JP6024568B2 - 熱交換器 - Google Patents

Description

本発明は、扁平な配管内を流れる流体とその外側を流れる流体との間で熱交換が行われる熱交換器に関する。

特許文献１には、燃焼室で発生した排気を冷却水との熱交換により冷却し、吸気系に還流させる熱交換器の一例が開示されている。こうした熱交換器は、内部を冷却水が循環するケーシングと、このケーシング内に配置される複数の配管とを備えている。各配管は、幅方向における寸法が同幅方向と直交する厚さ方向における寸法よりも大きく、扁平になっている。そして、ケーシング内では、こうした扁平な各配管が上記厚さ方向に並んでおり、各配管内を排気が流れるようになっている。

各配管の上流端及び下流端には、上流端と下流端との間に位置する通路部よりも上記厚さ方向における寸法の大きい拡開部が設けられている。拡開部は、隣り合う他の配管の拡開部に当接している。一方、上流端の拡開部と下流端の拡開部との間に位置する通路部は隣り合う他の配管の通路部と当接しておらず、互いに隣り合う通路部同士の間を冷却水が流れるようになっている。そして、こうした冷却水と各配管内を流れる排気との熱交換によって、排気が冷却される。

特開２０１１−１１２３３１号公報

配管の内部を排気が流れている場合、排気の圧力により配管の内部の圧力が配管の外部の圧力よりも高くなることがある。その場合、図９に示すように、断面視略四角環状をなす配管１００の側壁には、同側壁を外側に押し広げようとする力Ｆ１が作用する。また、図９に示すように、配管１００の管壁が厚さ方向から幅方向に折り曲がっている４隅の部分をコーナー部分１３０としたとき、コーナー部分１３０には同コーナー部分１３０を展開させようとする力Ｆ２が作用する。その結果、コーナー部分１３０ではこの力Ｆ２による応力集中が生じやすい。

なお、配管１００の拡開部は、他の配管の拡開部に当接しているために拡大されにくく、同拡開部のコーナー部分には上記力Ｆ２が作用しにくい。一方、上流端の拡開部と下流端の拡開部との間に位置する通路部は、他の配管に当接していないために拡開部と比較して排気の圧力によって拡大されやすく、コーナー部分を展開させようとする力Ｆ２による応力集中が生じやすい。

本発明の目的は、扁平な配管の内部を流体が流れる際に、同配管の特定箇所に応力が集中することを抑制することができる熱交換器を提供することにある。

上記課題を解決するための熱交換器は、通路部と同通路部よりも厚さ方向における寸法が大きく同通路部と連通している拡開部とを有し、上記厚さ方向と直交する幅方向における寸法が上記厚さ方向における寸法よりも大きい扁平な複数の配管が、上記厚さ方向に並んだ態様でケーシング内に配置されている。また、この熱交換器では、上記厚さ方向で互いに隣り合う拡開部同士が当接している一方、上記厚さ方向で互いに隣り合う通路部同士が当接しておらず、配管内を流れる流体と通路部同士の間を流れる流体との間で熱交換が行われる。そして、この熱交換器においては、上記幅方向及び上記厚さ方向の双方と直交する方向を長さ方向とし、この長さ方向と直交する断面において上記配管の管壁が折れ曲がっている部分をコーナー部分としたとき、通路部のコーナー部分の曲率半径が、拡開部のコーナー部分の曲率半径よりも大きい。

配管のコーナー部分には、配管内を流れる流体の圧力による同配管の側壁の拡大によって同コーナー部分を展開させようとする力が作用することになる。ここで、コーナー部分の曲率半径が大きいほど、上記のようなコーナー部分を展開させようとする力が作用したときに同コーナー部分に作用する応力が広く分散して作用するようになる。そこで、上記構成では、通路部のコーナー部分の曲率半径を拡開部のコーナー部分の曲率半径よりも大きくした。これにより、通路部のコーナー部分の曲率半径が拡開部のコーナー部分の曲率半径と同一であった場合と比較して、通路部のコーナー部分において応力集中が生じにくくなる。したがって、扁平な配管の内部を流体が流れる際に、同配管の特定箇所に応力が集中することを抑制することができるようになる。

上記熱交換器において、拡開部を配管の上記長さ方向における両端に設けるようにすることもできる。
また、配管のうち、同配管の並ぶ厚さ方向において最も外側に位置する配管を最外配管としたとき、最外配管の拡開部を、隣り合う他の配管の拡開部に加えて、ケーシングの側壁にも当接させることが好ましい。この構成によれば、最外配管をケーシングによって支持させ、各配管をより強固に支持することができるようになる。

そして、互いに隣り合う各拡開部のコーナー部分とケーシングの側壁とに囲まれている隙間を、接合剤で埋めるようにしてもよい。この構成によれば、拡開部のコーナー部分の曲率半径が通路部のコーナー部分の曲率半径よりも小さいため、上記隙間が狭い分、同隙間を埋めるのに使用する接合剤の使用量が少なくてすむ。また、上記のように最外配管をケーシングにも当接させる構成によれば、最外配管内の圧力の増大によって、最外配管の拡開部が拡大しようとしても、他の配管の拡開部やケーシングの側壁によって最外配管の拡開部の拡大を規制することができる。また、最外配管よりも内側の配管の拡開部は、同配管の両側に位置する配管の拡開部に当接しているため、同拡開部の拡大は規制されている。そのため、上記のように拡開部のコーナー部分の曲率半径を通路部のコーナー部分の曲率半径よりも小さくして接合剤の使用量を抑制する場合であっても、同拡開部のコーナー部分への応力集中を抑制できるようになる。

さらに、最外配管の通路部とケーシングの側壁との間に隙間が設けられていることが好ましい。この構成によれば、最外配管の通路部とケーシングの側壁との間に設けられた隙間にも熱交換用の流体を介在させることが可能となり、最外配管内を流れる流体との間で効果的に熱交換させることができるようになる。

また、この熱交換器は、内燃機関の排気を吸気系に還流させる排気還流通路の一部に取り付け、配管内を流れる排気とケーシング内の配管外側を流れる冷却水との間で熱交換を行ういわゆる冷却器として適用することが可能である。

熱交換器の一実施形態を模式的に示す斜視図。 同熱交換器の分解斜視図。 同熱交換器の内部構成の一部を示す断面図。 同熱交換器においてケーシング内で複数の配管が並んでいる状態を示す平面図。 （ａ）は図４における５−５線で同熱交換器を切断した場合の断面図、（ｂ）は図５（ａ）の一部を拡大した断面図。 （ａ）は図４における６−６線で同熱交換器を切断した場合の断面図、（ｂ）は図６（ａ）の一部を拡大した断面図。 コーナー部分の曲率半径と同コーナー部分への応力集中度との関係を示すグラフ。 （ａ）は別の実施形態の熱交換器を示す断面図、（ｂ）は図８（ａ）の一部を拡大した断面図。 従来の熱交換器の配管のコーナー部分に力が作用している状態を示す作用図。

以下、図１〜図８を参照して、熱交換器を、吸気系に還流させる排気を冷却する内燃機関の熱交換器として具体化した一実施形態について説明する。
図１に示す熱交換器１１は、排気をＥＧＲガスとして吸気系に還流させる還流経路の途中に配置されており、同熱交換器１１内を流れるＥＧＲガスを冷却する機能を有しているいわゆるＥＧＲクーラーである。なお、ＥＧＲとは、「Exhaust Gas Recirculation」の略記である。

図１に示すように、熱交換器１１のケーシング２０は、ケース本体２２と、固定部材２３と、第１の蓋体２５と、第２の蓋体２６とを備えている。固定部材２３には、ケーシング２０内に熱交換用の流体の一例としての冷却水を流入させる冷却水流入部２３１と、ケーシング２０内を循環した冷却水を外部に流出させる冷却水流出部２３２とが設けられている。また、第１の蓋体２５にはＥＧＲガスをケーシング２０内に流入させるガス流入部２５１が設けられ、第２の蓋体２６にはケーシング２０内を流れたＥＧＲガスを外部に流出させるガス流出部２６１が設けられている。

図２に示すように、ケース本体２２は、略Ｕ字状に構成されている。すなわち、ケース本体２２は、固定部材２３に対向する基部２２１と、この基部２２１の両側に立設されている一対の側壁部２２２とを有している。そして、一対の側壁部２２２の先端に固定部材２３が固定されることにより、略四角筒状をなす筒状体２１が構成される。この筒状体２１の一端の開口が第１の蓋体２５によって閉塞され、筒状体２１の他端の開口が第２の蓋体２６によって閉塞されている。

また、ケーシング２０内には、幅方向における寸法Ｌ１が同幅方向に直交する厚さ方向における寸法Ｌ２よりも大きい扁平な複数（ここでは５つ）の配管３０が収容されている。配管３０は、一枚の板材を折り曲げることにより構成されている。各配管３０は、上記厚さ方向に並べられているとともに、厚さ方向及び幅方向の双方に直交する長さ方向が筒状体２１の長さ方向と一致する態様で、ケーシング２０内に配置されている。

そして、第１の蓋体２５のガス流入部２５１を通じてケーシング２０内に流入したＥＧＲガスは、各配管３０の手前で分流されて各配管３０内に流入する。また、各配管３０内を流れたＥＧＲガスは、各配管３０を流出してから合流し、第２の蓋体２６のガス流出部２６１を通じてケーシング２０外に流出する。

図３に示すように、ケーシング２０を構成するケース本体２２の基部２２１の長さ方向における端部のうち、第１の蓋体２５が固定されている側の端部を「上流端部分２２１Ａ」とし、第２の蓋体２６が固定されている側の端部を「下流端部分２２１Ｂ」とする。そして、上流端部分２２１Ａと下流端部分２２１Ｂとの間となる部分を「中央部分２２１Ｃ」とする。基部２２１には、中央部分２２１Ｃが上流端部分２２１Ａ及び下流端部分２２１Ｂよりも外側に位置するように凹みが形成されている。これに対して、配管３０は、ケース本体２２の基部２２１の上流端部分２２１Ａ及び下流端部分２２１Ｂに当接している一方で、中央部分２２１Ｃに当接していない。そして、各配管３０と中央部分２２１Ｃとの間に形成されている空間ＳＰ１には冷却水が流れるようになっている。

図４に示すように、配管３０の上流端及び下流端には、上流端と下流端との間の通路部３２よりも上記厚さ方向における寸法の大きい拡開部３１が設けられている。こうした拡開部３１内は通路部３２内と連通しており、ガス流入部２５１からケーシング２０内に流入し、上流端の拡開部３１内を流れたＥＧＲガスは通路部３２内を流れてから下流端の拡開部３１内に流入し、同拡開部３１から配管３０外に流出し、ガス流出部２６１を通じてケーシング２０外に流出する。

図５（ａ）に示すように、配管３０の拡開部３１は、隣り合う配管３０の拡開部３１に当接している。また、拡開部３１の幅方向における両側壁は、固定部材２３及びケース本体２２の基部２２１に当接している。さらに、配管３０のうち最も外側に位置する最外配管３０Ａの拡開部３１は、最外配管３０Ａの内側に位置する配管３０の拡開部３１、固定部材２３及びケース本体２２の基部２２１に加え、ケース本体２２の側壁部２２２にも当接している。すなわち、各配管３０は、それらの上流端及び下流端でケーシング２０に支持されている。

なお、図５（ｂ）に示すように、断面視略四角環状をなす拡開部３１において折れ曲がっている４隅をそれぞれ「コーナー部分３１１」としたとき、コーナー部分３１１の曲率半径は、比較的小さい第１の曲率半径Ｒ１となっている。そのため、互いに隣り合う各拡開部３１とケーシング２０の側壁との間に形成される隙間ＳＰ２は非常に狭い。そして、こうした隙間ＳＰ２内には、同隙間ＳＰ２を埋めるべく接合剤としての鑞（ろう）が充填されている。

図６（ａ）に示すように、配管３０の通路部３２は、隣り合う他の配管３０に当接していない。また、最外配管３０Ａの通路部３２は、ケース本体２２の側壁部２２２にも当接していない。そして、こうした通路部３２同士の間及び最外配管３０Ａの通路部３２とケース本体２２の側壁部２２２との間に形成されている隙間ＳＰ３を冷却水が流れるようになっている。また、図６（ｂ）に示すように、断面視略四角環状をなす通路部３２において折れ曲がっている４隅をそれぞれ「コーナー部分３２１」としたとき、コーナー部分３２１の曲率半径は、拡開部３１のコーナー部分３１１の曲率半径である第１の曲率半径Ｒ１よりも大きい第２の曲率半径Ｒ２となっている。

次に、図７を参照して、本実施形態の熱交換器１１の作用について説明する。
熱交換器１１の各配管３０内をＥＧＲガスが流れている場合、ＥＧＲガスの圧力によって配管３０の内部の圧力が配管３０の外部の圧力よりも高くなり、配管３０が外側に拡大しようとする。このとき、配管３０の通路部３２は、隣り合う他の配管３０やケーシング２０のケース本体２２の側壁部２２２に当接していないため、外側に拡大しやすい。そのため、通路部３２のコーナー部分３２１には、同コーナー部分３２１を展開させようとする力が作用しやすい。

その一方で、配管３０の拡開部３１は、隣り合う他の配管３０の拡開部３１やケーシング２０に当接しているため、拡開部３１の拡大が規制されている。その結果、拡開部３１のコーナー部分３１１には、同コーナー部分３１１を展開させようとする力が作用しにくい。

ここで、図７には、コーナー部分の曲率半径と応力集中度との関係を示すグラフが図示されている。図７に示すように、配管を構成する板材の厚みが同等という条件下では、応力集中度はコーナー部分の曲率半径が大きいときほど小さくなる。

本実施形態の熱交換器１１においては、通路部３２のコーナー部分３２１の曲率半径（Ｒ２）は、拡開部３１のコーナー部分３１１の曲率半径（Ｒ１）よりも大きい。そのため、力が作用しやすい通路部３２のコーナー部分３２１であっても、同コーナー部分３２１への応力集中が抑制される。

上記構成に及び作用によれば、以下に示す効果を得ることができる。
（１）通路部３２のコーナー部分３２１の曲率半径を拡開部３１のコーナー部分３１１の曲率半径よりも大きくした。これにより、通路部３２のコーナー部分３２１の曲率半径が拡開部３１のコーナー部分３１１の曲率半径と同一であった場合と比較して、通路部３２のコーナー部分３２１において応力集中が生じにくくなる。したがって、扁平な配管３０の内部をＥＧＲガスが流れる際に、配管３０の特定箇所への応力集中を抑制することができる。

（２）最外配管３０Ａの上流端及び下流端に設けられている拡開部３１をケーシング２０に支持させるようにしたことにより、各配管３０をより強固に支持することができる。
（３）また、拡開部３１のコーナー部分３１１の曲率半径を通路部３２のコーナー部分３２１の曲率半径よりも小さくしたことにより、各拡開部３１の間の隙間ＳＰ２が狭くなり、同隙間ＳＰ２を埋めるのに使用する鑞（ろう）の使用量を少なくすることができる。

また、上記隙間ＳＰ２内に鑞（ろう）を充填する処理は、鑞（ろう）付け用の炉内で行われることがある。この場合、上記隙間ＳＰ２を囲む各コーナー部分３１１で発生する表面張力によって鑞（ろう）を保持できるため、少量の鑞（ろう）によって上記隙間ＳＰ２を確実に埋めることができる。

（４）互いに隣り合う各通路部３２は離れているため、各通路部３２の間に冷却水を流すことができる。また、最外配管３０Ａの通路部３２は、ケーシング２０の側壁部２２２にも当接していないため、最外配管３０Ａの通路部３２と側壁部２２２との間にも冷却水を流すことができる。したがって、配管３０の通路部３２内を流れるＥＧＲガスを効率良く冷却することができる。

（５）互いに隣り合う各拡開部３１は当接しており、最外配管３０Ａの拡開部３１は、同最外配管３０Ａの内側に位置する配管３０の拡開部３１に加え、ケーシング２０の側壁部２２２にも当接している。そのため、配管３０内の圧力の増大によって、拡開部３１が拡大しようとしても他の配管３０の拡開部３１やケーシング２０の側壁部２２２によって拡開部３１の拡大を規制することができる。そのため、拡開部３１のコーナー部分３１１の曲率半径を通路部３２のコーナー部分３２１の曲率半径よりも小さくしても、同拡開部３１のコーナー部分３１１への応力集中を抑制することができる。

なお、上記実施形態は以下のような別の実施形態に変更してもよい。
・配管３０内には高温のＥＧＲガスが流入することとなるため、配管３０も温度上昇する。そのため、互いに隣り合う各配管３０の拡開部３１のコーナー部分３１１の間に形成される隙間ＳＰ２内に充填される接合剤は、想定される配管３０の温度上限よりも高い融点を有するものにする必要がある。ただし、想定される配管３０の温度上限よりも高い融点を有するものであれば鑞（ろう）以外の他の接合剤であってもよい。

・配管３０は、その上流端及び下流端以外の任意の箇所に拡開部３１を設けた構成であってもよい。例えば、配管３０の長さ方向における中央に拡開部３１を設けてもよい。この場合、こうした拡開部３１の上流側及び下流側には通路部３２が設けられることとなる。

・最外配管３０Ａの拡開部３１を、ケーシング２０のケース本体２２の側壁部２２２に当接させなくてもよい。この場合、拡開部３１と側壁部２２２との間に支持部材を別途介在させることで、各配管３０をケーシング２０に支持させるようにしてもよい。

・配管３０の通路部３２は、その側壁から外側に突出する突起又はリブを設けた構成であってもよい。この場合、隣り合う他の配管３０にこうした突起又はリブが当接することにより、通路部３２の拡大を抑制することができる。

・配管３０の通路部３２の特定箇所への応力集中を抑制するためには、通路部３２のコーナー部分３２１の曲率半径を極力大きくすることが好ましい。例えば、図８（ａ），（ｂ）に示すように、通路部３２の厚さ方向における寸法を「Ｔ」とし、コーナー部分３２１の曲率半径を「Ｒ」としたとき、Ｒ＝Ｔ／２の関係が成立するように、コーナー部分３２１を形成してもよい。この場合、一つの通路部３２において厚さ方向に並ぶ２つのコーナー部分３２１が滑らかに繋がることになり、通路部３２の上記幅方向における両端は円弧状になる。

・ケーシング２０内において配管３０外を循環する流体は、配管３０内を流れるＥＧＲガスの冷却効率を十分に確保することができるのであれば、空気などの気体やオイルといった冷却水以外の他の流体であってもよい。

・配管３０は、長さ方向と直交する方向で切断した場合の断面形状が多角環状をなす形状であれば、断面視略三角環形状などのように断面視略四角環形状以外の形状であってもよい。

・熱交換器を具現化した一例としてＥＧＲガスを冷却する熱交換器を例示したが、扁平な配管を流れる流体とその外側を流れる流体との間で熱交換が行われる熱交換器であれば、上記熱交換器と同様の構成を適用することにより、配管への応力集中を抑制することができる。例えば過給内燃機関において吸気を冷却するインタークーラーにこの熱交換器の構成を適用することもできる。

・配管を流れる流体は気体に限らず液体であってもよいし、配管の外側を流れる流体が気体であってもよい。
・配管内を流れる流体を配管の外側を流れる冷媒としての流体で冷却する冷却器として機能する熱交換器を例示した。これに対して、この熱交換器の構成は、配管内を流れる流体と配管の外側を流れる流体との間で熱交換を行うものであれば蓄熱器として機能する熱交換器や、配管内を流れる流体を配管の外側を流れる流体で暖める加熱器として機能する熱交換器にも適用可能である。

１１…熱交換器、２０…ケーシング、２２２…ケーシングの側壁としての側壁部、３０…配管、３０Ａ…最外配管、３１…拡開部、３１１…拡開部のコーナー部分、３２…通路部、３２１…通路部のコーナー部分、ＳＰ２…隙間。

Claims (6)

1. 通路部と同通路部よりも厚さ方向における寸法が大きく同通路部と連通している拡開部とを有し、前記厚さ方向と直交する幅方向における寸法が前記厚さ方向における寸法よりも大きい扁平な複数の配管が、前記厚さ方向に並んだ態様でケーシング内に配置されており、
   前記厚さ方向で互いに隣り合う前記拡開部同士が当接している一方、前記厚さ方向で互いに隣り合う前記通路部同士が当接しておらず、前記配管内を流れる流体と前記通路部同士の間を流れる流体との間で熱交換を行う熱交換器において、
   前記幅方向及び前記厚さ方向の双方と直交する方向を長さ方向とし、同長さ方向と直交する断面において前記配管の管壁が折れ曲がっている部分をコーナー部分としたとき、
   前記通路部のコーナー部分の曲率半径が、前記拡開部のコーナー部分の曲率半径よりも大きい
   ことを特徴とする熱交換器。
2. 前記拡開部が、前記配管の前記長さ方向における両端に設けられている
   請求項１に記載の熱交換器。
3. 前記配管のうち、同配管の並ぶ前記厚さ方向において最も外側に位置する配管を最外配管としたとき、
   前記最外配管の拡開部が、前記ケーシングの側壁に当接している
   請求項１又は請求項２に記載の熱交換器。
4. 互いに隣り合う前記各拡開部のコーナー部分と前記ケーシングの側壁とに囲まれている隙間が、接合剤で埋められている
   請求項３に記載の熱交換器。
5. 前記配管のうち、同配管の並ぶ前記厚さ方向において最も外側に位置する配管を最外配管としたとき、
   前記最外配管の前記通路部と前記ケーシングの側壁との間に隙間が設けられている
   請求項１〜請求項４のうち何れか一項に記載の熱交換器。
6. 内燃機関の排気を吸気系に還流させる排気還流通路の一部に取り付けられ、
   前記配管内を流れる排気と前記ケーシング内の前記配管外側を流れる冷却水との間で熱交換を行う
   請求項１〜請求項５のうち何れか一項に記載の熱交換器。