WO2018147471A1

WO2018147471A1 - ドロンカップ型の熱交換器

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Publication number: WO2018147471A1
Application number: PCT/JP2018/005365
Authority: WO
Inventors: 小室　朗; 聡大友; 健太郎木村
Original assignee: T Rad Co Ltd
Current assignee: T Rad Co Ltd
Priority date: 2017-02-13
Filing date: 2018-02-08
Publication date: 2018-08-16
Anticipated expiration: 2019-08-13

Abstract

コア部の応力を低減させる新しいドロンカップ型の熱交換器の提供。チューブエレメント２が、対向する一対のカッププレートからなり、各カッププレート１は、その端部に設けたカップ部７の頂部に冷却水の連通孔８が形成されカップ部７を有する。そのチューブエレメント２を複数積層することによりコア部１９が構成され、箱状のケーシング本体１８と、その開口部２０を密閉する蓋部１３で構成されたケーシングの内部にコア部１９が収容される。それと共に、コア部１９の積層方向の上端部が蓋部１３に固定されたドロンカップ型の熱交換器において、前記カップ部７における凸部周面７ａには、カップ部７に生じる応力を低減するための段差部９が形成されていることを特徴とする。

Description

ドロンカップ型の熱交換器

　本発明は、インタークーラのように、チューブエレメントを複数積層したコア部を、箱状のケーシングの内部に収容したドロンカップ型の熱交換器に関する。

　インタークーラの如く、高温の気体を冷却水などの液体で冷却する熱交換器としてドロンカップ型の熱交換器がある。ドロンカップ型の熱交換器は一対のカッププレートの組合せによりチューブエレメントを形成し、そのチューブエレメントを複数積層して構成される。各カッププレートは、平坦な冷却水流路の端部に膨出面が形成され、その膨出端面に冷却水連通孔が形成されている。その一対のカッププレートを対向配置し、それら周縁部を互いにろう付けなどで接合することにより熱交換器のコアが形成される。チューブエレメントにおける平坦部分の外面側には加熱気体（チャージエア）の流路が形成され、その内面側には連通孔を介して冷却水路が形成される。
　熱交換器を構成するコア部は、複数のチューブエレメントを積層し、互いにろう付けなどにより固定して形成される。そのコア部は箱状のケーシングに収納される。そのケーシングはケーシング本体と、その開口部を密閉する蓋体とで構成され、その蓋体にコア部の積層方向の上端が固定される。
　図６は、従来のドロンカップ型の熱交換器に使用されるチューブエレメント形成用のカッププレートの例である。図６（Ａ）はカッププレートの一端部を示す斜視図で、図６（Ｂ）は図６（Ａ）におけるＢ−Ｂ矢視断面図である。
　カッププレート１は、周縁から細長い平坦な平面に厚み方向に僅かに立上げられて、その外面に気体が流通する気体流通面４（平坦部３）と、その平坦部３の端部に設けられるカップ部７を有する。図６（Ａ）に示すように、そのカップ部７に冷却水連通孔８が形成されている。この冷却水連通孔８は環状である。なお冷却水連通孔８は、複数のチューブエレメントを積層してコア部を形成した状態において、積層された複数のチューブエレメント間に冷却水を連通するものである。
　なお、前述のように、チューブエレメントは一対のカッププレートを互いに対向して、そのカップ部７を互いに接合して形成されるが、図６はその一方のカッププレートの端部のみを例示している。
　コア部はケーシングに収納される。そのケーシングは、底部と側部を有する箱状のケーシング本体と、その開口部を密閉する蓋体で構成される。そしてコア部はその積層方向の上端が蓋体の下部をろう付けなどにより固定される。即ち、コア部のケーシングに対する固定部分は、その積層方向の上端部のみである。
　例えば、高温のチャージエアを冷却水で冷却する際には、チャージエアがケーシングから、各チューブエレメントの外面側に導かれ、それを冷却する冷却水がチューブエレメントの内部に導かれる。
　高温のチャージエアがケーシング内部を流通すると、コアの各部に熱応力が生じ、熱歪みが発生して、コア部の耐久力に影響を及ぼす。
　特許文献１には、ドロンカップ型の熱交換器におけるコア部の応力を低減する手段として、各ドロンカップの長手方向の端部のカップ部で、各プレートを連結することにより、各プレート間に熱応力を低減すると記載している。

特開２０１４−０９８４９６号公報

　しかし、特許文献１の方法では、熱応力の低減が十分でない。
　そこで本発明は、各プレートの端部における熱応力を確実に低減させることを可能とする新しいドロンカップ型の熱交換器の提供を課題とする。

　本発明の第１の発明は、外面に、周縁から厚み方向へ平坦に形成された平坦部３と、その平坦部３の端部に外周が厚み方向へ膨出する凸部周面７ａを介して、突設されたカップ部７と、そのカップ部７の頂部に形成された冷却水の連通孔８と、によりプレート１が形成され、
　一対のプレート１が前記カップ部７で対向してチューブエレメント２を構成し、
　複数のチューブエレメント２が複数積層されてコア部１９を構成し、
　そのコア部１９が箱状のケーシングに収納され、
　そのケーシングは、ケーシング本体１８とその開口部２０を密閉する蓋部１３で構成され、
　コア部１９の積層方向の一端が蓋部１３に固定されて、各プレート１の内面側に冷却水の流通路が形成されたドロンカップ型熱交換器において、
　前記カップ部７の凸部周面７ａには、カップ部７に生じる応力を低減するための段差部９が環状に形成されていることを特徴とする（請求項１）。
　本発明の第２の発明は、第１の発明において、前記段差部９は、複数段に形成されていることを特徴とする（請求項２）。
　本発明の第３の発明は、第１または第２の発明において、前記凸部周面７ａは、カップ部７の頂部から平坦部３に向かって傾斜する傾斜面を有し、該傾斜面に前記段差部９が形成されていることを特徴とする（請求項３）。

　チューブエレメントのカップ部には膨出面が形成されているが、実験によれば、ケーシングからの応力は平坦な流通部より膨出部に偏って多く加わることが分かった。特にケーシングの蓋部に固定されているコア部の積層方向の上端部におけるカップ部にケーシングから伝搬する応力がより多く集中し、それによってカップ部の耐久力が劣化し、チューブエレメントが損傷しやすくなることも判明した。
　第１の発明は、チューブエレメントのカップ部における膨出面に、カップ部に生じる応力を低減するための環状の段差部を形成したことを特徴とする。このように構成すると、カップ部に応力が生じると段差部による変形作用により、ケーシング側からカップ部に伝搬してくる応力を緩和し低減させることができる。そして、コア部の積層方向の上端部におけるカップ部に大きく生じる応力は、互いに同軸的に積層固定された段差部を有する全てのカップ部に次々と伝搬され、それぞれのカップ部における段差部で吸収されていく。そのため、コア部の積層方向の上端部におけるカップ部に生じる応力はチューブエレメント全体として効率よく分散低減される。結果としてコア部の耐久性も確実に向上する。
　第２の発明は、段差部は複数段形成されていることを特徴とする。
　このように段差部を複数段形成すると、段差部による変形作用がより効率的になり、カップ部に対する応力低減効果も一層向上する。
　第３の発明は、凸部周面は、カップ部の頂部から平坦部に向かって傾斜する傾斜面を有し、該傾斜面に段差部を形成したことを特徴とする。
　このように構成されたカップ部は、傾斜面と段差部の両方の変形が組み合わされるので、応力低減効果もより大きくなる。

　図１は本発明の熱交換器におけるチューブエレメント形成用のカッププレートの部分斜視図。
　図２は図１の一部平面図（Ａ）、Ｂ−Ｂ断面図（Ｂ）、Ｃ−Ｃ断面図（Ｃ）。
　図３は図１のカッププレートで形成した複数のチューブエレメントを積層した状態を示す部分断面図。
　図４は図３のように積層する複数のチューブエレメントとケーシングの蓋部との固定関係を示す斜視図。
　図５は図４に示す複数のチューブエレメントとケーシングの蓋を互いに固定した後のケーシングの蓋部と箱状のケーシング本体との固定関係を示す斜視図。
　図６は従来のドロンカップ型の熱交換器に使用されるチューブエレメント形成用のカッププレートの例を示す部分斜視図（Ａ）および断面図（Ｂ）。

　次に、図面に基づき本発明の熱交換器の実施形態を説明する。
　図１は本発明の熱交換器に使用されるカッププレートの実施形態を示す部分斜視図、図２（Ａ）は図１の部分平面図、図２（Ｂ）は図２（Ａ）のＢ−Ｂ矢視断面図、図２（Ｃ）は図２（Ａ）のＣ−Ｃ矢視断面図である。
　本実施形態において、従来技術として図６に示した部分と同じ部分には同一符号を付し、重複する説明は可能な範囲で省略する。
　図１では、仕切りに対して左右２つのカップ部７を幅方向に一体に形成し、内部に冷却水１２を供給して、それを仕切２６の回りにＵターンさせている。それに代えて長手方向の両端に一対のカップ部を形成してもよい。なお図２の各図は図１の片方のカップ部７だけが示されている。カッププレート１の外側表面は、周縁６から厚み方向に低く細長い平坦な平坦部３で構成され、外面側に気体流通面４と、平坦部３の端部に設けられるカップ部７を有する。カップ部７は立ち上がりの凸部周面７ａと頂部、および頂部に設けた冷却水連通孔８とからなる。
　図１の実施形態では、カッププレート１の長手方向の両端縁に一対の側壁部４ａが立ち上げられているが、この側壁部４ａは設けなくてもよい。
　カッププレート１のカップ部７の周縁に形成された凸部周面７ａは、平坦な気体流通面４の延長面から上方に膨出しており、その凸部周面７ａは段付きの傾斜面に形成されている（図２（Ｂ）（Ｃ）参照）。カップ部７の頂部に楕円形の冷却水連通孔８が形成されている。カップ部７の周面に形成される凸部周面７ａは、平坦な気体流通面４から立ち上がり冷却水連通孔８に向かって半径が縮小していく。
　冷却水連通孔８に向かって形成される楕円環状の楕円の長辺側の途中には、凸部周面７ａの図２（Ｃ）に示すように２つの段差部９が形成されている。一方、楕円環状の短辺側の凸部周面７ａの途中には、図２（Ｂ）に示すように１つの段差部９が形成されている。
　これら凸部周面７ａに段差部９を形成することにより、前述の如くケーシング側からの応力低減効果が効率的に発揮される。なお、段差部９の段数は、カップ部の頂部から平坦部向かって傾斜する傾斜面の長さ（凸部周面７ａの途中長さ）に制約されるが、長さに余裕があれば段差部９を３段以上形成することもできる。
　図３は、図１のカッププレート１を用いて形成した複数のチューブエレメント２を積層する状態を示す部分断面図である。チューブエレメント２は一対のカッププレート１を逆向きに対向配置し、それらの周縁部はカップ部７の頂部でろう付等により互いに固定する。なお、図３には積層方向の最上段と２段の部分を構成するチューブエレメント２の一部のみが実線で描かれている。
　細長い平坦な平坦部３で構成される気体流通面４の内面側には細長い冷却水路２５が形成され、その気体流通面４の外面側にはアウターフィン１１が配置されている。なお、冷却水路２５にインナーフィンを設けることもできる。
　なお、この実施形態では一方のカッププレート１には、一対の側壁部４ａが設けられているが、他方のカッププレート１には、側壁部４ａが設けられておらず、一対の側壁部４ａの端縁に他方のカッププレート１の周縁６が載置されて、それらがろう付等により固定される。
　図４は、図３のように積層する複数のチューブエレメント２とケーシングの蓋部１３との固定関係を示す斜視図である。蓋部１３は方形状の平板でアルミ合金等で形成される。蓋部１３の長手方向の一方の端部に冷却水などの供給と排出を行うための入口部１４および出口部１５が設けられている。これらはチューブエレメント２のカップ部７の冷却水連通孔８に連通し、その流通路２５に冷却水１２を流通させる。
　図４に示すように、積層される各チューブエレメント２は上下方向に積層されており、一方のカップ部７が入口部１４に連通し、他方のカップ部７が出口１５部に連通する。蓋部１３の周縁部には複数の貫通孔１６と各貫通孔１６に挿通するボルト１７が示されているが、これらは後述するケーシングのケーシング本体との結合に際して使用される。
　図５は、図４に示す複数のチューブエレメント２とケーシングの蓋部１３を互いに固定した後におけるケーシングの蓋部１３と箱状のケーシング本体１８との固定関係を示す斜視図である。なお蓋部１３とケーシング本体１８の組み合わせにより熱交換器のケーシングが構成される。
　先ず、蓋部１３をケーシング本体１８に固定する前に、複数のカッププレート１と蓋部１３、アウターフィン１１を互いにろう付けなどにより固定して一体化する。具体的には図５に示すように、組み合わせた一対のカッププレート１を複数積層し、最上層のカッププレートの外面に蓋部１３の内面を接し、その状態を維持して一度に全体をろう付け等により固定する。固定された複数のチューブエレメント２によりコア部１９が構成され、そのコア部１９が蓋部１３に固定された状態になる。
　箱状のケーシング本体１８はアルミ合金などで作られ、垂直な４つの側部の上部に開口部２０が形成されており、その開口部２０にパッキン２４を配置し、その上方から蓋部１３に固定されたコア部１９を挿入する。挿入後にケーシング本体１８の開口部２０の周縁部に設けた複数のボルト孔２１と、蓋部１３のボルト孔１６とを整合させた状態で、ボルト１７により螺着締結し、蓋部１３とケーシング本体１８を互いに固定する。なおケーシング本体１８には高温の気体であるチャージエア１０が流入及び流出する流入部２２および流出部２３が設けられている。気体は図５に矢印で示す方向に流通する。

　本発明は、高温の気体などが流通するドロンカップ型の熱交換器に利用できる。

　１　カッププレート
　２　チューブエレメント
　３　平坦部
　４　気体流通面
　４ａ　側壁部
　４ｂ　周縁部
　６　周縁
　７　カップ部
　７ａ　凸部周面
　８　冷却水連通孔
　９　段差部
　１０　チャージエア
　１１　アウターフィン
　１２　冷却水
　１３　蓋部
　１４　入口部
　１５　出口部
　１６　貫通孔
　１７　ボルト
　１８　ケーシング本体
　１９　コア部
　２０　開口部
　２１　ボルト孔
　２２　流入部
　２３　流出部
　２４　パッキン
　２５　冷却水路
　２６　仕切部

Claims

　外面に、周縁から厚み方向へ平坦に形成された平坦部（３）と、その平坦部（３）の端部に外周が厚み方向へ膨出する凸部周面（７ａ）を介して、突設されたカップ部（７）と、そのカップ部（７）の頂部に形成された冷却水の連通孔（８）と、によりプレート（１）が形成され、
　一対のプレート（１）が前記カップ部（７）で対向してチューブエレメント（２）を構成し、
　複数のチューブエレメント（２）が複数積層されてコア部（１９）を構成し、
　そのコア部（１９）が箱状のケーシングに収納され、
　そのケーシングは、ケーシング本体（１８）とその開口部（２０）を密閉する蓋部（１３）で構成され、
　コア部（１９）の積層方向の一端が蓋部（１３）に固定されて、各プレート（１）の内面側に冷却水の流通路が形成されたドロンカップ型熱交換器において、
　前記カップ部（７）の凸部周面（７ａ）には、カップ部（７）に生じる応力を低減するための段差部（９）が環状に形成されていることを特徴とするドロンカップ型熱交換器。
　前記段差部（９）は、複数段に形成されていることを特徴とする請求項１に記載のドロンカップ型熱交換器。
　前記凸部周面（７ａ）は、カップ部（７）の頂部から平坦部（３）に向かって傾斜する傾斜面を有し、該傾斜面に前記段差部（９）が形成されていることを特徴とする請求項１または請求項２に記載のドロンカップ型熱交換器。