JP7244440B2 - ヘッダープレートレス型熱交換器 - Google Patents
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Description
本発明は、主として排気ガスを冷却水で冷却するＥＧＲクーラや、排気ガスの熱を冷却水に回収する排熱回収器に最適な熱交換器であって、ヘッダープレートレス型のコアを有するものに関する。
このヘッダープレートレス型のコアは、偏平チューブの開口端を厚み方向に膨出したものを使用し、その膨出部において積層することにより、ヘッダープレートを不要としたものである。
このヘッダープレートレス型のコアは、偏平チューブの開口端を厚み方向に膨出したものを使用し、その膨出部において積層することにより、ヘッダープレートを不要としたものである。
下記特許文献１にヘッダープレートレス型熱交換器が提案されている。
この熱交換器コア１５ａは、図５、図６、図７に示す如く、そのコアを形成する偏平チューブ１６ａが、一対の溝型に形成されたプレートを互いにその溝底を対向して嵌着したものからなり、その両端開放側の縁に膨出部１６ｂが形成され、その膨出部１６ｂにおいて積層し、各プレート間を一体にろう付固定したものである。そして、図６に示されているように、各プレートの交角θは鋭角に形成されている。
この熱交換器コア１５ａは、図５、図６、図７に示す如く、そのコアを形成する偏平チューブ１６ａが、一対の溝型に形成されたプレートを互いにその溝底を対向して嵌着したものからなり、その両端開放側の縁に膨出部１６ｂが形成され、その膨出部１６ｂにおいて積層し、各プレート間を一体にろう付固定したものである。そして、図６に示されているように、各プレートの交角θは鋭角に形成されている。
従来のヘッダープレートレス型熱交換器は、排気ガスの入口部において、各偏平チューブが高温となり、繰り返し生じるヒートサイクルにより熱交換器が劣化するおそれがある。
これは、ヘッダープレートレス型熱交換器は構造が簡単になる利点を有するも、欠点として、ヘッダープレートのある熱交換器に比べて、各偏平チューブの先端部の冷却性が悪くその部分が高温となるからである。
そこで、本発明はヘッダープレートレスの利点を有しつつ、可能な限り偏平チューブの先端部の温度を低下できる熱交換器を提供することを課題とする。
これは、ヘッダープレートレス型熱交換器は構造が簡単になる利点を有するも、欠点として、ヘッダープレートのある熱交換器に比べて、各偏平チューブの先端部の冷却性が悪くその部分が高温となるからである。
そこで、本発明はヘッダープレートレスの利点を有しつつ、可能な限り偏平チューブの先端部の温度を低下できる熱交換器を提供することを課題とする。
請求項１に記載の本発明は、それぞれ両側に一対の側壁１が立上げられて全体が溝状に形成され且つ、その側壁１に直交した溝底３の両開放側の縁に厚み方向外側に細幅の膨出部４が形成されている一対のプレート５，６を有し、それらのプレート５，６が互いに逆向きに対向して嵌着されている偏平チューブ７と、
複数の偏平チューブ７が、膨出部４で互いに積層され、各プレート５，６が互いにろう付接合されている熱交換器コア１５と、を有し、
各偏平チューブ７の前記膨出部４の先端から第一流体１０が内部に流入し、その外側に第二流体１１が流通する熱交換器であって、
膨出部４の近傍に、前記膨出部４に平行で且つ略同一長さに、各プレート５、６の外面側からみたときに凹陥している幅の狭い凹溝部４ｃが形成されており、その内面側にはそれと逆の凸条部が形成されたヘッダープレートレス型熱交換器である。
請求項２に記載の本発明は、前記各プレート５，６の前記膨出部４の幅が、前記膨出部４の長手方向の両端部で広い幅広部４ｂとなり、それ以外の中間部で狭い幅狭部４ａに形成され且つ、前記両端部では前記側壁１に近づく程広くなる平面三角の、または平面が湾曲した、前記ろう付接合部を有することを特徴とする請求項１に記載のヘッダープレートレス型熱交換器である。
複数の偏平チューブ７が、膨出部４で互いに積層され、各プレート５，６が互いにろう付接合されている熱交換器コア１５と、を有し、
各偏平チューブ７の前記膨出部４の先端から第一流体１０が内部に流入し、その外側に第二流体１１が流通する熱交換器であって、
膨出部４の近傍に、前記膨出部４に平行で且つ略同一長さに、各プレート５、６の外面側からみたときに凹陥している幅の狭い凹溝部４ｃが形成されており、その内面側にはそれと逆の凸条部が形成されたヘッダープレートレス型熱交換器である。
請求項２に記載の本発明は、前記各プレート５，６の前記膨出部４の幅が、前記膨出部４の長手方向の両端部で広い幅広部４ｂとなり、それ以外の中間部で狭い幅狭部４ａに形成され且つ、前記両端部では前記側壁１に近づく程広くなる平面三角の、または平面が湾曲した、前記ろう付接合部を有することを特徴とする請求項１に記載のヘッダープレートレス型熱交換器である。
請求項１に記載の本発明は、各プレート５，６の外面側からみたときに凹陥している幅の狭い凹溝部４ｃが、膨出部４に平行で且つ略同一の長さに形成されたものである。そのため、膨出部４近傍、すなわち凹溝部４ｃを流れる冷却水の流量が増加する。
また、図６に示されている従来型の偏平チューブ１６ａにおける積層部の外面側の交角θが鋭角に形成されているのに対し、本発明の偏平チューブ７の場合、凹溝部４ｃの形成に伴って拡開されることによっても膨出部４近傍の冷却水の流量が増加する。これらの結果、偏平チューブ７の先端部の冷却が促進され、当該先端部の温度上昇が抑制されるので、ヒートサイクルによる熱交換器の劣化が防止される。
さらに、凹溝部４ｃが膨出部４の長手方向の曲りに対する補強リブとして機能するので、膨出部４の幅を狭くすることが可能となり、その結果、冷却水から偏平チューブ７の先端までの距離が短くなる。これによっても、当該先端部の冷却が促進され、当該先端部の温度上昇が抑制されるので、ヒートサイクルによる熱交換器の劣化が防止される。
また、凹溝部４ｃが偏平チューブ７の軸方向の伸縮に対する弾性変形要素として機能し、同方向の熱膨張差が吸収されるので、それによっても、ヒートサイクルによる熱交換器の劣化が防止される。
請求項２に記載の本発明は、前記膨出部４の長手方向の両端部で広い幅広部４ｂが形成され、それ以外の中間部で狭い幅狭部４ａが形成されているため、排気ガスによる温度上昇の大きい部位（膨出部４の長手方向の中間部）の冷却効果が高まる。
さらに、前記膨出部４の幅広部４ｂを側壁１，２に近づく程広くなる平面三角または湾曲した形に形成したものである。それにより、側壁近傍の熱応力の集中が緩和されるので、よりいっそう、ヒートサイクルによる熱交換器の劣化が防止される。
また、図６に示されている従来型の偏平チューブ１６ａにおける積層部の外面側の交角θが鋭角に形成されているのに対し、本発明の偏平チューブ７の場合、凹溝部４ｃの形成に伴って拡開されることによっても膨出部４近傍の冷却水の流量が増加する。これらの結果、偏平チューブ７の先端部の冷却が促進され、当該先端部の温度上昇が抑制されるので、ヒートサイクルによる熱交換器の劣化が防止される。
さらに、凹溝部４ｃが膨出部４の長手方向の曲りに対する補強リブとして機能するので、膨出部４の幅を狭くすることが可能となり、その結果、冷却水から偏平チューブ７の先端までの距離が短くなる。これによっても、当該先端部の冷却が促進され、当該先端部の温度上昇が抑制されるので、ヒートサイクルによる熱交換器の劣化が防止される。
また、凹溝部４ｃが偏平チューブ７の軸方向の伸縮に対する弾性変形要素として機能し、同方向の熱膨張差が吸収されるので、それによっても、ヒートサイクルによる熱交換器の劣化が防止される。
請求項２に記載の本発明は、前記膨出部４の長手方向の両端部で広い幅広部４ｂが形成され、それ以外の中間部で狭い幅狭部４ａが形成されているため、排気ガスによる温度上昇の大きい部位（膨出部４の長手方向の中間部）の冷却効果が高まる。
さらに、前記膨出部４の幅広部４ｂを側壁１，２に近づく程広くなる平面三角または湾曲した形に形成したものである。それにより、側壁近傍の熱応力の集中が緩和されるので、よりいっそう、ヒートサイクルによる熱交換器の劣化が防止される。
図１は本発明の熱交換器コアの要部平面図。
図２は図１のＩＩ－ＩＩ矢視断面図。
図３は同熱交換器コアに用いられる偏平チューブ７の要部斜視図（Ａ）及び同偏平チューブ７の積層体からなる熱交換器コア１５の要部縦断面斜視図（Ｂ）。
図４は同熱交換器コア１５を有する熱交換器の分解斜視図。
図５は従来型偏平チューブ１６ａの要部平面図。
図６は同偏平チューブ１６ａの積層体からなるコアの要部縦断面図であって、図５のＶＩ－ＶＩ矢視断面図。
図７は同偏平チューブ１６ａの要部斜視図及びその偏平チューブ１６ａの積層体からなる熱交換器コア１５ａの要部縦断面斜視図。
図２は図１のＩＩ－ＩＩ矢視断面図。
図３は同熱交換器コアに用いられる偏平チューブ７の要部斜視図（Ａ）及び同偏平チューブ７の積層体からなる熱交換器コア１５の要部縦断面斜視図（Ｂ）。
図４は同熱交換器コア１５を有する熱交換器の分解斜視図。
図５は従来型偏平チューブ１６ａの要部平面図。
図６は同偏平チューブ１６ａの積層体からなるコアの要部縦断面図であって、図５のＶＩ－ＶＩ矢視断面図。
図７は同偏平チューブ１６ａの要部斜視図及びその偏平チューブ１６ａの積層体からなる熱交換器コア１５ａの要部縦断面斜視図。
次に、図面に基づいて本発明の実施の形態につき説明する。
本発明の熱交換器は、主としてＥＧＲクーラとして最適なものである。この実施形態の説明において、排気ガスは第一流体１０であり、冷却水は第二流体１１に相当する。
この熱交換器は、図４に示す如く、多数の偏平チューブ７を積層して熱交換器コア１５を形成し、その熱交換器コア１５の外周をケーシング１２で被嵌する。そして、各偏平チューブ７の内面側に排気ガス（第一流体）１０を流通させ、その外面側に冷却水（第二流体）１１を流通させるものである。
熱交換器コア１５を形成する各偏平チューブ７は、図１～図３に示す如く、両端に一対の側壁１が立ち上げられ、全体が溝状に形成された一対のプレート５，プレート６を互いに逆向きに対向して嵌着したものからなる。
各プレート５，プレート６の両開放側（偏平チューブ７の開口端が形成される側）の縁には、厚み方向外方に幅の狭い膨出部４が形成されている。
また、各偏平チューブ７の内部にはインナーフィン９が挿入されている。
互いに接合される各部品の少なくとも一方側にはろう材が被覆又は塗布されていることが好ましい。
なお、ケーシング１２は箱状のケーシング本体１２ａと蓋１２ｂとにより形成される。そして、ケーシング１２の長手方向の両端に一対の排気ガス（第一流体）１０用のパイプ１３を配置し、熱交換器コア１５の水路１７に冷却水が流通するように冷却水（第二流体）１１用のパイプ１４をケーシング１２に配置する。そして、高温の炉内で各部品間を一体的にろう付して熱交換器を形成する。
（発明の特徴）
ここにおいて本発明の特徴とするところは、図１，図２に示す膨出部４の形状である。
この膨出部４は、プレート５，プレート６の開放側において厚み方向に膨出させたものである。
この例では、膨出部４はその幅が図１において、両端部で広くそれ以外で狭く形成されている。即ち、中間部では幅狭部４ａが幅Ｌ１、両端部ではその幅広部４ｂが幅Ｌ２となる。ここに、Ｌ２＞Ｌ１である。その幅広部４ｂにおける幅は、側壁１の両側に近づく程広くなる平面三角または平面が湾曲した形状になる。
さらに、この幅狭部４ａの範囲において、幅狭部４ａに並列し凹溝部４ｃが形成されている。この凹溝部４ｃは、図２に示す如く、各プレート５，プレート６の外面側に形成されており、狭い幅で凹陥している。そして、凹溝部４ｃは、幅狭部４ａに平行で且つ、それとほぼ同一長さに形成されている。
なお、この例では図１，図２に示す如く、凹溝部４ｃの長さは幅狭部４ａの長さと略同一に形成されているが、これに変えて、凹溝部４ｃを膨出部４に沿って形成し、凹溝部４ｃの長さを膨出部４の全長と同一の長さとしてもよい。
各プレート５，プレート６の内面側から見ると、凹陥部４ｃは細長い凸条に形成されている。この凹溝部４ｃは、インナーフィンの位置決めとして用いることもできる。
そして、各偏平チューブ７は膨出部４において積層され、偏平チューブ７の内面側に排気ガス（第一流体）１０が流入するガス路１６が形成される。そのガス路１６にはインナーフィン９が内装されている。
また、偏平チューブ７の外面側には水路１７が形成され、そこに冷却水（第二流体）１１が供給される。その水路１７側において、凹溝部４ｃは冷却水（第二流体）１１の案内路となる。即ち、凹溝部４ｃを介して幅狭部４ａに冷却水（第二流体）１１をより円滑に導くことができ、偏平チューブの先端部を効果的に冷却するものである。
（作用）
このような熱交換器において、各偏平チューブ７の入口側の開口端から排気ガス（第一流体）１０がその内部に流入する。そして偏平チューブ７の外面側には、一方のパイプ１４から流入した冷却水（第二流体）１１が各偏平チューブ７に供給される。
偏平チューブ７を構成する各プレート５，６の外面側には、凹陥した幅の狭い凹溝部４ｃが幅狭部４ａに平行で且つ略同一の長さに形成されているため、偏平チューブ７の外面側の幅狭部４ａ近傍、すなわち凹溝部４ｃを流れる冷却水（第二流体）１１の流量が増加する。
また、凹溝部４ｃの形成に伴って偏平チューブ７における積層部の外面側の交角が拡開されているので、幅狭部４ａ近傍の冷却水（第二流体）１１の流量が増加する。これらの結果、偏平チューブ７の先端部の冷却が促進され、当該先端部の温度上昇が抑制されるので、ヒートサイクルによる熱交換器の劣化が防止される。
さらに、凹溝部４ｃが幅狭部４ａの長手方向の曲りに対する補強リブとして機能するので、幅狭部４ａの幅を狭くすることが可能となり、その結果、冷却水から偏平チューブ７の先端までの距離が短くなる。これによっても、当該先端部の冷却が促進され、当該先端部の温度上昇が抑制されるので、ヒートサイクルによる熱交換器の劣化が防止される。
また、凹溝部４ｃが偏平チューブ７の軸方向の伸縮に対する弾性変形要素として機能し、同方向の熱膨張差が吸収されるので、それによっても、ヒートサイクルによる熱交換器の劣化が防止される。
本発明の効果を確認するために一例について数値解析を実施したところ、図５、図６、図７に示す従来型の熱交換器コアの偏平チューブの先端部温度の最大値が３５８℃であったのに対し、本発明の熱交換器コアの偏平チューブの先端部温度の最大値は２６５℃であり、大幅な温度低下効果が確認された。
本発明の熱交換器は、主としてＥＧＲクーラとして最適なものである。この実施形態の説明において、排気ガスは第一流体１０であり、冷却水は第二流体１１に相当する。
この熱交換器は、図４に示す如く、多数の偏平チューブ７を積層して熱交換器コア１５を形成し、その熱交換器コア１５の外周をケーシング１２で被嵌する。そして、各偏平チューブ７の内面側に排気ガス（第一流体）１０を流通させ、その外面側に冷却水（第二流体）１１を流通させるものである。
熱交換器コア１５を形成する各偏平チューブ７は、図１～図３に示す如く、両端に一対の側壁１が立ち上げられ、全体が溝状に形成された一対のプレート５，プレート６を互いに逆向きに対向して嵌着したものからなる。
各プレート５，プレート６の両開放側（偏平チューブ７の開口端が形成される側）の縁には、厚み方向外方に幅の狭い膨出部４が形成されている。
また、各偏平チューブ７の内部にはインナーフィン９が挿入されている。
互いに接合される各部品の少なくとも一方側にはろう材が被覆又は塗布されていることが好ましい。
なお、ケーシング１２は箱状のケーシング本体１２ａと蓋１２ｂとにより形成される。そして、ケーシング１２の長手方向の両端に一対の排気ガス（第一流体）１０用のパイプ１３を配置し、熱交換器コア１５の水路１７に冷却水が流通するように冷却水（第二流体）１１用のパイプ１４をケーシング１２に配置する。そして、高温の炉内で各部品間を一体的にろう付して熱交換器を形成する。
（発明の特徴）
ここにおいて本発明の特徴とするところは、図１，図２に示す膨出部４の形状である。
この膨出部４は、プレート５，プレート６の開放側において厚み方向に膨出させたものである。
この例では、膨出部４はその幅が図１において、両端部で広くそれ以外で狭く形成されている。即ち、中間部では幅狭部４ａが幅Ｌ１、両端部ではその幅広部４ｂが幅Ｌ２となる。ここに、Ｌ２＞Ｌ１である。その幅広部４ｂにおける幅は、側壁１の両側に近づく程広くなる平面三角または平面が湾曲した形状になる。
さらに、この幅狭部４ａの範囲において、幅狭部４ａに並列し凹溝部４ｃが形成されている。この凹溝部４ｃは、図２に示す如く、各プレート５，プレート６の外面側に形成されており、狭い幅で凹陥している。そして、凹溝部４ｃは、幅狭部４ａに平行で且つ、それとほぼ同一長さに形成されている。
なお、この例では図１，図２に示す如く、凹溝部４ｃの長さは幅狭部４ａの長さと略同一に形成されているが、これに変えて、凹溝部４ｃを膨出部４に沿って形成し、凹溝部４ｃの長さを膨出部４の全長と同一の長さとしてもよい。
各プレート５，プレート６の内面側から見ると、凹陥部４ｃは細長い凸条に形成されている。この凹溝部４ｃは、インナーフィンの位置決めとして用いることもできる。
そして、各偏平チューブ７は膨出部４において積層され、偏平チューブ７の内面側に排気ガス（第一流体）１０が流入するガス路１６が形成される。そのガス路１６にはインナーフィン９が内装されている。
また、偏平チューブ７の外面側には水路１７が形成され、そこに冷却水（第二流体）１１が供給される。その水路１７側において、凹溝部４ｃは冷却水（第二流体）１１の案内路となる。即ち、凹溝部４ｃを介して幅狭部４ａに冷却水（第二流体）１１をより円滑に導くことができ、偏平チューブの先端部を効果的に冷却するものである。
（作用）
このような熱交換器において、各偏平チューブ７の入口側の開口端から排気ガス（第一流体）１０がその内部に流入する。そして偏平チューブ７の外面側には、一方のパイプ１４から流入した冷却水（第二流体）１１が各偏平チューブ７に供給される。
偏平チューブ７を構成する各プレート５，６の外面側には、凹陥した幅の狭い凹溝部４ｃが幅狭部４ａに平行で且つ略同一の長さに形成されているため、偏平チューブ７の外面側の幅狭部４ａ近傍、すなわち凹溝部４ｃを流れる冷却水（第二流体）１１の流量が増加する。
また、凹溝部４ｃの形成に伴って偏平チューブ７における積層部の外面側の交角が拡開されているので、幅狭部４ａ近傍の冷却水（第二流体）１１の流量が増加する。これらの結果、偏平チューブ７の先端部の冷却が促進され、当該先端部の温度上昇が抑制されるので、ヒートサイクルによる熱交換器の劣化が防止される。
さらに、凹溝部４ｃが幅狭部４ａの長手方向の曲りに対する補強リブとして機能するので、幅狭部４ａの幅を狭くすることが可能となり、その結果、冷却水から偏平チューブ７の先端までの距離が短くなる。これによっても、当該先端部の冷却が促進され、当該先端部の温度上昇が抑制されるので、ヒートサイクルによる熱交換器の劣化が防止される。
また、凹溝部４ｃが偏平チューブ７の軸方向の伸縮に対する弾性変形要素として機能し、同方向の熱膨張差が吸収されるので、それによっても、ヒートサイクルによる熱交換器の劣化が防止される。
本発明の効果を確認するために一例について数値解析を実施したところ、図５、図６、図７に示す従来型の熱交換器コアの偏平チューブの先端部温度の最大値が３５８℃であったのに対し、本発明の熱交換器コアの偏平チューブの先端部温度の最大値は２６５℃であり、大幅な温度低下効果が確認された。
本発明は、ＥＧＲクーラとして最適であると共に、排熱回収器等の他の熱交換器にも適用できる。
１ 側壁
３ 溝底
４ 膨出部
４ａ 幅狭部
４ｂ 幅広部
４ｃ 凹溝部
５ プレート
６ プレート
７ 偏平チューブ
８ ディンプル
９ インナーフィン
１０ 第一流体（排気ガス）
１１ 第二流体（冷却水）
１２ ケーシング
１２ａ ケーシング本体
１２ｂ 蓋
１３ パイプ
１４ パイプ
１５ 熱交換器コア
１５ａ 熱交換器コア
１６ ガス路
１６ａ 偏平チューブ
１６ｂ 膨出部
１７ 水路
３ 溝底
４ 膨出部
４ａ 幅狭部
４ｂ 幅広部
４ｃ 凹溝部
５ プレート
６ プレート
７ 偏平チューブ
８ ディンプル
９ インナーフィン
１０ 第一流体（排気ガス）
１１ 第二流体（冷却水）
１２ ケーシング
１２ａ ケーシング本体
１２ｂ 蓋
１３ パイプ
１４ パイプ
１５ 熱交換器コア
１５ａ 熱交換器コア
１６ ガス路
１６ａ 偏平チューブ
１６ｂ 膨出部
１７ 水路
Claims (2)
- それぞれ両側に一対の側壁（１）が立上げられて全体が溝状に形成され且つ、その側壁（１）に直交した溝底（３）の両開放側の縁に厚み方向外側に細幅の膨出部（４）が形成されている一対のプレート（５）（６）を有し、それらのプレート（５）（６）が互いに逆向きに対向して嵌着されている偏平チューブ（７）と、
複数の偏平チューブ（７）が、膨出部（４）で互いに積層され、各プレート（５）（６）が互いにろう付接合されている熱交換器コア（１５）と、を有し、
各偏平チューブ（７）の前記膨出部（４）の先端から第一流体（１０）が内部に流入し、その外側に第二流体（１１）が流通する熱交換器であって、
膨出部（４）の近傍に、前記膨出部（４）に平行で且つ略同一長さに、各プレート（５）（６）の外面側からみたときに凹陥している幅の狭い凹溝部（４ｃ）が形成されており、その内面側にはそれと逆の凸条部が形成されたヘッダープレートレス型熱交換器。 - 前記各プレート（５）（６）の前記膨出部（４）の幅が、前記膨出部（４）の長手方向の両端部で広い幅広部（４ｂ）となり、それ以外の中間部で狭い幅狭部（４ａ）に形成され且つ、前記両端部では前記側壁（１）に近づく程広くなる平面三角の、または平面が湾曲した、前記ろう付接合部を有することを特徴とする請求項１に記載のヘッダープレートレス型熱交換器。
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