JP2011236863A - 排気ガス熱回収装置 - Google Patents

Abstract

【課題】内燃機関の排気ガスと内燃機関の冷却水との間において熱交換を行い排気ガス熱を冷却水へ熱を回収して、内燃機関の暖機促進を行い、燃費向上と冷却水を利用した車室内の暖房効果の向上を行う。
【解決手段】冷却水通路を管より形成し排気ガス通路内に排気ガス通路のガス流れ方向に設置した熱交換器として製造容易にすると共に、熱交換器を排気ガス通路内に支持固定する固定部材を利用して排気ガスと冷却水管の熱交換を促進させることで、簡易な構造で効率的な熱交換を行う排気熱交換器を有する排気ガス熱回収装置。
【選択図】図１

Description

本発明は、内燃機関の排気系において内燃機関から排気ガスとして廃棄される熱を回収し、省エネルギに寄与する分野に属するものである。

従来、例えば自動車の駆動用の内燃機関から排出される排気ガスから熱を内燃機関の冷却水に回収し、内燃機関の暖機を促進し、燃費を向上するための回収装置が知られている。

特開平２００８−８８９３５公報

しかしながら、更に自動車の燃費を良くする為に排気ガス熱と冷却水との熱交換を行わせる排気ガス熱回収装置を軽量化することが望まれている。また、排気ガス通路中に置かれるため、通気抵抗も低減し内燃機関の負荷を低減することも望まれている。そこで排気ガス熱回収装置の構造を簡易なものとして軽量化するためパイプ形状の熱交換器を使用する事が考えられている。そこで、熱交換器は排気ガス通路の長手方向に屈曲されたパイプが配置されるため、パイプが自動車の振動により熱交換部の壁面に衝突したり、パイプの熱交換通路への固定部や屈曲部への応力の発生する恐れがあるため、強度を上げるため重量が増加することとなってしまう。

本発明は、このような従来技術の技術的課題に鑑みてなされたもので、パイプの振動を防止し、パイプの熱交換通路への固定部や屈曲部への応力の発生を防止することで、簡易で軽量な熱交換器とするとともに熱交換効率を高めた排気ガス熱回収装置を提供することを目的とする。

内燃機関の排気ガスと内燃機関の冷却水との間において熱交換を行う排気熱回収装置において、冷却水通路を管より形成し排気ガス通路内に排気ガス通路の軸方向に蛇行させる熱交換器とすると共に、排気ガスと冷却水管の熱交換を促進させる促進部を有する固定板により排気ガス通路に固定させたことを特徴とする排気熱交換器を有する排気ガス熱回収装置。

本発明によれば、暖気が促進され燃費が向上し、更に熱交換器を簡素軽量化を実現しつつ、耐久性の向上と熱交換性能が向上するという効果を有する。

本発明の実施形態を適用した排気ガス熱回収システムを示す図 本実施形態の排気ガス熱回収装置の内部構造を示す図 本実施形態の排気ガス熱回収装置の熱交換器を示す断面図 本実施形態の排気ガス熱回収装置の固定板形状を示す斜視図 本実施形態の排気ガス熱回収装置の固定板の切起し形状を示す図 従来の排気ガス熱回収装置の内部構造を表す図 従来の排気ガス熱回収装置の熱交換器を示す断面図

従来に係わる排気ガス熱回収システムと排気ガス熱回収装置５について図１、図６および図７に基づいて説明する。

図１に示すように、内燃機関１で燃焼して排出された高温の排気ガスは排気マニホールド２から排気パイプ３通り、まず排気ガス中の有害成分を浄化する触媒が担持されたフィルタを内蔵する触媒コンバータ４を通過する。浄化され未だ高温の排気ガスは、排気ガス熱回収装置５に流入して、その排気ガスの熱が冷却水に回収される。その後、下流に設けられたマフラー６により騒音が低減されてテールパイプ７から大気に放出される。

排気ガス熱回収システム１０は、内燃機関１を冷却するための冷却水と大気とで熱交換するラジエータ１１、冷却水の熱で自動車の乗員室内の空気と熱交換してこれを暖房するヒータコア１２およびこれらに冷却水を図示しないポンプにより循環させる冷却水回路１３，１４を有している。内燃機関１を冷却して高温となった冷却水はラジエータ１１を流通する間にそこを通過する空気と熱交換し冷却されて再び内燃機関１へ戻る。内燃機関１が始動直後のような比較的低温のうちは、冷却水はサーモスタット弁１５によりバイパス回路１３ａが選択され、ラジエータ１１で冷却されることなく内燃機関１に戻る。また、内燃機関１から出た冷却水が暖房用のヒータコア１２を通過して、乗員室を暖房した後に排気ガス熱回収装置５を通過して、排気ガスから回収される熱で加熱され内燃機関１に戻るようになっている。これにより、内燃機関１の暖機運転が促進されて短時間で終了して、燃費を向上させている。

従来の排気ガス熱回収装置５は、図６、図７に示すように、排気ガス通路が排気ガスから冷却水に熱を回収する熱交換器１６を有する熱交換通路１７と、熱交換が不要な場合に、排気ガスが熱交換器１６を迂回するためのバイパス通路１８に分かれており、互いに断熱空間１９を隔てて並行して設けられている。それぞれの通路の上流側分岐部２０には通路を切り換えるための切替バルブ２１が設けられている。ブラケット２２により、排気ガス熱回収装置５の外側に取り付けられたアクチュエータ２３により作動される。

熱交換通路１７内に壁面から離れて設置された熱交換器１６は、熱交換パイプ２４が熱交換通路１６の壁面を貫通して導入されてから、熱交換通路１７の軸方向に４回蛇行させて再び壁面を貫通して外部に導出されている。熱交換器１６は壁面の熱交換パイプ２４の両貫通部とブラケット２２に溶接されて固定されている。

次に、本実施形態について説明する。

排気ガス熱回収装置５は、図２、図３に示すように、排気ガス通路は排気ガスから冷却水に熱を回収する熱交換器１６を有する熱交換通路１７と熱交換が不要な場合、排気ガスが熱交換器１６を迂回するためのバイパス通路１８は断熱空間１９を隔てて並行している。それぞれの通路の分岐部２０には通路を切り換えるための切替バルブ２１が設けられ、ブラケット２２により、排気ガス熱回収装置の外側に取り付けられたアクチュエータ２３により作動される点は従来と同一である。

熱交換通路１７内に壁面から離れて設置された熱交換器１６は、熱交換パイプが排気熱回収装置５の壁面を貫通して導入され、熱交換通路１７の軸方向に４回蛇行させて再び壁面を貫通して外部に導出されている。熱交換器は１６は壁の貫通部とブラケット２２に溶接されて固定されている。図示しない、冷却水温度を検知するセンサーや内燃機関の運転状態を検知するセンサー等からの信号により、制御装置（図示せず）によりアクチュエータ２３が作動され、ロッド２５を通じて前記の熱交換通路１７とバイパス通路１８を切り替えるようになっている。アクチュエータ２３は熱交換パイプの入り口側パイプが固定され、排気ガス熱回収装置５の比較的低温の熱交換通路１７側の外周壁から空間を有して離されるように設けられたブラケット２２にて排気ガス熱交換通路１７の外面に固定されている。これにより、ブラケット２２が冷却水により冷却されると共に、ブラケット２２が遮熱板として排気ガスの熱の影響をアクチュエータ２３に及ぶのを避けられるようになっている。

図３に示すように、固定部材３０によって、熱交換パイプは熱交換通路内１７に支持固定されている。図４に示すように固定部材３０は中央部にスリットを有する固定板３１が互いに係合して構成されている。さらに、固定板３１は熱交換通路１７内に設置された熱交換器１６を、熱交換パイプの断面の約半周に接するようにして凹状の支持部３２で支持している。固定板３１は図３に示すように蛇行する４本のパイプのそれぞれ２本を支持するように交差して設置されている。また、固定板３１の両端には折り曲げられて、熱交換通路１７の内壁と接触する接触部３５が設けられている。この接触部３５までの長さは、熱交換通路１７の内壁直径より少し長くなるようにされていると共に、湾曲しており弾性変形可能となっている。図２に示すように固定部材３０は、熱交換パイプの熱交換通１７路の上流側と下流側の二箇所に設置されている。

図４に示すように、固定板３１には、６箇所に固定板基板より切り起こされた切起し片
３４が形成されている。
次に実施例の作用について説明する。

熱交換通路１７内に設置された熱交換器１６は、熱交換パイプ２４の断面の約半周に接するように凹状の支持部３２が形成されると共に、熱交換通路１７の内径にほぼ等しい長さの固定板によって支持されているため、自動車の振動により、熱交換通路内壁に当たったり、固定されている熱交換壁を貫通している部分に応力の発生を防止できる。固定板３１は図３に示すように蛇行する４本のパイプのそれぞれ２本を支持するように交差して設置されており、あらゆる方向に対して支持する事が出来る。固定板３１には中央部にそれぞれ、固定板の板厚に相当するスリット３３が形成されており、互いに係合して一体的になるようになっている。また、両端には、熱交換通路１７の内壁と接触する接触部３５が設けられている。この接触部３５までの長さは、熱交換通路１７の内壁直径より少し長くなるようにされていると共に、湾曲しており弾性変形可能となっているので、熱交換通路１７内に挿入されたときは、弾性変形力により、熱交換通路１７の内壁に確実に係止されると共に支持部３２にも力を及ぼして熱交換パイプ２４を確実に支持する。更に、熱交換通路内壁にスポット溶接で固定しても良い。

図４に示すように、固定板３１には、６箇所に固定板３１の基板より切り起こされた切起し片３４が形成されている。この切起し片３４により、熱交換通路１７を通過する排気ガスの流れが乱される。特に支持部３２に設けた切起こし片３４はその下流にある熱交換パイプ２４表面の排気ガス流れが乱されることで、熱交換パイプ２４表面を通じての冷却水との熱交換作用が促進される。この切起し片の形状は図５（ａ）から（ｃ）のようなものが考えられている。図５（ａ）は基板から直線状に切起こされたものである。図５（ｂ）は門型に切起こされているので剛性が高くなり、排気ガス流により切起こし片が振動する恐れが減少する。図５（ｃ）は門型でしかも排気ガス流れ方向に対して傾斜しているので、より排気ガス流れを乱す作用が強くなる。その他、図５（ｄ）のようにエンボス加工によるものでも良い。固定板の剛性を落とさずに排気ガス流れを乱すことが出来る。

本実施例では、固定板３１二つを交差するように配置したが、さらに多くの固定板３１を組み合わせて固定部材３０として、より支持を確実に、熱交換効率を高めることが出来る。また、熱交換パイプ２４の屈曲数が増えた場合は、支持部を増加させる。
屈曲した熱交換パイプが長くなった場合は、より支持を確実にするため固定部材３０を増加させる。

１ 内燃機関
５ 排気ガス熱回収装置
１６ 熱交換器
２４ 熱交換パイプ
３０ 固定部材
３１ 固定板
３２ 支持部
３４ 促進部（切起こし片）
３５ 接触部

Claims (4)

1. 内燃機関の排気ガスと内燃機関の冷却水との間において熱交換を行う排気ガス熱回収装置において、排気ガス熱交換器を冷却水管より形成し排気ガス通路内に排気ガス通路の排気ガス流れ方向に沿って設置すると共に、排気ガス流れを乱すことで排気ガスと前記冷却水管の熱交換を促進させる促進部を有する固定部材により前記排気ガス通路内に固定した排気ガス熱回収装置。
2. 熱交換を促進させる前記促進部は前記固定部材の前記冷却水管を支持する支持部に設けられている請求項１の排気ガス熱回収装置
3. 熱交換を促進させる前記促進部は前記固定部材から切起こして形成されている請求項２の排気ガス熱回収装置。
4. 熱交換を促進させる前記促進部は前記固定部材をエンボス加工することにより形成されている請求項２の排気ガス熱回収装置。
   
   

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