WO2014064812A1 - 熱交換器 - Google Patents

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heat
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冨田翔
黒木錬太郎
平井琢也
北山武志
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トヨタ自動車株式会社
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    • F28F21/00—Constructions of heat-exchange apparatus characterised by the selection of particular materials
    • F28F21/04—Constructions of heat-exchange apparatus characterised by the selection of particular materials of ceramic; of concrete; of natural stone

Definitions

  • the present invention relates to a heat exchanger.
  • Patent Document 1 a first fluid circulation part formed by a honeycomb structure having a plurality of cells through which a heating body as a first fluid circulates, and an outer peripheral part of the first fluid circulation part are provided.
  • a heat exchanger having a second fluid circulation part is disclosed. The refrigerant flows through the second fluid circulation portion, takes heat from the heating body that circulates in the first fluid circulation portion, and cools the heating body.
  • Patent Document 2 discloses an air-cooled semiconductor heat sink that includes a radial cooling surface and a cooling surface that is integrated with the radial cooling surface and that is concentric with respect to an axis.
  • the radial cooling surface and the concentric cooling surface disclosed in Patent Document 2 are easy to secure a heat radiation area, and it is considered effective to be used in combination with the heat exchanger disclosed in Patent Document 1.
  • the combination of the radial cooling surface and the concentric cooling surface has room for further improvement in terms of heat transfer efficiency (thermal conductivity) in consideration of the arrangement of the refrigerant and the heating object to be cooled. It was.
  • an object is to obtain good thermal conductivity in the heat exchanger disclosed in this specification.
  • the heat exchanger disclosed in the present specification is provided in at least one of a heat exchanger through which a fluid to be cooled passes, a center portion and an outer peripheral portion of the heat exchanger, A refrigerant passage through which a refrigerant that exchanges heat with the heat exchange body flows, the heat exchange body extending from a central portion toward an outer peripheral portion, a circumferential direction, and the first heat transfer means.
  • a second heat transfer means that intersects with the first heat transfer means.
  • the heat transfer efficiency of the first heat transfer means is higher than the heat transfer efficiency of the second heat transfer means.
  • the heat transfer efficiency is understood as a value obtained by multiplying the thermal conductivity, which is a physical property value of the material forming the heat exchanger, by the thickness per partition.
  • the heat transfer efficiency toward the refrigerant passage is improved by setting the heat flow efficiency in the radial direction, that is, the heat transfer path toward the refrigerant passage provided at the center or outer periphery of the heat exchanger. Thereby, the favorable heat conductivity in a heat exchanger can be obtained and the cooling object can be cooled effectively.
  • the first heat transfer means is a first partition that extends radially from the center of the heat exchanger to the outer periphery
  • the second heat transfer means is a concentric second partition
  • the first The thickness of the partition may be set larger than the thickness of the second partition.
  • the concentric partition wall that is, the second partition wall
  • the heat transfer efficiency of such a concentric partition wall must be lower than the heat transfer efficiency of the radially extending partition wall, that is, the first partition wall. Therefore, by setting the thickness of the first partition to be greater than the thickness of the second partition, the heat transfer efficiency of the first partition serving as the first heat transfer means is made higher than that of the second partition.
  • the first heat transfer means is a first partition that extends radially from the center of the heat exchanger to the outer periphery
  • the second heat transfer means is a concentric second partition
  • the first The thermal conductivity of the partition wall material may be higher than the thermal conductivity of the second partition wall material.
  • the concentric partition wall that is, the second partition wall
  • the heat transfer efficiency of such a concentric partition wall must be lower than the heat transfer efficiency of the radially extending partition wall, that is, the first partition wall.
  • the first partition is made of a material having a thermal conductivity higher than that of the material forming the second partition, so that the heat transfer efficiency of the first partition serving as the first heat transfer means can be increased. Higher than that.
  • the thermal conductivity can be made different between the material forming the first partition and the material forming the second partition. That is, the first partition can be formed of a material having a thermal conductivity higher than that of the material forming the second partition.
  • the first heat transfer means is a first partition extending from an inlet side to an outlet side of a fluid to be cooled in the heat exchange body
  • the second heat transfer means is a cooling object in the heat exchange body.
  • a second partition extending from the inlet side to the outlet side of the fluid, and at least one of the thickness of the first partition and the second partition is made thinner as the thickness goes from the inlet side to the outlet side May be provided.
  • the temperature of the fluid to be cooled is higher as it is closer to the inlet of the heat exchanger. Therefore, by increasing the thickness of the first partition and the second partition toward the side closer to the inlet, heat can be easily conducted to the refrigerant passage side, and temperature efficiency is increased.
  • the first heat transfer means is a first partition extending from an inlet side to an outlet side of a fluid to be cooled in the heat exchange body
  • the second heat transfer means is a cooling object in the heat exchange body.
  • a second partition that extends from the inlet side to the outlet side of the fluid, and at least one of the thickness of the first partition and the second partition is made thicker as the thickness goes from the inlet side to the outlet side May be provided.
  • FIG. 1 is an explanatory diagram showing a schematic configuration of a heat exchanger according to the first embodiment.
  • 2 is a cross-sectional view taken along line AA in FIG.
  • FIG. 3 is an explanatory view showing the thicknesses of the first partition and the second partition.
  • FIG. 4 is an explanatory view showing a modification in which the density of the second partition is changed.
  • FIG. 5 is an explanatory view showing the arrangement of the second partition walls in the modification shown in FIG.
  • FIG. 6 is an explanatory view showing a heat exchanger according to the second embodiment.
  • FIGS. 7A to 7C are explanatory views showing a heat exchanger according to the third embodiment.
  • FIGS. 8A to 8C are explanatory views showing a heat exchanger according to the fourth embodiment.
  • FIG. 9 is an explanatory view showing an example in which the cross-sectional shape of the second partition is rectangular.
  • FIG. 10 is an explanatory diagram showing an example in which the cross-sectional shape of the second partition wall is a spiral shape.
  • FIG. 11 is an explanatory view showing an example in which the cross-sectional shape of the second partition is an elliptical shape.
  • FIG. 12 is an explanatory view showing an example in which refrigerant passages are provided in the center portion and the outer peripheral portion of the heat exchanger.
  • FIG. 1 is an explanatory diagram showing a schematic configuration of a heat exchanger 1 of the first embodiment.
  • 2 is a cross-sectional view taken along line AA in FIG.
  • FIG. 3 is an explanatory view showing the thickness of the partition provided in the heat exchanger 1.
  • the heat exchanger 1 includes an EGR pipe 2 through which EGR gas flows.
  • the EGR pipe is a stainless steel (SUS) pipe material.
  • the EGR pipe 2 can also use other materials such as aluminum.
  • the heat exchanger 1 includes a housing member 3 that joins an end 3 a to an end 2 a of the EGR pipe 2 and forms a refrigerant passage 4 on the outer periphery of the EGR pipe 2.
  • the housing member 3 is also made of stainless steel (SUS).
  • the housing member 3 includes a refrigerant inlet 3b1 for introducing the refrigerant into the refrigerant passage 4 and a refrigerant outlet 3b2 for discharging the refrigerant in the refrigerant passage 4.
  • cooling water is used.
  • a stay 3 c is provided on the outer wall of the housing member 3.
  • a heat exchange element 5 arranged in contact with the inner peripheral wall surface 2b of the EGR pipe 2 is accommodated.
  • a fluid to be cooled that is, EGR gas in the present embodiment, passes through the heat exchanger 5.
  • the heat exchanger 5 is made of silicon carbide (SiC) ceramic.
  • the ceramic material has efficient heat conduction and can exhibit high corrosion resistance. For this reason, the ceramic material which has high heat conductivity is suitable as a material of the heat exchange body and coating
  • the heat exchange element 5 is formed in a cylindrical shape, and a passage is formed so that EGR gas can pass therethrough.
  • the heat exchanger 5 can exchange heat with the refrigerant flowing through the refrigerant passage 4 via the EGR pipe 2. That is, when the EGR gas passes through the heat exchanger 5, the EGR gas exchanges heat with the refrigerant via the heat exchanger 5 and the EGR pipe 2 and is cooled.
  • the heat exchanger 5 includes first partition walls 5a extending radially from the center 6 toward the outer periphery as first heat transfer means extending from the center 6 toward the outer periphery. Moreover, the heat exchanger 5 is provided with concentric 2nd partition 5b as a 2nd heat transfer means extended along the circumferential direction and cross
  • the central portion 6 is not required to be completely at the center of the heat exchange element 5.
  • the 1st partition 5a should just form the heat transfer path
  • the shape of the 2nd partition 5b should just be provided with the part continued in the circumferential direction.
  • the second partition wall 5b may be circular, elliptical, or rectangular in a cross section orthogonal to the fluid flow direction. Moreover, it is not calculated
  • Such a 2nd partition 5b can improve the intensity
  • the thickness T1 of the first partition 5a is thicker than the thickness T2 of the second partition 5b.
  • the heat transfer efficiency of the first heat transfer means that is, the first partition wall 5a is changed to the second heat transfer efficiency.
  • Means that is, higher than the heat transfer efficiency of the second partition wall 5b.
  • the second partition wall 5b since the second partition wall 5b is thin, pressure loss can be reduced, which contributes to improvement in thermal efficiency.
  • the second partition walls 5b can reduce the thickness of each sheet and increase the number of sheets. If the number of the second partition walls 5b increases, the contact area with the fluid can be further increased. As a result, the temperature efficiency is further improved. Even if the number of the second partition walls 5b is increased, an increase in pressure loss can be suppressed by reducing the thickness of the second partition walls 5b.
  • reducing the thickness of each second partition 5b as the number of second partitions 5b increases satisfies the relationship between the thickness of the first partition 5a and the thickness of the second partition 5b. But it ’s convenient. Further, reducing the thickness of the second partition wall 5b is advantageous in securing the EGR gas channel area.
  • the comparison between the thickness of the first partition 5a and the thickness of the second partition 5b will be described in more detail. Even if the first partition wall 5a is locally thin and the thickness of the portion may be smaller than the thickness of an arbitrary position on the second partition wall 5b, the average of the first partition wall 5a The thickness should just be thicker than the average thickness of the 2nd partition 5b.
  • Such a heat exchanger 1 includes cone members 8 on the upstream side and the downstream side of the EGR pipe 2.
  • the upstream cone member 8 is a member that serves as an introduction part for introducing EGR gas into the EGR pipe 2
  • the downstream cone member 8 is a member that serves as an EGR gas discharge part within the EGR pipe 2.
  • the cone member 8 is joined to the housing member 3 by brazing so that the larger diameter side covers the end 3 a of the housing member 3.
  • a flange member 9 is joined to the tip of the cone member 8 by brazing.
  • the heat exchanger 1 is connected to the exhaust manifold of the engine by a flange member 9 on the upstream side.
  • the heat exchanger 1 is connected to the intake pipe on the downstream side.
  • the heat exchanger 1 is attached to the engine body by a stay 3c provided on the outer wall of the housing member 3.
  • FIG. 4 is an explanatory view showing a modification in which the density of the second partition is changed.
  • FIG. 5 is an explanatory view showing the arrangement of the second partition walls in the modification shown in FIG.
  • a plurality of second partition walls 5b are arranged concentrically.
  • the distance between the adjacent second partition walls 5b is expressed as Ln.
  • n is a natural number that increases from the center 6 toward the outer periphery.
  • the distance Ln increases toward the outer periphery. That is, the second partition walls 5 b are arranged more densely as the distance from the center portion 6 is closer.
  • the fluid, that is, the EGR gas easily flows as it approaches the outer peripheral portion side.
  • the refrigerant path 4 is provided in the outer peripheral part. For this reason, in order to cool EGR gas efficiently, it is desirable to distribute a large amount of EGR gas through the outer peripheral portion close to the refrigerant passage 4. Therefore, by arranging the second partition walls 5b densely on the side closer to the central portion 6, more EGR gas can be flowed to the outer peripheral portion than the central portion, and the temperature efficiency can be improved.
  • the arrangement of the distance Ln does not have to be Ln ⁇ 1 ⁇ Ln in the entire region. In short, it is only necessary that a portion where the second partition walls 5b are densely arranged is formed in a region close to the central portion 6.
  • FIG. 6 is an explanatory view showing the heat exchanger 20 of the second embodiment.
  • FIG. 6 corresponds to FIG. 2 for explaining the first embodiment.
  • the heat exchanger 20 of the second embodiment differs from the heat exchanger 1 of the first embodiment in the following points. That is, the thermal conductivity of the material of the first partition 25a is higher than the thermal conductivity of the material of the second partition 5b. Moreover, the thickness of the 1st partition 25a and the thickness of the 2nd partition 25b are made the same. Since other components are the same, common components are denoted by the same reference numerals in the drawings, and detailed description thereof is omitted.
  • the first partition wall 25a is made of high thermal conductive ceramic.
  • the second partition wall 25b is formed of a normal ceramic, that is, a ceramic whose thermal conductivity (thermal conductivity) is inferior to the material of the first partition wall 25a.
  • the heat exchanger 20 of the second embodiment can have the same thickness as the first partition wall 25a and the second partition wall 25b. For this reason, pressure loss can be reduced.
  • FIG. 7A is an explanatory view of the heat exchanger 30 of the third embodiment as viewed from the inlet side.
  • FIG. 7B is a cross-sectional view taken along line BB in FIG.
  • FIG. 7C is an explanatory view of the heat exchanger 30 of the third embodiment viewed from the outlet side.
  • the first partition wall 35a corresponding to the first heat transfer means extends from the EGR gas inlet side to the outlet side of the heat exchanger 35. And the thickness is made thin as it goes to the exit side from the entrance side. That is, the thickness Tin on the inlet side> the thickness Tout on the outlet side.
  • the EGR gas flowing into the heat exchanger 35 is higher toward the inlet side. Therefore, on the inlet side, the thickness Tin on the inlet side is made larger than the thickness Tout on the outlet side in order to transfer more heat toward the refrigerant passage 4. Thereby, EGR gas can be cooled efficiently.
  • the thickness of the first partition wall 35a is changed.
  • the thickness of the second partition wall 35b extending from the EGR gas inlet side to the outlet side of the heat exchanger 35 is changed from the first partition wall 35a toward the outlet side with the first partition wall 35a. You can also make it thinner.
  • FIG. 8A is an explanatory view of the heat exchanger 40 of the fourth embodiment as viewed from the inlet side.
  • FIG. 8B is a cross-sectional view taken along the line CC in FIG.
  • FIG. 8C is an explanatory view of the heat exchanger 40 of the fourth embodiment viewed from the outlet side.
  • the first partition 45a corresponding to the first heat transfer means extends from the EGR gas inlet side to the outlet side of the heat exchanger 45.
  • the thickness is increased from the entrance side toward the exit side. That is, the thickness on the inlet side Tin ⁇ the thickness Tout on the outlet side.
  • entrance can be reduced.
  • the temperature of the EGR gas is high and the volume of the EGR gas is large. Therefore, if the flow path area is narrow, the influence on the pressure loss increases, and the pressure loss increases. Therefore, the thickness Tin on the inlet side is made thinner than the thickness Tout on the outlet side. Thereby, the fluid can be cooled efficiently. Moreover, the fall of temperature efficiency is suppressed because the exit side is made thick.
  • the thickness of the first partition 45a is changed.
  • the thickness of the second partition wall 45b extending from the EGR gas inlet side to the outlet side in the heat exchanger 45 is changed from the first partition wall 45a to the outlet side from the inlet side to the outlet side. It can also be thickened according to
  • the fourth embodiment is contrary to the third embodiment, but can be selected depending on which one is important.
  • FIG. 9 shows the heat exchanger 50 in which the second partition wall 55b has a rectangular cross-sectional shape.
  • the heat exchanger 50 includes an EGR pipe 52, a housing 53, and a refrigerant passage 54, all of which have a rectangular cross section.
  • the heat exchange body 55 provided with the 1st partition 55a and the 2nd partition 55b is provided.
  • FIG. 10 shows a heat exchanger 60 in which the cross-sectional shape of the second partition wall is a spiral shape.
  • the heat exchanger 60 includes the EGR pipe 2, the housing 3, and the refrigerant passage 4 as in the first embodiment. And the heat exchange body 65 provided with the 1st partition 65a which cross
  • the same configuration as that of the first to third embodiments can be employed.
  • FIG. 11 shows a heat exchanger 70 in which the cross-sectional shape of the second partition is an ellipse.
  • the heat exchanger 70 includes an EGR pipe 72, a housing 73, and a refrigerant passage 74, all of which have an elliptical cross section.
  • the heat exchange body 75 provided with the 1st partition 75a and the 2nd partition 75b is provided. In this way, even when the cross section is elliptical, the same configuration as in the first to third embodiments can be adopted.
  • FIG. 12 shows a heat exchanger 80 in which refrigerant passages are provided at the center and the outer periphery of the heat exchanger.
  • the heat exchanger 80 includes a refrigerant passage 11 disposed in the center portion in addition to the refrigerant passage 4 disposed in the outer peripheral portion. Even in such a case, the same configuration as in the first to third embodiments can be employed. Thereby, heat can be efficiently transmitted to the refrigerant passage 4 and the refrigerant passage 11, and the EGR gas can be cooled.

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Abstract

　熱交換器は、冷却対象となる流体が通過する熱交換体と、前記熱交換体の中心部と外周部の少なくとも一方に設けられ、前記熱交換体と熱交換する冷媒が流通する冷媒通路と、を備え、前記熱交換体は、中心部から外周部に向かって延びる第１伝熱手段と、周方向に沿って延び、前記第１伝熱手段と交差する第２伝熱手段と、を備え、前記第１伝熱手段の伝熱効率が前記第２伝熱手段の伝熱効率よりも高い。これにより、外周部へ中心部に配置された冷媒通路に向かって効率的に熱伝達することができ、熱交換器における良好な熱伝導性を得て、冷却効率を向上することができる。

Description

熱交換器
　本発明は、熱交換器に関する。
　従来、種々の熱交換器が知られている。例えば、特許文献１には、第一の流体である加熱体が流通する複数のセルを有するハニカム構造体によって形成された第一流体流通部と、この第一流体流通部の外周部に設けられた第二流体流通部を備えた熱交換器が開示されている。第二流体流通部には、冷媒が流通し、第一流体流通部内を流通する加熱体から熱を奪い、加熱体を冷却する。また、特許文献２には、放射状の冷却面と、この放射状の冷却面と一体化され、軸に対して同心円状の冷却面を具備した空冷式半導体ヒートシンクが開示されている。特許文献２に開示された放射状の冷却面と同心円状の冷却面は、放熱面積を確保し易く、特許文献１に開示された熱交換器に組み合わせて用いることも有効であると考えられる。
国際公開２０１１／０７１１６１号公報 特開２００３－１００９７４号公報
　しかしながら、上記放射状の冷却面と同心円状の冷却面との組み合わせは、冷媒と、冷却対象となる加熱体の配置を考慮すると、伝熱効率（熱伝導性）の点でさらなる改良の余地を有していた。
　そこで、本明細書開示の熱交換器における良好な熱伝導性を得ることを課題とする。
　かかる課題を解決するために、本明細書に開示された熱交換器は、冷却対象となる流体が通過する熱交換体と、前記熱交換体の中心部と外周部の少なくとも一方に設けられ、前記熱交換体と熱交換する冷媒が流通する冷媒通路と、を備え、前記熱交換体は、中心部から外周部に向かって延びる第１伝熱手段と、周方向に沿って延び、前記第１伝熱手段と交差する第２伝熱手段と、を備えている。そして、前記第１伝熱手段の伝熱効率が前記第２伝熱手段の伝熱効率よりも高い。ここで、伝熱効率は、熱交換体を形成する材料の物性値である熱伝導率に１隔壁あたりの厚みを掛けた値として理解される。
　半径方向の熱の流れ、すなわち、熱交換体の中心部や外周部に設けられた冷媒通路に向かう伝熱経路の伝熱効率を高く設定し、冷媒通路へ向かう熱伝導性を向上させる。これにより、熱交換器における良好な熱伝導性を得て、冷却対象を効果的に冷却することができる。
　前記第１伝熱手段は、前記熱交換体の中心部から外周部に向かって放射状に延びる第１隔壁であり、前記第２伝熱手段は、同心状の第２隔壁であり、前記第１隔壁の厚みは、前記第２隔壁の厚みよりも厚く設定してもよい。同心状の隔壁、すなわち、第２隔壁は、冷却対象となる流体との接触面積を拡大することができる。その一方で、このような同心状の隔壁の伝熱効率は、放射状に延びる隔壁、すなわち、第１隔壁の伝熱効率よりも低くなければならない。そこで、第１隔壁の厚みを第２隔壁の厚みよりも厚く設定することにより、第１伝熱手段となる第１隔壁の伝熱効率を第２隔壁よりも高くしている。
　前記第１伝熱手段は、前記熱交換体の中心部から外周部に向かって放射状に延びる第１隔壁であり、前記第２伝熱手段は、同心状の第２隔壁であり、前記第１隔壁の材料の熱伝導性は、前記第２隔壁の材料の熱伝導性よりも高くしてもよい。上述のように、同心状の隔壁、すなわち、第２隔壁は、冷却対象となる流体との接触面積を拡大することができる。その一方で、このような同心状の隔壁の伝熱効率は、放射状に延びる隔壁、すなわち、第１隔壁の伝熱効率よりも低くなければならない。そこで、第１隔壁を、第２隔壁を形成する材料の熱伝導性よりも高い熱伝導性を有する材料によって形成することにより、第１伝熱手段となる第１隔壁の伝熱効率を第２隔壁よりも高くしている。熱伝導性に違いを持たせるためには、第１隔壁を形成する材料と第２隔壁を形成する材料との間で熱伝導率を異ならせることができる。すなわち、第１隔壁を、第２隔壁を形成する材料の熱伝導率よりも高い熱伝導率である材料により形成することができる。
　前記第１伝熱手段は、前記熱交換体における冷却対象となる流体の入口側から出口側に向かって延びる第１隔壁であり、前記第２伝熱手段は、前記熱交換体における冷却対象となる流体の入口側から出口側に向かって延びる第２隔壁であり、前記第１隔壁の厚みと前記第２隔壁の少なくとも一方は、その厚みが前記入口側から出口側に向かうに従って薄くされた部分を備えていてもよい。冷却対象となる流体の温度は、熱交換体の入口に近い程、温度が高い。そこで、第１隔壁や第２隔壁の厚みを、入口に近い側程厚くすることにより、冷媒通路側へ熱を伝導し易くし、温度効率を高める。
　前記第１伝熱手段は、前記熱交換体における冷却対象となる流体の入口側から出口側に向かって延びる第１隔壁であり、前記第２伝熱手段は、前記熱交換体における冷却対象となる流体の入口側から出口側に向かって延びる第２隔壁であり、前記第１隔壁の厚みと前記第２隔壁の少なくとも一方は、その厚みが前記入口側から出口側に向かうに従って厚くされた部分を備えていてもよい。圧力損失の低減を優先する形態である。熱交換体の入口近傍では、流体の温度が高く、その体積が大きい。このため、流路面積が狭いと圧力損失への影響が大きくなり、圧力損失が高くなる。そこで、第１隔壁や第２隔壁の厚みを、入口に近い側程薄くすることにより、圧力損失を低減し、出口に近い側程厚くすることによって温度効率の低下を防ぐ。
　本明細書開示の熱交換器によれば、良好な熱伝導性を得ることができる。
図１は第１実施形態の熱交換器の概略構成を示す説明図である。 図２は図１におけるＡ－Ａ線断面図である。 図３は第１隔壁及び第２隔壁の厚みを示す説明図である。 図４は第２隔壁の密度を変化させた変形例を示す説明図である。 図５は図４に示す変形例における第２隔壁の配置を示す説明図である。 図６は第２実施形態の熱交換器を示す説明図である。 図７（Ａ）～（Ｃ）は第３実施形態の熱交換器を示す説明図である。 図８は（Ａ）～（Ｃ）は第４実施形態の熱交換器を示す説明図である。 図９は第２隔壁の断面形状を矩形とした例を示す説明図である。 図１０は第２隔壁の断面形状を螺旋形状とした例を示す説明図である。 図１１は第２隔壁の断面形状を楕円形状とした例を示す説明図である。 図１２は冷媒通路を熱交換体の中心部と外周部とに設けた例を示す説明図である。
　以下、本発明の実施形態について、添付図面を参照しつつ説明する。ただし、図面中、各部の寸法、比率等は、実際のものと完全に一致するようには図示されていない場合がある。また、図面によっては細部が省略されて描かれている場合もある。
（第１実施形態）
　まず、図１乃至３を参照して、第１実施形態の熱交換器１について説明する。熱交換器１は、種々の流体を冷却対象とすることができるが、第１実施形態では、内燃機関に装備される排気再循環装置に組み込まれ、ＥＧＲ（Exhaust　Gas　Recirculation）ガスを冷却するＥＧＲクーラとして用いられる。図１は第１実施形態の熱交換器１の概略構成を示す説明図である。図２は図１におけるＡ－Ａ線断面図である。図３は熱交換器１が備える隔壁の厚みを示す説明図である。
　熱交換器１は、内部にＥＧＲガスが流通するＥＧＲ配管２を備える。ＥＧＲ配管は、ステンレス（ＳＵＳ）製の管材である。ＥＧＲ配管２はアルミ等、他の材料を用いることもできる。熱交換器１は、端部３ａをＥＧＲ配管２の端部２ａに接合し、ＥＧＲ配管２の外周部に冷媒通路４を形成するハウジング部材３を備えている。ハウジング部材３もステンレス（ＳＵＳ）製である。ハウジング部材３には、冷媒通路４に冷媒を導入する冷媒入口３ｂ１と冷媒通路４内の冷媒を排出する冷媒出口３ｂ２を備えている。冷媒はどのようなものであってもよいが、本実施形態では、冷却水を用いている。ハウジング部材３の外壁にはステー３ｃが設けられている。
　ＥＧＲ配管２内には、ＥＧＲ配管２の内周壁面２ｂに当接させて配置された熱交換体５が収容されている。熱交換体５には、冷却対象となる流体、すなわち、本実施形態では、ＥＧＲガスが通過する。熱交換体５は、炭化ケイ素（ＳｉＣ）セラミック製である。セラミック材料は、効率的な熱伝導を有するとともに、高い耐蝕性を発揮することができる。このため、高熱伝導率を有するセラミック材料は、ＥＧＲ配管内に配置される熱交換体や被覆部材の材料として好適である。熱交換体５は、筒状に成形されており、ＥＧＲガスが通過できるように通路が形成されている。熱交換体５は、ＥＧＲ配管２を介して冷媒通路４内を流通する冷媒と熱交換することができる。すなわち、ＥＧＲガスは熱交換体５を通過する際に熱交換体５及びＥＧＲ配管２を介して冷媒と熱交換され、冷却される。
　図２を参照すると、熱交換体５は、その中心部６から外周部に向かって延びる第１伝熱手段として、中心部６から外周部に向かって放射状に延びる第１隔壁５ａを備える。また、熱交換体５は、周方向に沿って延び、第１隔壁５ａと交差する第２伝熱手段として、同心状の第２隔壁５ｂを備える。ここで、中心部６は、熱交換体５の完全に中心であることは求められない。第１隔壁５ａは、熱交換体５の内側から外側に向かう熱伝達経路を形成するものであればよい。すなわち、半径方向に延びるものであれば良く、途中で波状になっていたり、湾曲していたりしてもよい。一方、第２隔壁５ｂの形状は、周方向に連なる部分を備えていればよい。第２隔壁５ｂは、流体の流通方向に直交する断面において円形であったり、楕円形であったり、矩形であってもよい。また、完全な環状を備えていることは求められず、環状が開放された形状のものであってもよい。このような第２隔壁５ｂは、第１隔壁５ａと交差することで、熱交換体５の強度を向上させることができる。また、第２隔壁５ｂを設けることにより、流体との接触面積を増大することができ、温度効率を向上させることができる。
　ここで、図２及び図３を参照すると、第１隔壁５ａの厚みＴ１は第２隔壁５ｂの厚みＴ２よりも厚い。このように、第１実施形態では、第１隔壁５ａと第２隔壁５ｂの厚みに変化を持たせることにより、第１伝熱手段、すなわち、第１隔壁５ａの伝熱効率を、第２伝熱手段、すなわち、第２隔壁５ｂの伝熱効率よりも高くしている。このように、第１隔壁５ａの厚みを厚くして、冷媒通路４へ向かう熱伝導経路を太くすることによって伝熱効率を高くすることができる。また、第２隔壁５ｂを厚くしてしまうと、その分、圧力損失が増大する。しかしながら、第１実施形態では、第２隔壁５ｂは薄いので、圧力損失を低減することができ、熱効率の向上に寄与している。ここで、第２隔壁５ｂは、一枚一枚の厚みを薄くするとともに、枚数を増加させることができる。第２隔壁５ｂの枚数が増加すれば、流体との接触面積をより増大することができる。その結果、温度効率がさらに向上する。第２隔壁５ｂの枚数を増加させても、第２隔壁５ｂの厚みを薄くすれば圧力損失の増大が抑制される。このように第２隔壁５ｂの枚数の増加に伴って一枚一枚の第２隔壁５ｂの厚みを薄くすることは、第１隔壁５ａの厚みと第２隔壁５ｂの厚みとの関係を満たす上でも都合がよい。また、第２隔壁５ｂを薄くすることは、ＥＧＲガスの流路面積を確保する上でも有利となる。
　ここで、第１隔壁５ａの厚みと第２隔壁５ｂの厚みの比較についてより詳細に説明する。仮に、第１隔壁５ａが局所的に薄くなっており、その箇所の厚みが、第２隔壁５ｂ上の任意の位置の厚みよりも薄くなっていることがあっても、第１隔壁５ａの平均厚みが、第２隔壁５ｂの平均厚みよりも厚くなっていればよい。
　なお、仮に、正方形のセルを備えた熱交換体を円筒状のＥＧＲ配管に収納すると、ＥＧＲ配管近傍で、セルは正方形を維持することが困難となったり、セルの寸法も小さくなったりしてしまう。この結果、目詰まりが起こり易く、また、最外周部のセル内を流通するＥＧＲガス量が低下して、冷却効率が低下する可能性がある。放射状に延びる第１隔壁５ａと同心状の第２隔壁５ｂとを組み合わせたことにより、正方形のセルを採用した場合に懸念される不都合を解消することができる。
　このような熱交換器１は、ＥＧＲ配管２の上流側及び下流側にコーン部材８を備えている。上流側のコーン部材８は、ＥＧＲ配管２内にＥＧＲガスを導入する導入部となる部材であり、下流側のコーン部材８はＥＧＲ配管２内のＥＧＲガスの排出部となる部材である。コーン部材８は、径の大きい側がハウジング部材３の端部３ａを覆うようにしてハウジング部材３にろう付けにより接合される。コーン部材８の先端部には、フランジ部材９がろう付けにより接合されている。熱交換器１は、その上流側においてフランジ部材９により、エンジンのエキゾーストマニホールドへ接続される。また、熱交換器１は、その下流側において、吸気管に接続される。なお、熱交換器１は、ハウジング部材３の外壁に設けられたステー３ｃによってエンジン本体に取り付けられている。
　ここで、第１実施形態の変形例について図４、図５を参照しつつ説明する。図４は第２隔壁の密度を変化させた変形例を示す説明図である。図５は図４に示す変形例における第２隔壁の配置を示す説明図である。
　第２隔壁５ｂは、同心状に複数、配置されている。ここで、隣接する第２隔壁５ｂ間の距離をＬｎと表示することとする。ｎは、中心部６から外周部に向かって増加する自然数である。距離Ｌｎは、外周部に向かうに従って大きくなる。すなわち、第２隔壁５ｂは、中心部６に近いほど密に配置されている。これにより、外周部側に近づくにつれて流体、すなわちＥＧＲガスが流れ易くなる。第１実施形態では、冷媒通路４は外周部に設けられている。このため、効率的にＥＧＲガスを冷却するためには、冷媒通路４に近い外周部により大量のＥＧＲガスを流通させることが望ましい。そこで、中心部６に近い側に第２隔壁５ｂを密に配置することにより、中心部よりも外周部へより多くのＥＧＲガスを流し、温度効率を向上させることができる。
　なお、距離Ｌｎの並びは、全域において、Ｌｎ－１＜Ｌｎとなっていなくてもよい。要は、中心部６に近い領域に第２隔壁５ｂが密に配置された部分が形成されていればよい。
（第２実施形態）
　つぎに、第２実施形態について、図６を参照しつつ説明する。図６は第２実施形態の熱交換器２０を示す説明図である。図６は、第１実施形態を説明する図２に対応する。第２実施形態の熱交換器２０と第１実施形態の熱交換器１とは、以下の点で異なる。すなわち、第１隔壁２５ａの材料の熱伝導性が、第２隔壁５ｂの材料の熱伝導性よりも高い。また、第１隔壁２５ａの厚みと第２隔壁２５ｂの厚みは、同一とされている。他の構成要素については、同一であるので、共通する構成要素については図面中、同一の参照番号を付し、その詳細な説明は省略する。
　第１隔壁２５ａは高熱伝導のセラミックによって形成されている。一方、第２隔壁２５ｂは通常のセラミック、すなわち、第１隔壁２５ａの材料と比較してその熱伝導性（熱伝導率）が劣るセラミックによって形成されている。これにより、第１隔壁２５ａ及び第２隔壁２５ｂが流体から奪った熱は、第１隔壁２５ａを通じて冷媒通路４へ向かって伝達され易くなる。第２実施形態の熱交換器２０は、第１実施形態と異なり、第１隔壁２５ａの厚みと第２隔壁２５ｂの厚みと同じにすることができる。このため、圧力損失を低減することができる。
（第３実施形態）
　つぎに、第３実施形態の熱交換器３０について図７（Ａ）～（Ｃ）を参照しつつ説明する。図７（Ａ）は第３実施形態の熱交換器３０を入口側から観た説明図である。図７（Ｂ）は、図７（Ａ）におけるＢ―Ｂ線断面図である。図７（Ｃ）は第３実施形態の熱交換器３０を出口側から観た説明図である。
　第１伝熱手段に相当する第１隔壁３５ａは、熱交換体３５におけるＥＧＲガスの入口側から出口側に向かって延びている。そして、その厚みは、入口側から出口側に向かうに従って薄くされている。すなわち、入口側の厚みＴｉｎ＞出口側の厚みＴｏｕｔとされている。熱交換体３５に流入するＥＧＲガスは、入口側ほど高い。そこで、入口側において、より多くの熱を冷媒通路４に向かって伝達すべく、入口側の厚みＴｉｎを出口側の厚みＴｏｕｔよりも厚くしている。これにより、効率よく、ＥＧＲガスを冷却することができる。なお、図７（Ａ）～（Ｃ）に示す例では、第１隔壁３５ａの厚みを変化させている。ここで、熱交換体３５におけるＥＧＲガスの入口側から出口側に向かって延びる第２隔壁３５ｂの厚みを、第１隔壁３５ａに代えて、又は、第１隔壁３５ａとともに入口側から出口側に向かうに従って薄くすることもできる。
（第４実施形態）
　つぎに、第４実施形態の熱交換器４０について図８（Ａ）～（Ｃ）を参照しつつ説明する。図８（Ａ）は第４実施形態の熱交換器４０を入口側から観た説明図である。図８（Ｂ）は、図８（Ａ）におけるＣ―Ｃ線断面図である。図８（Ｃ）は第４実施形態の熱交換器４０を出口側から観た説明図である。
　第１伝熱手段に相当する第１隔壁４５ａは、熱交換体４５におけるＥＧＲガスの入口側から出口側に向かって延びている。そして、その厚みは、入口側から出口側に向かうに従って厚くされている。すなわち、入口側の厚みＴｉｎ＜出口側の厚みＴｏｕｔとされている。これにより、入口における圧力損失を低下させることができる。入口近傍では、ＥＧＲガスの温度が高く、ＥＧＲガスの体積も大きいことから、流路面積が狭いと圧力損失への影響が大きくなり、圧力損失が高くなる。そこで、入口側の厚みＴｉｎを出口側の厚みＴｏｕｔよりも薄くしている。これにより、効率よく、流体を冷却することができる。また、出口側が厚くされていることにより温度効率の低下が抑制されている。なお、図８（Ａ）～（Ｃ）に示す例では、第１隔壁４５ａの厚みを変化させている。ここで、熱交換体４５におけるＥＧＲガスの入口側から出口側に向かって延びる第２隔壁４５ｂの厚みを、第１隔壁４５ａに代えて、又は、第１隔壁４５ａとともに入口側から出口側に向かうに従って厚くすることもできる。
　なお、第４実施形態は、第３実施形態とは背反となるが、いずれを重視するかによって選択することができる。
（変形例）
　つぎに、各種変形例について説明する。
　図９は第２隔壁５５ｂの断面形状を矩形とした熱交換器５０を示している。熱交換器５０は、第１実施形態と同様に、ＥＧＲ配管５２、ハウジング５３、冷媒通路５４を備えるが、これらはいずれも断面矩形とされている。また、第１隔壁５５ａと第２隔壁５５ｂを備えた熱交換体５５を備えている。このように、断面矩形とした場合であっても、第１実施形態～第４実施形態と同様の構成を採用することができる。
　つぎに、図１０は第２状隔壁の断面形状を螺旋形状とした熱交換器６０を示している。熱交換器６０は、第１実施形態と同様に、ＥＧＲ配管２、ハウジング３、冷媒通路４を備える。そして、螺旋形状の第２隔壁６５ｂと交差する第１隔壁６５ａを備えた熱交換体６５を備える。このように、第２隔壁６５ｂの断面形状を螺旋形状とした場合であっても、第１実施形態～第３実施形態と同様の構成を採用することができる。
　つぎに、図１１は第２隔壁の断面形状を楕円形状とした熱交換器７０を示している。熱交換器７０は、第１実施形態と同様に、ＥＧＲ配管７２、ハウジング７３、冷媒通路７４を備えるが、これらはいずれも断面楕円形とされている。また、第１隔壁７５ａと第２隔壁７５ｂを備えた熱交換体７５を備えている。このように、断面楕円形とした場合であっても、第１実施形態～第３実施形態と同様の構成を採用することができる。
　つぎに、図１２は冷媒通路を熱交換体の中心部と外周部とに設けた熱交換器８０を示している。熱交換器８０は、外周部に配置された冷媒通路４に加え、中心部に配置された冷媒通路１１を備える。このような場合であっても第１実施形態～第３実施形態と同様の構成を採用することができる。これにより、効率よく冷媒通路４及び冷媒通路１１に熱を伝達することができ、ＥＧＲガスを冷却することができる。
　上記実施例は本発明を実施するための例にすぎず、本発明はこれらに限定されるものではなく、これらの実施例を種々変形することは本発明の範囲内であり、更に本発明の範囲内において、他の様々な実施例が可能であることは上記記載から自明である。例えば、ＥＧＲクーラ以外の用途にも用いることができる。
　１、２０、３０、４０、５０、６０、７０　熱交換器
　２　ＥＧＲ配管
　３、５３、７３　ハウジング
　４、５４、７４　冷媒通路
　５、２５、５５、６５、７５　熱交換体
　５ａ、２５ａ、５５ａ、６５ａ、７５ａ　第１隔壁
　５ｂ、２５ｂ、５５ｂ、６５ｂ、７５ｂ　第２隔壁

Claims (5)

  1. 　冷却対象となる流体が通過する熱交換体と、
    　前記熱交換体の中心部と外周部の少なくとも一方に設けられ、前記熱交換体と熱交換する冷媒が流通する冷媒通路と、を備え、
    　前記熱交換体は、中心部から外周部に向かって延びる第１伝熱手段と、周方向に沿って延び、前記第１伝熱手段と交差する第２伝熱手段と、を備え、前記第１伝熱手段の伝熱効率が前記第２伝熱手段の伝熱効率よりも高い熱交換器。
  2. 　前記第１伝熱手段は、前記熱交換体の中心部から外周部に向かって放射状に延びる第１隔壁であり、
    　前記第２伝熱手段は、同心状の第２隔壁であり、
    　前記第１隔壁の厚みは、前記第２隔壁の厚みよりも厚い請求項１に記載の熱交換器。
  3. 　前記第１伝熱手段は、前記熱交換体の中心部から外周部に向かって放射状に延びる第１隔壁であり、
    　前記第２伝熱手段は、同心状の第２隔壁であり、
    　前記第１隔壁の材料の熱伝導性は、前記第２隔壁の材料の熱伝導性よりも高い請求項１又は２に記載の熱交換器。
  4. 　前記第１伝熱手段は、前記熱交換体における冷却対象となる流体の入口側から出口側に向かって延びる第１隔壁であり、前記第２伝熱手段は、前記熱交換体における冷却対象となる流体の入口側から出口側に向かって延びる第２隔壁であり、前記第１隔壁の厚みと前記第２隔壁の少なくとも一方は、その厚みが前記入口側から出口側に向かうに従って薄くされた部分を備える請求項１乃至３のいずれか一項に記載の熱交換器。
  5. 　前記第１伝熱手段は、前記熱交換体における冷却対象となる流体の入口側から出口側に向かって延びる第１隔壁であり、前記第２伝熱手段は、前記熱交換体における冷却対象となる流体の入口側から出口側に向かって延びる第２隔壁であり、前記第１隔壁の厚みと前記第２隔壁の少なくとも一方は、その厚みが前記入口側から出口側に向かうに従って厚くされた部分を備える請求項１乃至３のいずれか一項に記載の熱交換器。
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