JP2007247950A - チューブ式熱交換器 - Google Patents

Abstract

【課題】高温流体の入口部付近における熱応力の発生を十分に抑制するためのチューブ式熱交換器を提供する。
【解決手段】チューブ式熱交換器１０において、入口側エンドプレート１７の上流側に整流体１００が導入用コーン１３内を仕切るように設けられ、しかもその管部１００ａがチューブ１２内に挿入され、該チューブ１２に非接触な状態で設けられている。
【選択図】図１

Description

本発明は、高温流体の入口部付近における熱応力の発生を十分に抑制するためのチューブ式熱交換器に関する。

従来のチューブ式熱交換器１３０は、図９，１０に示すように、長手方向両端が開口形成された筒状のケース１３１と、ケース１３１内に配置され内部に高温流体（例えば、ＥＧＲガス）が流れる複数のチューブ１３２と、ケース一端側（図９（ａ）の場合にはケース１３１の左端側）に設けられ高温流体を各チューブ１３２内に導入するための導入用コーン１３３と、ケース他端側（同図の場合にはケース１３１の右端側）に設けられ高温流体を各チューブ１３２から導出するための導出用コーン１３４と、ケース側面部（同図の場合にはケース１３１の左上側）に設けられ低温流体（例えば、冷却水等の冷却媒体）をケース１３１内に導入するための導入用パイプ１３５と、ケース側面部（同図の場合にはケース１３１の右下側）に導入用パイプ１３５と長手方向に離間して設けられ低温流体をケース１３１内から導出するための導出用パイプ１３６と、ケース一端側に設けられ各チューブ１３２を固定するためのチューブ挿入孔１３７ａが形成された入口側エンドプレート１３７と、ケース他端側に設けられ各チューブを固定するためのチューブ挿入孔１３８ａが形成された出口側エンドプレート１３８と、を備えている。

なお、導入用コーン１３３及び導出用コーン１３４には、それぞれ上流側端部及び下流側端部にフランジ１３９，１４０が取り付けられている。各チューブ１３２は、入口側エンドプレート１３７及び出口側エンドプレート１３８に形成した各チューブ挿入孔１３７ａ，１３８ａに挿入され、ケース１３１内を貫通するように設けられている。これにより、ケース１３１内の各チューブ１３２間には、低温流体が流れる低温流体室が形成されている。この低温流体室は、導入用パイプ１３５及び導出用パイプ１３６に連通している。

かかるチューブ式熱交換器１３０は、各チューブ１３２の壁面を介して高温流体と低温流体との間で相互に熱交換を行わせることにより、高温流体を冷却するものである（例えば、特許文献１参照）。
特開平１１−２８７５８８号公報

しかしながら、従来のチューブ式熱交換器１３０の場合、前述したケース一端側、すなわち各チューブ１３２内に高温流体を導入する入口部付近Ａにおいては、高温流体が各チューブ１３２内に流れ込む際に、入口側エンドプレート１３７及び該入口側エンドプレート１３７から上流側に突き出たチューブ先端部１３２ａが特に加熱されやすい（特に図１０参照）。また、入口部付近Ａは、低温流体が循環し難い部位であることから、冷却不足により入口側エンドプレート１３７が高温となってしまう。さらに、チューブ１３２は、入口側エンドプレート１３７付近において高温流体により加熱されるが、出口側に近づくにつれて低温流体により次第に冷却される。そのため、チューブ１３２の上流側付近とその下流側付近との間に熱膨張差が生じて、入口側エンドプレート１３７、チューブ１３２及びこれらの接合部の耐久性が著しく低下する。

なお、かかる問題の対策として、入口部付近Ａの温度上昇を抑制すべく、所定部品を用いて低温流体の流れを改善する技術がある。しかし、かかる対策を講じたとしても、入口部付近Ａは、構造上、低温流体の主要流路から外れた位置にあるため、冷却不足を十分に解消することが困難である。その結果、入口部付近Ａには、不可避的に熱応力が生じてしまい、熱応力の発生を十分に抑制できなかった。

本発明は、上記の問題に鑑みてなされたものであり、その目的は、高温流体の入口部付近における熱応力の発生を十分に抑制するためのチューブ式熱交換器を提供することにある。

上記課題を解決するために、本発明は、長手方向両端が開口形成された筒状のケースと、前記ケース内に配置され内部に高温流体が流れる複数のチューブと、前記ケース一端側に設けられ前記高温流体を各チューブ内に導入するための導入用コーンと、前記ケース他端側に設けられ前記高温流体を各チューブから導出するための導出用コーンと、前記ケース側面部に設けられ低温流体を前記ケース内に導入するための導入用パイプと、前記ケース側面部に前記導入用パイプと長手方向に離間して設けられ前記低温流体を前記ケース内から導出するための導出用パイプと、前記ケース一端側に設けられ各チューブを固定するためのチューブ挿入孔が形成された入口側エンドプレートと、前記ケース他端側に設けられ各チューブを固定するためのチューブ挿入孔が形成された出口側エンドプレートと、を備えたチューブ式熱交換器であって、前記入口側エンドプレートの上流側に、下流側に向けて突出するとともにその内部に前記高温流体が流れる管部が形成された整流体が設けられ、該管部が前記チューブ内に挿入され、該チューブと非接触な状態で設けられていることを特徴とする。

さらに、本発明のチューブ式熱交換器において、前記管部は、入口側が断面アール状に拡径されていることを特徴とする。

さらに、本発明のチューブ式熱交換器において、前記整流体は、整流体本体を前記導入用パイプ内に装着するための装着部が一体成形されており、該装着部は、前記整流体本体の周縁部から上流側に向けて突出し、前記導入用パイプの内壁面を押し付けるように構成されていることを特徴とする。

さらに、本発明のチューブ式熱交換器において、前記装着部は、前記導入用パイプの内壁面との接触領域に波状部が形成されていることを特徴とする。

さらに、本発明のチューブ式熱交換器において、前記装着部と前記整流体本体との付け根付近に、切込部を設けたことを特徴とする。

また、本発明は、長手方向両端が開口形成された筒状のケースと、前記ケース内に配置され内部に高温流体が流れる複数のチューブと、前記ケース一端側に設けられ前記高温流体を各チューブ内に導入するための導入用コーンと、前記ケース他端側に設けられ前記高温流体を各チューブから導出するための導出用コーンと、前記ケース側面部に設けられ低温流体を前記ケース内に導入するための導入用パイプと、前記ケース側面部に前記導入用パイプと長手方向に離間して設けられ前記低温流体を前記ケース内から導出するための導出用パイプと、前記ケース一端側に設けられ各チューブを固定するためのチューブ挿入孔が形成された入口側エンドプレートと、前記ケース他端側に設けられ各チューブを固定するためのチューブ挿入孔が形成された出口側エンドプレートと、を備えたチューブ式熱交換器であって、前記入口側エンドプレートの上流側に整流体が設けられ、前記整流体は、下流側に向けて突出してその内部に前記高温流体が流れる管部が形成されており、該管部の下流側端面が前記チューブの上流側端面よりも縮径され、該上流側端面よりも上流側においてこれと対向するように配置され、該チューブと非接触な状態で設けられていることを特徴とする。

また、本発明は、長手方向両端が開口形成された筒状のケースと、前記ケース内に配置され内部に高温流体が流れる複数のチューブと、前記ケース一端側に設けられ前記高温流体を各チューブ内に導入するための導入用コーンと、前記ケース他端側に設けられ前記高温流体を各チューブから導出するための導出用コーンと、前記ケース側面部に設けられ低温流体を前記ケース内に導入するための導入用パイプと、前記ケース側面部に前記導入用パイプと長手方向に離間して設けられ前記低温流体を前記ケース内から導出するための導出用パイプと、前記ケース一端側に設けられ各チューブを固定するためのチューブ挿入孔が形成された入口側エンドプレートと、前記ケース他端側に設けられ各チューブを固定するためのチューブ挿入孔が形成された出口側エンドプレートと、を備えたチューブ式熱交換器であって、前記入口側エンドプレートの上流側に整流体が設けられ、前記整流体は、下流側に向けて突出してその内部に前記高温流体が流れる管部が形成されており、該管部の下流側端面が前記チューブの上流側端面よりも縮径され、該上流側端面と同一平面上においてこれと対向するように配置され、該チューブと非接触な状態で設けられていることを特徴とする。

本発明によれば、チューブ式熱交換器において、高温流体の入口部付近における熱応力の発生を十分に抑制できる。

以下、添付図面を参照しながら、本発明の各実施形態について説明する。
図１は本発明の一実施形態におけるチューブ式熱交換器１０を示す分解斜視図、図２は図１の主要部における高温流体の流れを示す説明図である。また、図３は他の実施形態における主要部を示す拡大図、図４は別の実施形態における整流体を示す斜視図である。但し、各図において、同一若しくは類似の箇所には同一の符号を付している。

図１，２に示すチューブ式熱交換器１０は、図９，１０に示した従来のチューブ式熱交換器１３０と同様の構成を有し、筒状のケース１１と、複数のチューブ１２と、導入用コーン１３と、導出用コーン１４と、導入用パイプ１５と、導出用パイプ１６と、入口側エンドプレート１７と、出口側エンドプレート１８と、を備えている。但し、本発明においては、入口側エンドプレート１７の上流側に、整流体１００を設けている点で、前述した従来のチューブ式熱交換器１３０の構成と異なる。

整流体１００は、下流側に向けて突出するノズル状の管部１００ａと、装着部１００ｂとが形成されており、導入用コーン１３内を仕切るように構成されている。管部１００ａは、入口側が断面アール状に拡径されるとともに下流側先端が縮径されており、その下流側先端の管口がチューブ１２の管口よりも小さい。そして、管部１００ａの下流側先端は、チューブ１２内に挿入されてチューブ１２と非接触な状態、すなわち管部１００ａの下流側先端がチューブ先端部１２ａに接触することなくチューブ１２の管内に挿入され、その管外壁とチューブ１２の管内壁との間に間隙が形成された状態にある。

以上の構成によれば、導入用コーン１３内に流入した高温流体は、入口側エンドプレート１７及びチューブ先端部１２ａに当たることなく、整流体１００に形成された管部１００ａを通過して、チューブ１２内に直接導入される（図２参照）。そのため、入口側エンドプレート１７及びチューブ先端部１２ａは、チューブ１２内に流れ込む高温流体によって加熱されにくく、温度上昇が抑制される。これにより、チューブ１２の上流側付近とそれ以外の下流側付近との間に熱膨張差が発生しにくくなる。その結果、高温流体の入口部付近、すなわち入口側エンドプレート１７、チューブ１２の上流側及びこれらの接合部における耐久性の低下を防止できる。

なお、同図の場合、整流体１００には高温流体が直接当たることとなり、整流体１００が加熱されやすくなる。しかし、同図に示す整流体１００は、入口側エンドプレート１７及びチューブ１２に対して非接触な状態で固定され、これらとの間に間隙が形成されている。そのため、整流体１００から入口側エンドプレート１７及びチューブ１２に対して直接に熱伝導されず、入口側エンドプレート１７及びチューブ１２には熱応力が発生しにくくなる。また、断面アール状の管部１００ａには、高温流体の整流作用があるので、入口部付近における圧力損失も低減でき、具体的には約５％程度低減できる。

ところで、図１に示す整流体１００は、装着部１００ｂを介して導入用コーン１３内に取り付けられている。具体的には、装着部１００ｂが導入用コーン１３の内壁面を押し付けるようにして装着され、この装着部１００ｂと一体成形された整流体本体が導入用コーン１３内に取り付けられている。

また、図３及び図４に示す整流体１００にあっては、整流体本体に装着部としてのＬ字状の固定用突起部１００ｂが一体成形されている。固定用突起部１００ｂは、その胴体部が導入用コーン１３の内壁面を押し付けるとともに、そのＬ字先端部がフランジ１９に固定される。なお、固定用突起部１００ｂを狭幅化したり（図４（ａ）参照）、狭幅化した固定用突起部１００ｂに波状部１００ｃ（図４（ｂ）参照）を設けておくことが好ましい。また、熱応力が特に発生しやすい固定用突起部１００ｂと整流体本体との付け根付近には、熱応力を緩和するための切込部１００ｄ（図４（ｃ）参照）を設けておくことが好ましい。かかる場合には、整流体１００と導入用コーン１３との接触面積が減少して、両者の間に熱膨張が発生しにくくなり、また、発生した熱膨張を吸収しやすい構造となる。これにより、整流体１００自体に生じる熱応力が抑制されるとともに、整流体１００が熱膨張してその管部１００ａがチューブ１２と接触してしまうことを防止できる。

次に、図５，６に示す解析用モデルを用いて、本発明の効果、すなわち高温流体の入口部付近において熱応力の発生を十分に抑制できることを確認した。その結果を図７に示す。

同図において、（ａ）は管部がチューブと非接触な状態となるように整流体を設けた場合（本実施例）、（ｂ）は管部がチューブと接触状態となるように整流体を設けた場合（比較例１）、（ｃ）は整流体を設けていない場合（比較例２）を示す。なお、入口側エンドプレート１７，１３７における温度上昇の程度を濃淡表示しており、濃く表示された箇所ほど温度上昇の程度が高いことを示す。

図７に示すように、本実施例の場合には、比較例１及び比較例２の場合と異なり、高温流体が入口側エンドプレート１７及びチューブ先端部１２ａに接触することなく、各チューブ１２内に導入されており、前述した入口部付近のうち特に入口側エンドプレート１７において局所的な温度上昇を抑制できた。すなわち、図７（ａ）の１７の温度＜図７（ｂ）の入口側エンドプレート１７の温度＜図７（ｃ）の入口側エンドプレート１３７の温度の関係となった。これにより、前述した熱膨張差が小さくなる。従って、本発明の如く整流体１００を設けておくことにより、高温流体の入口部付近における熱応力の発生を十分に抑制することが可能となる。

なお、以上の実施形態において、整流体１００は、導入用コーン１３と別部材であるが、図８に示すように、導入用コーン１３と一体成形したものであってもよい。より具体的に説明すると、整流体１００の装着部１００ｂは、その外縁が導入コーン１３の内壁面１３ａと一体ロウ付けされ、これと密着した状態で接合し一体化している。かかる場合には、整流体１００をより安定した状態で導入用コーン１３内に固定することが可能となる。

また、以上の実施形態において、整流体１００は、その管部１００ａの下流側先端がチューブ１２内に挿入されている。しかし、本発明において、整流体１００は、かかる構成に限定されるものではなく、管部１００ａの下流側先端がチューブ１２内に挿入されていない構成としてもよい。例えば、管部１００ａの下流側端面がチューブ１２の上流側端面よりも縮径され、該上流側端面よりも上流側においてこれと対向するように配置された構成としてもよく、或いは管部１００ａの下流側端面がチューブ１２の上流側端面よりも縮径され、該上流側端面と同一平面上においてこれと対向するように配置された構成としてもよい（但し図示せず）。いずれの場合においても、管部１００ａの下流側先端がチューブ１２と非接触な状態で設けられ、高温流体がチューブ先端部１２ａに接触しにくくなるとともに、管部１００ａからチューブ１２への熱伝導が生じにくくなるので、前述の実施形態と同様の効果を奏する。

チューブ式熱交換器を示す説明図であり、（ａ）は長手方向断面図、（ｂ）は（ａ）を上側方向から視た図である。 図１の主要部における高温流体の流れを示す説明図である。 チューブ式熱交換器の主要部を示す拡大図である。 チューブ式熱交換器の整流体を示す斜視図であり、（ａ）は固定用突起部を設けた場合の整流体、（ｂ）は（ａ）の固定用突起部に波状部を設けた場合の整流体、（ｃ）は（ｂ）の固定用突起部の付け根付近に切込部を設けた場合の整流体を示す。 チューブ式熱交換器の解析用モデルを示す斜視図である。 図６は図５の解析モデルの説明図であり、（ａ）は解析用モデルのベース品の斜視図、（ｂ）は整流体の表面側、（ｃ）は整流体の裏面側を示す。 チューブ式熱交換器の解析用モデルを用いた場合において高温流体の流線とプレートの温度分布との関係を示す図であり、（ａ）は本実施例、（ｂ）は比較例１、（ｃ）は比較例２の分析結果を示す図である。 本発明の他の実施形態において、整流体と導入用コーンとが一体成形されたものを示す一部概略説明図であり、（ａ）は上流側斜視図、（ｂ）は下流側斜視図である。 従来のチューブ式熱交換器を示す説明図であり、（ａ）は長手方向断面図、（ｂ）は（ａ）を左側方向から視た図である。 図９の主要部における高温流体の流れを示す図である。

符号の説明

１０ チューブ式熱交換器
１００ 整流体
１００ａ 管部
Ａ 入口部付近

Claims (7)

1. 長手方向両端が開口形成された筒状のケースと、前記ケース内に配置され内部に高温流体が流れる複数のチューブと、前記ケース一端側に設けられ前記高温流体を各チューブ内に導入するための導入用コーンと、前記ケース他端側に設けられ前記高温流体を各チューブから導出するための導出用コーンと、前記ケース側面部に設けられ低温流体を前記ケース内に導入するための導入用パイプと、前記ケース側面部に前記導入用パイプと長手方向に離間して設けられ前記低温流体を前記ケース内から導出するための導出用パイプと、前記ケース一端側に設けられ各チューブを固定するためのチューブ挿入孔が形成された入口側エンドプレートと、前記ケース他端側に設けられ各チューブを固定するためのチューブ挿入孔が形成された出口側エンドプレートと、を備えたチューブ式熱交換器であって、
   前記入口側エンドプレートの上流側に整流体が設けられ、
   前記整流体は、下流側に向けて突出してその内部に前記高温流体が流れる管部が形成されており、該管部の下流側先端が前記チューブ内に挿入され、該チューブと非接触な状態で設けられていることを特徴とするチューブ式熱交換器。
2. 請求項１に記載のチューブ式熱交換器において、
   前記管部は、入口側が断面アール状に拡径されていることを特徴とするチューブ式熱交換器。
3. 請求項１又は２に記載のチューブ式熱交換器において、
   前記整流体は、整流体本体を前記導入用パイプ内に装着するための装着部が一体成形されており、該装着部は、前記整流体本体の周縁部から上流側に向けて突出し、前記導入用パイプの内壁面を押し付けるように構成されていることを特徴とするチューブ式熱交換器。
4. 請求項３に記載のチューブ式熱交換器において、
   前記装着部は、前記導入用パイプの内壁面との接触領域に波状部が形成されていることを特徴とするチューブ式熱交換器。
5. 請求項３又は４に記載のチューブ式熱交換器において、
   前記装着部と前記整流体本体との付け根付近に、切込部を設けたことを特徴とするチューブ式熱交換器。
6. 長手方向両端が開口形成された筒状のケースと、前記ケース内に配置され内部に高温流体が流れる複数のチューブと、前記ケース一端側に設けられ前記高温流体を各チューブ内に導入するための導入用コーンと、前記ケース他端側に設けられ前記高温流体を各チューブから導出するための導出用コーンと、前記ケース側面部に設けられ低温流体を前記ケース内に導入するための導入用パイプと、前記ケース側面部に前記導入用パイプと長手方向に離間して設けられ前記低温流体を前記ケース内から導出するための導出用パイプと、前記ケース一端側に設けられ各チューブを固定するためのチューブ挿入孔が形成された入口側エンドプレートと、前記ケース他端側に設けられ各チューブを固定するためのチューブ挿入孔が形成された出口側エンドプレートと、を備えたチューブ式熱交換器であって、
   前記入口側エンドプレートの上流側に整流体が設けられ、
   前記整流体は、下流側に向けて突出してその内部に前記高温流体が流れる管部が形成されており、該管部の下流側端面が前記チューブの上流側端面よりも縮径され、該上流側端面よりも上流側においてこれと対向するように配置され、該チューブと非接触な状態で設けられていることを特徴とするチューブ式熱交換器。
7. 長手方向両端が開口形成された筒状のケースと、前記ケース内に配置され内部に高温流体が流れる複数のチューブと、前記ケース一端側に設けられ前記高温流体を各チューブ内に導入するための導入用コーンと、前記ケース他端側に設けられ前記高温流体を各チューブから導出するための導出用コーンと、前記ケース側面部に設けられ低温流体を前記ケース内に導入するための導入用パイプと、前記ケース側面部に前記導入用パイプと長手方向に離間して設けられ前記低温流体を前記ケース内から導出するための導出用パイプと、前記ケース一端側に設けられ各チューブを固定するためのチューブ挿入孔が形成された入口側エンドプレートと、前記ケース他端側に設けられ各チューブを固定するためのチューブ挿入孔が形成された出口側エンドプレートと、を備えたチューブ式熱交換器であって、
   前記入口側エンドプレートの上流側に整流体が設けられ、
   前記整流体は、下流側に向けて突出してその内部に前記高温流体が流れる管部が形成されており、該管部の下流側端面が前記チューブの上流側端面よりも縮径され、該上流側端面と同一平面上においてこれと対向するように配置され、該チューブと非接触な状態で設けられていることを特徴とするチューブ式熱交換器。