JP2005133981A

JP2005133981A - 排気熱交換器

Info

Publication number: JP2005133981A
Application number: JP2003367554A
Authority: JP
Inventors: Toshimitsu Umikawa; 敏光海川
Original assignee: Mitsubishi Fuso Truck and Bus Corp
Current assignee: Mitsubishi Fuso Truck and Bus Corp
Priority date: 2003-10-28
Filing date: 2003-10-28
Publication date: 2005-05-26

Abstract

【課題】排気ガス通路及びこの排ガス通路内に設けられた冷却フィンの排気ガスと接触する表面に耐熱性、密着性及び熱伝導性に優れ、更に排気ガス中のデポジットの付着を低減する効果のある複合被膜が施された排気熱交換器を提供する。
【解決手段】ステンレス製基材２により形成され、冷却水通路３と内部に冷却フィン５が設けられた排気ガス通路４とから成る排気熱交換器１において、排気ガス通路４及び冷却フィン５の排気ガスと接触する表面に耐熱性、密着性及び熱伝導性に優れた複合被膜１１が施されている構成としている。
【選択図】図１

Description

本発明は、排気再循環装置に用いられて排気再循環ガスを冷却する排気熱交換器に関する。

車両の内燃機関（以下「エンジン」という）から排出される排気ガス中の窒素酸化物を低減させるために排気ガスの一部を吸気通路に戻して混合気に加える排気ガス再循環装置（以下「ＥＧＲ装置」という）がある。排気ガスは温度が高く排気熱交換器（ＥＧＲクーラ）により冷却してＥＧＲ装置に再循環させている。排気熱交換器として平板式積層型熱交換器がある。これは、耐食性に優れたステンレス（ＳＵＳ）製の薄板（プレート）を間隔を存して対向させて配置して冷却水通路と排気ガス通路とから成る一組の熱交換器（以下「コア」という）を形成し、このコアを多段に積層して構成したもので、各冷却水通路にエンジン冷却水を流し、各排気ガス通路に排気ガスを流して冷却する（例えば、特許文献１参照。）。

また、排気ガスは、冷却する際に排気ガス通路に腐食性の強い水（硫酸）が凝縮したり、粒子状物質（ＰＭ）やその他の沈降物質や沈着物質から成る堆積物（以下「デポジット」という）が排気ガス通路及びこの排気ガス通路内に設けられた冷却フィンの排気ガスと接触する表面に付着して熱交換性能の低下や排気ガス通路の目詰まりを起こす等の不具合の原因となる。そこで、排気ガス通路及び冷却フィンの排気ガスと接触する表面に付着するデポジットを低減するために排気ガス通路及び冷却フィンの排気ガスと接触する表面に無機系酸化珪素（SiO₂）ガラス被膜をコーティングしたものが提案されている。無機系酸化珪素（SiO₂）ガラス被膜は、酸化珪素（SiO₂）を主成分とし、硬化剤、希釈剤、添加剤から成る処理液（ゾル液）を前記排気ガス通路の表面に塗布し、加熱乾燥して形成されている（例えば、特許文献２参照。）。
特開２０００−１２１２８６号公報特開２００１−３３０３９４号公報

しかしながら、無機系酸化珪素（SiO₂）ガラス被膜の熱膨張係数（１.０×１０^-6／℃以下）は、ステンレス(SUS）製の基材の熱膨張係数（１６.５×１０^-6／℃）よりも小さく、しかも、高温強度が低いために排気温度が高くなると前記ガラス被膜に亀裂が発生する不具合があり、耐熱性に問題がある。また、ガラス被膜に亀裂が発生すると密着性が低下して剥離するおそれがある。そして、剥離した微細なガラス被膜が混合気と共にシリンダに入り込むとエンジンの耐久性を低下させる要因となる。更に、無機系酸化珪素（SiO₂）ガラス被膜は、熱伝導率が小さく、膜厚も数〜数１０μｍと厚いために熱交換器の熱交換性能に不利な影響を与える等の問題がある。

本発明は、上述の点に鑑みてなされたもので、排気ガス通路及びこの排ガス通路内に設けられた冷却フィンの排気ガスと接触する表面に耐熱性、密着性及び熱伝導性に優れ、更に排気ガス中のデポジットの付着を低減する効果のある複合被膜が施された排気熱交換器を提供することを目的とする。

上記目的を達成するため、請求項１の発明は、ステンレス製基材により形成され、冷却水通路と内部に冷却フィンが設けられた排気ガス通路とから成る排気熱交換器において、前記排気ガス通路及び冷却フィンの排気ガスと接触する表面に耐熱性、密着性及び熱伝導性に優れた複合被膜が施されている構成としている。
請求項２の発明は、前記複合被膜は、酸化珪素成分とフッ素系樹脂成分と高熱伝導性成分を含む構成としている。

請求項１の発明によれば、ステンレス製基材により形成された排気ガス通路及び冷却フィンの排気ガスと接触する表面の被膜の耐熱性及び密着性が向上し、排気熱交換器の耐久性が向上する。更に熱伝導性が向上して排気ガスの冷却効率が向上する。
請求項２の発明によれば、排気ガス通路及び冷却フィンの排気ガスと接触する表面に温度強度が良く、しかも熱膨張係数がステンレス製基材の熱膨張係数に近いフッ素系樹脂と酸化珪素の複合被膜が形成されていることで、高温時における被膜の熱応力を小さくすることができ、耐熱性、密着性が改善されて亀裂の発生、及び亀裂の発生に起因する剥離が防止される。更に前記複合被膜は、高熱伝導性成分の添加及び薄膜化により熱伝導性が向上する。また、フッ素系樹脂により被膜の表面が緻密で滑らかとなり、排気ガス中に含まれるＰＭ等のデポジットの排気通路表面への付着が低減される。

図１は本発明に係る排気熱交換器の一部切欠斜視図である。図１に示すように排気熱交換器１は、平板式積層熱交換器で、耐食性に優れたステンレス（ＳＵＳ）製の薄板（基材）２を間隔を存して対向させて配置して冷却水通路３と排気ガス通路４とから成る一組の熱交換器（以下「コア」という）６を形成し、このコア６を多段に積層して構成されている。排気ガス通路４の内部には排気ガスの冷却効率を高めるためにステンレス製の薄板で形成された冷却フィン５が設けられている。各冷却水通路３は、冷却水導入口７と冷却水導出口８に連通接続され、各排気ガス通路４は、排気ガス導入口９と排気ガス導出口１０に連通接続されている。このようにして、排気熱交換器１が構成されている。そして、排気熱交換器１の排気ガス通路４及び冷却フィン５の排気ガスと接触する表面に耐熱性、密着性及び熱伝導率が良好で、更に排気ガス中に含まれるＰＭ等のデポジットの付着を低減させる複合被膜１１がコーティングされている。

複合被膜１１は、高温強度が強く、しかも基材であるステンレス製薄板２の熱膨張係数（１６.５×１０^-6／℃）に近い熱膨張係数（１０.０×１０^-6／℃）を有するフッ素系樹脂（有機系樹脂）成分と、無機系酸化珪素（SiO₂）成分と、高熱伝導性成分から成り、耐熱性及び密着性の向上、熱伝導性の向上が図られている。この場合、無機系酸化珪素（SiO₂）成分は、被膜の骨格材として使用され、フッ素系樹脂成分は、肉材として使用される。

これにより、高温時における複合被膜１１の熱応力を小さくすることができ、亀裂の発生及びこれに起因する剥離を防止することができる。また、耐熱性及び密着性が改善され、耐熱性を有し緻密性のある複合被膜１１が形成される。更に、これらの複合材に熱伝導材の添加及び薄膜化により、複合被膜１１の熱伝導性が向上される。尚、前記フッ素樹脂は、比較的熱伝導性が良く伝熱に有利である。

フッ素系樹脂成分としては、

の分子構造を持つ高分子物質が使用される。このようなフッ素系樹脂成分として、ポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ）、テトラフルオロエチレン・バーフルオロアルキルビニルエーテル共重合体（ＰＦＡ）、テトラフルオロエチレン・ヘキサフルオロプロピレン共重合体（ＦＥＰ）等がある。特に、ポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ）は、高度の耐熱、耐腐食性を有しており、最適なコーティング被膜物質である。高熱伝導性成分としては、高熱伝導性を持つセラミック成分例えば、炭化珪素（SiC）、酸化ベリリウム（BeO）等がある。

図２に複合被膜１１のコーティングプロセスの一例を示す。コーティング処理液は、主材と副材からなるゾル液で、主材は、酸化珪素（SiO₂）成分と、フッ素系樹脂成分と、高熱伝導性成分とから成る複合材で、フッ素系樹脂成分としてポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ）を使用し、高熱伝導性成分として酸化ベリリウム（BeO）を使用した。
副材は、硬化剤、希釈剤、添加剤から成り、硬化剤として酸化アルミニウム（Al₂O₃）を、希釈剤としてイソプロピルアルコール（（CH₃)₃COH ）を、添加剤として二酸化チタン（TiO₂）を使用した。これらの硬化剤、希釈剤、添加剤は、従来の無機系酸化珪素ガラス被膜の処理液にも使用されている一般的なものである。

硬化剤としては、酸化アルミニウム（Al₂O₃）の他に、酸化亜鉛（Zn0）、二酸化チタン（TiO₂）等の金属酸化物がある。希釈剤としては、イソプロピルアルコール（（CH₃)₃COH ）の他に、キシレン（C₁₀H₁₀）等の有機溶剤、或いは水がある。添加剤としては、二酸化チタン（TiO₂）の他に、一酸化ナトリウム（Na₂O）、酸化マグネシウム（MgO）等がある。

この処理液に図１に示す排気熱交換器１の排気ガス通路４及び冷却フィン５を浸漬してその表面即ち、排気ガスと接触する面に満遍なく塗布する（ステップＳ１）。具体的には、排気ガス通路４の内部を真空ポンプで減圧して大気圧よりも低い圧力として前記処理液を注入して排気ガス通路４及び冷却フィン５の排気ガスと接触する表面に塗布する。次いで、排気ガス通路４内に残存する余剰の処理液を取り出してコーティング及び加熱乾燥処理を施し（ステップＳ２）、フッ素系樹脂（ポリテトラフルオロエチレン）―酸化珪素（SiO₂）の複合被膜を形成する（ステップＳ３）。コーティング及び加熱乾燥処理は、乾燥温度を４００℃以下、乾燥時間を３０分以下とした。

この複合被膜１１は、処理液（ゾル液）の濃度を調整することにより、数１０ｎｍ〜数μｍの膜厚制御が可能とされ、従来の無機系酸化珪素（SiO₂）ガラス被膜１／１０程度の膜厚とすることができる。このように複合被膜１１を薄膜化することで熱伝導性を向上することができる。また、薄膜化することで被膜高温強度の改善ができる。このようにして、排気熱交換器１の排気ガス通路４及び冷却フィン５の排気ガスと接触する表面に複合被膜１１がコーティングされている。

図１に戻り、冷却水導入口７及び冷却水導出口８は、エンジンの冷却水通路（図示せず）に接続され、排気ガス導入口９は、前記エンジンの排気通路に接続され、排気ガス導出口１０は、ＥＧＲ装置（図示せず）に接続される。冷却水導入口７に導入されたエンジン冷却水は、各冷却水通路３を矢印で示す方向に流れて冷却水導出口８から流出し、排気ガス導入口９に導入された排気ガスは、各排気ガス通路４内を冷却水の流れと反対方向に矢印方向に流れて冷却されて排気ガス導出口１０から流出する。

排気ガス通路４及び冷却フィン５の排気ガスと接触する表面に施された複合被膜１１は、高温強度が良く、しかも熱膨張係数がステンレス製の薄板（基材）２の熱膨張係数に近いフッ素系樹脂と酸化珪素の複合被膜とされていることにより、耐熱性及び密着性が改善されて亀裂の発生、及び亀裂に起因する剥離が防止される。更に、高熱伝導材の添加及び薄膜化により被膜の熱伝導性が向上して排気ガスの冷却効果が向上する。

図３に本発明の排気熱交換器と従来の排気熱交換器のＰＭ付着量の試験結果の一例を示す。試験は、排気量２８００ｃｃのディーゼルエンジンを使用し、回転数１５５０ｒｐｍ、車速６０km/ｈ、トルク８Kgfmの模擬運転状態で３０分運転した後ステンレス製の基材のテストピースに付着したＰＭ付着量（ｍｇ／１００cm²）を測定した。
図３において、テストピース１は、ステンレス（ＳＵＳ３０４）の表面に被膜を施さないテストピース、テストピース２は、ステンレス（ＳＵＳ３０４）の表面にNiロウ付け膜を施したテストピース、テストピース３は、ステンレス（ＳＵＳ３０４）の表面に無機系酸化珪素（SiO₂）ガラス被膜を施したテストピース、テストピース４は、ステンレス（ＳＵＳ３０４）の表面に本発明に係る酸化珪素（SiO₂）とポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ）から成る複合被膜を施したテストピースを示す。このグラフから明らかなようにテストピース４即ち、ステンレス（ＳＵＳ３０４）の表面に酸化珪素（SiO₂）とポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ）（フッ素系樹脂）から成る複合被膜を施した場合ＰＭの付着量が大幅に低減する。これは、フッ素系樹脂により被膜の表面が先行技術のガラス被膜の表面に比べて緻密で滑らかとなり、ＰＭの付着が低減されるためである。

また、図４に本発明に係る複合被膜の熱重量分析での測定結果の一例を示す。テストピースは、ＰＭ付着量の測定の場合と同様に、テンレス（ＳＵＳ３０４）の表面に本発明に係る酸化珪素（SiO₂）とポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ）から成る複合被膜を施したテストピースを使用した。図４に示すように酸化珪素（SiO₂）とフッ素系樹脂とから成る複合被膜１１の減量率は、０℃〜４５０℃付近まで０〜−５（ｗｔ％）と漸減しており、実際の排気熱交換器１の適用温度範囲は、２００℃〜４００℃の範囲であり、耐熱性は十分である。

尚、上記実施例では、排気熱交換器として平板式積層熱交換器に適用した場合について記述したが、パイプ式熱交換器に適用しても良いことは勿論である。

本発明に係る排気熱交換器の実施の形態を示す一部切欠斜視図である。図１に示す排気熱交換器の排気ガス通路表面の複合被膜のコーティング処理手順の一例を示す説明図である。ステンレス製基材に表面にコーティングする被膜の種類と排気ガス中のＰＭ付着量との関係の一例を示すグラフである。図１に示す排気ガス通路及び冷却フィンの排気ガスと接触する表面に施された複合被膜の熱重量分析での測定結果の一例を示すグラフである。

符号の説明

１排気熱交換機
２ステンレス製薄板（基材）
３冷却水通路
４排気ガス通路
５冷却フィン
６熱交換器（コア）
７冷却水導入口
８冷却水導出口
９排気ガス導入口
１０排気ガス導出口
１１複合被膜

Claims

ステンレス製基材により形成され、冷却水通路と内部に冷却フィンが設けられた排気ガス通路とから成る排気熱交換器において、
前記排気ガス通路及び冷却フィンの排気ガスと接触する表面に耐熱性、密着性及び熱伝導性に優れた複合被膜が施されていることを特徴とする排気熱交換器。
前記複合被膜は、酸化珪素成分とフッ素系樹脂成分と高熱伝導性成分を含むことを特徴とする請求項１記載の排気熱交換器。