JP5250924B2 - 排気熱交換器 - Google Patents

Description

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。

従来、ＥＧＲガス熱交換器としては、例えば、特開２００１−３３１８７号公報に記載されたように、タンクの内部に、積層された複数本のチューブが納められた構造のものが知られている。タンクは端板（コアプレート）によって閉塞されており、チューブはコアプレートに固着される。タンクには冷却水入口管と冷却水出口管とが接続され、タンク内部には冷却水が流入し、チューブを通過する排気ガスと熱交換する。

熱交換器において、一般的に、熱交換性能を向上させるための手段の１つとして、チューブの内部にインナーフィンを設けることが知られている。このようなチューブの製造方法としては、例えば、溶接チューブにインナーフィンを挿入し、チューブに外力を加えてインナーフィンと密着させ、ろう付けを行うといった製造方法が一般的に知られている。

ところで、ＥＧＲガス熱交換器では、排気ガスの冷却時に生じる凝縮水による腐食を防止するため、各部材をろう接するろう材としてＮｉ系ろう材が用いられる。一般的にＮｉ系ろう材としてはペースト状のろう材が用いられ、接合部位に薄く塗布される。

そのため、上述したようにチューブの内部にインナーフィンを挿入する製造方法であると、インナーフィンの挿入時にろう材が剥がれてしまい、チューブとインナーフィンとのろう付けを十分に行うことができない可能性があった。

そこで、本発明者等は、内部にインナーフィンが納められるＥＧＲガス熱交換器のチューブとして、図８に示すように、インナーフィン４を挟み込むように１組のプレート２、３を嵌め合わせた構造のチューブ１を試作検討した。

発明が解決しようとする課題

図８に示す構造のチューブは、インナーフィン４を挟むように１組のプレート２、３を嵌め合わせる構造であるため、上述したインナーフィン４の組付けによるろう材の剥がれは防止できるものの、チューブ１の外壁面には外側のプレート２の板厚分の段差が形成される。そのため、チューブ１をコアプレート（図示せず）に挿通した際、この段差の分だけコアプレートの開口部の開口縁との間に隙間ができ、ろう付け不良が生じてしまうことが明らかとなった。このようにコアプレートとチューブ１との間にろう付け不良が生じると、コアプレートによって区画される排気通路と冷却水通路との間で漏れが生じてしまう可能性があった。

そこで、本発明は、１組のプレートを嵌め合わせたチューブを用いるＥＧＲ熱交換器において、良好なろう付け性を得ることを目的とする。

課題を解決するための手段

【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、断面略コの字形状を有し、扁平面同士が対向するよう嵌め合わされる第１、第２プレートと、波形状に形成され、頂部が第１、第２プレートの扁平面の内側面とそれぞれろう接されるインナーフィンとからなるチューブであって、互いにほぼ平行となるように積層され、熱交換を促進すべくるインナーフィンが配された内部を内燃機関の排気ガスが通過する、断面が扁平形状の複数のチューブと、複数のチューブを内部に納めたタンクと、タンクの内部に形成され、排気ガスが通過する複数のチューブの周囲を冷却水が流れる冷却水通路と、チューブの端部と連結し、複数のチューブへと排気ガスを分配する第１のボンネットと、複数のチューブを通過した排気ガスを集める第２のボンネットとからなるボンネットと、チューブの両端が挿通される開口部を有し、ボンネットと冷却水通路とを区画するコアプレートとを有し、インナーフィンを挟み込んで第１、第２プレートを嵌め合わさせて形成された複数のチューブを積層した状態でろう接合される排気熱交換器であって、チューブは、断面短辺側において、第２プレートと第１プレートとの側方縁部が嵌め合わされており、第２プレートと第１プレートとが嵌め合わされる一方の部位では、第１、第２プレートのいずれか一方が内側に位置し、いずれか他方が外側に位置し、第２プレートと第１プレートとが嵌め合わされる他方の部位では、第１、第２プレートのいずれか一方が内側に位置し、いずれか他方が外側に位置し、内側に位置するプレートの嵌め合わされる部位では、外側に位置するプレートの板厚とほぼ同じ高さを有し、チューブ内方に突出する段差が形成されており、嵌め合わされる部位では、外側に位置するプレートおよび内側に位置するプレートとが重なりあっており、インナーフィンの頂部が第１、第２プレートの扁平面の内側面に当接していることを特徴とする。

上述した請求項１の発明によれば、内側に位置するプレートには、外側に位置するプレートの板厚とほぼ同じ高さを有し、チューブ内方に突出するよう段差が形成されているので、第１プレートと第２プレートとが嵌め合わされる嵌合部と、内側に位置するプレートとの外壁面との間には段差が形成されず、チューブの外壁面はほぼ面一となっている。そのため、チューブ外壁面とコアプレートの開口部の開口縁との間に生じる隙間を小さなものとすることができ、ろう付けを確実に行うことができる。

また、請求項２の発明によれば、第１、第２プレートとを同一形状とすることによって、部品点数を低減することができる。

さらに、請求項３の発明によれば、第２プレートの、第１プレートが嵌め合わされる部位は上方に向けて折曲げられているので、排気ガスが冷却され、チューブ内に凝縮水が溜まったとしても、凝縮水は、第１プレートと第２プレートとがろう接される嵌合部に接触しないので、凝縮水による腐食を抑制でき、耐食性を向上させることができる。
また請求項４の発明によれば、チューブの長手方向における断面形状は上下方向において非対称な形状を有している。非対称の形状を有しているので、コアプレートに挿通して組付ける際の誤組付けを防止することができる。

特に、請求項５に記載されたように、インナーフィンとチューブとの接合部位に塗布したＮｉ系ろう材によってインナーフィンとチューブとをろう付けする排気熱交換器に本発明を適用した場合、第１、第２プレートによってインナーフィンを挟むようなチューブとすることによって、ろう付け前の仮組時におけるろう材の剥がれを防止でき、ろう付け不良を低減することができる。

（第１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。

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。

続いて、ＥＧＲガス熱交換器１００の構造について述べる。

図２は、本実施の形態におけるＥＧＲガス熱交換器１００を示す図であり、図４は図２中Ａ方向からコアプレートを見た図である。１０１は内部を排気が流れるチューブであり、偏平な略矩形の断面形状を有する。チューブ１０１の壁面には、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。

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。チューブ１０１は互いに平行となるように積層されており、チューブ１０１の長手方向とタンク１０２の長手方向とが一致するように、タンク１０２の内部に納められており、熱交換コア１１０を構成する。

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１０３ａが形成されており、コアプレート１０３の開口部１０３ａにはタンク１０２内部に納められた各チューブ１０１の両端部が捜通されている。

チューブ１０１の上流側端部が支持されるコアプレート１０３の近傍となるタンク１０２の位置には冷却水入口管１０４が接続されており、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の他端近傍となる位置には、冷却水をタンク１０２外部へと流出させる冷却水出口管１０５が接続されており、タンク１０２の内部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、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。

熱交換コア１１０と反対側となる、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、接合される。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に導出する排気出口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。

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。

続いて、本発明の要部であるチューブ１０１の構造について説明する。

図３はチューブ１０１の長手方向に垂直な断面を示す図であり、チューブ１０１は、ステンレス製のインナーフィン１０１ｂと、このインナーフィン１０１ｂを挟み込むように、上下方向で対向して嵌め合わされた１組のステンレス製の第１プレート１１１ａ、第２プレート１１１ｂとから構成される。

インナーフィン１０１ｂは略矩形の波形状に形成されており、頂部はチューブ１０１内壁面とろう接される。

各プレート１１１ａ、１１１ｂは側方縁部が折り曲げられており、断面略コの字型形状を有する。プレート１１１ａ、１１１ｂの側方縁部は、プレート１１１ａ、１１１ｂが嵌め合わされた際に重なり合うように折曲形成されており、嵌合部１０１ｃとなっている。この嵌合部１０１ｃにはペースト状のＮｉろう材が薄く塗布されており、ろう材による接合部となる。第２プレート１１１ｂの嵌合部には、第１プレート１１１ｃの板厚とほぼ同じ高さを有し、チューブ１０１内方側に突出した段差１１１ｃが形成される。

なお、プレート１１１ａ、１１１ｂの内壁面のうちインナーフィン１０１ｂがろう接される部位、チューブ１０１外壁面のうちコアプレート１０３とろう接する部位には、耐食性に優れたペースト状のＮｉ系のろう材が薄く塗布されている。

続いて、ＥＧＲガス熱交換器の製造方法について述べる。

インナーフィン１０１ｂを挟み込むように、第１、第２プレート１１１ａ、１１１ｂを嵌め合わせ、チューブ１０１を形成する。この際、第２プレート１１１ｂが第１プレート１１１ａの内側となるように、かつ上下方向において対向するよう嵌め合わされる。リブ１０８どうしが当接するようにチューブ１０１は積層され、タンク１０２の内部に納められる。チューブ１０１の両端をコアプレート１０３に捜通するとともに、コアプレート１０３をタンク１０２の両端部を閉塞するように組付ける。続いて、コアプレート１０３にボンネット１０６、１０７を組付け、タンク１０２に冷却水入口管１０４および出口管１０５を組付ける。このようにして各部材を組付けた後、熱交換器１００はろう付けされる。

上記実施の形態によれば、チューブ１０１は、インナーフィン１０１ｂを挟むように第１、第２プレート１１１ａ、１１１ｂを嵌め合わせた構造とするため、インナーフィン１０１ｂ、第１、第２プレート１１１ａ、１１１ｂを組付ける際、ろう材が剥がれてしまうことを防止することができる。

また、第２プレート１１１ｂには内方に突出するように段差１１１ｃが形成されているので、嵌合部１０１ｃは第２プレート１１１ｂの外壁面とほぼ同じ高さとなり、チューブ１０１の外壁面をほぼ面一な面とすることができる。そのため、チューブ１０１をコアプレート１０３に挿通した際、コアプレート１０３の開口部１０３ａの開口縁とチューブ１０１の外壁面との間の隙間には微小な隙間しか形成されない。そのため、コアプレート１０３とチューブ１０１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。

さらに、チューブ１０１を第１、第２プレート１１１ａ、１１１ｂを嵌め合わせた構造とするので、プレス成形などによってリブ１０８を両プレート１１１ａ、１１１ｂに形成することができ、リブ１０８を形成するために特別な工程を必要としない。

また、第１、第２プレート１１１ａ、１１１ｂは断面コの字形状を有しており、プレス成形などによって容易に成形することができる。

（第２の実施の形態）
上述した実施の形態では、上方に配されたプレートが内側に嵌め込まれたチューブについて述べたが、図５に示すように、チューブ２０１を構成する１組のプレート２１１ａ、２１１ｂのうち、下方に配される第２プレート２１１ｂを内側とした構造としてもよい。なお、第１の実施の形態と同様の構成については同一の符号を用いて説明する。

外側に嵌め合わされる第１プレート２１１ａの端部は下方に向かって折り曲げられており、内側に嵌めこまれる第２プレート２１１ｂの端部は上方に向かって曲げられる。この際、第１プレート２１１ａの端部の曲げ角度が第２プレート２１１ｂの端部の曲げ角度よりも大きくなるようにそれぞれ折曲成形されている。なお、各プレート２１１ａ、２１１ｂの折り曲げられた部分は、両プレート２１１ａ、２１１ｂが嵌め合わされた際、嵌合部２０１ｃとなる。

第２プレート２１１ｂの折り曲げられた部分には、チューブ２０１の内方側に突出し、第１プレート２１１ａの板厚とほぼ等しい段差２１１ｃが形成されている。第２プレート２１１ｂの端部はチューブ２０１の高さ（図５中上下方向の幅）の約１／２以上の長さを有しており、十分なろう付け面積を有する。一方、第１プレート２１１ａの端部は第２プレート２１１ｂに嵌め合わされた際に段差２１１ｃまで伸びている。

第１プレート２１１ａが上方かつ外側、第２プレート２１１ｂが下方かつ内側となるように、インナーフィン１０１ｂを挟み込んだ状態で，両プレート２１１ａ、２１１ｂを嵌め合わせ、上方に配される第１プレート２１１ａは巻き締めされる。

第２プレート２１１ｂには内方へと突出するような段差２１１ｃが形成されているため、第１の実施の形態と同様、チューブ２０１の外壁面をほぼ面一とすることができ、コアプレート１０３とのろう付け性を良好なものとすることができる。

ところで、排気ガスがチューブ２０１を通過する際、排気ガスは冷却水によって冷却されるために凝縮水が生じ、チューブ２０１内部に溜まる場合がある。凝縮水が嵌合部２１１ｃのろう付け面に接触すると、凝縮水に含まれる腐食成分によってろう付け面が腐食される可能性がある。しかしながら、本実施の形態では、内側に配される第２プレート２１１ｂの端部は上方に向かうように折り曲げられており、かつチューブ高さの１／２よりも上方まで伸びているので、凝縮水がチューブ２０１内部に溜まったとしても、凝縮水は嵌合部２１１ｃのろう付面には接触しない。その結果、嵌合部２１１ｃの腐食を抑制することができ、ＥＧＲガス熱交換器の耐食性を向上させることができる。

また、本実施の形態ではチューブ２０１は上下非対称の形状を有しているので、コアプレート１０３に挿通して組付ける際の誤組付けを防止することができる。

（第３の実施の形態）
上述した実施の形態では、内側に嵌め込まれるプレートに段差を形成し、この段差に外側に嵌め合わされるプレートの接合部を配した実施の形態について述べたが、外側に嵌め合わされるプレートの接合部端部を潰して巻き締めを行い、チューブ外壁面に沿った形状としても第１、第２の実施の形態と同様の効果を得ることができる。なお、第１の実施の形態と同様の構成については同一の符号を用いて説明する。

図６は第３の実施の形態におけるチューブ３０１の長手方向断面を示す図であり、第１、第２プレート３１１ａ、３１１ｂは第２の実施の形態とほぼ同様の構成を有している。ただし、内側に嵌め込まれる第２プレート３１１ｂには段差は形成されていない。上方に配される第１プレート３１１ａは第２プレート３１１ｂの折り曲げられた部分まで伸び、その端部は先細りとなるように成形されており、第２プレート３１１ｂの折り曲げられた部分に沿う形状を有している。そのため、チューブ３０１の外壁面をほぼ面一とすることができ、チューブ３０１とコアプレート１０３とのろう付け性を良好なものとすることができる。

（第４の実施の形態）
上述した実施の形態では、形状の異なる第１プレートと第２プレートとを嵌め合せてチューブを形成した実施の形態について述べたが、同一の形状を有するプレートを嵌め合わせてチューブを形成しても、第１の実施の形態と同様の効果を得ることができる。なお、第１の実施の形態と同様の構成については同一の符号を用いて説明する。

図７は第４の実施の形態におけるチューブ４０１の長手方向断面を示す図であり、チューブ４０１は同一形状を有する２枚のプレート４１１を対向するように嵌め合わせることによって形成される。プレート４１１の端部は折り曲げられており、プレート４１１どうしが嵌め合わされた際に嵌合部４１１ｃとなる。プレート４１１の一方の端部４１１ａは他方の端部４１１ｂよりも長く折り曲げられており、端部４１１ａには、プレート４１１の板厚とほぼ同じ高さを有し、チューブ４０１の内方に向けて突出する段差４１１ｃが形成されている。

一方のプレート４１１の端部４１１ａは他方のプレート４１１の端部４１１ｂに嵌め合わされ、チューブ４０１を形成する。この際、段差４１１ｃに端部４１１ｂが嵌め込まれた状態となり、チューブ４０１の外壁面はほぼ面一となる。そのため、チューブ４０１とコアプレート１０３とのろう付け性を良好なものとすることができる。

チューブを１列積層した実施の形態について述べたが、チューブを複数列積層した構造としてもよく、チューブの積層本数、列については特に限定されない。

ろう材としてＮｉ系ろう材以外のろう材を用いる場合にも本発明を適用するできることはいうまでもない。また、ろう材としてペースト状のろう材を塗布するのではなく、ろう材を吹き付けたり、シート状のろう材を配するといった方法であっても、同様の効果を得ることができる。

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。 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る。 本発明の第１の実施形態のチューブの長手方向における断面図である。 図２中Ａ方向からコアプレートを見た図である。 本発明の第２の実施の形態のチューブの長手方向における断面図である。 本発明の第３の実施の形態のチューブの長手方向における断面図である。 本発明の第４の実施の形態のテユーブの長手方向における断面図である。 従来技術のチューブの長手方向における断面図である。

１００…ＥＧＲガス熱交換器、
１０１…チューブ、
１０１ｂ…インサートフィン、
１０２…タンク、
１０３…コアプレート、
１０４…冷却水入口管、
１０５…冷却水出口管、
１０７…ボンネット、
１１１ａ…第１プレート、
１１１ｂ…第２プレート、
１１１ｃ…段差

Claims (5)

1. 断面略コの字形状を有し、扁平面同士が対向するよう嵌め合わされる第１、第２プレートと、波形状に形成され、頂部が前記第１、第２プレートの扁平面の内側面とそれぞれろう接されるインナーフィンとからなるチューブであって、互いにほぼ平行となるように積層され、熱交換を促進すべく前記インナーフィンが配された内部を内燃機関の排気ガスが通過する、断面が扁平形状の複数のチューブと、
   前記複数のチューブを内部に納めたタンクと、
   前記タンクの内部に形成され、前記排気ガスが通過する前記複数のチューブの周囲を冷却水が流れる冷却水通路と、
   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第１のボンネットと、前記複数のチューブを通過した排気ガスを集める第２のボンネットとからなるボンネットと、
   前記チューブの両端が挿通される開口部を有し、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し、
   前記インナーフィンを挟み込んで前記第１、第２プレートを嵌め合わさせて形成された複数のチューブを積層した状態でろう接合される排気熱交換器であって、
   前記チューブは、断面短辺側において、前記第２プレートと前記第１プレートとの側方縁部が嵌め合わされており、
   前記第２プレートと前記第１プレートとが嵌め合わされる一方の部位では、前記第１、第２プレートのいずれか一方が内側に位置し、いずれか他方が外側に位置し、
   前記第２プレートと前記第１プレートとが嵌め合わされる他方の部位では、前記第１、第２プレートのいずれか一方が内側に位置し、いずれか他方が外側に位置し、
   前記内側に位置するプレートの前記嵌め合わされる部位では、前記外側に位置するプレートの板厚とほぼ同じ高さを有し、前記チューブ内方に突出する段差が形成されており、
   前記嵌め合わせられる部位では、前記外側に位置するプレートおよび前記内側に位置するプレートが共に前記チューブの積層方向に延びて、前記外側に位置するプレートと前記内側に位置するプレートとが重なりあっており、前記インナーフィンの頂部が前記第１、第２プレートの扁平面の内側面に当接していることを特徴とする排気熱交換器。
2. 前記第１プレートと前記第２プレートとは同一形状を有していることを特徴とする請求項１記載の排気熱交換器。
   
3. 前記嵌め合わされる部位では、前記第２プレートが前記第１プレートの内側となるように嵌め合わせられており、
   前記第２プレートの、前記第１プレートに嵌め合わされる部位は上方に向けて折曲げられていることを特徴とする請求項１に記載の排気熱交換器。
   
4. 前記チューブの長手方向における断面形状は上下方向において非対称な形状を有していることを特徴とする請求項１記載の排気熱交換器。
   
5. 前記インナーフィンと前記チューブとの接合部位に塗布されたＮｉ系ろう材により前記インナーフィンと前記チューブとをろう付けすることを特徴とする請求項１から４のうちいずれか１つに記載の排気熱交換器。

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