JP2010060196A - ガス冷却装置 - Google Patents

Abstract

【課題】ガス冷却効率に優れ、放射音等の騒音・振動をコストアップを招くことなく十分に低減することのできるガス冷却装置を提供する。
【解決手段】ガス冷却用の流体通路１３と冷却水用の流体通路１４とを形成する冷却器タンク１０を有し、流体通路１３を通る高温のガスと流体通路１４を通る低温の冷却用流体との間で熱交換させるガス冷却装置であって、冷却器タンク１０に装着され流体通路１３の入口側に連通するガス導入空間１６を形成するサブタンク１５と、高温ガスが導入される入口側通路１７ａを形成し、サブタンク１５に対してガス導入空間１６から流体通路１３に向かうガス導入方向とは異なる挿入方向に挿入された入口側パイプ部材１７と、を備え、入口側パイプ部材１７が、ガス導入空間１６内で挿入方向からガス導入方向へと入口側通路１７ａの下流側部分を湾曲させる湾曲部１７ｂを有するとともに、ガス導入空間１６内で開口している。
【選択図】図１

Description

本発明は、ガス冷却装置、特に内燃機関の排気再循環装置における排気ガスのような圧力変動のある高温のガスの冷却に好適なガス冷却装置に関する。

自動車等の車両に搭載される内燃機関においては、排気浄化性能に対する要求の高度化に伴って、ＮＯｘ低減に効果的な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なディーゼルエンジン等の内燃機関では、ＥＧＲ量が多くなるため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、例えばフィンを有するか全体としてフィン状に形成された熱交換用チューブをケース内に積層配置してその熱交換用チューブ内（熱交換用チューブの内外一方側）に排気再循環される排気ガスを通し、ケースと熱交換用チューブの間（熱交換用チューブの内外他方側）に導いた冷却水と、積層された熱交換用チューブ内を通る高温の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、ガス冷却装置として構成されている。

この種のガス冷却装置としては、例えば９０度曲げ状態となるＥＧＲクーラのガス導入側のベント構造ボンネットにおいて、ガスの流速が大きくなる曲率半径の大径側（曲げ外側）に邪魔板を設けて、曲率半径の内外でのガス流速のばらつきを抑え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、ＥＧＲ管から騒音が発生するのを抑えるべく、ＥＧＲ管路の途中にチャンバーを設けて、排気圧力や流速等を変化させるようにしたものも知られている（例えば、特許文献２参照）。
特開２００６−１１８４３６号公報 特開２００３−２６９２６３号公報

しかしながら、上述のような従来のガス冷却装置にあっては、ベント構造ボンネット部分でのガス流速の均一化を図った特許文献１に記載のようなものでは、邪魔板によってＥＧＲガスの流通が制限されてしまうことから、冷却効率が低下してしまうという問題があった。

また、ＥＧＲ管路の途中にチャンバーを設けたものにあっても、ＥＧＲクーラからの放射音を十分に抑えるには不十分であった。

これに対し、例えばＥＧＲクーラのガス導入部分や本体部分の外壁にマスダンパを装着するといった対策も考えられるが、コストアップを招くにもかかわらず、十分な騒音対策とは言い難い。

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、ガス冷却効率に優れ、放射音等の騒音・振動をコストアップを招くことなく十分に低減することのできるガス冷却装置を提供することを目的とする。

本発明のガス冷却装置は、上記目的達成のため、（１）一方の流体通路と他方の流体通路とを形成する冷却器本体を有し、前記一方の流体通路を通る高温のガスと前記他方の流体通路を通る低温の冷却用流体との間で熱交換させるガス冷却装置であって、前記冷却器本体に装着され前記一方の流体通路の入口側に連通するガス導入空間を形成する導入タンク部材と、前記高温のガスが導入される入口側通路を形成し、前記導入タンク部材に対して前記ガス導入空間から前記一方の流体通路に向かうガス導入方向とは異なる挿入方向に挿入された入口側パイプ部材と、を備え、前記入口側パイプ部材が、前記ガス導入空間内で前記挿入方向から前記ガス導入方向へと前記入口側通路の下流側部分を湾曲させる湾曲部を有するとともに、前記ガス導入空間内で開口していることを特徴とする。

この構成により、導入タンク部材とその導入タンク部材内のガス導入空間に挿入された入口側パイプ部材の湾曲部とによって、二重構造のガス導入部が構成されることになり、導入タンク部材内に導入されるガスの圧力や流速の変化が一定容積のガス導入空間において緩和されるだけでなく、入口側パイプ部材の湾曲部で生じ易い放射音が導入タンク部材により遮断されることになり、ガス冷却装置からの放射音等の騒音・振動が有効に抑制されることになる。しかも、ガスの流れが制限されることがなく、ガス冷却効率が低下することもない。さらに、ガス導入空間内に、導入タンク部材とパイプ部材の湾曲部との間に介在するよう吸音材等を設けることもでき、そのようにすれば、設置スペースが制限される車両用のＥＧＲクーラ等に用いる場合であっても、騒音・振動が効果的に抑制できる。

本発明によれば、導入タンク部材とその導入タンク部材内のガス導入空間に挿入された入口側パイプ部材の湾曲部とによって二重構造のガス導入部を構成しているので、流れの制限によるガス冷却効率の低下やコストアップを招くことなく、ガス導入部からの放射音等の騒音・振動を十分に低減することのできるガス冷却装置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。

図１は、本発明の一実施形態に係るガス冷却装置の要部断面図であり、図２は、一実施形態に係るガス冷却装置を図１のＡ矢視方向に見た矢視図である。また、図３は、一実施形態に係るガス冷却装置を排気再循環（ＥＧＲ）装置に装着されるＥＧＲクーラに適用可能な内燃機関の概略構成図である。

まず、その構成を説明する。

図１および図２に示すように、本実施形態のガス冷却装置は、外殻である略角筒状のケース１１と、ケース１１内に互いに平行に収納された公知の複数のフィン状の熱交換用チューブ１２（詳細図示せず）とを有する冷却器タンク１０（冷却器本体）を備えている。

複数の熱交換用チューブ１２は、熱伝導率の高い一定肉厚の金属からなり、例えばそれぞれ両端部で支持板１８ａ、１８ｂを介して管路方向の同一位置で管路方向と直交する方向に所定の間隔を隔てて支持されている。そして、複数の熱交換用チューブ１２によってそれらの内部に高温のガスが通過する複数のガス冷却通路１３（一方の流体通路）が互いに平行に形成されている。これら複数のガス冷却通路１３は、高温のガスが通過する高温ガス通路１９の一部として、高温ガス通路１９の途中で複数の分岐通路状をなしている。なお、ここでは、説明の便宜上、各熱交換用チューブ１２がそれぞれ扁平な筒状に形成されたものとして説明するが、各熱交換用チューブ１２は複数の凹凸を有する板状体を貼り合せて互いに略直交する一方の流体通路と他方の流体通路とを形成するように構成された公知の他形状のものであってもよい。

冷却器タンク１０のケース１１、熱交換用チューブ１２および支持板１８ａ、１８ｂは、全体として、複数の熱交換用チューブ１２の周りに冷却水（冷却用流体）が通る冷却水通路１４（他方の流体通路）を形成している。冷却水通路１４は、例えば複数の熱交換用チューブ１２の両面側に隣接する複数の略平坦な一定厚さの通路部分１４ａと、これら複数の通路部分１４ａ同士を相互に連通するよう接続する両側方の集合通路１４ｂ、１４ｃとを含んで構成されており、一方の集合通路１４ｂにはケース１１の外周に設置された冷却水導入口部１１ｃを通して外部からの冷却水が導入され、他方の集合通路１４ｃからケース１１の外周に設置された冷却水排出口部１１ｄを通して外部に冷却水が排出されるようになっている。

すなわち、冷却器タンク１０は、一方の流体通路であるガス冷却通路１３に高温のＥＧＲガスを通し、他方の流体通路である冷却水通路１４にＥＧＲガスに対して相対的に低温となる冷却水を通すことで、ガス冷却通路１３を通る高温のガスと冷却水通路１４を通る低温の冷却水との間で熱交換をさせるようになっている。

図１に示すように、冷却器タンク１０の一端側には、ケース１１の一部を構成するＵ字形断面の矩形環状のカバー部１１ａおよびその内周部にろう付け等により固定されたサブヘッダー部１１ｂを介して、略箱形のサブタンク１５（導入タンク部材）が装着されている。サブヘッダー部１１ｂは、その一端側（図１中の右端側）でカバー部１１ａ内に挿入され、複数のガス冷却通路１３の上流で高温ガス通路１９の一部となるケース１１の入口側開口１１ｅを形成する一方、他端側（図１中の左端側）ではサブタンク１５の略矩形の開口端部１５ｊを保持している。

サブタンク１５は、冷却器タンク１０のケース１１と共に、ガス冷却通路１３の入口側に連通する一定容積のガス導入空間１６を形成している。

また、サブタンク１５は、ケース１１の４つの外周平坦面と平行をなす４つの略平坦な外壁部１５ａ、１５ｂ、１５ｃ、１５ｄのうち任意の外壁部に、例えば外壁部１５ａに略円形の開口１５ｅを有している。そして、このサブタンク１５の開口１５ｅを通して、サブタンク１５には、高温ガスが導入される略円形断面の入口側通路１７ａを形成する入口側パイプ部材１７の先端部分がガス導入空間１６内に挿入された状態で固定されている。

すなわち、入口側パイプ部材１７は、その先端部分の湾曲部１７ｂをサブタンク１５内に挿入された状態で、その湾曲部１７ｂを含むサブタンク１５への接続部付近においてサブタンク１５と共に二重管構造をなしている。

また、入口側パイプ部材１７は、サブタンク１５に対して、ガス導入空間１６からガス冷却通路１３に向かうガス導入方向（図１中で右向き）とは異なる挿入方向に、例えばガス導入方向に対し略直角に交差する挿入方向に挿入されている。

さらに、入口側パイプ部材１７は、サブタンク１５への挿入方向からガス冷却通路１３へのガス導入方向へと、入口側通路１７ａの下流側部分１７ｅをガス導入空間１６内で湾曲させつつ略円形断面から略矩形断面に徐々に拡径させる湾曲部１７ｂを有するとともに、ガス導入空間１６内で略矩形に開口した開口部１７ｃを有している。

この入口側パイプ部材１７の開口部１７ｃは、その全周においてサブタンク１５の内壁から離間するとともに、複数のガス冷却通路１３の上流で高温ガス通路１９の一部を形成するケース１１の入口側開口１１ｅに対して略相似する形状をなしている。また、入口側パイプ部材１７の開口部１７ｃは、入口側パイプ部材１７の径方向でもあるガス導入方向において、入口側パイプ部材１７の湾曲部１７ｂより上流側の部分の外周面のどの部分よりも複数のガス冷却通路１３側に位置している。

一方、サブタンク１５と入口側パイプ部材１７の湾曲部１７ｂとの間には、入口側パイプ部材１７の開口部１７ｃより図１中の左側、すなわち湾曲部１７ｂの背面側で入口側パイプ部材１７を取り囲むように、吸音材２１が設けられている。

この吸音材２１は、湾曲部１７ｂの背面側とそれに対向するサブタンク１５の内壁面との間に充填されることで、音圧振動を熱エネルギに変換して吸音効果を発揮し得る公知のものである。具体的には、吸音材２１は、例えばガラス繊維を含むフェルト状のグラスウールで構成され、その内部に密度に応じ不規則にガラス繊維が存在する吸音空間を形成する。勿論、吸音材２１は、グラスウールでなくロックウールであってもよく、シリカ繊維やセラミック繊維等を含むものであってもよい。

図３に示すように、冷却器タンク１０には、例えば車両のエンジン１を冷却する冷却水の一部が図示しないラジエータにより放熱された後にウォーターポンプ２から導入され、その導入量に応じて冷却水通路１４を通過した冷却水が、冷却水排出口部１１ｄからエンジン１のウォータジャケット１ａ側に排出されるようになっている。

また、冷却器タンク１０の高温ガス通路１９には、エンジン１の排気通路３２から高温ガスである排気ガスの一部がＥＧＲガス（排気再循環ガス）として導入されるようになっており、高温ガス通路１９の途中で複数のガス冷却通路１３を通るＥＧＲガスは、冷却水通路１４内を通過する冷却水との間で熱交換することで冷却されながら複数のガス冷却通路１３を通過し、高温ガス通路１９の下流端側からＥＧＲバルブ３３を通してエンジン１の吸気通路３１側に導入されるようになっている。

冷却器タンク１０は、このように冷却水通路１４を流れる冷却水と高温ガス通路１９の一部であるガス冷却通路１３を通してエンジン１の吸気側に再循環される排気ガスとの間で熱交換を実行させるＥＧＲクーラとして機能するようになっている。

なお、図１および図２に示すケース１１の出口側の開口部１１ｋは、下流側の高温ガス通路１９の断面形状に対応する断面形状（例えば円形断面）となっており、ケース１１の他端側（図２中の右側）には複数のガス冷却通路１３の略方形断面の集合空間を形成しつつ下流側の高温ガス通路１９の断面形状に対応する通路断面形状へと徐々に縮径するカバー部材２６が装着されている。

また、図３に示すエンジン１は、ウォーターポンプ２の他に、公知のスロットルバルブ３、インジェクタ４、ターボ過給機５、インタークーラ６、エアクリーナ７、排気浄化装置８等を備えている。

次に、その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ガス冷却装置においては、冷却器タンク１０内の冷却水通路１４にラジエータによる放熱後の冷却水が流入する一方、エンジン１の負荷等に応じてＥＧＲバルブ３３が開弁されて排気再循環がなされる。

この排気再循環時には、冷却器タンク１０の高温ガス通路１９に、エンジン１の排気通路３２から排気ガスの一部がＥＧＲガスとして導入され、そのＥＧＲガスが複数のガス冷却通路１３を通る際に冷却水通路１４内を通過する冷却水との間での熱交換により冷却され、ＥＧＲバルブ３３を通して吸気通路３１側に好適な温度で還流される。

この状態においては、サブタンク１５とそのサブタンク１５内のガス導入空間１６に挿入された入口側パイプ部材１７の湾曲部１７ｂとによって、二重構造のガス導入部が構成されていることから、ガス導入タンク部であるサブタンク１５の設置効果と相俟って、ガス導入部にマスダンパを装着したりすることなく、ガス導入部からの放射音等の騒音・振動が有効に抑制されることになる。

すなわち、サブタンク１５内に挿入された入口側パイプ部材１７がガス導入空間１６中の開口部１７ｃで開口し、その直後で入口側通路１７ａからサブタンク１５内のガス導入空間１６へと流路断面積が急に拡張される。また、サブタンク１５は、一定容積のガス導入空間１６を形成しつつ、入口側パイプ部材１７の湾曲部１７ｂの周りを取り囲む一定の剛性の内壁を形成している。

したがって、設置スペースが制限される車両用のＥＧＲクーラであって、そのガス導入部が略直角に曲がった配管構成でありながらも、入口側通路１７ａからの排気ガスの圧力や流速がサブタンク１５内のガス導入空間において緩和され、騒音が低減されることに加えて、湾曲部１７ｂでの音の発生に起因する放射音がサブタンク１５により確実に遮断される。したがって、コストアップを招くことなく、ガス導入部から外部への騒音・振動が効果的に抑制できるとともに、高温ガス通路１９中での圧損も確実に低減可能となり、ガスの流れが制限されることでガス冷却効率が低下するという従来の問題も解消する。

さらに、サブタンク１５と入口側パイプ部材１７の湾曲部１７ｂとの間に介在する吸音材２１をガス導入空間１６内に設けている。したがって、入口側パイプ部材１７の湾曲部１７ｂにＥＧＲガスが衝突し音が発生するものの、吸音材２１による吸音効果により湾曲部１７ｂから騒音が吸音される。したがって、湾曲部１７ｂでの音の発生に起因するガス導入部からの放射音がサブタンク１５内でより確実に遮断されることになる。

また、ケース１１および複数の熱交換用チューブ１２等を高熱伝導率の金属製とすることで、ＥＧＲガスの温度を効率よく低下させ、ＥＧＲ装置によるＮＯｘ低減効果を高めることができ、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。

このように、本実施形態のガス冷却装置においては、サブタンク１５とそのサブタンク１５内のガス導入空間１６に挿入された入口側パイプ部材１７の先端側の湾曲部１７ｂとによって二重構造のガス導入部を構成しているので、ＥＧＲガスの流れが制限されることでＥＧＲガスの冷却効率が低下するということがなく、サブタンク１５の設置効果と相俟って、高温ガスの導入部からの放射音等の騒音・振動をコストアップを招くことなく十分に低減することのできるガス冷却装置を提供することができる。

なお、上述の一実施形態では、入口側パイプ部材１７の軸方向と複数の熱交換用チューブ１２の扁平に広がる方向とが略直交していたが、これらが平行になってもよいことはいうまでもない。また、冷却器タンク１０の中で高温のガス通路１９と冷却水通路１４を熱交換用チューブ１２の壁部を挟んで互いに隣接させるものとしていたが、冷却器本体に高温ガス通路中に複数の金属フィンが突出し、それらの金属フィンを支持する支持体金属部分に冷却水通路を形成するようにしてもよいし、その支持体金属部分を冷却水以外の冷却用流体（例えば、空冷）で冷却したり、他の装置との間で冷却用流体を媒体として熱交換させたりしてもよい。

また、上述の一実施形態では、本発明のガス冷却装置をＥＧＲクーラとして構成するものとしたが、本発明のガス冷却装置は、圧力が変動する他の高温ガスの冷却にも好適に用いることができ、その場合にもそのガス導入部からの放射音等の騒音・振動を十分に低減することができるものである。

以上説明したように、本発明は、導入タンク部材とその導入タンク部材内のガス導入空間に挿入された入口側パイプ部材の湾曲部とによって二重構造のガス導入部を構成しているので、ガスの流れが制限されてガス冷却効率が低下するということがなく、ガス導入タンク部の設置効果と相俟って、コストアップを招くことなくガス導入部からの放射音等の騒音・振動を十分に低減することのできるガス冷却装置を提供することができるものであり、ガス冷却装置、特に内燃機関の排気再循環装置における排気のような圧力変動のある高温のガスの冷却に好適なガス冷却装置全般に有用である。

本発明の一実施形態に係るガス冷却装置の要部断面図である。 一実施形態に係るガス冷却装置を図１のＡ矢視方向に見た矢視図である。 一実施形態に係るガス冷却装置を排気再循環装置に装着されるＥＧＲクーラに適用可能な内燃機関の概略構成図である。

符号の説明

１０ 冷却器タンク（冷却器本体）
１１ ケース
１１ｃ 冷却水導入口部
１１ｄ 冷却水排出口部
１２ 熱交換用チューブ
１３ ガス冷却通路（一方の流体通路）
１４ 冷却水通路（一方の流体通路）
１５ サブタンク（導入タンク部材）
１５ａ、１５ｂ、１５ｃ、１５ｄ 外壁部
１６ ガス導入空間
１７ 入口側パイプ部材
１７ａ 入口側通路
１７ｂ 湾曲部
１７ｃ 開口部
１７ｅ 下流側部分
１８ａ、１８ｂ 支持板
１９ 高温ガス通路（ＥＧＲ通路）
２１ 吸音材
３１ 吸気通路
３２ 排気通路
３３ ＥＧＲバルブ

Claims (1)

1. 一方の流体通路と他方の流体通路とを形成する冷却器本体を有し、前記一方の流体通路を通る高温のガスと前記他方の流体通路を通る低温の冷却用流体との間で熱交換させるガス冷却装置であって、
   前記冷却器本体に装着され前記一方の流体通路の入口側に連通するガス導入空間を形成する導入タンク部材と、
   前記高温のガスが導入される入口側通路を形成し、前記導入タンク部材に対して前記ガス導入空間から前記一方の流体通路に向かうガス導入方向とは異なる挿入方向に挿入された入口側パイプ部材と、を備え、
   前記入口側パイプ部材が、前記ガス導入空間内で前記挿入方向から前記ガス導入方向へと前記入口側通路の下流側部分を湾曲させる湾曲部を有するとともに、前記ガス導入空間内で開口していることを特徴とするガス冷却装置。

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