JP2000111277A - 2重配管式熱交換器 - Google Patents

2重配管式熱交換器

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JP2000111277A
JP2000111277A JP10287766A JP28776698A JP2000111277A JP 2000111277 A JP2000111277 A JP 2000111277A JP 10287766 A JP10287766 A JP 10287766A JP 28776698 A JP28776698 A JP 28776698A JP 2000111277 A JP2000111277 A JP 2000111277A
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pipe
heat exchanger
double
cylindrical member
heat radiation
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Hitoshi Wakamatsu
仁 若松
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Toyota Motor Corp
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    • F28F1/02Tubular elements of cross-section which is non-circular
    • F28F1/06Tubular elements of cross-section which is non-circular crimped or corrugated in cross-section
    • FMECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F28HEAT EXCHANGE IN GENERAL
    • F28DHEAT-EXCHANGE APPARATUS, NOT PROVIDED FOR IN ANOTHER SUBCLASS, IN WHICH THE HEAT-EXCHANGE MEDIA DO NOT COME INTO DIRECT CONTACT
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Abstract

(57)【要約】 【課題】放熱フィンの熱疲労による亀裂発生を防止する
ことができる2重配管式熱交換器を提供する。 【解決手段】内側に冷却水を流通させる内管11と、前
記内管11の外周を離間して包囲し、同内管11との間
に流通路13を区画する外管と、前記内管11に収容固
定される放熱フィン16とを備えると共に、前記内管1
1と外管12とが2重配管構造として構成された2重配
管式熱交換器(EGRクーラ)10において、前記放熱
フィン16の内周側の山部16bには、複数のスリット
18を山部16bの稜線に沿うように形成した。従っ
て、放熱フィン16の熱膨張による変形がスリット18
の変形により許容され、放熱フィン16の外周部及びろ
う付け部分Bに生じる熱応力は緩和される。即ち、放熱
フィン16の外周部及びろう付け部分Bにおける亀裂発
生を防止することができる。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【発明の属する技術分野】本発明は、例えば内燃機関の
排気ガス再循環装置において、排気系から取り出された
高温の排気ガスを冷却するための2重配管式熱交換器に
関するものである。
【0002】
【従来の技術】従来、内燃機関の排気ガス中の窒素酸化
物を低減するために、排気ガスの一部を排気系(エキゾ
ーストマニホールド)から取り出し、吸気系(インテー
クマニホールド)へ再循環させる排気ガス再循環装置
(以下、「EGR装置」という。)が知られている。前
記EGR装置には排気系から取り出した高温の排気ガス
(以下、「EGRガス」という。)を吸気系に再導入す
る前に冷却するための2重配管式熱交換器(以下、「E
GRクーラ」という。)が設けられている。
【0003】図8及び図9に示すように、前記EGR装
置における排気環流路(図示略)の途中に配設されるE
GRクーラ50は、内側にEGRガスを流通させる内管
51と、同内管51の外周面を包囲すると共に両端が内
管51の外周面に固定され、内管51との間に断面環状
の流通路52を区画する外管53との2重配管構造とし
て構成されている。前記内管51には熱伝達を促進させ
るための放熱フィン54が収容されており、同放熱フィ
ン54の外周はろう付けにて内管51の内周面に固定さ
れている。
【0004】前記外管53には冷却水を前記流通路52
に導入するための導入管55と、流通路52内の冷却水
を排出するための排出管56とが設けられている。前記
流通路52内には内燃機関冷却用の冷却水が導入管55
を介して供給され、この冷却水は流通路52を流れ、排
出管56を介して内燃機関の冷却水循環回路(図示略)
に戻される。前記高温のEGRガスと冷却水との間では
内管51を介して熱交換が行われる。この結果、EGR
ガスは冷却されて内燃機関の吸気系に再導入される。
【0005】
【発明が解決しようとする課題】ところが、前記放熱フ
ィン54の外周は冷却水により冷却された内管51によ
って拘束されているため、放熱フィン54の中心部と流
通路52に内管51を介して接する外周部との間には大
きな温度差が生じる。特に、前記放熱フィン54のEG
Rガス流入側端部における中心部と外周部との間には非
常に大きな温度差(300〜500℃)が生じる。この
ため、特に放熱フィンのEGRガス流入側端部Aにおけ
る外周及びろう付け部分Bには大きな熱応力が生じる。
従って、前記放熱フィン54の外周及びろう付け部分B
には熱疲労による亀裂Kが発生するおそれがあった。
【0006】本発明は上記問題点を解決するためになさ
れたものであって、その目的は、放熱フィンの熱疲労に
よる亀裂発生を防止することができる2重配管式熱交換
器を提供することにある。
【0007】
【課題を解決するための手段】請求項1に記載の発明
は、内側に被冷却媒体を流通させる第1筒部材と、前記
第1筒部材の外周を離間して包囲し、同第1筒部材との
間に冷却媒体用の流通部を区画する第2筒部材と、前記
第1筒部材内に収容固定される放熱部材とを備えると共
に、前記第1及び第2筒部材が2重配管構造として構成
された2重配管式熱交換器において、前記放熱部材には
熱応力緩和手段を設けたことをその要旨とする。
【0008】請求項2に記載の発明は、請求項1に記載
の発明において、前記熱応力緩和手段は、放熱部材に形
成した第1筒部材の管軸方向に延びる複数のスリットで
あることをその要旨とする。
【0009】請求項3に記載の発明は、請求項1又は請
求項2に記載の発明において、前記熱応力緩和手段は、
乱流発生手段を兼ねるようにして設けたことをその要旨
とする。
【0010】請求項4に記載の発明は、請求項1〜請求
項3のうちいずれか一項に記載の発明において、前記放
熱部材は、第1筒部材の径方向に断面略放射状を有する
と共に、同第1筒部材の管軸方向に延長して形成し、放
熱部材の外周を第1筒部材の内周面に固定したことをそ
の要旨とする。
【0011】請求項5に記載の発明は、請求項1〜請求
項4のうちいずれか一項に記載の発明において、前記熱
応力緩和手段は、放熱部材における第1筒部材の中心部
近傍に位置する部分に設けたことをその要旨とする。 (作用)従って、請求項1に記載の発明では、放熱部材
に発生する熱応力(内部応力)は熱応力緩和手段によっ
て緩和される。
【0012】請求項2に記載の発明では、請求項1に記
載の発明において、別の部材を付加することなく熱応力
緩和手段を設けることが可能となる。請求項3に記載の
発明では、請求項1又は請求項2に記載の発明におい
て、被冷却媒体の流れが乱流となり、放熱部材への熱伝
達効率が向上する。
【0013】請求項4に記載の発明では、請求項1〜請
求項3のうちいずれか一項に記載の発明において、被冷
却媒体の流れが複数の小さな流れに分割される。請求項
5に記載の発明では、請求項4に記載の発明において、
熱応力緩和手段を放熱部材の中心部近傍(放熱部材の内
周山部)、即ち放熱部材が最も高温となる部分(放熱部
材が最も膨張する部分)に設けたことにより、放熱部材
における最も大きな熱膨張による変形が許容される。
【0014】
【発明の実施の形態】以下、本発明を内燃機関の排気ガ
ス再循環装置(以下、「EGR装置」という。)に具体
化した一実施形態を図面に従って説明する。
【0015】図1〜図3に示すように、内燃機関のEG
R装置における排気環流路(図示略)の途中に配設され
る2重配管式熱交換器(以下、「EGRクーラ」とい
う。)10は、内側に内燃機関の排気系から取り出した
被冷却媒体としての高温の排気ガス(以下、「EGRガ
ス」という。)を流通させる第1筒部材としての内管1
1を備えている。
【0016】前記内管11の外周には、同内管11の外
周を離間して包囲するように第2筒部材としての外管1
2が配置されている。前記外管12の両端は徐々に縮径
され、内管11の外周面に溶接等により固定されてい
る。そして、前記内管11の外周面と外管12の内周面
との間には断面環状の冷却媒体としての冷却水を流通さ
せる流通路13が形成されている。即ち、前記EGRク
ーラ10は前記内管11と外管12との2重配管構造と
して構成されている。
【0017】前記外管12には冷却水を流通路13内に
導入するための導入管14と、流通路13内の冷却水を
排出するための排出管15とが設けられている。前記流
通路13には導入管14を介して内燃機関冷却用の冷却
水が供給され、この冷却水は流通路13を流れた後、排
出管15を介して内燃機関の冷却水循環回路(図示略)
に戻される。前記EGRクーラ10は流通路13を流れ
る冷却水と内管11の外周面とが接触する冷却可能区間
Cを通過するEGRガスを冷却可能となっている。
【0018】前記内管11には放熱部材としての放熱フ
ィン16が収容固定されている。前記放熱フィン16は
内管11の径方向に断面略放射状(断面略星形状)に形
成されると共に、内管11の管軸方向に所定の長さ(本
実施形態では、両端が前記冷却可能区間C内に位置可能
な長さ)を有して形成され、内管11の内周面に固定さ
れている。
【0019】即ち、前記放熱フィン16はステンレス鋼
(例えばSUS304)等の高耐熱性、高耐食性及び高
熱伝導性を有する1枚の金属板がプレス等により波状
(略蛇腹状)に屈曲形成され、その一方の各山部16a
が内管11の内周面に接触した状態で沿うように丸めら
れ(波形円筒状)、内管11内に挿入される。そして、
前記放熱フィン16は、同各山部16aの外面が内管1
1の内周面にろう付けされることによって内管11の内
周面に固定されている。
【0020】また、前記内管11の内部は同内管11の
内周面と放熱フィン16とによってEGRガスが流通す
る複数の流通部17に区画されている。前記EGRクー
ラ10に流入するEGRガスは前記流通部17を流通す
ることにより複数の小さな流れに分割される。
【0021】前記放熱フィン16における内管11の中
心方向に突出する他方の各山部16bには、熱応力緩和
手段及び乱流発生手段としての複数のスリット18が各
山部16bの稜線に沿うように形成されている。そし
て、前記放熱フィン10の熱膨張による変形は各スリッ
ト18によって許容可能となっている。また、前記EG
Rクーラ10に流入したEGRガスは、各スリット18
を介して各流通部17間を相互に出入りすることにより
乱流とされる。尚、前記各山部16a, 16bの稜線は
それぞれ内管11の中心軸に対して平行となっている。
【0022】さて、前記EGRクーラ10の内管11内
に高温のEGRガスが流入し、同EGRガスが放熱フィ
ン16に接触すると、高温のEGRガスの熱は放熱フィ
ン16に奪われ、内管11に伝達される。そして、前記
内管11に伝達された熱は流通路13を流れる冷却水に
伝達されて排熱される。即ち、高温のEGRガスは、同
EGRガスと冷却水との間で放熱フィン16及び内管1
1を介して熱交換が行われることにより冷却される。
【0023】前記EGRガスは流通路13を流通するこ
とにより複数の小さな流れに分割されると共に、放熱フ
ィン16のスリット18を介して各流通部17間を相互
に出入りすることによって乱流とされる。このため、高
温のEGRガスと冷却水との間では放熱フィン16及び
内管11を介して効率的な熱交換が行われる。即ち、高
温のEGRガスは効率的に冷却される。
【0024】また、前記放熱フィン16はEGRガスに
加熱されて高温になる。前記放熱フィン16の外周は内
管11の内周面によって拘束されているため、放熱フィ
ン16はその中心方向(山部16b方向)に熱膨張す
る。前記放熱フィン16の中心方向への熱膨張は前記ス
リット18が変形することによって許容されるため、放
熱フィン16の外周部及びろう付け部分Bに発生する熱
応力は緩和される。即ち、前記放熱フィン16の外周部
及びろう付け部分Bの熱疲労による亀裂の発生等が防止
される。
【0025】従って、本実施形態によれば、以下の効果
を得ることができる。 (1) 放熱フィン16の熱膨張による変形がスリット
18の変形により許容され、放熱フィン16の外周部及
びろう付け部分Bに生じる熱応力が緩和される。このた
め、放熱フィン16の外周部及びろう付け部分Bにおけ
る亀裂発生を防止することができる。
【0026】(2) 放熱フィン16の内周側の山部1
6bにスリット18を形成するのみの構成としたことに
より、別の部材を付加することなく放熱フィン16の熱
疲労による亀裂発生を防止することができる。このた
め、EGRクーラ10の構成を簡単にすることができ
る。
【0027】(3) 放熱フィン16の内周側の山部1
6bにスリット18を形成したことにより、EGRガス
の流れを乱流とすることができる。このため、EGRク
ーラ10の冷却効率を向上させることができる。
【0028】(4) 放熱フィン16を波形円筒状に形
成し、同放熱フィン16と内管11の内周面とで流通部
17が形成されるようにした。このため、EGRガスの
流れが複数の小さな流れに分割されるため、EGRガス
と冷却水との間の熱伝達効率を向上させることができ
る。
【0029】(5) 放熱フィン16を高耐熱性及び高
耐食性を有する金属板で形成した。このため、放熱フィ
ン16の腐食性のEGRガスによる酸化腐食等を極力抑
えることができ、ひいてはEGRクーラ10の製品寿命
を向上させることができる。
【0030】尚、前記実施形態は以下のように変更して
実施してもよい。 ・ 本実施形態においては、複数のスリット18を放熱
フィン16の内周側の山部16bの稜線に沿うように形
成したが、図4に示すように、放熱フィン16の山部1
6bの中腹等に設けてもよい。このようにしても、本実
施形態における(1)〜(5)番目の効果と同様の効果
を得ることができる。
【0031】・ 本実施形態においては、内管11内に
放熱フィン16を一つのみ配置したが、図5に示すよう
に、放熱フィン16を複数の放熱フィンに分割し、互い
に所定距離Xを有するように離間して配置してもよい。
このようにすれば、前記放熱フィン16間において、内
管11及び外管12をEGRクーラ10の設置場所に応
じて任意に折り曲げることができる。
【0032】また、「氷曲げ」により内管11、外管1
2及び放熱フィン16ごとEGRクーラ10を折り曲げ
ることも可能である。このようにすれば、放熱フィン1
6を複数に分割する必要がないため、部品点数を増加さ
せることなくEGRクーラ10を折り曲げることができ
る。
【0033】・ 本実施形態においては、放熱フィン1
6の各山部16a, 16bを内管11の中心軸に対して
平行となるように設けたが、図6に示すように、内管1
1の中心軸に対して所定角度θを有するように設けても
よい。このようにすれば、高温のEGRガスが放熱フィ
ン16にいっそう強く接触することにより、EGRクー
ラ10の冷却効率を向上させることができる。
【0034】・ 図7(a), (b)に示すように、本
実施形態における放熱フィン16の表面に凸部20又は
凹部21を設けてもよい。このようにすれば、EGRガ
スと放熱フィン16との接触面積が増大することによ
り、EGRクーラ10の冷却効率をいっそう向上させる
ことができる。
【0035】・ 本実施形態においては、放熱フィン1
6をろう付けにより内管11の内周面に固定したが、溶
接等によって固定してもよい。このようにしても、本実
施形態における(1)〜(5)番目の効果と同様の効果
を得ることができる。
【0036】・ 本実施形態においては、放熱フィン1
6にスリット18を形成することによって放熱フィン1
6の熱膨張を許容すると共に、EGRガスの流れに乱れ
を発生させたが、放熱フィン16のEGRガス流入側入
口に乱流発生手段としてのルーバ等を設けてもよい。こ
のようにしても、本実施形態における(3)番目の効果
と同様の効果を得ることができる。
【0037】・ 本実施形態においては、2重配管式熱
交換器を内燃機関のEGRガスを冷却するために使用し
たが、EGRガス等の気体ではなく、液体などの冷却の
ために使用してもよい。このようにしても、本実施形態
と同様の効果を得ることができる。
【0038】・ 本実施形態においては、EGRクーラ
10を円筒状の内管11及び外管12にて構成したが、
例えば四角筒状又は楕円筒状等の形状の内管11及び外
管12にて構成してもよい。このようにしても、本実施
形態と同様の効果を得ることができる。
【0039】次に、本実施形態から把握できる請求項記
載発明以外の技術的思想について、以下にそれらの効果
と共に記載する。 ・ 請求項1〜請求項5のうちいずれか一項に記載の2
重配管式熱交換器を備えた内燃機関の排気ガス再循環装
置。
【0040】・ 被冷却媒体を冷却するための放熱部材
において、熱応力緩和手段を設けた2重配管式熱交換器
の放熱部材。このようにすれば、放熱部材の熱応力によ
る亀裂の発生を極力防止することができる。
【0041】・ 前記放熱部材には熱応力緩和手段とは
別の乱流発生手段を設けた請求項1に記載の2重配管式
熱交換器。このようにすれば、被冷却媒体の流れを乱流
とし、冷却効率を向上させることができる。
【0042】・ 前記放熱部材は高耐熱性、高耐食性及
び高熱伝導性を有する金属板により形成した請求項1〜
請求項5のうちいずれか一項に記載の2重配管式熱交換
器。このようにすれば、放熱部材の腐食性の被冷却媒体
による劣化が防止でき、ひいては2重配管式熱交換器の
製品寿命を向上させることができる。
【0043】
【発明の効果】請求項1に記載の発明によれば、放熱部
材の内部に生じる熱応力が緩和されることにより、放熱
部材における亀裂発生を防止することができる。
【0044】請求項2に記載の発明によれば、請求項1
に記載の発明の効果に加えて、別の部材を付加すること
なく放熱部材の内部に生じる熱応力を緩和することがで
きると共に、構成を簡単にすることができる。
【0045】請求項3に記載の発明によれば、請求項1
又は請求項2に記載の発明の効果に加えて、被冷却媒体
の流れに乱れが生じることにより、冷却効率を向上させ
ることができる。
【0046】請求項4に記載の発明によれば、請求項1
〜請求項3のうちいずれか一項に記載の発明の効果に加
えて、被冷却媒体の流れが複数の流れに分割されること
により、被冷却媒体から冷却水への熱伝達効率を向上さ
せることができる。
【0047】請求項5に記載の発明によれば、請求項1
〜請求項4のうちいずれか一項に記載の発明の効果に加
えて、放熱部材における最も大きな熱膨張による変形が
許容されることにより、放熱部材に生じる熱応力をいっ
そう緩和することができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】 本実施形態におけるEGRクーラの正断面
図。
【図2】 図1における1−1線断面図。
【図3】 本実施形態における放熱フィンの要部斜視
図。
【図4】 別の実施形態における放熱フィンの要部斜視
図。
【図5】 別の実施形態におけるEGRクーラの正断面
図。
【図6】 別の実施形態における放熱フィンの正断面
図。
【図7】 (a)は、別の実施形態における放熱フィン
の要部側面図。(b)は、別の実施形態における放熱フ
ィンの要部側面図。
【図8】 従来のEGRクーラの正断面図。
【図9】 図8における2−2線断面図。
【符号の説明】
10…EGRクーラ(2重配管式熱交換器)、11…内
管(第1筒部材)、12…外管(第2筒部材)、13…
流通路、14…導入管、15…排出管、16…放熱フィ
ン(放熱部材)、16a, b…山部、18…スリット
(熱応力緩和手段、乱流発生手段)。

Claims (5)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 内側に被冷却媒体を流通させる第1筒部
    材と、 前記第1筒部材の外周を離間して包囲し、同第1筒部材
    との間に冷却媒体用の流通部を区画する第2筒部材と、 前記第1筒部材内に収容固定される放熱部材と、 を備えると共に、前記第1及び第2筒部材が2重配管構
    造として構成された2重配管式熱交換器において、 前記放熱部材には熱応力緩和手段を設けた2重配管式熱
    交換器。
  2. 【請求項2】 前記熱応力緩和手段は、放熱部材に形成
    した第1筒部材の管軸方向に延びる複数のスリットであ
    る請求項1に記載の2重配管式熱交換器。
  3. 【請求項3】 前記熱応力緩和手段は、乱流発生手段を
    兼ねるようにして設けた請求項1又は請求項2に記載の
    2重配管式熱交換器。
  4. 【請求項4】 前記放熱部材は、第1筒部材の径方向に
    断面略放射状を有すると共に、同第1筒部材の管軸方向
    に延長して形成し、放熱部材の外周を第1筒部材の内周
    面に固定した請求項1〜請求項3のうちいずれか一項に
    記載の2重配管式熱交換器。
  5. 【請求項5】 前記熱応力緩和手段は、放熱部材におけ
    る第1筒部材の中心部近傍に位置する部分に設けた請求
    項1〜請求項4のうちいずれか一項に記載の2重配管式
    熱交換器。
JP10287766A 1998-10-09 1998-10-09 2重配管式熱交換器 Pending JP2000111277A (ja)

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