JP6391714B2

JP6391714B2 - Ｅｇｒガス差圧低減用ウェーブフィンプレートを有する熱交換器

Info

Publication number: JP6391714B2
Application number: JP2016571261A
Authority: JP
Inventors: グクチョ、ヨン
Original assignee: Korens Co Ltd
Current assignee: Korens Co Ltd
Priority date: 2014-06-13
Filing date: 2014-06-19
Publication date: 2018-09-19
Anticipated expiration: 2034-06-19
Also published as: US9951724B2; CN107076533A; KR101569829B1; US20170184060A1; EP3156753A4; EP3156753B1; WO2015190635A1; JP2017516975A; ES2764838T3; EP3156753A1; CN107076533B

Description

本発明は、ＥＧＲガス差圧低減用ウェーブフィンプレートを有する熱交換器に係り、詳しくは、ガスインレットの位置に隣接する固定ピッチ区間と、ガスアウトレットの位置に隣接する可変ピッチ区間とを含むウェーブフィンプレートにより差圧を大きく低減することができる熱交換器に関する。

一般に、ＥＧＲ（ＥｘｈａｕｓｔＧａｓＲｅｃｉｒｃｕｌａｔｉｏｎ）システムは、排気ガスの一部をさらに吸気系へ再循環させて吸入空気中のＣＯ_２濃度を増大させ、燃焼室の温度を低下させることにより、ＮＯｘを低減させるシステムである。

この種のシステムには、冷却水によって排気ガスを冷却する排気ガス熱交換器（通常、「ＥＧＲクーラー（ＥＧＲＣｏｏｌｅｒ）」とも呼ばれる）が用いられている。該排気ガス熱交換器は、７００℃程度の排気ガス温度を１５０〜２００℃まで冷却しなければならないので、耐熱性材質でなければならず、自動車に設置されるためにコンパクトに設計されるべきであり、適切なＥＧＲ量を供給するために圧力降下が最小化されなければならず、熱交換中に排気ガスから凝縮が発生した場合、燃料の硫黄成分のため凝縮水に硫酸が含まれて腐食を起こしやすいので、防食性材料でなければならず、排気ガスの脈動の影響で機械的負荷が作用するので、一定の機械的強度がなければならない。

このような排気ガス熱交換器は、複数のガスチューブが積層されたチューブ積層コアを含み、各ガスチューブの内部には排気ガスが通過する排気ガス用通路が設けられ、隣接するガスチューブ同士の間には冷却水用通路が設けられる。排気ガス熱交換器のガスチューブ内には、流体の乱流化を誘導することにより、流体の熱交換効率を向上させることができるフィン構造体、すなわち、ウェーブフィンプレートが設置される。通常「ウェーブフィン」とも呼ばれるウェーブフィンプレートは複数のウェーブフィンを含むが、各ウェーブフィンは全長区間にわたって連なる山状または谷状を含む一定ピッチの正弦（ｓｉｎ）曲線形態を有する。
ウェーブフィンの流体通路を通過する流体、すなわち排気ガスは、上述のように、一定ピッチを有するウェーブフィンの正弦曲線形態によって乱流化を起こし、これにより、排気ガス熱交換器の熱交換効率の向上に寄与する。一方、車両開発の際に、ＥＧＲクーラーの性能及び差圧要求事項はエンジンごとに異なるが、性能（または効率）はより高くかつ差圧はより低く要求されている。しかし、一定ピッチの正弦曲線形態を有するウェーブフィンからなるウェーブフィンプレートでは、効率を維持しながらも差圧を下げるのには困難さがあった。

そこで、本発明は、ガスインレットの位置に隣接する固定ピッチ区間と、ガスアウトレットの位置に隣接する可変ピッチ区間とを含むウェーブフィンプレートにより、効率を維持しながらも差圧を大きく低減した、熱交換器を提供することを課題とする。

本発明のある観点による熱交換器は、熱交換器本体と、前記熱交換器本体内への排気ガスの流入が行われるガスインレットと、前記熱交換器本体内への冷却水の流入が行われる冷却水インレットと、冷却水との熱交換によって冷却した排気ガスを排出するガスアウトレットと、熱交換済みの冷却水を排出する冷却水アウトレットとを含んでなり、前記熱交換器本体は、複数のガスチューブが並んで積層されてなるチューブ積層コアと、前記チューブ積層コアの両端部を除く残りの部分を取り囲むように形成されたハウジングと、幅方向に沿って断面Ｕ字形のウェーブフィンおよびこれに続く断面逆Ｕ字形のウェーブフィンを含む複数のウェーブフィンを一体に含み、前記ガスチューブそれぞれの内部に配置されるウェーブフィンプレートとを含み、前記ウェーブフィンそれぞれは、長さ方向に沿ってガスインレットの位置に隣接する固定ピッチ区間、およびガスアウトレットの位置に隣接する可変ピッチ区間を含み、前記可変ピッチ区間内のウェーブフィンのピッチは前記固定ピッチ区間内のウェーブフィンのピッチよりも常に大きく、前記可変ピッチ区間は前記ウェーブフィンプレートの全長の１０〜６０％を占める。

一実施形態において、前記ウェーブフィンそれぞれは、前記可変ピッチ区間の一番目のピッチが前記固定ピッチ区間の固定ピッチよりも１．１〜２．５倍大きくなるように構成できる。

一実施形態において、前記可変ピッチ区間のウェーブフィンのピッチは、ガスアウトレットの位置へ行くほど益々大きくなるように構成できる。

一実施形態において、前記可変ピッチ区間のウェーブフィンのピッチは、互いに同一となるように構成できる。

一実施形態において、前記可変ピッチ区間のウェーブフィンのピッチは、ガスアウトレットの位置へ行くほど益々小さくなるように構成できる。

一実施形態において、前記ウェーブフィンは、第１波形部と、前記第１波形部と連続して位置し、前記第１波形部との間に特定のピッチを限定する第２波形部とを含み、前記第１波形部は第１曲率半径を有し、前記第２波形部は前記第１曲率半径の１．５〜３倍の第２曲率半径を有しうる。

一実施形態において、前記ウェーブフィンは、４〜８ｍｍの一定の高さを有するように構成できる。

一実施形態において、前記ウェーブフィンそれぞれは、全てのピッチが３〜８ｍｍの範囲内にあるように構成できる。

一実施形態において、前記ウェーブフィンプレートは、金属板材をプレス成形、ギア成形、およびこれらの組み合わせの中から選択された成形によって成形することにより構成され、前記ウェーブフィンは、前記チューブ積層コア内で溶接、半田付け、粘着及びこれらの組み合わせの中から選択された接合によって一体に接合することにより構成できる。

一実施形態において、前記ウェーブフィンプレートを構成する金属板材は、ＳＵＳ３０４、ＳＵＳ３０４Ｌ、ＳＵＳ３１６、およびＳＵＳ３１６Ｌの中から選択されたいずれかのオーステナイト系ステンレス鋼の材質を有し、その板厚が０．０５〜０．３ｍｍであってもよい。

本発明によれば、可変ピッチ区間を持つウェーブフィンを含むウェーブフィンプレートの適用により、効率を維持しながらも差圧を大きく低減することができる熱交換器が実現される。特に、ウェーブフィンの全長に対して、ウェーブフィン全長中の可変ピッチ区間の長さ占有率が１０〜６０％であるとき、差圧を大きく減らしながらも効率はほぼ同様に維持することができる。また、可変ピッチ区間の一番目のウェーブフィンピッチが固定ピッチ区間のウェーブフィンピッチよりも１．１〜２．５倍に制限されることにより、効率の低下をさらに最小限に抑えることができる。

本発明の一実施形態に係るＥＧＲシステム向けの排気ガス熱交換器を概略的に説明するための斜視図図１に示した熱交換器本体を分解して示す分解斜視図図２に示した熱交換器本体から分離したウェーブフィンプレートを示す拡大斜視図（ａ）と（ｂ）は本発明の実施形態によってウェーブフィンが可変ピッチ区間を有するウェーブフィンプレートと、従来技術によってウェーブフィンが一定ピッチを有するウェーブフィンプレートとを比較して示す説明図本発明の一実施形態に係るウェーブフィンプレートの一定ピッチ区間と可変ピッチ区間を示す説明図本発明の一実施形態に係るウェーブフィンプレートの可変ピッチ区間内の隣り合う波形部間の曲率半径の関係の説明図可変ピッチ区間を有するウェーブフィンを含むウェーブフィンプレートが適用された熱交換器（本発明）と、一定ピッチを有するウェーブフィンからなるウェーブフィンプレートが適用された熱交換器との差圧および効率を比較したグラフ

以下、添付図面を参照して本発明の好適な実施形態を詳細に説明する。次に紹介される実施形態は、当業者に本発明の思想が十分に伝達されるようにするための例として提供される。したがって、本発明は、これらの実施形態に限定されず、他の形態に具体化できる。図面において、構成要素の幅、長さ、厚さなどは便宜のために誇張されて表現できる。

図１は本発明の一実施形態に係るＥＧＲシステム向けの排気ガス熱交換器を概略的に説明するための斜視図、図２は図１に示した熱交換器本体を分解して示す分解斜視図、図３は図２に示した熱交換器本体から分離したウェーブフィンプレートを示す拡大斜視図、図４は（ａ）と（ｂ）は本発明の実施形態によってウェーブフィンが可変ピッチ区間を有するウェーブフィンプレートと、従来技術によってウェーブフィンが一定ピッチを有するウェーブフィンプレートとを比較して示す図、図５は本発明の一実施形態に係るウェーブフィンプレートの一定ピッチ区間と可変ピッチ区間を示す図、図６は本発明の一実施形態に係るウェーブフィンプレートの可変ピッチ区間内の隣り合う波形部間の曲率半径の関係を説明するための図、図７は可変ピッチ区間を有するウェーブフィンを含むウェーブフィンプレートが適用された熱交換器（本発明）と、一定ピッチを有するウェーブフィンからなるウェーブフィンプレートが適用された熱交換器との差圧および効率を比較して説明するためのグラフである。

まず、図１を参照すると、排気ガス熱交換器は、排気ガスの一部をさらに吸気系へ再循環させて吸入空気中のＣＯ_２濃度を増大させ、燃焼室の温度を低下させることにより、ＮＯｘを低減させるＥＧＲシステムに適用されるものであって、排気ガスと冷却水との熱交換により排気ガスの冷却が行われる熱交換器本体１と、前記熱交換器本体１内への排気ガスの流入が行われるガスインレット２と、前記熱交換器本体１内への冷却水の流入が行われる冷却水インレット３と、冷却水との熱交換によって冷却した排気ガスを排出するガスアウトレット４と、熱交換済みの冷却水を排出する冷却水アウトレット５とを含んでなる。

図２を参照すると、前記熱交換器本体１は、長さ方向に沿って長く設けられた略直方体のチューブ積層コア１０と、前記チューブ積層コア１０の両端部を除いた残りの部分を取り囲むように形成された四角ボックス形のハウジング２０とを含む。前記ハウジング２０は、前記チューブ積層コア１０の両サイドと上部を覆うように略「コ」字状の断面に形成された第１ハウジングシェル２１と、前記第１ハウジングシェル２１の下端開放部を仕上げるように、前記第１ハウジングシェル２１に結合した断面「コ」字状の第２ハウジングシェル２２とを含んでなる。
前記第１及び第２ハウジングシェル２１、２２は、エンボス加工が可能な薄い厚さの金属薄板素材を切断し、折り曲げて製作できる。前記チューブ積層コア１０は、複数のガスチューブ１１が横に並んで積層されてなる。

前記ガスチューブ１１それぞれは、互いに対向するように折り曲げられ、「コ」字状の断面およびそれに対称な断面を有する第１及び第２チューブプレートの側壁（またはフランジ）同士が重なり合った後、ろう付けによって接合されて断面略四角形の排気ガス通路を有するように製作できる。
前記ガスチューブ１１それぞれの内部には、排気ガスが通過する排気ガス用通路が設けられ、前記熱交換器本体１は、ガスチューブ１１それぞれの内部排気ガス通路に設置されたウェーブフィンプレート１２を含む。前記ウェーブフィンプレート１２は、本発明の主要特徴を構成する部分であって、排気ガスの乱流化および排気ガス伝熱面積を拡大させて排気ガス熱交換器の性能を高めるのに大きく寄与する。次に、前記ウェーブフィンプレート１２の主要構成及び特徴についてはより詳細に説明する。一方、隣接するガスチューブ１１同士の間には冷却水用通路が設けられる。

また、前記熱交換器本体１は、チューブ積層コア１０の両端部に前記チューブ積層コア１０のガスチューブ１１の位置を決定する２セットのチューブ保持プレートを含むことができる。チューブ保持プレートの各セットは、第１チューブ保持プレート３１と、前記第１チューブ保持プレート３１の前面に積層される第２チューブ保持プレート３２とを含む。前記第１及び第２チューブ保持プレート３１、３２は、ガスチューブ１１が挿入されるチューブ挿入ホールを備える。

図３を参照すると、前記ウェーブフィンプレート１２は、幅方向に沿って複数のウェーブフィン１２１ａ、１２１ｂを一体に含み、複数のウェーブフィン１２１ａ、１２１ｂ（総称して１２１）は、断面略凹形または断面略Ｕ字形のウェーブフィン１２１ａと、これに隣り合うまたは続く略凸形または断面略逆Ｕ字形のウェーブフィン１２１ｂとを含む。また、前記複数のウェーブフィン１２１ａまたは１２１ｂ（総称して１２１）それぞれは、長さ方向に緩やかな放物型凹部と凸部が連続的に連なって略うねり形状、波形または正弦曲線形状を有する。前記ウェーブフィンプレート１２は、金属板材をプレス成形、ギア成形およびこれらの組み合わせの中から選択された成形によって成形することにより構成され、前記チューブ積層コア内で溶接、半田付け、粘着及びこれらの組み合わせの中から選択された接合によって一体に接合することにより構成される。

前記ウェーブフィンプレート１２を構成する金属板材は、ＳＵＳ３０４、ＳＵＳ３０４Ｌ、ＳＵＳ３１６、およびＳＵＳ３１６Ｌの中から選択されたいずれかのオーステナイト系ステンレス鋼の材質を有し、その板厚が０．０５〜０．３ｍｍであってもよい。

図３、図４の（ａ）及び図５に示すように、本実施形態に係るウェーブフィン１２１ａまたは１２１ｂ（１２１）は、長さ方向に沿ってピッチが可変的に変化するように構成されるが、少なくとも熱交換器のガスインレット（ｇａｓｉｎｌｅｔ）側ではなく、ガスアウトレット（ｇａｓｏｕｔｌｅｔ）側でピッチが大きくなっている。これは、排気ガスがウェーブフィン１２１ａまたは１２１ｂ（１２１）の波形にぶつかりながら渦流を形成した後、長いピッチの波形を有するガスアウトレット側に行きながら渦流の勢いが減るようにして、結果的に差圧を減らすのに寄与する。

図４の（ｂ）に示す従来のウェーブフィンプレートのウェーブフィン１２１’はガスインレット側からガス出口側までの長さ全体にわたって同じピッチを有するが、これはガス差圧を減らすのには限界を持つ。

図５に示すように、ウェーブフィン１２１は、ガスインレットの位置から全長の４０％に相当する中間位置まで一定ピッチａを有する固定ピッチ区間Ａと、中間位置からガスアウトレットの位置まで可変ピッチｂ、ｃ、…を有する可変ピッチ区間Ｂとを含む。
本実施形態において、前記可変ピッチ区間Ｂは、ガスインレットの位置から熱交換器の全長の４０％〜９０％に相当する中間位置とアウトレットの位置との間に存在する。すなわち、前記可変ピッチ区間Ｂは、ガスインレットの位置から前記ウェーブフィン１２１の全長の４０％〜９０％に相当する位置から始まり、アウトレットの位置まで存在する。このとき、固定ピッチ区間Ａは、ガスインレットの位置から前記ウェーブフィン１２１の全長の４０％〜９０％に相当する位置まで存在する。

この場合、前記固定ピッチ区間Ａは、前記ウェーブフィンプレート１２または前記ウェーブフィン１２１の全長の４０〜９０％を占め、可変ピッチ区間Ｂは、前記ウェーブフィンプレート１２または前記ウェーブフィン１２１の全長の１０〜６０％を占める。
可変ピッチ区間Ｂの一番目のピッチｂは、固定ピッチ区間Ａの固定ピッチａよりも大きいが、約１．１〜２．５倍に決められるのが良い。また、可変ピッチ区間Ｂにおけるピッチは漸進的に変化できるが、好ましくは、可変ピッチ区間Ｂ内の連続するピッチのうち、後行ピッチは先行ピッチに対して１．２〜１．８倍、より好ましくは１．５倍ずつ増加するようにするのが良い。この際、前記ウェーブフィン１２１それぞれは、全てのピッチが３〜８ｍｍの範囲内にあるように構成されるのが良い。また、前記ウェーブフィンのピッチは、両波形部（凹部または凸部）の頂点間の距離によって決められるが、各波形部は、図６に示すように、曲率半径Ｒ１またはＲ２を有する。このとき、後行波形部の曲率半径Ｒ２は、先行波形部の曲率半径Ｒ１の１．５〜３倍に決められることが好ましい。また、ウェーブフィンは、その高さＨが常に一定であるが、約４〜８ｍｍの高さＨ（図３参照）に決められることが好ましい。

また、前記可変ピッチ区間Ｂ内のウェーブフィン１２１の全てのピッチが互いに同一となるように構成してもよく、互いに異なるように構成してもよい。例えば、前記可変ピッチ区間Ｂの開始点から終了点たるアウトレットの位置に行くほど、ウェーブフィン１２１のピッチが益々大きくなるように構成してもよく、益々小さくなるように構成してもよい。

図７はウェーブフィンプレートのウェーブフィンピッチが異なるように設計して差圧および効率を測定した実験の条件および結果を示すグラフである。
図７を参照すると、グラフの１００％は、基本ピッチを固定ピッチにして全部適用した場合（従来技術）を示し、８０％（実施例１）、６５％（実施例２）および５０％（実施例３）は、基本ピッチの区間をウェーブフィン１２１の全長の当該パーセンテージ（８０％、６５％、５０％）だけ固定ピッチ区間とし、残りの長さの区間を基本ピッチの１．５倍または２倍のピッチを持つように可変ピッチ区間とした場合を示す。

これを参照すると、実施例１、実施例２及び実施例３のように可変ピッチ効率区間を置くことにより、熱交換効率は、１００％固定ピッチ区間を置くときと比較して類似しながらも、差圧を大幅に低減することができることが分かる。
全長区間の６０％を超えて可変ピッチ区間を置いた場合（または全長区間の４０％未満に固定ピッチ区間を決める場合）には、効率が過度に低下し、全長区間の１０％未満に可変ピッチ区間を置いた場合（または全長区間の９０％超過に固定ピッチ区間を決める場合）には、所望の差圧低減効果を得ることができなかった。よって、ウェーブフィン全長の１０〜６０％の可変ピッチ区間を出口側と近くに配置するのが最も有利である。

Claims

熱交換器本体と、前記熱交換器本体内への排気ガスの流入が行われるガスインレットと、前記熱交換器本体内への冷却水の流入が行われる冷却水インレットと、冷却水との熱交換によって冷却した排気ガスを排出するガスアウトレットと、熱交換済みの冷却水を排出する冷却水アウトレットとを有する熱交換器において、
前記熱交換器本体は、
複数のガスチューブが並んで積層されてなるチューブ積層コアと、
前記チューブ積層コアの両端部を除く残りの部分を取り囲むように形成されたハウジングと、
幅方向に沿って断面Ｕ字形のウェーブフィンおよびこれに続く断面逆Ｕ字形のウェーブフィンを含む複数のウェーブフィンを一体に備え、前記ガスチューブそれぞれの内部に配置されるウェーブフィンプレートとを備え、
前記ウェーブフィンそれぞれは、長さ方向に沿ってガスインレットの位置に隣接する固定ピッチ区間、およびガスアウトレットの位置に隣接する可変ピッチ区間を有し、前記可変ピッチ区間内のウェーブフィンのピッチは前記固定ピッチ区間内のウェーブフィンのピッチよりも常に大きく、前記可変ピッチ区間は前記ウェーブフィンプレートの全長の１０〜６０％を占め、
前記可変ピッチ区間のウェーブフィンのピッチは、ガスアウトレットの位置へ行くほど益々小さくなるように構成される
ことを特徴とする熱交換器。
前記ウェーブフィンそれぞれは、前記可変ピッチ区間の一番目のピッチが前記固定ピッチ区間の固定ピッチよりも１．１〜２．５倍大きい
請求項１に記載の熱交換器。
前記可変ピッチ区間は、先行区間に対してピッチが１．２〜１．８倍ずつ漸進的に増加する複数の区間を有する
請求項２に記載の熱交換器。
前記ウェーブフィンは、第１波形部と、前記第１波形部と連続して位置し、前記第１波形部との間に特定のピッチを限定する第２波形部とを備え、前記第１波形部は第１曲率半径を有し、前記第２波形部は前記第１曲率半径の１．５〜３倍の第２曲率半径を有する
請求項１に記載の熱交換器。
前記ウェーブフィンは４〜８ｍｍの一定の高さを有する
請求項１に記載の熱交換器。
前記ウェーブフィンそれぞれは、全てのピッチが３〜８ｍｍの範囲内にある
請求項１に記載の熱交換器。
前記ウェーブフィンプレートは、金属板材をプレス成形、ギア成形およびこれらの組み合わせの中から選択された成形によって成形することにより構成され、前記ウェーブフィンは、前記チューブ積層コア内で溶接、半田付け、粘着及びこれらの組み合わせの中から選択された接合によって一体に接合することにより構成される
請求項１ないし６のいずれかに記載の熱交換器。
前記ウェーブフィンプレートを構成する金属板材は、ＳＵＳ３０４、ＳＵＳ３０４Ｌ、ＳＵＳ３１６、およびＳＵＳ３１６Ｌの中から選択されたいずれかのオーステナイト系ステンレス鋼の材質を有し、その板厚が０．０５〜０．３ｍｍである
請求項７に記載の熱交換器。