JP3886214B2 - Ｅｇｒガス冷却装置 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、エンジンの冷却液、インタークーラー用冷媒、カーエアコン用冷媒または冷却風等によってＥＧＲガスを冷却する装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
排気ガスの一部を排気系から取出して、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）と称される。ＥＧＲはＮＯｘ（窒素酸化物）の発生抑制、ポンプ損失の低減、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・組成の変化による比熱比の増大と、これに伴うサイクル効率の向上等、多くの効果が得られることから、エンジンの熱効率を改善するには有効な方法とされている。
【０００３】
しかるに、ＥＧＲガスの温度が高くなると、吸気温の上昇に伴う燃費の低下や、その熱作用によりＥＧＲバルブの耐久性が劣化し、早期破損を招く場合があったり、その防止のために水冷構造とする必要があること等が認識されている。このような事態を避けるため、エンジンの冷却液等によってＥＧＲガスを冷却する装置が用いられている。この装置としては、一般に多管式の熱交換器が利用される。
【０００４】
この場合に利用される多管式の熱交換器は、図６にその一例を示すごとく、両端部に冷却媒体流入口１１−１および冷却媒体流出口１１−２を設けた胴管１１内部において、伝熱管群１２の両端部がチューブシート１３にろう付けまたは溶接により固定され、一方チューブシート１３はその外周部を胴管１１の内壁にろう付けまたは溶接により固着して配列され、前記胴管１１の一方の端部にはＥＧＲガスの流入口１４ａ−１が設けられた端部キャップ１４ａが固着され、また他方の端部にはＥＧＲガスの流出口１４ｂ−１が設けられた端部キャップ１４ｂが固着された構成となし、冷却媒体流入口１１−１より導入されるエンジンの冷却液等により、伝熱管群１２の内部を流れるＥＧＲガスが冷却される構造となっているものが知られている（実公昭５７−３０９号公報等参照）。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、エンジンの冷却液等によってＥＧＲガスを冷却する上記の多管式熱交換器の場合は、ＥＧＲガスが高温のため特にＥＧＲガスの流入口１４ａ−１側においてエンジンの冷却液中の気体が気泡となり、この気泡がＥＧＲガスの流入口側の伝熱管群１２の外表面に付着し伝熱面を覆って伝熱性能を低下させるという問題点があった。
【０００６】
本発明は、このような問題点を解決するためになされたもので、特にＥＧＲガスの流入口側で発生してこの側の伝熱管群の外表面に付着する気泡をエンジンの冷却液等の冷却媒体自体の流れにより容易かつ速やかに剥離除去できる機能を備えたＥＧＲガス冷却装置を提供しようとするものである。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
本発明は、上記課題を解決するため、両端部に冷却媒体流入口および冷却媒体流出口を設けた胴管の両端部付近に固定されたチューブシートに伝熱管群が固着配列され、さらに前記胴管の両端部の外側には端部キャップが固着され、また前記端部キャップにはＥＧＲガスの流入口と流出口が設けられた構造の多管式のＥＧＲガス冷却装置において、前記胴管の少なくとも冷却媒体の流入側に伝熱管群を貫通させる少なくとも１枚のセパレートプレートを設けて前記チューブシートとセパレートプレート間に前記冷却媒体が高速で流通する高速流通空間部を形成し、さらに前記セパレートプレートと各伝熱管との間にはリング状の隙間または放射状スリットを設けたＥＧＲガス冷却装置を特徴とし、また前記冷却媒体の流入側には一対のセパレートプレートを設けて該セパレートプレート間にも高速流通空間部を形成するとともに、各セパレートプレートと各伝熱管との間にはリング状の隙間または放射状スリットを設けたことを特徴とするものである。
【０００８】
本発明において、胴管の少なくとも冷却媒体流入口側（ＥＧＲガスの流入口側）にセパレートプレートを設け、この側のチューブシートとの間に空間部（冷却ゾーン）を形成し、かつ前記セパレートプレートと各伝熱管との間にリング状の隙間または放射状スリットを設けたのは、冷却冷媒の流入口側はＥＧＲガスが高温の状態にあり、この高温のＥＧＲガスと冷却媒体流入口より導入されるエンジンの冷却液等の冷却媒体との熱交換により発生して伝熱管群の外表面に付着する気泡を速やかに剥離除去するためである。すなわち、胴管内部において他の部分より間隔を狭められて冷却媒体流入口から導入された冷却媒体の流速を増すよう配設された前記セパレートプレートを、チューブシートとともに高速流通空間部を形成するよう配設し、冷却媒体流入口より導入されたエンジンの冷却液等の冷却媒体を、該高速流通空間部において各伝熱管との相対流速を高速化し、当該高速流通空間部内の伝熱管の外表面に付着した気泡を速やかに剥離除去するためである。また、前記高速流通空間部で剥離除去された気泡を強制的にリング状の隙間または放射状スリットを通過させることによって当該気泡の凝縮を一層促進するためである。なお、冷却媒体の流入口側に設ける前記高速流通空間部の容積としては、特に限定するものではないが、胴管の全容積の５〜２０％程度が適当とされる。
【０００９】
ＥＧＲガス流入口より流入した高温のＥＧＲガスは、この側のチューブシートとセパレートプレート間の高速流通空間部において冷却媒体により冷却されるが、この領域ではＥＧＲガスの温度が高いためエンジン冷却液等の冷却媒体中に仮に気泡が発生しても、前記高速流通空間部において高速で流通する冷却媒体により伝熱管の外表面より速やかに剥離除去される。また前記高速流通空間部に導入された冷却媒体はセパレートプレートと各伝熱管との間に設けたリング状の隙間または放射状スリットを通過する際に一層高速化されるので、該高速流通空間部内で発生した気泡はこの高速の冷却媒体によっても伝熱面からより速やかに剥離除去される。このように剥離除去された気泡は、高速流通空間部内で高速で流れる冷却媒体中に混在することにより冷却されて凝縮し消滅する。また、消滅することなく残存した気泡は、セパレートプレートと各伝熱管との間に設けたリング状の隙間または放射状スリットを強制的に通過することとなるため当該部分で凝縮され、次の冷却ゾーンではほとんど消滅する。次の冷却ゾーンでは既にＥＧＲガスは冷却されているためその温度が低下しており気泡が発生する可能性は少ないが、仮に次の冷却ゾーンにおいて気泡が発生した場合を考慮して、追加の第２のセパレートプレートを設けると、導入された冷却媒体がセパレートプレート間に形成された第２の高速流通空間を高速で通過することと、追加のセパレートプレートと各伝熱管との間に設けたリング状の隙間または放射状スリットを一層高速で通過することにより、発生した気泡はほぼ完全に剥離除去され、凝縮される。
【００１０】
【発明の実施の形態】
図１は本発明に係る多管式のＥＧＲガス冷却装置の一例を示す横断平面図、図２は同上のＥＧＲガス冷却装置のＥＧＲガス流入口側の一部を拡大して示す横断平面図、図３は図２のＡーＡ線上の断面図、図４は本発明の他の構造例を示す図３相当図、図５はさらに他の実施例の横断平面図であり、１は胴管、１−１は冷却媒体流入口、１−２は冷却媒体流出口、２は伝熱管群、３はチューブシート、４ａ、４ｂは端部キャップ、４ａ−１はＥＧＲガスの流入口、４ｂ−１はＥＧＲガスの流出口、５はセパレートプレート、６は高速流通空間部、７−１はリング状の隙間、７−２は放射状スリットである。
【００１１】
すなわち、本発明に係る多管式のＥＧＲガス冷却装置は、両端部に冷却媒体流入口１−１および冷却媒体流出口１−２を設けた胴管１内部において、伝熱管群２の両端部がチューブシート３にろう付けまたは溶接により固定され、一方チューブシート３はその外周部を胴管１の内壁にろう付けまたは溶接により固着して配列され、前記胴管１の一方の端部にはＥＧＲガスの流入口４ａ−１が設けられた端部キャップ４ａが固着され、また他方の端部にはＥＧＲガスの流出口４ｂ−１が設けられた端部キャップ４ｂが固着された構成となすとともに、ＥＧＲガスの流入口４ａ−１側の胴管１内部に冷却媒体流入口１−１を挟んで伝熱管群を貫通支持させたセパレートプレート５を前記チューブシート３との間隔を狭めてろう付けまたは溶接により固定し、チューブシート３との間に高速流通空間部６を形成する。
【００１２】
前記セパレートプレート５は、図２、図３に拡大して示すごとく、各伝熱管の貫通孔を当該伝熱管の外径より若干大径となして、各伝熱管の貫通孔部にリング状の隙間７−１を形成し、この隙間７−１を介して隣接する冷却ゾーンと連通している。また前記リング状の隙間７−１に替えて、図４に示すごとく、放射状スリット７−２を形成したセパレートプレート５を使用してもよい。
【００１３】
上記構造のＥＧＲガス冷却装置において、ＥＧＲガスの流入口４ａ−１より流入したＥＧＲガスは、まず高速流通空間部６において冷却媒体流入口１−１より導入された例えばエンジンの冷却液により冷却された後、隣接する冷却ゾーンで冷却されるが、ＥＧＲガスが高温の状態にあるため、エンジン冷却液等が部分沸騰して伝熱管群２の外表面の冷却媒体中に気泡が発生する場合があり、発生した気泡はこの側の伝熱管群２の外表面で次第に成長する。しかし、冷却媒体流入口１−１より導入された冷却媒体は、胴管１内部において他の部分より間隔が狭い高速流通空間部６により高速で流通するとともに、セパレートプレート５と各伝熱管との間に設けたリング状の隙間７−１または放射状スリット７−２を一層高速で通過する。したがって、高速流通空間部６内で伝熱管群２の外表面に気泡が付着しても、この高速の冷却媒体によって伝熱管表面から速やかに剥離除去される。剥離除去された気泡は、高速流通空間部６内で高速の冷却媒体中に混在することにより冷却されて凝縮し消滅する。また、消滅することなく残存した気泡は、セパレートプレート５と各伝熱管との間に設けたリング状の隙間７−１または放射状スリット７−２を強制的に通過することとなるため当該部分で凝縮され、次の冷却ゾーンではほとんど消滅する。
【００１４】
しかし、仮に次の冷却ゾーンにおいて気泡が発生した場合を考慮して、、図１に示すごとく追加のセパレートプレート５ａを前記セパレートプレート５との間の間隔を狭めてさらに設けて高速流通空間部６ａを形成すると好ましい。この追加の第２のセパレートプレート５ａを設けると、導入された冷却媒体がセパレートプレート５、５ａ間に形成された第２の高速流通空間６ａを高速で通過することと、追加のセパレートプレート５ａと各伝熱管との間に設けたリング状の隙間または放射状スリットを一層高速で通過することにより、発生した気泡はほぼ完全に剥離除去され、凝縮され、したがって、気泡による伝熱性能の低下の問題を解消できる。
【００１５】
なお、図５に示すように冷却媒体の流出口１−２側にもリング状の隙間７−１または放射状スリット７−２を有するセパレートプレート５ｂ、５ｃを設けるとともに、該セパレートプレート同士あるいはチューブシート３との間に高速流通空間部６ｂ、６ｃを形成すると、冷却媒体と伝熱管群２との相対流速が上昇する。伝熱管の単位面積当たりの熱の伝わり方は、ＥＧＲガスの流速が速い方がよいことが知られており、したがって前記のような相対流速の上昇によって熱伝達率が向上し、流出直前のＥＧＲガスを一層効果的に冷却することができる。このようにセパレートプレートを複数枚設ける場合、リング状の隙間７−１や放射状スリット７−２を適宜組み合わせて用いることもできる。
【００１６】
【発明の効果】
以上説明したごとく、本発明のＥＧＲガス冷却装置は、ＥＧＲガス流入口側において多く発生して伝熱管群２の外表面に付着する冷却媒体の気泡を伝熱管群２の外表面から容易かつ速やかに剥離除去することができるとともに、凝縮、消滅させることができるので、気泡による伝熱性能の低下の問題を解消でき、熱交換率を著しく高めることができるという大なる効果を奏する。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係る多管式のＥＧＲガス冷却装置の一例を示す横断平面図である。
【図２】同上のＥＧＲガス冷却装置のＥＧＲガス流入口側の一部を拡大して示す横断平面図である。
【図３】図２のＡーＡ線上の断面図である。
【図４】本発明の他の構造例を示す図３相当図である。
【図５】本発明のさらに他の実施例を示す横断平面図である。
【図６】本発明の対象とする従来の多管式のＥＧＲガス冷却装置の一例を一部破断して示す平面図である。
【符号の説明】
１ 胴管
１−１ 冷却媒体流入口
１−２ 冷却媒体流出口
２ 伝熱管群
３ チューブシート
４ａ、４ｂ 端部キャップ
４ａ−１ ＥＧＲガスの流入口
４ｂ−１ ＥＧＲガスの流出口
５、５ａ、５ｂ、５ｃ セパレートプレート
６、６ａ、６ｂ、６ｃ 高速流通空間部
７−１ リング状の隙間
７−２ 放射状スリット

Claims (2)

1. 両端部に冷却媒体流入口および冷却媒体流出口を設けた胴管の両端部付近に固定されたチューブシートに伝熱管群が固着配列され、さらに前記胴管の両端部の外側には端部キャップが固着され、また前記端部キャップにはＥＧＲガスの流入口と流出口が設けられた構造の多管式のＥＧＲガス冷却装置において、前記胴管の少なくとも冷却媒体の流入側に伝熱管群を貫通させる少なくとも１枚のセパレートプレートを設けて前記チューブシートとセパレートプレート間に前記冷却媒体が高速で流通する高速流通空間部を形成し、かつ該高速流通空間部の容積は前記胴管の全容積の５〜２０％とし、さらに前記セパレートプレートと各伝熱管との間にはリング状の隙間または放射状スリットを設けたことを特徴とするＥＧＲガス冷却装置。
2. 前記冷却媒体の流入側には一対のセパレートプレートを設けて該セパレートプレート間にも前記と同様の高速流通空間部を形成するとともに、各セパレートプレートと各伝熱管との間にはリング状の隙間または放射状スリットを設けたことを特徴とする請求項１記載のＥＧＲガス冷却装置。