JP6092603B2 - 排気ガス熱交換器 - Google Patents

Description

本発明は、排気ガスを水等の冷却媒体を用いて冷却する排気ガス熱交換器に関し、特に、ヘッダープレートを用いない所謂ヘッダープレートレス構造とした排気ガス再循環（ＥＧＲ；Exhaust Gas Recirculation）用熱交換器に適した排気ガス熱交換器に関する。

従来から、組み立て作業性を改善して生産性を向上させるため、両端が拡張された複数の伝熱管を積層して、伝熱管同士をその両端部で互いに接合して、伝熱管の積層体を形成するとともに、その積層体の両端部外周面をアウターケース内周面に接合することにより、それらの接合部で排気ガスの流路と冷却媒体の流路とを仕切ることとして、ヘッダープレート（チューブシートともいう。）を用いないこととした所謂ヘッダープレートレス構造のＥＧＲ用熱交換器が知られている（例えば、特許文献１，２参照。）。

特開２００７−２２５１９０号公報 特開２０１１−２１３３号公報

特許文献１記載のＥＧＲ用熱交換器は、アウターケースに一体的に排気ガス導入部と排気ガス導出部を形成しているが、精製度の低いガソリンを用いた内燃機関の排気ガス等、硫黄酸化物を多く含む排気ガスの場合には、排気ガスが冷却されて発生する凝縮水に含まれる硫酸により、アウターケースの凝縮水に触れる部分である排気ガス導入部及び排気ガス導出部が腐食する虞があった。そして、かかる腐食を防止するために、アウターケースを、例えばスーパーＳＵＳ（スーパーステンレス鋼）と称される高ニッケル高クロム高モリブデン鋼等、硫酸に対する耐食性の高い材料で形成すると、コストが増大するという問題があった。

また、かかる問題は、図１１に示すように、排気ガス導入部１０４及び排気ガス導出部（図示せず）を、アウターケースの冷却媒体が流通する部分を形成する冷却媒体流通部形成部１０２とは別体としたＥＧＲ用熱交換器でも、生じる虞があった。図１１に示すＥＧＲ用熱交換器では、冷却媒体流通部形成部１０２の入口側端部１０２ａの内周面に、排気ガス導入部１０４の外周面を接合するとともに、排気ガス導入部１０４よりも下流側に間隔を置いて、伝熱管積層体１０７の入口側端部１０７ａの外周面を接合していた。なお、図示はしないが、冷却媒体流通部形成部１０２の出口側端部も同様の構造とされていた。したがって、冷却媒体流通部形成部１０２の内面に、排気ガス延いてはその凝縮水に触れる部分１０３があるため、硫酸による腐食の虞があり、これを避けるために、冷却媒体流通部形成部１０２を硫酸に対する耐食性の高い材料で形成すると、コストが上昇するという問題があった。

また、特許文献２記載のＥＧＲ用熱交換器は、冷却媒体流通部形成部に相当する冷却媒体タンク部と、排気ガス導入部及び排気ガス導出部に相当するガスタンク部とを、別体としているが、冷却媒体タンク部とガスタンク部とチューブの拡張部とを、三重に重ねて接合して、ガスタンク部と冷却媒体タンク部の境目である仕切り部を、全周に亘ってガスタンク部または冷却媒体タンク部の厚さよりも２倍以上厚い部位で形成することにより、仕切り部に発生する熱歪みの低減を図っていた（要約参照）。

しかしながら、冷却媒体タンク部とガスタンク部とチューブの拡張部とを、三重に重ねてロウ付けする場合、ガスタンク部の同一部位の両側を寸法精度良く成形することにより、それぞれの側でロウ付けに適したクリアランスを確保しなければならないが、通常プレス加工により成形されるガスタンク部の同一部位の両側で高い寸法精度を出すことは困難であった。このため、クリアランス管理が容易でなく、ロウ付け不良を招く虞があった。また、断面形状が、薄い一重部分から仕切り部（接合部）における厚い三重部分に急激に変化することから（同文献の図５参照）、車両の振動等による応力が接合部に集中し、接合部が破断する虞があった。

なお、特許文献２は、排気ガスの凝縮水に含まれる硫酸による腐食の問題については、何ら言及してない。

本発明は、上述した問題を解決するものであり、コストの上昇を抑制しつつ排気ガスの凝縮水に含まれる硫酸による腐食の虞を減少可能であり、ロウ付け性を改善可能であるとともに、接合部への応力集中を緩和可能な排気ガス熱交換器を提供することを目的とする。

本発明の排気ガス熱交換器は、排気ガスが流通する複数の伝熱管を集合させて形成されて一端部に前記各伝熱管の排気ガス入口が開口し他端部に前記各伝熱管の排気ガス出口が開口する伝熱管集合体と、前記伝熱管集合体を収容するアウターケースとを備え、前記伝熱管集合体の前記一端部及び前記他端部の外周面を、前記アウターケースの内周面に接合することにより、前記アウターケースの内部が、排気ガスが流通する排気ガス流通部と、排気ガスを冷却するための冷却媒体が流通する冷却媒体流通部とに区分された排気ガス熱交換器において、前記アウターケースが、冷却媒体の入口と冷却媒体の出口とが形成されて前記冷却媒体流通部を囲繞する冷却媒体流通部形成部と、排気ガス導入口が形成されて前記排気ガス流通部の前記伝熱管集合体より上流側を囲繞する排気ガス導入部と、排気ガス導出口が形成されて前記排気ガス流通部の前記伝熱管集合体より下流側を囲繞する排気ガス導出部とを備えて、前記冷却媒体流通部形成部の一端部に前記排気ガス導入部を接合し、前記冷却媒体流通部形成部の他端部に前記排気ガス導出部を接合することにより形成され、前記伝熱管集合体の前記一端部の外周面が、前記排気ガス導入部の内周面に接合されることにより、第１の接合部が形成され、前記伝熱管集合体の前記他端部の外周面が、前記排気ガス導出部の内周面に接合されることにより、第２の接合部が形成され、前記冷却媒体流通部形成部の前記一端部の内周面が、前記排気ガス導入部の外周面に接合されることにより、第３の接合部が形成され、前記冷却媒体流通部形成部の前記他端部の内周面が、前記排気ガス導出部の外周面に接合されることにより、第４の接合部が形成され、前記第１の接合部が、前記第３の接合部に対し、排気ガスの流れ方向における上流側または下流側にずれて配置され、前記第２の接合部が、前記第４の接合部に対し、前記上流側または前記下流側にずれて配置され、前記排気ガス導入部、前記排気ガス導出部、及び、前記各伝熱管は、硫酸に対する耐食性が高い材料で形成され、前記冷却媒体流通部形成部は、硫酸に対する耐食性が低い材料で形成されていることを特徴とする。

これによれば、冷却媒体流通部形成部は、一端部の内周面が排気ガス導入部の外周面に接合され、他端部の内周面が排気ガス導出部の外周面に接合されている。そして、伝熱管集合体は、一端部の外周面が排気ガス導入部の内周面に接合され、他端部の外周面が排気ガス導出部の内周面に接合されている。したがって、排気ガス導入部に導入された排気ガスは、冷却媒体流通部形成部に触れることなく、排気ガス導入部から伝熱管集合体の各伝熱管に入り、各伝熱管を通過して排気ガス導出部内に流出し、排気ガス導出部から外部に流出する。このため、排気ガス導入部、排気ガス導出部、及び、各伝熱管を、硫酸に対する耐食性が高い材料で形成する一方、冷却媒体流通部形成部は、硫酸に対する耐食性が低い材料で形成することができ、コストの上昇を抑制しつつ、排気ガスの凝縮水に含まれる硫酸による腐食の虞を減少可能である。

そして、伝熱管集合体と排気ガス導入部との接合部である第１の接合部と、排気ガス導入部と冷却媒体流通部形成部との接合部である第３の接合部とがずれて配置されるとともに、伝熱管集合体と排気ガス導出部との接合部である第２の接合部と、排気ガス導出部と冷却媒体流通部形成部との接合部である第４の接合部とがずれて配置されているため、排気ガス導入部は、第１の接合部では内周面の、第３の接合部では外周面の寸法精度を高くすればよく、排気ガス導出部は、第２の接合部では内周面の、第４の接合部では外周面の寸法精度を高くすればよい。このように片側の面のみの寸法精度を高くすることは容易であるため、クリアランス管理が容易となり、ロウ付け性を改善可能である。

そしてさらに、各接合部は二重となるので、各接合部付近における急激な断面変化を抑制できることから、各接合部への応力集中を緩和可能である。

ここで、本発明の排気ガス熱交換器においては、前記第１の接合部が、前記第３の接合部に対し、前記下流側にずれて配置され、前記第２の接合部が、前記第４の接合部に対し、前記上流側にずれて配置されていることが好ましい。

これによれば、伝熱管集合体の排気ガス導入部及び排気ガス導出部への差し込み量が少なくて済むので、組み付けが容易である。

また、前記排気ガス導入部が、前記排気ガス導入口が形成された導入部本体部と、前記導入部本体部に接合されて前記導入部本体部の前記下流側に延設された筒状の導入部延設部とを備え、前記排気ガス導出部が、前記排気ガス導出口が形成された導出部本体部と、前記導出部本体部に接合されて前記導出部本体部の前記上流側に延設された筒状の導出部延設部とを備え、前記冷却媒体流通部形成部の前記一端部の内周面が、前記導入部延設部の外周面に接合されることにより、前記第３の接合部が形成され、前記冷却媒体流通部形成部の前記他端部の内周面が、前記導出部延設部の外周面に接合されることにより、前記第４の接合部が形成されていることとすることもできる。

これによれば、排気ガスの流れ方向における長さが短い従来の排気ガス導入部及び排気ガス導出部を、それぞれ、導入部本体部及び導出部本体部として用いることとして、それぞれ、導入部延設部及び導出部延設部を接合することにより、排気ガスの流れ方向における長さを長くでき、第１の接合部と第３の接合部とをずらして配置することが可能となるとともに、第２の接合部と第４の接合部とをずらして配置することが可能となる。

本発明の第１実施形態に係る排気ガス熱交換器の斜視図である。 同排気ガス熱交換器の分解斜視図である。 同排気ガス熱交換器の右側面図である。 同排気ガス熱交換器の正面図である。 同排気ガス熱交換器の平面図である。 図４のVI-VI線断面図及び要部拡大断面図である。 図５のVII-VII線断面図である。 本発明の第１実施形態の排気ガス熱交換器の変形例の要部断面図である。 本発明の第２実施形態に係る排気ガス熱交換器の分解斜視図である。 第２実施形態に係る排気ガス熱交換器の要部断面図である。 従来のＥＧＲ用熱交換器の要部断面図である。

以下、本発明の各実施形態を図面に基づいて説明する。

第１実施形態の排気ガス熱交換器（以下、「熱交換器」と略す。）１は、自動車のＥＧＲ用熱交換器として使用されるものであり、図１，２に示すように、伝熱管集合体７と、伝熱管集合体７を収容するアウターケース２とを備えて構成されている。なお、以下の説明においては、図１〜４に示すように、後述する冷却媒体入口３３及び冷却媒体出口３４が設けられている側を上、後述する入口側フランジ８が設けられている側を左、図３紙面左側を前とする。

アウターケース２は、それぞれ別部材である冷却媒体流通部形成部３と排気ガス導入部４と排気ガス導出部５とから構成され、さらに冷却媒体流通部形成部３は、それぞれ別部材である第１形成部材３１と第２形成部材３２とから構成されている。

冷却媒体流通部形成部３は、後述する冷却媒体流通部２２を囲繞する部材であり、第１形成部材３１と第２形成部材３２は、いずれも一般ステンレス鋼（本実施形態では、ＳＵＳ３０４）で形成されている。

第１形成部材３１は、上壁部３１ａと前壁部３１ｂと下壁部３１ｃとを有する断面コ字形状に形成され、上壁部３１ａの左側部に、冷却媒体の入口となる円形状の冷却媒体入口３３が形成されるとともに、上壁部３１ａの右側部に、冷却媒体の出口となる円形状の冷却媒体出口３４が形成されている。なお、本実施形態では、冷却媒体は水である。冷却媒体入口３３、冷却媒体出口３４には、それぞれ、円筒形状の流入管３５、流出管３６が連結されている。また、上壁部３１ａの後端部に段部３１ｄが形成され、下壁部３１ｃの後端部に段部３１ｅが形成されることにより、第１形成部材３１は後端部の上下方向の幅が拡幅されている。

第２形成部材３２は、上壁部３２ａと後壁部３２ｂと下壁部３２ｃとを有する断面コ字形状に形成されている。上壁部３２ａ及び下壁部３２ｃは、第１形成部材３１の上壁部３１ａ及び下壁部３１ｃよりも前後方向の長さが短くされている。

第１形成部材３１と第２形成部材３２は、左右方向の長さが同一とされ、左右の両端を揃えて、第１形成部材３１の後端部に第２形成部材３２の前端部を嵌合すると、上壁部３２ａの前端部外面及び下壁部３２ｃの前端部外面が、それぞれ、段部３１ｄ，３１ｅの内面に接しつつ嵌合するように構成されている。そして、そのように第１形成部材３１と第２形成部材３２とを嵌合して接合することにより、略角筒状をなす冷却媒体流通部形成部３が形成される。

冷却媒体流通部形成部３の中央部３９は、縮径されて、中央部３９の上壁部３９ａ及び下壁部３９ｂが、後述する第１ケース７１の壁部７１ｂ，７１ｂの長手方向中央部に形成された膨出部７１ｃ，７１ｃ、及び、第２ケース７２の壁部７２ｂ，７２ｂの長手方向中央部に形成された膨出部７２ｃ，７２ｃに沿うような形状とされている。また、冷却媒体流通部形成部３の一端部である左端部３７及び他端部である右端部３８は、縮径されて、略短角筒状をなしている。なお、短角筒状とは、軸方向に直交する面で切断したときの断面が多角形（本実施形態では、四角形）をなす短筒状をいう。

排気ガス導入部４は、後述する排気ガス流通部２１における伝熱管集合体７より上流側の上流部２１ａを囲繞する部材であり、スーパーＳＵＳで形成されている。なお、スーパーＳＵＳとは、上述したように、一般ステンレス鋼（例えば、ＳＵＳ３０４、ＳＵＳ３１６）よりもニッケル、クロム及びモリブデンの含有量を高めたステンレス鋼であり、実施形態では、硫酸に対する耐食性の高いスーパーＳＵＳを用いている。また、本明細書でいう上流、下流とは、排気ガスの流れ方向における上流、下流をいい、本実施形態では、熱交換器１内で排気ガスは左から右に流れるため、左側が上流側、右側が下流側となる。

図２，６，７に示すように、排気ガス導入部４は、左側部が、左端部が窄まった略角型漏斗形状をなす漏斗状部４１とされ、右側部が、段付きの略角筒状をなす角筒状部４２とされている。そして、角筒状部４２は、漏斗状部４１の右端に連続する略短角筒状の第１短角筒状部４２ａと、第１短角筒状部４２ａの右側に傾斜部４２ｂを経て連続する略短角筒状の第２短角筒状部４２ｃとを有し（図６の円内の要部拡大図参照）、第２短角筒状部４２ｃは、第１短角筒状部４２ａよりも拡径され、すなわち、前後方向及び上下方向の幅が第１短角筒状部４２ａよりも拡張されている。第２短角筒状部４２ｃの右端、すなわち、排気ガス導入部４の右端は、略矩形状に開口する右端開口部４３とされている。漏斗状部４１の左端部すなわち排気ガス導入部４の左端部には、排気ガスの入口となる円形状の排気ガス導入口４５が形成されている。排気ガス導入口４５には、入口側フランジ８が取り付けられている。

排気ガス導出部５は、排気ガス導入部４と同じスーパーＳＵＳで排気ガス導入部４と同形に形成されており、すなわち、排気ガス導入部４と同部材であるが、排気ガス導入部４とは左右対称的に配置されて、後述する排気ガス流通部２１における伝熱管集合体７より下流側の下流部２１ｂを囲繞する。

排気ガス導出部５は、右側部が、右端部が窄まった略角型漏斗形状をなす漏斗状部５１とされ、左側部が、段付きの略角筒状をなす角筒状部５２とされている。そして、角筒状部５２は、漏斗状部５１の左端に連続する略短角筒状の第１短角筒状部５２ａと、第１短角筒状部５２ａの左側に傾斜部５２ｂを経て連続する略短角筒状の第２短角筒状部５２ｃとを有し、第２短角筒状部５２ｃは、第１短角筒状部５２ａよりも拡径されている。第２短角筒状部５２ｃの左端、すなわち、排気ガス導出部５の左端は、略矩形状に開口する左端開口部５３とされている。排気ガス導出部５の右端部には、排気ガスの出口となる円形状の排気ガス導出口５５が形成されている。排気ガス導出口５５には、出口側フランジ９が取り付けられている。

そして、冷却媒体流通部形成部３の左端部３７及び右端部３８の内周面は、左右方向に直交する面で切断したときの断面（以下、「縦断面」という。）が、第１短角筒状部４２ａ，５２ａの外周面の縦断面と略同形の略矩形状をなし、左端部３７の内周面が第１短角筒状部４２ａの外周面に、右端部３８の内周面が第１短角筒状部５２ａの外周面に接合されることにより、冷却媒体流通部形成部３の左端部３７に排気ガス導入部４が、冷却媒体流通部形成部３の右端部３８に排気ガス導出部５が接合されて、アウターケース２が形成される。

伝熱管集合体７は、複数（実施形態では、６個）の伝熱管７０を集合させて形成され、図６に示すように、伝熱管集合体７の一端部７ａには、各伝熱管７０の排気ガス入口７０ａが開口し、伝熱管集合体７の他端部７ｂには、各伝熱管７０の排気ガス出口７０ｂが開口している。

詳しくは、各伝熱管７０は、図２，６に示すように、いずれもスーパーＳＵＳ製の薄板から形成された第１ケース７１、第２ケース７２、及び、伝熱フィン７３（図３参照。図３以外では図示省略。）から構成され、第１ケース７１と第２ケース７２とで形成された管の中に、伝熱フィン７３が配置されたものである。なお、第１ケース７１、第２ケース７２、及び、伝熱フィン７３は、排気ガス導入部４と同じく、硫酸に対する耐食性が高いスーパーＳＵＳ製であるが、排気ガス導入部４よりも厚みの薄い薄板で形成され、さらに伝熱フィン７３は、第１ケース７１及び第２ケース７２よりも厚みが薄い薄板で形成されている。より具体的には、冷却媒体流通部形成部３の板厚は約０．８〜１．２ｍｍ、排気ガス導入部４及び排気ガス導出部５の板厚は約０．８〜１．２ｍｍ、第１ケース７１及び第２ケース７２の板厚は約０．３〜０．４ｍｍ、伝熱フィン７３の板厚は約０．１〜０．２ｍｍの範囲内の所定厚さとされている。

第１ケース７１及び第２ケース７２は、図５〜７に示すように、略平板状の平板部７１ａ，７２ａの両側に壁部７１ｂ，７２ｂがそれぞれ立設された断面略コ字形状に形成され、伝熱フィン７３は、断面略コ字形状の凹部と凸部が連続する波板状に形成されている。第１ケース７１の壁部７１ｂ，７１ｂ間は、第２ケース７２の壁部７２ｂ，７２ｂ間よりも、若干幅が狭くされている。そして、第１ケース７１と第２ケース７２との間に伝熱フィン７３を挟むようにして、壁部７１ｂ，７１ｂが壁部７２ｂ，７２ｂの内側に接するように、第１ケース７１を第２ケース７２に嵌合することにより、第１ケース７１と第２ケース７２とで、縦断面が扁平な略矩形状をなす管が形成され、その管の中に伝熱フィン７３が配置されて、伝熱管７０が形成され、各伝熱管７０は、長手方向（管軸方向）の一端部に排気ガス入口７０ａ、他端部に排気ガス出口７０ｂを有することとなる。

また、図６に示すように、各伝熱管７０における平板部７１ａ，７２ａは、左端部及び右端部に、それぞれ、互いに離間するように傾斜する傾斜部７１ｄ，７２ｄを有し、各伝熱管７０の長手方向の両端部は、それぞれ前後方向の幅が拡張されて、拡張部７４をなしている。なお、図６紙面上の上下方向が熱交換器１の前後方向に相当し、各伝熱管７０についても、熱交換器１の前後方向に相当する方向を前後方向として説明する。そして、これら６個の伝熱管７０を、長手方向（左右方向に相当。）の両端が揃うように前後方向に重ね合わせて、隣接する伝熱管７０の拡張部７４同士を接合することにより、伝熱管集合体７が形成され、隣り合う伝熱管７０の非拡張部７５同士の間には、隙間２２ａが形成される。なお、非拡張部７５とは、各伝熱管７０における、左右の拡張部７４，７４間の、前後方向の幅が拡張部７４よりも狭くなった部分をいう。隙間２２ａは、後述する冷却媒体流通部２２の一部をなす。

拡張部７４は、縦断面が扁平な略矩形状をなし、伝熱管集合体７の一端部７ａ及び他端部７ｂは、複数の拡張部７４が縦断面における長辺部分を重ね合わされて接合されることにより形成されているため、一端部７ａ及び他端部７ｂの外周面は、縦断面が略矩形状をなしている。

また、上述した第２短角筒状部４２ｃ，５２ｃの内周面の縦断面は、上述した一端部７ａ及び他端部７ｂの外周面の縦断面と略同形の略矩形状をなしている。そして、上述したように冷却媒体流通部形成部３と排気ガス導入部４と排気ガス導出部５とを接合するとともに、一端部７ａの外周面を第２短角筒状部４２ｃの内周面に接合し、他端部７ｂの外周面を第２短角筒状部５２ｃの内周面に接合することにより、アウターケース２が形成されるとともに、一端部７ａと第２短角筒状部４２ｃとの接合部である後述する第１の接合部６１、及び、他端部７ｂと第２短角筒状部５２ｃとの接合部である後述する第２の接合部６２が境界となって、アウターケース２の内部が、排気ガスが流通する排気ガス流通部２１と、冷却媒体が流通する冷却媒体流通部２２とに区分され、排気ガス流通部２１は、伝熱管集合体７よりも上流側の上流部２１ａと、伝熱管集合体７よりも下流側の下流部２１ｂと、伝熱管集合体７を構成する各伝熱管７０の内部である管内流路２１ｃとから構成される。また、冷却媒体流通部２２は、伝熱管７０同士の隙間２２ａと、伝熱管集合体７を取り巻く周囲部２２ｂとから構成される。

ここで、排気ガス導入部４の第２短角筒状部４２ｃは第１短角筒状部４２ａよりも下流側に位置し、排気ガス導出部５の第２短角筒状部５２ｃは第１短角筒状部５２ａよりも上流側に位置している。したがって、伝熱管集合体７の一端部７ａの外周面と第２短角筒状部４２ｃの内周面との接合部を第１の接合部６１、伝熱管集合体７の他端部７ｂの外周面と第２短角筒状部５２ｃの内周面との接合部を第２の接合部６２、冷却媒体流通部形成部３の左端部３７の内周面と第１短角筒状部４２ａの外周面との接合部を第３の接合部６３、冷却媒体流通部形成部３の右端部３８の内周面と第１短角筒状部５２ａの外周面との接合部を第４の接合部６４とした場合、第１の接合部６１は第３の接合部６３に対し、下流側にずれて配置され（図６の円内の要部拡大図参照）、第２の接合部６２は第４の接合部６４に対し、上流側にずれて配置されることとなる。

次に、熱交換器１の組み立て及びロウ付け工程について説明する。なお、組み立て及びロウ付けは、図２，６等に示す前後方向を上下方向として行う。第１形成部材３１、第２形成部材３２、排気ガス導入部４、排気ガス導出部５、各第１ケース７１、各第２ケース７２、及び、各伝熱フィン７３は、多段のプレス加工により、予め成形しておく。

まず、各伝熱管７０を組み立てる。詳しくは、第１ケース７１、第２ケース２７２の内面にロウ材を塗布し、伝熱フィン７３を第２ケース７２内に収容する。そして、壁部７１ｂ，７１ｂが壁部７２ｂ，７２ｂの内側に接するように、第１ケース７１を第２ケース７２に嵌合することにより、伝熱管７０を組み立てる。互いに接する壁部７１ｂと壁部７２ｂとの間には、ロウ材を塗布する。

次に、上記のように組み立てられた各伝熱管７０の拡張部７４，７４の外周面全面に、ロウ材を塗布し、図２，６に示すように、管軸方向の両端が揃うように各伝熱管７０を積層することにより、伝熱管集合体７を形成する。なお、この積層の際には、図２，６に示す前後方向を上下方向として、上下方向に積層する。隣り合う伝熱管７０は、拡張部７４同士が接し、非拡張部７５同士の間には隙間２２ａが形成されることとなる。

伝熱管集合体７の一端部７ａの外周面は、各伝熱管７０の拡張部７４の外周面により形成されるため、ロウ材が塗布された状態である。この状態で、一端部７ａを、排気ガス導入部４の右端開口部４３から排気ガス導入部４の内部に嵌合する。すると、一端部７ａの外周面の縦断面は、第２短角筒状部４２ｃの内周面の縦断面と略同形の略矩形状をなし、第２短角筒状部４２ｃより左方の傾斜部４２ｂ及び第１短角筒状部４２ａは、第２短角筒状部４２ｃよりも縮径されているため、一端部７ａは、外周面が第２短角筒状部４２ｃの内周面に接した状態で、それ以上左方に入り込むことなく、排気ガス導入部４に嵌合される。

同様に、伝熱管集合体７の他端部７ｂの外周面も、ロウ材が塗布された状態であり、この状態で、他端部７ｂを、排気ガス導出部５の左端開口部５３から排気ガス導出部５の内部に嵌合すると、他端部７ｂは、外周面が第２短角筒状部５２ｃの内周面に接した状態で、それ以上右方に入り込むことなく、排気ガス導出部５に嵌合される。

また、流入管３５の基端部３５ａ及び流出管３６の基端部３６ａ（図７参照）にロウ材を塗布し、基端部３５ａを冷却媒体入口３３に、基端部３６ａを冷却媒体出口３４に嵌合することにより、流入管３５及び流出管３６を第１形成部材３１に組み付ける。

次に、第１形成部材３１の左端部３１ｆ、右端部３１ｇ、及び、段部３１ｄ，３１ｅの各々の内面、及び、第２形成部材３２の左端部３２ｄ及び右端部３２ｅの各々の内面に、ロウ材を塗布する。そして、第１形成部材３１と第２形成部材３２の左右方向の両端を揃えて、第１形成部材３１の段部３１ｄ，３１ｅ間に第２形成部材３２の前端部（図２の前後方向を上下方向としたときの上端部）を嵌合し、第１形成部材３１と第２形成部材３２とで形成される冷却媒体流通部形成部３の内部に、伝熱管集合体７を収容するとともに、左端部３１ｆと左端部３２ｄとで形成される冷却媒体流通部形成部３の左端部３７を、第１短角筒状部４２ａに嵌合し、右端部３１ｇと右端部３２ｅとで形成される冷却媒体流通部形成部３の右端部３８を、第１短角筒状部５２ａに嵌合する。

また、排気ガス導入部４の排気ガス導入口４５の周囲にロウ材を塗布して、入口側フランジ８を嵌合し、排気ガス導出部５の排気ガス導出口５５の周囲にロウ材を塗布して、出口側フランジ９を嵌合する。

以上のように製品形状まで組み立てられた熱交換器１は、炉中ロウ付けにより、ロウ材が塗布された各部位が接合される。すなわち、伝熱管集合体７の一端部７ａの外周面が、排気ガス導入部４の第２短角筒状部４２ｃの内周面に接合されることにより、第１の接合部６１が形成され、伝熱管集合体７の他端部７ｂの外周面が、排気ガス導出部５の第２短角筒状部５２ｃの内周面に接合されることにより、第２の接合部６２が形成され、冷却媒体流通部形成部３の左端部３７の内周面が、排気ガス導入部４の第１短角筒状部４２ａの外周面に接合されることにより、第３の接合部６３が形成され、冷却媒体流通部形成部３の右端部３８の内周面が、排気ガス導出部５の第１短角筒状部５２ａの外周面に接合されることにより、第４の接合部６４が形成される。なお、第１の接合部６１は、第３の接合部６３に対し下流側にずれて配置され、第２の接合部６２は、第４の接合部６４に対し、上流側にずれて配置される。

そして、各伝熱管７０の第１ケース７１と第２ケース７２との接合部、第１の接合部６１、第２の接合部６２、第３の接合部６３及び第４の接合部６４が、気密性を有することとなり、アウターケース２の内部に、排気ガスが流通する排気ガス流通部２１が形成されるとともに、各伝熱管７０を囲繞するように、冷却媒体が流通する冷却媒体流通部２２が形成される。

次に、以上のように構成された熱交換器１の作用について説明する。熱交換器１には、排気ガス導入口４５から排気ガスが導入される。排気ガスは、排気ガス導入部４で囲繞された上流部２１ａを通って、各伝熱管７０の管内流路２１ｃに入る。一方、冷却媒体である水が、流入管３５から冷却媒体入口３３を介して冷却媒体流通部形成部３内に供給される。この水は、冷却媒体流通部形成部３内の冷却媒体流通部２２を流通し、管内流路２１ｃ内の排気ガスと熱交換を行って、排気ガスを冷却する。そして、冷却媒体出口３４を介して流出管３６から冷却媒体流通部形成部３外に流出する。管内流路２１ｃ内で冷却された排気ガスは、排気ガス導出部５で囲繞された下流部２１ｂに入り、排気ガス導出口５５から熱交換器１外に流出する。

上述したように、熱交換器１によれば、冷却媒体流通部形成部３は、左端部３７の内周面が排気ガス導入部４の外周面に接合され、右端部３８の内周面が排気ガス導出部５の外周面に接合されている。そして、伝熱管集合体７の一端部７ａの外周面は、排気ガス導入部４の内周面に接合され、伝熱管集合体７の他端部７ｂの外周面は、排気ガス導出部５の内周面に接合されている。したがって、排気ガス導入口４５から排気ガス導入部４に導入された排気ガスは、冷却媒体流通部形成部３に触れることなく、排気ガス導入部４から各伝熱管７０に入り、各伝熱管７０を通過して排気ガス導出部５内に流出し、排気ガス導出部５の排気ガス導出口５５から熱交換器１外に流出する。したがって、排気ガス導入部４、排気ガス導出部５、及び、各伝熱管７０を、硫酸に対する耐食性が高い材料（例えば、スーパーＳＵＳ）で形成する一方、冷却媒体流通部形成部３は、排気ガス導入部４、排気ガス導出部５、及び、各伝熱管７０を形成する材料よりも硫酸に対する耐食性が低い材料（例えば、一般ＳＵＳ）で形成することができ、コストの上昇を抑制しつつ、排気ガスの凝縮水に含まれる硫酸による腐食の虞を減少可能である。

そして、伝熱管集合体７と排気ガス導入部４との接合部である第１の接合部６１と、排気ガス導入部４と冷却媒体流通部形成部３との接合部である第３の接合部６３とがずれて配置されているので、排気ガス導入部４は、第１の接合部６１では内周面の、第３の接合部６３では外周面の寸法精度を高くすればよい。同様に、排気ガス導出部５における第２の接合部６２と第４の接合部６４もずれて配置されているため、排気ガス導出部５は、第２の接合部６２では内周面の、第４の接合部６４では外周面の寸法精度を高くすればよい。このように片側の面のみの寸法精度を高くすることは容易であるため、熱交換器１は、クリアランス管理が容易であり、ロウ付け性を改善可能である。

そしてさらに、第１の接合部６１、第２の接合部６２、第３の接合部６３、及び、第４の接合部６４は、いずれも二重であり、各接合部付近における急激な断面変化を抑制できることから、各接合部への応力集中を緩和可能である。

また、熱交換器１では、第１の接合部６１が第３の接合部６３に対し下流側にずれて配置され、第２の接合部６２が第４の接合部６４に対し上流側にずれて配置されている。すなわち、第１の接合部６１は第３の接合部６３よりも、排気ガス導入部４の右端開口部４３に近く、第２の接合部６２は第４の接合部６４よりも、排気ガス導出部５の左端開口部５３に近いことから、伝熱管集合体７の排気ガス導入部４内への差し込み量及び排気ガス導出部５内への差し込み量が少なくて済み、組み付けが容易である。

なお、この点を考慮しなければ、図８に示すように、第１の接合部６１を第３の接合部６３に対し上流側にずらして配置し、第２の接合部６２を第４の接合部６４に対し下流側にずらして配置してもよい。なお、図８には、図８が排気ガス導出部５側の要部断面図である場合の符号を括弧内に示している。

図８は、熱交換器１の変形例の要部断面図である。この変形例では、排気ガス導入部４の角筒状部４２が段の無い略角筒状とされ、角筒状部４２の内周面の縦断面は、伝熱管集合体７の一端部７ａの外周面の縦断面と略同形の略矩形状とされ、角筒状部４２の外周面の縦断面は、冷却媒体流通部形成部３の左端部３７の内周面の縦断面と略同形の略矩形状とされている。また、冷却媒体流通部形成部３は、左右方向の長さが図１〜７に示したものより短くされている。そして、角筒状部４２の内周面に伝熱管集合体７の一端部７ａの外周面が接合されて、第１の接合部６１が形成され、角筒状部４２の外周面に冷却媒体流通部形成部３の左端部３７の内周面が接合されて、第３の接合部６３が形成され、第１の接合部６１は第３の接合部６３よりも上流側にずれて配置されている。排気ガス導出部５側も、同様に構成され、第２の接合部６２は第４の接合部６４よりも下流側にずれて配置されている。

図８に示す変形例では、排気ガス導入部４内に差し込んだときの、伝熱管集合体７の一端部７ａの左方への（排気ガス導入口４５側への）移動が、角筒状部４２よりも縮径された漏斗状部４１により規制され、同様に、排気ガス導出部５内に差し込んだときの、伝熱管集合体７の他端部７ｂの右方への（排気ガス導出口５５側への）移動が、角筒状部５２よりも縮径された漏斗状部５１により規制されるため、排気ガス導入部４の角筒状部４２、及び、排気ガス導出部５の角筒状部５２を、段付きとしなくてもよい。

次に、第２実施形態の熱交換器１Ｂについて、図９，１０に基づいて説明する。なお、第１実施形態の熱交換器１と同様の部分については、同じ符号を用い、その説明及び図示を適宜省略する。なお、図１０には、図１０が熱交換器１Ｂの排気ガス導出部５側の要部断面図である場合の符号を、括弧内に示している。

熱交換器１Ｂは、排気ガス導入部４が、それぞれ別体の導入部本体部４６と導入部延設部４７とから構成され、排気ガス導出部５が、それぞれ別体の導出部本体部５６と導出部延設部５７とから構成されている点が、熱交換器１と大きく異なる点である。導入部本体部４６、導入部延設部４７、導出部本体部５６、及び、導出部延設部５７は、いずれも、硫酸に対する耐食性が高いスーパーＳＵＳ製の薄板を、プレス加工することにより形成されている。なお、導入部本体部４６と導出部本体部５６は同形（同部材）であり、導出部本体部５６と導出部延設部５７は同形（同部材）であって、熱交換器１Ｂにおいて左右対称に配置されているだけである。

詳しくは、導入部本体部４６は、左側部が、左端部に排気ガス導入口４５が形成された略角型漏斗形状の漏斗状部４１とされ、右側部が、漏斗状部４１の右端に連続して段の無い略短角筒状をなす短角筒状部４８とされている。

導入部延設部４７は、段付きの角筒状に形成され、略短角筒状の第１短角筒状部４７ａと、第１短角筒状部４７ａの右側に傾斜部４７ｂを経て第１短角筒状部４７ａよりも縮径して連続する略短角筒状の第２短角筒状部４７ｃと、第２短角筒状部４７ｃの右側に傾斜部４７ｄを経て第２短角筒状部４７ｃよりも縮径して連続する略短角筒状の第３短角筒状部４７ｅとを有している。第３短角筒状部４７ｅの右端は、右端開口部４３とされている。

そして、第１短角筒状部４７ａの内周面が短角筒状部４８の外周面に接合されて、導入部延設部４７が導入部本体部４６の下流側に延設され、排気ガス導入部４が形成される。

導出部本体部５６は、右側部が、右端部に排気ガス導出口５５が形成された略角型漏斗形状の漏斗状部５１とされ、左側部が、漏斗状部５１の左端に連続して段の無い略短角筒状をなす短角筒状部５８とされている。

導出部延設部５７は、段付きの略角筒状に形成され、略短角筒状の第１短角筒状部５７ａと、第１短角筒状部５７ａの左側に傾斜部５７ｂを経て第１短角筒状部５７ａよりも縮径して連続する略短角筒状の第２短角筒状部５７ｃと、第２短角筒状部５７ｃの左側に傾斜部５７ｄを経て第２短角筒状部５７ｃよりも縮径して連続する略短角筒状の第３短角筒状部５７ｅとを有している。第３短角筒状部５７ｅの左端は、左端開口部５３とされている。

そして、第１短角筒状部５７ａの内周面が短角筒状部５８の外周面に接合されて、導出部延設部５７が導出部本体部５６の上流側に延設され、排気ガス導出部５が形成される。

また、図１０に示すように、伝熱管集合体７の一端部７ａの外周面が、第３短角筒状部４７ｅの内周面に接合されて、第１の接合部６１が形成され、冷却媒体流通部形成部３の左端部３７の内周面が、第２短角筒状部４７ｃの外周面に接合されて、第３の接合部６３が形成される。同様に、伝熱管集合体７の他端部７ｂの外周面が、第３短角筒状部５７ｅの内周面に接合されて、第２の接合部６２が形成され、冷却媒体流通部形成部３の右端部３８の内周面が、第２短角筒状部５７ｃの外周面に接合されて、第４の接合部６４が形成される。

なお、第１実施形態と同様に、各部の接合は、ロウ付けにより一度に行われる。

熱交換器１Ｂにおいても、熱交換器１と同様に、第１の接合部６１が第３の接合部６３よりも下流側にずれて配置され、第２の接合部６２が第４の接合部６４よりも上流側にずれて配置されているため、熱交換器１と同様の効果を奏する。但し、熱交換器１の方が熱交換器１Ｂよりも、部品点数が少なく、製造コストが安くなる点で有利である。

また、熱交換器１Ｂによれば、図１１に示すような排気ガスの流れ方向における長さが短い従来の排気ガス導入部１０４及び排気ガス導出部を、それぞれ、導入部本体部４６及び導出部本体部５６として用いることとして、それぞれ、導入部延設部４７及び導出部延設部５７を接合することにより、排気ガスの流れ方向における長さを長くでき、第１の接合部６１と第３の接合部６３とをずらして配置することが可能となるとともに、第２の接合部６２と第４の接合部６４とをずらして配置することが可能となる。

なお、熱交換器１Ｂでは、導入部本体部４６と導入部延設部４７との接合部は、第１の接合部６１及び第３の接合部６３よりも上流側にずれて配置されて、第１の接合部６１及び第３の接合部６３のいずれとも重ならず、導出部本体部５６と導出部延設部５７との接合部は、第２の接合部６２及び第４の接合部６４よりも下流側にずれて配置されて、第２の接合部６２及び第４の接合部６４のいずれとも重ならない。すなわち、これらの接合部はすべて二重であるため、クリアランス管理が容易であり、かつ、応力集中を緩和できる。

１，１Ｂ 排気ガス熱交換器
２ アウターケース
３ 冷却媒体流通部形成部
４ 排気ガス導入部
５ 排気ガス導出部
７ 伝熱管集合体
７ａ 一端部
７ｂ 他端部
２１ 排気ガス流通部
２２ 冷却媒体流通部
３３ 冷却媒体入口
３４ 冷却媒体出口
３７ 左端部
３８ 右端部
４５ 排気ガス導入口
４６ 導入部本体部
４７ 導入部延設部
５５ 排気ガス導出口
５６ 導出部本体部
５７ 導出部延設部
６１ 第１の接合部
６２ 第２の接合部
６３ 第３の接合部
６４ 第４の接合部
７０ 伝熱管
７０ａ 排気ガス入口
７０ｂ 排気ガス出口

Claims (3)

1. 排気ガスが流通する複数の伝熱管を集合させて形成されて一端部に前記各伝熱管の排気ガス入口が開口し他端部に前記各伝熱管の排気ガス出口が開口する伝熱管集合体と、前記伝熱管集合体を収容するアウターケースとを備え、
   前記伝熱管集合体の前記一端部及び前記他端部の外周面を、前記アウターケースの内周面に接合することにより、前記アウターケースの内部が、排気ガスが流通する排気ガス流通部と、排気ガスを冷却するための冷却媒体が流通する冷却媒体流通部とに区分された排気ガス熱交換器において、
   前記アウターケースが、冷却媒体の入口と冷却媒体の出口とが形成されて前記冷却媒体流通部を囲繞する冷却媒体流通部形成部と、排気ガス導入口が形成されて前記排気ガス流通部の前記伝熱管集合体より上流側を囲繞する排気ガス導入部と、排気ガス導出口が形成されて前記排気ガス流通部の前記伝熱管集合体より下流側を囲繞する排気ガス導出部とを備えて、前記冷却媒体流通部形成部の一端部に前記排気ガス導入部を接合し、前記冷却媒体流通部形成部の他端部に前記排気ガス導出部を接合することにより形成され、
   前記伝熱管集合体の前記一端部の外周面が、前記排気ガス導入部の内周面に接合されることにより、第１の接合部が形成され、
   前記伝熱管集合体の前記他端部の外周面が、前記排気ガス導出部の内周面に接合されることにより、第２の接合部が形成され、
   前記冷却媒体流通部形成部の前記一端部の内周面が、前記排気ガス導入部の外周面に接合されることにより、第３の接合部が形成され、
   前記冷却媒体流通部形成部の前記他端部の内周面が、前記排気ガス導出部の外周面に接合されることにより、第４の接合部が形成され、
   前記第１の接合部が、前記第３の接合部に対し、排気ガスの流れ方向における上流側または下流側にずれて配置され、
   前記第２の接合部が、前記第４の接合部に対し、前記上流側または前記下流側にずれて配置され、
   前記排気ガス導入部、前記排気ガス導出部、及び、前記各伝熱管は、硫酸に対する耐食性が高い材料で形成され、
   前記冷却媒体流通部形成部は、硫酸に対する耐食性が低い材料で形成されていることを特徴とする排気ガス熱交換器。
2. 前記第１の接合部が、前記第３の接合部に対し、前記下流側にずれて配置され、
   前記第２の接合部が、前記第４の接合部に対し、前記上流側にずれて配置されていることを特徴とする請求項１記載の排気ガス熱交換器。
3. 前記排気ガス導入部が、前記排気ガス導入口が形成された導入部本体部と、前記導入部本体部に接合されて前記導入部本体部の前記下流側に延設された筒状の導入部延設部とを備え、
   前記排気ガス導出部が、前記排気ガス導出口が形成された導出部本体部と、前記導出部本体部に接合されて前記導出部本体部の前記上流側に延設された筒状の導出部延設部とを備え、
   前記冷却媒体流通部形成部の前記一端部の内周面が、前記導入部延設部の外周面に接合されることにより、前記第３の接合部が形成され、
   前記冷却媒体流通部形成部の前記他端部の内周面が、前記導出部延設部の外周面に接合されることにより、前記第４の接合部が形成されていることを特徴とする請求項１又は２記載の排気ガス熱交換器。

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