JP2003520922A - 排気ガス熱交換器 - Google Patents

排気ガス熱交換器

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JP2003520922A JP2001554010A JP2001554010A JP2003520922A JP 2003520922 A JP2003520922 A JP 2003520922A JP 2001554010 A JP2001554010 A JP 2001554010A JP 2001554010 A JP2001554010 A JP 2001554010A JP 2003520922 A JP2003520922 A JP 2003520922A
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サーク ヒート トランスファー リミティッド
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Abstract

(57)【要約】 排気ガス熱交換器は、2枚の管板(30,31)の間に延びてクーラントチャンバを定める外部シェル(20)と、管板(30,31)の間に延びる排気ガス通路を形成している内部管(38)と、バッフルプレート(29)によって各々排気ガスインレット(25)およびアウトレット(27)を有した第1及び第2チャンバ(26,28)に分割される排気ガスマニホールドとを備えている。バッフルプレート(29)は、排気ガスが冷却管(38)に沿って流れる開放位置と、排気ガスが第1チャンバ(26)から第2チャンバ(28)へ直接流れる閉鎖位置との間で動作可能な弁(51)を備えている。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【発明の背景】
1. 発明の属する技術分野 本発明は、排気ガス熱交換器に関する。本発明は、特に、ただし独占的にでは
なく、インターナル・コンバッション・エンジン(内燃機関)からの排気ガスの
温度を下げる排気ガスクーラーに関する。 2. 従来の技術 添付図面、図1aから図1cに、既知の排気ガスクーラーを示している。この
従来のクーラーは、排気ガス入口オリフィス3及び排気ガス出口オリフィス4と
して働くテーパ端2のはめ込まれた環状シェル1により構成される。オリフィス
3及び4は、排気管(図示せず)への接続を与えるフランジプレート10を備え
ている。シェル1の両端は、シェル内のクーラントチャンバの境界を定める円形
管板5によって密閉される。各管板5には、いくつかの貫通孔6が開けられてい
る。各管板5の孔6は、いくつかの小径管7によって接続されており、管7の一
端は第1管板5にシールされ、他端は第2管板5にシールされる。排気ガスは、
入口オリフィス3に流入し、小径管7の内部を通って、出口オリフィス4から排
出される。シェル1の外周部には、シェル1内のクーラントチャンバへクーラン
ト液を供給する入口ノズル8と、シェル1内のクーラントチャンバからクーラン
ト液を排出する出口ノズル9とが装着されている。
【0002】 (図1aから図1cに示すような)従来の排気ガスクーラーは、かさばって扱
いにくく、道路用車両のエンジンコンパートメントのしばしば密集したレイアウ
トには容易に収納できない。排気ガスがクーラーの一端から流入し他端から排出
するという事実からも、排気ガスクーラーをエンジンコンパートメント内に収納
できる場所は限られてくる。また、エンジン起動の際には、排気ガスの冷却を停
止する必要がある。したがって、従来の排気ガスクーラーは、冷却が不要な際に
、排気ガスが排気ガスクーラーを迂回して流すことができるように、弁及びバイ
パス管の特殊な配置が必要になっている。
【0003】 本発明の目的は、排気ガスがクーラーを迂回して流れるようにするためのバイ
パス管などの別個の手段を必要とせずに排気ガスをバイパスするように機能でき
る排気ガス熱交換器を提供することにある。 本発明によるシェルアンドチューブ式の排気ガス熱交換器は、対向する両端間
の内部が中空であるシェルと、シェルの一端に固定された排気ガスマニホールド
と、シェルの前記一端からシェルの内部に延びる伝熱管手段とを備えている。排
気ガスマニホールドは、相互に隣接する第1及び第2排気ガスチャンバから成る
。前記排気ガスチャンバは、各々、排気ガスインレット及び排気ガスアウトレッ
トを備えている。前記管手段は、前記第1排気ガスチャンバの排気ガスアウトレ
ットと、前記第2排気ガスチャンバの排気ガスインレットとの間に排気ガス流路
を提供する。前記熱交換器は、開いた際に第1排気ガスチャンバと第2排気ガス
チャンバとの間に直接的なガス流路を提供し、閉じた際に第1排気ガスチャンバ
と第2排気ガスチャンバとの間に直接的なガス流路を実質的に閉じる弁手段を有
することを特徴としている。それによって、排気ガスフロー源が第1排気ガスチ
ャンバの排気ガスインレットに連結されて前記弁手段が閉じられると、排気ガス
は、前記第1排気ガスチャンバの排気ガスインレットから、前記伝熱管手段を通
って、隣接する第2排気ガスチャンバの排気ガスアウトレットに強制的に流され
て、シェル内部の流体と周囲の前記管手段とが熱交換する。一方、前記弁手段が
開かれると、排気ガスは、前記第1排気ガスチャンバの排気ガスインレットから
隣接する第2排気ガスチャンバの排気ガスアウトレットに直接的に流れることが
可能となり、前記管手段をバイパスする。
【0004】 前記シェルは、一般に、対向する両端の間が管形であり、流体インレット及び
流体アウトレットを備えており、流体インレットから、伝熱管手段を取り囲むシ
ェルの内部を通って、流体アウトレットヘ液体を流すことができる。 前記伝熱管手段は、シェルの前記一端を貫通して延びる複数の金属管を備えて
いる。前記複数の管の第1サブセットは、前記第1排気ガスチャンバの排気ガス
インレットから、シェルの前記他端を通って、シェルの前記他端に固定された遠
方排気ガスチャンバにまで延びており、前記管の第2サブセットは、前記遠方排
気ガスチャンバから、シェルの前記他端を通って、前記第2排気ガスチャンバの
前記排気ガスインレットにまで延びている。前記遠方排気ガスチャンバは、シェ
ルの前記他端と、前記他端の周りでシェルに固定されたドーム部材とによって仕
切られていてもよい。
【0005】 あるいは、前記伝熱管手段は、前記第1排気ガスチャンバの排気ガスインレッ
トと、前記第2排気ガスチャンバの排気ガスインレットとの間をシェル内を通じ
て延びる、U字形状またはその他の適切な形状を有した複数の金属管を備えたも
のでもよい。 前記第1及び第2排気ガスチャンバは、マニホールドの共通の内壁の片側で互
いに隣接するのが望ましく、前記弁手段は、マニホールドの前記共通の内壁に設
置されるのが望ましい。前記弁手段は、マニホールドの前記共通の内壁のほぼ内
部に配置された回転軸を中心に回転する回転弁であってもよい。
【0006】 熱交換器は、弁手段が開かれて、排気ガスが前記第1排気ガスチャンバの排気
ガスインレットから、前記第2排気ガスチャンバの前記排気ガスアウトレットに
直接的に流れる際、弁手段が前記第1排気ガスチャンバの排気ガスアウトレット
又は前記第2排気ガスチャンバの排気ガスインレットのいずれかを同時に閉じる
か、あるいは、前記第1排気ガスチャンバの排気ガスアウトレット及び前記第2
排気ガスチャンバの排気ガスインレットの両方を同時に閉じるようなものであっ
てもよい。
【0007】 熱交換器は、ステンレス鋼で作られるのが望ましい。シェルの断面は、円形、
楕円形、矩形などが可能である。 ここで、添付図面の図2から図6の例を参照しながら、本発明による実施形態
について説明する。
【0008】
【発明の実施の形態】 図2から図5に、本発明の第1実施形態による排気ガスクーラー19を示して
いる。クーラー19は、外部円筒シェル20を備えている。シェル20の一端に
は、排気ガスマニホールド21が固定され、排気ガスマニホールド21は、シェ
ル20の一端上に適合するように構築され、例えば溶接などの適切な方法により
そこに固定される。マニホールド21は、テーパ円錐部分22と、円筒シェル2
0よりも小さい直径を有する管形部分23とを備えている。シェル20の他端に
は、同様に、シェル20の一端上に適合するように構築されたドーム形カバー部
分24が、例えば溶接などの適切な方法によって固定される。シェル20のこの
端部と、ドーム形カバー部分24との間の空間は、その目的を後に詳述する、遠
方排気ガスチャンバ60を構成している。
【0009】 管形部分23は、第1排気ガスチャンバ26の内側に開く排気ガスインレット
25と、第2排気ガスチャンバ28から外側に開く排気ガスアウトレット27と
を備えている。道路車両(図示せず)のエンジンコンパートメント内にクーラー
19を使用する場合、インレット25は、エンジン排気用マニホールド(図示せ
ず)に(直接的又は中間排気用コンジット(図示せず)を介して)接続され、車
両のエンジン(図示せず)から高温の排気ガスを直接受け入れ、アウトレット2
7は、(直接又はサイレンサ(図示せず)を介した)大気ヘの出口を有する管(
図示せず)に接続される。
【0010】 互いに隣接する第1及び第2排気ガスチャンバ26及び28は、マニホールド
21を横切って延びるバッフルプレート29によって、マニホールド21内で互
いに分離される。バッフルプレート29は、マニホールド21の端壁41と、管
板30(下記説明)とに密閉接続されている。 排気ガスインレット25及びアウトレット27は、インレット25及びアウト
レット27ヘの前述の接続に使用されるネジ孔44を有した接続フランジ42、
43を備えている。ただし、その他の接続方式も利用可能であることは、周知の
とおりである。
【0011】 シェル20の対向する両端部は、各々、外周形状がシェル20の内部のプロフ
ァイルに対応する管板30及び31によって内部で密閉される。シェル20及び
管板30,31によって閉ざされた空間は、シェル20内にクーラントチャンバ
32を形成している。各管板30には、いくつかの丸孔33が開けられている。
図3に示すように、丸孔33は、バッフルプレート29に対応する位置にギャッ
プ34が設けられた、六方最密充填(CHP)パターンに配置される。各々の管
板30及び31の孔33は、一端を第1管板30でシールされ、他端を第2管板
31でシールされた、いくつかの小径管38によって接続される。このギャップ
34によって、管38は、第1(上方)サブセットと第2(下方)サブセットと
に分割される。管38の第1サブセットは、第1(上方)排気ガスチャンバ26
の内部アウトレットから、第1管板30を通りシェル20の内部に沿って、クー
ラントチャンバ32及び第2管板31を通過して、遠方排気ガスチャンバ60へ
と延びている。管38の第2サブセットは、遠方排気ガスチャンバ60から、第
2管板31を通り、シェル20の内部に沿って、クーラントチャンバ32及び第
1管板30を通過して、第2(下方)排気ガスチャンバ28の内部インレットへ
と延びている。
【0012】 バッフルプレート29は開口50を有し、その内部に軸ピン52上に設置され
たバタフライ弁51が配置されている。ピン52は、開閉位置間の移動を遠隔制
御可能なように、カバー21の台座53を貫通してコントロールケーブル(図示
せず)に接続されている。図1から図5に示した実施形態には、バタフライ弁5
1が使用されているが、開閉位置(すなわち、ガス全通過許容位置及びガス全通
過遮断位置)間の移動を制御可能な、その他の適切なガス流制御弁も本発明に使
用できることは周知のとおりである。
【0013】 図2に(実線で)示す弁51は、車両のエンジンからの高温の排気ガスが開口
50を流れるのを妨げる開口閉鎖位置にあり、その代わりに排気ガスは、排気ガ
スインレット25を通って第1排気ガスチャンバ26に流入し、小径管38の上
方サブセットの孔を通過して、ドーム形カバー部分24及び第2管板31によっ
て形成された遠方排気ガスチャンバ60をさらに通過して、小径管38の下方サ
ブセットの孔にまで戻り、第2排気ガスチャンバ28を通って、排気ガスアウト
レット27からマニホールド20へと排出されるように拘束される。
【0014】 図1から図3に示す実施形態による管38は、5mmから8mmの直径を有し
、6.5mmの直径を有するのが望ましい。個々の管38の間の横方向の間隔は
、管板30及び31が排気ガスの流れの著しく妨げないように、約1mm以下で
あるのが望ましい。ただし、本発明は、特定の管径又は管間隔に制限されるもの
ではない。 シェル20の第1端の近くに冷却水インレットパイプ70がはめ込まれ、同様
に、シェル20の他端の近くには冷却水アウトレット管71がはめ込まれる。イ
ンレット及びアウトレット管70,71は、各々、クーラント液体(例えば、水
)の供給又は排出に関して、クーラントチャンバ32と連通している。水(又は
その他のクーラント液体)がインレット管70からアウトレット管71へ流れ、
排気ガスが小径管38に沿って通過する間、小径管38の表面を介して排気ガス
からチャンバ32の冷却水に熱伝達がなされる。
【0015】 弁51が開口開放位置51’(図2の破線で表示)にある場合、開口50は弁
51によって閉鎖されず、排気ガスは、管38をバイパスして、第1排気ガスチ
ャンバ26から第2ガスチャンバ28ヘ直接流れることができる。同時に、弁5
1の上半分は、排気ガスが第1排気ガスチャンバ26から小径管38の上方サブ
セットに流れるのを妨げ、弁51の下半分は、排気ガスが小径管38の下方サブ
セットから下方排気ガスチャンバ28に流れるのを妨げる。このようにして、排
気ガスは、管38を通過して冷却されることなく(排気ガスは、開口を開く位置
51’にある弁51によって閉鎖される)、第1排気ガスチャンバ26から、バ
ッフルプレート29の開口50を通って、第2ガスチャンバ28ヘ直接的に流さ
れる。したがって、クーラー19は、例えば、エンジン起動時など、排気ガスを
冷却する必要のない場合に、排気ガスをクーラーから迂回させる簡単な方法を提
供する。
【0016】 クーラー19の片側には、クーラー19がエンジンコンパートメント内の適切
なマウント(図示せず)に固定できるように、マウントプレート45が装備され
ている。図2から図5に示す実施形態によるマウントプレート45は、プレート
45の2重曲げ加工によって形成された3個のクランクラグ46を備えている。
これらのラグ46のクランキングにより、排気ガスクーラー19を取付面から間
隔を開けて配置することができる。各ラグ46には、ボルトやその他のファスナ
のための取付孔が形成されている。
【0017】 図6に、本発明の第2実施形態による排気ガスクーラーを示している。このク
ーラーは、排気ガスインレット25と、排気ガスアウトレット27と、弁151
との配置を除き、図2から図5に示した排気ガスクーラーと基本的には同じであ
る。したがって、図2から図5の第1実施形態による部品と同一であるか、また
は類似する第2実施形態の部品には、図6において同じ参照番号を使用している
。下記で詳述していない第2実施形態による部品の説明に関しては、第1実施形
態19による同一又は類似の部品についての説明を参照できる。
【0018】 第2実施形態によるバッフルプレート29は、軸ピン152上に回動自在に設
置されたフラップ形弁151が配置された開口50を備えている。車両の運転手
やその他の利用者の選択にしたがって、開口の開放位置及び閉鎖位置の間で弁1
51の回転を遠隔制御可能なように、ピン152はコントロールケーブル(図示
せず)に接続されている。図示された第2実施形態には、回動自在なフラップ形
弁151が使用されているが、開口の開放位置及び閉鎖位置の間を選択的に移動
可能な、その他の適切な弁を本発明に代用できることは周知のとおりである。
【0019】 図6に(実線で)示す弁151は開口閉鎖位置にあり、この場合の排気ガスは
、排気ガスインレット25を通って第1排気ガスチャンバ26に流入し、小径管
38の上方サブセットの孔を通過して、ドーム形カバー部分24及び第2管板3
1によって形成された遠方排気ガスチャンバ60をさらに通過して、小径管38
の下方サブセットの孔にまで戻り、第2排気ガスチャンバ28を通って、排気ガ
スアウトレット27へと排出されるように拘束される。 この開口閉鎖位置にある弁151は、バッフルプレート29の開口を閉鎖する
ので、排気ガスは第1排気ガスチャンバ26から第2排気ガスチャンバ28へ直
接流れることはできない。
【0020】 図6の破線で示すように、弁151が開口を開く位置151’にある場合、排
気ガスは、冷却管38を通るように拘束されず、その代わりに、冷却管38をバ
イパスして、第1排気ガスチャンバ26から第2ガスチャンバ28ヘ直接流れる
ことができる。さらに、弁151は排気ガスインレット25から管38の上方サ
ブセットへの排気ガスの通路を完全に閉鎖するので、冷却管38を通る排気ガス
の通路も完全に閉鎖される。(クーラーバイパス構成時に、弁151が上方にス
イングして、第1(上方)排気ガスチャンバ26から管38の上方サブセットま
での内部アウトレットを閉鎖する代わりに、下方にスイングして、管38の下方
サブセットから第2(下方)排気ガスチャンバ28からまでの内部インレットを
閉鎖するように配置して、管38の一端のみでガスの流れを閉鎖する必要がある
。) 排気ガス管をインレット及びアウトレットに接続する際、クーラーの一端のみ
にアクセスするだけでよいので、本発明の排気ガスクーラーは、冷却コアを形成
する最密に詰められた管の利点を維持しながら、他の用途には利用されないエン
ジンコンパートメントの空間に収納可能である。本発明によるクーラーのガス流
路のレイアウトは、排気ガスの2倍の通過距離を与えるうえ、弁式バイパス機構
を備えるという斬新なものである一方、排気ガスとクーラントの流れ効率は依然
として最大限に保たれている。本クーラーは、ステンレス鋼で構築されるので、
耐食性に優れ、管の外側に尖った角がないので、非常に頑丈である。
【0021】 図示された本発明の実施形態による内部管38には、六方最密充填配置を使用
するのが望ましいが、本発明の意図から離れることなく、その他の管充填配置も
使用できることは周知のとおりである。シェル20は、一般に楕円形の横断面を
有するように描かれているが、本発明の意図から離れることなく、例えば、円形
又は矩形などのその他の断面形状を備えることも可能であることは周知のとおり
である。 様々な排気ガスチャンバを定めるマニホールド21及びカバー24は、様々な
方法で形成可能である。マニホールド21が鋳造される場合は、バッフルプレー
ト29を単体の鋳造ガスボックスユニットの一部として一緒に鋳造することもで
きる。マニホールド21が板金からプレス加工される場合は、ろう付けまたは溶
接によってバッフルプレート29をマニホールド21に装着することができる。
【0022】 直線状の管38が間に延びる2枚の管板30、31を使用する代わりに、1枚
の管板(31と同等)を使用して、U字管が一板の管板の上半分の孔から、同じ
管板の下半分の孔へと延びるように配置して、クーラントチャンバを通じて排気
ガスを流すこともできる。これにより、管/プレート間の接続を半減させるだけ
でなく、遠方排気ガスチャンバ60を除くこともできる。また、これらの利点が
、非直線状の管を使用しなければならないという欠点に優る場合もある。 請求の範囲で定義された本発明の範囲から離れることなく、本発明にその他の
修正や変更を加えることができる。
【図面の簡単な説明】
【図2】 本発明の第1実施形態による排気ガスクーラーの部分的に切除された側面図。
【図3】 図2のクーラーのIII−III線による断面図。
【図4】 図2のクーラーの端部からの透視図。
【図5】 図2のクーラーの底部からの透視図。
【図6】 本発明の第2実施形態による排気ガスクーラーの一端の部分的に切除された側
面図。
【手続補正書】特許協力条約第34条補正の翻訳文提出書
【提出日】平成14年1月12日(2002.1.12)
【手続補正1】
【補正対象書類名】図面
【補正対象項目名】図2
【補正方法】変更
【補正の内容】
【図2】
【手続補正2】
【補正対象書類名】図面
【補正対象項目名】図3
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【補正の内容】
【図3】
【手続補正3】
【補正対象書類名】図面
【補正対象項目名】図4
【補正方法】変更
【補正の内容】
【図4】
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Claims (10)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 対向する両端間の内部が中空であるシェルと、シェルの一端に固定された排気
    ガスマニホールドと、シェルの前記一端からシェルの内部に延びる伝熱管手段と
    を備え、 排気ガスマニホールドは、相互に隣接する第1及び第2排気ガスチャンバから
    成り、 前記排気ガスチャンバは、各々、排気ガスインレット及び排気ガスアウトレッ
    トを備え、 前記管手段は、前記第1排気ガスチャンバの排気ガスアウトレットと、前記第
    2排気ガスチャンバの排気ガスインレットとの間に排気ガス流路を提供し、 開いた際に第1排気ガスチャンバと第2排気ガスチャンバとの間に直接的なガ
    スフローパスを提供し、閉じた際に第1排気ガスチャンバと第2排気ガスチャン
    バとの間の直接的なガス流路を実質的に閉じる弁手段を特徴とし、 それによって、排気ガスフロー源が第1排気ガスチャンバの排気ガスインレッ
    トに連結されて、前記弁手段が閉じられると、排気ガスは、前記第1排気ガスチ
    ャンバの排気ガスインレットから、前記伝熱管手段を通って、隣接する第2排気
    ガスチャンバの排気ガスアウトレットに強制的に流されて、シェル内部の流体と
    周囲の前記管手段とが熱交換する一方、前記弁手段が開かれると、排気ガスは、
    前記第1排気ガスチャンバの排気ガスインレットから隣接する第2排気ガスチャ
    ンバの排気ガスアウトレットに直接的に流れることが可能となり、前記管手段を
    バイパスする、シェルアンドチューブ式の排気ガス熱交換器。
  2. 【請求項2】 前記シェルは、一般に、対向する両端の間が管形であり、流体インレット及び
    流体アウトレットを備え、流体インレットから伝熱管手段を取り囲むシェルの内
    側を通って、流体アウトレットヘ液体を流せることを特徴とする、請求項1に記
    載の熱交換器。
  3. 【請求項3】 前記伝熱管手段は、シェルの前記一端を貫通して延びる複数の金属管を備え、 前記複数の管の第1サブセットは、前記第1排気ガスチャンバの排気ガスイン
    レットから、シェルの前記他端を通って、シェルの前記他端に固定された遠方の
    排気ガスチャンバにまで延びており、 前記管の第2サブセットは、前記遠方排気ガスチャンバから、シェルの前記他
    端を通って、前記第2排気ガスチャンバの前記排気ガスインレットにまで延びて
    いることを特徴とする、請求項1または請求項2に記載の熱交換器。
  4. 【請求項4】 前記遠方排気ガスチャンバは、シェルの前記他端と、前記他端の周りでシェル
    に固定されたドーム部材とによって仕切られていることを特徴とする、請求項3
    に記載の熱交換器。
  5. 【請求項5】 前記伝熱管手段は、各々シェルの前記一端を貫通して、前記第1排気ガスチャ
    ンバの排気ガスアウトレットと、前記第2排気ガスチャンバの排気ガスインレッ
    トとの間に延びる複数の金属管を備えていることを特徴とする、請求項1または
    請求項2に記載の熱交換器。
  6. 【請求項6】 前記管はU字形状であることを特徴とする、請求項5に記載の熱交換器。
  7. 【請求項7】 前記第1及び第2排気ガスチャンバは、マニホールドの共通の内壁の片側で互
    いに隣接し、前記弁手段は、マニホールドの前記共通の内壁に設置されているこ
    とを特徴とする、請求項1〜6のいずれかに記載の熱交換器。
  8. 【請求項8】 前記弁手段は、マニホールドの前記共通の内壁のほぼ内部に配置された回転軸
    を中心に回転する回転弁であることを特徴とする、請求項7に記載の熱交換器。
  9. 【請求項9】 弁手段が開かれて、排気ガスが前記第1排気ガスチャンバの排気ガスインレッ
    トから、前記第2排気ガスチャンバの前記排気ガスアウトレットに直接的に流れ
    る際、弁手段は前記第1排気ガスチャンバの排気ガスアウトレットおよび前記第
    2排気ガスチャンバの排気ガスインレットの1つを同時に閉じることを特徴とす
    る、請求項1〜8のいずれかに記載の熱交換器。
  10. 【請求項10】 弁手段が開かれて、排気ガスが前記第1排気ガスチャンバの排気ガスインレッ
    トから、前記第2排気ガスチャンバの前記排気ガスアウトレットに直接的に流れ
    る際、弁手段は前記第1排気ガスチャンバの排気ガスアウトレットを同時に閉じ
    、前記第2排気ガスチャンバの排気ガスインレットも同時に閉じることを特徴と
    する、請求項1〜8のいずれかに記載の熱交換器。
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