JP2015197079A - 昇温及び遮熱配管 - Google Patents

Abstract

【課題】車両における排気浄化システムの尿素水供給用配管において、エンジン停止時に外気温度が低く配管内の尿素水が凍結した場合には、容易に尿素水を昇温し、解凍が可能で、エンジン稼働時に雰囲気温度が高く尿素水が許容温度以上に昇温する危険性がある場合には、雰囲気温度から尿素水を遮温する簡単で故障が少ない昇温及び遮熱配管を提供する。
【解決手段】実施形態の昇温及び遮熱配管は、尿素水を移送する尿素水配管と、冷却液を移送する複数の冷却液配管と、両方の配管を固定する結束部材と、前記全ての部材を包囲する外部保護チューブを有する配管で、前記複数の冷却液配管を尿素水配管の周囲に管接触して配設する。
【選択図】図２

Description

本発明の実施形態は、特に尿素水供給用配管に用いられる昇温及び遮熱配管に関するものである。

尿素水供給用配管は、ディーゼルエンジンなどの内燃機関において、窒素酸化物（以下「ＮＯｘ」という）を浄化する排気浄化システムに用いられる。この排気浄化システムとしては、内燃機関の排気通路に設けられた触媒と、当該触媒の上流側に設けられた尿素水添加弁とを備える排気浄化システムが知られている。尿素水は、タンク内に貯留されており、ポンプによってタンク内の尿素水を汲み上げ、尿素水供給用配管を通じて尿素水添加弁に圧送され、尿素水添加弁から排気通路内に添加される。これにより、尿素水がアンモニアに分解され、触媒上でアンモニアにより排気中のＮＯｘが選択的に還元されることにより、排気が浄化される。

尿素水は、−１１℃程度で凍結するため、ディーゼルエンジンが停止した状態で外気温度が低いと尿素水供給用配管内の尿素水が凍結してしまい、エンジン稼働時に尿素水を排気通路内に供給できない場合がある、という問題がある。この問題に対して尿素水供給用配管をヒータで加熱して、凍結した尿素水を解凍する方法が知られている。（例えば 特許文献１）

また、ディーゼルエンジンが稼働した状態では、車両のマフラ近傍は雰囲気温度が高くなり、尿素水添加弁で添加する前に尿素水が許容温度以上に昇温する、という問題がある。尿素水が許容温度以上に昇温すると水分が蒸発して濃度が高くなり過ぎたり、アンモニアが発生したりしてしまうおそれがある。遮熱のため配管に断熱材を巻いているが、配管全体がエンジンルーム内等の雰囲気温度が高い所に設置される場合は、昇温を防ぎきれない。

そこで、尿素水を添加する尿素水添加弁と尿素水タンクの間に冷却装置を備える技術が提案されている（例えば、特許文献２）。

特開２００５−２１４４０３号公報 特開２００８−３０３７８６号公報

本発明が解決しようとする課題は、車両における排気浄化システムの尿素水供給用配管において、エンジン停止時で外気温度が低く配管内の尿素水が凍結した場合には、容易に尿素水を昇温し解凍する事が可能で、エンジン稼働時で雰囲気温度が高く尿素水が許容温度以上に昇温する危険性がある場合には、雰囲気温度から尿素水を遮温する事が可能な簡単で故障が少ない昇温及び遮熱配管を提供することを目的とする。

上記目的を達成するために、実施形態に係る昇温及び遮熱配管は、液体を移送する被温調配管と、前記被温調配管と管接触し、冷却液を移送する少なくとも２本の温調配管と、前記被温調配管と前記少なくとも２本の温調配管を固定する結束部材と、両配管を包囲する外部保護チューブと、を有することを特徴とする。

本実施形態の昇温及び遮熱配管によれば、尿素水供給用配管において、ヒータ及びクーラ等の電気的加熱手段を使用せずに昇温と遮熱ができるため、簡単で故障しにくい機構を提供できる。

本発明に係る配管を排気浄化装置に適用した構成図。 本発明の実施形態の構成図。 本発明の尿素水とＬＬＣの流れの一実施例の概略図。 遮熱性能確認試験装置の概略図。 本発明の実施例と比較例の尿素水とＬＬＣの流れの概略図の比較図。 解凍性能確認試験の概略図。 本発明の実施例の構成図の比較図。

本実施形態に係る凍結した尿素水の解凍方法として、尿素水供給用配管（以下、尿素水配管と称す）をエンジンの冷却液であるロング・ライフ・クーラント（以下、ＬＬＣと称す）を流す配管（以下、ＬＬＣ配管と称す）の熱伝導により解凍する方法を例に説明する。ＬＬＣ配管の温度は、凍結した尿素水を解凍する程度には高いため、ＬＬＣ配管と尿素水配管を管接触させる様に配設する事で熱伝導により凍結した尿素水を解凍する事ができる。また、ＬＬＣ配管の温度は尿素水が許容温度まで昇温するのを防止する程度には低いため、ＬＬＣ配管と尿素水配管を適切に配設する事で、解凍と遮熱の両方の目的を達成する事ができる。

(実施形態)
以下、図面を参照して実施形態に係る昇温及び遮熱配管について説明する。
図１は、尿素水を還元剤として使用し、エンジン排気中に含まれる窒素酸化物（ＮＯｘ）を触媒還元反応により浄化する排気浄化装置に適用した実施形態を示す図である。

エンジン１０の排気マニフォールド１２に接続される排気管１４には、矢印５０で示した排気流通方向に沿って、一酸化窒素（ＮＯ）を二酸化窒素（ＮＯ_２）へと酸化させる酸化触媒１６と、ドージングコントロールユニット（ＤＣＵ）１７に制御され、エンジン１０の運転状態に応じた必要量の尿素水を噴射供給する噴射ノズル１８と、この噴射ノズル１８より噴射される尿素水を加水分解して得られるアンモニアによりＮＯｘを還元浄化するＮＯｘ還元触媒２０と、このＮＯｘ還元触媒２０を通過したアンモニアを酸化させるアンモニア酸化触媒２２と、が夫々配設される。

また、貯蔵タンク２４に貯蔵される尿素水は、第１尿素水配管２６、還元剤供給装置２８及び第２尿素水配管１０１を通り、噴射ノズル１８にて噴霧される。一方、還元剤供給装置２８に供給された尿素水のうち余剰のものは、第３尿素水配管３０を通って貯蔵タンク２４へと戻される。ラジエータ１５は、ＬＬＣ配管１０２を通って循環するＬＬＣ（エンジン冷却液）を冷却する。ＬＬＣ配管１０２の一部は、第２尿素水配管１０１の外側に管接触した状態で配設される。図１において、点線３１の内部がエンジン稼働時に高温となる領域であり、その中にある第２尿素水配管１０１は高温にさらされる。

図２は、本実施形態に係る昇温及び遮熱配管の構成を示す図である。図２（ａ）は、図２（ｂ）の矢印方向から見た断面図であり、図２（ｂ）は昇温及び遮熱配管の斜視図である。

ここでは、配管１１０は、尿素水配管１０１、ＬＬＣ配管１０２（１０２ａ乃至１０２ｄを表現する）、結束部材１０６、及び外部保護チューブ１０７を有する。即ち、配管１１０の中央部に配設された１つの尿素水配管１０１の水平及び垂直方向の周りに、尿素水配管１０１に管接触して４つのＬＬＣ配管１０２を配設し、結束部材１０６で尿素水配管１０１とＬＬＣ配管１０２が離れない様に結束している。外部保護チューブ１０７は、外傷からの保護、保温のために尿素水配管１０１、ＬＬＣ配管１０２及び結束部材１０６を包囲して配設される。

図２（ｂ）では見やすくするため、結束部材１０６及び外部保護チューブ１０７の長さを短く表示してある。ＬＬＣ配管１０２（１０２ａ乃至１０２ｄを表現する）は３回Ｕターンし戻ってくる様に配設しており、ＬＬＣは入口１０３から入り、出口１０４から出る流れとなる。尿素水は、尿素水配管１０１の入口１０５から入る。尿素水配管１０１とＬＬＣ配管１０２は、材質がナイロン及び／又はフッ素樹脂などの耐熱性、可撓性を有するチューブである。結束部材１０６は、尿素水配管１０１とＬＬＣ配管１０２の全長を完全に被覆して結束する事が望ましいが、リボン状の部材を巻き付ける方法で覆っても良く、材質はナイロン、ポリプロピレン、ポリエチレンテレフタレート等が望ましい。外部保護チューブ１０７は可撓性を有する必要があり、形状はコルゲート、材質はナイロン、ポリプロピレンなどが望ましい。前記尿素水配管１０１、ＬＬＣ配管１０２、結束部材１０６、及び外部保護チューブ１０７の材質は、配管１１０の使用条件によって使い分ける事ができる。

図３は、実施形態の尿素水配管とＬＬＣ配管の概略図である。尿素水配管１０１は白矢印で表示し、ＬＬＣ配管１０２は黒矢印で表示しており、それぞれ矢印の向きは流体の流れの方向である。外部保護チューブ１０７は一点鎖線で表示しており、結束部材は、作図を省略している。尿素水は、尿素水配管１０１の入口１０５から出口１２０まで流れている事を示している。ＬＬＣは、ＬＬＣ配管１０２ａの入口側１０３から尿素水配管１０１と管接触して外部保護チューブ１０７の中から一旦離れ、ＬＬＣ配管１０２ｂにＵターンして再度尿素水配管１０１に管接触して再度外部保護チューブ１０７の中から離れる。更に、ＬＬＣ配管１０２ｃにＵターンして再々度尿素水配管１０１に管接触して再々度外部保護チューブ１０７の中から離れ、ＬＬＣ配管１０２ｄにＵターンして４度目にして尿素水配管１０１と管接触して、出口１０４から出る。

尿素水配管１０１内で凍結した尿素水の解凍は、尿素水の凍結温度−１１℃に比較して高い温度のＬＬＣ配管１０２に管接触することによる熱伝導で、凍結した尿素水が昇温する事により行う。

図１では、排気管１４近傍の雰囲気からの第２尿素水配管１０１への熱伝導も前記雰囲気温度に比較して、低い温度のＬＬＣ配管１０２を第２尿素水配管１０１の周囲に配設する。これにより、図１の点線３１内の熱が、ＬＬＣ配管１０２内のＬＬＣの温度を上昇させるのに使われる事で第２尿素水配管１０１に流れる尿素水の温度の上昇を抑制する。

（遮熱性能確認試験）
図４は、遮熱性能確認試験の装置の概略を示す図である。
試験装置は、内部温度が９０℃に保たれた環境槽４３、上述した実施形態の配管１１０、温度調節される側の配管（以下、被温調配管と称す）４１ａ、４１ｂ、４１ｃ、及び温度調節するための配管（以下、温調配管と称す）４２ａ、４２ｂ、４２ｃ、温度測定部４４ａ、４４ｂ、４４ｃ、４４ｄ、温度調節機能付きタンク４５ａ、４５ｂ、ポンプ４６ａ、４６ｂを有する。

温度調節機能付きタンク４５ａの液体（水）は、ポンプ４６ａにより汲み上げられ、被温調配管４１ａと入口の温度測定部４４ｃを経由して、９０℃に保たれた環境槽４３の中に配設された配管１１０内を更に経由して被温調配管４１ｂに入り、入口の温度測定部４４ｄ及び被温調配管４１ｃを経由して温度調節機能付きタンク４５ａに戻る。被温調配管４１ａには、流量１７ｍＬ／ｍｉｎで温度５０℃の水を流す。

温度調節機能付きタンク４５ｂの冷却液（水）は、ポンプ４６ｂにより汲み上げられ、温調配管４２ａと入口の温度測定部４４ａ、温調配管４２ｂを経由して、９０℃に保たれた環境槽４３の中に配設された配管１１０を複数回Ｕターンして、出口の温度測定部４４ｂ及び温調配管４２ｃを経由して温度調節機能付きタンク４５ｂに戻る。温調配管４２ａには、流量３Ｌ／ｍｉｎの温度５０℃の冷却液（水）を流す。

温調配管４２ｂの入口温度と出口温度を温度測定部４４ａ、４４ｂで測定し、出口温度から入口温度を減じて、温調配管４２ｂを流れる冷却液（水）の上昇した温度を計算する。

表１に試験結果を示すが、被温調配管と接触する温調配管の数が多いほど被温調配管内の液体（水）の昇温幅が小さくなった。即ち、温調配管数が多いほど、温調配管の流体の入口温度が低いほど昇温は抑制され、遮温効果が高い。

温調配管で一度被温調配管に接触させた後、外部保護チューブを出てからＵターンして再び被温調配管に接触する配管（以下、Ｕターン配管と称す）と、被温調配管に接触して外部保護チューブを出てから戻らない配管（以下、一方通行配管と称す）での試験結果を接触する温調配管の数が同じ場合で比較すると、一方通行配管の方がＵターン配管より被温調配管の液体（水）の昇温幅が小さかった。これはＵターン配管では、戻ってきた場合の温調配管の冷却液（水）の温度が一方通行配管の入口の水の温度よりも高くなるため、遮熱効果が小さかったものと考えられる。

図５（ａ）は、表１の実施例１の概念図（図３と同じ）で、温調配管５１の周囲に被温調配管５２を接触させて３回Ｕターンする様に配設し、温調配管５１を被温調配管５２に４回管接触させた場合の両配管内の流体の流れを表した図である。
図５（ｂ）は、表１の実施例２の概念図で、被温調配管５２の周囲に温調配管５１を４本一方通行に管接触する様に配設した場合の両配管内の流体の流れを表した図である。
図５（ｃ）は、表１の実施例３の概念図で、被温調配管５２の周囲に温調配管５１を接触させて１回Ｕターンする様に配設し、温調配管５１を被温調配管５２に２回管接触させた場合の両配管内の流体の流れを表した図である。
図５（ｄ）は、表１の実施例４の概念図で、被温調配管５２の周囲に温調配管５１を２本一方通行に管接触する様に配設した場合の両配管内の流体の流れを表した図である。
図５（ｅ）は、表１の比較例１の概念図で、被温調配管５２の周囲に温調配管５１を１本一方通行に管接触する様に配設した場合の両配管内の流体の流れを表した図である。
図５（ｆ）は、表１の比較例２の概念図で、配管は被温調配管５２のみで温調配管５１が存在しない場合の被温調配管５２内の流体の流れを表した図である。

実施例１の変形例としては、温調配管５１を入口の手前で複数の数に分岐させ、それぞれ１回Ｕターンし出口で再び合流して１本に戻る形態もある。例えば、図５（ｇ）は２本に分岐した図で、図５（ｈ）は３本に分岐した図である。

（解凍性能確認試験）
図６は、実施例での解凍性能確認試験の装置の概略を示す図である。
試験装置は、内部温度が−２５℃又は−４０℃に保たれた環境槽７３、実施例１の配管１１０、被温調配管７１ａ、７１ｂ及び温調配管７２ａ、７２ｂ、７２ｃ、温度測定部７４ａ、７４ｂ、温度調節機能付きタンク７５、ポンプ７６、圧力計７７を有する。

温度調節機能付きタンク７５の水は、ポンプ７６により汲み上げられ、温調配管７２ａと入口の温度測定部７４ａを経由して環境槽７３の中に配設された配管１１０の中の被温調配管７１ａと管接触して、出口に到達した後、Ｕターンして再び環境槽７３の中の被温調配管７１ａと管接触して、温度測定部７４ｂ及び温調配管７２ｃを経由して温度調節機能付きタンク７５に戻る。

被温調配管７１ａの中には、完全に凍結した尿素水を封入している。温調配管７２ａ、７２ｂには、ＬＬＣを温度３０℃、流量３Ｌ／ｍｉｎで流す。ＬＬＣを流し始めた時間から圧力計７７で被温調配管７１ａの圧力が変化する時間を測定し、尿素水の解凍時間とする。試験は実施例５、６で行った。

表２に測定結果を示すが、解凍能力の低い実施例５においても、３分未満で解凍し、必要十分な性能がある事が確認された。実施例５は、上記した図５（ｃ）に示す概念図で、実施例６は、上記した図５（ｈ）に示す概念図である。

図７は、実施例１〜６の配管を、図２（ｂ）と同じ方向から見た図である。
図７（ｃ、ｄ）は実施例３及び実施例４の図であり、被温調配管５２に管接触する２本の温調配管５１を有し、それを結束部材１０６で結束し、外部保護チューブ１０７で包囲している。ＬＬＣと尿素水の流れは、図５（ｃ）と図５（ｄ）に示した通りである。図７（ａ、ｇ）は、実施例１及び実施例５の図であり、図２に示した構成であり、ＬＬＣと尿素水の流れは、図５（ａ）と図５（ｇ）に示した通りである。図７（ｈ）は、実施例６の図であり、被温調配管５２に６方向に管接触する６本の温調配管５１を有し、それを結束部材１０６で結束し、外部保護チューブ１０７で包囲している。ＬＬＣと尿素水の流れは、図５（ｈ）に示した通りである。

上記２つの試験の結果から温調配管５２の数が多いほど遮熱効果が高く、昇温が抑制される事及び解凍時間が短くなる即ち昇温効果が高い事がわかる。

本発明のいくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら新規な実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれるとともに、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれる。

１０１ 尿素水配管
１０２（１０２ａ〜１０２ｄ） ＬＬＣ配管
１０６ 結束部材
１０７ 外部保護チューブ
１１０ 実施例の配管
４３ 環境槽
５１ 温調配管
５２ 被温調配管
７３ 環境槽

Claims (9)

1. 液体を移送する被温調配管と、
   前記被温調配管と管接触し、冷却液を移送する少なくとも２本の温調配管と、
   前記被温調配管と前記少なくとも２本の温調配管を固定する結束部材と、
   前記被温調配管と前記少なくとも２本の温調配管を包囲する外部保護チューブと、
   を有する昇温及び遮熱配管。
2. 前記管接触により、前記被温調配管と前記少なくとも２本の温調配管の雰囲気温度が低い状態では、被温調配管を昇温し、前記雰囲気温度が高い状態では、前記被温調配管の昇温を抑制する請求項１に記載の昇温及び遮熱配管。
3. 前記温調配管は、内燃機関の冷却液配管である請求項１又は２に記載の昇温及び遮熱配管。
4. 前記被温調配管の液体が尿素水である請求項１又は２に記載の昇温及び遮熱配管。
5. 前記外部保護チューブがコルゲートチューブである請求項１乃至４のいずれか１項に記載の昇温及び遮熱配管。
6. 前記温調配管が外部保護チューブの外で折り返して配設された請求項５に記載の昇温及び遮熱配管。
7. 前記温調配管の数が偶数である請求項１乃至６のいずれか１項に記載の昇温及び遮熱配管。
8. 前記被温調配管を中央部に配置し、前記被温調配管の水平及び垂直方向の周りに、４つの前記温調配管を管接触させて配置した請求項７に記載の昇温及び遮熱配管。
9. 前記被温調配管を中央部に配置し、前記被温調配管の６方向の周りに、６つの前記温調配管を管接触させて配置した請求項７に記載の昇温及び遮熱配管。