JP5321271B2

JP5321271B2 - 高温ガス冷却用熱交換器

Info

Publication number: JP5321271B2
Application number: JP2009144489A
Authority: JP
Inventors: 亨池田
Original assignee: Denso Corp
Current assignee: Denso Corp
Priority date: 2009-06-17
Filing date: 2009-06-17
Publication date: 2013-10-23
Anticipated expiration: 2029-06-17
Also published as: DE102010023733A1; US20100319889A1; JP2011002133A; DE102010023733B4; US8708036B2

Description

本発明は、高温ガスを水等の冷却媒体を用いて冷却する高温ガス冷却用熱交換器に関し、ヘッダープレートを用いないところの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（以下、ＥＧＲ用熱交換器と言う）等に適用して有効である。

従来のＥＧＲ用熱交換器としては、ＥＧＲガス流路であるチューブの流通方向両端をヘッダープレート（チューブシートとも言う）に貫通接合し、そのヘッダープレートによって排気ガスと冷却媒体を仕切る構造の熱交換器（特許文献１乃至特許文献３）が知られている。このうち、特許文献３では、ガスタンク部または水タンク部と一体で成形されたヘッダープレート（ケースの側面）を有する構造である。

また、チューブ一部を膨らませて積層接合することによりヘッダープレートを使わずに排気ガスと冷却媒体を仕切る構造の熱交換器（特許文献４乃至特許文献６）が知られている。

このうち、特許文献４では、端部で拡張したチューブを積層することでヘッダープレートレスとした構造に、一体成形されたガスタンク部と水タンク部が組み付けられるものである。しかし、熱歪みが懸念される部位は、板厚１枚分の厚さしか有していない。

また、特許文献５では、一部を膨らませたチューブを積層することでヘッダープレートレスとした構造にガスタンク及び水タンクが組み付けられている。しかし、これも熱歪みが懸念される部位は板厚１枚分の厚さしか有していない。

また、特許文献６では、ガスタンクと水タンクの継ぎ手部において、ガスタンクが水タンクの外周側に重なった１面を有している。しかし、上記１面を除き他の３面については、熱伝導を促進する重ね形状とはなっていない。

更に、特殊な櫛歯状のスリット閉塞体を用いた特許文献７が公知である。この特許文献７では、継ぎ手部において、ガスタンクが水タンクの内周側に重なった２面を持つ構造となっている。しかし、構造が複雑となり、上記重なった２面以外の他の２面は板厚１枚分の厚さしか有していない。

特開２００２−１３７０５４号公報特開２０００−５４９１６号公報特開２００７−５１５７６号公報特開２００７−２２５１９０号公報特開２００７−２３２３５５号公報特開２００７−２３２３３０号公報特開２００６−２０７８８７号公報

上記特許文献１ないし３のように、ヘッダープレートまたはヘッダープレート相当部を使用するものは構造が複雑である。従って、ヘッダープレートまたはヘッダープレート相当部を持たない構造が望まれる。両端部で拡張したチューブを積層することでヘッダープレートレスとした構造にすることでこの問題は解決される。

しかし、ヘッダープレートレスとした構造において、当初、上記特許文献４乃至特許文献６に基づいて製作されたものは、図１２のように、排気ガスに直接触れるガスタンク部７と、冷却水またはＬＬＣ（冷却液）に触れる水タンク部８との間の継ぎ手部９（仕切り部とも言う）を、突合せ接合し、ロー付けをＴ字型に行っていた。

ＥＧＲ用熱交換器の上記ガスタンク部７には、最高９００℃にもなる高温ガスが流入することが想定される。このガスタンク部７は、約１００℃の上記水タンク部８内の冷却媒体との熱交換がなされる。その為、高温ガス（高温部）と冷却媒体（低温部）の継ぎ手部９には、局所的に約２００℃／１０ｍｍにも及ぶ大きな温度差が発生する。この温度差に起因して熱歪みが生じる。熱歪みが過大になると、流路を構成する部材に亀裂が生じ、流体洩れの不具合を引き起こす可能性がある。このような亀裂の発生を、一面だけでなく、周囲の少なくとも４面（全周）で阻止できることが要望される。

本発明は、このような従来の技術に存在する問題点に着目して成されたものであり、その目的は、高温部と低温部の仕切り部に発生する熱歪みを全周に亘って低減し、高い信頼性を持つ高温ガス冷却用熱交換器を提供することにある。

従来技術として列挙された特許文献の記載内容は、この明細書に記載された技術的要素の説明として、参照によって導入ないし援用することができる。

本発明は上記目的を達成するために、下記の技術的手段を採用する。すなわち、請求項１に記載の発明では、ガスタンク部（７）からの高温ガスが流通する複数のチューブ（１０）と、その外周面を冷却媒体が流れるように隙間（１５）を介して取り囲む冷却媒体タンク部（８）とにより構成され、チューブ（１０）は、少なくとも高温ガス入口側の端部が膨らんだ拡張部（１１）を有し、チューブを積層し拡張部（１１）を互いに接合することにより、チューブ（１０）内の高温ガス流路と隙間（１５）から成る冷却媒体流路を仕切る熱交換器において、ガスタンク部（７）と冷却媒体タンク部（８）の仕切り部（９）が全周に亘ってガスタンク部（７）または冷却媒体タンク部（８）の厚さよりも厚い部位で形成されており、冷却媒体タンク部（８）の端部が、ガスタンク部（７）の端面部（７ａ）の外周に重なって、ガスタンク部（７）の端面部（７ａ）が冷却媒体に触れ、ガスタンク部（７）の先端を隙間（１５）内の冷却媒体内に突き出した突出部（７ａ）を設けたことを特徴としている。

この発明によれば、仕切り部（９）に生じる局所的な温度差を小さくすることが出来、流路を構成するガスタンク部（７）または冷却媒体タンク部（８）の亀裂を防止でき、流体漏れの不具合を防止できる。また、ガスタンク部（７）の端面部（７ａ）が冷却媒体に触れるから、高温のガスタンク部（７）を効率よく冷却できる。更に、突出部（７ａ）を設けることで、効率よくガスタンク部（７）を冷却できるから温度勾配緩和効果を増大させることが出来る。

請求項２に記載の発明では、仕切り部（９）は、ガスタンク部（７）と冷却媒体タンク部（８）とチューブ（１０）の拡張部（１１）とが重ねられた継ぎ手部から成ることを特徴としている。

この発明によれば、重ねることで、容易に、仕切り部（９）が、全周に亘ってガスタンク部（７）または冷却媒体タンク部（８）の厚さよりも厚い部位とすることが出来る。

請求項３に記載の発明では、仕切り部（９）が、全周に亘ってガスタンク部（７）または冷却媒体タンク部（８）の厚さよりも２倍以上厚い部位で形成されていることを特徴としている。

この発明によれば、２倍以上厚い部位で充分な熱伝導が行われ、仕切り部（９）に生じる局所的な温度差を充分に小さくすることが出来る。

請求項４に記載の発明では、２倍以上厚い部位の長さ／厚さのアスペクト比が、２〜８／２〜４の範囲であることを特徴としている。

この発明によれば、仕切り部（９）に生じる局所的な温度差を充分に小さくすることが出来、かつ温度差の低下が鈍化する限度まで厚さを厚くしているから、材料を節約しながら仕切り部（９）で生じる局所的な温度差を小さくすることが出来る。

請求項５に記載の発明では、仕切り部（９）のガスタンク部（７）側に、高温ガスが直接的に仕切り部（９）に当たらないように邪魔板（２０）を設けたことを特徴としている。

この発明によれば、高温ガスが直接的に仕切り部（９）に当たらないように設置された邪魔板（２０）によって仕切り部（９）の温度勾配が緩和される。

なお、特許請求の範囲および上記各手段に記載の括弧内の符号は、後述する実施形態に記載の具体的手段との対応関係を示す一例である。

本発明の第１実施形態におけるＥＧＲ用熱交換器の外形図である。上記実施形態におけるＥＧＲ用熱交換器の分解斜視図である。上記実施形態における図２の矢印I I I−I I I線に沿う断面図である。 I 上記実施形態における図２の矢印IV−IV線に沿う断面図である。上記実施形態における仕切り部の断面図である。上記実施形態における仕切り部の模式構成図である。上記図６の構成における接合部の重ね合せ長さ（Ｌ）と温度差の関係を示す特性図である。上記図６の構成における接合部の重ね合せ厚さ（Ｔｈ）と温度差の関係を示す特性図である。本発明の第２実施形態における仕切り部の断面図である。本発明の第３実施形態における仕切り部の断面図である。本発明の第４実施形態における仕切り部の断面図である。従来公知の特許文献に基づき製作された仕切り部の断面図である。

（第１実施形態）
以下、本発明の第１実施形態について図１乃至図８を用いて詳細に説明する。図１は、本発明の第１実施形態における高温ガス冷却用熱交換器と成るＥＧＲ用熱交換器の外形図である。図１において、冷却媒体と成る水の入口部１から約９０℃の冷却水が流入する。

２は水の出口部である。３は高温の排気ガス入口部であり、周囲に入口側フランジ４が取り付けられている。５は高温ガスと成る排気ガスの出口部であり、周囲に出口側フランジ６が取り付けられている。７はガスタンク部、８は冷却媒体タンク部（以下、水タンク部とも言う）である。

排気ガスに直接触れるガスタンク部７と水に触れる水タンク部８との間に継ぎ手部９（仕切り部９とも言う）が設けられている。

図２は、上記実施形態におけるＥＧＲ用熱交換器の分解斜視図である。この図２においては、図１の入口側フランジ４及び出口側フランジ６は省略している。

図２において多段（図２の場合は４段）に重ねられたチューブ１０は、０．４ｍｍの厚さの金属板をＣ字状に丸めて成型されている。チューブ１０は、この実施形態において、４つのチューブ１０ａ、１０ｂ、１０ｃ、及び１０ｄから成る。

チューブ１０の両端部にチューブ１０の拡張部１１及び１２を有することで、ヘッダープレートレス構造にしている。このチューブ１０内には、図示しないフィンが周知のように設けられている。

水タンク部８は上側水タンク部８ａと下側水タンク部８ｂとに分けられて構成されている。チューブ１０を重ねた後、チューブ１０の拡張部１１及び１２の上からガスタンク部７を重ねる。次に、ガスタンク部７の上から上側水タンク部８ａと下側水タンク部８ｂを重ねている。

図３は、上記実施形態における図２の矢印I I I−I I I線に沿う断面図である。図２のガスタンク部７と、水タンク部８の間の継ぎ手部９（仕切り部９）部分の断面を図３が示している。この部分は、最外層に、上側水タンク部８ａと下側水タンク部８ｂから成る水タンク部８が設けられ、その水タンク部８の内側にガスタンク部７が設けられている。

図３において、ガスタンク部７の内側には、高温の排気ガスの流路となるチューブ１０が積層されている。尚、４段の積層構造を示したが、チューブ１０の積層段数は適宜設定できる。この図３から明らかなように、仕切り部９では、矩形断面の水タンク部８の４つの側面を含む全周に亘り、水タンク部８とガスタンク部７とチューブ１０が重ねられている。

図４は、上記実施形態における図２の矢印IV−IV線に沿う断面図である。この図４において、最外層に、上側水タンク部８ａと下側水タンク部８ｂから成る水タンク部８が設けられ、その水タンク部８の内側に高温の排気ガスの流路となるチューブ１０が、隙間１５を介して積層されている。そして、この隙間１５が冷却水（冷却媒体）の通路を構成している。隙間１５はチューブ１０の外周を取り巻く隙間１５ａとチューブ１０相互間の隙間１５ｂから成る。

図５は、図２の矢印V方向から見た仕切り部９の断面図である。仕切り部９では、前述のとおり、水タンク部８とガスタンク部７とチューブ１０が重ねられ、互いにロー付けされている。

図５から明らかなように、水タンク部８の端部が、ガスタンク部７の端面部７ａの外周に重なって、ガスタンク部７の端面部７ａが隙間１５内の冷却媒体である水に触れる構成としている。ガスタンク部７の端面部７ａが水に触れるから、高温のガスタンク部７を効率よく冷却できる。

図６は、上記実施形態における仕切り部の模式構成図である。仕切り部９を境にした低温側と高温側におけるそれぞれの表面温度の分布が存在する。ΔＴは、低温側と高温側の温度差である。

低温側は冷却媒体と成る水が接触していることから、約１００℃一定であり、高温側の表面温度は水側への熱伝導と高温ガスからの熱伝達によって決定される。高温ガスからの熱量を一定とすると、高温側の表面温度を低減するには、水側への熱伝導を促進することが重要となる。従って、この熱伝導を促進のためには、熱伝導部すなわち仕切り部９の金属部材の厚みを大きくすることで熱抵抗を小さくすれば良いことに発明者は着目した。

この熱抵抗を小さくする手段として、ヘッダープレートレス構造の熱交換器においては、仕切り部９において、ガスタンク部７と水タンク部８とチューブ１０を積層して厚肉構造としている。また、熱歪みは、ガスタンク部７と水タンク部８から成るコアの外側全周に亘って発生するため、全周にわたって厚肉構造としている。

また、図６から明らかなように、高温部材となるガスタンク部７の端面部７ａが直接冷却媒体となる水に触れている。これにより、高温部材となるガスタンク部７は急速に冷却される。

ちなみに、ヘッダープレートを用いる構造（上記特許文献２）においては、ヘッダープレートによってヘッダープレート部分を厚肉化することができるが、高温部材となるガスタンク部が直接冷却媒体と接触しておらず、ヘッダープレートを介在することにより、ガスタンク部から冷却媒体に向かう熱伝導を悪化させてしまう。しかし、この実施形態では、直接水にガスタンク部７を接触させることで、この問題を解決している。

図６において、ガスタンク部７と水タンク部８とチューブ１０とが重ねられて接合されているが、ガスタンク部７と水タンク部８とを同一金属材料で一体に、かつ連続的に鍛造で成型し、重ね合せ長さ相当部分の肉厚（仕切り部の厚さ）を厚くしても良い。この一体成型された肉厚（仕切り部の厚さ）は、図６の重ね合せ厚さＴｈと同じ厚さである。また、仕切り部の長さは５ｍｍ以上あれば良い。

そして、重ねる場合においても、鍛造等で厚く一体成型する場合においても、仕切り部９が、全周に亘ってガスタンク部７または水タンク部８の厚さよりも２倍以上厚い部位で形成されていることが望ましい。このようにすれば、上記２倍以上厚い部位で、充分な熱伝導が行われ、仕切り部（９）に生じる局所的な温度差を充分に小さくすることが出来る。

第１実施形態の寸法は、ガスタンク部７の厚さが１ｍｍ、水タンク部８の厚さが１ｍｍ、チューブ１０の厚さが０．４ｍｍである。ガスタンク部７、水タンク部８、及びチューブ１０を重ねて、重ね合せ厚さＴｈが２．４ｍｍであり、かつ重ね合せ長さＬが５ｍｍの仕切り部９を構成している。

図７は、図６の構成において、重ね合せ厚さＴｈが２．４ｍｍの場合における重ね合せ長さＬと温度差ΔＴの関係を示す特性図である。重ね合せ長さＬが大きくなるに従って、温度差ΔＴが加速度的に減少し、重ね合せ長さＬが８ｍｍ（ガスタンク部７または水タンク部８の厚さの８倍）位から温度差ΔＴの低下が鈍化している。図７から重ね合せ長さＬは２〜８ｍｍの範囲が好ましい。

図８は、図６の構成において、重ね合せ長さＬが５ｍｍの場合における重ね合せ厚さＴｈと温度差ΔＴの関係を示す特性図である。重ね合せ厚さＴｈが大きくなるに従って、温度差ΔＴが加速度的に減少し、重ね合せ厚さＴｈが４ｍｍ（ガスタンク部７または水タンク部８の厚さの４倍）位から温度差ΔＴの低下が鈍化している。図８から、重ね合せ厚さＴｈは２〜４の範囲が好ましい。

故に、長さＬが２〜８ｍｍ、厚さＴｈが２〜４ｍｍであることが望ましい。長さ／厚さのアスペクト比で表せば、２倍以上厚い部位の長さ／厚さのアスペクト比が、２〜８／２〜４の範囲であるが望ましい。このアスペクト比の範囲内であれば、仕切り部９に生じる局所的な温度差ΔＴを小さくすることが出来、かつ温度差ΔＴの低下が鈍化する限度まで厚さを厚くしているから、材料を節約しながら充分に仕切り部９で生じる局所的な温度差を小さくすることが出来る。

このように、上記第１実施形態では、局所的な温度差を小さくするために、排気ガスに直接触れるガスタンク部７と、冷却水に触れる水タンク部８の間の厚さを厚くすることにより、熱抵抗を小さくし、温度勾配を緩和させることができる。局所の温度勾配を緩和させることにより、高温流体を冷却する熱交換器の熱応力を軽減することができ、コンパクトに設計することが可能となる。

（第２実施形態）
次に、本発明の第２実施形態について説明する。図９は、本発明の第２実施形態における仕切り部の断面図である。なお、以降の各実施形態においては、上述した第１実施形態と同一の構成要素には同一の符号を付して説明を省略し、異なる構成および特徴について説明する。

図９において、ガスタンク部７と、水タンク部８とチューブ１０を重ねて継ぎ手部９を形成する点は第１実施形態と同じである。ガスタンク部７の先端を隙間１５内の冷却媒体側に突き出し、突出部７ａを設けている。突出部７ａを設けることで、効率よくガスタンク部７を冷却できるから温度勾配緩和効果を増大させることが出来る。

（第３実施形態）
次に、本発明の第３実施形態について説明する。図１０は、本発明の第３実施形態における仕切り部の断面図である。上述した実施形態と異なる特徴部分を説明する。この第３実施形態は、図１０において、更に、継ぎ手部９のガスタンク部７側に、高温ガスが直接継ぎ手部９に当たらないように邪魔板２０を設けたものである。邪魔板２０によって高温ガスの流速が一部低下し、継ぎ手部９の温度勾配が緩和される。

（第４実施形態）
次に、本発明の第４実施形態について説明する。図１１は、本発明の第４実施形態における仕切り部の断面図である。上述した実施形態と異なる特徴部分を説明する。この第４実施形態は、図１１において、ガスタンク部７（厚さ１ｍｍ）と水タンク部８（厚さ１ｍｍ）を突合せている。この突合せ部分２５の下（内側）にチューブ（厚さ０．４ｍｍ）を重ねている。更に、突合せ部分２５の外周に、図中左右方向の長さ５ｍｍ、かつ厚さ１ｍｍの環状プレート２６を接合している。これにより、重ね合せ厚さＴｈが２．４ｍｍの仕切り部９を構成している。

なお、この第４実施形態の変形例として、ガスタンク部７（厚さ１ｍｍ）と水タンク部８とを同一材料で連続的かつ一体的に成型し、ガスタンク部７と水タンク部８の境目相当部分の内周側にチューブ１０を重ね、更に、上記境目相当部分の外周側に、図中左右方向長さ５ｍｍ、かつ厚さ１ｍｍの環状プレート２６を接合することにより、仕切り部の厚さＴｈが２．４ｍｍ、かつ仕切り部の長さが５ｍｍの仕切り部９を構成しても良い。

（その他の実施形態）
本発明は上述した実施形態にのみ限定されるものではなく、次のように変形または拡張することができる。例えば、上述の第１実施形態では、ＥＧＲ用熱交換器に本発明を適用したが、その他の熱交換器、例えば、自動車用熱交換器である、排気ガスから熱エネルギを回収する排気熱回収器にも適用できる。

また図２において、高温ガス入り口側のチューブ１０の拡張部１１に隣接するガスタンク部７と冷却媒体タンク部８の境目である仕切り部９の温度差が特に問題になる。

従って、この高圧ガス入口側の仕切り部９の全周に亘ってガスタンク部７または冷却媒体タンク部８の厚さよりも厚い部位が形成されていればよく、高温ガス出口側の拡張部１２の周囲は、従来と同様の構造にしても良い。

３排気ガス入口部
５排気ガス出口部
７ガスタンク部
８冷却媒体タンク部（水タンク部）
９継ぎ手部（仕切り部）
１０チューブ
１１及び１２チューブの拡張部
１５隙間
１５ａチューブ外周を取り巻く隙間
１５ｂチューブ相互間の隙間
Ｔｈ重ね合せ厚さ（仕切り部の厚さ）
Ｌ重ね合せ長さ（仕切り部の長さ）
ΔＴ温度差
７ａ突出部
２０邪魔板
２６環状プレート

Claims

ガスタンク部（７）からの高温ガスが流通する複数のチューブ（１０）と、その外周面を冷却媒体が流れるように隙間（１５）を介して取り囲む冷却媒体タンク部（８）とにより構成され、前記チューブ（１０）は、少なくとも高温ガス入口側の端部が膨らんだ拡張部（１１）を有し、
前記チューブを積層し前記拡張部（１１）を互いに接合することにより、前記チューブ（１０）内の高温ガス流路と前記隙間（１５）から成る冷却媒体流路を仕切る熱交換器において、
前記ガスタンク部（７）と前記冷却媒体タンク部（８）の仕切り部（９）が全周に亘って前記ガスタンク部（７）または前記冷却媒体タンク部（８）の厚さよりも厚い部位で形成されており、
前記冷却媒体タンク部（８）の端部が、前記ガスタンク部（７）の端面部（７ａ）の外周に重なって、前記ガスタンク部（７）の前記端面部（７ａ）が前記冷却媒体に触れ、
前記ガスタンク部（７）の先端を前記隙間（１５）内の前記冷却媒体内に突き出した突出部（７ａ）を設けたことを特徴とする高温ガス冷却用熱交換器。
前記仕切り部（９）は、前記ガスタンク部（７）と前記冷却媒体タンク部（８）と前記チューブ（１０）の前記拡張部（１１）とが重ねられた継ぎ手部から成ることを特徴とする請求項１に記載の高温ガス冷却用熱交換器。
前記仕切り部（９）が、全周に亘って前記ガスタンク部（７）または前記冷却媒体タンク部（８）の厚さよりも２倍以上厚い部位で形成されていることを特徴とする請求項１または２に記載の高温ガス冷却用熱交換器。
前記２倍以上厚い部位の長さ／厚さのアスペクト比が、２〜８／２〜４の範囲であることを特徴とする請求項３に記載の高温ガス冷却用熱交換器。
前記仕切り部（９）の前記ガスタンク部（７）側に、前記高温ガスが直接的に前記仕切り部（９）に当たらないように邪魔板（２０）を設けたことを特徴とする請求項１ないし４のいずれか一項に記載の高温ガス冷却用熱交換器。