JP2017198443A - 熱交換器 - Google Patents

Abstract

【課題】熱交換器において、フランジの軽量化、及び、その仕上げ加工の手間を省く。【解決手段】筒体（２，２’）と、該筒体（２，２’）を取り巻くように延びるフランジ（３）とを備えた内燃機関用の熱交換器（１）に関する。この熱交換器（１）において、フランジ（３）は、第１環状部品（４）及び／又は第２環状部品（５）を有しており、第１及び第２環状部品（４，５）は、それぞれ絞り加工またはロール曲げ加工された板金部材として構成されている。【選択図】図２

Description

本発明は、請求項１の前提部に示すように、筒体と、この筒体の周囲を少なくとも部分的に取り囲むフランジとを備えた内燃機関用の熱交換器に関する。

特許文献１には、第１流体が流通する複数のチューブが配設され且つ、それらチューブが、終端側において筒底によって保持された筒体と、この筒体を少なくとも部分的に取り巻くように延びるフランジとを備えた内燃機関用の一般的な熱交換器が開示されている。この場合、筒体内を延びるチューブは、例えば排ガス用の第１流れダクトを構成しており、その一方で、チューブと筒体との間には、例えば冷媒用の第２流れダクトが構成されている。終端領域の少なくとも一方においては、熱交換器は、筒体を取り巻くように延びるフランジを備えている。このフランジは、熱交換器に対して一体的に形成されている。フランジを、特に、熱交換器の筒体に対して一体的に形成することで、付加的な組立工程を省略するようになっている。

同様に、特許文献２には、円周方向に延びるリングを有する筒体と、終端側の筒底とを備えた内燃機関用の熱交換器が開示されている。ここで、筒底は、筒体に接続されている。各筒底の周辺には、エンドキャップが配設されており、一方のエンドキャップは、円周方向において外方に突出したフランジを備えている。このフランジは、着脱可能な締付要素によって取り囲まれており、リングに接続されている。フランジとリングとの間には、環状のシール要素が付加的に配設されている。このリングは、板金から製造されており、その断面視において、Ｖ字形状を成すように互いに相対的に指向させられた２つの脚部を備えている。これらの脚部は、ウェブを介して熱交換器の筒体に接続されている。

熱交換器は、例えば、還流されるよう設定された、内燃機関の排ガス成分からの熱回収、又は、当該ガス成分の冷却のために使用される。特にリーン混合気と高い燃焼温度とを組み合わせて用いたとき、燃焼用空気を還流することにより、排ガス中の、環境に有害な窒素酸化物成分が減少する。通常、そのような熱交換器は、各終端側に筒底が接続された筒体を備えている。排ガスを導く複数のチューブは、筒体の内部において、１つのチューブ束にまとめられて、互いに反対側に位置する２つの筒底の間に延在するか、或いは、それら複数のチューブは、２つの筒底によって支持されるようになっている。したがって、筒底に接続された筒体は、冷却用の流体が流通可能なチャンバを構成しており、排ガスは、そのチャンバを、チューブ束を介して通過するようになっている。

独国特許出願公開第１０２０１２２１１３１１号明細書 独国特許出願公開第１０２０１００２５０３１号明細書

ところで、熱交換器、特に排ガス熱交換器に対し、その上流側又は下流側に部品を接続可能とするために、通常はフランジが設けられる。このフランジは、射出成形又はダイカストといった工程を用いて関連する部品上に直接的に作成されるか、或いは、そのような方法が使用不能であれば、組立工程を介して部品上に取り付けられるようになっている。通常、そのようなフランジは、鋳物として構成される。

従来技術の欠点は、特に、フランジが、費用をかけて機械的に仕上げ加工されなければならない付加的な部材である、という点にある。そして、鋳物として構成されるフランジは、比較的重く、特に自動車に搭載されたときに燃費性能が悪化したり、材料費の高騰を招いたりする、という事実がさらなる欠点となる。

本発明は、一般的なタイプの熱交換器において、従来技術において公知の欠点を克服するように改良された態様を特定する、という課題を解決するものである。

本発明によれば、前記の課題は、独立請求項１の主題を通じて解決される。有利な態様は、従属請求項の主題である。

本発明は、内燃機関用の熱交換器において、その熱交換器の筒体を取り巻くように延びるフランジを、第１環状部品及び第２環状部品から構成すると共に、それら第１環状部品及び第２環状部品の両方を、絞り加工またはロール曲げ加工された板金部材（drawn or rolled sheet metal component）によって構成する、という基本概念に基づくものである。このため、鋳物と比較して、重量という点で有利になるばかりでなく、複雑で高価な機械的な仕上げ加工を省略することも可能となる。本発明によれば、従来構成と比較して、より費用対効果に優れた熱交換器を製造することが可能になる。フランジを２つの部品に分割することにより、絞り加工またはロール曲げ加工を行うことが可能となる。つまり、従来構成のような一体的なフランジを採用した場合、深絞り加工される部品の幅に対する高さの割合次第では、そのような加工を行うことが出来なかった。フランジは、より深く深絞り加工されなければならず、そして、そのフランジの径が小さくなるにつれて、ひび割れが生じるため不可能になるという点で、より困難な製造工程となる。２つに割かれたリング状の構成（two-piece ring design）を用いることで、より簡素で且つ、より好都合な絞り工程またはロール曲げ工程を実現することが可能となる。フランジの半分を比較的簡素にデザインすることによって、より優れた表面特性を得ることができる。その結果、例えばフランジ付きの部材の場合、その表面仕上げ工程を省略したり、費用対効果に優れた封止方法を採用したりすることが可能になる。好ましくは、熱交換器は、排ガス熱交換器として構成されて、フランジは、別の部材に接続するために使用されることになる。

本発明に係る解決策のさらなる有利な発展形によると、フランジを成す２つの部品は、筒体に対し、溶接、ロウ付け、圧着または接着される。排ガス熱交換器として構成された熱交換器の場合、比較的高温の排ガスは、筒体内を延びるチューブ束の中を流通することになるため、冷媒は、筒体およびチューブ束によって形成されるチャンバを通過するように流れるに過ぎない。そのため、接着を用いることにより、筒体に対して外側から接触するフランジを接続（connection）することは、理論的には可能である。同様に、ロウ付け、溶接または圧着することも可能である。これらの方法は、フランジがリング状に構成されていて且つ、熱交換器の筒体を完全に取り囲んでいることを必須条件として要求する。純粋に理論的には、フランジを成す２つの部品は、この場合、これらを互いに接続せずとも、互いに接触し得るのも明らかである。或いは、これら２つの部品は、互いに間隔を空けて配置され得る。

本発明に係る解決策のさらなる有利な態様によると、フランジは、Ｖ字状の断面を有しており、及び／又は、筒体に対して平坦に接触する接触領域を有している。Ｖ字状の断面を有するフランジを構成することによって、例えば締付リングを配置可能な、固定用の輪郭が形成される。熱交換器に固定されることになる別の部材は、締付リングとフランジとの間に締め付けられる。接触領域は、フランジと筒体との間に、より広い接触面積を提供し、そのことで、特に間隙をロウ付けする場合（in the case of gap soldering）において有利になる。フランジを筒体に接着する場合においてもなお、より広い接着面積を提供することができる。

本発明に係る解決策のさらなる有利な発展形によると、フランジを成す第１及び第２環状部品は、互いに同一形状を有する部品として構成される。同一形状を有する２つの部品からフランジを構成することにより、両方の部品に対して同一のツールを用いることが出来るため、特に、製造コストが低減される。

本発明に係る解決策のさらなる有利な発展形によると、もう１つ別の筒体を備え、２つの筒体は、それぞれ、ハウジング部（housing part）として構成されると共に、各ハウジング部には、第１及び第２環状部品が配置される。そして、第１及び第２環状部品は、双方とも絞り加工された又はロール曲げ加工された板金部材として構成されており、協働してフランジ３を構成する。したがって、筒体上に対応するフランジを提供するばかりでなく、壺型にデザインされたハウジング部上にもフランジを提供することになる。ここで、フランジを成す第１の部品（第１環状部品）は、一方の筒体上に配置されると共に、フランジを成す第２の部品（第２環状部品）は、他方の筒体上に配置される。端面上において、ハウジング部として構成された２つの筒体を組み立てることにより、２つの部品から共通のフランジが得られる。明らかに、２つの部品を、互いに間隔を空けて配置することもできる。ここで、２つのハウジング部を接続するためのフランジを２つの部品に分割し、それにより、２つに割かれたリング状の構成を生成することは、簡素であると共に、そ費用対効果に優れた絞り工程又はロール曲げ工程によって製造することができるという点で、前述のように、著しく有利となる。加えて、絞り加工またはロール曲げ加工された板金部材として製造される、フランジを成す部品は、より良好な表面特性を有しており、特に、その後の表面処理を要求しない。それと同時に、より良好な表面特性のため、より費用対効果に優れた封止方法を採用することもできる。熱交換器を封止することは、境界面付近における２つの筒体の封止的な接続によって、及び／又は、フランジを成す２つの部品の封止的な接続によってもたらされる。

これに代えて、フランジを成す２つの部品を、互いに同一形状を有する部品として構成するのではなく、第１の部品（第１環状部品）は、第２の部品（第２環状部品）よりも小さな外径を有していて、その第２の部品に挿入可能となっている、とすることも考えられる。この場合、２つの部品は、例えば互いに封止的にロウ付けされており、重なり領域において互いに接続されている。明らかに、フランジを成す２つの部品は、この場合、互いに接触するばかりでなく、付加的な締付具（clamp）によって取り囲まれ得る。加えて、各部品は、各々の接触領域を介して、筒体またはハウジング部に対して例えばロウ付けされて、接続されることも明らかである。同一形状を有する部品から組み立てられるフランジとは対照的に、このようにして製造されるフランジは、サイズの異なる２つの部品を要求するものの、少なくとも重なり領域においては、これらを用いて、少なくとも僅かな交差を埋め合わせることができる。その結果、特に、製造交差をより簡易に埋め合わせることができる。この場合においても、熱交換器を封止することは、境界面付近における２つの筒体の封止的な接続によって、及び／又は、フランジを成す２つの部品の封止的な接続によってもたらされる。

本発明に係るさらなる重要な特徴及び利点は、従属請求項の記載、図面、及び図面を用いた説明から得られる。

前述の特徴、及び以下に説明される特徴は、記載された各々の組み合わせに限定して用いることができるのではなく、他の組み合わせであっても、又は、それら単独であっても本発明の範囲から逸脱することなく用いることができる。

図１は、互いに同一形状を有するよう形成された２つの部品によって構成されるフランジを備えた、本発明に係る熱交換器の縦段面図である。 図２は、互いに異なる形状を有する２つの部品によって構成されるフランジを備えた熱交換器を示す図１対応図である。 図３は、各々ハウジング部を構成する２つの筒体を備え、各ハウジング部にはフランジの一部が配置され且つ、そのフランジを成す２つの部品が互いに同一形状を有するよう形成されている熱交換器を示す図１対応図である。 図４は、フランジを成す２つの部品が互いに異なるサイズを有している熱交換器を示す図３対応図である。

本発明の好ましい例示的な態様は、図面に示されており、以下の記載によってさらに詳細に説明される。各図において同じ又は類似の若しくは機能的に同じ部品には、同じ符号を付している。

図１〜４に示すように、本発明に係る熱交換器１は、不図示の内燃機関用の熱交換器であって、筒体２と、その筒体２を取り巻くように延びるフランジ３とを備えている。本発明によれば、このフランジ３は、第１環状部品４と第２環状部品５を有している。第１環状部品４と第２環状部品５は、双方とも絞り加工された又はロール曲げ加工された板金部材として構成されており、共にフランジ３を構成している。この場合、２つの部品４，５は、同一の筒体２上に配置してもよいし、異なる筒体２，２’上に配置してもよい。

図１に示す２つの部品４，５を見れば、これら２つの部品４，５は、互いに同一形状を有する部品として構成されており、そのことで、１つ又は同一の絞りツールを用いてコスト効率良く製造可能であることが認められよう。これら２つの部品４，５は、それぞれ接触領域６，７を有しており、接触領域６，７の各々を介して筒体２の外周面に対し平坦に接触している（図１に示すように、境（特に、平坦な境界線）を接している）。このため、フランジ３を成す各部品４，５と筒体２との、各接触領域６，７を介した平坦な接続は、例えばロウ付けや接着によって可能となる。

図１を見れば、さらに、フランジ３を成す２つの部品４，５は、その端面（例えば、ロウ付けされた端面）において互いに接続され得ることが認められよう。そのような、２つの部品４，５同士の固定的な接続は、実現可能ではあるものの、必ずしも行われるわけではない。すなわち、２つの部品４，５は、互いに間隔を空けて配置されたり、互いに緩く接触され得る。この場合、フランジ３は、台形状の断面を有しており、封止面８を提供することになる。そのような封止面８を介して、さらなる別の部品を、例えば締付リングを用いることで、筒体２に対して封止的に接続することが出来る。

図２に示す本発明に係る熱交換器１の実施形態（図１に示すものとは異なる実施形態）を見れば、同図に示すフランジ３の場合、第１環状部品４は、第２環状部品５よりも小さな外径を有しており、この第２環状部品５に対して挿入され得ることが認められよう。この具体例では、実際に挿入されている。この場合、２つの部品４，５は、特に互いにロウ付けされていて、重なり領域９において相互に接続されている。このように、重なり領域９において接続することが出来るものの、そのような接続は必須ではない。

図３〜４に示す本発明に係る熱交換器１の実施形態（図１〜２に示すものとは異なる実施形態）を見ると、ここでは、もう１つ別の筒体２’が、他方の筒体２に隣接して設けられている。この場合、２つの筒体２，２’は、各々の端面において、境界面１０を介して互いに境を接している。図３に示す熱交換器１の場合、フランジ３は、前述のように、２つの部品から構成されている。つまり、フランジ３は、第１の部品（第１環状部品）４と、第２の部品（第２環状部品）５とから構成されており、第１の部品４は、例えばロウ付けによって、その接触領域６を介して筒体２に接続されている一方、第２の部品５もまた、その接触領域７を介して筒体２’に接続されている。明らかに、フランジ３を成す２つの部品４，５は、単に互いに接触しているばかりでなく、図３の破線に示すように、付加的な締付具１１を用いて取り囲まれ得る。この場合、２つの筒体２，２’は、それぞれ、フランジ３を成す２つの環状部品４，５と同様に、絞り加工またはロール曲げ加工された板金部材として構成されている。図３に示すように、フランジ３を成す２つの部品４，５は、同一形状を有する部品として構成されており、図１に示す実質的に同一形状を有するフランジ３と同じ利点を有している。図４において、フランジ３を成す第１の部品４は、先程と同様に、第２の部品５よりも小さな外径を有しており、この第２の部品５に挿入され得る。この具体例では、第１の部品４は、既に、第２の部品５に挿入されており、その結果、図２を用いて説明したような重なり領域９が生成される。この重なり領域９においては、２つの部品４，５は、封止的に互いに接続され得る。

一般的に、熱交換器１は、例えば排ガス熱交換器として構成され得る。

図３〜４に示すように、筒体２，２’の封止を実現するためには、これら筒体２，２’は、両方とも、境界面１０付近において互いに封止的に接続されなければならず、及び／又は、フランジ３を成す２つの部品４，５は、両方とも、互いに封止的に接続されなければならないと共に、筒体２，２’の各々に対しても封止的に接続されなければならない。

従来は単一又は一体的に構成されていたフランジ３を２つの環状部品４，５に分割することにより、これらの部品４，５を、絞り加工またはロール曲げ加工された板金部材として、問題無く製造することができる。つまり、従来のような一体的なフランジでは、板金部材の幅に対する高さの割合次第では、望ましくないひび割れが生じる虞があるため、そのように製造することが出来なかった。２つの部品に割かれた構成を用いることで、より簡素で且つ、より費用対効果に優れた製造工程を実現することが可能となり、そのことで、熱交換器１の製造コストを低減することができる。ここで、フランジ３を成す２つの部品４，５を比較的簡素にデザインすることによって、より優れた表面特性を得ることができる。その結果、例えばフランジ付きの部材の場合、その表面仕上げ工程を省略したり、費用対効果に優れた封止方法を採用したりすることが可能になる。特に、２つの部品４，５を互いに同一形状を有する部品として構成することは、製造コストをさらに低減することになる。

１ 熱交換器
２ 筒体
２’ 筒体
３ フランジ
４ 第１環状部品
５ 第２環状部品
６ 接触領域
７ 接触領域
９ 重なり領域
１０ 境界面
１１ 締付具

Claims (14)

1. 筒体（２，２’）と、該筒体（２，２’）を取り巻くように延びるフランジ（３）とを備えた内燃機関用の熱交換器（１）であって、
   前記フランジ（３）は、各々絞り加工またはロール曲げ加工された板金部材として構成された、第１環状部品（４）及び／又は第２環状部品（５）によって構成されている熱交換器。
2. 請求項１に記載された熱交換器において、
   前記第１及び第２環状部品（４，５）は、互いに同一形状を有する部品として構成されている熱交換器。
3. 請求項２に記載された熱交換器において、
   前記第１及び第２環状部品（４，５）は、それぞれ接触領域（６，７）を有しており、
   前記接触領域（６，７）は、前記筒体（２，２’）の外周面に対し平坦に接触している熱交換器。
4. 請求項３に記載された熱交換器において、
   前記第１及び第２環状部品（４，５）は、特にロウ付けされることによって、各々の端面において互いに接続され且つ、前記接触領域（６，７）を介して前記筒体（２，２’）に接続され、
   又は、
   前記第１及び第２環状部品（４，５）は、互いに間隔を空けて配置されている熱交換器。
5. 請求項１に記載された熱交換器において、
   前記第１環状部品（４）は、前記第２環状部品（５）よりも小さな外径を有しており、該第２環状部品（５）に対して挿入可能に構成されている熱交換器。
6. 請求項５に記載された熱交換器において、
   前記第１及び第２環状部品（４，５）は、特に互いにロウ付けされていて、重なり領域（９）において互いに接続され、
   又は、
   前記第１及び第２環状部品（４，５）は、単に互いに接触している熱交換器。
7. 請求項１に記載された熱交換器において、
   もう１つ別の筒体（２’）を備え、
   前記２つの筒体（２，２’）は、それぞれ、ハウジング部として構成されており、
   各ハウジング部上には、協働して前記フランジ（３）を構成すると共に、双方とも絞り加工またはロール曲げ加工された板金部材として構成された第１及び第２環状部品（４，５）が配置されている熱交換器。
8. 請求項７に記載された熱交換器において、
   前記第１及び第２環状部品（４，５）は、互いに同一形状を有する部品として構成されている熱交換器。
9. 請求項７又は８に記載された熱交換器において、
   前記第１及び第２環状部品（４，５）は、それぞれ接触領域（６，７）を有しており、
   前記接触領域（６，７）は、前記ハウジング部の外周面に対し平坦に接触している熱交換器。
10. 請求項７〜９のいずれか１項に記載された熱交換器において、
    前記第１及び第２環状部品（４，５）は、特に互いに封止的にロウ付けされることによって、各々の端面において互いに接続され、
    及び／又は、
    前記２つのハウジング部は、境界面（１０）において、特に封止的に、互いに接続されている熱交換器。
11. 請求項７に記載された熱交換器において、
    前記第１環状部品（４）は、前記第２環状部品（５）よりも小さな外径を有しており、該第２環状部品（５）に対し挿入可能に構成されている熱交換器。
12. 請求項１１に記載された熱交換器において、
    前記第１及び第２環状部品（４，５）は、それぞれ接触領域（６，７）を有しており、
    前記接触領域（６，７）は、前記ハウジング部の外周面に対し平坦に接触している熱交換器。
13. 請求項１１又は１２に記載された熱交換器において、
    前記第１及び第２環状部品（４，５）は、特に重なり領域（９）において互いに封止的にロウ付けされることによって、互いに接続され、
    又は、
    前記第１及び第２環状部品（４，５）は、締付具（１１）によって取り囲まれている熱交換器。
14. 請求項１〜１３のいずれか１項に記載された熱交換器において、
    前記熱交換器（１）は、排ガス熱交換器として構成されている熱交換器。