(57)【要約】【課題】排気ガスを噴孔から冷却水通路に衝突させるエンジン排気ガス熱交換器において、熱交換効率の向上を図る噴孔を有するエンジン排気ガス熱交換器を提供する。【解決手段】エンジンの排気ガスと冷却水との間の熱交換器２であって、排気ガス通路の周方向および排気ガス流れ方向に冷却水通路２０と対向した噴孔３０を設けて排気ガス全量を冷却水通路２０に衝突させるエンジン排気ガス熱交換器において、各噴孔３０を入口から出口にかけて排気ガスの通過面積が漸減する形状としたものである。また、上記エンジン排気ガス熱交換器において、各噴孔３０の途中部から排気ガスの通過面積を出口面積と等しくしたものである。さらに、上記エンジン排気ガス熱交換器において、冷却水通路２０の排気ガス衝突面に溝加工を行ったものである。上記触媒内蔵型エンジン排気ガス熱交換器をエンジンの排気ガス経路に使用したエネルギー供給装置。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
エンジンの排気ガスと冷却水との間の熱交換器であって、排気ガス通路の周方向および排気ガス流れ方向に冷却水通路と対向した噴孔を設けて排気ガス全量を冷却水通路に衝突させるエンジン排気ガス熱交換器において、
各噴孔を入口から出口にかけて排気ガスの通過面積が漸減する形状としたことを特徴とするエンジン排気ガス熱交換器。
【請求項２】
請求項１記載の触媒内蔵型エンジン排気ガス熱交換器において、各噴孔の途中部から排気ガスの通過面積を出口面積と等しくしたことを特徴とするエンジン排気ガス熱交換器。
【請求項３】
請求項１または２記載のエンジン排気ガス熱交換器において、冷却水通路の排気ガス衝突面に溝加工を行ったことを特徴とするエンジン排気ガス熱交換器。
【請求項４】
エンジン駆動式ヒートポンプおよびコージェネレーションなどのエネルギー供給装置において、請求項１ないし３の何れか一記載の触媒内蔵型エンジン排気ガス熱交換器をエンジンの排気ガス経路に使用したことを特徴とするエネルギー供給装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、エンジン駆動式空気調和機やコージェネレーションシステムなどで使用される触媒内蔵型のエンジン排気ガス熱交換器に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来より、エンジンの排気ガスと冷却水との間の熱交換器において、排気ガス通路の周方向および排気ガス流れ方向に冷却水通路と対向した噴孔を複数設けて排気ガス全量を冷却水通路に衝突させるようにした構成が公知である（特許文献１，２参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特許第４３２４２１６号公報
【特許文献２】特許第４３２４２１９号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかし、上記従来のエンジン排気ガス熱交換器の場合、噴孔は、単に円筒状に開口されているだけで、その具体的形状が開示されていない。
【０００５】
本発明は、係る実情に鑑みてなされたものであって、排気ガスを噴孔から冷却水通路に衝突させるエンジン排気ガス熱交換器において、熱交換効率の向上を図ることができる噴孔を有するエンジン排気ガス熱交換器を提供することを目的としている。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
上記課題を解決するための本発明のエンジン排気ガス熱交換器は、エンジンの排気ガスと冷却水との間の熱交換器であって、排気ガス通路の周方向および排気ガス流れ方向に冷却水通路と対向した噴孔を設けて排気ガス全量を冷却水通路に衝突させるエンジン排気ガス熱交換器において、各噴孔を入口から出口にかけて排気ガスの通過面積が漸減する形状としたものである。また、上記エンジン排気ガス熱交換器において、各噴孔の途中部から排気ガスの通過面積を出口面積と等しくしたものである。さらに、上記エンジン排気ガス熱交換器において、冷却水通路の排気ガス衝突面に溝加工を行ったものである。
【０００７】
また、上記課題を解決するための本発明のエネルギー供給装置は、エンジン駆動式ヒートポンプおよびコージェネレーションなどのエネルギー供給装置において、上記エンジン排気ガス熱交換器をエンジンの排気ガス経路に使用したものである。
【発明の効果】
【０００８】
以上述べたように、本発明によると、同一噴孔通過流速において、排気ガスの圧力損失を低減できるので、熱交換器の設計許容圧力損失値に対する噴孔通過流速をあげることができ、平均熱通過率を上昇し熱交換量を増加できる。
【図面の簡単な説明】
【０００９】
【図１】（ａ）は本発明に係るエンジン排気ガス熱交換器の噴孔を示す拡大断面図、（ｂ）は噴孔の他の形状を示す拡大断面図である。
【図２】（ａ）は本発明に係る触媒内蔵型エンジン排気ガス熱交換器の断面図、（ｂ）は同図（ａ）のI-I 線断面図である。
【図３】図２に示す触媒内蔵型エンジン排気ガス熱交換器を設けたエンジンの冷却水回路図である。
【発明を実施するための形態】
【００１０】
本発明の実施の形態を図に基づいて説明する。
【００１１】
図１は本発明に係るエンジン排気ガス熱交換器１の噴孔３０の構成を示し、図２は同噴孔３０を設けた本発明に係るエンジン排気ガス熱交換器１を示し、図３は同エンジン排気ガス熱交換器１を設けたガスエンジン１１の冷却水回路図の一例を示している。
【００１２】
すなわち、このエンジン排気ガス熱交換器１は、熱交換器２の冷却水通路２０と対向した噴孔３０を排気ガス噴出管３１に設けて、排気ガス全量を噴孔３０から冷却水通路２０に衝突させるように構成されており、噴孔３０を入口から出口にかけて排気ガスの通過面積が漸減する形状としている。
【００１３】
噴孔３０の形状としては、図１（ａ）に示すように、排気ガス噴出管３１の厚み方向全体にわたって漸減する円錐台形状に穿孔されたものであってもよいし、図１（ｂ）に示すように、排気ガス噴出管３１の厚み方向の途中までは入口側から漸減する円錐台形状に穿孔され、この途中から出口側と同じ直径の円柱状に穿孔されものであってもよい。
【００１４】
このように漸減する形状とした噴孔３０にしたエンジン排気ガス熱交換器１の場合、同一噴孔通過流速において、排気ガスの圧力損失を低減できるので、熱交換器２の設計許容圧力損失値に対する噴孔通過流速をあげることができ、平均熱通過率を上昇し熱交換量を増加できる。
【００１５】
次に、このような噴孔３０を有する排気ガス噴出管３１を設けたエンジン排気ガス熱交換器１について説明する。
【００１６】
エンジン排気ガス熱交換器１は、図２および図３に示すように、エンジン１１からサイレンサ１２へと向かう排気が、エンジン排気ガス熱交換器１内で、前室５、排気ガス浄化触媒（以下、単に触媒という。）４および単位排気ガス通路３ａ，３ｂ，３ｃを通過するように設けられ、かつ、エンジン１１の冷却水が、エンジン排気ガス熱交換器１の熱交換器２を通過してからエンジン１１に導入するように設けられている。エンジン１１を通過した後の冷却水は、ポンプ１３によって循環するように構成されている。また、冷却水は、サーモスタット１４によって温度管理することができるようになされており、三方弁１５によって、ラジエータ１６または熱交換器１７へと流れを切り替えることができるようになされている。
【００１７】
熱交換器２は、内筒管２１と、外筒管２２と、その両端に設けられた内蓋２１ａ，２１ｂおよび外蓋２２ａ，２２ｂとからなり、その間隙は、冷却水が通過する冷却水通路２０となされている。
【００１８】
この熱交換器２は、他端部の外蓋２２ｂには、冷却水通路２０と連通する冷却水流入管２３が設けられており、一端部の外筒管２２には、冷却水通路２０と連通する冷却水流出管２４が設けられている。これにより、冷却水は、冷却水流入管２３から冷却水通路２０内へと導入され、熱交換器２の他端部側から一端部側へと流れた後、冷却水流出管２４から排水されるようになされている。
【００１９】
また、熱交換器２は、一端部の内筒管２１および外筒管２２を貫通して内筒管２１内に連通する排気ガス流入管２５が設けられており、他端部の内筒管２１および外筒管２２を貫通して内筒管２１内に連通する排気ガス流出管２６が設けられている。これにより、排気ガスは、排気ガス流入管２５から内筒管２１内へと導入され、この内筒管２１内に形成された前室５、触媒４および３段の単位排気ガス通路３ａ、３ｂ、３ｃを通過した後、排気ガス流出管２６から排気されるように構成されている。
【００２０】
前室５は、内筒管２１内に、この内筒管２１よりも若干小径の筒状で一端が曲面を形成しながら漸次的に縮径するように形成された管材５１を、内筒管２１との間に空隙Ｓを形成するように設けて構成されている。管材５１の縮径された側の一端は、熱交換器２の一端に設けられた内蓋２１ａに固定される。排気ガス流入管２５は、この管材５１内に連通するようになされている。この管材５１の他端は、触媒４および排気ガス噴出管３１を受挿接続するための筒状の接続部材５２が設けられている。この接続部材５２は、内筒管２１の内周面に接する筒状の本体５２ａ部分からさらに二段階に縮径して排気ガス噴出管接続部５２ｂ、触媒接続部５２ｃを形成するようになされている。最大径の本体５２ａの部分は、内筒管２１と管材５１との間に介在して、これら内筒管２１と管材５１との間に空隙Ｓを維持するように固定される。排気ガス噴出管接続部５２ｂは、その外側に排気ガス噴出管３１を受挿接続して内筒管２１と排気ガス噴出管３１との間に間隔ｄを形成するようになされている。触媒接続部５２ｃは、その内側に触媒４を受挿接続するようになされている。
【００２１】
単位排気ガス通路３ａは、上記接続部材５２の排気ガス噴出管接続部５２ｂに接続される排気ガス噴出管３１と、この排気ガス噴出管３１の下流側に設けられる接続部材３２とによって構成されている。
【００２２】
排気ガス噴出管３１は、内筒管２１との間に間隙ｄを形成することが可能で、かつ、触媒４を内装可能な直径および長さの円筒状に形成されている。この排気ガス噴出管３１の周壁には、長手方向および周方向に沿って等間隔で複数の噴孔３０が設けられている。この噴孔３０は、上記したように、周壁の内側から外側に向かって漸減する円錐台形状に形成されている、または、排気ガス噴出管３１の厚み方向の途中までは入口側から漸減する円錐台形状に形成され、この途中から出口側と同じ直径の円筒状に形成されている。
また、排気ガス噴出管３１は、下流側端部が蓋体３１ａによって閉塞されている。この排気ガス噴出管３１は、内筒管２１の内周面との間で噴孔３０を邪魔しない位置に適宜に設けたリブ片３１ｂによって、内筒管２１内に固定される。また、このリブ片３１ｂは、排気ガス噴出管３１の内周面にも設けられ、この排気ガス噴出管３１に内装される触媒４を保持することができるようになされている。この触媒４を保持した状態で、触媒４と蓋体３１ａとの間には、熱交換器２の外筒管２２および内筒管２１と、この排気ガス噴出管３１とを貫通して温度計６が設けられている。触媒４は、排気ガス温度により浄化作用が有効に機能しないことがあるため温度管理をすることが望ましいが、この触媒４を通過直後の位置で温度計６によって温度測定することで、触媒４の浄化状態をある程度把握できることとなる。
【００２３】
接続部材３２は、筒状の本体３２ａ部分からさらに縮径して排気ガス噴出管接続部３２ｂを形成するようになされている。最大径の本体３２ａの部分は、上記排気ガス噴出管３１に隣接する下流側で、内筒管２１の内周面に固定される。排気ガス噴出管接続部３２ｂは、その外側に、次段の単位排気ガス通路３ｂを構成する排気ガス噴出管３３を受挿接続して内筒管２１と排気ガス噴出管３３との間に間隔ｄを形成するようになされている。
【００２４】
これにより、単位排気ガス通路３ａは、触媒を通過した排気ガスが、蓋体３１ａによって行き止まり、噴孔３０から噴出するようになされた第一排気ガス通路Ａと、この噴孔３０から噴出後、排気ガス噴出管３１と内筒管２１との間隙ｄを通過し、接続部材３２の噴出管接続部３２ｂから次段の噴出管３３へと排気ガスを通過させる第二排気ガス通路Ｂとを形成することとなる。
【００２５】
単位排気ガス通路３ｂは、上記接続部材３２の排気ガス噴出管接続部３２ｂに接続される排気ガス噴出管３３と、この排気ガス噴出管３３の下流側に設けられる接続部材３４とによって構成されている。
【００２６】
排気ガス噴出管３３は、内筒管２１との間に間隙ｄを形成することが可能な円筒状に形成されている。この排気ガス噴出管３３の周壁には、長手方向および周方向に沿って等間隔で複数の噴孔３０が設けられている。この噴孔３０は、上記単位排気ガス通路３ａに設けられる排気ガス噴出管３１と同様に、周壁の内側から外側に向かって漸減する円錐台形状に形成されている、または、排気ガス噴出管３３の厚み方向の途中までは入口側から漸減する円錐台形状に形成され、この途中から出口側と同じ直径の円筒状に形成されている。また、排気ガス噴出管３３は、下流側端部が蓋体３３ａによって閉塞されている。この排気ガス噴出管３３は、内筒管２１の内周面との間で噴孔３０を邪魔しない位置に適宜に設けたリブ片３３ｂによって、内筒管２１内に固定される。
【００２７】
接続部材３４は、筒状の本体３４ａ部分からさらに縮径して排気ガス噴出管接続部３４ｂを形成するようになされている。最大径の本体３４ａの部分は、上記排気ガス噴出管３３に隣接する下流側で、内筒管２１の内周面に固定される。排気ガス噴出管接続部３４ｂは、その外側に、次段の単位排気ガス通路３ｃを構成する排気ガス噴出管３５を受挿接続して内筒管２１と排気ガス噴出管３５との間に間隔ｄを形成するようになされている。
【００２８】
これにより、単位排気ガス通路３ｂは、接続部材３４の噴出管接続部３４ｂを通過した排気ガスが蓋体３３ａによって行き止まり、噴孔３０から噴出するようになされた第一排気ガス通路Ａと、この噴孔３０から噴出後、排気ガス噴出管３３と内筒管２１との間隙ｄを通過し、接続部材３４の噴出管接続部３４ｂから次段の噴出管３５へと排気ガスを通過させる第二排気ガス通路Ｂとを形成することとなる。
【００２９】
単位排気ガス通路３ｃは、上記接続部材３４の排気ガス噴出管接続部３４ｂに接続される排気ガス噴出管３５と、排気ガス流出管２６とによって構成されている。
【００３０】
排気ガス噴出管３５は、内筒管２１との間に間隙ｄを形成することが可能な円筒状に形成されている。この排気ガス噴出管３５の周壁には、長手方向および周方向に沿って等間隔で複数の噴孔３０が設けられている。この噴孔３０は、上記単位排気ガス通路３ａに設けられる排気ガス噴出管３１と同様に、周壁の内側から外側に向かって漸減する円錐台形状に形成されている、または、排気ガス噴出管３３の厚み方向の途中までは入口側から漸減する円錐台形状に形成され、この途中から出口側と同じ直径の円筒状に形成されている。また、排気ガス噴出管３５は、下流側端部が熱交換器２の他端側の内蓋２１ｂによって閉塞されるように、その長さが調整されている。この排気ガス噴出管３５の下流側端部は、熱交換器２の他端側の内蓋２１ｂに固定される。
【００３１】
これにより、単位排気ガス通路３ｃは、接続部材３４の噴出管接続部３４ｂを通過した排気ガスが内蓋２１ｂによって行き止まり、噴孔３０から噴出するようになされた第一排気ガス通路Ａと、この噴孔３０から噴出後、排気ガス噴出管３５と内筒管２１との間隙ｄを通過し、排気ガス流出管２６から排気される第二排気ガス通路Ｂとを形成することとなる。
【００３２】
このように構成されたエンジン排気ガス熱交換器１によると、エンジンからの排気ガスは、排気ガス流入管２５から前室５、触媒４、単位排気ガス通路３ａ，３ｂ，３ｃを経て、排気ガス流出管２６から排気されることとなる。
【００３３】
この際、排気ガスは、全ての噴孔３０から一挙に噴出させるのではなく、単位排気ガス通路３ａの噴孔３０から噴出させた後、回収され、次段の単位排気ガス通路３ｂの噴孔３０から噴出させた後、再度回収され、次段の単位排気ガス通路３ｃの噴孔３０から噴出させるといった構成としているため、噴孔３０から熱交換器２の内筒管２１に向けて噴出される排気ガスの噴射速度は、各単位排気ガス通路３ａ，３ｂ，３ｃで低下させることなく一定に保つことができる。したがって、噴孔３０当たりの流速の低下を防止して所定の平均熱通過率（Ｋ値）を維持することが可能となる。
【００３４】
また、前室５は、管材５１と内筒管２１との間に空隙Ｓを形成しているので、排気ガス流入管２５から流入した排気ガスが、内筒管２１を介して冷却水によって冷却されるのを防止することができる。したがって、触媒４に流入される前の排気ガスの温度低下を防止して触媒４での反応を活性化することができる。
【００３５】
さらに、排気ガス噴出管３１，３３，３５に設けた各噴孔３０は、排気ガスの入口から出口にかけて通過面積が漸減する形状としているので、同一噴孔通過流速において、排気ガスの圧力損失を低減できる。したがって、熱交換器２の設計許容圧力損失値に対する噴孔通過流速をあげることができ、平均熱通過率を上昇し熱交換量を増加できる。特に、上記構成のエンジン排気ガス熱交換器１の場合、排気ガスの噴射速度は、各単位排気ガス通路３ａ，３ｂ，３ｃで低下させることなく一定に保つことができるので、このような噴孔３０の構成は有効に作用することとなる。
【００３６】
なお、本実施の形態では、噴孔３０の形状を周壁の内側から外側に向かって漸減する形状となされているが、この噴孔３０の構成と併せて、噴孔３０から噴出されたガスが当たる内筒管２１の内周面に、溝加工を施してもよい。この場合、内筒管２１の内周面で、この内周面に噴きつけられた排気ガスの乱れを誘起できるので、熱交換量を増加できることとなる。溝加工の形状としては、内筒管２１の長さ方向に沿って形成されたものであってもよいし、周方向に沿って形成されたものであってもよいし、排気ガスの流れ方向に沿って渦流となるように、周方向に対して斜めになった螺旋状に形成されたものであってもよい。また、この溝加工は内筒管２１の内周面側に凸、外周面側に凸のいずれでもよい。さらに、この溝加工と同様の効果を得る為に、噴孔３０から噴出されたガスが当たる内筒管２１の内周面にディンプル加工を施してもよい。ディンプルの形状としては、ゴルフボールに設けられているような円形状の凹部が挙げられる。このディンプル加工は内筒管２１の内周面側に凸、外周面側に凸のいずれでもよい。
【産業上の利用可能性】
【００３７】
本発明は、空調装置やコージェネレーションシステムで使用される各種エンジンの排気ガス熱交換器として利用できる。
【符号の説明】
【００３８】
１  エンジン排気ガス熱交換器
１１  エンジン
２  熱交換器
２０  冷却水通路
２１  内筒管（排気ガス衝突面）
３１  排気ガス噴出管
３０  噴孔
【図１】
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【図２】
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【図３】
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