JP5707123B2 - 熱交換ユニットおよびその製造方法 - Google Patents

Description

本発明は熱交換ユニットおよびその製造方法に関するものである。

従来、車両に搭載される内燃機関の排ガスから熱を回収し、この熱エネルギーを他の用途（内燃機関の暖機、車室内の暖房や発電）に利用することにより、内燃機関の燃費効率を高めるものが知られている。また、排ガスの一部を内燃機関の吸気側に再循環させるＥＧＲにおいて、再循環される排ガスの温度を下げて内燃機関の燃費効率を高めるものも知られている。

排ガスの熱回収は、排ガス通路途中に設けた熱交換器に内燃機関の冷却水等の媒体を流通させ、排ガスと媒体との間で熱交換を行うことが一般的である。この場合、内燃機関の運転状態によっては、常に熱交換を行わせることが適切でない場合がある。

そこで、排ガス通路に、熱交換器への通路と、これをバイパスする通路とを設けるとともに、切換バルブを備えて、熱交換器への排ガスの流量を調節することが一般的である。

このような熱交換器として、排ガス流が交換器手段を通過するか、フラップによって交換器手段を通過せず排出するかを選択可能な排ガス冷却装置（特許文献１参照。）が開示されている。

また、内筒部の外周面に、その外周面に沿って冷却水を流通させる略環状の排熱回収通路を設けるとともに、この排熱回収通路の内部に、内筒部から内側排気ガス通路を介して分岐した外側排気ガス通路を設けた内燃機関の排熱回収装置（特許文献２参照。）が開示されている。

特表２００９−５２３９４４号公報 特開２００９−２４５６５号公報

前述の特許文献１や特許文献２に開示された構成は、いずれも筒状のケースに熱交換器とバイパス通路とを配置している。この場合、筒の両端の開口部分から複雑な形状の熱交換器や切換バルブを組み付ける必要があり、作業性が高くないため、作業工数が増加して製造コストが上昇する。

本発明はこのような問題点を鑑みてなされたものであり、製造コストを削減できる熱交換ユニットを提供することを目的とする。

本発明の第１の態様は、熱交換ユニットであって、流体が流通した場合に、流体と冷媒との間で熱交換を行う熱交換器と、熱交換器と並列に配置され、熱交換器をバイパスして流体を流すことが可能な管状のバイパス部と、流体を熱交換器またはバイパス部に流通させるか切り換える切替部と、熱交換器を収容し、バイパス部側に開口部が形成され、開口部がバイパス部に接合されるケースとを備え、熱交換器は、外周壁によって囲まれており、バイパス部と熱交換器との間に断熱部材としての隙間が形成されることを特徴とする。

本発明の第２の態様は、第１の態様において、隙間は、バイパス部と熱交換器との間にのみ形成されることを特徴とする。

本発明の第３の態様は、第１または第２の態様において、熱交換ユニットは、更に切替部を有するバルブケースを備え、バルブケースは、開口部を有し、ガス流れ上流側でバルブケースの開口部を熱交換器を収容するケース、及びバイパス部に接合することを特徴とする。
本発明の第４の態様は、第１から第３のいずれか１つの態様において、バイパス部が、開口部と接合する直線状の接合部を備えることを特徴とする。

本発明の第５の態様は、熱交換ユニットの製造方法であって、流体と冷媒との間で熱交換を行い、外周壁によって囲まれた熱交換器をケースに収容する工程と、ケースと、熱交換器をバイパスして流体を流通させることができる管状のバイパス部とをバイパス部と熱交換器との間に断熱部材としての隙間が形成されるように並列に配置する工程と、バイパス部側に形成されたケースの開口部と、バイパス部とを接合する工程とを含むことを特徴とする。

第１の態様によると、熱交換器と管状のバイパス部とを並列に配置し、ケースの開口部とバイパス部とを接合することで、作業工数を少なくし、熱交換ユニットの製造コストを削減することができる。

また、バイパス部を管状の部材で構成することで、ケースおよびバイパス部を重ねて保管する場合に、ケースおよびバイパス部の変形を抑制することができる。そのため、ケースの開口部とバイパス部とを接合する際に、接合を容易に行うことができる。また、バイパス部を流通する流体の温度が高い場合でも、熱応力によるバイパス部の変形を抑制することができる。

第１または２の態様によると、熱交換器とバイパス部との間に断熱部材を設けることで、バイパス部から熱交換器への熱の伝達を抑制することができる。そのため、熱交換器を流れる冷媒の温度を高くする必要がない場合に、熱交換器を流れる冷媒の温度がバイパス部を流通する流体の熱によって高くなることを抑制することができる。
また、第３の態様によると、ガスを熱交換器、またはバイパス部に流通することができる。

第４の態様によると、ケースの開口部をバイパス部の直線状の接合部に接合することで、ケースとバイパス部とを容易に接合することができる。

第５の態様によると、熱交換器と管状のバイパス部とをバイパス部と熱交換器との間に断熱部材としての隙間が形成されるように並列に配置し、ケースの開口部とバイパス部とを接合することで、作業工数を少なくし、熱交換ユニットの製造コストを削減することができる。

本実施形態の熱交換ユニットの斜視図である。 本実施形態の熱交換ユニットの分解斜視図である。 本実施形態の熱交換ユニットの断面図である。

本発明の実施形態の熱交換ユニット１について図１〜図３を用いて説明する。図１は熱交換ユニット１の斜視図である。図２は熱交換ユニット１の分解斜視図である。図３は熱交換ユニット１の断面図である。以下においては、エンジンから排出される排気ガスを熱交換ユニット１に流通させる場合について説明する。

熱交換ユニット１は、熱交換部２と、バイパス部３と、バルブ部４と、ディフューザ部５とを備える。

バルブ部４は、バルブケース６と、フラッパー７とを備える。バルブ部４は、フランジ８を介してエンジン側の排気管に接続し、エンジン側の排気管から排気ガスが導入される。この排気ガスがバルブ部４に流入する方向を排気ガス流れ方向とする。

バルブケース６は、上側バルブケース６ａと、下側バルブケース６ｂとを備える。上側バルブケース６ａと下側バルブケース６ｂとを合わせることで導入路９が形成される。熱交換部２側の導入路９には、上側バルブケース６ａおよび下側バルブケース６ｂが導入路９内へ湾曲した第１突出部１０が形成される。また、バイパス部３側の導入路９には、上側バルブケース６ａおよび下側バルブケース６ｂが導入路９内へ湾曲した第２突出部１１が形成される。

フラッパー７は、上側バルブケース６ａに設けた孔１２に挿入されたバルブ軸１３に連結し、バルブ軸１３の軸芯を中心として導入路９内を回動する。図示しないモータなどのアクチュエータによってバルブ軸１３を回動させることで、フラッパー７はバルブ軸１３と共に回動する。フラッパー７の回動範囲は、フラッパー７が第１突出部１０に当接する位置から第２突出部１１に当接する位置までである。フラッパー７が第１突出部１０に当接している場合には、導入路９に流入した排気ガスはフラッパー７によって熱交換部２への流通が妨げられ、バイパス部３へ流通する。一方、フラッパー７が第２突出部１１に当接している場合には、導入路９に流入した排気ガスはフラッパー７によってバイパス部３への流通が妨げられ、熱交換部２へ流通する。

熱交換部２は、熱交換器１４と、ケース１５とを備える。

熱交換器１４は、流通した排気ガスと冷媒導入路１６から導入された冷媒との間で熱交換を行う。熱交換器１４で冷媒と熱交換を行い、温度が低くなった排気ガスはディフューザ部５へ排出される。また、排気ガスと熱交換を行い、温度が高くなった冷媒は冷媒排出路１７から排出される。冷媒は、冷却水、フロン類などである。温度が高くなった冷媒は、エンジンの暖機などに使用される。

ケース１５は、熱交換器１４を収容する。ケース１５には開口部１８が形成され、ケース１５を排気ガス流れ方向から見た場合には、ケース１５は開口部１８がバイパス部３側に位置する略コの字状となる。

バイパス部３は、排気ガス流れ方向に沿って延設され、排気ガス流れ方向と平行な向きに熱交換部２と並列に配置される。バイパス部３は、排気ガス流れ方向に沿って延びる第１直線壁２０ａと、排気ガス流れ方向から見た場合に第１直線壁２０ａの両端から熱交換器１４とは逆側に突出し、第１直線壁２０ａに対して略垂直となる２つの第２直線壁２０ｂと、排気ガス流れ方向から見た場合に、半円弧状であり、２つの第２直線壁２０ｂの端部に連結する湾曲壁２０ｃとから形成されている。つまり、バイパス部３は、排気ガス流れ方向から見た場合に略Ｄ字状となる１つの管状の部材で構成される。バイパス部３は、第１直線壁２０ａが熱交換器１４と向かい合うように配置され、第２直線壁２０ｂがケース１５の開口部１８に接合される。つまり、第１直線壁２０ａは、バイパス部３と熱交換器１４との間で流体が流通しないように分離する分離壁としての役割を果たしている。

バイパス部３の第１直線壁２０ａと熱交換部２の熱交換器１４との間には、隙間２２が形成される。隙間２２は断熱層として機能し、バイパス部３から熱交換器１４へ熱が伝達されることを抑制する。

ディフューザ部５は、上側ディフューザ２３ａと、下側ディフューザ２３ｂとを備える。上側ディフューザ２３ａと下側ディフューザ２３ｂとを合わせることで排出路２４が形成される。ディフューザ部５はフランジ２５を介して外部側の排気管に接続し、熱交換部２またはバイパス部３から排出された排気ガスを外部側の排気管に排出する。

次に本実施形態の熱交換ユニット１の製造方法について説明する。

まず、ケース１５の開口部１８から熱交換器１４をケース１５内に収容する。次にバイパス部３を熱交換器１４と並列に配置する。このとき、バイパス部３の第１直線壁２０ａが熱交換器１４と向かい合い、ケース１５の開口部１８とバイパス部３の第２直線壁２０ｂとが重なるように配置する。また、熱交換器１４とバイパス部３の第１直線壁２０ａとの間に隙間２２が生じるように配置する。そして、重なった開口部１８とバイパス部３の第２直線壁２０ｂとを溶接して接合する。その後に、フラッパー７を導入路９に設けたバルブ部４と、ディフューザ部５とを取り付けて熱交換ユニット１を製造する。

次に本実施形態の熱交換ユニット１の作用について説明する。

エンジンから排出された排気ガスは、フラッパー７の動作に応じて熱交換部２またはバイパス部３に流通する。

排気ガスによって冷媒を暖める場合には、アクチュエータによってフラッパー７を第２突出部１１に当接させる。これにより、排気ガスはバイパス部３には流通せずに、熱交換器１４に流通する。熱交換部２に排気ガスが流通すると、排気ガスは熱交換器１４を流れる冷媒と熱交換を行う。熱交換によって温度が下がった排気ガスは、ディフューザ部５の排出路２４を流通し、外部へ排出される。また熱交換によって温度が上がった冷媒は、エンジンなどの他の機器に流入し、他の機器の暖機などに使用される。これによって、排気ガスの熱を有効に利用することができる。

エンジンが十分に暖機されている場合など、排気ガスを熱交換部２に流通させる必要がない場合には、アクチュエータによってフラッパー７を第１突出部１０に当接させる。これにより、排気ガスは熱交換器１４に流通せずに、バイパス部３を流通し、ディフューザ部５の排出路２４を流通し、外部へ排出される。

本発明の実施形態の効果について説明する。

熱交換ユニット１を熱交換器１４と、熱交換器１４と管状のバイパス部３とを並列に配置し、熱交換器１４を収容するケース１５の開口部１８とバイパス部３とを接合することで、作業工数を少なくすることができ、製造コストを削減することができる。

バイパス部３を管状の部材で構成することで、ケース１５およびバイパス部３を保管する際に、ケース１５とバイパス部３とを重ねた場合でも、ケース１５およびバイパス部３の変形を抑制することができる。そのため、熱交換ユニット１を製造する際に、ケース１５の開口部１８とバイパス部３とを容易に接合することができる。また、バイパス部３を１つの管状の部材で構成することで、温度が高い排気ガスがバイパス部３を流通する場合に、熱応力によるバイパス部３の変形を抑制することができる。

熱交換器１４とバイパス部３の第１直線壁２０ａとの間に隙間２２を形成することで、熱交換器１４に排気ガスを流通させずにバイパス部３に排気ガスを流通させる場合に、バイパス部３を流通する排気ガスの熱が熱交換器１４に伝達されることを抑制することができる。これによって、熱交換器１４を流れる冷媒の温度を高くする必要がない場合に、バイパス部３を流通する排気ガスの熱によって冷媒の温度が高くなることを抑制することができる。

バイパス部３を排気ガス流れ方向から見た場合に、バイパス部３の形状が略Ｄ字状となるようにし、ケース１５の開口部１８とバイパス部３の第２直線壁２０ｂとを溶接することで、バイパス部３とケース１５とを容易に接合することができる。

本実施形態の熱交換ユニット１を流れる流体は、排気ガスに限られることはなく、熱交換器１４を流れる冷媒と熱交換を行う流体であればよい。

また、バイパス部３を排気ガス流れ方向から見た場合に円形となる管路としても良い。これにより熱応力によるバイパス部３の変形をさらに抑制することができる。

また、バイパス部３を２重管としてもよい。これによりバイパス部３を排気ガスが流通する場合でも、バイパス部３から熱交換器１４へ熱が伝達されることをさらに抑制することができる。

また、熱交換部２の熱交換器１４とバイパス部３との間に断熱板（断熱部材）を挿入しても良い。これによりバイパス部３を排気ガスが流通する場合でも、バイパス部３から熱交換器１４へ熱が伝達されることをさらに抑制することができる。

本発明は上記した実施形態に限定されるものではなく、その技術的思想の範囲内でなしうるさまざまな変更、改良が含まれることは言うまでもない。

１ 熱交換ユニット
２ 熱交換部
３ バイパス部
７ フラッパー（切替部）
１４ 熱交換器
１５ ケース
１８ 開口部
２０ｂ 第２直線壁（接合部）

Claims (5)

1. 流体が流通した場合に、前記流体と冷媒との間で熱交換を行う熱交換器と、
   前記熱交換器と並列に配置され、前記熱交換器をバイパスして前記流体を流すことが可能な管状のバイパス部と、
   前記流体を前記熱交換器または前記バイパス部に流通させるか切り換える切替部と、
   前記熱交換器を収容し、前記バイパス部側に開口部が形成され、前記開口部が前記バイパス部に接合されるケースとを備え、
   前記熱交換器は、外周壁によって囲まれており、
   前記バイパス部と前記熱交換器との間に断熱部材としての隙間が形成されることを特徴とする熱交換ユニット。
2. 請求項１に記載の熱交換ユニットであって、
   前記隙間は、前記バイパス部と前記熱交換器との間にのみ形成されることを特徴とする熱交換ユニット。
3. 請求項１または２に記載の熱交換ユニットであって、
   前記熱交換ユニットは、更に前記切替部を有するバルブケースを備え、
   前記バルブケースは、開口部を有し、ガス流れ上流側で前記バルブケースの開口部を、前記熱交換器を収容するケース、及び前記バイパス部に接合することを特徴とする熱交換ユニット。
4. 請求項１から３のいずれか１つに記載の熱交換ユニットであって、
   前記バイパス部は、前記開口部と接合する直線状の接合部を備えることを特徴とする熱交換ユニット。
5. 流体と冷媒との間で熱交換を行い、外周壁によって囲まれた熱交換器をケースに収容する工程と、
   前記ケースと、前記熱交換器をバイパスして前記流体を流通させることができる管状のバイパス部とを、前記バイパス部と前記熱交換器との間に断熱部材としての隙間が形成されるように並列に配置する工程と、
   前記バイパス部側に形成された前記ケースの開口部と、前記バイパス部とを接合する工程とを含む熱交換ユニットの製造方法。

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