JP6341530B2

JP6341530B2 - 多管式熱交換器

Info

Publication number: JP6341530B2
Application number: JP2013228420A
Authority: JP
Inventors: 忠弘後藤
Original assignee: Usui Co Ltd
Current assignee: Usui Co Ltd
Priority date: 2013-11-01
Filing date: 2013-11-01
Publication date: 2018-06-13
Anticipated expiration: 2033-11-01
Also published as: JP2015087090A

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、より詳しくは扁平伝熱管を使用する多管式熱交換器の扁平伝熱管のろう付け部の振動強度の向上をはかる技術に関するものである。

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としては、例えば、両端部に冷却水流入口及び流出口が設けられたケーシング（シェル）に、複数積層された扁平伝熱管群がチューブシート（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）を介して組付けられ、扁平伝熱管内を流通する排気ガスやＥＧＲガスと、ケーシング内を流通する冷却媒体（冷却水等）との間で熱交換が行われるように構成された多管式熱交換器が知られている（特許文献１等参照）。

このような多管式熱交換器をディーゼルエンジンあるいはガソリンエンジンに搭載した場合、扁平伝熱管に振動が伝わるが、扁平伝熱管の長さが短い場合には、固有振動数が高いこともあり、チューブシートによる扁平伝熱管両端の支持固定のみで振動による強度上の問題が生じることはない。しかしながら、扁平伝熱管の長さが長くなると、固有振動数が低くなることにより、チューブシートのみでは振動に対する強度が低下する。このため、通常は扁平伝熱管の長手方向所望位置に、扁平伝熱管を支持固定する部材（バッフルプレート等）を付設することで固有振動数を高めて振動強度を向上させる方策がとられている。

又、扁平伝熱管の振動強度を向上させる他の方法として、特許文献２、３に記載されている方法が提案されている。特許文献２、３に記載されている熱交換器は、チューブシートレス構造の多管式熱交換器を例示したもので、図６〜図８に示すように複数の扁平伝熱管１１が積層されたコア１２と、そのコア１２の外周を囲繞するケーシング１３とを有し、扁平伝熱管１１の外面に当該扁平伝熱管の間隔保持用の複数のディンプル１４が互いに離間して一体的に突設形成され、コア１２の最外側の扁平伝熱管１１の各ディンプル１４とケーシング１３の接触部と、隣り合う扁平伝熱管１１の各ディンプル１４の接触部がそれぞれろう付け固定されて、ケーシング１３と扁平伝熱管１１との隙間及び扁平伝熱管１１どうしの隙間に冷却水路１５が形成された構造となしたものである。なお、扁平伝熱管１１の内面には伝熱性能を高めるためのインナーフィン１６が一体にろう付け固定されている。

特開２００８−９６０４７号公報特許第５０７９５９７号公報特開２０１０−２７０９８２号公報

しかしながら、上記した従来の多管式熱交換器には、以下に記載する問題がある。
1).特許文献１等に記載されている多管式熱交換器において、扁平伝熱管の長さが長くなると振動が加わった場合に扁平伝熱管に撓みが生じ、チューブシートとの接合部にて破壊が起き易くなるのを防止するため、振動強度を高めるために使用するバッフルプレート等の支持部材は、扁平伝熱管の長手方向において複数箇所に設置する必要があり、部品個数の増加を招くとともに、支持部材と扁平伝熱管とのろう接合箇所も増えるためろう材費も高くつき、熱交換器製造コストのアップを余儀なくされるという問題がある。
2).特許文献２、３に記載されているチューブシートレス構造の多管式熱交換器の場合、扁平伝熱管内面に接合するインナーフィンと扁平伝熱管外面に設けたディンプルの接合箇所は、ディンプルの形状が外面凸形状を呈していることから、ディンプル部とインナーフィンとの接合部には設計上生じる断続的な隙間１７が作られることとなり、局部的に内圧に対して弱い部分が発生する。即ち、ディンプル部とインナーフィン接合部は、隙間１７が存在することでディンプル部とインナーフィン接合部の接合面積が減少し、扁平伝熱管の内圧により局部的にインナーフィンが剥がされ易い箇所が発生するという問題がある。

本発明は上記した従来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、積層された扁平伝熱管群の断面剛性の向上、扁平伝熱管の内圧強度の確保及び振動強度の向上をはかることができる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ケーシングと、ケーシング端部に冷却水流入口及び流出口を有し、前記扁平伝熱管群がケーシングに組付けられ、前記扁平伝熱管にはインナーフィンが内装固定され、前記扁平伝熱管内を通流する排気ガスと、前記ケーシング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において、前記扁平伝熱管の管側端部に、積層方向に凸形状に断続的に拡開された断面矩形の拡管部が複数形成され、各扁平伝熱管の短手方向における前記拡管部よりも内側に前記インナーフィンが配置され、前記拡管部を介して隣合う扁平伝熱管どうしが接合された構造となしたことを特徴とするものである。

又、前記断面矩形の拡管部の接合端面形状は、真円、楕円、長円、矩形のいずれかの形状を有することを好ましい態様とするものである。さらに、前記凸形状の拡管部の接合端面部あるいは上下端面部に、当該扁平伝熱管内フィンの両サイドを流れる排気ガスの乱流促進用突起を形成することを好ましい態様とするものである。なお、複数積層された扁平伝熱管群の最外位置にある扁平伝熱管の凸形状に拡開された断面矩形の拡管部は、必ずしも扁平伝熱管の内側と外側の両面に設ける必要はなく、内側の片面のみでもよい。

本発明の多管式熱交換器によれば、扁平伝熱管の管側端部に、積層方向に凸形状に断続的に拡開された断面矩形の複数の拡管部にて隣り合う扁平伝熱管を接合することで、積層された扁平伝熱管どうしが接合されて一体構造となすことにより、積層された扁平伝熱管群の断面剛性を大幅に向上できること、さらに、積層された扁平伝熱管群の撓みが抑制されることにより、扁平伝熱管の固有振動数が高められて振動強度を向上できること、又、伝熱性能を高めるために扁平伝熱管に内装固定するインナーフィンは、扁平伝熱管の短手方向における拡管部よりも内側に配置したことにより、扁平伝熱管の内圧強度維持に密接に関連する管内面とのフィン接合面積の減少が生じることがないため、扁平伝熱管の内圧強度を十分に確保することができること、といった作用効果を奏することができる。よって、本発明の多管式熱交換器は、積層された扁平伝熱管群の断面剛性の向上と、扁平伝熱管の内圧強度の確保及び振動強度を向上できることにより、ディーゼルエンジンあるいはガソリンエンジン等の排気ガス内圧による破損や、振動による破損の危険性を無くすことが可能となり、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実施例に係る多管式熱交換器の扁平伝熱管の積層体からなるコアの一部を示す概略斜視図である。図１に示す多管式熱交換器の扁平伝熱管の積層体からなるコアを示す概略縦断正面図である。本発明の第２実施例に係る多管式熱交換器の扁平伝熱管の積層体からなるコアの一部を示す概略斜視図である。本発明の第１実施例及び第２実施例に係る多管式熱交換器の扁平伝熱管の拡管部の接合端面あるいは上下端面に形成する排気ガスの乱流促進用突起を例示したもので、（ａ）は第１実施例に係る多管式熱交換器の乱流促進用突起例を示すコアの概略正面図、（ｂ）は同じく第１実施例に係る多管式熱交換器の他の乱流促進用突起例を示すコアの概略正面図、（ｃ）は第２実施例に係る多管式熱交換器の乱流促進用突起例を示すコアの概略正面図である。本発明の第１実施例及び第２実施例に係る多管式熱交換器の扁平伝熱管に形成した拡管部の接合端面の形状を例示したもので、（ａ）は真円、（ｂ）は楕円、（ｃ）は長円をそれぞれ示す。従来の多管式熱交換器の扁平伝熱管の積層体からなるコアの一例を示す概略斜視図である。図６に示す従来の多管式熱交換器におけるケーシングと扁平伝熱管のディンプルとの管長手方向のろう付け部を示す要部拡大縦断面図である。同じく図６に示す従来の多管式熱交換器における扁平伝熱管のディンプルどうしの管短手方向のろう付け部を示す要部拡大縦断面図である。

本発明の第１実施例に係る多管式熱交換器は、ケーシング（図面省略）に収納される扁平伝熱管の積層体からなるコアを図１、図２に示すように、扁平伝熱管の管側端部に積層方向に凸形状に拡開された断面矩形の拡管部１−１を断続的に有する扁平伝熱管１を上段、中段、下段の三段に重ねて構成したものである。ここで、扁平伝熱管１の管側端部に断続的に形成した断面矩形の複数の拡管部１−１の積層方向の突出高さ（厚み）は、すべて同一である。この上段、中段、下段の各扁平伝熱管１内には、該扁平伝熱管１の管側端部に形成した前記断面矩形の拡管部１−１よりも内側の平面部１−２にインナーフィン２が挿入配置されている。この扁平伝熱管１の三段重ね積層体からなるコアは、上段、中段、下段の三段に重ねられた各扁平伝熱管１の断面矩形の拡管部１−１において互いに接触し、その接触部がろう接により固定されて隣り合う扁平伝熱管が一体化され、各扁平伝熱管１の隙間に冷却水路３が形成されている。なお、各扁平伝熱管内に挿入配置されるインナーフィン２もろう接により扁平伝熱管内面に固定される。

上記のごとく構成された多管式熱交換器は、上段、中段、下段の三段に重ねられた各扁平伝熱管１の管側端部に断続的に形成された断面矩形の拡管部１−１において互いに接触し、その接触部がろう接により固定されて隣り合う扁平伝熱管どうしが一体化されていることとなり、積層された扁平伝熱管群の剛性が向上する。又、前記側端部に断続的に形成された断面矩形の拡管部１−１により、積層された扁平伝熱管群の長手方向の撓みが抑制されることとなり、固有振動数が高められて振動強度を向上できる。さらに、伝熱性能を高めるインナーフィン２は、当該扁平伝熱管１の両サイドに形成された前記断面矩形の拡管部１−１よりも内側に配置し扁平伝熱管内面に接合したことにより、扁平伝熱管１の内圧強度維持に密接に関連する管内面とのフィン接合面積の減少が生じることがなく、扁平伝熱管１の内圧強度を十分に確保することが可能となる。

次に、本発明の第２実施例に係る多管式熱交換器は、その扁平伝熱管の積層体からなるコアを図３に示すように、前記図１、図２に示す第１実施例に係る多管式熱交換器のコアにおいて、複数積層された扁平伝熱管群の最外位置、即ち上段と下段の扁平伝熱管を、断面矩形の拡管部１−１が当該扁平伝熱管の内側のみに設けられた扁平伝熱管１´で構成し、この扁平伝熱管１´と両面に断面矩形の拡管部１−１を形成した中段の扁平伝熱管１とを、前記と同様に断面矩形の拡管部１−１において互いに接触させ、その接触部がろう接により固定されて隣り合う扁平伝熱管が一体化され、各扁平伝熱管１の隙間に冷却水路３が形成されたものである。この第２実施例に係る多管式熱交換器においても、上段及び下段の各扁平伝熱管１´と中段の扁平伝熱管１の内部には、前記断面矩形の拡管部１−１よりも内側の平面部にインナーフィン２が挿入配置されていることはいうまでもない。このインナーフィン２もろう接により扁平伝熱管内面に固定されている。

上記のごとく構成された第２実施例に係る多管式熱交換器も、前記第１実施例に係る多管式熱交換器と同様に、上段、中段、下段の三段に重ねられた各扁平伝熱管１の断面矩形の拡管部１−１においてろう接により固定されて隣り合う扁平伝熱管どうしが一体化されているので、積層された扁平伝熱管群の剛性が向上するとともに、上段、中段、下段の三段に重ねられた各扁平伝熱管１の管側端部に断続的に設けた断面矩形の拡管部１−１の相互接触部を固定することで、積層された扁平伝熱管群の長手方向の撓みが抑制されることとなり、固有振動数が高められて振動強度が向上する。さらに、伝熱性能を高めるインナーフィン２は、当該扁平伝熱管１の両サイドに形成された前記断面矩形の拡管部よりも内側に配置し扁平伝熱管１内面に接合したことにより、扁平伝熱管１の内圧強度維持に密接に関連する管内面とのフィン接合面積の減少が生じることがなく、扁平伝熱管１の内圧強度を十分に確保することが可能となる。

次に、本発明の第１実施例及び第２実施例に係る多管式熱交換器の扁平伝熱管の拡管部の接合端面部あるいは上下端面部に形成する排気ガスの乱流促進用突起について説明する。
この排気ガスの乱流促進用突起は、扁平伝熱管内インナーフィン２の両脇を流れる排気ガスの乱流効果を促進するために設けるもので、図４（ａ）は第１実施例に係る多管式熱交換器の乱流促進用突起例、同（ｂ）は同じく第１実施例に係る多管式熱交換器の他の乱流促進用突起例、同（ｃ）は第２実施例に係る多管式熱交換器の乱流促進用突起例をそれぞれ示したものである。
ここで、（ａ）第１実施例に係る多管式熱交換器の乱流促進用突起例は、扁平伝熱管１の管側端部に形成した断面矩形の拡管部１−１の積層方向上下端面部に、当該拡管部の内面側に突出する突起１−１ａを形成したものである。又、（ｂ）第１実施例に係る多管式熱交換器の他の乱流促進用突起例は、伝熱管１の管側端部に形成した断面矩形の拡管部１−１の積層方向上下端面に、当該拡管部の内面側に突出する突起１−１ａと外面側に突出する突起１−１ｂを形成して組み合わせたものである。さらに、（ｃ）第２実施例に係る多管式熱交換器の乱流促進用突起例は、前記（ａ）第１実施例に係る多管式熱交換器の乱流促進用突起例１と同様に、扁平伝熱管１の管側端部に形成した断面矩形の拡管部１−１の積層方向上下端面部に、当該拡管部の内面側に突出する突起１−１ａを形成したものである.
上記のごとく、扁平伝熱管の拡管部の接合端面部あるいは上下端面部に排気ガスの乱流促進用突起を形成することにより、扁平伝熱管内インナーフィン３の両脇を流れる排気ガスの乱流効果が促進される。なお、排気ガスの乱流促進用突起の向きについては、拡管部１−１の内面側、外面側あるいは双方の組み合わせを適宜選択して決めればよい。

上記した本発明の第１実施例及び第２実施例に係る多管式熱交換器の扁平伝熱管に形成した拡管部の接合端面あるいは上下端面の平面形状としては、ここでは矩形のものを例示したが、これに限定するものではなく、図５の（ａ）真円、（ｂ）楕円、（ｃ）長円の他、冷却水等の冷却媒体の流れの澱みを可及的に低減可能な形状等、いずれかの形状を選択することができる。

１扁平伝熱管
１−１断面矩形の拡管部
１−２平面部
１−１ａ、１−１ｂ突起
２インナーフィン
３冷却水路

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ケーシングと、ケーシング端部に冷却水流入口及び流出口を有し、前記扁平伝熱管群がケーシングに組付けられ、前記扁平伝熱管内面にはインナーフィンが接合され、前記扁平伝熱管内を通流する排気ガスと、前記ケーシング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において、前記扁平伝熱管の管側端部に、積層方向に凸形状に断続的に拡開された断面矩形の拡管部が複数形成され、各扁平伝熱管の短手方向における前記拡管部よりも内側に前記インナーフィンが配置され、前記拡管部を介して隣合う扁平伝熱管どうしが接合された構造となしたことを特徴とする多管式熱交換器。
前記断面矩形の拡管部の接合端面形状は、真円、楕円、長円、矩形のいずれかの形状を有することを特徴とする請求項１に記載の多管式熱交換器。
前記凸形状の拡管部の接合端面部あるいは上下端面部に、当該扁平伝熱管内フィンの両サイドを流れる排気ガスの乱流促進用突起を有することを特徴とする請求項１又は２に記載の多管式熱交換器。