JP2010112201A

JP2010112201A - Ｕターン型ｅｇｒクーラ

Info

Publication number: JP2010112201A
Application number: JP2008283449A
Authority: JP
Inventors: Noboru Shirako; 昇白子
Original assignee: Tokyo Radiator Mfg Co Ltd
Current assignee: Tokyo Radiator Mfg Co Ltd
Priority date: 2008-11-04
Filing date: 2008-11-04
Publication date: 2010-05-20

Abstract

【課題】熱交換性能と目詰まり防止とを両立させることができ、さらに熱害防止を図ることができてコンパクトな構造のＵターン型ＥＧＲクーラを提供する。
【解決手段】熱交換部を囲う角筒状のシェル１の同一端面に排気ガスの入口および出口を並列に設けるとともに、その反対端面を円弧状に形成した円弧ヘッダー２で閉塞してなるＵターン型ＥＧＲクーラであって、上記熱交換部には、扁平管の一端に円弧部を設け閉塞してなるチューブ５を横置きにして多数積層し、このチューブ５内には、上記入口から円弧部までの間に内装されて往路部を形成するオフセットフィン８と、上記円弧部から上記出口までの間に内装されて復路部を形成するウェイビーフィン９とを並列配置した。
【選択図】図２

Description

本発明はＥＧＲクーラに係り、特に、シェルの同一端面に排気ガスの出口と入口とを並設し、その反対端面に排気ガスがＵターンする円弧ヘッダーを設けたＵターン型ＥＧＲクーラに関する。

従来のプレートチューブタイプのＥＧＲクーラでは、図９に示すように、扁平管にインナーフィン（例えばウェイビーフィン９）を挿入してろう付けしたチューブ１１を使用していた。このチューブ１１は、押出し成形による方法や、上下に２分割した上部プレート１１ａと下部プレート１１ｂとをろう付けする方法によって製造する。
このようなチューブ１１をシェル内で縦置きに多数並列して、シェルの一端を入口とし他端を出口として、チューブ１１の内部を流れる排気ガスと周囲を流れる冷却水との間で熱交換を行うコア部を形成していた。

また、近年では図１０のように、シェル１内のコア部のガス通路を往路と復路とに２分割し、入口パイプ３ａから流入した排気ガスが往路を経て反対端面の円弧ヘッダー２でＵターンし、復路を通過して、入口パイプ３ａと同じ端面に設けた出口パイプ３ｂから排出されるＵターン型ＥＧＲクーラも用いられている（特許文献１、特許文献２）。このＵターン型ＥＧＲクーラでは排気ガスの入口と出口とを同じ側に設ける構造であるため、限られたエンジンルームのスペースを有効活用することができる。

従来のＵターン型ＥＧＲクーラでも、図１０に示すように扁平なチューブ１１が縦置きに並列してエンドプレート１０、１２で固定されており、コア部の中央を境として往路と復路とに分けて使用されている。
図１０中の矢印は排気ガスの流れを示している。出入口ヘッダー３の入口パイプ３ａから流入した排気ガスは往路のチューブ１１を通り反対側の円弧ヘッダー２内でＵターンして、復路のチューブ１１を通過し出入口ヘッダー３の出口パイプ３ｂから流出する構造となっている。また、各チューブ１１の周囲では、冷却水が、シェル１の出入口ヘッダー３側下面に設けられた冷却水入口パイプ１ａから円弧ヘッダー２側上面に設けられた冷却水出口パイプ１ｂに向かって流れており、排気ガスと冷却水との間で熱交換が行われる。

チューブ１１のインナーフィンとしては、図５に示すような熱交換性能に優れたオフセットフィン８が使われていた。しかし、オフセットフィン８は幾重にも重なるスリット状のフィン形状で煤が付着しやすく、エンジンの排気ガス中に含まれる粒子が煤としてフィンに付着し、時間とともにインナーフィンに付着した煤が成長して最終的に目詰まりを起こすことがあった。
また、チューブ入口側に堆積した煤の塊が排気ガスの圧力で吹き飛ばされ、チューブ出口側で引っかかり再び堆積して目詰まりの原因になることがあった。

チューブにインナーフィンを挿入しないシェルチューブタイプのＥＧＲクーラでは、煤による目詰まりを起こしづらく有利であるが、近年の車両のＥＧＲ率の増加によりＥＧＲクーラでは熱交換性能が重視されており、コンパクトで熱交換効率の高いプレートチューブタイプのＥＧＲクーラで目詰まり対策が求められていた。

そのため、図６に示すような目詰まりしづらいウェイビーフィン９もインナーフィンとして用いられている（図９）。
ウェイビーフィン９は一枚の板を折り曲げた波板状の形状であり、切れ込みがなく煤が付着しづらいが、オフセットフィン８よりも熱交換性能に劣る。このため、ＥＧＲ率の増大に伴いＥＧＲクーラの高い熱交換性能が求められる場合には、チューブの本数を増やしたり、チューブの長さを延ばすなど、ＥＧＲクーラを大きくする必要があり、Ｕターン型ＥＧＲクーラにおいてもコンパクトに作ることは困難であった。

また、エンジンの仕様や使われ方によって煤の発生量や湿り具合が変化するため、このような従来のＥＧＲクーラでは熱交換性能と目詰まり防止との両立が難しかった。
ＥＧＲクーラの上流に煤回収フィルタを設置することも考えられているが、高温に耐え得るフィルタが必要であったり、部品点数が増えることによるコストの増加、設置スペースの確保が必要であるなどの問題があった。

目詰まりを起こす煤の微粒子は、排気ガスの温度が高い場合は乾燥してインナーフィンに付着しづらく、排気ガスの温度が低くなると湿気を帯び、インナーフィンへ付着しやすくなる傾向がある。このため、温度の低い排気ガスの出口側で煤が堆積しやすい。

また、図１０に示すように、従来のＵターン型ＥＧＲクーラではエンドプレート１２によってシェル１内部のコア部と円弧ヘッダー２内部とを仕切っており、排気ガスが円弧ヘッダー２を通過する際には冷却水との熱交換は行われていなかった。このため、円弧ヘッダー２に排気ガスの熱が直接伝わって高温になり、エンジンルーム内への熱害も問題となっていた。
また、特許文献１のように曲り度の異なる複数のチューブを用いた場合、複数の型が必要になりコストがかかっていた。特許文献２では円弧ヘッダーでも熱交換を行うが、構造が複雑なものになっており、材料費もかかっていた。

特開２０００−９７１１３号公報特開２００４−１１６９１３号公報

本発明は上記問題点を解決するためになされたものであり、熱交換性能と目詰まり防止とを両立させることができ、さらに熱害防止を図ることができてコンパクトな構造のＵターン型ＥＧＲクーラを提供することをその課題とする。

本発明において、上記課題が解決される手段は以下の通りである。
第１の発明は、熱交換部を囲う角筒状のシェルの一方側の端面に排気ガスの入口および出口を並列に設けるとともに、その反対側の端面を円弧状に形成した円弧ヘッダーで閉塞してなるＵターン型ＥＧＲクーラであって、上記熱交換部には、扁平管の一端に円弧部を設け閉塞してなるチューブを横置きにして多数積層し、このチューブ内には、上記入口から円弧部までの間に内装されて往路部を形成するオフセットフィンと、上記円弧部から上記出口までの間に内装されて復路部を形成するウェイビーフィンとを並列配置したことを特徴とする。

第２の発明は、第１の発明において、上記チューブは、上壁および側壁からなる上部プレートと、底板および側壁からなる下部プレートとを接合して形成されることを特徴とする。
第３の発明は、第１の発明において、上記チューブの上壁および底板の少なくとも一方から、上記往路部と上記復路部との間を仕切る仕切部を突設成形したことを特徴とする。

第４の発明は、第１の発明において、上記チューブを多数積層し、その出入口側の端部をエンドプレートで結束固定してなるチューブアッセンブリを、上記シェルおよび上記円弧ヘッダーの組立体に挿入してなることを特徴とする。

第１の発明によれば、上記熱交換部には、扁平管の一端に円弧部を設け閉塞してなるチューブを横置きにして多数積層したことにより、１つのチューブで往路と復路とを実現できて部品点数を削減することができる。各チューブの規格も同一であり、型数を削減することもできる。また、円弧ヘッダーの内部でもチューブ内の排気ガスとチューブ周囲の冷却水との間で熱交換が行われるとともに、排気ガスと円弧ヘッダーとを冷却水によって遮熱することができて、エンジンルームへの熱害を防止することができる。

また、このチューブ内には、上記入口から円弧部までの間に内装されて往路部を形成するオフセットフィンと、上記円弧部から上記出口までの間に内装されて復路部を形成するウェイビーフィンとを並列配置したことにより、チューブ内の排気ガス通路を往路部と復路部とに分けることができて製造工数を削減することができる。さらに、排気ガスの温度が高く煤が付着しづらい往路部ではオフセットフィンにより熱交換性能を高め、排気ガスの温度が低く煤が付着しやすい復路部ではウェイビーフィンにより目詰まりを防止することができて、熱交換性能と目詰まり防止とを両立させることができる。

第２の発明によれば、上記チューブは、上壁および側壁からなる上部プレートと、底板および側壁からなる下部プレートとを接合して形成されることにより、チューブを容易に製造することができる。
第３の発明によれば、上記チューブの上壁および底板の少なくとも一方から、上記往路部と上記復路部との間を仕切る仕切部を突設成形したことにより、チューブ内の排気ガス通路が明確に往路と復路とに分けられるため、インナーフィンをチューブに配置する際にズレのない位置決めを容易に行うことができ、また、高温高圧に耐えられるチューブを形成することができる。

第４の発明によれば、上記チューブを多数積層し、その出入口側の端部をエンドプレートで結束固定してなるチューブアッセンブリを、上記シェルおよび上記円弧ヘッダーの組立体に挿入してなることにより、円弧ヘッダーの内部でも確実にチューブ内の排気ガスとチューブ周囲の冷却水との熱交換を実現するとともに、排気ガスと円弧ヘッダーとを冷却水によって遮熱することができて、エンジンルームへの熱害を防止することができる。

以下、本発明の実施形態に係るＵターン型ＥＧＲクーラについて説明する。
本発明の第１実施形態に係るＵターン型ＥＧＲクーラは、図１に示すように、角筒状のシェル１の両端に円弧ヘッダー２と出入口ヘッダー３とをそれぞれ接合してなり、シェル１および円弧ヘッダー２にはチューブアッセンブリ４（図２）を内蔵している。

ステンレス鋼（ＳＵＳ）製のシェル１は、幅広な角筒状に形成され、出入口ヘッダー３側の下面には冷却水入口パイプ１ａが接続され、円弧ヘッダー２側の上面には冷却水出口パイプ１ｂが接続され、内部を冷却水が流通するようになっている。
ＳＵＳ製または鋼製の円弧ヘッダー２は、略半円状に形成された上面と底面とが、それぞれの円弧状部分に設けた側壁により接続されて形成されている。上面および下面の直径にあたる部分は側壁を設けずに開口してあり、シェル１と接合される。

ＳＵＳ製または鋼製の出入口ヘッダー３は、一面を開口した箱形で、この開口面でシェル１と接続される。この開口面と対向する面には、入口パイプ３ａと出口パイプ３ｂとが左右に並列して接続され（図１では右が入口パイプ３ａ、左が出口パイプ３ｂ）、入口パイプ３ａと出口パイプ３ｂの中間位置に出入口ヘッダー３の内部を左右に二分する仕切板３ｃが設けられている。

シェル１および円弧ヘッダー２に内蔵されるチューブアッセンブリ４は、図２のように、ＳＵＳ製の扁平なチューブ５を横置きにして多数積層して構成されている。
個々のチューブ５は、扁平管の一端を円弧状の側壁で閉塞した形状であり、内部にはオフセットフィン８とウェイビーフィン９とが左右の２列に並んで内装されている（図２、図４）。

このチューブ５は、図４に示すように、チューブ５の上壁部分から側壁を垂下した上部プレート６と、チューブ５の底板部分に側壁を立設した下部プレート７とからなり、上部プレート６を下部プレート７に被せ、溶接またはろう付けにて接合して形成する。このとき、上部プレート６の側壁が下部プレート７の側壁よりも一回り外側に設けられているため、下部プレート７の側壁は上部プレート６の側壁に内接する（図３（ａ））。

また、上部プレート６の上壁の上面には複数のダボ６ａが所定の間隔で設置され、チューブ５を積層してチューブアッセンブリ４を形成したとき、冷却水が流通するための間隙を各チューブ５の相互の間に設けることができる（図２、図４）。

図４に示すように、上部プレート６を下部プレート７に被せる前に、下部プレート７にはオフセットフィン８およびウェイビーフィン９を並列に敷設しておき、ろう付けにて接合する。入口パイプ３ａの奥に対応する位置にはオフセットフィン８を配置して往路部とし、出口パイプ３ｂの奥に対応する位置にはウェイビーフィン９を配置して復路部とする。最も奥側で平面形状が略半円状の部分、すなわち円弧部にはインナーフィンを設けず、排気ガスが往路部から復路部へＵターンできるようにする。

図５に示すように、オフセットフィン８は１枚のＳＵＳ板に切り込みを入れ、プレスによって所定の規則でオフセットすることで成形されており、高温の排気ガスが効率良く熱交換を行える形状のインナーフィンとなっている。
他方ウェイビーフィン９は、図６に示すように、切り込みのない１枚のＳＵＳ板を幾何学的に折り曲げて形成する形状であり、スリット状の切り込みがないため目詰まりしづらい形状となっている。ウェイビーフィン９は切り込みがない１枚の板で形成されるため、チューブ５内にろう付けした際に復路部を往路部に対し気密状態とすることができ、チューブ５内に特別な仕切りを設けることなく往路部と復路部とを区切ることができる。

このようなチューブ５を多数積層し、チューブ５の開口端側をＳＵＳ製のエンドプレート１０で束ねて固定し、チューブアッセンブリ４を構成する（図２）。このチューブアッセンブリ４をシェル１および円弧ヘッダー２の組立品に挿入し、組立品の開口部を出入口ヘッダー３により閉塞し、溶接またはろう付けにて接合して、Ｕターン型ＥＧＲクーラを形成する。出入口ヘッダー３をシェル１に接合する際、出入口ヘッダー３の仕切板３ｃがチューブアッセンブリ４のエンドプレート１０に突き当たるように設定してあり、排気ガスの流入側と流出側とを仕切る役割を果たす。

図１中の破線矢印は、このように構成したＵターン型ＥＧＲクーラにおける排気ガスの流れを示している。
入口パイプ３ａから出入口ヘッダー３に流入した排気ガスは、各チューブ５の往路部に流れ込み、円弧部でＵターンした後復路部を通過して、出入口ヘッダー３の出口パイプ３ｂから流出する。この排気ガスは往路部と復路部とを通過する際に、シェル１内のチューブ５周囲を流れる冷却水により冷却される。さらに、円弧ヘッダー２内部にもチューブ５の円弧部が収容されているから、排気ガスと冷却水との間で熱交換が行われ、熱交換効率が向上するとともに、排気ガスと円弧ヘッダー２とを冷却水によって遮熱することができて、エンジンルームへの熱害を防止することができる。

また、排気ガスの温度が高く煤が付着しづらい往路部ではオフセットフィン８により効率的に熱交換が行われる。一方、排気ガスの温度が低い復路部では煤が湿気を帯びて付着しやすくなるため、ウェイビーフィン９により目詰まりを防止することができて、熱交換性能と目詰まり防止とを両立させることができる。また、オフセットフィン８とウェイビーフィン９とを並列配置したことにより、チューブ５内の排気ガス通路を往路部と復路部とに分けることができて製造工数を削減することができる。

＜別態様＞
別態様として、チューブ５の上壁および底板の少なくとも一方から、オフセットフィン８とウェイビーフィン９との間に、往路部と復路部とを仕切る仕切部５ａを突出させてもよい。
図３（ｂ）、図７、図８に示すように、この別態様ではチューブ５の下部プレート７の底板部分を凸状に折り曲げた仕切部５ａを長手方向に延設している。図３（ｃ）のようにチューブ５の上壁と底板との双方から仕切部５ａを突出成形してもよく、また、上壁のみに仕切部５ａを設けてもよい。

この仕切部５ａによりチューブ５内で往路部と復路部とを明確に分けられるため、オフセットフィン８およびウェイビーフィン９をチューブ５に配置する際にがたつきや左右のズレを防止して、容易に位置決めすることができる。
また、仕切部５ａによりチューブ５の剛性が上がるため、高温高圧に耐えられるチューブ５を実現できる。

本発明の実施形態に係るＵターン型ＥＧＲクーラの斜視図である。同Ｕターン型ＥＧＲクーラに内蔵されるチューブアッセンブリの斜視図である。（ａ）は本発明の実施形態に係るチューブの断面図、（ｂ）および（ｃ）は別態様に係るチューブの断面図である。本発明の実施形態に係るチューブの分解斜視図である。同チューブに内装されるオフセットフィンを示す図であり、（ａ）は斜視図、（ｂ）は説明図である。同チューブに内装されるウェイビーフィンを示す図であり、（ａ）が斜視図、（ｂ）は説明図である。本発明の別態様に係るチューブの分解斜視図である。同チューブの水平断面図である。従来のＥＧＲクーラに用いるチューブの分解斜視図である。従来のＵターン型ＥＧＲクーラの平面図である。

符号の説明

１シェル
１ａ冷却水入口パイプ
１ｂ冷却水出口パイプ
２円弧ヘッダー
３出入口ヘッダー
３ａ入口パイプ
３ｂ出口パイプ
３ｃ仕切板
４チューブアッセンブリ
５チューブ
５ａ仕切部
６上部プレート
６ａダボ
７下部プレート
８オフセットフィン
９ウェイビーフィン
１０エンドプレート
１１チューブ
１１ａ上部プレート
１１ｂ下部プレート
１２エンドプレート

Claims

熱交換部を囲う角筒状のシェルの一方側の端面に排気ガスの入口および出口を並列に設けるとともに、その反対側の端面を円弧状に形成した円弧ヘッダーで閉塞してなるＵターン型ＥＧＲクーラであって、
上記熱交換部には、扁平管の一端に円弧部を設け閉塞してなるチューブを横置きにして多数積層し、
このチューブ内には、上記入口から円弧部までの間に内装されて往路部を形成するオフセットフィンと、上記円弧部から上記出口までの間に内装されて復路部を形成するウェイビーフィンとを並列配置したことを特徴とするＵターン型ＥＧＲクーラ。
上記チューブは、上壁および側壁からなる上部プレートと、底板および側壁からなる下部プレートとを接合して形成されることを特徴とする請求項１記載のＵターン型ＥＧＲクーラ。
上記チューブの上壁および底板の少なくとも一方から、上記往路部と上記復路部との間を仕切る仕切部を突出成形したことを特徴とする請求項１記載のＵターン型ＥＧＲクーラ。
上記チューブを多数積層し、その出入口側の端部をエンドプレートで結束固定してなるチューブアッセンブリを、上記シェルおよび上記円弧ヘッダーの組立体に挿入してなる請求項１記載のＵターン型ＥＧＲクーラ。