(57)【要約】【課題】走行風の影響により回収熱量が低下せず、且つ熱交換を行う排気及び冷媒の圧力損失を低減でき、更に熱回収量を容易に制御できること。【解決手段】内部に冷却水２が流動する内筒部１１と、この内筒部１１の外側に所定間隔をもって配置され、内筒部１１との間に、導入された排気１の熱を内筒部１１内の冷却水２に回収させる熱回収流路１６を形成する中間筒部１２と、この中間筒部１２の外側に所定間隔をもって配置され、中間筒部１２との間に、バイパスされた排気を流動させるバイパス流路１７を形成する外筒部１３と、中間筒部１２における排気１の流れ方向上流端に設置され、排気１を熱回収流路１６とバイパス流路１７に切り替えて流す排気バルブ１４と、を有するものである。【選択図】  図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
内部に冷媒が流動する内筒部と、
この内筒部の外側に所定間隔をもって配置され、前記内筒部との間に、導入された排気の熱を前記内筒部内の冷媒に回収させる熱回収流路を形成する中間筒部と、
この中間筒部の外側に所定間隔をもって配置され、前記中間筒部との間に、バイパスされた排気を流動させるバイパス流路を形成する外筒部と、
前記中間筒部における排気の流れ方向上流端に設置され、排気を前記熱回収流路と前記バイパス流路に切り替えて流す排気バルブと、を有して構成されたことを特徴とする排気熱回収装置。
【請求項２】
前記内筒部には、冷媒を撹拌して流動させるスタティックミキサーが内蔵されたことを特徴とする請求項１に記載の排気熱回収装置。
【請求項３】
前記排気バルブは、弁体と、この弁体の略中央位置に設けられた弁体棒とを有し、この弁体棒が、中間筒部の幅方向または直径方向の略中央位置に配置された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。
【請求項４】
前記排気バルブは、弁体と、この弁体の端部に設けられた弁体棒とを備えてなるバルブアッセンブリが観音開き構造に複数配設されて構成され、前記各バルブアッセンブリの前記弁体棒が、中間筒部における幅方向または直径方向の端部に配置され、
全閉時には、複数の前記バルブアッセンブリの前記弁体により前記中間筒部における排気の流れ方向上流端が閉塞され、全開時には、複数の前記バルブアッセンブリにおける前記弁体の先端部分が外筒部に接近して、バイパス流路における排気の流れ方向上流端が略閉塞されるよう構成された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。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、エンジンの排気の熱を冷媒、例えばエンジンの冷却水に回収する排気熱回収装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来より、自動車用内燃機関（自動車用エンジン；以下エンジンと称する）の排気の熱を回収する機器として、排気熱回収装置が知られている。このような排気熱回収装置は、エンジンの排気管の途中に設置され、排気管を通過するエンジンからの排気とエンジンの冷却水との間で熱交換を行う。エンジンの冷却水を介して回収された排気熱は、例えばエンジンの暖機運転を早期に完了させるために、エンジンの冷間時に冷却水温度を急激に上昇させることに利用され、あるいは車室内の暖房にも利用される。
【０００３】
現在実用化されている排気熱回収装置は、特許文献１に開示された第１従来技術（図５）と、特許文献２に開示された第２従来技術（不図示）に大別されるが、コスト面などの理由から第１従来技術が主流である。
【０００４】
第１従来技術の排気熱回収器１００は、排気を通過させるバイパス流路１０４を形成する内筒部１０１と、この内筒部１０１の下流側でバイパス流路１０４を開閉する排気バルブ１０２と、内筒部１０１の外周側に間隔をもって設けられた外筒部１０３と、内筒部１０１と外筒部１０３との間に設けられた熱交換部（排気熱回収流路１０５及び１０６並びに冷却水流路１０７及び１０８）とを備えている。
【０００５】
排気熱回収を行う場合には排気バルブ１０２を閉動作させ、内筒部１０１内に導入された排気を、内筒部１０１の側部に設けられた多数の小孔１０９から、内筒部１０１の外周に設けられた第１排気熱回収流路１０５及び第２排気熱回収流路１０６へ順次流し、内側冷却水流路１０７及び外側冷却水流路１０８を流れる冷却水との間で熱交換を行わせる。
【０００６】
この排気熱回収器１００は、前述のように、エンジン始動時の暖機や車室内の暖房を主目的とすることから、エンジンの始動から一定時間経過して暖機や暖房のニーズが低下したときには、排気熱の回収を行わず排気を排出（廃棄）している。この排気熱の廃棄時にはバルブ１０２を開動作して、内筒部１０１内に導入された排気を直接下流側へ排出し、排気を第１熱回収流路１０５及び第２熱回収流路１０６へ流動させないようにして、必要以上の冷却水の温度上昇を抑制すると共に、排気の圧力損失を抑制している。
【０００７】
一方、第２従来技術の排気熱回収装置（車両用蓄熱システム）は、エンジンの冷却水系統に排熱回収手段と蓄熱器を備え、排熱回収手段は、エンジンから排出された排気とエンジンの冷却水の間で熱交換可能に、二股に分岐された一方のエンジンの排気系統に沿って配置されたものである。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００８】
【特許文献１】特開２０１０−３１６７１号公報
【特許文献２】特開２００１−３０７４１号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
ところが、排気熱回収装置には、エンジンの暖機や車室内の暖房の目的を達成した後、エンジンの定常運転時や高負荷運転時にも継続的に排気熱を回収できるようにして、燃費を向上させたいとする要請がある。例えば、ランキンサイクルシステムを搭載した車両において、排気の熱を冷却水に常時回収し、その回収熱をランキンサイクル加熱器の熱源とするような場合である。
【００１０】
しかしながら、第１及び第２従来技術では、エンジンの定常運転時に継続的に排気熱を回収しようとすると、次のような課題が生じる。
【００１１】
第１に、走行風により冷却水が冷却されて熱回収効率が低下してしまう。つまり、前部にエンジンが搭載されている車両では、排気管が車両前部からフロア下面を通って後方へ延びているため、排気熱回収器１００はフロア下面に設置されることになる。ところが、排気熱回収器１００では冷却水が外筒部１０３近傍を流れるため、エンジンの定常運転時や高速運転時のような流れの強い走行風によって、排気熱を回収した冷却水が冷却されやすく、熱損失が発生して排気熱の回収効率が低下してしまう。この点は、第２従来技術においても同様である。
【００１２】
第２に、排気及び冷却水の圧力損失が大きい。つまり、排気側について、排気熱回収器１００は小孔１０９を通して排気を第１排気熱回収流路１０５に流出させ、その後更に上流側で排気の流れを折り返して第２排気熱回収流路１０６へ流すことから、排気の圧力損失が大きい。このため、特にエンジンの高負荷時の出力及び燃費の低下が課題となる。また、冷却水側においても、内側冷却水流路１０７及び外側冷却水流路１０８の流路断面が狭小なため、冷却水の圧力損失が大きく、ウォータポンプ負荷が高くなって燃費の低下が課題となる。第２従来技術は、この点においても同様である。
【００１３】
尚、エンジンの定常運転時に継続的に排気熱を回収する排気熱回収装置であっても、ランキンサイクルシステムなどからの要請により、排気熱回収量を容易に制御できる必要がある。
【００１４】
本発明の目的は、上述の事情を考慮してなされたものであり、走行風の影響により回収熱量が低下せず、且つ熱交換を行う排気及び冷媒の圧力損失を低減でき、更に熱回収量を容易に制御できる排気熱回収装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１５】
本発明に係る排気熱回収装置は、内部に冷媒が流動する内筒部と、この内筒部の外側に所定間隔をもって配置され、前記内筒部との間に、導入された排気の熱を前記内筒部内の冷媒に回収させる熱回収流路を形成する中間筒部と、この中間筒部の外側に所定間隔をもって配置され、前記中間筒部との間に、バイパスされた排気を流動させるバイパス流路を形成する外筒部と、前記中間筒部における排気の流れ方向上流端に設置され、排気を前記熱回収流路と前記バイパス流路に切り替えて流す排気バルブと、を有して構成されたことを特徴とするものである。
【発明の効果】
【００１６】
本発明によれば、冷媒が流れる内筒部は、内筒部と中間筒部により形成される熱回収流路、中間筒部と外筒部により形成されるバイパス流路により順次覆われることになるので、冷媒に回収された回収熱量が走行風の影響により低下することを防止できる。また、熱回収流路が直線形状に形成されて、この熱回収流路内を流れる排気の流れがスムーズであり、また冷媒が流れる内筒部の流路断面積も確保されるので、排気及び冷媒の圧力損失を共に低減できる。更に、排気バルブの開度を調節して、熱回収流路内へ流れる排気の流量を調整することで、冷媒による熱回収量を容易に制御できる。
【図面の簡単な説明】
【００１７】
【図１】本発明に係る排気熱回収装置の第１実施形態における非熱回収状態を示し、（Ａ）は横断面図、（Ｂ）は図１（Ａ）のＩ−Ｉ線に沿う断面図。
【図２】図１の排気熱回収装置における熱回収状態を示し、（Ａ）は横断面図、（Ｂ）は図２（Ａ）のＩＩ−ＩＩ線に沿う断面図。
【図３】本発明に係る排気熱回収装置の第２実施形態における非熱回収状態を示し、（Ａ）は横断面図、（Ｂ）は図３（Ａ）のＩＩＩ−ＩＩＩ線に沿う断面図。
【図４】図３の排気熱回収装置における熱回収状態を示し、（Ａ）は横断面図、（Ｂ）は図４（Ａ）のＩＶ−ＩＶ線に沿う断面図。
【図５】第１従来技術の排熱回収器を示す断面図。
【発明を実施するための形態】
【００１８】
以下、本発明を実施するための実施形態を図面に基づき説明する。
［Ａ］第１実施形態（図１、図２）
図１は、本発明に係る排気熱回収装置の第１実施形態における非熱回収状態を示し、（Ａ）は横断面図、（Ｂ）は図１（Ａ）のＩ−Ｉ線に沿う断面図である。また、図２は、図１の排気熱回収装置における熱回収状態を示し、（Ａ）は横断面図、（Ｂ）は図２（Ａ）のＩＩ−ＩＩ線に沿う断面図である。
【００１９】
図１及び図２に示す排気熱回収装置１０は、図示しないエンジンの始動時のほか、エンジンの定常運転時や高負荷運転時にも継続的に、エンジンからの排気１の熱を冷媒（本実施形態ではエンジンの冷却水２）に回収して、その回収熱をエンジンの暖機運転、車室内の暖房、ランキンサイクル加熱器の熱源に利用するものであり、内筒部１１、中間筒部１２、外筒部１３及び排気バルブ１４を有して構成される。
【００２０】
内筒部１１は例えば円筒形状であって、内部に冷却水２が流動するものであり、スタティックミキサー１５が内蔵されている。このスタティックミキサー１５は、右方向に捩られた右捩り羽根１５Ａと、左方向に捩られた左捩り羽根１５Ｂとが、軸方向に交互に複数接合されて構成されたものである。隣接する右捩り羽根１５Ａと左捩り羽根１５Ｂとの交叉角度は例えば９０度である。従って、内筒部１１に内蔵されたスタティックミキサー１５によって、内筒部１１内を流れる冷却水２は撹拌される。
【００２１】
中間筒部１２は例えば円筒形状であって、内筒部１１の外周側に所定間隔をもって配置される。この中間筒部１２と内筒部１１との間に熱回収流路１６が形成される。この熱回収流路１６は、導入される排気１の熱を、熱交換によって内筒部１１内の冷却水２に回収させるものである。
【００２２】
外筒部１３は例えば円筒形状であって、中間筒部１２の外周側に所定間隔をもって配置される。この外筒部１３と中間筒部１２との間に、熱回収流路１６内に導入されずにバイパスされた排気１を流動させるバイパス流路１７が形成される。
【００２３】
排気バルブ１４は、例えば円板形状の弁体１８と、この弁体１８の略中央位置（例えば直径位置）に設けられた弁体棒１９と、を有して構成される。この排気バルブ１４は、中間筒部１２における排気１の流れ方向上流端に設置される。具体的には、排気バルブ１４の弁体棒１９は、中間筒部１２における排気１の流れ方向上流端であって、中間筒部１２の直径方向または幅方向（本実施形態では直径方向Ｄ）略中央位置に、回転可能に枢支される。
【００２４】
排気バルブ１４の弁体１８が中間筒部１２の軸心Ｏに対し直交して位置づけられることで、排気バルブ１４はその開度が全閉となる（図１）。このとき、外筒部１３内に導入された排気１は、排気バルブ１４の弁体１８に遮られて中間筒部１２内の熱回収流路１６には流入せず、図１の矢印Ａに示すように、略全量が外筒部１３内のバイパス流路１７を流動する。従って、排気１の熱は、内筒部１１内の冷却水にほとんど回収されない。
【００２５】
排気バルブ１４の弁体１８が中間筒部１２の軸心Ｏに対し平行に位置づけられると、排気バルブ１４はその開度が全開となる（図２）。このとき、外筒部１３内に導入された排気１は、図２の矢印Ｂ、Ｃにそれぞれ示すように、中間筒部１２内の熱回収流路１６と外筒部１３内のバイパス流路１７とを流れ、熱回収流路１６を流動する排気１の熱が、内筒部１１内を流動する冷却水２に回収される。
【００２６】
排気バルブ１４の弁体１８が中間筒部１２の軸心Ｏに対し直交状態から平行状態までの所定の位置に位置づけられる排気バルブ１４の開度で、外筒部１３内の排気１は、排気バルブ１４の開度に応じて中間筒部１２内の熱回収流路１６に流入し、この排気１の熱が、内筒部１１内を流動する冷却水２に回収される。
【００２７】
以上のように構成されたことから、本実施形態によれば、次の効果（１）〜（５）を奏する。
（１）冷却水２が流れる内筒部１１が、この内筒部１１と中間筒部１２により形成される熱回収流路１６により覆われ、この更にこの熱回収流路１６が、中間筒部１２と外筒部１３により形成されるバイパス流路１７により覆われているので、冷却水２に回収された回収熱が、外筒部１３の外側を流れる走行風の影響により低下することを防止できる。この結果、排気熱の回収効率が向上する。
【００２８】
（２）内筒部１１と中間筒部１２とにより形成される熱回収流路１６が直線形状に形成されて、この熱回収流路１６内を流れる排気１の流れがスムーズあることと、冷却水２が流れる内筒部１１が、スタティックミキサー１５を内蔵するに十分な流路断面積に確保されていることとから、排気１及び冷却水２の圧力損失を共に低減できる。この結果、エンジンの定常運転時や高負荷運転時における出力及び燃費の低下を防止でき、エンジンの定常運転時や高負荷運転時に継続的に熱回収を行うに適した排気熱回収装置１０とすることができる。
【００２９】
（３）排気バルブ１４の開度を調整して、熱回収流路１６内へ流れる排気１の流量を調整することで、内筒部１１内を流動する冷却水２による熱回収量を容易に制御できる。この結果、排気回収熱をランキンサイクル加熱器の熱源として利用する場合にも、そのランキンサイクルシステムの要請である熱量の制御に対応することができる。
【００３０】
（４）内筒部１１には、冷却水２を撹拌して流動させるスタティックミキサー１５が内蔵されたので、内筒部１１の外側の熱回収流路１６を流れる排気１と、内筒部１１内の冷却水２との熱交換効率が向上して、冷却水２による排気１の回収熱量を増大させることができる。
【００３１】
（５）排気バルブ１４は、中間筒部１２における排気１の流れ方向上流端に設置されるが、このとき弁体１８の略中央位置に設けられた弁体棒１９が、中間筒部１２の直径方向Ｄの略中央位置に配置されている。このため、排気１は、中間筒部１２内の熱回収流路１６に流入する際に、弁体１８及び弁体棒１９により撹拌されて乱流状態になる。この結果、熱回収流路１６における乱流状態の排気１の熱を、内筒部１１内を流動する冷却水２に回収させる熱回収量を増大させることができる。
【００３２】
［Ｂ］第２実施形態（図３、図４）
図３は、本発明に係る排気熱回収装置の第２実施形態における非熱回収状態を示し、（Ａ）は横断面図、（Ｂ）は図３（Ａ）のＩＩＩ−ＩＩＩ線に沿う断面図である。また、図４は、図３の排気熱回収装置における熱回収状態を示し、（Ａ）は横断面図、（Ｂ）は図４（Ａ）のＩＶ−ＩＶ線に沿う断面図である。この第２実施形態において、前記第１実施形態と同様な部分については、同一の符号を付すことにより説明を簡略化し、または省略する。
【００３３】
本第２実施形態の排気熱回収装置２０が前記第１実施形態と異なる点は、中間筒部２１及び外筒部２２が角筒形状に形成された点と、排気バルブ２３が複数のバルブアッセンブリ２４を備えて構成された点である。
【００３４】
各バルブアッセンブリ２４は、例えば四角板形状の弁体２５と、この弁体２５の端部に設けられた弁体棒２６とを有して構成される。このバルブアッセンブリ２４が観音開き構造に複数、例えば本実施形態では一対配置されて排気バルブ２３が構成される。このとき、各バルブアッセンブリ２４の弁体棒２６は、中間筒部２１における排気１の流れ方向上流端であって、中間筒部２１の幅方向または直径方向（本実施形態では幅方向Ｗ）の端部に配置される。
【００３５】
具体的には、一方のバルブアッセンブリ２４の弁体棒２６と他方のバルブアッセンブリ２４の弁体棒２６は、中間筒部２１の幅方向Ｗにおける対向する両端部にそれぞれ配置されて、両バルブアッセンブリ２４が観音開き構造に構成される。
【００３６】
更に、排気バルブ２３を構成する全てのバルブアッセンブリ２４の弁体２５は、その面積及び形状が、中間筒部２１における排気１の流れ方向上流端の流路断面と同等以上に設定される。従って、排気バルブ２３の全閉時（図３）には、複数の全てのバルブアッセンブリ２４の弁体２５によって、中間筒部２１における排気１の流れ方向上流端の流路断面が閉塞される。このとき、外筒部２２内に導入された排気１は、図３の矢印Ｐに示すようにバイパス流路１７を流れ、熱回収流路１６には流れない。
【００３７】
また、図４に示すように、排気バルブ２３を構成する全てのバルブアッセンブリ２４の弁体２５は、その先端部分２５Ａが、排気バルブ２３の全開時に外筒部２２に接近して、バイパス流路１７における排気１の流れ方向上流端が略閉塞されるよう構成される。このため、排気バルブ２３の全開時には、外筒部２２内の排気１はバイパス流路１７内へ流入せず、図４の矢印Ｑに示すように、バルブアッセンブリ２４の弁体２５に案内されて熱回収流路１６内へ略全量流れる。ここで、本実施形態においても、熱回収流路１６は内筒部１１と中間筒部２１との間に形成され、バイパス流路１７は中間筒部２１と外筒部２２との間に形成される。
【００３８】
以上のように構成されたことから、本第２実施形態においても、前記第１実施形態の効果（１）〜（４）と同様な効果を奏するほか、次の効果（６）を奏する。
【００３９】
（６）排気バルブ２３の全開時に、全てのバルブアッセンブリ２４の弁体２５の先端部分２５Ａが外筒部２２に接近して、バイパス流路１７における排気１の流れ方向上流端が、全てのバルブアッセンブリ２４の弁体２５によって略閉塞される。このため、外筒部２２内からバイパス流路１７へ流れる排気１の流量を略ゼロとし、外筒部２２内の全ての排気１を熱回収流路１６へ導くことができる。この結果、内筒部１１内を流れる冷却水２による排気１の熱回収量を著しく増大させることができる。
【００４０】
以上各実施形態について説明してきたが、本発明は、上述したような各実施形態の具体的構成に限定されるものではなく、本発明の主旨を逸脱しない範囲で種々変形することができる。例えば、第１及び第２実施形態において、内筒部１１の外表面にフィンなどの凹凸を設けて、排気１の熱回収量を更に増大させてもよい。また、内筒部１１、中間筒部１２、２１、外筒部１３、２２は、断面形状が円形状または多角形状の何れであってもよい。
【符号の説明】
【００４１】
１  排気
２  冷却水（冷媒）
１０  排気熱回収装置
１１  内筒部
１２  中間筒部
１３  外筒部
１４  排気バルブ
１５  スタティックミキサー
１６  熱回収流路
１７  バイパス流路
１８  弁体
１９  弁体棒
２０  排気熱回収装置
２１  中間筒部
２２  外筒部
２３  排気バルブ
２４  バルブアッセンブリ
２５  弁体
２５Ａ  先端部分
２６  弁体棒
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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