JP3729136B2 - Exhaust heat exchanger - Google Patents
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Description
【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は、内燃機関から排出される排気と冷却流体との間で熱交換を行う排気熱交換装置に関するもので、EGR(排気再循環装置)用の排気を冷却するガスクーラに適用して有効である。
【0002】
【従来の技術及び発明が解決しようとする課題】
図9は出願人が試作検討しているガスクーラ用のインナーフィンであり、このインナーフィンはEGR用の排気が流通するチューブ内に配設されて排気と冷却水との熱交換を促進するものである。
【0003】
そして、この試作に係るインナーフィンでは、その一部を切り起こして三角状のルーバ13を設けることにより、チューブ内の流通する排気の流れを乱して渦を発生させて、インナーフィンと排気との熱伝達率の向上を図りながら、インナーフィン近傍のガス流速を高めてインナーフィンに付着したPaticurate Matters(すす)等の未燃焼物質を吹き飛ばしてPMがインナーフィンに堆積していくことを防止している。
【0004】
しかし、この試作に係るインナーフィンは、排気の流通方向から見た断面形状が矩形波状となるように形成されているため、チューブ11内のガス通路は、図10に示すように、インナーフィン12により複数の通路に仕切られた状態となる。
【0005】
しかも、ルーバ13はインナーフィン12により仕切られた通路の一面側のみに連続的に設けられているので、チューブ11の内壁のうちルーバ13の反対側に発生する渦が少ない。このため、図11に示すように、チューブ11の内壁のうちルーバ13の反対側に、その他の部位に比べて、多量のPMが堆積してしまい、十分な効果、つまり熱伝達率の向上及びPMの堆積防止効果を得ることができなかった。
【0006】
本発明は、上記点に鑑み、排気熱交換装置において、熱伝達率の向上及びPMの堆積防止を図ることを目的とする。
【0007】
【課題を解決するための手段】
本発明は、上記目的を達成するために、請求項1に記載の発明では、燃焼により発生する排気と冷却流体との間で熱交換を行う排気熱交換装置であって、排気が流通する扁平状の排気通路(11a)内に配設され、排気の流通方向に帯状に延びる2種類の壁部材(12a、12b)を有して排気の流通方向から見た断面形状が略矩形波状となるように形成されたフィン(12)とを備え、2種類の壁部材(12a、12b)のうち排気通路(11a)の長径方向と略平行な面を有する第1の壁部材(12a)には、排気流れ下流側に向かうほど第1の壁部材(12a)からの突出寸法が大きくなるように排気流れに対して傾いた面(S)を有する板状の突起部(13)が設けられ、2種類の壁部材(12a、12b)のうち排気通路(11a)の短径方向と略平行な面を有する第2の壁部材(12b)には、第2の壁部材(12b)を貫通させる穴部(14)が設けられており、さらに、穴部(14)は、突起部(13)の後端側からこの突起部(13)の後流側に位置する突起部(13)との間に対応する部位であって、少なくとも第1の壁部材(12a)と第2の壁部材(12b)との連結部分にて開口していることを特徴とする。
【0008】
これにより、ルーバ(13)の後流側に発生した縦渦の一部は、穴部(14)を通って隣接する排気通路に流れ込み、穴部(14)近傍の内壁、つまり排気通路(11a)の内壁のうちルーバ(13)の反対側に対応する面に堆積したPMを吹き飛ばすようにして熱伝達率を向上させる。
【0009】
つまり、本発明では、フィン(12)によって複数本に仕切られた排気通路(11a)において、ルーバ(13)の後流側に発生した縦渦の一部を穴部(14)を通して隣接する排気通路に導くことにより、排気通路(11a)の内壁のうちルーバ(13)の反対側に対応する面に堆積したPMを吹き飛ばすことができるので、排気熱交換装置の熱伝達率の向上及びPMの堆積防止を確実に図ることができる。
【0010】
なお、請求項2に記載の発明では、突起部(13)は、排気流れに沿って千鳥状に並んでいることを特徴とするものである。
【0011】
また、請求項3に記載の発明では、排気を冷却するガスクーラとして、請求項1又は2に記載の排気熱交換器(10)を備えることを特徴とする排気再循環装置である。
【0012】
因みに、上記各手段の括弧内の符号は、後述する実施形態に記載の具体的手段との対応関係を示す一例である。
【0013】
【発明の実施の形態】
本実施形態は、本発明に係る排気熱交換装置をディーゼル式のエンジン用排気冷却装置に適用したものであり、図1は本実施形態に係る排気冷却装置(以下、ガスクーラと呼ぶ。)10を用いたEGR(排気再循環装置)の模式図である。
【0014】
そして、排気再循環管30はエンジン31から排出される排気の一部をエンジン31の吸気側に還流させる配管である。
【0015】
EGRバルブ32は排気再循環管30の排気流れ途中に配設されて、エンジン31の稼働状態に応じて排気量を調節する周知のものであり、ガスクーラ10は、エンジン31の排気側とEGRバルブ32との間に配設されて排気とエンジンの冷却水との間で熱交換を行い排気を冷却する。
【0016】
次に、ガスクーラ10の構造について述べる。
【0017】
図2はガスクーラの外観図(一部断面図)であり、チューブ11は排気が流通する排気通路11aを構成する扁平状の管であり、このチューブ11は、図3に示すように、所定形状にプレス成形された2枚のプレート11bをろう付け接合することにより形成されている。
【0018】
また、チューブ11内、つまり排気通路11a内には、排気と冷却水との熱交換を促進するインナーフィン12が配設されており、このインナーフィン12は、図4に示すように、排気の流通方向に帯状に延びて互いに交差する2種類の壁部材12a、12bを有し、排気の流通方向から見た断面形状が矩形波状となるように形成されている。
【0019】
そして、インナーフィン12のうち排気通路11aの長径方向と略平行でプレート11bと接触する第1の壁部材である平板部12aには、その一部を切り起こすことにより、排気流れ下流側に向かうほどインナーフィン12の平板部12aからの突出寸法が大きくなるように排気流れに対して傾いた三角状の面Sを有する突起部、すなわちルーバ13がインナーフィン12から切り起こされて形成されており、このルーバ13は、排気流れに沿って傾きが交互するように千鳥状に並んでいる。
【0020】
一方、排気通路11aの短径方向と略平行な第2の壁部材である立板部12bには、立板部12bを貫通させる穴部14が設けられており、この穴部14は、ルーバ13の後端側からこのルーバ13の後流側に位置するルーバ13との間に対応する部位であって、少なくとも平板部12aと立板部12bとの連結部分にて開口している。
【0021】
因みに、インナーフィン12及びチューブ11は耐食性に優れた金属(本実施形態では、ステンレス)にプレス加工を施すことにより成形されており、インナーフィン12及びチューブ11はろう付けにより一体接合されている。
【0022】
また、図2中、ケーシング20は、複数本のチューブ11をその短径方向(紙面上下方向)に積層して接合した熱交換コア15を収納するとともに、熱交換コア15周りに冷却水が流通する冷却水通路16を形成する角パイプ状に形成されたものであり、このケーシング20は、耐食性に優れた金属(本実施形態では、ステンレス)製である。
【0023】
そして、ケーシング20の長手方向一端側(紙面右側)の開口部には、各チューブ11に排気を分配供給するボンネット部21を形成するとともに、排気配管(図示せず。)を接続するためのフランジ部21aがろう付けされ、一方、長手方向他端側(紙面左側)の開口部には、熱交換を終えた排気を各チューブ11から集合回収するボンネット部22を形成するとともに、排気配管(図示せず。)を接続するためのフランジ部22aがろう付けされている。
【0024】
なお、コアプレート23はチューブ11を保持するとともに、冷却水通路16とボンネット部21、22とを仕切るものであり、このコアプレート23及びボンネット21、22も耐食性に優れた金属(本実施形態では、ステンレス)製である。
【0025】
また、ケーシング20のうち排気の流入側には、チューブ11の長径方向側から冷却水を冷却水通路16内に導入する流入口24が設けられ、ケーシング20のうち排気の流出側には、チューブ11の短径方向側から熱交換を終えた冷却水を排出する流出口25が設けられている。
【0026】
なお、本実施形態では、ケーシング20内における排気も流通の向きと冷却水の流通の向きとを同一の向きとし、かつ、チューブ11の外壁側にチューブ11の長径方向に延びる突起部11cを設けて、冷却水通路16のうち流入口24近傍を比較的に小さな空間に仕切り、排気入口近傍における冷却水の流速を増大させる増速手段を構成しているとともに、チューブ11間の隙間寸法を確保する位置決め手段を構成している。
【0027】
次に、本実施形態の作用効果を述べる。
【0028】
図5、6は本実施形態における排気流れを示す模式図であり、ルーバ13に衝突した排気は、ルーバ13を乗り越える際に排気流れが乱されて縦渦となって下流側に流れているので、ルーバ13の根元側、つまり平板部12aにおける排気流速が増大して、ルーバ13の後流側の平板部12aに堆積したPMを吹き飛ばすようにして熱伝達率を向上させる。
【0029】
一方、ルーバ13の後流側に発生した縦渦の一部は、穴部14を通って隣接する排気通路に流れ込み、穴部14近傍の内壁、つまりチューブ11の内壁のうちルーバ13の反対側に対応する面に堆積したPMを吹き飛ばすようにして熱伝達率を向上させる。
【0030】
つまり、本実施形態では、インナーフィン12によって複数本に仕切られた排気通路11aにおいて、ルーバ13の後流側に発生した縦渦の一部を穴部14を通して隣接する排気通路に導くことにより、チューブ11の内壁のうちルーバ13の反対側に対応する面に堆積したPMを吹き飛ばすことができるので、ガスクーラ10の熱伝達率の向上及びPMの堆積防止を確実に図ることができる。
【0031】
(その他の実施形態)
上述の実施形態では、ルーバ13を排気流れに沿って千鳥状に配置したが、本発明はこれに限定されるものではなく、2枚のルーバ13を1組として、その組を成す2枚のルーバ13が、排気流れ下流側に向かうほど、ルーバ13間の距離が増大するようにハの字状に並んだものであってもよい。
【0032】
上述の実施形態ではルーバ13を三角形状としたが、本発明はこれに限定されるものではなく、図7に示すように、ルーバ13の後端側のうち平板部12aからの距離が最も大きくなる頂部の角部を略90°以上としたものである。
【0033】
なお、図7(a)はルーバ13を略台形状とすることにより頂部Iの角部を略90°以上とした例であり、図7(b)に示すように、頂部Iの外縁形状を滑らかな曲線状とすることにより頂部Iの角部を略90°以上とした例である。
【0034】
また、図8に示すように、穴部14の寸法のうち排気の流通方向の平行な部位の寸法wを、ルーバ13の後端側からこのルーバ13の下流側に位置するルーバ13の前端側まで寸法pと同じとしてもよい。
【0035】
また、上述の実施形態では、ガスクーラ10に本発明に係る排気熱交換装置を適用したが、マフラー内に配設されて排気の熱エネルギを回収する熱交換器等のその他の熱交換器にも適用してもよい。
【0036】
また、上述実施形態では、インナーフィン12の一部を切り起こすことによりルーバ13を形成したが、本発明はこれに限定されるものではなく、インナーフィン12と別体の板状部材にルーバ13を形成し、このルーバ13が形成された板状部材をろう付け等の接合手段によりインナーフィン12に接合してもよい。
【0037】
上述の実施形態では、穴部14を矩形穴としたが、本発明はこれに限定されるものではなく、円形や多角形であってもよい。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の実施形態に係るガスクーラを用いたEGRガス冷却装置の模式図である。
【図2】本発明の実施形態に係るガスクーラの外観図である。
【図3】本発明の実施形態に係るガスクーラにおける排気通路の断面図である。
【図4】本発明の実施形態に係るガスクーラのインナーフィンの斜視図である。
【図5】本発明の実施形態における排気流れを示す模式図である。
【図6】本発明の実施形態における排気流れを示す模式図である。
【図7】本発明の変形例に係るルーバの正面図である。
【図8】本発明のその他の実施形態におけるインナーフィンの斜視図である。
【図9】試作検討に係るガスクーラのインナーフィンの斜視図である。
【図10】試作検討に係るガスクーラのチューブの断面図である。
【図11】試作検討に係るガスクーラの問題点を説明するための説明図である。
【符号の説明】
12…インナーフィン、13…ルーバ、14…穴部。[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to an exhaust heat exchange device that exchanges heat between exhaust gas discharged from an internal combustion engine and a cooling fluid, and is effective when applied to a gas cooler that cools exhaust gas for an EGR (exhaust gas recirculation device). is there.
[0002]
[Prior art and problems to be solved by the invention]
FIG. 9 shows an inner fin for a gas cooler that the applicant has been experimentally examining. This inner fin is arranged in a tube through which exhaust for EGR flows, and promotes heat exchange between the exhaust and cooling water. is there.
[0003]
In the inner fin according to the prototype, a part of the inner fin is cut and raised to provide a
[0004]
However, since the inner fin according to the prototype is formed so that the cross-sectional shape viewed from the flow direction of the exhaust gas has a rectangular wave shape, the gas passage in the
[0005]
Moreover, since the
[0006]
In view of the above points, an object of the present invention is to improve heat transfer coefficient and prevent PM accumulation in an exhaust heat exchanger.
[0007]
[Means for Solving the Problems]
In order to achieve the above object, the present invention provides an exhaust heat exchange device for exchanging heat between exhaust gas generated by combustion and a cooling fluid. The cross-sectional shape viewed from the exhaust gas flow direction has a substantially rectangular wave shape and has two types of wall members (12a, 12b) disposed in the exhaust gas flow passage (11a) and extending in a strip shape in the exhaust gas flow direction. The first wall member (12a) including the fin (12) formed as described above and having a surface substantially parallel to the major axis direction of the exhaust passage (11a) of the two types of wall members (12a, 12b) A plate-like protrusion (13) having a surface (S) inclined with respect to the exhaust flow is provided so that the projecting dimension from the first wall member (12a) increases toward the downstream side of the exhaust flow, Of the two types of wall members (12a, 12b), the exhaust passage (11a The second wall member (12b) having a surface substantially parallel to the minor axis direction is provided with a hole (14) that penetrates the second wall member (12b). ) Is a portion corresponding to a portion between the rear end side of the protrusion (13) and the protrusion (13) located on the rear side of the protrusion (13), and at least the first wall member (12a). ) And the second wall member (12b).
[0008]
As a result, a part of the vertical vortex generated on the downstream side of the louver (13) flows into the adjacent exhaust passage through the hole (14), and the inner wall near the hole (14), that is, the exhaust passage (11a). ) To improve the heat transfer coefficient by blowing off PM deposited on the surface corresponding to the opposite side of the louver (13).
[0009]
That is, in the present invention, in the exhaust passage (11a) partitioned into a plurality of pieces by the fin (12), a part of the vertical vortex generated on the downstream side of the louver (13) is exhausted adjacent to the hole (14). By guiding to the passage, it is possible to blow off the PM deposited on the surface of the inner wall of the exhaust passage (11a) corresponding to the opposite side of the louver (13), thereby improving the heat transfer coefficient of the exhaust heat exchange device and the PM. Accumulation prevention can be ensured.
[0010]
The invention according to
[0011]
According to a third aspect of the present invention, there is provided an exhaust gas recirculation device comprising the exhaust heat exchanger (10) according to the first or second aspect as a gas cooler for cooling the exhaust gas.
[0012]
Incidentally, the reference numerals in parentheses of each means described above are an example showing the correspondence with the specific means described in the embodiments described later.
[0013]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
In the present embodiment, the exhaust heat exchanger according to the present invention is applied to a diesel engine exhaust cooling device, and FIG. 1 shows an exhaust cooling device (hereinafter referred to as a gas cooler) 10 according to the present embodiment. It is a schematic diagram of used EGR (exhaust gas recirculation device).
[0014]
The exhaust
[0015]
The EGR valve 32 is provided in the middle of the exhaust gas flow in the exhaust
[0016]
Next, the structure of the
[0017]
FIG. 2 is an external view (partially sectional view) of the gas cooler, and the
[0018]
Further, in the
[0019]
Then, a portion of the
[0020]
On the other hand, a
[0021]
Incidentally, the
[0022]
In FIG. 2, the casing 20 houses a
[0023]
A
[0024]
The
[0025]
An
[0026]
In the present embodiment, the exhaust direction in the
[0027]
Next, the function and effect of this embodiment will be described.
[0028]
FIGS. 5 and 6 are schematic views showing the exhaust flow in the present embodiment, and the exhaust that collides with the
[0029]
On the other hand, a part of the vertical vortex generated on the downstream side of the
[0030]
That is, in this embodiment, in the
[0031]
(Other embodiments)
In the above-described embodiment, the
[0032]
Although the
[0033]
FIG. 7A shows an example in which the
[0034]
Further, as shown in FIG. 8, the dimension w of the
[0035]
In the above-described embodiment, the exhaust heat exchange device according to the present invention is applied to the
[0036]
Further, in the above-described embodiment, the
[0037]
In the above-described embodiment, the
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a schematic view of an EGR gas cooling device using a gas cooler according to an embodiment of the present invention.
FIG. 2 is an external view of a gas cooler according to an embodiment of the present invention.
FIG. 3 is a cross-sectional view of an exhaust passage in the gas cooler according to the embodiment of the present invention.
FIG. 4 is a perspective view of an inner fin of the gas cooler according to the embodiment of the present invention.
FIG. 5 is a schematic diagram showing an exhaust flow in the embodiment of the present invention.
FIG. 6 is a schematic diagram showing an exhaust flow in the embodiment of the present invention.
FIG. 7 is a front view of a louver according to a modification of the present invention.
FIG. 8 is a perspective view of an inner fin according to another embodiment of the present invention.
FIG. 9 is a perspective view of an inner fin of a gas cooler according to a prototype study.
FIG. 10 is a cross-sectional view of a tube of a gas cooler according to a prototype study.
FIG. 11 is an explanatory diagram for explaining a problem of the gas cooler according to the trial examination.
[Explanation of symbols]
12 ... inner fins, 13 ... louvers, 14 ... holes.
Claims (3)
排気が流通する扁平状の排気通路(11a)内に配設され、排気の流通方向に帯状に延びる2種類の壁部材(12a、12b)を有して排気の流通方向から見た断面形状が略矩形波状となるように形成されたフィン(12)とを備え、
前記2種類の壁部材(12a、12b)のうち前記排気通路(11a)の長径方向と略平行な面を有する第1の壁部材(12a)には、排気流れ下流側に向かうほど前記第1の壁部材(12a)からの突出寸法が大きくなるように排気流れに対して傾いた面(S)を有する板状の突起部(13)が設けられ、
前記2種類の壁部材(12a、12b)のうち前記排気通路(11a)の短径方向と略平行な面を有する第2の壁部材(12b)には、前記第2の壁部材(12b)を貫通させる穴部(14)が設けられており、
さらに、前記穴部(14)は、前記突起部(13)の後端側からこの突起部(13)の後流側に位置する前記突起部(13)との間に対応する部位であって、少なくとも前記第1の壁部材(12a)と前記第2の壁部材(12b)との連結部分にて開口していることを特徴とする排気熱交換装置。An exhaust heat exchange device for exchanging heat between exhaust generated by combustion and a cooling fluid,
A cross-sectional shape viewed from the exhaust flow direction is provided in the flat exhaust passage (11a) through which the exhaust flows and has two types of wall members (12a, 12b) extending in a strip shape in the exhaust flow direction. A fin (12) formed to have a substantially rectangular wave shape,
Of the two types of wall members (12a, 12b), the first wall member (12a) having a surface substantially parallel to the major axis direction of the exhaust passage (11a) has the first wall member toward the downstream side of the exhaust flow. A plate-like protrusion (13) having a surface (S) inclined with respect to the exhaust flow so that the protruding dimension from the wall member (12a) is increased,
Of the two types of wall members (12a, 12b), the second wall member (12b) having a surface substantially parallel to the minor axis direction of the exhaust passage (11a) includes the second wall member (12b). Is provided with a hole (14) through which
Further, the hole portion (14) is a portion corresponding to a portion between the rear end side of the protrusion portion (13) and the protrusion portion (13) positioned on the rear side of the protrusion portion (13). An exhaust heat exchanger having an opening at least at a connecting portion between the first wall member (12a) and the second wall member (12b).
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