JP5439312B2 - 排熱回収装置 - Google Patents

Description

本発明は、排気ガスの熱で冷却水を温める排熱回収装置に関する。

内燃機関で発生した排気ガスの熱を冷却水に伝え、冷却水を温める排熱回収装置が知られている（例えば、特許文献１（図３）参照。）。

特許文献１を次図に基づいて説明する。
図７に示すように、排熱回収装置１００は、排気ガスの熱で冷却水を温める熱回収器１０１と、この熱回収器１０１に繋げられ熱回収器１０１に排気ガスを送る熱回収路１０２と、この熱回収路１０２を迂回するように熱回収器１０１の側方に設けられる迂回路１０３と、これらの迂回路１０３及び熱回収路１０２の上流に回動可能に設けられ迂回路１０３又は熱回収路１０２のどちらかを閉じることで排気ガスの流れを規制するバルブ１０４とを含む。

冷却水が所定の温度になるまで、バルブ１０４が迂回路１０３を閉じ、排気ガスは熱回収路１０２に向かって流れる。排気ガスが熱回収器１０１に流れることで、排気ガスの熱が熱回収器１０１内の冷却水に伝えられ、冷却水が温められる。

一方、冷却水が所定の温度になることで、冷却水を温める必要がなくなる。バルブ１０４は熱回収路１０２を閉じ、熱交換を停止する。バルブ１０４が熱回収路１０２を閉じることで、排気ガスは迂回路１０３に向かって流れる。バルブ１０４は、例えば、冷却水の温度で作動されるサーモアクチュエータによって作動される。

排気ガスが迂回路１０３を流される間は、冷却水の温度が上昇することを防止する必要がある。即ち、迂回路１０３を通る排気ガスの熱が、熱回収器１０１へ伝わることを防ぐ必要がある。熱回収器１０１に熱が伝わることを防ぐため、迂回路１０３は熱回収器１０１から離して設けられる。熱回収器１０１と迂回路１０３とが離して設けられることで、排熱回収装置１００にデッドスペースが生じ、排熱回収装置１００が大型化する。
排熱回収装置の小型化が望まれる。

特開２００８−１５７２１１公報

本発明は、排熱回収装置の小型化を課題とする。

請求項１に係る発明は、排気ガスの熱で冷却水を温める熱回収器と、この熱回収器に繋げられ熱回収器に排気ガスを送る熱回収路と、この熱回収路を迂回するように設けられる迂回路と、これらの迂回路及び熱回収路の上流又は迂回路及び熱回収路の下流に回動可能に設けられ迂回路又は熱回収路のどちらかを閉じることで排気ガスの流れを規制するバルブと、このバルブを回動させる回動軸に接続され冷却水の温度によって作動されるサーモアクチュエータとからなる排熱回収装置において、
前記熱回収器は、前記迂回路の上面に載置されていることにより、前記迂回路に接するように設けられ、
前記迂回路から前記熱回収器への熱の移動を防ぐ熱移動防止部が、前記迂回路の内部であって、前記熱回収器が載置される部位の下部に備えられ、
前記熱移動防止部は、前記迂回路の内部に接合された板状部材と、前記迂回路の左右の側壁とによって形成され、
前記左右の側壁のそれぞれに、前記熱移動防止部と外部とを連通する連通孔又は前記熱移動防止部と外部とを連通するルーバーが設けられ、
前記連通孔又は前記ルーバーは、前記左の側壁と前記右の側壁とで、設けられる高さが異なることを特徴とする。

請求項１に係る発明では、熱回収器への熱の移動を防止する熱移動防止部が迂回路内に設けられる。熱移動防止部を迂回路の内部に設けるため、熱回収器を迂回路に接するよう設けることができる。熱回収器を迂回路に接するよう設けることで、排熱回収装置を小型化することができる。

加えて、請求項１に係る発明では、熱回収器は、迂回路の上面に載置されている。例えば排熱回収装置を車両に用いた場合に、排熱回収装置に向かって路面から石が跳ねることがある。熱回収器を迂回路の上面に載置することで、このような飛び石から熱回収器を保護することができる。

さらに、請求項１に係る発明では、板状部材と、迂回路の側壁とで熱移動防止部が形成されている。熱移動防止部を形成するのに、新たに板状部材のみを追加すればよく、少ない部品点数で熱移動防止部を形成することができる。

加えて、請求項１に係る発明では、側壁に、熱移動防止部と外部とを連通する連通孔又は熱移動防止部と外部とを連通するルーバーが設けられている。迂回路を通過する排気ガスの熱が熱移動防止部に伝わる。熱移動防止部は、連通孔又はルーバーによって外部に連通される。熱移動防止部に篭もった熱を連通孔又はルーバーから外部に放出することで、熱回収器へ熱が移動することをより確実に防ぐことができる。
さらに、熱移動防止部に迂回路から排気ガスの熱が伝わることがある。排気ガスの熱は高温であるため、高い位置に設けられる連通孔又はルーバーから熱が逃げる。温度の高い熱が逃げた分、低い位置に設けられた連通孔又はルーバーから、温度の低い熱が熱移動防止部内に流れる。即ち、熱移動防止部内に対流が生じる。熱移動防止部内に対流が生じることで、効率よく熱を外部へ排出することができ、熱回収器への熱の移動をより確実に防ぐことができる。

本発明に係る排熱回収装置の側面図である。 本発明に係る排熱回収装置の断面図である。 熱移動防止部の分解斜視図である。 迂回路の分解斜視図である。 図１の５−５線断面図、兼作用説明図である。 図５の変更実施例図である。 従来の技術の基本構成を説明する図である。

本発明の実施の形態を添付図に基づいて以下に説明する。なお、図面は符号の向きに見るものとする。

本発明の実施例を図面に基づいて説明する。
図１に示されるように、排熱回収装置１０は、内燃機関で発生した排気ガスが導入される排ガス導入部１１と、この排ガス導入部１１の下流側上部に接続される熱回収路１２と、この熱回収路１２の下方に設けられ排ガス導入部１１の下流側下部に接続される迂回路１３と、この迂回路１３の上面に載置され熱回収路１２から送られる排気ガスで冷却水を温める熱回収器１４と、この熱回収器１４に繋がれ熱回収器１４内に冷却水を送る送水管１６と、この送水管１６から熱回収器１４に送られた冷却水が排出される排出部１７と、この排出部１７に支持され排出部１７から冷却水の一部が流されるサーモアクチュエータ１８と、このサーモアクチュエータ１８のロッド１９に接触するよう設けられ付勢手段により図面時計回り方向に向かって付勢される回動板２１とが備えられる。

熱回収器１４内の冷却水の温度が上昇すると、サーモアクチュエータ１８はロッド１９を図面左に向かって、矢印（１）に示すように前進させる。ロッド１９は、回動板２１が時計回り方向に付勢される力に抗して、前進する。ロッド１９が前進することで、回動板２１は図面反時計回りに回転される。回動板２１が回転することで、この回動板２１に支持される回動軸（図２、符号２２）も同方向に回動する。詳細を次図で説明する。

図２に示すように、排気ガスの流れ方向を基準として、熱回収路１２と迂回路１３との上流側に回動軸２２が設けられ、この回動軸２２にＶ字形のバルブ２４が支持される。回動軸２２は、排気ガスの流れに垂直に設けられる。回動軸２２の設けられる方向を幅方向という。

回動軸２２は、回動板（図１、符号２１）に支持されることで、図面時計回り方向に付勢される。回動軸２２に支持されるバルブ２４も、図面時計回り方向、即ち、迂回路１３を閉じる方向に付勢される。迂回路１３を閉じる方向に付勢されるバルブ２４は、先端がストッパとしての着座部２５に着座される。

バルブ２４が迂回路１３を閉じることで、排気ガスは熱回収路１２を経由して、熱回収器１４に流される。
熱回収器１４は、迂回路１３に接するコアケース２６と、このコアケース２６内に複数設けられ排気ガスが通されるヒートプレート２７とからなる。

ヒートプレート２７に流される排気ガスの熱が、コアケース２６内に流される冷却水に伝わり、冷却水が温められる。ヒートプレート２７を通過した排気ガスは、排出孔２８を通り外部へ排出される。

熱回収器１４の下部に設けられる迂回路１３は、排ガス導入部１１に接続される本体部３１と、この本体部３１に被せられる蓋部３２とからなる。
迂回路１３の蓋部３２には、板状部材３３が溶接される。この板状部材３３と迂回路１３の側壁３４とで囲われた部位が、迂回路１３から熱回収器１４への熱の移動を防ぐ熱移動防止部３５である。即ち、熱移動防止部３５は、熱回収器１４が設けられる部位と対応する部位に備えられている。
迂回路１３の側壁３４に、熱移動防止部３５と外部とを連通するルーバー３６が複数設けられる。

熱回収器１４へ排気ガスを流し続け、冷却水の温度が所定の温度まで上がると、サーモアクチュエータ（図１、符号１８）が作動する。サーモアクチュエータが作動することで、ロッド（図１、符号１９）が回動軸２２を反時計回りに回転させる。回動軸２２が回転することで、バルブ２４も回転し、想像線で示すように熱回収路１２が閉じられる。

熱回収路１２を閉じることで、排気ガスは迂回路１３に向かって流される。熱回収路１２側へ排気ガスが流れないようにすることで、熱回収器１４での熱交換を停止する。迂回路１３を流れる排気ガスの熱は、熱移動防止部３５で熱回収器１４への熱の移動を防止する。

熱回収路１２は、迂回路１３に接触させて設けられる。このことで、熱交換器１４内の冷却水の放熱を抑えることができる。
即ち、熱回収路１２の途中に設けられる熱回収器１４も迂回路１３に接触させて設けられる。熱回収器１４を迂回路１３に接触して設けることで、熱回収器１４のコアケース２６が外気に触れる接触面積を少なくすることができる。コアケース２６と外気との接触量を減らすことで、冷却水の放熱を防ぐことができる。冷却水の放熱を防ぐことで、効率よく冷却水を温めることができる。

また、熱回収路１２と迂回路１３とを接触させて設ける。接触させて設けることで、コンパクトに設けることができ、熱回収路１２の前後に設けられる連結部材の点数を減らすことができる。連結部材の点数を減らすことで、排熱回収装置１０の軽量化を図ることができる。

さらに、従来の排熱回収装置では、図７に示すように内壁部材１０５、１０５が、熱回収路１０２側と迂回路１０３側との間に設けられる。内壁部材１０５、１０５は、溶接で接合される。内壁部材１０５、１０５で区切られた、狭いスペース１０６内で溶接用のトーチを操作することは困難であり、作業時間の長大化を招く。また、溶接用トーチを操作するためのスペースが必要であり、この点が排熱回収装置１００のさらなる大型化を招いていた。

図２に戻り、熱回収路１２と迂回路１３とを接触させて設けるため、熱回収路１２と迂回路１３との間に内壁部材（図７、符号１０５参照）を設ける必要がない。接合することが困難な内壁部材を設けないことで、溶接時の溶接トーチの操作が容易になり、排熱回収装置１０の組立作業を短時間で行うことができる。

なお、迂回路１３の上面に熱回収器１４を載置することを例に説明したが、熱交換器を迂回路の側方に配置する等、任意の位置に配置できる。
ただし、迂回路１３の上面に熱回収器１４を載置した場合は、以下の効果を得ることができる。

例えば排熱回収装置１０を車両に用いた場合に、排熱回収装置１０に向かって路面から石が跳ねることがある。熱回収器１４を迂回路１３の上面に載置することで、このような飛び石から熱回収器１４を保護することができる。

加えて、バルブ２４は、熱回収路１２及び迂回路１３の上流側のみならず、熱回収路１２及び迂回路１３の下流側に設けることもできる。
例えば、想像線で示すように、排出孔２８近傍に回動軸５８を設け、この回動軸５８で一枚板状のバルブ５９を支持する。熱回収路１２及び迂回路１３の下流側にバルブ５９を設けた場合も、上流側に設けた場合と同様の効果を得ることができる。
熱移動防止部３５の形成について詳細を次図で説明する。

図３に示すように、板状部材３３は、蓋部３２の内周部と同じ幅の板であり、蓋部３２に接する脚部３８、３８と、これらの脚部３８、３８から折曲げられる折曲げ部３９、３９と、これらの折曲げ部３９、３９を繋ぎ蓋部３２から離間される離間部４１とからなる。離間部４１に剛性を高める凹部４２が形成される。
なお、蓋部３２に向かって凹む凹部４２は、蓋部３２から離れる方向に膨らまされる凸部であってもよい。

蓋部３２は、側壁３４から幅方向に延ばされる蓋部フランジ部４４、４４を有し、側壁３４、３４間を繋ぐ天板部４５に剛性を高めるための凹部４６が形成される。

熱移動防止部（図２、符号３５）は、板状部材３３を蓋部３２に嵌込み、全周に亘り板状部材３３を溶接することで形成される。迂回路の側壁３４と板状部材３３とで、熱移動防止部が形成される。熱移動防止部を形成するのに、新たに板状部材３３のみを追加すればよく、少ない部品点数で熱移動防止部を形成することができる。

熱移動防止部を形成した後に、蓋部３２をひっくり返し、本体部（図２、符号３１）に溶接することで迂回路（図２、符号１３）を形成する。詳細を次図で説明する。

図４に示すように、本体部３１は、半円形状を呈し、幅方向に向かって本体部フランジ部４８、４８が延ばされる。この本体部フランジ部４８、４８に、蓋部フランジ部４４、４４を合わせた上で、溶接する。本体部３１に蓋部３２が溶接されることで、迂回路（図２、符号１３）が形成される。

熱移動防止部（図２、符号３５）が形成された蓋部３２を本体部３１に溶接することで、迂回路を形成する。迂回路を蓋部３２と本体部３１とに分け、これらを溶接することにしたので、迂回路内に熱移動防止部を有する排熱回収装置を容易に製造することができる。
本発明に係る排熱回収装置の作用について、次図で詳細を説明する。

図５に示すように、本発明に係る排熱回収装置１０によれば、熱移動防止部３５が、迂回路１３の内部であって、熱回収器１４が設けられる部位と対応する部位に備えられる。熱回収器１４への熱の移動を防止する熱移動防止部３５が迂回路１３内に設けられる。熱移動防止部３５を迂回路１３の内部に設けるため、熱回収器１４を迂回路１３に接するよう設けることができる。熱回収器１４を迂回路１３に接するよう設けることで、排熱回収装置１０を小型化することができる。

加えて、板状部材３３と、迂回路１３の側壁３４とで熱移動防止部３５が形成されている。熱移動防止部３５を形成するのに、新たに板状部材３３のみを追加すればよく、少ない部品点数で熱移動防止部３５を形成することができる。

加えて、側壁３４に、熱移動防止部３５と外部とを連通する熱移動防止部３５と外部とを連通するルーバー３６が設けられている。迂回路１３を通過する排気ガスの熱が熱移動防止部３５に伝わることがある。熱移動防止部３５は、ルーバー３６によって外部に連通される。熱移動防止部３５に篭もり得る熱をルーバー３６から外部に放出することで、熱回収器１４へ熱が移動することをより確実に防ぐことができる。

さらに、蓋部３２の熱回収器１４と接する部位に凹部４６が設けられる。凹部４６を設けることで、蓋部３２の剛性を高めることができると共に、凹部４６を設けることで、熱回収器１４と蓋部３２とが接触する面積を減らすことができる。接触面積を減らすことで、迂回路１３側から熱回収器１４側への熱の移動を、さらに低減させることができる。即ち、剛性を高めつつ、熱の移動を低減させることができる。

さらに、板状部材３３の素材（熱移動防止部３５を形成するための素材）は、迂回路１３の素材と同一の素材であることが望ましい。
本発明に係る排熱回収装置１０では、板状部材３３を迂回路１３に溶接することで、熱移動防止部３５を形成する。迂回路１３内に溶接される板状部材３３は、迂回路１３が受けるのと同量の排気ガスの熱を受ける。
また、板状部材３３の素材を迂回路１３の素材と同一にすることで、板状部材３３の熱膨張率と迂回路１３の熱膨張率は同じになる。

即ち、排気ガスの熱から受ける熱量が同じであり、熱膨張率が同じであることにより、熱により膨張する量が板状部材３３と迂回路１３とで同じになる。
仮に、板状部材を迂回路の外に設けた場合は、迂回路に比べて板状部材の受ける熱量は少なくなる。板状部材の受ける熱量が少ないことで、板状部材の膨張量は、迂回路の膨張量よりも少なくなる。相対的に迂回路のみが伸びることで、迂回路と板状部材との溶接部に負荷がかかる。

本発明に係る排熱回収装置によれば、膨張量が同じことで、迂回路１３と板状部材３３との溶接部４９に係る負荷を低減することができる。負荷が低減されることで、熱移動防止部３５を迂回路１３の外に設けた場合に比べ、排熱回収装置１０の長寿命化を図ることができる。
排熱回収装置は、さらに次図で説明するよう形成することもできる。

図６に示されるように、排熱回収装置５０は、迂回路５１の側壁５２に連通孔５３、５４が設けられる。連通孔５３、５４は、それぞれ異なる高さに設けられる。

熱移動防止部５６に迂回路５１から排気ガスの熱が伝わることがある。排気ガスの熱は高温であるため、矢印（２）で示すように、高い位置に設けられる連通孔５３から熱が逃げる。温度の高い熱が逃げた分、低い位置に設けられた連通孔５４から、矢印（３）で示すように、温度の低い熱が熱移動防止部５６内に流れる。即ち、熱移動防止部５６内に対流が生じる。熱移動防止部５６内に対流が生じることで、効率よく熱を外部へ排出することができ、熱回収器１４への熱の移動をより確実に防ぐことができる。

また、このような排熱回収装置５０であっても当然に、熱の移動を防止しつつ排熱回収装置５０を小型化するという本発明の効果を得ることができる。
なお、連通孔５３、５４を例に説明をしたが、ルーバー（図５、符号３６）であっても、高さを変えることで、熱移動防止部５６内に対流を発生させることができる。即ち、側壁に設けられる孔の形状は、丸穴に限定されない。

尚、本発明に係る排熱回収装置は、ＥＧＲ（Ｅｘｈａｕｓｔ Ｇａｓ Ｒｅｃｉｒｃｕｌａｔｉｏｎ）クーラにも適用することができ、これらのものに用途は限定されない。

本発明の排熱回収装置は、ハイブリッド車に好適である。

１０、５０…排熱回収装置、１２…熱回収路、１３、５１…迂回路、１４…熱回収器、１８…サーモアクチュエータ、２２…回動軸、２４…バルブ、３３…板状部材、３４、５２…側壁、３５、５６…熱移動防止部、３６…ルーバー、５３、５４…連通孔。

Claims (1)

1. 排気ガスの熱で冷却水を温める熱回収器と、この熱回収器に繋げられ前記熱回収器に排気ガスを送る熱回収路と、この熱回収路を迂回するように設けられる迂回路と、これらの迂回路及び熱回収路の上流又は迂回路及び熱回収路の下流に回動可能に設けられ前記迂回路又は前記熱回収路のどちらかを閉じることで前記排気ガスの流れを規制するバルブと、このバルブを回動させる回動軸に接続され前記冷却水の温度によって作動されるサーモアクチュエータとからなる排熱回収装置において、
   前記熱回収器は、前記迂回路の上面に載置されていることにより、前記迂回路に接するように設けられ、
   前記迂回路から前記熱回収器への熱の移動を防ぐ熱移動防止部が、前記迂回路の内部であって、前記熱回収器が載置される部位の下部に備えられ、
   前記熱移動防止部は、前記迂回路の内部に接合された板状部材と、前記迂回路の左右の側壁とによって形成され、
   前記左右の側壁のそれぞれに、前記熱移動防止部と外部とを連通する連通孔又は前記熱移動防止部と外部とを連通するルーバーが設けられ、
   前記連通孔又は前記ルーバーは、前記左の側壁と前記右の側壁とで、設けられる高さが異なることを特徴とする排熱回収装置。

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