説明

熱交換器およびその製造方法

【解決手段】 熱交換器としてのEGRクーラー1は、内側管体2を流通する排気ガスGを外側管体3を流通する冷却液Cによって冷却するものとなっている。
上記内側管体2における小径部12a、13dおよび大径部13aの中心軸を偏心させて、小径部の所要の頂部と大径部の所要の頂部とが軸方向に整列し、かつプレート部21の所要の頂部を上記大径部の所要の頂部に当接させる。
またプレート部および連結部は、上記小径部の中心軸が貫通する位置を同じ方向に突出させた略円錐形状に形成され、上記プレート部における円錐形状の頂部と、当該プレート部における上記大径部との当接する部分にそれぞれに水抜き孔h1、h2を設けている。
【効果】 冷却効率が高いとともに圧力損失が少なく、かつ水分による腐食を防止することが可能な熱交換器を提供する。

【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
本発明は熱交換器およびその製造方法に関し、詳しくは外側管体の内部に内側管体を設けて、上記内側管体に流通させる内部流体と上記外側管体に流通させる外部流体との間で熱交換をおこなわせる熱交換器およびその製造方法に関する。
【背景技術】
【0002】
従来、内部流体が流通する内側管体と、上記内側管体を収容するとともに該内側管体との間で外部流体を流通させる外側管体とを備え、上記内部流体と外部流体との間で熱交換をおこなう熱交換器が知られている。
一方、自動車用エンジンから排出される排気ガスを再び吸気側に戻して再利用するEGR(Exhaust Gas Recirculation)という技術が知られており、このEGRを効率的に行うため、上記熱交換器を排気ガスの温度を下げるためのいわゆるEGRクーラーとして用いるものが知られている(特許文献1〜3)。
【先行技術文献】
【特許文献】
【0003】
【特許文献1】特開2000―079462号公報
【特許文献2】特開2001―241872号公報
【特許文献3】特開2002−350081号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0004】
しかしながら上記特許文献1の構成を有するEGRクーラーの場合、内側管体内を上記排気ガスは速やかに通過するため、排気ガスの圧力損失が少ないものの、冷却効率が低いという問題があった。
一方、特許文献2、3の構成を有するEGRクーラーの場合、冷却効率が高いものの、内側管体の内部に形成された無数の突起によって圧力損失が高いという問題があった。
さらに、上記内側管体を流通する内部流体が水分を含む気体である場合には、熱交換により当該内部流体が冷却されて水分が凝集し、この水分が内側管体に貯溜されてしまうと内側管体が腐食してしまう恐れがある。
このような問題に鑑み、本発明は冷却効率が高く、また圧力損失の少なく、かつ内側管体から水分を排出することが可能な熱交換器およびその製造方法を提供するものである。
【課題を解決するための手段】
【0005】
すなわち、請求項1の発明にかかる熱交換器は、外側管体の内部に内側管体を設けて、上記内側管体を流通する内部流体と上記外側管体を流通する外部流体との間で熱交換を行う熱交換器において、
上記内側管体を、円筒状の小径部および大径部と、これら小径部と大径部とを連結するリング状の連結部と、上記大径部の内部に収容されたプレート部と、このプレート部の両面とそれらに対向する各連結部の内面との間に配置されて内部流体を整流する複数のフィン部とを備え、
上記小径部および大径部の中心軸を偏心させて、小径部の所要の頂部と大径部の所要の頂部とが軸方向に整列するように配置するとともに、上記プレート部の所要の頂部が上記大径部における上記所要の頂部に当接するように配置し、
また上記プレート部および各連結部は、上記小径部の中心軸が貫通する位置を同じ方向に突出させた略円錐形状に形成されるとともに、上記フィン部における内側の端部を上記プレート部の円錐形状の頂部を囲繞するように配置し、
さらに上記プレート部における円錐形状の頂部と、当該プレート部における上記大径部との当接する部分にそれぞれに水抜き孔を設けたことを特徴としている。
【0006】
また請求項3の熱交換器の製造方法は、請求項1または請求項2のいずれかに記載した熱交換器の製造方法であって、上記大径部の内部に上記フィン部の固定されたプレート部を収容した状態で、上記大径部に上記小径部および連結部を装着して内側管体の組立体を製造し、
上記小径部の所要の頂部と大径部の所要の頂部とが整列した部分を下方に位置させた状態で、上記プレート部に形成した上記大径部に接触する位置に形成した水抜き孔を貫通するように蝋付け棒を挿入して、蝋付け棒が大径部および小径部の下方に位置した状態で、上記内側管体の組立体ごと加熱し、
上記蝋付け棒を溶融させて上記プレート部を上記大径部に固定することを特徴としている。
【発明の効果】
【0007】
上記請求項1の発明によれば、内部流体が内部管体の内部を上記プレート部によって大径部の内側から外側、または外側から内側に向けて流通するため、内部流体と外部流体との間で熱交換する面積を大きくして熱交換を効率的に行うとともに、上記プレート部に設けたフィン部によって内部流体を整流して圧力損失を抑えることが可能となっている。
そして内側管体で発生した水分については、小径部および大径部の所要の頂部が軸方向に整列するように小径部および大径部の中心軸を偏心させて配置したことにより、上記所要の頂部が整列した部分を下方に位置させることにより、熱交換器の軸方向を水平に載置しても上記水分を排出することができる。
一方、上記プレート部を円錐形状としてその頂部に水抜き孔を形成したことにより、上記円錐形状の頂部が下方を向くようにすれば、熱交換器の軸方向を垂直に載置しても上記水分を排出することが可能となっている。
【0008】
上記請求項3の発明によれば、上記請求項1の発明における熱交換器の内側管体を製造する際、上記内側管体の組立体を組み立てた後、上記プレート部と大径部との接触部に形成した水抜き孔を貫通するように蝋付け棒を挿入し、その状態で上記内側管体の組立体ごと加熱すれば、溶融した蝋が大径部とプレート部との隙間に浸透するため、容易にプレート部を固定することができる。
また、上記蝋が大径部とプレート部との間を覆うため、内側管体の内部を液体が流通する場合に、この大径部とプレート部との接触部分の腐食を防止することができる。
【図面の簡単な説明】
【0009】
【図1】本実施例にかかるEGRクーラーの断面図
【図2】図1におけるII―II部の断面図
【図3】整流手段の構成を示す側面図
【図4】内側管体の製造方法を説明する図
【発明を実施するための形態】
【0010】
以下図示実施例について説明すると、図1は熱交換器としてのEGRクーラー1の断面図を示しており、図2は図1におけるII―II部の断面図を示している。
上記EGRクーラー1は、内部流体としての排気ガスGを流通させる内側管体2と、上記内側管体2を収容するとともに該内側管体2との間に外部流体としての冷却液Cを流通させる外側管体3とを備え、上記内側管体2は図示しないEGR回路に、外側管体3は図示しない冷却液回路にそれぞれ接続されている。
上記内側管体2は上記外側管体3の両端を貫通するように設けられて排気ガスGを図1の図示左方から図示右方へと流通させ、また上記外側管体3は上記内側管体2を収容する略円筒形状を有し、上部には冷却液Cの流入する流入ポート3aと、冷却液Cを排出する排出ポート3bとが設けられ、冷却液Cは図1の図示右方から図示左方へと流通するようになっている。
なお、上記内側管体2および外側管体3における排気ガスGおよび冷却液Cの流通方向は一例であり、例えば流入ポート3aおよび排出ポート3bをそれぞれ反対の位置に設定することが可能である。
上記構成を有するEGRクーラー1によれば、上記内側管体2の内部に排気ガスGを流通させ、同時に上記外側管体3の内部に冷却液Cを流通させることで、排気ガスGと冷却液Cとの間で熱交換を行い、排気ガスGの温度を下げるものとなっている。
また本実施例のEGRクーラー1は、図1に示すように上記内側管体2および外側管体3の中心軸を略水平方向に設置することも、中心軸を略垂直方向に設置することも可能となっており、いずれの場合であっても後述するように内側管体2の内部で発生した水分を排出可能な構成を有している。
【0011】
上記内側管体2は、EGR回路に連結されるフロント側パイプ11と、排気ガスGの流通方向上流側に設けた4つのフロント側ハウジング12と、該フロント側ハウジング12のリヤ側に連結される4つのリヤ側ハウジング13と、これら4組のフロント側ハウジング12およびリヤ側ハウジング13の内部に収容される4つの整流手段14とから構成されている。
上記フロント側パイプ11はL字型のパイプであって、その後端部は上記外側管体3の外部から内部に貫通しており、先端部にはEGR回路に接続するためのフランジ15が設けられている。
上記フロント側ハウジング12は、軸方向前方に突出する円筒状の小径部12aと、該小径部12aに隣接して設けられたリング状の連結部12bと、該連結部12bから軸方向後方に突出するリング状のフランジ12cとから構成されている。
このうち最もフロント側に位置するフロント側ハウジング12の小径部12aは、上記フロント側パイプ11の後端部の内周面に嵌合し、それ以外のフロント側ハウジング12の小径部12aは上記リヤ側ハウジング13の後端部に嵌合するようになっている。
そして、各フロント側ハウジング12における上記小径部12aは、後述する整流手段14の形状にあわせて上記フランジ12cよりも軸方向前方に位置しており、このため上記連結部12bは小径部12aの中心軸が貫通する頂部が図示左方に突出した略円錐形状を有している。
【0012】
次に、上記リヤ側ハウジング13のうち、フロント側に位置する3つのリヤ側ハウジング13は、軸方向前方に突出して上記フロント側ハウジング12のフランジ12cの内周面に嵌合する円筒状の大径部13aと、該大径部13aに隣接して設けられたリング状の連結部13bと、該連結部13bから軸方向後方に突出して上記フロント側ハウジング12の小径部12aがその内周面に嵌合するリング状のフランジ13cとから構成されている。
このうち最もリヤ側に位置するリヤ側ハウジング13は、上記フランジ13cに代えて連結部13bから軸方向後方に突出する小径部13dを備えており、この小径部13dは上記外側管体3を貫通してその外部に突出するとともに、その後端部にはEGR回路に接続するためのフランジ16が設けられている。
そして、各リヤ側ハウジング13における上記大径部13aの後端部は、後述する整流手段14の形状にあわせて上記フランジ13cの先端部よりも軸方向後方に位置しており、このため上記連結部12b13bは上記小径部12a、13dの中心軸が貫通する頂部が図示左方に突出した略円錐形状を有している。
【0013】
さらに本実施例の内側管体2は、上記小径部13dおよび大径部13aを軸方向に整列させた際に、小径部13dおよび大径部13aの所要の頂部が軸方向に整列するよう、小径部13dおよび大径部13aの中心軸を偏心させて配置したものとなっている。
換言すると、上記フロント側ハウジング12における上記小径部12aの中心は上記フランジ12cの中心に対して偏心しており、上記リヤ側ハウジング13における上記フランジ13cは上記大径部13aの中心に対して偏心しており、図2に示すように軸方向で見た場合に、上記小径部13dが上記大径部13aに内接するようになっている。
このような構成とすることで、内側管体2の内周面に、軸方向に沿ってほとんど凹凸のない平坦部分が形成されることとなり、本実施例では特に、図1、図2に示すようにEGRクーラー1の軸方向が水平を向くように載置する際には、小径部12a、13dおよび大径部13aにおける整列した頂部を下端部に位置させるようになっている。
【0014】
上記整流手段14は、略円錐状に形成されたプレート部21と、上記プレート部21の表面および裏面に放射状に設けた複数のフィン部22とから構成されている。
上記プレート部21は、頂部が図示左方に突出した円錐形状を有しており、また頂部は上記小径部12a、13dの中心軸が貫通するような位置に形成されており、当該頂部は円錐形状の基部の中心に対して偏心した位置に設けられている。
またプレート部21の基部の直径は上記小径部12a、13dよりも大径で大径部13aよりも小径に形成されており、図1、図2に示すようにプレート部21の下端部は上記大径部13aの内周面に接触するようになっている。
このような構成により、上記プレート部21は図1に示すように上記大径部13aによって形成された空間を排気ガスGの流入側の空間と排出側の空間とに区画し、プレート部21の下端部を除き、大径部13aの内周面と上記プレート部21の外周縁との間に隙間Aを形成するようになっている。
そして、上記プレート部21の下端部に位置して上記大径部13aの内周面に接触する部分と、プレート部21の頂部とには、それぞれ水抜き孔h1、h2が形成されており、図示下端部に位置する水抜き孔h1は切欠き状を有し、頂部に位置する水抜き孔h2は貫通孔となっている。
上記図示下端部に位置する切欠き状の水抜き孔h1は、具体的には図1、図2に示すように上記小径部13dおよび大径部13aの端部が軸方向に整列した平坦部分に一致する位置に設けられている。
【0015】
上記フィン部22は、図1に示すようにプレート部21の表面および裏面のそれぞれから軸方向に立設されており、各フィン部22の内側の端部はプレート部21の頂部を囲繞するように配置され、プレート部21における上記小径部13dと重合する部分には上記水抜き孔h2が形成されたフィン部22の設けられていない平坦部21aが形成されている。
一方、フィン部22の外側の端部はプレート部21の外周端まで形成され、図2に示すようにそれぞれプレート部21の半径方向に対して傾斜し、実線で示すプレート部21の表面側に設けたフィン部22は、破線で示す裏面側のフィン部22に対して、プレート部21を軸方向から見た場合に反対方向に傾斜するように設けられている。
さらに本実施例のフィン部22は、その中央部がプレート部21の外周側に向けて膨出する湾曲形状に形成されたものとなっており、また内側の端部から外側の端部までの距離に応じて、その曲率が異なっている。
具体的には、内側の端部から外側の端部までの距離の長いフィン部22の曲率を、内側の端部から外側の端部までの距離の短いフィン部22の曲率よりも大きく設定している。
【0016】
そして上記整流手段14を内側管体2の内部に固定する際の製造方法を説明する。
まず、予め上記整流手段14は別の工程において組み立てられており、この整流手段14を上記フロント側ハウジング12とリヤ側ハウジング13とによって挟持し、整流手段14を上記大径部13aの内部に収容する。
一方、最もフロント側に位置するフロント側ハウジング12の小径部12aを上記フロント側パイプ11に嵌合し、またその他のフロント側ハウジング12の小径部12aをそれぞれ上記リヤ側ハウジング13のフランジ13cに嵌合する。
そして、このようにして組み合わせたフロント側パイプ11、フロント側ハウジング12、リヤ側ハウジング13を、上記小径部12a、13dおよび大径部13aの下端部が軸方向に整列するように調整し、その状態で溶接等の手段により固定することで内側管体の組立体2Aを得る。
【0017】
但し、上記内側管体の組立体2Aでは、上記整流手段14は上記リヤ側ハウジング13の大径部13aに固定されておらず、整流手段14が大径部13aの内部で移動してしまう。
そこで、図4に示すように、所定の温度で溶融する蝋付け棒Rを、上記内側管体の組立体2Aにおける上記小径部12a、13dと大径部13aとの下端部に沿って挿入する。
その際、4つの整流手段14における図示下端部に位置した切欠き状の水抜き孔h1に上記蝋付け棒Rを挿入して、4つの整流手段14における上記水抜き孔h1が下方を向くように位置決めする。
次に、上記蝋付け棒Rが内側管体の組立体2Aの下方に位置している状態のまま、上記内側管体の組立体2Aを上記蝋付け棒Rごと加熱する。
すると上記蝋付け棒Rが溶融し、溶融した蝋は毛細管現象によって大径部13aとプレート部21との接触部分に沿って当該接触部分近傍に広がり、その後上記蝋が冷却されて固化することで、整流手段14が大径部13aに固定される。
そして、加熱により上記蝋付け棒Rが溶融することにより、蝋付け棒Rの挿入されていた水抜き孔h1が開口するため、これにより上記内側管体2が得られるようになっている。
【0018】
そして、上記構成ならびに上記製造方法によって製造された内側管体2を備えるEGRクーラー1によれば、EGR回路を流通する排気ガスGは、内側管体2における上記フロント側パイプ11からフロント側ハウジング12の小径部12aへと流入する。
さらに、排気ガスGは上記小径部12aからリヤ側ハウジング13の大径部13aによって形成される空間に流入し、上記整流手段14のプレート部21に衝突する。
すると、排気ガスGは上記平坦部21aで軸方向に対して直交する方向に進路が変換され、プレート部21と連結部12bとの間を、大径部13aの内側から外側に向けて流れる。
このとき上記整流手段14におけるフィン部22はプレート部21の半径方向に対して傾斜していることから、上記排気ガスGは図2における図示時計回りに旋回する旋回流となって大径部13aの外周側に移動する。
さらに、上記フィン部22はそれぞれ半径方向に対して外周側に膨出する湾曲形状を有し、かつ各フィン部22の曲率を内側の端部から外側の端部までの距離に応じて設定しているため、旋回流を効率的に発生させることが可能となり、旋回流の形成に伴う圧力損失を低減することができる。
【0019】
続いて、排気ガスGは上記大径部13aとプレート部21との間に形成された上記隙間Aを介して上流側の空間から下流側の空間へと流入し、その後上記プレート部21の裏面側に設けたフィン部22によって旋回流を維持しながら大径部13aの外側から内側に向けて流れる。
このとき、上記プレート部21の下流側のフィン部22は上流側に設けたフィン部22とは反対側に傾斜しているため、排気ガスGは上記裏面側のフィン部22によってその旋回方向が維持されるようになっている。
そしてプレート部21の中央部に達した排気ガスGは、今度は軸方向の流れとなって小径部12aを流通し、その後は上記大径部13aにおいて上述したような経路を通過しながら、最終的にエンジンの吸気側の小径部13dから排出されるようになっている。
このようにして排気ガスGが内側管体2を流通する一方、上記外側管体3には上記流入ポート3aより冷却液Cが流入し、該内側管体2との接触部分で排気ガスGと上記冷却液Cとの間で熱交換が行われる。
このように、上記構成を有するEGRクーラー1によれば、上記小径部12a13dおよび大径部13aを備えた内側管体2によって上記外側管体3を流通する冷却液Cとの接触面積を広く取ることができるため、高い冷却効率を得ることができる。
また、上記整流手段14に設けたフィン部22によって上記排気ガスGを旋回流にして流通させることから、当該排気ガスGの圧力損失を少なくすることが可能となっている。
【0020】
ここで、上記EGRクーラー1によれば、内側管体2を流通する排気ガスGを熱交換により冷却すると、排気ガスG中の水分が凝集して液化する場合があり、その液体は内側管体2の内周面に付着して重力により下方へと流れることとなる。
これに対し、本実施例のEGRクーラー1では、上記内側管体2の上記小径部13dおよび大径部13aの所要の頂部が軸方向に整列するように設けているため、内側管体2の内部には凹凸の無い平坦部分が形成されている。
このため、EGRクーラー1を軸方向が水平方向を向くように設置し、かつ上記小径部12a、13dおよび大径部13aにおける軸方向に整列した頂部を下方に位置させれば、上記液体をこの平坦部分に沿って流通させて排出することができる。
また上記整流手段14におけるプレート部21には、上記大径部13aと接触する位置に切欠き状の水抜き孔h1を形成しているため、上記液体を確実に排出することが可能となっている。
しかも、上述した製造方法により整流手段14を固定したことで、液体が流通する上記大径部13aと整流手段14とが接触する部分は蝋によって覆われており、上記液体による腐食をより防止することが可能となっている。
【0021】
一方、エンジンの構造等によってEGRクーラー1を軸方向が水平方向を向くように設置することができない場合であっても、上記整流手段14におけるプレート部21の円錐形状の頂部が下方を向くように設置することができる。
すなわち、上記プレート部21の頂部には貫通孔としての水抜き孔h2を形成しており、また上記フロント側ハウジング12およびリヤ側ハウジング13における連結部12b、13bは上記プレート部21と同じ方向に頂部が突出する円錐形状を有しているため、内側管体2の内部で発生した液体をこの円錐形状および上記水抜き孔h2によって下方に排出することができる。
つまり本実施例のEGRクーラー1によれば、その載置する方向を比較的自由に設定することが可能となっている。
【0022】
なお、上記実施例においては、本発明にかかる熱交換器を排気ガスGを冷却するEGRクーラー1として利用しているが、その他の分野においても利用することができる。
また上記実施例では、上記整流手段14におけるプレート部21の円錐形状と、上記フロント側ハウジング12およびリヤ側ハウジング13における連結部12b、13bの頂部とは、それぞれ排気ガスGの流通方向上流側に向けて突出しているが、これを流通方向下流側に向けて突出するように設けてもよい。
そして、上記整流手段14におけるフィン部22の枚数や曲率については適宜変更することができ、冷却効率および圧力損失の異なるEGRクーラー1を得ることが可能となっている。
【符号の説明】
【0023】
1 EGRクーラー 2 内側管体
3 外側管体 12 フロント側ハウジング
12a 小径部 12b 連結部
13 リヤ側ハウジング 13a 大径部
13b 連結部 13d 小径部
14 整流手段 21 プレート部
22 フィン部 A 隙間
R 蝋付け棒 h1、h2 水抜き孔

【特許請求の範囲】
【請求項1】
外側管体の内部に内側管体を設けて、上記内側管体を流通する内部流体と上記外側管体を流通する外部流体との間で熱交換を行う熱交換器において、
上記内側管体を、円筒状の小径部および大径部と、これら小径部と大径部とを連結するリング状の連結部と、上記大径部の内部に収容されたプレート部と、このプレート部の両面とそれらに対向する各連結部の内面との間に配置されて内部流体を整流する複数のフィン部とを備え、
上記小径部および大径部の中心軸を偏心させて、小径部の所要の頂部と大径部の所要の頂部とが軸方向に整列するように配置するとともに、上記プレート部の所要の頂部が上記大径部における上記所要の頂部に当接するように配置し、
また上記プレート部および各連結部は、上記小径部の中心軸が貫通する位置を同じ方向に突出させた略円錐形状に形成されるとともに、上記フィン部における内側の端部を上記プレート部の円錐形状の頂部を囲繞するように配置し、
さらに上記プレート部における円錐形状の頂部と、当該プレート部における上記大径部との当接する部分とに、それぞれに水抜き孔を設けたことを特徴とする熱交換器。
【請求項2】
各フィン部をプレート部の半径方向に対して傾斜させるとともに、内側の端部から外側の端部までの距離に応じて曲率が異なる湾曲形状とすることを特徴とする請求項1に記載の熱交換器。
【請求項3】
上記大径部の内部に上記フィン部の固定されたプレート部を収容した状態で、上記大径部に上記小径部および連結部を装着して内側管体の組立体を製造し、
上記小径部の所要の頂部と大径部の所要の頂部とが整列した部分を下方に位置させた状態で、上記プレート部に形成した上記大径部に接触する位置に形成した水抜き孔を貫通するように蝋付け棒を挿入して、蝋付け棒が大径部および小径部の下方に位置した状態で、上記内側管体の組立体ごと加熱し、
上記蝋付け棒を溶融させて上記プレート部を上記大径部に固定することを特徴とする請求項1または請求項2のいずれかに記載の熱交換器の製造方法。

【図1】
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【図2】
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【図3】
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【図4】
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【公開番号】特開2013−113447(P2013−113447A)
【公開日】平成25年6月10日(2013.6.10)
【国際特許分類】
【出願番号】特願2011−257047(P2011−257047)
【出願日】平成23年11月25日(2011.11.25)
【出願人】(000207791)大豊工業株式会社 (152)
【Fターム(参考)】