JP2016114300A - 熱交換器 - Google Patents

Abstract

【課題】熱交換器において、熱交換効率をより向上させること。【解決手段】熱交換器は、複数のプレートを備え、第１の流体と、第２の流体との間で熱交換を行う。プレートのそれぞれは、規定された間隔で外表面が外側に向けて線条に突出した凸条を有した波形部であって、少なくとも外表面が波形に形成された波形部を備える。そして、複数のプレートは、プレートの凸条における長手方向が、第２の流体の流動方向に対して直交する方向に配置される。さらに、複数のプレートは、互いに隣接するプレート同士の外表面が隙間を有する非当接状態、かつ、互いに隣接するプレートの互いに対向する外表面から突出する凸条の頂点同士がプレートの配置方向に沿って非対向となるように配置される。【選択図】図３

Description

本発明は、熱交換器に関する。

第１の流体が内部を流動する矩形状のプレートを複数備え、プレートの外部を流動する第２の流体との間で熱交換を行うプレート積層型の熱交換器が知られている（特許文献１参照）。特許文献１に記載された熱交換器のプレートは、それぞれ、外側に向けて凸となるようにプレート表面を突条に打ち出した複数の打ち出し部を備えている。その打ち出し部は、打ち出し部の長手方向がプレートの対角線に沿うように形成されている。

特許文献１に記載された熱交換器のプレートは、プレートにおける長辺が第２の流体の流動方向と直交するように配置され、打ち出し部における凸面同士が第２の流体の流路上にて当接するように固定される。これにより、凸面同士が当接する打ち出し部は、第２の流体が直進する流れを妨げて乱れを発生させる乱れ発生器として機能する。

この結果、特許文献１に記載された熱交換器においては、プレートにおける外表面の熱伝達率を大きくすることができ、熱交換効率を向上させることができる。

特許第４１２２５７８号公報

しかしながら、熱交換器においては、熱交換効率をより向上させることが求められており、特許文献１に記載された熱交換器の熱交換効率では不十分である可能性がある。
そこで、本発明は、熱交換器において、熱交換効率をより向上させることを目的とする。

本発明の一側面は、第１の流体と第２の流体との間で熱交換を行う熱交換器に関する。
この熱交換器は、第１の流体が流動する流動経路を有する複数のプレートを備える。プレートのそれぞれは、少なくとも外表面が波形に形成された波形部を備える。その波形部は、規定された間隔で外表面が外側に向けて線条に突出した凸条を有する。

そして、複数のプレートは、プレートの凸条における長手方向が、第２の流体の流動方向に対して直交する方向に配置される。さらに、複数のプレートは、互いに隣接するプレート同士の外表面が隙間を有する非当接状態、かつ、互いに隣接するプレートの互いに対向する外表面から突出する凸条の頂点同士が、プレートの配置方向に沿って非対向となるように配置される。

本発明の一側面における熱交換器のプレートは、非当接状態に配置されるため、互いに隣接するプレート同士の外表面の間に隙間を有する。しかも、互いに隣接するプレートの互いに対向する外表面から突出する凸条の頂点同士が、プレートの配置方向に沿って非対向となるように配置されることから、プレート間に形成される隙間は波形となる。

そして、第２の流体は、その波形の隙間を、プレートの凸条における長手方向と直交する方向へと流動する。このため、当該隙間を流動する第２の流体の一部がプレートの凸条に衝突する。したがって、本発明の一側面における熱交換器によれば、第２の流体の一部が衝突したプレートの凸条に境界層が形成されることを低減でき、プレート外表面と第２の流体との間の熱伝達率を大きくすることができる。

さらに、本発明の一側面における熱交換器においては、プレートの間に形成された波形の隙間が第２の流体の流路として機能するため、第２の流体の流れを阻害することを可能な限り抑制でき、第２の流体の流速が低下することを低減できる。

しかも、本発明の一側面における熱交換器では、プレートの外表面が波形に形成されている。このため、本発明の一側面における熱交換器によれば、第２の流体と接するプレートの表面積を広くできる。

これらのことから、本発明の一側面における熱交換器によれば、熱交換効率をより向上させることができる。
なお、ここで言う「波形」とは、正弦波であってもよいし、矩形波であってもよいし、三角波であってもよいし、のこぎり波であってもよい。

さらに、本発明の一側面における波形部は、凹条を有し、内表面が波形に形成されていてもよい。ここで言う凹条とは、凸条に隣接して凸条よりも外表面が窪むように、内表面から内側に向けて内表面が線条に突出する部位である。

そして、プレートは、互いに対向する内表面同士が隙間を有する非当接状態、かつ、プレートの凹条における長手方向が、第１の流体の流動方向に沿った方向となるように構成されていてもよい。

このような熱交換器では、プレートの外表面だけでなく、プレートの内表面も波形に形成される。このため、本発明の一側面における熱交換器によれば、第１の流体と接するプレートの表面積を広くできる。

そして、本発明の一側面における熱交換器では、プレート内部における第１の流体が、プレートの内表面に形成された波形の長手方向に沿って流動する。このため、本発明の一側面における熱交換器によれば、第１の流体が流れる際の抵抗、即ち、圧力損失を可能な限り低減できる。

これらの結果、本発明の一側面における熱交換器によれば、熱交換効率をより向上させることができる。
また、本発明の一側面において、プレートのそれぞれは、筒状に形成されていてもよい。この場合、複数のプレートは、軸方向に沿って配置されていてもよい。すなわち、本発明の一側面における熱交換器は、筒状に形成されたプレートが軸方向に沿って積層された熱交換器、即ち、プレート積層型かつ筒型の熱交換器として構成されていてもよい。

このような熱交換器においては、第２の流体の流動方向を径方向に沿った方向とすることができ、第１の流体の流動方向をプレートの周方向に沿った方向とすることができる。このため、本発明の一側面における熱交換器によれば、第２の流体の流動方向を第１の流体の流動方向と直交する方向とすることができる。しかも、本発明の一側面における熱交換器によれば、熱交換器の形状が筒型であるため、第２の流体の流動方向を第１の流体の流動方向と直交する方向とすることを、プレートの径方向全体に渡って実現できる。

実施形態における排気熱回収装置の外観を示す斜視図である。 閉弁した状態での排気熱回収装置の断面図であり、図１におけるＩＩ−ＩＩ断面図である。 実施形態における熱交換器の概略構成を示す斜視図である。 変形例における熱交換器の概略構成を示す斜視図である。

以下に本発明における一例としての実施形態を図面と共に説明する。
＜排気熱回収装置＞
図１に示す排気熱回収装置１は、内燃機関１４０を有した移動体に搭載される。この排気熱回収装置１は、内燃機関１４０からの排気１４２を高温流体とし、内燃機関１４０の冷却液１４４を低温流体として熱交換することにより、排気１４２から熱を回収する。本実施形態における冷却液１４４は、冷却水であってもよいし、油液であってもよい。

なお、本実施形態における排気１４２が、特許請求の範囲に記載された第２の流体の一例であり、本実施形態における冷却液１４４が、特許請求の範囲に記載された第１の流体の一例である。

本実施形態の排気熱回収装置１は、排気部２と、シェル部材４と、熱交換部６（図２参照）と、流入部８（図２参照）と、弁１０とを備えている。
排気部２は、内燃機関１４０からの排気１４２を下流側へと導く経路を形成する。シェル部材４は、排気部２の外側を覆う部材である。熱交換部６は、排気部２とシェル部材４との間に配置された熱交換器３０（図２参照）を有し、高温流体としての排気１４２と低温流体としての冷却液１４４との間で熱交換する。

流入部８は、排気部２から熱交換部６へと排気１４２が流入する部位である。弁１０は、排気１４２の流路を開放閉塞する弁であり、排気部２における排気１４２の流路に沿って流入部８よりも下流側に配置されている。

図２に示すように、排気部２は、排気管１２を備えている。排気管１２は、両端が開口した円筒状の部材である。排気管１２の上流側端部は、内燃機関１４０からの排気１４２が流入するエキゾーストパイプやエキゾーストマニホールドなどに接続されている。

シェル部材４は、排気管１４と、外殻部材２０と、蓋部材２２と、保持部材２４とを備えている。
排気管１４は、全体として円筒状の部材であり、一方の端部である上流端１６が、排気管１２の外径よりも大きな内径の開口を有している。その排気管１４の上流端１６における内部空間には、排気管１２における上流端とは反対側の端部である排気下流端１８が、シェル部材４と非接触な状態で配置される。

外殻部材２０は、排気管１２の直径よりも大きな内径の円筒状の部材である。外殻部材２０の下流側の端部は、排気管１４の上流端１６に接続されている。
蓋部材２２は、排気管１２における排気１４２の流路に沿った外殻部材２０の上流側の開口を閉塞する。

つまり、外殻部材２０と蓋部材２２と排気管１２とにより、外殻部材２０と蓋部材２２と排気管１２とに囲まれた、環状の空間である熱交換室２８が形成される。
＜熱交換器の構造＞
熱交換室２８に配置される熱交換器３０は、複数のプレート３２−１〜３２−Ｎと、流入管３４と、流出管３６とを備えている。すなわち、熱交換器３０は、いわゆるプレート積層型の熱交換器である。なお、ここでの符号Ｎは、プレート３２の枚数を表す識別子であり、２以上の正の整数である。

流入管３４は、熱交換器３０の外部からの冷却液１４４を１つのプレート３２に流入する管である。流出管３６は、１つのプレート３２から熱交換器３０の外部へと冷却液１４４を流出する管である。

各プレート３２は、冷却液１４４の流動経路を形成する部材であり、図３に示すように、本体部３８と、第１連通部４０と、第２連通部４１とを備える。本体部３８は、プレート３２の内部において第１の流体が流動する一般流路を形成する。第１連通部４０及び第２連通部４１は、当該プレート３２から、当該プレート３２に隣接する他のプレート３２への連通流路を形成する。

具体的に、各プレート３２は、第１プレート板４２と、第２プレート板６２とを備えている。
第１プレート板４２は、全体として、中心に円形の開口を有した円板状に形成された部材である。この第１プレート板４２の周縁には、同一方向に突出した壁部が形成されている。以下、第１プレート板４２においては、壁部が突出する面を内表面とし、壁部が突出する面とは反対側の面を外表面と称す。

さらに、第１プレート板４２には、第１本体部位４４と、第１連通部位４６と、第２連通部位４８とが形成されている。第１本体部位４４は、第１凸条５０−１〜５０−Ｍと第１凹条５２−１〜５２−Ｌとが径方向に沿って交互に形成されることにより、外表面及び内表面の径方向に沿った断面が正弦波状に形成されている。

ここでの符号Ｍは、第１凸条５０の個数を表す識別子であり、１以上の正の整数である。ここでの符号Ｌは、第１凹条５２の個数を表す識別子であり、１以上の正の整数である。

第１凸条５０の各々は、第１本体部位４４の外表面から外側に向けて、第１本体部位４４の外表面が線条に突出した部位である。各第１凸条５０の線条は、第１本体部位４４の周方向に沿って形成されている。

第１凹条５２は、第１本体部位４４の内表面から内側に向けて、第１本体部位４４の内表面が線条に突出した部位である。各第１凹条５２の線条は、第１凸条５０に隣接し、第１本体部位４４の周方向に沿って形成されている。

第２プレート板６２は、中心に円形の開口を有した円板状に形成された部材である。この第２プレート板６２の周縁には、同一方向に突出した壁部が形成されている。以下、第２プレート板６２においては、壁部が突出する面を内表面とし、壁部が突出する面とは反対側の面を外表面と称す。

さらに、第２プレート板６２には、第２本体部位６４と、第３連通部位６６と、第４連通部位６８とが形成されている。第２本体部位６４は、第２凸条７０−１〜７０−Ｏと第２凹条７２−１〜７２−Ｐとが径方向に沿って交互に配置されることにより、外表面及び内表面の径方向に沿った断面が正弦波状に形成されている。

ここでの符号Ｏは、第２凸条７０の個数を表す識別子であり、１以上の正の整数である。ここでの符号Ｐは、第２凹条７２の個数を表す識別子であり、１以上の正の整数である。

第２凸条７０は、第２本体部位６４の外表面から外側に向けて、第２本体部位６４の外表面が線条に突出した部位である。各第２凸条７０の線条は、第２本体部位６４の周方向に沿って形成されている。

第２凹条７２は、第２本体部位６４の内表面から内側に向けて第２本体部位６４の内表面が線条に突出した部位である。各第２凹条７２の線条は、第２凸条７０に隣接して、第２本体部位６４の周方向に沿って形成されている。

なお、内表面及び外表面が波形に形成された第１本体部位４４及び第２本体部位６４が、特許請求の範囲に記載された波形部の一例として機能する。
各プレート３２は、第１プレート板４２の壁部の内面に、第２プレート板６２の壁部の外面を係合させることで形成される。各プレート３２は、第１プレート板４２と第２プレート板６２との内表面同士が非当接状態となるように形成される。

さらに、各プレート３２は、第１凹条５２の頂点と第２凹条７２の頂点とが互い違いとなるように形成される。ここで言う「互い違い」とは、第１凹条５２の頂点と第２凹条７２の頂点とが、軸方向に沿って不一致となることである。本実施形態においては、「互い違い」の具体例として、第２プレート板６２に形成された第２凹条７２の頂点が、第１プレート板４２に形成された第１凸条５０の頂点に軸方向に沿って一致することを含む。

これにより、プレート３２の各々には、当該プレート３２を構成する第１プレート板４２の内表面と第２プレート板６２の内表面との間に隙間が形成される。その隙間が冷却液１４４の流動経路、即ち、一般流路として機能し、その隙間を形成する第１本体部位４４及び第２本体部位６４が、本体部３８として機能する。

そして、各プレート３２は、互いに隣接するプレート３２同士の外表面が隙間８２を有する非当接状態となるように配置される。さらに、各プレート３２は、互いに隣接するプレート３２の互いに対向する外表面から突出する第１凸条５０と第２凸条７０との頂点同士が互い違いとなるように配置される。

ここで言う「互い違い」とは、第１プレート板４２に形成された第１凸条５０の頂点と、その第１プレート板４２の外表面に対向する外表面を有した第２プレート板６２に形成された第２凸条７０の頂点とが、プレート３２の配置方向（即ち、軸方向）に沿って非対向となることである。本実施形態においては、「非対向」の具体例として、第１プレート板４２に形成された第１凸条５０の頂点が、その第１プレート板４２の外表面に対向する外表面を有した第２プレート板６２に形成された第２凹条７２の頂点に、軸方向に沿って一致することを含む。

そして、第２プレート板６２に形成された第３連通部位６６と、その第２プレート板６２の外表面に対向する外表面を有した第１プレート板４２に形成された第１連通部位４６とが接合されることで、第２連通部４１が形成される。この第２連通部４１は、流入管３４からの冷却液１４４を、第１プレート板４２を有するプレート３２の内部へと流動させる流路を形成する。すなわち、第１プレート板４２に形成された第１連通孔５４は、そのプレート３２への冷却液１４４の流入口として機能する。

また、第１プレート板４２に形成された第２連通部位４８と、その第１プレート板４２の外表面に対向する外表面を有した第２プレート板６２に形成された第４連通部位６８とが接合されることで、第１連通部４０が形成される。この第１連通部４０は、その第１プレート板４２を有するプレート３２の内部からの冷却液１４４を、流出管３６へと流動させる連通流路を形成する。すなわち、第１プレート板４２に形成された第２連通孔５６は、そのプレート３２からの冷却液１４４の流出口として機能する。

さらに、熱交換器３０は、各プレート３２の径方向に沿った内側の周縁と排気管１２の外表面との間に隙間８０が形成されるように配置される。熱交換器３０は、各プレート３２の径方向に沿った外側の周縁と外殻部材２０の内表面との間に隙間８４が形成されるように配置される。

これにより、本実施形態の熱交換器３０においては、隙間８０，隙間８２，隙間８４を排気１４２が流れる。この排気１４２の流動方向は、熱交換器３０の径方向に沿った方向となる。したがって、本実施形態の熱交換器３０では、プレート３２の第１凸条５０及び第２凸条７０における長手方向が、排気１４２の流動方向に対して直交する方向となる。

さらに、熱交換器３０では、隙間８０，隙間８２，隙間８４を流れる排気１４２を高温流体とし、各プレート３２内を流動する冷却液１４４を低温流体として、熱交換が行われる。すなわち、熱交換器３０が配置された熱交換室２８が、熱交換部６として機能する。

保持部材２４は、熱交換室２８に配置された熱交換器３０を保持する。
導入部材８８は、排気管１２の外径よりも径の大きい円筒状の部材であり、一方の端部が保持部材２４に接続されている。

導入部材８８において、保持部材２４に接続された側とは反対側の端部は、拡径するディフューザ状に形成されている。
そして、導入部材８８は、排気管１２の排気下流端１８との間に周方向に渡った開口が形成されるように配置される。この開口は、排気部２から熱交換部６へと排気１４２が流入する流入口として機能する。

弁１０は、少なくとも、弁体９４と、弁座９６とを備え、弁体９４が弁座９６と接触することで、排気部２（導入部材８８）を閉塞する。
本実施形態においては、導入部材８８におけるディフューザ状の端部が、弁座９６として機能する。ただし、本発明における弁座９６は、これに限るものではなく、専用に設けられていても良い。

弁座９６には、メッシュ状に形成されたメッシュ部材１００が取り付けられている。
なお、本実施形態における弁１０は、内燃機関１４０の冷却液１４４の液温が、予め規定された規定温度よりも高い場合に開放される。一方、弁１０は、内燃機関１４０の冷却液１４４の液温が規定温度よりも低い場合に閉塞される。
＜実施形態の効果＞
熱交換器３０の各プレート３２は、互いに非当接状態に配置されるため、互いに隣接するプレート３２同士の外表面の間に隙間８２を有する。しかも、互いに隣接するプレート３２の互いに対向する外表面から突出する第１凸条５０と第２凸条７０との頂点同士が互い違いに配置されることから、プレート３２間に形成される隙間８２は波形となる。

そして、排気１４２は、その波形の隙間８２を、第１凸条５０及び第２凸条７０における長手方向に直交する方向へと流動する。このため、隙間８２を流動する排気１４２の一部は、第１凸条５０と第２凸条７０とに衝突する。これにより、熱交換器３０によれば、排気１４２の一部が衝突した第１凸条５０と第２凸条７０とに境界層が形成されることを低減でき、プレート外表面と第２の流体との間の熱伝達率を大きくすることができる。

さらに、熱交換器３０においては、波形の隙間８２が排気１４２の流路として機能するため、排気１４２の流れを阻害することを可能な限り抑制でき、排気１４２の流速が低下することを低減できる。

しかも、熱交換器３０では、プレート３２の外表面が波形に形成されている。このため、熱交換器３０によれば、排気１４２と接するプレート３２の表面積を広くできる。
さらに、熱交換器３０は、プレート３２の外表面だけでなく、プレート３２の内表面も波形に形成されている。このため、熱交換器３０によれば、冷却液１４４と接するプレート３２の表面積を広くできる。

熱交換器３０内の冷却液１４４は、第１凹条５２及び第２凹条７２の長手方向に沿って流動する。このため、熱交換器３０によれば、冷却液１４４が流れる際の抵抗、即ち、圧力損失を可能な限り低減できる。

以上のことから、熱交換器３０によれば、熱交換効率をより向上させることができる。
なお、熱交換器３０は、全体としての形状が筒型であり、排気１４２が径方向に沿って流動する。このため、熱交換器３０によれば、排気１４２の流動方向を冷却液１４４の流動方向と直交する方向とすることができる。しかも、熱交換器３０によれば、排気１４２の流動方向を冷却液１４４の流動方向と直交する方向とすることを、プレート３２の径方向全体に渡って実現できる。
［その他の実施形態］
以上、本発明の実施形態について説明したが、本発明は上記実施形態に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲において、様々な態様にて実施することが可能である。

例えば、上記実施形態では、熱交換器３０の適用対象を排気熱回収装置１としていたが、熱交換器３０の適用対象は、排気熱回収装置１に限るものではない。
さらに、熱交換器３０におけるプレート３２の形状は、円筒状に限るものではない。すなわち、本発明の熱交換器においては、図４に示すように、プレート３２の形状が矩形であっても良いし、その他の形状であっても良い。

プレート３２の形状を矩形とする場合には、例えば、第１凸条５０の線条及び第１凹条５２の線条は、第１プレート板４２の長手方向に沿うように形成されていればよい。また、第２凸条７０の線条及び第２凹条７２の線条は、第２プレート板６２の長手方向に沿うように形成されていればよい。

つまり、プレート３２の形状を矩形とした場合には、第１プレート板４２の短辺方向に沿って第１凸条５０と第１凹条５２とが交互に配置されることにより、外表面及び内表面の短辺方向に沿った断面が波形に形成されていればよい。また、プレート３２の形状を矩形とした場合には、第２プレート板６２の短辺方向に沿って第２凸条７０と第２凹条７２とが交互に配置されることにより、外表面及び内表面の短辺方向に沿った断面が波形に形成されていればよい。

さらに、上記実施形態における熱交換器３０では、プレート３２の表面形状を、径方向に沿って正弦波状としていたが、プレート３２の表面形状は、これに限るものではなく、三角波状であっても良いし、矩形波状であっても良いし、のこぎり波状であっても良い。すなわち、プレート３２の表面形状は、波形であれば、どのような形状であっても良い。

なお、上記実施形態においては、排気下流端１８と導入部材８８との間の開口を、排気管１２から熱交換部６への排気１４２の流入口として形成していたが、排気管１２から熱交換部６への排気１４２の流入口は、排気管１２自体に孔を穿設することで形成してもよい。

なお、上記実施形態の構成の一部を省略した態様も本発明の実施形態である。また、上記実施形態と変形例とを適宜組み合わせて構成される態様も本発明の実施形態である。また、特許請求の範囲に記載した文言によって特定される発明の本質を逸脱しない限度において考え得るあらゆる態様も本発明の実施形態である。

１…排気熱回収装置 ２…排気部 ４…シェル部材 ６…熱交換部 ８…流入部 １０…弁 １２…排気管 １４…排気管 １６…上流端 １８…排気下流端 ２０…外殻部材 ２２…蓋部材 ２４…保持部材 ２８…熱交換室 ３０…熱交換器 ３２…プレート ３４…流入管 ３６…流出管 ３８…本体部 ４０…第１連通部 ４１…第２連通部 ４２…第１プレート板 ４４…第１本体部位 ４６…第１連通部位 ４８…第２連通部位 ５０…第１凸条 ５２…第１凹条 ５４…第１連通孔 ５６…第２連通孔 ６２…第２プレート板 ６４…第２本体部位 ６６…第３連通部位 ６８…第４連通部位 ７０…第２凸条 ７２…第２凹条 ８０…隙間 ８２…隙間 ８４…隙間 ８８…導入部材 ９０…先端部位 ９２…直管部位 ９４…弁体 ９６…弁座 ９８…弁軸 １００…メッシュ部材 １４０…内燃機関 １４２…排気（第２の流体） １４４…冷却液（第１の流体）

Claims (3)

1. 第１の流体と、第２の流体との間で熱交換を行う熱交換器であって、
   前記第１の流体が流動する流動経路を有する複数のプレートを備え、
   前記プレートのそれぞれは、
   規定された間隔で外表面が外側に向けて線条に突出した凸条を有した波形部であって、少なくとも外表面が波形に形成された波形部を備え、
   前記複数のプレートは、
   前記プレートの凸条における長手方向が、前記第２の流体の流動方向に対して直交する方向であり、互いに隣接するプレート同士の外表面が隙間を有する非当接状態、かつ、互いに隣接するプレートの互いに対向する外表面から突出する前記凸条の頂点同士が、前記プレートの配置方向に沿って非対向となるように配置される
   ことを特徴とする熱交換器。
2. 前記波形部は、
   前記凸条に隣接して前記凸条よりも前記外表面が窪むように、内表面から内側に向けて内表面が線条に突出する凹条を有し、前記内表面が波形に形成され、
   前記プレートは、
   互いに対向する内表面同士が隙間を有する非当接状態、かつ、前記プレートの凹条における長手方向が、前記第１の流体の流動方向に沿った方向となるように構成される
   ことを特徴とする請求項１に記載の熱交換器。
3. 前記プレートのそれぞれは、筒状に形成され、
   前記複数のプレートは、軸方向に沿って配置される
   ことを特徴とする請求項１または請求項２に記載の熱交換器。