JP2016031178A

JP2016031178A - コルゲートフィン式熱交換器

Info

Publication number: JP2016031178A
Application number: JP2014153210A
Authority: JP
Inventors: 清一郎冨川; Seiichiro Tomikawa
Original assignee: Isuzu Motors Ltd
Current assignee: Isuzu Motors Ltd
Priority date: 2014-07-28
Filing date: 2014-07-28
Publication date: 2016-03-07

Abstract

【課題】冷却性能を向上でき、しかも軽量化が可能で、過給機付エンジンのインタークーラ等に使用するコルゲートフィン式熱交換器を提供する。
【解決手段】第１流体Ａｉ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１１を第２流体Ａｏが通過する隙間Ｓを設けて積層し、伝熱チューブ１１の壁面１１ｓを介して第１流体Ａｉと第２流体Ａｏとの間で熱交換するコルゲートフィン式熱交換器１０において、第２流体Ａｏの通過方向に関して、伝熱チューブ１１における第２流体Ａｏの流出側が凹形状になるように、第１流体Ａｉの流入側ヘッダ１２側の奥行Ｌｉに対して、中央側部分１１ａの奥行Ｌａを浅く形成すると共に、中央側部分１１ａの奥行Ｌａに対して、第１流体Ａｉの流出側ヘッダ１３側の奥行Ｌｏを深く形成する。
【選択図】図１

Description

本発明は、冷却性能を向上でき、しかも軽量化が可能で、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２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を結ぶ吸気通路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、排気ガスのクリーン化や燃費の向上を実現できる。

図３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、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１参照）。

しかしながら、インタークーラにおいては、圧力損失や放熱チューブ相互間における流れの均一化だけでなく、各放熱チェーブ内における流れの均一化による放熱量の増加やインタークーラの軽量小型化も重要な課題となっている。

特開２０１０−２２３５０８号公報

これに関連して、本発明者は、インタークーラの放熱チューブ内における、外気の通過方向である奥行方向に関しての流れに注目して、その流れ分布を検討したところ、図３に示すように、流入側ヘッダ１２から流入してくる吸気Ａｉの流れは、インタークーラ１０Ｘの形状に起因して、中央側部分１１Ｘａでは、外気Ａｏの通過方向（Ｘ方向）に関して前側では早い流速Ｖｆとなり、後側では遅い流速Ｖｒとなっており、吸気Ａｉの放熱効果は放熱チューブ１１Ｘの前側が大きく、後側が小さいとの知見を得た。

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、内部抵抗を大きく悪化させずに伝熱チューブの内部の奥行方向の流れの均一化を図ることができ、これにより、冷却性能を向上でき、しかも軽量小型化が可能で、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、前記伝熱チューブの壁面を介して第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、第２流体の通過方向に関して、第１流体の流入側ヘッダ側の奥行に対して、前記伝熱チューブにおける第２流体の流出側が凹形状になるように、中央側部分の奥行を浅く形成すると共に、該中央側部分の奥行に対して、第１流体の流出側ヘッダ側の奥行を深く形成して構成する。

この構成によれば、伝熱チューブの中央側部分において、伝熱チューブの中央側部分の奥行を浅くすることで、第１流体の伝熱チューブの中央側部分の内部における奥行方向、即ち、第２流体の通過方向の流れの均一化ができる。従って、奥行方向の流速分布における流速の均等化を図ることができ、熱交換部の奥行方向全体としての伝熱効率を向上することができる。

特に、第２流体の通過方向に関して、前記伝熱チューブにおける第２流体の流出側が凹形状になるように形成する。つまり、伝熱チューブの中央側部分においては、伝熱チューブの前側は、伝熱チューブ内の流速が早く、かつ、初期状態の第２流体に伝熱するので伝熱効率がよく、伝熱チューブの後側は、伝熱チューブ内の流速が遅く、かつ、熱交換がある程度進んだ状態の第２流体に伝熱するので伝熱効率が悪くなっているが、この伝熱効率のよい伝熱チューブの前側を残して、伝熱効率の悪い伝熱チューブの後側を削除する。

この構成によれば、伝熱チューブの中央側部分において、伝熱効率のよい伝熱チューブの前側を残して、伝熱効率の悪い伝熱チューブの後側を削除するので、第１流体と第２流体との間での熱交換効率が良い部分を残したままで、悪い部分を削除することになる。従って、熱交換効率の低下を防止しながら、伝熱チューブの中央側部分の奥行を浅くすることで、熱交換器全体としての奥行を浅くすることができるので軽量小型化を図ることができる。

つまり、従来技術におけるインタークーラでは、伝熱チューブの内部の流れにおいて、奥行方向の前側に第１流体の流れが集中し易い形状になっているので、前側を凹部にするよりも、後側を凹部にする方が、第１流体が滑らかに流入する。

なお、このような奥行に関して凹部を設ける形状の伝熱チューブは絞り加工によるチューブ製造では難しいが、２つのチューブ片面側を合わせて一体化してチューブを形成する合わせチューブの製造では容易に製造できる。

上記のコルゲートフィン式熱交換器において、第２流体の通過方向に関して、前記流入側ヘッダ側の奥行と前記中央側部分の奥行との間に、奥行を滑らかに浅くする流れ導入部を設けると共に、前記中央側部分の奥行と前記流出側ヘッダ側の奥行との間に、奥行を滑らかに深くする流れ導出部を設けて構成すると、流入側ヘッダから中央側部分への流れの流入抵抗と中央側部分から流出側ヘッダへの流れの流出抵抗を減少することができ、コルゲートフィン式熱交換器における第１流体の圧力損失を低減することができる。

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、冷却性能を向上でき、しかも軽量小型化が可能となる。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、軽量小型化したインタークーラで吸気効率を改善して、エンジンの軽量化及び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、本発明の説明では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２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と吸気通路４、及び、排気マニホールド５と排気通路６が設けられている。この排気通路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が吸気通路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を設けて積層すると共に、この隙間Ｓに外部フィン１４を設けて、この放熱チューブ１１の壁面１１ｓ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。

本発明においては、更に、外気Ａｏの通過方向（Ｘ方向）に関して、放熱チューブ１１における外気Ａｏの流出側が凹形状になるように形成する。放熱チューブ１１における吸気Ａｉの流入側ヘッダ１２側の奥行Ｌｉに対して、中央側部分１１ａの奥行Ｌａを浅く形成すると共に、この中央側部分１１ａの奥行Ｌａに対して、吸気Ａｉの流出側ヘッダ１３側の奥行Ｌｏを深く形成する。

また、つまり、放熱チューブ１１の中央側部分１１ａにおいては、放熱チューブ１１の前側は、放熱チューブ１１内の流速が早く、かつ、初期状態の外気Ａｏに放熱（伝熱）するので放熱効率（伝熱効率）がよく、放熱チューブ１１の後側は、放熱チューブ１１内の流速が遅く、かつ、熱交換がある程度進んだ状態の外気Ａｏに放熱するので放熱効率が悪くなっているが、この放熱効率のよい放熱チューブ１１の前側を残して、放熱効率の悪い放熱チューブ１１の後側を削除する。

この構成によれば、放熱チューブ１１の中央側部分１１ａにおいて、放熱効率のよい放熱チューブ１１の前側を残して、放熱効率の悪い放熱チューブ１１の後側を削除するので、吸気Ａｉと外気Ａｏとの間での熱交換効率が良い部分を残したままで、悪い部分を削除することになる。従って、熱交換効率の低下を防止しながら、放熱チューブ１１の中央側部分１１ａの奥行を浅くすることで、熱交換器全体としての奥行を浅くすることができるので軽量小型化を図ることができる。

つまり、図３に示すような従来技術におけるインタークーラ１０Ｘでは、放熱チューブ１１Ｘの内部の流れにおいて、奥行方向の前側に吸気Ａｉの流れが集中し易い形状になっているので、前側を凹部にするよりも、後側を凹部にする方が、吸気Ａｉが滑らかに流入することになる。

また、外気Ａｏの通過方向に関して、流入側ヘッダ１２と中央側部分１１ａとの間に、奥行Ｌを滑らかに浅くする流れ導入部１１ｉを設けると共に、中央側部分１１ａと流出側ヘッダ１３との間に、奥行Ｌを滑らかに深くする流れ導出部１１ｏを設ける。これにより、流入側ヘッダ１２から中央側部分１１ａへの流れの流入抵抗と中央側部分１１ａから流出側ヘッダ１３への流れの流出抵抗を減少して、インタークーラ１０における吸気Ａｉの圧力損失を低減させる。

この流れ導入部１１ｉと流れ導出部１１ｏの形状は直線形状で形成すると製造が容易となるが、円弧形状や楕円弧形状に形成すると、より滑らかに吸気Ａｉを中央側部分１１ａに流入及び中央側部分１１ａから流出させることができるようになるので、より好ましい。

図３に示すような従来技術のインタークーラ１０Ｘにおいては、放熱チューブ１１Ｘの内部の前側は、吸気Ａｉの流速Ｖｆが早く、かつ、放熱チューブ１１Ｘからの放熱を受ける以前の温度が低い初期状態の外気Ａｏに放熱するので放熱効率がよい。一方、放熱チューブ１１Ｘの内部の後側は、吸気Ａｉの流速Ｖｒが遅く、かつ、熱交換がある程度進んで昇温している状態の外気Ａｏに放熱するので放熱効率が悪くなっている。

一方、本発明においては、図１に示すように、吸気Ａｉと外気Ａｏとの間での熱交換効率が良い中央側部分１１ａの前側部分を残したままで、熱交換効率の悪い中央側部分１１ａの後側部分を削除して奥行Ｌに関して奥行Ｌｅの分だけ浅くするので、熱交換効率の低下を防止しながら、中央側部分１１ａの奥行Ｌａを浅くすることができる。その結果、インタークーラ１０全体としての奥行を浅くすることができ、軽量小型化することができる。

また、中央側部分１１ａの奥行Ｌａを浅くすることで、吸気Ａｉの中央側部分１１ａ内における奥行方向の流れの均一化、即ち、奥行方向の流速分布における流速Ｖの均等化を図ることができ、奥行方向全体としての放熱効率を向上することができる。

なお、このような奥行に関して凹部を設ける形状の放熱チューブ１１は絞り加工によるチューブの製造方法では難しいが、２つのチューブ片面側を合わせて一体化してチューブを形成する合わせチューブの製造方法で容易に製造できる。

また、通常は、インタークーラ１０に備えられた放熱チューブ１１の全部を、この奥行に関して凹部を設ける形状の放熱チューブ１１とするが、流入側ヘッダ１２への吸気通路４の取付位置等によって、放熱チューブ１１の奥行方向の流れの不均一の度合いが異なる場合もあるので、その場合は、流れが不均一になり易い吸気通路４の取付位置の近傍のみに奥行Ｌを浅くして設けたり、この近傍部分から遠ざかるにつれて、浅くする奥行Ｌｅの大きさを段階的若しくは連続的に小さくなるようにしたりしてもよい。これにより、各放熱チューブ１１における極め細かな流れの均一化を図ることができる。

従って、本発明のインタークーラ１０によれば、冷却性能を向上でき、しかも軽量小型化が可能となり、この軽量小型化したインタークーラ１０で吸気効率を上昇して、エンジン１を軽量化及びその性能の向上を図ることができる。

１エンジン（内燃機関）
３吸気マニホールド
４吸気通路
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）
１１ａ、１１Ｘａ中央側部分
１１ｉ流れ導入部
１１ｏ流れ導出部
１１ｓ放熱チューブの壁面
１２流入側ヘッダ
１３流出側ヘッダ
１４外部フィン
Ａｉ吸気（第１流体）
Ａｏ外気（第２流体）
Ｌａ放熱チューブの中央側部分の奥行
Ｌｉ放熱チューブの流入側ヘッダ側の奥行
Ｌｏ放熱チューブの流出側ヘッダ側の奥行
Ｇ排気ガス

Claims

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、前記伝熱チューブの壁面を介して第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、
第２流体の通過方向に関して、
第１流体の流入側ヘッダ側の奥行に対して、前記伝熱チューブにおける第２流体の流出側が凹形状になるように、中央側部分の奥行を浅く形成すると共に、該中央側部分の奥行に対して、第１流体の流出側ヘッダ側の奥行を深く形成したことを特徴とするコルゲートフィン式熱交換器。
第２流体の通過方向に関して、
前記流入側ヘッダ側の奥行と前記中央側部分の奥行との間に、奥行を滑らかに浅くする流れ導入部を設けると共に、前記中央側部分の奥行と前記流出側ヘッダ側の奥行との間に、奥行を滑らかに深くする流れ導出部を設け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。
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。