JP2017002811A - 排熱回収器 - Google Patents

Abstract

【課題】排気が高温になる作動状態でも、流路抵抗が抑えられる排熱回収器を提供すること。
【解決手段】エンジンの排気の熱を媒体によって回収する排熱回収器１は、排気が流れる多数の孔１１を有する多孔体１０と、多孔体１０の周囲に形成されて媒体が流れる環状流路４０と、環状流路４０における排気入口２１側の端部に媒体を流入させる媒体入口４１と、環状流路４０における排気出口２３側の端部から媒体を流出させる媒体出口４５と、を備える。
【選択図】図３

Description

本発明は、自動車等に搭載され、エンジンの排気の熱を媒体によって回収する排熱回収器に関する。

特許文献１には、第一の流体が流れる熱交換部材と、熱交換部材の周囲に第二の流体が流れる流路を形成するケーシングと、を備える熱交換器が開示されている。

熱交換部材は、第一の流体が流れる多数の孔を有するハニカム構造である。

ケーシングは、熱交換部材の周囲に環状の流路を形成する筒状である。ケーシングの両端部には、第二の流体を出入りさせる入口及び出口がそれぞれ開口している。

第二の流体がケーシング内に流入する入口は、熱交換部材において第一の流体が流れる下流側の外周に対向するように形成されている。第二の流体がケーシング内から流出する出口は、熱交換部材において第一の流体が流れる上流側の外周に対向するように形成されている。第一の流体と第二の流体とは、熱交換部材の内外を向かい合わせに流れて熱交換をする。

特開２０１２−３７１６５号公報

特許文献１に記載の熱交換器が自動車等に搭載される排熱回収器として用いられる場合には、第一の流体としてエンジンから排出される排気が熱交換部材の内部を流れ、第二の流体としてエンジンを循環する冷却液（媒体）が熱交換部材の周りを流れる。

しかしながら、自動車等に搭載される排熱回収器では、エンジンから排出される排気が高温になり、熱交換部材が排気の熱を吸収して高温になる作動状態がある。このような作動状態において、ケーシング内の流路を流れる冷却液が熱交換部材の熱を受けて沸騰すると、冷却液に生じる気泡によって冷却液の流れに与える熱交換器の流路抵抗が増大するという問題がある。

本発明は、上記の問題点に鑑みてなされたものであり、排気が高温になる作動状態でも、流路抵抗が抑えられる排熱回収器を提供することを目的とする。

本発明のある態様によれば、エンジンの排気の熱を媒体によって回収する排熱回収器であって、排気が流れる多数の孔を有する多孔体と、孔に排気を流入させる排気入口と、孔から排気を流出させる排気出口と、多孔体の周囲に形成されて媒体が流れる環状流路と、環状流路に媒体を流入させる媒体入口と、媒体入口と比較して排気出口に近い位置に設けられて環状流路に媒体を流出させる媒体出口と、を備えることを特徴とする排熱回収器が提供される。

上記態様によれば、多孔体の内外において排気の流れ方向と媒体の流れ方向とが同じ向きになるため、多孔体の温度が排気及び媒体の流れ方向について次第に低下する。これにより、媒体が多孔体から受ける熱量が抑えられる。したがって、排気が高温になる作動状態でも、媒体が沸騰して気泡が生じることが防止されるので、媒体の流れに与える流路抵抗が抑えられる。

本発明の実施形態に係る排熱回収器を示す斜視図である。 排熱回収器の側面図である。 排熱回収器の正面図である。 変形例に係る排熱回収器を示す斜視図である。 排熱回収器の側面図である。 排熱回収器の正面図である。 変形例に係る排熱回収器を示す斜視図である。 排熱回収器の側面図である。 排熱回収器の正面図である。

以下、添付図面を参照しながら本発明の実施形態について説明する。

図１〜図３に示す排熱回収器１は、車両に搭載されるエンジン（図示省略）から排出される排気（気体）が通過するとともに、媒体（液体）としてエンジンの冷却液が回路（図示省略）を通じて循環し、排気の熱を媒体によって回収する。

媒体の回路には、車両の空調装置を構成するヒータコア（図示省略）が設けられる。回路を循環する媒体は、排熱回収器１において排気の熱を回収して加熱された後に、ヒータコアに送られ、ヒータコアにおいて車室内に送られる空気に放熱する。これにより、エンジンの起動後に車室内の暖房が速やかに行われる。なお、これに限らず、媒体がオイルクーラ、又は他の機器を循環し、これらを暖める構成としてもよい。

排熱回収器１は、排気が流れるハニカム構造の多孔体１０と、多孔体１０を収容して排気を導く排気筒３０と、排気筒３０の周囲に形成されて媒体が流れる環状の環状流路４０を形成する筒状のシェル５０と、を備える。

多孔体１０は、中心線Ｏ１を中心とする円柱状の外形を有する。多孔体１０は、炭化珪素（ＳｉＣ）等のセラミックスによって形成され、中心線Ｏ１方向に貫通する多数の孔１１を有する。多孔体１０は、孔１１を流れる排気の熱を吸収し、環状流路４０を流れる媒体に放熱する。つまり、多孔体１０は、排気の熱を媒体に伝える伝熱促進体として設けられる。

多孔体１０は、排気筒３０の中程に収容される。排気筒３０の内側には、多孔体１０を挟むように、排気入口２１と排気出口２３とが形成される。排気入口２１及び排気出口２３は、中心線Ｏ１を中心とする円柱状の空間であり、多孔体１０の同軸上に延びるように形成される。

排気筒３０は、排気入口２１を形成する上流側排気筒部３１と、多孔体１０を収容する収容筒部３２と、排気出口２３を形成する下流側排気筒部３３と、を有する。

上流側排気筒部３１には、エンジンに連通する排気管（図示省略）が接続される。エンジンから排出される排気は、排気管を通じて多孔体１０へと導かれる。

下流側排気筒部３３には、外部に連通する排気管（図示省略）が接続される。多孔体１０を通過した排気は、排気管を通じて外部へと導かれる。

排気筒３０は、それぞれ金属管によって形成される。なお、排気筒３０の収容筒部３２は、多孔体１０を形成するセラミックスの外周部に金属を含浸させたものであってもよい。

シェル５０は、排気筒３０の中程を囲むように、つば付き円筒状に形成される。排気筒３０の外周とシェル５０の内周との間には、環状流路４０が形成される。

環状流路４０は、中心線Ｏ１を中心とする円形の内外形を持つ筒状の空間であるが、これに限らず、多角形の内外形を持つ筒状の空間であってもよい。

環状流路４０は、排気入口２１の周囲に位置する上流側領域４２と、多孔体１０の周囲に位置する熱回収領域４３と、排気出口２３の周囲に位置する下流側領域４４と、を有する。換言すると、中心線Ｏ１を中心とする径方向について、排気入口２１の外側に上流側領域４２が位置し、多孔体１０の外側に熱回収領域４３が位置し、排気出口２３の外側に下流側領域４４が位置する。

シェル５０には、筒状の媒体入口管５１及び媒体出口管５５が結合される。

媒体入口管５１は、環状流路４０に開口する媒体入口４１を形成する。媒体入口管５１には、媒体の回路を構成する配管（図示省略）が接続される。媒体入口４１には、エンジンによって駆動されるポンプ（図示省略）によって送られる媒体が配管を通じて導かれる。

媒体出口管５５は、環状流路４０に開口する媒体出口４５を形成する。媒体出口管５５には、媒体の回路を構成する配管（図示省略）が接続される。環状流路４０を通過した媒体は、媒体出口４５から流出し、配管を通じて空調装置のヒータコアに導かれる。

媒体入口４１は、環状流路４０における排気入口２１側の端部に開口する。媒体出口４５は、環状流路４０における排気出口２３側の端部に開口する。つまり、媒体出口４５は、媒体入口４１と比較して排気出口２３の近い位置に設けられる。

これにより、環状流路４０における媒体は、排気入口２１側の端部から排気出口２３側の端部へと流れる。つまり、環状流路４０において媒体入口４１から媒体出口４５へと向かう媒体の流れ方向と、多孔体１０において排気入口２１から排気出口２３へと向かう排気の流れ方向と、が中心線Ｏ１方向について同じ向きになる。

媒体入口４１は、環状流路４０の上流側領域４２に開口する。媒体入口４１は、多孔体１０と排気入口２１との境界部１２より排気入口２１側（図２において左側）に配置される。なお、これに限らず、媒体入口４１は、図２において、多孔体１０と排気入口２１との境界部１２に重なるように配置されてもよい。

媒体出口４５は、環状流路４０の下流側領域４４に開口する。媒体出口４５は、多孔体１０と排気出口２３との境界部１３より排気出口２３側（図２において右側）に配置される。なお、これに限らず、媒体出口４５は、図２において、多孔体１０と排気入口２１との境界部１３に重なるように配置されてもよい。

図３に示すように、媒体入口４１及び媒体出口４５は、多孔体１０の中心線Ｏを含む基準面Ｖに対して略直交し、かつ多孔体１０を挟んで環状流路４０から同一方向に延びるように形成される。媒体入口４１及び媒体出口４５は、中心線Ｏ１方向から見たときに互いに並ぶように配置される。

図３に示すＯ２は、媒体入口４１の中心線である。中心線Ｏ１方向から見た図３において、中心線Ｏ２は、中心線Ｏ１に対して下方にオフセットされ、中心線Ｏ１を中心とする円弧Ｃの接線方向に延びている。

図３に示すＯ３は、媒体出口４５の中心線である。中心線Ｏ１方向から見た図３において、中心線Ｏ３は、中心線Ｏ１に対して上方にオフセットされ、中心線Ｏ１を中心とする円弧Ｃの接線方向に延びている。

次に、排熱回収器１の作用、効果について説明する。

エンジンから排出される排気は、図１及び図２に白抜き矢印で示すように、排気入口２１、多孔体１０の孔１１、及び排気出口２３を通って中心線Ｏ１方向に流れる。多孔体１０は、孔１１を流れる排気の熱を吸収する。一方、エンジンを循環する媒体は、黒矢印で示すように、媒体入口４１、環状流路４０、及び媒体出口４５を通ってヒータコアへと導かれる。環状流路４０における媒体は、多孔体１０の周りを流れることで、多孔体１０からの熱を受けて排気の熱を回収する。これにより、エンジンの始動後から排気の熱によって媒体の温度上昇が促され、ヒータコアによる車室内の暖房が速やかに行われるとともに、エンジンの暖機が促される。

ところで、排気の温度が上昇するエンジンの運転状態では、多孔体１０が排気の熱を吸収して高温になり、環状流路４０を流れる媒体（液体）が多孔体１０の熱を受けて沸点に近づく。このような運転状態において、媒体が沸騰すると、媒体に生じる気泡によって媒体の流れに与える排熱回収器１の流路抵抗が増大する。

この対処方法として、排熱回収器１は、環状流路４０における排気入口２１側の端部に媒体を流入させる媒体入口４１と、環状流路４０における排気出口２３側の端部から媒体を流出させる媒体出口４５と、を備える。

これにより、環状流路４０における媒体が多孔体１０の中心線Ｏ１方向について排気の流れと同じ向きに流れる。このため、排気及び媒体の流れ方向について多孔体１０の温度が次第に低下することにより、媒体が多孔体１０から受ける熱量が従来装置に比べて小さく抑えられる。排気の熱によって多孔体１０及び排気筒３０が高温になる作動状態でも、媒体の最高温度の上昇が抑えられることにより、環状流路４０において排気筒３０の周りを流れる媒体が沸騰して気泡が生じることが防止され、媒体の流れに与える流路抵抗が抑えられる。こうして、媒体を循環させるエンジンの負荷が抑えられることにより、エンジンの出力が高められる。

また、排熱回収器１では、基準面Ｖが略鉛直方向に延び、媒体入口４１が環状流路４０の下部（中心線Ｏ１より下方の部位）に開口し、媒体出口４５が環状流路４０の上部（中心線Ｏ１より上方の部位）に開口するように設置される。

これにより、環状流路４０において媒体が沸騰して気泡が生じた場合に、気泡が浮力により環状流路４０から媒体出口４５に集まって排出され、気泡によって媒体の流れに与える流路抵抗が抑えられる。

また、排熱回収器１では、媒体入口４１が排気入口２１の周囲に位置する上流側領域４２に開口し、媒体出口４５が排気出口２３の周囲に位置する下流側領域４４に開口する。

これにより、媒体入口４１から上流側領域４２に流入した媒体は、多孔体１０を収容していない排気入口２１の周りを流れるため、排気の熱が多孔体１０を介して伝えられることが抑えられる。上流側領域４２を通過した媒体は、熱回収領域４３を流れる過程で、排気の熱が多孔体１０を介して伝えられる。下流側領域４４から媒体出口４５を通って流出する媒体は、多孔体１０を収容していない排気出口２３の周りを流れて媒体出口４５から流出するため、排気の熱が多孔体１０を介して伝えられることが抑えられる。このように、上流側領域４２と下流側領域４４の周りを流れる媒体が加熱されることが抑えられるため、媒体の最高温度が低くなり、媒体の流れに与える流路抵抗が有効に抑えられる。

また、排熱回収器１では、媒体入口４１と媒体出口４５とが、多孔体１０の中心線Ｏを含む基準面Ｖに対して略直交し、かつ多孔体１０を挟んで環状流路４０から同一方向に延びる。

これにより、媒体は、媒体入口４１から環状流路４０を旋回するように流入して、環状流路４０を旋回しながら流れた後、媒体出口４５を通って円滑に流出し、環状流路４０を通過する流速が高められる。

また、排熱回収器１では、中心線Ｏ１方向から見たときに媒体入口４１と媒体出口４５とが互いに並ぶように配置される。

これにより、媒体入口４１及び媒体出口４５にそれぞれ接続する２本の配管が互いに並んで延び、各配管が設けられるスペースを小さくすることができる。

また、排熱回収器１では、中心線Ｏ１方向から見たときに媒体入口４１及び媒体出口４５が多孔体１０の中心線Ｏを中心とする円弧Ｃの略接線方向に延びる。

これにより、媒体は、媒体入口４１を通って多孔体１０の中心線Ｏを中心とする円弧Ｃの略接線方向から環状流路４０に円滑に流入する。そして、環状流路４０を旋回しながら流れた媒体は、多孔体１０の中心線Ｏを中心とする円弧Ｃの略接線方向から媒体出口４５を通って円滑に流出する。これにより、環状流路４０を通過する媒体の流速が高められる。

以上のように、排熱回収器１によると、媒体が環状流路４０を通過する時間が十分に短縮され、媒体が沸騰して気泡が生じることが防止される。この結果、媒体の循環回路にアシストポンプを設けて媒体の流速を高める必要がなく、媒体を循環させるシステムが複雑化することを回避できる。

次に、図４、図５、図６に示す排熱回収器１の変形例を説明する。

媒体入口４１及び媒体出口４５は、中心線Ｏ１方向から見たときに環状流路４０から互いに交差して延びるように形成される。

中心線Ｏ１方向から見た図６において、媒体入口４１の中心線Ｏ２と媒体出口４５の中心線Ｏ３とは、多孔体１０の中心線Ｏを含む基準面Ｖに対して略同一角度をもって傾斜し、かつ中心線Ｏ１を中心とする円弧Ｃの略接線方向にそれぞれ延びるように形成される。

媒体入口４１及び媒体出口４５が円弧Ｃの略接線方向に延びることにより、媒体は、媒体入口４１から環状流路４０を旋回するように流入して、環状流路４０を旋回しながら流れた後、媒体出口４５を通って円滑に流出する。これにより、媒体の最高温度が低くなり、媒体の流れに与える流路抵抗が有効に抑えられる。

そして、媒体入口４１と媒体出口４５とが中心線Ｏ１方向から見たときに環状流路４０から互いに交差して延びるため、媒体入口４１から環状流路４０に流入した媒体は、多孔体１０の周りを１周以上旋回して流れた後に媒体出口４５から流出する。これにより、環状流路４０における媒体の流速が高められ、媒体に気泡が生じることが防止される。

排熱回収器１は、媒体入口４１及び媒体出口４５にそれぞれ接続して媒体を導く２本の配管が互いに近接して延びるため、各配管が設けられるスペースを小さくすることができる。

次に、図７、図８、図９に示す排熱回収器１の変形例を説明する。

媒体入口４１及び媒体出口４５は、多孔体１０の中心線Ｏを含む基準面Ｌに対して略直交し、かつ多孔体１０を挟んで環状流路４０から逆方向に延びるように形成される。

中心線Ｏ１方向から見た図９において、媒体入口４１の中心線Ｏ２と媒体出口４５の中心線Ｏ３とは、中心線Ｏ１を中心とする円弧Ｃの接線方向にそれぞれ延びるように形成される。

これにより、媒体は、媒体入口４１から環状流路４０を旋回するように流入して、環状流路４０を旋回しながら流れる。これにより、環状流路４０における媒体の流速が高められ、媒体に気泡が生じることが防止される。

排熱回収器１は、基準面Ｌが略水平方向に延び、媒体入口４１が下方に延び、媒体出口４５が上方に延びるように設置される。

これにより、環状流路４０において媒体が沸騰して気泡が生じた場合に、気泡が浮力により環状流路４０から上方に延びる媒体出口４５を通って排出され、流路抵抗が抑えられる。

以上、本発明の実施形態について説明したが、上記実施形態は本発明の適用例の一部を示したに過ぎず、本発明の技術的範囲を上記実施形態の具体的構成に限定する趣旨ではない。

本発明は、車両に搭載される排熱回収器として好適であるが、車両以外に使用される熱交換器にも適用できる。

１ 排熱回収器
１０ 多孔体
１１ 孔
２１ 排気入口
２３ 排気出口
３０ 排気筒
４０ 環状流路
４１ 媒体入口
４２ 上流側領域
４３ 熱回収領域
４４ 下流側領域
４５ 媒体出口
Ｏ１ 中心線

Claims (6)

1. エンジンの排気の熱を媒体によって回収する排熱回収器であって、
   排気が流れる多数の孔を有する多孔体と、
   前記孔に排気を流入させる排気入口と、
   前記孔から排気を流出させる排気出口と、
   前記多孔体の周囲に形成されて媒体が流れる環状流路と、
   前記環状流路に媒体を流入させる媒体入口と、
   前記媒体入口と比較して前記排気出口に近い位置に設けられ、前記環状流路に媒体を流出させる媒体出口と、を備えることを特徴とする排熱回収器。
2. 請求項１に記載の排熱回収器であって、
   前記環状流路は、
   前記排気入口の周囲に位置する上流側領域と、
   前記多孔体の周囲に位置する熱回収領域と、
   前記排気出口の周囲に位置する下流側領域と、を有し、
   前記媒体入口は、前記上流側領域に開口し、
   前記媒体出口は、前記下流側領域に開口することを特徴とする排熱回収器。
3. 請求項１又は２に記載の排熱回収器であって、
   前記媒体入口及び前記媒体出口は、前記多孔体の中心線を含む基準面に対して略直交し、かつ前記多孔体を挟んで前記環状流路から同一方向に延びることを特徴とする排熱回収器。
4. 請求項１又は２に記載の排熱回収器であって、
   前記媒体入口及び前記媒体出口は、前記多孔体の中心線方向から見たときに互いに交差するように前記環状流路から延びることを特徴とする排熱回収器。
5. 請求項１又は２に記載の排熱回収器であって、
   前記媒体入口及び前記媒体出口は、前記多孔体の中心線を含む基準面に対して略直交し、かつ前記多孔体を挟んで前記環状流路から逆方向に延びることを特徴とする排熱回収器。
6. 請求項１から５のいずれか一つに記載の排熱回収器であって、
   前記多孔体は、円柱状に形成され、
   前記媒体入口及び前記媒体出口は、中心線方向から見たときに前記多孔体の中心線を中心とする円弧の略接線方向に延びることを特徴とする排熱回収器。

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