JP2019095119A - 熱交換装置 - Google Patents

Abstract

【課題】熱交換効率が向上した熱交換装置を提供することを課題とする。【解決手段】第１及び第２流路をそれぞれ流れる第１及び第２流体の間で熱交換する熱交換装置であって、前記第１及び第２流路をそれぞれ内側と外側とで隔てる筒状の隔壁と、前記隔壁の内周面に沿うように筒状に設置されたオフセットフィンと、前記オフセットフィンの内側に挿入されて前記オフセットフィンを弾性変形させて前記内周面側に押圧した押圧部材と、を備えた熱交換装置。【選択図】図１

Description

本発明は、熱交換装置に関する。

第１及び第２流体がそれぞれ流れる第１及び第２流路を有し、第１及び第２流体の間で熱交換が行われる熱交換装置が知られている。例えば特許文献１では、第１及び第２流路をそれぞれ内側と外側とで隔てる筒状の隔壁が記載されており、この隔壁の内周面から内側に突出したフィンが隔壁に一体的に形成されている。このようなフィンにより、第１及び第２流体間での伝熱面積を確保でき、熱交換効率が向上している。

特表２０１０−５０３８１７号公報

このような熱交換装置に対しては、更なる熱交換効率の向上が望まれる。

そこで本発明は、熱交換効率が向上した熱交換装置を提供することを目的とする。

上記目的は、第１及び第２流路をそれぞれ流れる第１及び第２流体の間で熱交換する熱交換装置であって、前記第１及び第２流路をそれぞれ内側と外側とで隔てる筒状の隔壁と、前記隔壁の内周面に沿うように筒状に設置されたオフセットフィンと、前記オフセットフィンの内側に挿入されて前記オフセットフィンを弾性変形させて前記内周面側に押圧した押圧部材と、を備えた熱交換装置によって達成できる。オフセットフィンを採用することにより、第１及び第２流体間での伝熱面積を確保できる。また、押圧部材がオフセットフィンを弾性変形させて隔壁の内周面に押圧することにより、オフセットフィンは内周面に密着する。これにより、第１及び第２流体間で熱が効率的に伝達され、熱交換効率が向上している。

上記構成において、前記押圧部材は、中実軸である。

上記構成において、前記押圧部材は、前記第１流体を前記オフセットフィン側に案内する案内部を有している。

上記構成において、前記押圧部材は、前記オフセットフィンを前記内周面に押圧した筒状部、前記筒状部の周壁に設けられた開口部、を有し、前記案内部は、前記第１流体を前記筒状部の内側から前記開口部を介して前記オフセットフィン側へ案内する。

上記構成において、前記案内部は、前記第１流路の軸心方向に螺旋状に延びている。

上記構成において、前記押圧部材は、前記第１流体の下流側の端部に、前記オフセットフィンにより包囲された空間を塞ぐ閉塞部を有している。

本発明によれば、熱交換効率が向上した熱交換装置を提供できる。

図１Ａは、排気流路及び冷却水流路に直交する方向での熱交換装置の断面図であり、図１Ｂは、排気流路及び冷却水流路に平行な方向での熱交換装置の断面図である。 図２Ａは、円筒状に弾性変形される前の状態でのオフセットフィンの部分拡大図であり、図２Ｂは、円筒状に弾性変形されたオフセットフィンの一部を示した斜視図であり、図２Ｃは、隔壁と押圧部材との間に設置されたオフセットフィンの部分拡大図である。 図３Ａ及び図３Ｂは、変形例の熱交換装置の説明図である。 図４は、押圧部材が円筒状に加工される前の状態である基材を示している。 図５Ａ及び図５Ｂは、変形例の熱交換装置の説明図である。

図１Ａは、排気流路２０及び冷却水流路３０に直交する方向での熱交換装置１の断面図である。図１Ｂは、排気流路２０及び冷却水流路３０に平行な方向での熱交換装置１の断面図である。熱交換装置１は、エンジンのシリンダヘッド１０内に一体的に設けられている。具体的には、シリンダヘッド１０内に、エンジンの排気ガスの一部を吸気側に戻すためのＥＧＲ通路に一体的に設けられおり、熱交換装置１はこのＥＧＲ通路上に設けられている。

排気流路２０及び冷却水流路３０には、排気ガス及び冷却水がそれぞれ流れる。排気流路２０は、上述したＥＧＲ通路の一部を構成している。冷却水は、エンジンを冷却し、排気ガスよりも低温である。排気流路２０と冷却水流路３０とは、隔壁１５により隔てられている。隔壁１５の外側に冷却水流路３０が形成され、隔壁１５の内側に排気流路２０が形成されている。隔壁１５は、略円筒状に形成され、内周面１５１及び外周面１５２を有している。冷却水流路３０は、円筒状の内周面３０１を有している。隔壁１５の外周面１５２は、冷却水流路３０の内周面３０１に対向している。排気ガス及び冷却水はそれぞれ第１及び第２流体の一例である。排気流路２０及び冷却水流路３０はそれぞれ排気ガス及び冷却水がそれぞれ流れる第１及び第２流路の一例である。隔壁１５の内周面１５１は、第１流路の内周面の一例である。

排気流路２０内には、オフセットフィン４０及び押圧部材５０が配置されている。オフセットフィン４０は、排気流路２０内に円筒状に弾性変形された状態で設置されている。押圧部材５０は、円筒状のオフセットフィン４０の内側に圧入されている。押圧部材５０は、円筒状の外周面５０１を有した中実軸であり、換言すれば押圧部材５０は円柱状である。押圧部材５０は、例えばステンレス鋼などの金属製である。排気ガスは、隔壁１５の内周面１５１と押圧部材５０の外周面５０１との間であって、オフセットフィン４０周辺を流れる。このように排気流路２０内にオフセットフィン４０を設けることにより、排気ガスと冷却水との間での伝熱面積を確保でき、熱交換効率が向上している。

図２Ａは、円筒状に弾性変形される前の状態でのオフセットフィン４０の部分拡大図である。オフセットフィン４０は、ステンレス鋼等の腐食に強く弾性変形可能な金属材料からなる板材を、スリット加工やプレス加工することによって製造されている。オフセットフィン４０では、上壁部４２、側壁部４４、底壁部４６、側壁部４４…を交互に繰り返して画定される波形状が、波が連続する方向に直交する方向に複数並んでいる。波が連続する方向での上壁部４２及び底壁部４６の長さは同じである。上壁部４２及び底壁部４６は略平行である。側壁部４４は、上壁部４２及び底壁部４６に対して略垂直に湾曲している。隣接する波形状同士は、波が連続した方向で上壁部４２及び底壁部４６のそれぞれの長さの半分だけずれている。オフセットフィン４０が弾性変形される前の状態では、複数の波形状が平面上に並んだ状態である。また、上壁部４２及び底壁部４６に垂直な方向での両者間の距離に相当するオフセットフィン４０全体の厚みは、平面方向での各位置によらずに均一である。

図２Ｂは、円筒状に弾性変形されたオフセットフィン４０の一部を示した斜視図である。図２Ｃは、隔壁１５と押圧部材５０との間に設置されたオフセットフィン４０の部分拡大図である。ここで、押圧部材５０はオフセットフィン４０を隔壁１５の内周面１５１側に押圧している。具体的には以下のように構成されている。

隔壁１５と押圧部材５０とを同心状に配置した場合での径方向での隔壁１５の内周面１５１と押圧部材５０の外周面５０１との間の距離は、上述した弾性変形される前のオフセットフィン４０全体の厚みよりも短く設定されている。従って、この内周面１５１と外周面５０１との間にオフセットフィン４０が設置されているため、図２Ａ及び図２Ｃに示すように、側壁部４４は弾性変形される前の上壁部４２及び底壁部４６に対する角度から若干傾斜するように弾性変形している。また、隔壁１５の内周面１５１の円周長さは、当然に押圧部材５０の外周面５０１の円周長さよりも長い。このため、この長さの差を吸収するように、周方向に隣接した上壁部４２同士の周方向での間隔は、周方向に隣接する底壁部４６同士の周方向での間隔よりも広くなるように、側壁部４４は弾性変形している。このようにオフセットフィン４０が弾性変形して、上壁部４２と底壁部４６とはそれぞれ隔壁１５の内周面１５１と押圧部材５０の外周面５０１とに密着している。尚、排気ガスは、周方向に隣接する側壁部４４同士の間を流れる。

以上のように、押圧部材５０は、オフセットフィン４０を隔壁１５の内周面１５１側に押圧している。ここで、押圧部材５０が設けられていない場合、例えばオフセットフィン４０の上壁部４２が内周面１５１に密着しない場合が考えられる。この場合には、オフセットフィン４０が受けた排気ガスの熱が効率的に隔壁１５を介して冷却水に伝達されずに、熱交換効率が低下する可能性がある。

本実施例では、押圧部材５０によりオフセットフィン４０は隔壁１５の内周面１５１に押圧されるため、オフセットフィン４０の上壁部４２は内周面１５１に密着する。これにより、排気ガスと冷却水との間でオフセットフィン４０と隔壁１５とを介して効率的に熱が伝達され、熱交換効率が向上している。

また、押圧部材５０によりオフセットフィン４０は隔壁１５の内周面１５１に押圧されるため、排気流路２０内でのオフセットフィン４０のがたつきが抑制される。これにより、エンジンの振動に起因してオフセットフィン４０ががたつき、これに伴って騒音が増大することが抑制されている。また、オフセットフィン４０の軸心方向での位置ずれも抑制されるため、熱交換効率が優れた所望の位置でオフセットフィン４０を継続的に保持することができる。

押圧部材５０の外周面５０１と隔壁１５の内周面１５１とは、共に円筒状であり、上述したオフセットフィン４０の厚みは均一である。このため、円筒状に弾性変形されたオフセットフィン４０を、周方向での各位置によらずに均等に内周面１５１に密着させることができ、熱交換効率が向上している。

また、押圧部材５０は、中実軸であるため強度が確保されている。従って、例えば熱交換装置１の製造時において、隔壁１５に沿うように円筒状に配置されたオフセットフィン４０の内側に押圧部材５０の圧入を、押圧部材５０の変形を考慮せずに行うことができる。これにより、短時間で熱交換装置１を製造でき、製造コストの増大を抑制できる。

次に、変形例の熱交換装置について説明する。尚、上記実施例と同一の構成については同一の符号を付することにより重複する説明を省略する。図３Ａ及び図３Ｂは、変形例の熱交換装置１ａの説明図である。図３Ａ及び図３Ｂは、それぞれ図１及び図１Ｂに対応している。押圧部材５０ａは、筒状部５１ａと筒状部５１ａの下流端に閉塞部５７ａとを有している。筒状部５１ａの外周面５０１ａがオフセットフィン４０の底壁部４６に接触しており、オフセットフィン４０は隔壁１５の内周面１５１に押圧されている。このため、熱交換装置１ａにおいても熱交換効率が向上している。

筒状部５１ａの周壁には、筒状部５１ａの周方向及び軸心方向で異なる位置に複数の開口部５３ａが形成されている。開口部５３ａは、二等辺三角形状に形成されている。開口部５３ａの下流側からは、案内部５５ａが筒状部５１ａの内側に立ち上げられている。案内部５５ａは、立ち上げられる前に開口部５３ａを塞いでいた部分であり、案内部５５ａも開口部５３ａと同様に二等辺三角形状である。案内部５５ａは、筒状部５１ａの内側に、９０度未満の角度で立ち上げられている。これにより、筒状部５１ａ内に侵入した排気ガスは開口部５３ａを介して案内部５５ａによりオフセットフィン４０側へ案内される。

また、閉塞部５７ａは、筒状部５１ａの下流端に設けられており、筒状部５１ａにより包囲された空間を閉塞している。このため、筒状部５１ａ内に侵入した排気ガスがオフセットフィン４０周辺を流れることなく筒状部５１ａ内を通過することが抑制されている。以上により、筒状部５１ａ内に侵入した排気ガスがオフセットフィン４０側に案内されるため、熱交換効率が向上している。

開口部５３ａ及び案内部５５ａは、上述したように筒状部５１ａの周方向及び軸心方向の異なる位置に複数形成されているため、筒状部５１ａ内に侵入した排気ガスがオフセットフィン４０側の偏った位置に案内されることが抑制される。これによっても、熱交換効率が向上している。また、押圧部材５０ａは中実ではないため、中実の場合と比較して軽量化されている。また、排気ガスの影響による押圧部材５０ａの蓄熱量の増大も抑制され、排気ガスを効率的に冷却できる。

図４は、押圧部材５０ａが円筒状に加工される前の状態である基材５０ａ´を示している。基材５０ａ´には、ステンレス鋼をせん断加工することによって、略矩形状の平板部５１ａ´と、平板部５１ａ´の一辺に沿って複数の二等辺三角形が連続した鋸歯部５７ａ´とが形成されている。

また、平板部５１ａ´には、スリット加工により、排気ガスの上流側を下側とした場合でのＶ字状のスリットが、複数形成される。このスリットで囲まれた部分のそれぞれが平板部５１ａ´に対して同一側に立ち上げられることにより、上述した開口部５３ａ及び案内部５５ａが同時に形成されている。このような簡易な加工により開口部５３ａ及び案内部５５ａを同時に形成できるため、部品点数や製造コストの増大が抑制されている。

鋸歯部５７ａ´は、案内部５５ａと同じ側に立ち上げられており、鋸歯部５７ａ´の先端同士が接触するように、平板部５１ａ´が円筒状に塑性変形される。これにより閉塞部５７ａを有した押圧部材５０ａが製造される。このように閉塞部５７ａも、一枚のステンレス鋼に一体的に形成されているため、部品点数や製造コストの増大が抑制されている。尚、上記構成が好ましいが、これに限定されず、開口部５３ａが形成された筒状部５１ａ、案内部５５ａ、閉塞部５７ａを個別に製造した後に、これらを溶接などにより接合してもよい。

開口部５３ａ及び案内部５５ａの形状は上記に限定されず、例えば、四角形や台形、又は半円形等であってもよい。開口部５３ａ及び案内部５５ａの位置や大きさ、数については、上記の例に限定されない。尚、排気ガスを筒状部５１ａの内側から開口部５３ａを介してオフセットフィン４０側に案内するために、開口部５３ａの面積や形状は、オフセットフィン４０の底壁部４６により完全に塞ぐことができないように設計されていることが好ましい。

また、図３Ｂに示すように、図４に示した鋸歯部５７ａ´は先端が上流側を向くように９０度以上の角度で立ち上げられているが、これに限定されず、例えば９０度程度に立ち上げられていてもよいし、鋸歯部５７ａ´の先端が下流側を向く程度に立ち上げられていてもよい。

図５Ａ及び図５Ｂは、変形例の熱交換装置１ｂの説明図である。図５Ａ及び図５Ｂは、それぞれ図１Ａ及び図１Ｂに対応している。押圧部材５０ｂは、排気流路２０の軸心方向に螺旋状に延びた案内部５５ｂ及び５６ｂを有している。案内部５５ｂ及び５６ｂにより、排気ガスは、押圧部材５０ｂを中心として旋回するようにしてオフセットフィン４０側に案内される。

ここで、案内部５６ｂは、案内部５５ｂよりも下流側に位置し、案内部５６ｂの軸心方向でのピッチ間隔Ｐ６は、案内部５５ｂの軸心方向でのピッチ間隔Ｐ５よりも狭く形成されている。このため、案内部５６ｂにより排気ガスを下流側で十分にオフセットフィン４０側に案内することができる。尚、上記構成が好ましいが、これに限定されず、螺旋状の案内部は、軸心方向でのピッチ間隔が常に一定であってもよい。

尚、案内部５５ｂ及び５６ｂのそれぞれの外周縁５０１ｂの直径は一定であり、外周縁５０１ｂによりオフセットフィン４０を隔壁１５の内周面１５１側に押圧している。このため、熱交換効率が向上している。また、押圧部材５０ａと同様に、押圧部材５０ｂも中実ではないため、軽量化されており、蓄熱量の増大も抑制されている。

閉塞部５７ｂは、案内部５６ｂの下流端に略円形状に形成されている。これにより、より多くの排気ガスをオフセットフィン４０側に案内でき、熱交換効率が向上している。

案内部５５ｂ、案内部５６ｂ、及び閉塞部５７ｂは、単一の金属製の薄板を裁断加工及び曲げ加工により一体的に成形されている。このため、これらの部分を個別に形成した場合と比較して、部品点数や製造コストの増大が抑制されている。尚、上記構成が好ましいが、これに限定されず、例えば案内部５５ｂ、案内部５６ｂ、及び閉塞部５７ｂを個別に製造した後に、溶接によりこれらを接合してもよい。

押圧部材５０ｂは、中心軸を有していないが、中心軸を有してこの中心軸周りに案内部５５ｂ及び５６ｂが設けられた構成であってもよい。

以上、本発明の実施例について詳述したが、本発明はかかる特定の実施例に限定されるものではなく、特許請求の範囲に記載された本発明の要旨の範囲内において、種々の変形・変更が可能である。

上記実施例及び変形例では、オフセットフィン４０は隔壁１５の内周面１５１に直接接触するが、これに限定されず、オフセットフィン４０と内周面１５１との間に、熱伝導率が優れた材料により形成された円筒状の部材を介在させてもよい。

上記実施例及び変形例では、隔壁１５の内周面１５１は、円筒状であるがこれに限定されず、楕円筒状や角筒状であってもよい。この場合には、押圧部材の外周面や外周縁も、内周面１５１の形状に対応するように楕円筒状や角筒状であることが望ましい。これにより、隔壁１５の内周面１５１に対してオフセットフィンを周方向で各位置において均等な力で密着させることができるからである。

上記変形例において、閉塞部５７ａ及び５７ｂは、オフセットフィン４０により包囲された空間を完全に閉鎖するものでなくてもよく、オフセットフィン４０により包囲された空間を通過する排気ガスの流量を低減できればよい。

上記実施例及び変形例では、弾性変形される前の状態では図２Ａに示したようにオフセットフィン４０は平面方向に延びた状態であるが、これに限定されず、予め筒状に形成されたオフセットフィンであってもよい。この場合も、押圧部材によりオフセットフィンが拡径するように弾性変形させて、オフセットフィンを隔壁１５の内周面１５１に密着させることができるからである。

上記実施例及び変形例では、熱交換装置がエンジン内部に一体的に設けられている場合を例として説明したが、これに限定されず、例えば排気通路に一体的に設けられていてもよい。また、例えば２重管構造を採用し、内管の内側に第１流体が流通し、外管と内管との間に第２流体が流通するようにしてもよい。上記実施例及び変形例の熱交換装置は、例えばエンジン以外の熱力学的サイクルを利用したシステムに採用してもよい。また、第１及び第２流体としてそれぞれ気体及び液体を例に説明したが、これに限定されず、第１及び第２流体のそれぞれが液体及び気体であってもよいし、双方とも気体又は流体であってもよい。

１、１ａ、１ｂ 熱交換装置
２０ 排気流路（第１流路）
３０ 冷却水流路（第２流路）
４０ オフセットフィン
５０、５０ａ、５０ｂ 押圧部材
５３ａ 開口部
５５ａ、５５ｂ、５６ｂ 案内部
５７ａ、５７ｂ 閉塞部

Claims (6)

1. 第１及び第２流路をそれぞれ流れる第１及び第２流体の間で熱交換する熱交換装置であって、
   前記第１及び第２流路をそれぞれ内側と外側とで隔てる筒状の隔壁と、
   前記隔壁の内周面に沿うように筒状に設置されたオフセットフィンと、
   前記オフセットフィンの内側に挿入されて前記オフセットフィンを弾性変形させて前記内周面側に押圧した押圧部材と、を備えた熱交換装置。
2. 前記押圧部材は、中実軸である、請求項１の熱交換装置。
3. 前記押圧部材は、前記第１流体を前記オフセットフィン側に案内する案内部を有している、請求項１の熱交換装置。
4. 前記押圧部材は、前記オフセットフィンを前記内周面に押圧した筒状部、前記筒状部の周壁に設けられた開口部、を有し、
   前記案内部は、前記第１流体を前記筒状部の内側から前記開口部を介して前記オフセットフィン側へ案内する、請求項３の熱交換装置。
5. 前記案内部は、前記第１流路の軸心方向に螺旋状に延びている、請求項３の熱交換装置。
6. 前記押圧部材は、前記第１流体の下流側の端部に、前記オフセットフィンにより包囲された空間を塞ぐ閉塞部を有している、請求項３乃至５の何れかの熱交換装置。

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