JP4247942B2

JP4247942B2 - Ｅｇｒガス冷却装置

Info

Publication number: JP4247942B2
Application number: JP20065499A
Authority: JP
Inventors: 秀雄劉; 治樹濱田
Original assignee: Isuzu Motors Ltd; Usui Co Ltd
Current assignee: Isuzu Motors Ltd; Usui Co Ltd
Priority date: 1999-07-14
Filing date: 1999-07-14
Publication date: 2009-04-02
Anticipated expiration: 2019-07-14
Also published as: JP2001027158A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、排気ガスの一部をＥＧＲガスとして排気系から取出して、エンジンの冷却液、インタークーラー用冷媒、カーエアコン用冷媒または冷却風等によってＥＧＲガスを冷却する装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
排気ガスの一部を排気系から取出して、再びエンジンの吸気系に戻し、混合気に加える方法は、ＥＧＲ（ＥｘｈａｕｓｔＧａｓＲｅｃｉｒｃｕｌａｔｉｏｎ：排気再循環）と称される。ＥＧＲはＮＯｘ（窒素酸化物）の発生抑制、ポンプ損失の低減、燃焼ガスの温度低下に伴う冷却液への放熱損失の低減、作動ガス量・組成の変化による比熱比の増大と、これに伴うサイクル効率の向上等、多くの効果が得られることから、エンジンの熱効率を改善するには有効な方法とされている。
【０００３】
しかるに、ＥＧＲガスの温度が高くなると、吸気温の上昇に伴う燃費の低下や、その熱作用によりＥＧＲバルブの耐久性が劣化し、早期破損を招く場合があったり、その防止のために水冷構造とする必要があること等が認識されている。このような事態を避けるため、エンジンの冷却液等によってＥＧＲガスを冷却する装置が用いられている。この装置としては、一般に多管式の熱交換器が利用される。
【０００４】
この場合に利用される多管式の熱交換器は、図５にその一例を示すごとく、両端部に冷却媒体流入口１１−１および冷却媒体流出口１１−２を設けた胴管１１内部において、伝熱管群１２の両端部がチューブシート１３にろう付けまたは溶接により固定され、一方チューブシート１３はその外周部を胴管１１の内壁にろう付けまたは溶接により固着して配列され、前記胴管１１の一方の端部にはＥＧＲガスの流入口１４ａ−１が設けられた端部キャップ１４ａが固着され、また他方の端部にはＥＧＲガスの流出口１４ｂ−１が設けられた端部キャップ１４ｂが固着された構成となし、冷却媒体流入口１１−１より導入されるエンジンの冷却液等により、伝熱管群１２の内部を流れるＥＧＲガスが冷却される構造となっているものが知られている（実公昭５７−３０９号等参照）。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、エンジンの冷却液等によってＥＧＲガスを冷却する上記の多管式熱交換器の場合は、胴管１１内における冷却液の流速を上げることができないため管外伝熱係数が低く熱交換性能が劣るという問題がある。またＥＧＲガスが高温のため特にＥＧＲガスの流入口１４ａ−１側において沸騰してエンジンの冷却液中の気体が気泡となり、この気泡がＥＧＲガスの流入口側の伝熱管群１２の外表面に付着し伝熱面を覆って伝熱性能をさらに低下させるという問題点があった。
【０００６】
本発明は、このような管外流体の流量低下に伴う胴管内流速の低下や、気泡発生に伴う伝熱面の減少による熱交換性能の低下の問題点を解決するためになされたもので、胴管内を複数の室に仕切ることにより胴管内における冷却媒体の流速を高めるとともに、冷却液などの沸騰により発生した伝熱管群の外表面に付着する気泡を容易に剥離除去できる機能を備えたＥＧＲガス冷却装置を提供しようとするものである。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
本発明は上記課題を解決するため胴管内を仕切板により複数の室に仕切り、冷却媒体が通流する空間を小さくすることによって胴管内を冷却媒体が高速で通流できるように構成したもので、その要旨は、一端部に冷却媒体流入口および冷却媒体流出口を設けた胴管の両端部付近に固定されたチューブシートに伝熱管群が固着配列され、さらに前記胴管の両端部の外側には端部キャップが固着され、また前記端部キャップには前記伝熱管群の伝熱管内部を流れるＥＧＲガスの流入口と流出口が設けられた構造の多管式のＥＧＲガス冷却装置において、前記胴管の内径と同一幅で両端部のチューブシート間の長さとほぼ同一長さを有し、かつ前記冷却媒体流入口および冷却媒体流出口と相対する端部に切欠部を有し、さらに波形部を設けた１枚の仕切板が前記胴管内に管軸方向のほぼ全長に亘って配置されて該胴管内が左右２室に仕切られ、かつ前記仕切板は前記波形部の部分が前記伝熱管群と固定されて前記ＥＧＲガスの熱が前記波形部を介して冷却媒体に伝わる構造となし、前記一方の室に設けられた冷却媒体流入口から胴管内に流入した冷却媒体が前記切欠部を通り左右の室内を通流することにより該胴管内の冷却媒体の流速が高められて他方の室に設けられた冷却媒体流出口から流出する構造となし、前記ＥＧＲガスの流入口は前記切欠部と相対する端部に、前記ＥＧＲガスの流出口は前記ＥＧＲガスの流入口とは相対する端部に、それぞれ設けられているＥＧＲガス冷却装置を特徴とするものである。
又、本発明は、前記仕切板が胴管および／または伝熱管群にろう付けされていること、および前記仕切板の切欠部と相対する端部が前記チューブシートにろう付けまたは溶接されていることを好ましい態様とするものである。
【０００８】
本発明において、胴管内を複数の室に仕切り冷却媒体を各室に通流させるようにしたのは、冷却媒体が通流する空間部を狭くすることにより冷却媒体の流速を高めて熱交換性能の向上と、冷却液などの沸騰により発生した伝熱管群の外表面に付着した気泡を、大きく成長する前に早期にかつ容易に剥離除去し伝熱性能を高めるためである。
【０００９】
ＥＧＲガス流入口より流入した高温のＥＧＲガスは、先にこの側の空間部において冷却媒体により冷却されるが、この領域ではＥＧＲガスの温度が高いためエンジン冷却液等の冷却媒体中に気泡が発生し、この側の伝熱管の外表面に付着する。しかし、前記空間部に導入された冷却媒体は狭い空間部内を軸方向に通流するので該冷却媒体の流量が例え少し低下しても仕切板のないものに比べればその流速は必然的に大きい。したがって、冷却媒体の流量低下に伴う胴管内流速の低下を防止できるとともに冷却媒体の流速が高められることにより気泡の発生が大幅に減少する上、胴管内の伝熱管の外表面に付着した小さな気泡はこの高速の冷却媒体によって大きく成長することなく伝熱面から剥離除去され、その結果冷却液などの大規模な沸騰がほとんどなくなる。また仕切板と伝熱管との接触部をろう付けなどにより固定することにより仕切板にも熱が伝わり伝熱面積がさらに増大することとなる。
【００１０】
【発明の実施の形態】
図１は胴管内が左右２室に仕切られた多管式のＥＧＲガス冷却装置を例示したもので、（ａ）は一部を省略して示す横断正面図、（ｂ）は図（ａ）のイーイ線上の拡大縦断側面図、図２は胴管内が３室に仕切られた多管式のＥＧＲガス冷却装置の参考例で、（ａ）は一部を省略して示す横断正面図、（ｂ）は図（ａ）のローロ線上の拡大縦断側面図、（ｃ）は一部を省略して示す横断平面図、図３は胴管内が４室に仕切られた多管式のＥＧＲガス冷却装置の参考例で、（ａ）は一部を省略して示す横断正面図、（ｂ）は図（ａ）のハーハ線上の拡大縦断側面図、（ｃ）は一部を省略して示す横断平面図であり、１は胴管、１−１は冷却媒体流入口、１−２は冷却媒体流出口、２は伝熱管群、３はチューブシート、４ａ、４ｂは端部キャップ、４ａ−１はＥＧＲガスの流入口、４ｂ−１はＥＧＲガスの流出口、５は仕切板、５−１は切欠凹部、１Ａ、１Ｂ、１Ｃ、１Ｄは分割室である。
【００１１】
まず図１に示すＥＧＲガス冷却装置は一端部に冷却媒体流入口１−１および冷却媒体流出口１−２を設けた胴管１内部において、伝熱管群２の両端部がチューブシート３にろう付けまたは溶接により固定され、一方チューブシート３はその外周部を胴管１の両端部付近にろう付けまたは溶接により固着して配列され、前記胴管１の一方の端部にはＥＧＲガスの流入口４ａ−１が設けられた端部キャップ４ａが固着され、また他方の端部にはＥＧＲガスの流出口４ｂ−１が設けられた端部キャップ４ｂが固着された構成となすとともに、前記両側のチューブシート３間に配置した１枚の仕切板５にて該胴管１内を中央より分割室１Ａと分割室１Ｂの２室に仕切った構造となしている。
上記仕切板５は両側縁部に設けられた屈曲部５−２を除く有効幅が胴管１の内径と同一幅で、かつ両端部のチューブシート３間の長さとほぼ同一長さを有し、一方の端部に切欠凹部５−１が設けられている。そしてこの仕切板５が胴管１内に管軸方向のほぼ全長に亘って配置され、好ましくは少なくとも前記仕切板の切欠凹部５−１と相対する端部が胴管１のチューブシート３に、また両側縁部の屈曲部５−２が胴管１の内壁に、さらには伝熱管群２にもろう付けされて該胴管１内が長手方向に延長する左右２室に仕切られている。そして前記切欠凹部５−１と相対する側の胴管１の分割室１Ａの側壁に前記冷却媒体の流入口１−１が、分割室１Ｂの側壁に冷却媒体流出口１−２がそれぞれの分割室に連通するように設けられている。また好ましくは仕切板５の中央部に図示のごとく波形部５−３を設けることにより、この波形部５−３の部分を伝熱管群２の一部とろう付けしておくこともできる。
すなわちこのＥＧＲガス冷却装置の場合は、流入口１−１から分割室１Ａ内に流入した冷却媒体が当該室内をＥＧＲガスの流出口４ｂ−１側へ流れ、仕切板５に設けられた切欠凹部５−１を通過して相対する側の分割室１Ｂ内へ流入し、方向転換されて当該分割室Ｂ内をＥＧＲガスの流入口４ａ−１側へ流れ、流出口１−２より流出する構造となっている。
【００１２】
上記構造のＥＧＲガス冷却装置において、ＥＧＲガスの流入口４ａ−１より流入したＥＧＲガスは、２室に仕切られた胴管１内の伝熱管群２の内部を流れる間にエンジン冷却液などの冷却媒体にて冷却されるが、ＥＧＲガスの入側においては当該ガスが高温の状態にあるため冷却媒体中に気泡が発生しこの側の伝熱管群２の外表面に付着することがある。しかしこのＥＧＲガス冷却装置の場合は胴管１内が２室に仕切られていることにより、胴管１内の分割室１Ａ内および分割室１Ｂ内を流れる冷却媒体の流速は従来の単一の室に比べて倍に上昇する。したがって冷却液などの沸騰がほとんどなくなることにより気泡の発生が大幅に減少する上、胴管内の伝熱管群２の外表面に、例え付着してもこの気泡は高速の冷却媒体によって伝熱管表面から剥離除去される。剥離除去された気泡は、胴管１内の分割室１Ａ内および分割室１Ｂ内で高速の冷却媒体中に混在することにより冷却されて凝縮し消滅するので、気泡による伝熱性能の低下の問題を解消できる。また仕切板５の中央部に設けた波形部５−３と伝熱管群２の一部とをろう付けしておくことにより、仕切板５にも熱が伝わり伝熱面積が増大することとなり熱交換性能を向上できる。
【００１３】
つぎに図２に示すＥＧＲガス冷却装置について説明すると、図１に示すＥＧＲガス冷却装置とは異なり両端部に冷却媒体流入口１−１および冷却媒体流出口１−２を設けた胴管１内部において、伝熱管群２の両端部がチューブシート３にろう付けまたは溶接により固定され、一方チューブシート３はその外周部を胴管１の両端部付近にろう付けまたは溶接により固着して配列され、前記胴管１の一方の端部にはＥＧＲガスの流入口４ａ−１が設けられた端部キャップ４ａが固着され、また他方の端部にはＥＧＲガスの流出口４ｂ−１が設けられた端部キャップ４ｂが固着された構成となすとともに、前記両側のチューブシート３間に長手方向に配置した２枚の仕切板５にて該胴管１内を分割室１Ａと分割室１Ｂおよび分割室１Ｃの３室に仕切った構造となしたもので、上記２枚の仕切板５は前記と同様両端部のチューブシート３間の長さとほぼ同一長さを有し、それぞれ一方の端部に切欠凹部５−１が設けられており、この２枚の仕切板５が胴管１内にそれぞれ逆向きに管軸方向のほぼ全長に亘って配置され、好ましくは少なくとも前記仕切板の切欠凹部５−１と相対する端部が胴管１のチューブシート３に、また両側縁部の屈曲部５−２が胴管１の内壁に、さらには伝熱管群２にもろう付けされて該胴管１内が長手方向に延長する３室に仕切られている。そして例えば分割室１Ａの端部側壁に前記冷却媒体の流入口１−１が、分割室１Ｂの前記冷却媒体流入口１−１と相対する側の端部側壁に冷却媒体流出口１−２がそれぞれの分割室に連通するように設けられている。またこの装置の場合も各仕切板５に前記と同様の波形部を設けて当該部分と伝熱管とをろう付けしておくこともできる。
すなわちこのＥＧＲガス冷却装置の場合は、流入口１−１から分割室１Ａ内に流入した冷却媒体が当該室内をＥＧＲガスの流出口４ｂ−１側へ流れ、続いて仕切板５に設けられた切欠凹部５−１を通過して真中の分割室１Ｃ内に流入し、方向転換されて該分割室１Ｃ内を分割室１Ａとは逆方向へ流れ、この側の次の仕切板５のＥＧＲガスの流入口４ａ−１側に設けられた切欠凹部５−１を通過して相対する側の分割室１Ｂ内へ流入し、再び方向転換されて当該分割室Ｂ内を分割室１Ｃとは逆方向へ流れ、ＥＧＲガスの流出口４ｂ−１側に設けられた冷却媒体流出口１−２より流出する構造となっている。
【００１４】
上記図２に示す構造のＥＧＲガス冷却装置の場合は、胴管１内が分割室１Ａと分割室１Ｂおよび分割室１Ｃの３室に仕切られて冷却媒体の流れる空間が図１のものより狭くなることにより、胴管１内の分割室１Ａ内および分割室１Ｂ内および分割室１Ｃ内を流れる冷却媒体の流速は図１のものよりさらに大きくなる。したがってこの装置の場合も冷却液などの沸騰がほとんどなくなることにより気泡の発生が大幅に減少する上、ＥＧＲガスの入側の伝熱管群２の外表面に例え付着してもこの気泡は前記と同様高速の冷却媒体によって伝熱管表面から剥離除去される。よって気泡による伝熱性能の低下の問題を解消することができる。またこのＥＧＲガス冷却装置においても２枚の仕切板５と伝熱管群２の一部とをろう付けしておくことにより、２枚の仕切板５にも熱が伝わり伝熱面積がより増大することとなり熱交換性能を向上できる。
【００１５】
また図３に示す胴管内が４室に仕切られた多管式のＥＧＲガス冷却装置は、図１に示すＥＧＲガス冷却装置と同様一端部に冷却媒体流入口１−１および冷却媒体流出口１−２を設けた胴管１内部において、伝熱管群２の両端部がチューブシート３にろう付けまたは溶接により固定され、一方チューブシート３はその外周部を胴管１の両端部付近にろう付けまたは溶接により固着して配列され、前記胴管１の一方の端部にはＥＧＲガスの流入口４ａ−１が設けられた端部キャップ４ａが固着され、また他方の端部にはＥＧＲガスの流出口４ｂ−１が設けられた端部キャップ４ｂが固着された構成となすとともに、前記両側のチューブシート３間に長手方向に２枚を組合わせて十字形状となした仕切板５にて該胴管１内を４つの分割室１Ａ、１Ｂ、１Ｃ、１Ｄに仕切った構造となしたもので、上記仕切板５は前記と同様両端部のチューブシート３間の長さとほぼ同一長さを有し、それぞれ一方の端部に切欠凹部５−１が設けられており、この２枚の仕切板５が胴管１内にそれぞれ逆向きに管軸方向の全長に亘って十字形に配置されて前記切欠凹部５−１と相対する端部が胴管１のチューブシート３に、また両側縁部の屈曲部５−２が胴管１の内壁に、さらには伝熱管群２にもろう付けされて該胴管１内が長手方向に延長する４室に仕切られている。そして例えば分割室１Ａの端部側壁に前記冷却媒体の流入口１−１が、分割室１Ｄの前記冷却媒体流入口１−１側の端部側壁に冷却媒体流出口１−２がそれぞれの分割室に連通するように設けられている。またこの装置の場合も各仕切板５に前記と同様の波形部を設けて当該部分と伝熱管とをろう付けしておくこともできる。
すなわちこの４室構造のＥＧＲガス冷却装置の場合は、流入口１−１から分割室１Ａ内に流入した冷却媒体が当該室内をＥＧＲガスの流出口４ｂ−１側へ流れ、続いて仕切板５に設けられた切欠凹部５−１を通過して横隣の分割室１Ｂ内に流入し、方向転換されて該分割室１Ｂ内を分割室１Ａとは逆方向へ流れ、この側の仕切板５に設けられた切欠凹部５−１を通過して上隣の分割室１Ｃ内へ流入し、再び方向転換されて当該分割室１Ｃ内を分割室１Ｂとは逆方向へ流れ、この側の仕切板５に設けられた切欠凹部５−１を通過してその横隣の分割室１Ｄ内に流入し、ＥＧＲガスの流入口４ａ−１側に設けられた冷却媒体流出口１−２より流出する構造となっている。
【００１６】
なお図３に示す十字形状の仕切板５は、例えば図４（ａ）に示すように幅手方向の中央部に切欠凹部５−１から長手方向の中央部まで延長するスリット５−３を設けた２枚の仕切板部材５ａ、５ｂを該スリットが相互に嵌合するよう組合わせて十字形状に形成したり、あるいは図４（ｂ）のように３枚の仕切板部材５′ａ、５′ｂおよび５′ｃを所定の十字形状になるように相互にろう付けまたは溶接などで接合して構成することもできる。
【００１７】
上記図３に示す構造のＥＧＲガス冷却装置の場合は、胴管１内が分割室１Ａ、分割室１Ｂ、分割室１Ｃおよび分割室１Ｄの４室に仕切られて冷却媒体の流れる空間が図２の３室構造のものよりもさらに狭くなることにより、胴管１内の各分割室内を流れる冷却媒体の流速は図２のものよりさらに大きくなる。したがってこの装置の場合も冷却液などの沸騰がほとんどなくなることにより気泡の発生が大幅に減少する上、ＥＧＲガスの入側の伝熱管群２の外表面に例え付着しても気泡は前記と同様高速の冷却媒体によって伝熱管表面から完全に剥離除去され、気泡による伝熱性能の低下の問題を解消することができる。またこのＥＧＲガス冷却装置においても２枚の仕切板５と伝熱管群２の一部とをろう付けしておくことにより、２枚の仕切板５にも熱が伝わり伝熱面積がより増大することとなり熱交換性能を向上できる。
【００１８】
なお上記図１〜図３に示した本発明のＥＧＲガス冷却装置において、仕切板の長さをチューブシート３間の長さとほぼ同一長さとしたのは、該仕切板の長さがチューブシート３間の長さより短尺の場合該装置の組立て時胴管１内で該仕切板が管軸方向に動いて位置決めに手間がかかり作業性が悪く、また万一切欠凹部と相対する端部がチューブシートとの間に大きな隙間ができると、そこから冷却媒体が漏れ出して伝熱性能を大きく損なうためであり、上記のような仕切板の長さとすると、胴管１内での該仕切板の位置決めを容易にかつ迅速にできるようになるとともに、伝熱性能を高く維持することができる。
【００１９】
【発明の効果】
以上説明したごとく、本発明のＥＧＲガス冷却装置は胴管内における冷却媒体の流速を高めることができるので、冷却液などの沸騰がほとんどなくなり気泡の発生を大幅に減少できる上、仮に気泡が発生したとしてもこの高速の冷却媒体によって伝熱面から容易かつ速やかに剥離除去することができるので、気泡による伝熱性能の低下の問題を解消でき、また仕切板と伝熱管との接触部をろう付けなどにより固定することにより仕切板にも熱が伝わり伝熱面積が増大することとなるので、熱交換率を著しく高めることができるという大なる効果を奏する。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の多管式のＥＧＲガス冷却装置の一実施例であって、（ａ）は胴管内が左右２室に仕切られたＥＧＲガス冷却装置の一部を省略して示す横断正面図、（ｂ）は図（ａ）のイーイ線上の拡大縦断側面図である。
【図２】本発明の多管式のＥＧＲガス冷却装置の参考例であって、（ａ）は胴管内が３室に仕切られたＥＧＲガス冷却装置の一部を省略して示す横断正面図、（ｂ）は図（ａ）のローロ線上の拡大縦断側面図、（ｃ）は同上装置の一部を省略して示す横断平面図である。
【図３】本発明の多管式のＥＧＲガス冷却装置の他の参考例であって、（ａ）は胴管内が４室に仕切られたＥＧＲガス冷却装置の一部を省略して示す横断正面図、（ｂ）は図（ａ）のハーハ線上の拡大縦断側面図、（ｃ）は同上装置の一部を省略して示す横断平面図である。
【図４】図３の参考例において使用した仕切板の構成を示す斜視図で、（ａ）は仕切板の一例を示す図、（ｂ）は他の例を示す図である。
【図５】本発明の対象とする従来の多管式のＥＧＲガス冷却装置の一例を一部破断して示す平面図である。
【符号の説明】
１胴管
１−１冷却媒体流入口
１−２冷却媒体流出口
２伝熱管群
３チューブシート
４ａ、４ｂ端部キャップ
４ａ−１ＥＧＲガスの流入口
４ｂ−１ＥＧＲガスの流出口
５仕切板
５−１切欠凹部
１Ａ、１Ｂ、１Ｃ、１Ｄ分割室

Claims

一端部に冷却媒体流入口および冷却媒体流出口を設けた胴管の両端部付近に固定されたチューブシートに伝熱管群が固着配列され、さらに前記胴管の両端部の外側には端部キャップが固着され、また前記端部キャップには前記伝熱管群の伝熱管内部を流れるＥＧＲガスの流入口と流出口が設けられた構造の多管式のＥＧＲガス冷却装置において、前記胴管の内径と同一幅で両端部のチューブシート間の長さとほぼ同一長さを有し、かつ前記冷却媒体流入口および冷却媒体流出口と相対する端部に切欠部を有し、さらに波形部を設けた１枚の仕切板が前記胴管内に管軸方向のほぼ全長に亘って配置されて該胴管内が左右２室に仕切られ、かつ前記仕切板は前記波形部の部分が前記伝熱管群と固定されて前記ＥＧＲガスの熱が前記波形部を介して冷却媒体に伝わる構造となし、前記一方の室に設けられた冷却媒体流入口から胴管内に流入した冷却媒体が前記切欠部を通り左右の室内を通流することにより該胴管内の冷却媒体の流速が高められて他方の室に設けられた冷却媒体流出口から流出する構造となし、前記ＥＧＲガスの流入口は前記切欠部と相対する端部に、前記ＥＧＲガスの流出口は前記ＥＧＲガスの流入口とは相対する端部に、それぞれ設けられていることを特徴とするＥＧＲガス冷却装置。
前記仕切板は胴管および／または伝熱管群にろう付けされていることを特徴とする請求項１記載のＥＧＲガス冷却装置。
前記仕切板の切欠部と相対する端部が前記チューブシートにろう付けまたは溶接されていることを特徴とする請求項１または２記載のＥＧＲガス冷却装置。