(57)【要約】【課題】ヒートパイプを用いて冷却能力が高く且つ小型化された簡単な構造のEGRクーラとしての熱交換装置を提供する。【解決手段】EGRガス2を内管3に通過させ、内管3の外側に設けた外管5に、EGRガス2と熱交換する冷却水4を通過させる。一端が内管3の内周面3aに当接し、他端が外管5の内周面5aに当接するように内管3を貫通する一つ以上のヒートパイプ10を設ける。ヒートパイプ10を、両端が外管5の内周面に当接するように内管を貫通させてもよい。【選択図】図１
2006300415.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
第1の熱媒体を通過させる一つ以上の第1の管と、
該第1の管の外側に設けられ該第1の熱媒体と熱交換するように第2の熱媒体を通過させる第2の管と、
一端が該第1の管の内周面に当接し、他端が該第2の管の内周面に当接するように該第1の管を貫通する一つ以上のヒートパイプと、
を備えたことを特徴とした熱交換装置。
【請求項２】
第1の熱媒体を通過させる一つ以上の第1の管と、
該第1の管の外側に設けられ該第1の熱媒体と熱交換するように第2の熱媒体を通過させる第2の管と、
両端が該第2の管の内周面に当接するように該第1の管を貫通する一つ以上のヒートパイプと、
を備えたことを特徴とした熱交換装置。
【請求項３】
請求項１又は２において、
該第1の熱媒体がEGRガスであり、該第2の熱媒体が冷却水であることを特徴とした熱交換装置。
【請求項４】
請求項１又は２において、
該ヒートパイプが、該EGRガスの出口側に偏在して設けられていることを特徴としたEGRクーラ。
【請求項５】
請求項２において、
該第１の管が、該第２の管の内部に複数本設けられており、少なくとも一本の該ヒートパイプが、複数本の該第1の管を貫通していることを特徴とした熱交換装置。
【請求項６】
請求項１において、
該第１の管と該第２の管とが隣接して合体することにより一つのケースを構成したことを特徴とする熱交換装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、熱交換装置に関し、特に自動車の排気ガスの一部として吸気系に戻されるEGR(排気ガス再循環:Exhaust Gas Recalculation)ガスを冷却する熱交換装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
ディーゼルエンジン等においては、排気ガス中のNOx排出量を低減するために、EGRガスを吸気系に還流することで吸気全体に含まれる酸素の量を抑制し、燃焼温度を低く抑えてNOxの発生を低減するようにしたEGRシステムを用いている。この場合、新気に対するEGRガスの供給割合を高くすると、NOxの抑制効果が高くなることが知られている。
【０００３】
但し、このEGRガスが高温のままだと、その体積膨張によりEGRガス濃度が希薄となり、十分なEGRガス量が得られず、高いNOx抑制効果が得られなくなる。
【０００４】
このため、EGRシステムにおいては、EGR通路の途中に水冷式等の熱交換装置であるEGRクーラを設けてEGRガスを冷却し、その体積を減少させてから吸気通路に供給するようにしている。
【０００５】
これにより、吸気通路内に供給するEGRガス量を増加させると共に、低温のEGRガスにより燃焼温度を下げて排気ガス中のNOxを効率的に低減することが可能となる。すなわち、このようなEGRクーラでは、EGRガス管の周囲に冷却水流路が形成され、そのEGRガス管を介したEGRガスと冷却水間の熱交換でEGRガスを冷却する構造となっている。
【０００６】
このようなEGRクーラにおいては高温且つ腐食性の高いEGRガスが流れるため、耐熱性と耐蝕性に優れたステンレス材が使用されることが多いが、このステンレス材は熱伝導率が悪いので伝熱面積を大きくするなどして冷却効率を上げる必要がある。また、将来の排ガス規制を達成するため、より一層のEGRガス冷却が必要となり、従来のEGRクーラを超える熱交換率(冷却性能)を持ったEGRクーラが求められている。
【０００７】
この場合、従来のEGRクーラでは、その構造上、EGRガスの伝熱面積と冷却水の伝熱面積はほぼ同一である場合が多いが、液体(冷却水)の熱伝導率が気体(EGRガス)の熱伝導率に比べて大きいことを考慮すれば、冷却水側の伝熱面積が必要以上に大きくなっており効率的な構造ではない。
【０００８】
一方、排気通路側から吸気通路側へ接続されるEGRパイプの途中に吸熱部を設けるとともに、排気通路における排気ガスの抜き出し箇所より下流の排気温度が相対的に低い位置に放熱部を設け、該放熱部と該吸熱部との間をヒートパイプにより接続し以ってEGRガスの温度を吸熱により極力低減させてからEGRクーラに導入させることによりEGRクーラでの収熱量を減らし、以って水冷式のEGRクーラと併用するか、或いはEGRクーラを不要としたEGR装置がある(例えば、特許文献1参照。)。
【特許文献１】特許第3532852号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
上記の特許文献1によるEGR装置は、EGRクーラを併用する場合と併用しない場合とがあるが、併用しない場合でも、EGRパイプの途中に吸熱部を設け、また排気通路に加熱部を設けた上でこれら両者の間にヒートパイプを設けなければならず、構造が複雑になると共にヒートパイプの冷却効果も良くないという課題があり、またEGRクーラを併用する場合にはより一層構造が複雑になるという課題があった。
【００１０】
従って本発明は、公知であるヒートパイプを用いて冷却能力が高く且つ小型化された構造が簡単なEGRクーラとしての熱交換装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
上記の目的を達成するため、本発明に係る熱交換装置は、第1の熱媒体を通過させる一つ以上の第1の管と、該第1の管の外側に設けられ該第1の熱媒体と熱交換するように第2の熱媒体を通過させる第2の管と、一端が該第1の管の内周面に当接し、他端が該第2の管の内周面に当接するように該第1の管を貫通する一つ以上のヒートパイプと、を備えたことを特徴としている。
【００１２】
すなわち、第1の管に第1の熱媒体(例えば、EGRガス)を通過させ、第2の管に第2の熱媒体(例えば、冷却水)を通過させる。この時、第2の管を通過する第2の熱媒体によって第1の管が冷却される。
【００１３】
これと共に、一端が第1の管の内面に当接されているヒートパイプの一端側が第1の熱媒体により加熱されて加熱部となるため、この加熱部ではその内部の作動液が蒸発する。その時の蒸発潜熱を蒸気に蓄え、第2の管の内周面に当接し冷却部として作用する他端との間に蒸気圧差が生じることよってその冷却部へ蒸気(作動液)が高速で移動し、その蒸気が冷却部で液化する。この際、その時の凝縮潜熱が第2の熱媒体に放出されるので、第1の熱媒体の熱は、第2の熱媒体に伝達されることとなり、第2の熱媒体自体による冷却と、このヒートパイプによる冷却とが合わさってより大きな冷却効果を発揮することが可能となる。
【００１４】
このとき、従来のように第2の熱媒体のみの冷却であると、第1の管と第2の管との間に温度勾配が生じるのに対し、本発明では第1の管の内周面と第2の管の内周面に当接するように第1の管を貫通しているヒートパイプを併用することで、第2の熱媒体による第1の管と第2の管との間に温度勾配が生じず、以ってこの点でも一層効率的な熱交換を実現することが可能となる。
【００１５】
さらには、本発明の熱交換装置がEGRクーラとして単体で設置可能であるので、構造上も簡易で小型のものとなる。
【００１６】
また本発明では、一つ以上のヒートパイプを、その両端が第2の管の内周面に当接するように一つ以上の第1の管を貫通するようにしてもよい。これは、該第１の管が、該第２の管の内部に複数本設けられており、少なくとも一本の該ヒートパイプが、複数本の該第1の管を貫通している場合を含む。
【００１７】
すなわち、1本のヒートパイプが1本の第1の管を串刺しにして第2の管の内周面に両端を当接させる場合、及び1本のヒートパイプが複数の第1の管を串刺しにして第2の管の内周面に両端を当接させる場合においても、上記の場合と同様のEGRガス冷却効果が得られるとともに、後者の場合には、ヒートパイプの数が減るため、コスト低減を図ることが可能となる。
【００１８】
さらには、ヒートパイプの両端を第1の管を介して第2の管で内周面に当接させることで、第1の管の振動を抑え、その破損を防止することが可能となる。
【００１９】
なお、上記の該ヒートパイプを、該EGRガスの出口側に偏在して設けてもよい。
【００２０】
また、上記のヒートパイプが、フィンを有していてもよい。
【００２１】
さらに、上記の第２の管は、該第１の管と同心円状に設けてもよい。
【００２２】
さらに、上記の第１の管と該第２の管とを隣接し合体することにより一つのケースを構成してもよい。
【発明の効果】
【００２３】
本発明による熱交換装置によれば、EGRガスを効率よく冷却できるとともに小型化・簡易化が実現できる。さらには、ヒートパイプ数の減少によるコスト低減並びに振動に対する破損防止を実現することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２４】
以下、本発明に係る熱交換装置の実施例を、EGRクーラを一例として示した添付図面に沿って説明する。
実施例[1]:図1
図1は、本発明に係る熱交換装置の実施例としてのEGRクーラを示している。同図(1)はEGRクーラの正面断面図を示し、同図(2)は同図(1)に示した正面断面図においてA-Aで切断した時の側面断面図を示している。なお、同図(2)の側面断面図においてB-Bで切断した時の正面断面図が同図(1)に相当している。
【００２５】
図において、EGRクーラ1は、EGRガス2を通過させる第1の管としての内管3と、この内管3をその外周から冷却するための冷却水4を通過させる第2の管としての外管5と、これら外管5と内管3との間に形成される空間内に冷却水4を注入するための冷却水入口パイプ6と、この冷却水入口パイプ6から注入された冷却水4が冷却水口7を経て外管5内に導かれ、冷却水口8から冷却水4を排出するための冷却水出口パイプ9と、一端が内管3の内周面3aに当接し、他端が外管5の内周面5aに当接するように内管3を貫通する一つ以上のヒートパイプ(この図示の例では7本のヒートパイプ)10とで構成されている。
【００２６】
このような構成のEGRクーラ1において、EGRガス2が内管3を通過すると同時に、入口パイプ6から注入された冷却水4が冷却水口7及び8を経由して出口パイプ9から出て行く時、EGRガス2が冷却される。これに加えて、ヒートパイプ10の存在により、以下の通りさらに冷却効果が付加される。
【００２７】
すなわち、上述したように、内管3内に挿入されたヒートパイプ10の一方側がEGRガス2による加熱部を構成し、外管5の内周面5aと当接した他方側が冷却部を構成する。従って、加熱部で加熱されたヒートパイプ10内の作動液(図示せず)が蒸発し、この蒸発によりヒートパイプ10の加熱部-冷却部間で圧力差を発生させる。この圧力差により、作動液が加熱部から冷却部へ移動し、冷却部で冷却水4によって冷却されることにより液化する。この時、潜熱を冷却水4に対して放出すると共に冷却部で液化された作動液はウイック(図示せず)の毛細管力によって加熱部へ還流する。このような動作の繰り返しによって、ヒートパイプ10は優れた熱伝導率と早い熱応答性を以ってEGRガス2に対する冷却効果を発揮する。
【００２８】
この時、ヒートパイプ10の両端は、それぞれ内管3の内周面3aと、外管5の内周面5aとに当接しているため、その表面積を実質的に拡大していることになり、以って加熱効果及び冷却効果を向上させている。
【００２９】
さらに、ヒートパイプ10が存在しない場合には、外管5内を通過する冷却水4は、内管3から外管5に向かって温度勾配を有しているが、図示のように、ヒートパイプ10が内管3を貫通して外管5の内周面5aに当接しているので、このような温度勾配を大きく低減させる作用を呈する。従って、この点でもより一層冷却効果を発揮することが可能となる。
実施例[2]:図2
この実施例の場合には、図2の側面断面図(図1(1)のA-Aと同様に切断したときの側面断面図)に示す通り、EGRガス2の流路及び冷却水4の流路内においてヒートパイプ10にフィン11を設けている。これにより、EGRガス2とヒートパイプ10との間の伝熱面積及び冷却水4とヒートパイプ10との間の伝熱面積を増加することができ、以って各々の伝熱性能が向上し、EGRクーラ1はより一層熱交換効率が向上することになる。
実施例[3]:図3
この実施例の場合は、内管3の入口側のEGRガス2の温度がヒートパイプ10の耐熱温度以上となった場合に対応するものであり、図示のように、EGRガス2の温度が低下する内管3の出口側に偏在させて3本のヒートパイプ10を配置している。これにより、耐熱性などの問題を回避することができ、熱交換効率を向上させることが可能となる。
【００３０】
なお、上記の各実施例においては、内管3、外管5、ヒートパイプ10、及びフィン11の寸法及び形状は或る程度自由に設定することができ、これによりヒートパイプ10のEGRガス2の流路内表面積と冷却水4の流路内表面積も或る程度自由に設定することが可能となるので、EGRガス2の熱伝導率と冷却水4の熱伝導率の差異を考慮した効率の良い構造を実現することが可能となる。
実施例[4]:図4
上記の実施例[1]〜[3]では、内管3と外管5とを同心円状に配置するとともに複数のヒートパイプ10を1本の内管3に貫通させているが、この実施例[4]の場合には、同4(1)及び(2)に示す通り、外管5内に複数の伝熱チューブとしての内管3−1〜3−7を設けると共に、同図(2)に示すように、一本のヒートパイプが複数の内管を串刺して貫通している。
【００３１】
すなわち、図示の如く、内管3−1〜3−3を1本のヒートパイプ10−1が串刺しにするように貫通し、その両端が外管5の内周面5a−1と5a−2に当接している。また、内管3−4及び3−5に対して1本のヒートパイプ10−2を串刺しにして貫通し、その両端を外管5の内周面5a−3及び5a−4に当接させている。さらには、内管3−6及び3−7に対して1本のヒートパイプ10−3を串刺しにして貫通し、その両端を外管5の内周面5a−5及び5a−6に当接させている。
【００３２】
このように、複数の内管を1本のヒートパイプで串刺しにした場合でも、1本の内管毎にヒートパイプを刺した場合と比べて同様のEGRガス冷却効果が得られるとともに、ヒートパイプの数が減るため、コスト低減に繋がる。また、ヒートパイプ10の両端が、外管5の内周面に当接しているので、内管の振動を抑え、その破損を防止することが可能となる。
【００３３】
なお、このようなEGRクーラの組み立て方法は下記の順序で行うことが可能である。
(1)複数の内管の両端にエンドプレート12−1及び12−2を取り付けて仮止め溶接を行う。
(2)上記(1)の状態で内管を連通するヒートパイプ10を挿入するための穴開け加工を行う。
(3)上記(2)で開けた穴にヒートパイプ10を挿入し、仮止め溶接し、ろう材を塗布する。
(4)上下に分割された外管5をエンドプレート12−1及び12−2の形状に沿って組付け、仮止め溶接し、ろう材塗布を行う。
(5)冷却水入口パイプ6及び冷却水出口パイプ9、並びにヘッダー13−1,13−2を組付け、仮止め溶接し、且つろう材塗布を行う。
(6)全体をろう付け接合する。
【００３４】
なお、この実施例において、1本のヒートパイプを1本の内管に串刺しにして貫通させ、その両端を外管の内周面に当接させてもよい。
【００３５】
EGRクーラの材質としては、耐蝕・耐熱性に優れたステンレス材が好ましい。
実施例[5]:図5
この実施例の場合には、図5(1)及び(2)に示すように、ケース20を仕切り板21によって上下に分割し、一方をEGRガス2の流路とし、他方を冷却水4の流路とし、EGRガス2の流路に関しては、入口パイプ22及び出口パイプ23を設け、冷却水4に対しては入口パイプ6と出口パイプ9とを設けたものである。すなわち、これは、内管と外管を隣接させて合体させたものに相当する。
【００３６】
そして、ケース20の内周面20a−1と20a−2にヒートパイプ10を当接し、分割されたケース20におけるEGRガス2の流路と冷却水4の流路とを連結するようにしている。この場合もヒートパイプ10にフィン11を設けることで熱交換効率を向上させている。
【００３７】
このようにヒートパイプを用いることで、EGRクーラの構造上の自由度は大幅に広がり、冷却性能の向上のみならずエンジンへの搭載性を向上させることも可能となる。
【００３８】
なお、上記の各実施例はEGRクーラを例にとっているが、これに限定されず、冷却水に代わり気体を熱媒体とした空調装置や冷却ではなく加熱装置としての熱交換装置に種々適用が可能である。
【図面の簡単な説明】
【００３９】
【図１】本発明に係る熱交換装置としてのEGRクーラの実施例[1]を示した断面図である。
【図２】本発明に係る熱交換装置としてのEGRクーラの実施例[2]を示した断面図である。
【図３】本発明に係る熱交換装置としてのEGRクーラの実施例[3]を示した断面図である。
【図４】本発明に係る熱交換装置としてのEGRクーラの実施例[4]を示した断面図である。
【図５】本発明に係る熱交換装置としてのEGRクーラの実施例[5]を示した断面図である。
【符号の説明】
【００４０】
1  EGRクーラ
2  EGRガス
3,3−1,3−2,3−3  内管
3a,5a,5a−1〜5a−6,20a−1,20a−2  内周面
4  冷却水
5  外管
6  冷却水入口パイプ
7,8  冷却水口
9  冷却水出口パイプ
10,10−1〜10−3  ヒートパイプ
11  フィン
12−1,12−2  エンドプレート
13−1,13−2  ヘッダー
20  ケース
21  仕切り板
22  EGRガス入口パイプ
23  EGRガス出口パイプ
図中、同一符号は同一又は相当部分を示す。
【図１】
2006300415.tif 000003
【図２】
2006300415.tif 000004
【図３】
2006300415.tif 000005
【図４】
2006300415.tif 000006
【図５】
2006300415.tif 000007