JP2023071557A - ヘッダプレートレス型熱交換器 - Google Patents

Abstract

【課題】 ヘッダプレートレス型熱交換器のタンクとコアの接触部に生じる熱応力の集中を低減させること。【解決手段】 厚み方向の少なくとも一方側の平面の長手方向の両端部に、膨出部２を有する複数の偏平チューブ１と、前記膨出部２で各偏平チューブ１が積層されたコア５と、前記コア５の両端に開口が嵌着して、接合されたタンク９と、を具備する。その最上段の偏平チューブ１ａおよび最下段の偏平チューブ１ｂは、前記タンク９と接合される平面の両端部に、前記膨出部２を有さない。【選択図】図３

Description

本発明は、偏平チューブの両端部に膨出部を有する複数の偏平チューブが積層されて、コアを形成するヘッダプレートを必要としない熱交換器に関する。

従来、ヘッダプレートを必要としない熱交換器として、特許文献１が知られている。
この熱交換器は、図１１、図１２に記載の如く、両端部に厚み方向に膨出された膨出部２２を有する複数の偏平チューブ２１を有し、その偏平チューブ２１が、膨出部２２で互いに接触して積層され、コア２５を形成する。
各偏平チューブ２１は、膨出部２２と膨出部以外の部分との境に、段差２３が生じる。
また、図１１に記載の如く、そのコア２５の両端には一対のタンク２９の開口が嵌着されて、両者が接続される。このタンク２９は、横断面が方形で、その開口に上端板部２６と下端板部２７と、それらに直交する一対の側板部２８とを有する。
このコア２５とタンク２９との外周には、図１２の鎖線で示すケーシング３１が被嵌される。そして、各部品の接触部の間がろう付固定されることにより、ヘッダプレートレス型熱交換器が形成される。そして、各偏平チューブ２１内に高温ガスが流通し、その外周に冷却水が流通する。

米国公開２００６／０２１９３９４号

従来、図１２のヘッダプレートレス型熱交換器は、各偏平チューブ２１内に高温ガスが流通すると、タンク２９の開口の上端板部２６及び下端板部２７とコア２５の最外側の偏平チューブ２１との接合部に、応力集中が生じ易い欠点がある。
これは、偏平チューブ２１の膨出部２２の段差２３の位置に、タンク２９の開口の端部２６ａ、２７ａが接続され、そこで急激に形状が変化するため、その近傍に熱応力が集中する。即ち、タンク２９の開口に熱応力集中部位４０が生じる。すると、その近傍から破損するおそれがある。
そこで、本発明は上記欠点を解決することを課題とする。

請求項１に記載の発明は、厚み方向の少なくとも一方側の平面の長手方向の両端部に膨出部２を有する複数の偏平チューブ１と、
前記膨出部２で各偏平チューブ１が積層されたコア５と、
前記コア５の両端に開口が嵌着して、接合されたタンク９と、
を具備し、
偏平チューブ１の積層方向における最上段の偏平チューブ１ａおよび最下段の偏平チューブ１ｂは、前記タンク９と接合される平面の両端部に、前記膨出部２を有さないことを特徴とするヘッダプレートレス型熱交換器である。

請求項２に記載の発明は、請求項１に記載のヘッダプレートレス型熱交換器において、
前記偏平チューブ１は、対向する一対の溝型のプレートからなり、
積層方向における中間位置の偏平チューブ１ｃは、各プレートの長手方向の両端部に膨出部２が形成されており、
積層方向における最上段及び最下段の偏平チューブ１ａ、１ｂは、前記中間位置の偏平チューブ１ｃの各プレートの一方と、膨出部２を有しないプレートからなるヘッダプレートレス型熱交換器である。

請求項３に記載の発明は、請求項１に記載のヘッダプレートレス型熱交換器において、
前記偏平チューブ１は、対向する一対の溝型のプレートからなり、
長手方向の両端部に膨出部２が形成された一方のプレートと、膨出部２を有しない他方のプレートとからなるヘッダプレートレス型熱交換器である。

請求項４に記載の発明は、請求項１～請求項３のいずれかに記載のヘッダプレートレス型熱交換器において、
前記偏平チューブ１内にインナフィン１０が介装されており、前記タンク９の開口端は、少なくとも、最上段の偏平チューブ１ａまたは最下段の偏平チューブ１ｂのインナフィン内蔵部に位置するヘッダ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、偏平チューブ１の積層方向における最上段及び最下段の偏平チューブ１ａ、１ｂが、タンク９と接合される平面の両端部に、膨出部２を有さないものである。
このように、タンク９と接続される最上段及び最下段の偏平チューブ１ａ、１ｂの端部に、膨出部２による段差３（急激な形状変更）が存在しない平坦に形成したので、従来生じていた、偏平チューブの膨出部２の段差３の応力集中を防止することができる。

請求項２に記載の発明は、前記偏平チューブ１は、対向する一対の溝型のプレートからなり、積層方向における中間位置の偏平チューブ１ｃは、各プレートの長手方向の両端部に膨出部２が形成されており、積層方向における前記最上段及び最下段の偏平チューブ１ａ、１ｂは、前記中間位置の偏平チューブ１ｃの各プレートの一方と、膨出部２を有しないプレートから構成されている。
この構成により、偏平チューブを構成するプレートの種類を３枚にすることができ、製作コストを削減できる。

請求項３に記載の発明は、前記偏平チューブ１は、対向する一対の溝型のプレートからなり、長手方向の両端部に膨出部２が形成された一方のプレートと、膨出部２を有しない他方のプレートとから構成されている。
この構成により、使用するプレートの種類を２枚にすることができ、製作コストを削減できる。

請求項４に記載の発明は、偏平チューブ１内にインナフィン１０が介装され、タンク９の開口端は、少なくとも、最上段の偏平チューブ１ａまたは最下段の偏平チューブ１ｂのインナフィン内蔵部に位置するものである。
即ち、タンク９の開口端が、少なくとも、最上段の偏平チューブ１ａまたは最下段の偏平チューブ１ｂ内のインナフィン１０の先端１０ａの位置よりコア５の中央側に延長されている。
これにより、剛性変化の大きい当該開口端と偏平チューブ１との接合部がインナフィン１０によって補強されるので、当該接合部に生じる応力も緩和される。

本発明の第１実施例を示すヘッダプレートレス型熱交換器を構成するコア５の分解斜視図。 同熱交換器を構成するコア５に一対のタンク９を取付けた状態を示す斜視図。 図３（Ａ）は図２のＩＩＩ－ＩＩＩ矢視断面図、図３（Ｂ）は図３（Ａ）のＢ－Ｂ矢視断面図。 本発明の第２実施例を示すヘッダプレートレス型熱交換器を構成するコア５に一対のタンク９を取付けた状態の斜視図。 図４のＶ－Ｖ矢視断面図。 本発明の第３実施例を示すヘッダプレートレス型熱交換器を構成するコア５を示し、同図（Ａ）はその要部縦断面図、同図（Ｂ）は、同図（Ａ）のＢ－Ｂ矢視断面図。 本発明の第４実施例を示すヘッダプレートレス型熱交換器を構成するコア５を示し、同図（Ａ）はその要部縦断面図、同図（Ｂ）は、同図（Ａ）のＢ－Ｂ矢視断面図。 本発明の第５実施例を示すヘッダプレートレス型熱交換器を構成するコア５を示し、同図（Ａ）はその要部縦断面図、同図（Ｂ）は、同図（Ａ）のＢ－Ｂ矢視断面図。 本発明の第６実施例を示すヘッダプレートレス型熱交換器を構成するコア５を示し、同図（Ａ）はその要部縦断面図、同図（Ｂ）は、同図（Ａ）のＢ－Ｂ矢視断面図。 本発明の第７実施例を示すヘッダプレートレス型熱交換器を構成するコア５を示し、同図（Ａ）はその要部縦断面図、同図（Ｂ）は、同図（Ａ）のＢ－Ｂ矢視断面図。 従来技術のヘッダプレートレス型熱交換器を構成するコア２５に一対のタンク２９を取付けた状態の斜視図。 図１１のＸＩＩ－ＸＩＩ矢視断面図。

次に、図面に基づいて本発明の各実施の形態につき説明する。
図１～図３は、本発明の第１実施例のヘッダプレートレス型熱交換器であって、図１はその熱交換器を構成するコア５の分解斜視図であり、図２は図１のコア５に一対のタンク９を取付けた状態を示す斜視図であり、図３（Ａ）は図２のＩＩＩ－ＩＩＩ矢視断面図、図３（Ｂ）は図３（Ａ）のＢ－Ｂ矢視断面図である。

この熱交換器は、図１に示す如く、多数の偏平チューブ１をその両端の膨出部２で積層しコア５が形成されている。
コア５の両端には、図２に示す如く、一対のタンク９の開口が嵌着する。
このタンク９は、一例として、図２、図３に示す如く、浅い漏斗状に形成され、その一端開口が円形に、他端開口が方形に形成されている。
この他端開口は、上下に対向する上端板部６と下端板部７と、その両側に配置された一対の側板部８とを有する。
コア５の外周は、図３（Ａ）（Ｂ）の鎖線に示すように、ケーシング１１で被嵌される。
一例として、ケーシング１１には、図示しない冷却水の出入口を形成し、冷却水を各偏平チューブ１の外側に供給する。そして、一方のタンク９側から排ガスを偏平チューブ１内に導き、冷却水との間に熱交換が行われる。

この例の偏平チューブ１は、図１に示す如く、夫々溝形に形成された一対のアウタプレート１ｄと、インナプレート１ｅとの嵌着体からなる。
インナプレート１ｅの側壁の上部は、インナプレート１ｅの板厚分内側に曲折した段付きに成形されて、そこに段付き部を構成する。そして、側壁に段付き部がないアウタプレート１ｄの内側に、インナプレート１ｅの上端部が嵌着する。
各偏平チューブ１内には、図１に示す如く、インナフィン１０を介装することが好適である。

本願発明では、コア５を構成する積層された偏平チューブ１を、最上段の偏平チューブ１ａと、最下段の偏平チューブ１ｂと、その他の偏平チューブ１の積層方向の中間位置の偏平チューブ１ｃとに区別する。
偏平チューブ１の積層方向の中間位置の偏平チューブ１ｃは、インナプレート１ｅ（一方のプレート）およびアウタプレート１ｄ（他方のプレート）の長手方向の両端部に、厚み方向に膨出された膨出部２を有する。
膨出部２と各プレート１ｄ、１ｅの長手方向の中間部との境には、段差３が形成されている。

偏平チューブ１の積層方向の最上段の偏平チューブ１ａは、アウタプレート１ｄ（他方のプレート）がタンク９の開口の上端板部６と接触する。応力集中部位２０に生じる応力集中を緩和させるため、最上段の偏平チューブ１ａのアウタプレート１ｄの両端部は、膨出部２を有しない（以降、膨出部２を有しない端部のことを、平坦端部４という）。
この最上段の偏平チューブ１ａのインナプレート１ｅ（一方のプレート）の両端には、膨出部２が形成される。その膨出部２は、中間位置の偏平チューブ１ｃの膨出部２と接触する。
最上段の偏平チューブ１ａのインナプレート１ｅは、中間位置の偏平チューブ１ｃの膨出部２を有するインナプレート１ｅを流用できる。

これに対して、最下段の偏平チューブ１ｂの各プレートは上記と逆に形成されており、インナプレート１ｅ（他方のプレート）がタンク９の開口の下端板部７と接触する。すなわち、この最下段の偏平チューブ１ｂのインナプレート１ｅの両端部は、平坦端部４で構成されている。
この最下段の偏平チューブ１ｂのアウタプレート１ｄ（一方のプレート）の両端には、膨出部２が形成される。
最下段の偏平チューブ１ｂのアウタプレート１ｄは、中間位置の偏平チューブ１ｃの膨出部２を有するアウタプレート１ｄを流用できる。

このヘッダプレートレス型熱交換器は、タンク９の上端板部６及び下端板部７と接触する最上段及び最下段の偏平チューブ１ａ、１ｂの端部が、平坦端部４で構成されている。
従来技術で述べた通り、タンク２９と最外側に配置されている偏平チューブ２１との接触部では、タンク２９の上端板部２６及び下端板部２７の端部２６ａ、２７ａの位置に、応力集中が生じやすいが、この実施例のように偏平チューブ１の最外側の両端部を平坦端部４で構成すると、その応力集中を避けることができる。
即ち、図１２の従来技術のコア２５においては、熱応力集中部位４０の近傍に、応力集中の影響を受け易い膨出部２２に由来する急激な形状変化の段差２３があったが、本発明ではそれがないので、偏平チューブの平坦端部４にかかる熱応力の集中を緩和することができる。

次に、図４及び図５は、本発明の第２実施例のヘッダプレートレス型熱交換器であって、図４はその熱交換器を構成するコア５に一対のタンク９を取付けた状態を示す斜視図であり、図５は図４のＶ－Ｖ矢視図である。
この実施例が、前述の第１実施例と異なるのは、次の点である。
図５に示す如く、タンク９の上端板部６及び下端板部７の端部６ａ、７ａが、偏平チューブ１に介装されるインナフィン１０の先端１０ａの位置よりコア５の中央側に延長され、それらの延長された端部６ａ、７ａが偏平チューブ１に接続されている。

この第２実施例では各端部６ａ、７ａをインナフィン１０の先端１０ａを越える位置まで延長することで、熱応力集中部位２０をインナフィン１０の介在する位置に変更している。
上端板部６と端部６ａまでの間、下端板部７と端部７ａまでの間には段差はなく、上端板部６と下端板部７から水平にインナフィン１０の先端１０ａを越える位置まで延長されている。このような構造とすることにより、インナフィン１０が補強材になり、応力集中を緩和することができる。

次に、図６は、本発明の第３実施例を示すヘッダプレートレス型熱交換器を構成するコア５を示し、同図（Ａ）はその要部縦断面図であり、図６（Ｂ）は同図（Ａ）のＢ－Ｂ矢視断面図である。
この実施例が、第１実施例と異なる点は、使用するプレートの種類を削減したことにある。第１実施例では、４種類の形状のプレートを有する。
この例では、３種類のプレートを用いる。最上段の偏平チューブ１ａは、そのアウタプレート１ｄ（他方のプレート）の両端が平坦端部４で構成とされ、インナプレート１ｅ（一方のプレート）が、中間位置の偏平チューブ１ｃのインナプレート１ｅを流用したものである。
そして最下段の偏平チューブ１ｂは、最上段の偏平チューブ１ａの上下の各プレートをひっくり返したものである。
これにより、３枚のプレートで、熱交換器の各偏平チューブ１ａ、１ｂ、１ｃが形成される。

次に、図７は、第４実施例であり、第３実施例の変形例で、両実施例の違いは、最上段と最下段のインナプレート１ｅとアウタプレート１ｄの位置が上下逆に配置された点である。同図（Ａ）はその要部縦断面図であり、図（Ｂ）は同図（Ａ）のＢ－Ｂ矢視断面図である。

次に、図８は、本発明の第５実施例を示すヘッダプレートレス型熱交換器を構成するコア５を示し、同図（Ａ）はその要部縦断面図であり、図８（Ｂ）は同図（Ａ）のＢ－Ｂ矢視断面図である。
この実施例が、第３、第４の各実施例と異なる点は、コア５を構成する偏平チューブ１の種類をさらに削減した点にある。この例では、各偏平チューブ１が平坦なアウタプレート１ｄと、両端部に膨出部２を有するインナプレート１ｅと、の２枚のプレートを組み合わせて熱交換器を構成する。
即ち、最上段の偏平チューブ１ａ、中間位置の偏平チューブ１ｃ（第２段、第３段）は、両端が平坦端部４で構成されたアウタプレート１ｄ（他方のプレート）と、両端に膨出部２を有するインナプレート１ｅ（一方のプレート）とからなる。
最下段の偏平チューブ１ｂは、最上段の偏平チューブ１ａ，中間位置の偏平チューブ１ｃの各プレート１ｄ，１ｅの上下をひっくり返したものである。
この場合、より少ない種類のプレートから各段の偏平チューブ１ａ、１ｂ、１ｃが形成されている。

次に、図９は、本発明の第６実施例を示すヘッダプレートレス型熱交換器を構成するコア５を示し、同図（Ａ）はその要部縦断面図であり、図９（Ｂ）は同図（Ａ）のＢ－Ｂ矢視断面図である。
この例が、図８の実施例と異なる点は、積層方向の中央位置で、各偏平チューブ１を上下対称に配置したものである。
この例も、両端が平坦端部４を有するアウタプレート１ｄと、両端に膨出部２を有するインナプレート１ｅと、の２枚のプレートを組み合わせて熱交換器を構成する。

次に、図１０は、本発明の第７実施例であり、これが上記第８実施例と異なる点は、インナプレート１ｅとアウタプレート１ｄとが上下逆に配置されたものである。

（変形例）
図８の第５実施例では、最下段の偏平チューブ１ｂの上下を、他の偏平チューブ１ａ、１ｃと反対にすることによって、最下段の偏平チューブ１ｂと、それに隣接する偏平チューブ１ｃとの外面間に、広い冷却水路を形成している。
これに代えて、最上段の偏平チューブ１ａとそれに隣接する偏平チューブ１ｃとの外面間に、広い冷却水路を形成してもよい。
上記各実施例では、一対のアウタプレート１ｄとインナプレート１ｅとの嵌着体で偏平チューブ１を構成しているが、偏平チューブ１の構成は、これに限定されるものではない。

本発明は、ＥＧＲクーラ、排気ガス熱回収器等の、ヘッダプレートレス型熱交換器に利用できる。

１ 偏平チューブ
１ａ 最上段の偏平チューブ
１ｂ 最下段の偏平チューブ
１ｃ 中間位置の偏平チューブ
１ｄ アウタプレート
１ｅ インナプレート
２ 膨出部
３ 段差
４ 平坦端部
５ コア

６ 上端板部
６ａ 端部
７ 下端板部
７ａ 端部
８ 側板部
９ タンク
１０ インナフィン
１０ａ 先端
１１ ケーシング
２０ 熱応力集中部位

２１ 偏平チューブ
２２ 膨出部
２３ 段差
２５ コア
２６ 上端板部
２６ａ 端部
２７ 下端板部
２７ａ 端部
２８ 側板部
２９ タンク
３１ ケーシング
４０ 熱応力集中部位

Claims (4)

1. 厚み方向の少なくとも一方側の平面の長手方向の両端部に膨出部（２）を有する複数の偏平チューブ（１）と、
   前記膨出部（２）で各偏平チューブ（１）が積層されたコア（５）と、
   前記コア（５）の両端に開口が嵌着して、接合されたタンク（９）と、
   を具備し、
   偏平チューブ（１）の積層方向における最上段の偏平チューブ（１ａ）および最下段の偏平チューブ（１ｂ）は、前記タンク（９）と接合される平面の両端部に、前記膨出部（２）を有さないことを特徴とするヘッダプレートレス型熱交換器。
2. 請求項１に記載のヘッダプレートレス型熱交換器において、
   前記偏平チューブ（１）は、対向する一対の溝型のプレートからなり、
   積層方向における中間位置の偏平チューブ（１ｃ）は、各プレートの長手方向の両端部に膨出部（２）が形成されており、
   積層方向における最上段及び最下段の偏平チューブ（１ａ、１ｂ）は、前記中間位置の偏平チューブ（１ｃ）の各プレートの一方と、膨出部（２）を有しないプレートからなるヘッダプレートレス型熱交換器。
3. 請求項１に記載のヘッダプレートレス型熱交換器において、
   前記偏平チューブ（１）は、対向する一対の溝型のプレートからなり、
   長手方向の両端部に膨出部（２）が形成された一方のプレートと、膨出部（２）を有しない他方のプレートとからなるヘッダプレートレス型熱交換器。
4. 請求項１～請求項３のいずれかに記載のヘッダプレートレス型熱交換器において、
   前記偏平チューブ（１）内にインナフィン（１０）が介装されており、前記タンク（９）の開口端は、少なくとも、最上段の偏平チューブ（１ａ）または最下段の偏平チューブ（１ｂ）のインナフィン内蔵部に位置するヘッダプレートレス型熱交換器。

Images