特許 7621195 ＥＧＲクーラおよび車両用廃熱回収器

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】

(24)【登録日】2025-01-16

(45)【発行日】2025-01-24

(54)【発明の名称】ＥＧＲクーラおよび車両用廃熱回収器

(51)【国際特許分類】

   F02M 26/29 20160101AFI20250117BHJP

   F01N 5/02 20060101ALI20250117BHJP

   F28F 9/22 20060101ALI20250117BHJP

   F28D 7/16 20060101ALI20250117BHJP

【ＦＩ】

F02M26/29

F01N5/02 B

F01N5/02 G

F28F9/22

F28D7/16 A

【請求項の数】 3

(21)【出願番号】P 2021094272

(22)【出願日】2021-06-04

(65)【公開番号】P2022186183

(43)【公開日】2022-12-15

【審査請求日】2024-05-22

(73)【特許権者】

【識別番号】000220217

【氏名又は名称】東京ラヂエーター製造株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】110001416

【氏名又は名称】弁理士法人信栄事務所

(72)【発明者】

【氏名】菅田 征二

【審査官】津田 真吾

(56)【参考文献】

【文献】特開２００５－５４７０７（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２００５－３１５５０７（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２００８－１２８６１１（ＪＰ，Ａ）

(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)

Ｆ０１Ｎ ５／０２

Ｆ２８Ｄ ７／１６

Ｆ２８Ｆ ９／２２

Ｆ０２Ｍ ２６／２９

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

排気ガスを冷却するための冷却水が中を流れる角筒状のケーシングと、
前記ケーシングに対して冷却水の流路の下流側に接続するアダプタと、を有するＥＧＲクーラであって、
前記アダプタは、
前記ケーシング内の冷却水を前記アダプタ内に導入する導入口と、
前記導入口と連続して、内径φを有する筒状の渡し部と、
前記渡し部に対して冷却水の流路の下流側に設けられ、前記ＥＧＲクーラの通水抵抗を調節するφより小さい任意の内径に加工できるように構成された絞り部とを有し、
前記導入口の開口から前記絞り部までの距離ａは、前記渡し部の内径φの０．１５倍以上であり、
前記導入口にはテーパ部が設けられており、
前記導入口の中心線に沿った断面において、前記テーパ部の面取部の長さをｃとし、前記面取部と前記中心線とがなす角度をθとしたとき、以下の式を満たすＥＧＲクーラ。

【数5】

【請求項2】

テーパ部の両端がＲ面取りされている、請求項１に記載のＥＧＲクーラ。

【請求項3】

排気ガスを冷却するための冷却水が中を流れる角筒状のケーシングと、
前記ケーシングに対して冷却水の流路の下流側に接続するアダプタと、を有する車両用廃熱回収器であって、
前記アダプタは、
前記ケーシング内の冷却水を前記アダプタ内に導入する導入口と、
前記導入口と連続して、内径φを有する筒状の渡し部と、
前記渡し部に対して冷却水の流路の下流側に設けられ、前記車両用廃熱回収器の通水抵抗を調節するφより小さい任意の内径に加工できるように構成された絞り部とを有し、
前記導入口の開口から前記絞り部までの距離ａは、前記渡し部の内径φの０．１５倍以上であり、
前記導入口にはテーパ部が設けられており、
前記導入口の中心線に沿った断面において、前記テーパ部の面取部の長さをｃとし、前記面取部と前記中心線とがなす角度をθとしたとき、以下の式を満たす車両用廃熱回収器。

【数6】

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、ＥＧＲクーラおよび車両用廃熱回収器に関する。

【背景技術】

【0002】

特許文献１などにより、自動車などの排気ガスを冷却するＥＧＲクーラが知られている。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0003】

【文献】特開２００８－１２８６１１号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0004】

内燃機関および内燃機関の補器類には冷却水が流れている。内燃機関および補器類を流れる冷却水の流量は、それぞれの部品の通水抵抗によって決定される。
近年、量産化の段階で、車両の開発当初のＥＧＲクーラから別のＥＧＲクーラに載せ替える需要がある。しかし、通常、ＥＧＲクーラの通水抵抗は製品によって異なるので、単にＥＧＲクーラを乗せ換えると、内燃機関および補器類を流れる冷却水の流量バランスが乱れる可能性があった。
車両の開発当初のＥＧＲクーラと等しい通水抵抗を実現するため、ＥＧＲクーラの出口部にオリフィス等を設けることが考えられる。しかし、出口部においてオリフィスを設けることは、場合によっては、ＥＧＲクーラ内部の流れに影響を及ぼす可能性があった。

【0005】

そこで本発明は、通水抵抗を調節できるとともに、ＥＧＲクーラおよび車両用廃熱回収器の内部の流れへの影響を低減したＥＧＲクーラおよび車両用廃熱回収器を提供する。

【課題を解決するための手段】

【0006】

本発明の一側面に係るＥＧＲクーラは、
排気ガスを冷却するための冷却水が中を流れる角筒状のケーシングと、
前記ケーシングに対して冷却水の流路の下流側に接続するアダプタと、を有するＥＧＲクーラであって、
前記アダプタは、
前記ケーシング内の冷却水を前記アダプタ内に導入する導入口と、
前記導入口と連続して、内径φを有する筒状の渡し部と、
前記渡し部に対して冷却水の流路の下流側に設けられ、前記ＥＧＲクーラの通水抵抗を調節するφより小さい任意の内径に加工できるように構成された絞り部とを有し、
前記導入口の開口から前記絞り部までの距離ａは、前記渡し部の内径φの０．１５倍以上である。

【0007】

本発明の一側面に係る車両用廃熱回収器は、
排気ガスを冷却するための冷却水が中を流れる角筒状のケーシングと、
前記ケーシングに対して冷却水の流路の下流側に接続するアダプタと、を有する車両用廃熱回収器であって、
前記アダプタは、
前記ケーシング内の冷却水を前記アダプタ内に導入する導入口と、
前記導入口と連続して、内径φを有する筒状の渡し部と、
前記渡し部に対して冷却水の流路の下流側に設けられ、前記車両用廃熱回収器の通水抵抗を調節するφより小さい任意の内径に加工できるように構成された絞り部とを有し、
前記導入口の開口から前記絞り部までの距離ａは、前記渡し部の内径φの０．１５倍以上である。

【0008】

本発明によれば、通水抵抗を調節できるとともに、ＥＧＲクーラおよび車両用廃熱回収器の内部の流れへの影響を低減したＥＧＲクーラおよび車両用廃熱回収器が提供される。

【図面の簡単な説明】

【0009】

【図1】本発明の実施形態に係るＥＧＲクーラの斜視図である。

【図2】ＥＧＲクーラの分解斜視図である。

【図3】上方から見たＥＧＲクーラの断面図である。

【図4】図３におけるＩＶ－ＩＶ断面における断面図である。

【図5】図３におけるＶ－Ｖ断面における断面図である。

【図6】図５におけるＶＩ部の拡大図である。

【図7】図６におけるＶＩＩ部の拡大図である。

【図8】実施例１における解析モデルの模式断面図である。

【図9】実施例１における解析結果を説明する図である。

【図10】実施例２における解析モデルの模式断面図である。

【図11】実施例２における解析結果を説明する図である。

【発明を実施するための形態】

【0010】

以下、本発明の実施形態について図面を参照しながら説明する。尚、実施形態の説明において既に説明された部材と同一の参照番号を有する部材については、説明の便宜上、その説明は省略する。また、本図面に示された各部材の寸法は、説明の便宜上、実際の各部材の寸法とは異なる場合がある。

【0011】

また、本実施形態の説明では、説明の便宜上、「左右方向」、「前後方向」、「上下方向」について適宜言及する。ここで、「上下方向」は、「上方向」及び「下方向」を含む方向である。「前後方向」は、「前方向」及び「後方向」を含む方向である。「左右方向」は、「左方向」及び「右方向」を含む方向である。以降に説明する図中に示した符号Ｕは上方向を示す。符号Ｄは下方向を示す。符号Ｆは前方向を示す。符号Ｂは後方向を示す。符号Ｌは左方向を示す。符号Ｒは右方向を示す。なお、ＥＧＲクーラを車両に取り付けたときにこれらの方向が車両について設定される各々の方向と一致するとは限らない。

【0012】

図１は、本発明の実施形態に係るＥＧＲクーラ１の斜視図である。図１に示したようにＥＧＲクーラ１は、熱交換部１０と、熱交換部１０へ排気ガスを導入するガス入口部２０と、熱交換部１０から排気ガスを排出するガス出口部３０と、熱交換部１０へ冷却水を導入する水入口部４０と、熱交換部１０から冷却水を排出する水出口部５０（図２参照）と、を有している。

【0013】

図１に示した例においては、熱い排気ガスが前方からガス入口部２０を通って熱交換部１０へ流れ込み、熱交換部１０の内部で冷却水と熱交換が行われ、冷却された排気ガスは熱交換部１０からガス出口部３０を通って後方へ排出される。また、冷たい冷却水は下方から熱交換部１０の後部の水入口部４０を通って熱交換部１０へ流れ込み、熱交換部１０の内部で排気ガスと熱交換を行い、加熱された冷却水は熱交換部１０の前部の水出口部５０を通って下方へ排出される。図示したＥＧＲクーラ１は、熱交換部１０において排気ガスの流れる向きと冷却水の流れる向きが向かい合っている、いわゆる対向流タイプのＥＧＲクーラである。

【0014】

図２は、ＥＧＲクーラ１の分解斜視図である。図２に示したように、熱交換部１０は、複数のチューブ１１と、これらのチューブ１１を収容するケーシング１２を有している。チューブ１１は前後方向に長い偏平な中空の板状部材である。排気ガスはチューブ１１の内部を流れる。冷却水はケーシング１２の内部でチューブ１１の間の空間を流れる。チューブ１１の内部にはフィン１７が設けられており、排気ガスと冷却水との熱交換を助けている。チューブ１１の外面には、冷却水に乱流を引き起こして熱交換を促進するディンプル１３が設けられている。

【0015】

ケーシング１２は前後方向に長い角筒状の部材である。ケーシング１２の前方の端部には前エンドプレート１４が取り付けられている。ケーシング１２の後方の端部には後エンドプレート１５が取り付けられている。ガス入口部２０は前エンドプレート１４を介してケーシング１２に取り付けられている。ガス出口部３０は後エンドプレート１５を介してケーシング１２に取り付けられている。チューブ１１はこれら前エンドプレート１４と後エンドプレート１５に取り付けられている。

【0016】

図３は、上方から見たＥＧＲクーラ１の断面図である。図４は図３のＩＶ－ＩＶ断面における断面図である。図３および図４に示すように、複数のチューブ１１はケーシング１２内に左右方向に配列されている。前エンドプレート１４のチューブ１１の開口に対応する位置に開口１４ａが設けられており、排気ガスをチューブ１１内に取り込むことができる。後エンドプレート１５のチューブ１１の開口に対応する位置に開口が設けられており、排気ガスをチューブ１１から外に排出することができる。前エンドプレート１４の開口の間、および、後エンドプレート１５の開口の間は閉塞されており、ケーシング１２とチューブ１１と前エンドプレート１４と後エンドプレート１５の間に密閉された空間が形成されている。冷却水はこの密閉された空間内を流れる。

【0017】

図５は、図３におけるＶ－Ｖ断面における断面図である。本実施形態において、ケーシング１２の下面に水入口部４０および水出口部５０が設けられている。図６は、図５のＶＩ部の拡大図である。図５、図６に示すように、本実施形態において水出口部５０は、ケーシング１２の開口に取り付けられるアダプタ５１として形成されている。アダプタ５１の内部には、冷却水が通過する冷却水通路が設けられている。アダプタ５１は、ケーシング１２に設けられた開口に嵌合され、開口縁において溶接等により接合されることによって、ケーシング１２に対して固定される。

【0018】

アダプタ５１は、導入口５２と、渡し部５３と、絞り部５４と、接続部５５と、を有する。導入口５２はケーシング内の冷却水をアダプタの内部に流入させるように構成されている。渡し部５３は、導入口５２と連続して設けられる冷却水流路である。

【0019】

絞り部５４は、渡し部５３よりも小さい内径を持つ冷却水流路である。絞り部５４の内径が小さければ小さいほど、ＥＧＲクーラ１の通水抵抗は上昇する。絞り部５４の内径は、加工等によって任意の大きさに調節される。絞り部５４を任意の内径に調節することにより、ＥＧＲクーラ１の通水抵抗を調節する。なお、絞り部５４の内径φ_Oは、渡し部５３の内径φの４０％～９０％であることが好ましい。

【0020】

接続部５５は、冷却水をＥＧＲクーラ１の下流側の機器に導くパイプ２と接続する。本実施形態においては、接続部５５の内部にパイプ２の一部を挿入することで、接続部５５とパイプ２とが接続されている。また冷却水漏れを防止するために、接続部５５とパイプ２の間にＯリング３が設けられていてもよい。

【0021】

なお本実施形態においては、接続部５５の内部にパイプ２の一部が挿入されているが、パイプの内部に接続部が挿入されることで、接続部とパイプとが接続されるように構成されても良い。
また、パイプではなく、内燃機関などのＥＧＲクーラ１の下流側の機器と接続部とが直接接続されるように構成されても良い。別の例としては、接続部またはアダプタの外壁面を覆うようにゴムホースが被せられ、ホースバンド等によって連結されても良い。

【0022】

さらに、接続部は必ずしも設けられる必要はなく、アダプタの外壁面とパイプとが接続されるように構成されても良い。このとき、アダプタの下流側末端に、絞り部５４が設けられる。

【0023】

次に、導入口５２の開口から絞り部５４までの距離と渡し部５３の内径との関係について説明する。図６に示すように、導入口５２の開口から絞り部５４までの距離をａとする。ここで、開口とは、アダプタ５１の内部に設けられる冷却水流路における上流側の端部を意味するものとする。つまり、導入口５２の開口とは、導入口５２における冷却水の上流側端部を表している。

【0024】

このとき、渡し部５３の内径φに対する導入口５２の開口から絞り部５４までの距離ａの割合ｂが次式を満たすように構成されている。

【数1】

【0025】

アダプタが、ＥＧＲクーラの通水抵抗を調節する任意の内径を持つ絞り部を有する場合、絞り部の内径を調節することで、ＥＧＲクーラの通水抵抗を自在に設定できる。しかし、単に絞り部を設けると、ケーシング内部で不均一な流れが発生するなど、絞り部による影響がＥＧＲクーラの冷却性能を変えてしまったり、ＥＧＲクーラを含む冷却水の循環路全体の流れ方が変わってしまったりするなどの不都合が生じてしまう。
上記構成のＥＧＲクーラによれば、渡し部５３の内径φに対する導入口５２の開口から絞り部５４までの距離ａの割合ｂが０．１５以上であれば、ケーシング１２の内部から均一に冷却水が流出でき、ＥＧＲクーラの内部の流れへの影響を低減することができることを、本発明者は見出した。

【0026】

図７はアダプタ５１の拡大図である。導入口５２には、開口において面取り加工されたテーパ部５２０が設けられている。渡し部５３の中心軸Ａｘを通るように切断した断面視において、テーパ部５２０の長さ（面取り長さ）をｃとする。また、テーパ部５２０のうち前後方向成分の長さをｃ_１、上下方向成分の長さをｃ_２とする。さらに、テーパ部５２０の延長線と渡し部５３の中心軸Ａｘとがなす角をθとする。

【0027】

このとき、導入口５２において面取りを設けることによって欠損した面積である面取り面積Ｓは次式で得られる。

【数2】

【0028】

ここで、本実施形態にかかるＥＧＲクーラは、渡し部５３の内径φと面取り面積Ｓとの関係について、次式が成立するように構成されている。

【数3】

【0029】

上記構成のＥＧＲクーラによると、アダプタ５１の導入口５２に面取りされたテーパ部５２０が設けられているので、導入口５２はより広い範囲のケーシング１２内の冷却水を吸い込むことができる。このとき、渡し部５３の断面の中心線を通る断面において、面取り面積Ａを渡し部の内径φの１．８乗で除した数が０．００１よりも大きいと、ケーシング１２の内部の流れの影響をより低減できることを発明者は見出した。

【0030】

さらに、テーパ部５２０の上流側端部と下流側端部とにＲ面取り部Ｒ１，Ｒ２が設けられている。
上記構成のＥＧＲクーラによると、テーパ部５２０の両端にＲ面取り部Ｒ１，Ｒ２が設けられているので、Ｒ面取り部が設けられていないときと比べて、面取り面積Ｓをさらに大きくすることができる。さらに、Ｒ面取り部Ｒ１，Ｒ２によって流路が滑らかになるので、ケーシング１２内部の冷却水をよりスムーズにアダプタ５１内部に導入できる。これにより、ケーシング１２内部の流れの影響をより低減できる。

【0031】

（実施例１）
ＥＧＲクーラとアダプタとを流れる冷却水の流れについて調べるため、解析モデルを用いて解析を行った。図８は実施例１において用いた解析モデルの模式断面図である。図８に示すように、解析モデルは、大きさの異なる３つの円筒が連なって形成される。解析モデルにおいて、最も上流側にある最も内径が大きい円筒は本実施形態におけるケーシング１２を模している（ケーシング円筒）。２番目に大きい円筒であり、ケーシング円筒の下流側に連なっている円筒は、本実施形態における渡し部５３を模している（渡し部円筒、内径はφ）。最も小さい円筒であり、渡し部円筒の下流側に連なっている円筒は、本実施形態における絞り部５４を模している（絞り部円筒、内径φ_O）。
また、渡し部円筒の長手方向の長さａは、本実施形態における導入口５２の開口から絞り部５４までの距離に相当する。

【0032】

このとき、ケーシング円筒において、渡し部円筒の上流側端部から５ｍｍ上流側の断面Ｚにおける流速分布を調べ、該流速分布の標準偏差ＳＤを算出した。標準偏差ＳＤが大きいほどケーシング円筒内の流れが不均一であることを示し、標準偏差ＳＤが小さいほど、ケーシング円筒内の流れが均一であることを示す。

【0033】

渡し部円筒の内径φ＝２０，３０，５０ｍｍにおいて、渡し部円筒の長手方向の長さをａの距離を変化させて、断面Ｚにおける標準偏差ＳＤを調べた。図９に解析によって得られた結果を示す。渡し部円筒の内径φに対する渡し部円筒の長手方向の長さａの割合ｂが０．１５以上において、渡し部の内径φや割合ｂが変化しても標準偏差ＳＤは約０．３５である。一方、割合ｂが０．１５未満の時、標準偏差ＳＤは０．３５を１０％以上も上回る。したがって、割合ｂが０．１５以上のとき標準偏差ＳＤを低減できるので、割合ｂが０．１５以上のアダプタにおいてケーシング内部の流れの影響を抑制できることが確認された。

【0034】

（実施例２）
次に、面取りによる効果について、解析モデルを用いて解析を行った。図１０は実施例２において用いた解析モデルの模式断面図である。図１０に示すように、実施例２において用いられた解析モデルは、実施例１で用いられた解析モデルと比較して、渡し部円筒の上流側端部にテーパ部を有する点が異なっている。渡し部円筒の中心軸を通る断面において、テーパ部の長さをｃとし、テーパ部の延長線と中心軸とのなす角をθとすると、面取り面積Ｓは次式によって得られる。

【数4】

【0035】

渡し部円筒の内径φ＝２０，３０，５０ｍｍにおいて、面取り面積Ｓを変化させて、断面Ｚにおける標準偏差ＳＤを調べた。本発明者は、面取り面積Ｓを渡し部円筒の内径φの１．８乗で除すことによって、結果を有意に整理できることを見出した。図１１に解析によって得られた結果を示す。

【0036】

面取り面積Ｓが大きければ大きいほど、標準偏差ＳＤは減少することがわかる。ところで、図１１に示すように、面取り面積Ｓが増大したときにおいて、面取り面積Ｓを渡し部円筒の内径φの１．８乗で除した値が０．００１以下のときには、面取り面積Ｓを渡し部円筒の内径φの１．８乗で除した値が０．００１を超えるときよりも、標準偏差ＳＤが急激に減少することがわかる。逆に言えば、面取り面積Ｓを渡し部円筒の内径φの１．８乗で除した値を徐々に減少させるとき、面取り面積Ｓを渡し部円筒の内径φの１．８乗で除した値が０．００１を下回ると、急激に標準偏差ＳＤが増加する。
したがって、面取り面積Ｓを渡し部円筒の内径φの１．８乗で除した値は０．００１よりも大きいことが好ましいことが確認された。

【0037】

以上、実施形態および実施例に基づいて本発明を説明した。本実施形態は本発明の一例であって、上述した実施形態に限定されず、適宜、変形、改良等が自在である。その他、上述した実施形態における各構成要素の材質、形状、寸法、数値、形態、数、配置場所等は、本発明を達成できるものであれば任意であり、限定されない。

【0038】

例えば、本実施例においては、水入口部が水出口部よりも後方にある対向流タイプのＥＧＲクーラを例に挙げて説明したが、水入口部が水出口部よりも前方にあって、冷却水が流れる方向と排気ガスが流れる方向とが同じ方向である並行流タイプのＥＧＲクーラであってもよい。

【0039】

また、上述した実施形態では、本発明をＥＧＲクーラに適用した例を説明したが、本発明は車両用廃熱回収器に適用してもよい。車両用廃熱回収器とは、ヒートコレクタとも呼ばれる、車両に搭載される部品である。車両用廃熱回収器は、排気ガスと冷却水とで熱交換を行い、温められた冷却水によってエンジンを温めて燃費を向上させるためなどに用いられる。このような車両用廃熱回収器も、チューブ、ケーシングなどを備え、上述した構成と同様に構成することができる。

【符号の説明】

【0040】

１ ＥＧＲクーラ
２ パイプ
３ Ｏリング
１０ 熱交換部
１１ チューブ
１２ ケーシング
１３ ディンプル
１４ 前エンドプレート
１４ａ 開口
１５ 後エンドプレート
１６ 装着孔
１７ フィン
２０ ガス入口部
３０ ガス出口部
４０ 水入口部
５０ 水出口部
５１ アダプタ
５２ 導入口
５３ 渡し部
５４ 絞り部
５５ 接続部
５２０ テーパ部
ＡＸ 中心軸
Ｒ１，Ｒ２ Ｒ面取り部

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】

【図9】

【図10】

【図11】