JP2005315508A - 熱交換器 - Google Patents

Abstract

【課題】 本発明は、エンジンのＥＧＲシステム等に用いられる熱交換器に関し、熱交換性能を高めるとともにガスの通気抵抗の低減を図り、効率の良い熱交換器を提供することを課題とする。
【解決手段】 内部で熱交換が行われる筒状のシェル２２と、このシェル２２の各端部側にそれぞれ設けられ、ガスの入口部又は出口部が形成されたヘッダー２４，２５と、上記シェルと上記各ヘッダーとの間に介在するエンドプレート３２，３３と、これら両エンドプレート間に、端部がエンドプレートを貫通して設けられる複数のチューブ２８，３０と、上記エンドプレート間のシェル２２の表面部に設けられ、流体が流入する流入口２６及び流出する流出口２７と、を有し、上記チューブの内、上記シェル２２の断面中心寄りのチューブ２８の径よりも、外側寄りのチューブ３０の径を大きく形成した構成である。
【選択図】 図１

Description

本発明は、エンジンのＥＧＲシステム等に用いられる熱交換器に関する。

熱交換器は、例えばＥＧＲ(排気再循環)システムにおいて排気ガスの冷却装置として用いられている。このＥＧＲシステムでは、エンジンの排気系のエキゾーストマニホールドから排出される排気ガスの一部を熱交換器（ＥＧＲクーラ）で冷却し、この排気ガスを吸気系の混合気に加える。

この熱交換器１は、図４に示すように、円筒状のシェル２の両端部にそれぞれ排気ガス１２の流入及び流出のためのヘッダー４，５が設けられ、またシェル２の一端部側には冷却液１３（冷却水）の流入口６が、他端部側には冷却液の流出口７が設けられている。シェル２内には複数のチューブ８が配置され、これらチューブ８の端部は、シェル２の各端部を閉塞するエンドプレート１０，１１に固定され、かつエンドプレート１０，１１に設けた貫通口から突出した状態である。

上記排気ガスの流入用のヘッダー４から流入した排気ガス１２は、チューブ８内を通過し、その間に冷却されてヘッダー５から流出する。ＥＧＲシステムでは、混合気に上記冷却した排気ガス１２を加えることで吸入空気に含まれる酸素の量をコントロールし、排気ガス中のＮＯｘの量を低減している。

ここで、熱交換器１における排気ガス１２の冷却が不十分で、吸気系に戻された排気ガスの温度が高いと、体積が膨張してガスの濃度が希薄となり、必要な排気ガスの量が確保できない。一方、熱交換器１において排気ガス１２の通気抵抗が高いと、装置を通過後の排気ガスの圧力が低下して混合気との圧力差が少なくなり、排気ガスを規定された量だけ吸気系に戻すことができない。このように、排気ガスの量が確保できず規定量を吸気系に戻すことができないと、ＮＯｘの低減に支障をきたしＥＧＲシステムの機能が低下する。

このため、熱交換器１の設計においては、熱交換器としての冷却能力に加えて装置内を通過する排気ガス１２の通気抵抗にも配慮が必要である。一般に、熱交換器１における放熱量（冷却量）と通気抵抗（排気ガスの圧力損失）とは、正比例の関係にある。つまり、放熱量が増加すると装置の通気抵抗も増加する関係にある。

上記シェル２がチューブタイプ（円筒状）の熱交換器では、放熱量のアップ、及びチューブ内を通過する排気ガスの通気抵抗を低減する場合の対策として、シェル径を拡大して容量を増加させるか、或いはチューブの本数を増加させる等の措置が取られている。また、ディーゼルの排気ガス規制が強化されるに従って、ＥＧＲシステムを通過する排気ガスの流量や要求される放熱量も大きくなり、この場合、シェル径の増大や内部のチューブ本数を増やすなどの対策が取られている。

一方、上記ＥＧＲクーラが装備されるエンジンルーム内は、スペースが限られているため、ＥＧＲクーラ等の循環器系装置のコンパクト化が望まれている。このためには、シェル径を増大させることなく排気ガスの通気抵抗の低減、及び放熱量の向上を図る必要がある。

特開２０００−３４５９２５号公報 特開２０００−２９２０８９号公報 特開２００３−８３１７４号公報

さて、図５及び図６に示すように、熱交換器１では、ヘッダー４の流入口の直径（これは排気系の配管の直径と略同じである）に対して、シェル２の直径の方が大きい。このため、ヘッダー４の流入口から排気ガス１２が熱交換器１内に流入したとき、内部が放射状に拡開するヘッダー４によって流量分布が生じる。この流量分布として、中央部は排気ガス１２の圧力が高いため流量は多く（Ｆ）、外側部に向かうほど排気ガスは流れにくいため流量は少なく（Ｓ）なる。

このため図６のように、流量の多いシェル２の中心部は排気ガス１２の圧力が高く、排気ガス１２がシェル２の中心寄りのチューブ８に集中してガスの通過流量が多くなる一方、排気ガスの流れにくいシェル２の外側（反中心）寄りのチューブ８は排気ガス１２の通過流量が少ないという問題がある。

また上記熱交換器１は、シェル２の中心部は排気ガスの集中によって排気ガスの圧力が高くなるとともに、通気抵抗が高くなって排気ガスの流れが悪くなり、また外側のチューブは排気ガスの通過流量が少なく、全体的には冷却効率が低下するという問題がある。なお、熱交換効率の向上に関する熱交換器の発明は特許文献１〜３等にみられるが、シェルの流量分布に着目したものはない。

本発明は、上記問題点に鑑みてなされたものであり、熱交換性能を高めるとともにガスの通気抵抗の低減を図り、効率の良い熱交換器を提供することを目的とする。

以上の技術的課題を解決するため、本発明に係る熱交換器は、図１に示すように、内部で熱交換が行われる筒状のシェル２２と、このシェル２２の各端部側にそれぞれ設けられ、ガスの入口部又は出口部が形成されたヘッダー２４，２５と、上記シェルと上記各ヘッダーとの間に介在するエンドプレート３２，３３と、これら両エンドプレート３２，３３間に、端部がエンドプレートを貫通して設けられる複数のチューブ２８，３０と、上記エンドプレート３２，３３間のシェル２２の表面部に設けられ、流体が流入する流入口２６及び流出する流出口２７と、を有し、上記チューブ２８，３０の内、上記シェル２２の断面中心寄りのチューブ２８の径よりも、外側寄りのチューブ３０の径を大きく形成した構成である。

なお、特にことわらない限り、上記各チューブ２８，３０の厚さは略同様であり、概ねチューブの外径の寸法と内径の寸法とは比例する。

本発明に係る熱交換器は、上記シェル２２を円筒形状とし、このシェルの中心に対して環状に上記チューブを配置した構成である。

本発明に係る熱交換器は、上記チューブ２８，３０の径を２種類設け、上記シェル２２の最も外側のチューブ３０の径のみを他のチューブ２８の径よりも大きく形成した構成である。

本発明に係る熱交換器は、上記最も外側のチューブ３０の径を、上記他のチューブ２８の径の略２倍に形成した構成である。

本発明に係る熱交換器によれば、内部で熱交換が行われる筒状のシェル、ガスの入口部又は出口部が形成されたヘッダー、エンドプレート間に、端部がエンドプレートを貫通して設けられる複数のチューブ、流体が流入する流入口及び流出する流出口、を有し、チューブの内、シェルの断面中心寄りのチューブの径よりも、外側寄りのチューブの径を大きく形成した構成を採用したから、ガスの流量の多いヘッダーの中心部はガスの通気抵抗が高い小径のチューブが配置されていることから、これらチューブ内に流入できないガスは外側周辺に向かって流れ、通気抵抗の低い大径のチューブに流入するのでガスがチューブ全体にバランスよく分散し、何れのチューブにも適度のガスが通過することになって通気抵抗が軽減され、併せてシェルの内部を流通する流体による熱交換が広く均等に行えて、ガスの熱交換効果が高まり良好な熱交換が行え、またシェルを大きくする必要もないという効果を奏する。

本発明に係る熱交換器によれば、シェルを円筒形状とし、このシェルの中心に対して環状にチューブを配置したから、ガスが良好に各チューブに分散して、何れのチューブにも適度のガスが通過することになり、流体による熱交換効果が高まり、良好な熱交換が行えるという効果がある。

本発明に係る熱交換器によれば、チューブの径を２種類設け、シェルの最も外側のチューブの径のみを他のチューブの径よりも大きく形成したから、ガスの分散が良好に行え熱交換に優れるとともに経済的な熱交換器が得られる、という効果がある。

本発明に係る熱交換器によれば、最も外側のチューブの径を、他のチューブの径の略２倍に形成したから、熱交換に優れ、経済的かつ実用的な熱交換器が得られるという効果がある。

以下、本発明の実施の形態を図面に基づいて説明する。この実施の形態は、熱交換器をＥＧＲシステムにおける排気ガスの冷却装置（ＥＧＲクーラ）に適用したものである。この熱交換器２０は、図１に示すように、円筒状のシェル２２の両端部にそれぞれ排気ガス１２の流入及び流出のためのヘッダー２４，２５が設けられ、またシェル２２の一端部側には冷却液１３（冷却水）の流入口２６が、他端部側には冷却液の流出口２７が設けられている。

シェル２２内には、径の異なる複数のチューブ２８，３０が、シェル２２の軸方向と平行に配置され、これらチューブ２８，３０の端部は、シェル２２の端部を閉塞するエンドプレート３２，３３に固定され、かつエンドプレート３２，３３に設けた貫通口から突出した状態である。

図２（ａ）（ｂ）は、熱交換器２０の排気ガス１２の流入側を示したものである。上記ヘッダー２４は半球状等の筒体であり、一端部には排気ガス１２の入口部３４が形成され、ここから内径が徐々に拡径し、他端部には上記シェル２２と接続される接合環部３６が形成されている。この内部が放射状に拡開するヘッダー２４により、排気ガス１２がヘッダー２４内に流入したとき、シェル２２の中心部と周辺部との間に排気ガスの流量分布が発生し、中央部は排気ガスの圧力が高くなる。

さらに、この実施の形態では、図２及び図３に示すように、シェル２２の半径方向の最外側に大径のチューブ３０を配置し、これら環状に配置したチューブ３０の内側に、小径のチューブ２８が配置されている。上記大径のチューブ３０は、シェル２２の断面中心と同一中心円上に環状に並べて配置されている。ここで上記大径のチューブ３０は、外径（直径φ）が１２ｍｍ（厚さｔ＝０．５ｍｍ）のものを用い、これらを所定の間隔を設けて環状に配置している。また、シェル２２の外径（直径φ）は６８ｍｍである。

上記小径のチューブ２８についても、シェル２２の中心と同一中心円上にチューブ２８を環状に配置し、さらにこれら環状に配置したチューブ２８の内側には、これらチューブ２８と同一径のチューブ２８を、シェル２２の中心と同一中心円上に配置し、二重の環状にチューブ２８を配置する。また、中心部には一個のチューブ２８を配置する。これら小径のチューブ２８は、外径（直径φ）が６ｍｍ（厚さｔ＝０．４ｍｍ）のものを用いている。

このように、排気ガス１２の流量の多いシェル２２の中心部に、通気抵抗の高い小径のチューブ２８を配置し、排気ガス１２が流れにくいシェル２２の外側寄りの部位に通気抵抗の低い大径のチューブ３０を配置した。また、上記実施の形態では上記大径のチューブ３０の径を、上記小径のチューブ２８の径の略２倍とした。

上記異径のチューブ２８，３０を配置することで、排気ガスの通気抵抗に差が設けられ、これと排気ガスの流量分布との相殺関係により排気ガスの流通量が全体的に均一化される。またチューブの径を２種類としたのは、生産性、経済性に鑑みたものである。勿論、２種類以上（好適には２〜４種類）の径のチューブを用い、シェルの中心から外側に向けて順に径の大きいチューブを配置する構造とすることは、何ら差し支えはない。

上記シェル２２の断面中心部に径の小さいチューブを配置することで、この範囲の排気ガスの通気抵抗が高められ、排気ガス１２が外側（反中心）の大径のチューブに向けて流れる。またシェル２２の中心近傍の狭い領域（外側部と比べて）内に、径の小さいチューブを配置することで、チューブ同士の隙間の少ない無駄のない効率的なチューブ２８の配置が行える。

なお、チューブの厚さは、径の大小によらず略同じものを用いる。もっとも、中心側の小径のチューブ２８の厚さを、外側の大径のチューブ３０の厚さに比べて、厚く形成することとしてもよい。この場合、小径のチューブ２８は内径が狭くなって排気ガスの流通抵抗が高められる。また、ここでの熱交換器を構成する部材は鋼製からなり、それぞれロウ付けにより接合されたものであるが、これは一般の溶接により接合することであってもよい。

したがって、上記実施の形態の熱交換器によれば、排気ガス１２の流量の分布はヘッダー２４の中心部が多く、同心円状に少ない範囲が形成され、排気ガス１２の流量の多い（Ｆ）中央部分は、１本当たりの排気ガスの通気抵抗が高い小径のチューブ２８が配置されていることから、チューブ２８内に流入できない排気ガスは外側周辺に向かって流れ、通気抵抗の低い大径のチューブ３０に流入する。

これにより、排気ガスが小径のチューブ２８および大径のチューブ３０に分散して、何れのチューブ２８，３０にも適度の排気ガスが通過することになり、全体的には通気抵抗が低減され、併せてシェル２２の内部を流通する冷却液１３による冷却が広く均等に行えて、排気ガスの冷却効果が高まり、良好な熱交換が行える。

また、上記熱交換器２０によれば、排気ガス１２がバランス良く小径のチューブ２８および大径のチューブ３０に分散するので、排気ガスの流通が良くなり、チューブ２８，３０内を通過する排気ガスは圧力が十分維持された状態でエンジンのインテークマニホールドに戻せるので、吸気系に於いて十分な量の排気ガスが得られＥＧＲシステムが良好に機能する。このように、熱交換器２０のシェルを大きく（径を拡大）することなく、コンパクトな形態で熱交換特性の改善がおこなえる。

本発明の実施の形態に係る熱交換器を説明した斜視図である。 実施の形態に係る熱交換器の、（ａ）は側面を、（ｂ）は排気ガスの流入側の端部の部分断面を示す図である。 実施の形態に係る熱交換器のチューブの端部を示す図である。 従来例に係る熱交換器を説明した斜視図である。 熱交換器のヘッダー内におけるガスの流れを示す図である。 従来例に係る熱交換器のチューブの端部を示す図である。

符号の説明

１２ ガス（排気ガス）
１３ 流体（冷却液）
２２ シェル
２４，２５ ヘッダー
２６ 流入口
２７ 流出口
２８ チューブ（小径）
３０ チューブ（大径）
３２，３３ エンドプレート

Claims (4)

1. 内部で熱交換が行われる筒状のシェルと、
   このシェルの各端部側にそれぞれ設けられ、ガスの入口部又は出口部が形成されたヘッダーと、
   上記シェルと上記各ヘッダーとの間に介在するエンドプレートと、
   これら両エンドプレート間に、端部がエンドプレートを貫通して設けられる複数のチューブと、
   上記エンドプレート間のシェルの表面部に設けられ、流体が流入する流入口及び流出する流出口と、を有し、
   上記チューブの内、上記シェルの断面中心寄りのチューブの径よりも、外側寄りのチューブの径を大きく形成したことを特徴とする熱交換器。
2. 上記シェルを円筒形状とし、このシェルの中心に対して環状に上記チューブを配置したことを特徴とする請求項１記載の熱交換器。
3. 上記チューブの径を２種類設け、上記シェルの最も外側のチューブの径のみを他のチューブの径よりも大きく形成したことを特徴とする請求項１又は請求項２記載の熱交換器。
4. 上記最も外側のチューブの径を、上記他のチューブの径の略２倍に形成したことを特徴とする請求項３記載の熱交換器。

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