JP3250454B2

JP3250454B2 - 二重管

Info

Publication number: JP3250454B2
Application number: JP11084296A
Authority: JP
Inventors: 義正渡辺
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 1996-05-01
Filing date: 1996-05-01
Publication date: 2002-01-28
Anticipated expiration: 2016-05-01
Also published as: JPH09296723A

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は二重管に関する。

【０００２】

【従来の技術】従来より、内管および外管を備えた内燃
機関の排気二重管であって、各内管および外管間に環状
の断熱層を形成した排気二重管が知られている。この排
気二重管では、排気二重管からの排気ガスの放熱量をで
きるだけ小さくして排気二重管下流に設けられる触媒が
排気ガスによって速やかに加熱されるようにしている。

【０００３】ところが、このように二重管を構成すると
内管と外管間に大きな温度差が生じ、このため内管と外
管間に大きな熱膨張量差が生ずる。そこで、各内管を上
流端に設けられた固定支持部おいてそれぞれ対応する外
管に固定し、下流端に設けられた摺動支持部において外
管により、軸線方向に摺動可能に支持した排気二重管が
公知である（特開平６−１０１４６８号公報参照）。こ
のように、内管を外管により軸線方向に摺動可能に支持
すると軸線方向の熱膨張差を吸収することができる。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上述の
排気二重管では摺動支持部に位置する内管および外管が
枝管の軸線に対し平行に延びており、このため内管と外
管間に生じている大きな半径方向の熱膨張差を吸収する
ことができず、その結果内管に好ましくない応力集中が
生じて内管が塑性変形しまたは内管に亀裂が生ずる恐れ
があるという問題点がある。

【０００５】

【課題を解決するための手段】上記課題を解決するため
に本発明によれば、内管および外管を備えた二重管であ
って、内管を固定支持部において外管に固定し、かつ二
重管の一端に設けられた摺動支持部において該外管によ
り摺動可能に支持した二重管において、摺動支持部に位
置する内管および外管を外側に向け拡開するよう二重管
の軸線に対し傾斜させている。すなわち、内管と外管間
の、軸線方向の熱膨張差と半径方向の熱膨張差との両方
が吸収される。

【０００６】

【発明の実施の形態】図１に本発明を、内燃機関の排気
マニホルドの枝管に適用した場合を示す。しかしなが
ら、本発明を他の用途の二重管に適用することもでき
る。図１を参照すると、排気マニホルド１は、それぞれ
対応する内燃機関の気筒に接続される３つの枝管２ａ，
２ｂ，２ｃを具備する。これら枝管２ａ，２ｂ，２ｃは
共通のフランジ３を介して機関本体（図示しない）に接
続される。また、これら枝管２ａ，２ｂ，２ｃは共通の
集合管４に接続され、集合管４はフランジ５を介して触
媒を収容した触媒コンバータ（図示しない）に接続され
る。

【０００７】図１に示されるように各枝管２ａ，２ｂ，
２ｃは二重管から構成される。すなわち、枝管２ａは内
管６ａと外管７ａとを備え、枝管２ｂは内管６ｂと外管
７ｂとを備え、枝管２ｃは内管６ｃと外管７ｃとを備え
ている。各枝管２ａ，２ｂ，２ｃは、外管７ａ，７ｂ，
７ｃが上流端においてフランジ３に、下流端において集
合管４に、例えば溶接により結合されることによりこれ
らフランジ３および集合管４にそれぞれ固定される。

【０００８】各内管６ａ，６ｂ，６ｃは環状の固定支持
部８ａ，８ｂ，８ｃにおいてそれぞれ対応する外管７
ａ，７ｂ，７ｃに例えば溶接により固定される。また、
各内管６ａ，６ｂ，６ｃは環状の摺動支持部９ａ，９
ｂ，９ｃにおいてそれぞれ対応する外管７ａ，７ｂ，７
ｃにより、軸線方向に摺動可能に支持される。したがっ
て、内管６ａ，６ｂ，６ｃが好ましくなく移動したり、
或いは振動するのが阻止される。

【０００９】本実施態様において、各固定支持部８ａ，
８ｂ，８ｃおよび各摺動支持部９ａ，９ｂ，９ｃにおい
て内管６ａ，６ｂ，６ｃは外管７ａ，７ｂ，７ｃに直接
的に支持されており、すなわち内管６ａ，６ｂ，６ｃと
外管７ａ，７ｂ，７ｃ間に中間部材が介在することなく
内管６ａ，６ｂ，６ｃが外管７ａ，７ｂ，７ｃにより支
持されている。

【００１０】図１に示す例では各固定支持部８ａ，８
ｂ，８ｃは内管６ａ，６ｂ，６ｃおよび外管７ａ，７
ｂ，７ｃの上流端に、摺動支持部９ａ，９ｂ，９ｃは内
管６ａ，６ｂ，６ｃおよび外管７ａ，７ｂ，７ｃの下流
端にそれぞれ設けられる。各枝管２ａ，２ｂ，２ｃにお
いて、機関本体に隣接する上流端のほうが下流端よりも
温度が低くなっている。したがって本実施態様のように
固定支持部８ａ，８ｂ，８ｃを各枝管２ａ，２ｂ，２ｃ
の上流端に設けることによって溶接部が著しく劣化する
のが阻止されている。

【００１１】図１に示されるように、枝管２ｂの軸線Ｌ
ｂの長さと、枝管２ｃの軸線Ｌｃの長さとはほぼ等しく
定められ、これに対し枝管２ａの軸線Ｌａの長さは枝管
２ｂ，２ｃの軸線Ｌｂ，Ｌｃの長さよりも長く定められ
ている。各外管７ａ，７ｂ，７ｃの肉厚は互いにほぼ等
しく定められている。一方、内管６ｂ，６ｃの肉厚は互
いにほぼ等しく定められており、しかしながら内管６ａ
の肉厚は内管６ｂ，６ｃの肉厚よりも大きく定められて
いる。さらに、内管６ａ，６ｂ，６ｃの肉厚は外管７
ａ，７ｂ，７ｃの肉厚よりも小さく定められている。

【００１２】さらに図１を参照すると、各内管６ａ，６
ｂ，６ｃとそれぞれ対応する外管７ａ，７ｂ，７ｃとは
互いに離間して配置されており、これら内管６ａ，６
ｂ，６ｃと外管７ａ，７ｂ，７ｃ間に環状の断熱層１０
ａ，１０ｂ，１０ｃがそれぞれ設けられる。本実施態様
において断熱層は空気層から形成されるが、内管６ａ，
６ｂ，６ｃと外管７ａ，７ｂ，７ｃ間の間隙に別の流体
または粉粒体などを充填して断熱層を形成することもで
きる。

【００１３】枝管２ａのように軸線方向長さが比較的長
い枝管には通常、湾曲部１１が設けられる。ところがこ
のような湾曲部１１を設けると湾曲部１１において枝管
２ａの曲げ剛性が低くなる。そこで、湾曲部１１におけ
る枝管２ａの断面を楕円状にし、それによって湾曲部１
１における枝管２ａの曲げ剛性が低下するのを阻止する
ようにしている。

【００１４】ところで、機関始動時、特に冷間始動時に
は排気マニホルド１下流の触媒がその活性温度になって
いない場合があり、この状態で排気ガスを触媒に導いて
も排気ガスを良好に浄化することができない恐れがあ
る。そこで、図１の排気マニホルドでは内管６ａ，６
ｂ，６ｃと外管７ａ，７ｂ，７ｃ間に断熱層１０ａ，１
０ｂ，１０ｃをそれぞれ設け、それによって排気マニホ
ルド１を介し放熱される排気ガスの熱量が小さくなるよ
うにしている。また、内管６ａ，６ｂ，６ｃの肉厚を比
較的小さくしてこれら内管６ａ，６ｂ，６ｃの熱容量が
大きくなるようにし、外管７ａ，７ｂ，７ｃの肉厚を比
較的大きくしてこれら外管７ａ，７ｂ，７ｃの熱容量が
小さくなるようにし、それによっても排気マニホルド１
内を流通した排気ガスの温度低下が小さくなるようにし
ている。その結果、触媒を速やかに活性温度まで昇温す
ることができ、したがって排気ガスの良好な浄化を確保
することができる。

【００１５】このようにして排気マニホルド１からの放
熱量を低減するようにすると内管６ａ，６ｂ，６ｃの温
度が外管７ａ，７ｂ，７ｃの温度よりも大幅に高くな
り、その結果内管６ａ，６ｂ，６ｃの軸線方向熱膨張量
が外管７ａ，７ｂ，７ｃの軸線方向熱膨張量よりも大幅
に大きくなる。したがって、例えば内管６ａ，６ｂ，６
ｃの両端を外管７ａ，７ｂ，７ｃに溶接して固定すると
内管６ａ，６ｂ，６ｃと外管７ａ，７ｂ，７ｃ間の軸線
方向熱膨張量差によって内管６ａ，６ｂ，６ｃの、例え
ば溶接部や湾曲部などに応力が集中して作用し、斯くし
て内管６ａ，６ｂ，６ｃが塑性変形し、または内管６
ａ，６ｂ，６ｃに亀裂が生ずる恐れがある。

【００１６】そこで、枝管２ａ，２ｂ，２ｃの下流端に
摺動支持部９ａ，９ｂ，９ｃを設けてこれら摺動支持部
９ａ，９ｂ，９ｃにおいて内管６ａ，６ｂ，６ｃを軸線
方向に、外管７ａ，７ｂ，７ｃに対し相対移動可能に支
持している。すなわち、枝管２ａ，２ｂ，２ｃの温度が
高くなって内管６ａ，６ｂ，６ｃの軸線方向の熱膨張量
が外管７ａ，７ｂ，７ｃよりも大きくなると内管６ａ，
６ｂ，６ｃが外管７ａ，７ｂ，７ｃに支持されつつ摺動
支持部９ａ，９ｂ，９ｃにおいて軸線方向に摺動するよ
うになる。その結果、内管６ａ，６ｂ，６ｃが外管７
ａ，７ｂ，７ｃに対して相対移動して軸線方向の熱膨張
差が吸収される。したがって、内管６ａ，６ｂ，６ｃに
応力集中部位が生ずるのが阻止される。

【００１７】ところが、冒頭で述べたように、内管６
ａ，６ｂ，６ｃと外管７ａ，７ｂ，７ｃ間には半径方向
にも大きな熱膨張差が生じている。したがって、摺動支
持部９ａ，９ｂ，９ｃに位置する内管６ａ，６ｂ，６ｃ
および外管７ａ，７ｂ，７ｃが枝管の軸線に対し平行に
延びている場合にはこの大きな半径方向熱膨張差を吸収
することができない。その結果、内管６ａ，６ｂ，６ｃ
に好ましくない応力集中が生じて内管６ａ，６ｂ，６ｃ
が塑性変形しまたは内管に亀裂が生ずる恐れがある。

【００１８】また、このように内管６ａ，６ｂ，６ｃを
外管７ａ，７ｂ，７ｃにより、摺動可能に支持した場
合、熱膨張でもって軸線方向に延びようとする内管６
ａ，６ｂ，６ｃの内部応力が、摺動支持部９ａ，９ｂ，
９ｃにおける内管６ａ，６ｂ，６ｃの外周面と外管７
ａ，７ｂ，７ｃの内周面間の摩擦力よりも大きくなると
はじめて内管６ａ，６ｂ，６ｃが外管７ａ，７ｂ，７ｃ
に対し相対移動しはじめる。言い換えると、内管６ａ，
６ｂ，６ｃの内部応力が摩擦力を克服しない限り内管６
ａ，６ｂ，６ｃが相対移動しない。しかしながら、上述
したように内管６ａ，６ｂ，６ｃと外管７ａ，７ｂ，７
ｃ間に大きな半径方向熱膨張差が生ずると摺動支持部９
ａ，９ｂ，９ｃに位置する内管６ａ，６ｂ，６ｃと外管
７ａ，７ｂ，７ｃ間の面圧が高くなって摩擦力が増大す
るようになる。この場合、内管６ａ，６ｂ，６ｃに応力
集中部位が生じて塑性変形しまたは内管６ａ，６ｂ，６
ｃに亀裂が生ずる恐れがある。

【００１９】そこで、本実施態様では図２（Ａ）および
（Ｂ）に示すように、各摺動支持部９ａ，９ｂ，９ｃに
位置する内管６ａ，６ｂ，６ｃおよび外管７ａ，７ｂ，
７ｃを外側、すなわち外管７ａ，７ｂ，７ｃに対する内
管６ａ，６ｂ，６ｃの相対移動方向に向けて拡開させて
いる。さらに言い換えると、摺動支持部９ａ，９ｂ，９
ｃに位置する内管６ａ，６ｂ，６ｃおよび外管７ａ，７
ｂ，７ｃを、排気下流側に向けて拡開させている。その
結果、内管６ａ，６ｂ，６ｃが軸線方向に熱膨張しつつ
半径方向にも熱膨張するときに内管６ａ，６ｂ，６ｃが
外管７ａ，７ｂ，７ｃに沿って軸線方向および半径方向
外側に摺動するようになる。すなわち、内管６ａ，６
ｂ，６ｃと外管７ａ，７ｂ，７ｃ間の軸線方向熱膨張差
だけでなく半径方向熱膨張差をも吸収することができる
ようになる。

【００２０】図２（Ａ）は枝管２ａの摺動支持部９ａを
示しており、図２（Ｂ）は枝管２ｂ，２ｃの摺動支持部
９ｂ，９ｃを示している。枝管２ｂ，２ｃの湾曲度が比
較的小さい場合には図２（Ｂ）に示されるように、摺動
支持部９ｂ，９ｃに位置する内管６ｂ，６ｃおよび外管
７ｂ，７ｃをそれぞれの全周にわたって軸線Ｌｂ，Ｌｃ
に対しＴＨＥＴＡだけ傾斜させている。すなわち、摺動
支持部９ｂ，９ｃに位置する内管６ｂ，６ｃおよび外管
７ｂ，７ｃの軸線Ｌｂ，Ｌｃに対するテーパ角がＴＨＥ
ＴＡとされている。

【００２１】ところで、枝管２ａのように湾曲部１１を
備えている場合、湾曲部１１よりも上流側に位置する内
管６ａの熱膨張によって内管６ａには応力Ｆが作用す
る。この応力Ｆは方向を維持しつつ摺動支持部９ａに位
置する内管６ａにも作用する。この場合、摺動支持部９
ｂ，９ｃと同様に内管６ａおよび外管７ａのテーパ角を
全周にわたって一定とすると軸線Ｌａに関し湾曲外側に
位置する内管６ａの湾曲外側部分６ａｏと外管７ａの湾
曲外側部分７ａｏ間の面圧が好ましくなく高くなり、一
方軸線Ｌａに関し湾曲内側に位置する内管６ａの湾曲内
側部分６ａｉが外管７ａの湾曲内側部分７ａｉから離れ
て内管６ａを良好に支持できなくなる恐れがある。

【００２２】そこで、図２（Ａ）に示されるように、摺
動支持部９ａに位置する内管６ａの湾曲内側部分６ａｉ
および外管７ａの湾曲内側部分７ａｉのテーパ角を比較
的小さなＴＨＥＴＡＩに定め、摺動支持部９ａに位置す
る内管６ａの湾曲外側部分６ａｏおよび外管７ａの湾曲
外側部分７ａｏのテーパ角を比較的大きなＴＨＥＴＡＯ
に定めている。その結果、湾曲ｂ１１を備えた枝管２ａ
においても内管６ａと外管７ａ間の軸線方向および半径
方向の熱膨張差を良好に吸収することができる。

【００２３】すなわち、すべての摺動支持部９ａ，９
ｂ，９ｃにおいて内管６ａ，６ｂ，６ｃと外管７ａ，７
ｂ，７ｃ間の軸線方向および半径方向の熱膨張差を良好
に吸収することができ、また内管６ａ，６ｂ，６ｃと外
管７ａ，７ｂ，７ｃ間の摩擦力が増大するのを阻止する
ことができる。したがって、内管６ａ，６ｂ，６ｃに塑
性変形または亀裂が生じるのを阻止することができ、斯
くして排気マニホルド１の耐久性および信頼性を向上さ
せることができる。

【００２４】図３は別の実施態様を示している。図３に
おいて図１の実施態様と同様の構成要素は同一の番号に
より示される。図３には枝管２ａの摺動支持部９ａのみ
が示されるが他の摺動支持部９ｂ，９ｃも同様に構成す
ることができる。上述の実施態様では、摺動支持部９
ａ，９ｂ，９ｃに位置する内管６ａ，６ｂ，６ｃと外管
７ａ，７ｂ，７ｃとは直接的に支持されている。これに
対し、本実施態様では図３に示されるように摺動支持部
９ａに位置する内管６ａと外管７ａ間に中間部材１２が
挿入されている。なお、中間部材１２は外管７ａに形成
される中間部材保持孔１３内に保持される。

【００２５】中間部材１２は例えばワイヤメッシュやグ
ラスウールなどから形成される。この中間部材１２は例
えば内管６ａを確実に支持するためのものであり、枝管
２ａ全体が大きく振動したととしても中間部材１２によ
って内管６ａの良好な支持作用が維持される。また、中
間部材１２を挿入することによって摺動支持部９ａにお
ける内管６ａから外管７ａへの伝熱量を低減することが
でき、したがって枝管２ａの断熱性能を確保することが
できる。

【００２６】ところで、摺動支持部９ａに位置する内管
６ａおよび外管７ａを軸線Ｌａに対しほぼ平行に形成し
た場合に内管６ａと外管７ａ間に中間部材１２を挿入す
ると、内管６ａの半径方向の熱膨張によって中間部材１
２に好ましくない大きな圧縮応力が作用する。上述した
ように摺動支持部９ａ周りの温度はかなり高く、このよ
うに高温下で中間部材１２に大きな圧縮応力が作用する
と中間部材１２の劣化が著しく速やかに進行し、好まし
くない。

【００２７】これに対して本実施態様では、摺動支持部
９ａに位置する内管６ａおよび外管７ａを外側に向けて
拡開させており、このため内管６ａと外管７ａ間の間隙
距離Ｄを、内管６ａの熱膨張量によらずほぼ一定に維持
することができる。その結果、内管６ａが半径方向に熱
膨張したときに中間部材１２に作用する応力が増大する
のを阻止することができる。したがって、中間部材１２
の劣化を低減することができる。その結果、内管６ａの
良好な支持作用および枝管２ａの良好な断熱性能を維持
することができる。

【００２８】これまで述べてきた実施態様では、各枝管
２ａ，２ｂ，２ｃの固定支持部８ａ，８ｂ，８ｃをそれ
ぞれ対応する枝管２ａ，２ｂ，２ｃの上流端に形成して
いる。しかしながら、これら固定支持部８ａ，８ｂ，８
ｃをそれぞれ対応する枝管２ａ，２ｂ，２ｃの上流端と
下流端間の中間部分に形成してもよい。或いは固定支持
部を枝管２ａ，２ｂ，２ｃの下流端に、摺動支持部９
ａ，９ｂ，９ｃを上流端に形成してもよい。

【００２９】また、これまで述べてきた実施態様では各
枝管に対し１つの固定支持部と１つの摺動支持部を設け
ている。しかしながら各枝管に対し複数の固定支持部お
よび複数の摺動支持部を設けてもよい。

【００３０】

【発明の効果】二重管の耐久性および信頼性を確保する
ことができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】排気マニホルドの全体を示す断面図である。

【図２】摺動支持部の部分拡大図である。

【図３】別の実施態様による摺動支持部の部分拡大図で
ある。

【符号の説明】

１…排気マニホルド１ａ…第１の枝管群１ｂ…第２の枝管群２ａ，２ｂ，２ｃ…枝管４…集合管６ａ，６ｂ，６ｃ…内管７ａ，７ｂ，７ｃ…外管８ａ，８ｂ，８ｃ…固定支持部９ａ，９ｂ，９ｃ…摺動支持部１０ａ，１０ｂ，１０ｃ…断熱層１２…弾性部材Ｌａ，Ｌｂ，Ｌｃ…軸線

Claims

(57)【特許請求の範囲】

【請求項１】内管および外管を備えた二重管であっ
て、内管を固定支持部において外管に固定し、かつ二重
管の一端に設けられた摺動支持部において該外管により
摺動可能に支持した二重管において、摺動支持部に位置
する内管および外管を外側に向け拡開するよう二重管の
軸線に対し傾斜させた二重管。