JP4240136B2 - 排気熱交換器 - Google Patents

Description

本発明は、熱機関から排出される排気と冷却水との間で熱交換を行う排気熱交換器に関するもので、特に、排気再循環装置（以下、ＥＧＲと呼ぶ）に用いられる排気を冷却するガスクーラ（以下、ＥＧＲクーラと呼ぶ）への適用に有効なものである。

排気熱交換器として、例えば、ディーゼル式のエンジン用ＥＧＲクーラがある。従来のＥＧＲクーラは、エンジンの排気の一部を、直接、エンジンの吸気側へ還流させる排気再循環管の途中に設置されている（例えば、特許文献１参照）。

また、従来のＥＧＲクーラは、複数のチューブが積層され、チューブ内にインナーフィンが配置された構造であり、チューブ内を流れる排気と、チューブの外側を流れる冷却水とを熱交換させることで、排気を冷却するようになっている（例えば、特許文献１参照）。なお、インナーフィンとしては、ストレートフィンが用いられている。

ところで、インナーフィンの種類としては、ストレートフィンやウェーブフィンの他、インタークーラ等のＥＧＲクーラとは異なる用途に用いられるオフセットフィンが知られている（例えば、特許文献２参照）。
特開２００４−７７０２４号公報 特許第３７６６９１４号公報

ＥＧＲクーラ１０とインタークーラとでは、以下に説明するように、冷却方式、要求される性能、仕様環境等が異なるため、オフセットフィンのフィンピッチｆｐ、フィン高さｆｈ、セグメント長さＬ等の各部位の寸法については、インタークーラ用のオフセットフィン等の従来から使用されているオフセットフィンの仕様を、そのまま適用できない。

例えば、インタークーラとＥＧＲクーラとでは、冷却方式が異なり、すなわち、インタークーラは空冷式が一般的であるのに対して、ＥＧＲクーラは水冷式が一般的であるため、インナーフィンが熱交換性能に寄与する度合いが異なる。

また、インタークーラとＥＧＲクーラとでは、冷却対象ガスの温度が異なり、すなわち、インタークーラでは、例えば、１７０℃であるのに対して、ＥＧＲクーラでは、例えば、４００℃である。

また、インタークーラとＥＧＲクーラとでは、材質が異なり、インタークーラでは、一般的に、材質がアルミであるのに対して、ＥＧＲクーラでは、高温酸化、凝縮水による腐食環境下にさらされるため耐食性の確保の観点より、材質をステンレスとする必要がある。

また、他の例としてオイルクーラとEGRクーラとでは冷却する流体の物性が異なる。すなわち、オイルクーラはエンジン用、オートマチックトランスミッション用等、粘性、密度の高いオイルを冷却するのに対して、ＥＧＲクーラは粘性、密度の低い排気ガスを冷却するあるため、インナーフィンが熱交換性能に寄与する度合いが異なる。

オフセットフィンの仕様は、冷却方式、冷却対象ガスの温度、インナーフィンの材質等の条件によって、熱交換性能が最も高くなるように決定されるものであるところ、ＥＧＲクーラ用のオフセットフィンの仕様として、単に、インタークーラ用の仕様を適用した場合では、ＥＧＲクーラの熱交換性能が低くなってしまう可能性がある。

また、上記の通り、図１に示す排気再循環装置では、高負荷時での流量確保等のため、ＥＧＲクーラ１０内の圧力損失が小さいことが要求されるところ、例えば、特許文献２に記載されているフィンの仕様（フィンピッチｆｐ＝２ｍｍ）では、チューブ内の圧力損失が大きくなりすぎてしまう。

なお、上記した問題は、ＥＧＲクーラに限定されず、水冷式であって、材質がステンレスである他の種類の排気熱交換器においても、同様に生じる問題である。

本発明は、上記点に鑑み、チューブおよびインナーフィンを有する構造の排気熱交換器において、インナーフィンとしてオフセットフィンを用いた場合に、高い性能が得られるフィンについての諸条件を求めることにより、排気熱交換器の性能向上を図ることを目的とする。

上記目的を達成するため、請求項１に記載の発明では、エンジン（１）での燃焼により発生した粒子状物質を含有する排気ガスと排気ガスを冷却する冷却水との間で熱交換を行うとともに、熱交換後の排気ガスをエンジン（１）側へ流出する排気熱交換器において、内部を排気ガスが流れ、外部を冷却水が流れるステンレス製のチューブ（２１）と、チューブ内に配置され、排気ガスと冷却水との間での熱交換を促進させるステンレス製のインナーフィン（２２）とを備え、インナーフィン（２２）は、排気ガスの流れ方向に略垂直な断面形状が、凸部（３１）を一方側と他方側に交互に位置させて曲折する波形状であって、排気ガスの流れ方向に平行な方向で部分的に切り起こされた切り起こし部（３２）を備えるオフセットフィンであり、断面形状にて、一方側と他方側のうちの同一側で隣り合う凸部の中心同士の距離であるフィンピッチの大きさをｆｐとし、一方側と他方側のうちの同一側で隣り合う凸部と凸部との間でフィンによって囲まれた領域の相当円直径をｄｅとし、切り起こし部の排気流れ方向での長さをＬとし、断面形状における一方側の凸部から他方側の凸部までの距離であるフィン高さをｆｈとしたときに、フィンピッチの大きさが、
２＜ｆｐ≦１２（単位：ｍｍ）
を満足する大きさであり、切り起こし部の排気流れ方向での長さＬが、
ｆｈ＜７、ｆｐ≦５のとき、０．５＜Ｌ≦７（単位：ｍｍ）、
ｆｈ＜７、５＜ｆｐのとき、０．５＜Ｌ≦１（単位：ｍｍ）、
７≦ｆｈ、ｆｐ≦５のとき、０．５＜Ｌ≦４．５（単位：ｍｍ）、または
７≦ｆｈ、５＜ｆｐのとき、０．５＜Ｌ≦１．５（単位：ｍｍ）
であって、さらに、
Ｘ＝ｄｅ×Ｌ ^0.14 ／ｆｈ ^0.18 としたときに、
相当円直径ｄｅおよび切り起こし部の排気流れ方向での長さＬが、粒子状物質がインナーフィン（２２）に堆積することを抑制するために、
１．１≦Ｘ≦４．３
を満足する大きさになっていることを特徴とする。

これにより、チューブ内を流れる排気の圧力損失およびチューブ外を流れる冷却水の通水抵抗を低く抑えることができ、チューブ内の目詰まりを抑制でき、かつ、高い放熱性能を備える排気熱交換器が得られる。

これにより、冷却性能と圧力損失の両方を考慮した指数であるガス密度の大きさが、最大値の９３％以上となる高性能な排気熱交換器が得られる。

また、請求項２に記載の発明では、相当円直径および切り起こし部の排気流れ方向での長さが、
１．２≦Ｘ≦３．９を満足する大きさであることを特徴としている。

これにより、ガス密度の大きさが最大値の９５％以上となる、より高性能な排気熱交換器を得ることができる。

また、請求項３に記載の発明では、相当円直径および切り起こし部の排気流れ方向での長さが、
１．３≦Ｘ≦３．５を満足する大きさであることを特徴としている。

これにより、冷却性能と圧力損失の両方を考慮した指数であるガス密度の大きさが、最大値の９７％以上となる、より高性能な排気熱交換器が得られる。

なお、特許請求の範囲およびこの欄で記載した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。

以下、本発明を図に示す実施形態について説明する。なお、以下に説明する第４実施形態が特許請求の範囲に記載した発明の実施形態であり、第１実施形態は、本発明の前提となる形態であり、第２、３、５実施形態は参考例として示すものである。
（第１実施形態）
本実施形態では、本発明をＥＧＲクーラに適用した例を説明する。図１に、ＥＧＲクーラが用いられる排気再循環装置の模式図を示す。図１に示す排気再循環装置では、エンジン１の吸気経路２の途中に、例えば、エアクリーナ３、可変ターボアクチュエータ４、インタークーラ５およびインテークマニホールド６が配置され、エンジン１の排気経路７の途中に、可変ターボアクチュエータ４およびＤＰＦ（ディーゼルパティキュレートフィルタ）８が配置されており、第１の排気再循環管９が、ＤＰＦ８の排気流れ下流側と、可変ターボアクチュエータ４の吸気流れ上流側とに接続され、この第１の排気再循環管９の途中に、ＥＧＲクーラ１０と、ＥＧＲバルブ１１が配置されている。第１の排気再循環管９は、ＤＰＦ８を通過した排気ガスの一部を、エンジンの吸気側に還流させる配管である。

このように、図１に示す排気再循環装置では、ＥＧＲクーラ１０内に、ＤＰＦ８でＰＭ（粒子状物質）が除去された排気が導入されることから、ＥＧＲクーラ１０に導入される排気ガス中の煤の量が低減される。

また、図１に示す排気再循環装置は、エンジンの排気の一部を、ＤＰＦ８に通過させる前に、直接、エンジンの吸気側へ還流させる第２の排気再循環管１２およびその途中に配置されたＥＧＲバルブ１３を有している。第１の排気再循環管９と第２の排気再循環管１２とを比較すると、第１の排気再循環管９を流れる排気の圧力は第２の排気再循環管１２内よりも低圧である。したがって、図１に示す排気再循環装置は低圧ＥＧＲシステムと呼ばれ、このシステムによれば、エンジン高負荷時でもＥＧＲを作動させることができる利点がある。

図２に、本実施形態のＥＧＲクーラの側面図を示し、図３に、ＥＧＲクーラのＡ−Ａ矢視方向断面図を示し、図４に、ＥＧＲクーラのＢ−Ｂ矢視方向断面図を示す。

ＥＧＲクーラ１０は、エンジン１での燃焼により発生した排気ガスをエンジン１に再循環させる際に、その排気ガスをエンジン１の冷却水によって、冷却する排気熱交換器であり、図２〜４に示すように、主に、複数のチューブ２１と、インナーフィン２２と、水側タンク２３と、ガス側タンク２４とを備えている。これらの部材２１〜４４は、ステンレス製であり、ろう付けや溶接等により接合されている。

チューブ２１は、図３、４に示すように、排気ガスが流通する排気通路２１ａを構成する管であり、内部を排気ガスが流れるようになっている。また、チューブ２１の外部を冷却水が流れるようになっており、このチューブ２１を介して、排気ガスと冷却水とを熱交換させる。冷却水としては、例えば、エンジン冷却水に用いられるものを採用できる。

具体的には、図３に示すように、チューブ２１の排気流れ方向から見たときの断面形状は、長辺２１ｃと短辺２１ｄを有する扁平形状であり、長辺２１ｃ側となる扁平面２１ｃに垂直な方向（図中上下方向）に、複数のチューブ２１が積層されている。また、図３、４に示すように、本実施形態では、基本的に、隣り合うチューブ２１の外壁によって、隣り合うチューブ２１間に冷却水が流れる冷却水通路２１ｂが構成されている。

水側タンク２３は、主に、一方の水側タンク２３でＥＧＲクーラに流入した冷却水を各チューブ２１に分配供給し、他方の水側タンク２３で各チューブ２１からの冷却水を集合回収するものである。水側タンク２３は、図２、４に示すように、チューブ２１のガス流れ方向両端部近傍において、積層されたチューブ２１の周囲に設けられており、冷却水入口もしくは冷却水出口２３ａを備えている。

ガス側タンク２４は、図２、４に示すように、チューブ２１のガス流れ方向両端部に、それぞれ、配置されている。両ガス側タンク２４は、第１の排気再循環管９に接続され、一方のガス側タンク２４で、各チューブに排気ガスを分配供給し、他方のガス側タンク２４で、熱交換を終えた排気ガスを各チューブ２１から集合回収する。

インナーフィン２２は、各チューブ２１内に配置されており、排気ガスと冷却水との間での熱交換を促進させるものであり、チューブ２１の内壁面に固定されている。以下、インナーフィン２２の詳細について説明する。

図５に、インナーフィンの斜視図を示し、図６に、排気ガス流れ方向から見たときのインナーフィンの部分拡大図を示す。

インナーフィン２２は、図５、６に示すように、排気ガスの流れ方向に略垂直な断面形状、すなわち、排気ガスの流れ方向から見たときの断面形状が、凸部３１を一方側と他方側に交互に位置させて曲折する波形状であって、排気ガスの流れ方向で、部分的に切り起こされた切り起こし部３２を備え、排気ガスの流れ方向から見たときに、切り起こし部３２によって形成される波形状部分が、排気ガスの流れ方向で隣接する波形状部分に対して、オフセットしているオフセットフィンである。このオフセットフィン２２は、凸部３１がチューブ２１の長辺２１ｃ側の内壁面と接している。

このオフセットフィン２２によって、チューブ２１の内部が、図３に示すように、チューブ２１の長辺２１ｃに平行な方向で、複数の流路に分割（言い換えると、区画）され、さらに、チューブ２１内で複数に分割された流路は、排気流れ方向で部分的にオフセットしている。すなわち、図５に示すように、チューブ２１の内部を複数の流路に分割する壁部３３が、排気ガスの流れ方向に沿って、千鳥状に配置されている。また、排気流れ方向でオフセットフィン２２を見たとき、一方側同士、他方側同士のように、同一側の凸部３１であって、排気流れ方向で隣接する凸部３１同士は、ずれて配置されている。

このとき、図６に示すように、オフセット距離ｓは、熱伝達率が高く、ガス抵抗が小さくなるように、ガス通路高さｕの約半分の大きさに設定されるのが望ましい。ここで、オフセット距離ｓとは、排気ガスの流れ方向から見たときに、オフセットフィン２２のうち、切り起こし部３２によって形成される波形状部分が、排気ガスの流れ方向で隣接する波形状部分に対して、排気ガスの流れ方向に略垂直な断面形状にて同一側で隣り合う凸部３１が並ぶ方向で、ずれているときのずれ長さのことであり、言い換えると、隣り合う一方側と他方側の凸部３１間に位置する壁部３３と、その壁部３３に対して位置ずれしている切り起こし部３２の壁部３３とのチューブ２１の長辺２１ｃに平行な方向での間隔のことである。

なお、オフセットフィン２２の排気ガスの流れ方向での断面形状については、凸部３１の頂点に直線状部分を含む形状と含まない形状のどちらでも良い。

このオフセットフィン２２は、プレス加工により、平板を波形状に折り曲げ、さらに、プレス加工により、切り起こし部３２となる部分を起こすことで製造される。なお、切り起こし部３２となる部分を起こす方法としては、起こす前に、波状にする前にあらかじめスリットを入れておく方法や、板の両面をプレス機でプレスすることにより、切る、起こす、を同時に行ってもよい。また、フィンの成形はローラ加工でも良く、またローラ加工とプレス加工両方の組み合わせでも良い。

このような構造のオフセットフィン２２では、図５、６に示すように、排気ガスの流れ方向から見た断面形状にて、一方側同士もしくは他方側同士のように、一方側と他方側のうちの同一側で、隣り合う凸部３１の中心同士の距離であるフィンピッチｆｐと、一方側の凸部から他方側の凸部までの距離であるフィン高さｆｈの大きさ等の仕様によって、ＥＧＲクーラ１０の性能が決まる。なお、フィン高さｆｈは、オフセットフィン２２が接触しているチューブ２１の内壁面に対して垂直な方向での距離であり、チューブ２１の積層方向でのチューブ２１の内径と同等である。

そこで、本発明者は、オフセットフィン２２の最適仕様について検討した。本実施形態では、フィンピッチｆｐおよびフィン高さｆｈが種々の大きさである上記した構造のＥＧＲクーラ１０を作製し、所定条件でガスおよび冷却水を流したときのチューブ２１の内部を流れる排気ガスの圧力損失の大きさ、チューブ２１の外部を流れる冷却水の通水抵抗の大きさ、チューブ２１の内部での目詰まりの有無、ＥＧＲクーラの放熱性能を評価し、この結果より、最適仕様を決定した。なお、所定条件は、ガス入口温度Ｔｇ１：４００℃、ガス流量：３０ｇ／ｓ、ガス入口圧力Ｐｇ１：５０ｋＰａ、冷却水入口温度Ｔｗ１：８０℃、冷却水流量：１０Ｌ／ｍｉｎである。

図７に、フィン高さｆｈと圧力損失比（ΔＰｇ比）との関係を示す。なお、圧力損失ΔＰｇとは、ガス側タンク１４のガス入口でのガス圧力Ｐｇ１とガス出口でのガス圧力Ｐｇ２との差であり、ΔＰｇ比とは、それぞれの条件のときの圧力損失ΔＰｇのうち、最大値を基準値１００としたときの比率（％）である。

また、このとき用いたオフセットフィン２２の条件は、オフセットフィン２２の板厚ｔ：０．２ｍｍ、フィンピッチｆｐ：５ｍｍ、７ｍｍ、切り起こし部３２の排気流れ方向での長さＬ：１ｍｍ、５ｍｍ、曲率半径Ｒ：０．２ｍｍである。なお、以下では、切り起こし部３２の排気流れ方向での長さＬをセグメント長さＬと呼ぶ。また、図７中のｆｐ５、ｆｐ７は、それぞれ、ｆｐ＝５ｍｍ、ｆｐ＝７ｍｍを示し、Ｌ１、Ｌ５は、それぞれ、Ｌ＝１ｍｍ、Ｌ＝５ｍｍを示しており、ｆｐ、Ｌ等の各パラメータの次に示す数字は長さを示している。このことは、他の図においても同様である。

図７に示すように、クーラの体格は固定、すなわち、水側タンク２３およびガス側タンク２４の大きさは固定で、かつ、フィンピッチｆｐおよびセグメント長さＬも、それぞれ、ｆｐ＝５ｍｍ、Ｌ＝１ｍｍで固定し、フィン高さｆｈを小さくなる側に変更していった場合、図中のｆｐ５、Ｌ１のように、フィン高さｆｈが３．５ｍｍのときが、傾きが変わる点である変曲点となり、圧力損失の上昇変化率は、フィン高さｆｈが３．５ｍｍ以下のときの方が、３．５ｍｍよりも大きいときと比較して大きくなることがわかった。

同様に、図中のｆｐ５、Ｌ５のように、ｆｐ＝５ｍｍ、Ｌ＝５ｍｍで固定し、フィン高さｆｈを小さくなる側に変更していった場合や、図中のｆｐ７、Ｌ５のように、ｆｐ＝７ｍｍ、Ｌ＝５ｍｍで固定し、フィン高さｆｈを小さくなる側に変更していった場合においても、フィン高さｆｈが３．５ｍｍのときが変曲点となり、ｆｈ＝３．５ｍｍを境として、圧力損失の上昇率が異なっていた。

この結果より、クーラの体格が固定で、ｆｐ、Ｌが同じときでは、ｆｈが３．５ｍｍ以下のとき、圧力損失は相対的に大きく、ｆｈが３．５ｍｍよりも大きいとき、圧力損失は比較的小さいと言える。したがって、フィン高さｆｈは、３．５ｍｍよりも大きいことが好ましいと言える。

続いて、図８に、フィン高さｆｈと通水抵抗ΔＰｗとの関係を示す。なお、通水抵抗ΔＰｗとは、水側タンクの冷却水入口での水圧と冷却水出口での水圧との差である。また、このとき用いたオフセットフィン２２の条件については、図７のときと同じである。

図８に示すように、クーラの体格は固定で、かつ、冷却水通路２１ｂの幅となるチューブ２１同士の間隔が一定であるとき、フィン高さｆｈを大きくなる側に変更するにつれ、通水抵抗ΔＰｗが増加する傾向がある。そして、通水抵抗ΔＰｗは、冷却性能の観点より、３〜３．２ｋＰａ以上になると冷却水流量確保のため高性能ウォーターポンプが必要となり、コストアップに繋がる。したがって、フィン高さｆｈは、１２ｍｍ以下であることが好ましく、１０ｍｍ以下であることが、より好ましいと言える。

また、目詰まりの有無を調べた結果、フィンピッチｆｐを小さくするにつれ、オフセット距離ｓが小さくなり、フィンの板厚ｔが０．２ｍｍ以下の場合では、フィンピッチｆｐが２ｍｍ以下のとき、オフセット距離ｓが小さくなりすぎてしまい、排気ガス中の煤によって、目詰まりが生じた。したがって、目詰まりの発生を抑制する観点より、フィンピッチｆｐは２ｍｍよりも大きいときが良いと言える。

また、セグメント長さＬを短くすることにより、オフセットフィン２２の放熱性能を高めることができる。そこで、セグメント長さＬの範囲を１≦Ｌ≦１０ｍｍとし、フィン高さｆｈの範囲を３．５＜ｆｈ≦１２とした場合のフィンピッチｆｐとＥＧＲクーラの放熱性能との関係を調べた。この結果を図９に示す。なお、図９には、フィン高さｆｈが３．６ｍｍもしくは１２ｍｍであり、セグメント長さＬが１ｍｍもしくは１０ｍｍである場合の結果が示されている。

図９からわかるように、フィン高さｆｈに関わらず、セグメント長さＬが１０ｍｍのときよりも１ｍｍのときの方が、ＥＧＲクーラの放熱性能が高く、フィン高さｆｈが１２ｍｍで、セグメント長さＬが１０ｍｍのときでは、図９中のｆｈ１２−Ｌ１０からわかるように、フィンピッチｆｐが１２ｍｍよりも大きいときでは、市場でＥＧＲクーラに要求される放熱性能である５．５ｋｗ／Ｌを満たさないが、フィンピッチｆｐが１２ｍｍ以下であれば、市場で要求される放熱性能を満たす。

したがって、フィン高さｆｈの範囲が３．５＜ｆｈ≦１２の場合では、フィンピッチｆｐは１２ｍｍ以下が良いと言える。

以上の検討結果により、フィンピッチｆｐの大きさおよびフィン高さｆｈを、
３．５＜ｆｈ≦１２
２＜ｆｐ≦１２
を満足する大きさとすることが好ましいと言える。

これにより、チューブ２１内を流れる排気ガスの圧力損失およびチューブ２１外を流れる冷却水の通水抵抗を低く抑えることができ、チューブ２１内の目詰まりを抑制でき、かつ、高い放熱性能が得られる。

（第２実施形態）
本実施形態では、第１実施形態とは異なるパラメータおよび基準により、オフセットフィン２２の最適仕様を決定する場合について説明する。なお、ＥＧＲクーラ１０の基本構造については、第１実施形態と同様であるため、説明を省略する。

本実施形態では、相当円直径ｄｅと、ＥＧＲガス密度比ρとの関係に基づいて、オフセットフィン２２の最適仕様を決定した。

ここで、相当円直径ｄｅとは、図６に示すように、オフセットフィン２２の排気ガスの流れ方向に略垂直な断面形状において、一方側同士、他方側同士のように、同一側で隣り合う凸部３１と凸部３１との間でフィン２２とチューブ２１によって囲まれる斜線領域Ｃを円に換算したときの直径（単位：ｍｍ）を意味し、以下の式で表される。

ｄｅ＝４×Ｓ／ｌ
なお、Ｓはガス通路断面積（円の直径をＤとしたときの円の断面積πＤ^２／４に相当）である。また、ｌは、ぬれ縁長さ（円の直径をＤとしたときの円周πＤに相当）であり、フィン２２とチューブ２１によって構成された１つのガス流通路内壁面の長さ（内壁と気体が接する部分の長さ）である。

また、相当円直径ｄｅの計算方法について説明する。図１０に、オフセットフィン２２の排気ガスの流れ方向に略垂直な方向で切断したときのオフセットフィン２２の部分断面図を示す。

図１０に示すように、図６中の斜線領域Ｃの右側半分に相当するぬれ縁長さｌ／２を、５つの線分（１）〜（５）に分割することで、（３）の直線長さが０以上の時、下記の式のように、ぬれ縁長さｌをフィンピッチｆｐ、フィン高さｆｈ、板厚ｔ、湾曲部の曲率半径Ｒを用いて表すことができる。また、図６中の斜線領域Ｃの右側半分に相当するガス通路断面積を、４つの領域ａ〜ｄに分割することで、下記の式のように、ガス通路断面積Ｓをフィンピッチｆｐ、フィン高さｆｈ、板厚ｔ、湾曲部の曲率半径Ｒを用いて表すことができる。

ｌ／２＝ｆｐ／２−（ｆｐ／２−（２Ｒ＋ｔ））／２…（１）
＋π（Ｒ＋ｔ）／２…（２）
＋ｆｈ−２（Ｒ＋ｔ）…（３）
＋πＲ／２…（４）
＋（ｆｐ／２−（２Ｒ＋ｔ））／２…（５）
Ｓ／２＝（ｆｈ−ｔ）（ｆｐ／２−（２Ｒ＋ｔ））／２…ａ
＋（ｆｈ−（Ｒ＋ｔ））Ｒ…ｂ
＋πＲ２／４…ｃ
＋（Ｒ＋ｔ）２−π（Ｒ＋ｔ）２／４…ｄ
したがって、フィンピッチｆｐ、フィン高さｆｈ、板厚ｔ、湾曲部の曲率半径Ｒにより、相当円直径ｄｅが決定される。

一方、ＥＧＲガス密度ρとは、ＥＧＲクーラの冷却性能と圧力損失の大きさの両方を考慮した指数であり、ＥＧＲガス密度ρ［ｋｇ／ｍ^３］は次式のように表され、ρが大きいほどＥＧＲガスの充填率が高くなり、ＥＧＲ率を上げることが可能となる。

ρ＝Ｐｇ２／（Ｒ・Ｔｇ２）
Ｐｇ２はガス出口絶対圧（Ｐａ）であり、Ｒは気体定数＝２８７．０５Ｊ／ｋｇ・Ｋであり、Ｔｇ２はガス出口温度（Ｋ）である。

図１１に、相当円直径ｄｅとＥＧＲガス密度ρ比との関係を示す。ＥＧＲガス密度ρ比は、ＥＧＲガス密度ρの最大値を１００％としたときの比率である。なお、図１１は、測定条件を、ガス入口温度Ｔｇ１：４００℃、ガス流量：３０ｇ／ｓ、ガス入口圧力Ｐｇ１：５０ｋＰａ、冷却水入口温度Ｔｗ１：８０℃、冷却水流量：１０Ｌ／ｍｉｎとし、フィンの板厚ｔ：０．２ｍｍ、フィン高さｆｈ：９ｍｍ、曲率半径Ｒ：０．２ｍｍとしたときの測定結果に基づいて、算出した結果である。

また、図１１中の曲線（ａ）は、セグメント長さＬを１ｍｍとしたときの測定結果であり、図１１中の曲線（ｂ）は、Ｌを５ｍｍにしたときの結果である。なお、Ｌの範囲が、０＜Ｌ＜５とき、図１１中の曲線（ａ）と同様の結果となり、５≦Ｌ≦１５のとき、図１１中の曲線（ｂ）と同様の結果となる。

したがって、図１１中の曲線（ａ）より、０＜Ｌ＜５のときでは、相当円直径ｄｅの大きさを、１．２≦ｄｅ≦６．１とすることで、ρ比を９３％以上にすることができ、１．３≦ｄｅ≦５．３とすることで、ρ比を９５％以上にすることができ、１．５≦ｄｅ≦４．５とすることで、ρ比を９７％以上にすることができることがわかる。

一方、図１１中の曲線（ｂ）より、５≦Ｌ≦１５のときでは、相当円直径ｄｅの大きさを、１．０≦ｄｅ≦４．３とすることで、ρ比を９３％以上にすることができ、１．１≦ｄｅ≦４．０とすることで、ρ比を９５％以上にすることができ、１．３≦ｄｅ≦３．５とすることで、ρ比を９７％以上にすることができることがわかる。なお、上記したＬとｄｅの単位はｍｍである。

なお、図１１の結果は、フィンの板厚ｔおよび曲率半径Ｒが、それぞれ、０．２ｍｍのときの結果であるが、フィンの板厚ｔおよび曲率半径を実施可能な範囲で多少変更した場合においても同様の結果となる。例えば、フィンの板厚ｔおよび曲率半径を、それぞれ、０．１〜０．２ｍｍで変更した場合においても同様の結果となる。

（第３実施形態）
本実施形態では、上記した実施形態とは異なるパラメータおよび基準により、オフセットフィン２２の最適仕様を決定する場合について説明する。なお、ＥＧＲクーラ１０の基本構造については、第１実施形態と同様であるため、説明を省略する。

本実施形態では、セグメント長さＬとＥＧＲガス密度比ρとの関係に基づいて、オフセットフィン２２の最適仕様を決定した。

図１２に、セグメント長さＬとＥＧＲガス密度ρ比との関係を示す。ＥＧＲガス密度ρ比は、ＥＧＲガス密度ρの最大値を１００％としたときの比率である。なお、図１２は、図１１のときと同じ測定条件での測定結果に基づいて、算出した結果である。ただし、フィン高さｆｈ、セグメント長さＬは、図１１のときと異なる。

図１２中の曲線（ａ）は、ｆｈ＜７、ｆｐ≦５のときの計算結果であり、例えば、ｆｈ＝４．６、ｆｐ＝４．５のときの計算結果である。このときでは、セグメント長さＬを、０．５＜Ｌ≦６５とすることで、ρ比を９５％以上にすることができ、０．５＜Ｌ≦２５とすることで、ρ比を９７％以上にすることができ、０．５＜Ｌ≦７とすることで、ρ比を９９％以上にすることができる。

また、図１２中の曲線（ｂ）は、ｆｈ＜７、５＜ｆｐのときの計算結果であり、例えば、ｆｈ＝４．６、ｆｐ＝５．５のときの計算結果である。このときでは、セグメント長さＬを、０．５＜Ｌ≦２０とすることで、ρ比を９５％以上にすることができ、０．５＜Ｌ≦８とすることで、ρ比を９７％以上にすることができ、０．５＜Ｌ≦１とすることで、ρ比を９９％以上にすることができる。

また、図１２中の曲線（ｃ）は、７≦ｆｈ、ｆｐ≦５のときの計算結果であり、例えば、ｆｈ＝９、ｆｐ＝４．５のときの計算結果である。このときでは、セグメント長さＬを、０．５＜Ｌ≦５０とすることで、ρ比を９５％以上にすることができ、０．５＜Ｌ≦１５とすることで、ρ比を９７％以上にすることができ、０．５＜Ｌ≦４．５とすることで、ρ比を９９％以上にすることができる。

また、図１２中の曲線（ｄ）は、７≦ｆｈ、５＜ｆｐのときの計算結果であり、例えば、ｆｈ＝９、ｆｐ＝５．５のときの計算結果である。このときでは、セグメント長さＬを、０．５＜Ｌ≦１５とすることで、ρ比を９５％以上にすることができ、０．５＜Ｌ≦６とすることで、ρ比を９７％以上にすることができ、０．５＜Ｌ≦１．５とすることで、ρ比を９９％以上にすることができる。

なお、上記したｆｈ、ｆｐ、Ｌの単位はｍｍである。また、図１２の結果は、フィンの板厚ｔおよび曲率半径Ｒが、それぞれ、０．２ｍｍのときの結果であるが、フィンの板厚ｔおよび曲率半径を実施可能な範囲で多少変更した場合においても同様の結果となる。例えば、フィンの板厚ｔおよび曲率半径を、それぞれ、０．１〜０．２ｍｍで変更した場合においても同様の結果となる。

（第４実施形態）
本実施形態では、上記した実施形態とは異なるパラメータおよび基準により、オフセットフィン２２の最適仕様を決定する場合について説明する。なお、ＥＧＲクーラ１０の基本構造については、第１実施形態と同様であるため、説明を省略する。

本実施形態では、相当円直径ｄｅ、セグメント長さＬ、フィン高さｆｈを用いた関数Ｘと、ＥＧＲガス密度比ρとの関係に基づいて、オフセットフィン２２の最適仕様を決定した。

図１３に、関数Ｘと、ＥＧＲガス密度比ρとの関係を示す。この関数Ｘは、次式により表されるものである。

Ｘ＝ｄｅ×Ｌ^０．１４／ｆｈ^０．１８
また、図１３は、フィンピッチｆｐ、フィン高さｆｈおよびセグメント長さＬを種々の大きさとしたときのＥＧＲガス密度比ρの計算結果である。図中の各曲線は、ｆｈおよびＬを固定として、ｆｐを任意の大きさとして、ｆｐの大きさ毎にＥＧＲガス密度比をプロットして得られたものである。横軸の値が大きくなるに連れて、ｆｐが大きくなっており、一例として、図１３中には、各曲線のｆｐが１２ｍｍ、１４ｍｍの位置に、それぞれ、ｆｐ１２、ｆｐ１４と示している。具体的には、フィンピッチｆｐは１．５〜１４ｍｍのいずれかであり、フィン高さｆｈは４．６、５．６、７、９、１２ｍｍのいずれかであり、セグメント長さＬは１ｍｍもしくは１０ｍｍである。また、他の測定条件は、図１１、１２のときと同じである。

図１３に示す結果より、関数ＸとＥＧＲガス密度比ρとの関係を示す曲線は、各条件において、同様の傾向を示すことがわかる。

そして、第１実施形態で説明したように、フィンピッチｆｐは２＜ｆｐ≦１２を満たす範囲が好ましいことから、この範囲内では、図１３中のｆｐが１２ｍｍである点をつなぐ直線からわかるように、相当円直径ｄｅおよびセグメント長さＬを、１．１≦Ｘ≦４．３を満足する大きさとし、より好ましくは、１．１≦Ｘ≦３．５を満足する大きさとすることで、ρ比を９３％以上にすることができる。同様に、相当円直径ｄｅおよびセグメント長さＬを、１．２≦Ｘ≦３．９を満足する大きさ、より好ましくは、１．２≦Ｘ≦３．３を満足する大きさとすることで、ρ比を９５％以上にすることができ、１．３≦Ｘ≦３．５を満足する大きさ、より好ましくは、１．３≦Ｘ≦２．９を満足する大きさとすることで、ρ比を９７％以上にすることができる。

なお、ｆｐ、Ｘの単位はｍｍである。また、図１３の結果は、フィンの板厚ｔおよび曲率半径Ｒが、それぞれ、０．２ｍｍのときの結果であるが、フィンの板厚ｔおよび曲率半径を実施可能な範囲で多少変更した場合においても同様の結果となる。例えば、フィンの板厚ｔおよび曲率半径を、それぞれ、０．１ｍｍ以上０．２ｍｍ未満の範囲内で変更した場合においても同様の結果となる。

（第５実施形態）
第１実施形態では、図６に示すオフセット量ｓについて、相対的な大きさとして、ガス通路高さｕの約半分の大きさに設定されるのが望ましいと説明したが、本実施形態では、オフセット距離ｓの絶対的な大きさについて説明する。なお、以下では、なお、オフセット距離ｓ以外のＥＧＲクーラ１０の基本構造については、第１実施形態と同様であるため、説明を省略する。

図１４（ａ）に、第１実施形態で説明した構成のＥＧＲクーラ内を排気ガスが通過する際に、オフセットフィンの表面に堆積する排気ガス中の煤等のＰＭ（粒子状物質）の堆積厚さと時間との関係を調査した結果を示す。また、図１４（ｂ）に、排気ガス流れとチューブ２１の長辺２１ｃに平行な方向で切断したときのオフセットフィン２２の断面図を示す。図１４（ｂ）は、排気ガスの流れ方向に沿って、千鳥状に配置されているオフセットフィン２２の壁部３３を示しており、図１４（ｂ）の左右方向が排気ガスの流れ方向である。

図１４（ｂ）に示すように、ＥＧＲクーラ内を排気ガスが通過すると、オフセットフィン２２の表面上にＰＭ４１が堆積する。そして、図１４（ａ）中の破線で示すように、ＰＭ４１は、時間が経過するにつれて平均堆積厚さが増加し、８時間以上経過した場合では、ＰＭ４１の平均堆積厚さが、約０．２５ｍｍの大きさで、ほぼ一定となることがわかった。

このことから、オフセット距離ｓを０．５ｍｍに設定した場合、排気ガスが通過し始めて８時間以上経過すると、図１４（ｂ）に示すように、オフセットフィン２２の表面上に堆積するＰＭ４１の平均堆積厚さが０．２５ｍｍとなって、オフセットフィン２２のうち、排気ガスの流れ方向に隣接する部分同士の境界付近で、排気ガスの通路が塞がってしまう。

したがって、目詰まりが生じないようにするという観点より、オフセット距離ｓは、０．５ｍｍより大きくすることが必要である。なお、本実施形態は、上記した第１〜第４実施形態と組み合わせることが可能である。

（他の実施形態）
（１）上記した第５実施形態では、オフセット距離ｓの大きさについて説明したが、図６中の同一側で隣り合う凸部３１と凸部３１との間でフィン２２とチューブ２１によって囲まれる斜線領域Ｃに対するオフセット領域Ｄの割合をパラメータとして、オフセットフィン２２の最適仕様を決定することもできる。

すなわち、図６に示すように、オフセットフィン２２を排気ガス流れ方向で見たときに、排気流れ方向で隣りあう凸部３１に対してオフセットした部分をオフセット領域Ｄと呼ぶとすると、図６中の斜線領域Ｃの面積に対するオフセット領域Ｄの面積の割合が、２５％より小さい場合では、オフセット部Ｄを排気ガスが通過する際のガス抵抗が大きく、圧力損失が大きくなってしまうので、オフセット領域Ｄの割合を、２５％以上とすることが良い。

また、オフセット領域Ｄの面積割合を、４０％よりも大きくしようとした場合では、例えば、オフセットフィン２２を、プレス加工により、平板を波形状に折り曲げ、切り起こし部３２となる部分を起こすことで製造したときに、切り起こされた残りの部分のフィンピッチｆｐに平行な方向での長さが短くなり、切り起こし部３２の根元の部分が切れやすくなってしまうので、オフセット領域Ｄの割合を、４０％以下とすることが良い。

したがって、斜線領域Ｃに対するオフセット領域Ｄの面積割合としては、２５％以上４０％以下とすることが良い。本実施形態は、上記した各実施形態と組み合わせることが可能である。

なお、上記したオフセット領域Ｄの面積は、言い換えると、図６のように、切り起こし部３２によって形成される波形状部分と、これに排気ガスの流れ方向で隣接する波形状部分を、オフセットフィン２２の排気ガスの流れ方向に略垂直な面に投影したとき、両部分の壁部３３と壁部３３で囲まれる排気ガス通路部分の面積のことである。

（２）図１５に、本発明の他の実施形態における排気再循環装置の模式図を示す。なお、図１５では、図１と同様の構成部に図１と同一の符号を付している。

上記した各実施形態では、図１に示す排気再循環装置における第１の排気再循環管９の途中に配置されるＥＧＲクーラ１０に本発明を適用した例を説明したが、図１５に示すように、エンジン１の排気の一部を、ＤＰＦ８に通過させる前に、直接、エンジン１の吸気側へ還流させる第２の排気再循環管１２の途中に配置したＥＧＲクーラ１０に対して、本発明を適用することもできる。

（３）上記した各実施形態では、ＥＧＲガスクーラを例として説明したが、材質がステンレスである他の排気熱交換器においても、本発明を適用できる。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させ、冷却水を加熱する排熱回収熱交換器に、本発明を適用できる。

本発明の第１実施形態における排気熱交換器が用いられる排気再循環装置の模式図である。 本発明の第１実施形態における排気熱交換器としてのＥＧＲクーラの全体側面図である。 図２中のＥＧＲクーラのＡ−Ａ線断面図である。 図３中のＥＧＲクーラのＢ−Ｂ線断面図である。 図２中のＥＧＲクーラに用いられているインナーフィンの斜視図である。 排気ガス流れ方向から見たときの図２中のＥＧＲクーラに用いられているインナーフィンの断面図である。 オフセットフィンのフィン高さｆｈと圧力損失比との関係を示す図である。 オフセットフィンのフィン高さｆｈと通水抵抗ΔＰｗとの関係を示す図である。 フィンピッチｆｐとＥＧＲクーラの放熱性能との関係を示す図である。 オフセットフィン２２の排気ガスの流れ方向に略垂直な方向で切断したときのオフセットフィン２２の部分断面図である。 オフセットフィンの相当円直径ｄｅとＥＧＲガス密度ρ比との関係を示す図である。 オフセットフィンのセグメント長さＬとＥＧＲガス密度ρ比との関係を示す図である。 オフセットフィンの相当円直径ｄｅ、セグメント長さＬ、フィン高さｆｈを用いた関数ＸとＥＧＲガス密度ρ比との関係を示す図である。 （ａ）は、オフセットフィンの表面に堆積する排気ガス中の煤等のＰＭの堆積厚さと時間との関係を示す図であり、（ｂ）は、排気ガス流れとチューブ２１の長辺２１ｃに平行な方向で切断したときのオフセットフィン２２の断面図である。 本発明の他の実施形態における排気再循環装置の模式図である。

符号の説明

１…エンジン、８…ＤＰＦ、９…第１の排気再循環管、１０…ＥＧＲクーラ、
２１…チューブ、２２…オフセット型インナーフィン。

Claims (3)

1. エンジン（１）での燃焼により発生した粒子状物質を含有する排気ガスと前記排気ガスを冷却する冷却水との間で熱交換を行うとともに、熱交換後の前記排気ガスを前記エンジン（１）側へ流出する排気熱交換器において、
   内部を前記排気ガスが流れ、外部を前記冷却水が流れるステンレス製のチューブ（２１）と、
   前記チューブ内に配置され、前記排気ガスと前記冷却水との間での熱交換を促進させるステンレス製のインナーフィン（２２）とを備え、
   前記インナーフィン（２２）は、前記排気ガスの流れ方向に略垂直な断面形状が、凸部（３１）を一方側と他方側に交互に位置させて曲折する波形状であって、前記排気ガスの流れ方向に平行な方向で部分的に切り起こされた切り起こし部（３２）を備えるオフセットフィンであり、
   前記断面形状にて、前記一方側と前記他方側のうちの同一側で隣り合う前記凸部の中心同士の距離であるフィンピッチの大きさをｆｐとし、前記一方側と前記他方側のうちの同一側で隣り合う前記凸部と前記凸部との間でフィンによって囲まれた領域の相当円直径をｄｅとし、前記切り起こし部の排気流れ方向での長さをＬとし、前記断面形状における前記一方側の凸部から前記他方側の凸部までの距離であるフィン高さをｆｈとしたときに、
   前記フィンピッチの大きさが、
   ２＜ｆｐ≦１２（単位：ｍｍ）
   を満足する大きさであり、
   前記切り起こし部の排気流れ方向での長さＬが、
   ｆｈ＜７、ｆｐ≦５のとき、０．５＜Ｌ≦７（単位：ｍｍ）、
   ｆｈ＜７、５＜ｆｐのとき、０．５＜Ｌ≦１（単位：ｍｍ）、
   ７≦ｆｈ、ｆｐ≦５のとき、０．５＜Ｌ≦４．５（単位：ｍｍ）、または
   ７≦ｆｈ、５＜ｆｐのとき、０．５＜Ｌ≦１．５（単位：ｍｍ）
   であって、
   さらに、
   Ｘ＝ｄｅ×Ｌ^0.14／ｆｈ^0.18としたときに、
   前記相当円直径ｄｅおよび前記切り起こし部の排気流れ方向での長さＬが、前記粒子状物質が前記インナーフィン（２２）に堆積することを抑制するために、
   １．１≦Ｘ≦４．３
   を満足する大きさになっていることを特徴とする排気熱交換器。
2. 前記相当円直径および前記切り起こし部の排気流れ方向での長さが、
   １．２≦Ｘ≦３．９
   を満足する大きさであることを特徴とする請求項１に記載の排気熱交換器。
3. 前記相当円直径および前記切り起こし部の排気流れ方向での長さが、
   １．３≦Ｘ≦３．５
   を満足する大きさであることを特徴とする請求項１に記載の排気熱交換器。

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