JP5915187B2 - 熱交換器 - Google Patents

Description

本発明は、熱交換器に関するものである。

エンジンの排気ガスが流通されるＥＧＲクーラ等の熱交換器においては、一般的に、断面矩形状の外管内に、それぞれ扁平な内部空間を有する複数のチューブを互いの間に流通用の隙間を確保するようにして積層状態で配設して、各チューブの両端部を外管に密接された状態で固定している。そして、各チューブの両端部の固定部位の間となる中間部位においては、例えば外管を外側に向けて膨出させることにより、各チューブと外管との間に大きな流通空間を確保することも行われている。このような熱交換器は、各チューブ内を流れる排気ガスと上記流通用の隙間および流通空間を流れる冷却媒体（例えば冷却水や空気）との間で、各チューブを介して熱交換されるようになっている。

チューブとその内部を流れる排気ガスとの熱交換を効果的に行うために、特許文献１に示すように、方形の波形形状を有する波形材を利用して、チューブ内壁に当接する第１平板部とチューブ内を複数に仕切る第２平板部とを構成して、第１平板部に対して切り起こしによって突起部を形成することが提案されている（排気ガスの接触面積増大）。そして、特許文献１に記載のものでは、切り起こされた突起部は、排気ガスの流通方向上流側に向かうつれて徐々に第１平板部からの突出寸法が小さくなるように設定されている。また、突起部の切り起こしによって形成される第１平板部に形成される孔部が、突起部の下流側に位置するようにされている。

特開２００７−２２５１９０号公報

チューブ内に第１平板部と第２平板部とを設けて、第１平板部に切り起こしによって排気ガスの流通方向に対して傾斜された突起部を形成する場合に、特に排気ガスの流速が低下する下流側でのすすの堆積防止（抑制）と効率的な熱交換のために、排気ガスの流通方向全体に渡って排気ガスの流速を極力均一に維持できるようにすることが望まれることとなる。とりわけ、排気ガスの流通方向上流側と下流側とで排気ガスの流速が大きく相違しないようにすることや、第１平板部に対する左右壁面や対向壁面という複数の壁面間で、排気ガスの流速に大きなばらつきを生じないようにすることが望まれることになる。

本発明は以上のような事情を勘案してなされたもので、その目的は、下流側においても排気ガスの流速が大きく低下せず、しかも排気ガスが接触する複数の面の間での排気ガスの流速に大きな相違を生じないようにした熱交換器を提供することにある。

前記目的を達成するため、本発明にあっては次のような第１の解決手法を採択してある。すなわち、請求項１に記載のように、
エンジンから排出される排気ガスと冷却媒体との間で熱交換を行うための熱交換器であって、
排気ガスが流通される内部空間を有するチューブと、
それぞれ前記チューブ内に位置され、該チューブ内壁に当接される第１平板部と、該チューブ内を複数の通路に仕切る第２平板部と、
を有し、
前記第１平板部には、それぞれ三角形状に切り起こされて排気ガスの流通方向に対して傾斜されると共に、排気ガスの流通方向に対する傾斜方向が互いに逆向きに設定された第１突起部と第２突起部とが多数形成され、
前記第１突起部と第２突起部とはそれぞれ、排気ガスの流通方向上流側に向かうほど前記第１平板部からの突出寸法が大きくなるようにされ、
前記第１突起部と第２突起部とは、排気ガスの流通方向において互いに異なる位置に形成されている、
ようにしてある。

上記解決手法によれば、特に下流側において、排気ガス流速の大きな低下が抑制され、しかも第１平板部に対する左右壁面および対向壁面間での排気ガス流速のばらつきも抑制される。これにより、特に排気ガス流速が低下する下流側におけるすすの堆積防止や熱交換効率の向上が図られる。

上記第１の解決手法を前提とした好ましい態様は、特許請求の範囲における請求項２〜請求項６に記載のとおりである。すなわち、
前記第１突起部を形成することにより前記第１平板部に形成される第１孔部が、該第１突起部の上流側に位置され、
前記第２突起部を形成することにより前記第１平板部に形成される第２孔部が、該第２突起部の上流側に位置され、
前記第１孔部と前記第２孔部とが、前記チューブの内壁によって閉塞されている、
ようにしてある（請求項２対応）。この場合、突起部に衝突される直前の高速の排気ガスが孔部を通過するので、孔部へのすすの堆積を防止する上で好ましいものとなる。

前記三角形状とされた前記第１突起部と前記第２突起部とはそれぞれ、排気ガスの流通方向上流側の第１辺が前記第１平板部における底辺に対してなす角度θ１が、排気ガスの流通方向下流側の第２辺が該第１平板部における底辺に対してなす角度θ２よりも大きくされている、ようにしてある（請求項３対応）。この場合、各突起部の具体的かつ好ましい形状設定が提供される。

前記第１突起部と第２突起部とは、排気ガスの流通方向において交互に位置するように形成されている、ようにしてある（請求項４対応）。この場合、１つの突起部を通過する毎に、排気ガスの流れ方向が変更されて（排気ガスの蛇行回数を増加させて）、熱交換効率をより一層の向上させる上で好ましいものとなる。

前記第１突起部と第２突起部とは、排気ガス流通方向での配置間隔が下流側にいくほど小さくされている、ようにしてある（請求項５対応）。この場合、排気ガス温度が低下して熱交換効率が悪くなる下流側部分において、排気ガスが衝突される突起部の数を多くして、熱交換効率向上の上で好ましいものとなる。

方形の波形形状を有する波板材によって前記第１平板部と前記第２平板部とが一体に形成されて、前記チューブの相対向する一対の内壁に対してそれぞれ該第１平板部が当接されている、ようにしてある（請求項６対応）。この場合、第１平板部と第２平板部とを簡単かつ安価に構成する等の上で好ましいものとなる。また、第２平板部によって、チューブ内を極力均等に排気ガスが流れるようにする上で好ましいものとなり、またチューブの潰れ変形防止の上でも好ましいものとなる。

前記目的を達成するため、本発明にあっては次のような第２の解決手法を採択してある。すなわち、請求項７に記載のように、
エンジンから排出される排気ガスと冷却媒体との間で熱交換を行うための熱交換器であって、
排気ガスが流通される内部空間を有するチューブと、
それぞれ前記チューブ内に位置され、該チューブ内壁に当接される第１平板部と、該チューブ内を複数の通路に仕切る第２平板部と、
を有し、
前記第１平板部には、それぞれ切り起こしによって排気ガスの流通方向に対して傾斜された面を有すると共に、排気ガスの流通方向に対する傾斜方向が互いに逆向きに設定された第１突起部と第２突起部とが多数形成され、
前記第１突起部と第２突起部とはそれぞれ、排気ガスの流通方向上流側に向かうほど前記第１平板部からの突出寸法が大きくなるようにされ、
前記第１突起部と第２突起部とは、排気ガスの流通方向において互いに異なる位置に形成され、
前記第１突起部と第２突起部とは、排気ガス流通方向での配置間隔が下流側にいくほど小さくされている、
ようにしてある。上記解決手法によれば、
特に下流側において、排気ガス流速の大きな低下が抑制され、しかも第１平板部に対する左右壁面および対向壁面間での排気ガス流速のばらつきも抑制される。これにより、特に排気ガス流速が低下する下流側におけるすすの堆積防止や熱交換効率の向上が図られる。また、排気ガス温度が低下して熱交換効率が悪くなる下流側部分において、排気ガスが衝突される突起部の数を多くして、熱交換効率向上の上で好ましいものとなる。

上記第２の解決手法を前提とした好ましい態様は、特許請求の範囲における請求項８以下に記載のとおりである。すなわち、
前記第１突起部を形成することにより前記第１平板部に形成される第１孔部が、該第１突起部の上流側に位置され、
前記第２突起部を形成することにより前記第１平板部に形成される第２孔部が、該第２突起部の上流側に位置され、
前記第１孔部と前記第２孔部とが、前記チューブの内壁によって閉塞されている、
ようにしてある（請求項８対応）。この場合、請求項２に対応した効果を得ることができる。

前記第１突起部と第２突起部とは、排気ガスの流通方向において交互に位置するように形成されている、ようにしてある（請求項９対応）。この場合、請求項４に対応した効果を得ることができる。

方形の波形形状を有する波板材によって前記第１平板部と前記第２平板部とが一体に形成されて、前記チューブの相対向する一対の内壁に対してそれぞれ該第１平板部が当接されている、ようにしてある（請求項１０対応）。この場合、請求項６に対応した効果を得ることができる。

本発明によれば、すすの堆積防止を図りつつ熱交換効率の向上を図ることができる。

本発明が適用された熱交換器の一例を示す側面断面図。 接続部材を取外した状態で図１を左方から見た正面図。 チューブを排気ガスの流れ方向から見た拡大図。 第１平板部に形成された第１突起部と第２突起部とを示す要部斜視図。 第１平板部の平面図。 第１突起部を横方向から見た側面図。 第１突起部と第２突起部とを不等ピッチで形成した一例を各突起部に対応した孔部に着目して示す平面図。 第１平板部の壁面近傍での排気ガス流速を示す図。 第１平板部を除く３面の壁面近傍での排気ガス流速を示す図。 下流部における複数の壁面間での排気ガス流速のばらつき度合を示す図。

図１，図２において、熱交換器Ｈは、ガソリンエンジンまたはディーゼルエンジンを搭載した自動車で用いるＥＧＲクーラとされている。１は外管、２は複数設けられたチューブ、３、４は排気ガスの供給、排出用となる接続部材、５，６は冷却媒体（例えば冷却水や冷却空気）の供給、排出用となる接続パイプである。外管１は、２つ割り構造とされて(図２参照）、断面形状が矩形状（４角筒）とされている。チューブ２は複数設けられて、それぞれ、扁平な矩形状とされて、その内部に、排気ガスが流通される扁平な内部空間２ａが画成されている。

複数のチューブ２は、その幅広面が対向するようにして積層状態で外管１内に配設される。各チューブ２は、その両端部において拡開されて、この拡開部位が外管１に対して例えばロウ付けによって密接状態で固定されている（外管１と各チューブ２との間で気密性および液密性が確保される）。両端部において、各チューブ２同士が密接し、しかも各チューブ２と外管１とが密接された状態でロウ付けされている。これにより、接続部材３から導入された排気ガスは、各チューブ２内のみを流れた後、接続部材４から排出される。一方、冷却水や冷却空気等の冷却媒体は、接続パイプ５から外管１内に導入された後、接続パイプ６かｔら排出される。チューブ２を介して、排気ガスと冷却媒体との間で熱交換されることになる（排気ガスの冷却）。なお、図２では、チューブ２内を簡略化して示してある（後述する波板材１０は省略してある）。

次に、図３〜図６を参照しつつ、チューブ２の詳細について説明する。まず、図３に示すように、チューブ２内には、方形の波形形状を有する波形材１０が配設される。この波形材１０によって、チューブ２の内壁（幅広面の内面）に当接する第１平板部２１と、チューブ２内を複数の通路に仕切る第２平板部２２とが構成される。第１平板部２１は、チューブ２の相対向する幅広面にそれぞれ設けられて、この第１平板部２１同士が第２平板部２２で連結された構造とされている。なお、波板材１０、外管１，チューブ２は、伝熱効率の優れた金属（例えば、鉄系金属、銅系金属、アルミニウム系金属）によって形成されている。

第１平板部２１には、切り起こしによって、第１突起部３１と第２突起部３２とが形成される。第１突起部３１，第２突起部３２は、それぞれ三角形状とされて、排気ガスの流通方向に対して傾斜されている。第１突起部３１の傾斜方向と第２突起部３２の傾斜方向とは、互いに反対方向とされている。

図５，図６を参照しつつ、第１突起部３１について詳細に説明する。まず、第１平板部２１には、第１突起部３１の切り起こしによって第１孔部４１が形成される。この第１孔部４１は、実施形態では直角三角形とされてその長辺４１ｂが排気ガスの流通方向と平行になるようにされている。そして、第１孔部４１の２つの短辺のうち、排気ガスの流通方向上流側の短辺が符合４１ａで示され、下流側の短辺が符合４１ｃで示される。

第１突起部３１は、下流側の短辺４１ｃ側から切り起こされている。すなわち、三角形状とされた第１突起部３１は、その上流側の第１辺３１ａが、第１孔部４１の上流側短辺４１ａに対応し、下流側の第２辺３１ｂが第１孔部４１の長辺４１ｂに対応している。なお、第１突起部３１の底辺３１ｃが、第１孔部４１の下流側短辺４１ｃとなる。

一方、第１平板部２１には、第２突起部３２の切り起こしによって第２孔部４２が形成される。この第２孔部４２は、実施形態では、第１孔部４１と合同形状となる直角三角形とされて、その長辺４２ｂが排気ガスの流通方向と平行になるようにされている。ただし、長辺４２ｂは、第１孔部４１の長辺４１ｂに対して左右反対方向に位置されている。

第２突起部３２は、下流側の短辺４２ｃ側から切り起こされている。すなわち、三角形状とされた第２突起部３２は、その上流側の第１辺３２ａが、第２孔部４２の上流側短辺４２ａに対応し、下流側の第２辺３２ｂが第２孔部４２の長辺４２ｂに対応している。なお、第２突起部３２の底辺が、第２孔部４２の下流側短辺４２ｃとなる。

上述のように、各突起部３１、３２は、それぞれ、排気ガスの流通方向上流側に向かうにつれて、徐々に第１平板部２１からの突出寸法が大きくなるようにされている。また、第１突起部３１は、上流側の第１辺３１ａが第１平板部２１に対してなす角度θ１が、下流側の第２辺３１ｂが第１平板部２１に対してなす角度θ２よりも大きくされている（このことは、第２突起部３２についても同じ）。なお、各孔部４１，４２は、第１平板部２１がチューブ２の内壁により当接しているために、当該チューブ２によって閉塞されているものである。

第１突起部３１と第２突起部３２とはそれぞれ多数設けられるが、実施形態では、排気ガスの流通方向において、第１突起部３１と第２突起部３２とが１つづつ交互に位置するように配設されている。突起部３１，３２は、排気ガスの流通方向において間隔をあけて配設されるが、その配設ピッチは、排気ガスの流通方向において一定であってもよいが、図７に示すように、下流側にいくほど配設間隔が小さくなるようにした不等ピッチとするのが好ましい。すなわち、排気ガスは、下流側にいくほど温度が低下して流速が低下するので、下流側での熱交換を十分に行うためにも、排気ガスに接触する突起部３１，３２をより多く確保するために、上記のような不等ピッチとするのが好ましい。

以上のような構成において、第１平板部２１の壁面近傍において、排気ガスの流通方向での排気ガス流速の変化する様子が図８に示される。この図８では、排気ガスの流通方向を４等分した区間１〜区間４に分けて、この４つの区間についての平均流速を示してある。図中、ドットを付したのが比較例であり、特許文献１に記載のように、切り起こされた突起部の突出寸法が、排気ガスの流通方向上流側に向けて徐々に小さくなるようにした設定である（本発明とは反対方向への突出寸法の設定）。また、ハッチングを付して示すのが、実施形態のうち、突起部３１，３２の配置ピッチが一定のものであり、白抜きで示すのが、図７に対応して第１突起部３１と第２突起部３２とを不等ピッチで配設したものである。なお、以上のドット、ハッチング、白抜きの３つの表示の意味することは、以下の図９、図１０においても同じである。

図８から理解されるように、本発明（ハッチング表示、または白抜き表示）では、比較例に比して、上流側と下流側とで流速の変化が小さいものとなり、また下流側での流速の低下が小さいものとなる。このことは、下流側でも十分に熱交換されて、熱交換効率向上の上で好ましいものとなり、また下流側での流速低下を極力抑制して、下流側でのすす堆積を防止する上でも好ましいものとなる。

図９は、第１平板部２１の右壁面と左壁面と対向壁面とについて、排気ガス流通方向下流側部分での壁面近傍の流速を示すものである。この図９から明かなように、本発明では、比較例に比して、流速の低下が少なく、かつ、これた三面間での流速変化も少なく、壁面全体として熱交換効率の高いものとなり、また特に下流側でのすす堆積防止の上で好ましいものとなる。

図１０は、排気ガスの流通方向下流側部分において、第１平板部２１に対する左右壁面と対向壁面との３面の間における平均流速のばらつきを示すものである。この図１０では、比較例の場合をばらつき「１」として示し、ばらつきの数値が小さいほどバラツキが少ないということを意味する。本発明では、ばらつきが、「０．２２」（等ピッチの場合）、「０．１５」（不等ピッチの場合）というように極めて小さいということが理解される。換言すれば、全ての壁面でもって効果的に熱交換が行えて、熱交換効率向上の上で好ましいものとなる。また、一部の壁面ですすが堆積しやすくなるという事態を防止する上でも好ましいものとなる。

なお、第１孔部４１，第２孔部４２は、第１突起部３１あるいは第２突起部３２の上流側に位置されているので、つまり孔部４１、４２には突起部３１あるいは３２に衝突する前の高速の排気ガスが流れるので、この各孔部４１，４２へのすすの堆積は問題とならないものである。なお、本発明においては、どの壁面においても下流側において排気ガスの流速の低下が抑制されるが、これは、突起部３１，３２が、下流側にいくほど突出寸法が小さくなっていて、突起部３１，３２の流通抵抗が小さくなっているためと考えられる。また、各面間での流速のばらつきが小さくなるのは、突起部３１，３２の左右にある壁面（第２平板部２２）に対して十分な流速が確保されるためと考えられる。さらに、突起部３１，３２は、下流側にいくほどその突出寸法が小さくなるので、この突起部３１，３２の直下流側部分の排気ガス流速を極力高めて、突起部３１，３２直下流側でのすすの堆積防止の上でも好ましいものとなる。

以上実施形態について説明したが、本発明は、実施形態に限定されるものではなく、特許請求の範囲の記載された範囲において適宜の変更が可能であり、例えば次のような場合をも含むものである。切り起こしによって形成される突起部の形状は、三角形に限らず、４角形や異形状等、適宜選択できるものである。突起部３１，３２は、第１平板部２１からの最高突出位置よりも排気ガス流通方向上流側において、急激に突出寸法が低下する部分を含んでいてもよいものである。本発明による熱交換器Ｈは、自動車用に限らず、排気ガス（すすを含んだ流体）が流れるものであれば、適宜の用途に適用できる。第１突起部３１と第２突起部３２との排気ガス流通方向への配置は、１つおきの交互配置に限らず、例えば第１突起部を２つ続けて配設した後、第２突起部を２つ続けて配設する等、適宜選択できる。勿論、本発明の目的は、明記されたものに限らず、実質的に好ましいあるいは利点として表現されたものを提供することをも暗黙的に含むものである。

本発明によれば、例えば自動車用のＥＧＲクーラ等に適用できる。

Ｈ：熱交換器
１：外管
２：チューブ
２ａ：内部空間
１０：波板材
２１：第１平板部
２２：第２平板部
３１：第１突起部
３１ａ：上流側の第１辺
３１ｂ：下流側の第２辺
３２：第２突起部
３２ａ：上流側の第１辺
３２ｂ：下流側の第２辺
４１：第１孔部
４２：第２孔部

Claims (10)

1. エンジンから排出される排気ガスと冷却媒体との間で熱交換を行うための熱交換器であって、
   排気ガスが流通される内部空間を有するチューブと、
   それぞれ前記チューブ内に位置され、該チューブ内壁に当接される第１平板部と、該チューブ内を複数の通路に仕切る第２平板部と、
   を有し、
   前記第１平板部には、それぞれ三角形状に切り起こされて排気ガスの流通方向に対して傾斜されると共に、排気ガスの流通方向に対する傾斜方向が互いに逆向きに設定された第１突起部と第２突起部とが多数形成され、
   前記第１突起部と第２突起部とはそれぞれ、排気ガスの流通方向上流側に向かうほど前記第１平板部からの突出寸法が大きくなるようにされ、
   前記第１突起部と第２突起部とは、排気ガスの流通方向において互いに異なる位置に形成されている、
   ことを特徴とする熱交換器。
2. 請求項１において、
   前記第１突起部を形成することにより前記第１平板部に形成される第１孔部が、該第１突起部の上流側に位置され、
   前記第２突起部を形成することにより前記第１平板部に形成される第２孔部が、該第２突起部の上流側に位置され、
   前記第１孔部と前記第２孔部とが、前記チューブの内壁によって閉塞されている、
   ことを特徴とする熱交換器。
3. 請求項１または請求項２において、
   前記三角形状とされた前記第１突起部と前記第２突起部とはそれぞれ、排気ガスの流通方向上流側の第１辺が前記第１平板部における底辺に対してなす角度θ１が、排気ガスの流通方向下流側の第２辺が該第１平板部における底辺に対してなす角度θ２よりも大きくされている、
   ことを特徴とする熱交換器。
4. 請求項１ないし請求項３のいずれか１項において、
   前記第１突起部と第２突起部とは、排気ガスの流通方向において交互に位置するように形成されている、ことを特徴とする熱交換器。
5. 請求項１ないし請求項４のいずれか１項において、
   前記第１突起部と第２突起部とは、排気ガス流通方向での配置間隔が下流側にいくほど小さくされている、ことを特徴とする熱交換器。
6. 請求項１ないし請求項５のいずれか１項において、
   方形の波形形状を有する波板材によって前記第１平板部と前記第２平板部とが一体に形成されて、前記チューブの相対向する一対の内壁に対してそれぞれ該第１平板部が当接されている、ことを特徴とする熱交換器。
7. エンジンから排出される排気ガスと冷却媒体との間で熱交換を行うための熱交換器であって、
   排気ガスが流通される内部空間を有するチューブと、
   それぞれ前記チューブ内に位置され、該チューブ内壁に当接される第１平板部と、該チューブ内を複数の通路に仕切る第２平板部と、
   を有し、
   前記第１平板部には、それぞれ切り起こしによって排気ガスの流通方向に対して傾斜された面を有すると共に、排気ガスの流通方向に対する傾斜方向が互いに逆向きに設定された第１突起部と第２突起部とが多数形成され、
   前記第１突起部と第２突起部とはそれぞれ、排気ガスの流通方向上流側に向かうほど前記第１平板部からの突出寸法が大きくなるようにされ、
   前記第１突起部と第２突起部とは、排気ガスの流通方向において互いに異なる位置に形成され、
   前記第１突起部と第２突起部とは、排気ガス流通方向での配置間隔が下流側にいくほど小さくされている、
   ことを特徴とする熱交換器。
8. 請求項７において、
   前記第１突起部を形成することにより前記第１平板部に形成される第１孔部が、該第１突起部の上流側に位置され、
   前記第２突起部を形成することにより前記第１平板部に形成される第２孔部が、該第２突起部の上流側に位置され、
   前記第１孔部と前記第２孔部とが、前記チューブの内壁によって閉塞されている、
   ことを特徴とする熱交換器。
9. 請求項７において、
   前記第１突起部と第２突起部とは、排気ガスの流通方向において交互に位置するように形成されている、ことを特徴とする熱交換器。
10. 請求項７において、
    方形の波形形状を有する波板材によって前記第１平板部と前記第２平板部とが一体に形成されて、前記チューブの相対向する一対の内壁に対してそれぞれ該第１平板部が当接されている、ことを特徴とする熱交換器。

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