JP2007010197A - 還元剤容器用熱交換器の組立方法及び該組立方法用の配管構造 - Google Patents

Abstract

【課題】曲げ加工を施した管材を還元剤容器内に配管して構成される熱交換器において、管材の曲げ加工による寸法精度の低下代を吸収可能な配管構造を提案する。
【解決手段】管材を、屈曲形成して還元剤容器内を巡らせる本体管部材６３と、還元剤容器の外へ突出させる連結管部材６１，６２と、に分けて構成し、その本体管部材６３の端部６３ａを還元剤容器の天蓋２０に固定すると共に該固定した本体管部材６３の端部に連結管部材６１，６２の端部を嵌挿する構造として、天蓋２０から下の本体管部材６３の寸法と天蓋２０から上の連結管部材６１，６２の寸法とを個別に調節できるようにした配管構造を持つことを特徴とする。天蓋２０を挟んで上下の各配管寸法とをそれぞれ別個に決定可能としたことにより、課題を解決する。
【選択図】図３

Description

本発明は、液体還元剤を用いて排気中の窒素酸化物（ＮＯｘ）を還元浄化する排気浄化装置に係り、特に、還元剤容器に貯蔵されている液体還元剤の凍結を抑制し、あるいは凍結した液体還元剤を解凍するために使用される熱交換器に関する。

エンジンの排気に含まれるＮＯｘを除去する触媒浄化システムとして、特許文献１に開示されたような排気浄化装置が提案されている。当該排気浄化装置は、エンジン排気系に配設された還元触媒の上流側に、コントロールユニットにより制御される還元剤供給装置を介してエンジン運転状態に応じた必要量の液体還元剤を噴射供給することで、排気中のＮＯｘと液体還元剤とを触媒還元反応させて、ＮＯｘを無害成分に浄化処理するものである。ここで、還元反応は、ＮＯｘとの反応が良好なアンモニアを用いるものが主流で、液体還元剤としては、排気熱及び排気中の水蒸気により加水分解してアンモニアを発生する尿素水溶液が主に用いられる。このような尿素水溶液等の液体還元剤は、専用の還元剤容器に貯蔵される。

還元剤容器は、容器本体の上面に開口部が開設され、これを閉塞するように天蓋が着脱可能に取り付けられる。天蓋には、液体還元剤の残量を検出する水位計、液体還元剤の濃度を検出する濃度計、液体還元剤の送出管及び返却管、容器内の上部空間を大気開放するブリーザ管、そして、エンジン冷却水を熱媒体とする熱交換器の冷却水入口と出口になる連結管が配設される。
特開２０００−２７６２７号公報

上記のような還元剤容器にはエンジン冷却水を利用した熱交換器が使用されるが、この熱交換器は、一本の管材を屈曲形成し、送出管、水位計及び濃度計を取り囲むように天蓋から配管すると共に、その両端部を冷却水入口と出口の各連結管として天蓋を貫通させて取り出したものである。容器外へ突出した連結管の部分は、車載時に、エンジンの冷却系から延長されてきた冷却水の搬送管へ接続される。

このように、還元剤容器用の熱交換器は、複数回の曲げ加工を施した管材を還元剤容器内に配管して構成されるが、一般に管材は、曲げ加工を繰り返す度に寸法精度が悪化していくため、多数箇所の屈曲部分をもつ熱交換器は設計通りの寸法を得ることが難しい。すなわち、熱交換器の性能は配管長に比例するので、極力全長を長くしたいところであるが、還元剤容器内という制約された空間内で長さを稼ぐには、できるだけ屈曲させて収めるしかない。ところが、管材は、曲げ加工を繰り返すほどに寸法精度が悪化していき狂いが累積するため、曲げ加工の終わりに行くほど寸法が設計通りにいかなくなる。

寸法精度が悪くて熱交換器の下端部が容器底部まで届かなかったりすると、水位計及び濃度計の測定に影響するなど不具合が生じ得る。このため、天蓋から下の容器内における上下寸法を優先させて熱交換器を配管するようにしているが、そうすると今度は、天蓋から上の容器外に突出した連結管部分の寸法が狂ってしまい、還元剤容器の車載寸法に影響するなど不具合を生じてしまう。

このような課題に着目して、本発明は、管材の曲げ加工による寸法精度の低下代を吸収可能な熱交換器の組立方法を提案するものである。

本発明によれば、上記課題を解決するため、上面に開設された開口部を閉塞する天蓋を着脱可能に取り付けるようにした還元剤容器内に、曲げ加工を一回以上施した管材を天蓋から配管して構成される還元剤容器用の熱交換器の組立方法において、屈曲形成して還元剤容器内を巡らせる本体管部材の端部を天蓋に嵌め込んで該天蓋から下の本体管部材の寸法を決定したうえで当該本体管部材を天蓋に仮止めする段階と、この仮止めした本体管部材の端部に、還元剤容器の外へ突出させる連結管部材の端部を嵌挿し、天蓋から上の該連結管部材の寸法を決定したうえで当該連結管部材を本体管部材に仮止めする段階と、これら仮止めした本体管部材及び連結管部材を本止めする段階と、を含むことを特徴とする。

この熱交換器の組立方法によれば、曲げ加工を施す本体管部材は、その端部が天蓋に固定できれば良く、天蓋上の突出寸法を考える必要がない。還元剤容器外の突出寸法については、本体管部材に別部品とした連結管部材を嵌挿させて適宜調整できるようにしたので、本体管部材に発生した寸法精度の低下代を吸収して寸法通りに組み付けることができる。すなわち、曲げ加工の繰り返しにより寸法精度が低下している本体管部材であっても、本体管部材は、天蓋から下である還元剤容器内の上下寸法を合わせることだけを考えて配管すれば良く、その端部の天蓋取付誤差が発生していれば、連結管部材をその分調節して嵌挿させることで容器外についても寸法通りに仕上げることができる。つまり、天蓋から下（つまり容器内）の配管寸法と天蓋から上（つまり容器外）の配管寸法とをそれぞれ別個に決定可能としたことにより、天蓋の上下側共に寸法通りに精度良く組み立てることを可能とし、従来技術の課題を解決しているものである。

このような本発明の組立方法では、本体管部材及び連結管部材の仮止め及び本止めをニッケルロウ付けで行うと良い。すなわち、ニッケルロウは液体還元剤として主流の尿素水溶液に対する耐性が高く、且つ素材を溶かす溶接に比べ管材を薄肉にすることができるからである。管材が薄肉になれば、それだけ熱伝導効率が高まるので、熱交換器の性能向上に貢献する。また、本体管部材及び連結管部材の材質についても、尿素水溶液に対し耐性の高いステンレスとしておくとなお良い。

以上の本発明に係る組立方法のために提案される還元剤容器用熱交換器の配管構造は、天蓋から還元剤容器内に配管される管材が、屈曲形成して還元剤容器内を巡らせる本体管部材と、還元剤容器の外へ突出させる連結管部材と、に分けて構成され、本体管部材の端部を天蓋に固定すると共に該固定した本体管部材の端部に連結管部材の端部を嵌挿する構造とされて、天蓋から下の本体管部材の寸法と天蓋から上の連結管部材の寸法とを個別に調節できる配管構造であることを特徴とする。

本発明に係る熱交換器の組立方法及びこのための配管構造によれば、管材を本体管部材と連結管部材とに分割し、天蓋を挟んで上下側の容器外配管寸法と容器内配管寸法とを個別に調節可能としてあり、本体管部材の曲げ加工による寸法精度の低下代を連結管部材の嵌挿調節により吸収して寸法精度良く組み立てることができる。
しかも、本発明により得られる熱交換器の管材の継ぎ目は、容器外にある連結管部材の継ぎ目だけで済むので、継ぎ目から容器内へエンジン冷却水を漏洩させて液体還元剤濃度を変化させてしまう可能性がほとんど無い。

本発明は、図１に示すような排気浄化装置で使用される還元剤容器１０に適用可能で、このような還元剤容器１０は、図２に示すような概略構造を有する。
図示の排気浄化装置は、尿素水溶液を液体還元剤として使用し、エンジン排気中に含まれるＮＯｘを触媒還元反応により浄化する。エンジンＥの排気マニホールドＥｍに接続される排気管Ｅｐには、排気上流側から下流側へ、一酸化窒素（ＮＯ）を二酸化窒素（ＮＯ_２）へと酸化させる酸化触媒Ｓ１と、液体還元剤を噴射供給する噴射ノズルＮと、液体還元剤を加水分解して得られるアンモニアによりＮＯｘを還元浄化するＮＯｘ還元触媒Ｓ２と、ＮＯｘ還元触媒Ｓ２を通過したアンモニアを酸化させるアンモニア酸化触媒Ｓ３と、が順に配設されている。噴射ノズルＮから噴射供給された液体還元剤は、排気熱及び排気中の水蒸気により加水分解され、アンモニアを発生する。発生したアンモニアは、ＮＯｘ還元触媒Ｓ２において排気中のＮＯｘと反応し、水及び無害なガスに浄化される。このとき、ＮＯｘ還元触媒Ｓ２によるＮＯｘ浄化率を向上させるべく、酸化触媒Ｓ１によりＮＯがＮＯ_２へと酸化され、排気中のＮＯとＮＯ_２との割合が触媒還元反応に適したものに改善される。さらに、ＮＯｘ還元触媒Ｓ２を通過したアンモニアは、その排気下流に配設されたアンモニア酸化触媒Ｓ３により酸化されるので、異臭を放つアンモニアがそのまま大気中に放出されることが防止される。

還元剤容器１０に貯蔵されている液体還元剤は、容器底部に吸い込み口が位置する送出管を通して還元剤供給手段ＮＣへ提供され（矢示Ｘ）、そして、還元剤供給手段ＮＣで噴射に寄与しなかった余剰の液体還元剤が返却管を通して還元剤容器１０内へ戻される（矢示Ｙ）。還元剤供給手段ＮＣは、コンピュータを内蔵したコントロールユニットＥＣＵにより制御され、エンジン運転状態に応じた必要量の液体還元剤を空気と混合しつつ噴射ノズルＮへ供給する。

本実施形態における還元剤容器１０は、図２に示すように、略直方体形状をなす容器本体１１の長手方向の２面幅を形成する側面上部に、液体還元剤を補充するための補充口１２及び搬送時に把持する取手１３をそれぞれ形成したものである。そして、容器本体１１の上面には開口部が開設されており、これを閉塞するように、天蓋２０が複数のボルト２１で着脱可能に取り付けられている。

天蓋２０の上面には、液体還元剤の残量を検出する水位計３０の基部３１と、液体還元剤の濃度を検出する濃度計４０の基部４１とが、ボルト２２によりそれぞれ共締めされている。水位計３０は、その基部３１から検出部３２が垂下され、濃度計４０は、その基部４１から検出部４２が垂下されて容器本体１１の底部に位置している。さらに、天蓋２０の上面には、液体還元剤の送出管５０及び返却管５１と、エンジン冷却水を熱媒体とする熱交換器６０の冷却水入口と出口になる連結管６１，６２と、容器内の上部空間を大気開放するブリーザ管７０とが配管されている。その熱交換器６０の連結管６１，６２は、車載時に、エンジンの冷却系から延長されてきた冷却水の搬送管へ接続される。

本実施形態の熱交換器６０は、複数箇所を曲げ加工して屈曲形成し、容器本体１１内で水位計３０及び濃度計４０を取り囲むように天蓋２０から配管した本体管部材６３を有し、図３の要部拡大断面図に詳細を示すように、該本体管部材６３の両端部６３ａに、エンジン冷却水入口と出口の連結管６１，６２をなす連結管部材の端部をそれぞれ嵌挿した配管構造を持つ。容器本体１１内の熱交換器６０をなす本体管部材６３は、水位計３０及び液体還元剤の送出管５０を囲うようにして天蓋２０から底部まで延び、そして該底部から濃度計４０を囲うようにして上端部まで延びており、この上端部に延設された中間屈曲部６４が、天蓋２０の下面に固定された金属製のブラケット２３にて支持されている。このように管材を多数箇所屈曲形成してなる熱交換器６０によれば、内部にエンジン冷却水を通す本体管部材６３の長さを稼ぐことが出来るので、液体還元剤との間で効率的に熱交換を行うことができる。

また、図２に示すように本体管部材６３の最下部には、液体還元剤が凍結した場合にその氷片から水位計３０及び濃度計４０を保護するように、上面のみが開口した概略箱形のプロテクタ８０が固定される。このようにすることで、液体還元剤の氷片が容器本体１１内で暴れることがあっても、水位計３０及び濃度計４０は保護され、故障発生を未然に防ぐことができる。

図３に示すように、本体管部材６３の端部６３ａは内径を広げて、連結管部材６１，６２の端部を所定の長さ端部６３ａ内に受け入れられるようにしてあり、この拡径した端部６３ａが天蓋２０の固定孔に嵌め込まれ固定される。この天蓋２０に固定した端部６３ａへ連結管部材６１，６２を嵌挿することにより、天蓋２０から下の本体管部材６３の寸法とは別個に天蓋２０から上の連結管部材６１，６２の突出寸法を調整することが可能となる。なお、本体管部材６３の全体を端部６３ａと同じ径として作成する例も可能であるし、さらには、本体管部材６３と連結管部材６１，６２との嵌挿構造は、図示の逆、すなわち連結管部材６１，６２の端部径を広げてこれに本体管部材６３の端部を挿入する嵌挿構造も考えられる。ただし、本体管部材６３の端部を天蓋２０に固定することを考えると、本体管部材６３の端部径を広げて連結管部材６１，６２の端部を受け入れる構造の方が適している。

この他にも図４に示すように、端部部材６５を本体管部材６３の端部として外周面に固定し、これに連結管部材６１，６２の端部を受け入れる構造も考えられる。この場合は、先に端部部材６５を天蓋２０に固定して本体管部材６３を受け入れる組み立て方にしてもよいし、先に端部部材６５を本体管部材６３に固定しておいてから天蓋２０へ固定する組み立て方にしてもよい。しかしながら、この図４の構造の場合、管の継ぎ目が増えることになり、且つ、本体管部材６３と端部部材６５との継ぎ目が容器本体１１内に位置することになって、該継ぎ目から容器内へエンジン冷却水が漏れ出す可能性が出てくる。これを解決する構造として、図３の構造を案出してある。

本実施形態の場合、本体管部材６３と天蓋２０、及び本体管部材６３と連結管部材６１，６２は、ニッケルロウ付けにより継ぎ目が接合される。ニッケルロウは、本例のように液体還元剤として尿素水溶液を使用した場合に耐性が高く、且つ素材を溶かす溶接に比べ管材を薄肉にすることができ、管材が薄肉になればそれだけ熱伝導効率が高まって熱交換器の性能を向上させることができる。また、本体管部材６３及び連結管部材６１，６２の材質はステンレス、本例では特にＳＵＳ３０４であり、これも尿素水溶液に対する耐性が高いものを使ってある。

以上の配管構造を持つ熱交換器６０の組立方法につき、図５〜図８を参照して説明する。
まず、図５に示すように、必要箇所を曲げ加工して本体管部材６３を屈曲形成し、その両端部６３ａを天蓋２０の固定孔に嵌入する。そして図６に示すように、本体管部材６３を嵌め込んだ天蓋２０を組立治具１００における載置プレート１０１上に置き、天蓋２０の縁部分三箇所をクランプ１０２，１０３，１０４により挟持し位置決めする。載置プレート１０１は、四本の支柱１０５，１０６，１０７，１０８により支持されており、下部プレート１０９からの高さ（離間距離）が、還元剤容器１０内における本体管部材６３の上下寸法に合致するように決められている。したがって、載置プレート１０１に天蓋２０を載置しクランプ１０２〜１０４で位置決めすることにより、本体管部材６３の上下寸法、すなわち天蓋２０から下の熱交換器６０の容器内寸法が、載置プレート１０１と下部プレート１０９との間隔により、設計寸法通りに規制される。この状態で、図６Ｂの拡大図に示すように、部分的な溶接やニッケルロウ付け等の仮止め手段６３ｂにより端部６３ａと天蓋２０とを仮止めする。なお、本例ではこの時点でプロテクタ８０を取り付けている（プロテクタ８０の取り付け時期はこれに限られない）。

継いで、図７に示すように、天蓋２０に仮止めした本体管部材６３の端部６３ａに、連結管部材６１，６２の端部を嵌挿する。そして図８に示すように、支柱１０５にスライド出し入れ可能に支持した位置決めピン１１０により連結管部材６１（６２）の方向と突出寸法を位置決めする。なお、図８には連結管部材６１の例のみを示しているが、連結管部材６２の場合も同様である。位置決めピン１１０は、支柱１０５に固定された支持手段１１１により、載置プレート１０１からの高さ（離間距離）が決められており、これが連結管部材６１（６２）の突出寸法、すなわち天蓋２０から上の熱交換器６０の容器外寸法に合致している。したがって、本体管部材６３の端部６３ａに嵌挿した連結管部材６１（６２）の位置（回転方向及び高さ）を、引っ込めてある位置決めピン１１０に対し位置合わせし、そして該位置決めピン１１０を押し出して連結管部材６１（６２）の開口に差し込むと、連結管部材６１（６２）の突出寸法と方向が設計寸法通りに規制される。この状態で、図８Ｂの拡大図に示すように、部分的な溶接やニッケルロウ付け等の仮止め手段６１ａにより本体管部材６３の端部６３ａと連結管部材６１（６２）とを仮止めする。

両方の連結管部材６１，６２について仮止めが終わった後は、組立治具１００から天蓋２０を取り外し、仮止めした上からニッケルロウ付けを行って接合する。継ぎ目をニッケルロウ付けで接合することにより液体還元剤に対する耐性が高くなり、また、本体管部材６３と連結管部材６１，６２の継ぎ目は還元剤容器１０の外に位置する各端部につき一箇所のみとなるので、接合不良が発生しにくく且つ継ぎ目から容器内へエンジン冷却水を漏洩させて液体還元剤濃度を変化させてしまう可能性も非常に低くなる。

還元剤容器を使用する排気浄化装置の概略図。 還元剤容器の概略を示した構造図。 本発明に係る熱交換器の配管構造の一例を示した要部断面図。 図３の他の例を示した要部断面図。 本発明に係る熱交換器の組立方法を説明する工程図。 図５に続く工程を示し、（Ａ）は組立治具の上から、（Ｂ）は組立治具の横から見た工程図。 図６に続く工程を示す要部断面で見た工程図。 図７に続く工程を示し、（Ａ）は組立治具の上から、（Ｂ）は（Ａ）中の矢示Ａで指す要部を横から見た工程図。

符号の説明

１０ 還元剤容器
２０ 天蓋
６０ 熱交換器
６１，６２ 連結管部材
６３ 本体管部材
１００ 組立治具

Claims (6)

1. 上面に開設された開口部を閉塞する天蓋を着脱可能に取り付けるようにした還元剤容器内に、曲げ加工を一回以上施した管材を前記天蓋から配管して構成される還元剤容器用の熱交換器の組立方法において、
   屈曲形成して前記還元剤容器内を巡らせる本体管部材の端部を前記天蓋に嵌め込んで該天蓋から下の前記本体管部材の寸法を決定したうえで当該本体管部材を前記天蓋に仮止めする段階と、
   前記仮止めした本体管部材の端部に、前記還元剤容器の外へ突出させる連結管部材の端部を嵌挿し、前記天蓋から上の該連結管部材の寸法を決定したうえで当該連結管部材を前記本体管部材に仮止めする段階と、
   前記仮止めした本体管部材及び連結管部材を本止めする段階と、を含むことを特徴とする熱交換器の組立方法。
2. 前記仮止めした本体管部材の端部内に前記連結管部材の端部を受け入れることを特徴とする請求項１記載の熱交換器の組立方法。
3. 前記本体管部材及び前記連結管部材の仮止め及び本止めをニッケルロウ付けにより行うことを特徴とする請求項１または請求項２記載の熱交換器の組立方法。
4. 前記本体管部材及び前記連結管部材の材質がステンレスであることを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載の熱交換器の組立方法。
5. 請求項１〜３のいずれか１項に記載の熱交換器の組立方法のための還元剤容器用熱交換器の配管構造であって、
   前記天蓋から前記還元剤容器内に配管される前記管材が、屈曲形成して前記還元剤容器内を巡らせる本体管部材と、前記還元剤容器の外へ突出させる連結管部材と、に分けて構成され、前記本体管部材の端部を前記天蓋に固定すると共に該固定した本体管部材の端部に前記連結管部材の端部を嵌挿する構造とされて、前記天蓋から下の前記本体管部材の寸法と前記天蓋から上の前記連結管部材の寸法とを個別に調節できるようになっていることを特徴とする還元剤容器用熱交換器の配管構造。
6. 前記本体管部材の端部内径が、前記連結管部材の端部を受け入れ可能な径とされることを特徴とする請求項５記載の還元剤容器用熱交換器の配管構造。

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