JP2013088078A - 熱交換器 - Google Patents

Abstract

【課題】所謂ウェーブフィンの熱伝達率を向上させる。
【解決手段】冷却水が流通する冷却水通路１２と、排気ガスが流通するガス通路１５と、ガス通路１５内に設けられ、ガス通路１５の幅方向に波形状に屈曲しながらガス通路１５の長手方向に延びる多数のフィン部２１を有するインナーフィン２０とを備え、温度境界層の成長を抑制するために、フィン部２１に、ガス流れ方向の下流に向かうに従いガス通路１５におけるフィン部２１間の通路中心ＣＬに近接するように傾斜する傾斜面２４を有する出っ張り２５を形成すると共に、出っ張り２５の形成に伴うガス通路１５におけるフィン部２１間の通路幅Ｗｇ減少を補うために、出っ張り２５を設けたフィン部２１と通路中心ＣＬを挟んで対向するフィン部２１に、ガス流れ方向の下流に向かうに従い通路中心ＣＬから離間するように傾斜する傾斜面２６を有する凹み２７を形成した。
【選択図】図３

Description

本発明は、内燃機関の排気ガスと冷却水との間で熱交換を行い、排気ガスを冷却水によって冷却する熱交換器に関する。

内燃機関において、排気ガス中のＮＯｘを低減させるため、ＥＧＲ（排気ガス再循環）装置が用いられるが、排気ガス中のＮＯｘをさらに低減させるため、ＥＧＲクーラー（熱交換器）も用いられる（例えば、特許文献１参照）。

ＥＧＲクーラーは、内燃機関の排気系（排気マニフォールド又は排気管）と吸気系（吸気マニフォールド又は吸気管）とを連通するＥＧＲ通路（ＥＧＲ管）の途中に配設され、内燃機関の排気ガスと冷却水との間で熱交換を行うことで排気ガスを冷却水によって冷却するものである。

ＥＧＲクーラーは、例えば、ケースと、ケース内に設けられ、冷却水が流通する冷却水通路と、ケースに設けられた水入口及び水出口と、ケース内に設けられ、排気ガスが流通するガス通路と、ケースに設けられたガス入口及びガス出口とから主に構成されるものである。ガス通路内には、ＥＧＲガスとの接触表面積を大きくして冷却性能を高めるためにインナーフィンが配設される。

インナーフィンには、例えば、図５に示すウェーブフィンと称されるものや、オフセットフィンと称されるものがある。

図５に示すウェーブフィン５０は、ガス通路の幅方向に波形状に屈曲しながらガス通路の長手方向に延びる多数のフィン部５１と、ガス通路の幅方向に隣接するフィン部５１の上端同士を繋ぐ上面部５２と、ガス通路の幅方向に隣接するフィン部５１の下端同士を繋ぐ下面部５３とを有する。

特開２００９−２９９９６８号公報

一般的には、オフセットフィンの方がウェーブフィンよりも放熱性が良い。そのため、冷却性能を高めるためには、ウェーブフィンよりもオフセットフィンを用いるのが好ましい。しかし、ディーゼルエンジンにおいては、排気ガス中の煤（Ｓｏｏｔ）がオフセットフィンに付着し易いため、放熱性が劣るウェーブフィンが用いられる。

そこで、本発明の目的は、所謂ウェーブフィンの熱伝達率を向上させることにある。

前記目的を達成するために、本発明は、内燃機関の排気ガスと冷却水とで熱交換を行い、排気ガスを冷却水によって冷却する熱交換器であって、冷却水が流通する冷却水通路と、排気ガスが流通するガス通路と、前記ガス通路内に設けられ、前記ガス通路の幅方向に波形状に屈曲しながら前記ガス通路の長手方向に延びる多数のフィン部を有するインナーフィンとを備え、温度境界層の成長を抑制するために、前記フィン部に、ガス流れ方向の下流に向かうに従い前記ガス通路における前記フィン部間の通路中心に近接するように傾斜する傾斜面を有する出っ張りを形成すると共に、前記出っ張りの形成に伴う前記ガス通路における前記フィン部間の通路幅減少を補うために、前記出っ張りを設けた前記フィン部と前記通路中心を挟んで対向する前記フィン部に、ガス流れ方向の下流に向かうに従い前記通路中心から離間するように傾斜する傾斜面を有する凹みを形成したものである。

前記出っ張りを前記フィン部における波形状の凹部分に設け、前記凹みを前記フィン部における波形状の凸部分に設けても良い。

前記出っ張り及び前記凹みのガス流れ方向に対する長さは、前記ガス通路における前記フィン部間の通路幅の０．５倍から１倍とされても良い。

前記出っ張り及び前記凹みのガス流れ方向と交差する方向に対する幅は、前記ガス通路における前記フィン部間の通路幅の０．２５倍から０．５倍とされても良い。

前記内燃機関は、ディーゼルエンジンであっても良い。

本発明によれば、所謂ウェーブフィンの熱伝達率を向上させることができるという優れた効果を奏する。

本発明の一実施形態に係る熱交換器の断面図である。 図１のＡ−Ａ線断面図である。 本実施形態のインナーフィンを示し、（ａ）は平断面図であり、（ｂ）は斜視図である。 他の実施形態のインナーフィンを示し、（ａ）は平断面図であり、（ｂ）は斜視図である。 従来例に係るインナーフィンを示し、（ａ）は平断面図であり、（ｂ）は斜視図である。

以下、本発明の好適な実施形態を添付図面に基づいて詳述する。

図１及び図２に示すように、本実施形態に係る熱交換器１０は、内燃機関（本実施形態では、ディーゼルエンジン）のＥＧＲ装置におけるＥＧＲクーラーに適用したものである。

ＥＧＲクーラー１０は、内燃機関の排気系（排気マニフォールド又は排気管）と吸気系（吸気マニフォールド又は吸気管）とを連通するＥＧＲ通路（ＥＧＲ管）の途中に配設される略筒状（本実施形態では、角筒状）のケース１１と、ケース１１内に設けられ、内燃機関の冷却水が流通する冷却水通路１２と、ケース１１に設けられた水入口１３及び水出口１４と、ケース１１内に設けられ、排気ガスが流通するガス通路１５と、ケース１１に設けられたガス入口１６及びガス出口１７とから主に構成されている。

本実施形態では、ケース１１の一端部（図１中の左側）に水出口１４及びガス入口１６が設けられており、ケース１１の他端部（図１中の右側）に水入口１３及びガス出口１７が設けられている。即ち、本実施形態に係るＥＧＲクーラー１０は対向流式のものである。

本実施形態では、冷却水通路１２は、ケース１１と後述するエンドプレート１８とによりケース１１内に区画形成されている。水入口１３からケース１１内に流入した冷却水は、ケース１１とエンドプレート１８とによりケース１１内に区画形成された冷却水通路１２を流れた後に、水出口１４からケース１１外に流出する。

本実施形態では、ケース１１内に長手方向に間隔を隔てて一対のエンドプレート１８が配設されており、これら一対のエンドプレート１８間にガス通路１５を区画形成する扁平チューブ１９が複数架け渡されている。扁平チューブ１９は、例えば、一対のプレート１９ａ、１９ｂを上下に積層してなる。

ガス入口１６からケース１１内に流入した排気ガスは、扁平チューブ１９内を流れる間に扁平チューブ１９の周囲を流れる冷却水との熱交換により冷却された後に、ガス出口１７からケース１１外に流出する。

また、本実施形態では、扁平チューブ１９（ガス通路１５）内には、ＥＧＲガスとの接触表面積を大きくして冷却性能を高めるために、図３に示すインナーフィン２０が配設されている。

本実施形態のインナーフィン２０は、所謂ウェーブフィンの熱伝達率を向上させたものである。

図３に示すように、インナーフィン２０は、ガス通路１５の幅方向に波形状に屈曲しながらガス通路１５の長手方向に延びる多数のフィン部２１と、ガス通路１５の幅方向に隣接するフィン部２１の上端同士を繋ぐ上面部２２と、ガス通路１５の幅方向に隣接するフィン部２１の下端同士を繋ぐ下面部２３とを有する。また、インナーフィン２０は、例えば、金属板をプレス成形してなる。

図３に示す本実施形態のインナーフィン２０では、フィン部２１に、ガス流れ方向の下流に向かうに従いガス通路１５におけるフィン部２１間の通路中心ＣＬに近接するように傾斜する傾斜面２４を有する出っ張り２５を形成すると共に、出っ張り２５を設けたフィン部２１と通路中心ＣＬを挟んで対向するフィン部２１に、ガス流れ方向の下流に向かうに従いガス通路１５におけるフィン部２１間の通路中心ＣＬから離間するように傾斜する傾斜面２６を有する凹み２７を形成している。

より詳細には、出っ張り２５をフィン部２１における波形状の凹部分（図３（ａ）の範囲〔１〕）に設けると共に、凹み２７をフィン部２１における波形状の凸部分（図３（ａ）の範囲〔２〕）に設けている。なお、図３（ａ）中に、破線により波形状のベースラインＢＬ（出っ張り２５及び凹み２７を設けない場合のフィン部２１の形状）を図示している。

出っ張り２５及び凹み２７のガス流れ方向に対する長さＬＮは、ガス通路１５におけるフィン部２１間の通路幅Ｗｇ（例えば、２ｍｍ）の０．５倍から１倍（つまり、１ｍｍから２ｍｍ）とすると共に、出っ張り２５及び凹み２７のガス流れ方向と交差する方向に対する幅Ｗｆは、ガス通路１５におけるフィン部２１間の通路幅Ｗｇ（例えば、２ｍｍ）の０．２５倍から０．５倍（つまり、０．５ｍｍから１．０ｍｍ）とする。図３に示す本実施形態では、例えば、出っ張り２５及び凹み２７の長さＬＮを、ガス通路１５の通路幅Ｗｇ（２ｍｍ）の約０．５倍（例えば、約１ｍｍ）とすると共に、出っ張り２５及び凹み２７の幅Ｗｆを、ガス通路１５の通路幅Ｗｇ（２ｍｍ）の約０．２５倍（つまり、約０．５ｍｍ）とする。

本実施形態の作用を説明する。

そもそも、図５に示すウェーブフィン（インナーフィン５０）の熱伝達率が劣るのは、図５（ａ）に示すように、温度境界層がガス流れ方向の下流に行くに従って成長（発達）し、フィン部５１での熱伝達が減るためである。つまり、図５（ａ）の（Ａ）、（Ｂ）、（Ｃ）、（Ｄ）箇所の温度勾配から分かるように、温度境界層がガス流れ方向の下流に行くほど厚くなる（フィン部５１から温度境界層までの距離が大きくなる）ため、温度勾配がガス流れ方向の下流に行くほど緩くなり、フィン部５１での熱伝達が減る。

一方、図３に示す本実施形態のウェーブフィン（インナーフィン２０）では、新たに追加した、傾斜面２４を有する出っ張り２５により、温度境界層をはがす方向にガス流れが偏向する。つまり、本実施形態のインナーフィン２０では、フィン部２１に、ガス流れ方向の下流に向かうに従いガス通路１５の通路中心ＣＬに近接するように傾斜する傾斜面２４を有する出っ張り２５を設けているので、フィン部２１近傍のガス流れが出っ張り２５によって乱される。これにより温度境界層が成長（発達）して厚くならないため、温度勾配が全長に亘って緩くならず、熱伝達が減らない。よって、本実施形態によれば、所謂ウェーブフィンの熱伝達率を向上させることが可能になる。

また、本実施形態のウェーブフィン（インナーフィン２０）では、出っ張り２５を設けたフィン部２１とガス通路１５の通路中心ＣＬを挟んで対向するフィン部２１に、ガス流れ方向の下流に向かうに従いガス通路１５の通路中心ＣＬから離間するように傾斜する傾斜面２６を有する凹み２７を設けているので、出っ張り２５の形成に伴うガス通路１５の通路幅Ｗｇ減少を補うことができる。つまり、フィン部２１に出っ張り２５を設けたのみでは、ガス通路１５が絞られてしまうので、出っ張り２５を設けたフィン部２１とガス通路１５の通路中心ＣＬを挟んで対向するフィン部２１に凹み２７を設けることで、ガス通路１５の通路幅Ｗｇを充分に確保できる。

以上要するに、本実施形態によれば、所謂ウェーブフィンの熱伝達率を向上させることが可能になる。そのため、ディーゼルエンジンにおいても、煤が付着せず、且つ放熱性の良いインナーフィン２０を用いることができる。

以上、本発明の好適な実施形態について説明したが、本発明は上述の実施形態には限定されず他の様々な実施形態を採ることが可能である。

例えば、上述の実施形態では、熱交換器（ＥＧＲクーラー）１０が対向流式のものであるとしたが、これには限定はされず、熱交換器（ＥＧＲクーラー）１０が順流式のものであっても良い。

また、上述の実施形態では、出っ張り２５及び凹み２７をガス流れ方向に対して断続的に設けているが、図４に示す他の実施形態のように、出っ張り２５及び凹み２７をガス流れ方向に対して連続的に設けても良い。図４に示す他の実施形態では、例えば、出っ張り２５及び凹み２７の長さＬＮを、ガス通路１５の通路幅Ｗｇ（２ｍｍ）の約１倍（つまり、約２ｍｍ）とすると共に、出っ張り２５及び凹み２７の幅Ｗｆを、ガス通路１５の通路幅Ｗｇ（２ｍｍ）の約０．３７５倍（つまり、約０．７５ｍｍ）とする。

さらに、上述の実施形態とは逆に、出っ張り２５をフィン部２１における波形状の凸部分（図３（ａ）の範囲〔２〕）に設けると共に、凹み２７をフィン部２１における波形状の凹部分（図３（ａ）の範囲〔１〕）に設けても良い。

１０ 熱交換器（ＥＧＲクーラー）
１２ 冷却水通路
１５ ガス通路
２０ インナーフィン
２４ 傾斜面
２５ 出っ張り
２６ 傾斜面
２７ 凹み
ＣＬ 通路中心
ＬＮ 出っ張り及び凹みの長さ
Ｗｇ ガス通路の通路幅
Ｗｆ 出っ張り及び凹みの幅

Claims (5)

1. 内燃機関の排気ガスと冷却水とで熱交換を行い、排気ガスを冷却水によって冷却する熱交換器であって、
   冷却水が流通する冷却水通路と、排気ガスが流通するガス通路と、前記ガス通路内に設けられ、前記ガス通路の幅方向に波形状に屈曲しながら前記ガス通路の長手方向に延びる多数のフィン部を有するインナーフィンとを備え、
   温度境界層の成長を抑制するために、前記フィン部に、ガス流れ方向の下流に向かうに従い前記ガス通路における前記フィン部間の通路中心に近接するように傾斜する傾斜面を有する出っ張りを形成すると共に、
   前記出っ張りの形成に伴う前記ガス通路における前記フィン部間の通路幅減少を補うために、前記出っ張りを設けた前記フィン部と前記通路中心を挟んで対向する前記フィン部に、ガス流れ方向の下流に向かうに従い前記通路中心から離間するように傾斜する傾斜面を有する凹みを形成したことを特徴とする熱交換器。
2. 前記出っ張りを前記フィン部における波形状の凹部分に設け、前記凹みを前記フィン部における波形状の凸部分に設けた請求項１に記載の熱交換器。
3. 前記出っ張り及び前記凹みのガス流れ方向に対する長さは、前記ガス通路における前記フィン部間の通路幅の０．５倍から１倍とされる請求項１又は２に記載の熱交換器。
4. 前記出っ張り及び前記凹みのガス流れ方向と交差する方向に対する幅は、前記ガス通路における前記フィン部間の通路幅の０．２５倍から０．５倍とされる請求項１から３のいずれかに記載の熱交換器。
5. 前記内燃機関は、ディーゼルエンジンである請求項１から４のいずれかに記載の熱交換器。