JP6192569B2 - 排気熱回収装置 - Google Patents

Description

本発明は、排気熱回収装置に関する。

従来、両等に搭載される排気ガスの排気熱回収装置として、熱交換器から排出される冷却水の温度に応じて温度作動アクチュエータであるサーモエレメントにより、弁体を開閉さて、熱交換器を通る第１流路と、熱交換器を迂回する第２流路に切替制御を行う排気熱回収装置が知られている（例えば、特許文献１参照）。

特開２０１１−２１４５２９号公報

従来の排気熱回収装置では、弁体の弁軸が排気熱回収装置の第２流路の軸と直交する方向に設けられている。この弁体の弁軸を、サーモエレメントで回動すると共に、サーモエレメントの受熱部を、熱交換器から排出される冷却水が通る配管内に設ける必要があるため、熱交換器から排出される冷却水の配管は、排気熱回収装置の第２流路の軸に対して左右の何れかに設ける必要がある。

冷却水の配管が、排気熱回収装置の第２流路の軸に対して左右の何れかに設けられているため、排気熱回収装置を搭載する車両側において、冷却水を通す配管の位置が制約されてしまったり、車両側の冷却水の配管と、サーモエレメントの位置が第２流路の軸に対して逆側に位置した場合には、車両側の冷却水の配管を、排気熱回収装置の本体部を迂回して熱交換器の入口に接続する必要があり、配管経路が長くなってしまうという問題が生じる。

そこで、本発明は、上記問題点を解決した排気熱回収装置を提供することを目的とするものである。

前記の課題を解決するために、請求項１記載の発明は、内燃機関などの排気系で、排気ガスと媒体との熱交換を行う熱交換器を排気ガスが通る第１流路と、排気ガスが前記熱交換器を迂回する第２流路と、該第２流路を開閉する弁体と、前記媒体の温度が所定の値以上になった際に前記弁体を開動作させるサーモエレメントを有し、
前記サーモエレメントは受熱部を有し、
前記熱交換器において前記媒体が流通する媒体流路内と、前記受熱部の外周とを連通するとともに、媒体流路内の媒体が、受熱部の外周を通った後、媒体流路内へと戻る連通路を設け、
前記媒体流路内に、前記媒体を前記連通路へと誘導する誘導板を設けたことを特徴とするものである。

請求項２記載の発明は、請求項１記載の発明において、前記熱交換器における媒体流路の外縁部と前記誘導板の外側端との間を、前記媒体が流通できるようにしたことを特徴とするるものである。

請求項３記載の発明は、請求項１又は２記載の発明において、前記誘導板を、前記媒体流路の軸と直交するように設けたことを特徴とするものである。

請求項４記載の発明は、請求項１又は２又は３記載の発明において、前記連通路を、誘導板の外側端を跨ぐようにして設けたことを特徴とするものである。

請求項５記載の発明は、請求項１乃至４の何れか１項に記載の発明において、前記連通路を、前記熱交換器の上部に設けたことを特徴とするものである。

本発明によれば、サーモエレメントの受熱部を、媒体が熱交換器から排出される流路内ではなく、媒体流路内の媒体が、受熱部の外周を通った後、媒体流路内へと戻る連通路内に設けたことにより、熱交換器へ導入又は熱交換器から排出される媒体の配管の位置を、サーモエレメントの位置に関係なく自由に設定することが出来、例えば、熱交換器における媒体の出入口を第２流路の軸に対する左右方向の略中央に設けることができ、排気熱回収装置を搭載する車両側において、媒体を通す配管の位置に制約が生じることを防ぐことが出来、排気熱回収装置に汎用性を持たせることが出来る。

また、熱交換器における媒体の出入口を第２流路の軸に対する左右方向の略中央に設けた場合には、前記従来技術のように、車両側の媒体の配管と、サーモエレメントの位置が第２流路の軸に対して逆側に位置することがなく、配管経路を短く出来、重量を軽減できる。

本発明の実施例１の排気熱回収装置の正面図。 図１の上面図。 図１の左側面図。 図２のＡ−Ａ線断面図。 図４の状態から第１弁体を開動させた状態の断面図。 図４のＢ−Ｂ線断面図。 図２のＣ−Ｃ線断面図。 図４のＤ−Ｄ線断面図。 図１のＥ−Ｅ線断面図。 図４のＦ−Ｆ線断面図。 図２のＧ−Ｇ線断面図。

本発明の形態を図に示す実施例に基づいて説明する。
［実施例１］
図１乃至図１１は本発明の実施例１を示す。

本実施例１の排気熱回収装置１は、内燃機関を使用する車両などの排気系に配設され、上流側に設けた流入口１ａには図示しない上流側排気管が、下流側に設けた排出口１ｂには図示しない下流側排気管がそれぞれ接続される。

排気熱回収装置１は、図４に示すように、ケース２を有し、ケース２内には熱交換器３と、この熱交換器３を通る第１流路４と、熱交換器３を迂回する第２流路５が設けられている。第２流路５は、上流側排気管と下流側排気管に連通している。

ケース２は、図１〜図３に示すように、円筒状の本体部２ａと、本体部２ａの下流側に設けた縮径部２ｂで構成されている。また、第２流路５は、図３〜図６に示すように、両端が開口する円筒管で形成され、図５に示すように、ケース２の本体部２ａの中央部に配設されている。

熱交換器３は、図８に示すように、ケース２の本体部２ａと第２流路５との間で、第２流路５の軸芯の両側に位置するように２個設けられている。両熱交換器３，３は、図８に示すように、本体部２ａの軸芯を中心とする円弧状に形成されている。熱交換器３には、内燃機関などの冷却系の冷却水等の媒体が流通する媒体流路３ａと、排気ガスの流体が流れる流体流路３ｂを有している。媒体流路３ａは、図１〜図５に示すように、媒体入口１０ａと媒体出口１０ｂとを有し、この媒体入口１０ａと媒体出口１０ｂとは、内燃機関などの冷却系に接続されている。これにより、熱交換器３において、媒体と排気ガスとの間で熱交換できるようになっている。

排気熱回収装置１を車両等に設置した状態において、図１〜図４に示すように、媒体入口１０ａは、第２流路５の下方で、かつ、排気熱回収装置１の第２流路５の軸に対する左右方向の略中央に位置し、媒体出口１０ｂは、第２流路５の上方で、かつ、排気熱回収装置１の第２流路５の軸に対する左右方向の略中央に位置するように設けられている。媒体は、媒体入口１０ａから流入して、分岐部１０ｃで左右の媒体流路３ａ，３ａに分岐され、各媒体流路３ａ，３ａ内を下方から上方へ上昇流通した後に、媒体合流部１０ｄで合流し、媒体出口１０ｂから排出されるようになっている。

流体流路３ｂにおけるケース２の本体部２ａの軸に直交する断面は、図８に示すように円弧状に形成されている。また、流体流路３ｂは、図４に示すように、上流側から下流側に向かって並行に複数設けられている。流体流路３ｂの数は任意であるが本実施例では、左右の熱交換器３，３に、夫々４つの流体流路３ｂを設けた。また、流体流路３ｂの形状は任意に形成するが、その内周面の外縁部３ｃを曲面形状に形成することが好ましい。

媒体流路３ａ内には、その軸芯と直交するように板状の誘導板１１が設けられている。誘導板１１は、図８に示すように、媒体流路３ａの内側端から、流体流路３ｂの外縁部に亘って設けられ、誘導板１１は、媒体流路３ａの外縁部分、すなわち、媒体流路３ａの外縁部３ｄと、誘導板１１の外側端１１ａとの間には設けられておらず、これらの間に設けた連通部３ｅを通じて、媒体が流通することが出来るようになっている。また、誘導板１１は、媒体流路３ａ内にのみ設けられ、流体流路３ｂ内には設けられていない。

ケース２の本体部２ａ内には、熱交換器３の下部に位置して、流体流路３ｂ内で排気ガスが熱交換等した際に生じる凝縮水を回収する回収空間１３が設けられ、熱交換器３の上部に、左右の流体流路３ｂを流通した排気ガスが合流する空間１４が設けられ、流体流路３ｂは、回収空間１３と空間１４に連通し、流体流路３ｂと回収空間１３と空間１４等で、第１流路４が構成されている。このように、熱交換器３，３は、ケース２内の両側部に設けられ、ケース２の上部と下部には設けられていない。

第２流路５の下部には、図４，図６に示すように、連通穴１８が形成され、連通穴１８により、第２流路５は、回収空間１３と連通するとともに、熱交換器３の流体流路３ｂとも連通している。

連通穴１８より下流側には、第２流路５と第１流路４が合流する合流部２１が設けられている。第２流路５には、第２流路５と合流部２１を連通する第１連通部２４が形成されている。また、第１流路４には、第１流路４の空間１４と合流部２１とのを連通する第２連通部２５が開口形成されている。第２連通部２５は、第１連通部２４より上部に位置するように形成されている。第２連通部２５は、空間１４の下流側に設けたハウジング２６に形成されている。ハウジング２６は、上流側と下流側の第２連通部２５のみが開口し、上流側の開口は空間１４と連通している。

第２連通部２５より上流側には、図９に示すように、ハウジング２６の左右の壁を貫通するように、弁軸２７が備えられている。ハウジング２６の下流端部は、図４，図５に示すように、弁軸２７を中心とする円弧状に形成され、この円弧部に第２連通部２５が形成されている。

弁軸２７は、ハウジング２６内の両側部に設けた軸受２９，２９により支持されている。軸受２９，２９の外周部には、第１流路４の左右方向全体に亘って軸受ケース３４が設けられている。ハウジング２６と軸受ケース３４により、第１流路４内の排気ガスが、弁軸２７と接触することを抑制するようになっている。

ハウジング２６から軸方向の左右に突出している弁軸２７には、スイングアーム型の第１弁体３０に形成した一対の腕部３０ａ，３０ａが固設され、弁軸２７の正逆回動により、第１弁体３０が正逆回動し、第２流路５を開閉することができるようになっている。一対の腕部３０ａ，３０ａは、図１０に示すように、弁軸２７の軸方向に第２連通部２５の左右方向の長さより長く離間して設けられている。第１弁体３０の第２流路５の側面には、第１連通部２４に接離するシール材３０ｂが固設されている。

弁軸２７は、図９に示すように、一端側がケース２を貫通するように設けられ、弁軸２７の外周で、かつ、ケース２を貫通するようにシール部材２８が設けられている。シール部材２８は、排気ガスがケース２の外部へと漏出することを防止するラビリンス構造を有している。

前記従来技術の排気熱回収装置では、軸受を、ケースを貫通するように設けているために、この軸受は、弁軸を支持することに加えて、排気ガスがケースの外部に漏出することを抑制する必要があるために、軸受が大きくなる。それに対し、本実施例では、軸受２９とシール部材２８を別々の部材で構成し、軸受２９をケース２内に設けたことにより、シール部材２８は、軸受の機能は必要とせず、排気ガスがケース２外に漏出することを抑制することができればよいため、シール部材２８の軸方向の長さも短くできる。また、軸受２９は、軸受としての耐久性のみを考慮すればよいため、軸受２９の径を、前記従来技術の排気熱回収装置の軸受の径よりも小さくすることができ、排気熱回収装置１を前記従来技術の排気熱回収装置よりも小型化することができる。

第１弁体３０には、その腕部３０ａ，３０ａ間に位置して、第２弁体３１が第１弁体３０と一体に形成されている。第２弁体３１は、弁軸２７を中心とする円弧状に形成され、弁軸２７を正逆回動することにより、第２弁体３１が、ハウジング２６の下流側部に形成された円弧部に沿って、上下方向に移動し、第２連通部２５を開閉できるようになっている。第２弁体３１の上流側面には、シール材を設けても設けなくてもよい。本実施例ではシール材を設けていない。

第１弁体３０と第２弁体３１とは、弁軸２７を中心として一体に回動し、図５に示すように、第１弁体３０が開動した際には、第２弁体３１は閉動して第２連通部２５を閉塞し、また、図４に示すように、第１弁体３０が閉動した際には、第２弁体３１は開動し、第２連通部２５を開放するようになっている。

合流部２１と回収空間１３は、これらの間に設けた仕切壁２３の下端部に形成した排出穴２３ａで連通しており、回収空間１３内に回収された凝縮水は、排出穴２３ａを通じて、合流部２１に排出された後に、排気ガスと共に外部へと排出されるようになっている。

熱交換器３におけるケース２の上部には、図１１に示すように、媒体の取出口３３ａと媒体の戻口３４ａが離間して形成され、この取出口３３ａと戻口３４ａとの間に、誘導板１１の外側端１１ａが位置するようになっている。取出口３３ａには媒体流路３ａ内の媒体を、ケース２外に設けた温度作動アクチュエータであるサーモエレメント３６の受熱部３６ａの外周部３５へと導く誘導通路３３が接続され、戻口３４ａには、サーモエレメント３６の受熱部３６ａの外周部３５から媒体流路３ａ内へと戻す戻し通路３４が接続されている。誘導通路３３と戻し通路３４間には、取出口３３ａ部と戻口３４ａ部を区画する隔壁４１が設けられている。

誘導通路３３、取出口３３ａ、戻し通路３４、戻口３４ａ、外周部３５により、連通路３２が構成されている。連通路３２は、図１１に示すように、誘導板１１の外側端１１ａを跨ぐようにして形成されている。

媒体は、熱交換器３の媒体流路３ａ内を下方から上方へ移動する際に、誘導板１１により、取出口３３ａ側へ導かれ、誘導通路３３を通ってサーモエレメント３６の受熱部３６ａと接触することが出来るようになっている。この後、媒体は、戻し通路３４を通って戻口３４ａから媒体流路３ａ内に戻るようになっている。

誘導板１１を、媒体流路３ａの軸芯と直交するように設けたことにより、媒体の流れに対して直交方向に誘導板１１が位置し、効率よく媒体を誘導通路３３へと導くことが出来るようになっている。

なお、仮に、誘導板１１を、媒体流路３ａの外縁部まで設けて、誘導板１１により媒体流路３ａを仕切ってしまうと、媒体流路３ａの外縁部で、かつ、取出口３３ａと戻口３４ａとの間における媒体の流れが悪くなりその部分で媒体が沸騰して気泡が発生し、その気泡が移動しにくいため空焚きが生じる虞がある。そのため、誘導板１１は、媒体流路３ａの外縁部には設けず、媒体を、媒体流路３ａの外縁部３ｄと、誘導板１１の外側端１１ａとの間を流通させることにより、空焚きの発生を抑制できるようになっている。

サーモエレメント３６の受熱部３６ａ内には、ワックスが収納されている。サーモエレメント３６の先端部には、付勢部材３７によりサーモエレメント３６側に付勢されたロッド３８が当接している。サーモエレメント３６内のワックスが、所定の温度以上になると熱膨張し、その先端部が伸張して、先端部によりロッド３８を押移動することにより弁軸２７が回動して、図５に示すように、第１弁体３０が開作動して第２流路５を開放するとともに、第２弁体３１を閉動して第１流路４を閉塞するようになっている。

また、サーモエレメント３６内のワックスが、所定の温度より低くなると収縮し、その先端部が収縮して、ロッド３８は付勢部材３７により付勢されて弁軸２７が回動して、図４に示すように、第１弁体３０が閉作動して第２流路５を閉塞するとともに、第２弁体３１を開動して第１流路４を開放するようになっている。

サーモエレメント３６の受熱部３６ａの外周部３５の媒体が所定の温度より低い場合には、図４に示すように、第２流路５を閉塞し、第１流路４が開放されていることから、排気ガスは、第２流路５から、連通穴１８を通った後、回収空間１３、熱交換器３の流体流路３ｂ、空間１４を通り、第２連通部２５から合流部２１へと流れるようになっている。

サーモエレメント３６の受熱部３６ａを、熱交換器３の媒体流路３ａ内から媒体を取出す連通路３２内に設けたことにより、熱交換器３へ導入又は熱交換器３から排出される媒体の配管の位置を、サーモエレメント３６の位置に関係なく自由に設定することが出来、熱交換器３における媒体の出入口１０ａ，１０ｂを第２流路４の軸に対する左右方向の略中央に設けることができ、排気熱回収装置１を搭載する車両側において、媒体を通す配管の位置の制約を減少させることが出来る。これにより、搭載する車両毎に排気熱回収装置１を設計する必要がなく、排気熱回収装置１に汎用性を持たせることが出来る。

更に、熱交換器３における媒体の出入口１０ａ，１０ｂを第２流路５の軸に対する左右方向の略中央に設けたことにより、前記従来技術の排気熱回収装置のように、車両側の媒体を通す配管と、サーモエレメントの位置が第２流路の軸に対して逆側に位置することがなく、媒体の配管経路を短く出来、重量を軽減できる。

温度作動アクチュエータであるサーモエレメント３６の受熱部３６ａは、熱交換器３の媒体流路３ａ内から取り出した媒体と接触できるようになっているため、熱交換器３内の媒体の温度に即応してサーモエレメント３６が作動し、熱交換器３の媒体温度が高くなりすぎることを防止できる。

熱交換器３内の媒体温度は上部ほど高くなるため、連通路３２を熱交換器３の上部に設けたことにより、高い温度の媒体を、サーモエレメント３６の受熱部３６ａに接触させることが出来るため、熱交換器３における高温部分の媒体から受熱して、サーモエレメント３６を作動させ、弁体３０，３１を開閉して流路４，５の切替を行うことが出来るため、熱交換器３内の媒体の状態に即応して、適切なタイミングで流路４，５の切替を行うことが出来る。

排気ガスが熱交換された際に生じる凝縮水は、その自重で流体流路３ｂ内を容易に下方に移動し、回収空間１３へと回収された後に、排出穴２３ａ及び合流部２１を通じて、排気熱回収装置１の下流へと排出されるようになっている。また、複数の流体流路３ｂを、上流側から下流側に並設するとともに、上下方向に流通可能な円弧状に形成したことにより、凝縮水が回収空間１３へと容易に排出されると共に、媒体流路３ａ内の媒体が沸騰等して気体（気泡）が発生した際には、上方へと気体が容易に移動しやすく、媒体流路３ａ内での気体の上方への抜けが良い。

また、流体流路３ｂにおける内周面の外縁部３ｃを曲面形状に形成した場合には、流体流路３ｂ内を流体が流れる際に、常に、流体が内周面の外縁部３ｃに当たるため、流通する排気ガスの乱流が促進され、熱交換器３の熱交換効率を向上させることが出来る。

一方、熱交換器３の媒体が所定の温度以上の場合には、図５に示すように、第２流路５が開放され、第１流路４が閉塞されていることから、排気ガスは、第２流路５を通り、合流部２１へと流れるようになっている。

第２弁体３１を、第１弁体３０の一対の腕部３０ａ，３０ａ間に配設すると共に、第１弁体３０と第２弁体３１を一体に形成したことにより、第２弁体３１を、第１弁体３０の回動空間内に配置することが出来るため、排気熱回収装置１を小型化することが出来る。また、第１弁体３０を製造する材料における第１弁体３０の腕部３０ａ，３０ａ間の材料で第２弁体３１を同時に一連に製造することが出来るため、第１弁体３０の材料の歩留まりを上げ、コスト及び工数を削減することが出来る。

熱交換器３の下部に回収空間１３を設けたことにより、排気熱回収装置１を車両の下部に搭載した際に、熱交換器３の路面干渉を抑制することができる。

ケース２内のハウジング２６に軸受２９，２９を設けて支持したことにより、ケース２の外周壁には、弁軸２７が貫通する部分にシール部材２８を設けるだけでよく、排気熱回収装置１の弁軸２７方向の長さを短くすることが出来、また、軸受２９，２９は、軸受としての耐久性を確保すればよいために、軸受２９の径を小さくすることができ、排気熱回収装置１を小型化することができる。

なお、温度作動アクチュエータは、バイメタルや形状記憶合金を用い、これらの形状変化によって弁体の回動運動を行わせるようにしてもよい。

また、排気ガスの流量に応じて開閉動作するバルブシステムは、所謂可変バルブとして排気装置では周知であり、任意の機構を用いることが出来る。

また、誘導通路３３と戻し通路３４間に設けた隔壁４１は設けなくても良い。また、第１弁体３０と第２弁体３１を一体に形成したが、第１弁体３０と第２弁体３１を別体に形成しても良い。

［その他の実施例］
誘導板が、熱交換器の媒体流路の軸芯に対して直交するように設けるとともに、誘導板により媒体が連通路へと誘導されていれば、熱交換器、すなわち、媒体流路、流体流路の配置や形状、及び、誘導板の形状、位置は任意に設定することが出来る。なお、誘導板は、媒体流路の外縁部には設けず、また、連通路は、誘導板の外側端を跨ぐようにして形成することが好ましい。

例えば、熱交換器の媒体流路、流体流路を上下に積層して、熱交換器内を媒体が横方向に流通するように熱交換器を形成するとともに、熱交換器の媒体流路の軸芯に対して誘導板を直交するようにして設け、誘導板により媒体が連通路へと誘導されえるようにしても良い。

また、本発明は、媒体への熱回収を主目的とする狭義の熱回収器（ヒートコレクタやオイルウォーマ等）に限らず、排気ガスの冷却を主目的とする熱交換器（排気クーラーやＥＧＲクーラー等）も熱回収装置として包含する。更に、適用対象は車両等の内燃機関用に限定するものではなく、汎用エンジンや据置式燃焼装置等、あらゆる排気ガスが発生する装置の排気系に適用可能である。

以上、本発明の実施例を説明してきたが、本発明は上述の実施例に限られるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲の設計変更があっても、本発明に包含されるものである。

１ 排気熱回収装置。
３ 熱交換器
３ａ 媒体流路
４ 第１流路
５ 第２流路
１１ 誘導板
３６ サーモエレメント
３６ａ 受熱部
３２ 連通路

Claims (5)

1. 内燃機関などの排気系で、排気ガスと媒体との熱交換を行う熱交換器を排気ガスが通る第１流路と、排気ガスが前記熱交換器を迂回する第２流路と、該第２流路を開閉する弁体と、前記媒体の温度が所定の値以上になった際に前記弁体を開動作させるサーモエレメントを有し、
   前記サーモエレメントは受熱部を有し、
   前記熱交換器において前記媒体が流通する媒体流路内と、前記受熱部の外周とを連通するとともに、媒体流路内の媒体が、受熱部の外周を通った後、媒体流路内へと戻る連通路を設け、
   前記媒体流路内に、前記媒体を前記連通路へと誘導する誘導板を設けたことを特徴とする排気熱回収装置。
2. 前記熱交換器における媒体流路の外縁部と前記誘導板の外側端との間を、前記媒体が流通できるようにしたことを特徴とする請求項１記載の排気熱回収装置。
3. 前記誘導板を、前記媒体流路の軸と直交するように設けたことを特徴とする請求項１又は２記載の排気熱回収装置。
4. 前記連通路を、誘導板の外側端を跨ぐようにして設けたことを特徴とする請求項１又は２又は３記載の排気熱回収装置。
5. 前記連通路を、前記熱交換器の上部に設けたことを特徴とする請求項１乃至４の何れか１項に記載の排気熱回収装置。

Images