(57)【要約】【課題】  ＥＧＲクーラー用扁平伝熱管において、従来と同様の大きさで高伝熱性能かつ、低流量から高流量までと幅広い流量領域で高いＥＧＲ率を確保できるＥＧＲクーラー用伝熱管の提供。【解決手段】  断面形状が扁平形状の扁平管と、該扁平管に内装された波形フィン構造体とで構成されるＥＧＲクーラー用扁平伝熱管において、前記波形フィン構造体が、断面形状が略矩形のチャンネル状の波形（矩形チャンネル波形）を有する波形フィン構造体・単体で構成されるとともに、前記波形フィン構造体・単体の内高さ、内幅、前記矩形のチャンネルのアスペクト比および相当直径を適正値に設定し、さらに前記波形フィン構造体・単体を２段または複数段に相重ねるとともに相互の当接部を接合した多段式波形フィン構造体で構成される。【選択図】          図１
2011047542.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
内燃機関からの排気中のすすや汚れ（パーティキュレートマター：ＰＭ）を含有する排気ガスの一部をＥＧＲ（排気再循環）させるとき、前記排気ガスの一部を伝熱管の内部に導き、外部の冷媒との熱交換により冷却するために使用されるＥＧＲクーラーに組込まれるＥＧＲクーラー用扁平伝熱管において、
・  前記ＥＧＲクーラー用扁平伝熱管は、断面形状が略扁平形状の管体からなる扁平管と、前記扁平管の内部に内装された波形フィン構造体とで構成され、
・  かつ、前記波形フィン構造体は、断面形状が略矩形のチャンネル形状の波形  （矩形チャンネル波形）を有すると共に、下記式（１）〜式（５）の条件を満たす波形フィン構造体単体で構成され、
・  さらに、前記波形フィン構造体は、前記波形フィン構造体単体を２段または複数段に相重ねた構造を有する、
ことを特徴とするＥＧＲクーラー用扁平伝熱管。
＜記＞
式（１）：１．２≦ａ（ｍｍ）
式（２）：１．２≦ｂ（ｍｍ）
式（３）：０．４≦ｂ／ａ≦１（ａ≧ｂ）
式（４）：０．４≦ａ／ｂ≦１（ｂ≧ａ）
式（５）：１．２≦Ｄ≦２．８（ｍｍ）
ただし、ａ：波形フィン構造体単体の内高さ、ｂ：波形フィン構造体単体の内幅、ｂ／ａ（ａ≧ｂ）またはａ／ｂ（ｂ≧ａ）：波形フィン構造体単体の矩形チャンネルのアスペクト比、Ｄ：波形フィン構造体単体の矩形チャンネルの相当直径｛４ａｂ／（２ａ＋２ｂ）｝
【請求項２】
扁平管の内部空間高さｈと波形フィン構造体単体の内高さａが、それぞれ下記式（６）、式（７）の条件を満たすことを特徴とする請求項１に記載のＥＧＲクーラー用扁平伝熱管。
＜記＞
式（６）：３≦ｈ≦６（ｍｍ）
式（７）：ａ＝約ｈ／波形フィン構造体単体の段数
【請求項３】
波形フィン構造体を構成する２段または複数段の波形フィン構造体単体の間に、前記波形フィン構造体単体の軸方向（排気ガス流れ方向）の長さに略等しいスペーサ板を介在させて２段または複数段の波形フィン構造体としたことを特徴とする請求項１または２に記載のＥＧＲクーラー用扁平伝熱管。
【請求項４】
波形フィン構造体を構成する２つの波形フィン構造体単体の間に、前記波形フィン構造体単体の軸方向（排気ガス流れ方向）の長さに略等しいスペーサ板を介在させ、かつ相互の当接部を接合して前記２段式波形フィン構造体としたことを特徴とする請求項１または２に記載のＥＧＲクーラー用扁平伝熱管。
【請求項５】
波形フィン構造体を構成するスペーサ板は、前記波形フィン構造体単体の幅より大きくかつ前記扁平管の内幅より小さい幅を有することを特徴とする請求項３または４に記載のＥＧＲクーラー用扁平伝熱管。
【請求項６】
請求項１〜５のいずれか１項に記載のＥＧＲクーラー用扁平伝熱管を用いて構成したことを特徴とするＥＧＲクーラー。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ディーゼルエンジンやガソリンエンジンにおいてエンジンの冷却液、カーエアコン用冷媒または冷却風等でＥＧＲガスを冷却するＥＧＲクーラー用の扁平伝熱管およびこの扁平伝熱管を組込んだＥＧＲクーラーに係り、より詳しくは、排気ガス流路を形成する断面形状が略扁平の扁平管と、該扁平管の内部に熱交換性能の向上を促すための波形フィン構造体を内装してなるＥＧＲクーラー用扁平伝熱管およびこの扁平伝熱管を使用したＥＧＲクーラーに関するものである。
【背景技術】
【０００２】
エンジンの排気ガスの一部を吸気に戻し混合気に加えるＥＧＲ（Ｅｘｈａｕｓｔ  Ｇａｓ  Ｒｅｃｉｒｃｕｌａｔｉｏｎ：排気再循環）システムは、空気より比熱が大きく昇温し難い燃焼排気ガスを含有し、かつ酸素濃度が低い状態での燃焼によりその燃焼温度が低下するため、窒素酸化物（ＮＯｘ）の発生が抑制されるとともに、シリンダ周壁面およびシリンダヘッドの燃焼室壁面やピストンの頭上表面等からの放熱が減少することから、排気ガス浄化や熱効率改善の有効な方法として知られている。
このＥＧＲシステムに採用されるＥＧＲクーラーは、エンジンシリンダ内部に環流させる排気ガス（ＥＧＲガス）を冷却するための熱交換器として使用されるもので、エンジンの冷却液、カーエアコン用冷媒または冷却風等でＥＧＲガスを冷却することにより、燃焼ガスであり高温の排気ガスであるＥＧＲガスを予め冷却して体積を減少させて新鮮な空気の比率を低くすることによりシリンダ内への吸気のＥＧＲガスの充填比率を高めることができる上、高温の排気ガスを冷却した後に環流させることによりエンジン構成部品の熱劣化低減にも有効な技術である。
【０００３】
従来のＥＧＲクーラーとしては、例えば冷却ジャケットを構成するシェル内に、扁平管の内部に断面形状が所定のピッチ幅の略矩形のチャンネル形状の波形（以下、説明の便宜上「矩形チャンネル波形」という）を有し、かつ前記矩形チャンネル波形の軸方向（排気ガス流れ方向）の形状が所定のうねり幅の波形（うねり波形）を有するフィン（以下、説明の便宜上「波形フィン構造体」という）を収容して構成した扁平伝熱管を、複数本配設したもの（例えば特許文献１参照）が知られている。
しかしながら、このような波形フィン構造体を用いた扁平伝熱管の場合、伝熱管内における伝熱面積が少ないものにおいては、環流させる排気ガスの流速を上げることによって伝熱性能の向上をはかろうとするが、逆に圧力損失が大きくなり、流路内へのすすや汚れ（パーティキュレートマター：以下、「ＰＭ」という）の付着が性能劣化の原因となる等の課題が生ずる。
【０００４】
前記課題を解決するため、本願出願人は、扁平伝熱管内を通流する高温流体が、均一な流速分布を以て通流して、該伝熱管の外側を通流する冷却媒体との熱交換を効率よく促進する伝熱管を先に提案した（特許文献２参照）。
この伝熱管は、波形フィン構造体における排気ガス流路の断面方向に形成される矩形チャンネル波形の波幅と、軸方向（排気ガス流れ方向）に形成されるうねり波形の波長と、該うねり波形の曲率半径とを、それぞれ特定範囲内に形成することにより、伝熱管内に発生するＰＭの問題を解消したものである。
【０００５】
具体的には、図１２、図１３に波形フィン構造体を内装固着した扁平伝熱管の一例を示すように、扁平管１２１の内部に、断面形状が略矩形のチャンネル形状の波形（矩形チャンネル波形）を有し、かつ、軸方向（排気ガス流れ方向）に所定の波長のうねり波形が形成された湾曲曲面を有する波形フィン構造体１２２を内装固着してなる扁平伝熱管において、前記波形フィン構造体１２２のフィンの内幅（ピッチ）ｂと、うねり波形の波長Ｌの比（ｂ／Ｌ）や、軸方向におけるうねり波形の振幅（図示せず）と波形フィン構造体１２２のピッチｂとの差によって求められるギャップ（図示せず）との比等を適正な値に設定したものである。図中、ａは波形フィン構造体１２２の内高さ、ｈは扁平管１２１の内空間部の内高さ、Ｗは扁平管の外幅をそれぞれ示す。
【０００６】
なお、前記した波形フィン構造体１２２の構造・形状としては、前記した矩形チャンネル波形を有し、かつ、軸方向に所定の波長のうねり波形が形成された湾曲曲面を有するものに限定されない。この他に、例えば、前記した軸方向に所定波長のうねり波形を持たないもので、軸方向の形状がストレート状のもの（ストレートフィン）、あるいは前記ストレートフィンの垂直壁部をフィンとフィンの間に交互に突設させて開口部を千鳥状に配設したオフセットフィン（マルチ・エントリ形フィン）等がある。
また、後述する本発明に係る波形フィン構造体の構造・形状としては、当然のことながら前記したものなどが対象となるものである。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】特開２００４−２６３６１６号公報
【特許文献２】特開２００７−７８１９４号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
今後ますます環境規制、排ガス規制が厳しくなる中で、前記ＥＧＲシステムは必須の構成要素であり、エンジン運転領域においては、これまで中回転領域での使用が主流であったが、低速回転領域から高速回転領域および低負荷から高負荷運転領域と全領域にわたってＥＧＲが使用され、かつシリンダ内に充填されるガス量に対する排気ガスの環流量、いわゆるＥＧＲ率は従来より高くなり、小流量から大流量を高ＥＧＲ率で環流することが必要となり、高伝熱性能のＥＧＲクーラーが要求される。
特に、ＥＧＲクーラーは、エンジンルーム内の極めて限定された（狭隘な）空間に配設されるため、よりコンパクト化（小型化）された高性能なもの、更には、ＥＧＲシステムは排気ガスを排気マニホールド（エキゾーストマニホールド）と吸気マニホールド（インテークマニホールド）の間の圧力差により環流するため、圧力差の低い低回転領域においても高性能を発現する圧力抵抗（圧力損失）の少ないものが強く望まれている。
【０００９】
まず、前記ニーズ（要請）に応えるために、図１４〜図１５を参照して、従来の扁平伝熱管の問題点、限界について考えてみる。
図１４は、前記した従来の扁平伝熱管（図１２〜図１３参照）を採用したＥＧＲクーラーの一例を模式的に示す断面図であり、コア１２３の内部に複数本の扁平伝熱管を配設したＥＧＲクーラーの断面図で、Ｘはコア断面幅、Ｙはコア断面高さ、Ｓは扁平伝熱管の間隔をそれぞれ示す。なお、コア１２３の軸方向の長さは省略する。
この従来のＥＧＲクーラー用扁平伝熱管は、前記したように扁平管１２１の内部に、断面形状が矩形チャンネル波形を有し、かつ軸方向の形状が所定の波長でうねり波形が形成された湾曲曲面を有する波形フィン構造体１２２が１段内装されたもの、いわゆる１段式の波形フィン構造を有するものである。
【００１０】
前記した従来の波形フィン構造体を内装した扁平伝熱管の場合、コンパクト化をはかり、かつ伝熱性能の向上をはかるために、波形フィン構造体の垂直壁面間のピッチｂ（間隔）を狭めて伝熱面積を増すことが考えられる。しかしながら、波形フィン構造体のピッチｂが狭すぎると（１．２ｍｍ程度未満）、排気ガスのＰＭが波形フィン構造体の壁面に付着するだけでなく、ガス流路がきわめて狭くなるため、ＰＭの付着により圧力損失を上昇させるのみならずガス流路を閉塞させてしまうという問題が生じる。
【００１１】
そしてこれらに起因して、例えば、ＰＭの波形フィン構造体壁面への付着による伝熱効率の低下のみならず、付着したＰＭの剥離物は燃焼室内で残渣となり摺動部分の摩耗を増大させてエンジン構成部品の耐久性を脅かす等のトラブルの要因となり、さらにガス流路の閉塞によりＥＧＲシステムが機能しなくなる。
すなわち、ＰＭの波形フィン構造体壁面への付着による圧力損失の増大に伴い、比熱が大きく昇温し難い燃焼排気ガスであるＥＧＲガスがシリンダ内に充填されず比熱が小さく昇温し易い空気のみが充填されるため（ＥＧＲ率の低下）、燃焼温度の上昇により窒素の酸化が進行して窒素酸化物（二酸化窒素等）が増加して排気ガスの規制値をクリアできなくなる。
さらに、燃焼室壁面からの熱エネルギーの散逸により燃料消費率が悪化するとともに、エンジン冷却水への伝熱量の増大に伴いラジエターからの放熱負荷が増大してクーリングシステムを構成するラジエターや冷却ファンが大型化したりエンジン部品の劣化や破損等を招くなどのおそれがある。
【００１２】
また、前記したように、波形フィン構造体単体のピッチｂを狭めて伝熱面積を増加させようとすると、扁平管と波形フィン構造体で構成される複数の矩形チャンネル（排気ガス通路）のアスペクト比ｂ／ａが小さくなり、特にエンジン回転速度の低い層流域のようなガス流速では、アスペクト比１（正方形）に対し圧力損失が高くなってしまう。このため、ＥＧＲガスの十分な所望流量の確保が困難となって、比熱が大きく昇温し難い燃焼排気ガスであるＥＧＲガスがシリンダ内に十分に充填されず、比熱が小さく昇温し易い空気が多く充填されることとなり、燃焼温度の上昇により窒素の酸化が進行して窒素酸化物が増加して排気ガスの規制値をクリアできなくなる。
さらに、燃焼室壁面からの熱エネルギーの散逸により燃料消費率が悪化するとともに、エンジン冷却水への伝熱量の増大に伴いラジエーターからの放熱負荷が増大してクーリングシステムを構成するラジエーターや冷却ファンが大型化したりエンジン部品の劣化や破損等を招くなどのおそれがある。
【００１３】
このため、目標伝熱性能を達成して、排気ガスの規制値をクリアし、さらにエンジンの耐久性の確保やクーリングシステムの大型化を防止するためには、例えば図１５に示すように一段式の波形フィン構造体１２２の流路面積を小さくし、伝熱管本数を増やすか、または管長を長くする等、ＥＧＲクーラーの容積を大きくする方法しかない。これは前記したニーズ（要請）に対応することができない方策であることは明らかである。
【００１４】
本発明は、前記した従来の問題を解決するためになされたものであり、ＥＧＲクーラー用の扁平管とその内部に内装される波形フィン構造体とから成るＥＧＲクーラー用扁平伝熱管において、前記扁平管の大きさ（ディメンション）が従来と同じであっても格段に優れた伝熱特性・圧力抵抗（圧損）を発現し、かつ、低流量から高流量までと幅広い流量領域で高いＥＧＲ率を確保できる経済的でコンパクト化されたＥＧＲクーラー用の扁平伝熱管とこの扁平伝熱管を使用したＥＧＲクーラーを提供しようとするものである。
【課題を解決するための手段】
【００１５】
本発明者らは、本出願人による扁平管の内部に波形フィン構造体を１段内装した構造のＥＧＲクーラー用扁平伝熱管、および前記伝熱管を使用したＥＧＲクーラーの実製品をベースにして種々、検討を加えた。なお、前記したように、本願出願人はＥＧＲクーラー用扁平伝熱管を製造しているが、本発明は扁平管として、内部空間高さｈが１０ｍｍ以下という極薄のものを使用することを前提としている。
【００１６】
その結果、本発明者らは、検討の初期段階では扁平管の厚さ（１０ｍｍ以下）からみて、そのような狭い内部空間に波形フィン構造体を多段に相重ねるという考えは持ち合わせていなかったが、この点をブレークスルーすることにより可能化させると共に、さらに、収容する波形フィン構造体の形状・構造を特定化することにより、前記した優れた特性を有する経済的でコンパクト化されたＥＧＲクーラー用扁平伝熱管が得られることを見いだした。本発明は、前記した知見をベースにして創案されたものである。
【００１７】
すなわち、本発明は、内燃機関からの排気中のすすや汚れ（パーティキュレートマター：ＰＭ）を含有する排気ガスの一部をＥＧＲ（排気再循環）させるとき、前記排気ガスの一部を伝熱管の内部に導き、外部の冷媒との熱交換により冷却するために使用されるＥＧＲクーラーに組込まれるＥＧＲクーラー用扁平伝熱管において、
・  前記ＥＧＲクーラー用扁平伝熱管は、断面形状が略扁平形状の管体からなる扁平管と、前記扁平管の内部に内装された波形フィン構造体とで構成され、
・  かつ、前記波形フィン構造体は、断面形状が略矩形のチャンネル形状の波形  （矩形チャンネル波形）を有すると共に、下記式（１）〜式（５）の条件を満たす波形フィン構造体単体で構成され、
・  さらに、前記波形フィン構造体は、前記波形フィン構造体単体を２段または複数段に相重ねた構造を有する、
ことを特徴とするものである。
＜記＞
式（１）：１．２≦ａ（ｍｍ）
式（２）：１．２≦ｂ（ｍｍ）
式（３）：０．４≦ｂ／ａ≦１（ａ≧ｂ）
式（４）：０．４≦ａ／ｂ≦１（ｂ≧ａ）
式（５）：１．２≦Ｄ≦２．８（ｍｍ）
ただし、前記参照記号は、以下のことを示す；
ａ：波形フィン構造体単体の内高さ。
ｂ：波形フィン構造体単体の内幅。
ｂ／ａ（ａ≧ｂ）またはａ／ｂ（ｂ≧ａ）：波形フィン構造体単体の矩形チャンネルのアスペクト比。
Ｄ：波形フィン構造体単体の矩形チャンネルの相当直径｛４ａｂ／（２ａ＋２ｂ）｝。
【００１８】
また、本発明のＥＧＲクーラー用扁平伝熱管は、前記式（１）〜式（５）の条件に加え、扁平管の内部空間高さｈと波形フィン構造体単体の内高さａが、それぞれ下記式（６）、式（７）の条件を満たすことを好ましい態様とするものである。
＜記＞
式（６）：３≦ｈ≦６（ｍｍ）
式（７）：ａ＝約ｈ／波形フィン構造体単体の段数
【００１９】
さらに、本発明のＥＧＲクーラー用扁平伝熱管は、前記波形フィン構造体として、前記波形フィン構造体を構成する２段または複数段の波形フィン構造体単体の間に、前記波形フィン構造体単体の扁平伝熱管の幅（Ｗ）方向が該波形フィン構造体単体の幅ないし扁平伝熱管の内幅で、かつ軸方向（排気ガス流れ方向）の長さが前記波形フィン構造体単体の軸方向長さに略等しいスペーサ板を介在させて構成することを好ましい態様とするものである。
【００２０】
さらにまた、本発明において、波形フィン構造体を例えば２段式の波形フィン構造体で構成する場合、２つの波形フィン構造体単体の間に前記スペーサ板を介在させるとともに、相互の当接部を接合することを好ましい態様とするものである。
【００２１】
また、本発明に係るＥＧＲクーラーは、前記ＥＧＲクーラー用扁平伝熱管の所望本数を使用して構成したもので、前記式（１）〜式（５）、または前記式（１）〜式（７）の条件を満たす波形フィン構造体単体、あるいは前記波形フィン構造体単体の間に前記スペーサ板を介在させた波形フィン構造体単体を、前記扁平管の内部に２段または複数段相重ねて内装してＥＧＲクーラー用扁平伝熱管を構成し、前記ＥＧＲクーラー用扁平伝熱管の所望本数を所望の冷却ジャケットを有するシェル本体内に配設することにより構成されるものである。
【発明の効果】
【００２２】
本発明に係るＥＧＲクーラー用扁平伝熱管は、波形フィン構造体を構成する波形フィン構造体単体の内高さ、内幅、矩形チャンネルのアスペクト比および矩形チャンネルの相当直径を適正値に設定し、波形フィン構造体単体を２段または複数段に相重ね、かつ相互の当接部を接合して構成した多段式波形フィン構造体を扁平管の内部に内装して構成される。
これにより、扁平管のサイズを大きくしたり扁平伝熱管の配設本数を増加させることなく従来と同等の容積（大きさ）で、ＰＭの付着により伝熱性能が低下することのない高い伝熱性能が得られ、かつ低流量から高流量まで幅広い流量領域で所望の高いＥＧＲ率を確保できるコンパクトで軽量の高性能のＥＧＲクーラーを提供することができる。
【００２３】
また、波形フィン構造体（波形フィン構造体単体）の壁面からのＰＭの剥離物が燃焼室内で残渣となって摺動部分の摩耗を増大させてエンジン構成部品の耐久性を脅かしたりすることがない。
【００２４】
さらにまた、空気より比熱が大きく昇温し難い燃焼排気ガスであるＥＧＲガスの十分な流量を確保してシリンダ内に比熱が小さく昇温し易い空気の体積比率を低く抑える（ＥＧＲ率を高く維持する）ことができ、これによって燃焼温度が高温となり窒素の酸化が進行して窒素酸化物が増大し排気ガスが悪化するのを抑制することができる。また、燃焼室壁面からの熱エネルギーの散逸を減少させて燃料消費率を向上させることができ、エンジン冷却水への伝熱量の増大を抑制してラジエーターや冷却ファンの大型化を抑制することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２５】
【図１】本発明に係る第１のＥＧＲクーラー用伝熱管の（形状）構造を説明するための図であって、（Ａ）は波形フィン構造体が内装された扁平伝熱管を一部省略して示す正面図、（Ｂ）は扁平伝熱管に内装される波形フィン構造体単体の矩形チャンネルの構造を説明するための部分拡大断面図である。
【図２】同じく本発明に係る第２のＥＧＲクーラー用伝熱管の（形状）構造を説明するための図であって、波形フィン構造体が内装された扁平伝熱管を一部省略して示す正面図である。
【図３】同じく本発明に係る第３のＥＧＲクーラー用伝熱管の（形状）構造を説明するための図であって、波形フィン構造体が内装された扁平伝熱管を一部省略して示す正面図である。
【図４】同じく本発明に係る第４のＥＧＲクーラー用伝熱管の（形状）構造（形状）を説明するための図であって、波形フィン構造体が内装された扁平伝熱管を一部省略して示す正面図である。
【図５】同じく本発明に係る第５のＥＧＲクーラー用伝熱管の（形状）構造（形状）を説明するための図であって、波形フィン構造体が内装された扁平伝熱管を一部省略して示す正面図である。
【図６】同じく本発明に係る第６のＥＧＲクーラー用伝熱管の（形状）構造（形状）を説明するための図であって、波形フィン構造体が内装された扁平伝熱管を一部省略して示す正面図である。
【図７】本発明に係る第１〜第６のＥＧＲクーラー用伝熱管で構成するＥＧＲクーラーの（形状）構造を説明するための図であって、ＥＧＲクーラーの（形状）構造を一部省略して模式的に示す横断面図である。
【図８】本発明の実施例１におけるＰＭ堆積試験での運転時間とガス流量の関係を示す図である。
【図９】本発明の実施例２におけるアスペクト比と圧損／アスペクト比１の圧損の関係を調べた結果（解析値）を文献値（引用文献：ＭｃＧｒａｗ−Ｈｉｌｌ  Ｈａｎｄｂｏｏｋｓ発行、Ｈａｎｄｂｏｏｋ  ｏｆ  ＨＥＡＴ  ＴＲＡＮＳＦＥＲの、Ｔｈｉｒｄ  ＥｄｉｔｉｏｎでのＣＨＡＰＴＥＲ  ５）と比較して示す図である。
【図１０】本発明の実施例３におけるＥＧＲクーラー用伝熱管の矩形チャンネルの相当直径Ｄと交換熱量比の関係を示す図である。
【図１１】本発明の実施例４におけるＥＧＲクーラーのフィン重量比と交換熱量比の関係を示す図である。
【図１２】従来の１段式の波形フィン構造体を採用したＥＧＲクーラー用扁平伝熱管を一部破断して模式的に示す要部拡大斜視図である。
【図１３】図１２に示す従来の１段式の波形フィン構造体を採用したＥＧＲクーラー用扁平伝熱管を一部省略して示す正面図である。
【図１４】図１３に示す従来のＥＧＲクーラー用伝熱管を採用したＥＧＲクーラーを一部省略して模式的に示す横断面図である。
【図１５】従来の１段式の波形フィン構造体の流路面積を小さくし、伝熱管本数を増やして伝熱面積を増加させた従来のＥＧＲクーラーを一部省略して模式的に示す横断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００２６】
以下、本発明に係るＥＧＲクーラー用扁平伝熱管の構成について、図面を参照して説明する。
本発明に係る第１のＥＧＲクーラー用扁平伝熱管１は、図１（Ａ）にその要部を示すように、断面形状が略扁平形状の板厚が例えば０．５ｍｍの、ＳＵＳ３０４Ｌオーステナイト系ステンレススチールを素材として形成された扁平管１−１の内部に、板厚が例えば０．１ｍｍのＳＵＳ３１６Ｌオーステナイト系ステンレススチール製板材にプレス成形を施すことによって断面形状が略矩形のチャンネル状の波形、すなわち矩形チャンネル波形を有する波形フィン構造体単体２−１を２段に相重ねるとともに、相互の当接部を例えばろう付けによって接合した２段式の波形フィン構造体２を内装し、かつ前記扁平管１−１と波形フィン構造体２の当接部を例えばろう付けによって接合して構成したものである。
【００２７】
図示されるように本発明の矩形チャンネル波形を有する波形フィン構造体単体２−１は、扁平管１−１の内部空間高さｈを２分割するものであり、従来の１段式波形フィン構造体１２２（図１２〜図１３参照）と比較して、その内高さａを小さく設定して、流路面積を小さくしてある。
なお、ここに示す波形フィン構造体単体２−１の軸方向（排気ガス流れ方向）の形状は、図１２に示される従来のものと同様に、軸方向に所定の波長のうねり波形が形成されたものである。
また、図１（Ｂ）は、前記波形フィン構造体単体の矩形チャンネル波形の一つ（１つの排気ガス流通口、１つのチャンネル）を拡大して示すものであり、図中、ａは波形フィン構造体単体の内高さ、ｂは波形フィン構造体単体の内幅をそれぞれ示す。
【００２８】
本発明において、扁平管１−１に内装する波形フィン構造体２の構成を、扁平管１−１の内部空間高さｈを２分割して波形フィン構造体単体の内高さａを低くし、流路面積の小さい波形フィン構造体単体２−１を２段に相重ねて２段式フィン構造体とする理由は、扁平管１−１のサイズを大きくすることなく従来と同等の大きさ（略同一体積）の扁平管１−１のもとで熱交換性能を向上させるためである。
すなわち、従来の１段式波形フィン構造体１２２（図１２〜図１３参照）を用いたＥＧＲクーラー用扁平伝熱管の場合は、該扁平伝熱管内における伝熱面積が少なく、伝熱性能の向上がはかられないのに対し、波形フィン構造体の構成を２段式の波形フィン構造体２とした場合は、波形フィン構造体単体の垂直壁部２−１ａ部分の伝熱面積に加え、流路面積の小さい２つの波形フィン構造体単体２−１を２段に相重ねているため水平壁部２−１ｂ部分の伝熱面積が増加分となり、伝熱性能を向上できるからである。
【００２９】
また、本発明において、各波形フィン構造体単体２−１の内高さａ、内幅ｂ、矩形チャンネルのアスペクト比ｂ／ａ（ａ≧ｂ）またはａ／ｂ（ｂ≧ａ）、矩形チャンネルの相当直径Ｄ＝｛４ａｂ／（２ａ＋２ｂ）｝、および扁平管１−１の内部空間部高さｈとしたとき、前記式（１）〜式（５）、および式（１）〜式（７）の条件を満足することとしたのは、以下に示す理由による。
【００３０】
すなわち、式（１）、式（２）は、それぞれ排気ガス中のＰＭが波形フィン構造体単体の壁面に堆積・沈着してそのチャンネル（排気ガス通路）を閉塞させない波形フィン構造体単体の内高さａ、波形フィン構造体単体の内幅ｂを規定したものである。
本発明者らによる多くの実証テストにより、また、扁平管１−１の内部空間高さｈが大きくてもせいぜい１０ｍｍ以下、特に５ｍｍ前後の極端な扁平管の使用を前提とした実験により、波形フィン構造体単体の内高さａまたは波形フィン構造体単体の内幅ｂが１．２ｍｍ未満の条件では、排気ガス中のＰＭが波形フィン構造体単体２−１の垂直壁部２−１ａ表面および水平壁部２−１ｂ表面に付着・堆積してガス流路を閉塞してしまうことが認められた。波形フィン構造体単体の内高さａ、内幅ｂの上限は、伝熱特性等を考慮して設定すればよい。
【００３１】
式（３）および式（４）は、層流域での圧力損失の抑制効果を考慮して矩形チャンネルのアスペクト比ｂ／ａ（ａ≧ｂ）またはａ／ｂ（ｂ≧ａ）を規定したものである。
すなわち、伝熱管内の排気ガスの流れが層流域となるようなエンジン回転速度の低い低流量領域においては、排気マニホールドと吸気マニホールド間の圧力差が小さいため、できるだけ圧力損失の低いＥＧＲクーラーが要求されるが、アスペクト比が０．４未満ではＥＧＲクーラーを構成する伝熱管の圧力損失が高くなり、要求されるガス流量、すなわち所望のＥＧＲ率が確保できず、排気ガスの規制値等がクリアできなくなったり、所望の燃費を確保することができなくなったりする。
なお、式（３）において、アスペクト比（内幅ｂ／内高さａ）が１より大きい領域、すなわちｂ＞ａとなる領域は、式（４）に規定される領域に相当し、式（４）において、アスペクト比（内高さａ／内幅ｂ）が１より大きい領域、すなわちａ＞ｂとなる領域は、式（３）に規定される領域に相当する。
【００３２】
式（５）に示す相当直径Ｄは、ＥＧＲクーラーの設計において矩形チャンネルの流路面積に相当する直径として使用される値であり、前記したように、相当直径Ｄ＝４×（断面積）／（ぬれ周長）で定義される。
本発明において、この相当直径Ｄを１．２≦Ｄ≦２．８（ｍｍ）と規定したのは、１．２ｍｍ未満では、エンジン排気ガス中のＰＭがチャンネル壁に付着するだけでなく、そのチャンネルを閉塞しＥＧＲガスが所望量流れなくなり、ＥＧＲシステムが機能しなくなる、すなわち燃焼温度の上昇により排気ガスの規制値をクリアできなくなるためである。
これにより、例えば、ＰＭの波形フィン構造体（波形フィン構造体単体）壁面への付着による伝熱効率の低下のみならず、付着したＰＭの剥離物質は燃焼室内で残渣となり摺動部分の摩耗を増大させてエンジン構成部品の耐久性を脅かし破損等を招くなどのトラブルの要因となる。さらに、ガス流路の閉塞により、すなわちＰＭの波形フィン構造体壁面への付着による圧力損失の増大に伴い、比熱が大きく昇温し難い燃焼排気ガスであるＥＧＲガスがシリンダ内に充填されず、比熱が小さく昇温し易い空気のみが充填されることになり（ＥＧＲ率の大幅な低下）、燃焼温度の上昇により窒素の酸化が進行して窒素酸化物が増加して排気ガスの規制値をクリアできなくなるおそれがある。さらにまた、燃焼温度の上昇により燃焼室壁面からの熱エネルギーの散逸により燃料消費率が悪化するとともに、エンジン冷却水への伝熱量の増大に伴いラジエーターからの放熱負荷が増大してクーリングシステムを構成するラジエーターや冷却ファンが大型化したりエンジン部品の劣化や破損等を招くなどのおそれがある。
他方、相当直径Ｄが２．８ｍｍを超えると、従来品に対し伝熱性能の向上が見られず本発明の効果が発揮し得ないためである。
【００３３】
式（６）は、特に本発明の対象となる扁平管１−１のサイズを規定したものであり、扁平管１−１内部空間部高さｈが３ｍｍ未満では、波形フィン構造体単体２−１の内高さａが小さくなりすぎるため、前記したように伝熱管が閉塞しガスが流れなくなり、他方、６ｍｍを超えると高い伝熱性能を確保するためには伝熱管およびＥＧＲクーラーコア本体の容積が大きなものになり、本発明の目的とするコンパクト化・軽量化が達成できないためである。
【００３４】
式（７）は、波形フィン構造体単体２−１の内高さａ、扁平管の内部空間高さｈ、および波形フィン構造体単体の段数、の関係を規定したものであり、本発明においては波形フィン構造体単体の内高さａを、扁平管の内部空間高さｈ／波形フィン構造体単体の段数、で規定している。
本発明において、前記したようにＥＧＲクーラーのコンパクト化、高性能化というニーズに対応するために、扁平管１−１の内部空間部高さｈが１０ｍｍ以下、特に５ｍｍ前後であることを前提としているため、これとの関係で所望の波形フィン構造体単体の段数を選択すればａ値が定まる。なお、ａ値の決定は式（１）にも依存する。
【００３５】
本発明に係る第２のＥＧＲクーラー用扁平伝熱管１１は、図２に示すように前記図１に示す第１のＥＧＲクーラー用扁平伝熱管１と略同様の伝熱管であるが、波形フィン構造体１２を構成する上下２つの波形フィン構造体単体１２−１の間にスペーサ板３を介在させて構成した点が相違する。
このＥＧＲクーラー用扁平伝熱管１１は、波形フィン構造体１２を構成する２つの波形フィン構造体単体１２−１の間に、扁平管１１−１の内幅ｗに略等しく、かつ該波形フィン構造体単体の軸方向（排気ガス流れ方向）長さに略等しい１枚のスペーサ板３を介在させ、前記上、下段の波形フィン構造体単体１２−１およびスペーサ板３を相互に例えばろう付けして一体となして２段式の波形フィン構造体１２を構成し、このスペーサ板３付きの２段式波形フィン構造体１２を前記と略同様の扁平管１１−１に内装固着して構成したものである。
なお、図中、１１−１は扁平管、１２−１ａは垂直壁部、１２−１ｂは水平壁部である。
【００３６】
本発明に係る第３のＥＧＲクーラー用伝熱管２１は、図３に示すように同一サイズの上下２つの波形フィン構造体単体２２−１、２２−２を用い、上段の波形フィン構造体単体２２−１と下段の波形フィン構造体単体２２−２を対称位置に（上段の凸部チャンネルと下段の凹部チャンネルが対応するように）相重ねるとともに、上段と下段の波形フィン構造体単体２２−１と２２−２の間に、扁平管２１−１の内幅ｗに略等しく、かつ該波形フィン構造体単体の軸方向（排気ガス流れ方向）長さに略等しいスペーサ板３を介在させ、前記上、下段の波形フィン構造体単体２２−１、２２−２およびスペーサ板３を相互に例えばろう付けして一体となして２段式の波形フィン構造体２２を構成し、このスペーサ板３付きの上下２段式波形フィン構造体２２を扁平管２１−１に内装固着して構成したものである。
なお、図中、２２−１ａ、２２−２ａは垂直壁部、２２−１ｂ、２２−２ｂは水平壁部である。
【００３７】
本発明に係る第４のＥＧＲクーラー用扁平伝熱管３１は、図４に示すように波形フィン構造体３２において、上段の波形フィン構造体単体３２−１を流れるガス流は矩形チャンネルのうねりに沿って先ず左向きに流入し、下段の波形フィン構造体単体３２−２を流れるガス流は矩形チャンネルのうねりに沿って先ず右向きに流入し、それぞれのガス流が交差しながら流れることができるように、上段の波形フィン構造体単体３２−１と下段の波形フィン構造体単体３２−２の軸方向（排気ガス流れ方向）のうねりの位相を該伝熱管の軸方向にほぼ１／２波長ずらして相対向させて構成した例である。
すなわち、このＥＧＲクーラー用扁平伝熱管３１は、上段の波形フィン構造体単体３２−１に対し下段の波形フィン構造体単体３２−２の軸方向のうねりの位相を該伝熱管の軸方向にほぼ１／２波長ずらして配置し、この上下２つの波形フィン構造体単体３２−１、３２−２の間に、扁平管３１−１の内幅ｗに略等しく、かつ該波形フィン構造体単体の軸方向（排気ガス流れ方向）長さに略等しいスペーサ板３を介在させ、前記上、下段の波形フィン構造体単体３２−１、３２−２およびスペーサ板３を相互に例えばろう付けして一体となして上下２段式の波形フィン構造体３２を構成し、このスペーサ板３付きの２段式の波形フィン構造体３２を扁平管３１−１に内装固着して構成したものである。
なお、図中、３２−１ａ、３２−２ａは垂直壁部、３２−１ｂ、３２−２ｂは水平壁部である。
【００３８】
本発明に係る第５のＥＧＲクーラー用扁平伝熱管４１は、図５に示すように前記図４に示すＥＧＲクーラー用扁平伝熱管のスペーサ板付き波形フィン構造体とほぼ同様の上下２つの波形フィン構造体単体４２−１、４２−２を用い、上段の波形フィン構造体単体４２−１と下段の波形フィン構造体単体４２−２の矩形チャンネル（１つの排気ガスチャンネル）の位相を扁平管４１−１の幅Ｗ方向にほぼ１／４波長ずらして構成したものである。
すなわち、このＥＧＲクーラー用扁平伝熱管４１は、上下２つの波形フィン構造体単体４２−１、４２−２の間に、扁平管４１−１の内幅ｗに略等しく、かつ該波形フィン構造体単体の軸方向（排気ガス流れ方向）長さに略等しいスペーサ板３を介在させ、前記上、下段の波形フィン構造体単体４２−１、４２−２およびスペーサ板３を相互にろう付けして一体となして上下２段式の波形フィン構造体４２を構成し、このスペーサ板３付きの２段式の波形フィン構造体４２を扁平管４１−１に内装固着して構成したものである。
このＥＧＲクーラー用扁平伝熱管４１は、前記第４のＥＧＲクーラー用扁平伝熱管３１と同様に、上段の波形フィン構造体単体４２−１を流れるガス流は矩形チャンネルのうねりに沿って先ず左向きに流入し、下段の波形フィン構造体単体４２−２を流れるガス流は矩形チャンネルのうねりに沿って先ず右向きに流入し、それぞれのガス流が交差しながら流れることができる構造となっている。
なお、図中、４２−１ａ、４２−２ａは垂直壁部、４２−１ｂ、４２−２ｂは水平壁部である。
【００３９】
前記図２〜図５に係る第２〜第５のＥＧＲクーラー用扁平伝熱管１１、２１、３１、４１において、それぞれの２段式波形フィン構造体１２、２２、３２、４２を構成する上下２つの波形フィン構造体単体１２−１の間、波形フィン構造体単体２２−１と２２−２の間、波形フィン構造体単体３２−１と３２−２の間、および波形フィン構造体単体４２−１と４２−２の間に、各扁平管１１−１、２１−１、３１−１、４１−１の内幅ｗに略等しく、かつそれぞれの波形フィン構造体単体の軸方向（ガス流れ方向）長さに略等しい１枚のスペーサ板３を介在させて波形フィン構造体を構成することとしたのは、伝熱面積の増加による熱交換性能の向上と共に、それぞれの波形フィン構造体単体１２−１、２２−１、２２−２、３２−１、３２−２、４２−１、４２−２の接合強度の向上と接合の簡易化をはかるためである。
【００４０】
本発明において、前記したスペーサ板３の材質および板厚は、特に限定するものではないが、それぞれの波形フィン構造体単体１２−１、２２−１、２２−２、３２−１、３２−２、４２−１、４２−２と同一でよい。また、スペーサ板３の幅は、扁平管１１−１、２１−１、３１−１、４１−１の内幅ｗに略等しい例を示したが、スペーサ板３の幅は必ずしも扁平管の内幅ｗに略等しい必要はなく、波形フィン構造体単体１２−１、２２−１、２２−２、３２−１、３２−２、４２−１、４２−２以上の幅があればよい。
【００４１】
本発明に係る第６のＥＧＲクーラー用扁平伝熱管５１は、図６に示すように図１に示す扁平伝熱管１−１と同様、断面形状が略扁平形状の板厚が例えば０．５ｍｍの、ＳＵＳ３０４Ｌオーステナイト系ステンレススチールを素材として形成された扁平管５１−１の内部に、板厚が例えば０．１ｍｍのＳＵＳ３１６Ｌオーステナイト系ステンレススチール製板材にプレス成形を施すことによって形成された略同一形状の３つの波形フィン構造体単体５２−１、５２−２、５２−３を３段に相重ねて構成したものである。そして、さらに該波形フィン構造体単体５２−１と５２−２の間、および５２−２と５２−３の間に、扁平管５１−１の内幅ｗに略等しく、かつ該波形フィン構造体単体の軸方向（ガス流れ方向）長さに略等しい２枚のスペーサ板３を介在させて構成し、前記３段の波形フィン構造体単体５２−１、５２−２、５２−３および２枚のスペーサ板３の各当接部を相互に例えばろう付け接合して一体となして上下３段式の波形フィン構造体５２を構成し、このスペーサ板付きの３段式の波形フィン構造体５２を扁平管５１−１に内装固着して構成したものである。
なお、図中、５２−１ａ、５２−２ａは垂直壁部、５２−１ｂ、５２−２ｂは水平壁部である。
【００４２】
図７は、前記図１〜図６を参照して説明した本発明のＥＧＲクーラー用扁平伝熱管を使用して構成したＥＧＲクーラーを説明するものである。
すなわち、図７は、前記図１〜図６に示すＥＧＲクーラー用扁平伝熱管１、１１、２１、３１、４１、５１を、断面幅Ｘ、断面高さＹを有する大きさのコア（冷却用シェル本体）４内に間隔Ｓを隔ててそれぞれ所望する本数配設して構成されるＥＧＲクーラーを模式的に示したものである。
本発明のＥＧＲクーラーは、前記した２段式の波形フィン構造体２、１２、２２、３２、４２を使用した（組込んだ）ＥＧＲクーラー用扁平伝熱管１、１１、２１、３１、４１、もしくは前記３段式の波形フィン構造体５２を使用した（組込んだ）ＥＧＲクーラー用扁平伝熱管５１により構成されるため、ＥＧＲクーラー本体そのものは、従来の１段式の波形フィン構造体１２２で構成されるＥＧＲクーラーとほぼ同一のサイズで済み、コンパクトで高い熱交換性能を発揮することができる。
【００４３】
なお、従来の１段式の波形フィン構造体１２２で構成される従来のＥＧＲクーラーにおいて、高い熱交換性能を得る方法として、例えば１段式の波形フィン構造体１２２（図１２〜図１３参照）の流路面積を小さくし、伝熱管本数を増やして伝熱面積を増加させる方法がある（図１５参照）。しかしながら、この方法では伝熱管単管あたりの伝熱性能が低下する上、伝熱管の間隔Ｓを冷却媒体経路確保のため狭くすることができないため、図１５に示すようにＥＧＲクーラー本体のボリュウムが例えば１５〜２０％大きくなるという問題があることは前記した通りである。
【００４４】
前記本発明に係るＥＧＲクーラー用扁平伝熱管における扁平管と波形フィン構造体の接合手段としては、ろう付け、溶接、貼着、その他の接合方法の中から適宜選択されることはいうまでもない。
また、波形フィン構造体として、ここでは断面形状が矩形チャンネル波形で、軸方向に所定の波長で波形のうねりが形成された湾曲曲面を有するウェイブフィン（波形フィン）を示したが、フィン形状としてはストレートフィンやオフセットフィン（マルチ・エントリ形フィン）等もあり、本発明においてもこれらを対象とするものである。
【００４５】
次に、前記図１〜図６に示すＥＧＲクーラー用扁平伝熱管の形状構造に基づいて製作したＥＧＲクーラー用扁平伝熱管、および前記ＥＧＲクーラー用扁平伝熱管を組込んだＥＧＲクーラーの諸特性について調べた。その結果を、以下、実施例１〜５に示す。
なお、各実施例における特性評価は実験データ、解析用シミュレーションモデルによる解析値を用いて行った。
【実施例１】
【００４６】
ＥＧＲクーラー用扁平伝熱管においてＰＭが閉塞しない波形フィン構造体単体の内幅ｂについて調べるため、断面形状が略扁平形状の板厚が０．５ｍｍの、ＳＵＳ３０４Ｌオーステナイト系ステンレスを素材として形成された扁平管１−１（ｈ＝５ｍｍ、Ｗ＝５９ｍｍ、長さ＝２７０ｍｍ）の内部に、板厚が０．１ｍｍのＳＵＳ３１６Ｌオーステナイト系ステンレス材にプレス成形を施すことによって形成された断面形状が略矩形のチャンネル波形を有する図１に示されるものとほぼ同様の３種類（Ａ、Ｂ、Ｃ）の波形フィン構造体単体（Ａ：波形フィン構造体単体の内高さａ＝２．４ｍｍ、内幅ｂ＝１．０ｍｍ、相当直径Ｄ＝１．４ｍｍ、Ｂ：波形フィン構造体単体の内高さａ＝２．４ｍｍ、内幅ｂ＝１．２ｍｍ、相当直径Ｄ＝１．６ｍｍ、Ｃ：波形フィン構造体単体の内高さａ＝２．４ｍｍ、内幅ｂ＝１．５ｍｍ、相当直径Ｄ＝１．８ｍｍ）をそれぞれ２段に相重ね、かつ相互の当接部をろう付けによって接合して構成した２段式の波形フィン構造体２を内装し、かつ該扁平管１−１の内部との当接部をろう付けによって接合して得た図１に示すものと略同様の構成を有するＥＧＲクーラー用扁平伝熱管１を組込んで、図７に示すものとほぼ同じＥＧＲクーラー（Ｘ＝７０ｍｍ、Ｙ＝９０ｍｍ、長さ＝２７０ｍｍ、伝熱管数＝１０本、Ｓ＝２．５ｍｍ）を製作し、このＥＧＲクーラーをエンジン排気管に取付けて、ＥＧＲクーラー前後の圧力差が一定となるように排気ガスを流した時のエンジン運転時間とガス流量の変化を調べた結果を図８に示す。
図８は、伝熱管のチャンネル壁面にＰＭが付着し流路が狭くなることによるガス流量の低下状況を、チャンネル壁面のピッチ（波形フィン構造体単体の内幅ｂ）を変えて比較した実測データである。
【００４７】
図８に示す結果より明らかなように、本発明の条件、すなわち、波形フィン構造体単体の内幅ｂ≧１．２ｍｍという条件を外れた内幅ｂ＝１．０ｍｍの波形フィン構造体単体Ａは、本発明の条件を満たす波形フィン構造体単体Ｂ（内幅ｂ＝１．２ｍｍ）、Ｃ（内幅ｂ＝１．５ｍｍ）に比べ、ガス流量が早く低下したことから、ＰＭの付着が著しいことが確認された。
【実施例２】
【００４８】
ＥＧＲクーラー用扁平伝熱管を構成する波形フィン構造体単体の矩形チャンネル（１つの排気ガスチャンネル；図１（Ｂ）参照）の適正なアスペクト比ｂ／ａ（ａ≧ｂ）またはａ／ｂ（ｂ≧ａ）を調べるため、図２に示す波形フィン構造体１２を構成する波形フィン構造体単体１２−１の内高さａおよび内幅ｂを種々に変えたシミュレーションモデル（波形フィン構造体単体の内高さａ＝１．８〜１１．４ｍｍ、内幅ｂ＝０．９８〜１．８ｍｍ、相当直径Ｄ＝１．８ｍｍ（一定））を作成し、矩形チャンネル内の流速一定条件にて流体解析を実施し、層流域におけるアスペクト比（短辺／長辺）と圧力損失（圧損／アスペクト比１の圧損）の関係を調べた結果を文献値（引用文献：ＭｃＧｒａｗ−Ｈｉｌｌ  Ｈａｎｄｂｏｏｋｓ発行、Ｈａｎｄｂｏｏｋ  ｏｆ  ＨＥＡＴ  ＴＲＡＮＳＦＥＲの、Ｔｈｉｒｄ  ＥｄｉｔｉｏｎでのＣＨＡＰＴＥＲ  ５）と比較して図９に示す。
なお、前記したアスペクト比１とは、前記矩形チャンネルの短辺／長辺が１、つまり矩形チャンネルが正方形のことである。したがって、前記した（圧損／アスペクト比１の圧損）という特性は、ある一定の流速の排気ガスを前記矩形チャンネルに流した時の圧力損失と、矩形チャンネルが正方形の時の圧力損失との比を意味し、この値が高いほど圧力損失が高いことを表している。
【００４９】
図９に示す結果より明らかなように、排気ガス流れが層流域のような流速の遅い領域においては、同一の相当直径（１．８ｍｍ）、流速一定条件のもとで、アスペクト比が０．４未満のものは、アスペクト比０．４〜１．０のものと比較してアスペクト比：１（正方形）に対し、圧力損失の上昇の傾向が顕著にみられることが確認された。このことから、本発明において、矩形チャンネルのアスペクト比（ａ／ｂまたはｂ／ａ）は、０．４〜１．０に規定されるべきである。
【実施例３】
【００５０】
ＥＧＲクーラー用扁平伝熱管に内装される波形フィン構造体単体の矩形チャンネルの適正な相当直径Ｄを調べるため、本発明品と従来品による実測データとシミュレーションモデルによる解析値を用いて比較を行った。
本実施例では、断面形状が扁平形状の板厚が０．５ｍｍの、ＳＵＳ３０４Ｌオーステナイト系ステンレス材を素材として形成された扁平管（ｈ＝５ｍｍ、Ｗ＝５９ｍｍ、長さ＝２７０ｍｍ）の内部に、板厚が０．１ｍｍのＳＵＳ３１６Ｌオーステナイト系ステンレス材にプレス成形を施すことによって形成された断面形状が略矩形のチャンネル波形を有する図３に示されるものとほぼ同様の波形フィン構造体２２であって、該波形フィン構造体２２は相当直径Ｄを種々変えた波形フィン構造体単体（内高さａ＝２．４ｍｍ、内幅ｂ＝０．７〜４ｍｍ、相当直径Ｄ＝１．１〜３．０ｍｍ）をそれぞれ２段に相重ね、さらに該波形フィン構造体単体の間に扁平管２１−１の内幅ｗにほぼ等しく、かつ該波形フィン構造体単体の軸方向長さにほぼ等しい１枚のスペーサ板３（材質：波形フィン構造体単体と同種、厚さ０．１ｍｍ）を介在させて構成し、この波形フィン構造体２２を扁平管内に内装し、各相互当接部をろう付けによって接合して構成した図３に示すものと同様の構成を有するＥＧＲクーラー用扁平伝熱管２１を用い、図７に示すものとほぼ同じＥＧＲクーラー（Ｘ＝７０ｍｍ、Ｙ＝９０ｍｍ、長さ＝２７０ｍｍ、伝熱管数＝１０本、Ｓ＝２．５ｍｍ）を製作し、扁平管内に内装される波形フィン構造体単体の矩形チャンネルの相当直径Ｄと交換熱量比の関係を調べた。
ここで、交換熱量比とは、従来の１段式波形フィン構造体（相当直径Ｄ＝３．８）を用いたＥＧＲクーラーの交換熱量に対する、各種波形フィン構造体を用いたＥＧＲクーラーの交換熱量との比のことである。
【００５１】
本実施例の結果を、従来の１段式波形フィン構造体１２２（図１２〜図１３参照）を用いたＥＧＲクーラー（扁平管：ｈ＝５ｍｍ、Ｗ＝５９ｍｍ、長さ＝２７０ｍｍ、波形フィン構造体：波形フィン構造体単体の内高さａ＝４．９ｍｍ、内幅ｂ＝２〜３．５ｍｍ、相当直径Ｄ＝２．８〜４．１ｍｍ、コア：Ｘ＝７０ｍｍ、Ｙ＝９０ｍｍ、長さ＝２７０ｍｍ、伝熱管数＝１０本、Ｓ＝２．５ｍｍ）と、図３に示されるものとほぼ同様の２段式波形フィン構造体２２を用いたＥＧＲクーラー（扁平管：ｈ＝５ｍｍ、Ｗ＝５９ｍｍ、長さ＝２７０ｍｍ、波形フィン構造体：波形フィン構造体単体の内高さａ＝２．４ｍｍ、内幅ｂ＝０．７〜４ｍｍ、相当直径Ｄ＝１．１〜３ｍｍ、コア：Ｘ＝７０ｍｍ、Ｙ＝９０ｍｍ、長さ＝２７０ｍｍ、伝熱管数＝１０本、Ｓ＝２．５ｍｍ）、および図６に示されるものとほぼ同様の３段式波形フィン構造体５２を用いたＥＧＲクーラー（扁平管：ｈ＝５ｍｍ、Ｗ＝５９ｍｍ、長さ＝２７０ｍｍ、波形フィン構造体単体：波形フィン構造体単体の内高さａ＝１．５ｍｍ、内幅ｂ＝１〜４ｍｍ、相当直径Ｄ＝１．２〜２．１ｍｍ、コア：Ｘ＝７０ｍｍ、Ｙ＝９０ｍｍ、長さ＝２７０ｍｍ、伝熱管数＝１０本、Ｓ＝２．５ｍｍ）と合わせて（前記した三つのケースについて）、図１０に示す。
【００５２】
図１０に示す結果より明らかなように、本発明の２段式および３段式の波形フィン構造体として、相当直径Ｄが１．２〜２．８の範囲のものを使用したＥＧＲクーラーは、従来の１段式の波形フィン構造体を使用したＥＧＲクーラーに比べ、交換熱量比が高く（例えば１０〜２５％）、格段に優れたＥＧＲクーラーであることがわかる。
なお、図１０に示されるように、２段式の波形フィン構造体を内装固着した扁平伝熱管を使用したＥＧＲクーラーは、３段式の波形フィン構造体を内装固着した扁平伝熱管を使用したＥＧＲクーラーよりも伝熱性能がより優れている。このことは、本発明が前提としている扁平管内部空間高さｈが極薄タイプのことを考えると、３段式よりも２段式の方が優れた傾向にあることを示している。
【実施例４】
【００５３】
２段式および３段式の波形フィン構造体を内装固着したＥＧＲクーラー用扁平伝熱管に内装された波形フィン構造体単体とスペーサ板のフィン重量（以下、フィン重量という）に対する伝熱性能を調べるため、本発明品と従来品による実測データとシミュレーションモデルによる解析値を用いて比較を行った。
本実施例では、断面形状がほぼ扁平形状の板厚が０．５ｍｍの、ＳＵＳ３０４Ｌオーステナイト系ステンレスを素材として形成された扁平管（ｈ＝５ｍｍ、Ｗ＝５９ｍｍ、長さ＝２７０ｍｍ）の内部に、板厚が０．１ｍｍのＳＵＳ３１６Ｌオーステナイト系ステンレス材にプレス成形を施すことによって形成された断面形状が略矩形のチャンネル波形を有する図３に示されるものとほぼ同様の波形フィン構造体２２であって、該波形フィン構造体２２は相当直径Ｄを種々変えた波形フィン構造体単体（内高さａ＝２．４ｍｍ、内幅ｂ＝１〜４ｍｍ、相当直径Ｄ＝１．４〜３．０ｍｍ）２２−１、２２−２を図３のようにそれぞれ２段に相重ね、さらに該波形フィン構造体単体の間に扁平管２１−１の内幅ｗにほぼ等しく、かつ該波形フィン構造体単体の軸方向長さにほぼ等しい１枚のスペーサ板３（材質：波形フィン構造体単体と同種、厚さ０．１ｍｍ）を介在させて構成し、この波形フィン構造体２２を扁平管２１−１内に内装し、各相互当接部をろう付けによって接合して構成した図３に示すものと同様の構成を有するＥＧＲクーラー用扁平伝熱管２１を用い、図７に示すものとほぼ同じＥＧＲクーラー（Ｘ＝７０ｍｍ、Ｙ＝９０ｍｍ、長さ＝２７０ｍｍ、伝熱管数＝１０本、Ｓ＝２．５ｍｍ）を製作し、これらのフィン重量比と交換熱量比の関係を調べた。
ここで、フィン重量比とは、従来の一段式波形フィン構造体（相当直径Ｄ＝３．８）を用いたＥＧＲクーラーのフィン重量に対する、各種波形フィン構造体を用いたＥＧＲクーラーのフィン重量との比のことである。
なお、前記フィン重量比と交換熱量比の特性は、同じ重量比において交換熱量比が大きい方が優れていることを意味するが、このことは単にフィンの重量が軽く扁平伝熱管が軽量となるだけではなく、フィン用材料であるステンレス鋼板の使用量を減少させることができるのでＥＧＲクーラーを低コストで製造可能であるという観点からも留意しなければならない特性である。
【００５４】
本実施例の結果を、従来の１段式波形フィン構造体１２２（図１２〜図１３参照）を用いたＥＧＲクーラー（扁平管：ｈ＝５ｍｍ、Ｗ＝５９ｍｍ、長さ＝２７０ｍｍ、波形フィン構造体：波形フィン構造体単体の内高さａ＝４．９ｍｍ、内幅ｂ＝２〜３．５ｍｍ、相当直径Ｄ＝２．８〜４．１ｍｍ、コア：Ｘ＝７０ｍｍ、Ｙ＝９０ｍｍ、長さ＝２７０ｍｍ、伝熱管数＝１０本、Ｓ＝２．５ｍｍ）と、図３に示されるものとほぼ同様の２段式波形フィン構造体２２を用いたＥＧＲクーラー（扁平管：ｈ＝５ｍｍ、Ｗ＝５９ｍｍ、長さ＝２７０ｍｍ、波形フィン構造体：波形フィン構造体単体の内高さａ＝２．４ｍｍ、内幅ｂ＝０．７〜４ｍｍ、相当直径Ｄ＝１．１〜３ｍｍ、コア：Ｘ＝７０ｍｍ、Ｙ＝９０ｍｍ、長さ＝２７０ｍｍ、伝熱管数＝１０本、Ｓ＝２．５ｍｍ）、および図６に示されるものとほぼ同様の３段式波形フィン構造体５２を用いたＥＧＲクーラー（扁平管：ｈ＝５ｍｍ、Ｗ＝５９ｍｍ、長さ＝２７０ｍｍ、波形フィン構造体単体：波形フィン構造体単体の内高さａ＝１．５ｍｍ、内幅ｂ＝１〜４ｍｍ、相当直径Ｄ＝１．２〜２．１ｍｍ、コア：Ｘ＝７０ｍｍ、Ｙ＝９０ｍｍ、長さ＝２７０ｍｍ、伝熱管数＝１０本、Ｓ＝２．５ｍｍ）と合わせて（前記した三つのケースについて）、図１１に示す。
【００５５】
図１１に示す結果より明らかなように、前記図１０に示す結果と同様に実測データに基づく解析による本実施例においても本発明の２段式および３段式の波形フィン構造体を内装した伝熱管を使用したＥＧＲクーラーは、従来の１段式の波形フィン構造体を内装した伝熱管を使用した従来のＥＧＲクーラーに比べ交換熱量比が高く優れていることを示している。
なお、本実施例においても、図１１に示されるように、２段フィンと３段フィンの重量に対する伝熱性能を比較すると、同じフィン重量では２段フィンの方が伝熱性能が高いことから、３段式の波形フィン構造体よりも２段式の波形フィン構造体の方がより優れているということができる。
【実施例５】
【００５６】
本発明の扁平管と（前記扁平管に内装される）波形フィン構造体単体とからなるＥＧＲクーラー用扁平伝熱管において、前記したように、
・  前記波形フィン構造体単体の（形状）構造は、当該単体の内高さａ、内幅ｂ、矩形チャンネルのアスペクト比ｂ／ａまたはａ／ｂ、相当直径Ｄの観点から規定されるものであり、さらに加えて、
・  前記波形フィン構造体単体の（形状）構造は、扁平管の内部空間高さｈ、波形フィン構造体単体の段数の観点から規定されるものである。
以下、これらの規定（限定）条件の観点より、波形フィン構造体単体の内高さａ、内幅ｂがどのような規定値を有するかを表１、表２に示す。表１、表２において、列は波形フィン構造体単体の内高さａを表し、０．５ｍｍから１１階層に分けて５ｍｍまでの範囲とし、行は波形フィン構造体単体の内幅ｂを表し、０．５ｍｍから１５階層に分けて７ｍｍまでの範囲とした。各データ欄の上段にアスペクト比（ｂ／ａまたはａ／ｂ）を、下段に相当直径を示している。
【００５７】
表１において、式（１）〜式（５）の条件をすべて満足する範囲は、表内データの網掛けで示している。
すなわち、表１に示すように本発明のＥＧＲクーラー用扁平伝熱管は、特定条件を満足する波形フィン構造体単体を使用することにより、優れた伝熱特性を発揮するものである。
【００５８】
表２において、式（１）〜式（５）の条件をすべて満足する表１の範囲に加え、さらに式（６）〜式（７）の条件をもすべて満足する範囲は、表内データの網掛けで示されている。
具体的な条件としては、例えば、扁平管の内部高さｈを式（６）の最大値の６ｍｍとし、かつ段数を最小の２段とする条件（例えば、ｈ＝６ｍｍ、ａ＝３ｍｍを１つの条件賭する）を選べばよいから、表２に示すように本発明のＥＧＲクーラー用扁平伝熱管は、特定条件を満足する波形フィン構造体単体を使用することにより、はじめて優れた伝熱特性を発揮することがわかる。
【００５９】
【表１】
2011047542.tif 000003
【００６０】
【表２】
2011047542.tif 000004
【００６１】
前記実施例１〜５は、ディーゼルエンジンやガソリンエンジン用のＥＧＲクーラーに関するものである。しかし、本発明は、内燃機関用のＥＧＲクーラーのみならず、ＰＭを含有する高温ガスに対する熱交換器にも適用可能であることはいうまでもない。
すなわち、本発明のＥＧＲクーラー用扁平伝熱管およびこれを使用したＥＧＲクーラーは、本願明細書の記載・説明および当業者の技術レベルから明らかのように、ＥＧＲクーラー用以外の他のＰＭを含有する高温ガス等を処理するための熱交換要素部材として有用なものである。
したがって、本発明におけるＥＧＲクーラー用扁平伝熱管およびＥＧＲクーラーという用語の意味は、最広義に解釈されるべきであり、一般の熱交換器要素部材（一般の熱交換器用扁平伝熱管、熱交換器）までを含有するものであると解釈されるべきである。
【産業上の利用可能性】
【００６２】
本発明のＥＧＲクーラー用扁平伝熱管は、波形フィン構造体単体の内高さ、内幅、矩形チャンネルのアスペクト比および相当直径を適正値に設定した波形フィン構造体単体を２段または複数段に相重ね、かつ相互の当接部を接合して構成した多段式波形フィン構造体を、極薄（１０ｍｍ以下）の扁平管の内部に内装して構成されるものであるため、扁平管のサイズを大きくしたり配管本数を増加させることなく従来と同等の大きさ、すなわちコンパクトかつ軽量で、さらにＰＭの付着により伝熱性能が低下することがなく高い伝熱性能が得られ、かつ低流量域から高流量域までと幅広い流量領域で所望の高いＥＧＲ率を確保できる、極めて限定された（極薄な）空間スペース内に配設されなければならないＥＧＲクーラー用として有用なものである。
【００６３】
特に、波形フィン構造体の壁面からのＰＭの剥離物質の燃焼室内で残渣となって摺動部分の摩耗を増大させてエンジン構成部品の耐久性を脅かし破損等を招くなどのトラブルの要因となることがない。また、空気より比熱が大きく昇温し難い燃焼排気ガスであるＥＧＲガスの十分な流量を確保してシリンダー内での比熱が小さく昇温し易い空気の体積比率を低く抑えることができ、これによって燃焼温度が高温となり窒素の酸化が進行して窒素酸化物（二酸化窒素等）が増大し排気ガスが悪化することを抑制することができる。さらに、燃焼温度が高温にならないことにより燃焼室壁面からの熱エネルギーの散逸を減少させて燃料消費率を向上させることができ、さらにまた、エンジン冷却水への伝熱量の増大を抑制してラジエーターからの放熱負荷を減少させ、クーリングシステムを構成するラジエーターや冷却ファンの大型化を抑制することができることから、熱交換性能の優れたＥＧＲガス冷却装置の小型軽量化等を低コストで実現できるなど、当該技術分野に大きく寄与し得る。
【符号の説明】
【００６４】
１、１１、２１、３１、４１、５１  ＥＧＲクーラー用伝熱管
１−１、１１−１、２１−１、３１−１、４１−１、５１−１  扁平管
２、１２、２２、３２、４２  ２段式の波形フィン構造体
２−１、１２−１、２２−１、３２−１、４２−１、５２−１  波形フィン構造体単体
２−１ａ、１２−１ａ、２２−１ａ、２２−２ａ、３２−１ａ、３２−２ａ、  ４２−１ａ、４２−２ａ、５２−１ａ、５２−２ａ  垂直壁部
２−１ｂ、１２−１ｂ、２２−１ｂ、２２−２ｂ、３２−１ｂ、４２−１ｂ、  ５２−２ｂ  水平壁部
３  スペーサ板
４  コア（シェル本体）
５２  ３段式の波形フィン構造体
ａ  波形フィン構造体単体の内高さ
ｂ  波形フィン構造体単体の内幅
Ｗ  扁平管の外幅
ｗ  扁平管の内幅
Ｘ  コア断面幅
Ｙ  コア断面高さ
Ｓ  間隔
【図１】
2011047542.tif 000005
【図２】
2011047542.tif 000006
【図３】
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【図４】
2011047542.tif 000008
【図５】
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【図６】
2011047542.tif 000010
【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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