JP4386491B2 - Egrガス冷却装置およびその製造方法 - Google Patents
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Description
【発明の属する技術分野】
本発明は、エンジンの冷却液、カーエアコン用冷媒または冷却風などによってEGRガスを冷却する装置およびその製造技術に関するものである。
【0002】
【従来の技術】
排気ガスの一部を排気系から取出して、再びエンジンの吸気系に戻し、混合気に加える方法は、EGR(Exhaust Gas Recirculation:排気再循環)と称される。EGRはNOx(窒素酸化物)の発生抑制、ポンプ損失の低減、燃焼ガスの温度低下に伴う冷却液への放熱損失の低減、作動ガス量・組成の変化による比熱比の増大と、これに伴うサイクル効率の向上など、多くの効果が得られることから、エンジンの熱効率を改善するには有効な方法とされている。
【0003】
しかるに、EGRガスの温度が高くなりかつEGRガス量が増大すると、その熱作用によりEGRバルブの耐久性が劣化し、早期破損を招く場合があったり、その防止のために水冷構造とする必要があることや吸気温度の上昇に伴い充填効率の低下による燃費の低下などが認識されている。このような事態を避けるため、エンジンの冷却液などによってEGRガスを冷却する装置が用いられている。この装置としては、一般に多管式の熱交換器が利用される。
【0004】
この場合に利用される多管式の熱交換器は、図8にその一例を示すごとく、両端部に冷却媒体流入口11−1および冷却媒体流出口11−2を設けた胴管11内部において、伝熱管群12の両端部が板金製のチューブシート13にろう付けにより固定され、一方、チューブシート13はその外周端部を胴管11の内壁にろう付けにより固着して配列され、前記胴管11の一方の端部にはEGRガスの流入口14a−1が設けられた端部キャップ14aが固着され、また他方の端部にはEGRガスの流出口14b−1が設けられた端部キャップ14bが固着された構成となしている。そして、このような多管式熱交換器のろう付けは、当該熱交換器全体をろう付け炉内に装入して加熱、冷却する方法により行われる。
【0005】
【発明が解決しようとする課題】
従来の、EGRガスの冷却に用いられる多管式の熱交換器における胴管11は、高温側(EGRガス流入側)、低温側(EGRガス流出側)共にろう付けによりチューブシート13または端部キャップ14a、14bに固着されているが、熱交換器全体をろう付け炉内に装入して加熱、冷却するろう付け方法においては、熱交換器の胴管11と該胴管内の伝熱管群12とでは加熱時、冷却時とも双方の温度むらによる温度差が生じる。この温度むらのためろう付け完了後、胴管11と伝熱管群12には軸方向の残留応力(一方に引張残留応力、他方に圧縮残留応力)が発生する。この場合、伝熱管群12は薄肉のため残留応力値が胴管11より高くなり易い。このような状態で伝熱管群12がエンジンなどによる振動、衝撃を受けると、伝熱管群12は振動による曲げ変形を生じ、チューブシート13とのろう付け部付近は圧縮と引張りの繰返し応力を受け、伝熱管群12が疲労破壊する可能性があった。
【0006】
本発明は上記したろう付けによる残留応力と振動による繰返し応力に起因する伝熱管群の疲労破壊を防止するためになされたもので、ろう付け時における残留応力の発生を可及的に抑制することによって耐振性を向上させて伝熱管群の疲労破壊を防止し得るEGRガス冷却装置を提供しようとするものである。
【0007】
【課題を解決するための手段】
本発明は上記課題を解決するためチューブシートまたは端部キャップとの固定を、高温側(EGRガス流入側)は従来と同様ろう付けとするが、低温側(EGRガス流出側)は高温に耐える樹脂系接着剤により接着して、軸方向の残留応力を発生させないようにしたもので、そのEGRガス冷却装置は両端部に冷却媒体流入口および冷却媒体流出口が設けられた胴管の内壁の両端部付近に固定されたチューブシートに伝熱管群が固着配列され、さらに前記胴管の両端部には端部キャップが固着され、また前記端部キャップにはEGRガスの流入口と流出口が設けられてなる多管式のEGRガス冷却装置において、前記EGRガス流入側(高温側)に設けられた構成部品であるチューブシートおよび端部キャップと、伝熱管および胴管の一端部とをろう付けにて固着し、且つ、前記EGRガス流出側(低温側)に設けられた構成部品であるチューブシートまたは端部キャップの少なくとも一方と、伝熱管または胴管の少なくとも一方との固着に耐熱性樹脂系接着剤を使用したことを特徴とするものである。また前記EGRガス流出側(低温側)の端部キャップと胴管端部との間に短寸の円筒体を介在させて固着し、少なくとも前記円筒体と胴管との固着に耐熱性樹脂系接着剤を使用したりするものである。さらに前記耐熱性樹脂系接着剤は米国連邦規格 MMM−A−132のTYPE 4にランクされるものを使用することを特徴とし、その耐熱性樹脂系接着剤はアセチレン末端ポリイミド、ポリフェニルキノキサリン、ビスマレイミド、エポキシーフェノリックまたはポリエーテルイミド添加エポキシ樹脂であることを特徴とするものである。
【0008】
また本発明に係るEGRガス冷却装置の製造方法は、両端部に冷却媒体流入口および冷却媒体流出口が設けられた胴管の内壁の両端部付近にチューブシートを固着し、該チューブシートに伝熱管群の両端部を固着して配列し、さらに前記胴管の両端部にはEGRガスの流入口と流出口を有する端部キャップを固着してなる多管式のEGRガス冷却装置の製造方法において、前記EGRガス流入側(高温側)に設けられた構成部品であるチューブシートおよび端部キャップと、伝熱管および胴管の一端部とをろう付けした後、前記EGRガス流出口(低温側)に設けられた構成部品であるチューブシートまたは端部キャップの少なくとも一方と、伝熱管または胴管の他端部の少なくとも一方を耐熱性樹脂系接着剤により接着したことを特徴とするものである。
【0009】
本発明において、米国連邦規格 MMMーAー132のTYPE 4にランクされる耐熱性樹脂系接着剤を用いたのは、優れた耐熱耐久信頼性を有するからである。
【0010】
すなわち本発明はEGRガス冷却装置の低温側(EGRガス流出側)の固着手段に耐熱性樹脂系接着剤による接着方式を採用することにより、ろう付け時の加熱、冷却により胴管と伝熱管群に発生する温度むらによる温度差に起因する軸方向の変動を低温側の非固着部分で吸収し、軸方向の残留応力(耐久上問題となるのは主として引張残留応力)を解消するようにしたものである。これにより伝熱管群はエンジンなどから受ける振動による曲げ疲労に対し耐久信頼性が向上する。
【0011】
【発明の実施の形態】
図1〜図7は本発明に係る多管式のEGRガス冷却装置の構造を例示したもので、図1は平板状のチューブシートと断面コ字形またはカップ形のチューブシートを用いた、胴管、チューブシートおよび端部キャップの接合構造の実施例を示すEGRガス流入口側および流出口側の一部断面図、図2は前記EGRガス流出側(低温側)の端部キャップと胴管端部との間に短寸の円筒体を介在させた胴管、チューブシートおよび端部キャップの接合構造の実施例を示す図1相当図、図3は図2に示す短寸の円筒体の種類を例示したもので、(a)は冷却フィン付きの円筒体を用いたEGRガス流出側(低温側)の一部断面図、(b)は図3(a)のイーイ線上の断面図、(c)は冷却フィンの変形例を示す図3(b)相当図、図4は断面コ字形またはカップ形のチューブシートを用いた、EGRガス流出口側の胴管、チューブシートおよび端部キャップの接合構造の実施例を示す断面図、図5は同じく断面コ字形またはカップ形のチューブシートを用いた、EGRガス流出口側の胴管、チューブシートおよび端部キャップの接合構造の他の実施例を示す断面図、図6は同じく断面コ字形またはカップ形のチューブシートを用いた、EGRガス流出口側の胴管、チューブシートおよび端部キャップの接合構造の別の実施例を示す断面図、図7はEGRガス流入口側のチューブシートと伝熱管群の接合構造の実施例を示す断面図であり、1は胴管、2は伝熱管、3a〜3dはチューブシート、4は端部キャップ、5は短寸の円筒体、6はろう付け、7は耐熱性樹脂系接着剤、8は高温側(EGRガス流入側)、9は低温側(EGRガス流出側)である。
【0012】
まず図1に示す本発明の多管式のEGRガス冷却装置は、両端部に図示していない冷却媒体流入口および冷却媒体流出口を設けた胴管1内部において、高温側(EGRガス流入側)8は胴管1の端部に平板状のチューブシート3aがろう付け6にて固着され、その外周面に端部キャップ4が外嵌されてチューブシート3aと胴管1にろう付けされている。一方、低温側(EGRガス流出側)9は胴管1の端部内壁にカップ形のチューブシート3bの外周部が内嵌され、該胴管1とチューブシート3bとは耐熱性樹脂系接着剤7により接着されている。またこの接着に先立ってチューブシート3bの背面側(外側)の外周端部には端部キャップ4が外嵌され、該チューブシート3bと端部キャップ4とはろう付け6により固着されている。
【0013】
図2に示すEGRガス冷却装置は、低温側(EGRガス流出側)9の胴管1端部と平板状のチューブシート3aとの間に短寸の円筒体5を介在配置した例であり、この場合は高温側(EGRガス流入側)8は図1と同様、胴管1の端部に平板状のチューブシート3aがろう付け6にて固着され、その外周面に端部キャップ4が外嵌されてチューブシート3aと胴管1にろう付けされている。一方、低温側(EGRガス流出側)9は胴管1端部と平板状のチューブシート3aとの間に短寸の円筒体5が介在配置され、胴管1の端部内壁にこの円筒体5の外周部が内嵌されて当該部分が耐熱性樹脂系接着剤7により接着されている。またこの接着に先立って円筒体5とチューブシート3aとはろう付け6にて固着され、該チューブシート3a側の円筒体5の外周端部に端部キャップ4が外嵌され、チューブシート3a、端部キャップ4および短寸の円筒体5はそれぞれろう付け6により固着されている。
【0014】
図3は前記短寸の円筒体5の内面に板状の冷却フィン5−1または断面L字形の冷却フィン5−2を突設した例で、この場合冷却フィン5−1または5−2は短寸の円筒体5の内面にろう付けされている。このように冷却フィン5−1を設けることにより短寸の円筒体5がより効果的に冷却され、その結果耐熱性樹脂系接着剤7による接着箇所の温度上昇が抑えられ耐久性が向上する。
【0015】
図4に示すEGRガス冷却装置は、低温側(EGRガス流出側)9のカップ形のチューブシート3cを外向きに配置した例であり、この場合は図示のごとく、開口端部を拡径した断面形状がカップ形のチューブシート3cの開口端部が端部キャップ4に外嵌されて当該部分がろう付け6により固着され、また該チューブシート3cの背面側外周端部に胴管1の内端部が外嵌されて当該部分が耐熱性樹脂系接着剤7により接着された構造となしている。なおこの図4の接合構造におけるチューブシート3cは内向きに配置することも可能である。
【0016】
図5に示すEGRガス冷却装置は、低温側(EGRガス流出側)9において内向きに配置した側壁に膨出部を有するカップ形のチューブシート3dの開口端側外周端部が胴管1の端部内壁に面一に内嵌されて当該部分が耐熱性樹脂系接着剤7により接着され、またこの接着に先立って前記チューブシート3dの背面側外周端部に端部キャップ4が面一に外嵌されて当該部分がろう付け6により固着された構造となしたものである。なおこの図5の接合構造において、胴管1の端部内壁とチューブシート3dの接合部と、チューブシート3dと端部キャップ4の接合部は共に、胴管1、チューブシート3dおよび端部キャップ4の外周面をそれぞれ面一に設けているが、必ずしも面一でなくてもよい。また、チューブシート3dは外向きのみならず、内向きに配置することも可能である。
【0017】
図6に示すEGRガス冷却装置は、低温側(EGRガス流出側)9の胴管1、チューブシート3dおよび端部キャップ4の接合構造として、側壁に膨出部を有する端部キャップ4が胴管1の外周端部に外嵌されて当該部分が耐熱性樹脂系接着剤7により接着され、またこの接着に先立って端部キャップ4の下流側内面に胴管1の端部と所望の間隔を隔てて内向きに配置したカップ形のチューブシート3bがろう付け6により固着された構造となしたものである。
【0018】
なお図4〜図6に示す実施例においてはろう付け時に、接着剤7を施す箇所へのろう材の流動を防止できるので好ましい。
【0019】
上記図1〜図6に示す低温側(EGRガス流出側)9の胴管1、チューブシート3a〜3dおよび端部キャップ4の接合構造における伝熱管2とチューブシート3a〜3dとはろう付け6により固着されている。
【0020】
次に、本発明に係るEGRガス冷却装置の製造方法を図1に示すEGRガス冷却装置を例にとり説明すると、両端部に図示していない冷却媒体流入口および冷却媒体流出口を設けた胴管1内部において、高温側(EGRガス流入側)8におけるチューブシート3aおよび端部キャップ4と胴管1とのろう付け箇所と、低温側(EGRガス流出側)9におけるチューブシート3bおよび端部キャップ4とのろう付け箇所、および高温側と低温側のそれぞれのチューブシート3a、3bと伝熱管2とのろう付け箇所をろう付け炉によりろう付けする。このとき低温側(EGRガス流出側)9における胴管1とチューブシート3bとは非固着状態にあるため、ろう付け時の加熱、冷却による温度差により胴管1や伝熱管2に残留応力が発生することはない。ろう付け箇所のろう付けが完了すると、低温側(EGRガス流出側)9における胴管1端部とチューブシート3bとを耐熱性樹脂系接着剤7により接着する。すなわち本発明ではろう付け箇所を炉中ろう付けした後、接着箇所を耐熱性樹脂系接着剤7により接着するものである。胴管1内は水冷されているので樹脂系の接着剤でも熱には十分に耐えられる。なお低温側(EGRガス流出側)9におけるチューブシート3bの外周面と胴管1の端部との接着箇所と、チューブシート3bの外周面と端部キャップ4端部とのろう付け部との間隔は、ろう材が接着箇所まで流れない間隔をおくことが好ましい。
【0021】
一方、図7はEGRガス冷却装置の低温側9におけるチューブシート3a〜3dと伝熱管2との固着に耐熱性樹脂系接着剤7を用いた例で、この場合は図示のごとくチューブシート3a〜3dと伝熱管2とが耐熱性樹脂系接着剤7にて接着された構造を例示したものである。チューブシート3a〜3dと伝熱管2との固着に耐熱性樹脂系接着剤を用いる場合は、胴管1に端部キャップ4を固着した後、端部キャップ4の外部よりEGRガス流出口を通じて前記接着剤を挿入し、該当箇所を接着することになる。このようにチューブシート3a〜3dと伝熱管2との固着に耐熱性樹脂系接着剤7を用いると、図7に鎖線で示すようにEGRガス流出口側に突出した伝熱管2の端部の外周面や端面ならびにチューブシート3a〜3dのEGRガスとの接触表面を当該耐熱性樹脂系接着剤7により被覆することも可能となり、EGRガスに対する耐食性が向上するという別の効果も得られる。
【0022】
なお、本発明で使用する代表的な耐熱性樹脂系接着剤としては、アセチレン末端ポリイミド、ポリフェニルキノキサリン、ビスマレイミド、ポリベンズイミダゾール、付加形ポリイミド、縮合形ポリイミド、シリコーンイミド、ナイロンーエポキシ、ニトリルーフェノリック、エポキシーフェノリック、変成エポキシ樹脂、ポリイミドスルホン、ポリエーテルイミドなどがある。
【0023】
【発明の効果】
以上説明したごとく本発明のEGRガス冷却装置は、EGRガスの低温側すなわち、下流側の構成部品であるチューブシートまたは端部キャップと胴管との固定、さらに同低温側のチューブシートと伝熱管との固定に耐熱性樹脂系接着剤を用いたことにより、その製造時におけるろう付け炉内での加熱、冷却に伴う温度差により伝熱管に残留応力がほとんど発生することがないため耐振性が向上し、エンジンなどによる振動を受けても伝熱管群に振動による曲げ変形は極めて小さく、したがってチューブシートとのろう付け部付近に発生する応力はチューブ材料の疲労応力以下となって伝熱管群12が疲労破壊するおそれはほとんどなくなるという優れた効果を奏する。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明に係る多管式のEGRガス冷却装置の一実施例を示したもので、平板状のチューブシートと断面コ字形またはカップ形のチューブシートを用いた、胴管、チューブシートおよび端部キャップの接合構造を示すEGRガス流入口側および流出口側の一部断面図である。
【図2】本発明に係る多管式のEGRガス冷却装置の他の実施例を示したもので、EGRガス流出側(低温側)の端部キャップと胴管端部との間に短寸の円筒体を介在させた胴管、チューブシートおよび端部キャップの接合構造を示す図1相当図である。
【図3】図2に示す短寸の円筒体の種類を例示したもので、(a)は冷却フィン付きの円筒体を用いたEGRガス流出側(低温側)の一部断面図、(b)は図3(a)のイーイ線上の断面図、(c)は冷却フィンの変形例を示す図3(b)相当図である。
【図4】本発明に係る多管式のEGRガス冷却装置の別の実施例を示したもので、断面コ字形またはカップ形のチューブシートを用いた、EGRガス流出口側の胴管、チューブシートおよび端部キャップの接合構造を示す断面図である。
【図5】同じく断面コ字形またはカップ形のチューブシートを用いた、EGRガス流出口側の胴管、チューブシートおよび端部キャップの接合構造を示す断面図である。
【図6】同じく断面コ字形またはカップ形のチューブシートを用いた、EGRガス流出口側の胴管、チューブシートおよび端部キャップの接合構造を示す断面図である。
【図7】同じくEGRガス流入口側のチューブシートと伝熱管群の接合構造の実施例を示す断面図である。
【図8】本発明の対象とする従来の多管式のEGRガス冷却装置の一例を中央部を省略して示す断面図である。
【符号の説明】
1 胴管
2 伝熱管
3a〜3d チューブシート
4 端部キャップ
5 短寸の円筒体
6 ろう付け
7 耐熱性樹脂系接着剤
8 高温側(EGRガス流入側)
9 低温側(EGRガス流出側)
Claims (5)
- 両端部に冷却媒体流入口および冷却媒体流出口が設けられた胴管の内壁の両端部付近に固定されたチューブシートに伝熱管群が固着配列され、さらに前記胴管の両端部には端部キャップが固着され、また前記端部キャップにはEGRガスの流入口と流出口が設けられてなる多管式のEGRガス冷却装置において、
前記EGRガス流入側(高温側)に設けられた構成部品であるチューブシートおよび端部キャップと、伝熱管および胴管の一端部とをろう付けにて固着し、且つ、前記EGRガス流出側(低温側)に設けられた構成部品であるチューブシートまたは端部キャップの少なくとも一方と、伝熱管または胴管の少なくとも一方との固着に耐熱性樹脂系接着剤を使用したことを特徴とするEGRガス冷却装置。 - 前記EGRガス流出側(低温側)の端部キャップと胴管端部との間に短寸の円筒体を介在させて固着し、少なくとも前記円筒体と胴管との固着に耐熱性樹脂系接着剤を使用したことを特徴とする請求項1記載のEGRガス冷却装置。
- 前記耐熱性樹脂系接着剤は米国連邦規格 MMM−A−132のTYPE 4にランクされるものを使用することを特徴とする請求項1または2記載のEGRガス冷却装置。
- 前記耐熱性樹脂系接着剤はアセチレン末端ポリイミド、ポリフェニルキノキサリン、ビスマレイミド、エポキシーフェノリックまたはポリエーテルイミド添加エポキシ樹脂であることを特徴とする請求項1〜3のいずれか1項記載のEGRガス冷却装置。
- 両端部に冷却媒体流入口および冷却媒体流出口が設けられた胴管の内壁の両端部付近にチューブシートを固着し、該チューブシートに伝熱管群の両端部を固着して配列し、さらに前記胴管の両端部にはEGRガスの流入口と流出口を有する端部キャップを固着してなる多管式のEGRガス冷却装置の製造方法において、前記EGRガス流入側(高温側)に設けられた構成部品であるチューブシートおよび端部キャップと、伝熱管および胴管の一端部とをろう付けした後、前記EGRガス流出口(低温側)に設けられた構成部品であるチューブシートまたは端部キャップの少なくとも一方と、伝熱管または胴管の他端部の少なくとも一方を耐熱性樹脂系接着剤により接着したことを特徴とするEGRガス冷却装置の製造方法。
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