JP3731247B2

JP3731247B2 - 熱交換器

Info

Publication number: JP3731247B2
Application number: JP10709796A
Authority: JP
Inventors: 孝仁野崎; 精一加藤; 章山中
Original assignee: Denso Corp
Current assignee: Denso Corp
Priority date: 1996-04-26
Filing date: 1996-04-26
Publication date: 2006-01-05
Anticipated expiration: 2016-04-26
Also published as: JPH09292192A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、流体が流れるチューブ内に熱交換を促進するフィン（以下、インナーフィンと呼ぶ。）を有する熱交換器に関するもので、エンジンの吸入空気を排気圧等を利用して圧縮する、過給機付きエンジンの吸入空気の冷却を行うインタークーラに用いて有効である。
【０００２】
【従来の技術】
インタークーラは、上述のように、過給機にて圧縮された高温高圧の吸入空気を冷却して空気の充填効率を向上させるものであるので、理想的には、圧力損失が発生することなく吸入空気の冷却のみを行うことが望ましい。
そして、従来、インタークーラに用いられるインナーフィンとしては、例えば特開平３−８４３９６号公報に記載の如く、矩形波状に折り曲げ形成されたインナーフィンの一部を切断する切断部を有するものがある。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、インナーフィンに限らず、熱交換を促進するフィンの熱交換量を増大させるには、フィンピッチを小さくしてフィンの表面積を増大させる手段がある。しかし、この手段ではフィンピッチが小さくなるので、フィンを通過する流体の圧力損失が大きくなる。
【０００４】
このため、インタークーラの熱交換量を増大させるためにインナーフィンのフィンピッチを小さくすると、圧力損失が大きくなるので、却って、吸入空気の充填効率が低下してしまうという問題が発生してしまう。
本発明は、上記点に鑑み、インナーフィンを有する熱交換器において、フィンピッチを小さくすることなく、熱交換量を増大させることを目的とする。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
本発明は、上記目的を達成するために、以下の技術的手段を用いる。請求項１〜４に記載の発明では、複数個の結合部（３２、３３）のうち、一の結合部（３２）から前縁部（３１）に沿ってその一の結合部（３２）と隣合う他の結合部（３３）に至る前縁部（３１）の長さ（Ｌ1）は、その一の結合部（３２）から他の結合部（３３）間の距離（Ｌ2）より長くなっており、突出部（３０）は、前縁部（３１）からチューブ（２）内の流体流れ下流側に向かって延びる突出壁（３５）を有し、突出壁（３５）は、前縁部（３１）から所定長さ平板部（２２）と平行に延びた平行突出壁部（３６）と、この平行突出壁部（３６）によって囲まれた空間（３７）の下流側を閉塞する閉塞壁部（３８）とを備えることを特徴とする。
【０００６】
これにより、インナーフィン（２０）の前縁部２３に加えて、一の結合部（３２）からその他の前縁部（３１）に沿って結合部（３３）に至る突出部（３０）の前縁部（３１）が形成されているので、インナーフィン（２０）全体としてフィンの前縁部の総長さを増し、インナーフィン（２０）の熱交換量が増大する。
【０００７】
請求項２に記載の発明では、平板部（２２）には、閉塞壁部（３８）と衝突する流体を突出部（３０）が突出する向きと反対側に導く導口（４０）が形成されていることを特徴とする。これにより、空間（３７）内流入した流体は導口（４０）から平板部（２２）に対して突出部（３０）と反対側に流れる。したがって、前縁部（３１）からの熱伝達は、突出壁（３５）の両壁面から発生するので、より一層インナーフィン（２０）の熱交換量が増大する。
【０００８】
請求項３に記載の発明では、空間（３７）外を突出壁（３５）に沿って流れる流体を、閉塞壁部（３８）のうち流体流れ下流側に位置する裏面（３８ａ）側に導く案内壁部（３９）が形成されていることを特徴とする。これにより、後述するように、流体流れのよどみ（死水域）が発生し易い閉塞壁部（３８）の裏面（３８ａ）側に流体を導く案内壁部３９が形成されているので、流体流れのよどみの発生を抑制することができる。したがって、インナーフィン（２０）全体の熱伝達率を向上させることができる。
【０００９】
請求項４に記載の発明では、隣り合う突出部（３０）間には、平板部（２２）を切断する切断部（４１）が形成されていることを特徴とする。なお、上記各手段の括弧内の符号は、後述する実施形態記載の具体的手段との対応関係を示すものである。
【００１０】
【発明の実施の形態】
以下、本発明を図に示す実施の形態について説明する。
（第１実施形態）
本実施形態は本発明に係る熱交換器をインタークーラに適用したもので、図１はインタークーラ１の全体図であり、図２は図１のＡ−Ａ断面図である。
【００１１】
このインタークーラ１には、図１に示すように、複数本のアルミニウム製の偏平チューブ（チューブ）２が設けられており、この偏平チューブ２間には、熱交換を促進する波形状に形成されたアルミニウム製のクーリングフィン３がそれぞれ配置されている。また、４は偏平チューブ２内を流れる吸入空気を分配集合させる樹脂製のタンク部である。
【００１２】
なお、偏平チューブ２の内外壁にはろう材が被覆されており、この被覆されたろう材によりクーリングフィン３および後述するインナーフィン２がろう付けされている。
また、偏平チューブ２内には、上述の如く、過給機にて圧縮された高温高圧の吸入空気が流れており、この偏平チューブ２内には、図２に示すように、矩形状に折り曲げ形成され、吸入空気の熱交換を促進するアルミニウム製のインナーフィン２０が配置されている。このインナーフィン２０に形成された吸入空気の流れに対して平行な平板部２１、２２のうち平板部２１は、偏平チューブ２の内壁２ａにろう付けされており、平板部２２には、図３に示すように、平板部２２の片面側に吸入空気の流れに対して交差するように突出する複数個の突出部３０が、平板部２２とともに一体形成されている。なお、突出部３０の詳細については後述する。
【００１３】
次に、突出部３０について述べる。
突出部３０のうち、吸入空気の流れに対する突出部３０の前縁部３１は、図４に示すように、結合部３２、３３の２か所で平板部２２と結合するとともに、両結合部３２、３３を結ぶ直線が吸入空気の流れに略直交するように交差している。そして、結合部３２から前縁部３１に沿って結合部３３に至る前縁部３１の長さＬ₁が、結合部３２から結合部３３間の距離Ｌ₂より長くなっており、これにより、突出部３０の吸入空気上流側にて開口する三角形状の開口部３４を形成している。
【００１４】
また、前縁部３１から吸入空気流れの下流側に向かって延びる突出壁３５が形成されており、この突出壁３５には、図５に示すように、前縁部３１から所定長さ平板部２２と平行に延びた平行突出壁部３６と、平行突出壁部３６によって囲まれた空間３７の下流側を閉塞する閉塞壁部３８とが形成されている。そして、閉塞壁部３８のうち吸入空気流れの両側方側の部位は、図４に示すように、互いに吸入空気流れ下流側に向かうほど近づくように傾斜することにより、空間３７外を突出壁３５に沿って流れる吸入空気を、閉塞壁部３８のうち吸入空気流れ下流側に位置する裏面３８ａ（図５参照）側に導く案内壁部３９を形成している。
【００１５】
さらに、平板部２２のうち空間３７と面する部位には、図５に示すように、開口部３４から流入して閉塞壁部３８に衝突する吸入空気を、突出部３０が吐出する向きと反対側に導く導口４０が形成されている。
なお、複数個の突出部３０は、図３に示すように、吸入空気流れ方向に直列に並んでおり、隣り合う突出部３０間には、平板部２２を切断する切断部４１が形成されている。
【００１６】
次に、本実施形態の特徴を述べる。
フィンにおける熱交換量を増大させるには、フィンの熱伝達率を大きくする必要がある。そして、熱伝達率は、周知の如く流体（この場合は空気）の熱伝導率に比例し、温度境界層の厚みに反比例するので、温度境界層の厚みが最も小さくなるフィンの前縁部が最も熱伝達率が大きくなる。
【００１７】
そして、上述のように、本実施形態によれば、インナーフィン２０の前縁部２３（図３参照）に加えて、結合部３２から前縁部３１に沿って結合部３３に至る突出部３０の前縁部３１が形成されているので、インナーフィン２０全体としてフィンの前縁部の総長さが増し、インナーフィン２０の熱交換量が増大する。
また、開口部３４とともに導口４０が形成されているので、開口部３４から流入した吸入空気は導口４０から平板部２２に対して突出部３０と反対側に流れる。したがって、前縁部３１からの熱伝達は、平行突出壁３６の両壁面から発生するので、より一層インナーフィン２０の熱交換量が増大する。
【００１８】
また、開口部３４から流入した吸入空気は閉塞壁部３８に衝突するので、閉塞壁部３８で温度境界層の厚みが非常に小さくなる。したがって、閉塞壁部３８での熱伝達率が大きくなるので、さらにインナーフィン２０の熱交換量が増大する。
ところで、発明者等は、本実施形態に係るインナーフィン２０の熱伝達率の向上を確かめるべく、有限要素法による数値解析（２次元）を行ったところ、図６〜８に示すような結果を得た。
【００１９】
すなわち、図６は平板部２２および突出部３０を流れる吸入空気の流線を示しており、前縁部３１から平行突出壁３６の両壁面に流線に沿うようにして温度境界層が発生することが理解される。したがって、温度境界層の厚みが最も小さくなる前縁部３１（図６中のＡ部）での熱伝達率が向上する。
また、図７は、平板部２２および突出壁３５のうち突出部３０の突出側の熱伝達率を示しており、図８は、その反対側の壁面での熱伝達率を示している。両図７、８から明らかなように、前縁部３１（図６中のＡ部）、吸入空気が衝突する閉塞壁部３８（図６中のＢ部）、および平行突出壁３６から剥離して再び平板部２２に付着する再付着部（図６中のＣ部）での熱伝達率は、突出部３０を設けない場合（図中の一点鎖線）に比べて、それぞれ約５倍、約２．５倍、約２．２倍と向上している。そして、発明者等の試算によれば、本実施形態に係るインナーフィン２０は、突出部３０を設けない場合に比べて、インナーフィン２０全体として熱伝達率が約４０％の向上することを確認した。
【００２０】
なお、上記数値解析に用いた諸元は、次の通りである（図３、５参照）。
インナーフィン２０のピッチＰ＝２ｍｍ、
切断部４１の切断幅Ｓ＝２．８ｍｍ、
閉塞壁部３８と平板部２２とのなす角度θ＝２０°
平板部２２と平行突出壁３６との距離Ｈ＝０．５ｍｍ
流速＝５０ｍ／ｓｅｃ
Ｌ１＝３ｍｍ、Ｌ２＝４ｍｍ、Ｌ３＝５ｍｍ、Ｌ４＝１４ｍｍ
ところで、図６から明らかなように、閉塞壁部３８の裏面３８ａ側（図６のＤ部）に吸入空気流れのよどみ（死水域）が発生しているが、本実施形態によれば、案内壁部３９が形成されているので、突出壁３５の側面側（図６の紙面直角方向突出壁３５）に沿って流れてきた吸入空気は、案内壁部３９によって閉塞壁部３８の裏面３８ａ側に流れ込む。したがって、吸入空気流れのよどみ（死水域）の発生を抑制することができるので、インナーフィン２０全体の熱伝達率を向上させることができる。
【００２１】
（第２実施形態）
上述の実施形態では、開口部３４を三角形状としたが、開口部３４の形状は三角形状に限られるものではなく、上述の如く結合部３２から前縁部３１に沿って結合部３３に至る前縁部３１の長さＬ₁が、結合部３２から結合部３３間の距離Ｌ₂より長ければよい。したがって、図９の（ａ）、（ｂ）に示すように、矩形状または円周状としても本発明を実施することができる。
【００２２】
（第３実施形態）上述の実施形態では、閉塞壁部３８を設けて空間３７の吸入空気下流側を閉塞したが、図１０に示すように、空間３７の吸入空気下流側を開放し、空間３７内に流入した空気を流出させる流出口４２を形成しても本発明を実施することができる。
【００２３】
（第４実施形態）
上述の実施形態では、平板部２２に平行な平行突出壁３６が形成されていたが、図１１に示すように、平行突出壁３６を廃止し、前縁部３１から吸入空気流れ下流に向かうほど、平板部２２に近づく傾斜壁４２としても本発明を実施することができる。
【００２４】
（第５実施形態）
上述の実施形態では、前縁部３１から吸入空気流れ下流に向かって延びる突出壁３５が形成されていたが、図１２に示すように、突出壁３５の吸入空気流れ方向長さを十分に小さくしても本発明を実施することができる。
ところで、上述の実施形態では、吸入空気を空気で冷却する空冷式インタークーラを例に説明したが、本発明に係るインタークーラ（熱交換器）は、空冷式に限定されるものではなく液体（水等）にて吸入空気を冷却する、いわゆる水冷式インタークーラに適用してもよい。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係る熱交換器（インタークーラ）の正面図である。
【図２】図１のＡ−Ａ断面図である。
【図３】第１実施形態に係るインナーフィンの斜視図である。
【図４】（ａ）は、突出部の拡大斜視図であり、（ｂ）は（ａ）のＢ矢視図である。
【図５】図４の（ａ）の吸入空気流れ方向の断面図である。
【図６】突出部周りを流れる吸入空気の流線を示す模式図（数値解析結果）である。
【図７】突出部が形成されている側の平板部および突出部の壁面の熱伝達率を示すグラフである。
【図８】突出部が形成されている側と反対側の平板部および突出部の壁面の熱伝達率を示すグラフである。
【図９】第２実施形態に係る突出部の拡大斜視図である。
【図１０】第３実施形態に係る突出部の拡大斜視図である。
【図１１】第４実施形態に係る突出部の拡大斜視図である。
【図１２】第５実施形態に係る突出部の拡大斜視図である。
【符号の説明】
１…インタークーラ、２…偏平チューブ（チューブ）、
３…クーリングフィン、４…タンク、
２０…インナーフィン、２１、２２…平板部、
３０…突出部、３１…前縁部、３２、３３…結合部、３４…開口部、
３５…突出壁、３６…平行突出壁部、３７…空間、３８…閉塞壁部、
３９…案内壁部、４０…導口、４１…切断部、４２…流出口。

Claims

内部に流体が流れるチューブ（２）と、
前記チューブ（２）内に配設され、前記チューブ（２）内の流体流れに平行な平板部（２２）を有するインナーフィン（２０）と、
前記平板部（２２）の片面側に突出して形成され、前記チューブ（２）内の流体流れと交差する突出部（３０）とを有し、
前記チューブ（２）内の流体流れに対する前記突出部（３０）の前縁部（３１）には、前記平板部（２２）と結合する複数個の結合部（３２、３３）が形成されており、
前記複数個の結合部（３２、３３）のうち、一の結合部（３２）から前記前縁部（３１）に沿ってその一の結合部（３２）と隣合う他の結合部（３３）に至る前記前縁部（３１）の長さ（Ｌ1）は、その一の結合部（３２）から前記他の結合部（３３）間の距離（Ｌ2 ）より長くなっており、
前記突出部（３０）は、前記前縁部（３１）から前記チューブ（２）内の流体流れ下流側に向かって延びる突出壁（３５）を有し、
前記突出壁（３５）は、前記前縁部（３１）から所定長さ前記平板部（２２）と平行に延びた平行突出壁部（３６）と、この平行突出壁部（３６）によって囲まれた空間（３７）の下流側を閉塞する閉塞壁部（３８）とを備えることを特徴とする熱交換器。
前記平板部（２２）には、前記閉塞壁部（３８）と衝突する流体を前記突出部（３０）が突出する向きと反対側に導く導口（４０）が形成されていることを特徴とする請求項１に熱交換器。
前記突出壁（３５）には、前記空間（３７）外を前記突出壁（３５）に沿って流れる流体を、前記閉塞壁部（３８）のうち流体流れ下流側に位置する裏面（３８ａ）側に導く案内壁部（３９）が形成されていることを特徴とする請求項２に記載の熱交換器。
前記突出部（３０）は、前記チューブ（２）内の流体流れ方向に複数個形成されており、
隣り合う前記突出部（３０）間には、前記平板部（２２）を切断する切断部（４１）が形成されていることを特徴とする請求項１ないし３のいずれか１つに記載の熱交換器。