JP6280520B2 - 二相鋼から成る排気ガス熱交換器 - Google Patents

Description

本発明は、請求項１の上位概念の特徴による自動車用の排気ガス熱交換器に関する。

燃料の燃焼時、燃料内に含まれる化学エネルギーが、一方では機械エネルギーに、他方では熱エネルギーに転換される。この場合、理想的なカルノーサイクルによる熱力学的サイクルにおいて、内燃機関の効率は、約４０％に制限されているので、燃料内に含まれるエネルギーの約６０％が、熱に転換され、排気ガスと共に排出される、又はしかしながら排気ガス流を介して、又はしかしながら内燃機関のエンジンブロックを介して、排出される。従来技術から、排気ガス熱交換器が知られているが、これら排気ガス熱交換器は、燃料の燃焼時に生じる排気ガスを冷却するもしくは排気ガスから熱エネルギーを除去するために、大抵は自動車の内燃機関で使用される。

この場合、排気ガスは、５００℃〜１０００℃までの温度を備える。

排気ガス再循環の形態の有害物質低減のため、又はしかしながらまた排気ガスに含まれる熱の除去のため、及び例えば熱力学的サイクルへの供給のために、排気ガス熱交換器を使用することが必要である。

この場合、このような排気ガス熱交換器は、一方では、排気ガスの高い温度に直接的にさらされているので、排気ガス熱交換器の作動中しかしながらまた内燃機関のコールドスタート中に著しい熱的変動が生じ得る。更に、排気ガス自身が、高腐食特性を備えるので、使用領域の持続時間にわたって相応に、材料、特に排気ガス熱交換器の周面並びに連結箇所が、腐食される。

相応の排気ガス熱交換器は、例えば独国特許出願公開第１０ ２００６ ０２９ １１０号明細書から公知である。

独国特許出願公開第１０ ２００６ ０２９ １１０号明細書

本発明の課題は、使用時間並びに熱伝達特性が少なくとも不変であるか、さもなければ向上されているにもかかわらず、熱交換器の部品重量、特に製造コストを下げることにある。

この課題は、本発明によれば、請求項１の特徴を有する自動車熱交換器によって解決される。

本発明の有利な形成のバリエーションは、従属請求項の対象である。

本発明による排気ガス熱交換器は、自動車用であり、外側のスリーブとこのスリーブ内に層状に重なり合うように配置されたプレートとを備える。この排気ガス熱交換器は、内側に位置する、オーステナイト鋼材料から成るフィンプレートが、フェライト鋼材料から成るインナカセット内に配置され、更にまた、少なくとも２つのインナカセットが、プレートとして層状に重なり合うように配置され、二相鋼から成る外側のスリーブが、インナカセットを包囲するように形成され、各インナカセットとその中に配置されたフィンプレート、隣接するそれぞれ２つのインナカセット及び層状に重なり合うように配置されたインナカセットと外側のスリーブが、互いにろう付けされていること、を特徴とする。

従って、３０％までの重量削減を有し、これにより異なった材料を使用することによる最適な調和が実現されたプレート式熱交換器を提供することが可能である。従って、特にスリーブにおいて、少なくとも強度が不変であり、相応の長寿命及び耐食性を有するにもかかわらず、肉厚を低減することができる。使用されるスリーブの材料の生じ得る超過価格は、量的に少ないパーセントの使用によって補償されるので、全体として腐食に対して高い耐性を有する排気ガス熱交換器が提供される。同時に、互いに異なる材料選択が、特に部品の間にある連結箇所、特にろう付け箇所を考慮しても、異なった熱膨張の最適な補償を可能にする。

本発明による排気ガス熱交換器の場合、第１の流通路が、スリーブの内周面とインナカセットの外周面の間に形成され、第２の流通路が、インナカセット自身内に形成されている。インナカセット内で熱伝達のための表面が増大させられるように、インナカセット自身内に、フィンプレートが配置されている。フィンプレート自身は、横断面に、波状の、さもなければ鋸歯状の構成を備える。フィンプレートは、オーステナイト鋼材料から形成され、インナカセット内に位置決めされている。好ましい構成のバリエーションでは、例えば物質融合式の接合プロセス、ここでは特にろう付けプロセスによって、フィンプレート自身をインナカセットと連結することもできる。これにより、更にまた、フィンプレートを介して吸収される熱エネルギーが、特に連結箇所においてインナカセットの材料に伝達され、次に、インナカセット自身からインナカセットの壁を介してインナカセットの外周面及びその上を流れる媒体に伝達されることが、可能にされる。

簡単な加工性並びに安価な製造を実現するため、インナカセットが、二重シェル式に形成され、両シェルが、互いにろう付けされている。両シェルは、実質的に横断面Ｕ字状の構成を備え、そして、これらシェルは、垂直方向に対して上から下に、フィンプレートを組み入れつつ互いに差込み可能であり、物質融合式の接合プロセス、特にろう付けプロセスによって連結される。この場合同時に、次にフィンプレートをインナシェルと連結することができる。

２つのインナカセットが、その間に存在する流通路を形成しつつ互いに間隔を取っているように、インナカセットは、外側へ向けられた間隔保持丘部を備える。そして、それぞれ完全に外側に位置するインナカセットは、その間隔保持丘部でもってスリーブの内周面に当接する。オプションで、スリーブも内側へ向けられた間隔保持丘部を備えることが、可能である。この場合、間隔保持丘部は、更に、それぞれ熱交換器能力のために使用可能な表面を拡大し、これが、冷却能力を更に向上させる。更に、インナカセットの終端は、互いに合流するように形成されている。そして、これにより、排気ガス流入側及び排気ガス流出側で、流入もしくは流出する排気ガスのための横断面ができるだけ大きく保たれ、これが、本発明による排気ガス熱交換器の非常に少ない圧力損失のために役立つ。本発明による二相鋼の使用に基づく十分な肉厚低減により、少なくとも冷却能力が不変であるにもかかわらず、圧力損失が付加的に軽減される。この場合、コブとして形成することもできる間隔保持丘部は、ろう付け工程中に膨張するので、品質的に価値の高いろう付け結合を実現する。

そして、少なくとも２つのインナカセットは、上下に積み重ねられ、スリーブ内へ位置決めされる。このため、更にまた特に好ましくは、スリーブが、アウタシェルとして二重シェル式に形成され、両シェルが、互いにろう付けされている。このため、更にまた、スリーブのシェルが、横断面Ｕ字型に構成され、Ｕ字のそれぞれの自由端でもって互いに差込み可能であり、熱的接合プロセス、特にろう付けプロセスを介して互いに連結可能である。

特に好ましくは、スリーブの二相鋼のため及びインナカセットにおいて二相鋼を使用する場合に、両者のためにも、合金１．４４６２又は１．４３６２又は１．４１６２の二相鋼が使用される。この場合、造形の自由度、耐食性並びに温度作用に対する耐性から最適条件が生じる。

ろう付けプロセスとして、好ましくは硬ろう付けが使用され、この硬ろう付けは、更にまた特に連続炉又は真空炉内で実施される。ろう材添加材料は、ニッケル−鉄−基材が使用される。これにより、ろう添加材料の場合でも、高い耐食性が保証される。二相鋼における相平衡は、ろう付けプロセスによって変化しない。フェライト及びオーステナイトは、それぞれ５０％までの割合で存在する。この場合特に、ろう付け温度は、９８０℃〜１１００℃である。

別の好ましい実施バリエーションでは、スリーブに、二相鋼から成るホルダが配置されている。そして、このホルダにより、本発明による排気ガス熱交換器は、内燃機関に連結される。ホルダ自身は、物質融合式の接合によってスリーブに連結すること、又は、好ましくは一体的かつ一貫材料でスリーブに形成することができる。そして、本発明の範囲内で、特にスリーブ、インナカセット及び／又はフィンプレートの部品が、板材変形部品、特に深絞り部品として製造されている。

本発明の更なる利点、特徴、特性及び態様は、後続の説明の対象である。好ましい実施バリエーションが、概略図に図示されている。これらの図は、本発明を容易に理解するために使用される。

排気ガス熱交換器の縦断面図 本発明による排気ガス熱交換器の横断面図

それぞれの図で、簡素化の理由から繰り返しの説明を省略する場合でも、同じ又は同様の部品に対して同じ符号が使用される。

図１及び２には、排気ガス熱交換器１が、縦断面図及び横断面図で図示されている。排気ガス熱交換器１は、本発明によればプレート式熱交換器として形成され、第１の流通路２が、外側のスリーブ４の内周面３と、スリーブ４内に配置されたインナカセット６の外周面５との間に形成されている。そして、第２の流通路７が、インナカセット６内に形成され、同様に、そこで熱吸収のために使用可能な表面を拡大するために、それぞれ１つのフィンプレート８が配置されている。インナカセット６内を排気ガスＡが流れることができ、相応の熱量が、フィンプレート８並びにインナカセット６の内周面９を介して吸収され、インナカセット６の壁を介して、第１の流通路２内の詳細には図示してない流体に伝達される。本発明によれば、構成は、フィンプレート８がオーステナイト材料から形成され、インナカセット６がフェライト材料又は二相鋼から形成され、スリーブ４が二相鋼から形成されている。インナカセット６において二相鋼又はフェライト鋼材料が使用されるかの選択は、期待すべき振動負荷に依存している。比較的低い振動負荷がある場合は、フェライト鋼材料が使用され、これに対して期待すべき振動負荷が高い場合は、二相鋼が使用される。

更に、スリーブ４は、二重シェル式に形成され、第１のシェル１０と第２のシェル１１を備える。更にまたスリーブ４の外側には、排気ガス熱交換器１を詳細には図示してないエンジンもしくは内燃機関に固定するために、ホルダ１２が連結されている。第１のシェル１０及び第２のシェル１１は、横断面がそれぞれＵ字状に構成され、逆方向に互いに差し込まれているので、接合箇所には、後からのろう付けプロセスで、特に高い品質を有するろう付け箇所を生じさせ、これにより、ろう付け箇所が、長期耐久性の観点の下に、高い密閉性と振動に対する耐性を伴うように、最適なろう付け隙間１３が形成される。ホルダ１２自身は、スリーブ４の外側に、一体的かつ一貫材料で形成するか、さもなければ他部材から形成することができるので、ホルダは、詳細には図示してない連結プロセスによってスリーブ４に連結される。更に、図１及び２には、インナカセット６の間並びに外側に位置するインナカセット６とスリーブ４の間に、間隔保持丘部１４が図示され、これら間隔保持丘部は、膨出部、さもなければ隆起の形態で形成することもできる。特に、間隔保持丘部１４は、型押し工程によってインナカセット６のそれぞれのシェルもしくはスリーブ４に形成することができる。そしてこれらは、インナカセット６の互いの間隔を形成するために使用され、これが、更にまた、それぞれ第１の流通路２の形成に導く。更にインナカセット６の終端には、それぞれ、互いに隣接する２つのインナカセット６の、互いに外に向かって先が拡大された終端１５が図示されている。外に向かって拡大されたこれら終端１５も、互いにろう付けされている。これにより、周縁側に、第１の流通路２と第２の流通路７の間の密閉性が生じさせられる。外に向かって拡大された終端１５は、ろう付け工程中も膨張し、これが、その間に存在するろう付け結合部の品質を良好にする。

１ 排気ガス熱交換器
２ 第１の流通路
３ スリーブの内周面
４ スリーブ
５ インナカセットの外周面
６ インナカセット
７ 第２の流通路
８ フィンプレート
９ インナカセットの内周面
１０ スリーブの第１のシェル
１１ スリーブの第２のシェル
１２ ホルダ
１３ ろう付け隙間
１４ スペース保持丘部
１５ インナカセットの終端
Ａ 排気ガス

Claims (7)

1. 外側のスリーブ（４）とこのスリーブ内に層状に重なり合うように配置されたプレートとを備える自動車用の排気ガス熱交換器（１）において、
   オーステナイト鋼材料から成るフィンプレート（８）が、フェライト鋼材料から成るインナカセット（６）内に配置され、少なくとも２つのインナカセット（６）が、プレートとして層状に重なり合うように配置され、二相鋼から成る外側のスリーブ（４）が、インナカセット（６）を包囲するように形成され、各インナカセット（６）とその中に配置されたフィンプレート（８）、隣接するそれぞれ２つのインナカセット（６）及び層状に重なり合うように配置されたインナカセット（６）と外側のスリーブ（４）が、互いにろう付けされていること、を特徴とする排気ガス熱交換器。
2. 第１の流通路（２）が、スリーブ（４）の内周面（３）とインナカセット（６）の外周面（５）の間に形成され、第２の流通路（７）が、インナカセット（６）内に形成されていること、を特徴とする請求項１に記載の排気ガス熱交換器。
3. インナカセット（６）が、二重シェル式に形成され、両シェルが、互いにろう付けされ、シェル及び／又はスリーブ（４）が、スペース保持丘部（１４）を備えること、を特徴とする請求項１又は２に記載の排気ガス熱交換器。
4. スリーブ（４）が、アウタシェル（５）として二重シェル式に形成され、両シェル（１０，１１）が、互いにろう付けされていること、を特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載の排気ガス熱交換器。
5. 二相鋼として、ＥＮ１．４４６２又は１．４３６２又は１．４１６２の合金が使用されること、を特徴とする請求項１〜４のいずれか１項に記載の排気ガス熱交換器。
6. スリーブ（４）に、二相鋼から成るホルダ（１２）が配置されていること、を特徴とする請求項１〜５のいずれか１項に記載の排気ガス熱交換器。
7. ホルダ（１２）が、一体的かつ一貫材料でスリーブ（４）に形成されていること、を特徴とする請求項６に記載の排気ガス熱交換器。

Images