JP2016180536A - 排気熱交換器 - Google Patents

Abstract

【課題】加工性を向上しつつ、凝縮水の滞留を抑制できる排気熱交換器を提供する。【解決手段】排気が流通するチューブ１１０を有するコア部１１５と、チューブ１１０の長手方向端部が接続されたコアプレート１４０と、コア部１１５を覆うように配置されるとともに、冷却水が流通するケーシング１３０とを備え、コアプレート１４０は、板状に形成されているとともに、ケーシング１３０に接合されており、コア部１４０には、チューブ１１０と連通する流出側タンク部１６０が接続されており、流出側タンク部１６０は、排気が流通する本体部１６２と、本体部１６２のコア部１１５側の端部に接続されているともに、コアプレート１４０に接合された平面状のプレート接合部１６３とを有しており、チューブ１１０の内壁面と、流出側タンク部１６０における本体部１６２とプレート接合部１６３と接続部１６５の内壁面とが、滑らかに接続されている。【選択図】図５

Description

本発明は、燃焼により発生する排気と熱媒体との間で熱交換を行う排気熱交換器に関するものである。

従来、内燃機関の吸気側に戻される排気と冷却水とを熱交換して排気を冷却するＥＧＲクーラ等の排気熱交換器として、排気が流通する複数のチューブを有するコア部と、コア部を覆うように配置された冷却水タンク（シェル）と、コア部と排気配管とを接続する排気タンク（出側ガス通路）とを備えるものが知られている。

このようなＥＧＲクーラでは、コア部は、チューブの両端部が貫通接合されるコアプレート（ヘッダープレート）を有している。また、冷却水タンクは、コアプレートの外周縁部に接合される。そして、排気タンクは、冷却水タンクの内壁面に接合される。

このため、排気タンクと水タンクとの接続部において、チューブの下端面と排気タンクの内壁面との間に段差部が生じる。そして、排気が冷却されることで発生する凝縮水が当該段差部に滞留すると、ＥＧＲクーラの構成部品が腐食するおそれがある。

これに対し、特許文献１には、排気タンクの下端部を２回屈曲させて、コアプレートの平面部および側面部の双方に接合させる技術（以下、第１技術という）が開示されている。また、特許文献１には、コアプレートの外周部に筒状の延設部を設け、当該延設部の内周部に排気タンクを接合させる技術（以下、第２技術という）も開示されている。これらの技術によれば、チューブの下端面と排気タンクの内壁面との間に段差部が生じなくなるため、ＥＧＲクーラ内に凝縮水が滞留して腐食の原因となることを抑制できる。

特開２０１３−２４１０９号公報

しかしながら、特許文献１に記載の第１技術では、コアプレートを２回屈曲させる必要がある。また、特許文献１に記載の第２技術では、コアプレートの外周部に延設部を設ける必要がある。したがって、特許文献１に記載のＥＧＲクーラでは、加工性が悪化して、製造コストが増大するおそれがある。

本発明は上記点に鑑みて、加工性を向上しつつ、凝縮水の滞留を抑制できる排気熱交換器を提供することを目的とする。

上記目的を達成するため、請求項１に記載の発明では、内燃機関（１０）から排出される排気が流通する排気流路（１１１）を形成するチューブ（１１０）を有するとともに、チューブ（１１０）の内部を流通する排気とチューブ（１１０）の外部を流通する熱媒体との間で熱交換を行うコア部（１１５）と、チューブ（１１０）の長手方向端部が接続されたコアプレート（１４０）と、コア部（１１５）を覆うように配置されるとともに、熱媒体が流通する熱媒体流路（１３１）を形成する熱媒体流路形成部材（１３０）とを備え、コアプレート（１４０）は、板状に形成されているとともに、熱媒体流路形成部材（１３０）に接合されており、コア部（１４０）には、チューブ（１１０）と連通する排気流通部品（１６０）が接続されており、排気流通部品（１６０）は、排気が流通する本体部（１６２）と、本体部（１６２）のコア部（１１５）側の端部に接続されているともに、コアプレート（１４０）に接合された平面状のプレート接合部（１６３）とを有しており、チューブ（１１０）の内壁面と、排気流通部品（１６０）における本体部（１６２）とプレート接合部（１６３）と接続部（１６５）の内壁面とが、滑らかに接続されていることを特徴とする。

これによれば、チューブ（１１０）の内壁面と、排気流通部品（１６０）における本体部（１６２）とプレート接合部（１６３）と接続部（１６５）の内壁面とを、滑らかに接続することで、チューブ（１１０）の内壁面と、排気流通部品（１６０）における本体部（１６２）とプレート接合部（１６３）と接続部（１６５）の内壁面との間に段差が形成されることを抑制できる。このため、チューブ（１１０）と排気流通部品（１６０）との間に凝縮水が滞留することを抑制できる。このとき、排気流通部品（１６０）に、コアプレート（１４０）に接合される平面状のプレート接合部（１６３）を形成するだけでよいため、排気熱交換器の加工性を向上させることができる。

なお、本発明における「滑らかに接続」とは、完全に隙間無く接続されていることのみを意味するものではなく、製造誤差、組付誤差によって微小に隙間が形成されているものも「滑らかに接続」という用語の範囲内に含むものとする。

なお、この欄および特許請求の範囲で記載した各手段の括弧内の符号は、後述する実施形態に記載の具体的手段との対応関係を示すものである。

本実施形態に係るＥＧＲクーラを用いたＥＧＲを示す模式図である。 本実施形態に係るＥＧＲクーラの内部を示す平面説明図である。 本実施形態に係るＥＧＲクーラの内部を示す正面説明図である。 本実施形態のチューブを示す斜視図である。 図２のＶ部拡大図である。

以下、本発明の一実施形態について図１〜図5に基づいて説明する。本実施形態では、本発明の排気熱交換器をＥＧＲクーラに適用した例を説明する。ＥＧＲクーラは、エンジン（内燃機関）での燃焼により発生した排気をエンジンに再循環させる際に、その排気をエンジンの冷却水（熱媒体） によって冷却する排気熱交換器である。

図１に示すように、ＥＧＲ（排気再循環装置）は、車両のエンジン１０に設けられた排気中の窒素酸化物低減用の装置であり、排気再循環管１１、ＥＧＲバルブ１２、およびＥＧＲクーラ１００を備えている。排気再循環管１１は、エンジン１０から排出される排気の一部をエンジン１０の吸気側に還流させる配管である。排気再循環管１１の入口部は、排気浄化触媒１３の排気流れ上流側に接続されている。本実施形態では、排気再循環管１１は円管により形成されている。

ＥＧＲバルブ１２は、排気再循環管１１の排気流れ途中に配設されて、エンジン１０の稼働状態に応じて排気再循環管１１を流通する排気（以下、ＥＧＲガスとも呼ぶ）の量を調節するものである。ＥＧＲクーラ１００は、ＥＧＲガスとエンジン１０の冷却水との間で熱交換を行い、ＥＧＲガスを冷却する熱交換器であり、エンジン１０の排気側とＥＧＲバルブ１２との間に配設されている。

次に、ＥＧＲクーラ１００の構造について、図２〜図５を用いて説明する。なお、図２および図３では、チューブ１１０を図示するために、ケーシング１３０等を断面で示している。

図２および図３に示すように、ＥＧＲクーラ１００は、チューブ１１０、フィン１２０、ケーシング１３０、コアプレート１４０、流入側タンク部１５０、流出側タンク部１６０、流入口１７０、流出口１８０等を備えている。上記各部材は、例えば耐熱性および耐腐食性に優れるステンレス材から形成されており、各部材の当接部が互いにろう付けによって接合されている。

図４に示すように、チューブ１１０は、内部にＥＧＲガスが流通する排気流路１１１を形成する管部材であり、ＥＧＲガスの流通方向に交差する断面が矩形扁平状に形成されている。このチューブ１１０は、例えば断面が浅いコの字状にプレス成形された２枚のチューブプレート１１０ａ、１１０ｂのコの字状開口側端部を互いに接合することにより形成されている。チューブ１１０は、扁平状断面の長辺側の面（以下、対向面と呼ぶ）が互いに対向するように複数積層されている。

チューブ１１０の対向面には、外側に向けて突出する凸部１１２が形成されている。凸部１１２は各チューブプレート１１０ａ、１１０ｂのプレス成形時に同時に成形される。

フィン１２０は、ＥＧＲガスと冷却水との熱交換を促進する伝熱部材であり、チューブ１１０内、つまり排気流路１１１内に配設されている。本実施形態では、フィン１２０として、オフセットフィンを採用している。

以下、複数積層されて凸部１１２同士で接合されたチューブ１１０およびフィン１２０の積層体を、コア部１１５という。コア部１１５は、チューブ１１０の内部を流通する排気とチューブ１１０の外部を流通する冷却水との間で熱交換を行う熱交換部である。

図２、図３に示すように、ケーシング１３０は、コア部１１５を内部に収納するとともに、チューブ１１０の周りに冷却水が流通する冷却水流路１３１を形成する角パイプ状の容器体である。ケーシング１３０は、コア部１１５を覆うように配置されている。冷却水流路１３１は、チューブ１１０とチューブ１１０との間、およびチューブ１１０とケーシング１３０との間に形成される通路である。なお、本実施形態の冷却水流路１３１が本発明の熱媒体通路に相当しており、本実施形態のケーシング１３０が本発明の熱媒体流路形成部材に相当している。

コアプレート１４０は、複数の貫通孔が設けられた一対の板部材である。一対のコアプレート１４０の貫通孔に、複数積層されたチューブ１１０の長手方向の両端部が貫通接合されることで、複数のチューブ１１０は一対のコアプレート１４０に保持される。そして、一対のコアプレート１４０の外周部は、ケーシング１３０の内周面に接合されている。一対のコアプレート１４０によって、ケーシング１３０内の冷却水流路１３１と、後述する各タンク部１５０、１６０の内部空間とが区画されている。

流入側タンク部１５０は、各チューブ１１０にＥＧＲガスを分配供給する漏斗状の部材である。流入側タンク部１５０における漏斗状の開口面積の大きい側の端部は、コアプレート１４０に接合されている。そして、流入側タンク部１５０の漏斗状の開口面積の小さい側の端部には、排気再循環管１１の途中部位へ接続するためのジョイント部１５１が接合されている。

流出側タンク部１６０は、各チューブ１１０から流出するＥＧＲガスを集合させる漏斗状の部材である。流出側タンク部１６０における漏斗状の開口面積の大きい側の端部は、コアプレート１４０に接合されている。そして、流出側タンク部１６０の漏斗状の開口面積の小さい側の端部には、排気再循環管１１の途中部位へ接続するためのジョイント部１６１が接合されている。

流入口１７０は、冷却水を冷却水流路１３１内に導入する管部材である。流入口１７０は、当該流入口１７０の内部とケーシング１３０の内部（冷却水流路１３１）とが連通するように、ケーシング１３０のＥＧＲガスの流入側に接合されている。

流出口１８０は、冷却水流路１３１内を流通した冷却水を外部に流出させる管部材である。流出口１８０は、当該流出口１８０の内部とケーシング１３０の内部（冷却水流路１３１）とが連通するように、ケーシング１３０のＥＧＲガスの流出側に接合されている。

上述したように構成されたＥＧＲクーラ１００は、図２に示すように、ＥＧＲクーラ１００内の排気流れ下流側（図２の紙面右側）が上流側（図２の紙面左側）よりも重力方向上方側に位置するように、車両の水平軸に対して傾斜して配置されている。すなわち、ＥＧＲクーラ１００は、流出側タンク１６０が流入側タンク１５０よりも重力方向上方側に位置するように、車両の水平軸に対して傾斜して配置されている。

次に、本実施形態の各タンク部１５０、１６０の詳細構成を、図２および図５に基づいて説明する。なお、流入側タンク部１５０と流出側タンク部１６０とは、ほぼ同様の構成であるため、以下では流出側タンク部１６０について説明し、流入側タンク部１５０については説明を省略する。

図２および図５に示すように、流出側タンク部１６０は、排気が流通する本体部１６２と、コアプレート１４０に接合されるプレート接合部１６３と、ジョイント部１６１に接合されるジョイント接合部１６４とを有している。本体部１６２、プレート接合部１６３およびジョイント接合部１６４は、一体に形成されている。

プレート接合部１６３は、チューブ１１０の長手方向に直交する板状（平面状）に形成されている。プレート接合部１６３は、コアプレート１４０におけるコア部１１５と反対側の面（チューブ１１０と反対側の面）に接合されている。また、プレート接合部１６３は、本体部１６２のコア部１１５側の端部に接続されている。

ジョイント接合部１６４は、円筒状に形成されている。ジョイント接合部１６４は、ジョイント１６１の内壁面に接合されている。ジョイント接合部１６４の内径は、プレート接合部１６３の内径よりも小さい。また、ジョイント接合部１６４は、本体部１６２のコア部１１５と反対側の端部に接続されている。

本体部１６２は、プレート接合部１６３の内周端部とジョイント接合部１６４の排気流れ上流側端部とを接続する流路形成部材である。本体部１６２は、コア部１１５から遠くなるにつれて流路断面積が小さくなるように形成されている。すなわち、本体部１６２は、排気流れ上流側から下流側に向かうにつれて流路断面積が小さくなるように形成されている。具体的には、図５に示すように、本体部１６２の下端面は、排気流れ下流側（図５の紙面左側）が上流側（図５の紙面右側）よりも重力方向上方側に位置するように傾斜している。

また、流出側タンク１６０の重力方向下方側において、チューブ１１０の内壁面と、流出側タンク１６０における本体部１６２とプレート接合部１６３との接続部１６５の内壁面とが、滑らかに接続されている。すなわち、流出側タンク１６０の重力方向下方側において、チューブ１１０の内壁面と、流出側タンク１６０における本体部１６２とプレート接合部１６３との接続部１６５の内壁面とが、チューブ１１０の長手方向から見たときに、互いに重合配置されている。換言すると、流出側タンク１６０の重力下方側において、チューブ１１０の内壁面と流出側タンク１６０の内壁面との間に段差（隙間）が形成されていない。

ところで、上述したように、流出側タンク部１６０は、コア部１１５に接続されているとともに、チューブ１１０と連通している。したがって、本実施形態の流出側タンク部１６０が、本発明の排気流通部品を構成している。

コア部１１５は、角パイプ状の容器体であるケーシング１３０に収容されているため、排気流れ方向に直交する断面形状が矩形状となるように形成されている。このため、コア部１１５に接続されている流出側タンク部１６０の本体部１６２における排気流れ上流側端部は、排気流れ方向に直交する断面形状が矩形状となるように形成されている。

一方、流出側タンク部１６０の本体部１６２における排気流れ下流側端部は、円管により形成された、すなわち排気流れ方向に直交する断面形状が円形状となる排気再循環管１１に、ジョイント１６１を介して接続されている。したがって、流出側タンク部１６０の本体部１６２における排気流れ下流側端部は、排気流れ方向に直交する断面形状が円形状となるように形成されている。

以上説明したように、本実施形態では、流出側タンク部１６０の重力方向下方側において、チューブ１１０の内壁面と、流出側タンク部１６０における本体部１６２とプレート接合部１６３と接続部１６５の内壁面とを、滑らかに接続している。これによれば、チューブ１１０の内壁面と、流出側タンク部１６０における本体部１６２とプレート接合部１６３と接続部１６５の内壁面との間に段差が形成されることを抑制できる。このため、チューブ１１０と流出側タンク部１６０との間に、排気が冷却されることで発生する凝縮水が滞留することを抑制できる。その結果、図５の破線矢印に示すように、凝縮水を流出側タンク部１６０からチューブ１１０に向かって確実に排出させることができるので、ＥＧＲクーラ１００の構成部品に腐食が生じることを抑制できる。

このとき、流出側タンク部１６０に、コアプレート１４０に接合される平面状のプレート接合部１６３を形成するだけでよい。すなわち、コアプレート１４０を２回以上屈曲させたり、コアプレート１４０の外周部に延設部を設けたりする必要がない。したがって、ＥＧＲクーラ１００の構成部品（流出側タンク部１６０）の加工性を向上させることができる。このことは、本実施形態のように、アルミニウムよりも加工荷重が大きいステンレスを流出側タンク部１６０に用いた構成において、特に効果を奏する。

（他の実施形態）
本発明は上述の実施形態に限定されることなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲内で、例えば以下のように種々変形可能である。

（１）上記実施形態では、流入側タンク部１５０を流出側タンク部１６０とほぼ同様の構成とした例について説明したが、これに限らず、流入側タンク部１５０を流出側タンク部１６０と異なる構成としてもよい。

（２）上記実施形態では、流出側タンク部１６０としてステンレスを用いた例について説明したが、これに限らず、流出側タンク部１６０としてアルミニウム等の他の材料を用いてもよい。

１１０ チューブ
１１５ コア部
１４０ コアプレート
１３０ ケーシング（熱媒体流路形成部材）
１６０ 流出側タンク部（排気流通部品）
１６２ 本体部
１６３ プレート接合部
１６５ 接続部

Claims (3)

1. 内燃機関（１０）から排出される排気が流通する排気流路（１１１）を形成するチューブ（１１０）を有するとともに、前記チューブ（１１０）の内部を流通する排気と前記チューブ（１１０）の外部を流通する熱媒体との間で熱交換を行うコア部（１１５）と、
   前記チューブ（１１０）の長手方向端部が接続されたコアプレート（１４０）と、
   前記コア部（１１５）を覆うように配置されるとともに、前記熱媒体が流通する熱媒体流路（１３１）を形成する熱媒体流路形成部材（１３０）とを備え、
   前記コアプレート（１４０）は、板状に形成されているとともに、前記熱媒体流路形成部材（１３０）に接合されており、
   前記コア部（１４０）には、前記チューブ（１１０）と連通する排気流通部品（１６０）が接続されており、
   前記排気流通部品（１６０）は、
   前記排気が流通する本体部（１６２）と、
   前記本体部（１６２）の前記コア部（１１５）側の端部に接続されているともに、前記コアプレート（１４０）に接合された平面状のプレート接合部（１６３）とを有しており、
   前記チューブ（１１０）の内壁面と、前記排気流通部品（１６０）における前記本体部（１６２）と前記プレート接合部（１６３）と接続部（１６５）の内壁面とが、滑らかに接続されていることを特徴とする排気熱交換器。
2. 前記コア部（１１５）は、前記排気の流れ方向に直交する断面形状が矩形状であり、
   前記排気流通部品（１６０）の前記本体部（１６２）における前記排気の流れ方向の上流側端部は、前記排気の流れ方向に直交する断面形状が矩形状であり、
   前記排気流通部品（１６０）の前記本体部（１６２）における前記排気の流れ方向の下流側端部は、前記排気の流れ方向に直交する断面形状が円形状であることを特徴とする請求項１に記載の排気熱交換器。
3. 前記チューブ（１１０）、前記コアプレート（１４０）および前記排気流通部品（１６０）が、ステンレスにより構成されていることを特徴とする請求項１または２に記載の排気熱交換器。

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