WO2022092153A1 - Ｅｇｒクーラおよび車両用廃熱回収器 - Google Patents

Ｅｇｒクーラおよび車両用廃熱回収器 Download PDF

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WO2022092153A1
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exhaust gas
casing
cooling water
gas inlet
egr cooler
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English (en)
French (fr)
Inventor
征二 菅田
正揮 嶽下
Original Assignee
東京ラヂエーター製造株式会社
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Publication date
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    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F02—COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
    • F02M—SUPPLYING COMBUSTION ENGINES IN GENERAL WITH COMBUSTIBLE MIXTURES OR CONSTITUENTS THEREOF
    • F02M26/00—Engine-pertinent apparatus for adding exhaust gases to combustion-air, main fuel or fuel-air mixture, e.g. by exhaust gas recirculation [EGR] systems
    • F02M26/13—Arrangement or layout of EGR passages, e.g. in relation to specific engine parts or for incorporation of accessories
    • F02M26/22—Arrangement or layout of EGR passages, e.g. in relation to specific engine parts or for incorporation of accessories with coolers in the recirculation passage
    • F02M26/29—Constructional details of the coolers, e.g. pipes, plates, ribs, insulation or materials
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F28—HEAT EXCHANGE IN GENERAL
    • F28F—DETAILS OF HEAT-EXCHANGE AND HEAT-TRANSFER APPARATUS, OF GENERAL APPLICATION
    • F28F9/00—Casings; Header boxes; Auxiliary supports for elements; Auxiliary members within casings
    • F28F9/22—Arrangements for directing heat-exchange media into successive compartments, e.g. arrangements of guide plates
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02T—CLIMATE CHANGE MITIGATION TECHNOLOGIES RELATED TO TRANSPORTATION
    • Y02T10/00—Road transport of goods or passengers
    • Y02T10/10—Internal combustion engine [ICE] based vehicles
    • Y02T10/12—Improving ICE efficiencies

Definitions

  • This disclosure relates to an EGR cooler and a waste heat recovery device for vehicles.
  • Patent Document 1 an EGR cooler that cools exhaust gas from automobiles and the like is known.
  • the EGR cooler described in Patent Document 1 enhances the cooling performance of the EGR cooler by leveling the flow rate of the exhaust gas supplied to the core portion. By the way, it has been found that it is important not to boil the cooling water in the EGR cooler, and it is effective to cause a bias in the flow of the exhaust gas in order to suppress the boiling of the cooling water.
  • the present disclosure provides an EGR cooler and a waste heat recovery device for vehicles in which boiling of cooling water is suppressed by causing a bias in the flow of exhaust gas.
  • the EGR cooler has a plurality of tubes through which exhaust gas flows and a casing for accommodating the tubes.
  • An EGR cooler that exchanges heat between the exhaust gas and the cooling water via the tube by flowing cooling water into the casing. It has a gas inlet for introducing the exhaust gas into the casing.
  • a plurality of the tubes are arranged in the casing so that the end of each tube faces the gas inlet portion. The flow velocity of the cooling water that cools the end of each of the tubes varies.
  • a deflection portion that biases the flow of the exhaust gas so that the flow rate of the exhaust gas becomes large is provided at the gas inlet.
  • the vehicle waste heat recovery device has a plurality of tubes through which exhaust gas flows and a casing for accommodating the tubes.
  • a waste heat recovery device for vehicles that exchanges heat between the exhaust gas and the cooling water via the tube by flowing cooling water into the casing. It has a gas inlet for introducing the exhaust gas into the casing.
  • a plurality of the tubes are arranged in the casing so that the end of each tube faces the gas inlet portion. The flow velocity of the cooling water that cools the end of each of the tubes varies.
  • a deflection portion that biases the flow of the exhaust gas so that the flow rate of the exhaust gas becomes large is provided at the gas inlet.
  • an EGR cooler and a waste heat recovery device for vehicles in which boiling of cooling water is suppressed by causing a bias in the flow of exhaust gas.
  • FIG. 3 is a cross-sectional view taken along the line VI-VI in FIG. It is sectional drawing of the gas inlet part seen from above. It is a perspective view which shows the left gas passage. It is the figure which looked at the gas inlet part in the cross section extending in the front-rear direction and the left-right direction. It is a top view which looked at the casing from the front. It is a figure corresponding to FIG. 6 of the EGR cooler which concerns on the modification of this disclosure.
  • the “vertical direction” is a direction including the “upward direction” and the “downward direction”.
  • the “front-back direction” is a direction including the “forward direction” and the “rear direction”.
  • the “left-right direction” is a direction including "left direction” and "right direction”.
  • the reference numeral U shown in the figure described below indicates an upward direction.
  • Reference numeral D indicates a downward direction.
  • Reference numeral F indicates a forward direction.
  • Reference numeral B indicates a backward direction.
  • Reference numeral L indicates the left direction.
  • the reference numeral R indicates the right direction. It should be noted that when the EGR cooler is attached to the vehicle, these directions do not always match the respective directions set for the vehicle.
  • FIG. 1 is a perspective view of the EGR cooler 1 according to the embodiment of the present disclosure.
  • the EGR cooler 1 includes a heat exchange unit 10, a gas inlet unit 20 for introducing exhaust gas into the heat exchange unit 10, and a gas outlet unit 30 for discharging exhaust gas from the heat exchange unit 10. It has a water inlet section 40 for introducing cooling water into the heat exchange section 10, and a water outlet section 50 (see FIG. 2) for discharging cooling water from the heat exchange section 10.
  • hot exhaust gas flows from the front through the gas inlet portion 20 into the heat exchange unit 10, and heat exchange is performed with the cooling water inside the heat exchange unit 10, and the cooled exhaust gas is cooled. Is discharged rearward from the heat exchange section 10 through the gas outlet section 30. Further, the cold cooling water flows from below through the water inlet 40 at the rear of the heat exchange section 10 into the heat exchange section 10, exchanges heat with the exhaust gas inside the heat exchange section 10, and the heated cooling water is discharged. It is discharged downward through the water outlet portion 50 at the front of the heat exchange portion 10.
  • the illustrated EGR cooler 1 is a so-called countercurrent type EGR cooler in which the flow direction of the exhaust gas and the flow direction of the cooling water face each other in the heat exchange unit 10.
  • FIG. 2 is an exploded perspective view of the EGR cooler 1.
  • the heat exchange unit 10 has a plurality of tubes 11 and a casing 12 for accommodating these tubes 11.
  • the tube 11 is a flat hollow plate-shaped member long in the front-rear direction.
  • Exhaust gas flows inside the tube 11.
  • the cooling water flows inside the casing 12 in the space between the tubes 11.
  • Fins 17 are provided inside the tube 11 to assist heat exchange between the exhaust gas and the cooling water.
  • Dimples 13 are provided on the outer surface of the tube 11 to cause turbulence in the cooling water and promote heat exchange.
  • the casing 12 is a square cylindrical member that is long in the front-rear direction.
  • a front end plate 14 is attached to the front end of the casing 12.
  • a rear end plate 15 is attached to the rear end of the casing 12.
  • the gas inlet portion 20 is attached to the casing 12 via the front end plate 14.
  • the gas outlet portion 30 is attached to the casing 12 via the rear end plate 15.
  • the tube 11 is attached to these front end plates 14 and rear end plates 15.
  • FIG. 3 is a cross-sectional view of the EGR cooler 1 seen from above.
  • FIG. 4 is a cross-sectional view taken along the IV-IV cross section of FIG.
  • the plurality of tubes 11 are arranged in the left-right direction in the casing 12.
  • An opening 14a is provided at a position corresponding to the opening of the tube 11 of the front end plate 14, and exhaust gas can be taken into the tube 11.
  • An opening is provided at a position corresponding to the opening of the tube 11 of the rear end plate 15, and the exhaust gas can be discharged from the tube 11 to the outside.
  • a closed space is formed between the casing 12, the tube 11, the front end plate 14, and the rear end plate 15. Has been done. Cooling water flows in this enclosed space.
  • the flow velocity of the cooling water flowing near the front end portion of the tube 11 shown in FIG. 4 varies.
  • the flow velocity of the cooling water flowing through the central region in the left-right direction in FIG. 4 is higher than the flow velocity of the cooling water flowing through the right region and the left region in the left-right direction.
  • the water inlet portion 40 opens in the central region in the left-right direction
  • the water outlet portion 50 opens in the central region in the left-right direction. Therefore, the cooling water easily flows in the central region in the left-right direction.
  • the path through which the cooling water flows from the water inlet portion 40 to reach the central region in the left-right direction of the front portion of the heat exchange portion 10 is the right region and the left region of the front portion of the heat exchange portion 10 from the water inlet portion 40. This is because it is shorter than the path through which the cooling water flows to reach.
  • the shape of the path through which the cooling water flows, the cross-sectional area of the path through which the cooling water flows, and the presence or absence of obstacles (for example, protrusions such as dimples 13) on the path also determine.
  • the flow velocity of the cooling water varies.
  • the flow velocity of the cooling water for cooling the front end portion of each tube 11 varies. Therefore, the cooling water flowing near the left end portion and the right end portion of the front end portion of the tube 11 located at the center in the left-right direction tends to boil. Therefore, in the EGR cooler 1 according to the present embodiment, exhaust gas having a high flow velocity is introduced into the gas inlet portion 20 and the end portion of the tube 11 to which the high-speed cooling water hits so that boiling does not occur in the portion where boiling is likely to occur.
  • a deflection portion 21 is provided so as to bias the flow of the exhaust gas.
  • FIG. 5 is a cross-sectional view of the gas inlet portion 20 seen from above.
  • the gas inlet portion 20 is provided with two gas passages through which the exhaust gas passes.
  • the two gas passages are provided on the right and left sides.
  • the gas passage located on the right side may be referred to as a right gas passage
  • the gas passage located on the left side may be referred to as a left gas passage.
  • the exhaust gas flows from the front to the rear.
  • the inner wall of the gas inlet portion 20 is provided with a deflection portion 21 extending diagonally so as to intersect in the front-rear direction.
  • the deflection portion 21 is provided in each of the right gas passage and the left gas passage.
  • the deflection portion provided in the right gas passage may be referred to as a right deflection portion 21R
  • the deflection portion provided in the left gas passage may be referred to as a left deflection portion 21L.
  • the right gas passage and the left gas passage have a symmetrical shape, only one of them will be described and the other will be omitted.
  • the deflection portion 21 makes the opening area of the outlet of the gas inlet portion 20 smaller than the opening area of the inlet of the gas inlet portion 20.
  • the broken line shows the inner wall of the gas inlet portion of the EGR cooler according to the reference example.
  • the shape of the inner wall of the gas inlet portion is designed with the intention of introducing the exhaust gas into the casing at a uniform flow rate as in Patent Document 1.
  • the opening area L1 of the outlet of the gas inlet portion of the EGR cooler according to the present embodiment is smaller than the opening area L2 of the outlet of the gas inlet portion of the EGR cooler according to the reference example.
  • the right deflection portion 21R is provided on the inner wall on the right side of the right gas passage.
  • the right deflection portion 21R is inclined from the right to the left as it goes from the front to the rear. Therefore, the exhaust gas that has entered from the right side of the inlet of the gas inlet portion 20 toward the rear is changed in the flow to the left by the right deflection portion 21R, and is the central portion in the left-right direction of the outlet of the gas inlet portion 20. Enters the heat exchange unit 10 from. That is, the exhaust gas that would otherwise have entered the tube 11 located in the right region of the heat exchange unit 10 without the right deflection unit 21R enters the central region of the heat exchange unit 10 by the right deflection unit 21R. ing. Therefore, at the front end portion of the heat exchange portion 10, the flow rate of the exhaust gas introduced into the tube 11 located in the central region thereof is large.
  • the flow velocity of the cooling water flowing in the central region in the left-right direction in FIG. 4 is higher than the flow velocity of the cooling water flowing in the right region and the left region in the left-right direction.
  • boiling is unlikely to occur in a portion where exhaust gas is flowing at a small flow rate (low flow velocity).
  • the cooling water flows at a large flow rate (high flow velocity) the heat capacity of the cooling water becomes large and the water temperature rise becomes small, so that boiling is unlikely to occur.
  • the flow rate of the exhaust gas is biased by the deflection unit 21 so that the flow rate of the exhaust gas increases in the region where the flow velocity of the cooling water is high.
  • the exhaust gas that should have entered the region where the flow velocity of the cooling water is low is separated by the deflection unit 21 into the region where the flow velocity of the cooling water is low. It is made to flow into a large area (a region where boiling is unlikely to occur from the beginning). Therefore, according to the EGR cooler 1 according to the present embodiment, the heat capacity of the cooling water in the central region of the front end portion near the gas inlet portion 20 of the tube 11 where boiling is more likely to occur is increased, and the water temperature rise is suppressed. Boiling is suppressed in the central region.
  • the direction in which the exhaust gas flowing in the tube 11 flows and the direction in which the cooling water flowing in the casing 12 flows are different.
  • the vicinity of the gas inlet portion 20 corresponds to the downstream side of the cooling water, so boiling is likely to occur.
  • boiling at a portion where boiling is likely to occur is suppressed by the deflection portion 21. Therefore, the EGR cooler 1 of the present embodiment is compatible with the countercurrent type.
  • the EGR cooler 1 of the present disclosure may be applied to a parallel flow type EGR cooler.
  • the gas inlet portion 20 includes a left gas inlet passage 22 through which exhaust gas directly passes from the inlet of the gas inlet portion 20 to the heat exchange portion 10.
  • a left deflection portion 21L for guiding the exhaust gas toward the left gas inlet passage 22 is provided.
  • the region indicated by reference numeral A0 in the casing 12 front end portion of the tube 11
  • the other region is covered with the deflection portion 21 and is not visible.
  • FIG. 6 is a perspective view showing the left gas passage.
  • FIG. 6 only the inner wall of the gas inlet portion 20 is shown.
  • FIG. 6 also shows a part of the heat exchange section 10 to which the gas inlet section 20 is attached. Note that FIG. 6 omits the illustration of the front end plate 14.
  • the gas inlet portion 20 is provided with a high-speed section 60 into which high-speed exhaust gas directly directed toward the heat exchange section 10 (casing 12) flows in, and a low-speed section 70. In the low speed section 70, the flow directly toward the heat exchange section 10 is blocked by the left deflection section 21L, and the exhaust gas at a lower speed than the exhaust gas flowing through the high speed section 60 flows.
  • the high-speed portion 60 and the low-speed portion 70 are separated by a partition wall 23 provided with a gap.
  • the existence of the partition wall 23 is exaggerated by a two-dot chain line.
  • the "meat" of the gas inlet portion 20 constitutes the partition wall 23, and the partition wall 23 does not have to be a plate-shaped portion as shown in the figure.
  • FIG. 7 is a view of the gas inlet portion 20 in a cross section extending in the front-rear direction and the left-right direction.
  • the tube 11, the front end plate 14, and the casing 12 are also shown.
  • the partition wall 23 faces the casing 12 (front end plate 14) via the gap G. Exhaust gas flows from the high-speed section 60 to the low-speed section 70 through the gap G.
  • the low speed section 70 is composed of a first low speed section 71, a second low speed section 72, and a third low speed section 73.
  • the inlet side of the gas inlet section 20 is closed in all of the first low speed section 71, the second low speed section 72, and the third low speed section 73, and the gas inlet is closed.
  • the outlet side (casing 12 side) of the portion 20 is open.
  • the upstream side of the first low speed portion 71, the second low speed portion 72, and the third low speed portion 73 is blocked by the inner wall 24 of the gas inlet portion 20. That is, the exhaust gas does not flow directly into the low-speed section 70 from the inlet of the gas inlet section 20, but flows into the low-speed section 70 through the high-speed section 60.
  • the upstream side of the low speed portion 70 is composed of an inner wall 24 of the stepped gas inlet portion 20, and the distance between the stepped gas inlet portion 20 and the front end portion of the tube 11 is within the low speed portion 70.
  • a plurality of different spaces are provided.
  • the front-rear dimension of the first low-speed portion 71 is the second low-speed portion 72. Is larger than the anteroposterior dimension of.
  • FIG. 8 shows the flow of the exhaust gas flowing in such a wraparound manner.
  • FIG. 8 is a plan view of the casing 12 as viewed from the front, and the gas inlet portion 20 is transparently drawn.
  • FIG. 8 shows the downstream end of the left gas passage.
  • the partition wall 23 that separates the high-speed portion 60 and the low-speed portion 70 extends in the vertical direction. The partition wall 23 does not extend from the upper end to the lower end of the casing 12, but is provided with a notch 24 at the lower portion.
  • a part of the exhaust gas flowing through the high-speed section 60 flows into the first low-speed section 71 through the notch 24 of the partition wall 23.
  • a part of the exhaust gas flowing into the first low speed portion 71 enters the tube 11 from the region of reference numeral A2 shown in FIG.
  • the rest of the exhaust gas that has flowed into the first low speed section 71 enters the second low speed section 72.
  • the exhaust gas flowing into the second low speed section 72 enters the tube 11 from the region of reference numeral A3 in FIG.
  • the second low speed section 72 has a larger internal volume than the third low speed section 73, and the flow rate of the exhaust gas flowing into the second low speed section 72 is large. Therefore, the flow rate of the exhaust gas passing through the region A2 is larger than the flow rate of the exhaust gas passing through the region A3.
  • the area A2 and the area A3 are located at the left end of the front surface of the casing 12.
  • the region A2 is located in the center in the vertical direction with respect to the region A3, and the region A3 is located at the upper end of the front surface of the casing 12.
  • the flow velocity of the cooling water flowing in the central region in the vertical direction is higher than the flow velocity of the cooling water flowing in the upper region and the lower region. Therefore, the region A3 is more likely to boil than the region A2. Therefore, in the present embodiment, the first low speed section 71 and the second low speed section 72 are provided so that more exhaust gas flows into the region A2 than the region A3. As a result, the occurrence of boiling is further suppressed.
  • the third low speed section 73 is provided to prevent a large amount of exhaust gas from flowing into the lower region A4 of the front ends of the plurality of tubes 11. For the same reason as described above, since the cooling water is less likely to flow into the upper region and the lower region A4 of the front ends of the plurality of tubes 11 than the central region, boiling is likely to occur in the lower region A4 as well. Therefore, boiling in the lower region A4 is suppressed by configuring the lower region A4 to have a small amount of exhaust gas flowing through the third low speed portion 73.
  • FIG. 9 is a diagram corresponding to FIG. 6 of the EGR cooler 101 according to the modified example of the present disclosure.
  • the notch 124 of the partition wall 123 may be provided in the central portion in the vertical direction.
  • the first low speed section 171 and the second low speed section 172 can be provided in the order of moving away from the notch 124 in the upward and downward directions.
  • a waste heat recovery device for a vehicle is a component mounted on a vehicle, which is also called a heat collector.
  • the waste heat recovery device for vehicles exchanges heat between the exhaust gas and the cooling water, and is used to heat the engine with the warmed cooling water to improve fuel efficiency.
  • Such a waste heat recovery device for vehicles also includes a tube, a casing, and the like, and can be configured in the same manner as described above.

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Abstract

ＥＧＲクーラの各々のチューブ（１１）の端部がガス入口部（２０）に臨むように複数のチューブ（１１）がケーシング内に配列されている。各々のチューブ（１１）の端部を冷却する冷却水の流速にばらつきが生じており、高速の冷却水が当たるチューブ（１１）の端部において、排気ガスの流量が大きくなるように排気ガスの流れを偏らせる偏向部（２１）がガス入口部（２０）に設けられている。

Description

ＥＧＲクーラおよび車両用廃熱回収器
　本開示は、ＥＧＲクーラおよび車両用廃熱回収器に関する。
　特許文献１などにより、自動車などの排気ガスを冷却するＥＧＲクーラが知られている。
日本国特開２０１４－１５２６２６号公報
　特許文献１に記載のＥＧＲクーラは、コア部に供給される排気ガスの流量を平準化することにより、ＥＧＲクーラの冷却性能を高めている。
　ところで、ＥＧＲクーラにおいては冷却水を沸騰させないことが重要であり、冷却水の沸騰を抑制するためには排気ガスの流れに偏りを生じさせることが効果的であることを見出した。
　そこで本開示は、排気ガスの流れに偏りを生じさせることにより冷却水の沸騰が抑制されたＥＧＲクーラおよび車両用廃熱回収器を提供する。
　本開示の一側面に係るＥＧＲクーラは、
　内部に排気ガスが流れる複数のチューブと、前記チューブを収容するケーシングと、を有し、
　前記ケーシング内に冷却水を流すことにより、前記チューブを介して前記排気ガスと前記冷却水との間で熱交換を行うＥＧＲクーラであって、
　前記排気ガスを前記ケーシング内に導入するガス入口部を有し、
　各々の前記チューブの端部が前記ガス入口部に臨むように複数の前記チューブが前記ケーシング内に配列されており、
　各々の前記チューブの端部を冷却する前記冷却水の流速にばらつきが生じており、
　高速の前記冷却水が当たる前記チューブの前記端部において、前記排気ガスの流量が大きくなるように前記排気ガスの流れを偏らせる偏向部が前記ガス入口部に設けられている。
　本開示の一側面に係る車両用廃熱回収器は、
　内部に排気ガスが流れる複数のチューブと、前記チューブを収容するケーシングと、を有し、
　前記ケーシング内に冷却水を流すことにより、前記チューブを介して前記排気ガスと前記冷却水との間で熱交換を行う車両用廃熱回収器であって、
　前記排気ガスを前記ケーシング内に導入するガス入口部を有し、
　各々の前記チューブの端部が前記ガス入口部に臨むように複数の前記チューブが前記ケーシング内に配列されており、
　各々の前記チューブの端部を冷却する前記冷却水の流速にばらつきが生じており、
　高速の前記冷却水が当たる前記チューブの前記端部において、前記排気ガスの流量が大きくなるように前記排気ガスの流れを偏らせる偏向部が前記ガス入口部に設けられている。
　本開示によれば、排気ガスの流れに偏りを生じさせることにより冷却水の沸騰が抑制されたＥＧＲクーラおよび車両用廃熱回収器が提供される。
本開示の実施形態に係るＥＧＲクーラの斜視図である。 ＥＧＲクーラの分解斜視図である。 上方から見たＥＧＲクーラの断面図である。 図３におけるＶＩ－ＶＩ断面における断面図である。 上方から見たガス入口部の断面図である。 左ガス通路を示す斜視図である。 前後方向および左右方向に延びる断面でガス入口部を見た図である。 前方からケーシングを見た平面図である。 本開示の変形例に係るＥＧＲクーラの図６に対応する図である。
　以下、本開示の実施形態について図面を参照しながら説明する。尚、実施形態の説明において既に説明された部材と同一の参照番号を有する部材については、説明の便宜上、その説明は省略する。また、本図面に示された各部材の寸法は、説明の便宜上、実際の各部材の寸法とは異なる場合がある。
　また、本実施形態の説明では、説明の便宜上、「左右方向」、「前後方向」、「上下方向」について適宜言及する。ここで、「上下方向」は、「上方向」及び「下方向」を含む方向である。「前後方向」は、「前方向」及び「後方向」を含む方向である。「左右方向」は、「左方向」及び「右方向」を含む方向である。以降に説明する図中に示した符号Ｕは上方向を示す。符号Ｄは下方向を示す。符号Ｆは前方向を示す。符号Ｂは後方向を示す。符号Ｌは左方向を示す。符号Ｒは右方向を示す。なお、ＥＧＲクーラを車両に取り付けたときにこれらの方向が車両について設定される各々の方向と一致するとは限らない。
　図１は、本開示の実施形態に係るＥＧＲクーラ１の斜視図である。図１に示したようにＥＧＲクーラ１は、熱交換部１０と、熱交換部１０へ排気ガスを導入するガス入口部２０と、熱交換部１０から排気ガスを排出するガス出口部３０と、熱交換部１０へ冷却水を導入する水入口部４０と、熱交換部１０から冷却水を排出する水出口部５０（図２参照）と、を有している。
　図１に示した例においては、熱い排気ガスが前方からガス入口部２０を通って熱交換部１０へ流れ込み、熱交換部１０の内部で冷却水と熱交換が行われ、冷却された排気ガスは熱交換部１０からガス出口部３０を通って後方へ排出される。また、冷たい冷却水は下方から熱交換部１０の後部の水入口部４０を通って熱交換部１０へ流れ込み、熱交換部１０の内部で排気ガスと熱交換を行い、加熱された冷却水は熱交換部１０の前部の水出口部５０を通って下方へ排出される。図示したＥＧＲクーラ１は、熱交換部１０において排気ガスの流れる向きと冷却水の流れる向きが向かい合っている、いわゆる対向流タイプのＥＧＲクーラである。
　図２は、ＥＧＲクーラ１の分解斜視図である。図２に示したように、熱交換部１０は、複数のチューブ１１と、これらのチューブ１１を収容するケーシング１２を有している。チューブ１１は前後方向に長い偏平な中空の板状部材である。排気ガスはチューブ１１の内部を流れる。冷却水はケーシング１２の内部でチューブ１１の間の空間を流れる。チューブ１１の内部にはフィン１７が設けられており、排気ガスと冷却水との熱交換を助けている。チューブ１１の外面には、冷却水に乱流を引き起こして熱交換を促進するディンプル１３が設けられている。
　ケーシング１２は前後方向に長い角筒状の部材である。ケーシング１２の前方の端部には前エンドプレート１４が取り付けられている。ケーシング１２の後方の端部には後エンドプレート１５が取り付けられている。ガス入口部２０は前エンドプレート１４を介してケーシング１２に取り付けられている。ガス出口部３０は後エンドプレート１５を介してケーシング１２に取り付けられている。チューブ１１はこれら前エンドプレート１４と後エンドプレート１５に取り付けられている。
　図３は、上方から見たＥＧＲクーラ１の断面図である。図４は図３のＩＶ－ＩＶ断面における断面図である。図３および図４に示すように、複数のチューブ１１は、ケーシング１２内において左右方向に配列されている。前エンドプレート１４のチューブ１１の開口に対応する位置に開口１４ａが設けられており、排気ガスをチューブ１１内に取り込むことができる。後エンドプレート１５のチューブ１１の開口に対応する位置に開口が設けられており、排気ガスをチューブ１１から外に排出することができる。前エンドプレート１４の開口１４ａの間、および、後エンドプレート１５の開口の間は閉塞されており、ケーシング１２とチューブ１１と前エンドプレート１４と後エンドプレート１５の間に密閉された空間が形成されている。冷却水はこの密閉された空間内を流れる。
　ところで、図４に示したチューブ１１の前端部付近を流れる冷却水の流速には、ばらつきが生じている。図示した例では、チューブ１１の前端部付近において、図４の左右方向の中央領域を流れる冷却水の流速は、左右方向の右領域および左領域を流れる冷却水の流速よりも高い。水入口部４０が左右方向の中央領域で開口し、また、水出口部５０が左右方向の中央領域で開口している。このため、冷却水は左右方向の中央領域を流れやすいためである。また、水入口部４０から熱交換部１０の前部の左右方向の中央領域に到達するために冷却水が流れる経路が、水入口部４０から熱交換部１０の前部の右領域および左領域に到達するために冷却水が流れる経路よりも短いためである。
　また、冷却水が流れる経路の長さの他、冷却水が流れる経路の形状や、冷却水が流れる経路の断面積、経路上の障害物（例えばディンプル１３などの突起など）の有無などによっても、冷却水の流速のばらつきが生じる。
　このように本実施形態のＥＧＲクーラ１においては、各々のチューブ１１の前端部を冷却する冷却水の流速にばらつきが生じている。そのため、左右方向の中央に位置するチューブ１１の前端部の左端部付近および右端部付近を流れる冷却水は沸騰しやすい。そこで本実施形態に係るＥＧＲクーラ１においては、沸騰が生じやすい部位で沸騰が生じないように、ガス入口部２０に、高速の冷却水が当たるチューブ１１の端部に高い流速の排気ガスが導入されるように排気ガスの流れを偏らせる偏向部２１が設けられている。以下、図５から図８を用いてガス入口部２０の構造を説明する。
　図５は、上方から見たガス入口部２０の断面図である。図５に示したように、ガス入口部２０には排気ガスが通過する二つのガス通路が設けられている。二つのガス通路は、右方および左方に設けられている。以降の説明において、右方に位置するガス通路を右ガス通路、左方に位置するガス通路を左ガス通路と呼ぶことがある。
　図５に示したように、排気ガスは前方から後方へ流れる。このとき、ガス入口部２０の内壁には、前後方向に交差するように斜めに延びる偏向部２１が設けられている。偏向部２１は、右ガス通路と左ガス通路のそれぞれに設けられている。以降の説明において、右ガス通路に設けられた偏向部を右偏向部２１Ｒ、左ガス通路に設けられた偏向部を左偏向部２１Ｌと呼ぶことがある。また、右ガス通路と左ガス通路は左右対称形状であるので、一方のみを説明し、他方の説明は省略する。
　図示したように、偏向部２１によって、ガス入口部２０の入口の開口面積に比べて、ガス入口部２０の出口の開口面積が小さくされている。なお、図５において破線で参考例に係るＥＧＲクーラのガス入口部の内壁を示している。参考例においては、特許文献１などのようにケーシング内へ均一な流速で排気ガスを導入することを意図してガス入口部の内壁の形状が設計されている。本実施形態に係るＥＧＲクーラのガス入口部の出口の開口面積Ｌ１は、参考例に係るＥＧＲクーラのガス入口部の出口の開口面積Ｌ２よりも小さくされている。
　右偏向部２１Ｒは、右ガス通路の右側の内壁に設けられている。右偏向部２１Ｒは、前方から後方に向かうにつれて右方から左方へ向かうように傾斜している。このため、ガス入口部２０の入口の右部から後方へ向かって進入した排気ガスは、右偏向部２１Ｒによって左方へ向かって流れを変えられ、ガス入口部２０の出口の左右方向の中央部から熱交換部１０内へ進入する。つまり、本来、右偏向部２１Ｒがなければ熱交換部１０の右領域に位置するチューブ１１へ進入されるはずであった排気ガスが、右偏向部２１Ｒによって熱交換部１０の中央領域へ進入している。このため、熱交換部１０の前端部において、その中央領域に位置するチューブ１１に導入される排気ガスの流量が大きくなっている。
　前述したように、チューブ１１の前端部付近において、図４の左右方向の中央領域を流れる冷却水の流速は、左右方向の右領域および左領域を流れる冷却水の流速よりも高い。一般的に、小さな流量（低い流速）で排気ガスが流れている部位では沸騰が生じにくい。また、大きな流量（高い流速）で冷却水が流れている部位では冷却水の熱容量が大きくなり、水温上昇が小さくなるので、沸騰が生じにくい。本実施形態においては、偏向部２１によって、冷却水の流速の高い領域において排気ガスの流量が大きくなるように、排気ガスの流れが偏っている。逆に言えば、冷却水の流速の低い領域に大きな流量で排気ガスが流れ込まないように、冷却水の流速の低い領域に入り込むはずだった排気ガスを、偏向部２１によって、冷却水の流速の大きい領域（元から沸騰が生じにくい領域）へ流れ込ませている。このため、本実施形態に係るＥＧＲクーラ１によれば、より沸騰が生じやすいチューブ１１のガス入口部２０に近い前端部の中央領域の冷却水の熱容量が大きくなり、水温上昇が抑えられ、該中央領域で沸騰が生じることが抑制されている。
　また本実施形態に係るＥＧＲクーラ１は、チューブ１１内を流れる排気ガスの流れる向きと、ケーシング１２内を流れる冷却水の流れる向きが異なっている。
　本実施形態に係るＥＧＲクーラ１のように、いわゆる対向流タイプのＥＧＲクーラの場合、ガス入口部２０付近は冷却水の下流側に該当するので沸騰が生じやすい。しかしながら本実施形態のＥＧＲクーラ１によれば、偏向部２１によって沸騰が生じやすい箇所の沸騰が抑制されている。このため、本実施形態のＥＧＲクーラ１は対向流タイプとの相性が良い。もっとも本開示のＥＧＲクーラ１を並行流タイプのＥＧＲクーラに適用してもよい。
　本実施形態に係るＥＧＲクーラ１において、図５に示したように、ガス入口部２０には、ガス入口部２０の入口から熱交換部１０へ排気ガスが直接通過する左ガス入口通路２２と、左ガス入口通路２２に向かって排気ガスを導く左偏向部２１Ｌとが設けられている。排気ガスのケーシング１２（熱交換部１０）への導入方向からガス入口部２０を見たときに、ケーシング１２の一部のみが左ガス入口通路２２から露出し、ケーシング１２の他の部分は左偏向部２１Ｌで覆われている。図示の例では、図の上方からガス入口部２０を見たときに、ケーシング１２（チューブ１１の前端部）のうち、符号Ａ０で示した領域が左ガス入口通路２２から覗いて見えており、他の領域は偏向部２１で覆われて見えていない。
　図６は、左ガス通路を示す斜視図である。図６においては、ガス入口部２０の内壁のみを示している。また図６には、ガス入口部２０が取り付けられる熱交換部１０の一部も示している。なお図６では前エンドプレート１４の図示を省略している。図６に示したように、ガス入口部２０には、熱交換部１０（ケーシング１２）に直接向かう高速の排気ガスが流入する高速部６０と、低速部７０が設けられている。低速部７０には、左偏向部２１Ｌによって熱交換部１０に直接向かう流れが遮られて、高速部６０を流れる排気ガスよりも低速の排気ガスが流れる。高速部６０と低速部７０とは、隙間が設けられた仕切り壁２３によって隔てられている。図６においては、仕切り壁２３の存在を二点鎖線で誇張して示している。実際には、ガス入口部２０の「肉」が仕切り壁２３を構成しているのであって、仕切り壁２３は図示したように板状の部位である必要はない。
　図７は、前後方向および左右方向に延びる断面でガス入口部２０を見た図である。図７においては、チューブ１１、前エンドプレート１４、ケーシング１２も併せて示している。図７に示したように、仕切り壁２３は、隙間Ｇを介してケーシング１２（前エンドプレート１４）に向かい合っている。この隙間Ｇを介して、高速部６０から低速部７０に排気ガスが流入する。
　ところで図６に示した例では、低速部７０は、第一低速部７１と、第二低速部７２と、第三低速部７３で構成されている。排気ガスの熱交換部１０（ケーシング１２）への導入方向について、第一低速部７１、第二低速部７２、第三低速部７３はいずれもガス入口部２０の入口側が閉塞されて、ガス入口部２０の出口側（ケーシング１２側）が開放されている。第一低速部７１、第二低速部７２、第三低速部７３の上流側は、ガス入口部２０の内壁２４で閉塞されている。つまり、低速部７０には、ガス入口部２０の入口から直接排気ガスが流入するのではなく、高速部６０を介して排気ガスが流入する。
　また、低速部７０の上流側は階段状のガス入口部２０の内壁２４で構成されており、低速部７０内に、階段状のガス入口部２０とチューブ１１の前端部との間の距離が異なる複数の空間（第一低速部７１および第二低速部７２）が設けられている。図示した例では、前後方向寸法（階段状のガス入口部２０の内壁２４とチューブ１１の前端部との間の距離）を比べると、第一低速部７１の前後方向寸法は第二低速部７２の前後方向寸法よりも大きい。
　高速部６０を通過する排気ガスの大部分は符号Ａ１の領域からチューブ１１へ進入する。左偏向部２１Ｌは、前方から後方に向かって下方から上方へ向かうようにも傾斜しており、高速部６０を通過する排気ガスの一部を左右方向および上下方向に延びる面内方向で回り込むように流れの向きを変えさせ、この排気ガスの一部は第一低速部７１に流れ込む。図８は、この回り込むように流れ込む排気ガスの流れを示している。図８は前方からケーシング１２を見た平面図であり、ガス入口部２０を透視的に描いている。図８は左ガス通路の下流端部を示している。図８に示したように、高速部６０と低速部７０とを仕切る仕切り壁２３は上下方向に延びている。この仕切り壁２３は、ケーシング１２の上端から下端まで延びるのではなく、下部に切り欠き２４が設けられている。
　図８に示したように、高速部６０を流れる排気ガスの一部は、仕切り壁２３のこの切り欠き２４を通って、第一低速部７１へ流入する。第一低速部７１へ流入した排気ガスの一部は、図６に示した符号Ａ２の領域からチューブ１１へ進入する。第一低速部７１へ流入した排気ガスの残りは第二低速部７２へ進入する。第二低速部７２へ流入した排気ガスは図６の符号Ａ３の領域からチューブ１１へ進入する。第二低速部７２は第三低速部７３よりも内部容積が大きく、その内部に流入する排気ガスの流量が大きい。このため、領域Ａ２を通過する排気ガスの流量は、領域Ａ３を通過する排気ガスの流量よりも大きい。
　ところで、領域Ａ２および領域Ａ３はケーシング１２の前面の左端に位置する。領域Ａ２は領域Ａ３よりも上下方向の中央に位置しており、領域Ａ３はケーシング１２の前面の上端に位置する。熱交換部１０の前部について、上下方向について中央領域を流れる冷却水の流速は、上部領域および下部領域を流れる冷却水の流速よりも高い。このため、領域Ａ３は領域Ａ２よりも沸騰が生じやすい。そこで本実施形態においては、領域Ａ３よりも領域Ａ２に多くの排気ガスが流れ込むように、第一低速部７１と第二低速部７２が設けられている。これにより、沸騰が生じることがより抑制されている。
　なお、第三低速部７３は、複数のチューブ１１の前端のうち下部領域Ａ４に多量の排気ガスが流入することを抑制するために設けられている。前述した理由と同様に、複数のチューブ１１の前端のうち上部領域および下部領域Ａ４は中央領域よりも冷却水が流れ込みにくいため、この下部領域Ａ４にも沸騰が生じやすい。このため、第三低速部７３を介して下部領域Ａ４に少ない量の排気ガスが流れるように構成されることで、下部領域Ａ４での沸騰が抑制されている。
　図９は、本開示の変形例に係るＥＧＲクーラ１０１の図６に対応する図である。図９に示したように、仕切り壁１２３の切り欠き１２４が上下方向の中央部に設けられていてもよい。この場合、第一低速部１７１および第二低速部１７２はこの切り欠き１２４から上方および下方に向かって遠ざかる順に設けることができる。
　なお、上述した実施形態では、本開示をＥＧＲクーラに適用した例を説明したが、本開示は車両用廃熱回収器に適用してもよい。車両用廃熱回収器とは、ヒートコレクタとも呼ばれる車両に搭載される部品である。車両用廃熱回収器は、排気ガスと冷却水とで熱交換を行い、温められた冷却水によってエンジンを温めて燃費を向上させるためなどに用いられる。このような車両用廃熱回収器も、チューブ、ケーシングなどを備え、上述した構成と同様に構成することができる。
　本出願は、２０２０年１１月２日に出願された日本国特許出願（特願２０２０－１８３８２６号）に開示された内容を適宜援用する。
１　ＥＧＲクーラ
１０　熱交換部
１１　チューブ
１２　ケーシング
１３　ディンプル
１４　前エンドプレート
１５　後エンドプレート
１７　フィン
２０　ガス入口部
２１　偏向部
２１Ｌ　左偏向部
２１Ｒ　右偏向部
２２　左ガス入口通路
２３　仕切り壁
３０　ガス出口部
４０　水入口部
５０　水出口部
６０　高速部
７０　低速部
７１　第一低速部
７２　第二低速部
７３　第三低速部

Claims (8)

  1. 　内部に排気ガスが流れる複数のチューブと、前記チューブを収容するケーシングと、を有し、
    　前記ケーシング内に冷却水を流すことにより、前記チューブを介して前記排気ガスと前記冷却水との間で熱交換を行うＥＧＲクーラであって、
    　前記排気ガスを前記ケーシング内に導入するガス入口部を有し、
    　各々の前記チューブの端部が前記ガス入口部に臨むように複数の前記チューブが前記ケーシング内に配列されており、
    　各々の前記チューブの端部を冷却する前記冷却水の流速にばらつきが生じており、
    　高速の前記冷却水が当たる前記チューブの前記端部において、前記排気ガスの流量が大きくなるように前記排気ガスの流れを偏らせる偏向部が前記ガス入口部に設けられている、ＥＧＲクーラ。
  2. 　前記チューブ内を流れる前記排気ガスの流れる向きと、前記ケーシング内を流れる前記冷却水の流れる向きが異なっている、請求項１に記載のＥＧＲクーラ。
  3. 　前記ガス入口部は、
    　　その入口から前記ケーシング内へ前記排気ガスが直接通過するガス入口通路と、
    　　前記ガス入口通路に向かって前記排気ガスを導く前記偏向部と、を有し、
    　前記排気ガスの前記ケーシングへの導入方向から前記ガス入口部を見たときに、前記ケーシングの一部のみが前記ガス入口通路から露出し、前記ケーシングの他の部分は前記偏向部で覆われている、請求項１に記載のＥＧＲクーラ。
  4. 　前記ガス入口部には、
    　　前記ケーシングに直接向かう高速の前記排気ガスが流入する高速部と、
    　　前記偏向部によって前記ケーシングに直接向かう流れが遮られて、前記高速部を流れる前記排気ガスよりも低速の前記排気ガスが流れる低速部と、が設けられており、
    　前記高速部と前記低速部とは、隙間が設けられた仕切り壁によって隔てられている、請求項１に記載のＥＧＲクーラ。
  5. 　前記仕切り壁は、隙間を介して前記ケーシングに向かい合っている、請求項４に記載のＥＧＲクーラ。
  6. 　前記低速部の前記排気ガスの前記ケーシングへの導入方向について、前記ガス導入部の入口側が閉塞されて、前記ガス導入部の出口側が開放されている、請求項５に記載のＥＧＲクーラ。
  7. 　前記低速部の上流側は階段状の前記ガス入口部の内壁で構成されており、前記低速部内に、前記階段状の前記ガス入口部と前記チューブの端部との間の距離が異なる複数の空間が設けられている、請求項６に記載のＥＧＲクーラ。
  8. 　内部に排気ガスが流れる複数のチューブと、前記チューブを収容するケーシングと、を有し、
    　前記ケーシング内に冷却水を流すことにより、前記チューブを介して前記排気ガスと前記冷却水との間で熱交換を行う車両用廃熱回収器であって、
    　前記排気ガスを前記ケーシング内に導入するガス入口部を有し、
    　各々の前記チューブの端部が前記ガス入口部に臨むように複数の前記チューブが前記ケーシング内に配列されており、
    　各々の前記チューブの端部を冷却する前記冷却水の流速にばらつきが生じており、
    　高速の前記冷却水が当たる前記チューブの前記端部において、前記排気ガスの流量が大きくなるように前記排気ガスの流れを偏らせる偏向部が前記ガス入口部に設けられている、車両用廃熱回収器。
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