JP2012154580A

JP2012154580A - 熱交換器

Info

Publication number: JP2012154580A
Application number: JP2011015203A
Authority: JP
Inventors: Terumi Nonaka; 照美野中; Yasuhiro Makibayashi; 康広槇林
Original assignee: Taiho Kogyo Co Ltd
Current assignee: Taiho Kogyo Co Ltd
Priority date: 2011-01-27
Filing date: 2011-01-27
Publication date: 2012-08-16

Abstract

【解決手段】熱交換器としてのＥＧＲクーラー１は、内側管体２を流通する排気ガスＧと外側管体３を流通する冷却液Ｃとの間で熱交換を行わせるものとなっている。
上記内側管体２を、同軸上に設けた円筒状の小径部１１および大径部１２と、これら小径部と大径部とを連結するリング状の連結部１３とから構成し、上記大径部の内側に上記小径部よりも大径で大径部よりも小径のプレート１４を設け、さらに該プレートと上記連結部との間に、上記プレートの中央部から外周部に向けて放射状に伸びる複数のフィン１５を設けている。
これにより上記内側管体２の排気ガスＧは、上記フィンによって上記プレートと連結部との間を放射方向に流通し、さらに大径部の内面とプレートの外周部との間を軸方向に流通するようになっている。
【効果】冷却効率が高く、また圧力損失の少ない熱交換器を提供する。
【選択図】図１

Description

本発明は熱交換器に関し、詳しくは外側管体の内部に内側管体を設けて、上記内側管体に流通させる内部流体と上記外側管体に流通させる外部流体との間で熱交換をおこなわせる熱交換器に関する。

従来、気体が流通する内側管体と、上記内側管体を収容するとともに該内側管体との間で液体を流通させる外側管体とを備え、上記内側管体内を流通する気体と上記外側管体を流通する液体との間で熱交換をおこなう熱交換器が知られている。
一方、自動車用エンジンから排出される排気ガスを再び吸気側に戻して再利用するＥＧＲ（ＥｘｈａｕｓｔＧａｓＲｅｃｉｒｃｕｌａｔｉｏｎ）という技術が知られており、このＥＧＲを効率的に行うため、上記熱交換器を排気ガスの温度を下げるためのいわゆるＥＧＲクーラーとして用いるものが知られている（特許文献１〜３）。

特開２０００―０７９４６２号公報特開２００１―２４１８７２号公報特開２００２−３５００８１号公報

しかしながら上記特許文献１の構成を有するＥＧＲクーラーの場合、内側管体内を上記排気ガスは速やかに通過するため、排気ガスの圧力損失が少ないものの、冷却効率が低いという問題があった。
一方、特許文献２、３の構成を有するＥＧＲクーラーの場合、冷却効率が高いものの、内側管体の内部に形成された無数の突起によって圧力損失が高いという問題があった。
このような問題に鑑み、本発明は冷却効率が高く、また圧力損失の少ない熱交換器を提供するものである。

すなわち、請求項１の発明にかかる熱交換器は、外側管体の内部に内側管体を設けて、上記内側管体に流通させる内部流体と上記外側管体に流通させる外部流体との間で熱交換をおこなわせる熱交換器において、
上記内側管体を、同軸上に設けた円筒状の小径部および大径部と、これら小径部と大径部とを連結するリング状の連結部とから構成するとともに、
上記大径部の内側に、上記小径部よりも大径で大径部よりも小径のプレートを設け、さらに該プレートと上記連結部との間に、上記プレートの中央部から外周部に向けて放射状に伸びる複数のフィンを設けて、
上記内側管体の内部流体が、上記フィンによって上記プレートと連結部との間を大径部の内側から外側、または外側から内側に向けて流通するとともに、さらに大径部の内面とプレートの外周部との間を軸方向に流通することを特徴としている。

上記発明によれば、上記内側管体を上記小径部、大径部、連結部から構成することにより、上記外側管体の外部流体はこれら小径部、大径部、連結部に接触しながら流通することとなる。
そして上記内側管体の内部では、内部流体が上記フィンによって上記プレートと連結部との間を大径部の内側から外側、または外側から内側に向けて流通し、さらに大径部の内面とプレートの外周部との間を軸方向に流通することから、内部流体と外部流体との熱交換する面積を大きくして効率的な熱交換を行うことができるとともに、内部流体が整流されて圧力損失を抑えることが可能である。

本実施例にかかるＥＧＲクーラーの断面図図１におけるＩＩ―ＩＩ部の断面図実験結果を示すグラフ実験結果を示すグラフ

以下図示実施例について説明すると、図１は熱交換器としてのＥＧＲクーラー１の断面図を示しており、該ＥＧＲクーラー１は、内部流体としての排気ガスＧを流通させる内側管体２と、内部に上記内側管体２を収容するとともに該内側管体２との間に外部流体としての冷却液Ｃを流通させる外側管体３とを備え、上記内側管体２はＥＧＲ回路に、外側管体３は冷却液回路にそれぞれ接続されている。
上記構成を有するＥＧＲクーラー１によれば、上記内側管体２の内部に排気ガスＧを流通させ、同時に上記外側管体３の内部に冷却液Ｃを流通させることで、排気ガスＧと冷却液Ｃとの間で熱交換を行い、排気ガスＧの温度を下げるものとなっている。

上記内側管体２は、同軸上に設けた円筒状の小径部１１および大径部１２と、これら小径部１１と大径部１２とを連結するリング状の連結部１３と、上記大径部１２の内側に設けたプレート１４と、該プレート１４と上記連結部１３との間に設けた複数のフィン１５とから構成されている。
このうち、上記大径部１２および該大径部１２に隣接する２つの上記連結部１３と、これら大径部１２および連結部１３の内部に収容された上記プレート１４およびフィン１５とにより、一組のユニットＵを構成するようになっている。
本実施例のＥＧＲクーラー１は、上記ユニットＵを４組備えるとともに、各ユニットＵの間に上記小径部１１を備え、さらに両端に位置するユニットＵの外側にもそれぞれ上記小径部１１が設けられている。
上記小径部１１のうち、上記４組のユニットＵの両端に位置する小径部１１は、上記外側管体３より外部に突出しており、このうち図示左方の小径部１１はＥＧＲ回路におけるエンジンの排気側に接続され、図示右方の小径部１１はエンジンの吸気側に接続されており、排気ガスＧは図１の図示左方から右方へと流通するようになっている。
また上記各ユニットＵの間に設けられた小径部１１は、上記各ユニットＵ同士を所定の間隔だけ離隔させて、各ユニットＵとユニットＵとの間に上記外側管体３の冷却液Ｃを流通させるものとなっている。

図２は図１におけるＩＩ―ＩＩ部の断面図を示しており、図２の紙面手前側より排気ガスＧが流入するようになっている。
上記プレート１４は、上記小径部１１よりも大径で大径部１２よりも小径に形成されており、これにより上記大径部１２の内周面と上記プレート１４との間には隙間Ａが形成されている。
また図１に示すように、上記プレート１４は上記大径部１２の軸方向略中央部に位置しており、これにより上記大径部１２はこのプレート１４によって排気ガスＧの流入側の空間と、排出側の空間とに一部区画され、これらの空間は上記隙間Ａを介して相互に連通するようになっている。
上記フィン１５はプレート１４における排気ガスＧの流入側の表面および排出側の裏面のそれぞれから軸方向に立設され、また上記フィン１５の端部は上記内側管体２の上記連結部１３に溶接やロウ付けなどの手段によって固定されている。
また図２に示すように、上記フィン１５はプレート１４の円周方向に沿って等間隔に複数設けられるとともに、プレート１４の中央部から外周部に向けて放射状に伸びる複数のフィン１５が設けられている。
この放射状に伸びる複数のフィン１５は、それぞれプレート１４の半径方向に対して傾斜しており、またその中央部が膨出する湾曲した形状に形成されたものとなっている。
さらに、上記フィン１５におけるプレート１４の中央側の端部は、上記小径部１１よりも内側に若干突出した位置まで設けられており、プレート１４の中央部分にはフィン１５の設けられていない平坦部分が形成されている。
そして図２において、実線で示すフィン１５はプレート１４の表面側のフィン１５を、破線で示すフィン１５は裏面側のフィン１５をそれぞれ示しており、プレート１４を軸方向から見た場合に、裏面側のフィン１５は表面側のフィン１５に対して反対方向に傾斜するように設けられている。

上記外側管体３は、上記内側管体２の大径部１２よりも大径の円筒形状を有しており、その両端には上記内側管体２の小径部１１が貫通する蓋体３ａがそれぞれ気密を保った状態で固定されている。
また上記外側管体３の上部には、上記冷却液Ｃ回路に接続されて冷却液Ｃの流入する流入ポート１６と、冷却液Ｃを排出する排出ポート１７とが設けられている。

上記構成を有するＥＧＲクーラー１によると、上記排気ガスＧがエンジンからＥＧＲ回路へと排出されると、該排気ガスＧは内側管体２における図示左方端に位置する小径部１１から流入する。
そして小径部１１では、排気ガスＧは軸方向に流通した後に図示左方端に位置するユニットＵの内部に流入し、上記プレート１４における上記フィン１５の設けられていない平坦部分に衝突する。
その結果、排気ガスＧはこのプレート１４によって軸方向に対して直交する方向に進路が変換され、その後プレート１４と連結部１３との間を、上記プレート１４と連結部１３との間に設けられたフィン１５に沿って大径部１２の内側から外側に向けて流れることとなる。
また上記フィン１５はプレート１４の半径方向に対して傾斜するように設けられていることから、上記排気ガスＧは上記フィン１５によって内側から外側に向けて流れながら図２における図示時計回りに旋回し、旋回流となって大径部１２の内周面に到達する。
さらに上記フィン１５はその中央部が膨出するように湾曲していることから、上記旋回流を効率的に大径部１２の内周面に沿わせることが可能となっている。

上記内側管体２における上記大径部１２は、上記プレート１４により流入側の空間と排出側の空間とに一部区画されているが、大径部１２の内面に達した排気ガスＧは大径部１２に沿って軸方向に流れることで、大径部１２とプレート１４との間に形成された上記隙間Ａを介して流入側の空間から排出側の空間へと流入する。
続いて、上記排気ガスＧは上記連結部１３によって再び軸方向に対して直交する方向に進路が変換され、上記プレート１４の裏面側のフィン１５によって大径部１２の外側から内側に向けて流れることとなる。
その際、上記フィン１５はプレート１４の半径方向に対して傾斜していることから、上記排気ガスＧは上記フィン１５によって外側から内側に向けて流れながら図２における図示時計回りに旋回し、旋回流となってプレート１４の中央部に到達する。
特に、上記プレート１４の裏面側（排出側の空間）に設けたフィン１５は表面側（流入側の空間）に設けたフィン１５とは反対側に傾斜しているため、上記表面側のフィン１５によって形成されるとともに上記隙間Ａを通過した排気ガスＧは、上記裏面側のフィン１５によってその旋回方向が維持されるようになっている。
そしてプレート１４の中央部に達した排気ガスＧは、今度は軸方向の流れとなって隣接するユニットＵとの間に連結された小径部１１を流通し、その後は各ユニットＵの内部を上述したような経路を通過するとともに、エンジンの吸気側に位置する小径部１１から排出されるようになっている。

一方、上記外側管体３では、上記流入ポート１６より冷却液Ｃが流入するとともに、該冷却液Ｃは排出ポート１７から排出されており、外側管体３の内部では冷却液Ｃが流動するようになっている。
そして上記内側管体２において上記冷却液Ｃと接触する部分においては、該内側管体２の内部を流通する排気ガスＧと上記冷却液Ｃとの間で熱交換が行われ、排気ガスＧはＥＧＲクーラー１を通過する間に冷却液Ｃによって冷却され、該冷却された排気ガスＧが上記エンジンへと吸気されることとなる。
ここで、上記内側管体２において、上記連結部１３と上記フィン１５とは固定により接触しているため、伝熱により上記フィン１５および該フィン１５を固定する上記プレート１４も冷却されており、これにより排気ガスＧはこれらフィン１５およびプレート１４に接触することによっても冷却されるようになっている。

図３、図４は本実施例に係るＥＧＲクーラー１と、上記特許文献１〜３にかかるＥＧＲクーラーとについて、冷却効率および圧力損失について測定した結果を示している。
図３は冷却効率についての実験結果を示し、ＥＧＲクーラーにおける単位面積あたりの冷却効率を測定したものとなっている。ここで単位面積あたりの冷却効率とは、上記ＥＧＲクーラーの通過前後における排気ガスの温度差を、排気ガスと冷却液との熱交換が行われた伝熱面積で割り、これをさらに排気ガスのＥＧＲクーラー通過前の温度と上記冷却液のＥＧＲクーラー通過前の温度との差で割った値とした。
このうち上記伝熱面積には、上記内側管体２における上記冷却液が接触する部分のほか、上述したように上記連結部１３に接触するフィン１５および上記プレート１４の表面積も含まれている。
そして図３によれば、発明品にかかる本実施例のＥＧＲクーラー１は、特許文献１〜３にかかるＥＧＲクーラーのいずれに対しても良好な冷却効率が得られることが判明した。

図４は圧力損失についての実験結果を示し、ＥＧＲクーラー１を通過する排気ガスＧの流量に対する、ＥＧＲクーラー１通過前後における排気ガスＧの圧力差を示したものとなっている。
図４によれば、発明品にかかる本実施例のＥＧＲクーラー１は、特許文献１にかかるＥＧＲクーラーに比べて圧力損失が高いものの、特許文献２、３にかかるＥＧＲクーラーよりは圧力損失の低いことが判明した。

なお、上記実施例においては、本発明にかかる熱交換器を排気ガスＧを冷却するＥＧＲクーラー１として利用しているが、その他の分野においても利用することができる。
また、フィン１５の枚数や形状については適宜変更することができ、特に上記ユニットＵの数を増減することで様々な要求に対応することが可能であり、上記実験で測定した冷却効率および圧力損失の異なるＥＧＲクーラー１を得ることが可能となっている。
さらに上記実施例におけるフィン１５は、円弧状に湾曲したものとなっているが、この湾曲形状としてその途中に折れ部が形成されたものであってもよい。

１ＥＧＲクーラー２内側管体
３外側管体１１小径部
１２大径部１３連結部
１４プレート１５フィン
Ａ隙間

Claims

外側管体の内部に内側管体を設けて、上記内側管体に流通させる内部流体と上記外側管体に流通させる外部流体との間で熱交換をおこなわせる熱交換器において、
上記内側管体を、同軸上に設けた円筒状の小径部および大径部と、これら小径部と大径部とを連結するリング状の連結部とから構成するとともに、
上記大径部の内側に、上記小径部よりも大径で大径部よりも小径のプレートを設け、さらに該プレートと上記連結部との間に、上記プレートの中央部から外周部に向けて放射状に伸びる複数のフィンを設けて、
上記内側管体の内部流体が、上記フィンによって上記プレートと連結部との間を大径部の内側から外側、または外側から内側に向けて流通するとともに、さらに大径部の内面とプレートの外周部との間を軸方向に流通することを特徴とする熱交換器。
上記フィンを上記プレートの半径方向に対して傾斜させ、
上記内側管体を流通する気体が上記プレートと連結部との間を流通する際に上記フィンによって旋回流を形成することを特徴とする請求項１に記載の熱交換器。
上記フィンを中央部が膨出する湾曲した形状に形成することを特徴とする請求項２に記載の熱交換器。
上記プレートにおける気体の流入側の表面および排出側の裏面のそれぞれに上記フィンを設け、
上記表面のフィンと裏面のフィンとは、それぞれ反対方向に傾斜することを特徴とする請求項２または請求項３のいずれかに記載の熱交換器。
上記内側管体は、大径部よりも気体の流入側に位置する小径部と、上記大径部を挟んで上記気体の排出側に位置する小径部とを備え、さらに上記プレートにおける気体の流入側の表面および排出側の裏面のそれぞれに上記フィンを設け、
上記流入側の小径部より流入した気体は、上記プレートの表面側のフィンによって大径部の内側から外側に向けて流通し、さらに上記プレートと大径部の内周面との上記隙間を通過すると、上記プレートの裏面側のフィンによって大径部の外側から内側に向けて流通して、上記排出側の小径部より排出されることを特徴とする請求項１ないし請求項４のいずれかに記載の熱交換器。
上記大径部および該大径部に隣接する２つの上記連結部と、これら大径部および連結部の内部に収容された上記プレートおよびフィンとによって一組のユニットを構成し、
上記ユニットを複数組設けるとともに、各ユニットとユニットとの間にそれぞれ上記小径部を設けたことを特徴とする請求項１ないし請求項５のいずれかに記載の熱交換器。