JP2007085266A - 排気系熱交換装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 排気と熱媒体との熱交換を効率的に行うことができる排気系熱交換装置を得る。
【解決手段】車両用排気系１０に適用された排気熱回収部３６は、排気ガスが流通する触媒ケース２８の下流側コニカル部３４に冷却水配管３８を導入して構成されている。冷却水配管３８は、排気流方向の上流側から下流側に向けて曲率が連続的に変化するように軸方向視で渦巻状に形成された熱交換部３８Ａを有し、該熱交換部３８Ａを下流側コニカル部３４内に同軸的に配置させている。
【選択図】 図１

Description

本発明は、例えば内燃機関エンジンの排気ガスが有する排気熱を回収等するための排気系熱交換装置に関する。

内燃機関エンジンの排気管内に螺旋状を成す通水管を配設した構成が知られている（例えば、特許文献１参照）。
特開平２−１３６５０７号公報 特開平７−２５９５４８号公報 特開２００２−１１５８０２号公報

しかしながら、上記の如き従来の技術では、通水管が排気管の軸心部に配置されているため、該排気管の軸心部分を通過する排気の排気熱しか回収することができない。

本発明は上記事実を考慮して、排気と熱媒体との熱交換を効率的に行うことができる排気系熱交換装置を得ることが目的である。

上記目的を達成するために請求項１記載の発明に係る排気系熱交換装置は、排気系内に熱媒体配管を配置して該熱媒体配管を流れる熱媒体と排気との熱交換を行う排気系熱交換装置であって、前記熱媒体配管は、排気流方向の上流側から下流側に向けて曲率が連続的に変化するように軸方向視で渦巻状に形成された熱交換部が、前記排気系を構成する排気流路内に同軸的に配置されている。

請求項１記載の排気系熱交換装置では、排気流路を流れる排気と熱媒体配管の熱交換部を流れる熱媒体との熱交換が、熱媒体配管が配置されている排気流路内で行われる。

ここで、熱媒体配管の熱交換部が軸方向視で渦巻状に形成されているため、排気流路内の広い領域で熱媒体流路が排気流方向上流側を向き、効率的に熱交換が行われる。また、熱媒体配管の熱交換部は、熱媒体流れ方向の一端側が排気流方向の上流側に位置し他端側が下流側に位置するため、換言すれば、熱媒体配管がテーパ螺旋状を成しているため、熱媒体配管を単に排気流路の軸直角断面に沿う渦巻状に形成した構成と比較して、背圧（排気抵抗）の増大が抑制される。

このように、請求項１記載の排気系熱交換装置では、排気と熱媒体との熱交換を効率的に行うことができる。

請求項２記載の発明に係る排気系熱交換装置は、排気系内に熱媒体配管を配置して該熱媒体配管を流れる熱媒体と排気との熱交換を行う排気系熱交換装置であって、前記排気系は、排気流を整流する整流部と、該整流部の排気流方向の下流側に連続する熱交換流路とを有し、前記熱媒体配管は、排気流方向の上流側から下流側に向けて曲率が連続的に変化するように軸方向視で渦巻状に形成された熱交換部が、前記熱交換流路内に同軸的に配置されている。

請求項２記載の排気系熱交換装置では、整流部を通過することで整流され熱交換流路に導入された排気と、熱媒体配管における上記熱交換流路に配置された熱交換部を流れる熱媒体との熱交換が行われる。

ここで、熱媒体配管の熱交換部が軸方向視で渦巻状に形成されているため、熱交換流路内の広い領域で熱媒体流路が排気流方向上流側を向き、効率的に熱交換が行われる。特に、排気が整流部を通過して整流され、熱交換流路（断面）内での流れが均一化されるので、排気と熱媒体との熱交換を一層効率的に行うことができる。

このように、請求項２記載の排気系熱交換装置では、排気と熱媒体との熱交換を効率的に行うことができる。また、熱媒体配管の熱交換部は、熱媒体流れ方向の一端側が排気流方向の上流側に位置し他端側が下流側に位置するため、換言すれば、熱媒体配管がテーパ螺旋状を成しているため、熱媒体配管を単に排気流路の軸直角断面に沿う渦巻状に形成した構成と比較して、背圧（排気抵抗）の増大が抑制される。

請求項３記載の発明に係る排気系熱交換装置は、請求項２記載の排気系熱交換装置において、前記整流部は、排気流方向に沿う直線状の細流路が多数並列された触媒である。

請求項３記載の排気系熱交換装置では、排気は、触媒（触媒を担持する担持体）の多数の細流路を通過することで整流される。触媒部の下流に熱媒体配管の熱交換部を配設することで、専用の整流部に頼ることなく良好な熱交換効率を得ることができる。

上記目的を達成するために請求項４記載の発明に係る排気系熱交換装置は、排気系内に熱媒体配管を配置して該熱媒体配管を流れる熱媒体と排気との熱交換を行う排気系熱交換装置であって、前記排気系は、排気流方向に沿う直線状の細流路が多数並列された触媒を収容する触媒ケースを有し、前記触媒ケースは、前記触媒を収容する触媒部と、該触媒部の排気流方向の下流側に連続しテーパ状に形成されたテーパ部とを含み、前記熱媒体配管は、排気流方向の上流側から下流側に向けて曲率が連続的に変化するように軸方向視で渦巻状を成すテーパ螺旋状に形成された熱交換部が、前記触媒ケースのテーパ部内に同軸的かつテーパ方向が一致するように配置されている。

請求項４記載の排気系熱交換装置では、触媒ケース内の触媒（触媒を担持する担持体）の多数の細流路を通過することで整流され該触媒ケースのテーパ部に排出された排気と、熱媒体配管における上記テーパ部に配置された熱交換部を流れる熱媒体との熱交換が行われる。

ここで、熱媒体配管の熱交換部が軸方向視で渦巻状に形成されているため、排気流路内の広い領域で熱媒体流路が排気流方向上流側を向き、効率的に熱交換が行われる。特に、排気が触媒を通過して整流されテーパ部の径方向各部で排気流れが均一化されるので、排気と熱媒体との熱交換が一層効率的になる。

このように、請求項４記載の排気系熱交換装置では、排気と熱媒体との熱交換を効率的に行うことができる。また、熱媒体配管の熱交換部は、熱媒体配管がテーパ螺旋状を成しているため、熱媒体配管を単に排気流路の軸直角断面に沿う渦巻状に形成した構成やテーパ部の最小径部に対応する円筒面に沿う螺旋状に形成した構成と比較して、背圧（排気抵抗）の増大が抑制される。

請求項５記載の発明に係る排気系熱交換装置は、請求項４記載の排気系熱交換装置において、前記熱媒体配管の熱交換部は、テーパ角が前記触媒ケースのテーパ部内周面のテーパ角に一致している。

請求項５記載の排気系熱交換装置では、熱媒体配管の熱交換部のテーパ角（円錐角）が触媒ケースのテーパ部のテーパ角に略一致するため、テーパ螺旋状に形成された熱媒体配管の熱交換部の径方向内外を排気が略均一に流れ、熱交換効率が一層向上する。

請求項６記載の発明に係る排気系熱交換装置は、請求項１乃至請求項５の何れか１項記載の排気系熱交換装置において、前記熱媒体配管の熱交換部は、周方向の同じ位置で大径側部分の内径が小径側部分の外径よりも大とされている。

請求項６記載の排気系熱交換装置では、熱媒体配管の熱交換部は、軸方向から見て上流側部分と下流側部分とがオーバラップしない渦巻状を成している。このため、熱交換部の各部が排気流れに対し影にならず、排気が熱交換部に略均一にむらなく接触する。これにより、熱交換効率がより一層向上する。

請求項７記載の発明に係る排気系熱交換装置は、請求項１乃至請求項６の何れか１項記載の排気系熱交換装置において、前記熱媒体配管の熱交換部は、曲率が大きい側から熱媒体が導入されるようになっている。

請求項７記載の排気系熱交換装置では、排気流路（熱交換流路、触媒ケースのテーパ部）における排気温が高い軸心部に熱媒体が導入されるので、換言すれば、高温の排気が低温の熱媒体と熱交換を行うので、熱媒体の昇温又は排気の高温を早期に行うことができる。また、排気流路の径方向各部における温度分布が一層均一化される。

請求項８記載の発明に係る排気系熱交換装置は、請求項１乃至請求項７の何れか１項記載の排気系熱交換装置において、前記熱媒体配管は、少なくとも前記熱交換流路内、又は前記触媒ケースのテーパ部内に位置する部分が単一の熱媒体流路を形成する。

請求項８記載の排気系熱交換装置では、排気流路内に位置する熱媒体配管の熱交換部を含む部分には分岐等がないので、空気抜きのために熱媒体出口を鉛直方向上向きにする等の制約がなくなる。このため、排気流路に対する熱媒体配管の配設自由度が高くなる。

以上説明したように本発明に係る排気系熱交換装置は、排気と熱媒体との熱交換を効率的に行うことができるという優れた効果を有する。

本発明の一実施形態に係る排気系熱交換装置が適用された車両用排気系１０について、図１乃至図３に基づいて説明する。

図１には、車両用排気系１０の概略全体構成が斜視図にて示されている。この図に示される如く、車両用排気系１０では、排気としての排気ガスが排出される流れ方向の上流側から順に、触媒コンバータ１２、メインマフラ１４、サブマフラ１６、テールパイプ１８が配設されている。なお、サブマフラ１６を触媒コンバータ１２とメインマフラ１４との間に配設した構成としたり、サブマフラ１６を備えない構成としたりしても良い。以下の説明では、単に上流、下流というときは、排気ガスの流れ方向における上流、下流を示している。

触媒コンバータ１２は、排気管２０を介して図示しない内燃機関エンジンの排気マニホルドに連通して接続されている。触媒コンバータ１２とメインマフラ１４とは、排気管２２によって互いに連通して接続されている。メインマフラ１４とサブマフラ１６とは、排気管２４によって互いに連通して接続されている。テールパイプ１８は、サブマフラ１６に連通して接続されており、その下流開口端から車外に排気ガス排出するようになっている。

また、図２に示される如く、触媒コンバータ１２は、排気ガスを浄化するための触媒を担持した触媒キャリア２６と、触媒キャリア２６を収容する触媒ケース２８とを含んで構成されている。触媒キャリア２６は、例えばハニカム状又はメッシュ状の断面形状を有し、排気ガス流れ方向（矢印Ａ参照）に沿った直線状（柱状）の多数の細流路２６Ａを備えている。この触媒キャリア２６は、各細流路２６Ａ内に担持した触媒に該各細流路２６Ａを通過する排気ガスを接触させて、排気ガスを浄化するようになっている。この触媒は、例えば排気ガス中に含まれる燃焼生成物である一酸化炭素（ＣＯ）、窒素酸化物（ＮＯｘ）、未燃の燃料である炭化水素（ＨＣ）等の一部又は全部を除去する反応を促進するものが選択される。

触媒ケース２８は、排気管２０、２２よりも大径とされ触媒キャリア２６を収容する触媒部としてのキャリア保持部３０と、キャリア保持部３０の上流側に設けられた上流側コニカル部３２と、キャリア保持部３０の下流側に設けられた下流側コニカル部３４とを含んで構成されている。上流側コニカル部３２は、上流側から下流側に向けて連続的に拡径されたテーパ筒状に形成され、排気管２０の下流端とキャリア保持部３０の上流端とを滑らかに連結している。下流側コニカル部３４は、上流側から下流側に向けて連続的に縮径されたテーパ筒状に形成され、キャリア保持部３０の下流端と排気管２２の上流端とを滑らかに連結している。

触媒ケース２８内では、キャリア保持部３０に収容された触媒キャリア２６の各細流路２６Ａは、それぞれ上流端が上流側コニカル部３２内に開口すると共に、下流端が下流側コニカル部３４内に開口している。これにより、触媒ケース２８内では、触媒キャリア２６の多数の細流路２６Ａに分散されて細流路２６Ａを通過することで排気ガスが整流されるようになっている。すなわち、下流側コニカル部３４内には、矢印Ａ方向に沿う直線的な流れ（速度ベクトル）を有する排気ガスが導入されるようになっている。

この車両用排気系１０には、排気ガスの持つ排気熱を回収するための排気熱回収部３６が設けられている。排気熱回収部３６は、排気ガスの流路である触媒ケース２８の下流側コニカル部３４内に、熱媒体配管としての冷却水配管３８を配設して構成されている。冷却水配管３８は、上記内燃機関エンジンを冷却するためのエンジン冷却水を流通させる配管であり、排気熱回収部３６は、内燃機関エンジンの始動直後等の場合に、排気ガスの排気熱をエンジン冷却水によって回収し、内燃機関エンジンの暖機性能を向上するようになっている。

図２に示される如く、冷却水配管３８は、主に３４内に配設された熱交換部３８Ａが、上流側で巻き径（曲率半径）が大きく下流側に向かうほど巻く径が小さくなるテーパ螺旋状に形成されている。したがって、冷却水配管３８を軸線方向上流側から見ると、図３に示される如く下流側ほど曲率が大きい渦巻状を成している。

この実施形態では、冷却水配管３８の熱交換部３８Ａは、下流側コニカル部３４内において、上流側に位置する部分が下流側に位置する部分にオーバラップしない（影を作らない）構成とされている。具体的には、図３に示される如く、熱交換部３８Ａの周方向の各位置おいて、大径側（排気ガス上流側）部分の内側曲率半径である内径Ｒｉが小径側部分の外側曲率半径である外径Ｒｏよりも大とされている。

図２に示される如く、側面視で、冷却水配管３８が円錐であると仮定した場合の仮想母線Ｃと、下流側コニカル部３４の内周面３４Ａ（母線）とは互いに略平行とされている。すなわち、冷却水配管３８は、下流側コニカル部３４内に同軸的かつテーパ方向が一致するように配設されており、かつ下流側コニカル部３４の円錐角（テーパ角）と冷却水配管３８の円錐角とが略一致している。

冷却水配管３８は、テーパ螺旋状に形成された熱交換部３８Ａの小径側端部に連続する導入部３８Ｂと、熱交換部３８Ａの大径側端部に連続する導出部３８Ｃとを有する。導入部３８Ｂは、下流側コニカル部３４の下流端側に設けられたボス部４０を貫通して触媒ケース２８の外部から下流側コニカル部３４内に導入されている。一方、導出部３８Ｃは、下流側コニカル部３４の上流端側に設けられたボス部４２を貫通して下流側コニカル部３４内から触媒ケース２８の外部に導出されている。

そして、冷却水配管３８は、各図に矢印Ｂにて示される如く、導入部３８Ｂからエンジン冷却水が導入されて熱交換部３８Ａを通過し、導出部３８Ｃからエンジン冷却水が排出されるようになっている。また、この冷却水配管３８は、熱交換部３８Ａ、導入部３８Ｂ、導出部３８Ｃが一体に形成されて単一（単独）の流路を成し、下流側コニカル部３４内には分岐が形成されない構成とされている。この実施形態では、パイプ材の曲げ加工によって冷却水配管３８を形成している。

次に、本実施形態の作用を説明する。

上記構成の車両用排気系１０では、内燃機関エンジンの排気ガスが、排気管２０、触媒コンバータ１２、排気管２２、メインマフラ１４、排気管２４、サブマフラ１６を通じてテールパイプ１８から排出される。

このとき、触媒コンバータ１２を構成する触媒ケース２８内では、排気ガスが触媒キャリア２６の多数の細流路２６Ａを通過することで整流され、この整流された排気ガス流が下流側コニカル部３４に流入する。そして、下流側コニカル部３４内では、該下流側コニカル部３４を上流側から下流側に流れる排気ガスと、該下流側コニカル部３４内に配設された冷却水配管３８内を流れるエンジン冷却水とで熱交換が行われる。これにより、内燃機関エンジンの始動後、該エンジンが早期に暖気される。

ここで、車両用排気系１０の排気熱回収部３６では、冷却水配管３８におけるテーパ螺旋状に形成された熱交換部３８Ａは、下流側コニカル部３４内の広い領域で排気ガス流の上流側を向くため、排気ガスとエンジン冷却水との熱交換が効率的に行われて排気ガスの排気熱がエンジン冷却水に回収される。しかも、触媒キャリア２６を通過して整流され直線的に流れる排気ガスが、下流側コニカル部３４の径方向各部において略均一に熱交換部３８Ａに接触するため、排気ガスの排気熱がエンジン冷却水により効率的に回収される。

特に、熱交換部３８Ａは、軸方向から見て上流部分が下流部分とオーバラップしない渦巻状を成すため、排気ガスが熱交換部３８Ａにむらなく略均一に接触して排気ガスの排気熱がエンジン冷却水に一層効率的に回収される。また特に、テーパ螺旋状に形成された熱交換部３８Ａが対応するテーパ筒状に形成された下流側コニカル部３４内に同軸的に配置されているため、換言すれば、熱交換部３８Ａの径方向外側部分に排気ガスが逃げ難いので、排気ガスの排気熱がより一層効率的にエンジン冷却水に回収される。

さらに、車両用排気系１０の排気熱回収部３６では、熱交換部３８Ａにおける下流側コニカル部３４の中央（軸心）側に位置する小径側（本実施形態では排気ガス下流側）からエンジン冷却水が導入されるため、下流側コニカル部３４の中央部を流れる高温の排気ガスが低温のエンジン冷却水と熱交換を行う。このため、熱回収の効率が向上してエンジン冷却水を短時間で昇温することができる。また、排気ガスは、下流側コニカル部３４の中央部で大きく降温して径方向の温度分布が均一化される。同様に、エンジン冷却水は、流れ方向（軸方向から見た渦巻きの径方向）の温度分布が均一化される。

このように、本実施形態に係る車両用排気系１０に適用された排気熱回収部３６は、排気ガスとエンジン冷却水との熱交換を効率的に行うことができる。

また、車両用排気系１０の排気熱回収部３６では、上記の通りテーパ螺旋状の熱交換部３８Ａが対応するテーパ筒状に形成された下流側コニカル部３４内に同軸的に配置されているため、下流側コニカル部３４の中央部に円筒面に沿う螺旋形状の熱交換配管を配設した構成と比較して、排気流の妨げになることが抑制され、排気抵抗（背圧）を低く抑えることができる。

さらに、車両用排気系１０の排気熱回収部３６では、冷却水配管３８が分岐のない単一の冷却水流路を形成しているため、空気抜きのために導入部３８Ｂ、導出部３８Ｃを下流側コニカル部３４に対し鉛直方向に取り出す等の制約がなくなる。このため、下流側コニカル部３４に対する冷却水配管３８の配設自由度が高くなる。

また、車両用排気系１０の排気熱回収部３６では、排気ガスの整流作用を奏する触媒キャリア２６の直下流に冷却水配管３８の熱交換部３８Ａを配設したため、別途整流装置を設けることなく上記の通り効率の良い排気熱回収を行うことができる。

なお、上記実施形態では、熱交換部３８Ａを、配設される下流側コニカル部３４に対応するテーパ螺旋状に形成した例を示したが、本発明はこれに限定されず、例えば、図４（Ａ）に示される如くテーパ螺旋状の熱交換部３８Ａを円筒状の排気管５０内に配設しても良い。また例えば、円筒状の排気管５０内に熱交換部３８Ａを配設する構成において、排気ガス上流側に熱交換部３８Ａの小径側が位置する配置としても良い。これらにより、本発明は、熱交換部３８Ａのテーパ角が下流側コニカル部３４のテーパ角と一致していなくても良いことがわかる。

本発明の実施形態に係る車両用排気系を示す斜視図である。 本発明の実施形態に係る車両用排気系を構成する排気熱回収部を示す側断面図である。 本発明の実施形態に係る車両用排気系の排気熱回収部を構成する冷却水配管における熱交換部を軸方向上流側から見た正面図である。 本発明の実施形態に係る車両用排気系を構成する排気熱回収部の変形例を示す図であって、（Ａ）は第１変形例を示す断面図、（Ｂ）は第２変形例を示す断面図である。

符号の説明

１０ 車両用排気系（排気系）
２６ 触媒キャリア（触媒）
２６Ａ 細流路
２８ 触媒ケース
３０ キャリア保持部（触媒部）
３４ 下流側コニカル部（排気流路、熱交換流路、テーパ部）
３６ 排気熱回収部（排気系熱交換装置）
３８ 冷却水配管（熱媒体配管）
３８Ａ 熱交換部
５０ 排気管（排気流路、熱交換流路）

Claims (8)

1. 排気系内に熱媒体配管を配置して該熱媒体配管を流れる熱媒体と排気との熱交換を行う排気系熱交換装置であって、
   前記熱媒体配管は、排気流方向の上流側から下流側に向けて曲率が連続的に変化するように軸方向視で渦巻状に形成された熱交換部が、前記排気系を構成する排気流路内に同軸的に配置されている排気系熱交換装置。
2. 排気系内に熱媒体配管を配置して該熱媒体配管を流れる熱媒体と排気との熱交換を行う排気系熱交換装置であって、
   前記排気系は、排気流を整流する整流部と、該整流部の排気流方向の下流側に連続する熱交換流路とを有し、
   前記熱媒体配管は、排気流方向の上流側から下流側に向けて曲率が連続的に変化するように軸方向視で渦巻状に形成された熱交換部が、前記熱交換流路内に同軸的に配置されている排気系熱交換装置。
3. 前記整流部は、排気流方向に沿う直線状の細流路が多数並列された触媒である請求項２記載の排気系熱交換装置。
4. 排気系内に熱媒体配管を配置して該熱媒体配管を流れる熱媒体と排気との熱交換を行う排気系熱交換装置であって、
   前記排気系は、排気流方向に沿う直線状の細流路が多数並列された触媒を収容する触媒ケースを有し、
   前記触媒ケースは、前記触媒を収容する触媒部と、該触媒部の排気流方向の下流側に連続しテーパ状に形成されたテーパ部とを含み、
   前記熱媒体配管は、排気流方向の上流側から下流側に向けて曲率が連続的に変化するように軸方向視で渦巻状を成すテーパ螺旋状に形成された熱交換部が、前記触媒ケースのテーパ部内に同軸的かつテーパ方向が一致するように配置されている排気系熱交換装置。
5. 前記熱媒体配管の熱交換部は、テーパ角が前記触媒ケースのテーパ部内周面のテーパ角に一致している請求項４記載の排気系熱交換装置。
6. 前記熱媒体配管の熱交換部は、周方向の同じ位置で大径側部分の内径が小径側部分の外径よりも大とされている請求項１乃至請求項５の何れか１項記載の排気系熱交換装置。
7. 前記熱媒体配管の熱交換部は、曲率が大きい側から熱媒体が導入されるようになっている請求項１乃至請求項６の何れか１項記載の排気系熱交換装置。
8. 前記熱媒体配管は、少なくとも前記熱交換流路内、又は前記触媒ケースのテーパ部内に位置する部分が単一の熱媒体流路を形成する請求項１乃至請求項７の何れか１項記載の排気系熱交換装置。

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