JP2013249798A - Ｅｇｒガス冷却装置 - Google Patents

Abstract

【課題】ＥＧＲ配管の腐食を抑制することを課題とする。
【解決手段】ＥＧＲガス冷却装置は、内部にＥＧＲガスが流通するＥＧＲ配管と、端部を前記ＥＧＲ配管の端部に接合し、前記ＥＧＲ配管の外周部に冷媒通路を形成するハウジング部材と、軸方向長さが前記ＥＧＲ配管の軸方向長さよりも短く、前記ＥＧＲ配管内に前記ＥＧＲ配管の内周壁面に当接させて配置された熱交換体と、前記熱交換体が前記ＥＧＲ配管の内周壁面に当接していない箇所に、前記内周壁面を覆うように装着されたリング部材とを備える。リング部材によってＥＧＲ配管の内周壁面が覆われることにより、ＥＧＲ配管への凝縮水の付着、ひいては、ＥＧＲ配管の腐食を抑制することができる。
【選択図】図２

Description

本発明はＥＧＲガス冷却装置に関する。

従来、排気再循環装置が備えるＥＧＲ（Exhaust Gas Recirculation）ガスを冷却する熱交換器が知られている。また、セラミックを用いた熱交換器が知られており（例えば、特許文献１）、これをＥＧＲガス冷却装置に用いることもできる。セラミックを用いた熱交換器をＥＧＲガス冷却装置に用いる場合、周囲に冷媒通路が設けられたＥＧＲ配管内にセラミックを配置する構成が考えられる。

特開２０１０−２７１０３１号公報

ところで、ＥＧＲ配管内は、使用状況によって内部に凝縮水が生じることがある。内燃機関に使用される燃料によっては、ＥＧＲ配管内の凝縮水の成分に塩素や硫黄等が含まれ、ＥＧＲ配管を腐食させる可能性がある。ここで、ＥＧＲ配管内にセラミックを配置した場合、セラミックがＥＧＲ配管の内周壁面に接していれば、当該箇所における腐食は抑制される。しかしながら、ＥＧＲ配管が露出している箇所では、凝縮水付着に起因する腐食の発生が懸念される。

そこで本明細書開示のＥＧＲガス冷却装置は、ＥＧＲ配管の腐食を抑制することを課題とする。

上記課題を解決するために本明細書開示のＥＧＲガス冷却装置は、内部にＥＧＲガスが流通するＥＧＲ配管と、端部を前記ＥＧＲ配管の端部に接合し、前記ＥＧＲ配管の外周部に冷媒通路を形成するハウジング部材と、軸方向長さが前記ＥＧＲ配管の軸方向長さよりも短く、前記ＥＧＲ配管内に前記ＥＧＲ配管の内周壁面に当接させて配置された熱交換体と、前記熱交換体が前記ＥＧＲ配管の内周壁面に当接していない箇所に、前記内周壁面を覆うように装着されたリング部材と、を備える。

ＥＧＲ配管の内部に配置される熱交換体は、ＥＧＲ配管の内周壁面に当接することにより、内部を流通するＥＧＲガスの熱を、ＥＧＲ配管を介して冷媒通路内の冷媒に伝達する。熱交換体はＥＧＲ配管の内周壁面に当接することにより、ＥＧＲ配管の内周壁面への凝縮水の付着を抑制することができる。しかしながら、熱交換体がＥＧＲ配管の内周壁面の全域を覆うことができない場合がある。例えば、冷媒通路は、ＥＧＲ配管の端部とハウジング部材の端部とを接合して形成されるため、その長さは、ＥＧＲ配管の長さよりも短くなる。ここで、熱交換体の過度の温度状を回避すべく熱交換体の周囲に冷媒を存在させるために、熱交換体の軸方向（ＥＧＲガス流れ方向）の長さは、冷媒通路の軸方向長さに対応させることが望ましい。この結果、熱交換体の軸方向長さは、ＥＧＲ配管の軸方向長さよりも短くなる。これにより、熱交換体がＥＧＲ配管の内周壁に当接することができない箇所ができる。このような箇所では、凝縮水の付着が懸念される。そこで、本明細書開示のＥＧＲガス冷却装置では、熱交換体がＥＧＲ配管の内周壁面に当接していない箇所に、内周壁面を覆うように装着されたリング部材を装着する。これにより、ＥＧＲ配管に凝縮水が付着することを抑制し、ひいては、ＥＧＲ配管の腐食を抑制することができる。

前記リング部材は、筒状部と、前記筒状部の一端部に設けられたフランジ部とを備えるとともに、前記ＥＧＲ配管の端部に装着され、前記筒状部は前記ＥＧＲ配管の端部内側を覆い、前記フランジ部は前記ＥＧＲ配管の端面と前記ハウジング部材の端面のうち、少なくとも前記ＥＧＲ配管の端面を覆うようにしてもよい。

ハウジング部材とＥＧＲ配管とが、それぞれの端部で接合されることによって冷媒通路が形成されている。この場合、その接合部において、ハウジング部材の端面やＥＧＲ配管の端面に凝縮水が付着する可能性がある。そこで、ＥＧＲ配管の端部に装着されるリング部材にフランジ部を設け、そのフランジ部によってハウジング部材の端面やＥＧＲ配管の端面を覆う。これにより、該当個所への凝縮水の付着を抑制することができる。なお、フランジ部によりＥＧＲ配管の外側に位置するハウジング部材の端面まで覆うことにより、より適切にＥＧＲ配管への凝縮水の付着を抑制することができる。また、ハウジング部材の端面まで覆うことにより、ハウジング部材への凝縮水の付着も効果的に抑制することができる。

本明細書に開示されたＥＧＲガス冷却装置によれば、ＥＧＲ配管の腐食を抑制することができる。

図１は第１実施形態のＥＧＲガス冷却装置を軸方向に沿って断面として示した説明図である。 図２は図１におけるＡ１部を拡大して示した説明図である。 図３（Ａ）は図２におけるＡ２部に現れた構成要素を分解した状態で示した説明図であり、図３（Ｂ）は図２におけるＡ２部を拡大して示した説明図である。 図４は第２実施形態のＥＧＲガス冷却装置の一部分を拡大して示した説明図である。 図５（Ａ）は端部リング部材の斜視図であり、図５（Ｂ）は図５（Ａ）とは異なる方向からみた端部リング部材の斜視図である。 図６は第３実施形態のＥＧＲガス冷却装置の一部分を拡大して示した説明図である。 図７は第４実施形態のＥＧＲガス冷却装置を軸方向に沿って断面として示した説明図である。 図８は第４実施形態のＥＧＲガス冷却装置が備える端部リング部材、熱交換体及び中間リング部材を示す説明図である。

以下、本発明を実施するための形態を図面と共に詳細に説明する。ただし、図面中、各部の寸法、比率等は、実際のものと完全に一致するようには図示されていない場合がある。

（第１実施形態）
図１は第１実施形態のＥＧＲガス冷却装置１を軸方向、すなわち、ＥＧＲガスの流通方向に沿って断面として示した説明図である。図２は図１におけるＡ１部を拡大して示した説明図である。図３（Ａ）は図２におけるＡ２部に現れた構成要素を分解した状態で示した説明図であり、図３（Ｂ）は図２におけるＡ２部を拡大して示した説明図である。

ＥＧＲガス冷却装置１は、内部にＥＧＲガスが流通するＥＧＲ配管２を備える。ＥＧＲ配管は、ステンレス（ＳＵＳ）製の管材である。ＥＧＲ配管２はアルミ等、他の材料を用いることもできる。ＥＧＲガス冷却装置１は、端部３ａをＥＧＲ配管２の端部２ａに接合し、ＥＧＲ配管２の外周部に冷媒通路４を形成するハウジング部材３を備えている。ハウジング部材３もステンレス（ＳＵＳ）製である。ハウジング部材３には、冷媒通路４に冷媒を導入する冷媒入口３ｂ１と冷媒通路４内の冷媒を排出する冷媒出口４ｂ２を備えている。冷媒はどのようなものであってもよいが、本実施形態では、冷却水を用いている。ハウジング部材３の外壁にはステー３ｃが設けられている。図３（Ａ）を参照すると、ＥＧＲ配管２の端部２ａの外側にハウジング部材３の端部３ａが位置しており、両者はろう付けによって接合されている。このとき、両者はハウジング部材の端面３ａ１とＥＧＲ配管の端面２ａ１とは面一となるように接合されている。なお、ＥＧＲ配管２は薄肉円環状の部材であり、端面２ａ１はその肉厚が現れた面である。また、ハウジング部材も同様に薄肉円環状の部材であり、端面３ａ１はその肉厚が現れた面である。

ＥＧＲ配管２内には、ＥＧＲ配管２の内周壁面２ｂに当接させて配置された熱交換体５が収容されている。熱交換体５は、炭化ケイ素（ＳｉＣ）セラミック製である。セラミック材料は、効率的な熱伝導を有するとともに、高い耐蝕性を発揮することができる。このため、高熱伝導率を有するセラミック材料は、ＥＧＲ配管内に配置される熱交換体や被覆部材の材料として好適である。熱交換体５は、円柱状に成形されており、ＥＧＲガスが通過できるように通路が形成されている。すなわち、熱交換体５はポーラス形状を備えている。熱交換体５は、ＥＧＲ配管２を介して冷媒通路４内を流通する冷媒と熱交換することができる。すなわち、ＥＧＲガスは熱交換体５を通過する際に熱交換体５及びＥＧＲ配管２を介して冷媒と熱交換され、冷却される。

本実施形態のＥＧＲガス冷却装置１では、ＥＧＲ配管２の内周壁面２ｂと熱交換体５との間にグラファイトシート６を介装させている。すなわち、熱交換体５は、グラファイトシート６を介してＥＧＲ配管２の内周壁面に当接している。グラファイトシート６は、ＥＧＲ配管２と熱交換体５との間に滑りを生じさせることができ、ＥＧＲ配管２の熱膨張量と熱交換体５の熱膨張量の差に起因するストレスの発生を緩和することができる。グラファイトシート６は、摩擦係数の小さい材料として選定されたものである。摩擦係数が小さく、ＥＧＲ配管２と熱交換体５との間に滑りを生じさせることができる材料をグラファイトシート６に代えて採用することもできる。

なお、熱交換体５とＥＧＲ配管２の内周壁面２ａとの間にグラファイトシート６を介在させた場合、厳密な意味において熱交換体５とＥＧＲ配管２の内周壁面２ａとは当接していない。このため、本明細書において熱交換体５とＥＧＲ配管２の内周壁面２ａが当接した状態とは、熱交換体５からＥＧＲ配管へ熱伝達できる状態を意味するものとする。

図１を参照すると、熱交換体５の軸方向長さＬ２は、ＥＧＲ配管の軸方向長さＬ１よりも短い。これは、熱交換体５の周囲に冷媒を存在させるために、熱交換体５の軸方向長さを冷媒通路４の軸方向長さに対応させたことに起因する。熱交換体５の周囲に冷媒を存在させるのは、熱交換体５の過度の温度上昇を抑制するためである。熱交換体５の温度が上昇し、ＥＧＲ配管２との温度差が大きくなると、両者の熱膨張量の差に起因して、熱交換体５に割れ等の損傷が発生する可能性がある。熱交換体５の軸方向長さを冷媒通路４の軸方向長さに対応させて熱交換体５の周囲に冷媒を存在させることにより、熱交換体５の過度の温度上昇を抑制することができる。

その一方で、ＥＧＲ配管２の上流側及び下流側の端部において、熱交換体５がＥＧＲ配管２の内周壁面２ｂに当接することができない箇所が存在する。このように熱交換体５がＥＧＲ配２管の内周壁面２ｂに当接していない箇所では、何らの措置もとられない場合、凝縮水が付着し、腐食する可能性が高くなる。そこで、本実施形態のＥＧＲガス冷却装置１は、ＥＧＲガスの流れ方向の上流側及び下流側にそれぞれ内周壁面２ｂを覆うように装着された端部リング部材７を備えている。端部リング部材７は、リング部材に相当する。端部リング部材７は、ＥＧＲガスの流れ方向の上流側及び下流側において、ＥＧＲ配管２とハウジング部材３との接合部分の内側にグラファイトシート６を介して装着される。

端部リング部材７は、高耐熱のＳＵＳ製の部材である。端部リング部材７は、ＥＧＲ配管２の内周壁面２ｂを覆うことにより、ＥＧＲ配管２に凝縮水が付着することを抑制することができる。端部リング部材７は、ＥＧＲ配管２と比較して肉厚の部材とすることができる。ＥＧＲ配管２は、熱伝導の観点からできるだけ薄肉であることが望ましいが、薄肉の材料を用いると、ＥＧＲ配管２とハウジング部材３との接合部分の強度の確保が難しい。そこで、ＥＧＲ配管２の端部に端部リング部材７を装着することにより、ＥＧＲ配管２とハウジング部材３との接合部分の強度を確保することが容易となる。

ＥＧＲ配管２内に配置される熱交換体５及び端部リング部材７は、いずれもグラファイトシート６で円周方向に沿って周囲を包まれ、その状態でＥＧＲ配管２内へ挿入され、焼嵌めされる。これにより、熱交換体５及び端部リング部材７は、ＥＧＲ配管２の塑性変形により、ＥＧＲ配管２内に固定され、支持される。また、グラファイトシート６は、圧縮される。なお、グラファイトシート６の軸方向長さは、ＥＧＲ配管２の軸方向長さよりも短くしておく。仮にグラファイトシート６がＥＧＲガスに曝されると、焼失を繰り返すことで強度低下や腐食を招く可能性がある。そこで、グラファイトシート６の長さを上記のように設定し、グラファイトシート６の端部を外部に露出しない状態とする。これにより、グラファイトシート６が高温のＥＧＲガスに曝されることが回避される。

このように焼嵌めによりＥＧＲ配管２内に熱交換体５及び端部リング部材７を支持させた後は、上述のようにハウジング部材３をＥＧＲ配管２の外側にろう付けにより接合する。このとき、ＥＧＲ配管２の温度は再度上昇し、熱交換体５が移動できる状態になることが考えられるが、タンブリング７が配置されていることにより、熱交換体５の移動は抑えられる。すなわち、端部リング部材７は、熱交換体５の位置ずれ防止、ストッパーとしての機能も備える。

ＥＧＲガス冷却装置１は、ＥＧＲ配管２の上流側及び下流側にコーン部材８を備えている。上流側のコーン部材８は、ＥＧＲ配管２内にＥＧＲガスを導入部となる部材であり、下流側のコーン部材８はＥＧＲ配管２内のＥＧＲガスの排出部となる部材である。コーン部材８は、径の大きい側がハウジング部材３の端部３ａを覆うようにしてハウジング部材３にろう付けにより接合される。コーン部材８の接合に用いるろう剤は、ＥＧＲ配管２への凝縮水の付着を抑制する機能も備える。コーン部材８の先端部には、フランジ部材９がろう付けにより接合されている。ＥＧＲガス冷却装置１は、その上流側においてフランジ部材９により、エンジンのエキゾーストマニホールドへ接続される。また、ＥＧＲガス冷却装置１は、その下流側において、排気管に接続される。なお、ＥＧＲガス冷却装置１は、ハウジング部材３の外壁に設けられたステー３ｃによってエンジン本体に取り付けられている。

以上、説明した本実施形態のＥＧＲガス冷却装置１によれば、ＥＧＲ配管２へ凝縮水の付着を抑制することができるため、ＥＧＲ配管の腐食を抑制することができる。また、端部リング部材７を備えるため、ハウジング部材３とＥＧＲ配管２との接合部の強度を確保しつつＥＧＲ配管２の肉厚を薄肉とすることができる。ＥＧＲ配管２は、熱交換体５と比較して熱伝導が遅いが、肉厚を薄くすることにより、全体の熱流れ量を整合させることができる。また、径方向だけでなく、流れ方向への熱伝導もされ、冷温部分での熱吸収が可能となる。ＥＧＲ配管２は、熱交換体５及び端部リング部材７によって、その内周壁面２ｂが覆われ、凝縮水の付着が抑制されているため、薄肉にすることができ、また、耐腐食性が低い低コストの材料を選定することができるようになる。なお、グラファイトシート６は、ＥＧＲ配管２の内周壁面２ｂを覆うことにより、凝縮水の内周壁面２ｂへの付着を抑制する効果も発揮することができる。

（第２実施形態）
つぎに、第２実施形態のＥＧＲガス冷却装置２０について図４及び図５を参照しつつ説明する。図４は第２実施形態のＥＧＲガス冷却装置２０の一部分を拡大して示した説明図である。図５（Ａ）は端部リング部材２１の斜視図であり、図５（Ｂ）は図５（Ａ）とは異なる方向からみた端部リング部材２１の斜視図である。第２実施形態のＥＧＲガス冷却装置２０が第１実施形態のＥＧＲガス冷却装置１と異なる点は、第１実施形態における端部リング部材７を端部リング部材２１に変更した点である。他の構成は、第１実施形態と異なるところがないので、共通する構成要素については、図面中、同一の参照番号を付してその詳細な説明は省略する。

図５（Ａ）及び（Ｂ）を参照すると、リング部材に相当する端部リング部材２１は、筒状部２１ａと、この筒状部２１ａの一端部に設けられたフランジ部２１ｂを備えている。フランジ部２１ｂは、筒状部２１ａの一端部を半径方向外側に向かって折り曲げて形成されている。端部リング部材２１は、第１実施形態における端部リング部材７と同様に、ＥＧＲ配管２の上流側端部及び下流側端部にそれぞれ装着されている。図４を参照すると、筒状部２１ａはＥＧＲ配管２の端部内側（端部近傍における内周壁面２ｂ）を覆っている。この点は、第１実施形態のＥＧＲガス冷却装置１と同様である。フランジ部２１ｂはＥＧＲ配管２の端面２ａ１を覆っている。これにより、ＥＧＲ配管２の端面２ａ１に凝縮水が付着することを回避し、ＥＧＲ配管２が腐食することを抑制することができる。

（第３実施形態）
つぎに、第３実施形態のＥＧＲガス冷却装置３０について図６を参照しつつ説明する。図６は第３実施形態のＥＧＲガス冷却装置３０の一部分を拡大して示した説明図である。第３実施形態のＥＧＲガス冷却装置３０が第１実施形態のＥＧＲガス冷却装置１と異なる点は、第１実施形態における端部リング部材７を端部リング部材３１に変更した点である。他の構成は、第１実施形態と異なるところがないので、共通する構成要素については、図面中、同一の参照番号を付してその詳細な説明は省略する。

リング部材に相当する端部リング部材３１は、筒状部３１ａと、この筒状部３１ａの一端部に設けられたフランジ部３１ｂを備えている。フランジ部３１ｂは、筒状部２１ａの一端部を半径方向外側に向かって折り曲げて形成されている。端部リング部材３１は、第１実施形態における端部リング部材７と同様に、ＥＧＲ配管２の上流側端部及び下流側端部にそれぞれ装着されている。図６を参照すると、筒状部３１ａはＥＧＲ配管２の端部内側（端部近傍における内周壁面２ｂ）を覆っている。この点は、第１実施形態のＥＧＲガス冷却装置１と同様である。フランジ部３１ｂはＥＧＲ配管２の端面３ａ１、さらに、ハウジング部材３の端面３ａ１を覆っている。この点が、第２実施形態と異なっている。第３実施形態では、フランジ部３１がＥＧＲ配管２の外側に位置するハウジング部材３の端面３ａ１まで覆うことにより、より適切にＥＧＲ配管２への凝縮水の付着を抑制することができる。また、ハウジング部材３の端面３ａ１まで覆うことにより、ハウジング部材３への凝縮水の付着も効果的に抑制することができる。このように、第３実施形態によればＥＧＲガス冷却装置３０における腐食の発生をより効果的に抑制できることになる。

（第４実施形態）
つぎに、第４実施形態のＥＧＲガス冷却装置５０について図７及び図８を参照しつつ説明する。図７は第４実施形態のＥＧＲガス冷却装置５０を軸方向に沿って断面として示した説明図である。図８は第４実施形態のＥＧＲガス冷却装置５０が備える端部リング部材７、熱交換体５１及び中間リング部材５２を示す説明図である。第４実施形態のＥＧＲガス冷却装置５０が第１実施形態のＥＧＲガス冷却装置１と異なる点は、熱交換体５に代えて、間隔を空けて配置された複数の熱交換体５１が準備され、熱交換体５１の間に中間リング部材５２が配置された点である。他の構成は、第１実施形態と異なるところがないので、共通する構成要素については、図面中、同一の参照番号を付してその詳細な説明は省略する。

ＥＧＲガス冷却装置５０は、複数（本実施形態では３個）の熱交換体５１を備えている。これらの熱交換体は、ＥＧＲガスの流通方向に沿って並列配置されている。間隔を空けて隣り合った熱交換体５１との間には空間が形成されている。上流側の熱交換体５１を通過したＥＧＲガスをこの空間に流入させ、その下流側の熱交換体５１に通過させ、流速、温度分布を均質な状態とすることにより、ＥＧＲガスと冷媒との効率的な熱交換が実現される。しかし、このように分割した状態の熱交換体５１を採用した場合、熱交換体５１の間でＥＧＲ配管２の内周壁面２ｂが露出する。そこで、本実施形態のＥＧＲガス冷却装置５０では、このように隣り合う熱交換体５１の間に形成される空間にリング部材に相当する中間リング部材５２が配置されている。中間リング部材５２は、端部リング部材７と同様にＳＵＳ製とすることができるが、熱交換体５１と同様に炭化ケイ素（ＳｉＣ）セラミック製とすることができる。ＳｉＣ製とすることにより、内周壁面２ｂに凝縮水が付着することを抑制することができるだけでなく、伝熱面積を広げることができ、効率的なＥＧＲガスの冷却を実現することができる。

なお、第４実施形態のＥＧＲガス冷却装置５０の端部リング部材７に代えて第２実施形態の端部リング部材２１や第３実施形態の端部リング部材３１を採用することもできる。

上記実施例は本発明を実施するための一例にすぎない。よって本発明はこれらに限定されるものではなく、請求の範囲に記載された本発明の要旨の範囲内において、種々の変形、変更が可能である。

１、２０、３０、５０ ＥＧＲガス冷却装置 ２ ＥＧＲ配管
２ａ 端部 ２ａ１ 端面
２ｂ 内周壁面 ３ ハウジング
３ａ 端部 ３ａ１ 端面
３ｂ１ 冷媒入口 ３ｂ２ 冷媒出口
４ 冷媒通路 ５、５１ 熱交換体
６ グラファイトシート
７、２１、３１ 端部リング部材
８ コーン部材 ９ フランジ部材
２１ａ、３１ａ 筒状部 ２１ｂ、３１ｂ フランジ部
５２ 中間リング部材

Claims (2)

1. 内部にＥＧＲガスが流通するＥＧＲ配管と、
   端部を前記ＥＧＲ配管の端部に接合し、前記ＥＧＲ配管の外周部に冷媒通路を形成するハウジング部材と、
   軸方向長さが前記ＥＧＲ配管の軸方向長さよりも短く、前記ＥＧＲ配管内に前記ＥＧＲ配管の内周壁面に当接させて配置された熱交換体と、
   前記熱交換体が前記ＥＧＲ配管の内周壁面に当接していない箇所に、前記内周壁面を覆うように装着されたリング部材と、
   を備えたＥＧＲガス冷却装置。
2. 前記リング部材は、筒状部と、前記筒状部の一端部に設けられたフランジ部とを備えるとともに、前記ＥＧＲ配管の端部に装着され、
   前記筒状部は前記ＥＧＲ配管の端部内側を覆い、前記フランジ部は前記ＥＧＲ配管の端面と前記ハウジング部材の端面のうち、少なくとも前記ＥＧＲ配管の端面を覆う請求項１に記載のＥＧＲガス冷却装置。

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