(57)【特許請求の範囲】
【請求項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、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、又は、該対向面の双方又は一方から突出する多数枚の伝熱フィンとからなり、前記伝熱フィンにより形成される伝熱管の各分割流路の壁面に、長手方向の所定間隔（所定ピッチ）で板状又は瘤状の突起部が形成されて、前記第一流体に渦流が発生可能とされていることを特徴とする多管式熱交換器。
【請求項２】
前記各伝熱管が、扁平管からなる伝熱管本体に、該伝熱管本体と別体の波板を挿入接合して伝熱フィンを形成した構成であるとともに、前記伝熱フィンの壁面の切り起こし又はスタンピングにより前記板状又は瘤状の突起部が形成されていることを特徴とする請求項１記載の多管式熱交換器。
【請求項３】
前記突起部が板状で、その迎え角が２０〜８０°であることを特徴とする請求項１又は２記載の多管式熱交換器。
【請求項４】
前記突起部が板状で、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１、２又は３記載の多管式熱交換器。
【請求項５】
前記突起部が板状で、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１〜４のいずれかに記載の多管式熱交換器。
【請求項６】
前記突起部が板状で、その平面形状が矩形であることを特徴とする請求項１〜５のいずれかに記載の多管式熱交換器。
【請求項７】
請求項２〜６のいずれかに記載の多管式熱交換器を製造する方法であって、扁平管からなる伝熱管本体に、該伝熱管本体と別体の波板を挿入接合して伝熱フィンを形成して前記各伝熱管を製作するに際して、前記波板として壁面の切り起こし又はスタンピングにより前記板状又は瘤状の突起部を形成したものを使用することを特徴とする多管式熱交換器の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
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。
【０００２】
【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１・２に示すような多管式熱交換器１２が多用されている。
【０００３】
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）１４と、第二流体（冷却水）が通過する外管（胴体）１６とを備え、複数本の伝熱管（伝熱管群）１４、１４…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１８、２０に保持させて配設されている。図例では、胴体１６の内部に多数本の伝熱管群１４、１４…が、胴体１６両端の導入側・排出側保持板（チューブシート）１８、２０を介して配設されている。胴体１６の両端には円錐台状の導入側・排出側整流筒部（整流部）２２、２４を介してフランジ２６ａ、２８ａ付きの導入・排出口（接続パイプ）２６、２８を備えて、伝熱管群１４、１４…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１６の上下には、導入・排出ノズル３０、３２を備え各伝熱管１４の外側に第二流体（冷却水）が通過可能となっている。
【０００４】
しかし、図１・２に示すような多管式熱交換器１２は、熱交換効率を増大させようとして伝熱管１４の数を増やすと、冷却水の流れ抵抗が大きくなったり、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。
【０００５】
また、上記多管式熱交換器１２は、製造工数が嵩み、且つ、重量も増大傾向にあった。
【０００６】
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２０００−０６１５４１号：出願時未公開）。
【０００７】
「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徴とする。」
本発明は、主として上記構成の多管式熱交換器の改良に係り、更なる製造工数の削減及び熱交換効率の増大が期待できる多管式熱交換器を提供することを目的とするものである。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
本発明者らは、上記課題を解決するために、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。
【０００９】
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、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、又は、該対向面の双方又は一方から突出する多数枚の伝熱フィンとからなり、前記伝熱フィンにより形成される伝熱管の各分割流路の壁面に、長手方向の所定間隔（所定ピッチ）で板状又は瘤状の突起部が形成されて、前記第一流体に渦流が発生可能とされていることを特徴とする。
【００１１】
伝熱管の流路の壁面に所定ピッチで突起部が形成されていることにより、高速ガス等の第一流体が伝熱管を通過するに際して、渦流（縦渦流）が発生する。該渦流の存在により高速ガス等の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。
【００１２】
さらに、上記構成において、各伝熱管が、扁平管からなる伝熱管本体に、該伝熱管本体と別体の波板を挿入接合して伝熱フィンを形成した構成とするとともに、伝熱フィンの壁面の切り起こし（プレス抜き）又はスタンピングにより突起部が形成することが望ましい。波板をプレス加工等により製作する際に、同時に設計（仕様）に応じた任意形状の突起部を簡単に形成でき生産性が良好であるためである。
【００１３】
突起部を板状とし、▲１▼その迎え角を２０〜８０°とすることが、▲２▼その高さ及び幅を流路高さ及び流路幅のそれぞれ０．１〜０．８倍とすることが、▲３▼その流れ方向ピッチを流路高さの１〜５倍とすることが、それぞれ、熱伝達率（熱交換効率）が増大して望ましい。
【００１４】
【発明の実施の形態】
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ついては、下二桁を同一数字として付した。
【００１５】
図３・４に本実施形態を適用する多管式熱交換器１１２の一例を示す（前述の先願における図３・４から引用したものである。ただし、図符号は異なる。）。
【００１６】
すなわち、両端に導入側・導出側保持板（チューブシート）１１８、１２０を備えた角筒胴体１１６内に、複数本の伝熱管１１４が固定管板１１８、１２０を介して配設されている。角筒胴体１１６の両端には四角錐台状の導入側・導出側整流筒部（整流部）１２２、１２４を介してフランジ１２６ａ、１２８ａ付きの第一流体導入口・排出口（接続パイプ）１２６、１２８を備えて、第一流体（高温ガス）が伝熱管群１１４、１１４…内を導通可能となっている。
【００１７】
ここで、伝熱管１１４は、扁平管からなる伝熱管本体１３４と該伝熱管本体１３４の長手方向の対向面間をつなぐ波板からなる伝熱フィン１３６とからなる構成である。ここで、波板１３６は、図例では矩形波状であるが、三角山形波状、台形山形波状、半円形波状であってもよい。
【００１８】
また、角筒胴体１１６の上下には、導入・排出側ノズル１３０、１３２を備え伝熱管１１４の外側に第二流体（冷却水）を導通可能となっている。
【００１９】
なお、胴体を、図５（図３の４（５）−４（５）線部位に対応）に示す如く、円筒状胴体１１６Ａ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１１４、１１４′、１１４′′を用意する必要がある。
【００２０】
また、伝熱管の構成は、上記の如く、伝熱管本体と伝熱フィンとが別体でなくても、図６(a) 、(b) に示す如く、伝熱管本体１３４Ａ、１３４Ｂの対向面の双方から又は一方から突出させて多数の伝熱フィン１３６Ａ、１３６Ｂを形成させた伝熱管１１４Ａ、１１４Ｂであってもよい。
【００２１】
伝熱フィン１３６Ａ、１３６Ｂを双方から突出させる場合は、略中央位置で必ずしも接合している必要はなく、図６(b) に示す如く、互い違いに突出していてもよく、さらには、隙間があってもよい。また、一方から突出させる場合は、通常、他方の対向面に当接させるが、成形性の見地から離隔させてもよい。
【００２２】
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。
【００２３】
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、突起部を備えた帯板を挿入固定しやすくて望ましい。
【００２４】
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。
【００２５】
そして、上記構成において、本実施形態においては、伝熱管本体１３４と伝熱フィン１３６とで形成される分割流路１３７の壁面に長手方向（流れ方向）の所定間隔で突起部１４０を所定間隔で形成する（図７参照）。
【００２６】
ここでは、図７は、説明の便宜上、分割流路が矩形断面（正方形）であり、突起部１４０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。
【００２７】
突起部１４０は、通常、板状とするが、瘤状（半球状、角錐状、角柱状）であってもよい。板状とする場合は、切り起こし等により、瘤状とする場合は、スタンピング等によりそれぞれ形成する。切り起こしもスタンピングもプレス加工の範疇である。なお、板状とする場合、通常、図例の如く矩形とするが、台形、三角形状１４０Ｂ（図８(b) ）、半円状等、平面形状は任意であり、更には、図８(a) に示す如く矢羽（カウンター）状に一対づつ１４０Ａ、１４ＯＡ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。
【００２８】
また突起部１４０は、図例では、波板の溝底部側ばかりでなく、側面でもよいが、加工上制限を受ける。通常、突起部１４０は、波板の波底部側から切り起こして形成するためである。
【００２９】
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▼傾斜角、▲２▼迎え角、▲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９〜１２参照）。
【００３０】
なお、各形態要素は、図７の(a) 突起板迎え角α及び突起間ピッチｐ、(b) 突起板傾斜角β及び突起板高さｈ、(c) 突起板高さｈ及び流路高さＨを、それぞれ示している。なお、積分平均熱伝達率（全周壁面における）は、傾斜角：９０°、迎え角：４５°、流路形状：４mm×４mm×２２０mmＬ、突起形状：１．５mm×１．５mm×０．５mmｔを基準として、それぞれ各形態特性を振って、ガス流量：２０ｇ／ｓ、ガス温度：４００°の条件でシミュレーションしたものである。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。
【００３１】
シミュレーション結果を示す図９〜１２から下記のことが分かる。
【００３２】
▲１▼図９：突起板傾斜角は、３０〜９０°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９０°でもよいが、伝熱率をわずかでも改善したい場合は、４５〜７５°の範囲とする。
【００３３】
▲２▼図１０：突起板迎え角は、４５°が一番望ましい。すなわち、迎え角が小さい程渦流が発生し易いが、圧力損失（流れ抵抗）が増大するためである（渦流発生と圧力損失のバランスからである。）。したがって、２０〜７０°、望ましくは３０°〜６０°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、４５°以上を示していないが、４５°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。
【００３４】
▲３▼図１１：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。
【００３５】
▲４▼図１２：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、突起板ピッ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。
【００３６】
さらに、本発明者らは、突起板を形成して流路、及び、図８(b) 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）の流路について同様に、シミュレーション実験を行なった。その結果、図８(a) の形態は、突起が無い場合に対して概ね３５％の熱伝達率向上、図８(b) の形態は、突起が無い場合に対して概ね５３％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）が向上することが分かる。
【００３７】
次に、本実施形態の熱交換器の製造方法について、説明する。
【００３８】
まず、図１３に示す如く、伝熱管本体となる扁平管（図例では短冊断面）１３４と、伝熱フィンとなる金属製の波板１３６、及び、導入側・排出側保持板（チューブシート）１１８、１２０を用意する。ここで、扁平管１３４の断面は矩形筒状でも長円状であってもよい。また、波板１３６は、図例では、矩形波状であるが、三角山形波状、円形波状であってもよい。
【００３９】
なお、扁平管（伝熱管本体）１３４、金属波板及び導入側・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、前第一者：０．１〜１．０mm（望ましくは０．３〜０．８mm）、前第二者：０．０１〜０．８mm（望ましくは０．０５〜０．５mm）、後者：０．５〜３mm（望ましくは１〜２mm）とする。
【００４０】
上記波板１３６の調製方法は、特に限定されず、慣用の方法で調製できる。例えば、引き抜きや、波型のダイ上を歯車状ポンチを転がしてコルゲーティング成形（プレス加工）してもよい。
【００４１】
そして、この波板１３６の製作時（プレス加工）に、同時に、突起板１４０をプレス加工等により形成でき波板の製作工数が、突起板１４０を形成しない場合に比してほとんど増大しない。
【００４２】
次に、波板１３６の各頂部に蝋材を付着させた状態で扁平管１３４に挿入した後、扁平管１３４を圧縮成形して波板１３６を仮固定して、蝋付け用加熱炉を通して各伝熱管１１４を調製する。なお、扁平管１３４（伝熱管１１４）の導入側端は、ろう付けクリアランスを調整すると共に、ろう付け長さを広くできることから、フレア加工して導入側保持板１１８に対する接合部強度を増大させておくことが望ましい。
【００４３】
次に、上記実施形態における、各伝熱管１１４を挿入側・排出側保持板１１８、１２０に形成された伝熱管保持穴１１８ａ、１２０ａに挿入・接合して伝熱管ユニット１３８を調製する。このときの接合の形態は、通常、ろう付け（ろう説）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。
【００４４】
こうして調製した伝熱管ユニット１３８の導入側・排出側保持板１１８、１２０の外周にロウ材を塗布した後、胴体を形成する角筒体１１６に部分挿入後、整流部１１８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１２６ａ、１２８ａが一体化された導入口・排出口（接続パイプ）１２６、１２８を小径側に挿入して、それぞれ接合（本固定）する。
【００４５】
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ＴＩＧ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。
【００４６】
なお、上記において、胴体（外管）１１６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１１６以外の部分を前記抵抗溶接／ロウ接等により一体化した後、別工程で抵抗溶接で胴体１１６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。
【００４７】
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：０〜５０ｍ／ｓ、ガス温度：１２０〜７００℃である。
【００４８】
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。
【００４９】
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。
【００５０】
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。
【００５１】
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。
【図面の簡単な説明】
【図１】従来の多管式熱交換器の一例を示す縦断面図
【図２】図１の２−２線矢視断面図
【図３】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縦断面図
【図４】図３の４（５）−４（５）線部位における一形態の横断面図
【図５】同じく他の形態における横断面図
【図６】本発明を適用可能なパイプ材から形成する一体成形伝熱管の各形態を示す横断面図
【図７】突起板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
【図８】突起板の他の配置形態(a) 及び他の形状(b) の各例を示すモデル図
【図９】シミュレーショ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
【図１０】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
【図１１】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
【図１２】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
【図１３】本発明を適用する多管式熱交換器における伝熱管ユニットの製造工程図
【符号の説明】
１２、１１２  多管式熱交換器
１４、１１４  伝熱管
１６、１１６  外管（胴体）
１８、１１８  導入側保持板
２０、１２０  排出側保持板
２２、１２２  導入側整流筒部
２４、１２４  排出側整流筒部
２６、１２６  導入口（接続パイプ）
２８、１２８  排出口（接続パイプ）
１３４        扁平管（伝熱管本体）
１３６        波板（伝熱フィン）
１３７        分割流路（高温ガス流路）
１３８        伝熱管ユニット
１４０        突起部（突起板）
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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