JP2006046846A - ２重管式熱交換器 - Google Patents

Abstract

【課題】 外管と、異形断面形状を有する内管との間に形成された外側流路内における流体の滞留を防止して流体の流れを促進することができる２重管式熱交換器を提供する。
【解決手段】 ２重管式熱交換器１は、略円筒形のシェル２と、シェル２内に同軸状に配置され管長手方向に伸びる凸部１６と凹部１７とが円周方向に交互に形成された伝熱管３とを備えている。２重管式熱交換器１では、シェル２の前端部近傍に、シェル２と伝熱管３との間に形成された外側流路に冷却水を導入する冷却水導入管９が設けられ、後端部近傍に冷却水を排出する冷却水排出管１０が設けられている。シェル２の、冷却水導入管９及び冷却水排出管１０に対応する部位に、それぞれ、シェル本体部６より大径の大径部７、８が設けられ、大径部７、８ではシェル２の内周面は伝熱管３の凸部１６と離間し、両大径部７、８間の部位では、シェル２の内周面が伝熱管３の凸部１６と当接している。
【選択図】図３

Description

本発明は、外管内に内管が同一方向に伸びるように配置され、内管内に形成された内側流路を流れる流体と、外管と内管との間に形成された外側流路を流れる流体とが互いに熱交換を行うようになっている２重管式熱交換器に関するものである。

一般に、内燃機関には、排気ガス中の窒素酸化物を低減するために、排気ガスの一部を吸気系に再循環させる排気ガス再循環装置（ＥＧＲ装置）が設けられている。そして、このＥＧＲ装置には、再循環する高温の排気ガス（ＥＧＲガス）を、吸気系に再導入する前に冷却する熱交換器（ＥＧＲクーラ）が設けられている。ここで、高温のＥＧＲガスが内部を流れる伝熱管の材料としては、通常、耐熱性及び耐腐食性の高いステンレス材等が用いられている。従来、かかるＥＧＲクーラとしては、多くの場合、多管式熱交換器が用いられている。

図６及び図７は、一般にＥＧＲクーラとして用いられる多管式熱交換器の一例を示している。図６及び図７に示すように、この多管式熱交換器１００では、高温の排気ガスの一部であるＥＧＲガスは、シェル１０１内において両結束板１０２（ヘッダ）間を伸びる複数の伝熱管１０３内を流れるようになっている。他方、冷却液（冷却水）は、シェル１０１と両結束板１０２と複数の伝熱管１０３とによって画成される冷却液通路１０４内を流れるようになっている。

かくして、高温のＥＧＲガス（過熱流体）は、矢印Ｓ１で示すように多管式熱交換器１００の一端に導入され、複数の伝熱管１０３（伝熱チューブ）内を流通しつつ冷却液によって冷却される。そして、冷却されたＥＧＲガス（過冷流体）は、矢印Ｓ２で示すように多管式熱交換器１００の他端から排出され、この後吸気系（インテークマニホールド）に導入される。なお、冷却液は、矢印Ｓ３で示すように冷却液通路１０４に導入され、該冷却液通路１０４内を流通した後、矢印Ｓ４で示すように排出される。

ここで、伝熱管１０３と結束板１０２との接合、あるいは伝熱管１０３と他の構成部品との接合は、一般的に、ろう接により行われる。そして、伝熱管１０３と結束板１０２との接合強度は、接合に用いられるろう材の強度に依存するが、ろう材の強度は、その温度が高いほど低下する。したがって、伝熱管１０３内に高温の被冷却流体、例えば高温のＥＧＲガスを流す場合、被冷却流体の温度を、ろう材の耐熱温度よりも低くしなければならないといった制約を受ける。また、多管式熱交換器１００は、構成部品が多いため、その製作コストが高くなるといった問題もある。

このような被冷却流体の温度についての制約を解消するために、伝熱管１０３と結束板１０２とを溶接で接合するといった対応が考えられる。しかし、この場合、溶接の熱の影響により結束板１０２に歪が生じたり、気密性不良が生じたりするのを防止するために、伝熱管１０３の配置間隔を広げる必要がある。このように伝熱管１０３の配置間隔を広げると、該多管式熱交換器１００の寸法が大きくなるといった問題が生じる。また、複数の伝熱管１０３を１つずつ溶接しなければならないので、不経済であるといった問題も生じる。

そこで、図８及び図９に示すような、ＥＧＲクーラとして用いることができる２重管式熱交換器が提案されている（特許文献１参照）。この２重管式熱交換器１１０では、外管１１１（シェル）内に単一の内管１１２（伝熱管）が同軸状に配置されている。そして、高温のＥＧＲガスは、矢印Ｓ５及び矢印Ｓ６で示すように内管１１２内を流れる。他方、冷却液は、矢印Ｓ７及び矢印Ｓ８で示すように、外管１１１と内管１１２とによって画成される外側流路１１３（冷却液通路）内を流れる。

ここで、内管１１２には、それぞれ管長手方向に伸びる凹部１１４と凸部１１５とが、管円周方向に等角度間隔で交互に形成されている。つまり、内管１１２は異形断面形状を有している。この内管１１２では、凹部１１４及び凸部１１５が形成されているので、単純な略円筒形の内管に比べて、その伝熱面積が大きくなり、熱交換率の向上が図られる。
特開２０００−１６１８７１号公報（段落［００１５］、図１）

しかしながら、かかる従来の２重管式熱交換器１１０では、このように内管１１２の断面形状を異形にして伝熱面積を増加させても、以下の理由により、冷却性能は十分に高められているとはいえない状態にある。すなわち、外管１１１と内管１１２との間に形成される外側流路（冷却液通路）では、円周方向にみて、冷却液の流れが速い部位と、冷却液が停滞する位置とが存在するが、冷却液が停滞する位置では熱伝達が悪いので、熱交換器全体としては十分な熱交換性能が得られない。また、異形断面形状を備えた内管１１２の凹部１１４の谷底付近では、冷却液が停滞して流れがほとんど生じないので、熱交換器全体として熱交換性能がさらに悪くなる。

図１０及び図１１は、異形断面形状の内管（伝熱管）を用いたもう１つの２重管式熱交換器を示している。図１０及び図１１に示すように、この２重管式熱交換器１２０では、略円筒形の外管１２１（シェル）内に、外周に複数の凹状の溝部１２３が形成された花弁状の異形断面形状を備えた内管１２２が同軸状に配置されている。被冷却流体（例えば、ＥＧＲガス）は、矢印Ｓ９及び矢印Ｓ１０で示すように内管１２２内を流通する。そして、外管１２１と内管１２２との間に形成された外側通路１２４（冷却液通路）に、矢印Ｓ１１で示すように冷却液（冷却水）を導入する冷却液入口１２５と、矢印Ｓ１２で示すように冷却液を排出する冷却液出口１２６とが、管円周方向にみて、同一位置（同位相位置）に配置されている。

この場合、冷却液は、矢印Ｓ１３で示す冷却液入口１２５及び冷却液出口１２６が配置された側でショートパスする。他方、矢印Ｓ１４で示す冷却液入口１２５及び冷却液出口１２６と反対側では冷却液の流れが停滞する。このため、熱交換器全体としては十分な熱交換性能が得られない。

ここで、外管１２１と内管１２２との間隔を大きくすれば、比較的均一な流れを生じさせることができる。しかし、この場合、外管１２１の外径が大きくなるので、レイアウト上の制約が生じたり、冷却液量が不必要に過剰となって製品重量の増加を招いたりするといった問題が生じる。また、花弁状異形断面を備えた内管１２２の凹状の溝部１２３の谷底部での冷却液の流速が小さくなり、熱交換性能が低下するといった問題が生じる。

図１２は、ガイドプレートを用いた従来のさらなる２重管式熱交換器（オイルクーラ）を示している。図１２に示すように、この２重管式熱交換器１３０では、略円筒形の外管１３１（シェル）内に、外周に複数の凹状の溝部１３３が形成された異形断面形状を備えた内管（伝熱管）１３２が同軸状に配置されている。そして、外管１３１と内管１３２との間の外側流路１３５には、螺旋状のガイドプレート１３４が配設されている。なお、この２重管式熱交換器１３０では、内管１３２内を矢印Ｓ１５及び矢印Ｓ１６で示すように冷却流体が流通し、外管１３１と内管１３２との間の外側流路１３５を、矢印Ｓ１７及び矢印Ｓ１８で示すように被冷却流体が流通する。

この２重管式熱交換器１３０では、外管１３１と内管１３２との間の外側流路１３５内で、被冷却流体が螺旋状のガイドプレート１３４によって矢印Ｓ１９で示すように案内され、乱流が発生する。このため、内管１３２の凹状の溝部１３３の谷底部では被冷却流体が停滞せず、熱交換器全体としての熱交換性能が高められる。ただし、この２重管式熱交換器１３０は、凹状の溝部１３３の谷底部での被冷却流体の流速を積極的に高めるものではない。

しかしながら、この従来の２重管式熱交換器１３０では、外管１３１と内管１３２との間に螺旋状のガイドプレート１３４を設けているので、構成部材の増加によるコスト増と、該部材の取り付け作業によるコスト増とを招き、該２重管式熱交換器１３０の製作コストが上昇するといった問題がある。

本発明は、上記従来の問題を解決するためになされたものであって、略円筒形の外管（シェル）と、凹部及び凸部を備えた異形断面形状を備えた内管（伝熱管）との間に形成された外側流路内における流体の滞留を防止して該流体の全体的な流れを促進することができる、熱交換性能が高く簡素な構造の２重管式熱交換器を提供することを解決すべき課題とする。

上記課題を解決するためになされた本発明にかかる２重管式熱交換器は、略円筒形の外管（シェル）と、外管内に該外管と同一方向に伸びるように（又は同軸状に）配置され、それぞれ管長手方向に伸びる凸部と凹部（溝部）とが管円周方向に交互に形成された、異形断面（花弁状異形断面）形状を有する内管（伝熱管）とを備えている。そして、内管内に形成された内側流路を流れる流体と、外管と内管との間に形成された外側流路を流れる流体とが互いに熱交換を行うようになっている。

この２重管式熱交換器では、管長手方向にみて、外管の一方の端部近傍に外側流路に流体を導入する流体導入部が設けられ、他方の端部近傍に外側流路から流体を排出する流体排出部が設けられている。ここで、外管の、流体導入部及び流体排出部に対応する部位に、それぞれ、外管本体部（外管中央部）より大径の大径部が設けられている。そして、大径部では、外管の内周面は内管の凸部と離間している。他方、両大径部間の部位（すなわち、外管本体部）では、外管の内周面が内管の凸部と当接（又は近接）している。

上記２重管式熱交換器においては、管長手方向にみて、外管の両端部に、それぞれ、外管本体部と同一径の外管円筒部が形成される一方、内管の両端部に、それぞれ、凸部の最大外径と同一径の内管円筒部が形成され、外管円筒部の内周面と上記内管円筒部の外周面とが嵌合しているのが好ましい。この場合、外管円筒部の内周面と内管円筒部の外周面とが、互いに接合又は接着されていてもよい。また、両外管円筒部には、それぞれ、内側流路に流体を給排するための流体給排口（又は流体給排通路）を備えたキャップが取り付けられているのが好ましい。

上記２重管式熱交換器においては、内側流路を流れる流体が被冷却流体であり、外側流路を流れる流体が冷却流体（冷却液、冷却水）であるのが好ましい。被冷却流体としては、例えば高温のＥＧＲガスなどがあげられる。

本発明にかかる２重管式熱交換器においては、両大径部間の外管本体部に対応する部分では、外管の内周面と内管の各凸部とが当接しているので、外側流路には、凹部ごとに、外管内周面と内管外周面とによって、互いに独立した流体通路が形成される。つまり、この部分では、外側流路は、凹部の数と同数の互いに独立した細長い流体通路に分割ないしは区分されている。ここで、各流体通路内では、それぞれ、流体が高速でほぼ均一に流れるので、凹部の谷底部に流体の滞留ないしは停留が生じない。

そして、外管の流体導入部に対応する部位には大径部が形成され、外管の内周面と内管の凸部とが離間しているので、この部分では外側流路内の流体は円周方向に自在に流れることができる。つまり、この部分では、上記の独立した各流体通路は、互いに連通している。このため、流体導入部から外側流路に導入された流体は、各流体通路にほぼ均等に分配され、これにより各流体通路の流量はほぼ同一となる。また、外管の流体排出部対応する部位にも大径部が形成されているので、この部分では、上記の独立した各流体通路は互いに連通している。このため、各外側流路内を流通した流体は、円滑に流体排出部に排出される。

したがって、本発明にかかる２重管式熱交換器によれば、外管と内管との間に格別の部材を設けることなく、すなわち簡素な構造でもって、外側流路内における流体の滞留ないしは停留を防止して該流体の全体的な流れを促進することができ、その熱交換性能を有効に高めることができる。つまり、本発明によれば、熱交換性能の高い、低コストの２重管式熱交換器を実現することができる。

以下、添付の図面を参照しつつ、本発明の実施の形態を具体的に説明する。
図１〜図３に示すように、自動車用エンジン（内燃機関）等のＥＧＲ装置用のＥＧＲクーラとして用いられる２重管式熱交換器１（以下、略して「熱交換器１」という。）は、略円筒形のシェル２（外管）と、該シェル２内にこれと同軸状に配置ないしは挿入された異形断面形状（花弁状異形断面形状）を備えた伝熱管３（内管）とを有している。シェル２と伝熱管３とは、同一方向に伸びるように配置されていれば、同軸状でなくてもよい。なお、シェル２は単一部材である。

この２重管式熱交換器１においては、伝熱管３内に形成された内側流路を、矢印Ｐ１及び矢印Ｐ２で示す向きに、ＥＧＲガス（被冷却流体）が流れるようになっている。他方、シェル２と伝熱管３との間に形成された外側流路を、矢印Ｐ３及び矢印Ｐ４で示す向きに、冷却水（冷却流体）が流れるようになっている。

なお、以下では便宜上、ＥＧＲガスの流れ方向にみて、上流側（図１〜図３中では左側）及び下流側（図１〜図３中では右側）を、それぞれ、「前」及び「後」ということにする。シェル２の前端部には、ＥＧＲガス導入口４ａを備えた前側キャップ４が、例えばろう接、溶接等により接合されている。他方、シェル２の後端部には、ＥＧＲガス排出口５ａを備えた後側キャップ５が、例えばろう接、溶接等により接合されている。つまり、前後方向にみて、シェル２ないしは伝熱管３の両端部は、ＥＧＲガス通路として機能する両キャップ４、５によって蓋をされている。なお、両キャップ４、５は単一部材である。

シェル２においては、その主要部を構成する円筒形のシェル本体部６（中央部）の前側と後側とに、それぞれ、シェル本体部６よりやや大径（例えば、１．１〜１．２倍）の前側大径部７及び後側大径部８が形成されている。そして、前側大径部７には、シェル２と伝熱管３との間の外側流路に冷却水を導入するための冷却水導入管９（冷却水導入部）が接続されている。他方、後側大径部８には、外側流路から冷却水を排出するための冷却水排出管１０（冷却水排出部）が接続されている。

さらに、シェル２の前側大径部７の前側、すなわちシェル前端部には、シェル本体部６と同一径の前端円筒部１１が形成されている。他方、シェル２の後側大径部８の後側、すなわちシェル後端部には、シェル本体部６と同一径の後端円筒部１２が形成されている。なお、前端円筒部１１及び後端円筒部１２の外径は、それぞれ、前側キャップ４及び後側キャップ５の外径と同一である。

伝熱管３は、その前端部に形成された前端円筒部１３と、その後端部に形成された後端円筒部１４と、前端円筒部１３と後端円筒部１４との間に形成された花弁状の異形断面部１５とで構成されている。この異形断面部１５には、それぞれ伝熱管長手方向に伸びる、複数の凸部１６（山部）及び複数の凹部１７（溝部）が形成されている。ここで、凸部１６と凹部１７とは、伝熱管円周方向に、等角度間隔で交互に配置されている。なお、凸部１６の最大外径は、両円筒部１３、１４の外径とほぼ同一である。このように、伝熱管３が異形断面形状を有しているので、単純な円筒形の伝熱管に比べて、その伝熱面積が大きくなり、熱交換性能が向上する。

前後方向にみて、シェル２の前端円筒部１１と伝熱管３の前端円筒部１３とは、ほぼ同一の部位に位置している。また、シェル２の後端円筒部１２と伝熱管３の後端円筒部１４とは、ほぼ同一の部位に位置している。そして、シェル２の前端円筒部１１及び後端円筒部１２の内周面は、それぞれ、伝熱管３の前端円筒部１３及び後端円筒部１４の外周面とほぼ同一径（外周面は内周面よりわずかに小径）であり、両円筒部１１、１２の内周面と両円筒部１３、１４の外周面は、それぞれ、互いに嵌合して接合されている。また、両キャップ４、５の本体部（大径部）の内周面は、それぞれ、伝熱管３の両円筒部１３、１４の外周面とほぼ同一径であり、両キャップ４、５の内周面と両円筒部１３、１４の外周面とは、それぞれ、互いに嵌合して接合されている。なお、これらを、接合するのではなく、接着剤で接着してもよい。

図４に示すように、熱交換器１の、前側大径部７に対応する部分（以下、「前側大容積部」という。）では、シェル２の内周面と伝熱管３の異形断面部１５の各凸部１６とは離間している。このため、この前側大容積部では、シェル２と伝熱管３との間の外側流路内の冷却水は、シェル円周方向に自在に流れることができる。同様に、後側大径部８に対応する部分（以下、「後側大容積部」という。）でも、シェル２の内周面と伝熱管３の異形断面部１５の各凸部１６とは離間し、シェル２と伝熱管３との間の外側流路内の冷却水は、シェル円周方向に自在に流れることができる。

図５に示すように、熱交換器１の、シェル本体部６に対応する部分（以下、「主熱交換部」という。）では、シェル２の内周面と伝熱管３の異形断面部１５の各凸部１６とは、該凸部１６の頂部（外向きに最も突出した部分）で当接している。ここで、各凸部１６の頂部は湾曲形状であるので、シェル２の内周面と各凸部１６との当接部は、シェル長手方向に伸びる非常に細い帯状ないしは線状の領域である。したがって、該当接により、伝熱管３の有効伝熱面積は、ほとんど減少しない。なお、シェル２の内周面と各凸部１６とを当接させず、若干の（わずかな）隙間が生じるように近接させて配置してもよい。

このように、熱交換器１の主熱交換部では、シェル２の内周面と各凸部１６とが当接しているので、シェル２と伝熱管３との間の外側流路には、凹部１７ごとに、シェル内周面と伝熱管外周面（主として凹部１７の表面）とによって、互いに独立した冷却水通路が形成される。つまり、主熱交換部では、外側流路は、凹部１７の数と同数の互いに独立した細長い冷却水通路に分割ないしは区分されている。

かくして、この熱交換器１では、冷却水導入管９から前側大容積部（外側流路の前側大径部７に対応する部分）に流入した冷却水が、該前側大容積部内をシェル円周方向に流れ、凹部１７ごとの各冷却水通路にほぼ均等に分配される。そして、各冷却水通路内では、それぞれ、冷却水が高速で、かつその位置にかかわりなくほぼ均一に流れるので、凹部１７の谷底部に冷却水の滞留ないしは停留が生じない。このため、伝熱管３ないしは熱交換器１の熱交換性能が大幅に高められる。この後、各冷却水通路を流通した冷却水は、後側大容積部（外側流路の後側大径部７に対応する部分）で合流し、冷却水排出管１０を介して円滑に排出される。なお、高温のＥＧＲガスは、伝熱管３内を前側から後側に向かって流通する際に、この冷却水によって冷却される。

このように、この熱交換器１では、シェル２と伝熱管３との間に格別の部材を設けることなく、すなわち簡素な構造でもって、シェル２と伝熱管３との間の外側流路内における冷却水の滞留ないしは停留を防止して、該冷却水の全体的な流れを促進することができ、その熱交換性能を有効に高めることができる。また、該熱交換器１の製造コストを低減することができる。

本発明にかかる２重管式熱交換器を構成する各部材の斜視図である。 組み立て後における本発明にかかる２重管式熱交換器の斜視図である。 図２に示す２重管式熱交換器の側面断面図である。 図３のＡ−Ａ線断面図である。 図４のＢ−Ｂ線断面図である。 従来の多管式熱交換器の側面断面図である。 図６に示す多管式熱交換器の伝熱管が配設された部分の正面断面図である。 従来の２重管式熱交換器の側面断面図である。 図８に示す２重管式熱交換器の正面断面図である。 従来のもう１つの２重管式熱交換器の側面断面図である。 図１０に示す２重管式熱交換器の正面断面図である。 ガイドプレートを備えた従来の２重管式熱交換器の側面断面図である。

符号の説明

１ ２重管式熱交換器、２ シェル（外管）、３ 伝熱管（内管）、４ 前側キャップ、５ 後側キャップ、６ シェル本体部、７ 前側大径部、８ 後側大径部、９ 冷却水導入管、１０ 冷却水排出管、１１ シェルの前端円筒部、１２ シェルの後端円筒部、１３ 伝熱管の前端円筒部、１４ 伝熱管の後端円筒部、１５ 花弁状の異形断面部、１６ 凸部、１７ 凹部。

Claims (6)

1. 略円筒形の外管と、
   上記外管内に該外管と同一方向に伸びるように配置され、それぞれ管長手方向に伸びる凸部と凹部とが管円周方向に交互に形成された、異形断面形状を有する内管とを備えていて、
   上記内管内に形成された内側流路を流れる流体と、上記外管と上記内管との間に形成された外側流路を流れる流体とが互いに熱交換を行うようになっている２重管式熱交換器であって、
   管長手方向にみて、上記外管の一方の端部近傍に上記外側流路に流体を導入する流体導入部が設けられる一方、他方の端部近傍に上記外側流路から上記流体を排出する流体排出部が設けられ、
   上記外管の、上記流体導入部及び流体排出部に対応する部位に、それぞれ、外管本体部より大径の大径部が設けられ、
   上記大径部では上記外管の内周面が上記内管の凸部と離間する一方、上記両大径部間の部位では上記外管の内周面が上記内管の凸部と当接していることを特徴とする２重管式熱交換器。
2. 管長手方向にみて、上記外管の両端部に、それぞれ、外管本体部と同一径の外管円筒部が形成される一方、上記内管の両端部に、それぞれ、上記凸部の最大外径と同一径の内管円筒部が形成され、上記外管円筒部の内周面と上記内管円筒部の外周面とが嵌合していることを特徴とする、請求項１に記載の２重管式熱交換器。
3. 上記外管円筒部の内周面と上記内管円筒部の外周面とが、互いに接合又は接着されていることを特徴とする、請求項２に記載の２重管式熱交換器。
4. 上記両外管円筒部に、それぞれ、上記内側流路に流体を給排するための流体給排口を備えたキャップが取り付けられていることを特徴とする、請求項３に記載の２重管式熱交換器。
5. 上記内側流路を流れる流体が被冷却流体であり、上記外側流路を流れる流体が冷却液であることを特徴とする、請求項１〜４のいずれか１つに記載の２重管式熱交換器。
6. 上記被冷却流体が高温のＥＧＲガスであることを特徴とする、請求項５に記載の２重管式熱交換器。
   
   

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