JP2007085724A - 熱交換器 - Google Patents

Abstract

【課題】リブが流れに関して最適化されていて、その結果熱交換器の効率がリブにおける熱伝達の上昇によって高められ、しかも同時に熱交換器における圧力損失を可能な限り小さく保つことができる熱交換器を提供する。
【解決手段】本発明は、冷却媒体によって貫流される通路と、冷却される流体によって貫流される通路とが設けられ、両方の通路が壁によって互いに隔てられていて、該壁から複数のリブが両通路のうちの少なくとも１つの通路内に延びている形式の熱交換器において、各リブ６が１つの線形の上流縁１１と２つの線形の下流縁１５とを有しており、該１つの上流縁１１と２つの下流縁１５とが、リブ６の連続的に延びる２つの側壁１２を画成している。
【選択図】図３

Description

本発明は、熱交換器であって、冷却媒体によって貫流される通路と、冷却される流体によって貫流される通路とが設けられており、両方の通路が少なくとも１つの壁によって互いに隔てられていて、該壁から複数のリブが両通路のうちの少なくとも１つの通路内に延びている形式のものに関する。

このような形式の熱交換器は一般的に公知であり、多くの明細書に記載されている。例えば、リブが単に冷却媒体を通す通路内に延びている熱交換器や、リブが冷却される流体によって貫流される通路内に延びている熱交換器や、両方向に向かって延びるリブを備えた熱交換器が存在する。これらのリブは、両方の流体の間における熱伝達を著しく改善する。リブは特に、リブのない構成に比べて、相応な通路内における滞在時間及び堰き止め圧（Staudruck）を増大させる。内燃機関における排気ガス熱交換器として使用される熱交換器では、排気ガスによって貫流される通路の煤汚れもしくはカーボン付着を阻止するために、このようなリブを使用することができる。

例えばＤＥ１０２００４０４５９２３Ａ１に開示された熱交換器では、リブは種々異なった形状を有していて、通路を画成する内壁から、冷却される流体を通す通路内に延びている。これらのリブはすべて、軸線対称的な形状を有していて、少なくとも一部分にわたって、主流方向に対して特定の角度を付けられている。これらのリブの流入領域及び流出領域は共に丸みを付けられて形成されている。

上述の公知の構成における欠点としては、製造コストが高いことが挙げられる。それというのは、リブを備えた２つの内壁を形成する必要があり、かつリブの流入領域における比較的大きな堰き止め領域による大きな圧力損失が存在するからである。

改善された効率を得ることができる、ＵＳ２８９２６１８に基づいて公知のプレート熱交換器では、リブが、各１つの上流縁と下流縁とを備えた凹面状に互いに向かって配置された側壁を有している。

ＧＢ８９２５３４に基づいて公知の熱交換器は、真っ直ぐな側壁と凹面状の側壁とを備えたリブを有している。線形の上流縁によって、リブの流入領域において、速度が０に減じられる流れの堰き止め領域は最小になり、その結果圧力損失は僅かになる。さらに連続的に延びる側壁によって境界層が生ぜしめられ、この境界層はリブの領域に接触しており、その結果延長された冷却区間にわたって熱交換を行うことができる。

上に述べた公知のすべての構成において、特に熱交換器を排気ガス熱交換器として使用する場合、熱交換器は煤汚れに対して比較的敏感である。また効率は、冷却される流体の混合不足によって制限されている。
ＤＥ１０２００４０４５９２３Ａ１ ＵＳ２８９２６１８ ＧＢ８９２５３４

ゆえに本発明の課題は、冒頭に述べた形式の熱交換器を改良して、リブが流れに関して最適化されていて、その結果熱交換器の効率がリブにおける熱伝達の上昇によって高められ、しかも同時に熱交換器における圧力損失を可能な限り小さく保つことができる熱交換器を提供することである。本発明ではさらに、リブの煤汚れを可能な限り僅かにすることができ、冷却される流体の均質性の得られることが望まれている。

この課題を解決するために本発明の構成では、各リブが１つの線形の上流縁と２つの線形の下流縁とを有しており、該１つの上流縁と２つの下流縁とが、リブの連続的に延びる２つの側壁を画成しているようにした。

本発明のように構成されていると、ただ１つの上流縁によって圧力損失が最小になり、側壁の連続的な経過によってリブ長さ全体にわたる境界層流が得られ、境界層流の剥離が阻止され、その結果熱伝達が改善される。２つの下流縁によって、公知の構成に比べて、長手方向に対して直角な方向における著しく改善された強力な混合が達成され、その結果流体流の均質性が高められ、これによって、質量流全体の温度交換及び温度補正もしくは温度コントロールが達成される。そしてこれらすべてのことによって、熱交換器の効率が高められる。

本発明の有利な構成では、リブが主流方向に沿って延びている。このように構成されていると、圧力損失が最小になり、リブの両側における境界層の存在が保証される。小さな圧力損失は、熱交換器が内燃機関の低圧領域における排気ガス熱交換器として使用される場合に、有利である。それというのは、このような使用例では存在する圧力降下が極めて僅かだからである。

本発明の別の構成では、各リブの、上流縁及び下流縁に接続する側壁が、互いに対して９０°以下の角度を成している。このように構成されていると、圧力損失が十分に小さくなり、各リブの冷却区間に沿った不都合な乱流及び剥離を回避することが保証される。

堰き止めポイントの後ろ、つまり上流縁の後ろにおいて初めて境界層流が形成されることを保証するために、本発明の別の有利な構成では、各リブの上流縁から延びている側壁が、前方領域において互いに対してほぼくさび形に配置されている。

択一的な本発明の別の有利な構成では、前方領域において両方の側壁に対する接線の間における角度が、主流方向において連続的に減少していて、側壁は後方領域において互いに平行に延びている。このような構成によっても効率は高められる。それというのは、このような構成によって、リブの経過によって境界層の剥離が回避され、リブに沿った十分に長い冷却区間を利用できるからである。

本発明による熱交換器の別の有利な構成では、リブが主流方向に対して垂直に列を成して互いに並んで配置されていて、各列のリブが後続の列に対してずらされて配置されている。このように構成されていると、熱交換器内における滑らかな貫流が妨げられるので、通路を貫流する流体の滞在時間が延長され、ひいては熱交換器の効率が高められる。さらに貫流速度は、流れのために利用できる小さな横断面によっても高められ、その結果リブの周りを乱流が流れることが保証され、これによって高い壁剪断応力が、ひいては大きな熱伝達数αが得られ、ひいては熱対流の上昇による冷却出力の高まりが保証される。

本発明の別の有利な構成では、熱交換器が排気ガス熱交換器として使用され、リブが排気ガスを通す通路内に進入している。この構成は特に有利である。それというのは、発生する流速度及び乱流によって煤汚れが確実に回避され、同時に高い効率が得られ、ひいては所要構造寸法が小さくなり、このことは、利用できる構造空間が狭いことに基づいて特に自動車構造において重要である。

従って本発明の構成により、公知の従来技術に比べて、効率の上昇に基づいて小さな構造空間しか必要とせず、しかも煤汚れに対して鈍感な熱交換器が得られる。同時に本発明による熱交換器は、ダイカスト法によって安価に製造することができる。また、冷却される流体は、良好に均質化された状態で熱交換器から流出する。

次に図面を参照しながら、本発明による熱交換器の有利な実施の形態を説明する。

有利には自動車における排気ガス熱交換器として使用される図示の熱交換器は、外側ハウジング１と、その中に配置されていてダイカスト法で製造可能な内側ハウジング２とから成っている。内側ハウジング２と外側ハウジング１との間には組立て後に、冷却される流体によって貫流される通路３が存在する。内側ハウジング２の内部には、冷媒によって貫流される通路４が配置されており、この通路４の流入管片及び流出管片は図示されておらず、その都度の使用に応じて任意に配置されることができる。冷媒によって貫流される通路４は、壁５によって画成されていて、これらの壁５からは、冷却される流体によって貫流される通路３内にリブ６が延びている。冷却される流体によって貫流される通路３は、その入口７が出口８と同じヘッド側に配置されているように形成されており、その結果冷却される流体は熱交換器の後方領域９において１８０°変向される。従ってリブ６はこの領域において主流方向に追従して配置されている。

真ん中のリブ１０は入口７もしくは出口８から、変向部が形成されている後方領域９にまで延びており、真ん中のリブ１０の高さは、外側ハウジング１にまで達するように構成されており、これによって、入口７から出口８への短路を介しての横方向流及びオーバフローが阻止される。

特に図１から分かるように、リブ６は主流方向で見てそれぞれ列を成して並んで配置されており、第１の列の終わりには各１つの第２の列が続いていて、この第２の列のリブ６は第１の列のリブ６に対してずらされて配置されている。リブ６のこのような配置形式によって、熱交換器内における排気ガスの滞在時間が長くなり、ひいては熱交換器の効率が高められる。それというのは、冷却される流体が邪魔されることなく真っ直ぐに貫流することはもはや不可能になるからである。

図３には、リブ６の本発明による横断面形状が示されている。リブ６は１つの上流縁（Anstroemkante）１１を有しており、この上流縁１１は内側ハウジング２の壁５から各リブ６の端部に向かって線形に通路３内に延びていて、図面には単に堰き止め点もしくはよどみ点（Staupunkt）として認識されるだけである。リブ６の、上流縁１１に接続する側壁１２は、次のように構成されている。すなわちこの場合、リブ６の各側壁１２に対する両方の接線の間における角度は、前方領域１３において連続的に減少し、ついには、形成される角度は０°になり、両方の側壁１２は後方領域１４において互いに平行に延びている。リブ６の、流れ方向で見て後端部において、両側壁１２は各１つの下流縁１５に開口しており、その結果各リブ６の背壁１６と側壁１２との間には直角が形成される。

さらに、リブ６を上流縁１１からくさび形に延ばし、このくさび形状に続けて連続的に側壁１２の平行なガイドへと移行させることも可能である。

熱交換器は次のように構成されている。すなわちこの場合、乱流である境界層流が側壁１２のところで発生し、このような境界層流では壁剪断応力（Wandschubspannung）が、層流におけるよりも大きいので、熱伝達数αひいては、リブ６と冷却される流体との間における熱伝達が増大する。下流縁１５の前においては従って側壁１２の不連続構成は回避されることが望ましい。それというのは、不連続構成は、境界層における良好な熱伝達を阻止するおそれのある剥離を惹起するからである。相応にリブ６の長さもまた、剥離が回避されるように構成されることが望ましい。剥離はその代わりに両下流縁１５において規定されて形成され、両下流縁１５は公知の構成に比べて熱伝達を著しく改善する。このことは次のことに因る。すなわちまず初めにリブ６の境界層における良好な熱交換が利用され、次いで線形の下流縁１５によって、主流方向に対して直角に著しく改善された流体交換（Fluidaustausch）が達成される。この著しく改善された流体交換は、下流縁１５の後ろにおいてつまりほぼ階段状のプロフィルにおける剥離時に発生するケルビン・ヘルムホルツ不安定性に基づくものである。このケルビン・ヘルムホルツ不安定性は、下流縁のところで生じる剪断層（Scherschicht）の巻上げ（Aufrollen）によって生じる。この巻上げの主たる原因は、剪断層における強い速度勾配である。このケルビン・ヘルムホルツ不安定性は継続し、巨視的には、広幅の乱流状の渦として見える。本発明のように互いに対して間隔Ｈをおいて２つの下流縁１５を配置することによって、隣接する壁に対してほぼ直角を成すことが望ましい両下流縁のところで生じるこの効果は、さらに著しく高められる。それというのは、対を成す２つの渦が上側の下流縁と下側の下流縁とにおいて生じるからである。この対を成す渦に基づいて乱流状の領域がリブの後ろにおいて発生し、この乱流状の領域の、流れ方向に対して直角な方向における長さは、リブの厚さＨよりも著しく大きい。下流縁１５によって規定されて生ぜしめられるこのような流れの剥離によって、熱交換器における排気ガスの傑出した均質化が達成される。

ただ１つの下流縁しか有していないリブに比べて、各リブ６の後ろにおける乱流領域の幅は、著しく大きく、従って流れ方向に対して直角な方向において著しく改善された混合が達成される。それというのは、ただ１つの下流縁では単に、僅かな渦巻きと僅かな厚さを有するデッドウォータ領域（Todwassergebiet）が発生するだけだからである。このことは特に次のことによって重要である。すなわち、連続的な側壁１２において形成される境界層流は確かに冷却区間を延長し、ひいては熱伝達を改善するが、しかしながら横方向流による流体交換を著しく阻止するからである。

さらに、リブ境界層における高い動的なエネルギが望まれており、これによって境界層の剥離が抑制される。これによって境界層流は冷却リブに長く接触することになり、ひいては冷却区間が延長される。このような処置によってリブの煤汚れもしくはカーボン付着が確実に回避され、その結果熱交換器は長い耐用寿命にわたって、他の公知の熱交換器に比べて改善された効率を有することになる。

もちろん、熱交換器のその他の構造は構造的に変えることができる。冷却媒体を通す通路の位置及び、冷却される流体によって貫流される通路の位置は、可変である。さらに、このように形成されたリブは、両方の通路内に延びていても、又は任意の一方の通路にだけ延びていてもよい。上に述べた利点は、液体に対しても気体に対しても得られる。

本発明による熱交換器を断面して示す平面図である。 図１に示された熱交換器を図平面に対して直角に断面して示す図である。 図１に示された熱交換器の一部を拡大して示す図である。

符号の説明

１ 外側ハウジング、 ２ 内側ハウジング、 ３ 通路、 ４ 通路、 ５ 壁、 ６ リブ、 ７ 入口、 ８ 出口、 ９ 後方領域、 １０ リブ、 １１ 上流縁、 １２ 側壁、 １３ 前方領域、 １４ 後方領域、 １５ 下流縁、 １６ 背壁

Claims (7)

1. 熱交換器であって、冷却媒体によって貫流される通路と、冷却される流体によって貫流される通路とが設けられており、両方の通路が壁によって互いに隔てられていて、該壁から複数のリブが両通路のうちの少なくとも１つの通路内に延びている形式のものにおいて、各リブ（６）が１つの線形の上流縁（１１）と２つの線形の下流縁（１５）とを有しており、該１つの上流縁（１１）と２つの下流縁（１５）とが、リブ（６）の連続的に延びる２つの側壁（１２）を画成していることを特徴とする熱交換器。
2. リブ（６）が主流方向に沿って延びている、請求項１記載の熱交換器。
3. 各リブ（６）の、上流縁（１１）及び下流縁（１５）に接続する側壁（１２）が、互いに対して９０°以下の角度を成している、請求項１又は２記載の熱交換器。
4. 各リブ（６）の上流縁（１１）から延びている側壁（１２）が、前方領域（１３）において互いに対してほぼくさび形に配置されている、請求項３記載の熱交換器。
5. 前方領域（１３）において両方の側壁（１２）に対する接線の間における角度が、主流方向において連続的に減少していて、側壁（１２）は後方領域（１４）において互いに平行に延びている、請求項１又は２記載の熱交換器。
6. リブ（６）が主流方向に対して垂直に列を成して互いに並んで配置されていて、各列のリブ（６）が後続の列に対してずらされて配置されている、請求項１から５までのいずれか１項記載の熱交換器。
7. 熱交換器が排気ガス熱交換器として使用され、リブ（６）が排気ガスを通す通路（３）内に進入している、請求項１から６までのいずれか１項記載の熱交換器。

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