JP2008514897A - 熱伝達体および過給空気を冷却する方法 - Google Patents

Abstract

【課題】 過給空気を冷却する熱伝達体を改良する。
【解決手段】 過給空気を冷却する熱伝達体であって、前記過給空気に滴形状および／または霧形状の水、特に復水が供給可能である熱伝達体において、熱伝達体（１）が少なくとも部分領域内に、疎水性の表面を有している。
【選択図】 図１

Description

本発明は、請求項１に上位概念として記載の熱伝達体（すなわち、過給空気を冷却する熱伝達体であって、前記過給空気に滴形状および／または霧形状の水、特に復水が供給可能である、前記熱伝達体）および請求項１１に上位概念として記載の過給空気を冷却する方法（すなわち、過給空気を冷却する方法であって、前記過給空気に滴形状および／または霧形状の水、特に復水が供給可能である、前記方法）に関する。

エンジンの出力を増大させるために、空気を圧縮するためのターボチャージャが使用される。しかしその場合に、ターボチャージャ内の圧縮によって１５０℃を越える温度に、空気（以下で過給空気と称する）の加熱が行われる。この種の空気加熱を減少させるために、空気クーラーが使用され、その空気クーラーは冷却モジュール内に配置されて、過給空気の冷却に用いられる。その場合に過給空気は、熱伝達体を通って流れ、その熱伝達体が周囲空気によって貫流され、それによって冷却される。それによって過給空気を周囲空気の温度を約２０−９０Ｋ上回る温度に冷却することが可能である。過給空気の冷却が、エンジンの出力増大を可能にする。

過給空気を冷却する２段階の装置およびこの種の装置を駆動する方法が、従来技術（たとえば、特許文献１を参照）から知られており、それが改良された過給空気冷却によってさらに出力を増大させることを可能にする。

他の従来技術（たとえば、特許文献２を参照）からは、過給される内燃機関を駆動する方法および装置が知られており、その装置は、過給空気クーラー内にたまる復水を集めて、それを過給空気クーラーから搬出し、過給空気クーラーとは別に配置された集合容器内に集めて、集まった復水を流れ方向において排ガスタービンの前で内燃機関の排ガス導管内へ供給する。そのためにポンプまたは少なくとも１つの十分な圧力勾配が設けられており、それが集合容器から復水を排ガス導管内へ給送する。

空気を冷却するために使用される、熱伝達体には、その中に集まる復水をさらに良く搬出するために、親水性のコーティングが設けられている。というのは、通常、冷却された空気内の液状の水成分を回避しようとするからである。

しかし、この種の熱伝達体には、まだ解決されていない要望がある。
ドイツ公開公報ＤＥ１０２５４０１６Ａ１ ドイツ特許公報ＤＥ２８１４５９３Ｃ２

本発明の課題は、冒頭で挙げた種類の熱伝達体（すなわち、過給空気を冷却する熱伝達体であって、前記過給空気に滴形状および／または霧形状の水、特に復水が供給可能である、前記熱伝達体）を改良することである。

この課題は、請求項１の特徴を有する熱伝達体（すなわち、熱伝達体が少なくとも部分領域内に、疎水性の表面を有していることを特徴とする熱伝達体）によって、かつ請求項１１の特徴を有する方法（すなわち、熱伝達体を貫流する空気が、熱伝達体において形成される復水を一緒に運び去ることを特徴とする過給空気を冷却する方法）によって解決される。好ましい形態が、従属請求項の対象である。

発明の実施の形態

本発明によれば、滴形状および／または霧形状で水、特に復水が供給される、過給空気を冷却するための熱伝達体が設けられており、その場合に熱伝達体は少なくとも１つの部分領域内に疎水性の表面を有している。知られているように、復水を重力で下方へ案内する、親水性の表面を設けるのとは異なり、疎水性の表面を設けることによって、復水は疎水性の表面に滴形状で集まり、その場合に、滴が流れ通路内へ突出するので、容易に連動されて、最終的に引きちぎられて、滴形状および／または霧の形状で過給空気流内で一緒に案内される。その場合にここでは、過給空気へ復水を移動させるために、−従来技術とは異なり−復水を滴または霧の形状で過給空気流へ供給するために、特殊な装置は不要である。再び過給空気へ供給された復水が、過給空気を冷却し、従ってエンジンの出力増大に寄与する。

凝縮分離された水を従来のように搬出するのとは異なり、本発明によれば、所望の水混合が行われるので、冷却出力を増大させることができ、それに対して従来の方法では冷却出力が失われてしまう。従って従来のように過給空気を第２の冷却段階（その冷却出力はたとえば冷却循環からもたらされる）を用いて冷却する場合には、冷却システムの効率の著しい悪化と結びつく。しかし他方で、凝縮分離された水を自動車エンジンにコントロールせずに、すなわち場所的および時間的に不均質に供給することは、望ましくない。

疎水性の表面の領域において、滴の接触角度は好ましくは９０°より大きく、好ましくは１２０°より大きく、特に好ましくは１５０°より大きいので、復水が表面にパール状に集まり、過給空気によって容易に一緒に運ぶことができる。疎水性の表面は、ほぼ球状の滴の形成を可能にし、その滴は小さい大きさにおいてすでに過給空気流によって運ばれて、一緒に連れ去られる。

熱伝達体には、好ましくは引きちぎりエッジが設けられており、その引きちぎりエッジにおいて、疎水性の表面に集まった滴が、支配する過給空気流によって熱伝達体から剥がされる。その場合に引きちぎりエッジにも、好ましくは疎水性のコーティングが設けられているので、わずかな付着力が滴を表面から容易に剥がすことを可能にする。好ましくは引きちぎりエッジは、ウェブフィンの、あるいはエラ状フィンのエラの、端部によって形成されている。

引き剥がしが、好ましくは３ｍ／ｓを越える、特に好ましくは６ｍ／ｓを越える流れ速度によって支援され、従って熱伝達体は流れ技術的にそれに応じて設計されている。高い流れ速度がさらに、疎水性の表面における滞留時間が短くなることを支援し、それによって複数の滴が集まって大きくなることを阻止することができ、引き剥がし時点で滴大きさが小さくなる。

滴形成を支援するために、熱伝達体は少なくとも表面の部分領域内で静電的に帯電可能にすることができるので、形成される滴が静電的な帯電の結果相互に弾き合い、それによって熱伝達体のフィン構造から容易に剥がれる。さらに、滴が流れ方向に配置された熱伝達体構造によって再び捕捉される傾向が減少される。滴の静電的な帯電が、空気流内での滴の結合も阻止するので、滴が集まって大きな滴に育つことがない。その場合に滴が大きくなると慣性力も大きくなることによって、後続のフィン構造によって再び捕捉される傾向が著しく大きくなるので、できるだけ小さい滴を得るように努力される。

疎水性の表面は、好ましくは拡散された、電気的に導通する、たとえばナノ粒子の形状の、内容物質を有しており、それが帯電された疎水性表面と疎水性表面上を転がる滴との間の電気的に導通する接触を可能にするので、この滴に電荷をより良好に与えることができる。

電気的に導通する内容物質の代わりに、熱伝達体が、中性および／または親水性の電気的に導通する表面を備えた少なくとも１つの領域を有することができ、その領域が滴の静電的な帯電を可能にする。その場合に親水性の領域は、好ましくは疎水性の領域よりもずっと小さく形成される。

熱伝達体のフィンは、好ましくは最大２ｍｍ、特に最大１．５ｍｍの間隔を有しており、従って従来の熱伝達体のフィンよりも、互いにずっと近くに位置している。

過給空気内の滴の良好な分布は、フィンが最大５ｍｍの間隔で引きちぎりエッジを有していることによって、得られる。

好ましい実施形態は、疎水性の表面の特徴を、好ましくは聞き取れない超音波領域の、機械的振動励起と組み合わせることにある。

他の実施形態において、最初に熱伝達体の伝達表面に形成される復水滴を機械的な振動によって表面から剥がして、場合によってはより小さい滴に分解する目的で、蒸発器に振動発生器を結合することが、提案される。

結合された振動発生器の振動方向は、好ましくは、熱を伝達する面に対して垂直に方位付けされるように、選択される。この考え方の他の形態において、少なくとも２つの振動発生器が蒸発器に結合され、それらは場所的に、蒸発器を貫通する個体伝達音振動場ができるだけ均質であって、かつ／またはその振動方向と位相位置において補足し合って、循環性の固体伝達音振動が生じるように、分配されている。それによって、すべての熱を伝達する面を表面に対して垂直の振動成分で振動させることが、可能である。

他の形態において、振動発生器の周波数と振幅は、共振効果が発生して、それが全く所定の大きさの滴を表面から引き剥がすように、調整することができる。それによって必要とされる超音波発生器の出力を小さい値に制限することができ、かつ小さい滴を剥がすことを支援することができる。さらに、１つまたは複数の振動発生器の周波数と配置を、熱伝達体の軸承および／または音を案内する他のコンポーネントの結合と組み合わせて、インピーダンスに関して、特に有益な振幅分布を有する定常波が生じるように、調整することができる。

この考え方の他の形態において、振動励起は、熱伝達体の内側（従って他の流体側）で熱伝達体効率を高めるため、あるいは圧力損失を低下させるために利用することもできる。特に蒸発器において、空洞形成効果によって、泡の芽の形成を支援することができ、かつ／または層状の粘性の下層を掘り起こすことができる。これは、特に多物質混合物（たとえば冷却剤／冷凍油）が蒸発する場合に、有益であることが明らかにされている。

熱を伝達する構造内へ機械的振動を結合することは、表面に形成された復水滴を少なくとも時々剥がすことをもたらし、それによって構造を貫流するガス流によって構造からより迅速に搬出することを可能にする。

以下、図面を参照しながら２つの実施例を用いて本発明を詳細に説明する。

自動車エンジンへ供給される過給空気を冷却するための熱伝達体１は、第１の実施例によれば、斜めかつ互いに平行に配置されたエラ状フィン２を備えた、原理において知られた構造を有しており、その場合に図１には、エラ状フィン２の一部が著しく簡略化され、かつ拡大されて断面で示されている。エラ状フィン２は、本発明によれば、疎水性の表面コーティングを有しており、それによって、エラ状フィン２に集まる復水（これは過給空気から熱伝達体１のより冷たい表面に集まる）が、図１にほぼ円形に表示された滴３によって明らかにされるように、滴形状で集まる。その場合に、熱伝達体１の疎水性の表面に集まった滴３は、熱伝達体１の表面に対して９０°より大きい接触角度を有するので、熱伝達体１の表面から滴り落ち、矢印で示唆する過給空気流によってエラ状フィン２の面に沿って一緒に運ばれて、−引きちぎりエッジ４で引きちぎられた後に−復水の霧５として一緒に案内される。その場合に引きちぎりエッジ４の領域で過給空気は、６ｍ／ｓを越える速度で流れるので、滴３を引きちぎって一緒に運ぶことが保証される。

過給空気内で一緒に運ばれた復水が、吸込みプロセスおよび／または圧縮プロセスの間に再び蒸発するので、過給空気がさらに冷却されるので、エンジン出力を、たとえば噴射量の増大とそのタイミングによって増大させることができる。

図２に示す第２の実施例によれば、熱伝達体１は、互いに対して平行かつ変位して配置されたウェブフィン１２を備えた、原理において知られた構造を有している。第１の実施例のエラ状フィン２と同様に、第２の実施例のウェブフィン１２には疎水性のコーティングが設けられており、それが、より冷たいウェブフィン１２に集まる復水の滴り落ちを保証する。

疎水性のコーティングの機能は、上述した第１の実施例におけるのと同様であるので、それについては詳しく説明しないが、過給空気の流れ推移がフィン形状に従ってより均一になり、かつ流れ推移に対して平行に延びるウェブフィン１２による過給空気の本質的な方向変換は行われない。

図３は、ここではパイプとして形成されている、流体１によって貫流される流れ通路２２と、ここでは波形フィンとして形成されているフィン２３とを有する熱伝達体２１を部分的に示している。互いに対してほぼ垂直に位置する振動方向（励振１ないし励振２）を有する２つの、図示されていない振動発生器によって、熱を伝達する面に対して垂直に方位付けされた振動２４がもたらされる。それによって熱伝達体２１を貫通する固体伝達音振動場が均質化される。

第１の実施例に基づく熱伝達体の、本発明に基づくコーティングを有する部分領域（エラ形フィン）を著しく拡大して図式的に示している。 第２の実施例に基づく熱伝達体の、本発明に基づくコーティングを有する部分領域（ウェブ形フィン）を著しく拡大して図式的に示している。 第３の実施例に基づく熱伝達体を、図式的に拡大して示している。

Claims (17)

1. 過給空気を冷却する熱伝達体であって、前記過給空気に滴形状および／または霧形状の水、特に復水が供給可能である熱伝達体において、
   熱伝達体（１）が少なくとも部分領域内に、疎水性の表面を有していることを特徴とする熱伝達体。
2. 疎水性表面の領域内で、滴（３）の接触角度が９０°より大きく、好ましくは１２０°より大きく、特に１５０°より大きいことを特徴とする請求項１に記載の熱伝達体。
3. 熱伝達体（１）に、引きちぎりエッジ（４）が設けられていることを特徴とする請求項１または２に記載の熱伝達体。
4. 引きちぎりエッジ（４）が、ウェブフィン（１２）またはエラ状フィン（２）のエラの端部によって形成されていることを特徴とする請求項３に記載の熱伝達体。
5. 熱伝達体（１）が、表面の少なくとも部分領域において、静電的に帯電可能であることを特徴とする請求項１から４のいずれか１項に記載の熱伝達体。
6. 疎水性の表面が、拡散された、電気的に導通する内容物質を有していることを特徴とする請求項５に記載の熱伝達体。
7. 熱伝達体（１）が、中性または親水性の、電気的に導通する表面を備えた少なくとも１つの領域を有していることを特徴とする請求項１から６のいずれか１項に記載の熱伝達体。
8. 熱伝達体（１）のフィンが、最大２ｍｍ、特に最大１．５ｍｍの間隔を有していることを特徴とする請求項１から７のいずれか１項に記載の熱伝達体。
9. フィンが、最大５ｍｍの間隔を有する引きちぎりエッジ（４）を有していることを特徴とする請求項１から８のいずれか１項に記載の熱伝達体。
10. 熱伝達体（１）が流れ技術的に次のように、すなわち引きちぎりエッジ（４）の領域内で、復水の混合を必要とする駆動状態において流れ速度が３ｍ／ｓ、特に６ｍ／ｓの値を上回るように、設計されている
11. 熱伝達体が、少なくとも１つまたは２つの機械的な振動発生器を有していることを特徴とする請求項１から１０のいずれか１項に記載の熱伝達体。
12. 過給空気を冷却する方法であって、前記過給空気に滴形状および／または霧形状の水、特に復水が供給可能である、前記方法において、
    熱伝達体（１）を貫流する空気が、熱伝達体（１）において形成される復水を一緒に運び去ることを特徴とする過給空気を冷却する方法。
13. 熱伝達体内で一緒に運び去られる復水が、過給空気内で滴状または霧状でさらに案内されることを特徴とする請求項１２に記載の方法。
14. 復水が熱伝達体内で疎水性の表面に滴形状で集まり、その場合に形成される滴（３）が、９０°より大きい、好ましくは１２０°より大きい、特に１５０°より大きい接触角度を有していることを特徴とする請求項１２と１３のいずれか１項に記載の方法。
15. 少なくとも、過給空気に復水が供給されるべき駆動状態において、過給空気が熱伝達体（１）内で、少なくとも引きちぎりエッジ（４）の領域において、３ｍ／ｓを越える、特に６ｍ／ｓを越える速度で流れることを特徴とする請求項１２から１４のいずれか１項に記載の方法。
16. 熱伝達体内で、特に蒸発器に結合された少なくとも１つの振動発生器によって、機械的な振動が励起されることを特徴とする請求項１２から１５のいずれか１項に記載の方法。
17. 機械的振動が、熱伝達体の熱を伝達する面に対してほぼ垂直に方位付けされていることを特徴とする請求項１６に記載の方法。

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