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(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】2023-03-13
(45)【発行日】2023-03-22
(54)【発明の名称】ヘッダープレートレス型熱交換器
(51)【国際特許分類】
F28F 1/02 20060101AFI20230314BHJP
F28D 9/00 20060101ALI20230314BHJP
F28F 9/02 20060101ALN20230314BHJP
【ＦＩ】
F28F1/02 A
F28D9/00
F28F9/02 G
【請求項の数】
2
(21)【出願番号】P 2019561680
(86)(22)【出願日】2018-12-17
(86)【国際出願番号】 JP2018047418
(87)【国際公開番号】W WO2019131569
(87)【国際公開日】2019-07-04
【審査請求日】2021-12-07
(31)【優先権主張番号】P 2017251879
(32)【優先日】2017-12-27
(33)【優先権主張国・地域又は機関】JP
(73)【特許権者】
【識別番号】000222484
【氏名又は名称】株式会社ティラド
(74)【代理人】
【識別番号】100082843
【弁理士】
【氏名又は名称】窪田 卓美
(72)【発明者】
【氏名】中村 洋一
(72)【発明者】
【氏名】杉本 弘仁
【審査官】古川 峻弘
(56)【参考文献】
【文献】国際公開第２０１７／０７３７７９（ＷＯ，Ａ１）
【文献】特開２０１７－１８７１９６（ＪＰ，Ａ）
(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)
Ｆ２８Ｄ ９／００－９／０４，７／００－７／１６
Ｆ２８Ｆ ３／００－３／１４
(57)【特許請求の範囲】
【請求項1】
それぞれ両側に一対の側壁（１）（２）が立上げられて全体が溝状に形成され且つ、その側壁に直交した溝底（３）の両開放側の縁に厚み方向外側に細幅の膨出部（４）が形成された一対のプレート（５）（６）を有し、それらのプレート（５）（６）が互いに逆向きに対向して嵌着されている偏平チューブ（７）と、複数の偏平チューブ（７）が膨出部（４）で互いに積層され、各プレート（５）（６）が互いにろう付接合されている熱交換器コアと、を有し、
各偏平チューブの前記膨出部（４）の先端から第一流体（１６）が内部に流入し、その外側に第二流体（２０）が流通する熱交換器であって、
前記各プレート（５）（６）の前記膨出部（４）の幅が、前記膨出部（４）の長手方向の両端部で広い幅広部（４ｂ）となり、それ以外の中間部で狭い幅狭部（４ａ）に形成されており、
前記各プレート（５）（６）の前記幅広部（４ｂ）の幅が、前記両端部では前記側壁（１）（２）に近づく程なだらかに広くなるろう付接合部を有することを特徴とするヘッダープレートレス型熱交換器。
【請求項2】
積層された各偏平チューブ（７）の前記膨出部（４）の長手方向の中間部の位置の外面側において、幅狭部（４ａ）のろう付接合部から広がる各プレート（５）（６）の交角θが、鈍角に形成されていることを特徴とする請求項１に記載のヘッダープレートレス型熱交換器。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
本発明は、主として排気ガスを冷却水で冷却するＥＧＲクーラや、排気ガスの熱を冷却水に回収する排熱回収器に最適な熱交換器であって、ヘッダープレートレス型のコアを有するものに関する。
ヘッダープレートレス型のコアとは、偏平チューブの開口端を厚み方向に膨出したものを使用し、その膨出部において積層することにより、ヘッダープレートを不要としたものである。
ヘッダープレートレス型のコアとは、偏平チューブの開口端を厚み方向に膨出したものを使用し、その膨出部において積層することにより、ヘッダープレートを不要としたものである。
【背景技術】
【0002】
下記特許文献１にヘッダープレートレス型熱交換器が提案されている。
この熱交換器は、図５～図７に示す如く、そのコアを形成する偏平チューブ１１が、一対の溝型に形成されたプレートを互いに溝底を対向して嵌着したものからなり、その両端開放側の縁に膨出部１１ａが形成され、その膨出部１１ａにおいて各偏平チューブ１１を積層し、各プレート間を一体にろう付固定したものである。そして、図６に示されているように、各プレートの交角θは鋭角に形成されている。
この熱交換器は、図５～図７に示す如く、そのコアを形成する偏平チューブ１１が、一対の溝型に形成されたプレートを互いに溝底を対向して嵌着したものからなり、その両端開放側の縁に膨出部１１ａが形成され、その膨出部１１ａにおいて各偏平チューブ１１を積層し、各プレート間を一体にろう付固定したものである。そして、図６に示されているように、各プレートの交角θは鋭角に形成されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【0003】
【文献】特開２０１６－１８３８３３号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0004】
従来のヘッダープレートレス型熱交換器は、排気ガスの入口部において、各偏平チューブが高温となり、繰り返し生じるヒートサイクルにより熱交換器が劣化するおそれがある。
これは、ヘッダープレートレス型熱交換器は構造が簡単になる利点を有するも、欠点として、ヘッダープレートのある熱交換器に比べて、各偏平チューブの先端部の冷却性が悪くその部分が高温となるからである。
そこで、本発明はヘッダープレートレスの利点を有しつつ、可能な限り偏平チューブの先端部の温度を低下できる熱交換器を提供することを課題とする。
これは、ヘッダープレートレス型熱交換器は構造が簡単になる利点を有するも、欠点として、ヘッダープレートのある熱交換器に比べて、各偏平チューブの先端部の冷却性が悪くその部分が高温となるからである。
そこで、本発明はヘッダープレートレスの利点を有しつつ、可能な限り偏平チューブの先端部の温度を低下できる熱交換器を提供することを課題とする。
【課題を解決するための手段】
【0005】
請求項１に記載の本発明は、それぞれ両側に一対の側壁１、２が立上げられて全体が溝状に形成され且つ、その側壁に直交した溝底３の両開放側の縁に厚み方向外側に細幅の膨出部４が形成された一対のプレート５、６を有し、それらのプレート５、６が互いに逆向きに対向して嵌着されている偏平チューブ７と、
複数の偏平チューブ７が膨出部４で互いに積層され、各プレート５、６が互いにろう付接合されている熱交換器コアと、を有し、
各偏平チューブの前記膨出部４の先端から第一流体１６が内部に流入し、その外側に第二流体２０が流通する熱交換器であって、
前記各プレート５、６の前記膨出部４の幅が、前記膨出部４の長手方向の両端部で広い幅広部４ｂとなり、それ以外の中間部で狭い幅狭部４ａに形成されており、
前記各プレート５、６の前記幅広部４ｂの幅が、前記両端部では前記側壁１、２に近づく程なだらかに広くなるろう付接合部を有することを特徴とするヘッダープレートレス型熱交換器である。
請求項２に記載の本発明は、積層された各偏平チューブ７の前記膨出部４の長手方向の中間部の位置の外面側において、幅狭部４ａのろう付接合部から広がる各プレート５、６の交角θが、鈍角に形成されていることを特徴とする請求項１に記載のヘッダープレートレス型熱交換器である。
複数の偏平チューブ７が膨出部４で互いに積層され、各プレート５、６が互いにろう付接合されている熱交換器コアと、を有し、
各偏平チューブの前記膨出部４の先端から第一流体１６が内部に流入し、その外側に第二流体２０が流通する熱交換器であって、
前記各プレート５、６の前記膨出部４の幅が、前記膨出部４の長手方向の両端部で広い幅広部４ｂとなり、それ以外の中間部で狭い幅狭部４ａに形成されており、
前記各プレート５、６の前記幅広部４ｂの幅が、前記両端部では前記側壁１、２に近づく程なだらかに広くなるろう付接合部を有することを特徴とするヘッダープレートレス型熱交換器である。
請求項２に記載の本発明は、積層された各偏平チューブ７の前記膨出部４の長手方向の中間部の位置の外面側において、幅狭部４ａのろう付接合部から広がる各プレート５、６の交角θが、鈍角に形成されていることを特徴とする請求項１に記載のヘッダープレートレス型熱交換器である。
【発明の効果】
【0006】
請求項１に記載の発明は、各プレート５，６の前記膨出部４の幅が、前記膨出部４の長手方向の両端部で広く、それ以外の中間部で狭く形成されたものである。
それにより、第二流体２０との温度差が最も大きくなる各偏平チューブ７の膨出部４の中間部において、各偏平チューブ７の先端から第二流体２０までの距離が短くなり、その先端部と第二流体２０との伝熱が向上し、その間の温度差が抑制される。なお、前記両端部においては、前記膨出部４の幅は広く形成されており、前記両端部における側壁１，２とそれらに被嵌されるケーシング１３とのろう付面積が確保されるので、ろう付の信頼性および強度は維持される。
その結果、ヒートサイクルによる熱交換器の劣化が抑制され、熱交換器の耐久性が向上する。
また、前記幅広部４ｂの幅を側壁１，２に近づく程なだらかに広くなる形に形成したものである。それにより、側壁近傍の熱応力の集中が緩和されるので、耐久性の高い熱交換器を提供できる。
請求項２に記載の発明は、各偏平チューブ７の膨出部４の長手方向の中間部の位置の外面側において、幅狭部４ａのろう付接合部から広がる各プレート５、６の交角θが、鈍角に形成されたものである。これにより、膨出部４の近傍の冷却水の流通を促進して、偏平チューブ７の先端部の温度上昇を抑えることができる。
それにより、第二流体２０との温度差が最も大きくなる各偏平チューブ７の膨出部４の中間部において、各偏平チューブ７の先端から第二流体２０までの距離が短くなり、その先端部と第二流体２０との伝熱が向上し、その間の温度差が抑制される。なお、前記両端部においては、前記膨出部４の幅は広く形成されており、前記両端部における側壁１，２とそれらに被嵌されるケーシング１３とのろう付面積が確保されるので、ろう付の信頼性および強度は維持される。
その結果、ヒートサイクルによる熱交換器の劣化が抑制され、熱交換器の耐久性が向上する。
また、前記幅広部４ｂの幅を側壁１，２に近づく程なだらかに広くなる形に形成したものである。それにより、側壁近傍の熱応力の集中が緩和されるので、耐久性の高い熱交換器を提供できる。
請求項２に記載の発明は、各偏平チューブ７の膨出部４の長手方向の中間部の位置の外面側において、幅狭部４ａのろう付接合部から広がる各プレート５、６の交角θが、鈍角に形成されたものである。これにより、膨出部４の近傍の冷却水の流通を促進して、偏平チューブ７の先端部の温度上昇を抑えることができる。
【図面の簡単な説明】
【0007】
図１は本発明の熱交換器コアの要部平面図。
図２は図１のＩＩ－ＩＩ矢視断面図。
図３は同コアの斜視図。
図４は同コアを有する熱交換器の分解斜視図。
図５は従来型熱交換器コアの要部平面図。
図６は図５のＶＩ－ＶＩ矢視断面図。
図７は同従来型コアの斜視図。
図２は図１のＩＩ－ＩＩ矢視断面図。
図３は同コアの斜視図。
図４は同コアを有する熱交換器の分解斜視図。
図５は従来型熱交換器コアの要部平面図。
図６は図５のＶＩ－ＶＩ矢視断面図。
図７は同従来型コアの斜視図。
【発明を実施するための形態】
【0008】
次に、図面に基づいて本発明の実施の形態につき説明する。
この熱交換器は、ＥＧＲクーラや排熱回収器として最適なものである。これは、図４に示す如く、多数の偏平チューブ７を積層してコア１８を形成し、そのコア１８の外周をケーシング１３で被嵌する。そして、各偏平チューブ７の内面側に第一流体（この例では、排気ガス）１６を流通させ、その外面側に第二流体（この例では、冷却水）２０を流通させるものである。
各偏平チューブ７は、図１～図３に示す如く、両側に一対の側壁１，２が立ち上げられ、全体が溝状に形成された一対のプレート５，６を互いに逆向きに対向して嵌着したものである。各プレート５，６の両開放側（偏平チューブ７の両開口端側に相当）の縁には、厚み方向外側に幅の狭い細幅の膨出部４が形成されている。
各偏平チューブ７の内部にはインナーフィン１９を挿入し、また、互いに接合される部品の少なくとも一方側にはろう材を被覆または塗布しておくことが好ましい。
一例として図４に示す如く、ケーシング１３内に積層されたコア１８が挿入される。この例では、ケーシング１３は箱状のケーシング本体１３ａと端蓋１３ｂにより形成されている。そして、コア１８の内部側に第一流体（排気ガス）１６が流通するようにケーシング１３の両端に一対の排気ガス用のパイプ１７を配し、コア１８の外面側に第二流体（冷却水）２０が流通するように冷却水用のパイプ１５を配する。そして、高温の炉内で各部品間を一体的にろう付して熱交換器を形成する。
そして、その偏平チューブ７に図２において矢印方向に第一流体（排気ガス）１６が供給される。
また、図４において、一方の水パイプ１５から第二流体（冷却水）２０が供給され、各偏平チューブ７の外面側にそれが導かれて、他方の水パイプ１５からそれが排出される。そして、その間に第一流体（排気ガス）１６と第二流体（冷却水）２０との間に熱交換が行われるものである。
（発明の特徴）
ここにおいて、本発明の特徴とするところは、図１及び図２に示す膨出部４の形状である。この膨出部４は、各プレート５，６の開放側において、厚み方向にプレス成形により膨出させたものである。この膨出部４は、その幅が図１において両端部で広く、それ以外で狭く形成されている。
即ち、中間部ではその幅狭部４ａが幅Ｌ１となり、両端部ではその幅広部４ｂが幅Ｌ２となる。ここに、Ｌ２＞Ｌ１である。図１に示すように、幅広部４ｂにおける幅は、その側壁１，２の両側に近づくほど広くなる平面三角、または平面が湾曲した形状とすることが好ましい。
（作用）
このような特徴により、第二流体（冷却水）２０との温度差が最も大きくなる各偏平チューブ７の膨出部４の中間部において、各偏平チューブ７の先端から第二流体（冷却水）２０までの距離が短くなり、その先端部と第二流体（冷却水）２０との伝熱が向上し、その間の温度差が抑制される。なお、前記両端部においては、前記膨出部４の細幅は広く形成されており、前記両端部における側壁１，２とそれらに被嵌されるケーシング１３とのろう付け面積は確保されるので、ろう付けの信頼性および強度は維持される。
さらに、この例では、幅広部４ｂにおける幅は、その側壁１，２の両側に近づくほど広くなる平面三角、または平面が湾曲した形状となっており、その形状変化がなだらかになっているので、側壁近傍の熱応力の集中が緩和される。
その結果、ヒートサイクルによる熱交換器の劣化が抑制され、熱交換器の耐久性が向上する。
また、図２に示されているように、積層された各偏平チューブ７の前記膨出部４の長手方向の中間部の位置で、ろう付接合部からそれを横断して外面側に広がる各プレート５，６の交角θを鈍角に形成することが好ましく、この形状にすることで、膨出部４の近傍の冷却水の流通を促進して、偏平チューブ７の先端部の温度上昇を抑えることができる。
本発明の効果を確認するために一例について数値解析を実施したところ、図５～図７に示す従来型のコアの偏平チューブの先端部温度の最大値が３５８℃であったのに対し、本発明のコアの偏平チューブの先端部温度の最大値は２７５℃であり、大幅な温度低下効果が確認された。
この熱交換器は、ＥＧＲクーラや排熱回収器として最適なものである。これは、図４に示す如く、多数の偏平チューブ７を積層してコア１８を形成し、そのコア１８の外周をケーシング１３で被嵌する。そして、各偏平チューブ７の内面側に第一流体（この例では、排気ガス）１６を流通させ、その外面側に第二流体（この例では、冷却水）２０を流通させるものである。
各偏平チューブ７は、図１～図３に示す如く、両側に一対の側壁１，２が立ち上げられ、全体が溝状に形成された一対のプレート５，６を互いに逆向きに対向して嵌着したものである。各プレート５，６の両開放側（偏平チューブ７の両開口端側に相当）の縁には、厚み方向外側に幅の狭い細幅の膨出部４が形成されている。
各偏平チューブ７の内部にはインナーフィン１９を挿入し、また、互いに接合される部品の少なくとも一方側にはろう材を被覆または塗布しておくことが好ましい。
一例として図４に示す如く、ケーシング１３内に積層されたコア１８が挿入される。この例では、ケーシング１３は箱状のケーシング本体１３ａと端蓋１３ｂにより形成されている。そして、コア１８の内部側に第一流体（排気ガス）１６が流通するようにケーシング１３の両端に一対の排気ガス用のパイプ１７を配し、コア１８の外面側に第二流体（冷却水）２０が流通するように冷却水用のパイプ１５を配する。そして、高温の炉内で各部品間を一体的にろう付して熱交換器を形成する。
そして、その偏平チューブ７に図２において矢印方向に第一流体（排気ガス）１６が供給される。
また、図４において、一方の水パイプ１５から第二流体（冷却水）２０が供給され、各偏平チューブ７の外面側にそれが導かれて、他方の水パイプ１５からそれが排出される。そして、その間に第一流体（排気ガス）１６と第二流体（冷却水）２０との間に熱交換が行われるものである。
（発明の特徴）
ここにおいて、本発明の特徴とするところは、図１及び図２に示す膨出部４の形状である。この膨出部４は、各プレート５，６の開放側において、厚み方向にプレス成形により膨出させたものである。この膨出部４は、その幅が図１において両端部で広く、それ以外で狭く形成されている。
即ち、中間部ではその幅狭部４ａが幅Ｌ１となり、両端部ではその幅広部４ｂが幅Ｌ２となる。ここに、Ｌ２＞Ｌ１である。図１に示すように、幅広部４ｂにおける幅は、その側壁１，２の両側に近づくほど広くなる平面三角、または平面が湾曲した形状とすることが好ましい。
（作用）
このような特徴により、第二流体（冷却水）２０との温度差が最も大きくなる各偏平チューブ７の膨出部４の中間部において、各偏平チューブ７の先端から第二流体（冷却水）２０までの距離が短くなり、その先端部と第二流体（冷却水）２０との伝熱が向上し、その間の温度差が抑制される。なお、前記両端部においては、前記膨出部４の細幅は広く形成されており、前記両端部における側壁１，２とそれらに被嵌されるケーシング１３とのろう付け面積は確保されるので、ろう付けの信頼性および強度は維持される。
さらに、この例では、幅広部４ｂにおける幅は、その側壁１，２の両側に近づくほど広くなる平面三角、または平面が湾曲した形状となっており、その形状変化がなだらかになっているので、側壁近傍の熱応力の集中が緩和される。
その結果、ヒートサイクルによる熱交換器の劣化が抑制され、熱交換器の耐久性が向上する。
また、図２に示されているように、積層された各偏平チューブ７の前記膨出部４の長手方向の中間部の位置で、ろう付接合部からそれを横断して外面側に広がる各プレート５，６の交角θを鈍角に形成することが好ましく、この形状にすることで、膨出部４の近傍の冷却水の流通を促進して、偏平チューブ７の先端部の温度上昇を抑えることができる。
本発明の効果を確認するために一例について数値解析を実施したところ、図５～図７に示す従来型のコアの偏平チューブの先端部温度の最大値が３５８℃であったのに対し、本発明のコアの偏平チューブの先端部温度の最大値は２７５℃であり、大幅な温度低下効果が確認された。
【産業上の利用可能性】
【0009】
本発明は、ＥＧＲクーラとして最適であると共に、その他の熱交換器、例えば排熱回収器等に用いることができる。
【符号の説明】
【0010】
１，２ 側壁
３ 溝底
４ 膨出部
４ａ 幅狭部
４ｂ 幅広部
５，６ プレート
７ 偏平チューブ
８ 端部境界線
９ ディンプル
９ａ ディンプル
１０ 偏平チューブ
１１ 偏平チューブ
１１ａ 膨出部
１２ コア
１３ ケーシング
１３ａ ケーシング本体
１３ｂ 端蓋
１５ パイプ
１６ 第一流体（排気ガス）
１７ パイプ
１８ コア
１９ インナーフィン
２０ 第二流体（冷却水）
θ 交角
Ｌ１ 幅
Ｌ２ 幅
３ 溝底
４ 膨出部
４ａ 幅狭部
４ｂ 幅広部
５，６ プレート
７ 偏平チューブ
８ 端部境界線
９ ディンプル
９ａ ディンプル
１０ 偏平チューブ
１１ 偏平チューブ
１１ａ 膨出部
１２ コア
１３ ケーシング
１３ａ ケーシング本体
１３ｂ 端蓋
１５ パイプ
１６ 第一流体（排気ガス）
１７ パイプ
１８ コア
１９ インナーフィン
２０ 第二流体（冷却水）
θ 交角
Ｌ１ 幅
Ｌ２ 幅
【図1】
【図2】
【図3】
【図4】
【図5】
【図6】
【図7】