JP2010096449A - 熱交換器 - Google Patents

Abstract

【課題】全面溶解に対する耐食性を向上させることができる熱交換器を提供する。
【解決手段】チューブ２内に、チューブ２内の流路を複数の細流路２０に分割し、吸気と冷却風との熱交換を促進するインナーフィン３を設け、インナーフィン３を、仕様の異なる複数のフィン部３１、３２から構成し、複数のフィン部３１、３２を、吸気の流通方向に対して直列に配置し、複数のフィン部３１、３２のうち、吸気流れの最下流側に配置されるフィン部３２の板厚を、他のフィン部３１の板厚より厚くする。
【選択図】図３

Description

本発明は、熱交換器に関するもので、内燃機関に吸入される燃焼用の空気を冷却するインタークーラに適用して有効である。

従来、内燃機関に吸入される吸気と冷却風とを熱交換させて吸気を冷却するインタークーラ（熱交換器）において、吸気が流通するチューブの内面に電位的に卑な犠牲腐食材を配設したものが知られている（例えば、特許文献１参照）。
特表２００８−５２３２９６号公報

しかしながら、上記特許文献１に記載のインタークーラでは、腐食形態が孔食の場合は防食効果を発揮するが、全面溶解に対しては防食効果を期待することができない。

本発明は、上記点に鑑み、全面溶解に対する耐食性を向上させることができる熱交換器を提供することを目的とする。

上記目的を達成するため、請求項１に記載の発明では、チューブ（２）内には、チューブ（２）内の流路を複数の細流路（２０）に分割し、第１流体と第２流体との熱交換を促進するインナーフィン（３）が設けられており、インナーフィン（３）は、仕様の異なる複数のフィン部（３１、３２）から構成されており、複数のフィン部（３１、３２）は、第１流体の流通方向に対して直列に配置されており、複数のフィン部（３１、３２）のうち、第１流体流れの最下流側に配置されるフィン部（３２）の板厚が、他のフィン部（３１）の板厚より厚くなっていることを特徴としている。

チューブ（２）内において、第１流体出口側、すなわち第１流体流れ最下流側は、第１流体の温度が他の部位より低くなるので、第１流体中の水分が凝縮し易くなる。したがって、チューブ（２）内にインナーフィン（３）を配置した場合、インナーフィン（３）における第１流体出口側の部位は、他の部位に比べて全面溶解し易くなる。

これに対し、チューブ（２）内の第１流体出口側のフィン部（３２）の板厚を、他のフィン部（３１）の板厚より厚くすることで、インナーフィン（３）が全面溶解し板厚が減少したとしても、インナーフィン（３）のうち全面溶解し易い部位の板厚が厚くなっているので、十分な板厚を確保することができる。これにより、全面溶解に対する耐食性を向上させることが可能となる。

また、請求項２に記載の発明では、チューブ（２）内には、チューブ（２）内の流路を複数の細流路（２０）に分割し、第１流体と第２流体との熱交換を促進するインナーフィン（３）が設けられており、インナーフィン（３）は、仕様の異なる複数のフィン部（３１、３２）から構成されており、複数のフィン部（３１、３２）は、第１流体の流通方向に対して直列に配置されており、複数のフィン部（３１、３２）のうち、第１流体流れの最下流側に配置されるフィン部（３２）にのみ、全面溶解に対する耐食性を向上させるための表面処理が施されていることを特徴としている。

これによれば、インナーフィン（３）が全面溶解し板厚が減少したとしても、インナーフィン（３）のうち全面溶解し易い部位である第１流体流れの最下流側に配置されるフィン部（３２）に表面処理が施されているので、十分な板厚を確保することができる。このため、全面溶解に対する耐食性を向上させることが可能となる。

また、請求項３に記載の発明では、第１流体流れの最下流側に配置されるフィン部（３２）には、表面処理を施すことにより形成された表面処理膜が設けられており、表面処理膜の厚さは、１μｍ以下であることを特徴としている。これによれば、表面処理膜を設けることによる圧力損失の増加、および伝熱性の低下を抑制することができる。

また、請求項４に記載の発明のように、第１流体流れの最下流側に配置されるフィン部（３２）には、表面処理を施すことにより形成され、当該フィン部３２の耐酸性、水に対するバリア性、および耐熱性を高めるための表面処理膜が設けられていてもよい。

また、請求項５に記載の発明では、チューブ（２）内には、チューブ（２）内の流路を複数の細流路（２０）に分割し、第１流体と第２流体との熱交換を促進するインナーフィン（３）が設けられており、インナーフィン（３）は、仕様の異なる複数のフィン部（３１、３２）から構成されており、複数のフィン部（３１、３２）は、第１流体の流通方向に対して直列に配置されており、複数のフィン部（３１、３２）のうち、第１流体流れの最下流側に配置されるフィン部（３２）は、他のフィン部（３１）より耐食性が高くなっていることを特徴としている。

これによれば、インナーフィン（３）が全面溶解し板厚が減少したとしても、インナーフィン（３）のうち全面溶解し易い部位である第１流体流れの最下流側に配置されるフィン部（３２）の耐食性が高くなっているので、十分な板厚を確保することができる。このため、全面溶解に対する耐食性を向上させることが可能となる。

また、請求項６に記載の発明のように、第１流体流れの最下流側に配置されるフィン部（３２）は純アルミニウムから構成されており、他のフィン部（３１）はアルミニウム合金から構成されていてもよい。

なお、この欄および特許請求の範囲で記載した各手段の括弧内の符号は、後述する実施形態に記載の具体的手段との対応関係を示すものである。

（第１実施形態）
以下、本発明の第１実施形態について図１〜図５に基づいて説明する。本実施形態は、本発明に係る熱交換器を、内燃機関に吸入される燃焼用の空気（吸気）と外気（冷却風）とを熱交換させて吸気を冷却するインタークーラに適用したものである。なお、吸気が本発明の第１流体に相当し、冷却風が本発明の第２流体に相当している。

図１は本第１実施形態に係るインタークーラの正面図、図２は図１のＡ−Ａ断面図である。図１および図２に示すように、インタークーラのコア１は、多数積層配置されるとともに吸気が流れる流路が内部に形成された扁平状のチューブ２、チューブ２内に配設されたインナーフィン３、積層されたチューブ２間に配設されたアウターフィン４を備えている。

アウターフィン４は、波状に形成されるとともにチューブ２に接合され、チューブ２間を流れる冷却風とチューブ２内を流れる吸気との熱交換を促進するものである。なお、アウターフィン４には、空気の流れを乱して温度境界層が成長することを防止すべく、その一部を切り起こして鎧窓状としたルーバ４ａが設けられている。

インナーフィン３は、波状に形成されるとともにチューブ２に接合され、冷却風と吸気との熱交換を促進するものである。また、インナーフィン３は、チューブ２の対向面を連結する多数の壁面３ａを有しており、この壁面３ａによってチューブ２内の流路が複数の細流路２０に分割されている。なお、インナーフィン３の詳細な構成については後述する。

チューブ２の長手方向両端側には、チューブ２の積層方向に延びて各チューブ２に連通するヘッダタンク５、６が設けられている。一方のヘッダタンク５は、入口部５０が過給器に接続され、過給器から圧送された吸気を各チューブ２に分配供給するものである。他方のヘッダタンク６は、出口部６０が内燃機関の吸気ポートに接続され、チューブ２から流出する吸気を集合回収して内燃機関の吸気ポートに送り出すものである。ヘッダタンク５、６は、いずれも銅からなる。

図３は本第１実施形態のチューブ２を示す透過斜視図、図４（ａ）は図３のＢ−Ｂ断面図、図４（ｂ）は図３のＣ−Ｃ断面図である。

図３および図４（ａ）、（ｂ）に示すように、インナーフィン３は、薄板金属材料にローラ成形法を施すことにより成形される。このインナーフィン３は、チューブ２内を流れる吸気の流通方向と略平行な面を有する壁面３ａ、および隣り合う壁面３ａ間を繋ぐ頂部３ｂを有している。そして、インナーフィン３は吸気の流通方向から見て波形状になっている。この壁面３ａは、冷却風の流通方向（チューブ２の幅方向）に沿って複数配置されている。

インナーフィン３は、異なる２つのフィン部３１、３２から構成されている。２つのフィン部３１、３２は、吸気の流通方向に直列に配置されている。以下、２つのフィン部３１、３２のうち、吸気流れ上流側に配置されるものを第１フィン部３１といい、吸気流れ下流側に配置されるものを第２フィン部３２という。なお、本実施形態では、第１、第２フィン部３１、３２を、２つの別体のフィンで構成している。

図４（ａ）、（ｂ）に示すように、第２フィン部３２の板厚は、第１フィン部３１の板厚より厚くなっている。本実施形態では、第１、第２フィン部３１、３２は、同一種類の金属（本実施形態では、マグネシウムを添加したアルミニウム合金）により構成されている。

図５は、チューブ２内部の吸気流れ方向各部での吸気温度を示す特性図で、実線が高負荷時、破線が低負荷時を示している。なお、図５の計算条件は、チューブ長さ：７００ｍｍ、吸気流量４５７ｋｇ／ｈ、冷却風流速６．４ｍ／ｓ、吸気の水分量：１５０℃において相対湿度３％である。

チューブ２内部のうち吸気温度が吸気の露点温度（約５４℃）を下回っている領域では、吸気中の水分が凝縮するため、アルミニウム合金からなるインナーフィン３は全面溶解する。図５に示すように、内燃機関の運転状態により、吸気温度が露点温度以下になる領域は変化するが、チューブ２における図５中のＺ点、すなわちチューブ２の吸気入口側から９／２０Ｌ（Ｌはチューブ２の全長）の位置より吸気流れ下流側の領域では、常に吸気温度が露点温度以下となる。

このため、本実施形態では、第１フィン部３１の吸気流れ方向の長さを９／２０Ｌとし、第２フィン部３２の吸気流れ方向の長さを１１／２０Ｌとし、チューブ２内部における常に吸気温度が露点温度以下となる領域に存在するインナーフィン３の板厚を、吸気入口側に存在するインナーフィン３の板厚より厚くしている。

チューブ２内において、吸気出口側、すなわち吸気流れ最下流側は、吸気の温度が吸気入口側より低くなるので、吸気中の水分が凝縮し易くなる。したがって、チューブ２内にインナーフィン３を配置した場合、インナーフィン３における吸気出口側の部位は、吸気入口側の部位に比べて全面溶解し易くなる。

これに対し、本実施形態のように、チューブ２内の吸気出口側に配置される第２フィン部３２の板厚を、吸気入口側に配置される第１フィン部３１の板厚より厚くすることで、インナーフィン３が全面溶解し板厚が減少したとしても、インナーフィン３のうち全面溶解し易い部位の板厚が厚くなっているので、十分な板厚を確保することができる。このため、全面溶解に対する耐食性を向上させることが可能となる。これにより、インタークーラの耐食性寿命を延ばすことができる。また、インナーフィン３の板厚を確保できるので、耐圧強度および伝熱性能の低下を抑制できる。

また、本実施形態では、チューブ２内のうち吸気の流速の遅い吸気出口側のみ、インナーフィン３の板厚を厚くしているので、圧力損失に対する影響が少ない。また、インナーフィン３全体の板厚を厚くする場合に比較して、コストアップを抑制することができる。

（第２実施形態）
次に、本発明の第２実施形態について説明する。上記第１実施形態と同様の部分については同一の符号を付して説明を省略する。

本実施形態では、インナーフィン３のうち第２フィン部３２にのみ、全面溶解に対する耐食性を向上させるための表面処理が施されており、その表面には厚さが１μｍ以下の表面処理膜が形成されている。この表面処理膜は、ｐＨ２の酸に耐え得る耐酸性、水に対するバリア性（低吸水性）、および１８０℃以上の高温に耐え得る耐熱性を有している。なお、本実施形態では、第１、第２フィン部３１、３２は、一体に形成されており、板厚は互いに等しくなっている。

また、本実施形態では、インナーフィン３をチューブ２内に組み付けた後に、インナーフィン３の第２フィン部３２に表面処理を施している。このため、チューブ２の内面にも表面処理を施すことができるので、チューブ２の耐食性も向上させることができる。

本実施形態によれば、インナーフィン３が全面溶解し板厚が減少したとしても、インナーフィン３のうち全面溶解し易い部位、すなわち吸気出口側に配置された第２フィン部３２に表面処理が施されているので、十分な板厚を確保することができる。このため、全面溶解に対する耐食性を向上させることが可能となる。

ここで、本実施形態のインナーフィン３はアルミニウム合金により構成されているので、水分により腐食が進行する。このため、表面処理膜の吸水性が高い場合、アルミニウムに水が浸透する速度および量が増加してしまい、その結果、アルミニウムの腐食を加速してしまうという問題がある。これに対し、本実施形態のように、第２フィン部３２に設けられた表面処理膜に水に対するバリア性をもたせることで、第２フィン部３２の腐食を抑制することができる。

また、第２フィン部３２に設けられた表面処理膜の厚さを１μｍ以下とすることで、表面処理膜を設けることによる圧力損失の増加、および伝熱性の低下を抑制することができる。また、インナーフィン３の板厚を厚くする必要がないので、圧力損失の増加、およびインナーフィン３を構成する材料の増加によるコストアップを防止することができる。

（第３実施形態）
次に、本発明の第３実施形態について説明する。上記第１実施形態と同様の部分については同一の符号を付して説明を省略する。

本実施形態では、インナーフィン３のうち第２フィン部３２は、第１フィン部３１より耐食性が高くなっている。すなわち、第２フィン部３２は、第１フィン部３１を構成する金属より耐食性の高い金属から構成されている。具体的には、第１フィン部３１はマグネシウムを添加したアルミニウム合金から構成されており、第２フィン部３２は純アルミニウムから構成されている。

なお、本実施形態では、第１、第２フィン部３１、３２を、２つの別体のフィンで構成している。また、第１、第２フィン部３１、３２の板厚は、互いに等しくなっている。

本実施形態によれば、インナーフィン３が全面溶解し板厚が減少したとしても、インナーフィン３のうち全面溶解し易い部位、すなわち吸気出口側に配置された第２フィン部３２の耐食性が高くなっているので、十分な板厚を確保することができる。このため、全面溶解に対する耐食性を向上させることが可能となる。

また、インナーフィン３の板厚を厚くする必要がないので、圧力損失の増加、およびインナーフィン３を構成する材料の増加によるコストアップを防止することができる。

第１実施形態に係るインタークーラの正面図である。 図１のＡ−Ａ断面図である。 第１実施形態のチューブ２を示す透過斜視図である。 （ａ）は図３のＢ−Ｂ断面図、（ｂ）は図３のＣ−Ｃ断面図である。 チューブ２内部の吸気流れ方向各部での吸気温度を示す特性図である。

符号の説明

２ チューブ
３ インナーフィン
２０ 細流路
３１ 第１フィン部
３２ 第２フィン部

Claims (6)

1. 第１流体が流通する流路を内部に形成するチューブ（２）を備え、
   前記第１流体と、前記チューブ（２）周りを流通し、前記第１流体より温度が低い第２流体とを熱交換させて前記第１流体を冷却する熱交換器であって、
   前記チューブ（２）内には、前記チューブ（２）内の流路を複数の細流路（２０）に分割し、前記第１流体と前記第２流体との熱交換を促進するインナーフィン（３）が設けられており、
   前記インナーフィン（３）は、仕様の異なる複数のフィン部（３１、３２）から構成されており、
   前記複数のフィン部（３１、３２）は、前記第１流体の流通方向に対して直列に配置されており、
   前記複数のフィン部（３１、３２）のうち、前記第１流体流れの最下流側に配置されるフィン部（３２）の板厚が、他のフィン部（３１）の板厚より厚くなっていることを特徴とする熱交換器。
2. 第１流体が流通する流路を内部に形成するチューブ（２）を備え、
   前記第１流体と、前記チューブ（２）周りを流通し、前記第１流体より温度が低い第２流体とを熱交換させて前記第１流体を冷却する熱交換器であって、
   前記チューブ（２）内には、前記チューブ（２）内の流路を複数の細流路（２０）に分割し、前記第１流体と前記第２流体との熱交換を促進するインナーフィン（３）が設けられており、
   前記インナーフィン（３）は、仕様の異なる複数のフィン部（３１、３２）から構成されており、
   前記複数のフィン部（３１、３２）は、前記第１流体の流通方向に対して直列に配置されており、
   前記複数のフィン部（３１、３２）のうち、前記第１流体流れの最下流側に配置されるフィン部（３２）にのみ、全面溶解に対する耐食性を向上させるための表面処理が施されていることを特徴とする熱交換器。
3. 前記第１流体流れの最下流側に配置されるフィン部（３２）には、前記表面処理を施すことにより形成された表面処理膜が設けられており、
   前記表面処理膜の厚さは、１μｍ以下であることを特徴とする請求項２に記載の熱交換器。
4. 前記第１流体流れの最下流側に配置されるフィン部（３２）には、前記表面処理を施すことにより形成され、当該フィン部（３２）の耐酸性、水に対するバリア性、および耐熱性を高めるための表面処理膜が設けられていることを特徴とする請求項２または３に記載の熱交換器。
5. 第１流体が流通する流路を内部に形成するチューブ（２）を備え、
   前記第１流体と、前記チューブ（２）周りを流通し、前記第１流体より温度が低い第２流体とを熱交換させて前記第１流体を冷却する熱交換器であって、
   前記チューブ（２）内には、前記チューブ（２）内の流路を複数の細流路（２０）に分割し、前記第１流体と前記第２流体との熱交換を促進するインナーフィン（３）が設けられており、
   前記インナーフィン（３）は、仕様の異なる複数のフィン部（３１、３２）から構成されており、
   前記複数のフィン部（３１、３２）は、前記第１流体の流通方向に対して直列に配置されており、
   前記複数のフィン部（３１、３２）のうち、前記第１流体流れの最下流側に配置されるフィン部（３２）は、他のフィン部（３１）より耐食性が高くなっていることを特徴とする熱交換器。
6. 前記第１流体流れの最下流側に配置されるフィン部（３２）は、純アルミニウムから構成されており、
   前記他のフィン部（３１）は、アルミニウム合金から構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。

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