JP3903869B2

JP3903869B2 - 排気熱交換器

Info

Publication number: JP3903869B2
Application number: JP2002216040A
Authority: JP
Inventors: 明宏前田; 孝幸林
Original assignee: Denso Corp
Current assignee: Denso Corp
Priority date: 2001-07-26
Filing date: 2002-07-25
Publication date: 2007-04-11
Anticipated expiration: 2022-07-25
Also published as: JP2003106790A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、燃焼により発生した排気と水などの冷却流体との間で熱交換を行う排気熱交換器に関するもので、ＥＧＲ（排気再循環装置）用の排気を冷却する排気熱交換器（以下、ＥＧＲガス熱交換器と呼ぶ。）に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来、ＥＧＲガス熱交換器としては、図８に示すように、タンク１０２の内部に、積層された複数本の排気チューブ１０１が納められた構造のものが知られている。チューブ１０１の両端部はコアプレート１３０に挿通され、接合される。コアプレート１３０の周縁部はタンク１０２側に折り曲げられ、タンク１０２の外壁面と接合される。コアプレート１３０によってタンク１０２は閉塞され、タンク１０２内部の冷却水通路とボンネット１０６とは区画される。タンク１０２の壁面には冷却水入口管１０４および冷却水出口管（図示せず）が接続されており、タンク１０２内部に冷却水を流出入させる。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、接合強度を得るために、コアプレート１３０の周縁部とタンク１０２との間には十分な接合面積が必要とされる。図８に示されたように、コアプレート１３０の周縁部がタンク１０２側に折り曲げられた構造であると、コアプレート１３０から離れた位置（コアプレート１３０から冷却水入口管１０４までの距離ｌが約２０〜３０ｍｍとなる位置）にしか冷却水入口管１０４もしくは冷却水出口管を設けることができない。そのため、冷却水通路の、冷却水入口管１０４（もしくは冷却水出口管）と、コアプレート１３０との間の部分において、冷却水流れが淀みやすくなってしまう。その結果、熱交換効率が低下し、コアプレート１３０近傍において冷却水の沸騰が発生しやすくなってしまうといった問題点があった。
【０００４】
そこで、本発明は、コアプレートとタンクとを接合させる熱交換器において、冷却水入口管および冷却水出口管をコアプレートに近接して配し、熱交換効率および耐沸騰性を向上させることを目的とする。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
本発明は、上記目的を達成するために以下の技術的手段を採用する。請求項１記載の発明では、前記コアプレートの周縁部は前記ボンネット側に折り曲げられており、前記タンクの内周面と接合する第１接合部を有することを特徴とすることを特徴とする。
【０００６】
上述した請求項１の発明によれば、コアプレートの周縁部はボンネット側に折り曲げられているので、冷却水入口管もしくは冷却水出口管をコアプレートに近接して接続することができる。そのため、冷却水通路において、冷却水流れはコアプレートに沿った流れとなり、冷却水流れの淀みの発生、及び耐沸騰性を抑制することができる。また、コアプレートはタンク内壁面と接合されるため、十分な接合面積を確保しつつ、冷却水入口管もしくは冷却水出口管をコアプレートに近接して接続する構造とすることができる。
【０００７】
ところで、チューブの排気流れ上流側を、より高温の排気ガスが通過するため、チューブの排気流れ上流側で冷却水によどみが生じると、冷却水の沸騰が起こりやすい。そこで、請求項２の発明によれば、チューブの排気流れ上流側に配されるコアプレートに近接して冷却水入口管を接続することができ、より高温の排気ガスが通過するチューブ上流側端部近傍においても冷却水を淀みなく流すことができ、冷却水の沸騰を抑制することができる。
【０００８】
さらに、請求項３の発明によれば、前記第１壁部と前記平坦部との間の折曲部が曲面形状となっていたとしても、タンクの端部にはテーパ面が形成されているので、タンク内壁面と第１壁部とを当接させることができ、ろう付け性を向上させることができる。
【００１０】
また、請求項４の発明によれば、冷却水入口管もしくは冷却水出口管をコアプレート近傍に接続するので、冷却水通路において、冷却水流れはコアプレートに沿った流れとなり、冷却水の流れの淀みの発生を抑制することができ、耐沸騰性を向上させることができる。その結果、熱交換性能を向上させることができる。また、コアプレートはタンク内壁面と接合されるため、十分な接合面積を確保することができる。特に、請求項５の発明に記載した位置に冷却水入口管もしくは冷却水出口管を接続させるのが望ましい。
【００１１】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施形態を、本発明に係る排気熱交換装置をディーゼルエンジン（内燃機関）用のＥＧＲガス冷却装置に適用したものであり、図１は本実施形態に係る排気熱交換器（以下、ＥＧＲガス熱交換器と呼ぶ。）１００を用いたＥＧＲ（排気再循環装置）の模式図である。図１中、２００はディーゼルエンジン（以下、エンジンと略す。）であり、２１０はエンジン２００から排出される排気の一部をエンジンの吸気側に貫流させる排気再循環管である。
【００１２】
２２０は排気再循環管２１０の排気流れ途中に配設されて、エンジン２００の稼動状態に応じてＥＧＲガス量を調節する周知のＥＧＲバルブであり、ＥＧＲガス熱交換器１００は、エンジン２００の排気側とＥＧＲバルブ２２０との間に配設されてＥＧＲガスとエンジン冷却水（以下、冷却水と略す。）との間で熱交換を行い、ＥＧＲガスを冷却する。
【００１３】
続いて、ＥＧＲガス熱交換器１００の構造について述べる。なお、従来技術とほぼ同様の構造を有する構成には同一の符号を付した。図２はＥＧＲガス熱交換器１００を示す一部破断図であり、図３は図２（ａ）中ＩＶ―ＩＶ線断面図である。
【００１４】
１０１は内部を排気が流れる排気チューブであり、偏平な略矩形の断面形状を有する。排気チューブ１０１は、対抗して嵌め合わされるプレート１１１ａ、１１１ｂ、およびチューブ１０１の内部に配されるインナーフィン１０１ｂとからなる。プレート１１１ａ、１１１ｂには外方に突出するリブ１０８が形成されている。対向するチューブ１０１の壁面に形成されたリブ１０８同士は当接しており、各チューブ１０１の間隔を所定間隔となるように保持するとともに、冷却水通路の耐圧性を高めている。
【００１５】
１０２は筒形状のタンクであり、その断面は略矩形形状を有する。タンク１０２は、プレート１０２ａ、１０２ｂを嵌め合わせ、嵌合部１０２ｄをろう付けによって接合することにより形成される。プレート１０２ａ、１０２ｂの一端には外方に突出する段差１０２ｃが形成されており、この段差１０２ｃに、他方のプレート１０２ｂ（１０２ａ）の段差が形成されていない端部がはめ込まれる。なお、一方の嵌合部１０２ｄではプレート１０２ａが外側となるように、他方の嵌合部１０２ｄではプレート１０２ｂが外側となるように、プレート１０２ａ、１０２ｂは嵌め合わされている。
【００１６】
タンク１０２の両端はコアプレート１０３によって閉塞されている。コアプレート１０３には開口部が形成されており、コアプレート１０３の開口部には、タンク１０２内部に納められた各チューブ１０１の両端部がコアプレート１０３に捜通され、ろう付けにより接合される。
【００１７】
チューブ１０１の上流側端部が配される側のタンク１０２の端部には冷却水入口管１０４がコアプレート１０３に近接して接続されており、この冷却水入口管１０４を介して冷却水はタンク１０２内部に流入する。タンク１０２の他端には、冷却水をタンク１０２外部へと流出させる冷却水出口管１０５がコアプレート１０３に近接して接続されており、タンク１０２の内部は冷却水通路となっている。なお、タンク１０２の内部において、冷却水の主流は、排気チューブ１０１を通過する排気流れとほぼ同じ方向に流れている。
【００１８】
冷却水入口管１０４および冷却水出口管１０５は、コアプレート１０３までの距離（ｌ−ｔ）が冷却水入口管１０４、冷却水出口管１０５の半径ｄ／２と略等しくなるような位置に接続されている。ｌとはコアプレート１０３のボンネット（後述する）側の面から冷却水入口管１０４、冷却水出口管１０５の中心間での距離であり、ｔとはコアプレート１０３の板厚である。なお、ｌ、ｔ、ｄは、図８に示すｌ、ｔ、ｄと同一であるため、図２における図示は省略する。
【００１９】
コアプレート１０３を挟んで、熱交換コア１１０の反対側となる、タンク１０２の長手方向両端部にはボンネット１０６，１０７が接続されており、ボンネット１０６，１０７の周囲を覆うようにコアプレート１０３は熱交換コア１１０とは反対側に折り曲げられ、ろう付けされる。冷却水入口管１０４側に配されるボンネット１０６端部には、排気ガスをボンネット１０６に導入する排気入口１０６ａが形成されており、冷却水出口管１０５側に配されるボンネット１０７端部には、排気ガスをボンネット１０７から外部へと導出する排気出口１０７ａが形成される。ボンネット１０６、１０７は熱交換コア１１０側となるにつれて徐々に流路面積が増大するような略四角錐形状を有しており、各排気チューブ１１０への排気ガスの分配を良好なものとしている。
【００２０】
ＥＧＲガス熱交換器１００において排気入口１０６ａから導入された排気ガスはボンネット１０６を通過し、各チューブ１０１内を通過する。チューブ１０１の周囲を流れる冷却水によって冷却された排気ガスはボンネット１０７を通過し、排気出口１０７ａから導出される。一方、冷却水は、冷却水入口管１０４を介してタンク１０２内部に流入する。タンク１０２内部において、チューブ１０１を通過する排気ガスを冷却し、冷却水出口管１０５を介して外部へと流出する。
【００２１】
以下、本発明の要部であるコアプレート１０３について説明する。
【００２２】
コアプレート１０３の周縁部は、ボンネット１０６、１０７側に伸びるように略クランク状に折り曲げられており、チューブ１０１が接続される根付部１０１ａから外縁部にかけて、第１壁部１０３ａ、平坦部１０３ｂ、第２壁部１０３ｃを有している。第１壁部１０３ａはタンク１０２の内壁面と当接しており、タンク１０２との接合部となっている。第１壁部１０３ａと連続する平坦部１０３ｂには、プレート１０２ａ、１０２ｂの端部が当接する。最も外周縁部となる第２壁部１０３ｃはボンネット１０６、１０７の外壁面と当接しており、ボンネット１０６、１０７との接合部となっている。
【００２３】
平坦部１０３ｂと当接するプレート１０２ａ、１０２ｂの端部はつぶされており、第１壁部１０３ａと平坦部１０３ｂとの間の折曲部１０３ｄの曲げＲと干渉しない角度を有するテーパ面１２０が形成されている。
【００２４】
続いて、ＥＧＲガス熱交換器１００の製造方法について述べる。
【００２５】
インナーフィン１０１ｂを挟みこむように、第１、第２プレート１１１ａ、１１１ｂを嵌め合わせ、チューブ１０１を積層し、プレート１０２ａ、１０２ｂを嵌め合わせたタンク１０２の内部に納められる。タンク１０２の内壁面にはリブ１０９が形成されており、最外側のチューブ１０１のリブ１０８と当接する。チューブ１０１の両端をコアプレート１０３に挿通するとともに、タンク１０２の両端部を閉塞するようにコアプレート１０３を組付ける。この際、第１壁部１０３ａがタンク１０２の内壁面に、平坦部１０３ｂがプレート１０２ａ、１０２ｂの端部に当接するようにコアプレート１０３をタンク１０２に組み付ける。
【００２６】
続いて、第２壁部１０３ｃがボンネット１０６、１０７の外壁面と当接するように、コアプレート１０３にボンネット１０６、１０７を組み付け、タンク１０２に冷却水入口管１０４および冷却水出口管１０５を組み付ける。このようにして各部材を組み付けた後、熱交換器１００はろう付けされる。
【００２７】
本実施の形態では、コアプレート１０３はボンネット１０６、１０７に向かって折り曲げられ、第１壁部１０３ａにおいてタンク１０２の内壁面とろう付けされるため、冷却水入口管１０４および冷却水出口管１０５をコアプレート１０３に近接する位置でタンク１０２に接続することができる。そのため、タンク１０２内部へと流入、もしくはタンク１０２から流出する冷却水流れをコアプレート１０３に沿った流れとすることができ、タンク１０２内部における冷却水の淀みを抑制することができる。その結果、排気ガスとの熱交換に寄与しない冷却水を減らすことができ、熱交換性能を向上させることができる。
【００２８】
特に、チューブ１０１の排気流れ上流側は、より高温の排気ガスが通過するので、チューブ１０１の排気流れ上流側端部（冷却水入口管１０４側）において冷却水の淀みが発生すると、冷却水の沸騰が起こりやすい。しかしながら、本実施の形態によれば、冷却水入口管１０４はコアプレート１０３に近接して配されるので、排気流れ上流側における淀みの発生が抑制され、冷却水の沸騰を抑制することができる。
【００２９】
ところで、コアプレート１０３の周縁部は、第１壁部１０３ａ、第２壁部１０３ｃはチューブ根付部１０１ａ、平坦部１０３ｂに対して略垂直な方向に伸びるようにプレス成形などによって折り曲げ成形される。しかし、第１壁部１０３ａと平坦部１０３ｂとの間の折曲部１０３ｄとして、曲げＲが０となるよう曲げることは実質的に製造上困難であり、図４〜７に示すように曲面を有する形状となる。
【００３０】
タンク１０２を構成するプレート１０２’ａ、１０２’ｂが平板形状であると、プレート１０２’ｂ（１０２’ａ）の端部の角部が折曲部１０３ｄにあたってしまうので、図６に示すように、第１壁部１０３ａをタンク１０２の内壁面に当接させると、平坦部１０３ｂにプレート１０２’ｂ（１０２’ａ）の端部を当接させることができず、平坦部１０３ｂとプレート１０２’ｂ（１０２’ａ）の端部との間に隙間ができてしまう。
【００３１】
しかしながら、本実施の形態によれば、プレート１０２ｂ（１０２ａ）の端部にはテーパ面１２０が形成されているので、図４に示すように、プレート１０２ｂ（１０２ａ）の端部は折曲部１０３ｄと干渉しない。そのため、折曲部１０３ｄが曲面を有していても、タンク１０２の内壁面に第１壁部１０３ａを当接させながら、プレート１０２ｂ（１０２ａ）の端部を平坦部１０３ｂに当接させることができ、良好なろう付け性を得ることができる。
【００３２】
段差１０２ｃは、プレート１０２ａ，１０２ｂの一端を折り曲げ成形することによって形成されるが、この段差１０２ｃの曲げＲが０となるように曲げることは製造上、実質的に困難である。そのため、段差１０２ｃの付け根の部分に、内側に嵌めこまれるプレート１０２ｂ（１０２ａ）の端部を当接させることができず、嵌合部１０２ｄにおいて外側に配されるプレート１０２ａとコアプレート１０３の第１壁部１０３ａとの間には隙間ができる。
【００３３】
ところで、図３に示すように、一方の嵌合部１０２ｄではプレート１０２’ａが外側となるように、他方の嵌合部１０２ｄではプレート１０２’ｂが外側となるように、プレート１０２’ａ、１０２’ｂが嵌め合わされているので、タンク１０２を構成するプレートとして、図７に示すような平板プレート１０２’ａ、１０２’ｂを用いる場合、図７において外側に位置するプレート１０２’ａは、他方の嵌合部１０２ｄでは内側に位置する。そのため、プレート１０２’ａの端部を平坦部１０３ｂに当接させることができない。したがって、図７において内側に配されたプレート１０２’ｂと同様に、平坦部１０３ｂと当接せず、プレート１０２’ａと平坦部１０３ｂとの間にも隙間ができてしまう。
【００３４】
しかしながら、本実施の形態によれば、図５に示すように、段差１０２ｃの付け根の部分（図３中ＶＩ−ＶＩ線で示される部分）においても外側のプレート１０２ａの端部も平坦部１０３ｂに当接することができるので、ろう付け性を向上させることができる。
【００３５】
以上述べたように、コアプレート１０３の平坦部１０３ｂと当接するプレート１０２ａ、１０２ｂの端部にテーパ面１２０を形成することによって、コアプレート１０３とタンク１０２とのろう付けを確実に行うことができ、ろう付け不良による冷却水通路と排気通路との間の漏れを防止することができる。
【００３６】
なお、上述した実施の形態では、１組のプレートを嵌め合わせるタンク、および１組のプレートを嵌め合わせるチューブを有するＥＧＲガス熱交換器について述べたが、チューブ及びタンクの構造は特に限定されない。また、チューブの積層本数、列についても特に限定されない。さらに、インナーフィンに熱交換性能を向上させるためのルーバを設けてもよい。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施形態おけるＥＧＲガス熱交換器を用いたＥＧＲガス冷却装置の模式図である。
【図２】図２（ａ）は本発明の実施形態におけるＥＧＲガス熱交換器を示す一部破断図であり、図２（ｂ）は図２（ａ）中ＩＩＩ−ＩＩＩ線断面を含む一部破断図である。
【図３】図２（ａ）中ＩＶ―ＩＶ線断面図である。
【図４】本発明のコアプレートの要部拡大図であり、図３中Ｖ−Ｖ線断面図である。
【図５】本発明のコアプレートの要部拡大図であり、図３中ＶＩ−ＶＩ線断面図である。
【図６】プレートが平板形状である場合の、図３中Ｖ−Ｖ線断面図である。
【図７】プレートが平板形状である場合の、図３中ＶＩ−ＶＩ線断面図である。
【図８】従来技術を示す一部破断図である。
【符号の説明】
１００…ＥＧＲガス熱交換器
１０１…チューブ
１０２…タンク
１０２ａ、１０２ｂ…プレート
１０３…コアプレート
１０３ａ…第１壁部
１０３ｂ…平坦部
１０３ｃ…第２壁部
１０４…冷却水入口管
１０５…冷却水出口管
１０６、１０７…ボンネット

Claims

互いにほぼ平行となるように積層され、内燃機関の排気ガスが通過する複数のチューブと、
これらのチューブを内部に納めたタンクと、
このタンクの内部に形成され、前記排気通路の周囲を冷却水が流れる冷却水通路と、
前記タンクに接続され、前記冷却水通路内に冷却水を流入させる冷却水入口管と、
前記タンクに接続され、前記冷却水通路から冷却水を流出させる冷却水出口管と、
前記チューブの端部と連結し、前記複数のチューブへと排気ガスを分配する、または前記複数のチューブを通過した排気ガスを集めるボンネットと、
前記チューブの両端が挿通され、前記ボンネットと前記冷却水通路とを区画するコアプレートとを有する排気熱交換器であって、
前記タンクは対向するように嵌め合わされた１組のプレートからなり、これらのプレート同士の嵌合部において、外側に配される前記プレートには外方へ突出する段差が形成されており、
前記コアプレートの周縁部は前記ボンネット側にクランク状に折り曲げられ、
前記タンクの内周面と接合する第１壁部と、この第１壁部と連続して設けられ、前記プレート同士の嵌合部において外側に配される前記プレートの端部が当接する平坦部と、この平坦部よりも外周側に配され、前記ボンネットと接合される第２壁部とを有することを特徴とする排気熱交換器。
前記コアプレートのうち前記チューブの排気流れ上流側端部が接続される前記コアプレートの周縁部が前記ボンネット側に折り曲げられていることを特徴とする請求項１記載の排気熱交換器。
前記プレートの、前記平坦部と接合する端部に前記第１壁部と前記平坦部との間の折曲部のＲと干渉しない角度を有するテーパ面が形成されていることを特徴とする請求項１または２記載の排気熱交換器。
前記冷却水入口管もしくは前記冷却水出口管から前記コアプレートまでの距離が前記冷却水入口管の直径もしくは前記冷却水出口管の直径以下となる位置に、前記冷却水入口管もしくは前記冷却水出口管が接続されていることを特徴とする請求項１ないし３のうちいずれか１つに記載の排気熱交換器。
前記冷却水入口管もしくは前記冷却水出口管から前記コアプレートまでの距離が前記冷却水入口管の半径もしくは前記冷却水出口管の半径とほぼ等しくなる位置に、前記冷却水入口管もしくは前記冷却水出口管が接続されていることを特徴とする請求項４記載の排気熱交換器。