JP2009139053A - 排気ガス冷却用の熱交換器 - Google Patents

Abstract

【課題】 内燃機関の燃焼により発生した排気ガスと冷却流体との間で熱交換を行う熱交換器に関し、目詰まりが防止されるとともに熱交換性能に優れ、またコンパクト化が図れる排気ガス冷却用の熱交換器を提供することを課題とする。
【解決手段】 内燃機関の燃焼により発生した排気ガスを、冷却流体との間で熱交換を行う熱交換器であって、上記排気ガスを通過させる扁平なチューブ２内には、排気ガスの流入側に、排気ガスの流出側に配置するフィンより熱交換性能の良いフィンを配置し、上記排気ガスの流出側に、上記排気ガスの流入側に配置するフィンよりも排気ガスによる煤が付着し難いフィンを配置した構成である。
【選択図】 図１

Description

本発明は、内燃機関の燃焼により発生した排気ガスと冷却流体との間で熱交換を行う熱交換器に関するものであり、ＥＧＲ（排気ガス再循環装置）に用いて排気ガスを冷却する熱交換器に好適である。

従来、エンジン（内燃機関）のＥＧＲに用いられる排気ガス冷却用の熱交換器（以下、ＥＧＲクーラ、という）の内部には、扁平な中空のチューブ内にインナーフィンを挿入して熱交換性能を高め、このようなチューブを複数内蔵したものが使用されていた。上記チューブ内には、例えば熱交換性能を高める形状のオフセットフィンが使われていた。このオフセットフィンは特許文献１、特許文献２に示されるように、金属板を波形に屈曲成形すると共に、その波の稜線方向と平行に多数の切り起し面部を設けた形態のフィンである。

しかし、上記オフセットフィンは排気ガス中の煤が付着しやすい形状であり、このためエンジンからの排気ガス中に含まれる粒子が煤としてフィンに付着し、時間と共にインナーフィンに付着した煤が成長し、最終的にフィンに目詰まりを起す可能性があった。また、チューブの排気ガス流入側のフィンに堆積した煤の塊が排気ガスの圧力で吹き飛ばされ、これがチューブ流出側のフィンに付着し再度堆積して目詰まりを起す原因ともなっていた。

上記目詰まり対策としては、チューブにインナーフィンが入っていないシェルチューブタイプのＥＧＲクーラが有利ではあるが、これは熱交換性能が劣る一方、近年におけるエンジンのＥＧＲ率の増加によりＥＧＲクーラの熱交換性能も重視されている。また、断面が波形のコルゲートフィンは目詰まりし難いが、熱交換性能は上記オフセットフィンよりも劣る。さらに、特許文献３、特許文献４に示すように、扁平なチューブ内に平面においても稜線及び谷線が波形に蛇行したウェーブフィン（コルゲートフィンの変形）が開発されており、熱交換性能の改善が図られている。

特開２００３−２９４３８２号公報 特開２００４−６１０３２号公報 特開２００４−１７７０６１号公報 特開２００４−２６３６１６号公報

しかし、上記インナーフィンは、エンジンの種類や使われ方により煤の発生量やその湿り具合が異なり、このような環境下において、熱交換性能の改善と目詰まりの防止とを両立させるのは困難であるというのが実情である。これについて、ＥＧＲクーラの排気ガス流入口の前に煤回収フィルタ等を設置する方式も考えられたが、この場合、高温に耐え得るフィルタが必要であったり、また部品点数が増えるためコストアップとなる等の問題があった。

また、目詰まりの原因となる煤の微粒子は、排気ガスの温度が高い排気ガスの流入側ではガスが乾燥しているため、図６に示すように、チューブ２内にオフセットフィン３０を配置した場合であっても排気ガスの流入側（Ａ）においては煤がフィンに付着しにくい。一方、排気ガスは温度が低くなると煤の微粒子が湿り気を帯び、このためインナーフィンへ付着しやすくなる傾向がある。これから、温度の低い排気ガスの流出側（Ｂ）の方が煤の堆積が生じやすく、特にオフセットフィンでは、幾重にも重なるスリット状のフィン形状により煤が付着しやすく、また煤の成長が早く目詰まりするまでの時間も速かった。

一方、コルゲートフィンは、スリット状の切れ込みが無いため煤は付着し難いが、上記オフセットフィンと比較すると熱交換性能が劣る。このため図７に示すように、チューブ２に配置されたコルゲートフィン３２は、排気ガスの流入側（Ａ）では当然に煤がフィンに付着し難く、また温度が低く煤がフィンに付着し易い環境の排気ガスの流出側（Ｂ）においても、煤の付着は僅かに留まる。

また、上記インナーフィンは、エンジンのＥＧＲ率の増大などに伴いＥＧＲクーラに高い熱交換性能が求められた場合、チューブ本数を増やし或いはチューブ長さを長くする等により、ＥＧＲクーラの本体を大型化する必要があり、このためＥＧＲクーラのコンパクト化は困難であるという問題があった。

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り、目詰まりが防止されるとともに熱交換性能に優れ、またコンパクト化が図れる排気ガス冷却用の熱交換器を提供することを課題とする。

以上の技術的課題を解決するため、本発明に係る排気ガス冷却用の熱交換器は、図１，２に示すように、内燃機関の燃焼により発生した排気ガスを、冷却流体との間で熱交換を行う熱交換器であって、上記排気ガスを通過させる扁平なチューブ２内には、排気ガスの流入側に、排気ガスの流出側に配置するフィンより熱交換性能の良いフィンを配置し、上記排気ガスの流出側に、上記排気ガスの流入側に配置するフィンよりも排気ガスによる煤が付着し難いフィンを配置した構成である。

本発明に係る排気ガス冷却用の熱交換器は、図１，２に示すように、内燃機関の燃焼により発生した排気ガスを、冷却流体との間で熱交換を行う熱交換器であって、上記排気ガスを通過させる扁平なチューブ２内には、排気ガスの流入側に、板の断面を凸凹の波状に屈曲した立上り面と立下り面との両面を切り起した切り起し面部が多数設けられたオフセットフィン１４を配置し、上記排気ガスの流出側に、板の断面を凸凹の波状に屈曲した立上り面１７ｂと立下り面１７ｃとが設けられ、これら両面が流路方向にそれぞれ連続的に形成されたコルゲートフィン１６を配置した構成である。

ここで、上記コルゲートフィン１６の断面の波形の形態として、矩形状、サインカーブ状、或いは台形状などにそれぞれ立上り面と立下り面とが形成された形態がある。また、これらの形状からして、上記オフセットフィン１４は、上記コルゲートフィン１６より熱交換性能が良く、また上記コルゲートフィン１６は上記オフセットフィン１４よりも排気ガスによる煤が付着し難いものである。

本発明に係る排気ガス冷却用の熱交換器において、上記チューブ２は、扁平な上面チューブ片６と下面チューブ片７とからなり、この内の一方のチューブ片には、上記排気ガスの流入側に上記オフセットフィン１４を配置し、上記排気ガスの流出側に上記コルゲートフィン１６を配置し、このチューブ片に他方のチューブ片を被せ合せて上記両フィンを挟む形態で固定した構成である。

本発明に係る排気ガス冷却用の熱交換器において、上記コルゲートフィン１６は、板の断面を凸凹の波状に屈曲し排気ガスの流路を細分化する第一のコルゲート部１８と、各流路を左右に蛇行させる第二のコルゲート部１９とが形成された構成である。

本発明に係る排気ガス冷却用の熱交換器によれば、排気ガスの流入側に、排気ガスの流出側に配置するフィンより熱交換性能の良いフィンを配置し、排気ガスの流出側に、排気ガスの流入側に配置するフィンよりも排気ガスによる煤が付着し難いフィンを配置した構成を採用したから、高温となる流入側では排気ガスに含まれる煤の微粒子はフィンには付着し難く、排気ガスの温度を効率よく下げることができ、また排気ガスの流出側は煤が湿ってフィンに付着しやすいが、この箇所には煤が付着し難いフィンを配置したから、煤による目詰まりもなく適正な温度に排気ガスの温度を下げることができ、熱交換性能の重視と煤の付着及び目詰まり防止とを両立させた最適な熱交換器が得られるという効果がある。

また、排気ガスの流入側に配置するフィンと流出側に配置するフィンとの各配置範囲の割合（流体流通方向の全長に占める）を変えることで、熱交換性能と煤の付着及び目詰まり防止とを両立させた最適な熱交換器を構成することができるという効果がある。さらに、２種類の特性の異なるフィンを用いることで、熱交換性能の向上及び目詰まり対策が効率的に図れるため、比較的コンパクトな形状であっても優れた性能の熱交換器が得られるという効果がある。

本発明に係る排気ガス冷却用の熱交換器によれば、排気ガスの流入側にオフセットフィンを配置し、排気ガスの流出側にコルゲートフィンを配置した構成を採用したから、高温となる流入側では排気ガスに含まれる煤はオフセットフィンには付着し難い一方、排気ガスの温度を効率よく下げることができ、また排気ガスの流出側は煤が湿ってフィンに付着しやすいが、この箇所には煤が付着し難いコルゲートフィンを配置したから、煤による目詰まりもなくまた適正な温度に排気ガスの温度を下げることができるという効果がある。

また、チューブの流入側で発生した煤の塊は排気ガスの圧力でチューブの排気ガス流出側へ吹き飛ばされるが、この流出側にはコルゲートフィンが配置されているため、上記塊はコルゲートフィンには堆積し難く、そのまま流出口から排出され目詰まりが防止されるという効果がある。

本発明に係る排気ガス冷却用の熱交換器によれば、扁平な上面チューブ片と下面チューブ片とからなる一方のチューブ片に、オフセットフィン及びコルゲートフィンを配置し、このチューブ片に他方のチューブ片を被せ合せて上記両フィンを挟む形態で固定した構成としたから、チューブ内へのインナーフィンの配置が正確かつ簡易に効率よく行なえるという効果がある。

本発明に係る排気ガス冷却用の熱交換器によれば、コルゲートフィンは、排気ガスの流路を細分化する第一のコルゲート部と、各流路を左右に蛇行させる第二のコルゲート部とが形成された構成を採用したから、このコルゲートフィンは、排気ガスの流れ方向における乱流を生じ易くして、壁面冷却効果を高めまた煤の付着を防止しかつ剥がれ易いことから、さらに熱交換器全体の熱交換性能が高められるという効果がある。

以下、本発明に係る排気ガス冷却用の熱交換器（ＥＧＲクーラ）の実施の形態を図面に基づいて説明する。この実施の形態で用いられるＥＧＲクーラは、ディーゼルエンジン、ガソリンエンジンなどの内燃機関に適用が可能である。

図１は、上記ＥＧＲクーラに用いられるＳＵＳ（ステンレス鋼）製の扁平なチューブ２を分解した斜視図であり、図２は、上記チューブ２を複数積層し、これを内蔵したＥＧＲクーラ４を示したものである。このＥＧＲクーラ４の外形は全体が直方体状であり、断面矩形状のシェル５（上下または左右に２分割されたＥＧＲクーラのＳＵＳ製のシェル片同士を嵌め合せて接合）の内部に、積層したチューブ２を長尺方向に嵌め入れ、シェル５の両端部はそれぞれＳＵＳ製のエンドプレート２０を用いて上記チューブ２を固定したものである。

上記チューブ２は、上面を形成する上面チューブ片６と下面を形成する下面チューブ片７とを被せ合せて接合したものであり、内部にはＳＵＳ製のインナーフィン１２が内蔵されている。なお、上記チューブ２として、一体に形成された中空扁平なチューブにインナーフィン１２を嵌入した形態を用いることもできる。

上記上面チューブ片６（及び下面チューブ片７）の表面には、複数のダボ１０が突起状に設けられている。これらのダボ１０は、積層したチューブ２の両端をエンドプレート２０で固定しろう付けする際、上下のチューブ２同士をダボ１０の部位にてろう付けする役割をはたすとともにチューブ２同士の間隔を均等に保ち、またチューブ２間を流れる冷却水を拡散させる機能も有している。

上記チューブ２内には、排気ガスが通過する扁平な通路にインナーフィン１２が配置される。この内、排気ガスの流入側には熱交換性能の優れたオフセットフィン１４を配置し、また排気ガスの流出側には排気ガスによる煤が付着し難いコルゲートフィン１６を配置する。このように、上記オフセットフィン１４は、上記コルゲートフィン１６より熱交換効性能が良いものである一方、このコルゲートフィン１６はオフセットフィン１４より排気ガスによる煤が付着し難いフィンである。

上記インナーフィン１２の配置により、チューブ２の排気ガス流入側では、オフセットフィン１４による優れた熱交換により排気ガスが効率的に冷却され、さらに排気ガス流出側では温度の低下により排気ガスに含まれる煤が湿り気を帯びてフィンに付着しやすい状態であるが、この部位に配置されたコルゲートフィン１６は煤が付着し難くまた目詰まりも生じ難い。

ここでは、インナーフィン１２の流体流通方向の全長に占めるオフセットフィン１４とコルゲートフィン１６との割合を、６対４、或いは７対３程度としている。このように、オフセットフィン１４の割合をコルゲートフィン１６の割合より多くすることで、冷却効率を重視した形態としている。また、目詰まり防止を重視する場合には、コルゲートフィン１６の割合を多くする。このように、２種類の特性の異なるフィンを用いることで、熱交換性能の向上及び目詰まり対策が効率的に図れ、機器のコンパクト化にも寄与する。

上記オフセットフィン１４は図３（ａ）（ｂ）に示すように、プレス加工により一枚のＳＵＳ製の板を断面凸凹の波状に屈曲し、この立上り面と立下り面とを切り起した切り起し面部（フィン片）を複数形成したものである。ここで、立上り面と立下り面とが形成された一組のフィン片１５を基準にしたとき、切り起しにより上記フィン片１５と平行な向きに４組のオフセットフィン片１５ａ，１５ｂ，１５ｃ，１５ｄが所定の間隔（スリット）１３をおいて形成された形態である。これ以外にも、オフセットフィン片が１組以上あれば所定のオフセットフィンが構成される。

上記切り越こしによる切り込み（スリット）により、排気ガスの流路が幾重にも形成され高温の排気ガスは、各フィン片の羽の先端部において両側に流れが分割され、このためフィンによる冷却性能が向上し、効率良く冷却できるフィンの形状となっている。

一方、上記コルゲートフィン１６は図４（ａ）（ｂ）に示すように、一枚のＳＵＳ製の板をプレス加工またはローラにより、所定の規則によって幾何学的に折り曲げ、矩形状に折り目を入れ形成したものであり、このコルゲートフィン１６は基本的なコルゲートフィンを変形した形態であり、フィンには切れ込み（スリット）が無いため目詰まりしにくい形状となっている。このコルゲートフィン１６は、稜線１７ａが直線状に形成され、また板材のプレス成形により断面凸凹の矩形状波形に立上り面１７ｂ及び立下り面１７ｃが屈曲形成された形状であり、これら立上り面１７ｂ及び立下り面１７ｃはそれぞれ流路方向に連続した形状である。

また、このコルゲートフィン１６は、上下が扁平なチューブ２に対してフィンの上記両面１７ｂ，１７ｃが左右に波状に屈曲した形状であり、このためフィンの立上り面及び立下り面の各壁面間に形成された排気ガスの流路は左右に蛇行した形態となる。このコルゲートフィン１６は、断面および平面においてともに波形状に蛇行した形態であり、一種のウェーブフィンでもある。このように上記コルゲートフィン１６は、排気ガスの流路を細分化する第一のコルゲート部１８と、各流路を左右に蛇行させる第二のコルゲート部１９により、排気ガスの流れ方向における乱流を生じ易くして、壁面冷却効果を高め、また煤の付着を防止しかつ剥がれ易くしている。

上記ＥＧＲクーラ４を組立てる場合、図１のように上下面の両チューブ片６，７に２分割されたチューブ２にオフセットフィン１４及びコルゲートフィン１６を配置し、両チューブ片を被せ合せ両フィン１４，１６を挟んだ状態で、ろう付けまたは溶接によって各部材同士を接合し、インナーフィン１２を一体化したチューブ２を形成する。この場合、チューブ２の排気ガス流入側にはオフセットフィン１４を配置し、排気ガスの流出側にはコルゲートフィン１６を配置する。また、上記両フィン１４，１６はそれぞれチューブ２の横幅一杯に配置し、両フィンの境界は隙間のないように配置する。

上記排気ガス流入側は高温であり煤が乾燥しているため、オフセットフィン１４であっても煤がフィン片１５，１５ａ〜１５ｄに付着し難く、またオフセットフィン１４により高温の排気ガスを効率よく冷却する。また、排気ガスの流出側は煤が湿ってフィンに付着しやすいが、ここに配置された上記コルゲートフィン１６は、煤が付着し難くまた煤による目詰まりもなく、また壁面冷却効果が高いため適正な温度に排気ガスの温度を下げることができる。

また、ＥＧＲクーラ４は図２に示すように、上記シェル５の一方の端部の上部には、排気ガスを冷却する冷却水（冷却流体）の流出口２２が筒状に突出形成されている。なお、図示はしていないが、上記シェル５の他方の端部には、冷却水の流入口が形成され、また排気ガスの流入口には、排気ガスを複数のチューブ２に導入するためフランジを有するＳＵＳ製または鋼製のヘッダーが取り付けられ、流出口にはプレートチューブからの排気ガスを導出するためのヘッダーが取り付けられる。上記各部材を組み合せ、ろう付けまたは溶接によって接合しＥＧＲクーラ４を形成する。

上記ＥＧＲクーラ４は、これを搭載するエンジンの特性や車両の使用形態によって、排気ガスの温度、湿度、煤の量等の環境状態も異なり、インナーフィンへの煤の付着量も異なる。このため、上記同一のチューブ２内へ配置される熱交換性能重視のオフセットフィン１４と目詰まり防止用のコルゲートフィン１６については、上記環境状態に応じてフィンの枚数、形態を変え、またはオフセットフィン１４とコルゲートフィン１６との配置範囲の割合を変えることで、熱交換性能と目詰まり防止とを両立した最適なＥＧＲクーラを設定することができる。

以上説明したように、上記実施の形態に係るＥＧＲクーラによれば、図５に示すように、チューブ２の排気ガスの流入側にはオフセットフィン１４を用い、また流出側にはコルゲートフィン１６を用いたから、高温となる流入側では排気ガスに含まれる煤の微粒子はオフセットフィンには付着しにくく、また排気ガスの温度を効率よく下げることができ、また上記オフセットフィンにより温度を下げられた排気ガスに含まれる煤はインナーフィンに付着しやすいが、チューブの排気ガスの流出側にはコルゲートフィンを用いたから、煤による目詰まりもなくまた適正な温度に排気ガスの温度を下げることができ、この適正な温度の排気ガスをＥＧＲクーラから流出させることができる。

また、上記ＥＧＲクーラによれば、チューブの排気ガスの流入側で発生した煤の塊は排気ガスの圧力でチューブの流出側へ吹き飛ばされるが、この流出側には目詰まりが防止されるコルゲートフィンが配置されているため、上記塊はコルゲートフィンには堆積しにくいため、そのまま流出口から排出され良好である。

本発明の実施の形態に係る熱交換器のチューブの分解斜視図である。 実施の形態に係る排気ガス冷却用の熱交換器の斜視図である。 実施の形態に係り、チューブに内蔵されるオフセットフィンの（ａ）は斜視図を、（ｂ）は部分断面図を示す。 実施の形態に係り、チューブに内蔵されるコルゲートフィンの（ａ）は斜視図を、（ｂ）は部分断面図を示す。 実施の形態に係るチューブに内蔵されたインナーフィンの説明図である。 従来例に係るチューブに内蔵されたインナーフィンの説明図である。 従来例に係るチューブに内蔵された他のインナーフィンの説明図である。

符号の説明

２ チューブ
４ ＥＧＲクーラ
５ シェル
６ 上面チューブ片
７ 下面チューブ片
１０ ダボ
１２ インナーフィン
１３ 間隔（スリット）
１４，３０ オフセットフィン
１５ フィン片
１５ａ，１５ｂ，１５ｃ，１５ｄ オフセットフィン片
１６，３２ コルゲートフィン
１７ａ 稜線
１７ｂ 立上り面
１７ｃ 立下り面
１８ 第一のコルゲート部
１９ 第二のコルゲート部
２０ エンドプレート
２２ 冷却水（冷却流体）の流出口

Claims (4)

1. 内燃機関の燃焼により発生した排気ガスを、冷却流体との間で熱交換を行う熱交換器であって、
   上記排気ガスを通過させる扁平なチューブ内には、排気ガスの流入側に、排気ガスの流出側に配置するフィンより熱交換性能の良いフィンを配置し、上記排気ガスの流出側に、上記排気ガスの流入側に配置するフィンよりも排気ガスによる煤が付着し難いフィンを配置したことを特徴とする排気ガス冷却用の熱交換器。
2. 内燃機関の燃焼により発生した排気ガスを、冷却流体との間で熱交換を行う熱交換器であって、
   上記排気ガスを通過させる扁平なチューブ内には、排気ガスの流入側に、板の断面を凸凹の波状に屈曲した立上り面と立下り面との両面を切り起した切り起し面部が多数設けられたオフセットフィンを配置し、上記排気ガスの流出側に、板の断面を凸凹の波状に屈曲した立上り面と立下り面とが設けられ、これら両面が流路方向にそれぞれ連続的に形成されたコルゲートフィンを配置したことを特徴とする排気ガス冷却用の熱交換器。
3. 上記チューブは、扁平な上面チューブ片と下面チューブ片とからなり、この内の一方のチューブ片には、上記排気ガスの流入側に上記オフセットフィンを配置し、上記排気ガスの流出側に上記コルゲートフィンを配置し、このチューブ片に他方のチューブ片を被せ合せて上記両フィンを挟む形態で固定したものであることを特徴とする請求項２記載の排気ガス冷却用の熱交換器。
4. 上記コルゲートフィンは、板の断面を凸凹の波状に屈曲し排気ガスの流路を細分化する第一のコルゲート部と、各流路を左右に蛇行させる第二のコルゲート部とが形成されたことを特徴とする請求項２又は３記載の排気ガス冷却用の熱交換器。

Images