JP2015025601A - 熱交換器及び熱交換デバイス - Google Patents

Abstract

【課題】熱交換器の長寿命化を図る。
【解決手段】熱交換器３０は、角筒状に形成されているコアケース３１と、このコアケース３１の内部に配置され内部に第１熱媒体が流される熱交換チューブ３４と、第１熱媒体の流れ方向を基準として熱交換チューブ３４を支持すると共にコアケース３１の端部を閉じる上流側エンドプレート３２及び下流側エンドプレート３３とからなり、第１熱媒体と、熱交換チューブ３４の外周を流される第２熱媒体とで熱交換を行う。上流側エンドプレート３２の上流側に、且つ、エンドプレート３２のコーナ部３２ａに対応させた位置に、第１熱媒体を最外層の熱交換チューブ３４に向けてガイドするガイドプレート５０が取り付けられている。
【選択図】図３

Description

本発明は、熱交換器及びこの熱交換器が搭載された熱交換デバイスに関する。

熱交換器は、熱交換チューブの内周を流れる第１熱媒体と、外周を流れる第２熱媒体とで熱交換を行う装置である。熱交換器が熱交換デバイスに搭載されることが知られている（例えば、特許文献１第４頁、図１参照。）。

図８に示されるように、排熱回収装置１００は、熱交換を行うために熱交換器１１０が配置されている熱回収路１０２と、この熱回収路１０２を迂回し熱交換を行わない迂回路１０３とを有している。熱交換器１１０には、媒体が導入される媒体導入管１０４と、媒体が排出される媒体排出管１０５とが接続されている。熱回収路１０２及び迂回路１０３には、図面表裏方向に向かって排気ガスが流れる。このような排熱回収装置１００に用いられている熱交換器１１０には、次図において説明するような問題点がある。

図９に示されるように、高温の排気ガスが熱交換器１１０を通過することにより、熱交換器１１０は、高温となり膨張する。特に、エンドプレート１２０のコーナ部１２０ａには、図面上下方向に引っ張られる力と図面左右方向に引っ張られる力との両方向の力が加わり、これらの力が負荷となる。長寿命化を図る観点から、熱交換器のコーナ部に加わる負荷を軽減することが望まれる。

特開２００８−１５７２１１公報

本発明は、熱交換器の長寿命化を図ることを課題とする。

請求項１に係る発明は、角筒状に形成されているコアケースと、このコアケースの内部に配置され内部に第１熱媒体が流される熱交換チューブと、前記第１熱媒体の流れ方向を基準として前記熱交換チューブの上流側端部を支持すると共に前記コアケースの上流側端部を閉じる上流側エンドプレートと、前記熱交換チューブの下流側端部を支持すると共に前記コアケースの下流側端部を閉じる下流側エンドプレートとからなり、前記第１熱媒体と、前記熱交換チューブの外周を流される第２熱媒体とで熱交換を行う熱交換器において、
前記上流側エンドプレートの上流側に、且つ、前記エンドプレートのコーナ部に対応させた位置に、前記第１熱媒体を前記熱交換チューブに向けてガイドするガイドプレートが取り付けられていることを特徴とする。

請求項２に係る発明は、前記上流側エンドプレートは、前記コアケースの軸線に直交する底部と、この底部の縁から上流側へ延びる壁部とからなり、
前記ガイドプレートは、前記壁部の内面に沿う筒部と、この筒部から下流へ延び先端が絞られる縮径部とからなり、
前記筒部は、前記壁部の内面に離間して配置される一般部と、この一般部から前記壁部の内面まで突出する山部とからなり、
前記山部だけが前記壁部に接触していることを特徴とする。

請求項３に係る発明は、請求項１又は請求項２記載の熱交換器が搭載されている熱交換デバイスであって、
前記第１熱媒体としての排気ガスが導入され、導入された前記第１熱媒体を２つの流路に分岐する分岐部と、
この分岐部から延びている第１流路と、
前記分岐部から前記第１流路に沿うようにして延びている第２流路と、
この第２流路に取付けられ、前記第１熱媒体の熱からエネルギを回収する前記熱交換器と、
前記第１流路又は前記第２流路を開閉可能に設けられているバルブとからなることを特徴とする。

請求項１に係る発明では、エンドプレートのコーナ部に対応させた位置に、第１熱媒体を熱交換チューブに向けてガイドするガイドプレートが取り付けられている。第１熱媒体は、ガイドプレートによって熱交換チューブにガイドされる。このことにより、コーナ部に向かって第１熱媒体が流れることを防止できる。コーナ部に接触する第１熱媒体の流量を削減することにより、コーナ部の温度の上昇を抑制し、コーナ部に加わる負荷を軽減する。これにより、熱交換器の長寿命化を図ることができる。

加えて、第１熱媒体が熱交換チューブに直接的にガイドされることにより、第１熱媒体がコーナ部近傍に滞留することを抑制する。これにより、熱交換チューブへの第１熱媒体の流量を増加させることができ、熱交換効率を高めることができる。

請求項２に係る発明では、ガイドプレートの筒部は、山部だけが上流側エンドプレートの壁部に接触している。即ち、ガイドプレートの一部のみをエンドプレートに接触させることにより、ガイドプレートとエンドプレートとの接触面積を小さくしている。ガイドプレートは、第１熱媒体の熱によって高温になる。ガイドプレートとエンドプレートとの接触面積を小さくすることにより、ガイドプレートからエンドプレートへの伝熱量を抑制することができる。これにより、コーナ部への伝熱量も抑制され、さらにコーナ部に加わる負荷を軽減させることができる。

請求項３に係る発明では、熱交換デバイスには、本発明による熱交換器が搭載されている。熱交換デバイスは高温の排気ガスが流れ、過酷な条件の下において使用される装置である。本発明による熱交換器を採用することにより、熱交換器の長寿命化を図ることができ、熱交換デバイスの寿命も長くすることができる。

実施例１による熱交換器が搭載された排熱回収装置の平面図である。 図１に示された排熱回収装置の断面図である。 図２に示された熱交換器の断面図である。 図３の４矢視図である。 図４に示された熱交換器の作用を説明する図である。 実施例２による熱交換器の正面図である。 実施例３による熱交換器の正面図である。 従来の技術の基本構成を説明する図である。 図８に示された従来の技術の問題点を説明する図である。

本発明の実施の形態を添付図に基づいて以下に説明する。なお、図面は符号の向きに見るものとする。

実施例１による熱交換器が排熱回収装置に搭載された例を、図面に基づいて説明する。
図１に示されるように、排熱回収装置１０は、内燃機関において発生した排気ガス（第１熱媒体）が導入される導入口１１と、この導入口１１に接続されている分岐部１２と、この分岐部１２に接続され導入口１１の下流に延びている第１流路１３と、この第１流路１３に沿って分岐部１２から延びている第２流路１４と、この第２流路１４の一部を形成し排気ガスの熱を媒体（第２熱媒体）に伝える熱交換器３０と、この熱交換器３０に接続されているサーモアクチュエータ１６と、第１及び第２流路１３，１４の下流端が接続されているバルブ室１７と、このバルブ室１７に接続され排気ガスを排出する排出口１８とからなる。バルブ室１７は、第１又は第２流路１３，１４内を通過した排気ガスが合流する合流部を兼ねている。

図２に示されるように、バルブ室１７には、バルブ１９が収納されている。このバルブ１９は、サーモアクチュエータ（図１、符号１６）に接続されていると共に、第１流路１３を閉鎖している。このとき、第２流路１４は開放されており、排気ガスは、第２流路１４を通過する。一方、所定の条件によりバルブ１９がスイングすると、バルブ１９は、第２流路１４を閉じる。このとき、第１流路１３は開放されており、排気ガスは、第１流路１３を通過する。

図１に戻り、熱交換器３０の側方には、媒体を導入するための媒体導入管２１が接続されている。また、熱交換器３０には、サーモアクチュエータ１６を支持しているアクチュエータ支持部材２２が接続されている。アクチュエータ支持部材２２には、媒体を排出するための媒体排出管２３が接続されている。

即ち、媒体は、媒体導入管２１から熱交換器３０に導入される。導入された媒体は、熱交換器３０内において排気ガスの熱を受け、媒体排出管２３から排出される。熱交換器３０の詳細について、次図以降において詳細に説明する。

図３に示されるように、熱交換器３０は、略角筒形状を呈し内部に媒体が流されるコアケース３１と、このコアケース３１の両端の開口を塞ぐように取付けられている上流側及び下流側エンドプレート３２，３３と、これらの上流側及び下流側エンドプレート３２，３３間に取付けられ内部を排気ガスが通過する複数の熱交換チューブ３４と、上流側エンドプレート３２に接合され熱交換チューブ３４に向かって排気ガスをガイドするガイドプレート５０とからなる。

上流側エンドプレート３２は、略矩形の底部４１と、この底部４１から立ち上げられ底部４１の全周にわたって形成されている壁部４２とからなる。底部４１には、熱交換チューブ３４が貫通される貫通孔４１ａが形成されている。壁部４２は、底部４１から上流側に向かって延びている。

下流側エンドプレート３３は、略矩形の底部４６と、この底部４６から立ち上げられ底部４６の全周にわたって形成されている壁部４７とからなる。底部４６には、熱交換チューブ３４が貫通される貫通孔４６ａが形成されている。壁部４７は、底部４６から上流側に向かって延びている。このことにより、下流側エンドプレート３３の内周には、媒体が充填されている。下流側エンドプレート３３の内周に媒体が充填されている分、コアケース３１を小型化することができる。

ガイドプレート５０は、上流側エンドプレート３２の内周面に沿って配置されている略角筒型の金属製の部材である。ガイドプレート５０は、壁部４２の内面に沿う筒部５１と、この筒部５１から下流へ延び先端が絞られる縮径部５２とからなる。

縮径部５２の先端は、熱交換チューブ３４の先端又は上流側エンドプレート３２の底部４１に対して所定の距離を開けた状態に保たれている。排気ガスは、熱交換チューブ３４内を流れることによって、熱を媒体に伝導する。このため、熱交換器３０内において、ガイドプレート５０には最も高温の排気ガスが流れる。高温であるほど熱による延びは大きくなるため、ガイドプレート５０は、最も延びの生じやすい部位に配置されていると言える。熱伸びが生じ、熱交換チューブ３４の先端又は上流側エンドプレート３２の底部４１に対して縮径部５２の先端が接触すると、互いに負荷がかかる。このため、熱交換チューブ３４の先端又は上流側エンドプレート３２の底部４１に対して、所定の距離を開けた状態に保つことにより、縮径部５２の先端が接触することを防止している。

図４に示されるように、排気ガスの流れ方向から見た場合に、エンドプレート３２のコーナ部３２ａを覆うようにして、ガイドプレート５０が取り付けられている。ガイドプレート５０の筒部５１は、山部５１ａと一般部５１ｂが繰り返す波形形状とされ、山部５１ａだけが上流側エンドプレート３２の壁部４２に接触している。即ち、一般部５１ｂは、上流側エンドプレート３２の壁部４２に対して離間している。

熱交換チューブ３４には、フィン３７が収納されている。熱交換チューブ３４の長手方向両端は、ガイドプレート５０の縮径部５２によって覆われている。

ガイドプレート５０の一部のみを上流側エンドプレート３２に接触させることにより、ガイドプレート５０と上流側エンドプレート３２との接触面積を小さくしている。ガイドプレート５０は、排気ガスの熱によって高温になる。ガイドプレート５０と上流側エンドプレート３２との接触面積を小さくすることにより、ガイドプレート５０から上流側エンドプレート３２への伝熱量を減少させることができる。これにより、コーナ部３２ａへの伝熱量も抑制され、さらにコーナ部３２ａに加わる負荷を軽減させることができる。

ガイドプレート５０の縮径部５２は、フィン３７が収納されている熱交換チューブ３４の長手方向両端を覆っている。フィン３７は、熱交換チューブ３４の内部にろう付けなどにより接合されている部品である。接合作業が困難なため、長手方向の両端には、フィン３７が配置されていない。フィン３７が配置されていない部位は、流路面積が広いため、抵抗が少なく、より多くの排気ガスが流れる。ところが、フィン３７の配置されていない部位は、伝熱面積が小さいため、熱交換効率が他の部位に比べて低い。このため、フィン３７の配置されていない場所へ排気ガスが流れることを防止するために、ガイドプレート５０の縮径部５２によって熱交換チューブ３４の長手方向両端を覆った。これにより、排気ガスをフィン３７の配置されている部位に導くことができ、熱交換効率を向上させることができる。

なお、ガイドプレート５０の一般部５１ｂと、上流側エンドプレート３２の壁部４２との間の隙間は、十分に小さく設定されている。即ち、ガイドプレート５０から上流側エンドプレート３２への伝熱を抑制する目的で形成されている隙間であるから、僅かにでも隙間が空いていれば、この目的を達成することができる。このため、隙間を流れた排気ガスによってコーナ部３２ａが温められることは十分に抑制されている。

図５（ａ）の比較例に示されるように、排気ガスが流れることにより、熱交換器１１０のコーナ部１３１ａは、高温になる。コーナ部１３１ａには、熱により図面上下方向に引っ張られる力と図面左右方向に引っ張られる力との両方向の力が加わり、これらの力が負荷となる。この負荷は、温度Ｔ１が高いほど大きくなる。

また、図５（ａ）のｂ−ｂ線断面図である図５（ｂ）に示されるように、排気ガスが流れることにより、上流側エンドプレート１３２は、排気ガスの熱によって外方に向かって膨張する。これにより、コアケース１３１も膨張する。一方、図５（ａ）に示されるように、コアケース１３１のコーナ部１３１ａは、円弧形状を呈し、平面状の部位に比べて剛性が高い。このため、コアケース１３１のコーナ部１３１ａは、コアケース１３１が膨張する際に、平面状の部位に比べてエンドプレート１３２に追従し難い。即ち、コアケース１３１のコーナ部１３１ａは、膨張するエンドプレート１３２に対して、大きな抵抗となる。このため、エンドプレート１３２のコーナ部１３２ａには、大きな負荷がかかる。

図５（ｃ）の実施例に示されるように、エンドプレート３２のコーナ部３２ａに対応させた位置に、排気ガスを熱交換チューブ３４に向けてガイドするガイドプレート５０が取り付けられている。排気ガスは、ガイドプレート５０によって熱交換チューブ３４にガイドされる。このことにより、コーナ部３２ａに向かって排気ガスが流れることを防止できる。コーナ部３２ａに接触する排気ガスの流量を削減することにより、コーナ部３２ａの温度Ｔ２の上昇を抑制し、コーナ部３２ａの圧縮応力を低減する。これにより、コーナ部３２ａに加わる負荷を軽減し、熱交換器３０の長寿命化を図ることができる。即ち、Ｔ２＜Ｔ１とすることにより、コーナ部３２ａに加わる負荷が低減される。

図３も参照して、排気ガスが熱交換チューブ３４に直接的にガイドされることにより、排気ガスがコーナ部３２ａ近傍に滞留することを抑制する。これにより、熱交換チューブ３４への排気ガスの流量を増加させることができ、熱交換効率を高めることができる。

図１に戻り、排熱回収装置１０には、本発明による熱交換器３０が搭載されている。排熱回収装置１０は高温の排気ガスが流れ、過酷な条件の下において使用される装置である。本発明による熱交換器３０を採用することにより、熱交換器３０の長寿命化を図ることができ、排熱回収装置１０の寿命も長くすることができる。

次に、本発明の実施例２を図面に基づいて説明する。
図６には、実施例２の熱交換器の正面図が示され、図６は上記図４に対応させて表している。

図６に示されるように、実施例２による熱交換器３０Ａは、実施例１の熱交換器に比べて、ガイドプレートを変更した。

即ち、正面視において略コ字状を呈する２枚のガイドプレート５０Ａ，５０Ａを用いた。これらのガイドプレート５０Ａ，５０Ａも、エンドプレート３２のコーナ部３２ａを覆っていると共に、熱交換チューブ３４の長手方向端部を覆っている。このような構成のガイドプレート５０Ａ，５０Ａを用いた場合にも本発明所定の効果を得ることができる。

次に、本発明の実施例３を図面に基づいて説明する。
図７には、実施例３の熱交換器の正面図が示され、図７は上記図４に対応させて表している。

図７に示されるように、実施例３による熱交換器３０Ｂは、実施例１の熱交換器に比べて、ガイドプレートを変更した。

即ち、正面視において略Ｌ字状を呈する４枚のガイドプレート５０Ｂを用いた。これらのガイドプレート５０Ｂによってそれぞれのコーナ部３２ａを覆っている。このような構成のガイドプレート５０Ｂを用いた場合にも本発明所定の効果を得ることができる。

尚、本発明の熱交換器は、実施の形態では排熱回収装置に適用したが、ＥＧＲ（Exhaust Gas Recirculation）クーラやコージェネレーションシステム、熱電発電装置への適用も可能であり、これらのものに用途は限られない。

また、２枚組のガイドプレートの一部のみを上流側エンドプレートに接合するようにするなど、各実施例間において構成を組み合わせることも可能である。

本発明の熱交換器は、排熱回収装置に好適である。

１０…排熱回収装置、１２…分岐部、１３…第１流路、１４…第２流路、１９…バルブ、３０，３０Ａ，３０Ｂ…熱交換器、３１…コアケース、３１ａ…（コアケースの）コーナ部、３２…上流側エンドプレート、３２ａ…（上流側エンドプレートの）コーナ部、３３…下流側エンドプレート、３４…熱交換チューブ、４１…（上流側エンドプレートの）底部、４２…（上流側エンドプレートの）壁部、５０，５０Ａ，５０Ｂ…ガイドプレート、５１…筒部、５１ａ…山部、５１ｂ…一般部、５２…縮径部。

Claims (3)

1. 角筒状に形成されているコアケースと、このコアケースの内部に配置され内部に第１熱媒体が流される熱交換チューブと、前記第１熱媒体の流れ方向を基準として前記熱交換チューブの上流側端部を支持すると共に前記コアケースの上流側端部を閉じる上流側エンドプレートと、前記熱交換チューブの下流側端部を支持すると共に前記コアケースの下流側端部を閉じる下流側エンドプレートとからなり、前記第１熱媒体と、前記熱交換チューブの外周を流される第２熱媒体とで熱交換を行う熱交換器において、
   前記上流側エンドプレートの上流側に、且つ、前記エンドプレートのコーナ部に対応させた位置に、前記第１熱媒体を前記熱交換チューブに向けてガイドするガイドプレートが取り付けられていることを特徴とする熱交換器。
2. 前記上流側エンドプレートは、前記コアケースの軸線に直交する底部と、この底部の縁から上流側へ延びる壁部とからなり、
   前記ガイドプレートは、前記壁部の内面に沿う筒部と、この筒部から下流へ延び先端が絞られる縮径部とからなり、
   前記筒部は、前記壁部の内面に離間して配置される一般部と、この一般部から前記壁部の内面まで突出する山部とからなり、
   前記山部だけが前記壁部に接触していることを特徴とする請求項１記載の熱交換器。
3. 請求項１又は請求項２記載の熱交換器が搭載されている熱交換デバイスであって、
   前記第１熱媒体としての排気ガスが導入され、導入された前記第１熱媒体を２つの流路に分岐する分岐部と、
   この分岐部から延びている第１流路と、
   前記分岐部から前記第１流路に沿うようにして延びている第２流路と、
   この第２流路に取付けられ、前記第１熱媒体の熱からエネルギを回収する前記熱交換器と、
   前記第１流路又は前記第２流路を開閉可能に設けられているバルブとからなることを特徴とする熱交換デバイス。

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