JP2004069209A

JP2004069209A - 熱交換器用エレメントチューブ

Info

Publication number: JP2004069209A
Application number: JP2002230779A
Authority: JP
Inventors: Tadahisa Sakurai; 桜井　督久; Katsuhiro Isoda; 磯田　勝弘
Original assignee: Tennex Corp
Current assignee: Mahle Filter Systems Japan Corp
Priority date: 2002-08-08
Filing date: 2002-08-08
Publication date: 2004-03-04
Anticipated expiration: 2022-08-08
Also published as: JP4009157B2

Abstract

【課題】比較的簡単な構成で且つインナフィンが確実にチューブ本体にろう付けされるようにして熱交換器本来の性能を十分に発揮できるようにしたエレメントチューブを提供する。
【解決手段】チューブ本体としてのインナチューブ２内に長手方向に沿ってインナフィン１３を挿入した構造の熱交換器用エレメントチューブ５０である。インナフィン１３は、金属板を曲折形成した二枚のフィンプレート１４，１４同士を重ね合わせた断面非閉ループ状のものであって、フィンプレート１４の端部に形成した円筒面形状のフランジ部１５の頂部がインナチューブ２の内周面に内接してろう付けされている。
【選択図】　図４

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、多管式もしくは多重管式の熱交換器の主要素として用いられるエレメントチューブに関し、特にエレメントチューブ内を通流することになる被冷却体の乱流発生促進作用と伝熱面積の増大を目的として内部にインナフィンを備えたタイプの熱交換器用エレメントチューブの改良に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
内燃機関における熱交換器の代表的なものとして、エンジンオイルの冷却を目的としたオイルクーラのほかＥＧＲガス（還流排気ガス）の冷却を目的としたＥＧＲガスクーラがある。これらの熱交換器のうち、細い多数のエレメントチューブを集約して熱交換エレメントとしたものを多管式熱交換器、比較的大径の複数のエレメントチューブを同心状に配置して熱交換エレメントとしたものを多重管式熱交換器と言い、多管式熱交換器における各エレメントチューブ内や多重管式熱交換器における最内周側のエレメントチューブ内には、例えば被冷却体の乱流発生促進作用と伝熱面積の増大を目的としてインナフィンが配設されることがある。
【０００３】
図１２，１３は従来のインナフィン付きのエレメントチューブ１００の一例を示し、同図のように円筒状の予備成形体に曲げ加工を施して断面略星形状（断面閉ループ状）のインナフィン１０２とした上でこれをチューブ本体１０１に挿入するか、もしくは予め波形状に曲折形成した断面非閉ループ状のインナフィン１０２を丸めるようにしてチューブ本体１０１内に挿入して、そのチューブ本体１０１の内周面に内接することになるインナフィン１０２の各頂部にろう付けを施してある。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
このような従来のエレメントチューブ１００の構造では伝熱面積の増大効果は十分に期待できるものの、インナフィン１０２の形状が複雑であるためにチューブ本体１０１への挿入に手間が掛かるほか、チューブ本体１０１の内周面に内接すべきインナフィン１０２側の頂部が多すぎて、全ての頂部が均等に内接しないことがある。そのため、例えばチューブ本体１０１とインナフィン１０２との接触部に予めろう材を保有させておく一方で、エレメントチューブ１００全体を所定の炉内に入れて加熱することにより各部をろう付けしようとする際に、ろう付けされない部位やろう付けが不完全な部位が発生して、熱交換器本来の性能を十分に発揮できないおそれがある。
【０００５】
本発明は以上のような課題に着目してなされたものであり、比較的簡単な構成で且つインナフィンが確実にチューブ本体にろう付けされるようにして熱交換器本来の性能を十分に発揮できるようにしたエレメントチューブを提供するものである。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
請求項１に記載の発明は、チューブ本体内にその長手方向に沿ってインナフィンを挿入した構造の熱交換器用エレメントチューブであって、インナフィンは、金属板を曲折形成した断面非閉ループ状のものであって且つ少なくとも三つの頂部がチューブ本体の内周面に内接していることを特徴とする。そして、各頂部がチューブ本体に対してろう付けされる。
【０００７】
この場合、ろう付けの容易性および確実性を確保する上で、請求項２に記載のようにインナフィンの頂部は所定曲率の円筒面として形成されていることが望ましい。
【０００８】
したがって、請求項１に記載の発明では、予め任意の形状に曲折形成したインナフィンをチューブ本体に挿入すれば、たとえインナフィンが断面非閉ループ状のものであってもインナフィンの自己弾性力によって各頂部がチューブ本体の内周面に圧接することになり、その部分でろう付けされる。これにより、チューブ本体内空間が複数の領域に隔離形成される。
【０００９】
特に、請求項２に記載のようにインナフィンの頂部が所定曲率の円筒面として形成されていると、チューブ本体との間での接触面積を可及的に大きく確保でき、ろう材の保有量も大きくなってろう付けが確実に行われる。
【００１０】
ここで、インナフィンは一枚の金属板からなるいわゆる１ピースタイプのほか、各頂部を確実にチューブ本体の内周面に密着させるためには複数枚の金属板からなる２ピースもしくは３ピースタイプのものとするのが望ましい。すなわち、請求項３に記載のように、インナフィンは、金属板を曲折形成した複数枚のフィンプレートを組み合わせて断面非閉ループ状のものとするか、もしくは、請求項４に記載のように、インナフィンは、金属板を曲折形成した複数枚のフィンプレート同士を重ね合わせて断面非閉ループ状のものとする。
【００１１】
したがって、請求項３，４に記載の発明では、インナフィンが２ピースもしくは３ピースタイプのものとして形成されていると、インナフィンをチューブ本体に挿入した際の各フィンプレートの自由度を確保できるようになり、各頂部を確実にチューブ本体の内周面に圧接させることができるようになる。
【００１２】
さらに、例えば被冷却体の乱流発生促進作用と伝熱面積の増大化の上では、請求項３または４の記載を前提とした上で、請求項５に記載のようにインナフィンを形成することになるフィンプレートには、長手方向に沿って所定のピッチでスリットが形成されていることが望ましく、より望ましくは請求項６に記載のように、インナフィンを形成することになるフィンプレートには、スリットとともに長手方向に沿って所定のピッチで補助フィンが切り起こし形成されているものとする。
【００１３】
【発明の効果】
請求項１に記載の発明によれば、チューブ本体内に挿入されるインナフィンとして、金属板を曲折形成した断面非閉ループ状のものであって且つ少なくとも三つの頂部がチューブ本体の内周面に内接するタイプのものを採用したために、インナフィンそのものの形状を簡素化できるのに加えて、インナフィンの各頂部を確実にチューブ本体の内周面に密着させてろう付けすることができ、その結果としてろう付け不良部位の発生を未然に防止して性能向上に寄与できる効果がある。
【００１４】
また、請求項２に記載の発明によれば、インナフィンの各頂部を所定曲率の円筒面としたことにより、チューブ本体に対するインナフィンの密着性およびろう材保有性が一段と良好なものとなり、ろう付け不良部位の発生を確実に防止して性能向上に一段と寄与できる効果がある。
【００１５】
請求項３，４に記載の発明によれば、インナフィンを複数枚のフィンプレートの組み合わせもしくは重ね合わせをもって形成したことにより、インナフィンをチューブ本体内に挿入した際の各フィンプレートの自由度が高く、チューブ本体に対するインナフィンの密着性およびろう付け接合性が一段と向上する効果がある。
【００１６】
さらに、請求項５，６に記載の発明によれば、インナフィンを形成することになるフィンプレートにスリットを単独もしくは補助フィンとともに形成したことにより、チューブ本体内を流れる流体の乱流発生を促進できるととに、インナフィン自体に熱歪み吸収性能を付与することができ、特に補助フィンと併用した場合には伝熱面積の増大化も図れる利点がある。
【００１７】
【発明の実施の形態】
図１〜６は本発明に係る熱交換器用エレメントチューブの好ましい実施の形態を示す図であり、内燃機関のＥＧＲガスクーラにおけるエレメントチューブに適用した場合の例を示している。なお、本実施の形態では、三重管式（多重管式）のＥＧＲガスクーラであって、且つ被冷却体をＥＧＲガスとし冷却媒体をエンジン冷却水とする場合の例を示している。
【００１８】
図１，２に示すように、ＥＧＲガスクーラ１は、互いに同心状に配置されたインナチューブ２とミドルチューブ３およびアウタチューブ４と、ミドルチューブ３の長手方向両端部に接続された冷却水導入パイプ５および冷却水吐出パイプ６とをもって構成される。インナチューブ２には後述するインナフィン１３が内挿されており、これをもってインナチューブ２をチューブ本体とする本発明のエレメントチューブ５０が構成される。そして、アウタチューブ４の両端には円形状もしくは矩形状の取付フランジ７がろう付けにて固定される。なお、図２は図１のＡ−Ａ線に沿う断面図すなわち冷却媒体吐出パイプ６の中心線に沿う断面図を示しているが、冷却媒体導入パイプ５側についても同構造となっている。
【００１９】
インナチューブ２が単純な中空円筒形状のものであるのに対して、ミドルチューブ３の一般部は中空円筒形状ではあるものの、各パイプ５，６との接続部となる長手方向両端部が局部的に外側に膨出した異形形状の膨出凸部８となっているとともに、長手方向の中央部分ではベローズ状をなすいわゆるコルゲートチューブ９として形成されている。そして、ミドルチューブ３にインナチューブ２を挿入した上で長手方向両端の密着部１０にろう付けを施すことにより両チューブ２，３が一体化されていて、インナチューブ２とミドルチューブ３との間には密閉された冷却媒体通路１１が形成されるとともに、インナチューブ２自体の内部空間は内側の被冷却体通路１２として機能することになる。
【００２０】
インナチューブ２内にはその長手方向に沿って伝熱性向上と乱流発生促進のために断面略変形Ｈ字状のインナフィン１３が配設される。このインナフィン１３は、図３，４および図５に示すように断面略チャンネル状に折り曲げたフィンプレート１４，１４同士を互いに逆向きに重ね合わせた上でインナチューブ２の内周面に内接するようにこれに挿入したものであり、各フィンプレート１４の幅方向両端部には所定曲率をもって湾曲した円筒面形状のフランジ部１５が長手方向に沿って曲折形成されている。この円筒面形状のフランジ部１５はインナフィン１３が内接することになるインナチューブ２の内周面との接触面積（ろう付け面積）を可及的に大きく確保するために形成されている。したがって、図３，４に示すようにインナチューブ２にインナフィン１３を挿入したときにはそれ自体の自己弾性力のために各フランジ部１５の円弧状の頂部がインナチューブ２の内周面に圧接し、その状態をもってインナチューブ２にろう付けされ、同時にフィンプレート１４，１４同士もまたその重なり部分で相互にろう付けされる。
【００２１】
ここで、図３に示すように各フィンプレート１４には幅方向に伸びる複数のスリット１６，１６…が略等ピッチで形成されているとともに、そのスリット相当部において複数の補助フィン１７，１７…が斜めに略４５°の角度で切り起こし形成されていて、インナフィン１３自体に熱歪み吸収性能の付与と伝熱面積の増大化が図られている。スリット１６の１６，１６の数量、切り込み量、スリット同士のピッチおよび補助フィン１７，１７の切り起こし位置、角度は、任意に設定することができる。ただし、図１および図５，６では上記のスリット１６，１６…や補助フィン１７，１７…についてフランジ部１５とともには図示省略してある。また、上記インナフィン１３としては、二枚のフィンプレート１４，１４同士を重ね合わせたいわゆる２ピースタイプのものに代えて、フィンプレート１４，１４…をさらに細分化した例えば３ピースタイプのものを採用してもよい。
【００２２】
一方、アウタチューブ４はその一般部は中空円筒形状であるものの、各パイプ５，６との接続部となる長手方向両端部が局部的に内側に膨出した異形形状の膨出凹部１８となっていて、アウタチューブ４にミドルチューブ３を挿入した際にはアウタチューブ４側の膨出凹部１８とミドルチューブ３側の膨出凸部８が互いに直接接触しながら重なり合うように設定されている。すなわち、膨出凹部１８と膨出凸部８は互いに密着しやすくなるように例えば液圧バルジ成形法等によりその頂部が平坦面をもって形成され、同時に中央部にはパイプ挿入穴１９が予め形成されている。これにより、ミドルチューブ３とアウタチューブ４との間には外側の被冷却体通路２０が形成される。
【００２３】
そして、膨出凹部１８と膨出凸部８をそれぞれ重ね合わせた状態で冷却媒体導入パイプ５および冷却媒体吐出パイプ６の根元側の先端部をパイプ挿入穴に挿入してかしめ加工を施すことにより、各パイプ５，６が冷却媒体通路１１と連通するようにミドルチューブ３およびアウタチューブ４に対して機械的に接続され、同時にろう付けが施されている。
【００２４】
すなわち、冷却媒体導入パイプ５および冷却媒体吐出パイプ６の根元側の先端部には予めビード部２１が膨出形成されていて、このビード部２１をアウタチューブ４側の膨出凹部１８の平坦面に押し当てながら最先端部２２をフレア状に拡径するべくかしめ加工を施すことにより、膨出凹部１８と膨出凸部８とが互いに重なり合ったままで表裏両面側から挟み込まれるようにして共締め固定されている。
【００２５】
ここで、上記のようにアウタチューブ４側に膨出凹部１８を形成してこの部分を各パイプ５，６との接続部とすることにより、図２から明らかなようにアウタチューブ４の軸直角断面において各パイプ５，６との接続部までもがアウタチューブ４の円筒形状内に完全におさまっていて、アウタチューブ４側での無用な張り出し感が伴わない構造となっている。同時に、ミドルチューブ３側の膨出凸部８とアウタチューブ４側の膨出凹部１８を互いに重ね合わせることにより、ミドルチューブ３とアウタチューブ４との間に他の構造物を介在させることなしに外側の被冷却体通路２０として必要な通路断面積が確保されている。
【００２６】
また、上記の各構成要素のうち少なくともインナチューブ２とミドルチューブ３およびアウタチューブ４は例えば薄肉のステンレス製のものが採用され、各パイプ５，６およびインナフィン１３についても同種もしくは異種の伝熱性に優れた金属製のものが採用される。さらに、ろう付けによる各接合部位にはニッケルろー付け、銅ろー付け等が採用されていて、例えばろう付け部位に予め箔状のろう材を介在させておくか、ペースト状ろう材を塗布しておくか、もしくは接合部となるべき金属材料そのものに予めろう材を積層したクラッド材や金属材料の表面にろう材となる銅メッキを施したものを使用するなど適宜なろう材供給を図ったうえで、各構成要素同士を組み付けた状態で全体を所定の炉内で加熱することにより各部が一斉にろう付けされる。
【００２７】
このように構成されたＥＧＲガスクーラ１によれば、図６に示すように冷却媒体導入パイプ５を入口側とし冷却媒体吐出パイプ６を出口側として冷却媒体通路１１を図示しないラジエータとの間で冷却水が循環するものとすると、ＥＧＲガスはＥＧＲクーラ１の一方の端部１ａから他方の端部１ｂから向かって流れることになる。この場合、各パイプ５，６との接続部までもがアウタチューブ４の円筒形状内に完全におさまり、アウタチューブ４側での無用な張り出しが伴わない構造となっているので、ＥＧＲガスは流通に際し無用な抵抗を受けることなく出口側へ導かれ、ＥＧＲガス中の煤等の付着も最小限に抑えられる。また、ＥＧＲガスは冷却媒体通路１１の内周側の被冷却体通路１２と冷却媒体通路１１の外周側の被冷却体通路２０との二層に分かれるものの、ともに冷却媒体通路１１内を流れる冷却水との熱交換作用により冷却される。そして、外側の被冷却体通路２０を形成しているアウタチューブ４は外気に露出しており、その表面積は、他のチューブに比べ最も広いので、その外側の被冷却体通路２０を流れるＥＧＲガスについては外気との熱交換作用による冷却効果をも得ることができる。
【００２８】
図７は本発明の第２の実施の形態を示し、先の第１の実施の形態における図３と比較すると明らかなように、インナフィン１３を形成することになるフィンプレート２４にスリット１６や補助フィン１７が形成されていない点で異なっている。
【００２９】
また、図８は本発明の第３の実施の形態を示し、先の第１の実施の形態における図３と比較すると明らかなように、インナフィン１３を形成することになるフィンプレート３４にスリット１６が形成されてはいても、補助フィン１７が形成されていない点で異なっている。
【００３０】
これら第２，３の実施の形態のフィンプレート２４または３４を要素とするインナフィンを用いた場合のエレメントチューブ５０たるインナチューブ２の断面形状は図９のようになる。
【００３１】
また図１０は本発明の第４の実施の形態を示し、チューブ本体としてのインナチューブ２に挿入されることになるインナフィン４４を単一の金属板を断面略Ｖ字状に折り曲げることにより形成するとともに、その幅方向両端部には例えば折り曲げ基部２３と同等曲率の円弧状のフランジ部２５を曲折形成して、インナフィン４４自体の自己弾性力による圧接力をもって折り曲げ基部２３の頂部と各フランジ部２５の頂部の合計三箇所の頂部をインナチューブ２の内周面に内接させるようにしたものである。そして、第１の実施の形態のものと同様にしてインナフィン４４の各頂部がインナチューブ２にろう付けされる。以上により、インナチューブ２をチューブ本体としてその内部にインナフィン４４を有するエレメントチューブ５１が形成されている。
【００３２】
さらに図１１は本発明の第５の実施の形態を示し、チューブ本体としてのインナチューブ２に挿入されることになるインナフィン５４を単一の金属板を断面略チャンネル状もしくは断面略コ字状に折り曲げることにより形成するとともに、チャンネル状もしくはコ字状空間の開放側の両端部には例えば折り曲げ基部２６と同等曲率の円弧状のフランジ部３５を曲折形成して、インナフィン５４自体の自己弾性力による圧接力をもって折り曲げ基部２６の頂部と各フランジ部３５の頂部の合計四箇所の頂部をインナチューブ２の内周面に内接させるようにしたものである。そして、第１の実施の形態のものと同様にしてインナフィン５４の各頂部がインナチューブ２にろう付けされる。以上により、インナチューブ２をチューブ本体としてその内部にインナフィン５４を有するエレメントチューブ５２が形成されている。
【００３３】
ここで、図１０，１１に示した第４，５の実施の形態において、単一の金属板からなるインナフィン４４または５４に図３と同様のスリット１６や補助フィン１７を必要に応じて形成してもよい。
【００３４】
これら第４，５の実施の形態においても基本的には第１の実施の形態と同様の作用効果が得られることになる。
【００３５】
なお、上記の各実施の形態では、チューブ本体としてのインナチューブ２にインナフィンを内挿してなるエレメントチューブ５０〜５２を、そのインナチューブ２を最内層とする多重管式（三重管式）のＥＧＲクーラ１に適用した場合について説明したが、各実施の形態のエレメントチューブ５０〜５２を、多数のエレメントチューブを集約してなる多管式の熱交換器のエレメントチューブとして適用することももちろん可能である。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係るエレメントチューブの第１の実施の形態として、そのエレメントチューブを内燃機関の多重管式ＥＧＲガスクーラに適用した状態を示す断面図。
【図２】図１のＡ−Ａ線に沿う断面図。
【図３】図２に示すインナフィンを形成しているフィンプレートの要部斜視図。
【図４】図２の要部拡大図。
【図５】エレメントチューブを形成しているインナチューブ（チューブ本体）とインナフィンの相互関係を示す分解斜視図。
【図６】図１のＥＧＲガスクーラにおける冷却水とＥＧＲガスの流れを示す説明図。
【図７】本発明の第２の実施の形態として、インナフィンの構成要素となるフィンプレートの他の形態を示す要部斜視図。
【図８】本発明の第３の実施の形態として、インナフィンの構成要素となるフィンプレートのさらに他の形態を示す要部斜視図。
【図９】図７，８のフィンプレートをインナフィンに用いたエレメントチューブの断面図。
【図１０】本発明の第４の実施の形態を示す図で、（Ａ）はチューブ本体としてのインナチューブとインナフィンの相互関係を示す分解斜視図、（Ｂ）は同図（Ａ）の断面図。
【図１１】本発明の第５の実施の形態を示す図で、（Ａ）はチューブ本体としてのインナチューブとインナフィンの相互関係を示す分解斜視図、（Ｂ）は同図（Ａ）の断面図。
【図１２】従来の熱交換器用エレメントチューブの一例を示す要部斜視図。
【図１３】図１２の分解斜視図。
【符号の説明】
２…インナチューブ（チューブ本体）
１３…インナフィン
１４…フィンプレート
１５…フランジ部
１６…スリット
１７…補助フィン
２４…フィンプレート
２５…フランジ部
３４…フィンプレート
３５…フランジ部
４４…インナフィン
５０…エレメントチューブ
５１…エレメントチューブ
５２…エレメントチューブ
５４…インナフィン

Claims

チューブ本体内にその長手方向に沿ってインナフィンを挿入した構造の熱交換器用エレメントチューブであって、
インナフィンは、金属板を曲折形成した断面非閉ループ状のものであって且つ少なくとも三つの頂部がチューブ本体の内周面に内接していることを特徴とする熱交換器用エレメントチューブ。
インナフィンの頂部は所定曲率の円筒面として形成されていることを特徴とする請求項１に記載の熱交換器用エレメントチューブ。
インナフィンは、金属板を曲折形成した複数枚のフィンプレートを組み合わせて断面非閉ループ状のものとしたことを特徴とする請求項１または２に記載の熱交換器用エレメントチューブ。
インナフィンは、金属板を曲折形成した複数枚のフィンプレート同士を重ね合わせて断面非閉ループ状のものとしたことを特徴とする請求項３に記載の熱交換器用エレメントチューブ。
インナフィンを形成することになるフィンプレートには、長手方向に沿って所定のピッチでスリットが形成されていることを特徴とする請求項３または４に記載の熱交換器用エレメントチューブ。
インナフィンを形成することになるフィンプレートには、スリットとともに長手方向に沿って所定のピッチで補助フィンが切り起こし形成されていることを特徴とする請求項５に記載の熱交換器用エレメントチューブ。