WO2016098395A1 - 弁装置、及び排気熱回収装置 - Google Patents

Abstract

弁装置（１０）は、流体の流路を開放閉塞する。この弁装置（１０）は、管状の弁座（７４）と、弁体（７６）とを備える。弁体（７６）は、弁本体（７８）と、周縁部（８０）とを備える。周縁部（８０）は、弁座（７４）の外周において流体の流路の上流側へと向かうように弁本体（７８）の周縁から延出する。

Description

弁装置、及び排気熱回収装置 関連出願の相互参照

　本国際出願は、２０１４年１２月１７日に日本国特許庁に出願された日本国特許出願第２０１４－２５５３３５号に基づく優先権を主張するものであり、日本国特許出願第２０１４－２５５３３５号の全内容を参照により本国際出願に援用する。

　本開示は、弁装置、及びその弁装置を備えた排気熱回収装置に関する。

　内燃機関からの排気の流路を形成する管状部材を開放・閉塞する弁装置が知られている（特許文献１参照）。この特許文献１に記載された弁装置は、管状部材における排気の流路に沿って排気流入部よりも下流側に配置され、弁座と、弁体とを備えている。弁座は、排気の流路に沿って下流側が拡径するディフューザ状に形成されている。弁体は、弁座の内周面に配置された緩衝材を介して弁座と係合する。

特開２０１３－１３０１５９号公報

　特許文献１に記載された弁座はディフューザ状に形成されており、弁装置に配置される緩衝材はメッシュ状に形成されていることが多い。このため、従来の弁装置においては、流路を流れる排気が弁座と弁体との間に配置された緩衝材を通って抜け出やすいという課題があった。

　つまり、弁装置においては、流路を閉じた場合の締め切り性能を向上させることが求められている。
　そこで、本開示の一側面においては、弁装置において、流路を閉じた場合の締め切り性能を向上させることが望ましい。

　本開示の一側面は、流体の流路を開放閉塞する弁装置に関する。
　この弁装置は、弁座と、弁体とを備える。弁座は、流体の流路の一部分を形成する管状の部材である。弁体は、弁座と係合することで流体の流路を閉塞する。

　弁体は、弁本体と、周縁部とを備える。周縁部は、弁座の外周において流体の流路の上流側へと向かうように弁本体の周縁から延出する。
　このような弁装置によれば、閉弁した場合、周縁部が弁座の外周部分を覆う。このため、流路を流れる流体が弁座と弁体との間から抜け出るためには、流体の流路に対して逆流する方向へと流れなければならない。

　この結果、本開示の一側面における弁装置によれば、弁座と弁体との間から流体が抜け出ることを抑制できる。
　つまり、本開示の一側面における弁装置によれば、閉弁した場合の締め切り性能を向上させることができる。

　なお、本開示の一側面における弁装置によれば、周縁部は弁座の外周部分と係合する（即ち、弁座の外周部分を覆う）ため、メッシュ材などの緩衝材を、弁座の内周ではなく、弁座の外周に配置できる。この結果、本開示の一側面における弁装置によれば、弁座と弁体との間から流体が抜け出ることを抑制できる。

　また、弁本体は、弁座の内周よりも径方向に沿って内側に形成された凸部であって、流体の流路の上流側に向けて凸となるように突出した凸部を備えていてもよい。
　このような凸部の先端は、径方向に沿って弁座よりも内側に位置する。このため、本開示の一側面における弁装置によれば、流体の流れを凸部によって規制することができ、弁座と弁体との間から流体が抜け出ることをより抑制できる。

　さらに、本開示の一側面における弁装置は、周縁部と当接する緩衝材が弁座の外周面に配置された緩衝部を備えていてもよい。この場合、緩衝部は、流体の流路に沿った下流側の端部が、弁座の下流側の端部よりも流体の流路に沿って上流側に配置されていてもよい。

　すなわち、本開示の一側面における弁装置においては、流体が、緩衝部の下流側の端部に到達するまでの流路長を長くすることができる。これにより、本開示の一側面における弁装置によれば、流体が、緩衝材を通り抜けて流出することを低減でき、締め切り性能をより向上させることができる。

　また、本開示の一側面は、排気管と、シェル部材と、熱交換部と、流入部と、弁装置とを備えた排気熱回収装置であってもよい。
　排気管は、流体の１つである排気の流路を形成する。シェル部材は、排気管の外側を覆う。熱交換部は、排気管とシェル部材との間に配置され、排気と低温流体との間で熱交換する熱交換器を有する。流入部は、排気管から熱交換部への排気が流入する流入経路を有する。

　弁装置は、本開示の一側面における弁装置であり、流入部よりも下流側に配置される。
　このような排気熱回収装置によれば、閉弁した場合に排気が抜け出ることを低減でき、熱交換部へと流れる排気の流量を増加させることができる。これにより、本開示の一側面における排気熱回収装置によれば、排気熱からの熱回収効率を向上できる。

　さらに、本開示の一側面における排気熱回収装置では、排気管における排気の流路に沿った下流側の端部を排気下流端とし、排気下流端が、排気管における排気の流路に沿って、熱交換器の下流側端部よりも下流側に位置してもよい。

　この場合、流入部は、流入形成部と、導入部材とを備えていてもよい。流入形成部とは、排気管において、排気下流端から排気管における熱交換器の下流側端部までの地点である。導入部材は、流入形成部との間で隙間を有するように、流入形成部の径方向に沿った外側の少なくとも一部分を覆うように配置され、弁座として機能する部材である。

　その導入部材は、熱交換部に接続される側の径方向に沿った軸方向中心側の面が、熱交換器における排気管の軸方向中心側の端部よりも排気管の径方向に沿って内側に配置されていてもよい。また、導入部材は、熱交換部に接続される側の径方向に沿った軸方向中心側の面が、熱交換器における排気管の軸方向中心側の端部から排気管の軸方向に沿って延長する直線上に配置されていてもよい。

　このような排気熱回収装置の流入部においては、熱交換器への排気の流路が狭まることを低減でき、流入部から熱交換部への流入口の圧力損失が低下することを抑制できる。
　このため、本開示の一側面における排気熱回収装置によれば、排気が熱交換部の奥まで到達でき、排気からより多くの熱を回収することができる。

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。 弁座の変形例を示す要部断面図である。 弁装置を適用した消音器を示す図である。

　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…弁装置　１２…排気管　１４…排気管　１６…上流端　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　３２…プレート　３４…流入管　３６…流出管　３８…端部　４０…隙間　４２…隙間　４４…隙間　５０…流入形成部　５２…熱交換器対応部位　５６…導入部材　５８…先端部位　６０…本体部位　６２…熱交換側内面　６４…導入下流端　７４…弁座　７６…弁体　７８…弁本体　８０…周縁部　８２…凸部　８４…緩衝部　９０…内燃機関　９２…排気　９４…冷却液　１００…消音器　１０２…アウタシェル　１０４…インレットパイプ　１０６…アウトレットパイプ　１０８…中間パイプ　１１０，１１２，１１４…隔壁

　以下に本開示における一例としての実施形態を図面と共に説明する。
＜排気熱回収装置＞
　図１に示す排気熱回収装置１は、内燃機関９０を有した移動体に搭載される。この排気熱回収装置１は、内燃機関９０からの排気９２を高温流体とし、内燃機関９０の冷却液９４を低温流体として熱交換することにより、排気９２から熱を回収する。本実施形態における冷却液９４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（図２参照）と、流入部８（図２参照）と、弁装置１０とを備えている。
　排気部２は、内燃機関９０からの排気９２を下流側へと導く。シェル部材４は、排気部２の外側を覆う。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（図２参照）を有し、高温流体としての排気９２と低温流体としての冷却液９４との間で熱交換する。

　流入部８は、排気部２から熱交換部６へと排気９２が流入するように構成されている。弁装置１０は、排気９２の流路を開放閉塞する弁装置であり、流入部８よりも下流側に配置されている。

　図２に示すように、排気部２は、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の部材であり、上流側の端部に排気９２が流入する。
　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、全体として円筒状の部材であり、一方の端部である上流端１６が、排気管１２の外径よりも大きな内径の開口を有している。その排気管１４の上流端１６における内部空間には、排気管１２における上流端とは反対側の端部である排気下流端１８が、シェル部材４と非接触な状態で配置される。

　外殻部材２０は、排気管１２の直径よりも大きな内径の円筒状の部材である。この外殻部材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９２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は、複数のプレート３２を備えた、いわゆるプレート積層型の熱交換器である。各プレート３２は、内部を冷却液９４が流動する部材である。複数のプレート３２は、排気管１２の軸方向に沿って互いに隣接する２つのプレート３２の外表面同士の間に隙間４２が形成されるように積層されている。各プレート３２には、流入管３４を介して、熱交換器３０の外部からの冷却液９４が流入する。さらに、各プレート３２の内部を流動した冷却液９４は、流出管３６を介して熱交換器３０の外部へと流出する。

　また、熱交換器３０は、各プレート３２の径方向に沿った内側の周縁と排気管１２の外表面との間に隙間４０が形成されるように配置される。さらに、熱交換器３０は、各プレート３２の径方向に沿った外側の周縁と外殻部材２０の内表面との間に１つの隙間４４が形成されるように配置される。

　本実施形態においては、隙間４０，複数の隙間４２，隙間４４を流れる排気９２を高温流体とし、各プレート３２内を流動する冷却液９４を低温流体として、熱交換が行われる。すなわち、熱交換器３０が配置された熱交換室２８が、熱交換部６として機能する。

　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。
　なお、以下では、排気管１２の一部分であり、排気管１２における、排気下流端１８から熱交換器対応部位５２（以下、単に「部位５２」と称す）までの部位を、流入形成部５０と称す。ここで言う部位５２とは、排気下流端１８よりも上流側に位置する排気管１２の部位である。具体的には、部位５２は、排気管１２において、熱交換器３０を構成する複数のプレート３２のうち、排気管１２における排気９２の流路に沿った下流側の端部に配置された１つのプレート３２（以下、下流側プレート３２と称す）に対向する部位である。

　流入部８は、その流入形成部５０を内管とし、導入部材５６を外管とした２重管として形成される。
　導入部材５６は、両端が開口した円筒状の部材であり、排気管１２における流入形成部５０の外径よりも大きな内径を有している。この導入部材５６には、先端部位５８と、本体部位６０とが形成されている。

　本体部位６０は、流入形成部５０との間で隙間を有して流入形成部５０の外側を覆うように配置される。導入部材５６において、保持部材２４に接続される側の端部における径方向に沿った内側の面（即ち、熱交換側内面６２）は、端部３８よりも排気管１２の径方向に沿って内側に配置されている。ここで言う端部３８は、熱交換器３０における径方向に沿った排気管１２の軸方向中心側の端部であり、例えば、プレート３２の内径側の周縁である。

　さらに、本体部位６０において、保持部材２４には、先端部位５８が接続されている。その先端部位５８は、先細のノズル状に形成されている。そして、先端部位５８における先細の先端である導入下流端６４は、排気管１２の径方向に沿って排気下流端１８との間に開口が形成されるように配置される。その開口は、熱交換部６への排気９２の流入口として機能する。
＜弁装置の構成＞
　弁装置１０は、弁座７４と、弁体７６とを備える。

　弁座７４は、流体としての排気９２の流路の一部分を形成する管状の部材である。本実施形態においては、導入部材５６の先端部位５８を、弁座７４として機能させている。
　この弁座７４の外周面には、緩衝部８４が形成されている。この緩衝部８４は、緩衝材が取り付けられた部位である。なお、ここで言う緩衝材とは、弁体との接触を緩衝する部材である。本実施形態における緩衝材は、例えば、メッシュ状に形成されたメッシュ部材であってもよいし、その他の部材であってもよい。

　弁体７６には、弁本体７８と、周縁部８０とが形成されている。
　弁本体７８は、導入部材５６における導入下流端６４の内径よりも大きな直径を有した円板状の部材である。その弁本体７８には、弁本体７８の端部において、排気９２の流路の上流側に向けて凸となるように突出した凸部８２が形成されている。この凸部８２は、導入部材５６（即ち、弁座７４）の内周よりも径方向に沿って内側に、凸の頂点が位置するように形成されている。

　周縁部８０は、弁本体７８の周縁から延出する部位である。この周縁部８０は、排気９２の流路の上流側へと向かう方向へと延出されている。なお、ここで言う「排気９２の流路の上流側へと向かう方向へと延出されている」とは、周縁部８０が導入部材５６（即ち、弁座７４）の外周を覆うように延出することを含む。具体的には、本実施形態における周縁部８０は、導入部材５６の先端部位５８（即ち、弁座７４）と平行となる方向に延出している。ただし、周縁部８０の延出方向は、「排気９２の流路の上流側へと向かう方向」であれば、先端部位５８と平行となる方向に限るものではない。

　なお、本実施形態における弁装置１０は、内燃機関９０の冷却液９４の液温が、予め規定された規定温度よりも高い場合に、図示しない弁軸を中心に回動して排気部２を開放する。一方、弁装置１０は、内燃機関９０の冷却液９４の液温が規定温度よりも低い場合に、弁軸を中心に回動して排気部２を閉塞する。
＜実施形態の効果＞
　弁装置１０においては、閉弁した場合、弁本体７８の周縁から延出する周縁部８０が、弁座７４の外周部分を覆う。このため、排気部２（導入部材５６）を流動する排気９２が弁座７４と弁体７６との間から抜け出るためには、排気９２の流路に対して逆流する方向へと流れなければならない。

　したがって、弁装置１０によれば、従来の弁装置と比較して、弁座７４と弁体７６との間から排気９２が抜け出ることを抑制できる。
　また、弁本体７８に形成された凸部８２は、導入部材５６の内周よりも径方向に沿って内側にて、排気９２の流路の上流側に向けて凸となるように突出している。このため、凸部８２の先端は、径方向に沿って弁座７４よりも内側に位置する。

　したがって、弁装置１０においては、排気９２の流れを凸部８２によって規制することができる。この結果、弁装置１０によれば、弁座７４の外周と周縁部８０との間に排気９２が流れ込むことを低減できる。

　以上のことから、弁装置１０によれば、流入部８を閉じた場合の締め切り性能を向上させることができる。
　なお、弁装置１０によれば、弁体７６と係合する弁座７４の面を外周面とすることができる。このため、緩衝部８４の形成位置を、弁座７４の内周ではなく、弁座７４の外周とすることができる。この結果、弁装置１０によれば、弁座７４と弁体７６との間から排気９２が抜け出ることを抑制できる。

　ところで、本実施形態においては、弁装置１０の適用対象を排気熱回収装置１としている。
　そして、上述したように、弁装置１０は締め切り性能が向上されているため、排気熱回収装置１においては、閉弁した場合に排気９２が弁座７４と弁体７６との間を通って抜け出ることを低減できる。これにより、排気熱回収装置１によれば、閉弁した場合に、熱交換部６へと流れる排気９２の流量を増加させることができ、排気熱からの熱回収効率を向上できる。

　特に、本実施形態の排気熱回収装置１においては、導入部材５６における熱交換側内面６２が、熱交換器３０における排気管１２の軸方向中心側の端部３８よりも排気管１２の径方向に沿って内側に配置されている。

　このため、排気熱回収装置１によれば、流入部８における熱交換器３０への排気９２の流路が狭まることを低減でき、流入部８から熱交換部６への流入口の圧力損失が低下することを抑制できる。

　この結果、排気熱回収装置１によれば、排気９２が熱交換部６の奥まで到達し、より多くの熱を排気９２から回収できる。
［その他の実施形態］
　以上、本発明の実施形態について説明したが、本発明は上記実施形態に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲において、様々な態様にて実施することが可能である。

　例えば、上記実施形態においては、導入部材５６の熱交換側内面６２は、端部３８よりも排気管１２の径方向に沿って内側に配置されていたが、本開示においては、導入部材５６の熱交換側内面６２は、端部３８から排気管１２の径方向に沿って延伸した直線上に配置されていてもよい。

　また、導入部材５６の導入下流端６４は、図３に示すように、弁本体７８に向かって延伸されていてもよい。この場合、排気管１２における排気９２の流路に沿った緩衝部８４の下流側端部は、導入下流端６４よりも排気９２の流路に沿って上流側に配置されていてもよい。なお、図３は、弁座７４の変形例を示す要部断面図である。

　導入部材５６の導入下流端６４をこのように形成すれば、排気９２が、緩衝部８４の下流側の端部に到達するまでの流路長を長くすることができる。これにより、弁装置１０によれば、排気９２が、緩衝部８４を通り抜けて流出することを低減でき、締め切り性能をより向上させることができる。

　ところで、上記実施形態においては、導入部材５６の先端部位５８を弁座７４として機能させていたが、本開示における弁座７４は、専用に設けられたものであってもよい。この場合の弁座７４は、導入部材５６に接合されることで用いられればよい。

　また、上記実施形態における弁本体７８は、円板状に形成されていたが、弁本体７８の形状は、これに限るものではない。例えば、弁本体７８は、図３に示すように、排気部２における排気９２の流路に沿った下流側が凸となるように湾曲した形状であってもよいし、その他の形状であってもよい。

　さらに、弁本体７８には、その弁本体７８の軸方向中心において、排気部２の排気９２の流路に沿った上流側に向けて凸となる突起部が形成されていてもよい。
　なお、上記実施形態の弁本体７８には、凸部８２が形成されていたが、本開示の弁本体においては、凸部８２は省略されていてもよい。

　また、上記実施形態においては、流入部８における流入口の形成位置を、排気管１２の排気下流端１８としていたが、流入部８における流入口の形成位置は、これに限るものではない。すなわち、流入部８における流入口の形成位置は、排気９２の流路に沿って、弁装置１０よりも上流側であれば、排気管１２における熱交換器３０の上流側であってもよいし、排気管１２における熱交換器３０の中間部分であってもよい。

　さらに、上記実施形態においては、排気下流端１８と導入部材５６との間の開口を、排気管１２から熱交換部６への排気９２の流入口として形成していたが、排気管１２から熱交換部６への排気９２の流入口は、排気管１２自体に孔を穿設することで形成してもよい。

　なお、上記実施形態における排気熱回収装置１は、内燃機関９０を有した移動体に搭載されていたが、本開示における排気熱回収装置は、移動体に搭載されていなくともよい。すなわち、本開示における排気熱回収装置は、内燃機関９０からの排気９２を高温流体として熱交換することで、排気９２からの熱を回収するものであれば、移動体に搭載されることなく用いられてもよい。さらには、排気熱回収装置における低温流体は、冷却液９４でなくとも良く、低温流体として作用するその他の流体であってもよい。

　また、上記実施形態における熱交換器３０は、プレート積層型の熱交換器として構成されていたが、本開示における熱交換器は、高温流体としての排気９２と、低温流体としての冷却液９４との間で熱交換する熱交換器であれば、どのようなものでもよい。

　ところで、上記実施形態では、弁装置１０の適用対象を排気熱回収装置１としていたが、弁装置１０の適用対象は、排気熱回収装置１に限るものではなく、消音器（マフラ）であってもよい。

　その消音器の一例として図４に示す消音器１００は、アウタシェル１０２と、インレットパイプ１０４と、アウトレットパイプ１０６と、中間パイプ１０８と、弁装置１０とを備えている。

　アウタシェル１０２は、少なくとも１つの孔が穿設された隔壁１１０，１１２，１１４によって複数の室に区切られている。インレットパイプ１０４は、内燃機関９０からの排気９２をアウタシェル１０２内に流入する。アウトレットパイプ１０６は、アウタシェル１０２内の排気９２を外部へと流出する。中間パイプ１０８は、アウタシェル１０２内の複数の室を接続する。

　ここでの弁装置１０は、弁座７４と、弁本体７８と、周縁部８０とを備え、中間パイプ１０８の一端を弁座７４として機能させること、及び弁本体７８から凸部８２が省略されていることを除けば、上記実施形態と同様に構成されている。このため、ここでは、同一の構成に同一の参照符号を付して、弁装置１０を構成する各部の詳しい説明を省略する。

　なお、消音器１００に適用される弁装置１０の弁本体７８には、凸部８２が形成されていてもよい。また、弁座７４は、中間パイプ１０８の一端を弁座７４として機能させたものに限らず、専用に設けられていてもよい。

　このような消音器１００によれば、中間パイプ１０８を流動する排気９２が、弁座７４と弁体７６との間から抜け出ることを低減でき、消音器１００内の排気９２の流路を所望の状態とすることができる。

　なお、弁装置１０の適用対象は、これに限るものではなく、流体の流路を開放閉塞するように適用されていれば、どのようなものに適用されていてもよい。また、本開示における流体は、排気９２に限るものではなく、その他の流体であってもよい。

　なお、上記実施形態の構成の一部を省略した態様も本発明の実施形態である。また、上記実施形態と変形例とを適宜組み合わせて構成される態様も本発明の実施形態である。また、特許請求の範囲に記載した文言によって特定される発明の本質を逸脱しない限度において考え得るあらゆる態様も本発明の実施形態である。

Claims (5)

1. 　流体の流路を開放閉塞する弁装置であって、
   　前記流体の流路の一部分を形成する管状の弁座と、
   　前記弁座と係合することで前記流体の流路を閉塞する弁体とを備え、
   　前記弁体は、
   　弁本体と、
   　前記弁座の外周において前記流体の流路の上流側へと向かうように前記弁本体の周縁から延出する周縁部とを備える
   　ことを特徴とする弁装置。
2. 　前記弁本体は、
   　前記弁座の内周よりも径方向に沿って内側に形成された凸部であって、前記流体の流路の上流側に向けて凸となるように突出した凸部を備える
   　ことを特徴とする請求項１に記載の弁装置。
3. 　前記周縁部と当接する緩衝材が前記弁座の外周面に配置された緩衝部を備え、
   　前記緩衝部は、
   　前記流体の流路に沿った下流側の端部が、前記弁座の下流側の端部よりも前記流体の流路に沿って上流側に配置される
   　ことを特徴とする請求項１または請求項２に記載の弁装置。
4. 　前記流体の１つである排気の流路を形成する排気管と、
   　前記排気管の外側を覆うシェル部材と、
   　前記排気管と前記シェル部材との間に配置され、前記排気と低温流体との間で熱交換する熱交換器を有した熱交換部と、
   　前記排気管から前記熱交換部への排気が流入する流入経路を有する流入部と、
   　請求項１から請求項３までのいずれか１項に記載の弁装置であって、前記流入部よりも下流側に配置された弁装置とを備える
   　ことを特徴とする排気熱回収装置。
5. 　前記排気管における排気の流路に沿った下流側の端部を排気下流端とし、前記排気下流端は、前記排気管における排気の流路に沿って、前記熱交換器の下流側端部よりも下流側に位置し、
   　前記流入部は、
   　前記排気管において、前記排気下流端から前記排気管における熱交換器の下流側端部までの地点である流入形成部と、
   　前記流入形成部との間で隙間を有するように、前記流入形成部の径方向に沿った外側の少なくとも一部分を覆うように配置され、前記弁座として機能する導入部材とを備え、
   　前記導入部材は、
   　前記熱交換部に接続される側の径方向に沿った軸方向中心側の面が、前記熱交換器における前記排気管の軸方向中心側の端部よりも前記排気管の径方向に沿って内側、または、前記熱交換器における前記排気管の軸方向中心側の端部から前記排気管の軸方向に沿って延伸した直線上に配置されている
   　ことを特徴とする請求項４に記載の排気熱回収装置。

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