(57)【要約】【課題】ＥＧＲガスクーラにおける冷却水の沸騰を抑制する。【解決手段】ＥＧＲガスクーラが、入口ヘッダ４と出口ヘッダ６との間に、ガスを通過させる複数のチューブ２と、冷却水を通過させる複数の冷却水通路１５とを交互に配置するようにして設けられている。各チューブ２は、その内部にインナーフィンを有している。このＥＧＲガスクーラでは、入口ヘッダ４からの比較的速い排気ガスが流入する中央のチューブ２は、密のインナーフィンを有しており、一方、入口ヘッダ４からの比較的遅い排気ガスが流入する外側のチューブ２は、粗のインナーフィンを有している。この構成により、全てのチューブ２におけるガス流れがほぼ均一になり、ＥＧＲガスクーラにおける冷却水の沸騰が抑制される。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
複数のプレートを積層して互いに接合し、積層方向に隣接するプレート間の隙間によって、ガスを通過させる複数のチューブと、冷却水を通過させる複数の冷却水通路と、が交互に形成されるＥＧＲガスクーラであって、上記複数のチューブが、ガスの入口となる入口ヘッダとガスの出口となる出口ヘッダとの間に配置され、上記複数のチューブの各々が、内部にプレート状のインナーフィンを有してなるＥＧＲガスクーラにおいて、
上記複数のチューブは、上記入口ヘッダからのガス流れに対応して粗密の異なる複数種のインナーフィンを有することを特徴とするＥＧＲガスクーラ。
【請求項２】
上記インナーフィンは、一対の側壁で囲まれた複数のセグメントを有しており、上記インナーフィンの粗密は、各セグメントの面を切り起こして形成された突起の数によって決定されることを特徴とする請求項１に記載のＥＧＲガスクーラ。
【請求項３】
上記入口ヘッダからの比較的速いガス流れが流入するチューブが、密のインナーフィンを有することを特徴とする請求項１に記載のＥＧＲガスクーラ。
【請求項４】
上記冷却水通路内に冷却水が淀んでいる淀み部があり、この淀み部とプレートの積層方向に重なるチューブ内のインナーフィンの部分が該インナーフィン内の他の部分よりも粗であることを特徴とする請求項１に記載のＥＧＲガスクーラ。
【請求項５】
１つのインナーフィン内に密部分および粗部分の双方があることを特徴とする請求項１に記載のＥＧＲガスクーラ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、内燃機関の排気系から吸気系へ還流される排気ガス（ＥＧＲガス）を冷却水によって冷却するＥＧＲガスクーラに関する。
【背景技術】
【０００２】
特許文献１には、内燃機関の排気系から吸気系へ還流される高温の排気ガスと冷却水との間で熱交換を行うＥＧＲガスクーラが開示されている。このＥＧＲガスクーラでは、入口ヘッダ（ディフューザ）と出口ヘッダとの間で複数のプレートが積層されており、積層方向に隣接するプレート間の隙間によって、排気ガスを通過させる複数のチューブと、冷却水を通過させる複数の冷却水通路とが、交互に形成されている。また、各チューブが、内部にプレート状のインナーフィンを備えており、複数のチューブのインナーフィンは、いずれも同一の構成となっている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２０１０−１９００６４号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
特許文献１のようなＥＧＲガスクーラの構成では、入口ヘッダの中央部に近いチューブの入口に多量の排気ガスが流入し、入口ヘッダの中央部から該入口ヘッダの周壁に向かうにつれて、より少量の排気ガスがチューブの入口に流入する。そのため、入口ヘッダの中央部に近いチューブでは冷却水と多量の高温排気ガスとの間で熱交換が積極的に行われており、一方、入口ヘッダの周壁付近のチューブでは、冷却水とより少量の高温排気ガスとの間で熱交換が消極的に行われている。従って、入口ヘッダの中央部に近いチューブに隣接する冷却水通路内を流れる冷却水は、熱交換による負荷が高いため、沸騰する虞がある。
【０００５】
なお、近年、設定ＥＧＲ率の増大やＥＧＲ領域の高回転高負荷側への拡大が求められる傾向にあるため、ＥＧＲガスクーラに流れるガス流量がますます増加し、かつガス温度が高くなっている。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明は、複数のプレートを積層して互いに接合し、積層方向に隣接するプレート間の隙間によって、ガスを通過させる複数のチューブと、冷却水を通過させる複数の冷却水通路と、が交互に形成されるＥＧＲガスクーラであって、上記複数のチューブが、ガスの入口となる入口ヘッダとガスの出口となる出口ヘッダとの間に配置され、上記複数のチューブの各々が、内部にプレート状のインナーフィンを有してなるＥＧＲガスクーラに関し、上記複数のチューブは、上記入口ヘッダからのガス流れに対応して粗密の異なる複数種のインナーフィンを有している。
【０００７】
従って、上記粗密の異なる複数種のインナーフィンにより、各チューブでのガス流れに対する通気抵抗が調整され、全てのチューブにおけるガス流れがほぼ均一なものとなる。
【発明の効果】
【０００８】
本発明によれば、全てのチューブにおけるガスと冷却水との熱交換がほぼ均一に行われるようになるので、ＥＧＲガスクーラにおける冷却水の沸騰を抑制することができる。
【図面の簡単な説明】
【０００９】
【図１】本発明に係るＥＧＲガスクーラの第１の実施例の概略的な斜視図である。
【図２】図１のＡ−Ａ線に沿ったＥＧＲガスクーラの断面図である。
【図３】図２のＤ部分を拡大したＥＧＲガスクーラの断面図である。
【図４】図３のインナーフィンの斜視図である。
【図５】（ａ）は、突起を有していないセグメントの斜視図であり、（ｂ）は、１つの突起を有したセグメントの斜視図であり、（ｃ）は、２つの突起を有したセグメントの斜視図であり、（ｄ）は、３つの突起を有したセグメントの斜視図である。
【図６】本発明に係るＥＧＲガスクーラの第２の実施例の図２と同様の断面図である。
【図７】本発明に係るＥＧＲガスクーラの第３の実施例の説明図である。
【図８】図１の実施例の冷却水流れをより明確に示した斜視図である。
【発明を実施するための形態】
【００１０】
以下、本発明の一実施例を、図面に基づいて説明する。
【００１１】
図１には、本発明に係るＥＧＲガスクーラの一実施例が示されている。このＥＧＲガスクーラは、内燃機関から排出される高温の排気ガスの一部を内燃機関の吸気側に還流させる際に、この排気ガスを冷却水によって冷却するように用いられる。上記ＥＧＲガスクーラでは、断面が概ね「Ｕ」字状のケース１内に後述する複数の偏平なチューブ２が収容されており、該ケース１の側方の開口面を覆うカバー３がケース１に取り付けられている。上記ケース１の一端には、ガスの入口となる入口ヘッダ４が取り付けられている。この入口ヘッダ４の先端は、中央部に上記入口ヘッダ４と連通する貫通孔５ａ（図２参照）を有してなる概ね菱形の入口側フランジ５に接続されている。また、上記ケース１の他端には、ガスの出口となる出口ヘッダ６が取り付けられている。上記入口ヘッダ４側と同様に、出口ヘッダ６の先端は、中央部に出口ヘッダ６と連通する貫通孔８ａを有してなる概ね菱形の出口側フランジ８に接続されている。
【００１２】
ここで、以下の説明の便宜のために、上記ＥＧＲガスクーラの長手方向（ガス流れ方向）となる図１のＬ方向を「ＥＧＲガスクーラ長さ方向」と定義し、Ｌ方向と直交するＷ方向を「ＥＧＲガスクーラ幅方向」と定義し、さらに、Ｌ方向およびＷ方向の双方と直交するＨ方向を「ＥＧＲガスクーラ高さ方向」と定義する。
【００１３】
入口ヘッダ４側および出口ヘッダ６側の双方において、ケース１の上面１ａの一部がＥＧＲガスクーラ高さ方向Ｈに膨出するとともにＥＧＲガスクーラ幅方向Ｗに帯状に連続することにより、膨出部９，９がそれぞれ形成されている。これらの膨出部９，９によって、ケース１の内側にそれぞれ入口側横方向通路１１（図７参照）および出口側横方向通路１２（図７参照）が形成されており、これらの横方向通路１１，１２を通して冷却水がＥＧＲガスクーラ幅方向Ｗに沿って通流する。
【００１４】
入口ヘッダ４側の膨出部９のカバー３の近くには、冷却水が導入される冷却水入口管１３が取り付けられている。一方、出口ヘッダ６側の膨出部９では、入口ヘッダ４側とは異なり、冷却水が導出される冷却水出口管１４が、膨出部９のカバー３とは反対側に片寄って取り付けられている。つまり、図１の上側から見て、上記冷却水入口管１３および冷却水出口管１４は、上面１ａの対角線上に位置しており、冷却水入口管１３から導入された冷却水は、この対角線に沿って流れてから冷却水出口管１４を介して導出されるようになっている。
【００１５】
図２に示すように、上記入口ヘッダ４と上記出口ヘッダ６との間には、複数のチューブ２を一体化してなるコア部１６が構成されている。このコア部１６は、ガスを通過させる通路となる偏平なチューブ２の間に、冷却水が流れる後述する冷却水通路１５を形成することで、両者を交互に配置したものであり、例えば５つの偏平なチューブ２および６つの冷却水通路１５により、コア部１６が構成されている。上記入口ヘッダ４は、入口側円筒部１７と、この円筒部１７からコア部１６の一端面１６ａへと断面積が連続的に増加する入口側コーン部１８と、を備えている。また、上記出口ヘッダ６は、入口ヘッダ４と同様に、出口側円筒部１９および出口側コーン部２０を備えており、これらの円筒部１９およびコーン部２０は、上記コア部１６を挟んで入口側円筒部１７および入口側コーン部１８と対称となるように配置されている。
【００１６】
このように構成されたＥＧＲガスクーラにおいて、内燃機関からの高温の排気ガスの一部（矢印Ｂ）が、入口側円筒部１７および入口側コーン部１８から入り、各チューブ２を通過して、出口側コーン部２０および出口側円筒部１９を通して内燃機関の吸気側へと出ていく。
【００１７】
一方、上記冷却水入口管１３からの冷却水は、コア部１６の一端面１６ａの近くで、ＥＧＲガスクーラ高さ方向Ｈ（図２の紙面に対して直交する方向）から導入されて各冷却水通路１５へと流入する。そして、この冷却水は、矢印Ｃで示すように、コア部１６の一端面１６ａ側から他端面１６ｂ側へとガス流れ方向Ｂと同じ方向に通流し、上記他端面１６ｂ側の近くで、ＥＧＲガスクーラ高さ方向Ｈへと導出される。
【００１８】
従って、上記ＥＧＲガスクーラは、ガス流れ方向Ｂと冷却水流れ方向Ｃとが一致した状態で、互いに隣接するチューブ２と冷却水通路１５との間で熱交換を行う、いわゆる並流型熱交換器となっている。
【００１９】
図３はコア部１６の詳細を示す断面図であり、同図に示すように、上記偏平なチューブ２は、ガス通路の壁となる第１のプレート２１および第２のプレート２２を備えている。上記第２のプレート２２は、基部２４と、該基部２４のＥＧＲガスクーラ長さ方向Ｌの両端から所定の角度αで上方へと折曲形成された傾斜部２５と、上記基部２４と平行になるように上記傾斜部２５の先端から折曲形成された先端部２６と、を備えている。上記第１のプレート２１と上記第２のプレート２２の基部２４との間には、プレート状のインナーフィン２３が配置されており、これらの三者は、ロウ付けにより一体に接合されている。この一対のプレート２１，２２は、ＥＧＲガスクーラ幅方向Ｗに複数対積層され、この積層状態では、１つのチューブ２の第２のプレート２２の先端部２６の外側面２６ａが、他のチューブ２の第１のプレート２１の外側面２１ｂと接触しており、この接触部分も同じくロウ付けによって接合されている。そして、この積層状態では、複数のプレート２１，２２の間の隙間によって、ガスを通過させる複数のチューブ２と、冷却水を通過させる複数の冷却水通路１５と、が交互に形成されている。
【００２０】
なお、コア部１６のＥＧＲガスクーラ高さ方向Ｈの両側端においては、図３に類似した構成により、１つのチューブ２の第１のプレート２１と第２のプレート２２とが互いにロウ付けされており、ガス流路として封止されている。冷却水通路１５は、ＥＧＲガスクーラ高さ方向Ｈの両側端において、冷却水の通流が可能となるように開放されている。
【００２１】
図４に示すように、上記インナーフィン２３は、金属製の板材をフィン幅方向ＦＷ（図の左右方向）に凹凸を繰り返すとともにこの繰り返しをフィン長手方向ＦＬ（図の前後方向）の所定の長さＬ１ごとに交互に左右（フィン幅方向ＦＷ）にずらしたオフセット形状に形成されている。一対の左右の側壁２７，２８で囲まれる長さＬ１の矩形の領域を１つのセグメント２９と定義すると、このセグメント２９が、フィン長手方向ＦＬおよびフィン幅方向ＦＷに複数個並んで設けられている。そして、フィン幅方向ＦＷに隣接する２つのセグメント２９は高さが異なっており、一方が第１のプレート２１にロウ付けされ、他方が第２のプレート２２にロウ付けされることとなる。
【００２２】
各セグメント２９には、一部を台形状に切り起こすことにより、上記チューブ２内に突出する１つまたは複数の突起３０が形成されている。上記突起３０に衝突したガスの流れは、乱流となり、下流側の２つのセグメント２９，２９へ拡散して流れる。本実施例では、突起３０によるインナーフィン２３の表面の凹凸が多く、乱流が多く形成されるものを、「密」のインナーフィン２３と呼び、突起３０による上記表面の凹凸が少なく、乱流が少なく形成されるものを、「粗」のインナーフィン２３と呼ぶ。ここで、インナーフィン２３の粗密は、１つのセグメント２９における突起３０の数によって決定されるものであり、突起３０の数を変えることにより段階的に調整可能となっている。
【００２３】
本実施例の突起３０の数としては、図５（ａ）〜５（ｄ）に示すように、例えば、０個、１個、２個、３個を用いることができる。
【００２４】
図５（ａ）では、インナーフィン２３のセグメント２９は突起３０を有していない。
【００２５】
また、図５（ｂ）では、各々のセグメント２９が、ガス流れ方向上流側に切り起こされた１つの突起３０を有している。
【００２６】
また、図５（ｃ）では、各々のセグメント２９が、２つの突起３０，３０を備えており、一方の突起３０が、ガス流れ方向上流側に切り起こされており、他方の突起３０が、上記一方の突起３０とは反対向きに切り起こされている。
【００２７】
さらに、図５（ｄ）では、各々のセグメント２９が、３つの突起３０，３０，３０を備えており、これらの突起３０，３０，３０の向きは揃っていない。
【００２８】
図４は、１つのセグメント２９が２つの突起３０，３０（図５（ｃ））を有してなるインナーフィン２３を示しており、このインナーフィン２３は、縦置き（フィン幅方向ＦＷがＥＧＲガスクーラ高さ方向Ｈと一致する向き）でプレート２１，２２とともにＥＧＲガスクーラ幅方向Ｗに積層される。
【００２９】
なお、上記実施例では、１つのインナーフィン２３の全面に亘って１種類の粗密が形成されているが、１つのインナーフィン２３内で粗部分と密部分とが混在するような構成としても良い。
【００３０】
以下に、本発明に係るＥＧＲガスクーラのコア部１６内での複数のチューブ２におけるインナーフィン２３の粗密の構成について説明する。
【００３１】
図１，図２に示したＥＧＲガスクーラでは、コア部１６の一端面１６ａの中央部に位置するチューブ２には、入口ヘッダ４の入口側円筒部１７の中心を通過した比較的速いガス流れが流入し、上記一端面１６ａの中央部から入口側コーン部１８の周壁に近づくにつれて、ガス流れが入口側コーン部１８の断面積の変化に伴って拡散し、チューブ２に流入するガス流れが段階的に遅くなる。仮に、コア部１６内の全てのチューブ２のインナーフィン２３の粗密が等しい場合には、上記一端面１６ａの中央部に位置するチューブ２に多量の高温排気ガスが流入し、このチューブ２において冷却水との熱交換が積極的に行われ、このチューブ２の周囲の冷却水通路１５内の冷却水が沸騰する虞がある。従って、上記ＥＧＲガスクーラでは、コア部１６内の全てのチューブ２におけるガス流れを概ね均一にすることにより中央部のチューブ２の熱交換の負荷を緩和するように、上記複数のチューブ２について、入口ヘッダ４からのガス流れに対応して粗密の異なる複数種のインナーフィンを用いている。具体的には、上記中央部のチューブ２に密のインナーフィン２３を用いることにより該チューブ２に流入するガス流量を制限し、さらに、上記中央部以外の複数のチューブ２に粗のインナーフィン２３を段階的に用いることにより、これらのチューブ２に流入するガス流量を増加させるようにしてある。
【００３２】
なお、インナーフィン２３の粗密は、コア部１６の中央部から外側へ向かうにつれて必ずしもチューブ２の１段毎に段階的に変化している必要はなく、数個のチューブ２の組毎に粗密が異なるようにしても良い。
【００３３】
上記のようなインナーフィン２３の粗密の構成の具体例としては、例えば、比較的速いガス流れが流入する図２の上から２〜４番目のチューブ２については、セグメント２９ごとに２つの突起３０，３０を有する比較的密なインナーフィン２３（図５（ｃ））が用いられており、比較的遅いガス流れが流入する図２の上から１，５番目のチューブ２については、セグメント２９ごとに１つの突起３０を有する比較的粗なインナーフィン２３（図５（ｂ））が用いられている。
【００３４】
上記のように、比較的速いガス流れが流入するチューブ２に密のインナーフィン２３を用いるとともに、比較的遅いガス流れが流入するチューブ２に粗のインナーフィン２３を用いるようにしたことから、前者のチューブ２内では、通気抵抗が大きくなってチューブ２内に流入するガス流量が減少し、後者のチューブ２内では、通気抵抗が小さくなってチューブ２内に流入するガス流量が増加することになり、結果として、コア部１６内の全てのチューブ２においてガス流れがほぼ均一なものとなる。従って、全てのチューブ２におけるガスと冷却水との熱交換がほぼ均一に行われるので、ＥＧＲガスクーラにおける冷却水の沸騰を抑制することができる。
【００３５】
図６には、本発明に係るＥＧＲガスクーラの第２の実施例が示されている。この実施例では、図２の実施例とは異なり、入口ヘッダ４の入口側円筒部１７が、コア部１６の一端面１６ａに対してＥＧＲガスクーラ幅方向Ｗにオフセットしており、これに伴って、コア部１６の一端面１６ａに対するガス流れもＥＧＲガスクーラ幅方向Ｗにオフセットしている。
【００３６】
この実施例では、例えば、比較的速いガス流れが流入する図の上から１，２番目のチューブ２については、セグメント２９ごとに２つの突起３０，３０を有する比較的密なインナーフィン２３が用いられており、比較的遅いガス流れが流入する図の上から３〜５番目のチューブ２については、セグメント２９ごとに１つの突起３０を有する比較的粗なインナーフィン２３が用いられている。
【００３７】
従って、このような構成によっても、全てのチューブ２におけるガスと冷却水との熱交換がほぼ均一に行われる。
【００３８】
図７には、本発明に係るＥＧＲガスクーラの第３の実施例が示されている。この実施例は、１つのインナーフィン２３の中に粗密が異なる部分を設けたものである。図７は、１つの冷却水通路１５をＥＧＲガスクーラ長さ方向Ｌに沿って断面を取り、この冷却水通路１５内での冷却水の流れを示した断面図である。上記冷却水入口管１３から導入された冷却水は、ＥＧＲガスクーラ高さ方向Ｈに沿って下方へと流れてから、ＥＧＲガスクーラ長さ方向Ｌに沿って流れ、そして、ＥＧＲガスクーラ高さ方向Ｈに沿って上方へと流れて冷却水出口管１４から導出される。つまり、この冷却水は、概ね「Ｕ」字を描くようにして冷却水入口管１３と冷却水出口管１４との間で流れていく。
【００３９】
上記のような冷却水流れでは、図７に示すように、冷却水通路１５の概ね矩形の断面の下側の２つの角部には、冷却水流れが十分に行き届かずに淀んでいる第１の淀み部３２，３２がそれぞれ存在する。そのため、本実施例では、上記冷却水通路１５と隣接しているチューブ２内のインナーフィン２３について、第１の淀み部３２，３２とＥＧＲガスクーラ幅方向Ｗに重なるインナーフィン２３の部分が残りの部分に比較して相対的に粗な構成となっている。例えば、前述した突起３０の個数が第１の淀み部３２において相対的に少ないものとなっている。これにより、高温の排気ガスと冷却水との熱交換のバランスがチューブ２の全面で得られ、局所的な沸騰が抑制される。
【００４０】
図８は、図１の実施例のＥＧＲガスクーラからカバー３やヘッダ４，６等を省略して、冷却水流れをより明確にした斜視図である。図示するように、冷却水は、概ね「Ｕ」字を描くように、冷却水入口管１３から導入され、ケース１の上面１ａの対角線に沿って流れてから冷却水出口管１４を介して導出される。
【００４１】
上記のような冷却水流れでは、図８に示すように、概ね立方体のカバー１の下側の四隅のうちの上記管１３，１４の下方にない方の２つの隅に、冷却水流れが十分に行き届かずに大幅に淀んでいる第２の淀み部３３，３３がそれぞれ生じる。また、上記四隅のうちの上記管１３，１４の下方にある２つの隅には、第２の淀み部３３，３３よりも淀みの程度が小さい第３の淀み部３４，３４がそれぞれ生じる。
【００４２】
従って、第２の淀み部３３および第３の淀み部３４の双方に隣接するチューブ２内のインナーフィン２３について、第３の淀み部３４に対応する部分を淀み部３３，３４以外の部分に比べて相対的に粗な構成とするとともに、第２の淀み部３３に対応する部分を第３の淀み部３４に対応する部分よりもさらに粗な構成としてもよい。例えば、淀み部３３，３４以外の部分を突起３０が１個の構成（図５（ｂ））とし、第３の淀み部３４に対応する部分を突起３０が２個の構成（図５（ｃ））とし、第２の淀み部３３に対応する部分を突起３０が３個の構成（図５（ｄ））とすることができる。このような構成によれば、各部の熱交換がより均等となる。
【００４３】
なお、上記各実施例では、ＥＧＲガスクーラとして並流型熱交換器を用いた例を開示したが、他の形式の熱交換器を用いるようにしても良い。
【符号の説明】
【００４４】
２・・・チューブ
４・・・入口ヘッダ
６・・・出口ヘッダ
１３・・・冷却水入口管
１４・・・冷却水出口管
１６・・・コア部
２１・・・第１のプレート
２２・・・第２のプレート
２３・・・インナーフィン
２９・・・セグメント
３０・・・突起
３２・・・第１の淀み部
３３・・・第２の淀み部
３４・・・第３の淀み部
【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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