(57)【要約】【課題】排気熱回収装置の排気熱回収の停止時における熱交換器への伝熱を抑制する。【解決手段】排気熱回収装置１は、排気管２の外周に臨む熱交換通路７と、排気管２の内側を所定の隙間をあけて変位するスリーブ５と、熱交換通路７に接する冷媒通路１０を備える。スリーブ５と排気管２に、スリーブ５の所定の変位位置で、排気管２と熱交換通路７とを接続する孔部８，９，１９，２０を形成する。【選択図】図１
2015209773.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
排気管を流通する排気と冷媒との熱交換により排気熱を回収する排気熱回収装置において、
排気管の外周に臨む熱交換通路と、
前記排気管の内側に所定の隙間をあけて変位可能に保持されたスリーブと、
前記スリーブの前記排気管に対する所定の変位位置で、前記排気管と前記熱交換通路とを接続すべく、前記スリーブと前記排気管とにそれぞれ形成された孔部と、
前記スリーブを前記排気管に対して変位させる変位機構と、
前記熱交換通路に接する冷媒通路と、
を備えたことを特徴とする排気熱回収装置。
【請求項２】
前記熱交換通路の熱を吸収して前記冷媒通路内に放出する熱交換器をさらに備え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】
前記熱交換器は前記熱交換通路に突出するアルミ材による複数の吸熱フィンと、前記冷媒通路に突出するアルミ材による複数の放熱フィンとを備えることを特徴とする請求項２に記載の排気熱回収装置。
【請求項４】
前記変位機構は外部からの操作に応じて、前記スリーブを前記排気管の軸方向にスライドさせる機構で構成されることを特徴とする請求項１から３のいずれかに記載の排気熱回収装置。
【請求項５】
前記スリーブ内の排気の流通を遮断するバルブをさらに備えたことを特徴とする請求項１から４のいずれかに記載の排気熱回収装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、車両用の内燃エンジンなどの排気ガスの熱を回収する排気熱回収装置の改良に関する。
【背景技術】
【０００２】
車両用の内燃エンジンなどの排気熱を回収する排気熱回収装置として、特許文献１は、排気管の外側に熱交換通路を形成し、排気ガスを排気管と熱交換通路とに選択的に導く排気ガス流の切換機構を備えた排気熱回収装置を提案している。熱交換通路には冷媒の流れる冷媒通路を用いた熱交換器が設けられている。排気ガス流の切換機構は、排気管の排気ガスの流通を遮断可能な排気バルブと、排気管を排気ガスが流通している状態で、熱交換通路の入口付近に負圧を発生させる負圧発生機構とを備えている。
【０００３】
この排気熱回収装置において、排気バルブを閉じると、排気ガスは熱交換通路に導かれ、熱交換通路に設けた熱交換器で排気ガスと冷媒とが熱交換を行なう。冷媒が排気ガスから吸収した熱は例えば内燃エンジンの暖機に使用される。
【０００４】
一方、排気熱の回収を行なわない場合には、排気バルブを開くことで、排気は排気ガスを通って大気に放出される。この状態では負圧発生機構が熱交換通路の入口付近に発生させる負圧のため、排気ガスの熱交換通路への流入を遮断することができる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２００８−６９７５０号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
回収された排気熱を内燃エンジンの暖機に用いる場合には、暖機を終了した後に排気バルブを開き、以後の熱交換通路への排気ガスの流入を停止する。
【０００７】
しかしながら、熱交換通路への排気ガスの流入を停止しても、排気管から熱交換器への直接の伝熱は停止できない。その結果、排気熱回収の停止が不完全になると、冷媒温度が上昇し、冷媒が循環するラジエータの熱負荷が、車両が坂道を登る場合などに過大になりやすい。
【０００８】
また、特許文献１の排気熱回収装置においては、熱交換通路の下流側で、熱交換通路を排気管に合流させている。そのため、排気バルブを開き、熱交換通路への排気ガスの流入を負圧発生機構が熱交換通路の入口付近に発生する負圧により阻止している場合でも、排気ガスの脈動により排気管の排気ガスが熱交換通路の出口から熱交換通路に流入する可能性がある。熱交換通路に流入した排気ガスは熱交換器において冷媒との間で熱交換を行なう。この現象も、排気熱回収の停止を困難にする。
【０００９】
さらに、特許文献１の排気熱回収装置においては、熱交換器全体が熱交換通路内に位置しているため、熱交換器全体が高温となりやすい。このように全体が高温化する熱交換器の構成部材には、熱伝導率の良いアルミ材に変えて、熱伝導率の低いステンレス材を使用せざるを得ない。しかしながら、熱伝導率の低いステンレス材を用いることは熱交換器の排気熱回収率を低下させる要因となる。
【００１０】
この発明は従来の排気熱回収装置の上記の問題点を解決すべくなされたもので、排気熱回収の停止時における熱交換器への伝熱を効率的に遮断することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
この目的を達成するために、この発明による排気熱回収装置は排気管から排出される排気と冷媒との熱交換により排気熱を回収する。排気熱回収装置は、排気と冷媒の熱交換を行なう排気管の外周に臨む熱交換通路と、排気管の内側に所定の隙間をあけて変位可能に保持されたスリーブと、スリーブの排気管に対する所定の変位位置で、排気管と熱交換通路とを接続すべく、スリーブと排気管とにそれぞれ形成された孔部と、スリーブを排気管に対して変位させる変位機構と、熱交換通路に接する冷媒通路と、を備えている。
【発明の効果】
【００１２】
排気熱回収を停止する際には、スリーブの孔部と排気管の孔部とがずれた位置に来るようにス変位機構がリーブを変位させる。これにより、排気管から熱交換通路への排気ガスの流入が遮断され、排気ガスの全量がスリーブ内を流下する。この状態では、排気管とスリーブとの隙間の断熱作用により、スリーブの高熱が熱交換通路や冷媒通路に伝わりにくい環境が得られる。
【図面の簡単な説明】
【００１３】
【図１】この発明の第１の実施形態による排気熱回収装置の排気熱回収状態における縦断面図である。
【図２】この発明の第１の実施形態による排気熱回収装置の排気熱回収停止状態における縦断面図である。
【図３】この発明の第２の実施形態による排気熱回収装置の排気熱回収状態における縦断面図である。
【図４】この発明の第１の実施形態及び第２の実施形態に用いる変位機構の拡大平面図である。
【図５】図４のＡ-Ａ矢視図である。
【発明を実施するための形態】
【００１４】
図１と図２及び図４と図５を参照して、この発明の第１の実施形態を説明する。
【００１５】
図１を参照すると、この発明の第１の実施形態による排気熱回収装置１は、車両用の内燃エンジンの排気管２に設けられる。排気熱回収装置１は。排気管２の外側を覆う排気外管３と、排気外管３の外側を覆うカバー４とを備える。また、排気管２の内側に所定の隙間を空けて保持されたスリーブ５を備える。
【００１６】
排気外管３は排気管２の外周に円環状の支持部材６を介して例えば溶接などにより固定される。カバー４は排気外管３の外周に例えば溶接などにより固定される。
【００１７】
排気外管３と排気管２の間の環状のスペースは熱交換通路７として利用される。排気管２には熱交換通路７に臨んで、排気ガス流出孔部８と排気ガス流入孔部９とがそれぞれ形成される。排気ガス流出孔部８は排気ガスの流れに関して排気ガス流入孔部９の上流側に形成される。
【００１８】
また、カバー４と排気外管３との間の環状のスペースは冷媒通路１０として利用される。カバー４には冷媒の入口ポート１１と出口ポート１２が設けられる。冷媒通路１０は入口ポート１１と出口ポート１２を介して例えば車両が備えるラジエータや内燃エンジンのウォータジャケットに接続される。冷媒は冷媒通路１０の中を図の破線矢印に示す向きに流れる。
【００１９】
スリーブ５はリング状のサポート１３を介して排気管２の内側に所定の隙間をあけて保持される。
【００２０】
排気熱回収装置１は、さらにスリーブ５を排気管２に対して軸方向に変位させる変位機構を備える。変位機構は図１において破線による楕円で囲まれた部位に相当する。変位機構は、シャフト１４と、シャフト１４に固定されたアーム１５と、スリーブ５に固定されたピン１６からなる。
【００２１】
図４と図５を参照して、変位機構について説明する。シャフト１４は排気管２の外側において回転操作される部材であり排気管２を回転自由に貫通する。アーム１５は排気管２の内側において、シャフト１４の先端に固定される。アーム１５には矩形のガイド孔１５Ａが形成される。スリーブ５に固定されたピン１６の先端が、ガイド孔１５Ａの内側に嵌合する。シャフト１４は図示されない回転装置によって回転操作される。
【００２２】
シャフト１４を図５の矢印に示す方向に回転させると、アーム１５がシャフト１４を支点に図４に示すように回動する。アーム１５の回動に伴い、ガイド孔１５Ａの内側に嵌合するピン１６がガイド孔１５Ａ内を滑動しつつ図４の上方へと駆動され、ピン１６を固定したスリーブ５も一体に図４の上方、言い換えれば図１の左側へと軸方向に変位して図２に示す位置に至る。以下の説明では、図１に示すスリーブ５の変位位置を排気熱回収位置、図２に示すスリーブ５の変位位置を排排気熱回収停止位置と称する。
【００２３】
以上の構造により、変位機構はシャフト１４の回転操作に応じて、排気熱回収位置と排気熱回収停止位置との間で軸方向に変位する。なお、変位機構は上記の構造に限定されない。例えば、ラックアンドピニオンを用いて変位機構を構成することも可能である。
【００２４】
スリーブ５には、図１に示す排気熱回収位置において、排気ガス流出孔部８と重なりあう排気ガス流出開口部１９と、排気ガス流入孔部９と重なり合う排気ガス流入開口部２０とが形成される。
【００２５】
排気熱回収装置１は、熱交換通路７の排気ガスと冷媒通路１０の冷媒との間で熱交換を行なう熱交換器２１を備える。熱交換器２１は熱交換通路７の内側に突出する複数の吸熱フィン２１Ａと、吸熱フィン２１Ａと背中合わせの位置で冷媒通路１０の内側に突出する複数の放熱フィン２１Ｂとで構成される。吸熱フィン２１Ａと放熱フィン２１Ｂはいずれもアルミ材で構成され、排気外管３の内周と外周にそれぞれに固定される。
【００２６】
図１に示す排気熱回収位置においては、排気管２の排気ガス流出孔部８とスリーブ５の排気ガス流出開口部１９とが重なり合い、排気管２の排気ガス流入孔部９とスリーブ５の排気ガス流入開口部２０とが重なり合う。
【００２７】
この排気熱回収位置では、図１の左側の直線矢印に示すように、排気管２を流下する排気ガスの一部が、図１の左側の曲線矢印に示すように、排気ガス流出開口部１９と排気ガス流出孔部８とを通って熱交換通路７に流入する。残りの排気ガスはスリーブ５の内側を流下する。熱交換通路７に流入した排気ガスは熱交換器２１の複数の吸熱フィン２１Ａの間を通って流下し、図１の右側の曲線矢印に示すように、排気ガス流入孔部９と排気ガス流入開口部２０とを通ってスリーブ５内の排気ガスに合流する。
【００２８】
熱交換通路７を流れる排気ガスは熱交換器２１の複数の吸熱フィン２１Ａによって熱を吸い取られ、温度を低下させた状態でスリーブ５内の排気ガスに合流する。吸熱ファン２１Ａが吸い取った熱は、背中合わせに配置された複数の放熱フィン２１Ｂによって冷媒通路１０内を流れる冷媒中に放出され、冷媒温度を上昇させる。温度上昇した冷媒は例えば内燃エンジンのウォータジャケットを循環することで、内燃エンジンの暖機を促進する。吸熱フィン２１Ａと放熱フィン２１Ｂを構成するアルミ材は熱伝導率が高く、また吸熱フィン２１Ａと放熱フィン２１Ｂを複数設けることで伝熱が促進される。その結果、熱交換器２１により高い排気熱回収効率を実現することができる。さらに、アルミ材を用いることで吸熱フィン２１Ａと放熱フィン２１Ｂの加工や成型も容易に行なえる。
【００２９】
内燃エンジンの暖機が完了した場合のように、冷媒の温度上昇が不要となった場合には、回転装置がシャフト１４を図４の矢印と逆方向に回転せる。シャフト１４に固定されたアーム１５はピン１６をガイド孔１５Ａ内で滑動させつつ、図４の矢印と逆向きに実線位置へと回動し、ピン１６を介してスリーブ５を図２の排気熱回収停止位置へと変位させる。
【００３０】
図２に示す排気熱回収停止位置においては、排気管２の排気ガス流出孔部８とスリーブ５の排気ガス流出開口部１９とは軸方向にずれた位置にあり、また排気管２の排気ガス流入孔部９とスリーブ５の排気ガス流入開口部２０も軸方向にずれた位置にある。そのため、排気管２から熱交換通路７への排気ガスの流入と、熱交換通路７から排気管２への排気ガスの流入とを、簡易な構成により効率的に遮断することができる。排気熱回収停止位置では、図の矢印に示すように、排気管２の排気ガスの全量がスリーブ５の内側を通って排出される。つまり、熱交換通路７には高温の排気ガスが流通せず、熱交換器２１における熱交換も行なわれない。
【００３１】
一方、排気ガスの全量が流れるスリーブ５は高温となる。しかしながら、スリーブ５はサポート１３により排気管２の内側に隙間を介して保持されているため、スリーブ５から排気管２への伝熱はこの隙間に遮断される。したかって、排気管２から熱交換器２１への伝熱も起こらず、冷媒通路１０の冷媒温度は低温に保たれる。
【００３２】
前述のように、熱交換器２１を構成する吸熱フィン２１Ａと放熱フィン２１Ｂはアルミ材で構成される。排気熱回収停止位置で排気管２から熱交換器２１への伝熱を十分に遮断できないと、例えば車両の登坂時など熱負荷が大きい状態では、熱交換器２１が高温となり、冷媒が循環するラジエータの熱負荷が過大となりがちである。そのため、熱伝導率の高いアルミ材に代えて熱伝導率の低いステンレス材で吸熱フィン２１Ａと放熱フィン２１Ｂを構成する必要がある。
【００３３】
この排気熱回収装置１では、スライド式のスリーブ５が排気熱回収停止位置で排気管２から熱交換器２１への伝熱を高度に遮断することで、熱交換器２１の温度上昇が抑制される。したがって、吸熱フィン２１Ａと放熱フィン２１Ｂを熱伝導率の高いアルミ材で構成することができる。吸熱フィン２１Ａと放熱フィン２１Ｂを熱伝導率の高いアルミ材で構成すると、排気熱回収位置において排気ガスの熱を冷媒へと効率良く回収することができる。つまり、排気熱回収停止位置での排気管２から熱交換器２１への断熱性を高めることで熱交換器２１の性能向上にも好ましい効果が得られる。
【００３４】
以上のように、この排気熱回収装置１によれば排気熱回収停止位置における熱交換器２１への伝熱を十分に抑制することができる。この排気熱回収装置１は、したがって、ラジエータの熱負荷を軽減する上で好ましい効果をもたらす。また、熱交換器２１の耐久性を高める上でも好ましい効果をもたらす。
【００３５】
また、スリーブ５を排気管２に対して軸方向にスライドさせる変位機構を備えたため、排気熱回収位置と排気熱回収停止位置との間でスリーブ５を容易に変位させることができる。言い換えれば、熱交換通路７への排気の導入と遮断とを容易に行なうことができる。
【００３６】
図３を参照して、この発明の第２の実施形態を説明する。
【００３７】
この実施形態による排気熱回収装置１はスリーブ５の内側に排気スロットル２２を備えている。その他の構成は変位機構を含めて第１の実施形態と同一である。
【００３８】
排気スロットル２２はスリーブ５の変位機構と連動して制御される。すなわち、排気熱により冷媒通路１０内の冷媒温度を上昇させたい場合は、回転装置がシャフト１４を回転させてスリーブ５を、排気ガス流出孔部８と排気ガス流出開口部１９が重なり合い、排気ガス流入孔部９と排気ガス流入開口部２０が重なり合う排気熱回収位置に駆動する。この操作に合わせて排気スロットル２２を閉じる。その結果、排気管２の排気の全量が図の矢印に示すように熱交換通路７を通過する。
【００３９】
一方、排気熱回収が不要になった場合は、回転装置がシャフト１４を排気熱の回収時と逆向きに回転させて、スリーブ５を排気熱回収位置から排気熱回収停止位置へと変位させる。排気熱回収停止位置においては、第１の実施形態と同様に排気ガス流出孔部８と排気ガス流出開口部１９が軸方向にずれ、排気ガス流入孔部９と排気ガス流入開口部２０が軸方向にずれた状態となる。この操作に連動して排気スロットル２２を開く。これにより、排気ガスの全量がスリーブ５内を流下する。また、スリーブ５が、第１の実施形態と同様に、排気管２から熱交換器２１への伝熱を確実に遮断する。
【００４０】
この実施形態では、排気熱回収位置で熱交換器２１を通過する排気ガスの流量が第１の実施形態よりも多くなるので、排気熱回収位置における排気熱の回収効率を高めることができる。
【００４１】
以上のように、この発明をいくつかの特定の実施形態を通じて説明して来たが、この発明は上記の各実施形態に限定されるものではない。当業者にとっては、特許請求の範囲でこれらの実施形態にさまざまな修正あるいは変更を加えることが可能である。
【００４２】
例えば、以上の各実施形態はいずれもスリーブ５を軸方向に変位させることで、排気管と熱交換通路との接続と遮断とを切り換えている。しかしながら、この切り換えを行なうためのスリーブ５の変位方向は軸方向に限定されず、スリーブ５を周方向に変位させることで同じ切り換えを行なうことも可能である。
【符号の説明】
【００４３】
１  排気熱回収装置
２  排気管
３  排気外管
４  カバー
５  スリーブ
６  支持部材
７  熱交換通路
８  排気ガス流出孔部
９  排気ガス流入孔部
１０  冷媒通路
１１  入口ポート
１２  出口ポート
１３  サポート
１４  シャフト
１５  アーム
１５Ａ  ガイド孔
１６  ピン
１９  排気ガス流出開口部
２０  排気ガス流入開口部
２１  熱交換器
２１Ａ  吸熱ファン
２１Ｂ  放熱フィン
２２  排気スロットル
【図１】
2015209773.tif 000003
【図２】
2015209773.tif 000004
【図３】
2015209773.tif 000005
【図４】
2015209773.tif 000006
【図５】
2015209773.tif 000007