JP2020125875A - ガス冷却装置 - Google Patents

Abstract

【課題】複数のガス流路内のガス流れの均一性を向上する。【解決手段】ガス冷却装置は、複数のガス流路５５を有する熱交換器５０を備えている。複数のガス流路５５の各々にガスが流入する流入口５７が同一平面上に開口し、各々の流入口５７は同一の開口面積を有している。複数のガス流路５５は、複数のガス流路５５の通気抵抗が均一である場合に、ガスの流量が相対的に小さくなる第１のガス流路５５Ａと、ガスの流量が相対的に大きくなる第２のガス流路５５Ｂとを含んでいる。第１のガス流路５５Ａの通気抵抗が、第２のガス流路５５Ｂの通気抵抗よりも小さくされている。【選択図】図２

Description

本開示は、ガス冷却装置に関する。

特開平１１−３６９９５号公報（特許文献１）には、エンジンの排気ガス還流装置に使用する排気ガス冷却装置において、各伝熱管内の還流排気ガスの流速または流量をほぼ均一化するための構成が開示されている。

特開平１１−３６９９５号公報

上記文献には、伝熱管の通路抵抗を、還流排気ガスの流入路の中心から遠ざかり、その外周側に向かうに従って、伝熱管路の通路断面積を大きくする、または伝熱管路の長さを短くすることによって、変化させると記載されている。

伝熱管路の通路断面積を変化させると、材料の種類が増加し、また管径変化に伴う製造時の管理項目が増加することが、コストアップの要因となる。伝熱管路の長さを変化させると、伝熱管と端部プレートとの接合が困難となり、製造性が低下する。

本開示では、製造性低下およびコストアップを抑制しながら、複数のガス流路内のガス流れの均一性を向上できる、ガス冷却装置が提供される。

本開示に従うと、複数のガス流路を有する熱交換器を備えるガス冷却装置が提供される。複数のガス流路の各々にガスが流入する流入口が、同一平面上に開口している。各々の流入口は、同一の開口面積を有している。複数のガス流路は、複数のガス流路の通気抵抗が均一である場合に、ガスの流量が相対的に小さくなる第１のガス流路と、ガスの流量が相対的に大きくなる第２のガス流路とを含んでいる。第１のガス流路の通気抵抗が、第２のガス流路の通気抵抗よりも小さくされている。

複数のガス流路の通気抵抗が均一である場合のガス流路へのガスの流量の大小に対応して、第１のガス流路の通気抵抗が第２のガス流路の通気抵抗よりも小さくされている。これにより、複数のガス流路の各々を通過するガス流れの均一性を向上させることができる。複数のガス流路の流入口が同一平面上に開口していることにより、熱交換器の製造コストの増大を抑制することができる。

上記のガス冷却装置において、ガス流路の周壁が凹凸を有していてもよい。
上記のガス冷却装置において、ガス流路の周壁が波面形状を有していてもよい。この場合、第１のガス流路の周壁の波高さが、第２のガス流路の周壁の波高さよりも小さくてもよい。

上記のガス冷却装置において、周壁は弦巻線状の突起を有し、第２のガス流路内のガス流れ方向における突起の間隔が、第１のガス流路内のガス流れ方向における突起の間隔よりも小さくてもよい。

本開示に係るガス冷却装置に従えば、製造性低下およびコストアップを抑制しながらも、複数のガス流路内のガス流れの均一性を向上することができる。

実施形態のエンジン装置の構成の概略を示す図である。 第一実施形態におけるガス冷却装置の構成の概略を示す図である。 第二実施形態におけるガス冷却装置の構成の概略を示す図である。

以下、図面を参照しつつ、実施形態について説明する。以下の説明では、同一の部品には同一の符号が付されている。それらの名称および機能も同じである。したがってそれらについての詳細な説明は繰返さない。

［第一実施形態］
図１は、実施形態のエンジン１０の構成の概略を示す図である。エンジン１０は、エンジン本体１１を備えている。図１に示されるエンジン本体１１は、４つの気筒を有するディーゼルエンジンであるが、実施形態の内容はこの形式の内燃機関に限定されることはない。

エンジン１０は、エンジン本体１１に燃焼用の空気を供給するための吸気通路１４と、燃焼後の排気ガスをエンジン本体１１から排出するための排気通路１６とを備えている。エンジン本体１１の各気筒は、インテークマニホールド１３を介して、吸気通路１４に連通されている。エンジン本体１１の各気筒は、エキゾーストマニホールド１５を介して、排気通路１６に連通されている。

吸気通路１４には、吸気の流れの上流から順に、エアクリーナ１７、吸気を圧縮するターボチャージャ１８のコンプレッサ１９、気筒に流入する吸入空気量を調整するスロットル弁２１、圧縮された吸気を冷却するインタークーラ２０が設けられる。コンプレッサ１９の回転により、自然吸気に比べて多量の空気がエンジン本体１１の各気筒に供給される。コンプレッサ１９の下流側では空気の圧力上昇および温度上昇が生じるが、インタークーラ２０により空気が冷却されるため、温度上昇に伴う体積効率の悪化が抑制されている。

一方、排気通路１６には、排気の圧力によって駆動されるターボチャージャ１８のタービン２３、ＤＰＦ（ディーゼル微粒子捕集フィルタ）およびＳＣＲ（選択式触媒還元）システムなどの後処理装置２４が設けられる。エンジン本体１１から排出された排気ガスは、タービン２３を回転させ、タービン２３に連結されたコンプレッサ１９を駆動する。後処理装置２４において、排気ガス中の微粒子および窒素酸化物の含有量が低減され、清浄となった排気ガスが下流に排出される。

図１に示されるように、エンジン１０には、エンジン本体１１より排出された排気ガスをＥＧＲ（排気再循環）ガスとして吸気通路１４へ還流させるＥＧＲ装置が設けられている。ＥＧＲ装置は、ＨＰＬ−ＥＧＲ（High Pressure Loop-EGR、高圧ＥＧＲ）装置と、ＬＰＬ−ＥＧＲ（Low Pressure Loop-EGR、低圧ＥＧＲ）装置とを含んでいる。

ＨＰＬ−ＥＧＲ装置は、エキゾーストマニホールド１５とインテークマニホールド１３とを連通する高圧ＥＧＲ通路３０と、高圧ＥＧＲ通路３０に配置される高圧ＥＧＲ弁３１と、高圧ＥＧＲ弁３１の上流の高圧ＥＧＲ通路３０に配置される高圧ＥＧＲクーラ３２とから構成される。低圧ＥＧＲ装置は、後処理装置２４の下流の排気通路１６とターボチャージャ１８のコンプレッサ１９の上流の吸気通路１４とを連通する低圧ＥＧＲ通路４０と、低圧ＥＧＲ通路４０に配置される低圧ＥＧＲ弁４１と、低圧ＥＧＲ弁４１の上流の低圧ＥＧＲ通路４０に配置される低圧ＥＧＲクーラ４２とから構成される。

高圧ＥＧＲ弁３１および低圧ＥＧＲ弁４１は、各ＥＧＲ通路内を流れるＥＧＲガスの流量を調整可能である。高圧ＥＧＲクーラ３２および低圧ＥＧＲクーラ４２は、ＥＧＲガスと冷却媒体との熱交換によりＥＧＲガスを冷却する。この冷却媒体は、たとえばエンジン本体１１の冷却水であってもよい。

図２は、第一実施形態におけるガス冷却装置の構成の概略を示す図である。図２に示されるガス冷却装置は、その内部を通過するガスを冷却する装置である。図１に示される高圧ＥＧＲクーラ３２と低圧ＥＧＲクーラ４２とのいずれか一方または両方に、以下に説明するガス冷却装置を適用することができる。

ガス冷却装置は、熱交換器５０を有している。入口通路５１を流れるガスが、熱交換器５０に流入する。熱交換器５０から流出したガスは、出口通路５３を流れる。図中の矢印は、ガスの流れる方向を示している。入口通路５１と熱交換器５０とは、拡径部５２を介して接続されている。熱交換器５０と出口通路５３とは、縮径部５４を介して接続されている。拡径部５２は、熱交換器５０の一端（入口端）に配置されている。縮径部５４は、熱交換器５０の他端（出口端）に配置されている。

排気ガスは、拡径部５２を通して、熱交換器５０の内部に導入される。拡径部５２の流路断面積は、ガス流れの下流に向かうにつれて増加している。熱交換器５０を出た排気ガスは、縮径部５４を通して、外部に排出される。縮径部５４の流路断面積は、ガス流れの下流に向かうにつれて減少している。

熱交換器５０は、複数のガス流路５５を有している。ガス流路５５は、水流路５９の間に配置されている。ガス流路５５は、水流路５９によって挟まれている。ガス流路５５の周囲が、水流路５９によって取り囲まれている。水流路５９内には、たとえばエンジン冷却水などの冷却媒体の流れが形成されている。排気ガスがガス流路５５を通過するとき、排気ガスから水流路５９内の冷却媒体へ熱が伝達され、これにより排気ガスが冷却される。

各々のガス流路５５は、ガス流路５５にガスが流入する流入口５７と、ガス流路５５からガスが流出する流出口５８とを有している。複数のガス流路５５の流入口５７は、同一平面上に開口している。複数のガス流路５５の流入口５７は、同一の開口面積を有している。複数の流入口５７は、同一形状を有している。複数のガス流路５５の流出口５８は、同一平面上に開口している。複数のガス流路５５の流出口５８は、同一の開口面積を有している。複数の流出口５８は、同一形状を有している。

各々のガス流路５５の周壁５６は、凹凸を有している。図２に示される第一実施形態における周壁５６は、波面形状を有している。図２に示される熱交換器５０は、矩形箱状または円筒状などのハウジングの内部に波形状の板材を複数並べて、ハウジングの内部空間を仕切ることにより、形成されてもよい。

図２に示される熱交換器５０において、熱交換器５０の外周部に位置するガス流路５５の周壁５６の波面形状の波高さが、熱交換器５０の中心部に位置するガス流路５５の周壁５６の波面形状の波高さよりも小さい。熱交換器５０の外周部に位置するガス流路５５は、複数のガス流路５５の通気抵抗が均一である場合に、入口通路５１から流入口５７に至るガスの流量が相対的に小さい第１のガス流路５５Ａを構成している。熱交換器５０の中心部に位置するガス流路５５は、複数のガス流路５５の通気抵抗が均一である場合に、入口通路５１から流入口５７に至るガスの流量が相対的に大きい第２のガス流路５５Ｂを構成している。

第１のガス流路５５Ａの周壁５６Ａと第２のガス流路５５Ｂの周壁５６Ｂとはいずれも波面形状を有し、第１のガス流路５５Ａの周壁５６Ａの波高さが第２のガス流路５５Ｂの周壁５６Ｂの波高さよりも小さい。複数のガス流路５５の各々が湾曲した形状に形成されており、第２のガス流路５５Ｂは、第１のガス流路５５Ａよりも、大きく湾曲している。これにより、第１のガス流路５５Ａの通気抵抗が、第２のガス流路５５Ｂの通気抵抗よりも、小さくされている。第１のガス流路５５Ａを通過するガスの圧力損失が、第２のガス流路５５Ｂを通過するガスの圧力損失よりも、小さくされている。

熱交換器５０と入口通路５１とは、拡径部５２を介して接続されている。拡径部５２の内部を流れるガス流れに着目した場合、複数のガス流路５５の通気抵抗が均一であるならば、熱交換器５０の外周部に位置する第１のガス流路５５Ａの流入口５７に至るガスの流量が相対的に小さくなり、熱交換器５０の中心部に位置する第２のガス流路５５Ｂの流入口５７に至るガスの流量が相対的に大きくなる。

このように、複数のガス流路５５の通気抵抗が均一であると仮定した場合の入口通路５１から流入口５７に至るガスの流量の大小に対応して、ガス流路５５の通気抵抗が不均一とされている。具体的には、第１のガス流路５５Ａの通気抵抗が、第２のガス流路５５Ｂの通気抵抗よりも小さくされている。これにより、入口通路５１から各ガス流路５５を通過して出口通路５３に至るガス流れの圧力損失が、一様化されている。

複数のガス流路５５の各々を通過するガスの流量および流速の均一性を向上させることにより、熱交換器５０の全体を有効に使ってガスが冷却されるため、熱交換効率を向上することができる。熱交換器５０の外周側の第１のガス流路５５Ａへのガス流れの分散が促進されることで、熱交換器５０の中心部の第２のガス流路５５Ｂへのガス流れの集中を抑制できるので、熱交換器５０全体としての圧力損失の低減が可能となる。

複数のガス流路５５の流入口５７が同一平面上に開口し、複数の流入口５７が同一平面上に揃って配置されており、複数のガス流路５５の流出口５８が同一平面上に開口し、複数の流出口５８が同一平面上に揃って配置されている。これにより、一枚の平板状のプレートにガス流路５５を開口させるように形成することができ、熱交換器５０の製造の容易性を維持することができる。ガス流路５５の出入口となる流入口５７および流出口５８を同一形状とし、ガス流路５５の周壁５６のうねり量を変化させることでガス流路５５の通気抵抗を変化させる構成であるので、熱交換器５０の製造時の管理項目の増加が抑制されており、したがって熱交換器５０の製造コストの増大を抑制することができる。

図２に示されるガス流路５５は、周壁５６の波高さを第１のガス流路５５Ａと第２のガス流路５５Ｂとで異ならせて通気抵抗を変化させる構成であるが、周壁５６の波のうねり回数を第１のガス流路５５Ａと第２のガス流路５５Ｂとで異ならせて通気抵抗を変化させる構成としてもよい。

［第二実施形態］
図３は、第二実施形態におけるガス冷却装置の構成の概略を示す図である。図３に示されるガス冷却装置において、各ガス流路５５は、管状に形成されている。各ガス流路５５は、直管をねじって成形したねじり管形状を有している。このねじりによって、ガス流路５５の周壁５６に凹凸が形成されている。具体的には、ガス流路５５の周壁５６には、弦巻状突起６１が形成されている。

図３に示される熱交換器５０は、矩形箱状または円筒状などのハウジングの内部に、ねじった直管を複数配置することにより、形成されてもよい。この場合、ハウジングの内部空間が、水流路５９を形成することになる。

熱交換器５０の外周部に位置する第１のガス流路５５Ａにおける管のねじり回数よりも、熱交換器５０の中心部に位置する第２のガス流路５５Ｂにおける管のねじり回数のほうが、多くなっている。図３に示されるように、第２のガス流路５５Ｂ内のガス流れ方向（図３中の左右方向）における弦巻状突起６１の間隔が、第１のガス流路５５Ａ内のガス流れ方向（図３中の左右方向）における弦巻状突起６１の間隔よりも、小さくなっている。周壁５６に形成されている凹凸の数が異なることにより、第１のガス流路５５Ａの通気抵抗が、第２のガス流路５５Ｂの通気抵抗よりも、小さくされている。

これにより、第一実施形態と同様に、入口通路５１から各ガス流路５５を通過して出口通路５３に至るガス流れの圧力損失が、一様化されている。したがって、複数のガス流路５５の各々を通過するガス流れの均一性が向上する第一実施形態と同様の効果を得ることができる。配管をねじることで弦巻状突起６１を形成することができるので、熱交換器５０を容易に製造することが可能である。

これまでの実施形態の説明においては、第１のガス流路５５Ａと第２のガス流路５５Ｂとの通気抵抗を変化させ、ガス流路５５の圧力損失を二段階に変化された例について説明した。ガス流路５５の圧力損失を、三段階以上に変化させてもよい。ガス流路５５の出入口を同一の形状とし、ガス流路５５の内部において通気抵抗を変化させる構成とすることにより、圧力損失の大小を変化させるための構造の自由度が大きくされている。したがって、三段階以上の通気抵抗の変化を容易に実現することができる。

実施形態の説明においては、入口通路５１と熱交換器５０との間に拡径部５２が介在している例について説明した。入口通路５１と熱交換器５０入口の流路断面積が異なる例に限られず、たとえば入口通路５１の湾曲形状によって入口通路５１から流入口５７に至るガス流れに偏りが生じる場合などにおいても、複数のガス流路５５の通気抵抗が均一であると仮定した場合のガスの流量の大小に対応してガス流路５５の通気抵抗を変化させることにより、ガス流れの均一性を向上できる効果を同様に得ることができる。

以上のように実施形態について説明を行なったが、今回開示された実施形態はすべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は上記した説明ではなくて特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。

１０ エンジン、１１ エンジン本体、１３ インテークマニホールド、１４ 吸気通路、１５ エキゾーストマニホールド、１６ 排気通路、２０ インタークーラ、２４ 後処理装置、３０ 高圧ＥＧＲ通路、３１ 高圧ＥＧＲ弁、３２ 高圧ＥＧＲクーラ、４０ 低圧ＥＧＲ通路、４１ 低圧ＥＧＲ弁、４２ 低圧ＥＧＲクーラ、５０ 熱交換器、５１ 入口通路、５２ 拡径部、５３ 出口通路、５４ 縮径部、５５，５５Ａ，５５Ｂ ガス流路、５６，５６Ａ，５６Ｂ 周壁、５７ 流入口、５８ 流出口、５９ 水流路、６１ 弦巻状突起。

Claims (5)

1. 複数のガス流路を有する熱交換器を備え、
   複数の前記ガス流路の各々にガスが流入する流入口が同一平面上に開口し、各々の前記流入口は同一の開口面積を有し、
   複数の前記ガス流路は、複数の前記ガス流路の通気抵抗が均一である場合にガスの流量が相対的に小さくなる第１のガス流路とガスの流量が相対的に大きくなる第２のガス流路とを含み、
   前記第１のガス流路の通気抵抗を前記第２のガス流路の通気抵抗よりも小さくした、ガス冷却装置。
2. 前記ガス流路の周壁が凹凸を有する、請求項１に記載のガス冷却装置。
3. 前記周壁が波面形状を有する、請求項２に記載のガス冷却装置。
4. 前記第１のガス流路の前記周壁の波高さが、前記第２のガス流路の前記周壁の波高さよりも小さい、請求項３に記載のガス冷却装置。
5. 前記周壁は弦巻線状の突起を有し、
   前記第２のガス流路内のガス流れ方向における前記突起の間隔が、前記第１のガス流路内のガス流れ方向における前記突起の間隔よりも小さい、請求項２に記載のガス冷却装置。

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