JP4995706B2

JP4995706B2 - 排気熱回収装置

Info

Publication number: JP4995706B2
Application number: JP2007323157A
Authority: JP
Inventors: 友行鈴木
Original assignee: Futaba Industrial Co Ltd
Current assignee: Futaba Industrial Co Ltd
Priority date: 2007-12-14
Filing date: 2007-12-14
Publication date: 2012-08-08
Anticipated expiration: 2027-12-14
Also published as: JP2009144606A

Description

本発明は、内燃機関からの排気流路に介装され、排気と熱交換媒体との間で熱交換を行い排気熱を回収する排気熱回収装置に関する。

従来より、特許文献１にあるように、排気流路に介装され、内燃機関からの排気と内燃機関の冷却水等の熱交換媒体との間で熱交換を行う装置が知られている。
この装置では、マフラ部のアウタパイプと、アウタパイプの外周を覆う排気熱回収部の筒状のシェルとを同軸上に配置し、排気熱回収部は、シェルの内周とアウタパイプの外周との間に設けた一対の仕切板により形成された熱交換室を備えると共に、一対の仕切板を貫通して熱交換室内を通る小径パイプを設け、小径パイプに排気を流通させると共に、熱交換室内に熱交換媒体を流通させている。マフラ部は、排気が通過するインナパイプと、インナパイプの外側を覆うアウタパイプとを備え、インナパイプには、アウタパイプ内に連通する多数の小孔が穿設されている。また、マフラ部と排気熱回収部とに流れる排気を切り換える切換バルブを設けている。
２００６−１０５１２４号公報

こうした従来の装置では、切換バルブよりも上流側に連通孔を形成して、切換バルブによりマフラ部への排気の流入を遮断し、連通孔から排気熱回収部に排気を導いている。そして、排気熱回収部を通った排気は、切換バルブの下流側で、排気流路に流入するように構成されている。

しかし、切換バルブを排気がマフラ部を通過するように切り換えた際でも、上流側の排気熱回収部に排気を導入する連通孔と、下流側の排気熱回収部を通過した排気が排気流路に流入する箇所とでは圧力差が生じ、排気熱回収部にも排気が流入してしまう。そのため、排気熱回収部に流入した排気と熱交換媒体との間で熱交換が行われてしまうという問題があった。

例えば、熱交換媒体として冷却水を用い、内燃機関が高負荷状態で運転されているような、冷却水と排気との間で熱交換を行いたくない場合でも、排気と冷却水との間で熱交換が行われてしまい、冷却水の温度が過度に上昇してしまうという問題があった。

本発明の課題は、簡単な構造で、排気の流れを確実に切り換えることができる排気熱回収装置を提供することにある。

かかる課題を達成すべく、本発明は課題を解決するため次の手段を取った。即ち、
内燃機関からの排気流路に介装され、上流側からの排気を下流側に導く排気管と、前記排気と熱交換媒体との間で熱交換を行う排気熱回収部と、前記排気管を遮断して前記排気熱回収部を通る流れに切り換える切換バルブとを備えた排気熱回収装置において、
前記排気管の外周に径方向に開口する流出孔と流入孔とを設けると共に、前記流出孔と前記流入孔とは前記排気管の軸方向に対して近傍に設け、
かつ、前記排気熱回収部は前記排気管と同軸上に配置され前記排気管の外側を覆うアウタケースを備え、前記流出孔から前記アウタケース内に流入した前記排気が前記アウタケースの内周側を前記排気管の軸方向に流れ、前記排気管と前記アウタケースとの間で熱交換を行い、流入とは逆方向に前記排気管の軸方向に戻して前記流入孔に導き、
また、前記切換バルブは前記排気管を通る流れを遮断して前記流出孔に前記排気を導くことを特徴とする排気熱回収装置がそれである。

その際、前記アウタケースと前記排気管との間に、前記流出孔と前記流入孔との連通を遮断する仕切板を、前記排気管の軸方向に設けた構成としてもよい。あるいは、前記アウタケースと前記排気管との間に、前記流出孔からの前記排気を前記排気熱回収部に導き、前記排気熱回収部からの前記排気を前記流入孔に導くガイド部材を設けた構成としてもよい。

また、前記切換バルブは揺動可能に支持された板状の弁体を備えたバタフライバルブで、前記排気管に径方向から流入管を前記弁体に向かって挿入して、前記流入管の先端開口により前記流入孔を形成し、前記弁体の揺動により前記流入孔を閉塞可能に配置した構成としてもよい。

本発明の排気熱回収装置は、流出孔と流入孔とが近傍に設けられ、流出孔と流入孔とでは圧力差が生じないので、流出孔と流入孔とが排気管に開口して形成されていても、流出孔から排気熱回収部を介して流入孔に流れる排気はほとんどなく、簡単な構造で、排気の流れを確実に切り換えることがで、排気と熱交換媒体との間で熱交換を行なうと、熱交換媒体の温度が過度に上昇するような場合、不必要な排気と熱交換媒体との熱交換を抑制できるという効果を奏する。

また、仕切板やガイド部材を設けると、流出孔から流入孔に直接排気が通るのを遮断できる。更に、流入管を設けて、流入孔を弁体で閉塞するようにすると、更に確実に排気熱回収部に排気が流入するのを抑制できる。

以下本発明を実施するための最良の形態を図面に基づいて詳細に説明する。
図１に示すように、１は本実施形態の排気熱回収装置で、図示しない内燃機関からの排気流路に介装されている。２は排気管で、排気管２の外側を覆って排気熱回収部４が配置されている。

排気熱回収部４は、排気管２の外側を覆うアウタケース６を備え、アウタケース６は円筒状で、排気管２と同軸上に配置されている。アウタケース６の両端は、排気管２の外径よりも僅かに大きい外径に縮径されて連結部８，１０が形成されている。両連結部８，１０は同軸上に形成されており、一方の連結部８には、図示しない内燃機関からの上流側の排気流路が接続され、他方の連結部１０は下流側の排気流路に接続されている。

他方の連結部１０の内周には、排気管２の一端外周が挿入されて固定されている。排気管２の他端側は、一方の連結部８の近傍にまで延出されている。排気管２の外周には、径方向に開口する流出孔１２と流入孔１４とが設けられている。流出孔１２と流入孔１４とは、排気管２の軸方向に対して、本実施形態では、同軸上の同じ位置で、１８０度反対側に対向して設けられている。

流出孔１２と流入孔１４とは、同じ位置に限らず、排気管２の軸方向に対して近傍に設けられていればよく、また、１８０度反対側に限らず、９０度の位置に設けてもよい。本実施形態では、流出孔１２と流入孔１４とは、他方の連結部１０の近くに設けられている。

流出孔１２と流入孔１４との上流側の排気管２の外周には、所定間隔をあけて一対のリング状のメッシュ１６，１８が装着されている。メッシュ１６，１８の外側には更にインナ管２０が装着されている。アウタケース６とインナ管２０との間の、上流側の一方の連結部８側には、リング状の蓋板２２が装着されて、閉塞されている。

また、アウタケース６とインナ管２０との間には、熱交換部２４が設けられている。熱交換部２４は、例えば、図３に示すように、アウタケース６を外側から内側に貫通すると共に排気管２の軸方向に沿って屈曲した媒体流入管２６と、アウタケース６を外側から内側に貫通すると共に排気管２の軸方向に沿って屈曲した媒体流出管２８とを備えている。

媒体流入管２６と媒体流出管２８とは、アウタケース６の内周形状に応じてリング状に形成された多数の枝管２９により連通されると共に、媒体流入管２６と媒体流出管２８とには、リング状の多数のフィン３０が取り付けられている。

熱交換部２４に流入した排気は、図３に矢印で示すように、媒体流出管２８側からアウタケース６の内周側に沿って排気の上流側に、排気管２の軸方向に流れ、多数のフィン３０の間を通って、１８０度反対側の媒体流入管２６側に流れる。その際、蓋板２２により、排気管２の軸方向に沿ったそれ以上の上流側への流れは規制される。

そして、排気は、アウタケース６の内周側に沿って排気の下流側に、排気管２の軸方向に、流入側とは逆方向に流れるように形成されている。排気の流れを、排気熱回収部４内でＵターンさせて、排気管２の軸方向に沿って上流側に向かう流れを、排気管２の軸方向に沿って下流側に向かう流れに戻すように構成されている。

図１に示すように、排気管２には、切換バルブ３１が設けられており、切換バルブ３１は板状の弁体３２を備えたバタフライバルブで、弁体３２は揺動可能に支持された揺動軸３４に取り付けられている。弁体３２は、排気管２内に設けられると共に、本実施形態では、揺動軸３４は排気管２の軸方向中心を通るように配置され、また、流出孔１２及び流入孔１４の中心を結ぶ位置に配置されている。

図１に実線で示すように、弁体３２は、揺動軸３４を揺動させて、弁体３２を排気管２の内周に接触させて排気管２を遮断した位置と、弁体３２を排気管２の軸方向とほぼ平行にして排気管２を連通した位置との間で揺動できるように構成されている。

排気の圧力が高いときには、弁体３２を軸方向と平行にして排気管２を連通し、排気の圧力が低いときには排気管２を遮断する位置に揺動するように、揺動軸３４を図示しないアクチュエータにより揺動させる構成でも、あるいは、弁体３２により排気管２を遮断する位置にスプリング等の付勢部材により揺動付勢するように構成してもよい。

また、弁体３２は流出孔１２及び流入孔１４に対向して配置されており、排気管２を遮断した位置に弁体３２を揺動した際には、弁体３２を境にして、上流側の排気管２と流出孔１２とが連通され、下流側の排気管２と流入孔１４とが連通されるように構成されている。

更に、図２に示すように、排気管２の外周とアウタケース６の内周との間には、排気が流出孔１２から熱交換部２４を通らずに流入孔１４に流入するのを遮断する一対の仕切板３８，４０が設けられている。

次に、前述した本実施形態の排気熱回収装置の作動について説明する。
まず、内燃機関からの排気が上流側の排気流路から一方の連結部８に流入すると、排気管２内を下流側に流れる。排気の圧力が低いときには、揺動軸３４を介して、弁体３２が排気管２の内周に接触して排気管２を遮断する位置に弁体３２が揺動される。

これにより、上流からの排気は、流出孔１２からアウタケース６内に流入し、熱交換部２４に流れ込む。熱交換部２４に流入した排気は、排気管２の軸方向に、アウタケース６の内周側に沿って上流側に流れる。そして、多数のフィン３０の間を通って、１８０度反対側に流れ、排気管２の軸方向に沿って、また、アウタケース６の内周側に沿って下流側に流れる。

排気の流れは、排気熱回収部４内でＵターンして、排気管２の軸方向に沿って上流側に向かって流れた後、排気管２の軸方向に沿って下流側に向かって流れ、流入孔１４から排気管２内に戻る。そして、排気管２から下流側の排気流路に流出する。

排気は、熱交換部２４を流れる間に、媒体流入管２６から多数の枝管２９を介して媒体流出管２８に流れる熱交換媒体との間で熱交換が行われる。これにより、排気の温度は下がり、熱交換媒体の温度は上がる。

一方、内燃機関からの排気の圧力が高いときには、揺動軸３４を介して、弁体３２が排気管２の軸方向と平行に揺動され、上流からの排気は、一方の連結部８に流入すると、排気管２内を下流側に流れ、切換バルブ３１を通って、他方の連結部１０から下流側の排気流路に流出する。

排気は排気管２を下流側に流れる際に、流出孔１２と流入孔１４とが設けられている箇所を通過する。流出孔１２と流入孔１４とは近傍に設けられているので、流出孔１２と流入孔１４とでは圧力差が生じない。従って、流出孔１２と流入孔１４とが排気管２に開口して形成されていても、流出孔１２から熱交換部２４を介して流入孔１４に流れる排気はほとんどない。

従って、排気の圧力が高く、排気と熱交換媒体との間で熱交換を行なうと、熱交換媒体の温度が過度に上昇するような場合、弁体３２を軸方向と平行にして、排気管２を連通しても、熱交換部２４へ排気が流入しないので、不必要な排気と熱交換媒体との熱交換を抑制できる。

前述した実施形態では、揺動軸３４を排気管２の軸方向中心に配置したが、これに限らず、図４に示す第２実施形態のように、揺動軸３４を排気管２の軸方向中心から偏芯した位置に配置しても同様に実施可能である。尚、前述した実施形態と同じ部材については同一番号を付して詳細な説明を省略する。以下同様。

また、図５に示す第３実施形態のように、排気管２に形成した流入孔１４に代えて、排気管２に、排気管２の軸方向と直交する流入管５０を挿入して、流入管５０の先端開口により流入孔５２を形成し、アウタケース６と排気管２内とを流入管５０を介して連通してもよい。その際、排気管２内の流入管５０の先端の流入孔５２を、排気管２の軸方向と平行に弁体３２を揺動した際に弁体３２により閉塞するように配置する。

これにより、排気の圧力が高い際に、弁体３２を軸方向と平行にして排気管２を連通した際、流入孔５２を弁体３２により閉塞して、より確実に熱交換部２４を排気が流れないようにすることができる。

更に、図６に示す第４実施形態のように、揺動軸３４を排気管２の軸方向中心から離れた位置に配置した際には、流入管５０の長さを短くして、第５実施形態と同様に構成してもよい。

あるいは、図７に示す第５実施形態のように、前述した実施形態の仕切板３８，４０に代えて、流出孔１２から熱交換部２４に排気を導く筒状のガイド部材５４を設けると共に、熱交換部２４からの排気を流入孔１４に導く筒状のガイド部材５６を設けてもよい。

また、図８に示す第６実施形態のように、前述した実施形態とは上流側と下流側とを対称に配置した構成としてもよい。図８に示すように、排気管２の上流側に、切換バルブ３１、流出孔１２、流入孔１４を配置し、これよりも下流側に熱交換部２４を配置した構成としても同様に実施可能である。

以上本発明はこの様な実施形態に何等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種々なる態様で実施し得る。

本発明の一実施形態としての排気熱回収装置を断面で示す概略構成図である。図１のＡＡ断面図である。本実施形態の熱交換部を断面で示す拡大概略構成図である。第２実施形態としての排気熱回収装置を断面で示す概略構成図である。第３実施形態としての排気熱回収装置を断面で示す概略構成図である。第４実施形態としての排気熱回収装置を断面で示す概略構成図である。第５実施形態としての排気熱回収装置を断面で示す概略構成図である。第６実施形態としての排気熱回収装置を断面で示す概略構成図である。

符号の説明

１…排気熱回収装置２…排気管
４…排気熱回収部６…アウタケース
８，１０…連結部１２…流出孔
１４，５２…流入孔２２…蓋板
２４…熱交換部２６…媒体流入管
２８…媒体流出管２９…枝管
３０…フィン３１…切換バルブ
３２…弁体３４…揺動軸
３８，４０…仕切板５０…流入管
５４，５６…ガイド部材

Claims

内燃機関からの排気流路に介装され、上流側からの排気を下流側に導く排気管と、前記排気と熱交換媒体との間で熱交換を行う排気熱回収部と、前記排気管を遮断して前記排気熱回収部を通る流れに切り換える切換バルブとを備えた排気熱回収装置において、
前記排気管の外周に径方向に開口する流出孔と流入孔とを設けると共に、前記流出孔と前記流入孔とは前記排気管の軸方向に対して近傍に設け、
かつ、前記排気熱回収部は前記排気管と同軸上に配置され前記排気管の外側を覆うアウタケースを備え、前記流出孔から前記アウタケース内に流入した前記排気が前記アウタケースの内周側を前記排気管の軸方向に流れ、前記排気管と前記アウタケースとの間で熱交換を行い、流入とは逆方向に前記排気管の軸方向に戻して前記流入孔に導き、
また、前記切換バルブは前記排気管を通る流れを遮断して前記流出孔に前記排気を導くことを特徴とする排気熱回収装置。
前記アウタケースと前記排気管との間に、前記流出孔と前記流入孔との連通を遮断する仕切板を、前記排気管の軸方向に設けたことを特徴とする請求項１に記載の排気熱回収装置。
前記アウタケースと前記排気管との間に、前記流出孔からの前記排気を前記排気熱回収部に導き、前記排気熱回収部からの前記排気を前記流入孔に導くガイド部材を設けたことを特徴とする請求項１に記載の排気熱回収装置。
前記切換バルブは揺動可能に支持された板状の弁体を備えたバタフライバルブで、前記排気管に径方向から流入管を前記弁体に向かって挿入して、前記流入管の先端開口により前記流入孔を形成し、前記弁体の揺動により前記流入孔を閉塞可能に配置したことを特徴とする請求項１ないし請求項３のいずれかに記載の排気熱回収装置。