JP2013200053A

JP2013200053A - 熱交換器

Info

Publication number: JP2013200053A
Application number: JP2012067433A
Authority: JP
Inventors: Yasuhiro Makibayashi; 康広槇林
Original assignee: Taiho Kogyo Co Ltd
Current assignee: Taiho Kogyo Co Ltd
Priority date: 2012-03-23
Filing date: 2012-03-23
Publication date: 2013-10-03

Abstract

【解決手段】熱交換器としてのＥＧＲクーラー１は、供給管１６を介して内側管体２に供給される排気ガス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。上記供給管１６の内径は内側管体２を構成する小径部１１の内径よりも小径となっており、かつ供給管１６の軸心は小径部１１の軸心から偏心させて、該供給管を上記内側管体の軸方向と交差する方向に接続してある。それによって、小径の供給管１６から大径の小径部１１内に供給される排気ガスＧを、小径部１１の内周面に沿って旋回させることができるようにしてある。
【効果】供給管１６から内側管体２内に排気ガスＧを旋回させながら供給することができるので、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ことができる。
【選択図】図２

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、熱交換器として、外部流体を流通させる外側管体と、この外側管体の内部に設けられて内部流体を流通させる内側管体と、この内側管体の入口側端部に接続されて該内側管体内に内部流体を供給する供給管とを備え、該供給管から内側管体内に内部流体を供給するとともに、該内側管体に流通される内部流体と上記外側管体に流通される外部流体との間で熱交換を行わせるようにしたものが知られている（特許文献１）。

特開２０００−０７９４６２号公報

上述した従来の熱交換器においては、上記供給管は内側管体と一直線上となるように接続されており、したがって供給管から内側管体内へ滑らかに内部流体を供給することができるので、その部分における圧力損失を低減することができる。
しかしながら、内部流体は上記供給管から内側管体内へ直線的に供給されるので、冷却効率は相対的に低くなってしまい、内部流体を効果的に冷却することができなかった。
本発明はこのような事情に鑑み、圧力損失の増大を抑制しながら、冷却効率が高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、外部流体を流通させる外側管体と、この外側管体の内部に設けられて内部流体を流通させる内側管体と、この内側管体の入口側端部に接続されて該内側管体内に内部流体を供給する供給管とを備え、該供給管から内側管体内に内部流体を供給するとともに、該内側管体に流通される内部流体と上記外側管体に流通され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おいて、
上記供給管の内径を内側管体の内径よりも小径とするとともに、該供給管の軸心を上記内側管体の軸心から偏心させて該供給管を上記内側管体の軸方向と交差する方向に接続し、上記小径の供給管から大径の内部管体内に供給される内部流体を内部管体の内周面に沿って旋回させることを特徴とするものである。

上記発明によれば、上記供給管から内部管体内に供給される内部流体は、内部管体の内周面に沿って旋回されながら供給されるようになるので、従来のように内部流体を供給管から内側管体内へ直線的に供給する場合に比較して、冷却効率を向上させることができる。
また、仮に上記供給管の軸心を内側管体の軸心に一致させた状態で該供給管を内側管体の軸方向と交差する方向に接続した場合には、該供給管から内部管体内に供給される内部流体は、内部管体の内周面に衝突して乱流が発生してしまうので、その部分の圧力損失が大きくなるという欠点が生じてしまう。
しかるに本発明においては、上記供給管から内部管体内に供給される内部流体は、内部管体の内周面に沿って旋回されながら供給されるようになるので、その部分の圧力損失の増大を抑制することが可能となる。
したがって本発明によれば、圧力損失が小さく、しかも冷却効率が高い熱交換器を提供することができる。

本実施例にかかるＥＧＲクーラーの断面図図１のＩＩ−ＩＩ線に沿う断面図図１のＩＩＩ−ＩＩＩ線に沿う断面図

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、該小径部１１の軸方向と交差する方向に接続された小径の供給管１６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。
これに対し、図示右方の小径部１１は、図示しない排出管を介してエンジンの吸気側に接続されており、排気ガスＧは、上記供給管１６を介して内部管体２内に導入されて、図１の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線に沿う断面図を示したもので、同図から理解されるように供給管１６は内部管体２を構成する小径部１１よりも小径となっている。
前述したように、供給管１６の軸心を上記小径部１１の軸心に一致させて接続するようにした場合には、供給管１６から小径部１１内に流入する排気ガスＧは小径部１１の内周面に正面から衝突して激しい乱流を生じさせてしまい、それによって大きな圧力損失を生じさせていた。
これに対し本実施例では、上記供給管１６の軸心は小径部１１の軸心から一方に偏心させてあり、それによって小径の供給管１６の内周面が、大径の小径部１１の内周面に接するように、該供給管１６を小径部１１に接続してある。
これにより、小径の供給管１６から大径の小径部１１内に供給される排気ガスＧは、図１、図２に示すように、小径部１１の内周面に沿って旋回されながら供給されるようになるので、その部分の圧力損失を抑制することができるようになる。

なお、図示実施例では小径の供給管１６の内周面が、大径の小径部１１の内周面に接するように、該供給管１６を小径部１１に偏心させて接続してあるが、必ずしも供給管１６の内周面と小径部１１の内周面とが接する必要はなく、その部分に若干の段差があっても良い。
要するに、上記供給管１６の軸心を小径部１１の軸心から一方に偏心させることにより、供給管１６からの排気ガスＧを小径部１１の内周面に沿って旋回させながら供給することができればよい。これによって、その部分の圧力損失を抑制することができる。

次に、図３は図１におけるＩＩＩ―ＩＩＩ線に沿う断面図を示しており、図３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。

さらに図３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。このフィン１５の傾斜方向は、上記供給管１６から小径部１１内に供給される排気ガスＧの旋回方向と一致する方向となるように傾斜させてある。

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３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２１と、冷却液Ｃを排出する排出ポート２２とが設けられている。
上記流入ポート２１と排出ポート２２は外側管体３の一方の端部と他方の端部とに設けてあり、かつ図３に示すように、外側管体３の軸心から互いに逆方向に偏心させて該外側管体３に接続してある。
これにより、流入ポート２１から外側管体３内に供給された冷却液Ｃを外側管体３の内周面に沿って旋回させることができるようにしてある。このとき、冷却液Ｃの旋回方向と排気ガスＧの旋回方向とは逆方向となるように設定してあり、また流入ポート２１から排出ポート２２への冷却液Ｃの流れ方向も排気ガスＧの流れ方向と逆方向となるように設定してある。

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回路へ排出されると、該排気ガスＧは上記供給管１６を介して内側管体２における図示左方端に位置する小径部１１に旋回されながら流入する。
そして小径部１１では、排気ガスＧは旋回しながら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３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。
前述したように、このフィン１５による排気ガスＧの旋回方向は、供給管１６から小径部１１に流入する際の旋回方向に一致している。
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３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２１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２２から排出されており、外側管体３の内部では冷却液Ｃが旋回されながら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。

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
１６供給管２１流入ポート
２２排出ポートＡ隙間
Ｇ排気ガスＣ冷却液
Ｕユニット

Claims

外部流体を流通させる外側管体と、この外側管体の内部に設けられて内部流体を流通させる内側管体と、この内側管体の入口側端部に接続されて該内側管体内に内部流体を供給する供給管とを備え、該供給管から内側管体内に内部流体を供給するとともに、該内側管体に流通される内部流体と上記外側管体に流通され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おいて、
上記供給管の内径を内側管体の内径よりも小径とするとともに、該供給管の軸心を上記内側管体の軸心から偏心させて該供給管を上記内側管体の軸方向と交差する方向に接続し、上記小径の供給管から大径の内部管体内に供給される内部流体を内部管体の内周面に沿って旋回させることを特徴とする熱交換器。
上記内側管体は、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を備えており、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が設けられるとともに、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、かつ半径方向に対して傾斜して伸びる複数のフィンが設けられており、
上記内側管体の内部流体は、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される際に旋回流が形成されるとともに、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されるようになっており、かつ上記フィンによって形成される旋回流と、上記供給管から内部管体内に供給された際に形成される旋回流とは同一方向となるように設定されていることを特徴とする請求項１に記載の熱交換器。
上記フィンは中央部が膨出する湾曲した形状に形成されてい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が設けられており、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してい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が設けられ、
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間の隙間を通過すると、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２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２ないし請求項５のいずれかに記載の熱交換器。