JP4069570B2

JP4069570B2 - 排気熱交換器

Info

Publication number: JP4069570B2
Application number: JP2000079358A
Authority: JP
Inventors: 和弘柴垣
Original assignee: Denso Corp
Current assignee: Denso Corp
Priority date: 2000-03-16
Filing date: 2000-03-16
Publication date: 2008-04-02
Anticipated expiration: 2020-03-16
Also published as: DE10112257A1; FR2806467B1; JP2001263967A; FR2806467A1

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、燃焼により発生した排気と水等の冷却流体との間で熱交換を行う排気熱交換器に関するもので、ＥＧＲ（排気再循環装置）用の排気を冷却するＥＧＲガス熱交換器（以下、ＥＧＲクーラと呼ぶ。）に適用して有効である。
【０００２】
【従来の技術】
ＥＧＲクーラは、ＥＧＲ用の排気を冷却することにより、排気ガス中のＥＧＲの効果（排気中の窒素酸化物の低減効果）を高めるものであり、一般的に、エンジン冷却水を利用してＥＧＲ用の排気を冷却するものである。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、発明者等は種々のＥＧＲクーラを試作検討していたところ、いずれの試作品においても、ＥＧＲクーラの排気流れ下流側において、多くの炭素（すす）等の微粒子が堆積してしまい、排気チューブ内に設けられたフィンに目詰まりが発生するという問題が多発した。
【０００４】
これは、燃焼により発生した排気中には、炭素（すす）等の未燃焼物質が含まれているが、排気流れ下流側に向かうほど、排気温度が低下して排気の体積が縮小するので、相対的に炭素（すす）の占める割合が大きくなり、炭素（すす）がフィンの表面に付着し易くなるからである。
【０００５】
本発明は、上記点に鑑み、排気流れ下流側におけるフィンの目詰まり防止することを目的とする。
【０００６】
【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、燃焼により発生した排気と冷却流体との間で熱交換を行う排気熱交換器であって、排気が流通する排気チューブ（１１０）と、排気チューブ（１１０）に隣接して配設され、冷却流体が流通する冷却流体チューブ（１２０）と、排気チューブ（１１０）内に設けられ、排気チューブ（１１０）の内壁から排気の流れに対して交差する方向に突出する多数個のセグメント（１１２）からなるフィン（１１１）とを備え、フィン（１１１）は、セグメント（１１２）が排気流れの方向に千鳥状に設けられたフィンであり、排気チューブ（１１０）の排気出口側におけるセグメント（１１２）間の寸法（ＦＰ２）は、排気チューブ（１１０）の排気入口側におけるセグメント（１１２）間の寸法（ＦＰ１）に比べて大きいとともに、排気チューブ（１１０）の排気出口側におけるセグメント（１１２）の長さ（Ｌ２）は、排気チューブ（１１０）の排気入口側におけるセグメント（１１２）の長さ（Ｌ１）に比べて大きいことを特徴とする。
【０００７】
これにより、炭素（すす）等の微粒子が占める割合が高い排気流れ下流側におけるフィン（１１１）のピッチ寸法（セグメント間の寸法）が大きく（粗く）なり、排気が流れ易くなるので、炭素（すす）がフィン（１１１）の表面に付着し難くなる。したがって、排気流れ下流側におけるフィン（１１１）の目詰まりを未然に防止することができるので、排気熱交換器の熱交換が低下することを防止できる。
【０００８】
なお、排気チューブ（１１０）の排気出口側におけるセグメント（１１２）間の寸法（ＦＰ２）は、請求項２に記載の発明のごとく、排気チューブ（１１０）の排気入口側におけるセグメント（１１２）間の寸法（ＦＰ１）の２倍以下とすることが望ましい。
【０００９】
ここで、セグメント（１１２）間の寸法とは、排気流れに対して交差する方向に測った寸法を意味し、セグメント長さとは、排気流れに平行な方向に測った長さを意味する。
【００１０】
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。
【００１１】
【発明の実施の形態】
（実施形態）
本実施形態は、本発明に係る排気熱交換器をディーゼルエンジン（内燃機関）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（以下、ＥＧＲクーラと呼ぶ。）１００を用いたＥＧＲ（排気再循環装置）の模式図である。
【００１２】
図１中、２００はディーゼルエンジン（以下、エンジンと略す。）であり、２１０はエンジン２００から排出される排気の一部をエンジン２００の吸気側に還流させる排気再循環管である。
【００１３】
２２０は排気再循環管２１０の排気流れ途中に配設されて、エンジン２００の稼働状態に応じてＥＧＲガス量を調節する周知のＥＧＲバルブであり、ＥＧＲクーラ１００は、エンジン２００の排気側とＥＧＲバルブ２２０との間に配設されてＥＧＲガスとエンジン冷却水（以下、冷却水と略す。）との間で熱交換を行いＥＧＲガスを冷却する。
【００１４】
次に、ＥＧＲクーラ１００の構造について述べる。
【００１５】
図２はＥＧＲクーラ１００の斜視図である、図３はＥＧＲクーラ１００の外形図であり、図４は図３のＡ−Ａ断面図であり、図５は図３のＢ−Ｂ断面図であり、図６は図３のＡ−Ｃ−Ｄ−Ｅ−Ｆ−Ｇ−Ｈ−Ａ断面図である。
【００１６】
そして、図５中、１１０はＥＧＲガス（排気）が流通する排気通路１１０ａを構成する矩形扁平状の排気チューブであり、１２０は冷却水（流体）が流通する冷却水通路１２０ａを構成する矩形扁平状の冷却水チューブである。なお、両チューブ１１０、１２０は、その短径方向（図５の上下方向）に交互に積層されて隣接している。
【００１７】
また、排気通路１１０ａ内には、ＥＧＲガスとの接触面積を拡大してＥＧＲガスと冷却水との熱交換を促進するステンレス製のインナーフィン（以下、フィンと略す。）１１１が配設されており、このフィン１１１は、排気チューブ１１０の内壁からＥＧＲガス流れに対して交差（略直交）する方向に突出するような、排気チューブ１１０の短径方向と平行な板状のセグメント１１２が排気チューブ１１０の長手方向に千鳥状にずれて設けられた、いわゆるオフセット型のフィンである。
【００１８】
また、セグメント１１２は、前述のごとく、排気チューブ１１０の短径方向と平行とすることが望ましいが、実際のフィン１１１は、製造上の問題により、ローラ又はプレス成形機の抜き勾配分だけ短径方向に対して傾いたものとなる。したがって、排気チューブ１１０の短径方向と平行とは、短径方向と完全に平行であることを意味するものではなく、抜き勾配程度の傾きを含んだ意味である。
【００１９】
因みに、両チューブ１１０、１２０は、所定形状にプレス成形された積層プレート（薄板プレート）１３１、１３２を２枚一組として、この組をなす積層プレート１３１、１３２をその厚み方向（紙面上下方向）に積層した後、各積層プレート１３１、１３２をフィン１１１と共に所定のろう材にてろう付け接合することにより構成されたものである。このため、排気通路１１０ａ及び冷却水通路１２０ａは、図４、６に示すように、積層プレート１３１、１３２の板面と平行な方向（紙面左右方向）に延びるように形成されている。
【００２０】
また、積層プレート１３１、１３２は、略長方形のステンレス製の薄板材を所定形状にプレス成形したものであり、一組の積層プレート１３１、１３２のうち、一方側の積層プレート１３１の端部には、図５に示すように、積層プレート１３１、１３２の積層方向（図５の上下方向）Ｄの一端側に向けて突出する第１突出壁１３３がプレス加工にて一体形成され、他方側の積層プレート１３２の端部には、積層方向Ｄの他端側に向けて突出する第２突出壁１３４がプレス加工にて一体形成されている。
【００２１】
そして、両突出壁１３３、１３４は、積層方向Ｄと平行な面１３３ａ、１３４ａにて互いにろう付け接合されているとともに、図４に示すように、両突出壁１３３、１３４にＥＧＲガスを排気通路１１０ａに導入する排気導入口１４１、及び排気通路１１０ａから流出するＥＧＲガスを排出する排気排出口１４２が形成されている。このため、ＥＧＲガスの主流流れは、ＥＧＲクーラ１００内においては略直線的に排気チューブ１１０の長手方向一端側から他端側に向けて流通することとなる。
【００２２】
因みに、本実施形態では、図５に示すように、両突出壁１３３、１３４により、両通路１１０、１２０からなるＥＧＲクーラコア部１０１を収納するタンク部１０２が構成されている。
【００２３】
また、排気導入口１４１及び排気排出口１４２には、図４、６に示すように、排気再循環管２１０（外部配管）が接続されるジョイントブロック（以下、ジョイントと略す。）１４３がろう付け接合されている。
【００２４】
なお、ジョイント１４３は、図７に示すように、積層プレート１３１、１３２の両突出壁１３３、１３４にろう付け接合される矩形状（正方形）の第１フランジ部１４３ａと排気再循環管２１０にボルト固定される略菱形状の第１フランジ部１４３ｂとからなるステンレス製のものであり、第１フランジ部１４３ａには、ジョイント１４３を排気導入口１４１及び排気排出口１４２に対して位置決めするための突出部（インロー部）１４３ｃが形成されている。
【００２５】
ところで、図４、６中、１５１は冷却水通路１２０ａに冷却水を流入させる流入口側接続パイプであり、１５２はＥＧＲクーラ１００内にて熱交換を終えた冷却水を流出させる流出口側パイプである。
【００２６】
そして、各冷却水チューブ１２０（冷却水通路１２０ａ）は、図８に示すように、排気チューブ１１０のうちその長手方向両端側それぞれに形成された冷却水連通路１２０ｂにより連通しており、これら冷却水連通路１２０ｂは、両接続パイプ１５１、１５２と略直線的に連通するように、排気チューブ１１０の短径方向から見て対角の位置に形成されている。
【００２７】
なお、本実施形態では、冷却水通路１２０ａ内での冷却水流れと、排気通路１１０ａ内でのＥＧＲガス流れとが対向流れとなるように、流入口側接続パイプ１５１は排気排出口１４２側に設けられ、流出口側接続パイプ１５２は排気導入口１４１側に設けられている。
【００２８】
次に、本実施形態の特徴であるフィン１１１の形状（セグメント１１２）及びその効果について述べる。
【００２９】
本実施形態では、図８に示すように、排気チューブ１１０の長手方向の略中央を境にして、排気チューブ１１０の排気出口側におけるセグメント１１２間の寸法のうち排気流れと交差する方向のピッチ寸法ＦＰ２を、排気チューブ１１０の排気入口側におけるセグメント１１２間の寸法のうち排気流れと交差する方向のピッチ寸法ＦＰ１に比べて大きくしている。
【００３０】
これにより、炭素等の微粒子の占める割合が高い排気流れ下流側におけるフィン１１１のピッチ寸法（セグメント１１２間の寸法）を大きく（粗く）なり、ＥＧＲガスが流れ易くなるので、炭素（すす）がフィン１１１（セグメント１１２）の表面に付着し難くなる。したがって、排気流れ下流側におけるフィン１１１の目詰まりを未然に防止することができるので、ＥＧＲクーラ１００の冷却能力が低下することを防止できる。
【００３１】
ところで、排気流れ下流側におけるフィン１１１のピッチ寸法（セグメント１１２間の寸法）を大きく（粗く）すれば、炭素（すす）が排気流れ下流側に堆積していくことを防止できるが、過度にフィン１１１のピッチ寸法を大きくすれば、フィン１１１本来の機能（ＥＧＲガスとの接触面積を拡大するとともに、温度境界層が成長することを抑止すること）を損なうおそれがある。
【００３２】
この問題に対しては、排気チューブ１１０の排気出口側におけるセグメント１１２間の寸法ＦＰ２は、排気チューブ１１０の排気入口側におけるセグメント１１２間の寸法ＦＰ１の２倍以下とすることが望ましいとの結論を種々試験検討から得ている。
【００３３】
そしてさらに、発明者等の検討によれば、セグメント１１２の長さＬも排気流れ上流側と下流側とにおいて、フィン１１１のピッチ寸法（セグメント１１２間の寸法）と同様な大小関係とすることが望ましいとの結論を得ている。具体的には、排気流れ下流側のセグメント長さＬ２を排気流れ上流側のセグメント長さＬ１より大きくするとともに、排気流れ下流側のセグメント長さＬ２を排気流れ上流側のセグメント長さＬ１の２倍以下とするものである。
【００３４】
なお、セグメント１１２の長さＬとは、図８に示すように、セグメント１１２の寸法のうち排気流れ（排気チューブ１１０の長手方向）と平行に測った部位の寸法を言うものである。
【００３５】
（その他の実施形態）
上述の実施形態では、排気チューブ１１０内の配設するフィンとして、オフセット型のフィンを採用したが、本発明はこれに限定されるものではなく、波状のコルゲートフィン等その他の形式のフィンであってもよい。
【００３６】
したがって、本明細書の「特許請求の範囲」で言う「セグメント」とは、オフセット型のフィンで言うところの「セグメント」に限定されるものではなく、排気チューブ１１０の内壁から突出する部分を言うものである。
【００３７】
また、上述の実施形態では、ＥＧＲクーラ１００に本発明に係る排気熱交換器を適用したが、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。
【００３８】
また、上述の実施形態では、排気導入口１４１及び排気排出口１４２は、排気チューブ１１０の長手方向に向けて開口していたが、図９に示すように、排気導入口１４１及び排気排出口１４２が、排気チューブ１１０の長手方向と直交する方向に向けて開口した排気熱交換装置にも適用することができる。
【００３９】
また、上述の実施形態では、排気チューブ１１０の長手方向の略中央を境にして、排気チューブ１１０の排気出口側におけるセグメント１１２間の寸法ＦＰ２と、排気チューブ１１０の排気入口側におけるセグメント１１２間の寸法ＦＰ１とを相違させたが、本発明はこれに限定されるものではなく、３段階等の他段階又は排気入口側から出口側に掛けて、無段階的にセグメント１１２間の寸法を拡大変化させてもよい。
【００４０】
また、上述の実施形態では、排気チューブ１１０の長手方向の略中央を境にして、排気チューブ１１０の排気出口側におけるセグメント１１２間の寸法のうち排気流れの交差する方向のピッチ寸法ＦＰ２を、排気チューブ１１０の排気入口側におけるセグメント１１２間の寸法のうち排気流れの交差する方向のピッチ寸法ＦＰ１に比べて大きくしたが、排気チューブ１１０の排気出口側におけるセグメント１１２間の寸法のうち排気流れと平行な方向のピッチ寸法Ｐｏｕｔ２を、排気チューブ１１０の排気入口側におけるセグメント１１２間の寸法のうち排気流れと略平行な方向のピッチ寸法Ｐｉｎに比べて大きくしてもよい。また、両者の寸法関係を組み合わせてもよい。
【図面の簡単な説明】
【図１】ＥＧＲの模式図である
【図２】本発明の実施形態に係るＥＧＲクーラの斜視図である。
【図３】本発明の第１実施形態に係るガスクーラの上面図である。
【図４】図３のＡ−Ａ断面図である。
【図５】図３のＢ−Ｂ断面図である。
【図６】図３のＡ−Ｃ−Ｄ−Ｅ−Ｆ−Ｇ−Ｈ−Ａ断面図である。
【図７】ジョイントブロックの二面図である。
【図８】本発明の実施形態に係る排気チューブの模式図である。
【図９】本発明の変形例に係るＥＧＲクーラの正面図である。
【符号の説明】
１１０…排気チューブ、１１１…フィン、１１２…セグメント。

Claims

燃焼により発生した排気と冷却流体との間で熱交換を行う排気熱交換器であって、
前記排気が流通する排気チューブ（１１０）と、
前記排気チューブ（１１０）に隣接して配設され、前記冷却流体が流通する冷却流体チューブ（１２０）と、
前記排気チューブ（１１０）内に設けられ、前記排気チューブ（１１０）の内壁から前記排気の流れに対して交差する方向に突出する多数個のセグメント（１１２）を有して構成されたフィン（１１１）とを備え、
前記フィン（１１１）は、前記セグメント（１１２）が排気流れの方向に千鳥状に設けられたフィンであり、
前記排気チューブ（１１０）の排気出口側における前記セグメント（１１２）間の寸法であって、排気流れに対して交差する方向に測った寸法（ＦＰ２）は、前記排気チューブ（１１０）の排気入口側における前記セグメント（１１２）間の寸法であって、排気流れに対して交差する方向に測った寸法（ＦＰ１）に比べて大きいとともに、
前記排気チューブ（１１０）の排気出口側における前記セグメント（１１２）の長さであって、排気流れに平行な方向に測った長さ（Ｌ２）は、前記排気チューブ（１１０）の排気入口側における前記セグメント（１１２）の長さであって、排気流れに平行な方向に測った長さ（Ｌ１）に比べて大きいことを特徴とする排気熱交換器。
前記排気チューブ（１１０）の排気出口側における前記セグメント（１１２）間の寸法であって、排気流れに対して交差する方向に測った寸法（ＦＰ２）は、前記排気チューブ（１１０）の排気入口側における前記セグメント（１１２）間の寸法であって、排気流れに対して交差する方向に測った寸法（ＦＰ１）の２倍以下であることを特徴とする請求項１に記載の排気熱交換器。