JP2013160469A - 熱交換器 - Google Patents

Abstract

【課題】チューブとフィンとの熱膨張差によるチューブとフィンとのろう付け箇所の損傷を防止することができる熱交換器の提供にある。
【解決手段】互い並列に配置される複数の直管部１６を備え、作動流体を通すチューブ１２と、複数の直管部１６が挿入される複数の通孔２５を備え、複数の直管部１６にろう付けにより支持されるフィン１３と、を備え、フィン１３の周囲の加熱流体と作動流体との熱交換を行う熱交換器１１において、チューブ１２およびフィン１３はステンレス鋼により形成され、チューブ１２を形成するステンレス鋼の線膨張率は、フィン１３を形成するステンレス鋼の線膨張率より小さい
【選択図】 図１

Description

この発明は、熱交換器に関し、特に、作動流体を通すチューブと、チューブに固定された熱交換のためのフィンを備えた熱交換器に関する。

従来の熱交換器としては、例えば、特許文献１に開示されたアルミニウム−ステンレス製型の熱交換器が知られている。
特許文献１に開示されたアルミニウム−ステンレス製型の熱交換器は、ステンレス鋼により形成された熱媒管と、アルミニウム製のプレートフィンを備えている。
プレートフィンには熱媒管の数に対応する多数のカラーが形成されており、それぞれのカラーに挿入された複数の熱媒管は互いに平行となるように配置されている。
カラーに挿入された熱媒管はカラーとろう付けされている。

熱媒管の接続部側のプレートフィンには、ステンレス製のプレートフィンが設けられ、ステンレス製のプレートフィンの外側には熱媒管を接続するＵ字状のベンド管が熱媒管の接続にろう付けされている。
また、アルミニウム製のプレートフィンに形成された平面部にはステンレス製の板がろう付けされている。

実開平６−３０６７８号公報

しかしながら、特許文献１に開示されたアルミニウム−ステンレス製型の熱交換器では、アルミニウム製のプレートフィンにろう付けされた複数の熱媒管の温度が異なると、熱媒管毎に熱膨張に差が生じる。
このとき、プレートフィンにおける熱膨張差を生じた熱媒管の間の部位には熱膨張差に基づく引っ張りの応力が作用し、プレートフィンにおける熱膨張差を生じた熱媒管の間の部位や、熱媒管とカラーとのろう付け箇所に破断や亀裂が生じるという問題がある。
また、特許文献１に開示されたアルミニウム−ステンレス製型の熱交換器は、プレートフィンがアルミニウム製であるため耐熱性に問題があり、例えば、４００℃以上の高温となる環境では使用不可能である。

本発明は上記の問題点に鑑みてなされたもので、本発明の目的は、チューブにおける熱膨張差の発生によってチューブとフィンとのろう付け箇所やフィンの破断や亀裂を防止することができる熱交換器の提供にある。

上記の課題を解決するために、本発明は、互い並列に配置される複数の直管部を備え、作動流体を通すチューブと、前記複数の直管部が挿入される複数の通孔を備え、前記複数の直管部にろう付けにより支持されるフィンと、を備え、前記フィンの周囲の加熱流体と前記作動流体との熱交換を行う熱交換器において、前記チューブおよび前記フィンはステンレス鋼により形成され、前記チューブを形成するステンレス鋼の線膨張率は、前記フィンを形成するステンレス鋼の線膨張率より小さいことを特徴とする。

本発明によれば、作動流体がチューブを通るとき、チューブおよびフィンを通じて加熱流体と熱交換が行われる。
作動流体と加熱流体との熱交換の際、複数の直管部において熱膨張差が生じる。
このチューブにおける熱膨張差により、フィンにおける直管部間の部位を引っ張ろうとする変形がチューブに生じても、フィンはチューブよりも線膨張率が大きいためフィンの変形に追従して変形することができる。
その結果、フィンにおける直管部間の部位や、チューブとフィンとのろう付け箇所に作用する応力が軽減され、フィンにおける直管部間の部位およびチューブとフィンとのろう付け箇所の損傷を防止することができる。

また、上記の熱交換器において、前記フィンおよび前記チューブを収容するケースを備え、前記チューブは、前記ケースの内部を通過するようにろう付けにより前記ケースに支持され、前記ケースは、ステンレス鋼に形成されるとともに、前記チューブの線膨張率は、前記ケースの線膨張率より小さい構成としてもよい。
この場合、チューブがケースよりも高温となる条件であっても、チューブとケースとの熱膨張差を小さくすることができ、チューブをケースに支持するろう付け箇所への応力を軽減することができる。

また、上記の熱交換器において、前記フィンおよび前記ケースは同一材料により形成されている構成としてもよい。
この場合、フィンとケースを同一材料にすることから、フィンとケースの材料を互いに異なる材料とする場合と比較すると、製造コストを抑制することができる。

また、上記の熱交換器において、前記ケースを形成するステンレス鋼の線膨張率は、前記フィンを形成するステンレス鋼の線膨張率より大きい構成としてもよい。
この場合、フィンがケースより高温になる条件であっても、フィンとケースとの熱膨張差を小さくすることができる。
従って、フィンとケースがろう付けされている場合であっても、フィンとケースとのろう付け箇所の損傷を防止することができる。

また、上記の熱交換器において、前記作動流体は、前記加熱流体との熱交換により液相から気相へ相変化する冷媒とする構成としてもよい。
この場合、冷媒は加熱流体との熱交換により液相から気相へ相変化するから、熱交換器を蒸気発生器として使用することができる。

本発明によれば、チューブとフィンとの熱膨張差によるチューブとフィンとのろう付け箇所の損傷を防止することができる熱交換器を提供することができる。

第１の実施形態に係る熱交換器の概要を示す斜視図である。 第１の実施形態に係る熱交換器の要部を破断して示す縦断面図である。

（第１の実施形態）
以下、第１の実施形態に係る熱交換器について図面を参照して説明する。
本実施形態の熱交換器は、車両に搭載される車載用熱交換器であり、特に、車両に搭載された内燃機関としてのエンジンの廃熱を利用し、廃熱の熱エネルギーを機械的エネルギーに変換するランキンサイクル回路に設ける車載用熱交換器である。

図１に示す熱交換器１１は、エンジンの燃焼ガス（図１の白抜矢印により示す）が流通する排気管１０内に設置されている。
熱交換器１１は、作動流体としての冷媒を通すチューブ１２と、チューブ１２にろう付けされた多数のフィン１３と、チューブ１２およびフィン１３を収容するケース１４を備えている。
本実施形態の作動流体は、熱交換器１１において液相から気相へ相変化する公知の冷媒を用いている。

チューブ１２は連続する一本の管であり、ケース１４の上部からケース１４の内部に水平方向へ通され、ケース１４の内部および外部での折り返しが繰り返されて、ケース１４の下部から外部へ通されている。
チューブ１２は、ケース１４の上部に位置する入口管部１５と、ケース１４内にて水平に配設された直管部１６と、ケース１４内で折り返される内部曲管部１７と、ケース１４の外部で折り返される外部曲管部１８と、ケース１４の下部に位置する出口管部１９を備えている。

本実施形態では、ケース１４内に複数の直管部１６が上下方向に多段に配置されている。
直管部１６のうち、冷媒が入口管部１５または外部曲管部１８から内部曲管部１７へ流れる直管部１６は、ケース１４において燃焼ガスの下流側となる位置に配置されている。
また、冷媒が内部曲管部１７から外部曲管部１８又は出口管部１９流れる直管部１６は、ケース１４において燃焼ガスの上流側となる位置に配置されている。
表１に示すように、本実施形態では、チューブ１２はフェライト系ステンレス鋼（ＳＵＳ４３０、線膨張率：１０．８×１０^−６［１／Ｋ］）により形成されている。

ケース１４は、天板２０と底板２１と一対の側板２２、２３を備えている。
一方の側板２２にはチューブ１２を挿通する複数の通孔２４が形成され、他方の側板２３は内部曲管部１７と対向する。
ケース１４は、チューブ１２の直管部１６、内部曲管部１７を収容し、チューブ１２およびフィン１３を支持する。
本実施形態では、ケース１４はオーステナイト系ステンレス鋼（ＳＵＳ３０４、線膨張率：１７．３×１０^−６［１／Ｋ］）により形成されている。

ケース１４内に配置されるチューブ１２の直管部１６には、多数のフィン１３が装着されている。
フィン１３はオーステナイト系ステンレス鋼（ＳＵＳ３０４、線膨張率：１７．３×１０^−６［１／Ｋ］）により形成された金属板であり、フィン１３には直管部１６を挿通する複数の通孔２５が形成されている。
ケース１４の側板２２、２３間の燃焼ガスの流路は、多数のフィン１３により仕切られ、フィン１３の面は燃焼ガスの流れ方向に沿う。
互いに隣り合うフィン１３の間には隙間が形成されており、この隙間に燃焼ガスが流通されることによりフィン１３に燃焼ガスの熱を伝達し易くする。

図２を参照してチューブ１２とケース１４との固定、チューブ１２とフィン１３の固定およびフィン１３とケース１４との固定について説明する。
なお、図２では、チューブ１２の入口管部１５の一部、直管部１６、内部曲管部１７および外部曲管部１８の一部を図示し、出口管部１９および底板２１は図示されない。
図２では、入口管部１５と接続される上流側の直管部１６には、内部曲管部１７が接続されている。
内部曲管部１７に接続される下流側の直管部１６は、上流側の直管部１６と並列に配置されて、ケース１４の外側の外部曲管部１８と接続されている。

側板２２の通孔２４に挿通したチューブ１２と側板２２との間には、ろう材が充填されている。
図２に示すように、ろう材が充填されたろう付け箇所Ａにおいてチューブ１２は側板２２に固定されている。

フィン１３の通孔２５に挿入されたチューブ１２の直管部１６とフィン１３との間にろう材が充填されている。
図２では、上流側の直管部１６とフィン１３とのろう付け箇所のうち、天板側となるろう付け箇所をろう付け箇所Ｂ１とし、下流側の直管部１６側となるろう付け箇所をろう付け箇所Ｂ２している。
また、下流側の直管部１６とフィン１３とのろう付け箇所のうち、上流側の直管部１６側となるろう付け箇所をろう付け箇所Ｂ３とし、ろう付け箇所Ｂ３と反対側となるろう付け箇所をろう付け箇所Ｂ４としている。
フィン１３は、ろう材が充填されているろう付け箇所Ｂ１、Ｂ２において上流側の直管部１６に固定されるとともに、ろう付け箇所Ｂ３、Ｂ４において下流側の直管部１６に固定され、支持されている。
通孔２５をバーリング加工により形成することから、図２に示すようにフィン１３の通孔２５の周囲には、バーリング加工時に形成される立ち上がり部２６が設けられている。
フィン１３に形成された立ち上がり部２６は、フィン１３をチューブ１２に対して支持し易くするほか、互いに隣り合うフィン１３の間の隙間を等間隔に設定し易くする。
直管部１６とフィン１３との間のろう材は、フィン１３とチューブ１２とを固定する機能ほか、フィン１３とチューブ１２の間の伝熱性能を向上する機能を有する。
フィン１３は、互いに隣り合う通孔２５間の部位１３Ａ、つまり、互いに隣り合う直管部１６間の部位１３Ａを備えており、フィン１３の部位１３Ａは、ろう付け箇所Ｂ２、Ｂ３間に形成されている部位でもある。

フィン１３の上端はろう材を介して天板２０に接合されており、フィン１３の下端はろう材を介して底板２１に接合されている。
図２に示すように、フィン１３の上端と天板２０とを接合するろう付け箇所Ｃではフィン１３が天板２０に固定されている。
なお、図示はされないが、フィン１３の下端と底板２１とを接合するろう付け箇所ではフィン１３が底板２１に固定されている。
天板２０のろう付け箇所Ｃおよび底板２１のろう付け箇所のろう材は、燃焼ガスの流通によるフィン１３の振動を防止する機能を有する。
なお、各ろう付け箇所Ａ、Ｂ１〜Ｂ４、Ｃにおいて用いたろう材は同じ材料であり、これらのろう材の機械的強度はチューブ１２、フィン１３およびケース１４と比較して小さい。

次に、本実施形態に係る熱交換器１１の作用について説明する。
車両に搭載されたエンジンが駆動される状態では、エンジンの燃焼ガスは排気管１０を通り、熱交換器１１を通過する。
熱交換器１１を通過する燃焼ガスは、多数のフィン１３の面に沿って流れ、フィン１３は高温の燃焼ガスにより加熱される。

一方、熱交換器１１のチューブ１２には冷媒が流れており、冷媒はフィン１３、チューブ１２とフィン１３を接合するろう材およびチューブ１２を介して燃焼ガスと熱交換を行う。
チューブ１２を通る冷媒は、入口管部１５から熱交換器１１の内部へ導入されるとき液相であるが、燃焼ガスとの熱交換により加熱されると、液相から気相へ相変化する。
気相に相変化した冷媒は、熱交換器１１の内部から出て出口管部１９を通る。

熱交換器１１の各部は、高温の燃焼ガスの熱を受けて熱膨張する。
チューブ１２は、フィン１３を形成するオーステナイト系ステンレス鋼よりも線膨張率の小さいフェライト系ステンレス鋼により形成されているから、フィン１３よりも小さい熱膨張となる。
チューブ１２では、熱交換により基本的に直管部１６の長手方向への熱膨張よる変形が大きくなる。
また、チューブ１２では、出口管部１９に近い直管部１６を通る冷媒は入口管部１５に近い直管部１６を通る冷媒と比較して温度が高い。
このため、チューブ１２では出口管部１９に近いほど熱膨張による変形が大きく入口管部１５に近いほど熱膨張による変形が小さく、チューブ１２は部位により熱膨張差を生じている。

作動流体と加熱流体との熱交換の際、図２に示すチューブ１２の入口管部１５に近い上流側の直管部１６と、上流側の直管部１６よりも出口管部１９に近い下流側の直管部１６において熱膨張差が生じる。
下流側の直管部１６が上流側の直管部１６よりも熱膨張が大きいと、下流側の直管部１６が上流側の直管部１６よりも長手方向に大きく伸びる。
これらの直管部１６の熱膨張差は、フィン１３におけるろう付け箇所Ｂ２、Ｂ３間の部位１３Ａを引っ張ろうとするが、フィン１３はチューブ１２よりも線膨張率が大きいため、フィン１３における部位１３Ａはチューブ１２の変形に追従して変形することができる。
その結果、フィン１３における部位１３Ａや、ろう付け箇所Ｂ２、Ｂ３に作用する応力が軽減され、フィン１３における部位１３Ａおよびろう付け箇所Ｂ２、Ｂ３における亀裂や破断を防止することができる。
なお、図２に示す直管部１６以外の互いに隣り合う直管部１６に熱膨張差が生じる場合は、同様に、フィン１３における熱膨張差が生じた直管部１６間の部位１３Ａが変形し、部位１３Ａや部位１３Ａ側のろう付け箇所における亀裂や破断は防止される。

一方、ケース１４はフェライト系ステンレス鋼よりも線膨張率の大きいオーステナイト系ステンレスにより形成されているが、外気に冷やされるため、チューブ１２とケース１４との熱膨張差は小さい。
このため、チューブ１２とケース１４とのろう付け箇所Ａにおける応力は軽減され、ろう付け箇所Ａの損傷は防止される。
また、ケース１４はフィン１３と同じ材料により形成されているが、フィン１３よりも温度が低いためフィン１３との熱膨張差が生じる。

本実施形態に係る熱交換器は、以下の作用効果を奏する。
（１）作動流体と加熱流体との熱交換の際、入口管部１５に近い直管部１６と、この直管部１６よりも出口管部１９に近い直管部１６において熱膨張差が生じ、フィン１３における通孔２５と通孔２５の間の部位１３Ａを引っ張ろうとする変形がチューブ１２に生じても、フィン１３はチューブ１２よりも線膨張率が大きいため、フィン１３における部位１３Ａはチューブ１２の変形に追従して変形する。その結果、フィン１３における部位１３Ａや、ろう付け箇所Ｂ２、Ｂ３に作用する応力が軽減され、フィン１３における部位１３Ａおよびろう付け箇所Ｂ２、Ｂ３の損傷を防止することができる。

（２）熱交換器のチューブ、フィン、ケースがステンレス鋼により形成されているので、耐熱性・耐食性にすぐれており、高温（約８００℃）の燃焼ガスを加熱流体として用いることができる。このため、内燃機関がディーゼルエンジンやガソリンエンジンであってもエンジンの燃焼ガスを加熱流体として用いることができる。
（３）ケース１４は、オーステナイト系ステンレス鋼に形成され、チューブ１２はフェライト系ステンレス鋼により形成されるから、チューブ１２はケース１４よりも線膨張率より小さい。このため、チューブ１２がケース１４よりも高温となる条件であっても、チューブ１２とケース１４との熱膨張差を小さくすることができ、チューブ１２をケース１４に支持するろう付け箇所Ａへの応力を軽減することができる。

（４）フィン１３とケース１４を同一材料により形成することから、フィン１３とケース１４を互いに異なる材料により形成する場合と比較すると、熱交換器１１の製造コストを抑制することができる。
（５）作動流体としての冷媒は燃焼ガスとの熱交換により液相から気相へ相変化することから、熱交換器１１をランキンサイクル回路の蒸気発生器として使用することができる。

（第２の実施形態）
次に、第２の実施形態に係る熱交換器について説明する。
本実施形態の熱交換器は、ケースの材料が第１の実施形態と相違する。
本実施形態の熱交換器の構成は、ケースを形成する材料が異なる点を除き第１の実施形態と同一であり、第１の実施形態の説明を援用し、共通の符号を用いる。

表１に示すように、本実施形態の熱交換器１１のケース１４はチューブ１２を形成している材料と同じフェライト系ステンレス鋼（ＳＵＳ４３０、線膨張率：１０．８×１０^−６［１／Ｋ］）により形成されている。
従って、ケース１４とチューブ１２の熱膨張は同じであり、チューブ１２とケース１４の温度差が小さい場合には、チューブ１２とケース１４との熱膨張差を小さくすることができ、ろう付け箇所Ａにおける応力を軽減することができる。

本実施形態の熱交換器１１では、第１の実施形態の作用効果（１）〜（３）、（６）と同等の作用効果を奏する。
ケース１４はチューブ１２と同じフェライト系ステンレス鋼により形成されているのでオーステナイト系ステンレスよりも線膨張率が小さい。
従って、チューブ１２とケース１４の材料をオーステナイト系ステンレスとした場合と比較すると、チューブ１２とケース１４との熱膨張差を小さくすることができる。
また、チューブ１２とケース１４が同一材料により形成されることから、チューブ１２とケース１４を互いに異なる材料により形成する場合と比較すると、熱交換器１１の製造コストを抑制することができる。

（第３の実施形態）
次に、第３の実施形態に係る熱交換器について説明する。
第３の実施形態の熱交換器は、チューブおよびフィンの材料が第１の実施形態と相違する。
本実施形態の熱交換器の構成は、チューブおよびフィンを形成する材料が異なる点を除き第１の実施形態と同一であり、第１の実施形態の説明を援用し、共通の符号を用いる。

表１に示すように、本実施形態の熱交換器１１のチューブ１２はマルテンサイト系ステンレス鋼（ＳＵＳ４１０、線膨張率：１０．１×１０^−６［１／Ｋ］）により形成されている。
また、フィン１３はフェライト系ステンレス鋼（ＳＵＳ４３０、線膨張率：１０．８×１０^−６［１／Ｋ］）より形成されている。
そして、ケース１４はオーステナイト系ステンレス鋼（ＳＵＳ３０４、線膨張率：１７．３×１０^−６［１／Ｋ］）により形成されている。

マルテンサイト系ステンレス鋼はフェライト系ステンレス鋼よりも線膨張率が小さく、フェライト系ステンレス鋼はオーステナイト系ステンレス鋼より線膨張率が小さい。
つまり、チューブ１２、フィン１３、ケース１４の順で線膨張率が大きくなるように材料が設定されている。
従って、チューブ１２における互いに隣り合う直管部１６に熱膨張差が生じても、第１の実施形態と同様に、フィン１３における部位１３Ａや、部位１３Ａ側のろう付け箇所における亀裂や破断を防止することができる。
また、フィン１３とケース１４との熱膨張差を小さくすることができ、ろう付け箇所Ｃにおける応力を軽減することができる。

本実施形態の熱交換器１１では、第１の実施形態の作用効果（１）、（２）、（５）と同等の作用効果を奏する。
また、チューブ１２よりも線膨張率が大きく高温となるフィン１３はチューブ１２よりも大きく熱膨張し、フィン１３はチューブ１２以上に変形する。
さらに、フィン１３よりも線膨張率が大きい材料により形成されるケース１４は、フィン１３とケース１４との熱膨張差を小さくすることができる。
従って、フィン１３とケース１４がろう付けされている場合であっても、フィン１３とケース１４とのろう付け箇所Ｃの損傷を防止することができる。

なお、上記の実施形態は、本発明の一実施形態を示すものであり、本発明は、上記の実施形態に限定されるものではなく、下記のように発明の趣旨の範囲内で種々の変更が可能である。

○ 上記の実施形態では、オーステナイト系ステンレス鋼として、ＳＵＳ３０４を用いたが、ＳＵＳ３１６、ＳＵＳ３１６Ｌを用いてもよい。
○ 上記の実施形態では、ケースとフィンとろう付けにより互いに固定する構成としたが、必ずしもケースとフィンを固定しなくてもよい。この場合、フィンの振動防止の対策が別の手段により講じられていることが好ましい。
○ 上記の実施形態では、作動流体として熱交換により相変化する冷媒を用いたが、作動流体は相変化する冷媒に限定されない。作動流体は、例えば、加熱流体と熱交換されても液相を保つ流体を用いてもよい。また、加熱流体は燃焼ガスに限らず、熱交換により作動流体を加熱することができる流体であればよく気体に限らず液体であってもよい。
○ 上記の実施形態では、熱交換器をランキンサイクル回路に用いる熱交換器としたが、本発明の熱交換器はランキンサイクル回路以外の熱交換器として使用することができる。また、上記の実施形態では熱交換器を車載用熱交換器としたが、車載用熱交換器に限定されず、例えば、地上に設置される熱交換器であってもよい。
○ 上記の第１、第２の実施形態では、チューブの材料としてフィライト系ステンレス鋼を用い、フィンの材料としてオーステナイト系ステンレス鋼を用いたが、この材料の組み合わせ以外の組み合わせでもよい。例えば、チューブの材料をマルテンサイト系ステンレス鋼とし、フィン（およびケース）の材料をオーステナイト系ステンレス鋼としてもよい。チューブおよびフィンの材料が少なくともステンレス鋼であって、チューブがフィンよりも線膨張率が小さくなる材料の組み合わせであればよい。

１０ 排気管
１１ 熱交換器
１２ チューブ
１３ フィン
１３Ａ 部位
１４ ケース
１５ 入口管部
１６ 直管部
１７ 内部曲管部
１８ 外部曲管部
１９ 出口管部
２０ 天板
２１ 底板
２２、２３ 側板
２４、２５ 通孔
２６ 立ち上がり部
Ａ、Ｂ１、Ｂ２、Ｂ３、Ｂ４、Ｃ ろう付け箇所

Claims (5)

1. 互い並列に配置される複数の直管部を備え、作動流体を通すチューブと、
   前記複数の直管部が挿入される複数の通孔を備え、前記複数の直管部にろう付けにより支持されるフィンと、を備え、
   前記フィンの周囲の加熱流体と前記作動流体との熱交換を行う熱交換器において、
   前記チューブおよび前記フィンはステンレス鋼により形成され、
   前記チューブを形成するステンレス鋼の線膨張率は、前記フィンを形成するステンレス鋼の線膨張率より小さいことを特徴とする熱交換器。
2. 前記フィンおよび前記チューブを収容するケースを備え、
   前記チューブは、前記ケースの内部を通過するようにろう付けにより前記ケースに支持され、
   前記ケースは、ステンレス鋼に形成されるとともに、
   前記チューブを形成するステンレス鋼の線膨張率は、前記ケースを形成するステンレス鋼の線膨張率より小さいことを特徴とする請求項１記載の熱交換器。
3. 前記ケースおよび前記フィンは同一材料により形成されていることを特徴とする請求項２記載の熱交換器。
4. 前記ケースを形成するステンレス鋼の線膨張率は、前記フィンを形成するステンレス鋼の線膨張率より大きいことを特徴とする請求項２記載の熱交換器。
5. 前記作動流体は、前記加熱流体との熱交換により液相から気相へ相変化する冷媒とすることを特徴とする請求項１〜４のいずれか一項記載の熱交換器。

Images