JP2012083026A

JP2012083026A - 熱交換器

Info

Publication number: JP2012083026A
Application number: JP2010229517A
Authority: JP
Inventors: Akira Iijima; 章飯島
Original assignee: Isuzu Motors Ltd
Current assignee: Isuzu Motors Ltd
Priority date: 2010-10-12
Filing date: 2010-10-12
Publication date: 2012-04-26

Abstract

【課題】冷却性能が高く、且つ、排気ガス中の煤がインナーフィンに付着してガス通路が目詰まりすることを抑制できる熱交換器を提供する。
【解決手段】内燃機関の排気ガスと冷却水とで熱交換を行い、前記排気ガスを前記冷却水によって冷却する熱交換器１０であって、前記冷却水が流通する冷却水通路１２と、前記排気ガスが流通するガス通路１５と、ガス通路１５内に立設される多数のフィン部２１を有するインナーフィン２０とを備え、フィン部２１は、前記排気ガスの流れ方向に対して迎え角αを有し、迎え角αは、境界層剥離が発生する失速角よりも大きい。
【選択図】図３

Description

本発明は、内燃機関の排気ガスと冷却水との間で熱交換を行い、前記排気ガスを前記冷却水によって冷却する熱交換器に関する。

内燃機関において、排気ガス中のＮＯｘを低減させるため、ＥＧＲ（排気ガス再循環）装置が用いられるが、排気ガス中のＮＯｘをさらに低減させるため、ＥＧＲクーラー（熱交換器）も用いられる（例えば、特許文献１参照）。

ＥＧＲクーラーは、内燃機関の排気系（排気マニフォールド或いは排気管）と吸気系（吸気マニフォールド或いは吸気管）とを連通するＥＧＲ通路（ＥＧＲ管）の途中に配設され、内燃機関の排気ガスと冷却水との間で熱交換を行うことで排気ガスを冷却水によって冷却するものである。

ＥＧＲクーラーは、例えば、ケースと、ケース内に設けられ、冷却水が流通する冷却水通路と、ケースに設けられた水入口及び水出口と、ケース内に設けられ、排気ガスが流通するガス通路と、ケースに設けられたガス入口及びガス出口とから主に構成されるものである。ガス通路内には、ＥＧＲガスとの接触表面積を大きくして冷却性能を高めるためにインナーフィンが配設される。インナーフィンには、例えば、ウェーブフィンと称されるものや、オフセットフィンと称されるものがある。

特開２００９−２９９９６８号公報

一般的には、オフセットフィンの方がウェーブフィンよりも放熱性が良い。そのため、冷却性能を高めるためには、ウェーブフィンよりもオフセットフィンを用いるのが好ましい。しかし、ディーゼルエンジンにおいては、排気ガス中の煤（Soot）がオフセットフィンに付着し易いため、ウェーブフィンが用いられる。即ち、ディーゼルエンジンでは、排気ガス中の煤がオフセットフィンに付着してガス通路が目詰まりすることで冷却性能が低下する虞があるので、放熱性の良いオフセットフィンを用いることが困難である。

そこで、本発明の目的は、冷却性能が高く、且つ、排気ガス中の煤がインナーフィンに付着してガス通路が目詰まりすることを抑制できる熱交換器を提供することにある。

前記目的を達成するために、本発明は、内燃機関の排気ガスと冷却水とで熱交換を行い、前記排気ガスを前記冷却水によって冷却する熱交換器であって、前記冷却水が流通する冷却水通路と、前記排気ガスが流通するガス通路と、該ガス通路内に立設される多数のフィン部を有するインナーフィンとを備え、前記フィン部は、前記排気ガスの流れ方向に対して迎え角を有し、該迎え角は、境界層剥離が発生する失速角よりも大きいものである。

前記フィン部は、前記迎え角が与えられた方向とは反対方向に凸となるように曲折されるものであっても良い。

本発明によれば、冷却性能が高く、且つ、排気ガス中の煤がインナーフィンに付着してガス通路が目詰まりすることを抑制できる熱交換器を提供することができるという優れた効果を奏する。

本発明の一実施形態に係る熱交換器の断面図である。図１のＡ−Ａ線断面図である。図２のＢ−Ｂ線断面図である。図３に示すインナーフィンの斜視図である。変形例に係るインナーフィンの断面図である。図５に示すインナーフィンの斜視図である。

以下、本発明の好適な実施形態を添付図面に基づいて詳述する。

図１及び図２に示すように、本実施形態に係る熱交換器１０は、内燃機関（ディーゼルエンジン或いはガソリンエンジン）のＥＧＲ装置におけるＥＧＲクーラーに適用したものである。

ＥＧＲクーラー１０は、内燃機関の排気系（排気マニフォールド或いは排気管）と吸気系（吸気マニフォールド或いは吸気管）とを連通するＥＧＲ通路（ＥＧＲ管）の途中に配設される略筒状（本実施形態では、角筒状）のケース１１と、ケース１１内に設けられ、内燃機関の冷却水が流通する冷却水通路１２と、ケース１１に設けられた水入口１３及び水出口１４と、ケース１１内に設けられ、排気ガスが流通するガス通路１５と、ケース１１に設けられたガス入口１６及びガス出口１７とから主に構成されている。

本実施形態では、ケース１１の一端部（図１中の左側）に水出口１４及びガス入口１６が設けられており、ケース１１の他端部（図１中の右側）に水入口１３及びガス出口１７が設けられている。即ち、本実施形態に係るＥＧＲクーラー１０は対向流式のものである。

本実施形態では、冷却水通路１２は、ケース１１と後述するエンドプレート１８とによりケース１１内に区画形成されている。水入口１３からケース１１内に流入した冷却水は、ケース１１とエンドプレート１８とによりケース１１内に区画形成された冷却水通路１２を流れた後に、水出口１４からケース１１外に流出する。

本実施形態では、ケース１１内に長手方向に間隔を隔てて一対のエンドプレート１８が配設されており、これら一対のエンドプレート１８間にガス通路１５を区画形成する扁平チューブ１９が複数架け渡されている。ガス入口１６からケース１１内に流入した排気ガスは、扁平チューブ１９内を流れる間に扁平チューブ１９の周囲を流れる冷却水との熱交換により冷却された後に、ガス出口１７からケース１１外に流出する。

また、本実施形態では、扁平チューブ１９（ガス通路１５）内には、ＥＧＲガスとの接触表面積を大きくして冷却性能を高めるために図４に示すインナーフィン２０が配設されている。

図３及び図４に示すように、本実施形態のインナーフィン２０は、扁平チューブ１９（ガス通路１５）内に立設される多数のフィン部２１を有する。インナーフィン２０は、薄板材にプレス加工を施すことで形成されており、ろう付け或いは溶接により扁平チューブ１９に接合される。

本実施形態では、インナーフィン２０のフィン部２１は、排気ガスの流れ方向（扁平チューブ１９の長手方向）に対して迎え角（フィン部２１の前縁２１ｆと後縁２１ｂを結んだ線と、排気ガスの流れ方向とがなす角度）αを有している。即ち、本実施形態では、フィン部２１は、その壁面２２が排気ガスの流れ方向（扁平チューブ１９の長手方向）に対して傾斜するようにインナーフィン２０に設けられている。また、前記迎え角αは、境界層剥離が発生する失速角よりも大きく設定され、例えば２０°〜２５°に設定される。

また、本実施形態では、インナーフィン２０のフィン部２１は、迎え角αを与えた方向とは反対方向に凸となるように曲線状に曲折されている。以下、迎え角αを与えた方向とは反対方向に凸となるように曲折されたフィン部２１の壁面２２の内、凸状とされる壁面２２を凸壁面２２ｐともいい、凸壁面とは反対側の凹状とされる壁面２２を凹壁面２２ｄともいう。

本実施形態の作用を説明する。

そもそも、排気ガス中の煤がインナーフィン２０に付着するのは主に下記の二つの理由によると思われる。

（１）境界層の存在
流体（この場合は排気ガス）の粘性のため、壁面（この場合はフィン部２１の壁面２２）での流体の流れ方向の速度は０（ゼロ）である。

（２）熱泳動
排気ガス温度が壁面温度より高いため、排気ガス中の煤は、熱泳動により壁面へと向かう速度を持つ。

これら（１）、（２）の理由により、排気ガス中の煤はインナーフィン２０（フィン部２１）に当たり付着してしまうと思われる。

そこで、本実施形態では、境界層を壁面から剥離させることで、壁面でも流体の流れ方向の流速を０とさせないようにする。

具体的には、図３に示すように、失速角よりも大きい迎え角αをフィン部２１に与えると共に、迎え角αを与えた方向とは反対方向に凸となるようにフィン部２１を曲折させる。

このようにすることにより、フィン部２１の凹壁面２２ｄ側については、迎え角αが失速角よりも大きいので、すぐ（フィン部２１の前縁部にて）境界層はフィン部２１の凹壁面２２ｄから剥離（前縁剥離）する。また、フィン部２１の凹壁面２２ｄ側については、フィン部２１の前縁部における排気ガスの流れ方向に対する壁面２２の角度（接線角度）が大きいので、すぐ（フィン部２１の前縁部にて）境界層はフィン部２１の凹壁面２２ｄから剥離する。即ち、迎え角αを与えた方向とは反対方向に凸となるようにフィン部２１を曲折させることで、排気ガスの流れがフィン部２１の凹壁面２２ｄに沿って流れ難くなる。

他方、フィン部２１の凸壁面２２ｐ側については、途中で排気ガスの流れ方向に対する壁面２２の角度（接線角度）が小さくなり、フィン部２１の後縁部にて境界層がフィン部２１の凸壁面２２ｐから剥離（後縁剥離）する。即ち、迎え角αを与えた方向とは反対方向に凸となるようにフィン部２１を曲折させることで、排気ガスの流れがフィン部２１の凸壁面２２ｐに沿って流れ難くなる。

そして、境界層がフィン部２１の壁面２２から剥離することにより、排気ガスの流れは渦Ｓを巻き乱れるようになる。

上記の渦Ｓにより、フィン部２１の壁面２２でも排気ガスの流れ方向の流速は０とならず、排気ガス中の煤がフィン部２１の壁面２２に付着しない。

従って、本実施形態によれば、境界層がフィン部２１の壁面２２から剥離するので、排気ガス中の煤がインナーフィン２０に付着してガス通路１５が目詰まりすることを抑制することが可能になる。

また、本実施形態によれば、温度境界層もフィン部２１の壁面２２から剥離するので、インナーフィン２０と排気ガスとの間の熱伝達率が上がり、ＥＧＲクーラー１０の冷却性能も向上する。

以上要するに、本実施形態によれば、冷却性能が高く、且つ、排気ガス中の煤がインナーフィン２０に付着してガス通路１５が目詰まりすることを抑制できる熱交換器（ＥＧＲクーラー）１０を提供することができる。

以上、本発明の好適な実施形態について説明したが、本発明は上述の実施形態には限定されず他の様々な実施形態を採ることが可能である。

例えば、上述の実施形態では、熱交換器（ＥＧＲクーラー）１０が対向流式のものであるとしたが、これには限定はされず、熱交換器（ＥＧＲクーラー）１０が順流式のものであっても良い。

また、上述の実施形態では、図３及び図４に示すインナーフィン２０のように、フィン部２１は曲線状に曲折されるとしたが、これには限定はされず、例えば図５及び図６に示すインナーフィン３０のように、フィン部３１は略くの字状に曲折されても良い。この場合も、フィン部３１は、その壁面３２が排気ガスの流れ方向（扁平チューブ１９の長手方向）に対して傾斜するようにインナーフィン３０に設けられる。

１０熱交換器（ＥＧＲクーラー）
１２冷却水通路
１５ガス通路
１９扁平チューブ
２０インナーフィン
２１フィン部
３０インナーフィン
３１フィン部
α 迎え角

Claims

内燃機関の排気ガスと冷却水とで熱交換を行い、前記排気ガスを前記冷却水によって冷却する熱交換器であって、前記冷却水が流通する冷却水通路と、前記排気ガスが流通するガス通路と、該ガス通路内に立設される多数のフィン部を有するインナーフィンとを備え、前記フィン部は、前記排気ガスの流れ方向に対して迎え角を有し、該迎え角は、境界層剥離が発生する失速角よりも大きいことを特徴とする熱交換器。
前記フィン部は、前記迎え角が与えられた方向とは反対方向に凸となるように曲折される請求項１に記載の熱交換器。