JP2015132420A - 熱交換器用伝熱管および熱交換器 - Google Patents

Abstract

【課題】熱交換効率をより向上させること。【解決手段】排気ガス流路ＧＣＮが内部に設けられ、第一のプレート１３０および第一のプレート１３０と対向して配置された第二のプレート１４０を備えた伝熱管本体と、第一のプレート１３０の内周面１３０Ａに設けられた第一のフィン１３２と、第二のプレート１４０の内周面１４０Ａに設けられた第二のフィン１４０とを備え、第一のフィン１３０と、第二のフィン１４０との間に形成される隙間Ｇ５が、排気ガス流れ方向Ｆに沿って、第一のプレート１３０側から第二のプレート１４０側へ向かう方向、および、その逆方向へと、交互に蛇行するように形成された熱交換器用伝熱管及びこれを用いた熱交換器。【選択図】図４

Description

本発明は、熱交換器用伝熱管および熱交換器に関するものである。

排気ガス中の窒素酸化物の低減や、燃費向上などを目的として、自動車等の内燃機関において、燃焼後の排気ガスの一部を取り出して、吸気側へ導き再度吸気させる技術（Exhaust Gas Recirculation）では、排気ガスを、内燃機関の冷却水を用いて気−液熱交換により冷却する熱交換器が多数提案されている。

このような熱交換器に用いられる熱交換器用伝熱管としては、伝熱管の一部分を構成する一対のプレートの内周面の各々にフィンを設けた熱交換器用伝熱管が広く知られている。このタイプの熱交換器用伝熱管は、大別すると、（１）図１２に示すような一方のプレート（上側プレート２０２）の内周面２０２Ａに設けられた上側フィン２０４と、一方のプレートに対向して配置された他方のプレート（下側プレート２０６）の内周面２０６Ａに設けられた下側フィン２０８とが、これらプレート２０２、２０６の幅方向において交互に重なり合う熱交換器用伝熱管２００と、（２）図１３に示すような一方のプレート（上側プレート２１２）の内周面２１２Ａに設けられた上側フィン２１４の先端部２１４Ｔと、一方のプレートに対向して配置された他方のプレート（下側プレート２１６）の内周面２１６Ａに設けられた下側フィン２１８の先端部２１８Ｔとが互いに向き合う熱交換器用伝熱管２１０とがある。これらの熱交換器用伝熱管２００、２１０では、排気ガスの熱が、フィン２０４、２０８、２１４、２１８を介してプレート２０２、２０６、２１２、２１６へと伝達され、さらに、これらプレート２０２、２０６、２１２、２１６の外周面２０２Ｂ、２０６Ｂ、２１２Ｂ、２１６Ｂと接触する冷却用液体（図中、不図示）により吸収される。なお、図１２および図１３は、熱交換器用伝熱管２００、２１０を、排気ガスの平均的流れ方向と直交する平面で切断した場合の断面構造を示す模式断面図である。

また、この他にも、特許文献１には、伝熱管内に発生する煤の堆積や汚れの付着を抑制すると共に、熱交換性能を向上させた熱交換器用伝熱管が提案されている。特許文献１に記載の技術では、伝熱管内に内装され、ステンレススチール材等からなるフィン構造体が、断面形状略矩形のチャンネル形状の波形で、長手方向（排気ガスの平均的流れ方向）に所定の波形のうねりが形成された湾曲曲面を有している。この波形は、フィン構造体を収納する伝熱管の矩形状断面の一対の長手方向の辺（冷却水と接する辺）と平行な方向において一方側から他方側およびその逆方向へとうねるように形成されている。

特開２００７−７８１９４号公報（請求項１、請求項７、段落０００７、図１、図５等）

一方、熱交換効率を向上させるためには、排気ガスとフィンとの熱伝達率を大きくすることが有効である。排気ガスとフィンとの熱伝達率を大きくするためには、たとえば、フィンの表面積を大きくする以外にも、排気ガスとフィンとの温度差を大きくすること、すなわち、図１２および図１３に示す例で具体的に説明すれば、フィン２０４、２０８、２１４、２１８の温度を、冷却面として機能する外周面２０２Ｂ、２０６Ｂ、２１２Ｂ、２１６Ｂの温度に近づけることが必要である。

しかし、図１２に示す熱交換器用伝熱管２００では、外周面２０２Ｂからフィン２０４の先端部２０４Ｔおよび外周面２０６Ｂからフィン２０８の先端部２０８Ｔまでの距離が長い。このため、特にフィン２０４、２０８の先端部２０４Ｔ、２０８Ｔの温度が低下し難く、結果的に、フィン２０４、２０８の単位表面積当たりの熱伝達率は低下する。それゆえ、フィンの単位表面積当たりの熱伝達率の向上を考慮すれば、図１３に示す熱交換器用伝熱管２１０の方がより有利である。この熱交換器用伝熱管２１０では、図１２に示す熱交換器用伝熱管２００における１枚のフィン２０４（又はフィン２０８）の長さ（図中、上下方向の長さ）の約半分の長さを持つ、２枚のフィン２１４、２１８を上下方向に並べて配置しているためである。

しかしながら、図１３に示す熱交換器用伝熱管２１０や、特許文献１に示す熱交換器用伝熱管などよりもより熱交換効率に優れた熱交換器用伝熱管が求められている。

本発明は、上記事情に鑑みてなされたものであり、より熱交換効率に優れた熱交換器用伝熱管およびこれを用いた熱交換器を提供することを課題とする。

上記課題を達成するために、本発明者は、図１３に示す熱交換器用伝熱管２１０や、特許文献１に示す熱交換器用伝熱管について更なる検討を行った。まず、図１３に示す熱交換器用伝熱管２１０では、図１３中の点線で囲まれた領域Ｃ内、すなわち、熱交換器用伝熱管２１０の高さ方向（図１３中の上下方向）中央部を流れる排気ガスが最も高温になり易く、この状態が維持されたまま、排気ガス出口へと排気ガスが流れる。これは、領域Ｃ内に位置するフィン２１４の先端部２１４Ｔおよびフィン２１８の先端部２１８Ｔが、冷却面として機能する外周面２１２Ｂおよび２１６Ｂから各々最も離れた位置に存在しており、先端部２１４Ｔ、２１８Ｔの熱が奪われにくいためである。これに加えて、フィン２１４の先端部２１４Ｔとフィン２１８の先端部２１８Ｔとの間に形成される隙間Ｇは、図１３中の符号Ａ１−Ａ２間の断面図である図１４に示すように排気ガスの平均的流れ方向Ｆに対して平行を成すように形成されている。このため、隙間Ｇの存在は、領域Ｃ内を流れる最も高温の排気ガスが熱交換器用伝熱管２１０の高さ方向の中央部に沿って流れ易くなる整流作用を促進しているものと考えられる。したがって、領域Ｃ内の排気ガスは高い温度を維持したまま排気ガス出口へと到達するため、結果的に排気ガス出口における排気ガス全体の温度も高くなるものと推定される。

また、特許文献１に示す熱交換器用伝熱管では、既述したように、フィン構造体の波形は、フィン構造体を収納する伝熱管の矩形状断面の一対の長手方向の辺（冷却水と接する辺）と平行な方向において一方側から他方側およびその逆方向へとうねるように形成されている。このため、伝熱管を流れる排気ガスは、伝熱管内を、伝熱管の矩形状断面の長手方向に対して、一方側から他方側およびその逆方向へと蛇行するように流れることになる。しかしながら、このようなガス流が形成されたとしても、伝熱管の矩形状断面の短手方向のガス流には影響しない。これに加えて、伝熱管の矩形状断面の短手方向（高さ方向）の中央部近傍、すなわち、冷却水と接する長手方向の辺から最も離れた位置近傍を流れる排気ガスは、最も冷却され難い。このため、この場合も図１３に示す例と同様に、伝熱管の矩形状断面の短手方向（高さ方向）の中央部近傍を流れる排気ガスは高い温度を維持したまま、排気ガス出口へと流れることになる。したがって、結果的に排気ガス出口における排気ガス全体の温度も高くなるものと推定される。

一方、外周面が冷却用液体と接触するプレートの内周面は、フィン全体、特にフィンの先端部よりも温度が低く、冷却面として機能するプレートの外周面に最も近い。したがって、プレートの内周面は、フィン表面と比べると単位面積当たりの冷却効率が高いと言える。したがって、本発明者は、熱交換器用伝熱管の高さ方向の中央部近傍を流れる高温の排気ガスを、フィンよりも温度が低いプレートの内周面を利用して冷却できれば、熱交換効率をより向上させることができると考え、以下の本発明を見出した。

すなわち、本発明の熱交換器用伝熱管は、一方の端が排気ガス入口であり他方の端が排気ガス出口である排気ガス流路が内部に設けられ、外周面の一部を構成する第一のプレートおよび外周面の一部を構成すると共に第一のプレートと対向して配置された第二のプレートを備えた伝熱管本体と、第一のプレートの内周面に設けられた第一のフィンと、第二のプレートの内周面に設けられた第二のフィンと、を備え、第一のフィンの先端部と、第二のフィンの先端部との間に形成される隙間が、排気ガス入口から排気ガス出口へと向かう排気ガス流れ方向に沿って、第一のプレート側から第二のプレート側へ向かう方向、および、その逆方向へと、交互に蛇行するように形成されていることを特徴とする。

本発明の熱交換器用伝熱管の一実施形態は、第一のプレート、第二のプレート、第一のフィンおよび第二のフィンを構成する材料がアルミニウムまたはアルミニウム合金であることが好ましい。

本発明の熱交換器用伝熱管の他の実施形態は、第一のプレートと第一のフィンとが一体的に形成されていると共に、第二のプレートと第二のフィンとが一体的に形成されていることが好ましい。

本発明の熱交換器は、本発明の熱交換器用伝熱管と、熱交換器用伝熱管を収納すると共に、冷却用液体入口および冷却用液体出口が設けられた外筒管と、を備え、熱交換時には、熱交換器用伝熱管の外周側と外筒管の内周側との間を流れる冷却用液体が第一のプレートの外周面および第二のプレートの外周面と接触することを特徴とする。

本発明の熱交換器の一実施形態は、外筒管内に配置される熱交換器用伝熱管の数が１つのみであることが好ましい。

本発明によれば、より熱交換効率に優れた熱交換器用伝熱管およびこれを用いた熱交換器を提供することができる。

本発明の熱交換器の一例を示す分解斜視図である。 本発明の熱交換器用伝熱管の一例を示す拡大断面図（ＺＸ断面図）である。 本発明の熱交換器用伝熱管の他の例を示す拡大断面図（ＺＸ断面図）である。 本発明の熱交換器用伝熱管の他の例を示す拡大断面図（ＺＸ断面図）である。 本発明の熱交換器の一例を示す端面図（ＹＺ端面図）である。ここで、図５（Ａ）は熱交換器用伝熱管を１つのみ備えた熱交換器の一例を示す端面図であり、図５（Ｂ）は熱交換器用伝熱管を２つ備えた熱交換器の一例を示す端面図である。 本発明の熱交換器用伝熱管を、プレートと平行を成す平面（ＸＹ平面）で切断した断面におけるフィンの形状および配置位置等の一例を示す模式断面図（ＸＹ断面図）である。 本発明の熱交換器用伝熱管を、プレートと平行を成す平面（ＸＹ平面）で切断した断面におけるフィンの形状および配置位置等の他の例を示す模式断面図（ＸＹ断面図）である。 本発明の熱交換器用伝熱管を、プレートと平行を成す平面（ＸＹ平面）で切断した断面におけるフィンの形状および配置位置等の他の例を示す模式断面図（ＸＹ断面図）である。 本発明の熱交換器用伝熱管を、プレートと平行を成す平面（ＸＹ平面）で切断した断面におけるフィンの形状および配置位置等の他の例を示す模式断面図（ＸＹ断面図）である。 本発明の熱交換器用伝熱管の排気ガスの平均的流れ方向と直交する平面（ＹＺ平面）における端面構造の他の例を示す模式端面図である。 本発明の熱交換器用伝熱管の排気ガスの平均的流れ方向と直交する平面（ＹＺ平面）におけるフィン先端部の端面構造の他の例を示す模式端面図である。 従来の熱交換器用伝熱管の一例を示す模式断面図である。 従来の熱交換器用伝熱管の他の例を示す模式断面図である。 図１３に示す符号Ａ１−Ａ２間の断面構造を示す模式断面図である。

図１は、本実施形態の熱交換器の一例を示す分解斜視図である。ここで、図１中に示すＸ方向、Ｙ方向、Ｚ方向は互いに直交する方向を意味し、熱交換器用伝熱管の中心軸ＡＸおよび排気ガスの平均的流れ方向ＦはＸ方向と平行を成しており、これらの点は、図２〜図９においても同様である。また、Ｙ方向を幅方向あるいは左右方向と称し、Ｚ方向を高さ方向あるいは上下方向と称す場合がある。なお、本願明細書において、「排気ガスの平均的流れ方向Ｆ」は、熱交換器用伝熱管内の局所的な排気ガスの流れ方向では無く、熱交換器用伝熱管内を流れる排気ガス全体に着目した場合の平均的な流れ方向を意味し、排気ガス流路の略中央部を、排気ガス入口側から排気ガス出口側へと移動する経路と略平行な方向と言い換えることもできる。また、図２は、本実施形態の熱交換器用伝熱管の一例を示す拡大断面図であり、具体的には、図１中に示す熱交換器用伝熱管を、ＸＺ平面で切断して、Ｙ方向（図１中の紙面の右手前側）から見た場合の拡大断面図の一例を示したものである。

図１に示す熱交換器１０は、熱交換器用伝熱管２０と、この熱交換器用伝熱管２０を収納すると共に、冷却用液体入口３２および冷却用液体出口３４が設けられた外筒管３０と、を備えている。なお、冷却用液体入口３２および冷却用液体出口３４の位置関係は逆でもよい。

ここで熱交換器用伝熱管２０は、一方の端が排気ガス入口１０２であり他方の端が排気ガス出口１０４である排気ガス流路ＧＣＮが内部に設けられた伝熱管本体１００を有している。この伝熱管本体１００は、平板状の第一のプレート１３０からなる第一筐体１１０と、略直方体状の第二筐体１２０とから構成されている。そして、第二筐体１２０は、その上面に開口部１２２が設けられ、その下面は平板状のプレート（第二のプレート１４０）からなり、第二筐体１２０の長手方向の両側に位置する一対の側面には、円形の排気ガス入口１０２および排気ガス出口１０４が各々設けられている。そして、第二筐体１２０の開口部１２２を塞ぐように第一筐体１１０（第一のプレート１３０）が配置される。よって、第一のプレート１３０および第二のプレート１４０は、伝熱管本体１００の外周面の一部を構成することになる。

そして、外筒管３０内に、熱交換器用伝熱管２０が収納された状態では、熱交換器用伝熱管２０の外周側と外筒管３０の内周側との間に外部と遮断された密閉空間が形成される。このため、熱交換時に、冷却用液体入口３２から冷却水等の冷却用液体が供給されると、熱交換器用伝熱管２０の外周側と外筒管３０の内周側との間を流れる冷却用液体が第一のプレート１３０の外周面１３０Ｂおよび第二のプレート１４０の外周面１４０Ｂと接触することになる。すなわち、これら外周面１３０Ｂ、１４０Ｂは、冷却用液体と接触することで、プレート１３０、１４０の熱を冷却用液体側へと放熱する冷却面として機能する。

また、図１および図２に例示するように第一のプレート１３０の内周面１３０Ａには、その内周面１３０Ａに対して直立するように複数枚の第一のフィン１３２が設けられている。この第一のフィン１３２は、排気ガスの平均的流れ方向Ｆ（Ｘ方向と平行を成し、排気ガス入口１０２から排気ガス出口１０４へと向かう方向）と略平行を成す平板状の部材である。同様に、第二のプレート１４０の内周面１４０Ａにも、その内周面１４０Ａに対して直立するように複数枚の第二のフィン１４２が設けられている。この第二のフィン１４２も、排気ガスの平均的流れ方向Ｆと略平行を成す平板状の部材である。そして、第一のフィン１３２と第二のフィン１４２とは、図１３に例示した場合と同様に、第一のフィン１３２の先端部１３２Ｔと第二のフィン１４２の先端部１４２Ｔとが対向するように配置されている。

ここで、図２に示す熱交換器用伝熱管２０Ａ（２０）において、第一のフィン１３２としては、Ｚ方向において高さの異なる２種類のフィン１３２Ａ（相対的に高いフィン）とフィン１３２Ｂ（相対的に低いフィン）とが、排気ガスの平均的流れ方向Ｆに沿って一定の間隔を置いて交互に配置されており、第二のフィン１４２としては、Ｚ方向において高さの異なる２種類のフィン１４２Ａ（相対的に低いフィン）とフィン１３２Ｂ（相対的に高いフィン）とが、排気ガスの平均的流れ方向Ｆに沿って一定の間隔を置いて交互に配置されている。そして、先端部１３２Ｔ、１４２Ｔ同士が向き合うように配置される一対のフィン１３２、１４２の組み合わせは、相対的に高いフィンと相対的に低いフィンとの組み合わせ、すなわち、第一のフィン１３２Ａ−第二のフィン１４２Ａの組み合わせ、および、第一のフィン１３２Ｂ−第二のフィン１４２Ｂの組み合わせからなる。そして、いずれのフィン１３２Ａ、１３２Ｂ、１４２Ａ、１４２Ｂの平面形状も高さが異なる点を除けば、方形を成している。

ここで、第一のフィン１３２Ａの先端部１３２Ｔと第二のフィン１４２Ａの先端部１４２Ｔとの間には隙間Ｇ１が形成され、第一のフィン１３２Ｂの先端部１３２Ｔと第二のフィン１４２Ｂの先端部１４２Ｔとの間には隙間Ｇ２が形成される。排気ガスの平均的流れ方向Ｆに沿って伸びるように形成されたこれらの隙間Ｇ１、Ｇ２は、第一のプレート１３０の内周面１３０Ａ（または第二のプレート１４０の内周面１４０Ａ）と平行を成している。そして、Ｚ方向において、隙間Ｇ１は、第一のプレート１３０側よりも第二のプレート１４０側により近い位置に形成されており、隙間Ｇ２は、第二のプレート１４０側よりも第一のプレート１３０側により近い位置に形成されている。すなわち、排気ガス流れ方向Ｆに沿って、隙間Ｇ１と隙間Ｇ２とが交互に配置されるため、これら２種類の隙間Ｇ１、Ｇ２は、排気ガス流れ方向Ｆ全体で見た場合、第一のプレート１３０側から第二のプレート１４０側へ向かう方向、および、その逆方向へと、交互に蛇行するように形成されている。このため、Ｚ方向の中央部近傍を流れる排気ガスは、Ｚ方向の上方側または下方側に撹拌・搖動されるように流れ易くなり、結果的に、排気ガスの平均的流れ方向Ｆの上流側でＺ方向の中央部近傍を流れていたより高温の排気ガスが、下流側へ行くに従い、第一のプレート１３０の内周面１３０Ａ側あるいは第二のプレート１４０の内周面１４０Ａ側に接触して、冷却されやすくなる。

図３は、本実施形態の熱交換器用伝熱管の他の例を示す拡大断面図であり、具体的には、図２に示す熱交換器用伝熱管２０Ａの変形例を示す図である。図３に示す熱交換器用伝熱管２０Ｂ（２０）では、第一のフィン１３２として、平面形状がＺ方向に対して線対称を成す２種類のフィン１３２Ｃおよびフィン１３２Ｄを用いている。ここで、一方のフィン１３２Ｃは、その先端部１３２Ｔの辺が、排気ガスの平均的流れ方向Ｆの上流側から下流側へと行くに従い、より第一のプレート１３０側に近づくように斜めに傾いており、他方のフィン１３２Ｄは、その先端部１３２Ｔの辺が、排気ガスの平均的流れ方向Ｆの上流側から下流側へと行くに従い、より第一のプレート１３０側から離れるように斜めに傾いている。同様に、第二のフィン１４２としても、平面形状がＺ方向に対して線対称を成す２種類のフィン１４２Ｃおよびフィン１４２Ｄを用いている。ここで、一方のフィン１４２Ｃは、その先端部１４２Ｔの辺が、排気ガスの平均的流れ方向Ｆの上流側から下流側へと行くに従い、より第二のプレート１４０側から離れるように斜めに傾いており、他方のフィン１４２Ｄは、その先端部１４２Ｔの辺が、排気ガスの平均的流れ方向Ｆの上流側から下流側へと行くに従い、より第二のプレート１４０側へと近づくように斜めに傾いている。

そして、先端部１３２Ｔ、１４２Ｔ同士が向き合うように配置される一対のフィン１３２、１４２の組み合わせは、排気ガスの平均的流れ方向Ｆに対する先端部１３２Ｔ、１４２Ｔの辺の傾き方向が同一であるフィン同士の組み合わせ、すなわち、第一のフィン１３２Ｃ−第二のフィン１４２Ｃの組み合わせ、および、第一のフィン１３２Ｄ−第二のフィン１４２Ｄの組み合わせからなる。

ここで、第一のフィン１３２Ｃの先端部１３２Ｔと第二のフィン１４２Ｃの先端部１４２Ｔとの間には隙間Ｇ３が形成され、第一のフィン１３２Ｄの先端部１３２Ｔと第二のフィン１４２Ｄの先端部１４２Ｔとの間には隙間Ｇ４が形成される。ここで隙間Ｇ３は、排気ガスの平均的流れ方向Ｆの上流側から下流側へと行くに従い第一のプレート１３０側により近づくように伸びており、隙間Ｇ４は、隙間Ｇ３とは逆向き、すなわち、排気ガスの平均的流れ方向Ｆの上流側から下流側へと行くに従い第一のプレート１３０側から離れるように伸びている。そして、排気ガス流れ方向Ｆに沿って、隙間Ｇ３と隙間Ｇ４とが交互に配置されるため、これら２種類の隙間Ｇ３、Ｇ４は、排気ガス流れ方向Ｆ全体で見た場合、第一のプレート１３０側から第二のプレート１４０側へ向かう方向、および、その逆方向へと、交互に蛇行するように形成されていることになる。このため、Ｚ方向の中央部近傍を流れる排気ガスは、Ｚ方向の上方側または下方側に撹拌・搖動されるように流れ易くなり、結果的に、排気ガスの平均的流れ方向Ｆの上流側でＺ方向の中央部近傍を流れていたより高温の排気ガスが、下流側へ行くに従い、第一のプレート１３０の内周面１３０Ａ側あるいは第二のプレート１４０の内周面１４０Ａ側に接触して、冷却されやすくなる。

なお、図３に示す熱交換器用伝熱管２０Ｂでは、隙間Ｇ３、Ｇ４が、排気ガスの平均的流れ方向Ｆに対して交差するように形成されている。このため、隙間Ｇ１、Ｇ２が排気ガスの平均的流れ方向Ｆに対して平行に形成されている図２に示す熱交換器用伝熱管２０Ａと比べると、Ｚ方向の中央部近傍を流れる排気ガスを、より効率的にＺ方向の上方側または下方側に撹拌・搖動させることが容易である。なお、排気ガスの平均的流れ方向Ｆに対する先端部１３２Ｔ、１４２Ｔの辺の成す角度は鋭角であれば特に限定されないが、たとえば、０度を超え７０度以下とすることが好ましく、１５度以上６０度以下とすることがより好ましい。また、図３に示す隙間Ｇ３、Ｇ４の形状は、ＺＸ平面において、直線的な帯状を成しているが、放物線状や円弧状などであってもよい。

図４は、本実施形態の熱交換器用伝熱管の他の例を示す拡大断面図であり、具体的には、図３に示す熱交換器用伝熱管２０Ｂの変形例を示す図である。図４に示す熱交換器用伝熱管２０Ｃ（２０）は、図３中に示される排気ガスの平均的流れ方向Ｆに沿って順次配置された４枚の第一のフィン１３２Ｃ、１３２Ｄ、１３２Ｃ、１３２Ｄを合体させて１枚の第一のフィン１３２Ｅ（１３２）とし、排気ガスの平均的流れ方向Ｆに沿って配置された４枚の第二のフィン１４２Ｃ、１４２Ｄ、１４２Ｃ、１４２Ｄを合体させて１枚の第二のフィン１４２Ｅ（１４２）とした点を除けば、その他の構成は、図３に示す熱交換器用伝熱管２０Ｂと同様である。したがって、第一のフィン１３２Ｅの先端部１３２Ｔと第二のフィン１４２の先端部１４２Ｔとの間に形成される隙間Ｇ５は、排気ガスの平均的流れ方向Ｆの上流側から下流側へと行くに従い、第一のプレート１３０側から第二のプレート１４０側へ向かう方向、および、その逆方向へと、２周期分、交互に蛇行するように形成されていることになる。このため、Ｚ方向の中央部近傍を流れる排気ガスは、Ｚ方向の上方側または下方側に撹拌・搖動されるように流れ易くなり、結果的に、排気ガスの平均的流れ方向Ｆの上流側でＺ方向の中央部近傍を流れていたより高温の排気ガスが、下流側へ行くに従い、第一のプレート１３０の内周面１３０Ａ側あるいは第二のプレート１４０の内周面１４０Ａ側に接触して、冷却されやすくなる。なお、このような１対の第一のフィン１３２Ｅと第二のフィン１４２Ｅとの組み合わせは、排気ガスの平均的流れ方向Ｆに沿った方向において、最低１対配置されていればよいが、２対以上配置することもできる。また、図４に示す熱交換器用伝熱管２０Ｃは、１枚のフィン１３２Ｅ（またはフィン１４２Ｅ）の排気ガスの平均的流れ方向Ｆに対するフィン長さが、図３に示す１枚のフィン１３２Ｃ（、フィン１３２Ｄ、フィン１４２Ｃまたはフィン１４２Ｄ）と比べてより長くなっているため、熱交換器用伝熱管２０Ｃの生産性向上等がより容易になる。但し、１枚当たりのフィン長さがより大きくなると熱伝達率は低下するため、熱伝達率の向上という点では図４に示す熱交換器用伝熱管２０Ｃよりも図３に示す熱交換器用伝熱管２０Ｂの方がより有利である。

以上に説明した図２〜図４に例示したように、本実施形態の熱交換器用伝熱管２０では、熱交換器用伝熱管２０の高さ方向（Ｚ方向）の中央部近傍を流れる高温の排気ガスが、隙間Ｇ１〜Ｇ５によって、Ｚ方向の上方側または下方側に撹拌・搖動され易い。このため、熱交換器用伝熱管２０の高さ方向（Ｚ方向）の中央部近傍を流れる高温の排気ガスを、フィン１３２、１４２よりも温度が低いプレート１３０、１４０の内周面１３０Ａ、１４０Ａを利用して冷却でき、結果的に、熱交換効率をより向上させることができる。

なお、一対のフィン１３２、１４２により形成される隙間は、図２および図３に例示したようにいずれか１対２枚のフィン１３２、１４２のみに着目すると、排気ガスの平均的流れ方向Ｆに沿って、第一のプレート１３０側から第二のプレート１４０側へ向かう方向、および、その逆方向へと、交互に蛇行していない。しかし、このような場合では、１対２枚のフィン１３２、１４２を排気ガスの平均的流れ方向Ｆに沿って複数対配置すれば、複数の隙間Ｇ１、Ｇ２あるいは隙間Ｇ３、Ｇ４を、排気ガスの平均的流れ方向Ｆに沿って、第一のプレート１３０側から第二のプレート１４０側へ向かう方向、および、その逆方向へと、交互に蛇行させることができる。

第一のプレート１３０、第二のプレート１４０、第一のフィン１３２および第二のフィン１４２を構成する材料としては、排気ガスに対する適度な耐腐食性および耐熱性を有し、かつ、適度な熱伝導率を持つ材料であれば特に制限なく利用できるが、実用性やコスト等の観点から、通常は、ＳＵＳ等に代表されるステンレススチールなどの鉄系材料や、アルミニウムまたはアルミニウム合金を用いることが好ましい。また、通常は、第一のプレート１３０、第二のプレート１４０、第一のフィン１３２および第二のフィン１４２や、これらの部材以外のその他の部材も含めて熱交換器用伝熱管２０全体が同一の材料から構成されることが好ましい。

また、第一のフィン１３２は、第一のプレート１３０の内周面１３０Ａに対して溶接や接着などにより物理的又は化学的に接合されていてもよく、嵌め込みなどにより機械的に接合されていてもよい。しかしながら、ダイカスト成形などの鋳造により、第一のプレート１３０と第一のフィン１３２とは一体的に形成されていることが特に好ましい。これにより、第一のプレート１３０と第一のフィン１３２との間に接合界面が存在しないため、接合界面の存在に起因する伝熱抵抗をゼロにすることができ、第一のフィン１３２の熱を第一のプレート１３０側へとスムーズに伝達することができる。この点は、第二のフィン１４２と第二のプレート１４０とについても同様である。また、ダイカスト成形を利用して第一のプレート１３０および第一のフィン１３２を一体的に成形し、第二のプレート１４０および第二のフィン１４２を一体的に成形できるという観点では、これらの部材を構成する材料はアルミニウムまたはアルミニウム合金を用いることが極めて好適である。なお、ステンレススチールを用いる場合、ダイカスト成形は利用できず、特許文献１に例示されるように、コスト面から予め所定の形状に加工したフィンを、伝熱管に取り付けるなどの２部材を組み合わせる組立方法が利用される。

また、アルミニウムまたはアルミニウム合金などを用いたダイカスト成形により第一のプレート１３０および第一のフィン１３２を一体的に成形し、第二のプレート１４０および第二のフィン１４２を一体的に成形する場合、鋳造性の問題から、プレート１３０、１４０の幅方向（図１中のＹ方向）において互いに隣接する第一のフィン１３２同士および第二のフィン１４２同士の幅を狭くすることは困難である。このため、プレート１３０、１４０の幅方向において、互いに隣接する１対の第一のフィン１３２および互いに隣接する１対の第二のフィン１４２の間の空間には、高温の排気ガスが存在し、排気ガス出口１０４付近の排気ガスの温度が高くなることが考えられる。しかしながら、熱交換器用伝熱管として、熱交換効率に優れた本実施形態の熱交換器用伝熱管２０を採用すれば、上述したようなデメリットを打ち消すことが容易である。

本実施形態の熱交換器用伝熱管２０を用いた熱交換器１０において、外筒管３０内に配置される熱交換器用伝熱管２０は、図１に例示したように１つのみでもよいが、外筒管３０内に２つ以上の熱交換器用伝熱管２０を積層して配置してもよい。なお、この場合においても、いずれの熱交換器用伝熱管２０においても第一のプレート１３０の外周面１３０Ｂおよび第二のプレート１４０の外周面１４０Ｂが冷却用液体と接触できるように、隣接する２つの熱交換器用伝熱管２０の間に隙間が設けられる。しかしながら、本実施形態の熱交換器用伝熱管２０では、高い熱交換効率が実現できるため、外筒管３０内に配置される熱交換器用伝熱管２０は、図１に例示したように１つのみであることが好ましい。

なお、図５は、本実施形態の熱交換器の断面構造の一例を示す模式端面図であり、具体的には図１に示す熱交換器用伝熱管２０の排気ガスの平均的流れ方向Ｆと直交する平面（ＹＺ平面）における端面構造を模式化して示した図である。ここで図５（Ａ）は、外筒管３０内に配置される熱交換器用伝熱管２０が１つの場合について示した端面図であり、図５（Ｂ）は、外筒管３０内に配置される熱交換器用伝熱管２０が複数（２つ）の場合について示した端面図である。

図５（Ａ）に示す例では、断面矩形状の外筒管３０の内周面のうち、左右一対の内周面３０Ｌ、３０Ｒにより熱交換器用伝熱管２０が挟持されている。そして、熱交換器用伝熱管２０の上面を成す外周面１３０Ｂと外筒管３０の上側の内周面３０Ｕとの間、および、熱交換器用伝熱管２０の下面を成す外周面１４０Ｂと外筒管３０の下側の内周面３０Ｂとの間には冷却用液体が流れる流路ＣＮ１およびＣＮ２がそれぞれ形成されている。したがって、流路ＣＮ１を流れる冷却用液体と接触する外周面１３０Ｂおよび流路ＣＮ２を流れる冷却用液体と接触する外周面１４０Ｂはそれぞれ冷却面として機能する。

また、図５（Ｂ）に示す例では、断面矩形状の外筒管３０の内周面のうち、左右一対の内周面３０Ｌ、３０Ｒにより２つの熱交換器用伝熱管２０ＵＰ（２０）、２０ＢＴ（２０）が挟持されている。そして、これら２つの熱交換器用伝熱管２０ＵＰ、２０ＢＴは、一定の間隔を空けて、Ｚ方向に積層されている。ここで、Ｚ方向の上側に配置された熱交換器用伝熱管２０ＵＰの上面を成す外周面１３０Ｂ１と外筒管３０の上側の内周面３０Ｕとの間、Ｚ方向の下側に配置された熱交換器用伝熱管２０ＢＴの下面を成す外周面１４０Ｂ２と外筒管３０の下側の内周面３０Ｂとの間、および、Ｚ方向の上側に配置された熱交換器用伝熱管２０ＵＰの下面を成す外周面１４０Ｂ１とＺ方向の下側に配置された熱交換器用伝熱管２０ＢＴの上面を成す外周面１３０Ｂ２との間には、冷却用液体が流れる流路ＣＮ１、ＣＮ２およびＣＮ３がそれぞれ形成されている。したがって、流路ＣＮ１を流れる冷却用液体と接触する外周面１３０Ｂ１、流路ＣＮ２を流れる冷却用液体と接触する外周面１４０Ｂ２、ならびに、流路ＣＮ３を流れる冷却用液体と接触する外周面１３０Ｂ２および外周面１４０Ｂ１はそれぞれ冷却面として機能する。

また、プレート１３０、１４０と平行を成す平面（ＸＹ平面）で熱交換器用伝熱管２０を切断した断面におけるフィン１３２、１４２の形状や配置位置などについては適度な熱交換効率を確保でき、かつ、大きな圧力損失を招くもので無い限り特に限定されず、たとえば、以下の図６〜図９に例示するような形状・配置位置を適宜選択することができる。

図６〜図９は、本実施形態の熱交換器用伝熱管２０を、プレート１３０、１４０と平行を成す平面（ＸＹ平面）で切断した断面におけるフィン１４２の形状および配置位置等の一例を示す模式断面図である。なお、図６〜図９では、第二のフィン１４２を切断した断面図を示しているため、第一のフィン１３２は記載を省略してあるが、これら図中において第二のフィン１４２と同位置（図中の紙面手前側）に第一のフィン１３２が存在している。ここで、図６に示す実施形態では、熱交換器用伝熱管２０の伝熱管本体１００を構成する第二筐体１２０内に、排気ガスの平均的流れ方向Ｆと平行を成す方向に略等間隔で１列当たり５枚、排気ガスの平均的流れ方向Ｆと直交する方向（幅方向）に略等間隔で１列当たり４枚、合計２０枚の第二のフィン１４２が配置されている。また、各々の第二のフィン１４２の断面形状は、直線状であり、排気ガスの平均的流れ方向Ｆと平行を成すように、第二筐体１２０内に配置されている。したがって、ＸＹ平面において排気ガスは、排気ガス入口１０２から排気ガス出口１０４へとほぼ直線的に流れることになる。

図７に示す実施形態は、図６に示す実施形態の変形例について示したものである。図７に示す例では、幅方向に伸びる列単位で、排気ガスの平均的流れ方向Ｆに沿って、１列毎に排気ガスの平均的流れ方向Ｆに対する第二のフィン１４２の向きを前列に対して逆向きにしている。すなわち、排気ガスの平均的流れ方向Ｆの最も上流側の列Ｌを１列目（Ｌ１）とし、下流側に行くに従い、２列目（Ｌ２）、３列目（Ｌ３）、４列目（Ｌ４）および５列目（Ｌ５）とした場合、１、３、５列目（Ｌ１、Ｌ３、Ｌ５）は、排気ガスの平均的流れ方向Ｆに対して一方の側に傾斜し、２、４列目（Ｌ２、Ｌ４）は、排気ガスの平均的流れ方向Ｆに対して他方の側に傾斜している。したがって、ＸＹ平面において排気ガスは、蛇行しながら排気ガス入口１０２側から排気ガス出口１０４側へと流れることになる。この場合、排気ガスは熱交換器用伝熱管２０の高さ方向（Ｚ方向）のみならず、幅方向（Ｙ方向）にも蛇行して、撹拌・搖動させられる上に、ＸＹ平面における排気ガス入口１０２から排気ガス出口１０４までの排気ガスの実質的な移動距離は、図６に示す実施形態よりもより長くなる。このため、図７に示す実施形態では、図６に示す実施形態と比べて、熱交換効率をより高めることができる。なお、排気ガスの平均的流れ方向Ｆに対する第二のフィン１４２の傾斜角は、鋭角であれば特に限定されないが、圧力損失の増大抑制と熱交換効率の向上とをバランス良く確保する観点から、５度〜４０度の範囲内とすることが好ましく、１０度〜３０度の範囲内とすることがより好ましい。

図８に示す実施形態は、図６に示す実施形態の変形例について示したものである。図８に示す例では、図６に示す排気ガスの平均的流れ方向Ｆに沿って列を成す１列５枚の第二のフィン１４２を合体させて１枚とした場合について示したものである。したがって、ＸＹ平面において排気ガスは、排気ガス入口１０２から排気ガス出口１０４へとほぼ直線的に流れることになる。

図９に示す実施形態は、図７に示す実施形態の変形例について示したものである。図９に示す例では、図７に示す排気ガスの平均的流れ方向Ｆに沿って列を成す１列５枚の第二のフィン１４２を合体させて１枚とした場合について示したものである。したがって、ＸＹ平面において排気ガスは、図７に示す場合と同様に、排気ガス入口１０２から排気ガス出口１０４へと蛇行しながら流れることになる。

ここで、図２および図３に示す熱交換器用伝熱管２０Ａ、２０ＢのＸＹ平面におけるフィン１４２（またはフィン１３２）の形状・配置形態としては、図６または図７に例示したように、排気ガスの平均的流れ方向Ｆに対するフィン１４２（またはフィン１３２）の配置枚数が２枚以上であるフィン形状・配置形態が選択されることが特に好ましい。図２および図３に示す熱交換器用伝熱管２０Ａ、２０Ｂ、特に図２に示す熱交換器用伝熱管２０Ａでは、排気ガスを、Ｚ方向上下に撹拌・搖動するためには、Ｚ方向において対向して配置された１対２枚のフィン１３２、１４２単位では、撹拌・搖動能力が不十分となり易い。しかし、これらの熱交換器用伝熱管２０Ａ、２０Ｂでは、１対２枚のフィン１３２、１４２を排気ガスの平均的流れ方向Ｆに対して２対以上配置すれば、複数個の隙間Ｇ１、Ｇ２あるいは隙間Ｇ３，Ｇ４が、排気ガスの平均的流れ方向Ｆに対して、Ｚ方向上下に蛇行するように配置されることになる。この場合、排気ガスを、Ｚ方向上下に効率的に撹拌・搖動できる。一方、図４に示す熱交換器用伝熱管２０ＣのＸＹ平面におけるフィン１４２（またはフィン１３２）の形状・配置形態としては、図６〜図９に示すフィン形状・配置形態のいずれでも選択できる。

また、図２〜図９に示した例では、第一のフィン１３２と第二のフィン１４２とは、図１３に例示したように、第一のフィン１３２の先端部１３２Ｔと第二のフィン１４２の先端部１４２Ｔとが対向するように配置されている。しかしながら、第一のフィン１３２と第二のフィン１４２とは、図１０に例示する端面図のように、先端部１３２Ｔ、１４２Ｔ同士が対向しないように配置されていてもよい。また、図１３に例示したフィン配置形態と、図１０に例示したフィン配置形態との中間的配置形態、すなわち、第一のフィン１３２の先端部１３２Ｔと第二のフィン１４２の先端部１４２Ｔとが部分的に対向する配置形態であってもよい。さらに、第一のフィン１３２の先端部１３２Ｔおよび第二のフィン１４２の先端部１４２Ｔの頂面は、図１１中に例示するフィン１３２Ｆ（１３２）、１４２Ｆ（１４２）のように、熱交換器用伝熱管２０の幅方向（Ｙ方向）に対して傾斜していてもよい。

なお、図１、図６〜図９に示す例では、熱交換器用伝熱管２０内に形成される排気ガスの排気ガス流路ＧＣＮの形状は、ＸＹ平面方向において、排気ガス入口１０２から排気ガス出口１０４へと直線的に伸びる形状を成している。しかし、ＸＹ平面方向における排気ガス流路ＧＣＮの形状は、排気ガス入口１０２と排気ガス出口１０４とを接続する流路が形成できるのであればその形状は如何様であってもよく、たとえば、排気ガス流路ＧＣＮをＵ字状に形成してもよい。また、図１に示す例において、外筒管３０との相対的関係で、排気ガス入口１０２と排気ガス出口１０４との位置関係を逆にしてもよい。

１０ ：熱交換器
２０、２０Ａ、２０Ｂ、２０Ｃ、２０ＵＰ、２０ＢＴ ：熱交換器用伝熱管
３０ ：外筒管
３０Ｕ、３０Ｂ、３０Ｌ、３０Ｒ ：内周面
３２ ：冷却用液体入口
３４ ：冷却用液体出口
１００ ：伝熱管本体
１０２ ：排気ガス入口
１０４ ：排気ガス出口
１１０ ：第一筐体
１２０ ：第二筐体
１２２ ：開口部
１３０ ：（第一の）プレート
１３０Ａ ：内周面
１３０Ｂ、１３０Ｂ１、１３０Ｂ２ ：外周面
１３２、１３２Ａ、１３２Ｂ、１３２Ｃ、１３２Ｄ、１３２Ｅ、１３２Ｆ ：（第一の）フィン
１３２Ｔ ：先端部
１４０ ：（第二の）プレート
１４０Ａ ：内周面
１４０Ｂ、１４０Ｂ１、１４０Ｂ２ ：外周面
１４２、１４２Ａ、１４２Ｂ、１４２Ｃ、１４２Ｄ、１４２Ｅ、１４２Ｆ ：（第二の）フィン
１４２Ｔ ：先端部
２００ ：熱交換器用伝熱管
２０２ ：（上側）プレート
２０２Ａ ：内周面
２０２Ｂ ：外周面
２０４ ：（上側）フィン
２０４Ｔ ：先端部
２０６ ：（下側）プレート
２０６Ａ ：内周面
２０６Ｂ ：外周面
２０８ ：（下側）フィン
２０８Ｔ ：先端部
２１０ ：熱交換器用伝熱管
２１２ ：（上側）プレート
２１２Ａ ：内周面
２１２Ｂ ：外周面
２１４ ：（上側）フィン
２１４Ｔ ：先端部
２１６ ：（下側）プレート
２１６Ａ ：内周面
２１８ ：（下側）フィン
２１８Ｔ ：先端部

Claims (5)

1. 一方の端が排気ガス入口であり他方の端が排気ガス出口である排気ガス流路が内部に設けられ、外周面の一部を構成する第一のプレートおよび外周面の一部を構成すると共に前記第一のプレートと対向して配置された第二のプレートを備えた伝熱管本体と、
   前記第一のプレートの内周面に設けられた第一のフィンと、
   前記第二のプレートの内周面に設けられた第二のフィンと、を備え、
   前記第一のフィンの先端部と、前記第二のフィンの先端部との間に形成される隙間が、前記排気ガス入口から前記排気ガス出口へと向かう排気ガス流れ方向に沿って、第一のプレート側から第二のプレート側へ向かう方向、および、その逆方向へと、交互に蛇行するように形成されていることを特徴とする熱交換器用伝熱管。
2. 請求項１に記載の熱交換器用伝熱管において、
   前記第一のプレート、前記第二のプレート、前記第一のフィンおよび前記第二のフィンを構成する材料がアルミニウムまたはアルミニウム合金であることを特徴とする熱交換器用伝熱管。
3. 請求項１または２に記載の熱交換器用伝熱管において、
   前記第一のプレートと前記第一のフィンとが一体的に形成されていると共に、前記第二のプレートと前記第二のフィンとが一体的に形成されていることを特徴とする熱交換器用伝熱管。
4. 請求項１〜３のいずれか１つに記載の熱交換器用伝熱管と、
   前記熱交換器用伝熱管を収納すると共に、冷却用液体入口および冷却用液体出口が設けられた外筒管と、を備え、
   熱交換時には、前記熱交換器用伝熱管の外周側と前記外筒管の内周側との間を流れる冷却用液体が前記第一のプレートの外周面および前記第二のプレートの外周面と接触することを特徴とする熱交換器。
5. 請求項４に記載の熱交換器において、
   前記外筒管内に配置される前記熱交換器用伝熱管の数が１つのみであることを特徴とする熱交換器。
   

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