JP2016114331A

JP2016114331A - 熱交換器

Info

Publication number: JP2016114331A
Application number: JP2014255334A
Authority: JP
Inventors: 裕美石川; Hiromi Ishikawa; 直弘竹本; Naohiro Takemoto; 裕久大上; Hirohisa Ogami
Original assignee: Futaba Industrial Co Ltd
Current assignee: Futaba Industrial Co Ltd
Priority date: 2014-12-17
Filing date: 2014-12-17
Publication date: 2016-06-23
Also published as: WO2016098555A1; DE112015005686T5; CN107003084A; US20170343302A1

Abstract

【課題】熱交換器において、高温流体から低温流体への熱交換率をより向上させること。【解決手段】熱交換器は、複数のプレートと、複数のプレートのうち互いに隣接するプレートを接続するフィンとを備える。フィンは、壁面を形成し、第１開口を有した第１開口部を少なくとも１つ有した第１部位と、第１部位と対をなし、第１部位とは異なる壁面を形成すると共に、第１開口と対をなす第２開口を有した第２開口部を少なくとも１つ有した第２部位とを備える。さらに、フィンは、第１部位と第２部位との組により波形に形成され、第１部位及び第２部位の壁面が、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。そして、第１開口と第２開口との組である開口ペアのうち、少なくとも１つの開口ペアを形成する第１開口と第２開口との少なくとも一部分が、第２の流体の流動方向に沿って非重複である非重複位置関係である。【選択図】図３

Description

本発明は、熱交換器に関する。

内燃機関からの排気を高温流体として、低温流体との間で熱交換する熱交換器を有し、排気熱を回収する排気熱回収装置が知られている（特許文献１参照）。
特許文献１に記載された熱交換器は、低温流体が流動する流動空間を有した複数のプレートを積層したプレート積層型の熱交換器である。特許文献１に記載された熱交換器のプレートには、外表面から突出した部位である凸部が形成されている。

国際公開ＷＯ２０１４／０１４０８０

特許文献１に記載された熱交換器においては、プレートの外表面に凸部を形成することでプレートの外表面の表面積を増加させ、低温流体と高温流体との熱交換率を向上させている。

一般的に、熱交換器においては、高温流体から低温流体への熱交換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よりも熱交換率の良い熱交換器が要望される可能性がある。

そこで、本発明は、熱交換器において、高温流体から低温流体への熱交換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である。
この熱交換器は、複数のプレートと、フィンとを備える。
複数のプレートは、第１の流体が流動する流動経路を有する。フィンは、複数のプレートのうち互いに隣接するプレートを接続する。さらに、フィンは、第１部位と、第２部位とを備えている。

このうち、第１部位は、壁面を形成し、１つの開口である第１開口を有した第１開口部を少なくとも１つ有する。第２部位は、第１部位と対をなし、第１部位とは異なる壁面を形成すると共に、第１開口と対をなす第２開口を有した第２開口部を少なくとも１つ有する。

そして、本発明の一側面におけるフィンは、第１部位と第２部位との組により波形に形成されている。また、フィンは、第１部位及び第２部位の壁面が、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、フィンにおいては、第１開口と第２開口との組である開口ペアのうち、少なくとも１つの開口ペアを形成する第１開口と第２開口との少なくとも一部分が、第２の流体の流動方向に沿って非重複である非重複位置関係である。

すなわち、本発明の一側面におけるフィンは、第２の流体の流動方向に対して、壁面が直交するように延在している。よって、第２の流体は、フィンの壁面全体に接するため、その接触面積を広くできる。

さらに、本発明の一側面においては、フィンの第１開口を通過した第２の流体は、第２部位において第１開口に対向する領域に衝突する。そして、第２の流体が衝突した第２部位の領域においては、第２の流体の流れが乱れるため、その第２の流体が衝突した第２部位の領域に境界層が形成されることを抑制できる。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の流体とフィンとの間に境界層が形成されることを抑制でき、第２の流体から第１の流体への熱移動を効率良く実現できる。

換言すれば、本発明の一側面における熱交換器によれば、高温流体から低温流体への熱交換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として構成されていても良い。この場合、本発明の一側面におけるフィンは、プレートの周方向に沿って配置されていても良い。

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る。しかも、本発明の一側面における熱交換器においては、プレートの周方向に沿って第１の流体が流動する。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。さらに、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を、プレートの径方向全体、即ち、第２の流体の流動範囲全体に渡って実現できる。

また、本発明の一側面における熱交換器は、開口ペアを形成する第１開口と第２開口との全体が、第２の流体の流動方向に沿って非重複となるように、第１開口部及び第２開口部を形成する。

このような熱交換器によれば、第１開口を通過した第２の流体が衝突する第２部位の面積を広くすることができる。よって、本発明の一側面における熱交換器によれば、第２部位において第１開口と対向する領域の周辺に境界層が形成されることを、より広い面積に渡って抑制できる。

なお、本発明の一側面における熱交換器は、全ての開口ペアが、非重複位置関係であっても良い。
このような熱交換器によれば、第１開口を通過した第２の流体が衝突する第２部位の面積をより広くすることができる。よって、本発明の一側面における熱交換器によれば、第２部位において第１開口と対向する領域の周辺に境界層が形成されることを、より広い面積に渡って抑制できる。

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る。熱交換器の側面図である。プレート及びフィンの外観を示す斜視図である。フィンの外観を示す斜視図である。フィンの上面図である。

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１１０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１１０からの排気１１２を高温流体とし、内燃機関１１０の冷却液１１４を低温流体として熱交換することにより、排気１１２から熱を回収する。なお、本実施形態における排気１１２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、冷却液１１４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。本実施形態における冷却液１１４は、冷却水であっても良いし、油液であっても良い。

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１１０からの排気１１２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１１２と、熱交換器３０のプレート３２の内部を流動する低温流体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１１２が流入する部位である。弁１０は、経路を開放閉塞する周知の弁であり、排気部２における排気１１２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。
＜排気熱回収装置の構造＞
次に、排気熱回収装置１の構造について説明する。

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、円筒状に形成された部材である。この排気管１２には、内燃機関１１０からの排気１１２が流入する。

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。
この外殻部材２０の下流側の端部は、排気管１４の上流端１６に接続される。
蓋部材２２は、排気管１２における排気１１２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。
この熱交換室２８に配置される熱交換器３０は、内部を冷却液１１４が流動する熱交換器であり、排気管１２の外周を覆うように配置される。
＜熱交換器の構造＞
本実施形態における熱交換器３０は、図３に示すように、複数のプレート３２−１〜３２−Ｎと、流入管４４と、流出管４６と、フィン５０−１〜５０−Ｍ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。また、本実施形態における符号Ｍは、フィン５０の個数を示す識別子であり、Ｎよりも「１」小さい正の整数である。

各プレート３２は、冷却液１１４が流動する流動経路を有する。フィン５０は、複数のプレート３２のうち互いに隣接するプレート３２を接続する。流入管４４は、熱交換器３０の外部からの冷却液１１４を１つのプレート３２に流入する管である。流出管４６は、１つのプレート３２から熱交換器３０の外部へと冷却液１１４を流出する管である。

各プレート３２は、第１プレート板３４と、第２プレート板３６とを備えている。
図４に示すように、第１プレート板３４は、円板状に形成された部材であり、中心に円形の開口を有している。この第１プレート板３４における周縁には、同一方向に突出した壁部が形成されている。第２プレート板３６は、円板状に形成された部材であり、中心に円形の開口を有している。この第２プレート板３６における周縁には、同一方向に突出した壁部が形成されている。

また、プレート３２は、それぞれ、第１プレート板３４の壁部に、第２プレート板３６の壁部を係合させることで形成される。各プレート３２には、第１プレート板３４の内表面と第２プレート板３６の内表面との間に隙間が形成される。その隙間は、低温流体が流動する流動空間、即ち、冷却液１１４の流路として機能する。

各プレート３２には、第１連通部３８と、第２連通部３９とが形成されている。このうち、第１連通部３８は、排気部２における排気１１２の流路に沿って上流から下流へと、流入管４４からの冷却液１１４が、隣接するプレート３２へ流動する経路を形成する。第２連通部３９は、排気部２における排気１１２の流路に沿って下流から流出管４６へと、冷却液１１４が、隣接するプレート３２へ流動する経路を形成する。

本実施形態における第１連通部３８及び第２連通部３９は、第１筒状部位４０と、第２筒状部位４２とを備える。第１筒状部位４０は、第１プレート板３４に形成された開口から、壁部とは反対の方向へと立設する筒状の部位である。第２筒状部位４２は、第２プレート板３６に形成された開口の周縁から、壁部とは反対の方向へと立設する筒状の部位である。

そして、第１連通部３８及び第２連通部３９は、第１プレート板３４に形成された第１筒状部位４０と、第２プレート板３６に形成された第２筒状部位４２とが接合されることで形成される。ここで言う第２プレート板３６に形成された第２筒状部位４２とは、第１プレート板３４の外表面とフィン５０を介して隣接する第２プレート板３６に形成された第２筒状部位４２である。

なお、第１連通部３８及び第２連通部３９の構築方法は、これに限るものではなく、プレート３２間における冷却液１１４の流路を形成するように構築されていれば、どのように構築されていても良い。

また、各プレート３２は、排気管１２の外周を覆うように配置される。各プレート３２の径方向に沿った中心側の周縁と排気管１２の外表面との間に、排気管１２の径方向に沿って隙間６４が形成されるように、各プレート３２は配置される。さらに、各プレート３２の径方向に沿った外側の周縁が外殻部材２０の内表面との間に、排気管１２の径方向に沿った隙間６６が形成されるように、各プレート３２は配置される。

これにより、本実施形態における排気１１２は、プレート３２の径方向に沿って、排気管１２の外表面から外殻部材２０の内表面へと向かう方向へと流動する。
フィン５０は、板状の部材であり、円弧状に形成されている。図５、図６に示すように、フィン５０は、第１部位５２−１〜５２−Ｌと、第２部位５４−１〜５４−Ｌとを備えている。ここでの符号「Ｌ」は、１以上の正の整数である。

第１部位５２は、フィン５０の壁面を形成する板状の部位である。この第１部位５２それぞれは、１つの開口である第１開口５６を有した第１開口部５８を少なくとも１つ有している。本実施形態において、第１開口５６は、第１部位５２に等間隔に形成されていても良いし、不等間隔に形成されていても良い。なお、１つの第１部位５２に形成される第１開口５６の個数は、第１部位５２の径方向に沿った位置にかかわらず同一個数であっても良いし、径方向に沿って外周側の第１部位５２に形成される個数ほど多くても良い。

第２部位５４は、第１部位５２と対をなし、第１部位５２とは異なる壁面を形成する板状の部位である。さらに、第２部位５４は、第１開口５６と対をなす第２開口６０を有した第２開口部６２を少なくとも１つ有している。本実施形態において、第２開口６０は、第２部位５４に等間隔に形成されていても良いし、不等間隔に形成されていても良い。なお、第２部位５４に形成される第２開口６０の個数は、当該第２部位５４に対応する第１部位５２に形成される第１開口５６の個数と同一であることが好ましい。

なお、各第１開口５６の面積、各第２開口６０の面積、第１開口５６の総面積、及び第２開口６０の総面積は、排気１１２の圧力との関係で適宜決定すれば良い。
そして、第１部位５２の長手方向に沿った一辺は、１つの第２部位５４の長手方向に沿った一辺と接続される。一方、当該第１部位５２の長手方向に沿った他方の一辺は、異なる第２部位５４の長手方向に沿った一辺と接続されている。これにより、フィン５０は、第１部位５２及び第２部位５４により、全体として三角波状に形成されている。

さらに、フィン５０は、プレート３２の周方向に円弧が沿うように、プレート３２に接続される。具体的には、フィン５０は、三角波状の一方の頂点が１つのプレート３２の外表面に接続される。三角波状の他方の頂点は、そのプレート３２とは異なるプレート３２の外表面に接続される。これにより、本実施形態においては、第１部位５２及び第２部位５４のそれぞれが、排気１１２の流動方向に対して直交する方向に配置される。

そして、フィン５０においては、第１開口５６と第２開口６０との組である開口ペアのうち、少なくとも１つの開口ペアを形成する第１開口５６と第２開口６０との少なくとも一部分が、排気１１２の流動方向に沿って非重複である非重複位置関係である。

ここで言う開口ペアとは、一組のペアを構成する第１部位５２及び第２部位５４に形成された第１開口５６と第２開口６０とのうち、第１開口５６と規定条件を満たす第２開口６０とのペアである。ここで言う規定条件とは、当該第１開口５６から最も近い位置に存在することであっても良いし、その他の条件であっても良い。

そして、本実施形態において非重複位置関係とは、具体的には、第２開口６０の全体が、開口ペアを形成する第１開口５６から第１部位５２の法線方向に沿って非重複であることである。非重複位置関係には、例えば、第２開口６０と第１開口５６とが千鳥状に形成されていることを含む。なお、本実施形態においては、全ての開口ペアを形成する第１開口５６と第２開口６０との位置関係が、非重複位置関係である。

本実施形態においては、隙間６４，第１開口５６，第２開口６０，隙間６６が、排気１１２の流路として機能する。そして、隙間６４，第１開口５６，第２開口６０，隙間６６を流れる排気１１２を高温流体（第２の流体）とし、各プレート３２内を流動する冷却液１１４を低温流体（第１の流体）として、熱交換が行われる。すなわち、本実施形態においては、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。

図２に示す保持部材２４は、熱交換室２８に配置された熱交換器３０を保持する部材である。
導入部材８０は、排気管１２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８０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。

この導入部材８０は、排気管１２との間に開口が形成されるように配置される。そして、その開口が、熱交換部６への排気１１２の流入口として機能する。
弁１０は、少なくとも、弁体１０２と、弁座１０４とを有し、弁体１０２が弁座１０４と接触することで、排気部２（導入部材８０）を閉塞する。なお、本実施形態においては、導入部材８０におけるディフューザ状の端部が、弁座１０４として機能する。ただし、本発明における弁座１０４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１０４の内周面には、メッシュ状に形成されたメッシュ部材１０８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１１０の冷却液１１４の液温が、予め規定された規定温度よりも高い場合に排気部２を開放する。一方、弁１０は、内燃機関１１０の冷却液１１４の液温が規定温度よりも低い場合に、排気部２を閉塞する。
＜排気熱回収装置の作用・効果＞
排気熱回収装置１において、弁１０が閉じられて排気部２が閉塞されると、内燃機関１１０からの排気１１２は、流入部８から熱交換部６へと流入し、熱交換部６にて冷却液１１４との間で熱交換を実行する。

その熱交換器３０が備えるフィン５０は、排気１１２の流動方向に対して、壁面が直交するように延在している。よって、排気１１２は、フィン５０の壁面全体に接する。このため、フィン５０と排気１１２との接触面積を広くでき、排気１１２から冷却液１１４への熱の移動をより効率良く実現することができる。

さらに、フィン５０の第１開口５６を通過した排気１１２は、第２部位５４において第１開口５６に対向する領域に衝突する。そして、排気１１２が衝突した第２部位５４の領域においては、排気１１２の流れが乱れるため、その排気１１２が衝突した第２部位５４の領域に境界層が形成されることを抑制できる。したがって、熱交換器３０によれば、プレート３２間を流動する排気１１２と、プレート３２内を流動する冷却液１１４との間の熱移動を効率良く実現できる。

特に、本実施形態においては、少なくとも１つの開口ペアを形成する第１開口５６と第２開口６０との全体が、排気１１２の流動方向に沿って非重複であり、かつ、全ての開口ペアを非重複位置関係としている。

このため、熱交換器３０によれば、第１開口５６を通過した排気１１２が衝突する第２部位５４の面積を広くすることができる。よって、熱交換器３０によれば、境界層が形成されることを、より広い面積で抑制できる。

以上のことから、熱交換器３０によれば、高温流体から低温流体への熱交換率をより向上させることができる。
また、熱交換器３０は、筒状に形成されたプレート３２が軸方向に沿って積層されている。そして、フィン５０は、プレート３２の周方向に円弧が沿うように配置されている。

したがって、熱交換器３０においては、排気１１２の流動方向をプレート３２の径方向に沿った方向とすることができる。しかも、このような熱交換器３０においては、プレート３２の周方向に沿って冷却液１１４が流動する。このため、熱交換器３０によれば、排気１１２の流動方向を冷却液１１４の流動方向と直交する方向とすることができる。さらには、熱交換器３０によれば、排気１１２の流動方向を冷却液１１４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、上記実施形態においては、フィン５０の形状を全体として三角波状としていたが、フィン５０の形状は、これに限るものではなく、正弦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、フィン５０の全体としての形状は、波形であれば、どのような形状であっても良い。

また、上記実施形態においては、少なくとも１つの開口ペアを形成する第１開口５６と第２開口６０との全体が、排気１１２の流動方向に沿って非重複であることを、非重複位置関係としていたが、非重複位置関係は、これに限るものではなく、少なくとも１つの開口ペアを形成する第１開口５６と第２開口６０との少なくとも一部分が非重複であることであっても良い。

そして、上記実施形態においては、非重複位置関係とする開口ペアを、全ての開口ペアとしていたが、本発明において非重複位置関係とする開口ペアは、開口ペアのうち少なくとも１つであっても良い。

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。

さらに、上記実施形態における排気熱回収装置１は、内燃機関１１０を有した移動体に搭載されていたが、本発明における排気熱回収装置は、移動体に搭載されていなくとも良い。すなわち、本発明における排気熱回収装置は、内燃機関１１０からの排気１１２を高温流体として熱交換することで、排気１１２からの熱を回収するものであれば、移動体に搭載されることなく用いられても良い。さらには、排気熱回収装置における低温流体は、冷却液１１４でなくとも良く、低温流体として作用するその他の流体であっても良い。

ところで、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。
また、熱交換器３０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、隣接するプレート３２を接続するフィン５０が第２の流体の流動方向と直交するように設けられていれば、プレート３２及びフィン５０の形状が矩形状であっても良いし、その他の形状であっても良い。

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１２，１４…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…第１プレート板３６…第２プレート板３８…第１連通部３９…第２連通部４０…第１筒状部位４２…第２筒状部位４４…流入管４６…流出管５０…フィン５２…第１部位５４…第２部位５６…第１開口５８…第１開口部６０…第２開口６２…第２開口部６４，６６…隙間８０…導入部材１０２…弁体１０４…弁座１０８…メッシュ部材１１０…内燃機関１１２…排気（第２の流体）１１４…冷却液（第１の流体）

Claims

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と、
前記複数のプレートのうち互いに隣接するプレートを接続するフィンと
を備え、
前記フィンは、
壁面を形成し、１つの開口である第１開口を有した第１開口部を少なくとも１つ有した第１部位と、
前記第１部位と対をなし、前記第１部位とは異なる壁面を形成すると共に、前記第１開口と対をなす第２開口を有した第２開口部を少なくとも１つ有した第２部位とを備え、
前記第１部位と前記第２部位との組により波形に形成され、
前記第１部位及び前記第２部位の壁面が、前記第２の流体の流動方向に対して直交する方向に配置され、
前記第１開口と前記第２開口との組である開口ペアのうち、少なくとも１つの前記開口ペアを形成する前記第１開口と前記第２開口との少なくとも一部分が、前記第２の流体の流動方向に沿って非重複である非重複位置関係である
ことを特徴とする熱交換器。
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、
前記フィンは、前記プレートの周方向に沿って配置される
ことを特徴とする請求項１に記載の熱交換器。
前記開口ペアを形成する前記第１開口と前記第２開口との全体が、前記第２の流体の流動方向に沿って非重複となるように、前記第１開口部及び前記第２開口部を形成する
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。
全ての前記開口ペアが、前記非重複位置関係である
ことを特徴とする請求項１から請求項３までのいずれか一項に記載の熱交換器。