熱交換器
【課題】排気ガスの入口側における冷却水の局部沸騰を抑制可能とする熱交換器を提供することにある。
【解決手段】扁平状断面を成して積層される複数のチューブ１１０と、チューブ１１０の外側に形成される流路１１５とを備え、チューブ１１０内を流通する内燃機関の排気ガスと、流路１１５を流通する内燃機関冷却用の冷却水との間で熱交換する熱交換器において、排気ガスのチューブ１１０への流入側となるチューブ１１０の外表面の所定領域に、チューブ１１０の外表面と冷却水との間の熱伝達率を上げて、チューブ１１０の外表面における冷却水の温度境界層の温度を低下させる凸状部１１６を設ける。
【解決手段】扁平状断面を成して積層される複数のチューブ１１０と、チューブ１１０の外側に形成される流路１１５とを備え、チューブ１１０内を流通する内燃機関の排気ガスと、流路１１５を流通する内燃機関冷却用の冷却水との間で熱交換する熱交換器において、排気ガスのチューブ１１０への流入側となるチューブ１１０の外表面の所定領域に、チューブ１１０の外表面と冷却水との間の熱伝達率を上げて、チューブ１１０の外表面における冷却水の温度境界層の温度を低下させる凸状部１１６を設ける。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、例えばＥＧＲ（排気再循環装置）において内燃機関の燃焼により発生した排気ガスと内燃機関の冷却水との間で熱交換を行う排気熱交換器に適用して好適な熱交換器に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来、例えば特許文献１に示されるように、ＥＧＲ（排気再循環装置）においてエンジンから排出される排気ガスの一部をエンジンの吸気側に循環させる際に、この排気ガスをエンジンの冷却水によって冷却する熱交換器が知られている。
【０００３】
即ち、この熱交換器は、複数積層された扁平状の伝熱管（伝熱管群）が断面四角形状のアウターケース内部に収容されて形成されている。アウターケースの長手方向の一方には排気ガスを導入する導入部が形成され、また他方には排気ガスを導出する導出部が形成され、導入部と導出部との間が本体部として形成されている。
【０００４】
また、伝熱管の長手方向の両端位置には、それぞれ拡管部が形成されており、この拡管部が積層される際に互いに接合されている。更に、互いに接合された拡管部全体の外周部位が、アウターケースの本体部の両端部側となる内壁に接合されている。
【０００５】
そして、アウターケースの本体部には、この本体部内に冷却水を流入させる流入管と、本体部内の冷却水を流出させる流出管とが形成されている。
【０００６】
上記熱交換器においては、冷却水が流入管からアウターケースの本体部内に流入して、本体部内（複数の伝熱管の外側）を流通した後に、流出管から流出する。また、排気ガスは導入部から流入して、各伝熱管に分配され、各伝熱管内を流通した後に、導出部で集合されて流出する。この時、アウターケースの本体部内で排気ガスが冷却水によって冷却される。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】特開２００７−２２５１９０号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
しかしながら、上記熱交換器においては、燃焼ガスの温度（７００〜８００℃）が冷却水の温度（９０〜１００℃）に対して非常に高い状況で使用されるため、ガスの入口側となる導入部近傍において、冷却水が局部的に沸騰してしまうおそれがある。
【０００９】
本発明の目的は、上記問題に鑑み、排気ガスの入口側における冷却水の局部沸騰を抑制可能とす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】
【００１０】
本発明は上記目的を達成するために、以下の技術的手段を採用する。
【００１１】
請求項１に記載の発明では、扁平状断面を成して積層される複数のチューブ（１１０）と、チューブ（１１０）の外側に形成される流路（１１５）とを備え、チューブ（１１０）内を流通する内燃機関の排気ガスと、流路（１１５）を流通する内燃機関冷却用の冷却水との間で熱交換する熱交換器において、排気ガスの流入側となるチューブ（１１０）の外表面の所定領域に複数の凸状部（１１６）が形成されており、チューブの（１１０)の一方の外表面（１１０ａ）に形成された凸状部（１１６）は、チューブの他方の外表面（１１０ｂ）に形成された凸状部（１１６）とは異なる位置に形成されており、複数のチューブ（１１０）を積層した時に、チューブの一方の外表面（１１０ａ）に形成された凸状部（１１６）がチューブの他方の外表面（１１０ｂ）に形成された凸状部（１１６）の間に位置することを特徴とする。
【００１２】
これにより、排気ガスの入口側における冷却水の流速を上げることができる。よって、チューブ（１１０）の外表面と冷却水との間の熱伝達率を上げて、チューブ（１１０）の外表面における冷却水の温度境界層の温度を低下させることができ、排気ガスの入口側における冷却水の局部沸騰を抑制することができる。
【００１３】
請求項２に記載の発明によれば、チューブ（１１０）内には、チューブ（１１０）の内壁に接触されるインナーフィン（１２０）が設けられており、前記凸状部（１１６）は、前記一般領域流通断面積に対する前記所定領域流通断面積の比を０．９以下とすると共に、前記内壁と前記インナーフィン（１２０）との接触面積低下割合を５％以上とするディンプル（１１６）であることを特徴とする。
【００１４】
請求項３に記載の発明では、所定領域は、前記排気ガスが前記チューブ（１１０）に流入する流入端部（１１８）から、前記排気ガスの下流側へ８０ｍｍまでの領域としたことを特徴とする。
請求項４に記載の発明では、ディンプル（１１６）は、排気ガスのチューブ（１１０）からの流出側にも、チューブ（１１０）の長手方向中心に対して対称となるように設けられたことを特徴としている。これにより、チューブ（１１０）の長手方向における方向性をなくして、組付け段階における誤組付けを防止できる。
【図面の簡単な説明】
【００１５】
【図１】実施形態におけるＥＧＲガスクーラの外観を示す斜視図である。
【図２】実施形態におけるＥＧＲガスクーラの主な構成を示す分解斜視図である。
【図３】実施形態におけるチューブ１１０を示す斜視図である。
【図４】実施形態におけるディンプルによる冷却水の局部沸騰抑制の結果を示すグラフである。
【発明を実施するための形態】
【００１６】
本実施形態は、本発明に係る熱交換器を車両用ディーゼルエンジン及びガソリンエンジン（内燃機関であり、以下エンジン）の排気ガス再循環装置（ＥＧＲ）におけるＥＧＲガスクーラ１００Ａに適用したものである。以下、図１〜図３を用いて、ＥＧＲガスクーラ１００Ａの構成について説明する。
【００１７】
図１はＥＧＲガスクーラ１００Ａの外観を示す斜視図、図２はＥＧＲガスクーラ１００Ａの主な構成を示す分解斜視図、図３はチューブ１１０を示す斜視図である。
【００１８】
ＥＧＲガスクーラ１００Ａは、エンジンに再循環させる排気ガスをエンジンの冷却水によって冷却する排気熱交換器である。このＥＧＲガスクーラ１００Ａは、図１〜図３に示すように、内部にインナーフィン１２０が配設される複数のチューブ１１０、第１水側タンク１３０Ａ、第２水側タンク１３０Ｂ、入口水パイプ１４１、出口水パイプ１４２、およびガス側タンク１５１、１５２等から構成されている。以下説明する各部材は、耐強度性、および耐腐食性に優れるステンレス系材料から成形されており、各部材の当接部がろう付け、あるいは溶接により接合されている。
【００１９】
チューブ１１０は、図２、図３に示すように、２枚のチューブプレート１１０ａ、１１０ｂから形成されている。各チューブプレート１１０ａ、１１０ｂは、プレス加工またはロール加工によって平板から断面が浅いコの字形状に形成されている。そして、各チューブプレート１１０ａ、１１０ｂの開口側が互いに接合されることで、チューブ１１０は扁平状断面を有する細長の管部材として形成されている。
【００２０】
チューブ１１０の内部には、薄肉板材から断面波形状にプレス加工されたインナーフィン１２０が配設されている。インナーフィン１２０は、チューブ１１０の内面（後述するチューブ基本面１１１）に接合されている。このインナーフィン１２０を有するチューブ１１０は、両チューブプレート１１０ａ、１１０ｂによってインナーフィン１２０を挟み込むようにして組付けを行った後に、接合することで形成される。
【００２１】
チューブ１１０は、扁平状断面の長辺側となるチューブ基本面１１１が互いに対向するように複数積層されており、チューブ１１０の内部に形成されるガス流路１１４、およびチューブ１１０の外側に形成される水流路１１５（詳細後述）を有している。
【００２２】
チューブ基本面１１１には、凸部１１２および凹部１１３が設けられている。凸部１１２は、チューブ基本面１１１の表面から外方に向けて突出するようにプレス加工された打出し部であり、チューブ基本面１１１の外周部に堰のように形成されている。そして、凹部１１３は、上記凸部１１２の突出頂点からチューブ基本面１１１側にへこむへこみ部として形成されている。換言すると、凹部１１３は、凸部１１２の成形されない凸部非成形部として設けられている。凹部１１３の形成される位置は、ここではチューブ基本面１１１の両長辺における両端部側となる４ヶ所としている。
【００２３】
上記チューブ１１０は、図２、図３に示すように、チューブ基本面１１１に形成された凸部１１２が互いに当接するように複数積層されて、各凸部１１２同士が接合されている。
【００２４】
ここで、図３に示すように、積層されるチューブ１１０間において、凸部１１２の内側領域には空間が形成されて、この空間が冷却水用の水流路（流路）１１５となっている。
【００２５】
また、チューブ基本面１１１で４ヶ所形成される凹部１１３のうち、チューブ１１０長手方向の一方の凹部１１３同士によって形成される開口部は、外部と上記水流路１１５とが連通して冷却水が流入する流入側開口部１１３ａとなっている（図３中の上下２ヶ所）。
【００２６】
また、チューブ基本面１１１で４ヶ所形成される凹部１１３のうち、チューブ１１０長手方向の他方の凹部１１３同士によって形成される開口部は、外部と上記水流路１１５とが連通して冷却水が流出する流出側開口部１１３ｂとなっている（２ヶ所）。ここでは、ガス流路１１４（チューブ１１０内）において、排気ガスが流入する側を流入側開口部１１３ａとし、その反対側を流出側開口部１１３ｂとしている。
【００２７】
そして、チューブ１１０の流入側開口部１１３ａ側となるチューブ基本面１１１には、チューブ１１０の外表面における冷却水の温度境界層の温度を低下させる温度低下手段としての凸状部が形成されている。凸状部は、ここでは、複数のディンプル１１６として形成されている。
【００２８】
ディンプル１１６は、チューブ１１０の長手方向における排気ガスの流入側となる流入端部１１８（図３）から下流側に向けて所定の領域に設けられている。この所定領域は、例えば、流入端部１１８から３０ｍｍ〜８０ｍｍの領域として設定することができる。更に望ましくは、所定領域は流入端部１１８から４０ｍｍの領域とするのが良い。その根拠については、後述する。
【００２９】
ディンプル１１６は、例えば直径が４〜６ｍｍ程度の円筒形の凸状部として設定することができ、碁盤目状に複数配置されている。ディンプル１１６の突出寸法は、チューブ１１０の外周部の凸部１１２の突出寸法と同一としている。また、ディンプル１１６の配置位置は、チューブプレート１１０ａとチューブプレート１１０ｂとでは、異なるようにしている。つまり、チューブ１１０を積層した時に、互いに対向するチューブプレート１１０ａ、１１０ｂにおいて、チューブプレート１１０ａの各ディンプル１１６が、チューブプレート１１０ｂの各ディンプル１１６の間に位置するようにしている。
【００３０】
上記のようなディンプル１１６を形成することにより、チューブ１１０の所定領域における水流路１１５の流通断面積（所定領域流通断面積）は、ディンプル１１６が形成されない一般領域における水流路１１５の流通断面積（一般領域流通断面積）よりも小さくなる。ディンプル１１６の大きさ、数、配置等により、一般領域流通断面積に対する所定領域流通断面積の比は、０．９以下にすることが望ましい。
【００３１】
また、上記のようなディンプル１１６を形成することにより、チューブ基本面１１１とインナーフィン１２０との接触面積が低下することになるが、意図的にディンプル１１６を設けるものとしていることから、この接触面積の低下割合は５％以上となる。
【００３２】
加えて、本実施形態では、チューブ１１０の長手方向における排気ガスの流出側となる端部にも、同様のディンプル１１６を設けている。つまり、チューブ１１０の長手方向の中心に対して対称となるように、ディンプル１１６が設けられている。
【００３３】
第１水側タンク１３０Ａ、第２水側タンク１３０Ｂは、図２に示すように、チューブ基本面１１１に対向する本体部１３１と、この本体部１３１の四隅からチューブ１１０側に略９０度に折り曲げられて、各開口部１１３ａ、１１３ｂをそれぞれ内包するように張出された張出部１３２とを備えており、積層されたチューブ１１０の外側から被せられるように組付けされて接合されている。
【００３４】
本体部１３１は、チューブ１１０の凸部１１２に当接する外周部１３１ａと、この外周部１３１ａの内側領域で、外周部１３１ａからチューブ１１０の積層方向の外方に膨出する膨出部１３１ｂとを備えている。
【００３５】
また、張出部１３２は、チューブ１１０の側面部の各開口部１１３ａ、１１３ｂをそれぞれ内包するように当接する外周部１３２ａと、この外周部１３２ａの内側領域で、外周部１３２ａからチューブ１１０の側面部の外方に膨出する膨出部１３２ｂとを備えている。
【００３６】
最外方のチューブ１１０（チューブ基本面１１１）と本体部１３１の膨出部１３１ｂとの間には各チューブ１１０間に形成される水流路１１５と同様の水流路１１５が形成されている。最外方のチューブ１１０の凹部１１３と本体部１３１の膨出部１３１ｂとの間には各チューブ１１０間に形成される各開口部１１３ａ、１１３ｂと同様の開口部１１３ａ、１１３ｂが形成されている。また、チューブ１１０の側面部（各開口部１１３ａ、１１３ｂに対応する位置）と張出部１３２の膨出部１３２ｂとの間には空間が形成されている。
【００３７】
第１水側タンク１３０Ａと第２水側タンク１３０Ｂとでは、張出部１３２の張出長さが異なっており、一方（図２中の１３０Ａの上側）の張出部１３２の張出長さが、ほぼチューブ１１０の積層寸法となっており、他方（図２中の１３０Ｂの上側）の張出部１３２の張出長さが、一方の張出部１３２の先端部に対して所定長さで重なり合う程度の寸法となっている。下側においては上記の逆となっている。
【００３８】
第１水側タンク１３０Ａの流入側開口部１１３ａに対応する張出部１３２（図２中の手前上側）の膨出部１３２ｂには、更に椀状に膨出するパイプ用膨出部１３２ｃが形成されており、このパイプ用膨出部１３２ｃには、バーリング部（縁立て部）を備える入口水パイプ１４１接続用のパイプ孔１３２ｄが穿設されている。図示は省略しているが、上記第１水側タンク１３０Ａと同様に、第２水側タンク１３０Ｂの流出側開口部１１３ｂに対応する張出部（図２中の奥下側）の膨出部には、更に椀状に膨出するパイプ用膨出部が形成されており、このパイプ用膨出部には、バーリング部（縁立て部）を備える出口水パイプ１４２接続用のパイプ孔が穿設されている。
【００３９】
入口水パイプ１４１は、エンジンからの冷却水が流入するパイプであり、その先端部は、パイプ孔１３２ｄに挿入されて接合されている。入口水パイプ１４１は、パイプ用膨出部１３２ｃ、および膨出部１３２ｂを介してチューブ１１０の流入側開口部１１３ａと連通している。
【００４０】
出口水パイプ１４２は、チューブ１１０の水流路１１５を流通した冷却水が流出するパイプであり、その先端部は、第２水側タンク１３０Ｂの膨出部（パイプ用膨出部）のパイプ孔に挿入されて接合されている。出口水パイプ１４２は、パイプ用膨出部、および膨出部を介してチューブ１１０の流出側開口部１１３ｂと連通している。
【００４１】
ガス側タンク１５１、１５２は、図２に示すように、全体が漏斗状に形成されて、大きく開口する側が四角形状を成し、小さく開口する側が円形状を成すタンクとなっている。
【００４２】
ガス側タンク１５１、１５２の四角形状に開口する側が、それぞれ、複数積層されたチューブ１１０の外周に当接して接合されている。ガス側タンク１５１、１５２の内部は、複数積層されたチューブ１１０の内部（ガス流路１１４）と連通している。更にガス側タンク１５１、１５２の円形状に開口する側（先端部）には、それぞれ、排気ガス再循環装置（ＥＧＲ）側に接続されるフランジ１５１ｂ、１５２ａが接合されている。
【００４３】
以上のように構成されるＥＧＲガスクーラ１００Ａにおいては、図１に示すように、エンジンから排出された排気ガスの一部が、フランジ１５１ａ→ガス側タンク１５１を経て複数のチューブ１１０内のガス流路１１４を流通して、ガス側タンク１５２→フランジ１５２ａから流出される。流出された排気ガスは再びエンジンに吸入される。
【００４４】
一方、エンジンの冷却水は、排気ガスの流入側となる入口水パイプ１４１→張出部１３２の各膨出部１３２ｃ、１３２ｂ内→上側の流入側開口部１１３ａを経て、複数のチューブ１１０間に形成された水流路１１５、および最外方のチューブ１１１と膨出部１３１ｂとの間に形成された水流路１１５を流通して、流出側開口部１１３ｂ、張出部１３２の各膨出部→出口水パイプ１４２から流出される。
【００４５】
入口水パイプ１４１から流入した冷却水の一部は、一旦、下側の流入側開口部１１３ａから膨出部１３２ｂに当たり、再びＵターンして水流路１１５内を流れる。
【００４６】
そして、上記ガス流路１１４を流通する排気ガスと、水流路１１５を流通する冷却水との間で熱交換が行われて、排気ガスが冷却される。
【００４７】
本実施形態においては、排気ガスのチューブ１１０への流入側となるチューブ１１０の外表面の所定領域に、チューブ１１０の外表面と冷却水との間の熱伝達率を上げて、チューブ１１０の外表面における冷却水の温度境界層の温度を低下させる温度低下手段としての凸状部を設けるようにしている。
【００４８】
よって、チューブ１１０の外表面における温度を低下させることができるので、排気ガスの入口側における冷却水の局部沸騰を抑制することができる。
【００４９】
具体的には、凸状部を複数のディンプル１１６として形成し、このディンプル１１６によって、所定領域における所定領域流通断面積が、一般領域における一般領域流通断面積よりも小さくなる（０．９以下）ようにしている。
【００５０】
よって、排気ガスの入口側における冷却水の流速を上げることができ、チューブ１１０の外表面と冷却水との間の熱伝達率を上げて、チューブ１１０の外表面における冷却水の温度境界層の温度を低下させることができ、排気ガスの入口側における冷却水の局部沸騰を抑制することができるのである。
【００５１】
図４は、ディンプル１１６による冷却水の局部沸騰抑制の結果を示すグラフである。確認条件は、排気ガス温度７００℃、ガス流量１２．５ｇ／ｓ、入口側冷却水温度９０℃、冷却水流量１２Ｌ／ｍｉｎとした。冷却水の系統圧力は１．１ｋＰａである。また、ＥＧＲガスクーラ１００Ａとして、ディンプル１１６を設けないもの（従来技術）、ディンプル１１６の仕様として、直径４ｍｍとしたもの（ディンプル１仕様）、直径６ｍｍとしたもの（ディンプル２仕様）をそれぞれ準備した。ディンプル１１６は、チューブ１１０の流入端部１１８から下流側に３０ｍｍの領域に設けた。
【００５２】
ディンプル１１６を設けない従来技術のものは、流入端部１１８から４０ｍｍの範囲でチューブ１１０の壁面温度（外表面温度）が、系統圧力１．１ｋＰａにおける冷却水の沸点（約１２７℃）を越えた。しかしながら、ディンプル１仕様のものでは、冷却水側の熱伝達率（αｗ）を従来技術の１．１５倍とすることができ、チューブ１１０の壁面温度が冷却水の沸点を越える範囲を、流入端部１１８から２０ｍｍの範囲に小さくすることができた。更に、ディンプル２仕様のものでは、冷却水側の熱伝達率（αｗ）を従来技術の１．３倍とすることができ、チューブ１１０の壁面温度が冷却水の沸点を越える範囲をなくすことができた。
【００５３】
上記結果より、ディンプル１１６を設定する領域はチューブ１１０の流入端部１１８（０ｍｍ）から３０ｍｍ以上の範囲とするのが良い。領域設定の上限は、冷却水の通水抵抗の増加を加味して８０ｍｍまでとするのが良い。領域設定の最適値は、従来技術品の結果から見て、局部沸騰の発生し得る流入端部１１８（０ｍｍ）から４０ｍｍの範囲とするのが良い。
【００５４】
また、ディンプル１１６は、排気ガスのチューブ１１０からの流出側にも、チューブ１１０の長手方向中心に対して対称となるように設けられるようにしており、これにより、チューブ１１０の長手方向における方向性をなくして、組付け段階における誤組付けを防止できる。
【００５５】
（その他の実施形態）
上記の実施形態では、チューブ１１０の長手方向の方向性をなくすために、ディンプル１１６を長手方向の両端側に設けたが、基本的には、排気ガスの流入側に設ければ良い。
【００５６】
また、上記の実施形態では、チューブ１１０の凹部１１３をチューブ１１０の４ヶ所に設けるようにしたが、対角上の２ヶ所に設けるようにして、入口水パイプ１４１に対応する流入側開口部１１３ａ、および出口水パイプ１４２に対応する流出側開口部１１３ｂを形成するようにしても良い。
【００５７】
また、チューブ１１０は、２つのチューブプレート１１０ａ、１１０ｂから形成することなく、一体の管部材から形成されるようにしても良い。
【００５８】
また、上記の実施形態では本発明の熱交換器をＥＧＲガスクーラ１００Ａ、１００Ｂに適用したものとして説明したが、これに限定されることなく、他の熱交換器へも広く適用可能であり、例えば外気に排出される排気ガスと冷却水との間で熱交換して、冷却水を加熱する排熱回収熱交換器に適用しても良い。
【００５９】
また、上記の実施形態では熱交換器を構成する部材の基本材質をステンレス系材料としたが、これに限らず、用途に応じて、アルミニウム系合金、銅系合金等他の材料を用いるものにも適用できる。
【符号の説明】
【００６０】
１００ ＥＧＲガスクーラ（熱交換器）
１１０ チューブ
１１５ 水流路（流路）
１１６ ディンプル（凸状部）
１１８ 流入端部
１２０ インナーフィン
１４１ 入口水パイプ（流入部）
１４２ 出口水パイプ（流出部）
【技術分野】
【０００１】
本発明は、例えばＥＧＲ（排気再循環装置）において内燃機関の燃焼により発生した排気ガスと内燃機関の冷却水との間で熱交換を行う排気熱交換器に適用して好適な熱交換器に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来、例えば特許文献１に示されるように、ＥＧＲ（排気再循環装置）においてエンジンから排出される排気ガスの一部をエンジンの吸気側に循環させる際に、この排気ガスをエンジンの冷却水によって冷却する熱交換器が知られている。
【０００３】
即ち、この熱交換器は、複数積層された扁平状の伝熱管（伝熱管群）が断面四角形状のアウターケース内部に収容されて形成されている。アウターケースの長手方向の一方には排気ガスを導入する導入部が形成され、また他方には排気ガスを導出する導出部が形成され、導入部と導出部との間が本体部として形成されている。
【０００４】
また、伝熱管の長手方向の両端位置には、それぞれ拡管部が形成されており、この拡管部が積層される際に互いに接合されている。更に、互いに接合された拡管部全体の外周部位が、アウターケースの本体部の両端部側となる内壁に接合されている。
【０００５】
そして、アウターケースの本体部には、この本体部内に冷却水を流入させる流入管と、本体部内の冷却水を流出させる流出管とが形成されている。
【０００６】
上記熱交換器においては、冷却水が流入管からアウターケースの本体部内に流入して、本体部内（複数の伝熱管の外側）を流通した後に、流出管から流出する。また、排気ガスは導入部から流入して、各伝熱管に分配され、各伝熱管内を流通した後に、導出部で集合されて流出する。この時、アウターケースの本体部内で排気ガスが冷却水によって冷却される。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】特開２００７−２２５１９０号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
しかしながら、上記熱交換器においては、燃焼ガスの温度（７００〜８００℃）が冷却水の温度（９０〜１００℃）に対して非常に高い状況で使用されるため、ガスの入口側となる導入部近傍において、冷却水が局部的に沸騰してしまうおそれがある。
【０００９】
本発明の目的は、上記問題に鑑み、排気ガスの入口側における冷却水の局部沸騰を抑制可能とす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】
【００１０】
本発明は上記目的を達成するために、以下の技術的手段を採用する。
【００１１】
請求項１に記載の発明では、扁平状断面を成して積層される複数のチューブ（１１０）と、チューブ（１１０）の外側に形成される流路（１１５）とを備え、チューブ（１１０）内を流通する内燃機関の排気ガスと、流路（１１５）を流通する内燃機関冷却用の冷却水との間で熱交換する熱交換器において、排気ガスの流入側となるチューブ（１１０）の外表面の所定領域に複数の凸状部（１１６）が形成されており、チューブの（１１０)の一方の外表面（１１０ａ）に形成された凸状部（１１６）は、チューブの他方の外表面（１１０ｂ）に形成された凸状部（１１６）とは異なる位置に形成されており、複数のチューブ（１１０）を積層した時に、チューブの一方の外表面（１１０ａ）に形成された凸状部（１１６）がチューブの他方の外表面（１１０ｂ）に形成された凸状部（１１６）の間に位置することを特徴とする。
【００１２】
これにより、排気ガスの入口側における冷却水の流速を上げることができる。よって、チューブ（１１０）の外表面と冷却水との間の熱伝達率を上げて、チューブ（１１０）の外表面における冷却水の温度境界層の温度を低下させることができ、排気ガスの入口側における冷却水の局部沸騰を抑制することができる。
【００１３】
請求項２に記載の発明によれば、チューブ（１１０）内には、チューブ（１１０）の内壁に接触されるインナーフィン（１２０）が設けられており、前記凸状部（１１６）は、前記一般領域流通断面積に対する前記所定領域流通断面積の比を０．９以下とすると共に、前記内壁と前記インナーフィン（１２０）との接触面積低下割合を５％以上とするディンプル（１１６）であることを特徴とする。
【００１４】
請求項３に記載の発明では、所定領域は、前記排気ガスが前記チューブ（１１０）に流入する流入端部（１１８）から、前記排気ガスの下流側へ８０ｍｍまでの領域としたことを特徴とする。
請求項４に記載の発明では、ディンプル（１１６）は、排気ガスのチューブ（１１０）からの流出側にも、チューブ（１１０）の長手方向中心に対して対称となるように設けられたことを特徴としている。これにより、チューブ（１１０）の長手方向における方向性をなくして、組付け段階における誤組付けを防止できる。
【図面の簡単な説明】
【００１５】
【図１】実施形態におけるＥＧＲガスクーラの外観を示す斜視図である。
【図２】実施形態におけるＥＧＲガスクーラの主な構成を示す分解斜視図である。
【図３】実施形態におけるチューブ１１０を示す斜視図である。
【図４】実施形態におけるディンプルによる冷却水の局部沸騰抑制の結果を示すグラフである。
【発明を実施するための形態】
【００１６】
本実施形態は、本発明に係る熱交換器を車両用ディーゼルエンジン及びガソリンエンジン（内燃機関であり、以下エンジン）の排気ガス再循環装置（ＥＧＲ）におけるＥＧＲガスクーラ１００Ａに適用したものである。以下、図１〜図３を用いて、ＥＧＲガスクーラ１００Ａの構成について説明する。
【００１７】
図１はＥＧＲガスクーラ１００Ａの外観を示す斜視図、図２はＥＧＲガスクーラ１００Ａの主な構成を示す分解斜視図、図３はチューブ１１０を示す斜視図である。
【００１８】
ＥＧＲガスクーラ１００Ａは、エンジンに再循環させる排気ガスをエンジンの冷却水によって冷却する排気熱交換器である。このＥＧＲガスクーラ１００Ａは、図１〜図３に示すように、内部にインナーフィン１２０が配設される複数のチューブ１１０、第１水側タンク１３０Ａ、第２水側タンク１３０Ｂ、入口水パイプ１４１、出口水パイプ１４２、およびガス側タンク１５１、１５２等から構成されている。以下説明する各部材は、耐強度性、および耐腐食性に優れるステンレス系材料から成形されており、各部材の当接部がろう付け、あるいは溶接により接合されている。
【００１９】
チューブ１１０は、図２、図３に示すように、２枚のチューブプレート１１０ａ、１１０ｂから形成されている。各チューブプレート１１０ａ、１１０ｂは、プレス加工またはロール加工によって平板から断面が浅いコの字形状に形成されている。そして、各チューブプレート１１０ａ、１１０ｂの開口側が互いに接合されることで、チューブ１１０は扁平状断面を有する細長の管部材として形成されている。
【００２０】
チューブ１１０の内部には、薄肉板材から断面波形状にプレス加工されたインナーフィン１２０が配設されている。インナーフィン１２０は、チューブ１１０の内面（後述するチューブ基本面１１１）に接合されている。このインナーフィン１２０を有するチューブ１１０は、両チューブプレート１１０ａ、１１０ｂによってインナーフィン１２０を挟み込むようにして組付けを行った後に、接合することで形成される。
【００２１】
チューブ１１０は、扁平状断面の長辺側となるチューブ基本面１１１が互いに対向するように複数積層されており、チューブ１１０の内部に形成されるガス流路１１４、およびチューブ１１０の外側に形成される水流路１１５（詳細後述）を有している。
【００２２】
チューブ基本面１１１には、凸部１１２および凹部１１３が設けられている。凸部１１２は、チューブ基本面１１１の表面から外方に向けて突出するようにプレス加工された打出し部であり、チューブ基本面１１１の外周部に堰のように形成されている。そして、凹部１１３は、上記凸部１１２の突出頂点からチューブ基本面１１１側にへこむへこみ部として形成されている。換言すると、凹部１１３は、凸部１１２の成形されない凸部非成形部として設けられている。凹部１１３の形成される位置は、ここではチューブ基本面１１１の両長辺における両端部側となる４ヶ所としている。
【００２３】
上記チューブ１１０は、図２、図３に示すように、チューブ基本面１１１に形成された凸部１１２が互いに当接するように複数積層されて、各凸部１１２同士が接合されている。
【００２４】
ここで、図３に示すように、積層されるチューブ１１０間において、凸部１１２の内側領域には空間が形成されて、この空間が冷却水用の水流路（流路）１１５となっている。
【００２５】
また、チューブ基本面１１１で４ヶ所形成される凹部１１３のうち、チューブ１１０長手方向の一方の凹部１１３同士によって形成される開口部は、外部と上記水流路１１５とが連通して冷却水が流入する流入側開口部１１３ａとなっている（図３中の上下２ヶ所）。
【００２６】
また、チューブ基本面１１１で４ヶ所形成される凹部１１３のうち、チューブ１１０長手方向の他方の凹部１１３同士によって形成される開口部は、外部と上記水流路１１５とが連通して冷却水が流出する流出側開口部１１３ｂとなっている（２ヶ所）。ここでは、ガス流路１１４（チューブ１１０内）において、排気ガスが流入する側を流入側開口部１１３ａとし、その反対側を流出側開口部１１３ｂとしている。
【００２７】
そして、チューブ１１０の流入側開口部１１３ａ側となるチューブ基本面１１１には、チューブ１１０の外表面における冷却水の温度境界層の温度を低下させる温度低下手段としての凸状部が形成されている。凸状部は、ここでは、複数のディンプル１１６として形成されている。
【００２８】
ディンプル１１６は、チューブ１１０の長手方向における排気ガスの流入側となる流入端部１１８（図３）から下流側に向けて所定の領域に設けられている。この所定領域は、例えば、流入端部１１８から３０ｍｍ〜８０ｍｍの領域として設定することができる。更に望ましくは、所定領域は流入端部１１８から４０ｍｍの領域とするのが良い。その根拠については、後述する。
【００２９】
ディンプル１１６は、例えば直径が４〜６ｍｍ程度の円筒形の凸状部として設定することができ、碁盤目状に複数配置されている。ディンプル１１６の突出寸法は、チューブ１１０の外周部の凸部１１２の突出寸法と同一としている。また、ディンプル１１６の配置位置は、チューブプレート１１０ａとチューブプレート１１０ｂとでは、異なるようにしている。つまり、チューブ１１０を積層した時に、互いに対向するチューブプレート１１０ａ、１１０ｂにおいて、チューブプレート１１０ａの各ディンプル１１６が、チューブプレート１１０ｂの各ディンプル１１６の間に位置するようにしている。
【００３０】
上記のようなディンプル１１６を形成することにより、チューブ１１０の所定領域における水流路１１５の流通断面積（所定領域流通断面積）は、ディンプル１１６が形成されない一般領域における水流路１１５の流通断面積（一般領域流通断面積）よりも小さくなる。ディンプル１１６の大きさ、数、配置等により、一般領域流通断面積に対する所定領域流通断面積の比は、０．９以下にすることが望ましい。
【００３１】
また、上記のようなディンプル１１６を形成することにより、チューブ基本面１１１とインナーフィン１２０との接触面積が低下することになるが、意図的にディンプル１１６を設けるものとしていることから、この接触面積の低下割合は５％以上となる。
【００３２】
加えて、本実施形態では、チューブ１１０の長手方向における排気ガスの流出側となる端部にも、同様のディンプル１１６を設けている。つまり、チューブ１１０の長手方向の中心に対して対称となるように、ディンプル１１６が設けられている。
【００３３】
第１水側タンク１３０Ａ、第２水側タンク１３０Ｂは、図２に示すように、チューブ基本面１１１に対向する本体部１３１と、この本体部１３１の四隅からチューブ１１０側に略９０度に折り曲げられて、各開口部１１３ａ、１１３ｂをそれぞれ内包するように張出された張出部１３２とを備えており、積層されたチューブ１１０の外側から被せられるように組付けされて接合されている。
【００３４】
本体部１３１は、チューブ１１０の凸部１１２に当接する外周部１３１ａと、この外周部１３１ａの内側領域で、外周部１３１ａからチューブ１１０の積層方向の外方に膨出する膨出部１３１ｂとを備えている。
【００３５】
また、張出部１３２は、チューブ１１０の側面部の各開口部１１３ａ、１１３ｂをそれぞれ内包するように当接する外周部１３２ａと、この外周部１３２ａの内側領域で、外周部１３２ａからチューブ１１０の側面部の外方に膨出する膨出部１３２ｂとを備えている。
【００３６】
最外方のチューブ１１０（チューブ基本面１１１）と本体部１３１の膨出部１３１ｂとの間には各チューブ１１０間に形成される水流路１１５と同様の水流路１１５が形成されている。最外方のチューブ１１０の凹部１１３と本体部１３１の膨出部１３１ｂとの間には各チューブ１１０間に形成される各開口部１１３ａ、１１３ｂと同様の開口部１１３ａ、１１３ｂが形成されている。また、チューブ１１０の側面部（各開口部１１３ａ、１１３ｂに対応する位置）と張出部１３２の膨出部１３２ｂとの間には空間が形成されている。
【００３７】
第１水側タンク１３０Ａと第２水側タンク１３０Ｂとでは、張出部１３２の張出長さが異なっており、一方（図２中の１３０Ａの上側）の張出部１３２の張出長さが、ほぼチューブ１１０の積層寸法となっており、他方（図２中の１３０Ｂの上側）の張出部１３２の張出長さが、一方の張出部１３２の先端部に対して所定長さで重なり合う程度の寸法となっている。下側においては上記の逆となっている。
【００３８】
第１水側タンク１３０Ａの流入側開口部１１３ａに対応する張出部１３２（図２中の手前上側）の膨出部１３２ｂには、更に椀状に膨出するパイプ用膨出部１３２ｃが形成されており、このパイプ用膨出部１３２ｃには、バーリング部（縁立て部）を備える入口水パイプ１４１接続用のパイプ孔１３２ｄが穿設されている。図示は省略しているが、上記第１水側タンク１３０Ａと同様に、第２水側タンク１３０Ｂの流出側開口部１１３ｂに対応する張出部（図２中の奥下側）の膨出部には、更に椀状に膨出するパイプ用膨出部が形成されており、このパイプ用膨出部には、バーリング部（縁立て部）を備える出口水パイプ１４２接続用のパイプ孔が穿設されている。
【００３９】
入口水パイプ１４１は、エンジンからの冷却水が流入するパイプであり、その先端部は、パイプ孔１３２ｄに挿入されて接合されている。入口水パイプ１４１は、パイプ用膨出部１３２ｃ、および膨出部１３２ｂを介してチューブ１１０の流入側開口部１１３ａと連通している。
【００４０】
出口水パイプ１４２は、チューブ１１０の水流路１１５を流通した冷却水が流出するパイプであり、その先端部は、第２水側タンク１３０Ｂの膨出部（パイプ用膨出部）のパイプ孔に挿入されて接合されている。出口水パイプ１４２は、パイプ用膨出部、および膨出部を介してチューブ１１０の流出側開口部１１３ｂと連通している。
【００４１】
ガス側タンク１５１、１５２は、図２に示すように、全体が漏斗状に形成されて、大きく開口する側が四角形状を成し、小さく開口する側が円形状を成すタンクとなっている。
【００４２】
ガス側タンク１５１、１５２の四角形状に開口する側が、それぞれ、複数積層されたチューブ１１０の外周に当接して接合されている。ガス側タンク１５１、１５２の内部は、複数積層されたチューブ１１０の内部（ガス流路１１４）と連通している。更にガス側タンク１５１、１５２の円形状に開口する側（先端部）には、それぞれ、排気ガス再循環装置（ＥＧＲ）側に接続されるフランジ１５１ｂ、１５２ａが接合されている。
【００４３】
以上のように構成されるＥＧＲガスクーラ１００Ａにおいては、図１に示すように、エンジンから排出された排気ガスの一部が、フランジ１５１ａ→ガス側タンク１５１を経て複数のチューブ１１０内のガス流路１１４を流通して、ガス側タンク１５２→フランジ１５２ａから流出される。流出された排気ガスは再びエンジンに吸入される。
【００４４】
一方、エンジンの冷却水は、排気ガスの流入側となる入口水パイプ１４１→張出部１３２の各膨出部１３２ｃ、１３２ｂ内→上側の流入側開口部１１３ａを経て、複数のチューブ１１０間に形成された水流路１１５、および最外方のチューブ１１１と膨出部１３１ｂとの間に形成された水流路１１５を流通して、流出側開口部１１３ｂ、張出部１３２の各膨出部→出口水パイプ１４２から流出される。
【００４５】
入口水パイプ１４１から流入した冷却水の一部は、一旦、下側の流入側開口部１１３ａから膨出部１３２ｂに当たり、再びＵターンして水流路１１５内を流れる。
【００４６】
そして、上記ガス流路１１４を流通する排気ガスと、水流路１１５を流通する冷却水との間で熱交換が行われて、排気ガスが冷却される。
【００４７】
本実施形態においては、排気ガスのチューブ１１０への流入側となるチューブ１１０の外表面の所定領域に、チューブ１１０の外表面と冷却水との間の熱伝達率を上げて、チューブ１１０の外表面における冷却水の温度境界層の温度を低下させる温度低下手段としての凸状部を設けるようにしている。
【００４８】
よって、チューブ１１０の外表面における温度を低下させることができるので、排気ガスの入口側における冷却水の局部沸騰を抑制することができる。
【００４９】
具体的には、凸状部を複数のディンプル１１６として形成し、このディンプル１１６によって、所定領域における所定領域流通断面積が、一般領域における一般領域流通断面積よりも小さくなる（０．９以下）ようにしている。
【００５０】
よって、排気ガスの入口側における冷却水の流速を上げることができ、チューブ１１０の外表面と冷却水との間の熱伝達率を上げて、チューブ１１０の外表面における冷却水の温度境界層の温度を低下させることができ、排気ガスの入口側における冷却水の局部沸騰を抑制することができるのである。
【００５１】
図４は、ディンプル１１６による冷却水の局部沸騰抑制の結果を示すグラフである。確認条件は、排気ガス温度７００℃、ガス流量１２．５ｇ／ｓ、入口側冷却水温度９０℃、冷却水流量１２Ｌ／ｍｉｎとした。冷却水の系統圧力は１．１ｋＰａである。また、ＥＧＲガスクーラ１００Ａとして、ディンプル１１６を設けないもの（従来技術）、ディンプル１１６の仕様として、直径４ｍｍとしたもの（ディンプル１仕様）、直径６ｍｍとしたもの（ディンプル２仕様）をそれぞれ準備した。ディンプル１１６は、チューブ１１０の流入端部１１８から下流側に３０ｍｍの領域に設けた。
【００５２】
ディンプル１１６を設けない従来技術のものは、流入端部１１８から４０ｍｍの範囲でチューブ１１０の壁面温度（外表面温度）が、系統圧力１．１ｋＰａにおける冷却水の沸点（約１２７℃）を越えた。しかしながら、ディンプル１仕様のものでは、冷却水側の熱伝達率（αｗ）を従来技術の１．１５倍とすることができ、チューブ１１０の壁面温度が冷却水の沸点を越える範囲を、流入端部１１８から２０ｍｍの範囲に小さくすることができた。更に、ディンプル２仕様のものでは、冷却水側の熱伝達率（αｗ）を従来技術の１．３倍とすることができ、チューブ１１０の壁面温度が冷却水の沸点を越える範囲をなくすことができた。
【００５３】
上記結果より、ディンプル１１６を設定する領域はチューブ１１０の流入端部１１８（０ｍｍ）から３０ｍｍ以上の範囲とするのが良い。領域設定の上限は、冷却水の通水抵抗の増加を加味して８０ｍｍまでとするのが良い。領域設定の最適値は、従来技術品の結果から見て、局部沸騰の発生し得る流入端部１１８（０ｍｍ）から４０ｍｍの範囲とするのが良い。
【００５４】
また、ディンプル１１６は、排気ガスのチューブ１１０からの流出側にも、チューブ１１０の長手方向中心に対して対称となるように設けられるようにしており、これにより、チューブ１１０の長手方向における方向性をなくして、組付け段階における誤組付けを防止できる。
【００５５】
（その他の実施形態）
上記の実施形態では、チューブ１１０の長手方向の方向性をなくすために、ディンプル１１６を長手方向の両端側に設けたが、基本的には、排気ガスの流入側に設ければ良い。
【００５６】
また、上記の実施形態では、チューブ１１０の凹部１１３をチューブ１１０の４ヶ所に設けるようにしたが、対角上の２ヶ所に設けるようにして、入口水パイプ１４１に対応する流入側開口部１１３ａ、および出口水パイプ１４２に対応する流出側開口部１１３ｂを形成するようにしても良い。
【００５７】
また、チューブ１１０は、２つのチューブプレート１１０ａ、１１０ｂから形成することなく、一体の管部材から形成されるようにしても良い。
【００５８】
また、上記の実施形態では本発明の熱交換器をＥＧＲガスクーラ１００Ａ、１００Ｂに適用したものとして説明したが、これに限定されることなく、他の熱交換器へも広く適用可能であり、例えば外気に排出される排気ガスと冷却水との間で熱交換して、冷却水を加熱する排熱回収熱交換器に適用しても良い。
【００５９】
また、上記の実施形態では熱交換器を構成する部材の基本材質をステンレス系材料としたが、これに限らず、用途に応じて、アルミニウム系合金、銅系合金等他の材料を用いるものにも適用できる。
【符号の説明】
【００６０】
１００ ＥＧＲガスクーラ（熱交換器）
１１０ チューブ
１１５ 水流路（流路）
１１６ ディンプル（凸状部）
１１８ 流入端部
１２０ インナーフィン
１４１ 入口水パイプ（流入部）
１４２ 出口水パイプ（流出部）
【特許請求の範囲】
【請求項１】
扁平状断面を成して積層される複数のチューブ（１１０）と、
前記チューブ（１１０）の外側に形成される流路（１１５）とを備え、
前記チューブ（１１０）内を流通する内燃機関の排気ガスと、前記流路（１１５）を流通する前記内燃機関冷却用の冷却水との間で熱交換する熱交換器において、
前記排気ガスの流入側となる前記チューブ（１１０）の外表面の所定領域に複数の凸状部（１１６）が形成されており、
前記チューブの（１１０)の一方の外表面（１１０ａ）に形成された前記凸状部（１１６）は、前記チューブの他方の外表面（１１０ｂ）に形成された前記凸状部（１１６）とは異なる位置に形成されており、前記複数のチューブ（１１０）を積層した時に、前記チューブの一方の外表面（１１０ａ）に形成された前記凸状部（１１６）が前記チューブの他方の外表面（１１０ｂ）に形成された前記凸状部（１１６）の間に位置することを特徴とする熱交換器。
【請求項２】
前記チューブ（１１０）内には、前記チューブ（１１０）の内壁に接触するインナーフィン（１２０）が設けられており、前記凸状部（１１６）は、前記一般領域流通断面積に対する前記所定領域流通断面積の比を０．９以下とすると共に、前記内壁と前記インナーフィン（１２０）との接触面積低下割合を５％以上とするディンプル（１１６）であることを特徴とする請求項１に記載の熱交換器。
【請求項３】
前記所定領域は、前記排気ガスが前記チューブ（１１０）に流入する流入端部（１１８）から、前記排気ガスの下流側へ８０ｍｍまでの領域としたことを特徴とする請求項２に記載の熱交換器。
【請求項４】
前記ディンプル（１１６）は、前記排気ガスの前記チューブ（１１０）からの流出側にも、前記チューブ（１１０）の長手方向中心に対して対称となるように設けられたことを特徴とする請求項２または請求項３に記載の熱交換器。
【請求項１】
扁平状断面を成して積層される複数のチューブ（１１０）と、
前記チューブ（１１０）の外側に形成される流路（１１５）とを備え、
前記チューブ（１１０）内を流通する内燃機関の排気ガスと、前記流路（１１５）を流通する前記内燃機関冷却用の冷却水との間で熱交換する熱交換器において、
前記排気ガスの流入側となる前記チューブ（１１０）の外表面の所定領域に複数の凸状部（１１６）が形成されており、
前記チューブの（１１０)の一方の外表面（１１０ａ）に形成された前記凸状部（１１６）は、前記チューブの他方の外表面（１１０ｂ）に形成された前記凸状部（１１６）とは異なる位置に形成されており、前記複数のチューブ（１１０）を積層した時に、前記チューブの一方の外表面（１１０ａ）に形成された前記凸状部（１１６）が前記チューブの他方の外表面（１１０ｂ）に形成された前記凸状部（１１６）の間に位置することを特徴とする熱交換器。
【請求項２】
前記チューブ（１１０）内には、前記チューブ（１１０）の内壁に接触するインナーフィン（１２０）が設けられており、前記凸状部（１１６）は、前記一般領域流通断面積に対する前記所定領域流通断面積の比を０．９以下とすると共に、前記内壁と前記インナーフィン（１２０）との接触面積低下割合を５％以上とするディンプル（１１６）であることを特徴とする請求項１に記載の熱交換器。
【請求項３】
前記所定領域は、前記排気ガスが前記チューブ（１１０）に流入する流入端部（１１８）から、前記排気ガスの下流側へ８０ｍｍまでの領域としたことを特徴とする請求項２に記載の熱交換器。
【請求項４】
前記ディンプル（１１６）は、前記排気ガスの前記チューブ（１１０）からの流出側にも、前記チューブ（１１０）の長手方向中心に対して対称となるように設けられたことを特徴とする請求項２または請求項３に記載の熱交換器。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図２】
【図３】
【図４】
【公開番号】特開２０１２−１８４９２３（Ｐ２０１２−１８４９２３Ａ）
【公開日】平成２４年９月２７日（２０１２．９．２７）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１２−１５２５６４（Ｐ２０１２−１５２５６４）
【出願日】平成２４年７月６日（２０１２．７．６）
【分割の表示】特願２００８−２１５７８８（Ｐ２００８−２１５７８８）の分割
【原出願日】平成２０年８月２５日（２００８．８．２５）
【出願人】（０００００４２６０）株式会社デンソー (27,639)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２４年９月２７日（２０１２．９．２７）
【国際特許分類】
【出願日】平成２４年７月６日（２０１２．７．６）
【分割の表示】特願２００８−２１５７８８（Ｐ２００８−２１５７８８）の分割
【原出願日】平成２０年８月２５日（２００８．８．２５）
【出願人】（０００００４２６０）株式会社デンソー (27,639)
【Ｆターム（参考）】
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