JP6761424B2 - 排熱回収器 - Google Patents
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Description
前記熱交換部は、第一端面及び第二端面を有し、中央部分が空洞の柱状のハニカム体と、前記ハニカム体を収容するケーシングと、を有し、
前記ハニカム体は、セラミックを主成分とする隔壁を有し、前記隔壁によって、前記第一端面から前記第二端面まで延びる、排気ガスの流路となる複数のセルが区画形成されたものであり、
前記ケーシングは、前記ハニカム体の前記中央部分の環状の内壁に備えられた筒状の配管と、前記ハニカム体の外周面に嵌合するように配置された筒状部材と、前記筒状部材の外側に配設され、前記排気ガスとの熱交換による排熱を回収するための熱交換媒体の経路を形成し、且つ、前記熱交換媒体が導入される熱交換媒体導入口、及び前記熱交換媒体が排出される熱交換媒体排出口を有するケーシング本体と、を備え、
前記排気分岐部は、前記ハニカム体に流入する前記排気ガスの経路を、前記ハニカム体の軸方向に直交する断面における前記中央部分と外周部分とに分岐する、分岐路を有し、
前記排気分配部は、前記ハニカム体の前記中央部分における前記排気ガスの経路の通気抵抗を変更し、前記ハニカム体の前記外周部分における前記排気ガスの経路に流通する排気量を可変して、熱回収量を調整する、排気分配機構を有し、
前記配管の外面と前記ハニカム体の前記内壁との間の隙間は、その内部を充填するように構成されたシール部材、前記ハニカム体の前記第一端面に当接されるリング状部材、前記ハニカム体の前記第一端面に当接される前記配管の凸状部分、前記ハニカム体の前記第一端面に当接される前記配管のテーパー部分、又は、前記ハニカム体の前記第一端面あるいは前記ハニカム体の前記第二端面の少なくとも1つに当接される前記排気分岐部、の少なくとも1つにより塞がれた、排熱回収器。
前記外部部材における発熱及び前記外部部材への前記排気ガスからの伝熱を、前記熱交換媒体によって更に回収するように構成されている、前記[1]〜[11]のいずれかに記載の排熱回収器。
[13] 熱交換部と、排気分岐部と、排気分配部と、を備え、
前記熱交換部は、第一端面及び第二端面を有する柱状のハニカム体と、前記ハニカム体を収容するケーシングと、を有し、
前記ハニカム体は、セラミックを主成分とする隔壁を有し、前記隔壁によって、前記第一端面から前記第二端面まで延びる、排気ガスの流路となる複数のセルが区画形成されたものであり、
前記ケーシングは、前記ハニカム体の外周面に嵌合するように配置された筒状部材と、前記筒状部材の外側に配設され、前記排気ガスとの熱交換による排熱を回収するための熱交換媒体の経路を形成し、且つ、前記熱交換媒体が導入される熱交換媒体導入口、及び前記熱交換媒体が排出される熱交換媒体排出口を有するケーシング本体と、を備え、
前記排気分岐部は、前記ハニカム体に流入する前記排気ガスの経路を、前記ハニカム体の軸方向に直交する断面における中央部分と外周部分とに分岐する、分岐路を有し、
前記排気分配部は、前記ハニカム体の前記中央部分における前記排気ガスの経路の通気抵抗を変更し、前記ハニカム体の前記外周部分における前記排気ガスの経路に流通する排気量を可変して、熱回収量を調整する、排気分配機構を有し、
前記排気分岐部が、筒状の排気ガイド部材を有し、前記排気ガイド部材の端部が、前記ハニカム体の端面に当接した状態、又は前記ハニカム体の端面から離間した状態で配置されている、排熱回収器。
本発明の排熱回収器は、熱交換部と、排気分岐部と、排気分配部と、を備えたものである。熱交換部は、第一端面及び第二端面を有する柱状のハニカム体と、ハニカム体を収容するケーシングと、を有する。本発明の排熱回収器は、内燃機関の排気通路(以下、「排気系」ともいう)に設置し、排気通路を通過する排気ガスの排気熱を回収するために用いられる。排熱回収器においては、排気ガスとの熱交換による排熱を回収するための熱交換媒体が用いられる。例えば、排熱回収器が、自動車に搭載されて用いられる場合には、熱交換媒体として、水や不凍液(JIS K 2234で規定されるLLC)などを用いることができる。
排熱回収器の第一実施形態は、図1〜図3に示す排熱回収器100である。図1は、本発明の排熱回収器の第一実施形態を模式的に示す斜視図である。図2は、本発明の排熱回収器の第一実施形態を模式的に示す断面図であり、排気系の流れ方向に平行な断面を示す断面図である。図3は、本発明の排熱回収器の第一実施形態を模式的に示す平面図であり、図2に示す排熱回収器を矢印Aの方向に見た平面図である。図4は、本発明の排熱回収器の第一実施形態に用いられるハニカム体を模式的に示す斜視図である。
次に、排熱回収器の製造方法を説明する。本発明の排熱回収器は、例えば、以下のようにして製造することができる。まず、セラミック粉末を含む坏土を所望の形状に押し出し、ハニカム成形体を作製する。ハニカム成形体の材料としては、ハニカム体の隔壁の好適材料として挙げたセラミックを用いることができる。例えば、Si含浸SiC複合材料を主成分とするハニカム体を製造する場合、まず、所定量のSiC粉末、バインダー、水又は有機溶媒を混練し坏土とし、得られた坏土を成形して、所望形状のハニカム成形体を作製する。そして、作製したハニカム成形体を乾燥し、減圧の不活性ガス又は真空中で、ハニカム成形体中に金属Siを含浸焼成することによって、隔壁によって複数のセルが区画形成されたハニカム体を得ることができる。なお、ハニカム体は、その中央部分をくり抜き、ドーナツ形状のものとしてもよい。ハニカム体の中央部分をくり抜く場合には、ハニカム成形体の状態で行ってもよいし、焼成後の焼成体(ハニカム体)の状態で行ってもよい。
排熱回収器の第二実施形態は、図5及び図6に示す排熱回収器200である。図5は、本発明の排熱回収器の第二実施形態を模式的に示す断面図であり、排気系の流れ方向に平行な断面を示す断面図である。図6は、本発明の排熱回収器の第二実施形態を模式的に示す平面図であり、図5に示す排熱回収器を矢印Bの方向に見た平面図である。なお、図5及び図6に示す排熱回収器200において、図1〜図3に示す排熱回収器100と同様に構成されたものについては、同一の符号を付し説明を省略することがある。
排熱回収器の第三実施形態は、図7〜図11に示す排熱回収器300である。図7は、本発明の排熱回収器の第三実施形態を模式的に示す斜視図である。図8は、本発明の排熱回収器の第三実施形態を模式的に示す一部切り欠き側面図である。図9は、本発明の排熱回収器の第三実施形態を模式的に示す断面図であり、排気系の流れ方向に平行な断面を示す断面図である。図10は、本発明の排熱回収器の第三実施形態を模式的に示す平面図であり、図9に示す排熱回収器を矢印Cの方向に見た平面図である。図11は、図9に示す排熱回収器の熱交換部、排気分岐部、及び排気分配部を分離した状態を示す断面図である。図12は、本発明の排熱回収器の第三実施形態に用いられるハニカム体を模式的に示す斜視図である。
排熱回収器の第四実施形態は、図13に示す排熱回収器400である。図13は、本発明の排熱回収器の第四実施形態を模式的に示す断面図であり、排気系の流れ方向に平行な断面を示す断面図である。
排熱回収器の第五実施形態は、図14に示す排熱回収器500である。図14は、本発明の排熱回収器の第五実施形態を模式的に示す断面図であり、排気系の流れ方向に平行な断面を示す断面図である。
排熱回収器の第六実施形態は、図15に示す排熱回収器600である。図15は、本発明の排熱回収器の第六実施形態を模式的に示す断面図であり、排気系の流れ方向に平行な断面を示す断面図である。図15に示す排熱回収器600において、図1〜図3に示す排熱回収器100等と同様に構成されたものについては、同一の符号を付し説明を省略することがある。
排熱回収器の第七実施形態は、図16及び図17に示す排熱回収器700である。図16は、本発明の排熱回収器の第七実施形態を模式的に示す断面図であり、排気系の流れ方向に平行な断面を示す断面図である。図17は、本発明の排熱回収器の第七実施形態を模式的に示す平面図であり、図16に示す排熱回収器を矢印Dの方向に見た平面図である。図16及び図17に示す排熱回収器700において、図1〜図3に示す排熱回収器100等と同様に構成されたものについては、同一の符号を付し説明を省略することがある。
排熱回収器の第八実施形態は、図18及び図19に示す排熱回収器800である。図18は、本発明の排熱回収器の第八実施形態を模式的に示す断面図であり、排気系の流れ方向に平行な断面を示す断面図である。図19は、本発明の排熱回収器の第八実施形態を模式的に示す平面図であり、図18に示す排熱回収器を矢印Eの方向に見た平面図である。図18及び図19に示す排熱回収器800において、図1〜図3に示す排熱回収器100等と同様に構成されたものについては、同一の符号を付し説明を省略することがある。
以下、排熱回収器の更に他の実施形態について、図20〜図27を参照しつつ説明する。図20〜図26は、本発明の排熱回収器の更に他の実施形態を模式的に示す断面図であり、排気系の流れ方向に平行な断面を示す断面図である。図27は、本発明の排熱回収器の更に他の実施形態に用いられるハニカム体を模式的に示す斜視図である。図20〜図27に示す各排熱回収器において、図1〜図3に示す排熱回収器100等と同様に構成されたものについては、同一の符号を付し説明を省略することがある。
実施例1の排熱回収器として、図5に示す排熱回収器200と同様に構成された排熱回収器を製造した。以下、実施例1の排熱回収器の製造方法を示す。
SiC粉末を含む坏土を所望の形状に押し出した後、乾燥し、所定の外形寸法に加工後、Si含浸焼成することによって、円柱状のハニカム焼成体を作製した。ハニカム焼成体は、端面の直径(外径)が70mm、セルの延びる方向の長さ35mmのものであった。ハニカム焼成体のセル密度は、23セル/cm2、隔壁の厚さ(壁厚)は0.3mmであった。ハニカム焼成体の熱伝導率は150W/(m・K)であった。
次に、ステンレスからなる筒状部材を作製した。筒状部材は、内径が69.8mmで、軸方向の長さが41.5mmの円筒状であり、肉厚が1mmであった。次に、作製した内筒の筒状部材にハニカム体を挿入し、焼き嵌めにより、ハニカム体の外周面に嵌合するように筒状部材を配置した。
図5に示す排熱回収器200の排気分岐部30aと同様に構成された排気分岐部を作製した。具体的には、ステンレスからなる第一配管と、ステンレスからなる第二配管と用いて、二重管構造の排気分岐部を作製した。第一配管は、軸方向の長さが31.5mmで、外径が54mmで、肉厚が1.5mmの筒状のものであった。第一配管の下流側に、略円形の貫通孔を10個形成し、この貫通孔を、排気分岐部の分岐路とした。第二配管は、軸方向の長さが15.5mmで、上流側となる一方の端部の内径が51mmで、下流側となる他方の端部において、内径が72mmとなる広がり部を有する配管を用いた。第二配管の内部に、第一配管を配置し、第二配管と第一配管とを溶接により接合し、分岐路を有する排気分岐部を作製した。第二配管の内部に、第一配管を配置して接合する際には、第一配管の下流側の端面と、第二配管の下流側の端面との位置が一致するように配置して、両者を接合した。
図5に示す排熱回収器200の排気分配部40aと同様に構成された排気分配部を作製した。具体的には、ステンレスからなる外径が51mmの配管に、排気分配部40aの排気分配機構41aが、配管42aの横切るように配設された弁棒44aを軸に、弁体45aが回転するように構成された開閉弁43aを取り付け、排気分配部を作製した。
実施例2の排熱回収器として、図9に示す排熱回収器300と同様に構成された排熱回収器を製造した。実施例2の排熱回収器においては、熱交換部の作製において、ハニカム体の中央部分をくり抜かず、中央部分及び外周部分が共にハニカム構造のハニカム体を用いたこと以外は、実施例1と同様の方法で、排熱回収器を作製した。
比較例1の排熱回収器として、図28に示す排熱回収器1500と同様に構成された排熱回収器を製造した。図28は、比較例1の排熱回収器を模式的に示す断面図であり、排気系の流れ方向に平行な断面を示す断面図である。図28に示すように、比較例1の排熱回収器1500は、ハニカム体111を、ケーシング121内に収容し、ケーシング121のハニカム体111が配置された箇所の外周側に、熱交換媒体51の経路125を設けたものである。比較例1の排熱回収器においては、実施例1の排気分岐部の第二配管を、ケーシング121の両端に接続し、排気ガスが導入される排ガス導入配管126、排気ガスが排出される排ガス排出配管127とした。また、ハニカム体111、及びケーシング121については、実施例2の熱交換部と同様に構成されたものを用いた。
実施例1,2及び比較例1の排熱回収器に、排気ガス(第一流体)を通気し、熱交換媒体として水(第二流体)を用いた場合の、熱回収効率を測定した。なお、熱回収効率は、排熱回収器に流入した入熱量、及び排熱回収器が回収した回収熱量を測定し、下記式(1)によって求めた。
式(1):熱回収効率=回収熱量/入熱量×100
実施例1,2の排熱回収器は、比較例1の排熱回収器と比較して、排気ガスの流量に応じて、熱回収効率を調整し、適切な排熱の回収を行うことができた。
実施例3の排熱回収器として、図29に示すような排熱回収器を作製した。図29は、実施例3の排熱回収器の構成を示す模式図である。なお、実施例3の排熱回収器としては、図13に示すような、排熱回収器400と同様に構成されたものを用いた。実施例3の排熱回収器は、EGR(排気ガス再循環)クーラとして好適に用いることができた。特に、図13に示すように、排気ガス50Xと排気ガス50Yとを、それぞれ異なる経路の排出口60,61から排出されるように構成することにより、EGRの非作動時にも、排熱回収が可能となった。
比較例2の排熱回収器として、図30に示すような排熱回収器を作製した。図30は、比較例2の排熱回収器の構成を示す模式図である。なお、比較例2の排熱回収器は、エンジンに対して、EGR(排気ガス再循環)クーラと、熱交換器とが個々に接続されている。比較例2の排熱回収器は、EGR(排気ガス再循環)時に、熱交換器側の排気ガス量が減り、熱交換器によって回収される熱量が減少するものであった。一方、実施例3の排熱回収器では、排熱回収後の冷却したガスをEGR(排気ガス再循環)に回すことができるため、排熱回収量の減少がないという優れた効果を奏するものであった。
Claims (13)
- 熱交換部と、排気分岐部と、排気分配部と、を備え、
前記熱交換部は、第一端面及び第二端面を有し、中央部分が空洞の柱状のハニカム体と、前記ハニカム体を収容するケーシングと、を有し、
前記ハニカム体は、セラミックを主成分とする隔壁を有し、前記隔壁によって、前記第一端面から前記第二端面まで延びる、排気ガスの流路となる複数のセルが区画形成されたものであり、
前記ケーシングは、前記ハニカム体の前記中央部分の環状の内壁に備えられた筒状の配管と、前記ハニカム体の外周面に嵌合するように配置された筒状部材と、前記筒状部材の外側に配設され、前記排気ガスとの熱交換による排熱を回収するための熱交換媒体の経路を形成し、且つ、前記熱交換媒体が導入される熱交換媒体導入口、及び前記熱交換媒体が排出される熱交換媒体排出口を有するケーシング本体と、を備え、
前記排気分岐部は、前記ハニカム体に流入する前記排気ガスの経路を、前記ハニカム体の軸方向に直交する断面における前記中央部分と外周部分とに分岐する、分岐路を有し、
前記排気分配部は、前記ハニカム体の前記中央部分における前記排気ガスの経路の通気抵抗を変更し、前記ハニカム体の前記外周部分における前記排気ガスの経路に流通する排気量を可変して、熱回収量を調整する、排気分配機構を有し、
前記配管の外面と前記ハニカム体の前記内壁との間の隙間は、その内部を充填するように構成されたシール部材、前記ハニカム体の前記第一端面に当接されるリング状部材、前記ハニカム体の前記第一端面に当接される前記配管の凸状部分、前記ハニカム体の前記第一端面に当接される前記配管のテーパー部分、又は、前記ハニカム体の前記第一端面あるいは前記ハニカム体の前記第二端面の少なくとも1つに当接される前記排気分岐部、の少なくとも1つにより塞がれた、排熱回収器。 - 前記ハニカム体は、前記中央部分が空洞のドーナツ形状である、請求項1に記載の排熱回収器。
- 前記ドーナツ形状の前記ハニカム体は、前記空洞の内側に、円筒状に連続した内壁構造が備わっている、請求項2に記載の排熱回収器。
- 前記排気分岐部及び前記排気分配部の少なくとも一方が、筒状の排気ガイド部材を有し、前記排気ガイド部材の端部が、前記ハニカム体の端面に当接した状態、又は前記ハニカム体の端面から離間した状態で配置されている、請求項1〜3のいずれか一項に記載の排熱回収器。
- 前記排気ガイド部材と、前記ハニカム体の端面との間隔が、0.05〜10mmである、請求項4に記載の排熱回収器。
- 前記排気分岐部及び前記排気分配部の少なくとも一方が、筒状の排気ガイド部材を有し、前記排気ガイド部材が、前記ドーナツ形状の前記ハニカム体の前記空洞を貫通するように配設されている、請求項2又は3に記載の排熱回収器。
- 前記ハニカム体の直径D1と、前記排気ガイド部材の直径D2の比であるD1/D2の値が、1.1以上、7以下である、請求項4〜6のいずれか一項に記載の排熱回収器。
- 前記熱交換部、前記排気分岐部、及び前記排気分配部が、それぞれ分離可能に構成されている、請求項1〜7のいずれか一項に記載の排熱回収器。
- 前記排気分配機構によって流通する経路が決められた前記排気ガスのうち、前記ハニカム体の前記外周部分を通過した前記排気ガスと、前記ハニカム体の前記中央部分を通過した前記排気ガスが、前記ハニカム体の下流側において、それぞれ異なる経路の排出口から排出される、請求項1〜8のいずれか一項に記載の排熱回収器。
- 前記排気分配機構によって流通する経路が決められた前記排気ガスのうち、前記ハニカム体の前記外周部分を通過した前記排気ガスと、前記ハニカム体の前記中央部分を通過した前記排気ガスが、前記ハニカム体の下流側において合流し、同一の流通経路の排出口から排出される、請求項1〜9のいずれか一項に記載の排熱回収器。
- 前記ハニカム体の前記外周部分における前記排気ガスの経路が、前記ハニカム体の軸方向に2つ以上に部分的に仕切られており、当該外周部分に導入された前記排気ガスが、前記ハニカム体の軸方向に対して折り返し流通するように構成されている、請求項1〜10のいずれか一項に記載の排熱回収器。
- 前記ケーシングの周囲に設けられ、発熱を伴う機器を含む外部部材を更に備え、
前記外部部材における発熱及び前記外部部材への前記排気ガスからの伝熱を、前記熱交換媒体によって更に回収するように構成されている、請求項1〜11のいずれか一項に記載の排熱回収器。 - 熱交換部と、排気分岐部と、排気分配部と、を備え、
前記熱交換部は、第一端面及び第二端面を有する柱状のハニカム体と、前記ハニカム体を収容するケーシングと、を有し、
前記ハニカム体は、セラミックを主成分とする隔壁を有し、前記隔壁によって、前記第一端面から前記第二端面まで延びる、排気ガスの流路となる複数のセルが区画形成されたものであり、
前記ケーシングは、前記ハニカム体の外周面に嵌合するように配置された筒状部材と、前記筒状部材の外側に配設され、前記排気ガスとの熱交換による排熱を回収するための熱交換媒体の経路を形成し、且つ、前記熱交換媒体が導入される熱交換媒体導入口、及び前記熱交換媒体が排出される熱交換媒体排出口を有するケーシング本体と、を備え、
前記排気分岐部は、前記ハニカム体に流入する前記排気ガスの経路を、前記ハニカム体の軸方向に直交する断面における中央部分と外周部分とに分岐する、分岐路を有し、
前記排気分配部は、前記ハニカム体の前記中央部分における前記排気ガスの経路の通気抵抗を変更し、前記ハニカム体の前記外周部分における前記排気ガスの経路に流通する排気量を可変して、熱回収量を調整する、排気分配機構を有し、
前記排気分岐部が、筒状の排気ガイド部材を有し、前記排気ガイド部材の端部が、前記ハニカム体の端面に当接した状態、又は前記ハニカム体の端面から離間した状態で配置されている、排熱回収器。
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