JP2003201923A - 排気熱交換装置 - Google Patents

排気熱交換装置

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JP2003201923A JP2002000494A JP2002000494A JP2003201923A JP 2003201923 A JP2003201923 A JP 2003201923A JP 2002000494 A JP2002000494 A JP 2002000494A JP 2002000494 A JP2002000494 A JP 2002000494A JP 2003201923 A JP2003201923 A JP 2003201923A
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Abstract

(57)【要約】 【課題】 冷却水が局所的に沸騰してしまうことを防止
して、ＥＧＲクーラの耐沸騰性を向上させる。 【解決手段】 冷却水流入口１２ｄから流入する冷却水
の流入方向と略平行な方向に延びる隙間１２ｇの寸法δ
ｉｎ１を排気チューブ１１間の隙間１１ａの寸法δｔと
同等する。具体的に、寸法δｉｎ１を１ｍｍ以上、５ｍ
ｍ以下とする。これにより、隙間１２ｇを流れる冷却水
の流速が所定流速を下回るほど小さくなることを防止す
ることが可能となるので、隙間１２ｇにて冷却水が局所
的に沸騰することを防止することが可能となる。

Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、熱機関から排出さ
れる排気と冷却用の流体との間で熱交換を行う排気熱交
換装置に関するもので、ＥＧＲ（排気再循環装置）用の
排気を冷却するＥＧＲガス熱交換装置（ＥＧＲクーラ）
に適用して有効である。
【０００２】
【従来の技術及び発明が解決しようとする課題】図１０
は発明者等が試作したＥＧＲクーラを示す図であり、こ
のＥＧＲクーラ１０は、排気が流れる扁平状に形成され
た複数本の排気チューブ１１、及び排気チューブ１１を
内部に収納して排気チューブ１１周りに冷却水が流通す
る冷却水通路を構成する角パイプ状のケーシング１２等
からなるものである。
【０００３】しかし、発明者等の試験検討によると、上
記試作品においては、冷却水通路のうち排気通路の入口
側に対応する部位において、冷却水が局所的に沸騰して
しまい、その局所部位において排気通路と冷却水通路と
を区画する排気チューブに熱損傷が発生してしまうとと
もに、瞬間的に内圧が急上昇するため、ＥＧＲクーラの
耐久性が悪化してしまう可能性があることが判明した。
【０００４】本発明は、上記点に鑑み、冷却水が局所的
に沸騰してしまうことを防止して、排気熱交換装置の耐
沸騰性を向上させることを目的とする。
【０００５】
【課題を解決するための手段】本発明は、上記目的を達
成するために、請求項１に記載の発明では、熱機関から
排出される排気と流体との間で熱交換を行う排気熱交換
装置であって、排気が流通する複数本の排気チューブ
（１１）と、排気チューブ（１１）が内部に収納され、
排気チューブ（１１）周りに流体が流通する流体通路を
構成するケーシング（１２）とを有し、ケーシング（１
２）のうち排気の流入側には、排気チューブ（１１）の
長手方向と略直交する方向から流体をケーシング（１
２）内に流入させる流入口（１２ｄ）が設けられてお
り、さらに、ケーシング（１２）の内壁と排気チューブ
（１１）との隙間のうち、流入口（１２ｄ）から流入す
る流体の流入方向と略平行な方向に延びる隙間（１２
ｇ）の寸法（δｉｎ１）は、排気チューブ（１１）間の
隙間（１１ａ）の寸法（δｔ）と略同一寸法であること
を特徴とする。
【０００６】これにより、隙間（１２ｇ）を流れる流体
の流速が所定流速を下回るほど小さくなることを防止す
ることが可能となるので、隙間（１２ｇ）にて流体が局
所的に沸騰することを防止することが可能となり、排気
熱交換装置の耐沸騰性を向上させることができる。
【０００７】請求項２に記載の発明では、熱機関から排
出される排気と流体との間で熱交換を行う排気熱交換装
置であって、排気が流通する複数本の排気チューブ（１
１）と、排気チューブ（１１）が内部に収納され、排気
チューブ（１１）周りに流体が流通する流体通路を構成
するケーシング（１２）とを有し、ケーシング（１２）
のうち排気の流入側には、排気チューブ（１１）の長手
方向と略直交する方向から流体をケーシング（１２）内
に流入させる流入口（１２ｄ）が設けられており、さら
に、ケーシング（１２）の内壁と排気チューブ（１１）
との隙間のうち、流入口（１２ｄ）から流入する流体の
流入方向と略平行な方向に延びる隙間（１２ｇ）の寸法
（δｉｎ１）は、１ｍｍ以上、５ｍｍ以下であることを
特徴とする。
【０００８】これにより、隙間（１２ｇ）を流れる流体
の流速が所定流速を下回るほど小さくなることを防止す
ることが可能となるので、隙間（１２ｇ）にて流体が局
所的に沸騰することを防止することが可能となり、排気
熱交換装置の耐沸騰性を向上させることができる。
【０００９】なお、請求項３に記載の発明のごとく、排
気チューブ（１１）は扁平状に形成されているととも
に、少なくともその短径方向に所定の隙間（１１ａ）を
有して積層されており、さらに、流入口（１２ｄ）は、
排気チューブ（１１）の長径方向と略平行な方向に向け
て開口していてもよい。
【００１０】請求項４に記載の発明では、ケーシング
（１２）のうち排気の流出側には、排気チューブ（１
１）の長手方向と略直交する方向に流体をケーシング
（１２）から流出させる流出口（１２ｅ）が設けられて
おり、さらに、ケーシング（１２）の内壁と排気チュー
ブ（１１）との隙間のうち、流出口（１２ｅ）が設けら
れた部位の隙間寸法（δｏｕｔ）は、排気チューブ（１
１）間の隙間（１１ａ）の寸法（δｔ）より大きいこと
を特徴とする。
【００１１】これにより、流出口（１２ｅ）近傍におけ
る圧力損失が大きくなることを防止できるので、排気熱
交換装置に流れ込む流体量そのものが減少することを防
止でき、局所的な沸騰及び排気と流体との熱交換効率が
低下することを未然に防止できる。
【００１２】請求項５に記載の発明では、ケーシング
（１２）のうち排気の流出側には、排気チューブ（１
１）の長手方向と略直交する方向に流体をケーシング
（１２）から流出させる流出口（１２ｅ）が設けられて
おり、さらに、ケーシング（１２）の内壁と排気チュー
ブ（１１）との隙間のうち、流出口（１２ｅ）が設けら
れた部位の隙間寸法（δｏｕｔ）は、５ｍｍ以上である
ことをを特徴とする。
【００１３】これにより、流出口（１２ｅ）近傍におけ
る圧力損失が大きくなることを防止できるので、排気熱
交換装置に流れ込む流体量そのものが減少することを防
止でき、局所的な沸騰及び排気と流体との熱交換効率が
低下することを未然に防止できる。
【００１４】請求項６に記載の発明では、ケーシング
（１２）の内壁と排気チューブ（１１）との隙間のう
ち、流入口（１２ｄ）から流入する流体の流入方向と略
直交する方向に延びる隙間（１２ｊ）の寸法（δｉｎ
２）は、排気チューブ（１１）間の隙間（１１ａ）の寸
法（δｔ）と略同等以上であることを特徴とする。
【００１５】これにより、複数の排気チューブ（１１）
間の隙間（１１ａ）への流体の分配性を向上させつつ、
流入口（１２ｄ）近傍における圧量損失を低減すること
ができる。
【００１６】請求項７に記載の発明では、ケーシング
（１２）の内壁と排気チューブ（１１）との隙間のう
ち、流入口（１２ｄ）から流入する流体の流入方向と略
直交する方向に延びる隙間（１２ｊ）の寸法（δｉｎ
２）は、１ｍｍ以上であることを特徴とする。
【００１７】これにより、複数の排気チューブ（１１）
間の隙間（１１ａ）への流体の分配性を向上させつつ、
流入口（１２ｄ）近傍における圧量損失を低減すること
ができる。
【００１８】因みに、上記各手段の括弧内の符号は、後
述する実施形態に記載の具体的手段との対応関係を示す
一例である。
【００１９】
【発明の実施の形態】（第１実施形態）本実施形態は、
本発明に係る排気熱交換装置をディーゼルエンジン用の
ＥＧＲガス冷却装置に適用したものであり、図１は本実
施形態に係るＥＧＲガス冷却装置、すなわちＥＧＲクー
ラ１０を用いたＥＧＲ（排気再循環装置）の模式図であ
る。
【００２０】図１中、排気再循環管２１はエンジン２０
から排出される排気の一部をエンジン２０の吸気側に還
流させる管であり、ＥＧＲバルブ２２は排気再循環管２
１の排気流れ途中に配設されて、エンジン２０の稼働状
態に応じてＥＧＲガス量を調節する周知のものである。
そして、ＥＧＲクーラ１０は、エンジン２０の排気側と
ＥＧＲバルブ２２との間に配設されてＥＧＲガスと冷却
水との間で熱交換を行いＥＧＲガスを冷却する。
【００２１】次に、ＥＧＲクーラ１０の構造について述
べる。
【００２２】図２は本実施形態に係るＥＧＲクーラ１０
の外観斜視図であり、図３はＥＧＲクーラ１０の二面図
（一部断面図）であり、図４は図３（ｂ）のＣ−Ｃ断面
図であり、図５は図３（ｂ）のＡ−Ａ断面図であり、図
６は図３（ｂ）のＢ−Ｂ断面図である。
【００２３】図４中、排気チューブ１１はＥＧＲガスが
流通する複数本の扁平管であり、これらの排気チューブ
１１は、その短径方向（図４の面上下方向）に所定の隙
間１１ａを有して複数段積層された列が長径方向（図４
の左右方向）に複数列並んでいる。因みに、本実施形態
では、短径方向に排気チューブ１１を４段積層し、長径
方向に排気チューブ１１を２列並べている。
【００２４】なお、各排気チューブ１１は、断面が略コ
の字状にプレス成形された２枚のプレート１１ｂ、１１
ｃを接合することにより扁平管状に形成されており、そ
の内部には、ＥＧＲガスとの伝熱面積を増大させてＥＧ
Ｒガスと冷却水との熱交換率を向上させる矩形波状のフ
ィン１１ｄが配設されている。
【００２５】また、短径方向における排気チューブ１１
の隙間１１ａは、プレート１１ｂ、１１ｃにプレスや押
印加工等により排気チューブ１１の外方側に打ち出され
た突起部１１ｅの先端を互いに接触させることにより保
持される。なお、突起部１１ｅは、排気チューブ１１の
長手方向に沿って離散的に複数個形成されており、少な
くとも、後述する冷却水流入口１２ｄ及び冷却水流出口
１２ｅに対応する部位には形成されていない。
【００２６】因みに、プレート１１ｂ、１１ｃ、すなわ
ち排気チューブ１１及びフィン１１ｄは、耐熱性及び耐
食性に優れた材料、例えばステンレス金属にて形成され
ているとともに、プレート１１ｂ、１１ｃ、フィン１１
ｄ及び突起部１１ｅの先端は互いに銅等のろう材にてろ
う付けされている。
【００２７】ケーシング１２は、排気チューブ１１を内
部に収納して複数本の排気チューブ１１からなる熱交換
コア部の周りに冷却水が流通する冷却水通路１２ａを構
成する角パイプ状のケーシングであり、このケーシング
１２も耐熱性及び耐食性に優れた材料、例えばステンレ
ス金属製のプレート１２ｂ、１２ｃを銅等のろう材にて
ろう付けすることにより形成されている。
【００２８】また、図３、５に示すように、ケーシング
１２のうちＥＧＲガスの流入側には、排気チューブ１１
の長手方向と略直交する方向であって、排気チューブ１
１の長径方向と略平行な方向から流体をケーシング１２
内に流入させる冷却水流入口１２ｄが設けられ、一方、
図３、６に示すように、ケーシング１２のうちＥＧＲガ
スの流出側には、排気チューブ１１の長手方向と略直交
する方向であって、排気チューブ１１の短径方向と略平
行に冷却水をケーシング１２から流出させる冷却水流出
口１２ｅが設けられている。
【００２９】なお、冷却水流入口１２ｄ及び冷却水流出
口１２ｅに接続されたパイプ１２ｆは、冷却水用外部配
管と冷却水流入口１２ｄ及び冷却水流出口１２ｅとを接
続するための接続管である。
【００３０】ところで、ケーシング１２の内壁と排気チ
ューブ１１との隙間のうち、図５に示すように、冷却水
流入口１２ｄから流入する冷却水の流入方向と略平行な
方向に延びる隙間１２ｇの寸法δｉｎ１は、排気チュー
ブ１１間の隙間１１ａの寸法δｔと略同一寸法に設定さ
れ、一方、ケーシング１２の内壁と排気チューブ１１と
の隙間のうち、図６に示すように、少なくとも冷却水流
出口１２ｅが設けられた部位の隙間１２ｈの寸法δｏｕ
ｔは、排気チューブ１１間の隙間１１ａの寸法δｔより
大きく設定されている。
【００３１】具体的には、隙間１２ｇの寸法δｉｎ１を
１ｍｍ以上、５ｍｍ以下（本実施形態では、２ｍｍ）と
し、隙間１２ｈの寸法δｏｕｔを５ｍｍ以上（本実施形
態では、５ｍｍ）としている。
【００３２】なお、δｉｎ１の下限値は、冷却水内に浮
遊する異物により流体通路１２ａをなす隙間１２ｇが目
づまりしない程度の大きさであり、上限値は隙間１２ｇ
を流れる冷却水の流速が所定流速を下回らない程度の大
きさである。
【００３３】なお、図３中、分配ジョイント１３ａはＥ
ＧＲガスを各排気チューブ１１に分配供給するもので、
集合ジョイント１３ｂは、熱交換を終えたＥＧＲガスを
集合回収するもので、両ジョイント１４ａ、１４ｂは、
排気再循環管２１に接続される。
【００３４】次に、本実施形態の作用効果を述べる。
【００３５】冷却水流入口１２ｄからケーシング１２内
に流入した冷却水の多くは、流体通路１２ａ、つまり排
気チューブ１１間の隙間１１ａのうち冷却水流入口１２
ｄに対応する部位、すなわち図５の上から２段目と３段
目との間の隙間１１ａを流れてケーシング１２のうち冷
却水流入口１２ｄと反対側の内壁（図５の右側）に衝突
する。
【００３６】このため、流体通路１２ａのうち冷却水流
入口１２ｄから最も離れた隙間１２ｇを流れる冷却水量
が小さくなり、隙間１２ｇを流れる冷却水の流速が小さ
くなるので、この隙間１２ｇにて冷却水が局所的に沸騰
するおそれが高い。
【００３７】これに対して、本実施形態のごとく、隙間
１２ｇの寸法δｉｎ１を排気チューブ１１間の隙間１１
ａの寸法δｔと同等すれば、隙間１２ｇを流れる冷却水
の流速が所定流速を下回るほど小さくなることを防止す
ることが可能となるので、隙間１２ｇにて冷却水が局所
的に沸騰することを防止することが可能となる。
【００３８】なお、排気チューブ１１間の隙間１１ａの
寸法δｔは、冷却水内に浮遊する異物により隙間１１ａ
が目づまりしない程度の大きさであって、かつ隙間１１
ａを流れる冷却水の流速が所定流速を下回らない程度の
大きさに選定されている。
【００３９】ところで、冷却水流出口１２ｅ近傍は、ケ
ーシング１２内を流れてきた冷却水の略全量が集合する
ので、冷却水流出口１２ｅが設けられた部位の隙間１２
ｈの寸法δｏｕｔが小さいと、隙間１２ｈでの圧力損失
が大きくなり、ＥＧＲクーラ１０に流れ込む冷却水量そ
のものが減少して、局所的な沸騰及びＥＧＲガスの冷却
能力が低下するおそれがある。
【００４０】これに対して、本実施形態では、ケーシン
グ１２の内壁と排気チューブ１１との隙間のうち、少な
くとも冷却水流出口１２ｅが設けられた部位の隙間１２
ｈの寸法δｏｕｔを排気チューブ１１間の隙間１１ａの
寸法δｔより大きくしているので、隙間１２ｈでの圧力
損失が大きくなることを防止できる。したがって、ＥＧ
Ｒクーラ１０に流れ込む冷却水量そのものが減少するこ
とを防止できるので、局所的な沸騰及びＥＧＲガスの冷
却能力が低下することを未然に防止できる。
【００４１】（第２実施形態）第１実施形態では、ケー
シング１２の内壁と排気チューブ１１との隙間である、
冷却水流入口１２ｄから流入する流体の流入方向と略平
行な方向に延びる隙間１２ｇの寸法δｉｎ１と、冷却水
流入口１２ｄから流入する流体の流入方向と略直交する
方向に延びる隙間１２ｊ（図５参照）の寸法δｉｎ２と
の両者δｉｎ１、δｉｎ２を排気チューブ１１間の隙間
１１ａの寸法δｔと略同一寸法としたが、本実施形態
は、図７に示すように、隙間１２ｊの寸法δｉｎ２を排
気チューブ１１間の隙間１１ａの寸法δｔより大きくし
たものである。
【００４２】具体的には、隙間１２ｇの寸法δｉｎ１を
１ｍｍ以上、５ｍｍ以下（本実施形態では、２ｍｍ）と
し、隙間１２ｈの寸法δｏｕｔを５ｍｍ以上（本実施形
態では、５ｍｍ）とし、隙間１２ｊの寸法δｉｎ２を５
ｍｍ以上（本実施形態では、５ｍｍ）としたものであ
る。
【００４３】これにより、冷却水通路１２ａをなす複数
の排気チューブ１１間の隙間１１ａへの冷却水の分配性
を向上させつつ、冷却水流入口１２ｄ近傍における圧量
損失を低減することができる。
【００４４】（その他の実施形態）上述の実施形態で
は、ケーシング１２のうち冷却水流出口１２ｅに対応す
る部位をその他の部位に比べて膨らませることにより隙
間１２ｈを大きくし、ケーシング１２のうち冷却水流入
口１２ｄに対応する部位を膨らませないことにより隙間
１２ｇを隙間１１ａと同等としたが、本発明はこれに限
定されるものではなく、ケーシング１２の断面積は一定
として、排気チューブ１１の大きさや配置関係を調節す
ることにより、隙間１２ｇを隙間１１ａと同等とする等
としてもよい。
【００４５】また、上述の実施形態では、図２に示すよ
うに、冷却水流出口１２ｅに対応する部位におけるケー
シング１２の内壁と排気チューブ１１との隙間全周を排
気チューブ１１間の隙間１１ａ以上としたが、本発明は
これに限定されるものではなく、図８に示すように、ケ
ーシング１２の内壁と排気チューブ１１との隙間のう
ち、冷却水流出口１２ｅに面する隙間、及び熱交換コア
を挟んで冷却水流出口１２ｅと反対側の隙間のみを排気
チューブ１１間の隙間１１ａ以上としてもよい。
【００４６】また、図９に示すように、冷却水流出口１
２ｅ側におけるケーシング１２の内壁と排気チューブ１
１との隙間も、冷却水流入口１２ｄ側におけるケーシン
グ１２の内壁と排気チューブ１１との隙間と同様に、排
気チューブ１１間の隙間１１ａと略同一としてもよい。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施形態に係るＥＧＲクーラを用いた
ＥＧＲガス冷却装置の模式図である。
【図２】本発明の第１実施形態に係るＥＧＲクーラの外
観斜視図である。
【図３】本発明の第１実施形態に係るＥＧＲクーラの二
面図（一部断面図）である。
【図４】図３（ｂ）のＣ−Ｃ断面図である。
【図５】図３（ｂ）のＡ−Ａ断面図である。
【図６】図３（ｂ）のＢ−Ｂ断面図である。
【図７】本発明の第１実施形態に係るＥＧＲクーラにお
けるＡ−Ａ断面に相当する断面における断面図である。
【図８】本発明のその他の実施形態に係るＥＧＲクーラ
の外観斜視図である。
【図９】本発明のその他の実施形態に係るＥＧＲクーラ
の外観斜視図である。
【図１０】試作検討に係るＥＧＲクーラの二面図（一部
断面図）である。
【符号の説明】
１０…ＥＧＲクーラ、１１…排気チューブ、１２…ケー
シング。

Claims (7)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】 熱機関から排出される排気と流体との間
    で熱交換を行う排気熱交換装置であって、 前記排気が流通する複数本の排気チューブ（１１）と、 前記排気チューブ（１１）が内部に収納され、前記排気
    チューブ（１１）周りに前記流体が流通する流体通路を
    構成するケーシング（１２）とを有し、 前記ケーシング（１２）のうち前記排気の流入側には、
    前記排気チューブ（１１）の長手方向と略直交する方向
    から前記流体を前記ケーシング（１２）内に流入させる
    流入口（１２ｄ）が設けられており、 さらに、前記ケーシング（１２）の内壁と前記排気チュ
    ーブ（１１）との隙間のうち、前記流入口（１２ｄ）か
    ら流入する流体の流入方向と略平行な方向に延びる隙間
    （１２ｇ）の寸法（δｉｎ１）は、前記排気チューブ
    （１１）間の隙間（１１ａ）の寸法（δｔ）と略同一寸
    法であることを特徴とする排気熱交換装置。
  2. 【請求項２】 熱機関から排出される排気と流体との間
    で熱交換を行う排気熱交換装置であって、 前記排気が流通する複数本の排気チューブ（１１）と、 前記排気チューブ（１１）が内部に収納され、前記排気
    チューブ（１１）周りに前記流体が流通する流体通路を
    構成するケーシング（１２）とを有し、 前記ケーシング（１２）のうち前記排気の流入側には、
    前記排気チューブ（１１）の長手方向と略直交する方向
    から前記流体を前記ケーシング（１２）内に流入させる
    流入口（１２ｄ）が設けられており、 さらに、前記ケーシング（１２）の内壁と前記排気チュ
    ーブ（１１）との隙間のうち、前記流入口（１２ｄ）か
    ら流入する流体の流入方向と略平行な方向に延びる隙間
    （１２ｇ）の寸法（δｉｎ１）は、１ｍｍ以上、５ｍｍ
    以下であることを特徴とする排気熱交換装置。
  3. 【請求項３】 前記排気チューブ（１１）は扁平状に形
    成されているとともに、少なくともその短径方向に所定
    の隙間（１１ａ）を有して積層されており、 さらに、前記流入口（１２ｄ）は、前記排気チューブ
    （１１）の長径方向と略平行な方向に向けて開口してい
    ることを特徴とする請求項１又は２に記載の排気熱交換
    装置。
  4. 【請求項４】 前記ケーシング（１２）のうち前記排気
    の流出側には、前記排気チューブ（１１）の長手方向と
    略直交する方向に前記流体を前記ケーシング（１２）か
    ら流出させる流出口（１２ｅ）が設けられており、 さらに、前記ケーシング（１２）の内壁と前記排気チュ
    ーブ（１１）との隙間のうち、前記流出口（１２ｅ）が
    設けられた部位の隙間寸法（δｏｕｔ）は、前記排気チ
    ューブ（１１）間の隙間（１１ａ）の寸法（δｔ）より
    大きいことを特徴とする請求項１ないし３のいずれか１
    つに記載の排気熱交換装置。
  5. 【請求項５】 前記ケーシング（１２）のうち前記排気
    の流出側には、前記排気チューブ（１１）の長手方向と
    略直交する方向に前記流体を前記ケーシング（１２）か
    ら流出させる流出口（１２ｅ）が設けられており、 さらに、前記ケーシング（１２）の内壁と前記排気チュ
    ーブ（１１）との隙間のうち、前記流出口（１２ｅ）が
    設けられた部位の隙間寸法（δｏｕｔ）は、５ｍｍ以上
    であることを特徴とする請求項１ないし３のいずれか１
    つに記載の排気熱交換装置。
  6. 【請求項６】 前記ケーシング（１２）の内壁と前記排
    気チューブ（１１）との隙間のうち、前記流入口（１２
    ｄ）から流入する流体の流入方向と略直交する方向に延
    びる隙間（１２ｊ）の寸法（δｉｎ２）は、前記排気チ
    ューブ（１１）間の隙間（１１ａ）の寸法（δｔ）と略
    同等以上であることを特徴とする請求項１ないし５のい
    ずれか１つに記載の排気熱交換装置。
  7. 【請求項７】 前記ケーシング（１２）の内壁と前記排
    気チューブ（１１）との隙間のうち、前記流入口（１２
    ｄ）から流入する流体の流入方向と略直交する方向に延
    びる隙間（１２ｊ）の寸法（δｉｎ２）は、１ｍｍ以上
    であることを特徴とする請求項１ないし５のいずれか１
    つに記載の排気熱交換装置。
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