JP2021063595A - 伝熱管およびその製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】体積当たりの熱交換効率を向上する。【解決手段】扁平管１１０と、インナーフィン１２０とを備える。インナーフィン１２０は、１枚の金属板からなる。インナーフィン１２０には、軸方向Ａから見て金属板の厚さが薄い複数の薄肉部１２１が設けられている。複数の薄肉部１２１は、軸方向Ａから見て、厚さ方向Ｔの一方側と他方側とに交互に位置しつつ長さ方向Ｌに延在している。インナーフィン１２０は、複数の薄肉部１２１の各々にて扁平管１１０と接触している。【選択図】図２

Description

本発明は、伝熱管およびその製造方法に関する。

ＥＧＲ(Exhaust Gas Recirculation)クーラに用いられる伝熱管の構成を開示した先行文献として、特開２０１１−４７５４２号公報(特許文献１)がある。特許文献１に記載された伝熱管は、断面形状が扁平形状の扁平管と、扁平管に内装された波形フィン構造体とで構成されている。

特開２０１１−４７５４２号公報

ＥＧＲクーラに用いられる伝熱管には、厳しい排気規制に対応するために、体積当たりの熱交換効率を向上することが求められている。

本発明は上記の問題点に鑑みてなされたものであって、体積当たりの熱交換効率を向上することができる、伝熱管およびその製造方法を提供することを目的とする。

本発明に基づく伝熱管は、扁平管と、インナーフィンとを備える。扁平管は、厚さ方向に直交する長さ方向に沿う扁平な形状を有する。インナーフィンは、上記厚さ方向および上記長さ方向の両方に直交する軸方向に延在する複数の流路を規定するように扁平管の内側に配設されている。インナーフィンは、１枚の金属板からなる。インナーフィンには、上記軸方向から見て金属板の厚さが薄い複数の薄肉部が設けられている。複数の薄肉部は、上記軸方向から見て、上記厚さ方向の一方側と他方側とに交互に位置しつつ上記長さ方向に延在している。インナーフィンは、複数の薄肉部の各々にて扁平管と接触している。

本発明の一形態においては、インナーフィンは、金属板が互いに重なるように折り返された折り返し部を有さない。

本発明の一形態においては、インナーフィンは、金属板の一部が切り起されて扁平管と離間している突起部を含む。突起部における金属板の厚さは、複数の薄肉部の各々の厚さより厚い。

本発明に基づく伝熱管の製造方法は、１枚の金属板を押圧し、金属板の厚さが薄い複数の薄肉部を互いに間隔をあけて形成する工程と、複数の薄肉部が金属板の厚さ方向の一方側と他方側とに交互に位置しつつ上記厚さ方向に直交する方向に延在するように、金属板を曲げてインナーフィンを形成する工程と、複数の薄肉部の各々にて扁平管と接触するように、扁平管の内側にインナーフィンを配設する工程とを備える。

本発明の一形態においては、複数の薄肉部を互いに間隔をあけて形成する工程において、金属板をコイニング加工する。

本発明は、伝熱管の体積当たりの熱交換効率を向上することができる。

本発明の実施形態１に係る伝熱管を有する熱交換器の構成を示す横断面図である。 図１の伝熱管のＩＩ部を拡大して示す図である。 本発明の実施形態１に係る伝熱管の製造方法において、金属板を押圧する状態を示す横断面図である。 本発明の実施形態１に係る伝熱管の製造方法において、金属板に複数の薄肉部を形成した状態を示す横断面図である。 本発明の実施形態１に係る伝熱管の製造方法において、金属板を曲げる状態を示す横断面図である。 本発明の実施形態１に係る伝熱管の製造方法において、金属板を曲げてインナーフィンを形成した状態を示す横断面図である。 本発明の実施形態１に係る伝熱管の製造方法において、扁平管の内側にインナーフィンを配設した状態を示す横断面図である。 本発明の実施形態１の第１変形例に係る伝熱管が備えるインナーフィンの形状を示す横断面図である。 本発明の実施形態１の第２変形例に係る伝熱管が備えるインナーフィンの形状を示す横断面図である。 本発明の実施形態２に係る伝熱管が備えるインナーフィンの外観を示す部分斜視図である。

以下、本発明の各実施形態に係る伝熱管およびその製造方法について図を参照して説明する。以下の説明においては、図中の同一または相当部分には同一符号を付して、その説明は繰り返さない。

(実施形態１)
図１は、本発明の実施形態１に係る伝熱管を有する熱交換器の構成を示す横断面図である。図２は、図１の伝熱管のＩＩ部を拡大して示す図である。

図１および図２に示すように、本発明の実施形態１に係る伝熱管１００を有する熱交換器１は、ハウジング１０と、ハウジング１０内に収容された複数の伝熱管１００とを備える。熱交換器１においては、排気ガスＧが複数の伝熱管１００の各々の内側を通流し、冷媒Ｗがハウジング１０の内部における複数の伝熱管１００の各々の外側を通流する。

複数の伝熱管１００は、互いに間隔をあけて対向しつつ並行に延在するように配置されている。複数の伝熱管１００の各々は、扁平管１１０と、インナーフィン１２０とを備える。

扁平管１１０は、厚さ方向Ｔに直交する長さ方向Ｌに沿う扁平な形状を有する。扁平管１１０を構成する材料の板厚は、たとえば、０．３ｍｍである。扁平管１１０は、ステンレス鋼などの耐腐食性および高い熱伝導性を有する材料で構成されている。

インナーフィン１２０は、厚さ方向Ｔおよび長さ方向Ｌの両方に直交する軸方向Ａに延在する複数の流路を規定するように扁平管１１０の内側に配設されている。複数の流路の各々を排気ガスＧが通流する。インナーフィン１２０は、１枚の金属板からなる。

図２に示すように、インナーフィン１２０には、軸方向Ａから見て金属板の厚さが薄い複数の薄肉部１２１が設けられている。インナーフィン１２０において、薄肉部１２１同士の間に、厚肉部１２２が設けられている。薄肉部１２１の厚さＴ１は、厚肉部１２２の厚さＴ２より薄い。たとえば、Ｔ１＝０．３ｍｍ、Ｔ２＝０．５ｍｍである。

複数の薄肉部１２１は、軸方向Ａから見て、厚さ方向Ｔの一方側と他方側とに交互に位置しつつ長さ方向Ｌに延在している。軸方向Ａから見て、長さ方向Ｌにおいて隣り合う薄肉部１２１同士は、厚さ方向Ｔに延在している厚肉部１２２によって互いに接続されている。本実施形態においては、薄肉部１２１と厚肉部１２２とは、略直交している。

インナーフィン１２０は、金属板が互いに重なるように折り返された折り返し部を有さない。折り返し部とは、金属板が略１８０°折り曲げられて互いに重なっている部分である。

インナーフィン１２０は、複数の薄肉部１２１の各々にて扁平管１１０と接触している。複数の厚肉部１２２の各々は、扁平管１１０とは接触していない。

長さ方向Ｌにおいて間隔をあけて互いに対向している厚肉部１２２同士の間隔Ｄ１は、たとえば、４．８ｍｍである。厚さ方向Ｔにおいて間隔をあけて互いに対向している薄肉部１２１と扁平管１１０との間隔Ｄ２は、たとえば、３．０ｍｍである。インナーフィン１２０を構成する金属板は、ステンレス鋼などの耐腐食性および高い熱伝導性を有する材料で構成されている。

ここで、本発明の実施形態１に係る伝熱管１００の製造方法について説明する。
図３は、本発明の実施形態１に係る伝熱管の製造方法において、金属板を押圧する状態を示す横断面図である。図３に示すように、１枚の金属板２０を、金属板２０の厚さ方向Ｔの一方側に配置された金型３０および金属板２０の厚さ方向Ｔの他方側に配置された金型４０によって押圧する。

金型３０には、長さ方向Ｌにおいて互いに間隔をあけて厚さ方向Ｔの他方側に突出した複数の凸部３１が設けられている。金型４０には、長さ方向Ｌにおいて互いに間隔をあけて厚さ方向Ｔの一方側に突出した複数の凸部４１が設けられている。複数の凸部４１は、長さ方向Ｌにおいて凸部３１同士の間に１つずつ位置するように配置されている。

図４は、本発明の実施形態１に係る伝熱管の製造方法において、金属板に複数の薄肉部を形成した状態を示す横断面図である。図４に示すように、金属板２０を金型３０と金型４０とによって挟んで押圧することにより、金属板２０の厚さが薄い複数の薄肉部２１を長さ方向Ｌにおいて互いに間隔をあけて形成する。

具体的には、複数の凸部３１によって金属板２０を押圧して複数の凹部２３を形成し、および、複数の凸部４１によって金属板２０を押圧して複数の凹部２４を形成する。凹部２３と凹部２４とは、金属板２０の厚さ方向Ｔの一方側と他方側とに交互に形成される。

金属板２０において、凹部２３が形成されて薄くなっている箇所、および、凹部２４が形成されて薄くなっている箇所の、各々が薄肉部２１となる。金属板２０において、隣り合う凹部２３と凹部２４との間に位置する部分が、厚肉部２２となる。

本実施形態においては、金属板２０をいわゆるコイニング加工することにより、複数の薄肉部２１を形成する。ただし、複数の薄肉部２１を形成する方法は、コイニング加工に限られず、鍛造、切削または鋳造などでもよい。

図５は、本発明の実施形態１に係る伝熱管の製造方法において、金属板を曲げる状態を示す横断面図である。図５に示すように、複数の薄肉部１２１が形成された金属板２０を、金属板２０の厚さ方向Ｔの一方側に配置された金型５０および金属板２０の厚さ方向Ｔの他方側に配置された金型６０によって押圧する。

金型５０には、凹部２３に対応する位置に、厚さ方向Ｔの他方側に突出した凸部５１が設けられている。金型６０には、凹部２４に対応する位置に、厚さ方向Ｔの一方側に突出した凸部６１が設けられている。

図６は、本発明の実施形態１に係る伝熱管の製造方法において、金属板を曲げてインナーフィンを形成した状態を示す横断面図である。図６に示すように、金属板２０を金型５０と金型６０とによって挟んで押圧することにより、金属板２０を曲げてインナーフィン１２０を形成する。

具体的には、凸部５１によって金属板２０の凹部２３に対応する位置を押圧して、金属板２０の厚さ方向Ｔの他方側に位置する薄肉部１２１を形成し、および、凸部６１によって金属板２０の凹部２４に対応する位置を押圧して、金属板２０の厚さ方向Ｔの一方側に位置する薄肉部１２１を形成する。このとき、凸部５１と凸部６１との間の隙間に位置するように厚肉部２２の延在方向を長さ方向Ｌから厚さ方向Ｔに変更することにより、厚肉部１２２を形成する。

このように、複数の薄肉部１２１が金属板２０の厚さ方向Ｔの一方側と他方側とに交互に位置しつつ厚さ方向Ｔに直交する長さ方向Ｌに延在するように、金属板２０を曲げてインナーフィン１２０を形成する。

図７は、本発明の実施形態１に係る伝熱管の製造方法において、扁平管の内側にインナーフィンを配設した状態を示す横断面図である。図７に示すように、複数の薄肉部１２１の各々にて扁平管１１０と接触するように、扁平管１１０の内側にインナーフィン１２０を配設する。

ここで、厚肉部の延在方向のみ実施形態１に係る伝熱管１００と異なる変形例について説明する。図８は、本発明の実施形態１の第１変形例に係る伝熱管が備えるインナーフィンの形状を示す横断面図である。図８に示すように、本発明の実施形態１の第１変形例に係る伝熱管が備えるインナーフィン１２０ａの厚肉部１２２ａは、軸方向Ａから見て、薄肉部１２１との間の角度が鋭角となるように厚さ方向Ｔに沿って延在している。図９は、本発明の実施形態１の第２変形例に係る伝熱管が備えるインナーフィンの形状を示す横断面図である。図９に示すように、本発明の実施形態１の第２変形例に係る伝熱管が備えるインナーフィン１２０ｂの厚肉部１２２ｂは、軸方向Ａから見て、薄肉部１２１との間の角度が鈍角となるように厚さ方向Ｔに沿って延在している。

本発明の実施形態１に係る伝熱管１００のインナーフィン１２０には、軸方向Ａから見て金属板２０の厚さが薄い複数の薄肉部１２１が設けられており、複数の薄肉部１２１は、厚さ方向Ｔの一方側と他方側とに交互に位置しつつ長さ方向Ｌに延在している。インナーフィン１２０は、複数の薄肉部１２１の各々にて扁平管１１０と接触している。

これにより、排気ガスＧからインナーフィン１２０に伝わった熱が、薄肉部１２１および扁平管１１０を通じて冷媒Ｗに伝わる際の伝熱経路の長さを短くして、伝熱管１００の熱交換効率を向上することができる。

また、長さ方向Ｌにおいて隣り合う薄肉部１２１同士は、厚さ方向Ｔに延在している厚肉部１２２によって互いに接続されていることにより、排気ガスＧから厚肉部１２２に伝わった熱が薄肉部１２１に伝わる際の伝熱経路の断面積を大きく確保して、厚肉部１２２から薄肉部１２１への熱伝導効率を向上することができる。その結果、伝熱管１００の熱交換効率を向上することができる。

伝熱管１００の占める体積は、インナーフィン１２０に薄肉部１２１および厚肉部１２２が設けられることによってはほとんど変化しないため、本発明の実施形態１に係る伝熱管１００においては、伝熱管１００の体積当たりの熱交換効率を向上することができる。インナーフィン１２０に薄肉部１２１および厚肉部１２２が設けられることによっては、排気ガスＧの流路面積はほとんど変化しないため、排気ガスＧの圧力損失への影響を抑制することができる。

伝熱管１００をＥＧＲクーラに用いることにより、排気ガスＧを効果的に冷却して容積を小さくした状態で還流させることができる。その結果、内燃機関における窒素酸化物の発生を効果的に低減するとともに燃費を向上することができる。なお、伝熱管１００は、ＥＧＲクーラに用いられるものに限られず、他の用途に用いられてもよい。

本発明の実施形態１に係る伝熱管１００のインナーフィン１２０は、金属板２０が互いに重なるように折り返された折り返し部を有さない。これにより、金属板２０が大きく塑性変形した部分が存在せず、また、折り返し部が熱膨張によって開くことがないため、インナーフィン１２０の信頼性を確保することができる。

本発明の実施形態１に係る伝熱管１００の製造方法は、１枚の金属板２０を押圧し、金属板２０の厚さが薄い複数の薄肉部２１を互いに間隔をあけて形成する工程と、複数の薄肉部１２１が金属板２０の厚さ方向Ｔの一方側と他方側とに交互に位置しつつ厚さ方向Ｔに直交する長さ方向Ｌに延在するように、金属板２０を曲げてインナーフィン１２０を形成する工程と、複数の薄肉部１２１の各々にて扁平管１１０と接触するように、扁平管１１０の内側にインナーフィン１２０を配設する工程とを備える。

これにより、１枚の金属板２０の板厚をプレス成形などによって簡易に部分的に変化させて、伝熱管１００の占める体積をほとんど変化させずに熱交換効率を向上することができる。また、複数の薄肉部１２１を形成するために金属板２０の重量を増やす必要がないため、材料コストの増加を抑制することができる。

なお、金属板２０に複数の薄肉部２１を形成する工程と、金属板２０を曲げてインナーフィン１２０を形成する工程とを、同一工程で行なってもよい。すなわち、複数の薄肉部２１が形成されていない平板状の金属板２０を１回のみプレス成形することによって、複数の薄肉部２１を形成しつつ金属板２０を曲げてインナーフィン１２０を形成してもよい。

本発明の実施形態１に係る伝熱管１００の製造方法においては、複数の薄肉部１２１を形成する工程において、金属板２０をコイニング加工していることにより、金属板２０に複数の薄肉部１２１を簡易に高精度に形成することができる。

(実施形態２)
以下、本発明の実施形態２に係る伝熱管について図を参照して説明する。なお、本発明の実施形態２に係る伝熱管は、インナーフィンの形状のみ、実施形態１に係るインナーフィン１２０と異なるため、実施形態１に係る伝熱管１００と同様である構成については説明を繰り返さない。

図１０は、本発明の実施形態２に係る伝熱管が備えるインナーフィンの外観を示す部分斜視図である。図１０に示すように、本発明の実施形態２に係る伝熱管が備えるインナーフィン２２０は、金属板の一部が切り起されて扁平管と離間している突起部２２１を含む。突起部２２１における金属板の厚さは、複数の薄肉部１２１の各々の厚さより厚い。

具体的には、軸方向Ａから見て、厚さ方向Ｔの一方側に位置して長さ方向に延在している金属板２０の一部が、厚さ方向Ｔの他方側に向けて切り起こされて突起部２２１となっている。同様に、厚さ方向Ｔの他方側に位置して長さ方向に延在している金属板２０の一部が、厚さ方向Ｔの一方側に向けて切り起こされて突起部２２１となっている。突起部２２１は、周囲の薄肉部１２１より厚い。

本発明の実施形態２に係る伝熱管においては、金属板２０の一部が切り起こされて開口していることにより、開口内の排気ガスＧから扁平管１１０を通じて冷媒Ｗに熱を伝えることができるため、熱交換効率をさらに向上することができる。

また、薄肉部１２１より厚い突起部２２１が設けられていることにより、排気ガスＧとインナーフィン２２０との接触面積を増やしつつ、突起部２２１から薄肉部１２１への電熱経路の断面積を大きく確保して、突起部２２１から薄肉部１２１への熱伝導効率を向上することができる。伝熱管の占める体積は、インナーフィン２２０に突起部２２１が設けられることによってはほとんど変化しないため、本発明の実施形態２に係る伝熱管の体積当たりの熱交換効率を向上することができる。

今回開示された実施形態はすべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は上記した説明ではなくて特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。

１ 熱交換器、１０ ハウジング、２０ 金属板、２１，１２１ 薄肉部、２２，１２２，１２２ａ，１２２ｂ 厚肉部、２３，２４ 凹部、３０，４０，５０，６０ 金型、３１，４１，５１，６１ 凸部、１００ 伝熱管、１１０ 扁平管、１２０，１２０ａ，１２０ｂ，２２０ インナーフィン、２２１ 突起部、Ａ 軸方向、Ｄ１，Ｄ２ 間隔、Ｇ 排気ガス、Ｌ 長さ方向、Ｔ 厚さ方向、Ｔ１，Ｔ２ 厚さ、Ｗ 冷媒。

Claims (5)

1. 厚さ方向に直交する長さ方向に沿う扁平な形状を有する扁平管と、
   前記厚さ方向および前記長さ方向の両方に直交する軸方向に延在する複数の流路を規定するように前記扁平管の内側に配設され、１枚の金属板からなるインナーフィンとを備え、
   前記インナーフィンには、前記軸方向から見て前記金属板の厚さが薄い複数の薄肉部が設けられており、
   前記複数の薄肉部は、前記軸方向から見て、前記厚さ方向の一方側と他方側とに交互に位置しつつ前記長さ方向に延在しており、
   前記インナーフィンは、前記複数の薄肉部の各々にて前記扁平管と接触している、伝熱管。
2. 前記インナーフィンは、前記金属板が互いに重なるように折り返された折り返し部を有さない、請求項１に記載の伝熱管。
3. 前記インナーフィンは、前記金属板の一部が切り起されて前記扁平管と離間している突起部を含み、
   前記突起部における前記金属板の厚さは、前記複数の薄肉部の各々の厚さより厚い、請求項１または請求項２に記載の伝熱管。
4. １枚の金属板を押圧し、前記金属板の厚さが薄い複数の薄肉部を互いに間隔をあけて形成する工程と、
   前記複数の薄肉部が前記金属板の厚さ方向の一方側と他方側とに交互に位置しつつ前記厚さ方向に直交する方向に延在するように、前記金属板を曲げてインナーフィンを形成する工程と、
   前記複数の薄肉部の各々にて扁平管と接触するように、前記扁平管の内側に前記インナーフィンを配設する工程とを備える、伝熱管の製造方法。
5. 前記複数の薄肉部を互いに間隔をあけて形成する工程において、前記金属板をコイニング加工する、請求項４に記載の伝熱管の製造方法。
   

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