JP4372294B2 - 触媒一体型排気熱交換器 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本願の発明は、触媒一体型排気熱交換器に関し、特に内燃機関の排気系に使用される触媒を利用した排ガス浄化装置（触媒コンバーター）と排ガス熱回収用熱交換器とを一体化して、排気系のコンパクト化と熱交換性能の向上とを図った触媒一体型排気熱交換器の改良に関する。
【０００２】
【従来技術】
従来、この種内燃機関における排気系は、図１２に図示されるように構成されていた。
すなわち、図１２において、内燃機関01から排出された排ガスは、先ず、排ガス浄化装置（触媒コンバーター）02に入り、ここで、排ガス中の有害成分が浄化されて、外部に排出される。
【０００３】
次いで、浄化されて幾分温度の上昇した排ガスは、熱交換器03に入り、ここで、内燃機関01の冷却水と熱交換をして、その保有熱を冷却水に与え、自身は低温の排ガスとなって、外部に放出される。
【０００４】
熱交換器03に入る内燃機関01の冷却水は、内燃機関01を出た後排熱回収用の熱交換器04において水道水等の冷水と熱交換をして熱を放出して十分に温度を下げられた冷却水であるので、浄化された幾分温度の上昇した排ガスを効果的に冷却することができる。冷却水は、ここでの熱交換により、やや温度が上昇するが、内燃機関01に還流されて、内燃機関01の各部を支障なく冷却する。
【０００５】
熱交換器04において、内燃機関01を出た後の冷却水と熱交換をして温度の上昇した水道水は、温水となって、事業所用もしくは家庭用の給湯冷暖房等の各種の用途に向けられ、直接温水として、もしくは温水熱源として、使用される。
【０００６】
従来の内燃機関01における排気系は、前記のように構成されているので、排ガス浄化装置02は、排ガス通路の上流側に配設され、該排ガス浄化装置02と熱交換器03とは、別体に形成されていた。このため、排気系の構成にスペースを要し、構造も複雑になっていた。
【０００７】
そこで、本出願人は、従来のこの種内燃機関01における排気系が有する前記のような問題点を解決して、排気系をコンパクト化し、構造を簡単化して、製作コストを低減するとともに、消音効果の向上と熱交換性能の向上とを可能にする触媒一体型排気熱交換器を提案した（特開２０００−２５７４１５号・特許第３８９１７２４号公報参照）。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は、本出願人がさきに提案した上記発明をさらに改良して、構造のさらなる簡単化と製作コストのさらなる低減、熱交換性能のさらなる向上とを可能にする触媒一体型排気熱交換器を提供することを課題とする。
【０００９】
【課題を解決するための手段および効果】
本発明は、前記のような課題を解決した触媒一体型排気熱交換器に係り、その請求項１に記載された発明は、冷却水により貫流される水室に包囲されて、触媒を収容する触媒収容室が設けられ、前記触媒収容室内を触媒と接触しつつ貫流する排ガスが、前記触媒収容室を出た後、前記冷却水と間接熱交換をして、外部に排出されるようにされてなる触媒一体型排気熱交換器において、前記水室は、内胴と外胴とにより囲まれて形成され、
前記触媒収容室は、開放端を有する筒体により形成されて、前記内胴および前記外胴と同心に配置され、前記内胴と前記筒体との間に、該筒体の前記開放端から出る前記排ガスが流れる排ガス通路が形成され、前記排ガス通路に、各２個の排ガス通孔を有する環状板状の伝熱フィンが複数枚積層され、複数枚の前記伝熱フィンは、各２個の排ガス通孔を同一の位置に揃えた各伝熱フィン群に分けられ、これらの伝熱フィン群が、群毎に排ガス通孔の位置が異なるように積層され、前記排ガスが、前記触媒中を流れて、前記排ガス通路に流入し、前記伝熱フィンと前記内胴を介して前記冷却水と熱交換をするようにされた
ことを特徴とする触媒一体型排気熱交換器である。
【００１０】
請求項１に記載された発明は、前記のように構成されており、冷却水により貫流される水室に包囲されて触媒収容室が設けられ、該触媒収容室内を触媒と接触しつつ貫流する排ガスが、該触媒収容室を出た後、冷却水と間接熱交換をして、外部に排出されるようにされて、コンパクト化された触媒一体型排気熱交換器において、水室を構成する一壁面要素をなす内胴と筒体との間に形成される排ガス通路に、１個もしくは複数個の排ガス通孔を有する環状板状の伝熱フィンが複数枚積層され、排ガスが、触媒中を流れて、該通路に流入し、内胴を介して冷却水と熱交換をするようにされている。
【００１１】
この結果、複数枚の環状板状の伝熱フィンにより、伝熱面積が飛躍的に増大し、しかも、排ガスは、排ガス通孔を通過する度に乱流状態となって流れるので、冷却水と十分な熱交換をして、熱交換性能が大きく向上する。また、排ガスが発する騒音は、排ガスが排ガス通路および複数枚の伝熱フィン群を通る過程において減衰されるので、消音効果が向上する。
【００１２】
しかも、排ガス熱回収用の熱交換器の骨格部分は、内胴と外胴と筒体とにより形成され、これに、内胴と筒体との間に環状板状の伝熱フィンが複数枚積層されるだけの構造であるので、熱交換器の構造が簡単化されて、製作コストをさらに低減することができる。
【００１３】
また、請求項２記載のように請求項１記載の発明を構成することにより、前記排ガス通路に、筒状ガイド部材が前記筒体と同心に配設され、前記筒状ガイド部材は、前記筒体の前記開放端と反対の側に開放端を有し、前記伝熱フィンが、前記内胴と前記筒状ガイド部材との間に設けられる。
【００１４】
この結果、排ガスの通路長が増大するので、排ガスの保有する排熱の回収を十分に図ることができる。また、触媒収容室を形成する筒体を熱交換器部分から分離することができるので、その組付けが容易になるとともに、触媒の活性温度の維持が容易になり、排ガスの浄化作用が促進される。
【００１９】
また、請求項３記載のように請求項１または請求項２に記載の発明を構成することにより、筒状ガイド部材は、積層される複数枚の伝熱フィンの各内周折曲縁部の重なり合いによって形成される。
【００２０】
この結果、部品点数が削減されて、熱交換器の構造がさらに簡単化されるとともに、製作コストをさらに低減することができる。
【００２１】
【発明の実施の形態】
以下、図面に示される本発明の一実施形態（実施形態１）について説明する。
図１は、本実施形態１における触媒一体型排気熱交換器の縦断面図、図２は、同熱交換器に使用される環状板状伝熱フィンの平面図、図３は、図２のＩＩＩ−ＩＩＩ線矢視断面図、図４は、同伝熱フィン群を通って流れる排ガスの流れ状態を示す図、図５は、同伝熱フィンが内筒に固着される部分の拡大断面図である。
【００２２】
本実施形態１における触媒一体型排気熱交換器は、事業所もしくは家庭における自家発電用内燃機関等の内燃機関の排気系に使用され、従来の触媒を利用した排ガス浄化装置（触媒コンバーター）と排ガス熱回収用熱交換器とが一体化されて構成されている。
【００２３】
図１において、本実施形態１における触媒一体型排気熱交換器１は、冷却水により貫流される水室２に囲まれて、触媒収容室３が設けられ、矢印Ａ方向から流入する排ガスが、触媒収容室３内を触媒４と接触しつつ貫流し、該触媒収容室３を出た後に、水室２内の冷却水と間接熱交換をして、排気管14内を矢印Ｂ方向に流れて、外部に排出されるようになっている。冷却水としては、内燃機関の冷却水が使用される。
【００２４】
水室２は、周囲を有底円筒状の内胴５と有底円筒状の外胴６とにより囲まれ、上部を厚肉の環状蓋体10により閉塞されて、形成されている。そして、その内部には、冷却水を蛇行しながら上昇させるための邪魔板18が高さ位置を異ならせて、複数適所に設けられている。この邪魔板18は、螺旋板に代えられてもよい。触媒収容室３は、円筒状の筒体７により形成され、この筒体７は、内胴５および外胴６と同心に配置されている。筒体７内には、触媒４が収容されている。
【００２５】
内胴５の上部は縮径されて、その内周折曲口部は、環状蓋体10の中央円孔10a に嵌合され、そこに固着されている。また、筒体７の上端部は、環状蓋体10の中央円孔10a および内胴５の内周折曲口部に嵌合され、それぞれの個所において固着されて、支持されている。
【００２６】
内胴５と筒体７との間には、排ガスが流れる通路８が形成され、この通路８に、筒状ガイド部材９が筒体７と同心に配設されている。この筒状ガイド部材９は、金属製の有底完全円筒体により形成され、その底壁は、内胴５の底壁５a に当接して、そこに固着されている。この筒状ガイド部材９は、底無しの完全円筒体により形成されてもよい。
【００２７】
内胴５と筒状ガイド部材９との間には、薄い環状板状の伝熱フィン11が複数枚積層されて設けられている。この伝熱フィン11は、図２および図３に詳細に図示されるように、環状の板面の２個所に細長円弧状の排ガス通孔12を有している。この排ガス通孔12は、円形状に形成されてもよい。
【００２８】
伝熱フィン11は、その内周縁と外周縁とが同方向（図３において下方向）に折曲されて、そこに内周折曲縁部11a と外周折曲縁部11b とがそれぞれ形成されている。内周折曲縁部11a は、伝熱フィン11が複数枚積層される場合に、隣接する伝熱フィン11、11間を位置決めする。したがって、その高さａは、伝熱フィン11のフィンピッチを定める。
【００２９】
伝熱フィン11の外周折曲縁部11b の高さｂは、内周折曲縁部11a の高さａよりできるだけ小さくなるようにされる。このようにすることにより、内胴５と筒状ガイド部材９との間に伝熱フィン11が複数枚積層されて、外周折曲縁部11b が内胴５の内壁面に固着されたとき、内胴５の内壁面ができるだけ広く排ガスに対して露出するようにすることができ、熱伝達上有利になる。
【００３０】
内胴５と筒状ガイド部材９との間に伝熱フィン11が複数枚積層されるに際しては、その外周折曲縁部11b が内胴５の内壁面にロウ接され（図５のＣ部参照）、その内周折曲縁部11a が筒状ガイド部材９の外壁面にロウ接されるが、このロウ接合は、各折曲縁部11a 、11b の復元反力を利用した圧入に代えられてもよい。
【００３１】
前記の伝熱フィン11の内周折曲縁部11a と外周折曲縁部11b とは、伝熱フィン11の内周縁と外周縁とが同方向（図３において下方向）に折曲されて形成されたが、図６に図示されるように、他の同方向（図３において上方向）に折曲されて形成されてもよく、また、図７および図８に図示されるように、互いに反対方向に折曲されて形成されてもよい。図７の伝熱フィン11の内周折曲縁部11a は図３において下方に、その外周折曲縁部11b は図３において上方に、それぞれ折曲されて形成されている。図８の伝熱フィン11の内周折曲縁部11a と外周折曲縁部11b とは、それぞれその逆に折曲されて形成されている。
【００３２】
以上のようにして形成された伝熱フィン11の複数枚が、各２個の排ガス通孔12を同一位置に揃えて、１つの伝熱フィン群13として束ねられる。そして、このようにして形成された伝熱フィン群13の複数群13-1、13-2、13-3・・・が、図１に図示されるように、排ガス通孔12の位置を交互に異ならせて、順次積層される。１つの群に束ねられる伝熱フィン11の数は、排ガスの通路抵抗を考慮して適切に設定される。
【００３３】
伝熱フィン群13の複数群13-1、13-2、13-3・・・が前記のようにして順次積層されることにより、各伝熱フィン群13-nが備える２個所の排ガス通孔12の連なりを通って流れる排ガスの流路は、図４に図示されるように、折曲流路となり、蛇行状を呈するようになる。これにより、内胴５と筒体７との間に形成される通路８を流れる排ガスの通路長が大幅に増大するので、排熱の回収を十分に図ることができる。
【００３５】
最終伝熱フィン群13もしくは最終伝熱フィン11を抜けた排ガスは、内胴５の底壁５a に形成された凹部５b に集合し、そこから、該凹部５b および外胴６の底壁６a を貫通して接続された排気管14内を流れて、外部に排出される。外胴６の底壁６a には、冷却水供給管15が接続され、環状蓋体10には、冷却水排出管（図示されず）接続用の開口16が形成されている。Ｃ、Ｄは、冷却水の流入方向、流出方向をそれぞれ示す。
【００３６】
本実施形態１における触媒一体型排気熱交換器１は、その各構成要素を全て仮組立した後、全体をロウ浴に浸漬させることにより、一挙に組立完成するようにすることができる。なお、図１において、19は底壁６a に固着された熱交換器１の固定用の部材である。
【００３７】
本実施形態１は、前記のように構成されているので、次のような効果を奏することができる。
冷却水により貫流される水室２に包囲されて触媒収容室３が設けられ、該触媒収容室３内を触媒４と接触しつつ貫流する排ガスが、該触媒収容室３を出た後、冷却水と間接熱交換をして、外部に排出されるようにされて、コンパクト化された触媒一体型排気熱交換器１が、水室２を構成する一壁面要素をなす内胴５と筒体７との間に形成される排ガス通路８に、筒状ガイド部材９が筒体７と同心に配設され、内胴５と筒状ガイド部材９との間に、２個の排ガス通孔12を有する環状板状の伝熱フィン11が複数枚積層され、排ガスが、触媒４中を流れて、筒体７と筒状ガイド部材９との間の通路に流入し、次いで、筒状ガイド部材９と内胴５との間の通路に流入し、複数枚の伝熱フィン11および内胴５を介して冷却水と熱交換をするようにされている。
【００３８】
この結果、複数枚の環状板状の伝熱フィン11により、伝熱面積が飛躍的に増大し、排ガスの通路長も増大し、しかも、排ガスは、排ガス通孔12を通過する度に乱流状態となって流れるので、冷却水と十分な熱交換ができて、熱交換性能が大きく向上する。
【００３９】
また、排ガスが発する騒音は、排ガスが排ガス通路８（筒体７と筒状ガイド部材９との間の通路および筒状ガイド部材９と内胴５との間の通路）および複数枚の伝熱フィン群を流れる過程において効果的に減衰されるので、消音効果が向上する。
【００４０】
また、複数枚の伝熱フィン11は、その各々の排ガス通孔12を通って流れる排ガス流路が蛇行状を呈するようにして積層されているので、排ガスの通路長がさらに大幅に増大して、排熱の回収を十分に図ることができ、熱交換性能がさらに向上する。
【００４１】
加えて、排ガス通孔12を同じ位置に有する伝熱フィン11が複数枚束ねられて、伝熱フィン群13（13-1、13-2、13-3・・・）が形成されているので、排ガスの通路抵抗を過度に大きくすることなしに、排ガスの十分な通路長を確保することできて、熱交換性能を維持することができるとともに、熱交換器の構造の簡単化に資することができる。
【００４２】
また、この排ガス熱回収用の熱交換器１の骨格部分は、内胴５、外胴６、筒体７、筒状ガイド部材９とにより形成され、これに、内胴５と筒状ガイド部材９との間に環状板状の伝熱フィン11が複数枚積層されるだけの構造であるので、熱交換器の構造が簡単化されて、製作コストを大きく低減することができる。
【００４３】
さらに、触媒収容室３を形成する筒体７を熱交換器部分から分離することができるので、その組付けが容易になるとともに、触媒４の活性温度の維持が容易になり、排ガスの浄化作用が促進される。
【００４４】
次に、図９および図１０を参照して参考例について説明する。
本参考例における触媒一体型排気熱交換器１は、実施形態１における触媒一体型排気熱交換器１と比較して、内胴５と筒状ガイド部材９との間に積層配置される複数枚の伝熱フィン11を通って流れる排ガスの流れパターンが異なっている。
【００４５】
すなわち、実施形態１においては、伝熱フィン11の複数枚が、各２個の排ガス通孔12を同一位置に揃えて、１つの伝熱フィン群13として束ねられ、このようにして形成された伝熱フィン群13の複数群13-1、13-2、13-3・・・が、排ガス通孔12の位置を９０°交互に異ならせて、順次積層されている。これにより、排ガスは、伝熱フィン群13-nから伝熱フィン群13-n+1に移動する過程において、上段の排ガス通孔12を抜けて２手に分かれて、下段の２つの排ガス通孔12を目指して分流することになるが、本参考例においては、このような排ガスの流れパターンは生じない。
【００４６】
これに対して、本参考例においては、図９および図１０に図示されるように、各伝熱フィン群13-nは、その最上段に１個のみの排ガス通孔12を有する伝熱フィン11が配置され、それより下段には、１個の排ガス通孔12の位置を上段のそれと揃えて、２個の排ガス通孔12を有する複数枚の伝熱フィン11が配置されて構成されている。そして、その下段の伝熱フィン群13-n+1は、同一構造の伝熱フィン群13ではあるが、その最上段の伝熱フィン11の１個のみの排ガス通孔12の位置が、その上段の伝熱フィン群13-nの最上段の伝熱フィン11の１個のみの排ガス通孔12の位置と180 °位相が異なるようにして配置されて、構成されている。
【００４７】
本参考例は、前記のように構成されているので、排ガスは、伝熱フィン群13-nから伝熱フィン群13-n+1に流入する過程において、上段の排ガス通孔12を抜けて２手に分かれはするが、やがて、下段の反対位置にある１つの排ガス通孔12を目指して合流することになる。これにより、流動抵抗はやや大きくなるが、排ガスの通路長を長くすることができるので、熱交換性能の向上に資することができる。その他、実施形態１と同様の効果を奏することができる。
【００４８】
さらに、次に、本発明の他の実施形態（実施形態２）について説明する。
本実施形態２における触媒一体型排気熱交換器１は、実施形態１における触媒一体型排気熱交換器１と比較して、筒状ガイド部材９の構造が異なっている。
【００４９】
すなわち、実施形態１においては、筒状ガイド部材９は、有底もしくは無底の完全円筒体により形成されたが、本実施形態２においては、筒状ガイド部材９は、図１１に図示されるように、積層される複数枚の伝熱フィン11の各内周折曲縁部11a の重なり合いにより形成されている。そして、最下段の伝熱フィン11の内周折曲口部11a と内胴５の底壁５a との間には、カップ状底蓋17が架設されている。なお、これらの各部材の当接部は、ロウ付けにより接合されている。
【００５０】
本実施形態２は、前記のように構成されているので、部品点数が削減されて、熱交換器の構造の簡単化に資するとともに、製作コストをさらに低減することができる。また、複数の内周折曲口部11a の重なり合いにより、排ガスの流れの乱流が促進されるので、熱交換性能の向上に資することができる。その他、実施形態１と同様の効果を奏することができる。
【００５１】
本実施形態１、２において、内胴５と筒体７との間の通路８に筒状ガイド部材９が配設されたが、これに限定されず、この筒状ガイド部材９を廃止することができる。この場合には、排ガスの排出口は、内胴５の上部縮径部と環状蓋体10とを貫通するようにして形成される。その他、本発明の精神を逸脱しない範囲において種々の変形が可能である。
【図面の簡単な説明】
【図１】 本発明の一実施形態（実施形態１）における触媒一体型排気熱交換器の縦断面図である。
【図２】 同熱交換器に使用される環状板状伝熱フィンの平面図である。
【図３】 図２のＩＩＩ−ＩＩＩ線矢視縦断面図である。
【図４】 同伝熱フィン群を通って流れる排ガスの流れ状態を示す図である。
【図５】 同伝熱フィンが内筒に固着される部分の拡大断面図である。
【図６】 伝熱フィンの変形例を示す図であって、図３と同様の図である。
【図７】 伝熱フィンの他の変形例を示す図であって、図３と同様の図である。
【図８】 伝熱フィンのさらに他の変形例を示す図であって、図３と同様の図である。
【図９】 参考例における触媒一体型排気熱交換器の縦断面図であって、図１と同様の図である。
【図１０】 同熱交換器に使用される環状板状伝熱フィン群を通って流れる排ガスの流れ状態を示す図であって、図４に対応する図である。
【図１１】 本発明の他の実施形態（実施形態２）における触媒一体型排気熱交換器に使用される筒状ガイド部材を示す同熱交換器の部分断面図である。
【図１２】 従来例を示す図である。

Claims (3)

1. 冷却水により貫流される水室に包囲されて、触媒を収容する触媒収容室が設けられ、前記触媒収容室内を触媒と接触しつつ貫流する排ガスが、前記触媒収容室を出た後、前記冷却水と間接熱交換をして、外部に排出されるようにされてなる触媒一体型排気熱交換器において、
   前記水室は、内胴と外胴とにより囲まれて形成され、
   前記触媒収容室は、開放端を有する筒体により形成されて、前記内胴および前記外胴と同心に配置され、
   前記内胴と前記筒体との間に、該筒体の前記開放端から出る前記排ガスが流れる排ガス通路が形成され、
   前記排ガス通路に、各２個の排ガス通孔を有する環状板状の伝熱フィンが複数枚積層され、
   複数枚の前記伝熱フィンは、各２個の排ガス通孔を同一の位置に揃えた各伝熱フィン群に分けられ、これらの伝熱フィン群が、群毎に排ガス通孔の位置が異なるように積層され、
   前記排ガスが、前記触媒中を流れて、前記排ガス通路に流入し、前記伝熱フィンと前記内胴を介して前記冷却水と熱交換をするようにされた
   ことを特徴とする触媒一体型排気熱交換器。
2. 前記排ガス通路に、筒状ガイド部材が前記筒体と同心に配設され、前記筒状ガイド部材は、前記筒体の前記開放端と反対の側に開放端を有し、前記伝熱フィンが、前記内胴と前記筒状ガイド部材との間に設けられたことを特徴とする請求項１記載の触媒一体型排気熱交換器。
3. 前記筒状ガイド部材は、積層される複数枚の前記伝熱フィンの各内周折曲縁部の重なり合いによって形成されたことを特徴とする請求項１または請求項２記載の触媒一体型排気熱交換器。」

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