JP4006734B2 - 熱交換器 - Google Patents

Description

本発明は、熱交換器、特に排気熱交換器等の熱交換器であって、例えば排気ガス等の第１媒体を流通させることのできる管または管束等の多数の管等の流体通路と、例えば冷媒等の第２媒体を流通させることのできる例えばハウジング等の第２流体通路とを有し、管束の管端が管底と例えば素材接合的に結合され、また管底がハウジングと例えば素材接合的に結合されているものに関する。

排気熱交換器としてのこのような熱交換器は本出願人の特許文献１により公知である。この公知構造様式では管束の管端が管底の適宜な孔内に受容されて管底と溶接されている。両方の管底を有する管束がハウジング内に配置されており、管底は円周側でハウジング外殻と溶接されている。従って管は管底を介してハウジングと強固に結合されており、そのことから特定条件のとき熱応力が生じることがある。管の内側は高温の排気ガスが流通し、外側は低温の冷媒が流通し、冷媒はハウジングの内面もぐるりと洗浄する。例えば商用車用のこのような排気熱交換器の管長さが長い場合特に、管とハウジング外殻との膨張の違いがもはや許容できない応力を生じることがあり、そのことから例えば管底結合部の破壊が帰結することがある。
独国特許出願公開第１９９０７１６３号明細書

そこで本発明の課題は、熱交換器特に排気熱交換器等の熱交換器であって、例えば排気ガス等の第１媒体を流通させることのできる管束等の流体通路と、例えば冷媒等の第２媒体を流通させることのできるハウジング等の第２流体通路とを有し、管束の管端が管底と例えば素材接合的に結合され、また管底がハウジングと例えば素材接合的に結合されているものを改良して、膨張の違いに基づく熱応力が減少または防止され、熱交換器が車両における一般的な寿命を達成するようにすることである。

熱交換器、特に排気熱交換器等の熱交換器であって、例えば排気ガス等の第１媒体を流通させることのできる管束等の流体通路と、例えば冷媒等の第２媒体を流通させることのできるハウジング等の第２流体通路とを有し、管束の管端が管底と例えば素材接合的に結合され、また管底がハウジングと例えば素材接合的に結合されているものにおいてこの課題は、好ましくは、ハウジングが膨張要素を有することによって解決される。

発明を実施するための形態

その際、例えば金属ベローズ等の密封要素がハウジング上に配置されており、この密封要素が膨張要素を覆い隠して密封するのが望ましい。

また、膨張要素が密封要素と一体に構成されていると有利なことがある。

さらに、膨張要素が周方向ビードとして構成されているのが望ましい。

さらに、例えば金属ベローズ等の密封要素またはその他の例えばプラスチック製またはエラストマー製の密封要素がハウジング上に配置され、この密封要素が膨張要素を覆い隠して密封すると特別有利である。

また、膨張要素は密封要素と一体に構成し、例えば密封機能と膨張機能を同時に引き受ける周方向ビード等として構成しておくことができる。

その際、膨張要素が条溝を備えた少なくとも１つのハウジング領域であると有利である。その際、ハウジングまたはハウジング領域が、管の長手方向を横切ってハウジングの周方向に延びる条溝を膨張要素として有し、これらの条溝がそれぞれ周面の一部にわたってのみ延び、かつ軸線方向でずらして配置された条溝と周方向で部分的に重なり合うのが望ましい。

その際１実施例において、少なくとも２つの条溝を有する少なくとも１つの条溝群がハウジングに設けられていると望ましいことがある。少なくとも１つの条溝群が、熱交換器の長手方向に見てハウジングの中央領域に配置されていると有利である。また、少なくとも１つの条溝群が、熱交換器の長手方向に見てハウジングの一方の端領域もしくは端領域近傍に配置されていると有利である。

他の実施例において、２つの条溝群が設けられていると有利である。その際、２つの条溝群がハウジングの両方の端領域または端領域近傍に配置されていると有利なことがある。同様に、条溝群が少なくとも２つの条溝または多数の条溝、３つ、４つ、５つ、６つ等の条溝を有すると望ましいことがある。

本発明に係る他の考えによれば、ハウジング内または１つの条溝群内に４つの条溝が配置されており、２つの横平面の１つにおいて半分よりも少ない周面にわたってそれぞれ２つの条溝が延びており、一方の横平面の条溝のない領域に他方の横平面の条溝付き領域が向き合うと望ましいことがある。

本発明によれば他の実施例において、条溝群当り２つの条溝を配置する場合条溝は離間し、かつそれらの長さの部分領域において並んで延びて両者間に細い腹部を残すように構成されていると望ましい。

本発明の他の実施形態において、条溝群当り３つの条溝を配置する場合条溝は離間し、かつそれらの長さの部分領域において並んで延びてそれらの間に２つの細い腹部を残すように構成されていると望ましい。

また、ハウジングの周面にわたって見て１つの条溝群において少なくとも２つの腹部または３つ、４つ等の複数の腹部が形成されていると望ましいことがある。同様に、群当り２つの腹部を配置する場合１つの条溝群において腹部がハウジングの半径方向に見て向き合うと有利である。

さらに、群当り２つ以上の腹部を配置する場合１つの条溝群において腹部がハウジングの周方向に見て均一に分布しているのが望ましい。

ハウジングの４箇所で部分的に重なり合う４つの条溝によって４つの腹部が形成され、すなわち各２つの条溝が１つの領域で部分的に重なり合い、こうして腹部を形成すると有利である。

ハウジングの４箇所で部分的に重なり合う６つの条溝によって４×２の平行な腹部が形成されるのが望ましい。

また、条溝がそれらの端領域に滴形状を有するのが望ましい。

さらに、レーザ切断、ウォータジェット切断、ソーイング、フライス削り、放電加工または打抜きのうちの１つの方法で条溝がハウジングに設けられるのが望ましい。

また、膨張要素および／または密封要素が金属、鋼、エラストマー、シリコンのうちの１つの材料で形成されていると有利である。

同様に、膨張要素および／または密封要素が１つまたは２つのハウジング部分と結合され、またはこれらと一体に構成されているのが望ましい。

本発明によれば、膨張要素および／または密封要素が溶接、ろう接、締付要素または接着によってハウジングと結合されているのが望ましい。

このような排気熱交換器において排気管とハウジング外殻との間に膨張差が生じると、ハウジングは管の長手方向を横切って延びる条溝のゆえに管と同様に膨張することができる。これは条溝領域、厳密に述べるなら軸線方向でずれた２つの条溝の間でのハウジング外殻の弾性変形によって起きる。管をぐるりと洗浄する冷媒がハウジングの条溝から外に流出することのないように、条溝の領域でハウジング上に金属ベローズが配置されており、この金属ベローズは所要の密封を生じ、同時にハウジングの膨張を一緒に行うことができる。これらの措置に基づいて、熱応力およびそれに起因する部材の破損または破壊は大型熱交換器の場合にも防止される。

本発明の１実施例が図面に示してあり、以下で詳しく説明される。

図１は特に排気熱交換器等の熱交換器１の一部の斜視図であり、これが横断面でほぼ矩形のハウジング外殻２を有し、ハウジング外殻はその正面側領域３で横断面が多少拡大している。しかし横断面は他の例えば円形、多角形、八角形等の幾何学形状を有することもできる。正面４には排気管等の図示しない流体通路を受容するための矩形孔を有する管底５を認めることができる。これら排気管の管端は‐例えば既に触れた特許文献１に述べられているように‐管底と溶接されており、この管底はそれ自体円周側でハウジング外殻３と溶接されている。ハウジング領域３に冷媒流入用の孔７が設けられており、冷媒はハウジング領域３の内部の図示しない環状通路内に分布し、そこから排気管の外側で熱交換器内を流れる。最後に、ハウジング領域２、３のほぼ移行領域内にハウジングの周方向に延びる３つの条溝８、９、１０を認めることができ、条溝１０は２つの条溝８、９に対して軸線方向でずらされており、周方向でもやはりずらされている。

図２は熱交換器１のハウジング２／３の平面図でこれらの条溝９、１０を示す。条溝９、１０はハウジング周面の方向で円形または滴状孔１１もしくは１２まで延びており、こうしてこの領域では切欠き応力が避けられる。条溝９は外稜１３にまで達し、条溝１０は外稜１４にまで達している。

図３に認めることができるように、条溝９は周方向で稜１３からさらに円形穴１５まで延びており、条溝１０は稜１４からさらに円形穴１６まで延びている。両方の条溝９、１０は軸線方向で例えば数ｍｍ、例えば５ｍｍの範囲だけずらされている。管底はハウジング３の正面側末端に破線５で示唆されている。排気熱交換器１全体は図１、図２、図３では、外部に対する条溝９、１０の密封が欠落している限りで不完全に図示されている‐金属ベローズの態様のこの密封装置は図４で説明される。

図４は両方のハウジング領域２、３を有する熱交換器部分の図であり、これらの領域の間に金属ベローズ２０が配置されている‐この金属ベローズは、先に図１〜図３で説明したこの図には認めることのできない条溝を覆い隠す。金属ベローズはハウジング２／３の横断面に適合されており、その周方向稜２１、２２を介してハウジングと密封結合されている。これにより冷媒はもはやハウジングの内部から条溝を介して外に流れることができない‐同時にこの金属ベローズ２０は両方のハウジング領域２、３の膨張を相殺できる。

図５はハウジングの壁１０１に４つの条溝１１０〜１１３が設けられた熱交換器１００の一部を示し、条溝は条溝の間に腹部が残存して膨張梁または曲げ梁として働くように軸線方向および周方向でずらされている。

これにより熱交換器の一部は膨張することができ、こうして熱交換器のハウジング外殻は単数または複数の曲げ梁によって柔軟となってハウジングの膨張を保証する。

図５に示すように、ハウジングの面ごとに２つの曲げ梁が腹部１２０〜１２３によって形成される。これは４つの面すべてに妥当し、つまりこの図には認めることのできない面にも妥当する。

図６ａ〜図６ｃは、曲げ梁を形成するためにハウジング外殻に設けられる条溝および腹部の構成変種を示す。

図６ａには２つの条溝１５０、１５１が形成されまたはハウジングに設けられている。条溝の間にある腹部１５３が曲げ梁として役立つ。条溝の末端に滴状凹部が設けられている。図６ｂでは２つの条溝１６０、１６１、１６２が形成されまたはハウジングに設けられている。条溝の間に２つの腹部１６３、１６４が設けられて曲げ梁として役立つ。条溝の末端に滴状凹部が設けられている。

図６ｃの条溝の形状は図６ｂの形状に実質的に一致しており、条溝は領域１７０、１７１内で曲がっている。これらの領域は湾曲されておくこともできる。

図７は第１媒体を流通させることのできる流体通路を有する熱交換器２００の部分図である。排気熱交換器の実施例においてこれは排気ガスを流す流体通路である。

流体通路２０１の間および場合によってはそれらの周りに他の流体通路として、第１流体通路内の媒体を冷やすために第２媒体を流すことができる。従ってこの第２流体通路はハウジング２０２の内部にある。

通路２０１の壁とハウジング２０２の壁との熱膨張の違いに対する機械的絶縁を向上するためにハウジングの少なくとも１箇所に周方向ビード２１０が設けられている。これにより、ふつう熱交換器の運転時に内側通路よりも低い温度にあるハウジングは内側通路が熱膨張に基づいて膨張するとき膨張することができ、熱交換器が破壊されることはない。

ビード２１０は例えば半円形膨出部として示してある。しかしビードは他の形状、例えば折畳み形状または蛇行形状を有することもできる。また、ビードは内方に湾曲させ、つまりくぼみとして構成しておくことができる。ビードの構成において、ビードが膨張特性も密封特性も果たすことができると望ましい。

排気熱交換器部分の斜視図である。 排気熱交換器部分の平面図である。 図２の排気熱交換器部分の側面図である。 金属ベローズを有する排気熱交換器部分の図である。 熱交換器の部分図である。 条溝と腹部との配置図である。 条溝と腹部との配置図である。 条溝と腹部との配置図である。 熱交換器の部分図である。

符号の説明

１ 熱交換器
２、３ ハウジング領域
８、９、１０ 条溝
１３、１４ 外稜
１５、１６ 円形穴
２０ 金属ベローズ
２１、２２ 周方向稜
１００ 熱交換器
１０１ ハウジングの壁
１１０〜１１３ 条溝
１２０〜１２３ 腹部
１５０、１５１、１６０、１６１、１６２ 条溝
１５３、１６３、１６４ 腹部
１７０、１７１ 領域
２００ 熱交換器
２０１ 流体通路
２０２ ハウジング
２１０ ビード

Claims (24)

1. 熱交換器、たとえば排気熱交換器等のような熱交換器であって、例えば排気ガス等のような第１媒体を流通させることのできる管束等のような流体通路と、例えば冷媒等のような第２媒体を流通させることのできるハウジング等のような第２流体通路とを有し、管束の管端が管底と例えば素材接合的に結合され、また管底がハウジングと例えば素材接合的に結合されていて、ハウジングが膨張要素を有し、膨張要素が少なくとも１つの周方向ビードまたは多数の周方向ビードとして構成されていることを特徴とする熱交換器。
2. 例えば金属ベローズ等のような密封要素がハウジング上に配置されており、この密封要素が膨張要素を覆い隠して密封することを特徴とする、請求項１記載の熱交換器。
3. 膨張要素が密封要素と一体に構成されていることを特徴とする、請求項１記載の熱交換器。
4. 膨張要素が条溝で覆われる少なくとも１つのハウジング領域であることを特徴とする、請求項１記載の熱交換器。
5. ハウジングまたはハウジング領域が、管の長手方向を横切ってハウジングの周方向に延びる条溝を膨張要素として有し、これらの条溝がそれぞれ周面の一部にわたってのみ延び、かつ軸線方向でずらして配置された条溝と周方向で部分的に重なり合うことを特徴とする、請求項１または２記載の熱交換器。
6. 少なくとも２つの条溝を有する少なくとも１つの条溝群がハウジングに設けられていることを特徴とする、請求項１〜５のいずれか１項記載の熱交換器。
7. 少なくとも１つの条溝群が、熱交換器の長手方向に見てハウジングの中央領域に配置されていることを特徴とする、請求項１〜６のいずれか１項記載の熱交換器。
8. 少なくとも１つの条溝群が、熱交換器の長手方向に見てハウジングの一方の端領域もしくは端領域近傍に配置されていることを特徴とする、請求項１〜７のいずれか１項記載の熱交換器。
9. ２つの条溝群が設けられていることを特徴とする、請求項１〜８のいずれか１項記載の熱交換器。
10. ２つの条溝群がハウジングの両方の端領域または端領域近傍に配置されていることを特徴とする、請求項９記載の熱交換器。
11. 条溝群が少なくとも２つの条溝または多数の条溝、３つ、４つ、５つ、６つ等の条溝を有することを特徴とする、請求項９記載の熱交換器。
12. ハウジング内または１つの条溝群内に４つの条溝が配置されており、２つの横平面の１つにおいて半分よりも少ない周面にわたってそれぞれ２つの条溝が延びており、一方の横平面の条溝のない領域に他方の横平面の条溝付き領域が向き合うことを特徴とする、請求項１〜１１のいずれか１項記載の熱交換器。
13. 条溝群当り２つの条溝を配置する場合条溝は離間し、かつそれらの長さの部分領域において並んで延びて両者間に細い腹部を残すように構成されていることを特徴とする、請求項１〜１１のいずれか１項記載の熱交換器。
14. 条溝群当り３つの条溝を配置する場合条溝は離間し、かつそれらの長さの部分領域において並んで延びてそれらの間に２つの細い腹部を残すように構成されていることを特徴とする、請求項１〜１１のいずれか１項記載の熱交換器。
15. ハウジングの周面にわたって見て１つの条溝群において少なくとも２つの腹部または３つ、４つ等の複数の腹部が形成されていることを特徴とする、請求項１〜１４のいずれか１項記載の熱交換器。
16. 群当り２つの腹部を配置する場合１つの条溝群において腹部がハウジングの半径方向に見て向き合うことを特徴とする、請求項１５記載の熱交換器。
17. 群当り２つ以上の腹部を配置する場合１つの条溝群において腹部がハウジングの周方向に見て均一に分布していることを特徴とする、請求項１５記載の熱交換器。
18. ハウジングの４箇所で部分的に重なり合う４つの条溝によって４つの腹部が形成されることを特徴とする、請求項１〜１７のいずれか１項記載の熱交換器。
19. ハウジングの４箇所で部分的に重なり合う６つの条溝によって４×２の平行な腹部が形成されることを特徴とする、請求項１〜１８のいずれか１項記載の熱交換器。
20. 条溝がそれらの端領域に滴形状を有することを特徴とする、請求項１〜１９のいずれか１項記載の熱交換器。
21. レーザ切断、ウォータジェット切断、ソーイング、フライス削り、放電加工または打抜きのうちの１つの方法で条溝がハウジングに設けられることを特徴とする、請求項１〜２０のいずれか１項記載の熱交換器。
22. 膨張要素および／または密封要素が金属、鋼、エラストマー、シリコンのうちの１つの材料で形成されていることを特徴とする、請求項１〜２１のいずれか１項記載の熱交換器。
23. 膨張要素および／または密封要素が１つまたは２つのハウジング部分と結合され、またはこれらと一体に構成されていることを特徴とする、請求項１〜２２のいずれか１項記載の熱交換器。
24. 膨張要素および／または密封要素が溶接、ろう接、締付要素または接着によってハウジングと結合されていることを特徴とする、請求項１〜２３のいずれか１項記載の熱交換器。

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