JP5520806B2

JP5520806B2 - 熱交換器

Info

Publication number: JP5520806B2
Application number: JP2010284702A
Authority: JP
Inventors: 徹久永; 珠希國吉
Original assignee: Yutaka Giken Co Ltd
Current assignee: Yutaka Giken Co Ltd
Priority date: 2010-12-21
Filing date: 2010-12-21
Publication date: 2014-06-11
Anticipated expiration: 2030-12-21
Also published as: JP2012132616A

Description

本発明は、第１熱媒体の熱を第２熱媒体に伝える熱交換器に関する。

車両の走行中に、内燃機関から排ガスが生ずる。この排ガスの保有熱を水に与えることで水を温めることが行われている（例えば、特許文献１（図２、図１１）参照。）。

特許文献１を次図に基づいて説明する。
図８に示すように、熱交換器１００は、両端部に拡径された拡径部１０１、１０１を有する複数の熱交換チューブ１０２と、これらの熱交換チューブ１０２を収納する下部ケース１０３及び上部ケース１０４とからなる。

拡径部１０１、１０１同士を重ねるようにして、熱交換チューブ１０２を複数積層する。積層した熱交換チューブ１０２を下部ケース１０３内に収納し、下部ケース１０３の上方から上部ケース１０４を被せることで熱交換器１００は組立てられる。

熱交換チューブ１０２と、下部、上部ケース１０３、１０４とで熱交換器１００を構成することで、部品点数の削減を図ることができる。部品点数が少ないため、組立に必要な工数も少ない。

図９（ａ）に示すように、図面左から右に向かって流れる排気ガスは、熱交換チューブ１０２内を通り、熱交換器１００外へ排出される。熱交換チューブ１０２と熱交換チューブ１０２との間には冷却水が流され、排気ガスの熱が冷却水に伝わる。

（ａ）のｂ部拡大図である（ｂ）に示すように、熱交換チューブ１０２、１０２は、冷却水から圧力を受ける。特に、拡径部１０１、１０１近傍では、白抜き矢印で示すように、熱交換チューブ１０２、１０２を引き離す方向に向かって水圧が作用する。
また、拡径部１０１、１０１近傍の点ａ、ｂ、ｃ、ｄには、排気ガスが通過することで、応力が発生する。

即ち、熱交換チューブには、排気ガス等の第１熱媒体や冷却水等の第２熱媒体から高い負荷がかかる。
熱交換チューブにかかる負荷を軽減することができる熱交換器の提供が望まれる。

特開２００７−２２５１９０公報

本発明は、熱交換チューブにかかる負荷を軽減することができる熱交換器の提供を課題とする。

請求項１に係る発明は、内部に第１熱媒体が流される熱交換チューブと、この熱交換チューブの一端を貫通支持する第１エンドプレートと、この第１エンドプレートに対向するように設けられ熱交換チューブの他端を貫通支持する第２エンドプレートと、第１エンドプレートの外縁から第２エンドプレートの外縁に向かって設けられ熱交換チューブを囲うコアケースとからなり、第１熱媒体と、熱交換チューブの外周を流される第２熱媒体とで熱交換を行う熱交換器であって、
コアケースは、第１エンドプレートから一体的に延ばされる第１ケースと、第２エンドプレートから一体的に延ばされ第１ケースに接合される第２ケースとからなり、
熱交換チューブの一端が第１エンドプレートに嵌合されると共に溶接され、熱交換チューブの他端が第２エンドプレートに嵌合されると共に溶接され、
前記第１ケースの側部に、サーモアクチュエータを取付けるための取付部が一体的に設けられ、
前記第２ケースの側部に、前記取付部に嵌合する蓋部が一体的に設けられ、
冷却水を導入するための導入部は、第１ケースに形成される第１導入部と、第２ケースに形成される第２導入部とからなり、
前記第１導入部は、前記第１ケースの端部に形成されており、
前記第２導入部は、前記第２ケースの端部に形成されており、
前記第１導入部及び第２導入部は、前記第１ケース及び第２ケースの接合部において一体的に形成され、
前記冷却水を排出するための排出部は、前記蓋部に形成されていることを特徴とする。

請求項２に係る発明は、第１エンドプレートは、熱交換チューブの一端が嵌合される第１嵌合部と、この第１嵌合部から熱交換チューブに沿って折曲げられる第１折曲げ部とを有し、
第２エンドプレートは、熱交換チューブの他端が嵌合される第２嵌合部と、この第２嵌合部から熱交換チューブに沿って折曲げられる第２折曲げ部とを有し、
前記第１折曲げ部は、排気ガスの流れる方向と逆の方向に折曲げられ、
前記第２折曲げ部は、排気ガスの流れる方向に沿って折曲げられていることを特徴とする。

請求項３に係る発明は、熱交換チューブ内にフィンが配置されていることを特徴とする。

請求項１に係る発明では、熱交換チューブは、第１エンドプレートに一端が嵌合されると共に溶接され、第２エンドプレートに他端が嵌合されると共に溶接される。即ち、熱交換チューブは、両端が第１、第２エンドプレートに嵌合された上で溶接される。第１、第２エンドプレートに嵌合された上で溶接されるため、熱交換チューブに拡径部を設ける必要がない。拡径部が無いため、第１熱媒体や第２熱媒体から受ける負荷を軽減することができる。即ち、熱交換チューブにかかる負荷を軽減することができる。

加えて、コアケースは、第１ケースに第２ケースを接合してなる。第１ケースには、第１エンドプレートが一体的に形成され、第２ケースには、第２エンドプレートが一体的に形成される。第１、第２エンドプレートを第１、第２ケースに一体的に形成することで、部品点数を削減することができる。
請求項１に係る発明によれば、少ない部品点数の熱交換器でありながら、熱交換チューブに係る負荷を軽減することができる。

加えて、請求項１に係る発明では、サーモアクチュエータを取付けるための取付部が、第１ケースの側部に一体的に設けられる。別部材を設けてサーモアクチュエータを支持する場合に比べ、部品点数を削減することができる。また、サーモアクチュエータを、よりコアケース近傍に設けることができ、小型化を図ることができる。

請求項２に係る発明では、熱交換チューブに沿って折曲げられる第１、第２折曲げ部を設けた。第１、第２折曲げ部を設け、熱交換チューブを支持する。熱交換チューブは、第１、第２エンドプレートに面で支持される。熱交換チューブを面で支持することで、熱交換チューブを支持する強度が高まる。熱交換チューブを支持する強度が高まることで、熱交換器の長寿命化を図ることができる。

請求項３に係る発明では、熱交換チューブ内にフィンが配置されている。フィンが配置されることで、第１熱媒体の熱を第２熱媒体に伝える効率を高めることができる。

本発明に係る熱交換器が搭載された排熱回収装置の斜視図である。本発明に係る熱交換器の分解斜視図である。本発明に係る熱交換器の斜視図である。上流側ケース体の作成手順を説明する図である。本発明に係る熱交換器の作用説明図である。本発明と従来の技術とを比較した説明図である。図５の変更例を説明する図である。従来の技術の基本構成を説明する図である。従来の技術の問題点を説明する図である。

本発明の実施の形態を添付図に基づいて以下に説明する。なお、図面は符号の向きに見るものとする。

図１に示されるように、排熱回収装置１０は、排気ガス（第１熱媒体、以下同じ。）が導入される導入部材１１と、この導入部材１１の下流側（排気ガスの流れ方向を基準とする。以下同じ。）に設けられる迂回口１２と、この迂回口１２に繋がれ排気ガスを迂回させる迂回路１３と、導入部材１１上部の熱回収口１４に繋がれるガス流入部材１５と、このガス流入部材１５の下流側端部に一体的に形成された矩形の前部支持部１６と、この前部支持部１６に支持され排気ガスの熱を冷却水（第２熱媒体、以下同じ。）に与える熱交換器３０と、この熱交換器３０の下流側端部を支持する後部支持部２１と、この後部支持部２１に一体的に設けられ熱交換を終えた排気ガスが排出されるガス流出部材２２と、熱交換器３０の側方に設けられ冷却水が排出される水排出管２３と、熱交換器３０に支持され冷却水の温度で作動されるサーモアクチュエータ２４と、このサーモアクチュエータ２４の先端に接触され図面時計回り方向に付勢する付勢手段２５と、この付勢手段２５の軸２６に取付けられ迂回口１２又は熱回収口１４を閉じることで排気ガスの流路を切替えるバルブ２７とからなる。

車両の作動直後等の水温が低い状態では、バルブ２７は迂回口１２を閉じる。迂回口１２を閉じると、排気ガスは熱回収口１４に向かって流れる。熱回収口１４に流れた排気ガスは、ガス流入部材１５を経由して熱交換器３０に送られ、冷却水を温める。

水温が上がり、所定の温度に達するとサーモアクチュエータ２４が作動する。サーモアクチュエータ２４が作動することで、サーモアクチュエータ２４の先端に設けられるロッド２８が、付勢手段２５の付勢する力に抗して前進（図面左側）する。ロッド２８が前進することで、軸２６、バルブ２７が反時計回りに一体的に回転する。回転することで、バルブ２７は熱回収口１４を閉じる。
即ち、水温が所定の温度に達することでバルブ２７は、熱回収口１４を閉じる。

バルブ２７が熱回収口１４を閉じている間は、排気ガスは迂回路１３を流れ、熱交換を行わない。再び水温が下がると、付勢手段２５の力でバルブ２７が時計回りに回転し、バルブ２７は迂回口１２を閉じる。迂回口１２を閉じ、熱回収口１４を開くことで、再び熱交換が行われる。
熱交換を行う熱交換器３０について詳細を次図で説明する。

図２に示すように、熱交換器３０は、内部に排気ガスが流される複数の熱交換チューブ３１と、これらの熱交換チューブ３１の一端を貫通支持する略矩形の第１エンドプレート３２と、この第１エンドプレート３２から一体的に延ばされる第１ケース３３と、この第１ケース３３の側部に一体的に形成されサーモアクチュエータ（図１、符号２４）を取り付けるための取付部３４と、熱交換チューブ３１の他端を貫通支持する第２エンドプレート３５と、この第２エンドプレート３５から一体的に延ばされ第１ケース３３に接合される第２ケース３６と、この第２ケース３６の側部に設けられ取付部３４の後部を覆う蓋部３７とからなる。

第１エンドプレート３２に、排気ガスの流れる方向と逆の方向に折曲げられる第１折曲げ部４１が形成され、第２エンドプレート３５に、排気ガスの流れる方向に沿って折曲げられる第２折曲げ部４２が形成される。

第１エンドプレート３２を熱交換チューブ３１の一端（上流側端部）に嵌合させると共に、第２エンドプレート３５を熱交換チューブ３１の他端（下流側端部）に嵌合させる。熱交換チューブ３１に嵌合させた後、第１ケース３３が第２ケース３６に嵌合するまで、第１、第２エンドプレート３２、３５を互いに押し込む。

第１ケース３３が第２ケース３６に接触したら、第１ケース３３を第２ケース３６に溶接する。さらに、熱交換チューブ３１を第１、第２エンドプレート３２、３５に溶接する。
溶接することで完成した熱交換器について詳細を次図で説明する。

図３に示すように、熱交換器３０は、第１ケース３３の下部と第２ケース３６の下部とで、冷却水を導入するための導入部４４を形成し、水排出管（図１、符号２３）を支持する排出部４５が蓋部３７に形成される。
導入部４４は、第１ケース３３に形成される第１導入部４４ａと、第２ケース３６に形成される第２導入部４４ｂとからなる。

第１ケース３３と第２ケース３６とが接合されてなるコアケース４７は、第１エンドプレート３２の外縁から第２エンドプレート（図１、符号３５）の外縁に向かって設けられる。

熱交換チューブ３１には、フィン４８が設けられている。
フィン４８が配置されることで、第１熱媒体の熱を第２熱媒体に伝える効率を高めることができる。

このような熱交換器３０は、第１エンドプレート３２、第１ケース３３、第１導入部４４ａ、取付部３４が一体形成された上流側ケース体４９と、第２エンドプレート（図２、符号３５）、第２ケース３６、蓋部３７、排出部４５、第２導入部４４ｂが一体成形された下流側ケース体５１と、これらの上流側ケース体４９及び下流側ケース体５１に支持される複数の熱交換チューブ３１とからなる、と言い替えることができる。

上流側ケース体４９、下流側ケース体５１、熱交換チューブ３１からなるため、少ない部品点数で熱交換器３０を製造することができる。部品点数が少ないため、組立に必要な工数が少なく、有益である。

第１ケース３３には、第１エンドプレート３２が一体的に形成され、第２ケース３６には、第２エンドプレート３５（図２参照）が一体的に形成される。第１、第２エンドプレート３２、３５を第１、第２ケース３３、３６に一体的に形成することで、部品点数を削減することができる。
上流側ケース体の作成手順を次図で説明する。

図４（ａ）に示すように、まず、板材に絞り成形を行い、上流側ケース体（図３、符号４９）を大まかな形状に成形する。
大まかな形状に成形された成形体５３を、さらに絞り成形し、（ｂ）に示すように詳細な形状の成形体５４に成形する。

次に（ｃ）に示すように、熱交換チューブ（図３、符号３１）を嵌合させるための穴を開けることで、穴あき成形体５５を得る。
穴の開けられた成形体５５の穴５６の周縁部を、（ｄ）に示すように立ち上げることで、第１折曲げ部４１を形成する。

第１折曲げ部４１を形成した成形体５７のうち、不要な部位５８を切除し、（ｅ）に示す不要な部位を切除した成形体５９を得る。
不要な部位を切除した成形体５９に、（ｆ）に示すように、穴を開けることで取付部３４や第１導入部４４ａを形成し、上流側ケース体４９が完成する。

取付部３４が、第１ケース３３の側部に一体的に設けられる。別部材を設けてサーモアクチュエータ（図１、符号２４）を支持する場合に比べ、部品点数を削減することができる。また、サーモアクチュエータを、よりコアケース（図３。符号４７）近傍に設けることができ、小型化を図ることができる。

なお、以上に説明したのと同様の手順で下流側ケース体（図３、符号５１）も製造できるため、詳細な説明は割愛する。
本発明に係る熱交換器の作用を次図で説明する。

図５（ａ）に示すように、第１エンドプレート３２は、熱交換チューブ３１の一端が嵌合される第１嵌合部６１と、この第１嵌合部６１から熱交換チューブ３１に沿って折曲げられる第１折曲げ部４１とを有し、第２エンドプレート３５は、熱交換チューブ３１の他端が嵌合される第２嵌合部６２と、この第２嵌合部６２から熱交換チューブに沿って折曲げられる第２折曲げ部４２とを有する。

第１、第２折曲げ部４１、４２を設け、熱交換チューブを支持する。熱交換チューブ３１は、第１、第２エンドプレート３２、３５に面で支持される。熱交換チューブ３１を面で支持することで、熱交換チューブ３１を支持する強度が高まる。熱交換チューブ３１を支持する強度が高まることで、熱交換器３０の長寿命化を図ることができる。

第１折曲げ部４１の第２ケース３６側の端部である根元部４１ａは、（ａ）のｂ部拡大図である（ｂ）に示すように、曲面形状を呈する。根元部４１ａを曲面形状とすることで、熱交換チューブ３１を支持する強度をより高めることができる。
（ａ）に示す、第２折曲げ部４２の第１ケース３３側の端部である根元部４２ａも同様に曲面形状を呈し、根元部４１ａと同様の効果を奏する。

図６（ａ）の従来例に示すように、熱交換チューブ１０２、１０２は、冷却水から圧力を受ける。特に、拡径部１０１、１０１近傍では、白抜き矢印で示すように、熱交換チューブ１０２、１０２を引き離す方向に向かって水圧が作用する。

（ｂ）の実施例に示すように、熱交換チューブ３１は、両端が第１、第２エンドプレート３２、３５に嵌合された上で溶接される。第１、第２エンドプレート３２、３５に嵌合された上で溶接されるため、熱交換チューブ３１に拡径部を設ける必要がない。拡径部を不要とすることで、第１熱媒体や第２熱媒体から受ける負荷を軽減することができる。即ち、熱交換チューブ３１にかかる負荷を軽減することができる。
本発明によれば、部品点数の少ない熱交換器でありながら、熱交換チューブ３１にかかる負荷を軽減することができる。

図７に示すように、第１折曲げ部６４を第１ケース６５の内部に向かって折り曲げ、第２ケース６６に第２折り曲げ部（図５、符号４２）を設けず、第２嵌合部６７のみで熱交換チューブ３１を支持する。このように第１、第２ケース６５、６６を形成した場合も、本発明による効果を得ることができる。
即ち、折り曲げ部の折り曲げられる方向や、折り曲げ部の有無は任意であり、第１ケース６５と第２ケース６６とで異ならせることもできる。

ただし、第１折曲げ部６４を第１ケース６５の内部に向かって折り曲げた場合は、第１ケース６５の外部に向かって折り曲げた場合に比べ、第１ケース６５を小型化することができる。

また、第２ケース６６に第２折り曲げ部を設けない場合は、熱交換チューブ３１が第２ケース６６の下流側端部から突出し、段差が生ずる。段差があることで溶接トーチが臨みやすくなり、熱交換チューブ３１の溶接が容易になる。

加えて、第１ケース６５の下流側端部に周方向に広がる断面視略Ｌ字形状の合わせ部６８を設けた。合わせ部６８を第２ケース６６の上流側端部に被せた上で、第１ケース６５を第２ケース６６に溶接する。第１ケース６５と第２ケース６６との間に生じる段差により、溶接作業が容易になる。

なお、合わせ部６８は第２ケース６６に設けることもできる。即ち、どちらのケースに合わせ部を設けるかは、任意に選択することができる。
また、第１、第２ケース６５、６６と熱交換チューブ３１との溶接は、ＴＩＧ溶接の他、ろう付けなど任意の方法を選択することができる。

尚、本発明に係る熱交換器は、実施の形態では排熱回収装置に適用したが、ＥＧＲ（ＥｘｈａｕｓｔＧａｓＲｅｃｉｒｃｕｌａｔｉｏｎ）クーラにも適用可能であり、これらのものに用途は限られない。

本発明の熱交換器は、排熱回収装置に好適である。

３０…熱交換器、３１…熱交換チューブ、３２…第１エンドプレート、３３、６５…第１ケース、３４…取付部、３５…第２エンドプレート、３６、６６…第２ケース、３７…蓋部、４１、６４…第１折曲げ部、４２…第２折曲げ部、４７…コアケース、４８…フィン、６１…第１嵌合部、６２、６７…第２嵌合部。

Claims

内部に第１熱媒体が流される熱交換チューブと、この熱交換チューブの一端を貫通支持する第１エンドプレートと、この第１エンドプレートに対向するように設けられ前記熱交換チューブの他端を貫通支持する第２エンドプレートと、前記第１エンドプレートの外縁から前記第２エンドプレートの外縁に向かって設けられ前記熱交換チューブを囲うコアケースとからなり、前記第１熱媒体と、前記熱交換チューブの外周を流される第２熱媒体とで熱交換を行う熱交換器であって、
前記コアケースは、前記第１エンドプレートから一体的に延ばされる第１ケースと、前記第２エンドプレートから一体的に延ばされ前記第１ケースに接合される第２ケースとからなり、
前記熱交換チューブの一端が前記第１エンドプレートに嵌合されると共に溶接され、前記熱交換チューブの他端が前記第２エンドプレートに嵌合されると共に溶接され、
前記第１ケースの側部に、サーモアクチュエータを取付けるための取付部が一体的に設けられ、
前記第２ケースの側部に、前記取付部に嵌合する蓋部が一体的に設けられ、
冷却水を導入するための導入部は、第１ケースに形成される第１導入部と、第２ケースに形成される第２導入部とからなり、
前記第１導入部は、前記第１ケースの端部に形成されており、
前記第２導入部は、前記第２ケースの端部に形成されており、
前記第１導入部及び第２導入部は、前記第１ケース及び第２ケースの接合部において一体的に形成され、
前記冷却水を排出するための排出部は、前記蓋部に形成されていることを特徴とする熱交換器。
前記第１エンドプレートは、前記熱交換チューブの一端が嵌合される第１嵌合部と、この第１嵌合部から前記熱交換チューブに沿って折曲げられる第１折曲げ部とを有し、
前記第２エンドプレートは、前記熱交換チューブの他端が嵌合される第２嵌合部と、この第２嵌合部から前記熱交換チューブに沿って折曲げられる第２折曲げ部とを有し、
前記第１折曲げ部は、排気ガスの流れる方向と逆の方向に折曲げられ、
前記第２折曲げ部は、排気ガスの流れる方向に沿って折曲げられていることを特徴とする請求項１記載の熱交換器。
前記熱交換チューブ内に、フィンが配置されていることを特徴とする請求項１又は請求項２記載の熱交換器。