JP2007078194A - 熱交換器用伝熱管 - Google Patents

Abstract

【課題】 排気ガス流路を通流する高温の排気ガスが、均一な流速分布を以って通流して、該伝熱管の外側を通流する冷却媒体との熱交換を、効率良く促進する熱交換器用伝熱管を提供する。
【解決手段】 排気ガス流路となる内周面の断面形状が偏平の熱交換器用伝熱管であって、該伝熱管に内装されるフィン構造体が、断面形状略矩形のチャンネル形状の波形で、長手方向に所定の波長で波形のうねりが形成された湾曲曲面を有する波形フィン構造体において、該チャンネル形状の波形の波幅をＨ、長手方向における波形のうねりの波長をＬ、長手方向における波形のうねりの振幅をＡとした場合に、Ｈ／Ｌを０．１７〜０．２０とし、かつＨーＡによって求められるギャップＧとＨとの比（Ｇ／Ｈ）を−０．２１〜０．１９とすることを特徴とする。
【選択図】 図１

Description

本発明は、いわゆるシェルアンドチューブ型の排気ガス冷却装置における熱交換器用伝熱管に係り、詳しくは該熱交換器に複数配設されて排気ガス流路を形成する断面形状が偏平の伝熱管であって、該伝熱管の内周面に熱交換性能の向上を促すために波形フィン構造体を内装すると共に、該波形フィン構造体によってもたらされる熱伝達性能と、圧力損失とのバランスを図るために、波形フィン構造体そのものに特有の改良を施すことにより、該伝熱管内の排気ガス流路を高温の排気ガスが均一な流速分布を以って通流して、該伝熱管の外側を通流する冷却媒体との熱交換を、効率良く促進する熱交換器用伝熱管に関する。

ディーゼルエンジンの排気系から排気ガスの一部を取り出して再びエンジンの吸気系に戻し、混合気に加える方法は、ＥＧＲ（Ｅｘｈａｕｓｔ Ｇａｓ Ｒｅｃｉｒｃｕｌａｔｉｏｎ：排気再循環）と称され、ＮＯｘ（窒素酸化物）の発生を抑制し、ポンプ損失の低減や燃焼ガスの温度低下に伴う冷却液への放熱損失の低減、作動ガス量・組成変化による比熱比の増大と、それに伴うサイクル効率の向上など、多くの効果が得られるところから、ディーゼルエンジンの排気ガスの浄化や、熱効率を改善するための有効な方法として広く採り入れられている。

ところが、ＥＧＲガスの温度が上昇し、ＥＧＲガス量が増大すると、その熱作用によってＥＧＲバルブの耐久性が劣化し、早期に破損する虞れが生ずるため、その防止策として冷却系を設けて水冷構造とする必要に迫られたり、吸気温度の上昇に伴い充填効率が低下して燃費が低下するという現象を招来する。このような事態を回避するためにエンジンの冷却液、カーエアコン用冷媒または冷却風などによってＥＧＲガスを冷却する装置が用いられ、とりわけ、気体であるＥＧＲガスをエンジン冷却水で冷却する気−液熱交換タイプのＥＧＲガス冷却装置が多数提案され使用されている。この気−液熱交換タイプのＥＧＲガス冷却装置の中でも、構造がシンプルで狭隘な設置空間においても容易に取付けが可能な、２重管式熱交換タイプのＥＧＲガス冷却装置に依然として根強い需要があり、例えば高温のＥＧＲガスを通す内管の外側に液体を通す外管を配設し、ガスと液体間で熱交換を行う交換器において、内管内に金属コルゲート板がフィンとして挿入されている２重管式熱交換器（例えば、特許文献１参照）、内側に被冷却媒体を流通させる内管と、該内管の外周を離間して囲むように設けられた外管と、前記内管の内部に配設された熱応力緩和機能を有する放熱フィンとから構成された２重管式熱交換器（例えば、特許文献２参照）をはじめとして、数多くの２重管式熱交換器が提案されている。

上記のように種々の改良が施されたフィン構造体を内装した２重管式熱交換器によれば、その構造が簡略でコンパクトであるにも拘らず、それなりに優れた冷却効率が期待できるために、小型自動車など設置空間に限りのあるＥＧＲガス冷却用の熱交換器として、既に数多く実用に供されているが、構造上コンパクトであるがゆえに通流する流体の絶対量においては自ずと限界があり、結果としてトータルの熱交換効率においては未解決な課題が残されていた。かかる課題を解消するためには構造上多少複雑で大型化が余儀なくされても、いわゆるシェルアンドチューブ型の多管式熱交換器を採用せざるを得ず、これらの熱交換器についても様々な改良がなされている。シェルアンドチューブ型の多管式熱交換器の一例としては、冷却ジャケットを構成するシェル本体の外周部の一端に冷却水入口と、その他端に冷却水出口となるノズルがそれぞれ取付けられ、該シェル本体における長手方向の一端には高温のＥＧＲガス導入用の、その他端には熱交換されたＥＧＲガス排出用のボンネットがそれぞれ一体として設けられ、それぞれのボンネットの内側に取付けられたチューブシートを介して、複数の偏平伝熱管が間隔を隔てて取付けられ、該偏平伝熱管内を高温のＥＧＲガスが、前記シェル本体内を通流する冷却水に対して交差するように通流し、かつ複数の偏平伝熱管によって形成される広い伝熱面積に加え、該偏平伝熱管の内周面に断面コの字型のプレートフィンを内装することによって、通流するＥＧＲガス流を細流化すると同時に、その伝熱面積の更なる増大を図って、優れた熱交換効率が得られたとする多管式熱交換器（例えば、特許文献３参照）が開示されている。

一方、上記シェルアンドチューブ型の多管式熱交換器においては、シェル内に間隔を隔てて多数配設されて伝熱管群を形成する各伝熱管に、均一な流量分布と流速を以って被冷却媒体であるＥＧＲガスを通流させると同時に、被冷却媒体並びに冷却媒体である流体相互の間に適宜に乱流と攪拌作用を生起せしめることが、熱交換効率を向上させるうえで大きな要件となるが、図９（ａ）に示すＥＧＲガス冷却装置によれば、冷却ジャケットを構成するシェル本体３０内に複数配設されて伝熱管群を形成する伝熱管を、底部１０−６と上蓋部１０−５とからなる上下組込み型の偏平伝熱管１０とし、同図（ｂ）に示すように該伝熱管１０の内周面に断面形状が略矩形のチャンネル形状で、長手方向に所定のピッチ間隔を以って波形のうねり２０−１を有する波型フィン２０が内装されると共に、該偏平伝熱管１０における排気ガス流路１０−４面に、複数の凹部１０−３や凸部１０−２を設けることによって、ガスの流れに対する乱流形成部１０−１が形成された熱交換器用の偏平伝熱管１０（例えば、特許文献４参照）が提案され、該偏平伝熱管１０におけるガス流路１０−４内を通流するＥＧＲガスに、周期的な乱流を生起させて煤の付着を効果的に防止すると共に、該伝熱管１０の外周面を通流する冷却水等の冷却媒体に対しても効果的な攪拌を促して、気−液相互間における熱交換性能の向上を図る旨の報告がなされている。また、図１０（ａ）に示す熱交換器おいては、排気ガス流路３０ａ−１の断面形状が偏平に形成されて複数段に積層された排気ガス冷却用の熱交換器４０ａが示され、該偏平の排気ガス流路３０ａ−１に、同図（ｃ）に示すように横断面が略矩形のチャンネル形状の波形で、同図（ｂ）に示すように長手方向にうねりを有する波形フィン構造体２０ａを装入して、実質的に前記特許文献４に類似する構造の熱交換器が開示されているが、本例における該波形フィン構造体２０ａは、同図（ｂ）並びに（ｄ）に示すように、平面から見た波のうねりに相当する波の周期、即ち波の稜線２０ａ−３および谷線２０ａ−４の周期が、ガスの入口側２０ａ−７の周期Ｔ１に比較して、ガスの出口側２０ａ−６の周期Ｔ２が長くなるように形成され、前記偏平の排気ガス流路３０ａ−１にそれぞれに装入されて、波型フィンを内装した偏平伝熱管に代替するガス流路とした熱交換器（例えば、特許文献５参照）が提案され、排気ガス出口側における波のうねりの周期を、入口側より長く、なだらかな曲面とすることによって、ガスの流れを促進して煤の堆積を防止すると同時に、流体の攪拌を促進して熱交換性能を向上する旨報告されている。
特開平１１−２３１８１号公報（図１〜４） 特開２０００−１１１２７７号公報（図１〜７） 特開２００２−１０７０９１号公報（図１〜３） 特開２００４−２６３６１６号公報（図１〜１０） 特開２００４−１７７０６１号公報（図１〜４）

上記各従来技術において、特許文献１〜２に開示されている２重管タイプのＥＧＲガス冷却装置の場合は、上記ようにその構造が簡略でコンパクトであるにも拘らず、それなりに優れた冷却効率が期待できるために、小型自動車など設置空間に限りのあるＥＧＲガス冷却用の熱交換器としては、既に数多く実用に供されているが、構造上コンパクトであるがゆえに通流する流体の絶対量においては自ずと限界があり、結果としてトータルの熱交換効率においては未解決な課題が残されていた。
かかる課題を解消するための上記特許文献３および５における、シェルアンドチューブタイプの多管式熱交換型ＥＧＲガス冷却装置においては、熱交換器用伝熱管をより広い伝熱面積を有する偏平伝熱管とし、該偏平伝熱管に断面コの字形状のフィン構造体を内装したり、偏平伝熱管に内装するコルゲートフィンを、断面形状略矩形のチャンネル形状の波形とすると共に、長手方向に波形のうねりが形成された波型フィンとし、加えて該偏平伝熱管の流体流路面に複数の凹凸を設けて乱流形成部としたり、さらには積層型熱交換器における偏平のガス流路に内装する波形フィンの、長手方向のうねりの周期をガス入口側に比較して出口側で長くする等の改良を施し、該伝熱管内におけるガス流路を通流するＥＧＲガスの流れに適宜に乱流を生起させて該管内における煤の堆積を防止し、あるいは該伝熱管の外側を通流する冷却水等の冷却媒体に攪拌作用を促して、気−液相互間における優れた熱交換性能が得られた旨報告され、その一部については既に実用に供されているが、偏平伝熱管内に内装されて該管内を通流する高温流体と、該管外を通流する冷却媒体との熱交換を効果的に促進しうる波形フィン構造体としての波の形態については、未だにその最適化が確立されていないのが実情であり、実質的には十分な性能を得ることができず更なる改善の余地が残されていた。
より具体的には伝熱管内における伝熱面積が少ない場合においては、流速を上げることによって伝熱性能の向上を図ろうとするが、逆に圧力損失が大きくなり、加えて流速を上げ、熱伝達率の向上を図ろうとするために流路内への煤や汚れの付着が性能劣化の原因となり、圧力損失を減少させるために伝熱管本数を増やした場合には、伝熱管単管あたりの伝熱性能が下降するので、初期の性能を確保するために熱交換器そのもののボリュウムが大きくなり、レイアウト上において大きな妨げとなるなど、新たな課題が発生する。

本発明はこのような流体が有する特有の煤の付着性、粘性、慣性に着目し、偏平伝熱管内に内装され、ＥＧＲガス流路を形成する波形フィン構造体における波形の形態について、様々な角度から種々の実験を伴う検討を重ねた結果、波型フィン構造体におけるガス流路となる横断面の波幅と、長手方向に形成される波形のうねりの波長と、該うねりの曲率半径とを、それぞれ特定範囲内に形成することにより、該伝熱管内を通流するＥＧＲガスの流速と流量の最適な平衡点を見出し、該流路内における熱伝達性能を高度に維持しつつ、圧力損失を最小限に止めることにより、優れた熱交換性能を促そうとしたものである。
即ち本発明は、上記の課題を解決することを所期の目的とし、熱交換器用の偏平伝熱管において、ＥＧＲガス流路を形成する波形フィン構造体の波の形態に、所定の改良を加えることにより、簡略な構造であるにもかかわらず、ＥＧＲガス冷却装置に組込まれる熱交換器用伝熱管に、高温のＥＧＲガスを所定の流速と流量を以って導入することを可能とし、該伝熱管内に発生する煤の堆積や汚れの付着を抑制すると共に、優れた熱交換性能を得ることができるＥＧＲガス冷却装置における、熱交換器用伝熱管を提供するものである。

上記課題を解決するための本発明に係るＥＧＲガス冷却装置における熱交換器用伝熱管は、排気ガス流路となる内周面の断面形状が偏平の熱交換器用伝熱管であって、該伝熱管に内装されるフィン構造体が、断面形状略矩形のチャンネル形状の波形で、長手方向に所定の波長で波形のうねりが形成された湾曲曲面を有する波形フィン構造体において、該チャンネル形状の波形の波幅をＨ、長手方向における波形のうねりの波長をＬとした際に、Ｈ／Ｌで示される値が０．１７〜０．２０の範囲内に調整されることを特徴とするものである。

また、本発明に係るＥＧＲガス冷却装置における熱交換器用の伝熱管は、前記波形フィン構造体において、長手方向における波形のうねりの振幅をＡとした際に、前記チャンネル形状の波形の波幅Ｈとの差（Ｈ−Ａ）によって求められるギャップＧとの比であって、Ｇ／Ｈで示される値が−０．２１〜０．１９の範囲内となるように調整されることを特徴とするものである。

さらに、本発明に係るＥＧＲガス冷却装置における熱交換器用の伝熱管は、排気ガス流路となる内周面の断面形状が偏平の熱交換器用伝熱管であって、該伝熱管に内装されるフィン構造体が、断面形状略矩形のチャンネル形状の波形で、長手方向に所定の波長で波形のうねりが形成された湾曲曲面を有する波形フィン構造体において、前記チャンネル形状の波形の波幅Ｈ、長手方向における波形のうねりの波長Ｌとの比（Ｈ／Ｌ）が０．１７〜０．２０の範囲内に、前記長手方向における波形のうねりの振幅Ａと前記チャンネル形状の波形の波幅Ｈとの差（Ｈ−Ａ）によって求められるギャップＧとの比であって、Ｇ／Ｈで示される値が−０．２１〜０．１９の範囲内に、それぞれ調整されることを特徴とするものである。

本発明はまた、上記熱交換器用伝熱管において、前記波形フィン構造体における波形のうねりの頂点に、該波形フィン構造体におけるチャンネル形状の波形の波幅Ｈに対して、１．７Ｈ〜２Ｈの範囲内で曲率半径Ｒが形成されることを特徴とするものである。

さらに、本発明に係る上記熱交換器用伝熱管は、前記波形フィン構造体における長手方向の湾曲曲面を有する側壁部に、隣接する流体流路間で相互に通流可能に、切り欠き部、スリット、貫通孔等が、任意の形態で設けられることを好ましい態様とするものである。

さらにまた、上記本発明に係る熱交換器用伝熱管は、前記波形フィン構造体が金属製板材からなり、その加工手段がプレス成形、ギア成形およびそれらの組合せの中から適宜に選択され、伝熱管内周壁面への接合手段が、溶接、ろう付、貼着、その他の接合方法の中から適宜選択され、一体として接合されることを好ましい態様とするものである。

また、上記本発明に係る熱交換器用伝熱管は、前記波形フィン構造体を形成する金属製板材がＳＵＳ３０４、ＳＵＳ３０４Ｌ、ＳＵＳ３１６、ＳＵＳ３１６Ｌ等のオーステナイト系ステンレススチールからなり、その板厚が０．０５〜０．３ｍｍであることを好ましい態様とするものである。

またさらに、上記本発明に係る熱交換器伝熱管は、前記伝熱管が断面形状略楕円形で、レーストラック形状、または断面形状長方形で、矩形断面に形成されることを好ましい態様とするものである。

本発明に係る熱交換器用伝熱管は、排気ガス流路を構成する該伝熱管の断面形状が偏平であると同時に、該偏平伝熱管の内周面に内装されるフィン構造体が、断面形状略矩形のチャンネル形状の波形で、長手方向に所定の波長で波形のうねりが形成された湾曲曲面を有する波形フィン構造体であって、該チャンネル形状の波形の波幅をＨとし、長手方向における波形のうねりの波長をＬとした場合に、Ｈ／Ｌで示される値が、０．１７〜０．２０の範囲内に調整すること、および前記チャンネル形状の波形の波幅Ｈと、前記長手方向における波形のうねりの振幅Ａと前記Ｈとの差、即ちＨ−Ａによって求められるギャップＧとの比であって、Ｇ／Ｈで示される値が−０．２１〜０．１９の範囲内に調整することを基本的要件とし、さらに前記波形フィン構造体における波形のうねりの頂点に、前記波幅Ｈに対して１．７Ｈ〜２Ｈの範囲内で曲率半径Ｒを形成することにより、該伝熱管内を特定の流速を維持して通流する排気ガスは、熱交換性能（熱伝達係数）が極大となる時点で、圧力損失が必ずしも極大にならない領域であることを見出し、加えて前記波の頂点に特定の範囲内で曲率半径Ｒを設けることにより、該波の頂点における流れの剥離を抑制して、煤の堆積や汚れの付着を未然に防止する。このようにして本発明による熱交換器用伝熱管は、断面形状が偏平の伝熱管であって、該伝熱管の内周面に内装する波形フィン構造体の横断面の波型と、長手方向に蛇行する波のうねりの形状を、予め所定の範囲内となるように設計値を定めて形成することにより、優れた伝熱性能を以って効果的な冷却性能を有する熱交換器を提供することができる。なお、本発明の効果をより大きくするためには、熱交換器に配設する伝熱管の本数を調整し、レイノルズ数（Ｒｅｙｎｏｌｄｓ ｎｕｍｂｅｒ）を２０００近傍とすることが好ましく、最大であっても５０００以下の領域で使用することが望ましい。

また、本発明に係る他の実施態様からも明らかなように、上記伝熱管は従来公知の手段の中から適宜に選択することができる、極めて簡略な加工方法によって容易に製作可能であり、かつ波形フィン構造体の伝熱管内周面への接合手段も容易であるにも拘らず、得られる効果は著しく優れたものであるところから、これを取付けた多管式熱交換器はＥＧＲガス冷却装置の小型軽量化を低コストで実現できるなど、省エネルギーの観点においても多大な貢献を期待することができる。

以下、本発明の実施の形態について添付した図面と実施例に基づいて更に詳細に、かつ具体的に説明するが、本発明はこれによって拘束されるものではなく、伝熱管や該伝熱管に内装される波形フィン構造体の構造や形状を含め、本発明の主旨の範囲内において自由に設計変更が可能である。

図１は本発明に係る一実施例による熱交換器用伝熱管と、内装された波形フィン構造体とを模式的に示す要部拡大斜視図、図２は同実施例における波形フィン構造体の構成要件を説明するための模式的な平面図、図３は波型フィン構造体を内装した伝熱管単体を示す横断面図、図４は他の実施例による伝熱管単体を示す横断面図、図５は本発明に関連する更に他の実施例において、断面矩形のＥＧＲガス流路が複数段形成された積層型熱交換器の当該流路に、波形フィン構造体が内装され状態を示す要部横断面図、図６は本発明に係る一実施例による波形フィン構造体単体を示す要部斜視図、図７は本発明に係る一実施例による伝熱管単体を示す一部切欠き斜視図、図８は本発明における波形フィン構造体の波の形態に基づく適性値と、後述するヌセルト数比（Ｎｕ0 ）および管摩擦係数の比（ｆ／
ｆ0 )との関係を説明するためのグラフである。

本発明に係る第１実施例による熱交換器用伝熱管１は、図１にその要部を拡大して示すように、断面形状が略楕円形の板厚が０．５ｍｍの、ＳＵＳ３０４Ｌオーステナイト系ステンレススチールを素材として形成された偏平管の内周面１−１に、板厚が０．０５ｍｍの同種のステンレススチール製板材にプレス成形を施すことによって形成された波形フィン構造体２を装入し、ろう付によって一体として接合して波形フィン構造体２を内装してなる伝熱管１を得た。ここで本例によるフィン構造体２は、図１に示すようにフィン構造体２の横断面は略矩形のチャンネル形状の波型に形成され、長手方向には左右に蛇行するようにして波形のうねりが形成されるが、この際、前記チャンネル形状の波形の波幅Ｈは３．０ｍｍ、波形のうねりの波長Ｌを１６．５ｍｍとすることにより、波幅をＨとし、波形のうねりの波長をＬとした場合の両者の比（Ｈ／Ｌ）が０．１８２で、要件０．１７〜０．２０の範囲内にあることを確認して形成した。
また、本例におけるフィン構造体２は、上記の要件に加えて、図２に示す波の振幅Ａを３．０ｍｍとし、前記波幅Ｈとの差（Ｈ−Ａ）によって求められるギャップＧと、前記チャンネル形状の波幅Ｈとの比（Ｇ／Ｈ）が−０．２１〜０．１９の範囲内に収まるように調整し、さらには図２に示すように長手方向に形成される波形のうねりの頂点には６．０Ｒの曲率半径を形成し、前記チャンネル形状の波幅Ｈをベースとしての曲率半径Ｒが１．７Ｈ〜２Ｈの範囲内であるように調整した。本実施例における当該波形フィン構造体２は、波の形態を上記それぞれの用件を満たすように形成されると同時に、該偏平伝熱管１の内周面１−１にその山面２−１および谷面２−２が、面一な状態で密着するようにしてろう付により接合されるが、該伝熱管１の内周面１−１と波形フィン２とが密着状態で接合されることにより、伝熱管流路内における高温のガスの熱が、波形フィン構造体２を介して該伝熱管１の外側を通流する冷却水に効果的に熱交換される。上記の如くして得られた本実施例による伝熱管１を８本を熱交換器にセットして、レイノルズ数が２３００となるように調整してＥＧＲガス冷却装置を構成し、ＥＧＲガス冷却系におけるガス流路に組み込み、冷却性能試験に供した結果、該伝熱管内を通流する高温のＥＧＲガスは、波形フィン構造体２の特定の波形曲面を介して該伝熱管１の流路１−２および１−３内を、所定の流量と流速を維持した状態で通流し、その間に効果的な熱交換が促進されると共に、波形のうねりの頂点に形成された曲率半径Ｒの作用によって、該流路内に大量の煤の堆積や極度の汚れの付着は殆ど見られず、伝熱管外周の冷却ジャケットへの熱交換が効率良く促進され、ＥＧＲガス出口側から排出されるＥＧＲガスは、所定の温度域にまでに冷却されていることが確認された。

本実施例による熱交換器用伝熱管１において、内装される波形フィン構造体２における波の形態の最適値求めるために、種々検討を重ねる中で図８のグラフに示すような知見を得ることができた。即ち、熱伝達性能の傾向を無次元で表すストレートフィン（直線状フィン）のヌセルト数Ｎｕ0 と波形フィンのヌセルト数Ｎｕとの比Ｎｕ／Ｎｕ0 は、チャンネル形状の波形の波幅Ｈと、長手方向における波形のうねりの波長Ｌとの比（Ｈ／Ｌ）が０．２０で極大に達するが、圧力損失の傾向を無次元で表すストレートフィンの管摩擦係数ｆ0 と波形フィンの管摩擦係数ｆとの管摩擦係数比ｆ0 ／ｆは、Ｈ／Ｌの値が０．３で極大に達する。従って、Ｈ／Ｌが０．２０を超えると圧力損失が実用上使用できない程度に増加するのに対して、熱伝達性能が減少することになるので、この領域における仕様は意味を成さないことが裏付けられる。一方、製作が容易なストレートフィンをもつＥＧＲクーラーと比較してコストで１割、重量で２割低減させたタイプのものが要求されることがあるため、伝熱管においては４割の長さ短縮をはかる必要がある。この伝熱管の長さ短縮をはかるためには、フィンのヌセルト数を７割向上させなければならず、そのためにはＨ／Ｌは０．１７以上が必要である。そこで本発明における波形フィン構造体２においては、管摩擦係数比が低く、ヌセルト数比が高い範囲にある、横断面におけるチャンネル形状の波形の波幅Ｈと、長手方向における波形のうねりの波長Ｌとの関係において、Ｈ／Ｌが０．１７〜０．２０の範囲内で使用することとなる。すなわち、図８にＨ／Ｌとヌセルト数比および管摩擦係数比の関係を示すように、ヌセルト数比はＨ／Ｌが０．２０で極大に達するのに対し、管摩擦係数比Ｈ／ＬはＨ／Ｌが０．３０で極大に達する。つまり、Ｈ／Ｌが０．２０を超えると管摩擦係数比が増加するのに対しヌセルト数比が減少するので、この領域を使用する意味はなく、Ｈ／Ｌが０．１７より小さくなるとヌセルト数比が低下し効率の良いフィンとしての使用に適さない。このため、本発明では管摩擦係数比が低く、ヌセルト数比が高い、Ｈ／Ｌが０．１７〜０．２０の範囲を使用することとしたのである。

また、波形フィン構造体２の長手方向における波形のうねりの振幅Ａと、チャンネル形状の波形の波幅Ｈとの関係においては、Ｈ−Ａによって求められる両者のギャップＧと、該波幅Ｈとの比即ちＧ／Ｈが−０．２１〜０．１９となるように調整することが望ましく、その比が−０．２１未満では圧力損失が増大して実用上問題が生ずるおそれがあり、他方、０．１９を上回ると熱伝達性能が極端に低下して効率的なフィンとしての用途を果たせなくなる。さらに、前記長手方向に形成される波形のうねりの頂点には、前記波幅Ｈに対して１．７Ｈ以上で２．０Ｈ未満で曲率半径Ｒが形成されるが、該曲率半径Ｒが１．７Ｈ未満の場合には、波の頂点が尖った形となるため、ガスの流れがフィン構造体の壁面から大きく剥離して、圧力損失を増大させると同時に、該フィンの壁面に煤の堆積や汚れが付着しやすくなり、他方、２．０Ｈを超えると波形フィン構造体における波の接線が非連続となって、波形形状そのものが成り立たなくなる。一方、本発明における上記伝熱管を熱交換器に組込んで使用する場合には、その流速レンジを最適な状態に維持するために、その伝熱管本数を適宜に調整し、レイノルズ数（Ｒｅｙｎｏｌｄｓ ｎｕｍｂｅｒ）が２０００近傍となるようにすることが好ましく、最大であっても５０００以下の領域で使用することが好ましい。

偏平伝熱管１ａの形状を、図４に示すように断面形状長方形の矩形断面とした以外は、実質的に実施例１と同様にして波形フィン構造体２を内装した熱交換器用伝熱管１ａを得、実施例１と同一の条件でＥＧＲガス冷却装置における冷却性能試験に供した結果、実施例１と同様の優れた成果が確認された。

前記実施例２における偏平伝熱管１ａとほぼ同一の仕様の矩形断面を有するＥＧＲガス流路４−２が、複数段形成された積層型熱交換器３を用意し、図５に示すように該流路４−２に実施例１とほぼ同様の仕様に形成されたフィン構造体２ａを装入し、冷却水流路４−３とを区画する隔壁４−１にろう付によって一体として接合することにより、ガス流路４−２に実質的に実施例１と同様の波形フィン構造体２ａが内装された、積層型の熱交換器３を得た。得られた積層型熱交換器３を、実施例１と同一の条件でＥＧＲガス冷却装置における冷却性能試験に供した結果、実施例１と同様優れた成果が確認された。

実施例１と同一の使用の偏平伝熱管１を用意し、該伝熱管１の内周面に内装する波形フィン構造体２ｂとして、チャンネル形状の波形の波幅Ｈを３．５ｍｍ、波形のうねりの波長Ｌを２０．５ｍｍとすることにより、波幅をＨとし、波形のうねりの波長をＬとした場合の両者の比、Ｈ／Ｌの値が０．１７１で、規定の０．１７〜０．２０における下限の範囲内にあることを確認し、また、本例におけるフィン構造体２ｂは、上記の要件に加えて、図２に示す波の振幅Ａを４．２ｍｍとし、前記波幅Ｈとの差、即ちＨ−Ａによって求められるギャップＧと、前記チャンネル形状の波幅Ｈとの比（Ｇ／Ｈ）の値が−０．２１〜０．１９においても下限の範囲内に収まるように調整し、さらには図２に示す長手方向に形成される波形のうねりの頂点には６．０Ｒの曲率半径を形成して、前記チャンネル形状の波幅Ｈをベースとしての曲率半径Ｒにおける１．７Ｈ〜２Ｈの、最小範囲内に収まるように調整した。
上記構成によるフィン構造体２ｂを前記伝熱管１に装入し、一体として接合することによって本実施例による熱交換器用伝熱管１ｂを得、実施例１と同一の条件でＥＧＲガス冷却装置における冷却性能試験に供した結果、実施例１と同様優れた成果が確認された。

本実施例における波形フィン構造体２ｃとして、チャンネル形状の波形の波幅Ｈを３．２ｍｍ、波形のうねりの波長Ｌを１６．０ｍｍとすることにより、波幅をＨとし、波形のうねりの波長をＬとした場合の両者の比、Ｈ／Ｌの値が０．２０で、規定の０．１７〜０．２０における上限の範囲内にあることを確認し、また、本例におけるフィン構造体２ｃは、上記の要件に加えて、図２に示す波の振幅Ａを２．６ｍｍとし、前記波幅Ｈとの差、すなわちＨーＡによって求められるギャップＧと、前記チャンネル形状の波形の波幅Ｈとの比（Ｇ／Ｈ）が−０．２１〜０．１９においても上限の範囲内に収まるように調整し、さらには図２に示す長手方向に形成される波形のうねりの頂点には６．４Ｒの曲率半径を形成して、前記チャンネル形状の波幅Ｈをベースとしての曲率半径Ｒにおける１．７Ｈ〜２Ｈの、最大範囲内に収まるように調整し、それ以外は前記実施例４と同様にして熱交換器用伝熱管１ｃを得、実施例１と同一の条件でＥＧＲガス冷却装置における冷却性能試験に供した結果、実施例４と同様優れた成果が確認された。

図６に示すように波形フィン構造体２ｄの湾曲する側壁部２ｄ−３に、隣接する流体流路間において相互に流通可能に切り欠き部２ｄ−４を形成した以外は、実施例１と同一の構造の波形フィン構造体２ｄを形成し、該フィン構造体２ｄを実施例１と同様の偏平伝熱管に内装せしめて、本実施例による熱交換器用伝熱管１ｄを得、実施例１と同一の条件でＥＧＲガス冷却装置における冷却性能試験に供した結果、実施例１と同様優れた成果が確認された。

上記各実施例からも明らかなように、本発明による熱交換器用伝熱管は、断面形状が略楕円形ないしは略矩形偏平管であって、該偏平管の内周面におけるＥＧＲガス等の被冷却媒体流路に、断面形状略矩形のチャンネル形状の波形で、長手方向に所定の波長で波形のうねりが形成された湾曲曲面を有する波形フィン構造体が、一体として内装されて熱交換器用の伝熱管を構成するが、本発明に係る該伝熱管は、内装される上記波形フィン構造体が、前記チャンネル形状の波幅をＨ、うねりの波長をＬとした際に、Ｈ／Ｌで示される値が０．１７〜０．２０の範囲内にあることを基本的な要件とし、加えて前記うねりの振幅Ａと前記波幅Ｈとの差（Ｈ−Ａ）によって求められるギャップＧと、前記波幅Ｈとの比であるＧ／Ｈが−０．２１〜０．１９の範囲内にあると共に、前記うねりの頂点に１．７Ｈ〜２Ｈの範囲内で曲率半径Ｒが形成されることを付随的要件とするものであり、斯かる構成の本発明の熱交換起用伝熱管によって、該伝熱管内を通流するＥＧＲガス等の高温の排気ガスは、優れた熱伝達性能と少ない圧力損失が確保され、排気ガス冷却系において、該冷却装置が有する熱交換性能を最大限に発揮させ、優れた冷却効率を得ることができるので、省エネルギー面においても多大に貢献する。また、本発明による上記伝熱管は、内装される波型フィン構造体を含めて極めて簡略な加工方法によって製作可能であり、かつ熱交換器への取付け手段も容易であるにも拘らず、得られる効果は著しく優れたものであるところから、当該伝熱管を取付けた多管式熱交換器は、ＥＧＲガス冷却装置等の小型軽量化を低コストで実現できるなど、当該技術分野における熱交換器用伝熱管として幅広く採用されることが期待される。

図１は本発明に係る一実施例による熱交換器用伝熱管と、内装された波形フィン構造体とを模式的に示す要部拡大斜視図である。 同実施例における波形フィン構造体の構成要件を説明するための模式的な平面図である。 同実施例における波型フィン構造体を内装した伝熱管の単体を示す横断面図である。 他の実施例による伝熱管単体を示す横断面図である。 本発明に関連する更に他の実施例において、断面矩形のＥＧＲガス流路が複数段形成された積層型熱交換器の当該流路に、波形フィン構造体が内装され状態を示す要部横断面図である。 本発明に係る一実施例による波形フィン構造体単体を示す要部斜視図である。 本発明に係る一実施例による伝熱管単体を示す一部切欠き斜視図である。 本発明に係る波形フィン構造体におけるＨ／Ｌとヌセルト数の比および管摩擦係数の比の関係を示す図である。 従来の熱交換型ＥＧＲガス冷却装置を示し、（ａ）はその一部破断斜視図、（ｂ）は用いられる伝熱管単体の分解斜視図、（ｃ）該伝熱管単体の要部横断面図である。 他の従来例のＥＧＲガス冷却装置熱交換器を示し、（ａ）はその分解斜視図、（ｂ）は用いられる波形フィン構造体単体の平面図、（ｃ）は胴フィン構造体の側面略図（ｄ）同フィン構造体の波の周期の説明図である。

符号の説明

１、１ａ 多管式熱交換器
１−１、１ａ−１ 内周面
１−２、１ａ−２ ガス流路
１−３、１ａ−３ ガス流路
２、２ａ フィン構造体
２−１、２ａ−１ 山面
２−２、２ａ−２ 谷面
２−３、２ａ−３ 側壁部
２−４、２ａ−４ 切り欠き部
３ 積層型熱交換器
４ シェル本体
４−１ 隔壁
４−２ 排気ガス流路
４−３ 冷却水流路
ｇ ＥＧＲガス

Claims (9)

1. 排気ガス流路となる内周面の断面形状が偏平の熱交換器用伝熱管であって、該伝熱管に内装されるフィン構造体が、断面形状略矩形のチャンネル形状の波形で、長手方向に所定の波長で波形のうねりが形成された湾曲曲面を有する波形フィン構造体において、前記チャンネル形状の波形の波幅をＨ、長手方向における波形のうねりの波長をＬとした際に、Ｈ／Ｌで示される値が０．１７〜０．２０の範囲内に調整されることを特徴とする熱交換器用伝熱管。
2. 排気ガス流路となる内周面の断面形状が偏平の熱交換器用伝熱管であって、該伝熱管に内装されるフィン構造体が、断面形状略矩形のチャンネル状の波形で、長手方向に所定の波長で波形のうねりが形成された湾曲曲面を有する波形フィン構造体において、前記チャンネル形状の波形の波幅をＨ、長手方向における波形のうねりの振幅をＡとした際に、該チャンネル形状の波形の波幅Ｈとの差（Ｈ−Ａ）によって求められるギャップＧとの比であって、Ｇ／Ｈで示される値が−０．２１〜０．１９の範囲内となるように調整されることを特徴とする熱交換器用伝熱管。
3. 排気ガス流路となる内周面の断面形状が偏平の熱交換器用伝熱管であって、該伝熱管に内装されるフィン構造体が、断面形状略矩形のチャンネル形状の波形で、長手方向に所定の波長で波形のうねりが形成された湾曲曲面を有する波形フィン構造体において、前記チャンネル形状の波形の波幅をＨ、長手方向における波形のうねりの波長をＬとした際に、Ｈ／Ｌで示される値が０．１７〜０．２０の範囲内に調整され、さらに長手方向における波形のうねりの振幅をＡとした際に、前記チャンネル形状の波形の波幅Ｈとの差（Ｈ−Ａ）によって求められるギャップＧとの比であって、Ｇ／Ｈで示される値が−０．２１〜０．１９の範囲内となるように調整されることを特徴とする熱交換器用伝熱管。
4. 前記波形フィン構造体における波形のうねりの頂点に、該波形フィン構造体におけるチャンネル形状の波形の波幅Ｈに対して、１．７Ｈ〜２Ｈの範囲内で曲率半径Ｒが形成されることを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１項に記載の熱交換器用伝熱管。
5. 前記波形フィン構造体における長手方向の湾曲曲面を有する側壁部に、隣接する流体流路間で相互に通流可能に、切り欠き部、スリット、貫通孔等が、任意の形態で設けられることを特徴とする請求項１乃至４のいずれか１項に記載の熱交換器用伝熱管。
6. 前記波形フィン構造体が金属製板材からなり、その加工手段がプレス成形、ギア成形およびそれらの組合せの中から適宜に選択され、伝熱管内周壁面への接合手段が、溶接、ろう付、貼着、その他の接合方法の中から適宜選択され、一体として接合されることを特徴とする請求項１乃至５のいずれか１項に記載の熱交換器用伝熱管。
7. 前記波形フィン構造体を形成する金属製板材がＳＵＳ３０４、ＳＵＳ３０４Ｌ、ＳＵＳ３１６、ＳＵＳ３１６Ｌ等のオーステナイト系ステンレススチールからなり、その板厚が０．０５〜０．３ｍｍであることを特徴とする請求項１乃至６のいずれか１項に記載の熱交換器用伝熱管。
8. 前記伝熱管が断面形状略楕円形で、レーストラック形状に形成されることを特徴とする請求項１乃至７のいずれか１項に記載の熱交換器用伝熱管。
9. 前記伝熱管が断面形状長方形で、矩形断面に形成されることを特徴とする請求項１乃至８のいずれか１項に記載の熱交換器用伝熱管。