JP2009014220A - 熱交換器 - Google Patents

Abstract

【課題】熱交換効率に優れた小型・低コストの熱交換器を提供する。
【解決手段】複数の板状部材２１、２２により形成される冷却水通路３１と排気ガス通路３２とを流れる流体の間で熱交換させる熱交換器１０において、複数の板状部材２１、２２のそれぞれが、一面側に凸状をなす第１凸部２１ａ、２２ａとこれらから流体通過方向に離間して他面側に凸状をなす第２凸部２１ｂ、２２ｂとを有するとともに、その一面側同士もしくは他面側同士で対向するように積層され、複数の板状部材２１、２２の一面側と他面側とに冷却水通路３１と排気ガス通路３２とが形成されている。
【選択図】図１

Description

本発明は、熱交換器、特に内燃機関の排気再循環装置における排気冷却用として好適な熱交換器に関する。

車両用内燃機関の排気浄化性能に対する要求の高度化等に伴って、ＮＯｘ低減に効果的なるＥＧＲ（排気再循環）装置を装着した内燃機関が普及してきており、空気量に対し燃料が希薄な燃焼が可能でＥＧＲ量が多くなる内燃機関では、再循環される排気の温度を下げるＥＧＲクーラが多用されている。

ＥＧＲクーラは、例えばシェル内に扁平チューブを積層配置してその扁平チューブ内に排気再循環される排気ガスを通し、シェルと扁平チューブの間に導いた冷却水と、積層された扁平チューブ内を通る排気ガスとの間で熱交換させることにより、吸気側に再循環される排気ガスを冷却するようになっている。すなわち、ＥＧＲクーラは、熱交換器として構成されている。

従来のこの種の熱交換器としては、例えば扁平チューブに複数の凸部を突出形成してこれらの凸部が互いに当接するように扁平チューブを積層し、当接した複数対の凸部によって冷却水の流通方向や流通量を部分的に調整し、冷却水の淀みによる沸騰等といった問題が生じるのを防止するようにしたものが知られている（例えば、特許文献１参照）。

また、排気ガスを通すシェル内に、排気流通方向と直交する方向に向けて扁平チューブを多数平行に配置し、扁平チューブの端部を排気ガス通路の流通方向下流側に隣接する扁平チューブに順次折返し接続してジグザグの冷却水通路を形成したもの（例えば、特許文献２参照）や、排気ガス通路となる扁平チューブの内方あるいは外方（扁平チューブ間）に伝熱面積を増加させるためのフィン部材を付加したものも知られている（例えば、特許文献３、４、５参照）。

なお、ＥＧＲクーラ付の排気再循環装置を備えた内燃機関は、例えば図１６に示すように、エンジン１の排気の一部を吸気マニホルド３側に再循環させる排気再循環装置２を備えており、排気ガスをバイパスして排気マニホルド４内の排気通路と吸気マニホルド３内の吸気通路とを連通させるＥＧＲ通路６を有している。このＥＧＲ通路６には排気再循環量を調整するＥＧＲバルブ７と、ＥＧＲ通路６を通って還流する排気を冷却する排気冷却器、すなわちＥＧＲクーラ８が設けられている。このＥＧＲクーラ８による排気冷却のための熱交換量は、ＥＧＲガスと冷却水とのうち少なくとも一方の通過流量をエンジンの運転状態に応じバルブ制御することで調節される。また、ターボ過給機５は、内部の排気タービンを排気エネルギにより回転させて吸入空気コンプレッサを回転させ、エンジン１内に正圧の空気を吸入させることができる。
特開２００４−１７７０６０号公報 特開２００６−０５７４７３号公報 特開２００５−１７２２６２号公報 特開２００５−１３３９８１号公報 特開２００１−３４２９１０号公報

しかしながら、上述のような従来の熱交換器にあっては、冷却水の流通の均一化を図った特許文献１、２に記載のようなものでは、通路高さが低い扁平チューブ内（冷却水側）への凸部の背面側（排気ガス側）に凹部が形成されてガスの流通部が拡大する一方で、その凸部の当接部分では冷却水の流通が規制されてしまい、冷却効率が低下してしまうという問題があった。また、扁平チューブの位置や冷却条件によって冷却水の淀み防止効果が大きく変化してしまい、安定した冷却性能を確保するのが容易でなく、設計の自由度も低いという問題もあった。

また、特許文献３（当該公報の図１、３参照）に記載のように、シェル内への冷却水の流入方向と流出方向が交差したり均等厚さで長径の異なる複数種の扁平チューブが設置されたりしている場合、各部位での圧損が一定とならず冷却水を均等に流すことが困難であり、長径の異なる複数種の扁平チューブを用いるために部品点数が増加するばかりか、ＥＧＲガスの流れも一定とならず、ガス流れに合致する効率的な排気冷却が困難であった。

さらに、特許文献３〜５に記載のように、扁平チューブの一対の仕切板部の間にフィン部材を設ける場合、フィン部材によってガス室内の流れにむらが生じ易く、流れの均一性も低下するため、熱効率が低下し易い。また、シェル上部の仕切板に凹凸が形成され、冷却室の外部への開口より冷却室内最上面の高さが高くなっていたため（特許文献５の図１０参照）、含水中の空気や発生した蒸気が抜け難く、冷却効率が低下し易いばかりか、シェル上下の仕切板がろう付けされた後ではその検査もできないという問題があった。
一方、扁平部内にガス通路側インナーフィンを設けることも考えられるが、そのインナーフィンは冷却水側凸部の背面に位置する扁平チューブの凹部内壁に当接し得ないため、やはり十分な冷却性能が期待できない。

本発明は、上述のような従来技術の未解決の課題に鑑みてなされたものであり、熱交換効率に優れた小型・低コストの熱交換器を提供することを目的とする。

本発明の熱交換器は、上記目的達成のため、（１）複数の板状部材により形成される一方の流体通路と他方の流体通路とを流れる流体の間で熱交換させる熱交換器において、前記複数の板状部材のそれぞれが、一面側に凸状をなす第１凸部と該第１凸部から前記一方または他方の流体通路の流体通過方向に離間して他面側に凸状をなす第２凸部とを有するとともに、前記一面側同士もしくは他面側同士で対向するように積層され、前記複数の板状部材の前記一面側と前記他面側とに前記一方の流体通路と前記他方の流体通路とが形成されたことを特徴とするものである。

この構成により、板状部材の両面側の一方および他方の流体通路に、第１凸部および第２凸部が形成されることになり、これら第１凸部および第２凸部の大きさや配置を適宜設定することで、フィン部材を別に設けることなく流体の流れの方向や流量の調整ができるとともに、伝熱面積も十分に確保することができる。また、板状部材をプレス加工によって低コストに製造でき、低コストで冷却効率の高い熱交換器を提供することができる。

なお、板状部材の一面側同士または他面側同士を対向させるとは、第１凸部同士あるいは第２凸部同士を対向させることを含むが、第１凸部同士あるいは第２凸部同士を食い違い（流体の通過方向で異なる位置）に配置することもできる。また、板状部材をプレス加工する場合、第１凸部および第２凸部の背面側に形成される凹部によって各流体通路に凹凸が形成されるようにするのが好ましく、第１凸部、第２凸部のそれぞれが錐台形状をなすようにしてその周囲の傾斜面により伝熱面積を大きくするのがより好ましい。さらに、比熱の異なる流体間で熱交換する場合、第１凸部と第２凸部の伝熱面積の大きさを相違させ、比熱の小さい流体が流れる流体通路側に凸状をなす一方の凸部を他方の凸部より大きくする（一方の凸部の高さを他方の凸部の高さより高くする）のがよい。

上記（１）の構成を有する熱交換器は、（２）前記第１凸部と前記第２凸部とが、前記一方の流体通路内の流体の流れ方向に交互に複数配置されるとともに、前記他方の流体通路内の流体の流れ方向にも交互に複数配置されたものであるのが好ましい。

この構成により、一方の流体通路および他方の流体通路の双方で、乱流効果と伝熱効果とを期待でき、一方側の流体通路の断面積増大部分で他方の流体通路側の流体の通過が制限されることによって冷却能力が落ちるといった問題が解消されることになる。

また、上記（２）の構成を有する場合、（３）前記一方の流体通路内の流体の流れ方向と前記他方の流体通路内の流体の流れ方向とが互いに直交し、前記第１凸部と前記第２凸部とが、前記一方の流体通路内の流体の流れ方向と直交する方向に交互に離間するとともに、前記他方の流体通路内の流体の流れ方向と直交する方向に交互に離間するように、複数配置されているのが望ましい。

この構成により、一方の流体通路および他方の流体通路における乱流効果と伝熱効果の向上がより期待できるとともに、熱交換させる各流体の流通経路を容易に配置できる。

上記（１）〜（３）の構成を有する熱交換器は、（４）前記複数の板状部材のうち前記一面側で互いに対向する各一対の板状部材が、前記一面側を内面側とし、前記他面側を外面側とする扁平チューブを構成し、前記複数の板状部材によって構成される複数の前記扁平チューブが前記第２凸部同士を当接するように積層されたものであるのがよい。

この構成により、一対の板状部材を予め扁平チューブとしてそのシール性や形状精度を担保するとともに、その扁平チューブを同一姿勢で順次積層することで組立が容易化できる。

また、上記（１）〜（３）の構成を有する熱交換器は、（５）前記複数の扁平チューブを収納するシェルと、前記シェル内で前記複数の扁平チューブの両端側に設けられ、前記シェルとの間に前記複数の扁平チューブ内の前記一方の流体通路同士を連通させる連通路を形成する一対の側壁部材と、を備え、前記一対の側壁部材と前記複数の扁平チューブとによって前記複数の扁平チューブの間に前記他方の流体通路が形成されたものであるのが好ましい。

この構成により、複数の扁平チューブと一対の側壁部材とによって一方および他方の流体通路と連通路とを形成することができ、部品点数を少なくすることができる。

上記（４）または（５）の熱交換器においては、（６）前記第１凸部が、前記一方の流体通路への前記流体の流入出方向と交差する長手方向を有し、前記一方の流体通路内の流体の流れを前記他方の流体通路内における流体の流入側に偏倚させるのが好ましい。

この構成により、低温側の流体が熱交換の進行していない高温側の流体の流入側に、または、高温側の流体が熱交換の進行していない低温側の流体の流入側に、偏倚する流れとなり、熱交換効率が高まることになる。

上記（４）または（５）の熱交換器においては、（７）前記第２凸部が、前記他方の流体通路への前記流体の流入出方向と交差する長手方向を有し、前記他方の流体通路内の流体の流れを前記一方の流体通路内における流体の流入側に偏倚させるものであっても好ましい。

この構成でも、高温側の流体が熱交換の進行していない低温側の流体の流入側に、または、低温側の流体が熱交換の進行していない高温側の流体の流入側に、偏倚する流れとなり、熱交換効率が高まることになる。

上記（４）または（５）の熱交換器においては、（８）前記第１凸部が前記他方の流体通路への流体の流入出方向と直交する他方の流体通路幅の全域に及ぶ長さを有し、前記一方の流体通路内の流体が該第１凸部を挟んで前記他方の流体通路幅方向における一方側と他方側に折り返して流れるようにすることもできる。

この構成により、第１凸部を挟んで折り返す一方の流体通路が他方の流体通路の幅方向全域を往復する折り返し通路となり、熱交換効率が高まることになる。

上記（１）〜（８）の熱交換器においては、（９）前記複数の板状部材が、前記一面側の平面部からの前記第１凸部の突出高さまたは前記他面側の平面部からの前記第２凸部の突出高さが互いに異なる複数種の板状部材からなり、前記一方の流体通路および前記他方の流体通路のうち低温側の流体通路の断面積が前記複数の板状部材の積層方向における外側ほど小さくなるように、あるいは、前記一方の流体通路および前記他方の流体通路のうち高温側の流体通路の断面積が前記複数の板状部材の積層方向における外側ほど大きくなるように、前記複数種の板状部材が積層されていてもよい。

この構成により、板状部材の積層方向中央側では冷却側の流体の流量を多くし、板状部材の積層方向外側では被冷却側の流体の流量を多くすることができることになり、熱交換器の中心部における熱溜りを抑えることが可能となる。

また、上記（１）〜（９）の熱交換器は、内燃機関の排気再循環通路を通る排気ガスを冷却するよう、前記他方の流体通路が内燃機関の排気再循環通路の一部を形成し、前記一方の流体通路内に冷却液が供給されるものであるのが好ましい。

この構成により、内燃機関の吸気側に再循環される排気の温度を低下させ、排気再循環装置によるＮＯｘ低減効果を高めることができる、高熱効率で小型・低コストのＥＧＲクーラを提供することができる。

本発明によれば、一方の流体通路と他方の流体通路のそれぞれが第１凸部および第２凸部に対応する凹凸形状を有するようにしているので、これら第１凸部および第２凸部の大きさや配置を適宜設定することで、フィン部材を別に設けることなく流体の流れの方向や流量を調整することができ、伝熱面積も十分に確保することができる、小型・低コストで熱交換効率の高い熱交換器を提供することができる。

以下、本発明の好ましい実施の形態について図面に基づいて説明する。

（第１の実施の形態）
図１から図１１は本発明の第１の実施の形態に係る熱交換器を示す図であり、本発明の熱交換器を内燃機関の排気再循環（ＥＧＲ）装置に装着されるＥＧＲクーラとして構成した例を示している。なお、ＥＧＲ装置自体の全体構成については詳述しないが、例えば図１６に示した従来例と同様に、排気の一部を吸気側に還流させ再循環させるものである。

まず、図１〜図９により構成を説明する。図１は本実施形態の熱交換器の一部断面平面図、図２は図１のＡ−Ａ断面図、図３は図１のＢ−Ｂ断面図、図４（ａ）は図３のＥ−Ｅ断面図、図４（ｂ）は図３のＦ−Ｆ断面図、図５は図１のＣ−Ｃ断面図、図６は図１のＤ−Ｄ断面図、図７は図３に示されるガス導入口の形状説明図であり、図８はそのガス導入口の変形態様の形状説明図、図９はその熱交換器の内部の側壁部材の平面図である。

図１から図４に示すように、本実施形態の熱交換器１０は、外殻であるシェル１１と、シェル１１内に収納された複数の扁平チューブ１２とを備えている。

シェル１１は、両端のフランジ部１１ａ、１１ｂで図示しないＥＧＲ通路（図１６に示した従来例のＥＧＲ通路６に相当する）を形成する排気管に接続されている。

図５および図６に示すように、複数の扁平チューブ１２は、一面側で互いに対向する各一対の板状部材２１、２２によって、それら板状部材２１、２２の一面側を内面側とし、板状部材２１、２２の他面側を外面側とする扁平な筒状に形成されている。なお、複数の板状部材２１、２２は、例えば板面方向を鉛直方向に向けた鉛直姿勢（水平姿勢または傾斜姿勢でもよい）になっている。これら板状部材２１、２２は、熱伝導率の高い金属からなる板金製のものである。

板状部材２１、２２は、具体的には、図１〜図６に示すように、それぞれ一面側に凸状をなす第１凸部２１ａ、２２ａと、他面側に凸状をなす第２凸部２１ｂ、２２ｂと、平板部２１ｃ、２２ｃとを有している。また、板状部材２１、２２は、それぞれ例えばプレス加工された板金からなり、第１凸部２１ａ、２２ａおよび第２凸部２１ｂ、２２ｂはそれらの凸状の背面側が凹状をなしている。第１凸部２１ａ、２２ａおよび第２凸部２１ｂ、２２ｂはそれぞれ例えば略円錐台形状（コーナー部が丸められた略角錐台形状でもよい）に形成されている。そして、複数の扁平チューブ１２は、板状部材２１、２２の第１凸部２１ａ、２２ａ同士を当接するように対向させて接合することで、その内面側である板状部材２１、２２の間に図２中のＤ１、Ｄ２方向に広がる冷却水通路３１（Ｄ１方向に延びる一方の流体通路）を形成している。

また、複数の扁平チューブ１２は、その外面側の第２凸部２１ｂ、２２ｂ同士を当接させるように図２中のＤ１、Ｄ２方向と直交するＤ３方向（図３参照）に積層されており、隣り合う各一対の扁平チューブ１２の間にＤ２方向に延在する排気ガス通路３２（Ｄ２方向に延びる他方の流体通路）が形成されている。すなわち、本実施形態の熱交換器１０においては、各板状部材２１、２２の一面側と他面側とに、一方の流体通路である冷却水通路３１と、他方の流体通路である排気ガス通路３２とが形成されている。なお、第１凸部２１ａ、２２ａおよび第２凸部２１ｂ、２２ｂの大きさや形状、配設位置およびピッチは、流体通路内を流れる流体の流量や圧力損失、エンジンにより要求されるＥＧＲクーラの要求冷却性能等に応じて決定されるが、基本的には、流体通路３１、３２を通る流体の比熱を考慮し、板状部材２１、２２の平板部２１ｃ、２２ｃの板面上における第１凸部２１ａ、２２ａの高さ（以下、高さＨｗともいう）および直径は第２凸部２１ｂ、２２ｂの高さ（以下、高さＨｇともいう）および直径よりもそれぞれ小さくなる（例えば、Ｈｇ／Ｈｗ＞１）ように設定されている。

図４から図６に示すように、冷却水通路３１は、より具体的には、板状部材２１、２２の一面側の対向平面間距離に相当する通路高さ（積層方向における一対の第１凸部２１ａ、２２ａの高さ分の通路高さ）を有するとともに第１凸部２１ａ、２２ａの当接部の周りを取り囲む平坦部３１ｆと、その平坦部３１ｆから第２凸部２１ｂ、２２ｂの背面まで膨出した複数の膨出部３１ｅと、その平坦部３１ｆから第１凸部２１ａ、２２ａの形状に対応して穴状に没入した複数の没入部３１ｃとを有している。また、排気ガス通路３２は、板状部材２１、２２の他面側の対向平面間距離に相当する通路高さ（積層方向における一対の第２凸部２１ｂ、２２ｂの高さ分の通路高さ）を有するとともに第２凸部２１ｂ、２２ｂの当接部の周りを取り囲む平坦部３２ｆと、その平坦部３２ｆから第１凸部２１ａ、２２ａの背面まで膨出した複数の膨出部３２ｅと、その平坦部３２ｆから第２凸部２１ｂ、２２ｂの形状に対応して穴状に没入した複数の没入部３２ｃとを有している。

また、第１凸部２１ａ、２２ａと第２凸部２１ｂ、２２ｂとは、、第１凸部２１ａ、２２ａについて図２に示すように、一方の流体通路である冷却水通路３１内の流体の流れ方向（Ｄ１方向）に交互に複数配置されるとともに、他方の流体通路である排気ガス通路３２内の流体の流れ方向（Ｄ２方向）にも交互に複数配置されている。さらに、本実施形態では、冷却水通路３１内の流体の流れ方向と排気ガス通路３２内の流体の流れ方向とは、図２にＤ１方向およびＤ２方向で示すように互いに直交しており、第１凸部２１ａ、２２ａと第２凸部２１ｂ、２２ｂとは、冷却水通路３１内の流体の流れ方向Ｄ１と直交する流れ方向Ｄ２に交互に離間するとともに、排気ガス通路３２内の流体の流れ方向Ｄ２と直交する流れ方向Ｄ１にも交互に離間している。すなわち、第１凸部２１ａ、２２ａおよび第２凸部２１ｂ、２２ｂは、それぞれ同一のピッチで逆の配置をとるように千鳥配置されている。

一方、シェル１１と複数の扁平チューブ１２との間には、図５および図６に示すように、Ｄ１方向における複数の扁平チューブ１２の両側端部１２ａ、１２ｂを支持する一対の側壁部材４１、４２が設けられており、これらの側壁部材４１、４２は、シェル１１との間に複数の扁平チューブ１２内の冷却水通路３１同士を互いに連通させる連通路３３、３４を形成している。
また、排気ガス通路３２は、複数の扁平チューブ１２の間で一対の側壁部材４１、４２の対向内壁面に挟まれた扁平な通路となっている。すなわち、一対の側壁部材４１、４２および複数の扁平チューブ１２によって、複数の扁平チューブ１２の間に排気ガス通路３２が形成されている。

連通路３３、３４は、シェル１１に形成された冷却水導入口１１ｃ、冷却水排出口１１ｄおよび複数の扁平チューブ１２内の冷却水通路３１を通して、エンジンを冷却するラジエータから放熱後の冷却水をＤ１方向に通過させるようになっている。なお、熱交換器１０内を通る冷却水およびＥＧＲガスの流量は、図示しないコントロールバルブによってエンジンの運転状態に応じて可変制御される。

本実施形態の熱交換器１０は、このように複数の板状部材２１、２２により形成される冷却水通路３１と排気ガス通路３２とを流れる熱伝導性の流体、すなわち冷却水とエンジンの吸気側に再循環される排気ガス（ＥＧＲガス）との間で熱交換させるＥＧＲクーラとなっている。

なお、図１および図２に示すシェル１１は両端の開口部１１ｈ、１１ｉがＥＧＲ通路の断面形状に対応する断面形状（例えば円形断面）となっているが、複数の扁平チューブ１２および一対の側壁部材４１、４２を収納する熱交換室部１１ｋは方形断面となっている。また、図１および図２に示すように、開口部１１ｈ、１１ｉと熱交換室部１１ｋとの間は、熱交換室部１１ｋ側ほど通路断面積が大きくなるように通路断面積が変化した接続管部１１ｍ、１１ｎとなっており、ＥＧＲガスの流入側の接続管部１１ｍは熱交換室部１１ｋの中心より冷却水導入口１１ｃ側にオフセットされ、流出側の接続管部１１ｎは熱交換室部１１ｋの中心より冷却水排出口１１ｄ側にオフセットされている。

また、熱交換室部１１ｋ内の複数層、例えば４層の排気ガス通路３２の出入口には、図３、図４および図７に示すように、積層方向中央部の扁平チューブ１２のＤ２（長手）方向両端部を支持するとともに連通路３３、３４のＤ２方向両端部を閉塞し、かつ、積層された複数（例えば５枚）の扁平チューブ１２の積層厚さ（Ｄ２方向両端部での厚さ）と複数の扁平チューブ１２のＤ１方向の位置とを規定する端板５１、５２が設けられている。端板５１、５２は、図７に示すように、中間支持部５１ａ、５２ａのスリット５１ｂ、５２ｂに積層方向中心部の扁平チューブ１２の長手方向両端部を挿入することで、その扁平チューブ１２を中間支持部５１ａ、５２ａに支持するようになっているが、図８に示すように、積層方向中央部の支持部５１ａ、５２ａを有しない開口形状（全体としてのガス通過口形状）でもよい。

側壁部材４１、４２は、それぞれ図９に示すように、扁平チューブ１２のＤ１方向における両端部が挿入される複数の平行なプレート保持穴部４１ａ、４２ａと、積層方向両側の扁平チューブ１２とシェル１１との間に形成される空間３５、３６内に連通路３３、３４内の冷却水を導く複数の異径の連通孔４１ｂ、４１ｃ、４１ｄ、４１ｅ、４１ｆおよび４２ｂ、４２ｃ、４２ｄ、４２ｅ、４２ｆが形成されている。これら連通孔４１ｂ〜４１ｆおよび４２ｂ〜４２ｆは、Ｄ２方向に所定間隔で離間し、Ｄ２方向でシェル１１の冷却水導入口１１ｃ側に近いほど孔径が大きくなっている。

なお、側壁部材４１、４２および端板５１、５２は、予め一組の扁平チューブ１２に組み付けられて、シェル１１内の熱交換室部１１ｋ内に装填される。また、シェル１１は、例えばこれら複数の扁平チューブ１２の熱交換室部１１ｋへの収納後に閉蓋される蓋部（例えばシェル１１の冷却水導入口１１ｃおよび冷却水排出口１１ｄを形成した部分）を有している。

次に、作用について説明する。

上述のように構成された本実施形態の熱交換器１０においては、エンジンの負荷等に応じた排気再循環がなされるとき、シェル１１の冷却水導入口１１ｃから連通路３３内にラジエータから放熱後の冷却水が流入し、連通路３３から複数の冷却水通路３１を通って連通路３４に流れる段階で、冷却水は複数の扁平チューブ１２内の冷却水通路３１に分岐して流れ、連通路３４において合流する。また、連通路３４で合流した冷却水は、冷却水排出口１１ｄを通してラジエータ側に流れて再度冷却される。さらに、冷却水循環経路中に配置されるコントロールバルブ等によってその冷却水量が可変制御され、あるいは、ＥＧＲバルブによって排気ガス流量が制御されることで、冷却水通路３１を流れる冷却水と排気ガス通路３２を流れるＥＧＲガスとの間での熱交換量が制御される。

図１０〜図１１は、そのような熱交換がなされる状態における熱交換器１０内の流体の流れの状態を示す作用説明図であり、図１０（ａ）は図３のＥ−Ｅ断面に対応し、図１０（ｂ）は図３のＧ−Ｇ断面に対応する。図１１（ａ）は第１の実施の形態に係る熱交換器で熱交換時における流体の流れの状態を図５と同様の断面で示す作用説明図、同図（ｂ）はその流体の流れの状態を図６と同様の断面で示す作用説明図である。

ＥＧＲガスは、図１０に示すように複数の扁平チューブ１２の間の排気ガス通路３２をＤ２方向に通って熱交換器１０の熱交換室部１１ｋを通過し、一方、冷却水は、図１１に示すように、複数の扁平チューブ１２内の冷却水通路３１を通って熱交換器１０の熱交換室部１１ｋをＤ１方向に通過する。

このような本実施形態の熱交換器１０では、板状部材２１、２２に第１凸部２１ａ、２２ａおよび第２凸部２１ｂ、２２ｂとこれらに対応する凹部とが形成されることで、冷却水通路３１および排気ガス通路３２のそれぞれに交互に凹凸が形成されている。したがって、これら第１凸部２１ａ、２２ａおよび第２凸部２１ｂ、２２ｂの大きさや配置を適宜設定することで、従来のようにフィン部材を別に設けることなく冷却水通路３１内の冷却水や排気ガス通路３２内のＥＧＲガスの流れの方向や流量を調整することができる。また、板状部材２１、２２をプレス加工によって低コストに製造できる。その結果、ＥＧＲガスの温度を低下させ、ＥＧＲ装置によるＮＯｘ低減効果を高めることができる、高熱交換効率で小型・低コストのＥＧＲクーラを提供することができる。

また、本実施形態では、第１凸部２１ａ、２２ａと第２凸部２１ｂ、２２ｂとが、冷却水通路３１内の冷却水の流れ方向であるＤ１方向に交互に複数配置されるとともに、排気ガス通路３２内のＥＧＲガスの流れ方向であるＤ２方向にも交互に複数配置されているので、冷却水通路３１および排気ガス通路３２の双方で、図２に示すような乱流を通路断面上の上下左右に生じさせ、それにより伝熱効率を向上させることができる。

さらに、本実施形態では、冷却水通路３１内の冷却水の流れ方向と排気ガス通路３２内のＥＧＲガスの流れ方向とが互いに直交し、第１凸部２１ａ、２２ａと第２凸部２１ｂ、２２ｂとが、Ｄ１方向およびＤ２方向のそれぞれで交互に離間するように、複数配置されているので、冷却水通路３１および排気ガス通路３２における更なる乱流効果と伝熱効果の向上が期待できる。しかも、シェル１１内への冷却水およびＥＧＲガスの通過方向が直交するので、シェル１１内への冷却水の流通経路およびＥＧＲガスの流通経路を共に容易に配置できる。

しかも、第１凸部２１ａ、２２ａと第２凸部２１ｂ、２２ｂとが、それぞれ錐台形状に形成され、千鳥配置されているので、伝熱面積が増加するのみならず、冷却水の流れとＥＧＲガスの流れとが共に流体通路断面上の上下左右方向に適度に乱され、伝熱効率が向上する。

また、複数の板状部材２１、２２のうち一面側で互いに対向する各一対の板状部材２１、２２が扁平チューブ１２を構成し、複数対の板状部材２１、２２によって構成される複数の扁平チューブ１２が第２凸部２１ｂ、２２ｂ同士を対向させるように積層されているので、一対の板状部材２１、２２を予め扁平チューブ１２としてそのシール性や形状精度を担保しておけば、その扁平チューブ１２を同一姿勢で順次積層することで熱交換器１０の組立が容易にできる。

加えて、複数の扁平チューブ１２を収納するシェル１１と、シェル１１内の扁平チューブ１２の両端側に設けた一対の側壁部材４１、４２とによって、複数の扁平チューブ１２内の冷却水通路３１同士を連通させる連通路３３、３４を形成しているので、複数の扁平チューブ１２と一対の側壁部材４１、４２および端板５１、５２とによって、冷却水通路３１、排気ガス通路３２および連通路３３、３４を少ない部品点数で形成することができる。

なお、本実施形態における複数の扁平チューブ１２は、対向する各一対の板状部材２１、２２をそれらの第１凸部２１ａ、２２ａ同士を当接するように接合する構成となっているが、板状部材２１、２２の第２凸部２１ｂ、２２ｂ同士を当接するように接合することで、その扁平チューブ内（板状部材２１、２２の間）に他方の流体通路である排気ガス通路３２を形成したものとすることもできる。その場合には、複数の扁平チューブ１２は、排気ガス通路３２の延在方向（図４中の左右方向）に管路を形成することになる。

（第２の実施の形態）
図１２は本発明の第２の実施の形態に係る熱交換器を示す図である。なお、以下に説明する各実施形態は、上述した第１の実施形態と類似の全体構成を有し、その扁平チューブ（板状部材）に設けられる凸部形状のみが上述例と異なるものである。したがって、上述の実施形態と同一の構成または類似する構成については図１〜図１１に示した符号を付し、相違点について詳述する。

本実施形態の熱交換器６０においては、扁平チューブ１２を構成する板状部材２１、２２に設けられる第２凸部２１ｂ、２２ｂの一部が、小判形凸部あるいは所定長さの突条である複数の異形第２凸部６１ｃあるいはこれに対向する同様な図示しない異形第２凸部（以下、両者を合わせて異形第２凸部６１ｃ等という）に置き換えられており、これら異形第２凸部６１ｃ等は、排気ガス通路３２へのＥＧＲガスの流入出（排気ガスの通過）方向であるＤ２方向に対し、所定角度θ１で交差する長手方向を有している。なお、異形第２凸部６１ｃ等の背面側には冷却水通路３１の膨出部３１ｅが小判形あるいは所定長さの突条の形で形成されることになる。なお、板状部材２１、２２の一方側のみに異形第２凸部を設けてもよい。

これら異形第２凸部６１ｃ等は、冷却水導入口１１ｃ近傍の排気ガス通路３２内のＥＧＲガスの流れの方向を、図１２に示すように、排気ガス通路３２へのＥＧＲガスの流入出（通過）方向であるＤ２方向に対し、冷却水導入口１１ｃ側に、すなわち冷却水通路３１内における冷却水の流入側に偏倚させる（ＥＧＲガスの流れの方向を冷却水の低温側に傾ける意）ようになっており、そのＥＧＲガスの流れに沿った異形第２凸部６１ｃ等の側壁面部分によって伝熱面積も大きくなっている。

本実施形態では、上述の第１の実施形態の効果に加えて、高温側のＥＧＲガスの流れが、熱交換の進行していない低温側の冷却水の流入側に偏倚する流れとなることから、ＥＧＲガスと冷却水との温度差が大きい領域で熱交換が促進され、熱交換効率が高まることになる。

（第３の実施の形態）
図１３は本発明の第３の実施の形態に係る熱交換器を示す図である。

本実施形態の熱交換器７０においては、扁平チューブ１２を構成する板状部材２１、２２に設けられる第１凸部２１ａ、２２ａの一部が、小判形凸部あるいは所定長さの突条である異形第１凸部７１ｃあるいはこれに対向する同様な図示しない異形第１凸部（以下、両者を合わせて異形第１凸部７１ｃ等という）に置き換えられており、これら異形第１凸部７１ｃ等は、冷却水通路３１への冷却水の流入出（通過）方向であるＤ１方向に対し、所定角度θ２で交差する長手方向を有している。なお、異形第１凸部７１ｃ等の背面側には排気ガス通路３２の膨出部３２ｅが小判形あるいは所定長さの突条の形で形成されることになる。

異形第１凸部７１ｃ等は、冷却水通路３１内の冷却水の流れを、排気ガス通路３２内におけるＥＧＲガス（排気ガス）の流入側に偏倚させる（図１３に示すように、すなわち冷却水の冷却水導入口１１ｃからシェル１１内への流入方向であるＤ１方向に対して排気ガス通路３２内への排気ガスの流入口側に流れの方向を傾ける）ようになっている。

本実施形態では、上述の第１の実施形態の効果に加えて、低温側の流体である冷却水が熱交換の進行していない高温側の流体、すなわちＥＧＲガスの流入側に偏倚する流れとなることから、冷却水とＥＧＲガスの温度差が大きい領域で熱交換が促進され、熱交換効率が高まることになる。

（第４の実施の形態）
図１４は本発明の第４の実施の形態に係る熱交換器を示す図である。

本実施形態の熱交換器８０においては、扁平チューブ１２を構成する板状部材２１、２２に設けられる第１凸部２１ａ、２２ａの一部が、図１４に示すようにジグザグに屈曲した突条であって互いにＤ２方向に離間する複数の異形第１凸部８１ｃあるいはこれに対向する同様な図示しない異形第１凸部（以下、両者を合わせて異形第１凸部８１ｃ等という）に置き換えられている。

これら異形第１凸部８１ｃ等は、排気ガス通路３２へのＥＧＲガスの流入出方向であるＤ２方向に対し直交するＤ１方向において、排気ガス通路３２の幅の全域に及ぶ長さを有しており、冷却水通路３１内の冷却水が各異形第１凸部８１ｃ等を挟んで排気ガス通路３２の通路幅方向（Ｄ１方向）における一方側から他方側に、あるいは他方側から一方側に折り返して流れるようになっている。なお、異形第１凸部８１ｃ等の背面側には排気ガス通路３２の膨出部３２ｅが屈曲した突条の形で形成されることになる。

また、連通路３３、３４を所定箇所で仕切り、冷却水導入口１１ｃから冷却水排出口１１ｄへのジグザグの冷却水通路３１を形成するように、シェル１１と側壁部材４１、４２との間に冷却水通路３１の折返し方向を規定する仕切部材５３、５４、５５が設けられている。なお、これらの仕切部材５３、５４、５５は、複数の扁平チューブ１２、側壁部材４１、４２および端板５１、５２と一体にろう付けされている。

本実施形態では、異形第１凸部８１ｃ等を挟んで折り返す冷却水通路３１が排気ガス通路３２の幅方向全域を往復する折り返し通路となることから、熱交換効率が高まることになる。

（第５の実施の形態）
図１５は本発明の第５の実施の形態に係る熱交換器を示す図である。

本実施形態の熱交換器９０においては、扁平チューブ１２を構成する板状部材２１、２２が、その平板部２１ｃ、２２ｃの一面側からの第１凸部２１ａ、２２ａの突出高さまたは平板部２１ｃ、２２ｃの他面側からの第２凸部２１ｂ、２２ｂの突出高さが互いに異なる複数種、例えば各３種類の板状部材２１Ｓ、２１Ｔ、２１Ｕ、２２Ｓ、２２Ｔ、２２Ｕ（以下、これらを総称して板状部材２１、２２という）からなる。

そして、第１凸部２１ａ、２２ａの突出高さおよび第２凸部２１ｂ、２２ｂの突出高さが互いに等しい同一種の板状部材２１Ｓ、２２Ｓ同士から積層方向で最も外側の扁平チューブ１２Ｓが構成され、第１凸部２１ａ、２２ａの突出高さが板状部材２１Ｓ、２２Ｓより大きく、板状部材２１Ｕ、２２Ｕより小さい板状部材２１Ｔ、２２Ｔ同士によって積層方向で外側から２番目の扁平チューブ１２Ｔが構成され、第１凸部２１ａ、２２ａの突出高さが最も大きい板状部材２１Ｕ、２２Ｕ同士によって積層方向中心部の扁平チューブ１２Ｕが構成されている。

一方、扁平チューブ１２Ｓ、１２Ｔおよび１２Ｕの積層ピッチは、図１５に示すようにピッチＰＡで一定であり、板状部材２１Ｓ、２２Ｓの第２凸部２１ｂ、２２ｂの突出高さは板状部材２１Ｔ、２２Ｔの第２凸部２１ｂ、２２ｂの突出高さより大きく、かつ、板状部材２１Ｔ、２２Ｔの第２凸部２１ｂ、２２ｂの突出高さは板状部材２１Ｕ、２２Ｕの第２凸部２１ｂ、２２ｂの突出高さより大きくなっている。

すなわち、本実施形態の熱交換器９０においては、冷却水通路３１および排気ガス通路３２のうち低温側の流体通路である冷却水通路３１の断面積が、扁平チューブ１２（複数の板状部材２１、２２）の積層方向における外側ほど小さくなるように、さらに、高温側の流体通路である排気ガス通路３２の断面積が扁平チューブ１２の積層方向における外側ほど大きくなるように、図１５中の冷却水通路の平坦部３１ｆの厚さに対応する扁平チューブ１２の平坦部高さＢ０、Ｂ１、Ｂ２が、Ｂ２＞Ｂ１＞Ｂ０の関係に設定され、排気ガス通路３２の平坦部３２ｆの厚さＧ１、Ｇ２が、Ｇ１＞Ｇ２の関係に設定されている。

このように構成された本実施形態では、上述の第１の実施形態の効果に加えて、熱交換器９０の中心部における熱交換が十分でないために熱交換器９０の中心部に熱が溜まる、いわゆる熱溜りが抑えられることになる。

なお、上述の各実施形態においては、第１凸部と第２凸部とが流体通過方向において１つずつ交互に配置されるのでなく、複数毎に交互に、あるいは、異なる数で交互に配置されてもよい。また、同一通路の流体通過方向の異なる位置に膨出部と没入部が存在するようにすれば、板状部材の一面側の流体通路と他面側の流体通路とのうち少なくとも一方の流体通過のみに凹凸が形成されるようにしてもよい。さらに、第１凸部および第２凸部の凸部形状は、共に円錐台形状を例示したが、球面状に傾斜した周壁面を有する凸部や湾曲した所定長さの突条等であってもよく、第２実施形態から第４実施形態で例示したごとくに、同一板状部材の同一面上に形状の異なる複数種の凸部を組み合わせて配置してもよいことはいうまでもない。

以上説明したように、本発明は、一方の流体通路と他方の流体通路のそれぞれに第１凸部および第２凸部のうちいずれか一方とそれに対応する凹部とが形成されるようにしているので、これら第１凸部および第２凸部の大きさや配置を適宜設定することで、フィン部材を別に設けることなく流体の流れの方向や流量バランスを調整することができ、伝熱面積も十分に確保することができる、低コストで冷却効率の高い熱交換器を提供することができるという効果を奏するものであり、熱交換器、特に内燃機関の排気再循環装置における排気冷却用として好適な熱交換器全般に有用である。

本発明の第１の実施の形態に係る熱交換器の一部断面平面図である。 図１のＡ−Ａ断面図である。 図１のＢ−Ｂ断面図である。 （ａ）は図３のＥ−Ｅ断面図、（ｂ）は図３のＦ−Ｆ断面図である。 図１のＣ−Ｃ断面図である。 図１のＤ−Ｄ断面図である。 図３に示される排気ガス導入口の形状説明図である。 図３に示される排気ガス導入口の変形態様の形状説明図である。 第１の実施の形態に係る熱交換器の内部の側壁部材の平面図である。 第１の実施の形態に係る熱交換器で熱交換がなされる状態における流体の流れの状態を高さ位置の異なる平面断面で示す作用説明図で、（ａ）は図３のＥ−Ｅ断面に対応し、（ｂ）は図３のＧ−Ｇ断面に対応する。 （ａ）は第１の実施の形態に係る熱交換器で熱交換時における流体の流れの状態を図５と同様の断面で示す作用説明図、（ｂ）はその流体の流れの状態を図６と同様の断面で示す作用説明図である。 本発明の第２の実施の形態に係る熱交換器の側面断面図である。 本発明の第３の実施の形態に係る熱交換器の側面断面図である。 本発明の第４の実施の形態に係る熱交換器の側面断面図である。 本発明の第５の実施の形態に係る熱交換器の要部平面断面図である。 従来例のＥＧＲクーラ付の排気再循環装置を備えた内燃機関の概略構成図である。

符号の説明

１０、６０、７０、８０、９０ 熱交換器（ＥＧＲクーラ）
１１ シェル
１１ａ、１１ｂ フランジ部
１１ｃ 冷却水導入口
１１ｄ 冷却水排出口
１１ｈ、１１ｉ 開口部
１１ｋ 熱交換室部
１１ｍ、１１ｎ 接続管部
１２、１２Ｓ、１２Ｔ、１２Ｕ 扁平チューブ
１２ａ、１２ｂ 両端部
２１、２２、２１Ｓ、２２Ｓ、２１Ｔ、２２Ｔ、２１Ｕ、２２Ｕ 板状部材
２１ａ、２２ａ 第１凸部
２１ｂ、２２ｂ 第２凸部
２１ｃ、２２ｃ 平板部
３１ 冷却水通路
３１ｃ 没入部
３１ｅ 膨出部
３１ｆ、３２ｆ 平坦部
３２ 排気ガス通路
３２ｃ 没入部
３２ｅ 膨出部
３２ｆ 平坦部
３３、３４ 連通路
３５、３６ 空間
４１、４２ 側壁部材
４１ａ、４２ａ プレート保持穴部
４１ｂ、４１ｃ、４１ｄ、４１ｅ、４１ｆ 連通孔
５１、５２ 端板
５３、５４、５５ 仕切部材
６１ｃ等 異形第２凸部
７１ｃ等 異形第１凸部
８１ｃ等 異形第１凸部
Ｂ０、Ｂ１、Ｂ２ 扁平チューブの平坦部の厚さ
Ｄ１ 冷却水通路の冷却水通過方向（一方の流体通路内の流体の流入出方向）
Ｄ２ 排気ガス通路のＥＧＲガス通過方向（他方の流体通路内の流体の流入出方向）
Ｇ１、Ｇ２ 排気ガス通路の平坦部の厚さ
θ１、θ２ 所定角度

Claims (10)

1. 複数の板状部材により形成される一方の流体通路と他方の流体通路とを流れる流体の間で熱交換させる熱交換器において、
   前記複数の板状部材のそれぞれが、一面側に凸状をなす第１凸部と該第１凸部から前記一方または他方の流体通路の流体通過方向に離間して他面側に凸状をなす第２凸部とを有するとともに、前記一面側同士もしくは他面側同士で対向するように積層され、前記複数の板状部材の前記一面側と前記他面側とに前記一方の流体通路と前記他方の流体通路とが形成されたことを特徴とする熱交換器。
2. 前記第１凸部と前記第２凸部とが、前記一方の流体通路内の流体の流れ方向に交互に複数配置されるとともに、前記他方の流体通路内の流体の流れ方向にも交互に複数配置されたことを特徴とする請求項１に記載の熱交換器。
3. 前記一方の流体通路内の流体の流れ方向と前記他方の流体通路内の流体の流れ方向とが互いに直交し、前記第１凸部と前記第２凸部とが、前記一方の流体通路内の流体の流れ方向と直交する方向に交互に離間するとともに、前記他方の流体通路内の流体の流れ方向と直交する方向に交互に離間するように、複数配置されたことを特徴とする請求項２に記載の熱交換器。
4. 前記複数の板状部材のうち前記一面側で互いに対向する各一対の板状部材が、前記一面側を内面側とし、前記他面側を外面側とする扁平チューブを構成し、
   前記複数の板状部材によって構成される複数の前記扁平チューブが前記第２凸部同士を当接するように積層されたことを特徴とする請求項１ないし請求項３のいずれか１項に記載の熱交換器。
5. 前記複数の扁平チューブを収納するシェルと、
   前記シェル内で前記複数の扁平チューブの両端側に設けられ、前記シェルとの間に前記複数の扁平チューブ内の前記一方の流体通路同士を連通させる連通路を形成する一対の側壁部材と、を備え、
   前記一対の側壁部材と前記複数の扁平チューブとによって前記複数の扁平チューブの間に前記他方の流体通路が形成されたことを特徴とする請求項４に記載の熱交換器。
6. 前記第１凸部が、前記一方の流体通路への前記流体の流入出方向と交差する長手方向を有し、前記一方の流体通路内の流体の流れを前記他方の流体通路内における流体の流入側に偏倚させることを特徴とする請求項４または請求項５に記載の熱交換器。
7. 前記第２凸部が、前記他方の流体通路への前記流体の流入出方向と交差する長手方向を有し、前記他方の流体通路内の流体の流れを前記一方の流体通路内における流体の流入側に偏倚させることを特徴とする請求項４または請求項５に記載の熱交換器。
8. 前記第１凸部が前記他方の流体通路への流体の流入出方向と直交する他方の流体通路幅の全域に及ぶ長さを有し、前記一方の流体通路内の流体が該第１凸部を挟んで前記他方の流体通路幅方向における一方側と他方側に折り返して流れるようにしたことを特徴とする請求項４または請求項５に記載の熱交換器。
9. 前記複数の板状部材が、前記一面側の平面部からの前記第１凸部の突出高さまたは前記他面側の平面部からの前記第２凸部の突出高さが互いに異なる複数種の板状部材からなり、
   前記一方の流体通路および前記他方の流体通路のうち低温側の流体通路の断面積が前記複数の板状部材の積層方向における外側ほど小さくなるように、あるいは、前記一方の流体通路および前記他方の流体通路のうち高温側の流体通路の断面積が前記複数の板状部材の積層方向における外側ほど大きくなるように、前記複数種の板状部材が積層されたことを特徴とする請求項１ないし請求項８のいずれか１項に記載の熱交換器。
10. 内燃機関の排気再循環通路を通る排気ガスを冷却するよう、前記他方の流体通路が内燃機関の排気再循環通路の一部を形成し、
    前記一方の流体通路内に冷却液が供給されることを特徴とする請求項１ないし請求項９のいずれか１項に記載の熱交換器。

Images