JPH06137776A - 排ガス熱交換器 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 排ガスの流動抵抗を低く抑えつつ、高い熱交
換効率を得ることができる排ガス熱交換器を提供するこ
と。 【構成】 排ガス通路内を流れる排ガスと排ガス通路外
を流れる冷却水との間で熱交換を行なわしめる排ガス熱
交換器１５において、前記排ガス通路を断面が非円形な
スクリューパイプ２３…で構成する。本発明によれば、
排ガスは各スクリューパイプ２３内を旋回流（乱流）と
なって流れ、該排ガスの乱流効果及び境界層の剥離効果
によって排ガスの冷却水への熱伝達率が高められ、高い
熱交換率（熱回収率）が得られる。又、各スクリューパ
イプ２３の単位長さ当りの表面積（伝熱面積）が大きい
ため、所要の熱交換量に対して当該排ガス熱交換器１５
をコンパクトに構成することができる。更に、スクリュ
ーパイプ２３はスパイラル状に巻回されていないため、
排ガスは該スクリューパイプ２３内を旋回しながら、ス
ムーズに流れ、その流動抵抗が低く抑えられる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、排ガス熱交換装置に関
する。

【０００２】

【従来の技術】例えば、ガスエンジンによって駆動され
るガスヒートポンプ装置においては、ガスエンジンから
排出される高温、高圧の排ガスを排ガス熱交換器に導
き、該排ガスと共に素通りして逃げる廃熱を冷却水と熱
交換させて廃熱回収を図ったり、冷却によって排ガスの
圧力を下げて消音し、或いは排気効率向上を図ることが
行なわれる。

【０００３】ところで、従来の排ガス熱交換器において
は、排ガスが流れる排ガス通路はスパイラル状に巻回さ
れた細いパイプ、内壁に乱流生成板を取り付けた直管等
で構成されていた。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、排ガス
通路をスパイラル状に巻回された細いパイプで構成した
場合には、パイプの内面に排ガス中に含まれるカーボン
が付着してパイプが詰まり易い他、パイプの単位長さ当
りの表面積（伝熱面積）が小さくなり、熱交換効率（熱
回収率）が悪くなるという問題がある。

【０００５】又、内壁に乱流生成板を取り付けた直管で
排ガス通路を構成した場合も、直管の単位長さ当りの表
面積（伝熱面積）が小さいために高い熱交換効率を得る
ことができない。又、乱流生成板のために通気抵抗が大
きくなり、エンジン性能の低下を来たすという問題があ
る。

【０００６】本発明は上記問題に鑑みてなされたもの
で、その目的とする処は、排ガスの流動抵抗を低く抑え
つつ、高い熱交換効率を得ることができる排ガス熱交換
器を提供することにある。

【０００７】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成すべく本
発明は、排ガス通路内を流れる排ガスと排ガス通路外を
流れる他の流体との間で熱交換を行なわしめる排ガス熱
交換器において、前記排ガス通路を断面が非円形なスク
リューパイプで構成したことを特徴とする。

【０００８】

【作用】本発明によれば、排ガス通路がスクリューパイ
プで構成されているため、排ガスは該スクリューパイプ
内を旋回流（乱流）となって流れ、該排ガスの乱流効果
（撹拌効果）及び境界層の剥離効果によって排ガスの他
の流体への熱伝達率が高められ、高い熱交換効率（熱回
収率）が得られる。

【０００９】又、スクリューパイプの単位長さ当りの表
面積（伝熱面積）が大きいことと併せて、所要の熱交換
量に対して当該排ガス熱交換器をコンパクトに構成する
こができる。

【００１０】更に、スクリューパイプはスパイラル状に
巻回されていないため、排ガスは該スクリューパイプ内
を旋回しながらスムーズに流れ、該排ガスの流動抵抗が
低く抑えられてエンジン等の性能低下が免れるととも
に、スクリューパイプ内壁へのカーボンの付着が防がれ
て当該排ガス熱交換器の信頼性が高められる。

【００１１】

【実施例】以下に本発明の実施例を添付図面に基づいて
説明する。

【００１２】図１は本発明に係る排ガス熱交換器の縦断
面図、図２はスクリューパイプの横断面図、図３はガス
ヒートポンプ装置の破断正面図、図４は同ガスヒートポ
ンプ装置の破断側面図（図３の矢視Ａ方向の図）であ
る。

【００１３】先ず、ガスヒートポンプ装置の概略構成を
図３及び図４に基づいて説明すると、ケーシング１内の
下部に隔壁２，３によって構成される空間内には駆動源
であるガスエンジン４が設置されている。

【００１４】上記ガスエンジン４はガスを燃料として作
動するものであって、これの右側方（図３の右方）に
は、該ガスエンジン４によって駆動される２基のコンプ
レッサ５，５が並設されている。

【００１５】又、前記空間内の上記コンプレッサ５，５
の上方には、エアクリーナ６、排気サイレンサ７及びオ
イルタンク８が設置されており、排気サイレンサ７には
オイルセパレータ９が組み込まれている。

【００１６】一方、前記隔壁３を隔てて前記ガスエンジ
ン４とは反対側の空間には、フロン等の冷媒を貯留する
冷媒ユニット１０が設置されており、該冷媒ユニット１
０の上方には２基の熱交換器１１，１１が設置されてい
る。尚、図中、１２は電装ユニット、１３はメンテナン
ス用の開閉蓋である。

【００１７】而して、本実施例においては、前記ガスエ
ンジン４の吸気側には前記エアクリーナ６が接続されて
おり、同ガスエンジン４の排気側からは２本の排気管１
４，１４が導出しており、該排気管１４，１４には本発
明に係る排ガス熱交換器１５が接続されている。そし
て、この排ガス熱交換器１５からは２本の排気管１６，
１６が導出しており、これらの排気管１６，１６は前記
排気サイレンサ７に接続されている。尚、前記オイルセ
パレータ９は、ガスエンジン４から導入されるブローバ
イガスに含まれるオイルを分離、除去するためのもので
ある。

【００１８】ここで、本発明に係る排ガス熱交換器１５
の構成を図１及び図２に基づいて説明する。

【００１９】排ガス熱交換器１５は円管状の上下２つの
ケーシング１７，１７を有しており、各ケーシング１７
の両端はキャップ１８，１９によって閉塞されており、
キャップ１８，１９には前記排気管１４，１６がそれぞ
れ接続されている。又、ケーシング１７内の両端部には
隔壁２０，２１によって画成される膨張室Ｓ１，Ｓ３が
形成され、中間部には冷却水通路を構成する空間Ｓ２が
形成されている。尚、上下のケーシング１７，１７は複
数の連結具２２…によって連結一体化されている。

【００２０】而して、各ケーシング１７の前記空間Ｓ２
内には、排ガス通路を構成する２本のスクリューパイプ
２３，２３が互いに平行に並設されており、各スクリュ
ーパイプ２３の一端は前記膨張室Ｓ１に、他端は前記膨
張室Ｓ３にそれぞれ開口している。

【００２１】ところで、図２に示すように、上記各スク
リューパイプ２３は十字形断面を有し、その外周に放射
状に突出する４つの凸部２３ａ…は図１に示すように当
該スクリューパイプ２３の外周を長さ方向に沿ってスパ
イラルを描いている。

【００２２】他方、上下２つのケーシング１７，１７の
各冷却水通路を構成する前記空間Ｓ２，Ｓ２同士は連通
管２４によって相連通せしめられており、ケーシング１
７，１７の排気管１６，１６に近い側の端部には、空間
Ｓ２，Ｓ２に開口する冷却水管２５，２６が接続されて
いる。

【００２３】次に、本発明に係る排ガス熱交換器１５の
作用を説明する。

【００２４】ガスヒートポンプ装置が駆動されてガスエ
ンジン４が作動すると、該ガスエンジン４によってコン
プレッサ５，５が駆動され、該コンプレッサ５，５によ
って冷媒が圧縮されて冷房又は暖房に供される。

【００２５】而して、ガスエンジン４においては、エア
クリーナ６を通って浄化された新気（燃焼空気）は不図
示のミキサー吸気マニホールド及び吸気通路を通過する
過程で燃料ガスの混合を受け、燃料ガスと燃焼空気との
混合気が不図示の燃焼室に導入されて燃焼に供される。

【００２６】そして、燃焼室での混合気の燃焼によって
生じた高温、高圧の排ガスは排気管１４，１４を通って
本発明に係る排ガス熱交換器１５に導入され、ここで冷
却水との間で熱交換して冷却される。

【００２７】即ち、図１に示すように、ガスエンジン４
から排出される排ガスは、排気管１４，１４から排ガス
熱交換器１５の各ケーシング１７に形成された前記膨張
室Ｓ１に導入され、ここから各スクリューパイプ２３を
旋回流（乱流）となって図示矢印方向に流れる。

【００２８】一方、冷却水はの冷却水管２５，２６から
ケーシング１７，１７内の空間（冷却水通路）Ｓ２，Ｓ
２内を排ガスの流れに対向して図示矢印方向に流れ、ス
クリューパイプ２３…内を流れる排ガスとの間で熱交換
して温められる。そして、下側のケーシング１７内で温
められた冷却水は、更に連通管２４を通って上側のケー
シング１７内の空間Ｓ２（冷却水通路）内に導入され、
冷却水管１００から当該排ガス熱交換器１５外へ排出さ
れる。

【００２９】斯くて、排ガス熱交換器１５において、排
ガスは各スクリューパイプ２３を流れる過程で冷却水と
の間で熱交換してこれが有する熱（廃熱）が有効に回収
されると同時に、その温度及び圧力が下げられて排気騒
音が低減せしめられる。尚、冷却水との間で熱交換を終
えた排ガスは、膨張室Ｓ３，Ｓ３を経て排気管１６，１
６から排出され、前記排気サイレンサ７（図３及び図４
参照）に導入され、ここで消音された後、最終的に大気
中に放出される。

【００３０】以上において、本実施例では、排ガス熱交
換器１５における排ガス通路を断面が非円形のスクリュ
ーパイプ２３…で構成したため、ガスエンジン４からの
排ガスはスクリューパイプ２３…内を旋回流（乱流）と
なって流れ、該排ガスの乱流効果（撹拌効果）及び境界
層の剥離効果によって排ガスから冷却水への熱伝達率が
高められ、高い熱交換効率（熱回収効率）が得られる。
尚、図５に排ガス熱交換気における排ガス通路として本
発明のようにスクリューパイプを用いた場合と直管を用
いた場合の熱回収率を冷却水温に対してそれぞれ実線
ａ、破線ｂにて示すが、同図より明らかなように、スク
リューパイプを用いた方が冷却水温の全域に亘って高い
熱回収率が得られる。

【００３１】又、各スクリューパイプ２３の単位長さ当
りの表面積（伝熱面積）は直管等のそれに比して大きい
ため、熱交換効率の良さと併せて所要の熱交換量に対し
て当該排ガス熱交換器１５をコンパクトに構成するこが
できる。尚、各スクリューパイプ２３の捩り（突部２３
ａ…のスパイラル角）を変更することによって、該パイ
プ２３の断面積及び表面積（伝熱面積）を任意に変化さ
せることができるため、最適セッティングが可能とな
る。

【００３２】更に、各スクリューパイプ２３はスパイラ
ル状に巻回されていないため、排ガスは該スクリューパ
イプ２３内を旋回しながらスムーズに流れ、該排ガスの
流動抵抗が低く抑えられてガスエンジン４の性能低下が
免れるとともに、スクリューパイプ２３内壁へのカーボ
ンの付着が防がれて当該排ガス熱交換器１５の信頼性が
高められる。

【００３３】次に、本発明の変更実施例を図６及び図７
に基づいて説明する。尚、図６はガスエンジン上部の一
部（排気マニホールド部）を破断した正面図、図７は同
ガスエンジンの排気マニホールドにおける排ガス熱交換
器の通路構成を説明するための概念的断面図である。

【００３４】本実施例は、ガスエンジン４の排気マニホ
ールド２７と排ガス熱交換器１５を一体化してものであ
る。即ち、４気筒ガスエンジン４のシリンダヘッド２８
の排気側に接続された排気マニホールド２７には排気通
路２９が形成されており、該排気通路２９のシリンダヘ
ッド２８に近い部分には、シリンダヘッド２８に各気筒
毎に形成された計４つの排気ポート３０…が開口してい
る。そして、この排気通路２９は排ガス熱交換器１５を
構成する４本のスクリューパイプ２３…に接続されてい
る。

【００３５】一方、上記排気通路２７の外周側には、冷
却水通路３１が排気通路２７を囲むように形成されてい
る。尚、図６において、３２はシリンダブロック、３３
はシリンダヘッドカバーである。

【００３６】而して、ガスエンジン４の作動中におい
て、該ガスエンジン４から排出される排ガスは排ガス通
路２７を図７の矢印方向に流れ、冷却水通路３１を図示
矢印方向に流れる冷却水との間で熱交換を行なう。

【００３７】従って、本実施例においても排ガス熱交換
器１５がスクリューパイプ２３…を含んで構成されてい
るため、前記第１実施例と同様の効果が得られるが、本
実施例では特に排気マニホールド２７と排ガス熱交換器
１５を一体化したため、放熱ロスを小さく押えて熱回収
率の更なる向上及び他部品への熱害防止を図ることがで
きる他、構造の簡素化、コストダウン等も図ることがで
きる。

【００３８】

【発明の効果】以上の説明で明らかな如く、本発明によ
れば、排ガス通路内を流れる排ガスと排ガス通路外を流
れる他の流体との間で熱交換を行なわしめる排ガス熱交
換器において、前記排ガス通路を断面が非円形なスクリ
ューパイプで構成したため、排ガスの流動抵抗を低く抑
えつつ、高い熱交換効率を得ることができるという効果
が得られる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明に係る排ガス熱交換器の縦断面図であ
る。

【図２】本発明に係る排ガス熱交換器のスクリューパイ
プの横断面図である。

【図３】ガスヒートポンプ装置の破断正面図である。

【図４】ガスヒートポンプ装置の破断側面図（図３の矢
視Ａ方向の図）である。

【図５】排ガス熱交換器における排ガス通路として本発
明のようにスクリューパイプを用いた場合と直管を用い
た場合の熱回収率を冷却水温に対して示す図である。

【図６】本発明の変更実施例を示すガスエンジン上部の
一部（排気マニホールド部）を破断した正面図である。

【図７】本発明の変更実施例に係る排ガス熱交換器の通
路構成を説明するための概念的断面図である。

【符号の説明】

１５ 排ガス熱交換器 ２３ スクリューパイプ

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 小栗 眞 静岡県磐田市新貝2500番地ヤマハ発動機株 式会社内

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 排ガス通路内を流れる排ガスと排ガス通
   路外を流れる他の流体との間で熱交換を行なわしめる排
   ガス熱交換器において、前記排ガス通路を断面が非円形
   なスクリューパイプで構成したことを特徴とする排ガス
   熱交換器。