JP6838825B2 - 排熱回収装置 - Google Patents

Description

本発明は、自動車の内燃機関等の排熱を回収して利用する排熱回収装置に関する。

従来、自動車の内燃機関で発生した排気の排熱で冷却水を加温し、排熱を回収する装置が知られている。例えば特許文献１には、内燃機関で発生した排気が導入される排ガス導入部と、排ガス導入部の下流側上部に接続される熱回収路と、熱回収路の下方に設けられ排ガス導入部の下流側下部に接続される迂回路と、迂回路の上面に載置され熱回収路から送られる排気で冷却水を温める熱回収器と、迂回路及び熱回収路の上流又は下流に回動可能に設けられて迂回路又は熱回収路のどちらかを閉じて排気の流れを規制するバルブを備える排熱回収装置が開示されている。

この排熱回収装置の迂回路は、排ガス導入部に接続される略半円筒状の本体部と、本体部に被せられる蓋部とからなり、本体部に蓋部を溶接して迂回路が形成されている。そして、この迂回路の上側に、熱回収路と熱回収器がそれぞれ迂回路に接するように設けられており、排熱回収装置の小型化が図られている（特許文献１の段落［０００９］、［００１９］、［００２５］、［００２９］、［００４１］、図１〜図６参照）。

特開２０１２−３１７９６号公報

しかしながら、特許文献１の排熱回収装置は、略半円筒状の本体部と蓋部とで迂回路を形成すると共に、迂回路の上側に別体の熱回収路と熱回収器を設け、更に、熱回収路と迂回路を別体の排ガス導入部で繋ぐ構造であるため、部品点数が非常に多くなる。そのため、部品の接合箇所も多いものとなり、製造効率に劣り、製造コストも高くなる。また、この部品点数の多さは、排熱回収装置の重量を増加させ、例えば自動車の内燃機関の排気から排熱を回収するために自動車に搭載した場合には燃費を低下させる要因ともなる。

本発明は上記課題に鑑み提案するものであって、部品点数が少なく、製造効率の向上と製造コストの低減を図ることができると共に、軽量化を実現することができる排熱回収装置を提供することを目的とする。

本発明の排熱回収装置は、略筒形の流体導入部、略筒形の流体導出部、前記流体導入部と前記流体導出部との間に設けられ前記流体導入部と前記流体導出部に対して一方向の側方に突出する膨出部を有し、前記膨出部の突出方向に前記流体導入部と前記流体導出部と前記膨出部を２分割した形状をなす一対の半体を接合して形成されている基体と、前記基体を流通する流体の流れ方向に延設され、前記膨出部の内部を熱交換路と迂回路に略区分するセパレータと、前記基体を流通する流体の流れを前記熱交換路と前記迂回路のいずれかに規制するように切替可能な傾動バルブと、前記熱交換路を流通する流体が周囲を流れるように設けられ、間隔を開けて複数並置される流通管を備え、前記セパレータと前記傾動バルブと前記流通管が、前記半体の相互間に架設され、前記基体を加熱流体が流通すると共に、被加熱流体が一方の前記半体側から導入され他方の前記半体側から導出されるように前記流通管の架設方向に流通することを特徴とする。
これによれば、一対の半体を接合して形成される基体と、基体の膨出部の内部を略区分するセパレータによって熱交換路と迂回路を構成することができるので、少ない部品点数で排熱回収装置を形成することができる。従って、部品の接合箇所が少なくなり、製造効率を向上することができると共に、部品のコストや接合作業のコストを減らして製造コストを低減することができる。また、部品点数が少ないことから、排熱回収装置を軽量化することができ、例えば自動車の内燃機関の排気から排熱を回収する排熱回収装置とする場合には、排熱回収装置の軽量化によって燃費を改善することができる。また、排気等の加熱流体が基体を流通する構成では、上流側の排気管等を流体導入部に、下流側の排気管等を流体導出部に連結することで排熱回収装置を容易に排気系統等の加熱流体流通系統に取り付けることができ、排熱回収装置の設置作業を容易化することができる。また、一対の半体を互いに合わせる作業と連係させて、セパレータ、傾動バルブ、流通管を基体に容易に設置することができる。

本発明の排熱回収装置は、略筒形の流体導入部、略筒形の流体導出部、前記流体導入部と前記流体導出部との間に設けられ前記流体導入部と前記流体導出部に対して一方向の側方に突出する膨出部を有し、前記膨出部の突出方向に前記流体導入部と前記流体導出部と前記膨出部を２分割した形状をなす一対の半体を接合して形成されている基体と、前記基体を流通する流体の流れ方向に延設され、前記膨出部の内部を熱交換路と迂回路に略区分するセパレータと、前記基体を流通する流体の流れを前記熱交換路と前記迂回路のいずれかに規制するように切替可能な傾動バルブと、前記熱交換路を流通する流体が周囲を流れるように設けられ、間隔を開けて複数並置される流通管を備え、前記セパレータと前記傾動バルブと前記流通管が、前記半体の相互間に架設され、前記基体を被加熱流体が流通すると共に、加熱流体が一方の前記半体側から導入され他方の前記半体側から導出されるように前記流通管の架設方向に流通することを特徴とする。
これによれば、一対の半体を接合して形成される基体と、基体の膨出部の内部を略区分するセパレータによって熱交換路と迂回路を構成することができるので、少ない部品点数で排熱回収装置を形成することができる。従って、部品の接合箇所が少なくなり、製造効率を向上することができると共に、部品のコストや接合作業のコストを減らして製造コストを低減することができる。また、部品点数が少ないことから、排熱回収装置を軽量化することができ、例えば自動車の内燃機関の排気から排熱を回収する排熱回収装置とする場合には、排熱回収装置の軽量化によって燃費を改善することができる。また、一対の半体を互いに合わせる作業と連係させて、セパレータ、傾動バルブ、流通管を基体に容易に設置することができる。

本発明の排熱回収装置は、一方の前記半体の貫通穴と他方の前記半体の貫通穴に、前記流通管の両端部がそれぞれ嵌合されて溶接されていることを特徴とする。
これによれば、一対の半体、基体に対して流通管を容易且つ確実に位置決めして、流通管を架設された状態で固定することができる。

本発明の排熱回収装置は、一方の前記半体の壁部と他方の前記半体の壁部にそれぞれ軸受が設けられ、両側の前記軸受で前記傾動バルブの軸部が傾動可能に支持されていることを特徴とする。
これによれば、一対の半体、基体に対して軸受の位置で傾動バルブを容易且つ確実に位置決めして、傾動バルブを傾動可能な状態で取り付けることができる。

本発明の排熱回収装置は、一方の前記半体の合わせ部分に設けられている嵌合部が、他方の前記半体の合わせ部分に設けられている被嵌合部に嵌合されていることを特徴とする。
これによれば、一方の半体と他方の半体を正確な位置に位置決めして合わせることができ、製造作業の容易化、歩留まりの向上を図ることができる。また、セパレータ、傾動バルブ、流通管を半体の相互間の正確な位置に架設する作業も容易化することができる。

本発明の排熱回収装置は、前記流通管が扁平管であり、前記扁平管の扁平面が前記基体を流通する流体の流れ方向に延設されると共に、前記扁平管が間隔を開けて積層されていることを特徴とする。
これによれば、流通管を扁平管として表面積を大きくし、扁平管の扁平面を流体の流れ方向に延設して流体との接触面積を増やし、この扁平管を間隔を開けて積層することにより、流通管の熱交換する領域を増加させて熱交換効率を高めることができる。また、この扁平管の形状、配置により、基体を流通する流体の圧力損失を低減することができ、スムーズな流体の流れを確保することができる。例えば自動車の内燃機関の排気が基体内を流れる場合、この圧力損失の低減によって内燃機関の背圧を低減し、内燃機関の排気効率、吸気効率、燃焼効率を高めることができる。

本発明の排熱回収装置によれば、部品点数が少なくし、製造効率の向上と製造コストの低減を図ることができると共に、軽量化を実現することができる。

本発明による実施形態の排熱回収装置の斜視図。 実施形態の排熱回収装置の分解斜視図。 実施形態の排熱回収装置から流通連結ユニットを取り外した状態の分解斜視図。 実施形態の排熱回収装置のバルブ開状態の縦断説明図。 実施形態の排熱回収装置のバルブ閉状態の縦断説明図。

〔実施形態の排熱回収装置〕
本発明による実施形態の排熱回収装置１は、図１〜図５に示すように、略筒形の流体導入部２１と、略筒形の流体導出部２２と、流体導入部２１と流体導出部２２との間に設けられる膨出部２３を有する基体２を備える。膨出部２３は内部に広い空間が形成されるように外側に膨出しており、全体として基体２は中間部に膨らみを有する略管状に形成されている。本実施形態の基体２では、略筒形の流体導入部２１の軸線と、略筒形の流体導出部２２の軸線が略一致するように形成されており、膨出部２３は、流体導入部２１と流体導出部２２から一方向の側方に突出するように形成されている。

基体２は、一対の半体２４ａ、２４ｂを接合して形成されている。半体２４ａ、２４ｂは、流体導入部２１と流体導出部２２の軸線方向且つ膨出部２３の突出方向に基体２を２分割した形状をなしており、半体２４ａと半体２４ｂは略同一形状で略同一の大きさになっている。

半体２４ａと半体２４ｂの合わせ部分は、流体導入部２１の上流側の端部と流体導出部２２の下流側の端部では端面が互いに当接していると共に、その中間部分には嵌合部２４１ａと被嵌合部２４１ｂが高さ違いで外側に膨らむように形成され、嵌合部２４１ａが被嵌合部２４１ｂの内部に嵌合されている。そして、この当接した端面と、嵌合部２４１ａと被嵌合部２４１ｂの重なり面若しくは被嵌合部２４１ｂの端部とをレーザー溶接等で溶接して半体２４ａと半体２４ｂが接合され、基体２として一体化されている。

基体２の膨出部２３に対応する壁部２５には、内側に凹ますようにして所定位置に載置部２５１が形成されており、この載置部２５１に後述するセパレータ３が位置決めして載置される。載置部２５１は、半体２４ａと半体２４ｂのそれぞれに形成され、基体２の両側に設けられている。また、基体２の膨出部２３に対応する両側の壁部２５・２５、換言すれば一方の半体２４ａの壁部２５と他方の半体２４ｂの壁部２５には、それぞれ軸受２６・２６が設けられており、この両側の軸受２６・２６で後述する傾動バルブ４の軸部４２が傾動可能に支持されている。

また、基体２の膨出部２３に対応する両側の壁部２５・２５、換言すれば一方の半体２４ａの壁部２５と他方の半体２４ｂの壁部２５には、それぞれ貫通穴２７・２７が設けられている。本実施形態の貫通穴２７は、略管状の基体２の管路方向に延びる細長穴になっており、膨出部２３の突出方向に寄った位置に形成され、壁部２５・２５の対応する位置に、間隔を開けて複数対の貫通穴２７・２７が設けられている。両側の貫通穴２７・２７には後述する流通管６の両端部がそれぞれ嵌合されて溶接されている。

膨出部２３の内部には、膨出部２３の内部を熱交換路ＥＲと迂回路ＤＲに略区分するセパレータ３が、基体２を流通する流体の流れ方向に延設されている。本実施形態のセパレータ３は、略矩形のトレー形状になっており、凹みが流体導入部２１、流体導出部２２側になるように設けられ、その両側の側壁３１・３１の端面が載置部２５１・２５１に載置されて位置決めされている。位置決めされたセパレータ３は、流体導入部２１、流体導出部２２の管路よりも膨出部２３の突出側に寄った位置に設けられる。

そして、セパレータ３の側壁３１・３１が基体２の壁部２５・２５にレーザー溶接等で接合して基体２に固定され、半体２４ａ、２４ｂの相互間に架設されるようにセパレータ３が設けられている。尚、半体２４ａ・２４ｂの壁部２５・２５に所要のスリットを形成し、そこにセパレータ３の側壁３１・３１を押し当ててプラグ溶接或いは隅肉溶接で固定する構成等としてもよい。

セパレータ３の上流側には、基体２を流通する流体の流れを熱交換路ＥＲと迂回路ＤＲのいずれかに規制するように切替可能な傾動バルブ４が設けられている。傾動バルブ４は、略舌片状のバルブ板４１と、バルブ板４１の根元に固定されている軸部４２とから構成されており、軸部４２の両端部が壁部２５・２５の軸受２６・２６に挿入されて傾動バルブ４が傾動可能に支持され、半体２４ａ、２４ｂの相互間に架設される。傾動バルブ４の軸部４２は、一方の軸受２６側において、例えば後述する流通管６から流出される被加熱流体の温度を感知して駆動するサーモアクチュエータ５に接続されている。尚、傾動バルブ４は、セパレータ３の下流側に設ける構成とすることも可能である。

セパレータ３よりも膨出部２３の突出方向に寄った位置には、扁平管の形状を有する流通管６が間隔を開けて複数並置され、半体２４ａ、２４ｂの相互間に架設されている。流通管６は、略管状の基体２の管路方向、換言すれば扁平面が基体２を流通する流体の流れ方向に延びるように延設されており、複数の流通管６が間隔を開けて積層され、熱交換路ＥＲを流通する流体が周囲を流れるように設けられている。

各流通管６は、その両端部を半体２４ａの壁部２５の貫通穴２７と半体２４ｂの壁部２５の貫通穴２７に嵌合され、溶接して基体２に接合されている。また、本実施形態では、流通管６の管路方向に所定間隔を開けて複数のフィン６１が設けられており、フィン６１によって熱交換の伝熱面積を増加させているが、フィン６１を設けずに熱交換路ＥＲの流体の流れをよりスムーズにし、圧力損失をより低減する構成としてもよい。

両側の貫通穴２７の外側には、それぞれ流通管６に流通させる流体を導入、導出させるための流通連結ユニット７が設けられる。流通連結ユニット７は、片側の複数の貫通穴２７の全体を覆う連結カバー７１と、連結カバー７１に接続されている配管７２とから構成され、連結カバー７１の縁部が基体２の形状に沿うように配置されて基体２に溶接等で接合されている。

そして、例えば半体２４ｂに接合された流通連結ユニット７から被加熱流体が流通管６に導入され、半体２４ａに接合された流通連結ユニット７で流通管６から被加熱流体が導出される。加熱されて導出された被加熱流体は、半体２４ａ側の配管７２から送出されると共に、傾動バルブ４の開閉動作を制御するサーモアクチュエータ５に送られ、被加熱流体の温度が所定温度以上になった場合に傾動バルブ４を開状態にして被加熱流体の加熱を停止する。

本実施形態の排熱回収装置１では、例えば自動車の内燃機関の排気管路に基体２を接続して基体２に排気を流通させる。また、流通管６には、例えば冷却水、オイル、空気等の被加熱流体を流通させる。そして、傾動バルブ４が開状態の時には、図４に示すように、排熱回収装置１の基体２の迂回路ＤＲを排気が太線二点鎖線矢印のように流通する。また、被加熱流体の温度が所定温度以下に低下する等でサーモアクチュエータ５が傾動バルブ４を閉状態にした時には、図５に示すように、排熱回収装置１の基体２の熱交換路ＥＲを排気が太線二点鎖線矢印のように流通し、流通管６を流れる冷却水等の被加熱流体を加熱する。

この閉状態では、傾動バルブ４のバルブ板４１の軸部４２よりも下流側に突出する部分が、セパレータ３の上流側に向かって下方に傾斜する前壁３２の内側に設置されている受け部３３に当接することで、バルブ板４１の傾動動作が規制されると共に、セパレータ３とバルブ板４１との間に排気が流れることが規制される。尚、図中の２８は基体２内に設けられる開状態のバルブ板４１を受ける受け部である。

本実施形態の排熱回収装置１によれば、一対の半体２４ａ、２４ｂを接合して形成される基体２と、基体２の膨出部２３の内部を略区分するセパレータ３によって熱交換路ＥＲと迂回路ＤＲを構成することができるので、少ない部品点数で排熱回収装置１を形成することができる。従って、部品の接合箇所が少なくなり、製造効率を向上することができると共に、部品のコストや接合作業のコストを減らして製造コストを低減することができる。また、部品点数が少ないことから、排熱回収装置１を軽量化することができ、例えば自動車の内燃機関の排気から排熱を回収する排熱回収装置１とする場合には、排熱回収装置１の軽量化によって燃費を改善することができる。また、排気が基体２を流通する構成では、上流側の排気管を流体導入部２１に、下流側の排気管を流体導出部２２に連結することで排熱回収装置１を容易に排気管に取り付けることができ、排熱回収装置１の設置作業を容易化することができる。

また、セパレータ３と傾動バルブ４と流通管６を半体２４ａ、２４ｂの相互間に架設する構成により、一対の半体２４ａ、２４ｂを互いに合わせる作業と連係させて、セパレータ３、傾動バルブ４、流通管６を基体２に容易に設置することができる。また、一方の半体２４ａの貫通穴２７と他方の半体２４ｂの貫通穴２７に流通管６の両端部をそれぞれ嵌合して溶接する構成により、一対の半体２４ａ、２４ｂ、基体２に対して流通管６を容易且つ確実に位置決めして、流通管６を架設された状態で固定することができる。また、一方の半体２４ａの壁部２５と他方の半体２４ｂの壁部２５にそれぞれ軸受２６を設け、両側の軸受２６・２６で傾動バルブ４の軸部４２を傾動可能に支持する構成により、一対の半体２４ａ、２４ｂ、基体２に対して軸受２６の位置で傾動バルブ４を容易且つ確実に位置決めして、傾動バルブ４を傾動可能な状態で取り付けることができる。

また、一方の半体２４ａの合わせ部分に設けられている嵌合部２４１ａを、他方の半体２４ｂの合わせ部分に設けられている被嵌合部２４１ｂに嵌合する構成により、一方の半体２４ａと他方の半体２４ｂを正確な位置に位置決めして合わせることができ、製造作業の容易化、歩留まりの向上を図ることができる。また、セパレータ３、傾動バルブ４、流通管６を半体２４ａ、２４ｂの相互間の正確な位置に架設する作業も容易化することができる。

また、流通管６を扁平管として表面積を大きくし、扁平管の扁平面を流体の流れ方向に延設して流体との接触面積を増やし、この扁平管を間隔を開けて積層することにより、流通管６の熱交換する領域を増加させて熱交換効率を高めることができる。また、この扁平管の形状、配置により、基体２を流通する流体の圧力損失を低減することができ、スムーズな流体の流れを確保することができる。例えば自動車の内燃機関の排気が基体２内を流れる場合、この圧力損失の低減によって内燃機関の背圧を低減し、内燃機関の排気効率、吸気効率、燃焼効率を高めることができる。

〔本明細書開示発明の包含範囲〕
本明細書開示の発明は、発明として列記した各発明、実施形態の他に、適用可能な範囲で、これらの部分的な内容を本明細書開示の他の内容に変更して特定したもの、或いはこれらの内容に本明細書開示の他の内容を付加して特定したもの、或いはこれらの部分的な内容を部分的な作用効果が得られる限度で削除して上位概念化して特定したものを包含する。そして、本明細書開示の発明には下記変形例や追記した内容も含まれる。

本発明の排熱回収装置における一対の半体は、上記実施形態の半体２４ａ、２４ｂに限定されず、例えば略管状で軸方向の中間部分に接続穴が形成され、傾動バルブが取り付けられた一方の半体に、膨出部２３の膨出部分に相当する形状で、流通管とセパレータが取り付けられた他方の半体を、接続穴に載せるように配置して接合する構成等とすることも可能である。

また、本発明における傾動バルブの切替動作を行う制御機構は、上記実施形態のサーモアクチュエータ５に限定されず適宜であり、例えば制御機構の連結部を傾動バルブ４の軸部４２に連結し、運転席等のスイッチによる操作者のＯＮ・ＯＦＦ動作に応じて傾動バルブ４の軸部４２を回転させる制御機構等を用いることも可能である。また、セパレータ３の形状は、膨出部２３の内部を熱交換路ＥＲと迂回路ＤＲに略区分できる形状であれば適宜である。

また、上記実施形態の排熱回収装置１では、基体２を排気が流通し、流通管を被加熱流体が流通する構成としたが、本発明の排熱回収装置は、基体２を被加熱流体が流通すると共に、流通管６を排気が流通する構成とすることも可能であり、これにより、部品点数の削減、製造効率の向上、製造コストの低減、排熱回収装置の軽量化を図ることができる。また、本発明における加熱流体には、例えば液体、蒸気など排気以外のものも含まれ、又、本発明の排熱回収装置には、自動車に設置するもの以外も含まれる。

本発明は、例えば自動車の内燃機関の排気から排熱を回収する際に利用することができる。

１…排熱回収装置 ２…基体 ２１…流体導入部 ２２…流体導出部 ２３…膨出部 ２４ａ、２４ｂ…半体 ２４１ａ…嵌合部 ２４１ｂ…被嵌合部 ２５…壁部 ２５１…載置部 ２６…軸受 ２７…貫通穴 ２８…受け部 ３…セパレータ ３１…側壁 ３２…前壁 ３３…受け部 ４…傾動バルブ ４１…バルブ板 ４２…軸部 ５…サーモアクチュエータ ６…流通管 ６１…フィン ７…流通連結ユニット ７１…連結カバー ７２…配管 ＥＲ…熱交換路 ＤＲ…迂回路

Claims (6)

1. 略筒形の流体導入部、略筒形の流体導出部、前記流体導入部と前記流体導出部との間に設けられ前記流体導入部と前記流体導出部に対して一方向の側方に突出する膨出部を有し、前記膨出部の突出方向に前記流体導入部と前記流体導出部と前記膨出部を２分割した形状をなす一対の半体を接合して形成されている基体と、
   前記基体を流通する流体の流れ方向に延設され、前記膨出部の内部を熱交換路と迂回路に略区分するセパレータと、
   前記基体を流通する流体の流れを前記熱交換路と前記迂回路のいずれかに規制するように切替可能な傾動バルブと、
   前記熱交換路を流通する流体が周囲を流れるように設けられ、間隔を開けて複数並置される流通管を備え、
   前記セパレータと前記傾動バルブと前記流通管が、前記半体の相互間に架設され、
   前記基体を加熱流体が流通すると共に、被加熱流体が一方の前記半体側から導入され他方の前記半体側から導出されるように前記流通管の架設方向に流通することを特徴とする排熱回収装置。
2. 略筒形の流体導入部、略筒形の流体導出部、前記流体導入部と前記流体導出部との間に設けられ前記流体導入部と前記流体導出部に対して一方向の側方に突出する膨出部を有し、前記膨出部の突出方向に前記流体導入部と前記流体導出部と前記膨出部を２分割した形状をなす一対の半体を接合して形成されている基体と、
   前記基体を流通する流体の流れ方向に延設され、前記膨出部の内部を熱交換路と迂回路に略区分するセパレータと、
   前記基体を流通する流体の流れを前記熱交換路と前記迂回路のいずれかに規制するように切替可能な傾動バルブと、
   前記熱交換路を流通する流体が周囲を流れるように設けられ、間隔を開けて複数並置される流通管を備え、
   前記セパレータと前記傾動バルブと前記流通管が、前記半体の相互間に架設され、
   前記基体を被加熱流体が流通すると共に、加熱流体が一方の前記半体側から導入され他方の前記半体側から導出されるように前記流通管の架設方向に流通することを特徴とする排熱回収装置。
3. 一方の前記半体の貫通穴と他方の前記半体の貫通穴に、前記流通管の両端部がそれぞれ嵌合されて溶接されていることを特徴とする請求項１又は２記載の排熱回収装置。
4. 一方の前記半体の壁部と他方の前記半体の壁部にそれぞれ軸受が設けられ、両側の前記軸受で前記傾動バルブの軸部が傾動可能に支持されていることを特徴とする請求項１〜３の何れかに記載の排熱回収装置。
5. 一方の前記半体の合わせ部分に設けられている嵌合部が、他方の前記半体の合わせ部分に設けられている被嵌合部に嵌合されていることを特徴とする請求項１〜４の何れかに記載の排熱回収装置。
6. 前記流通管が扁平管であり、前記扁平管の扁平面が前記基体を流通する流体の流れ方向に延設されると共に、前記扁平管が間隔を開けて積層されていることを特徴とする請求項１〜５の何れかに記載の排熱回収装置。

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