特許 6991767 多管式の排熱回収熱交換器

(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】

(24)【登録日】2021-12-10

(45)【発行日】2022-01-13

(54)【発明の名称】多管式の排熱回収熱交換器

(51)【国際特許分類】

   F28F 3/04 20060101AFI20220105BHJP

   F28D 9/00 20060101ALI20220105BHJP

【ＦＩ】

F28F3/04 A

F28D9/00

【請求項の数】 4

(21)【出願番号】P 2017144768

(22)【出願日】2017-07-26

(65)【公開番号】P2019027624

(43)【公開日】2019-02-21

【審査請求日】2020-06-29

(73)【特許権者】

【識別番号】000113942

【氏名又は名称】マルヤス工業株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】100078721

【弁理士】

【氏名又は名称】石田 喜樹

(74)【代理人】

【識別番号】100121142

【弁理士】

【氏名又は名称】上田 恭一

(72)【発明者】

【氏名】鈴木 徹也

(72)【発明者】

【氏名】澤村 晶寛

(72)【発明者】

【氏名】榊原 康文

【審査官】古川 峻弘

(56)【参考文献】

【文献】特開２０１５－１９４３２４（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２０１４－１８１８５５（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２００９－０５２４９５（ＪＰ，Ａ）

(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)

Ｆ２８Ｆ ３／０４

Ｆ２８Ｄ ９／００－９／０２

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

長尺で半筒状に形成した２つのケースを放熱フィンを介して組み付けてなり、偏平な中空角柱状に形成される伝熱管と、その伝熱管を複数平行に積層させた状態で収納する外管とを備え、
前記伝熱管内を流れる流体と、前記伝熱管と前記外管との隙間及び隣接する前記伝熱管同士の間を流れる冷却液との間で熱交換を行わせる多管式の排熱回収熱交換器であって、
前記ケース表面の短手方向に、根元となる一方の端から先端となる他方にかけて幅がテーパ状に変化する先細り形状の突条を、互い違いに突設して前記突条間に冷却液の流路を蛇行状に形成し、
下流側の前記流路が、上流側の前記流路よりも幅が狭く形成されることを特徴とする多管式の排熱回収熱交換器。

【請求項2】

前記突条の先細り形状の拡がり角度が、３°以上５°以下であることを特徴とする請求項１に記載の多管式の排熱回収熱交換器。

【請求項3】

前記突条には、平坦な頂上部と、その頂上部から裾拡がり状に連設される傾斜側面と、が形成され、
隣接する前記伝熱管の前記頂上部同士が当接して、隣接する前記傾斜側面同士が繋がることで流路外縁部を形成し、
前記流路外縁部を形成する前記傾斜側面間に形成される角度が鈍角であることを特徴とする請求項１又は２に記載の多管式の排熱回収熱交換器。

【請求項4】

前記角度が、９０°以上１５０°以下であることを特徴とする請求項３に記載の多管式の排熱回収熱交換器。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、排気ガスから熱を回収する多管式の排熱回収熱交換器に関するものである。

【背景技術】

【0002】

従来より、排気ガス（流体）から熱を回収する多管式の排熱回収熱交換器としては、熱交換器内に冷却水（冷却液）を流入させ、排気ガスの熱を吸収して温水として排出することにより、排気ガスを冷却させるものが知られている（特許文献１）。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0003】

【文献】特開２０１０－２４３１２５号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0004】

しかしながら、このような多管式の排熱回収熱交換器では、排気ガスの熱を吸収する冷却液が冷却水流通路内に停留すると、この冷却液がその位置で沸騰して気泡が発生し、気泡の周囲にスケールやすきま腐食を発生させるという問題があった。

【0005】

そこで、本発明の目的は、上記従来の熱交換器の問題を解消し、排気ガスの熱を吸収する冷却液が通路内に停留せず、スケールやすきま腐食を発生させることがなく、安定して熱交換を行うことが可能な多管式の排熱回収熱交換器を提供することにある。

【課題を解決するための手段】

【0006】

本発明のうち、請求項１ に記載された発明は、長尺で半筒状に形成した２ つのケースを放熱フィンを介して組み付けてなり、偏平な中空角柱状に形成される伝熱管と、その伝熱管を複数平行に積層させた状態で収納する外管とを備え、
前記伝熱管内を流れる流体と、前記伝熱管と前記外管との隙間及び隣接する前記伝熱管同士の間を流れる冷却液との間で熱交換を行わせる多管式の排熱回収熱交換器であって、
前記ケース表面の短手方向に、根元となる一方の端から先端となる他方にかけて幅がテーパ状に変化する先細り形状の突条を、互い違いに突設して前記突条間に冷却液の流路を蛇行状に形成し、
下流側の前記流路が、上流側の前記流路よりも幅が狭く形成されることを特徴とするものである。
請求項２に記載された発明は、請求項１に加え、前記突条の先細り形状の拡がり角度が、３°以上５°以下であることを特徴とするものである。
請求項３に記載の発明は、請求項１又は２に記載の発明に加え、前記突条には、平坦な頂上部と、その頂上部から裾拡がり状に連設される傾斜側面と、が形成され、
隣接する前記伝熱管の前記頂上部同士が当接して、隣接する前記傾斜側面同士が繋がることで流路外縁部を形成し、
前記流路外縁部を形成する前記傾斜側面間に形成される角度が鈍角であることを特徴とするものである。
請求項４に記載の発明は、請求項３に記載の発明に加え、前記角度が、９０°以上１５０°以下であることを特徴とするものである。

【発明の効果】

【0007】

請求項１に記載された発明は、冷却液の流れが加速されて流路内に停滞しないことから、スケールやすきま腐食の発生を防止し、安定した熱交換が可能である。更に、空気が混入した場合でも、冷却液と同様に流路内に停滞することがない。
請求項２に記載された発明は、更に冷却液の流れが加速され、より一層安定した熱交換が可能となる。
請求項３に記載された発明は、冷却液が流路内に停滞しないことから、スケールやすきま腐食の発生を防止し、安定した熱交換が可能である。他にも、流路外縁部に形成される角度が鋭角の場合に比べて熱交換量が減少し、流路内で沸騰しにくくなる。
請求項４に記載された発明は、更に冷却液が流路内に停滞しにくくなり、より一層安定した熱交換が可能となる。

【図面の簡単な説明】

【0008】

【図1】多管式の排熱回収熱交換器を示す説明図である。

【図2】図１における縦中心断面を示す説明図である。

【図3】（ａ）は図２の流路を拡大した状態を、（ｂ）は集合部を拡大した状態を示す説明図である。

【図4】外管を取り外した状態を示す説明図である。

【図5】伝熱管の表面を示す説明図である。

【図6】図５における伝熱管のＢ－Ｂ線断面図を示す説明図である。

【発明を実施するための形態】

【0009】

以下、本発明の多管式の排熱回収熱交換器（以下、熱交換器とする）の一実施形態について、図面に基づいて詳細に説明する。

【0010】

＜熱交換器の構造＞
図１は、熱交換器を示す説明図である。図２は、図１における縦中心断面を示す説明図である。図３は、図２の流路と集合部の拡大した状態を示す説明図である。図４は、外管を取り外した状態を示す説明図である。図５は、伝熱管の表面を示す説明図である。図６は、図５におけるＢ－Ｂ線断面を示す説明図である。

【0011】

図１に示す熱交換器１は、排気ガスＧの熱を冷却液に吸収させて熱交換を行い、排気ガスＧを冷却させるものである。この熱交換器１は、図示しない配管の上流側に取り付けられる吸気側フランジ２０と、下流側に取り付けられる排出側フランジ２２と、これらの間に設けられ熱交換を行う本体部２とで構成される。
本体部２は、図２や図４に示すように、内部に複数の伝熱管５，５・・を積層した伝熱積層体４を、その外管３内に収納させて溶接（ロウ付）することによって形成したものである。

【0012】

伝熱管５は、排気ガスＧの熱を冷却液に伝熱させるために、長尺で半筒状（コ字状）に折り曲げ形成した金属製の左ケース６，右ケース７に、放熱フィン２４を介して組み付け、偏平な中空角柱状に形成したものである。そして、図５に示すように、伝熱管５は、上端に吸気口１８を、下端に排出口１９を形成し、排気ガスＧが吸気口１８側から内部へと流れ込み、排出口１９側から外部へ流下する一方、左ケース６の表面を矢印の示す方向に冷却液Ｗが流れ、反対側の右ケース７の表面も、同様に冷却液Ｗが流れる構造である。

【0013】

左ケース６の表面には、排出口１９側に下段溝３０が形成されており、この下段溝３０内には複数の突起部１６，１６・・が突設されている。
下段溝３０の上方には、左ケース６表面の短手方向に、左端から右方に向けて先細り形状の第１突条８が突設されている。この第１突条８は、左端から右端に亘って左ケース６の短手方向に対して右上がりに約２°で傾斜する手前側の第１傾斜側面９と、左端から右端に亘って左ケース６の短手方向に対して右下がりに約２°で傾斜する奥側の第２傾斜側面１０とで構成される。第１突条８の先細り形状の拡がり角度Ｃは、約４°である。また、第１突条８には、平坦な頂上部５０と、その頂上部５０から裾拡がり状に第１傾斜側面９と第２傾斜側面１０とが連設されている。

【0014】

第１突条８の上方には、この第１突条８とは反対に右端から左方に向けて先細り形状の第２突条１１が突設されている。この第２突条１１は、下端に左端から右端に亘って左ケース６の短手方向に対して右下がりに約２°で傾斜する第３傾斜側面１２と、上端に左端から右端に亘って左ケース６の短手方向に対して右上がりに約２°傾斜する第４傾斜側面１３とで構成される。第２突条１１の先細り形状の拡がり角度Ｄは約４°である。また、第２突条１１には、平坦な頂上部５１と、その頂上部５１から裾拡がり状に第３傾斜側面１２と第４傾斜側面１３とが連設されている。

【0015】

他にも、第２突条１１の上方で上端の吸気口１８側には、段状の壁部１４が形成されている。この壁部１４の下端には、左端から右端に亘って左ケース６の短手方向に対して右上がりに約２°で傾斜する第５傾斜側面１５が形成されている。また、壁部１４には、平坦な頂上部５２と、その頂上部５２に第５傾斜側面１５が連設されている。

【0016】

これらの構成により、第１突条８と第２突条１１との間には、幅Ｅが約８ｍｍの中段溝３１が形成され、第２突条１１と壁部１４との間には、幅Ｆが約５ｍｍで中段溝３１より幅の狭い上段溝３２が形成されている。下段溝３０と中段溝３１とは逆Ｌ字形に湾曲するように繋がっており、中段溝３１と上段溝３２とは倒Ｕ字状に繋がって、矢印が示す方向に蛇行状に冷却液Ｗが流れることを可能としている。

【0017】

そして、図２，３（ａ）に示すように、複数の伝熱管５，５・・を積層すると、最も左側に位置する伝熱管５の右ケース７側に形成される下段溝３０に、隣接する伝熱管５の左ケース６側に形成される下段溝３０が重なることにより、第１流路４０が形成される。
この時、図３（ｂ）に示すように、最も左側に位置する伝熱管５の第１傾斜側面９と、隣接する伝熱管５の第１傾斜側面９とで形成される流路外縁部４１は、図３（ｂ）に示す角度Ａが約１２０°の鈍角に形成されており、第１流路４０内に気泡が発生しても、この角度Ａが鋭角でないことから、気泡が停留しない構造である。

【0018】

また、中段溝３１，３１についても同様に重なることで、第２流路４２が形成され、この時も、第２傾斜側面１０，１０で形成される流路外縁部４３の角度と、第３傾斜側面１２，１２で形成する流路外縁部４４の角度とが、角度Ａと同様に約１２０°の鈍角に形成される。

【0019】

更に、上段溝３２，３２についても同様に重なることで、第３流路４５が形成される。この第３流路４５においても、流路外縁部４３や流路外縁部４４の場合と同様に、第４傾斜側面１３，１３で形成する流路外縁部４６の角度と、第５傾斜側面１５，１５で形成する流路外縁部４７の角度とが、角度Ａと同様に約１２０°の鈍角に形成される。
以降、他の伝熱管５を重ね合わせることで第１流路４０、第２流路４２、第３流路４５の各流路が同様に形成される。

【0020】

＜熱交換器の組み付け＞
熱交換器１は、左ケース６，右ケース７に放熱フィン２４を組み付けることによって各伝熱管５，５・・を形成し、これらを積層して仮止めすることによって、図４に示す伝熱積層体４を形成する。そして、上側アウターケースと下側アウターケースとを溶接（ロウ付）して外管３を形成する際に、伝熱積層体４を、その外管３内に収納させて溶接（ロウ付）することによって形成される。

【0021】

次に、熱交換器１による排気ガスＧと冷却液Ｗとの熱交換は、以下のようにして行われる。
図１に示す高温（約１５０～３００℃）の排気ガスＧが配管から吸気側フランジ２０内に流入すると、図２に示すように、本体部２の各伝熱管５，５・・に分流することとなる。そして、図３，５に示すように、各伝熱管５，５・・の吸気口１８，１８・・からそれぞれの内部に流れ込む。

【0022】

この時、外管３の入水側ポート２５から約２５℃の冷却液Ｗが本体部２内に供給されており、外管３と各伝熱管５，５・・との間に流れ込む構造となっている。
このうち、図４に示すように、伝熱管５の左ケース６の表面では、冷却液Ｗの一部が下段溝３０上の排出口１９付近に流れ込む。図５に示すように、下段溝３０上では、突起部１６，１６・・の間を流れると、第１突条８の第１傾斜側面９に当接し、この第１傾斜側面９に沿って左端から右端手前に向かって流れた後、中段溝３１に流れ込むこととなる。そして、中段溝３１に流れ込んだ冷却液Ｗが、中段溝３１内を第２傾斜側面１０と第３傾斜側面１２とに沿って流れた後、第２突条１１の左先端部を通過して向きを変えると、上段溝３２に流れ込むこととなる。この時の流速は、０．０５ｍ／ｓ以上であり、流路の途中で淀むことはない。
次に、上段溝３２では、第４傾斜側面１３と第５傾斜側面１５とに沿って流れ、流出口１７側に排出されることとなる。この冷却液Ｗは、左ケース６の表面上を流れる間に排気ガスＧの熱を左ケース６を介して吸収することとなる。

【0023】

また、伝熱管５の右ケース７側と、隣接する伝熱管５の左ケース６側とで構成される第１流路４０、第２流路４２、第３流路４５を流れる冷却液Ｗでも同様に、排気ガスＧの熱を右ケース７と左ケース６とを介して吸収した後、約６０～８０℃で流出口１７、１７側に排出されることとなる。他の伝熱管５，５・・でも同様に、排気ガスＧの熱を冷却液Ｗが吸収することとなる。
そして、各流出口１７，１７・・から出て合流した冷却液Ｗは、出水側ポート２６から本体部２の外部へと流れ出ることとなる。一方、冷却液Ｗによって冷却された排気ガスＧが排出口１９，１９・・から出て合流し、約２５～３５℃で排出側フランジ２２の排出口２３へ流れることとなる。

【0024】

上記の如く構成される熱交換器１は、左ケース６表面の短手方向に、一方の端から他方に向けて先細り形状の第１突条８，第２突条１１を、互い違いに突設して第１突条８，第２突条１１間に冷却液Ｗの第２流路４２、第３流路４５を蛇行状に形成し、下流側の第２流路４２が、上流側の第３流路４５よりも幅が狭く形成されることにより、冷却液Ｗの流れが加速されて第２流路４２、第３流路４５内に停滞しないことから、スケールやすきま腐食の発生を防止し、安定した熱交換が可能である。更に、空気が混入した場合でも、冷却液Ｗと同様に第２流路４２、第３流路４５内に停滞することがない。

【0025】

更に、第１突条８の先細り形状の拡がり角度Ｃと、第２突条１１の先細り形状の拡がり角度Ｄとが、３°以上５°以下であることにより、更に冷却液Ｗの流れが加速され、より一層安定した熱交換が可能となる。

【0026】

また、第１突条８には、平坦な頂上部５０と、その頂上部５０から裾拡がり状に連設される第１傾斜側面９と第２傾斜側面１０と、が形成され、隣接する伝熱管５の頂上部５０，５０同士が当接して、隣接する第１傾斜側面９，９同士が繋がることで流路外縁部４１を形成し、流路外縁部４１を形成する第１傾斜側面９，９間に形成される角度Ａが鈍角であることにより、冷却液Ｗが第１流路４０内に停滞しないことから、スケールやすきま腐食の発生を防止し、安定した熱交換が可能である。他にも、流路外縁部４１に形成される角度Ａが鋭角の場合に比べて熱交換量が減少し、第１流路４０内で沸騰しにくくなる。

【0027】

更に、角度Ａが、９０°以上１５０°以下であることにより、更に冷却液Ｗが第１流路４０内に停滞しにくくなり、より一層安定した熱交換が可能となる。

【0028】

なお、本発明にかかる熱交換器は、上記した実施の形態に何ら限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で、突条や壁部、流路の形状や大きさを適宜変更することができる。

【0029】

他にも、冷却液Ｗとしては、一般的には水が用いられるが、他に吸熱性に優れた液体であっても良い。また、本発明の流体である排気ガスＧは、気体であるが、液体であっても良く、伝熱管を介して熱交換の可能なものであれば適宜変更可能である。

【0030】

具体的な使用例としては、例えば自動車のＥＧＲ（Ｅｘｈａｕｓｔ Ｇａｓ Ｒｅｃｉｒｃｕｌａｔｉｏｎ）システムに用いることにより、燃焼期間の排気マニホールドから排気ガスの一部を導入して所定の温度まで冷却し、冷却後の排気ガス（所謂、ＥＧＲガス）を、ＥＧＲ弁を介して吸気マニホールドに排出させることができる。

【符号の説明】

【0031】

１・・熱交換器（排熱回収熱交換器）、２・・本体部、３・・外管、４・・伝熱積層体、５・・伝熱管、６・・左ケース、７・・右ケース、８・・第１突条、９・・第１傾斜側面、１０・・第２傾斜側面、１１・・第２突条、１２・・第３傾斜側面、１３・・第４傾斜側面、１４・・壁部、１５・・第５傾斜側面、１６・・突起部、１７・・流出口、１８・・吸気口、２０・・吸気側フランジ、２２・・排気側フランジ、２４・・放熱フィン、２５・・入水側ポート、２６・・出水側ポート、３０・・下段溝、３１・・中段溝、３２・・上段溝、４０・・第１流路、４１・・流路外縁部、４２・・第２流路、４３・・流路外縁部、４４・・流路外縁部、４５・・第３流路、４６・・流路外縁部、４７・・流路外縁部、５０・・頂上部、５１・・頂上部、５２・・頂上部、Ｇ・・排気ガス、Ｗ・・冷却液。

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】