JP2014148971A - 内燃機関用熱交換器 - Google Patents

Abstract

【課題】疲労強度を向上した熱交換器を提供する。
【解決手段】ガス流８と作動媒体流との間で熱伝達を行うための内燃機関に用いる熱交換器１８に関し、熱交換器１８は、ガス流路３８を含むハウジング２８と、作動媒体路を導通させ、ガス流路３８に設けられ、かつハウジング２８の長手方向の中心軸３１に沿って螺旋状に伸びる、少なくとも１つのコイル管２９とを備える。ハウジング２８と少なくとも１つのコイル管２９との間に設けられた外側弾性軸受層３２によって疲労強度を向上できる。
【選択図】図２

Description

本発明は、ガス流と作動媒体流との間で熱伝達を行う内燃機関に用いる熱交換器に関する。

特に自動車の内燃機関において、熱交換器は広範囲の用途に用いることができる。例えば、周囲空気を通過させる熱交換器は、エンジン冷却回路に組み込まれてこの冷却回路から周囲へ放熱する。また、エンジン冷却回路に熱的に結合した熱交換器は、車内の空気流にさらされて車内の空気流を加熱する。さらに、熱交換器を内燃機関の排気システムに組み込んで排気ガスから熱を取り出し、それにより、例えば車内を暖めたり、廃熱回収回路内の作動媒体を蒸発させたりすることも可能である。同様に、作動媒体流を用いてガス流を冷却する、給気冷却器や排気ガス再循環冷却器も知られている。

熱交換器がそれぞれの適用範囲内で高温及び／又は大きな温度変動に晒されると、熱的及び機械的に高い負荷が熱交換器にかかる。特に、熱交換器がガス側の排気ガス流又は排気ガス再循環流に晒された場合、熱交換器は高い疲労強度が求められる。車両に用いる場合も、振動や衝撃によって高い負荷に晒される。

本発明は、上述した種類の熱交換器を改善した、特に高い疲労強度を有することを特徴とする実施形態を示す。

本発明によると、上述の問題は独立請求項の主題を通じて解決される。有利な実施形態は、従属請求項の主題として記載する。

本発明は、ガス流路を内部に含むハウジングを備えた熱交換器において、外側弾性軸受層を介して少なくとも１つのコイル管をハウジングに搭載する一般的な概念に基づいている。この場合、そのようなコイル管はガス流路に配置され、ハウジングの長手方向の中心軸に対して螺旋状に延びる。作動媒体路はコイル管を通り、それによって、ガス流と作動媒体流との間の熱伝達がガス流路に配置されたコイル管を経由して最終的に行われる。この場合の外側軸受層は、半径方向において前記ハウジングと前記少なくとも１つのコイル管との間に設けられる。実際は、この外側軸受層は円周方向の全周囲に亘って設けられている。コイル管を用いることで、コイル管内の熱膨張効果を比較的容易に吸収することができる。その理由は、コイル管の長さが可変であることに加えて、熱膨張効果は実質的に軸方向にのみ影響するためである。さらに、外側軸受層によって、半径方向の膨張効果を弾性的に確実に吸収することができる。そのため、熱交換器の疲労強度を高めることができる。

有利な実施形態による外側軸受層が前記ハウジングと前記少なくとも１つの管内とにおいて組み立てられた状態で半径方向に圧縮されると、外側軸受層をハウジングに対してコイル管を軸方向に固定するのに用いることができ、それにより固定手段を減らす、さらには省略することができる。

別の有利な実施形態によると、ハウジングの長手方向の中心軸と同軸上に延びる好ましくは管状のハウジング内にコア管を設けることができる。その場合、前記ガス流路は、半径方向において前記ハウジングと前記コア管との間に形成される。従って、前記少なくとも１つのコイル管は、半径方向において前記ハウジングと前記コア管との間にも延びることができる。同様に、前記コア管は、前記少なくとも１つのコイル管の領域において前記ガス流路を迂回するバイパス路を有している。このようにして、互いに平行に延びる２つのガス流路、つまり作動媒体と熱結合する実際のガス流路とこの熱結合を迂回するバイパス路、が熱交換器に形成される。ガス流と作動媒体流との熱結合が好ましくない運転状態に対して、前記ガス流はバイパス路を流れ、それにより各コイル管の熱負荷が最終的に低減される。ある有利な実施形態においては、前記バイパス路は前記少なくとも１つのコイル管の上流及び下流で前記ガス流路に流体的に接続する。したがって、ガス流路とバイパス路との間の流体結合は熱交換器のハウジング内で起こる。例えば、前記コア管は、前記ガス流路への流体結合において、中断部又貫通部を有してもよい。

別の有利な実施形態では、半径方向において前記コア管と前記少なくとも１つのコイル管との間に設けられた内側弾性軸受層を設ける。この内側軸受層は特に円周方向の全周囲に亘って設けられていてもよい。この内側軸受層により各コイル管をさらにコア管によって支持することができ、この場合、内側軸受層の弾性によって熱膨張効果を補償できる。ある有利な実施形態において、前記内側軸受層は前記コア管と前記少なくとも１つのコイル管との間で半径方向に圧縮され、これによりコイル管をコア管に対して、さらにそれによりハウジングに、位置決めするために内側軸受層を利用することができる。

別の有利な実施形態において、前記コア管は、バイパス路の貫流可能断面を制御するための制御装置を有してもよい。このような制御装置によって、前記ガス流はハウジングとコア管との間の環状空間におけるガス流路及びバイパス路に亘ってほぼ任意に分散することができる。ある簡単な実施形態では、前記制御装置は、前記バイパス路の貫流可能断面を少なくとも開閉することができる。しかし、好ましい実施形態では、少なくとも１つの中間位置が可能である。特に、コア管及び環状空間に亘ってほぼ任意に流れを分散させるために、任意の数の複数の中間位置を特に無段階かつ調整可能に設けてもよい。

別の有利な実施形態では、前記コア管は前記ハウジングの長手方向の両端においてハウジングから突出し、前記ハウジングのガス吸気口及びガス排気口を構成する。このようにして、ガス吸気口及びガス排気口、つまりコア管、を介してガス流を通すラインに熱交換器を組み込むことができる。この場合、前記ハウジングは前記コア管に支持される。

別の有利な実施形態によると、前記コア管は、記ガス吸気口を有する吸気部と、前記ガス排気口を有する排気部と、前記制御装置を有する制御部の、３つの管部によって軸方向に組み立てられる。このため、特に簡単な方法で実現する構造が得られ、熱交換器の組み立てが容易になる。

別の有利な実施形態によると、前記少なくとも１つのコイル管は、前記ガス流路内へ突出する複数のフィンを有する。そのようなフィンは、例えば、コイル管の中心の管本体に取付けた複数の円盤状であってもよい。または同様に、中心の管本体に沿って螺旋状に延びる網目構造によって前記フィンを実現してもよい。これらのフィンによって、ガスと作動媒体との熱伝達が大きく向上する。

別の有利な実施形態によると、各弾性軸受層は、セラミック繊維マット、編込ワイヤーメッシュ、編込金属メッシュ、金属発泡体、セラミック発泡体構造、又は吸収マットである。同様に、合成構造であってもよい。各軸受マットは単層又は複層からなってもよい。各軸受マットは、一体であってもよいし、複数の部材で構成されてもよい。

実際には、各軸受層は耐熱性を有するように構成される。

別の実施形態によると、各軸受層はバネ要素及び／又は波形の金属板で形成され、及び／又は弾力性のある板状金属層を用いて形成される。

別の有利な実施形態によると、各軸受層は、少なくともガス流に露出した側に取付用支えを有している。特に、外側軸受層が、コイル管に面した内側にそのような取付用支えを備えている。それに加えて、又はその代わりに、前記内側軸受層がコイル管に面した外側に上述のような取付用支えを備えてもよい。同様に、各軸受層が内側及び外側に上述のような取付用支えを備えてもよい。さらに、各軸受層が上述のような取付用支えで完全に覆われていてもよい。この取付用支えにより、軸受層の機械的強度を向上できる。特に、前記取付用支えは各軸受層を機械的摩耗から保護できる。

別の有利な更なる実施形態によると、各取付用支えは、例えば、特に圧延された、ワイヤーメッシュ、金属箔、グラファイト箔、グラファイト層、耐熱織物構造、耐熱性の繊維、金属製組みひも、ワイヤ編地、又は金属発泡体である。また、上述の実施形態を組み合わせてもよい。

別の有利な実施形態によると、前記軸受層は、繊維材料を含むか、またはそのような繊維材料のみからなる。そして、前記取付用支えは、前記繊維材料の繊維を実質的に通さないように構成されている。この設計により、繊維が軸受層から現れることを防ぎ、それにより設置における耐久性が向上する。

別の有利な実施形態では、各軸受層は、円周方向に伸びて閉じた軸受マットである。そのような軸受マットは、例えばハウジング又はコア管に対して各コイル管の位置を固定するための半径方向の押圧が可能になる。そのような押圧は、上述のような軸受マットによって高温下においても永久的に保持され、同時に、熱膨張効果を可逆的に補償するために適切な弾性を備えている。このような軸受マットは、例えば触媒コンバーターの円筒状の金属性ハウジングにおけるセラミックモノリス又は粒子フィルターを位置決めするのに用いることができる。

別の有利な実施形態では、各軸受層は半径方向内側及び半径方向外側に隣接する各要素と接触してもよい。さらに、各軸受層は半径方向に圧縮されてもよい。

各軸受層は、同時に断熱性を有するようにさらに構成されてもよい。この場合、外側軸受層はガス流に対してハウジングを断熱する。内側軸受層はコア管を断熱し、迂回することによって外部への放熱が低減される。

さらに、本発明の重要な特徴及び効果を、図面を参照しながら、従属クレーム、図面、及びそれに対応する図面の説明により述べる。

上述し、以下にさらに説明する特徴は、ここで述べた組み合わせ以外にも、本発明の適用範囲を離れることなく別の組み合わせで用いてもよい。

本発明の好ましい例示的な実施形態を図示し、以下に詳細に説明する。同じ参照符号は同一又は同様の機能を有する構成要素を示す。
図１は、内燃機関を示す、非常に簡略化した回路図である。 図２は、熱交換器の長手方向の断面図である。 図３は、熱交換器の等角拡大図である。

図１に示すように、内燃機関１は、通常、複数の燃焼室３を備えたエンジンブロック２と、燃焼室３へ外気を供給するための外気システム４と、燃焼室３からの排気ガスを排出するための排気システム５と、排気ガスの熱を活用するための廃熱回収システム６とを備えている。外気システム４における外気流７を矢印で示す。排気システム５における排気ガス流８を矢印で示す。廃熱回収システム６は、作動媒体が循環する廃熱回収回路９を備え、ここにおける作動媒体流１０を矢印で示す。廃熱回収回路９において、作動媒体を駆動する搬送装置１１と、作動媒体を蒸発させる蒸発器１２と、作動媒体を膨脹させる膨張器１３と、作動媒体を凝縮する凝縮器１４とが、作動媒体１０が流れる方向に沿って順番に並んでいる。

膨張器１３は、例えば動力を発生させる発電機１５を駆動することが可能である。凝縮器１４は、エンジンブロック２を冷却するエンジン冷却回路１７に流体的に及び／又は熱的に結合可能な冷却回路１６に組み込むことができる。特に、冷却回路１６はエンジン冷却回路１７の支流で構成されてもよい。蒸発器１２は、排気システム５に適宜設置される熱交換器１８で構成される。それにより、熱交換器１８は、排気システム５における排気ガス流８と作動媒体流１０との熱伝達を行う。廃熱回収システム６は、クラウジウス・ランキンサイクル工程の原理に従って動作することが好ましい。通常、排気システム５は、例えば触媒コンバーター又は粒子フィルター等の少なくとも１つの排気ガス再処理装置１９と、少なくとも１つのサイレンサ２０とを有してもよい。触媒コンバーター１９には酸化触媒コンバーターが設けられ、図１に簡略化して示す構造とは異なるが、触媒コンバーター１９の下流に熱交換器１８を配置することが好ましい。

例示として図１に示す内燃機関１は排気ガス再循環システム２１をさらに備え、これにより排気システム５から外気システム４へ排気ガスを再循環させることができる。図１において、対応する排気ガス再循環流を矢印で示し、２２の符号を付している。この目的で設けられた、排気ライン２４を外気ライン２５に流体的に接続する排気ガス再循環ライン２３には、排気ガス再循環冷却器２６を配置することができ、これにより再循環した排気ガスが冷却される。この目的の排気ガス再循環冷却器２６は、エンジン冷却回路１７の支流又は別の冷却回路で同様に構成される冷却回路２７に組み込まれてもよい。同様に、排気ガス再循環冷却器２６は熱交換器１８である。

図２及び図３を参照して、そのような熱交換器１８の構造を以下にさらに詳しく説明する。熱交換器１８は、原則的に任意に用いることができるが、蒸発器１２又は排気ガス再循環冷却器２６として用いることが好ましい。

図２及び図３に示すように、熱交換器１８は円周方向にガス流路３８を含むハウジング２８を備えている。ハウジング２８は、例えば円筒形に形成され、図３に示すように２つの半殻部からなってもよい。さらに、熱交換器１８は作動媒体路３０を内部に有する少なくとも１つのコイル管２９を備え、このコイル管２９内を作動媒体が通る。コイル管２９はガス流路３８内に設けられ、ハウジング２８の長手方向の中心軸３１に対して螺旋状に延びる。

半径方向において、ハウジング２８とコイル管２９との間に外側弾性軸受層３２が設けられている。

ハウジング２８において、管状のハウジング２８の長手方向の中心軸３１と同軸上に延びるコア管３３がさらに設けられている。それにより、半径方向におけるコア管３３とハウジング２８との間には、環状空間３４が形成される。この環状空間３４にはガス流路３８が配置されている。同様に、コイル管２９も環状空間３４、つまり、半径方向においてハウジング２８とコア管３３との間に設けられている。コア管３３は、コイル管２９の領域において、ガス流路３８を迂回するバイパス路３５を含んでいる。コア管３３は、コイル管２９の上流及び下流においてガス流路３８と流体的に接続している。これは、図２及び図３の例では、コア管３３に形成される貫通部３６によって実現される。例えば、貫通部３６は、円周方向に分散して軸方向に配置された複数の細長い孔又はスロットを備えている。このような貫通部により、バイパス路３５と排気ガス路３８とが流体的に接続している領域でコア管３３を中断する必要がなくなる。したがって、特に図２及び図３の例において、コア管３３を連続した管状に形成することができる。または、そのような貫通部３６に対して、ガス流路３８とバイパス路３５とを流体的に接続するために、コア管３３を中断することも可能である。

半径方向において、コア管３３とコイル管２９との間には内側弾性軸受層３７が形成されている。

コア管３３には制御装置３９がさらに設けられ、これによりバイパス路３５の貫流可能断面が制御可能になる。ここで、制御装置３９は、駆動軸４１によって回転可能に作動するバタフライフラップ４０として設計される。この場合、駆動軸４１はコア管３３のほぼ中心を通る長手方向の中心軸３１に対して横方向に延び、コア管３３の外部、好ましくはハウジング２８の外側で、アクチュエーター４２に駆動接続することができる。

図２及び図３に示す例では、ハウジング２８の両端においてコア管３３をハウジング２８から突出するように配置することにより、コア管３３がハウジング２８のガス吸気口４３とガス排気口４４とを構成する。円筒形の管本体４５に加えて、ハウジング２８は、吸気筒４６と排気筒４７とをさらに備える。吸気筒４６は、ガス吸気口４３の領域において、コア管３３を管本体４５に接続する。流入側の貫通部３６は、吸気筒４６の領域内に位置している。排気筒４７は、ガス排気口４４の領域において、管本体４５をコア管３３に接続する。流出側の貫通部３６は、排気筒４７の領域内に位置している。本例においては、コア管３３は３つの軸方向の管部、すなわち、吸気部４８と排気部４９と制御部５０、で構成される。吸気部４８は、ガス吸気口４３と貫通部３６とを流入側に備える。排気部４９は、ガス排気口４４と貫通部３６とを流出側に備える。制御部５０は制御装置３９を備え、吸気部４８と排気部４９との間に軸方向に設けられている。

コイル管２９は、外側に複数のフィン５２を備えた螺旋状のコイル状管本体５１を備える。したがって、フィン５２はガス流路３８内へ突出している。

各軸受層３２、３７は、耐熱性と耐久性を備えた弾性材料からなる。この目的の場合、別の材料、特に繊維材料、を用いてもよい。各軸受層３２、３７は特に、円周方向に伸びて閉じた軸受マットであってもよい。図３は、そのような円周方向に伸びて閉じた軸受マット等の２つの軸受層３２、３７を示す。図２に示す組み立てた状態では、コイル管２９又はそのフィン５２と２つの軸受層３２、３７とが接続している。さらに、外側の軸受層３２はハウジング２８に接触する一方、内側の軸受層３７はコア管３３に接触している。また、軸受マット３２、３７が半径方向に圧縮される、つまり、半径方向においてコイル管２９とコア管３３と又はハウジング２８との間にある程度の予荷重がかかるように組み立てることが好ましい。

有利な実施形態によれば、図３に示す内側軸受層３７は、少なくともコイル管２９に面した外側に取付用支え５３を備えてもよい。この構成に加えて、またはその代わりに、外側軸受層３２は、少なくともコイル管２９に面した内側に取付用支え５３を備えてもよい。各取付用支え５３は、それを備える軸受層３２、３７よりも高い機械的強度を有することを特徴とする。

Claims (15)

1. ガス流（８）と作動媒体流（１０）との間で熱伝達を行うための内燃機関（１）に用いる熱交換器であって、
   ガス流路（３８）を含むハウジング（２８）と
   作動媒体路（３０）を導通させ、前記ガス流路（３８）に設けられ、かつ前記ハウジング（２８）の長手方向の中心軸（３１）に沿って螺旋状に伸びる、少なくとも１つのコイル管（２９）と、
   前記ハウジング（２８）と前記少なくとも１つのコイル管（２９）との間に設けられた外側弾性軸受層（３２）と、を備えることを特徴とする熱交換器。
2. 請求項１の熱交換器において、
   前記ハウジング（２８）には、前記ハウジング（２８）の長手方向の中心軸（３１）と同軸上に伸びるコア管（３３）が設けられ、
   前記ガス流路（３８）は、半径方向において前記ハウジング（２８）と前記コア管（３３）との間に形成され、前記少なくとも１つのコイル管（２９）が前記ハウジング（２８）と前記コア管（３３）との間に設けられ、
   前記コア管（３３）は、前記少なくとも１つのコイル管（２９）の領域における前記ガス流路（３８）を迂回するバイパス路（３５）を有することを特徴とする熱交換器。
3. 請求項２の熱交換器において、前記バイパス路（３５）は、前記少なくとも１つのコイル管（２９）の上流及び下流において前記ガス流路（３８）に流体的に接続することを特徴とする熱交換器。
4. 請求項２又は３の熱交換器において、前記コア管（３３）と前記少なくとも１つのコイル管（２９）との間に設けられた内側弾性軸受層（３７）を有することを特徴とする熱交換器。
5. 請求項２から４のいずれかに記載の熱交換器において、前記コア管（３３）は、前記バイパス路（３５）の貫流可能断面を制御するための制御装置（３９）を有することを特徴とする熱交換器。
6. 請求項２から５のいずれかに記載の熱交換器において、前記コア管（３３）は前記ハウジング（２８）の長手方向の両端において前記ハウジング（２８）から突出し、前記ハウジング（２８）のガス吸気口（４３）及びガス排気口（４４）を構成する、ことを特徴とする熱交換器。
7. 請求項５又は６の熱交換器において、前記コア管（３３）は、前記ガス吸気口（４３）を有する吸気部（４８）と、前記ガス排気口（４４）を有する排気部（４９）と、前記制御装置（３９）を有する制御部（５０）の、３つの管部によって軸方向に組み立てられることを特徴とする熱交換器。
8. 請求項１から７のいずれかに記載の熱交換器において、前記少なくとも１つのコイル管（２９）は、前記ガス流路（３８）内へ突出する複数のフィン（５２）を備えることを特徴とする熱交換器。
9. 請求項１から８のいずれかに記載の熱交換器において、前記弾性軸受層（３２、３７）はそれぞれ、セラミック繊維マット、編込ワイヤーメッシュ、編込金属メッシュ、金属発泡体、セラミック発泡体構造、耐熱材料、合成構造、又は吸収マットであることを特徴とする熱交換器。
10. 請求項１から９のいずれかに記載の熱交換器において、前記軸受層（３２、３７）はそれぞれ、前記ガス流に対して露出する側に少なくとも設けられている取付用支え（５３）を備えることを特徴とする熱交換器。
11. 請求項１０の熱交換器において、前記取付用支え（５３）は、ワイヤーメッシュ、金属箔、グラファイト箔、グラファイト層、耐熱織物構造、耐熱性の繊維、金属製組みひも、ワイヤ編地、または金属発泡体であることを特徴とする熱交換器。
12. 請求項１０又は１１の熱交換器において、前記軸受層（３２、３７）は繊維材料を備え、前記取付用支え（５３）は前記繊維材料の繊維を通さないように構成されていることを特徴とする熱交換器。
13. 請求項１から１２のいずれかに記載の熱交換器において、前記軸受層（３２、３７）のそれぞれは円周方向に伸びて閉じた軸受マットとして構成されていることを特徴とする熱交換器。
14. 請求項１から１３のいずれかに記載の熱交換器において、前記軸受層（３２、３７）のそれぞれは、半径方向内側及び半径方向外側で隣接する各要素（２８、２９、３３）に接触することを特徴とする熱交換器。
15. 請求項１から１４のいずれかに記載の熱交換器において、前記軸受層（３２、３７）のそれぞれは半径方向に圧縮されることを特徴とする熱交換器。