JP2002350071A - 二重管式熱交換器 - Google Patents

二重管式熱交換器

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JP2002350071A JP2001156106A JP2001156106A JP2002350071A JP 2002350071 A JP2002350071 A JP 2002350071A JP 2001156106 A JP2001156106 A JP 2001156106A JP 2001156106 A JP2001156106 A JP 2001156106A JP 2002350071 A JP2002350071 A JP 2002350071A
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Yasufumi Sakakibara
康文 榊原
Shigeki Harada
成樹 原田
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    • F28HEAT EXCHANGE IN GENERAL
    • F28FDETAILS OF HEAT-EXCHANGE AND HEAT-TRANSFER APPARATUS, OF GENERAL APPLICATION
    • F28F1/00Tubular elements; Assemblies of tubular elements
    • F28F1/10Tubular elements and assemblies thereof with means for increasing heat-transfer area, e.g. with fins, with projections, with recesses
    • F28F1/42Tubular elements and assemblies thereof with means for increasing heat-transfer area, e.g. with fins, with projections, with recesses the means being both outside and inside the tubular element
    • FMECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F28HEAT EXCHANGE IN GENERAL
    • F28DHEAT-EXCHANGE APPARATUS, NOT PROVIDED FOR IN ANOTHER SUBCLASS, IN WHICH THE HEAT-EXCHANGE MEDIA DO NOT COME INTO DIRECT CONTACT
    • F28D7/00Heat-exchange apparatus having stationary tubular conduit assemblies for both heat-exchange media, the media being in contact with different sides of a conduit wall
    • F28D7/10Heat-exchange apparatus having stationary tubular conduit assemblies for both heat-exchange media, the media being in contact with different sides of a conduit wall the conduits being arranged one within the other, e.g. concentrically
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    • F28F13/06Arrangements for modifying heat-transfer, e.g. increasing, decreasing by affecting the pattern of flow of the heat-exchange media
    • F28F13/12Arrangements for modifying heat-transfer, e.g. increasing, decreasing by affecting the pattern of flow of the heat-exchange media by creating turbulence, e.g. by stirring, by increasing the force of circulation

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Abstract

(57)【要約】 【課題】伝熱面積を増大させずに熱交換能の増大が可能
で、スス付着の問題点も解決できる二重管式熱交換器を
提供すること。 【解決手段】内管12と外管14とを備え、内管12側
および外管14側に、それぞれ、高温側流体通路および
低温側流体通路のどちらか一方ずつを備えた二重管式熱
交換器。内管12の内壁面に、長手方向に所定間隔(所
定ピッチ)で板状又は瘤状の突起部26を形成する。こ
の突起部26により、内管12を高速流体が流れるとき
縦渦流が発生して伝熱効率が増大する。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【発明の属する技術分野】本発明は、二重管式熱交換器
に関する。特に、内管に高速の高温ガス(気体)を、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(高度の熱交換性能が要求される)等に好
適な発明である。
【0002】ここでは、外管に冷却水を、内管に高温高
速ガスを通過させて、熱交換を行う場合を例に採るが、
熱交換媒体の組み合わせは、これに限られるものではな
い。即ち、流体の組み合わせにおいて、液体/液体、気
体/気体、液体/気体、等任意であるとともに、高温側
/低温側の流体通路は、内管側/外管側のどちらにあっ
てもよい。
【0003】
【背景技術】二重管式熱交換器としては、図1・2に示
す如く、内管12を外管14に挿通させ、外管14の両
端部を内管12の外壁に接合(例えばろう付け)したも
のがある。外管14の両端部には、冷却水の入口ノズル
16及び出口ノズル18を向流/並流使用できるように
形成されている(図例では向流)。なお、20は管フラ
ンジである。
【0004】図1・2に示すような構成では、熱交換が
内管12の壁面だけであり、伝熱面積が小さく、かつ、
内管12の中心部側を流れる流体の熱交換が行い難く熱
交換効率が低い。即ち、全体として大きな熱交換性能を
得難かった。
【0005】このため、図3・4に示すような、複数本
(図例では4本)の細径の内管12Aを外管14の内側
に挿通させた多管式タイプが、通常、使用されている。
この構成では、伝熱面積が増大するとともに、中心部側
を流れる流体に対しても熱交換を行うことができ、大き
な熱交換性能を得易い。
【0006】しかし、図3・4に示す多管式タイプのも
のでは、製造工数がかさみ、かつ、重量も増大する傾向
にある。
【0007】このため、本願発明者らは、先に、図1・
2に示す構成の二重管式熱交換器において、図5に示す
如く、内管12に、横断面放射状の波形チューブ(通
常、波板からなる。)24で形成された伝熱フィン22
を、内管12の管壁内側に接して配した熱交換器を提案
した(特願平9−182571号:特開平11−231
81号公報)。伝熱面積の増大と内管12の中心部を流
れる流体の熱交換も可能として、熱交換性能を増大させ
る。
【0008】図5に示す構成の熱交換器において、熱交
換効能をさらに増大させようとした場合、図6に示す如
く、伝熱フィン22Aを形成する波形チューブの波数を
増大させることにより、伝熱面積を増大させて対応する
ことが考えられる。
【0009】しかし、本発明者が検討した結果、熱交換
性能が余り増大しないばかりか、伝熱壁面に汚れ(ス
ス、油汚れ等)が付着しやすくて、極端な場合は汚れに
よる目詰まりが部分的に発生して、大きな熱交換効率の
低下が発生し易いことが分かった。
【0010】
【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
による大きな熱交換効率の低下の問題点も解決できる二
重管式熱交換器を提供することを目的とする。
【0011】上記目的を達成するために、鋭意開発に努
力をした結果、下記構成の二重管式熱交換器に想到し
た。
【0012】内管と外管とを備え、内管側および外管側
に、それぞれ、高温側流体通路および低温側流体通路の
どちらか一方ずつを備えた二重管式熱交換器において、
前記内管及び/又は外管に縦渦流発生手段が配されてい
ることを特徴とする。
【0013】内管及び/又は外管に縦渦流発生手段を配
することにより、高速ガス流路である内管等を通過する
に際して、縦渦流が発生する。この渦流により高速ガス
等の通過流体が撹乱されて相対的に熱伝達率(熱交換効
率)が増大する。したがって、従来の如く、伝熱面積を
増大させる伝熱フィンを内管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低く、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
なり、当然、汚れによる部分的な目詰まりも発生しな
い。したがって、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大きな熱交換効率
の低下の問題点が解消する。
【0014】具体的には、内管の内壁面に、長手方向に
所定間隔(所定ピッチ)で板状又は瘤状の突起群を形成
して縦渦流発生手段とする。
【0015】上記板状又は瘤状の突起群の形成は、内管
の壁面にプレス加工(スタンピング等)により直接形成
してもよいが、幅方向及び長手方向にそれぞれ所定間
隔(所定ピッチ)で板状又は瘤状の突起群が形成された
平板状薄板を、筒状に巻き回して、前記内管に嵌合させ
て組み付けることにより、又は、薄肉円筒体を周方向
及び長手方向にそれぞれ所定間隔(所定ピッチ)で板状
又は瘤状の突起群が形成された突起群加工筒体を、前記
内管に嵌合させて組み付けることにより、行うことが生
産性が良好となる。
【0016】さらに上記において、平板状薄板をばね
鋼板とすることが、内管に巻き回して嵌合させたとき、
ばね弾性の広がり作用により内管に仮固定でき、生産性
がさらに良好となる。
【0017】
【発明を実施するための最良の形態】以下、本発明の各
種実施形態を図例に基づいて説明をする。なお、前述例
と同一部分については、同一図符号を付して、それらの
説明の全部または一部を省略する。
【0018】図7に本発明の一実施形態の概略モデル横
断面図及び概略モデル縦断面部分図を示す。
【0019】内管12と外管14とを備え、内管12側
および外管14側を、それぞれ、高温側流体通路および
低温側流体通路のいずれか一方ずつとする二重管式熱交
換器である。図例では内管12側が高温ガス流体通路と
され、外管14側が冷却水流体通路とされている。
【0020】そして、本実施形態では、内管12の内壁
面に多数個の瘤状突起26(突起群)が、周方向及び長
手方向に所定間隔(所定ピッチ)で形成されている。
【0021】ここで、瘤状突起26の平面形状は長円
で、横断面形状は台形状であるが、これに限られること
なく、平面形状:丸型、矩形、ひし形、三角形等任意で
あり、横断面形状も、半円、半長円、矩形、三角形等任
意である。
【0022】また、周方向ピッチ及び長手方向ピッチ
は、さらには、瘤(突起)の大きさは、内管の内径及び
内管の通過する導通流体の速度、要求される縦渦流形態
等の各要素、即ち、熱交換器に要求される熱交換性能に
より異なる。
【0023】例えば、内管の内径20〜30mmとしたと
き、周方向ピッチは2〜6分割(角度で180°、90
°、60°、45°、30°;図例では180°)、長
手方向ピッチは、突起(瘤)の大きさによっても異なる
が、10〜30mmとする。
【0024】また、突起(瘤)の大きさについて、高さ
は、内径の0.1〜0.5倍、望ましくは0.2〜0.
4倍とし、幅は2〜6mm、望ましくは3〜5mmとす
る。
【0025】この突起は、通常、プレス加工(通常、ス
タンピング)により形成し、図例では瘤状突起の配設方
向は、導通流体の流れ方向に対して平行(同方向)であ
るが、斜交方向であってもよい。このときの斜交角度
は、20〜70°、望ましくは45°前後とする。な
お、内管の肉厚は、0.3〜1.0mm、望ましくは
0.5mm前後とする。
【0026】上記では内管に突起群を直接的に形成した
が、突起群は、図8に示す如く、幅方向及び長手方向に
それぞれ所定間隔(所定ピッチ)で板状又は瘤状(図例
では板状)の突起群26Aが形成された平板状薄板28
を、筒状に巻き回して、内管12に嵌合させて組み付け
ることにより形成してもよい。このときの板状突起26
Aのピッチ及び大きさは前述と同様であり、切り起こし
形態が、軸線直交(迎え角度ほぼ90°)でかつ放射方向
(半径:法線方向)であるが、それぞれ斜交させてもよ
い(例えば迎え角度45°前後、法線交差角度:30°前
後とする。)なお、図例中、30は合わせ部(ジョイン
ト部)である。
【0027】突起26Aの形成は、薄板(通常,0.1
〜0.3mmt)を打ち抜き、突起形成部位26aを切
り起こして行う。このとき、平板状薄板28は、ばね鋼
板とすることが望ましい。前述の如く、巻き回して筒体
として、内管12に挿入して、ろう付け等により固定し
て製造する際、ろう付け工程前のばね力により仮固定が
容易にできるためである。
【0028】図8に示す筒体を、図9に示す如く、横断
分割体(図例では3分割体)28Aとして、周方向で所
定角度ずつずらして(例えば、図例の如く板状突起3つ
の場合、30°)、順次前記内管に嵌合させて組み付け
てもよい。なお、横断分割体28Aは、薄肉パイプを所
定長ずつに裁断したものをプレス等を使用して切り起こ
して形成しても勿論よい。
【0029】以上の説明では、ストレート状の内管に高
速の高温ガスを、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とり説明したが、内管側及び
外管側を通過する流体の組み合わせは、熱交換可能な温
度差があれば、任意である。なお、熱交換器の内管を通
過させる自動車排気ガスは、通常、ガス流速:0〜50
m/s、ガス温度:120〜700℃である。
【0030】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。(化学工学協会編「化学工学辞典」
(昭和49年5月30日)丸善、p365〜366参
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。
【0031】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。
【0032】なお、上記各実施形態では、縦渦流発生手
段は、内管にのみ設けたが、導通流体の流速が縦渦流が
発生するような高速の場合、外管のみさらには、内管と
外管の双方に設けてもよい。又、縦渦流発生手段は、壁
面に直接的又は間接的に接して形成される突起群とした
が、流路中央部に浮かして又は流路対向壁間に接してス
クリュー体やプロペラ体を連続的又は間欠的に配しても
よい。
【0033】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。
【図面の簡単な説明】
【図1】従来の二重管式熱交換器を示す正面図
【図2】図1の2−2線拡大断面図
【図3】従来の多管式熱交換器の一例を示す正面図
【図4】図3の4−4線断面図
【図5】図1において内管に波形チューブの伝熱フィン
を設けた図2に対応する拡大断面図
【図6】図5において波形チューブの山数を増大させた
断面図
【図7】本発明の熱交換器の一実施形態を示す横断面概
略図及び縦断面概略部分図
【図8】本発明の別の実施形態において使用する製造方
法を示す説明図
【図9】さらに突起群形成筒体が横断分割体とした場合
の斜視図
【符号の説明】
12 内管 14 外管 22 伝熱フィン 26、26A 突起 28 突起形成薄板

Claims (6)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 内管と外管とを備え、前記内管側および
    外管側に、それぞれ、高温側流体通路および低温側流体
    通路のどちらか一方ずつを備えた二重管式熱交換器にお
    いて、 前記内管及び/又は外管に縦渦流発生手段が配されてい
    ることを特徴とする二重管式熱交換器。
  2. 【請求項2】 内管と外管とを備え、前記内管側および
    外管側に、それぞれ、高温側流体通路および低温側流体
    通路のどちらか一方ずつを備えた二重管式熱交換器にお
    いて、 前記内管の内壁面に、周方向及び長手方向に所定間隔
    (所定ピッチ)で板状又は瘤状の突起群が形成されてい
    ることを特徴とする二重管式熱交換器。
  3. 【請求項3】 幅方向及び長手方向にそれぞれ所定間隔
    (所定ピッチ)で板状又は瘤状の突起群が形成された平
    板状薄板を、筒状に巻き回して、前記内管に嵌合させて
    組み付けることにより、前記内管の内側壁面に、前記板
    状又は瘤状の突起群が形成されていることを特徴とする
    請求項2記載の二重管式熱交換器。
  4. 【請求項4】 前記平板状薄板がばね鋼板であることを
    特徴とする請求項3記載の二重管式熱交換器。
  5. 【請求項5】 薄肉円筒体の周方向及び長手方向にそれ
    ぞれ所定間隔(所定ピッチ)で板状又は瘤状の突起群が
    形成された突起群加工筒体を、前記内管に嵌合させて組
    み付けることにより、前記内管の内側壁面に、前記板状
    又は瘤状の突起群が形成されていることを特徴とする請
    求項2記載の二重管式熱交換器。
  6. 【請求項6】 前記突起群加工筒体が、端縁を周方向に
    所定ピッチで切り起こされた横断分割体を、周方向で所
    定角度ずつずらして、順次前記内管に嵌合させて組み付
    けたものであることを特徴とする請求項5記載の二重管
    式熱交換器。
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