JP6548324B2 - 熱交換器のインナーフィン - Google Patents

Description

本発明は、ＥＧＲクーラ等の熱交換器に内装され、排気ガス等の熱交換を促進するインナーフィンに関する。

さて、従来より、熱交換器として排気ガスの一部を還流してエンジンの吸気系に戻し、窒素酸化物の発生を低減させるＥＧＲ装置の開発が行われている。このＥＧＲ装置は、排気ガスを冷却するためにＥＧＲクーラが設けられ、ＥＧＲクーラは車両のエンジンの排気系と吸気系との間に取り付けられる。

ＥＧＲクーラとしてプレートチューブタイプのものは、筒体として形成したシェルに多数の扁平なプレートチューブを挿設し、チューブ内を流れる排気ガスとチューブ外を流れる冷却水との熱交換を行う。
このチューブは、押し出し、ロール成形等により中空に成形し、または上下に２分割した部材からなる扁平なチューブ本体に、インナーフィンを挿入し、チューブ本体とインナーフィンとをろう付けしたものを使用する。

従来、例えば特許文献１には排気ガス用熱交換器のインナーフィンが開示されており、これは扁平チューブに内蔵されるインナーフィンにおいて、インナーフィンを形成する薄板材を、扁平チューブの対向する両内壁面に各屈折頂部が交互に当接する蛇行形状に形成し、仕切り壁間に排気ガス流路が形成される第１のコルゲート形状と、蛇腹構造の壁面を形成する第２のコルゲート形状とを有するものである。これは、所謂ウェイビーフィンであり、オフセットフィンよりも煤が詰まりにくいインナーフィンである。

また、特許文献２には、扁平チューブ内に多数のフィンが固定され、フィンは気体の流通方向の断面が波形となる多数のＶ字条部が曲折された熱交換器の記載があり、これは、Ｖ字を構成する一対の傾斜条部の一方がプラス側にα角度傾斜して配置され、他方がマイナス側にβ角度傾斜して配置され、両傾斜条部が非対称角に配置されたものである。これにより、各フィンのセグメント内の対角線上に大渦流と小渦流が形成され、フィンの谷部等の粒子状物質を効果的に吹き飛ばすというものである。

特許文献３に示す排気熱交換器のインナーフィンは、排気ガスの流れ方向から見たとき、切り起こし部による波形状部分が隣接する波形状部分に対してオフセットしているオフセットフィンであり、これは、チューブの内部を複数の流路に分割する壁部が、排気ガスの流れ方向に沿って、千鳥状に配置され、排気流れ方向で隣接する凸部同士は、ずれて配置される形状である。

特許文献４に示す熱交換器のフィンは、排気通路を複数のセグメントに分割し、各セグメントは、排気流れ方向及びチューブ積層方向の直交方向に凹凸状を繰り返すとともに、排気流れ方向に沿って所定長さ毎に交互にずらしたオフセット形状に形成されたものであり、各セグメントを構成する水平壁は複数の突出板を切り起こして形成されるというものである。

特開２００８−０９６０４８号公報 特許第５５５８２０６号公報 特許第４２４０１３６号公報 特開２０１４−２２４６６９号公報

さて、引用文献１のインナーフィンのようなウェイビーフィンは、蛇行状の屈折部位の排気ガスの流れ方向に対する流路断面積が上流の流路断面積よりも大きくなり、これが蛇行周期毎に繰り返されるため、流路断面積が大きい部位では排気ガスの流速が低下し、冷却水との熱交換量が低減するという問題があった。

また、一般にウェイビーフィンでは上下方向への流れが発生しにくい。通常インナーフィンは、扁平なチューブに内装されているため、チューブの板面に近い場所では熱交換が活発であるが温度境界層の発達により、チューブの板面から離れるに従って熱交換効率が低下する。特に、インナーフィンの主な材料であるステンレス材は、熱伝導率が低いため、フィンの上下寸法（チューブ縦幅）が大きくなるにつれて、熱交換効率の低下が問題となっていた。

引用文献２のフィンは、アンダーカット部があるため加工工程が増え、また加工時（折り曲げ）にアンダーカット部を押えられないことから寸法精度が低下する等の問題があった。また、ロール成形（折り曲げ）では、特にフィンの頂部等の平面（ろう付け部位）を精度よく成形できないため、チューブとの接触部が線接合に近いものとなり、ろう付けの品質低下及び強度が低下する原因でもあった。

また、引用文献３のインナーフィン、及び引用文献４のフィンはともにオフセットフィンであり、このフィンはオフセットの切れ目にガスが当たって乱流を発生させ、またガス側濡れ面積により放熱量を向上させる効果がある。しかし、これらフィンをＥＧＲクーラ等、排気ガスの熱交換などＰＭ（粒子状物質）の多い環境で用いた場合、このＰＭがオフセットの切れ目（前縁）に当たって堆積し、熱抵抗となって熱交換性能の劣化をまねくという問題がある。

また、図１０に示すように、ウェイビーフィン５０では流路が左右に蛇行（凸状凹状を繰り返し）する形状であるが、この場合、排気ガス５１が凸状の部位５２を越えることで続く凹状の部位５４には戻り方向の渦（戻り渦５６）が発生し、この戻り渦５６によりガスに含まれる煤等が滞留し堆積するという問題があった。

上記からすれば、従来のインナーフィンの課題としては、ガスの流れ（上下方向等）を活発化し、特にチューブに近い箇所での熱交換を増強させる点（熱交換効率の向上）、加えて煤、ＰＭ等の堆積を防止する点（熱抵抗低減、耐久性向上）にある。
また近年、排気ガス規制の厳格化に対応するために、車両に搭載するＥＧＲクーラや他の熱交換器には、さらに高い放熱性能、またガス圧損の低下、煤詰まりの防止等が求められている。

本発明は上記問題点に鑑みてなされたものであり、ガスの流動を活発化して熱交換性能を高め、且つ煤詰まりを防止して耐久性にも優れ、加えて生産性の高い熱交換器のインナーフィンを提供することを課題とする。

以上の技術的課題を解決するため、本発明に係る熱交換器のインナーフィンは、図１，２等に示すように、上板部６と下板部８間が扁平なチューブ４に内挿され、ガスの熱交換を行うインナーフィン２において、板材を、上記チューブの上板部６に接する天部１０と、上記下板部８に接する底部１２と、これらの間を仕切る壁板部１４とからなり、向い合う一対の上記壁板部により、上記ガスの流路として断面が凹状の流路及び逆凹状の流路を交互に繰り返し形成し、上記各流路の壁板部１４を、左右に蛇行状に屈曲して張出部２０及び窪み部２２が交互に繰り返し形成される形状とし、上記壁板部の窪み部２２に、この壁板部と向い合う壁板部方向に膨出し、かつ基部２７から頂部２５に至る上り斜面部２８、及び上記頂部２５から隣の基部２７に下る下り斜面部２９からなる山形部２４を形成した、構成である。

本発明に係る熱交換器のインナーフィンは、図９等に示すように、上板部と下板部間が扁平なチューブ４に内挿され、ガスの熱交換を行うインナーフィン５において、板材を、上記チューブ４の上板部６に接する天部１０と、上記下板部８に接する底部１２と、これらの間を仕切る壁板部１４とからなり、向い合う一対の上記壁板部により、上記ガスの流路として断面が凹状の流路及び逆凹状の流路を交互に繰り返し形成し、上記各流路の壁板部を、左右に蛇行状に屈曲して張出部２０及び窪み部２２が交互に繰り返し形成される形状とし、上記壁板部の窪み部２２に、この壁板部と向い合う壁板部方向に膨出し、かつ基部２７から頂部２５に至る上り斜面部２８を形成した、構成である。

ここで、上記断面が凹状の流路とは、流路の幅が底部に向かうに従って狭くなるＶ字状の流路或いは天部と底部の流路の幅が略一定のＵ字状の流路、また上記断面が逆凹状の流路とは、流路の幅が天部に向かうに従って狭くなる逆Ｖ字状の流路或いは逆Ｕ字状の流路を含む概念である。

本発明に係る熱交換器のインナーフィンは、上記壁板部の張出部に、上記山形部２４の頂部から基部に下る下り斜面部２９と、この山形部に隣接し同様に形成される他の山形部の上り斜面部２８とからなる谷形部２６を形成し、上記壁板部の窪み部２２に形成される山形部２４に対して、この壁板部と向い合う他の壁板部の張出部２０に上記谷形部２６を形成し、上記壁板部の張出部２０に形成される谷形部２６に対して、上記他の壁板部の窪み部２２に上記山形部２４を形成した、構成である。

また、本発明に係る熱交換器のインナーフィンは、上記凹状の流路又は上記逆凹状の流路の各断面積を、それぞれ一定とした構成である。

本発明に係る熱交換器のインナーフィンは、上記凹状の流路をＶ字状、上記逆凹状の流路を逆Ｖ字状にそれぞれ形成した構成である。
ここで、上記Ｖ字状とは、流路の幅が底部１２に向かうに従って狭くなる流路（Ｖ字形状、逆台形状等を含む）、また逆Ｖ字状の流路１８は、流路の幅が天部１０に向かうに従って狭くなる流路（逆Ｖ字状、台形状等を含む）をいう。

また、本発明に係る熱交換器のインナーフィンは、上記天部１０と底部１２間の間隔（Ｒ）に対して、この天部１０と上記上り斜面部２８の頂部２５間の間隔（Ｐ）の比率（Ｐ／Ｒ）を０．４以下、好ましくは０．１〜０．４の範囲とした構成である。

本発明に係る熱交換器のインナーフィンは、上記壁板部の上り斜面部２８につき、この上り斜面部の勾配（α）を１５°〜６０°、好ましくは３０°〜５０°の範囲とした構成である。

また、本発明に係る熱交換器のインナーフィンは、上記壁板部の上り斜面部２８の頂部２５を形成する角度につき、向いの壁板部方向に向かって傾斜する傾斜角度（β）を、０°〜７５°、好ましくは３０°〜６０°、より好ましくは３５°〜５０°の範囲とした構成である。

本発明に係る熱交換器のインナーフィンによれば、壁板部の窪み部に、この壁板部と向い合う壁板部方向に膨出し、かつ基部から頂部に至る上り斜面部、及び頂部から隣の基部に下る下り斜面部からなる山形部を形成した、構成を採用したから、インナーフィンの特にチューブに近い箇所の熱交換が高められ、全体的にも熱交換が促進され、また長期間にわたって高い放熱性能を維持することができるという効果を奏する。

本発明に係る熱交換器のインナーフィンによれば、壁板部の窪み部に、この壁板部と向い合う壁板部方向に膨出し、かつ基部から頂部に至る上り斜面部を形成した、構成を採用したから、インナーフィンの特にチューブに近い箇所の熱交換が高められ、全体的にも熱交換が促進され、また長期間にわたって高い放熱性能を維持することができるという効果を奏する。

本発明に係る熱交換器のインナーフィンによれば、壁板部の張出部に谷形部を形成し、壁板部の窪み部に形成される山形部に対して、向い合う他の壁板部の張出部に谷形部を形成し窪み部に山形部を形成した、構成を採用したから、上記効果に加えてガスの流通の方向性がなく、このため製造時の誤組付けがなくなり、作業性及び生産性にも寄与するという効果がある。

本発明に係る熱交換器のインナーフィンによれば、凹状の流路又は逆凹状の流路の各断面積を、それぞれ一定としたから、ガス圧損が抑えられ、ガスの流れが良くなって熱交換効率が高められ、また流速が変化（遅くなる）することにより生じる吹き溜まり等の発生が抑えられ、排気ガス等の熱交換を行う場合には煤やＰＭの堆積等の虞もなくなるという効果がある。

実施の形態に係るインナーフィンを示す斜視図である。 同インナーフィンをチューブに挿設した状態を示す図である。 同インナーフィンの（ａ）は平面、（ｂ）は正面、（ｃ）は側面を示す図である。 同インナーフィンを示す図で、（ａ）は平面、（ｂ）は正面、（ｃ）はＣ−Ｃ断面、（ｄ）はＤ−Ｄ断面、（ｅ）はＢ−Ｂ断面を示す図である。 同インナーフィンを示す図で、（ａ）は平面、（ｂ）はＡ−Ａ断面、（ｃ）はＢ−Ｂ断面を示す図である。 同インナーフィンを示す図で、（ａ）は平面、（ｂ）は平面の各部位（Ａ〜Ｆ）における断面を示す図、（ｃ）は一断面における説明図である。 インナーフィンを挿設したチューブをＥＧＲ用の熱交換器に内設した状態を示す説明図（ａ）、（ｂ）、（ｃ）である。 同インナーフィンにおける排気ガスの流れの説明図であり、（ａ）はフィンの部分斜視図における流れを示し、（ｂ）はフィンの部分断面における流れを示す。 他の形態に係るインナーフィンを示す斜視図である。 従来のインナーフィンに係る説明図である。

以下、本発明の実施の形態を図面に基づいて説明する。
図１，２に示すように、この実施の形態に係るインナーフィン２（以下、フィン２という）は、車両に搭載される熱交換器としてのＥＧＲクーラにおいて、排気ガス３を通過させる扁平なチューブ４に内挿して使用される。チューブ４は、それぞれ平板状の上板部６及び下板部８と、これら上下板部の左右の側板部９とを有する。チューブ４に挿設されたフィン２により、小区分に分割された多数の排気ガス３の流路を形成している。

ＥＧＲクーラの内部には、多数のチューブ４を所定の間隔で積層しており、チューブ４内を通過する排気ガス３から、チューブ４の外側を流れる冷媒（冷却水など）への放熱が行われる。
上記フィン２は、一枚のＳＵＳ（ステンレス鋼）製の板材をプレス成形等により屈曲加工して得たものである。また、チューブ４も同様にＳＵＳ製である。なお、フィン２及びチューブ４の材料として、他には腐食に強い材料が良く、金属ではアルミニウム等の軽金属を用いることができる。

図３，４にも示すように、フィン２は、チューブ４の上板部６に当接（ろう付け）する天部１０と、下板部８に当接（ろう付け）する底部１２と、これらの間を所定のピッチで仕切る左右一対の壁板部１４とを有している。また、各一対の壁板部１４間には、排気ガス３の流通方向に対する断面（垂直）がＶ字状及び逆Ｖ字状に交互に繰返される形状の、Ｖ字状の流路１６及び逆Ｖ字状の流路１８が形成されている。
このＶ字状の流路１６は、流路の幅が底部１２に向かうに従って狭くなる流路、また逆Ｖ字状の流路１８は、流路の幅が天部１０に向かうに従って狭くなる流路をいう。ここでは、例えば、Ｖ字状の流路１６については、隣り合う天部１０間の幅に対して、底部１２の幅は、比率で４：１程度としており、逆Ｖ字状の流路１８は逆に、天部１０の幅に対して、隣り合う底部１２間の幅は、比率で１：４程度としている。

以下、便宜上、フィン２については、これを水平に置いた状態（図１等）に基づいて説明を行ない、排気ガス３の主要な流れを水平方向（蛇行有り）とし、フィン２の排気ガス３の流入口１９が並ぶ方向を左右（方向）又は横（方向）、流入口１９の側をフィン２の前部とし、またフィン２の高さ（厚さ）方向を上下（方向）という。

さて、フィン２の天部１０は、一定の狭い幅の面が細長く形成された形状であり、底部１２についても同様である。また、フィン２の天部１０と底部１２とは、それぞれ共に左右に蛇行しウエーブ状に成形された形状である。これら天部１０及び底部１２の蛇行形状に合わせて、壁板部１４についても同様な蛇行形状に形成され、壁板部１４同士の間に形成される排気ガス３の主要な流路も左右に蛇行した形態である。

そしてフィン２は、壁板部１４を左右に蛇行状に屈曲し、流路に対して横から張り出す形状の張出部２０及び、流路に対して横に窪む形状の窪み部２２が繰り返し連続するウエーブ状に成形されている。このように、張出部２０及び窪み部２２とは、例えば一のＶ字状の流路１６の左右の壁板部１４の形状であって、この流路から見て、それぞれ張り出した形状の部位及び窪んだ形状の部位のことをいう。
このため、上記流路の任意の一の壁板部１４の窪み部２２に対して、この一の壁板部と向い合う他の壁板部１４（真向い）には張出部２０が形成され、上記一の壁板部１４の張出部２０に対して、上記他の壁板部１４（真向い）には窪み部２２が形成されることになる。
上記壁板部１４の形状（張出部２０、窪み部２２）により、排気ガス３の主流は、フィン２のＶ字状の流路１６（逆Ｖ字状の流路１８も同様）を通過するときに左右に蛇行する流れとなるが、このとき同時に、排気ガス３の流れが張出部２０を越えることで、これに続く窪み部２２の近傍に負圧の領域が発生する。

一方、図４に示すように、フィン２のＶ字状の流路１６を形成する一の壁板部１４の上記窪み部２２には、この部位と対向する他の壁板部１４方向に膨出形成された山形部２４が設けられている。この山形部２４は、基部２７から頂部２５に至る上り斜面部２８、及び頂部２５から隣の基部２７に至る下り斜面部２９からなる形状である。
上記基部２７はフィン２の底部１２より少し高い位置に、また上記頂部２５はフィン２の天部１０より少し低い位置にそれぞれ配置、形成される。
また、上記一の壁板部１４の張出部２０には、この部位と対向する他の壁板部１４方向に膨出形成された谷形部２６が設けられている。この谷形部２６は、上記山形部２４を形成する下り斜面部２９、基部２７、及びこの山形部２４に隣接し同様に形成される他の山形部２４の上り斜面部２８からなる形状である。

また、山形部２４は左右対称形状として、上り斜面部２８と下り斜面部２９とは頂部２５からの垂線に対して対称に形成されている。そして、壁板部１４に沿って窪み部２２には山形部２４が、また張出部２０には谷形部２６が、それぞれ交互に繰り返す形状に形成されている。
このように、上記フィン２では、壁板部１４の窪み部２２、ここは上記負圧が発生する領域であるが、この窪み部２２に上記山形部２４を形成した構成を採用している。
上記山形部２４及び谷形部２６は、上記他の壁板部１４についても同様に形成されている。

そして、上記他の壁板部１４には、上記一の壁板部１４の山形部２４と対向する部位に谷形部２６が形成され、また一の壁板部１４の谷形部２６と対向する部位に山形部２４が形成され、これら山形部２４と谷形部２６とが交互に繰り返す形状に形成されている。
他のＶ字状の流路１６についても、両壁板部１４の形状は上記一の壁板部１４及び他の壁板部１４と同様である。また、逆Ｖ字状の流路１８についても、これを上下逆に見た場合、上記Ｖ字状の流路１６と同一形状であり壁板部１４の形状も同様である。

上記フィン２の具体的な形状（山形部２４及び流路等）につき、図４の記載に基づいて説明する。また、フィンの形状を部分的に変えた場合の特性の変化を調べる為、フィン２の各形状に関し、その場合の放熱量（Ｑ）及び流路の圧力損失（ΔＰ）についての社内試験を行ったので、この結果を踏まえ、各形状の好ましい範囲等について規定した。
先ず、フィン２の壁板部１４に形成される山形部２４の配置位置に関しては、フィン２の天部１０と底部１２間の間隔（Ｒ）に対し、この天部１０と山形部２４の頂部２５間の間隔（Ｐ）との比率（Ｐ／Ｒ）を、ここでは０．２とした。上記間隔（Ｐ）は、底部１２と谷形部２６（裏面、山形部２４）の基部２７（裏面、頂部２５）間の間隔でもある。
上記比率（Ｐ／Ｒ）は、０．４以下、好ましくは０．１〜０．４、より好ましくは０．１〜０．３５の範囲が良好である。これは試験結果によれば、上記範囲内では大きな圧力損失（ΔＰ）が見られないためである。上記比率（Ｐ／Ｒ）の範囲において、下記上昇流及び螺旋渦流が良好に発生する。

また、図４（ｄ）に示すように、山形部２４の上り斜面部２８の勾配（α）は、１５°〜６０°、好ましくは３０°〜５０°の範囲において、良好な流れの上昇流が発生する。
さらに、図４（ｅ）に示すように、山形部２４は壁板部１４を膨出形成した形状であるが、この膨出に係る角度に関し、山形部２４の頂部２５（上端部）から向いの壁板部１４方向に向かって傾斜する傾斜角度（β：水平線に対する角度）については、０°〜７５°、好ましくは３０°〜６０°、より好ましくは３５°〜５０°の範囲において、流れの良い上昇流が発生する。これは試験結果によれば、上記範囲で高い放熱量（Ｑ）が維持される一方、圧力損失（ΔＰ）の上昇も抑えられるためである。

フィン２のＶ字状の流路１６について、この流路の幅は隣り合う天部１０間が最大であるが、天部１０間の幅（Ｗ）に対して、山形部２４の膨出幅（Ｘ）を、ここでは１／３程度（Ｘ＝Ｗ／３）とした。フィン２の逆Ｖ字状の流路１８についても同様である。この流路に対する膨出幅は、フィン２の流路における左右のバランス等を考慮して定めた。
また、フィン２の左右に繰り返し蛇行する流路（Ｖ字状の流路１６及び逆Ｖ字状の流路１８）の周期に関し、この１周期の長さを５ｍｍ〜３０ｍｍ、好ましくは１０ｍｍ〜２０ｍｍとした。この長さは、フィン２自体の他の寸法によっても変わらない。これは、試験結果によれば、上記長さの範囲において、放熱量（Ｑ）の上昇に対して、比較的圧力損失（ΔＰ）の上昇が抑えられるためである。

ここで、上記放熱量（Ｑ）と圧力損失（ΔＰ）との関係において、従来品は、放熱量（Ｑ）を多くしようとすれば、同時に圧力損失（ΔＰ）が高くなるという所謂トレードオフの関係があった。しかし、上記フィン２に関しては、圧力損失（ΔＰ）を比較的低く抑えた状態であっても、高い放熱量（Ｑ）が得られ、このため放熱量（Ｑ）及び圧力損失（ΔＰ）がともに有利である、という優れた効果を得ることができた。

さらにフィン２では、図５（ａ）のＡ−Ａ断面を示す同図（ｂ）に示すように、フィン２のＶ字状の流路１６を形成する一の壁板部１４の窪み部２２に形成された山形部２４について、この壁板部１４の板の裏面には、このフィン２の上下を逆にし、逆Ｖ字状の流路１８をＶ字状の流路１６として見た場合、上記窪み部２２が逆の張出部（２０）となって、ここに谷形部（２６）が形成された形状である。
また、図５（ａ）のＢ−Ｂ断面を示す同図（ｃ）に示すように、上記一の壁板部１４の張出部２０に形成された谷形部２６について、この壁板部１４の板の裏面には、このフィン２の上下を逆にして見た場合、上記張出部２０が逆の窪み部（２２）となって、ここに山形部（２４）が形成された形状である。

このように、上記フィン２のＶ字状の流路１６の蛇行形状、及び左右の各壁板部１４に形成される山形部２４、谷形部２６の形状は、このフィン２の上下を逆にした場合のＶ字状の流路１６の形状と同じである。また、フィン２の天部１０及び底部１２は、このフィン２を逆にした場合には、それぞれ底部１２及び天部１０となる。
このため、フィン２は、上下を逆にしてもＶ字状の流路１６（逆Ｖ字状の流路１８）が逆Ｖ字状の流路１８（Ｖ字状の流路１６）に変わるのみで、外観形状は同じであり、上下の方向性はない。

また、排気ガス３の流路についても、Ｖ字状の流路１６及び逆Ｖ字状の流路１８は何れも壁板部１４が連続した流路であり、また、壁板部１４の蛇行形状による窪み部２２、張出部２０、これらにそれぞれ形成された山形部２４、谷形部２６の各形状についても、同一形状の周期が繰り返される形態であり、また山形部２４の頂部２５の中心を軸にした前後（流れ方向）の形状は対称であり、流路の方向性はない。

これは、フィン２の壁板部１４に形成される山形部２４については、排気ガス３の流れに対しては上り斜面部２８が上昇流を発生させるが、フィン２の前後を逆にした場合には、同山形部２４の下り斜面部２９であった箇所が逆に上り斜面部２８となり、排気ガス３の流れに対して上昇流を発生させる。このように、フィン２の前後方向（排気ガス３流通方向）についても方向性はなく、またフィン２の左右方向についても方向性はない。
上記フィン２に方向性をなくした場合、特にフィン２を組み付ける際など製造時に生じる誤組付けが防止でき、製造工程におけるフィン２の管理も容易となり、作業性及び生産性等が向上する。

図６は、フィン２の流路の各部位（Ａ〜Ｆ）の通気断面（流路方向に垂直な断面）に関し（同図（ａ））、同図（ｂ）は各部位（Ａ〜Ｆ）の断面図を示したものである。ここで、例えば断面図Ａは同図（ｃ）に示すように、ハッチングをした右部位（ｈ、ｉ）と、ハッチングをしていない左部位（ｊ、ｋ）に分けられる。ここで、左部位を１８０度回転（同一平面）させたとき、左部位は右部位と線（境界線）対称となる形状である。

このため、右部位（ｈ）と左部位（ｊ）とは同一（面積）となり、また右部位（ｉ）と左部位（ｋ）も同一（面積）となる。したがって、断面図Ａについて、Ｖ字状の流路１６と逆Ｖ字状の流路１８との両流路の断面積は同一であり、これは他の「Ｂ」〜「Ｆ」についても同様である。
即ち、フィン２のＶ字状の流路１６の流路の通気断面積（流路方向に垂直な断面の面積）は何れの箇所においても一定であり、これはフィン２の逆Ｖ字状の流路１８においても同様である。また、フィン２のＶ字状の流路１６と逆Ｖ字状の流路１８との各通気断面積についても同一である。このため、フィン２の流路（Ｖ字状の流路１６及び逆Ｖ字状の流路１８）は全て、通気断面積は一定である。

このように、フィン２の通気断面積を一定とすることで、流路に流れる排気ガス３の流量がどの部位においても一定し、排気ガス３の流れが良くなりガス圧損が抑えられる。また、フィン２の各流路における熱交換が良好に行われるため、熱交換器としての放熱量が高くなる。
さらに、排気ガス３の流速がフィン２のどの流路においても一定しているため、流速の変化（遅くなる等）によって生じる吹き溜まりの発生が抑えられ、煤の堆積等の虞もなくなる。また、フィン２は壁板部１４が何れの方向に対しても連続した形状であり、この点からしても煤の堆積等の虞がなく、耐久性にも優れる。

上記フィン２は、これをチューブ４に内挿し、天部１０及び底部１２をそれぞれチューブ４の内面にろう付けし、フィン２の天部１０をチューブ４の上板部６に接合し、フィン２の底部１２をチューブ４の下板部８に接合して使用する。
図７（ａ）〜（ｃ）は、フィン２が挿設されたチューブ４を熱交換器（ＥＧＲクーラ）に内設した状態を示したものである。上記チューブ４は、複数層（ここでは７層）に重ねた状態で、熱交換器の容器であるシェル３０内に配置される。シェル３０内のチューブ４は、各層毎に一定の隙間が設けられ、またシェル３０とチューブ４との間にも隙間が設けられ、各チューブ４間の上記隙間、及びシェル３０とチューブ４との間の隙間を冷媒（冷却水）が流通する。
排気ガス３は、シェル３０の前部に取り付けられるヘッダー３２から流入し、各チューブ４の流入口１９からフィン２の各流路を流通し、この間に冷却され、シェル３０の後部のヘッダーから流出される。また冷却水は、シェル３０と連通する水パイプ３４（入口用及び出口用）により供給される。

ここで、チューブ４に挿設されたフィン２の熱交換の機能について説明する。
上記熱交換器では、チューブ４の外周部を冷却水が通過し、またフィン２のＶ字状の流路１６及び逆Ｖ字状の流路１８を排気ガス３が流通し、排気ガス３を冷却する熱交換が行われる。
この場合、フィン２の壁板部１４の内、比較的チューブ４の上板部６或いは下板部８に近い箇所においては、冷却水により冷却されたチューブ４からの影響（熱伝達）を大きく受け、このため冷却水に近い低い温度が維持される一方、フィン２の壁板部１４の上下方向中央部の近傍は、チューブ４からの影響（熱伝達）が少なく温度も高まっている。
したがって、フィン２及びチューブ４による排気ガス３の冷却を考えた場合、フィン２の内、チューブ４に近い部位に多くの排気ガス３の流れを集め或いは集中させることが効率的である。これと併せて、チューブ４に近い部位に排気ガス３の流れを向けることが効果的である。

ここで、上記フィン２について、チューブ４に内装されたフィン２の周辺を流通する排気ガス３の流れについて説明する。
図８（ａ）は、フィン２のＶ字状の流路１６について、壁板部１４に形成した山形部２４近傍を流通する排気ガス３の流れを示すものである。ここで、フィン２の流路において、左右に蛇行して張出部２０及び窪み部２２の影響を受ける排気ガス３の流れを主流４０とし、フィン２の壁板部１４の山形部２４近傍を流れる流れを副流４２とする。

このとき、フィン２の主流４０の流れ（特に上下のチューブ４近傍）が、張出部２０を越えたときに負圧が発生する。そして、この張出部２０の先には窪み部２２があることからこの窪み部２２の領域が負圧となり、この負圧により窪み部２２の領域に流れが引っ張られる。したがって、主流４０は、左右に蛇行する流れが窪み部２２の負圧領域に引っ張られる状態で流れ、また副流４２についても同様に負圧により引っ張られる状態で流れる。
そして、上記副流４２の流れは、負圧が発生した窪み部２２の壁板部１４寄りに傾くことになる。このため、副流４２の流れは、壁板部１４の窪み部２２に形成された山形部２４の上り斜面部２８の影響を受け、この上り斜面部２８を上昇し、チューブ４の上板部６方向へと上向きに角度を変えた上昇流となる。

さらにこの副流４２は、上記窪み部２２の負圧領域を流れる主流４０と合流する。このとき、副流４２は比較的フィン２の壁板部１４の近傍（及びチューブ４の上板部６の近傍）を流れていることから、上記主流４０の回りを囲む流れとなり、これと合わせて主流４０も副流４２とともに旋回し、ともに流路の進行方向へ流れる螺旋渦流４４となる。この螺旋渦流４４は、フィン２の壁板部１４の内、山形部２４の頂部２５及びチューブ４の上板部６に近い範囲を渦巻く流れとなる。また、この壁板部１４と向かい合う他の壁板部１４についても同様な螺旋渦流４４が発生する。
以上は、フィン２のＶ字状の流路１６について説明したが、フィン２の逆Ｖ字状の流路１８についても、上記渦巻く流れは同じであり、同様に上記主流４０及び副流による螺旋渦流４４が発生し、チューブ４の下板部８に近い範囲を渦巻く流れとなる。

図８（ｂ）に示すように、上記螺旋渦流４４は、フィン２の壁板部１４の内、チューブ４の上下板部の近傍を旋回する流れとなる。そして、フィン２の壁板部１４において、特にチューブ４の上板部６又は下板部８に近い箇所は、チューブ４（冷却水により冷却）の影響（熱伝達）を大きく受けることから、この部位に螺旋渦流４４を発生させることは、冷却の効率が良く、排気ガス３の冷却が効果的に行える。

また、上記副流４２の一部は、負圧領域からチューブ４の上板部６へ向かう上昇流となっていることから、この上昇流が、フィン２の天部１０近傍を流通し、同時にチューブ４の上板部６近傍を流通する。逆Ｖ字状の流路１８についても同様であり、副流４２の一部がチューブ４の下板部８へ向かう下降流となる。
そして、チューブ４の外側は冷却水が流れており、またチューブ４に近い部位は排気ガス３の熱交換（冷却）効果が高いため、上記上昇流（及び下降流）となった排気ガス３の冷却が効率的かつ効果的に行える。このようにフィン２では、山形部２４の上り斜面部２８等により、螺旋渦流４４及び上昇流（及び下降流）が発生し、高い放熱性能が得られ熱交換が促進される。

加えて、上記フィン２では、排気ガス３流路の窪み部２２（山形部２４を形成）に螺旋渦流４４が発生しており、また螺旋渦流４４は、排気ガス３の流通方向に進行する渦であるため、この窪み部２２に煤などが滞留蓄積する虞もない。これは、上記従来のウェイビーフィンの問題点で指摘した、戻り渦の発生により煤等が滞留し堆積するという問題を解決するものでもある。

従って、上記実施の形態によれば、フィンの特にチューブ４に近い箇所の熱交換が高められ、全体的にも熱交換が促進され、長期間にわたって高い放熱性能を維持することができ、また排気ガスの流通の方向性がないため、製造時の誤組付けがなくなり、生産性に寄与するという効果がある。また、上記実施の形態によれば、流路の断面積を一定としたから、ガス圧損が抑えられ、ガスの流れが良くなって熱交換効率が高められ、また流速が変化（遅くなる）して生じる吹き溜まり等の発生が抑えられ、煤やＰＭの堆積等の虞もなくなるという効果がある。

図９は、他の形態に係り、上記フィン２とは一部異なる形状の第二のフィン５を示すものである。上記フィン２は、壁板部１４の窪み部２２に山形部２４を形成したが、この第二のフィン５は、山形部２４に替えて、同窪み部２２に、基部２７から上って頂部２５に至る上り斜面部２８のみを形成し、下り斜面部２９を設けない形態である。
第二のフィン５の壁板部１４に形成される上り斜面部２８に対して、この壁板部１４と向い合う他の壁板部１４の窪み部２２にも同様に上り斜面部２８を形成する。第二のフィン５の上り斜面部２８は、各壁板部１４に沿って繰り返し形成される。

この第二のフィン５においても、流路の基本的形状である壁板部１４（向き合い、及び繰り返し等の形状）、Ｖ字状の流路１６、逆Ｖ字状の流路１８、天部１０、底部１２、張出部２０、窪み部２２、また材料等はフィン２と同様であり、同一の符号を付してここでの詳細な説明は省略する。
また、第二のフィン５の上り斜面部２８を流通する排気ガス３の流れについては、上記フィン２の山形部２４を構成する上り斜面部２８を流通する排気ガス３の流れと同様であり、第二のフィン５の上り斜面部２８においても、螺旋渦流４４及び上昇流が有効に発生する。このため、第二のフィン５においても、フィン２と同様、高い放熱性能が得られ熱交換が促進され、また煤などが滞留蓄積する虞もない。

なお、上記実施の形態に係るフィン２（又は第二のフィン５）の流路は、流路の幅が底部に向かうに従って狭くなる断面がＶ字状の流路、また流路の幅が天部に向かうに従って狭くなる断面が逆Ｖ字状の流路としたが、他の流路として、流路の断面がＵ字状（天部の流路の幅と底部の流路の幅とが略同じ）の流路、また上記断面が逆Ｕ字状の流路を採用することができる。
このＵ字状（及び逆Ｕ字状）の流路は、Ｖ字状の流路に比べて、壁板部を構成するフィンの面積が少し小さく、その分、放熱性能が低下するが、山形部（上り斜面部）の形状による螺旋渦流等の発生により、十分な放熱性能が期待できる。

また、上記実施の形態に係るフィン２（又は第二のフィン５）は、排気ガス３の流路を形成する各壁板部を左右に蛇行するウエーブ状に形成し、この壁板部（窪み部、張出部）に山形部及び谷形部を形成し、各一対の壁板部間にＶ字状（Ｕ字状）流路及び逆Ｖ字状（Ｕ字状）流路を形成する形状である。
これに対し、他の流路の形態に係るフィンとして、排気ガス３の流路を形成する各壁板部を左右に蛇行しない直線状に形成し（直線状流路）、この壁板部に山形部及び谷形部を形成した形態を採用することもできる。この直線状流路においても、壁板部に形成される山形部（上り斜面部）及び谷形部が繰り返される形状及び周期等、また方向性、断面積一定、配置形状、材料、チューブ４への挿設等、全て上記フィン２と同様である。
この他の流路の形態に係るフィンにおいても、山形部によって上昇流及び螺旋渦流の発生は可能であり、上記壁板部をウエーブ状に形成したフィン２と比べて、冷却性能は劣るが、このフィンを採用した場合、プレス成形等が比較的容易に行えるため、製造面でのメリットがある。

２，５ インナーフィン（フィン）
３ ガス（排気ガス）
４ チューブ
６ 上板部
８ 下板部
１０ 天部
１２ 底部
１４ 壁板部
１６ 凹状の流路（Ｖ字状の流路）
１８ 逆凹状の流路（逆Ｖ字状の流路）
２０ 張出部
２２ 窪み部
２４ 山形部
２５ 頂部
２６ 谷形部
２７ 基部
２８ 上り斜面部
２９ 下り斜面部
４０ 主流
４２ 副流
４４ 螺旋渦流

Claims (8)

1. 上板部と下板部間が扁平なチューブに内挿され、ガスの熱交換を行うインナーフィンにおいて、
   板材を、上記チューブの上板部に接する天部と、上記下板部に接する底部と、これらの間を仕切る壁板部とからなり、向い合う一対の上記壁板部により、上記ガスの流路として断面が凹状の流路及び逆凹状の流路を交互に繰り返し形成し、
   上記各流路の壁板部を、左右に蛇行状に屈曲して張出部及び窪み部が交互に繰り返し形成される形状とし、
   上記壁板部の窪み部に、この壁板部と向い合う壁板部方向に膨出し、かつ基部から頂部に至る上り斜面部、及び上記頂部から隣の基部に下る下り斜面部からなる山形部を形成した、ことを特徴とする熱交換器のインナーフィン。
2. 上板部と下板部間が扁平なチューブに内挿され、ガスの熱交換を行うインナーフィンにおいて、
   板材を、上記チューブの上板部に接する天部と、上記下板部に接する底部と、これらの間を仕切る壁板部とからなり、向い合う一対の上記壁板部により、上記ガスの流路として断面が凹状の流路及び逆凹状の流路を交互に繰り返し形成し、
   上記各流路の壁板部を、左右に蛇行状に屈曲して張出部及び窪み部が交互に繰り返し形成される形状とし、
   上記壁板部の窪み部に、この壁板部と向い合う壁板部方向に膨出し、かつ基部から頂部に至る上り斜面部を形成した、ことを特徴とする熱交換器のインナーフィン。
3. 上記壁板部の張出部に、上記山形部の頂部から基部に下る下り斜面部と、この山形部に隣接し同様に形成される他の山形部の上り斜面部とからなる谷形部を形成し、
   上記壁板部の窪み部に形成される山形部に対して、この壁板部と向い合う他の壁板部の張出部に上記谷形部を形成し、上記壁板部の張出部に形成される谷形部に対して、上記他の壁板部の窪み部に上記山形部を形成したことを特徴とする請求項１記載の熱交換器のインナーフィン。
4. 上記凹状の流路又は上記逆凹状の流路の各断面積を、それぞれ一定としたことを特徴とする請求項３記載の熱交換器のインナーフィン。
5. 上記凹状の流路をＶ字状、上記逆凹状の流路を逆Ｖ字状にそれぞれ形成したことを特徴とする請求項１乃至４の何れかに記載の熱交換器のインナーフィン。
6. 上記天部と底部間の間隔に対して、この天部と上記上り斜面部の頂部間の間隔の比率を０．４以下、好ましくは０．１〜０．４の範囲としたことを特徴とする請求項１乃至５の何れかに記載の熱交換器のインナーフィン。
7. 上記壁板部の上り斜面部につき、この上り斜面部の勾配を１５°〜６０°、好ましくは３０°〜５０°の範囲としたことを特徴とする請求項１乃至６の何れかに記載の熱交換器のインナーフィン。
8. 上記壁板部の上り斜面部の頂部を形成する角度につき、向いの壁板部方向に向かって傾斜する傾斜角度を、０°〜７５°、好ましくは３０°〜６０°、より好ましくは３５°〜５０°の範囲としたことを特徴とする請求項１乃至７の何れかに記載の熱交換器のインナーフィン。

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