(57)【要約】  第１の媒体と第２の媒体との間で熱交換する熱交換器は、一対のヘッダプレートと、一対の分配プレートと、一対のケース本体横パネルと、を含んでなる本体を有する。入口および出口ヘッダプレートは、複数のオリフィスを有し、それぞれの入口ヘッダプレートオリフィスと対応する出口ヘッダプレートオリフィスとの間に延びる流路アセンブリを有する。それぞれの流路アセンブリは、一対の管状セグメントの間に配置された、対応する媒体誘導構成要素を有する少なくとも１つのチャンバアセンブリを含む。入口および出口分配プレートは、複数のオリフィスを有する。第１の媒体入口側タンクが入口ヘッダプレートに係合し、第１の媒体出口側タンクが出口ヘッダプレートに係合し、第２の媒体入口側タンクが入口分配プレートに係合し、第２の媒体出口側タンクが出口分配プレートに係合する。
2019511695.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
第１の熱交換媒体と第２の熱交換媒体との間で熱交換する熱交換器（１００）であって、
入口ヘッダプレート（１４５）および出口ヘッダプレート（１５０）によって実現される第１の対の平行面と、入口分配プレート（１７０）および出口分配プレート（１７５）によって実現される第２の対の平行面と、第１のケース本体横パネル（２８０）および第２のケース本体横パネル（２８２）によって実現される第３の対の平行面と、を有する平行六面体（３００）であって、
前記入口および出口ヘッダプレート（１４５、１５０）のそれぞれが、複数のオリフィス（１４７、１５２）を有し、それぞれの入口ヘッダプレートオリフィス（１４７）が出口ヘッダプレートオリフィス（１５２）のうちの１つに対応し、
前記入口および出口分配プレート（１７０、１７５）のそれぞれが、複数のオリフィス（１７２、１７７）を有する、平行六面体（３００）と、
それぞれの前記入口ヘッダプレートオリフィス（１４７）と対応する前記出口ヘッダプレートオリフィス（１５２）との間に延在する流路アセンブリ（１３０）であって、該流路アセンブリ（１３０）は、第１の管状セグメント（１８５）と第２の管状セグメント（１８５）との間にそれぞれが配置された少なくとも１つのチャンバアセンブリ（１９０）を含み、それぞれの該流路アセンブリ（１３０）は、前記チャンバアセンブリ（１９０）よりも１つ多い管状セグメント（１８５）を有し、
前記チャンバアセンブリ（１９０）は、内部に配置された媒体誘導構成要素（２２０）と、チャンバ内部を少なくとも部分的に画定する第１および第２の平面壁（１９５、２０５）と、を有し、第１の平面チャンバ壁（１９５）が前記第１の管状セグメントとチャンバ内部との間の流体連通を提供する入口オリフィス（２１０）を有し、第２の平面チャンバ壁（２０５）が前記第２の管状セグメントとチャンバ内部との間の流体連通を提供する出口オリフィス（２１５）を有し、
前記媒体誘導構成要素（２２０）が、第１の側面（２２５）と第２の側面（２３０）とを備えたプレートを含み、前記第１の側面（２２５）が、前記第１の管状セグメントの長手方向軸線に対して傾斜した面を有し、前記入口オリフィス（２１０）および前記チャンバ内部に面しており、前記第２の側面（２３０）が、前記第２の管状セグメントの長手方向軸に対して傾斜した面を有し、前記出口オリフィス（２１５）および前記チャンバ内部に面しており、前記媒体誘導構成要素（２２０）が、前記第１および第２の平面チャンバ壁（１９５、２０５）に少なくとも部分的に組合わされる、流路アセンブリ（１３０）と、
第１の媒体入口（１１５）とそれぞれの前記入口ヘッダプレートオリフィス（１４７）との間を流体連通するように、前記入口ヘッダプレート１４５に係合された第１の媒体入口側タンク（１４０）と、
それぞれの前記出口ヘッダプレートオリフィス（１５２）と第１の媒体出口（１２５）との間を流体連通するように、前記出口ヘッダプレート（１５０）に係合された第１の媒体出口側タンク（１５５）と、
第２の媒体入口（１０５）とそれぞれの入口分配プレートオリフィス（１７２）との間を流体連通するように、前記入口分配プレート（１７０）に係合された第２の媒体入口側タンク（１６５）と、
それぞれの出口分配プレートオリフィス（１７７）と第２の媒体出口（１１０）との間を流体連通するように、前記出口分配プレート（１７５）に係合された第２の媒体出口側タンク（１８０）と、
を含んでなることを特徴とする熱交換器（１００）。
【請求項２】
少なくとも１つの第１のチャンバアセンブリ（１９０）がチャンバアセンブリ流路を画定し、前記第１の管状セグメント（１８５）が第１の管状セグメント流路を画定し、前記第２の管状セグメント（１８５）が第２の管状セグメント流路を画定し、チャンバアセンブリ流路の表面積が、前記第１の管状セグメント流路および第２の管状セグメント流路のそれぞれの表面積に等しいか或いはそれよりも大きいことを特徴とする、請求項１に記載の熱交換器（１００）。
【請求項３】
前記流路アセンブリ（１３０）の少なくとも１つの前記チャンバアセンブリ（１９０）の外径が、同じ流路アセンブリ内の前記管状セグメント（１８５）の外径の１.５〜２.５倍の範囲内にあることを特徴とする、請求項１に記載の熱交換器（１００）。
【請求項４】
前記チャンバアセンブリ（１９０）の外径が、前記管状セグメント（１８５）の外径の２倍に等しいことを特徴とする、請求項３に記載の熱交換器（１００）。
【請求項５】
前記流路アセンブリ（１３０）のそれぞれが、複数の前記チャンバアセンブリ（１９０Ａ、１９０Ｂ、１９０Ｃ、１９０Ｄ）をそれぞれ含み、前記チャンバアセンブリ（１９０Ｃ）のうちの最初の１つのチャンバアセンブリ（１９０Ｃ）の一つの一部分が、流路アセンブリ（１３０Ａ）の２番目のそれぞれの管状セグメント（１８５Ｂ）に隣接して配置され、第２の流路アセンブリ（１３０Ａ）の隣接するチャンバアセンブリ（１９０Ａ、１９０Ｂ）の間に立ちふさがることを特徴とする、請求項１に記載の熱交換器（１００）。
【請求項６】
前記入口ヘッダプレートオリフィス（１４７）のそれぞれが、対応する前記出口ヘッダプレートオリフィス（１５２）と軸方向に整列していることを特徴とする、請求項１に記載の熱交換器（１００）。
【請求項７】
それぞれの前記入口分配プレートオリフィス（１７２）が、前記出口分配プレートオリフィス（１７７）の１つに対応することを特徴とする、請求項１に記載の熱交換器（１００）。
【請求項８】
前記入口分配プレートオリフィス（１７２）のそれぞれが、対応する前記出口分配プレートオリフィス（１７７）と軸方向に整列していることを特徴とする、請求項７に記載の熱交換器（１００）。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、熱交換器に関し、特に、内燃機関用の「エンジンガス再循環（ＥＧＲ：Engine Gas Recirculation）システム」において冷却器として利用される熱交換器である。
【背景技術】
【０００２】
ＥＧＲ冷却器と概して呼ばれる熱交換器は、内燃機関においてエンジンガス再循環（ＥＧＲ）システムの重要な構成要素として広範囲に使用されている。ＥＧＲシステムでは、エンジンの燃焼室から取り出された排ガスの一部が調整弁によってＥＧＲ冷却器に送られて冷却される。ＥＧＲ冷却器によって冷却された排ガスは、燃焼室に戻され、冷却された排ガスは、エンジンの吸気マニホールドから取り込まれた新鮮な空気と混合される。ＥＧＲシステムは、典型的には、内燃機関の燃料効率を向上させるとともに、窒素酸化物（ＮＯｘ）などの環境に有害なガスの排出を最小限に抑えるために利用される。ＥＧＲシステムは、高温排ガスをＥＧＲ冷却器に通すことによって排ガスを冷却する。冷却された排ガスを燃焼室に加えることは、エンジン効率を改善しながら、窒素酸化物形成を減少させる。エンジンは、ガソリンエンジン、ディーゼルエンジン、または内燃機関を駆動するのに適した他の可燃燃料によって駆動されるものであってもよい。
【０００３】
ＥＧＲ冷却器としての使用に適した熱交換器のデザインは、様々な形態で知られている。典型的なＥＧＲ冷却器は、防水容器の内部に配置された複数のほぼ平滑な丸管(round tube)を含む。冷却流体、しばしばエンジンの冷却ループから配管されたエンジンクーラント（冷却剤）は、管の外側に循環される。典型的なＥＧＲ冷却器では、高温排ガスが複数の管の一端に導入されて管を通って流れるので、ガスは複数の管を取り囲む冷却流体によって冷却される。このようなデザインを用いたＥＧＲ冷却器は、伝熱効率が低いという問題がある。排ガスが個々の管を直進して排ガスから周囲の冷却流体へ熱を伝達するので、熱伝達効率が低い。このデザインのＥＧＲ冷却器の熱伝達効率がそれほど効率的ではないので、このようなＥＧＲ冷却器の全体的な寸法がかなり大きくなる傾向がある。寸法が大きいほど、冷却器は重くなる傾向があり、組み立てるためにはかなりの量の原料が必要となる。このデザインのＥＧＲ冷却器は大きいので、車両の典型的なエンジンコンパートメントに利用できる空間が限られているため、配置問題を引き起こすこともあり得る。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
丸管式(round tube style)のＥＧＲ冷却器デザインは、管状表面に表面増強(surface enhancements)を加えることによって改善され、それによって表面増強が排ガスの流れに対して乱流を誘発する。このデザインのＥＧＲ冷却器では、表面強化は、典型的には、内側管状面に対して行われる。表面増強材は、ディンプル(dimples)、複数のフィン形構造、または個々の管を通って流れるときの排ガスの乱流を促進し得る他の表面増強材であっても良い。これにより、平滑な丸管デザインよりも熱伝達効率が向上するが、性能向上には限界がある。さらに、このようなデザインのＥＧＲ冷却器を長期間使用すると、内燃機関の排ガスに一般的に含まれる汚染物質がこのような表面増強を詰まらせ、表面増強を無用にする可能性がある。さらに、目詰まりしたＥＧＲ冷却器は、ＥＧＲ冷却器を無効にし、ＥＧＲシステムの耐用年数を短くし、最悪の場合には壊滅的なエンジン故障を引き起こす可能性がある。
【０００５】
ＥＧＲ冷却器のデザインに対する更なる改善は、熱交換効率を改善するために熱交換装置設計の分野で一般的に利用されているオフセットフィンを組み込むことによって達成されている。このデザインでは、排ガスを輸送するために丸管構造を使用する代わりに、一般的に矩形のマルチコンポーネント管が利用される。熱伝達効率を高めるために、矩形管内に設けられた内部排気流路には、オフセットフィンが設けられている。オフセットフィンは、排ガスの流れに対して複数の中断を生じさせることによって熱伝達効率を改善する。各中断によって新鮮な熱伝達境界層が形成され、排ガス中に含まれる熱の冷却流体への移動が改善される。オフセットフィンの使用は、丸管デザインまたは強化丸管デザインに対して熱伝達効率の改善をもたらすが、このデザインにはいくつかの欠点がある。このデザインは、矩形の管状構造の内側に追加のオフセットフィン材料を追加する必要があるので、このデザインのＥＧＲ冷却器は重い重量を被る可能性がある。また、矩形管内にオフセットフィンを精密に位置合わせする必要があるため、組み立て工程が複雑になる。また、オフセットフィンは、排ガスの流れに対して複数の中断を生じさせることによって機能するので、排ガスの著しい圧力低下が予想され、これは熱交換器の作動にとって有害であり得る。
【０００６】
圧力損失は一般的に熱交換装置の性能に有害であるため、オフセットフィンを利用することによって得られる利点は、その欠点が上回る可能性がある。さらに、オフセットフィンピッチは有効であるために、典型的に１つのフィン構造から次のフィン構造への空間がほぼなく、比較的小さくしなければならないので、このデザインの熱交換器が詰まり、熱交換器を動作不能にしたり、最悪の場合にエンジンに修復不能な損傷を与えたりする傾向がある。さらに、オフセットフィンデザインの熱交換装置は、ガスが矩形管の長さに沿って軸方向に移動するときに排ガスが複数のオフセットフィンと相互作用することを必要とするので、この種の熱交換装置は、排ガス流路の軸に沿って長い横方向の長さを有する傾向があって、コンパクトなＥＧＲ冷却器を提供しようとする努力において熱交換器設計の柔軟性を制限する。オフセットフィンデザインの負の側面に対抗するために、フィンのピッチを小さくするか、または矩形の管内に埋め込まれたフィンの総数を最小限に抑えることが可能である。しかしながら、そのような改変は、熱伝達の有効性を著しく減少させ、実際の適用におけるそれらの有用性を制限してしまう。
【０００７】
さらに、このＥＧＲ冷却器のデザインでは、複数の矩形の管状セクションが、冷却媒体の流れがそこを通過することを可能にするために、個々の管状セクションの間に僅かな空間的分離を伴って互いに積み重ねられている。このデザインでＥＧＲ冷却器の比較的コンパクトな寸法を維持するために、個々の管状セクション間の空間的分離を最小にすることができる。ＥＧＲ冷却器は、場合によっては６００℃を超える極端な高温に曝されることがあるので、冷却媒体の流路が狭くなると、冷却媒体の冷却通路内にホットスポットが生じる可能性がある。冷却通路内のホットスポットの生成は、冷却流体の沸騰を誘発し、熱交換器の全体的な熱伝達効率を低下させ、最悪の場合には、矩形の管状セクションを溶融させ、ＥＧＲの致命的な故障を引き起こし、エンジン自体の壊滅的な故障を生じる場合がある。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明は、炭素またはすすのような大量の汚染物質を含む熱交換媒体を取り扱うのに適した熱交換器を提供する。本発明は、複数の管状セクション、チャンバセクション、および媒体誘導構成要素を含んでなる流路を利用することによって、熱交換器内のこのような汚染物質の堆積を最小限に抑え、オフセットフィンまたは他の流れ変更二次表面特徴のような、熱交換媒体の流路内に追加の流れを遮断する構成要素を組み込む必要なしに、混合および乱流誘導運動を熱交換媒体に設ける。さらに、熱交換媒体の混合および乱流誘導運動は、ＥＧＲ冷却器の熱交換効率を改善し、従来のＥＧＲ冷却器の熱交換器に比べてより小型の熱交換器をデザインすることを可能にする。
【０００９】
本発明は、第１の熱交換媒体用の入口を有する熱交換器である。第１の熱交換媒体は、例えば、内燃機関の燃焼室から配管された排ガスであり得る。第１の熱交換媒体は、第２の熱交換媒体に移される熱を含む。熱交換器は、第１の熱交換媒体のための排出口を有する。排出された第１の熱伝達媒体は、エンジンの新鮮な空気取り入れ口によって導入された新鮮な空気と混合されるように導かれ得る。次いで、混合ガスがエンジンの燃焼室に供給され、所望の燃焼プロセスを完了することができる。
【００１０】
熱交換器はまた、第２の熱交換媒体用の供給口を有する。第２の熱交換媒体は、例えば、エンジンの冷却システムから冷却液が配管され得る。第２の熱交換媒体は、典型的には、第１の熱交換媒体の温度よりも低い温度を有し、それによって、第１の熱交換媒体から第２の熱交換媒体への熱の移動を容易にする。熱交換器は、第２の熱交換媒体用の収納容器を有し、第２の熱交換媒体用の排出口を含み、例えば、第２の熱交換媒体をエンジン冷却システムの冷却システムに戻すことができる。第２の熱交換媒体を収容するために利用される収納容器はまた、第２の熱交換媒体に所望のフローパターンを提供する。
【００１１】
第１の熱交換媒体には、複数の流路が設けられており、この流路によって、第１の熱交換媒体内に含まれる熱が第２の熱伝達媒体と接触する一方で、第１の媒体と第２の媒体との間の空間的な分離が維持されている。流路は、管状セクション、チャンバセクション、および媒体誘導構成要素を有する流路アセンブリによって提供される。これらの構成要素は、第１の熱交換媒体への流れを誘発する流れと乱流を混合するのを容易にすると同時に、与えられた軸方向空間内で流路を長くして伝熱性能を高めることを可能にする。複数の管状セクション、チャンバセクション、および媒体誘導構成要素は、流路の実際の物理的軸方向長さよりも実質的に長い媒体流路を形成するように一緒に結合されてもよい。このように、流路の実際の物理的な軸方向の長さが１であれば、熱交換媒体流路の全長は実質的に１より大きくなり得る。
【００１２】
流路アセンブリは、例示的に、第１の管状セクション、チャンバセクション、第２の管状セクション、およびチャンバセクション内の媒体誘導構成要素を含む。本発明の典型的な実施形態では、流路アセンブリは、最初に、ほぼ直線状の第１の管状セクションを含む。第１の管状セクションは中空で、熱交換媒体の流れを許容する。第１の管状セクションが終わると、第１の管状セクション内を流れる熱交換媒体は、チャンバセクション内の媒体誘導構成要素の第１の傾斜表面に導入される。媒体誘導構成要素の第１の表面は、熱交換媒体の流れを、第１の管状セクション内の概して直線状のフローパターンから、最初の流れ線に対してほぼ垂直なフローパターンに偏向させる傾斜面を有する。熱交換媒体流がほぼ垂直な流れに転向されると、熱交換媒体がチャンバアセンブリに導入される。チャンバアセンブリの第１の平面は、防水的な方法で第１の管状セクションに結合される。チャンバアセンブリの第１の平面には、第１の管状セクションからチャンバアセンブリの内部への熱交換媒体の流れを可能にするオリフィスが設けられている。チャンバアセンブリは中空で、熱交換媒体の流れを許容する。チャンバアセンブリの内部は、第１の平面と、離間した第２の平面とを含み、それぞれの平面の間に空間を残す。第１の平面と第２の平面とは、チャンバアセンブリの側壁によって互いに接合されてもよく、チャンバアセンブリの側壁が、第１の平面の外周上の第１の平面と同心に接続され、第２の平面の外周面の第２の平面と同軸的に防水的な方法で接続され、チャンバアセンブリを形成する。チャンバアセンブリの直径は、概して、第１の管状セクションの直径よりも大きいが、チャンバアセンブリの長さは、概して、流路全体の軸方向の長さより短い。熱交換媒体がチャンバアセンブリの内部に導かれると、熱交換媒体はチャンバアセンブリの一端に向けられる。熱交換媒体がチャンバアセンブリの一端に達すると、熱交換媒体の流れは、チャンバアセンブリ内に半円形で互いにほぼ対称な２つの発散フローパターンに分かれる。２つの半円形のフローパターンは、概して、チャンバアセンブリの内部の輪郭に沿って互いに軸方向に整列しながら互いに離れるように流れる。チャンバアセンブリの内部輪郭の構成は、チャンバアセンブリ内の熱交換媒体の流れを導き、導くように作用する。
【００１３】
２つの半円形熱交換媒体流路がそれらの流れを完了すると、チャンバアセンブリの内部輪郭に沿って、２つの半円形流路が収束して再び１つの単一流れを形成する。２つの半円形流路が収束する点は、概して、熱交換媒体流が２つの別々の流路に分岐する初期点の反対側にある。２つの半円形流れが１つに収束するにつれて、熱交換媒体の流れ方向は同時に新しい流れ方向に向けられ、そこでは、新しい流れ方向の迎え角(the angle of an attack)が、各半円形流れのそれぞれの流れ線から実質的に発散する。チャンバアセンブリ内の２つの半円形流路が収束し、新しい流れ迎え角に向けられるとき、熱交換媒体の収束流れは、媒体誘導構成要素の第２の表面に向けられる。媒体誘導構成要素の第２の表面は、熱交換媒体の流れを第２の管状セクションの軸に軸方向に整列されたほぼ垂直なフローパターンに方向転換させる傾斜面を有する。媒体誘導構成要素の第２の表面は、概して、媒体誘導構成要素の第１の表面の反対側にある。第２の管状セクションは、チャンバアセンブリの第２の平面に流体接続される。チャンバアセンブリの第２の平面には、チャンバアセンブリの内部から第２の管状セクションへの熱交換媒体の流れを可能にするオリフィスが設けられている。流路アセンブリは、複数の管、チャンバ、および媒体誘導構成要素アセンブリを含み得る。このように、本明細書に記載される流れは、管状セクション、チャンバセクション、および特定の流路内に含まれる媒体誘導構成要素の数に応じて、数回繰り返され得る。
【００１４】
熱交換媒体が流路の内部を流れるにつれて、熱交換媒体が、熱伝達境界層を破壊する流体の流れの方向変化を強制する複数の障害に遭遇し、これによって、熱媒体の熱伝達効率を改善し、熱交換媒体に含まれる汚染物質の流路表面への堆積を最小化する。本発明の好ましい実施形態では、流れのパターンは、オフセットフィンまたは当技術分野で知られている他の構造のような、熱交換媒体経路内の二次的表面形状の付加をすることなく達成される。
【００１５】
熱交換器は、各流路アセンブリの第１の端部が結合される第１のヘッダプレートを含む。第１ヘッダプレートは、流路アセンブリのための所定の間隔および配置を提供する。第１ヘッダプレートはまた、第１熱交換媒体と第２熱交換媒体との間の空間的分離を提供する。第１のヘッダプレートには、個々の流路のための複数の貫通孔が設けられており、これにより、第１のヘッダプレートの一方の側から第１のヘッダプレートを介して個々の流路に熱交換媒体を流すことができる。本発明の一実施形態では、第１ヘッダプレートが、第１コレクタタンクに結合され得る。第１のコレクタタンクは、第１のヘッダプレートに結合され、防水接続を提供することができる。第１のコレクタタンクには、第１のコレクタタンクに第１の媒体を導入するための少なくとも１つの入口が設けられている。本発明の一実施形態では、第１ヘッダプレート上に形成された個々の流路のための複数の貫通孔の前端(the leading edge)に面取りまたは丸みを帯びた形状を設けて、熱交換媒体の複数の流路への流れの圧力減少を最小化することができる。本発明のさらに別の実施形態では、第１のヘッダプレート上に形成された個々の流路の複数の貫通孔の前端の一部のみが、面取りまたは丸みのある半径を備え得る。
【００１６】
熱交換器は、各流路アセンブリの第２の端部が結合される第２のヘッダプレートを含む。第２ヘッダプレートは、流路アセンブリのための所定の間隔および配置を維持する。第２ヘッダプレートはまた、第１熱交換媒体と第２熱交換媒体との間の空間的分離を提供する。第２ヘッダプレートには、個々の流路のための複数の貫通孔が設けられており、これにより、第１の熱交換媒体を複数の流路から第２のヘッダプレートを介して流し、複数の流路から熱交換媒体を排出することができる。第２のヘッダプレートは、第２のコレクタタンクに結合されてもよく、第２のコレクタタンクは、熱交換器から第１の熱交換媒体を排出するための少なくとも１つの出口を含む。第２のコレクタタンクは、第２のヘッダプレートに結合され、防水接続を提供することができる。本発明の一実施形態では、第２ヘッダプレート上に形成された個々の流路のための複数の貫通孔の後端(the trailing edge)に面取りまたは丸みを帯びた形状を設けて、熱交換媒体の複数の流路への流れの圧力減少を最小化することができる。本発明のさらに別の実施形態では、第２のヘッダプレート上に形成された個々の流路の複数の貫通孔の後端の一部のみが、面取りまたは丸みのある半径を備え得る。
【００１７】
本発明の好ましい実施形態では、チャンバセクションの外径は、管状セクションの外径よりも実質的に大きい。さらに、複数の流路アセンブリが、第１ヘッダプレートと第２ヘッダプレートとの間に所定の配列および間隔で配置されている。好ましい実施形態では、第２の流路アセンブリの第１のチャンバセクションが第１の流路アセンブリの管状セクションに実質的に隣接して配置され、第１の流路アセンブリの第１のチャンバセクションと第２のチャンバセクションとの間に差し挟まれるように、第１の流路アセンブリおよび第２の流路アセンブリが配置される。同様に、第２の流路アセンブリの第１の管状セクションが、第１の流路アセンブリの第１のチャンバセクションに実質的に隣接して配置される。さらに、第２の流路アセンブリの位置は、第１の流路アセンブリのチャンバセクションの外周が第２の流路アセンブリのチャンバの外周と重なるように、第１の流路に対して配置される。本発明の一実施形態では、第１の流路アセンブリおよび第２の流路アセンブリが離間するように配置され、第１の流路アセンブリと第２の流路アセンブリとの間で第２の熱交換媒体の流れを許容するように、第１の流路アセンブリと第２の流路アセンブリとは配置される。本発明の別の実施形態では、第１の流路アセンブリおよび第２の流路アセンブリは、第１の流路および第２の流路が互いに接触するように配置される。このような管状セクションとチャンバセクションの配置は、複数の流路アセンブリの周りを流れる第２の熱交換媒体の流れに対して複数の中断を与え、それによって第２の熱交換媒体の熱伝達効率を高める。
【００１８】
本発明の一実施形態では、第１ヘッダプレートの貫通孔と第２ヘッダプレートの貫通孔とが互いに向き合って配置され、個々の流路が互いに平行に配置される。本発明の別の実施形態では、第１ヘッダプレートの貫通孔と第２ヘッダプレートの貫通孔とが互いに向き合わず、個々の流路が互いに平行ではなく配置される。
【００１９】
本発明の好ましい実施形態では、熱交換器は、冷却媒体を導入するための少なくとも１つの入口を備えている。第２の熱交換媒体の入口は、第２の熱交換媒体の分配を容易にするために、第１のタンクに結合され、適切な大きさの貫通孔を適切な量だけ有する分配プレートを提供することによって、第２の熱交換媒体の圧力減少を最小化している。第２の熱交換媒体用の第１のタンクが第１の分配プレートに結合され、これは、第１の熱交換媒体を担持する複数の流路アセンブリの外面に所望のように第２の熱交換媒体を分配するために利用され得る。第１の分配プレートは、全体的に平面で、第２の熱交換媒体の流れを許容する複数の貫通孔が設けられている。第２の熱交換媒体が冷却媒体容器内の第１の熱交換媒体を担持する複数の流路アセンブリ間を流れるとき、第１の熱交換媒体内に含まれる熱が第２の熱交換媒体に伝達される。冷却媒体容器の第１の分配プレートの反対側の平面には、第２の分配プレートがある。第２の分配プレートには、第２の熱交換媒体の流れを許容するための複数の貫通孔が設けられ得る。第２の分配プレートは、第２の熱交換媒体のための第２のタンクに結合され、第２の熱交換媒体は、第２の熱交換媒体が熱交換器から排出される少なくとも１つの出口を備え得る。
【００２０】
冷却媒体容器は、第１の熱交換媒体の第１のヘッダプレートと、第１の熱交換媒体の第２のヘッダプレートと、第２の熱交換媒体の第１の分配プレートと、第２の熱の第２の分配プレートと、第１のケース本体横パネルと、第２のケース本体横パネルと、によって設けられた６つの面を含んでなる。第１の熱交換媒体用の複数の流路アセンブリは、６つの平面によって形成された区画内に配置される。
【００２１】
本発明の好ましい実施形態では、冷却媒体容器は、長方形または正方形の形状であってもよい。第１のヘッダプレートおよび第２のヘッダプレートによって形成された冷却媒体容器を構成する第１の２つの平行な平面は、所定間隔で離間して設定される。第１の分配プレートおよび第２の分配プレートによって形成された冷却媒体容器を構成する第２の２つの平行な平面は、所定間隔で離間して設定される。好ましい実施形態では、第１のヘッダプレートは、第１の分配プレートおよび第２の分配プレートに対してほぼ垂直に設定され得る。第２のヘッダプレートも、第１の分配プレートおよび第２の分配プレートに対してほぼ垂直に設定され得る。本発明の別の実施形態では、冷却媒体容器は長方形または正方形でなくてもよい。そのような実施形態では、第１のヘッダプレートは、第１の分配プレートおよび第２の分配プレートに対して垂直ではない。また、第２のヘッダプレートも、第１の分配プレートおよび第２の分配プレートに対して垂直でなくてもよい。
【００２２】
流路アセンブリの管状セクションは、丸い管の中空であってもよい。別の実施形態では、流路アセンブリの管状セクションは、例えば、三角形または台形形状のような矩形または別の幾何学的形状であってもよい。流路アセンブリの管状セクションの内壁は、滑らかであってもよく、乱流を誘発するためのディンプルまたは他の構造形状などの表面増強を含み得る。流路アセンブリの管状セクションの外側の外壁は、滑らかであってもよく、または表面増強を含み得る。増強は、乱流を誘発する、或いは管状セクションの表面積を増加させるために、フィン形構造、ディンプルまたは他の構造形状を取り得る。
【００２３】
流路アセンブリの管およびチャンバセクションは、鉄又は非鉄材料で作ることができる。材料は、被覆または被覆のないステンレス鋼またはアルミニウムであってもよい。流路アセンブリの管状セクションおよびチャンバセクションは、ステンレス鋼、銅、或いは、他の鉄または非鉄材料で作ることもできる。流路アセンブリの管状セクションおよびチャンバセクションは、プラスチック材料または複合材料であってもよい。個々の構成要素は、被覆材料またはろう付けペーストを利用して一緒にろう付けされてもよい。
【００２４】
流路アセンブリの管およびチャンバセクションは、スタンピング、冷間鍛造、機械加工、または当技術分野で知られている他の製造方法によって製造することができる。流路アセンブリの管およびチャンバセクションは、一体として製造されてもよく、別個の部品として製造されてもよい。熱交換器は、ろう付け、はんだ付け、または溶接によって一体に結合され得る。
【００２５】
添付の図面と併せて以下の説明を読むことでよく理解されるように、本発明の他の特徴および利点も、容易に理解されるであろう。
【図面の簡単な説明】
【００２６】
【図１】本発明の一実施形態による熱交換器の側面図である。
【図２】本発明の一実施形態による熱交換器の上面図である。
【図３】図２の線１−１で切った熱交換器の断面図である。
【図４】図２の線２−２に切った熱交換器の断面図である。
【図５Ａ】本発明の一実施形態によるコアアセンブリの側面図である。
【図５Ｂ】本発明の一実施形態によるコアアセンブリの概略側面図である。
【図５Ｃ】本発明の一実施形態によるコアアセンブリの概略正面図である。
【図６Ａ】本発明の一実施形態による容器内の流路アセンブリの概略正面図である。
【図６Ｂ】本発明の一実施形態による流路アセンブリの概略側面図である。
【図６Ｃ】本発明の一実施形態によるチャンバアセンブリの概略正面図である。
【図６Ｄ】チャンバアセンブリの概略断面側面図である。
【図７】本発明の一実施形態による熱交換器の分解斜視図である。
【図８】図８Ａ〜図８Ｇは、本発明の様々な実施形態による分配プレートの上面図である。
【発明を実施するための形態】
【００２７】
図面、特に図１および図２に、熱交換器１００の実施形態が示されている。ＥＧＲ冷却器の用途では、冷却される熱交換媒体は、典型的には、内燃機関からの排ガスである。冷却媒体は、典型的には、内燃機関の冷却ループから迂回されたエンジン冷却剤である。熱交換器１００は、冷却媒体入口側タンク１６５と、冷却媒体出口側タンク１８０と、排気入口側タンク１４０と、排気出口側タンク１５５とを含む。
【００２８】
熱交換器１００には、排気入口側タンク１４０を介して熱交換器１００への排ガスの流れを促進する排気入口パイプ１１５が設けられている。排気入口パイプ１１５は中空で、それを通して排ガスの流れを許容する。第１のフランジ１２０は、熱交換器１００を排ガス源に取り付けるのを容易にするために、ガス入口パイプ１１５に連結されている。第１のフランジ１２０は、概して平らで、確実な密封を容易にするためにほぼ平坦な表面が設けられている。第１のフランジ１２０には、例えば、ナットおよびボルトを利用することによって、第１のフランジ１２０を排ガス源に結合するための固定機構を設けることもできる。取付けのためにナットとボルトを使用するために、第１のフランジ１２０に複数のボルト穴３０５を設けることができる（図３および図７参照）。排気入口パイプ１１５は、ろう付け、はんだ付けまたは溶接によって排気入口タンク１４０に結合される。排気入口パイプ１１５は、例えば、フレアリングのような機械的手段によって排気入口タンクに結合することもできる。排気入口パイプ１１５は、ろう付け、はんだ付けまたは溶接によって、或いは、例えば、フレアリングのような機械的手段によって、第１のフランジ１２０に結合されてもよい。２つ以上の結合方法の組み合わせもまた使用することができる。
【００２９】
また、熱交換器１００には、排気出口側タンク１５５を介して熱交換器１００の外部に冷却された排ガスを排出するための排気出口パイプ１２５が設けられている。排気出口パイプ１２５は中空で、それを通して排ガスの流れを許容する。排気出口１２５には、熱交換器１００を排気排出口に取り付けるのを容易にするために、第２のフランジ１２２が設けられてもよい。第２のフランジ１２２は、概して平らで、確実な密封を容易にするためにほぼ平坦な表面が設けられている。第２のフランジ１２２には、例えば、ナットおよびボルトを利用することによって、第２のフランジ１２２を排気排出口に結合するための固定機構を設けることもできる。取付けのためにナットとボルトを使用するために、第２のフランジ１２２に複数のボルト穴３０５を設けることができる（図３および図７参照）。排気出口パイプ１２５は、ろう付け、はんだ付けまたは溶接によって排気出口側タンク１５５に結合される。排気出口パイプ１２５は、例えば、フレアなどの機械的手段によって排気出口側タンクに結合することもできる。排気出口パイプ１２５はまた、ろう付け、はんだ付け、または溶接によって、或いは、例えば、フレアリングのような機械的手段によって、第２のフランジ１２２に結合されてもよい。２つ以上の結合方法の組み合わせもまた使用さることができる。
【００３０】
本発明の好ましい実施形態では、１つの排気入口パイプ１１５と１つの排気出口パイプ１２５とが設けられている。本発明の他の実施形態では、複数の排気入口パイプ１１５が設けられてもよい。本発明のさらに別の実施形態では、複数の排気出口パイプ１２５を設けることができる。
【００３１】
再び図１に示すように、熱交換器１００には、冷却媒体入口側タンク１６５を介して熱交換器１００に冷却媒体を流入させる冷却媒体入口パイプ１０５が設けられている。また、熱交換器１００には、冷却媒体出口側タンク１８０を介して熱交換器１００から冷却媒体を排出させる冷却媒体出口パイプ１１０も設けられている。本発明の一実施形態では、１つの冷却媒体入口パイプ１０５と１つの冷却媒体出口パイプ１１０とが設けられている。本発明の他の実施形態では、複数の冷却媒体入口パイプ１０５が設けられてもよい。本発明のさらに別の実施形態では、複数の冷却媒体出口パイプ１１０を設けることができる。冷却媒体入口パイプ１０５および冷却媒体出口パイプ１１０は中空で、それらを通して冷却媒体の流れを許容する。
【００３２】
図７には、本発明の一実施形態による熱交換器１００の分解斜視図が示されている。熱交換器本体は、概ね長方形または正方形で、３対の平面を含む。第１の対の平面は、入口ヘッダプレート１４５と出口ヘッダプレート１５０とを含む。入口ヘッダプレート１４５と出口ヘッダプレート１５０は、ほぼ長方形または正方形である。入口ヘッダプレート１４５は複数のオリフィス１４７を有し、出口ヘッダプレート１５０も同じ数のオリフィス１５２（図７には示されない）を有する。各入口ヘッダオリフィス１４７は、好ましくは、対応する出口ヘッダオリフィス１５２と軸方向に整列し、流路アセンブリ１３０が、軸方向に整列された一対の入口ヘッダオリフィスと出口ヘッダオリフィスとの間に延びる。
【００３３】
熱交換器本体を形成する第２の対の平面は、入口分配プレート１７０と出口分配プレート１７５とからなる。入口分配プレート１７０および出口分配プレート１７５は、概ね長方形または正方形である。入口分配プレート１７０の前端が、入口ヘッダプレート１４５の一方の端部に結合される。出口分配プレート１７５の前端が、入口ヘッダプレート１４５の反対側の端部に結合される。入口分配プレート１７０の後端が、出口ヘッダプレート１５０の一方の端部に結合される。出口分配プレート１７５の後端が、出口ヘッダプレート１５０の反対側の端部に結合される。入口分配プレート１７０は、複数のオリフィス１７２（図７には示されない）を有する。出口分配プレート１７５も、複数のオリフィス１７７を有する。好ましい実施形態では、入口分配プレート１７０および出口分配プレート１７５は同じ数のオリフィスを有し、最も好ましい実施形態では、入口分配プレートオリフィス１７２は、軸方向に出口分配プレートオリフィス１７７と整列している。
【００３４】
熱交換器本体の残りの２つの面は、第１のケース本体横パネル２８０と第２のケース本体横パネル２８２とを含む。第１のケース本体横パネル２８０の前端が、入口ヘッダプレート１４５の第１の側端に結合され、第１のケース本体横パネル２８０の後端が、出口ヘッダプレート１５０の第１の側端に結合される。また、第１のケース本体横パネル２８０は、入口分配プレート１７０の第１の側端と、出口分配プレート１７５の第１の側端とに結合される。第２のケース本体横パネル２８２は、入口ヘッダプレート１４５の第２の側端と、出口ヘッダプレート１５０の第２の側端とに結合される。また、第２のケース本体横パネル２８２は、入口分配プレート１７０の第２の側端と、出口分配プレート１７５の第２の側端とに結合される。入口ヘッダプレート１４５、出口ヘッダプレート１５０、入口分配プレート１７０、出口分配プレート１７５、第１のケース本体横パネル２８０、および第２のケース本体横パネル２８２が一体に結合されて熱交換器ケース本体３００が形成される。
【００３５】
入口ヘッダプレート１４５の外側の面には、排気入口側タンク１４０が密封結合されている。排気入口側タンク本体１４０には、排ガスを熱交換器１００に導入するための排気入口パイプ１１５が設けられている。出口ヘッダプレート１５０の外側の面には、排気出口側タンク１５５が密封結合されている。排気出口側タンク１５５には排気出口パイプが設けられ、熱交換器１００から排ガスを排出する。分配プレート１７０の外側の面には、冷却媒体入口側タンク１６５が密封結合されている。冷却媒体入口側タンク１６５には、冷却媒体を熱交換器１００に導入するための冷却媒体入口パイプ１０５が設けられている。出口分配プレート１７５の外側の面には、冷却媒体出口側タンク１８０が密封結合されている。冷却媒体出口側タンク１８０には、冷却媒体出口パイプ１１０が設けられ、冷却媒体を熱交換器１００の外部に排出する。
【００３６】
ここで、図３および図４を参照するが、 図３は図２の熱交換器を線１−１で切った断面図で、図４は図２の熱交換器の線２−２で切った断面図である。排気入口側タンク１４０には、排気入口パイプ１１５を通過して移動する排ガスが導入される。排気入口側タンク１４０は、入口ヘッダプレート１４５と流体連通している。入口ヘッダプレート１４５には、複数の入口ヘッダプレートオリフィス１４７が設けられている。流路アセンブリ１３０の第１の端部は、入口ヘッダプレート１４５に設けられた入口ヘッダプレートオリフィス１４７のそれぞれに噛み合って結合されている。流路アセンブリ１３０は、ろう付けされ、はんだ付けされ、溶接され、或いは、入口ヘッダプレート１４５に機械的に結合され得る。好ましくは、入口ヘッダプレート１４５および同様の複数の流路アセンブリ１３０上に複数の入口ヘッダプレートオリフィス１４７がある。排気入口側タンク１４０に導入された排ガスは、入口ヘッダプレートオリフィス１４７を通って１つまたは複数の流路アセンブリ１３０に流れる。流路アセンブリ１３０の第２の端部は、出口ヘッダプレート１５０に噛み合って結合されている。出口ヘッダプレート１５０には、それぞれが流路アセンブリ１３０の第２の端部と流体連通している複数の出口ヘッダプレートオリフィス１５２が設けられている。流路アセンブリ１３０は、ろう付けされ、はんだ付けされ、溶接され、或いは、出口ヘッダプレート１５０に機械的に結合され得る。複数の流路アセンブリ１３０を通って流れた排ガスは、出口ヘッダプレートオリフィス１５２を通って流れ、排気出口側タンク１５５に排出される。一旦、排ガスが排気出口側タンク１５５内に収集され、排ガスは排気出口側タンク１５５に接続された排気出口パイプ１２５を介して熱交換器１００の外部に排出される。
【００３７】
冷却媒体入口１０５を通って流れる冷却媒体は、冷却媒体入口側タンク１６５に導入され、次いで、入口分配プレート１７０のオリフィス１７２を介して、熱交換器本体３００に導入される。冷却媒体は、流路アッセンブリ１３０の表面の周りで、熱交換器を通り、出口分配プレート１７５のオリフィス１７７を通って移動する。次いで、冷却媒体は、冷却媒体出口側タンク１８０に集められ、冷却媒体出口１１０を介して熱交換器から排出される。
【００３８】
図３に示すように、排気流路１３５（左から右）は、排気入口１１５、排気入口側タンク１４０、入口ヘッダプレート１４５内のオリフィス１４７、それぞれの流路アセンブリ１３０の内部、出口ヘッダプレート１５０内のオリフィス１５２、ガス出口側タンク１５５、および排気出口１２５を介する。図３および図４に示すように、冷却媒体の流路（上から下へ）は、冷却媒体入口１０５、冷却媒体入口側タンク１６５、入口分配プレート１７０内のオリフィス１７２、それぞれの流路アセンブリ１３０の外面の周り、出口分配プレート１７５内のオリフィス１７７、冷却媒体出口側タンク１８０、および冷却媒体出口１１０を介する。
【００３９】
冷却媒体入口側タンク１０５と、入出口ヘッダプレート１４５、１５０の非オリフィス部分と、第１および第２のケース本体横パネル２８０、２８２と、冷却媒体出口側タンク１８０とによって、冷却媒体の防水容器１６０が設けられる。流路アセンブリ１３０はまた、流路アセンブリの外面が冷却剤と接触するように、容器１６０内にある。流路アセンブリ１３０の内部を流れる排ガス内に含まれる熱は、アセンブリを介して冷却剤に伝達され、冷却剤が容器１６０およびエンジンの冷却システムを循環しながら除去される。
【００４０】
図５Ａに示すように、入口ヘッダプレート１４５と出口ヘッダプレート１５０との間に配置された流路アセンブリ１３０は、２つの管状セクション１８５の間に配置された少なくとも１つのチャンバアセンブリ１９０を含む。組合せにおいて、２つの管状セクション１８５とチャンバアセンブリとは排ガス用の流路１３５を設ける。図５Ａに示すように（図６Ｂも参照）、各チャンバアセンブリ１９０は、一対の平面壁１９５、２０５と、第１と第２の平面壁を接続する横方向２００とを有する。
【００４１】
次に、図５Ｂと図５Ｃに示すように、第２の流路アセンブリ１３０Ｂのチャンバセクション１９０Ｃが第１の流路アセンブリ１３０Ａの管状セクション１８５Ｂに実質的に隣接して配置され、第１の流路アセンブリ１３０Ａの第１のチャンバセクション１９０Ａおよび第２のチャンバセクション１９０Ｂの間に立ちふさがるように、第１の流路アセンブリ１３０Ａおよび第２の流路アセンブリ１３０Ｂは配置される。同様に、第２流路アセンブリ１３０Ｂの第１の管状セクション１８５Ｃが、第１の流路アセンブリ１３０Ａの第１のチャンバセクション１９０Ａに実質的に隣接して配置される。さらに、第１の流路アセンブリ１３０Ａのチャンバセクション１９０Ａの外周および第１の流路アセンブリ１３０Ａのチャンバセクション１９０Ｂの外周が、第２の流路アセンブリ１３０Ｂのチャンバセクション１９０Ｃの外周および第２の流路アセンブリ１３０Ｂのチャンバセクション１９０Ｄの外周と重なるように、第２の流路アセンブリ１３０Ｂの位置が、第１流路アセンブリ１３０Ａに対して配置される。本発明の一実施形態では、第１の流路アセンブリ１３０Ａおよび第２の流路アセンブリ１３０Ｂは、第１の流路アセンブリ１３０Ａと第２の流路アセンブリ１３０Ｂとが離間するように配置され、第１の流路アセンブリ１３０Ａと第２の流路アセンブリ１３０Ｂとの間を熱交換媒体が流れることを許容する。本発明の別の実施形態では、第１の流路アセンブリ１３０Ａおよび第２の流路アセンブリ１３０Ｂは、第１の流路アセンブリ１３０Ａおよび第２の流路アセンブリ１３０Ｂが互いに接触するように配置される。
【００４２】
複数の流路アセンブリ１３０を容器１６０内に効率的にパッケージングするために、管状セクション１８５の外径とチャンバアセンブリ１９０の外径との比は、（１：１.５）〜（１：２.５）の範囲で選択される。本発明の好ましい実施形態では、このような比は、製造の許容範囲内で１：２が選択される。したがって、好ましい実施形態では、管状セクション１８５の外径が５ｍｍである場合、チャンバアセンブリ１９０の外径は１０ｍｍである。同様に、管状セクション１８５の外径が６ｍｍである場合、チャンバアセンブリ１９０の外径は１２ｍｍである。本発明の最も好ましい実施形態では、１：２の外径比が使用され、流路アセンブリ１３０は図５Ａおよび図５Ｂに示すように配置され、流路アセンブリ１３０が互いに物理的に接触することはない。複数の流路アセンブリ１３０が容器１６０内で互い違いに配置されるので、冷却媒体が容器内でほぼ直線状に流れるのが妨げられる。流路アセンブリ１３０のチャンバアセンブリ１９０の側壁２００の外部と最初に接触する冷却媒体は、チャンバアセンブリ１９０の側壁２００の外部輪郭に沿って横方向に向けられる。複数の流路アセンブリ１３０が容器１６０内で互い違いに配置されるので、チャンバアセンブリ１９０の複数の側壁２００の外側輪郭に沿って横方向に向けられた冷却媒体は、概して、隣接する流路アセンブリ１３０の管状セクション１８５と接触する。このプロセスは、冷却媒体が出口分配プレート１７５に達するまで繰り返される。出口分配プレート１７５は、容器１６０の入口分配プレート１７０と反対面上に配置される。出口分配プレート１７５には、複数の出口分配プレートオリフィス１７７が設けられ、容器１６０から冷却媒体出口側タンク１８０への冷却媒体の流れを許容する。チューブ部分１８５およびチャンバセクション１９０の互い違いの配置が、複数の流路アセンブリ１３０の周囲を流れる冷却熱交換媒体の流れに複数の中断をもたらし、これによって冷却熱交換媒体の熱伝達効率を高める。
【００４３】
ここで、図６Ｂおよび図６Ｃには、流路アセンブリ１３０の側面図および正面図をそれぞれ示す。流路アセンブリ１３０は、複数の管状セクション１８５と少なくとも１つのチャンバセクション１９０とを含んでなる。チャンバセクション１９０は、第１の平面壁１９５と、第２の平面壁２０５と、第１の平面壁１９５および第２の平面壁２０５の外周を同心的に接続する側壁２００と、を有する。第１の平面壁１９５と第２の平面壁２０５とは、互いに所定の間隔を空けて配置されている。横壁２００は、第１の平面壁と第２の平面壁との外周を接続して防水シールを形成する。チャンバセクション１９０は中空で、排ガスを内部に流すことができる。流路アセンブリ１３０には、排ガスの流れを許容するための流路１３５が設けられている。
【００４４】
チャンバセクション１９０内には、媒体誘導構成要素２２０が配置される。媒体誘導構成要素２２０は、チャンバセクション１９０の平面壁１９５に少なくとも部分的に結合され、チャンバセクション１９０を介して横方向に延び、少なくとも部分的にチャンバセクション１９０の平面壁２０５に少なくとも部分的に結合される。チャンバセクション１９０の平面壁１９５には、チャンバセクション１９０への排ガスの流れを可能にする入口オリフィス２１０が設けられる。チャンバセクション１９０の入口オリフィス２１０には、入口ヘッダプレート１４５のオリフィス１４７を介して排ガスを入口セクションタンク１４０からチャンバセクション１９０に配管する管状セクション１８５が結合されている。チャンバセクション１９０の平面壁２０５には、チャンバセクション１９０からの排ガスの排出を可能にする出口オリフィス２１５が設けられている。出口オリフィス２１５には、管状セクション１８５が結合されている。複数の組のチャンバセクション１９０と管状セクション１８５とが結合され、出口ヘッダプレート１５０のオリフィス１５２で終焉する流路アセンブリ１３０を設けることができる。既に説明したように、複数の組の流路アセンブリ１３０が、入口ヘッダ１５０と出口ヘッダプレート１５０との間に配置されてもよい。
【００４５】
流路アセンブリ１３０内の流路１３５に導入された排ガスは、最初に、管状セクション１８５内の初期フローライン内を流れる。管状セクション１８５は、チャンバセクション１９０に結合されている。管状セクション１８５は中空で、その内で排ガスの流れを許容する。チャンバセクション１９０には、入口オリフィス２１０が設けられており、排ガスが管状セクション１８５からチャンバセクション１９０内に流れることを許容する。排ガスが入口オリフィス２１０を通ってチャンバセクション１９０に入ると、排ガスは、媒体誘導構成要素２２０の第１の側面２２５と接触する。入口オリフィス２１０に面する媒体誘導構成要素２２０の第１の側面２２５は、排ガスを第２のフローラインに導く角度に設定され、そこでは、第２のフローラインは初期のフローラインに対してほぼ垂直である。排ガスが第２のフローラインに導かれると、排ガスはチャンバアセンブリ１９０の内部に導かれる。排ガスがチャンバセクション１９０に入ると、排ガスはチャンバアセンブリ１９０の第１の端部２３５に導かれる（図６Ｃ参照）。排ガスがチャンバアセンブリ１９０の第１の端部２３５に到達すると、排ガスの流れは、チャンバアセンブリ１９０内で半円形に互いにほぼ対称な２つの発散流に分流される。本発明の別の実施形態では、排ガスがチャンバアセンブリ１９０の第１の端部２３５に到達すると、排ガスの流れは、チャンバアセンブリ１９０内の２つの発散する半円形流路に分流されるが、２つの発散流路は未だ互いに対称ではない。本発明の好ましい実施形態では、チャンバセクション１９０の直径は、管状セクション１８５の直径よりも実質的に大きい。
【００４６】
２つの半円形のフローパターンは、チャンバアセンブリ１９０の内部の輪郭に沿って概ねお互い軸方向に整列しつつお互いから離れている。第１の半円形の流れは、チャンバアセンブリ１９０の内部チャンバの第１の横輪郭２４０の輪郭に従う。第２の半円形の流れは、チャンバアセンブリ１９０の第２の横輪郭２４５の輪郭に従う。排ガスがチャンバアセンブリ１９０の内部輪郭に沿って流れてチャンバアセンブリ１９０内の半円形流れを完了した後、チャンバアセンブリ１９０のチャンバセクションの第２の端部２５０のほぼ周辺で２つの半円形流れが収束して、再び一つの流れを形成する。２つの半円形流路が収束するチャンバセクションの第２の端部２５０は、概して、チャンバセクションの第１の端部２３５の反対側の端部にある。
【００４７】
２つの半円形の排気流がチャンバアセンブリ１９０の第２の端部２５０で再び１つのメインフローに収束すると、排ガスは同時に新しい流路に導かれ、新しい流路の迎え角は実質的にそれぞれの半円形流路のフローラインから発散する。チャンバアセンブリ１９０内の２つの半円形流れがチャンバアセンブリの第２の端部２５０に収束すると、収束された排気流は、媒体誘導構成要素２２０の第２の表面２３０に導かれる（図６Ｂ参照）。媒体誘導構成要素２２０の第２の面２３０は、第２の管状セクション１８５の軸に軸方向に整列したほぼ垂直な流れ方向に排ガスの流れを概ね変える角度に設定される。媒体誘導構成要素２２０の第２の面２３０は、概して、媒体誘導構成要素２２０の第１の面２２５の反対側にある。第２の管状セクション１８５は、チャンバアセンブリ１９０の第２の平面壁２０５に接続される。チャンバアセンブリ１９０の第２の平面壁２０５には、チャンバアセンブリ１９０の内部から第２の管状セクション１８５への排ガスの流れを可能にする出口オリフィス２１５が設けられている。本発明の別の実施形態では、２つの半円形のフローパターンは、チャンバアセンブリ１９０の内部の輪郭に沿ってお互いから流れ出るが、お互いに軸方向に整列していなくてもよい。
【００４８】
流路アセンブリ１３０は、複数の管状セクション１８５、チャンバセクション１９０、および媒体誘導構成要素２２０アセンブリを含み得る。このように、本明細書に記載のフローパターンは、特定の流路アセンブリ１３０内に含まれる管状セクション１８５、チャンバセクション１９０、および媒体誘導構成要素２２０の数に依存して、数回繰り返され得る。排ガスがチャンバアセンブリ１９０の内部を通り抜けるとともに、管状セクション１８５を直接通るので、流路１３５は、管状セクション１８５およびチャンバアセンブリ１９０の構成要素の軸方向長さよりも実質的に長い。したがって、流路アセンブリ１３０によって提供される熱交換表面積は、排ガスが円形または矩形の管のみを通って流れる従来技術のデザインによって提供される熱交換表面積よりも実質的に大きい。
【００４９】
さらに、管状セクション１８５およびチャンバアセンブリは、組み合わせて、流路１３５内に多数の障害物を提供し、排気流を強制的かつ繰り返し破壊して、確立した流れの中を流れ続けるようにする。このような障害物は、媒体誘導構成要素２２０の第１の面２２５、チャンバアセンブリ１９０の第１の端部２３５、チャンバアセンブリ１９０の第２の端部２５０、および媒体誘導構成要素２２０の第２の面２３０を含む。これらの障害部の各々は、排ガスへのフローパターンを誘発する複数の混合作用および乱流をもたらす。混合作用および乱流を誘導するフローパターンは、流路の表面に沿って境界層を確立しようとする排ガスの自然な傾向に対抗するように働く。このような境界層の確立を妨害することは、熱伝達の有効性を高めるだけでなく、炭素またはすすのような汚染物質が流路の表面に定着する傾向にも対抗する。
【００５０】
図６Ａおよび図６Ｂでは、管状セクション１８５が中空で円形であるように示されている。他の実施形態では、管状構造１８５は中空であるが非円形、例えば、楕円形、長方形、または他の幾何学的形状であってもよい。図示した実施形態では、チャンバセクション１９０は、中空で円形の形状をしている。他の実施形態では、チャンバセクション１９０は中空であってもよいが、例えば、卵形または長方形などの非円形であってもよい。さらに、複数のチャンバセクション１９０が流路アセンブリ１３０内で一緒に組み合わされる場合、第１のチャンバセクション１９０が円形で、第２のチャンバセクション１９０は非円形であってもよい。また、複数の管状セクション１８５が流路アセンブリ１３０内で一緒に組み合わされる場合、第１の管状セクション１８５が円形で、第２の管状セクション１８５は非円形であってもよい。
【００５１】
管状セクション１８５、チャンバセクション１９０、および媒体誘導構成要素２２０は、ステンレス鋼で作ることができる。管状セクション１８５、チャンバセクション１９０、および媒体誘導構成要素２２０は、他の鉄または非鉄材料、或いは、他の適切な材料で作ることもできる。管状セクション１８５、チャンバセクション１９０、および媒体誘導構成要素２２０は、ろう付けペーストと共に、または、ろう付けペーストなしで一緒に結合され得る。本発明の他の実施形態では、管状セクション１８５、チャンバセクション１９０、及び媒体誘導構成要素２２０は、ロウ付け材料と一緒に結合され得る。また、本発明の実施形態では、管状セクション１８５、チャンバセクション１９０、および媒体誘導構成要素２２０が、互いに異なる材料で作られても良い。さらに、シーリング材料を使用して、熱交換器１００を形成するために使用される様々な部品の間をシールすることができる。
【００５２】
チャンバセクション１９０のサイズは、１つのチャンバセクションから次のチャンバセクションまで変化してもよい。媒体誘導構成要素２２０は、排ガスの攪拌および乱流誘導流を促進し、排ガスの熱伝達効果の向上を最大化する。チャンバセクション１９０の内面は、表面積を増加させるために窪みを有し得る。媒体誘導構成要素２２０もまた、窪みを特徴付けられ得る。チャンバセクション１９０の内部または外部に特徴付けられた窪みは、チャンバセクション１９０を流れる、或いは、チャンバセクション１９０の外側を流れる冷却媒体のフローパターンまたは流速を変更するために配置され得る。チャンバセクション１９０は、例えば、ルーバー(louver)またはディンプル、或いは、チャンバセクション１９０の内部または外部の流体フロー特性を変更するための他の拡張された表面特徴のような、他の表面特徴を有することができる。
【００５３】
図６Ｂに概略的に示すように、管状セクション１８５は、チャンバアセンブリ１９０の入口オリフィス２１０で終端し得る。代替的には、単一の管の部分が、１つまたは複数のチャンバアセンブリの入口およびオリフィスを通って延び、チャンバの内部が、管の反対側に位置する入口オリフィスおよび出口オリフィス上に配置される。さらに、チャンバアセンブリは、図６Ｂに概略的に示されている主チャンバに加えて、平面壁１９５、２０５にそれぞれ関連付けられた第１および第２のサブチャンバであって、媒体誘導構成要素の横壁と嵌合するように係合して接合される横方向壁を有する第１および第２のサブチャンバを含む。これは米国特許第９１５１５４７号で説明されているが、その開示内容は、この参照によって本明細書に組み込まれるものとする。
【００５４】
ここで図６Ｄを参照すると、排ガスが流路１３５を通って流れるにつれて、摩擦要因による圧力効果と共に流路アセンブリ１３０内の排ガスの方向変化に起因する圧力降下は、回避することができない。しかしながら、管状セクション１８５によって確立されたベースライン流路表面積がチャンバアセンブリ１９０の流路全体にわたって維持される限り、流路表面の狭窄による圧力降下を最小にすることができる。したがって、本発明の好ましい実施形態では、管状セクションおよびチャンバアセンブリ構成要素の寸法は、「管状セクション流路表面積（Ｔ流路表面積）≦チャンバアセンブリ全体流路表面積（Ｃ流路表面積）」のように選択される。
【００５５】
内径（ＴＩＤ）が「π×（ＴＩＤ／２）２」に等しい管（チューブ）のベースライン管状セクション流路表面積（Ｔ流路表面積）は、「π×（ＴＩＤ／２）２」に等しい。ＴIＤは、チューブ外径（ＴＯＤ）からチューブ壁厚を差し引くことによって決定され、したがって「ＴＩＤ＝ＴＯＤ−２ｘ（チューブ壁厚）」である。
【００５６】
合計チャンバアセンブリ流路表面積（Ｃ流路表面積）を決定するために、以下の計算方法が使用される。チャンバアセンブリ流路は概ね長方形をしているので、チャンバ流路表面積は、流路の幅（Ｆ幅）に側壁内側の高さ（側壁IH）を掛けて計算することによって決定される。すなわち、「Ｃ流路表面積＝Ｆ幅×側壁IH」である。
【００５７】
Ｆ幅を決定するために、最初に、チャンバの外径（ＣＯＤ）から２つの側方部材の厚さ（Ｃ側壁厚さ1）および（Ｃ側壁厚さ2）を差し引くことによって、チャンバ内径ＣＩＤを決定する。すなわち、「ＣＩＤ＝ＣＯＤ−Ｃ側壁厚さ1−Ｃ側壁厚さ2」である。
【００５８】
チャンバアセンブリ１９０内の流路幅（Ｆ幅）の計算を完了するために、ＣＩＤから管の内径（ＴＩＤ）を差し引く。すなわち、「Ｆ幅＝ＣＩＤ−ＴＩＤ」である。
【００５９】
側壁IHを決定するために、頂部および底部のチャンバ壁厚（Ｃ頂部壁厚およびＣ底部壁厚）を外側の側壁２００の高さ（側壁OH）から差し引く。すなわち、「側壁IH＝側壁OH−Ｃ頂部壁厚−Ｃ底部壁厚」である。
【００６０】
例えば、ＴＯＤが６ｍｍで管壁厚が０.３ｍｍの場合、ＴＩＤは５.４ｍｍになる。Ｃ流路表面積は、「πｘ（５.４／２）２」または２２.８９ｍｍ２と等しくなる。ＴＯＤおよびＣＯＤの関係を１：２に設定すると、ＣＯＤは１２ｍｍになる。Ｃ側壁厚さ１およびＣ側壁厚さ２を０.３ｍｍに設定すると、ＣＩＤは１１.４ｍｍとなる。したがって、Ｆ幅は６ｍｍとなる。Ｃ頂部壁厚およびＣ底部壁厚が両方とも０.３ｍｍで、側壁OHが４.４１５ｍｍ以上である限り、基準に合致し、「Ｔ流路表面積≦Ｃ流路表面積」が流路アセンブリ１３０内の流路表面積の狭窄による圧力減少を最小化する。
【００６１】
図８Ａ〜図８Ｇを参照すると、分配プレート１７０の異なる実施形態が示されている。図８Ａには、分配プレート１７０の一実施形態が示されている。分配プレート１７０Ａは、概して平面で、複数の入口分配プレートオリフィス１７２を備えている。入口分配プレートオリフィス１７２は、分配プレート１７０Ａの一方の側から延び、分配プレート１７０Ａの反対側に延び、分配プレート１７０Ａを通る冷却媒体の流れを可能にする。入口分配プレートオリフィス１７２は、大きさが均一で、均等な間隔で分配プレート１７０Ａに沿って配置され得る。
【００６２】
ここで図８Ｂを参照すると、分配プレート１７０の別の実施形態が示されている。分配プレート１７０Ｂは、概して平面で、複数の入口分配プレートオリフィス１７２および入口分配プレートオリフィス１７２Ａを備えている。入口分配プレートオリフィス１７２および入口分配プレートオリフィス１７２Ａは、分配プレート１７０Ｂの一方の側から延び、分配プレート１７０Ｂの反対側に延び、分配プレート１７０Ｂを通る冷却媒体の流れを可能にする。入口分配プレートオリフィス１７２および入口分配プレートオリフィス１７２Ａは、様々なサイズおよび幾何学的形状を有する。本発明の一実施形態では、より大きい入口分配プレートオリフィス１７２Ａが容器１６０の一領域上に配置され、より大きな入口分配プレートオリフィス１７２Ａが、より多くの冷却媒体を容器１６０の特定の領域に案内できる限りにおいて、より多くの冷却媒体の分配が望まれる。
【００６３】
ここで図８Ｃを参照すると、分配プレート１７０の一実施形態が示されている。分配プレート１７０Ｃは、概して平面で、複数の入口分配プレートオリフィス１７２Ｂが設けられている。入口分配プレートオリフィス１７２Ｂは、分配プレート１７０Ｃの一方の側から分配プレート１７０Ｃの反対側に延び、分配プレート１７０Ｃを通る冷却媒体の流れを可能にする。入口分配プレートオリフィス１７２Ｂは、大きさが均一で、均等な間隔で分配プレート１７０Ｃに沿って配置され得る。入口分配プレートオリフィス１７２Ｂは、容器１６０内に所望の冷却媒体分配パターンを提供するために、円形の代わりに楕円形の形状を有し得る。
【００６４】
図８Ｄを参照すると、分配プレート１７０の別の実施形態が示されている。分配プレート１７０Ｄは、概して平面で、複数の入口分配プレートオリフィス１７２および入口分配プレートオリフィス１７２Ｃが設けられている。入口分配プレートオリフィス１７２および入口分配プレートオリフィス１７２Ｃは、分配プレート１７０Ｄの一方の側から分配プレート１７０Ｄの反対側に延び、分配プレート１７０を通る冷却媒体の流れを可能にする。分配プレートオリフィス１７２および入口分配 プレートオリフィス１７２Ｃは、大きさおよび形状が様々である。入口分配プレートオリフィス１７２は概して丸い。入口分配プレートオリフィス１７２Ｃは概して楕円形状である。本発明の一実施形態では、より大きな入口分配プレートオリフィス１７２Ｃを容器１６０の領域上に配置して、より多くの冷却媒体を容器１６０の特定の領域に案内することができる。入口分配プレートオリフィス１７２は、大きさが均一で、均等な間隔で分配プレート１７０Ｄに沿って配置され得る。
【００６５】
ここで図８Ｅに示すように、分配プレート１７０Ｅは、ほぼ平面で、複数の入口分配プレートオリフィス１７２Ｄを備えている。入口分配プレートオリフィス１７２Ｄは、分配プレート１７０の一方の側から分配プレート１７０Ｅの反対側に延び、分配プレート１７０Ｅを通る冷却媒体の流れを可能にする。入口分配プレートオリフィス１７２Ｄは、大きさが均一で、均等な間隔で分配プレート１７０Ｅに沿って配置され得る。
【００６６】
ここで図８Ｆに示すように、分配プレート１７０Ｆは、ほぼ平面で、複数の入口分配プレートオリフィス１７２Ｅを備えている。入口分配プレートオリフィス１７２Ｅは、分配プレート１７０Ｆの一方の側から分配プレート１７０Ｆの反対側に延び、分配プレート１７０Ｆを通る冷却媒体の流れを可能にする。入口分配プレートオリフィス１７２Ｅは、大きさが均一で、均等な間隔で分配プレート１７０Ｆに沿って配置され得る。入口分配プレートオリフィス１７２Ｅは、分配プレート１７０Ｆの一方の端部から分配プレート１７０Ｆの対向する端部に配置され得る。入口分配プレートオリフィス１７２Ｅは、長方形または他の幾何学的形状、例えば楕円形であってもよい。
【００６７】
図８Ｇを参照すると、分配プレート１７０の別の実施形態が示されている。分配プレート１７０Ｇは、ほぼ平面で、複数の入口分配プレートオリフィス１７２Ｅを備えている。入口分配プレートオリフィス１７２Ｅは、分配プレート１７０Ｇの一方の側から分配プレート１７０Ｇの反対側に延び、分配プレート１７０Ｇを通る冷却媒体の流れを可能にする。入口分配プレートオリフィス１７２Ｅは、大きさが均一で、均等な間隔で分配プレート１７０Ｇに沿って配置され得る。入口分配プレートオリフィス１７２Ｅは、分配プレート１７０Ｇの一方の端部から分配プレート１７０Ｇの対向する端部に配置されてもよい。入口分配プレートオリフィス１７２Ｅは、例えば、長方形または楕円形のような他の幾何学的形状であってもよい。入口分配プレートオリフィス１７２Ｅは、容器１６０の特定の領域に集中して、より多くの冷却媒体を容器１６０のその特定の領域に提供することができる。入口分配プレートオリフィス１７２Ｅはまた、分配プレートの特定の部分にわたってまばらに配置され、容器１６０のその特定の部分にわたって冷却媒体の流れを制限する。
【００６８】
出口分配プレート１７５上に設けられた複数の出口分配プレートオリフィス１７７の構成および配置は、入口分配プレート１７０上の入口分配プレートオリフィス１７２の構成と同一であってもよい。本発明の別の実施形態では、出口分配プレート１７５上の分配プレートオリフィス１７７は、入口分配プレート１７０上の入口分配プレートオリフィス１７２の構成を反映しなくてもよい。
【００６９】
本発明のさらに別の実施形態では、冷却媒体入口側タンク１６５に導入された冷却媒体が熱交換器１００内に含まれる流路アセンブリ１３０の外面に直接供給される場合、入口分配プレート１７０が使用されなくてもよい。本発明のさらに別の実施形態では、出口分配プレート１７５が使用されない一方、入口分配プレート１７０が使用され得る。このような実施形態では、冷却媒体は、熱交換器１００内に収容された流路アセンブリ１３０の周りを流れ終えると、冷却媒体出口側タンク１８０に直進する。
【００７０】
上記教示に照らして、本発明の多くの修正および変形が可能である。したがって、添付の特許請求の範囲の範囲内で、本発明は具体的に記載された以外のものとして実施されてもよい。例えば、本明細書に記載の本発明は、熱交換器１００をＥＧＲ冷却器として適用することを前提としている。しかしながら、熱交換器は、他の用途に利用されてもよい。したがって、熱交換器１００の複数の流路アセンブリ１３０の内部を流れる熱交換媒体は、例えば排ガス以外のものであってもよい。同様に、熱交換器１００の複数の流路アセンブリ１３０の外側に流れる熱交換媒体は、内燃機関の冷却ループから配管される冷却流体以外の媒体であってもよい。
【符号の説明】
【００７１】
１００  熱交換器
１０５  冷却媒体入口パイプ
１１０  冷却媒体出口パイプ
１１５  排気入口パイプ
１２０  第１のフランジ
１２２  第２のフランジ
１２５  排気出口パイプ
１３０  流路アセンブリ
１４０  排気入口側タンク
１４５  入口ヘッダプレート
１４７、１５２、１７２、１７７  オリフィス
１５０  出口ヘッダプレート
１５５  排気出口側タンク
１６０  容器
１６５  冷却媒体入口側タンク
１７０  入口分配プレート
１７５  出口分配プレート
１８０  冷却媒体出口側タンク
１８５  管状セクション
１９０  チャンバセクション
１９５、２０５  平面壁
２１０  入口オリフィス
２１５  出口オリフィス
２２０  媒体誘導構成要素
２２５  第１の面
２３０  第２の面
２３５  第１の端部
２４０  第１の横輪郭
２４５  第２の横輪郭
２５０  第２の端部
２８０  第１のケース本体横パネル
２８２  第２のケース本体横パネル
３００  熱交換器ケース本体
３０５  ボルト穴  
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５Ａ】
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【図５Ｂ】
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【図５Ｃ】
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【図６Ａ】
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【図６Ｂ】
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【図６Ｃ】
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【図６Ｄ】
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【図７】
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【図８Ａ】
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【図８Ｂ】
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【図８Ｃ】
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【図８Ｄ】
2019511695.tif 000018
【図８Ｅ】
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【図８Ｆ】
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【図８Ｇ】
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【国際調査報告】
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