JP6763787B2 - 熱交換器 - Google Patents

Description

本発明は、熱交換チューブの内部に流される第１熱媒体と、熱交換チューブの外部に流される第２熱媒体とで熱交換を行う熱交換器に関する。

熱交換器に用いられる熱交換チューブには、ケースの内部又は外部にフィンが配置されているものがあり、一部には、フィンが上下２層に配置されているものも存在する。上下２層のフィンを内部に有する熱交換チューブに関する従来技術として、特許文献１に開示される技術がある。

図８を参照する。図８は、特許文献１の図３を再掲して符号を振り直したものであり、上流から下流に向かって見た熱交換チューブの断面が示されている。熱交換チューブ１００は、互いに向かい合わされた略Ｕ字形状を呈する第１ケース１０１及び第２ケース１０２と、これらの第１，第２ケース１０１，１０２内に上下２層に配置された第１フィン１０３，第２フィン１０４と、これらの第１，第２フィン１０３，１０４の間に配置され第１，第２フィン１０３，１０４を上下に隔てるセパレータ１０５と、からなる。第１ケース１０１及び第２ケース１０２の両端は、互いに結合されている。第１フィン１０３は、セパレータ１０５及び第１ケース１０１の底部１０１ａに接合している。第２フィン１０４は、セパレータ１０５及び第２ケース１０２の底部１０２ａに接合している。

ところで、セパレータ１０５の端部１０５ａ，１０５ａは、それぞれ、第１ケースの側壁部１０１ｂ、第２ケースの側壁部１０２ｂと接触している。そのため、高温の熱媒体が熱交換チューブ１００内を流れてセパレータ１０５が熱伸びをしたとき、第１，第２ケースの側壁部１０１ｂ，１０２ｂは、セパレータ１０５から力を受け、第１，第２ケース１０１，１０２には負荷が加わる。セパレータ１０５が熱伸びをしても、第１，第２ケース１０１，１０２への負荷が抑制できることが望まれる。

特開２０１５−１０３７３６号公報

本発明は、熱伸びするセパレータからケースへの負荷を抑制することができる技術の提供を課題とする。

請求項１による発明によれば、熱交換チューブの内部に流される排気ガスと、前記熱交換チューブの外部に流される冷却水とで熱交換を行い、
前記熱交換チューブは、ケースと、このケースの内部に上下２層に配置されたフィンと、これらのフィンの間に配置され前記フィンを上下に隔てるセパレータと、からなり、
前記ケースは、前記排気ガスの流れ方向の上流から下流を見た場合に、共に略Ｕ字形状を呈する第１ケース及び第２ケースが向かい合わせに配置されてなり、
前記第１ケースは、第１ケース底部と、この第１ケース底部の両端から前記第２ケースに向かってそれぞれ立ち上げられた第１ケース側壁部と、からなり、
前記第２ケースは、第２ケース底部と、この第２ケース底部の両端から前記第１ケースに向かってそれぞれ立ち上げられた第２ケース側壁部と、からなり、
前記フィンは、共にコルゲート形の第１フィンと、第２フィンと、からなり、
前記第１フィンは、前記第１ケース底部、及び、前記セパレータの上面に接合され、
前記第２フィンは、前記第２ケース底部、及び、前記セパレータの下面に接合されている熱交換器において、
前記ケースの内部には、一方の面のみが前記第１ケース側壁部及び前記第２ケース側壁部に当接すると共に接合する平板状の接合プレートが配置されており、
前記排気ガスの流れ方向の上流から下流を見た場合に、前記排気ガスの熱により熱伸びした前記セパレータから前記ケースへの負荷を抑制できるように、前記セパレータの端部は、前記接合プレートに対して離間して設けられていることを特徴とする熱交換器が提供される。

請求項２による発明によれば、熱交換チューブの内部に流される排気ガスと、前記熱交換チューブの外部に流される冷却水とで熱交換を行い、
前記熱交換チューブは、ケースと、このケースの内部に上下２層に配置されたフィンと、これらのフィンの間に配置され前記フィンを上下に隔てるセパレータと、からなり、
前記ケースは、前記排気ガスの流れ方向の上流から下流を見た場合に、共に略Ｕ字形状を呈する第１ケース及び第２ケースが向かい合わせに配置されてなり、
前記第１ケースは、第１ケース底部と、この第１ケース底部の両端から前記第２ケースに向かってそれぞれ立ち上げられた第１ケース側壁部と、からなり、
前記第２ケースは、第２ケース底部と、この第２ケース底部の両端から前記第１ケースに向かってそれぞれ立ち上げられた第２ケース側壁部と、からなり、
前記フィンは、共にコルゲート形の第１フィンと、第２フィンと、からなり、
前記第１フィンは、前記第１ケース底部、及び、前記セパレータの上面に接合され、
前記第２フィンは、前記第２ケース底部、及び、前記セパレータの下面に接合されている熱交換器において、
前記排気ガスの流れ方向の上流から下流を見た場合に、前記排気ガスの熱により熱伸びした前記セパレータから前記ケースへの負荷を抑制できるように、前記セパレータは、複数の板材によって構成され、これらの複数の板材がそれぞれ離間して配置されており、
前記ケースの内部には、前記第１ケース側壁部及び前記第２ケース側壁部に当接すると共に接合する接合プレートが配置されており、
前記接合プレートは、前記セパレータと一体の部材であることを特徴とする熱交換器が提供される。

請求項１及び請求項２に係る発明では、第１熱媒体の流れ方向の上流から下流に向かって熱交換チューブを見た場合に、セパレータの端部は、ケースに対して離間して設けられ、又は、第１熱媒体の流れ方向の上流から下流を見た場合に、セパレータは、複数の板材によって構成され、これらの複数の板材がそれぞれ離間して配置されている。即ち、セパレータ、セパレータを構成する板材又はケースは、少なくともいずれかが互いに離間している。そのため、熱交換チューブ内に高温の熱媒体が流れて、セパレータ又はセパレータを構成する板材が熱伸びしても、セパレータ、板材、ケースは互いに接触しない。結果、セパレータからケースへ負荷を抑制できる。

加えて、ケースの内部には、第１ケース側壁部及び第２ケース側壁部に当接すると共に接合する接合プレートが配置されている。即ち、第１，第２ケースの側壁部の外側には、これらの第１，第２ケースを接合するための部位や部材が設けられていない。そのため、熱交換チューブを小型化することができる。

請求項２に係る発明では、第１ケース側壁部及び第２ケース側壁部を接合する接合プレートは、セパレータと一体の部材である。この場合、接合プレートは、セパレータに支持されるともいえる。そのため、フィンが取り付けられたセパレータを、ケースに配置した場合、第１，第２ケースの側壁部と接合する位置に接合プレートを配置することができる。結果、接合プレート及び第１，第２ケースの接合作業が容易となる。

本発明の実施例１による熱交換器をＥＧＲクーラに採用し、ディーゼルエンジンに接続した際の模式図である。 図１に示されたＥＧＲクーラの断面図である。 図１の３−３線断面図である。 図３に示された熱交換チューブを上流側から見た図である。 図４に示された熱交換チューブのケースの接合方法について説明する図である。 本発明の実施例２による熱交換チューブを上流側から見た図である。 本発明の実施例３による熱交換チューブを上流側から見た図である。 従来技術の熱交換チューブを説明する図である。

本発明の実施の形態を添付図に基づいて以下に説明する。

＜実施例１＞
図１を参照する。ＥＧＲ（Exhaust Gas Recirculation）クーラ１０は、車両用のディーゼルエンジン２０の排気口２１と吸気口２２との間に接続される排気ガス再循環装置である。

排気口２１から排出された排気ガス（第１熱媒体）の一部はＥＧＲクーラ１０に導入される。導入された排気ガスは、ＥＧＲクーラ１０内において冷却水（第２熱媒体）により冷却され、排出される。冷却された排気ガスは、空気と共にディーゼルエンジン２０内に再び導入される。ディーゼルエンジン２０内に導入される酸素濃度は低下するため、ＮＯｘ（窒素酸化物）の生成量は抑制される。

なお、ＥＧＲクーラ１０が取付けられるのは、ディーゼルエンジン２０に限られず、ガソリンエンジンにも取り付け可能であり、これらのものに用途は限定されない。

図２を参照する。ＥＧＲクーラ１０は、排気ガスが導入される排気ガス導入部材１１と、この排気ガス導入部材１１に接続されている上流側エンドプレート１２と、この上流側エンドプレート１２に接続されているコアケース１３と、このコアケース１３の下流側の端部に接続されている下流側エンドプレート１４と、この下流側エンドプレート１４に接続されている排気ガス排出部材１５と、コアケース１３内に積層され両端が上流側エンドプレート１２及び下流側エンドプレート１４によって支持されている熱交換チューブ３０と、からなる。

コアケース１３の上面には、上流側エンドプレート１２近傍において、冷却水導入管１６が差し込まれる冷却水導入口１７が形成されている。同様に、コアケース１３の上面には、下流側エンドプレート１４近傍において、冷却水排出管１８が差し込まれる冷却水排出口１９が形成されている。

排気ガス導入部材１１及び排気ガス排出部材１５には、それぞれ、他の部品に取り付けるための、フランジ１１ａ，１５ａが取り付けられている。

図３を参照する。図３は、排気ガスの流れ方向を基準として上流側から下流側に向かって見た場合の、コアケース１３の断面図である。コアケース１３内には、３つの熱交換チューブ３０，３０，３０が積層されている。コアケース１３は、略Ｕ字状の上部コアケース１３ａと、略Ｕ字状の下部コアケース１３ｂとが、互いの開口側を対向させ、端部を重ね合わされることにより形成される。

図２を併せて参照し、排気ガスと冷却水との熱交換について説明する。排気ガス導入部材１１により導入される排気ガスは、上流側エンドプレート１２を介して、コアケース１３のなかの熱交換チューブ３０の内部のみに流される。排気ガスの熱は熱交換チューブ３０に伝わる。排気ガスは、下流側エンドプレート１４を通じて、排気ガス排出部材１５から排出される。

冷却水導入管１６から導入される冷却水は、冷却水導入口１７を通じて、コアケース１３内に導入される。冷却水は、コアケース１３内において、熱交換チューブ３０の外部に流される。このとき、排気ガスの熱は、熱交換チューブ３０を介して、冷却水に伝わる。温められた冷却水は、冷却水排出口１９を通じて、冷却水排出管１８から排出される。

図４を参照する。熱交換チューブ３０は、ケース３１と、このケース３１の内部に上下２層に配置されたフィン６０と、これらのフィン６０の間に配置されフィン６０を隔てる板状のセパレータ７０と、からなる。

ケース３１は、排気ガスの流れ方向の上流から下流に向かって見た場合に、共に略Ｕ字形状を呈する第１ケース４０及び第２ケース５０が向かい合わせに配置されてなる。第１ケース４０の端部及び第２ケース５０の端部は、対向していると共に、僅かに隙間を有している。

第１ケース４０は、第１ケース底部４１と、この第１ケース底部４１の両端から第２ケース５０に向かってそれぞれ立ち上げられた第１ケース側壁部４２，４２と、からなる。第２ケース５０は、第２ケース底部５１と、この第２ケース底部５１の両端から第１ケース４０に向かってそれぞれ立ち上げられた第２ケース側壁部５２，５２と、からなる。

第１ケース４０と第２ケース５０は同一の形状を呈する。２層に配置されたフィン６０は、共にコルゲート形の第１フィン６１と、第２フィン６２と、からなる。これらの第１フィン６１と第２フィン６２とは、略矩形波の形状を呈する。

第１フィン６１は、第１ケース底部４１、及び、セパレータ７０の上面（一面）に接合されている。第２フィン６２は、第２ケース底部５１、及び、セパレータ７０の下面（他面）に接合されている。

ケース３１の内部には、第１ケース側壁部４２及び第２ケース側壁部５２に当接すると共に接合する接合プレート８０，８０が両端に配置されている。接合プレート８０，８０は、それぞれ、第１ケース側壁部４２に当接する第１当接部８１と、第２ケース側壁部５２に当接する第２当接部８２と、からなる。

第１ケース側壁部４２及び第１当接部８１は、レーザ溶接により貫通接合されている。同様に、第２ケース側壁部５２及び第２当接部８２は、レーザ溶接により貫通接合されている。

図５を参照する。接合プレート８０及び第１，第２ケース側壁部４２，５２について、その他の接合方法を説明する。

図５（ａ）を参照する。図５（ａ）には、図４の場合と比較して、第１ケース側壁部４２の第１先端部４３と、第２ケース側壁部５２の第２先端部５３との隙間が広い場合が示されている。第１当接部８１は、第１ケース側壁部４２に対し、排気ガスの流れ方向に沿って連続的に形成される第１ビード４４により、溶接されている。同様に、第２当接部８２は、第２ケース側壁部５２に対し、排気ガスの流れ方向に沿って連続的に形成される第２ビード５４により、溶接されている。

即ち、第１ビード４４が第１ケース側壁部４２の第１先端部４３に形成され、第２ビード５４が第２ケース側壁部５２の第２先端部５３に形成されることにより、接合プレート８０と、第１ケース側壁部４２及び第２ケース側壁部５２とが接合される。

図５（ｂ）を参照する。第１先端部４３と第２先端部５３との間の隙間を埋めるように、１つのビードのみが形成されてもよい。即ち、ややビード幅の広い第３ビード３３により、接合プレート８０と、第１ケース側壁部４２及び第２ケース側壁部５２とが接合される。

次に本発明の作用及び効果について説明する。

図４を参照する。排気ガスの流れ方向の上流から下流に向かって熱交換チューブ３０を見た場合に、セパレータ７０の端部７０ａ，７０ａは、ケース３１に対して離間して設けられている。そのため、熱交換チューブ３０内に排気ガスが流れて、セパレータ７０が長手方向に熱伸びしても、セパレータ７０及びケース３１は互いに接触しない。結果、セパレータ７０からケース３１への負荷を抑制できる。

加えて、ケース３１の内部には、第１ケース側壁部４２及び第２ケース側壁部５２に当接すると共に接合する接合プレート８０が配置されている。即ち、第１，第２ケース側壁部４２，５２の外側には、第１，第２ケース４０，５０を接合するための部位や部材が設けられていない。そのため、熱交換チューブ３０を小型化することができる。

＜実施例２＞
図６を参照する。次に、本発明の実施例２について説明する。実施例２では、フィン６１Ａ，６２Ａ、セパレータ７０Ａ、接合プレート８０Ａが異なる。その他の構成については、実施例１の熱交換チューブ３０と同様であり、符号を流用すると共に説明を省略する。

排気ガスの流れ方向の上流から下流を見た場合に、熱交換チューブ３０Ａのセパレータ７０Ａは、第１セパレータ７１（板材７１）及び第２セパレータ７２（板材７２）から構成され、これらの第１，第２セパレータ７１，７２がそれぞれ離間して配置されている。

熱交換チューブ３０Ａは、長手方向の中央（第１セパレータ７１及び第２セパレータ７２の間）を基準として、対称の構成である。即ち、第１セパレータ７１側の構成及び第２セパレータ７２側の構成は、対称であり、第１セパレータ７１側について説明した構成については、第２セパレータ７２側の構成に適宜読み替えることができる。

第１セパレータ７１の両面には、第１，第２フィン６１Ａ，６２Ａが配置されている。第１フィン６１Ａは、第１ケース底部４１、及び、第１セパレータ７１の上面（一面）に接合されている。第２フィン６２Ａは、第２ケース底部５１、及び、第１セパレータ７１の下面（他面）に接合されている。

第１セパレータ７１は、接続部３５を介して、接合プレート８０Ａの第２当接部８２Ａの下端（端部８３Ａ）に接続している。接続部３５は、排気ガスの流れ方向の上流から下流を見た場合に、略Ｊ字状を呈する。第１セパレータ７１、接続部３５及び接合プレート８０Ａは、曲げ加工により一体的に形成されている。

なお、第１セパレータ７１は、接続部３５を介して、接合プレート８０Ａの第１当接部８１Ａの上端（端部８３Ａ）に接続してもよい。

セパレータ７０Ａは、互いに離間した第１，第２セパレータ７１，７２により構成される。そのため、熱交換チューブ３０Ａ内に排気ガスが流れて第１，第２セパレータ７１，７２が熱伸びをしても、第１，第２セパレータ７１，７２は互いに接触しない。結果、第１，第２セパレータ７１，７２からケース３１へ負荷を抑制できる。さらに、熱交換チューブ３０Ａによれば、上記の構成により、以下の特有の効果を得ることができる。

第１ケース側壁部４２及び第２ケース側壁部５２を接合する接合プレート８０Ａは、接続部３５を介して、第１セパレータ７１に接続されている。この場合、接合プレート８０Ａは、第１セパレータ７１に支持されているともいえる。そのため、第１，第２フィン６１Ａ，６２Ａが取り付けられた第１セパレータ７１を、第１，第２ケース４０，５０に配置した場合、第１，第２ケース側壁部４２，５２と接合する位置に接合プレート８０Ａを配置することができる。結果、接合プレート８０Ａ及び第１，第２ケース４０，５０の接合作業が容易となる。

加えて、接続部３５は、略Ｊ字状を呈し、第１当接部８１の下端（８３Ａ）と接続している。即ち、第１セパレータ７１の長手方向で、第１セパレータ７１と、接合プレート８０Ａの端部８３Ａ，８３Ａは互いにオフセットしている。仮に、第１セパレータの長手方向の延長線状に直線上の接続部が設けられた場合、第１セパレータが熱伸びをすると、接合プレートの端部に負荷が集中する。一方、接続部３５が略Ｊ字状を呈しており、第１セパレータ７１と端部８３Ａがオフセットしていれば、接続部３５は撓みやすくなる。そのため、第１セパレータ７１熱伸びによる負荷は、分散して第１，第２ケース側壁部４２，５２に伝わる。

＜実施例３＞
図７を参照する。次に、本発明の実施例３について説明する。実施例３では、セパレータ７０Ｂ，接合プレート８０が実施例２と異なる。その他の構成については、実施例２の熱交換チューブ３０Ａと同様であり、符号を流用すると共に説明を省略する。

セパレータ７０Ｂは、第１セパレータ７１Ｂ及び第２セパレータ７２から構成され、これらの第１セパレータ７１Ｂ及び第２セパレータ７２は、それぞれ離間して配置されている。加えて、第１セパレータ７１Ｂは、接合プレート８０と接続していない。熱交換チューブ３０Ｂにおいても、本発明所定の効果を得ることができる。さらに、熱交換チューブ３０Ｂによれば、上記の構成により、以下の特有の効果を得ることができる。

第１セパレータ７１Ｂは、第２セパレータ７２と離間し、かつ、接合プレート８０と離間している。そのため、第１セパレータ７１Ｂの熱伸びが大きい場合であっても、第１セパレータ７１Ｂからケース３１への負荷を抑制することできる。

本発明の熱交換器は、実施の形態では四輪車に適用したが、車両全般に適用可能であり、さらに車両以外の用途に用いることも差し支えない。

さらに、本発明における熱交換チューブが搭載されている熱交換器は、実施の形態ではＥＧＲクーラに適用したが、排熱回収装置やコージェネレーションシステム、熱電発電装置への適用も可能である。さらに、これらのように、排気ガスの熱と媒体との間で熱交換を行うもの以外の物にも適用が可能である。

本発明の熱交換器は、四輪車に好適である。

１０…ＥＧＲクーラ
３０…熱交換チューブ
３１…ケース
３３…第３ビード
３５…接続部
４０…第１ケース
４１…第１ケース底部
４２…第１ケース側壁部
４３…第１先端部
４４…第１ビード
５０…第２ケース
５１…第２ケース底部
５２…第２ケース側壁部
５３…第２先端部
５４…第２ビード
６０…フィン
６１…第１フィン
６２…第２フィン
７０…セパレータ（７０ａ…端部）
７１…第１セパレータ
７２…第２セパレータ
８０…接合プレート
８１…第１当接部
８２…第２当接部

Claims (2)

1. 熱交換チューブの内部に流される排気ガスと、前記熱交換チューブの外部に流される冷却水とで熱交換を行い、
   前記熱交換チューブは、ケースと、このケースの内部に上下２層に配置されたフィンと、これらのフィンの間に配置され前記フィンを上下に隔てるセパレータと、からなり、
   前記ケースは、前記排気ガスの流れ方向の上流から下流を見た場合に、共に略Ｕ字形状を呈する第１ケース及び第２ケースが向かい合わせに配置されてなり、
   前記第１ケースは、第１ケース底部と、この第１ケース底部の両端から前記第２ケースに向かってそれぞれ立ち上げられた第１ケース側壁部と、からなり、
   前記第２ケースは、第２ケース底部と、この第２ケース底部の両端から前記第１ケースに向かってそれぞれ立ち上げられた第２ケース側壁部と、からなり、
   前記フィンは、共にコルゲート形の第１フィンと、第２フィンと、からなり、
   前記第１フィンは、前記第１ケース底部、及び、前記セパレータの上面に接合され、
   前記第２フィンは、前記第２ケース底部、及び、前記セパレータの下面に接合されている熱交換器において、
   前記ケースの内部には、一方の面のみが前記第１ケース側壁部及び前記第２ケース側壁部に当接すると共に接合する平板状の接合プレートが配置されており、
   前記排気ガスの流れ方向の上流から下流を見た場合に、前記排気ガスの熱により熱伸びした前記セパレータから前記ケースへの負荷を抑制できるように、前記セパレータの端部は、前記接合プレートに対して離間して設けられていることを特徴とする熱交換器。
   
2. 熱交換チューブの内部に流される排気ガスと、前記熱交換チューブの外部に流される冷却水とで熱交換を行い、
   前記熱交換チューブは、ケースと、このケースの内部に上下２層に配置されたフィンと、これらのフィンの間に配置され前記フィンを上下に隔てるセパレータと、からなり、
   前記ケースは、前記排気ガスの流れ方向の上流から下流を見た場合に、共に略Ｕ字形状を呈する第１ケース及び第２ケースが向かい合わせに配置されてなり、
   前記第１ケースは、第１ケース底部と、この第１ケース底部の両端から前記第２ケースに向かってそれぞれ立ち上げられた第１ケース側壁部と、からなり、
   前記第２ケースは、第２ケース底部と、この第２ケース底部の両端から前記第１ケースに向かってそれぞれ立ち上げられた第２ケース側壁部と、からなり、
   前記フィンは、共にコルゲート形の第１フィンと、第２フィンと、からなり、
   前記第１フィンは、前記第１ケース底部、及び、前記セパレータの上面に接合され、
   前記第２フィンは、前記第２ケース底部、及び、前記セパレータの下面に接合されている熱交換器において、
   前記排気ガスの流れ方向の上流から下流を見た場合に、前記排気ガスの熱により熱伸びした前記セパレータから前記ケースへの負荷を抑制できるように、前記セパレータは、複数の板材によって構成され、これらの複数の板材がそれぞれ離間して配置されており、
   前記ケースの内部には、前記第１ケース側壁部及び前記第２ケース側壁部に当接すると共に接合する接合プレートが配置されており、
   前記接合プレートは、前記セパレータと一体の部材であることを特徴とする熱交換器。

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