(57)【要約】【課題】冷媒の減少に対してよりロバストな、従来式の排ガス熱交換器のための少なくとも代替的な実施形態の改良を提示する。【解決手段】本発明は、ヘッダ（５，６）を介して複数のチューブ（４）を含むチューブ束（３）が内部に保持されたハウジング（２）を備え、チューブ（４）内に排ガスのための第１流路が、チューブ（４）とハウジング（２）との間に冷媒（８）のための第２流路がそれぞれ延び、チューブ束（３）の個々のチューブ（４）の第１長手方向端部が特に溶接またはロウ付けによって第１ヘッダ（５）に固定接続された、排ガス熱交換器に関する。本発明の本質は、少なくとも１本のチューブ（４）の第２長手方向端部が第２ヘッダ（６）に対して軸方向に移動可能につながれていることにある。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
ハウジング（２）と、
上記ハウジング（２）内に第１ヘッダ（５）および第２ヘッダ（６）を介して保持された少なくとも２本のチューブ（４）を含むチューブ束（３）とを備え、
上記チューブ（４）内には、排ガス（７）のための第１流路が延び、
上記チューブ（４）と上記ハウジング（２）との間には、冷媒（８）のための第２流路が延び、
上記チューブ束（３）の個々のチューブ（４）の第１長手方向端部は、溶接またはロウ付けによって上記第１ヘッダ（５）に固定接続されており、
少なくとも１本の上記チューブ（４）の第２長手方向端部は、上記第２ヘッダ（６）に対して軸方向に移動可能につながれている
ことを特徴とする排ガス熱交換器。
【請求項２】
請求項１において、
少なくとも１本の上記チューブ（４）が、隙間嵌め、中間嵌め、または圧入によって上記第２ヘッダ（６）の開口（１１’）内に保持されている
ことを特徴とする排ガス熱交換器。
【請求項３】
請求項１または２において、
上記第２ヘッダ（６）の上記第１ヘッダ（５）から見て反対側に向いている側部に、上記第２ヘッダ（６）に対して個々の上記チューブ（４）をシールするためのシール材（９）が設けられている
ことを特徴とする排ガス熱交換器。
【請求項４】
請求項３において、
第３ヘッダ（１０）をさらに備え、
上記第３ヘッダ（１０）では、少なくとも１本の上記チューブ（４）がその第２長手方向端部において開口（１１”）内に軸方向に移動可能につながれ、
上記シール材（９）が、上記第２ヘッダ（６）と上記第３ヘッダ（１０）との間に固定され、
上記第２ヘッダ（６）と上記第３ヘッダ（１０）とが、互いに接続されている
ことを特徴とする排ガス熱交換器。
【請求項５】
請求項４において、
上記シール材（９）が、上記チューブ（４）に対応して形成された開口（１１）を有するエラストマーガスケットとして構成されている
ことを特徴とする排ガス熱交換器。
【請求項６】
請求項５において、
少なくとも１本の上記チューブ（４）の第２長手方向端部が、圧入によって上記シール材（９）の上記開口（１１）内に保持されている
ことを特徴とする排ガス熱交換器。
【請求項７】
請求項５または６において、
上記シール材（９）の少なくとも１つの上記開口（１１）が、隆起縁部（１２）を有している
ことを特徴とする排ガス熱交換器。
【請求項８】
請求項３または４において、
上記シール材（９）が、液状態で適用されかつ同じ場所で硬化されている
ことを特徴とする排ガス熱交換器。
【請求項９】
請求項８において、
上記シール材（９）が、紫外線硬化シリコンから作られている
ことを特徴とする排ガス熱交換器。
【請求項１０】
請求項４〜６のいずれか１項において、
上記第２ヘッダ（６）および／または上記第３ヘッダ（１０）が、開口（１１’）の領域内に屈曲縁部（１２’）を有している
ことを特徴とする排ガス熱交換器。
【請求項１１】
請求項１において、
第３ヘッダ（１０）をさらに備え、
上記第３ヘッダ（１０）では、個々の上記チューブ（４）がその第２長手方向端部において開口（１１”）内に固定されて組み込まれ、
上記チューブ（４）が、上記第２ヘッダ（６）と上記第３ヘッダ（１０）との間に、長手方向の膨張を補償するためのベローズ（１４）を有している
ことを特徴とする排ガス熱交換器。
【請求項１２】
請求項１または２において、
上記第２ヘッダ（６）が、各開口（１１’）内に、リングシール材（１６）が内部に設けられた溝（１５）を有している
ことを特徴とする排ガス熱交換器。
【請求項１３】
請求項３において、
上記シール材（９）が、膜ヘッダ（１３）として形成されている
ことを特徴とする排ガス熱交換器。
【請求項１４】
請求項１〜１３のいずれか１項において、
全ての上記チューブ（４）が、その第２長手方向端部の領域において上記第２ヘッダ（６）に軸方向に移動可能に保持されている
ことを特徴とする排ガス熱交換器。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、請求項１の前提部に係る、複数のチューブを有するチューブ束がヘッダを介して内部に保持されたハウジングを備えた排ガス熱交換器に関する。
【背景技術】
【０００２】
特許文献１より、ハウジングを備えた一般的な排ガス熱交換器が知られており、当該ハウジングの内部には複数のチューブを有するチューブ束がヘッダを介して保持され、チューブの内部には排ガスのための第１流路が、チューブとハウジングとの間には冷媒のための第２流路がそれぞれ延びている。ハウジングシェルと熱交換器との間には、第２媒体をそこに含む空間の液密終端部が設けられており、当該液密終端部は、ハウジングシェルの少なくとも１つの端部に、移動不能なハウジングシェルに対する熱交換器の弾性変形を通じた軸方向の相対移動を可能とする少なくとも１つの拡張補償要素を有している。その目的は、それにより耐久性を増大させることである。
【０００３】
特許文献２より、入口および出口開口を有するシェルに設けられたチューブを備えた熱交換器であって、当該チューブの端部が横壁に固定され、当該横壁の一方が固定された態様で設けられかつ他方がシェル内で軸方向に移動可能である熱交換器が知られている。この場合において、軸方向に移動可能な横壁は、少なくとも間接的にシェルに接続された適当な支持部に取り付けられていて、潤滑油の中間層のほとんどの領域において当該支持部に当接している。摺動シートとして設計された横壁は、プロセスにおける温度に関連する膨張を補償することが可能である。
【０００４】
排ガス熱交換器は、窒素酸化物の排出量を低減するために現代の自動車において既に大変な多様性において使用されていて、比較的高い温度のために、往々にして、例えばステンレス鋼のような高品質材料から作られている。特にステンレス鋼から作られた排ガス冷却器は、たとえ自動車における不具合のためにそれらが意図したように動作しない場合であっても、そのような構成要素を温度に関連するダメージから効果的に保護したいという要望があるため高い物的価値および高い生産コストを有している。冷媒冷却式の排ガス冷却器の場合、例えば、冷媒回路において不具合が生じた場合にダメージの高いリスクが存在し、排ガス冷却器がもはや十分に冷却されない。このことは、例えば、起動における不具合または弁やポンプの故障、および冷媒管、クランプもしくはねじ接続部の破裂によって生じ得る。もしそのような損傷が気付かれなかったら、たちまち非常に重大な損傷が生じ得る。高い効率および低い熱慣性のために、エンジンの冷却要素および特に排ガス熱交換器は、冷媒が不足した場合にこれらが数秒で激しく過熱するため、このことにより脅威にさらされており、その結果として耐用年数がきわめて限られている。内燃エンジンが非常に急速に緊急動作モードに移行するときでも、排ガス熱交換器が損傷を受けないままであることは確実には保証され得ない。
【０００５】
冷媒圧力の損失の場合または冷媒供給の中断の場合、特に横置きの排ガス熱交換器において個々の流路が干上がり得、その結果としてこれらの流路は比較的急速に排ガスの温度を呈する一方、まだ冷却されている流路は冷媒温度により近くなる。例えば長端部においてヘッダに保持された複数のチューブを含むチューブ束を有している熱交換器の中心部では、このために隣り合う流路において数百度に及ぶ温度差が現れ得、その結果として個々のチューブの長さの３ｍｍに及ぶ相対変化が生じ得る。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】独国特許出願公開第１０２００６０４２９３６号明細書
【特許文献２】独国特許出願公開第１５０１５４９号明細書
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
通常、従来技術から知られている排ガス熱交換器は、しかしながら、通常動作の間に生じる温度差のみが耐用年数にわたって許容されるように設計されており、そのため冷媒供給の中断の場合には、少しの動作不良インシデントの後でも全体的な故障を見込む必要がある。温度膨張を相殺する可能性が存在する場合であっても、そのような温度は、通常、例えば摺動シートとして設計された第２横壁に保持されかつそこに軸方向に移動可能に取り付けられるチューブ束の全てのチューブにおける均一な温度変化にのみ関連している。例えば冷媒供給の中断のために生じる個々のチューブの干上がりによる、個々のチューブの互いに対する相対的な膨張は相殺され得ない。
【０００８】
したがって、本発明は、何らかの形で特に冷媒の減少に対してよりロバストな、従来式の排ガス熱交換器のための少なくとも代替的な実施形態の改良を提示するという問題を取り扱う。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本発明によると、この問題は独立請求項１の主題により解決される。有利な実施形態は従属請求項の主題である。
【００１０】
本発明は、排ガス熱交換器の熱交換器中心部のチューブ束の少なくとも１本の、好ましくは全てのチューブを軸方向に移動可能に取り付けるという一般的概念に基づいている。それにより、個々の干上がったチューブが隣り合う冷却されたチューブに対して個別に膨張することが可能となり、熱交換器中心部がこの膨張によって損傷を受けることがない。本発明に係る排ガス熱交換器は、少なくとも２本のチューブを含むチューブ束が内部にヘッダを介して保持されたハウジングを備えている。チューブ内には排ガスのための第１流路が設けられており、一方、例えば冷媒のための第２流路はチューブとハウジングとの間を延びている。この場合において、チューブ束の個々のチューブは、特に溶接またはロウ付けによって、第１長手方向端部が第１ヘッダに固定接続されている。本発明によると、少なくとも１本のチューブ、好ましくは全てのチューブまたは１本を除いた全てのチューブが、第２ヘッダに対して軸方向に移動可能につながれる。そのため、第２ヘッダはこれらのチューブのための摺動ヘッダシートとして設計される。本発明の本質的部分である最後に述べた特徴によると、少なくとも１本のチューブが軸方向に移動可能な態様で第２ヘッダに個別に取り付けられているため、各チューブおよび温度に特有の膨張を相殺することが可能となる。このことは、チューブが干上がって当該干上がったチューブが結果として過熱されたときでさえ、当該チューブがまだ冷却されている隣り合う流路（チューブ）に比べて問題を伴うことなく相当程度に膨張可能であり、この膨張のために熱交換器中心部それ自体が損傷することがないという、すばらしい可能性を開くものである。その後に続くクールダウンの間にリセットが行われる。そのような本発明に係る排ガス熱交換器により、排ガス熱交換器の故障安全性および耐用年数が大幅に向上され得る。
【００１１】
本発明に係る解決策の別の有利な展開によると、少なくとも１本のチューブが、隙間嵌め、中間嵌め、または圧入によって第２ヘッダに保持されている。この事項は、第２ヘッダにおける少なくとも１本のチューブの第２長手方向端部の軸方向に移動可能な取り付けが個別に構成され得ることを既に示しており、適当な圧入の場合には、隙間嵌めの場合に比べて、追加的に組み込まれるべきシール材の必要性が低い。個々のチューブを第２ヘッダに設けられた開口に隙間嵌めによって通す場合、非常に小さな隙間のみが許容されることは言うまでもない。
【００１２】
以下の文中では、しばしば「チューブ」の語を用いるが、この語は明らかに「少なくとも１本のチューブ」の語をも含んでいる。
【００１３】
実際的に、第２ヘッダに対して個々のチューブをシールするためのシール材が、第２ヘッダの第１ヘッダから見て反対側に向いている側部に設けられている。このシール材は第２ヘッダの開口に対応して形成された開口を有しており、当該開口を通って個々のチューブが差し込まれる。第２流路のシーリングを確実にするために、個々のチューブをその第２長手方向端部において軸方向に移動可能な態様で同様に保持する第３ヘッダが追加的に設けられてもよく、前述したシール材は第２ヘッダと第３ヘッダとの間に固定され、加えて第２ヘッダと第３ヘッダとは互いに接続されている。ここで、シール材は不変弾性および高温適合のシール材として設計されていてもよく、第２摺動シートヘッダ、すなわちこの例では第３ヘッダは、第２ヘッダと第３ヘッダとの間に設けられたシール材を、当該シール材が振動またはガス圧によって損傷しないように固定する。
【００１４】
実際的に、シール材は、チューブに対応して形成された開口を有するエラストマーガスケットとして設計されている。この場合において、これらの開口は、打ち抜かれていてもよいし、あるいは注入成形によるエラストマーシール材の製造において予め設けられていてもよい。チューブとシール材との間の面圧を実現しまたは高めるために、チューブが開口に圧入されていてもよい。ここで、開口は、Ｏリングの場合と似たように丸く形作られていてもよい。代替的に、シール材の平坦側面は、２つの摺動シートヘッダ、すなわち第２および第３ヘッダの間における加圧を通して個々のチューブに対するシーリングが得られるように、チューブの間で外方へ屈曲していてもよい。シール材自体の代わりに、ヘッダがこれらの屈曲縁部を有していてももちろんよい。
【００１５】
本発明に係る解決策の代替的な実施形態では、シール材は、適用された場所で硬化される液状態で適用される。硬化は、加熱によってなされてもよいし、または紫外線光によって開始されてもよい（紫外線硬化）。シール材材料は、シリコンであってもよい。そのような液状のシール材は、製造の間において、それが凝固する場所であるチューブの間の第２ヘッダの後部に鉛直位置において注がれる。ここで、液状態のシール材材料の粘性と第２ヘッダのなじみ性とは、凝固の前に開口とチューブとの間の周縁ギャップを通ってシール材材料が流れ得ないことを保証するものでなければならない。この場合において、また、第３ヘッダが内圧に抗してシール材を固定するために望ましい。不変的な接触圧を確保できるように、第３ヘッダは屈曲縁部、特に開口のまわりを周方向に延びる屈曲縁部を有していてもよい。シール材に過度の圧力がかかって当該シール材が損傷するのを回避できるように、２つのヘッダの間のスペースをシール材材料で完全には満たさないこともまた実際的であり得る。前述したヘッダ、すなわち第２および第３ヘッダは、事前にまたは事後にシール材が取り付けられる共通の構成要素であってもよい。
【００１６】
本発明に係る解決策の別の代替的な実施形態によると、シール材は膜ヘッダとして形成されていてもよい。そのような膜ヘッダとして形成されたシール材は、第２ヘッダに接続されていてもよく、あるいは特にそれが剛性の点において十分な値を有しているならば第２ヘッダから分離されて設けられていてもよい。この場合において、シーリング機能は、したがって、第２ヘッダから切り離されて膜ヘッダとして形成されたシール材によって担われる。
【００１７】
本発明の別の重要な特徴および利点は、従属請求項から、図面から、および図面を参照した関連する図の説明から明らかになるだろう。
【００１８】
上述したまたは後述する特徴が、提示されるそれぞれの組合せにおいてのみでなく、本発明の範囲を逸脱することなく他の組合せにおいてあるいは単独で使用され得ることを理解されたい。
【図面の簡単な説明】
【００１９】
【図１】図１は、本発明に係る排ガス熱交換器の縦断面図である。
【図２】図２は、本発明に係る排ガス熱交換器の横断面図である。
【図３】図３は、本発明に係る熱交換器の第２ヘッダのためのシール材を示す図である。
【図４】図４は、図１と同様の図であるが、チューブ束のチューブの第２長手方向端部の領域のみのものであり、チューブが第２ヘッダおよび膜ヘッダとして設計された第３ヘッダにおいて軸方向に移動可能に取り付けられているものを示す図である。
【図５】図５は、図４と同様の図であるが、第２および第３ヘッダの間にベローズを備えたチューブを伴う図である。
【図６】図６は、考えられる実施形態に係るシール材の断面図である。
【図７】図７は、第２ヘッダの開口の溝に保持されたシール材を伴う第２ヘッダの断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００２０】
以下、本発明の好ましい代表的な実施形態を図示すると共により詳細に説明する。同じ参照符号は、同一のもしくは類似の、または機能的に同一の構成要素を示している。
【００２１】
図１、図４および図５に示すように、本発明に係る排ガス熱交換器１はハウジング２を備えており、このハウジング２の内部にはヘッダ５，６を介して複数のチューブ４を含むチューブ束３が保持されている。入口側には第１ヘッダ５が設けられており、一方、出口側には第２ヘッダ６が設けられている。ここで、排ガス７のための第１流路はチューブ４内を延びている一方、冷媒８のための第２流路はチューブ４とハウジング２との間を延びている。この場合において、チューブ束３の個々のチューブ４は、特に溶接またはロウ付けによって、第１長手方向端部において第１ヘッダ５に固定して取り付けられている。第２長手方向端部の領域において、チューブ束３の個々のチューブ４は、摺動シートヘッダとして設計された第２ヘッダ６に軸方向に移動可能に保持され、すなわち取り付けられている。このため、冷媒の供給が中断して個々のチューブ４が干上がった場合においても、これらのチューブ４はまだ冷媒８が流れている隣り合うチューブから独立して長手方向に膨張可能である。これらのチューブは、外部のチューブ４から独立して第２ヘッダ６において初めてそれ自体で長手方向において適合可能であるためである。第１ヘッダ５および第２ヘッダ６は、この場合において、例えばロウ付けまたは溶接によってハウジング２に固定して接続されている。
【００２２】
個々のチューブ４は、隙間嵌め、中間嵌め、または圧入によって第２ヘッダ６に取り付けられてもよい。より詳細に図１を見ると、第２ヘッダ６の第１ヘッダ５から見て反対側に向いている側部に、第２ヘッダ６に対して個々のチューブ４をシールするためのシール材９（図３および図６を参照）が設けられていることがわかる。このシール材９は第２ヘッダ６と第３ヘッダ１０との間に優先的に設けられており、第３ヘッダ１０には個々のチューブ４がまた軸方向に移動可能な態様でつながれている。これに加えて、シール材９は第２ヘッダ６と第３ヘッダ１０との間において固定されていてもよく、その結果として当該シール材９はシール態様でチューブ４に接触する。シール材９それ自体は、例えば、チューブ４に対応して形成された開口１１を有するエラストマーガスケットとして構成されていてもよく、開口１１は、例えば、適当な打ち抜き工具によりガスケットに打ち抜かれていてもよいし、あるいはシール材９の注入成形において予め一体的に作られていてもよい。このために、適当な射出成形用または注入成形用の金型が必要とされる。
【００２３】
個々のチューブ４の第２長手方向端部は、また、圧入によってシール材９の開口１１内に保持されている。シール材９の開口１１は隆起縁部１２（特に図３および図６を参照）をさらに有していてもよく、そのような隆起開口縁部１２は、また、第２または第３ヘッダ６，１０の開口１１’の領域に設けられていてもよい。
【００２４】
概して、シール材９はエラストマーガスケットとして構成されていてもよく、それは上述したようにチューブ４に対応する開口１１を有している。これに代えて、シール材９は、例えばシリコンから液体シール材として作られてもよく、製造の間において、液状シール材は鉛直位置において、すなわちチューブ４が鉛直方向に向けられた状態で、それが凝固する場所であるチューブ４の間の第２ヘッダ６上に流し込まれる。ここで、液状態のシール材材料の粘性と第２ヘッダ６のなじみ性とは、シール材材料が凝固の前にチューブ４と第２ヘッダ６の開口１１’との間のギャップを通って流れ得ないようなものでなければならない。不変的な接触圧を確保するために、内圧に抗してシール材９を固定する第３ヘッダ１０がまた必要とされ得る。不変的な接触圧を確保できるように、第３ヘッダ１０は屈曲縁部１２’をまた有していてもよく、その場合、第２ヘッダ６と第３ヘッダ１０との間のスペースをシール材９で完全には満たさないことが実際的になり得、そのためシール材９への過圧および損傷が回避され得る。
【００２５】
概して、シール材９は、図４に係る実施形態に示すように、膜ヘッダ１３として形成されていてもよい。シール材９が第３ヘッダ１０の領域において実現されていることがまた考えられ、図５によると、当該第３ヘッダ１０はチューブ４のための摺動シートとして形成されていないが、第３ヘッダ１０にはチューブ４が個々のベローズ１４を介して接続されている。そして、第３ヘッダ１０には、特に溶接またはロウ付けによってチューブ４がしっかりと固定されて組み込まれている。第２ヘッダ６と第３ヘッダ１０との間に所定のスペースを確保できるように、チューブ４のうち少なくとも１本、この例ではチューブ４ａが途切れることなく、すなわちベローズ１４を伴わずに形成されていてもよい。このチューブ４ａの第３ヘッダ１０への、および他方の長手方向端部における第１ヘッダ５への連結に関わらず、各々のチューブ４，４ａの個別の長さ変化が確保され得る。
【００２６】
別の有利な実施形態では、図７に示すように、第２ヘッダ６が各開口１１’にリングシール材１６が内部に設けられた溝１５を有しており、その結果としてチューブ４と第２ヘッダ６との間の緊密な接続がまた可能となり、一方で同時に長手方向の膨張がまた許容される。
【００２７】
本発明に係る排ガス熱交換器１によると、チューブ束３の個々のチューブ４を熱的な長手方向の膨張に関して別々に取り付けることが初めて可能となり、このため、例えば干上がった個々のチューブ４の過熱に関連して生じる損傷を回避することができる。
【符号の説明】
【００２８】
１      排ガス熱交換器
２      ハウジング
３      チューブ束
４      チューブ
５      第１ヘッダ
６      第２ヘッダ
７      排ガス
８      冷媒
９      シール材
１０    第３ヘッダ
１１    開口
１１’  開口
１１”  開口
１２    隆起縁部
１２’  屈曲縁部
１３    膜ヘッダ
１４    ベローズ
１５    溝
１６    リングシール材
【図１】
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【図２】
2016176687.tif 000004
【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
2016176687.tif 000009