特許 6475006 熱交換器

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】6475006

(24)【登録日】2019年2月8日

(45)【発行日】2019年2月27日

(54)【発明の名称】熱交換器

(51)【国際特許分類】

   F28D 7/10 20060101AFI20190218BHJP

   F01N 5/02 20060101ALI20190218BHJP

【ＦＩ】

   F28D7/10 A

   F01N5/02 B

   F01N5/02 G

【請求項の数】2

【全頁数】9

(21)【出願番号】特願2014-253378(P2014-253378)

(22)【出願日】2014年12月15日

(65)【公開番号】特開2016-114301(P2016-114301A)

(43)【公開日】2016年6月23日

【審査請求日】2017年11月10日

(73)【特許権者】

【識別番号】391002498

【氏名又は名称】フタバ産業株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】110000578

【氏名又は名称】名古屋国際特許業務法人

(72)【発明者】

【氏名】大上 裕久

(72)【発明者】

【氏名】石川 裕美

【審査官】 安島 智也

(56)【参考文献】

【文献】 特開２００２−２２８２９９（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２００９−１１４９９５（ＪＰ，Ａ）

【文献】 国際公開第２０１４／０１４０８０（ＷＯ，Ａ１）

【文献】 特開２０１３−１３０１５９（ＪＰ，Ａ）

【文献】 米国特許出願公開第２０１２／０１８０４５２（ＵＳ，Ａ１）

(58)【調査した分野】（Int.Cl.，ＤＢ名）

Ｆ２８Ｄ ７／１０

Ｆ０１Ｎ ５／０２

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

第１の流体と、第２の流体との間で熱交換を行う熱交換器であって、
前記第１の流体が流動する流動経路を有し、隣接して配置される複数のプレートを備え、
前記プレートのそれぞれは、
前記プレートの内部において前記第１の流体が流動する流動経路であるリング状の一般流路を有する本体部と、
当該プレートから他のプレートへの流動経路である断面が円形の連通流路を有する連通部とを備え、
前記連通部は、
前記連通流路における径が、前記本体部の一般流路における前記連通流路に対面しない部分の径方向の幅よりも大きくなるように形成される
ことを特徴とする熱交換器。

【請求項2】

前記連通部において、前記一般流路の中心に最も近い端部を内側端部とし、該中心に最も遠い端部を外側端部とし、
前記連通部は、
前記連通部における前記内側端部及び前記外側端部の少なくとも一方が、前記一般流路の内周及び外周の少なくとも一方よりも外側に位置する
ことを特徴とする請求項１に記載の熱交換器。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、熱交換器に関する。

【背景技術】

【0002】

第１の流体と第２の流体との間で熱交換する熱交換器であって、第１の流体が流動する流動経路を有した複数のプレートを積層したプレート積層型の熱交換器が知られている（特許文献１参照）。特許文献１に記載された熱交換器におけるプレートは、プレート内での第１の流体の流動経路である一般流路を有した円筒状に形成されている。さらに、文献１に記載された熱交換器は、１つのプレートから他のプレートへの第１の流体の流動経路として、連通部を備えている。

【0003】

特許文献１に記載された熱交換器おいては、連通部における流動経路の代表長さは、一般流路の代表長さよりも短い長さに形成されている。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0004】

【特許文献1】国際公開ＷＯ２０１２／０９５９４７

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0005】

このため、特許文献１に記載された熱交換器においては、一般流路からの第１の流体が、連通部における流動経路にて衝突し、連通部付近での第１の流体の流れが淀む可能性があった。そして、熱交換器において、淀みが発生すると、第１の流体の温度が上昇して、第１の流体が局所的に沸騰してしまう可能性があった。

【0006】

そこで、本発明は、熱交換器において、連通部付近での第１の流体の淀みの発生を低減することを目的とする。

【課題を解決するための手段】

【0007】

本発明の一側面は、第１の流体と第２の流体との間で熱交換を行う熱交換器に関する。
この熱交換器は、第１の流体が流動する流動経路を有し、隣接して配置される複数のプレートを備える。

【0008】

そして、プレートのそれぞれは、本体部と、連通部とを備える。本体部は、プレートの内部において第１の流体が流動する流動経路である一般流路を有する。連通部は、当該プレートから他のプレートへの流動経路である連通流路を有する。

【0009】

さらに、本発明の一側面においては、プレートそれぞれの連通部の連通流路における代表長さが、本体部の一般流路における連通流路への接続部分の代表長さよりも長くなるように形成されている。

【0010】

このような熱交換器によれば、一般流路から連通流路への第１の流体の流動をスムーズなものとすることができ、連通部の接続部分において淀みが発生することを低減できる。このため、本発明の一側面における熱交換器によれば、第１の流体の温度が上昇することを低減でき、第１の流体が局所的に沸騰することを低減できる。

【0011】

また、本発明の一側面において、連通部の代表長さを、連通部における一方の端部から他方の端部までの距離としてもよい。さらに、本体部の一般流路における連通流路への接続部分の代表長さを、連通部の一方の端部から他方の端部までに沿った方向における接続部分の一方の端部から他方の端部までの距離としてもよい。

【0012】

このような場合、本発明の一側面における連通部は、連通部における一方の端部及び他方の端部のうちの少なくとも一方が、接続部分の一方の端部及び他方の端部のうちの少なくとも一方よりも外側に位置するように形成されていてもよい。

【0013】

すなわち、本発明の一側面における熱交換器では、連通部における連通流路が接続部分よりも幅広に形成され、連通流路の端部が接続部分の端部よりも外側に位置していてもよい。

【0014】

このような熱交換器によれば、一般流路から連通流路への第１の流体の流動をよりスムーズなものとすることができ、連通部の接続部分において、淀みが発生することをより確実に低減できる。

【図面の簡単な説明】

【0015】

【図1】実施形態における排気熱回収装置の外観を示す斜視図である。

【図2】閉弁した状態での排気熱回収装置の断面図であり、図１におけるＩＩ−ＩＩ断面図である。

【図3】実施形態における熱交換器の概略構成を示す斜視図である。

【発明を実施するための形態】

【0016】

以下に本発明における一例としての実施形態を図面と共に説明する。
＜排気熱回収装置＞
図１に示す排気熱回収装置１は、内燃機関１４０を有した移動体に搭載される。この排気熱回収装置１は、内燃機関１４０からの排気１４２を高温流体とし、内燃機関１４０の冷却液１４４を低温流体として熱交換することにより、排気１４２から熱を回収する。本実施形態における冷却液１４４は、冷却水であってもよいし、油液であってもよい。

【0017】

なお、本実施形態における排気１４２が、特許請求の範囲に記載された第２の流体の一例であり、本実施形態における冷却液１４４が、特許請求の範囲に記載された第１の流体の一例である。

【0018】

本実施形態の排気熱回収装置１は、排気部２と、シェル部材４と、熱交換部６（図２参照）と、流入部８（図２参照）と、弁１０とを備えている。
排気部２は、内燃機関１４０からの排気１４２を下流側へと導く経路を形成する。シェル部材４は、排気部２の外側を覆う部材である。熱交換部６は、排気部２とシェル部材４との間に配置された熱交換器３０（図２参照）を有し、高温流体としての排気１４２と低温流体としての冷却液１４４との間で熱交換する。

【0019】

流入部８は、排気部２から熱交換部６へと排気１４２が流入する部位である。弁１０は、排気１４２の流路を開放閉塞する弁であり、排気部２における排気１４２の流路に沿って流入部８よりも下流側に配置されている。

【0020】

図２に示すように、排気部２は、排気管１２を備えている。排気管１２は、両端が開口した円筒状の部材である。排気管１２の上流側端部は、内燃機関１４０からの排気１４２が流入するエキゾーストパイプやエキゾーストマニホールドなどに接続されている。

【0021】

シェル部材４は、排気管１４と、外殻部材２０と、蓋部材２２と、保持部材２４とを備えている。
排気管１４は、全体として円筒状の部材であり、一方の端部である上流端１６が、排気管１２の外径よりも大きな内径の開口を有している。その排気管１４の上流端１６における内部空間には、排気管１２における上流端とは反対側の端部である排気下流端１８が、シェル部材４と非接触な状態で配置される。

【0022】

外殻部材２０は、排気管１２の直径よりも大きな内径の円筒状の部材である。外殻部材２０の下流側の端部は、排気管１４の上流端１６に接続されている。
蓋部材２２は、排気管１２における排気１４２の流路に沿った外殻部材２０の上流側の開口を閉塞する。

【0023】

つまり、外殻部材２０と蓋部材２２と排気管１２とにより、外殻部材２０と蓋部材２２と排気管１２とに囲まれた、環状の空間である熱交換室２８が形成される。
＜熱交換器の構造＞
熱交換室２８に配置される熱交換器３０は、複数のプレート３２−１〜３２−Ｎと、流入管３４と、流出管３６とを備えている。すなわち、熱交換器３０は、いわゆるプレート積層型の熱交換器である。なお、ここでの符号Ｎは、プレート３２の枚数を表す識別子であり、２以上の正の整数である。

【0024】

流入管３４は、熱交換器３０の外部からの冷却液１４４を１つのプレート３２に流入する管である。流出管３６は、１つのプレート３２から熱交換器３０の外部へと冷却液１４４を流出する管である。

【0025】

各プレート３２は、冷却液１４４の流動経路を形成する部材であり、図３に示すように、本体部３８と、第１連通部４０と、第２連通部４１とを備える。本体部３８は、プレート３２の内部において第１の流体が流動する一般流路を形成する。第１連通部４０及び第２連通部４１は、当該プレート３２から、当該プレート３２に隣接する他のプレート３２への連通流路を形成する。

【0026】

具体的に、各プレート３２は、第１プレート板４２と、第２プレート板６２とを備えている。
第１プレート板４２は、全体として、中心に円形の開口を有した円板状に形成された部材である。この第１プレート板４２の周縁には、同一方向に突出した壁部が形成されている。以下、第１プレート板４２においては、壁部が突出する面を内表面とし、壁部が突出する面とは反対側の面を外表面と称す。

【0027】

第２プレート板６２は、中心に円形の開口を有した円板状に形成された部材である。この第２プレート板６２の周縁には、同一方向に突出した壁部が形成されている。以下、第２プレート板６２においては、壁部が突出する面を内表面とし、壁部が突出する面とは反対側の面を外表面と称す。

【0028】

各プレート３２は、第１プレート板４２の壁部の内面に、第２プレート板６２の壁部の外面を係合させることで形成される。各プレート３２は、第１プレート板４２と第２プレート板６２との内表面同士が非当接状態となるように形成される。

【0029】

これにより、プレート３２の各々には、当該プレート３２を構成する第１プレート板４２の内表面と第２プレート板６２の内表面との間に隙間が形成される。その隙間が冷却液１４４の流動経路、即ち、一般流路として機能する。そして、各プレート３２は、互いに隣接するプレート３２同士の外表面が隙間８２を有する非当接状態となるように配置される。

【0030】

次に、第１プレート板４２における第１連通部位４６は、第１プレート板４２に穿設された第１連通孔５４の周縁から、壁部とは反対の方向へと立設する部位である。ここで第１連通孔５４は、一般流路の代表長さＤよりも長い直径の円形の開口である。そして、第１連通孔５４は、第１プレート板４２の径方向に沿った外側の周縁が、一般流路（即ち、第１本体部位４４）の径方向に沿った外側の端部よりも外側に位置するように形成されている。

【0031】

第２連通部位４８は、第１プレート板４２に穿設された第２連通孔５６の周縁から、壁部とは反対の方向へと立設する部位である。ここで第２連通孔５６は、一般流路の代表長さＤよりも長い直径ＤＤの円形の開口である。ここで言う一般流路の代表長さＤとは、一般流路における連通流路への接続部分の代表長さであり、プレート３２の径方向に沿った一方の壁部から他方の壁部までの距離である。

【0032】

そして、第２連通孔５６は、第１プレート板４２の径方向に沿った外側の周縁が、一般流路（即ち、第１本体部位４４）の径方向に沿った外側の端部よりも外側に位置するように形成されている。

【0033】

また、第２プレート板６２における第３連通部位６６は、第２プレート板６２に穿設された第３連通孔７４の周縁から、壁部とは反対の方向へと立設する部位である。ここで第３連通孔７４は、一般流路の代表長さＤよりも長い直径の円形の開口である。そして、第３連通孔７４は、第２プレート板６２の径方向に沿った外側の周縁が、一般流路（即ち、第２本体部位６４）の径方向に沿った外側の端部よりも外側に位置するように形成されている。

【0034】

第４連通部位６８は、第２プレート板６２に形成された第４連通孔７６の周縁から、壁部とは反対の方向へと立設する部位である。ここで第４連通孔７６は、一般流路の代表長さＤよりも長い直径の円形の開口である。そして、第４連通孔７６は、第２プレート板６２の径方向に沿った外側の周縁が、一般流路（即ち、第２本体部位６４）の径方向に沿った外側の端部よりも外側に位置するように形成されている。

【0035】

そして、第２プレート板６２に形成された第３連通部位６６と、その第２プレート板６２の外表面に対向する外表面を有した第１プレート板４２に形成された第１連通部位４６とが接合されることで、第２連通部４１が形成される。この第２連通部４１は、流入管３４からの冷却液１４４を、第１プレート板４２を有するプレート３２の内部へと流動させる流路を形成する。すなわち、第１プレート板４２に形成された第１連通孔５４は、そのプレート３２への冷却液１４４の流入口として機能する。

【0036】

また、第１プレート板４２に形成された第２連通部位４８と、その第１プレート板４２の外表面に対向する外表面を有した第２プレート板６２に形成された第４連通部位６８とが接合されることで、第１連通部４０が形成される。この第１連通部４０は、その第１プレート板４２を有するプレート３２の内部からの冷却液１４４を、流出管３６へと流動させる連通流路を形成する。すなわち、第１プレート板４２に形成された第２連通孔５６は、そのプレート３２からの冷却液１４４の流出口として機能する。

【0037】

さらに、熱交換器３０は、各プレート３２の径方向に沿った内側の周縁と排気管１２の外表面との間に隙間８０が形成されるように配置される。熱交換器３０は、各プレート３２の径方向に沿った外側の周縁と外殻部材２０の内表面との間に隙間８４が形成されるように配置される。

【0038】

これにより、本実施形態の熱交換器３０においては、隙間８０，隙間８２，隙間８４を排気１４２が流れる。この排気１４２の流動方向は、熱交換器３０の径方向に沿った方向となる。

【0039】

さらに、熱交換器３０では、隙間８０，隙間８２，隙間８４を流れる排気１４２を高温流体とし、各プレート３２内を流動する冷却液１４４を低温流体として、熱交換が行われる。すなわち、熱交換器３０が配置された熱交換室２８が、熱交換部６として機能する。

【0040】

保持部材２４は、熱交換室２８に配置された熱交換器３０を保持する。
導入部材８８は、排気管１２の外径よりも径の大きい円筒状の部材であり、一方の端部が保持部材２４に接続されている。

【0041】

導入部材８８において、保持部材２４に接続された側とは反対側の端部は、拡径するディフューザ状に形成されている。
そして、導入部材８８は、排気管１２の排気下流端１８との間に周方向に渡った開口が形成されるように配置される。この開口は、排気部２から熱交換部６へと排気１４２が流入する流入口として機能する。

【0042】

弁１０は、少なくとも、弁体９４と、弁座９６とを備え、弁体９４が弁座９６と接触することで、排気部２（導入部材８８）を閉塞する。
なお、本実施形態においては、導入部材８８におけるディフューザ状の端部が、弁座９６として機能する。ただし、本発明における弁座９６は、これに限るものではなく、専用に設けられていても良い。

【0043】

弁座９６には、メッシュ状に形成されたメッシュ部材１００が取り付けられている。
なお、本実施形態における弁１０は、内燃機関１４０の冷却液１４４の液温が、予め規定された規定温度よりも高い場合に開放される。一方、弁１０は、内燃機関１４０の冷却液１４４の液温が規定温度よりも低い場合に閉塞される。
＜実施形態の効果＞
以上説明したように、熱交換器３０においては、第２連通孔５６が、一般流路の代表長さＤよりも長い直径ＤＤの円形の開口として形成されている。このため、第１連通部４０における代表長さを直径ＤＤとした場合、その第１連通部４０の代表長さは、本体部３８の一般流路における連通流路への接続部分の代表長さＤよりも長くなる。

【0044】

このような熱交換器３０によれば、一般流路から連通流路への冷却液１４４の流動をスムーズなものとすることができ、第１連通部４０及び第２連通部４１と本体部３８との接続部分において淀みが発生することを低減できる。これにより、熱交換器３０によれば、冷却液１４４の温度が上昇することを低減でき、冷却液１４４が局所的に沸騰してしまうことを低減できる。

【0045】

特に、熱交換器３０では、第２連通孔５６は、プレート３２の径方向に沿った外側の周縁が、一般流路（即ち、本体部３８）の径方向に沿った外側の端部よりも外側に位置するように形成されている。

【0046】

したがって、熱交換器３０によれば、一般流路から連通流路への冷却液１４４の流動をよりスムーズなものとすることができ、第２連通部４１の接続部分において、淀みが発生することをより確実に低減できる。
［その他の実施形態］
以上、本発明の実施形態について説明したが、本発明は上記実施形態に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲において、様々な態様にて実施することが可能である。

【0047】

例えば、上記実施形態においては、熱交換器３０のプレート３２の形状を円板状としていたが、本発明の熱交換器におけるプレートの形状は、円板状に限るものではなく、矩形状であっても良いし、その他の形状であっても良い。

【0048】

また、本発明の熱交換器においては、第１連通孔５４，及び第２連通孔５６の各々は、プレート３２の径方向に沿った軸方向中心の周縁が、一般流路（即ち、本体部３８）の径方向に沿った軸方向中心側の端部よりも内側に位置するように形成されていてもよい。さらに、本発明の熱交換器においては、第３連通孔７４，及び第４連通孔７６の各々は、プレート３２の径方向に沿った軸方向中心の周縁が、一般流路（即ち、本体部３８）の径方向に沿った軸方向中心側の端部よりも内側に位置するように形成されていてもよい。

【0049】

すなわち、本発明の熱交換器においては、連通部における一方の端部及び他方の端部の少なくとも一方が、一般流路（即ち、本体部３８）における接続部分の一方の端部及び他方の端部の少なくとも一方よりも外側に位置するように形成されていればよい。さらに、ここで言う「連通部における一方の端部及び他方の端部」とは、連通孔５４，５６，７４，７６の周縁に限らず、連通部４０，４１における径方向に沿った一方の壁部、及び他方の壁部であってもよい。

【0050】

なお、上記実施形態においては、排気下流端１８と導入部材８８との間の開口を、排気管１２から熱交換部６への排気１４２の流入口として形成していたが、排気管１２から熱交換部６への排気１４２の流入口は、排気管１２自体に孔を穿設することで形成してもよい。

【0051】

また、上記実施形態では、熱交換器３０の適用対象を排気熱回収装置１としていたが、熱交換器３０の適用対象は、排気熱回収装置１に限るものではない。
なお、上記実施形態の構成の一部を省略した態様も本発明の実施形態である。また、上記実施形態と変形例とを適宜組み合わせて構成される態様も本発明の実施形態である。また、特許請求の範囲に記載した文言によって特定される発明の本質を逸脱しない限度において考え得るあらゆる態様も本発明の実施形態である。

【符号の説明】

【0052】

１…排気熱回収装置 ２…排気部 ４…シェル部材 ６…熱交換部 ８…流入部 １０…弁 １２…排気管 １４…排気管 １６…上流端 １８…排気下流端 ２０…外殻部材 ２２…蓋部材 ２４…保持部材 ２８…熱交換室 ３０…熱交換器 ３２…プレート ３４…流入管 ３６…流出管 ３８…本体部 ４０…第１連通部 ４１…第２連通部 ４２…第１プレート板 ４６…第１連通部位 ４８…第２連通部位 ５４…第１連通孔 ５６…第２連通孔 ６２…第２プレート板 ６６…第３連通部位 ６８…第４連通部位 ７４…第３連通孔 ７６…第４連通孔 ８０…隙間 ８２…隙間 ８４…隙間 ８８…導入部材 ９４…弁体 ９６…弁座 １００…メッシュ部材 １４０…内燃機関 １４２…排気（第２の流体） １４４…冷却液（第１の流体）

【図1】

【図2】

【図3】