JP2013096594A - 熱交換器 - Google Patents

Abstract

【解決手段】 ＥＧＲクーラー１は、内側管体２と外側管体４および冷却液通路３を備えており、内側管体２内を流通する排気ガスＧの熱は冷却液通路３内を流通する冷却液Ｗへ伝熱される。
内側管体２は４個のユニットＵから構成されており、各ユニットＵは大径部１２内にプレート１４を収容している。このプレート１４およびその上下位置の連結部１３Ａ、１３Ｂは、中心側が外周部よりも低くなる円錐状に形成されており、上記プレート１４の中心に水抜き孔１４Ａが穿設されている。
ユニットＵ内で排気ガスＧによる凝縮水が生じると、該凝縮水はプレート１４上に付着した後に水抜き孔１４Ａから下方へ排出される。
【効果】 ユニットＵ内のプレート１４等が凝縮水によって腐食するのを防止できる。
【選択図】 図１

Description

本発明は熱交換器に関し、より詳しくは、内側管体とそれを収容した外側管体とを備えて、内側管体内を流通する内部流体と外側管体内を流通する外部流体との間で熱交換を行わせるようにした熱交換器に関する。

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行わせる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（Ｅｘｈａｕｓｔ Ｇａｓ Ｒｅｃｉｒｃｕｌａｔｉｏｎ）という技術が知られている。そして、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クーラーとして採用することが提案されている（例えば特許文献１〜特許文献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、上述した従来の熱交換器としてのＥＧＲクーラーにおいては、次のような問題が指摘されている。すなわち、上記特許文献１のＥＧＲクーラーにおいては、内側管体内を排気ガスが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ＥＧＲクーラーにおいては、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排気ガスの圧力損失が高いという問題があった。
そこで、本願の出願人は、先に排気ガスの圧力損失を抑制し、かつ冷却効率が良好な熱交換器を提案したところである（特願２０１１―１５２０３）。この先願となる熱交換器の構成を示したものが図４である。この図４に示すように、先願の熱交換器１０１は、内側管体１０２と外側管体１０３およびそれらの間の冷却液通路１０４とを備えており、さらに上記内側管体１０２は直列に接続された４つの管状のユニットＵから構成されている。ユニットＵは、軸方向の両端側となる一対の小径部１１１、１１１と、軸方向中央側の大径部１１２と、この大径部１１２と上記両小径部１１１とを接続する環状の連結部１１３、１１３とを備えるとともに、大径部１１２内に配置された円板状のプレート１１４を備えている。排気ガスＧは、導入口１１６からユニットＵに導入されて矢印で示すように流通するようになっており、その際に各プレート１１４とその上下両面に配置された複数のフィン１１５とによって流通方向を案内されるようになっている。他方、冷却液Ｗは導入口１１７から導入されて冷却液通路１０４内を流通してから排出口１１８から排出されるようになっている。そのため、金属製の内側管体１０２を介して排気ガスＧと冷却液Ｗとの間で熱交換が行われて、排気ガスＧの温度が低下するようになっている。
ところで、このような構成を備える先願の熱交換器１０１を、図４に示すように、軸心が鉛直方向となるように縦置き式として使用する場合には次のような問題が生じた。すなわち、内側管体１０２内を排気ガスＧが流通する際に、該排気ガスＧに含まれる水蒸気が凝縮して凝縮水１２０が生じると、その凝縮水１２０が各ユニットＵの連結部１１３上やプレート１１４上に付着して貯溜される。ここで、内側管体１０２は金属からなるので、このように各ユニットＵの連結部１１３やプレート１１４等に凝縮水１２０が貯溜されると、凝縮水１２０の貯溜箇所や周辺が腐食し、さらには腐食穴が生じるという問題が生じた。

上述した事情に鑑み、本発明は、内部流体を流通させる内側管体と、この内側管体を収容する外側管体と、内側管体と外側管体との間に形成されて外部流体を流通させる冷却液通路とを備え、全体として円筒状に形成されるとともに軸心を立てた状態で配置されて、上記内側管体内に内部流体を流通させるとともに上記冷却液通路に外部流体を流通させることにより、上記内側管体を介して内部流体と外部流体との間で熱交換を行わせるようにした熱交換器において、
上記内側管体は管状のユニットを備えており、該ユニットは、同軸上に配置された一対の円筒状をした小径部と、これら小径部の間に位置する円筒状の大径部と、上記各小径部と大径部とを連結する環状の連結部と、上記大径部の内部に収容されたプレートと、このプレートの上下両面とそれらに対向する各連結部の内面との間に配置されるとともに内部流体の流通方向を案内する複数のフィンとを備え、
上記プレートおよび各連結部は、中心側が外周部よりも高さが低くなる円錐状に形成されるとともに、上記プレートの中心側に水抜き孔が形成されていることを特徴とするものである。

このような構成によれば、上記内側管体のユニットは小径部、大径部、連結部を備えているので、外部流体はこれら小径部、大径部、連結部に接触しながら冷却液通路内を流通する。また、内部流体は、ユニットにおけるフィンやプレートとによって流通方向を案内されることで上記小径部、連結部および大径部と接触して流通する。そのため、内部流体と外部流体とを熱交換させるための伝熱面積を増大させることで効率的な熱交換を行うことができるとともに、内部流体がフィンによって整流されて該内部流体の圧力損失を抑制することができる。したがって、冷却効率が高く、かつ圧力損失の少ない熱交換器を提供することができる。
さらに、上述した構成によれば、上記プレートおよび連結部は円錐状となっており、プレートには水抜き孔が形成されている。そのため、ユニット内で凝縮水が生じると、該凝縮水はプレート上に付着してから中心側へ流れた後に水抜き孔から下方へ排出される。また、連結部上に凝縮水が付着した場合にも中心側へ流れたのちに内周部から下方へ排出される。そのため、プレート上や連結部上に凝縮水が残留することを防止できるので、ユニットの構成部材が凝縮水によって腐食したり損傷したりすることを抑制することができる。

本発明の一実施例を示す縦断面図。 図１のＩＩ―ＩＩ線に沿う要部の断面図。 図１に示す構成部材の斜視図。 従来技術の構成を示す断面図。

以下、図示実施例について本発明を説明すると、図１において１は概略円筒状に形成された熱交換器としてのＥＧＲクーラー１であり、このＥＧＲクーラー１は自動車のボンネット内に軸心Ｃを立てた状態で配置されている。つまり、本実施例のＥＧＲクーラー１は、その軸方向の一端１Ａが上方となり、軸方向の他端１Ｂが下方となるように縦置き式として自動車に搭載されている。
このＥＧＲクーラー１は、内部流体としての排気ガスＧを下方から上方へ向けて流通させる内側管体２と、この内側管体２を内部に収容するとともに内側管体２との間に維持された冷却液通路３内に外部流体としての冷却液Ｗを流通させる外側管体４とを備えている。上記内側管体２はＥＧＲ回路の途中に接続されており、外側管体４は冷却液回路の途中に接続されている。また、内側管体２および外側管体４はともに金属によって構成されている。
このＥＧＲクーラー１は、上記内側管体２内に排気ガスＧを下方から上方へ向けて流通させると同時に、内側管体２と外側管体４との間の冷却液通路３内に冷却液Ｗを下方から上方へ向けて流通させるようになっている。それによって、金属製の内側管体２を介して排気ガスＧと冷却液Ｗとの間で熱交換を行わせて、排気ガスＧの温度を下げるように構成されている。

内側管体２は、上下方向（軸方向）に直列に接続された４個の管状のユニットＵから構成されており、排出口２Ａとなる最上方のユニットＵの開口部はフランジ５を介してＥＧＲ回路におけるエンジンの排気側に接続されている。他方、導入口２Ｂとなる最下部のユニットＵの開口部は、Ｌ字形の接続パイプ６とフランジ７を介してＥＧＲ回路のエンジンの吸気側に接続されている。
各ユニットＵは、同軸上に位置させた上下一対の円筒状の小径部１１Ａ、１１Ｂと、それらの間に位置する円筒状の大径部１２と、各小径部１１Ａ、１１Ｂと大径部１２の軸方向の両端部とを連結する環状の連結部１３Ａ、１３と、上記大径部１２内に収容された薄板状のプレート１４と、このプレート１４の上下両面とそれらに対向する上記連結部１３Ａ、１３Ｂとにわたって配置された複数のフィン１５とから構成されている。

図１に矢印で示すように、本実施例においては、排気ガスＧは導入口２Ｂから内側管体２の最下方のユニットＵ内に導入されて、順次上方位置のユニットＵ内を流通した後に排出口２Ａから排出されるようになっている。上記複数のユニットＵからなる内側管体２全体の外周面と外側管体４の内周面との間の空間部が冷却液通路３となっており、内側管体２に排気ガスＧが流通する際には、冷却水Ｗが下方の第１ポート４Ａから冷却液通路３内に導入された後に上方の第２ポート４Ｂから排出されるようになっている。

次に、ユニットＵが備えるプレート１４、連結部１３Ａ，１３Ｂおよびフィン１５について説明する。
プレート１４は、上記小径部１１よりも大径で大径部１２よりも小径の環状に形成されており、このプレート１４は、大径部１２内の上下方向（軸方向）の中央位置に配置されている。これにより上記筒状の大径部１２の内周面と上記プレート１４の外周面との間に環状の隙間Ａが維持されるとともに、プレート１４の上下両面とそれらに対向する両連結部１３Ａ，１３Ｂとの間にも上下方向（軸方向）の隙間Ａ１，Ａ２が維持されており、これらの隙間Ａ１，Ａ２内に複数のフィン１５が配置されている。そのため、各ユニットＵ内を下方から上方に向けて排気ガスＧが流通する際には、排気ガスＧは下方の小径部１１Ｂから導入された後に上記隙間Ａ１，Ａ，Ａ２の順序で大径部１２内を流通した後に上方の小径部１１Ｂから上方へ向けて排出されるようになっている。

さらに、本実施例においては、図１に示すように、上記プレート１４は中心部側が外周部よりも徐々に高さが低くなる円錐状に形成されており、また、このプレート１４の中心部には水抜き孔１４Ａが穿設されている。
また、上記円錐状に形成されたプレート１４の傾斜に合わせて、プレート１４の上下両面と対向する各連結部１３Ａ、１３Ｂは、中心側（内周部側）が外周部側よりも徐々に高さが低くなる円錐状に形成されている。
上記プレート１４および両連結部１３Ａ、１３Ｂは上述したように構成されているので、それらの箇所に凝縮水が残留するのを防止することができる。つまり、ユニットＵ内で排気ガスＧによる凝縮水が生じた際に、それが両連結部１３Ａ、１３Ｂの内面に付着すると、その凝縮水は連結部１３Ａ、１３Ｂの傾斜に沿って内周部側へ流れて、その内周部から下方へ排出される。さらに、凝縮水がプレート１４上に付着した場合にも、その傾斜に沿って中心に向けて凝縮水が流れてから水抜き孔１４Ａを介して下方へ排出される。
本実施例では、このようにしてユニットＵの構成部材である、プレート１４や両連結部１３Ａ、１３Ｂおよび大径部１２、小径部１１Ａ，１１Ｂにも凝縮水が付着して残留しないようになっている。

次に、プレート１４に固定して設けられたフィン１５について説明する。図２に示すように、円弧状に形成されたフィン１５は、プレート１４の円周方向等間隔位置に複数設けられるとともに、プレート１４の中心側から外周部にわたって放射方向に対して少し傾斜させて配置されている。
本実施例においては、各フィン１５は、軸方向の一端をプレート１４の上面または下面に一体に固定されており、軸方向の他端１５Ａは自由端１５Ａとなっている。
この図２において、実線で示すフィン１５はプレート１４の上面側のフィン１５を示しており、破線で示すフィン１５は下面側のフィン１５を示している。フィン１５の軸方向寸法は、プレート１４の上下両面とそれらに対向する連結部１３Ａ、１３Ｂとが隔てた距離と実質同じ寸法に設定されている。そのため、各構成部材を組み付けてユニットＵを組み立てた際には、上面のフィン１５の自由端１５Ａ（上端）は、その対向位置となる上方の連結部１３Ｂの内面に隙間なく接触し、下面のフィン１５の自由端１５Ａ（下端）は、その対向位置となる下方の連結部１３Ａの内面に隙間なく接触する。これにより、ユニットＵ内の隙間Ａ１，Ａ２を排気ガスＧが流通する際には上記プレート１４とその上下両面の各フィン１５によって流通方向を案内されるようになっている。

より詳細には、下方から導入された排気ガスＧはプレート１４に吹き付けられてから空間Ａ１内を下方位置のフィン１５に沿って外周部方向へ案内された後、隙間Ａを介して隣接上方位置の空間Ａ２へ移動する。その後、排気ガスＧは空間Ａ２内ではプレート１４の上面と上方のフィン１５に沿って外周部側から中心側へと案内され、その後、上方の小径部１１Ｂ内を介して上方へ流通して行くようになっている。つまり、先願である特願２０１１−１５２０３の熱交換器と同様に、ユニットＵ内に配置されたプレート１４とその上下両面のフィン１５によって排気ガスＧの流通方向が案内されるようになっている。

さらに、本実施例においては、ユニットＵの各構成部材を組み立てる際に、プレート１４およびフィン１５の大径部１２内での固定と位置決めを容易にするために、以下のような構成を採用している。すなわち、図１ないし図３に示すように、フィン１５の自由端１５Ａにおける中心側の端部は、そこよりも半径方向外方側の箇所に対して軸方向に伸長させた嵌合爪１５Ｂとして形成されている。このように、プレート１４の上下両面に固定された各フィン１５は、プレート１４の中心側に嵌合爪１５Ｂを備えている。そして、図３に示すように、これら上面側または下面側における各組のフィン１５の嵌合爪１５Ｂを結ぶ仮想円Ｘの直径は、各小径部１１Ａ、１１Ｂの内径よりも僅かに小さな寸法に設定されている。そのため、ユニットＵの構成部材を組み立てる際には、プレート１４における上下各組のフィン１５の嵌合爪１５Ｂは、それらの対向位置となる各小径部１１Ａ、１１Ｂ内に隙間なく嵌合されるようになっている。
さらに、嵌合爪１５Ｂよりも半径方向外方側となるフィン１５の軸方向寸法は、ユニットＵの各構成部材を組み立てた際に、プレート１４の上下各組のフィン１５の自由端１５Ａが、それらの対向位置となる連結部１３Ａ、１３Ｂの内面と隙間なく接触する寸法に設定されている。
プレート１４の上下両面に立設されたフィン１５は以上のように構成されているので、ユニットＵの各構成部材を組み立てる際には、上下各組のフィン１５の嵌合爪１５Ｂを、それらの対向位置となる小径部１１Ａ，１１Ｂ内に嵌合させればよい。それにより、プレート１４とその上下両面のフィン１５と上下位置の両小径部１１Ａ，１１Ｂが固定されるとともに、該小径部１１Ａ、１１Ｂに連設されている大径部１２および両連結部１３Ａ，１３Ｂも固定されるようになっている。
また、大径部１２内におけるプレート１４およびフィン１５の半径方向位置と軸方向の位置決めも行われる。それにより、大径部１２内における半径方向の隙間Ａ、および軸方向の隙間Ａ１，Ａ２を確実に維持することができる。また、上下各組のフィン１５の自由端１５Ａが対向位置となる連結部１３Ａ，１３Ｂと隙間なく接触するようになっている。
内側管体２のユニットＵは以上のように構成されており、本実施例においては、このユニットＵを上下方向（軸方向）に４個直列に接続することで内側管体２を構成している。

他方、上記外側管体４は、上記内側管体２の大径部１２よりも大径の円筒状に形成されており、その軸方向の両端は蓋体１６，１６によって閉鎖されている。そして、上方側の蓋体１６には、上記内側管体２の最上方のユニットＵにおける小径部１１Ｂを貫通させてあり、下方の蓋体１６には上記接続パイプ６を液密を保持して貫通させている。そして、外側管体４の下部には、上記冷却液回路から冷却液通路３内へ冷却液Ｗを導入する第１ポート４Ａが設けられており、外側管体４の上部には冷却液Ｗを冷却液通路２から排出する第２ポート４Ｂが設けられている。

以上のように構成された本実施例のＥＧＲクーラー１においては、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へ下方の導入口２Ｂから導入され、その後、順次各ユニットＵ内を上方に向けて流通し、上方の排出口２ＡからＥＧＲ回路へ排出される。また、冷却液Ｗは第１ポート４Ａから冷却液通路３に導入されて、該冷却液通路３内を流通してから上方の第２ポート４Ｂから排出される。これにより、金属製の内側管体２を介してその内部を流通する排気ガスＧと冷却液Ｗ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Ｗ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。
ここで、本実施例においては、内側管体２のユニットＵにおける上下の連結部１３Ａ，１３Ｂと上記フィン１５の自由端１５Ａとが接触しているので、上記上下各組のフィン１５およびプレート１４も冷却液Ｗにより冷却されている。そのため、排気ガスＧは上下各組のフィン１５およびプレート１４に接触することによっても効率的に冷却されるようになっている。

そして、特に、本実施例においては、各ユニットＵを上述した各構成部材によって構成しているので、内側管体２が冷却液Ｗと接触する面積、つまり伝熱面積を特許文献１〜３の従来技術よりも増大させることができる。したがって、本実施例のＥＧＲクーラー１は、前述した特許文献１〜３にかかるＥＧＲクーラーのいずれに対して良好な冷却効率が得ることが可能である。また、少なくとも本実施例のＥＧＲクーラー１は、特許文献２、３にかかるＥＧＲクーラーよりも排気ガスの圧力損失を抑制することができる。このような熱効率や圧力損失に関する本実施例のＥＧＲクーラー１と従来技術との違いは、本実施例と類似した先願（特願２０１１−１５２０３）のＥＧＲクーラーと従来技術とを比較した実験データからも明らかである。

さらに、上述した本実施例においては、プレート１４および両連結部１３Ａ，１３Ｂは円錐状となっており、プレート１４には水抜き孔１４Ａが形成されている。そのため、ＥＧＲクーラー１を縦置き式として使用することが前提となる本実施例において、各ユニットＵ内で排気ガスＧにより凝縮水が生じた場合には、該凝縮水はプレート１４上に付着してから中心側へ流れてから水抜き孔１４Ａから下方へ排出される。つまり、本実施例においては、プレート１４上や連結部１３Ａ，１３Ｂ上に凝縮水が残留することを防止できるので、プレート１４や両連結部１３Ａ，１３Ｂその他のユニットＵの構成部材が凝縮水によって腐食したり損傷したりすることを抑制することができる。
さらに、プレート１４の上下両面に一体に設けられた上下各組のフィン１５には、嵌合爪１５Ｂが形成されているので、両小径部１３Ａ，１３Ｂとプレート１４およびフィン１５とを容易に組み付けて固定することができるとともに、大径部１２内におけるプレート１４および上下各組のフィン１５の位置決めも容易に行うことができる。

なお、上記実施例においては第１ポート４Ａから冷却液通路３内に冷却水Ｗを導入して第２ポート４Ｂから排出させるようにしているが、それとは逆に、第２ポート４Ｂから冷却液通路３内に冷却水Ｗを導入して第１ポート４Ａから排出させるようにしても良い。
また、上記実施例は、排気ガスＧを冷却するＥＧＲクーラー１に本発明を適用した場合を示したが、本発明はその他の分野における熱交換器として適用することができる。
また、上記両連結部１３Ａ、１３Ｂおよびプレート１４は、図１に示す縦断面図で見たときに断面が直線となる円錐状となっているが、断面が曲線となる擂鉢状のものも本実施例でいう円錐状の概念に含まれるものである。
また、フィン１５の設置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。

１‥ＥＧＲクーラー ２‥内側管体
３‥冷却液通路 ４‥外側管体
１１‥小径部 １２‥大径部
１３Ａ、１３Ｂ‥連結部 １４‥プレート
１４Ａ‥水抜き孔 １５‥フィン
Ｇ‥排気ガス（内部流体） Ｗ‥冷却液（外部流体）

Claims (3)

1. 内部流体を流通させる内側管体と、この内側管体を収容する外側管体と、内側管体と外側管体との間に形成されて外部流体を流通させる冷却液通路とを備え、全体として円筒状に形成されるとともに軸心を立てた状態で配置されて、上記内側管体内に内部流体を流通させるとともに上記冷却液通路に外部流体を流通させることにより、上記内側管体を介して内部流体と外部流体との間で熱交換を行わせるようにした熱交換器において、
   上記内側管体は管状のユニットを備えており、該ユニットは、同軸上に配置された一対の円筒状をした小径部と、これら小径部の間に位置する円筒状の大径部と、上記各小径部と大径部とを連結する環状の連結部と、上記大径部の内部に収容されたプレートと、このプレートの上下両面とそれらに対向する各連結部の内面との間に配置されるとともに内部流体の流通方向を案内する複数のフィンとを備え、
   上記プレートおよび各連結部は、中心側が外周部よりも高さが低くなる円錐状に形成されるとともに、上記プレートの中心側に水抜き孔が形成されていることを特徴とする熱交換器。
2. 上記フィンは、上記プレートの上下両面に固定して設けられており、また、各フィンにおけるプレートの中心側の箇所には軸方向に伸びる嵌合爪が形成されており、プレートの上面側又は下面側の各組のフィンの嵌合爪を対向位置の小径部内に嵌合させることにより、上記プレートとフィンが大径部内で位置決めされ、かつ固定されることを特徴とする請求項１に記載の熱交換器。
3. 上記内側管体は上記ユニットを複数直列に接続して構成されていることを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の熱交換器。

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