JP2004156585A - Ｅｇｒガス冷却装置及びその冷却方法 - Google Patents
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Abstract
【課題】ＥＧＲガスと冷媒液との交換を行う熱交換部の熱応力を小さくする事が可能なＥＧＲガス冷却装置及び冷却方法を得る。そして、伝熱面への凝縮液や煤の付着を防止して、耐久性と熱交換効率に優れた製品を廉価に得る。
【解決手段】ＥＧＲ配管との連結口を設けた高温用ＥＧＲガスクーラー１と低温用ＥＧＲガスクーラー３とを直列に接続する。前記高温用ＥＧＲガスクーラー１と連結口との間に導入口７を接続し、高温用ＥＧＲガスクーラー１と低温用ＥＧＲガスクーラー３との間に排出口８を接続して低温ＥＧＲガスを流通するためのバイパス配管６を配設する。該バイパス配管６の導入口７に、高温ＥＧＲガスを高温用ＥＧＲガスクーラー１に導入し、低温ＥＧＲガスをバイパス配管６を介して低温用ＥＧＲガスクーラー３に導入する切替弁１０を設ける。
【選択図】 図１
【解決手段】ＥＧＲ配管との連結口を設けた高温用ＥＧＲガスクーラー１と低温用ＥＧＲガスクーラー３とを直列に接続する。前記高温用ＥＧＲガスクーラー１と連結口との間に導入口７を接続し、高温用ＥＧＲガスクーラー１と低温用ＥＧＲガスクーラー３との間に排出口８を接続して低温ＥＧＲガスを流通するためのバイパス配管６を配設する。該バイパス配管６の導入口７に、高温ＥＧＲガスを高温用ＥＧＲガスクーラー１に導入し、低温ＥＧＲガスをバイパス配管６を介して低温用ＥＧＲガスクーラー３に導入する切替弁１０を設ける。
【選択図】 図１
Description
【０００１】
【産業上の利用分野】
本発明は、冷媒液との熱交換によりＥＧＲガスを冷却するための、ＥＧＲガスの冷却装置及びその冷却方法に係るものである。
【０００２】
【従来の技術】
【特許文献１】特開２００２−２９５９８７号
【特許文献２】特開２００３−８３６９３号
【特許文献３】特願２００２−５２８０４号
【特許文献４】特願２００２−２０１８１８号
【特許文献５】特願２００２−２１０６２２号
【０００３】
従来、自動車のエンジン等では、排気ガスの一部を排気ガス系から取り出して、再びエンジンの吸気系に戻し、混合気や吸入空気に加えるＥＧＲシステムが、ガソリンエンジン、ディーゼルエンジンともに用いられていた。ＥＧＲシステム、特にディーゼルエンジンの高ＥＧＲ率のクールドＥＧＲシステムでは、排気ガス中のＮＯｘを低減し、燃費の悪化を防止するとともに、過剰な温度上昇によるＥＧＲバルブの機能低下や耐久性の低下を防止するため、高温化したＥＧＲガスを冷却水、冷却風、カーエアコン用冷媒、その他の冷媒液で冷却するＥＧＲガス冷却装置を設けている。
【０００４】
このようなＥＧＲガス冷却装置として、上記に特許文献として掲げた本出願人の発明が存在する。これら従来のＥＧＲガス冷却装置では、一台のＥＧＲガスクーラーを装置内に設置し、このＥＧＲガスクーラーの熱交換部内に、前記エギゾーストマニホールドからＥＧＲ配管を介して導入されるＥＧＲガスが内部を流通する細径の金属製伝熱管や金属製伝熱プレートを配設している。そして、熱交換部内に前記適宜の冷媒液等を流動させ、伝熱管や伝熱プレートの伝熱面を介して冷媒液等とＥＧＲガスとの熱交換を行って、ＥＧＲガスを冷却している。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記各従来発明では、一台のＥＧＲガスクーラーのみで高温のＥＧＲガスを冷却目的温度まで一気に冷却するため、ＥＧＲガスと冷媒液との接触頻度を多くしたり、低温の冷媒液を使用する必要があり、ＥＧＲガスクーラーが大型化し、熱歪が大きくなるとともに、ＥＧＲガスと冷媒液との温度差も過大なものとなる。これらが原因で熱応力が大きくなり、ＥＧＲガスクーラーの耐久性を高める配慮が特に重要なものとなる。
【０００６】
また、冷媒液により伝熱面の表面温度が部分的に低くなり、ＥＧＲガス中の水蒸気や未燃焼ガス、硫酸水、炭化水素等が凝縮して液体化し、伝熱面に析出し易いものとなる。この凝縮液による金属腐食を防止するため、伝熱管や伝熱プレート、ろう付け材を高耐食性材で形成する必要が生じ、コスト高となる。また、上記伝熱面に析出した凝縮液に、ＥＧＲガス中の煤が溶解する事により、粒子の嵩密度が高く粘着質の湿った煤層が伝熱面に堆積され易く、この煤層が断熱作用を生じて伝熱面の伝熱特性を低下させ、熱交換効率を損なう可能性もあった。
【０００７】
尚、特許文献５の特願２００２−２１０６６２号の発明では、熱交換部への冷媒液の循環量を制限し、熱交換部内を一時的に高温化する事で、前記伝熱面への凝縮液の析出や煤層の堆積を防止可能としているが、やはり一台の装置での冷却であるため、ＥＧＲガスクーラーの大型化やＥＧＲガスと冷媒液との過大な温度差による熱応力の増大の問題を解決するものではなかった。
【０００８】
本発明は上述の如き課題を解決しようとするものであって、高温のＥＧＲガスを一つの熱交換部で一気に冷却目的温度まで冷却するのではなく、高温用熱交換部と低温用熱交換部から成る複数の熱交換部を使用して、ＥＧＲガスの冷却を段階的に行う事が可能な冷却装置及びその冷却方法を得ようとするものである。この段階的な冷却により、各熱交換部での交換熱量を少なくして装置の小型化を可能とするとともに、冷媒液とＥＧＲガスとの温度差を小さくする事で、各熱交換部での熱応力を小さくし、装置の耐久性を向上させるものである。また、高温用熱交換部に設けた伝熱面への凝縮液の析出及び煤の堆積を防止して、高い耐食性材等を使用する事なく、廉価で耐久性に優れた製品を得る事を可能とするとともに、伝熱面の伝熱特性を維持して、ＥＧＲガスと冷媒液との熱交換効率を高めるものである。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
本発明は上述の如き課題を解決するため、第１の発明はＥＧＲガスが高温の場合、この高温ＥＧＲガスを高温用ＥＧＲガスクーラーに導入し、導入温度よりも低く冷却目的温度よりも高い温度に冷却した後、この冷却低温ＥＧＲガスを低温用ＥＧＲガスクーラーに導入して冷却目的温度まで冷却するとともに、ＥＧＲガスが低温の場合、この低温ＥＧＲガスを高温用ＥＧＲガスクーラーを介する事無く、低温用ＥＧＲガスクーラーに導入し、冷却目的温度まで冷却するものである。
【００１０】
また、第２の発明は上記第１の発明を具体化するため、ＥＧＲ配管への連結口を設け高温ＥＧＲガスの冷却を行う高温用ＥＧＲガスクーラーと、低温ＥＧＲガスの冷却を行う低温用ＥＧＲガスクーラーとを直列に接続するとともに、高温用ＥＧＲガスクーラーと連結口との間に低温ＥＧＲガスを流通するバイパス配管の導入口を接続し、高温用ＥＧＲガスクーラーと低温用ＥＧＲガスクーラーとの間に、前記低温ＥＧＲガス流通用のバイパス配管の排出口を接続し、このバイパス配管の導入口に、高温ＥＧＲガスを高温用ＥＧＲガスクーラーに導入し、低温ＥＧＲガスをバイパス配管を介して低温用ＥＧＲガスクーラーに導入する切替弁を設けて成るものである。
【００１１】
また、高温用ＥＧＲガスクーラーは、熱交換部に設けた伝熱面を金属製とし、熱交換部内に高沸点冷媒液を循環させて該金属製の伝熱面を介してＥＧＲガスを間接冷却するものであっても良い。
【００１２】
また、低温用ＥＧＲガスクーラーは、熱交換部に設けた伝熱面を樹脂製とし、熱交換部内に低沸点冷媒液を循環させて該樹脂製の伝熱面を介してＥＧＲガスを間接冷却するものであっても良い。
【００１３】
また、切替弁は、ＥＧＲ配管側に温度センサを配置し、この温度センサの感知信号により開閉を制御されるものであっても良い。
【００１４】
また、低温用ＥＧＲガスクーラーは、熱交換部に設けた伝熱面を樹脂製とし、この樹脂にカーボンナノファイバーを含有させても良い。
【００１５】
また、カーボンナノファイバーは、５ｗｔ％より多く３０ｗｔ％より少ない含有量で含有させても良い。
【００１６】
【作用】
本発明は上述の如く構成したものであり、エギゾーストマニホールドからＥＧＲ配管を介して導入されるＥＧＲガスを冷却目的温度まで冷却してインテークマニホールド側に供給するには、まずＥＧＲガスが高温の場合、切替弁の制御によりバイパス配管の導入口は閉鎖され、高温ＥＧＲガスは高温用ＥＧＲガスクーラーに導入される。この高温用ＥＧＲガスクーラーにて、高温ＥＧＲガスは、冷却目的温度よりも高い温度であるが、低温用ＥＧＲガスクーラーの耐熱温度より低い温度に冷却される。次に、この高温用ＥＧＲガスクーラーで冷却された冷却低温ＥＧＲガスは、低温用ＥＧＲガスクーラーに導入され、ここで冷却目的温度まで冷却されるものである。
【００１７】
一方、エギゾーストマニホールドからＥＧＲ配管を介して低温のＥＧＲガスが導入された場合、切替弁の制御により、高温用ＥＧＲガスクーラーへの流路が閉鎖され、低温ＥＧＲガスを流通するためのバイパス配管の導入口が開口される。この導入部の開口により、前記低温ＥＧＲガスは、高温用ＥＧＲガスクーラーを通過する事無く、該バイパス配管を介して低温用ＥＧＲガスクーラーに直に導入され、この低温用ＥＧＲガスクーラーにて冷却目的温度まで冷却される。
【００１８】
上述の如く、高温用ＥＧＲガスクーラーには高温ＥＧＲガスのみが導入され、、導入温度よりも低いが冷却目的温度よりも高い温度で冷却すれば良いし、低温用ＥＧＲガスクーラーには低温ＥＧＲガスのみが導入されるから、各々の熱交換部での熱交換量が小さくなり、従来に比べて各ＥＧＲガスクーラーを小型化する事ができ、冷媒液との温度差も小さくなる。従って、熱歪や温度差による熱応力を小さくする事ができ、装置の耐久性を向上させる事ができる。
【００１９】
また、ＥＧＲガスと冷媒液との小さな温度差により、高温用ＥＧＲガスクーラーではＥＧＲガス中の水蒸気、硫酸水、炭化水素等による伝熱面への凝縮液の析出を抑える事ができ、結果として煤の堆積も生じにくいものとなる。特に、低温ＥＧＲガスのバイパスにより、高温用ＥＧＲガスクーラーの伝熱面の表面温度をＥＧＲガスの露点以上の高い温度に常時保つ事ができ、伝熱面への凝縮液や煤の付着の防止効果が高い。従って、高温用ＥＧＲクーラーの伝熱管、伝熱プレート、ろう材等に高価な高耐食性材を使用する必要がなく、製品の製造コストを抑えるとともに耐久性も向上する。そして、煤の堆積による伝熱面の伝熱特性の低下を良好に防止して、ＥＧＲガスと冷媒液との効率的な熱交換が可能となる。
【００２０】
また、上述の如く、高温用ＥＧＲガスクーラーでは、伝熱面への凝縮液の析出防止効果が高く腐食の心配が少ないため、多少耐腐食性に劣っても伝熱面を伝熱特性に優れた金属製とする事ができる。また、伝熱面をＥＧＲガスの露点以上に保つには、高温用ＥＧＲガスクーラーの熱交換部を１５０℃以上に保つのが好ましい。この場合、冷媒液としてフッ素系不活性溶剤等、沸点が１５０℃以上の高沸点冷媒液を使用すれば、伝熱面を露点以上に保っても冷媒液が沸騰する事がなく、熱交換部の破損や劣化を防いで耐久性を向上させる事ができる。そして、熱交換部内に前記高沸点冷媒液を循環させる事で、前記伝熱特性の高い金属製の伝熱面を介して、ＥＧＲガスの間接冷却を効率的に行う事が可能となる。
【００２１】
また、低温用ＥＧＲガスクーラーに於いても、低温ＥＧＲガス又は高温用ＥＧＲガスクーラーで冷却された冷却低温ＥＧＲガスのみが導入されるから、熱交換部内の冷媒液と低温ＥＧＲガスとの温度差が小さく、熱応力が発生しにくくなる。また、低温用ＥＧＲガスクーラーでは、熱交換部に樹脂製の伝熱管や伝熱プレートを使用する事が可能となり、この樹脂製の伝熱面では凝縮液が付着しても腐食が確実に防止可能であるし、煤の付着も生じにくく、また剥離し易い。また、低温ＥＧＲガスのみが導入されるので、冷却水等の廉価な低沸点冷媒液を使用でき、沸騰等の不具合も生じにくい。そして、この低沸点冷媒液により、該樹脂製の伝熱面を介してＥＧＲガスを効率的に間接冷却する事ができる。
【００２２】
また、低温用ＥＧＲガスクーラーの熱交換部の伝熱面を、樹脂製とした場合、黒色の樹脂材を使用すれば、伝熱面の熱伝導性が高まり、ＥＧＲガスの冷却効果を向上させる事ができる。また、樹脂材に熱伝導性の高い銅、アルミニウム、ステンレス鋼等の金属製又はガラス製の粒子及び／又は繊維を含有したり、樹脂材の表面に前記金属粉末等を混合した塗料を塗布したり、金属をめっき或いは蒸着等させても、熱交換部に於ける熱交換効率を向上させる事ができる。更には、黒色の樹脂材に前記金属製やガラス製の粒子や繊維を含有させれば、より効果的な熱交換性能の向上が可能となる。
【００２３】
また、低温用ＥＧＲガスクーラーの伝熱面を形成する樹脂材に、カーボンナノファイバーを含有させれば、樹脂材の熱伝導性を更に向上させる事ができ、冷却性能を向上させる事が可能となる。また、カーボンナノファイバーは、５ｗｔ％より多く３０ｗｔ％より少ない含有量で含有させれば、最良の熱伝導性を得る事ができる。このカーボンナノファイバーの含有量を５ｗｔ％以下とすると、伝熱効果の向上作用に乏しく、３０ｗｔ％以上を樹脂材に含有させるのは困難で、生産性が低下するとともに高価で、伝熱効果に大きな差を生じない。
【００２４】
尚、本明細書で言うカーボンナノファイバーとは、ナノテクノロジー分野に於いて、カーボンナノチューブ、カーボンナノホーン、その他ナノ単位のカーボン繊維を含んだ総称を示すものである。また、カーボンナノチューブ、カーボンナノホーン、その他を混在させて樹脂材に含有させても良いし、単体で含有させても良い。また、カーボンナノチューブを樹脂材に含有させる場合は、カーボンナノチューブが単層であっても良いし、複層であっても良い。更に、このカーボンナノチューブの各層のアスペクト比は問わないものである。また、カーボンナノチューブの太さ、長さ等も問わないものである。
【００２５】
【実施例】
以下、本発明のＥＧＲガス冷却装置を自動車に使用した一実施例を図１に於て説明すれば、（１）は高温ＥＧＲガスの冷却を行うための高温用ＥＧＲガスクーラーで、エギゾーストマニホールド側のＥＧＲ配管への連結口（図示せず）を設けた供給管（２）を一端に接続している。この高温用ＥＧＲガスクーラー（１）の他端に、低温ＥＧＲガスを冷却するための低温用ＥＧＲガスクーラー（３）を、第２供給管（４）を介して直列に接続している。この低温用ＥＧＲガスクーラー（３）は、他端にインテークマニホールドに連通する排出管（５）を接続し、冷却目的温度に冷却したＥＧＲガスをインテークマニホールド側に供給する事を可能としている。
【００２６】
また、エギゾーストマニホールド側のＥＧＲ配管からの低温ＥＧＲガスを、高温用ＥＧＲガスクーラー（１）を介する事無く、低温用ＥＧＲガスクーラー（３）に直に導入するための低温ＥＧＲガスを流通するバイパス配管（６）を設けている。このバイパス配管（６）は、導入口（７）を高温用ＥＧＲガスクーラー（１）への供給管（２）に接続し、排出口（８）を高温用ＥＧＲガスクーラー（１）と低温用ＥＧＲガスクーラー（３）との間の第２供給管（４）に接続している。そして、バイパス配管（６）と供給管（２）との接続部に切替弁（１０）を設けるとともに、この切替弁（１０）の上流側に高温ＥＧＲガスの温度センサ（１１）を設けている。この温度センサ（１１）にて、エギゾーストマニホールド側のＥＧＲ配管から導入されるＥＧＲガスの温度を測定し、その感知信号により切替弁（１０）を制御して、１５０℃以上の高温ＥＧＲガスの場合は高温用ＥＧＲガスクーラー（１）に導入可能とし、１５０℃よりも低い低温ＥＧＲガスの場合には、バイパス配管（６）を介して低温用ＥＧＲガスクーラー（３）に低温ＥＧＲガスを直に導入可能としている。
【００２７】
上記高温用ＥＧＲガスクーラー（１）は、図１に示す如く、円筒状の胴管（１２）内に設けた熱交換部（１３）に、耐熱金属管、ステンレス鋼管等を用いた伝熱管（１４）を複数本配置し、供給管（２）から供給される高温ＥＧＲガスが伝熱管（１４）内を流動した後、第２供給管（４）に流出可能としている。また、胴管（１２）には、熱交換部（１３）と連通する冷媒導入路（１５）と冷媒導出路（１６）を設け、熱交換部（１３）内に於いて伝熱管（１４）の外周を冷媒液が流動可能とし、伝熱管（１４）の内外表面の伝熱面（１７）を介して高温ＥＧＲガスと冷媒液との熱交換を可能としている。
【００２８】
また、高温用ＥＧＲガスクーラー（１）では、１５０℃以上の高温のＥＧＲガスが導入されるため、熱交換部（１３）内にて冷媒液が沸騰しないように、沸点が１５０℃以上のフッ素系不活性溶剤等、高沸点冷媒液を使用し、更にこの高沸点冷媒液の供給と再使用を行うための高沸点冷媒液用クーラー（１８）を、高温用ＥＧＲガスクーラー（１）に接続している。該高沸点冷媒液用クーラー（１８）は、電動モータ（２０）等により駆動される循環ポンプ（２１）により、冷媒導入路（１５）を介して高温用ＥＧＲガスクーラー（１）の熱交換部（１３）に高沸点冷媒液を供給し、高温ＥＧＲガスの冷却により温度上昇した高沸点冷媒液は、冷媒導出路（１６）を介して高沸点冷媒液用クーラー（１８）に回収され、ここで冷却された後、再び高温用ＥＧＲガスクーラー（１）に供給されるものである。この高沸点冷媒液用クーラー（１８）は、ラジエターを用いた空冷方式としても良いし、冷却水等の低沸点冷媒液による水冷方式としても良い。
【００２９】
また、上記高温用ＥＧＲガスクーラー（１）に導入される高沸点冷媒液の温度が１５０℃を大きく下回ると、ＥＧＲガスとの温度差が大きくなり、伝熱面（１７）の表面温度が部分的に低温下して、熱応力が大きくなったり該伝熱面（１７）に凝縮液が析出する不具合を生じる。そのため、前記冷媒導入路（１５）に高沸点冷媒液用の温度センサ（２８）を設けて高沸点冷媒液の導入温度を監視し、１５０℃を下回りそうな場合には、高沸点冷媒液用クーラー（１８）での高沸点冷媒液の冷却を、ポンプ（２１）の流量調整等により抑制する。従って、伝熱面（１７）の表面温度は、ＥＧＲガスの露点よりも高い１５０℃以上に常に維持されるものとなり、ＥＧＲガス中の水蒸気や未燃焼ガス、硫酸水、炭化水素等が凝縮液となって伝熱面（１７）に付着するのを防ぐとともに、煤の堆積も防止し、金属製の伝熱面（１７）の腐食を防止する効果や高い伝熱特性を得る事ができる。
【００３０】
同様に、低温用ＥＧＲガスクーラー（３）は、胴管（２２）内の熱交換部（２３）に、下記表１に示す如き耐熱性を有する樹脂製の伝熱管（２４）を複数本配設し、第２供給管（４）から導入される低温ＥＧＲガスが前記伝熱管（２４）内を流動可能としている。また、熱交換部（２３）には、冷媒導入路（２５）と冷媒導出路（２６）を接続して冷媒液の流動を可能とし、前記伝熱管（２４）の樹脂製の伝熱面（２７）を介して、低温ＥＧＲガスと冷媒液との熱交換を行っている。この冷却後のＥＧＲガスは、排出管（５）を介してインテークマニホールドに供給される。
【００３１】
【表１】
【００３２】
また、低温用ＥＧＲガスクーラー（３）に導入される低温ＥＧＲガスが、１５０℃以上となって、樹脂製の伝熱管（２４）の耐熱温度を上回らないようにするため、第２供給管（４）に低温ＥＧＲガスの温度センサ（３０）を設置して、低温ＥＧＲガスの導入温度を監視している。尚、バイパス配管（６）からは、切替弁（１０）の作用により、１５０℃よりも低い低温ＥＧＲガスのみが導入されるので、前記温度監視は、主に高温用ＥＧＲガスクーラー（１）からの冷却低温ＥＧＲガスに関して行われ、この冷却低温ＥＧＲガスが１５０℃以上となりそうな場合には、高温用ＥＧＲガスクーラー（１）による高温ＥＧＲガスの冷却を促進し、１５０℃よりも低い温度の低温ＥＧＲガスのみが低温用ＥＧＲガスクーラー（３）に導入されるよう調整している。
【００３３】
このように、１５０℃より低い低温ＥＧＲガスの冷却を行うものなので、低温用ＥＧＲガスクーラー（３）では、冷却水等の廉価な低沸点冷媒液を使用しても、沸騰等の不具合を生じる事がない。
【００３４】
また、伝熱面（２７）の表面温度が１５０℃以上とならないので、伝熱面（２７）を高価な金属製とする必要がなく、前述の如き樹脂製とする事ができ、廉価な製造が可能となる。また、低温ＥＧＲガスと低沸点冷媒液との温度差が例え大きくて凝縮液が多く発生しても、この凝縮液に対する耐食性に於いても、樹脂製の伝熱面（２７）では優れているし、煤が付着しても剥離し易いものである。また、樹脂の優れた加工性により、伝熱面（２７）の設計の自由度が高く、伝熱面（２７）に凹凸やうねり、蛇行面、溝、突条、ピン等を設ける事ができ、伝熱面（２７）の表面積を大きくして、優れた伝熱特性を得る事ができる。
【００３５】
上述の如きＥＧＲガス冷却装置にて熱交換を行う方法を説明する。まずエギゾーストマニホールド側のＥＧＲ配管から連結口を介して供給管（２）内に、ＥＧＲガスが導入されると、高温ＥＧＲガスの温度センサ（１１）にてこのＥＧＲガスの温度が測定され、感知信号が送られる。
【００３６】
この温度センサ（１１）からの感知信号により切替弁（１０）が制御され、１５０℃以上の高温ＥＧＲガスの場合は、バイパス配管（６）が閉鎖され、前記高温ＥＧＲガスは、高温用ＥＧＲガスクーラー（１）内に導入される。そして、高温ＥＧＲガスが伝熱管（１４）内を流動する際に、金属製の伝熱面（１７）を介して、該高温ＥＧＲガスと熱交換部（１３）を流動する高沸点冷媒液との熱交換が効率的に行われる。この熱交換により、高温ＥＧＲガスは、導入温度よりは低いが冷却目的温度よりも高いとともに、低温用ＥＧＲガスクーラー（３）の耐熱温度より低い、１５０℃を下回る温度まで冷却され、この冷却低温ＥＧＲガスが高温用ＥＧＲガスクーラー（１）から第２供給管（４）内に排出される。
【００３７】
次に、上記第２供給管（４）を通過した冷却低温ＥＧＲガスは、低温用ＥＧＲガスクーラー（３）に導入され、伝熱管（２４）内を流動する。この流動の際に、樹脂製の伝熱面（２７）を介して、該低温ＥＧＲガスと低沸点冷媒液との間で熱交換が行われ、低温ＥＧＲガスは、冷却目的温度まで冷却された後、排出管（５）を介してインテークマニホールド側に供給されるものとなる。
【００３８】
一方、温度センサ（１１）によりエギゾーストマニホールドからのＥＧＲ配管を経由したＥＧＲガスが、１５０℃を下回る低温ＥＧＲガスと判定された場合、切替弁（１０）の制御により高温用ＥＧＲガスクーラー（１）への流路が閉鎖され、バイパス配管（６）の導入口（７）が開口する。この導入口（７）の開口により、前記低温ＥＧＲガスは、高温用ＥＧＲガスクーラー（１）を通過する事無く、バイパス配管（６）内に流入し、このバイパス配管（６）を介して第２供給管（４）に流入した後、低温用ＥＧＲガスクーラー（３）内に導入される。そして、この低温用ＥＧＲガスクーラー（３）にて、低沸点冷媒液と低温ＥＧＲガスとの熱交換が行われ、低温ＥＧＲガスは冷却目的温度まで冷却された後、排出管（５）を介してインテークマニホールド側に供給される。
【００３９】
このように、従来の如く一つの熱交換部で高温で導入されるＥＧＲガスを冷却目的温度まで冷却した場合の熱交換量に比べ、本発明の如く高温用ＥＧＲガスクーラー（１）及び低温用ＥＧＲガスクーラー（３）で段階的に熱交換を行う場合は、各熱交換部（１３）（２３）での熱交換量が少なくて済むから、各装置を小型化する事が可能となる。従って、各ＥＧＲガスクーラー（１）（３）での熱歪が小さくなる事から熱応力も小さくなり、ＥＧＲガス冷却装置の耐久性や車体への設置時のレイアウトの自由度が向上する。
【００４０】
また、高温用ＥＧＲガスクーラー（１）では、高温ＥＧＲガスの温度センサ（１１）と切替弁（１０）の制御により、低温ＥＧＲガスが導入される事は無いし、熱交換部（１３）に導入される高沸点冷媒液の温度も１５０℃を大きく下回らないように調整されている。従って、金属製の伝熱面（１７）が、常に１５０℃以上の高温に保たれるとともに、ＥＧＲガスと高沸点冷媒液との温度差が小さくなって熱応力が小さくなり、ＥＧＲガス中の水蒸気、未燃焼ガス、硫酸水、炭化水素等の凝縮液の析出を防ぐから、金属製の伝熱面（１７）の腐食の心配もなく、高温用ＥＧＲガスクーラー（１）の耐久性が向上する。また、伝熱面（１７）への煤の堆積も防ぎ、高い伝熱特性を維持して効率的な熱交換が可能となる。
【００４１】
同様に、低温用ＥＧＲガスクーラー（３）では、前記温度センサ（１１）と切替弁（１０）の制御及び、第２供給管（４）に設けた低温ＥＧＲガスの温度センサ（３０）での温度監視により、１５０℃よりも低い低温ＥＧＲガスのみが導入されるので、ＥＧＲガスと低沸点冷媒液との温度差が小さくなり、熱応力を小さくする事ができる。従って、高熱による伝熱面（２７）の樹脂の劣化を防止可能となるし、樹脂製伝熱面（２７）であるから、凝縮液への耐食性も高く、煤の付着も少なく、例え付着しても剥離し易いので、低温用ＥＧＲガスクーラー（３）の耐久性が向上するとともに、効率的な熱交換が可能となる。
【００４２】
また、低温用ＥＧＲガスクーラー（３）で使用する伝熱管（２４）は、黒色の樹脂材で形成する事により、伝熱面（２７）の熱伝導性が高まり、ＥＧＲガスの冷却効果を向上させる事ができる。また、伝熱管（２４）の樹脂材に熱伝導性の高い銅、アルミニウム、ステンレス鋼等の金属製又はガラス製の粒子及び／又は繊維を含有したり、樹脂材の表面に前記金属粉末等を混合した塗料を塗布したり、金属をめっき或いは蒸着等させても、伝熱面（２７）に於ける熱交換効率を向上させる事ができる。更には、黒色の樹脂材に前記金属製やガラス製の粒子や繊維を含有させても良く、より効果的な熱交換性能の向上が可能となる。
【００４３】
また、低温用ＥＧＲガスクーラー（３）の伝熱管（２４）を形成する樹脂材に、カーボンナノファイバーを含有させる事により、樹脂材の熱伝導性を更に向上させて、低温用ＥＧＲガスクーラー（３）の冷却性能を更に向上させる事が可能となる。また、カーボンナノファイバーを樹脂材に含有させる場合は、５ｗｔ％より多く３０ｗｔ％より少ない含有量で含有させる事で、伝熱管（２４）の最良の熱伝導性を得る事が可能となる。
【００４４】
また、上記では、伝熱管を用いたＥＧＲガス冷却装置で本発明を実施しているが、伝熱プレートを用いた製品で実施する事も可能である。また、本実施例では、一例として１５０℃以上を高温ＥＧＲガスとし、１５０℃より低いものを低温ＥＧＲガスとしているが、この高温ＥＧＲガスと低温ＥＧＲガスとの境界温度は、低温用ＥＧＲガスクーラー（３）を構成する伝熱面（２７）の樹脂材の耐熱温度に対応して任意に設定する事ができる。そして、予想温度が高温であれば、境界温度を１５０℃よりも高く設定しても良いし、予想温度が比較的低温であれば、境界温度を１５０℃よりも低く設定する事も可能である。
【００４５】
【発明の効果】
本発明は上述の如く構成したものであり、エギゾーストマニホールドからＥＧＲ配管を介して高温で導入されるＥＧＲガスを一つの熱交換部で一気に冷却目的温度まで冷却するのではなく、高温用ＥＧＲガスクーラーの熱交換部で導入温度よりも低く冷却目的温度よりも高い温度まで冷却し、この冷却された冷却低温ＥＧＲガスを低温用ＥＧＲガスクーラーの熱交換部で冷却目的温度まで冷却している。また、エギゾーストマニホールドからＥＧＲ配管を介して低温で導入されるＥＧＲガスは、高温用ＥＧＲガスクーラーに導入する事なく、直に低温用ＥＧＲガスクーラーに導入されて冷却目的温度まで冷却される。
【００４６】
従って、従来に比べて熱交換部での熱交換量が少なくなり、高温用ＥＧＲガスクーラー及び低温用ＥＧＲガスクーラーを小型化する事ができるので、熱歪が小さくなって、熱応力を小さくする事ができる。また、各熱交換部でのＥＧＲガスと冷媒液との温度差が小さくなるので、この事からも熱応力が小さくなり、各ＥＧＲガスクーラーの耐久性を向上させる事ができる。また、車体設置時の際に一台の大型のものを設置する場合に比べ、二台の小型のＥＧＲガスクーラーを設置する方が、レイアウトの自由度も高まるものとなる。
【００４７】
更に、高温用ＥＧＲガスクーラーでは、低温ＥＧＲガスが導入される事が無いから、ＥＧＲガスの露点以上の温度に常に保つ事ができ、伝熱面にＥＧＲガス中の蒸気や未燃焼ガス、硫酸水、炭化水素等の凝縮液が伝熱面に析出するのを防ぐ事ができる。そのため、伝熱管や伝熱プレート、ろう材等に高価な高耐食性材を使用する必要が無く、製造コストを下げる事ができる。また、煤の堆積も生じにくく、伝熱面の伝熱特性を損なう事がないので、ＥＧＲガスと冷媒液との効率的な熱交換が可能となる。また、低温用ＥＧＲガスクーラーでは、低温ＥＧＲガスのみが導入されるので、厳密な耐熱対策を必要とせず廉価に形成可能であるし、ＥＧＲガスと冷媒液との温度差を小さくし、伝熱管や伝熱プレートを耐熱樹脂製として、伝熱面に煤が付着しにくくするとともに剥離し易くして、煤の堆積を抑える事ができ、低温用ＥＧＲガスクーラーの耐久性と熱交換効率を高める事ができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施例のＥＧＲガス冷却装置を示す概念図。
【符号の説明】
１ 高温用ＥＧＲガスクーラー
３ 低温用ＥＧＲガスクーラー
６ バイパス配管
７ 導入口
８ 排出口
１０ 切替弁
１３ 熱交換部
１７ 伝熱面
２３ 熱交換部
２７ 伝熱面
【産業上の利用分野】
本発明は、冷媒液との熱交換によりＥＧＲガスを冷却するための、ＥＧＲガスの冷却装置及びその冷却方法に係るものである。
【０００２】
【従来の技術】
【特許文献１】特開２００２−２９５９８７号
【特許文献２】特開２００３−８３６９３号
【特許文献３】特願２００２−５２８０４号
【特許文献４】特願２００２−２０１８１８号
【特許文献５】特願２００２−２１０６２２号
【０００３】
従来、自動車のエンジン等では、排気ガスの一部を排気ガス系から取り出して、再びエンジンの吸気系に戻し、混合気や吸入空気に加えるＥＧＲシステムが、ガソリンエンジン、ディーゼルエンジンともに用いられていた。ＥＧＲシステム、特にディーゼルエンジンの高ＥＧＲ率のクールドＥＧＲシステムでは、排気ガス中のＮＯｘを低減し、燃費の悪化を防止するとともに、過剰な温度上昇によるＥＧＲバルブの機能低下や耐久性の低下を防止するため、高温化したＥＧＲガスを冷却水、冷却風、カーエアコン用冷媒、その他の冷媒液で冷却するＥＧＲガス冷却装置を設けている。
【０００４】
このようなＥＧＲガス冷却装置として、上記に特許文献として掲げた本出願人の発明が存在する。これら従来のＥＧＲガス冷却装置では、一台のＥＧＲガスクーラーを装置内に設置し、このＥＧＲガスクーラーの熱交換部内に、前記エギゾーストマニホールドからＥＧＲ配管を介して導入されるＥＧＲガスが内部を流通する細径の金属製伝熱管や金属製伝熱プレートを配設している。そして、熱交換部内に前記適宜の冷媒液等を流動させ、伝熱管や伝熱プレートの伝熱面を介して冷媒液等とＥＧＲガスとの熱交換を行って、ＥＧＲガスを冷却している。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記各従来発明では、一台のＥＧＲガスクーラーのみで高温のＥＧＲガスを冷却目的温度まで一気に冷却するため、ＥＧＲガスと冷媒液との接触頻度を多くしたり、低温の冷媒液を使用する必要があり、ＥＧＲガスクーラーが大型化し、熱歪が大きくなるとともに、ＥＧＲガスと冷媒液との温度差も過大なものとなる。これらが原因で熱応力が大きくなり、ＥＧＲガスクーラーの耐久性を高める配慮が特に重要なものとなる。
【０００６】
また、冷媒液により伝熱面の表面温度が部分的に低くなり、ＥＧＲガス中の水蒸気や未燃焼ガス、硫酸水、炭化水素等が凝縮して液体化し、伝熱面に析出し易いものとなる。この凝縮液による金属腐食を防止するため、伝熱管や伝熱プレート、ろう付け材を高耐食性材で形成する必要が生じ、コスト高となる。また、上記伝熱面に析出した凝縮液に、ＥＧＲガス中の煤が溶解する事により、粒子の嵩密度が高く粘着質の湿った煤層が伝熱面に堆積され易く、この煤層が断熱作用を生じて伝熱面の伝熱特性を低下させ、熱交換効率を損なう可能性もあった。
【０００７】
尚、特許文献５の特願２００２−２１０６６２号の発明では、熱交換部への冷媒液の循環量を制限し、熱交換部内を一時的に高温化する事で、前記伝熱面への凝縮液の析出や煤層の堆積を防止可能としているが、やはり一台の装置での冷却であるため、ＥＧＲガスクーラーの大型化やＥＧＲガスと冷媒液との過大な温度差による熱応力の増大の問題を解決するものではなかった。
【０００８】
本発明は上述の如き課題を解決しようとするものであって、高温のＥＧＲガスを一つの熱交換部で一気に冷却目的温度まで冷却するのではなく、高温用熱交換部と低温用熱交換部から成る複数の熱交換部を使用して、ＥＧＲガスの冷却を段階的に行う事が可能な冷却装置及びその冷却方法を得ようとするものである。この段階的な冷却により、各熱交換部での交換熱量を少なくして装置の小型化を可能とするとともに、冷媒液とＥＧＲガスとの温度差を小さくする事で、各熱交換部での熱応力を小さくし、装置の耐久性を向上させるものである。また、高温用熱交換部に設けた伝熱面への凝縮液の析出及び煤の堆積を防止して、高い耐食性材等を使用する事なく、廉価で耐久性に優れた製品を得る事を可能とするとともに、伝熱面の伝熱特性を維持して、ＥＧＲガスと冷媒液との熱交換効率を高めるものである。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
本発明は上述の如き課題を解決するため、第１の発明はＥＧＲガスが高温の場合、この高温ＥＧＲガスを高温用ＥＧＲガスクーラーに導入し、導入温度よりも低く冷却目的温度よりも高い温度に冷却した後、この冷却低温ＥＧＲガスを低温用ＥＧＲガスクーラーに導入して冷却目的温度まで冷却するとともに、ＥＧＲガスが低温の場合、この低温ＥＧＲガスを高温用ＥＧＲガスクーラーを介する事無く、低温用ＥＧＲガスクーラーに導入し、冷却目的温度まで冷却するものである。
【００１０】
また、第２の発明は上記第１の発明を具体化するため、ＥＧＲ配管への連結口を設け高温ＥＧＲガスの冷却を行う高温用ＥＧＲガスクーラーと、低温ＥＧＲガスの冷却を行う低温用ＥＧＲガスクーラーとを直列に接続するとともに、高温用ＥＧＲガスクーラーと連結口との間に低温ＥＧＲガスを流通するバイパス配管の導入口を接続し、高温用ＥＧＲガスクーラーと低温用ＥＧＲガスクーラーとの間に、前記低温ＥＧＲガス流通用のバイパス配管の排出口を接続し、このバイパス配管の導入口に、高温ＥＧＲガスを高温用ＥＧＲガスクーラーに導入し、低温ＥＧＲガスをバイパス配管を介して低温用ＥＧＲガスクーラーに導入する切替弁を設けて成るものである。
【００１１】
また、高温用ＥＧＲガスクーラーは、熱交換部に設けた伝熱面を金属製とし、熱交換部内に高沸点冷媒液を循環させて該金属製の伝熱面を介してＥＧＲガスを間接冷却するものであっても良い。
【００１２】
また、低温用ＥＧＲガスクーラーは、熱交換部に設けた伝熱面を樹脂製とし、熱交換部内に低沸点冷媒液を循環させて該樹脂製の伝熱面を介してＥＧＲガスを間接冷却するものであっても良い。
【００１３】
また、切替弁は、ＥＧＲ配管側に温度センサを配置し、この温度センサの感知信号により開閉を制御されるものであっても良い。
【００１４】
また、低温用ＥＧＲガスクーラーは、熱交換部に設けた伝熱面を樹脂製とし、この樹脂にカーボンナノファイバーを含有させても良い。
【００１５】
また、カーボンナノファイバーは、５ｗｔ％より多く３０ｗｔ％より少ない含有量で含有させても良い。
【００１６】
【作用】
本発明は上述の如く構成したものであり、エギゾーストマニホールドからＥＧＲ配管を介して導入されるＥＧＲガスを冷却目的温度まで冷却してインテークマニホールド側に供給するには、まずＥＧＲガスが高温の場合、切替弁の制御によりバイパス配管の導入口は閉鎖され、高温ＥＧＲガスは高温用ＥＧＲガスクーラーに導入される。この高温用ＥＧＲガスクーラーにて、高温ＥＧＲガスは、冷却目的温度よりも高い温度であるが、低温用ＥＧＲガスクーラーの耐熱温度より低い温度に冷却される。次に、この高温用ＥＧＲガスクーラーで冷却された冷却低温ＥＧＲガスは、低温用ＥＧＲガスクーラーに導入され、ここで冷却目的温度まで冷却されるものである。
【００１７】
一方、エギゾーストマニホールドからＥＧＲ配管を介して低温のＥＧＲガスが導入された場合、切替弁の制御により、高温用ＥＧＲガスクーラーへの流路が閉鎖され、低温ＥＧＲガスを流通するためのバイパス配管の導入口が開口される。この導入部の開口により、前記低温ＥＧＲガスは、高温用ＥＧＲガスクーラーを通過する事無く、該バイパス配管を介して低温用ＥＧＲガスクーラーに直に導入され、この低温用ＥＧＲガスクーラーにて冷却目的温度まで冷却される。
【００１８】
上述の如く、高温用ＥＧＲガスクーラーには高温ＥＧＲガスのみが導入され、、導入温度よりも低いが冷却目的温度よりも高い温度で冷却すれば良いし、低温用ＥＧＲガスクーラーには低温ＥＧＲガスのみが導入されるから、各々の熱交換部での熱交換量が小さくなり、従来に比べて各ＥＧＲガスクーラーを小型化する事ができ、冷媒液との温度差も小さくなる。従って、熱歪や温度差による熱応力を小さくする事ができ、装置の耐久性を向上させる事ができる。
【００１９】
また、ＥＧＲガスと冷媒液との小さな温度差により、高温用ＥＧＲガスクーラーではＥＧＲガス中の水蒸気、硫酸水、炭化水素等による伝熱面への凝縮液の析出を抑える事ができ、結果として煤の堆積も生じにくいものとなる。特に、低温ＥＧＲガスのバイパスにより、高温用ＥＧＲガスクーラーの伝熱面の表面温度をＥＧＲガスの露点以上の高い温度に常時保つ事ができ、伝熱面への凝縮液や煤の付着の防止効果が高い。従って、高温用ＥＧＲクーラーの伝熱管、伝熱プレート、ろう材等に高価な高耐食性材を使用する必要がなく、製品の製造コストを抑えるとともに耐久性も向上する。そして、煤の堆積による伝熱面の伝熱特性の低下を良好に防止して、ＥＧＲガスと冷媒液との効率的な熱交換が可能となる。
【００２０】
また、上述の如く、高温用ＥＧＲガスクーラーでは、伝熱面への凝縮液の析出防止効果が高く腐食の心配が少ないため、多少耐腐食性に劣っても伝熱面を伝熱特性に優れた金属製とする事ができる。また、伝熱面をＥＧＲガスの露点以上に保つには、高温用ＥＧＲガスクーラーの熱交換部を１５０℃以上に保つのが好ましい。この場合、冷媒液としてフッ素系不活性溶剤等、沸点が１５０℃以上の高沸点冷媒液を使用すれば、伝熱面を露点以上に保っても冷媒液が沸騰する事がなく、熱交換部の破損や劣化を防いで耐久性を向上させる事ができる。そして、熱交換部内に前記高沸点冷媒液を循環させる事で、前記伝熱特性の高い金属製の伝熱面を介して、ＥＧＲガスの間接冷却を効率的に行う事が可能となる。
【００２１】
また、低温用ＥＧＲガスクーラーに於いても、低温ＥＧＲガス又は高温用ＥＧＲガスクーラーで冷却された冷却低温ＥＧＲガスのみが導入されるから、熱交換部内の冷媒液と低温ＥＧＲガスとの温度差が小さく、熱応力が発生しにくくなる。また、低温用ＥＧＲガスクーラーでは、熱交換部に樹脂製の伝熱管や伝熱プレートを使用する事が可能となり、この樹脂製の伝熱面では凝縮液が付着しても腐食が確実に防止可能であるし、煤の付着も生じにくく、また剥離し易い。また、低温ＥＧＲガスのみが導入されるので、冷却水等の廉価な低沸点冷媒液を使用でき、沸騰等の不具合も生じにくい。そして、この低沸点冷媒液により、該樹脂製の伝熱面を介してＥＧＲガスを効率的に間接冷却する事ができる。
【００２２】
また、低温用ＥＧＲガスクーラーの熱交換部の伝熱面を、樹脂製とした場合、黒色の樹脂材を使用すれば、伝熱面の熱伝導性が高まり、ＥＧＲガスの冷却効果を向上させる事ができる。また、樹脂材に熱伝導性の高い銅、アルミニウム、ステンレス鋼等の金属製又はガラス製の粒子及び／又は繊維を含有したり、樹脂材の表面に前記金属粉末等を混合した塗料を塗布したり、金属をめっき或いは蒸着等させても、熱交換部に於ける熱交換効率を向上させる事ができる。更には、黒色の樹脂材に前記金属製やガラス製の粒子や繊維を含有させれば、より効果的な熱交換性能の向上が可能となる。
【００２３】
また、低温用ＥＧＲガスクーラーの伝熱面を形成する樹脂材に、カーボンナノファイバーを含有させれば、樹脂材の熱伝導性を更に向上させる事ができ、冷却性能を向上させる事が可能となる。また、カーボンナノファイバーは、５ｗｔ％より多く３０ｗｔ％より少ない含有量で含有させれば、最良の熱伝導性を得る事ができる。このカーボンナノファイバーの含有量を５ｗｔ％以下とすると、伝熱効果の向上作用に乏しく、３０ｗｔ％以上を樹脂材に含有させるのは困難で、生産性が低下するとともに高価で、伝熱効果に大きな差を生じない。
【００２４】
尚、本明細書で言うカーボンナノファイバーとは、ナノテクノロジー分野に於いて、カーボンナノチューブ、カーボンナノホーン、その他ナノ単位のカーボン繊維を含んだ総称を示すものである。また、カーボンナノチューブ、カーボンナノホーン、その他を混在させて樹脂材に含有させても良いし、単体で含有させても良い。また、カーボンナノチューブを樹脂材に含有させる場合は、カーボンナノチューブが単層であっても良いし、複層であっても良い。更に、このカーボンナノチューブの各層のアスペクト比は問わないものである。また、カーボンナノチューブの太さ、長さ等も問わないものである。
【００２５】
【実施例】
以下、本発明のＥＧＲガス冷却装置を自動車に使用した一実施例を図１に於て説明すれば、（１）は高温ＥＧＲガスの冷却を行うための高温用ＥＧＲガスクーラーで、エギゾーストマニホールド側のＥＧＲ配管への連結口（図示せず）を設けた供給管（２）を一端に接続している。この高温用ＥＧＲガスクーラー（１）の他端に、低温ＥＧＲガスを冷却するための低温用ＥＧＲガスクーラー（３）を、第２供給管（４）を介して直列に接続している。この低温用ＥＧＲガスクーラー（３）は、他端にインテークマニホールドに連通する排出管（５）を接続し、冷却目的温度に冷却したＥＧＲガスをインテークマニホールド側に供給する事を可能としている。
【００２６】
また、エギゾーストマニホールド側のＥＧＲ配管からの低温ＥＧＲガスを、高温用ＥＧＲガスクーラー（１）を介する事無く、低温用ＥＧＲガスクーラー（３）に直に導入するための低温ＥＧＲガスを流通するバイパス配管（６）を設けている。このバイパス配管（６）は、導入口（７）を高温用ＥＧＲガスクーラー（１）への供給管（２）に接続し、排出口（８）を高温用ＥＧＲガスクーラー（１）と低温用ＥＧＲガスクーラー（３）との間の第２供給管（４）に接続している。そして、バイパス配管（６）と供給管（２）との接続部に切替弁（１０）を設けるとともに、この切替弁（１０）の上流側に高温ＥＧＲガスの温度センサ（１１）を設けている。この温度センサ（１１）にて、エギゾーストマニホールド側のＥＧＲ配管から導入されるＥＧＲガスの温度を測定し、その感知信号により切替弁（１０）を制御して、１５０℃以上の高温ＥＧＲガスの場合は高温用ＥＧＲガスクーラー（１）に導入可能とし、１５０℃よりも低い低温ＥＧＲガスの場合には、バイパス配管（６）を介して低温用ＥＧＲガスクーラー（３）に低温ＥＧＲガスを直に導入可能としている。
【００２７】
上記高温用ＥＧＲガスクーラー（１）は、図１に示す如く、円筒状の胴管（１２）内に設けた熱交換部（１３）に、耐熱金属管、ステンレス鋼管等を用いた伝熱管（１４）を複数本配置し、供給管（２）から供給される高温ＥＧＲガスが伝熱管（１４）内を流動した後、第２供給管（４）に流出可能としている。また、胴管（１２）には、熱交換部（１３）と連通する冷媒導入路（１５）と冷媒導出路（１６）を設け、熱交換部（１３）内に於いて伝熱管（１４）の外周を冷媒液が流動可能とし、伝熱管（１４）の内外表面の伝熱面（１７）を介して高温ＥＧＲガスと冷媒液との熱交換を可能としている。
【００２８】
また、高温用ＥＧＲガスクーラー（１）では、１５０℃以上の高温のＥＧＲガスが導入されるため、熱交換部（１３）内にて冷媒液が沸騰しないように、沸点が１５０℃以上のフッ素系不活性溶剤等、高沸点冷媒液を使用し、更にこの高沸点冷媒液の供給と再使用を行うための高沸点冷媒液用クーラー（１８）を、高温用ＥＧＲガスクーラー（１）に接続している。該高沸点冷媒液用クーラー（１８）は、電動モータ（２０）等により駆動される循環ポンプ（２１）により、冷媒導入路（１５）を介して高温用ＥＧＲガスクーラー（１）の熱交換部（１３）に高沸点冷媒液を供給し、高温ＥＧＲガスの冷却により温度上昇した高沸点冷媒液は、冷媒導出路（１６）を介して高沸点冷媒液用クーラー（１８）に回収され、ここで冷却された後、再び高温用ＥＧＲガスクーラー（１）に供給されるものである。この高沸点冷媒液用クーラー（１８）は、ラジエターを用いた空冷方式としても良いし、冷却水等の低沸点冷媒液による水冷方式としても良い。
【００２９】
また、上記高温用ＥＧＲガスクーラー（１）に導入される高沸点冷媒液の温度が１５０℃を大きく下回ると、ＥＧＲガスとの温度差が大きくなり、伝熱面（１７）の表面温度が部分的に低温下して、熱応力が大きくなったり該伝熱面（１７）に凝縮液が析出する不具合を生じる。そのため、前記冷媒導入路（１５）に高沸点冷媒液用の温度センサ（２８）を設けて高沸点冷媒液の導入温度を監視し、１５０℃を下回りそうな場合には、高沸点冷媒液用クーラー（１８）での高沸点冷媒液の冷却を、ポンプ（２１）の流量調整等により抑制する。従って、伝熱面（１７）の表面温度は、ＥＧＲガスの露点よりも高い１５０℃以上に常に維持されるものとなり、ＥＧＲガス中の水蒸気や未燃焼ガス、硫酸水、炭化水素等が凝縮液となって伝熱面（１７）に付着するのを防ぐとともに、煤の堆積も防止し、金属製の伝熱面（１７）の腐食を防止する効果や高い伝熱特性を得る事ができる。
【００３０】
同様に、低温用ＥＧＲガスクーラー（３）は、胴管（２２）内の熱交換部（２３）に、下記表１に示す如き耐熱性を有する樹脂製の伝熱管（２４）を複数本配設し、第２供給管（４）から導入される低温ＥＧＲガスが前記伝熱管（２４）内を流動可能としている。また、熱交換部（２３）には、冷媒導入路（２５）と冷媒導出路（２６）を接続して冷媒液の流動を可能とし、前記伝熱管（２４）の樹脂製の伝熱面（２７）を介して、低温ＥＧＲガスと冷媒液との熱交換を行っている。この冷却後のＥＧＲガスは、排出管（５）を介してインテークマニホールドに供給される。
【００３１】
【表１】
また、低温用ＥＧＲガスクーラー（３）に導入される低温ＥＧＲガスが、１５０℃以上となって、樹脂製の伝熱管（２４）の耐熱温度を上回らないようにするため、第２供給管（４）に低温ＥＧＲガスの温度センサ（３０）を設置して、低温ＥＧＲガスの導入温度を監視している。尚、バイパス配管（６）からは、切替弁（１０）の作用により、１５０℃よりも低い低温ＥＧＲガスのみが導入されるので、前記温度監視は、主に高温用ＥＧＲガスクーラー（１）からの冷却低温ＥＧＲガスに関して行われ、この冷却低温ＥＧＲガスが１５０℃以上となりそうな場合には、高温用ＥＧＲガスクーラー（１）による高温ＥＧＲガスの冷却を促進し、１５０℃よりも低い温度の低温ＥＧＲガスのみが低温用ＥＧＲガスクーラー（３）に導入されるよう調整している。
【００３３】
このように、１５０℃より低い低温ＥＧＲガスの冷却を行うものなので、低温用ＥＧＲガスクーラー（３）では、冷却水等の廉価な低沸点冷媒液を使用しても、沸騰等の不具合を生じる事がない。
【００３４】
また、伝熱面（２７）の表面温度が１５０℃以上とならないので、伝熱面（２７）を高価な金属製とする必要がなく、前述の如き樹脂製とする事ができ、廉価な製造が可能となる。また、低温ＥＧＲガスと低沸点冷媒液との温度差が例え大きくて凝縮液が多く発生しても、この凝縮液に対する耐食性に於いても、樹脂製の伝熱面（２７）では優れているし、煤が付着しても剥離し易いものである。また、樹脂の優れた加工性により、伝熱面（２７）の設計の自由度が高く、伝熱面（２７）に凹凸やうねり、蛇行面、溝、突条、ピン等を設ける事ができ、伝熱面（２７）の表面積を大きくして、優れた伝熱特性を得る事ができる。
【００３５】
上述の如きＥＧＲガス冷却装置にて熱交換を行う方法を説明する。まずエギゾーストマニホールド側のＥＧＲ配管から連結口を介して供給管（２）内に、ＥＧＲガスが導入されると、高温ＥＧＲガスの温度センサ（１１）にてこのＥＧＲガスの温度が測定され、感知信号が送られる。
【００３６】
この温度センサ（１１）からの感知信号により切替弁（１０）が制御され、１５０℃以上の高温ＥＧＲガスの場合は、バイパス配管（６）が閉鎖され、前記高温ＥＧＲガスは、高温用ＥＧＲガスクーラー（１）内に導入される。そして、高温ＥＧＲガスが伝熱管（１４）内を流動する際に、金属製の伝熱面（１７）を介して、該高温ＥＧＲガスと熱交換部（１３）を流動する高沸点冷媒液との熱交換が効率的に行われる。この熱交換により、高温ＥＧＲガスは、導入温度よりは低いが冷却目的温度よりも高いとともに、低温用ＥＧＲガスクーラー（３）の耐熱温度より低い、１５０℃を下回る温度まで冷却され、この冷却低温ＥＧＲガスが高温用ＥＧＲガスクーラー（１）から第２供給管（４）内に排出される。
【００３７】
次に、上記第２供給管（４）を通過した冷却低温ＥＧＲガスは、低温用ＥＧＲガスクーラー（３）に導入され、伝熱管（２４）内を流動する。この流動の際に、樹脂製の伝熱面（２７）を介して、該低温ＥＧＲガスと低沸点冷媒液との間で熱交換が行われ、低温ＥＧＲガスは、冷却目的温度まで冷却された後、排出管（５）を介してインテークマニホールド側に供給されるものとなる。
【００３８】
一方、温度センサ（１１）によりエギゾーストマニホールドからのＥＧＲ配管を経由したＥＧＲガスが、１５０℃を下回る低温ＥＧＲガスと判定された場合、切替弁（１０）の制御により高温用ＥＧＲガスクーラー（１）への流路が閉鎖され、バイパス配管（６）の導入口（７）が開口する。この導入口（７）の開口により、前記低温ＥＧＲガスは、高温用ＥＧＲガスクーラー（１）を通過する事無く、バイパス配管（６）内に流入し、このバイパス配管（６）を介して第２供給管（４）に流入した後、低温用ＥＧＲガスクーラー（３）内に導入される。そして、この低温用ＥＧＲガスクーラー（３）にて、低沸点冷媒液と低温ＥＧＲガスとの熱交換が行われ、低温ＥＧＲガスは冷却目的温度まで冷却された後、排出管（５）を介してインテークマニホールド側に供給される。
【００３９】
このように、従来の如く一つの熱交換部で高温で導入されるＥＧＲガスを冷却目的温度まで冷却した場合の熱交換量に比べ、本発明の如く高温用ＥＧＲガスクーラー（１）及び低温用ＥＧＲガスクーラー（３）で段階的に熱交換を行う場合は、各熱交換部（１３）（２３）での熱交換量が少なくて済むから、各装置を小型化する事が可能となる。従って、各ＥＧＲガスクーラー（１）（３）での熱歪が小さくなる事から熱応力も小さくなり、ＥＧＲガス冷却装置の耐久性や車体への設置時のレイアウトの自由度が向上する。
【００４０】
また、高温用ＥＧＲガスクーラー（１）では、高温ＥＧＲガスの温度センサ（１１）と切替弁（１０）の制御により、低温ＥＧＲガスが導入される事は無いし、熱交換部（１３）に導入される高沸点冷媒液の温度も１５０℃を大きく下回らないように調整されている。従って、金属製の伝熱面（１７）が、常に１５０℃以上の高温に保たれるとともに、ＥＧＲガスと高沸点冷媒液との温度差が小さくなって熱応力が小さくなり、ＥＧＲガス中の水蒸気、未燃焼ガス、硫酸水、炭化水素等の凝縮液の析出を防ぐから、金属製の伝熱面（１７）の腐食の心配もなく、高温用ＥＧＲガスクーラー（１）の耐久性が向上する。また、伝熱面（１７）への煤の堆積も防ぎ、高い伝熱特性を維持して効率的な熱交換が可能となる。
【００４１】
同様に、低温用ＥＧＲガスクーラー（３）では、前記温度センサ（１１）と切替弁（１０）の制御及び、第２供給管（４）に設けた低温ＥＧＲガスの温度センサ（３０）での温度監視により、１５０℃よりも低い低温ＥＧＲガスのみが導入されるので、ＥＧＲガスと低沸点冷媒液との温度差が小さくなり、熱応力を小さくする事ができる。従って、高熱による伝熱面（２７）の樹脂の劣化を防止可能となるし、樹脂製伝熱面（２７）であるから、凝縮液への耐食性も高く、煤の付着も少なく、例え付着しても剥離し易いので、低温用ＥＧＲガスクーラー（３）の耐久性が向上するとともに、効率的な熱交換が可能となる。
【００４２】
また、低温用ＥＧＲガスクーラー（３）で使用する伝熱管（２４）は、黒色の樹脂材で形成する事により、伝熱面（２７）の熱伝導性が高まり、ＥＧＲガスの冷却効果を向上させる事ができる。また、伝熱管（２４）の樹脂材に熱伝導性の高い銅、アルミニウム、ステンレス鋼等の金属製又はガラス製の粒子及び／又は繊維を含有したり、樹脂材の表面に前記金属粉末等を混合した塗料を塗布したり、金属をめっき或いは蒸着等させても、伝熱面（２７）に於ける熱交換効率を向上させる事ができる。更には、黒色の樹脂材に前記金属製やガラス製の粒子や繊維を含有させても良く、より効果的な熱交換性能の向上が可能となる。
【００４３】
また、低温用ＥＧＲガスクーラー（３）の伝熱管（２４）を形成する樹脂材に、カーボンナノファイバーを含有させる事により、樹脂材の熱伝導性を更に向上させて、低温用ＥＧＲガスクーラー（３）の冷却性能を更に向上させる事が可能となる。また、カーボンナノファイバーを樹脂材に含有させる場合は、５ｗｔ％より多く３０ｗｔ％より少ない含有量で含有させる事で、伝熱管（２４）の最良の熱伝導性を得る事が可能となる。
【００４４】
また、上記では、伝熱管を用いたＥＧＲガス冷却装置で本発明を実施しているが、伝熱プレートを用いた製品で実施する事も可能である。また、本実施例では、一例として１５０℃以上を高温ＥＧＲガスとし、１５０℃より低いものを低温ＥＧＲガスとしているが、この高温ＥＧＲガスと低温ＥＧＲガスとの境界温度は、低温用ＥＧＲガスクーラー（３）を構成する伝熱面（２７）の樹脂材の耐熱温度に対応して任意に設定する事ができる。そして、予想温度が高温であれば、境界温度を１５０℃よりも高く設定しても良いし、予想温度が比較的低温であれば、境界温度を１５０℃よりも低く設定する事も可能である。
【００４５】
【発明の効果】
本発明は上述の如く構成したものであり、エギゾーストマニホールドからＥＧＲ配管を介して高温で導入されるＥＧＲガスを一つの熱交換部で一気に冷却目的温度まで冷却するのではなく、高温用ＥＧＲガスクーラーの熱交換部で導入温度よりも低く冷却目的温度よりも高い温度まで冷却し、この冷却された冷却低温ＥＧＲガスを低温用ＥＧＲガスクーラーの熱交換部で冷却目的温度まで冷却している。また、エギゾーストマニホールドからＥＧＲ配管を介して低温で導入されるＥＧＲガスは、高温用ＥＧＲガスクーラーに導入する事なく、直に低温用ＥＧＲガスクーラーに導入されて冷却目的温度まで冷却される。
【００４６】
従って、従来に比べて熱交換部での熱交換量が少なくなり、高温用ＥＧＲガスクーラー及び低温用ＥＧＲガスクーラーを小型化する事ができるので、熱歪が小さくなって、熱応力を小さくする事ができる。また、各熱交換部でのＥＧＲガスと冷媒液との温度差が小さくなるので、この事からも熱応力が小さくなり、各ＥＧＲガスクーラーの耐久性を向上させる事ができる。また、車体設置時の際に一台の大型のものを設置する場合に比べ、二台の小型のＥＧＲガスクーラーを設置する方が、レイアウトの自由度も高まるものとなる。
【００４７】
更に、高温用ＥＧＲガスクーラーでは、低温ＥＧＲガスが導入される事が無いから、ＥＧＲガスの露点以上の温度に常に保つ事ができ、伝熱面にＥＧＲガス中の蒸気や未燃焼ガス、硫酸水、炭化水素等の凝縮液が伝熱面に析出するのを防ぐ事ができる。そのため、伝熱管や伝熱プレート、ろう材等に高価な高耐食性材を使用する必要が無く、製造コストを下げる事ができる。また、煤の堆積も生じにくく、伝熱面の伝熱特性を損なう事がないので、ＥＧＲガスと冷媒液との効率的な熱交換が可能となる。また、低温用ＥＧＲガスクーラーでは、低温ＥＧＲガスのみが導入されるので、厳密な耐熱対策を必要とせず廉価に形成可能であるし、ＥＧＲガスと冷媒液との温度差を小さくし、伝熱管や伝熱プレートを耐熱樹脂製として、伝熱面に煤が付着しにくくするとともに剥離し易くして、煤の堆積を抑える事ができ、低温用ＥＧＲガスクーラーの耐久性と熱交換効率を高める事ができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施例のＥＧＲガス冷却装置を示す概念図。
【符号の説明】
１ 高温用ＥＧＲガスクーラー
３ 低温用ＥＧＲガスクーラー
６ バイパス配管
７ 導入口
８ 排出口
１０ 切替弁
１３ 熱交換部
１７ 伝熱面
２３ 熱交換部
２７ 伝熱面
Claims (7)
- ＥＧＲガスが高温の場合、この高温ＥＧＲガスを高温用ＥＧＲガスクーラーに導入し、導入温度よりも低く冷却目的温度よりも高い温度に冷却した後、この冷却低温ＥＧＲガスを低温用ＥＧＲガスクーラーに導入して冷却目的温度まで冷却するとともに、ＥＧＲガスが低温の場合、この低温ＥＧＲガスを高温用ＥＧＲガスクーラーを介する事無く、低温用ＥＧＲガスクーラーに導入し、冷却目的温度まで冷却する事を特徴とするＥＧＲガスの冷却方法。
- ＥＧＲ配管への連結口を設け高温ＥＧＲガスの冷却を行う高温用ＥＧＲガスクーラーと、低温ＥＧＲガスの冷却を行う低温用ＥＧＲガスクーラーとを直列に接続するとともに、高温用ＥＧＲガスクーラーと連結口との間に低温ＥＧＲガスを流通するバイパス配管の導入口を接続し、高温用ＥＧＲガスクーラーと低温用ＥＧＲガスクーラーとの間に、前記低温ＥＧＲガス流通用のバイパス配管の排出口を接続し、このバイパス配管の導入口に、高温ＥＧＲガスを高温用ＥＧＲガスクーラーに導入し、低温ＥＧＲガスをバイパス配管を介して低温用ＥＧＲガスクーラーに導入する切替弁を設けた事を特徴とするＥＧＲガス冷却装置。
- 高温用ＥＧＲガスクーラーは、熱交換部に設けた伝熱面を金属製とし、熱交換部内に高沸点冷媒液を循環させて該金属製の伝熱面を介してＥＧＲガスを間接冷却する事を特徴とする請求項２のＥＧＲガス冷却装置。
- 低温用ＥＧＲガスクーラーは、熱交換部に設けた伝熱面を樹脂製とし、熱交換部内に低沸点冷媒液を循環させて該樹脂製の伝熱面を介してＥＧＲガスを間接冷却する事を特徴とする請求項２のＥＧＲガス冷却装置。
- 切替弁は、ＥＧＲ配管側に温度センサを配置し、この温度センサの感知信号により開閉を制御されるものである事を特徴とする請求項２のＥＧＲガス冷却装置。
- 低温用ＥＧＲガスクーラーは、熱交換部に設けた伝熱面を樹脂製とし、この樹脂にカーボンナノファイバーを含有させた事を特徴とする請求項４のＥＧＲガス冷却装置。
- カーボンナノファイバーは、５ｗｔ％より多く３０ｗｔ％より少ない含有量で含有させた事を特徴とする請求項６のＥＧＲガス冷却装置。
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