JP6026664B2 - 排ガス熱交換機 - Google Patents

Description

本発明は、排ガスの流れを冷却するための排ガス装置用排ガス熱交換機に関する。本排ガス熱交換機は、内管と外管とを有し、両管は入口側で間接的又は直接的に相互にぴったりと溶接されている。この内管と外管との間に、排ガスの流れのための排ガスの流路が形成されている。この外管の外側周囲に被覆管が配置されており、外管と被覆管との間に冷却剤用の環状空間が形成されている。内管は、流れ方向に対して直角方向には、対応する径方向の流れ断面を持つ貫通孔を有し、流れ方向には、出口で軸方向の流れ断面を持つ開口部を有する。

同種の排ガス熱交換機は、EP 1 555 421 A2及びJP 2010/31671Aに解説されており、それによれば、内管は貫通孔を有し、軸方向の流れ断面は蓋によって閉塞可能であり、その結果、排ガスの流れは内管を通り、及び／又は、排ガス熱交換機を介して、外管内に導かれ得る。

DE 10 2010 039 281 A1では、中央スロットルバルブを有する類似の廃熱回収装置が説明されている。このバルブを介して、中央貫通配管内とバイパス配管内の大量の流れが制御される。

JP 2008-101479 Aは、同様に、排ガスの流れの中で熱交換をする装置を説明しており、当該装置は中央スロットルバルブを介して制御される。冷却は対流方式で行われる。

本発明には、排ガスの流れから冷却媒体によって熱エネルギーの正確な量を取り出すことができるという排ガス熱交換機の、単純な構成を保証するという課題がある。

この課題は、本発明に従って、内管上に移動可能及び／又は回転可能に軸受けされた中間管に等価の径方向の流れ断面を形成する貫通孔が設けられ、当該中間管によって内管の貫通孔が少なくとも部分的に移動可能で径方向の流れ断面が変更可能であることによって、解決される。このとき、中間管は、貫通孔を形成する内管の穴を開閉するための一種の移動装置として作用する。

これによって、排ガスの流れが貫通孔を貫流することなく、外管内での更なる冷却なしに、ほぼ全部が内管を通じ開口部を貫通して導かれ得ることが、達成される。これによって、次の段階では逆に、排ガスの流れをほぼ完全に貫通孔を通して熱交換のために外管へ導き、内管を軸方向に完全に閉じることが可能であろう。

本発明に従う排ガス熱交換器は、外管内に内蔵されており、直線状に排ガス配管の中に挿入され得る。このために、当該排ガス熱交換機は、本発明に従って、入口フランジと出口ランジとを備えており、それらは中心軸に対して同軸に配置されている。これに応じて、内管は、排ガスの流れ方向に於いて外管の前で終了し、中間管は内管よりも短く形成されている。

先に挙げた、逆の流れのバリエーションにとって、開口部が調節可能な装置を介して少なくとも部分的に閉塞可能であって軸方向の流れ断面が変更可能であることが有利である。この装置は、好ましくは、蓋ないしフラップとして切替可能であるように形成されており、同装置は切替要素を介して能動的又は受動的に制御される。

前記装置と同様に、中間管もまた、同じ又は別の切替要素を介して切替可能である。

開口部の軸方向の流れ断面と内管の貫通孔の径方向の流れ断面とが同時に変更可能であるとき、特に有利である。これにより、制御が簡略化され、排ガスの流れを軸方向又は径方向へほぼ完全に調節することに関して、好ましいバリエーションが最も簡単に達成される。

また、中間管の貫通孔が少なくとも部分的に内管の貫通孔と完全に等しいとき、あるいは、貫通孔によって形成される両者の径方向の流れ断面がほぼ等しいときも、有利である。貫通孔が正確に一致する場合、排ガス熱交換機内でのノイズの発生が最も少ない。なぜなら、貫通孔の穴が正確に一致すると流れの障害となる角部が形成されないからである。これに関連して、ノイズを減少させるために、貫通孔の穴の角部を少なくとも部分的に回転して折るか角丸めすることが、有利である。

切替に関連して、中間管が中心軸の周りを回転可能及び／又は中心軸の方向に切替可能に駆動されるとき、有利である。好ましいのは、中心軸が回転されるか移動されるかのどちらかで、両方同時ではない。

装置と中間管とが構成部品群として形成され、その結果、切替要素によって中間管と装置とが同時に移動可能であるとき、特に有利である。とりわけ、中間管の軸方向の移動は、構成部品群としての内管を閉じるための蓋と非常に良好に組み合わせることができる。

このバリエーションに関して、切替要素が外管を通り、又は外管に接続された管を貫通して外側に導かれ、駆動部に結合されていることが、特に有利である。この場合、構成部品群は一体に形成されている。

ある特別な実施の形態では、中間管が軸受要素又は軸受手段を介して内管上に軸受けされている。このために、中間管の端部の領域で滑り軸受リングが内管上に設けられており、その上で中間管が滑らかに移動する。この軸受要素又は軸受手段は、同時にシール手段として働く。

内管の貫通孔を形成する全ての穴の面積の合計としての径方向の流れ断面が、内管の開口部の軸方向の流れ断面の少なくとも１．２倍から１．７倍に対応するとき、特に有利である。これにより、熱交換機の最大性能時の背圧を最小限に抑えることが達成される。

切替要素が、排ガスの流れによって発生する排ガスの背圧を介して、あるいは、アクチュエーターを介して、能動的又は受動的に制御可能であるときもまた、有利である。受動制御は、このシステムが自動制御することによって、達成される。この場合、流れ断面の変更は、例えば、中間管又は装置の調節が制御を介して能動的かつ直接的に行われることなく、排ガスの背圧に応じて行われる。このような自動制御を準能動的とも呼ぶ。

本発明に従う解決は、方法の中で次のように表現することができる。すなわち、排ガス装置内の排ガス熱交換機の中で排ガスの流れを制御するための方法で、当該排ガス熱交換機は、内管と当該内管上で軸受けされる中間管とを有し、前記内管と前記中間管とは、中心軸に対する径方向において、それぞれ、径方向の流れ断面を持つ貫通孔を有する。前記中間管は、前記内管に対して回転可能か移動可能に軸受けされ、径方向に前記内管の前記貫通孔を通り排ガス流路の方向に流れる排ガスの流量が前記中間管の調節によって制御される。

この方法は、前述のように、好ましくは排ガス熱交換機を用いて実施される。

好ましい解決法では、流れ方向に前記貫通孔の後方に配置された前記内管の開口部を通って軸方向に流れる排ガスの流量は、装置の調節によって制御され、前記中間管と前記装置とは、同時に制御される。

本発明の他の利点や特徴が、本明細書の中で解説され、図に示されている。

全く同じに位置づけられた貫通孔を有する、内管と中間管との断面の概略図。 軸方向にずらされ、貫通孔が同じ位置にない、図１に従う図。 中心軸周りに周囲方向に回転され、貫通孔が同じ位置にない、図１に従う図。 排ガス熱交換機の入口側部分。 図５ａは、中間管と閉じた位置にある蓋とで構成される構成部品群を備えた、排ガス熱交換機の出口側部分の第１の実施の形態。図５ｂは、開いた位置での図５ａに従う実施の形態。 図５ａのＡ−Ａ線断面に従う軸方向の図。 切替可能なフラップ付きの排ガス熱交換機の出口側部分の第２の実施の形態。 切替可能な蓋付きの排ガス熱交換機の出口側部分の第３の実施の形態。

図では、内管２によって形成される排ガス管と、内管２と排ガス管３との間に形成される排ガス流路６と、を備えたあるタイプの排ガス熱交換機１が示されている。排ガスの流れは、内管２を通り、排ガス熱交換機１の中に流入する。外管３は、被覆管３．１を有する二重壁で構成されている。外管３と被覆管３．１との間に、冷却剤用の環状空間５が設けられている。排ガス量を調節するために、一方では軸方向で端部側開口部２．１を通って内管２から抜け出て、他方では軸方向で内管２の貫通孔Ｐ２を通って排ガス流路６に入り込む、という解決策が説明される。

図１乃至図３は、内管２上に軸受けされた中間管４の概略図の一端部を示している。２つの管２、４は、中心軸Ｍの周囲に同軸に配置されている。中間管４は、両端が開いている。内管２は、図４によれば、左の入口側で外管３と結合されており、反対側の右端出口で内側に軸方向の流れ断面Ａ２を有する開口部２．１を有している。さらに内管２は、中心軸Ｍに対する径方向に多数の穴で構成される貫通孔２を有し、中間管４は、同様でかつ径方向に位置が同じの貫通孔Ｐ４を有している。これらの２つの貫通孔Ｐ２、Ｐ４は、それぞれ、同等の径方向の流れ断面を有している。

内管２内では、詳しくは明示されていない排ガスの流れが全体の流れ方向Ｓで流れている。中間管４は、矢印で示されているように、内管２上で内管２に対して大きな遊びなしに軸方向に移動可能であり、中心軸Ｍの周りを回転可能であるように軸受けされている。

径方向に貫通孔Ｐ２、Ｐ４を貫通して流れるであろう、流れ方向Ｓで流れる排ガスの流量は、移動可能かつ回転可能な中間管４によって直接的に制御され得る。

２つの管２、４の貫通孔Ｐ２、Ｐ４が相互に同じ位置に配置されるとすぐ、排ガスの最大流量が径方向に内管２及び中間管４を通って外側に向かい内管２と外管３との間に形成された排ガス流路６に流入する。図２及び図３の１つに示されているように、内管２に対する中間管４のある位置において、排ガスの流れの一部は径方向に完全にブロックされ、径方向に内管２と中間管４とを通って排ガス流路６に流れる排ガスはない。図１に示された状況と図２及び図３に示された状況との間で考えられる中間位置において、径方向の排ガスの流れは、その量において制御され得る。

図４乃至図６に対応して、軸方向で内管２の端部に、開口部２．１、すなわち内管２の軸方向の流れ断面Ａ２を閉じるための装置７が、追加で設けられている。

図４は、入口側のフランジ１２と二重壁の外管３とを有する排ガス熱交換機１の入口側部分を示している。排ガス熱交換機１のこの部分は、内管２の開口部２．１を装置７で閉じて中間管４の切り替えを可能にする様々な解決策と組み合わせることができる。そのような解決策は、図５ａ乃至図８に示されている。

図４によれば、内管２と中間管４とは二重壁の外管３の中に収容されている。入口側で、これらの３つの管２、３、４は、間接的又は直接的に相互にしっかりと（気密に）結合している。

当該実施の形態によれば、内管２及び中間管４の貫通孔Ｐ２、Ｐ４は、ぴったり同じ位置にあり、それによって径方向の排ガスの流量は、軸方向の流れ断面の変化次第で、最大にすることができる。内管２と中間管４との間に形成される排ガス流路６を通って導かれる排ガスの流れの一部は、外管３の内側を流れて行き、熱を伝達する。

外管３の周囲に被覆管３．１が配置されていることにより、外管３は二重壁に形成されており、それによって外管３と被覆管３．１との間に環状空間５が形成されており、その中を冷却剤としての流体が流れる。この流体は、当該環状空間５とつながっている２本のノズル１０、１１を介して、図示されていない第２の排ガス熱交換機と共に循環され、それによって排ガスの熱が逃がされる。

流れの方向Ｓにおいて、流れ断面Ａ２を内管２を通る軸方向において変更するために、出口側で様々な可能性が考慮され得る。中間管４を通る排ガスの流れの径方向部分の制御はその際、排ガスの流れの軸方向部分の制御とは独立して行われる。

好ましい、課題の最善の解決策を実現する実施の形態によれば、軸方向及び径方向の割当ての制御がリンクしており、その結果、中間管４は軸方向の流れ断面Ａ２用の装置７に対し同時に調節される。

この制御は、径方向の排ガスの流れを貫通孔Ｐ２、Ｐ４によって０から１００％まで、軸方向では内管２全体によって１００から０％までにすることを可能にする。

図５ａ及び図５ｂによれば、装置として蓋７が切替要素８として棒が設けられており、蓋７は中間管４と構成要素群（モジュール）内に結合されている。棒として形成されている切替要素８は、蓋７と結合されていて、中心軸Ｍに対して同軸に配置されており、その周りを少なくとも内管２と中間管４とが同軸に配置されている。外管３と被覆管３．１とは、この実施の形態では、中心軸Ｍに対し同様に同軸に配置されている。

この切替要素８は、外管３に接続された湾曲した管３．２の壁を貫通して外側に導かれ、管３．２に設けられたノズル３．３を介して中心軸Ｍの方向に軸受けされてシールされている。この切替要素８によって、蓋７が、軸方向の流れ断面Ａ２を閉じたり開いたりするために、また同時にこの蓋７を用いて中間軸４が内管２内で貫通孔Ｐ２を開いたり閉じたりするために、軸方向に移動される。

図５ａによれば、内管２は、軸方向において蓋７によって、軸方向の流れ断面Ａ２全体にわたり閉ざされ、すべての排ガスの流れは、軸方向において図１に示されているように、貫通孔Ｐ２、Ｐ４を通り抜けて内管２から流出する。内管２と中間管４の貫通孔Ｐ２、Ｐ４は、ぴったり一致している。

蓋７が図５ａによる閉じた位置から図５ｂによる開いた位置に変えられるとすぐに、内管２は、その軸方向の流れ断面Ａ２に亘って開かれる。同時に中間管４は、図２のように、内管２の貫通孔Ｐ２が中間管４の領域により閉じられ貫通孔Ｐ４に対して穴が設けられないという位置に、移動される。これにより、排ガスの流れは軸方向にのみ、内管２から流出する。

図６では、図５ａ及び図５ｂに従う排ガス熱交換機１に類似した排ガス熱交換機１の蓋７の平面図が示されている。ここに図示された実施の形態では、中間管４がベアリング９を介して外管３内に軸受けされている。さらに、この中間管４は、ベアリング９の領域では、蓋７までは直径において貫通孔Ｐ４の領域における直径よりも大きく、それによって蓋７の周りを巡るセグメント状のホルダーが蓋用に形成され得る。この実施の形態では、しかしながら、２本のノズル１０、１１は、向き合って配置されている。

図７によれば、装置７として切替可能なフラップが内管２内に配置されており、このフラップは中間管４とは独立に、排ガス熱交換機１の外側から図示されていない切替要素８によって制御され得る。この実施の形態では、フラップ７のための切替要素８は、外管３と被覆管３．１とを通って導かれている。外管３は、軸方向において、中心軸Ｍに対し、もう一つのフランジ１３を介して図示されていない排ガス装置に接続されている。

図８に従う実施の形態によれば、蓋７は切替要素８を有しており、これによって中間管４とは独立に、内管２を通って軸方向に流れる排ガスの流量が制御される。

Claims (9)

1. 内管（２）と外管（３）とを用いて排ガスの流れを冷却するための排ガス装置用排ガス熱交換機（１）であって、
   ａ）前記両管（２、３）は、入口側で間接的に又は直接的に相互に気密に溶接されており、
   ｂ）前記内管（２）と前記外管（３）との間には、排ガスの流れのための排ガス流路（６）が形成されており、
   ｃ）前記外管（３）の外側周囲には、被覆管（３．１）が配置されており、前記外管（３）と当該被覆管（３．１）との間には、冷却剤用の環状空間（５）が形成されており、
   ｄ）前記内管（２）は、流れ方向（Ｓ）に対し直角方向に、対応する径方向の流れ断面を持つ貫通孔（Ｐ２）を有し、流れ方向（Ｓ）の出口（２．１）で軸方向の流れ断面（Ａ２）を持つ開口部（２．１）を有し、
   ｅ）前記内管（２）上に移動可能及び／又は回転可能に軸受けされた中間管（４）に、対応する径方向の流れ断面を形成する貫通孔（Ｐ４）が設けられており、
   ｆ）前記中間管（４）により、前記内管（２）の前記貫通孔（Ｐ２）が少なくとも部分的に閉じられることができ、径方向の流れ断面が変更可能であり、
   前記開口部（２．１）の軸方向の流れ断面（Ａ２）と、前記内管（２）の前記貫通孔（Ｐ２）の径方向の流れ断面とは、同時に変更可能である
   ことを特徴とする排ガス熱交換機（１）。
2. 前記開口部（２．１）は、調節可能な装置（７）を介して、少なくとも部分的に閉じることができ、軸方向の流れ断面（Ａ２）が変更可能である
   ことを特徴とする請求項１に記載の排ガス熱交換機（１）。
3. 前記中間管（４）の前記貫通孔（Ｐ４）は、少なくとも部分的に、前記内管（２）の前記貫通孔（Ｐ２）と完全に等しい、及び／又は、両者の径方向の流れ断面が等しい
   ことを特徴とする請求項１または２に記載の排ガス熱交換機（１）。
4. 前記中間管（４）は、中心軸（Ｍ）の周りを回転可能であり、及び／又は、当該中心軸（Ｍ）の方向に切替可能である
   ことを特徴とする請求項１乃至３のいずれかに記載の排ガス熱交換機（１）。
5. 前記装置（７）と前記中間管（４）とは構成部品群として形成されており、切替要素（８）が設けられており、それによって前記中間管（４）と前記装置（７）とは同時に移動可能である
   ことを特徴とする請求項１乃至４のいずれかに記載の排ガス熱交換機（１）。
6. 前記内管（２）の前記貫通孔（Ｐ２）を形成する全ての穴の面積の合計としての前記径方向の流れ断面は、前記内管（２）の軸方向の流れ断面（Ａ２）の少なくとも１．２倍から１．７倍に対応する
   ことを特徴とする請求項１乃至５のいずれかに記載の排ガス熱交換機（１）。
7. 前記切替要素（８）は、排ガスの流れによって発生する排ガスの背圧を介して、あるいは、アクチュエーターを介して、能動的又は受動的に制御可能である
   ことを特徴とする請求項１から６までのいずれかに記載の排ガス熱交換機（１）。
8. 請求項１乃至７のいずれかに記載の排ガス熱交換機（１）と、
   排ガス装置、又は、内燃機関用及び／又は自動車用の排ガス装置の他の構成部品群と、で構成されるシステム。
9. 排ガス装置内の排ガス熱交換機（１）中で排ガスの流れを制御するための方法であって、
   前記排ガス熱交換機（１）は、内管（２）と当該内管（２）上で軸受けされる中間管（４）とを有し、前記内管（２）と前記中間管（４）とは、中心軸（Ｍ）に対する径方向において、それぞれ、径方向の流れ断面を持つ貫通孔（Ｐ２、Ｐ４）を有し、
   前記中間管（４）は、前記内管（２）に対して回転可能か移動可能に軸受けされ、
   径方向に前記内管（２）の前記貫通孔（Ｐ２）を通り排ガス流路（６）の方向に流れる排ガスの流量が、前記中間管（４）の調節によって制御され、流れ方向（Ｓ）に前記貫通孔（Ｐ２）の後方に配置された前記内管（２）の開口部（２．１）を通って軸方向に流れる排ガスの流量は、装置（７）の調節によって制御され、
   前記中間管（４）と前記装置（７）とは、同時に制御される
   ことを特徴とする方法。

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