(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
胴管内壁の両端部付近に固定されたチューブシートに伝熱管群が固着配列され、さらに前記胴管の両端部の外側には端部キャップが固着され、また前記端部キャップにはＥＧＲガスの流入口と流出口が設けられ、前記端部キャップのガス流入口および流出口の外側開口端部に締結用フランジが外嵌固着された構造の多管式のＥＧＲガス冷却装置において、前記締結用フランジの端部キャップ取付孔をストレート孔部とチューブシート側に広がるテーパー孔部とで構成し、かつ前記テーパー孔部の管軸に対する傾斜角度を２０〜６０度とするとともに、同テーパー孔部の軸線方向幅を当該締結用フランジの厚さの４０〜８５％として形成したことを特徴とするＥＧＲガス冷却装置。
【請求項２】
前記端部キャップ取付孔のテーパー部の管軸に対する傾斜角度を２５度〜４０度としたことを特徴とする請求項１記載のＥＧＲガス冷却装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、エンジンの冷却液、インタークーラー用冷媒、カーエアコン用冷媒または冷却風などによってＥＧＲガスを冷却する装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
排気ガスの一部を排気系から取出して、再びエンジンの吸気系に戻し、混合気に加える方法は、ＥＧＲ（Ｅｘｈａｕｓｔ  Ｇａｓ  Ｒｅｃｉｒｃｕｌａｔｉｏｎ：排気再循環）と称される。ＥＧＲはＮＯｘ（窒素酸化物）の発生抑制、ポンプ損失の低減、燃焼ガスの温度低下に伴う冷却液への放熱損失の低減、作動ガス量・組成の変化による比熱比の増大と、これに伴うサイクル効率の向上など、多くの効果が得られることから、エンジンの熱効率を改善するには有効な方法とされている。
【０００３】
しかるに、ＥＧＲガスの温度が高くなると、吸気温の上昇に伴う燃費の低下や、その熱作用によりＥＧＲバルブの耐久性が劣化し、早期破損を招く場合があったり、その防止のために水冷構造とする必要があることなどが認識されている。このような事態を避けるため、エンジンの冷却液などによってＥＧＲガスを冷却する装置が用いられている。この装置としては、一般に多管式の熱交換器が利用される。
【０００４】
この場合に利用される多管式の熱交換器は、図３、図４にその一例を示すごとく、両端部に冷却媒体流入口１１−１および冷却媒体流出口１１−２を設けた胴管１１内部において、伝熱管群１２の両端部がチューブシート１３にろう付けまたは溶接により固定され、一方チューブシート１３はその外周部を胴管１１の内壁にろう付けまたは溶接により固着して配列され、前記胴管１１の一方の端部にはＥＧＲガスの流入口１４ａ−１が設けられた端部キャップ１４ａが固着され、また他方の端部にはＥＧＲガスの流出口１４ｂ−１が設けられた端部キャップ１４ｂが固着された構成となし、かつ前記端部キャップ１４ａ、１４ｂのガス流入口１４ａ−１および流出口１４ｂ−１の外側開口端部に締結用フランジ１５ａ、１５ｂが外嵌固着された構造となっている。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
従来の、ＥＧＲガスの冷却に用いられる多管式の熱交換器における端部キャップ１４ａ、１４ｂのＥＧＲガス流入口１４ａ−１および流出口１４ｂ−１は、それぞれ図５に示すごとく、すべてストレート筒部１４ａ−２と急激に立上がった傾斜部１４ａ−３および急激に立下がった傾斜部１４ｂ−３とストレート筒部１４ｂ−２とで構成されており、締結用フランジ１５ａ、１５ｂはこのストレート筒部１４ａ−２と１４ｂ−２に固着された構造となっている。しかるに、ＥＧＲガス流入口１４ａ−１がストレート筒部１４ａ−２からなる端部キャップ１４ａの場合は、図５にＥＧＲガス流入口部におけるＥＧＲガスの流れを示すごとく、ストレート筒部１４ａ−２からなるＥＧＲガス流入口１４ａ−１から高速で流入したＥＧＲガスが当該ストレート筒部で整流されるために、ＥＧＲガスの流れが急激に立上がった傾斜部１４ａ−３に沿って流れにくく、チューブシート１３の中央部に多量に流れ、周辺には少なく流れるという偏流現象が発生し、これによりチューブシート１３に固着された伝熱管群１２のうち、中央部に位置する伝熱管群には高速のＥＧＲガスが多量に流れ、胴管１１の内壁に近い周辺付近の伝熱管群１２には流速の遅いＥＧＲガスが少なく流れる結果、伝熱管群１２内の熱交換量にバラツキが発生し、熱交換器全体の熱交換性能を低下させる原因となるとともに、中央部に位置する伝熱管群に流入するに際して縮流化を生じて流過抵抗を増大させる。
【０００６】
またＥＧＲガス流出口１４ｂ−１がストレート筒部１４ｂ−２からなる端部キャップ１４ｂの場合は、図５にＥＧＲガス流出口部におけるＥＧＲガスの流れを示すごとく、伝熱管群１２の周辺部から流出したＥＧＲガスが直ちに急激に立下がった傾斜部１４ｂ−３に突き当たるために流れの方向を急に変えられて渦を発生し、中央部での縮流化と相俟って大きな流過抵抗を生じて大きな圧力損失を生じ、ＥＧＲガス冷却装置としてＥＧＲガス量が低下し、高いＥＧＲ率が得られない原因となっていた。
【０００７】
本発明は、上記した多管式熱交換器の端部キャップ部における中央部へのＥＧＲガスの偏流現象と縮流現象とによる伝熱管群内の熱交換量のバラツキを解消するためになされたもので、端部キャップのガス流入口から高速で流入するＥＧＲガスがチューブシートに固着された伝熱管群の中央部と周辺部に可及的に均等に流れるように改善し、かつ流出するＥＧＲガスの圧力損失を減少させて高いＥＧＲ率が得られるＥＧＲガス冷却装置を提供しようとするものである。
【０００８】
本発明は、上記課題を解決するため、胴管内壁の両端部付近に固定されたチューブシートに伝熱管群が固着配列され、さらに前記胴管の両端部の外側には端部キャップが固着され、また前記端部キャップにはＥＧＲガスの流入口と流出口が設けられ、前記端部キャップのガス流入口および流出口の外側開口端部に締結用フランジが外嵌固着された構造の多管式のＥＧＲガス冷却装置において、前記締結用フランジの端部キャップ取付孔をストレート孔部とチューブシート側に広がるテーパー孔部とで構成し、かつ前記テーパー孔部の管軸に対する傾斜角度を２０〜６０度とするとともに、同テーパー孔部の軸線方向幅を当該締結用フランジの厚さの４０〜８５％として形成したＥＧＲガス冷却装置を特徴とするもので、前記端部キャップ取付孔のテーパー部の管軸に対する傾斜角度を２５度〜４０度とすることが好ましい。
【０００９】
すなわち、本発明は、端部キャップのガス流入口から高速で流入するＥＧＲガスの中心流と周辺流の流速の差を可及的に少なくし、かつ伝熱管群から流出するＥＧＲガスを可及的に少ない圧力損失で排出させるため、端部キャップとチューブシートとにより形成される空間領域において、端部キャップのガス流入口から高速で流入したＥＧＲガスの流れが可及的に外側に滑らかに広がるように、かつ端部キャップのガス流出口へ滑らかに少ない抵抗で流出するように締結用フランジの端部キャップ取付孔をストレート孔部とチューブシート側に滑らかに広がるテーパー孔部とで構成したものである。つまり、締結用フランジの孔をストレート孔部とチューブシート側に滑らかに広がるテーパー孔部とで構成したのは、前記空間領域に流入したＥＧＲガスの流れを滑らかに広がり易くし、かつ流出したＥＧＲガスが滑らかに排出し易くするためである。
【００１０】
本発明において、前記テーパー孔部の管軸に対する傾斜角度を２０〜６０度、好ましくは２５〜４０度と限定したのは、２０度未満ではストレート孔に近くなりＥＧＲガス冷却装置が軸線方向の寸法が大型化してしまい、他方６０度を超える傾斜角度とするとＥＧＲガスの流れの滑らかな広がり効果の向上はほとんど得られないためである。なおＥＧＲガス冷却装置の寸法とＥＧＲガスの流れの滑らかな広がり効果の両者を参酌すると前記傾斜角度は２５〜４０度とすることが好ましい。またそのテーパー孔部の軸線方向幅を当該締結用フランジの厚さの４０〜８５％と限定したのは、４０％未満ではストレート孔部が長くなりＥＧＲガスの流れの広がり効果が少なく、他方、８５％未満としたのはＥＧＲガス冷却装置の軸芯に対する締結用フランジの角度精度の確保と強度バランスを考慮したためである。
【００１１】
このように、締結用フランジの端部キャップ取付孔をストレート孔部とチューブシート側に広がるテーパー孔部とで構成し、かつ前記テーパー孔部の管軸に対する傾斜角度を２０〜６０度とするとともに、同テーパー孔部の軸線方向幅を当該締結用フランジの厚さの４０〜８５％とし、締結用フランジのテーパー孔部を端部キャップのテーパー部の外周面に沿う形状に形成することにより、端部キャップとチューブシートとにより形成される空間領域におけるＥＧＲガスの流れが可及的に外側に滑らかに広がり、中心流と周辺流の流速の差が少なくなり、チューブシートに固着された中央部と周辺部の伝熱管群における熱交換量のバラツキを低減できるとともに、流過抵抗による圧力損失を低減して高いＥＧＲ率を得ることができる。
【００１２】
【発明の実施の形態】
図１は本発明に係る多管式のＥＧＲガス冷却装置の構造例を示す一部破断平面図、図２は同上装置のＥＧＲガス流入口側およびＥＧＲガス流出口側を拡大して示す中央部を破断した断面図であり、１は胴管、２は伝熱管群、３はチューブシート、４ａ、４ｂは端部キャップ、４ａ−１はＥＧＲガスの流入口、４ｂ−１はＥＧＲガスの流出口、５ａ、５ｂは締結用フランジである。
【００１３】
すなわち、本発明に係る多管式のＥＧＲガス冷却装置は、両端部に冷却媒体流入口１−１および冷却媒体流出口１−２を設けた胴管１内部において、伝熱管群２の両端部がチューブシート３にろう付けまたは溶接により固定され、一方チューブシート３はその外周部を胴管１の内壁にろう付けまたは溶接により固着して配列され、前記胴管１の一方の端部にはＥＧＲガスの流入口４ａ−１が設けられた端部キャップ４ａが固着され、また他方の端部にはＥＧＲガスの流出口４ｂ−１が設けられた端部キャップ４ｂが固着された構成となし、かつ前記端部キャップ４ａ、４ｂのガス流入口４ａ−１および流出口４ｂ−１の外側開口端部に締結用フランジ５ａ、５ｂが外嵌固着された構造を有するものであって、前記締結用フランジ５ａ、５ｂは、それぞれ端部キャップ取付孔をストレート孔部５ａ−１、５ｂ−１とチューブシート３側に広がるテーパー孔部５ａ−２、５ｂ−２とで構成している。そして、前記締付用フランジ５ａ、５ｂのテーパ孔部５ａ−２、５ｂ−２は端部キャップ４ａ、４ｂのチューブシート３側に広がるテーパ部４ａ−３、４ｂ−３の外周面に沿う形状に形成されている。なお、締結用フランジ５ａ、５ｂはそれぞれ端部キャップ４ａ、４ｂのガス流入口４ａ−１、ガス流出口４ｂ−１の外周面にろう付けまたは溶接により固着される。
【００１４】
さらに、前記チューブシート３側に広がるテーパー孔部５ａ−２、５ｂ−２の軸線方向幅Ｗ１は、当該締結用フランジ５ａ、５ｂの厚さＷの４０〜８５％の範囲に形成し、かつ管軸に対する傾斜角度θは２０〜６０度、好ましくは２５〜４０度の範囲となっている。
【００１５】
すなわち、本発明に係る多管式のＥＧＲガス冷却装置は、胴管１の端部に固着される端部キャップ４ａに設けられたＥＧＲガスの流入口４ａ−１あるいは端部キャップ４ｂに設けられたＥＧＲガスの流出口４ｂ−１に形成されるストレート孔部５ａ−１、５ｂ−１の長さが短く、かつ端部キャップ４ａあるいは４ｂのペーパー部４ａ−３、４ｂ−３がテーパー孔部５ａ−２あるいは５ｂ−２に沿ってチューブシート３側に広がった形状となっており、したがって、ＥＧＲガスの流入口４ａ−１より流入したＥＧＲガスは、端部キャップ４ａとチューブシート３とにより形成される空間領域において、端部キャップ４ａのテーパー部４ａ−３の内面に沿って滑らかに外側に滑らかに流れる周辺流ｙが多く形成されることにより、チューブシート３の中央部に向って流れる中心流ｘとの流速の差が少なくなり、チューブシート３に固着された中央部と周辺部の伝熱管群２には可及的に均等にＥＧＲガスが流入するので、中央部と周辺部の各伝熱管内ではほぼ同一の流速を得、したがってほぼ同一の管内伝熱係数（ｋｃａｌ／ｍ２ｈｒ℃）を得ることができ、ＥＧＲガスの偏流現象による熱交換性能の低下を容易に防止することができるとともに、中央部に位置する伝熱管群への流入部での縮流化の発生を防止し、この縮流に伴う大きな圧力損失の発生を防止することができる。
また、ＥＧＲガスの流出側においても、伝熱管群２を出たＥＧＲガスは、端部キャップ４ｂのテーパ部４ｂ−３の内面と突き当たって流れの方向を急に変えられて渦の発生を起こすことなく該内面に沿って滑らかに流れることにより中心流ｘと周辺流ｙとはほぼ同一の流速で流出口４ｂ−１より流出する。したがって伝熱管群を出たＥＧＲガスは大きな圧力損失を生ずることなく高いＥＧＲ率での使用が可能となる。
【００１６】
【発明の効果】
以上説明したごとく、本発明のＥＧＲガス冷却装置によれば、端部キャップとチューブシートとにより形成される空間領域におけるＥＧＲガスの流れを可及的に外側に滑らかに広げることができるので、流入口より流入したＥＧＲガスの中心流と周辺流の流速の差が少なくなり、チューブシートに固着された中央部と周辺部の伝熱管群に可及的に均等にＥＧＲガスが流入し、また伝熱管群を出たＥＧＲガスは中心流と周辺流とがほぼ同一の流速で流出することにより、伝熱管内流速の均一化、伝熱係数の均一化を達成でき、伝熱管群における熱交換量のバラツキを低減できるという優れた効果を奏する。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係る多管式のＥＧＲガス冷却装置の構造例を示す一部破断平面図である。
【図２】同上装置のＥＧＲガス流入口側およびＥＧＲガス流出口側を拡大して示す中央部を破断した断面図である。
【図３】本発明の対象とする従来の多管式のＥＧＲガス冷却装置の一例を示す一部破断平面図である。
【図４】図３のＡ−Ａ矢視図である。
【図５】同上従来のＥＧＲガス冷却装置のＥＧＲガス流入口側およびＥＧＲガス流出口側を拡大して示す中央部を破断した断面図である。
【符号の説明】
１  胴管
２  伝熱管群
３  チューブシート
４ａ、４ｂ  端部キャップ
４ａ−１  ＥＧＲガスの流入口
４ｂ−１  ＥＧＲガスの流出口
５ａ、５ｂ  締結用フランジ
５ａ−１、５ｂ−１  ストレート孔部
５ａ−２、５ｂ−２  テーパー孔部
ｘ  中心流
ｙ  周辺流
Ｗ  締結用フランジの厚さ
Ｗ１  テーパー孔部の軸線方向幅
【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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