JP2005214586A - 排気ガス冷却用熱交換器 - Google Patents

Abstract

【課題】 燃焼により発生する高温の排気ガスがチューブ内を流れる排気ガス冷却用熱交換器において、熱応力によるチューブ端部支持部の損傷を簡潔な構成にて防止する。
【解決手段】 冷却流体の通路１０ｉを構成するケーシング内に、排気ガスが流れるチューブ１０ｂを配置し、チューブ１０ｂの長手方向両端部１０ｇを支持するコアプレート１０ｃとをケーシングに支持する。そして、チューブ１０ｂのうち長手方向両端部１０ｇの近傍部位に、チューブ１０ｂの熱膨張による変位を吸収するベローズ部１０ｎを一体に形成した。
【選択図】 図３

Description

本発明は、燃焼により発生する排気ガスと冷却流体との間で熱交換を行う排気ガス冷却用熱交換器において、排気ガスが流れるチューブの熱応力を低減する構造に関するもので、一般にＥＧＲガスクーラと称される内燃機関用排気ガス冷却用熱交換器として好適なものである。

従来、チューブに発生する熱応力を低減する熱交換器は例えば、特許文献１にて提案されている。

この従来技術では、コアプレートのチューブ挿入穴部に蛇腹状の伸縮筒を一体形成し、この伸縮筒のうち、伸縮変位する側の端部の内周にチューブ端部を嵌合してろう付けする構成を提案している。また、この従来技術では、別の具体例として、コアプレートのチューブ挿入穴部に別体で形成された伸縮筒の一端部を接合し、この伸縮筒の他端部の内周にチューブ端部を嵌合してろう付けする構成を提案している。

これらの構成により、チューブ端部を蛇腹状の伸縮筒を介してコアプレートに支持することができ、チューブの変位に伴って伸縮筒が伸縮することにより、コアプレートとチューブとの間の熱応力を低減しようとするものである。
実開昭６２−１６６４８４号公報

しかし、上記従来技術において、コアプレートのチューブ挿入穴部に蛇腹状の伸縮筒を一体形成する構成では、チューブ挿入穴部から一体に打ち出す筒形状の打ち出し長さが加工上、制約があるので、伸縮筒の山部を複数設けることは困難である。そのため、伸縮筒の山部は１山に設定せざるを得ない。これに加え、コアプレートの肉厚は、多数本のチューブ支持のための強度を確保するために、チューブよりも十分大きくしなければならない。

これのことから、コアプレートと一体の伸縮筒はどうしてもばね常数（単位：Ｎ／ｍｍ）の大きい構成になってしまう。その結果、チューブの熱膨張による熱応力を蛇腹状の伸縮筒にて十分吸収できず、チューブ端部と伸縮筒とのろう付け部に加わる熱応力によって、このろう付け部に割れ等の損傷を発生しやすい。

また、別体の伸縮筒を用いる構成では、伸縮筒単体としての加工工数の発生、別体の伸縮筒の使用に伴う接合箇所の増加等により熱交換器製造コストが増加するという不具合がある。

本発明は、上記点に鑑み、燃焼により発生する高温の排気ガスがチューブ内を流れる排気ガス冷却用熱交換器において、熱応力によるチューブ端部支持部の損傷を簡潔な構成にて防止することを目的とする。

上記目的を達成するため、請求項１に記載の発明では、燃焼により発生する排気ガスと冷却流体との間で熱交換を行う排気ガス冷却用熱交換器において、
前記冷却流体の通路（１０ｉ）を構成するケーシング（１０ａ）と、
前記ケーシング（１０ａ）内に配置され、前記排気ガスが流れるチューブ（１０ｂ）と、
前記ケーシング（１０ａ）に固定され、かつ、前記チューブ（１０ｂ）の長手方向両端部（１０ｇ）を支持するコアプレート（１０ｃ、１０ｄ）とを備え、
前記チューブ（１０ｂ）のうち前記長手方向両端部（１０ｇ）の近傍部位に、前記チューブ（１０ｂ）の熱膨張による変位を吸収するベローズ部（１０ｎ）を一体に形成したことを特徴としている。

これによると、ベローズ部（１０ｎ）をチューブ（１０ｂ）の長手方向両端部（１０ｇ）近傍に一体に形成しているから、チューブ（１０ｂ）の長手方向寸法が長いこと、およびチューブ（１０ｂ）の肉厚がコアプレート（１０ｃ、１０ｄ）等の他の構成部品の肉厚よりかなり小さいことを有効利用して、ベローズ部（１０ｎ）を変形しやすい構成、換言すると、ばね常数の小さい構成とすることが容易である。

従って、チューブ（１０ｂ）の熱膨張による熱応力が発生しても、この熱応力をチューブ（１０ｂ）自身のベローズ部（１０ｎ）の変形によって良好に吸収できる。

また、ベローズ部（１０ｎ）をチューブ（１０ｂ）に一体形成しているから、熱交換器構成を簡素化できる。

請求項２に記載の発明では、請求項１に記載の排気ガス冷却用熱交換器において、チューブ（１０ｂ）は丸パイプにて形成され、ベローズ部（１０ｎ）は丸パイプの径外方側へ突出する複数の山部（１０ｐ）を有する断面波状の形状になっていることを特徴とする。

このように、ベローズ部（１０ｎ）を複数の山部（１０ｐ）を有する波形状に形成することにより、ベローズ部（１０ｎ）を一層、ばね常数の小さい構成とすることができ、熱応力の吸収効果を増大できる。

また、チューブ（１０ｂ）を丸パイプにて形成しているので、ベローズ部（１０ｎ）も円形の外周形状を有する形状にすることができ、ベローズ部（１０ｎ）の一体形成が容易である。

請求項３に記載の発明のように、請求項２に記載の排気ガス冷却用熱交換器において、山部（１０ｐ）を丸パイプの径外方側へ突出するように形成すれば、ベローズ部（１０ｎ）の形成によりチューブ内通路断面積が減少しないので、ベローズ部（１０ｎ）によるチューブ内流通抵抗の増大が発生しない。

請求項４に記載の発明では、請求項１ないし３のいずれか１つに記載の排気ガス冷却用複数の熱交換器において、チューブ（１０ｂ）のうち、長手方向両端部（１０ｇ）側に位置する両ベローズ部（１０ｎ）間の中間部位に丸パイプの径内方側へ突出する螺旋形状部（１０ｑ）を形成したことを特徴とする。

これによると、螺旋形状部（１０ｑ）によってチューブ（１０ｂ）内の排気ガスの流れを乱流化して、チューブ内壁面における排気側熱伝達率を向上させるとともに、排気ガス中の煤成分がチューブ（１０ｂ）内壁面に付着することを抑制できる。

このように、チューブ（１０ｂ）と一体化した簡潔な構成にて、螺旋形状部（１０ｑ）による熱交換性能の向上効果とベローズ部（１０ｎ）による熱応力吸収効果とを併せ奏することができる。

なお、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ものである。

以下本発明の一実施形態を図に基づいて説明する。図１は、本実施形態による排気ガス冷却用熱交換器１０を用いた内燃機関用ＥＧＲ装置（排気再循環装置）の全体システム模式図である。

内燃機関１１は車両走行用のディーゼル式内燃機関であって、排気再循環管１２は内燃機関１１の排気側１１ａから排出される排気ガスの一部を内燃機関１１の吸気側１１ｂに還流させるためのものである。ＥＧＲバルブ１３は排気ガス再循環管１２の排気ガス流れ途中に配設されて、内燃機関１１の稼働状態に応じて再循環排気ガス量を調節する周知のものである。

排気ガス冷却用熱交換器１０は、排気ガス再循環管１２のうち、内燃機関１１の排気側１１ａとＥＧＲバルブ１３との間に配設される。この排気ガス冷却用熱交換器１０は排気ガスと内燃機関１１の冷却水との間で熱交換を行って排気ガスを冷却する。このように、ＥＧＲ用の排気ガスを冷却することにより、内燃機関１１の排気側１１ａから外部へ排出される排気ガスの浄化効果（排気中の窒素酸化物の低減効果）を高めることができる。

次に、排気ガス冷却用熱交換器１０の具体的な構造を図２、図３に基づいて述べる。図２は排気ガス冷却用熱交換器１０の一部断面正面図であって、図２の天地方向は車両搭載状態での天地方向を示す。図３は図２の要部拡大断面図である。

排気ガス冷却用熱交換器１０は、一般にシェルアンドチューブ方式と称される熱交換器構成になっており、水平方向に細長く延びる円筒状のケーシングをなすシェル１０ａを有している。このシェル１０ａの内部には、円筒軸方向（図２の左右方向）に延びるチューブ１０ｂが多数本平行に配置されている。このチューブ１０ｂは断面円形の丸パイプにより形成され、その内部に排気ガス通路を構成する。

シェル１０ａの円筒軸方向両端部にはそれぞれ、チューブ１０ｂの長手方向端部を支持する円板状のコアプレート１０ｃ、１０ｄが配置される。シェル１０ａの円筒軸方向の一端側（図２の左端側）に位置する一方のコアプレート１０ｃの外側には排気ガスの入口タンク１０ｅが配置され、接合される。シェル１０ａの円筒軸方向の他端側（図２の右端側）に位置する他方のコアプレート１０ｄの外側には排気ガスの出口タンク１０ｆが配置され、接合される。

従って、一方のコアプレート１０ｃはシェル１０ａの円筒軸方向の一端部と入口タンク１０ｅの端部との間に挟み込まれ、また、他方のコアプレート１０ｄはシェル１０ａの円筒軸方向の他端部と出口タンク１０ｆとの間に挟み込まれる。この状態にて、シェル１０ａとコアプレート１０ｃ、１０ｄとタンク１０ｅ、１０ｆは一体に接合される。

図２の断面図示部および図３に示すように、コアプレート１０ｃ、１０ｄには多数本のチューブ１０ｂの長手方向端部１０ｇに対応して挿入穴１０ｈが形成され、この挿入穴１０ｈ内にチューブ１０ｂの長手方向端部１０ｇを挿入してコアプレート１０ｃ、１０ｄに一体に接合するようになっている。

シェル１０ａの内部において多数本のチューブ１０ｂ相互の空隙は冷却水通路１０ｉを形成する。シェル１０ａの円筒軸方向の一端部（図２の左端部）の下側に冷却水入口パイプ１０ｊを配置し接合している。そして、シェル１０ａの円筒軸方向の他端部（図２の右端部）の上側に冷却水出口パイプ１０ｋを配置し接合している。

このように、シェル１０ａの下側に冷却水入口パイプ１０ｊを配置し、シェル１０ａの上側に冷却水出口パイプ１０ｋを配置することにより、シェル１０ａ内部の冷却水通路１０ｉ中の空気を冷却水出口パイプ１０ｋ側へ容易に排出できる。

また、シェル１０ａの外周面において冷却水入口パイプ１０ｊの上方部に冷却水バイパスパイプ１０ｍを配置し接合している。この冷却水バイパスパイプ１０ｍは、冷却水入口パイプ１０ｊからの冷却水の一部を冷却水入口パイプ１０ｊの上方部すなわち、冷却水バイパスパイプ１０ｍに向かって直接流すためのものである。

なお、上記した各部材１０ａ、１０ｂ、１０ｃ、１０ｄ、１０ｊ、１０ｋ、１０ｍはいずれも耐食性に優れた金属、具体的にはステンレスで構成され、各部材間の接合はろう付けまたは溶接により行う。

次に、チューブ１０ｂの具体的構成を図３により説明すると、丸パイプからなるチューブ１０ｂの長手方向（シェル１０ａの円筒軸方向）の端部１０ｇを直管部分で形成し、この端部１０ｇを、コアプレート１０ｃのチューブ挿入穴１０ｈに挿入して接合する。ここで、チューブ挿入穴１０ｈは各チューブ１０ｂの長手方向端部１０ｇに対応して形成された円形穴である。

そして、この端部１０ｇの直管形状に隣接して熱応力吸収用のベローズ部１０ｎをチューブ長手方向の所定範囲にわたって形成している。このベローズ部１０ｎは、具体的にはチューブ１０ｂを構成する丸パイプの外周面から径外方側へ突出する山部１０ｐを複数個（図３では３個）形成した断面波状の形状になっている。

これに加え、チューブ１０ｂの肉厚がシェル１０ａおよびコアプレート１０ｃ、１０ｄの肉厚に比して十分小さい（例えば、１／４程度）ので、ベローズ部１０ｎは、チューブ１０ｂの熱膨張による熱応力により弾性変形しやすい構成、すなわち、ばね常数の小さい構成になっている。

一方、チューブ長手方向の大部分を占めるチューブ中央部分には、螺旋形状部１０ｑが形成してある。この螺旋形状部１０ｑはチューブ１０ｂを構成する丸パイプの径内方側へ螺旋状（スパイラル状）に突出するものである。この径内方への螺旋状の突出形状により、チューブ１０ｂ内の排気ガスの流れを乱流化して、チューブ１０ｂ内壁面における排気側熱伝達率を向上させるとともに、排気ガス中の煤成分がチューブ１０ｂ内壁面に付着することを抑制する。

なお、図３は、チューブ１０ｂのうち排気ガス流入側の端部（左側端部）のみ図示しているが、チューブ１０ｂのうち排気ガス流出側の端部（右側端部）においても、ベローズ部１０ｎが直管形状からなる端部１０ｇと螺旋形状部１０ｑとの間に全く同一構成にて形成されている。

次に、上記構成において本実施形態の作用効果を説明すると、内燃機関１１の冷却水は冷却水入口パイプ１０ｊからシェル１０ａ内に流入し、冷却水の大部分はこのシェル１０ａ内部の冷却水通路１０ｉをチューブ１０ｂの長手方向に沿って左側から右側へと流れる。その後に、冷却水は冷却水出口パイプ１０ｋからシェル１０ａ外部へ流出する。

一方、排気ガスは図１の排気再循環管１２から入口タンク１０ｅ内に流入した後に、多数本のチューブ１０ｂの一端側に分配され、各チューブ１０ｂ内を通過する。この間に排気ガスはシェル１０ａ内部の冷却水通路１０ｉの冷却水と熱交換して冷却される。この冷却後の排気ガスは出口タンク１０ｆ内部で集合され、再び、排気再循環管１２に戻る。

なお、シェル１０ａ内に流入した冷却水の一部は冷却水入口パイプ１０ｊに対向配置された冷却水バイパスパイプ１０ｍに直接向かって流れるバイパス流れを形成する。これにより、シェル１０ａ内部の冷却水通路１０ｉにおいて冷却水入口パイプ１０ｊの上方部に冷却水のよどみ部が発生することを抑制できる。

ところで、排気再循環管１２から入口タンク１０ｅ内に流入する排気ガスは５００〜６００℃程度にも及ぶ高温であるので、チューブ１０ｂはこの排気ガスの高温により過熱され、熱膨張する。

これに対し、シェル１０ａは冷却水のみと接触しているので、チューブ１０ｂに比較して大幅に低い温度になっている。これにより、シェル１０ａに比較してチューブ１０ｂの熱膨張量がはるかに大きくなるので、チューブ１０ｂの熱膨張による熱応力がチューブ１０ｂの支持部、すなわち、チューブ１０ｂの両端部１０ｇとコアプレート１０ｃ、１０ｄの挿入穴１０ｈとの接合部に作用することになる。

しかし、チューブ１０ｂにはベローズ部１０ｎが形成してあるので、ベローズ部１０ｎが弾性的に収縮変形することにより、チューブ１０ｂの熱膨張による熱応力を良好に吸収できる。

この熱応力吸収作用をより具体的に説明すると、チューブ１０ｂは図２から分かるように長手方向（シェル円筒軸方向）の長さを十分長く設定することができるので、ベローズ部１０ｎの山部１０ｐを複数形成することが容易である。しかも、チューブ１０ｂの肉厚はコアプレート１０ｃ、１０ｄの肉厚に比較して大幅に小さい（例えば、１／４程度）ので、ベローズ部１０ｎをばね常数の小さい構成、すなわち、熱応力によって弾性的な収縮変形が容易な構成に設計できる。この結果、チューブ１０ｂの熱膨張による熱応力をチューブ１０ｂと一体のベローズ部１０ｎによって良好に吸収できる。

（他の実施形態）
本発明は、上記の一実施形態に限定されることなく、種々変形可能である。例えば、図２に示す熱交換器構成をシェル円筒軸方向に沿って複数、例えば２個平行に配置するとともに、この平行配置された複数の熱交換器構成をねじ等の締結手段により一体に連結し、複数の熱交換器構成の排気ガス通路および冷却水通路に排気ガス、冷却水をそれぞれ平行に流すようにしてもよい。

また、螺旋形状部１０ｑを形成しないチューブ１０ｂに対しても本発明を同様に適用できることはもちろんである。

本発明による排気ガス冷却用熱交換器を適用する内燃機関用ＥＧＲ装置の全体システム模式図である。 本発明の一実施形態による排気ガス冷却用熱交換器の一部断面正面図である。 図２の要部拡大断面図である。

符号の説明

１０ａ…シェル（ケーシング）、１０ｂ…チューブ、１０ｃ、１０ｄ…コアプレート、
１０ｎ…ベローズ部、１０ｐ…山部、１０ｑ…螺旋形状部。

Claims (4)

1. 燃焼により発生する排気ガスと冷却流体との間で熱交換を行う排気ガス冷却用熱交換器において、
   前記冷却流体の通路（１０ｉ）を構成するケーシング（１０ａ）と、
   前記ケーシング（１０ａ）内に配置され、前記排気ガスが流れるチューブ（１０ｂ）と、
   前記ケーシング（１０ａ）に固定され、かつ、前記チューブ（１０ｂ）の長手方向両端部（１０ｇ）を支持するコアプレート（１０ｃ、１０ｄ）とを備え、
   前記チューブ（１０ｂ）のうち前記長手方向両端部（１０ｇ）の近傍部位に、前記チューブ（１０ｂ）の熱膨張による変位を吸収するベローズ部（１０ｎ）を一体に形成したことを特徴とする排気ガス冷却用熱交換器。
2. 前記チューブ（１０ｂ）は丸パイプにて形成され、前記ベローズ部（１０ｎ）は複数の山部（１０ｐ）を有する断面波状の形状になっていることを特徴とする請求項１に記載の排気ガス冷却用熱交換器。
3. 前記山部（１０ｐ）を前記丸パイプの径外方側へ突出するように形成したことを特徴とする請求項２に記載の排気ガス冷却用熱交換器。
4. 前記チューブ（１０ｂ）のうち、前記長手方向両端部（１０ｇ）側に位置する前記両ベローズ部（１０ｎ）間の中間部位に前記丸パイプの径内方側へ突出する螺旋形状部（１０ｑ）を形成したことを特徴とする請求項１ないし３のいずれか１つに記載の排気ガス冷却用熱交換器。
   

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