JP2020067243A - 熱交換構造を有する配管 - Google Patents

Abstract

【課題】冷却器に導入される流体の温度を下げることで冷却器の冷却効果を削減することなく冷却器の小型化を図ることができる配管を提供する。【解決手段】加熱された流体を冷却器に導入する配管であって、該配管は、合成樹脂で形成されると共に、内周面に熱交換構造２０を備える。【選択図】図３

Description

本発明は、流体を導入するための配管に関し、特に加熱された流体を冷却器等に導入する前に加熱された流体を放熱又は、冷却された流体を導入する前に冷却された流体へ受熱するための熱交換構造を有する配管に関する。

従来より、内燃機関等において加熱された空気や冷却液の流体を冷却する手段として、インタークーラやラジエータといった冷却器を用いて流体を冷却する冷却手段が知られている。

例えば、特許文献１に示すように、過給器からの加圧空気をインタークーラに流入させて冷却するという配管構造が知られている。特許文献１に示す配管構造は、過給器によって高圧化した加圧空気に対しても変形を抑制することができる強度を有すると共に、インタークーラのチューブ根付への応力を低減するために、ヘッダタンクの遠位端部の流通路の断面積に対する接続部の断面積を特定している。

また、内燃機関からの熱や内燃機関の周辺への放熱を抑制するために、内燃機関にインシュレータを取り付け、金属部分の温度上昇を制御することが知られている。例えば特許文献２に示すように、インシュレータの表面を所定の粗さに形成して面粗度を上げることで放熱効果を得るヒートインシュレータが知られている。

特開２００７−１８２８７１号公報 特開２０１０−２０３３１０号公報

上述した従来の冷却器は、導入された流体を冷却する機能を有するものであるため、所望の冷却効果を奏するために接触面積を確保する必要があり、冷却器自体を小型化することが難しいという問題があった。しかし、近年の自動車等の小型化や重量減による燃費の向上を鑑みて、冷却器自体を小型化したいという要望がある。

そこで、冷却器のサイズを抑制するために、冷却器に導入される加熱流体の温度を下げることが考えられるが、従来採用されているような配管にヒートインシュレータを巻回したり、配管の外表面の面粗度を上げて接触面積を増やした放熱構造では十分な放熱効果を得ることができないことから、冷却器の十分な小型化を図ることが難しく、依然として冷却器の大きさを抑制することができないという問題があった。

そこで、本発明は上記問題に鑑みてなされたものであり、冷却器に導入される流体の温度を下げることで冷却器の冷却効果を削減することなく冷却器の小型化を図ることができる配管を提供することを目的とする。

本発明に係る配管は、加熱された流体を導入する配管であって、該配管は、合成樹脂で形成されると共に、内周面に熱交換構造を備えることを特徴とする。

また、本発明に係る配管において、前記熱交換構造は、前記配管の内周面に形成された凹凸形状であると好適である。

また、本発明に係る配管において、前記熱交換構造は、前記配管の内周面から立設するリブであると好適である。

また、本発明に係る配管において、前記配管は、少なくとも第１の分割体と第２の分割体とを組み合わせて構成されると好適である。

また、本発明に係る配管において、前記配管は曲げ部を備えていると好適である。

また、本発明に係る配管において、前記流体は、過給器によって圧縮されて加熱されると好適である。

上記発明の概要は、本発明の必要な特徴の全てを列挙したものではなく、これらの特徴群のサブコンビネーションもまた発明となり得る。

本発明に係る配管は内周面に熱交換構造を有するので、通気抵抗を悪化させることなく効率良く配管内を流れる加熱された流体を放熱又は冷却された流体へ受熱することができる。このため冷却器等へ導入される流体の温度を下げる又は温度を上げることができるので、冷却器の冷却効率等を下げることなく冷却器の小型化を図ることが可能となる。

本発明の実施形態に係る配管を適用した過給器システムの構成を説明するための図。 本発明の実施形態に係る配管の斜視図。 本発明の実施形態に係る配管の分解図。 本発明の実施形態に係る熱交換構造を説明するための図。 本発明の実施形態に係る配管の熱交換効果を説明するためのグラフ。 本発明の実施形態に係る配管の通気抵抗を測定した結果を示すグラフ。 本発明の実施形態に係る配管の曲がり角度毎の熱交換効果を測定した結果を示すグラフ。 本発明の実施形態に係る配管の変形例を示す断面図。

以下、本発明を実施するための好適な実施形態について、図面を用いて説明する。なお、以下の実施形態は、各請求項に係る発明を限定するものではなく、また、実施形態の中で説明されている特徴の組み合わせの全てが発明の解決手段に必須であるとは限らない。

図１は、本発明の実施形態に係る配管を適用した過給器システムの構成を説明するための図であり、図２は、本発明の実施形態に係る配管の斜視図であり、図３は、本発明の実施形態に係る配管の分解図であり、図４は、本発明の実施形態に係る熱交換構造を説明するための図であり、図５は、本発明の実施形態に係る配管の熱交換効果を説明するためのグラフであり、図６は、本発明の実施形態に係る配管の通気抵抗を測定した結果を示すグラフであり、図７は、本発明の実施形態に係る配管の曲がり角度毎の熱交換効果を測定した結果を示すグラフであり、図８は、本発明の実施形態に係る配管の変形例を示す断面図である。

図１に示すように、本実施形態に係る配管１０を有する過給器システム１は、ターボチャージャ等の過給器２によって加圧されて加熱された流体をインタークーラ等の冷却器４に導入する配管１０が高温側配管３と冷却器４の間に取り付けられており、冷却器４によって冷却された流体は、低温側配管５を介して内燃機関６に供給される。なお、過給器２や冷却器４は従来周知の構成を有しているので、詳細な説明は省略する。ここで、高温側配管３及び低温側配管５はそれぞれポリプロピレン系樹脂やポリアミド系樹脂等の熱可塑性の合成樹脂によって形成されていると好適である。

このような過給器システム１は、過給器２によって内燃機関６に供給する外気の密度を高めて、より多くの酸素を燃焼室に送ることでより高い燃焼エネルギーを得ることができ、その結果、小排気量の内燃機関であっても十分な出力を得ることができるので内燃機関の小排気量化に伴う燃費の向上を図ることが可能となる。

図２に示すように、本実施形態に係る熱交換構造を有する配管１０は、第１の分割体１１と第２の分割体１２とを互いに溶着させて構成された管状の部材であり、高温側配管３に組み付けられる流入口１３と冷却器４に組み付けられる流出口１４とを備えている。また、配管１０は、流入口１３から流出口１４に向かって曲線的に曲がった曲げ部を有している。なお、配管１０を構成する第１の分割体１１及び第２の分割体１２は、それぞれ合成樹脂で形成されており、例えば、ポリプロピレン系樹脂やポリアミド系樹脂等の熱可塑性の合成樹脂によって形成されていると好適である。また、用いられる合成樹脂は、熱伝導率の高い材質を用いると好適である。

図３に示すように、第１の分割体１１は、第２の分割体１２に形成された開口部１５を閉塞するように溶着された部材であって、配管１０の曲げ部の外周側に位置していると好適である。即ち、配管１０の曲げ部において、第１の分割体１１は外周側、第２の分割体１２は内周側に配置されていると好適である。また、第１の分割体１１と第２の分割体１２は、種々の一体化手段を用いることができ、例えば振動溶着、超音波溶着又は熱溶着などが好適に用いられる他、接着剤やボルト・ナット又はビスやクリップといった種々の締結手段を用いることも可能である。

また、第１の分割体１１及び第２の分割体１２の内周面には、所定の凹凸形状を有する内側熱交換構造２０ａ，２０ｂから成る熱交換構造２０が形成されている。さらに、第１の分割体１１及び第２の分割体１２の外表面にも熱交換構造２０と同様の凹凸形状を有する外側熱交換構造２１ａ，２１ｂが形成されていると好適である。なお、凹凸形状は、内周面及び外周面の全面に形成されても良いが、熱交換効果が高い部位のみに形成し、その他の部位については、従来同様に平滑な内周面又は外周面としても構わない。

図４に示すように、熱交換構造２０は、微小な凹凸形状で形成されており、具体的には第１の分割体１１及び第２の分割体１２を成形する金型にシボ加工を施すことで形成することができる。また、凹凸形状の凹部の深さは、配管１０内を流れる流体の通気抵抗に影響を与えない範囲に設定できればどのような深さに形成しても構わないが、例えば、３００μｍ以下に形成されると好適である。なお、配管１０の内径を大きくすれば通気抵抗を下げることが可能となるため、凹凸形状によって得られる熱交換効果と通気抵抗への影響を考慮して配管１０の内径を設定することが可能である。

また、シボのパターンは従来知られている種々のシボ形状を適用することが可能であるが、例えば図４に示すような斑点状のシボ形状が最も容易かつ、表面積が最も多く確保できるため好適である。

このように配管１０の少なくとも内周面に熱交換構造２０を有しているので、配管１０内を流れる流体と内周面との接触面積が大きくなることで加熱された流体の熱交換効果を高めることができ、外周側に形成された外側熱交換構造２１ａ，２１ｂとの相乗効果によって冷却器４に流入する流体の温度を下げることができ、冷却器４の小型化を図ることが可能となる。また、凹凸形状が通気抵抗に影響を与えない範囲に設定されているので、熱交換構造２０を配管１０の内周面に形成しても通気抵抗の悪化を防ぐことができる。

なお、後述するように、熱交換構造２０は、配管１０の内周面のうち、曲げ部に相当する位置に形成されるとより熱交換効果が得られる。

［実施例］
図５は、本実施形態に係る熱交換構造２０を有する配管の実施例と従来の熱交換構造を有さない配管の比較例における流体温度が９０℃における熱交換温度を測定した測定結果である。図５からも明らかなように、実施例の熱交換温度は、比較例と比較しても測定開始直後から２〜３．５℃程度、熱交換効果が高いことが確認でき、６００秒経過時にも熱交換効果が持続していることが確認できる。

また、通気抵抗については、図６に示すように、実施例と比較例とで流体の流量が増減した場合であっても、通気抵抗がほぼ同程度に推移しており、内周面に熱交換構造を形成した場合の通気抵抗に影響を与えていないことが確認できる。

さらに、図７は、曲げ部の角度を３０°、６０°及び９０°に形成し、熱交換構造に該曲げ部を設けた場合の各実施例の熱交換効果を比較した測定結果である。図７から明らかなように、曲げ部の角度は大きくなるほど、熱交換効果が高いことが確認され、時間が経過した場合でも熱交換効果が持続していることが確認できる。このことから、本実施形態に係る熱交換構造に、曲げ部を形成するとより効果的に熱交換効果を高めることができることが確認できた。

また、上述した本実施形態に係る配管１０は、内外周面にシボを形成して凹凸形状を施した場合について説明をおこなったが、熱交換構造の具体的な形状はこれに限らず、例えば、図８に示すように、内周面にリブ１６を立設させても構わない。この場合、リブ１６を配管１０´を流れる流体の流れる方向に沿って形成することによって整流効果を得ることも可能となる。この場合、リブ１６の高さを調整することで、熱交換効果と通気抵抗の調整を行うことが可能となる。また、リブ形状は、流体の流れる方向に沿って直線的に形成する場合に限らず、例えば、螺旋状のリブを内周面に形成しても構わない。

また、本実施形態に係る配管１０は、第１の分割体１１及び第２の分割体１２とからなる場合について説明を行ったが、３部材以上の分割体で配管を構成しても構わない。

また、上述した本実施形態に係る配管は、過給器システムの冷却器に適用した場合について説明を行ったが、本配管が適用される場合は、過給器システムに限らず、例えば、内燃機関の冷却液の冷却を行うラジエータや空調システムに用いられる冷媒の冷却を行うコンデンサ等に適用しても構わない。また、流体が加熱された場合に該流体を放熱する場合について説明を行ったが、冷却された流体を加熱するために受熱させるように構成しても構わない。その様な変更又は改良を加えた形態も本発明の技術的範囲に含まれうることが、特許請求の範囲の記載から明らかである。

１ 過給器システム， ２ 過給器， ３ 高温側配管， ４ 冷却器， ５ 低温側配管， ６ 内燃機関， １０ 配管， １１ 第１の分割体， １２ 第２の分割体， １３ 流入口， １４ 流出口， １５ 開口部， １６ リブ， ２０ 熱交換構造， ２０ａ，２０ｂ 内側熱交換構造， ２１ａ，２１ｂ 外側熱交換構造。

Claims (6)

1. 加熱された流体を導入する配管であって、
   該配管は、合成樹脂で形成されると共に、少なくとも内周面に熱交換構造を備えることを特徴とする配管。
2. 請求項１に記載の配管において、
   前記熱交換構造は、前記配管の少なくとも内周面に形成された凹凸形状であることを特徴とする配管。
3. 請求項１に記載の配管において、
   前記熱交換構造は、前記配管の少なくとも内周面から立設するリブであることを特徴とする配管。
4. 請求項１から３のいずれか１項に記載の配管において、
   前記配管は、少なくとも第１の分割体と第２の分割体とを組み合わせて構成されることを特徴とする配管。
5. 請求項１から４のいずれか１項に記載の配管において、
   前記配管は曲げ部を備えていることを特徴とする配管。
6. 請求項１から５のいずれか１項に記載の配管において、
   前記流体は、過給器によって圧縮されて加熱されることを特徴とする配管。