JP2010144567A

JP2010144567A - 排熱回収装置

Info

Publication number: JP2010144567A
Application number: JP2008320787A
Authority: JP
Inventors: Yukiharu Tanabe; 行治田部; Shiro Nakajima; 史朗中嶋
Original assignee: Calsonic Kansei Corp
Current assignee: Marelli Corp
Priority date: 2008-12-17
Filing date: 2008-12-17
Publication date: 2010-07-01

Abstract

【課題】排熱回収装置において冷却媒体の外部への漏出を防止する。
【解決手段】本発明は、エンジンの排ガスが流れる排気管２の途中に介装される筒状のシェル１１と、シェル１１の両端部から嵌挿され、シェル１１の内部を閉塞するエンドプレート１３と、シェル１１の上流端部１５から下流端部までエンドプレート１３を連通するように延設され、両端が排気管２の内部に開口する熱交換パイプ１２とを備え、熱交換パイプ１２を流れる排ガスとシェル１１の内部に充填される冷却媒体との間で熱交換が行われる排熱回収装置１において、シェル１１、エンドプレート１３及び熱交換パイプ１２はロー付けによって一体的に接合されており、シェル１１と排気管２との間の境界はすべて溶接によって接合される。
【選択図】図２

Description

本発明は、エンジンの排ガスから熱を回収する排熱回収装置の構造に関するものである。

エンジンの排ガスを浄化するため設けられている排気管の触媒コンバータより下流側に設けられ、エンジン冷却用の冷却水との間で熱交換を行うことでエンジンの排ガスから熱を回収する排熱回収装置が知られている。排熱回収装置は排ガス通路と冷却水通路とを有し、これらを流れる排ガスと冷却水との間で熱交換を行うことで高温の排ガスから熱を回収して冷却水の温度を上昇させる。熱交換の効率を向上させるためには排ガスと冷却水との接触面積を大きくする必要があり、このため排熱回収装置の熱交換器部は例えば特許文献１に示すように複雑な構造をしている。したがって熱交換器部を構成する各部材を溶接によって接合するのは困難であり、各部材はロー付けによって接合される。
特開２００１−３３０３９４公報

しかし、上記従来の技術では熱交換器部のロー付け部に高温の排ガスが直接接触する構造となっているため、特にエンジンの失火時などのように未燃ガスが流れて排ガス温度が非常に高温となる可能性があり、この場合にはロー材が融解して冷却水が外部に漏出する可能性がある。

本発明は、万一のとき排熱回収装置において冷却媒体の外部への漏出を防止することを目的とする。

請求項１に記載の発明は、エンジンの排ガスが流れる排気管の途中に介装される筒状のシェルと、シェルの両端部から嵌挿され、シェルの内部を閉塞するエンドプレートと、シェルの上流端部から下流端部までエンドプレートを連通するように延設され、両端が排気管の内部に開口する熱交換パイプとを備え、熱交換パイプを流れる排ガスとシェルの内部に充填される冷却媒体との間で熱交換が行われる排熱回収装置において、シェル、エンドプレート及び熱交換パイプはロー付けによって一体的に接合されており、シェルと排気管との間の境界はすべて溶接によって接合されることを特徴とする。

請求項２に記載の発明は、シェルの上流端部から嵌挿され、熱交換パイプが連通するようにエンドプレートより上流側に設けられるサイドプレートをさらに備えることを特徴とする。

請求項１に記載の発明によれば、シェルと排気管との間の境界はすべて溶接によって接合されるので、排ガスの温度がエンジンの失火などによって著しく高温となり、排熱回収装置の一部が高温となってロー材の融解温度を超えても、シェルと排気管との接合状態は保持され、冷却媒体が排気管及び排熱回収装置の外部に漏出することを防止することができる。これにより、排熱回収装置をより排ガス温度の高い排気管の上流側に配置することができるので、熱交換効率を向上させて回収熱量を増大させることができる。

請求項２に記載の発明によれば、エンドプレートより上流側に設けられるサイドプレートをさらに備えるので、排気管を流れてくる排ガスがシェル、エンドプレート及び熱交換パイプを接合しているロー付け部に直接接触することを防止できる。これにより、ロー付け部が融解して冷却媒体が排気管側に漏出することをより確実に防止できるとともに、排熱回収装置をより排ガス温度の高い排気管の上流側に配置することができるので、熱交換効率をさらに向上させて回収熱量を増大させることができる。

以下では図面を参照して本発明の実施の形態について詳しく説明する。

（第１実施形態）
図１は本実施形態における排熱回収装置の構成を示す概略構成図である。図２は図１の範囲Ａの拡大断面図である。

排熱回収装置１は、エンジンの排ガスが流れる排気管２と、排気管２の途中に介装される熱交換器部１０と、熱交換器部１０に冷却水を導出入する導入管３及び導出管４とによって構成される。排気管２には他に図示しない排ガス浄化装置やマフラーなどが設けられており、熱交換器部１０はエンジンの近くに配置されている触媒コンバータより下流側であって、排気音を低減するためのマフラーより上流側に配置される。

触媒コンバータは触媒の早期活性化を行い汚染物質の排出を無くすため、排気温度の高い、できるだけエンジンに近い上流側に設ける必要があり、上流側から順に触媒コンバータ、熱交換器部１０及びマフラーが設けられる。これにより、エンジンから排出された排ガスは触媒コンバータにおいて浄化された後、熱交換器部１０において排熱が回収され、マフラーを介して大気へと放出される。

また、冷却水の導入管３及び導出管４は、エンジン冷却用の冷却回路に接続されており、エンジンの冷却に供された冷却水が導入管３から熱交換器部１０に導入され、熱交換器部１０の内部を流れることにより排ガスの熱を回収する。さらに導出管４から導出された冷却水は自動車に用いられた場合、車室内の冷暖房を行うエアコン用ヒータコアなどを介してエンジンへと還流する。

次に、図２を参照しながら熱交換器部１０の上流端付近の構造について詳細に説明する。なお、熱交換器部１０の下流端の構造は上流端と同様であり、後述するサイドプレート１４が設けられない点で上流端と異なる。

熱交換器部１０はシェル１１と、熱交換パイプ１２と、エンドプレート１３と、サイドプレート１４とから構成される。

シェル１１は、排気管２と同一又はやや大径の円筒であり、溶接によって排気管２と接合される。

熱交換パイプ１２は、シェル１１の上流端部１５から下流端部まで延設されるパイプであり、シェル１１の内部にシェル１１と同軸状に多数設けられる。熱交換パイプ１２の軸方向長さはシェル１１と略同一であり、これにより排ガスは熱交換器部１０の上流側から熱交換パイプ１２へと流入してその内部を流れ、熱交換器部１０の下流側から排気管２へと流出する。

エンドプレート１３は、複数の孔１７を有する円板状に形成され、シェル１１の上流側から嵌挿されて上流端部１５よりやや下流側にロー付け固定される。エンドプレート１３の最外周部はリング状に下流側へと延設されており、これによりエンドプレート１３の強度を向上させることができる。また、熱交換パイプ１２はエンドプレート１３の孔１７に嵌挿され、ロー付けによってエンドプレート１３と接合される。

サイドプレート１４は、複数の孔１８を有する円板状に形成され、シェル１１の上流端部１５であって、エンドプレート１３より上流側に嵌設される。サイドプレート１４の最外周部はリング状に上流側へと延設されており、この延設部２３がシェル１１と排気管２との接合部においてともに溶接によって接合される。これにより、シェルと排気管との境界部分にある隙間２２、すなわちシェルとサイドプレートとの隙間２２及びサイドプレートと排気管との隙間２２はいずれも溶接によって接合される。また、熱交換パイプ１２はサイドプレート１４の孔１８に嵌挿され、サイドプレート１４と接合されることなくサイドプレート１４の孔１８の内壁に当接した状態で固定されている。

排気管を流れる排ガスは熱交換器部１０の上流端から熱交換パイプ１２へと流入し、下流端から排気管へと流出する。シェル１１と上流側及び下流側のエンドプレート１３とによって囲まれた空間１９には常に冷却水が充填されているので、熱交換パイプ１２の内部を流れる排ガスと熱交換パイプ１２の外部の冷却水との間で熱交換が行われ、排ガスが冷却されて冷却水の温度が上昇する。

次に、図２及び図４を参照しながら本実施形態における排熱回収装置１の作用について従来例と比較しながら説明する。図４は従来例における排熱回収装置の構造を示す拡大断面図である。

図４に示すように、従来例ではエンドプレート３３がシェル３１の上流端部３５に設けられる。シェル３１と排気管２とはリング状の接合部品４０によって接合される。接合部品４０は内径側に延設される延設部４２を有し、当該延設部４２がシェル３１と排気管２との間に配置される。接合部品４０とシェル３１及びエンドプレート３３とはロー付けされ、接合部品４０と排気管２とは溶接によって接合される。

しかし、上記のような従来の構造では、エンドプレート３３が排気管２の内部に露出しているので、高温の排ガスがエンドプレート３３に直接接触することにより、エンドプレート３３が過熱してロー材４１が融解するおそれがある。特にエンジンの失火時にエンジンから未燃ガスが排出されると、高温となっている触媒コンバータにおいて未燃ガスが燃焼し、触媒コンバータの下流側の排ガス温度が上昇し、エンドプレート３３がロー材４１の融解温度を超える可能性がある。

これにより、エンドプレート３３と熱交換パイプ３２との隙間から冷却水が排気管２の内部へと漏出する。さらに、エンドプレート３３とシェル３１との隙間及びシェル３１と接合部品４０との隙間から冷却水が外部に漏出する。

ここで、冷却水はエンジンの冷却水を用いているため、外部に漏出した場合、エンジンの冷却が行われなくなり、エンジンが焼きつき駆動、走行できなくなる恐れがある。

そこで、本実施形態ではエンドプレート１３をシェル１１の上流端部１５よりやや下流側に設け、シェル１１の上流端部１５にサイドプレート１４が設けられる。さらに接合部品４０を用いることなく、シェル１１、サイドプレート１４の延設部２３及び排気管２を溶接によって接合している。

これにより、高温の排ガスが直接エンドプレート１３に接触することを防止でき、またサイドプレート１４とエンドプレート１３との間に層２０が形成されるので、排気管２を流れる排ガスが高温となってサイドプレート１４が高温となっても層２０によって熱伝達が妨げられ、エンドプレート１３の過熱が防止される。よって、シェル１１とエンドプレート１３とを接合するロー材２１の融解が防止され、冷却水が外部に漏出することを防止することができる。

以上のように本実施形態では、シェル１１と排気管２との間の境界部分にある隙間２２はすべて溶接によって接合されるので、排ガスの温度がエンジンの失火などによって著しく高温となり、熱交換器部１０の排気管２の内部に露出する部分が高温となってロー材２１の融解温度を超えても、シェル１１と排気管２との接合状態は保持され、冷却水が排気管２及び熱交換器部１０の外部に漏出することを防止することができる。これにより、熱交換器部１０をより排ガス温度の高い排気管２の上流側に配置することができるので、熱交換効率を向上させて回収熱量を増大させることができる。

また、エンドプレート１３より上流側に設けられるサイドプレート１４をさらに備えるので、排気管２を流れてくる排ガスがシェル１１、エンドプレート１３及び熱交換パイプ１２を接合しているロー付け部２１に直接接触することを防止できる。これにより、ロー材２１が融解して冷却水が排気管２の内部に漏出することを防止できるとともに、熱交換器部１０をより排ガス温度の高い排気管２の上流側に配置することができるので、熱交換効率を向上させて回収熱量を増大させることができる。

さらに、エンドプレート１３ではなくサイドプレート１４をシェル１１及び排気管２と溶接するので、溶接部とロー付け部との間隔をあけることができ、ロー付けによって一体的に固定された熱交換器部１０を溶接によって排気管２に接合する際、溶接時の熱によってロー付け部が融解することを防止することができる。

（第２実施形態）
図３は本実施形態における排熱回収装置の構造を示す拡大断面図である。なお、図２に示す第１実施形態の構成と同一の部材には同一の符号を示してその説明を省略する。

本実施形態の排熱回収装置１は、第１実施形態の排熱回収装置１において用いたサイドプレート１４を設けることなく、エンドプレート１３をシェル１１の上流端部１５に設けている。また、エンドプレート１３の向きが第１実施形態とは反対であり、エンドプレート１３の最外周部はリング状に上流側へと延設されるように配置される。この延設部１６はシェル１１及び排気管２とともに溶接によって接合され、エンドプレート１３と熱交換パイプ１２、エンドプレート１３とシェル１１はロー付けによって接合される。

これにより、ロー材２１が融解して冷却水が排気管２及び熱交換器部１０の外部へと漏出することを防止することができる。また排気管２の内部は酸素濃度が低いので、エンドプレート１３と熱交換パイプ１２とを接合するロー材２１が融解して冷却水が排気管２の内部に漏出してもエンジンの冷却水が不足することはない。

なお、ロー材２１が融解するとエンドプレート１３と熱交換パイプ１２との隙間から排気管２の内部へと冷却水が漏出する可能性はあるが、排気管２の内部の酸素濃度は低いので、冷却水は発火しない。したがって、第１実施形態のようにサイドプレート１４を新たに設けることなく部品点数を削減しながら冷却水が排気管２及び熱交換器部１０の外部に漏出してエンジンの冷却水が不足することを防止することができる。

さらに、エンドプレート１３に上流側へと延設される延設部１６を設け、この延設部１６をシェル１１及び排気管２と溶接するので、溶接部とロー付け部との間隔をあけることができ、ロー付けによって一体的に固定された熱交換器部１０を溶接によって排気管２に接合する際、溶接時の熱によってロー付け部が融解することを防止することができる。

以上説明した実施形態に限定されることなく、その技術的思想の範囲内において種々の変形や変更が可能である。

例えば、本実施形態では熱交換器部１０で熱交換に用いる冷却水としてエンジンの冷却水を用いているが、エンジンとは独立した冷却回路を設けて、当該冷却回路に接続するようにしてもよい。

また、冷却水はエチレングリコールを含有する水である必要はなく、その他の冷却媒体を用いても同様の作用効果を得ることができる。

さらに、第１実施形態ではサイドプレート１４及びエンドプレート１３の最外周部に延設部１６、２３を設けているが、延設部１６、２３のない平板であってもよい。

本実施形態における排熱回収装置の構成を示す構成図である。本実施形態における排熱回収装置の上流端部の構造を示す拡大断面図である。別実施形態における排熱回収装置の上流端部の構造を示す拡大断面図である。従来例における排熱回収装置の上流端部の構造を示す拡大断面図である。

符号の説明

１熱交換器部
２排気管
１１シェル
１２熱交換パイプ
１３エンドプレート
１４サイドプレート

Claims

エンジンの排ガスが流れる排気管（２）の途中に介装される筒状のシェル（１１）と、
前記シェル（１１）の両端部から嵌挿され、前記シェル（１１）の内部を閉塞するエンドプレート（１３）と、
前記シェル（１１）の上流端部（１５）から下流端部まで前記エンドプレート（１３）を連通するように延設され、両端が前記排気管（２）の内部に開口する熱交換パイプ（１２）とを備え、
前記熱交換パイプ（１２）を流れる前記排ガスと前記シェル（１１）の内部に充填される冷却媒体との間で熱交換が行われる排熱回収装置（１）において、
前記シェル（１１）、前記エンドプレート（１３）及び前記熱交換パイプ（１２）はロー付けによって一体的に接合されており、前記シェル（１１）と前記排気管（２）との間の境界部分はすべて溶接によって接合されることを特徴とする排熱回収装置（１）。
前記シェル（１１）の上流端部（１５）から嵌挿され、前記熱交換パイプ（１２）が連通するように前記エンドプレート（１３）より上流側に設けられるサイドプレート（１４）をさらに備えることを特徴とする請求項１に記載の排熱回収装置（１）。