| 【発明の名称】 |
流体加熱装置、並びにこれを用いた熱機関の始動補助装置及び暖房装置 |
| 【発明者】 |
【氏名】高木 正支
【住所又は居所】愛知県刈谷市昭和町１丁目１番地 株式会社デンソー内
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| 【要約】 |
【課題】十分に高い温度まで空気の温度を上昇させる流体加熱装置を提供する。
【解決手段】エアポンプ２１から吐出する空気を絞り２４にて絞って昇温させるとともに、この絞った空気をエアポンプ２１と絞り２４との間で再循環させる。これにより、十分に高い温度まで空気の温度を上昇させることができるので、例えばエンジン１０の吸気加熱装置２０にも適用することができる。 |
【特許請求の範囲】
【請求項１】 流体を循環させるポンプ（２１）と、前記ポンプ（２１）から吐出された流体を前記ポンプ（２１）の吸入側に戻す再循環管（２３）と、前記再循環管（２３）内に設けられ、流体流れを絞って流体温度を上昇させる絞り手段（２４）とを備えることを特徴とする流体加熱装置。
【請求項２】 請求項１に記載の流体加熱装置にて熱機関（１０）に吸入される燃焼用空気を加熱することを特徴とする熱機関の始動補助装置。
【請求項３】 前記再循環管（２３）のうち前記ポンプ（２１）の吐出側に接続された部分が、前記熱機関（１０）の排気を前記熱機関（１０）の吸気側に戻す排気再循環管（５１）に連結されており、さらに、前記絞り手段（２４）は、前記再循環管（２３）のうち前記ポンプ（２１）の吐出側に接続された部分に設けられていることを特徴とする請求項２に記載の熱機関の始動補助装置。
【請求項４】 少なくとも前記熱機関（１０）の始動時には、前記ポンプ（２１）は、前記熱機関（１０）と異なる駆動源（２２）にて駆動されることを特徴とする請求項２又は３のいずれか１つに記載の熱機関の始動補助装置。
【請求項５】 前記ポンプ（２１）から吐出された空気を前記熱機関（１０）の排気側に供給する二次空気供給手段（３１、３２）を備えることを特徴とする請求項２ないし４のいずれか１つに記載の熱機関の始動補助装置。
【請求項６】 前記再循環管（２３）のうち前記ポンプ（２１）の吐出側に接続された部分には、前記熱機関（１０）の吸気側と前記ポンプ（２１）の吐出側との圧力差が所定圧力差以上となったときに開く差圧弁（２５）が設けられていることを特徴とする請求項５に記載の熱機関の始動補助装置。
【請求項７】 前記差圧弁（２５）と前記絞り手段（２４）とが一体化されていることを特徴とする請求項６に記載の熱機関の始動補助装置。
【請求項８】 前記ポンプ（２１）から前記熱機関（１０）の排気側に供給された空気が、前記ポンプ（２１）側に逆流することを防止する逆止弁（３３）を備えることを特徴とする請求項５ないし７のいずれか１つに記載の熱機関の始動補助装置。
【請求項９】 請求項１に記載の流体加熱装置にて室内に吹き出す空気を加熱することを特徴とする暖房装置。
【請求項１０】 駆動源（２２）の動力を前記ポンプ（２１）に伝達する継ぎ手（２６）は、自身の温度が上昇すると伝達する動力が低下する温度式継ぎ手であることを特徴とする請求項９に記載の暖房装置。
【請求項１１】 前記絞り手段（２４）より空気流れ下流側の空気通路には、吸音材（６４）が設けられていることを特徴とする請求項９又は１０に記載の暖房装置。
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【発明の詳細な説明】【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、流体を加熱する流体加熱装置に関するもので、熱機関の吸気加熱する熱機関の始動補助装置又は暖房装置に適用して有効である。
【０００２】
【従来の技術及び発明が解決しようとする課題】流体加熱装置として、例えば特開平８−３４３２０号公報に記載の発明では、エアポンプから吹き出す空気をノズルで絞って空気の温度を上昇させている。
【０００３】しかし、発明者の検討によると、上記公報に記載の発明では、十分に高い温度まで流体を昇温させることが難しいことが解った。
【０００４】本発明は、上記点に鑑み、十分に高い温度まで流体を昇温させることを目的とする。
【０００５】
【課題を解決するための手段】本発明は、上記目的を達成するために、請求項１に記載の発明では、流体を循環させるポンプ（２１）と、ポンプ（２１）から吐出された流体をポンプ（２１）の吸入側に戻す再循環管（２３）と、再循環管（２３）内に設けられ、流体流れを絞って流体温度を上昇させる絞り手段（２４）とを備えることを特徴とする。
【０００６】これにより、ポンプ（２１）から吐出される流体は、絞り手段（２４）とポンプ（２１）との間を再循環するので、ポンプ（２１）から供給される流体の温度は、ポンプ（２１）の稼動時間の比例するように上昇していく。したがって、流体の温度を十分に高い温度まで上昇させることができる。
【０００７】請求項２に記載の発明では、請求項１に記載の流体加熱装置にて熱機関（１０）に吸入される燃焼用空気を加熱することを特徴とする。
【０００８】これにより、熱機関（１０）の始動性を向上させることが可能となる。
【０００９】請求項３に記載の発明では、再循環管（２３）のうちポンプ（２１）の吐出側に接続された部分が、熱機関（１０）の排気を熱機関（１０）の吸気側に戻す排気再循環管（５１）に連結されており、さらに、絞り手段（２４）は、再循環管（２３）のうちポンプ（２１）の吐出側に接続された部分に設けられていることを特徴とする。
【００１０】これにより、排気再循環管（５１）を利用して、ポンプ（２１２）から供給された空気を熱機関（１０）の各気筒に分配することができるので、流体加熱装置を利用した吸気加熱装置にて加熱された空気を各気筒に確実に分配することができるとともに、加熱された空気を分配するための分配器を廃止することができ、吸気加熱装置の製造原価低減を図ることができる。
【００１１】請求項４に記載の発明では、少なくとも熱機関（１０）の始動時には、ポンプ（２１）は、熱機関（１０）と異なる駆動源（２２）にて駆動されることを特徴とする。
【００１２】これにより、熱機関（１０）の始動時であっても、確実、かつ、安定的に加熱された空気を熱機関に供給するできる。
【００１３】請求項５に記載の発明では、ポンプ（２１）から吐出された空気を熱機関（１０）の排気側に供給する二次空気供給手段（３１、３２）を備えることを特徴とする。
【００１４】これにより、例えば熱機関（１０）の排気側に設けられた触媒や燃焼機等にポンプ（２１）の空気を供給することができるので、触媒や燃焼機等に空気を供給するエアポンプを廃止することができる。したがって、部品点数を低減することができ、製造原価低減を図りつつ、搭載スペースを改善することができる。
【００１５】請求項６に記載の発明では、再循環管（２３）のうちポンプ（２１）の吐出側に接続された部分には、熱機関（１０）の吸気側とポンプ（２１）の吐出側との圧力差が所定圧力差以上となったときに開く差圧弁（２５）が設けられていることを特徴とする。
【００１６】これにより、ポンプ（２１）から吐出された空気を熱機関（１０）の排気側に供給する場合と、熱機関（１０）の吸気側に供給する場合とを確実に切り換えることができる。
【００１７】請求項７に記載の発明では、差圧弁（２５）と絞り手段（２４）とが一体化されていることを特徴とする。
【００１８】これにより、流体加熱装置を利用した吸気加熱装置の組み付け工数を低減することができる。
【００１９】請求項８に記載の発明では、ポンプ（２１）から熱機関（１０）の排気側に供給された空気が、ポンプ（２１）側に逆流することを防止する逆止弁（３３）を備えることを特徴とする。
【００２０】これにより、熱機関（１０）の排気圧によりポンプ（２１）から送風された空気が逆流してしまうことを防止できる。
【００２１】請求項９に記載の発明では、請求項１に記載の流体加熱装置にて室内に吹き出す空気を加熱することを特徴とする。
【００２２】これにより、高い温度の空気を暖房用として供給することができる。
【００２３】請求項１０に記載の発明では、駆動源（２２）の動力をポンプ（２１）に伝達する継ぎ手（２６）は、自身の温度が上昇すると伝達する動力が低下する温度式継ぎ手であることを特徴とする。
【００２４】これにより、継ぎ手（２６）の温度が高く、暖房の必要性が低いときには、自動的にポンプ（２１）の稼働率が低下するので、効率よく暖房補助を行うことができる。
【００２５】請求項１１に記載の発明では、絞り手段（２４）より空気流れ下流側の空気通路には、吸音材（６４）が設けられていることを特徴とする。
【００２６】これにより、絞り手段（２４）にて発生した騒音を効率よく吸収することができる。
【００２７】因みに、上記各手段の括弧内の符号は、後述する実施形態に記載の具体的手段との対応関係を示す一例である。
【００２８】
【発明の実施の形態】（第１実施形態）本実施形態は、本発明に係る流体加熱装置を熱機関の始動補助装置に適用したものであって、図１は本実施形態に係る車両用熱機関の始動補助装置の模式図である。
【００２９】ディーゼル式のエンジン１０は、空気を吸入圧縮してその圧縮した空気中で燃料を爆発させることにより機械的動力を発生させる熱機関であり、吸気管１１はエンジン１０に燃焼用の空気、すなわち吸気を供給するものであり、排気管１２はエンジン１０から排出される排気を大気中に放出するためのものである。
【００３０】なお、排気管１２には、排気を酸化還元することにより排気を浄化する三元触媒１２ａや排気を低減するマフラー等が設けられている。
【００３１】ウエスコ式のエアポンプ２１は、エンジン１０と異なる駆動源である電動式のモータ２２により駆動されて空気を循環させるものであり、吐出管２３ａはエアポンプ２１の吐出側２１ａと吸気管１１とを繋ぐ空気通路を構成するものであり、吸入管２３ｂはエアポンプ２１の吸入側２１ｂと吸気管１１とを繋ぐ空気通路を構成するものである。
【００３２】そして、本実施形態では、吐出管２３ａ、吸入管２３ｂ及び吸気管１１のうち吐出管２３ａと吸入管２３ｂとを繋ぐ部分により、エアポンプ２１から吐出された空気をエアポンプ２１の吸入側２１ｂに戻す再循環管２３が構成され、この再循環管２３、エアポンプ２１、モータ２２及び後述する絞り２４にて本実施形態に係る流体加熱装置、すなわち吸気加熱装置２０が構成されている。
【００３３】なお、吐出管２３ａは、吸気管１１のうちインテークマニホールドの分岐部分より吸気流れ上流側の部位に接続され、吸入管２３ｂは吸気管１１のうち吐出管２３ａとの接続部位より吸気流れ上流側の部位に接続されている。
【００３４】また、絞り２４は、再循環管２３のうち吐出管２３ａ内に設けられて空気流れを絞って空気を圧縮する、開度が固定された固定絞り型の絞り手段であり、この絞り２４の空気流れ下流側には、エンジン１０の吸気側とエアポンプ２１の吐出側との圧力差が所定圧力差以上となったときに開く差圧弁２５が設けられている。
【００３５】二次空気供給管３１は、エアポンプ２１から吐出された空気を排気管１２のうち三元触媒１２ａより排気流れ上流側に供給する管であり、二次空気弁３２は、二次空気供給管３１の連通状態を制御する電磁弁であり、この二次空気弁３２及び二次空気供給管３１によりエアポンプ２１から吐出された空気をエンジン１０の排気側に供給する二次空気供給手段が構成されている。
【００３６】なお、二次空気弁３２及びモータ２２は、エンジン１０を制御する制御装置により制御される。
【００３７】次に、本実施形態に係る始動補助装置の特徴的作動及びその効果を述べる。
【００３８】エンジン１０の始動スイッチが投入され、クランキングを行うべくスタータモータが駆動されると同時に、二次空気弁３２を閉じた状態でモータ２２を稼動させる。
【００３９】これにより、エアポンプ２１が稼動して差圧弁２５前後の圧力差が所定圧力差以上となると、差圧弁２５が開いてエアポンプ２１から吐出された空気が吸気管１１に向けて流れるので、エアポンプ２１から吹き出す空気は、絞り２４にて圧縮されるように絞られて温度が上昇する。
【００４０】このとき、吸気管１１には、絞り２４にて絞られて温度が上昇した空気が流入し、その流入した空気の一部はエンジン１０に吸入されるが、その他の空気は吸入管２３ｂからエアポンプ２１に吸入されるため、エアポンプ２１から吐出される空気の一部は、絞り２４とエアポンプ２１との間を再循環する。
【００４１】したがって、エアポンプ２１、つまり空気加熱装置から吸気管１１に供給される空気の温度は、エアポンプ２１の稼動時間の比例するように上昇していくので、吸気の温度を十分に高い温度まで上昇させることができ、エンジン１０の始動性を向上させることができる。
【００４２】因みに、エアポンプ２１から吸気管１１に供給される空気の流量がエンジン１０に吸入される空気の流量より多いことに加えて、エンジン１０の吸気バルブは、吸気行程以外のタイミングでは閉じて間欠的に空気を吸入するのに対して、エアポンプ２１は、エンジン１０の吸入作動に比べると連続的に空気を供給するので、エアポンプ２１から吸気管１１に供給された空気の少なくとも一部は、エアポンプ２１に再吸入される。したがって、エアポンプ２１から吐出される空気の一部は、通常、必ず絞り２４とエアポンプ２１との間を再循環する。
【００４３】なお、図２はクランキングと吸気の温度との関係を示すグラフであり、吸気を燃焼器又はセラミックヒータで加熱した場合には、クランキングが停止すると、吸気に熱を与えることができないので、吸気温度が大きく低下するのに対して、本実施形態では、空気を再循環させるので、クランキングが停止しても吸気温度が大きく低下することがない。したがって、確実に吸気温度を上昇させることができるので、エンジン１０の始動性を確実に向上させることができる。
【００４４】また、エンジン１０が完全に始動した後において、三元触媒１２ａに酸化用の二次空気を供給するときには、二次空気弁３２を開いた状態でエアポンプ２１を稼動させる。
【００４５】これにより、三元触媒１２ａに酸化用の二次空気を供給する送風手段と吸気加熱用の送風手段とを兼用することができるので、部品点数を低減することができ、製造原価低減を図りつつ、搭載スペースを改善することができる。
【００４６】因みに、図３はエアポンプ２１、絞り２４及び二次空気弁３２の流量特性を示す一例であり、図３から明らかように、差圧弁２５の開弁圧力以下で二次空気弁３２を開けば、エアポンプ２１から吐出された空気が吸気管１１に流れ込むことなく、排気管１２側に流れ込むことが分かる。
【００４７】なお、特開昭６３−７１４１０号公報に記載の発明では、燃焼器の排気をエンジンの吸気側に供給することにより吸気加熱を行っているが、この発明では、吸気中の酸素濃度は低いため、却って、始動性が悪化するおそれがあるのに対して、本実施形態は、空気を加熱してエンジン１０に供給するので、燃焼に必要な酸素が足りないといった問題は発生しない。したがって、圧縮比が低く、始動性の低いエンジンであっても、確実に着火始動させることができる。
【００４８】また、本実施形態では、モータ２２にてエアポンプ２１を稼動させるので、エンジン１０の状態、すなわちクランキング状態によらず、安定して空気をエンジン１０に供給することができる。
【００４９】（第２実施形態）本実施形態は、図４に示すように、クランキングを開始する前に吸気加熱装置、すなわちエアポンプ２１を作動させるものである。
【００５０】これにより、クランキングを開始すると同時に高温の空気をエンジン１０に供給することができるので、エンジン１０の始動性を一層向上させることができる。
【００５１】（第３実施形態）本実施形態は、図５に示すように、排気管１２内に燃焼器４０を搭載した車両に第１実施形態又は第２実施形態を適用したものである。
【００５２】なお、燃焼器４０はエンジン１０の排気中の酸素、又は二次空気供給管３１から供給された空気中の酸素を使用して燃焼するもので、燃焼器２１内には、酸化触媒、パティキュレートフィルタ及び窒素吸蔵型触媒、並びに廃熱を回収する熱交換器が搭載されている。
【００５３】したがって、本実施形態では、燃焼器４０用のエアポンプと吸気加熱用のエアポンプ２１とを兼用することができるので、部品点数を低減することができ、製造原価低減を図りつつ、搭載スペースを改善することができる。
【００５４】（第４実施形態）本実施形態は、図６に示すように、エンジン１０の排気を吸気管１１に戻す排気再循環装置用の排気再循環管５１と吐出管２３ａ、すなわち再循環管２３のうちエアポンプ２１の吐出側に接続された部分とを兼用するとともに、エアポンプ２１から排気管１２に供給された空気が、エアポンプ２１側に逆流することを防止する逆止弁３３を二次空気供給管３１に設けたものである。なお、吸気絞り弁５３は排気再循環装置用のバルブである。
【００５５】これにより、排気再循環管５１に設けられた各気筒にＥＧＲ用排気を分配供給する分配管５１ａを利用して、エアポンプ２１から供給された空気を各気筒に分配することができるので、吸気加熱装置にて加熱された空気を各気筒に確実に分配することができるとともに、加熱された空気を分配するための分配器を廃止することができ、吸気加熱装置の製造原価低減を図ることができる。
【００５６】なお、分配管５１ａにて各気筒に分配供給された空気は、エンジン１０の吸気バルブが閉じているときに、吸気管１１を逆流して吸入管２３ｂに至る。
【００５７】また、逆止弁３３が設けられているので、エンジン１０の排気圧によりエアポンプ２１から送風された空気が逆流してしまうことを防止できる。
【００５８】（第５実施形態）本実施形態は、図７に示すように、差圧弁２５と絞り２４とを一体化したものである。具体的には、差圧弁２５をバネ等の弾性手段２５ａと弁座２５ｂに接触して弁口２５ｃを開閉する弁体２５ｄとからなる機械式のバルブとするとともに、弁口２５ｃの上流側に設けた絞り２４と弁口２５ｃとの間に空間２５ｅを設けたものである。
【００５９】そして、本実施形態では、差圧弁２５と絞り２４とを一体化したので、吸気加熱装置の組み付け工数を低減することができる。
【００６０】また、絞り２４と弁口２５ｃとの間に空間２５ｅが設けられているので、空間２５ｅが空気バネ、つまり緩衝機として機能して、弁体２５ｄが弁座２５ｂに衝突する際の衝突力を緩和する。したがって、差圧弁２５の作動音、つまり弁体２５ｄが弁座２５ｂに衝突する際の衝突音を緩和することができる。
【００６１】（第６実施形態）本実施形態は、本発明に係る流体加熱装置を車両用空調装置に適用したものである。具体的には、図８に示すように、エンジン１０の動力をサーモカップリング２６を介してエアポンプ２１に伝達するとともに、絞り２４にて加熱された空気を、空調ケーシング６０のうちヒータ６１より空気流れ上流側に供給するようにしたものである。
【００６２】ここで、サーモカップリング２６は、自身の温度が上昇すると伝達する動力が低下する温度式継ぎ手であり、本実施形態では、粘性流体を利用したビスカスカップリングの一種を採用している。なお、自身の温度は、サーモカップリング２６の雰囲気温度に影響されるので、外気温度や空調ケーシング６０に導入される空気温度に応じて変化する。
【００６３】また、ヒータ６１はエンジン冷却水を熱源とする加熱手段であり、蒸発器６２は蒸気圧縮式冷凍機の低圧熱交換器で室内に吹き出す空気から吸熱して蒸発する空気冷却手段である。エアミックスドア６３はヒータ６１を迂回して流れる冷風とヒータ６１を通過する温風との風量割合を長得る調節する温度調節手段である。そして、絞り２４より空気流れ下流側の空気通路内には、グラスウール等の吸音材６４が貼り付けられている。
【００６４】次に、本実施形態の特徴的作動及びその効果を述べる。
【００６５】外気温度や空調ケーシング６０に導入される空気温度が低下してサーモカップリング２６自身の温度が低下すると、伝達することができる動力が増大するので、エアポンプ２１が稼動し、上述したように絞り２４に絞られて温度が上昇した空気が空調ケーシング６０内に流入し室内に吹き出される。
【００６６】したがって、外気温度や空調ケーシング６０に導入される空気温度が低くく、ヒータ６１の熱源が不足する可能性が高いときに、流体加熱装置にて加熱された空気を暖房用として室内に供給することができる。
【００６７】また、外気温度や空調ケーシング６０に導入される空気温度が上昇してサーモカップリング２６自身の温度が上昇すると、伝達することができる動力が減少するので、エアポンプ２１の回転数が低下して吐出風量及び吐出圧が低下し、流体加熱装置から供給される温風の温度及び風量が低下していく。
【００６８】したがって、外気温度や空調ケーシング６０に導入される空気温度が高く、ヒータ６１の熱源が十分にあるとき、又は暖房の必要性が低いときには、自動的にエアポンプ２１の稼働率が低下するので、効率よく暖房補助を行うことができる。
【００６９】また、本実施形態では、エアポンプ２１のポンプ仕事量に相当する熱量を直接空気に与えるので、効率よく補助暖房を行うことができる。
【００７０】また、絞り２４より空気流れ下流側の空気通路に吸音材６４が設けられているので、絞り２４にて発生した騒音を効率よく吸収することができる。
【００７１】（その他の実施形態）上述の実施形態では、エアポンプ２１としてウエスコ式のポンプを用いたが、本発明はこれに限定されるものではなく、その他形式のポンプであってもよい。
【００７２】なお、第１実施形態のごとく、エアポンプ２１を直接駆動する場合には、体積型ポンプではなく、渦流型のように流体摩擦を用いたポンプを使用することが望ましく、一方、第６実施形態のごとく、ビスカスカップリングを介してポンプを駆動する場合には、体積型ポンプを用いてもよい。
【００７３】また、本発明に係る流体加熱装置の適用は、上述の実施形態に示されたものに限定されるものではない。
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| 【出願人】 |
【識別番号】０００００４２６０
【氏名又は名称】株式会社デンソー
【住所又は居所】愛知県刈谷市昭和町１丁目１番地
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| 【出願日】 |
平成１３年１２月２７日（２００１．１２．２７） |
| 【代理人】 |
【識別番号】１００１０００２２
【弁理士】
【氏名又は名称】伊藤 洋二 （外２名）
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| 【公開番号】 |
特開２００３−１９１７４６（Ｐ２００３−１９１７４６Ａ） |
| 【公開日】 |
平成１５年７月９日（２００３．７．９） |
| 【出願番号】 |
特願２００１−３９６０３４（Ｐ２００１−３９６０３４） |
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