JP6023670B2 - 熱交換器及び熱交換デバイス - Google Patents

Description

本発明は、熱交換器及びこの熱交換器が搭載された熱交換デバイスに関する。

熱交換器は、熱交換チューブの内周を流れる第１熱媒体と、外周を流れる第２熱媒体とで熱交換を行う装置である。熱交換器が熱交換デバイスに搭載されることが知られている（例えば、特許文献１第４頁、図１参照。）。

図１１に示されるように、熱交換デバイスとしての排熱回収装置１００は、熱交換を行うために熱交換器１１０が配置されている熱回収路１０２と、この熱回収路１０２を迂回し熱交換を行わない迂回路１０３とを有している。

熱交換器１１０は、コアケース１１１と、このコアケース１１１の端部をそれぞれ閉じる２枚のエンドプレート１１２，１１３と、これらの２枚のエンドプレート１１２，１１３間に掛けられ内部に排気ガスが流れる複数の熱交換チューブ１１５とからなる。熱交換チューブ１１５の内部を流れる排気ガスと、外部を流れる媒体との間で熱交換を行う。このような熱交換器１１０には、次図において説明するような問題点がある。

図１２に示されるように、熱交換チューブ１１５は、エンドプレート１１２にろう付けされることにより接合されている。高温の排気ガスが熱交換チューブ１１５に流れることにより、熱交換チューブ１１５も高温になる。高温になることにより、白抜き矢印によって示されるよう、熱交換チューブ１１５には伸びが発生する。

熱交換チューブ１１５がエンドプレート１１２に接合されていることにより、熱交換チューブ１１５が伸びる力によってエンドプレート１１２には負荷が加わる。エンドプレート１１２に加わる負荷を軽減することができれば、長寿命化の観点から望ましい。

特開２０１２−１８４６８１公報

本発明は、熱交換器の長寿命化を図ることを課題とする。

請求項１に係る発明は、筒状に形成されているコアケースと、このコアケースの内部に積層され内部に第１熱媒体が流される熱交換チューブと、前記第１熱媒体の流れ方向を基準として前記熱交換チューブの上流側端部を貫通支持すると共に前記コアケースの上流側端部を閉じる上流側エンドプレートと、前記熱交換チューブの下流側端部を貫通支持すると共に前記コアケースの下流側端部を閉じる下流側エンドプレートとからなり、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い、
前記上流側エンドプレートは、前記コアケースに接続されている上流側接続部材と、この上流側接続部材に接合されていると共に前記熱交換チューブが差し込まれている上流側底板とからなり、
前記上流側底板の板厚は、前記上流側接続部材の板厚よりも薄い熱交換器であって、
前記上流側接続部材の底部には、開口部が形成され、
前記上流側底板は、前記上流側接続部材の底部の下流側の面に接合されていると共に、前記熱交換チューブを差し込むための上流側バーリング部が形成され、
前記上流側バーリング部は、前記開口部を貫通して上流側に延びていることを特徴とする。

請求項２に係る発明は、前記下流側エンドプレートは、前記コアケースに接続されている下流側接続部材と、この下流側接続部材に接合されていると共に前記熱交換チューブが差し込まれている下流側底板とからなり、
前記下流側エンドプレートは、前記下流側接続部材よりも前記下流側底板が下流側に配置され、
前記下流側接続部材の底部には、開口部が形成され、
前記下流側底板は、前記下流側接続部材の底部の上流側の面に接合されていると共に、前記熱交換チューブを差し込むための下流側バーリング部が形成され、
前記下流側バーリング部は、開口部を貫通して下流側に延びていることを特徴とする。

請求項３に係る発明は、前記上流側底板には、前記熱交換チューブが差し込まれるバーリング部が形成され、
これらのバーリング部の間の部位は、断面視において階段形状に形成されていることを特徴とする。

請求項４に係る発明は、前記上流側底板は、前記上流側接続部材に接合されている上流側一般面と、この上流側一般面から膨出している上流側膨出面とからなり、
前記上流側膨出面には、前記熱交換チューブが差し込まれるバーリング部が形成されていることを特徴とする。

請求項５に係る発明は、前記下流側エンドプレートは、前記コアケースに接続されている下流側接続部材と、この下流側接続部材に接合されていると共に前記熱交換チューブが差し込まれている下流側底板とからなり、
前記上流側底板には、前記熱交換チューブが差し込まれる上流側バーリング部が形成され、
前記下流側底板には、前記熱交換チューブが差し込まれる下流側バーリング部が形成され、
前記上流側バーリング部の先端は、上流側に向けて配置され、
前記下流側バーリング部の先端は、下流側に向けて配置されていることを特徴とする。

請求項６に係る発明は、前記上流側接続部材は、前記上流側底板が接合される底部と、この底部から立ち上げられている壁部とからなり、
前記壁部は、上流に向かって延び、
前記上流側底板には、前記熱交換チューブが差し込まれる上流側バーリング部が形成され、
前記上流側バーリング部の先端は、上流側に向けて配置されていることを特徴とする。

請求項７に係る発明は、請求項１〜請求項６のいずれか１項記載の熱交換器が搭載され
ている熱交換デバイスであって、
前記第１熱媒体としての排気ガスが導入され、導入された前記第１熱媒体を２つの流路
に分岐する分岐部と、
この分岐部から延びている第１流路と、
前記分岐部から前記第１流路に沿うようにして延びている第２流路と、
この第２流路に取付けられ、前記第１熱媒体の熱からエネルギを回収する前記熱交換器
と、
前記第１流路又は前記第２流路を開閉可能に設けられているバルブとからなることを特
徴とする。

請求項１に係る発明では、上流側エンドプレートは、上流側接続部材と上流側底板との２枚の部材からなり、熱交換チューブが差し込まれる上流側底板の板厚は、上流側接続部材の板厚よりも薄い。即ち、上流側接続部材よりも上流側底板は曲げ剛性が弱い。このため、上流側接続部材に比べて上流側底板は撓みやすい。撓みやすい部位に熱交換チューブが差し込まれているため、熱交換チューブの伸びを撓みによって吸収することができる。これにより、熱交換チューブに加わる負荷を軽減し、熱交換器の長寿命化を図ることができる。

請求項２に係る発明では、下流側エンドプレートは、下流側接続部材よりも下流側底板が下流側に配置されている。これにより、下流側接続部材と下流側底板によって囲われている部位に第２熱媒体を流すことができる。この部位の分だけコアケースを小型化することができ、熱交換器全体としても小型化することができる。

請求項３に係る発明では、バーリング部の間の部位は、断面視において階段形状に形成されている。このことにより、熱によって生じる応力の吸収代を大きく確保することができ、より高い応力吸収効果を得ることができる。

請求項４に係る発明では、熱交換チューブが差し込まれるバーリング部は、上流側一般面から膨出している上流側膨出面に形成されている。上流側一般面と上流側膨出面との境界には、段差が形成される。この段差によって、熱によって生じる応力の吸収代を大きく確保することができ、より高い応力吸収効果を得ることができる。一方、バーリング部は、膨出面に形成される。このため、複数のバーリング部同士を近づけて形成することができる。これにより、熱交換器のコンパクト化を図ることができる。

請求項５に係る発明では、上流側バーリング部の先端は、上流側に向けて配置され、下流側バーリング部の先端は、下流側に向けて配置されている。熱交換器の組み立て時に、熱交換チューブをバーリング部に差し込む。このとき、上流側及び下流側のバーリング部の先端が差し込み方向に向かっているため、熱交換チューブを容易にバーリング部に差し込むことができる。バーリング部をガイドとして用いることができ、組み立て性が向上する。

請求項６に係る発明では、上流側接続部材の壁部は、上流に向かって延び、上流側バーリング部の先端は、上流側に向けて配置されている。これにより、上流側接続部材の熱による変形方向及び熱交換チューブの熱延び方向と上流側の底板の応力をより発揮する向きが一致するため、より高い応力吸収効果を得ることができる。

請求項７に係る発明では、熱交換デバイスには、本発明による熱交換器が搭載されてい
る。熱交換デバイスは高温の排気ガスが流れ、過酷な条件の下において使用される装置で
ある。本発明による熱交換器を採用することにより、熱交換器の長寿命化を図ることがで
き、熱交換デバイスの寿命も長くすることができる。

実施例１による熱交換器が搭載された排熱回収装置の平面図である。 図１に示された排熱回収装置の断面図である。 図２に示された熱交換器の断面図である。 図３に示された熱交換器の分解図である。 図３の５矢視図である。 図３の６部拡大図である。 実施例２による熱交換器に用いられる底板を説明する図である。 実施例３による熱交換器に用いられる底板を説明する図である。 図８に示された底板の成形方法を説明する図である。 図４に示された熱交換器の変更例を説明する分解図である。 従来の技術の基本構成を説明する図である。 図１１に示された従来の技術の問題点を説明する図である。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。

実施例１による熱交換器が排熱回収装置に搭載された例を、図面に基づいて説明する。
図１に示されるように、排熱回収装置１０（熱交換デバイス１０）は、内燃機関において発生した排気ガス（第１熱媒体）が導入される導入口１１と、この導入口１１に接続されている分岐部１２と、この分岐部１２に接続され導入口１１の下流に延びている第１流路１３と、この第１流路１３に沿って分岐部１２から延びている第２流路１４と、この第２流路１４の一部を形成し排気ガスの熱を媒体（第２熱媒体）に伝える熱交換器３０と、この熱交換器３０に接続されているサーモアクチュエータ１６と、第１及び第２流路１３，１４の下流端が接続されているバルブ室１７と、このバルブ室１７に接続され排気ガスを排出する排出口１８とからなる。バルブ室１７は、第１又は第２流路１３，１４内を通過した排気ガスが合流する合流部を兼ねている。

図２に示されるように、バルブ室１７には、バルブ１９が収納されている。このバルブ１９は、サーモアクチュエータ（図１、符号サーモアクチュエータ１６）に接続されていると共に、第１流路１３を閉鎖している。このとき、第２流路１４は開放されており、排気ガスは、第２流路１４を通過する。一方、所定の条件によりバルブ１９がスイングすると、バルブ１９は、第２流路１４を閉じる。このとき、第１流路１３は開放されており、排気ガスは、第１流路１３を通過する。

図１に戻り、熱交換器３０の側方には、媒体を導入するための媒体導入管２１が接続されている。また、熱交換器３０には、サーモアクチュエータ１６を支持しているアクチュエータ支持部材２２が接続されている。アクチュエータ支持部材２２には、媒体を排出するための媒体排出管２３が接続されている。

即ち、媒体は、媒体導入管２１から熱交換器３０に導入される。導入された媒体は、熱交換器３０内において排気ガスの熱を受け、媒体排出管２３から排出される。熱交換器３０の詳細について、次図以降において詳細に説明する。

図３に示されるように、熱交換器３０は、内部に媒体が流される略角筒形状のコアケース３１と、このコアケース３１の両端の開口を塞ぐように取付けられている上流側及び下流側エンドプレート３２，３３と、これらの上流側及び下流側エンドプレート３２，３３間に取付けられ内部を排気ガスが通過する複数の熱交換チューブ３４とからなる。

図４に示されるように、上流側エンドプレート３２は、コアケース３１に接続され断面視コ字状を呈する上流側接続部材４３と、この上流側接続部材４３に接合されていると共に熱交換チューブ３４が差し込まれる上流側底板４４とからなる。

上流側底板４４には、上流側接続部材４３の板厚Ｔ１よりも薄い板厚Ｔ２の板材が用いられている。即ち、上流側底板４４の板厚Ｔ２は、上流側接続部材４３の板厚Ｔ１よりも薄い。上流側接続部材４３の板厚Ｔ１は、１．２ｍｍ〜２．０ｍｍであることが望ましく、上流側底板４４の板厚Ｔ２は、０．４ｍｍ〜１．０ｍｍであることが望ましい。

上流側接続部材４３は、上流側底板４４が接合される底部４３ａと、この底部４３ａから立ち上げられ上流に向かって延びている壁部４３ｂとからなる。底部４３ａには、矩形に開けられた開口部４３ｃが形成されている。

上流側底板４４には、熱交換チューブ３４が差し込まれる上流側バーリング部４４ａが形成されている。これらの上流側バーリング部４４ａの間の部位は、断面視において略Ｕ字状に形成されている。下流側エンドプレート（図３、符号３３）の基本的な構成も同様である。上流側バーリング部４４ａは、バーリング加工によって縦壁が一体的に形成されている、熱交換チューブ３４の差込み孔である。

図３も合わせて参照し、下流側エンドプレート３３は、コアケース３１に接続され断面視コ字状を呈する下流側接続部材４８と、この下流側接続部材４８に接合されていると共に熱交換チューブ３４が差し込まれる下流側底板４９とからなる。

下流側接続部材４８は、下流側底板４９が接合される底部４８ａと、この底部４８ａから立ち上げられ上流に向かって延びている壁部４８ｂとからなる。底部４８ａには、矩形に開けられた開口部４８ｃが形成されている。下流側底板４９が底部４８ａの壁部４８ｂが延びている側の面に取り付けられている点において、上流側エンドプレート３２と下流側エンドプレート３３とは、異なる。即ち、上流側底板４４は、底部４３ａの壁部４３ｂが延びているのとは逆側の面に取り付けられている。

下流側底板４９には、熱交換チューブ３４が差し込まれる下流側バーリング部４９ａが形成されている。これらの下流側バーリング部４９ａの間の部位は、断面視において略Ｕ字状に形成されている。下流側バーリング部４９ａは、バーリング加工によって縦壁が一体的に形成されている、熱交換チューブ３４の差込み孔である。

下流側エンドプレート３３は、下流側接続部材４８よりも下流側底板４９が下流側に配置されている。これにより、下流側接続部材４８と下流側底板４９によって囲われている部位に媒体を流すことができる。この部位の分だけコアケース３１を小型化することができ、熱交換器３０全体としても小型化することができる。

上流側バーリング部４４ａの先端４４ｄは、上流側に向けて配置され、下流側バーリング部４９ａの先端４９ｄは、下流側に向けて配置されている。熱交換器３０の組み立て時に、熱交換チューブ３４を上流側及び下流側バーリング部４４ａ，４９ａに差し込む。このとき、上流側及び下流側バーリング部４４ａ，４９ａの先端４４ｄ，４９ｄが差し込み方向に向かっているため、熱交換チューブ３４を容易に上流側及び下流側バーリング部４４ａ，４９ａに差し込むことができる。上流側及び下流側バーリング部４４ａ，４９ａをガイドとして用いることができ、熱交換器３０の組み立て性が向上する。

図５に示されるように、熱交換チューブ３４には、フィン３７が収納されている。このような熱交換チューブ３４の長手方向両端は、下流側接続部材４８の底部４８ａによって覆われている。

下流側接続部材４８の底部４８ａは、フィン３７が収納されている熱交換チューブ３４の長手方向両端を覆っている。フィン３７は、熱交換チューブ３４の内部にろう付けなどにより接合されている部品である。接合作業が困難なため、長手方向の両端には、フィン３７が配置されていない。フィン３７が配置されていない部位は、流路面積が広いため、抵抗が少なく、より多くの排気ガスが流れる。ところが、フィン３７の配置されていない部位は、伝熱面積が小さいため、熱交換効率が他の部位に比べて低い。このため、フィン３７の配置されていない場所へ排気ガスが流れることを防止するために、下流側接続部材４８の底部４８ａによって熱交換チューブ３４の長手方向両端を覆った。これにより、排気ガスをフィン３７の配置されている部位に導くことができ、熱交換効率を向上させることができる。

図６に示されるように、高温の排気ガスが流れる熱交換チューブ３４には、排気ガスの熱により伸びが発生する。上流側底板４４の板厚が上流側接続部材４３の板厚よりも薄いため、上流側接続部材４３よりも上流側底板４４は曲げ剛性が弱い。このため、上流側接続部材４３に比べて上流側底板４４は撓みやすい。撓みやすい部位に熱交換チューブ３４が差し込まれているため、熱交換チューブ３４の伸びを撓みによって吸収することができる。これにより、熱交換チューブ３４に加わる負荷を軽減し、熱交換器３０の長寿命化を図ることができる。

図１も参照して、排熱回収装置１０には、本発明による熱交換器３０が搭載されている。排熱回収装置１０は高温の排気ガスが流れ、過酷な条件の下において使用される装置である。本発明による熱交換器３０を採用することにより、熱交換器３０の長寿命化を図ることができ、排熱回収装置１０の寿命も長くすることができる。

図１０に示されるように、変更例による熱交換器３０は、壁部４３ｂが、下流に向かって延び、上流側底板４４には、熱交換チューブ３４が差し込まれる上流側バーリング部４４ａが形成されている。上流側バーリング部４４ａの先端４４ｄは、下流側に向けて配置されている。このような場合においても本発明所定の効果を得ることができる。

次に、本発明の実施例２を図面に基づいて説明する。
図７（ａ）には、実施例２の熱交換器に採用された上流側底板４４Ａが示されている。

図７（ａ）及び図７（ｂ）に示されるように、上流側底板４４Ａは、熱交換チューブ（図３、符号３４）が差し込まれる上流側バーリング部４４ａが形成されている。これらの上流側バーリング部４４ａの間の部位は、断面視において階段形状に形成されている。

このような上流側底板４４Ａを採用した場合にも、本発明所定の効果を得ることができる。なお、下流側底板（図３，符号４９）をこのような構成とすることもできる。

次に、本発明の実施例３を図面に基づいて説明する。
図８（ａ）には、実施例３の熱交換器に採用された上流側底板４４Ｂが示されている。

図８（ａ）及び図８（ｂ）に示されるように、上流側底板４４Ｂは、上流側接続部材（図３、符号４３）に接合されている上流側一般面４４ｂと、この上流側一般面４４ｂから膨出している上流側膨出面４４ｃとからなる。上流側膨出面４４ｃには、熱交換チューブ（図３、符号３４）が差し込まれる上流側バーリング部４４ａが形成されている。

このような上流側底板４４Ｂを採用した場合にも、本発明所定の効果を得ることができる。なお、下流側底板（図３，符号４９）をこのような構成とすることもできる。このような形状の上流側底板４４Ｂの成形方法を次図において説明する。

図９（ａ）に示されるように、まず、素材となる板材６１を準備する。下型６２及び上型６３によって板材６１をプレスし、上流側一般面４４ｂ及びこの上流側一般面４４ｂから膨出する上流側膨出面４４ｃを成形する。

次に、図９（ｂ）に示されるように、パンチングプレス６４によって、上流側膨出面４４ｃにパンチングを行う。これにより、図９（ｃ）に示されるように、上流側バーリング部４４ａが形成され、上流側底板４４Ｂが完成する。

尚、本発明の熱交換器は、実施の形態では排熱回収装置に適用したが、ＥＧＲ（Exhaust Gas Recirculation）クーラやコージェネレーションシステム、熱電発電装置への適用も可能である。さらに、これらのように、排気ガスの熱と媒体との間で熱交換を行うもの以外の物にも適用が可能である。

また、上流側底板は、上流側接続部材の底部の上流側の面に取り付けられていても下流側の面に取り付けられていても同様の効果を得ることができる。同様に、下流側底板は、下流側接続部材の底部の上流側の面に取り付けられていても下流側の面に取り付けられていても同様の効果を得ることができる。

さらに、上流側底板に対する熱交換チューブの接合は、ろう付けの他、レーザー溶接や、シーム溶接等も採用することができる。下流側底板に対する、熱交換チューブの接合も同様である。さらには、上流側接続部材又は下流側接続部材に対する上流側底板の接合など、接合される全ての部位について同様のことが言える。この他にも、溶接方法には、本発明の目的に応じて任意の方法を選択することができる。

本発明の熱交換器は、排熱回収装置に好適である。

１０…排熱回収装置（熱交換デバイス）、１２…分岐部、１３…第１流路、１４…第２流路、１９…バルブ、３０…熱交換器、３１…コアケース、３２…上流側エンドプレート、３３…下流側エンドプレート、３４…熱交換チューブ、４３…上流側接続部材、４４，４４Ａ，４４Ｂ…上流側底板、４４ａ…上流側バーリング部、４４ｂ…上流側一般面、４４ｃ…上流側膨出面、４８…下流側接続部材、４９…下流側底板。

Claims (7)

1. 筒状に形成されているコアケースと、このコアケースの内部に積層され内部に第１熱媒体が流される熱交換チューブと、前記第１熱媒体の流れ方向を基準として前記熱交換チューブの上流側端部を貫通支持すると共に前記コアケースの上流側端部を閉じる上流側エンドプレートと、前記熱交換チューブの下流側端部を貫通支持すると共に前記コアケースの下流側端部を閉じる下流側エンドプレートとからなり、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い、
   前記上流側エンドプレートは、前記コアケースに接続されている上流側接続部材と、この上流側接続部材に接合されていると共に前記熱交換チューブが差し込まれている上流側底板とからなり、
   前記上流側底板の板厚は、前記上流側接続部材の板厚よりも薄い熱交換器であって、
   前記上流側接続部材の底部には、開口部が形成され、
   前記上流側底板は、前記上流側接続部材の底部の下流側の面に接合されていると共に、前記熱交換チューブを差し込むための上流側バーリング部が形成され、
   前記上流側バーリング部は、前記開口部を貫通して上流側に延びていることを特徴とする熱交換器。
2. 前記下流側エンドプレートは、前記コアケースに接続されている下流側接続部材と、この下流側接続部材に接合されていると共に前記熱交換チューブが差し込まれている下流側底板とからなり、
   前記下流側エンドプレートは、前記下流側接続部材よりも前記下流側底板が下流側に配置され、
   前記下流側接続部材の底部には、開口部が形成され、
   前記下流側底板は、前記下流側接続部材の底部の上流側の面に接合されていると共に、前記熱交換チューブを差し込むための下流側バーリング部が形成され、
   前記下流側バーリング部は、開口部を貫通して下流側に延びていることを特徴とする請求項１記載の熱交換器。
3. 前記上流側底板には、前記熱交換チューブが差し込まれる上流側バーリング部が形成され、
   これらの上流側バーリング部の間の部位は、断面視において階段形状に形成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。
4. 前記上流側底板は、前記上流側接続部材に接合されている上流側一般面と、この上流側一般面から膨出している上流側膨出面とからなり、
   前記上流側膨出面には、前記熱交換チューブが差し込まれる上流側バーリング部が形成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。
5. 前記下流側エンドプレートは、前記コアケースに接続されている下流側接続部材と、この下流側接続部材に接合されていると共に前記熱交換チューブが差し込まれている下流側底板とからなり、
   前記上流側底板には、前記熱交換チューブが差し込まれる上流側バーリング部が形成され、
   前記下流側底板には、前記熱交換チューブが差し込まれる下流側バーリング部が形成され、
   前記上流側バーリング部の先端は、上流側に向けて配置され、
   前記下流側バーリング部の先端は、下流側に向けて配置されていることを特徴とする請求項１記載の熱交換器。
6. 前記上流側接続部材は、前記上流側底板が接合される底部と、この底部から立ち上げられている壁部とからなり、
   前記壁部は、上流に向かって延び、
   前記上流側底板には、前記熱交換チューブが差し込まれる上流側バーリング部が形成され、
   前記上流側バーリング部の先端は、上流側に向けて配置されていることを特徴とする請求項１記載の熱交換器。
7. 請求項１〜請求項６のいずれか１項記載の熱交換器が搭載されている熱交換デバイスであって、
   前記第１熱媒体としての排気ガスが導入され、導入された前記第１熱媒体を２つの流路に分岐する分岐部と、
   この分岐部から延びている第１流路と、
   前記分岐部から前記第１流路に沿うようにして延びている第２流路と、
   この第２流路に取付けられ、前記第１熱媒体の熱からエネルギを回収する前記熱交換器と、
   前記第１流路又は前記第２流路を開閉可能に設けられているバルブとからなることを特徴とする熱交換デバイス。

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