JP4312640B2 - 積層型熱交換器 - Google Patents

Description

本発明は、高温排気ガス等の冷却に好適な積層型熱交換器に関する。

従来の積層型熱交換器として、２枚のチューブプレートの外周部を接合してなる熱交換器コアを複数積層し、熱交換器コア内を流れる第１の流体と、相互に隣接する熱交換器コア間の空隙を流れる第２の流体との間で熱交換させるものが知られている。

さらに、この種の積層型熱交換器において、熱交換器コアの内部の外周部に環状に第１の流体の通路を設けたものが知られている（特許文献１参照）。
特開２０００−３１０４９７号公報（段落［０００８］、図２）

しかしながら、熱交換器コアの外周部では熱交換量が少ないから、この外周部の通路において第１の流体の流量が増大しすぎると、主として熱交換が行われる熱交換器コアの中心側の領域において流量が低下し、熱交換が十分に行われなくなるおそれがある。

そこで、本発明は、熱交換器コアの外周部に通路を有する積層型熱交換器において、当該外周部の通路を流れる第１の流体の流量を適切に調整し、熱交換効率を向上することを目的とする。

請求項１の発明にあっては、外周部同士が接合された二つのチューブシート６，６ａ〜６ｄ，７，７ａ〜７ｄによって形成され、その内部を第１の流体の通路とし、外周部を膨出させて外周通路２５を形成した熱交換器コア２，２ａ〜２ｄを複数積層するとともに、相互に隣接する熱交換器コア２，２ａ〜２ｄ間の空隙に第２の流体を導入して、第１の流体と第２の流体との間で熱交換させる積層型熱交換器１において、上記熱交換器コア２，２ａ〜２ｄ内に、外周通路２５に対して熱交換器コア２，２ａ〜２ｄの中心側に位置する領域で熱交換を促進させる扁平状のインナーフィン２２を設け、上記インナーフィン２２の周縁部が外周通路２５に進出するようにした。

また、外周通路２５は、インナーフィン２２の表面側に膨出した表面側通路２５ｕと、裏面側に膨出した裏面側通路２５ｄとを含み、表面側通路２５ｕと裏面側通路２５ｄとの間で第１の流体が流通するようにした。

そして、上記表面側通路２５ｕと裏面側通路２５ｄとが熱交換器コア２，２ａ〜２ｄの周縁に沿って交互に配置されたことを特徴とする。

請求項２の発明にあっては、上記表面側通路２５ｕと裏面側通路２５ｄとが面方向にずれた位置に形成され、熱交換器コア２ｃを積層したときに、相互に隣接する熱交換器コア２ｃ間で、表面側通路２５ｕに対応したチューブシート６ｃ外壁の突出部分と、裏面側通路２５ｄに対応したチューブシート７ｃ外壁の突出部分とが係合するように構成されることを特徴とする。

請求項３の発明にあっては、インナーフィン２２の上記表面側通路２５ｕまたは裏面側通路２５ｄに対して反対側となる領域とチューブシート６ａ〜６ｄ，７ａ〜７ｄとが当接することを特徴とする。

請求項１の発明によれば、インナーフィン２２の周縁部が外周通路２５に進出しているため、外周通路２５の流通抵抗が増大し、当該外周通路２５における第１の流体の流量が増大しすぎることがなくなる。

また、第１の流体が表面側通路２５ｕと裏面側通路２５ｄとの間で流通するため、外周通路２５の流通抵抗が増大し、当該外周通路２５における第１の流体の流量が増大しすぎることがなくなる。

さらに、表面側通路２５ｕと裏面側通路２５ｄとが熱交換器コア２，２ａ〜２ｄの周縁に沿って交互に配置され、第１の流体が表面側通路２５ｕと裏面側通路２５ｄとの間で流通するため、外周通路２５の流通抵抗が増大し、当該外周通路２５における第１の流体の流量が増大しすぎることがなくなる。

請求項２の発明によれば、表面側通路２５ｕに対応したチューブシート６ｃ外壁の突出部分と、裏面側通路２５ｄに対応したチューブシート７ｃ外壁の突出部分とを用いて、熱交換器コア２ｃを積層するときの位置決めをより容易にかつより確実に行うことができる。

請求項３の発明によれば、表面側通路２５ｕまたは裏面側通路２５ｄに対してインナーフィン２２の反対側となる領域とチューブシート６ａ〜６ｄ，７ａ〜７ｄとを当接させたため、インナーフィン２２をより確実に固定することができる。

以下、本発明の実施形態について図面を参照しながら詳細に説明する。

まずは、図１〜図６を参照して本発明の第１の実施形態について説明する。図１は、本実施形態にかかる積層型熱交換器の斜視図、図２は、積層型熱交換器の分解斜視図、図３は、積層型熱交換器に含まれる熱交換器コアの分解斜視図、図４は、積層型熱交換器の断面Ａ（図１）における断面図、図５は、積層型熱交換器の断面Ｂ（図１）における断面図、また図６は、熱交換器コアの第１の流体の出口付近を拡大して示す斜視図である。

本実施形態にかかる積層型熱交換器１は、第１の流体（例えば液体状の冷媒等）と第２の流体（例えば高温の気体）との間で熱交換を行わせるものである。図１の例では、積層型熱交換器１の本体１ａの上面の四隅に、第１の流体の入口パイプ１４、第１の流体の出口パイプ１５、第２の流体の入口パイプ１８、および第２の流体の出口パイプ１９が突設されている。

図２に示すように、積層型熱交換器１の本体１ａは、熱交換器コア２とアウターフィン３とを交互に積層し、その上下端をサイドプレート２０，２１で挟んで構成されている。

各熱交換器コア２は、二つのチューブシート６，７の外周部同士を接合して扁平状に形成されており、その内部空間が第１の流体の通路となる。

最上段に位置する熱交換器コア２の上側のチューブシート６に形成された貫通孔２６は入口パイプ１４に接続され、そのチューブシート６に設けられた貫通孔２７は出口パイプ１５に接続されている。また、各熱交換器コア２の対角線の端部となる位置には、二つのチューブシート６，７のうち少なくともいずれか一方を膨出させて、入口ヘッダ部８および出口ヘッダ部９が形成されている。そして、複数の熱交換器コア２の入口ヘッダ部８同士が上側のチューブシート６に形成された貫通孔２６と下側のチューブシート７に形成された貫通孔２８（図３）とを介して互いに連通され、一方、出口ヘッダ部９同士が、上側のチューブシート６に形成された貫通孔２７と下側のチューブシート７に形成された貫通孔２９（図３）とを介して互いに連通されている。こうして、入口パイプ１４から流入した第１の流体は、相互に連通された入口ヘッダ部８を経由して各熱交換器コア２の内部空間（内部通路）に分配され、相互に連通された出口ヘッダ部９を経由して集約されて出口パイプ１５から吐出される。

各熱交換器コア２は、外周部において上下方向（積層方向）に膨出する領域を有しており、熱交換器コア２を複数積層すると、相互に隣接する熱交換器コア２間の当該外周部の内側となる位置に空隙が形成される。本実施形態にかかる積層型熱交換器１は、この空隙に第２の流体を導入し、熱交換器コア２内を流通する第１の流体との間で熱交換を行わせる。

この空隙に第２の流体を導入すべく、各熱交換器コア２には、二つの貫通孔３０，３１が設けられている。貫通孔３０は第２の流体の入口パイプ１８の直下方となる位置に設けられており、各空隙は貫通孔３０によって入口パイプ１８側で連通している。一方、貫通孔３１は第２の流体の出口パイプ１９の直下方となる位置に設けられており、各空隙は貫通孔３１によって出口パイプ１９側で連通している。こうして、入口パイプ１８から流入した第２の流体は、上から順に各熱交換器コア２の入口パイプ１８側の貫通孔３０を経由して各空隙に分配されて導入され、出口パイプ１９側の貫通孔３１を経由して集約され出口パイプ１９から吐出される。

各空隙には、アウターフィン３が配置されている。このアウターフィン３は、例えば熱伝導性の高い金属板をコルゲート状に形成してなり、第２の流体との接触面積を増大して熱交換を促進させるものである。また、圧力損失を増大させて熱交換を促進させるという効果もある。

貫通孔３０，３１は、チューブシート６，７の対応する位置に形成された二つの貫通孔（３２，３４）、（３３，３５）によって形成される（図３参照）。貫通孔３０，３１の周縁部において、二つのチューブシート６，７は密着しており、第２の流体が流通する貫通孔３０，３１内と、第１の流体が流通する熱交換器コア２内とがシールされる。

さて、図３に示すように、熱交換器コア２を構成する二つのチューブシート６，７のうち少なくともいずれか一方（図３の例では上側のチューブシート６のみ）には、その外周部全域に亘って上下方向に膨出する部分が形成されている。この部分における熱交換器コア２の内部が外周通路２５（図４〜図６；入口ヘッダ部８，出口ヘッダ部９を含む）となる。ここで、外周通路２５の高さは、その内側（熱交換器コア２の中心側）の領域に比べて高いから、流通抵抗が少なく、外周通路２５における第１の流体の流速は当該内側の領域に比べて速くなる。この外周通路２５は、隣接する外周通路２５に接触しているが、温度差の無い流体間（すなわち第１の流体同士）では熱交換は行われないため、外周通路２５同士が接触している部分では熱交換は行われない。よって、外周通路２５では、その内側の領域に比べて熱交換が行われにくい。本実施形態にかかる積層型熱交換器１では、このような構成を採用することにより、熱交換器コア２の外壁、すなわち積層型熱交換器１の本体１ａの外壁の温度を低くし、隣接する他の部品等に対する熱害を軽減している。

また、本実施形態では、当該内側の領域に熱交換を促進するためのインナーフィン２２を配している。インナーフィン２２は、例えば熱伝導性の高い金属板をコルゲート状に形成してなり、第１の流体との接触面積を増大して熱交換を促進させるものである。ただし、このインナーフィン２２により内側の領域における流通抵抗が増大すると、その分、当該内側の領域の流量が減少することになる。

熱交換量は、流量が減ると低下する。ここで、本実施形態にかかる積層型熱交換器１では、上述したように、熱交換は主として内側の領域で行われ、外側通路２５ではあまり行われない。すなわち、内側の領域の流量が減少して、外側通路２５の流量が増大すると、トータルの熱交換量が低下してしまうから、本実施形態の場合、内側の領域の流量が少なくなりすぎるのは望ましくない。

そこで、本実施形態では、チューブシート６，７が外周通路２５を構成する部分の内壁に凸部（外周通路２５内から見て凸形状となっている部分）２３または凹部（外周通路２５内から見て凹形状となっている部分）２４を形成し、外周通路２５における流通抵抗を増大させて流量を減らし、主として熱交換を行わせる内側の領域において適切な流量が確保されるようにしている。

図３，図４に示すように、本実施形態では、一例として、上側のチューブシート６の周縁の長辺のほぼ中央となる位置に凸部２３を形成するとともに、下側のチューブシート７の周縁の長辺のほぼ中央となる位置に凹部２４を形成している。こうすることで、凹凸が無くストレートに外周通路が形成された場合に比べて流通抵抗が増大し、外周通路２５の流量を低減することができる。このとき、図４に示すように、外周通路２５において、第１の流体は、主としてインナーフィン２２（あるいは熱交換器コア２）の表面側（上側）に膨出して形成された表面側通路２５ｕから、一旦、主としてインナーフィン２２（あるいは熱交換器コア２）の裏面側（下側）に膨出して形成された裏面側通路２５ｄを経由して、再び前記表面側通路２５ｕに戻っている。本実施形態では、このように流通経路が曲げられることによって流通抵抗が増大している。また、凹部２４および凸部２３の段差部において流体が壁面から剥離し渦等が生じることによっても流通抵抗が増大している。

さらに、図５，図６に示すように、本実施形態では、インナーフィン２２の周縁部を外周通路２５内に進出させ、インナーフィン２２を外周通路２５の流通抵抗としても利用している。また、このようにインナーフィン２２の周縁部を外周通路２５内に進出させたことで、表面側通路２５ｕと裏面側通路２５ｄとの間で、第１の流体はインナーフィン２２の周縁部の外側を迂曲して流れるようになる。本実施形態では、この流れの迂曲によっても流通抵抗が増大している。

なお、凸部２３および凹部２４は、互いに対向する位置で、積層方向（上下方向）に整列するように設けられており、図４に示すように、熱交換器コア２を積層したときに、凹部２４に対応した下側のチューブシート７外壁の突出部分と、凸部２３に対応した上側のチューブシート６外壁の陥没部分とが嵌合するようになっている。このような構成により、熱交換器コア２を複数積層する際の位置決めをより容易にかつより確実に行うことができるという利点がある。

次に、図７を参照して本発明の第２の実施形態について説明する。図２は、本実施形態にかかる積層型熱交換器の断面図（図１の断面Ｂと同じ位置における断面図）である。なお、本実施形態では、熱交換器コア２に代えて熱交換器コア２ａを用いる点以外、上記第１の実施形態とほぼ同様の構成を備える。よって、ここでは、同様の構成要素に同じ符号を付すとともに、同様構成部分の詳細な説明を省略する。

本実施形態では、外周通路２５は、入口ヘッダ部８および出口ヘッダ部９の形成される領域では表面側通路（図示せず）として形成され、それ以外の領域に裏面側通路２５ｄとして形成される部分を有する。こうすることで、入口ヘッダ部８に流入した第１の流体は、表面側通路から裏面側通路２５ｄに流れることになる。図５に示すように、上記第１の実施形態では、表面側通路２５ｕと裏面側通路２５ｄとがインナーフィン２２の周縁部の側方領域で連通していたが、本実施形態ではインナーフィン２２による通路の狭窄により上記第１の実施形態に比べて外周通路２５の通流抵抗が増大することになる。したがって、より一層外周通路２５における第１の流体の流量を低減することができる。

次に、図８を参照して本発明の第３の実施形態について説明する。図８は、本実施形態にかかる積層型熱交換器の断面図（図１の断面Ｂと同じ位置における断面図）である。なお、本実施形態でも、熱交換器コア２に代えて熱交換器コア２ｂを用いる点以外、上記第１の実施形態とほぼ同様の構成を備える。よって、ここでは、同様の構成要素に同じ符号を付すとともに、同様構成部分の詳細な説明を省略する。

本実施形態では、上側のチューブシート６が表面側通路２５ｕを構成する部分には凸部２３ａを設け、下側のチューブシート７が裏面側通路２５ｄを構成する部分には凹部２４ａを設けたものである。本実施形態では、上記第１の実施形態のように外周通路２５の幅方向全域に亘る凹部２４および凸部２３を形成するのではなく、図８に示すように、凸部２３ａあるいは凹部２４ａの幅を外周通路２５の幅より狭くしている。

そして、凹部２４ａおよび凸部２３ａは、互いに対向する位置に、積層方向（上下方向）に整列するように設けられており、図８に示すように、熱交換器コア２を積層したときに、凹部２４ａに対応した下側のチューブシート７外壁の突出部分と、凸部２３ａに対応した上側のチューブシート６外壁の陥没部分とが嵌合するようになっている。このような構成により、熱交換器コア２を複数積層する際の面方向の位置決めを容易に行うことができるという利点がある。

次に、図９を参照して本発明の第４の実施形態について説明する。図９は、本実施形態にかかる積層型熱交換器の断面図（図１の断面Ｂと同じ位置における断面図）である。なお、本実施形態でも、熱交換器コア２に代えて熱交換器コア２ｃを用いる点以外、上記第１の実施形態とほぼ同様の構成を備える。よって、ここでは、同様の構成要素に同じ符号を付すとともに、同様構成部分の詳細な説明を省略する。

本実施形態では、表面側通路２５ｕおよび裏面側通路２５ｄが面方向にずれて配置されている。図９の例では、表面側通路２５ｕは熱交換器コア２ｃの中心側に配置され、裏面側通路２５ｄは熱交換器コア２ｃの周縁側に配置されている。そして、熱交換器コア２ａを積層したときに、裏面側通路２５ｄに対応した下側のチューブシート７外壁の突出部分３６ｄと、表面側通路２５ｕに対応した上側のチューブシート６外壁の突出部分３６ｕとが、面方向に係合するようになっている。このような構成によっても、熱交換器コア２を複数積層する際の面方向の位置決めを容易に行うことができるという利点がある。

次に、図１０を参照して本発明の第５の実施形態について説明する。図１０は、本実施形態にかかる積層型熱交換器の断面図（図１の断面Ａと同じ位置における断面図）である。なお、本実施形態でも、熱交換器コア２に代えて熱交換器コア２ｄを用いる点以外、上記第１の実施形態とほぼ同様の構成を備える。よって、ここでは、同様の構成要素に同じ符号を付すとともに、それらの詳細な説明を省略する。

本実施形態では、表面側通路２５ｕと、裏面側通路２５ｄとが、熱交換器コア２ｄの周縁、すなわち外周通路２５の延伸方向に沿って交互に配置されている。これは、上側のチューブシート６の周縁に沿って比較的短い距離の凸部２３ｂを断続的に複数設けるとともに、下側のチューブシート７の周縁に沿って前記凸部２３ｂに対応する位置および長さの凹部２４ｂを設けることで形成することができる。そして、熱交換器コア２ｄを積層したときに、凹部２４ｂに対応した下側のチューブシート７外壁の突出部分と、凸部２３ｂに対応した上側のチューブシート６外壁の陥没部分とが嵌合するようになっている。このような構成により、熱交換器コア２を複数積層する際の面方向の位置決めを容易に行うことができるという利点がある。

さらに、本実施形態では、図１０に示すように、インナーフィン２２の、表面側通路２５ｕまたは裏面側通路２５ｄに対して反対側となる領域に、各凸部２３ｂおよび凹部２４ｂの内壁を当接（押圧）している。このような構成により、インナーフィン２２をより確実に保持することができるという利点がある。

以上、本発明の好適な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、要旨を逸脱しない範囲で上記実施形態に種々の改変を施すことができる。例えば、積層型熱交換器や熱交換器コアの外形、各流体の出入口の配置等は適宜変更することができるし、凹部や凸部の大きさ、形状、位置、数等も適宜変更することができる。また、上述した外周通路の抵抗を増大する手段を適宜組み合わせたり省略したりして、外周通路の流量を適切な値に調整することができる。

本発明の実施形態にかかる積層型熱交換器の斜視図。 本発明の第１の実施形態にかかる積層型熱交換器の分解斜視図。 本発明の第１の実施形態にかかる積層型熱交換器に含まれる熱交換器コアの分解斜視図。 本発明の第１の実施形態にかかる積層型熱交換器の断面Ａ（図１）における断面図。 本発明の第１の実施形態にかかる積層型熱交換器の断面Ｂ（図１）における断面図。 本発明の第１の実施形態にかかる積層型熱交換器に含まれる熱交換器コアの一部を拡大した斜視図。 本発明の第２の実施形態にかかる積層型熱交換器の断面図。 本発明の第３の実施形態にかかる積層型熱交換器の断面図。 本発明の第４の実施形態にかかる積層型熱交換器の断面図。 本発明の第５の実施形態にかかる積層型熱交換器の断面図。

符号の説明

１ 積層型熱交換器
２，２ａ〜２ｄ 熱交換器コア
６，６ａ〜６ｄ （上側の）チューブシート
７，７ａ〜７ｄ （下側の）チューブシート
２２ インナーフィン
２３，２３ａ，２３ｂ 凸部
２４，２４ａ，２４ｂ 凹部
２５ 外周通路
２５ｕ 表面側通路
２５ｄ 裏面側通路

Claims (3)

1. 外周部同士が接合された二つのチューブシート（６，６ａ〜６ｄ，７，７ａ〜７ｄ）によって形成され、その内部を第１の流体の通路とし、外周部を膨出させて外周通路（２５）を形成した扁平状の熱交換器コア（２，２ａ〜２ｄ）を複数積層するとともに、相互に隣接する熱交換器コア（２，２ａ〜２ｄ）間の空隙に第２の流体を導入して、第１の流体と第２の流体との間で熱交換させる積層型熱交換器（１）において、
   前記熱交換器コア（２，２ａ〜２ｄ）内に、外周通路（２５）に対して熱交換器コア（２，２ａ〜２ｄ）の中心側に位置する領域で熱交換を促進させる扁平状のインナーフィン（２２）を設け、
   前記インナーフィン（２２）の周縁部が外周通路（２５）に進出するようにし、
   外周通路（２５）は、インナーフィン（２２）の表面側に膨出した表面側通路（２５ｕ）と、裏面側に膨出した裏面側通路（２５ｄ）とを含み、
   表面側通路（２５ｕ）と裏面側通路（２５ｄ）との間で第１の流体が流通するようにし、
   前記表面側通路（２５ｕ）と裏面側通路（２５ｄ）とが熱交換器コア（２，２ａ〜２ｄ）の周縁に沿って交互に配置されたことを特徴とする積層型熱交換器。
2. 外周部同士が接合された二つのチューブシート（６，６ａ〜６ｄ，７，７ａ〜７ｄ）によって形成され、その内部を第１の流体の通路とし、外周部を膨出させて外周通路（２５）を形成した扁平状の熱交換器コア（２，２ａ〜２ｄ）を複数積層するとともに、相互に隣接する熱交換器コア（２，２ａ〜２ｄ）間の空隙に第２の流体を導入して、第１の流体と第２の流体との間で熱交換させる積層型熱交換器（１）において、
   前記熱交換器コア（２，２ａ〜２ｄ）内に、外周通路（２５）に対して熱交換器コア（２，２ａ〜２ｄ）の中心側に位置する領域で熱交換を促進させる扁平状のインナーフィン（２２）を設け、
   前記インナーフィン（２２）の周縁部が外周通路（２５）に進出するようにし、
   外周通路（２５）は、インナーフィン（２２）の表面側に膨出した表面側通路（２５ｕ）と、裏面側に膨出した裏面側通路（２５ｄ）とを含み、
   前記表面側通路（２５ｕ）と裏面側通路（２５ｄ）とが面方向にずれた位置に形成され、
   熱交換器コア（２ｃ）を積層したときに、相互に隣接する熱交換器コア（２ｃ）間で、表面側通路（２５ｕ）に対応したチューブシート（６ｃ）外壁の突出部分と、裏面側通路（２５ｄ）に対応したチューブシート（７ｃ）外壁の突出部分とが係合するように構成されることを特徴とする積層型熱交換器。
3. インナーフィン（２２）の前記表面側通路（２５ｕ）または裏面側通路（２５ｄ）に対して反対側となる領域とチューブシート（６ａ〜６ｄ，７ａ〜７ｄ）とが当接することを特徴とする請求項１または２に記載の積層型熱交換器。

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