JP2016023550A - コルゲートフィン式熱交換器 - Google Patents

Abstract

【課題】各伝熱チューブの相互間における流速の均一化を図ることができるだけではなく、各伝熱チューブにおける内部フィンと外部フィンの両方の伝熱効率を共に向上させることにより、熱交換器全体としての冷却性能を向上できて、過給機付エンジンのインタークーラ等に使用することができるコルゲートフィン式熱交換器を提供する。【解決手段】伝熱チューブ１１の内部を通過する第１流体Ａｉの流速Ｖが伝熱チューブ１１の相互間で均等化するように、流入側ヘッダ１２の入口部１２ａの近傍、若しくは、流出側ヘッダ１３の出口部１３ａの近傍と、これらから離れた部位との間で、伝熱チューブ１１の内部における第１流体Ａｉに対する流通抵抗を変化させて構成すると共に、外部フィン１４における第２流体Ａｏとの伝熱効率も変化させて構成する。【選択図】図１

Description

本発明は、冷却性能を向上でき、過給機付エンジンのインタークーラ等に使用することができるコルゲートフィン式熱交換器に関する。

近年、車両に搭載されるディーゼルエンジン等の内燃機関では、ターボ式過給機や機械式過給機を備えることで内燃機関の出力を増大し、これらの過給機によって加圧され昇温した吸気の温度を冷却するインタークーラを備えて、吸気の温度を下げることにより、空気の吸入効率を向上させてエンジンの燃焼を良好に保つことが行われている。

このインタークーラには水冷式と空冷式とがあるが、空冷式のコルゲートフィン式熱交換器が多く用いられており、図５に示すように、このインタークーラ１０は、過給機７のコンプレッサ７ａと吸気マニホールド３を結ぶ吸気配管４に設けられ、温度の上昇した吸気を冷却し、燃焼室内に入る吸気の温度を下げて、空気の充填効率を向上させることにより、空気量が増加し燃焼効率が高まるので、燃焼を改善でき、燃費の向上を実現できるとともに、最高温度および最高圧力を減少できるので、エンジンの熱負荷および機械負荷を軽減でき、エンジンの耐久性を向上できる。

図６に示すように、従来技術のインタークーラ１０Ｘは、過給機７のコンプレッサ７ａからの吸気Ａｉを流入させる流入側ヘッダ１２と、冷却された吸気Ａｉを吸気マニホールド３に流出させる流出側ヘッダ１３と、この間に設けられた複数の放熱チューブ１１Ｘと、この放熱チューブ１１Ｘの積層構造（熱交換用のコア）で外気が通過する放熱チューブ１１Ｘの間の隙間Ｓに配置された外部フィン１４を有して構成されている。

また、インタークーラのコンパクト化に際して、伝熱効率を高めるために、放熱チューブの内部において、放熱チューブの平行な壁面の間に、この壁面（伝熱板）に対して傾斜した互いに平行な傾斜フィン部（内部フィン）を設けて、この傾斜フィン部で放熱チューブの奥行き方向を区分して、流通セルを形成したコルゲートフィン式熱交換器が提案されている（例えば、特許文献１参照）。

この空冷式のインタークーラに関しては、放熱チューブの間における偏流を軽減し、チューブ位置による温度分布の差を低減して熱応力の影響を防止するために、入口側のヘッダー本体の開口部の中央部より少し上方の部位の近傍の外側面部に、内部に向けて突出する断面Ｖ字状の凸状部を形成し、入口パイプ部から流入した圧縮空気を凸状部で上下に分散させるようにした車両用エンジンのインタークーラも提案されている（例えば、特許文献２参照）。

また、入口側タンクと出口側タンクとの間を多数の並列チューブで接続し、チューブ相互の間隙にアウトフイン（外部フィン）を設けたインタークーラで、チューブ内のインナフィン（内部フィン）の配設ピッチを、入口側タンクから出口側タンクに向かう空気流通の均等のためにインタークーラの中央寄りにおいて細かく、両側寄りにおいて粗くなるように設定して、中央ではチューブ内の空気の流通抵抗を大きくすると共に、インナフィンによる熱交換率を高くし、両側ではチューブ内の空気の流通抵抗を小さくしてここへの空気流量を十分に確保し、全体として高い熱交換効率を発揮できる自動車用インタークーラが提案されている（例えば、特許文献３参照）。

しかしながら、この自動車用インタークーラにおいては、中央のチューブに空気流が集中するのが抑制され、左右両側のチューブでも十分に熱交換され、インナフィン（内部フィン）のピッチの祖、密によって、熱交換のバランスをとることができるので、全体として最も高い熱交換効率で使用できるとされているが、チューブ内における流通抵抗とインナフィンによる熱交換効率の向上のみであり、アウトフイン（外部フィン）による熱交換効率の向上が伴っていないので、まだまだ改良の余地がある。

特開２０００−２７４２５１号公報 特開２０１０−２２３５０８号公報 実開平２−４６０２５号公報

本発明は、上記のことを鑑みてなされたものであり、その目的は、伝熱チューブの内部の各伝熱チューブの相互間における流速の均一化を図ることができるだけではなく、各伝熱チューブにおける内部フィンと外部フィンの両方の伝熱効率を共に向上させることにより、熱交換器全体としての冷却性能を向上できて、過給機付エンジンのインタークーラ等に使用することができるコルゲートフィン式熱交換器を提供することにある。

上記の目的を達成するための本発明のコルゲートフィン式熱交換器は、第１流体をその内部に流通させる扁平形状の複数の伝熱チューブを第２流体が通過する隙間を設けて積層して、該隙間に外部フィンを設けると共に、前記伝熱チューブの内部に内部フィンを設けて、前記伝熱チューブの壁面と前記内部フィンと前記外部フィンを介して第１流体と第２流体との間で熱交換するコルゲートフィン式熱交換器において、前記伝熱チューブの内部を通過する第１流体の流速が前記伝熱チューブの相互間で均等化するように、前記伝熱チューブの内部における第１流体に対する流通抵抗を、流入側ヘッダに吸気配管が接続される入口部の近傍、若しくは、流出側ヘッダに吸気配管が接続される出口部の近傍においては大きく、前記入口部から離れた部位若しくは、前記出口部から離れた部位では小さく構成すると共に、前記外部フィンにおける第２流体との伝熱効率を、前記入口部の近傍、若しくは、前記出口部の近傍では大きく、前記入口部から離れた部位若しくは、前記出口部から離れた部位では小さく構成する。

この構成によれば、伝熱チューブにおいては、内部を流れる第１流体の流速を各伝熱チューブの相互間で均一化することができ、伝熱チューブ全体としての内部フィンと伝熱面への伝熱効率を大きくすることができる。また、前記伝熱チューブの内部における第１流体に対する流通抵抗の増加は伝熱面積の増加によることが多いので、第１流体と伝熱チューブとの間の第１の伝熱効率に関しては、第１流体の流速低下に伴う第１の伝熱効率の低下を、伝熱チューブと内部フィンの構成による第１の伝熱効率の増加でカバーすることができるが、それに合わせて、外部フィンの構成により、第２流体と伝熱チューブとの間の第２の伝熱効率を増加して、第１の伝熱効率と第２の伝熱効率とのバランスを合わせることで、伝熱チューブ全体としての第１流体と第２流体との間の総合伝熱効率を向上させることができる。

また、上記のコルゲートフィン式熱交換器において、前記内部フィンのピッチの変化、前記内部フィンの形状の変化、前記伝熱チューブの内部への抵抗増加部材の挿入の有無若しくは挿入される前記抵抗増加部材の形状の変化のいずれか、又は、その組み合わせにより、前記伝熱チューブの内部における第１流体に対する流通抵抗を変化させると共に、前記外部フィンのピッチの変化、前記外部フィンの形状の変化、前記隙間における伝熱面積増加部材の配置の有無若しくは配置される前記伝熱面積増加部材の形状の変化のいずれか、又は、その組み合わせにより、前記外部フィンにおける第２流体との間の伝熱効率を変化させるように構成する。

この構成によれば、これらの構成の組み合わせにより、容易に、伝熱チューブの内部における第１流体に対する流通抵抗を、入口部の近傍、若しくは、出口部の近傍においては大きく、入口部から離れた部位若しくは、出口部から離れた部位では小さく構成することができ、また、外部フィンにおける第２流体との第２の伝熱効率を、入口部の近傍、若しくは、出口部の近傍では大きく、入口部から離れた部位若しくは、出口部から離れた部位では小さく構成することができる。

上記のコルゲートフィン式熱交換器において、前記コルゲートフィン式熱交換器が過給機付エンジンのインタークーラであり、第１流体が吸気であり、第２流体が外気であるとすると、軽量小型で、高い冷却性能を持つインタークーラを提供できる。

本発明のコルゲートフィン式熱交換器によれば、伝熱チューブの内部の各伝熱チューブの相互間における流速の均一化を図ることができるだけではなく、各伝熱チューブにおける内部フィンと外部フィンの両方の伝熱効率を共に向上させることにより、熱交換器全体としての冷却性能を向上できる。従って、このコルゲートフィン式熱交換器を過給機付エンジンのインタークーラに使用する場合には、吸気効率を改善して、エンジンの性能の向上を図ることができる。

本発明に係る実施の形態のインタークーラの構成を示す図である。 内部フィンのピッチを変更した伝熱チューブの構成を示す図である。 内部フィンの形状を変更した伝熱チューブの構成を示す図である。 内部フィンに挿入する抵抗増加部材の形状を変更した伝熱チューブの構成を示す図である。 内燃機関におけるインタークーラの配置の例を示す図である。 従来技術のインタークーラの構成を示す図である。

以下、本発明に係る実施の形態のコルゲートフィン式熱交換器について、図面を参照しながら説明する。ここでは、過給機付エンジンのインタークーラを例にして説明するが、本発明は、このインタークーラに限定されることなく、その他のコルゲートフィン式熱交換器に適用することができる。なお、ここの図面では、吸気絞り弁やＥＧＲ通路や排気絞り弁や排気ガス後処理装置などの、エンジン１に備わっているが、本発明の説明で必要としない機器類などは、図示を省いている。

最初に、本発明の実施の形態のコルゲートフィン式熱交換器が配置されるエンジンについて説明する。図５に示すように、このエンジン１においては、エンジン本体２に吸気マニホールド３と吸気配管４、及び、排気マニホールド５と排気配管６が設けられている。この排気配管６には排気ガスＧで駆動されるターボ式過給機７のタービン７ｂが設けられ、このタービン７ｂに連結されたコンプレッサ７ａが吸気配管４に設けられている。そして、本発明の実施の形態のコルゲートフィン式熱交換器であるインタークーラ１０は、コンプレッサ７ａと吸気マニホールド３との間に配設される。

図１に示すように、インタークーラ１０は、第１流体である吸気Ａｉをその内部に流通させる扁平形状の複数の放熱チューブ（伝熱チューブ）１１を第２流体である外気Ａｏが通過する隙間Ｓを設けて積層し、この隙間Ｓに外部フィン１４を設けると共に、放熱チューブ１１の内部に内部フィン１５を設けて、放熱チューブ１１の壁面１１ｓと内部フィン１５と外部フィン１４を介して吸気Ａｉと外気Ａｏとの間で熱交換する。なお、図１では、図面の煩雑さを考えて、内部フィン１５を示す長手方向（吸気Ａｉの流通方向）の点線を省略している。

本発明においては、更に、放熱チューブ１１の内部を通過する吸気Ａｉの流速Ｖが放熱チューブ１１の相互間で均等化するように、即ち、同じ流速になるように、放熱チューブ１１の内部における吸気Ａｉに対する流通抵抗を、流入側ヘッダ１２に吸気配管４が接続される入口部１２ａの近傍、若しくは、流出側ヘッダ１３に吸気配管４が接続される出口部１３ａの近傍においては大きく、入口部１２ａから離れた部位若しくは、出口部１３ａから離れた部位では小さく構成する。

この放熱チューブ１１の内部における吸気Ａｉに対する流通抵抗は、入口部１２ａの近傍側から離れた部位へ、又は、出口部１３ａの近傍側から離れた部位へ、段階的又は連続的に変化させて構成する。これにより、より極め細かく放熱チューブ１１の相互間における流速の均一化を図る。

この入口部１２ａの近傍及び出口部１３ａの近傍についてより具体的に説明すると、放熱チューブ１１の流入側ヘッダ１２の部分において、入口部１２ａの対向している部分がある場合は入口部１２ａの近傍とし、この入口部１２ａの対向している部分がなく、入口部１２ａから数本（例えば、２本〜５本）の距離をおいた部位を入口部１２ａの近傍側から離れた部位とする。また、放熱チューブ１１の流出側ヘッダ１３の部分において、出口部１３ａの対向している部分がある場合は出口部１３ａの近傍とし、この出口部１３ａの対向している部分がなく、出口部１３ａから数本（例えば、２本〜５本）の距離をおいた部位を出口部１３ａの近傍側から離れた部位とする。

この放熱チューブ１１の内部における吸気Ａｉに対する流通抵抗を変化させるために、例えば、図１及び図２に示すような内部フィン１５のピッチの変化、図３に示すような内部フィン１５の形状の変化、図４に示すような放熱チューブ１１の内部への抵抗増加部材１７の挿入の有無、若しくは、挿入される抵抗増加部材１７の形状の変化のいずれか、又は、その組み合わせを用いる。

より具体的には、図２に示すように、内部フィン１５の間の間隔の大きさであるピッチＰｉを、入口部１２ａ若しくは出口部１３ａの近傍では密に、入口部１２ａ若しくは出口部１３ａから離れた部位では疎にして、吸気Ａｉの流れに対する内部フィン１５による抵抗を変化させる。つまり、入口部１２ａ若しくは出口部１３ａの近傍のピッチＰａが，入口部１２ａ若しくは出口部１３ａから離れた部位のピッチＰｉよりも小さくなるようにする。

これによれば、外気Ａｏの流入側の内部フィン１５のピッチＰａを密にした放熱チューブ１１では、この内部フィン１５で区切られた流通セル１６の流通断面積が小さくなり、この流通セル１６を通過する吸気Ａｉの流通抵抗（吸気Ａｉが流通セル１６内を流れる時に受ける抵抗）が増加して流速Ｖが減少する一方で、内部フィン１５のピッチＰｉを疎にした放熱チューブ１１では、この内部フィン１５で区切られた流通セル１６の流通断面積が大きくなり、この流通セル１６を通過する吸気Ａｉの流通抵抗が減少して流速Ｖが増加することになる。

あるいは、図３に示すように、吸気Ａｉと接する内部フィン１５の面積が変化するように、吸気Ａｉの流れに垂直な断面における内部フィン１５の形状を変化させることで、内部フィン１５のピッチＰａ、Ｐｉを変更することなく、容易に流通抵抗を変化することができる。

また、図４に示すように、流通セル１６に抵抗増加部材１７を追加挿入して、流通セル１６の流通抵抗を変化させてもよく、これに加えて、流通セル１６に抵抗が異なる抵抗増加部材１７を挿入して、流通セル１６の流通抵抗を変化させてもよい。なお、この抵抗増加部材１７は内部フィン１５や壁面１１ｓとの接触部分を多くして、吸気Ａｉの熱を抵抗増加部材１７、内部フィン１５若しくは壁面１１ｓを経由して外気Ａｏに逃すことが好ましく、これにより、吸気Ａｉと放熱チューブ１１との間の第１の伝熱効率を向上させることができる。

なお、これらの入口部１２ａと出口部１３ａとの相対的な位置は、インタークーラ１０の配置場所等の影響を受けて、両方とも上側、両方とも中央側、両方とも下側、片方が上側で他方が下側等、様々に変化する。

しかし、本発明の目的は、放熱チューブ１１の相互間における流速の均一化であるので、実験的に、又は、流体計算シミュレーションの計算により、各放熱チューブ１１の内部の流速を計測又は計算でき、これらの流速を均等化するための各放熱チューブ１１における内部の流通抵抗の増加分と、その増加分の流通抵抗を実現するための内部フィン１５のピッチの変化量なども容易に求めることができる。

また、放熱チューブ１１の内部の内部フィン１５のピッチＰａ、Ｐｉの変化や内部フィン１５の形状の変化の加工、及び、抵抗増加部材１７の加工は、内部フィン１５を放熱チューブ１１の内部に挿入する前の加工で容易に行うことができる。

それと共に、外部フィン１４における外気Ａｏとの伝熱効率を、入口部１２ａの近傍、若しくは、出口部１３ａの近傍では大きく、入口部１２ａから離れた部位若しくは、出口部１３ａから離れた部位では小さく構成する。この外部フィン１４における外気Ａｏとの伝熱効率は、入口部１２ａの近傍側から離れた部位へ、又は、出口部１３ａの近傍側から離れた部位へ、段階的又は連続的に変化させて構成する。これにより、より極め細かく放熱チューブ１１における吸気Ａｉと外気Ａｏとの間の伝熱効率を変化させることができる。

この外部フィンにおける外気Ａｏとの間の第２の伝熱効率を変化させるために、例えば、図１に示すような外部フィン１４のピッチの変化、外部フィン１４の形状の変化、隙間Ｓにおける伝熱面積増加部材（図示しない）の配置の有無若しくは配置される伝熱面積増加部材の形状の変化のいずれか、又は、その組み合わせを用いる。

この伝熱面積増加部材は、外部フィン１４の表面積を増加させるための補助的部材であり、外気Ａｏとの接触面積が大きいだけでなく、外部フィン１４又は放熱チューブ１１の壁面１１ｓとの接触面をできるだけ大きくして、第２の伝熱効率を向上させることも重要である。

これにより、放熱チューブ１１においては、内部を流れる吸気Ａｉの流速Ｖを各放熱チューブ１１の相互間で均一化することができ、放熱チューブ１１全体としての内部フィン１５と壁面１１ｓへの伝熱効率を大きくすることができる。また、放熱チューブ１１の内部における吸気Ａｉに対する流通抵抗の増加は伝熱面積の増加によることが多いので、吸気Ａｉと放熱チューブ１１との間の第１の伝熱効率に関しては、吸気Ａｉの流速低下に伴う第１の伝熱効率の低下を、放熱チューブ１１と内部フィン１５の構成による第１の伝熱効率の増加でカバーすることができる。

更に、それに合わせて、外部フィン１４の構成により、外気Ａｏと放熱チューブ１１との間の第２の伝熱効率を増加して、第１の伝熱効率と第２の伝熱効率とのバランスを合わせることで、放熱チューブ１１全体としての吸気Ａｉと外気Ａｏとの間の総合伝熱効率を向上させることができる。

従って、本発明のインタークーラ１０によれば、伝熱チューブ１１の内部の各放熱チューブ１１の相互間における流速Ｖの均一化を図ることができるだけではなく、各放熱チューブ１１における内部フィン１５と外部フィン１４の両方の伝熱効率を共に向上させることができるので、熱交換器全体としての冷却性能を向上できる。

１ エンジン（内燃機関）
３ 吸気マニホールド
４ 吸気配管
７ａ コンプレッサ
１０，１０Ｘ インタークーラ（コルゲートフィン式熱交換器）
１１、１１Ｘ 放熱チューブ（伝熱チューブ）
１１ｓ 放熱チューブの壁面
１２ 流入側ヘッダ
１２ａ 入口部
１３ 流出側ヘッダ
１３ａ 出口部
１４ 外部フィン
１５ 内部フィン
１６ 流通セル
１７ 抵抗増加部材
Ａｉ 吸気（第１流体）
Ａｏ 外気（第２流体）
Ｇ 排気ガス

Claims (3)

1. 第１流体をその内部に流通させる扁平形状の複数の伝熱チューブを第２流体が通過する隙間を設けて積層して、該隙間に外部フィンを設けると共に、前記伝熱チューブの内部に内部フィンを設けて、前記伝熱チューブの壁面と前記内部フィンと前記外部フィンを介して第１流体と第２流体との間で熱交換するコルゲートフィン式熱交換器において、
   前記伝熱チューブの内部を通過する第１流体の流速が前記伝熱チューブの相互間で均等化するように、前記伝熱チューブの内部における第１流体に対する流通抵抗を、流入側ヘッダに吸気配管が接続される入口部の近傍、若しくは、流出側ヘッダに吸気配管が接続される出口部の近傍においては大きく、前記入口部から離れた部位若しくは、前記出口部から離れた部位では小さく構成すると共に、
   前記外部フィンにおける第２流体との伝熱効率を、前記入口部の近傍、若しくは、前記出口部の近傍では大きく、前記入口部から離れた部位若しくは、前記出口部から離れた部位では小さく構成したことを特徴とするコルゲートフィン式熱交換器。
2. 前記内部フィンのピッチの変化、前記内部フィンの形状の変化、前記伝熱チューブの内部への抵抗増加部材の挿入の有無若しくは挿入される前記抵抗増加部材の形状の変化のいずれか、又は、その組み合わせにより、前記伝熱チューブの内部における第１流体に対する流通抵抗を変化させると共に、
   前記外部フィンのピッチの変化、前記外部フィンの形状の変化、前記隙間における伝熱面積増加部材の配置の有無若しくは配置される前記伝熱面積増加部材の形状の変化のいずれか、又は、その組み合わせにより、前記外部フィンにおける第２流体との間の伝熱効率を変化させるように構成したことを特徴とする請求項１に記載のコルゲートフィン式熱交換器。
3. 前記コルゲートフィン式熱交換器が過給機付エンジンのインタークーラであり、第１流体が吸気であり、第２流体が外気であることを特徴とする請求項１又は２に記載のコルゲートフィン式熱交換器。

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