JP6944432B2 - 熱交換器 - Google Patents

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Description

本発明は、2種類の熱媒体間で熱交換を行う熱交換器に関する。
一部の車両において、エンジンから排出された排気ガスを冷却水によって冷却し、エンジンに再循環させている。排気ガスの冷却は、EGR(Exhaust Gas Recirculation)クーラによって行なわれる。EGRクーラは、排気ガスと冷却水との間で熱交換を行う熱交換器ということができる。熱交換器に関する従来技術として特許文献1に開示される技術がある。
特許文献1には、熱交換器としてEGRクーラが開示されている。EGRクーラは、コアケースに複数の熱交換チューブが囲われ、熱交換チューブの内部に流される排気ガス(第1熱媒体)及び熱交換チューブの外周であってコアケースの内部に流される冷却水(第2熱媒体)によって熱交換を行う。EGRクーラは、さらに、一部の熱交換チューブを開閉するバルブを備えている。
排気ガスの流量が少ない場合には、一部の熱交換チューブをバルブによって閉じる。これにより、排気ガスは残った熱交換チューブにのみ流れる。これにより、排気ガスの温度が過剰に下がることを防止している。一方、排気ガスの流量が多い場合には、全ての熱交換チューブに排気ガスを流す。
これにより、エンジンに戻される排気ガスの温度を、排気ガスの流量にかかわらず目標温度に安定させることができる。換言すれば、熱交換器から排出される第1熱媒体の温度を安定させることができる。
特開2009−36063号公報
特許文献1に開示された熱交換器によれば、熱交換器から排出される第1熱媒体の温度を安定させるために、バルブを設ける必要がある。バルブを設ける分、熱交換器のコストが嵩むと共に、熱交換器が大型化する。
本発明は、安価且つ小型でありながら、排出される第1熱媒体の温度を安定させることができる熱交換器の提供を課題とする。
本発明によれば、コアケースに熱交換チューブが囲われ、前記熱交換チューブの内部に流される第1熱媒体を、前記熱交換チューブの外周であって前記コアケースの内部に流される第2熱媒体によって冷却する熱交換器において、
前記熱交換チューブは、それぞれ種類の異なる第1熱交換チューブと、第2熱交換チューブと、を含み、前記第1熱交換チューブにおいて行われる熱交換の熱量が、前記第2熱交換チューブにおいて行われる熱交換の熱量よりも多くなるよう設定され
前記第1熱交換チューブは、扁平形状を呈していると共に内部にフィンが収納され、
前記第2熱交換チューブは、円筒形状を呈することを特徴とする熱交換器が提供される。
本発明では、熱交換チューブは、それぞれ種類の異なる第1熱交換チューブと、第2熱交換チューブと、を含み、第1熱交換チューブにおいて行われる熱交換の熱量は、第2熱交換チューブにおいて行われる熱交換の熱量よりも多い。第1熱媒体の流量が少ない領域において、第1熱交換チューブでは、適温に対し過剰な熱量の熱交換が行われる。第2熱交換チューブは、第1熱交換チューブに比べて、熱交換の行われる熱量が少ない。このため、第2熱交換チューブから排出された第1熱媒体の温度は、より導入側の温度に近い。適温に対し過剰な熱量の熱交換が行われた第1熱媒体に、より導入側の温度に近い第1熱媒体が混合されることにより、流量の少ない領域において、排出される第1熱媒体の温度は、適温となる。
第1熱媒体の流量が多い領域において、第1熱交換チューブから排出される第1熱媒体の温度は、適温となるよう設定されている。一方、第2熱交換チューブは冷却する熱量が小さいため、第1熱媒体の流量が多い領域において、第2熱交換チューブから排出される第1熱媒体は高温である。第1熱媒体が高温である場合において、第2熱交換チューブ内の第1熱媒体が抵抗となり、より多くの第1熱媒体が第1熱交換チューブに流れる。第2熱交換チューブを流れる第1熱媒体の流量が少ないため、第2熱交換チューブを通過した排気ガスの影響は、相対的に低くなる。流量が多い領域において、第1熱交換チューブを通過し適温とされた第1熱媒体に、第2熱交換チューブを通過した高温の第1熱媒体が少量混合される。このため、排出される第1熱媒体の温度は過剰に上昇することなく、適温のまま熱交換器の外部に排出される。
排出される第1熱媒体の温度を安定させるためにバルブや外部制御が不要である。安価且つ小型でありながら、排出される第1熱媒体の温度を安定させることができる熱交換器を提供することができる。
実施例1によるEGRクーラを用いた排気ガス循環路を模式的に示した図である。 図1の2矢視図である。 図2の3−3線断面図である。 図2に示されたEGRクーラの排気ガス導入部を外した状態の正面図である。 図4に示された第1熱交換チューブ及び第2熱交換チューブを流れる排気ガスの温度と流量との関係を示した図である。 図4に示された第1熱交換チューブ及び第2熱交換チューブを流れる排気ガスの流量と圧力との関係を示した図である。 実施例2によるEGRクーラの排気ガス導入部を外した状態の正面図である。 実施例3によるEGRクーラの排気ガス導入部を外した状態の正面図である。
本発明の実施の形態を添付図に基づいて以下に説明する。以下の説明において、上流とは、排気ガス(第1熱媒体)の流れ方向を基準として上流を指す。下流とは、排気ガスの流れ方向を基準として下流を指す。なお、図中Frは前(上流)、Rrは後(下流)、Leは左、Riは右、Upは上、Dnは下を示している。
<実施例1>
図1を参照する。EGR(Exhaust Gas Recirculation)クーラ20(熱交換器20)は、例えば、車両用のディーゼルエンジン10(以下、「エンジン10」と記す。)に形成されている吸気口11及び排気口12に接続されて使用される。
より具体的には、排気口12から排出された排気ガス(第1熱媒体)の一部がEGRクーラ20内に送られる。送られた排気ガスは、冷却水(第2熱媒体)によって冷却され、EGRクーラ20から排出される。冷却された排気ガスは、空気と共にエンジン10内に再び送られる。エンジン10内に送る空気の酸素濃度を低下させることにより、NOx(窒素酸化物)の発生を抑制することができる。
なお、EGRクーラ20が取付けられるのは、ディーゼルエンジンに限られず、ガソリンエンジンにも適用可能である。さらには、車両以外に搭載されるエンジン等にも適用可能であり、これらのものに用途は限定されない。
図2及び図3を参照する。EGRクーラ20は、排気ガスが導入される排気ガス導入部材21(第1熱媒体導入部材21)と、この排気ガス導入部材21に接続されている上流側エンドプレート22と、この上流側エンドプレート22に接続され両端が開口しているコアケース30と、このコアケース30の下流側の端部に取付けられている下流側エンドプレート24と、この下流側エンドプレート24に接続されている排気ガス排出部材25(第1熱媒体排出部材25)と、上流側の端部が上流側エンドプレート22に固定され下流側の端部が下流側エンドプレート24に固定されている熱交換チューブ40と、排気ガス導入部材21近傍においてコアケース30の側面に取付けられ冷却水を導入する冷却水導入管27(第2熱媒体導入管27)と、この冷却水導入管27から導入された冷却水を排出するためにコアケース30の側面に取付けられている冷却水排出管28(第2熱媒体排出管28)と、を有する。
図3を参照する。排気ガス導入部材21は、上流側の端部に形成された導入部材入口21aと、下流側の端部に形成され上流側エンドプレート22に接続されている導入部材出口21bと、を有する。導入部材入口21aは、コアケース30の上下方向中央を基準として下方にオフセットされている。
排気ガス導入部材21には、他の部品へ取り付けるための導入部フランジ21cが取付けられている。
上流側エンドプレート22は、熱交換チューブ40が固定された矩形板状の上流側底部22aと、この上流側底部22aの端から下流側に向かって延びる上流側側壁部22bと、を有する。上流側底部22aには、熱交換チューブ40を差し込むための上流側差込孔22c、22dが開けられている。上流側側壁部22bの端部には、コアケース30が接合されている。
図4を併せて参照する。コアケース30は、上流側エンドプレート22を介して排気ガス導入部材21に接続されていると共に、下流側エンドプレート24を介して排気ガス排出部材25に接続されている。コアケース30は、右に向かって開口している略U字状の左部ケース半体31と、左に向かって開口している略U字状の右部ケース半体32と、が重ね合わされてなる。左部ケース半体31及び右部ケース半体32は、それぞれ接合されている。
左部ケース半体31は、上下方向に延びる左ケース底部31aと、この左ケース底部31aの上下の端部からそれぞれ右に向かって延びる左ケース側壁部31b、31bと、を有している。左ケース側壁部31b、31bの先端は、それぞれ右部ケース半体32の先端を覆っている。
右部ケース半体32は、上下方向に延びる右ケース底部32aと、この右ケース底部32aの上下の端部からそれぞれ左に向かって延びる右ケース側壁部32b、32bと、を有している。
図3を参照する。下流側エンドプレート24は、熱交換チューブ40が固定された矩形板状の下流側底部24aと、この下流側底部24aの端から上流側に向かって延びる下流側側壁部24bと、を有する。下流側底部24aには、熱交換チューブ40を差し込むための下流側差込孔24c、24dが開けられている。下流側側壁部24bの端部には、コアケース30が接合されている。
排気ガス排出部材25は、上流側の端部に形成され下流側エンドプレート24に接続されている排出部材入口25aと、下流側の端部に形成された排出部材出口25bと、を有する。排出部材出口25bは、コアケース30の上下方向中央を基準として下方にオフセットされている。
排気ガス排出部材25には、他の部品へ取り付けるための排出部フランジ25cが取付けられている。
図4を併せて参照する。熱交換チューブ40は、左右方向に長く上下方向に短い偏平形状を呈する第1熱交換チューブ41と、円筒状を呈する第2熱交換チューブ42と、を有する。第1熱交換チューブ41及び第2熱交換チューブ42は、同じエンドプレート22、24に固定されていると共に、並列に配置されている。
第1熱交換チューブ41は、それぞれ前後方向に延びると共に、上下方向に6つ積層されている。これらの第1熱交換チューブ41は、それぞれ同じ構成とされている。より詳細には、第1熱交換チューブ41は、2つのU字状のチューブ本体41a、41bの開口部分を互いに対向させ、重ね合わされてなる。
第1熱交換チューブ41には、波板状のフィン41cが収納されている。フィン41cは、チューブ本体41a、41bに当接している。
1つの第1熱交換チューブ41の流路面積は、第2熱交換チューブ42の流路面積よりも大きい。当然に、6つの第1熱交換チューブ41の流路面積の合計は、第2熱交換チューブ42の流路面積よりも大きい。
なお、フィン41cを用いるのに代えて、チューブ本体41a、41bを波板によって構成してもよい。
第2熱交換チューブ42は、第1熱交換チューブ41の下方且つ左右方向の略中央に配置されている。第2熱交換チューブ42は、排気ガス導入部材21を上流側から見た場合に、導入部材入口21aに重なる位置に配置されている。換言すれば、第2熱交換チューブ42は、導入部材入口21aに臨んでいる。さらに、第2熱交換チューブ42は、排気ガス排出部材25を下流側から見た場合に、排出部材出口25bに重なる位置に配置されている。換言すれば、第2熱交換チューブ42は、排出部材出口25bに臨んでいる。
図2を参照する。冷却水導入管27及び冷却水排出管28は、共に左部ケース半体31の左ケース底部31aに取付けられていると共に、排気ガスの流れ方向を基準として、それぞれ逆側の端部に取付けられている。
次に、EGRクーラ20の作用について説明する。
図1及び図3を参照する。エンジン10から排出された排気ガスは、排気ガス導入部材21からコアケース30内に導入される。導入された排気ガスは、第1熱交換チューブ41及び第2熱交換チューブ42を通過する。一方、それぞれの熱交換チューブ41、42の外周には、冷却水導入管27からコアケース30内に導入された冷却水が流れている。それぞれの熱交換チューブ41、42を通過する排気ガスは、外周を流れる冷却水によって冷却される。冷却された排気ガスは、排気ガス排出部材25から排出されてエンジン10に戻される。一方、排気ガスの熱を吸収した冷却水は、冷却水排出管28からコアケース30の外部へ排出される。
図3及び図5を参照する。図5には、排気ガスの流量と排気ガスの温度との関係が示されている。横軸は、排気ガスの流量[g/s]を示し、縦軸は、排気ガスの温度[℃]を示している。縦軸に記載されたTminは、EGRクーラ20から排出される排気ガスの温度として許容される温度の下限値である。縦軸に記載されたTmaxは、EGRクーラ20から排出される排気ガスの温度として許容される温度の上限値である。
図5中、Tは、第1熱交換チューブ41を通過した排気ガスの温度を示している。Tは、第2熱交換チューブ42を通過した排気ガスの温度を示している。Tは、第1熱交換チューブ41を通過した排気ガス及び第2熱交換チューブ42を通過した排気ガスが混合された排気ガス(以下、「混合された排気ガス」と記す。)の温度を示している。
、Tは、流量が少ない領域において排気ガスの温度が低く、流量が多い領域において排気ガスの温度が高くなっている。
第1熱交換チューブ41を通過した排気ガスの温度Tは、流量が少ない領域において、許容される温度の下限値Tminを下回っている。流量の少ない領域においては、第1熱交換チューブ41を通過する排気ガスは、過剰に冷やされている、ということができる。
第2熱交換チューブ42を通過した排気ガスの温度Tは、全ての領域において、第1熱交換チューブ41を通過した排気ガスの温度Tよりも高い。ここで、EGRクーラ20に導入された際の排気ガスの温度Tは、第1熱交換チューブ41を通過する排気ガスも第2熱交換チューブ42を通過する排気ガスも同じである。このため、第1熱交換チューブ41において行われる熱交換の熱量は、第2熱交換チューブ42において行われる熱交換の熱量よりも多い、ということができる。
第2熱交換チューブ42を通過した排気ガスの温度Tは、全ての領域において、許容される温度の上限値であるTmaxを上回っている。
混合された排気ガスの温度Tは、全ての領域において、許容される温度であるTminからTmaxの間にある。流量の低い領域において、第1熱交換チューブ41を通過した排気ガスと、第2熱交換チューブ42を通過した排気ガスとが混合されることにより、混合された排気ガスの温度Tは、許容される温度であるTminとTmaxとの間の温度になったものと考えられる。流量の多い領域において、混合された排気ガスの温度Tが許容される温度であるTmaxを超えない理由については、後述する。
第1熱交換チューブ41を通過した排気ガスの温度Tにおいて、最も低い温度と最も高い温度の差をΔTとする。混合された排気ガスの温度Tにおいて、最も低い温度と最も高い温度の差をΔTとする。ΔTとΔTとを比較すると、ΔTの方が小さい。つまり、ΔT>ΔTであり、混合された排気ガスの方が第1熱交換チューブ41を通過した排気ガスよりも温度が安定していたということができる。
EGRクーラ20において、第1熱交換チューブ41を通過した排気ガスと、第1熱交換チューブ41よりも熱交換の熱量が少ない第2熱交換チューブ42を通過した排気ガスと、を混合させる。これにより、混合された排気ガスの温度Tは、許容される温度であるTminからTmaxの間になると共に、排気ガスの温度も安定する。
図6を併せて参照する。図6には、EGRクーラに導入された排気ガスの圧力と各熱交換チューブを通過した排気ガスの流量との関係が示されている。横軸は、EGRクーラに導入された排気ガスの圧力[N/m]を示し、縦軸は、各熱交換チューブを通過した排気ガスの流量[g/s]を示している。
図6中、Qは、第1熱交換チューブ41を通過した排気ガスの流量を示している。Qは、第2熱交換チューブ42を通過した排気ガスの流量を示している。
第1熱交換チューブ41、第2熱交換チューブ42共に、排気ガスの圧力が上がることにより内部を流れる排気ガスの流量が増加する。全ての領域において、第1熱交換チューブ41を通過した排気ガスの流量は、第2熱交換チューブ42を通過した排気ガスの流量よりも多い。
第1熱交換チューブ41を流れる排気ガスの流量と、第2熱交換チューブ42を流れる排気ガスの流量の差であるΔQを比較する。排気ガスの圧力が最も低いときに、排気ガスの流量の差は、最も小さいΔQminであった。排気ガスの圧力が最も高いときに、排気ガスの流量の差は、最も大きいΔQmaxであった。ΔQminとΔQmaxとを比較すると、ΔQmaxの方が大きい。つまり、ΔQmin<ΔQmaxである。排気ガスの圧力が高くなるほど、相対的に第1熱交換チューブ41により多くの排気ガスが流れるということができる。
第1チューブ41と第2チューブ42との間には、熱交換能力の差(ΔT<ΔT)があり、TはTと比べて排気ガスの流量が増えるほど温度が大きく上昇する。そのため、排気ガスの体積が大きくなり、排気ガスが流れる際の抵抗になるものと考えられる。結果、排気ガスの流量が増えるほど、より多くの排気ガスが第1熱交換チューブ41に流れるものと考えられる。このため、排気ガスの流量が増えるほど、混合された排気ガスの温度Tは、第1熱交換チューブ41を通過した排気ガスの温度Tの影響を受ける。結果、流量の多い領域においても、混合された排気ガスの温度Tは、許容される温度であるTmaxを超えない。
以下、EGRクーラ20についてまとめる。
図3を参照する。コアケース30に熱交換チューブ40が囲われ、熱交換チューブ40の内部に流される排気ガスを、熱交換チューブ40の外周であってコアケース30の内部に流される冷却水によって冷却するEGRクーラ20において、
熱交換チューブ40は、それぞれ種類の異なる第1熱交換チューブ41と、第2熱交換チューブ42と、を含み、第1熱交換チューブ41において行われる熱交換の熱量が、第2熱交換チューブ42において行われる熱交換の熱量よりも多くなるよう設定されている。
図5を併せて参照する。排気ガスの流量が少ない領域において、第1熱交換チューブ41では、適温に対し過剰な熱量の熱交換が行われる。第2熱交換チューブ42は、第1熱交換チューブ41に比べて、熱交換の行われる熱量が少ない。このため、第2熱交換チューブ42から排出された排気ガスの温度Tは、より導入側の温度Tに近い。適温に対し過剰な熱量の熱交換が行われた排気ガス(第1の熱交換チューブ41を通過した排気ガス)に、より導入側の温度に近い排気ガス(第2の熱交換チューブ42を通過した排気ガス)が混合されることにより、流量の少ない領域において、排出される排気ガスの温度Tは、適温となる。
排気ガスの流量が多い領域において、第1熱交換チューブ41から排出される排気ガスの温度は、適温となるよう設定されている。一方、第2熱交換チューブ42は冷却する熱量が小さいため、排気ガスの流量が多い領域において、第2熱交換チューブ42から排出される排気ガスは高温である。排気ガスが高温である場合において、第2熱交換チューブ42内の排気ガスが抵抗となり、より多くの排気ガスが第1熱交換チューブ41に流れる。第2熱交換チューブ42を流れる排気ガスの流量が少ないため、第2熱交換チューブ42を通過した排気ガスの影響は、相対的に低くなる。排気ガスの流量が多い領域において、第1熱交換チューブ41を通過し適温とされた排気ガスに、第2熱交換チューブ42を通過した高温の排気ガスが少量混合される。このため、排出される第1熱媒体の温度は過剰に上昇することなく、適温のままEGRクーラ20の外部に排出される。
排出される排気ガスの温度を安定させるためにバルブや外部制御が不要である。安価且つ小型でありながら、排出される第1熱媒体の温度を安定させることができるEGRクーラ20を提供することができる。
第1熱交換チューブ41の流路面積は、第2熱交換チューブ42の流路面積よりも大きい。
第1熱交換チューブ41において熱交換される熱量をより増加させることができる。流量が多い領域において、第2熱交換チューブ42を通過した排気ガスの影響を低減させることができる。
第1熱交換チューブ41は、扁平形状を呈していると共に内部に.フィン41cが収納され、
第2熱交換チューブ42は、円筒形状を呈する。
扁平形状を呈していると共に内部にフィン41cが収納されていることにより、第1熱交換チューブ41における熱交換を促すことができる。一方、高温の第1熱媒体が流れる第2熱交換チューブ42は、円筒形状に形成することにより負荷の加わる部分が分散され、保護性能を高めることができる。
熱交換チューブ40に第1熱媒体を導入する排気ガス導入部材21がコアケース30に接続され、
排気ガスの流れ方向を基準として、排気ガス導入部材21は、上流側の端部に排気ガスの通過する導入部材入口21aが開けられてなり、
第2熱交換チューブ42は、導入部材入口21aに臨んでいる。
第2熱交換チューブ42を導入部材入口21aに臨ませることにより、第2熱交換チューブ42に所定の量の排気ガスを確実に導くことができる。排気ガスの流量が少ない際に、EGRクーラ20から排出されるガスの温度を、より確実に所定の温度より高くすることができる。これにより、排気ガスの温度の安定性を高めることができる。
<実施例2>
図7には、実施例2によるEGRクーラ20A(熱交換器20A)が示されている。実施例2によるEGRクーラ20Aにおいては、実施例1によるEGRクーラ20(図4参照)に対して、第2熱交換チューブ42の数を変更した。その他の基本的な構成については、実施例1によるEGRクーラ20と共通する。実施例1と共通する部分については、符号を流用すると共に、詳細な説明を省略する。
実施例2によるEGRクーラ20Aは、第2熱交換チューブ42Aを、3本有している。熱交換の行われる面積を変更することにより、図6に示される混合された排気ガスの温度Tの特性を調節することができる。
以上に説明したEGRクーラ20Aも、本発明所定の効果を奏する。
<実施例3>
図8には、実施例3によるEGRクーラ20B(熱交換器20B)が示されている。実施例3によるEGRクーラ20Bにおいては、実施例1によるEGRクーラ20(図4参照)に対して、第2熱交換チューブ42の形状を変更した。その他の基本的な構成については、実施例1によるEGRクーラ20と共通する。実施例1と共通する部分については、符号を流用すると共に、詳細な説明を省略する。
実施例3によるEGRクーラ20Bは、扁平状の第2熱交換チューブ42Bを有している。熱交換の行われる面積を変更することにより、図6に示される混合された排気ガスの温度Tの特性を調節することができる。
以上に説明したEGRクーラ20Bも、本発明所定の効果を奏する。
尚、本発明の熱交換器は、実施の形態ではEGRクーラに適用したが、その他の用途にも適用可能である。さらに、気体と液体との熱交換に限らず、気体と気体とを熱交換する場合にも用いることができる。
本発明は、作用及び効果を奏する限りにおいて、実施例に限定されるものではない。
本発明の熱交換器は、EGRクーラに好適である。
20、20A、20B…EGRクーラ(熱交換器)
21…排気ガス導入部材(第1熱媒体導入部材)
21a…導入部材入口
30…コアケース
40…熱交換チューブ
41…第1熱交換チューブ
42…第2熱交換チューブ

Claims (3)

  1. コアケースに熱交換チューブが囲われ、前記熱交換チューブの内部に流される第1熱媒体を、前記熱交換チューブの外周であって前記コアケースの内部に流される第2熱媒体によって冷却する熱交換器において、
    前記熱交換チューブは、それぞれ種類の異なる第1熱交換チューブと、第2熱交換チューブと、を含み、前記第1熱交換チューブにおいて行われる熱交換の熱量が、前記第2熱交換チューブにおいて行われる熱交換の熱量よりも多くなるよう設定され
    前記第1熱交換チューブは、扁平形状を呈していると共に内部にフィンが収納され、
    前記第2熱交換チューブは、円筒形状を呈することを特徴とする熱交換器。
  2. 前記第1熱交換チューブの流路面積は、前記第2熱交換チューブの流路面積よりも大きいことを特徴とする請求項1記載の熱交換器。
  3. 前記熱交換チューブに前記第1熱媒体を導入する第1熱媒体導入部材が前記コアケースに接続され、
    前記第1熱媒体の流れ方向を基準として、前記第1熱媒体導入部材は、上流側の端部に前記第1熱媒体の通過する導入部材入口が開けられてなり、
    前記第2熱交換チューブは、前記導入部材入口に臨んでいることを特徴とする請求項1又は請求項2いずれか1項記載の熱交換器。
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