(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
排気系路内に排気ガス熱交換器（３）を有するエンジンの排気熱回収装置（１）において、該排気ガス熱交換器（３）と、エンジンに対して固設される排気マニホールド（２）とを複数箇所で接続し、該排気ガス熱交換器（３）の各接続部間の寸法と、該排気マニホールド（２）の各接続部間の寸法との、温度変化による寸法変化量が略等しくなるように、該排気ガス熱交換器（３）と排気マニホールド（２）との材質、及び各接続部間における伸縮可能領域寸法を設定し、前記排気マニホールド（２）のエンジンへの固設部（２ａ）の寸法（Ｌｆ）を、変更可能としたことを特徴とする排気熱回収装置。
【請求項２】
請求項１記載の排気熱回収装置において、前記排気マニホールド（２）を断熱材（２１）により被覆し、該断熱材（２１）の被覆厚さを変更可能としたことを特徴とする排気熱回収装置。
【請求項３】
請求項１記載の排気熱回収装置において、前記排気ガス熱交換器（３）を、内筒（２３）内を排気ガスが流れ、該内筒（２３）と外筒（２２）との間隙内を冷却水が流れる構成とし、該外筒（２２）は円筒状部材を径方向の面により、上下に分割して上外筒片（２２ａ）と下外筒片（２２ｂ）とし、該上外筒片（２２ａ）と下外筒片（２２ｂ）を接合して構成し、該外筒（２２）と内筒（２３）とを同心上に配置したことを特徴とする排気熱回収装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、排気系路内に排気ガス熱交換器を有し、エンジンの排気ガスから熱を回収する排気熱回収装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来から、排気系路内に排気ガス熱交換器を有し、エンジンの排気ガスから熱を回収する排気熱回収装置は知られている。このような排気熱回収装置にあっては、排気ガス熱交換器の両端部を、エンジンに固設される排気マニホールドに接続する等、両者を複数箇所で接続していた。また、一般的に、排気マニホールドは鉄により形成され、排気ガス熱交換器はステンレス鋼により形成されている。
【０００３】
また、図４乃至図６に示すように、排気ガス熱交換器１０３は、一体の筒形状に形成された外筒１２２内に該外筒１２２よりも小径の内筒１２３を挿入し、該内筒１２３内に該内筒１２３よりも小径の冷却水パイプ１２４を挿入して構成されている。そして、配管１１２が接続される排気入口１０３ａから排気ガス熱交換器１０３内に侵入した排気ガスが、内筒１２３と冷却水パイプ１２４との間の空間に形成される排気ガス通路１１５内を流れるとともに、冷却水入口１１６ａから排気ガス熱交換器１０３内に侵入した冷却水が、外筒１２２と内筒１２３との間の空間及び冷却水パイプ１２４内に形成される冷却水通路１１６内を流れて、冷却水により排気ガスを冷却するように構成されている。また、内筒１２３を外筒１２２内に仕組む際には、図５に示すように、内筒１２３と該内筒１２３に接続される配管１１２とを外筒１２２内に挿入した後に、図６に示すように、配管１１２を外筒１２２から外部へ突出させるようにしていた。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
前述の如く、例えば排気ガス熱交換器と排気マニホールドとは両端部で接続され、両者はステンレス鋼及び鉄といった熱膨張係数が異なる材質により形成されている。そして、稼動時において排気マニホールドは高温となり、排気ガス熱交換器は低温となるため、排気ガス熱交換器と排気マニホールドとが低温で等しい温度にある停止時に、該排気ガス熱交換器両端部に配置される排気マニホールドとの各接続部間の寸法と、排気マニホールド両端部に配置される排気ガス熱交換器との各接続部間の寸法とを合わせて両者を接続すると、稼動時には両者の温度差及び熱膨張率差により、該排気ガス熱交換器の各接続部間の寸法と、排気マニホールドの各接続部間の寸法とが大きく異なって、この各接続部に大きな応力がかかって歪や破損が生じることがあった。このような、排気ガス熱交換器及び排気マニホールドの各接続部間の寸法差を減少させるために、排気マニホールドを水冷構造に構成して、排気ガス熱交換器と排気マニホールドとの稼動時における温度差を小さくする技術が考案されている。
【０００５】
しかし、排気マニホールドを水冷構造としたものにあっては、装置が大型化して重量大となっていた。また、冷却水用の配管を設ける必要があるため構造が複雑となって、コスト高となっていた。さらに、排気マニホールドを水冷構造としたとしても、稼動時の温度は停止時よりもかなり高くなるので、冷却構造部材等に歪や破損が生じる可能性が依然としてあった。
【０００６】
また、前記排気ガス熱交換器１０３においては、外筒１２２が一体の円筒形状に形成されており、配管１１２が接続された内筒１２３を外筒１２２内に仕組む際には、前述の如く、配管１１２と内筒１２３を外筒１２２内に挿入する必要があったので、該配管１１２が外筒１２２に引っ掛からないように、該外筒１２２の径を大きくしなければならなかった。これにより、内筒１２３と外筒１２２との間隙が大きくなって冷却水の流速が遅くなり、熱交換性能があまりよくなかった。また、排気ガス通路１１５の一端部に配置される排気入口１０３ａへ接続される配管１１２と同様に、該排気ガス通路１１５の他端部に配置される排気出口にも配管が接続されているが、内筒１２３を外筒１２２に仕組むためには、排気入口１０３ａの配管１１２の接続方向と排気出口の配管の接続方向とを同一方向に揃えておく必要があり、さらに、内筒１２３と外筒１２２とが偏心して配置されていた。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
本発明の解決しようとする課題は以上の如くであり、次に該課題を解決するための手段を説明する。
【０００８】
請求項１においては、排気系路内に排気ガス熱交換器（３）を有するエンジンの排気熱回収装置（１）において、該排気ガス熱交換器（３）と、エンジンに対して固設される排気マニホールド（２）とを複数箇所で接続し、該排気ガス熱交換器（３）の各接続部間の寸法と、該排気マニホールド（２）の各接続部間の寸法との、温度変化による寸法変化量が略等しくなるように、該排気ガス熱交換器（３）と排気マニホールド（２）との材質、及び各接続部間における伸縮可能領域寸法を設定し、前記排気マニホールド（２）のエンジンへの固設部（２ａ）の寸法（Ｌｆ）を、変更可能としたものである。
【０００９】
請求項２においては、請求項１記載の排気熱回収装置において、前記排気マニホールド（２）を断熱材（２１）により被覆し、該断熱材（２１）の被覆厚さを変更可能としたものである。
【００１０】
請求項３においては、請求項１記載の排気熱回収装置において、前記排気ガス熱交換器（３）を、内筒（２３）内を排気ガスが流れ、該内筒（２３）と外筒（２２）との間隙内を冷却水が流れる構成とし、該外筒（２２）は円筒状部材を径方向の面により、上下に分割して上外筒片（２２ａ）と下外筒片（２２ｂ）とし、該上外筒片（２２ａ）と下外筒片（２２ｂ）を接合して構成し、該外筒（２２）と内筒（２３）とを同心上に配置したものである。
【００１１】
【発明の実施の形態】
次に、本発明の実施の形態を説明する。図１は本発明の排気熱交換装置を示す側面図、図２は排気ガス熱交換器を示す側面断面図、図３は同じく正面断面図、図４は従来の排気ガス熱交換器を示す側面断面図、図５は内筒を外筒へ仕組む途中の状態にある従来の排気ガス熱交換器を示す正面断面図、図６は内筒を外筒へ仕組んだ状態にある従来の排気ガス熱交換器を示す正面断面図である。
【００１２】
本発明の排気熱交換装置の構成について説明する。図１に示すように、排気熱交換装置１は、排気マニホールド２及び排気ガス熱交換器３等により構成されており、該排気マニホールド２は、固設部２ａにてボルト等を用いてエンジンに固設されている。
【００１３】
排気マニホールド２の排気出口２ｂは、配管１２を介して排気ガス熱交換器３の排気入口３ａと接続されている。また、排気ガス熱交換器３の取付部１３が排気マニホールド２の熱交換器取付部２ｃに取付固定されている。即ち、排気ガス熱交換器３は、排気入口３ａと取付部１３との２箇所を、排気マニホールド２の排気出口２ｂと熱交換器取付部２ｃとにそれぞれ接続することで、該排気マニホールド２へ固着されている。
【００１４】
エンジンからの排気ガスは、排気マニホールド２の固設部２ａに開口する排気入口２ｄから該排気マニホールド２内へ侵入し、該排気マニホールド２から前記配管１２を通じて、排気ガス熱交換器３の排気入口３ａへ案内される。排気ガス熱交換器３内には後述する排気ガス通路１５及び冷却水通路１６が形成されており、排気入口３ａへ案内された排気ガスは、該排気ガス通路１５内を通過しながら、冷却水通路１６内を流れる冷却水により冷却された後、排気出口３ｂから排出される。逆に、冷却水通路１６内を流れる冷却水は、排気ガス通路１５内を通過する排気ガスから熱を回収して加温されることとなる。
【００１５】
エンジンから排気マニホールド２内へ導入される排気ガスは非常に高温であるため、該排気ガスに触れる排気マニホールド２も同様に高温状態となる。一方、排気ガスを冷却する冷却水が内部を流れる排気ガス熱交換器３は、該冷却水により冷却されるため、比較的低温となっている。
【００１６】
ここで、排気マニホールド２において、排気ガス熱交換器３との一方の接続部である排気出口２ｂから固設部２ａの排気出口２ｂ側端部までの範囲の寸法をＬ２ａとし、排気ガス熱交換器３との他方の接続部である熱交換器取付部２ｃから固設部２ａの熱交換器取付部２ｃ側端部までの範囲の寸法をＬ２ｂとし、固設部２ａの幅寸法をＬｆとする。
【００１７】
固設部２ａはエンジンにボルト等で固設されているため、排気マニホールド２の幅寸法Ｌｆの範囲においては、該排気マニホールド２の温度変化による伸縮が制限され寸法変化が殆どない。これに対し、排気マニホールド２における固設部２ａの両側部の部分は、温度変化による伸縮の制限がないため、寸法Ｌ２ａの範囲及び寸法Ｌ２ｂの範囲においては、該排気マニホールド２の温度変化により、温度変化量及び排気マニホールド２を構成する部材の熱膨張係数の値に応じて、その寸法が変化する。
【００１８】
従って、排気マニホールド２が熱膨張係数α2 を有する部材により構成され、基準温度Ｔにおける、排気出口２ｂから固設部２ａの排気出口２ｂ側端部までの範囲の寸法をＬ２ａとし、熱交換器取付部２ｃから固設部２ａの熱交換器取付部２ｃ側端部までの範囲の寸法をＬ２ｂとすると、該排気マニホールド２の温度が基準温度Ｔからある温度Ｔ2 まで変化した場合、温度Ｔ2 における排気出口２ｂから熱交換器取付部２ｃまでの範囲の寸法の変化量は、次式（１）で表される。
α2 ・（Ｔ2 −Ｔ）・（Ｌ２ａ＋Ｌ２ｂ）・・・（１）
【００１９】
また、排気ガス熱交換器３において、排気マニホールド２との一方の接続部である排気入口３ａから、他方の接続部である取付部１３までの範囲の寸法をＬ１とする。排気ガス熱交換器３は温度変化による伸縮の制限がないため、寸法Ｌ１の範囲においては、排気ガス熱交換器３の温度変化により、温度変化量及び排気ガス熱交換器３を構成する材質の熱膨張係数の値に応じて、その寸法が変化する。
【００２０】
従って、排気ガス熱交換器３が熱膨張係数α1 を有する部材により構成され、基準温度Ｔにおける、排気入口３ａから取付部１３までの範囲の寸法をＬ１とすると、該排気ガス熱交換器３の温度が基準温度Ｔからある温度Ｔ1 まで変化した場合、温度Ｔ1 における排気入口３ａから取付部１３までの範囲の寸法の変化量は、次式（２）で表される。
α1 ・（Ｔ1 −Ｔ）・Ｌ１・・・（２）
【００２１】
そして、排気熱回収装置１においては、停止時の排気マニホールド２と排気ガス熱交換器３との温度をＴとし、温度Ｔにおける、排気マニホールド２の排気出口２ｂから熱交換器取付部２ｃまでの範囲の寸法と、排気ガス熱交換器３の排気入口３ａから取付部１３までの範囲の寸法とが等しくなるように構成して、排気マニホールド２と排気ガス熱交換器３とを接続している。さらに、稼動時において、排気マニホールド２が温度Ｔ2 となり、排気ガス熱交換器３が温度Ｔ1 となったときに、前記式（１）の値と式（２）の値とがほぼ等しくなるように、排気マニホールド２を構成する部材の材質、排気ガス熱交換器３を構成する部材の材質、及び前記寸法Ｌ１・Ｌ２ａ・Ｌ２ｂを設定している。
【００２２】
このように、排気マニホールド２及び排気ガス熱交換器３の材質及び寸法を設定することで、例えば、停止時における排気マニホールド２の各接続部である排気出口２ｂと熱交換器取付部２ｃとの間の寸法と、排気ガス熱交換器３の各接続部である排気入口３ａと取付部１３との間の寸法とを合わせておけば、稼動時に排気マニホールド２と排気ガス熱交換器３との間に温度差が生じたとしても、排気マニホールド２の接続部間の寸法と、排気ガス熱交換器３の接続部間の寸法とは、温度変化に対する寸法変化量が等しいため、両寸法が異なることはない。
【００２３】
従って、排気マニホールド２の各接続部である排気出口２ｂや熱交換器取付部２ｃ、及び排気ガス熱交換器３の各接続部である排気入口３ａや取付部１３に応力がかかって、歪が生じたり破損したりすることを防止することができる。また、停止時と稼動時とで、排気ガス熱交換器の各接続部間の寸法と、排気マニホールドの各接続部間の寸法との寸法差が生じないため、排気マニホールドを水冷構造に構成する必要がなく、装置を小型軽量に構成することができるとともに、排気マニホールド冷却水用の配管を設ける必要もない。
【００２４】
また、排気マニホールド２における、前記固設部２ａの幅寸法Ｌｆを変更可能に構成して、伸縮可能な範囲である寸法Ｌ２ａ・Ｌ２ｂの長さを調節可能とすることができる。例えば、固設部２ａ両端に位置する、排気マニホールド２固設用のボルトの締結孔を複数設けて、該ボルトの締結位置を幅方向へ変更可能に構成する。このように、固設部２ａの幅寸法Ｌｆを変更して、寸法Ｌ２ａ・Ｌ２ｂの長さを調節可能とすることで、前記式（１）の値と式（２）の値とを等しくするために設定される、排気マニホールド２及び排気ガス熱交換器３の、材質や稼動時温度Ｔ1 ・Ｔ2 や寸法Ｌ２ａ・Ｌ２ｂの選択・設定の範囲及び自由度を広げることができる。
【００２５】
また、図１に示すように、排気マニホールド２は、外周部を断熱材２１により被覆されており、断熱材２１の被覆厚さｄを変更可能としている。稼動時における排気マニホールド２は、断熱材２１にて被覆されていることにより放熱が抑えられる。そして、断熱材２１の被覆厚さｄを厚くすれば抑えられる放熱量が大きくなって排気マニホールド２の温度が高くなり、断熱材２１の被覆厚さｄを薄くすれば抑えられる放熱量が小さくなって排気マニホールド２の温度が低くなる。このように、断熱材２１の被覆厚さｄを変更することで、稼動時における排気マニホールド２の温度Ｔ2 を調節することができ、前述の固設部２ａの幅寸法変更の場合と同様に、排気マニホールド２及び排気ガス熱交換器３の、材質や稼動時温度Ｔ1 ・Ｔ2 や寸法Ｌ２ａ・Ｌ２ｂ・Ｌｆの選択・設定の範囲及び自由度を広げることができる。
【００２６】
次に、前記排気ガス熱交換器３の構成について説明する。図２、図３に示すように、排気ガス熱交換器３は、筒形状に形成された外筒２２内に該外筒２２よりも小径の内筒２３を挿入し、内筒２３内に該内筒２３よりも小径の冷却水パイプ２４を挿入して構成されている。
【００２７】
そして、内筒２３と冷却水パイプ２４との間の空間に形成される排気ガス通路１５内を、配管１２が接続される排気入口３ａから排気ガス熱交換器３内に侵入した排気ガスが流れ、外筒２２と内筒２３との間の空間及び冷却水パイプ２４内に形成される冷却水通路１６内を、冷却水入口１６ａから排気ガス熱交換器３内に侵入した冷却水が流れるようにしている。排気ガス熱交換器３内に侵入した排気ガスは、排気ガス通路１５内を通過しながら、冷却水通路１６内を流れる冷却水により冷却された後、配管１４が接続される排気出口３ｂから排出され、冷却後の冷却水は冷却水出口１６ｂから排出される。
【００２８】
筒形状に形成された外筒２２は、図１乃至図３に示すように、円筒状部材を径方向へ複数（本例においては２分割）に分割して形成した上下外筒片２２ａ・２２ｂを接合して構成している。従って、内筒２３を外筒２２内に仕組む際には、例えば、上外筒片２２ａと下外筒片２２ｂとを分離した状態で、まず、下外筒片２２ｂを内筒２３に下方から組み込み、内筒２３に接続される配管１２・１４を外筒２２の外側へ突出させる。その後、内筒２３の上方から上外筒片２２ａを被せ、該上外筒片２２ａと下外筒片２２ｂとを接合すればよい。そして、内筒２３を外筒２２に仕組んだ状態で、内筒２３が外筒２２と同心位置に配置されるように構成している。
【００２９】
このように、外筒２２は上下外筒片２２ａ・２２ｂに分割して形成されているので、該外筒２２の径は、内筒２３と配管１２・１４との両方を挿入できるだけの大きさに形成する必要がなく、一体の筒形状に形成した場合よりも小径形成することができ、排気ガス熱交換器３をコンパクトに構成することができる。また、外筒２２を小径に形成することで、該外筒２２と内筒２３との間の間隙を狭くすることができ、外筒２２と内筒２３との間に形成される冷却水通路１６を流れる冷却水の流速が速くなるため、熱交換性能を向上することが可能となる。
【００３０】
また、内筒２３に接続される配管１２・１４は分割された状態の下外筒片２２ｂに組み込まれるため、該配管１２と配管１４との方向を合わせる必要がなく、両配管１２・１４の取り付け方向を自由に設定することが可能となる。さらに、外筒２２と内筒２３とは同心位置に配置されているので、外筒２２と内筒２３との間の冷却水通路１６の幅が均一となり、排気ガス通路１５内を流れる排気ガスを均一に冷却することが可能となる。
【００３１】
【発明の効果】
本発明は以上の如く構成したので、次のような効果を奏するのである。
請求項１記載の如く、排気系路内に排気ガス熱交換器（３）を有するエンジンの排気熱回収装置（１）において、該排気ガス熱交換器（３）と、エンジンに対して固設される排気マニホールド（２）とを複数箇所で接続し、該排気ガス熱交換器（３）の各接続部間の寸法と、該排気マニホールド（２）の各接続部間の寸法との、温度変化による寸法変化量が略等しくなるように、該排気ガス熱交換器（３）と排気マニホールド（２）との材質、及び各接続部間における伸縮可能領域寸法を設定したので、例えば、停止時における排気マニホールド２の各接続部間の寸法と、排気ガス熱交換器の各接続部間の寸法とを合わせておけば、稼動時に排気マニホールドと排気ガス熱交換器との間に温度差が生じたとしても、各接続部間における、排気ガス熱交換器の寸法変化量と排気マニホールドの寸法変化量とが略等しいため、排気ガス熱交換器の各接続部間寸法と排気マニホールドの各接続部間寸法とが異なることはない。
従って、排気マニホールド２の各接続部、及び排気ガス熱交換器の各接続部３に応力がかかって、歪が生じたり、破損したりすることを防止することができる。
また、停止時と稼動時とで、排気ガス熱交換器の各接続部間の寸法と、排気マニホールドの各接続部間の寸法との寸法差が生じないため、排気マニホールドを水冷構造に構成する必要がなく、装置を小型軽量に構成することができるとともに、排気マニホールド冷却水用の配管を設ける必要もなくなる。
【００３２】
また、前記排気マニホールド（２）のエンジンへの固設部（２ａ）の寸法（Ｌｆ）を、変更可能としたので、排気マニホールド及び排気ガス熱交換器の、材質や、稼動時温度や、各接続部間における伸縮可能領域寸法の選択・設定の範囲及び自由度を広げることが可能となる。
【００３３】
請求項２に記載の如く、請求項１記載の排気熱回収装置において、前記排気マニホールド（２）を断熱材（２１）により被覆し、該断熱材（２１）の被覆厚さを変更可能としたので、断熱材の被覆厚さを変更することで、稼動時における排気マニホールドの温度を調節することができ、前述の固設部の寸法を変更する場合と同様に、排気マニホールド及び排気ガス熱交換器の、材質や、稼動時温度や、各接続部間における伸縮可能領域寸法の選択・設定の範囲及び自由度を広げることが可能となる。
【００３４】
請求項３に記載の如く、請求項１記載の排気熱回収装置において、前記排気ガス熱交換器（３）を、内筒（２３）内を排気ガスが流れ、該内筒（２３）と外筒（２２）との間隙内を冷却水が流れる構成とし、該外筒（２２）は円筒状部材を径方向の面により、上下に分割して上外筒片（２２ａ）と下外筒片（２２ｂ）とし、該上外筒片（２２ａ）と下外筒片（２２ｂ）を接合して構成し、該外筒（２２）と内筒（２３）とを同心上に配置したので、外筒の径を、該外筒を一体の筒形状に形成した場合よりも小径形成することができ、排気ガス熱交換器をコンパクトに構成することができる。
また、外筒を小径に形成することで、該外筒と内筒との間の間隙を狭くすることができ、外筒と内筒との間に形成される冷却水通路を流れる冷却水の流速が速くなるため、熱交換性能を向上することが可能となる。
また、内筒に接続される複数の配管は分割された状態の外筒である筒片に組み込まれるため、各配管の方向を合わせる必要がなく、配管の取り付け方向を自由に設定することが可能となる。
さらに、外筒と内筒とは同心位置に配置されているので、外筒と内筒との間の冷却水通路の幅が均一となり、排気ガス通路内を流れる排気ガスを均一に冷却することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】  本発明の排気熱交換装置を示す側面図である。
【図２】  排気ガス熱交換器を示す側面断面図である。
【図３】  同じく正面断面図である。
【図４】  従来の排気ガス熱交換器を示す側面断面図である。
【図５】  内筒を外筒へ仕組む途中の状態にある従来の排気ガス熱交換器を示す正面断面図である。
【図６】  内筒を外筒へ仕組んだ状態にある従来の排気ガス熱交換器を示す正面断面図である。
【符号の説明】
１  排気熱回収装置
２  排気マニホールド
２ａ  固設部
２ｂ  排気出口
２ｃ  熱交換器取付部
３  排気ガス熱交換器
３ａ  排気入口
３ｂ  排気出口
１２・１４  配管
１３  取付部
１５  排気ガス通路
１６  冷却水通路
２１  断熱材
２２  外筒
２２ａ  上外筒片
２２ｂ  下外筒片
２３  内筒
【図１】
0004157660.tif 000002
【図２】
0004157660.tif 000003
【図３】
0004157660.tif 000004
【図４】
0004157660.tif 000005
【図５】
0004157660.tif 000006
【図６】
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