JP4130512B2 - 熱交換器 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、パイプ底内に両端部を保持された、ガス状の媒体を案内するパイプと、パイプ底に接続されてパイプを包囲する、液状の冷媒を案内するハウジングとを備え、その場合にパイプ底、パイプおよびハウジングが耐熱性のオーステナイトのスチール薄板から成形されており、パイプがパイプ底内に溶接され、ハウジングがパイプ底と溶接されている、熱交換器、特に排ガス熱交換器に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
上述した種類の熱交換器は、ドイツ公開公報ＤＥ１９５４０６８３Ａ１から知られている。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
本発明の課題は、安価で、溶接技術的に好ましく形成することのできる、上述した種類の熱交換器を提供することである。
【０００４】
【課題を解決するための手段】
この課題は、パイプ底が深絞りされて打ち抜かれた部品として形成され、その部品がそれぞれパイプの端部を越えて外側へ突出して一周する壁を有し、その壁がハウジングと溶接されており、かつその壁にそれぞれディフューザが接続されることによって解決される。
【０００５】
本発明に基づく熱交換器によって可能になる溶接においては、特にハウジングの部品をパイプ底と溶接する際に、パイプ底へはできる限りわずかな熱しか導入されないので、その際にパイプ底の熱変形が大幅に阻止される。
【０００６】
本発明の好ましい構成においては、ハウジングとパイプ底は、溶接結合の形成後に、一周する壁の領域で所定長さに切断される。このようにして、特に自動車の場合に必要とされる、要請される組込み許容誤差を、高い精度で維持できる熱交換器が得られる。
【０００７】
本発明の他の構成においては、ハウジングとパイプ底は一周する補助継目によって、そしてパイプ端部の近傍に設けられたシール継目によって互いに溶接されており、ハウジングとパイプ底は補助継目の領域で所定長さに切断される。従ってハウジングとパイプ底は、密閉された端縁を形成する。本来のシール継目は、パイプ底のパイプ端部を収容する領域の比較的近傍に設けることができるので、この領域においてパイプ底とハウジングの間に間隙腐食が発生することは、ほぼ排除される。
【０００８】
好ましい構成においてはさらに、所定長さに切断された一周する端縁に、それぞれディフューザがなだらかに溶接されている。それによって、ディフューザと端縁との間に好ましい溶接結合が形成され、その溶接結合においてはさらに長さ誤差の一部を補償することも可能である。
【０００９】
本発明の他の構成においては、ハウジングはそれぞれパイプ底に連続して、その間に位置する領域よりも大きい断面を備えた領域を有し、間に位置する領域においてハウジングはパイプをわずかな距離で包囲している。従ってより大きい断面の領域にそれぞれ一種のウォーターケースが形成され、その中で液状の冷媒が熱交換器の断面全体にわたって分配される。
【００１０】
本発明の他の構成においては、パイプに外側へ突出する突起状の突出部が設けられており、パイプはその突出部によって互いに対して、そしてハウジングの内壁に支持されている。それによって熱交換器全体の向上された安定性が得られ、その場合に同時に導入される揺動ないしは振動による騒音の発生も、大幅に排除される。
【００１１】
本発明の他の構成においては、ほぼ２つの金属薄板成形部品から組み立てられるハウジングは、パイプに対して平行に延びる溶接継目によって溶接されている。この溶接継目を設ける場合にも、パイプまたはパイプ底にはわずかな熱量しか導入されない。その場合に好ましくは、ハウジング断面の大きい領域における溶接継目は、Ｉ字状継目として形成されている。それによってこの領域では、熱交換器のほぼ滑らかな外側輪郭が得られる。好ましくはさらに、ハウジング断面の小さい領域の溶接継目は、フランジ継目として形成されている。
【００１２】
それによって、溶接継目全体を一貫して１つの水準で延びるようにすることが可能になる。特に好ましくは、ハウジング部分は弾性的に付勢されて溶接される。まず、金属薄板成形部品の溶接すべき端縁の密着をもたらす弾性的な付勢によって、さらに、溶接後にハウジング部分がハウジング断面の小さい領域において、付勢を受けてパイプ束の外側のパイプの突起に添接するので、振動に基づく騒音発生が大幅に減少される。この弾性的な付勢は、大体においてフランジ継目の領域に存在する。
【００１３】
本発明の他の構成においては、ハウジングはパイプ片から形成されており、その両方の端縁領域が拡幅されている。それによって、組立ての際に取り扱いやすい、一体的なハウジングジャケットが形成される。
【００１４】
本発明の他の構成においては、パイプはレーザビーム溶接または電子ビーム溶接によってパイプ底内に溶接される。この溶接を正確に実施することができるようにするために、さらに、パイプ底には予め定められた個所に取り付けられる位置決め補助が設けられている。それによって、溶接の間パイプ底とパイプを正確に整合させることが可能になる。
【００１５】
本発明の他の構成においては、パイプは予め定められた張出しをもってパイプ底内へ差し込まれており、溶接継目はパイプ外側壁に隣接して、斜めに入射するレーザビームまたは電子ビームによって形成される。この手段は特に、熱交換器が比較的大きい場合、すなわち熱交換器が多数のパイプからなるパイプ束を有する場合に、効果的である。パイプの数が多い場合には、パイプをパイプ底の切欠きへ差し込む際にパイプ底がある程度変形されることを、排除できない。この変形は、斜めに入射するビームによる溶接によって対処することができるので、不完全な溶接または密でない溶接の危険をほぼ回避することができる。
【００１６】
他の構成においては、ハウジングの大きい断面を有する一方の領域に、冷媒供給用の接続パイプが設けられ、大きい断面を有する他方の領域には、冷媒排出用の接続スリーブが設けられており、その場合にハウジングに外側へ向いた通路が形成されており、その通路に接続パイプが溶接されている。それによっても、冷媒用のスリーブを取り付けるための安価で溶接技術的に好ましい解決が得られる。
【００１７】
【発明の実施の形態】
以下、添付の図面を参照して本発明の実施の形態を説明する。
部分断面は、それぞれ拡大された寸法で図示されている。
図１に図示されている熱交換器１１は、特にその内部で排ガスが冷却される、排ガス熱交換器として使用される。排ガスはディフューザ１２を通って流入し、熱交換器１１の内部で矩形パイプからなるパイプ束１３によりディフューザ１４へ案内されて、そこから流出する。ディフューザ１２、１４の間の領域において、パイプ束１３は、２つの部分１５、１６から組み立てられたハウジングによって包囲されており、そのハウジング内で液状の冷媒が案内されて、パイプ束１３のパイプの回りを流れる。冷媒は、冷媒供給スリーブ１７で供給されて、冷媒排出スリーブ１８で排出され、それらスリーブはほぼ直径方向に配置されている。冷媒は、冷却すべき排ガスに対して並流で流れる。
【００１８】
パイプ束１３は、たとえばドイツ公開公報ＤＥ１９５４０６８３Ａ１から知られているような、矩形パイプからなる。矩形パイプは、対向する壁に交互に設けられて、対向する内壁から突出するＶ字状の継目板の対を有する。さらに、矩形パイプの外側には突起状の突出部が設けられており、矩形パイプはその突出部において互いに、かつハウジング１５、１６に対して支持されている。パイプ束１３の矩形パイプの端部は、パイプ底１９内に密に溶接されている。
【００１９】
パイプ底１９としては、深絞りされたカップ形状の金属薄板成形部品が使用され、その底にはパイプ束１３のパイプを収容するための打抜き孔が形成されている。さらに、パイプ底１９は一周する壁２０を形成し、その壁はパイプ束１３のパイプの端部を越えてディフューザ１２、１４の方向へ突出している。以下で詳細に説明するように、ハウジングを形成する金属薄板部品１５、１６が、パイプ底１９のこの壁２０と溶接されている。
【００２０】
ハウジングは、２つの金属薄板成形部品１５、１６から組み立てられている。金属薄板成形部品は、それぞれディフューザ１２、１４に接続された、大きい断面を備えた領域２１、２２を有し、それらがそれぞれリング通路形状の分水ケースを形成し、その領域の一方に供給スリーブ１７が、そして他方に排出スリーブ１８が配置されている。２つの外側の領域２１と２２の間のハウジングの中央領域は、小さい横断面を有する。ハウジングのこの領域はパイプ束１３のパイプに対して、パイプの突起状の突出部によって定められる距離を維持している。金属薄板成形部品１５、１６は、長手方向に延びる溶接継目２３によって結合されている。
【００２１】
各溶接継目２３は、断面の大きい領域２１、２２においてはＩ字状継目（図３）として、そしてその間に位置する断面の小さい領域においては、フランジ継目（図２）として形成されている。それによって、各溶接継目２３は変わらない高さ水準で延びており、それによって簡単な方法で１回の動作で形成することができる。溶接継目２３の溶接の間、２つの金属薄板成形部品１５、１６は互いに押圧されるので、金属薄板成形部品のＩ−継目の領域も、フランジ継目の領域も互いに密着する。その場合に金属薄板成形部品１５、１６のフランジ継目の領域は、弾性的に変形されるので、ハウジングの、小さい断面を有する中央の領域は、溶接後に弾性的に付勢されてパイプ束１３のパイプの突起状の突出部に添接する。
【００２２】
長手継目２３の溶接前に、金属薄板成形部品１５、１６が、パイプ束１３を有するパイプ底１９の壁２０に添接される（図４と５）。長手継目２３の溶接は、パイプ底１９の壁２０の領域でも行われるので、溶接継目２３を設けることによってパイプ底１９が２つの金属薄板成形部品１５、１６から形成されるハウジングと仮結合される。次に２つの金属薄板成形部品１５、１６から形成されたハウジングが、パイプ底１９の壁２０の領域と溶接される。その場合にまず、パイプ底１９の底に対して大きな距離をもって、補助継目２４が設けられる。次に、パイプ底１９の底にもっと近く、好ましくは壁２０からパイプ底１９の底へ移行する移行領域の直前に配置されたシール継目２５が溶接される。
【００２３】
パイプ束１３の矩形パイプとパイプ底１９との溶接は、ハウジングを取り付けて溶接する前か後に行われる。パイプ底１９が、パイプ束１３の矩形パイプの端部上に取り付けられる。その後矩形パイプの端部が弾性変形されて少し拡幅されるので、パイプ底１９の打ち抜き形成された切欠きと矩形パイプとの間には、密なレーザビーム溶接または電子ビーム溶接を可能にするわずかな間隙しか存在しない。拡幅によってパイプ束１３とパイプ底１９との間の継合せ結合が形成され、それが金属薄板成形部品１５、１６からなるハウジングを取り付けて、溶接することを可能にし、前以てパイプ底１９をパイプ束１３と溶接しておく必要はない。
【００２４】
図１１と１２には、ハウジングジャケット３２が図示されており、そのハウジングジャケットから適当な方法で熱交換器１１を形成することができる。ハウジングジャケット３２は、溶接された矩形パイプのパイプ片からなる。両方の端部領域３３、３４は、リング通路形状の分水ケース３４を形成するために、拡幅されている。この拡幅された領域に、給水と排水のための接続部、たとえば単純な打ち抜き孔３５、３６または外側へ向いた通路２８が設けられている。特に長いパイプジャケット３２が設けられる場合には、図１１に示すように、このパイプジャケットを外側へ向かって形成された横ビード３７によって補強することが望ましい。
【００２５】
この構造において、矩形パイプのパイプ束１３が、ハウジングジャケット３２内へ挿入される。その後パイプ底１９が差し込まれ、そのパイプ底は、拡幅された端部領域３３、３４内へ好ましくはわずかなプレス嵌めで圧入される。その後、溶接前にすでに、ある程度組み立てられた対象の良好な取扱いを可能にする、継合せ結合が得られる。その後、補助継目２４とシール継目２５によってパイプ底１９とハウジングジャケット３２の端部領域３３、３４との溶接が行われる。同様にパイプ束１３の矩形パイプが、パイプ底１９と溶接される。その場合に選択的に、パイプ底１９と矩形パイプとの溶接を、パイプ底１９とハウジングジャケット３２との溶接の前、あるいは後に実施することができる。
【００２６】
パイプ束１３のパイプは、比較的薄い材厚、すなわち０．２ｍｍから０．６ｍｍの大きさの材厚を有する。従って、パイプ束１３のパイプの回りに設けられる溶接継目を極めて正確に設けることが必要である。そのためには、パイプ束１３を有するパイプ底１９を溶接装置内できわめて正確に位置決めすることが必要である。この位置決めを容易にするために、図示されていない方法で、パイプ底１９に位置決め補助手段を設けることができる。
【００２７】
すでに説明したように、パイプ底１９内へのパイプ束１３のパイプの溶接は、好ましくはレーザビーム溶接または電子ビーム溶接として行われる。従来の方法で溶接を、レーザビームまたは電子ビームが、図７に矢印２６で示されるように、パイプ軸に対して平行に整合されるように行う場合には、パイプ底１９を取り付ける際にパイプ底の変形によって位置ずれが発生しないように注意しなければならない。多数のパイプからなるパイプ束１３を有する熱交換器の場合には、しばしば撓みとそれに伴って０．１ｍｍより大きい寸法の位置ずれが避けられない場合がある。その場合には、パイプ束１３のパイプ端部上へパイプ底１９を取り付ける場合に、図８に示すように、計画的に張出しを発生させると効果的である。その場合には、溶接は、矢印２７で示すように、斜めに向けられたレーザビームまたは電子ビームによって行われる。
【００２８】
ビームは、パイプ軸に対して５°から１０°の角度だけ傾斜しており、パイプ底のパイプ外壁の近傍に向けられる。パイプ束１３のパイプをパイプ底１９内へ溶接する場合に、溶接継目をパイプ輪郭に従って、すなわちいわゆる窓溶接として、あるいはパイプ底の切欠きの格子輪郭に沿って、いわゆる格子溶接として設けることができる。場合によっては、矩形パイプの対向する角部の間のウェブの領域に、付加的なシール溶接としてリング溶接を設け、あるいは場合によってはパイプ間のパイプ底１９のウェブ上に被覆層としてさらに溶接継目を設けると効果的である。
【００２９】
熱交換器１１の基体が形成された後に、すなわち金属薄板成形部品１５、１６からなるハウジングが取りつけられて溶接された後で、かつパイプ束１３がパイプ底１９内へ溶接された後に、あるいは基体が上述した方法で図１１と１２に示す一体的なハウジングジャケット３２を用いて形成された後に、熱交換器１１のこの基体が、図４と５に示すように、予め定められた長さに切断される。この切断は、レーザカッターを用いて、好ましくは補助継目２４の領域で行われる。補助継目２４の領域で切断することによって、金属薄板成形部品１５、１６の前端部とパイプ底１０の壁２０とからなる密閉された端縁が残る。この端縁に、ディフューザ１２と１４が取りつけられる。その場合に好ましくはディフューザ１２、１４は、図６に示すように、なだらかに溶接される。
【００３０】
しかし、ディフューザを一周する端縁内へ差し込み、あるいは一周する端縁の外側へ取り付けて、その後パイプ底１９の壁２０と内側で、あるいは金属薄板成形部品１５、１６と外側で溶接することも可能である。ディフューザ１２、１４は、鋳造部品、深絞り部品として、あるいはまた溶接部品として形成することができる。取り付ける際には、ディフューザは、その形成時に生じた誤差を補償して、熱交換器１１全体にとって必要とされる組込み寸法が維持されるように取り付けられる。
【００３１】
冷媒スリーブ１７、１８を形成するために、金属薄板成形部品１５、１６に、外側へ向いた通路２８が設けられている。図９に示す実施例においては、この通路２８に接続パイプがなだらかに溶接されている。この溶接は、たとえばオービタル溶接トングを用いてＷＩＧ溶接で実施することができる。図１０に示す実施例においては、接続パイプ３０は一周するビード３１を有し、かつ通路２８内へ差し込まれている。継目領域で溶接が行われる。この溶接は、たとえばＷＩＧ溶接としてロボットによって実施することができる。
【００３２】
パイプ束１３のパイプとパイプ底１９のためには、耐熱性のオーステナイトの鋼が選択されており、その鋼は特に排ガス内に含まれる硫酸に対してきわめて耐食性である。ハウジングの金属薄板成形部品１５、１６のためにも、同様に耐熱性のオーステナイトの鋼が設けられる。パイプ束１３のパイプは、たとえば０．２ｍｍから０．６ｍｍの大きさの比較的わずかな材厚を有する。というのは、この領域で排ガスと液状の冷媒との間で熱伝達が行われるからである。それに対してパイプ底１９と金属薄板成形部品１５、１６またはハウジングジャケット３２は、たとえば１ｍｍの大きさの、ずっと大きい材厚を有することができる。金属薄板成形部品１５、１６の互いに対する、そしてパイプ底１９との溶接並びにディフューザ１２、１４の溶接も、同様にレーザビーム溶接として実施することができる。しかしまた、他の溶接方法、たとえば電子ビーム溶接、ＭＩＧ溶接、ＷＩＧ溶接またはプラズマ溶接も使用することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に基づく熱交換器の斜視図である。
【図２】図１のII−II線に沿った、熱交換器のハウジングの部分断面図である。
【図３】図１のIII −III 線に沿った、熱交換器のハウジングの部分断面図である。
【図４】本発明に基づく熱交換器の端部領域を、その形成終了前で示す斜視図である。
【図５】図４のＶ−Ｖ線に沿った部分断面図である。
【図６】図１のVI−VI線に沿った部分断面図である。
【図７】本発明に基づく熱交換器のパイプとパイプ底間の結合の領域を示す部分断面図である。
【図８】計画的に、該当するパイプ底を越えて張り出すパイプを有する、図７と同様の部分断面図である。
【図９】図１のIX−IX線に沿った断面図である。
【図１０】変形された実施形態の、図９と同様の部分断面図である。
【図１１】一体的なパイプ片から形成されたハウジングジャケットを示すものである。
【図１２】ハウジングジャケットを軸方向に見たものである。
【符号の説明】
１２、１４…ディフューザ
１３…パイプ束
１５、１６、３２…ハウジング
１９…パイプ底
２３…溶接継目
２４…補助継目
２５…シール継目

Claims (16)

1. パイプ底内に両端部を保持されてガス状の媒体を案内するパイプと、パイプ底に接続されてパイプを包囲する、液状の冷媒を案内するハウジングとを有し、その場合にパイプ底、パイプおよびハウジングが耐熱性のオーステナイトの鋼薄板から形成されており、パイプがパイプ底内へ溶接されて、ハウジングがパイプ底と溶接されている、熱交換器、特に排ガス熱交換器において、
   パイプ底（１９）が、深絞りされて打ち抜かれた部品として形成されており、前記部品がそれぞれパイプ束（１３）のパイプの端部を越えて外側へ突出して一周する壁（２０）を有し、その壁がハウジング（１５、１６；３２）と溶接されており、かつ前記壁にそれぞれディフューザ（１２、１４）が接続されていることを特徴とする熱交換器、特に排ガス熱交換器。
2. 溶接結合の形成後に、ハウジング（１５、１６；３２）とパイプ底（１９）が一周する壁（２０）の領域で所定長さに切断されることを特徴とする請求項１に記載の熱交換器。
3. ハウジング（１５、１６；３２）とパイプ底（１９）が、一周する補助継目（２４）によって、そしてパイプ端部の近傍に設けられたシール継目（２５）によって互いに溶接されており、
   ハウジングとパイプ底（１９）が、補助継目（２４）の領域で所定長さに切断されることを特徴とする請求項２に記載の熱交換器。
4. 所定長さに切断された、一周する端縁に、それぞれディフューザ（１２、１４）がなだらかに溶接されていることを特徴とする請求項３に記載の熱交換器。
5. ハウジング（１５、１６；３２）は、それぞれパイプ底（１９）に連続して、その間に位置する領域の断面よりも大きい断面を有する領域（２１、２２；３３、３４）を有し、前記間に位置する領域において、ハウジングがパイプ束（１３）のパイプをわずかな距離で包囲していることを特徴とする請求項１から４のいずれか１項に記載の熱交換器。
6. パイプ束（１３）のパイプに、外側へ突出する突起状の突出部が設けられており、その突出部によって前記パイプが互いに対して、かつハウジング（１５、１６；３２）の内壁に対して支持されることを特徴とする請求項５に記載の熱交換器。
7. 少なくとも２つの金属薄板成形部品（１５、１６）からなるハウジングが、パイプ束（１３）のパイプに対して平行に延びる溶接継目（２３）によって溶接されていることを特徴とする請求項１から６のいずれか１項に記載の熱交換器。
8. より大きい断面の領域（２１、２２）の溶接継目が、Ｉ字状継目として形成されていることを特徴とする請求項７に記載の熱交換器。
9. より小さいハウジング断面の領域の溶接継目（２３）が、フランジ継目として形成されていることを特徴とする請求項７または８に記載の熱交換器。
10. ハウジング部分（１５、１６）が、弾性的に付勢されて溶接されていることを特徴とする請求項７から９のいずれか１項に記載の熱交換器。
11. ハウジング（３２）が、パイプ片からなるハウジングジャケットを有し、そのハウジングジャケットの両方の端部領域（３３、３４）が拡幅されていることを特徴とする請求項１から６のいずれか１項に記載の熱交換器。
12. パイプ束（１３）のパイプが、レーザビーム溶接または電子ビーム溶接によって、パイプ底（１９）内に溶接されていることを特徴とする請求項１から１１のいずれか１項に記載の熱交換器。
13. パイプ底（１９）に、所定の個所に取り付けられた位置決め補助が設けられていることを特徴とする請求項１２に記載の熱交換器。
14. パイプ束（１３）のパイプが、予め定められた張出しをもってパイプ底（１９）内へ差し込まれており、
    溶接継目（２３）がパイプ外側壁に隣接して、斜めに入射するレーザビームまたは電子ビーム（２７）によって設けられることを特徴とする請求項１２または１３に記載の熱交換器。
15. ハウジング（１５、１６；３２）の、より大きい断面を有する一方の領域（２１、３３）に、冷媒供給（１７）用の接続パイプ（２９、３０）が設けられ、より大きい断面を有する他方の領域（２２、３４）に、冷媒排出（１８）用の接続パイプ（２９、３０）が設けられていることを特徴とする請求項１から１４のいずれか１項に記載の熱交換器。
16. ハウジング（１５、１６；３２）に外側へ向いた通路（２８）が設けられており、その通路に接続パイプ（２９、３０）が溶接されていることを特徴とする請求項１５に記載の熱交換器。

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