JP2004191044A - 均衡冷媒流を生じるくさび形冷媒管付き熱交換器組立体 - Google Patents

Abstract

【課題】内燃エンジンのための空気供給器のための相互冷却器のくさび形冷却管は熱伝達効率が不十分であった。本発明はこの目的に有利に使用できる熱交換器組立体を提供する。
【解決手段】熱交換器組立体は複数個のほぼくさび形の冷媒管を含む。熱交換器組立体の冷媒管は管の深さ又は幅に沿って流れを平衡させ流れの一様性を維持するために、管幅方向に沿って水力直径又は流体断面積を一定に維持する。
【選択図】図４

Description

本発明は熱交換器に関し、より詳しくはエンジンのターボチャージャーやスーパーチャージャー等の燃焼空気供給器として使用される熱交換機のようなラジアル熱交換器に関し、更に詳しくは、冷媒の流れをバランスさせて熱交換を最適化するために実質的に同一の水力直径（ｈｙｄｒａｕｌｉｃ ｄｉａｍｅｔｅｒ）または断面積を有する内部冷媒通路を含むくさび形冷媒管を備えた熱交換組立体に関する。

熱交換器は広範囲に使用されており、その一つの用途はターボチャージ式またはスーパーチャージ式内燃エンジンのための内部冷却器としての使用である。ターボチャージャーの場合には、少なくとも１つの回転圧縮器ホイールがエンジンの排気により駆動され、スーパーチャージャーの場合には、少なくとも１つの回転圧縮器ホイールが通常はエンジンの回転出力により機械的に駆動される。いずれの場合にも、圧縮器ホイールは燃焼を維持するためにエンジンに導入される前に周囲空気を圧縮し昇圧するために使用される。吸気の圧縮により、特定容積の空気は圧縮されていない同一容積の周囲空気よりも大きいモル数の酸素を含有する。その結果、追加の酸素がより多量の燃料の燃焼を可能にし、特定寸法のエンジンに対してこの燃焼酸素の供給の結果としてより大きい動力が達成される。
このような空気供給系の効率は相互冷却系（インタークーリング系）と呼ばれる熱交換器装置を使用することにより向上しうる。周囲空気は圧縮により昇温するので、燃焼空気供給装置を使用することから得られる効率、つまりエンジンに供給される燃焼空気の濃縮化による効率の一部は失われる。なぜなら、同一の圧力下にある昇温した圧縮空気は、より冷たい同一容積の圧縮空気よりも酸素量が少ないからである。従って、ある圧力に対して、エンジンに対するよる冷たい燃焼空気の供給は、それより高い温度にある同一圧力の燃焼空気の供給よりも大きい動力の発生を可能にする。

このようにしてこの種の空気供給系の効率を最大化するには、圧縮空気をエンジンに供給する前に冷却する目的で相互冷却器が使用され、任意の圧力において最大モル量の酸素を供給する。

内燃エンジンに対する熱交換相互冷却器はほぼ矩形でありうるが、望ましくはコンパクトである装置としてほぼトロイドつまりドーナツ形をなし、空気供給圧縮器の回転軸の周りに嵌合しうるものが使用される。このような構成に対して、相互冷却器の熱交換特性はほぼくさび形の断面を有する冷媒管を使用することにより最適化される。このようなくさび形冷媒管は関連する回転軸にほぼ平行に配置され、冷却すべき空気の流れはトロイド形相互冷却器を通して半径方向内方に又は半径方向外方に流れる。このような構成の例は２００２年９月２０日出願のＳｔｅｖｅｎ Ｐ．Ｍｅｓｈｅｎｋｙ氏外の米国特許出願１０／２５１５３７号に記載されている。

この型の熱交換相互冷却器の典型的なくさび形冷媒管においては、管の短径寸法は深さ又は幅方向に沿って増大される。くさび形冷媒管として一定管壁が使用されるならば、増大した管の短径寸法は流路断面積を増大させ、熱伝達性能を減少させる。
本発明は熱交換性能を最適化するように構成されたくさび形冷媒管を使用した熱交換器組立体を提供することを目的とする。

本発明の原理を使用する熱交換器組立体は、内燃エンジンの空気供給系と共に使用される相互冷却器として有利に使用でき、また典型的にはトロイド形熱交換器組立体が有利に利用できるその他の用途にも使用できる。トロイド形熱交換器組立体の熱交換特性を最適化するために、例示の熱交換器組立体は複数個のほぼくさび形の冷媒管を含む。くさび形冷媒管の短寸法の増大に関連した性能低下を補償するために、本発明の原理を使用する熱交換器組立体の冷媒管は管の深さ又は幅に沿って流れを均衡させ流れの一様性を維持する。これは管幅に沿って水力直径又は流体断面積を一定に維持することにより達成される。このようにして最適化した熱交換性能が得られる。

例示の実施例に従うと、本発明の原理に従う熱交換器組立体は、第１及び第２マニフォルドと、これら第１及び第２マニフォルド間を延びて熱交換器組立体の第１流体パスを形成する複数個の管とを含む。マニフォルドは関連した冷媒ジャケットに接続されて水のような冷媒であり得る流体が管に導入できるようにする。

各管は各管の幅又は深さ方向に延びる軸線に沿った方向であって外方に傾斜するほぼくさび形の断面形状を有する。各管は平行関係に流体を流すように管の長さに沿って伸びる複数の流路を有する。すなわち、第１流体パス内の任意の管には複数の管路を通して同一方向に流体が流れる。

本発明に従って、各管の複数個の流路は管を通して一様な流れを促進するように形成されている。流れ一様性は実質的に同一の水力直径又は同一の断面積を有する流路を備えることにより達成できる。本発明の一形態によると、各管は膨張性熱交換器表面を画成する一対の対向壁を含む。流れの一様性は隔壁の厚さを各管の軸線に沿った方向に増大させることにより促進される。この例示の実施例では各管の各流路はほぼ矩形断面を有し、ほぼ同一の断面積を有する。

他の実施例では、各管の対向壁はほぼ一様な厚さを有する。この実施例ではほぼ同一の水力直径を有する流路は時計ガラス形断面形状を有するが、他の形状を有しても良いことものと理解されたい。ここでも流体の一様性は、対向壁の厚さがほぼ一定であるが、ほぼ同一の水力直径を有することにより促進される。

本発明によるくさび形管を有する熱交換器組立体は、押出成形管、その他の加工管を有し、各管は少なくとも１つの外壁と、外壁内面に結合されて流路を形成する複数の挿入体を含む。本発明の好ましい実施例では、複数のフィンが熱交換器組立体の隣接した管の間に配置される。例示の場合、フィンは蛇行フィンである。
本発明の他の特徴及び利点は添付図面を参照する次の説明、及び請求項の記載により明らかになるであろう。

本発明は各種の実施例が可能であるけれども、図面及び以下の説明は好ましい実施例に関して行うが、あくまで例示の目的であり、本発明を限定するものではない。
図１には本発明に従って構成できる典型的な熱交換器組立体が示されている。本発明は液体冷媒（冷却材）の相互冷却器（ｉｎｔｅｒｃｏｏｌｅｒ）として使用するのに適しているが、ここに記載された発明原理を実現する熱交換器組立体は、液体以外の流体が組立体の管を流れる他の構造であって、冷却すべき流体が管の周りに流れる流体に排熱されるような管に流通される場合にも適用できることに注意されたい。

熱交換器組立体１０はほぼトロイド又はドーナツ形をなし、この形態で特にターボチャージャー又はスーパーチャージャーのような内燃エンジンの空気供給系に対する相互冷却器に適している。この構成において、熱交換器組立体１０は関連している空気供給器の回転駆動軸の周りに嵌合させることができ、それにより空気供給系のための望ましいコンパクトな構造を提供している。この構造において、関連した空気供給系からの圧縮された空気はトロイド形熱交換器組立体からほぼ放射方向に流れ、空気供給系により圧縮された空気を冷却し、それにより関連した内燃エンジンの効率を向上する。

更に詳しく説明するように、熱交換器組立体１０は、組立体を流れる空気又は他の気体を冷却するために、冷媒又は他の流体が流通する複数個のくさび形管を備えている。本発明の原理を実現する熱交換器組立体は特に内燃エンジンの空気供給系に対する相互冷却器と使用するのに適しているが、当業者には本発明に従って構成されたくさび形冷媒管を使用する熱交換器組立体はこのタイプの構造を有する熱交換器が有利に使用される他の用途にも適正に使用できることが認識できるであろう。

熱交換器組立体１０は複数個の独立したセグメント１２（例示では３個）を含むものであり、この例では関連した空気供給器の圧縮器ホイールの径よりも小さい径の中央開口を有する。この構成により、熱交換器組立体は保守のためにセグメントごとに取り外すことができる。しかし、トロイド又はドーナツ形熱交換器組立体は、関連した空気供給器の圧縮器ホイールの径よりも大きい径の中央開口を有するならば、セグメントに分割されない単一の環状体の形に製作しても良い。

例示の用途では、ドーナツ形熱交換器組立体１０は関連した圧縮器ホイールの回転軸の周りに同心状に配置され、そして組立体１０のコア１４の外周により空気入口が形成される。冷却された空気の出口はコア１４の内周により形成され、従ってコア内の気体流路は熱交換器を半径方向内方に差し向けられる。コア内の冷媒流路は互いに隣り合ってほぼ軸線方向に延長している。こうして冷媒は半径方向内側に向けて流れている空気を冷却するように作用する。

図２に示したように、熱交換器組立体１０のコア１４は、熱交換器組立体１０の各セグメント１２の両マニフォルド１８間に延びると共に円形列の形に間隔を置いて配列された冷媒管１６を備える。例示の実施例では２つの円形列の形に配列された冷媒管１６が示されている。冷媒管１６とマニフォルド１８は一緒に熱交換器組立体１０のコア１４を構成している。

隣接した冷媒管１６の間に複数個のフィンを設けることにより熱交換器組立体１０の熱交換性能を向上することができる。図２及び図３は隣接した冷媒管１６の間に蛇行冷却フィン２０を設けた状態を示す。空気は熱交換器組立体１０を貫流し、冷媒管１６を流れる冷媒により冷却されているフィン２０と熱交換を行い冷却される。しかし、当業者には冷却フィン２０の代わりに一連の間隔を置いた円形板とそれらを貫通する冷媒管とからなるプレートフィンを使用しても良いことは明らかであろう。図１はこのような冷却プレートフィンを例示している。このようなプレートフィンはコアセグメント１２のように分割構造を有しても良いし、セグメントに分割しないコアを形成するのに使用するためほぼ環状構造を有しても良い。

図３に示したように、もしも複数の円形ロール形に配列した冷媒管１６と蛇行フィン又はプレートフィン２０とを組み合わせたものが提供できるならば、冷媒管１６の各列を互いに食い違い関係に配置すること、すなわち半径方向内側にある列の冷媒管１６を半径方向外側にあるフィン２０と整列させ、また半径方向内側にあるフィン２０を半径方向外側にある冷媒管１６に整列させることが望ましい。この構成は熱交換器組立体のコア中に蛇行した空気流路を形成することにより熱伝達を増大する。

図１を参照すると、熱交換器組立体のコア１４を貫流する冷媒の流れは、ほぼ弧状のヘッダ２２、２２を各セグメントのコアの両側でマニフォルド１８に嵌合させることにより促進される。図１のようにセグメントに分割しないトロイド形熱交換器組立体では、ヘッダ２２はほぼ環状をなしていることが理解できよう。加えるに、ヘッダ２２はセグメントに分割しないものとし、セグメントに分割したコアと組み合わせて使用することもできる。

図示の構成では、コア１４の片側のヘッダ２２は適宜内方に位置させて流れを一方の列の冷媒管１６に差し向け、他方の列の冷媒管１６から流出させることができる。より詳しくは、各セグメントの一方のヘッダ２２は内部隔壁２４（鎖線参照）を備え、流体を一方の円形列の冷媒管１６から流れを差し向けるためのポート（口）２６、及び他方の円形列の冷媒管１６から流れを受け取るポート２８をそれぞれ備えている。図１に例示した熱交換器組立体の反対側にも受けたヘッダ２２は内部に隔壁が無くても良く、それにより一方の列の冷媒管からの流れを他方の列に流すことができる。

本発明によると、各冷媒管１６はほぼくさび形をなし、そこを流れる冷媒の一様化を促進する。これは管にほぼ同一の水力直径を持たせることにより達成できる。水力直径は流路の断面積を４倍し流路のぬれ周長で割ることにより得ることができる。ある用途では、流路は実質的に同一断面積にすることで熱伝達の一様性を促進することができる。

図４に示した実施例では各冷媒管はほぼくさび形断面形状を有する。そしてこの形状は冷媒管の幅に沿って延びる軸線方向外向きにテーパしている。すなわち、冷媒管の短寸法は図４に示した配向では左から右に増大する。この実施例では、冷媒管１６はその拡大する熱交換表面を画定するほぼ一様な（一定）厚さの対向壁３０を有する。

冷媒管１６の幅方向に流れる冷媒流の一様性を促進するために、冷媒管１６は実質的に同一の水力直径の流路３２を有する。冷媒流路３２の具体的な形状は、例え短寸法が図４の配向において左から右に増大しても各流路の水力直径が同じになるように選択する。内部隔壁３４は対向壁３０間に延びて冷媒流路３２を画定している。図示の例では隔壁３４は各冷媒流路３２にほぼ時計ガラス形の断面形状を有する。

冷媒管１６は少なくとも一つの外側壁と、少なくとも一つの隔壁に結合されていて内部流路３２を画定する複数の挿入部材３４を備えた加工構造のものでも良い。別法として、冷媒管１６は押出成形構造を有しても良い。

本発明の他の熱交換器組立体の他の実施例による冷媒管１１６を図５に示す。この例では、ほぼくさび形の冷媒管は、管の幅に沿って延びる管の軸線に沿った方向に（図５の配向で左から右へ）厚さが増大する一対の対向した外壁１３０を有する。内部隔壁１３４は外壁１３０、１３０の間に延びてほぼ一定の流路断面積（同一の水力直径でもある）を有する複数の流路１３２を画定している。この例では各流路断面形はほぼ矩形である。
前に説明した実施例と同様に、冷媒管１１６は加工管でも良いし押出成形管でも良い。

従って、本発明により構成された熱交換器組立体はくさび形冷媒管の短寸法の増大に関連して生じる損失を相殺する望ましい作用を達成する。本発明の冷媒管は管幅又は深さ方向の圧力降下を均衡化することにより管を流れる冷媒流の一様性を維持する。

上記から本発明には本発明の範囲内で多くの修正及び変形例が可能である。本発明はここに説明した実施例に限定されるものではない。

本発明の原理に従って構成できる典型的な熱交換器組立体の斜視図である。 本発明の熱交換器組立体の一部を破断した部分斜視図である。 本発明の熱交換器組立体の部分断面図である。 本発明の原理を実現した熱交換器組立体の管を例示する拡大断面図である。 本発明の熱交換器組立体の冷媒管の他の実施例を示す図である。

符号の説明

１０ 熱交換器組立体
１２ セグメント
１４ コア
１６ 冷媒管
１８ マニフォルド
２０ 冷却フィン
２２ ヘッダ
２４ 隔壁
２６、２８ ポート
３０ 対向壁
３２ 冷媒流路
３４ 内部隔壁又は挿入部材
１１６ 熱交換器組立体
１３０ 壁
１３２ 冷媒流路

Claims (13)

1. 第１及び第２マニフォルドと、
   前記第１及び第２マニフォルド間を延びて熱交換器組立体の第１流体パスを形成する複数の管とを含み、
   前記各管は、各管の幅方向に延びる軸線に沿って外向きにテーパをなすほぼくさび形の断面形状を有し、
   前記各管は前記第１パスを通して流体を平行流関係に流すように各管の長さ方向に延びる複数の流路を画定しており、
   前記複数の流路はほぼ同一の水力直径を有することにより、前記第１パスを通る各管の幅方向の流れ分布を一様化させた、熱交換器組立体。
2. 前記各管は、各管の拡張する熱交換表面を画定する一対の対向壁を有し、前記各壁は前記管の幅方向の軸線に沿って増大する厚さを有する請求項１の熱交換器組立体。
3. 前記各管の前記複数の流路はほぼ同一の断面積の矩形断面を有する請求項２の熱交換器組立体。
4. 前記各管は、各管の前記対向壁は拡張する熱交換表面を画定する一対の対向壁を有し、隔壁はほぼ一定の厚さを有する請求項１の熱交換器組立体。
5. 前記各流路は、ほぼ時計ガラス形状断面を有する請求項４の熱交換器組立体。
6. 前記各管は押出成形管である請求項１の熱交換器組立体。
7. 前記各管は少なくとも１つの外壁と、前記外壁に結合された複数個の挿入部材であって前記複数個の流路を画定する挿入部材とよりなる請求項１の熱交換器組立体。
8. 隣接した前記管の間に複数個のフィンが位置づけられている請求項１の熱交換器組立体。
9. 前記フィンは蛇行状である請求項８の熱交換器組立体。
10. 第１及び第２マニフォルド、
    前記第１及び第２マニフォルド間を延びた複数の管と、
    前記複数の管は第１及び第２列として食い違い関係に配置され、前記第１列の管は熱交換器組立体の第１パスを形成し、前記第２列は前記熱交換器組立体の第２パスを形成し、
    前記各管は、前記各管の幅方向に沿って延びる軸に沿って外向きにテーパをなすほぼくさび形の断面形状を有し、
    前記各管は対応したパスを通して流体を平行流関係に流すように各管の長さ方向に延びる複数の流路を画定しており、
    前記複数の流路はほぼ同一の水力直径を有することにより、前記第１パスを通る各管の幅方向の流れ分布を一様化している、熱交換器組立体。
11. 前記各管は、各管の拡張する熱交換表面を画定する一対の対向壁を有し、前記各壁は前記管の幅方向の軸線に沿って増大する厚さを有する請求項１０の熱交換器組立体。
12. 前記各管は、各管の拡張する熱交換表面を画定する一対の対向壁を有し、前記各壁はほぼ一定の厚さを有する請求項１０の熱交換器組立体。
13. 隣接した前記管の間に複数個のフィンが位置づけられ、一方の列のフィンは他方の列の前記管とほぼ整列している請求項１０の熱交換器組立体。

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