JP2013113482A - Ｕターン型熱交換器 - Google Patents

Abstract

【課題】軽量で、安価に製造することが可能である上、長期間に亘って損傷しない実用的な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、７個の伝熱管２，２・・、キャップ部材４、伝熱管２，２・・およびキャップ部材４を覆うアウターケースである外管３、他の装置、部品等に連結させるための連結部材５、および、外管３と連結部材５との間に介在させるラバーシール３０等によって組み付け形成されている。また、外管３は、ポリアミド系樹脂によって形成されており、排出管６、導入管７、ブラケット４４，４４が一体的に設けられている。
【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、媒体の経路である伝熱管がＵ字状に形成されており、当該伝熱管の入口から導入された第一の媒体がＵ字状の伝熱管内を流通する間に、その第一の媒体と、伝熱管の外部を覆うケース（外管）内を流通する第二の媒体との間で熱交換が行われ、熱交換された後の第一の媒体が、伝熱管の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は、全体が金属で形成されているため、軽量化することが困難であった。また、製造時には、外管に媒体を導入したり、外管から媒体を排出したりするためのパイプや、外管を他の装置や部品に固着させるためのブラケットを、一旦、外管とは別個に形成し、伝熱管の外周に外管を組み付ける（ロウ付けする）際に、外管に固着させなければならなかったため、安価に製造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、軽量で、安価に製造することが可能である上、長期間に亘って損傷しない実用的な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が積層されており、それらの積層された伝熱管が外管によって覆われており、それらの伝熱管および外管の前端に、中央を開口した金属製のフランジ体が固着されているとともに、積層された伝熱管の前端の開口部が、前記フランジ体に設けられた仕切体によって、第一開口領域と第二開口領域とに仕切られており、かつ、積層された伝熱管の後端全体が、後方に膨出した蓋部材によって覆われており、第一媒体を、第一開口領域から伝熱管内に入り込ませ、蓋部材内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、外管と伝熱管内との隙間を流通する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、前記外管が、樹脂によってフランジ状の開口部を有する筒状に形成されており、前記フランジ状の部分の前面にラバーシールを周設したものであり、そのラバーシールを介して、前記フランジ状の部分を前記フランジ体の裏面に接合させた状態で、フランジ体を固着し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、外管が、ポリアミド系樹脂によって形成され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、または請求項２に記載された発明において、外管が、フランジ状の部分の前面に位置決めピンを突設したものであり、その位置決めピンをフランジ体の裏面に設けられたピン嵌合部に嵌合させた状態で、フランジ体を固着し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Ｕターン型熱交換器。
ものである。

請求項４に記載された発明は、請求項１〜３のいずれかに記載された発明において、フランジ体の裏面であって外管のフランジ状の部分の前面に周設されたラバーシールと接合する部分の内周に凹状溝が周設されていることを特徴とするものである。

請求項５に記載された発明は、請求項１〜４のいずれかに記載された発明において、外管が、フランジ状の部分の前面に複数の突起体を散点状に突設したものであり、それらの突起体の先端面のみをフランジ体の裏面に接合させた状態で、フランジ体を固着し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、外管が樹脂によって形成されているため、軽量化することが可能であるばかりではなく、パイプやブラケットを一体成形できるので、安価に製造することができる。加えて、透明化することにより、内部の損傷状態を容易に把握することが可能となる。また、積層された伝熱管の前端に固着されたフランジ体と、外管の開口部のフランジ状部分との間にラバーシールが介在しているため、積層された伝熱管の熱が外管に伝わりにくいので、外管が高温に曝されることによって破損する事態を効果的に防止することができる。

請求項２に記載のＵターン型熱交換器は、外管がポリアミド系樹脂によって形成されており、外管の耐久性が高いので、長期間に亘って使用された場合でも、衝撃や樹脂の劣化によって外管が破損する、という事態が生じにくい。

請求項３に記載のＵターン型熱交換器は、外管が位置決めピンをフランジ体の裏面に設けられたピン嵌合部に嵌合させた状態でフランジ体を固着する構造であるため、外管のがたつきが抑制されて外管の内壁と伝熱管との距離を常に一定の間隔に保つことができるので、コンパクトに設計することが可能である。

請求項４に記載のＵターン型熱交換器は、金属製のフランジ体に設けられた凹状溝によりフランジ体の内部まで冷却水を流入させるため、冷却水からフランジ体を介した樹脂製の外管への熱の移動を抑制することができるので、外管が高温に曝されることによって破損する事態を非常に効果的に防止することができる。

請求項５に記載のＵターン型熱交換器は、外管がフランジ状の部分の前面に設けられた突起体の先端面のみをフランジ体の裏面に接合させた状態でフランジ体を固着する構造であり、樹脂製の外管と金属製のフランジ体との接触面積が小さいため、高温化したフランジ体から樹脂製の外管への熱の移動を抑制することができるので、外管が高温に曝されることによって破損する事態をきわめて効果的に防止することができる。

Ｕターン型熱交換器の斜視図である。 Ｕターン型熱交換器を示す説明図である（ａはＵターン型熱交換器の正面図であり、ｂはａにおけるＡ−Ａ線端面を拡大して示したものである）。 Ｕターン型熱交換器の左側面図である。 Ｕターン型熱交換器の分解斜視図である。 Ｕターン型熱交換器の水平端面図（図３におけるＢ−Ｂ線端面図）である（ａはＵターン型熱交換器全体を示したものであり、ｂはａにおけるＣ部分を拡大して示したものである）。 伝熱管の分解斜視図である。 外管を示す説明図である（ａは外管の正面図であり、ｂはａにおけるＤ−Ｄ線端面を拡大して示したものである）。 外管の左側面図である。 外管の水平端面図（図８におけるＡ−Ａ線端面図）である。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５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、７個の伝熱管２，２・・、蓋部材として機能するキャップ部材４、伝熱管２，２・・およびキャップ部材４を覆うアウターケースである外管３、他の装置、部品等に連結させるための連結部材５、および、外管３と連結部材５との間に介在させるラバーシール（Ｏリング）３０等によって組み付け形成されている。

図６は、１個の伝熱管２を分解した状態を示したものであり、各伝熱管２，２・・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（凹状にカーブした形状）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、連結部材５は、金属（ステンレス）によって一体的に形成された平板状のフランジ体３６と、金属（ステンレス）によって扁平な筒状（中空の四角柱状）に形成された固着体３３とによって構成されている（図５参照）。フランジ体３６は、上下の端縁際の左右に、ネジ孔を設けた固定突起３５，３５・・が、外向きに突出するように設けられている。加えて、上端縁および下端縁の中央よりやや左側には、略円柱状の位置決め突起３２，３２・・が、外向きに突出するように設けられている。また、図１の如く、前面の開口部３７には、平板状の仕切体３４が、鉛直に、かつ、後方に突出するように設けられており、開口部３７を、右側の第一開口領域８と左側の第二開口領域９との２つの領域に分割した状態になっている。

また、図５の如く、フランジ体３６の裏面の開口部３７付近には、一定幅（前後幅）で一定の厚みを有する接合片４６が、後方に突出するように設けられており、開口部３７を囲った状態になっている。さらに、その接合片４６の基端には、一定幅（左右、前後幅）および一定深さで断面略コ字状の凹状溝５２が設けられており、接合片４６の外側で開口部３７を囲った状態になっている。そして、接合片４６の外周を覆うように、固着体３３が外嵌されており、接合片４６の外面と固着体３３の内面とが接合し、固着体３３の板面とフランジ体３６の板面とが直交した状態になっている。

さらに、キャップ部材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、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。

また、図７〜図９は、外管３を示したものであり、外管３は、ポリアミド樹脂（たとえば、ナイロン６）を射出成形することによって、有底な角筒状（中空の四角柱状）に一体的に形成されている。外管３の前端には、連結部材５のフランジ体３６の外形と略同一の外形を有する平板状のフランジ部４０が設けられており、連結部材５のフランジ体３６と同様に、上下の端縁際の左右に、ネジ孔を設けた固定突起４２，４２・・が、外向きに突出するように設けられている。さらに、上端縁および下端縁の中央よりやや左側（連結部材のフランジ体の位置決め突起３２，３２・・と対向する位置）には、位置決め突起４７，４７・・が、外向きに突出するように設けられており、それらの位置決め突起４７，４７・・の表面には、円柱状の位置決めピン４８，４８が前方へ突出するように設けられている。加えて、フランジ部４０の表面には、断面コ字状で一定幅の凹状溝４９が、開口部５１と一定の距離を隔てて周設されている。さらに、当該凹状溝４９の内周側および外周側には、扁平な円柱状に形成された複数の接合突起５３，５３・・（突起体）が、略等間隔となるように突設されている。また、固定突起４２，４２・・の周囲にも、同一形状の接合突起５３，５３・・が、略等間隔になるように突設されている。

さらに、外管３の外周（上板１０、下板１１、左側板１２および右側板１３）には、一定の厚みで一定の高さを有する補強用のリブ５０，５０・・が、前後方向および上下方向においてそれぞれ等間隔になるように格子状に突設されている。また、外管３の上板１０の後方左側には、円筒状の排出管６が一体的に形成されており、下板１１の前端際の右側には、円筒状の導入管７が一体的に形成されている。そして、それらの排出管６、導入管７は、外管３の内部の空間と連通した状態になっている。加えて、外管３の右側板１３の後方上側、および、左側板１２の前方下側には、それぞれ、外管３を他の装置や部品等に固着させるためのブラケット４４，４４が、側方に突出するように一体的に形成されており、それらのブラケット４４，４４の先端の鉛直面には、ネジ孔が穿設されている。

一方、ラバーシール３０は、シリコーン樹脂によって断面円形のリング状に形成されており、高い耐熱性を有している。

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２，２・・を形成し、形成された各伝熱管２，２・・を積層して仮止めすることによって伝熱管２，２・・の積層体（横向きの積層体）を形成した後、その伝熱管２，２・・の積層体の前端に、連結部材５の固着体３３を外嵌して溶接（ロウ付）するとともに、伝熱管２，２・・の積層体の後端に、キャップ部材４を溶接（ロウ付）することによって、伝熱管２，２・・、連結部材５、キャップ部材４が一体的に組み付けられている。

さらに、上記の如く組み付けられた伝熱管２，２・・の積層体およびキャップ部材４を所定の距離を隔てて覆うように、外管３が外嵌されている。そして、外管３は、凹状溝４９にラバーシール３０を嵌め込んだフランジ部４０の前面を、連結部材５のフランジ体３６の裏面（凹状溝５２の外側の部分）に当着させることにより、フランジ部４０の前面の接合突起５３，５３・・のみをフランジ体３６の裏面に接合させ、フランジ部４０の位置決め突起４７，４７の位置決めピン４８，４８を、連結部材５のフランジ体３６の位置決め突起３２，３２のピン孔３１，３１に嵌め込んだ状態で、固定突起４２，４２のネジ孔およびフランジ体３６の固定突起３５，３５・・のネジ孔を利用して、フランジ体３６に螺着されている。

かかるＵターン型熱交換器１においては、伝熱管２，２・・の積層体の前端に溶接された連結部材５の仕切体３４によって、右側の４個の伝熱管２，２・・の開口部（前端の開口部）が、連結部材５の第一開口領域８と連通した状態になっており、左側の３個の伝熱管２，２・・の開口部が、連結部材５の第二開口領域９と連通した状態になっている。また、伝熱管２，２・・の積層体の後端においては、伝熱管２，２・・の積層体の外周が、キャップ部材４によって漏れなく覆われているとともに、すべての伝熱管２，２・・の開口部（後端の開口部）が、キャップ部材４の内部で連通し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、連結部材５の第一開口領域８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２，２・・の内の右側の４個の伝熱管２，２・・内を流通し、後端に固着されたキャップ部材４の内壁で方向変換され、積層された伝熱管２，２・・の内の左側の３個の伝熱管２，２・・内を流通し、連結部材５の第二開口領域９から外部へ排出される。

一方、外管３の導入管７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２，２・・との隙間、および、各伝熱管２，２・・同士の隙間を流通し、外管３の排出管６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、伝熱管２，２・・内を流通する排気ガスが冷却される）。

＜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、外管３が樹脂によって形成されているため、軽量化することが可能であるばかりではなく、パイプやブラケットを一体成形できるので、安価に製造することができる。

さらに、Ｕターン型熱交換器１は、積層された伝熱管２，２・・の前端に固着されたフランジ体３６と、外管３の開口部のフランジ部４０（フランジ状部分）との間にラバーシール３０が介在しているため、積層された伝熱管２，２・・の熱が外管３に伝わりにくいので、外管３が高温に曝されることによって破損する事態を効果的に防止することができる。

さらに、Ｕターン型熱交換器１は、外管３がポリアミド系樹脂によって形成されており、外管３の耐久性が高いので、長期間に亘って使用された場合でも、衝撃や樹脂の劣化によって外管３が破損する、という事態が生じにくい。

加えて、Ｕターン型熱交換器１は、外管３がフランジ部４０の前面に位置決めピン４８，４８・・を突設したものであり、それらの位置決めピン４８，４８をフランジ体３６の裏面に設けられたピン嵌合部であるピン孔３１，３１に嵌合させた状態でフランジ体３６を固着する構造になっている。それゆえ、外管３のがたつきが抑制されて外管３の内壁と伝熱管２，２・・との距離を常に一定の間隔に保つことが可能であるので、コンパクトに設計することができる。

また、Ｕターン型熱交換器１は、図５の如く、連結部材５のフランジ体３６の裏面であってフランジ部４０の前面と接合する部分の内側に（すなわち、フランジ体３６の裏面であって外管３のフランジ部４０の前面に周設されたラバーシール３０と接合する部分の内周に）、凹状溝５２が設けられており、フランジ体３６の裏面が前方側へ凹状に窪んだ状態になっている。かかる構造によって、各伝熱管２，２・・の内部を流通する第一媒体（排気ガス等）から連結部材５のフランジ体３６を通って外管３のフランジ部４０へ伝わる熱の経路の断面積が小さくなっており、熱が伝わりにくくなっているとともに、冷却水によって冷却されるフランジ体３６の表面積が大きくなっている。それゆえ、第一媒体（排ガス等）から外管３のフランジ部４０へ伝わる熱量が低減されている（すなわち、熱の移動が抑制されている）ので、各伝熱管２，２・・の内部を高温の第一媒体（排気ガス等）が流れ続けても、外管３が熱により変形したり破損したりする事態を生じさせない。

さらに、Ｕターン型熱交換器１は、外管３がフランジ部４０の前面に複数の突起体である接合突起５３，５３・・を散点状に突設したものであり、それらの接合突起５３，５３・・の先端面のみをフランジ体３６の裏面に接合させた状態でフランジ体３６を固着する構造になっている。それゆえ、樹脂製の外管３と金属製のフランジ体３６との接触面積が小さいため、高温化したフランジ体３６から樹脂製の外管３への熱の移動を抑制することができるので、外管３が高温に曝されることによって破損する事態をきわめて効果的に防止することができる。

＜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）、連結部材、キャップ部材、外管、ラバーシール等の材質、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、伝熱管のすべての部材をステンレスによって形成したものに限定されず、伝熱管の全部あるいは一部を他の金属によって形成したものに変更することも可能である。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外管内に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外管内に収納したものでも良い。

また、外管は、上記実施形態の如く、ナイロン６によって形成したものに限定されず、他のポリアミド系樹脂（たとえば、ナイロン６６）や、ポリアミド系樹脂以外の樹脂によって形成したものに変更することも可能である。加えて、外管を透明な樹脂によって形成することも可能である。かかる構成を採用した場合には、外管の内部（伝熱管等）の損傷状態を容易に把握することができる、というメリットがある。

加えて、他の装置や部品に連結させるために伝熱管の前端に固着させる転結部材は、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
２，２・・・・伝熱管
３・・外管
４・・キャップ部材
８・・第一開口領域
９・・第二開口領域
３０・・ラバーシール
３６・・フランジ体
３４・・仕切体
４０・・フランジ部
４９・・凹状溝
５３・・接合突起

Claims (5)

1. 扁平な中空角柱状の複数の伝熱管が積層されており、それらの積層された伝熱管が外管によって覆われており、それらの伝熱管および外管の前端に、中央を開口した金属製のフランジ体が固着されているとともに、積層された伝熱管の前端の開口部が、前記フランジ体に設けられた仕切体によって、第一開口領域と第二開口領域とに仕切られており、かつ、積層された伝熱管の後端全体が、後方に膨出した蓋部材によって覆われており、
   第一媒体を、第一開口領域から伝熱管内に入り込ませ、蓋部材内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、外管と伝熱管内との隙間を流通する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、
   前記外管が、樹脂によってフランジ状の開口部を有する筒状に形成されており、前記フランジ状の部分の前面にラバーシールを周設したものであり、そのラバーシールを介して、前記フランジ状の部分を前記フランジ体の裏面に接合させた状態で、フランジ体を固着していることを特徴とするＵターン型熱交換器。
2. 外管が、ポリアミド系樹脂によって形成され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. 外管が、フランジ状の部分の前面に位置決めピンを突設したものであり、その位置決めピンをフランジ体の裏面に設けられたピン嵌合部に嵌合させた状態で、フランジ体を固着し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Ｕターン型熱交換器。
4. フランジ体の裏面であって外管のフランジ状の部分の前面に周設されたラバーシールと接合する部分の内周に凹状溝が周設されていることを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載のＵターン型熱交換器。
5. 外管が、フランジ状の部分の前面に複数の突起体を散点状に突設したものであり、それらの突起体の先端面のみをフランジ体の裏面に接合させた状態で、フランジ体を固着していることを特徴とする請求項１〜４のいずれかに記載のＵターン型熱交換器。

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