JP2018091499A - 熱交換器 - Google Patents

Abstract

【課題】熱交換器を容易に組立可能とする。【解決手段】ＥＧＲガスとエンジン冷却水との間で熱交換を行う熱交換器１００は、積層される複数のチューブ１１と、複数のチューブ１１を積層方向に拘束して積層コア１０を形成するクリップ２０と、を備え、クリップ２０は、積層コア１０の積層方向に沿う一対の側面のうち一方を開放するように形成され、各々のチューブ１１内には、ＥＧＲガスが流通する流路が形成され、複数のチューブ１１間には、エンジン冷却水が流通する流路が形成される。【選択図】図３

Description

本発明は、熱交換器に関するものである。

特許文献１には、複数のパイプの両端を端板で各々支持してなる熱交換部がＥＧＲ管路に収容されるＥＧＲ（Ｅｘｈａｕｓｔ Ｇａｓ Ｒｅｃｉｒｃｕｌａｔｉｏｎ）ガス冷却装置が開示されている。

特開平１１−０１３５５４号公報

しかしながら、特許文献１のＥＧＲガス冷却装置では、複数のパイプを端板に形成された孔に挿入するため、組み立て作業が複雑であった。

本発明は、上記の問題点に鑑みてなされたものであり、熱交換器を容易に組立可能とすることを目的とする。

本発明のある態様によれば、第１の流体と第２の流体との間で熱交換を行う熱交換器であって、積層される複数のチューブと、前記複数のチューブを積層方向に拘束して積層コアを形成する拘束部材と、を備え、前記拘束部材は、前記積層コアの積層方向に沿う一対の側面のうち一方を開放するように形成され、各々の前記チューブ内には、第１の流体が流通する流路が形成され、前記複数のチューブ間には、第２の流体が流通する流路が形成されることを特徴とする。

上記態様では、複数のチューブを積層し、積層されたチューブを積層方向に拘束部材で拘束するだけで、積層コアを組み立てることができる。したがって、熱交換器を容易に組み立てることができる。

図１は、本発明の第１の実施形態に係る熱交換器の分解斜視図である。 図２は、本発明の第１の実施形態に係る熱交換器の斜視図である。 図３は、本発明の第１の実施形態に係る熱交換器のケースを取り外した状態を示す斜視図である。 図４は、本発明の第１の実施形態に係る熱交換器の平面の断面図である。 図５は、本発明の第１の実施形態に係る熱交換器の側面の断面図である。 図６は、本発明の第２の実施形態に係る熱交換器の平面の断面図である。 図７は、本発明の第３の実施形態に係る熱交換器の平面の断面図である。

以下、図面を参照して、本発明の実施形態について説明する。

（第１の実施形態）
まず、図１から図５を参照して、本発明の第１の実施形態に係る熱交換器１００について説明する。

熱交換器１００は、エンジン（図示省略）の燃焼室にて燃焼した排気ガスの一部をＥＧＲ（Ｅｘｈａｕｓｔ Ｇａｓ Ｒｅｃｉｒｃｕｌａｔｉｏｎ）ガスとして燃焼室に還流するＥＧＲ装置に設けられる。熱交換器１００は、ＥＧＲガス（第１の流体）とエンジンを冷却するエンジン冷却水（第２の流体）との間で熱交換を行い、ＥＧＲガスを冷却するＥＧＲクーラである。

熱交換器１００は、ＥＧＲガスとエンジン冷却水との間で熱交換を行う積層コア１０と、積層コア１０を積層方向に拘束する拘束部材としてのクリップ２０と、積層コア１０が収容されて内側をエンジン冷却水が流通するケース３０と、を備える。

積層コア１０は、積層される複数のチューブ１１と、チューブ１１内に収装されるインナーフィン１２と、積層されるチューブ１１が取り付けられるプレート１３と、を有する。積層コア１０は、複数のチューブ１１が積層されて直方体形状になるように形成される。積層コア１０は、例えばステンレスなどの金属材料によって形成される。各々のチューブ１１内には、ＥＧＲガスが流通する流路が形成され、複数のチューブ１１間には、エンジン冷却水が流通する流路が形成される。

積層コア１０におけるＥＧＲガスの入口には、供給パイプ４１（図３参照）から供給されるＥＧＲガスを各々のチューブ１１に導くヘッダ部材１６が設けられる。積層コア１０におけるＥＧＲガスの出口には、各々のチューブ１１から排出されるＥＧＲガスを集約して排出パイプ４２に導くヘッダ部材１７が設けられる。

チューブ１１は、対向して設けられるチューブインナー１１ａとチューブアウター１１ｂとを有する。チューブインナー１１ａとチューブアウター１１ｂとは、共に凹状断面を有する平板状に形成さる。チューブインナー１１ａとチューブアウター１１ｂとは、凹部どうしを向かい合わせて、チューブアウター１１ｂがチューブインナー１１ａの外側を覆うように組み立てられる。チューブインナー１１ａとチューブアウター１１ｂとは、インナーフィン１２を収装する空間を形成する。

チューブアウター１１ｂには、積層された状態で隣接する他のチューブ１１に当接し、当該他のチューブ１１との間に所定の間隔をあける複数の突起１１ｃと、エンジン冷却水が流通する流路を区画する一対の膨出部１１ｄと、が形成される。

突起１１ｃは、チューブ１１の積層方向に突出して形成される。突起１１ｃは、チューブ１１における膨出部１１ｄが設けられない位置に形成される。隣接する一対のチューブ１１の間には、突起１１ｃの高さの分だけ、エンジン冷却水が流通する流路が形成される。

膨出部１１ｄは、チューブ１１におけるＥＧＲガスの流れ方向の両端部に形成される。膨出部１１ｄは、チューブ１１の積層方向に突起１１ｃと同じだけ突出する。膨出部１１ｄは、積層された状態で隣接する他のチューブ１１と当接し、ロウ付けによって一体にされる。これにより、隣接する一対のチューブ１１の間のエンジン冷却水の流路が、ＥＧＲガスの流路に対して閉塞される。

インナーフィン１２は、チューブインナー１１ａとチューブアウター１１ｂとの間に形成される空間に収装される。インナーフィン１２は、隣り合う凹凸が互いにオフセットして並ぶオフセットフィンである。インナーフィン１２は、チューブ１１内におけるＥＧＲガスの流れを撹拌する。また、インナーフィン１２が設けられることによって、ＥＧＲガスが熱交換を行うための表面積が拡大する。よって、インナーフィン１２が設けられることによって、熱交換効率を向上させることができる。

なお、インナーフィン１２を設けずに、隣接する一対のチューブ１１の間にアウターフィンを設けてもよい。この場合、チューブ１１に突起１１ｃを形成する必要はない。

プレート１３は、積層コア１０をケース３０に固定するために、矩形の枠状に形成される。プレート１３の内周には、ヘッダ部材１６を介して積層コア１０が固定される。プレート１３は、積層コア１０が設けられる側に、ケース３０を固定するための複数のカシメ爪１３ａを有する。

ヘッダ部材１６の一端には、矩形に形成される矩形部１６ａが設けられる。矩形部１６ａは、プレート１３の内周に挿入される。矩形部１６ａの内周には、積層コア１０が挿入される。矩形部１６ａは、チューブ１１の端部からチューブ１１における膨出部１１ｄを覆うように形成される。ヘッダ部材１６の他端には、円筒状に形成される円筒部１６ｂが設けられる。円筒部１６ｂは、供給パイプ４１に接続される。ヘッダ部材１６は、円筒部１６ｂが最も小さく、矩形部１６ａが最も大きくなるように形成される。

ヘッダ部材１６は、積層コア１０及びプレート１３とロウ付けされて一体にされる。ヘッダ部材１６は、チューブ１１と同様に、例えばステンレスなどの金属材料によって形成される。

ヘッダ部材１７は、ケース３０の内周に挿入される。ヘッダ部材１７の一端には、矩形に形成される矩形部１７ａが設けられる。矩形部１７ａの内周には、積層コア１０が挿入される。矩形部１７ａは、チューブ１１の端部からチューブ１１における膨出部１１ｄを覆うように形成される。ヘッダ部材１７の他端には、円筒状に形成される円筒部１７ｂが設けられる。ヘッダ部材１７は、円筒部１７ｂが最も小さく、矩形部１７ａが最も大きくなるように形成される。

ヘッダ部材１７は、ヘッダ部材１６と同様に、積層コア１０とロウ付けされて一体にされる。ヘッダ部材１７もまた、チューブ１１と同様に、例えばステンレスなどの金属材料によって形成される。

図４及び図５に示すように、円筒部１７ｂは、Ｏリング１７ｃと、Ｏリング１７ｃをケース３０内に固定するバックアップリング１７ｄと、を介して、ケース３０の内周に保持される。これにより、ケース３０内を流通するエンジン冷却水がＥＧＲガスの流路に漏れ出すことを防止できる。円筒部１７ｂは、ケース３０を介して排出パイプ４２に接続される。

クリップ２０は、直方体形状の積層コア１０における４つの側面のうち３面に当接するようにＵ字状に形成される。クリップ２０は、図３に示すように、チューブ１１の突起１１ｃの間に嵌められる。これにより、クリップ２０は、突起１１ｃに係合して、チューブ１１に対する移動が規制される。クリップ２０は、ケース３０に対して積層コア１０を積層方向に支持する。クリップ２０は、ケース３０に対して積層コア１０を積層方向に弾性的に支持する弾性支持部としての板ばね部２１を有する。

クリップ２０は、ロウ付け前の複数のチューブ１１を外周から積層方向に拘束して、積層コア１０を形成する。クリップ２０は、積層コア１０を拘束した状態で積層コア１０にロウ付けされて、積層コア１０と一体にされる。クリップ２０は、チューブ１１と同様に、例えばステンレスなどの金属材料によって形成される。

ここで、矩形断面を有する枠体で積層コア１０の４つの側面を拘束する場合には、枠体に対して積層コア１０を長手方向に挿入する際に、チューブ１１を変形させるような力が作用するおそれがある。これに対して、クリップ２０は、積層コア１０の積層方向に沿う一対の側面のうち一方を開放するように形成される。よって、クリップ２０を積層コア１０の側面から嵌めることができるため、チューブ１１を変形させるような力が作用することを防止できる。

なお、クリップ２０は、積層コア１０にロウ付けされるのではなく、積層コア１０とは別部材として設けられて積層コア１０に取り付けられてもよい。この場合、クリップ２０は、ばね鋼鋼材や耐熱性樹脂材料などによって形成されてもよい。

板ばね部２１は、積層コア１０の積層方向の両端部に各々設けられる。板ばね部２１は、チューブ１１の内周を流通する高温のＥＧＲガスによって積層コア１０が熱膨張した場合に変形し、積層コア１０の外形の変化を吸収する。板ばね部２１は、クリップ２０のケース３０への挿入方向における後方に向けて積層コア１０の外側に突出するように形成される。これにより、積層コア１０をケース３０に挿入する際に、クリップ２０の板ばね部２１がケース３０内に引っ掛かることが防止され、積層コア１０のケース３０への挿入が容易になる。

なお、板ばね部２１は、積層コア１０の積層方向の一端部のみに設けられてもよい。この場合、クリップ２０は、板ばね部２１が設けられない他端部がケース３０の内壁に当接し、一端部に設けられる板ばね部２１がケース３０に対して積層コア１０を弾性的に支持する。よって、この場合にも、積層コア１０を拘束することができ、積層コア１０とケース３０の内壁との位置規制を確実に行うことができる。

ケース３０は、積層コア１０を収装するケース本体３１と、エンジン冷却水を供給するための供給流路３２と、エンジン冷却水を排出するための排出流路３３と、を有する。

ケース本体３１は、開口部３１ａから挿入される積層コア１０を覆うような筒状に形成される。図２に示すように、ケース本体３１は、カシメ爪１３ａが折り曲げられることでプレート１３に固定される。図３から図５に示すように、ケース本体３１の開口部３１ａとプレート１３との間には、Ｏリング１３ｂが設けられる。Ｏリング１３ｂは、カシメ爪１３ａが折り曲げられる際に、ケース本体３１とプレート１３との間で押しつぶされる。これにより、ケース３０内を流通するエンジン冷却水がＥＧＲガスの流路に漏れ出すことを防止できる。

ケース本体３１は、積層コア１０とは熱膨張率の異なる材料によって形成される。具体的には、ケース本体３１は、積層コア１０と比較して熱膨張率の小さな材料によって形成される。ここでは、ケース本体３１は、例えば樹脂材料によって成形される。

ケース本体３１は、積層コア１０のチューブ１１内を流通するＥＧＲガスを冷却するためのエンジン冷却水が供給される冷却水供給ポート３１ｂと、ＥＧＲガスを冷却したエンジン冷却水が排出される冷却水排出ポート３１ｃと、を有する。

ケース本体３１における開口部３１ａの反対側の端部３１ｄには、Ｏリング４２ａと、Ｏリング４２ａをケース３０に固定するバックアップリング４２ｂと、を介して、排出パイプ４２が取り付けられる。排出パイプ４２は、Ｕ字状に形成されるスプリング４２ｃによってケース３０に固定される。ケース本体３１の端部３１ｄは、積層コア１０及びヘッダ部材１７を収容する部分から徐々に縮径される漏斗状に形成される。

供給流路３２は、ケース本体３１の側面に取り付けられる。供給流路３２は、ケース本体３１の冷却水供給ポート３１ｂからケース本体３１内に供給される冷却水を案内する。冷却水供給ポート３１ｂから供給された冷却水は、図５に示すように、積層コア１０の一端近傍に導かれた後に、ケース本体３１内に供給される。

排出流路３３は、ケース本体３１の供給流路３２が取り付けられるのと同じ側面に取り付けられる。排出流路３３は、ケース本体３１の冷却水排出ポート３１ｃから排出される冷却水を案内する。ＥＧＲガスを冷却したエンジン冷却水は、図５に示すように、積層コア１０の他端近傍まで導かれた後に、ケース本体３１から外部に排出される。

次に、熱交換器１００の作用について説明する。

熱交換器１００を組み立てる際には、複数のチューブ１１を積層し、積層されたチューブ１１を積層方向にクリップ２０で拘束する。これにより、積層コア１０を組み立てることができる。そして、クリップ２０によって積層方向に拘束された積層コア１０に、プレート１３と、ヘッダ部材１６と、ヘッダ部材１７と、を取り付けてロウ付けを行う。

最後に、ケース本体３１内に積層コア１０を収容するようにケース３０を取り付けてカシメ爪１３ａを折り曲げれば、熱交換器１００が完成する。このように、クリップ２０を用いることで、熱交換器１００を容易に組み立てることができる。

熱交換器１００では、供給パイプ４１から導かれたＥＧＲガスが、積層コア１０のチューブ１１内を流通して排出パイプ４２から排出される。また、熱交換器１００では、供給流路３２からケース本体３１内に供給されたエンジン冷却水が、積層コア１０におけるチューブ１１間の流路を流通し、排出流路３３から排出される。これにより、熱交換器１００では、ＥＧＲガスとエンジン冷却水との間で熱交換が行われる。ＥＧＲガスの温度はエンジン冷却水の温度と比較して高いため、ＥＧＲガスは、エンジン冷却水によって冷却される。

ここで、熱交換器１００では、ケース３０は樹脂材料によって形成され、積層コア１０は金属材料によって形成される。このように、ケース３０と積層コア１０との熱膨張率が異なるため、チューブ１１の内周を高温のＥＧＲガスが流通した場合には、積層コア１０がケース３０と比較して大きく熱膨張する。

これに対して、熱交換器１００では、クリップ２０が、ケース３０に対して積層コア１０を弾性的に支持する板ばね部２１を積層コア１０の積層方向の両端部に各々有する。よって、チューブ１１の内周を流通する高温のＥＧＲガスによって積層コア１０が熱膨張した場合には、板ばね部２１が変形することによって積層コア１０の外形の変化を吸収して、積層コア１０をケース３０に対して常に保持することができる。

また、板ばね部２１を有するクリップ２０が設けられることにより、積層コア１０が積層方向に拘束されるため、高温のＥＧＲガスが流通することによるチューブ１１の熱膨張が抑えられる。よって、ＥＧＲガスの流通に対する耐圧性を向上させることができる。

以上の第１の実施形態によれば、以下に示す効果を奏する。

熱交換器１００では、複数のチューブ１１を積層し、積層されたチューブ１１を積層方向にクリップ２０で拘束するだけで積層コア１０を組み立てることができる。したがって、熱交換器１００を容易に組み立てることができる。

また、熱交換器１００では、クリップ２０が、ケース３０に対して積層コア１０を弾性的に支持する板ばね部２１を積層コア１０の積層方向の両端部に各々有する。よって、チューブ１１の内周を流通する高温のＥＧＲガスによって積層コア１０が熱膨張した場合には、板ばね部２１が変形することによって積層コア１０の外形の変化を吸収して、積層コア１０をケース３０に対して常に保持することができる。

（第２の実施形態）
以下、図６を参照して、本発明の第２の実施形態に係る熱交換器２００について説明する。以下に示す各実施形態では、第１の実施形態と異なる点を中心に説明し、同様の機能を有する構成には同一の符号を付して説明を省略する。

熱交換器２００は、二つに分割されたケース２３０を有する点で、第１の実施形態に係る熱交換器１００とは相違する。

熱交換器２００は、ＥＧＲガスとエンジン冷却水との間で熱交換を行う積層コア１０と、積層コア１０を積層方向に拘束する拘束部材としてのクリップ２０と、積層コア１０が収容されて内部をエンジン冷却水が流通するケース２３０と、を備える。

ケース２３０は、積層コア１０を一方から覆う第１ケース２３１と、積層コア１０を他方から覆う第２ケース２３２と、を有する。第１ケース２３１は、フランジ部２３１ａを有し、第２ケース２３２は、フランジ部２３２ａを有する。フランジ部２３１ａとフランジ部２３２ａとは、向かい合って当接し、ボルト締結などによって固定される。

ケース２３０には、ヘッダ部材１６及びヘッダ部材１７が、積層コア１０と共に収容される。

ヘッダ部材１６は、ヘッダ部材１７と同様に、ケース２３０の内周に挿入される。ヘッダ部材１６の円筒部１６ｂは、Ｏリング１６ｃと、Ｏリング１６ｃをケース３０内に固定するバックアップリング１６ｄと、を介して、ケース３０の内周に保持される。

板ばね部２１は、クリップ２０の第２ケース２３２への挿入方向における後方に向けて積層コア１０の外側に突出するように形成される。これにより、積層コア１０を第２ケース２３２に挿入する際に、クリップ２０の板ばね部２１が第２ケース２３２内に引っ掛かることが防止され、積層コア１０のケース２３０への挿入が容易になる。

以上の第２の実施形態によってもまた、第１の実施形態と同様の効果を奏する。

（第３の実施形態）
以下、図７を参照して、本発明の第３の実施形態に係る熱交換器３００について説明する。

熱交換器３００は、ＥＧＲガスがケース３３０内を一方向に流通するのではなく、ＥＧＲガスがケース３３０内で折り返すように流通する点で、第１の実施形態に係る熱交換器１００とは相違する。

熱交換器３００は、ＥＧＲガスとエンジン冷却水との間で熱交換を行う積層コア１０と、積層コア１０を積層方向に拘束する拘束部材としてのクリップ２０と、積層コア１０が収容されて内部をエンジン冷却水が流通するケース３３０と、を備える。

積層コア１０を構成するチューブ１１は、ＥＧＲガスが供給方向（図７では右から左）に流通する複数の供給用チューブ１１ｅと、ＥＧＲガスが排出方向（図７では左から右）に流通する複数の排出用チューブ１１ｆと、からなる。複数の供給用チューブ１１ｅは、積層してまとめられる。複数の排出用チューブ１１ｆも同様に、積層してまとめられる。積層してまとめられた供給用チューブ１１ｅと排出用チューブ１１ｆとは、積層方向（図７では上下方向）に更に積層される。

ＥＧＲガスが給排されるヘッダ部材１６内における供給用チューブ１１ｅと排出用チューブ１１ｆとの間には、ヘッダ部材１６内を供給流路３７と排出流路３８とに仕切る仕切部材としての仕切板１５が設けられる。仕切板１５は、板状に形成されるが、供給流路３７と排出流路３８とを仕切れればよいため、板状に限られるものではない。

ケース３３０は、積層コア１０を収装するケース本体３３１を有する。ケース本体３３１は、開口部３１ａから挿入される積層コア１０を覆うような筒状に形成される。ケース本体３３１は、ヘッダ部材１７の先端を覆うように形成されるガイド部３５を有する。ガイド部３５は、供給用チューブ１１ｅから導かれるＥＧＲガスを方向転換して排出用チューブ１１ｆに案内する方向転換流路３６を形成する。なお、ガイド部３５は、ケース本体３３１と一体に形成されるのではなく、ケース本体３３１とは別体に設けられてケース本体３３１に取り付けられる態様であってもよい。

以上の第３の実施形態によってもまた、第１及び第２の実施形態と同様の効果を奏する。このように、クリップ２０は、ＥＧＲガスが一方向に流通する熱交換器１００，２００だけでなく、ＥＧＲガスがケース３３０内で折り返すように流通する熱交換器３００においても有効である。

以上、本発明の実施形態について説明したが、上記実施形態は本発明の適用例の一部を示したに過ぎず、本発明の技術的範囲を上記実施形態の具体的構成に限定する趣旨ではない。

例えば、上記実施形態に係る熱交換器１００，２００，３００は、ＥＧＲクーラに限らず、車両に搭載されるチャージエアクーラなどの熱交換器にも適用できる。また、車両以外に使用される熱交換器にも適用できる。

また、上記実施形態では、ケース本体３１は、積層コア１０と比較して熱膨張率の小さな材料によって形成されるが、これに限らず、ケース本体３１を、積層コア１０と比較して熱膨張率の大きな材料によって形成してもよい。この場合にも、クリップ２０に板ばね部２１が設けられることによって、積層コア１０をケース３０，２３０，３３０に対して常に保持することができる。

１００ 熱交換器
２００ 熱交換器
３００ 熱交換器
１０ 積層コア
１１ チューブ
１２ インナーフィン
１３ プレート
１６ ヘッダ部材
１７ ヘッダ部材
２０ クリップ（拘束部材）
２１ 板ばね部（弾性支持部）
３０ ケース
２３０ ケース
２３１ 第１ケース
２３２ 第２ケース
３３０ ケース

Claims (6)

1. 第１の流体と第２の流体との間で熱交換を行う熱交換器であって、
   積層される複数のチューブと、
   前記複数のチューブを積層方向に拘束して積層コアを形成する拘束部材と、を備え、
   前記拘束部材は、前記積層コアの積層方向に沿う一対の側面のうち一方を開放するように形成され、
   各々の前記チューブ内には、第１の流体が流通する流路が形成され、
   前記複数のチューブ間には、第２の流体が流通する流路が形成されることを特徴とする熱交換器。
2. 請求項１に記載の熱交換器であって、
   前記積層コアが収容されて内側を第２の流体が流通するケースを更に備え、
   前記拘束部材は、前記ケースに対して前記積層コアを弾性的に支持する弾性支持部を有することを特徴とする熱交換器。
3. 請求項２に記載の熱交換器であって、
   前記弾性支持部は、前記積層コアを積層方向に支持することを特徴とする熱交換器。
4. 請求項２又は３に記載の熱交換器であって、
   前記積層コアと前記ケースとは、熱膨張率の異なる材料によって形成されることを特徴とする熱交換器。
5. 請求項４に記載の熱交換器であって、
   前記積層コアは、金属材料によって形成され、
   前記ケースは、樹脂材料によって形成されることを特徴とする熱交換器。
6. 請求項２から５のいずれか一つに記載の熱交換器であって、
   前記弾性支持部は、前記拘束部材の前記ケースへの挿入方向における後方に向けて前記積層コアの外側に突出するように形成されることを特徴とする熱交換器。

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