(57)【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。【解決手段】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。【選択図】図２
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【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
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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