JPWO2006090725A1 - 排気熱回収装置 - Google Patents

Abstract

内燃機関などの排気系で、排気ガスと媒体との熱交換を行う熱交換器と、排気ガスが熱交換器を迂回するバイパス経路と、該バイパス経路を開閉する弁体とを備えた排気熱回収装置において、配線や配管を少なくして、コスト面で有利な排気熱回収装置を提供するため、排気ガスの流量が所定の値以上になると、付勢体の付勢力に抗してバイパス経路を閉状態から開動作する弁体と、媒体の温度が所定の値以上になると弁体を開動作する温度作動アクチュエータとを設けて、排気ガスの流量及び媒体の温度の少なくとも一方が所定の値以上になった際に弁体を開動作させる。

Description

本発明は、内燃機関を搭載した車両などの排気系に設けられ、排気熱を回収し暖機などに利用するための排気熱回収装置に関する。

従来、この種の排気熱回収装置としては、内燃機関の運転状態と媒体（冷却水）の温度に応じて排気系の弁体を開閉させ、排気ガスの流路を排気系上の熱交換器とそれを迂回するバイパス経路とに切替制御できるものが知られている。このようにすることで、例えば特許文献１に記載の排気熱回収装置は、冷間時の車両の運動性能の不具合を解消することを企図したものである。
実開昭６３−１６０３１５号公報

しかし、上記特許文献１に記載された排気熱回収装置は、上記弁において切り替え制御に使用する弁体を駆動するためのモータや動力駆動アクチュエータなどの駆動手段と、それを制御するためのコンピュータなどの制御手段、内燃機関の回転数や媒体の温度を検出する検出手段を必要とする。さらに、それらを接続するためには配線や配管を必要とする上に、それらは車両に応じた専用設計が必要であった。このため、コスト面では有利な方法とは言えなかった。

前記の課題を解決するために、請求項１記載の発明は、内燃機関などの排気系で、排気ガスと媒体との熱交換を行う熱交換器と、排気ガスが熱交換器を迂回するバイパス経路と、該バイパス経路を開閉する弁体とを備えた排気熱回収装置において、排気ガスの流量が所定の値以上になると、付勢体の付勢力に抗して前記バイパス経路を閉状態から開動作する前記弁体と、前記媒体の温度が所定の値以上になると前記弁体を開動作する温度作動アクチュエータとを設けて、排気ガスの流量及び媒体の温度の少なくとも一方が所定の値以上になった際に前記弁体が開動作することを特徴とする排気熱回収装置である。

請求項２記載の発明は、請求項１記載の発明において、前記媒体の温度に応じて伸縮運動する温度作動アクチュエータの伸長運動により前記弁体を開動作させるクランク機構と、前記温度作動アクチュエータの収縮運動と前記弁体の閉動作を遊動する遊動機構とを設けたことを特徴とする排気熱回収装置である。

請求項３記載の発明は、請求項１又は２記載の発明において、前記温度作動アクチュエータは内蔵するワックスにより伸縮運動するサーモエレメントであることを特徴とする排気熱回収装置である。

本発明によれば、排気ガスの流量が増大し所定の値以上になった際には、媒体の温度に拘らず弁体が開いてバイパス経路が開放され、排気ガスが排気系上で熱交換器を迂回してバイパス経路を流通するようになるため、排気ガスの排気系での流通抵抗を小さくすることができる。このため、例えば暖機が不十分な状態で車両が発進される場合における運動性能の不具合を解消することができる。一方で、排気ガスの流量が少なくバイパス経路が弁体で閉塞される状態においても、媒体の温度が所定の値以上になった場合には、温度作動アクチュエータにより弁体が開動作されバイパス経路が開放され、排気ガスは熱交換器を迂回してバイパス経路を流通するようになるため、熱交換器を流通する媒体の過熱を抑制することができる。このため、例えば車両において渋滞などの際に懸念される冷却系への過負荷を防止することができる。

また、本装置の制御は排気熱回収装置内で完結しており、他に配線配管や検出手段や制御手段や動力供給の必要も無いため、搭載性、経済性、信頼性にも優れるものである。

本発明を実施するための最良の形態を図１乃至図８Ｃに示す実施例に基づいて説明する。

図１乃至図３は本願発明による実施例１を示すもので、図１は実施例１の排気熱回収装置１を示す正面図、図２は図１の排気熱回収装置１の縦断面図、図３は図１におけるＩＩＩ−ＩＩＩ線断面図である。

排気熱回収装置１は内燃機関を有する車両などの排気系に配設され、図１に示すように上流側（図左側）には上流側排気管Ｊが、下流側（図右側）には下流側排気管Ｋがそれぞれ接続される。漏斗状のコーン２と円筒状の第１ケース３の一端、および第１ケース３の他端と筒状の第２ケース４はそれぞれリテーナ５，６を挟持するように接合されている。

前記第１ケース３の内側には、図２、図３に示すように、カバーパイプ１３が第１ケース３と略同心状に、前記両リテーナ５，６を貫通して液密に設けられ、これら第１ケース３とカバーパイプ１３と両リテーナ５，６によって媒体流通部１４が形成されている。内燃機関などの冷却系に接続される媒体入口１６と媒体出口１５が第１ケース３に設けられ、媒体流通部１４に媒体が流通するようになっている。媒体流通部１４内に両リテーナ５，６を貫通して、螺旋状の溝が形成された熱交換パイプ１７が配置され、かつ、該熱交換パイプ１７は、図３に示すように、カバーパイプ１３の外周を取り囲むように複数本配設され、熱交換パイプ１７内を排気ガスが流通する際に、媒体流通部１４を流通する媒体と排気ガスの間で熱交換が行われるようになっている。なお、本実施例１では、第１ケース３、リテーナ５，６、カバーパイプ１３、媒体流通部１４、媒体入口１６、媒体出口１５、熱交換パイプ１７によって熱交換器を構成している。

前記第１ケース３の外部には、温度作動アクチュエータであるサーモエレメント７が設けられ、それを覆ってエレメントカバー８が設けられている。なお、エレメントカバー８の内部はサーモエレメント７と媒体が接触できるように媒体流通部１４を流通する媒体が連通可能になっている。サーモエレメント７は、連通された媒体温度の上昇に応じて内蔵されたパラフィンワックスが熱膨張することにより作動アーム１２をβ方向へ直進的に伸長運動させるとともに、この媒体温度が低下してパラフィンワックスが収縮した際にはサーモエレメント７内のリターンスプリング９により作動アーム１２を前記とは逆方向へ直進的に収縮運動させるようになっている。また、作動アーム１２には、その端部に軸方向に長孔２６が設けられ、該長孔２６と係合するピン２７を備えたロッド２５を長孔２６の範囲内で軸方向にスライド可能として遊動機構を形成している。

カバーパイプ１３の内側には、カバーパイプ１３と略同心状にバイパス経路を形成するバイパスパイプ１８が配設されている。バイパスパイプ１８はその上流側と下流側が開口した円筒パイプで形成され、カバーパイプ１３の下流端に接合されるとともに、カバーパイプ１３の上流端に摺動材１９を介して保持されている。これにより、バイパスパイプ１８内に排気ガスが流通した際に生じるカバーパイプ１３とバイパスパイプ１８の熱膨張差を吸収することができ、耐久性の向上が図られている。

バイパスパイプ１８の下流端には、図２に示すように、弁座２０と、打音を抑制する緩衝材２１が設けられ、また弁座２０と当接してバイパスパイプ１８を開閉可能なバタフライ型の弁体２２が、バイパスパイプ１８の周辺端部に設置された弁軸１０に回動可能に設けられて、図示しない付勢スプリングにてバイパスパイプ１８の閉塞方向に付勢されている。すなわち、バイパスパイプ１８を流れる排気ガスの流量が所定の値以下のときは、弁体２２は付勢スプリングの付勢力によりバイパスパイプ１８の下流端を閉塞するようになっている。なお、排気ガスの流量に応じて開閉動作するバルブシステムは、所謂可変バルブとして排気装置では周知である。

弁軸１０の一端は第２ケース４の外部へ突出しており、この突出した弁軸１０の一端にクランク１１の一端が一体的に軸支されるとともに、クランク１１の他端にピボット２４を介して前述の遊動機構のロッド２５が軸支され、弁体２２はサーモエレメント７の伸縮運動によりこのクランク機構を介して回動されるようになっている。

以上の構成による、実施例１の排気熱回収装置１の作用について説明する。
排気ガスの流量および媒体の温度がともに所定の値以下の場合には、弁体２２は図示しない付勢スプリングの付勢力によりバイパスパイプ１８を閉塞している。このため、排気ガスは熱交換パイプ１７内を強制的に流通し媒体流通部１４内を流通する媒体との間で熱交換される。

排気ガスの流量が所定の値以上の場合には、媒体の温度が所定の値以下であっても、この排気ガスによって弁体２２は図２に示すα方向へ回動するよう作用される。その際、弁体２２と一体的に設けられたクランク１１の回動に伴いロッド２５が図１に示すβ方向に移動するが、ロッド２５は作動アーム１２に対し遊動可能に設けられているため、サーモエレメント７の影響を受けずに弁体２２が回動し、バイパスパイプ１８を開放することができる。

また、媒体の温度が所定の値以上の場合には、排気ガスの流量が所定の値以下であっても、サーモエレメント７の伸長運動により作動アーム１２がβ方向に移動するとともに、長孔２６の図示左端がピン２７に係合してロッド２５もβ方向に移動される。それに伴い、弁軸１０を中心とするクランク１１の回動により一体となった弁体２２もα方向に開方向へ回動し、バイパスパイプ１８を開放することができる。

本実施例１においては、排気ガスの流量が増大し所定の値以上になった際には、媒体の温度に拘らずバイパスパイプ１８は開放されて、排気ガスが熱交換パイプ１７を迂回してこのバイパスパイプ１８を流通するようになるため、排気ガスの流通抵抗を小さくすることができる。このため、例えば暖機が不十分な状態で車両が発進される場合における運動性能の不具合を解消することができる。一方で、排気ガスの流量が少なくバイパスパイプ１８が弁体２２で閉塞される状態においても、媒体の温度が所定の値以上になった場合には、温度作動アクチュエータであるサーモエレメント７により弁体２２が開放され、排気ガスが熱交換パイプ１７を迂回してバイパスパイプ１８を流通するようになるため、媒体の過熱を抑制することができる。このため、例えば内燃機関などを備えた車両において渋滞などの際に懸念される冷却系への過負荷を防止することができる。

図４は本発明による実施例２の排気熱回収装置３１を示す模式図である。

熱回収装置３１は内燃機関を使用する車両などの排気系に配設され、上流側（図左側）には上流側排気管（図示せず）が、下流側（図右側）には下流側排気管（図示せず）がそれぞれ接続される。熱交換器３２は図示しない内燃機関などの冷却系に媒体出口３２ａと媒体入口３２ｂにより接続されて熱交換器３２を流通する排気ガスと媒体との間で熱交換可能に構成されたものである。バイパス経路３３は熱交換器３２を迂回して排気ガスを下流側排気管に導くように設けられている。バイパス経路３３の途中には、スプリングなどからなる付勢体３４によりバイパス流路３３を閉塞する方向に付勢されたバタフライ型の弁体３５が弁軸３６に備えられており、該弁体３５が弁軸３６を中心にして弁軸と一体に回動可能に設けられている。これにより、排気ガスの流量が所定の値以上になった場合には、弁体３５が付勢体３４の付勢力に抗して回動しバイパス経路３３を開放するようになっている。

温度作動アクチュエータであるサーモエレメント３７はその受熱部が熱交換器３２を流通する媒体と接触するようにして熱交換器３２の外側に設置され、媒体の温度上昇に応じて内蔵されたパラフィンワックスが熱膨張することによりその作動アーム３８を構成する第１アーム３８ａを図４のβ方向へ直進的に伸長運動させ、パラフィンワックスが収縮した際には内蔵したリターンスプリング（図示せず）により作動アーム３８の第１アーム３８ａを上記とは逆方向へ直進的に収縮運動させるようになっている。前記第１アーム３８ａの先部には回転軸３８ｂにより第２アーム３８ｃが回転可能に連結されている。また、作動アーム３８と弁体３５とを係動するクランク３９が弁軸３６と一体に回動するように設けられている。さらに、クランク３９は、図４に示すように、前記弁軸３６を中心とするほぼ三角形状に形成され、さらに前記弁軸３６を中心とする円弧状の長孔３９ａが設けられるとともに、作動アーム３８の第２アーム３８ｃの先端部に設けたピン３８ｄがこの長孔３９ａにゆるく嵌合され長孔３９ａの範囲内でスライド可能に設けられて遊動機構を形成している。

上記の構成による本実施例２の排気熱回収装置３１の作用について説明する。
排気ガスの流量および媒体の温度がともに所定の値以下の場合には、弁体３５は付勢体３４の付勢力によりバイパスパイプ３３を閉塞している。このため、排気ガスは熱交換器３２内を強制的に流通して媒体との間で熱交換される。

排気ガスの流量が所定の値以上の場合には、媒体の温度が所定の値以下であっても、排気ガスが弁体３５を図４に示すα方向へ回動するよう作用する。その際、弁体３５の回動に伴いクランク３９が図４において反時計方向に回動するが、作動アーム３８のピン３８ｄは長孔３９ａ内をスライドし、サーモエレメント３７の影響を受けず弁体３５が回動し、バイパスパイプ３３を開放することができる。

また、排気ガスの流量が所定の値以下であっても、媒体の温度が所定の値以上の場合には、サーモエレメント３７の伸長運動により作動アーム３８における第１アーム３８ａがβ方向に移動する。これにより第２アーム３８ｃの先端のピン３８ｄが、長孔３９ａの図示下端を下方へ押し、クランク３９を反時計方向に回動する。この回動時には第２アーム３８ｃが回転軸３８ｂを中心として図示の右方へ回転し、支障なくクランク３９の回転を行う。このクランク３９の反時計方向の回動により弁体３５は開方向に回動され、バイパスパイプ３３を開放することができる。

こうして、実施例２も実施例１と同様の効果を発揮することができる。

図５乃至図８は本願発明による実施例３を示すもので、図５は実施例３の排気熱回収装置１０１を示す正面図、図６は実施例３の排気熱回収装置１０１を示す図５のＶＩ−ＶＩ線に沿った縦断面図、図７は図５におけるＶＩＩ−ＶＩＩ線に沿った断面図である。図８Ａ〜図８Ｃは図５におけるＤ方向より見た場合の各作動状態を示す一部拡大図である。

排気熱回収装置１０１は内燃機関を備えた車両などの排気系に配設され、図５に示すように上流側（図左側）には上流側排気管Ｊが、下流側（図右側）には下流側排気管Ｋがそれぞれ接続される。

排気熱回収装置１０１の上流側には円筒状の第１ケース１０３が配置され、その内側には、図６に示すように、第１ケース１０３と略同心状に、熱交換パイプ１１７が第１ケース１０３とその両端部において液密に設けられており、該熱交換パイプ１１７と第１ケース１０３間に媒体流通部１１４が形成されている。本実施例での前記熱交換パイプ１１７におけるその軸方向と直交する方向の断面は、図７に示すように、周方向に４つの山部１１７ａと４つの谷部１１７ｂを交互に形成した波状に形成され、この４つの谷部（溝部）１１７ｂは軸方向に螺旋状に形成されている。

内燃機関などの冷却系に接続される媒体出口１１５が第１ケース１０３に、媒体入口１１６が第１ケース１０３の外部に設置された後述するエレメントカバー１０８に設けられ、媒体流通部１１４とエレメントカバー１０８内に媒体が流通するようになっている。本実施例３では、第１ケース１０３、媒体流通部１１４、媒体出口１１５、媒体入口１１６、熱交換パイプ１１７、空間１１８ｃにより熱交換器を構成している。

前記熱交換パイプ１１７の下流側には、周方向に２つに分割された部分からなる第２ケース１０４が、図示しない開口部を備えたリテーナ１０６を挟持するようにして熱交換パイプ１１７と接合されている。

また、内部にバイパス経路を形成するバイパスパイプ１１８は、上流側バイパスパイプ１１８ａと下流側バイパスパイプ１１８ｂの２つのパイプを摺動材１１９を介して嵌合接続して形成され、その上流端と下流端は開口されており、熱交換パイプ１１７の上流側端部と、熱交換パイプ１１７の下流側に設けられたリテーナ１０６により、第１ケース１０３と略同心状に熱交換パイプ１１７の内側に保持されている。

バイパスパイプ１１８の上流端近傍には、複数の小径の連通孔１２６が、バイパスパイプ１１８と熱交換パイプ１１７間に形成された空間１１８ｃに連通するように形成され、バイパスパイプ１１８内の排気ガスが、連通孔１２６を通じて空間１１８ｃ内に流通可能になっている。そして、その流通の際に媒体流通部１１４を流通する媒体と排気ガスとの間で熱交換が行われる。

バイパスパイプ１１８の下流部にはバイパスパイプ１１８を開閉するバタフライ型の弁体１２２が、バイパスパイプ１１８に枢動可能に設置された弁軸１１０に一体的に設けられており、該弁軸の回動を一定方向に付勢する付勢スプリング１２５によって閉塞方向に付勢されている。またバイパスパイプ１１８の下流端部にはこの弁体１２２のバイパスパイプ１１８に対する打音を抑制する緩衝材１２１が設けられている。

この構成によって、バイパスパイプ１１８を流れる排気ガスの流量が所定の値以下のときは、弁体１２２は付勢スプリング１２５によって付勢されてバイパスパイプ１１８の下流端を閉塞し、排気ガスの流量が所定の値以上のときは、弁体１２２は付勢スプリング１２５の付勢力に抗して開くようになっている。

さらに第１ケース１０３の外部には、図５に示すように、前述した温度作動アクチュエータであるサーモエレメント１０７が設けられたエレメントカバー１０８が設けられ、その内部には内燃機関などの冷却部を循環する媒体が媒体入口１１６を通って流入する。

サーモエレメント１０７は、その受熱部がエレメントカバー１０８を流通する媒体と接触するように配置されており、その媒体の温度に応じて、高温時には内蔵されたパラフィンワックスが熱膨張することにより作動アーム１１２を図５のβ方向へ直進的に伸長運動させるとともに、低温時にはパラフィンワックスが収縮しリターンスプリング（図示せず）により作動アーム１１２を前記とは逆方向へ直進的に収縮運動させるようになっている。

また、前記弁軸１１０にはクランク１１１が弁体１２２とともに回動するように一体的に備えられていて、該クランク１１１に形成された係合片１１１ａが前記作動アーム１１２と対向するように配置され、作動アーム１１２の伸縮運動によって弁体１２２を開閉させるクランク１１１は弁軸１１０と一体に回動するように設けられている。
なお、作動アーム１１２とクランク１１１は、接合はされてなく当接および離間が可能に設けられて遊動機構を形成している。

次に、本実施例３の作用について説明する。
図８Ａ〜図８Ｃは、図５におけるＤ方向より見た場合の各作動状態を示す一部拡大図である。

図８Ａは排気ガスの流量および媒体の温度がともに所定の値以下の場合を示す。
この場合には弁体１２２は付勢スプリング１２５の付勢力に従いバイパスパイプ１１８を閉塞している。また、サーモエレメント１０７も収縮状態にあり、作動アーム１１２はクランク１１１の係合片１１１ａと離間している。

図８Ｂは排気ガスの流量が所定の値以上であり、媒体の温度が所定の値以下の場合を示す。
この場合には、サーモエレメント１０７は収縮状態にあるが、排気ガスの流れにより弁体１２２が押されて付勢スプリング１２５の付勢力に抗してバイパスパイプ１１８を開放する。この時、弁体１２２と一体に回動するクランク１１１は作動アーム１１２に対し離間可能に設けられているため、サーモエレメント１０７が作動せず作動アーム１１２が伸張しない場合でも弁体１２２は開方向に回動し、バイパスパイプ１８を開放することができる。

図８Ｃは、媒体の温度が所定の値以上であり、排気ガスの流量が所定の値以下の場合を示す。
この場合には、サーモエレメント１０７が伸長運動することで、作動アーム１１２がクランク１１１の係合片１１１ａに当接してさらに押し、クランク１１１を回動させる。これにより、クランク１１１と一体に回動する弁体１２２は開方向に回動され、バイパスパイプ１８を開放する。

よって、実施例３も実施例１と同様の効果を発揮することができる。

以上、本発明の実施例を説明してきたが、本発明は上述の実施例に限られるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲の設計変更があっても、本発明に包含されるものである。

例えば、弁体の付勢体はサーモエレメントに含まれる付勢体（リターンスプリング）で兼用させてもよい。
また、温度作動アクチュエータは、バイメタルや形状記憶合金を用い、これらの形状変化によって弁体の回動運動を行わせるようにしてもよい。
さらに、熱交換器、弁体、付勢体、クランク機構、遊動機構などは従来周知の構造のものを任意に採用することができる。
さらに、バイパス経路内や熱交換経路内に吸音材を設けるなどして、熱回収装置に消音機能をもたせるようにしてもよい。

更に、本発明は、媒体への熱回収を主目的とする狭義の熱回収器（ヒートコレクタやオイルウォーマ等）に限らず、排気ガスの冷却を主目的とする熱交換器（排気クーラーやＥＧＲクーラー等）も熱回収装置として包含する。更に、適用対象は車両等の内燃機関用に限定するものではなく、汎用エンジンや据置式燃焼装置等、あらゆる排気ガス発生装置の排気系に適用可能である。

本発明による実施例１の排気熱回収装置を示す正面図。 図１の排気熱回収装置の縦断面図。 図１のＩＩＩ−ＩＩＩ線に沿った断面図。 本発明による実施例２の排気熱回収装置を示す模式図。 本発明による実施例３の排気熱回収装置を示す正面図。 図５の排気熱回収装置のＶＩ-ＶＩ線に沿った縦断面図。 図５のＶＩＩ−ＶＩＩ線に沿った断面図。 図５におけるＤ方向より見た場合の作動状態を示す一部拡大図。 図５におけるＤ方向より見た場合の他の作動状態を示す一部拡大図。 図５におけるＤ方向より見た場合の他の作動状態を示す一部拡大図。

Claims (3)

1. 内燃機関などの排気系で、排気ガスと媒体との熱交換を行う熱交換器と、排気ガスが熱交換器を迂回するバイパス経路と、該バイパス経路を開閉する弁体とを備えた排気熱回収装置において、排気ガスの流量が所定の値以上になると、付勢体の付勢力に抗して前記バイパス経路を閉状態から開動作する弁体と、前記媒体の温度が所定の値以上になると前記弁体を開動作する温度作動アクチュエータとを設けて、排気ガスの流量及び媒体の温度の少なくとも一方が所定の値以上になった際に前記弁体が開動作することを特徴とする排気熱回収装置。
2. 前記媒体の温度に応じて伸縮運動する前記温度作動アクチュエータの伸長運動により前記弁体を開動作させるクランク機構と、前記温度作動アクチュエータの収縮運動と前記弁体の閉動作を遊動する遊動機構とをさらに設けたことを特徴とする請求項１記載の排気熱回収装置。
3. 前記温度作動アクチュエータは内蔵するワックスにより伸縮運動するサーモエレメントであることを特徴とする請求項１または２に記載の排気熱回収装置。