トップ :: F 機械工学 照明 加熱 武器 爆破 :: F28 熱交換一般

【発明の名称】 熱交換器
【発明者】 【氏名】高橋 進

【要約】 【課題】熱交換器に大きな熱負荷が加わるような場合であっても、気体の入口側の管板の冷却用液体側に澱み部が発生するのを回避でき、伝熱管と管板との接合部に冷却用液体を十分に供給して接合部を確実に冷却することができる熱交換器を提供する。

【構成】管板11、12に両端をそれぞれ固定された複数の伝熱管13を胴14内に配置し、前記伝熱管13内に気体Geを流し、前記伝熱管13外に冷却用液体Wを流して、気体Geを冷却する熱交換器1において、気体の入口側の管板11の液体流通側に、冷却用液体Wを胴14の内周の一部又は全周に沿って導く導入通路11aを設ける。
【特許請求の範囲】
【請求項1】
管板に両端をそれぞれ固定された複数の伝熱管を胴内に配置し、前記伝熱管内に気体を流し、前記伝熱管外に冷却用液体を流して、気体を冷却する熱交換器において、気体の入口側の管板の液体流通側に、冷却用液体を胴の内周の一部又は全周に沿って導く導入通路を設けたことを特徴とする熱交換器。
【請求項2】
前記導入通路を気体の入口側の管板の液体流通側でかつ胴の内周に沿って設けた溝状通路で形成したことを特徴とする請求項1記載の熱交換器。
【請求項3】
前記溝状通路における胴の径方向の深さを冷却用液体の注入口から遠ざかるに連れて浅くなるように形成したことを特徴とする請求項2記載の熱交換器。
【請求項4】
前記導入通路を気体の入口側の管板の液体流通側でかつ胴の内周に沿って設けたパイプ状通路で形成すると共に、前記パイプ状通路に冷却用液体の流出口を設けたことを特徴とする請求項1記載の熱交換器。
【請求項5】
管板に両端をそれぞれ固定された複数の伝熱管を胴内に配置し、前記伝熱管内に気体を流し、前記伝熱管外に冷却用液体を流して、気体を冷却する熱交換器において、冷却用液体を胴内に供給する供給口を、気体の入口側の管板の液体流通側に沿って複数設けたことを特徴とする熱交換器。
【請求項6】
前記気体が内燃機関のEGRガスであることを特徴とする請求項1〜5のいずれか1項に記載の熱交換器。
【発明の詳細な説明】【技術分野】
【0001】
本発明は、熱交換器に関し、より詳細には、気体の入口側で高温になり易い伝熱管と管板との接合部を十分に冷却できる熱交換器に関する。
【背景技術】
【0002】
自動車等で用いられる内燃機関のEGRガスを冷却するために、図6に示すような構造のEGRクーラが使用されている。このEGRクーラは、ケースに収納された複数の伝熱管(コア)である円形パイプにEGRガスを通し、その外周に冷却水を通すことでEGRガスを冷却している。この冷却により、EGRガスの体積を減少して、エンジンのシリンダ内に還流するEGRガス量を増加する効果を発揮し、また、シリンダ内に供給される新気とEGRガスの混合ガスの温度を低下させて、燃焼の悪化を防止している。
【0003】
このEGRクーラとして、例えば、外筒(胴)の内部に複数のチューブ(伝熱管)の両端を固定した仕切板(管板)を配置し、伝熱面の少なくとも一面に非金属を薄膜としてコーティング処理をしたチューブ内にEGRガスを流し、外筒内部でかつ仕切板の間のチューブ外側に冷却水を流して、EGRガスを冷却させる熱交換器が提案されている(例えば、特許文献1参照。)。
【0004】
また、シェル(胴)に熱交換用のチューブ(伝熱管)及びこのチューブの両端を支持するエンドプレート(管板)を内蔵し、炉内にチューブとエンドプレート及びエンドプレートとシェルのそれぞれの間の接合部をろう付けして熱交換器コア部分を一体に形成し、シェルをろう付け後にシェルの両端にヘッダを取り付けてシェルにヘッダを気密に固着するEGRクーラの製造方法が提案されている(例えば、特許文献2参照。)。
【0005】
このクールEGR方式は、近年の排気ガス規制に対応する燃焼制御技術として必須な技術となっており、より大量のEGRガスの導入を行うために、EGRクーラに対する熱負荷が増大してきている。特に北米仕様では、高速高負荷域でも大量のEGRが要求されるため、伝熱管(コア)が高温となり、特にガス入口側(高温側)の溶接やろう付けされた接合部において、大きな熱負荷により亀裂や剥がれ等が発生する可能性が増加し、EGRクーラの耐久性の面から問題となってきている。
【0006】
従来の構造の熱交換器では、高温ガスが流入して、伝熱管の温度が高くなる気体の入口側に冷却水の入口を設けて、比較的低温の冷却水で接合部の温度を下げている。しかしながら、冷却水が注入される注入口の対向位置の壁面近傍(図6の斜線部)Aに、冷却水が流れにくい澱み部が発生してしまうために、この付近では、高温になっている伝熱管と冷却水との間の熱伝達が低下し、この部位の冷却が悪化する。その結果、この部分の接合部では温度が最も上昇し、冷却水入口近傍の接合部に比べて著しく高くなる。また、大きな熱負荷により、この澱み部で冷却水が沸騰するような状態になると、接合部では亀裂や剥がれ等の不具合を発生し易くなる。そして、一旦、この部位に不具合が発生すると、冷却水がEGRガス中に浸入し、EGRガスと共にエンジンのシリンダ内部に入り込んでしまうため、焼き付けやウォータハンマ等の重大なトラブルを発生する危険性が生じる。
【特許文献1】特開2006−90833号公報
【特許文献2】特開2006−57475号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【0007】
本発明は、上記の問題を解決するためになされたものであり、その目的は、熱交換器に大きな熱負荷が加わるような場合であっても、気体の入口側の管板の冷却用液体側に澱み部が発生するのを回避でき、伝熱管と管板との接合部に冷却用液体を十分に供給できて接合部を確実に冷却することができる熱交換器を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【0008】
上記のような目的を達成するための熱交換器は、管板に両端をそれぞれ固定された複数の伝熱管を胴内に配置し、前記伝熱管内に気体を流し、前記伝熱管外に冷却用液体を流して、気体を冷却する熱交換器において、気体の入口側の管板の液体流通側に、冷却用液体を胴の内周の一部又は全周に沿って導く導入通路を設けて構成される。
【0009】
この構成によれば、導入通路により、冷却用液体を気体の入口側の管板の液体流通側で、胴(シェル、ケーシング)の内周の一部又は全周に沿って導くので、冷却用液体が澱むのを回避できる。その結果、この伝熱管(チューブ)と、この伝熱管を固定支持するための管板(エンドプレート、ヘッダプレート)との間の溶接やろう付けの接合部を十分に冷却できるようになり、接合部の亀裂や剥がれを防止することができる。
【0010】
また、この構成によれば、導入通路により、気体の入口側の管板の液体流通側又はその近傍に冷却用液体を導くために、管板に対する冷却効果が大きくなり、接合部に対する冷却効率が良くなる。更に、胴の内周に沿って冷却用液体を導くため、胴内に旋回流を発生させて伝熱管の伝熱効率を高めることもできるようになる。
【0011】
また、上記の熱交換器において、前記導入通路を気体の入口側の管板の液体流通側でかつ胴の内周に沿って設けた溝状通路で形成すると、比較的簡単な構成で導入通路を設けることができる。この溝状通路は、管板の外周側に管板と一体的に設けることもでき、管板の流体流通側に溝状通路が形成されるようなリング状体や溝状通路が形成されているリング状体を配置して設けることもできる。また、この溝状通路は、側断面で見たときに、胴の中心部側が開放されている凹状断面をしていても良く、また、胴の中心部側と気体の下流側とが開放されているL字断面をしていてもよい。なお、管板と一体に設ける場合には、管板の液体流通側を溝状に切削して溝状通路を形成してもよい。
【0012】
また、溝状通路の導入通路の場合には、冷却用液体を胴の内周の一部又は全周に沿って導き易いように、冷却用液体は胴の内周の接線方向からこの導入通路に供給するのが好ましく、冷却用液体供給管は胴の内周の接線方向に取り付け、導入通路に接続することが好ましい。
【0013】
また、上記の熱交換器において、前記溝状通路における胴の径方向の深さを冷却用液体の注入口から遠ざかるに連れて浅くなるように形成すると、この溝状通路に導入された液体は徐々に胴の中心部側に排出されるので、この中心部側に向かう流速を有するようになり、中心部に向かう流れを意図的に起こすことができる。
【0014】
更に、上記の熱交換器において、前記導入通路を気体の入口側の管板の液体流通側でかつ胴の内周に沿って設けたパイプ状通路で形成すると共に、前記パイプ状通路に冷却用液体の流出口を設けて構成すると、リング状のパイプを冷却用液体の供給口に接続するだけで、容易に導入通路を形成することができる。その上、パイプに流出口を設けることにより、澱み易い部分を狙って冷却用液体を流出させることもできるようになるので、より一層澱みの発生を回避できる。
【0015】
また、流出口の方向を胴の中心部側に向けると冷却用液体を胴の中心部側に供給し易くなるので、中心部側の接合部をより一層冷却することができるようになる。また、流出方向や流出速度も流出口の開口方向や開口量によって選択できるようになるので、胴内に旋回流を発生させて伝熱管の伝熱効率を高めることもできるようになる。
【0016】
あるいは、上記の目的を達成するための本発明の熱交換器は、管板に両端をそれぞれ固定された複数の伝熱管を胴内に配置し、前記伝熱管内に気体を流し、前記伝熱管外に冷却用液体を流して、気体を冷却する熱交換器において、冷却用液体を胴内に供給する供給口を、気体の入口側の管板の液体流通側に沿って複数設けて構成する。
【0017】
この複数の供給口から供給される冷却用液体により、澱みの発生を回避することができるので、伝熱管と管板との間の溶接やろう付けの接合部を十分に冷却でき、接合部の亀裂や剥がれを防止することができる。更に、胴の内周の接線方向の流速成分を持たせて冷却用液体を供給すると、胴内に旋回流を発生させることができるので、伝熱管の伝熱効率を高めることができる。
【0018】
そして、上記の熱交換器において、前記気体が内燃機関のEGRガスであるように、即ち、この熱交換器をEGRクーラとする場合には、エンジンが高負荷運転で大量のEGRを必要とするような運転状態においても、EGRクーラの伝熱管と管板との接合部を十分に冷却できるので、この接合部の亀裂や剥がれを防止して信頼性を確保することができる。その結果、北米の厳しい排ガス規制に対応できる低エミッション燃焼を実現することができるエンジンを提供できるようになる。
【発明の効果】
【0019】
以上説明したように、本発明に係る熱交換器によれば、熱交換器に大きな熱負荷が加わるような場合であっても、気体の入口側の管板の冷却用液体側に澱み部が発生するのを回避でき、伝熱管と管板との接合部に冷却用液体を供給して接合部を十分に冷却することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【0020】
以下、本発明に係る実施の形態の熱交換器について、内燃機関(エンジン)に使用されるEGRクーラを例にして図面を参照しながら説明する。
【0021】
図1〜図5に第1の実施の形態の熱交換器1を示す。この熱交換器1は、管板(エンドプレート、ヘッダプレート)11,12に両端をそれぞれ固定された複数の伝熱管(コア、チューブ)13を、胴(シェル、ケーシング)14内に配置して形成される。この胴14の一方には高温のEGRガス(気体)が供給される入口側配管15が設けられ、他方には冷却されたEGRガス(気体)が排出される出口側配管16が設けられる。
【0022】
この伝熱管13は、ステンレス等の金属等で形成され、その一端側を入口側の管板11に溶接又はろう付けで接続され固定される。また、その他端側を出口側の管板12に溶接又はろう付けで接続され固定される。そして、これらの管板11、12はステンレス等の金属等で形成され、ステンレス等の金属等で形成された胴14に溶接やろう付け等により固定される。なお、熱膨張を考慮して一端側を固定せずにしておく場合もある。この胴14に入口側配管15と出口側配管16が溶接やろう付け又はフランジ等で接続される。
【0023】
EGRクーラでは、伝熱管13内にEGRガス(気体)Geを流すと共に、冷却水(冷却用液体)Wを冷却水供給管17から胴14内に供給し、伝熱管12の外側に流して、EGRガスGeを冷却した後、冷却水排出管18から排出する。
【0024】
そして、本発明においては、EGRガスGeの入口側の管板11の液体流通側又はその近傍に、冷却水Wを胴14の内周の全周に沿って、溝状通路で形成した導入通路11aを設けて構成する。これにより比較的簡単な構成で導入通路11aを設けることができる。
【0025】
図1〜図5の構成では、この溝状通路の導入通路11aは、管板11と一体に設けられ、側断面で見たときに、胴14の中心部側とEGRガスGeの下流側とが開放されているL字断面となるように、管板11の液体流通側を溝状に切削して形成している。更に導入通路11aにおける胴14の径方向の溝深さdを、冷却水Wの供給口17aから遠ざかるに連れて浅くなるように、言い換えれば、正面視(胴14の軸方向から見た状態)で螺旋状の凹部を持つように形成している。
【0026】
なお、溝状通路の導入通路11aは、この構成に限定されず、胴の中心部側が開放されている凹状断面をしていても良く、また,管板11の流体流通側に溝状通路11aが形成されるようなリング状体や溝状通路11aを形成したリング状体を配置して設けてもよい。更に、導入通路11を胴14の内周の全周に沿って設ける代りに、澱み易い部分のみに冷却水Wを供給するように、胴14の内周の一部に沿って設けることもできる。
【0027】
また、この溝状通路11aの場合では、冷却水Wを胴14の内周に沿って導き易いように、冷却水供給管17は胴14の内周の接線方向に取り付けて、導入通路11aに接続し、冷却水Wを胴14の内周の接線方向からこの導入通路11aに供給する。
【0028】
この導入通路11aにより、冷却水Wを入口側の管板11の液体流通側で、胴14の内周の一部又は全周に沿って導くことができるので、冷却水Wが澱むのを回避できる。その結果、この伝熱管13と管板11との間の溶接やろう付けの接合部19を十分に冷却できるようになり、接合部19の亀裂や剥がれを防止することができる。
【0029】
特に、この導入通路11aにより入口側の管板11の液体流通側又はその近傍に冷却水Wを導くために、管板11に対する冷却効果が大きくなり、接合部19に対する冷却効率が良くなる。更に、胴14の内周に沿って冷却水Wを導くため、胴14内に旋回流を発生させて伝熱管13の伝熱効率を高めることもできるようになる。
【0030】
更に、導入通路11aにおける胴14の径方向の溝深さdを冷却水Wの供給口17aから遠ざかるに連れて浅くなるように形成しているので、この導入通路11aに導入された冷却水Wは徐々に胴14の中心部側に排出される。その結果、冷却水Wは導入通路11aを通して管板11に沿って流れるために胴14の内周に沿って周り込む方向の周方向速度成分Vaを有すると共に、胴14の中心部側に向かう流速、即ち中心方向速度成分Vb(図5参照)も有するようになり、中心部に向かう流れを意図的に起こすことができる。また、冷却水Wの順次の供給により冷却水Wは冷却水排出口18aに向かうので、胴14の軸に平行な方向の軸方向速度成分Vc(図示しない)を持つようになる。
【0031】
つまり、冷却水Wは周方向速度成分Vaと中心方向速度成分Vbと軸方向速度成分Vc(図示しない)を持っている。そのため、この周方向速度成分Vaにより、従来構造で問題となる、伝熱管13と管板11との接合部19近傍の冷却水Wの澱み部が無くなり、最も高温となる接続部19を均一に冷却し、高温によるこの接続部19の不具合の発生を防止することができる。それと共に、中心方向速度成分Vbにより、胴14の中心側に配置された接合部を冷却でき、更に、軸方向速度成分Vcにより従来通り伝熱管13内を通るEGRガスGeを冷却することができる。
【0032】
以上説明したように、本発明に係る熱交換器によれば、EGRクーラ1の冷却水Wを一箇所から導入し、この導入された冷却水Wが、従来技術では最も高温となり易かった側に周り、この部分の接合部19の冷却を十分に行うことができるので、高温に起因する接続部の亀裂や剥がれ等の不具合の発生を防止することができる。
【0033】
従って、エンジンが高負荷運転状態で大量のEGRを必要とするような運転状態においても、EGRクーラ1の伝熱管13と管板11との接合部の信頼性を確保することができるので、このEGRクーラ1を備えたエンジンは、北米の厳しい排ガス規制にも対応できる低エミッション燃焼を実現できるようになる。
【0034】
次に、第2の実施の形態について説明する。図6に示す第2の実施の形態のEGRクーラ(熱交換器)1Aでは、第1の実施の形態のEGRクーラ1における溝状通路で形成された導入通路11aの代りに、導入通路を入口側の管板11の液体流通側でかつ胴14の内周に沿って設けたパイプ状通路20で形成し、このステンレス等の金属等で形成されたパイプ状通路20に冷却水(冷却用液体)Wの流出口20aを一箇所乃至数箇所設ける。その他の構成は第1の実施の形態と同じである。
【0035】
この第2の実施の形態のパイプ状通路20で形成した導入通路11aを有するEGRクーラ1Aでは、リング状のパイプ20を冷却水Wの供給口17aに接続するだけで、容易に導入通路20を形成することができる。その上、パイプ状通路20に流出口20aを設けることにより、冷却水Wが澱み易い部分を狙って冷却水Wを流出させることができるので、澱みの発生を回避できる。
【0036】
また、流出口20aの方向を胴14の中心部側に向けると冷却水Wを胴14の中心部側に供給し易くなるので、中心部側の接合部19もより一層冷却することができる。また、流出方向や流出速度も流出口20aの開口方向や開口量(開口の大きさ)によって選択できるようになるので、胴14内に旋回流を発生させて伝熱管13の伝熱効率を高めることもできる。
【0037】
次に、第3の実施の形態について説明する。図7に示す第3の実施の形態のEGRクーラ(熱交換器)1Bでは、第1の実施の形態のEGRクーラ1における溝状通路で形成された導入通路11aの代りに、冷却水(冷却用液体)Wを胴14内に供給する供給口17aを、入口側の管板11の液体流通側に沿って複数設ける。その他の構成は第1の実施の形態と同じである。
【0038】
この複数の供給口17aから供給される冷却水Wにより、澱みの発生を回避することができるので、伝熱管13と管板11との間の溶接やろう付けの接合部19を十分に冷却でき、接合部19の亀裂や剥がれを防止することができる。更に、胴14の内周の接線方向の流速成分を持たせて冷却水Wを供給すると、胴14内に旋回流を発生させることができるので、伝熱管13の伝熱効率を高めることができる。
【図面の簡単な説明】
【0039】
【図1】本発明に係る第1実施の形態の熱交換器(EGRクーラ)の構成を示す図である。
【図2】図1のA−A矢視図である。
【図3】図1の入口側の管板の構成を示す正面図である。
【図4】図3の入口側の管板の構成を示す横断面図である。
【図5】冷却水の流れを模式的に示す図である。
【図6】本発明に係る第2実施の形態の熱交換器(EGRクーラ)の構成を示す図である。
【図7】本発明に係る第3実施の形態の熱交換器(EGRクーラ)の構成を示す図である。
【図8】従来技術の熱交換器(EGRクーラ)の構成を示す図である。
【符号の説明】
【0040】
1,1A,1B EGRクーラ(熱交換器)
11 入口側の管板
11a 溝状通路(導入通路)
12 出口側の管板
13 伝熱管
14 胴
17 冷却水供給管
17a 冷却水の供給口
18 冷却水排出管
19 伝熱管と管板との接合部
20 パイプ状通路(導入通路)
20a 冷却水の流出口
d 導入通路における胴の径方向の深さ
Ge EGRガス
Vr 中心方向速度成分
Va 周方向速度成分
Vb 軸方向速度成分
W 冷却水
【出願人】 【識別番号】000000170
【氏名又は名称】いすゞ自動車株式会社
【出願日】 平成18年6月30日(2006.6.30)
【代理人】 【識別番号】100066865
【弁理士】
【氏名又は名称】小川 信一

【識別番号】100066854
【弁理士】
【氏名又は名称】野口 賢照

【識別番号】100068685
【弁理士】
【氏名又は名称】斎下 和彦


【公開番号】 特開2008−8568(P2008−8568A)
【公開日】 平成20年1月17日(2008.1.17)
【出願番号】 特願2006−180707(P2006−180707)