JP2010243125A - 多管式熱交換器 - Google Patents

Abstract

【課題】長期間に亘って振動等の衝撃を受け続けた場合でも外管や伝熱管が破損しにくい実用的な多管式熱交換器を提供する。
【解決手段】多管式熱交換器１は、伝熱管２，２・・、外管３、導入管６および排出管７によって組み付けられている。そして、各伝熱管２，２・・の表面に、複数の突起体（突起体２１，２１・・および突起体２６，２６・・）が所定の配置の散点状に突設されているとともに、外管３の内面に、複数の突起体（突起体１０，１０・・および突起体１４，１４・・）が同様な配置の散点状に突設されており、外管３の突起体（突起体１０，１０・・あるいは突起体１４，１４・・）と伝熱管２，２・・の突起体（突起体２１，２１・・あるいは突起体２６，２６・・）、および、隣接した伝熱管２，２の突起体同士（突起体２１，２１・・および突起体２６，２６・・）が、それぞれ接合していない状態になっている。
【選択図】図５

Description

本発明は、自動車の内燃機関等に用いられる熱交換器に関するものである。

自動車の内燃機関のガス冷却装置（排気ガスを冷却水によって冷却する装置）等に用いられる熱交換器としては、扁平な中空角柱状の複数の伝熱管と、それらの複数の伝熱管を積層させた状態で収納する外管とを備えており、外管と伝熱管との隙間を流通する媒体と、伝熱管内を流通する媒体との間で熱交換を行わせるもの（所謂、多管式熱交換器）が知られている（特許文献１）。

この多管式熱交換器においては、伝熱管や外管の強度を増加する目的、および、隣接した伝熱管同士の隙間を確保しつつ、隣接した伝熱管同士の接触面積を小さくする目的等により、各伝熱管の表面および外管の内面に複数の突起体が形成されており、組み付けられた状態においては、外管の内面の突起体と各伝熱管の突起体、および、各伝熱管の突起体同士が、それぞれ接合し合った状態となっている。

特開２００７−２２５１９０号公報

上記従来の多管式熱交換器は、製造時に、伝熱管および外管の構成部品を組み付けて仮止めされた後に、溶接（ロウ付）されるため、外管の内面の突起体と各伝熱管の突起体、あるいは各伝熱管の突起体同士が、高温に曝されて流れたロウ材によって接合してしまうことがある。しかしながら、そのように外管の内面の突起体と各伝熱管の突起体、あるいは各伝熱管の突起体同士が接合した状態で、自動車の内燃機関に装着されると、エンジン作動時の振動等の衝撃を受けた場合に、そのように接合し合った突起体同士に応力が集中してしまい、伝熱管や外管に亀裂が生じてしまうことがある。殊に、長期間に亘って使用されると、そのような傾向が顕著なものとなる。

本発明の目的は、上記従来の多管式熱交換器が有する問題点を解消し、長期間に亘ってエンジン作動時の振動等の衝撃を受け続けた場合でも外管や伝熱管がきわめて破損しにくい実用的な多管式熱交換器を提供することにある。

本発明の内、請求項１に記載された発明は、扁平な中空角柱状の複数の伝熱管と、それらの複数の伝熱管を積層させた状態で収納する外管とを備えており、前記外管と前記伝熱管との隙間を流通する媒体と、前記伝熱管内を流通する媒体との間で熱交換を行わせる多管式の熱交換器であって、各伝熱管の表面に、複数の突起体が所定の配置の散点状に突設されているとともに、外管の内面に、複数の突起体が前記所定の配置と同様な配置の散点状に突設されており、外管の突起体と伝熱管の突起体、および、隣接した伝熱管の突起体同士が、それぞれ接合していないことを特徴とするものである。なお、本発明でいう「伝熱管の突起体同士が接合していない」とは、伝熱管の突起を形成している金属同士が拡散接合し合ったり、ロウ材を介して接着し合ったりしていない状態のことである。

請求項２に記載された発明は、請求項１に記載された発明において、外管の突起体と伝熱管の突起体との間、および、隣接した伝熱管の突起体同士の間に、炭化物質が介在していることを特徴とするものである。

請求項３に記載された発明は、請求項１、または請求項２に記載された発明において、外管が、内面に突起体を設けた２個の半筒状のアウターケースからなり、各アウターケースの突起体の表面にそれぞれ接合防止剤を塗布した状態で、それらのアウターケースを溶接することによって形成されたものであるとともに、各伝熱管が、突起体の表面に接合防止剤を塗布した状態で積層された後に、前記外管の溶接時に外管内部に溶接されたものであることを特徴とするものである。なお、本発明でいう接合防止剤とは、各種のロウ付接合防止剤やアクリル系やウレタン系等の合成樹脂製の塗料等のことである。

請求項１に記載の多管式熱交換器は、外管の突起体と伝熱管の突起体、および、隣接した伝熱管の突起体同士が接合しておらず、接合し合った突起部同士に応力が集中するという事態が起こらないため、長期間に亘ってエンジン作動時の振動等の衝撃を受け続けた場合でも、きわめて伝熱管が破損しにくい。

請求項２に記載の多管式熱交換器は、外管の突起体と伝熱管の突起体との間、および、隣接した伝熱管の突起体同士の間に、炭化物質が介在しており、隣接した伝熱管の突起体同士が確実に離反した状態で保たれているため、きわめて高い精度で伝熱管の破損を防止することができる。

請求項３に記載の多管式熱交換器は、外管および各伝熱管の突起体の表面に接合防止剤を塗布することのみによって、外管の突起体と伝熱管の突起体、および、隣接した伝熱管の突起体同士の接合を回避したものであるので、安価かつ容易に製造することができる。

多管式熱交換器の外観を示す斜視図である。 多管式熱交換器を分解した状態を示す説明図である。 伝熱管の平面図である。 伝熱管を分解した状態を示す説明図である。 多管式熱交換器の断面（長手方向に沿った鉛直断面）の様子を示す説明図である。 隣接し合う伝熱管の突起設置部分を示す説明図である。

以下、本発明に係る多管式熱交換器について、図面に基づいて詳細に説明する。

＜多管式熱交換器の構造＞
図１は、本発明に係る多管式熱交換器の外観を示したものであり、図２は、多管式熱交換器を分解した状態を示したものである。多管式熱交換器１は、７個の伝熱管２，２・・、上側アウターケース４と下側アウターケース５とからなる外管３、導入管６および排出管７によって組み付け形成されている。

上側アウターケース４は、金属板（ステンレス板）をプレス加工することによって、半筒状（断面コ字状の半四角柱状）に形成されており、略長方形状の天板８の左右にそれぞれ側板９，９が下向きに直交するように連設された状態になっている。そして、天板８の内面には、同じ高さを有する扁平な円柱状の４個の突起体１０，１０・・が、下向きに突出するように設けられており、それらの４個の突起体１０，１０・・が、それぞれ長方形の頂点を成すように規則正しく配置された状態になっている。なお、各突起体１０，１０・・は、下端が略フラットな円形面になっており、基端の径が下端面の径より若干大きくなっている。また、片方の側板９の後端際には、導入管６を係合させるための係合孔１１が穿設されている。

また、下側アウターケース５も、上側アウターケース４と同様に、金属板（ステンレス板）をプレス加工することによって、半筒状（断面コ字状の半四角柱状）に形成されており、略長方形状の底板１２の左右にそれぞれ側板１３，１３が上向きに直交するように連設された状態になっている。なお、各側板１３，１３の上端縁際同士の間隔は、上側アウターケース４の側板９，９同士の間隔よりも若干広くなっている。そして、底板１２の内面には、上側アウターケース４と同様に、同じ高さを有する扁平な円柱状の４個の突起体１４，１４・・が、上向きに突出するように設けられており、それらの４個の突起体１４，１４・・が、上側アウターケース４の突起体１０，１０・・と同じ配置になるように、規則正しく配置された状態になっている。さらに、片方の側板１３の前端際には、排出管７を係合させるための係合孔１５が穿設されている。

一方、図３は、伝熱管２の平面を示したものであり、図４は、伝熱管２を分解した状態を示したものである。各伝熱管２，２・・は、上側ケース１６、下側ケース１７および放熱フィン１８を組み付けることによって形成されている。

上側ケース１６は、金属板（ステンレス板）をプレス加工することによって、断面コ字状の扁平な半四角柱状に形成されており、略長方形状の天板１９の左右にそれぞれ側壁２０，２０が下向きに直交するように連設された状態になっている。そして、天板１９の外面には、同じ高さを有する扁平な円柱状の４個の突起体２１，２１・・が、上向きに突出するように設けられており、それらの４個の突起体２１，２１・・が、それぞれ長方形の頂点を成すように規則正しく配置された状態になっている。なお、各突起体２１，２１・・の形状は、上側アウターケース４の突起体１０，１０・・および下側アウターケース５の突起体１４，１４・・と同様である。また、天板１９および側壁２０，２０の前後の端縁際には、各突起体２１，２１・・の高さと同じ長さだけ外向きに突出するように膨出部２２，２２が形成されている。さらに、突起体２１，２１・・の配置は、上側アウターケース４の突起体１０，１０・・および下側アウターケース５の突起体１４，１４・・の配置と同様である。加えて、側壁２０，２０の前側および後側には、下側ケース１７と重ね合わせた際に位置ずれを防止するための膨出係合部２３，２３・・が形成されている。

また、下側ケース１７も、上側ケース１６と同様に、金属板（ステンレス板）をプレス加工することによって、断面コ字状の扁平な半四角柱状に形成されており、略長方形状の底板２４の左右にそれぞれ側壁２５，２５が上向きに直交するように連設された状態になっている。なお、下側ケース１７は、各側壁２５，２５同士の間隔が、上側ケース１６よりも若干狭くなっている。そして、底板２４の外面には、上側ケース１６と同様に、同じ高さを有する扁平な円柱状の４個の突起体２６，２６・・が、下向きに突出するように設けられており、それらの４個の突起体２６，２６・・が、上側ケース１６の突起体２１，２１・・と同じ配置になるように、規則正しく配置された状態になっている。なお、各突起体２６，２６・・の形状は、上側ケース１６の各突起体２１，２１・・、上側アウターケース４の突起体１０，１０・・および下側アウターケース５の突起体１４，１４・・と同様である。また、底板２４および側壁２５，２５の前後の端縁際には、各突起体２６，２６・・の高さと同じ長さだけ外向きに突出するように膨出部２７，２７が形成されている。さらに、側壁２５，２５の前側および後側には、上側ケース１６と重ね合わせた際に膨出係合部２３，２３と合致する膨出係合部３３，３３が形成されている。

一方、放熱フィン１８は、金属板（ステンレス板）をプレス加工することによって、多数の筋状凹部２８，２８・・と筋状凸部２９，２９・・とを左右方向に連設してなる扁平なプレート状に形成されている。そして、各筋状凹部２８，２８・・および各筋状凸部２９，２９・・には、熱交換の効率を高めるための多数の突出片（図示せず）が内向きに突出するように設けられている。

＜多管式熱交換器の組み付け＞
多管式熱交換器１は、上側ケース１６、下側ケース１７および放熱フィン１８を組み付けることによって各伝熱管２，２・・を形成し、形成された各伝熱管２，２・・を積層して仮止めすることによって伝熱管積層体３０を形成し、上側アウターケース４と下側アウターケース５とを溶接（ロウ付）して外管３を形成する際に、当該伝熱管積層体３０を、その外管３内に収納させて溶接（ロウ付）することによって形成されている。

各伝熱管２，２・・を組み付ける際には、上側ケース１６の突起体２１，２１・・および下側ケース１７の突起体２６，２６・・の表面に、接合防止剤（たとえば、アクリル・ウレタン系樹脂からなるもの）が所定の厚み（０．１μｍ〜１００μｍ）で塗布される。そして、下側ケース１７の底板２４の上に、筋状凹部２８，２８・・の底面および筋状凸部２９，２９・・の上面に銅ロウやニッケルロウ等のロウ材を塗布した放熱フィン１８を載置した状態で、下側ケース１７の各側壁２５，２５の外側に、上側ケース１６の各側壁２０，２０が位置するように、上側ケース１６を外嵌させ、その上側ケース１６の各側壁２０，２０と下側ケース１７の各側壁２５，２５との間にロウ材を塗布することによって、各伝熱管２，２・・が、それぞれ一体的に組み付けられる。しかる後、それらの各伝熱管２，２・・が積層され、その状態で仮止めされることによって伝熱管積層体３０が形成される。なお、各伝熱管２，２・・が積層される際には、上側ケース１６の膨出部２２および下側ケース１７の膨出部２７の外面にもロウ材が塗布される。

上記の如く伝熱管積層体３０が形成された後には、上側アウターケース４と下側アウターケース５とを溶接（ロウ付）して外管３が形成され、その際に外管３内に伝熱管積層体３０が収納される。上側アウターケース４と下側アウターケース５とをロウ付する際には、上側アウターケース４の突起体１０，１０・・および下側アウターケース５の突起体１４，１４・・の表面に、上側ケース１６の突起体２１，２１・・、下側ケース１７の突起体２６，２６・・に塗布したものと同様な接合防止剤が塗布される。

しかる後、伝熱管積層体３０を下側アウターケース５の内部に収納した状態で、下側アウターケース５の側板１３，１３の内側に、上側アウターケース４の側板９，９が位置するように、上側アウターケース４を内嵌させ、その上側アウターケース４の側板９，９と下側アウターケース５の側板１３，１３との間にロウ材を塗布することによって、外管３が一体的に組み付けられ、当該外管３の内部に伝熱管積層体３０が収納される。さらに、上側アウターケース４の側板９の係合孔１１に、基端にロウ材を塗布した導入管６が係合され、下側アウターケース５の側板１３の係合孔１５に、基端にロウ材を塗布した排出管７が係合されることによって、多管式熱交換器１の仮組み付けを完了する。

しかる後、仮組み付けされた多管式熱交換器１を、所定の温度に設定された還元雰囲気の炉中に所定の時間だけ放置した後、所定の時間だけ冷却することによって、各部材に塗布されたロウ材を溶融・固化させる（ロウ付工程）。かかるロウ付工程によって、各伝熱管２，２・・においては、上側ケース１６、下側ケース１７および放熱フィン１８が一体的に溶接される。また、伝熱管積層体３０においては、上側に位置した伝熱管２の下側ケース１７の膨出部２７と下側に位置した伝熱管２の上側ケース１７の膨出部２２とが互いに互いに溶接される。さらに、最上位置の伝熱管２の上側ケース１７の膨出部２２および最下位置の伝熱管２下側ケース１７の膨出部２７が、それぞれ、上側アウターケース４の内面、下側アウターケース５の内面に溶接される。加えて、導入管６、排出管７が、それぞれ、上側アウターケース４の側板９、下側アウターケース５の側板１３に溶接される。そして、伝熱管積層体３０が、外管３の内部に気密的に溶接された状態となる。

また、上記の如く、ロウ付工程が施される際には、隣接した伝熱管２，２に設けられた突起体（すなわち、上側に位置した伝熱管２の下側ケースの突起体２６，２６・・および下側に位置した伝熱管２の上側ケースの突起体２１，２１・・）同士、最上位置の伝熱管２の上側ケース１６の突起体２１，２１・・と上側アウターケース４の突起体１０，１０・・、最下位置の伝熱管２の下側ケース１７の突起体２６，２６・・と下側アウターケース５の突起体１４，１４・・は、いずれも隣接した状態になっている（図５参照）。しかしながら、それらの各伝熱管２，２・・の上側ケース１６の突起体２１，２１・・、下側ケース１７の突起体２６，２６・・、上側アウターケース４の突起体１０，１０・・および下側アウターケース５の突起体１４，１４・・は、いずれも、ロウ付工程の前に、表面に接合防止剤が塗布されていたため、ロウ付工程の後には、図６の如く、各突起体同士の隣接界面に、高温暴露により炭化した接合防止剤Ａが介在することとなり、接合し合った状態にはならない。

＜多管式熱交換器の作用＞
上記の如く形成された多管式熱交換器１においては、外管３の前端の導入口３１から導入された媒体（たとえば、排気ガス）が、伝熱管積層体３０を構成する各伝熱管２，２・・内を流通し、外管３の後端の排出口３２から外部へ排出される。一方、導入管６から流入した媒体（たとえば、冷却水）は、外管３と伝熱管積層体３０との隙間、および、伝熱管積層体３０を構成している各伝熱管２，２・・同士の隙間を流通し、排出管７から外部へ排出される。そして、上記した２種類の媒体の流通の際に、効率的な熱交換が行われる（たとえば、外管３内を流通する排気ガスが効率的に冷却される）。それゆえ、多管式熱交換器１は、たとえば、自動車のＥＧＲ(Exhaust Gas Recirculation)システムに用いることにより、内燃機関の排気マニホールドから排気ガスの一部を導入して所定の温度まで冷却し、冷却後の排気ガス（所謂、ＥＧＲガス）を、ＥＧＲ弁を介して吸気マニホールドに排出させることができる。

＜多管式熱交換器の効果＞
多管式熱交換器１は、上記の如く、各伝熱管２，２・・の表面に、複数の突起体（突起体２１，２１・・および突起体２６，２６・・）が所定の配置の散点状に突設されているとともに、外管３の内面に、複数の突起体（突起体１０，１０・・および突起体１４，１４・・）が同様な配置の散点状に突設されており、外管３の突起体（突起体１０，１０・・あるいは突起体１４，１４・・）と伝熱管２，２・・の突起体（突起体２１，２１・・あるいは突起体２６，２６・・）、および、隣接した伝熱管２，２の突起体同士（上側ケース１６の突起体２１，２１・・および下側ケース１７の突起体２６，２６・・）が、それぞれ接合していないため、長期間に亘ってエンジン作動時の振動等の衝撃を受け続けた場合でも、きわめて外管３や伝熱管２，２・・が破損しにくい。

また、多管式熱交換器１は、外管３の突起体（上側アウターケース４の突起体１０，１０・・あるいは下側アウターケース５の突起体１４，１４・・）と伝熱管２の突起体（上側ケース１６の突起体２１，２１・・あるいは下側ケース１７の突起体２６，２６・・）との間、および、隣接した伝熱管２，２・・の突起体同士（上側に位置した伝熱管２の下側ケース１７の突起体２６，２６・・および下側に位置した伝熱管２の上側ケース１６の突起体２１，２１・・）の間に、炭化物質が介在しているため、隣接し合った突起体同士が確実に離反した状態で保たれているので、きわめて高い精度で外管３や伝熱管２，２・・の破損を防止することができる。

さらに、多管式熱交換器１は、外管３の突起体（上側アウターケース４の突起体１０，１０・・および下側アウターケース５の突起体１４，１４・・）および各伝熱管２，２・・の突起体（上側ケース１６の突起体２１，２１・・および下側ケース１７の突起体２６，２６・・）の表面に接合防止剤を塗布することのみによって、外管３の突起体と各伝熱管２，２・・の突起体、および、隣接した伝熱管２，２・・の突起体同士の接合を回避したものであるので、安価かつ容易に製造することができる。

＜多管式熱交換器の変更例＞
なお、本発明に係る多管式熱交換器の構成は、上記実施形態の態様に何ら限定されるものではなく、伝熱管（上側ケース、下側ケース、放熱フィン）、外管（上側アウターケース、下側アウターケース）等の材質、形状・構造等の構成を、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で、必要に応じて適宜変更することができる。

たとえば、本発明に係る多管式熱交換器は、伝熱管および外管をステンレスによって形成したものに限定されず、伝熱管、外管の全部あるいは一部を他の金属によって形成したものでも良い。また、多管式熱交換器は、７個の伝熱管を積層した伝熱管積層体を収納したものに限定されず、６個以下あるいは８個以上の伝熱管を積層した伝熱管積層体を収納したものでも良い。

一方、伝熱管の上下ケースおよび外管の上下アウターケースに設ける突起体の個数も４個に限定されず、３個以下、あるいは５個以上でも良い。また、突起体の形状も扁平な円柱状に限定されず、扁平な角柱状や、扁平な楕円柱状等に変更することが可能である。加えて、突起体の配置も、上記実施形態の如く、長方形の各頂点を成すような配置に限定されず、格子状や千鳥状等の配置に変更することが可能である。

１・・多管式熱交換器
２・・伝熱管
３・・外管
４・・上側アウターケース
５・・下側アウターケース
３０・・伝熱管積層体
Ａ・・炭化した物質

Claims (3)

1. 扁平な中空角柱状の複数の伝熱管と、それらの複数の伝熱管を積層させた状態で収納する外管とを備えており、前記外管と前記伝熱管との隙間を流通する媒体と、前記伝熱管内を流通する媒体との間で熱交換を行わせる多管式の熱交換器であって、
   各伝熱管の表面に、複数の突起体が所定の配置の散点状に突設されているとともに、外管の内面に、複数の突起体が前記所定の配置と同様な配置の散点状に突設されており、
   外管の突起体と伝熱管の突起体、および、隣接した伝熱管の突起体同士が、それぞれ接合していないことを特徴とする多管式熱交換器。
2. 外管の突起体と伝熱管の突起体との間、および、隣接した伝熱管の突起体同士の間に、炭化物質が介在していることを特徴とする請求項１に記載の多管式熱交換器。
3. 外管が、内面に突起体を設けた２個の半筒状のアウターケースからなり、各アウターケースの突起体の表面にそれぞれ接合防止剤を塗布した状態で、それらのアウターケースを溶接することによって形成されたものであるとともに、
   各伝熱管が、突起体の表面に接合防止剤を塗布した状態で積層された後に、前記外管の溶接時に外管内部に溶接されたものであることを特徴とする請求項１、または請求項２に記載の多管式熱交換器。

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