JP6531357B2

JP6531357B2 - コルゲートフィン式熱交換器

Info

Publication number: JP6531357B2
Application number: JP2014146041A
Authority: JP
Inventors: 一秀高田; 清一郎冨川
Original assignee: Isuzu Motors Ltd
Current assignee: Isuzu Motors Ltd
Priority date: 2014-07-16
Filing date: 2014-07-16
Publication date: 2019-06-19
Anticipated expiration: 2034-07-16
Also published as: JP2016023816A

Description

本発明は、冷却性能を向上でき、過給機付エンジンのインタークーラ等に使用することができるコルゲートフィン式熱交換器に関する。

近年、車両に搭載されるディーゼルエンジン等の内燃機関では、ターボ式過給機や機械式過給機を備えることで内燃機関の出力を増大し、これらの過給機によって加圧され昇温した吸気の温度を冷却するインタークーラを備えて、吸気の温度を下げることにより、空気の吸入効率を向上させてエンジンの燃焼を良好に保つことが行われている。

このインタークーラには水冷式と空冷式とがあるが、空冷式のコルゲートフィン式熱交換器が多く用いられており、図４に示すように、このインタークーラ１０は、過給機７のコンプレッサ７ａと吸気マニホールド３を結ぶ吸気通路４に設けられ、温度の上昇した吸気を冷却し、燃焼室内に入る吸気の温度を下げて、空気の充填効率を向上させることにより、空気量が増加し燃焼効率が高まるので、燃焼を改善でき、燃費の向上を実現できるとともに、最高温度および最高圧力を減少できるので、エンジンの熱負荷および機械負荷を軽減でき、エンジンの耐久性を向上できる。

図５に示すように、従来技術のインタークーラ１０Ｘは、過給機７のコンプレッサ７ａからの吸気Ａｉを流入させる流入側ヘッダ１２と、冷却された吸気Ａｉを吸気マニホールド３に流出させる流出側ヘッダ１３と、この間に設けられた複数の放熱チューブ１１Ｘと、この放熱チューブ１１Ｘの積層構造（熱交換用のコア）で外気が通過する放熱チューブ１１Ｘの間の隙間Ｓに配置された外部フィン１４を有して構成されている。

また、インタークーラのコンパクト化に際して、伝熱効率を高めるために、放熱チューブの内部において、放熱チューブの平行な壁面の間に、この壁面（伝熱板）に対して傾斜した互いに平行な傾斜フィン部（内部フィン）を設けて、この傾斜フィン部で放熱チューブの奥行き方向を区分して、流通セルを形成したコルゲートフィン式熱交換器が提案されている（例えば、特許文献１参照）。

この空冷式のインタークーラに関しては、放熱チューブの間における偏流を軽減し、チューブ位置による温度分布の差を低減して熱応力の影響を防止するために、入口側のヘッダー本体の開口部の中央部より少し上方の部位の近傍の外側面部に、内部に向けて突出する断面Ｖ字状の凸状部を形成し、入口パイプ部から流入した圧縮空気を凸状部で上下に分散させるようにした車両用エンジンのインタークーラも提案されている（例えば、特許文献２参照）。

しかしながら、インタークーラにおいては、圧力損失や放熱チューブ相互間における流れの均一化だけでなく、各放熱チェーブ内における流れの均一化による放熱量の増加やインタークーラの軽量小型化も重要な課題となっている。

特開２０００−２７４２５１号公報特開２０１０−２２３５０８号公報

これに関連して、本発明者らは、インタークーラの放熱チューブ内における、外気の通過方向である奥行方向に関しての流れに注目して、その流れ分布を検討したところ、図５に示すように、流入側ヘッダ１２から流入してくる吸気Ａｉの流れは、インタークーラ１０Ｘの形状に起因して、外気Ａｏの通過方向（Ｘ方向）に関して前側では早い流速Ｖｆとなり、後側では遅い流速Ｖｒとなっており、吸気Ａｉの放熱効果は放熱チューブ１１Ｘの前側が大きく、後側が小さいとの知見を得た。

本発明は、上記のことを鑑みてなされたものであり、その目的は、伝熱チューブの内部の奥行方向の流れの均一化を図ることができ、これにより、冷却性能を向上でき、過給機付エンジンのインタークーラ等に使用することができるコルゲートフィン式熱交換器を提供することにある。

上記の目的を達成するための本発明のコルゲートフィン式熱交換器は、第１流体をその内部に流通させる扁平形状の複数の伝熱チューブを第２流体が通過する隙間を設けて積層して、該隙間に外部フィンを設けると共に、前記伝熱チューブの内部に内部フィンを設けて、前記伝熱チューブの壁面と前記内部フィンと前記外部フィンを介して第１流体と第２流体との間で熱交換するコルゲートフィン式熱交換器において、前記伝熱チューブを、第１流体の通過方向に延在して積層される上下壁面と、前記上下壁面に第２流体の通過方向の流入側および流出側で接続される側壁面とで構成し、前記伝熱チューブ内に、前記内部フィンと前記上下壁面とで区画される内部流通セルと、前記内部フィンと前記側壁面とで区画される側部流通セルとを形成し、前記内部流通セルに関して、第１流体の流速が第２流体の通過方向で均一化するように、第１流体の流れに対する前記内部フィンによる抵抗を、前記内部流通セルに関して、第２流体の通過方向の流入側で大きく、第２流体の通過方向の流出側で小さくして、前記内部フィンを構成するとともに、前記複数の伝熱チューブは、少なくとも、第１流体の流入側の端部に接続される流入側ヘッダの吸気通路の取付位置に設けられた第１伝熱チューブと、前記第１伝熱チューブよりも前記伝熱チューブの積層方向において遠い位置に設けられた第２伝熱チューブと、を含み、前記第２伝熱チューブの第２流体の流入側の前記内部フィンによる流通抵抗と第２流体の流出側の前記内部フィンによる流通抵抗との差は、前記第１伝熱チューブの第２流体の流入側の前記内部フィンによる流通抵抗と第２流体の流出側の前記内部フィンによる流通抵抗との差よりも小さいことを特徴とする。

この構成によれば、伝熱チューブにおいて、第２流体の流入側の内部フィンによる抵抗を大きくしたので、流速が減少する一方で、第２流体の流出側の内部フィンによる抵抗を小さくしたので、流速が増加することになる。

これにより、第１流体の伝熱チューブの内部における奥行方向、即ち、第２流体の通過方向の流れを均一化して、奥行方向の流速分布における流速の均等化を図ることができるので、熱交換器の奥行方向全体としての伝熱効率を向上することができる。

上記のコルゲートフィン式熱交換器において、前記内部フィンの抵抗を、第２流体の通過方向に関して、段階的又は連続的に変化させて構成すると、より極め細かく流れの均一化を図ることができる。

また、上記のコルゲートフィン式熱交換器において、前記内部フィンのピッチを第２流体の通過方向に関して第２流体の流入側を密に第２流体の流出側を疎にすることで、第１流体の流れに対する前記内部フィンによる抵抗を変化させて構成する。

この構成によれば、伝熱チューブにおいて、第２流体の流入側の内部フィンのピッチを密にしたので、この内部フィンで区切られた流通セルの流通断面積が小さくなり、この流通セルを通過する第１流体の流通抵抗（第１流体が流通セル内を流れる時に受ける抵抗）が増加して流速が減少する一方で、第２流体の流出側の内部フィンのピッチを疎にしたので、この内部フィンで区切られた流通セルの流通断面積が大きくなり、この流通セルを通過する第１流体の流通抵抗が減少して流速が増加することになる。

上記のコルゲートフィン式熱交換器において、前記コルゲートフィン式熱交換器が過給機付エンジンのインタークーラであり、第１流体が吸気であり、第２流体が外気であるとすると、軽量小型で、高い冷却性能を持つインタークーラを提供できる。

本発明のコルゲートフィン式熱交換器によれば、伝熱チューブの内部の奥行方向の流れの均一化を図ることができ、これにより、冷却性能を向上できる。従って、このコルゲートフィン式熱交換器を過給機付エンジンのインタークーラに使用する場合には、吸気効率を改善して、エンジンの性能の向上を図ることができる。

本発明に係る実施の形態のインタークーラの構成を示す図である。内部フィンのピッチを変更した伝熱チューブの構成を示す図である。内部フィンの形状を変更した伝熱チューブの構成を示す図である。内燃機関におけるインタークーラの配置の例を示す図である。従来技術のインタークーラの構成を示す図である。

以下、本発明に係る実施の形態のコルゲートフィン式熱交換器について、図面を参照しながら説明する。ここでは、過給機付エンジンのインタークーラを例にして説明するが、本発明は、このインタークーラに限定されることなく、その他のコルゲートフィン式熱交換器に適用することができる。なお、ここの図面では、吸気絞り弁やＥＧＲ通路や排気絞り弁や排気ガス後処理装置などの、エンジン１に備わっているが、本発明の説明で必要としない機器類などは、図示を省いている。

最初に、本発明の実施の形態のコルゲート式熱交換器が配置されるエンジンについて説明する。図４に示すように、このエンジン１においては、エンジン本体２に吸気マニホールド３と吸気通路４、及び、排気マニホールド５と排気通路６が設けられている。この排気通路６には排気ガスＧで駆動されるターボ式過給機７のタービン７ｂが設けられ、このタービン７ｂに連結されたコンプレッサ７ａが吸気通路４に設けられている。そして、本発明の実施の形態のコルゲートフィン式熱交換器であるインタークーラ１０は、コンプレッサ７ａと吸気マニホールド３との間に配設される。

図１に示すように、インタークーラ１０は、第１流体である吸気Ａｉをその内部に流通させる扁平形状の複数の放熱チューブ（伝熱チューブ）１１を第２流体である外気Ａｏが通過する隙間Ｓを設けて積層し、この隙間Ｓに外部フィン１４を設けると共に、放熱チューブ１１の内部に内部フィン１５を設けて、放熱チューブ１１の壁面１１ｓと内部フィン１５と外部フィン１４を介して吸気Ａｉと外気Ａｏとの間で熱交換する。なお、図１では、図面の煩雑さを考えて、内部フィン１５を示す長手方向（吸気Ａｉの流通方向）の点線を省略している。

本発明においては、更に、吸気Ａｉの流れに対する内部フィン１５による抵抗が、外気Ａｏの通過方向（Ｘ方向）に関して外気Ａｏの流入側（前側）が大きく、外気Ａｏの流出側(後側)が小さくなるように構成する。

つまり、放熱チューブ１１において、外気Ａｏの流入側の内部フィン１５による抵抗を大きくしたので、流速Ｖが減少する一方で、外気Ａｏの流出側の内部フィン１５による抵抗を小さくしたので、流速Ｖが増加する。これにより、吸気Ａｉの放熱チューブ１１の内部における奥行方向、即ち、外気Ａｏの通過方向の流れを均一化して、奥行方向の流速分布における流速Ｖの均等化を図ることができるので、熱交換器の奥行方向全体としての伝熱効率を向上することができる。

また、この内部フィン１５の抵抗を、外気Ａｏの通過方向に関して、段階的又は連続的に変化させて構成すると、より極め細かく流れの均一化を図ることができるので、より好ましい。

つまり、図５に示すような従来技術におけるインタークーラ１０Ｘでは、放熱チューブ１１Ｘの内部の前側は、吸気Ａｉの流速Ｖｆが早く、かつ、放熱チューブ１１Ｘからの放熱を受ける以前の温度が低い初期状態の外気Ａｏに放熱するので放熱効率がよい。一方、放熱チューブ１１Ｘの内部の後側は、吸気Ａｉの流速Ｖｒが遅く、かつ、熱交換がある程度進んで昇温している状態の外気Ａｏに放熱するので放熱効率が悪くなっている。

そこで、本発明では、図１に示すように、放熱チューブ１１の内部の流れにおいて、奥行き方向に流れを均等化して、放熱チューブ１１全体として放熱効率を上げる。

より具体的には、図２に示すように、内部フィン１５の間の間隔の大きさであるピッチＰｉを外気Ａｏの通過方向に関して外気Ａｏの流入側を密に外気Ａｏの流出側を疎にすることで、吸気Ａｉの流れに対する内部フィン１５による抵抗を変化させる。つまり、流入側のピッチＰｆが流出側のピッチＰｒよりも小さくなるようにする。

これによれば、放熱チューブ１１において、外気Ａｏの流入側の内部フィン１５のピッチＰｆを密にしたので、この内部フィン１５で区切られた流通セル１６の流通断面積が小さくなり、この流通セル１６を通過する吸気Ａｉの流通抵抗（吸気Ａｉが流通セル１６内を流れる時に受ける抵抗）が増加して流速Ｖが減少する一方で、外気Ａｏの流出側の内部フィン１５のピッチＰｒを疎にしたので、この内部フィン１５で区切られた流通セル１６の流通断面積が大きくなり、この流通セル１６を通過する吸気Ａｉの流通抵抗が減少して流速Ｖが増加することになる。

あるいは、図３に示すように、内部フィン１５の形状を外気Ａｏの通過方向に関して外気Ａｏの流入側と流出側とで変化させることで、吸気Ａｉの流れに対する内部フィン１５による抵抗を変化させて構成する。

これによれば、放熱チューブ１１において、内部フィン１５の形状を変化させることで、例えば、吸気Ａｉと接する内部フィン１５の面積が変化するように、吸気Ａｉの流れに垂直な断面における内部フィン１５の形状を変化させることで、内部フィン１５のピッチＰｉを変更することなく、容易に流通抵抗を変化することができ、放熱チューブ１１の内部の奥行方向の流速分布を均一化できる。

また、図２の最先端の流通セル１６に抵抗増加部材１７を追加挿入したように、上記の内部フィン１５のピッチＰｉの変化や形状変化に加えて、流通セル１６に抵抗増加部材１７を追加挿入して、流通セル１６の流通抵抗を変化させてもよく、上記の内部フィン１５のピッチＰｉの変化や形状変化をすることなく、流通セル１６に抵抗が異なる抵抗増加部材１７を挿入して、流通セル１６の流通抵抗を変化させてもよい。なお、この抵抗増加部材１７は内部フィン１５や壁面１１ｓとの接触部分を多くして、吸気Ａｉの熱を抵抗増加部材１７、内部フィン１５若しくは壁面１１ｓを経由して外気Ａｏに逃すことが好ましく、これにより、インタークーラ１０の放熱効率を向上させることができる。

なお、放熱チューブ１１の内部の内部フィン１５のピッチＰｉの変化や形状の変化の加工、及び、抵抗増加部材１７の加工は、内部フィン１５を放熱チューブ１１の内部に挿入する前の加工で容易に行うことができる。

また、通常は、インタークーラ１０に備えられた放熱チューブ１１の全部を、この奥行に関して吸気Ａｉの流れが均一になるように、吸気Ａｉの流れに対する内部フィン１５による抵抗が、外気Ａｏの通過方向（Ｘ方向）に関して外気Ａｏの流入側（前側）が大きく、外気Ａｏの流出側(後側)が小さくなるように構成した放熱チューブ１１とするが、流入側ヘッダ１２への吸気通路４の取付位置等によって、放熱チューブ１１の奥行方向の流れの不均一の度合いが異なる場合もあるので、その場合は、流れが不均一になり易い吸気通路４の取付位置の近傍のみに、内部フィン１５による抵抗が変化するように構成し、この近傍部分から遠ざかるにつれて、放熱チューブ１１の内部における各流通セル１６の間での抵抗の変化が段階的若しくは連続的に小さくなるようにしてもよい。これにより、各放熱チューブ１１における極め細かな流れの均一化を図ることができる。

従って、本発明のインタークーラ１０によれば、放熱チューブ１１の内部の奥行方向の流れの均一化を図ることができ、これにより、冷却性能を向上できる。従って、このインタークーラ１０を使用することで、エンジン１の吸気効率を改善して、エンジン１の性能の向上を図ることができる。

１エンジン（内燃機関）
３吸気マニホールド
４吸気通路
７ａコンプレッサ
１０，１０Ｘインタークーラ（コルゲートフィン式熱交換器）
１１、１１Ｘ放熱チューブ（伝熱チューブ）
１１ｓ放熱チューブの壁面
１２流入側ヘッダ
１３流出側ヘッダ
１４外部フィン
１５内部フィン
１６流通セル
１７抵抗増加部材
Ａｉ吸気（第１流体）
Ａｏ外気（第２流体）
Ｇ排気ガス

Claims

第１流体をその内部に流通させる扁平形状の複数の伝熱チューブを第２流体が通過する隙間を設けて積層して、該隙間に外部フィンを設けると共に、前記伝熱チューブの内部に内部フィンを設けて、前記伝熱チューブの壁面と前記内部フィンと前記外部フィンを介して第１流体と第２流体との間で熱交換するコルゲートフィン式熱交換器において、
前記伝熱チューブを、第１流体の通過方向に延在して積層される上下壁面と、前記上下壁面に第２流体の通過方向の流入側および流出側で接続される側壁面とで構成し、
前記伝熱チューブ内に、前記内部フィンと前記上下壁面とで区画される内部流通セルと、前記内部フィンと前記側壁面とで区画される側部流通セルとを形成し、
前記内部流通セルに関して、第１流体の流速が第２流体の通過方向で均一化するように、第１流体の流れに対する前記内部フィンによる抵抗を、前記内部流通セルに関して、第２流体の通過方向の流入側で大きく、第２流体の通過方向の流出側で小さくして、前記内部フィンを構成するとともに、
前記複数の伝熱チューブは、少なくとも、第１流体の流入側の端部に接続される流入側ヘッダの吸気通路の取付位置に設けられた第１伝熱チューブと、前記第１伝熱チューブよりも前記伝熱チューブの積層方向において遠い位置に設けられた第２伝熱チューブと、を含み、
前記第２伝熱チューブの第２流体の流入側の前記内部フィンによる流通抵抗と第２流体の流出側の前記内部フィンによる流通抵抗との差は、前記第１伝熱チューブの第２流体の流入側の前記内部フィンによる流通抵抗と第２流体の流出側の前記内部フィンによる流通抵抗との差よりも小さいことを特徴とするコルゲートフィン式熱交換器。
前記内部フィンの抵抗を、第２流体の通過方向に関して、段階的又は連続的に変化させて構成したことを特徴とする請求項１に記載のコルゲートフィン式熱交換器。
前記内部フィンのピッチを第２流体の通過方向に関して第２流体の流入側を密に第２流体の流出側を疎にすることで、第１流体の流れに対する前記内部フィンによる抵抗を変化させて構成したことを特徴とする請求項１又は２に記載のコルゲートフィン式熱交換器。
前記コルゲートフィン式熱交換器が過給器付エンジンのインタークーラであり、第１流体が吸気であり、第２流体が外気であることを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載のコルゲートフィン式熱交換器。