JP4798655B2 - 排気ガス冷却装置用多管式熱交換器 - Google Patents

Description

本発明は、所謂シェルアンドチューブ型の排気ガス冷却装置用多管式熱交換器に係り、詳しくは熱交換型排気ガス冷却装置における多管式熱交換器の排気ガス入口側に、シェル本体の軸心と略同心の筒状部を有するボンネットが、前記シェルに接続され、該ボンネットの内周部における内壁面に、複数の孔若しくはスリットが設けられた少なくとも２枚のバッフルプレートが、一体として配設されることにより、流入される高温の排気ガスを該ボンネット内において整流して、究極的には旋廻流を生起させ、前記熱交換器におけるシェル本体に配設される伝熱管群へ、該排気ガスを均一な流量と流速分布を以ってバランスよく導入することを可能とし、排気ガスの熱交換を効率良く促進する排気ガス冷却装置用多管式熱交換器に関する。

ディーゼルエンジンの排気系から排気ガスの一部を取り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（Ｅｘｈａｕｓｔ Ｇａｓ Ｒｅｃｉｒｃｕｌａｔｉｏｎ：排気再循環）と称され、ＮＯｘ（窒素酸化物）の発生を抑制し、ポンプ損失の低減や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・組成変化による比熱比の増大と、それに伴うサイクル効率の向上など、多くの効果が得られるところから、ディーゼルエンジンの排気ガスの浄化や、熱効率を改善するための有効な方法として広く採り入れられている。

ところが、ＥＧＲガスの温度が上昇し、ＥＧＲガス量が増大すると、その熱作用によってＥＧＲバルブの耐久性が劣化し、早期に破損する虞が生ずるため、その防止策として冷却系を設けて水冷構造とする必要に迫られたり、吸気温度の上昇に伴い充填効率が低下して燃費が低下するという現象を招来する。このような事態を回避するためにエンジンの冷却液、カーエアコン用冷媒または冷却風などによってＥＧＲガスを冷却する装置が用いられ、とりわけ、気体であるＥＧＲガスをエンジン冷却水で冷却する気−液熱交換タイプのＥＧＲガス冷却装置が多数提案され使用されている。この気−液熱交換タイプのＥＧＲガス冷却装置の中でも、構造がシンプルで狭隘な設置空間においても容易に取付けが可能な、２重管式熱交換タイプのＥＧＲガス冷却装置に依然として根強い需要があり、例えば高温のＥＧＲガスを通す内管の外側に液体を通す外管を配設し、ガスと液体間で熱交換を行う交換器において、内管内に金属コルゲート板がフィンとして挿入されている２重管式熱交換器（例えば、特許文献１参照）、内側に被冷却媒体を流通させる内管と、該内管の外周を離間して囲むように設けられた外管と、前記内管の内部に配設された熱応力緩和機能を有する放熱フィンとから構成された２重管式熱交換器（例えば、特許文献２参照）をはじめとして、数多くの２重管式熱交換器が提案されている。

上記のように種々の改良が施されたフィン構造体を内装した２重管式熱交換器によれば、その構造が簡略でコンパクトであるにも拘らず、それなりに優れた冷却効率が期待できるために、小型自動車など設置空間に限りのあるＥＧＲガス冷却用の熱交換器として、既に数多く実用に供されているが、構造上コンパクトであるがゆえに通流する流体の絶対量においては自ずと限界があり、結果としてトータルの熱交換効率においては未解決な課題が残されていた。

かかる課題を解消するためには構造上多少複雑で大型化が余儀なくされても、所謂シェルアンドチューブ型の多管式熱交換器を採用せざるを得ず、これらの熱交換器についても様々な改良がなされている。シェルアンドチューブ型の多管式熱交換器においては、シェル内に間隔を隔てて多数配設されて伝熱管群を形成する各伝熱管に、均一な流量分布と流速を以って被冷却媒体である排気ガス、例えば高温のＥＧＲガス等を通流させることが、熱交換効率を向上させるうえで大きな要件となるが、図９（ａ）に示すＥＧＲガス冷却装置によれば、冷却ジャケットを構成するシェル本体１０内に配設する伝熱管２０を、同図（ｂ）に示すように軸心に近い即ちＥＧＲガスが流れやすい部位については、管径の細い伝熱管２０ａを配設し、ＥＧＲガスの流れ難い外側の部位には管径の太い伝熱管２０をそれぞれ配設して、流量と流速のバランスを図るように配慮したＥＧＲガス冷却装置（例えば、特許文献３参照）が提案され、また、図１０に示す他の従来例による多管式熱交換器からなるＥＧＲガス冷却装置１００によれば、ＥＧＲガス流入口１５０側に、チューブシート１６０−１を介して接続されるボンネット１７０−１の全長Ｌ１を、ＥＧＲガス出口側のボンネット１７０−２に比較して、約２倍を超える長さとすることにより、該ボンネット１７０−１内に流入したＥＧＲガスの流れに衝突・拡散など、所定距離の助走機会を与えることにより、流速の偏りを防いで冷却効率を高めたというＥＧＲガス冷却装置（例えば、特許文献４参照）が提案されている。
特開平１１−２３１８１号公報（図１〜３） 特開２０００−１１１２７７号公報（図１〜７） 特開平１１−１９３９９２号公報（図１〜４） 特開平１１−２８０５６３号公報（図１〜６）

上記各従来技術において、特許文献１、２に開示されている２重管タイプのＥＧＲガス冷却装置の場合は、上記ようにその構造が簡略でコンパクトであるにも拘らず、それなりに優れた冷却効率が期待できるために、小型自動車など設置空間に限りのあるＥＧＲガス冷却用の熱交換器としては、既に数多く実用に供されているが、構造上コンパクトであるがゆえに通流する流体の絶対量においては自ずと限界があり、結果としてトータルの熱交換効率においては未解決な課題が残されていた。斯かる課題を解消するためのシェルアンドチューブ型の多管式熱交換器としての、上記特許文献３に開示されるＥＧＲガス冷却装置においては、シェル本体に配設する伝熱管の管径を軸心の周辺部分を細く、その外側に離れた部分を太くするという構成により、ＥＧＲガスの流速と流量分布の均一化を図り、所期の成果を挙げているが、管径の異なる複数の伝熱管を用意する必要があり、取付けられる伝熱管の管径や密度が一様でないためにチューブシートの加工が複雑となり、しかも組付け時に方向性の確保が煩雑となり、その上ＥＧＲガス流入管を含めたボンネットと、シェル本体の軸方向の長さが極端に長尺となるためにレイアウト性に限界が生ずるなど、設計上や加工工程上に種々の課題が残されていた。さらに上記特許文献４のＥＧＲガス冷却装置においては、ＥＧＲガス流入側のボンネットを、大幅に長くすることが必須の要件となるが、限られたスペースに配置されるＥＧＲガス冷却装置は、よりコンパクトであることが望まれるところから、レイアウト上において更なる改善が望まれるという未解決な課題が残されていた。

なお、上記各従来例において高温のＥＧＲガスを導入するためのボンネットは、チューブシートを介してシェル本体に一体として接続されるが、該ボンネットを経由してシェル本体内に導入されるＥＧＲガスの流速や流量分布は、その条件に変化がない限り一端その流れが発生すると流れの慣性に従って、修正されること無く継続されるという習性がある。本発明はこのような流体の慣性に着目し、シェル本体の排気ガス入口側に接続されるボンネット内において、該ボンネットの排気ガス流入口からボンネット内に流入した排気ガスの流れを整流し、究極的には旋廻流を生起させて排気ガスの拡散・分配を促がして、シェル本体内に複数本配設されて伝熱管群を形成する各々の伝熱管に、それぞれほぼ均等に分配された状態で排気ガスの導入を図り、熱交換効率を最大限に発揮させようとするものである。即ち本発明は、上記の課題を解決することを所期の目的とし、シェル本体の排気ガス入口側に接続されるボンネットの筒状の内壁面に、少なくとも２枚のバッフルプレートを配設することにより、簡略な構造であるにも拘らず、例えばＥＧＲガス冷却装置におけるシェル本体内に、ＥＧＲガスを均等に分配して導入することを可能とした、排気ガス冷却装置用の多管式熱交換器を提供するものである。

上記課題を解決するための本発明による排気ガス冷却装置用多管式熱交換器は、シェル本体の両端部に固定されたチューブシートに複数の管体よりなる伝熱管群が固着配列され、前記シェル本体の両端部の外側には、排気ガスの入口及び出口が設けられた、該シェル本体の軸芯と略同芯の筒状部を有するボンネットが接続され、前記シェル本体には冷却媒体の入口及び出口が設けられた、排気ガス冷却装置用シェルアンドチューブ型の多管式熱交換器において、前記ボンネットの筒状部の内周部における内壁面に、複数の孔若しくはスリットが設けられたバッフルプレートが所定の間隔を隔てて複数枚組み合わされて配設され、該バッフルプレートに設けられる孔若しくはスリットは、各バッフルプレート間でそれぞれ位相が同一又は異なることを特徴的構成要件とするものである。

また、本発明による上記排気ガス冷却装置用多管式熱交換器において、前記筒状部を有するボンネットの内壁面に配設される前記バッフルプレートが、所定の間隔を隔てて複数枚組み合わされ、該バッフルプレートに設けられる孔若しくはスリットは、各バッフルプレート間でそれぞれ形状が同一又は異なることを特徴とするものである。

さらに、本発明による上記排気ガス冷却装置用多管式熱交換器において、前記筒状部を有するボンネットの内壁面に配設される前記バッフルプレートが、該ボンネットの筒状の軸心に対して略垂直又は傾斜するように設けられることを特徴とするものである。

上記本発明による排気ガス冷却装置用多管式熱交換器において、前記筒状部を有するボンネットの内壁面に配設される前記バッフルプレートが、該ボンネット内周部における排気ガスの流れ方向に対して、凸面を有するように形成されることを特徴とするものである。

また、上記本発明による排気ガス冷却装置用多管式熱交換器において、前記筒状部を有するボンネットの内壁面に配設される前記バッフルプレートが、該ボンネット内周部における排気ガスの流れ方向に対して、凹面を有するように形成されることを特徴とするものである。

さらに、本発明に係る上記排気ガス冷却装置用多管式熱交換器において、前記バッフルプレートに設けられる孔若しくはスリットによる開口部の総和が、多管式熱交換器における排気ガス流路に相当する伝熱管の開口面積に対し、８０〜１５０％であることを特徴とするものである。

本発明に係る、上記排気ガス冷却装置用多管式熱交換器において、前記バッフルプレートがＳＵＳ３０４、ＳＵＳ３０４Ｌ、ＳＵＳ３１６、ＳＵＳ３１６Ｌ等のオーステナイト系ステンレススチールからなり、該バッフルプレートの板厚が０．６〜１．２ｍｍであり、前記筒状部を有するボンネット内壁面への接合手段が嵌合、ろう付、溶接等によって、一体として接合されることを好ましい態様とするものである。

本発明に係る排気ガス冷却装置におけるシェルアンドチューブ型の多管式熱交換器によれば、該多管式熱交換器を構成するシェル本体の排気ガス入口側に、該シェル本体の軸心と略同心の筒状部を有するボンネットが、好ましくはチューブシートを介して一体として接続され、該ボンネットの筒状の内周部における内壁面に、複数の孔若しくはスリットが設けられた少なくとも２枚のバッフルプレートが、一体として配設されることを構造上の特徴とするものであり、斯かる構造を有することにより、排気ガス流入口よりボンネット内に流入した例えば高温のＥＧＲガスは、該ボンネットの筒状の内壁面に配設されたバッフルプレートに衝突すると同時に、該バッフルプレートに予め設けられた孔若しくはスリットを介してその後方に流下する際に整流され、究極的には特定の旋廻流を生起して、該ボンネットに隣接する前記シェル本体のチューブシートに、一定の間隔を設けて複数配設されて伝熱管群を形成する個々の伝熱管に、それぞれ均等に分配されてバランスよく導入されるように構成したものである。斯かる構成によってシェル本体内における各伝熱管内を通流する高温のＥＧＲガスは、その流量と流速分布とが均一に調整され、全ての伝熱管で効率良くかつ偏り無く熱交換することができる。ＥＧＲガス等の流体は、もとより圧力損失の少ない方向に流れる性質を有し、一旦その流路が定まると、条件に変化がない限りその慣性によって同一の方向に流下するものであるから、部分的に平均流量より多量のガスが通流する部位、即ちアンバランスなガスの流れが生ずると、該ガス温が所定の温度域にまで冷却されないまま、系外に排出されるという不都合が生じ、反対に高温のＥＧＲガスが少量しか流れない部位においては温度的には十分な冷却が進行するものの、流体流量が所定量に満たないために交換熱量は大幅に減少する。従って従来のＥＧＲガス冷却装置においても、シェル本体に導入される以前の上流側ボンネット内において、流体の分配を均等に整流するためにボンネットそのものの形状に様々な工夫がなされているが、本発明においてはＥＧＲガス配管における排気ガス流入管を介して導入されるＥＧＲガスを、筒状部を有する該ボンネットの内壁面に配設したバッフルプレートによって整流しようとするものであり、そのために配設される少なくとも２枚の該バッフルプレートに、複数の孔若しくはスリットを設けることを構造上の特徴とするものである。

また、本発明に係る他の実施態様においては、前記筒状部を有するボンネットに配設されるバッフルプレートを、所定の間隔を隔てて複数枚組み合わせると共に、該バッフルプレートに設ける孔若しくはスリットを、各バッフルプレート間でそれぞれ位相が異なるように形成したり、前記孔若しくはスリットが欠くバッフルプレート間でそれぞれ形状が異なるように形成したり、筒状部を有するボンネットの内壁面に配設されるバッフルプレートを、該ボンネットの筒状の軸心に対して垂直に設けたり、或いは傾斜するようにして配設したり、該バッフルプレートそのものの形状を排気ガスの流れ方向に対して凸面を有するか、反対に凹面を有するように形成したり、該バッフルプレートに設けられる孔若しくはスリットが、筒状部を有する前記ボンネットの軸心に対して所定の角度で傾斜するように形成されたり、該バッフルプレートに設けられる孔若しくはスリットの分布および／または形状が、任意多様に形成されたり、さらには該バッフルプレートに設けられる孔若しくはスリットによる開口部の総和が、多管式熱交換器における排気ガス流路に相当する伝熱管の開口面積の総和に対して、８０〜１５０％になるように形成する手段等が開示されているが、斯かる構成によってボンネット内に流入された排気ガスは、バッフルプレートを通過する際に効果的に拡散され、結果として排気ガス冷却装置に導入される排気ガスが、偏り無く分配され、均一な流速分布を維持した状態で冷却装置本体に導入されるため、該排気ガス冷却装置が有する熱交換性能を最大限に発揮させ、優れた冷却効率を得ることができる。さらに本発明による上記多管式熱交換器は、排気ガス流入口側のボンネットを円形、略矩形および略楕円形の筒状部を有する形状とすると共に、該ボンネットの筒状の内壁面に上記のようなバッフルプレートを少なくとも２枚配設する、という構造的には極めて簡略な改良手段によって得られるものであり、かつ該バッフルプレートのボンネット内壁面への取付け手段も容易であるにも拘らず、得られる効果は著しく優れたものであるところから、これを取付けた多管式熱交換器は、例えばクールドＥＧＲシステムにおけるガス配管において、ＥＧＲガス冷却装置の小型軽量化を低コストで実現できるなど、省エネルギーの観点においても多大に貢献することが期待される。

以下、本発明の実施の形態について添付した図面並びに実施例に基づいて更に詳細に、且つ具体的に説明するが、本発明はこれによって拘束されるものではなく、本発明の主旨の範囲内において自由に設計変更が可能である。

図１は本発明に係る第1実施例による多管式熱交換器におけるシェル本体と排気ガス入口側ボンネットの構造を示し、（ａ）はその模式的な要部縦断側面図、（ｂ）は同じく模式的な正面図、図２は本発明に係る第２実施例によるシェル本体と排気ガス入口側ボンネットの構造を示し、（ａ）はその模式的な要部縦断側面図、（ｂ）は同じく模式的な正面図、図３は本発明に係る第３実施例によるシェル本体と排気ガス入口側ボンネットの構造を示し、（ａ）はその模式的な要部縦断側面図、（ｂ）は（ａ）におけるＡ−Ａ線上横断面図、図４は本発明に係る第４実施例のシェル本体と排気ガス入口側ボンネットの構造を示し、（ａ）はその模式的な要部縦断側面図、（ｂ）は（ａ）におけるＢ−Ｂ線上横断面図、図５は本発明に係る第６実施例のシェル本体と排気ガス入口側ボンネットの構造を示し、（ａ）はその模式的な要部縦断側面図、（ｂ）は（ａ）におけるボンネットのＤ−Ｄ線上横断面図、図６は本発明に係る各実施例において配設されるバッフルプレートの単体を示し、（ａ）〜（ｅ）はそれぞれその側部断面図、図７は本発明に係る各実施例において配設されるバッフルプレートの単体を示し、（ａ）および（ｂ）はその平面図、図８は本発明に係るバッフルプレートに設けられる孔およびスリットの形状を示し、（ａ）〜（ｃ）はそれぞれ要部拡大断面図である。

本発明に係る第１実施例によるＥＧＲガス冷却装置用多管式熱交換器１は、図１（ａ）にその要部を示すように円形のシェル本体２の両サイドに、該シェル本体２内の気密を保持して接合されたチューブシート２−１（ＥＧＲガス出口側を省略して図示する。以下同様）に、特定の間隔を保って複数の伝熱管２−２が配設されて伝熱管群が形成され、排気ガス入口側の該チューブシート２−１を介してその外側に、シェル本体２の軸心と略同心の筒状部３−２を有するボンネット３が一体として取付けられ、該ボンネット３の横断面の断面形状は、円形のシェル本体２の断面形状に対応して同図（ｂ）に示すように円筒状の筒状部を有している。本実施例による円筒状の前記ボンネット３の内壁面３−３には、所定の間隔を隔てて３枚のバッフルプレート４が、該ボンネット３の排気ガス流入口３−５から流入してシェル本体２側に通流するＥＧＲガスの流れを整流するようにして配設されている。配設される前記バッフルプレート４は、円筒状のボンネット３の筒状部３−２における内壁面３−３に対応して、同寸の直径を有する円盤状に形成され、それぞれの外周の端縁部には折り曲げ部４−３が形成され、該折り曲げ部４−３をボンネット３の内壁面３−３に嵌合することによって密着固定されている。さらに本例による前記３枚のバッフルプレート４においては、図１（ａ）および（ｂ）に模式的に示すようにＥＧＲガスの流れの上流側に配設されるバッフルプレート４には大きめの孔４−１を設け、その後方に所定の間隔で配設されるバッフルプレート４には略長方形のスリット４−２を設け、さらにその後方に所定の間隔で配設されるバッフルプレート４には小径の孔４−１が貫設され、それぞれがボンネット３の内周部を通流してシェル本体２の伝熱管群に導入されるＥＧＲガスｇを整流するために機能している。なお、本実施例におけるボンネット３およびバッフルプレート４は、共にＳＵＳ３０４Ｌオーステナイト系ステンレススチールを素材として採用し、ボンネット３並びにバッフルプレート４は、共に板厚１．５ｍｍの平板から金型を用いたプレス成形加工を施すことによって成形した。本実施例における上記３枚のバッフルプレート４は、図１（ａ）に示すように多管式熱交換器１におけるシェル本体２の軸心に対して略同心に接合される円筒状のボンネット３の、筒状部３−２における内壁部３−３において垂直に嵌合され、その盤面に形成される大小２種類の孔４−１およびスリット４−２は、同図（ｂ）に模式的に示すように各バッフルプレート４毎にそれぞれ位相を変えて形成されることにより、該排気ガス流入口３−５からボンネット３内に流入した高温のＥＧＲガスは、それぞれの孔４−１およびスリットを通過する過程において整流され、究極的には上下若しくは左右に細かく分流され旋廻流となって効果的に拡散されるように構成されている。従って該ボンネット３に隣接して設けられるチューブシート２−１に、間隔を隔てて複数配設されて伝熱管群を形成する個々の伝熱管２−２に、高温のＥＧＲガスがバランスよく分配されて均一な流速分布を維持した状態で導入することを可能としている。このようにして図１に一部省略して示すような本発明における第１実施例による多管式熱交換器１が形成され、得られた該多管式熱交換器１によってＥＧＲガス冷却装置を構成し、クールドＥＧＲシステムにおけるガス流路に組み込み、ＥＧＲガスの冷却性能試験に供した結果、排気ガス出口側のボンネットから排出されるＥＧＲガスは、所定の温度域にまでに効果的に冷却され、該ＥＧＲガス冷却装置が保有する熱交換性能が最大限に発揮され、優れた冷却効率を得られることが確認された。

本実施例による円筒状のボンネット３並びに円盤状のバッフルプレート４の製造方法は、特に制限されるものではなく、各種ステンレススチールをはじめとする通常鋼管や鋳物を素材として製造され、通常はプレス加工、液圧バルヂ加工、鋳抜き加工およびボール盤加工を含む機械的切削加工並びのそれらの組合せによって形成される。また、前記チューブシート２−１とシェル本体２、該チューブシート２−１と伝熱管２−２、該チューブシート２−１と前記円筒状のボンネット３との接合は、通常溶接もしくはろう付による溶着が採用されるが、該ボンネット３のシェル本体２への接合については、該ボンネット３のシェル本体２側にフランジを設け、同様シェル本体２に予め取付けられたフランジとのボルト締めによる接続も好ましく採用される。また、筒状部を有する前記ボンネット３の内壁面３−３へのバッフルプレート４の接合を、本例においては折り返し部４−３を利用した嵌合を採用したが、該嵌合部分をろう付若しくは溶接によって補強することも妨げず、該バッフルプレート４に前記折り返し部４−３を設けずに、直接ボンネット内壁面３−３にろう付若しくは溶接等によって接合することもできる。なお、本実施例におけるバッフルプレート４の大小の貫孔４−１と、スリット４−２によって形成される開口面積の総和は、シェル本体２に配設された全ての伝熱管２−２の開口面積（排気ガス流路に相当、以下同じ）に対して各々１２０％、８０％、１１０％であった。前記バッフルプレート４に形成される貫孔４−１やスリット４−２などによる開口面積の総和が、前記全ての伝熱管２−２における開口面積の総和に対して８０％に満たない場合は、優れた整流効果が期待されるものの排気ガスの流過抵抗が増大してトータルの熱交換効率が減少し、１５０％を超える場合は、流過抵抗は減少するが整流効果も同時に減少して初期の熱交換効率が得られなくなる。

図２にその模式的な要部を示すように、円筒状の筒状部３ａ−２を有するボンネット３ａの内壁面３ａ−３に、ＥＧＲガスｇの流れ方向上流側に対して凸面を有するように形成されたバッフルプレート４ａを、所定の間隔を隔てるようにして２枚配設し、該バッフルプレート４ａの盤面に形成される貫孔が４ａ−１が、排気ガス流入口３ａ−５側を大径とすると共に、その後方のシェル本体２ａ側を小径とし、それぞれの貫孔４ａ−１が同図（ｂ）に模式的に示すように位相を変えて設けられ、前記２枚のバッフルプレート４ａに設けられた大小の貫孔４ａ−１によって形成される開口面積の総和が、シェル本体２ａに配設された全ての伝熱管２ａ−２における開口面積の総和に対して各々１１０％、１５０％であった以外は、前記実施例１と同様にして多管式熱交換器１ａを得た。得られた本例による多管式熱交換器１ａを、クールドＥＧＲシステムにおけるガス流路に組込み、実施例１と同一の条件でＥＧＲガス冷却試験に供した結果、実施例１に対して同様の優れた冷却効率を得られることが確認された。

図３（ａ）および（ｂ）に模式的な要部を示すように、多管式熱交換器１ｂを構成するシェル本体２ｂの横断面が略矩形に形成され、該シェル本体２ｂの内周部にはチューブシート２ｂ−１を介して複数の偏平伝熱管２ｂ−２が、所定の間隔を隔てるようにして配設されている。同図（ｂ）に示す本実施例によるボンネット３ｂは、当該シェル本体２ｂの断面形状に対応して筒状部３ｂ−２を有する横断面の断面形状が略矩形に形成され、該ボンネット３ｂの筒状部３ｂ−２はシェル本体２ｂの軸心に対して略同心で一体として接合され、該筒状部３ｂ−２における内壁面３ｂ−３には所定の間隔を隔てて、平面形状が略矩形に形成された２枚のバッフルプレート４ｂおよび４ｃが配設され、排気ガス流入口３ｂ−５側のバッフルプレート４ｂはＥＧＲガスの流れ方向下流側に円弧状に湾曲するように形成され、該バッフルプレート４ｂの湾曲する盤面には、該ボンネット３ｂの軸心に対して放射状に傾斜する複数の貫孔４ｂ−１が設けられ、シェル本体２ｂ側のバッフルプレート４ｃはボンネット３ｂの軸心に対して垂直にして配設されると共に、その盤面に形成される貫孔４ｃ−１は、該ボンネット３ｂの軸心に対して略水平に設けられ、それぞれの貫孔４ｂ−１および４ｃ−１による開口面積の総和は、前記シェル本体２ｂに配設されている全ての偏平伝熱管２ｂ−２における開口面積の総和に対して各々９５％、１２０％であった。このようにして得られた本実施例による多管式熱交換器１ｂを、クールドＥＧＲシステムにおけるガス流路に組込み、実施例１と同一の条件でＥＧＲガス冷却試験に供した結果、実施例１に対して同様の優れた冷却効率を得られることが確認された。

図４（ａ）および（ｂ）に模式的な要部を示すように、ボンネット３ｃの形状は前記実施例３と同様に、シェル本体２ｃの横断面の断面形状に対応して略矩形とし、該ボンネット３ｃの筒状部３ｃ−２の内壁面３ｃ−３に、所定の間隔を隔てて平面形状が略矩形に形成された２枚のバッフルプレート４ｄおよび４ｅが配設され、排気ガス流入口３ｃ−５側のバッフルプレート４ｄは、ボンネット３ｃの軸心に対して垂直に取付けられると共に、その盤面には大径の孔４ｄ−１が該ボンネット３ｃの軸心に対して水平に貫設されている。なお、該バッフルプレート４ｄの外周端縁部には折り返し部が形成されず、ストレートな外周端縁部をボンネット３ｃの内壁面に当接した状態でろう付によって固着した。シェル本体２ｃ側のバッフルプレート４ｅは、ＥＧＲガスの流れ方向上流側に向かって凸面を有するように形成され、ボンネット３ｂの軸心に対してはほぼ垂直にして配設されると共に、その盤面に形成される貫孔４ｃ−１は、該ボンネット３ｂの軸心に対して略水平に設けられ、それぞれの貫孔４ｄ−１および４ｅ−１による開口面積の総和は、前記シェル本体２ｃに配設されている全ての偏平伝熱管２ｃ−２における開口面積の総和に対して各々１３０％、１０５％であり、それ以外は前記実施例３と同様にして多管式熱交換器１ｃを得た。得られた本例による多管式熱交換器１ｃを、クールドＥＧＲシステムにおけるガス流路に組込み、実施例３と同一の条件でＥＧＲガス冷却試験に供した結果、実施例３に対して同様の優れた冷却効率を得られることが確認された。

図５（ａ）および（ｂ）に模式的な要部を示すように、ボンネット３ｅの横断面の断面形状を略矩形のシェル本体２ｅに対応して略矩形とし、該ボンネット３ｅの略矩形の筒状部３ｅ−２の内壁面３ｅ−３に所定に間隔を隔てて、平面形状が略矩形で排気ガスの流れ方向下流側、即ちシェル本体２ｅ側に対向して凹面を有するように湾曲する２枚のバッフルプレート４ｇを配設し、該バッフルプレート４ｇの湾曲する盤面には、それぞれ該ボンネット３ｅの軸心に向かって放射状に傾斜するようにして複数の孔４ｇ−１を貫設した。貫設された前記２枚のバッフルプレート４ｇの孔４ｇ−１による開口面積の総和は、前記シェル本体２ｅに配設されている全ての伝熱管２ｅ−２における開口面積の総和に対して各々１１０％、１４０％であり、それ以外は前記実施例４と同様にして多管式熱交換器１ｅを得た。得られた本例による多管式熱交換器１ｅを、クールドＥＧＲシステムにおけるガス流路に組込み、実施例４と同一の条件でＥＧＲガス冷却試験に供した結果、実施例４に比較してほぼ同様の優れた冷却効率を得られることが確認された。

図６には上記各実施例において用いられた各種バッフルプレートをそれぞれ側部断面図として例示してあり、（ａ）は実施例１および３において採用されたものと同種の標準的なバッフルプレート４で、本例においては孔４−１とスリット４−２が適宜に混在して設けられ、（ｂ）は実施例５において採用されたバッフルプレート４ｇと実質的に同一であり、（ｃ）は実施例３において採用されたバッフルプレートと４ｂ実質的に同一であり、（ｄ）は実施例２および４において採用されたものと概略同一である。（ｅ）については上記各実施例においては採用された例示はないが、本発明の主旨のは以内における一例として示すものである。図７には本発明に係るバッフルプレートの一例が平面図として例示されるが、（ａ）は円盤状のバッフルプレート４ｉに、複数の丸孔４ｉ−１とスリット４ｉ−２がランダムに貫設され、外周の端縁部にはボンネットの内壁面に当接して嵌合するための折り曲げ部４ｉ−３が形成されている。一方、同図（ｂ）に示す平面形状矩形のバッフルプレート４ｊの盤面には、丸孔４ｊ−１の他に正方形の孔４ｊ−１ａ、長方形の孔４ｊ−１ｂ等が複数貫設されているが、本例における当該バッフルプレート４ｊにおけるそれらの貫孔は、その中心部分で粗くかつその外周部分で過密に形成されており、バッフルプレートに形成される孔の形状を任意多様に形成することに加えて、その開口分布を任意に制御してボンネット内を通流する排気ガスの流れを、適宜にコントロールするように構成されている。図８には本発明に係るバッフルプレートの要部断面の一例が拡大して例示されるが、同図（ａ）のバッフルプレート４ｋにはガスｇの流れを上方に導くような孔４ｋ−１が貫設され、同図（ｂ）のバッフルプレート４ｌにおいては孔４ｌ−１とスリット４ｌ−２とが交互に貫設され、同図（ｃ）のバッフルプレート４ｍではガスｇの流れ方向に対して交互に逆方向のテーパーを有する孔４ｍ−１および４ｍ−１ａが貫設されている。これらバッフルプレートに貫設される孔若しくはスリットを任意の形状とすることによっても、ボンネット内を通流してシェル本体の各伝熱管に導入されるＥＧＲガス流量のバランスと流れ方向を、適正な状態に制御することを可能として、多管式熱交換器が有する熱交換性能を最大限に発揮させることができる。

本発明に係る上記バッフルプレート、ボンネット等を含む排気ガス冷却系における多管式熱交換器は、これらを構成する各部材の構造を所期の目的を達成することができる範囲内において、上記各実施例の他に様々な形態を以って形成されることが可能であり、例えば上記各実施例における上流側のボンネットの場合、シェル本体の断面形状に対応して円形や略矩形並びに略楕円形としているが、その内周部にバッフルプレートを配設するために、所定の長さを有する筒状部が確保されるものであれば、上記以外の形状を否定するものではなく、また、該シェル本体の下流側に設けられるボンネットの形態については、流出管の位置を含めかなりの自由度を以って、任意の形態で取付けることができる。また、上記各実施例におけるシェル本体に配設される伝熱管は、丸管や扁平管のみが例示されているが、それらの伝熱管が矩形管や長円（楕円）管であっても容易に対応することができる。

上記各実施例からも明らかなように、本発明による排気ガス冷却装置用のシェルアンドチューブ型の多管式熱交換器は、該多管式熱交換器を構成するシェル本体の排気ガス入口側に、該シェル本体の軸心と略同心の筒状部を有するボンネットが、好ましくはチューブシートを介して一体として接続され、該ボンネットの筒状の内周部における内壁面に、複数の孔若しくはスリットが設けられた少なくとも２枚のバッフルプレートが、一体として配設されることを構造上の特徴とするものであり、斯かる構造を有することにより、排気ガス流入口よりボンネット内に流入した例えば高温のＥＧＲガスは、該ボンネットの筒状の内壁面に配設されたバッフルプレートに衝突すると同時に、該バッフルプレートに予め設けられた孔若しくはスリットを介してその後方に流下する際に整流され、究極的には特定の旋廻流を生起して、該ボンネットに隣接する前記シェル本体のチューブシートに、一定の間隔を設けて複数配設されて伝熱管群を形成する個々の伝熱管に、それぞれ均等に分配されてバランスよく導入されるように構成したものである。斯かる構成によってシェル本体内における各伝熱管内を通流する高温のＥＧＲガスは、その流量と流速分布とが均一に調整され、全ての伝熱管で効率良くかつ偏り無く熱交換することができる。このように構成された本発明による多管式熱交換器を、クールドＥＧＲシステムのガス配管におけるＥＧＲガス冷却装置に組込むことにより、ＥＧＲガス冷却装置に導入されるＥＧＲガスが、偏り無く分配され、均一な流速分布を維持した状態で冷却装置本体に導入されるため、該ＥＧＲガス冷却装置が有する熱交換性能を最大限に発揮させ、優れた冷却効率を得ることができるので、省エネルギー面においても多大に貢献することができる。また、本発明による上記バッフルプレートとボンネットは、上記各実施例からも明らかなように極めて簡略な加工によって製作可能であり、かつそれらの取付け手段も容易であるにも拘らず、得られる効果は著しく優れたものであるところから、これを取付けた多管式熱交換器はＥＧＲガス冷却装置の小型軽量化を低コストで実現できるなど、当該技術分野における多管式熱交換器として幅広く採用されることが期待される。

本発明に係る第1実施例による多管式熱交換器におけるシェル本体と排気ガス入口側ボンネットの構造を示し、（ａ）はその模式的な要部縦断側面図、（ｂ）は同じく模式的な要部正面図である。 本発明に係る第２実施例によるシェル本体と排気ガス入口側ボンネットの構造を示し、（ａ）はその模式的な要部縦断側面図、（ｂ）は同じく模式的な要部正面図である。 本発明に係る第３実施例によるシェル本体と排気ガス入口側ボンネットの構造を示し、（ａ）はその模式的な要部縦断側面図、（ｂ）は（ａ）におけるＡ−Ａ線上横断面図である。 本発明に係る第４実施例のシェル本体と排気ガス入口側ボンネットの構造を示し、（ａ）はその模式的な要部縦断側面図、（ｂ）は（ａ）におけるＢ−Ｂ線上横断面図である。 本発明に係る第６実施例のシェル本体と排気ガス入口側ボンネットの構造を示し、（ａ）はその模式的な要部縦断側面図、（ｂ）は（ａ）におけるボンネットのＤ−Ｄ線上横断面図である。 本発明に係る各実施例において配設されるバッフルプレートの単体を示し、（ａ）〜（ｅ）はそれぞれその側部断面図である。 本発明に係る各実施例において配設されるバッフルプレートの単体を示し、（ａ）および（ｂ）はその平面図である。 本発明に係るバッフルプレートに設けられる孔およびスリットの形状を示し、（ａ）〜（ｃ）はそれぞれ要部拡大断面図である。 従来の多管式ＥＧＲガス冷却装置を示し、（ａ）はその一部切欠き側面図、（ｂ）はその要部に係る伝熱管の配列状態の一例を模式的に示す平面図である。 他の従来例の多管式ＥＧＲガス冷却装置を示し、（ａ）はその一部破断縦断側面図、（ｂ）はその正面図、（ｃ）は（ａ）におけるＡ−Ａ線断面図である。

１、１ａ、１ｂ、１ｃ、１ｄ、１ｅ 多管式熱交換器
２、２ａ、２ｂ、２ｃ、２ｅ シェル本体
２−１、２ａ−１、２ｂ−１、２ｃ−１、２ｅ−１ チューブシート
２−２、２ａ−２、２ｂ−２、２ｃ−２、２ｅ−２ 伝熱管
２−３、２ａ−３、２ｂ−３、２ｃ−３、２ｅ−３ 冷却水入口
２ｂ−４、２ｃ−４ 冷却水出口
３、３ａ、３ｂ、３ｃ、３ｅ ボンネット
３−１、３ａ−１、３ｂ−１、３ｃ−１ フランジ
３−２、３ａ−２、３ｂ−２、３ｃ−２、３ｅ−２ 筒状部
３−３、３ａ−３、３ｂ−３、３ｃ−３、３ｅ−３ 内壁面
３−４、３ａ−４ ボルト孔
３−５、３ａ−５、３ｂ−５、３ｃ−５、３ｅ−５ 排気ガス流入口
３ｅ−６ 垂直壁
３ｅ−７ 外壁
４、４ａ、４ｂ、４ｃ、４ｄ、４ｅ、４ｇ、４ｈ、４ｉ、４ｊ、４ｋ、
４ｌ、４ｍ バッフルプレート
４−１、４ａ−１、４ｂ−１、４ｃ−１、４ｄ−１、４ｅ−１、４ｇ−１、
４ｈ−１、４ｉ−１、４ｊ−１、４ｊ−１ａ、４ｊ−１ｂ、４ｋ−１、
４ｌ−１、４ｍ−１、４ｍ−１ａ 孔
４−２、４ｉ−２、４ｌ−２ スリット
４−３、４ａ−３、４ｂ−３、４ｃ−３、４ｅ−３、４ｇ−３、４ｈ−３、
４ｉ−３、４ｊ−３ 折り曲げ部
５、５ａ 排気ガス流入管
６、６ａ 接合部
ｇ ＥＧＲガス
Ｗ 冷却水

Claims (7)

1. シェル本体の両端部に固定されたチューブシートに複数の管体よりなる伝熱管群が固着配列され、前記シェル本体の両端部の外側には、排気ガスの入口及び出口が設けられた、該シェル本体の軸芯と略同芯の筒状部を有するボンネットが接続され、前記シェル本体には冷却媒体の入口及び出口が設けられた、排気ガス冷却装置用シェルアンドチューブ型の多管式熱交換器において、前記ボンネットの筒状部の内周部における内壁面に、複数の孔もしくはスリットが設けられたバッフルプレートが所定の間隔を隔てて複数枚組み合わされて配設され、該バッフルプレートに設けられる孔もしくはスリットは、各バッフルプレート間でそれぞれ位相が同一又は異なることを特徴とする排気ガス冷却装置用多管式熱交換器。
2. 前記筒状部を有するボンネットの内壁面に配設される前記バッフルプレートに設けられる孔もしくはスリットは、各バッフルプレート間でそれぞれ形状が同一又は異なることを特徴とする請求項１に記載の排気ガス冷却装置用多管式熱交換器。
3. 前記筒状部を有するボンネットの内壁面に配設される前記バッフルプレートが、該ボンネットの筒状の軸心に対して略垂直に設けられることを特徴とする請求項１又は２に記載の排気ガス冷却装置用多管式熱交換器。
4. 前記筒状部を有するボンネットの内壁面に配設される前記バッフルプレートが、該ボンネット内周部における排気ガスの流れ方向に対して、凸面を有するように形成されることを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１項に記載の排気ガス冷却装置用多管式熱交換器。
5. 前記筒状部を有するボンネットの内壁面に配設される前記バッフルプレートが、該ボンネット内周部における排気ガスの流れ方向に対して、凹面を有するように形成されることを特徴とする請求項１乃至４のいずれか１項に記載の排気ガス冷却装置用多管式熱交換器。
6. 前記バッフルプレートに設けられる孔もしくはスリットによる開口部の総和が、多管式熱交換器における排気ガス流路に相当する伝熱管の開口面積に対し、８０〜１５０％であることを特徴とする請求項１乃至５のいずれか１項に記載の排気ガス冷却装置用多管式熱交換器。
7. 前記バッフルプレートがＳＵＳ３０４、ＳＵＳ３０４Ｌ、ＳＵＳ３１６、ＳＵＳ３１６Ｌ等のオーステナイト系ステンレススチールからなり、該バッフルプレートの板厚が０．６〜１．２ｍｍであり、前記筒状部を有するボンネット内壁面への接合手段が嵌合、ろう付、溶接等によって、一体として接合されることを特徴とする請求項１乃至６のいずれか１項に記載の排気ガス冷却装置用多管式熱交換器。

Images