JP2009092016A - エンジン排気ガス熱回収器ならびにそれを使用したエンジン駆動式ヒートポンプまたはコージェネレーション - Google Patents
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Abstract
【課題】排気ガスとエンジン冷却水通路の隔壁の間に部材を介在させず、排気ガスをエンジン冷却水通路の隔壁に直接、衝突させることで、熱交換部のガス流速を高めて、排熱回収率のさらなる向上を可能とする構成を提供する。
【解決手段】エンジン排気ガスとエンジン冷却水との間で熱交換を行うことによってエンジン排気ガスからの熱回収を行うエンジン排気ガス熱回収器１において、排気ガス流入管２の外管２２に冷却水通路３の内筒管３１に向けた噴孔２０を複数設け、排気ガスを冷却水通路３の内筒管３１に直接、衝突させるものである。各噴孔２０から冷却水通路３の内筒管３１までの最短距離が噴孔径の１．５〜７倍の範囲であるものである。各噴孔２０の開口面積の総和と排気ガス流量の関係が、（総噴孔面積／排気ガス質量流量）＝２．０〜４．５(cm2／(kg/min)であるものである。
【選択図】 図１
【解決手段】エンジン排気ガスとエンジン冷却水との間で熱交換を行うことによってエンジン排気ガスからの熱回収を行うエンジン排気ガス熱回収器１において、排気ガス流入管２の外管２２に冷却水通路３の内筒管３１に向けた噴孔２０を複数設け、排気ガスを冷却水通路３の内筒管３１に直接、衝突させるものである。各噴孔２０から冷却水通路３の内筒管３１までの最短距離が噴孔径の１．５〜７倍の範囲であるものである。各噴孔２０の開口面積の総和と排気ガス流量の関係が、（総噴孔面積／排気ガス質量流量）＝２．０〜４．５(cm2／(kg/min)であるものである。
【選択図】 図１
Description
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エンジンの排気ガス熱回収器に関するものである。
従来より、エンジンの排気ガス熱回収器としては、排気ガス通路に邪魔板を設けて排気ガス流れを制限してエンジン排気ガスから熱回収を行う構成が公知である。
特開２００２−３７２３９４号公報
しかし、上記従来のエンジン排気ガス熱回収器は、邪魔板によって排気ガスを制限する構成であり、熱伝達経路は、排気ガス→邪魔板→伝熱管または内筒部（いずれもエンジン冷却水通路の隔壁）→エンジン冷却水となる。すなわち、排気ガスとエンジン冷却水通路の隔壁の間に邪魔板が介在する分だけ、排気ガス流量の運動エネルギが失われ排熱回収率が低下する。
また、邪魔板によって排気ガスの通過経路が複雑化するため、排気ガスの通過経路は、圧力損失が増大したり、結露水が滞留しやすくなってしまう。特にエンジンによっては、排気ガス中の窒素酸化物が滞留した場合、それが凝集して硝酸となって排気ガスの通過経路を腐食させてしまうことが懸念される。
本発明は、係る実情に鑑みてなされたものであって、排気ガスとエンジン冷却水通路の隔壁の間に部材を介在させず、排気ガスをエンジン冷却水通路の隔壁に直接、衝突させることで、熱交換部のガス流速を高めて、排熱回収率のさらなる向上を可能とする構成を提供することを目的としている。
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回収器は、エンジン排気ガスとエンジン冷却水との間で熱交換を行うことによってエンジン排気ガスからの熱回収を行うエンジン排気ガス熱回収器において、排気ガス流入管周壁に冷却水通路の隔壁に向けた噴孔を複数設け、排気ガスを冷却水通路の隔壁に直接、衝突させるものである。
また、上記エンジン排気ガス熱回収器において、各噴孔から冷却水通路の隔壁までの最短距離が噴孔径の１．５〜７倍の範囲であるものである。
さらに、上記エンジン排気ガス熱回収器において、各噴孔の開口面積の総和と排気ガス流量の関係が、（総噴孔面積／排気ガス質量流量）＝２．０〜４．５(cm2／(kg/min)であるものである。
また、上記課題を解決するための本発明のエンジン駆動式ヒートポンプまたはコージェネレーションは、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。
以上述べたように、本発明によると、排熱回収効率の向上を図ることができる。
本発明の実施の形態を図に基づいて説明する。
図１は本発明に係るエンジン排気ガス熱回収器１を示し、図２は同エンジン排気ガス回収器１を設けたガスエンジン１０の冷却水回路図の一例を示している。
すなわち、このエンジン排気ガス熱回収器１は、排気ガス流入管２の外管２２に、冷却水通路３の内筒管３１に向けた噴孔２０を複数設け、排気ガスを冷却水通路３の内筒管３１に直接、衝突させるものである。
エンジン排気ガス熱回収器１は、図２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、排気ガス流入管２を通過するように設けられ、かつ、エンジン１１の冷却水が、冷却水通路３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。
排気ガス流入管２は、内管２１と外管２２との二重管構造となされており、内管２１の一端側が排気ガスが流入する入口２１ａとなされている。
内管２１は、その一端の排気ガスの入口２１ａから流入して直ぐの位置で閉塞されており、この閉塞される位置までの流入基端側の外周面に開口部２１ｂが設けられている。したがって、排気ガスは、内管２１の一端の入口２１ａから流入し、開口部２１ｂを介して外管２２へと通過するようになされている。
外管２２は、長手方向および周方向に沿って等間隔で複数の噴孔２０が設けられている。したがって、内管２１の開口部２１ｂから外管２２へと通過した排気ガスは、これら噴孔２０から噴出するようになされている。
冷却水通路３は、上記排気ガス流入管２との間に空間Ｓを存して、この排気ガス流入管２の全体を被覆するように構成されている。
この冷却水通路３は、内筒管３１と外筒管３２とからなり、その間隙を冷却水が通過する二重管構造となされており、上記排気ガス流入管２の排気ガスの入口２１ａと対向する外筒管３２の他端側の端面に冷却水の流入管３３が接続されている。また、外筒管３２の一端側の外周面には、排水管３４が接続されており、この流入管３３から流入して冷却水通路３を通過した冷却水がこの排水管３４から排水できるようになされている。さらに、冷却水通路３の他端側の外周面には、内筒管３１および外筒管３２を貫通する排気管３５が接続されており、排気ガス流入管２の噴孔２０から空間Ｓに噴出された排気ガスをこの排気管３５から排気することができるようになされている。
このように構成されたエンジン排気ガス熱回収器１によると、エンジンからの排気ガスは、内管２１の開口部２１ｂから外管２２を介して噴孔２０から噴射されることとなるが、この噴孔２０から噴射された排気ガスは、冷却水通路３までの間に他の部材が邪魔になってガス流量の運動エネルギが損なわれるといったことも無く、冷却水との間で唯一隔壁となる内筒管３１に高速の噴出速度で直接噴射することができる。したがって、冷却水通路３を通過する冷却水は、熱効率良く排気ガスからの排熱回収を行うことができる。
また、この排気ガス熱回収器１は、従来のように邪魔板などの部材によって排気ガスの通過経路が複雑化することも無く、きわめてシンプルなガス通過経路にすることができるので、排気ガスの滞留や圧力損失の増大などを防止することができる。したがって、結露水の発生や窒素酸化物の凝集による硝酸の発生などによる腐食を防止することができ、優れた耐久性を得ることができる。
なお、本実施の形態において、エンジン排気ガス熱回収器１の排気ガス流入管２は、内管２１と外管２２との二重管構造となされているが、特にこのような二重管構造に限定されるものではなく、一本の排ガス流入管２に直接噴孔２０を設けて、構成の簡略化をより一層図ったものであってもよい。
また、本実施の形態において、排気ガスの入口２１ａと冷却水の流入管３３とは、エンジン排気ガス熱回収器１の端面に対向するように設けられており、冷却水の排水管３４と排気ガスの排気管３５とは、エンジン排気ガス熱回収器１の外周面の対向する位置に設けられているが、本発明で最も重要なことは、噴孔２０からの排気ガスが、冷却水との隔壁となる内筒管３１に直接噴射されることであって、それ以外の上記した排気ガスの入口２１ａ、冷却水の流入管３３、冷却水の排水管３４、排気ガスの排気管３５などを設ける位置は特に限定されるものではなく、適宜変更されたものであってもよい。
さらに、本実施の形態において、噴孔２０から噴出される排気ガスの噴出方向は、隔壁となる内筒管３１に対して直角となされているが、特に直角方向で噴出させることに限定されるものではなく、斜め方向から噴出させるようにしたものであってもよい。
図３は、従来の技術で示したような邪魔板による排気ガス熱回収器（ヤンマー社製 部品コード124593-13370）をガスエンジン（ヤンマー社製 3GPG88）に使用した際の圧力損失を１００％とし、そのときの平均熱通過率（Ｋ値）を１００％とした時の、本願発明に係る排気ガス熱回収器１の圧力損失と平均熱通過率（Ｋ値）との関係を示している。本願発明に係る排気ガス熱回収器１の圧力損失については、噴孔２０の数を増減することで調整した。その結果、本願発明に係る排気ガス熱回収器１は、従来の排気ガス熱回収器による圧力損失の４０〜８０％程度の圧力損失であっても、従来の２倍以上の平均熱通過率（Ｋ値）を得ることができ排熱回収率の向上を図ることができることを確認することができた。
図４は、本発明に係る排気ガス熱回収器１における噴孔２０からの排気ガスが噴射される内筒管３１までの距離ｈと、噴孔２０との直径Ｄとの比（ｈ／Ｄ）を適宜変更した時の、この比（ｈ／Ｄ）と平均熱通過率（Ｋ値）との関係を示している。平均熱通過率（Ｋ値）については、上記図３の場合と同様に、従来の技術で示したような邪魔板による排気ガス熱回収器（ヤンマー社製 部品コード124593-13370）をガスエンジン（ヤンマー社製 3GPG88）に使用した際の平均熱通過率（Ｋ値）を１００％とした。
その結果、この比( ｈ/ Ｄ) を１．７〜７の範囲に保つことで、排気ガスの内筒管３１への衝突速度を維持でき、排熱回収率の向上を図ると同時に、排気ガス圧力損失の増大を防止することができることを確認することができた。この比（ｈ／Ｄ）が１．７未満の場合、排気ガス圧力損失が増大することとなってしまう。また、この比（ｈ／Ｄ）が７を越える場合、効果としては得られるが、目標とする従来比較２倍以上の平均熱通過率（Ｋ値）を得ることが出来なくなってしまう。
図５は、本発明に係る排気ガス熱回収器１における各噴孔２０の面積の総合計と排気ガス質量流量との比を適宜変更した時の、この比と平均熱通過率（Ｋ値）および排気ガス圧力損失との関係を示している。上記図３の場合と同様に、従来の技術で示したような邪魔板による排気ガス熱回収器（ヤンマー社製 部品コード124593-13370）をガスエンジン（ヤンマー社製 3GPG88）に使用した際の平均熱通過率（Ｋ値）および圧力損失を１００％とした。
その結果、この比を２．０〜４．５の範囲に保つことで、排気ガスの内筒管３１への衝突速度を適正に保つことができ、排熱回収率（Ｋ値）の向上を図ると同時に、排気ガス圧力損失の増大を防止することができることを確認することができた。この比が２．０未満の場合、排気ガス圧力損失が増大することとなってしまう。また、この比が４．５を越える場合、効果としては得られるが、目標とする従来比較２倍以上の平均熱通過率（Ｋ値）を得ることが出来なくなってしまう。
なお、本実施の形態では、噴孔２０からの排気ガスは、冷却水通路３の内筒管３１に噴射するようになされているが、噴孔２０からの排気ガスを冷却水が流れる通路の隔壁に直接噴射することができるものであれば、特にこのような排気ガス熱回収器１に限定されるものではなく、例えば、図６に示すような排気ガス熱回収器１であってもよい。すなわち、この排気ガス熱回収器１は、排気ガス流入管２の外管２２を無くし、内管２１のみの構成として空間Ｓを大きくとり、この空間Ｓに、冷却水通路３を流れる冷却水と同様に冷却水が流れる冷却水管４を複数本設け、この各冷却水管４に、内管２１に設けた噴孔２０からの排気ガスが噴射されるようになされている。図６において、図１に示す排気ガス熱回収器１と同部材には同符号を付して説明を省略する。
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回収器として利用できる。
１ エンジン排気ガス熱回収器
２ 排気ガス流入管
２０ 噴孔
３ 冷却水通路
３１ 内筒管（隔壁）
２ 排気ガス流入管
２０ 噴孔
３ 冷却水通路
３１ 内筒管（隔壁）
Claims (4)
- エンジンからの排気ガスとエンジン冷却水との間で熱交換を行うことによって排気ガスからの熱回収を行うエンジン排気ガス熱回収器において、
排気ガス流入管周壁に冷却水通路の隔壁に向けた噴孔を複数設け、排気ガスを冷却水通路の隔壁に直接、衝突させることを特徴とするエンジン排気ガス熱回収器。 - 各噴孔から冷却水通路の隔壁までの最短距離が噴孔径の１．５〜７倍の範囲である請求項１記載のエンジン排気ガス熱回収器。
- 各噴孔の開口面積の総和と排気ガス流量の関係が、（総噴孔面積／排気ガス質量流量）＝２．０〜４．５(cm2／(kg/min)である請求項１記載のエンジン排気ガス熱回収器。
- 請求項１ないし３の何れか１記載の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ンジン駆動式ヒートポンプまたはコージェネレーション。
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