(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃焼により発生した排気と冷却流体との間で熱交換を行う排気熱交換器であって、
前記排気が流通するとともに、断面形状が扁平状に形成された排気チューブ（１１０）と、
前記排気チューブ（１１０）の短径方向両端側に隣接して配設され、前記冷却流体が流通する複数本の冷却流体チューブ（１２０）と、
前記排気チューブ（１１０）の短径方向と略平行な板状の部材であって、その板面が排気流れに沿うように、前記排気チューブ（１１０）内に立設された複数のセグメント（１１２）が、前記排気チューブ（１１０）の長手方向に千鳥状に設けられたオフセットフィン（１１１）とを備え、
前記排気チューブ（１１０）のうちその長手方向両端側それぞれには、前記複数本の冷却流体チューブ（１２０）間を連通させる冷却流体連通路（１２０ｂ）が形成されているとともに、これら冷却流体連通路（１２０ｂ）は、前記排気チューブ（１１０）の短径方向から見て対角の部位に位置し、
さらに、全ての前記セグメント（１１２）の前記板面は、前記排気チューブ（１１０）の長手方向に対して、前記冷却流体連通路（１２０ｂ）間を結ぶ対角線（Ｌ１）と逆向きに、傾いていることを特徴とする排気熱交換器。
【請求項２】
燃焼により発生した排気と冷却流体との間で熱交換を行う排気熱交換器であって、
前記排気が流通するとともに、断面形状が扁平状に形成された排気チューブ（１１０）と、
前記排気チューブ（１１０）の短径方向両端側に隣接して配設され、前記冷却流体が流通する複数本の冷却流体チューブ（１２０）と、
前記排気チューブ（１１０）の短径方向と略平行な板状の部材であって、その板面が排気流れに沿うように、前記排気チューブ（１１０）内に立設された複数のセグメント（１１２）が、前記排気チューブ（１１０）の長手方向に千鳥状に設けられたオフセットフィン（１１１）とを備え、
前記排気チューブ（１１０）のうちその長手方向両端側それぞれには、前記複数本の冷却流体チューブ（１２０）間を連通させる冷却流体連通路（１２０ｂ）が形成されているとともに、これら冷却流体連通路（１２０ｂ）は、前記排気チューブ（１１０）の短径方向から見て対角の部位に位置し、
さらに、前記セグメント（１１２）の方向は、前記排気チューブ（１１０）の長手方向一端部における排気が流通し得る部分の中点（ＣＰ１）と、前記排気チューブ（１１０）の長手方向他端部における排気が流通し得る部分の中点（ＣＰ２）とを結ぶ排気主流線（Ｌ２）に略平行となっていることを特徴とする排気熱交換器。
【請求項３】
請求項１又は２に記載の排気熱交換器にて、内燃機関の排気を冷却し、その冷却された排気を前記内燃機関の吸気側に還流させることを特徴とする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、燃焼により発生した排気と水等の冷却流体との間で熱交換を行う排気熱交換器に関するもので、ＥＧＲ（排気再循環装置）用の排気を冷却するＥＧＲガス熱交換器（以下、ＥＧＲクーラと呼ぶ。）に適用して有効である。
【０００２】
【従来の技術】
ＥＧＲクーラは、ＥＧＲ用の排気を冷却することにより、排気ガス中のＥＧＲの効果（排気中の窒素酸化物の低減効果）を高めるものである。そこで、発明者等はＥＧＲの効果を向上させるべく、図１１（ａ）に示すように、排気が流通する排気チューブ１１０内にオフセットフィン（図１１（ｂ）参照）１１１を配設したＥＧＲクーラを試作検討した。
【０００３】
なお、オフセットフィン（マルチエントリ型フィン）とは、熱交換器設計ハンドブック（工学図書株式会社発行）や第１９回・日本電熱シンポジウム講演論文集等に記載されているように、板状のセグメント１１２を千鳥状にオフセット配置したものである。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、上記試作品では、排気チューブ内を流通する排気中に含まれる炭素等の微粒子がセグメント１１２の板面（壁面）１１２ａに付着してしまうとともに、排気の流速が小さくなるセグメント間に微粒子が堆積し易く、オフセットフィンが目詰まりし易いといった問題があった。
【０００５】
さらに、上記試作品では、冷却水が流通する複数本の冷却水チューブを連通させる冷却水通路（タンク）１２０ｂが、図１１（ａ）に示すように、排気が流通する排気チューブ１１０の対角の部位に位置しているため、セグメント１１２の方向と排気の流通の向きとが交差してしまい、排気が排気チューブ１１０内を流通する際に発生する圧力損失が大きいと言う問題も有していた。
【０００６】
ここで、セグメント１１２の方向とは、セグメント１１２と平行でかつ、排気流れに沿う方向を言う。
【０００７】
本発明は、上記点に鑑み、排気チューブ内での圧力損失及び微粒子の堆積を防止することを目的とする。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
本発明は、上記目的を達成するために、請求項１、３に記載の発明では、排気チューブ（１１０）のうちその長手方向両端側それぞれには、複数本の冷却流体チューブ（１２０）間を連通させる冷却流体連通路（１２０ｂ）が形成されているとともに、これら冷却流体連通路（１２０ｂ）は、排気チューブ（１１０）の短径方向から見て対角の部位に位置し、さらに、全てのセグメント（１１２）の板面は、排気チューブ（１１０）の長手方向に対して、冷却流体連通路（１２０ｂ）間を結ぶ対角線（Ｌ１）と逆向きに傾いていることを特徴とする。
【０００９】
これにより、セグメント（１１２）の方向と排気の主流流れとの交差角度が小さくなるので、排気が排気チューブ（１１０）内を流通する際に発生する圧力損失を低減することができる。したがって、排気チューブ（１１０）内を流通する排気量が増大するので、排気熱交換器の熱交換能力が増大する。
【００１０】
また、セグメント（１１２）の方向と排気の主流流れとの交差角度が小さくなると言えども、セグメント（１１２）の方向排気の主流流れとは、完全に平行とはならないので、セグメント（１１２）の板面に直接衝突する排気流れ、及び各セグメント（１１２）間を横切る排気流れが存在する。
【００１１】
したがって、セグメント（１１２）の板面に直接衝突する排気流れによりセグメント（１１２）に付着した微粒子が剥離されるとともに、セグメント（１１２）間を横切る排気流れによりセグメント（１１２）の後流直下に滞留した微粒子を強制的に下流側に流されるので、微粒子がオフセットフィン（１１１）に堆積していくことを防止できる。
【００１２】
以上に述べたように、本発明によれば、排気チューブ（１１０）内での圧力損失及び微粒子の堆積を防止しつつ、排気熱交換器の熱交換能力が増大させることができる。
【００１３】
請求項２、３に記載の発明では、排気チューブ（１１０）のうちその長手方向両端側それぞれには、複数本の冷却流体チューブ（１２０）間を連通させる冷却流体連通路（１２０ｂ）が形成されているとともに、これら冷却流体連通路（１２０ｂ）は、前記排気チューブ（１１０）の短径方向から見て対角の部位に位置し、さらに、セグメント（１１２）の方向は、排気チューブ（１１０）の長手方向一端部における排気が流通し得る部分の中点（ＣＰ１）と、排気チューブ（１１０）の長手方向他端部における排気が流通し得る部分の中点（ＣＰ２）とを結ぶ排気主流線（Ｌ２）に略平行となっていることを特徴とする。
【００１４】
これにより、請求項１に記載の発明と同様に、セグメント（１１２）は、排気チューブ（１１０）の長手方向に対して、冷却流体連通路（１２０ｂ）間を結ぶ対角線（Ｌ１）と逆向きに傾いた状態となるので、排気チューブ（１１０）内での圧力損失及び微粒子の堆積を防止しつつ、排気熱交換器の熱交換能力が増大させることができる。
【００１５】
因みに、上記各手段の括弧内の符号は、後述する実施形態に記載の具体的手段との対応関係を示す一例である。
【００１６】
【発明の実施の形態】
本実施形態は、本発明に係る排気熱交換器をディーゼルエンジン（内燃機関）用のＥＧＲガス冷却装置に適用したものであり、図１は本実施形態に係るＥＧＲガス冷却装置（以下、ＥＧＲクーラと呼ぶ。）１００を用いたＥＧＲ（排気再循環装置）の模式図である。
【００１７】
図１中、２００はディーゼルエンジン（以下、エンジンと略す。）であり、２１０はエンジン２００から排出される排気の一部をエンジン２００の吸気側に還流させる排気再循環管である。
【００１８】
２２０は排気再循環管２１０の排気流れ途中に配設されて、エンジン２００の稼働状態に応じてＥＧＲガス量を調節する周知のＥＧＲバルブであり、ＥＧＲクーラ１００は、エンジン２００の排気側とＥＧＲバルブ２２０との間に配設されてＥＧＲガスとエンジン冷却水（以下、冷却水と略す。）との間で熱交換を行いＥＧＲガスを冷却する。
【００１９】
次に、ＥＧＲクーラ１００の構造について述べる。
【００２０】
図２はＥＧＲクーラ１００の斜視図である、図３はＥＧＲクーラ１００の外形図であり、図４は図３のＡ−Ａ断面図であり、図５は図３のＢ−Ｂ断面図であり、図６は図３のＡ−Ｃ−Ｄ−Ｅ−Ｆ−Ｇ−Ｈ−Ａ断面図である。
【００２１】
そして、図５中、１１０はＥＧＲガス（排気）が流通する排気通路１１０ａを構成する矩形扁平状の排気チューブであり、１２０は冷却水（流体）が流通する冷却水通路１２０ａを構成する矩形扁平状の冷却水チューブである。なお、両チューブ１１０、１２０は、その短径（短軸）方向（図５の上下方向）に交互に積層されて隣接している。
【００２２】
また、排気通路１１０ａ内には、ＥＧＲガスとの接触面積を拡大してＥＧＲガスと冷却水との熱交換を促進するステンレス製のインナーフィン（以下、フィンと略す。）１１１が配設されており、このフィン１１１は、排気チューブ１１０の短径方向と平行な板状のセグメント１１２が排気チューブ１１０の長手方向に千鳥状にずれて設けられた、いわゆるオフセット型のフィンである。
【００２３】
なお、セグメント１１２は、前述のごとく、排気チューブ１１０の短径方向と平行とすることが望ましいが、実際のフィン１１１は、製造上の問題により、ローラ又はプレス成形機の抜き勾配分だけ短径方向に対して傾いたものとなる。したがって、排気チューブ１１０の短径方向と平行とは、短径方向と完全に平行であることを意味するものではなく、抜き勾配程度の傾きを含んだ意味である。
【００２４】
因みに、両チューブ１１０、１２０は、所定形状にプレス成形された積層プレート（薄板プレート）１３１、１３２を２枚一組として、この組をなす積層プレート１３１、１３２をその厚み方向（紙面上下方向）に積層した後、各積層プレート１３１、１３２をフィン１１１と共に所定のろう材にてろう付け接合することにより構成されたものである。このため、排気通路１１０ａ及び冷却水通路１２０ａは、図４、６に示すように、積層プレート１３１、１３２の板面と平行な方向（紙面左右方向）に延びるように形成されている。
【００２５】
また、積層プレート１３１、１３２は、略長方形のステンレス製の薄板材を所定形状にプレス成形したものであり、一組の積層プレート１３１、１３２のうち、一方側の積層プレート１３１の端部には、図５に示すように、積層プレート１３１、１３２の積層方向（図５の上下方向）Ｄの一端側に向けて突出する第１突出壁１３３がプレス加工にて一体形成され、他方側の積層プレート１３２の端部には、積層方向Ｄの他端側に向けて突出する第２突出壁１３４がプレス加工にて一体形成されている。
【００２６】
そして、両突出壁１３３、１３４は、積層方向Ｄと平行な面１３３ａ、１３４ａにて互いにろう付け接合されているとともに、図４に示すように、両突出壁１３３、１３４にＥＧＲガスを排気通路１１０ａに導入する排気導入口１４１、及び排気通路１１０ａから流出するＥＧＲガスを排出する排気排出口１４２が形成されている。このため、ＥＧＲガスの主流流れは、ＥＧＲクーラ１００内においては略直線的に排気チューブ１１０の長手方向一端側から他端側に向けて流通することとなる。
【００２７】
因みに、本実施形態では、図５に示すように、両突出壁１３３、１３４により、両通路１１０、１２０からなるＥＧＲクーラコア部１０１を収納するタンク部１０２が構成されている。
【００２８】
また、排気導入口１４１及び排気排出口１４２には、図４、６に示すように、排気再循環管２１０（外部配管）が接続されるジョイントブロック（以下、ジョイントと略す。）１４３がろう付け接合されている。なお、ジョイント１４３は、図７に示すように、積層プレート１３１、１３２の両突出壁１３３、１３４にろう付け接合される矩形状（正方形）の第１フランジ部１４３ａと排気再循環管２１０にボルト固定される略菱形状の第１フランジ部１４３ｂとからなるステンレス製のものであり、第１フランジ部１４３ａには、ジョイント１４３を排気導入口１４１及び排気排出口１４２に対して位置決めするための突出部（インロー部）１４３ｃが形成されている。
【００２９】
ところで、図４、６中、１５１は冷却水通路１２０ａに冷却水を流入させる流入口側接続パイプであり、１５２はＥＧＲクーラ１００内にて熱交換を終えた冷却水を流出させる流出口側パイプである。そして、各冷却水チューブ１２０（冷却水通路１２０ａ）は、図８に示すように、排気チューブ１１０のうちその長手方向両端側それぞれに形成された冷却水連通路（冷却水タンク）１２０ｂにより連通しており、これら冷却水連通路１２０ｂは、両接続パイプ１５１、１５２と略直線的に連通するように、排気チューブ１１０の短径方向から見て対角の位置に形成されている。
【００３０】
なお、本実施形態では、冷却水通路１２０ａ内での冷却水流れと、排気通路１１０ａ内でのＥＧＲガス流れとが対向流れとなるように、流入口側接続パイプ１５１は排気排出口１４２側に設けられ、流出口側接続パイプ１５２は排気導入口１４１側に設けられている。
【００３１】
次に、本実施形態の特徴であるフィン１１１（セグメント１１２）の配置及びその効果について述べる。
【００３２】
本実施形態に係るフィン１１１では、図８、９に示すように、セグメント１１２の方向ＳＤを、排気チューブ１１０の長手方向に対して、冷却水連通路１２０ｂ間を結ぶ対角線Ｌ１と逆向きに所定角度（本実施形態では、排気チューブ１１１の長手方向とのなす角が５°〜３０°となるように）傾けている。
【００３３】
つまり、図８に示すように、排気導入口１４１側の排気チューブ１１０の長手方向端部における、ＥＧＲガスが流通し得る部分（排気チューブ１１０の長径寸法Ａ１から冷却水連通路１２０ｂの寸法Ｃ１を差し引いた部分）の中点ＣＰ１と、排気排出口１４２側の排気チューブ１１０の長手方向端部における、ＥＧＲガスが流通し得る部分（排気チューブ１１０の長径寸法Ａ２から冷却水連通路１２０ｂの寸法Ｃ２を差し引いた部分）の中点ＣＰ２とを結ぶガス主流線（排気主流線）Ｌ２を考えたとき、このガス主流線Ｌ２とセグメント１１２の方向ＳＤとが略平行となるように、セグメント１１２（の方向ＳＤ）を傾けたものである。
【００３４】
これにより、セグメント１１２の方向ＳＤとＥＧＲガスの主流流れとの交差角度が小さくなるので、ＥＧＲガスが排気チューブ１１０内を流通する際に発生する圧力損失を低減することができる。延いては、排気チューブ１１０内を流通するＥＧＲガス量が増大するので、ＥＧＲクーラ１００の熱交換能力が増大する。
【００３５】
また、セグメント１１２の方向ＳＤとＥＧＲガスの主流流れとの交差角度が小さくなると言えども、セグメント１１２の方向ＳＤとＥＧＲガスの主流流れとは、完全に平行とはならないので、セグメント１１２の板面（壁面）に直接衝突するＥＧＲガス流れ、及び各セグメント１１２間を横切るＥＧＲガス流れが存在する。
【００３６】
したがって、セグメント１１２の板面（壁面）に直接衝突するＥＧＲガス流れによりセグメント１１２に付着した微粒子が剥離されるとともに、セグメント１１２間を横切るＥＧＲガス流れによりセグメント１１２の後流直下に滞留した微粒子を強制的に下流側に流されるので、微粒子がフィン１１１（排気チューブ１１０）内に堆積していくことを防止できる。
【００３７】
以上に述べたように、本実施形態によれば、排気チューブ１１０内での圧力損失及び微粒子の堆積を防止しつつ、ＥＧＲクーラ１００の熱交換能力が増大させることができる。
【００３８】
因みに、セグメントをチューブの長手方向に対して傾けた熱交換器として、特開平５−２７２８４５号公報に記載の発明があるが、この公報に記載の熱交換器では、セグメントを傾けることによりチューブ内を流通する流体を攪乱して熱交換能力を増大させているので、必然的にチューブ内での圧力損失が大きくなってしまう。
【００３９】
また、上記公報に記載熱交換器は、そもそも圧縮機等のポンプ手段により流体を圧送する（循環させる）ものであるので、チューブ内での圧力損失が大きくなっても、その圧力損失をポンプ手段により補うことができる。
【００４０】
これに対して、本実施形態は、エンジンの燃焼により発生した排気（ＥＧＲガス）をポンプ手段にて流通させることなく、単にＥＧＲクーラの排気入口側と出口側との圧力差により流通させるものであるので、排気チューブ１１０での圧力損失が大きいと、排気（ＥＧＲガス）が流通し難くなり、熱交換能力が低下してしまう。したがって、上記公報に記載熱交換器を、そのままＥＧＲクーラ１００に適用することはできない。
【００４１】
ところで、上述の実施形態では、ＥＧＲクーラ１００に本発明に係る排気熱交換器を適用したが、マフラー内に配設されて排気の熱エネルギを回収する熱交換器等のその他の熱交換器にも適用してもよい。
【００４２】
また、上述の実施形態では、排気導入口１４１及び排気排出口１４２は、排気チューブ１１０の長手方向に向けて開口していたが、図１０に示すように、排気導入口１４１及び排気排出口１４２が、排気チューブ１１０の長手方向と直交する方向に向けて開口した排気熱交換装置にも適用することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】ＥＧＲの模式図である
【図２】本発明の実施形態に係るＥＧＲクーラの斜視図である。
【図３】本発明の第１実施形態に係るガスクーラの上面図である。
【図４】図３のＡ−Ａ断面図である。
【図５】図３のＢ−Ｂ断面図である。
【図６】図３のＡ−Ｃ−Ｄ−Ｅ−Ｆ−Ｇ−Ｈ−Ａ断面図である。
【図７】ジョイントブロックの二面図である。
【図８】本発明の実施形態における排気チューブ内のセグメントの方向を示す説明図である。
【図９】本発明の実施形態における排気チューブ内のセグメントの方向を示す斜視図である。
【図１０】本発明の変形例に係るＥＧＲクーラの正面図である。
【図１１】（ａ）は従来の技術に係る排気チューブ内のセグメントの方向を示す説明図であり、（ｂ）はオフセットフィンの斜視図である。
【符号の説明】
１００…排気チューブ、１１１…インナーフィン（オフセットフィン）、
１１２…セグメント、１２０ｂ…冷却水連通路（冷却流体連通路）。
【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】
0004035651.tif 000009
【図９】
0004035651.tif 000010
【図１０】
0004035651.tif 000011
【図１１】
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