交換器３０等、主流路７０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、両端が開口した筒状に形成され、少なくとも一部が排気管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における下流側と外殻部材２０の上流側との間の開口を閉塞する。蓋部材２２は、外側部２２Ａと、中間部２２Ｂと、内側部２２Ｃとが連続的に接続されて一体に構成されている。

外側部２２Ａは、排気１４２の流れ方向に直交する環状に構成された面を有する部位であり、外周部分が外殻部材２０と接合される。内側部２２Ｃは、外側部２２Ａよりも上流側に位置し、排気１４２の流れ方向に直交する環状に構成された面を有する部位であり、内周部分が排気管１２と接合される。

中間部２２Ａは、排気１４２の流れ方向に沿った曲面を有し、円筒状に構成される。中間部２２Ａは、上流側が内側部２２Ｃに接続され、下流側が外側部２２Ａに接続される。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。

そして、外殻部材２０と蓋部材２２と保持部材２４とにより、これらに囲まれた環状の空間である熱交換室２８が形成される。また、排気管１２における下流側の端部と保持部材２４における上流側の端部との間には、環状の隙間が形成されており、この隙間が流入部８を構成する。流入部８は、図２に示すように、排気部２から熱交換器３０へと排気１４２が流入する部位である。

熱交換室２８に配置される熱交換器３０は、例えば、図２に示すように、複数の熱交換セル３４を備える。複数の熱交換セル３４は、それぞれ内部に熱交換媒体１４４が流通する液体流路を有し、複数の熱交換セル３４の周囲には複数の熱交換流路３２を備える。熱交換器３０においては、熱交換流路３２と熱交換セル３４との接触部位において、熱交換流路３２を流れる排気１４２と熱交換セル３４を流れる熱交換媒体１４４との間で熱交換が行われる。

ところで、熱交換室２８においては、供給流路３８と、排出流路４０とを備える。供給流路３８は、保持部材２４と熱交換器３０とにより囲まれた環状の空間として形成され、流通する排気１４２を複数の熱交換流路３２へ分流させつつ供給するための流路である。

保持部材２４は、側面部２４０と直線部２４Ａとを備える。側面部２４０は、熱交換器３０の側面に位置し、排気１４２の流れ方向に直交する環状に構成された面を有する部位である。側面部２４０の外周部分と外殻部材２０との間には、排気１４２の流路となる隙間が形成される。

直線部２４Ａは、側面部２４０の内周側と連続的に接続され、筒状に構成される。直線部２４Ａは、供給流路３８を挟んで複数の熱交換流路３２に向かい合う壁部であり、主流路７０と副流路７１とを隔てる隔壁として機能する。直線部２４Ａは、例えば図２に示すような、供給流路３８および複数の熱交換流路３２が含まれる仮想平面で排気熱回収装置１を切断した断面において、直線状に延びるよう構成される。

なお、直線部２４Ａにおける上流側の端部は、蓋部材２２における外側部２２Ａよりも上流側に位置する。このような保持部材２４および蓋部材２２の構成によって、流入部８から熱交換室２８側へ流入する排気１４２は、内側部２２Ｃおよび中間部２２Ｂにて進路が規定される。この結果、排気１４２の流れ方向は、供給流路３８における複数の熱交換流路３２との分流部分に到達するまでに、直線部２４Ａに対して概ね平行になる。

なお、直線部２４Ａは断面図においては直線状となるが、直線部２４Ａ自体は筒状であるため実際には曲面となる。
また、供給流路３８は、排気１４２の流れ方向の下流側に向かうに従って流路の断面積が小さく設定される。つまり、流入部８から離れるに従って流路が狭くなる先細り形状とされる。なお、流路の断面積とは、流路における流れ方向に直交する平面において流路を切断したときの流路の面積を示す。

ここで、連続的に排気１４２が供給される状況において側面部２４０に到達すると側面部２４０の周辺の圧力が高くなる。すると、供給流路３８の上流側では相対的に圧力が低く下流側では相対的に圧力が高いという圧力分布となる。排気１４２の流れ方向の何れの位置においても供給流路３８の断面積が均等に設定されている場合には、上記の圧力分布により、複数の熱交換流路３２のうちの供給流路３８の下流側で分流するものほど多くの排気１４２が流れる傾向がある。

しかし、本実施形態のように、供給流路３８を排気１４２の流れ方向の下流側に向かうに従って流路の断面積が小さく設定されると、断面積が小さくなる分だけ下流側に向かって排気１４２の通気抵抗が増加されるため、上流側において複数の熱交換流路３２への排気１４２の分流を促進させることができる。よって、複数の熱交換流路３２のうちの供給流路３８の下流側で分流するものへの排気１４２の流入を抑制し、複数の熱交換流路３２に流れる排気１４２の流量を均一に近づけることができる。

また、排出流路４０は、外殻部材２０と熱交換器３０とにより囲まれた空間として形成され、複数の熱交換流路３２を通過した熱交換済みの排気１４２を合流させて排出するための流路である。本実施形態においては、排気１４２の流れ方向の何れの位置においても排出流路４０の断面積が均等になるよう設定される。なお、供給流路３８および排出流路４０においては、排気１４２の流れ方向が同じ方向に設定される。すなわち、図２においては紙面右方向が供給流路３８および排出流路４０における排気１４２の流れ方向に設定され、この方向は主流路７０における排気１４２の流れ方向と一致する。

熱交換媒体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を貫通するように構成されていてもよい。

バルブ１０は、弁座支持部材５６と、弁体６２と、弁座６４と、弁軸６６とを少なくとも有する。弁座支持部材５６は、下流側が保持部材２４に接続され、上流側に弁座６４を備える。

弁体６２は、弁座支持部材５６や排気管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、弁座支持部材５６を閉塞する部材である。本実施形態における弁座６４は、弁座支持部材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。

［１−３．効果］
以上、図１、図２のように詳述した第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は、熱交換器３０と、供給流路３８と、排出流路４０とを備える。熱交換器３０は、排気１４２と熱交換媒体との間の熱交換を行うように構成された複数の熱交換流路３２を有する。供給流路３８は、排気１４２が流通し、流通する排気１４２を複数の熱交換流路３２へ分流させつつ供給するように構成される。

排出流路４０は、複数の熱交換流路３２を通過した熱交換済みの排気１４２を合流させて排出するように構成される。そして、供給流路３８および排出流路４０のうちの少なくとも一方の流路は、排気１４２の流れ方向の下流側に向かうに従って狭く構成される。

このような排気熱回収装置１によれば、供給流路３８および排出流路４０の少なくとも一方について、排気１４２の流れ方向の下流側に向かうに従って流路の断面積が小さく設定されるので、例えば流路の断面積を均等に設定する場合と比較して、複数の熱交換流路３２を流れる排気１４２の流量差を小さくすることができる。よって、熱交換器３０のセルに流入する排気１４２の量を簡素な構成で最適化することができる。

（１ｂ）また、上記の排気熱回収装置１において供給流路３８の断面積は、排気１４２の流れ方向の下流側に向かうに従って小さく設定されている。
このような排気熱回収装置１によれば、熱交換器３０のセルに流入する排気１４２の量を簡素な構成で確実に最適化することができる。

（１ｃ）また、上記の排気熱回収装置１において供給流路３８における排気１４２の流れ方向および排出流路４０における排気１４２の流れ方向は、同じ方向に設定されている。

このような排気熱回収装置１によれば、排気１４２が流れる方向を転換する際に生じる流れに対する抵抗を極力小さくすることができる。
（１ｄ）また、上記の排気熱回収装置１において、供給流路３８および排出流路４０のうちの少なくとも一方の流路は、複数の熱交換流路３２に向かい合う壁部を備え、該壁部の断面は、少なくとも一方の流路および複数の熱交換流路３２が含まれる仮想平面で該壁部を切断した際に、直線状に延設して構成された直線部２４Ａを備える。なお、「延設」とは、「延びて設けられる」ことを示す。

このような排気熱回収装置１によれば、複雑な曲面を有する構成と比較して、直線部２４Ａにおける設計や加工を容易にすることができる。
（１ｅ）また、上記の排気熱回収装置１において、排気１４２が流通する主流路７０、をさらに備え、供給流路３８および熱交換器３０は、主流路７０の周囲を取り囲んで配置され、主流路７０を流通する排気１４２の少なくとも一部が導入されるように構成される。

このような排気熱回収装置１によれば、主流路７０を流れる排気１４２の少なくとも一部が熱交換器３０に流れる構造とすることができる。
［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、排出流路４０の断面積が排気１４２の流れ方向の何れの位置においても均等になるように設定したが、排出流路４０の断面積が均等になる構成には限られない。例えば、図３に示すように、排出流路４０の断面積は、排気１４２の流れ方向の下流側に向かうに従って小さく設定されてもよい。

すなわち、図２に示す外殻部材２０においては、排気１４２の下流側に向かうに従って熱交換器３０との隙間が狭くなるよう構成されてもよい。詳細には、排出流路４０を挟んで複数の熱交換流路３２に向かい合う壁部である直線部２０Ａを備える。直線部２０Ａの断面は、少なくとも一方の流路および複数の熱交換流路３２が含まれる仮想平面で該壁部を切断した際に、直線状になるよう構成される。このようにしても、排出流路４０の下流側に向かうに従って流路が狭くなる分だけ排気１４２の通気抵抗が増加されるため、上流側において複数の熱交換流路３２への排気１４２の分流を促進させることができる。

よって、複数の熱交換流路３２のうちの供給流路３８の下流側で分流する流路への排気１４２の流入を抑制し、複数の熱交換流路３２に流れる排気１４２の流量を均一に近づけることができる。また、このように構成されている場合には、供給流路３８の断面積を排気１４２の流れ方向の何れの位置においても均等に設定してもよい。

（２ｂ）上記実施形態において供給流路３８を構成する保持部材２４は、供給流路３８および複数の熱交換流路３２が含まれる仮想平面で排気熱回収装置１を切断した際に、直線となるように構成された直線部２４Ａを備えたが、図４に示すように、複数の熱交換流路３２に向かい合う壁部が曲線状に延設して構成された曲線部２４Ｂを備えてもよい。

このような排気熱回収装置によれば、曲線部２４Ｂを排気１４２の流動特性に応じて設定することによって、複数の熱交換流路３２を流れる排気１４２の流量をより均一に近づけることができる。

このような曲線部２４Ｂは、図４に示すように、指数関数に従って該曲線部２４Ｂの曲率等の曲りの程度を設定してもよい。また、保持部材２４は、図５に示すように、対数関数に従って曲線部２４Ｃの曲りの程度を設定してもよい。

また、保持部材２４は、図６に示すように、前述の直線部２４Ａと同様の直線部２４１と、前述の曲線部２４Ｂ，２４Ｃと同様の曲線部２４２との組み合わせを備えてもよい。
これらのようにしても、上記（１ａ）と同様の効果を得ることができる。

（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。

Claims

排気ガスと熱交換媒体との間の熱交換を行うように構成された複数の熱交換流路を有する熱交換器と、
排気ガスが流通し、流通する排気ガスを前記複数の熱交換流路へ分流させつつ供給するように構成された供給流路と、
前記複数の熱交換流路を通過した熱交換済みの排気ガスを合流させて排出するように構成された排出流路と、
を備え、
前記供給流路および前記排出流路のうちの少なくとも一方の流路は、排気ガスの流れ方向の下流側に向かうに従って狭くなるように構成された
排気熱回収装置。
請求項１に記載の排気熱回収装置において、
前記供給流路は、排気ガスの流れ方向の下流側に向かうに従って狭くなるように構成された
排気熱回収装置。
請求項１または請求項２に記載の排気熱回収装置において、
前記供給流路における排気ガスの流れ方向は、前記排出流路における排気ガスの流れ方向と同じ方向に設定される
排気熱回収装置。
請求項１〜請求項３の何れか１項に記載の排気熱回収装置において、
前記供給流路および前記排出流路のうちの少なくとも一方の流路を挟んで、前記複数の熱交換流路に向かい合うように構成された壁部をさらに備え、
前記少なくとも一方の流路および前記複数の熱交換流路が含まれる仮想平面で該壁部を切断した際の該壁部の断面は、直線状に延設して構成された直線部、
を備えた排気熱回収装置。
請求項１〜請求項３の何れか１項に記載の排気熱回収装置において、
前記供給流路および前記排出流路のうちの少なくとも一方の流路を挟んで、前記複数の熱交換流路に向かい合うように構成された壁部をさらに備え、
前記少なくとも一方の流路および前記複数の熱交換流路が含まれる仮想平面で該壁部を切断した際の該壁部の断面は、曲線状に延設して構成された曲線部、
を備えた排気熱回収装置。
請求項１〜請求項５の何れか１項に記載の排気熱回収装置において、
排気ガスが流通するように構成された主流路、をさらに備え、
前記供給流路および前記熱交換器は、前記主流路の周囲を取り囲んで配置され、前記主流路を流通する排気ガスの少なくとも一部が導入されるように構成された
排気熱回収装置。