JP4221931B2

JP4221931B2 - 排気熱交換器

Info

Publication number: JP4221931B2
Application number: JP2002007333A
Authority: JP
Inventors: 明宏前田; 孝幸林
Original assignee: Denso Corp
Current assignee: Denso Corp
Priority date: 2001-07-10
Filing date: 2002-01-16
Publication date: 2009-02-12
Anticipated expiration: 2022-01-16
Also published as: JP2003090693A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、燃焼により発生した排気と水などの冷却流体との間で熱交換を行う排気熱交換器に関するもので、ＥＧＲ（排気再循環装置）用の排気を冷却する排気熱交換器（以下、ＥＧＲガス熱交換器と呼ぶ。）に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来、ＥＧＲガス熱交換器としては、図５に示すように、タンク１０２の内部に、積層された複数本の排気チューブ１０１が納められた構造のものが知られている。タンク１０２はコアプレート１０３によって閉塞されており、排気チューブ１０１はコアプレート１０３に固着される。タンク１０２には冷却水入口管１０４と冷却水出口管１０５とが接続され、タンク１０２内部には冷却水が流入し排気チューブ１０１を通過する排気ガスと熱交換する。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、本発明者らは、排気チューブ４段のＥＧＲガス熱交換器における冷却水流れの可視化観察を行った。その結果、次に示す知見が得られた。
【０００４】
すなわち、排気チューブ１０１の長手方向に対して交差するように冷却水入口管１０４がタンク１０２に接続された構造であると、排気チューブ１０１と排気チューブ１０１との間では、図６に示すように、冷却水入口管１０４から流入した冷却水は主に約９０°曲がるように冷却水出口管１０５へと向けて流れる（冷却水流れＡ）とともに、冷却水の一部は冷却水入口管１０４と対向するタンク１０２の内壁面１０２ａに衝突し、最上段側もしくは最下段側（排気チューブ１０１が積層される方向において最外側）の排気チューブ１０１側へと流れる（冷却水流れＢ）。
【０００５】
一方、最外側に配される排気チューブ１０１と、タンク１０２の内壁面との間では、冷却水入口管１０４から流入した冷却水流れＡと、排気チューブ１０１と排気チューブ１０１の間からまわりこんだ冷却水流れＢとが干渉し、排気チューブ１０１とコアプレート１０３との接続部位である排気チューブ１０１の根付部１０１ａ近傍で冷却水流れの淀みが生じやすいことが明らかとなった。
【０００６】
排気流れ上流側のチューブ根付部１０１ａ近傍において冷却水の淀みが生じると、この淀みが生じた部分で冷却水が沸騰し、熱交換効率が低下してしまう可能性があった（図７）。
【０００７】
そこで、本発明は、排気ガスを冷却水で冷却するＥＧＲガスクーラーにおいて、冷却水の淀みの発生を抑制し、冷却水の沸騰を防止することを目的とする。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
本発明は、上記目的を達成するために以下の技術的手段を採用する。請求項１記載の発明では、内燃機関の排気ガスが通過する断面扁平形状を有しており、断面長手方向が互いに対向するように積層される複数の排気通路と、これらの排気通路を内部に納めたタンクと、このタンクの内部に形成され、排気通路の周囲を冷却水が流れる冷却水通路と、排気通路の積層方向および排気通路の長手方向に対して交差する向きでタンクに接続され、冷却水通路のうち各排気通路の間に形成される排気通路間冷却水通路に向けて冷却水を流入させる冷却水入口管と、冷却水通路から冷却水を流出させる冷却水出口管と、冷却水通路に設けられる案内手段とを備える排気熱交換器であって、案内手段は、冷却水入口管から冷却水通路のうち積層方向の最外側に配される排気通路とタンクの内壁面との間に形成される最外側冷却水通路へ冷却水入口管側のタンク内壁面に沿って流れる冷却水を排気通路の上流側へと導く入口管側案内部と、排気通路間冷却水通路を通過して冷却水入口管と対面するタンクの内壁面と衝突した後に最外側冷却水通路へ入口管側案内部によって導かれる冷却水流れと対向するように流れる冷却水を排気通路の上流側へと導く内壁面側案内部とを備え、入口管側案内部と内壁面側案内部との間には間隙が形成されていることを特徴とする。
【０００９】
これにより、タンクの内壁面と衝突した冷却水流れは案内手段によって前記排気通路の上流側と接触する部位へと案内される。そのため、排気ガスの温度の高い排気通路の上流側における冷却水の淀みの発生を抑制でき、冷却水の沸騰を抑制することができる。
【００１０】
ところで、排気通路の積層方向および排気通路の長手方向に対して交差する方向に冷却水が流入するよう冷却水流入管が設けられている排気熱交換器では、特に、排気通路どうしの間を通過した冷却水流れが冷却水入口管から流入する冷却水流れと干渉しやすく、大きな冷却水の淀みが生じやすい。そのため、特に、排気通路の積層方向および排気通路の長手方向に対して交差する向きで冷却水通路に冷却水が流入する排気熱交換器において、より顕著に熱交換効率の低下を抑制できる。
【００１１】
また、請求項２に記載したように、案内手段を前記排気通路の外壁面から前記冷却水通路へと突出するよう形成すると、案内手段を冷却水通路の補強部とすることができ、冷却水通路の耐圧性も高めることができる。
さらに、請求項３に記載の発明によれば、排気通路が断面偏平形状を有する排気熱交換器において、冷却水をより確実に排気通路の上流側へと導くことができる。
【００１２】
また、請求項４の発明では、内燃機関の排気ガスが通過する断面扁平形状を有しており、断面長手方向が互いに対向するように積層される複数の排気チューブと、これらの排気チューブを内部に納めたタンクと、このタンクの内部に形成され、排気通路の周囲を冷却水が流れる冷却水通路と、排気チューブの端部と連結し、複数の排気チューブへと排気ガスを分配する、または複数の排気チューブを通過した排気ガスを集めるボンネットと、排気チューブの端部近傍に取り付けられ、ボンネットと冷却水通路とを区画するコアプレートと、排気通路の積層方向および排気通路の長手方向に対して交差する向きでタンクに接続され、冷却水通路のうち各排気チューブの間に形成される排気通路間冷却水通路に向けて冷却水を流入させる冷却水入口管と、冷却水通路から冷却水を流出させる冷却水出口管と、冷却水通路に設けられる案内手段とを備える排気熱交換器であって、案内手段は、冷却水入口管から冷却水通路のうち積層方向の最外側に配される排気通路とタンクの内壁面との間に形成される最外側冷却水通路へ冷却水入口管側のタンクの内壁面に沿って流れる冷却水を排気チューブの上流側端部がコアプレートに取り付けられるチューブ根付部近傍に導く入口管側案内部と、排気通路間冷却水通路を通過して冷却水入口管と対面するタンクの内壁面と衝突した後に最外側冷却水通路へ入口管側案内部によって導かれる冷却水流れと対向するように流れる冷却水をチューブ根付部近傍に導く内壁面側案内部とを備え、入口管側案内部と内壁面側案内部との間には間隙が形成されていることを特徴とする。
【００１３】
これにより、タンクの内壁面と衝突した冷却水流れは案内手段によって、排気チューブの根付部近傍へと案内される。そのため、温度の高い排気ガスが通過する排気チューブの根付部近傍において冷却水の淀みの発生を抑制でき、冷却水の局所的な沸騰を抑制することができる。
【００１４】
また、請求項７に記載した発明によれば、請求項３と同様の効果を得ることができる。請求項８に記載した発明によれば、各排気通路の間に形成される冷却水の流路と、最外側に配される排気通路とタンクの内壁面との間に形成される冷却水の流路とは反射防止手段によってそれぞれ区画されるため、各排気通路の間を通過する冷却水がタンクの内壁面に衝突し、最外側に配される排気通路とタンクの内壁面との間の冷却水の流路へと回り込むことを防止することができる。そのため、排気通路上流側における冷却水の回り込みによる淀みの発生を抑えることができ、局所的な沸騰の発生を抑制できる。
【００１５】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施形態は、本発明に係る排気熱交換装置をディーゼルエンジン（内燃機関）用のＥＧＲガス冷却装置に適用したものであり、図１は本実施形態に係る排気熱交換器（以下、ＥＧＲガス熱交換器と呼ぶ。）１００を用いたＥＧＲ（排気再循環装置）の模式図である。図１中、２００はディーゼルエンジン（以下、エンジンと略す。）であり、２１０はエンジン２００から排出される排気の一部をエンジンの吸気側に貫流させる排気再循環管である。
【００１６】
２２０は排気再循環管２１０の排気流れ途中に配設されて、エンジン２００の稼動状態に応じてＥＧＲガス量を調節する周知のＥＧＲバルブであり、ＥＧＲガス熱交換器１００は、エンジン２００の排気側とＥＧＲバルブ２２０との間に配設されてＥＧＲガスとエンジン冷却水（以下、冷却水と略す。）との間で熱交換を行い、ＥＧＲガスを冷却する。
【００１７】
続いて、ＥＧＲガス熱交換器１００の構造について述べる。なお、従来技術とほぼ同様の構造を有する構成には同一の符号を付した。
【００１８】
１０１は内部を排気が流れる排気チューブ（請求項における排気通路）であり、扁平な略矩形の断面形状を有する。排気チューブ１０１は、図示しない一対のプレートが対向接合されることによって構成されている。排気チューブ１０１の内部にはインナーフィン１０１ｂ（排気チューブ１０１内を細流路に区画するよう排気チューブ１０１の幅方向において折曲成形されている）が配されている。
【００１９】
１０２は筒形状のタンクであり、その断面は略矩形形状を有する。排気チューブ１０１は互いに平行となるように積層されており、排気チューブ１０１の長手方向とタンク１０２の長手方向とが一致するように、タンク１０２の内部に納められており、熱交換コアを構成する。
【００２０】
タンク１０２の両端はコアプレート１０３によって閉塞されており、タンク１０２内部に納められた各排気チューブ１０１の両端部がコアプレート１０３に捜通され、支持されている。
【００２１】
排気チューブ１０１の上流側端部である根付部１０１ａ近傍には冷却水入口管１０４が接続されており、この冷却水入口管１０４を介して冷却水はタンク１０２内部に流入する。冷却水入口管１０４は、排気チューブ１０１の積層方向と交差する向きでタンク１０２に接続されており、積層された各排気チューブ１０１間の間隙に向けて冷却水を流入させる。タンク１０２の他端近傍となる位置には、冷却水をタンク１０２外部へと流出させる冷却水出口管１０５が接続されており、タンク１０２の内部は冷却水通路となっている。なお、タンク１０２の内部において、冷却水の主流は、排気チューブ１０１を通過する排気流れとほぼ同じ方向に流れている。
【００２２】
熱交換コア１１０と反対側となる、タンク１０２の長手方向両端部にはボンネット１０６、１０７が接続されており、ボンネット１０６，１０７の周囲を覆うようにコアプレート１０３は熱交換コア１１０とは反対側に折り曲げられ、接合される。冷却水入口管１０４側に配されるボンネット１０６端部には、排気ガスをボンネット１０６に導入する排気入口１０６ａが形成されており、冷却水出口管１０５側に配されるボンネット１０７端部には、排気ガスをボンネット１０７から外部へと導出する排気出口１０７ａが形成される。ボンネット１０６、１０７は熱交換コア１１０側となるにつれて徐々に流路面積が増大するような略四角錐形状を有しており、各排気チューブ１１０への排気ガスの分配を良好なものとしている。
【００２３】
以下、本発明の要部について説明する。排気チューブ１０１の排気入口１０６ａ側となる位置には、外方に突出するよう一対のリブ１０８（案内手段）が打出成形されている。リブ１０８ａ、ｂは図２（ａ）に示すように、排気チューブ１０１の幅方向（断面長手方向）の端部から冷却水通路の幅方向の中央部近傍まで、排気チューブ１０１およびタンク１０２の長手方向（タンク１０２において冷却水の主流が流れる向き）と交差する向きに伸びる長円形状を有しており、リブ１０８ａとリブ１０８ｂの間には冷却水が通過可能な間隙が形成されている。
【００２４】
なお、対向する排気チューブ１０１の内壁面に形成されたリブ１０８ａ，ｂどうしはそれぞれ当接しており、排気チューブ１０１の積層方向において最外側となる排気チューブ１０１のリブ１０８ａ、ｂと対向するタンク１０２の内壁面にはリブと当接する突出部１０９が形成されている。なお、突出部１０９もリブ１０８ａ，ｂと同様の形状を有する。
【００２５】
このような構成を有するＥＧＲガス熱交換器１００において、排気入口１０６ａから導入された排気ガスはボンネット１０６を通過し、各排気チューブ１０１内を通過する。排気チューブ１０１の周囲を流れる冷却水によって冷却された排気ガスはボンネット１０７を通過し、排気出口１０７ａから導出される。
【００２６】
冷却水は、冷却水入口管１０４を介してタンク１０２の内部に流入し、冷却水は積層された各排気チューブ１０１の間、および最外側の排気チューブ１０１とタンク１０２の内壁面との間を通過する。この際、冷却水はタンク１０２の長手方向とほぼ直交する向きでタンク１０２内部に流入するため、冷却水入口管１０４と対向するタンク１０２の内壁面１０２ａに衝突し、積層方向において最外側となる排気チューブ１０１側に向けて（図２（ｂ）中上下方向）分流する。分流した冷却水流れは最外側に配される排気チューブ１０１とタンク１０２の内壁面との間の空間へとまわりこみ、リブ１０８ｂに沿って排気チューブ１０１の根付部１０１ａ（上流側端部）近傍を強制的に流れる（図２中矢印Ｃで示す）。リブ１０８ｂに沿って流れる冷却水流れＣは、リブ１０８ａ、ｂ間の間隙において冷却水入口管１０４から流入した冷却水流れＡと合流し、冷却水出口管１０５側へと流れる。
【００２７】
本実施の形態によれば、タンク１０２の内壁面１０２ａに衝突した冷却水流れＣはリブ１０８ｂに沿って流れるため、排気チューブ１０１の上流側を通過させることができる。そのため、排気ガスの上流側と接触する部位において冷却水の淀みの発生を抑え、冷却水の局所的な沸騰を抑制することができる。
【００２８】
また、本実施の形態において、対向する排気チューブ１０１の外壁面に形成されたリブ１０８ａ、ｂどうし、もしくはリブ１０８ａ、ｂと突出部１０９とは当接しており、冷却水通路としてのタンク１０２、および排気チューブ１０１の耐圧強度を高めることができる。さらに、ＥＧＲガス熱交換器１００を製造時、排気チューブ１０１を積層してろう付けを行うにあたって、タンク１０２内部に配される排気チューブ１０１およびインナーフィン１０１ｂに対して適正な荷重を加えることができ、ろう付け不良を防止することができる。また、各排気チューブ１０１間の間隔、およびタンク１０２の内壁面と排気チューブ１０１と間の間隔を一定に保つことができる。
【００２９】
また、排気チューブ１０１にリブ１０８ａ、ｂが形成されるので、タンク１０２の内壁面１０２ａに衝突して排気チューブ１０１とタンク１０２との間に流入する冷却水流れも、リブ１０８ｂに沿って排気チューブ１０１の上流側へと流すことができる。
【００３０】
なお、上述した実施の形態では、排気チューブ１０１の外壁面に一対のリブ１０８ａ、ｂを打出成形した形態についてのべたが、リブの成形方法は特に限定されるものではなく、排気チューブとは別体としてもよい。また、リブの形状は、冷却水入口管に対向する内壁面に衝突し、まわりこんだ冷却水流れが、排気チューブ上流側に流れるような形状であればよい。
【００３１】
また、タンクの内壁面１０２ａに衝突した冷却水流れが特に回り込みやすい最外側に配される排気チューブのみにリブを形成してもよい。
【００３２】
（他の実施の形態）
上述した実施の形態では、タンク１０２の内壁面１０２ａに衝突し、排気チューブ１０１とタンク１０２の内壁面との間の空間へとまわりこんだ冷却水流れを、排気チューブ１０１の上流側へと導くリブ１０８ａ、ｂを形成した実施の形態について述べたが、以下に述べるように、冷却水流れの回り込みを防止する反射防止板を設けた構造としてもよい。なお、上述した実施の形態とほぼ同様の構造を有する構成については同一の符号を付し、説明は省略する。
【００３３】
図３は他の実施形態におけるガスクーラを示す図であり、図４は図３（ｂ）のＤ−Ｄ線断面図である。
【００３４】
図４に示すように、タンク１０２は対向接合された一対のプレートからなり、排気チューブ１０１は対向接合された一対のプレートからなる。排気チューブ１０１の内部にはインナーフィン１０１ａが配されており、インナーフィン１０１ａには渦流を発生させるルーバ１０１ｂが形成されている。
【００３５】
図３（ａ）、図４に示すように、冷却水入口管１０４と対向するタンク１０の内壁面１０２ａと排気チューブ１０１との間には反射防止板１１０（請求項における反射防止手段）が設けられている。板材を折曲成形した反射防止板１１０は、各折曲部１１０ａが排気チューブ１０１に当接するように配される。積層された各排気チューブ１０１間に形成される冷却水の流路１１１、および最外側の排気チューブ１０１とタンク１０２の内壁面との間に形成される冷却水の流路１１２は折曲部１１０ａによってそれぞれ区画される。
【００３６】
冷却水入口管１０４を介して流入した冷却水は、図３（ａ）、および図４中矢印Ｅで示すように、冷却水入口管１０４から流入した冷却水は各流路１１１、１１２へと流れ、流路１１１を通過する冷却水は流路１１２にまわり込むことなく、冷却水出口管１０５側へと流れる。図５〜７に示した構造の排気熱交換器のように、排気チューブ１０１の上流側においてタンク１０２の内壁面１０２ａに衝突してまわり込んだ冷却水と、冷却水入口管１０４からの冷却水とが干渉して冷却水の淀みが発生することがなく、冷却水の局所的な沸騰を防止することができる。
【００３７】
なお、上述した実施の形態では、反射防止板１１０として折曲成形した板材を用いた形態について述べたが、積層された各排気チューブ１０１間に形成される流路１１１、および最外側の排気チューブ１０１とタンク１０２の内壁面との間に形成される冷却水の流路１１２をそれぞれ区画する構造を有するものであればよく、上述した実施の形態と同様の作用・効果を奏することはもちろんである。
【００３８】
また、上述した実施の形態では反射防止板１１０と排気チューブ１０１とを当接した構造としたが、冷却水流路１１１を通過する冷却水が実質的に冷却水流路１１２へとまわり込まない構造であればよく、冷却水流路１１２への冷却水のまわり込みがない程度の間隙が反射防止板１１０と排気チューブ１０１との間に形成されていたとしてもよい。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施形態おけるガスクーラを用いたＥＧＲガス冷却装置の模式図である。
【図２】本発明の実施形態におけるガスクーラを示す図であり、図２（ａ）は側方から見た一部破断図であり、図２（ｂ）は上面から見た一部破断図である。
【図３】本発明の他の実施形態におけるガスクーラを示す図であり、図３（ａ）は側方から見た一部破断図であり、図３（ｂ）は上面から見た一部破断図である。
【図４】図３（ａ）のＤ−Ｄ線断面図である。
【図５】従来技術におけるガスクーラを側方からみた一部破断図である。
【図６】従来技術のガスクーラのチューブとチューブとの間の冷却水通路における冷却水の流れを示す図である。
【図７】従来技術のガスクーラの最外側のチューブとタンク内壁面との間の冷却水通路における冷却水の流れを示す図である。
【符号の説明】
１００…ガスクーラ、
１０１…排気チューブ、
１０２…タンク、
１０３…コアプレート、
１０４…冷却水入口管、
１０５…冷却水出口管、
１０７…ボンネット、
１０８…リブ（案内手段）。

Claims

内燃機関の排気ガスが通過する断面扁平形状を有しており、断面長手方向が互いに対向するように積層される複数の排気通路と、
これらの排気通路を内部に納めたタンクと、
このタンクの内部に形成され、前記排気通路の周囲を冷却水が流れる冷却水通路と、
前記排気通路の積層方向および前記排気通路の長手方向に対して交差する向きで前記タンクに接続され、前記冷却水通路のうち前記各排気通路の間に形成される排気通路間冷却水通路に向けて冷却水を流入させる冷却水入口管と、
前記冷却水通路から冷却水を流出させる冷却水出口管と、
前記冷却水通路に設けられる案内手段とを備える排気熱交換器であって、
前記案内手段は、前記冷却水入口管から前記冷却水通路のうち積層方向の最外側に配される排気通路と前記タンクの内壁面との間に形成される最外側冷却水通路へ前記冷却水入口管側の前記タンク内壁面に沿って流れる冷却水を前記排気通路の上流側へと導く入口管側案内部と、前記排気通路間冷却水通路を通過して前記冷却水入口管と対面する前記タンクの内壁面と衝突した後に前記最外側冷却水通路へ前記入口管側案内部によって導かれる冷却水流れと対向するように流れる冷却水を前記排気通路の上流側へと導く内壁面側案内部とを備え、
前記入口管側案内部と前記内壁面側案内部との間には間隙が形成されていることを特徴とする排気熱交換器。
前記案内手段は、前記排気通路の外壁面から前記冷却水通路へと突出するよう形成されていることを特徴とする請求項１記載の排気熱交換器。
前記案内手段は、前記排気通路の断面長手方向に延びて形成されていることを特徴とする請求項１または２記載の排気熱交換器。
内燃機関の排気ガスが通過する断面扁平形状を有しており、断面長手方向が互いに対向するように積層される複数の排気チューブと、
前記これらの排気チューブを内部に納めたタンクと、
このタンクの内部に形成され、前記排気通路の周囲を冷却水が流れる冷却水通路と、
前記排気チューブの端部と連結し、前記複数の排気チューブへと排気ガスを分配する、または前記複数の排気チューブを通過した排気ガスを集めるボンネットと、
前記排気チューブの端部近傍に取り付けられ、前記ボンネットと前記冷却水通路とを区画するコアプレートと、
前記排気通路の積層方向および前記排気通路の長手方向に対して交差する向きで前記タンクに接続され、前記冷却水通路のうち前記各排気チューブの間に形成される排気通路間冷却水通路に向けて冷却水を流入させる冷却水入口管と、
前記冷却水通路から冷却水を流出させる冷却水出口管と、
前記冷却水通路に設けられる案内手段とを備える排気熱交換器であって、
前記案内手段は、前記冷却水入口管から前記冷却水通路のうち積層方向の最外側に配される排気チューブと前記タンクの内壁面との間に形成される最外側冷却水通路へ前記冷却水入口管側の前記タンクの内壁面に沿って流れる冷却水を前記排気チューブの上流側端部が前記コアプレートに取り付けられるチューブ根付部近傍に導く入口管側案内部と、前記排気通路間冷却水通路を通過して前記冷却水入口管と対面するタンクの内壁面と衝突した後に前記最外側冷却水通路へ前記入口管側案内部によって導かれる冷却水流れと対向するように流れる冷却水を前記チューブ根付部近傍に導く内壁面側案内部とを備え、
前記入口管側案内部と前記内壁面側案内部との間には間隙が形成されていることを特徴とする排気熱交換器。
前記案内手段は前記排気チューブの外壁面から突出して形成されていることを特徴とする請求項４記載の排気熱交換器。
前記案内手段は、前記タンクの内壁面から前記冷却水通路へと突出するよう形成されていることを特徴とする請求項１ないし５のうちいずれか１つに記載の排気熱交換器。
前記案内手段は、前記排気チューブの断面長手方向に延びて形成されていることを特徴とする請求項４ないし６のうちいずれか１つに記載の排気熱交換器。
内燃機関の排気ガスが通過する断面扁平形状を有しており、断面長手方向が互いに対向するように積層される複数の排気通路と、
これらの排気通路を内部に納めたタンクと、
このタンクの内部に形成され、前記排気通路の周囲を冷却水が流れる冷却水通路と、
前記排気通路の積層方向および前記排気通路の長手方向に対して交差する向きで前記タンクに接続され、前記冷却水通路に冷却水を流入させる冷却水入口管と、
前記冷却水通路から冷却水を流出させる冷却水出口管と、
前記冷却水通路のうち前記各排気通路の間に形成される排気通路間冷却水通路と、積層方向の最外側に配される排気通路と前記タンクの内壁面との間に形成される最外側冷却水通路とをそれぞれ区画し、前記排気通路間冷却水通路から前記最外側冷却水通路へ前記冷却水入口管と対面する前記タンクの内壁面に沿って回り込む反射流れを防止する反射防止手段とを有することを特徴とする排気熱交換器。