JP2718193B2 - 熱交換器 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 ［産業上の利用分野］ 本発明は、インタークーラなどの熱交換器に関する。

［従来の技術］ 近年、車両の高出力化の要求が高まるにつれて、過給
機を搭載する自動車が増加傾向にある。また、一層のエ
ンジン出力の増大の目的を達成するため、過給機によっ
て高温となった過給気を冷却する熱交換器（以下インタ
ークーラと呼ぶ）を搭載する自動車も増加傾向にある。
このような状況の中で、過給機の性能向上とともに、イ
ンタークーラの高性能化、すなわち高放熱量化およ過給
気の低圧力損失化の要求も高くなっている。

インタークーラを高性能化することは、過給気が流れ
るチューブ内に配設したインナーフィンによる伝熱面積
の増加等の効果で達成されることが知られている。

しかるに、インナーフィンの形状等によっては、過給
気の圧力損失が増加して過給圧の低下およびエンジンの
燃焼室へ供給される吸入空気重量の減少を引き起こし、
反ってエンジン性能を低下させるという問題点があっ
た。このような問題点を解消する目的で、本願発明者等
は、先に、インナーフィンを特開昭60−73294号公報に
おいてスリットのないストレートフィン（第11図）100
を提案した。さらに、本願発明者等は、特開昭62−5098
号公報においてスリットとフィン切れ長さが同一のオフ
セットフィン（第12図）200としたインタークーラも提
案した。

［発明が解決しようとする課題］ しかるに、将来の自動車産業においては、少しでも性
能の良い自動車が求められ、これを構成する優れた部品
が必要となる。したがって、将来のインタークーラにお
いては、本願発明者等が先に提案したインタークーラの
もつ過給気の低圧力損失化および高放熱量化の効果をさ
らに向上させたインタークーラの出現が望まれると考え
られる。

本発明は、流体圧力損失を低く抑えることができ、且
つ放熱量を増大させることができる熱交換器の提供を目
的とする。

［課題を解決するための手段］ 本発明の熱交換器は、内部を流体が流れるチューブ
と、該チューブ内に配設されているとともに、スリット
が形成されたインナーフィンとを備えた熱交換器におい
て、前記インナーフィンは、フィンピッチをＰ、フィン
切れ長さをＬ、前記スリットの幅をＳとしたとき、1.6m
m≦Ｐ≦2.1mm、10.0mm≦Ｌ≦15.0mm、2.0mm≦Ｓ≦3.0mm
の関係を満足することを特徴とする。

［作用および発明の効果］ インナーフィンのフィンピッチＰ、フィン切れ長さ
Ｌ、スリットの幅Ｓを最適寸法範囲に設定することによ
って、流体圧力損失を低く抑えながらも、放熱量をさら
に増大させることができるので、チューブ内を流れる流
体を効率良く熱交換させることができる。

［実施例］ 本発明の熱交換器を第１図ないし第10図に示す実施例
に基づき説明する。

第１図ないし第９図は本発明の一実施例を示す。第１
図ないし第３図は空冷式の積層型インタークーラのイン
ナーフィンを示し、第４図はそのインタークーラの全体
構造を示し、第５図はそのインタークーラの主要部の構
造を示す。

空冷式の積層型インタークーラ１は、例えば自動車の
エンジンルーム内の前方に装着されている。そして、イ
ンタークーラ１は、アルミニウム製のプレートを２枚対
向して接合することによってチューブ11が形成されてい
る。このチューブ11は、多数積層され、隣設されたチュ
ーブ11間には、クーリングフィン12が配設されている。
また、チューブ11の一端がわは、吸入側タンク13とさ
れ、他端がわは、吐出側タンク14とされている。この吸
入側タンク13は、過給機（図示せず）に連結される吸入
管15を接合している。そして、吐出側タンク14は、内燃
機関の吸気管（図示せず）に連結さる吐出管16を接合し
ている。なお、チューブ11、クーリングフィン12、吸入
管15および吐出管16は、ろう付けにより接合されてい
る。

さらに、チューブ11の内部には、矩形波形状のインナ
ーフィンとしてスリットフィン２が配設されており、過
給機から供給される過給気の熱交換効率の向上を図って
いる。このスリットフィン２は、壁部３が過給気の流れ
方向に対して平行方向に配設されている。そして、壁部
３は、過給気の流れ方向に対して平行方向にフィン部４
とスリット５とを交互に形成している。そして、スリッ
トフィン２は、チューブ11の各プレートに接触してろう
付けにより接合されている。

なお、このスリットフィン２は、フィンピッチをＰ、
フィン部４の長さつまりフィン切れ長さをＬ、スリット
５の幅をＳとしたとき、1.6mm≦Ｐ≦2.1mm、10.0mm≦Ｌ
≦15.0mm、2.0mm≦Ｓ≦3.0mmの関係を満足している。

つぎに本実施例のインタークーラ１の作用を説明す
る。

過給機によって高温高圧になった過給気は、吸入管15
から吸入側タンク13を通ってチューブ11内に流入する。
そして、過給気は、チューブ11を通過する際に大気と熱
交換して冷却され、吐出側タンク14および吐出管16を通
って内燃機関の燃焼室（図示せず）に供給される。

このとき、インタークーラ１の放熱量Qgが大きいほど
冷却効果による空気密度が増加するので、インタークー
ラ１を通過する吸入空気重量が増加する。また、インタ
ークーラ１の過給気側の圧力損失ΔPgが小さいほど吸入
空気重量が増大する。このため、内燃機関の性能が増大
する。

つぎに、スリットフィン２の最適寸法範囲を設定した
理由を第６図ないし第８図に基づき説明する。

本願発明者等は、先に提案したストレートフィン100
およびオフセットフィン200に対して、過給気の流れと
伝熱解析とを検討した。

この過給気の流れは、30〜50m/sといった高流速であ
り、この高流速場におけるインナーフィンの流体の流れ
方向の下流側に発生する非定常乱れがインナーフィンの
熱伝達を向上させている点に着目した。そこで、本願発
明者等は、数値解析と実験解析とを行なった。その結果
を第６図および第７図に示す。

第６図はフィンピッチＰを2.7mmとしたときのスリッ
ト５の幅S/フィン切れ長さＬと、オフセットフィン200
に対する本発明のスリットフィン２の放熱量比｛本発明
の放熱量Qg/オフセットフィン200（従来品）の放熱量Q
g｝との関係を表したグラフである。なお、フィン切れ
長さＬを2.7mmとしたオフセットフィン200を使用した従
来品を100％とする。また、Ｌ＝2.7mmの計算結果を実線
で、実験結果を○で表示した。Ｌ＝5mmの計算結果を破
線で、実験結果を△で表示した。Ｌ＝10mmの計算結果を
一点鎖線で、実験結果を□で表示した。Ｌ＝20mmの計算
結果を二点鎖線で、実験結果を×で表示した。

第７図はフィンピッチＰを2.7mmとしたときのS/Lと、
オフセットフィン200に対する本発明のスリットフィン
２の過給気圧力損失比｛本発明の過給気圧力損失ΔPg/
オフセットフィン200（従来品）のΔPg｝との関係を表
したグラフである。なお、フィン切れ長さＬを2.7mmと
したオフセットフィン200を使用した従来品を100％とす
る。また、Ｌ＝2.7mmの計算結果を実線で、実験結果を
○で表示した。Ｌ＝5mmの計算結果を破線で、実験結果
を△で表示した。Ｌ＝10mmの計算結果を一点鎖線で、実
験結果を□で表示した。Ｌ＝20mmの計算結果を二点鎖線
で、実験結果を×で表示した。

本願発明者等は、数値解析と実験解析とから、フィン
切れ長さＬとスリット５の幅Ｓとか同一（S/L＝1.0）と
いうオフセットフィン200から、スリットを持たない
（Ｓ＝０）というストレートフィン100に向かって、第
６図のグラフに示すように、スリット５の幅Ｓを順に短
くしていくと、オフセットフィン200の場合の放熱量よ
り高い放熱量を得る領域が存在することが確認できる。

また、同様に、第７図のグラフに示すように、オフセ
ットフィン200の場合の過給気圧力損失より低い過給気
圧力損失を得る領域が存在することを確認できる。

また、これらの計算結果および実験結果をもとに、高
放熱量領域で過給気圧力損失を考慮して、先に提案した
オフセットフィン200と同等の過給気圧力損失における
放熱量の変化を、フィンピッチＰ、フィン切れ長さＬ、
スリット５の幅Ｓをパラメータにして等放熱量特性を解
析した。その結果を第８図のグラフに表示する。

第８図はフィンピッチＰとフィン切れ長さＬとスリッ
ト５の幅Ｓとの関係を表したグラフである。

このグラフより、先に提案したオフセットフィン200
よりも過給気圧力損失が同一であっても放熱量を12％以
上アップできるスリットフィン２の最適寸法範囲（斜線
部分）が存在する。このスリットフィン２の最適範囲
は、1.6mm≦Ｐ≦2.1mm、10.0mm≦Ｌ≦15.0mm、2.0mm≦
Ｓ≦3.0mmであることが確認できる。例えば、Ｐ＝1.7m
m、Ｌ＝14mm、Ｓ＝2.8mmであり、Ｐ＝2.0mm、Ｌ＝11m
m、Ｓ＝2.5mmである。なお、スリットフィン２の最適寸
法範囲に放熱量比100から放熱量比112までの間は、スリ
ットフィン２の飛躍的な高放熱量特性および低過給気圧
力損失を得られないため含まなかった。

ここで、スリットフィン２の最適寸法範囲のうち１例
として、Ｐ＝1.7mm、Ｌ＝14mm、Ｓ＝2.8mm、フィン部４
の高さＢ＝3.8mmにて選定したスリットフィン２を使用
してインタークーラ１を製作した。

このインタークーラ１の性能特性と従来品のオフセッ
トフィン200を使用したインタークーラの性能特性との
比較した。この比較結果を第９図のグラフに表示した。

第９図は吸入空気重量流量Gg（kg/h）と放熱量Qg（kc
al/h）および過給気圧力損失ΔPg（mmHg）との関係を表
すグラフである。なお、この実験は、過給気入口温度10
0℃、冷却風の入口温度25℃、冷却風の風速8m/sで行っ
た。また、各インタークーラのサイズは、225W×200H×
64Dである。

本発明のスリットフィン２を使用したインタークーラ
１は、この第９図のグラフからも明らかなように、従来
品のオフセットフィン200を使用したインタークーラの
過給気圧力損失と同一であっても放熱量を12％以上アッ
プできることが確認できる。

さらに、本発明のインタークーラ１を、従来品のオフ
セットフィン200を使用したインタークーラに対して実
車に搭載した場合の最大トルク増分比、最大馬力増分比
の試験結果を表１に示す。なお、各インタークーラのサ
イズは、225W×200H×64Dである。

表１において、最大トルク増分比に対して13％アップ
が確認でき、最大馬力増分比に対して15％アップが確認
できた。

したがって、本発明のスリットフィン２は、従来品の
オフセットフィン200に対して、フィンピッチＰ、フィ
ン切れ長さＬ、スリット５の幅Ｓを最適寸法範囲に設定
しているため、過給気圧力損失ΔPgを上昇させることな
く、放熱量Qgをさらに増大させることができるので、高
温過給気を効率良く冷却できる。つまり、冷却効果によ
る空気密度が増加するので、インタークーラ１を通過す
る吸入空気重量を増加することができる。また、インタ
ークーラ１の過給気側の圧力損失ΔPgをの増加を抑制で
きるので、吸入空気重量Ggを増大することができる。よ
って、内燃機関の性能を向上させることができる。

本実施例では、熱交換器として積層型インタークーラ
１を用いたが、第10図に示すように、熱交換器として偏
平チューブ６を有するチューブ・フィン型インタークー
ラ７を用いても良い。この偏平チューブ６の内部には、
本発明のスリットフィン２が配設されている。隣設する
偏平チューブ６間および偏平チューブ６とサイドプレー
ト８との間には、クーリングフィン12が配設されてい
る。

さらに、本実施例では、熱交換器として空冷式のイン
タークーラを用いたが、熱交換器として水冷式のインタ
ークーラを用いても良く、またオイルクーラなど種々の
熱交換器に用いても良い。

【図面の簡単な説明】

第１図ないし第９図は本発明の一実施例を示す。第１図
は空冷式の積層型インタークーラのスリットフィンを示
す正面図、第２図は第１図のＡ−Ａ断面図、第３図はそ
のスリットフィンを示す部分斜視図である。第４図は空
冷式の積層型インタークーラの全体構造を示す斜視図、
第５図はそのインタークーラの主要部の構造を示す斜視
図である。第６図は従来品のオフセットフィンに対する
放熱量特性を表すグラフ、第７図は従来品のオフセット
フィンに対する過給気圧力損失特性を表すグラフ、第８
図は従来品のオフセットフィンに対して同等過給気圧力
損失における放熱量の変化を表すグラフ、第９図はイン
タークーラの性能特性を表すグラフである。 第10図は本発明の他の実施例のインタークーラの全体構
造を示す正面図である。 第11図は従来品のストレートフィンを示す斜視図、第12
図は従来品のオフセットフィンを示す斜視図である。 図中 １……空冷式の積層型インタークーラ（熱交換器）、２
……スリットフィン（インナーフィン）、３……壁部、
４……フィン部、５……スリット、６……偏平チュー
ブ、７……チューブ・フィン型インタークーラ11……チ
ューブ

Claims (1)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】内部を流体が流れるチューブと、 該チューブ内に配設されているとともに、スリットが形
   成されたインナーフィンと を備えた熱交換器において、 前記インナーフィンは、 フィンピッチをＰ、 フィン切れ長さをＬ、 前記スリットの幅をＳとしたとき、 1.6mm≦Ｐ≦ 2.1mm 10.0mm≦Ｌ≦15.0mm 2.0mm≦Ｓ≦ 3.0mm の関係を満足することを特徴とする熱交換器。