JP2014222138A - 熱交換器 - Google Patents

Abstract

【課題】熱交換体の破損を抑制しつつ、熱交換体の周囲に位置する管材への凝縮水の到達を抑制することを課題とする。
【解決手段】熱交換器であるＥＧＲクーラは、冷却対象となる流体が通過する複数の管状通路が形成された熱交換体と、弾性を有し、前記熱交換体の周囲に配置されたシート材と、前記シート材の周囲に配置された管材と、前記管材の周囲に配置され、前記管材との間に前記熱交換体と熱交換する冷媒が流通する冷媒通路を形成するハウジング部材と、を備える。そして、前記熱交換体は、外周壁に設けられたスリットを備え、前記スリットの前記熱交換体の周方向の開放寸法が、前記熱交換体の中心側から外部に向かうに従って拡大しており、前記スリット内には、弾性を有する充填材が充填されている。
【選択図】図３

Description

本発明は、熱交換器に関する。

従来、種々の熱交換器が知られている。例えば、特許文献１には、冷却対象となる第一流体が流通する円筒形のハニカム構造体を用いた熱交換器が開示されている。このハニカム構造体はケーシング内に納められており、その周囲には冷媒となる第二流体が流通している。第一流体は第二流体によって冷却される。ハニカム構造体は、高温環境下に置かれることにより、熱膨張が発生して各部に熱応力が作用することがある。特許文献２には、排気ガス浄化用フィルターとして用いるハニカム構造体に生じる熱応力を考慮し、ハニカム構造体にスリットが設けられた構成が開示されている。特許文献１のようにハニカム構造体を熱交換器として使用する場合にもハニカム構造体の破損を抑制する観点からの熱対策が要請される。このため、ハニカム構造体を熱交換器として利用する場合も、特許文献２で開示されたようなスリットが導入されることが考えられる。なお、特許文献２に開示されたスリットには、その一部に充填材が充填されることがある。充填材は、スリットの排ガス流入側端面に開口する部分を含んで充填され、これにより、スリットへの排ガス漏洩が全くなく、大きな耐熱衝撃性を達成しながらも、排ガス浄化性能を高度に維持するとされている。

国際公開２０１１／０７１１６１号公報 特開２００２−２７３１２４号公報

ところで、熱交換器には、冷却対象となる流体の種類によっては、ハニカム構造体の周囲に配置されたケーシングが腐食することが懸念される。例えば、熱交換器が、ＥＧＲ（Exhaust Gas Recirculation）クーラとして用いられる場合、冷却対象は、ＥＧＲガスとなるが、このＥＧＲガスに起因する成分を含む凝縮水がケーシングに到達し、ケーシングを腐食させる可能性がある。このような腐食の対策として、ハニカム構造体とケーシングとの間に圧縮状態で設置されることによりシール機能を発揮するシート材が配置されることがある。シート材は、そのシール性から、凝縮水のケーシングへの到達を抑制することが期待されるが、条件によっては、十分にそのシール機能を発揮できない場合が想定される。具体的に、スリットが設けられた位置ではシート材に十分な面圧が作用せず、シート材のシール機能が発揮されないことが想定される。

そこで、本明細書開示の熱交換器は、熱交換体の破損を抑制しつつ、熱交換体の周囲に位置する管材への凝縮水の到達を抑制することを課題とする。なお、前記課題に限らず、後述する発明を実施するための形態に示す各構成により導かれる作用効果であって、従来の技術によっては得られない作用効果を奏することも本発明の他の課題の1つとして位置付けることができる。

かかる課題を解決するために、本明細書に開示された熱交換器は、冷却対象となる流体が通過する複数の管状通路が形成された熱交換体と、弾性を有し、前記熱交換体の周囲に配置されたシート材と、前記シート材の周囲に配置された管材と、前記管材の周囲に配置され、前記管材との間に前記熱交換体と熱交換する冷媒が流通する冷媒通路を形成するハウジング部材と、を備え、前記熱交換体は、外周壁に設けられたスリットを備え、前記スリット内には、弾性を有する充填材が充填されている。

熱交換体の外周壁にスリットを備えることで、熱応力に起因する熱交換体の破損が抑制される。また、凝縮水の発生が問題となる低温領域において、充填材がシート材側に押されることによってシート材の面圧が高まる。この結果、シート材のシール機能が発揮され易くなり、凝縮水の管材への到達を抑制することができる。管材への凝縮水の到達の抑制により管材の腐食が抑制される。

ここで、前記スリットの前記熱交換体の周方向の開放寸法は、前記熱交換体の中心側から外部に向かうに従って拡大した形状とすることができる。このような形状とすることにより、シート材のシール機能が発揮され易くなる。

前記管材は、前記熱交換体の熱膨張率よりも高い熱膨張率を備えることが望ましい。管材の内側にはシート材を介して熱交換体が配置されている。管材の熱膨張率を熱交換体の熱膨張率よりも大きくすることにより、凝縮水への対応が求められる温度域、すなわち低温領域において管材の径の縮小量が熱交換体の径の縮小量よりも大きくなる。すなわち、低温領域において管材の径が熱交換体の径に対し相対的に縮小する。この結果、熱交換体は、縮径する作用を受け、スリットに充填された充填材がスリットから押し出される力を受ける。そして、充填材がシート材の面圧を高めることにより、シート材のシール機能が発揮され易くなり、凝縮水の管材への到達が抑制される。

このような熱交換器であっても、熱交換体の破損を抑制しつつ、熱交換体の周囲に位置する管材への凝縮水の到達を抑制することができる。

本明細書開示の熱交換器によれば、熱交換体の破損を抑制しつつ、熱交換体の周囲に位置する管材への凝縮水の到達を抑制することができる。

図１は実施形態のＥＧＲクーラを軸方向に沿って断面として示した説明図である。 図２は図１におけるＡ部を拡大して示した説明図である。 図３は図１におけるＢ−Ｂ線断面図である。 図４（Ａ）は断面とした熱交換体の斜視図であり、図４（Ｂ）はスリットに充填材を充填し、断面とした状態の熱交換体の斜視図である。 図５（Ａ）は熱交換体のスリット部分を拡大して示す説明図であり、図５（Ｂ）は熱交換体の充填材を充填されたスリット部分を拡大して示す説明図である。 図６は低温領域時のインナーパイプ及び熱交換体の様子を示す説明図である。 図７は高温領域のインナーパイプ及び熱交換体の様子を示す説明図である。 図８（Ａ）は面圧が低い場合のシート材の様子を模式的に示す説明図であり、図８（Ｂ）は面圧が高い場合のシート材の様子を模式的に示す説明図である。

以下、本発明の実施形態について、添付図面を参照しつつ説明する。ただし、図面中、各部の寸法、比率等は、実際のものと完全に一致するようには図示されていない場合がある。また、図面によっては細部が省略されて描かれている場合もある。

（実施形態）
まず、図１乃至図５を参照して、実施形態のＥＧＲクーラ１について説明する。ＥＧＲクーラ１は、熱交換器の一例であり、本明細書開示の熱交換器は、種々の流体を冷却対象とすることができる。実施形態におけるＥＧＲクーラ１は、内燃機関に装備される排気再循環装置に組み込まれる。従って、実施形態における冷却対象となる流体は、ＥＧＲ（Exhaust Gas Recirculation）ガスとなる。ＥＧＲガスは、燃料に含まれる硫黄や塩素を含むことがある。これらの成分に由来する強酸性水である凝縮水がＥＧＲクーラ１内で発生することがある。

ＥＧＲクーラ１は、インナーパイプ２、ハウジング部材３、熱交換体５及びシート材６を備える。熱交換体５には、冷却対象となる流体、すなわち、ＥＧＲガスが通過する複数の管状通路５ｂが形成されている。本実施形態における熱交換体は円筒形状であるが、他の形状、例えば、楕円筒状等、内部に管状通路を備え、冷却対象となる流体が流通することができるものであれば、どのような形状であってもよい。シート材６は、熱交換体５の周囲に配置されている。インナーパイプ２は、シート材６の周囲に配置された管材である。インナーパイプ２は、熱交換体５との間にシート材６を介装させた状態で焼き嵌めにより熱交換体５と一体とされている。ハウジング部材３は、インナーパイプ２の周囲に配置され、インナーパイプ２との間に熱交換体５と熱交換する冷媒が流通する冷媒通路４を形成する。

インナーパイプ２は、ステンレス（ＳＵＳ）製の管材である。インナーパイプ２はアルミ等、他の材料を用いることもできる。インナーパイプ２は、熱交換体５を形成する材料の熱膨張率との関係で金属製であることが望ましい。各構成要素の熱膨張率については、後に詳述する。

ハウジング部材３は、端部３ａをインナーパイプ２の端部２ａに接合することによってインナーパイプ２の外周部に冷媒通路４を形成する。ハウジング部材３もステンレス（ＳＵＳ）製である。ハウジング部材３には、冷媒通路４に冷媒を導入する冷媒入口３ｂ１と冷媒通路４内の冷媒を排出する冷媒出口３ｂ２を備えている。冷媒はどのようなものであってもよいが、本実施形態では、冷却水を用いている。ハウジング部材３の外壁にはステー３ｃが設けられている。図２を参照すると、インナーパイプ２の端部２ａの外側にハウジング部材３の端部３ａが位置しており、両者はろう付けによって接合されている。このとき、両者はハウジング部材３の端面３ａ１とＥＧＲ配管の端面２ａ１とは面一となるように接合されている。インナーパイプ２は薄肉円管状の部材であり、端面２ａ１はその肉厚が現れた面である。また、ハウジング部材３も同様に薄肉円管状の部材であり、端面３ａ１はその肉厚が現れた面である。

インナーパイプ２内には、熱交換体５が収容されている。熱交換体５は、炭化ケイ素（ＳｉＣ）セラミック製である。セラミック材料は、効率的な熱伝導を有するとともに、高い耐食性を発揮することができる。このため、高熱伝導率を有するセラミック材料は、インナーパイプ２内に配置される熱交換体の材料として好適である。熱交換体５は、円柱状に成形されており、ＥＧＲガスが通過できるように複数の管状通路５ｂが形成されている。すなわち、熱交換体５はポーラス形状を備えている。熱交換体５は、シート材６及びインナーパイプ２を介して冷媒通路４内を流通する冷媒と熱交換することができる。すなわち、ＥＧＲガスは熱交換体５を通過する際に熱交換体５、シート材６及びインナーパイプ２を介して冷媒と熱交換され、冷却される。

このような熱交換体５は、図４（Ａ）や図５（Ａ）に明確に表されているように、その外周壁５ａにスリット５ｃを備える。スリット５ｃは、熱交換体５の周方向に沿って６０°毎に外周壁５ａの全周に均等の間隔で設けられている。なお、スリット５ｃが設けられる間隔は、６０°毎に限定されるものではなく、他の角度を採用することもできる。すなわち、６０°との角度は一例であり、３０°、６０°、９０°、１２０°等、種々の角度を選定することができる。また、場合によっては、等間隔以外の間隔とすることもできる。スリット５ｃは、熱交換体５の軸方向、すなわち、ＥＧＲガスの流通方向に沿って延びている。このようにスリット５ｃが設けられていることにより、熱膨張に起因する熱応力による割れ等の熱交換体５の破損を抑制することができる。すなわち、熱交換体５の外周近傍は、冷却水により冷却され易く、低温が維持され易い一方で、熱交換体５の内部は、８００℃程度にまで達するＥＧＲガスが流通し、非常に高温となる。このように、熱交換体５内で温度勾配が生じ、熱応力が生じ、外周壁５ａにき裂が生じる可能性がある。スリット５ａは、このような破損を抑制することができる。

ここで、管材であるインナーパイプ２の熱膨張率と熱交換体５の熱膨張率との関係について説明する。本実施形態のインナーパイプ２は、熱交換体５の熱膨張率よりも高い熱膨張率を備える。インナーパイプ２は、熱交換体５の周囲に位置し、熱交換体５の周長よりも長い周長を備えることと相俟って、温度変化に対する周長変化量が大きい。これにより、低温状態のときは、インナーパイプ２によって熱交換体５が締めつけられるような状態となる。この結果、スリット５ｃの幅が狭まる。一方、高温状態のときには、インナーパイプ２の熱膨張量が増大し、インナーパイプ２による熱交換体５の締めつけが緩むため、熱交換体５に生じる熱応力が緩和される。本実施形態では、インナーパイプ２をＳＵＳ製とし、熱交換体５を炭化ケイ素（ＳｉＣ）セラミック製とすることで、この関係を成立させている。他の材質を選定する場合にも、この熱膨張率の関係が維持される材質を選定する。

つぎに、上述のスリット５ｃの形状、寸法について説明する。スリット５ｃの形状は、図５（Ａ）に詳細に表されている。すなわち、熱交換体５の端面や、輪切りにした断面に現れるスリット５ｃは、略台形形状を有し、スリット５ｃの熱交換体５の周方向の開放寸法が、熱交換体５の中心側から外部に向かうに従って拡大している。具体的に、スリット５ｃの熱交換体５の中心に近い側の寸法Ｓｉｎと外縁における寸法Ｓｏｕｔが、Ｓｉｎ＜Ｓｏｕｔとなっている。

図５（Ｂ）を参照すると、このようなスリット５ｃには、充填材７が充填されている。充填材７は弾性を有する材質を選定する。充填材としては、ＥＧＲガスの温度に耐えられる耐熱性、熱膨張差を吸収することができる弾性が求められる。さらに、熱交換体５との接着性を有すものが望ましい。本実施形態では、具体的に、炭化ケイ素（ＳｉＣ）粒子とガラス繊維を混合したものを充填材７としている。本実施形態で用いた充填材７は内部に微小な空気孔を備えており、熱交換体５に設けられたスリット５ｃの寸法変化に追随することができる柔軟性、弾性を備えている。充填材７が充填されているスリット５ｃは、上述のように、スリット５ｃの熱交換体５の中心に近い側の寸法Ｓｉｎと外縁における寸法Ｓｏｕｔが、Ｓｉｎ＜Ｓｏｕｔとなる形状を有している。このため、充填材７は、熱交換体５の中心方向に脱落し難い状態でスリット５ｃ内に充填されている。

つぎに、シート材６について、説明する。シート材６は、図２に詳しく表されているように、熱交換体５とインナーパイプ２との間に介装されている。このため、シート材６には、高い熱伝導性が求められる。また、シート材６には、インナーパイプ２と熱交換体５との間の隙間を埋めて、両者を密着させる機能も求められる。さらに、シート材６には、熱交換体５内を流通するＥＧＲガスの成分に起因する強酸性の凝縮水が、インナーパイプ２側へ浸透しないようにシールするシール機能も求められる。シート材６は、インナーパイプ２と熱交換体５との間に滑りを生じさせることができ、インナーパイプ２の熱膨張量と熱交換体５の熱膨張量の差に起因するストレスの発生を緩和することができる。

ここで、凝縮水の発生について、説明する。凝縮水は、内燃機関の暖機過程において発生し易い。ＥＧＲクーラ１、より具体的に、熱交換体５が十分に昇温されていない状態のとき、ＥＧＲガスが流入し、熱交換体５と接触することによって結露し、凝縮水が発生する。凝縮水は、燃料に含まれる硫黄や塩素に由来する強酸性水である。内燃機関の冷間始動からの短時間走行が繰り返されるような場合には、酸成分が凝縮され、さらに強酸性となる。このようにして生成される強酸性の凝縮水がインナーパイプ２に到達すると、金属製であるインナーパイプ２が腐食する可能性が高くなる。

このように、凝縮水は、インナーパイプ２の腐食を誘発するものであり、何らかの対策が求められる。本実施形態の熱交換体５は、その外周壁５ａにスリット５ｃが設けられているため、何らの措置もとられていない場合、スリット５ｃが設けられている位置において凝縮水が浸透し易い状態であるといえる。このような状態に対し、シート材６は、一定のシール機能を発揮することができ、また、スリット５ｃ内に充填された充填材７も一定のシール機能が見込まれる。本実施形態のＥＧＲクーラ１では、シート材６が充填材７によって押され、十分に面圧が掛けられた状態となることで、シート材６は、さらなるシール機能を発揮することができる。

図１を参照すると、ＥＧＲクーラ１は、インナーパイプ２の上流側及び下流側にコーン部材８を備えている。上流側のコーン部材８は、熱交換体５内へのＥＧＲガスの導入部となる部材であり、下流側のコーン部材８は熱交換体５内のＥＧＲガスの排出部となる部材である。コーン部材８は、径の大きい側がハウジング部材３の端部３ａを覆うようにしてハウジング部材３にろう付けにより接合される。コーン部材８の先端部には、フランジ部材９がろう付けにより接合されている。ＥＧＲクーラ１は、その上流側においてフランジ部材９により、エンジンのエキゾーストマニホールドへ接続される。また、ＥＧＲガス冷却装置１は、その下流側において、インテークマニホールドに接続される。なお、ＥＧＲガス冷却装置１は、ハウジング部材３の外壁に設けられたステー３ｃによってエンジン本体に取り付けられている。

つぎに、図６乃至図８を参照しつつ、異なる温度環境下におけるスリット５ｃ周辺の様子について説明する。図６は低温領域時のインナーパイプ２及び熱交換体５の様子を示す説明図である。図７は高温領域のインナーパイプ２及び熱交換体５の様子を示す説明図である。図８（Ａ）は面圧が低い場合のシート材６の様子を模式的に示す説明図であり、図８（Ｂ）は面圧が高い場合のシート材６の様子を模式的に示す説明図である。

図６を参照すると、内燃機関の暖機過程であり、凝縮水浸透の対策が必要となる低温領域時のインナーパイプ２は、矢示１０で示すように縮径し、熱交換体５を締めつける状態となる。これにより、熱交換体５の外周壁５ａは、矢示１１で示すように移動し、スリット５ｃの間隔を狭める。これにより、スリット５ｃ内に充填された充填材７は、矢示１２で示すようにシート材６側へ押される。このとき、スリット５ｃの外周側が広くなる形状から、充填材７は、シート材６側へ押し出され易くなっている。充填材７によって押されたシート材６は、図８（Ａ）に示す面圧が低い状態から図８（Ｂ）に示す面圧が高い状態となる。シート材６は、面圧が高くなると、押し潰された状態となって密となり、シール機能が向上する。これにより、凝縮水のインナーパイプ２への到達が抑制される。なお、スリット５ｃ以外の箇所では、シート材６は、インナーパイプ２の焼き嵌めにより面圧がかかった状態となっているので、シール機能が発揮される状態となっている。

図７を参照すると、内燃機関の暖機が完了した高温領域時のインナーパイプ２は、矢示１３で示すように拡径する。これにより、インナーパイプ２による熱交換体５の拘束が緩和される。この結果、矢示１４で示すようにスリット５ｃの拡大が許容され、ひいては熱交換体５の熱膨張が許容されて熱交換体５の破損が抑制される。なお、充填材７は、矢示１５で示すように、スリット５ｃ内に収納される状態となり、シート材６の押圧状態を解除するが、高温領域では、凝縮水が発生しないため問題はない。

以上、説明したように、本実施形態のＥＧＲクーラ１は、熱交換体の破損を抑制しつつ、熱交換体の周囲に位置する管材、すなわち、インナーパイプ２への凝縮水の到達を抑制することができる。

上記実施例は本発明を実施するための例にすぎず、本発明はこれらに限定されるものではなく、これらの実施例を種々変形することは本発明の範囲内であり、更に本発明の範囲内において、他の様々な実施例が可能であることは上記記載から自明である。例えば、ＥＧＲクーラ以外の用途にも用いることができる。また、上述の実施形態では、スリット５ｃの形状を内側よりも外側縁部の寸法が大きい形状としているが、スリット５ｃの形状はこの形状に限定されるものではなく、他の種々の形状とすることができる。

１ ＥＧＲクーラ
２ インナーパイプ
３ ハウジング部材
４ 冷媒通路
５ 熱交換体
５ａ 外周壁
５ｂ 管状通路
５ｃ スリット
６ シート材
７ 充填材

Claims (3)

1. 冷却対象となる流体が通過する複数の管状通路が形成された熱交換体と、
   弾性を有し、前記熱交換体の周囲に配置されたシート材と、
   前記シート材の周囲に配置された管材と、
   前記管材の周囲に配置され、前記管材との間に前記熱交換体と熱交換する冷媒が流通する冷媒通路を形成するハウジング部材と、
   を備え、
   前記熱交換体は、外周壁に設けられたスリットを備え、前記スリット内には、弾性を有する充填材が充填された熱交換器。
2. 前記スリットの前記熱交換体の周方向の開放寸法は、前記熱交換体の中心側から外部に向かうに従って拡大した請求項１に記載の熱交換器。
3. 前記管材は、前記熱交換体の熱膨張率よりも高い熱膨張率を備える請求項１又は２に記載の熱交換器。

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