JP2007225137A - 排気ガス冷却装置用多管式熱交換器および伝熱管 - Google Patents

Abstract

【課題】 ＥＧＲガス冷却装置用多管式熱交換器に配設される複数の伝熱管に、均一な流量と流速分布とを以ってＥＧＲガスを導入することにより、優れた熱交換効率が得られる多管式熱交換器および伝熱管を提供する。
【解決手段】 ＥＧＲガス冷却装置におけるシェルアンドチューブ型の多管式熱交換器において、多管式熱交換器を構成するシェル本体に、チューブシートを介して一体として内装され、排気ガスの流路を形成する複数の伝熱管の管軸に垂直な断面積が、排気ガス流入口側で大きく、該排気ガス流出口側で小さく、順次に連続して形成される排気ガス冷却装置用多管式熱交換器並びに該熱交換器に内装される前記伝熱管。
【選択図】 図６

Description

本発明は、所謂シェルアンドチューブ型の排気ガス冷却装置用多管式熱交換器に係り、詳しくは熱交換器型排気ガス冷却装置における多管式熱交換器のシェル本体に、チューブシートを介して一体として内装され、該シェル本体内における排気ガスの流路を形成する複数の伝熱管に、特有の改良を施すことによって、該伝熱管内を通流する高温の排気ガスと、管壁を隔ててその外側を通流する冷却媒体との間において、効率良く熱交換を促進する排気ガス冷却装置用多管式熱交換器並びに該熱交換器用の伝熱管に関する。

ディーゼルエンジンの排気系から排気ガスの一部を取り出して再びエンジンの吸気系に戻し、混合気に加える方法は、ＥＧＲ（Ｅｘｈａｕｓｔ Ｇａｓ Ｒｅｃｉｒｃｕｌａｔｉｏｎ：排気再循環）と称され、ＮＯｘ（窒素酸化物）の発生を抑制し、ポンプ損失の低減や燃焼ガスの温度低下に伴う冷却液への放熱損失の低減、作動ガス量・組成変化による比熱比の増大と、それに伴うサイクル効率の向上など、多くの効果が得られるところから、ディーゼルエンジンの排気ガスの浄化や、熱効率を改善するための有効な方法として広く採り入れられている。

ところが、ＥＧＲガスの温度が上昇し、ＥＧＲガス量が増大すると、その熱作用によってＥＧＲバルブの耐久性が劣化し、早期に破損する虞が生ずるため、その防止策として冷却系を設けて水冷構造とする必要に迫られたり、吸気温度の上昇に伴い充填効率が低下して燃費が低下するという現象を招来する。このような事態を回避するためにエンジンの冷却液、カーエアコン用冷媒または冷却風などによってＥＧＲガスを冷却する装置が用いられ、とりわけ、気体であるＥＧＲガスをエンジン冷却水で冷却する気−液熱交換タイプのＥＧＲガス冷却装置が多数提案され使用されている。この気−液熱交換タイプのＥＧＲガス冷却装置の中でも、構造がシンプルで狭隘な設置空間においても容易に取付けが可能な、２重管式熱交換タイプのＥＧＲガス冷却装置に依然として根強い需要があり、例えば高温のＥＧＲガスを通す内管の外側に液体を通す外管を配設し、ガスと液体間で熱交換を行う交換器において、内管内に金属コルゲート板がフィンとして挿入されている２重管式熱交換器（例えば、特許文献１参照）、内側に被冷却媒体を流通させる内管と、該内管の外周を離間して囲むように設けられた外管と、前記内管の内部に配設された熱応力緩和機能を有する放熱フィンとから構成された２重管式熱交換器（例えば、特許文献２参照）をはじめとして、数多くの２重管式熱交換器が提案されている。

上記のように種々の改良が施されたフィン構造体を内装した２重管式熱交換器によれば、その構造が簡略でコンパクトであるにも拘らず、それなりに優れた冷却効率が期待できるために、小型自動車など設置空間に限りのあるＥＧＲガス冷却用の熱交換器として、既に数多く実用に供されているが、構造上コンパクトであるがゆえに通流する流体の絶対量においては自ずと限界があり、結果として熱交換効率としては優れるものの、交換熱量のトータル量においては不十分であるという問題が残されていた。このような問題を解消するためには構造上多少複雑で大型化が余儀なくされたとしても、所謂シェルアンドチューブ型の多管式熱交換器を採用せざるを得ず、これらの熱交換器についても様々な改良がなされている。斯かるシェルアンドチューブ型の多管式熱交換器の一例としては、冷却ジャケットを構成するシェル本体に複数配設されて伝熱管群を形成する該伝熱管が、シェル本体の中央部分、即ち高温のＥＧＲガスの流れやすい部位においてはその管径を小径とし、かつその配設密度を粗くし、該シェル本体における外側の部位、即ち該ＥＧＲガスの流れ難い部位についてはその管径を太くすると共に、その配設密度を高く形成することにより、シェル本体内を通流するガスの流量と流速の均一化を図り、結果として熱交換効率の向上と交換熱量の増大を図った多管式ＥＧＲガス冷却装置（例えば、特許文献３参照）が提案されている。また、ＥＧＲガス流路となる伝熱管群が内装されるシェル本体のＥＧＲガス導入部に、シェル本体に対して直交状態で接続される略Ｌ字型のボンネットが、ＥＧＲガス排出側に接続されるボンネットに比較して、その全長が約２倍を超える長さとすることにより、該ＥＧＲガス導入側ボンネットに流入したガスの流れに、衝突や拡散など所定距離の助走機会が与えられ、流速の偏りを防止して冷却効率を高めたというＥＧＲガス冷却装置（例えば、特許文献４参照）も提案されている。さらに、多管式熱交換器に内装されて伝熱管群を形成する各々の伝熱管が、その管壁の内側に突出する突条を、周方向に連続してスパイラル状に設けられると共に、該突条の高さがガスの入口側から出口側に向かって徐々に高く、かつ高い密度を持って形成することにより、ガスの流れに対する境界層の発達を阻止し、同時に乱流化を促進して温度効率の向上を図ったＥＧＲクーラー（例えば、特許文献５参照）が開示されている。

このように熱交換器に内装される伝熱管の構造を改良して、温度効率の向上を図ろうとする熱交換器は、上記のほかにも種々の提案がなされている。例えば熱交換器に内装される伝熱管における管入口範囲、管出口範囲及び管中間範囲を持ち、管壁が、熱伝達を促進するために反覆して流れ断面を部分的に狭める構造を持ち、該伝熱管の少なくとも２つの部分範囲において、管の単位長さあたり、流れ断面を部分的に狭める構造の密度又は流れ狭めの程度が変化するものにおいて、上記管出口範囲において管の単位長さあたり、流れ断面を部分的に狭める構造の密度又は流れ狭めの程度が減少する熱交換器（例えば、特許文献６参照）が提案されている。さらに、図７に示すＥＧＲクーラーにおいては、シェル本体１０内に内装された伝熱管３０に排気ガスｇを通流させ、該伝熱管３０の外側を流れる冷却水ｗと熱交換するＥＧＲクーラーにおいて、図８に示すように該伝熱管３０の内周面に、排気ガスｇの流れ方向に向けて、伝熱管３０中心側への隆起高さＨが徐々に低くなるようにして、スパイラル状の突起１１を形成するように構成（例えば、特許文献７参照）されている。従って伝熱管３０内周面における排気ガスｇ入口側で、スパイラル状突起１１の隆起高さＨが相対的に高くなっているので、伝熱管３０の入口側における比較的短い区間のうちに排気ガスｇに対する強い回転力が付与され、該入口側から出口側への広い範囲で効率的な熱交換が行われ、さらには該伝熱管３０の出口側に向かうにつれて、前記スパイラル状の突起１１の隆起高さＨが相対的に低くなっているため、流体に対する圧力損失の上昇が最小限に抑制され、該伝熱管３０内での煤の堆積も良好に抑制される旨開示されている。
特開平１１−２３１８１号公報（図１〜２） 特開２０００−１１１２７７号公報（図１〜２） 特開平１１−１９３９９２号公報（図１〜６） 特開平１１−２８０５６３号公報（図２） 特開２００２−４９５２号公報（図３〜７） 特開２００２−２６７３８１号公報（図１、３） 特開２００２−１８０９１５号公報（図６〜７）

上記各従来技術において、特許文献１〜２に開示されている２重管タイプのＥＧＲガス冷却装置の場合は、上記ようにその構造が簡略でコンパクトであるにも拘らず、それなりに優れた冷却効率が期待できるために、小型自動車など設置空間に限りのあるＥＧＲガス冷却用の熱交換器としては、既に数多く実用に供されているが、構造上コンパクトであるがゆえに通流する流体の絶対量においては自ずと限界があり、結果として熱交換効率としては優れるものの、交換熱量のトータル量においては不十分となるという問題が残されていた。このような問題を解消するためのシェルアンドチューブ型の多管式熱交換器としての、上記特許文献３のＥＧＲガス冷却装置によれば、シェル本体内に配設する伝熱管を、ガスの流れやすい部位において小径とすると共に配設密度を粗くし、一方、ガスの流れ難い部位を大径とすると共にその配設密度を高くすることにより、シェル内におけるＥＧＲガス流量と流速の均一化を図り、高い熱交換性能が得られているが、径の異なる複数の伝熱管を用意することと、それらを異なった密度で配設するために、その工程が複雑となって加工コストの上昇が避けられないという問題があり、また、上記特許文献４におけるＥＧＲ冷却装置は、ＥＧＲガス流入口側のボンネットを大幅に長くすることが必須の要件となり、限られたスペースに配置されるＥＧＲガス冷却装置は、よりコンパクトであることが望まれるところから、レイアウトの面で大きな問題が残されていた。なお、上記特許文献５〜７に開示される多管式の熱交換器は、いずれも熱交換器に配設される伝熱管そのものの構造を改良することによって、熱交換効率の向上を図ろうとするものであり、それぞれに優れた成果が報告されているが、いずれの伝熱管も内周面に突条や突起、或いは流れ狭め部などを設けるために、加工コストが嵩むという共通の課題があり、加えて特許文献５の伝熱管は内周面にスパイラル状に形成される突条が、ＥＧＲガスの流れを乱して圧力損失が増大するという問題があり、上記特許文献６の伝熱管はＥＧＲガス入口側での流入抵抗が大きくなって、伝熱管へのガスの流入量にアンバランスが生ずることが懸念され、密度又は狭め部により流れが乱されて圧力損失が増大する。さらに、上記特許文献７の伝熱管においても入口部分での流入抵抗が大きく、伝熱管への流入量のアンバランスを解消するための対策が施されておらず、結果として熱交換効率の妨げとなり、スパイラル状に形成される突起が流れを乱して圧力損失が増大するという未解決な課題も残されていた。

なお、上記各従来例においてはシェル本体内に内装され、高温の排気ガスの流路となる伝熱管にスパイラル状の突条や突起等、比較的複雑な成形加工を必要するため、伝熱管そのものの単価が上昇し、加えて伝熱管に施されたそれらの突条や突起などが、伝熱管入口付近において導入されるガスの流れにアンバランスを生じ、さらには管内を通流する排気ガスの流れを乱して、圧力損失が増大するという未解決な課題が残されていた。本発明は上記従来技術に残された課題を解決することを所期の目的とするものであり、伝熱管内に導入されるガスの流れに所定のバランスが維持されるように改善し、簡略な構造であるにも拘らず、多管式熱交換器における伝熱管内を通流する排気ガスの流れを一定に保って、伝熱管ごとの圧力損失のアンバランスが殆ど発生しない、優れた伝熱性能が得られる伝熱管と、該伝熱管を内装した多管式熱交換器を提供するものである。

上記課題を解決するための本発明は、排気ガス冷却装置における多管式熱交換器において、該多管式熱交換器を構成するシェル本体に、チューブシートを介して一体として内装され、排気ガスの流路を形成する複数の伝熱管の管軸に垂直な断面積が、排気ガス流入口側で大きく、該排気ガス流出口側で小さく、順次に連続して形成されることを特徴的構成要件とする排気ガス冷却装置用多管式熱交換器を要旨とするものである。

また、本発明による上記排気ガス冷却装置用多管式熱交換器において、前記伝熱管が、断面形状円形の円筒体であり、排気ガス流路における上流側から下流側に向かって順に、大径のストレート部、テーパー部、小径のストレート部が、順次に連続して形成されることを特徴とするものである。

さらに、本発明による上記排気冷却装置用多管式熱交換器において、
前記伝熱管が、断面形状円形の円筒体であり、排気ガス流路における上流側から下流側に向かって順に、テーパー部、小径のストレート部が、順次に連続して形成されることを特徴とするものである。

本発明に係る上記排気ガス冷却装置用多管式熱交換器における前記伝熱管が、断面形状円形の円筒体であり、排気ガス流路における上流側管端から下流側管端に向かって、連続して小径化したテーパー部が形成されることを特徴とするものである。

上記本発明によるＥＧＲガス冷却装置用多管式熱交換器において、 前記伝熱管が、断面形状略矩形の偏平管であることを好ましい態様とするものである。

また、上記本発明によるＥＧＲガス冷却装置用多管式熱交換器において、前記伝熱管が、断面形状略楕円の偏平管であることを好ましい態様とするものである。

上記課題を解決するための本発明による多管式熱交換器用の伝熱管は、排気ガス冷却装置における多管式熱交換器を構成するシェル本体に、チューブシートを介して一体として内装され、排気ガスの流路を形成する複数の伝熱管において、該伝熱管の管軸に垂直な断面積が排気ガス流入口側で大きく、排気ガス流出口側で小さく、順次に連続して形成されることを特徴的構成要件とするものである。

また、上記本発明による伝熱管が、断面形状円形の円筒体であり、排気ガス流路における上流側から下流側に向かって順に、大径のストレート部、テーパー部、小径のストレート部が、順次に連続して形成されることを特徴とするものである。

さらに、上記本発明による伝熱管が、断面形状円形の円筒体であり、排気ガス流路における上流側から下流側に向かって順に、テーパー部、小径のストレート部が、順次に連続して形成されることを特徴とするものである。

上記本発明による前記伝熱管が、断面形状円形の円筒体であり、排気ガス流路における上流側管端から下流側管端に向かって、連続して小径化したテーパー部が形成されることを特徴とするものである。

上記本発明による前記伝熱管はまた、断面形状略矩形の偏平管であることを好ましい態様とするものである。

上記本発明による前記伝熱管はさらに、断面形状略楕円の偏平管であることを好ましい態様とするものである

本発明に係る上記排気ガス冷却装置におけるシェルアンドチューブ型の多管式熱交換器によれば、該多管式熱交換器を構成するシェル本体に、チューブシートを介して一体として接続され、前記シェル本体内における排気ガスの流路を形成する複数の伝熱管が、その断面積が該シェル本体の排気ガス流入口側で大きく、その流出口側で小さくなるように順次に連続して形成されることにより、本発明による上記該伝熱管内に導入される排気ガスの流入が、口径が大径であるためにスムースとなり、各伝熱管の入口付近ではＥＧＲガスは高温のため膨張していて流れは高速となり、細い伝熱管に流入し難いが、口径が太い場合は流入し易くなり、管毎の流量のアンバランスが減少して伝熱性能が向上し、流れの抵抗が減少することによって、排気ガス流入量のバランスが均一に保たれ、管壁を隔ててその外側を通流する冷却媒体に対する熱交換が効率良く進行する。また、太い管径を有する伝熱管の流入口に導入された高温の排気ガスは、次第に管径の狭められる方向に流下するに伴い、冷却されて収縮するものの、流速の低下が抑制され且つ該排気ガス流体と伝熱管管壁との距離が近接し、該管壁の外側を通流する冷却媒体との接触の機会が上昇して、効果的な熱交換が促進されるように構成されている。斯かる構造の本発明による伝熱管は、管の内周面に突条や突起をスパイラル状に設けることもなく、その長手方向に大径部から小径部を順次に連続して形成するという単純な構造であるため、押し抜き成形加工などによって容易に量産が可能であり、さらにはその断面形状を略矩形としたり、或いは略楕円形の偏平管とすることも可能であるために、伝熱管としての性能の向上が簡単な設計変更で容易に、かつ殆ど初期投資を要することなく達成することができる。このように本発明における上記伝熱管は低コストでの製作が可能であり、かつそのシェル本体への取付け手段も容易であるにも拘らず、得られる効果は著しく優れたものであるところから、これを取付けた多管式熱交換器はＥＧＲガス冷却装置など、排気ガス冷却装置の低い排気ガスの流過抵抗と高い伝熱性により、小型軽量化を低コストで実現できると同時に、省エネルギーの観点においても多大に貢献することができる。

以下、本発明の実施の形態について、添付した図面並びに実施例に基づいて更に詳細にかつ具体的に説明するが、本発明はこれによって拘束されるものではなく、多管式熱交換器の構造や伝熱管の形状を含め、本発明の主旨の範囲内において自由に設計変更が可能である。

図１は本発明に係る多管式熱交換器に配設される第１実施例による伝熱管の単体を示し、（ａ）その要部側面図、（ｂ）はその背面図、図２は本発明に係る第２実施例による伝熱管の単体を示し、（ａ）はその模式的な要部側面図、（ｂ）その背面図、図３は同じく第３実施例の伝熱管の単体を示し（ａ）はその模式的な要部側面図、（ｂ）はその背面図、図４は同じく第４実施例の伝熱管の単体を示し、（ａ）はその模式的な要部斜視図、（ｂ）はその背面図、図５は同じく第５実施例の伝熱管の単体を示し、（ａ）はその模式的な要部斜視図、（ｂ）はその背面図、図６は本発明に係る第１実施例による排気ガス冷却装置用の多管式熱交換器を示し、（ａ）はその模式的な要部縦断側面図、（ｂ）は（ａ）におけるＡ−Ａ線上断面図である。

本発明に係る第１実施例によるＥＧＲガス冷却装置用の多管式熱交換器に配設される伝熱管１は、図１（ａ）および（ｂ）にその要部を示すように、断面形状が円形で厚さが０．４ｍｍのＳＵＳ３０４Ｌオーステナイト系ステンレススチール製の円筒管からなり、ＥＧＲガスＧの流入口２側から順に大径のストレート部１−１、該大径のストレート部１−１に連なって下流側に小径化するテーパー部１−２、該テーパー部１−２に連なって小径のストレー部１−３が形成される３段構造となっている。本実施例における当該伝熱管１は、大径のストレー部１−１の内径１−１Ｄが７．９４ｍｍで、該ストレート部１−１の長さ１−１Ｌが６．３５ｍｍであり、小径のストレート部１−３の内径１−３Ｄは６．３５ｍｍで、その長さ１−３Ｌは１２０ｍｍであり、前記大径のストレート部１−１の末端から小径のストレート部１−３の端緒までの長さ、即ちテーパー部１−２の長さ１−２Ｌは２０ｍｍに形成され、ダイスを用いた押し抜き加工によって容易に量産が可能である。このようにして得られた本実施例による伝熱管１の１２本を、図６に示すような断面形状略矩形の多管式熱交換器４におけるシェル本体４−１に、チューブシート４−４および４−５を介して一体として内装して伝熱管群が形成され、ＥＧＲガス冷却装置用の多管式熱交換器４を得た。得られた該多管式熱交換器４によってＥＧＲガス冷却装置を構成し、ＥＧＲガス冷却系における排気ガス流路に組み込み、冷却性能試験に供した結果、ＥＧＲガス流入管側のボンネット５−１から流入したＥＧＲガスＧは、伝熱管の流入口径が大径であることにより流入し易く、抵抗少なく流入するため伝熱管ごとの流入量のアンバランスが生じ難く、従って各管ごとにおいても略均一に流入し、且つＥＧＲガス流入口２から伝熱管１の大径ストレー部１−１に流入した高温のＥＧＲガスＧは、テーパー部１−２、小径ストレート部１−３に流下するに従い順次その流路が狭められつつも、体積を減少させながら連続的な管径の変化に伴ってＥＧＲガスＧの流れは全長に亘り径が一定な従来の伝熱管と比較して増速され、バランスを乱すこともなく、かつ圧力損失を殆ど伴うことなく通流し、狭められた流路によって該伝熱管１の管壁を隔ててその外側を通流する冷却水に対する熱交換が促進され、排気ガス流出口３から下流側のボンネット５−２に流出したＥＧＲガスは、所定の温度域にまで効率良く冷却されていることが確認された。

なお、本実施例においてシェル本体４−１内に配設され、伝熱管群を形成する上記複数の伝熱管１は、排気ガス流入口２側における断面形状が、それぞれ大径に形成された大径ストレート部１−１を有することにより、該伝熱管群を形成する個々の伝熱管１に導入されるＥＧＲガスＧは、圧力損失を殆ど伴うことなくほぼ均等に分配されて通流し、該伝熱管１の管壁の外周を通流する冷却水への熱交換が効率良く促進され、ＥＧＲガス出口３側のボンネット５−２から排出されるＥＧＲガスが、所定の温度域にまで容易に冷却されることとなる。また、本実施例による上記円筒状の伝熱管１は、厚さが０．４ｍｍのＳＵＳ３０４Ｌオーステナイト系ステンレススチール製の円筒管を、押し抜き加工を施すことによって製造したが、その製造方法は特に制限されるものではなく、耐食耐熱性に優れる各種ステンレススチールをはじめとする通常鋼管等を素材として製造され、管径の断面面積を徐々に縮小する（或いは拡大する）ための加工手段は、本実施例における押し抜き成形加工の他にプレス成形加工、液圧バルヂ加工、機械的な切削加工など、適宜な加工手段によって形成することも可能である。さらに、前記チューブシート４−４、４−５とシェル本体４−１、該チューブシート４−４、４−５と伝熱管１との接合は、本実施例においてはろう材を用いたろう付を採用したが、溶接による接合や特殊接着剤による接合なども好ましく採用することができる。

伝熱管の形状を図２に示すようにテーパー部１ａ−２と、小径ストレート部１ａ−３の連続する２形態とし、排気ガス流入口２ａとなる最大径の管径２ａ−Ｄを９．５２ｍｍ、テーパー部１ａ−２の長さ１ａ−２Ｌを４０ｍｍ、小径ストレート部１ａ−３の管径１ａ−３Ｄを７．９４ｍｍ、その長さ１ａ−３Ｌを２８０ｍｍとした伝熱管１ａを形成し、該伝熱管１ａを用いた以外は実施例１と同様にして多管式熱交換器４ａ（図示を省略、以下同様）を得た。得られた本例による多管式熱交換器４ａを、ＥＧＲガス冷却系におけるガス流路に組込み、実施例１と同様の冷却性能試験に供した結果、実施例１と同様に優れた冷却効率が得られることが確認された。

伝熱管の形状を図３に示すようにその全長に渡ってテーパー部１ｂ−２が形成された円筒管とし、排気ガス流入口２ｂとなる最大径の管径２ｂ−Ｄを９．５２ｍｍ、排気ガス流出口３ｂとなる最小径の管径３ｂ−Ｄを６．３５ｍｍ、その全長１ｂ−２Ｌを３２５ｍｍとした伝熱管１ｂを形成し、該伝熱管１ｂを用いた以外は実施例１と同様にして多管式熱交換器４ｂを得た。得られた本例による多管式熱交換器４ｂを、ＥＧＲガス冷却系におけるガス流路に組込み、実施例１と同様の冷却性能試験に供した結果、実施例１と同様の優れた冷却効率が得られることが確認された。

図４に示すように伝熱管の断面形状を略矩形の偏平管に形成すると共に、実施例１の伝熱管１に準じて、ＥＧＲガスＧの流入口２ｃ側から順に大径のストレート部１ｃ−１、該大径のストレート部１ｃ−１に連なって下流側に小径化するテーパー部１ｃ−２、該テーパー部１ｃ−２に連なって小径のストレー部１ｃ−３が形成される３段構造を有し、排気ガス流入口２ｃに相当する大径ストレート部１ｃ−１の断面積と長さが、実施例１における同部分の断面積と長さに相当し、排気ガス流出口３ｃに相当する小径ストレート部１ｃ−３の断面積と長さが、実施例１における同部分の断面積と長さに相当し、テーパー部１ｃ−２の長さが実施例１における同部分の長さに相当するようにして伝熱管１ｃを形成し、該伝熱管１ｃを用いた以外は実施例１と同様にして多管式熱交換器４ｃを得た。得られた本例による多管式熱交換器４ｃを、ＥＧＲガス冷却系におけるガス流路に組込み、実施例１と同様の冷却性能試験に供した結果、実施例１と同様に優れた冷却効率が得られることが確認された。

図５に示すように伝熱管の断面形状を略楕円形の偏平管に形成すると共に、その形態を実施例２と同じようにテーパー部１ｄ−２と、小径ストレート部１ｄ−３の連続する２形態とし、排気ガス流入口２ｄに相当する最大径部分の断面積が、実施例２における同部分の断面積に相当し、該テーパー部１ｄ−２の長さが実施例２における同部分の長さに相当し、排気ガス流出口３ｄに相当する小径ストレート部１ｄ−３の断面積と長さが、実施例２における同部分の断面積と長さに相当するようにして伝熱管１ｄを形成し、該伝熱管１ｄを用いた以外は実施例１と同様にして多管式熱交換器４ｄを得た。得られた本例による多管式熱交換器４ｄを、ＥＧＲガス冷却系におけるガス流路に組込み、実施例１と同様の冷却性能試験供した結果、実施例１と同様に優れた冷却効率が得られることが確認された。

本発明に係る伝熱管は、所期の目的を達成することができる範囲内において、上記各実施例の他に様々な形態として形成することを妨げるものではなく、基本的に排気ガスの流入口から流出口側に向かって、ガス流路となる伝熱管の管軸に垂直な断面積が、連続して徐々に縮小され、所望の長さに形成される範囲において、自由な形状を選択することが可能である。また、シェル本体内に内装される伝熱管が、上記の構造を有することにより、多管式熱交換器における伝熱管群を形成する個々の伝熱管に、高温の排気ガスがほぼ均等な流量と流速を持って分配導入され、全ての伝熱管において最大限の熱交換が行われて、トータルの熱交換効率が著しく向上する。このように優れた温度効率が得られるにも拘らず、本発明において用いられる個々の伝熱管は、その構造が簡略であり、排気ガス流路における圧力損失が大幅に減少するばかりでなく、加工コストを大幅に引き下げられることも確認された。

上記各実施例からも明らかなように、本発明による排気ガス冷却装置用のシェルアンドチューブ型の多管式熱交換器は、該熱交換器を構成するシェル本体に内装され、通流する排気ガスの流路を形成する伝熱管の管軸に垂直な断面積が、排気ガスの流入口から流出口側に掛けて連続して徐々に縮小するように形成されている。このように形成された本発明による該伝熱管は、前記シェル本体のチューブシートに一定の間隔を設けて複数配設され、該シェル本体内において伝熱管群を形成するが、配設された個々の伝熱管の排気ガス流入口側が、それぞれ大径でその断面積が広く形成されているために、流入された排気ガスが全ての伝熱管に抵抗なく流入し易く、結果的にその流れが均等に分配されて導入されるように構成されている。従って、排気ガス流路における圧力損失が大幅に減少して、導入された排気ガスは偏りなく分配され、均一な流速分布を維持した状態でシェル本体内における所定の距離を通流し、管壁を隔ててその外側を通流する冷却媒体との熱交換が、全ての伝熱管で効率良く促進され、結果としてトータルの冷却効率が著しく向上する。このようにして本発明による排気ガス冷却装置用の熱交換器によれば、該排気ガス冷却装置が有する熱交換性能を最大限に発揮させ、優れた冷却効率を得ることができるので、省エネルギー面においても多大に貢献する。また、本発明による上記伝熱管は極めて簡略な加工によって量産が可能であり、かつそのシェル本体への取付け手段も容易であるにも拘らず、得られる効果は著しく優れたものであるところから、これを取付けた多管式熱交換器はＥＧＲガス冷却装置の小型軽量化を低コストで実現できるなど、当該技術分野における多管式熱交換器として幅広く採用されることが期待される。

図１は本発明に係る多管式熱交換器に配設される第１実施例による伝熱管の単体を示し、（ａ）その要部側面図、（ｂ）はその背面図である。 本発明に基づく第２実施例による伝熱管の単体を示し、（ａ）はその要部側面図、（ｂ）その背面図である。 同じく第３実施例の伝熱管の単体を示し（ａ）はその要部側面図、（ｂ）はその背面図である。 同じく第４実施例の伝熱管の単体を示し、（ａ）はその模式的な要部斜視図、（ｂ）はその背面図である。 同じく第５実施例の伝熱管の単体を示し、（ａ）はその模式的な要部斜視図、（ｂ）はその背面図である。 本発明に係る第１実施例による排気ガス冷却装置用の多管式熱交換器を示し、（ａ）はその模式的な要部縦断側面図、（ｂ）は（ａ）におけるＡ−Ａ線上断面図である。 本発明に関連する従来例の多管式ＥＧＲガス冷却装置を示す要部縦断側面図である。 上記従来例の多管式ＥＧＲガス冷却装置に内装される伝熱管単体の側面図である。

符号の説明

１、１ａ、１ｂ、１ｃ、１ｄ 伝熱管
１−１、１ｃ−１、 大径ストレート部
１−２、１ａ−２、１ｂ−２、１ｃ−２、１ｄ−２ テーパー部
１−３、１ａ−３、１ｃ−３、１ｄ−３ 小径ストレート部
２、２ａ、２ｂ、２ｃ、２ｄ 排気ガス流入口
３、３ａ、３ｂ、３ｃ、３ｄ 排気ガス流出口
４ 多管式熱交換器
４−１ シェル本体
４−２、４−３ フランジ部
４−４、４−５ チューブシート
５−１、５−２ ボンネット
Ｇ 排気ガス
Ｗ−１ 冷却水入口
Ｗ−２ 冷却水出口

Claims (12)

1. 排気ガス冷却装置における多管式熱交換器において、該多管式熱交換器を構成するシェル本体に、チューブシートを介して一体として内装され、排気ガスの流路を形成する複数の伝熱管の管軸に垂直な断面積が、排気ガス流入口側で大きく、該排気ガス流出口側で小さく、順次に連続して形成されることを特徴とする排気ガス冷却装置用多管式熱交換器。
2. 前記伝熱管が、断面形状円形の円筒体であり、排気ガス流路における上流側から下流側に向かって順に、大径のストレート部、テーパー部、小径のストレート部が、順次に連続して形成されることを特徴とする請求項1に記載の排気ガス冷却装置用多管式熱交換器。
3. 前記伝熱管が、断面形状円形の円筒体であり、排気ガス流路における上流側から下流側に向かって順に、テーパー部、小径のストレート部が、順次に連続して形成されることを特徴とする請求項１に記載の排気ガス冷却装置用多管式熱交換器。
4. 前記伝熱管が、断面形状円形の円筒体であり、排気ガス流路における上流側管端から下流側管端に向かって、連続して小径化したテーパー部が形成されることを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１項に記載の排気ガス冷却装置用多管式熱交換器。
5. 前記伝熱管が断面形状略矩形の偏平管であることを特徴とする請求項１乃至４のいずれか１項に記載の排気ガス冷却装置用多管式熱交換器。
6. 前記伝熱管が、断面形状略楕円の偏平管であることを特徴とする請求項１乃至５のいずれか１項に記載のＥＧＲガス冷却装置用多管式熱交換器。
7. 排気ガス冷却装置における多管式熱交換器を構成するシェル本体に、チューブシートを介して一体として内装され、排気ガスの流路を形成する複数の伝熱管において、該伝熱管の管軸に垂直な断面積が排気ガス流入口側で大きく、排気ガス流出口側で小さく、順次に連続して形成されることを特徴とする伝熱管。
8. 前記伝熱管が、断面形状円形の円筒体であり、排気ガス流路における上流側から下流側に向かって順に、大径のストレート部、テーパー部、小径のストレート部が、順次に連続して形成されることを特徴とする請求項７に記載の伝熱管。
9. 前記伝熱管が、断面形状円形の円筒体であり、排気ガス流路における上流側から下流側に向かって順に、テーパー部、小径のストレート部が、順次に連続して形成されることを特徴とする請求項７または８に記載の伝熱管。
10. 前記伝熱管が、断面形状円形の円筒体であり、排気ガス流路における上流側管端から下流側管端に向かって、連続して小径化したテーパー部が形成されることを特徴とする請求項７乃至９のいずれか１項に記載の伝熱管。
11. 前記伝熱管が断面形状略矩形の偏平管であることを特徴とする請求項７乃至１０のいずれか１項に記載の伝熱管。
12. 前記伝熱管が、断面形状略楕円の偏平管であることを特徴とする請求項７乃至１１のいずれか１項に記載の伝熱管。
    
    

Images