JP5941550B2 - ウェーブフィン - Google Patents

Description

本発明は熱交換器の熱交換ケース内に内蔵され、流体との直接接触によって流体の乱流化を誘導するウェーブフィンに係り、より詳しくは流体との接触時に流体の乱流化エネルギーを大幅に増大させて流体の乱流化促進及び流体の熱交換効率向上を効果的に具現することができるウェーブフィンに関するものである。

車両用排気ガス再循環用ＥＧＲクーラーを含み、排気ガスクーラー、燃料クーラー、オイルクーラー、インタークーラー、廃熱回収システムのスーパーヒーター及びボイラーなどの多様な熱交換器が使用されている。このような熱交換器は、気体−気体、液体−気体、液体−液体などの多様な流体を熱交換するように構成される。例えば、排気ガス再循環（ＥＧＲ）はディーゼルエンジンの排気系から排気ガスの一部を抽出し、さらにエンジンの吸気系に戻し、混合気に加えるようになされ、これによってＮＯｘ（窒素酸化物）の発生を抑制し、ポンプ損失の低減及び燃焼ガスの温度低下による冷却液の放熱損失低減、作動ガス量・組成変化による比熱比の増大及びそれによるサイクル効率の向上などの多くの効果を得ることができるという点でディーゼルエンジンの排気ガス浄化及び熱効率改善のための有効な方法に広く用いられている。

一方、このような熱交換器は、熱交換するための流体が通過する所定の熱交換ケースを持ち、このような熱交換ケース内には流体の乱流化を誘導することによって流体の熱交換効率を向上させることができるフィン構造体が設置される。

このようなフィン構造体は、しわ構造、平板構造、ウェーブ構造などのようにその形態が多様であり、流体の乱流化を促進して熱交換効率を向上させるという側面で、近年にはウェーブフィンをたくさん用いている趨勢である。

ウェーブフィンはその幅方向に複数の山部と複数の谷部が連続して連結された構造に形成され、その長手方向、つまり流体の流れ方向に沿って複数の山部と複数の谷部が波形になった構造から構成される。これにより、ウェーブフィン内には複数の流体通路が画成される。よって、ウェーブフィンの流体通路を通過する流体はその波形構造によってウェーブ方向に流れることによって流体の乱流化及び撹拌を誘導する。

しかし、熱交換ケースはその内部容積が相対的に小さいため、一般的なウェーブフィンによっては流体の乱流化を増大させるのに多くの限界があった。特に、従来のウェーブフィンはその表面が滑らかに構成されるため、それぞれの流体通路を通過する流体の乱流運動エネルギーが実質的に増大しなくて、流体が流れるうちに運動エネルギーの損失などが発生するので、実質的に流体の熱交換効率が高くない欠点があった。

本発明は前記のような点に鑑みてなされたもので、流体のメインウェーブの流れ方向に加えて乱流化ないし渦流化の流れを誘導することで流体の乱流化エネルギーを大幅に増大させて流体の乱流化促進及び流体の熱交換効率向上を効果的に具現することができるウェーブフィンを提供することにその目的がある。

前記のような目的を達成するための本発明によるウェーブフィンは、複数の山部と複数の谷部が複数の側壁部によって幅方向に互いに連結され、前記複数の側壁部には山部と谷部との間に流体が通過する複数の流体通路が画成され、
前記複数の山部、複数の谷部、複数の側壁部は長手方向に沿って第１曲率半径で波形に伸びるメイン波形（ｍａｉｎ ｗａｖｅｆｏｒｍ）をなし、
前記側壁部のメイン波形内には一つ以上の屈曲部が形成され、前記屈曲部は第２曲率半径で屈曲して前記メイン波形中に連結されることを特徴とする。
前記第２曲率半径は前記第１曲率半径より小さく形成されることを特徴とする。

前記屈曲部は前記メイン波形の各頂点の中心線を基準に互いに対称な位置にそれぞれ形成されることにより、前記メイン波形内には複数の屈曲部が形成されることを特徴とする。

前記複数の屈曲部は、前記メイン波形から第１幅方向に突出する複数の第１屈曲部、及び前記メイン波形から第２幅方向に突出する複数の第２屈曲部からなり、前記第１屈曲部と第２屈曲部は前記メイン波形の各ピッチ中心を基準に対称な位置に形成されることを特徴とする。
前記複数の屈曲部は、前記メイン波形において第１及び第２幅方向の中で少なくともいずれか一幅方向に突出するように形成されることを特徴とする。
前記第１及び第２屈曲部の頂点中心線は、前記メイン波形の頂点中心線に対して傾くように形成されることを特徴とする。

前記山部と前記側壁部の連結部分は前記屈曲部に対応するように形成され、前記谷と前記側壁部の連結部分は前記屈曲部に対応するように形成されることを特徴とする。
前記ウェーブフィンの幅方向ピッチ（Ｐ）に対する第２曲率半径（ｒ）の比率は０．１〜０．６であることを特徴とする。
前記流体通路は、直四角形、台形、及びラウンド形の断面構造のいずれか一つからなることを特徴とする。

本発明によれば、側壁部に形成された屈曲部によって流体の乱流化が加速して流体の乱流運動エネルギーが大幅に増大し、これによって流体の熱交換効率が向上する利点がある。

本発明の一実施例によるウェーブフィンを示す斜視図である。 図１の矢印Ａ部を拡大して示す拡大図である。 本発明の一実施例によるウェーブフィンを示す平面図である。 図３のＢ−Ｂ線に沿って示す断面図である。 図４の矢印Ｃ部を拡大して示す拡大図である。 図５のＤ−Ｄ線に沿って示す平断面図である。 図６の第１変形実施例を示す図である。 図６の第２変形実施例を示す図である。 図６の第３変形実施例を示す図である。 流体が本発明によるウェーブフィンを通過するときの平均乱流運動エネルギーを示したグラフである。

以下、本発明の好適な実施例を添付図面に基づいて詳細に説明する。
図１〜図６は本発明の一実施例によるウェーブフィンを示す図である。

図示のように、本発明によるウェーブフィン１０は、複数の山部１１と複数の谷部１２がウェーブフィン１０の幅方向（Ｖ１、Ｖ２）に沿って一定の間隔で連続して連結されてなり、複数の山部１１と複数の谷部１２は複数の側壁部１３によってそれぞれ幅方向に互いに連結されている。

ウェーブフィン１０は複数の側壁部１３によって区画される複数の流体通路１５を持ち、それぞれの流体通路１５は複数の山部１１及び複数の谷部１２によってその上端及び下端のそれぞれが交互に閉塞される。

一方、図４及び図５に例示したように、流体通路１５は、向かい合う側壁部１３が互いに対称に傾くように形成されることによって台形の断面構造をなすことができる。これとは異なり、流体通路１５は、台形、ラウンド形の断面構造などのように多様な断面構造に形成されることもできる。

そして、複数の山部１１、複数の谷部１２、複数の側壁部１３は長手方向に沿って第１曲率半径（Ｒ）で波形に伸び、図６のように矢印Ｗの波形方向に沿ってメイン波形（Ｗｍ、ｍａｉｎ ｗａｖｅｆｏｒｍ）が形成される。このメイン波形（Ｗｍ）は仮想連結線（図６のＷｖ参照）を含んで一定の波形方向（図６の矢印Ｗ参照）に形成される。

そして、メイン波形（Ｗｍ）内には一つ以上の屈曲部２１、２２が形成され、この屈曲部２１、２２は第２曲率半径（ｒ）で屈曲してメイン波形（Ｗｍ）に連結されることができる。

特に、第２曲率半径（ｒ）は第１曲率半径（Ｒ）より小さく形成されることにより、複数の屈曲部２１、２２はメイン波形（Ｗｍ）の表面に凹凸部の役目をし、よって流体がメイン波形（Ｗｍ）の表面で波形方向（Ｗ）に沿って流れるとき、屈曲部２１、２２で乱流化及び渦流化が発生することができる。

一方、屈曲部２１、２２はメイン波形（Ｗｍ）の各頂点の中心線（Ｃｐ）を基準に互いに対称な位置にそれぞれ形成されることができ、メイン波形（Ｗｍ）内には複数の屈曲部２１、２２が形成されることができる。

図６の一実施例によれば、複数の屈曲部２１、２２は、メイン波形（Ｗｍ）から第１幅方向（Ｖ１、図６の左側方向）に突出する複数の第１屈曲部２１、及びメイン波形（Ｗｍ）から第２幅方向（Ｖ２、図６の右側方向）に突出する複数の第２屈曲部２２からなることができる。そして、第１屈曲部２１と第２屈曲部２２はメイン波形（Ｗｍ）の各頂点の中心線（Ｃｐ）を基準に対称な位置に形成される。
一方、本発明によるウェーブフィンは、幅方向のピッチ（Ｐ）に対する第２曲率半径（ｒ）の比率は０．１〜０．６の範囲内にあることが好ましい。

図１０は本発明のウェーブフィンによる平均乱流運動エネルギーを測定した結果を示すグラフで、ウェーブフィンの幅方向ピッチ（Ｐ）に対する屈曲部２１、２２の第２曲率半径（ｒ）の比率による乱流運動エネルギーを示したグラフであり、その結果値は下の表１のようである。

ここで、平均乱流運動エネルギーの比率は、屈曲部のない従来のウェーブフィン（対照群）による平均乱流運動エネルギーと本発明の屈曲部を持つウェーブフィンによる平均乱流運動エネルギーの比率を示す。

このように、本発明によるウェーブフィンは、幅方向ピッチ（Ｐ）に対する第２曲率半径（ｒ）の比率は０．１〜０．６の範囲内で乱流運動エネルギーが大幅に増加することが分かった。すなわち、０．１以下では屈曲部２１、２２がないもののようであり（すなわち、乱流運動エネルギーの増加がほぼない）、０．６以上では乱流運動エネルギーが１．２５を超えなくて止まることが分かる。これから、本発明のウェーブフィン１０は幅方向ピッチ（Ｐ）に対する第２曲率半径（ｒ）の比率が０．１〜０．６の範囲内にあるときに乱流運動エネルギーが最適化することが分かり、０．１以下または０．６以上の場合には、乱流運動エネルギーがほぼ増加しないとか乱流運動エネルギーの増加幅が止まるので、加工の容易性及び生産性向上の側面で好ましくないことが分かる。

一方、図７は図６の第１変形実施例を示すもので、第１屈曲部２１は第２幅方向（Ｖ２）に向けて突出し、第２屈曲部２２は第１幅方向（Ｖ１）に向けて突出する構造である。
そして、図８は図６の第２変形実施例を示すもので、第１屈曲部２１及び第２屈曲部２２が第２幅方向（Ｖ２）に向けて突出する構造である。
また、図９は図６の第３変形実施例を示すもので、第１屈曲部２１及び第２屈曲部２２が第１幅方向（Ｖ１）に向けて突出する構造である。

複数の屈曲部２１、２２は図６の形態に限定されなく、メイン波形（Ｗｍ）上から第１及び第２幅方向（Ｖ１、Ｖ２）の中で少なくともいずれか一幅方向に突出するように形成できる。

第１及び第２屈曲部２１、２２の各頂点の中心線（Ｃｉ、Ｃｍ）はメイン波形（Ｗｍ）の頂点中心線（Ｃｐ）に対して傾くように形成されることができ、これにより、第１及び第２屈曲部２１、２２はメイン波形（Ｗｍ）中に自然に連結されることができる。

また、図１及び図２に示すように、山部１１と側壁部１３が連結される部分は屈曲部２１、２２に対応するように連結され、また谷部１２と側壁部１３が連結される部分は屈曲部２１、２２に対応するように連結される。

Claims (4)

1. 複数の山部と複数の谷部が複数の側壁部によって幅方向に互いに連結され、前記複数の側壁部には山部と谷部との間に流体が通過する複数の流体通路が画成され、
   前記複数の山部、複数の谷部、複数の側壁部は長手方向に沿って第１曲率半径で波形に伸びるメイン波形（ｍａｉｎ ｗａｖｅｆｏｒｍ）をなし、
   前記側壁部のメイン波形内には一つ以上の屈曲部が形成され、前記屈曲部は第２曲率半径で屈曲して前記メイン波形中に連結される構成であって、
   前記屈曲部は前記メイン波形の各頂点の中心線を基準に互いに対称な位置にそれぞれ形成されることにより、前記メイン波形内には複数の屈曲部が形成され、
   前記複数の屈曲部は、前記メイン波形において第１及び第２幅方向の中でいずれか一幅方向に突出するように形成されることを特徴とする、ウェーブフィン。
2. 前記第２曲率半径は前記第１曲率半径より小さく形成されることを特徴とする、請求項１に記載のウェーブフィン。
3. 前記山部と前記側壁部の連結部分は前記屈曲部に対応するように形成され、前記谷と前記側壁部の連結部分は前記屈曲部に対応するように形成されることを特徴とする、請求項１に記載のウェーブフィン。
4. 前記流体通路は、直四角形、台形、及びラウンド形の断面構造のいずれか一つからなることを特徴とする、請求項１に記載のウェーブフィン。

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