JP5747783B2

JP5747783B2 - 熱交換器

Info

Publication number: JP5747783B2
Application number: JP2011235004A
Authority: JP
Inventors: 康広槇林; 照美野中
Original assignee: Taiho Kogyo Co Ltd
Current assignee: Taiho Kogyo Co Ltd
Priority date: 2011-10-26
Filing date: 2011-10-26
Publication date: 2015-07-15
Anticipated expiration: 2031-10-26
Also published as: JP2013092310A

Description

本発明は熱交換器に関し、詳しくは外側管体の内部に内側管体を設けて、上記内側管体に流通させる内部流体と上記外側管体に流通させる外部流体との間で熱交換をおこなわせる熱交換器に関する。

従来、内部流体が流通する内側管体と、上記内側管体を収容するとともに該内側管体との間で外部流体を流通させる外側管体とを備え、上記内側管体内の内部流体と上記外側管体の外部流体との間で熱交換をおこなう熱交換器が知られている。
一方、自動車用エンジンから排出される排気ガスを再び吸気側に戻して再利用するＥＧＲ（ＥｘｈａｕｓｔＧａｓＲｅｃｉｒｃｕｌａｔｉｏｎ）という技術が知られており、このＥＧＲを効率的に行うため、上記熱交換器を排気ガスの温度を下げるためのいわゆるＥＧＲクーラーとして用いるものが知られている（特許文献１〜３）。

特開２０００−０７９４６２号公報特開２００１−２４１８７２号公報特開２００２−３５００８１号公報

しかしながら上記特許文献１の構成を有するＥＧＲクーラーの場合、内側管体内を上記排気ガスは速やかに通過するため、排気ガスの圧力損失が少ないものの、冷却効率が低く、また特許文献２、３の構成を有するＥＧＲクーラーの場合、冷却効率が高いものの、内側管体の内部に形成された無数の突起によって圧力損失が高いという問題があった。
さらに、上記ＥＧＲクーラーについてはより低コストに製造することが求められている。
このような問題に鑑み、本発明は冷却効率と圧力損失とのバランスがよく、かつ低コストで製造可能な熱交換器を提供するものである。

すなわち、請求項１の発明にかかる熱交換器は、外側管体の内部に内側管体を設けて、上記内側管体に流通させる内部流体と上記外側管体に流通させる外部流体との間で熱交換をおこなわせる熱交換器において、
上記内側管体を、同軸上に設けた円筒状の小径部および大径部と、これら小径部と大径部とを連結するリング状の連結部と、上記大径部の内部に設けられて内部流体を該大径部の放射方向に整流する整流手段とから構成し、
上記整流手段を上記大径部よりも小径の２枚の円盤状部材から構成するとともに、各円盤状部材を平面本体部および当該平面本体部から折り曲げて形成した円周方向に整列する複数のフィン部によって構成し、
さらに上記平面本体部を上記フィン部が互いに逆方向に突出するように重合させ、かつ上記フィン部を形成することによって平面本体部に開口した隙間部に、他方の円盤状部材の平面本体部を重合させたことを特徴としている。

上記発明によれば、内側管体を小径部、大径部、連結部によって構成しているため、外側管体の外部流体との接触面積を大きくすることができ、内部管体を流通する内部流体と外部流体との熱交換を効率的に行うことができる。
その際、上記内側管体における大径部の内部に設けた整流手段によって内部流体を上記大径部の内周側から外周側ならびに外周側から内周側に向けて流通させ、内部流体を整流することで圧力損失を抑えることができる。
さらに、上記フィン部は２枚の円盤状部材は折り曲げ成形することで低コストに製造することができる。この際上記円盤状部材に形成された隙間部は他方の円盤状部材の平面本体部を重合させることで閉鎖しており、整流効果が損なわれないようにしている。

本実施例にかかるＥＧＲクーラーの断面図。図１におけるＩＩ―ＩＩ部の断面図。第１実施例にかかる整流手段であって、（ａ）は構成要素をしめし、（ｂ）は組み立て状態を示す。第２実施例にかかる整流手段であって、（ａ）は構成要素をしめし、（ｂ）は組み立て状態を示す。第３実施例にかかる整流手段であって、（ａ）は構成要素をしめし、（ｂ）は組み立て状態を示す。第４実施例にかかる整流手段であって、（ａ）は構成要素をしめし、（ｂ）は組み立て状態を示す。

以下、図示実施例について説明すると、図１はエンジンからの排気熱を冷却してこれを再びエンジンに還流させる熱交換器としてのＥＧＲクーラー１の断面図を示している。
上記ＥＧＲクーラー１は、内部流体としての排気ガスＧを流通させる内側管体２と、内部に上記内側管体２を収容するとともに該内側管体２との間に外部流体としての冷却液Ｃを流通させる外側管体３とを備え、上記内側管体２は図示しないＥＧＲ回路に、外側管体３は図示しない冷却液Ｃ回路にそれぞれ接続されている。
上記内側管体２は、同軸上に設けた円筒状の小径部１１および大径部１２と、これら小径部１１と大径部１２とを連結するリング状の連結部１３とを複数連結し、さらに各大径部１２の内部にそれぞれ整流手段１４を収容した構成となっている。

以下上記整流手段１４について説明すると、図２は排気ガスＧの流通方向上流側から整流手段１４を見た図を示し、図３は第１の実施例にかかる一組の整流手段１４の構成を示す図を示している。
まず図３（ａ）に示すように、本実施例の整流手段１４は２つの同形状の円盤状部材２１から構成され、各円盤状部材２１は平坦な平面本体部２２および、当該平面本体部２２に立設する複数のフィン部２３とから構成されている。
上記円盤状部材２１は１枚の円盤状の金属板から得ることができ、円盤状部材２１の直径を内側管体２の大径部１２の直径よりも小径とすることで、図１、図２に示すように大径部１２の内周面との間に上記排気ガスＧが流通する隙間Ａを形成している。
上記円盤状部材２１は、上記円盤状の金属板に上記フィン部２３の形状に合わせて所要の切断加工を行い、その後当該フィン部２３の部分を上記平面本体部２２との境界部分でプレス等の手段により折り曲げることで製造可能となっている。
そして図２に示すように、上記フィン部２３は円盤状部材２１の中心に対して放射状に整列し、また上記円盤状部材２１の半径方向に対して傾斜する方向に形成されるようになっている。
一方、上記フィン部２３を上記平面本体部２２に対して折り曲げ成形することにより、上記平面本体部２２におけるフィン部２３に隣接した位置には、当該フィン部２３の形状で切断した部分に上記フィン部２３と略同形状の隙間部２４が形成されるようになっている。

また図２に示すように、各フィン部２３の外側の端部は円盤状部材２１の外周端と同じ位置まで形成され、内側の端部は円盤状部材２１の中心から外周側に離隔した位置まで形成されている。
これにより上記平面本体部２２の中央には上記フィン部２３が位置しておらず、上記小径部１１より大径部１２に流入した排気ガスＧは、この平面本体部２２の中央に衝突し、また排気ガスＧが大径部１２から小径部１１へと排出される際には、一旦この平面本体部２２の中央に集められるようになっている。
さらに図１に示すように、上記フィン部２３の内側の端部は、上記内側管体２の小径部１１の内側に突出し、このフィン部２３における上記小径部１１よりも内側に臨んだ部分には、軸方向に突出して小径部１１に嵌合する位置決め突起２３ａが形成されている。
上記位置決め突起２３ａを小径部１１に嵌合させることで、整流手段１４は軸方向に対して直交する方向への移動が規制され、上記整流手段１４と大径部１２の内周面との隙間Ａを一定に保つことが可能となっている。
そして各フィン部２３には、上記位置決め突起２３ａの外周側に隣接する位置に、上記平面本体部２２との折り曲げ位置よりも離隔した位置で折り曲げた２段折れ部２３ｂが形成され、これらはフィン部２３に対してそれぞれ円盤状部材２１の中央に向けて折り曲げられている。
上記２段折れ部２３ｂは、例えば上記円盤状部材２１となる円盤状の金属板をフィン部２３の形状に合わせて切断した後、予め上記２段折れ部２３ｂの形状をプレス加工等により折り曲げ、さらにその後上記フィン部２３と平面本体部２２との境界で折り曲げることで得ることができる。

そして整流手段１４は、図３（ｂ）に示すように上記２つの円盤状部材２１を重合させたものとなっており、上記フィン部２３が互いに逆方向に突出するよう、上記平面本体部２２同士を密着させたものとなっている。
ここで、上記２つの円盤状部材２１は同形状であることから、図２において実線で示した上流側に設置したフィン部２３に対し、破線で示す下流側のフィン部２３は反対方向に傾斜するようになっている。
その結果、内側管体２の小径部１１から流入した排気ガスＧは、上流側に位置するフィン部２３によって図示時計回りに旋回しながら大径部１２の外周側へと移動する旋回流を形成し、その後上記隙間Ａを通過すると、下流側に位置するフィン部２３によって図示時計回りの旋回方向を維持したまま、大径部１２の内周側へと移動する旋回流を形成する。
さらに、上記フィン部２３を折り曲げ成形した際に平面本体部２２に開口した隙間部２４に、他方の円盤状部材２１の平面本体部２２を重合させ、これにより図２に示すように一方の円盤状部材２１の隙間部２４を他方の円盤状部材２１の平面本体部２２によって極力閉鎖するようにしている。
このように上記円盤状部材２１の隙間部２４を極力閉鎖することで、排気ガスＧによる上記隙間部２４の通過を可及的に阻止し、整流手段１４による排気ガスＧの整流効果を高めるようになっている。

上記構成を有するＥＧＲクーラー１によれば、排気ガスＧは上記ＥＧＲ回路の上流側から上記内側管体２を通過してＥＧＲ回路の下流側へと通過し、その際排気ガスＧは内側管体２と外側管体３との内部を流通する冷却液Ｃとの熱交換によって冷却される。
その際、内側管体２は上記小径部１１、大径部１２、連結部１３によって構成されていることから、上記冷却液Ｃとの接触面積を大きくすることができ、効率的な熱交換を行うことが可能となっている。
一方、上記内側管体２における大径部１２の内部には整流手段１４が設けられており、排気ガスＧが小径部１１から大径部１２に流入すると、上記整流手段１４における上流側の円盤状部材２１の平面本体部２２に衝突する。
その後、排気ガスＧは上記整流手段１４におけるフィン部２３によって整流されながら外周側に移動し、その後上記隙間Ａを通過して大径部１２の下流側に移動すると、さらに下流側に位置する円盤状部材２１のフィン部２３によって再度整流されながら大径部１２の中央に集められる。
このように、排気ガスＧを整流手段１４によって整流することにより、内側管体２における排気ガスＧの圧力損失を低減することができる。
しかも、上記フィン部２３は円盤状部材２１の半径方向に対して傾斜していることから、上記排気ガスＧは大径部１２の内周側から外周側に移動する際、ならびに外周側から内周側へと移動する際に旋回流を形成し、排気ガスＧの圧力損失をより抑えることができる。
さらには、上記フィン部２３には２段折れ部２３ｂを形成していることから、より効率的に排気ガスＧの旋回流を形成することが可能となっている。
そして、上記整流手段１４は２つの円盤状部材２１によって構成することができ、しかもこの円盤状部材２１は１枚の金属板を切断して上記フィン部２３を折り曲げて成形するだけでよいことから、上記整流手段１４を安価に製造することが可能となっている。
なお本実施例における整流手段１４において、以下に説明する第３実施例に示すプレート部を、上記２枚の円盤状部材２１に挟持した構成としても良い。

図４は上記ＥＧＲクーラー１における上記整流手段１４の第２の実施例を示した図となっている。なお上記第１実施例と共通する構成については詳細な説明を省略する。
本実施例の整流手段１４は、上記第１実施例の整流手段１４と同様、２つの円盤状部材２１から構成されているものの、上記第１実施例においてフィン部２３に形成した２段折れ部２３ｂは形成されておらず、また各フィン部２３は円盤状部材２１の半径方向と同じ方向に形成されている。
上記第２の実施例の構成を有する整流手段１４によれば、上記内側管体２の大径部１２に流入した排気ガスＧは、上記円盤状部材２１の平面本体部２２に衝突して大径部１２の外周側に移動する。
ここで、フィン部２３が円盤状部材２１の半径方向と同じ方向に形成されているため、排気ガスＧの旋回流は形成されないが、上記フィン部２３に排気ガスＧが整流されるため、排気ガスＧの圧力損失を低減することができる。
なお本実施例における整流手段１４においても、以下に説明する第３実施例に示すプレート部を、上記２枚の円盤状部材２１に挟持した構成としても良い。

図５は上記ＥＧＲクーラー１における上記整流手段１４の第３の実施例を示した図となっている。なお上記第１実施例と共通する構成については詳細な説明を省略する。
第３の実施例の整流手段１４は、２つの円盤状部材２１の間に、円盤状部材２１の直径と略同径の円盤状のプレート部２５を挿入した構成となっており、円盤状部材２１とプレート部２５とは溶接や接着等の手段によって固定されている。
本実施例におけるフィン部２３は、上記第１実施例における２段折れ部２３ｂを備えていないが、円盤状部材２１の半径方向に対して傾斜しており、排気ガスＧの旋回流を形成することが可能となっている。
そして上記プレート部２５を設けることで、２つの円盤状部材２１を重合した際に、上記平面本体部２２によって完全に閉鎖できない隙間部２４（図２のハッチング部分）を閉鎖することができ、排気ガスＧの隙間部２４の通過を完全に阻止することができる。
これにより、上記第１の実施例に記載した整流手段１４に比べてより高い排気ガスＧの整流効果を得ることができ、圧力損失をより低減することができる。また上記第１の実施例における整流手段１４に対し、上記プレート部２５を追加しただけの構成であることから、整流手段１４を安価に得ることが可能となっている。
なお本実施例における整流手段１４において、上記第１、第２実施例と同様、プレート部２５を省略した構成としてもよく、その場合も上記フィン部２３によって排気ガスＧの整流を行うことができる。

図６は上記ＥＧＲクーラー１における上記整流手段１４の第４の実施例を示した図となっている。なお上記第１実施例と共通する構成については詳細な説明を省略する。
本実施例の整流手段１４は、２つの円盤状部材２１と、２つの円盤状部材２１の間に挿入された円盤状のプレート部２５とから構成され、円盤状部材２１とプレート部２５とは溶接や接着等の手段によって固定されている。
第４の実施例におけるフィン部２３は、円盤状部材２１の半径方向に対して傾斜するとともに、その中央が円盤状部材２１の中心とは反対側に向けて膨出した湾曲形状を有しており、フィン部２３と平面本体部２２との境界が曲線となっている。
本実施例の円盤状部材２１も、上記フィン部２３をプレス加工等により平面本体部２２に対して折り曲げ加工により成形することができ、円盤状部材２１を安価に得ることが可能となっている。
そして、上記フィン部２３を湾曲した形状とすることにより、排気ガスＧの旋回流を効率的に発生させ、排気ガスＧの圧力損失を低減することができる。
また２枚の円盤状部材２１の間に上記プレート部２５を設けることで、上記第２実施例と同様、２枚の円盤状部材２１に形成された隙間部２４を閉鎖することで効率的に排気ガスＧを整流することができる。
なお本実施例に対し、第１実施例と同様、上記プレート部２５を省略した構成としても良い。

なお、上記第１〜第４実施例の整流手段１４において、各円盤状部材２１の備えるフィン部２３の枚数については、必要とされるＥＧＲクーラー１の性能に応じて任意に変更することができる。
また、本実施例はエンジンに装着するＥＧＲクーラー１について説明したが、上記内側管体２と外側管体３とを流通する流体と流体との間で熱交換を行う熱交換器として利用することが可能である。

１ＥＧＲクーラー２内側管体
３外側管体１１小径部
１２大径部１３連結部
１４整流手段２１円盤状部材
２２平面本体部２３フィン部
２３ａ位置決め突起２３ｂ２段折れ部
２４隙間部２５プレート部
Ａ隙間

Claims

外側管体の内部に内側管体を設けて、上記内側管体に流通させる内部流体と上記外側管体に流通させる外部流体との間で熱交換をおこなわせる熱交換器において、
上記内側管体を、同軸上に設けた円筒状の小径部および大径部と、これら小径部と大径部とを連結するリング状の連結部と、上記大径部の内部に設けられて内部流体を該大径部の放射方向に整流する整流手段とから構成し、
上記整流手段を上記大径部よりも小径の２枚の円盤状部材から構成するとともに、各円盤状部材を平面本体部および当該平面本体部から折り曲げて形成した円周方向に整列する複数のフィン部によって構成し、
さらに上記平面本体部を上記フィン部が互いに逆方向に突出するように重合させ、かつ上記フィン部を形成することによって平面本体部に開口した隙間部に、他方の円盤状部材の平面本体部を重合させたことを特徴とする熱交換器。
上記フィン部を上記円盤状部材の半径方向に対して傾斜する方向に形成したことを特徴とする請求項１に記載の熱交換器。
上記フィン部に、上記平面本体部との折り曲げ位置よりも離隔した位置で折り曲げた２段折れ部を形成したことを特徴とする請求項１または請求項２のいずれかに記載の熱交換器。
上記フィン部を湾曲した形状とすることを特徴とする請求項１に記載の熱交換器。
上記円盤状部材と円盤状部材との間に、上記大径部よりも小径の円盤状のプレート部を設けて、重合した円盤状部材の隙間部を閉鎖することを特徴とする請求項１ないし請求項４のいずれかに記載の熱交換器。
上記フィン部に、上記内側管体における小径部の内周面に嵌合する位置決め突起を形成したことを特徴とする請求項１ないし請求項５のいずれかに記載の熱交換器。