排熱回収装置
【課題】排熱回収装置の小型化を課題とする。
【解決手段】排ガス導入部11の第2通路15の断面積をS1、排気ガスの流速をV1、排気ガスの圧力をP0とし、バルブ室16のうち第2通路15の下流端部15aが位置する部位の断面積をS2、排気ガスの流速をV2、排気ガスの圧力をP2とし、第2通路15の上流端部15aから下流端部15bまでの距離をLとし、V1及びV2の値を調整して、P0=P2となるよう、S1、S2及びLが設定される。
【効果】第1通路13の入口側の排気ガスの圧力P0と、出口側の排気ガスの圧力P2を同じにすることで、排気ガスは第2通路15にのみ流される。即ち、第1通路13を閉じることなく、排気ガスを第2通路15にのみ流すことができる。排熱回収装置10が複雑な構造になったり、重量の増加をすることなくシンプルにすることができる。
【解決手段】排ガス導入部11の第2通路15の断面積をS1、排気ガスの流速をV1、排気ガスの圧力をP0とし、バルブ室16のうち第2通路15の下流端部15aが位置する部位の断面積をS2、排気ガスの流速をV2、排気ガスの圧力をP2とし、第2通路15の上流端部15aから下流端部15bまでの距離をLとし、V1及びV2の値を調整して、P0=P2となるよう、S1、S2及びLが設定される。
【効果】第1通路13の入口側の排気ガスの圧力P0と、出口側の排気ガスの圧力P2を同じにすることで、排気ガスは第2通路15にのみ流される。即ち、第1通路13を閉じることなく、排気ガスを第2通路15にのみ流すことができる。排熱回収装置10が複雑な構造になったり、重量の増加をすることなくシンプルにすることができる。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
本発明は、排気ガスの熱で媒体を温める排熱回収装置に関する。
【背景技術】
【0002】
内燃機関で発生した排気ガスの熱で、熱回収器内の媒体を温める排熱回収装置が知られている(例えば、特許文献1(図3)参照。)。
【0003】
特許文献1を次図に基づいて説明する。
図14(a)に示すように、排熱回収装置100は、排気ガスを導入する導入口101と、この導入口101から上方に向かって延ばされる第1通路102と、この第1通路102の一部に設けられ排気ガスと媒体とで熱交換を行う熱交換器103と、第1通路102を迂回するように設けられる第2通路104と、この第2通路104の下流に設けられ第1通路102及び第2通路104を開閉するバルブ105とからなる。
【0004】
熱交換器103内を流れる媒体の温度が低い場合は、第2通路104の出口104aをバルブ105で閉じる。第2通路104を閉じることで、想像線で示すように、第1通路102へ排気ガスを流す。排気ガスと熱交換器103内の媒体とで熱交換を行う。熱交換を行うことで、媒体が温められる。
【0005】
熱交換器103内の媒体の温度が所定の温度を超えると、排気ガスと媒体との熱交換を終える。(b)に示すように、熱交換を行わない場合は、バルブ105で第1通路102の出口102aを閉じる。第1通路102を閉じることで、想像線で示すように、第2通路104へ排気ガスを流す。
【0006】
媒体を温める必要のない場合に、第2通路104に排気ガスを流す。第1通路102と第2通路104とが離して設けられることで、排気ガスの熱が第1通路102に向かって伝わることを防止できる。
【0007】
すなわち、排熱回収装置100によれば、バルブ105を回動させることで、排気ガスの流路を切替える。そのためには、バルブ105に、第2通路104の出口104aを開閉する第1弁部と、第1通路の出口102aを開閉する第2弁部を設ける必要がある。
【0008】
第2弁部は第1弁部より一体で形成され、バルブ105の軌道に合わせた円弧形状とされており、離して設けられた第1通路と第2通路の両方を開閉するために複雑な構造となってしまい、重量の増加にもつながる。
【0009】
排熱回収装置100の組み立てや機能を考えると、排熱回収装置100がシンプルであれば、組み立て安さの向上や軽量化をすることができる。
従って、排熱回収装置の一層のシンプル化が望まれる。
【0010】
排熱回収装置のシンプル化が望まれる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【0011】
【特許文献1】特開2009−30569公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0012】
本発明は、排熱回収装置の構造のシンプル化を課題とする。
【課題を解決するための手段】
【0013】
請求項1に係る発明は、排気ガスが導入される排ガス導入部と、この排ガス導入部に接続され導入された排気ガスを2つの通路のうち任意の通路に向かって流す分岐部と、この分岐部に繋がれる通路のうち一方の通路である第1通路と、この第1通路内に設けられ排気ガスの熱で媒体を温める熱交換器と、この熱交換器を迂回するように設けられ通路のうち他方の通路である第2通路と、この第2通路の下流であって排気ガスの流れ方向に垂直に設けられた回転軸と、この回転軸に取付けられ第2通路を閉じる方向に付勢されるバルブと、このバルブが収納され第1通路の下流端部が接続されるバルブ室と、媒体の温度によって作動し回転軸を回転させるアクチュエータとを備えている排熱回収装置において、
第2通路の下流端部は、第1通路の下流端部がバルブ室に接続される部位よりも下流側まで延ばされ、
第2通路の断面積をS1、第2通路内を流れる排気ガスの流速をV1、第2通路の上流端部での排気ガスの圧力をP0とし、
バルブ室のうち第2通路の下流端部が位置する部位の断面積をS2、第2通路の下流端部から排出された排気ガスの流速をV2、第2通路の下流での排気ガスの圧力をP2とし、
第2通路の上流端部から下流端部までの距離をLとした場合に、
V1及びV2の値を調整して、P0=P2となるよう、S1、S2及びLが設定されることで、バルブが開放している場合に、排気ガスが第2通路にのみ流されることを特徴とする。
【0014】
請求項2に係る発明は、排気ガスが導入される排ガス導入部と、この排ガス導入部に接続され導入された排気ガスを2つの通路のうち任意の通路に向かって流す分岐部と、この分岐部に繋がれる通路のうち一方の通路である第1通路と、この第1通路内に設けられ排気ガスの熱で媒体を温める熱交換器と、この熱交換器を迂回するように設けられ通路のうち他方の通路である第2通路と、この第2通路の下流であって排気ガスの流れ方向に垂直に設けられた回転軸と、この回転軸に取付けられ第2通路を閉じる方向に付勢されるバルブと、このバルブが収納され第1通路の下流端部の下流端部が接続されるバルブ室と、媒体の温度によって作動し回転軸を回転させるアクチュエータとを備えている排熱回収装置において、
第2通路の下流端部は、第1通路の下流端部がバルブ室に接続される部位よりも下流側まで延ばされ、
第2通路の断面積をS1、バルブ室のうち第2通路の下流端部が位置する部位の断面積をS2、第2通路の上流端部から下流端部までの距離をL、第2通路の単位長さ当たりの摩擦係数をζ、第2通路の下流端部近傍における渦流損失係数をψとした場合に、
ζ・L+(S1/S2)2+ψ=1となるよう、S1、S2及びLが設定され、バルブが開放している状態で、排気ガスが第2通路にのみ流されることを特徴とする。
【0015】
請求項3に係る発明は、バルブ室の上流端部から第1通路の下流端部に向かって基体が延ばされ、
基体に重ね合わせられることで、基体と共に閉断面を形成する蓋体が、第2通路に向かって延ばされ、
基体及び蓋体を介して第1通路がバルブ室に連結され、
蓋体の先端は、第2通路の外周面に対して所定の間隔を保ちながら設けられると共に、第2通路を下流側から見た場合に、第2通路の下流端部に隠れることを特徴とする。
【0016】
請求項4に係る発明は、排ガス導入部は、上流側の入口部と、この入口部からテーパ状に設けられ拡径するテーパ部と、このテーパ部の下流端部から延ばされ分岐部に接続される分岐部側接続部とからなることを特徴とする。
【発明の効果】
【0017】
請求項1に係る発明では、V1及びV2の値を調整して、P0=P2となるよう、S1、S2及びLが設定されることで、バルブが開放している場合に、排気ガスが第2通路にのみ流される。第1通路の入口側の排気ガスの圧力P0と、出口側の排気ガスの圧力P2を同じにすることで、排気ガスは第2通路にのみ流される。即ち、第1通路を閉じることなく、排気ガスを第2通路にのみ流すことができる。第1通路を閉じるバルブが不要になるため、排熱回収装置をシンプルにすることができる。
【0018】
請求項2に係る発明では、ζ・L+(S1/S2)2+ψ=1となるよう、S1、S2及びLが設定されることで、バルブが開放している状態で、排気ガスが第2通路にのみ流される。ζ・L+(S1/S2)2+ψ=1となるよう、S1、S2及びLが設定されることで、第1通路の入口側の排気ガスの圧力P0と、出口側の排気ガスの圧力P2を同じにすることができる。排気ガスの圧力P0とP2とを同じにすることで、排気ガスは第2通路にのみ流される。即ち、第1通路を閉じることなく、排気ガスを第2通路にのみ流すことができる。第1通路を閉じるバルブが不要になるため、排熱回収装置をシンプルにすることができる。
【0019】
請求項3に係る発明では、蓋体の先端は、第2通路に対して所定の間隔を保ちながら設けられると共に、第2通路を下流側から見た場合に、第2通路の下流端部に重なっている。即ち、蓋体の先端は、第2通路に近付けて設けられる。蓋体の先端と第2通路との間を小さくすることで、第2通路を通過した排気ガスが渦流により乱れた場合であっても合流部側への逆流を防ぎやすくなる。
【0020】
請求項4に係る発明では、排ガス導入部は、入口部からテーパ状に設けられ拡径するテーパ部を備える。拡径することで、排ガス導入部に導入された排気ガスの速度(流速)を調整することができる。
【図面の簡単な説明】
【0021】
【図1】本発明に係る排熱回収装置の斜視図である。
【図2】本発明に係る排熱回収装置の分解断面図である。
【図3】本発明に係る排熱回収装置の断面図である。
【図4】図3の4部拡大図である。
【図5】図3の5−5線断面図である。
【図6】媒体の温度が低く且つ排気ガスの流量が少ない場合のバルブを説明する図である。
【図7】排気ガスの流量が多い場合のバルブを説明する図である。
【図8】媒体の温度が高い場合のバルブを説明する図である。
【図9】排気ガスの流路を説明する図である。
【図10】本発明に係る排熱回収装置の作用説明図である。
【図11】サーモアクチュエータの変更例を説明する図である。
【図12】図11の12−12線断面図である。
【図13】連結部材の変更例を説明する図である。
【図14】従来の技術の基本原理を説明する図である。
【発明を実施するための形態】
【0022】
本発明の実施の形態を添付図に基づいて以下に説明する。なお、図面は符号の向きに見るものとする。
【実施例】
【0023】
本発明の実施例を図面に基づいて説明する。
図1に示されるように、排熱回収装置10は、排気ガスが導入される排ガス導入部11と、この排ガス導入部11に接続される分岐部12と、この分岐部12に繋がれる第1通路13と、この第1通路13内に設けられ排気ガスの熱で媒体を温める熱交換器14と、この熱交換器14を迂回するように設けられ第1通路13と共に分岐部12に接続される第2通路15と、この第2通路15の下流に設けられるバルブ室16と、このバルブ室16の上流端部16aから第1通路13の下流端部に向かって延ばされ第1通路13を通過した排気ガスをバルブ室16に導く合流部17と、バルブ室16に支持され排気ガスの流れ方向に垂直に設けられた回転軸18と、この回転軸18に向かって先端が臨むよう設けられ媒体の温度によって作動することで回転軸18を回転させるサーモアクチュエータ19とを備える。
【0024】
熱交換器14にサーモアクチュエータ19が接続され、このサーモアクチュエータ19に媒体を導入する媒体導入管23が接続される。媒体は、サーモアクチュエータ19を介して熱交換器14に導入される。
熱交換器14には、媒体を排出するための媒体排出管22が接続される。
【0025】
サーモアクチュエータ19内には、温度によって膨張又は収縮するワックスが収納される。ワックスが膨張することでサーモアクチュエータ19のロッド24が進出する(矢印(1)参照)。ワックスが収縮した場合は、サーモアクチュエータ19内に収納された戻しばねの力でロッド24が後退する。
【0026】
熱交換器14にサーモアクチュエータ19を接続することで、熱交換器14に導入される媒体はサーモアクチュエータ19を通過する。通過する媒体の温度でサーモアクチュエータ19内のワックスが膨張又は収縮し、ロッド24が前進又は後退する。
なお、サーモアクチュエータ以外にも、任意のアクチュエータを用いることができる。また、アクチュエータの取付位置は排熱回収装置本体(熱交換器14に直接繋がれる場合)に限られない。
【0027】
回転軸18の一端は、バルブ室16の外壁に取付けられた蓋25で覆われる。
回転軸18の他端には、矢印(2)で示すように回転軸18を付勢するばね26と、このばね26が抜けることを防止する抜止め板27とが取付けられる。
抜止め板27にはレバー部材28が固定され、このレバー部材28にサーモアクチュエータ19のロッド24が接触する。
【0028】
矢印(1)で示す、ロッド24が前進する方向とは逆の方向に向かって、ばね26は回転軸18を付勢する。即ち、ロッド24が前進する場合は、ばね26の力に抗してレバー部材28を押す。
このような排熱回収装置10について次図以降で詳細を説明する。
【0029】
図2に示すように、排ガス導入部11は、排気ガスの流れ方向を基準として上流側の端部に位置する入口部31と、この入口部31からテーパ状に延ばされ下流に向かって拡径するテーパ部32と、このテーパ部32の下流端部から延ばされ分岐部12に接続される分岐部側接続部33とからなる。
テーパ部32で拡径することで、排ガス導入部11に導入された排気ガスの速度(流速)を調整することができる。
【0030】
排ガス導入部11が接続される分岐部12は、下流側に第1通路13(熱交換器14)及び第2通路15が接続される第1の基体35と、この第1の基体35に重ね合わされ第1の基体35と共に閉断面を形成する第1の蓋体36とからなる。
【0031】
第1の基体35には、第1通路13に接続される接続口35aと、第2通路15に接続される接続口35bとが設けられる。
第1の蓋体36には、排ガス導入部11を接続するための接続口36aが設けられると共に、第1の蓋体36の剛性を高めるための凹凸形状部36c、36dが形成される。凹凸形状部36c、36dは、排気ガスの流れをガイドするための部位でもある。即ち、凹凸形状部36c、36dで排気ガスの流れをガイドし、各層の伝熱チューブ41に均一に排気ガスを送ることができる。
【0032】
分岐部12のそれぞれの接続口35a,35b,36aに第1、第2通路13,15及び排ガス導入部11を溶接する。
仮に、排ガス導入部に第1、第2通路を直接接続する場合は、排ガス導入部、第1、第2通路をそれぞれ接続することができるような形状とする必要があり、部品形状が複雑化する。
排ガス導入部11に第1、第2通路13,15を直接接続する場合に比べ、排ガス導入部11、第1、第2通路13,15の形状を単純にすることができ、溶接作業を容易に行うことができる。
【0033】
加えて、第1の蓋体36を第1の基体35に被せることで、分岐部12は断面視略矩形の閉断面を形成する。第1の蓋体36を第1の基体35に被せる形状にしたことで、分岐部12の組み立てを容易に行うことができる上に、排ガス導入部11、第1、第2通路13,15の溶接作業も容易に行うことができ、特に有益である。
【0034】
なお、排ガス導入部11が接続される部材を第1の基体にし、第1、第2通路13,15が接続される部材を第1の蓋体とすることもできる。
即ち、閉断面状の分岐部12を形成することで、排ガス導入部11、第1、第2通路13,15の溶接作業を容易に行うことができる。
【0035】
第1通路13は、熱交換器14に対して一体的に形成される。即ち、熱交換器14の上流側エンドプレート38を分岐部12に向かって延ばし、下流側エンドプレート39を合流部17に向かって延ばすことで第1通路13は形成される。
エンドプレート38、39を延ばして第1通路13とするため、部品点数を削減することができ望ましい。
【0036】
熱交換器14は、上流側及び下流側エンドプレート38,39と、これらのエンドプレート38,39に両端が支持され内部に排気ガスが流される複数の伝熱チューブ41と、これらの伝熱チューブ41を囲い内部に媒体が流されるコアケース42とからなる。
伝熱チューブ41の内部を排気ガスが流れ、伝熱チューブ41の外周部を媒体が流れる。伝熱チューブ41を介して、排気ガスと媒体との間で熱交換が行われる。
【0037】
第2通路15は、円筒形状を呈し、下流端部15bが僅かに拡径される。第2通路15の長さはLであり、下流端部15b以外の主要部の断面積がS1とされる。拡径された下流端部15bの内周面に沿ってシール部材44が配置される。シール部材44に接触するようバルブ45が設けられる。
バルブ45は、回転軸(図1、符号18)に固定され、回転軸と共に回転する部材である。
【0038】
合流部17は、第1、第2通路13,15に連結される第2の基体48と、この第2の基体48に重ね合わせることで第2の基体48と共に閉断面を形成する第2の蓋体49とからなる。
【0039】
第2の基体48に、第1通路13の下流端部13bが接続される接続口48aと、第2通路15の被接続部15cが接続される接続口48bとが設けられる。
第2の蓋体49に、第2の蓋体49の剛性を高めるための凹凸形状部49cが形成される。
【0040】
合流部17のそれぞれの接続口48a,48bに第1、第2通路13,15を溶接する。第2通路に第1通路を直接接続すると、第1通路を曲げる等の加工を行う必要があり、形状が複雑になる。第2通路に第1通路を直接接続する場合に比べ、第1通路13の形状を単純にすることができ、溶接作業を容易に行うことができる。
【0041】
加えて、第2の蓋体49を第2の基体48に被せることで、合流部17は断面視略矩形の閉断面を形成する。第2の蓋体49を第2の基体48に被せる形状にしたことで、合流部17の組み立てを容易に行うことができる上に、第1、第2通路13,15の溶接作業も容易に行うことができ、特に有益である。
【0042】
なお、バルブ室16に接続される部材を第2の基体にし、第1、第2通路13,15が接続される部材を第2の蓋体とすることもできる。
即ち、閉断面状の合流部17を形成することで、第1、第2通路13,15の溶接作業を容易に行うことができる。
排ガス導入部11、第1通路13、熱交換器14、第2通路15、バルブ室16が組み立てられた状態の排熱回収装置10について次図で説明する。
【0043】
図3に示すように、第1の蓋体36の接続口36aに排ガス導入部11の分岐部側接続部33が接続される。第1の基体35の接続口35aに、第1通路13の上流端部13aが接続され、接続口35bに第2通路15の上流端部15aが接続される。
【0044】
第2の基体48の接続口48aに第1通路13の下流端部13bが接続され、接続口48bに第2通路15の被接続部15cが接続される。
バルブ室16の上流端部16aは、合流部17に繋がれ、第2通路15の下流端部15bは、バルブ室16内に収納される。
第2通路15の下流端部15bは、第1通路13の下流端部13bがバルブ室16に接続される部位(合流部17)よりも下流側に位置する。
【0045】
排ガス導入部11、第2通路15、バルブ室16は、同軸上に配置されている。
第2の蓋体49の先端49aは、第2通路15の外周に沿って配置される。
詳細は次図で説明する。
【0046】
図4に示すように、第2の蓋体49の先端49aは、第2通路15の下流端部15bに重なる位置まで延ばされている(想像線51参照)と共に、第2通路15に対して所定の間隔tを保ちながら、第2通路15の外周の一部を囲っている。
【0047】
第2の蓋体49の先端49aと第2通路15との間を小さくすることで、第2通路15を通過した排気ガスが渦流により乱れても合流部17側へ逆流することを防ぎやすくなる。
詳細を次図で説明する。
【0048】
図5に示すように、第2通路15を下流側から見た場合に、第2の蓋体49の先端49aは、第2通路15の下流端部15bに重なっている。
第2通路15は、第1通路側(図面右側)の半分が第2の蓋体49の先端49aで囲われている。
【0049】
半分より広い範囲を囲もうとすると、第2通路15に対して蓋体49をセットすることが困難になる。
一方、半分より狭い範囲であると、第2通路15を通過した排気ガスが合流部17に向かって逆流しやすくなる。
逆流の生じやすい第1通路側の半分を第2の蓋体49の先端49aで囲う。逆流を有効に防ぎつつ、合流部17を通過した排気ガスをバルブ室16内へ円滑に流すことができる。
【0050】
図5に示すように、52,52は、バルブ45を固定するためのボルトであり、53,53は、バルブ室16からの排気ガスの漏れを防止するシールである。
第2通路15の下流端部15bを閉じるバルブ45について詳細を次図以降で説明する。
【0051】
図6(a)に示すように、排気ガスの流量が少なく且つ熱交換器(図1、符号14)内の媒体の温度が低い場合は、バルブ45が第2通路15の下流端部15bを閉じている。
【0052】
さらに詳しく言うと、(b)に示すように、ばね26の力でバルブ45は閉じている。また、媒体の温度が低いため、サーモアクチュエータ19のロッド24は、後退位置にある。
第2通路内に流れる排気ガスの流量が多くなった場合について次図で説明する。
【0053】
図7(a)に示すように、排気ガスの流量が多い場合は、第2通路15の下流端部15bを閉じていたバルブ45が開く。
【0054】
さらに詳しく言うと、(b)に示すように、排気ガスは、ばね26が時計回り方向に付勢する力に抗してバルブ45を開く。熱交換器を流れる媒体の温度に拘わらず、バルブ45が開く。
熱交換器を流れる媒体の温度が高い場合のバルブの作用について次図で説明する。
【0055】
図8(a)に示すように、熱交換器(図1、符号14)を流れる媒体の温度が高い場合は、第2通路15の下流端部15bを閉じていたバルブ45が開く。
【0056】
さらに詳しく言うと、(b)に示すように、媒体の温度が高いことで、サーモアクチュエータ19のロッド24が前進する。ロッド24は、ばね26の時計回り方向に付勢する力に抗して前進し、バルブ45を開く。第2通路15を流れる排気ガスの流量に拘わらず、バルブ45が開く。
【0057】
ここで(a)に戻り、第2通路15の下流端部15b近傍の断面積をS2とする。
例えば、断面積S2は、想像線55の位置におけるバルブ室16の断面積から、回転軸18、バルブ45の面積を引いた面積である。
【0058】
図6〜図8をまとめると以下のようにいうことができる。
第2通路15を流れる排気ガスの流量が所定の量以下であり、且つ熱交換器を流れる媒体の温度が所定の温度以下の場合は、バルブ45は閉じている。
第2通路15を流れる排気ガスの流量が所定の量を超える、又は熱交換器を流れる媒体の温度が所定の温度を超えた場合は、バルブ45が開いている。
バルブ45の開閉による排気ガスの流路について、次図で詳細を説明する。
【0059】
図9(a)に示すように、第2通路15の下流端部15bをバルブ45が閉じている。バルブ45が閉じていることで、排気ガスは第1通路13及び熱交換器14を流れる。熱交換器14を通過することで、媒体を温める。媒体を温め温度の下がった排気ガスは、合流部17を通過し、バルブ室16から外部へ排出される。
【0060】
媒体の温度が所定の温度を超えるまで、熱交換を行う。
前述したとおり、媒体の温度が所定の温度を超える前であっても、排気ガスの流量が所定の量を超えた場合はバルブ45が開く。バルブ45が開くことで、排気ガスを第2通路15へ逃がす。排気ガスを第2通路15へ逃がすことで高負荷時の出力低下を抑制する。
【0061】
一方、バルブ45が開いている場合は、(b)に示すように、排気ガスは第2通路15を通過する。このとき、排気ガスは第2通路15のみを通過する。即ち、第1通路13側へは流れない。理由を次図で説明する。
【0062】
図10に示すように、第2通路15の上流端部15aに対応する点をXとし、第2通路15の下流端部15bに対応する点であって、僅かに上流側の点をY、第2通路15の下流端部15bに対応する点であって、僅かに下流側の点をZとする。
【0063】
Yは下流端部15bよりも僅かに上流側の点であるため、XからYまでの長さ=第2通路15の長さLとする。また、第2通路15の断面積も前述したとおり、S1である。
点Zでの断面積は、前述の通りS2である。
【0064】
排気ガスを第2通路15に流した場合において、点Xを通過する排気ガスの流速をV1とする。このとき、第2通路15内の点Yでも、排気ガスの流速はV1である。
一方、第2通路15の外である点Zでは、断面積がS2と広くなる。断面積が広がることで排気ガスの流速はV1よりも遅いV2となる。即ち、点Zでの流速はV2であり、V1>V2である。
【0065】
点Xでの排気ガスの圧力をP0とする。点Yでは、圧力損失により排気ガスの圧力はP1に減少する。即ち、P0>P1。
点Zでは、断面積がS2に増大するため、排気ガスの圧力もP2に増加する。即ちP1<P2。
【0066】
第1通路13の下流端部13bは、バルブ室16に繋がれている。点Zでの排気ガスの圧力P2が、上流端部13a近傍での排気ガスの圧力P0と同じであれば、第1通路13の両端部で圧力の差がないため、第1通路13内へ排気ガスが流れない。
排気ガスの流速V1及びV2の値に拘わらず、P0=P2とすることができれば、第1通路13を閉じずに第2通路15にのみ排気ガスを流すことができる。
【0067】
本発明に係る排熱回収装置10は、V1及びV2の値を調整して、P0=P2となるよう、S1、S2及びLを設定した。以下、詳細を述べる。
【0068】
まず、点Xから点Yの間での圧力損失は、排気ガスのガス密度をγ、第2通路15の単位長さ当たりの摩擦係数をζ、重力加速度をgとして、以下の式で表される。
【0069】
【数1】
【0070】
第2通路15の下流端部15b近傍での連続の式は、第2通路15の下流端部15b近傍での渦流損失係数をψとして、以下の式で表される。
【0071】
【数2】
【0072】
単位時間当たりの排気ガスの流量をQとして、流速は以下の式で表される。
【0073】
【数3】
【0074】
【数4】
【0075】
(9)式から、ζ・L+(S1/S2)2+ψ−1=0であれば、P0=P2となる。また、ζ・L+(S1/S2)2+ψ−1=0であれば、V1及びV2の変化の影響を受けない。このとき、V1及びV2の値に拘わらずP0=P2となる。
【0076】
従って、ζ・L+(S1/S2)2+ψ=1となる、L,S1,S2を選択することで、V1及びV2の値を調整してP0=P2となる。P0=P2となることで、第1通路13に排気ガスが流れない。
【0077】
本発明に係る排熱回収装置10は、このような知見に基づいて、V1及びV2の値を調整して、P0=P2となるよう、S1、S2及びLが設定される。
第1通路13の入口側の排気ガスの圧力P0と、出口側の排気ガスの圧力P2を同じにすることで、排気ガスは第2通路15にのみ流される。即ち、第1通路13を閉じることなく、排気ガスを第2通路15にのみ流すことができる。第1通路13や第2通路15の形状をバルブの軌道に合わせる必要がなく、排熱回収装置10を小型化することができる。
【0078】
以下に、L,S1,S2の具体的な設定方法について、排熱回収装置10を車両に用いる場合を例に説明する。なお、設定方法は以下の方法に限られるものではない。
【0079】
まず、第2通路15に用いる素材を決める。素材を決めることで、単位長さ当たりの摩擦係数ζが決まる。
次に、車両の内燃機関の排気量や車体の大きさに合わせて、第2通路15の長さL及び断面積S1を決定する。
【0080】
ζ、L、S1が決まったら、ζ・L+(S1/S0)2=1となるS0を求める。
ここでS0は、仮のS2であり、第2通路の下流端部での渦流損失を考慮しない値である。
【0081】
このようにして決められたζ、L、S1、S0を基に解析モデルを作成し流体解析を行う。解析モデルを使い、バルブを開いた状態で第2通路に排気ガスを流す。排気ガスが第2通路にのみ流れているかを確認する。第1通路にも排気ガスが流れた場合は、S0≠S2であるので、調整を行う。
【0082】
調整は、排ガス導入部の形状を変形させたり、第2通路の下流端部の形状を変形させたり、バルブ室の形状を変形させること等で行う。調整を行うことで、仮の渦流損失係数ψ0はψ01に変更され、下流端部の断面積S0はS01に変更される。
【0083】
調整後に再度、排気ガスが第1通路を流れるかを確認する。第1通路に排気ガスが流れない場合、ζ・L+(S1/S01)2+ψ01=1ということができる。即ち、このときのS01がS2であり、ψ01がψである。
第1通路に排気ガスが流れる場合は、再度調整を行い、第1通路に排気ガスが流れなくなるまで、この作業を繰り返す。
【0084】
この設定方法をまとめると、まず、ζ、L、S1を決定する。ζ、L、S1を決定することで、仮のS2即ち、S0を導く。S0を基に、調整を行うことで、S2、ψが決定される。
【0085】
即ち、本発明にかかる排熱回収装置10は、V1及びV2の値を調整して、P0=P2となるよう、S1、S2及びLが設定されるということができる。
また、ζ・L+(S1/S2)2+ψ=1となるよう、S1、S2及びLが設定されるということもできる。
【0086】
第1通路13を閉じることなく、排気ガスを第2通路15にのみ流すことができる。第1通路13や第2通路15の形状をバルブの軌道に合わせる必要がなく、排熱回収装置10を小型化することができる。
サーモアクチュエータ(図1、符号19)の変形例について次図で詳細を説明する。
【0087】
図11(a)に示すように、サーモアクチュエータ61は、温度によって膨張・収縮するワックスが収納されるワックス収納部62と、このワックス収納部62の先端に取付けられるケース63と、このケース63に収納されワックスによって作動されるピストン64と、このピストン64から延ばされるロッド65と、このロッド65の基部65aを囲うように配置されワックスの収縮時にロッド65を後退させる(矢印(3)参照)戻しばね66とからなる。
【0088】
サーモアクチュエータ61のロッド65は、先端部65bが雄ねじ状に形成されている。ロッド65は、ケース63内に収納された戻しばね66が付勢する力で、後退する方向に付勢される。
【0089】
また、サーモアクチュエータ61を側方から見た場合に、抜止め板27のうち回転軸18から外れた部位に、ピン71が取付けられている。ピン71は回転軸18に平行に(図面表裏方向に)延びている。
【0090】
ロッド65の先端部65bに取付けられた連結部材72を介して、サーモアクチュエータ61が抜止め板27に連結される。抜止め板27は、回転軸18と共に回転する部材である。即ち、ロッド65は、連結部材72及び抜止め板27を介して回転軸18に連結される。
矢印(3)に示す戻しばね66が付勢する力は、ロッド65、抜止め板27、回転軸18を介して、バルブ45を閉じる方向(矢印(4)参照)に作用する。
【0091】
ばね26がバルブ45を閉じる力に、戻しばね66の力が加わる。戻しばね66は、バルブ45を閉じる方向に付勢する。戻しばね66の力を加えるため、付勢力の小さいばね26であっても十分にバルブ45を閉じることができる。付勢力の小さなばね26を用いることで、ばね26を小型化することができる。
【0092】
加えて、ばね26を小型化し付勢力を弱めるため、より出力の小さなサーモアクチュエータ61で、バルブ45を回転させることができる。より出力の小さなサーモアクチュエータ61を用いることで、サーモアクチュエータ61の小型化を図ることができる。
【0093】
(b)に示すように、戻しばね66の自由高さはhである。自由高さhの戻しばね66をαだけ圧縮させた状態でケース((a)、符号ケース63)に収納している。圧縮させた状態でケースに収納している理由は、(a)に戻って説明する。
【0094】
圧縮した状態で収納することで、ロッド65が後端位置にあっても、ロッド65は、戻しばね66に付勢される。即ち、ロッド65が後退限にある場合(図面に示す場合)も、戻しばね66によりバルブ45は閉じ方向に付勢される。バルブ45が閉じている場合に、さらに閉じ方向にバルブ45を付勢することで、排気ガスの力によるバルブ45のばたつきを抑えることができる。
抜止め板27とピン71の詳細について次図で詳細に説明する。
【0095】
図12に示すように、抜止め板27からピン支持板74が延ばされている。ピン支持板74は、連結部材72を迂回するようにしてピン71に平行に延ばされる水平板75と、水平板75から立ち上げられピン71の一端71aが差し込まれる鉛直板76とからなる。
【0096】
ピン71の他端71bは、抜止め板27で支持されている。即ち、ピン71は、両端固定梁構造で支持される。両端が固定されるため、ピン71に撓みが生じにくくなる。撓みにくくすることで、サーモアクチュエータの力を効率よくバルブに伝えることができる。
連結部材72の変更例について詳細を次図で説明する。
【0097】
図13に示すように、連結部材81は、ロッド65の先端部65bに取付けられる本体部82と、この本体部82に嵌め込まれる嵌込み部83とからなる。
本体部82に嵌込み部83を嵌込む構成とすることで、連結部材81の取付作業を容易に行うことができる。
【0098】
尚、本発明に係る排熱回収装置は、EGR(Exhaust Gas Recirculation)クーラにも適用することができ、これらのものに用途は限定されない。
【産業上の利用可能性】
【0099】
本発明の排熱回収装置は、車両に好適である。
【符号の説明】
【0100】
10…排熱回収装置、11…排ガス導入部、12…分岐部、13…第1通路、14…熱交換器、15…第2通路、16…バルブ室、18…回転軸、19…サーモアクチュエータ、31…入口部、32…テーパ部、33…分岐部側接続部、45…バルブ、48…第2の基体(基体)、49…第2の蓋体(蓋体)。
【技術分野】
【0001】
本発明は、排気ガスの熱で媒体を温める排熱回収装置に関する。
【背景技術】
【0002】
内燃機関で発生した排気ガスの熱で、熱回収器内の媒体を温める排熱回収装置が知られている(例えば、特許文献1(図3)参照。)。
【0003】
特許文献1を次図に基づいて説明する。
図14(a)に示すように、排熱回収装置100は、排気ガスを導入する導入口101と、この導入口101から上方に向かって延ばされる第1通路102と、この第1通路102の一部に設けられ排気ガスと媒体とで熱交換を行う熱交換器103と、第1通路102を迂回するように設けられる第2通路104と、この第2通路104の下流に設けられ第1通路102及び第2通路104を開閉するバルブ105とからなる。
【0004】
熱交換器103内を流れる媒体の温度が低い場合は、第2通路104の出口104aをバルブ105で閉じる。第2通路104を閉じることで、想像線で示すように、第1通路102へ排気ガスを流す。排気ガスと熱交換器103内の媒体とで熱交換を行う。熱交換を行うことで、媒体が温められる。
【0005】
熱交換器103内の媒体の温度が所定の温度を超えると、排気ガスと媒体との熱交換を終える。(b)に示すように、熱交換を行わない場合は、バルブ105で第1通路102の出口102aを閉じる。第1通路102を閉じることで、想像線で示すように、第2通路104へ排気ガスを流す。
【0006】
媒体を温める必要のない場合に、第2通路104に排気ガスを流す。第1通路102と第2通路104とが離して設けられることで、排気ガスの熱が第1通路102に向かって伝わることを防止できる。
【0007】
すなわち、排熱回収装置100によれば、バルブ105を回動させることで、排気ガスの流路を切替える。そのためには、バルブ105に、第2通路104の出口104aを開閉する第1弁部と、第1通路の出口102aを開閉する第2弁部を設ける必要がある。
【0008】
第2弁部は第1弁部より一体で形成され、バルブ105の軌道に合わせた円弧形状とされており、離して設けられた第1通路と第2通路の両方を開閉するために複雑な構造となってしまい、重量の増加にもつながる。
【0009】
排熱回収装置100の組み立てや機能を考えると、排熱回収装置100がシンプルであれば、組み立て安さの向上や軽量化をすることができる。
従って、排熱回収装置の一層のシンプル化が望まれる。
【0010】
排熱回収装置のシンプル化が望まれる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【0011】
【特許文献1】特開2009−30569公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0012】
本発明は、排熱回収装置の構造のシンプル化を課題とする。
【課題を解決するための手段】
【0013】
請求項1に係る発明は、排気ガスが導入される排ガス導入部と、この排ガス導入部に接続され導入された排気ガスを2つの通路のうち任意の通路に向かって流す分岐部と、この分岐部に繋がれる通路のうち一方の通路である第1通路と、この第1通路内に設けられ排気ガスの熱で媒体を温める熱交換器と、この熱交換器を迂回するように設けられ通路のうち他方の通路である第2通路と、この第2通路の下流であって排気ガスの流れ方向に垂直に設けられた回転軸と、この回転軸に取付けられ第2通路を閉じる方向に付勢されるバルブと、このバルブが収納され第1通路の下流端部が接続されるバルブ室と、媒体の温度によって作動し回転軸を回転させるアクチュエータとを備えている排熱回収装置において、
第2通路の下流端部は、第1通路の下流端部がバルブ室に接続される部位よりも下流側まで延ばされ、
第2通路の断面積をS1、第2通路内を流れる排気ガスの流速をV1、第2通路の上流端部での排気ガスの圧力をP0とし、
バルブ室のうち第2通路の下流端部が位置する部位の断面積をS2、第2通路の下流端部から排出された排気ガスの流速をV2、第2通路の下流での排気ガスの圧力をP2とし、
第2通路の上流端部から下流端部までの距離をLとした場合に、
V1及びV2の値を調整して、P0=P2となるよう、S1、S2及びLが設定されることで、バルブが開放している場合に、排気ガスが第2通路にのみ流されることを特徴とする。
【0014】
請求項2に係る発明は、排気ガスが導入される排ガス導入部と、この排ガス導入部に接続され導入された排気ガスを2つの通路のうち任意の通路に向かって流す分岐部と、この分岐部に繋がれる通路のうち一方の通路である第1通路と、この第1通路内に設けられ排気ガスの熱で媒体を温める熱交換器と、この熱交換器を迂回するように設けられ通路のうち他方の通路である第2通路と、この第2通路の下流であって排気ガスの流れ方向に垂直に設けられた回転軸と、この回転軸に取付けられ第2通路を閉じる方向に付勢されるバルブと、このバルブが収納され第1通路の下流端部の下流端部が接続されるバルブ室と、媒体の温度によって作動し回転軸を回転させるアクチュエータとを備えている排熱回収装置において、
第2通路の下流端部は、第1通路の下流端部がバルブ室に接続される部位よりも下流側まで延ばされ、
第2通路の断面積をS1、バルブ室のうち第2通路の下流端部が位置する部位の断面積をS2、第2通路の上流端部から下流端部までの距離をL、第2通路の単位長さ当たりの摩擦係数をζ、第2通路の下流端部近傍における渦流損失係数をψとした場合に、
ζ・L+(S1/S2)2+ψ=1となるよう、S1、S2及びLが設定され、バルブが開放している状態で、排気ガスが第2通路にのみ流されることを特徴とする。
【0015】
請求項3に係る発明は、バルブ室の上流端部から第1通路の下流端部に向かって基体が延ばされ、
基体に重ね合わせられることで、基体と共に閉断面を形成する蓋体が、第2通路に向かって延ばされ、
基体及び蓋体を介して第1通路がバルブ室に連結され、
蓋体の先端は、第2通路の外周面に対して所定の間隔を保ちながら設けられると共に、第2通路を下流側から見た場合に、第2通路の下流端部に隠れることを特徴とする。
【0016】
請求項4に係る発明は、排ガス導入部は、上流側の入口部と、この入口部からテーパ状に設けられ拡径するテーパ部と、このテーパ部の下流端部から延ばされ分岐部に接続される分岐部側接続部とからなることを特徴とする。
【発明の効果】
【0017】
請求項1に係る発明では、V1及びV2の値を調整して、P0=P2となるよう、S1、S2及びLが設定されることで、バルブが開放している場合に、排気ガスが第2通路にのみ流される。第1通路の入口側の排気ガスの圧力P0と、出口側の排気ガスの圧力P2を同じにすることで、排気ガスは第2通路にのみ流される。即ち、第1通路を閉じることなく、排気ガスを第2通路にのみ流すことができる。第1通路を閉じるバルブが不要になるため、排熱回収装置をシンプルにすることができる。
【0018】
請求項2に係る発明では、ζ・L+(S1/S2)2+ψ=1となるよう、S1、S2及びLが設定されることで、バルブが開放している状態で、排気ガスが第2通路にのみ流される。ζ・L+(S1/S2)2+ψ=1となるよう、S1、S2及びLが設定されることで、第1通路の入口側の排気ガスの圧力P0と、出口側の排気ガスの圧力P2を同じにすることができる。排気ガスの圧力P0とP2とを同じにすることで、排気ガスは第2通路にのみ流される。即ち、第1通路を閉じることなく、排気ガスを第2通路にのみ流すことができる。第1通路を閉じるバルブが不要になるため、排熱回収装置をシンプルにすることができる。
【0019】
請求項3に係る発明では、蓋体の先端は、第2通路に対して所定の間隔を保ちながら設けられると共に、第2通路を下流側から見た場合に、第2通路の下流端部に重なっている。即ち、蓋体の先端は、第2通路に近付けて設けられる。蓋体の先端と第2通路との間を小さくすることで、第2通路を通過した排気ガスが渦流により乱れた場合であっても合流部側への逆流を防ぎやすくなる。
【0020】
請求項4に係る発明では、排ガス導入部は、入口部からテーパ状に設けられ拡径するテーパ部を備える。拡径することで、排ガス導入部に導入された排気ガスの速度(流速)を調整することができる。
【図面の簡単な説明】
【0021】
【図1】本発明に係る排熱回収装置の斜視図である。
【図2】本発明に係る排熱回収装置の分解断面図である。
【図3】本発明に係る排熱回収装置の断面図である。
【図4】図3の4部拡大図である。
【図5】図3の5−5線断面図である。
【図6】媒体の温度が低く且つ排気ガスの流量が少ない場合のバルブを説明する図である。
【図7】排気ガスの流量が多い場合のバルブを説明する図である。
【図8】媒体の温度が高い場合のバルブを説明する図である。
【図9】排気ガスの流路を説明する図である。
【図10】本発明に係る排熱回収装置の作用説明図である。
【図11】サーモアクチュエータの変更例を説明する図である。
【図12】図11の12−12線断面図である。
【図13】連結部材の変更例を説明する図である。
【図14】従来の技術の基本原理を説明する図である。
【発明を実施するための形態】
【0022】
本発明の実施の形態を添付図に基づいて以下に説明する。なお、図面は符号の向きに見るものとする。
【実施例】
【0023】
本発明の実施例を図面に基づいて説明する。
図1に示されるように、排熱回収装置10は、排気ガスが導入される排ガス導入部11と、この排ガス導入部11に接続される分岐部12と、この分岐部12に繋がれる第1通路13と、この第1通路13内に設けられ排気ガスの熱で媒体を温める熱交換器14と、この熱交換器14を迂回するように設けられ第1通路13と共に分岐部12に接続される第2通路15と、この第2通路15の下流に設けられるバルブ室16と、このバルブ室16の上流端部16aから第1通路13の下流端部に向かって延ばされ第1通路13を通過した排気ガスをバルブ室16に導く合流部17と、バルブ室16に支持され排気ガスの流れ方向に垂直に設けられた回転軸18と、この回転軸18に向かって先端が臨むよう設けられ媒体の温度によって作動することで回転軸18を回転させるサーモアクチュエータ19とを備える。
【0024】
熱交換器14にサーモアクチュエータ19が接続され、このサーモアクチュエータ19に媒体を導入する媒体導入管23が接続される。媒体は、サーモアクチュエータ19を介して熱交換器14に導入される。
熱交換器14には、媒体を排出するための媒体排出管22が接続される。
【0025】
サーモアクチュエータ19内には、温度によって膨張又は収縮するワックスが収納される。ワックスが膨張することでサーモアクチュエータ19のロッド24が進出する(矢印(1)参照)。ワックスが収縮した場合は、サーモアクチュエータ19内に収納された戻しばねの力でロッド24が後退する。
【0026】
熱交換器14にサーモアクチュエータ19を接続することで、熱交換器14に導入される媒体はサーモアクチュエータ19を通過する。通過する媒体の温度でサーモアクチュエータ19内のワックスが膨張又は収縮し、ロッド24が前進又は後退する。
なお、サーモアクチュエータ以外にも、任意のアクチュエータを用いることができる。また、アクチュエータの取付位置は排熱回収装置本体(熱交換器14に直接繋がれる場合)に限られない。
【0027】
回転軸18の一端は、バルブ室16の外壁に取付けられた蓋25で覆われる。
回転軸18の他端には、矢印(2)で示すように回転軸18を付勢するばね26と、このばね26が抜けることを防止する抜止め板27とが取付けられる。
抜止め板27にはレバー部材28が固定され、このレバー部材28にサーモアクチュエータ19のロッド24が接触する。
【0028】
矢印(1)で示す、ロッド24が前進する方向とは逆の方向に向かって、ばね26は回転軸18を付勢する。即ち、ロッド24が前進する場合は、ばね26の力に抗してレバー部材28を押す。
このような排熱回収装置10について次図以降で詳細を説明する。
【0029】
図2に示すように、排ガス導入部11は、排気ガスの流れ方向を基準として上流側の端部に位置する入口部31と、この入口部31からテーパ状に延ばされ下流に向かって拡径するテーパ部32と、このテーパ部32の下流端部から延ばされ分岐部12に接続される分岐部側接続部33とからなる。
テーパ部32で拡径することで、排ガス導入部11に導入された排気ガスの速度(流速)を調整することができる。
【0030】
排ガス導入部11が接続される分岐部12は、下流側に第1通路13(熱交換器14)及び第2通路15が接続される第1の基体35と、この第1の基体35に重ね合わされ第1の基体35と共に閉断面を形成する第1の蓋体36とからなる。
【0031】
第1の基体35には、第1通路13に接続される接続口35aと、第2通路15に接続される接続口35bとが設けられる。
第1の蓋体36には、排ガス導入部11を接続するための接続口36aが設けられると共に、第1の蓋体36の剛性を高めるための凹凸形状部36c、36dが形成される。凹凸形状部36c、36dは、排気ガスの流れをガイドするための部位でもある。即ち、凹凸形状部36c、36dで排気ガスの流れをガイドし、各層の伝熱チューブ41に均一に排気ガスを送ることができる。
【0032】
分岐部12のそれぞれの接続口35a,35b,36aに第1、第2通路13,15及び排ガス導入部11を溶接する。
仮に、排ガス導入部に第1、第2通路を直接接続する場合は、排ガス導入部、第1、第2通路をそれぞれ接続することができるような形状とする必要があり、部品形状が複雑化する。
排ガス導入部11に第1、第2通路13,15を直接接続する場合に比べ、排ガス導入部11、第1、第2通路13,15の形状を単純にすることができ、溶接作業を容易に行うことができる。
【0033】
加えて、第1の蓋体36を第1の基体35に被せることで、分岐部12は断面視略矩形の閉断面を形成する。第1の蓋体36を第1の基体35に被せる形状にしたことで、分岐部12の組み立てを容易に行うことができる上に、排ガス導入部11、第1、第2通路13,15の溶接作業も容易に行うことができ、特に有益である。
【0034】
なお、排ガス導入部11が接続される部材を第1の基体にし、第1、第2通路13,15が接続される部材を第1の蓋体とすることもできる。
即ち、閉断面状の分岐部12を形成することで、排ガス導入部11、第1、第2通路13,15の溶接作業を容易に行うことができる。
【0035】
第1通路13は、熱交換器14に対して一体的に形成される。即ち、熱交換器14の上流側エンドプレート38を分岐部12に向かって延ばし、下流側エンドプレート39を合流部17に向かって延ばすことで第1通路13は形成される。
エンドプレート38、39を延ばして第1通路13とするため、部品点数を削減することができ望ましい。
【0036】
熱交換器14は、上流側及び下流側エンドプレート38,39と、これらのエンドプレート38,39に両端が支持され内部に排気ガスが流される複数の伝熱チューブ41と、これらの伝熱チューブ41を囲い内部に媒体が流されるコアケース42とからなる。
伝熱チューブ41の内部を排気ガスが流れ、伝熱チューブ41の外周部を媒体が流れる。伝熱チューブ41を介して、排気ガスと媒体との間で熱交換が行われる。
【0037】
第2通路15は、円筒形状を呈し、下流端部15bが僅かに拡径される。第2通路15の長さはLであり、下流端部15b以外の主要部の断面積がS1とされる。拡径された下流端部15bの内周面に沿ってシール部材44が配置される。シール部材44に接触するようバルブ45が設けられる。
バルブ45は、回転軸(図1、符号18)に固定され、回転軸と共に回転する部材である。
【0038】
合流部17は、第1、第2通路13,15に連結される第2の基体48と、この第2の基体48に重ね合わせることで第2の基体48と共に閉断面を形成する第2の蓋体49とからなる。
【0039】
第2の基体48に、第1通路13の下流端部13bが接続される接続口48aと、第2通路15の被接続部15cが接続される接続口48bとが設けられる。
第2の蓋体49に、第2の蓋体49の剛性を高めるための凹凸形状部49cが形成される。
【0040】
合流部17のそれぞれの接続口48a,48bに第1、第2通路13,15を溶接する。第2通路に第1通路を直接接続すると、第1通路を曲げる等の加工を行う必要があり、形状が複雑になる。第2通路に第1通路を直接接続する場合に比べ、第1通路13の形状を単純にすることができ、溶接作業を容易に行うことができる。
【0041】
加えて、第2の蓋体49を第2の基体48に被せることで、合流部17は断面視略矩形の閉断面を形成する。第2の蓋体49を第2の基体48に被せる形状にしたことで、合流部17の組み立てを容易に行うことができる上に、第1、第2通路13,15の溶接作業も容易に行うことができ、特に有益である。
【0042】
なお、バルブ室16に接続される部材を第2の基体にし、第1、第2通路13,15が接続される部材を第2の蓋体とすることもできる。
即ち、閉断面状の合流部17を形成することで、第1、第2通路13,15の溶接作業を容易に行うことができる。
排ガス導入部11、第1通路13、熱交換器14、第2通路15、バルブ室16が組み立てられた状態の排熱回収装置10について次図で説明する。
【0043】
図3に示すように、第1の蓋体36の接続口36aに排ガス導入部11の分岐部側接続部33が接続される。第1の基体35の接続口35aに、第1通路13の上流端部13aが接続され、接続口35bに第2通路15の上流端部15aが接続される。
【0044】
第2の基体48の接続口48aに第1通路13の下流端部13bが接続され、接続口48bに第2通路15の被接続部15cが接続される。
バルブ室16の上流端部16aは、合流部17に繋がれ、第2通路15の下流端部15bは、バルブ室16内に収納される。
第2通路15の下流端部15bは、第1通路13の下流端部13bがバルブ室16に接続される部位(合流部17)よりも下流側に位置する。
【0045】
排ガス導入部11、第2通路15、バルブ室16は、同軸上に配置されている。
第2の蓋体49の先端49aは、第2通路15の外周に沿って配置される。
詳細は次図で説明する。
【0046】
図4に示すように、第2の蓋体49の先端49aは、第2通路15の下流端部15bに重なる位置まで延ばされている(想像線51参照)と共に、第2通路15に対して所定の間隔tを保ちながら、第2通路15の外周の一部を囲っている。
【0047】
第2の蓋体49の先端49aと第2通路15との間を小さくすることで、第2通路15を通過した排気ガスが渦流により乱れても合流部17側へ逆流することを防ぎやすくなる。
詳細を次図で説明する。
【0048】
図5に示すように、第2通路15を下流側から見た場合に、第2の蓋体49の先端49aは、第2通路15の下流端部15bに重なっている。
第2通路15は、第1通路側(図面右側)の半分が第2の蓋体49の先端49aで囲われている。
【0049】
半分より広い範囲を囲もうとすると、第2通路15に対して蓋体49をセットすることが困難になる。
一方、半分より狭い範囲であると、第2通路15を通過した排気ガスが合流部17に向かって逆流しやすくなる。
逆流の生じやすい第1通路側の半分を第2の蓋体49の先端49aで囲う。逆流を有効に防ぎつつ、合流部17を通過した排気ガスをバルブ室16内へ円滑に流すことができる。
【0050】
図5に示すように、52,52は、バルブ45を固定するためのボルトであり、53,53は、バルブ室16からの排気ガスの漏れを防止するシールである。
第2通路15の下流端部15bを閉じるバルブ45について詳細を次図以降で説明する。
【0051】
図6(a)に示すように、排気ガスの流量が少なく且つ熱交換器(図1、符号14)内の媒体の温度が低い場合は、バルブ45が第2通路15の下流端部15bを閉じている。
【0052】
さらに詳しく言うと、(b)に示すように、ばね26の力でバルブ45は閉じている。また、媒体の温度が低いため、サーモアクチュエータ19のロッド24は、後退位置にある。
第2通路内に流れる排気ガスの流量が多くなった場合について次図で説明する。
【0053】
図7(a)に示すように、排気ガスの流量が多い場合は、第2通路15の下流端部15bを閉じていたバルブ45が開く。
【0054】
さらに詳しく言うと、(b)に示すように、排気ガスは、ばね26が時計回り方向に付勢する力に抗してバルブ45を開く。熱交換器を流れる媒体の温度に拘わらず、バルブ45が開く。
熱交換器を流れる媒体の温度が高い場合のバルブの作用について次図で説明する。
【0055】
図8(a)に示すように、熱交換器(図1、符号14)を流れる媒体の温度が高い場合は、第2通路15の下流端部15bを閉じていたバルブ45が開く。
【0056】
さらに詳しく言うと、(b)に示すように、媒体の温度が高いことで、サーモアクチュエータ19のロッド24が前進する。ロッド24は、ばね26の時計回り方向に付勢する力に抗して前進し、バルブ45を開く。第2通路15を流れる排気ガスの流量に拘わらず、バルブ45が開く。
【0057】
ここで(a)に戻り、第2通路15の下流端部15b近傍の断面積をS2とする。
例えば、断面積S2は、想像線55の位置におけるバルブ室16の断面積から、回転軸18、バルブ45の面積を引いた面積である。
【0058】
図6〜図8をまとめると以下のようにいうことができる。
第2通路15を流れる排気ガスの流量が所定の量以下であり、且つ熱交換器を流れる媒体の温度が所定の温度以下の場合は、バルブ45は閉じている。
第2通路15を流れる排気ガスの流量が所定の量を超える、又は熱交換器を流れる媒体の温度が所定の温度を超えた場合は、バルブ45が開いている。
バルブ45の開閉による排気ガスの流路について、次図で詳細を説明する。
【0059】
図9(a)に示すように、第2通路15の下流端部15bをバルブ45が閉じている。バルブ45が閉じていることで、排気ガスは第1通路13及び熱交換器14を流れる。熱交換器14を通過することで、媒体を温める。媒体を温め温度の下がった排気ガスは、合流部17を通過し、バルブ室16から外部へ排出される。
【0060】
媒体の温度が所定の温度を超えるまで、熱交換を行う。
前述したとおり、媒体の温度が所定の温度を超える前であっても、排気ガスの流量が所定の量を超えた場合はバルブ45が開く。バルブ45が開くことで、排気ガスを第2通路15へ逃がす。排気ガスを第2通路15へ逃がすことで高負荷時の出力低下を抑制する。
【0061】
一方、バルブ45が開いている場合は、(b)に示すように、排気ガスは第2通路15を通過する。このとき、排気ガスは第2通路15のみを通過する。即ち、第1通路13側へは流れない。理由を次図で説明する。
【0062】
図10に示すように、第2通路15の上流端部15aに対応する点をXとし、第2通路15の下流端部15bに対応する点であって、僅かに上流側の点をY、第2通路15の下流端部15bに対応する点であって、僅かに下流側の点をZとする。
【0063】
Yは下流端部15bよりも僅かに上流側の点であるため、XからYまでの長さ=第2通路15の長さLとする。また、第2通路15の断面積も前述したとおり、S1である。
点Zでの断面積は、前述の通りS2である。
【0064】
排気ガスを第2通路15に流した場合において、点Xを通過する排気ガスの流速をV1とする。このとき、第2通路15内の点Yでも、排気ガスの流速はV1である。
一方、第2通路15の外である点Zでは、断面積がS2と広くなる。断面積が広がることで排気ガスの流速はV1よりも遅いV2となる。即ち、点Zでの流速はV2であり、V1>V2である。
【0065】
点Xでの排気ガスの圧力をP0とする。点Yでは、圧力損失により排気ガスの圧力はP1に減少する。即ち、P0>P1。
点Zでは、断面積がS2に増大するため、排気ガスの圧力もP2に増加する。即ちP1<P2。
【0066】
第1通路13の下流端部13bは、バルブ室16に繋がれている。点Zでの排気ガスの圧力P2が、上流端部13a近傍での排気ガスの圧力P0と同じであれば、第1通路13の両端部で圧力の差がないため、第1通路13内へ排気ガスが流れない。
排気ガスの流速V1及びV2の値に拘わらず、P0=P2とすることができれば、第1通路13を閉じずに第2通路15にのみ排気ガスを流すことができる。
【0067】
本発明に係る排熱回収装置10は、V1及びV2の値を調整して、P0=P2となるよう、S1、S2及びLを設定した。以下、詳細を述べる。
【0068】
まず、点Xから点Yの間での圧力損失は、排気ガスのガス密度をγ、第2通路15の単位長さ当たりの摩擦係数をζ、重力加速度をgとして、以下の式で表される。
【0069】
【数1】
【0070】
第2通路15の下流端部15b近傍での連続の式は、第2通路15の下流端部15b近傍での渦流損失係数をψとして、以下の式で表される。
【0071】
【数2】
【0072】
単位時間当たりの排気ガスの流量をQとして、流速は以下の式で表される。
【0073】
【数3】
【0074】
【数4】
【0075】
(9)式から、ζ・L+(S1/S2)2+ψ−1=0であれば、P0=P2となる。また、ζ・L+(S1/S2)2+ψ−1=0であれば、V1及びV2の変化の影響を受けない。このとき、V1及びV2の値に拘わらずP0=P2となる。
【0076】
従って、ζ・L+(S1/S2)2+ψ=1となる、L,S1,S2を選択することで、V1及びV2の値を調整してP0=P2となる。P0=P2となることで、第1通路13に排気ガスが流れない。
【0077】
本発明に係る排熱回収装置10は、このような知見に基づいて、V1及びV2の値を調整して、P0=P2となるよう、S1、S2及びLが設定される。
第1通路13の入口側の排気ガスの圧力P0と、出口側の排気ガスの圧力P2を同じにすることで、排気ガスは第2通路15にのみ流される。即ち、第1通路13を閉じることなく、排気ガスを第2通路15にのみ流すことができる。第1通路13や第2通路15の形状をバルブの軌道に合わせる必要がなく、排熱回収装置10を小型化することができる。
【0078】
以下に、L,S1,S2の具体的な設定方法について、排熱回収装置10を車両に用いる場合を例に説明する。なお、設定方法は以下の方法に限られるものではない。
【0079】
まず、第2通路15に用いる素材を決める。素材を決めることで、単位長さ当たりの摩擦係数ζが決まる。
次に、車両の内燃機関の排気量や車体の大きさに合わせて、第2通路15の長さL及び断面積S1を決定する。
【0080】
ζ、L、S1が決まったら、ζ・L+(S1/S0)2=1となるS0を求める。
ここでS0は、仮のS2であり、第2通路の下流端部での渦流損失を考慮しない値である。
【0081】
このようにして決められたζ、L、S1、S0を基に解析モデルを作成し流体解析を行う。解析モデルを使い、バルブを開いた状態で第2通路に排気ガスを流す。排気ガスが第2通路にのみ流れているかを確認する。第1通路にも排気ガスが流れた場合は、S0≠S2であるので、調整を行う。
【0082】
調整は、排ガス導入部の形状を変形させたり、第2通路の下流端部の形状を変形させたり、バルブ室の形状を変形させること等で行う。調整を行うことで、仮の渦流損失係数ψ0はψ01に変更され、下流端部の断面積S0はS01に変更される。
【0083】
調整後に再度、排気ガスが第1通路を流れるかを確認する。第1通路に排気ガスが流れない場合、ζ・L+(S1/S01)2+ψ01=1ということができる。即ち、このときのS01がS2であり、ψ01がψである。
第1通路に排気ガスが流れる場合は、再度調整を行い、第1通路に排気ガスが流れなくなるまで、この作業を繰り返す。
【0084】
この設定方法をまとめると、まず、ζ、L、S1を決定する。ζ、L、S1を決定することで、仮のS2即ち、S0を導く。S0を基に、調整を行うことで、S2、ψが決定される。
【0085】
即ち、本発明にかかる排熱回収装置10は、V1及びV2の値を調整して、P0=P2となるよう、S1、S2及びLが設定されるということができる。
また、ζ・L+(S1/S2)2+ψ=1となるよう、S1、S2及びLが設定されるということもできる。
【0086】
第1通路13を閉じることなく、排気ガスを第2通路15にのみ流すことができる。第1通路13や第2通路15の形状をバルブの軌道に合わせる必要がなく、排熱回収装置10を小型化することができる。
サーモアクチュエータ(図1、符号19)の変形例について次図で詳細を説明する。
【0087】
図11(a)に示すように、サーモアクチュエータ61は、温度によって膨張・収縮するワックスが収納されるワックス収納部62と、このワックス収納部62の先端に取付けられるケース63と、このケース63に収納されワックスによって作動されるピストン64と、このピストン64から延ばされるロッド65と、このロッド65の基部65aを囲うように配置されワックスの収縮時にロッド65を後退させる(矢印(3)参照)戻しばね66とからなる。
【0088】
サーモアクチュエータ61のロッド65は、先端部65bが雄ねじ状に形成されている。ロッド65は、ケース63内に収納された戻しばね66が付勢する力で、後退する方向に付勢される。
【0089】
また、サーモアクチュエータ61を側方から見た場合に、抜止め板27のうち回転軸18から外れた部位に、ピン71が取付けられている。ピン71は回転軸18に平行に(図面表裏方向に)延びている。
【0090】
ロッド65の先端部65bに取付けられた連結部材72を介して、サーモアクチュエータ61が抜止め板27に連結される。抜止め板27は、回転軸18と共に回転する部材である。即ち、ロッド65は、連結部材72及び抜止め板27を介して回転軸18に連結される。
矢印(3)に示す戻しばね66が付勢する力は、ロッド65、抜止め板27、回転軸18を介して、バルブ45を閉じる方向(矢印(4)参照)に作用する。
【0091】
ばね26がバルブ45を閉じる力に、戻しばね66の力が加わる。戻しばね66は、バルブ45を閉じる方向に付勢する。戻しばね66の力を加えるため、付勢力の小さいばね26であっても十分にバルブ45を閉じることができる。付勢力の小さなばね26を用いることで、ばね26を小型化することができる。
【0092】
加えて、ばね26を小型化し付勢力を弱めるため、より出力の小さなサーモアクチュエータ61で、バルブ45を回転させることができる。より出力の小さなサーモアクチュエータ61を用いることで、サーモアクチュエータ61の小型化を図ることができる。
【0093】
(b)に示すように、戻しばね66の自由高さはhである。自由高さhの戻しばね66をαだけ圧縮させた状態でケース((a)、符号ケース63)に収納している。圧縮させた状態でケースに収納している理由は、(a)に戻って説明する。
【0094】
圧縮した状態で収納することで、ロッド65が後端位置にあっても、ロッド65は、戻しばね66に付勢される。即ち、ロッド65が後退限にある場合(図面に示す場合)も、戻しばね66によりバルブ45は閉じ方向に付勢される。バルブ45が閉じている場合に、さらに閉じ方向にバルブ45を付勢することで、排気ガスの力によるバルブ45のばたつきを抑えることができる。
抜止め板27とピン71の詳細について次図で詳細に説明する。
【0095】
図12に示すように、抜止め板27からピン支持板74が延ばされている。ピン支持板74は、連結部材72を迂回するようにしてピン71に平行に延ばされる水平板75と、水平板75から立ち上げられピン71の一端71aが差し込まれる鉛直板76とからなる。
【0096】
ピン71の他端71bは、抜止め板27で支持されている。即ち、ピン71は、両端固定梁構造で支持される。両端が固定されるため、ピン71に撓みが生じにくくなる。撓みにくくすることで、サーモアクチュエータの力を効率よくバルブに伝えることができる。
連結部材72の変更例について詳細を次図で説明する。
【0097】
図13に示すように、連結部材81は、ロッド65の先端部65bに取付けられる本体部82と、この本体部82に嵌め込まれる嵌込み部83とからなる。
本体部82に嵌込み部83を嵌込む構成とすることで、連結部材81の取付作業を容易に行うことができる。
【0098】
尚、本発明に係る排熱回収装置は、EGR(Exhaust Gas Recirculation)クーラにも適用することができ、これらのものに用途は限定されない。
【産業上の利用可能性】
【0099】
本発明の排熱回収装置は、車両に好適である。
【符号の説明】
【0100】
10…排熱回収装置、11…排ガス導入部、12…分岐部、13…第1通路、14…熱交換器、15…第2通路、16…バルブ室、18…回転軸、19…サーモアクチュエータ、31…入口部、32…テーパ部、33…分岐部側接続部、45…バルブ、48…第2の基体(基体)、49…第2の蓋体(蓋体)。
【特許請求の範囲】
【請求項1】
排気ガスが導入される排ガス導入部と、この排ガス導入部に接続され導入された前記排気ガスを2つの通路のうち任意の通路に向かって流す分岐部と、この分岐部に繋がれる前記通路のうち一方の通路である第1通路と、この第1通路内に設けられ前記排気ガスの熱で媒体を温める熱交換器と、この熱交換器を迂回するように設けられ前記通路のうち他方の通路である第2通路と、この第2通路の下流であって前記排気ガスの流れ方向に垂直に設けられた回転軸と、この回転軸に取付けられ前記第2通路を閉じる方向に付勢されるバルブと、このバルブが収納され前記第1通路の下流端部が接続されるバルブ室と、前記媒体の温度によって作動し前記回転軸を回転させるアクチュエータとを備えている排熱回収装置において、
前記第2通路の下流端部は、前記第1通路の下流端部が前記バルブ室に接続される部位よりも下流側まで延ばされ、
前記第2通路の断面積をS1、前記第2通路内を流れる排気ガスの流速をV1、前記第2通路の上流端部での排気ガスの圧力をP0とし、
前記バルブ室のうち前記第2通路の下流端部が位置する部位の断面積をS2、前記第2通路の下流端部から排出された排気ガスの流速をV2、前記第2通路の下流での排気ガスの圧力をP2とし、
前記第2通路の上流端部から下流端部までの距離をLとし、
前記V1及びV2の値を調整して、P0=P2となるよう、前記S1、S2及びLが設定されることで、前記バルブが開放している場合に、前記排気ガスが前記第2通路にのみ流されることを特徴とする排熱回収装置。
【請求項2】
排気ガスが導入される排ガス導入部と、この排ガス導入部に接続され導入された前記排気ガスを2つの通路のうち任意の通路に向かって流す分岐部と、この分岐部に繋がれる前記通路のうち一方の通路である第1通路と、この第1通路内に設けられ前記排気ガスの熱で媒体を温める熱交換器と、この熱交換器を迂回するように設けられ前記通路のうち他方の通路である第2通路と、この第2通路の下流であって前記排気ガスの流れ方向に垂直に設けられた回転軸と、この回転軸に取付けられ前記第2通路を閉じる方向に付勢されるバルブと、このバルブが収納され前記第1通路の下流端部が接続されるバルブ室と、前記媒体の温度によって作動し前記回転軸を回転させるアクチュエータとを備えている排熱回収装置において、
前記第2通路の下流端部は、前記第1通路の下流端部が前記バルブ室に接続される部位よりも下流側まで延ばされ、
前記第2通路の断面積をS1、前記バルブ室のうち前記第2通路の下流端部が位置する部位の断面積をS2、前記第2通路の上流端部から下流端部までの距離をL、前記第2通路の単位長さ当たりの摩擦係数をζ、前記第2通路の下流端部近傍における渦流損失係数をψとした場合に、
ζ・L+(S1/S2)2+ψ=1となるよう、前記S1、S2及びLが設定され、前記バルブが開放している状態で、前記排気ガスが前記第2通路にのみ流されることを特徴とする排熱回収装置。
【請求項3】
前記バルブ室の上流端部から前記第1通路の下流端部に向かって基体が延ばされ、
前記基体に重ね合わせられることで、前記基体と共に閉断面を形成する蓋体が、前記第2通路に向かって延ばされ、
前記基体及び蓋体を介して前記第1通路が前記バルブ室に連結され、
前記蓋体の先端は、前記第2通路の外周面に対して所定の間隔を保ちながら設けられると共に、前記第2通路を下流側から見た場合に、前記第2通路の下流端部に重なっていることを特徴とする請求項1又は請求項2記載の排熱回収装置。
【請求項4】
前記排ガス導入部は、上流側の入口部と、この入口部からテーパ状に設けられ拡径するテーパ部と、このテーパ部の下流端部から延ばされ前記分岐部に接続される分岐部側接続部とからなることを特徴とする請求項1〜3いずれか1項記載の排熱回収装置。
【請求項1】
排気ガスが導入される排ガス導入部と、この排ガス導入部に接続され導入された前記排気ガスを2つの通路のうち任意の通路に向かって流す分岐部と、この分岐部に繋がれる前記通路のうち一方の通路である第1通路と、この第1通路内に設けられ前記排気ガスの熱で媒体を温める熱交換器と、この熱交換器を迂回するように設けられ前記通路のうち他方の通路である第2通路と、この第2通路の下流であって前記排気ガスの流れ方向に垂直に設けられた回転軸と、この回転軸に取付けられ前記第2通路を閉じる方向に付勢されるバルブと、このバルブが収納され前記第1通路の下流端部が接続されるバルブ室と、前記媒体の温度によって作動し前記回転軸を回転させるアクチュエータとを備えている排熱回収装置において、
前記第2通路の下流端部は、前記第1通路の下流端部が前記バルブ室に接続される部位よりも下流側まで延ばされ、
前記第2通路の断面積をS1、前記第2通路内を流れる排気ガスの流速をV1、前記第2通路の上流端部での排気ガスの圧力をP0とし、
前記バルブ室のうち前記第2通路の下流端部が位置する部位の断面積をS2、前記第2通路の下流端部から排出された排気ガスの流速をV2、前記第2通路の下流での排気ガスの圧力をP2とし、
前記第2通路の上流端部から下流端部までの距離をLとし、
前記V1及びV2の値を調整して、P0=P2となるよう、前記S1、S2及びLが設定されることで、前記バルブが開放している場合に、前記排気ガスが前記第2通路にのみ流されることを特徴とする排熱回収装置。
【請求項2】
排気ガスが導入される排ガス導入部と、この排ガス導入部に接続され導入された前記排気ガスを2つの通路のうち任意の通路に向かって流す分岐部と、この分岐部に繋がれる前記通路のうち一方の通路である第1通路と、この第1通路内に設けられ前記排気ガスの熱で媒体を温める熱交換器と、この熱交換器を迂回するように設けられ前記通路のうち他方の通路である第2通路と、この第2通路の下流であって前記排気ガスの流れ方向に垂直に設けられた回転軸と、この回転軸に取付けられ前記第2通路を閉じる方向に付勢されるバルブと、このバルブが収納され前記第1通路の下流端部が接続されるバルブ室と、前記媒体の温度によって作動し前記回転軸を回転させるアクチュエータとを備えている排熱回収装置において、
前記第2通路の下流端部は、前記第1通路の下流端部が前記バルブ室に接続される部位よりも下流側まで延ばされ、
前記第2通路の断面積をS1、前記バルブ室のうち前記第2通路の下流端部が位置する部位の断面積をS2、前記第2通路の上流端部から下流端部までの距離をL、前記第2通路の単位長さ当たりの摩擦係数をζ、前記第2通路の下流端部近傍における渦流損失係数をψとした場合に、
ζ・L+(S1/S2)2+ψ=1となるよう、前記S1、S2及びLが設定され、前記バルブが開放している状態で、前記排気ガスが前記第2通路にのみ流されることを特徴とする排熱回収装置。
【請求項3】
前記バルブ室の上流端部から前記第1通路の下流端部に向かって基体が延ばされ、
前記基体に重ね合わせられることで、前記基体と共に閉断面を形成する蓋体が、前記第2通路に向かって延ばされ、
前記基体及び蓋体を介して前記第1通路が前記バルブ室に連結され、
前記蓋体の先端は、前記第2通路の外周面に対して所定の間隔を保ちながら設けられると共に、前記第2通路を下流側から見た場合に、前記第2通路の下流端部に重なっていることを特徴とする請求項1又は請求項2記載の排熱回収装置。
【請求項4】
前記排ガス導入部は、上流側の入口部と、この入口部からテーパ状に設けられ拡径するテーパ部と、このテーパ部の下流端部から延ばされ前記分岐部に接続される分岐部側接続部とからなることを特徴とする請求項1〜3いずれか1項記載の排熱回収装置。
【図1】
【図2】
【図3】
【図4】
【図5】
【図6】
【図7】
【図8】
【図9】
【図10】
【図11】
【図12】
【図13】
【図14】
【図2】
【図3】
【図4】
【図5】
【図6】
【図7】
【図8】
【図9】
【図10】
【図11】
【図12】
【図13】
【図14】
【公開番号】特開2012−184678(P2012−184678A)
【公開日】平成24年9月27日(2012.9.27)
【国際特許分類】
【出願番号】特願2011−46712(P2011−46712)
【出願日】平成23年3月3日(2011.3.3)
【出願人】(000138521)株式会社ユタカ技研 (134)
【Fターム(参考)】
【公開日】平成24年9月27日(2012.9.27)
【国際特許分類】
【出願日】平成23年3月3日(2011.3.3)
【出願人】(000138521)株式会社ユタカ技研 (134)
【Fターム(参考)】
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