JP2009516122A - 内燃機関用熱交換器 - Google Patents

Abstract

【課題】低いコストで形成することができる、内燃機関の排ガスまたは排ガス−空気混合気を冷却するための熱交換器を提供する。
【解決手段】内燃機関用の熱交換器が、冷却すべき流体を供給するための、第１の接続領域（１、１０２）（流体が少なくとも部分的に内燃機関の排ガスからなる第１の接続領域）と、流体を搬出するための第２の接続領域（３、１０３）と、流体の流れ方向に関して第１と第２の接続領域の間に配置されている交換器領域（２、１０１、１０４、１０５）とを有する。交換器領域（２、１０１、１０４、１０５）の回りを冷却剤が流れることができる。熱交換器の少なくとも一部が、フェライト鋼からなる。
【選択図】図１

Description

本発明は、請求項１の前文に記載の内燃機関用熱交換器（すなわち、内燃機関用の熱交換器であって、冷却すべき流体を供給するための、第１の接続領域（流体が少なくとも部分的に内燃機関の排ガスからなる接続領域）と、流体を搬出するための第２の接続領域と、流体の流れ方向に関して第１と第２の接続領域の間に配置されている交換器領域とを有し、交換器領域の回りを冷却剤が流れることができる熱交換器）に関する。

従来技術から、還流される排ガスを冷却するための熱交換器が知られている。一般に、排ガス冷却においては、排ガスの化学的腐食性が高く、その凝縮物はｐＨ値が低い、という問題がある。この理由から、これまでは、高い腐食耐性を有するオーステナイト鋼から形成される、排ガス熱交換器しか存在しなかった。この種の鋼は、材料コストが高く、加工プロセスが複雑なためにしばしば他の不随コストを発生させる。さらに、オーステナイト鋼は、大体において劣った熱導体であるので、予め定められた冷却出力の熱交換器は、比較的大型で重く構成される。

本発明の課題は、低いコストで形成することができる、内燃機関の排ガスまたは排ガス−空気混合気を冷却するための熱交換器を提供することである。

この課題は、冒頭で挙げた種類の熱交換器について、本発明によれば、請求項１に記載の特徴（すなわち、熱交換器の少なくとも一部が、フェライト鋼からなること）によって解決される。

発明の実施の形態

熱交換器の少なくとも一部が、フェライト鋼からなることによって、この鋼の価格が大体において低いために、コストを削減することができる。

好ましい形態において、オーステナイト鋼に比較してフェライト鋼の規則的に改良された熱出力が、熱交換器のフェライト部分が流体と接触することによって、大いに利用される。従って全体として、フェライト鋼の、より高い熱伝導性によって、排ガスを冷却するための熱交換器の、小型で材料、重量およびコストを節約する形態が可能である。

特に好ましくは、流体が内燃機関の特に還流される排ガスまたは排ガス−空気混合気であって、その場合に接続領域内の流体温度は、通常の駆動方法において３００℃よりも高く、特に５００℃よりも高い。それによって、熱交換器全体の領域において排ガスに基づく酸性の凝縮物の凝縮の危険が減少する。

好ましい形態において、熱交換器のフェライト部分は、実質的に第１の接続領域に相当し、かつ交換器領域と溶接されている。まさに第１の接続領域において温度が特に高く、従ってフェライト鋼を比較的問題なく使用することができる。さらに、フェライト鋼は、少なくともオーステナイト鋼よりも小さい熱膨張係数を有しており、従ってフェライトの接続領域と後続のオーステナイトの交換器領域との組合せは、伸張に基づく材料応力に関して、特に効果的である。特にこれに関連して、第１の接続領域は、好ましくは交換器領域の方向に通過横断面の拡幅を有している。さらに好ましくは、接続領域内に、調節可能なフラップが配置されている。フラップによって、たとえば、冷却される領域またはバイパス通路へ排ガスの分配を行うことができる。

さらに好ましい形態において、交換器領域は、多数の交換器パイプを有している。パイプクーラーは、機械的に極めて安定しており、特に液体の冷却剤との組合せにおいて提供される。そのために、交換器領域は、好ましくは、液状の冷却剤によって貫流可能な交換器ハウジングを有している。交換器ハウジングは、排ガスと規則的には接触しないので、特に、フェライト鋼からなる交換器ハウジングが提供される。というのは、錆びてしまった場合に液状の冷却剤がエンジンの燃焼室内へ達することがないからである。

熱交換出力を改良するために、好ましくは、交換器パイプはフェライト鋼からなる。というのは、この材料は、良好な熱伝導性を有しているからである。

特に好ましくは、熱交換器の他の部分を他のフェライト材料から形成することができる。様々な腐食耐性と機械的特性を有するフェライト鋼が存在し、それが規則的に材料価格に反映する。それぞれ、熱交換器の該当する部分がどの程度腐食にさらされるか、あるいは熱伝達に関与するか、に従って、コストを最適化するために熱交換器の種々の部分を異なるフェライト鋼から形成することができる。

他の好ましい実施形態において、熱交換器は、積み重ねて互いに結合された多数のディスク部材を有している。この種の熱交換器は、特に効果的な方法で、排ガス熱交換器として適している。その場合に好ましくは、ディスク部材の間に、フェライト鋼からなるフィン部材が配置されている。フィン部材の腐食は、構造に基づいて、通常、流体領域へ冷却液が侵入する危険を伴わず、そうでないと水がかかることによってエンジンの損傷をもたらしてしまう。従って特に分離して使用可能なフィン部材は、フェライト鋼から形成するために、特に前もって定められている。この種のフィン部材は、冷却すべき流体内および／または冷却剤内に配置することができる。フィン部材が流体内にも冷却剤内にも配置されている場合に、これらのフィン部材は通常その形成において異なっている。

その場合に特に好ましくは、ディスク部材を包囲するハウジングが設けられており、そのハウジングはフェライト鋼からなる。長い寿命によってもたらされる、ハウジングの腐食が、冷却剤と排ガスの結合をもたらすことがなく、それによってエンジン損傷の危険が減少される。この種のハウジングは、極めて大きい構成部品であるので、フェライト鋼の使用によって多大なコストを削減することができる。しかし、十分に腐食強いフェライト鋼を使用する場合に、ディスク部材もフェライト鋼から形成することができ、それが、与えられた組立て大きさにおいて熱伝達とそれに伴って全交換器出力に用いられる。

一般に、好ましくは熱交換器の他の部分が、オーステナイト鋼からなり、それによって少なくとも重要な箇所に高い腐食耐性を有する材料が使用される。オーステナイト鋼は、好ましくはグループ１．４３０１と１．４４０４の鋼である。この材料名称は、規格ＤＩＮ ＥＮ１００８８−２に相当し、本発明の枠内で挙げられた番号を有するすべての材料名称は、この規格を参照している。

特に好ましくは、フェライト鋼からなる部分が、オーステナイト鋼からなる部分と直接互いに溶接または半田付けによって材料結合で結合される。この種の材料による結合によって、特に直接溶接またはガス溶接によって、あるは半田付けによって、特に確実な結合が保証される。実験から、少なくとも熱交換器製作にとって好ましいフェライト鋼とオーステナイト鋼は、通常の場合において、問題なく互いに材料結合で結合することができ、特に溶接可能あるいは半田付け可能あるいは接着可能であることが、明らかにされた。

好ましくは、フェライト鋼は、グループ１．４００６と１．４０１６の鋼である。腐食耐性に対する要請が比較的小さい場合に、フェライト鋼は、好ましくはグループ１．１１６９、１．０４６１、１．０４６２および１．０４６３の鋼であることができ、その場合にそれは低合金の鋼と微粒鋼である。少なくとも１２％のＣｒ含有量を有する、より高い合金の適切なフェライト鋼は、好ましくはグループ１．４０００、１．４００２、１．４００６および１．４１１３の鋼である。より高い合金の、安定化された鋼（チタンとニオブを有する）は、好ましくはグループ１．４５０９、１．４５１３、１．４５１２および１．４５２０の鋼である。

他の好ましい熱交換器において、冷却剤はガス状であり、特に空気である。この種の交換器は、腐食した場合に水衝撃の危険をもたらさず、適切な冷却出力を得るために材料の熱伝達に関して特に高い要請を有している。従って、フェライト鋼の使用が適している。

本発明に基づく熱交換器は、排ガスタービンの後方の低圧分岐内に配置することができる（低圧ＡＧＲ）。この配置においては、比較的小さい機械的負荷と温度差が生じる。しかし、その代りに、熱交換器を排ガスタービンの前の高圧分岐内に配置することもできる。

本発明に基づく熱交換器の他の利点と特徴が、以下で説明する実施例および従属請求項から明らかにされる。

以下、本発明に基づく熱交換器の２つの実施例を示し、添付の図面を用いて詳細に説明する。

図１に示す排ガス熱交換器は、パイプ束交換器の原理に従って構成されている。排ガス熱交換器は、排ガス（ないし排ガス−空気混合気）を供給するための第１の接続領域１、熱交換の主要部分が行われる、交換器領域２および排ガスを搬出する第２の接続領域３を有している。第１の接続領域１内に、アクチュエータ４を用いて機構５を介して駆動可能な操作フラップ６が回転可能に軸承されており、その操作フラップを用いて排ガス流をバイパス通路７と熱交換器パイプ８の束との間で調節可能に方向変換させることができる。

バイパス通路７と交換器パイプ８はヘッド部材９を用いて互いに溶接されており、その場合にさらに、ハウジングジャケット１０をヘッド部材９と溶接することによって、液状の冷却材によって貫流可能な交換器ハウジングが形成されている。ハウジングジャケット１０に、交換器ハウジングを通して液状の冷却剤を案内するための２つの接続短管１１が設けられている。

上述した熱交換器において、少なくとも、交換器領域２の方向に拡幅するハウジングからなる、第１の接続領域１は、フェライト鋼、特にＤＩＮ ＥＮ１００２７−２に基づく鋼１．４００６からなる。好ましくはさらに、ハウジングジャケット１０も、この鋼からなる。

それぞれ、特にクーラーが低圧排ガス還流システム内で使用されるか、高圧排ガス還流システム内で使用されるかに著しく依存する、排ガス流の温度領域に従って、さらに、交換器パイプ８、ヘッド部材９および第２の接続領域３もフェライト鋼から形成することができる。ガス出口の比較的冷たい領域内で凝縮の危険が高くなることに基づいて、第２の接続領域３は、好ましくは、錆びず、かつ安定化された品質のフェライト鋼、特に１．４５１２または１．４５０９から形成されている。交換器パイプ８および／またはバイパス通路７および／またはヘッド部材９は、それらがフェライト鋼からなる場合に、好ましくは錆びず、かつ安定化された品質で形成される（特に１．４５１２および／または１．４５０９）。

コスト削減のために、特に、たとえば保持薄板などのような、外側の取付け部品は、特に１．１１６９、１．０４６１、１．０４６２または１．０４６３の、フェライト鋼から形成することができる。

第２の実施例の熱交換器（図２）は、ディスク熱交換器として形成されている。排ガスのための供給管を接続するための第１の接続領域１０２と排ガスのための搬出管を接続するための第２の接続領域１０３を有する外側のハウジング１０１内に、幾つかのディスク部材１０４が配置されている。ハウジング１０１は、さらに、終端カバー１０５を有しており、その終端カバーに冷却剤の供給管と搬出管を接続するための接続端１０６、１０７が設けられている。ディスク部材１０４およびハウジング１０１とカバー１０５の領域が、一緒になって、熱交換器の交換器領域を形成している。

ディスク部材１０４の各々は、２つのディスク１０４ａ、１０４ｂから構成されており、その場合にディスク１０４ａ、１０４ｂの間にフィン部材１０８が設けられている。それぞれ上側のディスク１０４ａは、短管形状の膨出部１０４ｃを有しており、その膨出部が次のディスク部材の下方のディスクの切欠きの端縁に接続されている。ディスク部材の個々の短管１０４ｃは、互いに対して、かつカバー１０５の接続端１０６、１０７と整合している。カバーから最も離れたディスク部材１０４は、切欠きを持たない下方のディスク１０４ｂを有している。このようにして、それぞれ上方のディスク１０４ａと下方のディスク１０４ｂの間の多数の間隙によって、全体として液状の冷却剤により還流可能な中空室が形成されており、その場合に中空室の端縁側の境界は、ディスク１０４ａ、１０４ｂの屈曲された端縁１０４ｄを互いに溶接することによって形成されている。

冷却剤は、接続端１０６に対応づけられた一方の短管と接続端１０７に対応づけられた他方の短管との間において、ディスク部材の各々の中を流れる。その場合に、冷却剤がその回りを流れるフィン１０８が、冷却剤とディスクとの間でさらに改良された熱交換をもたらし、その場合に特に冷却剤の乱流がもたらされる。

特に短管１０４ｃの高さによって定められる、２つの隣接するディスク部材１０４の間の間隙は、それぞれディスク部材の前側において、熱交換器のハウジング１０１の接続領域１０２、１０３へ向かって開放している。排ガスは、この間隙を貫流し、その場合に排ガスは、冷却剤によって冷却される大面積のディスク部材１０４に接して冷却される。

ハウジング１０１を機械的に安定させ、かつ冷却するために、ディスク部材１０４の長手側の端縁領域１０４ｄが屈曲されて、ハウジング１０１の内壁に領域的に平面で添接している（特に図３を参照）。特に、ディスク部材１０４とハウジング１０１の内壁とのできる限り平面的な溶接または半田付けが存在しているので、ハウジング１０１は十分な冷却出力を受ける。

好ましくはハウジング１０１は、フェライト鋼から形成されている。それは特に、たとえば１．１１６９、１．０４６１、１．０４６２および１．０４６３のような、安価な鋼である。ハウジング部分１０１が腐食した場合に、液状の冷却剤が排ガス内へ流出することはなく、従ってここでは、コスト−リスク−比較を考慮して、安価な材料の使用が可能である。

交換器出力を改良し、それに伴って予め定められた交換器出力における組立て大きさを縮小するために、ディスクスタック１０４とカバー１０５もフェライト鋼からなる。これらの部材によって排ガスと液状の冷却剤との間の分離が行われるので、フェライト鋼は、特に腐食耐性のある種類、たとえば１．４０００、１．４００２または１．４１１３あるいは、たとえば１．４５１３または１．４５２０のような、高価値の鋼である。

図３に示すように、ディスク部材１０４の間にフィン部材１０９を配置することができ、そのフィン部材は、排ガスが回りを流れ、従って増大された交換器面積を提供する。このフィン部材１０９も、フェライト鋼から形成することができる。

本発明に基づく熱交換器の第１の実施例を一部切り開いて示す斜視図である。 熱交換器の第２の実施例を示す分解斜視図である。 図２に示す組立てが終了した熱交換器を図式的に示す断面図である。

Claims (26)

1. 内燃機関用の熱交換器であって、
   流体が少なくとも部分的に内燃機関の排ガスからなる接続領域である、冷却すべき流体を供給するための第１の接続領域（１、１０２）と、
   流体を搬出するための第２の接続領域（３、１０３）と、
   流体の流れ方向に関して第１と第２の接続領域の間に配置されている交換器領域（２、１０１、１０４、１０５）とを有し、
   交換器領域（２、１０１、１０４、１０５）の回りを冷却剤が流れることができる熱交換器において、
   熱交換器の少なくとも一部が、フェライト鋼からなることを特徴とする内燃機関用の熱交換器。
2. フェライト部分が流体と接触することを特徴とする請求項１に記載の熱交換器。
3. 流体が、内燃機関の特に還流される排ガスまたは排ガス−空気混合気であって、その場合に通常の駆動方法において区間内の流体温度が、３００℃より高く、特に５００℃より高いことを特徴とする請求項１または２に記載の熱交換器。
4. 熱交換器のフェライト部分が、実質的に第１の接続領域（１、１０２）に相当し、交換器領域（２、１０１、１０４、１０５）と材料結合で結合可能であって、特に溶接可能、半田付け可能、接着可能などであることを特徴とする請求項１から３のいずれか１項に記載の熱交換器。
5. 第１の接続領域（１、１０２）が、交換器領域（２、１０１、１０４、１０５）の方向に通過横断面の拡幅を有していることを特徴とする請求項１から４のいずれか１項に記載の熱交換器。
6. 接続領域（１）内に、調節可能なフラップ（６）が配置されていることを特徴とする請求項１から５のいずれか１項に記載の熱交換器。
7. 交換器領域（２、１０１、１０４、１０５）が、多数の交換器パイプ（８）を有していることを特徴とする請求項１から６のいずれか１項に記載の熱交換器。
8. 交換器領域（２、１０１、１０４、１０５）が、冷却剤によって貫流可能な交換器ハウジング（１０、１０１）を有していることを特徴とする請求項７に記載の熱交換器。
9. 交換器ハウジング（１０、１０１）が、少なくとも部分的にフェライト鋼からなることを特徴とする請求項７または８に記載の熱交換器。
10. 交換器パイプ（８）が、フェライト鋼からなることを特徴とする請求項７から９のいずれか１項に記載の熱交換器。
11. 熱交換器の他の部分が、他のフェライト鋼からなることを特徴とする請求項１から１０のいずれか１項に記載の熱交換器。
12. 熱交換器が、積み重ねて互いに結合された、多数のディスク部材（１０４）を有していることを特徴とする請求項１から１１のいずれか１項に記載の熱交換器。
13. ディスク部材（１０４）の間に、熱接触を増大させるためのフィン部材（１０８、１０９）が配置されており、その場合にフィン部材（１０８、１０９）がフェライト鋼からなることを特徴とする請求項１１に記載の熱交換器。
14. フィン部材（１０８）が、冷却すべき流体内に配置されていることを特徴とする請求項１３に記載の熱交換器。
15. フィン部材（１０９）が、冷却剤内に配置されていることを特徴とする請求項１３または１４に記載の熱交換器。
16. ディスク部材（１０４）を包囲するハウジング（１０１）が設けられており、前記ハウジングがフェライト鋼からなることを特徴とする請求項１２または１５に記載の熱交換器。
17. 熱交換器の他の部分が、オーステナイト鋼からなることを特徴とする請求項１から１６のいずれか１項に記載の熱交換器。
18. オーステナイト鋼が、ＤＩＮ ＥＮ１００８８−２に基づく名称の、グループ１．４３０１と１．４４０４の鋼であることを特徴とする請求項１７に記載の熱交換器。
19. フェライト鋼からなる部分とオーステナイト鋼からなる部分が、直接互いに材料結合で結合され、特に溶接、半田付け、接着などされていることを特徴とする請求項１７または１８に記載の熱交換器。
20. フェライト鋼が、グループ１．４００６と１．４０１６の鋼であることを特徴とする請求項１から１９のいずれか１項に記載の熱交換器。
21. フェライト鋼が、グループ１．１１６９、１．０４６１、１．０４６２および１．０４６３の鋼であることを特徴とする請求項１から２０のいずれか１項に記載の熱交換器。
22. フェライト鋼が、グループ１．４０００、１．４００２および１．４１１３の鋼であることを特徴とする請求項１から２１のいずれか１項に記載の熱交換器。
23. フェライト鋼が、グループ１．４５１３と１．４５２０の鋼であることを特徴とする請求項１から２２のいずれか１項に記載の熱交換器。
24. 冷却剤が、ガス状であり、特に空気であることを特徴とする請求項１から２３のいずれか１項に記載の熱交換器。
25. 熱交換器が、排ガスタービン後の低圧分岐内に配置されていることを特徴とする請求項１から２４のいずれか１項に記載の熱交換器。
26. 熱交換器が、排ガスタービン前の高圧分岐内に配置されていることを特徴とする請求項１から２４のいずれか１項に記載の熱交換器。

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