JP2013053620A - 多管式熱交換器 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】 ケーシングの両端部に設けられたチューブシートに複数積層された扁平伝熱管群が固着され、扁平伝熱管内を流通する排気ガスと前記ケーシング内を流通する冷却媒体との間で熱交換を行う方式の多管式熱交換器において、ケーシングの排気ガス流入口側端部付近に冷却媒体流入管を備えた冷却媒体分配器を設け、冷却媒体分配器とケーシングの接続部付近に、冷却媒体の噴出流速が冷却媒体分配器内より増速されるよう複数の噴出孔をケーシング長手方向と略直交する方向に有するノズル部材を備えることを特徴とする。
【選択図】 図1
Description
即ち、前記特許文献1に記載されたEGRガス冷却装置(図41、図42)は、冷却媒体流入口201−1aを複数個設けることによりチューブシート203付近のオーバーヒートエリアをほとんど皆無にできるので冷却媒体の沸騰の解消に有効であるが、冷却媒体流入口201−1aの流入方向に直角な断面積は冷却媒体流入口へ流入する配管の断面積とは略等しく、冷却媒体流入口から流入する冷却媒体の流速を冷却媒体流入口へ流入する配管内の流速より増速させる作用を有しないため、チューブシート203内面に沿って流れる流速の増速作用が十分に得られず、沸騰防止作用の不足が危惧されている。
即ち、この種の多管式熱交換器は、複数積層された扁平伝熱管と、該扁平伝熱管の外周を囲繞するように形成されたケーシングと、該ケーシングの両端部に設けられ、前記扁平伝熱管の両端部が貫設されたチューブシートとを備え、前記扁平伝熱管内を流通する排気ガスと前記ケーシング内を流通する冷却媒体との間で熱交換を行う方式の多管式熱交換器において、前記ケーシングの排気ガス流入口側端部に前記ケーシング長手方向と略直交する方向に設けた長孔からなる開口部に、該開口部を覆うように基端部を接続する冷却媒体分配器と、該冷却媒体分配器に接続した冷却媒体流入管を備え、かつ前記冷却媒体分配器は、ケーシングの軸芯に対する垂直線に対し平行(軸芯と直角方向)もしくは排気ガス流入口側へ逆向きに設けられ、さらに冷却媒体の噴出流速が前記冷却媒体分配器内より増速されるよう複数の噴出孔を設けたノズル部材が前記開口部付近に設けられ、かつ前記噴出孔の断面積の総和が該冷却媒体分配器内の冷却媒体の流れ方向断面積より小さく、かつ前記ケーシング内に流入した冷却媒体が前記排気ガス流入口側のチューブシート内面に沿って流れるように該噴出孔の軸芯が排気ガス流入口側のチューブシート内面を指向していることを特徴とするものである。
即ち、本発明に係る多管式熱交換器は、以下に記載する効果を奏する。
1.冷却媒体分配器をケーシングの軸芯に対する垂直線に対し好ましくは傾斜させて設けたことにより、冷却媒体が排気ガス流入口側のチューブシート内面を指向して流入することとなり、ケーシング内に流入した冷却媒体が排気ガス流入口側のチューブシート内表面に沿って流れるので、チューブシート内表面付近での冷却媒体沸騰をより効果的に防止することができる。
2.ケーシングに設けられた開口部付近に、前記冷却媒体分配器内の冷却媒体の流れ方向断面積より小さい断面積の総和の、複数の噴出孔を当該多管式熱交換器のケーシング長手方向と略直交する方向に有するノズル部材を設けたことにより、冷却媒体の流入速度が増速されてチューブシート内表面付近でのより大きな冷却媒体沸騰防止効果が得られる。
3.前記噴出孔の軸芯を排気ガス流入口側のチューブシート内表面に指向させることにより、チューブシート内表面付近での冷却媒体沸騰防止作用をより高めることが可能となる。
4.前記噴出孔にノズルブッシュ又はノズル管を装着することにより、冷却媒体の流れをより効果的にチューブシート内表面に指向させることができるので、この場合もチューブシート内表面付近での冷却媒体沸騰防止作用をより一層高めることが可能となる。
5.前記噴出孔の付近に冷却媒体のガイド部材を設けて噴出孔からの冷却媒体の噴流を該ガイド部材表面に添わせることにより、冷却媒体をチューブシート内表面及び/又は各扁平伝熱管の間の空間に的確に導くことができるので、この場合もチューブシート内表面付近での冷却媒体沸騰防止作用をより一層高めることが可能となる。
6.冷却媒体分配器をケーシングの軸芯に対する垂直線に対して平行もしくは逆方向(排気ガス流入口側)に傾斜させて設けても、ノズル部材に設けられた複数の噴出孔がチューブシート側を指向していることにより、前記と同様に冷却媒体がチューブシート内面を指向して流入することとなり、ケーシング内に流入した冷却媒体が排気ガス流入口側のチューブシート内面に沿って流れるので、チューブシート内面付近での冷却媒体沸騰を防止できる。
7.エンジンの高負荷運転時にはEGRガス温度が上昇しかつガス流量が増大するため、チューブシート内表面のみならず扁平伝熱管外表面からも冷却媒体の沸騰を生じる現象が起きるが、ノズル部材に異なる断面積の噴出孔及び/又は流出孔を設けたり、ノズル部材の伝熱管側に伝熱管の積層方向に連続して突出した凸状部を設け、かつ該凸状部のチューブシート側壁面に噴出孔を設けると共にその他の壁面に流出孔を設けたり、ノズル部材凸状部のケーシングの軸方向断面形状が、V字状、底部に平坦部を有する逆台形状、U字状、円弧状のいずれかの形状とすること等により、高負荷運転時であってもチューブシート付近からEGRガスの流れ方向に少し沿った広い範囲での沸騰を確実に防止することができる。
8.ガイド部材のガイド部の長さを扁平伝熱管の積層方向で異なるように設けることにより、例えEGRガス流に扁流があってもチューブシート内表面、扁平伝熱管のチューブシート側外表面からの冷却媒体の沸騰も効果的に防止できる。
9.上記のように、本発明の多管式熱交換器によれば、冷却媒体をチューブシート内表面に向けてより高速で流入させる冷却媒体分配器を設ける手段を講じたことにより、冷却媒体の増速作用が得られると共にチューブシートへの指向性がより高められ、排気ガス(EGRガス)流入口側のチューブシート内表面での冷却媒体の沸騰をほぼ確実に解消できる効果に加え、冷却媒体をチューブシート内表面のみならず各扁平伝熱管の間の空間にも的確に導くことができるので、扁平伝熱管が垂直に配置されたものに限らず、水平に配置された多管式熱交換器においても、チューブシート内表面付近の各扁平伝熱管の外表面からの冷却媒体沸騰防止作用をも、より一層高めることが可能となり、冷却媒体の沸騰に伴う熱交換性能の低下の防止、エンジンの排気ガスからの熱回収、EGRガス等の排気ガスの冷却に大きく寄与する。
なお、前記ノズル部材10の噴出孔10−1の形状としては、真円又は扁平伝熱管2の軸心方向に長径を有する楕円もしくは長円形状のいずれでもよい。
なおこの場合は、ノズル部材70の突出部70−4が扁平伝熱管群の各扁平伝熱管2の間の空間部位に突出位置することから、噴出孔70−1より流出する冷却媒体を確実に扁平伝熱管群の各扁平伝熱管2の間に流入させることができるので、前記ガイド部材61等はなくてもよい。
なお、本実施例においては、冷却媒体の温度分布や流速、流れ方向の特性等に応じて短冊状ガイド部110−1の湾曲形状(ガイド面形状)を適宜、選択・変更することにより沸騰防止効果をより高めることが可能である。
上記図22に示す構成の多管式熱交換器の場合は、冷却媒体流入管9より冷却媒体分配器8及び開口部6より流入する冷却媒体がガイド部材120の作用によりチューブシート3内表面に速やかに到達して冷却し冷却媒体の沸騰が効果的に防止される。
上記図23に示す構成の多管式熱交換器の場合も前記図22に示す多管式熱交換器と同様に、冷却媒体流入管9より冷却媒体分配器8及び開口部6より流入する冷却媒体がガイド部材130の作用によりチューブシート3内表面に速やかに到達して冷却し冷却媒体の沸騰が効果的に防止される。
即ち、図25及び図26に示す本発明の第15実施例及び第16実施例に係る多管式熱交換器はそれぞれ、冷却媒体流入管19、29を直接冷却媒体分配器8に接続して供給する方式を採用したもので、図25に示す多管式熱交換器は、上面を閉塞した冷却媒体分配器18を用い、該冷却媒体分配器8の片方の側面上部もしくは両側面上部に、曲げ加工された冷却媒体流入管19を接続して冷却媒体を供給する方式である。又、図26に示す多管式熱交換器は、上記と同じ冷却媒体分配器28を用い、冷却媒体分配器28の背面上方に直線状の冷却媒体流入管29を接続して冷却媒体を供給する方式である。なお、上記冷却媒体流入管19、29は、冷却媒体の流速を可及的に高めるために冷却媒体が上方より下向きに流入するように伝熱管2の管軸に対して傾斜させて設けるのが好ましい。
ここで、ノズル部材に排気ガス流入口側のチューブシート内面を指向する噴出孔60B−1のみならず、チューブシート内面を指向しない流出孔60B−5を設けたノズル部材60Bを採用したのは、エンジンの高負荷運転時にはEGRガス温度が上昇しかつガス流量が増大するためチューブシート内表面のみならず、チューブシート付近の扁平伝熱管外表面からも冷却媒体の沸騰を生じる現象が起きること、又、噴出孔60B−1からの冷却媒体によるチューブシート内面付近の冷却のみならず、小径の流出孔からの冷却媒体が増速されてチューブシート付近の扁平伝熱管間に流入し各扁平伝熱管の外表面を効果的に冷却することにより、高いエンジン負荷時であってもチューブシート付近の広い範囲での沸騰を確実に防止することができるためである。なお、流出孔60B−5は、所望に応じ例えば扁平伝熱管の外表面が高温となる位置のみに設けたり、断面積を変化させて設けても良いことは言うまでもない。
即ち、EGRガス冷却装置(EGRクーラ)に流入するEGRガスの流速分布は均一ではなく偏流を生じながら流入すること、EGRガス流量が多くかつガス流速が速い扁平伝熱管付近のチューブシート及び扁平伝熱管の表面温度が最も高温となり、最も冷却を必要とする部位であること、EGRガスが高速で流入し高温となるチューブシート付近への冷却媒体の流量を確保すべく、チューブシートの温度分布に合わせてガイド部材のガイド部の長さを調整する必要があること、即ち、高温となる部位には長いガイド部を、高温とならない部位には短いガイド部を配置する必要があること、例えEGRガス流量が偏流していてもチューブシート内表面、チューブシート内表面付近の扁平伝熱管外表面からも冷却媒体の沸騰を生じる現象を効果的に防止できること、をその理由とするものである。
2 扁平伝熱管
3 チューブシート
4 排気ガス流入ボンネット
5 排気ガス出口ボンネット
6 冷却媒体流入用開口部
7 冷却媒体流出管
8、8A、8B、18、28 冷却媒体分配器
8−1、8A−1、8B−1 フランジ部
9、19、29 冷却媒体流入管
9−1 冷却媒体流入口
9−2 キャップ
10、20、30、31、40、50、60、60A、60B、60C、60D、60E、60F、60G、70、80、90、100 ノズル部材
10−1、20−1、30−1、31−1、40−1、50−1、60−1、60A−1〜60A−4、60B−1、60C−1、60D−1、60E−1、60F−1、60G−1、70−1、80−1、90−1、100−1、140−1 噴出孔
50−2、60−2、70−2 傾斜部
60−3、60B−3、60C−3、60D−3、60E−3、70−3 凸状部
60B−2、60C−2、60D−2、60E−2 EGRガスの流れ方向上流側壁面
60B−4、60C−4、60D−4、60E−4 EGRガスの流れ方向下流側壁面
60B−5、60C−5、60D−5、60D−6、60E−5、60E−6 流出孔
60C−6、60E−7 鍔部
70−4 突出部
80−2 バーリングノズル
90−2 ノズルブッシュ
90−3 流通孔
100−2 ノズル管
100−3 スパイラルフィン
110、110A 櫛歯状ガイド部材
110−1、110A−1 短冊状ガイド部
31−3、110−2、110A−2 屈曲部
120、130 ガイド部材
140 ガイド部一体型ノズル部材
30−2、31−2、140−2 ガイド部
Claims (19)
- 複数積層された扁平伝熱管と、該扁平伝熱管の外周を囲繞するように形成されたケーシングと、該ケーシングの両端部に設けられ、前記扁平伝熱管の両端部が貫設されたチューブシートとを備え、前記扁平伝熱管内を流通する排気ガスと前記ケーシング内を流通する冷却媒体との間で熱交換を行う方式の多管式熱交換器において、前記ケーシングの排気ガス流入口側端部付近に前記ケーシング長手方向と略直交する方向に基端部を接続すると共に冷却媒体流入管を備えた冷却媒体分配器を備え、前記冷却媒体分配器と前記ケーシングの接続部付近に、冷却媒体の噴出流速が前記冷却媒体分配器内より増速されるよう複数の噴出孔を該ケーシング長手方向と略直交する方向に有するノズル部材が設けられ、かつ前記噴出孔の断面積の総和が該冷却媒体分配器内の冷却媒体の流れ方向断面積より小さいことを特徴とする多管式熱交換器。
- 複数積層された扁平伝熱管と、該扁平伝熱管の外周を囲繞するように形成されたケーシングと、該ケーシングの両端部に設けられ、前記扁平伝熱管の両端部が貫設されたチューブシートとを備え、前記扁平伝熱管内を流通する排気ガスと前記ケーシング内を流通する冷却媒体との間で熱交換を行う方式の多管式熱交換器において、前記ケーシングの排気ガス流入口側端部に前記ケーシング長手方向と略直交する方向に設けた長孔からなる開口部に、該開口部を覆うように基端部を接続する冷却媒体分配器と、該冷却媒体分配器に接続した冷却媒体流入管を備え、かつ前記冷却媒体分配器は、前記ケーシング内に流入した冷却媒体が前記排気ガス流入口側のチューブシート内面に沿って流れるようにケーシングの軸芯に対する垂直線に対し傾斜させて設けられ、さらに冷却媒体の噴出流速が前記冷却媒体分配器内より増速されるよう複数の噴出孔を設けたノズル部材が前記開口部付近に設けられ、かつ前記噴出孔の断面積の総和が該冷却媒体分配器内の冷却媒体の流れ方向断面積より小さいことを特徴とする多管式熱交換器。
- 前記ノズル部材の噴出孔の軸芯が排気ガス流入口側のチューブシート内面を指向していることを特徴とする請求項1又は2に記載の多管式熱交換器。
- 複数積層された扁平伝熱管と、該扁平伝熱管の外周を囲繞するように形成されたケーシングと、該ケーシングの両端部に設けられ、前記扁平伝熱管の両端部が貫設されたチューブシートとを備え、前記扁平伝熱管内を流通する排気ガスと前記ケーシング内を流通する冷却媒体との間で熱交換を行う方式の多管式熱交換器において、前記ケーシングの排気ガス流入口側端部に前記ケーシング長手方向と略直交する方向に設けた長孔からなる開口部に、該開口部を覆うように基端部を接続する冷却媒体分配器と、該冷却媒体分配器に接続した冷却媒体流入管を備え、かつ前記冷却媒体分配器はケーシングの軸芯に対する垂直線に対し平行もしくは排気ガス流入口側へ逆向きに傾斜させて設けられ、さらに冷却媒体の噴出流速が前記冷却媒体分配器内より増速されるよう複数の噴出孔を設けたノズル部材が前記開口部付近に設けられ、前記噴出孔の断面積の総和が該冷却媒体分配器内の冷却媒体の流れ方向断面積より小さく、前記ケーシング内に流入した冷却媒体が前記排気ガス流入口側のチューブシート内面に沿って流れるように該噴出孔の軸芯が排気ガス流入口側のチューブシート内面を指向していることを特徴とする多管式熱交換器。
- 前記ノズル部材の噴出孔の軸芯が積層された扁平伝熱管の間の空間部もしくは扁平伝熱管とケーシング内面との間の空間部を指向していることを特徴とする請求項1乃至4のいずれか1項に記載の多管式熱交換器。
- ノズル部材が冷却水分配器内に設けられていることを特徴とする請求項1乃至5のいずれか1項に記載の多管式熱交換器。
- ノズル部材がケーシング内に設けられていることを特徴とする請求項1乃至5のいずれか1項に記載の多管式熱交換器。
- ノズル部材の伝熱管側に当該伝熱管の積層方向に連続して突出し、壁面に前記噴出孔を有する凸状部が設けられていることを特徴とする請求項1乃至5のいずれか1項に記載の多管式熱交換器。
- 前記凸状部の積層された各扁平伝熱管の間の空間部及び/又は扁平伝熱管とケーシング内面との間の空間部に突出部を有し、該突出部に前記噴出孔が設けられていることを特徴とする請求項8に記載の多管式熱交換器。
- 前記ノズル部材には、軸芯が積層された扁平伝熱管の間の空間部もしくは扁平伝熱管とケーシング内面との間の空間部を指向しかつ排気ガス流入口側のチューブシート内面を指向しない複数の流出孔が設けられていることを特徴とする請求項1乃至9のいずれか1項に記載の多管式熱交換器。
- 前記ノズル部材には、断面積の異なる噴出孔及び/又は流出孔が設けられていることを特徴とする請求項1乃至10のいずれか1項に記載の多管式熱交換器。
- 前記ノズル部材には、噴出孔及び/又は流出孔が前記伝熱管の積層方向と略平行で略直線状に連続して配置されていることを特徴とする請求項1乃至11のいずれか1項に記載の多管式熱交換器。
- 前記ノズル部材の扁平伝熱管側に当該伝熱管の積層方向に連続して突出した凸状部が設けられ、該凸状部のチューブシート側壁面に前記噴出孔を有し、かつその他の壁面に前記流出孔が設けられていることを特徴とする請求項1乃至12のいずれか1項に記載の多管式熱交換器。
- 前記ノズル部材の扁平伝熱管側に当該伝熱管の積層方向に連続して突出した凸状部のケーシングの軸方向断面形状がV字状、底部に平坦部を有する逆台形状、U字状、円弧状のいずれかの形状であることを特徴とする請求項1乃至13のいずれか1項に記載の多管式熱交換器。
- 冷却媒体分配器内又はノズル部材あるいはケーシング内壁に、冷却媒体のガイド部材が設けられていることを特徴とする請求項1乃至14のいずれか1項に記載の多管式熱交換器。
- ガイド部材は積層された各扁平伝熱管の間の空間部もしくは扁平伝熱管とケーシング内面との間の空間部に延びる延伸部を有することを特徴とする請求項15に記載の多管式熱交換器。
- 噴出孔にはノズルブッシュ又はノズル管が装着されていることを特徴とする請求項1乃至16のいずれか1項に記載の多管式熱交換器。
- ケーシングに設けられた開口部は扁平伝熱管の積層方向に略平行に設けられていることを特徴とする請求項1乃至17のいずれか1項に記載の多管式熱交換器。
- 噴出孔は円形又は扁平伝熱管の軸芯方向に長径を有する楕円もしくは長円形であることを特徴とする請求項1乃至18のいずれか1項に記載の多管式熱交換器。
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