JP6146771B2

JP6146771B2 - チューブシートレス構造の多管式熱交換器

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Publication number: JP6146771B2
Application number: JP2013164392A
Authority: JP
Inventors: 忠弘後藤
Original assignee: Usui Co Ltd
Current assignee: Usui Co Ltd
Priority date: 2013-08-07
Filing date: 2013-08-07
Publication date: 2017-06-14
Anticipated expiration: 2033-08-07
Also published as: JP2015034645A

Description

本発明は、ディーゼルエンジンあるいはガソリンエンジン等の冷却水等の液体状の冷却媒体によってエンジンの排気ガスからの熱回収や、ＥＧＲガスを冷却する多管式熱交換器に係り、特にチューブシートレス構造の多管式熱交換器に関するものである。

この種の多管式の熱交換器としては、例えば以下に記載するＥＧＲガス冷却装置（特許文献１〜４）が提案されている。

例えば特許文献１に開示されている多管式熱交換器は、図９にそのコア部（チューブアセンブリ）を示すように、積層された複数本の扁平伝熱管１１の両端をチューブシート（エンドプレート、ヘッダープレート、チューブプレート等とも称する）１２に貫通し、ろう接又は溶接により接合して組立てたコア部１３を、前記チューブシート１２を介して、シェル（ケーシング、アウターケース等と称している）（図面省略）に組付けた構造となしたものである。

このチューブシートにより扁平伝熱管群を支持する構造の多管式熱交換器とは異なり、チューブシートを使用せずに扁平伝熱管群をシェルに直接組付ける方式、即ち、チューブシートレスの多管式熱交換器が各種提案されている。
特許文献２〜４に開示されている多管式熱交換器は、そのチューブシートレス構造の扁平伝熱管を使用した多管式熱交換器を例示したもので、特許文献２に開示されている多管式熱交換器は図１０に示すように、扁平伝熱管端面を拡管し隣り合う扁平伝熱管２１の当該拡管部２１−１同士をろう接して複数本の扁平伝熱管からなる扁平伝熱管群２２の最外部に位置する扁平伝熱管２１を、端部キャップ部２３−１付きのシェル２３の内面側にろう接により接合する構造となしたものである。２４はシェル２３の端部キャップ部２３−１に内嵌固着された締結用フランジである。

特許文献３に開示されている多管式熱交換器は、図１１に示すように、チューブシートレス構造の扁平伝熱管３１を使用した熱交換器において、前記特許文献２に開示されている多管式熱交換器と同様に、扁平伝熱管端面を拡管し隣り合う扁平伝熱管３１の当該拡管部３１−１同士をろう接し、その積層された扁平伝熱管群３２の最外部に位置する扁平伝熱管３１を、端部キャップ部３３−１付きのシェル３３の内面側にろう接により接合する構造となしたものである。なお、この熱交換器のシェル３３は、シェル本体部と端部キャップ部を分割構造となしたものである。

特許文献４に開示されている多管式熱交換器は図１２に示すように、前記特許文献２、３に開示されている多管式熱交換器と同様に、管端部を拡管した扁平伝熱管４１の当該拡管部４１−１同士をろう接し、その積層された扁平伝熱管群４２の最外部に位置する扁平伝熱管４１を、シェル４３の内面側にろう接により接合するとともに、シェル４３の両端部に、環状に形成された端部キャップ４４をろう接により接合した構成となしたものである。

特開２００８−９６０４７号特開２００７−２２５１９０号特開２００８−２７５２４４号特開２０１２−１４９７９４号

しかしながら、上記した従来の特にチューブシートレス構造の多管式熱交換器には、以下に記載する問題がある。
1).複数本の扁平伝熱管が積層された扁平伝熱管同士の接合手段としては、一般的に炉中ろう接が選択されるが、この扁平伝熱管群とシェル（ケーシング等）との気密を確保する場合の接合手段として溶接手段を採用する場合、扁平伝熱管同士の接合に使用されたろうが最外周部に存在するため、シェルとの接合部となる部分は溶接時に溶接熱により一度溶融し周辺に存在するろうを巻き込み、溶接割れを惹起する。
2).積層された扁平伝熱管とシェルを同時に炉中ろう接する方法は、ろう接時の熱処理の影響によりシェルに軟化（硬度低下）が起こり、強度が低下する。特にシェルにおいては、冷却水等の冷却媒体が通流することから発生する圧力変化に耐えることが重要であり、圧力脈動に耐える強度が求められており、その強度を向上させるために、例えばリブ等の突起をシェルに成形して強度を向上させる等の対策が必要であり、製造コストが高くつく。
3).ＳＵＳ材のろう接において、Ｎｉろうを使用したろう接は、真空炉あるいは連続炉が選択され、真空炉によるろう接は、真空ポンプにより炉内の空気を吸引し極限まで真空状態に近くすることでＳＵＳ表面が還元されろう濡れを起こさせろう接する方法であり、連続炉によるろう接は、キャリアガスが接合部を還元することで表面を清浄にしろう濡れを起こさせろう接する方法であるが、本熱交換器構造において、前記真空炉によるろう接方法により、積層された扁平伝熱管とシェルを同時にろう接すると、積層された扁平伝熱管はその外周部を覆うシェルに内接する構造、即ち、シェル内面側に囲まれることとなり袋形状となるので空気抜けが不十分となり、ろう濡れ性の悪化をきたし、ろう切れなどを生じる。又、前記連続炉によるろう接方法の場合も、シェル等の還元性を悪くする遮蔽物等が存在することで、ろう濡れ性を低下させ良好なろう接が得られにくい。
4).積層された扁平伝熱管の各接合部は、気密確認する必要があるが、扁平伝熱管とシェルの同時ろう接の場合、気密した際にシェル内面部にて漏れがあった場合、確認することができない。又、ろう流れ状況（ろう引け等）の目視確認を行うことが困難となる。

本発明は上記した従来のチューブシートレス構造の多管式熱交換器の問題を解決するためになされたもので、溶接割れの防止、圧力変化や圧力脈動に耐える機械的強度の向上、ろう濡れ性の向上、及び品質の安定向上をはかることができるチューブシートレス構造の多管式熱交換器を提供しようとするものである。

本発明に係るチューブシートレス構造の多管式熱交換器は、複数積層された扁平伝熱管を備え、前記扁平伝熱管群の外周を囲むように形成されたシェルと、シェル端部に冷却水流入口及び流出口を有し、前記扁平伝熱管内を通流する排気ガスと、前記シェル内を通流する冷却媒体との間で熱交換を行うように構成された多管式熱交換器であって、各扁平伝熱管の両端部を断面における周方向に拡管した形状となし、隣り合う扁平伝熱管における同拡管形状部をろう接により接合したチューブシートレス構造の多管式熱交換器において、前記扁平伝熱管群の両端部の拡管形状部に、当該拡管形状部の最外周部を囲繞するごとく外嵌ろう接した環状枠体又は筒形枠体からなるスペーサ部材を介して当該扁平伝熱管群をシェルに溶接した構造となしたことを特徴とするものである。
ここで、前記スペーサ部材としては、複数個の金属製板状部材を組合わせて形成した環状枠体又は筒形枠体、あるいは一体形の環状枠体又は筒形枠体を用いることができる。

本発明のチューブシートレス構造の多管式熱交換器は、積層した扁平伝熱管の両端部の拡管形状部に予め環状枠体又は筒形枠体からなるスペーサ部材をろう接した後、該スペーサ部材の外面側に配置したシェルとスペーサ部材を溶接することにより、スペーサ部材の存在によりシェルとスペーサ部材の溶接部とスペーサ部材ろう接部とを隔てることとなり、溶接熱によるろうの巻き込みによる溶接割れを防止できるので、シール性を向上できる。又、積層した扁平伝熱管にスペーサ部材をろう接後、シェルとスペーサ部材を溶接することにより、シェルはろう接の熱処理影響を受けないことになるのでシェルの強度が低下することはなく、冷却水等の冷却媒体が通流することから発生する圧力変化、圧力脈動に耐える強度が得られる。さらに、シェルとスペーサ部材の溶接はスペーサ部材のろう接実施後になるので、積層された扁平伝熱管接合部は遮蔽物による影響を受けることがなく接合部のろう付け環境が向上し、ろう濡れ性も向上する。又、積層した扁平伝熱管にはスペーサ部材が接合されているので、積層扁平伝熱管における各接合部の気密確認を容易に行うことが可能となる。
上記のように、本発明の多管式熱交換器によれば、スペーサ部材を用いて扁平伝熱管群をシェルに溶接した構造となしたことにより溶接割れの防止、圧力変化や圧力脈動に耐える機械的強度の向上、ろう濡れ性の向上、及び品質の安定向上をはかることができるので、ディーゼルエンジンあるいはガソリンエンジン等の冷却水等の液体状の冷却媒体によってエンジンの排気ガスからの熱回収や、ＥＧＲガス等の排気ガスの冷却に大きく寄与する。

本発明の第１実施例に係るチューブシートレス構造の多管式熱交換器の要部を示す縦断側面図である。図１に示すチューブシートレス構造の多管式熱交換器のスペーサ部材を示す斜視図である。本発明の第２実施例に係るチューブシートレス構造の多管式熱交換器の要部を示す縦断側面図である。図３に示すチューブシートレス構造の多管式熱交換器のスペーサ部材を示す斜視図である。本発明の第３実施例に係るチューブシートレス構造の多管式熱交換器の要部を示す縦断側面図である。図５に示すチューブシートレス構造の多管式熱交換器のスペーサ部材を示す斜視図である。本発明の第４実施例に係るチューブシートレス構造の多管式熱交換器の要部を示す縦断側面図である。本発明の第５実施例に係るチューブシートレス構造の多管式熱交換器の要部を示す縦断側面図である。従来の多管式熱交換器の一例を示す概略側面図である。従来のチューブシートレス構造の多管式熱交換器の端部を示す縦断側面図である。従来の他のチューブシートレス構造の多管式熱交換器の端部を示す縦断側面図である。従来の別のチューブシートレス構造の多管式熱交換器の端部を示す縦断側面図である。

図１、図２に示す本発明の第１実施例に係るチューブシートレス構造の多管式熱交換器は、管両端部に周方向に拡管した拡管部２−１を有する扁平伝熱管２を積層しその隣り合う扁平伝熱管２の当該拡管部２−１同士をろう接して複数本の扁平伝熱管からなる扁平伝熱管群１の前記拡管部２−１に、環状枠体からなるスペーサ部材４が当該拡管部の最外周部を囲繞するごとく外嵌され、かつスペーサ部材４と扁平伝熱管２はろう接され、このスペーサ部材４がシェル３に溶接された構造となしたものである。ここで、環状枠体からなるスペーサ部材４は、所望厚さの矩形断面の金属製板状部材からなる矩形の環状枠体からなり、その構造は枠体の上下左右辺をそれぞれ扁平伝熱管２の拡管部２−１の管軸方向長さとほぼ同一幅の板状部材４−１で構成したものである。

上記チューブシートレス構造の多管式熱交換器の製造に際しては、積層した各扁平伝熱管２の拡管部２−１の最外周部に前記環状枠体からなるスペーサ部材４を外嵌した後、積層扁平伝熱管２とスペーサ部材４を同時に炉中ろう接を行う。４−２、４−３は積層扁平伝熱管２とスペーサ部材４のろう接部である。次いで、気密確認と外観目視を行った後、スペーサ部材４の外面側とシェル３の溶接を行う。この時、シェル３とスペーサ部材４の溶接部４−４と、スペーサ部材４と扁平伝熱管２のろう接部４−２、４−３とが離れているので、シェル３とスペーサ部材４の溶接熱がスペーサ部材４と扁平伝熱管２のろう接部４−２、４−３に影響をおよぼすことがほとんどなく、溶接熱によるろうの巻き込みによる溶接割れを防止できる。これによりシェル３とスペーサ部材４の溶接部４−４のシール性を向上できる。又、シェル３はろう接の熱処理影響を受けないことになるので強度が低下することはない。

次に、図３、図４に示す本発明の第２実施例に係るチューブシートレス構造の多管式熱交換器は、前記図１、図２に示すチューブシートレス構造の多管式熱交換器のスペーサ部材４に替えて、筒形枠体からなるスペーサ部材５を採用したもので、そのスペーサ部材５の構造は枠体の上下両辺をそれぞれ扁平伝熱管２の拡管部２−１の管軸方向長さより長い広幅の板状部材５−１で構成したものであり、この筒形枠体からなるスペーサ部材５が前記図１、図２に示す多管式熱交換器と同様の構成を有する積層扁平伝熱管の拡管部２−１の最外周部を囲繞するごとく外嵌され、かつスペーサ部材５と扁平伝熱管２はろう接され、スペーサ部材５とシェル３が溶接された構造となしたものである。図中、９は締結用フランジ部材であり、スペーサ部材５に溶接される。

上記図３、図４に示すチューブシートレス構造の多管式熱交換器の場合もその製造に際しては、前記図１、図２に示すチューブシートレス構造の多管式熱交換器の場合と同様に、積層した各扁平伝熱管２の拡管部２−１の最外周部に前記筒形枠体からなるスペーサ部材５を外嵌した後、積層扁平伝熱管２とスペーサ部材５を同時に炉中ろう接を行う。５−２、５−３は積層扁平伝熱管２とスペーサ部材５のろう接部である。次いで、気密確認と外観目視を行った後、スペーサ部材５の外面側とシェル３の溶接を行う。この時、シェル３とスペーサ部材５の溶接部５−４と、スペーサ部材５と扁平伝熱管２のろう接部５−２、５−３とが離れているので、シェル３とスペーサ部材５の溶接熱がスペーサ部材５と扁平伝熱管２のろう接部５−２、５−３に影響をおよぼすことがほとんどなく、溶接熱によるろうの巻き込みによる溶接割れを防止できる。これによりシェル３とスペーサ部材５の溶接部５−４のシール性を向上できる。又、シェル３はろう接の熱処理影響を受けないことになるので強度が低下することはない。

図５、図６に示す本発明の第３実施例に係るチューブシートレス構造の多管式熱交換器は、前記図１、図２と、図３、図４に示すチューブシートレス構造の多管式熱交換器のスペーサ部材４，５に替えて、締結用フランジ部６−１が一体形の筒形枠体からなるスペーサ部材６を採用したもので、そのスペーサ部材６の構造は外側端部に締結用フランジ部６−１が一体に設けられた筒形枠体で構成され、その筒形枠体からなるスペーサ部材６が前記図１〜図４に示す多管式熱交換器と同様の構成を有する積層扁平伝熱管の拡管部２−１の最外周部を囲繞するごとく外嵌され、かつスペーサ部材６と扁平伝熱管２はろう接され、スペーサ部材６とシェル３が溶接された構造となしたものである。

上記図５、図６に示すチューブシートレス構造の多管式熱交換器の場合もその製造に際しては、前記図１〜図４に示すチューブシートレス構造の多管式熱交換器の場合と同様に、積層した各扁平伝熱管２の拡管部２−１の最外周部に前記筒形枠体からなる締結用フランジ部６−１付きスペーサ部材６を外嵌した後、積層扁平伝熱管２とスペーサ部材６を同時に炉中ろう接を行う。６−２、６−３は積層扁平伝熱管２とスペーサ部材６のろう接部である。次いで、気密確認と外観目視を行った後、スペーサ部材６の外面側とシェル３の溶接を行う。
本実施例においても、スペーサ部材６とシェル３の溶接時、シェル３とスペーサ部材６の溶接部６−４と、スペーサ部材６と扁平伝熱管２のろう接部６−２、６−３とが離れているので、シェル３とスペーサ部材６の溶接熱がスペーサ部材６と扁平伝熱管２のろう接部６−２、６−３に影響をおよぼすことがほとんどなく、溶接熱によるろうの巻き込みによる溶接割れを防止できる。これによりシェル３とスペーサ部材６の溶接部６−４のシール性を向上できる。又、シェル３はろう接の熱処理影響を受けないことになるので強度が低下することはない。

図７に示す本発明の第４実施例に係るチューブシートレス構造の多管式熱交換器は、前記図１〜図６に示すチューブシートレス構造の多管式熱交換器のスペーサ部材４、５、６に替えて、ボンネット部７−１が一体形の筒形枠体からなるスペーサ部材７を採用したもので、そのスペーサ部材７の構造は外側端部にボンネット部７−１が一体に設けられた筒形枠体で構成され、その筒形枠体からなるボンネット部付きスペーサ部材７が前記図１〜図６に示す多管式熱交換器と同様の構成を有する積層扁平伝熱管の拡管部２−１の最外周部を囲繞するごとく外嵌され、かつスペーサ部材７と扁平伝熱管２はろう接され、スペーサ部材７とシェル３が溶接された構造となしたものである。

上記図７に示すチューブシートレス構造の多管式熱交換器の場合もその製造に際しては、前記図１〜図６に示すチューブシートレス構造の多管式熱交換器の場合と同様に、積層した各扁平伝熱管２の拡管部２−１の最外周部に前記筒形枠体からなるボンネット部７−１付きスペーサ部材７を外嵌した後、積層扁平伝熱管２とスペーサ部材７を同時に炉中ろう接を行う。７−２、７−３は積層扁平伝熱管２とスペーサ部材７のろう接部である。次いで、気密確認と外観目視を行った後、スペーサ部材７の外面側とシェル３の溶接を行う。
本実施例においても、スペーサ部材７とシェル３の溶接時、シェル３とスペーサ部材７の溶接部７−４と、スペーサ部材７と扁平伝熱管２のろう接部７−２、７−３とが離れているので、シェル３とスペーサ部材７の溶接熱がスペーサ部材７と扁平伝熱管２のろう接部７−２、７−３に影響をおよぼすことがほとんどなく、溶接熱によるろうの巻き込みによる溶接割れを防止できる。これによりシェル３とスペーサ部材７の溶接部７−４のシール性を向上できる。又、シェル３はろう接の熱処理影響を受けないことになるので強度が低下することはない。

図８に示す本発明の第５実施例に係るチューブシートレス構造の多管式熱交換器は、前記図１〜図４に示すチューブシートレス構造の多管式熱交換器のスペーサ部材４、５と略同様の構造を有する環状枠体からなるスペーサ部材８にボンネット部材１０を取付けた構造のものを採用したもので、そのスペーサ部材８の構造は枠体の上下両辺をそれぞれ扁平伝熱管２の拡管部２−１の管軸方向長さとほぼ同一幅の板状部材８−１で構成したものであり、この環状枠体からなるスペーサ部材８が前記図１〜図４に示す多管式熱交換器と同様の構成を有する積層扁平伝熱管の拡管部２−１の最外周部を囲繞するごとく外嵌され、かつスペーサ部材８と扁平伝熱管２はろう接され、スペーサ部材８とシェル３が溶接され、さらにスペーサ部材８にボンネット部材１０が溶接された構造となしたものである。

上記図８に示すチューブシートレス構造の多管式熱交換器の場合もその製造に際しては、前記図１〜図６に示すチューブシートレス構造の多管式熱交換器の場合と同様に、積層した各扁平伝熱管２の拡管部２−１の最外周部に前記環状枠体からなるスペーサ部材８を外嵌した後、積層扁平伝熱管２とスペーサ部材８を同時に炉中ろう接を行う。８−２、８−３は積層扁平伝熱管２とスペーサ部材８のろう接部である。次いで、気密確認と外観目視を行った後、スペーサ部材８の外面側とシェル３の溶接を行う。しかる後、スペーサ部材８にボンネット部材１０を溶接する。
本実施例においても、スペーサ部材８とシェル３の溶接時、シェル３とスペーサ部材８の溶接部８−４と、スペーサ部材８と扁平伝熱管２のろう接部８−２、８−３とが離れているので、シェル３とスペーサ部材８の溶接熱がスペーサ部材８と扁平伝熱管２のろう接部８−２、８−３に影響をおよぼすことがほとんどなく、溶接熱によるろうの巻き込みによる溶接割れを防止できる。これによりシェル３とスペーサ部材８の溶接部８−４のシール性を向上できる。又、シェル３はろう接の熱処理影響を受けないことになるので強度が低下することはない。

なお、上記本発明の第１〜第５実施例において、シェル３とスペーサ部材４〜８の溶接は、ＴＩＧ、ＭＩＧ、プラズマ、レーザー溶接等、適宜選択して用いることはいうまでもない。又、シェル３とスペーサ部材４〜８、締結用フランジ部９、ボンネット部材１０の溶接位置については、スペーサ部材４〜８あるいは締結用フランジ部材９、ボンネット部材１０の長手方向位置を適宜に選択して決めることとする。

１扁平伝熱管群
２（積層）扁平伝熱管
２−１拡管部
３シェル
４、５、６、７、８スペーサ部材
４−２、４−３、５−２、５−３、６−２、６−３、７−２、７−３、８−２、８−３ろう接部
４−４、５−４、６−４、７−４、８−４溶接部
４−１、５−１、８−１板状部材
６−１締結用フランジ部
７−１ボンネット部
９締結用フランジ部材
１０ボンネット部材

Claims

複数積層された扁平伝熱管を備え、前記扁平伝熱管群の外周を囲むように形成されたシェルと、シェル端部に冷却水流入口及び流出口を有し、前記扁平伝熱管内を通流する排気ガスと、前記シェル内を通流する冷却媒体との間で熱交換を行うように構成された多管式熱交換器であって、各扁平伝熱管の両端部を断面における周方向に拡管した形状となし、隣り合う扁平伝熱管における同拡管形状部をろう接により接合したチューブシートレス構造の多管式熱交換器において、前記扁平伝熱管群の両端部の拡管形状部に、当該拡管形状部の最外周部を囲繞するごとく外嵌ろう接した環状枠体又は筒形枠体からなるスペーサ部材を介して当該扁平伝熱管群をシェルに溶接した構造となしたことを特徴とするチューブシートレス構造の多管式熱交換器。