JPWO2019189924A1

JPWO2019189924A1 - ヘッダプレートレス型熱交換器

Info

Publication number: JPWO2019189924A1
Application number: JP2020509386A
Authority: JP
Inventors: 小室　朗; 朗小室; 聡大友
Original assignee: T Rad Co Ltd
Current assignee: T Rad Co Ltd
Priority date: 2018-03-30
Filing date: 2019-03-22
Publication date: 2021-03-25
Anticipated expiration: 2039-03-22
Also published as: CN111868468A; DE112019000761T5; JP7218354B2; WO2019189924A1

Abstract

高温ガスが流通するチャージエアクーラにおいて、ガスの流入側におけるサーマルサイクルに基づく亀裂を防止すること。コア３を構成する横断面方形の偏平チューブ２の長辺部２ｂの両端部に、角状の第１高縁部２ｃを突設形成し、その第１高縁部２ｃから、滑らかに湾曲する第１湾曲部２ｇ、第２湾曲部２ｈを介して第１低縁部２ｄに接続する。

Description

本発明は、開口端が厚み方向に膨出した膨出部を有する偏平チューブを、その膨出部で厚み方向に積層してコアが形成され、そのコアの外周をケーシングで被嵌したヘッダプレートレス型熱交換器に関する。

下記特許文献１には、開口端の両端に膨出部を有する偏平チューブを、厚み方向に積層し、コアを構成して、そのコアの外周にケーシングを被嵌したヘッダプレートレス型熱交換器が提案されている。この熱交換器は、偏平チューブの端部を厚み方向に膨出することにより、従来必要としていたヘッダプレートを不要とした、構造の簡単な熱交換器を提供している。
コアの両端部に配置された一方のタンクから他方のタンクに高温ガスが導かれ、その高温ガスと偏平チューブの外周に供給された冷却水との間に熱交換が行われるものである。
この熱交換器において、高温ガスの流入口近傍では、高温ガスによりコアを形成する各偏平チューブに熱応力が生じ、その耐久性に大きな影響を与えることが分かった。
図１３は、上記の従来の熱交換器の要部斜視図及びその問題点を示す縦断面図である。この熱交換器は、開口の両端部に膨出部１を有する複数の偏平チューブ２を膨出部１において積層して、コア３を構成し、その端部をＯリングプレート４により被蔽し、さらにＯリングプレート４の外周にケーシング５を被嵌したものである。
そして、Ｏリングプレート４とケーシング５との間に形成された環状溝７に同図（Ｃ）のごとく、Ｏリング６を介してタンク本体８の端部開口を嵌入し、ケーシング５の外周に設けたカシメ２２によって、タンク本体８をケーシング５に締結固定するものである。図において上方から高温ガスをコア３の各偏平チューブ２に供給する。

ＷＯ２０１７／０７３７７９Ａ１

この様な熱交換器において、永年使用により、コア３の各偏平チューブ２の入口側において、高温ガスの断続によるサーマルサイクルの影響により、偏平チューブ２の開口縁に亀裂１９が生じることがあった。
そこで、本発明は、各偏平チューブの高温ガス流入口の近傍において、サーマルサイクルに対する耐久性を向上することを課題とする。

請求項１に記載の発明は、両端部開口が厚み方向に膨出した膨出部１を有し、対向する一対の短辺部２ａ及び、それに直交する一対の長辺部２ｂとで横断面方形に形成された偏平チューブ２と、
前記膨出部１で複数の偏平チューブ２が積層されてなるコア３と、
前記コア３の外周を被嵌する筒状のケーシング５と、
前記ケーシング５と接続されるタンク本体８と、を具備し、
各偏平チューブ２の入口２０側の開口から出口２１側の開口に第１流体１７が流通し、偏平チューブ２の外面側に第２流体１８が流通するヘッダプレートレス型熱交換器において、
前記各偏平チューブ２の一対の前記長辺部２ｂは、前記短辺部２ａの端から続く第１高縁部２ｃと、
その第１高縁部２ｃより前記出口２１側に位置して、前記第１高縁部２ｃの長さより長く形成された第１低縁部２ｄと、
第１高縁部２ｃと第１低縁部２ｄと結ぶ第１中間部２ｅと、を具備し、
前記第１中間部２ｅは、前記第１高縁部２ｃの端から、前記出口２１側に滑らかに凹陥する第１湾曲部２ｇを通り、その第１湾曲部２ｇの端で、前記出口２１側に一旦凹陥して入口２０側に立ち上がり、前記第１低縁部２ｄの端に滑らかに連続される第２湾曲部２ｈを通ることを特徴とするヘッダプレートレス型熱交換器である。
請求項２に記載の発明は、両端部開口が厚み方向に膨出した膨出部１を有し、対向する一対の短辺部２ａとそれに直交する一対の長辺部２ｂとで横断面方形に形成された偏平チューブ２と、
前記膨出部１で複数の偏平チューブ２が積層されてなるコア３と、
前記コア３の外周を被嵌する筒状のケーシング５と、
前記ケーシング５と接続されるタンク本体８と、を具備し、
各偏平チューブ２の入口２０側の開口から出口２１側の開口に第１流体１７が流入し、偏平チューブ２の外面側に第２流体１８が流通するヘッダプレートレス型熱交換器において、
前記各偏平チューブ２の一対の前記長辺部２ｂは、前記短辺部２ａの端から続く第２高縁部２ｊと、
その第２高縁部２ｊより前記出口２１側に位置して、前記第２高縁部２ｊの長さより長く形成された第２低縁部２ｋと、第２高縁部２ｊと第２低縁部２ｋと結ぶ第２中間部２ｍと、を具備し、
前記第２中間部２ｍは、前記第２高縁部２ｊの端から、前記第２低縁部２ｋより前記出口２１側に一旦滑らかに凹陥して入口２０側に立ち上がり、その先端が前記第２低縁部２ｋに接続される第３湾曲部２ｎを有することを特徴とするヘッダプレートレス型熱交換器である。
請求項３に記載の発明は、前記コア３の端部外周を被嵌する短筒部４ａおよびその短筒部４ａから横断面Ｌ字状に立ち上げ形成されるＬ字状部４ｂを有し、そのＬ字状部４ｂの端部開口縁４ｃが環状に形成されたＯリングプレート４と、
前記Ｏリングプレート４を介して、コア３外周を被嵌する矩形筒状のケーシング５と、Ｏリング６を介して前記ケーシング５とＯリングプレート４の間の環状溝７に、フランジ部８ａの先端が圧入されるタンク本体８と、を具備することを特徴とする請求項１または請求項２のいずれかに記載のヘッダプレートレス型熱交換器である。

請求項１に記載の発明においては、第１高縁部２ｃと前記第１低縁部２ｄとの間に形成された第１湾曲部２ｇと第２湾曲部２ｈとの、二つの滑らかな湾曲部の存在により、偏平チューブ２の入口側の端部に生じる熱応力が各部に分散され、また当該湾曲部が弾性変形し熱膨張差を吸収することにより、熱応力が緩和される。その結果、ヒートサイクルに対する耐久性が向上する。
請求項２に記載の発明においては、前記第２高縁部２ｊと、第３湾曲部２ｎと、第２低縁部２ｋとが滑らかな曲線で連続していることにより、偏平チューブ２の入口側の端部に生じる熱応力が各部に分散され、また第３湾曲部２ｎが弾性変形し熱膨張差を吸収することにより、熱応力が緩和される。その結果、ヒートサイクルに対する耐久性が向上する。

図１は本発明の熱交換器に用いられるコア３の第１実施形態の要部正面図。
図２は同コア３の要部斜視図。
図３は第１実施形態の偏平チューブ２の分解斜視図。
図４は本発明の第２実施形態のコア３の要部正面図。
図５は同コア３の要部斜視図。
図６は第２実施形態の偏平チューブ２の分解斜視図。
図７は同第２実施形態におけるコア３の要部分解斜視図及びその組み立て図。
図８は同熱交換器の分解斜視図。
図９は同熱交換器の分解斜視図。
図１０は第３実施形態のヘッダプレートレス型熱交換器を示す要部正面図。
図１１は同熱交換器の要部斜視図。
図１２は同熱交換器の内部を示す正面図。
図１３は従来型熱交換器における問題点を示す要部斜視図及び要部説明図。

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。
図１及び図２は、本発明の第１実施形態の要部であって、第１流体１７である高温ガスの入口２０（図９参照）側におけるものである。熱交換器の構造は、図７、図８、図９の構造を適用することができる。また、図３は、その偏平チューブ２の分解斜視図である。
この熱交換器のコア３は、複数の偏平チューブ２をその開口部の両端において、厚み方向に積層したものであり、各偏平チューブ２は、その開口部の両端に膨出部１を有する。この例では、各偏平チューブ２は、対向する一対の短辺部２ａとそれに直行する一対の長辺部２ｂとにより、横断面が方形に形成されている。
そのコア３の両端には、図２、図７に示す如く、Ｏリングプレート４が被嵌される。そのＯリングプレート４は、筒状の短筒部４ａとその先端から横断面Ｌ字状に形成されたＬ字状部４ｂとからなる。そのＬ字状部４ｂの先端縁には、環状の端部開口縁４ｃが形成されている。
Ｏリングプレート４を介して、コア３の外周には、図２、図８に示す、ケーシング５が被嵌されている。ケーシング５は、筒状に形成されている。そのケーシング５には、第２流体１８である冷却水の出入口用のパイプ１６が接続される。偏平チューブ２の外面側には第２流体流路２４（図７）が形成されており、図８に示す、ケーシング５のパイプ１６から、第２流体（冷却水）１８が第２流体流路２４に供給される。各部品の接触部間は互いにろう付固定されている。
次に、Ｏリングプレート４の外周に被嵌されたケーシング５とＯリングプレート４のＬ字状部４ｂとの間に環状溝７（図２）が形成されており、その環状溝７に、図９に示す如く、Ｏリング６を介して、タンク本体８のフランジ部８ａが圧入され、タンク本体８のフランジ部８ａの外周がカシメによりケーシング５に締結固定されている。
この例では、ケーシング５の開口縁部にスリット１１が形成され、そのスリット１１の端縁側が湾曲されてカシメ爪２２が形成される（図１３参照）。図１３のカシメ爪に限らず、ケーシングの開口縁に間欠的に図示しない爪部を突設し、その爪部をタンク本体８側にＬ字状に折り曲げるカシメ爪を用いてもよい。
偏平チューブ２の内部には、インナーフィンが挿入されることが好ましい。そして、各偏平チューブ２の内面側に第１流体流路２５（図７）が形成され、第１流体（高温ガス）１７が第１流体流路２５に流入し、外面側に第２流体（冷却水）１８が流通する。そして、偏平チューブ２の内面側の第１流体（高温ガス）１７と、外面側の第２流体（冷却水）１８との間に熱交換が行われる。
すなわち、図９において、第２流体１８である冷却水が入口側のパイプ１６から各偏平チューブ２の外面側に供給され、出口側のパイプ１６に導かれる。そして、タンク本体８の入口側の入口２０から第１流体１７である高温ガスが流入し、出口側のタンク本体８の出口２１から、それが流出する。
ここにおいて本発明の特徴は、熱交換器のコアを構成する各偏平チューブ２であって、その第１流体１７（図９参照）の入口２０側の開口の形状にある。即ち、本発明の偏平チューブ２が従来型の偏平チューブと異なる点は、横断面方形に形成された偏平チューブ２の一対の長辺部２ｂの両短辺部２ａ側に、熱応力の分散部が形成されている点である。
偏平チューブ２の開口の具体的構造について説明する。一対の長辺部２ｂの短辺部２ａ側の端から続く山形の第１高縁部２ｃが、角状に突設されている。長辺部２ｂの第１高縁部２ｃより出口２１（図９）側に位置して、第１高縁部２ｃより長さが長く形成された第１低縁部２ｄが形成されている。そして、第１低縁部２ｄと第１高縁部２ｃとの間が第１中間部２ｅにより接続されている。
その第１中間部２ｅには、第１高縁部２ｃの端から出口２１側に滑らかに凹陥する第１湾曲部２ｇが形成されている。
そして、第１湾曲部２ｇと第１低縁部２ｄとの間に、第２湾曲部２ｈが形成されている。この第２湾曲部２ｈは、第１湾曲部２ｇの端から出口２１側に一旦凹陥して入口２０側に立ち上がり、第１低縁部２ｄの端に滑らかに連続している。
図３において、高温ガスの入口２０側の長辺部２ｂの短辺部２ａ側に第１高縁部２ｃ、第１湾曲部２ｇ、第２湾曲部２ｈが形成され、それらが第１低縁部２ｄの両端に連続する。山形に突出する第１高縁部２ｃの長さは、Ｏリングプレート４のＬ字状部４ｂの幅よりも狭くしておくことが好ましい。
このように、偏平チューブ２の一対の長辺部２ｂの入口側の端部を形成することにより、従来、長辺部２ｂの端部に生じる亀裂（図１３の亀裂１９参照）を防止できることが分かった。
各偏平チューブ２の出口２１側では、図３に示すように、膨出部１の開口を直線状に形成することができる。これは第１流体１７である高温ガスがこの出口２１側では、第２流体１８である冷却水により、冷却されて比較的低温となるため、熱応力が入口２０側ほど生じないからである。
次に、図４及び図５は、本発明の熱交換器の第２実施形態の要部正面図及び斜視図であり、図６は偏平チューブ２の分解斜視図である。この例が前記図１及び図２の実施形態と異なる点は、偏平チューブ２の入口２０側における長辺部２ｂの長手方向の両端部の形状である。
この例では、一対の長辺部２ｂの短辺部２ａ側の縁から続く第２高縁部２ｊが形成されている。その第２高縁部２ｊより高温ガスの出口２１側に位置するように、第２低縁部２ｋが第２高縁部２ｊの長さより長く形成されている。そして、第２高縁部２ｊと第２低縁部２ｋは、第２中間部２ｍにより滑らかに連続している。
その第２中間部２ｍは、第２高縁部２ｊの端から、第２低縁部２ｋより出口２１側に一旦滑らかに凹陥して入口２０側に立ち上がり、その先端が第２低縁部２ｋに接続される第３湾曲部２ｎを有している。
このように形成することにより、前記第１実施形態と同様、各部における熱応力の分散を均等に行い、熱応力により生じる偏平チューブ２の長辺部２ｂの端部の亀裂を効果的に防止することができる。
第１実施形態及び第２実施形態は、タンク本体８とケーシング５を、Ｏリング６を介してカシメ固定している構造である。
図１０〜図１２は、本発明の熱交換器の第３実施形態を示すものである。
この第３実施形態のように、タンク本体８にケーシング５をろう付固定、又は溶接固定することができる。この例では、第２実施形態の偏平チューブ２を用いているが、第１実施形態の偏平チューブ２を用いることもできる。
この場合、好ましくは、図１０〜図１１に示す如く、偏平チューブ２の第２高縁部２ｊに当接するビード５ａをケーシング５の短辺部２ａ側の側壁に設けておくと良い。図１２に示す如く、タンク本体８の端部もこのビード５ａに当接する。この状態で、ろう付又は溶接を行う。

本発明は、チャージエアクーラ、排気ガス再循環装置（ＥＧＲクーラ）等、各種高温ガスが内部を流通する熱交換器に利用できる。

１膨出部
２偏平チューブ
２ａ短辺部
２ｂ長辺部
２ｃ第１高縁部
２ｄ第１低縁部
２ｅ第１中間部
２ｇ第１湾曲部
２ｈ第２湾曲部
２ｊ第２高縁部
２ｋ第２低縁部
２ｍ第２中間部
２ｎ第３湾曲部
３コア
４Ｏリングプレート
４ａ短筒部
４ｂＬ字状部
４ｃ端部開口縁
５ケーシング
５ａビード
６Ｏリング
７環状溝
８タンク本体
８ａフランジ部
１１スリット
１６パイプ
１７第１流体（高温ガス）
１８第２流体（冷却水）
１９亀裂
２０入口
２１出口
２２カシメ爪
２４第２流体流路
２５第１流体流路

Claims

両端部開口が厚み方向に膨出した膨出部（１）を有し、対向する一対の短辺部（２ａ）と、それに直交する一対の長辺部（２ｂ）とで横断面方形に形成された偏平チューブ（２）と、
前記膨出部（１）で複数の偏平チューブ（２）が積層されてなるコア（３）と、
前記コア（３）の外周を被嵌する筒状のケーシング（５）と、
前記ケーシング（５）と接続されるタンク本体（８）と、を具備し、
各偏平チューブ（２）の入口（２０）側の開口から出口（２１）側の開口に第１流体（１７）が流通し、偏平チューブ（２）の外面側に第２流体（１８）が流通するヘッダプレートレス型熱交換器において、
前記各偏平チューブ（２）の一対の前記長辺部（２ｂ）は、前記短辺部（２ａ）の端から続く第１高縁部（２ｃ）と、
その第１高縁部（２ｃ）より前記出口（２１）側に位置して、前記第１高縁部（２ｃ）の長さより長く形成された第１低縁部（２ｄ）と、
第１高縁部（２ｃ）と第１低縁部（２ｄ）と結ぶ第１中間部（２ｅ）と、を具備し、
前記第１中間部（２ｅ）は、前記第１高縁部（２ｃ）の端から、前記出口（２１）側に滑らかに凹陥する第１湾曲部（２ｇ）を通り、その第１湾曲部（２ｇ）の端で、前記出口（２１）側に一旦凹陥して入口（２０）側に立ち上がり、前記第１低縁部（２ｄ）の端に滑らかに連続される第２湾曲部（２ｈ）を通ることを特徴とするヘッダプレートレス型熱交換器。
両端部開口が厚み方向に膨出した膨出部（１）を有し、対向する一対の短辺部（２ａ）とそれに直交する一対の長辺部（２ｂ）とで横断面方形に形成された偏平チューブ（２）と、
前記膨出部（１）で複数の偏平チューブ（２）が積層されてなるコア（３）と、
前記コア（３）の外周を被嵌する筒状のケーシング（５）と、
前記ケーシング（５）と接続されるタンク本体（８）と、を具備し、
各偏平チューブ（２）の入口（２０）側の開口から出口（２１）側の開口に第１流体（１７）が流入し、偏平チューブ（２）の外面側に第２流体（１８）が流通するヘッダプレートレス型熱交換器において、
前記各偏平チューブ（２）の一対の前記長辺部（２ｂ）は、前記短辺部（２ａ）の端から続く第２高縁部（２ｊ）と、
その第２高縁部（２ｊ）より前記出口（２１）側に位置して、前記第２高縁部（２ｊ）の長さより長く形成された第２低縁部（２ｋ）と、第２高縁部（２ｊ）と第２低縁部（２ｋ）と結ぶ第２中間部（２ｍ）と、を具備し、
前記第２中間部（２ｍ）は、前記第２高縁部（２ｊ）の端から、前記第２低縁部（２ｋ）より前記出口（２１）側に一旦滑らかに凹陥して入口（２０）側に立ち上がり、その先端が前記第２低縁部（２ｋ）に接続される第３湾曲部（２ｎ）を有することを特徴とするヘッダプレートレス型熱交換器。
前記コア（３）の端部外周を被嵌する短筒部（４ａ）およびその短筒部（４ａ）から横断面Ｌ字状に立ち上げ形成されるＬ字状部（４ｂ）を有し、そのＬ字状部（４ｂ）の端部開口縁（４ｃ）が環状に形成されたＯリングプレート（４）と、
前記Ｏリングプレート（４）を介して、コア（３）外周を被嵌する矩形筒状のケーシング（５）と、Ｏリング（６）を介して前記ケーシング（５）とＯリングプレート（４）の間の環状溝（７）に、フランジ部（８ａ）の先端が圧入されるタンク本体（８）と、を具備することを特徴とする請求項１または請求項２のいずれかに記載のヘッダプレートレス型熱交換器。