JP2007113795A - 排気ガス冷却装置用多管式熱交換器 - Google Patents

Abstract

【課題】 排気ガス冷却装置用多管式熱交換器に配設される複数の伝熱管に、均一な流量と流速分布とを以って排気ガスを導入することにより、優れた熱交換効率が得られる多管式熱交換器を提供する。
【解決手段】 排気ガス冷却装置におけるシェルアンドチューブ型の多管式熱交換器において、該多管式熱交換器を構成するシェル本体の排気ガス入口側に、該シェル本体の軸心に沿った断面形状を略矩形に形成されたボンネットが、チューブシートを介して一体として接続され、該ボンネットの側壁を貫いてその内周部における半径方向に突出して、円筒状の排気ガス流入管が貫設され、該排気ガス流入管における円筒部先端に、排気ガス流入口となる開口部が設けられた排気ガス冷却装置用多管式熱交換器。
【選択図】 図２

Description

本発明は、所謂シェルアンドチューブ型の排気ガス冷却装置用多管式熱交換器に係り、詳しくは熱交換型排気ガス冷却装置における多管式熱交換器の排気ガス流入管側に接続され、該排気ガス冷却装置へ被冷却媒体である高温の排気ガスを導入するボンネットの内周部に、排気ガス流入管の円筒部先端の開口部を突出させるようにして貫設し、流入される排気ガスを該ボンネットの内壁部に衝突させることによって旋廻流を生起させ、前記熱交換器におけるシェル本体に配設される伝熱管群へ、該排気ガスを均一な流量と流速分布を以ってバランスよく導入することを可能とし、排気ガスの熱交換を効率良く促進する排気ガス冷却装置用多管式熱交換器に関する。

ディーゼルエンジンの排気系から排気ガスの一部を取り出して再びエンジンの吸気系に戻し、混合気に加える方法は、ＥＧＲ（Ｅｘｈａｕｓｔ Ｇａｓ Ｒｅｃｉｒｃｕｌａｔｉｏｎ：排気再循環）と称され、ＮＯｘ（窒素酸化物）の発生を抑制し、ポンプ損失の低減や燃焼ガスの温度低下に伴う冷却液への放熱損失の低減、作動ガス量・組成変化による比熱比の増大と、それに伴うサイクル効率の向上など、多くの効果が得られるところから、ディーゼルエンジンの排気ガスの浄化や、熱効率を改善するための有効な方法として広く採り入れられている。

ところが、ＥＧＲガスの温度が上昇し、ＥＧＲガス量が増大すると、その熱作用によってＥＧＲバルブの耐久性が劣化し、早期に破損する惧れが生ずるため、その防止策として冷却系を設けて水冷構造とする必要に迫られたり、吸気温度の上昇に伴い充填効率が低下して燃費が低下するという現象を招来する。このような事態を回避するためにエンジンの冷却液、カーエアコン用冷媒または冷却風などによってＥＧＲガスを冷却する装置が用いられ、とりわけ、気体であるＥＧＲガスをエンジン冷却水で冷却する気−液熱交換タイプのＥＧＲガス冷却装置が多数提案され使用されている。この気−液熱交換タイプのＥＧＲガス冷却装置の中でも、構造がシンプルで狭隘な設置空間においても容易に取付けが可能な、２重管式熱交換タイプのＥＧＲガス冷却装置に依然として根強い需要があり、例えば高温のＥＧＲガスを通す内管の外側に液体を通す外管を配設し、ガスと液体間で熱交換を行う交換器において、内管内に金属コルゲート板がフィンとして挿入されている２重管式熱交換器（例えば、特許文献１参照）、内側に被冷却媒体を流通させる内管と、該内管の外周を離間して囲むように設けられた外管と、前記内管の内部に配設された熱応力緩和機能を有する放熱フィンとから構成された２重管式熱交換器（例えば、特許文献２参照）をはじめとして、数多くの２重管式熱交換器が提案されている。

上記のように種々の改良が施されたフィン構造体を内装した２重管式熱交換器によれば、その構造が簡略でコンパクトであるにも拘らず、それなりに優れた冷却効率が期待できるために、小型自動車など設置空間に限りのあるＥＧＲガス冷却用の熱交換器として、既に数多く実用に供されているが、構造上コンパクトであるがゆえに通流する流体の絶対量においては自ずと限界があり、結果としてトータルの熱交換効率においては未解決な課題が残されていた。

斯かる課題を解消するためには構造上多少複雑で大型化が余儀なくされても、所謂シェルアンドチューブ型の多管式熱交換器を採用せざるを得ず、これらの熱交換器についても様々な改良がなされている。シェルアンドチューブ型の多管式熱交換器においては、シェル内に間隔を隔てて多数配設されて伝熱管群を形成する各伝熱管に、均一な流量分布と流速を以って被冷却媒体である排気ガス、例えば高温のＥＧＲガス等を通流させることが、熱交換効率を向上させるうえで大きな要件となるが、図１２（ａ）に示すＥＧＲガス冷却装置によれば、冷却ジャケットを構成するシェル本体１０内に配設する伝熱管２０を、同図（ｂ）に示すように軸心に近い即ちＥＧＲガスが流れやすい部位については、管径の細い伝熱管２０ａを配設し、ＥＧＲガスの流れ難い外側の部位には管径の太い伝熱管２０をそれぞれ配設して、流量と流速のバランスを図るように配慮したＥＧＲガス冷却装置（例えば、特許文献３参照）が提案され、また、図１３に示す他の従来例による多管式熱交換器からなるＥＧＲガス冷却装置１００によれば、ＥＧＲガス流入口側に、チューブシート１６０−１を介して接続されるボンネット１７０−１の全長Ｌ１を、ＥＧＲガス出口側のボンネット１７０−２に比較して、約２倍を超える長さとすることにより、該ボンネット１７０−１内に流入したＥＧＲガスの流れに衝突・拡散など、所定距離の助走機会を与えることにより、流速の偏りを防いで冷却効率を高めたというＥＧＲガス冷却装置（例えば、特許文献４参照）が提案されている。
特開平１１−２３１８１号公報（図１〜３） 特開２０００−１１１２７７号公報（図１〜７） 特開平１１−１９３９９２号公報（図１〜４） 特開平１１−２８０５６３号公報（図１〜６）

上記各従来技術において、特許文献１、２に開示されている２重管タイプのＥＧＲガス冷却装置の場合は、上記ようにその構造が簡略でコンパクトであるにも拘らず、それなりに優れた冷却効率が期待できるために、小型自動車など設置空間に限りのあるＥＧＲガス冷却用の熱交換器としては、既に数多く実用に供されているが、構造上コンパクトであるがゆえに通流する流体の絶対量においては自ずと限界があり、結果としてトータルの熱交換効率においては未解決な課題が残されていた。斯かる課題を解消するためのシェルアンドチューブ型の多管式熱交換器としての、上記特許文献３に開示されるＥＧＲガス冷却装置においては、シェル本体に配設する伝熱管の管径を軸心の周辺部分を細く、その外側に離れた部分を太くするという構成により、ＥＧＲガスの流速と流量分布の均一化を図り、所期の成果を挙げているが、管径の異なる複数の伝熱管を用意する必要があり、取付けられる伝熱管の管径や密度が一様でないためにチューブシートの加工が複雑となり、しかも組付け時に方向性の確保が煩雑となり、その上ＥＧＲガス流入管を含めたボンネットと、シェル本体の軸方向の長さが長尺となるためにレイアウト性に限界が生ずるなど、設計上や加工工程上に種々の課題が残されていた。さらに上記特許文献４のＥＧＲガス冷却装置においては、ＥＧＲガス流入側のボンネットを、大幅に長くすることが必須の要件となるが、限られたスペースに配置されるＥＧＲガス冷却装置は、よりコンパクトであることが望まれるところから、レイアウト上において更なる改善が望まれるという未解決な課題が残されていた。

なお、上記各従来例において高温のＥＧＲガスを導入するためのボンネットは、チューブシートを介してシェル本体に一体として接続されるが、該ボンネットを経由してシェル本体内に導入されるＥＧＲガスの流速や流量分布は、その条件に変化がない限り一端発生するとその慣性に従って、修正されること無く継続されるという習性がある。本発明はこのような流体の慣性に着目し、シェル本体の排気ガス流入口側のボンネット内周部に、排気ガス流入管を突出して貫設することにより、該排気ガス流入管先端の排気ガス流出口からボンネット内に流入した排気ガスが、該ボンネットの内壁面に衝突することによって旋廻流を生起し、該ボンネット内に流入されたＥＧＲガスの拡散・分配が促されて、シェル本体内に配設された伝熱管群にほぼ均等に分配された状態で該ＥＧＲガスの導入を図ろうとしたものである。即ち本発明は、上記の課題を解決することを所期の目的とし、ＥＧＲガス流入側のボンネットの内周部に突出して排気ガス流入管を貫設することにより、簡略な構造であるにも拘らず、ＥＧＲガス冷却装置にＥＧＲガスを均等に分配して導入することを可能とした、ＥＧＲガス冷却装置用の多管式熱交換器を提供するものである。

上記課題を解決するための本発明による排気ガス冷却装置用多管式熱交換器は、排気ガス冷却装置におけるシェルアンドチューブ型の多管式熱交換器において、該多管式熱交換器を構成するシェル本体の排気ガス入口側に、該シェル本体の軸心に沿った断面形状を略矩形に形成されたボンネットが、チューブシートを介して一体として接続され、該ボンネットの側壁を貫いてその内周部における半径方向に突出して、円筒状の排気ガス流入管が貫設され、該排気ガス流入管における円筒部先端に、排気ガス流入口となる開口部が設けられることを特徴的構成要件とするものである。

本発明による上記排気ガス冷却装置用多管式熱交換器において、前記ボンネットの横断面の断面形状が、シェル本体の横断面に対応して円形、略矩形または略楕円形状であることを特徴とするものである。

上記本発明による排気ガス冷却装置用熱交換器において、前記ボンネットのシェル本体の軸心に沿った断面形状であって、排気ガス流入管の円筒部先端の対向面が、少なくとも部分的に傾斜面若しくは湾曲面であることを特徴とする請求項１または２に記載の排気ガス冷却装置用多管式熱交換器。

また、本発明による上記排気ガス冷却装置用多管式熱交換器において、前記排気ガス流入管の円筒部先端の開口部が、ボンネット内周部における軸心付近に位置するように、突出して貫設されることを特徴とするものである。

さらに、本発明による上記排気ガス冷却装置用多管式熱交換器において、前記排気ガス流入管の円筒部先端の開口部が、ボンネット内周部における対向する壁面の近傍に位置するように、突出して貫設されることを特徴とするものである。

本発明に係る上記排気ガス冷却装置用多管式熱交換器において、前記排気ガス流入管の円筒部先端の開口部が閉塞され、且つ前記ボンネット内周部における該排気ガス流入管の円筒部壁面に、排気ガス流入口となる少なくとも１つ以上の貫通孔が設けられることを特徴とするものである。

上記本発明による排気ガス冷却装置用多管式熱交換器において、前記排気ガス流入管の円筒部先端における前記閉塞部に、少なくとも１つ以上の貫通孔が設けられることを特徴とするものである。

また、上記本発明による排気ガス冷却装置用多管式熱交換器において、前記排気ガス流入管の円筒部先端の閉塞部に、少なくとも１つ以上の貫通孔が設けられ、且つ前記ボンネット内周部における該排気ガス流入管の円筒部壁面にも、複数の貫通孔が設けられることを特徴とするものである。

さらに、上記本発明による排気ガス冷却装置用多管式熱交換器において、前記ボンネット内周部における排気ガス流入管の円筒部壁面に設けられる前記貫通孔が、シェルの軸心に対して直角方向に形成されることを特徴とするものである。

本発明に係る上記排気ガス冷却装置用多管式熱交換器において、前記ボンネット内周部に突出して設けられる排気ガス流入管の円筒部が、該ボンネット外周部における排気ガス流入管と別体の部品によって形成され、該ボンネット外周部の側壁部近傍において、一体として接合されることによって、排気ガス流入管を形成することを好ましい態様とするものである。

また、本発明に係る上記排気ガス冷却装置用多管式熱交換器において、前記ボンネット内周部に突出して設けられる排気ガス流入管の円筒部が、予め該ボンネットと一体として形成され、ボンネット外周部における排気ガス流入管と、該ボンネット外周部の側壁部近傍において、一体として接合されることによって、排気ガス流入管を形成することを好ましい態様とするものである。

さらに、本発明に係る上記排気ガス冷却装置用多管式熱交換器において、前記ボンネット内周部に突出して設けられる排気ガス流入管の円筒部と、該ボンネット外周部における排気ガス流入管との、ボンネット側壁部近傍における前記接合が、ろう付、溶接、螺合のいずれか、或いはそれらの組合せによって行われることを好ましい態様とするものである。

本発明に係る、上記排気ガス冷却装置用多管式熱交換器において、前記排気ガス流入管がＳＵＳ３０４、ＳＵＳ３０４Ｌ、ＳＵＳ３１６、ＳＵＳ３１６Ｌ等のオーステナイト系ステンレススチールからなり、該排気ガス流入管の肉厚が０．８〜１．２ｍｍであり、前記ボンネットへの接合手段がろう付、若しくは溶接によって一体として接合されることを好ましい態様とするものである。

本発明に係る排気ガス冷却装置におけるシェルアンドチューブ型の多管式熱交換器によれば、該多管式熱交換器を構成するシェル本体の排気ガス入口側に、該シェル本体の軸心に沿った断面形状を略矩形に形成されたボンネットが、チューブシートを介して一体として接続され、該ボンネットの側壁を貫いてその内周部における半径方向に突出して、円筒状の排気ガス流入管が貫設され、該排気ガス流入管における円筒部先端に、排気ガス流入口となる開口部が設けられることを構造上の特徴とするものであり、斯かる構造を有することにより、該排気ガス流入管を介してボンネット内に流入された例えば高温のＥＧＲガスは、該ボンネット内に噴出されると同時に、対向する内壁部に衝突することによって整流され、究極的には特定の旋廻流を生起して、該ボンネットに隣接する前記シェル本体のチューブシートに、一定の間隔を設けて複数配設されて伝熱管群を形成する個々の伝熱管に、流入される該ＥＧＲガスが、それぞれ均等に分配されてバランスよく導入されるように構成したものである。斯かる構成によってシェル本体内における伝熱管内を通流する高温のＥＧＲガスは、その流量と流速分布を均一とし、全ての伝熱管で効率良くかつ偏り無く熱交換することができる。ＥＧＲガス等の流体は、もとより圧力損失の少ない方向に流れる性質を有し、一旦その流路が定まると、条件に変化がない限りその慣性によって同一の方向に流下するものであるから、部分的に設計値に対する過剰量のガスが通流する部位、即ちアンバランスなガスの流れが生ずると、該ガス温が所定の温度域にまで冷却されないまま、系外に排出されるという不都合が生じ、反対に高温のＥＧＲガスが少量しか流れない部位においては十分な冷却が進行するものの、流体流量が所定量に満たないために交換熱量は大幅に減少する。従って従来のＥＧＲガス冷却装置においても、シェル本体に導入される以前の上流側ボンネット内において、流体の分配を均等に整流するためにボンネットそのものの形状に様々な工夫がなされているが、本発明においてはＥＧＲガス配管における排気ガス流入管を介して導入されるＥＧＲガスを、該ボンネットの内周部における内壁部全体によって整流しようとするものであり、そのために排気ガス流入管の排気ガス流入口を、該ボンネットの内周部に突出して設けることを構造上の特徴とするものである。

また、本発明に係る他の実施態様においては、前記排気ガス流入管の先端開口部を閉塞して、該排気ガス流入管の円筒部壁面に排気ガス流入口となる複数の貫通孔を設けたり、前記排気ガス流入管の先端閉塞部に排気ガス流入口となる貫通孔を設けたり、該排気ガス流入管の先端閉塞部の貫通孔に加えて、該排気ガス流入管の円筒部壁面に複数の貫通孔を設けたり、或いは該排気ガス流入管の円筒部壁面に設ける貫通孔を、前記シェル本体の軸心に対して直角の方向に形成する手段等が開示されているが、斯かる構成によってボンネット内に流入する排気ガスは効果的に拡散され、結果として排気ガス冷却装置に導入される排気ガスが、偏り無く分配され、均一な流速分布を維持した状態で冷却装置本体に導入されるため、該排気ガス冷却装置が有する熱交換性能を最大限に発揮させ、優れた冷却効率を得ることができる。さらに本発明による上記多管式熱交換器は、排気ガス流入口側のボンネットに排気ガス流入管を接続する際に、該排気ガス流入管の先端円筒部が該ボンネット内における半径方向に突出して貫設される、という構造的には極めて簡略な改良手段によって得られるものであり、かつ該排気ガス流入管のボンネットへの取付け手段も容易であるにも拘らず、得られる効果は著しく優れたものであるところから、これを取付けた多管式熱交換器は、例えばＥＧＲガス再循環燃焼システムにおけるガス配管において、ＥＧＲガス冷却装置の小型軽量化を低コストで実現できるなど、省エネルギーの観点においても多大に貢献することが期待される。

以下、本発明の実施の形態について添付した図面並びに実施例にに基づいて更に詳細に、且つ具体的に説明するが、本発明はこれによって拘束されるものではなく、本発明の主旨の範囲内において自由に設計変更が可能である。

図１は本発明の第1実施例に係る多管式熱交換器のシェル本体とボンネットとを模式的に示す要部側面図、図２は同実施例におけるボンネットと、該ボンネット内周部に突出して貫設される排気ガス流入管と、該ボンネット内におけるＥＧＲガスの流れを模式的に示す要部断面図、図３は本発明に係る第２実施例のボンネットと、ＥＧＲガスの流れを模式的に示す要部断面図、図４は本発明に係る第３実施例のボンネットと、ＥＧＲガスの流れとを模式的に示す要部断面図、図５は本発明に係る第４実施例のボンネットと、ＥＧＲガスの流れとを模式的に示す要部断面図、図６は本発明に係る第５実施例のボンネットと、ＥＧＲガスの流れとを模式的に示す要部断面図、図７は本発明に係る第６実施例のボンネットと、ＥＧＲガスの流れとを模式的に示す要部断面図、図８は本発明に係る第７実施例のボンネットと、ＥＧＲガスの流れとを模式的に示す要部断面図、図９は本発明に係る第８実施例のボンネットと、ＥＧＲガスの流れとを模式的に示す要部断面図、図１０は本発明に係る第９実施例のボンネットと、ＥＧＲガスの流れとを模式的に示す要部断面図、図１１は本発明に係る第１０実施例のボンネットと、ＥＧＲガスの流れとを模式的に示す要部断面図である。

本発明に係る第１実施例によるＥＧＲガス冷却装置用多管式熱交換器１は、図１にその要部を示すようにシェル本体２の両サイドに、該シェル本体２内の気密を保持して接合されたチューブシート２−１（ＥＧＲガス出口側を省略して図示する。以下同様）に、特定の間隔を保って複数の伝熱管２−２が配設されて伝熱管群が形成され、該チューブシート２−１を介してその外側に、シェル本体２の軸心に沿った断面形状が略矩形のボンネット３が、一体として取付けられている。なお、本例における該ボンネット３自体の断面形状は、シェル本体２の断面形状に対応して図２に示すように円筒状を有している。本発明に基づく本実施例による円筒状の排気ガス流入管４は、前記ボンネット３の側面の半径方向における側壁３−２を貫き、該排気ガス流入管４の円筒部４−３の先端開口部４−２が、該ボンネット３の内周部３−４における軸心付近にまで突出した状態で固定され、その接合部６をろう付によって接合することにより貫設されるが、該排気ガス流入管４の円筒部４−３の先端には、排気ガスの流入口となる先端開口部４−２が設けられている。なお、本実施例におけるボンネット３および排気ガス流入管４は、共にＳＵＳ３０４Ｌオーステナイト系ステンレススチールを素材として採用し、ボンネット３は板厚１．５ｍｍの平板から金型を用いたプレス成形加工を施すことによって成形し、排気ガス流入管４については同一素材からなる既製の丸管の中から選択して採用した。本実施例における上記排気ガス流入管４は、図１および図２に示すように多管式熱交換器１におけるシェル本体２に対して同心であって、その先端開口部４−２がボンネット３の内周部における軸心付近に位置するようにして形成されることにより、該排気ガス流入管口４を介してボンネット３内に流入した高温のＥＧＲガスは、先端開口部４−２から該ボンネット３内に噴出すると同時に、該ボンネット内周部における対向する内壁部に衝突し、上下若しくは左右に旋廻流となって効果的に拡散されるように構成されている。従って該ボンネット３に隣接して設けられるチューブシート２−１に、間隔を隔てて複数配設されて伝熱管群を形成する個々の伝熱管２−２に、高温のＥＧＲガスがバランスよく分配されて均一な流速分布を維持した状態で導入することを可能としている。このようにして図１に一部省略して示すような
本発明における第１実施例による多管式熱交換器１が形成され、得られた該多管式熱交換器１によってＥＧＲガス冷却装置を構成し、ＥＧＲガス再循環燃焼システムにおけるガス流路に組み込み、ＥＧＲガスの冷却性能試験に供した結果、排気ガス出口側のボンネットから排出されるＥＧＲガスは、所定の温度域にまでに効果的に冷却され、該ＥＧＲガス冷却装置が保有する熱交換性能が最大限に発揮され、優れた冷却効率を得られることが確認された。

本実施例による円筒状のボンネット３の製造方法は、特に制限されるものではなく、各種ステンレススチールをはじめとする通常鋼管や鋳物を素材として製造され、ＥＧＲガス流入口などはプレス加工、液圧バルヂ加工および鋳抜き加工によって形成される。また、前記チューブシート２−１とシェル本体２、該チューブシート２−１と伝熱管２−２、該チューブシート２−１と該ボンネット３との接合は、本例においては溶着を採用したが、該ボンネット３のシェル本体２への接合については、該ボンネット３のシェル２側にフランジを設け、同様シェル本体２に予め取付けられたフランジとのボルト締めによる接続やろう付けも好ましく採用される。

図３にその模式的な要部を示すように、ボンネット３ａの内周部３ａ−４における排気ガス流入管４ａの円筒部４ａ−３の先端に、蓋を設けることによって閉塞部４ａ−４を形成し、該排気ガス流入管４ａにおける円筒部４ａ−３の内壁４ａ−１を貫いて、複数の貫通孔５ａを設けて排気ガス流入口とした以外は、前記実施例１と同様にして多管式熱交換器１ａ（図示を省略、以下同様）を得た。得られた本例による多管式熱交換器１ａを、ＥＧＲガス再循環燃焼システムにおけるガス流路に組込み、実施例１と同一の条件でＥＧＲガス冷却試験に供した結果、実施例１に対して同様の優れた冷却効率を得られることが確認された。

図４に模式的な要部を示すように、ボンネット３ｂの内周部３ｂ−４における排気ガス流入管４ｂの円筒部４ｂ−３の先端に、蓋を設けることによって形成された閉塞部４ｂ−４を貫いて、複数の先端部貫通孔５ｂ−１を設けた以外は、前記実施例２と同様にして多管式熱交換器１ｂ（図示を省略、以下同様）を得た。得られた本例による多管式熱交換器１ｂを、ＥＧＲガス再循環燃焼システムにおけるガス流路に組込み、実施例２と同一の条件でＥＧＲガス冷却試験に供した結果、実施例２に対して同様の優れた冷却効率を得られることが確認された。

図５に模式的な要部を示すように、ボンネット３ｃの内周部３ｃ−４における排気ガス流入管４ｃの円筒部４ｃ−３の先端を、対応する該ボンネット３ｃの内壁部３ｃ−３の近傍にまで突出させて貫設すると同時に、該円筒部４ｃ−３の先端閉塞部４ｃ−４に形成される先端部貫通孔５ｃ−１を、１つのみとした以外は、前記実施例３と同様にして多管式熱交換器１ｃ（図示を省略、以下同様）を得た。得られた本例による多管式熱交換器１ｃを、ＥＧＲガス再循環燃焼システムにおけるガス流路に組込み、実施例３と同一の条件でＥＧＲガス冷却試験に供した結果、実施例３に対して同様の優れた冷却効率を得られることが確認された。

図６に模式的な要部を示すように、ボンネット３ｄの内周部に突出して設けられる排気ガス流入管４ｄの円筒部４ｄ−３を、その先端に先端閉塞部４ｄ−４が形成され、該円筒部４ｄ−３に複数の貫通孔が５ｄ形成された別体の部品として作製し、該別体の円筒状部品における根元の開口部を、該ボンネット３ｄの半径方向における側壁３ｄ−２に設けた貫孔に挿入し、該ボンネット３ｄの内壁部３ｄ−３と、前記別体の円筒状部品における根元の挿入部周辺の接合部６ｄ−１をろう付して一体として接合し、同時に該ボンネット３ｄの側壁３ｄ−２に設けた前記貫孔には、排気ガス流入管４ｄの先端開口部を当接し、該ボンネット３ｄの外周部と該排気ガス流入管４ｄ先端外周面によって形成された接合部６ｄを、ろう付によって接合した以外は、前記実施例１と同様にして多管式熱交換器１ｄ（図示を省略、以下同様）を得た。得られた本例による多管式熱交換器１ｄを、ＥＧＲガス再循環燃焼システムにおけるガス流路に組込み、実施例１と同一の条件でＥＧＲガス冷却試験に供した結果、実施例１に比較してほぼ同様の優れた冷却効率を得られることが確認された。

図７に模式的な要部を示すように、ボンネット３ｅ本体と、該ボンネット３ｅの内周部に突出して設けられる円筒部４ｅ−３とが、ロストワックス鋳造法によって予め一体として形成され、該円筒部４ｅ−３における先端部４ｅ−４には、そのほぼセンターに１つの先端部貫通孔５ｅ−１と、該円筒部４ｅ−３の内壁４ｅ−１を貫いて複数の貫通孔５ｅとがそれぞれ形成され、ボンネット３ｅ内周部３ｅ−４における排気ガス流入管４ｅを構成し、該ボンネット３ｅの側壁３ｅ−２を介してその外側に、排気ガス流入管４ｅの先端開口部を当接し、該ボンネット３ｅの外周部と該排気ガス流入管４ｅ先端外周面によって形成された接合部６ｅを、ろう付によって接合した以外は、前記実施例３と同様にして多管式熱交換器１ｅ（図示を省略、以下同様）を得た。得られた本例による多管式熱交換器１ｅを、ＥＧＲガス再循環燃焼システムにおけるガス流路に組込み、実施例３と同一の条件でＥＧＲガス冷却試験に供した結果、実施例３に比較してほぼ同様の優れた冷却効率を得られることが確認された。

図８に模式的な要部を示すように、ボンネット３ｆにおける内周部３ｆ−４に、該ボンネット３ｆと一体として形成される円筒部４ｆ−３の内壁４ｆ−１であって、該ボンネット３ｆの側壁３ｆ−２の近傍に雌ネジ４ｆ−５を形成し、排気ガス流入管４ｆにおける先端開口部の外周に形成された雄ネジ４ｆ−６とを螺合して、両者を一体に接合することにより排気ガス流入管４ｆとした以外は、前記実施例６と同様にして多管式熱交換器１ｆ（図示を省略、以下同様）を得た。得られた本例による多管式熱交換器１ｆを、ＥＧＲガス再循環燃焼システムにおけるガス流路に組込み、実施例６と同一の条件でＥＧＲガス冷却試験に供した結果、実施例６に比較してほぼ同様の優れた冷却効率を得られることが確認された。

図９にその模式的な要部を示すように、シェル本体（図示を省略）の横断面の断面形状が略矩形に形成され、対応するボンネット３ｇの横断面の断面形状を略矩形とした以外は、前記実施例１と同様にして多管式熱交換器１ｇ（図示を省略、以下同様）を得た。得られた本例による多管式熱交換器１ｇを、ＥＧＲガス再循環燃焼システムにおけるガス流路に組込み、実施例１と同一の条件でＥＧＲガス冷却試験に供した結果、実施例１に対して同様の優れた冷却効率を得られることが確認された。

図１０にその模式的な要部を示すように、ボンネット３ｈのシェル本体２ｈの軸心に沿った断面形状が略台形に形成され、該ボンネット３ｈの内壁部３ｈ−３であって、その内周部３ｈ−４に突出して設けられる排気ガス流入管４ｈの、円筒部４ｈ−３の先端開口部４ｈ−２の対抗面が、傾斜面となるように形成した以外は、前記実施例１と同様にして多管式熱交換器１ｈ（図示を一部省略、以下同様）を得た。得られた本例による多管式熱交換器１ｈを、ＥＧＲガス再循環燃焼システムにおけるガス流路に組込み、実施例１と同一の条件でＥＧＲガス冷却試験に供した結果、実施例１に対して同様の優れた冷却効率を得られることが確認された。

図１１にその模式的な要部を示すように、ボンネット３ｉのシェル本体２ｉの軸心に沿った断面形状が略楕円形に形成され、該ボンネット３ｉの内壁部３ｉ−３であって、その内周部３ｉ−４に突出して設けられる排気ガス流入管４ｉの、円筒部４ｉ−３の先端開口部４ｉ−２の対抗面が、湾曲面となるように形成した以外は、前記実施例１と同様にして多管式熱交換器１ｉ（図示を一部省略、以下同様）を得た。得られた本例による多管式熱交換器１ｉを、ＥＧＲガス再循環燃焼システムにおけるガス流路に組込み、実施例１と同一の条件でＥＧＲガス冷却試験に供した結果、実施例１に対して同様の優れた冷却効率を得られることが確認された。

本発明に係る上記排気ガス流入管、ボンネット等を含む排気ガス冷却系における多管式熱交換器は、これを構成する各部材の構造を所期の目的を達成することができる範囲内において、上記各実施例の他に様々な形態を以って形成されることが可能であり、例えば上記各実施例における上流側のボンネットの場合、シェル本体の軸心に沿った断面形状を、略台形や略楕円形を含めた略矩形としているが、該ボンネットにおける排気ガス流入管の先端開口部の対抗面のみが選択的に傾斜面若しくは湾曲するように形成されることも可能であり、また、該シェル本体の下流側に設けられるボンネットの形態については、流出管の位置を含めかなりの自由度を以って、任意の形態で取付けることができる。また、上記各実施例におけるシェル本体の形状は、基本的にボンネットの形状によって規制され、その横断面は円形として例示されているが、該シェル本体の断面形状を略矩形とし、それに対応するボンネットの横断面を実施例８に示すように略矩形としたり、長円形（楕円）とすることも可能であり、該シェル本体に配設される伝熱管は円筒状の丸管のほか、断面形状略矩形の伝熱管や長円（楕円）の偏平管であっても差し支えはない。さらに、該排気ガス流入管に設けられる貫通孔の周縁に、液圧バルジ加工やプレス工法などによってバーリング壁を成形することも妨げない。

上記各実施例からも明らかなように、本発明による排気ガス冷却装置用のシェルアンドチューブ型の多管式熱交換器は、該多管式熱交換器を構成するシェル本体の排気ガス流入口側に、該シェル本体の軸心に沿った断面形状を略矩形に形成されたボンネットが、チューブシートを介して一体として接続され、該ボンネットの側壁を貫いてその内周部における半径方向に突出して、円筒状の排気ガス流入管が貫設され、該排気ガス流入管の円筒部先端に排気ガス流入口となる開口部が設けられることを基本的な構成要件とするものであり、該先端開口部を閉塞して円筒部の側面に排気ガス流入口となる複数の貫通孔を設けたり、或いはそれに加えて前記先端閉塞部に少なくとも１つの貫通孔を設けるなどの実施態様がそれに付加されて構成されている。上記構成の本発明による多管式熱交換器を、ＥＧＲガス再循環燃焼システムにおけるガス流路に組込んだ場合、排気ガス流入管を介してボンネット内に流入する高温のＥＧＲガスが、該ボンネットの軸芯付近にまで突出して貫設された該排気ガス流入管の先端開口部、或いは該排気ガス流入管の円筒部側面に形成された貫通孔から、該ボンネット内に噴出すると共に対向する内壁に衝突して整流され、該ボンネット内において旋廻流を形成し、前記シェル本体のチューブシートに一定の間隔をもうけて配設された複数の伝熱管に、流入されたＥＧＲガス流が均等に分配されてバランスよく導入されるように構成されている。従って、該ＥＧＲガス冷却装置に導入されるＥＧＲガスが、偏り無く分配され、均一な流速分布を維持した状態で冷却装置本体に導入されるため、該ＥＧＲガス冷却装置が有する熱交換性能を最大限に発揮させ、優れた冷却効率を得ることができるので、省エネルギー面においても多大に貢献することができる。また、本発明による上記排気ガス流入管とボンネットは、上記各実施例からも明らかなように極めて簡略な加工によって製作可能であり、かつそのシェル本体への取付け手段も容易であるにも拘らず、得られる効果は著しく優れたものであるところから、これを取付けた多管式熱交換器はＥＧＲガス冷却装置の小型軽量化を低コストで実現できるなど、当該技術分野における多管式熱交換器として幅広く採用されることが期待される。

本発明の第1実施例に係る多管式熱交換器のシェル本体とボンネットとを模式的に示す要部側面図である。 同実施例におけるボンネットと、該ボンネット内周部に突出して貫設される排気ガス流入管と、該ボンネット内におけるＥＧＲガスの流れとを模式的に示す要部断面図である。 本発明に係る第２実施例のボンネットと、ＥＧＲガスの流れを模式的に示す要部断面図である。 本発明に係る第３実施例のボンネットと、ＥＧＲガスの流れとを模式的に示す要部断面図である。 本発明に係る第４実施例のボンネットと、ＥＧＲガスの流れとを模式的に示す要部断面図である。 本発明に係る第５実施例のボンネットと、ＥＧＲガスの流れとを模式的に示す要部断面図である。 本発明に係る第６実施例のボンネットと、ＥＧＲガスの流れとを模式的に示す要部断面図である。 本発明に係る第７実施例のボンネットと、ＥＧＲガスの流れとを模式的に示す要部断面図である。 本発明に係る第８実施例のボンネットと、ＥＧＲガスの流れとを模式的に示す要部断面図である。 本発明に係る第９実施例のボンネットと、ＥＧＲガスの流れとを模式的に示す要部断面図である。 本発明に係る第１０実施例のボンネットと、ＥＧＲガスの流れとを模式的に示す要部断面図である。 従来の多管式ＥＧＲガス冷却装置を示し、（ａ）はその一部切欠き側面図、（ｂ）はその要部に係る伝熱管の配列状態の一例を模式的に示す平面図である。 他の従来例の多管式ＥＧＲガス冷却装置を示す一部破断縦断側面図である。

符号の説明

１、１ｈ、１ｉ 多管式熱交換器
２、２ｈ、２ｉ シェル本体
２−１、２ｈ−１、２ｉ−１ チューブシート
２−２、２ｈ−２、２ｉ−２ 伝熱管
３、３ａ、３ｂ、３ｃ、３ｄ、３ｅ、３ｆ、３ｇ、３ｈ、３ｉ ボンネット
３−１ 垂直壁面
３−２、３ａ−２、３ｂ−２、３ｃ−２、
３ｄ−２、３ｅ−２、３ｆ−２、３ｇ−２、３ｈ−２、３ｉ−２ 側壁
３−３、３ａ−３、３ｂ−３、３ｃ−３、
３ｄ−３、３ｅ−３、３ｆ−３、３ｇ−３、３ｈ−３、３ｉ−３ 内壁部
３−４、３ａ−４、３ｂ−４、３ｃ−４、
３ｄ−４、３ｆ−４、３ｇ−４、３ｈ−４、３ｉ−４ 内周部
４、４ａ、４ｂ、４ｃ、４ｄ、４ｅ、４ｆ、４ｇ、４ｈ、４ｉ 排気ガス流入管
４−１、４ａ−１、４ｂ−１、４ｃ−１、４ｄ−１、４ｅ−１、４ｆ−１、
４ｇ−１、４ｈ−１、４ｉ−１ 流入管内壁
４−２、４ｇ−２、４ｈ−２、４ｉ−２ 先端開口部
４−３、４ａ−３、４ｂ−３、４ｃ−３、
４ｄ−３、４ｅ−３、４ｆ−３、４ｇ−３、４ｈ−３、４ｉ−３ 円筒部
４ａ−４、４ｂ−４、４ｃ−４、４ｄ−４、４ｅ−４、４ｆ−４ 先端閉塞部
４ｆ−５ 雌ネジ
４ｆ−６ 雄ネジ
５ａ、５ｂ、５ｃ、５ｄ、５ｅ、５ｆ 貫通孔
６、６ａ、６ｂ、６ｃ、６ｄ、６ｅ、６ｇ、６ｈ、６ｉ 接合部
６ｄ−１ 接合部
ｇ ＥＧＲガス

Claims (13)

1. 排気ガス冷却装置におけるシェルアンドチューブ型の多管式熱交換器において、該多管式熱交換器を構成するシェル本体の排気ガス入口側に、該シェル本体の軸心に沿った断面形状を略矩形に形成されたボンネットが、チューブシートを介して一体として接続され、該ボンネットの側壁を貫いてその内周部における半径方向に突出して、円筒状の排気ガス流入管が貫設され、該排気ガス流入管における円筒部先端に、排気ガス流入口となる開口部が設けられることを特徴とする排気ガス冷却装置用多管式熱交換器。
2. 前記ボンネットの横断面の断面形状が、シェル本体の横断面に対応して円形、略矩形または略楕円形状であることを特徴とする請求項１に記載の排気ガス冷却装置用多管式熱交換器。
3. 前記ボンネットのシェル本体の軸心に沿った断面形状において、排気ガス流入管の円筒部先端の対向面が、少なくとも部分的に傾斜面若しくは湾曲面であることを特徴とする請求項１または２に記載の排気ガス冷却装置用多管式熱交換器。
4. 前記排気ガス流入管の円筒部先端の開口部が、ボンネット内周部における軸心付近に位置するように、突出して貫設されることを特徴とする請求項1乃至３のいずれか１項に記載の排気ガス冷却装置用多管式熱交換器。
5. 前記排気ガス流入管の円筒部先端の開口部が、ボンネット内周部における対向する壁面の近傍に位置するように、突出して貫設されることを特徴とする請求項１乃至４のいずれか１項に記載の排気ガス冷却装置用多管式熱交換器。
6. 前記排気ガス流入管の円筒部先端の開口部が閉塞され、且つ前記ボンネット内周部における該排気ガス流入管の円筒部壁面に、排気ガス流入口となる少なくとも１つ以上の貫通孔が設けられることを特徴とする請求項１乃至５のいずれか1項に記載の排気ガス冷却装置用多管式熱交換器。
7. 前記排気ガス流入管の円筒部先端における前記閉塞部に、少なくとも１つ以上の貫通孔が設けられることを特徴とする請求項１乃至６のいずれか１項に記載の排気ガス冷却装置用多管式熱交換器。
8. 前記排気ガス流入管の円筒部先端の閉塞部に、少なくとも１つ以上の貫通孔が設けられ、且つ前記ボンネット内周部における該排気ガス流入管の円筒部壁面にも、複数の貫通孔が設けられることを特徴とする請求項１乃至７のいずれか１項に記載の排気ガス冷却装置用多管式熱交換器。
9. 前記ボンネット内周部における排気ガス流入管の円筒部壁面に設けられる前記貫通孔が、シェルの軸心に対して直角方向に形成されることを特徴とする請求項１乃至８のいずれか１項に記載の排気ガス冷却装置用多管式熱交換器。
10. 前記ボンネット内周部に突出して設けられる排気ガス流入管の円筒部が、該ボンネット外周部における排気ガス流入管と別体の部品によって形成され、該ボンネット外周部の側壁部近傍において、一体として接合されることによって、排気ガス流入管を形成することを特徴とする請求項１乃至９のいずれか１項に記載の排気ガス冷却装置用多管式熱交換器。
11. 前記ボンネット内周部に突出して設けられる排気ガス流入管の円筒部が、予め該ボンネットと一体として形成され、ボンネット外周部における排気ガス流入管と、該ボンネット外周部の側壁部近傍において、一体として接合されることによって、排気ガス流入管を形成することを特徴とする請求項１乃至１０のいずれか1項に記載の排気ガス冷却装置用多管式熱交換器。
12. 前記ボンネット内周部に突出して設けられる排気ガス流入管の円筒部と、該ボンネット外周部における排気ガス流入管との、ボンネット側壁部近傍における前記接合が、ろう付、溶接、螺合のいずれか、或いはそれらの組合せによって行われることを特徴とする請求項１０または１１に記載の排気ガス冷却装置用多管式熱交換器。
13. 前記排気ガス流入管がＳＵＳ３０４、ＳＵＳ３０４Ｌ、ＳＵＳ３１６、ＳＵＳ３１６Ｌ等のオーステナイト系ステンレススチールからなり、該排気ガス流入管の肉厚が０．８〜１．２ｍｍであり、前記ボンネットへの接合手段がろう付、若しくは溶接によって一体として接合されることを特徴とする請求項１乃至１２のいずれか１項に記載の排気ガス冷却装置用多管式熱交換器。