JP2019117032A - ヘッダープレートレス型熱交換器 - Google Patents

Abstract

【課題】ヘッダープレートレス型熱交換器において、高温の排気ガス等が流入するチューブ先端部の温度上昇を抑え、耐久性を向上させる熱交換器を提供する。【解決手段】多数の偏平チューブ７を積層してコアを形成する。各偏平チューブの内面側に第一流体を流通させ、その外面側に第二流体を流通させる。偏平チューブを構成する各プレート５，６の膨出部４を外側に折り返して、第１重合部１０又はＵ字部を形成し、偏平チューブの先端部における冷却効果を高める。【選択図】図１

Description

本発明は、主として排気ガスを冷却水で冷却するＥＧＲクーラや、排気ガスの熱を冷却し回収する排熱回収器に最適な熱交換器であって、ヘッダープレートレス型のコアを有するものに関する。
なお、ヘッダープレートレス型のコアとは、偏平チューブの開口端を厚み方向に膨出したものを使用し、その膨出部において各偏平チューブを積層することにより、ヘッダープレートを不要としたものである。

下記特許文献１にヘッダープレートレス型熱交換器が提案されている。
この熱交換器は、そのコアを形成する偏平チューブが、一対の溝型に形成されたプレートを互いに溝底を対向して嵌着したものからなり、その両端開放側の縁に膨出部が形成され、その膨出部において各偏平チューブを積層し、各プレート間を一体にろう付固定したものである。

特開２０１６−１８３８３３号公報

従来のヘッダープレートレス型熱交換器は、排気ガスの入口部において、各偏平チューブが高温となり、繰り返し生じるヒートサイクルにより熱交換器が劣化するおそれがある。
これは、ヘッダープレートレス型熱交換器の特徴として構造が簡単になる利点を有するも、欠点として、ヘッダープレートを有する熱交換器に比べて、各偏平チューブの先端部の冷却性が悪くその部分が高温となるからである。
そこで、本発明はヘッダープレートレスの利点を有しつつ、可能な限り偏平チューブの先端部の温度を低下できる熱交換器を提供することを課題とする。

請求項１に記載の本発明は、それぞれ両側に一対の側壁１が立上げられて全体が溝状に形成され且つ、その側壁に直交した溝底３の両開放側の縁に厚み方向外側に細幅の膨出部４が形成されている一対のプレート５，６を有し、それらのプレート５，６が互いに逆向きに対向して嵌着されている偏平チューブ７と、
複数の偏平チューブ７が膨出部４で互いに積層され、各プレート５，６が互いにろう付されている熱交換器コア１３と、を有し、
各偏平チューブの前記膨出部４の先端から第一流体１９が内部に流入し、その外側に第二流体１８が流通する熱交換器であって、
前記各プレート５，６の前記膨出部４には、前記外側にそれぞれ折返えされて、略全長に渡り両外面に第１重合部１０が形成されており、各偏平チューブ７がその第１重合部１０で、４枚重ねに積層されており、その積層部がろう付されていることを特徴とするヘッダープレートレス型熱交換器である。

請求項２に記載の本発明は、それぞれ両側に一対の側壁１が立上げられて全体が溝状に形成され且つ、その側壁に直交した溝底３の両開放側の縁に厚み方向外側に細幅の膨出部４が形成されている一対のプレート５，６を有し、それらのプレート５，６が互いに逆向きに対向して嵌着されている偏平チューブ７と、
複数の偏平チューブ７が膨出部４で互いに積層され、各プレート５，６が互いにろう付されている熱交換器コア１３と、を有し、
各偏平チューブの前記膨出部４の先端から第一流体１９が内部に流入し、その外側に第二流体１８が流通する熱交換器であって、
前記各プレート５，６の前記膨出部４には、前記細幅の長手方向に両端部を除き、前記外側にそれぞれ横断面Ｕ字状に折返えされたＵ字部１１が形成され、各偏平チューブ７がそのＵ字部１１で、積層されており、
前記細幅の長手方向の両端部では、積層された各偏平チューブ７の前記膨出部４が外側に折返されて、その折返し部が重ね合わされた第２重合部１２を形成しており、
その第２重合部１２と前記Ｕ字部１１の各表面が面一に形成されており、各偏平チューブが第２重合部１２と前記Ｕ字部１１で互いにろう付されていることを特徴とするヘッダープレートレス型熱交換器である。

請求項３に記載の本発明は、前記各プレート５，６の前記第１重合部１０が、前記第１重合部１０の長手方向の両端部で広い幅に形成されており、それ以外の中間部で狭い幅に形成されている請求項１に記載のヘッダープレートレス型熱交換器である。

請求項１に記載の発明は、各プレート５，６の膨出部４が、外側にそれぞれ折返えされて、第１重合部１０が形成されており、各偏平チューブ７がその第１重合部１０で、４枚重ねに積層されており、その積層部が互いにろう付されていることを特徴とする。
それにより、膨出部４の剛性が向上するので、当該膨出部に必要な剛性を確保した上で当該部の幅を狭くすることができる。また、膨出部４近傍の第二流体の流路断面形状が略矩形状となり広がるので、当該近傍の第二流体の流量が増加し、前記先端部と第二流体との伝熱が向上し、温度差が抑制される。これらの結果、ヒートサイクルによる熱交換器の劣化が抑制され、熱交換器の耐久性が向上する。

請求項２に記載の発明は、各プレート５，６の膨出部４に、細幅の長手方向に両端部を除き、外側にそれぞれ横断面Ｕ字状に折返えされてＵ字部１１が形成され、各偏平チューブ７がそのＵ字部１１で、積層されており、膨出する細幅の長手方向の両端部では、積層された各偏平チューブ７が外側に折返されて第２重合部１２を形成し、その第２重合部１２の外面とＵ字部１１の外面とが面一に形成され、各偏平チューブが第２重合部１２とＵ字部１１で互いにろう付されているものである。
それにより、Ｕ字部１１に第二流体が流通することになり、膨出部４と第二流体との伝熱が向上するので、各偏平チューブ７の先端部と第二流体との温度差が抑制される。その結果、ヒートサイクルによる熱交換器の劣化が抑制され、熱交換器の耐久性が向上する。

請求項３に記載の発明は、各プレート５，６の前記第１重合部１０が、前記第１重合部１０の長手方向の両端部で広い幅に形成されており、それ以外の中間部で狭い幅に形成されているものである。
第１重合部１０の長手方向の中間部の幅を狭くすることによって、各偏平チューブ７の先端から第二流体までの距離が短くなるので、その先端部と第二流体との伝熱が向上し、その間の温度差が抑制される。
その結果、ヒートサイクルによる熱交換器の劣化がさらに抑制され、熱交換器の耐久性が向上する。

本発明の熱交換器コア１３の第１実施例の要部縦断面図。 同熱交換器コア１３の斜視図。 同熱交換器コア１３を構成する偏平チューブ７の要部斜視図。 同熱交換器コア１３の要部斜視断面図。 同熱交換器コア１３を有する熱交換器の分解斜視図。 本発明の熱交換器コア１３の第２実施例の要部縦断面図。 同熱交換器コア１３の要部斜視断面図。 同コアの偏平チューブ７を構成するプレート６の斜視図（Ａ）及び（Ｂ）〜（Ｅ）は、（Ａ）におけるＢ−Ｂ，Ｃ−Ｃ，Ｄ−Ｄ，Ｅ−Ｅの各断面図。 同第２実施例の熱交換器コア１３を有する熱交換器の分解斜視図。

次に、図面に基づいて本発明の実施の形態につき説明する。
本発明の熱交換器は、主としてＥＧＲクーラ等に使用できるものである。各実施形態の説明において、排気ガス１９は第一流体であり、冷却水１８は第二流体に相当する。

図１〜図５は本発明の第１実施例の熱交換器コア１３及び、同コアを有する熱交換器の分解斜視図である。
この熱交換器コア１３は、図３に示す、偏平チューブ７を積層したものからなる。各偏平チューブ７は、図１に示す如く、両側に一対の側壁１が立ち上げられて全体が溝状に形成され且つ、その両側に直交した溝底３の両開放側（偏平チューブ７の開口端が形成される側）の縁に厚み方向外側に細幅の膨出部４が形成された一対のプレート５，６を有する。そして、そのプレート５，６を互いに逆向きに対向して嵌着し偏平チューブ７を形成する。その偏平チューブ７を複数膨出部４で互いに積層して、熱交換器コア１３が形成されている。

（実施例１の特徴）
ここにおいて、熱交換器コア１３を構成する偏平チューブ７の特徴は、各プレート５，６の両端開放側において、膨出部４に隣接して膨出部４の長手方向の長さに整合する帯状部が膨出部４と一体に設けられており、その帯状部が膨出部４の外側に夫々折り返されて、略全長に渡り外面側に第１重合部１０が形成される。
この例では、その第１重合部１０はその長手方向の両端において幅広の幅Ｌ２となり、それ以外では幅狭の幅Ｌ１に形成されている。これは、偏平チューブ７の入口側において、高温の排気ガスが内部に流入すると、特に第１重合部１０の長手方向の中間部においてより高温となるので、第１重合部１０の縁幅を狭くして、外側に流通する冷却水による冷却効果を高めるものである。

また、幅広の幅Ｌ２と幅狭の幅Ｌ１との間は、図２および図３に示すごとく、なだらかに湾曲させることが好ましい。なだらかに湾曲させることにより、なだらかに湾曲していないときより側壁近傍の熱応力の集中が緩和される。
各偏平チューブ７はその膨出部４において積層され、各積層部は厚み方向に４重になる。すると、その厚み分だけ各偏平チューブ７の外面側の冷却水路１５の流路が広くなる。
そして図５に示す如く、ケーシング本体２０ａと端蓋２０ｂとからなるケーシング２０内に偏平チューブ７の積層体からなる熱交換器コア１３が挿入される。ケーシング２０の熱交換器コア１３に対向する位置には一対の水パイプ２１が配置される。

また、ケーシング２０の両端にはガスパイプ２２が配置される。そして、全体を組立てた状態で高温の炉内に挿入され、全体が一体的にろう付固定されて熱交換器を完成する。なお、ろう付の前に各部品の少なくとも一方側にはろう材を被覆又は塗布しておくと良い。
完成された熱交換器には、一方のガスパイプ２２から排気ガス（第一流体）１９が流入し、各偏平チューブ７の内部を通り、他方のガスパイプ２２からそれが流出する。それと共に、一方の水パイプ２１から冷却水（第二流体）１８を流入し、各偏平チューブ７の外面側を流通させて、他方の水パイプ２１からそれを流出させる。そして排気ガス１９と冷却水１８との間に熱交換を行うものである。

（実施例１の作用）
この実施例では、膨出部４が折り返されて、そこに第１重合部１０が形成されるため、偏平チューブ７の先端部の強度が向上する。それと共に、各偏平チューブ７の第１重合部１０どうしが重ねあわされて、偏平チューブ７外面側の冷却水路１５が厚み方向に広くなり冷却効果が増大する。さらには、第１重合部１０の端部における幅Ｌ２よりも中間部の幅Ｌ１を狭くしたため、特に、高温になりがちな第１重合部１０の中間部の冷却を効果的に行うことができる。さらには、板厚の２倍に折り返された膨出部４により、偏平チューブ７の端部の劣化を防止し、耐久性の高い熱交換器を形成することができる。

次に、図６〜図９は本発明の第２実施例である。
この実施例は、図６，図７に示す如く、両端部を除き、各偏平チューブ７が横断面Ｕ字状に形成されたＵ字部１１を有する。
そして膨出部４の長手方向両端部には第２重合部１２が形成されている。即ち、図８（Ｂ）に示す如く、膨出部４の長手方向両端部では折り返されて、その折り返し部が板厚２枚分に形成され、それ以外の大部分では図８（Ｄ）の如く、Ｕ字部１１に形成されている。

なお、Ｕ字部１１の表面と第２重合部１２の表面とは同一平面上にある。即ち、外面が面一に形成されている。このような一対のプレート５，６で構成された偏平チューブ７が積層され熱交換器コア１３を形成する。
この熱交換器コア１３は、実施例１と同様に、ケーシング２０に挿入され、全体が一体的にろう付固定されて熱交換器が完成される。

（実施例２の作用）
このような偏平チューブ７は、その膨出部４のＵ字部１１と第２重合部１２とが面一に形成される。即ち、膨出部４の長手方向両端においては、第２重合部１２が形成され、それ以外ではＵ字部１１に形成される。そして、各偏平チューブ７が隙間なく積層される。その第２重合部１２においては、実施例１と同様、その端部強度が向上する。そして、Ｕ字部１１においては夫々Ｕ字状の冷却水路１５が形成され、各偏平チューブ７の外面側を流通する冷却水（第二流体）１８がそこに導かれる。
そのため、実施例２ではその偏平チューブ７の端部における冷却効果が、実施例１に比べて著しく高い。

本発明の熱交換器コアは、ＥＧＲクーラとして用いることができると共に、他の各種熱交換器、例えば排熱回収器等に利用することもできる。

１ 側壁
３ 溝底
４ 膨出部
５，６ プレート
７ 偏平チューブ
１０ 第１重合部
１１ Ｕ字部
１２ 第２重合部
１３ 熱交換器コア
１４ インナーフィン

１５ 冷却水路
１６ 排気ガス路
１７ ディンプル
１８ 冷却水（第二流体）
１９ 排気ガス（第一流体）
２０ ケーシング
２０ａ ケーシング本体
２０ｂ 端蓋
２１ 水パイプ
２２ ガスパイプ
Ｌ１ 幅
Ｌ２ 幅

Claims (3)

1. それぞれ両側に一対の側壁（１）が立上げられて全体が溝状に形成され且つ、その側壁に直交した溝底（３）の両開放側の縁に厚み方向外側に細幅の膨出部（４）が形成されている一対のプレート（５）（６）を有し、それらのプレート（５）（６）が互いに逆向きに対向して嵌着されている偏平チューブ（７）と、
   複数の偏平チューブ（７）が膨出部（４）で互いに積層され、各プレート（５）（６）が互いにろう付されている熱交換器コア（１３）と、を有し、
   各偏平チューブの前記膨出部（４）の先端から第一流体（１９）が内部に流入し、その外側に第二流体（１８）が流通する熱交換器であって、
   前記各プレート（５）（６）の前記膨出部（４）には、前記外側にそれぞれ折返えされて、略全長に渡り両外面に第１重合部（１０）が形成されており、各偏平チューブ（７）がその第１重合部（１０）で、４枚重ねに積層されており、その積層部がろう付されていることを特徴とするヘッダープレートレス型熱交換器。
2. それぞれ両側に一対の側壁（１）が立上げられて全体が溝状に形成され且つ、その側壁に直交した溝底（３）の両開放側の縁に厚み方向外側に細幅の膨出部（４）が形成されている一対のプレート（５）（６）を有し、それらのプレート（５）（６）が互いに逆向きに対向して嵌着されている偏平チューブ（７）と、
   複数の偏平チューブ（７）が膨出部（４）で互いに積層され、各プレート（５）（６）が互いにろう付されている熱交換器コア（１３）と、を有し、
   各偏平チューブの前記膨出部（４）の先端から第一流体（１９）が内部に流入し、その外側に第二流体（１８）が流通する熱交換器であって、
   前記各プレート（５）（６）の前記膨出部（４）には、前記細幅の長手方向に両端部を除き、前記外側にそれぞれ横断面Ｕ字状に折返えされたＵ字部（１１）が形成され、各偏平チューブ（７）がそのＵ字部（１１）で、積層されており、
   前記細幅の長手方向の両端部では、積層された各偏平チューブ（７）の前記膨出部（４）が外側に折返されて、その折返し部が重ね合わされた第２重合部（１２）を形成しており、
   その第２重合部（１２）と前記Ｕ字部（１１）の各表面が面一に形成されており、各偏平チューブが第２重合部（１２）と前記Ｕ字部（１１）で互いにろう付されていることを特徴とするヘッダープレートレス型熱交換器。
3. 前記各プレート（５）（６）の前記第１重合部（１０）が、前記第１重合部（１０）の長手方向の両端部で広い幅に形成されており、それ以外の中間部で狭い幅に形成されている請求項１に記載のヘッダープレートレス型熱交換器。

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