JP2013088010A - Ｕターン型熱交換器 - Google Patents

Abstract

【課題】ショートカットが起こらず、長期間に亘って効率的に熱交換を実施することが可能なＵターン型熱交換器を提供する。
【解決手段】Ｕターン型熱交換器１は、上側アウターケース４、下側アウターケース５、および後部カバー部材３１からなる外管３、７個の伝熱管２ａ〜２ｇ、導入管６、排出管７、仕切体４１を有するフランジ部材３２等によって組み付け形成されている。そして、前方の開口部においては、フランジ部材３２の仕切体４１の後端際の部分が、伝熱管２ｄ，２ｅの前端の部分と重なり合った状態でロウ付けされている。
【選択図】図３

Description

本発明は、自動車の内燃機関等に用いられる熱交換器に関するものである。

自動車の内燃機関用の熱交換器としては、媒体の経路がＵ字状に形成されており、経路の入口から導入された媒体がＵ字状の経路を流通する間に、その流通する媒体と経路外を流通する他の媒体との間で熱交換が行われ、熱交換された後の媒体が、入口付近から排出されるタイプのもの（所謂、Ｕターン型の熱交換器）が知られている（特許文献１）。

特開２００５−７６５６０号公報

しかしながら、上記した従来のＵターン型の熱交換器においては、経路の入口で、熱交換後の媒体（たとえば、低温の媒体）の中に熱交換前の媒体（たとえば、高温の媒体）が入り込んでしまう事態（所謂、ショートカット）が生じ得る。それゆえ、上記従来のＵターン型の熱交換器は、効率的な熱交換を実施することが困難であった。

本発明の目的は、上記従来のＵターン型熱交換器が有する問題点を解消し、ショートカットが起こらず、長期間に亘って効率的に熱交換を実施することが可能なＵターン型熱交換器を提供することにある。

本発明の内、請求項１に記載された発明は、扁平な中空角柱状の複数の伝熱管と、それらの複数の伝熱管を平行に積層させた状態で収納する外管とを備えており、外管の後端が遮蔽されているとともに、外管の前端の開口部に、平板状の仕切体が各伝熱管に対して平行に取り付けられており、その仕切体によって、外管の開口部が第一開口領域と第二開口領域とに仕切られており、第一媒体を、第一開口領域から伝熱管内に入り込ませ、後端際で方向転換させて第二開口領域から外部へ排出する間に、その第一媒体と、外管と伝熱管との隙間を流通させた第二媒体との間で熱交換を行わせるＵターン型構造を有する熱交換器であって、前記仕切体の後端際の部分が、前記伝熱管の前端の部分と重なり合った状態でロウ付けされていることを特徴とするものである。

請求項２に記載された発明は、請求項１に記載された発明において、前記仕切体の後端面に凹状溝が形成されており、その凹状溝に、前記伝熱管の前端の部分が入り込んだ状態になっていることを特徴とするものである。

請求項３に記載された発明は、請求項１に記載された発明において、前記伝熱管の前端と前記凹状溝の最深部との間に隙間が形成されていることを特徴とするものである。

請求項１に記載のＵターン型熱交換器は、仕切体の後端際の部分が、伝熱管の前端の部分と重なり合った状態でロウ付けされているため、第一媒体が、第一開口領域側から第二開口領域側へ流れ込む事態（ショートカット）が起こりにくい。したがって、請求項１に記載のＵターン型熱交換器によれば、第一媒体と第二媒体との間で効率良く熱交換することが可能となる。

請求項２に記載のＵターン型熱交換器は、仕切体の後端面に凹状溝が形成されており、その凹状溝に、伝熱管の前端の部分が入り込んだ状態になっているため、第一媒体が、第一開口領域側から第二開口領域側へ流れ込む事態をより高い精度で防止することができる。したがって、請求項２に記載のＵターン型熱交換器によれば、第一媒体と第二媒体との間で非常に効率良く熱交換することができる。

請求項３に記載のＵターン型熱交換器は、仕切体の後端面に凹状溝が形成されており、伝熱管の前端と凹状溝の最深部との間に隙間が形成されているので、ロウ付け前に仕切体が伝熱管の前端と接触することによる伝熱管の位置ズレが発生せず、安定したロウ付け品質が得られる。

Ｕターン型熱交換器の正面図である。 Ｕターン型熱交換器の平面図である。 Ｕターン型熱交換器の斜視図である。 Ｕターン型熱交換器の鉛直端面図（図２におけるＢ−Ｂ線端面図）である。 伝熱管の分解斜視図である。 仕切体の後端際の部分を拡大して示す説明図（図４におけるＣ部分の拡大図）である。 仕切体の後端際の部分を示す説明図（図１におけるＡ−Ａ線断面図）である。 仕切体（変更例）の後端際の部分を拡大して示す説明図（図４におけるＣ部分の拡大図）である。 仕切体（変更例）の後端際の部分を拡大して示す説明図（図４におけるＣ部分の拡大図）である。

以下、本発明に係るＵターン型熱交換器について、図面に基づいて詳細に説明する。

＜Ｕターン型熱交換器の構造＞
図１〜図４は、本発明に係るＵターン型熱交換器を示したものである。Ｕターン型熱交換器１は、自動車のＥＧＲ(Exhaust Gas Recirculation)システムに用いて、内燃機関の排気マニホールドから排気ガスの一部を導入して所定の温度まで冷却し、冷却後の排気ガス（所謂、ＥＧＲガス）を、ＥＧＲ弁を介して吸気マニホールドに排出させるものである。当該Ｕターン型熱交換器１は、上側アウターケース４、下側アウターケース５、および後部カバー部材３１からなる外管３、７個の伝熱管２ａ〜２ｇ、導入管６、排出管７、仕切体４１を有するフランジ部材３２等によって組み付け形成されている。

上側アウターケース４は、金属板（ステンレス板）をプレス加工することによって、半筒状（断面コ字状の半四角柱状）に形成されており、扁平な突起体１０，１０・・を下向きに突設してなる略長方形状の天板８の左右に、それぞれ、側板９，９が、下向きに直交するように連設されている。また、片方の側板９の前端際には、円筒状の導入管６が固着されている。

また、下側アウターケース５も、上側アウターケース４と同様に、金属板（ステンレス板）をプレス加工することによって、半筒状（断面コ字状の半四角柱状）に形成されており、扁平な突起体１４，１４・・を上向きに突設してなる略長方形状の底板１２の左右に、それぞれ、側板１３，１３が上向きに直交するように連設されている（なお、各側板１３，１３の上端縁際同士の間隔は、上側アウターケース４の側板９，９同士の間隔よりも若干広くなっている）。さらに、片方の側板１３の後端際には、円筒状の排出管７が固着されている。

さらに、後部カバー部材３１は、金属板（ステンレス板）をプレス加工することによって、扁平な箱状（有底で中空な四角柱状）に形成されており、後端面際の各稜線が円弧状（丸みを帯びた形状）になっている。

一方、図５は、１個の伝熱管２ａを分解した状態を示したものであり、伝熱管２ａ〜２ｇは、いずれも、上側ケース１６、下側ケース１７および放熱フィン１８を組み付けることによって形成されており、同様の形状、構造を有している。

上側ケース１６は、金属板（ステンレス板）をプレス加工することによって、断面コ字状の扁平な半四角柱状に形成されており、扁平な突起体２１，２１・・を上向きに突設してなる略長方形状の天板１９の左右に、それぞれ、側壁２０，２０が下向きに直交するように連設されている。また、天板１９および側壁２０，２０の前後の端縁際には、膨出部２２，２２が外向きに突出するように設けられている。加えて、天板１９の前後の端縁は、円弧状（凹状）になっている。

また、下側ケース１７も、上側ケース１６と同様に、金属板（ステンレス板）をプレス加工することによって、断面コ字状の扁平な半四角柱状に形成されており、扁平な突起体２６，２６・・を下向きに突設してなる略長方形状の底板２４の左右に、それぞれ、側壁２５，２５が上向きに直交するように連設されている（なお、下側ケース１７は、各側壁２５，２５同士の間隔が、上側ケース１６よりも若干広くなっている）。また、底板２４および側壁２５，２５の前後の端縁際には、膨出部２７，２７が外向きに突出するように設けられている。加えて、底板２４の前後の端縁は、円弧状（凹状）になっている。

さらに、放熱フィン１８は、金属板（ステンレス板）をプレス加工することによって、多数の筋状凹部２８，２８・・と筋状凸部２９，２９・・とを左右方向に連設してなる扁平なプレート状に形成されている。そして、各筋状凹部２８，２８・・および各筋状凸部２９，２９・・には、熱交換の効率を高めるための多数の突出片（図示せず）が内向きに突出するように設けられている。

一方、フランジ部材３２は、金属（ステンレス）を鋳造することによって、前後に扁平な筒状（中空の四角柱状）に形成されており、前面が平坦状になっている。また、上下の端縁際の左右には、ネジ孔を設けた固定片３５，３５・・が、外向きに突出するように設けられている。そして、前面の開口部を上下に２分するように、平板状の仕切体４１が、水平に、かつ、後方に突出するように設けられている。

また、図６、図７は、仕切体４１の後端際の部分（図４におけるＣの部分）を示したものであり、仕切体４１の後端は、各伝熱管２ａ〜２ｇの前端とは逆向きの円弧状（凸状）に形成されている（図７参照）。さらに、仕切体４１の後端縁際の部分は、断面Ｌ字状に刻設されており、薄肉部３７が形成されている。そして、当該薄肉部３７の基端側に、仕切体４１の板面に対して略直交するように壁面３６が形成された状態になっている。なお、薄肉部３７は、後述するように各伝熱管２ａ〜２ｇと一体になった外管３の前端の開口部にフランジ部材３２を溶接（ロウ付）する際に、伝熱管２ｄ，２ｅの前端と重ね合わせられるが、その際に、薄肉部３７の基端の壁面３６と伝熱管２ｄ，２ｅの前端との間に所定の長さの隙間が確保されるように、前後の幅が調整されている。

Ｕターン型熱交換器１は、上側ケース１６、下側ケース１７および放熱フィン１８を組み付ける（放熱フィン１８を上側ケース１６および下側ケース１７で挟み込む）ことによって各伝熱管２ａ〜２ｇを形成し、形成された各伝熱管２ａ〜２ｇを積層して仮止めすることによって伝熱管２ａ〜２ｇの積層体を形成し、上側アウターケース４と下側アウターケース５と後部カバー部材３１を溶接（ロウ付）して外管３を形成する際に、当該伝熱管２ａ〜２ｇの積層体を、その外管３内に収納させて溶接（ロウ付）することによって一体的に組み付けられている。さらに、組み付けられた外管３の前端の開口部に、フランジ部材３２が溶接（ロウ付）されている。

上記の如く組み付けられたＵターン型熱交換器１においては、図６、図７の如く、フランジ部材３２の仕切体４１の薄肉部３７と、伝熱管２ｄ，２ｅの前端（伝熱管２ｄの下側ケース１７の前端および伝熱管２ｅの上側ケース１６の前端）とがオーバーラップした状態（重なり合った状態）で溶接（ロウ付）されている。また、上記の如く、外管３の前端に固着（ロウ付）されたフランジ部材３２の仕切体４１によって、外管３の開口部が、第一開口領域３３と第二開口領域３４とに仕切られた状態になっている。

＜Ｕターン型熱交換器の作用＞
上記の如く形成されたＵターン型熱交換器１においては、外管３の前端の第一開口領域３３から導入された第一媒体（たとえば、排気ガス）が、積層された伝熱管２ａ〜２ｇの内の下側の伝熱管２ｅ，２ｆ，２ｇ内を流通し、外管３の後端の後部カバー部材３１の内壁で方向変換され、積層された伝熱管２ａ〜２ｇの内の上側の伝熱管２ａ，２ｂ，２ｃ，２ｄ内を流通し、外管３の前端の第二開口領域３４から外部へ排出される。

一方、導入管６から流入した第二媒体（たとえば、冷却水）は、外管３と各伝熱管２ａ〜２ｇとの隙間、および、各伝熱管２ａ〜２ｇ同士の隙間を流通し、排出管７から外部へ排出される。そして、上記した２種類の媒体の流通の際に、熱交換が行われる（たとえば、外管３内を流通する排気ガスが冷却される）。

また、上記の如く、Ｕターン型熱交換器１においては、フランジ部材３２の仕切体４１の凹状溝４３に、伝熱管２ｄ，２ｅの前端（伝熱管２ｄの下側ケース１７の前端および伝熱管２ｅの上側ケース１６の前端）が入り込んだ状態で、それらの伝熱管２ｄ，２ｅの前端と仕切体４１の後端際とがオーバーラップした状態で、ロウ付けによって固着されている。それゆえ、外管３の前端の第一開口領域３３へ導かれた第一媒体（たとえば、排気ガス）が、伝熱管２ｅ，２ｆ，２ｇ内を流通することなくフランジ部材３２の仕切体４１と伝熱管２ｄ，２ｅの前端との間から第二開口領域３４へ導かれる事態（所謂、ショートカット）が生じない。

＜Ｕターン型熱交換器の効果＞
Ｕターン型熱交換器１は、上記の如く、フランジ部材３２の仕切体４１の後端際の部分が、伝熱管２ｄ，２ｅの前端の部分と重なり合った状態でロウ付けされており、第一媒体が、第一開口領域３３側から第二開口領域３４側へ流れ込む事態が起こりにくいため、第一媒体と第二媒体との間で効率良く熱交換することができる。

また、Ｕターン型熱交換器１は、仕切体４１の後端面に凹状溝４３が形成されており、その凹状溝４３に、伝熱管２ｄ，２ｅの前端の部分が入り込んだ状態になっているため、第一媒体が、第一開口領域３３側から第二開口領域３４側へ流れ込む事態をより高い精度で防止することができる。したがって、Ｕターン型熱交換器１は、第一媒体と第二媒体との間での熱交換効率がきわめて良好である。

さらに、Ｕターン型熱交換器１は、仕切体４１の後端際に薄肉部３７が形成されており、伝熱管２ｄ，２ｅの前端と薄肉部３７の最深部（壁面３６）との間に隙間が形成されているので、ロウ付け前に仕切体４１が伝熱管２ｄ，２ｅの前端と接触することによる伝熱管２ｄ，２ｅの位置ズレが発生せず、安定したロウ付け品質が得られる。

＜Ｕターン型熱交換器の変更例＞
なお、本発明に係るＵターン型熱交換器の構成は、上記実施形態の態様に何ら限定されるものではなく、伝熱管（上側ケース、下側ケース、放熱フィン）、外管（上側アウターケース、下側アウターケース、後部カバー部材）等の材質、形状・構造等の構成を、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で、必要に応じて適宜変更することができる。

たとえば、本発明に係るＵターン型熱交換器は、伝熱管および外管をステンレスによって形成したものに限定されず、伝熱管、外管の全部あるいは一部を他の金属によって形成したものでも良い。また、Ｕターン型熱交換器は、上記実施形態の如く、７個の伝熱管を積層してなる伝熱管の積層体を収納したものに限定されず、６個以下あるいは８個以上の伝熱管を積層してなる伝熱管の積層体を収納したものでも良い。

一方、仕切体は、上記実施形態の如く、後端縁際に薄肉部３７を形成したものに限定されず、図８の如く、一定幅の凹状溝４３を後端面に刻設したものでも良い。また、仕切体は、幅広な表層部と幅狭な深層部とを有する二段の凹状溝を後端面に刻設したものに変更することも可能である。図９は、かかる構成を採用した変更例を示したものであり、仕切体４１”の後端面は、仕切体４１”の板面に対して、直交した状態になっており、当該後端面には、一定の深さの凹状溝４３”が、水平に設けられている。当該凹状溝４３”は、後端面際の部分が、奥側の部分に比べて幅広な（上下に幅広な）二段の溝になっており、表層部４６、深層部４７とも一定の上下幅になっている。また、表層部４６と深層部４７との境界面４４は、後端面と略平行になっており、凹状溝４３”の最深部の面も、それらの面と略平行になっている。

図８の如く一定幅の凹状溝４３を後端面に刻設する場合や、図９の如く幅広な表層部と幅狭な深層部とを有する二段の凹状溝を後端面に刻設する場合には、各伝熱管と一体になった外管の前端の開口部にフランジ部材を組み付ける際に、凹状溝内に伝熱管２ｄ，２ｅの前端を挿入させた状態で、仕切体４１’４１”と伝熱管２ｄ，２ｅの前端とを溶接（ロウ付け）する。それゆえ、挿入させる伝熱管２ｄ，２ｅの前端と凹状溝４３，４３”の最深部との間に隙間が形成されるように、凹状溝４３，４３”の深さを予め調整しておくことにより、上記実施形態と同様に、ロウ付け前に仕切体４１’，４１”が伝熱管２ｄ，２ｅの前端と接触することによる伝熱管２ｄ，２ｅの位置ズレが発生せず、安定したロウ付け品質が得られる。また、仕切体に設ける凹状溝を、図９の如く二段の溝にした場合には、各伝熱管と一体になった外管の前端の開口部にフランジ部材を組み付ける際に、凹状溝４３”内に伝熱管２ｄ，２ｅの前端を挿入し易い、というメリットと、ロウ材を安定的に塗布できるというメリットとがある。なお、同様の効果を得るために、凹状溝を、開口部に近づくにつれて幅広になるテーパ面を設けたものに変更することも可能である。

加えて、本発明に係るＵターン型熱交換器は、上記実施形態の如く、仕切体に凹状溝を形成して当該凹状溝内に伝熱管の先端を嵌め込んだものに限定されず、仕切体を単純な板状のものに変更して伝熱管の先端と当接させる（重ね合わせる）ことも可能である。

加えて、仕切体を設ける部材は、上記実施形態の如きフランジ部材に限定されず、バルブのハウジング等の別の部材に変更することも可能である。

本発明のＵターン型熱交換器は、上記の如く優れた効果を奏するものであるから、自動車の内燃機関等の熱交換器として好適に用いることができる。

１・・Ｕターン型熱交換器
２ａ〜２ｇ・・伝熱管
３・・外管
３２・・フランジ部材
３３・・第一開口領域
３４・・第二開口領域
４１，４１’，４１”・・仕切体
３７・・薄肉部
４３，４３”・・凹状溝

Claims (3)

1. 扁平な中空角柱状の複数の伝熱管と、それらの複数の伝熱管を平行に積層させた状態で収納する外管とを備えており、
   外管の後端が遮蔽されているとともに、外管の前端の開口部に、平板状の仕切体が各伝熱管に対して平行に取り付けられており、その仕切体によって、外管の開口部が第一開口領域と第二開口領域とに仕切られており、
   第一媒体を、第一開口領域から伝熱管内に入り込ませ、後端際で方向転換させて第二開口領域から外部へ排出する間に、その第一媒体と、外管と伝熱管との隙間を流通させた第二媒体との間で熱交換を行わせるＵターン型構造を有する熱交換器であって、
   前記仕切体の後端際の部分が、前記伝熱管の前端の部分と重なり合った状態でロウ付けされていることを特徴とするＵターン型熱交換器。
2. 前記仕切体の後端面に凹状溝が形成されており、その凹状溝に、前記伝熱管の前端の部分が入り込んだ状態になっていることを特徴とする請求項1に記載のＵターン型熱交換器。
3. 前記伝熱管の前端と前記凹状溝の最深部との間に隙間が形成されていることを特徴とする請求項２に記載のＵターン型熱交換器。

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