JP7227756B2

JP7227756B2 - 熱交換器

Info

Publication number: JP7227756B2
Application number: JP2018234389A
Authority: JP
Inventors: 繁和山本
Original assignee: T Rad Co Ltd
Current assignee: T Rad Co Ltd
Priority date: 2018-12-14
Filing date: 2018-12-14
Publication date: 2023-02-22
Anticipated expiration: 2038-12-14
Also published as: JP2020094774A

Description

本発明は、主として水冷チャージエアクーラに関し、より詳しくは整流板等を設けることなく圧力損失を低減するものに関する。

一例としてチャージエアクーラは、フィンとチューブとからなるコアの外周にケーシングが被嵌され、ケーシングの一端に設けられた入口ポートから角錐状の入口ダクトを介して、チャージエアがコアに導かれる。そのチャージエアはケーシングを流通するとき、流路が変更され、その際に比較的大きな圧力損失を生じる。
このような入口ポートから入口ダクトに導かれる連結部における圧力損失を低減させるものとして、下記特許文献１に記載の熱交換器が提案されている。
これは、小径の供給管から大径の小径部内に供給される排気ガスを、小径部で旋回させることにより、圧力損失を低減させるものである。

特開２０１３－２０００５３号公報

上記特許文献１には、供給管の軸心を小径部に対して偏心させることによって排気ガスを旋回させて流入させることについて記載されているが、偏心量が過小の場合、偏心による旋回流が十分に生じず、また、偏心量が過大の場合、流れが小径部の外周側に極端に偏り、かえって圧力損失が増加してしまうという問題があった。
そこで、本発明は上述の問題を解決し、圧力損失の少ない熱交換器を実現することを課題とする。

請求項１に記載の本発明は、複数のチューブ１が配置された熱交換器コア３と、熱交換器コア３の外周を被嵌するケーシング本体４ａと、その上端を被蔽する上蓋４ｂとからなるケーシング４を有し、ケーシング４と熱交換器コア３との間に第１流体５として気体が導かれ、熱交換器コア３のチューブ１内に第２流体６が導かれ、両流体５，６間に熱交換が行われる熱交換器において、
ケーシング４の上蓋４ｂには、それぞれ前記熱交換器コア３に対向する一対の入口ダクト部７および出口ダクト部８を具備し、
入口ダクト部７と出口ダクト部８との間には、蓋側仕切１１ｂ及び本体側仕切板１１ａを有し、
それぞれ実質的に断面円形の入口ダクト部７に、その直径より小なる直径の入口ポート部９が連通し、
入口ポート部９、入口ダクト部７を介して熱交換器コア３に流通し、ケーシング本体４ａの内部をＵターンして、蓋側仕切１１ｂ及び本体側仕切板１１ａによって仕切られた出口ダクト部８から出口ポート部１０に導かれる第１流体５は、入口ダクト部７において、熱交換器コア３内の第２流体６の流通する方向と交差する方向に偏向され、
入口ポート部の直径Ｐｉ，入口ダクト部の直径Ｄｉとしたとき、Ｐｉ／Ｄｉの比が０．６５＜Ｐｉ／Ｄｉ＜０．８５であると共に、入口ポート部９の中心軸９ａと入口ダクト部７の中心軸７ａとが直交し且つ、
入口ポート部９の中心軸９ａが入口ダクト部７の中心軸７ａに対して偏心され、その偏心量Ｏｓｉが、
０．１５Ｐｉ＜Ｏｓｉ＜０．４Ｐｉ
であることを特徴とする熱交換器である。

請求項１に記載の発明は、第１流体５が、入口ポート部９、入口ダクト部７を介して熱交換器コア３に流通し、ケーシング本体４ａの内部をＵターンして、蓋側仕切１１ｂ及び本体側仕切板１１ａによって仕切られた出口ダクト部８から出口ポート部１０に導かれる熱交換器において、小径（直径Ｐｉ）の入口ポート部９から第１流体５が大径（直径Ｄｉ）の入口ダクト部７に導かれ、両者の直径の比Ｐｉ／Ｄｉが、
０．６５＜Ｐｉ／Ｄｉ＜０．８５であると共に、入口ポート部９の中心軸９ａと入口ダクト部７の中心軸７ａとが直交し且つ、
両者の中心軸９ａ、７ａ間の偏心量Ｏｓｉが、
０．１５Ｐｉ＜Ｏｓｉ＜０．４Ｐｉに形成されたものである。
それにより、偏心量Ｏｓｉが適切となり、入口ダクト部７に必要且つ十分な旋回流が生じるので、第１流体が当該部を流通する際の圧力損失を小さくすることができる。

本発明の熱交換器のケーシング４を構成する上蓋４ｂの平面図（Ａ）、同底面図（Ｂ）、熱交換器の縦断面図（Ｃ）。同熱交換器の分解斜視図。同熱交換器に用いられる上蓋４ｂ及び側体１６その他の分解斜視図（Ａ）、同組立て状態を示す斜視図（Ｂ）。図１（Ｃ）のＩＶ－ＩＶ矢視図（Ａ）、図４（Ａ）のＢ－Ｂ矢視図（Ｂ）。）。本発明の実施例の熱交換器の性能試験を示すものであって、横軸にオフセット量、縦軸に圧力損失比をとったもの。

次に、図面に基づいて本発明の実施の形態を説明する。
図１～図５は本発明の熱交換器の実施例を示し、図１（Ａ）は上蓋４ｂの平面図、図１（Ｂ）は底面図、図１（Ｃ）は同熱交換器の縦断面図、図２は同熱交換器の分解斜視図、図３（Ａ）は同熱交換器に用いられる上蓋４ｂ及び、側体１６その他の分解斜視図、図３（Ｂ）は同組立て状態を示す斜視図、図４（Ａ）は図１（Ｃ）のＩＶ－ＩＶ矢視横断面図、図４（Ｂ）は図４（Ａ）のＢ－Ｂ矢視断面図である。

この熱交換器は、一例としてチャージエアクーラに最適なものであって、図２に示す如く、熱交換器コア３とケーシング４とを有する。
熱交換器コア３は、図１（Ｃ）及び図４（Ａ）に示す如く、上下２列に並列した多数のチューブ１と各チューブ１との間に配置されたフィン２とで熱交換器コア３を構成する。そして、各チューブ１の両端が図１（Ｃ）に示す如く、ヘッダプレート１５に貫通する。そして各チューブ１の開口は一対の水タンク１７に連通する。そして、水タンク１７に設けた水パイプ１４から第２流体６の冷却水が、各チューブ１を介して他方の水タンク１７に流通する。

また、第１流体５として、チャージエアが、上蓋４ｂの入口ポート部９及びそれに接続された入口ダクト部７を介して熱交換器コア３の外面側に供給される。
この実施例において、入口ポート部９及び入口ダクト部７は断面が円形のパイプ状に形成され、入口ポート部９と入口ダクト部７とは直交する。それと共に、入口ポート部９の中心軸９ａと入口ダクト部７の中心軸７ａとは、図１（Ａ）に示す如く、入口ダクト部７の中心軸７ａに対する入口ポート部９の中心軸９ａの偏心量Ｏｓｉだけ位置ずれする。

なお、ケーシング４は、熱交換器コア３を内装するケーシング本体４ａと、その上端を被蔽する上蓋４ｂとからなる。
上蓋４ｂは、図１（Ｃ）において、左側に入口ポート部９と入口ダクト部７を有し、右側に出口ダクト部８と出口ポート部１０とを有する。出口ダクト部８は、この例では、図２の如く略角錐状に形成され、その端部が出口ポート部１０に一体に連通する。
出口ダクト部８と入口ダクト部７との間には、蓋側仕切１１ｂ及び本体側仕切板１１ａを有すると共に、それらの両端に図２に示す如く、側体１６が設けられている。本体側仕切板１１ａは図４（Ａ）に示す如く熱交換器コア３の上縁に当接し、側体１６が熱交換器コア３の両側に当接する。

この例では、図２に示す如く、ケーシング４の下部を形成するケーシング本体４ａの両端部に水タンク１７が配置され、ケーシング本体４ａと水タンク１７とがボルトで結合されている。また、ケーシング本体４ａと上蓋４ｂもフランジを介してボルト結合される。
なお、本体側仕切板１１ａ及び蓋側仕切１１ｂは熱交換器コア３の長手方向の中央部に配置される。

（作用）
このようにしてなる熱交換器は、一例としてチャージエアクーラとして利用される。
チャージエアとしての第１流体５は、熱交換器コア３の入口ポート部９，入口ダクト部７を介して熱交換器コア３の左半分を流通し、ケーシング本体４ａの内部をＵターンして出口ダクト部８から出口ポート部１０に導かれる。
また、一方の水タンク１７の水パイプ１４から流入した冷却水は、熱交換器コア３の各チューブ１に供給され、他方の水タンク１７から流出する。そして、第１流体５と第２流体６との間に熱交換される。
この第１流体５は、入口ポート部９から入口ダクト部７に導かれるとき、入口ポート部９の中心軸９ａと入口ダクト部７の中心軸７ａとが偏心量Ｏｓｉだけ偏心しているので、図１（Ｂ）の如く、第１流体５が入口ダクト部７内で旋回しつつ、ケーシング４のケーシング本体４ａに供給される。その旋回流の発生により、入口ポート部９及び入口ダクト部７を通るときの空気抵抗が減少する。
なお、図４（Ｂ）は熱交換器コア３の各フィン２を流通する第２流体６の流れを示す。

図５は、本発明の熱交換器の流体解析結果の一例を示すものであって、横軸にオフセット量（前述の偏心量Ｏｓｉを意味する。）、縦軸に圧力損失比を示す。縦軸上において、１００の位置は偏心が存在しないときの圧力損失であり、これを基準とする。
この例では、入口ポート部の直径Ｐｉの直径を５３．５ｍｍとし、偏心量Ｏｓｉを０～３５ｍｍまで変化させたときのオフセット量（偏心量Ｏｓｉ）に対する圧力損失比を曲線で表したものである。
この曲線からオフセット量（偏心量Ｏｓｉ）が８ｍｍ＜Ｏｓｉ＜２１．７ｍｍの範囲で圧力損失が低下することが明らかとなった。
なお、偏心量Ｏｓｉの下限値より小さくなると、偏心による旋回流が十分生じない。また、偏心量Ｏｓｉの上限値より大きくなると、偏心が過剰となり、空気流が内壁に偏り、かえって圧力損失が増大する。

これらの解析および検討により、入口ポート部９の直径Ｐｉと入口ダクト部７の直径Ｄｉとの比が、０．６５＜Ｐｉ／Ｄｉ＜０．８５である入口ポート部９及び入口ダクト部７において、入口ポート部９の中心軸９ａと入口ダクト部７の中心軸７ａとの偏心量Ｏｓｉを、０．１５Ｐｉ＜Ｏｓｉ＜０．４Ｐｉとすることにより、偏心量が適切となり、必要かつ十分な旋回流が生じ、圧力損失が低減されることが見出された。

本発明の熱交換器は、チャージエアクーラとして利用でき、特に、水上バイク用として最適である。なお、自動車用エンジンに供給するチャージエアのクーラとしても利用できる。

１チューブ
２フィン
３熱交換器コア
４ケーシング
４ａケーシング本体
４ｂ上蓋
５第１流体
６第２流体
７入口ダクト部
７ａ中心軸
８出口ダクト部
９入口ポート部
９ａ中心軸

１０出口ポート部
１１ａ本体側仕切板
１１ｂ蓋側仕切
１３溝部
１４水パイプ
１５ヘッダプレート
１６側体
１７水タンク
Ｐｉ入口ポート部の直径
Ｄｉ入口ダクト部の直径
Ｏｓｉ入口ダクト部の中心軸に対する入口ポート部の中心軸の偏心量

Claims

複数のチューブ（１）が配置された熱交換器コア（３）と、熱交換器コア（３）の外周を被嵌するケーシング本体（４ａ）と、その上端を被蔽する上蓋（４ｂ）とからなるケーシング（４）を有し、ケーシング（４）と熱交換器コア（３）との間に第１流体（５）として気体が導かれ、熱交換器コア（３）のチューブ（１）内に第２流体（６）が導かれ、両流体（５）（６）間に熱交換が行われる熱交換器において、
ケーシング（４）の上蓋（４ｂ）には、それぞれ前記熱交換器コア（３）に対向する一対の入口ダクト部（７）および出口ダクト部（８）を具備し、
入口ダクト部（７）と出口ダクト部（８）との間には、蓋側仕切（１１ｂ）及び本体側仕切板（１１ａ）を有し、
それぞれ実質的に断面円形の入口ダクト部（７）に、その直径より小なる直径の入口ポート部（９）が連通し、
入口ポート部（９）、入口ダクト部（７）を介して熱交換器コア（３）に流通し、ケーシング本体（４ａ）の内部をＵターンして、蓋側仕切（１１ｂ）及び本体側仕切板（１１ａ）によって仕切られた出口ダクト部（８）から出口ポート部（１０）に導かれる第１流体（５）は、入口ダクト部（７）において、熱交換器コア（３）内の第２流体（６）の流通する方向と交差する方向に偏向され、
入口ポート部の直径（Ｐｉ），入口ダクト部の直径（Ｄｉ）としたとき、Ｐｉ／Ｄｉの比が０．６５＜Ｐｉ／Ｄｉ＜０．８５であると共に、入口ポート部（９）の中心軸（９ａ）と入口ダクト部（７）の中心軸（７ａ）とが直交し且つ、
入口ポート部（９）の中心軸（９ａ）が入口ダクト部（７）の中心軸（７ａ）に対して偏心され、その偏心量（Ｏｓｉ）が、
０．１５Ｐｉ＜Ｏｓｉ＜０．４Ｐｉ
であることを特徴とする熱交換器。