JP3744432B2 - 排気熱交換装置 - Google Patents

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】
ところで、この試作に係るインナーフィンでは、排気がルーバ１３に衝突するように乗り越えること利用して渦を発生させるものであるので、インナーフィン１２のうちルーバ１３の根元側近傍のガス流速を高めてＰＭを吹き飛ばすことができるものの、ルーバ１３は、排気流れ下流側に向かうほど突出寸法が大きくなるように略三角状に形成されているので、ルーバ１３に隣接する壁部１２ｂ近傍のうち、特に、ルーバ１３の排気流れ前端側に対応する部位においては、ルーバ１３と壁部１２ｂとの距離が大きくなり、排気流れを絞ることができず、ガス流速を高めることが難しい。
【０００５】
このため、図１０に示すように、ルーバ１３に隣接する壁部１２ｂ近傍のうち、特に、ルーバ１３の排気流れ前端側に対応する部位Ａにおいて、多量のＰＭが堆積してしてルーバ１３の根元側が壁部１２ｂと連結してしまい、ルーバ１３の斜辺部分が短くなり、縦渦を十分に生成することができず、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）を備え、フィン（１２）のうち排気通路（１１ａ）の長径方向と略平行な第１の壁部（１２ａ）には、排気流れ下流側に向かうほど第１の壁部（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面（Ｓ）を有する板状の突起部（１３）が設けられ、フィン（１２）のうち排気通路（１１ａ）の短径方向と略平行な第２の壁部（１２ｂ）には、第２の壁部（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）の排気流れ前端側であって、少なくとも根元側に対応する部位にて開口していることを特徴とする。
【０００８】
これにより、「従来の技術及び発明が解決しようとする課題」の欄で述べたＰＭが付着堆積し易い部位Ａ（図９参照）においては、試作検討品と同様に排気流れを絞ることができず、ガス流速を高めることが難しいものの、部位Ａに穴部（１４）が形成されているので、部位ＡにおいてＰＭが付着する壁部（１２ｂ）が存在しない状態となる。
【０００９】
したがって、部位ＡにおいてＰＭが付着堆積していくことを防止できるので、確実に突起部（１３）にて縦渦を発生させることができ、熱伝達率の向上及びＰＭの堆積防止の効果を得ることができる。延いては、排気熱交換装置の性能を長期に渡って維持することができる。
【００１０】
なお、突起部（１３）は、請求項２に記載の発明のごとく、排気流れに沿って千鳥状に並べることが望ましい。
【００１１】
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。
【００１２】
【発明の実施の形態】
（第１実施形態）
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エンジン用の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。
【００１３】
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。
【００１４】
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。
【００１５】
次に、ガスクーラ１０の構造について述べる。
【００１６】
図２、３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４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。
【００１７】
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５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壁部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。
【００１８】
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。
【００１９】
一方、排気通路１１ａの短径方向と略平行な第２の壁部である立板部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、図６に示すように、ルーバ１３の排気流れ前端側であって、少なくともルーバ１３の根元側に対応する部位にて開口している。
【００２０】
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。
【００２１】
また、図３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。
【００２２】
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タンク部２１を形成するとともに、排気配管（図示せず。）を接続するためのボンネット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から集合回収するタンク部２２を形成するとともに、排気配管（図示せず。）を接続するためのボンネット２２ａがろう付けされている。
【００２３】
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とタンク部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２１ａ、２２ａ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。
【００２４】
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。
【００２５】
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。
【００２６】
次に、本実施形態の作用効果を述べる。
【００２７】
本実施形態においても、「従来の技術及び発明が解決しようとする課題」の欄で述べたＰＭが付着堆積し易い部位Ａ（図９参照）においては、試作検討品と同様に排気流れを絞ることができず、ガス流速を高めることが難しいものの、部位Ａに穴部１４が形成されているので、部位ＡにおいてＰＭが付着する立板部１２ｂが存在しない状態となる。
【００２８】
したがって、部位ＡにおいてＰＭが付着堆積していくことを防止できるので、確実にルーバ１３にて縦渦を発生させることができ、熱伝達率の向上及びＰＭの堆積防止の効果を得ることができる。延いては、ガスクーラ１０の性能を長期に渡って維持することができる。
【００２９】
因みに、本実施形態では、図５に示すように、インナーフィン１２の高さＨを４．６ｍｍとし、フィンピッチＦｐを８ｍｍとし、穴部１４のうちインナーフィン１２の長手方向と平行な部位の寸法Ｗを２ｍｍとし、穴部１４のうちチューブ１１の短径方向と平行な部位の寸法ｈを２ｍｍ以上、インナーフィン１２の高さＨより低くしている。
【００３０】
（第２実施形態）
第１実施形態では、穴部１４のうちチューブ１１の短径方向と平行な部位の寸法ｈをインナーフィン１２の高さＨより低くしたが、本実施形態は、図７に示すように、穴部１４のうちチューブ１１の短径方向と平行な部位の寸法ｈをインナーフィン１２の高さＨと同じ寸法としたものである。
【００３１】
（その他の実施形態）
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。
【００３２】
また、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。
【００３３】
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８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。
【００３４】
なお、図８（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８（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。
【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ルーバ１１１ｃ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。
【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の外観図である。
【図４】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５】本発明の第１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６】本発明の第１実施形態に係るガスクーラのインナーフィンの三面図である。
【図７】本発明の第２実施形態に係るガスクーラのインナーフィンの三面図である。
【図８】本発明の変形例に係るルーバの正面図である。
【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】（ａ）〜（ｃ）は試作検討に係るガスクーラのインナーフィンの三面図であり、（ｄ）はＰＭが付着堆積した状態を示す説明図である。
【符号の説明】
１２…インナーフィン、１３…ルーバ、１４…穴部。

Claims (3)

1. 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）を備え、
   前記フィン（１２）のうち前記排気通路（１１ａ）の長径方向と略平行な第１の壁部（１２ａ）には、排気流れ下流側に向かうほど前記第１の壁部（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面（Ｓ）を有する板状の突起部（１３）が設けられ、
   前記フィン（１２）のうち前記排気通路（１１ａ）の短径方向と略平行な第２の壁部（１２ｂ）には、前記第２の壁部（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）の排気流れ前端側であって、少なくとも根元側に対応する部位にて開口していることを特徴とする排気熱交換装置。
2. 前記突起部（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請求項１に記載の排気熱交換装置。
3. 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。

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