JP5112053B2 - 熱交換器、特に内燃機関の排ガスクーラー用の熱交換器 - Google Patents

Description

本発明は、熱交換器、特に内燃機関の排ガスクーラーのための熱交換器に関する。

多様な使用のための熱交換器が知られている。さらに、熱交換器を貫流するキャリア媒体を熱交換体を迂回させる、いわゆるバイパス通路も知られている。その場合にキャリア媒体は熱交換器を通過し、キャリア媒体との本質的なエネルギ交換が行われることはなく、熱交換領域を貫流する場合にはエネルギが熱交換媒体へ放出され、あるいはその熱交換媒体からキャリア媒体へ伝達される。

熱交換器の下流側で生じる、キャリア媒体の温度を閉ループ制御または開ループ制御するために、熱交換器の上流において熱交換器へ通じる流れ通路内に切替えフラップを配置することが知られており、その切替えフラップが到着するキャリア媒体を可変の部分流に分割し、その１つが熱交換器通路を通過し、他方がバイパス通路を通過する。フラップを用いて熱交換器通路を通る体積流に対するバイパス通路を通る体積流の相対的な割合を定めることによって、熱交換器の下流側に生じる混合温度が決定される。

切替えフラップとバイパス通路の始端との間の領域内で部分流を分離しておくために、分離薄板が設けられている。

この種の分離薄板において頻繁に生じる問題は、分離薄板の領域内および分離薄板から熱交換器通路またはバイパス通路への移行部に漏れ流が生じることである。

本発明の課題は、分離薄板を適切に形成することによって、キャリア媒体流をできるだけ漏れのないように２つの部分流に分割することを可能にすることである。

この課題は、本発明に基づく熱交換器によって解決される。

発明の実施の形態

特に内燃機関の排ガスクーラーとして使用することができるような、熱交換器は、熱交換器通路とバイパス通路とを有しており、その場合に流れ通路内の熱交換器の上流または下流に切替えフラップが配置されており、その切替えフラップは到着するキャリア媒体を熱交換器通路とバイパス通路に分割する。バイパス通路を通る部分流と熱交換器通路を通る部分流の間の分割を維持するために、分離薄板が設けられており、その分離薄板が本発明によれば、切替えフラップからバイパス通路の始端まで延びている。

分離薄板がバイパス通路の始端の内部まで延びていることによって、２つの部分流の良好な分離が得られ、２つの部分流の間のかなり大きい漏れ流が阻止される。この措置が、２つの部分流の互いに対する比における正確な分割を可能にし、従って熱交換器の下流側のキャリア媒体の温度の良好な閉ループ制御または開ループ制御を可能にする。熱交換器においては、熱交換器通路内で、キャリア媒体のエネルギが、熱交換器通路内の交換面を介してキャリア媒体へ熱を伝達するように接触する、熱交換媒体へ出力され、あるいはまたこの熱交換媒体からキャリア媒体へ伝達される。その場合に熱交換器通路の領域におけるエネルギ交換は、キャリア媒体と熱伝達媒体の様々なエネルギ容量によって予め定められる。同時に、部分流に計算できない影響を有する、漏れ流を回避しながら、２つの部分流の割合を可変に変化させることによって、熱交換器の下流で良好な混合温度を発生させることができるので、熱交換器の下流のキャリア媒体の熱エネルギが開ループ制御可能ないし閉ループ制御可能である。従って、本発明の形態において分離薄板がバイパス通路の始端の中まで延びているので、漏れ流が回避される。従ってバイパス通路と分離薄板の間に間隙は生じないので、通常の解決に対してこの領域内に存在する漏れ流を回避することができる。

本発明の好ましい形態によれば、分離薄板がバイパス通路と結合され、特に溶接されている。分離薄板とバイパス通路の間を結合することによって、分離薄板とバイパス通路の始端との間の漏れ流が回避され、従って部分流の良好かつ信頼できる分配が保証される。

本発明の他の好ましい形態によれば、熱交換器の構成部分として流れ通路とバイパス通路ないし熱交換器通路の始端との間にディフューザが形成されており、その場合に分離薄板が少なくとも領域的にディフューザと結合されている。ディフューザの課題は、より小さい流れ断面を有する流れ通路とより大きい流れ断面を有する熱交換器の間の流れ的に好ましい移行を可能にすることである。熱交換器、特に熱交換器通路の領域内の増大された流れ断面が、より低い流れ速度において同じ体積流を通過させることを可能にする。減少された流れ速度は、熱交換器通路の領域におけるキャリア媒体と熱交換媒体との間のエネルギ交換の可能性を増大させる。少なくとも領域的に行われる、分離薄板のディフューザとの結合によって、さらに、切替えフラップによって発生される２つの部分流の間の改良された密封性とそれに伴ってより少ない漏れ流が得られる。その場合に特に、ディフューザの貫流に関して側方の領域において、ディフューザへの分離薄板の添接が与えられており、その場合に特にこの添接の領域において、分離薄板とディフューザとの間の結合が形成されており、その場合にこの結合は、特に溶接結合として形成されている。

切替えフラップが流れ通路内の揺動軸に保持されている場合に、本発明の好ましい形態に相当し、その場合に切替えフラップのフラップ面が揺動軸の上流側に延びており、かつその場合に分離薄板が揺動軸まで延びており、特にそれと結合されている。この措置も、切替えフラップの端部から熱交換器のバイパス通路内へ通じる、間隙および漏れのない通路を形成するために用いられる。

本発明の好ましい形態によれば、バイパス通路は２本の入り組んだパイプ、すなわち外側パイプと内側パイプからなり、その場合に内側パイプは内部を、従ってそのコアをキャリア媒体によって貫流され、それによってそのキャリア媒体は熱交換器通路を迂回して案内される。

内側と外側のパイプを有する二重パイプを設ける措置は、１つには、バイパス通路内に内側パイプを、熱的な長さのあそびが可能になるように配置する可能性を提供する。この措置によって、貫流するキャリア媒体に基づく内側パイプの熱膨張が、然るべきあそびと一方のパイプを他方のパイプの内部にルーズに配置することを介して補償可能になる。

好ましい形態によれば、分離薄板は内側パイプの中まで延びている。この措置によって、バイパス通路を貫流すべき部分流の移動が内側パイプまで、従って流れ通路の始端まで漏れなしに案内される。さらに進んだ形態においては、特に、内側パイプが分離薄板に接して案内されるように保持され、ないしは固定され、特にその分離薄板と溶接されている。この措置によって、まず、分離薄板と内側パイプが互いに対して永続的に添接したままとなり、この箇所で漏れ流が生じ得ないことが、保証される。さらに、クーラーとバイパス導管の間に改良された内的な密閉性が達成されて、分離薄板とクーラーとの間の誤差問題が回避される。誤差および長さの補償を伴う問題も、分離薄板と内側パイプの間に固定的な結合が形成されることによって、回避される。

貫流方向に対して垂直に方位付けされた前壁が形成されるように、分離薄板が直角に屈曲されている場合に、本発明の特に好ましい形態に相当する。前壁が切欠きを有しており、その中へ内側パイプが連通し、その場合にこの部分において切欠きと内側パイプは互いに対応する輪郭を有しており、かつこの領域において、切欠きが内側パイプの内部のための供給開口部を形成するように、互いに結合され、特に溶接されている。

この形態は、完全な部分流が内側パイプ内へ導入され、かつ流れ通路とバイパス通路の内側パイプとの間に効果的に形成すべき良好な移行が与えられることを保証する。その場合に特に、組み立てる場合に分離薄板が直接内側パイプに保持され、あるいは固定され、従って切替えフラップにではなく、熱交換器の側に取り付けられることが、可能である。従って分離薄板は、同時に、熱交換器内で内側パイプの位置を保持するために用いることができ、さらに、切替えフラップの揺動軸のすぐ後ろの領域内で長さのあそびを補償するための狭い間隙は余り重要ではなくなる。というのは、この揺動軸が軸構造の流れの陰になり、従って分離薄板が流れを案内し、流れを方向転換させ、かつ流れがバイパス通路の内側パイプ内へ導入される領域におけるよりも、少ない漏れ流しか発生しないからである。特に、内側パイプは切欠き内で案内されて保持されるが、位置の固定した固定は行われず、一種の軸承が行われるので、内側パイプは熱膨張した場合に切欠き内に軸方向に摺動可能に保持されるようにすることもできる。

本発明のさらに進んだ好ましい形態においては、前壁は少なくともディフューザの部分領域を越えてこのディフューザに添接し、好ましくはこの添接領域内でディフューザと結合され、特に溶接されている。この措置によって、分離薄板のための好ましい保持が形成され、同時にバイパス通路の内側パイプが確実に保持されて、定められた位置で案内される。

その他において、図面に示す実施例も用いて、以下で本発明を詳細に説明する。

図１と図２は、熱交換器（１０）の前の流入領域におけるキャリア媒体の流れガイドを縦断面と横断面で示している。熱交換器（１０）は、２つの潮流で形成されており、その場合に２つの潮流の一方がバイパス通路（１１）を形成し、他方の潮流が熱交換器通路（１４）を形成する。その場合に熱交換器通路（１４）は、キャリア媒体と、熱交換器通路（１４）の領域内でキャリア媒体とエネルギ交換をする熱交換媒体との間のエネルギ交換が可能になり、従ってキャリア媒体の加熱または冷却を可能にするように、形成されている。図示の実施例においては、熱交換器は内燃機関のための排ガスクーラーであって、その排ガスクーラーにおいてはキャリア媒体は排ガス流によって形成され、従って熱交換媒体として冷却水が準備される。その場合に熱エネルギはキャリア媒体である排ガスから熱交換媒体である水へ伝達され、従って排ガス流の温度が低下される。

バイパス通路（１１）を通して案内される排ガス、従ってキャリア媒体は、ほぼ変化されない温度で下流側に位置する、熱交換器の端部へ達する。熱交換器のバイパス通路を貫流する部分流と熱交換器通路を貫流する部分流の割合を定め、次に２つの部分流を混合することによって、熱交換器の下流側の排ガス流の温度を開ループ制御または閉ループ制御することができる。

到着する排ガスを２つの部分流に分割するために、切替えフラップ（２０）が用いられ、その切替えフラップは、熱交換器（１０）へ通じる流れ通路（２５）内に操作装置（２２）（一部分だけ示されている）によってその位置を変えることができるように保持されており、その流れ通路はパイプによって定められる。２つの図において切替えフラップ（２０）の、全部の排ガス流が熱交換器通路内へ案内されて、部分流がバイパス通路（１１）を通しては案内されない位置が示されている。

バイパス通路（１１）は、１本のパイプまたは入り組んで案内される２本のパイプによって形成される。外側パイプ（１３）が内側パイプ（１２）を包囲しており、その内側パイプのコアを通して、従って中央を、バイパス通路を貫流する排ガスの部分流が案内される。この措置によって、２つのパイプの間に絶縁する間隙が形成される。

流れ通路（２５）と、流れ通路（２５）よりも大きい貫流可能な断面を有する熱交換器（１０）との間の流れ移行部内に、ディフューザ（１５）が形成されている。ディフューザは、熱交換器通路（１４）の領域において底（１６）によって画成されており、その底に、熱交換器通路（１４）の、キャリア媒体によって貫流可能な領域を形成する通路（１７）が開口している。熱交換器通路の外部の領域において、バイパス通路（１１）の外側パイプ（１３）が底（１６）へ連通しており、その底はそれに応じた切欠きを有している。熱交換器通路の内側パイプ（１２）が底（１６）を貫通しており、その内側パイプがディフューザ（１５）内へ突出している。

到着する排ガス流からフラップ（２０）によって発生される２つの部分流を互いに分離するために、ディフューザ（１５）内に分離薄板（４０）が配置されており、その分離薄板は流れ通路（２５）内の揺動軸（２１）まで延びている。その場合にディフューザ（１５）内で分離薄板（４０）が側方において側壁に添接して、好ましくはこの側壁と溶接されている。さらに、分離薄板は切欠き（４２）を有しており、その切欠きは、流れ方向に対して垂直に延びる、分離薄板（４０）の一部である前壁（４１）内に位置している。この切欠き（４２）内へ、バイパス通路（１１）の内側パイプ（１２）が突出しているので、溶接によって分離薄板（４０）と内側パイプ（１１）との間に堅固な結合が形成されるか、あるいはまた切欠き（４２）内に内側パイプ（１１）を案内して保持することによって、分離薄板（４０）とバイパス通路（１１）の間にほぼ流体密であるが、内側パイプ（１１）の軸方向移動により熱的な長さ補償を可能にする接続が形成される。

その場合に分離薄板（４０）は、流れ通路（２５）内へ延びており、側方においてこの流れ通路にも添接しており、それによって部分流のために供給される排ガスないしキャリア媒体の、分離薄板（４０）によって互いに分離される２つの潮流間で分離薄板を通過する副流が阻止される。分離薄板（４０）は揺動軸（２１）まで延びており、かつ切替えフラップ（２０）を有する揺動軸を少なくとも領域的に覆う、軸ガイドないし軸ジャケットに添接する。この添接領域内において、分離薄板（４０）と揺動軸（２１）の間の固定、特に溶接粉末差込み結合を行うことができる。

図３は、折曲された方位付けを有する弁通路を示している。案内薄板１は、内側パイプ２の断面に適合された切欠きを備えた、屈曲された端縁１ａを有している。まず、案内薄板１が切欠きの端縁を中心に内側パイプ２の端面と溶接される。その後このユニットがハウジング３の通路３ａ内へ挿入され、その場合にたとえば小突起を用いて内側パイプを良好に摩擦結合保持することができる。次に、内側パイプおよび／または案内薄板１がハウジングと溶接され、その場合に、場合によっては点溶接で十分である。

その後、垂直通路６が案内薄板１上に取り付けられて、場合によっては弁キャップ８と軸９が取り付けられる。弁部材１５に対して弁通路６を正確に方位付けした後に、弁通路６がハウジングと、ハウジングの端面を一周する溶接継目によって溶接される。

それぞれ要請に応じて、上述した実施例のそれぞれの特別な特徴は、それらに限定されず、互いに自由に組み合わせることができ、その場合に場合によっては所定の組合わせによって特に好ましい熱交換器が形成可能である。

分離薄板の領域において流れ通路と熱交換器を縦方向に断面で示している。 図１に示す分離薄板の横断面図である。 流れ通路と熱交換器を示す斜視図である。

Claims (8)

1. 熱交換器通路（１４）とバイパス通路（１１）を有し、流れ通路（２５）内で熱交換器（１０）の上流または下流に切替えフラップ（２０）が配置されており、切替えフラップ（２０）が、到着するキャリア媒体を熱交換器通路（１４）とバイパス通路（１１）に分割し、その切替えフラップ（２０）に、２つの部分流を分離するための分離薄板（４０）が隣接して設けられており、その分離薄板（４０）が、バイパス通路（１１）の始端まで延びており、バイパス通路（１１）が、外側パイプ（１３）及び内側パイプ（１２）を有し、キャリア媒体が内側パイプ（１２）のコアを貫流し、内側パイプ（１２）が、分離薄板（４０）まで延びており、内側パイプ（１２）が分離薄板（４０）上で案内されるか分離薄板（４０）に装着されており、分離薄板（４０）には、流れ方向に対して垂直な方向に向きかつ切欠き（４２）を有する前壁（４１）が形成されており、内側パイプ（１２）がその切欠き（４２）内で軸方向に摺動可能に案内されて保持されていることを特徴とする熱交換器。
2. 分離薄板（４０）が、バイパス通路（１１）と結合されていることを特徴とする請求項１に記載の熱交換器（１０）。
3. 流れ通路（２５）とバイパス通路（１１）の始端との間にディフューザ（１５）が形成されており、分離薄板（４０）が少なくとも領域的にディフューザ（１５）と結合されていることを特徴とする請求項１及び２のいずれか１項に記載の熱交換器（１０）。
4. 切替えフラップ（２０）が、流れ通路（２５）内の揺動軸（２１）に保持されており、分離薄板（４０）が揺動軸（２１）まで延びていることを特徴とする請求項１から３のいずれか１項に記載の熱交換器（１０）。
5. 分離薄板（４０）が、内側パイプ（１２）と結合されていることを特徴とする請求項１に記載の熱交換器（１０）。
6. 分離薄板（４０）の前壁（４１）が、直角に屈曲されており、前壁（４１）の切欠き（４２）内へ内側パイプ（１２）が連通していることを特徴とする請求項５に記載の熱交換器（１０）。
7. 内側パイプ（１２）が、切欠き（４２）の領域内で分離薄板（４０）の前壁（４１）と結合されていることを特徴とする請求項６に記載の熱交換器（１０）。
8. 前壁（４１）が、ディフューザ（１５）の少なくとも部分領域にわたってこのディフューザ（１５）と添接していることを特徴とする請求項６又は７に記載の熱交換器（１０）。

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