JP2015045481A - 熱交換器 - Google Patents

Abstract

【課題】加工コストを抑えつつ、高い熱交換性能を得ることのできる熱交換器を提供する。
【解決手段】ＥＧＲクーラは、排気ガスが流れる排気ガス通路２と冷却水が流れる水冷通路３が設けられたハウジング１と、排気ガスを通す排気ガス流通孔４ａ，５ａが多数形成された多孔プレート４，５とを備える。多孔プレート４，５は、排気ガス通路２において排気ガスの流れる方向に間隔をあけて複数枚配置され、隣り合う多孔プレート４，５間で排気ガス流通孔４ａ，５ａの位置がずれていることにより排気ガス流がかく乱されて乱流が発生しやすくなり、熱交換が促進される。
【選択図】図１

Description

この発明は、エンジンの排気ガスを吸気通路へ循環させる通路内のＥＧＲ（Ｅｘｈａｕｓｔ Ｇａｓ Ｒｅｃｉｒｃｕｌａｔｉｏｎ）クーラ等に用いられる熱交換器に関するものである。

例えば特許文献１に係るＥＧＲクーラは、冷却水を通流するシェル本体内に、排気ガスの流路を形成する複数の伝熱管が配設され、当該伝熱管内を通流する高温の排気ガスが管壁を隔ててその外側を通流する冷却水との熱交換により冷却される構造であった。
伝熱管を用いる場合、排気ガス側の境界層の発達を阻止し乱流を促進して熱交換性能を高めるために、伝熱管内に突条を設けたり、伝熱管形状をスパイラルにしたりといった構成にする必要があり、加工コストが増大してしまう。

他方、例えば特許文献２に係る熱交換器は、伝熱筒と外筒の２重筒からなり、当該伝熱筒の内外表面に流通孔を配した多数の伝熱フィンを設けて熱交換する２流体の通路を形成し、一方の流路に気液２相流の冷媒を通流させ、他方の流路に高温の流体を通流させる構造であった。
伝熱フィンを用いる場合、伝熱管への特殊な加工等をする必要がなく、コスト低減が可能となる。

特開２００７−２２５１３７号公報 特開昭５９−１１５９８３号公報

しかしながら、上記特許文献２のように伝熱フィンを用いる場合、高温流体側の伝熱フィンの流通孔が重なっているので層流のまま通過しやすく、乱流が発生しにくかった。そのため、熱交換性能が低いという課題があった。

なお、上記特許文献２において気液２相流の冷媒側の伝熱フィンの開口比を冷媒の蒸発が進行する方向に大きくして流速を小さくしているが、これは冷媒の蒸発で気相体積が増加することによる圧力損失の増加を抑制するためのものであり、流通孔をずらして乱流の発生を促進させるものではない。

この発明は、上記のような課題を解決するためになされたもので、加工コストを抑えつつ、高い熱交換性能を得ることのできる熱交換器を提供することを目的とする。

この発明に係る熱交換器は、第１流体が流れる第１通路と当該第１流体を冷却する第２流体が流れる第２通路が設けられたハウジングと、第１流体を通す流通孔が多数形成された多孔プレートとを備え、多孔プレートは、第１通路において第１流体の流れる方向に間隔をあけて複数枚配置され、隣り合う多孔プレート間で流通孔の位置がずれているものである。

この発明によれば、隣り合う多孔プレート間で流通孔の位置をずらすようにしたので、第１流体が流通孔を通過する際にかく乱されて乱流が発生しやすくなり、熱交換が促進される。従って、従来必要だった伝熱管形状を複雑化するための加工コストを抑えつつ、高い熱交換性能を得ることのできる熱交換器を提供することができる。

この発明の実施の形態１に係るＥＧＲクーラの構成を示す縦断面図である。 実施の形態１に係るＥＧＲクーラの構成を示す外観斜視図である。 実施の形態１に係るＥＧＲクーラの多孔プレートの構成を示す外観斜視図である。 実施の形態１に係るＥＧＲクーラの多孔プレートの構成を示す平面図であり、排気ガス流通孔の位置関係の一例を示す。 実施の形態１に係るＥＧＲクーラの多孔プレートの構成を示す平面図であり、排気ガス流通孔の位置関係の別の例を示す。 実施の形態１に係るＥＧＲクーラの多孔プレートの変形例を示す外観斜視図である。

実施の形態１．
以下では、本発明に係る熱交換器を、エンジンの排気ガスを吸気通路へ循環させる通路内のＥＧＲクーラとして用いる場合を例に説明する。

図１の縦断面図および図２の外観斜視図に示すＥＧＲクーラにおいて、円筒状のハウジング１の内側を排気ガス通路２（第１通路）とし、排気ガス（第１流体）を流通させる。このハウジング１の外側に２本の水冷通路３（第２通路）を設けて冷却水（第２流体）を流通させ、水冷によりハウジング１を冷却する。排気ガス通路２には、多数の排気ガス流通孔４ａ，５ａを形成した多孔プレート４，５を互い違いに設置して、ハウジング１により多孔プレート４，５を冷却する。高温の排気ガスは、多孔プレート４，５に接触しながら排気ガス流通孔４ａ，５ａを通過することで冷却される。

多孔プレート４，５は、例えば圧入またはインサート鋳造により、排気ガス通路２の内部に固定される。水冷通路３の冷却水の流通方向は、排気ガス通路２の排気ガスと同じ方向でもよいし反対方向でもよい。
なお、図１では排気ガス流通孔４ａと排気ガス流通孔５ａの位置関係を分かり易くするために、孔の数を減らしている。

図３は多孔プレート４の外観斜視図、図４は多孔プレート４の平面図である。
多孔プレート４は、多数の丸い排気ガス流通孔４ａが形成された円板と、この円板の周縁に設けられた円筒状の筒状スペーサ４ｂ（筒状部材）とから構成されている。この筒状スペーサ４ｂを多孔プレート５に当接させてプレート間距離を調節する。また、筒状スペーサ４ｂを設けることで、排気ガス通路２の内壁面との接触面積が増え、冷却能力が向上する。なお、排気ガス流通孔４ａの数を増やすか開口面積を大きくすることで、ＥＧＲクーラを通過する際の排気ガスの圧力損失を防止できる。
多孔プレート５も多孔プレート４と同様の構造であり、図１に示すように排気ガス流通孔５ａと多孔プレート５ｂとから構成されている。

本発明のＥＧＲクーラは、排気ガスの流通方向において排気ガス流通孔４ａ，５ａをずらすことにより、排気ガス流をかく乱させて乱流を発生させ、熱交換を促進させる。
図４では、排気ガス流通孔４ａと排気ガス流通孔５ａが重ならないように、多孔プレート４の排気ガス流通孔４ａの配列と多孔プレート５の排気ガス流通孔５ａの配列を変えている。従って、多孔プレート４とその表裏に設置された多孔プレート５とで排気ガス流通孔４ａ，５ａがずれていることにより排気ガス流がかく乱され、乱流の発生が促進される。

これに対して図５では、多孔プレート４の排気ガス流通孔４ａの配列と多孔プレート５の排気ガス流通孔５ａの配列は同じであるが、多孔プレート４と多孔プレート５の設置角度を変えることにより排気ガス流通孔４ａと排気ガス流通孔５ａをずらしている。
図５の場合、排気ガス流通孔４ａ，５ａの配列の仕方によっては排気ガス流通孔４ａ，５ａすべてを完全に重ならないようにすることが難しいので、図４の場合に比べて乱流促進効果が低くなるデメリットはあるが、１種類の多孔プレートを多孔プレート４，５として用いることができるのでコスト低減のメリットがある。
なお、図４および図５の多孔プレート４，５を取り混ぜて排気ガス通路２に内装しても構わない。

図４および図５のいずれの場合でもハウジング１の排気ガス通路２に多孔プレート４，５を内装するだけで高い熱交換性能が得られるので、先立って説明した特許文献１の多管式熱交換器のように伝熱管形状を複雑にするための加工コストが不要となり、低コスト化を実現できる。
また、多管式熱交換器では熱交換器の全長を変更する際に伝熱管の長さも変更する必要があったが、図４および図５ではハウジング１の全長を変更する際に多孔プレート４，５の枚数を変更するだけでよい。

さらに、図４および図５の場合、排気ガス通路２に内装する多孔プレート４，５の枚数に応じて、容易に冷却能力を調整できる。また、プレート間距離に応じて容易に冷却効率を調整できる。例えば多孔プレート４，５の枚数を増やしてプレート間距離を短くすることにより、冷却能力と冷却効率が向上する。

なお、ハウジング１および多孔プレート４，５は、排気ガス通路２に挿入可能、即ち排気ガス通路２の内壁面に対し移動可能な程度のクリアランスがあっても十分に熱伝導が可能な銅、アルミ等の熱伝導率が高い材質を用いることが望ましい。ハウジング１と多孔プレート４，５に異なる材質を用いてもよいが、筒状スペーサ４ｂ，５ｂの外周面が排気ガス通路２の内壁面に接触することで効率よく多孔プレート４，５を冷却できるので、熱膨張率が同等の材質を選択することが望ましい。

以上より、実施の形態１によれば、ＥＧＲクーラは、排気ガスが流れる排気ガス通路２と当該排気ガスを冷却する冷却水が流れる水冷通路３が設けられたハウジング１と、排気ガスを通す排気ガス流通孔４ａ，４ｂが多数形成された多孔プレート４，５とを備え、多孔プレート４，５を、排気ガス通路２において排気ガスの流れる方向に間隔をあけて複数枚配置し、隣り合う多孔プレート４，５間で排気ガス流通孔４ａ，５ａの位置をずらす構成にした。このため、排気ガスが排気ガス流通孔４ａ，５ａを通過する際にかく乱されて乱流が発生しやすくなり、熱交換が促進される。従って、従来の多管式熱交換器のように伝熱管形状を複雑化する必要がなく、加工コストを抑えつつ高い熱交換性能を得ることのできるＥＧＲクーラを提供することができる。

また、実施の形態１によれば、図４に示したように、隣り合う多孔プレート４，５同士の排気ガス流通孔４ａ，５ａを異なる配列にしたので、排気ガス流通孔４ａ，５ａが完全に重ならない配置にして乱流促進効果を高めることができる。

また、実施の形態１によれば、図５に示したように、隣り合う多孔プレート４，５同士の排気ガス流通孔４ａ，５ａは同一の配列であって、当該多孔プレート４，５同士の設置角度を変えることで排気ガス流通孔４ａ，５ａの位置をずらすようにしたので、多孔プレートの種類を減らしてコストを低減できる。

また、実施の形態１によれば、多孔プレート４，５に筒状スペーサ４ｂ，５ｂを設け、当該筒状スペーサ４ｂ，５ｂの外周面が隣り合う多孔プレート４，５間において排気ガス通路２の内壁面に密着するようにしたので、多孔プレート４，５とハウジング１との接触面積を確保でき冷却能力を高めることができる。

なお、多孔プレートは、図１〜図５に示した多孔プレート４，５に限定されるものではない。以下、図６（ａ）〜（ｄ）に多孔プレートの変形例を示す。
図６（ａ）の多孔プレート６は、多数の排気ガス流通孔６ａが形成された円板と、この円板の周縁に設けられた円筒状の筒状スペーサ６ｂとから構成されている。図３の多孔プレート４では円板の表裏いずれか一方向に筒状スペーサ４ｂを立設したのに対し、図６（ａ）の多孔プレート６では円板の表裏両方向に筒状スペーサ６ｂを立設している。

図６（ｂ）〜図６（ｄ）の多孔プレート７〜９は、多数の排気ガス流通孔７ａ〜９ａが形成された円板である。排気ガス流通孔は図６（ｂ）の丸孔に限らず、図６（ｃ）の四角形、図６（ｄ）の六角形などの多角形でもよいし、楕円形などでもよい。また、１枚の多孔プレートに形状または大きさの異なる排気ガス流通孔が混在していてもよい。

なお、円板状の多孔プレート７〜９を排気ガス通路２に設置する場合、プレート間距離を調節するために、図６（ｂ）に示すような筒状スペーサ１０を多孔プレート間に挟んだり、多孔プレート７〜９と図６（ａ）の多孔プレート６を交互に配置したりしてもよい。
また、図１では２種類の多孔プレート４，５を排気ガス通路２に交互に設置したが、３種類以上の多孔プレートを取り混ぜて設置してもよい。

上記以外にも、本願発明はその発明の範囲内において、実施の形態の任意の構成要素の変形、もしくは実施の形態の任意の構成要素の省略が可能である。

１ ハウジング、２ 排気ガス通路（第１通路）、３ 水冷通路（第２通路）、４〜９ 多孔プレート、４ａ〜９ａ 排気ガス流通孔、４ｂ，５ｂ，６ｂ，１０ 筒状スペーサ（筒状部材）。

Claims (4)

1. 第１流体が流れる第１通路と当該第１流体を冷却する第２流体が流れる第２通路が設けられたハウジングと、
   前記第１流体を通す流通孔が多数形成された多孔プレートとを備え、
   前記多孔プレートは、前記第１通路において前記第１流体の流れる方向に間隔をあけて複数枚配置され、隣り合う前記多孔プレート間で前記流通孔の位置がずれていることを特徴とする熱交換器。
2. 前記隣り合う多孔プレート同士の前記流通孔は同一の配列であって、当該多孔プレート同士の設置角度を変えることで前記流通孔の位置をずらしたことを特徴とする請求項１記載の熱交換器。
3. 前記隣り合う多孔プレート同士の前記流通孔が異なる配列であることを特徴とする請求項１記載の熱交換器。
4. 前記隣り合う多孔プレート間に配置され、外周面が前記第１通路の内壁面に密着する筒状部材を備えることを特徴とする請求項１から請求項３のうちのいずれか１項記載の熱交換器。

Images