WO2002097352A1 - Multitubular heat exchanger - Google Patents

Description

明 細 書 多管式熱交換器 技術分野

本発明は、 第一流体が通過する内管 （伝熱管） 群と、 第二流体 が通過する外管 （胴体） とを備え、 複数本の伝熱管群が、 それら の両端を第一流体導入側及び第一流体排出側にそれぞれ位置する 導入側 · 排出側保持板に保持させて配設されてなる多管式熱交換 器に関する。 特に、 伝熱管群に高速の高温ガス （気体） を、 胴体 (外管） に冷却水 （液体） を通過させて熱交換を行う熱交換器、 例えば、 内燃機関の排気ガスを冷却水により冷却する排気冷却器 (高度の熱交換能が要求される） 等に好適な発明である。 背景技術

上記のごとく高度の熱交換が要求されるものには、 図 Ί · 2 に 示すような多管式熱交換器 1 2が多用されている。

すなわち、 第一流体 （高温ガス） が通過する複数本の内管 （伝 熱管） 1 4 と、 第二流体 （冷却水） が通過する外管 （胴体〉 1 6 とを備え、 複数本の伝熱管 （伝熱管群） 1 4 、 1 4 …が、 それら の両端を第一流体導入側及び第一流体排出側にそれぞれ位置する 導入側 · 排出側保持板 1 8 、 2 0に保持させて配設されている。 図例では、 胴体 1 6の'内部に多数本の伝熱管群 1 4 、 1 4 …が、 胴体 1 6両端の導入側 · 排出側保持板 （チューブシー ト） 1 8 、 2 0を介して配設されている。 胴体 1 6の両端には円錐台状の導 入側 · 排出側整流筒部 （整流部） 2 2 、 2 4を介してフランジ 2 6 a 、 2 8 a付きの導入 ' 排出口 （接続パイプ） 2 6 、 2 8を備 えて、 伝熱管群 1 4、 1 4 …内を第一流体 （高温ガス〉 が通過可 能となっている。 また、 胴体 1 6の上下には、 導入 ' 排出ノズル 3 0 、 3 2を備え各伝熱管 1 4の外側に第二流体 （冷却水） が通 過可能となっている。

しかし、 図 1 · 2 に示すような多管式熱交換器 1 2は、 熱交換 効率を増大させようと して伝熱管 1 4の数を増やすと、 冷却水の 流れ抵抗が大きくなつたり、 又は、 ガス流速の低下とそれに伴う 熱伝達率の低下等により、 結果的に、 熱交換効率の増大が図り難 かった。

また、 上記多管式熱交換器 1 2 は、 製造工数が嵩み、 且つ、 重 量も増大傾向にあった。

本発明者らは、 上記にかんがみて、 熱交換効率の増大が容易で あり、 且つ、 製造工数を削減可能な多管式熱交換器を提供するこ とを目的として、 下記構成の多管式熱交換器を先に提案した （特 願 2 0 0 0 - 0 6 1 5 4 1 号 ： 特開 2 0 0 1 — 2 4 8 9 0号、 優 先日時点未公開） 。

「胴体の内部に複数本の伝熱管が配設されてなる多管式熱交換 器において、 各伝熱管が、 扁平断面の伝熱管本体と該伝熱管本体 の長手方向の対向面間をつなぐ多数枚の伝熱フィ ンとからなるこ とを特徵とする。 」

しかし、 上記構成の伝熱フィ ンを形成した場合、 伝熱壁面に汚 れ （スス、 油汚れ等〉 が付着し易くて、 極端な場合は、 汚れによ る目詰ま りが部分的に発生して、 大きな熱交換効率 （熱交換性能 ) の低下が発生し易いことが分かった。 発明の開示

本発明は、 上記にかんがみて、 伝熱面積を増大させずに熱交換性 能の増大が可能で、 汚れ付着等に量る大きな熱交換効率の低下の 問題点も解決できる多管式熱交換器を提供することを目的とする 上記目的を達成するために、 本発明者らは鋭意開発に努力をし た結果、 下記構成の多管式熱交換器に想到した。

第一流体が通過する内管 （伝熱管） 群と、 第二流体が通過する 外管 （胴体） とを備え、 複数本の伝熱管群が、 それらの両端を第 一流体導入側及び第一流体排出側にそれぞれ位置する導入側 · 排 出側保持板に保持させて配設されてなる多管式熱交換器において, 、 伝熱管が、 実質的に扁平断面の伝熱管本体のみからなり、 該伝 熱管本体に縦渦流発生手段が配されていることを特徴とする。

伝熱管本体に縦渦流発生手段を配設することにより、 第一流体 (高速ガス等） が高速ガス流路である伝熱管本体を通過するに際 して、 渦流 （縦渦流） が発生する。 この渦流により第一流体がか く乱され相対的に熱伝達率 （熱交換効率） が増大する。 したがつ て、 従来の如ぐ、 伝熱面積を増大させるために伝熱フィ ンを伝熱 管本体に組み込まなく ても、 熱交換効率 （冷却効率） を増大させ ることができる。 そして、 縦渦流発生手段である突起群は、 基本 的に伝熱面積の増大で熱交換効率を増大させるものではないため 、 伝熱壁面の汚れ付着に伴う伝熱効率の低下度が小さく 、 しかも 、 縦渦流の発生により伝熱壁面に対する汚れ付着も相対的に小さ くなリ、 当然、 汚れによる部分的な目詰まり も発生しない。 よつ て、 経時的な熱交換効率の低下度が従来の伝熱フィ ン組み込み式 のものに比して小さくなる。 即ち、 伝熱壁面に対する汚れ付着に 伴う熱交換効率の低下の問題点が解消する。

具体的には、 伝熱管本体の長径側対向壁面の一方又は双方に、 長手方向及び幅方向に所定間隔 （所定ピッチ） で板状叉は瘤状の 多数個の突起部 （突起群） を形成して縦渦流発生手段とする。 上記突起部（ま、 通常、 伝熱管本体の壁面にプレス加工 （スタン ビング等〉 によ り直接的に形成する。 そして、 記突起部形態は、 その流れ対向面が実質的に矩形とし、 さらに、 ①その迎え角を 2 0 ~ 8 0 ° とする、 ②その高さ及び幅が流路高さ及び流路幅のそ れぞれ 0 . 1 〜 0 . 8倍とする、 ③その流れ方向ピッチが流路高 さもしくは流路幅の 1 ~ 5倍とする、 の各要件を単独または組み 合わせることが、 プレス加工が容易であるとともに、 縦渦流を発 生させ易くて、 熱交換効率も増大して望ましい。 図面の簡単な説明

図 1 は、 従来の多管式熱交換器の一例を示す縦断面図である。 図 2 は、 第 1 図の 2 — 2線矢視断面図である。

図 3 は、 本発明の一実施形態と適用する多管式熱交換器の一例 を示す縱断面図である。

図 4 は、 第 3 図の 4 ( 5 ) — 4 ( 5 ) 線部位における一形態の 横断面図である。

図 5 は、 同じく他の形態における横断面図である。

図 6は、 本発明を適用する多管式熱交換器における伝熱管の一 実施形態を示す斜視図及び他の実施形態を示す縦 · 横断面図であ る。

図 7 は、 本発明において伝熱管本体に渦流を発生させる突起部 を形成するのに使用する.突起部加工薄板の各例を示す斜視図であ る。

図 8 は、 突起板 （突起部） を形成した伝熱管流路の説明用モデ ル図及び突起板の各形態要素を表示するモデル図である。

図 9 は、 突起部の他の配置形態（a) 及び他の形状（b) の各例を 示すモデル図である。

図 1 0は、 シミゴレーシヨ ン実験における熱伝達率に対する突 起板傾斜角の影響を示すグラフ図である。

図 〗 1 は、 同じく熱伝達率に対する突起板迎え角の影響を示す グラフ図である。

図 1 2 は、 同じく熱伝達率に対する突起板高さの影響を示すグ ラフ図である。

図 1 3 は、 同じく熱伝達率に対する突起板ピッチの影響を示す グラフ図である。

図 〗 4 は、 本発明を適用する多管式熱交換器における伝熱管ュ ニッ 卜の製造工程図である。 発明を実施するための最良の形態

以下、 本発明の実施形態を図例に基づいて説明をする。 既述例 と対応する部分に 0いては、 下二桁を同一数字として付した。

図 3 · 4 · 5 ■ 6 に本実施形態を適用する多管式熱交換器 1 1 2の一例を示す。

すなわち、 両端に導入側 ， 導出側保持板 （チューブシー 卜） 1 1 8 、 1 2 0 を備えた角筒胴体 1 1 6 内に、 複数本の伝熱管 1 1 4が固定管板 1 1 8 、 1 2 0を介して配設されている。 角筒胴体 1 1 6の両端には四角錐台状の導入側 · 導出側整流筒部 （整流部 ) 1 2 2 、 1 2 4を介してフランジ 1 2 6 a 、 1 2 8 a付きの第 一流体導入口 ' 排出口 （接続パイプ） 1 2 6 、 1 2 8を備えて、 第一流体 （高温ガス） が伝熱管群 1 1 4 、 1 1 4…内を導通可能 となっている。

ここで、 伝熱管 1 1 4 は、 実質的に、 扁平管からなる伝熱管本 体 1 3 4のみからなる構成である。 また、 角筒胴体 1 1 6の上下には、 導入 . 排出側ノズル 1 3 0 、 1 3 2 を備え伝熱管 1 1 4の外側に第二流体 （冷却水） を導通 可能となっている。

なお、 胴体を、 図 5 (図 3の 4 ( 5 ) 一 4 ( 5 ) 線部位に対応 ) に示す如く、 円筒状胴体 1 6 Aとすることも可能であるが、 角筒状の方が、 前述の如く 、 部品の種類数を低減できる。 すなわ ち、 円筒状とした時、 図例の如く、 伝熱管として、 幅の異なるも の 1 1 4 、 1 1 ' 、 1 1 4 ' ' を用意する必要がある。

本実施形態においては、 これらの伝熱管 〗 1 4 、 1 1 4 ' 、 1 1 4 ' ' は、 それらの本体 （扁平管〉 に流発生手段が配されてい る。 具体的には、 扁平管 （伝熱管本体〉 における長径側の対向壁 面 Ί 1 4 a 、 1 1 4 bの一方又は双方に、 板状又は瘤状の多数個 の突起部 （突起群） （図例では瘤状突起〉 2 4 0が形成されてい る。 突起部 2 4 0の形態は、 流れ対向面が実質的に矩形で、 その 平面形状も実質的に矩形 （図例では長円） である。 突起部 2 4 0 をこの形態とすることが、 スタンビング等のプレス加工により容 易に形成できて望ましい。

このとき、 突起部 2 4 0の突出方向は、 図例では胴体 1 1 6 、 1 1 6 Aの縦中心軸 Cに向かって形成されているが、 外側 （周側 ) に向かって形成してよい。

また、 図 6 ( A ) では、 扁平管の一方の壁面 〗 1 4 a に高速ガ ス流れ方向に対して交互に突起部 2 4 0が斜設して形成されてい るが、 図 6 ( B ) に示すごとく、 扁平管の一方の壁面 1 1 4 a に 図 6 ( A ) と同様に斜設突起部 2 4 0 を配し、 他方の壁面 1 1 4 b に長手方向で斜設突起部 2 4 0の間にガス流れ方向に対して平 行突起部 2 4 0 Aを配してもよい。 この平行突起部 2 4 0 Aは、 隣り合う斜設突起により発生させた縦渦の干渉を防止し、 圧力損 失を低減させるとともに、 スス詰まりの防止作用も期待できる。 また、 突起部 2 4 0の流れ対向面形状 - 平面形状は、 上記の如 く、 実質的に矩形に限られるものではなく、 半円形、 円形、 台形 、 三角形など任意である。

さ らには、 図 7 に示すようなプレス加工により、 帯板又は矩形 平板 （図例では帯板） に所定ピッチで突起板 2 4 0 A、 角形突起 2 4 0 B若しく は山形突起 2 4 0 Cを形成した多数個の突起部 （ 突起群） 加工金属薄板 （ 0 . 3 〜 0 . 5 m m t ) 2 3 6 A , 2 3 6 B、 2 3 6 Cを扁平管 1 1 4 にろう付け等によ り固定してもよ い。

上記伝熱管 1 1 4は、 図 6 に示す如く 、 胴体 （外管） 〗 1 6 に 取付けて、 多管式熱交換器とする。 この熱交換器は、 伝熱フィ ン を備えた従来例の熱交換器に比して、 伝熱面積が小さいが、 渦流 発生により熱交換効率を同等以上に確保できる。 また、 伝熱面積 が小さいので、 伝熱部 （伝熱フィ ンを含む。 ） の汚れ （スス、 油 汚れ等） 発生に伴う急激な熱交換効率の低下も発生し難い。

なお、 上記各実施形態は、 伝熱管本体の断面が扁平の場合を例 に採り説明したが、 図 2 に示すような断面丸形、 さ らには、 断面 三角、 断面正方形等であってもよい。

これらの伝熱管は、 一本の金属パイプから多段プレス加工や、 図 示しないが、 一枚の板材 （フープ材） からプレス加工やロールフ ォーミ ングにより順次形成する。

さ らに、 各伝熱管は図例の如く、 外形横断面が扁平断面でなく ても、 角パイプないし従来のような丸パイプであってもよい。 角 パイプの方が、 後述の突起部を形成させるに際して、 多数個の突 起部 （突起群） を備えた帯板を挿入固定しやすくて望ましい。

これらの場合は、 パイプ内に所定ピッチで突起板ないし突起瘤 を形成した薄帯板を、 前述の伝熱フィ ンの場合と同様に固定すれ ばよい。

突起部の各種形成態様をモデル的に図 8 〜 9 に示す。

図 8及び図 9 は、 説明の便宜上、 ガス流路を矩形断面 （正方形 ) とするとともに、 突起部 1 4 0を板状として、 所定間隔で配置 したものをモデル的に示したものである。

通常、 突起部 1 4 0は、 前述の如く流れ対向面矩形とするが 、 台形、 三角形状 1 4 0 B (図 9 (a) ) 、 半円状等、 平面形状は 任意であり、 更には、 図 9 (b) に示す如く矢羽 （カウンター） 状 に一対づっ 1 4 0 A、 1 4 O A配置させてもよい。 すなわち、 高 温ガス等の流れに渦流を発生させて （ガスかく乱を発生させて） 、 伝熱率 （熱交換効率） の向上に寄与すれば任意である。

そして、 突起を矩形板状 （突起板） と したとき、 突起板の形態 特性 （①迎え角、 ②傾斜角、 ③高さ、 ④ピッチ） がそれぞれ下記 範囲において、 突起による伝熱率改善効果を奏することを、 実験 シミュ レーショ ンにより確認している （図 8 ~ 1 3参照） 。

各形態特性要素は、 図 8 において、 （a) α ： 突起板迎え角及び Ρ ： 突起間ピッチ、 （b) 3 ： 突起板傾斜角及び h ： 突起板高さ、 (c) h ： 突起板高さ及び H ： 流路高さである。 なお、 積分平均熱 伝達率 （全周壁面における） は、 傾斜角 ： 9 0 ° 、 迎え角 ： 4 5 ° 、 流路形状 ： 4 mniX 4 mmX 2 2 0 關し 、 突起形状 ： 1 . 5 mmX 1 ， 5 mm X 0 . 5 mm t を基準として、 それぞれ各形態特性を振って 、 ガス流量 ： 2 0 g / s 、 ガス温度 ： 4 0 0 ° の条件でシミュレ ーシヨ ンしたものである。 そして、 各グラフにおける熱伝達率比 (縦軸） は、 上記条件において突起板がない場合における熱伝達 率を 1 . 0 と して表示してある。

シミュ レーショ ン結果を示す図 1 0 〜 1 3から下記のことが分 かる。

①図 1 0 : 突起板迎え角 αは、 4 5 ° が一番望ましい。 した がって、 2 0〜 7 0 ° 、 望ま しくは 3 0 ° 〜 6 0 ° の範囲で、 流体 の特性 （流速、 粘度等） 、 及び、 突起板の形状に応じて、 適宜決 めることができる。 なお、 迎え角のシミュレーショ ン結果は、 4 5 ° 以上を示していないが、 4 5 を越えると、 対称的に熱伝達 率が漸減するものと推定される。

②図 〗 1 ： 突起板傾斜角 /3は、 3 0 ~ 9 0 ° の範囲で、 ほと んど伝熱率に影響はないため、 製作上の見地からは略 9 0 ° でも よいが、 伝熱率をわずかでも改善したい場合は、 4 5〜了 5 ° の 範囲とする。

③図 1 2 ： 突起板高さは、 流路高さの 0. 1 〜 0. 8、 望ま しく は 0. 2〜 0. 7、 さらに望ましく は 0. 4〜 0. 6である 。 低過ぎると、 渦流が発生し難く、 高すぎると流れ抵抗の増大に 対して、 熱伝達率の上昇が僅かであるからである。

④図 1 3 ： 突起板ピッチは、 冷却性能を第 1 に考えた場合、 流路幅の 1 . 0〜 2 . 0倍、 望ましく は、 1 . 5倍前後とする。 余り、 突起板ピッチが長すぎると、 渦流れの減衰が顕著に発生す るので冷却性能を効果的に上昇させ難くなる。 ただし、 突起板ピ ツチが上記のごとく短い場合、 圧力損失の増大につながるので、 冷却性能と圧力損失のバランスの面からピッチは決定される。 な お、 上記①〜③においても、 冷却性能と圧力損失のバランスの面 から、 各数値範囲は決定される。

さ らに、 本発明者らは、 突起板を形成して流路、 及び、 図 9 (a) の形態 （前述の基準形態に対して突起板の形状を内接三角形状に 変えただけのもの） 同（b)の形態の各流路について同様に、 シミュ レーシヨ ン実験を行なった。 その結果、 図 9 (a) の形態は、 突起 が無い場合に対して概ね 3 5 %の熱伝達率向上、 図 9 (b) の形態 は、 突起が無い場合に対して概ね 5 3 %の熱伝達率向上と、 明ら かに突起板を形成した場合、 熱伝達率 （熱交換率 ： 高温ガス冷却 効率） が向上した。

次に、 本実施形態の熱交換器の製造方法の一例について、 説明 する。

まず、 図 1 4 に示す如く、 伝熱管本体となる扁平管 （図例では 短冊断面） 1 3 4及び導入側 ， 排出側保持板 '（チュープシー 卜） 1 1 8 、 1 2 0を用意する。 ここで、 扁平管 1 3 4の断面は矩形 筒状でも長円状であってもよい。 扁平管 1 3 4 には、 前述の如く 、 一方の長径側対向壁面の一方または双方に、 長手方向の所定間 隔 （所定ピッチ） で瘤状の多数個の突起部 （図示せず） をスタン ビング等のプレス加工で形成しておく。

なお、 扁平管 （伝熱管本体） 1 3 4及び導入側 · 排出側保持板 の各厚みは、 使用材料及び耐用期間により異なるが、 例えば、 ス テンレスの場合、 前者 ： 0 . 1 〜 1 . O mm (望ましくは 0 . 3 〜 0 . 8 mm) 、 後者 ： 0 . 5 〜 3 mm (望ましくは 1 〜 2 mm) とする 次に、 上記実施形態における、 各伝熱管 1 1 4を挿入側 · 排出 側保持板 1 1 8 、 1 2 0 に形成された伝熱管保持穴 1 1 8 a 、 1 2 0 a に挿入 · 接合して伝熱管ユニッ ト 1 3 8 を調製する。 この ときの接合の形態は、 通常、 ろう付け （ろう接） とする。 このと き、 使用するロウ材は、 例えば、 熱交換器の材質をステンレスと する場合、 通常、 銅ロウ又はニッケルロウを使用する。 ロウ付け 時の加熱 · 冷却条件は、 ロウ材の種類及び熱容量を考慮して設定 する。

こう して調製した伝熱管ユニッ ト 1 3 8の導入側 · 排出側保持 板 1 1 8 、 1 2 0の外周にロウ材を塗布した後、 胴体を形成する 角筒体 1 1 6 に部分挿入後、 整流部 1 1 8を形成する角錐台筒の 大径側に挿入し、 また、 他方、 フランジ 1 2 6 a 、 1 2 8 aがー 体化された導入口 · 排出口 （接続パイプ） 1 2 6 、 1 2 8を小径 側に挿入して、 それぞれ接合 （本固定） する。

これらの接合 （本固定） 手段は、 酸化劣化が少なく接合強度も 確保し易い T I G溶接やレーザ溶接が望ましいが、 他のアーク溶 接や、 抵抗溶接、 さらには、 耐熱性接着剤による接合であっても よい。

なお、 上記において、 胴体 （外管） 〗 1 6 を半割にして後付け することも可能である。 この場合は、 胴体 1 1 6以外の部分を前 記抵抗溶接 ロゥ接等により一体化した後、 別工程で抵抗溶接で 胴体 1 1 6 を一体化する。 このため、 製造工数は、 嵩むが、 ロウ 接熱効率及びロウ接後における表面側と内側との冷却速度の格差 に基づく金属割れの問題が発生し難く望ましい。

以上の説明では、 ス トレー ト状の伝熱管 （内管） 群に高速の高 温ガス （気体） を、 胴体 （外管） に冷却水 （液体） を通過させて 熱交換を行う熱交換器を例に採ったが、 第一流体と第二流体の組 み合わせは熱交換可能な温度差さえあれば任意である。 なお、 熱 交換器に通過させる自動車の排気ガスは、 通常、 ガス流速 ： 0 ~ 5 0 m / s > ガス温度 ： 1 2 0 〜 7 0 0 °Cである。

しかし、 通常、 第一流体 （内管通過） と第二流体 （外管通過） の選択は、 下記基準に基づいて行なうことが望ましい。 （化学ェ 学協会編 「化学工学辞典 J (昭和 4 9年 5 月 3 0 日） 丸善、 _P 3 6 5 〜 3 6 6参照）

内管 （管内） を通すべき流体 ： 腐食性流体、 管壁の汚れの大き い流体、 高圧流体、 特殊材質を要求するような高温流体。 外管 （管外） を通すべき流体 ： 流量の小なる流体、 粘度の大な る流体、 許容圧力損失の小なる流体。

また、 伝熱管群は、 途中でベンデング （屈曲） していても、 さ らには、 U字形に屈曲して同一側に両端が位置しているものにも 本発明は適用可能である。

当然、 整流部 （整流室） を一端のみに設け仕切り板で仕切って 導入 · 導出口が同一側にある熱交換器等、 あらゆる形式の多管式 熱交換器に、 本発明は適用できるものである。

Claims

請 求 の 範 囲

1 . 第一流体が通過する内管 （伝熱管） 群と、 第二流体が通過 する外管 （胴体） とを備え、 複数本の伝熱管群が、 それらの両端 を第一流体導入側及び第一流体排出側にそれぞれ位置する導入側 • 排出側保持板に保持させて配設されてなる多管式熱交換器にお いて、

前記伝熱管が、 伝熱管本体のみからなり、 該伝熱管本体に縦渦 流発生手段が配されていることを特徴とする多管式熱交換器。

2 . 第一流体が通過する内管 （伝熱管） 群と、 第二流体が通過 する外管 （胴体） とを備え、 複数本の伝熱管群が、 それらの両端 を第一流体導入側及び第一流体排出側にそれぞれ位置する導入側 • 排出側保持板に保持させて配設されてなる多管式熱交換器にお いて、

前記伝熱管が、 実質的に扁平断面の伝熱管本体のみからなり、 該伝熱管本体の長径側対向壁面の一方又は双方に、 長手方向及び 幅方向にそれぞれ所定間隔 （所定ピッチ） で板状又は瘤状の多数 個の突起部 （突起群） が形成されていることを特徵とする多管式 熱交換器。

3 . 前記突起部が前記伝熱管本体にスタンビング等のプレス加 ェによ り直接的に形成されていることを特徴とする請求項 2記載 の多管式熱交換器。

4 . 前記突起部の流れ対向面が実質的に矩形で、 その迎え角が 2 0 〜 8 0 ° であることを特徴とする請求項. 2記載の多管式熱交 換器。

5 . 前記突起部の流れ対向面が実質的に矩形で、 その高さ及び 幅が流路高さ及び流路幅のそれぞれ 0 . 1 〜 0 . 8倍であること を特徴とする請求項 2記載の多管式熱交換器。

6 . 前記突起部の流れ対向面が実質的に矩形で、 その流れ方向 ピッチが流路高さもしく は流路幅の 1 〜 5倍であることを特徴と する請求項 2記載の多管式熱交換器。

7 . 前記突起部の流れ対向面が実質的に矩形で、 その平面形状 も実質的に矩形であることを特徴とする請求項 3記載の多管式熱 交換器。