JP4640288B2

JP4640288B2 - インタークーラ

Info

Publication number: JP4640288B2
Application number: JP2006212143A
Authority: JP
Inventors: 真樹原田; 澄男須佐; 晴彦渡邊
Original assignee: Denso Corp
Current assignee: Denso Corp
Priority date: 2005-12-09
Filing date: 2006-08-03
Publication date: 2011-03-02
Anticipated expiration: 2026-08-03
Also published as: JP2007182871A; US20070131405A1; DE102006057586B4; DE102006057586A1

Description

本発明は、内燃機関（エンジン）の給気系において、過給機からの加圧空気をインタークーラを流入して冷却し、エンジン本体に送るインタークーラに関する。

一般にエンジンの出力を向上させるために、過給機を使用して多量の空気をエンジンに送り込むことが行われている。しかしながら、過給機において空気が圧縮されるため、空気温度が高くなり、例えば１８０℃程の高温の加圧空気となる。この加圧空気を冷却して空気密度を増大してエンジン本体に供給するために、インタークーラ（冷却器）が使用されている。

このようなインタークーラは、一般に図４に示すように多数の扁平状のチューブ１と波形状フィン（コルゲートフィン）１２とを交互に積層（又は交互に配列）してなる熱交換コア３と、この熱交換コア３の両側に設けられたヘッダタンク４とより構成されている。ヘッダタンク４は、図５に示すように多数のチューブ１が接続されるコアプレート４１と、タンク空間を形成する断面Ｕ字形状のタンクプレート４２とから形成されており、ヘッダタンク４の略頂部には、例えば入口側ヘッダタンク４であれば、入口配管５が、出口側ヘッダタンク（図示せず）であれば出口配管（図示せず）が接続している。

このように構成されたインタークーラは、過給機によって加圧された加圧空気が入口配管５を通って入口側ヘッダタンク４に入り、ここから多数の扁平状のチューブ１内を通って出口側ヘッダタンクに入り、この出口側ヘッダタンクから出口配管を通ってエンジンへと排出される。一方、車の走行及び冷却ファンによる外気は、チューブ１の外側を加圧空気の流れに直交して流れることで、熱交換が行われ、高温の加圧空気が冷却される。このようにインタークーラは、一般に１パス方式の加圧空気流れを採用している。

このため、熱交換効率を向上させるために入口配管５からの加圧空気をより広範囲に流し、多数の扁平状のチューブ１に均等に分配する必要があり、従来では、図４に示すように入口配管５の先端を扁平状にしてヘッダタンク４に接続している。（なお、出口配管の場合も基本的に同様である。）このようにして、各チューブ１に均等に加圧空気が流れるようにしている。

ところで、近年環境上の問題から、ディーゼル機関の排ガス規制が益々厳しくなっている。例えば大型トラックの場合、欧州では、図６に示すように排ガスのＮＯｘ値がＥＵＲＯ３では５（ｇ／kwh）であったものを、ＥＵＲＯ４では、３．５（ｇ／kwh）に更に２００８年から開始されると予想されるＥＵＲＯ５では２（ｇ／kwh）に規定値を厳しくすることを決めている。また、ＰＭ（浮遊粒子状物質）値もＥＵＲＯ３では、０．１（ｇ／kwh）であったものを、ＥＵＲＯ５では、０．０２（ｇ／kwh）に規制を厳しくしている。
この規制値をクリアするには、現在の過給機を出た加圧空気の圧力が１．８（kgf／cm²）であるのを２．７（kgf／cm²）から最終的には３．６（kgf／cm²）に高める必要があり、また加圧空気の温度が１８０（℃）であるのを、２０４（℃）から２３９（℃）に高める必要がある。
このように、従来の大型トラック用インタークーラにおいて、排気ガス規制により過給気圧及び温度が大幅に上昇しつつある。

このような排気ガス規制の強化に伴なう過給気圧力及び温度の上昇に伴ない、従来のように出入口配管の先端（ヘッダタンクとの接合部）を扁平状にした出入口配管構造（特に入口配管構造）では、強度が不十分であり、出入口配管が変形する恐れがある。
即ち、出入口配管の扁平状の先端が、円形状に膨らむ恐れがある。このような出入口配管の先端の変形は、図５に破線で示すようにタンクプレート４２及びコアプレート４１が引張られ、変形をもたらすと共に、最終的にはコアプレートとチューブとをろう付け等により結合しているチューブ根付Ｒに多大な応力が掛かり、破断に至るという懸念がある。このように、従来品においては、過給気をより広範囲に流す為、幅の広がったパイプ形状となっているが、受圧面積が大きく、より変形し易くなっている。

本発明は、上記問題に鑑みてなされたものであり、その目的は、ヘッダタンクに接続される各チューブに対して、流体を均等に供給でき、かつ高圧化した流体に対しても変形を抑制できる十分な強度を有すると共に、チューブ根付への応力を低減することが可能なインタークーラを提供することである。

本発明は、前記課題を解決するための手段として、特許請求の範囲の各請求項に記載のインタークーラを提供する。
請求項１に記載のインタークーラは、加圧空気を複数本のチューブ１に分配又は複数本のチューブ１から集める、入口側と出口側の２つのヘッダタンク４Ａ，４Ｂと、入口側ヘッダタンク４Ａに設けられた入口配管５Ａと、両ヘッダタンク４Ａ，４Ｂに接続され、内部を加圧空気が通過する複数本のチューブ１とフィン２とを交互に積層してなる熱交換コア３と、出口側ヘッダタンク４Ｂに設けられた出口配管５Ｂとを有していて、両配管５Ａ，５Ｂが、ヘッダタンク４Ａ，４Ｂから離れた遠位端部５ａの１つの流通路からヘッダタンク４Ａ，４Ｂの接続部５ｂでは第１の流通路５２と第２の流通路５３とに分岐され、遠位端部５ａの流通路の断面積に対する接続部５ｂの流通路の断面積が、７８％以上であるとされているものである。これによって、耐圧強度が改善された入口配管を有するインタークーラが得られる。また、流通路断面積を減少させることなく、受圧面積を低減させることができ、出入口配管５，５Ａ，５Ｂの強度を増加させることができ、その変形を抑制でき、インタークーラのチューブ根付Ｒの損傷、破壊を防止することができる。また、ヘッダタンクに接続される各チューブに対して、流体を均等に供給できる。
また、出入口配管の出口／入口断面比の測定は過給気の圧力損失によって計測するが、圧力損失の測定時、一般的に±５％の測定誤差があるため、差が明確となる上限の＋５％に相当する、出口／入口断面積比７８％以上を採用したものであり、基本的に出入口配管において圧力損失が生じないようにしたことと同義である。

請求項２のインタークーラは、管軸方向に沿って複数に分割された半割部材を組み合わせて固着することによって出入口配管５，５Ａ，５Ｂを形成したものであり、製造が容易で、製造コストを低減できる。

以下、図面に従って本発明の実施の形態のインタークーラの出入口配管構造について説明する。図１（ａ）は、本実施形態の出入口配管構造を備えたインタークーラの上半分の構造を示す図で、図１（ｂ）は、出入口配管の接続部での変形を説明する図である。本発明では、過給機からの加圧空気を冷却して内燃機関（エンジン）に送るインタークーラに使用される出口配管構造として説明しているが、インタークーラ以外の他の熱交換器にも適宜適用可能である。
また、図１（ａ）は、インタークーラの上半分の構造しか示されていないが、下半分もほぼ同じ構造をしているために、これを省略したものである。

図１（ａ）に示すように、インタークーラは、多数の扁平状のチューブ１と波形状フィン（コルゲートフィン）２とを交互に積層（又は交互に隣接して配列）してなる熱交換コア３と、この熱交換コア３の両側に設けられたヘッダタンク４とより構成されている。ヘッダタンク４は、多数のチューブ１が接続されているコアプレート４１と、タンク空間を形成する断面Ｕ字形状のタンクプレート４２とから形成されている。なお、ヘッダタンク４の側面は、側板によって封鎖されている。また、熱交換コア３を構成する多数の扁平状のチューブ１は、一般には、扁平断面の長手方向をチューブ１外を流れる流体（外気）の流れ方向に合わせて配置したものを、流れに対して直交する方向に１列に平行に配列されている。

扁平状チューブ１１の両端でそれぞれ結合する両ヘッダタンク４は、車両の上下方向に配置され、入口側ヘッダタンク４Ａの上端に入口配管５Ａが、図示しない出口側ヘッダタンク４Ｂの上端（図１（ａ）中に描かれると下端）に出口配管５Ｂ（図示せず）がそれぞれ接続している。なお、両ヘッダタンク４を車両の左右方向に配置してもよい。入口配管５Ａと出口配管５Ｂは、一般的に製造上の理由から同一形状をしており、本実施形態の出入口配管構造とは、入口配管５Ａと出口配管５Ｂの両者を総称して述べているものである。なお、過給機によって加圧された加圧空気は、インタークーラで冷却されて空気密度が増大するので、圧力及び温度条件が入口配管５Ａで厳しく、出口配管５Ｂで緩和されるので、両者の構造を必ずしも同一にする必要はないが、少なくとも入口配管５Ａ側だけは、本実施形態の出入口配管構造を採用する必要があるものである。
また、入口配管５Ａの他方は、過給機からの加圧空気を通過させる過給機側配管に接続され、出口配管５Ｂの他方は、加圧空気をエンジン本体へと送るエンジン側配管に接続されている。

上記のように構成されたインタークーラでは、過給機により加圧された空気（給気）は、入口配管５Ａを通って入口側ヘッダタンク４Ａに入り、ここから熱交換コア３のチューブ１内を通って出口側ヘッダタンク４Ｂに入り、出口配管５Ｂを通ってエンジン本体へと送られる。一方、冷却ファン（図示せず）によって吸い込まれる外気及び車両の走行風は、チューブ１内を通る加圧空気と交差するようにチューブ１外を紙面の表側から裏側へと突き抜けるように流れることで、加圧空気と外気とが熱交換される。これにより、例えば、インタークーラの入口側では、約１８０℃であった加圧空気がその出口側では約５０℃に冷却される。したがって、加圧空気は冷却されて空気密度を増大し、エンジンの給気の充填効率が増大し、出力アップにつながる。

次に、本発明の特徴である出入口配管構造について説明する。インタークーラは、両ヘッダタンク４Ａ，４Ｂ間を加圧空気が１回通過するだけ（１パス形式）のタイプであり、各チューブ１に加圧空気を均等に供給する必要があり、そのため出入口配管５をヘッダタンク４に接続する接続部を扁平形状に形成していた。しかしながら、扁平化することにより、図４に示すように受圧面積が大きくなり耐圧強度が低下し接続部が大きく変形し、これが、チューブ根付Ｒの損傷及び破壊をもたらす恐れがあった。

そこで本実施形態では、出入口配管４を複数に分割した構造としたものである。即ち、ヘッダタンク４から離れた出入口配管５の遠位端部５ａでは、１つの流通路しか有していないが、ヘッダタンク４に接続する出入口配管５の接続部５ｂでは複数の流通路５２，５３を有するように、出入口配管４を複数に分岐すると共に、一体的に形成している。この場合、遠位端部５ａの流通路の断面形状は、過給機配管に接続するために、円形をしているのに対し、接続部５ｂの流通路５２，５３の断面形状は、円形でもよいが、楕円形であることがより好ましい。接続部５ｂの流通路５２，５３の断面形状を楕円形（扁平状）にすることで、加圧空気の各チューブ１への分配性が向上すると共に、図１（ｂ）に示すように接続部５ｂでは、複数の流通路５２，５３に分岐されているので、１つ当たりの流通路５２，５３の受圧面積が小さくなり、流通路５２，５３の変形量が低減され、チューブ根付応力を低減できる。

また、出入口配管４の遠位端部５ａから接続部５ｂに至る流通路で流体の圧力損失を生じさせない構造とすることが必要である。そのため、遠位端部５ａから接続部５ｂに至る全流通路において、その断面積が略同一かまたは、接続部５ｂ側が大きくなっている。その場合、遠位端部５ａの流通路の断面積と接続部５ｂの流通路の断面積の割合を測定するには、圧力損失を測定することによって行われる。このような圧力損失の測定では、一般的に±５％の測定誤差がある。図２は、出口（接続部側）／入口（遠位端部側）断面積比とインタークーラの過給気圧力損失の関係を示すグラフである。このグラフより、誤差が明確となる上限の＋５％に相当する出口／入口断面積比が７８％以上にすることが好ましい。即ち、出入口配管５において、遠位端部５ａの流通路の断面積に対して接続部５ｂの流通路５２，５３の断面積が７８％以上であるような出入口配管構造にする。

図３は、本発明の別の実施形態のインタークーラの出入口配管構造を示す図である。前述の実施形態では、入口配管５Ａと出口配管５Ｂの構造は基本的に同一であるという前提で説明しているが、本実施形態では、両者の配管構造を変えている。即ち、車両へのインタークーラの搭載の際、エンジン室内のスペースの制約から、入口側のみ端出しパイプとなる可能性も考えられる。その場合、図３に示されるように扁平状チューブ１１の管軸方向に直交する方向の一方の側に加圧空気の入口側が設けられるように、入口側ヘッダタンク４Ａの側面（図３において入口側ヘッダタンク４Ａの右側）に入口配管５Ａが接続される。この入口配管５Ａは分岐されない単一構造の配管である。

一方、出口側ヘッダタンク４Ｂに接続される出口配管５Ｂは、先の実施形態と同様の複数の分割した構造となっていて、出口側ヘッダタンク４Ｂの上部に接続されている。このように、出入口配管構造の入口配管５Ａと出口配管５Ｂのうちのどちらか一方の配管のみを分岐した構造としてもよい。なお、チューブ１、フィン２及び熱交換コア３等のその他の構成は、前述した実施形態と同様であるので説明を省略する。

前述した実施形態では、図４に示すように出入口配管５は、完全に分岐した構造（図５（ａ）を参照）となっており、この場合、分岐した配管の内方部分５１（図４に太い実線で示す）をも溶接・ろう付け等により接合する必要があること、及びプレスにて成形時に過大に絞り加工を施す必要があるため加工性が悪化する等の不都合がある。

そこで、出入口配管５を完全に分岐しない構造を採用してもよい。
図５は、完全に分岐した及び分岐しない構造の出入口配管の各実施例を図４のＶ−Ｖ線で断面した断面図である。図５（ａ）は、前述した実施形態の完全に分岐した流通路５２，５３を有する構造の出入口配管５の断面を示している。図５（ｂ）は、分岐した流通路５２，５３と両流通路５２，５３をつなぐ流通路５４を有する、完全に分岐しない構造の出入口配管５の断面を示している。流通路５４は、扁平状に形成されており、分岐した流通路５２，５３の変形を抑制することができる。但し、この場合、完全に流通路５２，５３が分岐している訳でもないので、変形の抑制効果は、完全に分岐した場合に比べて減少するが、加工性においては、完全に分岐した場合に比べて優れている。

図５（ｃ）は、分岐した流通路５２，５３をつなぐ扁平状の流通路５４に支柱５５を設けた、完全に分岐しない構造の出入口配管５の断面を示している。支柱５５を設けることによって、扁平状の流通路５４の強度アップを図ることができると共に、分岐した流通路５２，５３の変形抑制を向上させることが可能である。
図５（ｄ）は、分岐した流通路５２，５３をつなぐ流通路５４を接触するまで狭めて（流通路５４の上下の内壁面を接触させる）スポット溶接Ｗ等により接着して流通路５４を閉鎖した、完全に分岐しない構造の出入口配管５の断面を示している。この場合では、完全に分岐した構造の出入口配管５と略同等の変形抑制効果を有すると共に、加工性も向上させることができる。

図６（ａ），（ｂ）は、本実施形態の出入口配管構造の２つの実施例を示している。これらの実施例では、管軸方向に沿って２等分に分割された形状をした半割部材を組み合わせて、溶接、ろう付け等によって固着することによって出入口配管５を形成している。図３（ａ）は、接続部５ｂが２つの分岐された流通路を有する出入口配管５を示しており、図３（ｂ）は、接続部５ｂが３つの分岐された流通路を有する出入口配管５を示している。なお、上記実施例では、出入口配管５を２つの半割部材を固着して一体化しているが、鋳造等により当初から一体化して形成してもよい。出入口配管５の材質としては、ステンレス鋼、鉄、アルミニウム（アルミ合金を含む）や銅（銅合金を含む）等である。

以上説明したように、本発明では、従来品において最も受圧面積が大きくなるヘッダタンクとの接続部において、出入口配管の１つ当りの流通路の受圧面積が小さくなり、接続部での変形量を低減することができる。
また、このように出入口配管の接続部での変形量が低減することにより、それに引っ張られるタンクプレート及びコアプレートの変形が抑えられ、チューブ根付応力を低減することができる。

（ａ）は、本発明の実施の形態の出入口配管構造を備えたインタークーラの上半分の構造を示す図であり、（ｂ）は、出入口配管の接続部での変形を説明する図である。出入口配管の出口（接続部側）／入口（遠位端部側）断面積比とインタークーラの過給気圧力損失との関係を示すグラフである。本発明の別の実施形態の出入口配管構造を備えたインタークーラの正面図である。本実施形態の完全に分岐した流通路を有する出入口配管構造の加工上の難点を説明する図である。実施形態の出入口配管構造の各種の実施例（ａ）〜（ｄ）を図４のＶ−Ｖ線で断面した断面図である。本実施形態の出入口配管構造の２つの実施例（ａ），（ｂ）を示している。従来技術の出入口配管構造を備えたインタークーラの上半分図である。従来技術の出入口配管構造の加圧前（ａ）と加圧後（ｂ）におけるヘッダタンクの変形を説明する図である。ＥＵＲＯ（欧州）での排出ガスの規制値の動向とこれによる過給機後の加圧空気の圧力と温度の変化を説明するグラフである。

符号の説明

１チューブ
２波形状フィン
４（４Ａ，４Ｂ）ヘッダタンク
４１コアプレート
４２タンクプレート
５（５Ａ，５Ｂ）出入口配管
５ａ遠位端部
５ｂ接続部
Ｒチューブ根付

Claims

対向して配置される入口側と出口側の２つのヘッダタンク（４Ａ，４Ｂ）であって、加圧空気を複数本のチューブ（１）に分配又は複数本のチューブ（１）から集める前記ヘッダタンク（４Ａ，４Ｂ）と、
過給機からの加圧空気を通過させる過給機側配管に接続され、前記入口側ヘッダタンク（４Ａ）に設けられた入口配管（５Ａ）と、
前記両ヘッダタンク（４Ａ，４Ｂ）に接続され、前記入口配管（５Ａ）から流入した加圧空気を冷却し、空気密度を増大させる熱交換コア（３）であって、内部を加圧空気が通過する複数本のチューブ（１）と、フィン（２）とを交互に積層してなる前記熱交換コア（３）と、
前記加圧空気をエンジン本体へと送るエンジン側配管に接続され、前記出口側ヘッダタンク（４Ｂ）に設けられた出口配管（５Ｂ）と、
を有するインタークーラであって、
前記入口配管（５Ａ）と前記出口配管（５Ｂ）が、前記ヘッダタンク（４Ａ，４Ｂ）から離れた遠位端部（５ａ）の１つの流通路から前記ヘッダタンク（４Ａ，４Ｂ）の接続部（５ｂ）では第１の流通路（５２）と第２の流通路（５３）とに分岐されると共に、前記第１の流通路と前記第２の流通路とが同一のヘッダタンクに接続されていて、前記遠位端部（５ａ）の流通路の断面積に対する前記接続部（５ｂ）の流通路の断面積が、７８％以上であることを特徴とするインタークーラ。
前記入口配管（５Ａ）及び前記出口配管（５Ｂ）が、管軸方向に沿って複数に分割された形状をした半割部材を組み合わせて固着することによって形成されていることを特徴とする請求項１に記載のインタークーラ。