JP2005090833A - Heat exchanger - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、腐触性のある流体に使用される熱交換器に関するものである。 The present invention relates to a heat exchanger for use with corrosive fluids.
従来より、エンジンの排気ガスと、相手流体である水、大気、給気との間で熱交換する熱交換器として、熱併給用排気ガス熱交換器やＥＧＲクーラ等が一般に知られている。（例えば、特許文献１参照） Conventionally, an exhaust gas heat exchanger for co-heating, an EGR cooler, or the like is generally known as a heat exchanger for exchanging heat between the exhaust gas of the engine and water, the atmosphere, and the supply air that are partner fluids. (For example, see Patent Document 1)
この排気ガス熱交換器は、排気ガスが流れる熱交換器の排気ガス通路の伝熱部材表面部は除く、ケース内壁面に無機質で成る硝子の塗着および焼成手段に基づくホーロー処理が施されている。 This exhaust gas heat exchanger is subjected to enamel processing on the inner wall surface of the case excluding the heat transfer member surface portion of the exhaust gas passage of the heat exchanger through which exhaust gas flows and based on the means for applying glass and baking on the case. Yes.
ホーロー処理は８００℃で焼成処理を行うことによって、厚さ０．１〜０．５ｍｍの耐触膜を形成している。 The enamel treatment is performed at 800 ° C. to form a contact-resistant film having a thickness of 0.1 to 0.5 mm.
そして、この排気ガス熱交換器によれば、排気ガスが冷却されるときに発生する凝縮水と排気ガスに含まれる硫黄成分とが反応してできる硫酸による腐蝕に対し、熱交換器の排気ガス通路のケース内壁は保護される。 And according to this exhaust gas heat exchanger, the exhaust gas of the heat exchanger against corrosion caused by sulfuric acid generated by the reaction between the condensed water generated when the exhaust gas is cooled and the sulfur component contained in the exhaust gas. The inner wall of the passage case is protected.
ところで、このような排気ガス熱交換器においては、硫酸による腐蝕被害は熱交換器の排気ガス通路のケース内壁だけではなく、排気ガスが流れる伝熱部材（多管式熱交換器の場合は、チューブ）にも問題が生じている。ケースの壁厚は十分厚いので腐蝕による穴あき不具合までの寿命は長くとれるが、伝熱部材は熱交換効率を向上させるため肉厚をできるだけ薄くせざるを得ないので腐蝕による水漏れ不具合に至る寿命が短い。また、冷却水として粗悪水であるサウジアラビアや日本の鹿島地方の地下水（通称、サウジ水、鹿島水と言われ腐蝕性の高い水）等を使用すると冷却水通路側からの腐蝕問題もある。 By the way, in such an exhaust gas heat exchanger, corrosion damage due to sulfuric acid is not only the case inner wall of the exhaust gas passage of the heat exchanger, but also a heat transfer member through which the exhaust gas flows (in the case of a multi-tube heat exchanger, There is also a problem with tubes. The case wall thickness is sufficiently thick, so the life until a hole is damaged due to corrosion can be long. Life is short. In addition, if the groundwater in Saudi Arabia or Kashima region of Japan (commonly known as Saudi water or Kashima water, which is highly corrosive) is used as cooling water, there is a problem of corrosion from the cooling water passage side.
本発明は上記の問題点に着目してなされたもので、熱交換器の伝熱部材の耐腐蝕性を向上させることができる熱交換器を提供することを目的とする。 The present invention has been made paying attention to the above problems, and an object thereof is to provide a heat exchanger capable of improving the corrosion resistance of the heat transfer member of the heat exchanger.
上記目的を達成するために、第１の発明は、伝熱部材の伝熱面の少なくとも一面に非金属を薄膜としてコーティング処理をすることを特徴とする。
本発明の請求項２の熱交換器は、薄膜の厚さが、０．１〜１０μｍであることを特徴とする。
In order to achieve the above object, the first invention is characterized in that at least one of the heat transfer surfaces of the heat transfer member is coated with a nonmetal as a thin film.
The heat exchanger according to claim 2 of the present invention is characterized in that the thickness of the thin film is 0.1 to 10 μm.
また、第２の発明は、第１の発明において、非金属の薄膜の厚さが、０．１〜１０μｍであることを特徴とする。 The second invention is characterized in that, in the first invention, the thickness of the non-metallic thin film is 0.1 to 10 μm.
また、第３の発明は、第１または第２の発明において、コーティングされた非金属の薄膜がガラスであることを特徴とする。本発明の請求項３の熱交換器は、伝熱部材が、ステンレス鋼であり、前記コーティング処理材料が、ガラスであることを特徴とする。 The third invention is characterized in that, in the first or second invention, the coated non-metallic thin film is glass. The heat exchanger according to claim 3 of the present invention is characterized in that the heat transfer member is stainless steel and the coating material is glass.
また、第４の本発明の請求項４の熱交換器は、第３の発明において、前記ガラスのコーティング処理が、ポリシラザン法によるシリカコーティングであることを特徴とする。 According to a fourth aspect of the present invention, in the heat exchanger according to the fourth aspect of the present invention, the glass coating treatment is silica coating by a polysilazane method.
また、第５の発明は、第４の発明において、伝熱部材が、ステンレス鋼であり、前記コーティング処理材料が、ガラスであることを特徴とする。 The fifth invention is characterized in that, in the fourth invention, the heat transfer member is stainless steel, and the coating material is glass.
第１の発明によると、次の作用および効果が得られる。
伝熱部材の伝熱面に熱通過率が低いが耐腐蝕性のある非金属材料を薄膜としてコーティング処理をすることにより、熱交換効率をさほど低下させることなく、伝熱部材の耐腐蝕性を向上できる。また、伝熱部材の材質を耐腐蝕性の良い高価なものから安価な材料に切り換えることができ、入手性やコストを改善できる。
According to the first invention, the following actions and effects can be obtained.
The heat transfer surface of the heat transfer member is coated with a non-metallic material that has a low heat transfer rate but has corrosion resistance as a thin film, thereby reducing the corrosion resistance of the heat transfer member without significantly reducing the heat exchange efficiency. Can be improved. Further, the material of the heat transfer member can be switched from an expensive material having good corrosion resistance to an inexpensive material, and the availability and cost can be improved.
第２の発明によると、第１の発明における作用および効果に加えて、次の作用および効果を得ることができる。薄膜の厚さを０．１〜１０μｍとしているので熱通過率の低下を少なくできるので放熱面積を増加させなくても良い。また、コーティング材が厚いと伝熱部材が変形した場合にコーテイング材にクラックの入る可能性が増すが、薄膜としたのでクラックを防止できる。 According to the second invention, in addition to the actions and effects in the first invention, the following actions and effects can be obtained. Since the thickness of the thin film is 0.1 to 10 [mu] m, it is not necessary to increase the heat radiation area because the decrease in the heat transmission rate can be reduced. In addition, if the coating material is thick, the possibility of cracking in the coating material increases when the heat transfer member is deformed, but since it is a thin film, cracking can be prevented.
第３の発明によると、コーティング処理材料をガラスとしているので、ガラス表面は汚れが付き難く、落とし易いので汚れによる伝熱量の低下を防止できる。
また、清掃整備が容易にできる。
According to the third invention, since the coating material is made of glass, the glass surface is difficult to get dirty and can be easily removed, so that a decrease in the amount of heat transfer due to the dirt can be prevented.
In addition, cleaning and maintenance can be easily performed.
第４の発明によると、ガラスのコーティング処理を、ポリシラザン法によるシリカコーティングとしたので、緻密で安定性のある薄いガラスの被膜を作ることができる。 According to the fourth aspect of the invention, since the glass coating treatment is a silica coating by the polysilazane method, a dense and stable thin glass film can be formed.
第５の発明によると、伝熱部材をステンレス鋼とし、ガラスのコーティング処理としてポリシラザン法を用いたので、ペルヒドロポリシラザンからシリカへの転化（シリカ硬化）させる時の処理温度を低くできる。このため、処理温度が高いと起こるステンレス鋼の粒界にクロームが析出してくることによる耐腐蝕性の低下を防止できる。 According to the fifth invention, since the heat transfer member is made of stainless steel and the polysilazane method is used as a glass coating treatment, the treatment temperature when converting perhydropolysilazane to silica (silica curing) can be lowered. For this reason, it is possible to prevent a decrease in corrosion resistance due to precipitation of chrome at the grain boundaries of stainless steel, which occurs when the treatment temperature is high.
以下、本発明に係る熱交換器として、エンジン排気ガス再循環装置（ＥＧＲ装置）用のＥＧＲクーラの実施形態について図面を参照して説明する。図４は、ＥＧＲクーラ２０付きＥＧＲ装置１０を備えた、ターボチャージャ２付きエンジン１の概略構成図である。図４において、ターボチャージャ２のコンプレッサ２ａの吸入口には吸気管３が取付けられ、コンプレッサ２ａの出口とエンジン１の給気マニホールド５とは給気管４により接続されている。エンジン１の排気マニホールド６の排出口にはターボチャージャ２のタービン２ｂが接続され、タービン２ｂの排出口には排気管７が取付けられている。排気マニホールド６のタービン２ｂの上流部と、給気マニホールド５の上流部とはＥＧＲ配管１１により接続され、給気管４側の接続部にベンチュリ８が取り付けられている。ＥＧＲ配管１１にはＥＧＲバルブ１２およびＥＧＲクーラ２０が介装され、ＥＧＲ装置１０を構成している。 Hereinafter, an embodiment of an EGR cooler for an engine exhaust gas recirculation device (EGR device) as a heat exchanger according to the present invention will be described with reference to the drawings. FIG. 4 is a schematic configuration diagram of the engine 1 with the turbocharger 2 provided with the EGR device 10 with the EGR cooler 20. In FIG. 4, an intake pipe 3 is attached to the intake port of the compressor 2 a of the turbocharger 2, and the outlet of the compressor 2 a and the supply manifold 5 of the engine 1 are connected by the supply pipe 4. A turbine 2b of the turbocharger 2 is connected to an exhaust port of the exhaust manifold 6 of the engine 1, and an exhaust pipe 7 is attached to the exhaust port of the turbine 2b. The upstream portion of the turbine 2b of the exhaust manifold 6 and the upstream portion of the air supply manifold 5 are connected by an EGR pipe 11, and a venturi 8 is attached to a connection portion on the air supply pipe 4 side. An EGR valve 12 and an EGR cooler 20 are interposed in the EGR pipe 11 to constitute an EGR device 10.
次に作動について説明する。エンジン１を始動すると空気は吸気管３から吸入され、コンプレッサ２ａにより圧縮されて吸気マニホールド５を介してエンジン１内に供給される。エンジン１内で燃焼し、発生した排気ガスは排気マニホールド６からタービン２ｂ
を経て排気管７から排出される。通常状態においては、給気圧力は排気ガス圧力より高いが、ベンチュリ８の効果を利用して排気ガス導入部で排気ガス圧力より給気圧力を低くできるので、ＥＧＲバルブ１２を開くと排気ガスの一部はＥＧＲ配管１１を経て給気マニホールド５に戻される。このとき燃焼室内の最高温度の低減を図り、ＮＯｘ低減効果を高めるため排気ガスはＥＧＲクーラ２０により冷却される。
Next, the operation will be described. When the engine 1 is started, air is drawn from the intake pipe 3, compressed by the compressor 2 a, and supplied into the engine 1 through the intake manifold 5. Exhaust gas generated by combustion in the engine 1 is sent from the exhaust manifold 6 to the turbine 2b.
And is discharged from the exhaust pipe 7. In the normal state, the supply pressure is higher than the exhaust gas pressure. However, since the supply pressure can be made lower than the exhaust gas pressure at the exhaust gas introduction portion by using the effect of the venturi 8, opening the EGR valve 12 will A part is returned to the air supply manifold 5 via the EGR pipe 11. At this time, the exhaust gas is cooled by the EGR cooler 20 in order to reduce the maximum temperature in the combustion chamber and enhance the NOx reduction effect.
図１は熱交換器の一種であるＥＧＲクーラ２０を示す側面断面図である。図１において、外筒２１の一側には排気ガス入口管３０が固着されている。排気ガス入口管３０の端部にはフランジ３４が固着されている。フランジ３４にはＥＧＲ配管１１が接続されている。外筒２１の他端には排気ガス出口管３１が固着されている。排気ガス出口管３１の端部にはフランジ３５が固着されている。フランジ３５にはＥＧＲ配管１１が接続されている。そして、外筒２１の両端部には排気ガスと冷却水を仕切る仕切板２２が固着されている。両端の仕切板間には仕切板２２を貫通させて複数のチューブ２３が伝熱部材として固着されている。排気ガス入口３２部、チューブ２３及び排気ガス出口３３部とで排気ガス通路３６を形成している。排気ガスは図の白矢印の方向に流れる。また、冷媒である冷却水の入口は排気ガス入口側近傍の外筒２１を貫通して水入口管２４が接続されている。冷却水出口は排気ガス出口側近傍の外筒２１を貫通して水出口管２５が接続されている。また、図２に示したように、外筒２１内には数多くの本数のチューブ２３が配置されている。 FIG. 1 is a side sectional view showing an EGR cooler 20 which is a kind of heat exchanger. In FIG. 1, an exhaust gas inlet pipe 30 is fixed to one side of the outer cylinder 21. A flange 34 is fixed to the end of the exhaust gas inlet pipe 30. The EGR pipe 11 is connected to the flange 34. An exhaust gas outlet pipe 31 is fixed to the other end of the outer cylinder 21. A flange 35 is fixed to the end of the exhaust gas outlet pipe 31. An EGR pipe 11 is connected to the flange 35. A partition plate 22 that partitions the exhaust gas and the cooling water is fixed to both ends of the outer cylinder 21. A plurality of tubes 23 are fixed as heat transfer members through the partition plate 22 between the partition plates at both ends. An exhaust gas passage 36 is formed by the exhaust gas inlet 32 part, the tube 23 and the exhaust gas outlet 33 part. Exhaust gas flows in the direction of the white arrow in the figure. In addition, an inlet of cooling water as a refrigerant passes through the outer cylinder 21 in the vicinity of the exhaust gas inlet side and is connected to a water inlet pipe 24. The water outlet pipe 25 is connected to the cooling water outlet through the outer cylinder 21 near the exhaust gas outlet. Further, as shown in FIG. 2, a large number of tubes 23 are arranged in the outer cylinder 21.
図３において、チューブ２３の内外径面の少なくとも一面には熱通過率が低い材料である例えば、ガラス２７が薄膜状態として、後述するポリシラザン法によりコーティングされている。薄膜の厚さは、熱通過率を余り低下させないように、０．１〜１０μｍとされている。さらにガラス２７のクラックの入り易さを考慮してより好ましくは０．１〜４μｍが最適である。 In FIG. 3, at least one of the inner and outer diameter surfaces of the tube 23 is coated with a polysilazane method, which will be described later, in a thin film state, for example, glass 27 which is a material having a low heat transmission rate. The thickness of the thin film is set to 0.1 to 10 μm so as not to reduce the heat passage rate so much. Further, considering the ease of cracking of the glass 27, 0.1 to 4 μm is more preferable.
非金属の薄膜２７のコーティングは、伝熱部材であるチューブ２３だけでなく、仕切板２２の排気ガス側や冷却水側のいずれの表面に行っても、また、伝熱部以外のＥＧＲ配管１１、排気ガス入口管３０、排気ガス出口管３１、水入口配管２４、水出口配管２５、外筒２１の内径等のいずれに行っても耐腐蝕性の向上を図ることができる。 The coating of the non-metallic thin film 27 is performed not only on the tube 23 which is a heat transfer member, but also on any surface of the partition plate 22 on the exhaust gas side or the cooling water side, and the EGR pipe 11 other than the heat transfer section. Corrosion resistance can be improved regardless of whether the exhaust gas inlet pipe 30, the exhaust gas outlet pipe 31, the water inlet pipe 24, the water outlet pipe 25, the inner diameter of the outer cylinder 21, or the like is used.
熱交換器の伝熱部材であるチューブ２３の材料としては熱伝達係数および熱伝導係数の良い鉄、鉄合金、銅、銅合金、アルミニウム等の金属材料が一般に使用されている。ＥＧＲクーラ２０のチューブ２３用の材料としては、主にステンレス鋼が使用されている。 As a material of the tube 23 which is a heat transfer member of the heat exchanger, a metal material such as iron, iron alloy, copper, copper alloy, and aluminum having a good heat transfer coefficient and heat conduction coefficient is generally used. As a material for the tube 23 of the EGR cooler 20, stainless steel is mainly used.
次に、前記チューブ２３の内周や外周等に前記ガラス２７をコーティングする方法であるポリシラザン法について説明する。Si-N（珪素−窒素）結合を持つ化合物をシラザンと呼ぶ。ポリシラザンは、-(SiH2NH)-を基本ユニットとする有機溶剤に可溶な無機ポリマーで、ペルヒドロポリシラザン（略してPHPS=側鎖全部が水素のポリシラザン）という。このポリマーの有機溶媒溶液を塗布液として用い、大気中または水蒸気含有雰囲気で焼成することにより、水分や酸素と反応し、０〜４５０℃程度で緻密な高純度シリカ（アモルファスSiO2）膜が得られる。有機溶剤としては、ポリシラザンは、OH（水酸基）を持つ物質と反応し、加水分解されるため、水、アルコール系溶媒は使用できないのでケトンやエステル類など水を溶解する溶媒も好ましくない。そこで、溶解性、安定性、塗膜性状の点からキシレン、ジブチルエーテルが用いられている。 Next, a polysilazane method, which is a method of coating the glass 27 on the inner periphery and outer periphery of the tube 23, will be described. A compound having a Si-N (silicon-nitrogen) bond is called silazane. Polysilazane is an inorganic polymer that is soluble in an organic solvent having-(SiH2NH)-as a basic unit, and is called perhydropolysilazane (abbreviated as PHPS = polysilazane whose side chains are all hydrogen). When this polymer organic solvent solution is used as a coating solution and baked in the air or in an atmosphere containing water vapor, it reacts with moisture and oxygen to obtain a dense high-purity silica (amorphous SiO2) film at about 0 to 450 ° C. . As an organic solvent, polysilazane reacts with a substance having OH (hydroxyl group) and is hydrolyzed. Therefore, water and alcohol solvents cannot be used. Therefore, solvents that dissolve water such as ketones and esters are not preferable. Therefore, xylene and dibutyl ether are used from the viewpoint of solubility, stability, and film properties.
本発明の熱交換器であるＥＧＲクーラ２０は、上記のような構成としたため、伝熱部材であるチューブ２３表面に緻密な安定したガラス２７の薄膜を得ることができる。これにより、排気ガスがＥＧＲクーラ２０で冷却されるときに発生する凝縮水と燃料中に含まれる硫黄成分とからできる硫酸による腐蝕を防止できる。また、ガラス２７表面は、汚れが付着し難くいし、付着しても落ち易いので、排気ガス中に含まれるすすやパティキュレートが付着し難くでき、伝熱量の低下を少なくできると共に洗浄作業が簡単にできる。 Since the EGR cooler 20 that is the heat exchanger of the present invention has the above-described configuration, a dense and stable thin film of glass 27 can be obtained on the surface of the tube 23 that is a heat transfer member. Thereby, it is possible to prevent corrosion caused by sulfuric acid formed from the condensed water generated when the exhaust gas is cooled by the EGR cooler 20 and the sulfur component contained in the fuel. Further, the surface of the glass 27 is difficult to adhere to dirt, and even if it adheres to it, soot and particulates contained in the exhaust gas are difficult to adhere, so that a decrease in heat transfer amount can be reduced and cleaning work is easy. Can be.
１…エンジン、２…ターボチャージャ、２ａ…コンプレッサ、２ｂ…タービン、３…吸気管、４…給気管、５…給気マニホールド、６…排気マニホールド、７…排気管、８…ベンチュリ、１０…ＥＧＲ装置、１１…ＥＧＲ配管、１２…ＥＧＲバルブ、２０…ＥＧＲクーラ、２１…外筒、２２…プレート、２３…チューブ、２４…水入口管、２５…水出口管、２７…ガラス、３０…排気ガス入口管、３１…排気ガス出口管、３２…排気ガス入口、３３…排気ガス出口、３４，３５…フランジ、３６…排気ガス通路
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 ... Engine, 2 ... Turbocharger, 2a ... Compressor, 2b ... Turbine, 3 ... Intake pipe, 4 ... Intake pipe, 5 ... Intake manifold, 7 ... Exhaust manifold, 8 ... Venturi, 10 ... EGR Equipment: 11 ... EGR piping, 12 ... EGR valve, 20 ... EGR cooler, 21 ... outer cylinder, 22 ... plate, 23 ... tube, 24 ... water inlet pipe, 25 ... water outlet pipe, 27 ... glass, 30 ... exhaust gas Inlet pipe, 31 ... exhaust gas outlet pipe, 32 ... exhaust gas inlet, 33 ... exhaust gas outlet, 34, 35 ... flange, 36 ... exhaust gas passage
Claims (5)
伝熱部材の伝熱面の少なくとも一面に非金属を薄膜としてコーティング処理をする
ことを特徴とする熱交換器。 In the heat exchanger,
A heat exchanger, wherein at least one of the heat transfer surfaces of the heat transfer member is coated with a nonmetal thin film.
ことを特徴とする請求項１に記載の熱交換器。 The heat exchanger according to claim 1, wherein the non-metallic thin film has a thickness of 0.1 to 10 μm.
ことを特徴とする請求項１ないし請求項２のいずれかに記載の熱交換器。 The heat exchanger according to any one of claims 1 to 2, wherein the non-metallic thin film is glass (27).
ことを特徴とする請求項３に記載の熱交換器。 The heat exchanger according to claim 3, wherein the glass coating treatment is silica coating by a polysilazane method.
ことを特徴とする請求項４に記載の熱交換器。
The heat exchanger according to claim 4, wherein the heat transfer member is stainless steel.
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