JP4707388B2 - 煤を含有する燃焼排気ガス用の伝熱管並びにこの伝熱管を組み付けた熱交換器 - Google Patents

煤を含有する燃焼排気ガス用の伝熱管並びにこの伝熱管を組み付けた熱交換器 Download PDF

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Description

本発明は、ＥＧＲガス冷却装置等の多管式熱交換器にて、冷却水、冷却風、カーエアコン用冷媒、その他の冷却媒体と、ＥＧＲガス、煤を含有する燃焼排気ガス等との熱交換を行うために用いる、煤を含有する燃焼排気ガス用の伝熱管並びにこの伝熱管を組み付けた熱交換器に係るものである。
従来、自動車のエンジン等では、排気ガスの一部を排気ガス系から取り出して、再びエンジンの吸気系に戻し、混合気や吸入空気に加えるＥＧＲシステムが、ガソリンエンジン、ディーゼルエンジンともに用いられていた。ＥＧＲシステム、特にディーゼルエンジンの高ＥＧＲ率のクールドＥＧＲシステムでは、排気ガス中のNOxを低減し、燃費の悪化を防止するとともに、過剰な温度上昇によるＥＧＲバルブの機能低下や耐久性の低下を防止するため、高温化したＥＧＲガスを冷却水、冷却風、冷媒、その他の冷却媒体で冷却する装置を設けている。
そして、このＥＧＲガス冷却装置は、第３図に示す如く、ＥＧＲガスが内部を流通可能な複数の細径の伝熱管を配置し、この伝熱管の外側に冷却水や冷却風、冷媒等の冷却媒体を流通させる事により、伝熱管を介してＥＧＲガスと冷却媒体との熱交換を行うものが存在した。
このような伝熱管としては、特許文献１〜４に記載の如き発明等が知られている。これらの従来公知の伝熱管は、流体の流通する内周面が平滑なものであるから、流通する排出ガスに含まれる煤が堆積し易いものとなる。この伝熱管の内面に、煤が付着して堆積すると、煤が断熱作用を生じ交換熱量が低下し、伝熱管としての性能を低下させるものとなり好ましくない。そこで、従来はこの煤を伝熱管の内面から除去する方法として、伝熱管を一定期間使用した後は、ブラシ状のもので掻き落としたり、伝熱管の冷却作動を停止して伝熱管を高温にする事で煤を焼却して除去する方法が採用されている。
特開平１１−１０８５７８号公報 特開２００１−２２７４１３号公報 ＥＰ−１２６５０４６ Ａ２号公報 特開２００２−２８７７５号公報
しかしながら、伝熱管の内面に付着した煤をブラシ状のもので掻き落としたり、伝熱管の冷却作動を停止して伝熱管を高温にする事で煤を焼却したりする方法は、多くの手数を要するばかりでなく伝熱管の冷却作動を停止させねば成らず、伝熱管の作業効率を著しく低下させるものとなっている。また、このような欠点を防止し伝熱管の内面への煤の付着を防止する目的で、フッ素樹脂等の表面エネルギーの低いコーティングを伝熱管の内面に施す事も行われている。しかしながら、この表面エネルギーの低いコーティングを伝熱管の内面に施す方法は、フッ素樹脂等の表面エネルギーの低いコーティングが、金属に比較して熱伝導率が小さく伝熱性に乏しいため、本来熱交換器である伝熱管の熱伝達効率を低下させるものとなる。
そこで、本発明は上述の如き課題を解決しようとするものであって、伝熱管の本来の目的である熱伝達効率を低下させる事が無く、また、伝熱管の冷却作動を停止させずに伝熱管の内面に付着した煤を除去するか、付着しないようにする。また、この煤の除去を伝熱管の内面への付着量が少ない内に行うか、付着しないようにする事によって、煤による伝熱管の熱伝達効率の低下を最小限にするとともに、伝熱面積の多い伝熱管を形成する事を可能として、伝熱管内部を流動する流体と外部を流動する流体との、伝熱管を介した効率的な熱交換を常時可能にするものである。
本発明は上述の如き課題を解決するため、第１の発明は、流体が内部を流動可能な素管の内周面に、断面形状を一定深さの凹溝とした縦溝を、管軸と平行で且つ円周方向に連続して形成すると共に連続する縦溝間に、一定厚みの区画壁を形成し、この区画壁に隣接する区画壁の中心部間距離Ｐを０．２〜２．０ｍｍ、区画壁先端からの深さＨを０．５Ｐ〜１．０Ｐｍｍとすることにより、伝熱管の内部を流れる流体の速度が、区画壁の頂点部分と、凹溝の底部とで異なるものとし、この流体の速度差によって、境界層の流体が伝熱管の中心部を流れる主流に引き出されるバースト現象を発生させて、このバースト現象によって縦溝の表面に付着した煤を、境界層の流体が主流に引き出されるのに伴って引き剥がし、伝熱管の冷却作動を停止させずに伝熱管の内面に付着した煤を除去可能とした事を特徴とする煤を含有する燃焼排気ガス用の伝熱管である。
また、第２の発明は、流体が内部を流動可能な素管の内周面に、断面形状を一定深さの凹溝とした縦溝を、管軸と平行で且つ円周方向に連続して形成すると共に連続する縦溝間に、一定厚みの区画壁を形成じ、この区画壁に隣接する区画壁の中心部間距離Ｐを０．２〜２．０ｍｍ、区画壁先端からの深さＨを０．５Ｐ〜１．０Ｐｍｍとすることにより、伝熱管の内部を流れる流体の速度が、区画壁の頂点部分と、凹溝の底部とで異なるものとし、この流体の速度差によって、境界層の流体が伝熱管の中心部を流れる主流に引き出されるバースト現象を発生させて、このバースト現象によって縦溝の表面に付着した煤を、境界層の流体が主流に引き出されるのに伴って引き剥がし、伝熱管の冷却作動を停止させずに伝熱管の内面に付着した煤を除去可能とした事を特徴とする煤を含有する燃焼排気ガス用の伝熱管を組み付けた熱交換器である。
また、第３の発明は、流体が内部を流動可能な素管の内周面に、断面形状を一定深さの凹溝とするとともに底部と区画壁とを円弧状に連続して形成した縦溝を、管軸と平行で且つ円周方向に連続して形成すると共に連続する縦溝間に、一定厚みの区画壁を形成し、この区画壁に隣接する区画壁の中心部間距離Ｐを０．２〜２．０ｍｍ、区画壁先端からの深さＨを０．５Ｐとすることにより、伝熱管の内部を流れる流体の速度が、区画壁の頂点部分と、凹溝の底部とで異なるものとし、この流体の速度差によって、境界層の流体が伝熱管の中心部を流れる主流に引き出されるバースト現象を発生させて、このバースト現象によって縦溝の表面に付着した煤を、境界層の流体が主流に引き出されるのに伴って引き剥がし、伝熱管の冷却作動を停止させずに伝熱管の内面に付着した煤を除去可能とするものである。
また、第４の発明は、流体が内部を流動可能な素管の内周面に、断面形状を一定深さの凹溝とするとともに底部と区画壁とを円弧状に連続して形成した縦溝を、管軸と平行で且つ円周方向に連続して形成すると共に連続する縦溝間に、一定厚みの区画壁を形成し、隣接する区画壁の中心部間距離Ｐを０．２〜２．０ｍｍ、区画壁先端からの深さＨを０．５Ｐとした伝熱管を組み付けることにより、伝熱管の内部を流れる流体の速度が、区画壁の頂点部分と、凹溝の底部とで異なるものとし、この流体の速度差によって、境界層の流体が伝熱管の中心部を流れる主流に引き出されるバースト現象を発生させて、このバースト現象によって縦溝の表面に付着した煤を、境界層の流体が主流に引き出されるのに伴って引き剥がし、伝熱管の冷却作動を停止させずに伝熱管の内面に付着した煤を除去可能とするものである。
また、素管は、内部に管軸方向に長尺な板状フィン部材を設け、この板状フィン部材の表面及び素管の内周面に、断面形状を一定深さの凹溝とした縦溝を、管軸と平行に連続して複数本形成すると共に連続する縦溝間に、一定厚みの区画壁を形成し、隣接する区画壁の中心部間距離Ｐを０．２〜２．０ｍｍ、区画壁先端からの深さＨを０．５Ｐ〜１．０Ｐｍｍとしたものであっても良い。
また、素管は、内部に管軸方向に長尺な板状フィン部材を設け、この板状フィン部材の表面及び素管の内周面に、断面形状を一定深さの凹溝とした縦溝を、管軸と平行に連続して複数本形成すると共に連続する縦溝間に、一定厚みの区画壁を形成し、隣接する区画壁の中心部間距離Ｐを０．２〜２．０ｍｍ、区画壁先端からの深さＨを０．５Ｐｍｍとするものであっても良い。
また、縦溝は、底部を平面に形成し、この底部と区画壁とを角隅部を介して連結しても良い。
また、縦溝は、底部を平面に形成し、この底部と区画壁とを弧状部を介して連結しても良い。
また、板状フィン部材は、一端を素管の内周面に接続し、他端を素管の内周面に接触しないように素管内に突設させたものであっても良い。
また、板状フィン部材は、素管の内部空間を複数に分割して設けても良い。
また、板状フィン部材は、素管とは別個に板部材を配設し、この板部材を折曲して素管の内周面に対応する接続面を形成し、この接続面を素管の内周面にろう付け又は溶接しても良い。
また、板状フィン部材は、素管の成形時に素管と一体に形成しても良い。
本発明は上述の如く構成したものであるから、伝熱管の本来の目的である熱伝達効率を低下させる事が無く、また、伝熱管の冷却作動を停止させずに伝熱管の内面に付着した煤を除去するか、煤の縦溝内への流入を防止する事ができる。また、この煤の除去を伝熱管の内面への付着量が少ない内に行う事ができる。そして、煤による伝熱管の熱伝達効率の低下を最小限にする事ができる事を実験的に確認したものである。
また、素管内に板状フィン部材を設けて伝熱管を形成した場合は、この板状フィン部材の存在及び板状フィン部材と素管に形成した縦溝により、伝熱管の伝熱面積を増大させる事ができ、更に板状フィン部材と素管との熱伝導性も高める事で、伝熱管の内外を流動する流体相互の熱交換性能を向上させる事ができる。そして、煤の付着の防止効果が高く、煤による伝熱管の熱伝達率の低下が最小限である事により、この優れた熱交換性能を維持する事が可能となる。
本発明の伝熱管は上述の如く、流体が内部を流動可能な素管の内周面に、管軸方向に直角な断面形状を一定深さの凹溝とした縦溝を、管軸と平行で且つ円周方向に連続して形成すると共に連続する縦溝間に一定厚みの区画壁を形成したものである。このように構成する事によって伝熱管の内面に煤が付着しない事は実験的に確認された。この伝熱管の内面に煤が付着しない理由は次の二つである。
その第１の理由は、伝熱管の内部を流れる流体の速度が、区画壁の頂点部分と、凹溝の底部とで異なるものとなる。この速度差によって境界層の流体が、伝熱管の中心部を流れる主流に引き出されるバースト現象が発生する。このバースト現象によって縦溝の表面に付着した煤は、境界層の流体が主流に引き出されるのに伴って引き剥がされ、主流に流入する事が出来る。また、この境界層の流体が主流に引き出される現象は伝熱管内で常時生じているものであるから、流体中に含まれる煤等の不純物は伝熱管の内面に付着しにくいものとなり、煤の付着による熱伝達効率の低下を防止する事が常時可能となる。
また、第２の理由としては、伝熱管の内面に形成した縦溝の内部までは、流動抵抗が大きいため煤粒子を含有した排出ガスが入り込めず、結果として伝熱管の内部に煤が付着しないものとなる。また、この第２の理由と、前記第１の理由とが相乗的に作用しているとも考えられる。
そして、伝熱管に形成する縦溝は、隣接する区画壁の中心部間距離Ｐを０．２〜２．０ｍｍ、区画壁先端からの深さＨを０．５Ｐ〜１．０Ｐｍｍとする事により、上記の煤の剥離効果を最良のものとする事が実験的に確認されている。区画壁の中心部間距離Ｐを０．２ｍｍよりも小さなものとすると、凹溝が正確に形成されず、バースト現象の発生度合いが少なく、境界層の流体が主流に引き出されて生じる煤の剥離効果が乏しいものとなるか、流動抵抗が小さいため煤粒子を含有した排出ガスが、縦溝の内部まで入り込んでしまうと思われる。また、区画壁の中心部間の距離Ｐを２．０ｍｍよりも大きなものとしても、バースト現象の発生度合いが多くは成らないし、煤粒子を含有した排出ガスの流入防止効果にも変化がないので、剥離効果の増加には成らず圧力損失が大きくなり好ましくない。また、距離Ｐを２．０ｍｍよりも大きくすると、製造を困難なものとし伝熱管を高価なものとする。
また、区画壁先端からの凹溝の深さＨを０．５Ｐｍｍよりも小さなものとすると、凹溝が正確に形成されずバースト現象の発生度合いが少なく、境界層の流体が主流に引き出されて生じる煤の剥離効果が乏しいものとなるか、流動抵抗が小さくなって煤粒子を含有した排出ガスが、縦溝の内部まで入り込み易いものになると思われる。また、区画壁先端からの深さＨを１．０Ｐｍｍより大きくしてもバースト現象の発生度合いが多くは成らず剥離効果の増加には成らないし、煤粒子を含有した排出ガスの流入防止効果にも変化がないものと思われる。そして、区画壁先端からの深さＨを１．０Ｐｍｍより大きくすると、圧力損失が大きくなり好ましくない。
また、素管は、内部に管軸方向に長尺な板状フィン部材を設け、この板状フィン部材の表面及び素管の内周面に、断面形状を一定深さの凹溝とした縦溝を、管軸と平行に連続して複数本形成すると共に連続する縦溝間に、一定厚みの区画壁を形成すれば、伝熱管の伝熱面積を大きく増大させる事ができ、伝熱管の熱伝達効率を向上させる事が可能となる。そして、伝熱管内を流動する流体の熱が面積を広くした素管だけでなく板状フィン部材にも伝達され、更にこの板状フィン部材が受熱した熱が素管に効率的に伝達されるので、伝熱管の内外を流動する流体相互の熱交換効率を向上させる事ができるものである。また、素管及び板状フィン部材に縦溝を設ける事で、煤による熱伝達効率の低下を防止しているので、伝熱管の効率的な熱交換を持続させる事が可能となる。
また、板状フィン部材に設ける縦溝に於いても、隣接する区画壁の中心部間距離Ｐを０．２〜２．０ｍｍ、区画壁先端からの深さＨを０．５Ｐ〜１．０Ｐｍｍとするのが好ましく、煤の剥離効果を最良のものとする事が可能となる。
また、素管の内周面及び板状フィン部材の表面に設ける縦溝は、何れの形状でも良く、例えば底部を平面に形成し、この底部と区画壁とを角隅部を介して連結しても良い。このように角隅部を設けて底部も壁面も直線的な縦溝では、製作技術が容易で、伝熱管の低コストな製造が可能となる。
また、縦溝は、底部を平面に形成し、この底部と区画壁とを弧状部を介して連結しても良く、この弧状部の存在により、境界層の流体が主流に引き出されるバースト現象が生じ易く、縦溝の表面に付着した煤の剥離効果が高まるとともに、流動抵抗が大きいため煤粒子を含有した排出ガスが、縦溝の内部まで入り込みにくいものとなる。
また、縦溝は、底部と区画壁とを円弧状に連続して形成すれば、バースト現象の発生度合いが最も大きく、煤の剥離効果に優れたものとなるとともに、流動抵抗が大きいため煤粒子を含有した排出ガスが、縦溝の内部まで入り込みにくいものとなる。また、縦溝を円弧状とする場合は、区画壁の中心部間距離Ｐに対して、円弧の半径Ｒを０．５Ｐで形成する。
また、板状フィン部材は、一端を素管の内周面に接続し、他端を素管の内周面に接触しないように素管内に突設させても良い。このような板状フィン部材の突設により、伝熱管内を流動する流体に乱流を発生させるものとなり、境界層の剥離により、伝熱管を介した内外流体の熱交換を促進する事ができる。また、流体の乱流化により、伝熱管の内表面に付着した煤の剥離も促進され、熱伝達性の低下を抑える事ができる。
また、板状フィン部材は、素管の内部空間を複数に分割して設けても良い。この場合は、流体の流れの偏りを防ぐ事ができ、伝熱管内を流体が分散して流動するとともに流体と伝熱管の内周面との接触面圧が増大し、流体の熱を効率的に伝熱管に伝熱させて熱交換性能を向上させる事ができる。
また、板状フィン部材は、素管の成形時に素管と一体に形成しても良く、一体に形成した場合は、板状フィン部材から素管への熱の流れに抵抗がないとともに、素管と板状フィン部材との接続工程を省く事ができる。
また、板状フィン部材は、素管とは別個に板部材で形成し、後工程で双方を接続しても良く、例えば板状フィン部材は、板部材を折曲して素管の内周面に対応する接続面を形成し、この接続面を素管の内周面にろう付け又は溶接する事で、素管と板状フィン部材とを接続する。このように形成する事で、素管と板状フィン部材とが接続面を介して広い面積で接触するとともに、ろう材のフィレットの形成幅分、素管と板状フィン部材との接触面積を広くする事ができ、素管と板状フィン部材間の熱伝達性能を高める事ができる。また、素管内での板状フィン部材の安定性が更に高まり、流体の流動や伝熱管の振動等による板状フィン部材のブレや変形を防ぐので、伝熱管の使用性と耐久性の向上が可能となる。
また、上記煤を含有する燃焼排気ガス用の伝熱管は、自動車のエンジン、その他内燃機関、冷暖房等、熱交換を行う何れの装置にも用いる事ができる。そして、本発明の煤を含有する燃焼排気ガス用の伝熱管を、エンジンのＥＧＲガス冷却装置、その他の多管式熱交換器に組付ければ、ＥＧＲガスの冷却を効率的に行う事ができる。従って、ＥＧＲシステム、特にディーゼルエンジンの高ＥＧＲ率のクールドＥＧＲシステムに於いて、排気ガス中のNOxを低減できるとともに、燃費の悪化も防止する事ができる。また、過剰な温度上昇を防止して、ＥＧＲバルブの劣化や機能低下も確実に防止する事ができる。
また、本発明で使用する素管は、管軸方向に直角な断面形状を円形、楕円形、長円形、偏平形又は四角形等、何れのものを使用しても良い。また、銅、アルミニウム、黄銅、ステンレス等の金属を使用して、素管内に板状フィン部材を一体に設けて伝熱管を形成しても良いし、前記何れかの金属で形成した板状フィン部材を金属製の素管内に設けて伝熱管を形成しても良い。
以下、本発明の煤を含有する燃焼排気ガス用の伝熱管を、自動車のクールドＥＧＲシステムに於けるＥＧＲガス冷却装置に使用した実施例１を第１図〜第３図に基づいて説明すれば、(１)は伝熱管で、流体が内部を流動可能な素管(２)の内周面に、管軸方向に直角な断面形状を一定深さの凹溝(３)とした縦溝(４)を形成している。この、縦溝(４)は伝熱管(１)の管軸と平行で且つ伝熱管(１)の円周方向に連続して形成している。また、この連続する縦溝(４)は、この連続する縦溝(４)の間を区画する一定厚みの区画壁(５)を形成している。また、実施例１では、縦溝(４)の底部(９)と区画壁(５)とを円弧状に連続して形成する事により、凹溝(３)の断面形状を略半円形としている。
そして、伝熱管(１)に形成する縦溝(４)は、第２図に示す如く、隣接する区画壁(５)の中心部間距離Ｐを０．２〜２．０ｍｍの範囲で形成し、区画壁(５)の先端からの深さＨを０．５Ｐで形成する事により、上記の煤の剥離効果又は煤粒子を含有した排出ガスの流入防止効果を最良のものとすると思われ、煤の付着防止効果を生じる事が実験的に確認されている。また、円弧状とした凹溝(３)の形成半径Ｒは、０．５Ｐで形成する。
上述の如き伝熱管(１)を使用したＥＧＲガス冷却装置(６)を、第３図に示す。このＥＧＲガス冷却装置(６)は、円筒状の胴管(７)の両端付近に一対のチューブシート(８)を接続し、内部を密閉可能としている。そして、この一対のチューブシート(８)間に、実施例１の伝熱管(１)を複数本、チューブシート(８)を貫通して接続配置している。また、胴管(７)の両端には、ＥＧＲガスの導入口(１０)と導出口(１１)とを設けたボンネット(１２)を接続している。
更に、胴管(７)の外周には、エンジン冷却水、冷却風、カーエアコン用冷媒等の冷却媒体の流入口(１３)と流出口(１４)を設ける事により、一対のチューブシート(８)で仕切られた気密空間内を、冷却媒体が流通可能な冷却部(１５)としている。また、好ましくはこの冷却部(１５)内に、複数の支持板(１６)を接合配置し、この支持板(１６)に設けた挿通孔(１７)に、伝熱管(１)を挿通する事により、バッフルプレートとして伝熱管(１)を安定的に支持するとともに、冷却部(１５)内を流動する冷却媒体の流れを蛇行化している。
そして、上述の如きＥＧＲガス冷却装置(６)に於いて、導入口(１０)から胴管(７)内に高温化したＥＧＲガスを導入すると、このＥＧＲガスは胴管(７)内に複数配置した伝熱管(１)内に流入する。この伝熱管(１)を配置した冷却部(１５)では、予め伝熱管(１)の外部にエンジン冷却水等の冷却媒体を流通しているので、伝熱管(１)の内外両表面を介してＥＧＲガスと冷却媒体とで熱交換が行われる。
上記の熱交換に於いて、伝熱管(１)の内部を流れる流体がディーゼルエンジンの排気ガス等の如く、流体中に煤等を含むものの場合は、伝熱管(１)の内周面にこの煤を付着堆積するものとなる。しかし、本発明の実施例に於いて伝熱管(１)の内部に煤が付着しない第１の理由は、伝熱管(１)の内部を流れる流体の速度が、区画壁(５)の頂点部分と、凹溝(３)の底部(９)とでは流動抵抗が異なるため、流体の流速も異なるものとなる。この速度差によって境界層の流体が、伝熱管(１)の中心部を流れる主流に引き出されるバースト現象を発生させ、このバースト現象によって、縦溝(４)の表面に付着した煤は、境界層の流体が主流に引き出されるのに伴って引き剥がされ主流に流入する事が出来る。
また、伝熱管(１)の内部に煤が付着しない第２の理由としては、伝熱管(１)の内面に形成した縦溝(４)の内部までは、流動抵抗が大きいため煤粒子を含有した排出ガスが入り込めず、結果として伝熱管(１)の内部に煤が付着しないものとなる。また、この第２の理由と、前記第１の理由とが相乗的に作用していると考える事もできる。
また、この境界層の流体が主流に引き出される現象又は煤粒子を含有した排出ガスの流入防止効果は、伝熱管(１)内で常時生じているから、流体中に含まれる煤等の不純物は伝熱管(１)の内面に付着しにくいものに成り、煤の付着による熱伝達効率の低下を防止する事が常時可能となる。
また、上記実施例１では、素管(２)内にフィン部材を何等設けていないが、以下に示す実施例２〜５では、素管(２)内に板状フィン部材(１８)を設ける事で、伝熱面積を増大させて、伝熱管(１)の熱交換性能の向上を図っている。まず、実施例２では、第４図に示す如く、素管(２)の内周面に、端面形状が十字形で管軸方向に長尺な板状フィン部材(１８)を設け、伝熱管(１)の伝熱面積を増大させている。この板状フィン部材(１８)は、素管(２)の成形時に該素管(２)と一体に設けて形成し、伝熱管(１)の内部空間(２１)を放射状に４つに分割している。
また、実施例２では、第４図、第５図に示す如く、素管(２)の内周面だけでなく板状フィン部材(１８)の両表面にも、管軸方向に直角な断面形状を一定深さの円弧状の凹溝(３)とした縦溝(４)を、伝熱管(１)の管軸と平行に連続して複数本形成している。そして、この連続する縦溝(４)に、互いに連続する縦溝(４)の間を区画する一定厚みの区画壁(５)を形成している。
そして、上記素管(２)の内周面及び板状フィン部材(１８)の両表面に形成する縦溝(４)は、第２図、第５図に示す如く、隣接する区画壁(５)の中心部間距離Ｐを０．２〜２．０ｍｍの範囲で形成し、区画壁(５)の先端からの深さＨを０．５Ｐｍｍで形成する。また、円弧状とした凹溝(３)の形成半径Ｒは、０．５Ｐｍｍで形成する。このような縦溝(４)や板状フィン部材(１８)を設けた第２実施例の伝熱管(１)でも、上記の煤の剥離効果や煤粒子を含有した排出ガスの流入防止効果を最良のものとし、煤の付着防止効果を生じる事が実験的に確認されている。
また、上記実施例２の伝熱管(１)は、内部に板状フィン部材(１８)を設けるとともに、この板状フィン部材(１８)の両表面及び素管(２)の内周面に複数本の縦溝(４)を形成する事により、伝熱面積を増大させる事ができる。更に、素管(２)と板状フィン部材(１８)とを一体に成形する事で、板状フィン部材(１８)から素管(２)への熱の流れに抵抗がなく、双方の熱伝達性を高める事ができる。そのため、ＥＧＲガスの熱が板状フィン部材(１８)に伝熱され、この板状フィン部材(１８)の熱は素管(２)の表面に効率的に伝達されるものとなる。また、板状フィン部材(１８)により内部空間(２１)を４つに分割しているので、ＥＧＲガス流体の流れの偏りを防ぐ事ができ、４つに分割した内部空間(２１)内をＥＧＲガスが分散して流動するとともにＥＧＲガスと伝熱管(１)の内周面との接触面積が増大し、ＥＧＲガスの熱を効率的に伝熱管(１)に伝熱させる事ができる。従って、伝熱管(１)を介してＥＧＲガスと冷却媒体との熱交換を効率的に行う事ができる。
また、実施例２に於いても、板状フィン部材(１８)の両表面及び素管(２)の内周面に複数本の縦溝(４)を形成する事により、流体中に含まれる煤等の不純物は伝熱管(１)の内面に付着しにくいものと成り、煤の付着による熱伝達効率の低下を防止する事が常時可能となる。従って、板状フィン部材(１８)を設ける事によって高められた熱伝達性能を持続させて、効率的な熱交換を常時行う事が可能となる。
次に、実施例３の伝熱管(１)を第６図に基づいて説明する。上記実施例２の伝熱管(１)は、端面形状が十字形の板状フィン部材(１８)を素管(２)と一体に成形して設けている。これに対して、実施例３では、端面形状が略Ｉ字形の板状フィン部材(１８)を素管(２)とは別個に形成し、第６図に示す如く、該素管(２)の内周面に板状フィン部材(１８)をろう付けにより接続固定し、内部空間(２１)を２つに分割している。このろう付けのため、板部材の長尺な両側辺を、互いに反対方向に折曲して、素管(２)の内周面に対応する略円弧状の接続面(１９)を一対設けて板状フィン部材(１８)を形成している。そして、一対の接続面(１９)を素管(２)の内周面に密着させ、ろう付けを行う事で、素管(２)と板状フィン部材(１８)とが、ろう材のフィレット(２０)により接続固定されるとともに、素管(２)と板状フィン部材(１８)との伝熱が、接続面(１９)及びこのフィレット(２０)をも介して行われるものとなり、伝熱面積を増大させて、熱伝達を向上させる事ができる。
また、実施例３に於いても、素管(２)の内周面及び板状フィン部材(１８)の両表面に、断面形状を一定深さの弧状の凹溝(３)とした縦溝(４)を連続して複数本形成しているが、板状フィン部材(１８)の接続面(１９)と、素管(２)の内周面の、接続面(１９)と接触する部位には、縦溝(４)を設けずに形成し、素管(２)の内周面と接続面(１９)との接触面積を多くして、素管(２)と板状フィン部材(１８)との熱伝達性を良好なものとしている。
しかし、板状フィン部材(１８)の接続面(１９)及び素管(２)の内周面全体に縦溝(４)を設けても良く、この場合、接続面(１９)と素管(２)の内周面に、互いの縦溝(４)による隙間を生じるが、ろう材を流し込んでフィレット(２０)により隙間を塞ぐ等する事により、互いの接触面積を多くして、熱伝達性を高める事ができる。
このように、素管(２)とは別個に板状フィン部材(１８)を形成する事により、双方のろう付け工程はあるが、素管(２)及び板状フィン部材(１８)に、縦溝(４)や区画壁(５)を設け易いものとなる。更に、接続面(１９)だけでなくフィレット(２０)をも介して素管(２)と板状フィン部材(１８)とが広い接触面積で接触するので、素管(２)と板状フィン部材(１８)間の熱伝達性が向上し、伝熱管(１)の内部を流動するＥＧＲガスと、伝熱管(１)の外部を流動する冷却媒体との熱交換効率を向上させる事ができる。
また、接続面(１９)と素管(２)の内周面との接続固定は、溶接により行っても良い。溶けた金属材により隙間を閉塞する事ができるとともに、板状フィン部材(１８)と素管(２)との熱伝導を、接続面(１９)及び溶けた金属材の肉厚分をも介して行われるので、熱交換性能に優れた伝熱管(１)を得る事ができる。
また、素管(２)と板状フィン部材(１８)とを別個に形成した他の異なる実施例４では、第７図に示す如く、端面形状が偏平形の素管(２)の内部に、板部材を管軸と平行に複数回折り返して、素管(２)の内部空間(２１)を複数に分割する板状フィン部材(１８)を設けている。そして、素管(２)の対向する幅広側の内周面に、この内周面と平行な接続面(１９)をろう付けする事で、素管(２)と板状フィン部材(１８)とをフィレット(２０)を介して接続固定している。
このように素管(２)の内部空間(２１)を板状フィン部材(１８)で直列方向に複数に分割する事で、偏平形であってもＥＧＲガスの流れの偏りを良好に防止可能となる。また、偏平形の素管(２)内に、上述の如く凹凸を有する板状フィン部材(１８)を設けた伝熱管(１)は、上記特許文献３、及び特許文献４に記載の如く従来から存在する。しかし、本発明では、板状フィン部材(１８)に縦溝(４)を複数設ける事により、伝熱面積を増大させる事ができる。更に、板状フィン部材(１８)と素管(２)との接触面積も多い事から、ＥＧＲガスから板状フィン部材(１８)への熱伝達性、更には板状フィン部材(１８)から素管(２)への熱伝達性を向上させる事で、従来技術に比べて伝熱管(１)を介したＥＧＲガスと冷却媒体との熱交換効率を向上させる事ができる。また、板状フィン部材(１８)への縦溝(４)の形成により、伝熱管(１)の内表面への煤の付着の防止効果と煤の剥離効果を向上させる事ができる。
また、上記実施例２〜４では、板状フィン部材(１８)により素管(２)の内部空間(２１)を複数に分割している。これに対して、第８図に示す他の異なる実施例５では、複数の板状フィン部材(１８)の一端を素管(２)の内周面に接続するが、他端を素管(２)の内周面に接触しないように素管(２)内に突設させる事で、内部空間(２１)を分割する事のないように形成している。この板状フィン部材(１８)は、長尺な板部材を端面形状を略Ｌ字形に折曲する事で、一端側に接続面(１９)を設ける。この板状フィン部材(１８)の接続面(１９)を、端面形状を略四角形とする素管(２)の対向する内周面に、互い違いにろう付け又は溶接している。また、本実施例に於いても、素管(２)の内周面と板状フィン部材(１８)の両表面に、断面形状を一定深さの円弧状の凹溝(３)とした縦溝(４)を連続して複数本形成している。
このように、内部空間(２１)を分割する事なく素管(２)内に設けた板状フィン部材(１８)により、伝熱管(１)の伝熱面積が増大するとともに、内部を流動するＥＧＲガスに乱流を発生させるものとなり、境界層の剥離により、伝熱管(１)を介してＥＧＲガスと冷却媒体との熱交換が促進されるものとなる。また、素管(２)の内周面や板状フィン部材(１８)の両表面に設けた縦溝(４)の効果により、伝熱管(１)の内面への煤の付着を生じにくいし、板状フィン部材(１８)によるＥＧＲガスの乱流化により、伝熱管(１)の内表面に付着した煤の剥離も促進され、煤の付着による熱伝達効率の低下を防止する事が常時可能となる。
また、上記実施例４及び５に於いても、板状フィン部材(１８)の接続面(１９)と、素管(２)の内周面の、接続面(１９)との接触部位に、縦溝(４)を設けずに形成し、互いの接触面積を多くしても良いし、縦溝(４)を設けて形成し、互いの接触面の隙間をろう材や金属材のフィレット(２０)により閉塞しても良く、板状フィン部材(１８)と素管(２)との熱伝導性を高める事ができる。
また、上記実施例１〜実施例５では、素管(２)の内周面及び板状フィン部材(１８)の両表面に設ける縦溝(４)は、凹溝(３)を底部(９)と区画壁(５)の壁面を円弧状に連続した形状としているが、他の何れの形状で縦溝(４)を形成しても良い。
また、第９図に示す実施例６では、縦溝(４)の底部(９)を平面に形成するとともに区画壁(５)の壁面も平面に形成し、この区画壁(５)と底部(９)とを、略直角な角隅部(２２)を介して連結して凹溝(３)を形成している。また、この場合も、第９図に示す隣接する区画壁(５)の中心部間距離Ｐを０．２〜２．０ｍｍ、区画壁(５)先端からの深さＨを０．５Ｐ〜１．０Ｐｍｍとすることにより、煤の剥離効果を最良のものとする事が可能となる。
このように角隅部(２２)を設け、底部(９)と区画壁(５)の壁面を平面とする縦溝(４)は、円弧状とする場合に比べて製作技術が容易である。また、このような形状であっても、バースト現象の発生により、縦溝(４)の表面に付着した煤の剥離効果が高まるものとなる。
また、第１０図に示す実施例７では、縦溝(４)は、底部(９)と区画壁(５)とを平面に形成し、この区画壁(５)と底部(９)とを弧状部(２３)を介して連結して凹溝(３)を形成している。また、上記実施例１は、底部(９)と区画壁(５)とを円弧状に連続して形成する事で、円弧の曲率半径を大きいものとしているが、本実施例７では、平面とした底部(９)と区画壁(５)とを、比較的小さな曲率半径の弧状部(２３)で連結している。
また、第１１図には、平面に形成した底部(９)と区画壁(５)とを、弧状部(２３)を介して連結した凹溝(３)により、縦溝(４)を形成した他の異なる実施例８を示している。但し、この実施例８では、弧状部(２３)の曲率半径を、上記実施例１の円弧状の凹溝(３)の曲率半径よりは小さく、上記実施例７の弧状部(２３)の曲率半径よりも大きなものとしている。
上述の如き実施例７及び８に於いても、隣接する区画壁(５)の中心部間距離Ｐを０．２〜２．０ｍｍ、区画壁(５)先端からの深さＨを０．５Ｐ〜１．０Ｐｍｍとしている。このような縦溝(４)を設けた伝熱管(１)に於いても、境界層の流体が主流に引き出されるバースト現象が生じて、縦溝(４)の表面に付着した煤の剥離効果が高まるとともに、第６実施例の如き角隅部(２２)を有する縦溝(４)に比べ、煤粒子を含有した排出ガスが、縦溝(４)の内部まで入り込みにくいものとなる。また、平面に形成した底部(９)と区画壁(５)との連結部のみを弧状に形成すれば良いので、弧状部(２３)の製作に厳密性を必要とせずに簡易な製造が可能となる。
また、実施例６〜８を示す第９図〜第１１図では、素管(２)とその内周面に設けた縦溝(４)の拡大図のみを示している。この実施例６〜８に於いても、上記実施例１と同様に、素管(２)内に板状フィン部材(１８)を設けずに形成した伝熱管(１)で実施しても良い。また、上記実施例２〜５の如く、板状フィン部材(１８)を素管(２)内に設けて伝熱管(１)を形成し、素管(２)の内周面及び板状フィン部材(１８)の表面に、実施例６〜８の如き何れかの形状の縦溝(４)を設けて実施しても良い。
本願発明の実施例１を示すもので、素管の内周面に円弧状の凹溝とした複数の縦溝を形成した伝熱管の斜視図である。 素管の内周面に設けた縦溝部分の拡大断面図である。 本願発明の伝熱管を複数本組み付けた、ＥＧＲガス冷却装置の一部切り欠き平面図である。 本願発明の実施例２を示すもので、端面形状が十字形で管軸方向に長尺な板状フィン部材を素管内に設けた伝熱管の斜視図である。 板状フィン部材の表面に設けた縦溝部分の拡大断面図である。 本願発明の実施例３を示すもので、端面形状が略Ｉ字形の板状フィン部材を素管内に設けた伝熱管の端面図である。 本願発明の実施例４を示すもので、端面形状が偏平形の素管内に凹凸を有する板状フィン部材を設け、素管の内部空間を複数に分割した伝熱管の端面図である。 本願発明の実施例５を示すもので、端面形状を略Ｌ字形の板状フィン部材を複数個、素管内に設けた伝熱管の端面図である。 本願発明の実施例６を示すもので、縦溝部分の拡大断面図である。 本願発明の実施例７を示すもので、縦溝部分の拡大断面図である。 本願発明の実施例８を示すもので、縦溝部分の拡大断面図である。
１ 伝熱管
２ 素管
３ 凹溝
４ 縦溝
５ 区画壁
６ 底部
１８ 板状フィン部材
１９ 接続面
２１ 内部空間
２２ 角隅部
２３ 弧状部

Claims (20)

  1. 流体が内部を流動可能な素管の内周面に、断面形状を一定深さの凹溝とした縦溝を、管軸と平行で且つ円周方向に連続して形成すると共に連続する縦溝間に、一定厚みの区画壁を形成し、この区画壁に隣接する区画壁の中心部間距離Ｐを０．２〜２．０ｍｍ、区画壁先端からの深さＨを０．５Ｐ〜１．０Ｐｍｍとすることにより、伝熱管の内部を流れる流体の速度が、区画壁の頂点部分と、凹溝の底部とで異なるものとし、この流体の速度差によって、境界層の流体が伝熱管の中心部を流れる主流に引き出されるバースト現象を発生させて、このバースト現象によって縦溝の表面に付着した煤を、境界層の流体が主流に引き出されるのに伴って引き剥がし、伝熱管の冷却作動を停止させずに伝熱管の内面に付着した煤を除去可能とした事を特徴とする煤を含有する燃焼排気ガス用の伝熱管。
  2. 流体が内部を流動可能な素管の内周面に、断面形状を一定深さの凹溝とした縦溝を、管軸と平行で且つ円周方向に連続して形成すると共に連続する縦溝間に、一定厚みの区画壁を形成し、隣接する区画壁の中心部間距離Ｐを０．２〜２．０ｍｍ、区画壁先端からの深さＨを０．５Ｐ〜１．０Ｐｍｍとした伝熱管を組み付けることにより、伝熱管の内部を流れる流体の速度が、区画壁の頂点部分と、凹溝の底部とで異なるものとし、この流体の速度差によって、境界層の流体が伝熱管の中心部を流れる主流に引き出されるバースト現象を発生させて、このバースト現象によって縦溝の表面に付着した煤を、境界層の流体が主流に引き出されるのに伴って引き剥がし、伝熱管の冷却作動を停止させずに伝熱管の内面に付着した煤を除去可能とした事を特徴とする煤を含有する燃焼排気ガス用の伝熱管を組み付けた熱交換器。
  3. 流体が内部を流動可能な素管の内周面に、断面形状を一定深さの凹溝とするとともに底部と区画壁とを円弧状に連続して形成した縦溝を、管軸と平行で且つ円周方向に連続して形成すると共に連続する縦溝間に、一定厚みの区画壁を形成し、この区画壁に隣接する区画壁の中心部間距離Ｐを０．２〜２．０ｍｍ、区画壁先端からの深さＨを０．５Ｐとすることにより、伝熱管の内部を流れる流体の速度が、区画壁の頂点部分と、凹溝の底部とで異なるものとし、この流体の速度差によって、境界層の流体が伝熱管の中心部を流れる主流に引き出されるバースト現象を発生させて、このバースト現象によって縦溝の表面に付着した煤を、境界層の流体が主流に引き出されるのに伴って引き剥がし、伝熱管の冷却作動を停止させずに伝熱管の内面に付着した煤を除去可能とした事を特徴とする煤を含有する燃焼排気ガス用の伝熱管。
  4. 流体が内部を流動可能な素管の内周面に、断面形状を一定深さの凹溝とするとともに底部と区画壁とを円弧状に連続して形成した縦溝を、管軸と平行で且つ円周方向に連続して形成すると共に連続する縦溝間に、一定厚みの区画壁を形成し、隣接する区画壁の中心部間距離Ｐを０．２〜２．０ｍｍ、区画壁先端からの深さＨを０．５Ｐとした伝熱管を組み付けることにより、伝熱管の内部を流れる流体の速度が、区画壁の頂点部分と、凹溝の底部とで異なるものとし、この流体の速度差によって、境界層の流体が伝熱管の中心部を流れる主流に引き出されるバースト現象を発生させて、このバースト現象によって縦溝の表面に付着した煤を、境界層の流体が主流に引き出されるのに伴って引き剥がし、伝熱管の冷却作動を停止させずに伝熱管の内面に付着した煤を除去可能とした事を特徴とする煤を含有する燃焼排気ガス用の伝熱管を組み付けた熱交換器。
  5. 素管は、内部に管軸方向に長尺な板状フィン部材を設け、この板状フィン部材の表面及び素管の内周面に、断面形状を一定深さの凹溝とした縦溝を、管軸と平行に連続して複数本形成すると共に連続する縦溝間に、一定厚みの区画壁を形成し、隣接する区画壁の中心部間距離Ｐを０．２〜２．０ｍｍ、区画壁先端からの深さＨを０．５Ｐ〜１．０Ｐｍｍとした事を特徴とする請求項１記載の煤を含有する燃焼排気ガス用の伝熱管。
  6. 素管は、内部に管軸方向に長尺な板状フィン部材を設け、この板状フィン部材の表面及び素管の内周面に、断面形状を一定深さの凹溝とした縦溝を、管軸と平行に連続して複数本形成すると共に連続する縦溝間に、一定厚みの区画壁を形成し、隣接する区画壁の中心部間距離Ｐを０．２〜２．０ｍｍ、区画壁先端からの深さＨを０．５Ｐ〜１．０Ｐｍｍとした事を特徴とする請求項２記載の煤を含有する燃焼排気ガス用の伝熱管を組み付けた熱交換器。
  7. 素管は、内部に管軸方向に長尺な板状フィン部材を設け、この板状フィン部材の表面及び素管の内周面に、断面形状を一定深さの凹溝とした縦溝を、管軸と平行に連続して複数本形成すると共に連続する縦溝間に、一定厚みの区画壁を形成し、隣接する区画壁の中心部間距離Ｐを０．２〜２．０ｍｍ、区画壁先端からの深さＨを０．５Ｐｍｍとした事を特徴とする請求項３記載の煤を含有する燃焼排気ガス用の伝熱管。
  8. 素管は、内部に管軸方向に長尺な板状フィン部材を設け、この板状フィン部材の表面及び素管の内周面に、断面形状を一定深さの凹溝とした縦溝を、管軸と平行に連続して複数本形成すると共に連続する縦溝間に、一定厚みの区画壁を形成し、隣接する区画壁の中心部間距離Ｐを０．２〜２．０ｍｍ、区画壁先端からの深さＨを０．５Ｐｍｍとした事を特徴とする請求項４記載の煤を含有する燃焼排気ガス用の伝熱管を組み付けた熱交換器。
  9. 縦溝は、底部を平面に形成し、この底部と区画壁とを角隅部を介して連結した事を特徴とする請求項１又は５記載の煤を含有する燃焼排気ガス用の伝熱管。
  10. 縦溝は、底部を平面に形成し、この底部と区画壁とを角隅部を介して連結した事を特徴とする請求項２又は６記載の煤を含有する燃焼排気ガス用の伝熱管を組み付けた熱交換器。
  11. 縦溝は、底部を平面に形成し、この底部と区画壁とを弧状部を介して連結した事を特徴とする請求項１又は５記載の煤を含有する燃焼排気ガス用の伝熱管。
  12. 縦溝は、底部を平面に形成し、この底部と区画壁とを弧状部を介して連結した事を特徴とする請求項２又は６記載の煤を含有する燃焼排気ガス用の伝熱管を組み付けた熱交換器。
  13. 板状フィン部材は、一端を素管の内周面に接続し、他端を素管の内周面に接触しないように素管内に突設させた事を特徴とする請求項５記載の煤を含有する燃焼排気ガス用の伝熱管。
  14. 板状フィン部材は、一端を素管の内周面に接続し、他端を素管の内周面に接触しないように素管内に突設させた事を特徴とする請求項６記載の煤を含有する燃焼排気ガス用の伝熱管を組み付けた熱交換器。
  15. 板状フィン部材は、素管の内部空間を複数に分割して設けた事を特徴とする請求項５記載の煤を含有する燃焼排気ガス用の伝熱管。
  16. 板状フィン部材は、素管の内部空間を複数に分割して設けた事を特徴とする請求項６記載の煤を含有する燃焼排気ガス用の伝熱管を組み付けた熱交換器。
  17. 板状フィン部材は、素管とは別個に板部材を配設し、この板部材を折曲して素管の内周面に対応する接続面を形成し、この接続面を素管の内周面にろう付け又は溶接した事を特徴とする請求項５、１３又は１５記載の煤を含有する燃焼排気ガス用の伝熱管。
  18. 板状フィン部材は、素管とは別個に板部材を配設し、この板部材を折曲して素管の内周面に対応する接続面を形成し、この接続面を素管の内周面にろう付け又は溶接した事を特徴とする請求項６、１４又は１６記載の煤を含有する燃焼排気ガス用の伝熱管を組み付けた熱交換器。
  19. 板状フィン部材は、素管の成形時に素管と一体に形成した事を特徴とする請求項５、１３又は１５記載の煤を含有する燃焼排気ガス用の伝熱管。
  20. 板状フィン部材は、素管の成形時に素管と一体に形成した事を特徴とする請求項６、１４又は１６記載の煤を含有する燃焼排気ガス用の伝熱管を組み付けた熱交換器。
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