JP5193310B2 - 内燃機関用再循環排気ガス冷却器 - Google Patents

Description

本発明は、請求項１に記載の特徴を有する内燃機関用再循環排気ガス冷却器に関する。

特許文献１によって、例えば、多数の熱交換パイプとこれに直交して延在する冷却リブを有する熱交換器が先行技術に含められている。前記冷却リブは、供給管と排出口の間に配置されかつ熱交換器ケーシングを横切って延在している。

さらに特許文献２によって、同様にケーシングに対して横切って配置された熱交換パイプを有する熱交換器が先行技術に含められ、その際熱交換パイプに対して直角に冷却リブが配置されている。追加として熱交換器のケーシングには、冷媒を流通案内するための通路が設けられている。

特許文献３もまた、熱交換パイプを有する熱交換器について記載し、その際熱交換器は、互いにフルードを通さないよう区切られた熱交換器モジュールに細分されており、この熱交換器モジュールは冷却管および冷却リブを含んでおり、かつクリップによって互いに接続されている。

再循環排気ガス冷却器の使用は自動車分野において周知である。この再循環排気ガス冷却器は効率が悪いという問題がある。これは主として、排気ガス側に対する冷却水側の面積比が約１：１のオーダーで不十分であることに基づいている。効率が悪いというこの問題は特に大型内燃機関用の再循環排気ガス冷却器で生じる。ここで、この内燃機関とは、例えば海の分野において船舶で使用される内燃機関かまたはきわめて大型の建設土木車両で使用される内燃機関であると理解される。ここで使用される再循環排気ガス冷却器は、自動車の分野で非常に小型の内燃機関に関連して使用される再循環排気ガス冷却器とは全く異なる出力を必要とする。さらに、大型の内燃機関の場合には、組成が多少異なる燃料が使用される。

出力が大きな内燃機関の再循環排気ガス冷却の場合の重要な点は、きわめて多量の排気ガスの再循環冷却を行わなければならないことである。この場合、排気ガスによって再循環排気ガス冷却器に運び込まれる熱量はきわめて大きい。もちろん、十分に大きな寸法の再循環排気ガス冷却器によって、排気ガスの温度を下げることができるが、再循環排気ガス冷却器をできるだけコンパクトに形成しなければならない。さらに、再循環排気ガス冷却器のケーシングが過熱されないようにすべきである。

米国特許出願第 ３ ４４２ ３２４号公開明細書 欧州特許出願第 ０２ ８５ ５０４ Ａ１号公開明細書 米国特許出願第 ４ ９２４ ９３８号公開明細書

本発明の根底をなす課題は、再循環排気ガス冷却器がコンパクトに形成され、さらにそのケーシングの過度の加熱が防止される、特に出力がきわめて大きな内燃機関用の再循環排気ガス冷却器を提供することである。

この課題は請求項１に記載の特徴を有する再循環排気ガス冷却器よって解決される。

本発明の思想の有利な発展形態は従属請求項の対象である。

本発明に係る再循環排気ガス冷却器は、冷媒用接続部を有するケーシングを備え、このケーシング内には少なくとも１つの熱交換セットを有する熱交換インサートが配置されている。熱交換セットは、外側に冷却リブを有する、冷媒が流通する多数の冷却管を備えている。熱交換インサートとケーシングとの間に、冷却管から冷却管へ冷媒を流通案内するために案内通路が形成されている。熱交換セットが外側にリブを有する冷却管を備えているので、排気ガス側の熱交換器面積は冷媒側の熱交換器面積よりもはるかに大きい。しかしながら、再循環排気ガス冷却器における冷却リブの使用は、特に冷却リブが非常に薄くて互いに近接している場合にかならずしも問題がないわけではない。というのは、排気ガスが冷却リブに付着して流れや熱交換を妨害する粒子を含んでいるからである。他方では、特に多量の排気ガスを再循環冷却するときに、排気ガス側の熱交換器面積を増大せずにコンパクトな構造の再循環排気ガス冷却器を実現することは不可能である。従って、本発明の範囲内において、再循環排気ガス冷却器が交換可能な熱交換インサートを備えていると、熱交換インサートを定期的に交換または洗浄することができるので、きわめて有利である。

他の重要な点は、熱交換インサートとケーシングとの間に、冷却管から冷却管へ冷媒を流通案内するために案内通路が形成されている。すなわち、冷媒は案内通路の領域内でケーシングに直接接触し、それによって再循環排気ガス冷却器の外板を形成するケーシングを冷却する。それによって、非常に多量の熱が搬入される場合にも、ケーシングの過熱が防止される。

熱交換インサートは、閉じた２つの側壁と、穴をあけた２つの側壁を有し、冷却管が穴あき側壁に固定されている。熱交換インサートは言わば、外側に配置されたケーシング内にある内側ケーシングである。内側ケーシングまたは熱交換インサートは、少なくとも熱交換セットの領域を外側ケーシングによって取り囲まれている。ケーシングは好ましくは長方形の横断面を有する。熱交換インサートが同様に長方形の横断面を有するので、特に閉じた側壁の領域においても穴あき側壁の領域においても、同じ厚さまたは同じ横断面積の案内通路が生じる。
冷媒流れを熱交換セットの冷媒入口側に案内するために、ケーシングと熱交換インサートの側壁との間にウェブが延在している。このウェブはケーシング上または熱交換インサート上に形成されている。巧みな流れ案内によって、複数の熱交換セットを並べて接続配置することができる。個々の熱交換セットは冷却管によって互いに接続されていない。冷媒は第１の熱交換セットの冷媒出口側から流出し、案内通路を用いて移送案内することによって他の熱交換セットの冷媒入口側に流入する。その際、互いに隣接した熱交換セットの冷媒入口側と冷媒出口側は特に、熱交換インサートの反対側にある。従って、冷媒は第１熱交換セットの冷媒出口側から他の熱交換セットの冷媒入口側まで比較的長い距離を移送案内される。これは意図したものであり、それによってケーシングが十分に冷却される。このような冷媒案内の場合、冷媒がすべての熱交換セットの冷却管を同じ方向に流れる。もちろん、本発明の範囲内において、冷媒が直接続けて設けられた熱交換セットの冷却管を反対方向に流れてもよい。この場合、冷媒は言わば蛇行して熱交換インサートを通って案内される。

ケーシングが基本的には交換されないので、ケーシングの少なくとも一部はエンジンブロックによってあるいは例えばインタークーラのケーシングなどのエンジン構成要素によって形成可能である。例えばエンジンブロックのケーシング部分に固定されるケーシングの第２半部は言わばカバーとしての働きをする。エンジンブロックを経てあるいはケーシング部分としての働きをするエンジン構成要素を経て熱交換セットに付加的に搬入される熱は最小である。というのは、熱交換セットとケーシングとの間に、冷媒を案内する案内通路が延在しているからである。

従って、本発明に係る再循環排気ガス冷却器は、好ましくは交換可能である高い効率の熱交換インサートを備えた、きわめてコンパクトで言わば二重壁のケーシング構造に基づいている。

本発明の有利な実施形態では、熱交換インサートが一端に、高温排気ガス用の流入領域を有し、他端に冷却済み排気ガス用の流出領域を有する。熱交換インサートの流入領域と流出領域は特に円錐形に形成されている。この流入領域と流出領域は熱交換セットと共に、キャップ状の円錐形の流入領域と流出領域を有する言わば直方体としてかつ予め製作された構造ユニットとして再循環排気ガス冷却器に挿入可能である熱交換インサートを形成する。再循環排気ガス冷却器のケーシングはこの熱交換インサートをその流入領域および流出領域と共に、外周壁のように取り囲んでいる。冷媒用案内通路は熱交換インサートの円錐状に形成された流入領域と流出領域内に延在している。従って、これらの領域において、ケーシングが過剰に温められることはない。

冷媒供給部が排気ガスの流出領域に設けられ、冷媒排出部が排気ガスの流入領域に設けられていると有利である。

再循環排気ガス冷却器の本発明に係る構造により、排気ガスと冷媒との間で熱交換が効率的に行われるだけでなく、ケーシングが効果的に冷却されるにもかかわらず、本発明の範囲においては、冷媒側の熱交換器面積の約８〜２０倍、特に８〜１４倍の熱交換器面積を排気ガス側に設けることが重要である。それによって、排気ガスと冷媒との間の熱交換に関する所望の大きな効率が達成される。

冷媒供給部が排気ガスの流出領域に設けられ、冷媒排出部が排気ガスの流入領域に設けられているので、排気ガスと冷媒との間の熱交換は、交叉−向流で行われる。冷媒供給部と冷媒排出部は特に、ケーシングの各々の端部に、互いに向かい合わせて配置した接続管として形成されている。

再循環排気ガス冷却器の効率にとって、熱交換器面積の比がきわめて重要である。冷却リブの面積はできるだけ大きくすべきであるが、過早に汚れることがないようにすべきである。基本的には、冷却管の冷却リブは、熱交換セットの横断面全体にわたって延在する薄板からなっている。換言すると、冷却リブが冷却管から冷却管へ延在しているかまたは冷却管が熱交換セットの冷却リブを形成する積層配置された一連の薄板を貫通している。

その際、冷却管は薄板の穴を貫通している。この場合、穴の外側の領域が冷却リブと呼ばれる。穴の周囲において、窪み状に型押しされた乱流発生部材が冷却リブに設けられている。乱流発生部材は熱交換作用、ひいては再循環排気ガス冷却器の効率を高める。

薄板または冷却リブのすべての乱流発生部材は好ましくは一方向に型押しされている。この構造は特に、乱流発生部材または冷却リブに付着する排気ガスの煤粒子をできるだけ少なくする。それによって、点検の期間または保守整備の期間を延長することができる。

乱流発生部材が腎臓状に形成され、穴の周囲においてこの乱流発生部材がそれぞれ４つ冷却リブに設けられていると、乱流発生部材の作用がさらに改善されることが分かった。

有利な発展形態では、乱流発生部材の長さが制限され、それぞれ穴の周囲に約５０〜６０°の角度にわたって延在している。それによって、薄板内に型押し部が配置されていない２つの乱流発生部材の間には、３０〜４０°の角度範囲が生じる。

乱流発生部材の形成に関して、乱流発生部材のエッジ領域側が閉じ、乱流発生部材が薄板への丸められたおだやかな移行部を有し、それによって煤粒子が鋭利なエッジにできるだけ付着しないようにすることが重要である。乱流発生部材は、そのそれぞれ２つの細い端部または太い端部が互いに隣接するように配置されている。それによって、個々の穴の中心に関して点対称配置または穴の縦平面に関して鏡像対称配置が生じる。

乱流発生部材は、流れの方向に見て穴の前に配置された乱流発生部材の細い端部が流れ方向に向くように配向されている。これにより、流れ方向に見て穴の後に配置された乱流発生部材の対は、その細い端部が流れ方向に向くように配向されている。

排気ガスの攻撃性に関して、熱交換インサートがステンレス鋼からなっていると有利である。

次に、図示した実施形態に基づいて本発明を詳しく説明する。

再循環排気ガス冷却器の概略的な斜視図である。 図１の再循環排気ガス冷却器の垂直縦断面図である。 矢印ＩＩＩａ方向に見た、図２のＩＩＩ−ＩＩＩ線に沿った垂直横断面図である。 冷却管を収容するための冷却リブの平面図である。

図１〜図３には、例えば船舶で使用可能であるような大型内燃機関用の再循環排気ガス冷却器が１で示してあるが、再循環排気ガス冷却器以外は図示していない。再循環排気ガス冷却器１内において、内燃機関から出る高温の排気ガスＡＧが冷却水の形態の冷媒ＫＭと間接的に熱交換される。

再循環排気ガス冷却器１は横断面が長方形の熱交換インサート２を備えている。この熱交換インサートは一端４に高温排気ガスＡＧ用の円錐形の流入領域３を有する。この流入領域３は高温排気ガスＡＧのための流入管５に接続している。再循環排気ガス冷却器１の他端６には、冷却された排気ガスＡＧのための熱交換インサート２の円錐形の流出領域７が設けられている。この流出領域７は冷却された排気ガスＡＧのための円筒形の排出管８に接続している。

熱交換インサート２は互いに向き合っている２つの閉じた側壁９と、この側壁９に対して９０°だけずれている２つの穴あき側壁１０とを備えている（図３）。熱交換インサート２は排気ガスＡＧの流れ方向に続けて設けられた３つの熱交換セット１１、１２、１３を備えている。この熱交換セットは排気ガスＡＧの流れ方向に対して横方向に延在する多数の冷却管１４と、この冷却管１４が貫通する、リブ付き薄板（図２〜図４）の形をした冷却リブ１５とからなっている。

熱交換インサート２はケーシング１６によって取り囲まれている。このケーシングは円錐形の第１端領域１７と、円錐形の第２端領域１８と、この端領域１７と１８との間に設けられた４つの側壁１９、２０とを備えている。この側壁は互いに直角に付設されている。

熱交換インサート２の円錐形の流入領域３および流出領域７と、ケーシング１６の円錐形の端領域１７、１８とに基づいて、円錐形の環状隙間２４、２５が再循環排気ガス冷却器１の端部４、６に形成される。

熱交換インサート２の穴あき側壁１０とそれに対して平行なケーシング１６の側壁１９との間には、冷媒ＫＭのための入口室２１が冷媒入口側３４に形成され、出口室２２が冷媒出口側３５に形成される。この場合、各熱交換セット１１、１２、１３の入口室２１と出口室２２はウェブ２３によって隣の熱交換セット１１、１２、１３の入口室２１と出口室２２に対して水密に分離されている。

熱交換セット１１の入口室２１は環状隙間２５に接続され、熱交換セット１３の出口室２２は環状隙間２４に接続されている。環状隙間２５は冷媒ＫＭの供給のための接続管２６に接続され、環状隙間２４は温められた冷媒ＫＭの排出のための接続管２７に接続されている。

熱交換インサート２の閉じた側壁９とケーシング１６の隣接する側壁２０の傍らには、冷媒用接続管２６から熱交換セット１１、１２、１３を経て冷媒用接続管２７へ冷媒ＫＭを詳細に後述するように移送案内するための斜めに延びる案内通路２８が延在している。

冷媒ＫＭは冷却された排気ガスＡＧの流出領域７内の冷媒供給部２６から、端部６における熱交換インサート２とケーシング１６との間の円錐形環状隙間２５に達する。冷媒ＫＭはこの環状隙間から側方の両案内通路２８を経て、流出領域７に隣接する熱交換セット１１の入口室２１に達する。冷媒ＫＭは入口室２１から熱交換セット１１の冷却管１４を通って流れ、この熱交換セットの出口室２２に達する。冷媒ＫＭはこの出口室から側方の斜めの案内通路２８を通って隣接する熱交換セット１２の入口室２１に達し、この入口室からこの熱交換セット１２の冷却管１４を通って出口室２２に流れ、そしてこの出口室２２から斜めに延在する側方の案内通路２８を経て流入領域３に隣接する熱交換セット１３の入口室２１に流れる。冷媒ＫＭは冷却管１４を通ってこの熱交換セット１３の出口室２２に流れ、この出口室２２から斜めに延在する側方の案内通路２８を経て、熱交換インサート２の円錐形の流入領域３とケーシング１６の同様に円錐形の端領域１７との間の円錐形の環状隙間２４に達し、そして温められた状態でこの円錐形の環状隙間２４から冷媒排出部２７を経て流出する。

冷却管１４の周囲の冷却リブ１５は、既に述べたように、穴２９を有する薄板（図４）からなっている。この薄板は熱交換セット１１、１２、１３の横断面全体にわたって延在している。冷却管１４を収容するための穴２９の周囲には、冷却リブ１５の平面から窪み状に型押しされた乱流発生部材３０が設けられている。この乱流発生部材３０は冷却リブ１５から一方向に型押しされている。

乱流発生部材３０は腎臓形に形成され、その曲率は穴２９の輪郭に適合している。穴２９の周囲においてそれぞれ４個の乱流発生部材３０が冷却リブ１５に設けられている。

排気ガスＡＧの流れ方向に並べて設けられた複数の穴２９の軸線３１を通過する縦平面ＬＥに隣接する乱流発生部材３０の端部３２は、他端３３よりも小さな半径を有する。平面Ｅはリブ１５の穴２９の軸線３１と、縦平面ＬＥに隣接する乱流発生部材３０の端部３２とを通過しており、この平面Ｅと縦平面ＬＥとの間の角度αは約１５°である。乱流発生部材３０は穴２９の周囲に約５０〜６０°の角度βにわたって延在している。

ケーシング１６が水平な中央縦平面内で分割されて形成されているので、熱交換インサート２はケーシング１６内に交換可能に配置されている。熱交換インサート２と熱交換セット１１、１２、１３はステンレス鋼からなっている。

１ 再循環排気ガス冷却器
２ 熱交換インサート
３ 流入領域
４ 端部
５ 流入管
６ 端部
７ 流出領域
８ 排出管
９ 閉じた側壁
１０ 穴あき側壁
１１ 熱交換セット
１２ 熱交換セット
１３ 熱交換セット
１４ 冷却管
１５ 冷却リブ
１６ ケーシング
１７ 端領域
１８ 端領域
１９ 側壁
２０ 側壁
２１ 入口室
２２ 出口室
２３ ウェブ
２４ 環状隙間
２５ 環状隙間
２６ 冷媒供給部
２７ 冷媒排出部
２８ 案内通路
２９ 穴
３０ 乱流発生部材
３１ 軸線
３２ 端部
３３ 端部
３４ 冷媒入口側
３５ 冷媒出口側
ＡＧ 排気ガス
Ｅ 平面
ＬＥ 縦平面
ＫＭ 冷媒
α 角度
β 角度

Claims (17)

1. 内燃機関用の再循環排気ガス冷却器（１）であって、再循環排気ガス冷却器（１）の一端（４）に高温排気ガス（ＡＧ）用の円錐形の流入領域（３）を有し、他端（６）に冷却された排気ガス（ＡＧ）のための円錐形の流出領域（７）を有する、横断面が長方形の熱交換インサート（２）を有し、並びに冷媒用接続部（２６、２７）を有するケーシング（１６）内に配置された熱交換セット（１１、１２、１３）を有し、この熱交換セット（１１、１２、１３）が、外側に冷却リブ（１５）を有する、冷媒（ＫＭ）が流通する多数の冷却管（１４）を備え、その際、熱交換インサート（２）が、ケーシング（１６）に取り囲まれており、熱交換インサート（２）とケーシング（１６）との間に、冷却管（１４）から冷却管へ冷媒（ＫＭ）を流通案内するために案内通路（２８）が形成されている前記再循環排気ガス冷却器（１）において、
   熱交換インサート（２）が閉じた２つの側壁（９）と、これら側壁（９）に対して９０°だけずれている、穴をあけた２つの側壁（１０）を有し、冷却管（１４）が穴あき側壁（１０）に固定されており、および案内通路（２８）がケーシング（１６）と熱交換インサート（２）の側壁（９、１０）との間の隙間として形成されており、案内通路（２８）を画成するための内向きのウェブ（２３）がケーシング（１６）に形成されており、及び／又は熱交換器（２）が案内通路（２８）を画成するための外向きのウェブを備えており、ウェブ（２３）が、熱交換セット（１１，１２，１３）の間の穴をあけた側壁（１０）の領域に設けられており、かつ、閉じた側壁（９）の範囲において斜めに延在し、それによって熱交換セット（１１、１２、１３）の冷媒出口側（３５）から冷媒入口側（３４）へ冷媒（ＫＭ）を移送案内するために、斜めに延在する案内通路（２８）が熱交換セットの閉じた側壁（９）に沿って形成されていることを特徴とする再循環排気ガス冷却器。
2. 熱交換インサート（２）が交換可能であることを特徴とする請求項１に記載の再循環排気ガス冷却器。
3. 熱交換インサート（２）が並べて接続配置された複数の熱交換セット（１１、１２、１３）を有することを特徴とする請求項１または２に記載の再循環排気ガス冷却器。
4. 第１の熱交換セット（１１、１２）から流出する冷媒（ＫＭ）が、案内通路（２８）を通って、後続の熱交換セット（１２、１３）に流入することを特徴とする請求項３に記載の再循環排気ガス冷却器。
5. すべての熱交換セット（１１、１２、１３）の冷却管（１４）が、同じ方向に流通されることを特徴とする請求項３または４に記載の再循環排気ガス冷却器。
6. 直接互いに続けて設けられた熱交換セット（１１、１２、１３）の冷却管（１４）が、反対方向に流通されることを特徴とする請求項３または４に記載の再循環排気ガス冷却器。
7. 熱交換インサート（２）が一端（４）に、高温排気ガス（ＡＧ）用の流入領域（３）を有し、他端（６）に冷却済み排気ガス（ＡＧ）用の流出領域（７）を有することを特徴とする請求項１〜６のいずれか一項に記載の再循環排気ガス冷却器。
8. 熱交換インサート（２）の流入領域（３）と流出領域（７）が円錐形に形成されていることを特徴とする請求項７に記載の再循環排気ガス冷却器。
9. 冷媒供給部（２６）が排気ガス（ＡＧ）の流出領域（７）に設けられ、冷媒排出部（２７）が排気ガスの流入領域（３）に設けられていることを特徴とする請求項１〜８のいずれか一項に記載の再循環排気ガス冷却器。
10. 冷却管（１４）の冷却リブ（１５）が、熱交換セット（１１、１２、１３）の横断面全体にわたって延在する薄板からなっていることを特徴とする請求項１〜９のいずれか一項に記載の再循環排気ガス冷却器。
11. 冷却管（１４）を収容するための穴（２９）の周囲に、冷却リブ（１５）の平面から窪み状に型押しされた乱流発生部材（３０）が設けられていることを特徴とする請求項１０に記載の再循環排気ガス冷却器。
12. 乱流発生部材（３０）が冷却リブ（１５）の一方向に型押しされていることを特徴とする請求項１１に記載の再循環排気ガス冷却器。
13. 乱流発生部材（３０）が腎臓状に形成され、穴（２９）の周囲においてそれぞれ４つの乱流発生部材（３０）が冷却リブ（１５）に設けられていることを特徴とする請求項９または１０に記載の再循環排気ガス冷却器。
14. 排気ガス（ＡＧ）の流れ方向に並べて配置された穴（２９）の軸線（３１）を通る縦平面（ＬＥ）に隣接する乱流発生部材（３０）の端部（３２）が、他端（３３）よりも小さな半径を有することを特徴とする請求項１１〜１３のいずれか一項に記載の再循環排気ガス冷却器。
15. 穴（２９）の軸線（３１）と縦平面（ＬＥ）に隣接する乱流発生部材（３０）の端部（３２）とを通る平面（Ｅ）が縦平面（ＬＥ）に対して、約１５°の角度（α）をなしていることを特徴とする請求項１４に記載の再循環排気ガス冷却器。
16. 乱流発生部材（３０）が穴（２９）の周囲に約５０〜６０°の角度（β）にわたって冷却リブ（１５）内に延在していることを特徴とする請求項１３〜１５のいずれか一項に記載の再循環排気ガス冷却器。
17. 熱交換インサート（２）がステンレス鋼からなっていることを特徴とする請求項１〜１６のいずれか一項に記載の再循環排気ガス冷却器。

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