JP2015102051A - Ｅｇｒクーラ - Google Patents

Abstract

【課題】温度が上昇したときに熱交換体に亀裂が発生することを抑制しつつ冷却性能を向上させることができるＥＧＲクーラを提供する。【解決手段】ＥＧＲクーラ（５）は、ＥＧＲガスが通過するセラミック製の複数の熱交換体（１０ａ，１０ｂ）と、複数の熱交換体を内部に収容した金属製のハウジング（２０）とを有し、複数の熱交換体の外周に冷媒通路（４０ａ，４０ｂ）が設けられたＥＧＲクーラにおいて、複数の熱交換体とハウジングとは緩衝材（３０ａ，３０ｂ，３０ｃ）を介して接合され、隣接する２つの熱交換体の間には隙間（５０）が形成され、隣接する２つの熱交換体が緩衝材を介してハウジングによって連結されていることで、隙間の外周は緩衝材によってシールされていることを特徴とする。【選択図】図１

Description

本発明はＥＧＲクーラに関する。

従来、ＥＧＲ（Ｅｘｈａｕｓｔ Ｇａｓ Ｒｅｃｉｒｃｕｌａｔｉｏｎ）通路を通過するＥＧＲガスを冷却する装置として、ＥＧＲクーラが知られている。特許文献１には、ＥＧＲクーラとして適用することが可能な熱交換装置が開示されている。この特許文献１に係る熱交換装置は、セラミック製の熱交換体（特許文献１ではハニカム構造体と称されている）が金属製のハウジングの内部に収容され、熱交換体の外周に冷媒通路が設けられた構造を有している。特許文献１に係る熱交換装置の熱交換体にＥＧＲガスが流動するように、特許文献１に係る熱交換装置をＥＧＲ通路に配置すれば、特許文献１に係る熱交換装置をＥＧＲクーラとして使用することができる。

ここで、セラミックはステンレス等の金属に比較して、排気に対する耐食性が良好である。したがって、特許文献１に係る熱交換装置をＥＧＲクーラとして用いた場合、金属製の熱交換体を有するＥＧＲクーラに比較して、ＥＧＲクーラの耐食性を向上させることができると考えられる。

国際公開第２０１１／０７１１６１号公報

ところで、セラミックの熱膨張率とスレンレス等の金属の熱膨張率とは大きく異なっている。そのため、特許文献１に係る熱交換装置の場合、熱交換体が熱膨張したときに、熱交換体の熱膨張率とハウジングの熱膨張率との相違によって、熱交換体の特にハウジングに接合している部分に応力集中が発生する可能性がある。その結果、熱交換体に亀裂が発生する可能性がある。また、特許文献１に係る熱交換装置の場合、熱交換体の外周に冷媒通路が配置されているため、熱交換体の中央部を通過するガスが外周部を通過するガスよりも冷却され難い構造となっている。この点において特許文献１に係る熱交換装置は、十分に高い冷却性能が得られているとはいえない。

本発明は、温度が上昇したときに熱交換体に亀裂が発生することを抑制しつつ冷却性能を向上させることができるＥＧＲクーラを提供することを目的とする。

本発明に係るＥＧＲクーラは、ＥＧＲガスが通過するセラミック製の複数の熱交換体と、複数の前記熱交換体を内部に収容した金属製のハウジングとを有し、複数の前記熱交換体の外周に冷媒通路が設けられたＥＧＲクーラにおいて、複数の前記熱交換体と前記ハウジングとは緩衝材を介して接合され、隣接する２つの前記熱交換体の間には隙間が形成され、隣接する２つの前記熱交換体が前記緩衝材を介して前記ハウジングによって連結されていることで、前記隙間の外周は該緩衝材によってシールされていることを特徴とする。

本発明に係るＥＧＲクーラによれば、ＥＧＲクーラの温度が上昇した場合であっても、緩衝材によってセラミック製の熱交換体に生じる応力集中を緩和することができる。それにより、熱交換体に亀裂が発生することを抑制できる。またＥＧＲクーラによれば、隣接する２つの熱交換体のうち、隙間よりも上流側に配置された熱交換体の中央部を通過した高温のＥＧＲガスと熱交換体の外周部を通過した低温のＥＧＲガスとを隙間において混合させることができる。それにより、隙間よりも下流側に配置された熱交換体に流入するＥＧＲガスの温度を均一化させることができる。そして、この温度が均一化したＥＧＲガスがこの下流側に配置された熱交換体を通過することで、ＥＧＲガスの温度を効果的に低下させることができる。それにより、ＥＧＲクーラの冷却性能を向上させることができる。

本発明は、温度が上昇したときに熱交換体に亀裂が発生することを抑制しつつ冷却性能を向上させることができるＥＧＲクーラを提供することができる。

図１（ａ）はＥＧＲクーラの模式的断面図である。図１（ｂ）はＥＧＲクーラのＡ−Ａ線断面図である。図１（ｃ）は図１（ｂ）のＢ部分を拡大した模式図である。

以下、本発明を実施するための形態を説明する。

本発明の実施例に係るＥＧＲクーラ５について説明する。図１（ａ）はＥＧＲクーラ５の模式的断面図である。図１（ｂ）はＥＧＲクーラ５のＡ−Ａ線断面図である。図１（ｃ）は図１（ｂ）のＢ部分を拡大した模式図である。本実施例に係るＥＧＲクーラ５は、車両に搭載された内燃機関の排気通路の通路途中と吸気通路の通路途中とを連通するＥＧＲ通路に配置されて用いられている。図１（ａ）を参照して、ＥＧＲクーラ５は、ＥＧＲガスが通過するセラミック製の複数の熱交換体（熱交換体１０ａおよび熱交換体１０ｂ）と、熱交換体を内部に収容した金属製のハウジング２０とを有している。

熱交換体１０ｂは、熱交換体１０ａよりもＥＧＲガスの流動方向で下流側に配置されている。熱交換体１０ａの軸線１００は熱交換体１０ｂの軸線１００と一致している（以下、この軸線１００に沿った方向を軸線方向と称する）。また、隣接する２つの熱交換体の間、具体的には熱交換体１０ａと熱交換体１０ｂとの間には、軸線方向で所定の長さを有する隙間５０が形成されている。なお、熱交換体の個数は２に限定されるものではなく、３以上であってもよい。これ以降の説明において、下流および上流と称した場合、特段の断りがない限りＥＧＲガスの流動方向で下流および上流を意味することとする。

図１（ｂ）および図１（ｃ）を参照して、熱交換体１０ｂは、緻密なセラミックの層である緻密層１３の内部が複数の隔壁部材１１によって仕切られている。それにより、熱交換体１０ｂの内部には、ＥＧＲガスが通過する内部ガス通路１２が複数形成されている。熱交換体１０ａも、この熱交換体１０ｂと同様に、複数の内部ガス通路１２を有している。なお、緻密層１３によって、後述する冷媒通路の冷媒が内部ガス通路１２に流入することが抑制されている。

本実施例においては、熱交換体１０ａおよび熱交換体１０ｂの材質であるセラミックの具体的な成分の一例として、ＳｉＣを成分中に含むセラミックを用いる。ＳｉＣは、排気に対する耐食性が良好であるとともに、熱伝導性が良好であり、加工性も良好であり、コストも高価でないため、ＥＧＲクーラ５用の熱交換体の素材として特に適しているからである。ＳｉＣを成分中に含むセラミックの具体例としては、ＳｉＣ（つまりＳｉＣの他に添加物が添加されていないもの）、Ｓｉ含浸ＳｉＣ、（Ｓｉ＋Ａｌ）含浸ＳｉＣ、金属複合ＳｉＣ等、ＳｉＣを主成分とする種々の材質を用いることができる。本実施例においては、熱交換体１０ａおよび熱交換体１０ｂの材質の一例として、Ｓｉ含浸ＳｉＣを用いる。

図１（ａ）および図１（ｂ）を参照して、ハウジング２０は、略円筒形状を有する円筒部２１と、略コーン形状（略円錐形状）を有するコーン部（コーン部２２ａおよびコーン部２２ｂ）と、金属管（金属管２３ａ〜金属管２３ｃ）とを有している。また、円筒部２１の金属管に接続している部分の外周には、凹部２４が形成されている。すなわち、本実施例に係る円筒部２１の外周は平坦になっていない。コーン部２２ａは、その大径部が円筒部２１の上流側端部に接続している。コーン部２２ｂは、その大径部が円筒部２１の下流側端部に接続している。本実施例においては、ハウジング２０の材質である金属の一例として、ステンレス（ＳＵＳ）を用いる。

またＥＧＲクーラ５は、複数の緩衝材（緩衝材３０ａ〜緩衝材３０ｃ）を有している。本実施例においては緩衝材３０ａ〜緩衝材３０ｃの材質の一例として、弾性変形可能な材質であるとともに良好な熱伝導率を有する材質である黒鉛を用いる。本実施例に係る緩衝材３０ａ〜緩衝材３０ｃの形状は円筒形状である。具体的には本実施例に係る緩衝材３０ａ〜緩衝材３０ｃは、円筒形状を有する黒鉛シートによって構成されている。

ＥＧＲクーラ５は、熱交換体１０ａの上流側端部の外周上に緩衝材３０ａが配置され、緩衝材３０ａの外周上に金属管２３ａが配置され、金属管２３ａの外周上にコーン部２２ａの下流側端部が配置され、コーン部２２ａの下流側端部の外周上に円筒部２１の上流側端部が配置された構造となっている。またＥＧＲクーラ５は、熱交換体１０ｂの下流側端部の外周上に緩衝材３０ｂが配置され、緩衝材３０ｂの外周上に金属管２３ｂが配置され、金属管２３ｂの外周上にコーン部２２ｂの上流側端部が配置され、コーン部２２ｂの外周上に円筒部２１の下流側端部が配置された構造となっている。

図１（ａ）および図１（ｂ）を参照して、緩衝材３０ｃは熱交換体１０ａの下流側端部の外周と熱交換体１０ｂの上流側端部の外周とに亘って配置されている。その結果、ＥＧＲクーラ５は、熱交換体１０ａの下流側端部の外周上および熱交換体１０ｂの上流側端部の外周上に緩衝材３０ｃが配置され、緩衝材３０ｃの外周上に金属管２３ｃが配置され、金属管２３ｃの外周上に円筒部２１の中央部が配置された構造となっている。すなわち、ＥＧＲクーラ５は、隣接する２つの熱交換体が、緩衝材３０ｃを介してハウジング２０（具体的には円筒部２１および金属管２３ｃ）によって連結された構造となっている。このような構造を有することにより、本実施例に係るＥＧＲクーラ５の隙間５０の外周は緩衝材３０ｃによってシールされている。

なお、金属管とコーン部と円筒部とは、溶接やロウ付け等によって接合している。緩衝材は、金属管と熱交換体とよって挟持されることで固定されている。具体的には、熱交換体と緩衝材と金属管とは焼き嵌めによって接合している。

またＥＧＲクーラ５は、複数の熱交換体の外周に冷媒通路４０ａおよび冷媒通路４０ｂが設けられた構成を有している。具体的には冷媒通路４０ａは熱交換体１０ａの外周と円筒部２１の内周との間に設けられている。冷媒通路４０ｂは熱交換体１０ｂの外周と円筒部２１の内周との間に設けられている。また冷媒通路４０ａには、冷媒供給通路４１ａおよび冷媒排出通路４２ａが接続している。冷媒通路４０ｂには、冷媒供給通路４１ｂおよび冷媒排出通路４２ｂが接続している。冷媒供給通路４１ａを通過した冷媒は冷媒通路４０ａに流入し、冷媒通路４０ａを通過した後に冷媒排出通路４２ａに流入する。また、冷媒供給通路４１ｂを通過した冷媒は冷媒通路４０ｂに流入し、冷媒通路４０ｂを通過した後に冷媒排出通路４２ｂに流入する。

ＥＧＲクーラ５においてＥＧＲガスは、熱交換体１０ａ、隙間５０および熱交換体１０ｂを順に通過する。ＥＧＲガスが熱交換体１０ａを通過する際に、ＥＧＲガスの熱は熱交換体１０ａを伝導して冷媒通路４０ａの冷媒によって冷却される。またＥＧＲガスが熱交換体１０ｂを通過する際に、ＥＧＲガスの熱は熱交換体１０ｂを伝導して冷媒通路４０ｂの冷媒によって冷却される。このようにしてＥＧＲクーラ５はＥＧＲガスを冷却している。

本実施例に係るＥＧＲクーラ５の作用効果をまとめると次のようになる。まず、ＥＧＲクーラ５によれば、ＥＧＲクーラ５の温度が上昇した場合であっても、緩衝材３０ａ〜緩衝材３０ｃによってセラミック製の熱交換体１０ａおよび熱交換体１０ｂに生じる応力集中を緩和することができる。具体的には、ＥＧＲクーラ５の温度が上昇した場合における熱交換体１０ａ、熱交換体１０ｂおよびハウジング２０の径方向の熱膨張差を、緩衝材３０ａ〜緩衝材３０ｃの弾性変形によって吸収することができる。それにより、熱交換体１０ａおよび熱交換体１０ｂに生じる応力集中を緩和することができる。また、ＥＧＲクーラ５の温度が上昇した場合における熱交換体１０ａ、熱交換体１０ｂおよびハウジング２０の軸線方向の熱膨張差は、緩衝材３０ａおよび緩衝材３０ｃと熱交換体１０ａとの境界面の滑り並びに緩衝材３０ｂおよび緩衝材３０ｃと熱交換体１０ｂとの境界面の滑りによって緩和することができる。それにより、熱交換体１０ａおよび熱交換体１０ｂに生じる応力集中を緩和することができる。その結果、温度が上昇したときに熱交換体１０ａおよび熱交換体１０ｂに亀裂が発生することを抑制できる。

さらに、ＥＧＲクーラ５によれば、隣接する２つの熱交換体１０ａ,１０ｂの間には隙間５０が形成され、且つ隣接する２つの熱交換体１０ａ,１０ｂが緩衝材３０ｃを介してハウジング２０によって連結されていることで、隙間５０の外周は緩衝材３０ｃによってシールされている。この構成による作用効果について図を参照しつつ具体的に説明すると次のようになる。

まず、図１（ａ）に示すように、熱交換体１０ａの外周が冷媒通路４０ａによって効果的に冷却されているため、熱交換体１０ａの外周部を通過するＥＧＲガスの温度は熱交換体１０ａの中央部を通過するＥＧＲガスの温度よりも低温になり易い。本実施例に係るＥＧＲクーラ５によれば、上述した構成を有することで、隣接する熱交換体１０ａ,１０ｂのうち隙間５０よりも上流側に配置された熱交換体１０ａを通過して隙間５０に流入したＥＧＲガスが隙間５０の外周から外部に漏洩することを抑制でき、その結果、隙間５０においてＥＧＲガスを混合させることができる。具体的にはＥＧＲクーラ５によれば、熱交換体１０ａの中央部を通過した高温のＥＧＲガスと熱交換体１０ａの外周部を通過した低温のＥＧＲガスとを隙間５０において混合させることができる。それにより、隙間５０よりも下流側に配置された熱交換体１０ｂに流入するＥＧＲガスの温度を均一化させることができる。そして、この温度が均一化したＥＧＲガスが熱交換体１０ｂを通過することで、ＥＧＲガスの温度を効果的に低下させることができる。その結果、ＥＧＲクーラ５の冷却性能を向上させることができる。

なお、隙間５０の軸線方向の長さの具体的な値は特に限定されるものではない。例えば、隙間５０の軸線方向の長さとして、実験、シミュレーション等によって、熱交換体１０ａの中央部を通過した高温のＥＧＲガスと熱交換体１０ａの外周部を通過した低温のＥＧＲガスとが適切に混合できるような長さを求めて、この長さを採用すればよい。

また、本実施例に係るＥＧＲクーラ５は、複数の熱交換体１０ａ,１０ｂのうち最上流側に配置されている熱交換体１０ａの上流側端部および最下流側に配置されている熱交換体１０ｂの下流側端部が緩衝材を介してハウジング２０によって保持されているのみならず、隣接する２つの熱交換体１０ａ,１０ｂの間の部分（隙間５０の部分）も緩衝材３０ｃを介してハウジング２０によって保持されている。このような保持構造を有することにより、本実施例に係るＥＧＲクーラ５によれば、例えば熱交換体１０ａの上流側端部および熱交換体１０ｂの下流側端部のみが緩衝材を介してハウジング２０によって保持されている構造のＥＧＲクーラに比較して、複数の熱交換体を確実に保持することができる。それにより、ＥＧＲクーラ５の剛性を向上させることができる。

また本実施例に係るＥＧＲクーラ５によれば、ハウジング２０の円筒部２１の外周に凹部２４が形成されていることにより、円筒部２１の外周が平坦になっていないことから、円筒部２１の外周の表面積を大きく確保することができる。それにより、円筒部２１の熱を効果的に外気に放出することができる。この点においても、本実施例に係るＥＧＲクーラ５の冷却性能は向上している。

なお、本実施例において緩衝材３０ａ〜緩衝材３０ｃの材質の一例として黒鉛を用いているが、緩衝材３０ａ〜緩衝材３０ｃの材質はこれに限定されるものではない。緩衝材３０ａ〜緩衝材３０ｃの材質の他の例として、例えば、銅、アルミニウム、セラミックファイバー等を用いることもできる。なお、これら銅、アルミニウム、セラミックファイバーはＥＧＲクーラ５の温度が上昇した場合における熱交換体１０ａおよび熱交換体１０ｂに生じる応力集中を緩和することができ且つ熱伝導率も良好なものである。但し、黒鉛は撥水性を有しているため、本実施例のように緩衝材３０ａ〜緩衝材３０ｃの材質として黒鉛を用いた場合、冷媒通路４０ａおよび冷媒通路４０ｂの冷媒の漏洩を効果的に抑制できる。この点において、緩衝材３０ａ〜緩衝材３０ｃの材質は黒鉛が特に好ましい。

以上本発明の好ましい実施形態について詳述したが、本発明はかかる特定の実施形態に限定されるものではなく、特許請求の範囲に記載された本発明の要旨の範囲内において、種々の変形・変更が可能である。

５ ＥＧＲクーラ
１０ａ，１０ｂ 熱交換体
２０ ハウジング
３０ａ，３０ｂ，３０ｃ 緩衝材
４０ａ，４０ｂ 冷媒通路
５０ 隙間

Claims (1)

1. ＥＧＲガスが通過するセラミック製の複数の熱交換体と、複数の前記熱交換体を内部に収容した金属製のハウジングとを有し、複数の前記熱交換体の外周に冷媒通路が設けられたＥＧＲクーラにおいて、
   複数の前記熱交換体と前記ハウジングとは緩衝材を介して接合され、
   隣接する２つの前記熱交換体の間には隙間が形成され、
   隣接する２つの前記熱交換体が前記緩衝材を介して前記ハウジングによって連結されていることで、前記隙間の外周は該緩衝材によってシールされていることを特徴とするＥＧＲクーラ。

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