JPH0275722A - 自動車用インタークーラー - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明は、ターボチャージャやスーパーチャージャ等の
過給機と共に自動車エンジンへの燃焼用空気の供給系に
配置されるインタークーラーに関する。

〔従来の技術〕

ガソリンエンジンやディーゼルエンジン等の内燃機関で
は、燃焼効率を上げるために燃焼用空気を加圧増量して
燃焼室に給気することが従来から行われている。このよ
うな給気は、エンジンの空気供給系に備えた過給機が利
用され、近来では排気エネルギを利用したターボチャー
ジャが主流を占めている。

ターボチャージャは、燃焼室へ空気を送り込むのに排気
の流動エネルギを回転駆動力として回収する構造がその
典型である。そして、効率の良い燃焼を可能とするため
、燃料噴射制御にも対応した過給システムが採用されて
いる。

このようなターボチャージャを用いて過給すると、無過
給の場合にくらべて高い温度の空気が供給される。これ
は、ターボチャージャによって空気が圧縮される結果高
温となるもので、燃焼室に送り込むと膨張する。この空
気の膨張は、ピストンによる適正な圧縮比等に影響を与
え、出力低下を招く。したがって、過給する場合には給
気温度を下げる必要があり、このための装置としてイン
タークーラーが一般に組み込まれる。

〔発明が解決しようとする課題〕

インタークーラーは、空冷式又は水冷式の熱交換器であ
り、ターボチャージャから排出された高温の空気が燃焼
室に入り込む前の段階で適切な温度に冷却する。

空冷式のインタークーラーは、冷却効率を上げるために
エンジンルームの前面に設けることが通常である。とこ
ろが、過給機からインタークーラーを経てエンジンまで
の空気経路を必要とするので、流路抵抗が大きくなって
過給効率に影響を与えるほか小型化にも限度がある。ま
た、エンジンに沿って空気経路を設けるので、インター
クーラーを出た冷却後の空気はエンジンからの放熱によ
って温度上昇し、インタークーラーによる冷却が無駄に
なってしまう。更に、空冷式では大気温度や自動車の走
行速度によって冷却能力が変化するため、最適温度の燃
焼用空気をエンジンの燃焼室に送り込むには複雑な制御
を必要とする等の問題もある。

また、水冷式であっても、エンジンからの放熱の影響を
受けるので、空冷式の場合と同様に過給空気の冷却には
不十分な点が残っている。冷却能力を補うには、インタ
ークーラーの容量を大きくしたり多段式とする等の手段
も考えられるが、限うしたスペースのエンジンルームに
装備しなければならないことから、実用性に欠ける。

このような問題に対し、本出願人は、インタークーラー
を大型化することなく過給空気を燃焼に最適な温度まで
冷却するために、自動車用クーラーの冷媒を冷却流体と
して利用したものを既に特願昭６３−１８７１２４号に
おいて提案した。この自動車用クーラーの冷媒を利用す
れば、空冷式や水冷式の比べて冷却能力が格段に大きく
なり、過給空気を最適温度としてエンジンに送り込むこ
とができる。

冷媒を利用して過給空気を更に一層効率的に冷却するに
は、エンジンルーム内の限られたスペースが一つの障害
となりやすい。このため、冷媒と過給空気との熱伝達を
促進させる構造とすることが有効となる。しかし、先の
発明では、熱伝達の促進に対して特に配慮されてはおら
ず、冷却効率の向上にも上限があった。

そこで、本発明は、冷媒による過給空気の冷却を更に一
層効率的に行えるようにすることを目的とする。

〔課題を解決するための手段〕

本発明の自動車用インタークーラーは、以上の目的を達
成するために、ターボチャージャ等の過給機と共にエン
ジンの燃焼室への空気流路に組み込むケーシングと、該
ケーシング内に二重管構造として収納した冷却チニープ
とを備え、該冷却チューブは内管と外管との二重管とし
、該内管の内部を過給空気の流路とすると共にこれら内
管と外管とによって形成される環状断面の流路を外部の
循環系から送り込む冷媒の循環流路とし、更に前記ケー
シングは、前記冷却チニーブの空気出口側の流路断面を
縮小させた形状を持つことを特徴とする。

〔実施例〕

以下、図面に示す実施例により本発明の特徴を具体的に
説明する。

第１図は本発明の一実施例を示すインタークーラーをそ
の軸線を含む面で切断した縦断面図、第２図はインター
クーラーを備えた燃焼用空気の過給系の概略を示すもの
である。

第２図において、エンジンｌの燃焼室に接続した給気管
２及び排気管３による給気及び排気系にターボチャージ
ャ４が過給機として配置されている。このターボチャー
ジャ４は、従来から用いられているタイプのものであり
、排気を利用して回転駆動し、外部から空気を吸引して
給気管２に送り込む構造である。

エンジン１の直前の給気管２には、ターボチャージャ４
によって過給される空気を冷却するためのインタークー
ラー５が組み込まれる。このインタークーラー５内を通
過してエンジン１に送す込まれる空気は、外部から供給
されて循環する冷媒によって冷却される。

冷媒の循環系は、図示の例では自動車用クーラーの循環
系に組み込まれ、冷媒が循環する閉じたループを構成し
ている。すなわち、クーラー用のコンプレッサ６、冷媒
放熱用冷却器７．膨張チャンバ８及びエバポレータ９を
この順に配置した循環系を持っている。そして、この循
環系には、フロンガス等の冷媒が封入され、コンプレッ
サ６による圧縮後に膨張チャンバ８で膨張させることに
よって、エバポレータ９から冷気を放出する。

一方、インタークーラー５は第１図のように、ケーシン
グ５ａの内部に両端が開口した冷却チューブ５ｂを同軸
配置した二重管構造を持つ。ケーシング５ａは、図示の
場合では右端に流入部１０及び左端に流出部１１をそれ
ぞれ開放した筒状とし、冷却チューブ５ｂを含む部分の
ケーシング５ａの内径はこれらの流入部１０及び流出部
１１よりも大きい。

冷却チューブ５ｂは、外管１２及び内管１３を持つ二重
管構造であり、これらの外管１２及び内管１３によって
形成された環状断面の流路を冷媒の循環流路Ｆ−１とし
ている。そして、この循環流路Ｆ−１には冷媒が内管１
３の周面に沿って螺旋状に流れるようにスパイラルガイ
ド１３ａが設けられる。また、外管流路Ｆ−１には外管
１２には冷媒の人口ポー）１２ａ及び出口ポート１２ｂ
を接続し、これらをケーシング５ａから外部に突き出し
てエバポレータ９とコンプレッサ６との冷媒流路に接続
している。

第２図に示すように、エバポレータ９とコンプレッサ６
との間には？ｉｉｌ管１４が接続され、この循環管１４
から人口ポート１２ａに向かう供給管１５ａ及び出口ポ
ート１２ｂから循環管１４に向がう回収管１５ｂが設け
られる。そして、循環管１４と供給管１５ａとは三方弁
式の電磁弁１６によって接続され、エバポレータ９から
出た冷媒の全てをインタークーラー５に供給又は循環管
１４のみをバスさせてインタークーラー５には送り込ま
ない２通りが得られるようにしておく。なお、エンジン
１０手前の給気管２には、燃焼用空気の温度を検知する
温度センサ２ａを設け、その検知信号を制御部に人力し
て最適温度の燃焼用空気をエンジン１に送り込める系を
持たせておく。

インタークーラー５の内管１３の内部は、過給空気の流
れ方向に順に７個のチャンバ１７ａに分割され、各チャ
ンバ１７ａの境界部分には内側へ少し突き出るリム１７
ｂを形成している。第３図はチャンバ１７ａの内部を示
す縦断面図であり、図示のように多数のパイプがシェル
として封入されている。

これらのシェルは、内管１３の内周に対して７個の内接
円となる大シェル１８ａ及びこの大シェル１８の中に封
入された７個の小シェル１８ｂ１更に各大シェル１８ａ
と内管１３の内周に接するスペーサシェル１８の３種類
である。また、大シェル１８　ａ　、小シェル１８ｂ及
びスペーサシェル１８ｃの軸線長さは、すべて同一とす
るほか、様々に変化させて長いもの及び短いものの組み
合わせとする。そして、隣接スルチャンバ１７ａに封入
する各シェル１３ａ−ｃ（Ｄ位置関係は、第３図（ａ）
のものに対して同図ら）のようにシェルの配置を軸線周
りに１５度回転させたものとする。このような配置によ
って、各チャンバ１７ａを通過する燃焼用空気は同軸配
置された各シェル１８　ａ　−ｃの中を直線的に流れる
のではなく、チャンバ１７ａの境界部で各シェル１８ａ
−ｃのずれによって流れを乱すことができる。

以上の構成において、エンジン１を始動させると、ター
ボチャージャ４が排気によって駆動し、給気管２へ空気
が送り込まれる。そして、エンジン１の燃焼室に入り込
む前に、インタークーラー５０ケーシング５ａ内に過給
空気が供給され、冷却チューブ５ｂ内を流れるクーラー
用の冷媒によって冷却される。このような駆動に際して
、自動車用クーラーを作動させると、コンプレッサ６に
よって圧縮された冷媒が膨張チャンバ８を経た後エバポ
レータ９で熱交換する。そして、熱交換後の冷媒はほぼ
５〜８℃の温度となって、入口ポート１２ａから外管１
２内の循環流路Ｆ−１に流入し、内管１３の内部及び外
管１２とケーシング５ａとの間の環状断面を流れる過給
空気を冷却する。

このような自動車用クーラーの冷媒の残りを活用すれば
、空冷式や水冷式に比べると格段に過給空気の温度を下
げることができる。たとえば、従来構造であれば、エン
ジン１へ流入するときの空気温度は１８０　℃程度であ
るのに対し、５〜８℃の冷媒をバスさせることによって
最適温度の８０℃程度まで冷却させることができる。

また、流入部１０から入り込む過給空気は冷却チューブ
５ｂ内を通過する流れと、その外部であってケーシング
５ａに囲まれた環状断面流路Ｆ−２を流れるものとに分
かれる。このとき、冷却チューブ５ｂの中には多数の大
シェル１８ａ、小シエル１８ｂ及びスペーサシェル１８
Ｃが内蔵されているので、流路抵抗が大きくなり、冷却
チューブ５ｂの出口での流速は入口側よりも小さくなる
。一方、環状断面流路Ｆ−２内には、シェルを封入して
いないので、冷却チューブ５ｂ内の流れよりも流路抵抗
は小さい。

このような条件下で過給空気を送り込むとき、各シェル
１８　ａ　−ｃによる乱流促進を利用して冷却チューブ
５ｂ内を流れる過給空気は冷媒によって効率的に冷却さ
れ、一方環状断面流路Ｆ−２を流れる過給空気も外管１
２介しての熱交換によって同様に冷却される。

ところで、燃焼用空気をエンジンｌに供給するときには
、燃焼に必要な供給量を確保する必要があることは熱論
である。このため、多数のシェル１８ａ−ｃによって熱
交換は促進されても流路抵抗が大きいと、必要量の燃焼
空気が供給されない事態となる。これに対し、環状断面
流路Ｆ−２はその流路抵抗が小さいので、空気流れが持
つ流動エネルギの減衰は小さい。また、環状断面流路Ｆ
−２が流出部１１に至る部分の流路面積を冷却チニーブ
５ｂの開放端の流路断面より小さくしておけば、環状断
面流路Ｆ−２からの出る空気の流速が大きくなるので、
冷却チューブ５ｂの開口端より下流は流速が速くなる。

したがって、冷却チューブ５ｂの中を通過する過給空気
に対して、環状断面流路Ｆ−２から流出部１１に向けて
一気に流れる過給空気は、恰もエジェクタ効果を作用さ
せるようになり、冷却チューブ５ｂ内の空気を抜き取る
ようにして流すことができる。

このように、シェル１８ａ　−ｃによって乱流熱伝達を
実現させて冷媒との熱交換を促進させる場合に、流路抵
抗の増加によって過給空気の流れが鈍くなることが問題
となるが、環状断面流路Ｆ−２からの流速の大きな別の
流れに合流させることにより冷却チューブ５ｂ内の流れ
も良好なものとなる。

また、伝熱面積の点からみると、冷却チューブ５ｂ内の
多数のシェル１３ａ−ｃによって冷媒による冷却が効率
的に行えるのに加えて、環状断面流路Ｆ−２内の流れで
は冷却チューブ５ｂの外管１２の周面が伝熱面積として
加わるので、冷却効果も一層高くなる。

第４図から第６図はターボチャージャに代えてスーパー
チャージャを利用する場合に適したインタークーラーの
例を示すものである。なお、第１図で示したインターク
ーラーの構造に対して同じ部材については共通の符番で
指示し、その詳細な説明は省略する。

スーパーチャージャは、従来から知られているように、
排気エネルギを利用するのに代えてエンジンの出力を使
って過給機を駆動する。そして、第２図の系統図におい
て、ターボチャージャ４の部分をスーパーチャージャに
置き換え、インタークーラー５を同様にエンジン１への
給気管２に第４図のインタークーラー５を組み込んだも
のが全体の系となる。

第４図において、入口ポート１２ａには冷媒をエバポレ
ータ９に供給しないで２０　ｋｇ　／　ｃｄ程度の高圧
の冷媒が直接供給され、この冷媒を更にインタークーラ
ー５内で膨張させるためのノズル２０が設けられる。こ
のノズル２０は、微小径の噴出孔２Ｉによって冷媒流路
を絞り、この噴出孔２１から循環流路Ｆ−１に流れ込む
ときの膨張によって冷媒自体の温度を下げるものとして
機能する。

また、第５図の縦断面図に水子ように、冷却チューブ５
ｂに設けたチャンバ１７ａには、第３図で示したものと
同じ構造及び配列とした多数のシェル２２が密に充填さ
れている。シェル２２はたとえば直径が１０ｍｍで肉厚
が０．８ｍｍ程度のもので、その表面の管壁を互いに接
触させるために軸線が互いに平行となるように配列され
る。

第６図はシェル２２による燃焼用空気の乱流促進を示す
概略図、第７図はシェル２２の例を示すものである。

第７図（ａ）はシェル２２の両端を絞ると共に、中途の
周壁に流入孔２２ａ及び流出孔２２ｂを設けたものであ
る。そして、両端面を軸線方向に見た同図ら）に示すよ
うに中央部及び左右の周壁部分が流入用及び流出用の空
気流路として利用される。第７図（Ｃ）は、流出側をプ
レート２２Ｃで閉じると共に周壁に多数の流出孔２２ｂ
を開けたものである。更に、第７図（ｄ）は流出側の端
部を絞ると共に周壁に流出孔２２ｂを開けたものである
。これらの各種の例のほか、直管状としたり内部流路を
途中で絞る等の構成も採用可能である。

更に、シェル２２をチャンバ１７ａに充填するときには
、互いに隣接し合うチャンバ内のシェル２２が同軸配置
とならないように配列することが好ましい。この配置に
よって上流側のシェル２２からの空気は下流のシェル２
２の複数のものに流入し、流下する空気の流れの撹拌が
促進される。

第４図の構造では、人口ポート１２ａにノズル２０を設
けたので、冷媒がノズル２０の噴出孔２１から循環流路
Ｆ−１に流れ込むときに膨張し、第１図の構造のものよ
りも冷媒温度が下がる。このため、冷却チューブ５ｂ内
及び環状断面流路Ｆ−２内を流れる燃焼用空気の冷却が
更に一層促進され、ターボチャージャよりも吐出気流速
が大きなスーパーチャージャ用の冷却として適切なもの
となる。

なお、実施例では、自動車用クーラーの冷媒循環系に付
属するようにインタークーラーを設けているが、専用の
冷媒回路を備えることもできる。

このように自動車用クーラーとは別個に設けることによ
り、クーラーを使用しない期間でも過給空気の冷却が行
なえ、汎用性の向上が可能となる。

〔発明の効果〕

以上に説明したように、本発明の自動車用インタークー
ラーにおいては、従来の空冷又は水冷によって過給空気
を冷却するのに代えて、圧縮及び膨張によって冷却効果
を果たす冷媒を利用して過給空気を冷却するようにして
いる。このため、従来方式に比べて過給空気に対する冷
却度を大きくすることができ、装置容量を大型化したり
多投式とすることなく、エンジンに送り込む過給空気の
温度を適正なものとすることができる。また、過給空気
の流れを二つに分けることによって、冷媒との伝熱面積
を増やし、熱交換の促進によって冷却効率も向上する。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明のインタークーラーをその軸線を含む面
で切断した一部切欠縦断１図、第２図はインタークーラ
ーを過給系に備えた概略図、第３図はシェルの配置を示
す概略縦断面図、第４図はスーパーチャージャによる過
給系に適した構造を持つインタークーラーの一部切欠縦
断面図、第５図はシェルの配置例を示す縦断面図、第６
図はシェルによる燃焼用空気の乱流促進を示す説明図、
第７図はシェルの例を示す概略図である。 １：エンジン　　　　　２：給気管 ２ａ：温度センサ　　　　３：排気管 ４：ターボチャージャ　５：インタークーラー５ａ：ケ
ーシング　　　　５ｂ＝冷却チューブ６：コンプレッサ
　　　７：冷媒放熱用冷却器８：膨張チャンバ　　　９
：エバホレータｌＯ：流入部　　　　　　１１：流出部
１２：外管　　　　　　　１２ａ：人口ポート１２ｂ：
出口ポート　　　１２ｃ：フィン１３：内管 １３ａ：スパイラルガイド １４：循環管　　　　　　１５ａ：供給管１５ｂ：回収
管　　　　　１６：電磁弁１７ａ：チャンバ　　　　１
７ｂ：リム１８ａ：大シェル　　　１８ｂ：小ジェル１
８ｃニスペーサシェル　２０：ノズル２１：噴出孔　　
　　　　２２ニジエル２２ａ：流入孔　　　　　２２ｂ
：流出孔２２ｃニブレート Ｆ−１＝循環流路　　　　Ｆ−２：ｍ状断面流路特許出
願人　　　　　嶋　１）秀　入 代　理　人　　　　　小　堀　　益（ほか２名）第１図 第２図 第３図 第５図 第６図 第７図 （０）　　　　　　（ｂ） （ｃ）　　　　　　（ｄ）

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. １、ターボチャージャ等の過給機と共にエンジンの燃焼
   室への空気流路に組み込むケーシングと、該ケーシング
   内に二重管構造として収納した冷却チューブとを備え、
   該冷却チューブは内管と外管との二重管とし、該内管の
   内部を過給空気の流路とすると共にこれら内管と外管と
   によって形成される環状断面の流路を外部の循環系から
   送り込む冷媒の循環流路とし、更に前記ケーシングは、
   前記冷却チューブの空気出口側の流路断面を縮小させた
   形状を持つことを特徴とする自動車用インタークーラー
   。