JP3890799B2 - プレートフィン式熱交換器 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、特に、エンジンのインタークーラに好適なプレートフィン式熱交換器に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
自動車等のターボチャージャ等の過給エンジンでは、コンプレッサで圧縮された空気は温度が上昇し膨張しており、そのままシリンダに供給するとノッキングが発生し易く、過給効率も悪いので、この昇温及び膨張した空気をインタークーラで冷却し空気密度を上げることにより、過給効率及び充填効率を上げている。
【０００３】
このインタークーラには、コンパクトで熱交換の性能が優れているプレート式熱交換器やプレートフィン式熱交換器が使用されることが多く、プレート式熱交換器は、波型や凹凸型にプレス加工された伝熱板を積層して構成され、熱交換される２つの流体が、各伝熱板間にできる隙間（チャンネル）を交互に流通しながら熱交換を行なっている。
【０００４】
一方、プレートフィン式熱交換器は、プレート式熱交換器にフィン部を付加したもので、図１に示すように、フィン板と伝熱板（平板）を交互に重ねて接着した構造であって、図９に示すように、プレート式熱交換器の伝熱板15ａ，15ｂの隙間に、フィン板15ｆの側面部15ｆｓを配列し、この側面部15ｆｓで伝熱板15ａ，15ｂにフィン部を形成したのと同じ効果を発揮させ、熱交換の性能を向上させている。
【０００５】
これらの従来技術のプレートフィン式熱交換器のフィン板の形状は、一般的には、例えば実開平６−１４４４２号公報や特開昭５３−４３１４７号公報に記載されている熱交換器のフィン板のように、流体が流通する流通セルの断面が波形、三角形や長方形等の形状になるように、波形の連続、三角形の連続、又は、コの字形の連続などの断面形状で形成されている。
【０００６】
つまり、これらのフィン板は、図９に示すフィン板15ｆのように、流通セル15ｃが長方形に形成される形状だけでなく、図１０に示すフィン板25ｆ，35ｆのように、伝熱板25ａ，25ｂ，35ａ，35ｂの間の流通セル25ｃ、35ｃが三角形や波形等になるように形成されている。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、自動車のエンジンにおいては軽量化や小型化への要求が厳しく、インタークーラを更にコンパクト化する必要があり、伝熱効率を高めることが強く要求されるようになって来ており、この面から従来技術のフィン部の形状を検討すると次のような問題がある。
【０００８】
つまり、図９に示すような長方形の流通セル15ｃの場合には、フィン板15ｆのフィン効果を発揮するフィン部（側壁部）15ｆｓが伝熱板15ａ，15ｂに対して垂直になってこのフィン部15ｆｓの幅Ｈが最小長さとなっているため、伝熱面積が小さく伝熱効率の向上が望めないという問題がある。
【０００９】
また、図１０に示す三角形ＮＯ連続や波形のフィン板25ｆ，35ｆのように、流通セル25ｃ、35ｃが三角形や波形に形成された場合には、フィン部25ｆｓ，35ｆｓが長くなり、断熱面積が大きくなるので、流通セル25ｃ、35ｃ内を通過する流体の熱を効率良くフィン板25ｆ，35ｆに伝熱できる。
【００１０】
しかしながら、図１０のフィン板25ｆ，35ｆでは、伝熱板25ａ，25ｂ，35ａ，35ｂに当接及び接触する部分が線状で接触することになり、伝熱面が非常に小さくなるために、このフィン板25ｆ，35ｆから伝熱板25ａ，25ｂ，35ａ，35ｂへの伝熱効率が悪く、その結果、流通セル25ｃ、35ｃ内を通過する流体の熱を効率よく伝熱板25ａ，25ｂ，35ａ，35ｂへ伝達できず、最終的には、他方の流体への熱伝達を効率よく行なえないという問題がある。
【００１１】
本発明は、上述の問題を解決するためになされたもので、その目的は、熱交換器のサイズの変更無しに熱交換の効率を向上できる、熱伝達効率の良いプレートフィン式熱交換器を提供することにある。
【００１２】
【課題を解決するための手段】
前記目的を達成するためのプレート式熱交換器は、熱交換する第１流体と第２流体を複数の伝熱板を相対峙して積層して形成される隙間に交互に流通させて熱交換すると共に、前記隙間にフィン板を設けたプレートフィン式熱交換器において、前記第１流体と前記第２流体の少なくとも一方が通過する前記隙間に配設する前記フィン板を、前記伝熱板に面接触する広幅連結部と、該広幅連結部に連結し、かつ、前記伝熱板に対して傾斜した互いに平行な傾斜フィン部とで形成し、該傾斜フィン部で流通セルの側壁を形成し、前記流通セルの断面を平行四辺形とすると共に、フィン板を前記伝熱板とは別体に形成し、前記フィン板の広幅連結部の外側部分を前記伝熱板に接着して、前記フィン板を前記伝熱板に固着したことを特徴とする。
【００１３】
また、過給エンジンのインタークーラを前記プレートフィン式熱交換器で形成し、前記傾斜フィン部を高温側の圧縮空気が流通する前記隙間に配設する。
この伝熱板は、ステンレス鋼やチタニウム等の耐食性材料で形成され、フィン板はアルミ、ステンレス、銅等の材料で形成されることが多い。
【００１４】
以上の構成のプレートフィン式熱交換器によれば、流通セルの断面が平行四辺形であるので、傾斜フィン部の幅が伝熱板間の距離よりも大きくなり、従って、傾斜フィン部の伝熱面積が大きくなり、流体からフィン板への伝熱効率が向上し、更に、広幅連結部が伝熱板に面接触するので、フィン板から伝熱板への熱伝達が良く、一方の流体と他方の流体との間の熱交換の効率が向上する。
【００１５】
つまり、プレートフィン式熱交換器のフィン部を伝熱板に対して垂直でなく傾斜して、流通セルの断面が平行四辺形状になるように設けることにより、熱交換器の流通セル内を流れる流体との接触面積、即ち伝熱面積が増加すると共に、伝熱板に面接触する広幅連結部がフィン板と伝熱板との間の熱伝達効率をさせるので、全体的な熱伝達効率が改善される。
【００１６】
特に、この傾斜フィン部と広幅連結部による伝熱面積の増加は、自動車の過給エンジンの吸気空気の温度低下と吸気量増大のために設けられるインタークーラのように、サイズに制限があって伝熱効率の改善が困難な場合に有効である。
【００１７】
【発明の実施の形態】
次に、図面を参照して本発明の実施の形態のプレートフィン式熱交換器について、過給エンジンのインタークーラを例にして説明する。
【００１８】
図１に示すように、このプレートフィン式熱交換器であるインタークーラ１は、過給機側のコンプレッサに連通する高温流体である第１流体用の第１流体入口ヘッダ２とエンジンの吸気マニホールドに連通する第１流体出口ヘッド３との間に、熱交換部４を有して形成される。また、この熱交換部４の両側には低温流体である第２流体用の第２流体入口ヘッダ８と第２流体出口ヘッダ９とが設けられ、冷却用空気Ａｃがこの熱交換部４内を流通できるように構成される。
【００１９】
この熱交換部４は、図１及び図２に示すように、円筒を偏平に加工して形成した偏平なチューブ５を、間にフィン板６ｆを挟んで積層して形成される。即ち、このチューブ５の偏平部分で伝熱面５ａ，５ｂを形成し、このチューブ５内の隙間５ｃと各チューブ５外側の隙間６ｃを開けて積層することにより、熱交換部４を構成する。
【００２０】
この伝熱板５ａ，５ｂの隙間５ｃに、傾斜フィン板５ｆを配設する。この傾斜フィン板５ｆは、伝熱板５ａ，５ｂに面接触する広幅連結部５ｐと、この広幅連結部５ｐに連結し、かつ、伝熱板５ａ，５ｂに対して傾斜した互いに平行な傾斜フィン部５ｆｓとで形成する。
【００２１】
この傾斜フィン部５ｆｓはインナーフィンと呼ばるのもので、互いに平行で、かつ、対面する伝熱板５ａ，５ｂに対して傾斜させて、図３（ｂ）に示すように、伝熱板５ａ，５ｂの垂直面５ｈに対して傾斜角θ＞０を有して配設する。この傾斜により、高温流体である圧縮空気Ａｈが通過し、この傾斜フィン部５ｆｓを側壁とする第１流体側の流通セル５ｃの断面は平行四辺形に形成される。
【００２２】
図３（ｂ）に示す、この垂直面からの傾斜角θは、大きくすると幅Ｂが大きくなり、伝熱面積も増加するが、流通セル５ｃが偏平となり、流通抵抗が増加するので、１０度〜４５度とし、流通抵抗の増加と伝熱面の増加とのバランスから１０度〜４５度とするのが最も好ましい。
そして、この傾斜フィン部５ｆｓの端部を図４（ａ）に示すように、交互に広幅連結部５ｐで連結して傾斜フィン板５ｆを形成する。
【００２３】
一方、このチューブ５の間に、側壁部がアウターフィンと呼ばれるフィン部６ｆｓを含むフィン板６ｆを挟んで、チューブ５とフィン板６ｆを交互に積層して、フィン板６ｆの部分に冷却空気低Ａｃが流通する第２流体側の流通セル６ｃを形成する。
【００２４】
このアウターフィンのフィン板６ｆは、図２に示すように、連続したサイン形状に形成するが、このサイン形状の他にも、第２流体側の流通セル６ｃの断面を三角形や長方形等に形成することもできる。また、傾斜フィン板５ｆと同様に、第２流体側の流通セル６ｃの断面も平行四辺形になるように形成することもできる。
【００２５】
このチューブ５とフィン板６ｆとの積層により熱交換部４を形成し、第１流体側の流通セル５ｃの入口側と出口側をそれぞれまとめる第１流体入口ヘッダ２と第１流体出口ヘッダ３とを設け、また、第２流体側の流通セル６ｃの入口側と出口側をそれぞれまとめる第２流体入口ヘッダ８と第２流体出口ヘッダ９とを設けて形成する。
【００２６】
なお、図２に示すように、チューブ５とフィン板６ｆとの方向、即ち、高温側流体の第１流体Ａｈと低温側流体の第２流体Ａｃの流れる方向を十字流（交差流）とすると、第１流体側のヘッダ２，３と第２流体側のヘッダ８，９を別々の方向（Ｘ，Ｙ）に設けることができ、製造が容易となり好ましいが、向流形式にすることもできる。
【００２７】
この対面する伝熱板５ａ，５ｂを形成するチューブ５は、ステンレス鋼やチタニウム等の耐食性材料で形成され、傾斜フィン板５ｆは、アルミ、ステンレス、銅等の材料で形成され、また、フィン板（アウターフィン）６ｆはアルミ、ステンレス、銅等の材料で形成される。
そして、このチューブ５内の傾斜フィン板５ｆは、次のような方法で加工されチューブ５内に挿入及び接合される。
【００２８】
先ず、第１の方法では、この傾斜フィン板５ｆは、図５に示すように、凹凸を傾斜して設けたプレス型50ａ，50ｂの間に、フィン用材料板５ｔを置き、傾斜方向Ｓにプレス型50ａ，50ｂを移動させてプレスして形成される。
【００２９】
また、第２の方法では、傾斜フィン板５ｆは、図６に示すように、通常の垂直フィン部のプレス型51ａ，51ｂの間にフィン用材料板５ｔを置き、垂直方向Ｎにプレスした後に、プレス型51ａ，51ｂを分離する際にこのプレス型51ａ，51ｂをそれぞれ反対の横方向Ｔに移動させることにより形成される。
【００３０】
第３の方法では、傾斜フィン板５ｆは、図７に示すように、傾斜プレス型52ａ，52ｂの間にフィン用材料板５ｔを置き、この垂直方向Ｎにプレスして形成される。
【００３１】
更に、第４の方法では、図８に示すような、凹凸面を有するプレスローラー53ａ〜53ｅを多段に設け、フィン用材料板５ｔをこれらのプレスローラー53ａ〜53ｅの間を通過させることにより、徐々に凹凸を深くし、また傾斜させて、傾斜フィン板５ｆを形成する。
【００３２】
そして、これらの方法で製造された傾斜フィン板５ｆは、図４に示すように、両端を切断して大きさを整えられ、この傾斜フィン板５ｆの凹凸の凸部、即ち広幅連結部５ｐの外側となる部分５ｐｓに、接着剤を塗布して、チューブ５内に挿入し、挿入後、加熱して接着剤を溶かし、次に冷却して固化することにより、この広幅連結部５ｐの外側部分５ｐｓをチューブ５の内面である伝熱面５ａ，５ｂに接着して、傾斜フィン板５ｆをチューブ５内に固着する。
【００３３】
次に、このプレートフィン式熱交換器（インタークーラ）１における熱交換について説明する。
過給機で圧縮された高温空気（第１流体）Ａｈは、第１流体入口ヘッダ２から熱交換部４のチューブ５内に導入され、第１流体側の流通セル５ｃ内を経て第１流体出口ヘッダ３に排出される。一方、冷却空気（第２流体）Ａｃは、第２流体入口ヘッダ８から熱交換部４のチューブ５外のフィン板６ｆの部分に導入され、第２流体側の流通セル６ｃ内を経て第２流体出口ヘッダ９に排出される。
【００３４】
この時に、第１流体側の流通セル５ｃ内を通過する高温の圧縮空気Ａｈの熱が傾斜フィン部５ｆと伝熱板５ａ，５ｂを経由して、即ちチューブ５を経由して、フィン板６ｆに伝達される。そして、第２流体側の流通セル６ｃ内を通過する冷却用の外気である低温空気Ａｃは、このフィン板６ｆと伝熱板５ａ，５ｂに接触して伝熱された熱を奪う。
【００３５】
この熱交換により、高温の圧縮空気Ａｈの熱が車両の前方から導入した冷却用の低温空気Ａｃに伝達され、圧縮空気Ａｈが冷却される。
〔効果〕
以上の構成のインタークーラ１によれば、第１流体である圧縮空気Ａｈの流通方向に対する垂直な断面内において、傾斜フィン部５ｆｓを伝熱面５ａ，５ｂに対して傾斜させて、また、互いに平行になるように配設しているので、圧縮空気Ａｈと傾斜フィン板５ｆの接触表面積即ち伝熱面積と、傾斜フィン板５ｆと伝熱板５ａ，５ｂとの接触面積即ち伝熱面積とを同時に大きく確保して、チューブ５側への熱伝達経路を増加させることができるので、冷却効率を上昇できる。
【００３６】
また、実験結果によれば、図３に示すような、流通セル５ｃを平行四辺形に形成した場合には、従来技術の図９に示すようなフィン板15ｆの側面部15ｆｓを垂直に、即ち、流通セル15ｃを長方形にしたインタークーラの熱効率の約８０％に対して、更に、２〜３％上昇できた。
【００３７】
従って、インタークーラ１の伝熱効率を改善でき、過給機のコンプレッサで昇温及び膨張した空気Ａｈの吸気温度を低下させて、密度を大きくすることができ、燃焼温度を下げられるのでＮＯｘの低減を図ることができ、また、シリンダへの供給空気量を多くして充填効率を上げて燃焼を良好な状態にすることができる。
【００３８】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明に係るプレート式熱交換器によれば、流通セルの断面を平行四辺形にし、傾斜フィン部の幅を伝熱板間の距離よりも大きくし、傾斜フィン部の伝熱面積が大きくなるように形成したので、また、広幅連結部も伝熱面積となるので、流体からフィン板への伝熱効率を向上できる。伝熱面積を大きく取ることができ、伝熱効率を向上させることができる。
【００３９】
更に、広幅連結部を伝熱板に面接触させているので、フィン板から伝熱板への熱伝達を良くすることができ、その結果、第１流体と第２流体との間の熱交換の効率を向上することができる。
【００４０】
特に、自動車の過給エンジンにおける、吸気空気の温度低下と吸気量増大のために設けられるインタークーラのように、サイズに制限があって伝熱効率の改善が困難な場合に有効であり、吸気温度を効率よく低減でき、これにより燃焼温度を低下できＮＯｘも低減できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係る実施の形態のインタークーラの図で、（ａ）は正面図、（ｂ）は側面図、(c)は平面図である。
【図２】図１の熱交換部を示すインタークーラの部分斜視図である。
【図３】本発明に係るインナーフィンを示すチューブの断面図で、（ａ）は全体断面図で、（ｂ）は拡大部分断面図である。
【図４】本発明に係る傾斜フィン板とチューブの関係を示す図で、（ａ）は傾斜フィン板の挿入前を、（ｂ）は傾斜フィン板の挿入後を示す。
【図５】本発明に係る傾斜フィン板の第１の成形方法を示す模式図で、（ａ）はプレス前を、（ｂ）はプレスした時を、（ｃ）はプレス成形後を示す。
【図６】本発明に係る傾斜フィン板の第２の成形方法を示す模式図で、（ａ）はプレス前を、（ｂ）はプレスした時を、（ｃ）はプレス成形後を示す。
【図７】本発明に係る傾斜フィン板の第３の成形方法を示す模式図で、（ａ）はプレス前を、（ｂ）はプレスした時を、（ｃ）はプレス成形後を示す。
【図８】本発明に係る傾斜フィン板の第４の成形方法を示す模式図で、ローラープレスによる方法を概略的に示す。
【図９】従来技術のインナーフィンを示すチューブの断面図で、（ａ）は全体断面図で、（ｂ）は拡大部分断面図である。
【図１０】従来技術の他のインナーフィンを示すチューブの拡大断面図で、（ａ）は三角形の形状のインナーフィンを、（ｂ）は波形の形状のインナーフィンを示す。
【記号の説明】
１ インタークーラ（プレートフィン式熱交換器）
２ 第１流体入口ヘッド
３ 第１流体出口ヘッド
４ 熱交換部
５ チューブ
５ａ、５ｂ 伝熱面
５ｃ 第１流体側の流通セル
５ｆ インナーフィン（傾斜フィン部）
６ フィン板
６ｃ 第２流体側の流通セル
６ｆ アウターフィン
８ 第２流体入口ヘッド
９ 第２流体出口ヘッド
Ａｃ 低温空気（第２流体）
Ａｈ 圧縮空気（第１流体）

Claims (2)

1. 熱交換する第１流体と第２流体を複数の伝熱板を相対峙して積層して形成される隙間に交互に流通させて熱交換すると共に、前記隙間にフィン板を設けたプレートフィン式熱交換器において、前記第１流体と前記第２流体の少なくとも一方が通過する前記隙間に配設する前記フィン板を、前記伝熱板に面接触する広幅連結部と、該広幅連結部に連結し、かつ、前記伝熱板に対して傾斜した互いに平行な傾斜フィン部とで形成し、該傾斜フィン部で流通セルの側壁を形成し、前記流通セルの断面を平行四辺形とすると共に、前記フィン板を前記伝熱板とは別体に形成し、前記フィン板の広幅連結部の外側部分を前記伝熱板に接着して、前記フィン板を前記伝熱板に固着したことを特徴とするプレートフィン式熱交換器。
2. 前記プレートフィン式熱交換器が過給エンジンのインタークーラであり、前記傾斜フィン部を高温側の圧縮空気が流通する前記隙間に配設したことを特徴とする請求項１記載のプレートフィン式熱交換器。

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