JP6114379B2 - 螺旋チューブｅｇｒクーラー - Google Patents

Description

本発明は、内燃エンジンに関するものであり、特に、その排気物質を減らす方法および装置に関するものである。

内燃エンジンからの亜酸化窒素（NOx）の排出を制御する手段として排ガス再循環（ＥＧＲ）を使用することは当技術分野で周知である。典型的なＥＧＲシステムでは排ガスの一部（一般に５〜１５％）を空気と燃料の新規なチャージと一緒に吸気系統に再導入する。上記排ガス（基本的に不活性）がガソリン（オットー・サイクル）エンジンでの可燃混合気の量の一部となる。ディーゼルエンジンでは上記排ガスが予燃焼混合気中の過剰酸素の一部に取って代わる。NOxは主とし窒素と酸素の混合物が高温に曝されて生じるので、可燃混合気または過剰酸素が減少したことによって燃焼温度が下がると燃焼で生じるNOxの量も減少する。

米国環境保護庁は２００２年にディーゼルエンジンを装備した乗用車および軽トラックからのNOx排出をさらに減らす手段としてこれらの車両に所要の排気再循環クーラーを導入する規制を実施した。この排気再循環クーラーは一般に気−液熱交換器の一種で、多くの場合、シェル−アンド−チューブ熱交換器のデザインをしており、排ガスはエンジン冷却液が循環するシェル内に収容された複数のチューブの中を通る。特許文献１（米国特許第8,079,409号明細書）および特許文献２（米国特許第7,213,639号明細書）はこのような排気再循環クーラー型の典型的な例である。

ディーゼルエンジンでの排気再循環クーラーの問題点は、燃焼温度が低下することによって燃焼プロセスで発生する煤の量が増加するという事実にある。この煤は排気再循環クーラーのチューブ内に堆積し、煤がチューブ内で絶縁層の役目をして排気再循環クーラーの熱効率を下げる傾向にある。さらに、エンジン冷却液の流れが少なくなると熱交換器に冷却液が不足して、いわゆる「熱イベント（thermal event）」が生じる。この熱イベントが生じると、排ガス温度近くまで加熱された熱交換器が熱交換器の構造的一体性を超える程度まで熱膨張してしまう。

排気再循環クーラーの寿命を向上させるさまざまな方法が提案されており、その例には伸縮継ぎ手を使用したり、チューブを長尺ベローズの形にしたり、および／または、排気再循環クーラーを一連の短いモジュールとして作り、各モジュールの全熱変形を相対的に小さくする等の方法が含まれる。例えば、特許文献３（Challisの米国特許第6,460,502号明細書）には、シェル部分が波形ベローズとして形成された複数の９０度の屈曲を有するＥＧＲクーラーの構造物が提案されている。このChallisの特許ではベローズ部分が直線上の壁を有するシェルでの追随性を増加させる。すなわち、上記ベローズは熱膨張、その他の動きに対してより良い適応性を与える。

Danielsson et al.の特許文献２（米国特許第7,213,639号明細書）には、排ガスの流れがチューブの中央列から入り、チューブの外周縁列から出るＥＧＲクーラーが提案されている。このDanielsson特許では流れを逆にすることで冷却液流の停滞による局部的ホットスポットのリスクが減らしている。

米国特許第8,079,409号明細書 米国特許第7,213,639号明細書 米国特許第6,460,502号明細書

本発明は、２つの流体の間、例えば高温排ガスと冷却液との間で熱を伝達する熱交換器から成る。本発明の一実施例では、熱交換器はシェルを備え、このシェルは両端でチューブヘッダに取り付けられた少なくとも２つのチューブバンドル（チューブの束）を取り囲んでいる。各チューブバンドルは個別のチューブを複数にしたものを共通螺旋軸を中心にして同一の螺旋形にねじって形成して作られる。

個々のチューブは直線チューブとしてではなく螺旋形に形成されるので、個々のチューブは柱としてより、バネと同じように挙動する。従って、個々のチューブが熱で伸びた時には、柱の伸びとしてではなく主としてチューブの螺旋直径が増加する。その結果、チューブアタッチメントおよびチューブヘッダへ加わる軸線方向の力が大幅に減少する。さらに、各チューブは温度変化によって自由に伸び縮みできるので、熱イベントに曝された個々のチューブが膨張しても、それ自身の熱応力が軽減される。従って、本発明に従って作られた熱交換器は可動ヘッダを備えた従来技術の熱交換器よりも熱イベントで生じる破損に対する耐久性が高くなる。従来技術の熱交換器ではヘッダ全体が一体として動かねばならないため、個々のチューブが隣りのチューブより大きい膨張率で膨張する場合には従来の熱交換器は適用できない。

さらに、本発明に従って作られた熱交換器はチューブを通る冷却液の乱流を対応する直線チューブ熱交換器の場合より実質的に促進させることができる。さらに、チューブの幾何形状が冷却液流に対して平行でなく、螺旋チューブを使用することで、バッフルを設置する必要が減り、また、無くすことができ、従って、冷却液中に渦流が生じる原因となるバッフルに関連する問題を減らすことができ、無くすことができる。

本発明の他の実施例では、２つのチューブバンドルが互いに反対の螺旋ねじれ状態、例えば第１チューブバンドルは右方向螺旋を有する螺旋状に巻き付けられたチューブを有し、第２チューブバンドルは左方向螺旋状に巻き付けられたチューブを有するように形成される。これによって、チューブバンドルの全てが同じ方向のねじれを有するようにした場合に比べて、チューブバンドルの螺旋軸線を互いにより近づけて位置決めすることができる。

本発明の他の実施例では、熱交換器が複数のチューブバンドルで形成され、各チューブバンドルは隣接する各チューブバンドルとは反対向きのねじれを有する矩形の配列で配置される。

本発明の特徴を組み込んだ熱交換器の斜視図。 ［図１］の熱交換器の個々のチューブバンドルの斜視図。 ［図１］の熱交換器で使用する一対のチューブバンドルの端面図。 ［図１］の熱交換器で使用する一対のチューブバンドルの他の実施例の端面図。 ［図１］の熱交換器の斜視図（図を明瞭にするためにシェルは取り外してある）。

本発明は添付図面を参照した以下の説明からよりよく理解できよう。各図では類似要素には類似の記号を付けた。

添付図面は構造物の全体の状態を説明するためのものであって、縮尺は必ずしも正確ではない。以下の詳細な説明および図面では特定の実施例を詳細に説明するが、図面および詳細な説明は単に説明のためのものであり、特許請求の範囲に記載の本発明の作り方および／または使用方法を当業者に教え、本発明の最適実施形態を説明するためのものであって、本発明が図面および詳細な説明に開示された特定の形態に限定されるものではないということは理解できよう。

図面、特に［図１］を参照する。本発明の特徴を組み込んだ熱交換器１０は一方の流体媒質から他方の流体への熱の伝達が望まれる種々の目的で熱交換器として使用できる。その一例として本発明熱交換器は排気再循環（ＥＧＲ）クーラー（cooler）として使用できる。しかし、本発明の特徴を組み込んだ熱交換器は、障壁の一方の側の流体から障壁の他方の側の流体へ、各流体を互いに接触させずに熱伝達する任意の適切な用途で使用できる。本発明の内容を組み込んだ熱交換器は用途の特定のニーズを満たす任意タイプの流体、例えば気−気、気−液、液−液で使用できる。

［図１］の実施例では、熱交換器１０は、ディーゼルエンジンの排ガス流を受けるように適合させたガス入口端１２とガス出口端１４とを有するEGRクーラーを構成する。ガス入口端１２は複数の孔１８を有するバルクヘッド１６から成るチューブヘッダを備えている。このバルクヘッド１６にはその孔１８と整合した複数の中空通路（例えば２０、２２および２４、［図２］）が機械的に（例えば溶接、ろう接または類似のリジッド結合によって）連結されて、チューブとバルクヘッドとの間に流体密封が形成されている。ガス出口端１４に位置するバルクヘッド２６も同一の構造であり、その詳細は説明しない。バルクヘッド１６およびバルクヘッド２６はディーゼルエンジン排気システムに流体連結している（例えば適切なフランジ継手および排気システムパイプ（図示せず）によって）。

シェル２８はバルクヘッド１６とバルクヘッド２６との間に延び、バルクヘッド１６およびバルクヘッド２６に機械的に（例えば溶接、ろう接または同様なリジッド結合によって）連結されて、両バルクヘッドとシェルとの間の流体密封を形成している。シェル２８は冷却液注入口３０と冷却液排出口３２とを備え、冷却液流はシェル２８に流入し、シェル２８中に収容されたチューブ上を通過し、次いでシェル２８から外へ出て、外部ラジエータまたはチューブ２０〜２４から放出された熱を排出するための他の手段へ向かって流れる。［図１］の実施例では、熱交換器１０がガス入口端１２に隣接した冷却液注入口３０を有する並流熱交換器を備えているが、本発明がこの並流熱交換器の実施例に限定されるとみなすべきではない。例えば、冷却液注入口３０がガス出口端１４に隣接している逆流熱交換器も本発明の範囲内である。

［図２］も参照する。この実施例では、バルクヘッド１６とバルクヘッド２６との間を延びるチューブは、複数のチューブバンドル、例えばチューブバンドル３４の形にアレンジ（配置）されている。各チューブバンドル３４は複数の個別チューブ、例えば３つの個別チューブ２０、２２、２４で構成される。各個別チューブはそれぞれガス入口端１２に比較的短い直線部分３６、３８、４０を有し、ガス出口端１４に比較的短い直線部分４２、４４、４６を有する。この２つの比較的短い直線部分の間で、３つの個別チューブ２０、２２、２４はそれぞれ螺旋状に巻き付けられている。各螺旋は同じ螺旋ピッチ、螺旋半径および螺旋ねじれ方向（例えば、右方向または左方向）を有する。チューブバンドル３４の個別チューブ２０、２２、２４は全て共通の螺旋軸線４８を共有している。

既に述べたように、各個別チューブ２０、２２、２４は直線チューブとしてではなく、螺旋形に形成されるので、個別チューブの熱的な伸びは、柱状（column）の伸びではなく、主としてチューブの螺旋直径の増加として解消される。その結果、バルクヘッド１６および２６上でチューブによって加えられる軸方向の力が大幅に減少する。例えば、長さが１６．５インチで、断面積が０．０１９２２ ｉｎ²である５／１６インチ径の直線ステンレス鋼チューブが４００°Ｆの温度変化に曝らされた場合、拘束のない場合には、ステンレス鋼チューブの長さは０．０６５３インチだけ増加する（４００°Ｆ×９．９Ｅ^-6ｉｎ/ｉｎ °Ｆ−ステンレス鋼の近似熱膨張係数）。チューブがバルクヘッドによって拘束されている場合には、チューブがバルクヘッドに加える力が２１００ポンドを超える。

一方で、チューブを０．３６１インチの螺旋直径および１回転当たり４．８３インチの螺旋ピッチを有する螺旋形にねじった場合は、フックの法則に従って、同じ４００°Ｆの温度変化でチューブがバルクヘッドに加える力は５２ポンドをやや上回る力に減少する。すなわち、４０：１以上の応力減少である。螺旋状に巻き付けられたチューブはコイルバネとして働くので、螺旋直径の増加および／または螺旋ピッチ角の減少によってバネ定数がさらに減少し、従って、バルクヘッドに対する応力がさらに減少し、また、チューブの直径および／または厚さの増加によってバネ定数が増加することは理解できよう。熱伝達、熱膨張および特定用途でのその他の設計制約に適応した螺旋ピッチ、螺旋直径、チューブ径およびチューブ厚さの変更は本発明の範囲内にある。

さらに［図３］を参照する。この図ではチューブバンドル３４が第２チューブバンドル５０に隣接して示されている。チューブバンドル５０は複数の個別チューブ、例えば３つの個別チューブ５２、５４、５６で構成される。個別チューブはそれぞれガス入口端１２に比較的短い直線部分（図示せず）を有し、ガス出口端１４に比較的短い直線部分（図示せず）を有する。この２つの比較的短い直線部分の間で、３つの個別チューブ５２、５４、５６の各チューブは螺旋状に巻き付けられる。各螺旋は同じ螺旋ピッチ、螺旋半径「ｒ」および螺旋ねじれ方向を有する。チューブバンドル５０の個別チューブ５２、５４、５６は全て共通の螺旋軸線５８を共有している。螺旋軸線５８は螺旋軸線４８に平行で且つ距離Ｌ１だけ放射方向にオフセットしている。チューブバンドル５０の個別チューブは同じねじれ方向を有するので、距離Ｌ１は下記式の値以上にすることができる：

（ここで、「ｔ」はバンドル内でのチューブ間の間隙であり、「ｄ」はバンドル内でのチューブの外径である）

すなわち、チューブバンドルを互いに近づけようとした場合、最も近いチューブ同士（例えばチューブ２４と５２）が接触し、そこで螺旋が交差する。

さらに［図４］を参照する。この図ではチューブバンドル３４は第２のチューブバンドル６０に隣接して示してある。チューブバンドル６０は複数の個別チューブ、例えば３つの個別チューブ６２、６４、６６で構成される。個別チューブはそれぞれガス入口端１２に比較的短い直線部分（図示せず）を有し、ガス出口端１４に比較的短い直線部分（図示せず）を有する。この２つの比較的短い直線部分の間で、３つの個別チューブ６２、６４、６６の各チューブは螺旋状に巻き付けられる。各螺旋は同じ螺旋ピッチ、螺旋半径「ｒ」および螺旋ねじれを有し、螺旋ねじれ方向はチューブバンドル３４の螺旋ねじれ方向と反対である。チューブバンドル６０の個別チューブ６２、６４、６６は全て共通の螺旋軸線６８を共有している。螺旋軸線６８は螺旋軸線４８に平行であり且つ距離Ｌ２だけ放射方向にオフセットしている。チューブバンドル６０の個別チューブは反対方向のねじれを有するので、距離Ｌ２は下記式の値以下にすることができる：

（ここで、「ｔ」はバンドル内でのチューブ間の間隔であり、「ｄ」はバンドル内でのチューブの外径である）

すなわち、逆のねじれを有する各チューブは互いに入れ子状になり、螺旋交差しない。

この実施例では、距離Ｌ２は下記式にほぼ等しい：

（ここで、「ｔ」はバンドル内でのチューブ間の間隔であり、「ｄ」はバンドル内でのチューブの外径である）
これによって、個別チューブバンドルの充填密度が大幅に増加する。

さらに［図５］を参照する。この実施例では、熱交換器１０はバルクヘッド１６とバルクヘッド２６との間に取付けられた９つのチューブバンドルを備えている。最も近い縦方向列のチューブバンドルは全てが右方向螺旋ねじれを有するチューブ２０ａ、２２ａおよび２４ａから成るチューブバンドル３４ａで構成されている。チューブバンドル３４ａには、全てが左方向螺旋ねじれを有するチューブ６２ａ、６４ａおよび６６ａから成るチューブバンドル６０ａが直接隣接している。このチューブバンドル６０ａには、全てが右方向螺旋ねじれを有するチューブ２０ｂ、２２ｂおよび２４ｂから成るチューブバンドル３４ｂが直接隣接している。これら３つのチューブバンドルは、螺旋軸線４８ａ、６８ａおよび４８ｂが平行で且つ共通面にあるという点で、直線的な配列で配置されている。

［図５］から分かるように、残りのチューブバンドルは、螺旋軸線が矩形マトリックスを形成する一連の直線配列でレイアウトされた状態で配置されている。このマトリックスでは、各チューブバンドルは、反対の螺旋ねじれを有するチューブバンドルに全ての側面で隣接する。例えば、［図５］の最も近い縦方向列は右方向、左方向、右方向であるバンドルを有する。中央の縦方向列は左方向、右方向、左方向であるバンドルを有し、最も遠い縦方向列は右方向、左方向、右方向であるバンドルを有する。このような任意の数のチューブバンドルを直線状配列のチューブバンドルにぎっしりと詰める能力は、薄く平らな直角プリズムから湾曲プリズムおよび特定の用途で必要とされるその他の形状まで、任意形状および寸法の熱交換器の設計に広い柔軟性を提供する。

本明細書では特定の実施例および方法を開示したが、上記の説明からこのような実施例および方法を、本発明を逸脱しない範囲で、変形および変更できるということは当業者には理解できよう。例えば、上記実施例では各チューブバンドルが３つの個別チューブから作られるが、２つのチューブ、３つのチューブ、４つのチューブまたはそれ以上のチューブで構成されたバンドルも本発明の範囲内である。３つのチューブバンドルは３つのチューブバンドルに固有の空間利用効率から単に好ましいというのに過ぎない。さらに、上記実施例ではチューブバンドルを形成するチューブは断面が円形であるが、円形ではない断面を有するチューブも本発明の特徴を組み込んだ熱交換器で有利に使用でき、従って、本発明の範囲内にある。

また、チューブバンドルの螺旋軸線はバルクヘッドからバルクヘッドまで延びるが、チューブバンドルの長さの一部にわたって共通の螺旋軸線を中心として螺旋状である限り、チューブバンドルがバルクヘッドからバルクヘッドまで連続的に螺旋状である必要はないということも理解できよう。従って、本発明は請求の範囲の定義によってのみ限定されるものである。さらに、本明細書では「上方」または「下方」のような方向を示す記載は例であり、本発明を限定するものではない。特に記載のない限り、「一般に」、「ほぼ」または「約」という用語を数学的概念または測定値で用いたときには、±１０度の角度または測定値の１０％以内のどちらか大きい方を意味する。

Claims (11)

1. 下記（ａ）〜（ｃ）：
   （ａ）第１流体を流すことができる第１の複数のチューブ（２０、２２、２４）を有し、この第１の複数のチューブ（２０、２２、２４）の各々は第１セットの入口を形成する入口（３６、３８、４０）を有し、上記第１の複数のチューブ（２０、２２、２４）の各々は第１セットの出口を形成する出口（４２、４４、４６）を有し、上記第１セットの入口は入口端（１２）で入口支持体（１６）に取り付けられており、上記第１セットの出口は出口端（１４）で出口支持体（２６）に取り付けられており、第１の複数のチューブ（２０、２２、２４）の各々は上記入口端（１２）から出口端（１４）まで延びた第１共通螺旋軸線（４８）に沿って螺旋を形成する第１チューブバンドル（３４）と、
   （ｂ）第１流体を流すことができる第２の複数のチューブ（６２、６４、６６）を有し、この第２の複数のチューブ（６２、６４、６６）はそれぞれ第２セットの入口を形成する入口を有し、この第２の複数のチューブ（６２、６４、６６）の各々は２セットの出口を形成する出口を有し、上記第２セットの入口は入口端（１２）で入口支持体（１６）に取り付けられており、上記第２セットの出口は出口端（１４）で出口支持体（２６）に取り付けられており、上記第２の複数のチューブの各々は入口端（１２）から出口端（１４）まで延びた第２共通螺旋軸線（６８）に沿って螺旋を形成する第２チューブバンドル（６０）と、
   （ｃ）注入口（３０）と排出口（３２）を有し、上記第１チューブバンドルおよび第２チューブバンドル（３４、６０）を取り囲み、上記の第１および第２チューブバンドル（３５、６０）の周りを通って第２流体を流すためのシェル（２８）と、
   を有する第１流体と第２流体の間で熱を伝達する熱交換器（１０）において、
   上記第１の複数のチューブ（２０、２２、２４）は右方向螺旋ねじれを有し、上記第２の複数のチューブ（６２、６４、６６）は左方向螺旋ねじれを有し、且つ、上記第２共通螺旋軸線は、第１チューブバンドル（３４）に接する仮想円筒面の半径と第２チューブバンドル（６０）に接する仮想円筒面の半径の和より小さい量だけ上記第１共通螺旋軸線からオフセットしていることを特徴とする熱交換器（１０）。
2. 上記第１チューブバンドル（３４）と上記第２チューブバンドル（６０）のそれぞれが厳密に３本のチューブから成るバンドルを備え、各チューブ（２０、２２、２４、６２、６４、６６）は略同じ直径「ｄ」を有し、上記複数のチューブ（２０、２２、２４、６２、６４、６６）の間の間隔「ｔ」はほぼ同じであり、上記チューブのバンドル（３４、６０）の各々はほぼ同じ螺旋半径「ｒ」を有し、上記第２共通螺旋軸線（６８）が上記第１共通螺旋軸線（３４）から下記の式の値より少ない量だけオフセットしている請求項１に記載の熱交換器：
   

   
3. 上記第２共通螺旋軸線（６８）が第１共通螺旋軸線（３４）から少なくとも下記の式の値の量だけオフセットしている請求項２に記載の熱交換器：
   

   
4. 第３の複数のチューブ（２０ｂ、２２ｂ、２４ｂ）を有する第３チューブバンドル（３４ｂ）をさらに有し、この第３の複数のチューブ（２０ｂ、２２ｂ、２４ｂ）の各々は第３共通螺旋軸線（４８ｂ）に沿って螺旋状に延び、第３共通螺旋軸線は第１共通螺旋軸線からオフセットした位置にあり、第１螺旋軸線（３４）、第２螺旋軸線（６８）および第３螺旋軸線（４８ｂ）が一つの共通面内にある請求項１に記載の熱交換器。
5. 第１および第３の複数のチューブ（２０、２２、２４、２０ｂ、２２ｂ、２４ｂ）が右方向螺旋ねじれで、第２の複数のチューブ（６２、６４、６６）が左方向螺旋ねじれである請求項４に記載の熱交換器。
6. 第１および第３の複数のチューブ（２０、２２、２４、２０ｂ、２２ｂ、２４ｂ）が左方向螺旋ねじれで、第２の複数のチューブ（６２、６４、６６）が右方向螺旋ねじれである請求項４に記載の熱交換器。
7. 上記第１、第２および第３のチューブバンドル（３４、６０、３４ａ）の螺旋軸線（４８、６８、４８ａ）が、上記第１、第２および第３チューブバンドル（４８、６８、４８ａ）のそれぞれに接するチューブバンドルの仮想接線円筒の半径の和より小さい量だけ隣接するチューブバンドルからオフセットしている請求項５または６に記載の熱交換器。
8. 少なくとも４つのチューブバンドル（３４、３４ａ、６０、６０ａ）をさらに備え、螺旋軸線線（４８、４８ａ、６８、６８ａ）が矩形に配置されるように上記チューブバンドル（３４、３４ａ、６０、６０ａ）が配置されている請求項１に記載の熱交換器。
9. チューブバンドル全体の半分が右方向螺旋ねじれを有するチューブを有し、そのチューブバンドルの半数は左方向螺旋ねじれを有するチューブを有し、各チューブバンドルは、各右方向螺旋ねじれを有するチューブバンドルが各左方向螺旋ねじれを有するチューブバンドルにのみ隣接するように配置されている請求項８に記載の熱交換器。
10. 第１流体が内燃エンジンからの排ガスである請求項１に記載の熱交換器。
11. 第２流体が内燃エンジンの冷却システムからの冷却液である請求項１０に記載の熱交換器。

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