JP3956097B2

JP3956097B2 - 排気熱交換装置

Info

Publication number: JP3956097B2
Application number: JP2002000494A
Authority: JP
Inventors: 明宏前田; 孝幸林
Original assignee: Denso Corp
Current assignee: Denso Corp
Priority date: 2002-01-07
Filing date: 2002-01-07
Publication date: 2007-08-08
Anticipated expiration: 2022-01-07
Also published as: JP2003201923A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、熱機関から排出される排気と冷却用の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ＥＧＲガス熱交換装置（ＥＧＲ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１０は発明者等が試作したＥＧＲクーラを示す図であり、このＥＧＲクーラ１０は、排気が流れる扁平状に形成された複数本の排気チューブ１１、及び排気チューブ１１を内部に収納して排気チューブ１１周りに冷却水が流通する冷却水通路を構成する角パイプ状のケーシング１２等からなるものである。
【０００３】
しかし、発明者等の試験検討によると、上記試作品においては、冷却水通路のうち排気通路の入口側に対応する部位において、冷却水が局所的に沸騰してしまい、その局所部位において排気通路と冷却水通路とを区画する排気チューブに熱損傷が発生してしまうとともに、瞬間的に内圧が急上昇するため、ＥＧＲクーラの耐久性が悪化してしまう可能性があることが判明した。
【０００４】
本発明は、上記点に鑑み、冷却水が局所的に沸騰してしまうことを防止して、排気熱交換装置の耐沸騰性を向上させることを目的とする。
【０００５】
【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、熱機関から排出される排気と冷却水との間で熱交換を行う排気熱交換装置であって、扁平状に形成され、排気が流通する複数本の排気チューブ（１１）と、排気チューブ（１１）が内部に収納され、排気チューブ（１１）周りに冷却水が流通する冷却水通路を構成するケーシング（１２）とを有し、
複数本の排気チューブ（１１）は、前記扁平状の短径方向に所定の隙間（１１ａ）を有して積層されており、
ケーシング（１２）内に冷却水を流入させる流入口（１２ｄ）がケーシング（１２）のうち排気の流入側であって、かつ、排気チューブ（１１）間の隙間（１１ａ）に対応する部位に設けられており、
流入口（１２ｄ）から冷却水がケーシング（１２）内に前記扁平状の長径方向と略平行に流入し、この流入冷却水が排気チューブ（１１）間の隙間（１１ａ）を通過してケーシング（１２）のうち流入口（１２ｄ）と反対側の内壁に衝突するようになっており、
さらに、ケーシング（１２）の内壁と排気チューブ（１１）との隙間のうち、流入口（１２ｄ）から流入する冷却水の流入方向と略平行な方向に延びる隙間（１２ｇ）の寸法（δｉｎ１）は、排気チューブ（１１）間の隙間（１１ａ）の寸法（δｔ）と略同一寸法であることを特徴とする。
【０００６】
これにより、隙間（１２ｇ）を流れる冷却水の流速が所定流速を下回るほど小さくなることを防止することが可能となるので、隙間（１２ｇ）にて冷却水が局所的に沸騰することを防止することが可能となり、排気熱交換装置の耐沸騰性を向上させることができる。
【０００７】
請求項２に記載の発明では、ケーシング（１２）の内壁と排気チューブ（１１）との隙間のうち、流入口（１２ｄ）から流入する冷却水の流入方向と略平行な方向に延びる隙間（１２ｇ）の寸法（δｉｎ１）は、１ｍｍ以上、５ｍｍ以下であることを特徴とする。
【０００８】
これにより、流入口（１２ｄ）近傍における圧量損失を低減することができる。
【００１０】
請求項３に記載の発明では、ケーシング（１２）のうち排気の流出側には、排気チューブ（１１）の扁平状長径方向と略平行な方向に冷却水をケーシング（１２）から流出させる流出口（１２ｅ）が設けられており、さらに、ケーシング（１２）の内壁と排気チューブ（１１）との隙間のうち、流出口（１２ｅ）が設けられた部位の隙間寸法（δｏｕｔ）は、排気チューブ（１１）間の隙間（１１ａ）の寸法（δｔ）より大きいことを特徴とする。
【００１１】
これにより、流出口（１２ｅ）近傍における圧力損失が大きくなることを防止できるので、排気熱交換装置に流れ込む冷却水量そのものが減少することを防止でき、局所的な沸騰及び排気と流体との熱交換効率が低下することを未然に防止できる。
【００１２】
請求項４に記載の発明では、ケーシング（１２）のうち排気の流出側には、排気チューブ（１１）の扁平状長径方向と略平行な方向に冷却水をケーシング（１２）から流出させる流出口（１２ｅ）が設けられており、さらに、ケーシング（１２）の内壁と排気チューブ（１１）との隙間のうち、流出口（１２ｅ）が設けられた部位の隙間寸法（δｏｕｔ）は、５ｍｍ以上であることをを特徴とする。
【００１３】
これにより、流出口（１２ｅ）近傍における圧力損失が大きくなることを防止できるので、排気熱交換装置に流れ込む冷却水量そのものが減少することを防止でき、局所的な沸騰及び排気と流体との熱交換効率が低下することを未然に防止できる。
【００１４】
請求項５に記載の発明では、ケーシング（１２）の内壁と排気チューブ（１１）との隙間のうち、流入口（１２ｄ）から流入する冷却水の流入方向と略直交する方向に延びる隙間（１２ｊ）の寸法（δｉｎ２）は、排気チューブ（１１）間の隙間（１１ａ）の寸法（δｔ）と略同等以上であることを特徴とする。
【００１５】
これにより、複数の排気チューブ（１１）間の隙間（１１ａ）への冷却水の分配性を向上させつつ、流入口（１２ｄ）近傍における圧力損失を低減することができる。
【００１６】
請求項６に記載の発明では、ケーシング（１２）の内壁と排気チューブ（１１）との隙間のうち、流入口（１２ｄ）から流入する冷却水の流入方向と略直交する方向に延びる隙間（１２ｊ）の寸法（δｉｎ２）は、１ｍｍ以上であることを特徴とする。
【００１７】
これにより、複数の排気チューブ（１１）間の隙間（１１ａ）への冷却水の分配性を向上させつつ、流入口（１２ｄ）近傍における圧力損失を低減することができる。
【００１８】
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。
【００１９】
【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エンジン用のＥＧＲガス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ＥＧＲガス冷却装置、すなわちＥＧＲクーラ１０を用いたＥＧＲ（排気再循環装置）の模式図である。
【００２０】
図１中、排気再循環管２１はエンジン２０から排出される排気の一部をエンジン２０の吸気側に還流させる管であり、ＥＧＲバルブ２２は排気再循環管２１の排気流れ途中に配設されて、エンジン２０の稼働状態に応じてＥＧＲガス量を調節する周知のものである。そして、ＥＧＲクーラ１０は、エンジン２０の排気側とＥＧＲバルブ２２との間に配設されてＥＧＲガスと冷却水との間で熱交換を行いＥＧＲガスを冷却する。
【００２１】
次に、ＥＧＲクーラ１０の構造について述べる。
【００２２】
図２は本実施形態に係るＥＧＲクーラ１０の外観斜視図であり、図３はＥＧＲクーラ１０の二面図（一部断面図）であり、図４は図３（ｂ）のＣ−Ｃ断面図であり、図５は図３（ｂ）のＡ−Ａ断面図であり、図６は図３（ｂ）のＢ−Ｂ断面図である。
【００２３】
図４中、排気チューブ１１はＥＧＲガスが流通する複数本の扁平管であり、これらの排気チューブ１１は、その短径方向（図４の面上下方向）に所定の隙間１１ａを有して複数段積層された列が長径方向（図４の左右方向）に複数列並んでいる。因みに、本実施形態では、短径方向に排気チューブ１１を４段積層し、長径方向に排気チューブ１１を２列並べている。
【００２４】
なお、各排気チューブ１１は、断面が略コの字状にプレス成形された２枚のプレート１１ｂ、１１ｃを接合することにより扁平管状に形成されており、その内部には、ＥＧＲガスとの伝熱面積を増大させてＥＧＲガスと冷却水との熱交換率を向上させる矩形波状のフィン１１ｄが配設されている。
【００２５】
また、短径方向における排気チューブ１１の隙間１１ａは、プレート１１ｂ、１１ｃにプレスや押印加工等により排気チューブ１１の外方側に打ち出された突起部１１ｅの先端を互いに接触させることにより保持される。なお、突起部１１ｅは、排気チューブ１１の長手方向に沿って離散的に複数個形成されており、少なくとも、後述する冷却水流入口１２ｄ及び冷却水流出口１２ｅに対応する部位には形成されていない。
【００２６】
因みに、プレート１１ｂ、１１ｃ、すなわち排気チューブ１１及びフィン１１ｄは、耐熱性及び耐食性に優れた材料、例えばステンレス金属にて形成されているとともに、プレート１１ｂ、１１ｃ、フィン１１ｄ及び突起部１１ｅの先端は互いに銅等のろう材にてろう付けされている。
【００２７】
ケーシング１２は、排気チューブ１１を内部に収納して複数本の排気チューブ１１からなる熱交換コア部の周りに冷却水が流通する冷却水通路１２ａを構成する角パイプ状のケーシングであり、このケーシング１２も耐熱性及び耐食性に優れた材料、例えばステンレス金属製のプレート１２ｂ、１２ｃを銅等のろう材にてろう付けすることにより形成されている。
【００２８】
また、図３、５に示すように、ケーシング１２のうちＥＧＲガスの流入側には、排気チューブ１１の長手方向と略直交する方向であって、排気チューブ１１の長径方向と略平行な方向から流体をケーシング１２内に流入させる冷却水流入口１２ｄが設けられ、一方、図３、６に示すように、ケーシング１２のうちＥＧＲガスの流出側には、排気チューブ１１の長手方向と略直交する方向であって、排気チューブ１１の短径方向と略平行に冷却水をケーシング１２から流出させる冷却水流出口１２ｅが設けられている。
【００２９】
なお、冷却水流入口１２ｄ及び冷却水流出口１２ｅに接続されたパイプ１２ｆは、冷却水用外部配管と冷却水流入口１２ｄ及び冷却水流出口１２ｅとを接続するための接続管である。
【００３０】
ところで、ケーシング１２の内壁と排気チューブ１１との隙間のうち、図５に示すように、冷却水流入口１２ｄから流入する冷却水の流入方向と略平行な方向に延びる隙間１２ｇの寸法δｉｎ１は、排気チューブ１１間の隙間１１ａの寸法δｔと略同一寸法に設定され、一方、ケーシング１２の内壁と排気チューブ１１との隙間のうち、図６に示すように、少なくとも冷却水流出口１２ｅが設けられた部位の隙間１２ｈの寸法δｏｕｔは、排気チューブ１１間の隙間１１ａの寸法δｔより大きく設定されている。
【００３１】
具体的には、隙間１２ｇの寸法δｉｎ１を１ｍｍ以上、５ｍｍ以下（本実施形態では、２ｍｍ）とし、隙間１２ｈの寸法δｏｕｔを５ｍｍ以上（本実施形態では、５ｍｍ）としている。
【００３２】
なお、δｉｎ１の下限値は、冷却水内に浮遊する異物により流体通路１２ａをなす隙間１２ｇが目づまりしない程度の大きさであり、上限値は隙間１２ｇを流れる冷却水の流速が所定流速を下回らない程度の大きさである。
【００３３】
なお、図３中、分配ジョイント１３ａはＥＧＲガスを各排気チューブ１１に分配供給するもので、集合ジョイント１３ｂは、熱交換を終えたＥＧＲガスを集合回収するもので、両ジョイント１４ａ、１４ｂは、排気再循環管２１に接続される。
【００３４】
次に、本実施形態の作用効果を述べる。
【００３５】
冷却水流入口１２ｄからケーシング１２内に流入した冷却水の多くは、流体通路１２ａ、つまり排気チューブ１１間の隙間１１ａのうち冷却水流入口１２ｄに対応する部位、すなわち図５の上から２段目と３段目との間の隙間１１ａを流れてケーシング１２のうち冷却水流入口１２ｄと反対側の内壁（図５の右側）に衝突する。
【００３６】
このため、流体通路１２ａのうち冷却水流入口１２ｄから最も離れた隙間１２ｇを流れる冷却水量が小さくなり、隙間１２ｇを流れる冷却水の流速が小さくなるので、この隙間１２ｇにて冷却水が局所的に沸騰するおそれが高い。
【００３７】
これに対して、本実施形態のごとく、隙間１２ｇの寸法δｉｎ１を排気チューブ１１間の隙間１１ａの寸法δｔと同等すれば、隙間１２ｇを流れる冷却水の流速が所定流速を下回るほど小さくなることを防止することが可能となるので、隙間１２ｇにて冷却水が局所的に沸騰することを防止することが可能となる。
【００３８】
なお、排気チューブ１１間の隙間１１ａの寸法δｔは、冷却水内に浮遊する異物により隙間１１ａが目づまりしない程度の大きさであって、かつ隙間１１ａを流れる冷却水の流速が所定流速を下回らない程度の大きさに選定されている。
【００３９】
ところで、冷却水流出口１２ｅ近傍は、ケーシング１２内を流れてきた冷却水の略全量が集合するので、冷却水流出口１２ｅが設けられた部位の隙間１２ｈの寸法δｏｕｔが小さいと、隙間１２ｈでの圧力損失が大きくなり、ＥＧＲクーラ１０に流れ込む冷却水量そのものが減少して、局所的な沸騰及びＥＧＲガスの冷却能力が低下するおそれがある。
【００４０】
これに対して、本実施形態では、ケーシング１２の内壁と排気チューブ１１との隙間のうち、少なくとも冷却水流出口１２ｅが設けられた部位の隙間１２ｈの寸法δｏｕｔを排気チューブ１１間の隙間１１ａの寸法δｔより大きくしているので、隙間１２ｈでの圧力損失が大きくなることを防止できる。したがって、ＥＧＲクーラ１０に流れ込む冷却水量そのものが減少することを防止できるので、局所的な沸騰及びＥＧＲガスの冷却能力が低下することを未然に防止できる。
【００４１】
（第２実施形態）
第１実施形態では、ケーシング１２の内壁と排気チューブ１１との隙間である、冷却水流入口１２ｄから流入する冷却水の流入方向と略平行な方向に延びる隙間１２ｇの寸法δｉｎ１と、冷却水流入口１２ｄから流入する冷却水の流入方向と略直交する方向に延びる隙間１２ｊ（図５参照）の寸法δｉｎ２との両者δｉｎ１、δｉｎ２を排気チューブ１１間の隙間１１ａの寸法δｔと略同一寸法としたが、本実施形態は、図７に示すように、隙間１２ｊの寸法δｉｎ２を排気チューブ１１間の隙間１１ａの寸法δｔより大きくしたものである。
【００４２】
具体的には、隙間１２ｇの寸法δｉｎ１を１ｍｍ以上、５ｍｍ以下（本実施形態では、２ｍｍ）とし、隙間１２ｈの寸法δｏｕｔを５ｍｍ以上（本実施形態では、５ｍｍ）とし、隙間１２ｊの寸法δｉｎ２を５ｍｍ以上（本実施形態では、５ｍｍ）としたものである。
【００４３】
これにより、冷却水通路１２ａをなす複数の排気チューブ１１間の隙間１１ａへの冷却水の分配性を向上させつつ、冷却水流入口１２ｄ近傍における圧力損失を低減することができる。
【００４４】
（その他の実施形態）
上述の実施形態では、ケーシング１２のうち冷却水流出口１２ｅに対応する部位をその他の部位に比べて膨らませることにより隙間１２ｈを大きくし、ケーシング１２のうち冷却水流入口１２ｄに対応する部位を膨らませないことにより隙間１２ｇを隙間１１ａと同等としたが、本発明はこれに限定されるものではなく、ケーシング１２の断面積は一定として、排気チューブ１１の大きさや配置関係を調節することにより、隙間１２ｇを隙間１１ａと同等とする等としてもよい。
【００４５】
また、上述の実施形態では、図２に示すように、冷却水流出口１２ｅに対応する部位におけるケーシング１２の内壁と排気チューブ１１との隙間全周を排気チューブ１１間の隙間１１ａ以上としたが、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、ケーシング１２の内壁と排気チューブ１１との隙間のうち、冷却水流出口１２ｅに面する隙間、及び熱交換コアを挟んで冷却水流出口１２ｅと反対側の隙間のみを排気チューブ１１間の隙間１１ａ以上としてもよい。
【００４６】
また、図９に示すように、冷却水流出口１２ｅ側におけるケーシング１２の内壁と排気チューブ１１との隙間も、冷却水流入口１２ｄ側におけるケーシング１２の内壁と排気チューブ１１との隙間と同様に、排気チューブ１１間の隙間１１ａと略同一としてもよい。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施形態に係るＥＧＲクーラを用いたＥＧＲガス冷却装置の模式図である。
【図２】本発明の第１実施形態に係るＥＧＲクーラの外観斜視図である。
【図３】本発明の第１実施形態に係るＥＧＲクーラの二面図（一部断面図）である。
【図４】図３（ｂ）のＣ−Ｃ断面図である。
【図５】図３（ｂ）のＡ−Ａ断面図である。
【図６】図３（ｂ）のＢ−Ｂ断面図である。
【図７】本発明の第１実施形態に係るＥＧＲクーラにおけるＡ−Ａ断面に相当する断面における断面図である。
【図８】本発明のその他の実施形態に係るＥＧＲクーラの外観斜視図である。
【図９】本発明のその他の実施形態に係るＥＧＲクーラの外観斜視図である。
【図１０】試作検討に係るＥＧＲクーラの二面図（一部断面図）である。
【符号の説明】
１０…ＥＧＲクーラ、１１…排気チューブ、１２…ケーシング。

Claims

熱機関から排出される排気と冷却水との間で熱交換を行う排気熱交換装置であって、
扁平状に形成され、前記排気が流通する複数本の排気チューブ（１１）と、
前記排気チューブ（１１）が内部に収納され、前記排気チューブ（１１）周りに前記冷却水が流通する冷却水通路を構成するケーシング（１２）とを有し、
前記複数本の排気チューブ（１１）は、前記扁平状の短径方向に所定の隙間（１１ａ）を有して積層されており、
前記ケーシング（１２）内に前記冷却水を流入させる流入口（１２ｄ）が前記ケーシング（１２）のうち前記排気の流入側であって、かつ、前記排気チューブ（１１）間の隙間に対応する部位に設けられており、
前記流入口（１２ｄ）から前記冷却水が前記ケーシング（１２）内に前記扁平状の長径方向と略平行に流入し、この流入冷却水が前記排気チューブ（１１）間の隙間（１１ａ）を通過して前記ケーシング（１２）のうち前記流入口（１２ｄ）と反対側の内壁に衝突するようになっており、
さらに、前記ケーシング（１２）の内壁と前記排気チューブ（１１）との隙間のうち、前記流入口（１２ｄ）から流入する冷却水の流入方向と略平行な方向に延びる隙間（１２ｇ）の寸法（δｉｎ１）は、前記排気チューブ（１１）間の隙間（１１ａ）の寸法（δｔ）と略同一寸法であることを特徴とする排気熱交換装置。
前記ケーシング（１２）の内壁と前記排気チューブ（１１）との隙間のうち、前記流入口（１２ｄ）から流入する冷却水の流入方向と略平行な方向に延びる隙間（１２ｇ）の寸法（δｉｎ１）は、１ｍｍ以上、５ｍｍ以下であることを特徴とする請求項１記載の排気熱交換装置。
前記ケーシング（１２）のうち前記排気の流出側には、前記排気チューブ（１１）の前記扁平形状の長径方向と略平行な方向に前記冷却水を前記ケーシング（１２）から流出させる流出口（１２ｅ）が設けられており、
さらに、前記ケーシング（１２）の内壁と前記排気チューブ（１１）との隙間のうち、前記流出口（１２ｅ）が設けられた部位の隙間寸法（δｏｕｔ）は、前記排気チューブ（１１）間の隙間（１１ａ）の寸法（δｔ）より大きいことを特徴とする請求項１または２に記載の排気熱交換装置。
前記ケーシング（１２）のうち前記排気の流出側には、前記排気チューブ（１１）の前記扁平形状の長径方向と略平行な方向に前記冷却水を前記ケーシング（１２）から流出させる流出口（１２ｅ）が設けられており、
さらに、前記ケーシング（１２）の内壁と前記排気チューブ（１１）との隙間のうち、前記流出口（１２ｅ）が設けられた部位の隙間寸法（δｏｕｔ）は、５ｍｍ以上であることを特徴とする請求項１または２に記載の排気熱交換装置。
前記ケーシング（１２）の内壁と前記排気チューブ（１１）との隙間のうち、前記流入口（１２ｄ）から流入する冷却水の流入方向と略直交する方向に延びる隙間（１２ｊ）の寸法（δｉｎ２）は、前記排気チューブ（１１）間の隙間（１１ａ）の寸法（δｔ）と略同等以上であることを特徴とする請求項１ないし４のいずれか１つに記載の排気熱交換装置。
前記ケーシング（１２）の内壁と前記排気チューブ（１１）との隙間のうち、前記流入口（１２ｄ）から流入する冷却水の流入方向と略直交する方向に延びる隙間（１２ｊ）の寸法（δｉｎ２）は、１ｍｍ以上であることを特徴とする請求項１ないし４のいずれか１つに記載の排気熱交換装置。