JP2008232451A - 熱交換器の冷却水入口構造 - Google Patents

Abstract

【課題】シェル内における冷却水の流れを均一化するとともに局所的な過熱部位を無くして良好な熱交換ができるようにした熱交換器の冷却水入口構造を提供することを課題とする。
【解決手段】熱交換器のシェルにチューブアセンブリを内蔵し、前記各チューブの内部に高温のＥＧＲガスを通し、その外部に冷却水を通して熱交換するＥＧＲクーラ等の熱交換器における冷却水入口構造において、前記熱交換器の冷却水入口を形成する入口アダプタと、この入口アダプタを設けたシェルの内面側に突出した冷却水の流れ方向を規制する冷却水整流部材と、前記シェルの入口アダプタ配置箇所の真下を含む下辺側の壁面に、このシェルの下辺の横断方向全長に亘り適宜幅で下側へ膨らむ溝状に形成された冷却水の通路とを備えるように構成する。
【選択図】 図１

Description

本発明は、複数のチューブを内蔵したＥＧＲクーラ等の熱交換器における冷却水入口に冷却水の流れをシェル内で均一化し局所的な淀みを生じないように配分する熱交換器の冷却水入口構造に関するものである。

従来のチューブアセンブリを有するＥＧＲクーラ等の熱交換器１は、図９に示すように、スペーサとしての凸型に形成された複数のダボ２ａ，…，２ａを介してほぼ均一なクリアランスを設けて積層した扁平チューブ２を、ダボ２ａ同士を重ね合わせて各扁平チューブ間のクリアランスをほぼ均一に保ちつつ各扁平チューブ２，…，２の端部をそれぞれエンドプレート３，３に組み付けたチューブアセンブリ４を形成し、このチューブアセンブリ４をシェル１ａに収容して、水密、気密に固着して一体化している。
このような熱交換器１では、冷却水の入口１ｂ側には冷却水入口パイプ５を、冷却水の出口１ｃ側には出口アダプタ６ａを介した冷却水出口パイプ６を、それぞれ接続して冷却水をシェル１ａ内に導入できるようにし、各扁平チューブ２，…，２をその外面側から冷却して、各扁平チューブ２，…，２内を通過するＥＧＲガスを冷却する。

この冷却水入口パイプ５と冷却水出口パイプ６との接続位置は、冷却効果をより優れたものにするために、冷却水がシェル１ａ内を隅々まで通過できるようになる種々のタイプが形成されており、例えば、(1)シェル１ａの下面の一端部に冷却水入口パイプ５を接続し、上面には冷却水入口パイプ５を設けた端部と反対側の端部に冷却水出口パイプ６を設けているもの（特許文献１）、(2)シェル１ａの側面の一方には端部に冷却水入口パイプ５を設け、他方には冷却水入口パイプ５を設けた端部と反対側の端部に冷却水出口パイプ６を設けているもの（特許文献２）、(3)シェル１ａの側面の一方には端部に冷却水入口パイプ５を設け、シェル１ａの上面の冷却水入口パイプ５を設けた端部と反対側の端部に冷却水出口パイプ６を設けているもの（特許文献３）、また、(4)シェル１ａの下面の一端部に冷却水入口パイプ５を設け、シェル１ａの側面の冷却水入口パイプ５を設けた端部と反対側の端部に冷却水出口パイプ６を設けているもの（特許文献４）等がある。

そして、これら冷却水の冷却水入口パイプ５と冷却水出口パイプ６との配設位置による冷却水の流れの状態は、以下のようになっている。
(1)の場合には、シェル１ａ内に流入した冷却水は流入する方向と同じ方向に並べられた各扁平チューブ２，…，２に沿って流れるように分岐して各扁平チューブ２，…，２の壁面に沿って上方へ流れて上面の冷却水出口パイプ６に向かって収束し、排出されることで、すべての扁平チューブ２，…，２の表面を冷却している。
(2)の場合は、シェル１ａ内に流入した冷却水は直近の扁平チューブ２の壁面に沿って進み、扁平チューブ２の端縁からシェル１ａの内壁面に沿って反対側の壁面まで進み、反対側の壁面まで進む間に各扁平チューブ２の間に形成されているクリアランスに冷却水の若干量が曲り込み、各扁平チューブ２，…，２の間を通過してから冷却水出口パイプ６へ向かって収束して、冷却水出口パイプ６から排出される。
(3)の場合は、冷却水が横方向から流入して上方向へ流出させる場合で、流入した冷却水は直近の扁平チューブ２の壁面に沿って進み、扁平チューブ２の端縁からシェル１ａの内壁面に沿って反対側の壁面へ向かって進み、途中で各扁平チューブ２の間に形成されているクリアランスに冷却水の若干量を曲り込ませて、各扁平チューブ２，…，２の間を冷却水により冷却し、各扁平チューブ２，…，２の間を通過してから上面側の出口へ向かって収束して冷却水出口パイプ６から排出される。

特開２００２−１０７０９１公報 特開２００４−１７７０６０公報 特開２００３−２０１９２３公報 特開２００３−０９０６９３公報

〔従来技術の問題点〕
このような熱交換器１では、これら冷却水の出入口の配設位置による各扁平チューブ２，…，２の冷却状態が、シェル内部における冷却水の分布によって状況が異なる。
例えば、側面から流入し、上面から流出する場合、図９に示すように、冷却水の分岐の状態に偏りが生じて、冷却水の流れが多いところ１ｅと少ないところ１ｆとができ、水量の少ない場所では、扁平チューブ２内を流れるＥＧＲガスとの熱交換が悪くなり、特に熱交換量が多い扁平チューブ２，…，２間の冷却水が沸騰し、各扁平チューブ２，…，２の間ではシェル１ａの内壁面に沿って流れる周辺部の冷却水が中央部の冷却水に比較して流量が少なく、条件の悪いところでは冷却水が過熱されて沸騰するという問題点があった。
また、ガス温度が高くなっている近年のＥＧＲクーラ等の熱交換器においては、エンジンルームの制約上やむを得ず熱交換器の側面に冷却水入口パイプ５を設けて、冷却水がシェル１ａ内のチューブ壁面に垂直な方向から流入させなければならない場合がある。このような場合に、冷却水の出入口の位置関係によっては、シェル１ａ内に導かれる冷却水が最短距離を通って冷却水出口パイプ６から排出されていくため、流れの悪い箇所が生じて淀みとなり、その箇所で冷却水が過熱されて沸騰するという問題点があった。

本発明は、従来の技術における前記問題点に鑑みて成されたものであり、これを解決するため具体的に設定した技術的な課題は、シェル内における冷却水の流れを均一化するとともに局所的な過熱部位を無くして良好な熱交換ができるようにした熱交換器の冷却水入口構造を提供することにある。

本発明における前記課題が効果的に解決される熱交換器の冷却水入口構造を特定するために、必要と認める事項の全てが網羅され、具体的に構成された、課題解決手段を以下に示す。
熱交換器の冷却水入口構造に係る第１の課題解決手段は、熱交換器のシェルにチューブアセンブリを内蔵し、前記各チューブの内部に高温のＥＧＲガスを通し、その外部に冷却水を通して熱交換するＥＧＲクーラ等の熱交換器における冷却水入口構造において、前記熱交換器の冷却水入口を形成する入口アダプタと、この入口アダプタを設けたシェルの内面側に突出した冷却水の流れ方向を規制する冷却水整流部材と、前記シェルの入口アダプタ配置箇所の真下を含む下辺側の壁面に、このシェルの下辺の横断方向全長に亘り適宜幅で下側へ膨らむ溝状に形成された冷却水の通路と、を備えたことを特徴とするものである。

同上熱交換器の冷却水入口構造に係る第２の課題解決手段は、前記冷却水の通路の適宜幅を前記冷却水整流部材の幅と同等以上の幅としたことを特徴とする。
同上熱交換器の冷却水入口構造に係る第３の課題解決手段は、前記冷却水整流部材を、前記入口アダプタのシェル側の先端部に一体に形成したことを特徴とする。

同上熱交換器の冷却水入口構造に係る第４の課題解決手段は、前記冷却水整流部材を、前記シェルの内面に突出するようにシェルと一体に形成したことを特徴とする。
同上熱交換器の冷却水入口構造に係る第５の課題解決手段は、前記シェル内から冷却水を排出する冷却水出口を形成する出口アダプタを前記シェルの外面に固着し、前記入口アダプタの入口と前記出口アダプタの出口とは同一方向に向けたことを特徴とする。

熱交換器の冷却水入口構造に係る第１の課題解決手段では、熱交換器の冷却水入口を形成する入口アダプタと、この入口アダプタを設けたシェルの内面側に突出して流れ方向を規制する冷却水整流部材と、シェルの入口アダプタ配置箇所の真下を含む下辺側の壁面に、このシェルの下辺の横断方向全長に亘り適宜幅で下側へ膨らむ溝状に形成された冷却水の通路とを備えたことにより、冷却水整流部材により流入方向を制限されて流入した冷却水が、冷却水の通路を介して冷却水出口に達するまでの距離が長い方向への冷却水の量が多くなるように流路に案内されて、各チューブの間に略均等に冷却水が流れて出口方向へ向かい、シェル内を流れる冷却水の量が各チューブ間で均一で過不足なく流れることができるようになり、シェル内部における流れが淀むことによる冷却水の沸騰が防止でき、チューブ内を流れるＥＧＲガスとの熱交換が良好で、しかも効率良くできる。

熱交換器の冷却水入口構造に係る第２の課題解決手段では、冷却水整流部材から流入した冷却水が冷却水整流部材の幅と同等以上の幅を有する下側へ膨らむ溝状に形成された冷却水の通路を経て各チューブの間に略均等に流れ、シェル内を流れる冷却水の量が均一で過不足なく流れることができる。
熱交換器の冷却水入口構造に係る第３の課題解決手段では、冷却水整流部材を入口アダプタのシェル側の先端部に一体に形成したことにより、シェルへの取付けおよび調整が容易で、しかもシェル内における冷却水の流れを均一にすることが容易にできる。

熱交換器の冷却水入口構造に係る第４の課題解決手段では、冷却水整流部材をシェルの内面に突出するようにシェルと一体に形成したことにより、入口アダプタには整流部材を形成する必要がなく、入口アダプタの形状が単純化でき、入口アダプタの取付けを容易にすることができる。
熱交換器の冷却水入口構造に係る第５の課題解決手段では、シェル内から冷却水を排出する冷却水出口を形成する出口アダプタをシェルの外面に固着し、入口アダプタの入口と出口アダプタの出口とは同一方向へ向けたことにより、エンジンルームの制約上やむを得ず熱交換器の側面に入口アダプタを設け、シェル内のチューブ壁面に垂直な方向から冷却水が流入する場合であっても、冷却水の流れを均一化することができ、かつ冷却水入口パイプが容易に取り付けできるばかりか、冷却水出口パイプと同一方向から配管および取り付けできて、配管系統全体としてコンパクトに形成でき、収容スペースを効果的に利用することができ、作業性を向上することができて、コストを削減できる。

以下、本発明による最良の実施形態を具体的に説明する。
ただし、この実施形態は、発明の趣旨をより良く理解させるため具体的に説明するものであり、特に指定のない限り、発明内容を限定するものではない。
また、従来の技術で説明したものと同じものは同じ符号を付して具体的な説明を省略する。

〔第１実施態様〕
〔構成〕
この第１実施形態における熱交換器の冷却水入口構造は、図１〜４に示すように、ステンレス鋼製の薄板からなるシェル１ａを有し、シェル１ａには複数の扁平チューブ２，…，２をエンドプレート３，３により束ねたチューブアセンブリ４を収容し、扁平チューブ２，…，２内にＥＧＲガスを導入し、扁平チューブ２，…，２の外面側には冷却水が流れてＥＧＲガスの熱を冷却水により吸収する。
シェル１ａの側面の一端側には冷却水の入口１ｂを穿設し、その入口１ｂの位置に合わせて冷却水入口アダプタ１１を設け、シェル１ａの上面の冷却水導入側と反対側に位置する端部（以下、単に他端側ということにする）には冷却水の出口１ｃを穿設し、その出口１ｃの位置に合わせて冷却水出口アダプタ１２を設けて、冷却水をシェル１ａの外部から内部へ導入し、またシェル内部から外部へ排出できるようにする。
このＥＧＲクーラ用熱交換器１０では、熱交換の結果として、排出されるＥＧＲガスを所定の温度まで下げることができるようにしている。

このＥＧＲクーラ用熱交換器１０のシェル１ａには冷却水の入口１ｂに合わせて冷却水入口アダプタ１１を直接固着し、冷却水入口アダプタ１１のシェル側に位置する端面には冷却水整流部材１３を一体に突設し、冷却水入口アダプタ１１のシェル側と反対側の端部には冷却水入口パイプ５を接続する。
冷却水入口パイプ５の接続には、シェル側と反対側の端部に穿設されたパイプ挿入孔１１ｂに冷却水入口パイプ５の先端部を、その先端部に形成された周上に形成されたリング状突出部５ａが当接する位置まで挿入し、固着する。

冷却水入口アダプタ１１は、シェル側に位置する端面１１ａをシェル１ａとの接合面とし、他端側を冷却水入口パイプ５の接続用端部として使用する。この冷却水入口アダプタ１１は、上面を厚肉円筒の一部を形成し、その下方のシェル側に位置する過半部には矩形状の空間を形成した箱型形状とし、他端側の冷却水入口パイプ５の接続用端部には円筒形の一部と矩形との合成された空間に達するパイプ挿入孔１１ｂを穿設して内部を空洞にした蒲鉾型の部材で、シェル側に位置する端面１１ａには冷却水整流部材１３を突設している。

冷却水整流部材１３は、冷却水入口アダプタ１１のシェル側に位置する端面１１ａから、シェル内部の扁平チューブ２との間に形成された隙間の寸法の半分以上を占める突出量で扁平チューブ２に近づくように突出し、上部に円筒の一部１３ａを形成し、下部に平行平面となる２つの壁面１３ｂ、１３ｂを有する隧道形状に形成し、冷却水の入口１ｂに挿入して、シェル１ａに固着する。そして、冷却水整流部材１３の隧道形状に形成された形状の下端部を開放して、冷却水を下側へ流出し易くなるようにする。

さらに、ＥＧＲクーラ用熱交換器１０のシェル１ａには、冷却水入口アダプタ１１を固着した位置の下方に、シェル１ａの下辺の略全長に亘り冷却水整流部材１３の幅と同等以上の幅で下側へ膨らむ冷却水の通路１４を設け、冷却水整流部材１３から下方へ流出する冷却水が上方へ向かう水量より多く流れるように流路面積を大きくする。
また、固着の方法は、主としてろう付けまたは溶接によるものとする。

〔第１実施態様の作用効果〕
このような第１実施形態における熱交換器の冷却水入口構造では、シェル１ａの側面の一端部に冷却水入口アダプタ１１を設けるとともに、シェル１ａの下辺側に冷却水をより多く導入するための拡大した通路１４を設けたことにより、各扁平チューブ２，…，２間を上方へ向けて流れ、上方に設けられた冷却水の出口１ｃに収束する冷却水の流れがそれぞれ均一化され、従来では冷却水の流れが淀むことにより生じていた沸騰がなくなり、扁平チューブ２，…，２内を流れるＥＧＲガスとの良好な熱交換ができるようになる。
冷却水入口パイプ５を横方向から冷却水入口アダプタ１１に接続することにより、冷却水出口パイプ６を横方向から冷却水出口アダプタ１２に接続することと合わせて利用することにより、組付け高さを大幅に抑えることができ、縦方向のスペースに制約がある場合でも最適な冷却水の出入口の位置を確保することができる。

〔第２実施態様〕
第１実施態様では冷却水入口アダプタ１１と冷却水整流部材１３とを一体に形成したが、これらを別体に形成した場合を第２実施態様として具体的に説明する。
〔構成〕
第２実施形態における熱交換器の冷却水入口構造は、図５，６に示すように、シェル１ａに設けた下辺側の冷却水の通路１４に隣接する側面の下端部に、シェル内面側に突出する門形に形成された冷却水整流部材（門形突出部）１３を一体に形成し、その冷却水整流部材１３を形成した位置の外面側に冷却水入口アダプタ１１のシェル側に位置する端面を当接して固着する。そして、冷却水入口アダプタ１１のシェル側と反対側の端部（他端部）には冷却水入口パイプ５を接続する。冷却水入口パイプ５の接続には、シェル側と反対側の端部に穿設されたパイプ挿入孔１１ｂに冷却水入口パイプ５の先端部を、その先端部に形成された周上に形成されたリング状突出部５ａが当接する位置まで挿入し、固着する。
その他の点については第１実施態様と同様に形成する。

〔第２実施態様の作用効果〕
このような第２実施形態では、冷却水整流部材１３がシェル側に一体に形成されたから冷却水入口アダプタ１１の取付け時に冷却水整流部材１３の向きを調整しなおすことが必要なくなり、作業がより簡素化される。そして、冷却水の供給を最適な位置からシェル１ａ内の給水配分が効果的に均一化でき、熱交換を効率良く行なうことができる。

〔第３実施態様〕
第１実施態様および第２実施態様では冷却水入口アダプタ１１を冷却水入口パイプ５と別体に形成したが、冷却水整流部材１３を冷却水入口パイプ５に一体に形成して、冷却水入口アダプタ１１を省略した場合を第３実施態様として具体的に説明する。
〔構成〕
第３実施形態における熱交換器の冷却水入口構造は、図７，８に示すように、冷却水入口アダプタ１１に変えて冷却水入口パイプ１５の先端部を整形して冷却水整流部材１３を設けて、冷却水入口アダプタ１１と冷却水整流部材１３とを一体にした場合に匹敵した機能を有するものが得られるようにしたものである。

冷却水入口パイプ１５のシェル１ａ側に位置する端部のうち、冷却水入口パイプのリング状突出部１５ａよりも先端側に位置する先端部１５ｂを、先端部１５ｂにパイプの下半分を切り落として半円状に成形した冷却水整流部材（半円状突出部）１３の相当部分と、その下半分切り落とし部分からリング状突出部５ａまでの間のパイプ形状の冷却水入口アダプタ１１の相当部分とからなり、冷却水整流部材１３と冷却水入口アダプタ１１との一体型部材として扱うことができる一体型部材相当品に形成する。
そして、シェル１ａには、冷却水の入口１ｂと同じように孔を設けるとともに外方へ突出した筒状の突出部１ｄを設けて、冷却水入口パイプ１５の先端部１５ｂを挿入可能に形成して、この筒状の突出部１ｄに一体型部材相当品に形成した冷却水入口パイプ１５の先端部１５ｂを挿入し、固着する。
その他の点については第１実施態様と同様に形成する。

〔第３実施態様の作用効果〕
このような第３実施形態では、半円状に成形した冷却水整流部材１３の相当部分を冷却水の通路１４の方へ向けて筒状の突出部１ｄに冷却水入口パイプ１５の先端部１５ｂを挿入し、固着することによって、別に製作した冷却水整流部材１３と冷却水入口アダプタ１１とを必要としなくなり、部品点数の削減、作業工程の簡略化が実現し、さらに、冷却水の供給を最適な位置からシェル１ａ内の給水配分が効果的に均一化できて、熱交換を効率良く行なうことができる。

本発明の第１実施態様に係る熱交換器の冷却水入口構造を示す斜視図である。 同上熱交換器の冷却水入口構造を示す正面説明図である。 同上熱交換器の冷却水入口構造に使用される冷却水入口アダプタを示す斜視説明図である。 同上交換器の冷却水入口構造を示す部分拡大断面説明図である。 本発明の第２実施態様に係る熱交換器の冷却水入口構造のシェル下部を示す斜視図である。 同上熱交換器の冷却水入口構造を示す部分拡大断面説明図である。 本発明の第３実施態様に係る熱交換器の冷却水入口構造に用いられる冷却水入口アダプタとなる冷却水入口パイプの先端部を示す斜視説明図である。 同上熱交換器の冷却水入口構造を示す部分拡大断面説明図である。 従来の熱交換器の冷却水入口構造における冷却水の流れを示す正面説明図である。

符号の説明

１，１０ ＥＧＲクーラ用熱交換器
１ａ シェル
１ｂ （冷却水の）入口
１ｃ （冷却水の）出口
１ｄ （筒状の）突出部
１ｅ 冷却水の流れの多いところ
１ｆ 冷却水の流れの少ないところ
２ 扁平チューブ
２ａ ダボ
３ エンドプレート
４ チューブアセンブリ
５ 冷却水入口パイプ
５ａ リング状突出部
６ 冷却水出口パイプ
６ａ 出口アダプタ
１１ 冷却水入口アダプタ
１１ａ （シェル側に位置する）端面
１１ｂ パイプ挿入孔
１２ 冷却水出口アダプタ
１３ 冷却水整流部材
１３ａ 円筒の一部
１３ｂ （平行平面となる）壁面
１４ （冷却水の）通路
１５ 冷却水入口パイプ
１５ａ リング状突出部
１５ｂ 先端部

Claims (5)

1. 熱交換器のシェルにチューブアセンブリを内蔵し、前記各チューブの内部に高温のＥＧＲガスを通し、その外部に冷却水を通して熱交換するＥＧＲクーラ等の熱交換器における冷却水入口構造において、
   前記熱交換器の冷却水入口を形成する入口アダプタと、
   この入口アダプタを設けたシェルの内面側に突出して冷却水の流れ方向を規制する冷却水整流部材と、
   前記シェルの入口アダプタ配置箇所の真下を含む下辺側の壁面に、このシェルの下辺の横断方向全長に亘り適宜幅で下側へ膨らむ溝状に形成された冷却水の通路と、
   を備えたことを特徴とする熱交換器の冷却水入口構造。
2. 前記冷却水の通路の適宜幅を前記冷却水整流部材の幅と同等以上の幅としたことを特徴とする請求項１記載の熱交換器の冷却水入口構造。
3. 前記冷却水整流部材を、前記入口アダプタのシェル側の先端部に一体に形成したことを特徴とする請求項１記載の熱交換器の冷却水入口構造。
4. 前記冷却水整流部材を、前記シェルの内面に突出するようにシェルと一体に形成したことを特徴とする請求項１記載の熱交換器の冷却水入口構造。
5. 前記シェル内から冷却水を排出する冷却水出口を形成する出口アダプタを前記シェルの外面に固着し、前記入口アダプタの入口と前記出口アダプタの出口とは同一方向に向けたことを特徴とする請求項１乃至請求項４に記載の熱交換器の冷却水入口構造。

Images