JP2003222498A - 多管式熱交換器 - Google Patents

多管式熱交換器

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JP2003222498A JP2002023125A JP2002023125A JP2003222498A JP 2003222498 A JP2003222498 A JP 2003222498A JP 2002023125 A JP2002023125 A JP 2002023125A JP 2002023125 A JP2002023125 A JP 2002023125A JP 2003222498 A JP2003222498 A JP 2003222498A
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Masayoshi Usui
正佳 臼井
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Usui Kokusai Sangyo Kaisha Ltd
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Usui Kokusai Sangyo Kaisha Ltd
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    • FMECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F28HEAT EXCHANGE IN GENERAL
    • F28FDETAILS OF HEAT-EXCHANGE AND HEAT-TRANSFER APPARATUS, OF GENERAL APPLICATION
    • F28F21/00Constructions of heat-exchange apparatus characterised by the selection of particular materials
    • F28F21/08Constructions of heat-exchange apparatus characterised by the selection of particular materials of metal
    • F28F21/081Heat exchange elements made from metals or metal alloys
    • F28F21/082Heat exchange elements made from metals or metal alloys from steel or ferrous alloys
    • 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
    • F28D7/16Heat-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 in parallel spaced relation

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Abstract

(57)【要約】 【課題】 胴管内の冷却水の水位が低下して伝熱面が露
出しても、内部熱応力による疲労破壊が発生せず、また
伝熱面が腐食されることもなく、さらに熱交換性能も優
れた多管式熱交換器を提供する。 【解決手段】 多管式熱交換器において、伝熱面を構成
する部材をCr:23.0〜33.0wt%、Mo:
0.55〜4.0wt%、C:0.01wt%以下、
N:0.015wt%以下、Si:0.4wt%以下、
Mn:0.4%wt以下、P:0.03wt%以下、
S:0.02wt%以下を含有し、さらに必要に応じて
Ni:4.0wt%以下、Nbおよび/またはTiをそ
れぞれ0.5wt%以下含有するスーパーフェライトス
テンレス鋼製とすることを特徴とする。

Description

【発明の詳細な説明】 【0001】 【発明の属する技術分野】本発明は、例えばEGRガス
の冷却に用いられる多管式の熱交換器に関するものであ
る。 【0002】 【従来の技術】例えばエンジンの冷却液などによってE
GRガスを冷却する装置として利用される多管式の熱交
換器は、図1、図2にその一例を示すごとく、両端部に
冷却媒体流入口1−1および冷却媒体流出口1−2を設
けた胴管1内部において、ストレート管の伝熱管2−1
で構成された伝熱管群2の両端部が板金製のチューブシ
ート3にろう付けにより固着配列され、該伝熱管群2の
中間部はバッフルプレート5にて支持されており、一
方、チューブシート3はその外周端部を胴管1にろう付
けにより固着され、前記胴管1の一方の端部にはEGR
ガスの流入口4−1が設けられた端部キャップ4が固着
され、また他方の端部にはEGRガスの流出口4−2が
設けられた端部キャップ4が固着された構成となし、か
つ前記端部キャップ4のガス流入口4−1およびガス流
出口4−2の外側開口端部に締結用フランジ6が外嵌固
着された構造で溶接やろう付けで組立てられたものが一
般的であり、前記伝熱管2−1、チューブシート3、バ
ッフルプレート5等の伝熱面を構成する部材には、一般
にオーステナイト系ステンレス鋼が使用されている。 【0003】 【発明が解決しようとする課題】しかるに、前記した伝
熱面を構成する部材にオーステナイト系ステンレス鋼が
使用された従来の多管式熱交換器において、エンジンの
冷却液などの冷却水を冷媒として用いてEGRガスを冷
却する場合、前記冷却水が胴管1内に充満している場合
は問題ないが、例えばエンジンの冷却水量が何等かの原
因により減少して胴管1内の水位が低下して伝熱面が露
出した場合、オーステナイト系ステンレス鋼は、周知の
通り熱伝導率が小さくかつ熱膨張係数が大きいため、オ
ーステナイト系ステンレス鋼製の部材の場合、内外表面
の温度が高温となり高い熱応力を生じてチューブの曲が
り、挫屈、クラックの発生等疲労破壊の原因となる。こ
のような現象はエンジン振動等外部からの応力でさらに
顕著となる。 【0004】かかる対策として、伝熱管やチューブシー
ト等の伝熱面を構成する部材に熱伝導率が大きくかつ熱
膨張係数の小さいフェライト系ステンレス鋼を使用する
と、内部熱応力による疲労破壊は緩和されるが、耐食性
に劣るため伝熱面が腐食し易く、この腐食による漏れが
発生するとエンジン冷却水が燃焼室に侵入しエンジント
ラブルの原因となるため、フェライト系ステンレス鋼は
採用できない。 【0005】本発明は上記した従来の多管式熱交換器の
問題を解決するためになされたもので、何等かの原因で
胴管内の冷却水の水位が低下して伝熱面が露出しても、
内部熱応力による疲労破壊が発生せず、また伝熱面が腐
食されることもなく、さらに熱交換性能も優れた多管式
熱交換器を提供しようとするものである。 【0006】 【課題を解決するための手段】本発明に係る多管式熱交
換器は、両端部に冷却媒体流入口および冷却媒体流出口
が設けられた胴管の内壁の両端部付近に固定されたチュ
ーブシートまたはハブに伝熱管群が固着配列され、かつ
好ましくは該伝熱管群はその中間部をバッフルプレート
で支持され、さらに前記胴管の両端部には端部キャップ
が固着され、また前記端部キャップには高温流体の流入
口と流出口が設けられ、前記端部キャップの高温流体流
入口および流出口の外側開口端部に締結用フランジが外
嵌固着された構造の多管式熱交換器において、伝熱面を
構成する部材をCr:23.0〜33.0wt%、M
o:0.55〜4.0wt%、C:0.01wt%以
下、N:0.015wt%以下、Si:0.4wt%以
下、Mn:0.4%wt以下、P:0.03wt%以
下、S:0.02wt%以下を含有し、さらに必要に応
じてNi:4.0wt%以下、Nbおよび/またはTi
をそれぞれ0.5wt%以下含有するスーパーフェライ
トステンレス鋼製とすることを特徴とするものである。 【0007】本発明において、伝熱管やプレート等の伝
熱面を構成する部材を上記成分を有するスーパーフェラ
イトステンレス鋼製としたのは、以下に記載する理由に
よる。すなわち、上記成分を有するスーパーフェライト
ステンレス鋼は、熱伝導率が大きくかつ熱膨張係数が小
さいため、胴管内の冷却媒体レベルが低下して伝熱面が
露出した場合であっても、チューブに伝熱した熱をただ
ちに伝導させて温度上昇を抑えて内部応力の上昇を最小
限とすることができて疲労破壊を防止でき耐久性を向上
できること、また熱伝導率が大きいので伝熱面の内外表
面の温度差が小さくなることにより伝熱面とEGRガス
との温度差が大きくなって、交換熱量(Kcal/H
r)が増大すること、高Cr・低炭素・低不純物のため
極めて耐食性に優れオーステナイト系ステンレス鋼以上
の耐久性を有するため伝熱面の腐食に起因する漏れの発
生がないこと等の利点を有するためである。 【0008】つぎに、本発明鋼の成分を限定した理由を
以下に説明する。Crは23.0wt%未満では耐食性
が劣化し、他方、33.0wt%を超えると高価になる
とともにσ相、χ相の金属間化合物が析出し脆性が劣化
する。 【0009】MoはCrと同様、0.55wt%未満で
は耐食性が劣化し、他方、4.0wt%を超えるとσ
相、χ相の金属間化合物が析出し脆性が劣化する。 【0010】C、Nは強度を確保するために必要である
が、あまり多くすると加工性や溶接性が悪くなるため上
限をそれぞれ0.01wt%、0.015wt%とし
た。 【0011】Siは脱酸剤として必要であるが、0.4
wt%を超えると加工性が悪くなる。 【0012】Mnは強度を確保するために含有させる
が、あまり多いと加工性が劣化するため上限を0.4%
wtとした。 【0013】Pは溶接性を確保するために微量必要であ
るが、あまり多くすると加工性や耐食性が悪くなるので
上限を0.03wt%とした。 【0014】SはPと同様、溶接性を確保するために微
量必要であるが、あまり多くすると加工性や耐食性が悪
くなるので上限を0.02wt%とした。 【0015】Niはエンジン冷却水中のClイオンの濃
縮に伴う塩酸や、燃料中に含有される硫黄が燃焼するこ
とによって排気ガス中の硫黄酸化物による硫酸の濃縮等
の非酸化性無機酸に対する耐食性向上のために必要であ
るが、あまり多すぎると耐応力腐食割れ性が劣化するた
め、上限を4.0wt%とした。 【0016】Nb、Tiはカーボンを固定してクロムカ
ーバイドの析出を防止するために必要であるが、あまり
多くしても効果に差がないため、上限を0.5wt%と
した。 【0017】 【実施例】図1に示す多管式熱交換器の伝熱管2−1、
チューブシート3、バッフルプレート5を、表1に示す
本発明鋼(A〜Eの供試材)で製作し、当該熱交換器の
冷却水位が低下して伝熱面が露出した場合の前記部材の
耐久性を、表1に示す比較鋼(F〜Jの供試材)を用い
た上記と同じ構造の多管式熱交換器の伝熱管、チューブ
シート、バッフルプレートの耐久性と比較して表2に示
す。表2に示す結果より、伝熱面を構成する伝熱管、チ
ューブシート、バッフルプレートをスーパーフェライト
ステンレス鋼製とした本発明の多管式熱交換器の場合
は、冷却水位が低下して伝熱面が露出してもチューブの
曲がりや挫屈、クラックの発生等が無く比較鋼製の多管
式熱交換器に比し優れた耐久性を示した。 【0018】 【表1】 【0019】 【表2】【0020】 【発明の効果】本発明は上記のごとく、伝熱面を構成す
る部材をスーパーフェライトステンレス鋼製としたこと
により、胴管内の冷却媒体レベルが低下して伝熱面が露
出した場合であっても、チューブに伝熱した熱をただち
に伝導させてチューブの温度上昇を抑えて内部応力の上
昇を最小限とすることができて疲労破壊を防止でき耐久
性を向上でき、また熱伝導率が大きいので伝熱面の内外
表面の温度差が小さくなることにより伝熱面とEGRガ
スとの温度差が大きくなって交換熱量を増大でき、さら
に高Cr・低炭素・低不純物のため極めて耐食性に優れ
オーステナイト系ステンレス鋼以上の耐久性を有するた
め伝熱面の腐食に伴うエンジントラブルが皆無となる等
の効果を奏する。
【図面の簡単な説明】 【図1】本発明の対象とする多管式のEGRガス冷却装
置の一例を中央部を省略して示す横断平面図である。 【図2】図1A−A線上の断面図である。 【符号の説明】 1 胴管 1−1 冷却媒体入口 1−2 冷却媒体出口 2 伝熱管群 2−1 伝熱管 3 チューブシート 4 端部キャップ 4−1 EGRガス流入口 4−2 EGRガス流出口 5 バッフルプレート 6 締結用フランジ
─────────────────────────────────────────────────────
【手続補正書】 【提出日】平成14年2月21日(2002.2.2
1) 【手続補正1】 【補正対象書類名】明細書 【補正対象項目名】0012 【補正方法】変更 【補正内容】 【0012】Mnは強度を確保するために含有させる
が、あまり多いと加工性が劣化するため上限を0.4
t%とした。

Claims (1)

  1. 【特許請求の範囲】 【請求項1】 両端部に冷却媒体流入口および冷却媒体
    流出口が設けられた胴管の内壁の両端部付近に固定され
    たチューブシートまたはハブに伝熱管群が固着配列さ
    れ、かつ前記胴管の両端部には端部キャップが固着さ
    れ、また前記端部キャップには高温流体の流入口と流出
    口が設けられ、前記端部キャップの高温流体流入口およ
    び流出口の外側開口端部に締結用フランジが外嵌固着さ
    れた構造の多管式熱交換器において、伝熱面を構成する
    部材をCr:23.0〜33.0wt%、Mo:0.5
    5〜4.0wt%、C:0.01wt%以下、N:0.
    015wt%以下、Si:0.4wt%以下、Mn:
    0.4%wt以下、P:0.03wt%以下、S:0.
    02wt%以下を含有し、さらに必要に応じてNi:
    4.0wt%以下、Nbおよび/またはTiをそれぞれ
    0.5wt%以下含有するスーパーフェライトステンレ
    ス鋼製とすることを特徴とする多管式熱交換器。
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