JP2011530060A - 内燃機関のための熱伝達ユニット - Google Patents

Abstract

冷却能力を高めるために、流れ長さに亘って種々異なるリブ間隔を備えた熱伝達ユニットが公知である。公知の熱伝達ユニットは、極めて高い煤付着という問題を頻繁に抱えている。本発明において、冷却したい流体が通流する通路（４）は、主流方向に連続している２つの区分（２２，３６）を有し、リブ（１４，１６）は第１の区分（２２）におけるリブ（１４，１６）の流出領域（３０，４４）に、主流方向に一定の横断面を有しており、第２の区分（３６）において主流方向に拡幅している横断面を有している。これにより、熱伝達ユニットの下流側の領域における煤付着は、同等の冷却能力を持ったままで減じられる。

Description

本発明は、特に排ガスを冷却する、内燃機関のための熱伝達ユニットであって、冷却したい流体が通流する、入口と出口とを有する通路を備え、冷却流体が通流する通路を備え、冷却したい流体が通流する通路を、冷却流体が通流する通路から分離する少なくとも１つの隔壁を備え、隔壁から冷却したい流体が通流する通路内に延び、かつ、冷却したい流体の主流方向へ延在する複数のリブを備える、内燃機関のための熱伝達ユニットに関する。

内燃機関のための熱伝達ユニットは一般的に公知であり、複数の出願明細書に記載されている。熱伝達ユニットはガス、例えばブーストエア又は排ガスの冷却、又は例えば油といった液体の冷却のために働く。

とりわけ複数の使用形態に基づく、熱伝達装置の極めて異なる構造が公知である。特にチューブバンドル冷却装置、パネル構造型の冷却装置又はダイカスト冷却装置も挙げることができる。

特に排ガスを冷却する場合、排ガスが通流する通路の非常に大きな煤付着は防ぐべきものであるので、通路は横断面においてあまり小さく選択すべきではない。しかしながら十分に良好な熱伝達を保証するために、特にダイカスト法において製造された冷却装置が開発された。この冷却装置の場合には、冷却流体が通流する通路と、冷却したい流体が通流する通路との間の隔壁からリブが、冷却したい流体が通流する通路内に突出する。これらのリブは、特に温度こう配が高い場合に熱伝達を明らかに改良する。

上記熱伝達装置は、例えばドイツ連邦共和国実用新案第２０２００６００９４６４号明細書において公知である。開示されている熱伝達装置は、内部シェルと外部シェルとを有している。冷却媒体が通流する通路が熱伝達装置の内部ケーシング内に形成されており、この通路は、リブが突入していて内部シェル及び外部シェルの間に配置されている排ガスが通流する通路によって取り囲まれている。２つの通路の間の隔壁から通路内に、流体が通流する通路の全長に亘ってリブが突入する。リブは相前後して列を成して配置されていて、夫々前縁を有していて、この前縁に２つの側壁が接続している。リブの各側壁に対する２つの接線の間の角度は上流側の領域においては連続的に減少し、形成される角度は０°となり、ひいては下流側の領域における２つの側壁は互いに平行に延在する。各リブの端部においては２つの側壁が各々後縁に通じているので、各リブの後方壁と側壁との間には直角が存在する。この実施の形態により、極めて良好な熱伝達とひいては高い冷却能力が達成される。

このようなリブ形状を備えた熱交換器の別の構成が、ドイツ連邦共和国特許出願公開第１０２００６０２９０４３号明細書において公知である。この熱交換器は同様に外側シェルと内側シェルとから成っている。内側シェルは、リブが突入している、排ガスが通流する内側の通路の、冷却媒体が通流する外側の通路からの隔壁として働く。したがって、冷却媒体が通流する外側の通路は、内側シェルと外側シェルとの間に配置されている。この構成において、良好な冷却能力及び小さな圧力損失を実現するために、通流可能な横断面は、流れ延在方向に亘って排ガスの濃度を減じるために相応に縮小される。出口領域における比較的高い流速により、絶縁作用のある境界層が減じられ、これにより冷却能力は向上する。しかしこの構成の欠点は、リブの間の減じられた開放横断面が、特に比較的低温の排ガスの場合には高められた煤付着に繋がるという点である。これにより冷却装置の効率は損なわれる。

付加的にドイツ連邦共和国特許出願公開第１０２００４０４５９２３号明細書において、幅、長さ、高さ及びオーバラップが互いに異なる様々なリブ形状が公知である。この構成の特徴は、一定の横断面のリブか又は相対する２つの翼を備えたリブである。これらのリブは、小さな圧力損失だけで熱伝達能力の改良のために働く。種々異なって存在する温度こう配及びこの温度こう配からもたらされる種々異なる煤付着傾向に対する適合は行われないので、上記明細書に記載の構成を備えた熱伝達装置の効率は制限されている。

したがって、本発明の目的は、公知の構成に比べて冷却能力が少なくとも維持されていて、しかも煤堆積（Verrussung）及び煤付着（Versottung）を減じる熱伝達ユニットを提供することである。これにより熱伝達ユニットの全寿命に亘って見て、特に長時間の運転後に、高められた冷却能力で小さな圧力損失がもたらされる。

上記目的は、冷却したい流体が通流する通路が、主流方向に連続している２つの区分を有し、リブの流出領域が第１の区分において主流方向に一定の横断面を有しており、第２の区分において主流方向に拡幅している横断面を有していることにより達成される。したがって、主に煤が形成される傾向にある第２の区分において、拡幅する横断面により付加的な渦流（Wirbelbildung）が形成される。高められた乱流によりリブ壁に固着する煤は明らかに減じられるようになる。これにより冷却能力は熱伝達ユニットの全寿命に亘って十分に一定に保たれる。上流側の領域における圧力損失は、一定の横断面のリブにより小さく保つことができる。

別の構成において、第１の区分におけるリブの長手方向軸線は、第２の区分におけるリブの長手方向軸線よりも互いに小さな間隔を置いて配置されている。したがって、第１の区分における冷却能力は、高い流速及び高い流速によりもたらされる薄い絶縁性の境界層に基づき高められ、第２の区分において肉厚の境界層は存在する乱流により解消される。第２の区分における比較的大きな間隔は、確かに比較的低い流速に繋がるが、小さな圧力損失及びリブの壁部における減じられた煤形成にも繋がる。さらに滞留時間は高められる。したがって、熱交換器全体に亘って冷却能力をほぼ一定に保つことができ、煤形成は減じられる。

有利な構成において、第２の区分に配置されているリブは線形の前縁を有している。この前縁から２つの側壁が延在している。２つ側壁に接する接線の間の角度は、主流方向において先ず連続的に減少し、側壁は互いに平行に延在し、流出領域において側壁に接する接線の間の角度は再び増加する。このように形成されたリブにより大きな渦流、ひいては強力な乱流が第２の区分に形成される。これにより煤付着は明らかに減じられる。これと同時にリブによりもたらされる圧力損失は、リブの一定に構成されている側壁により比較的小さく保たれる。さらに上記リブ形状はダイカスト法において簡単に製造可能でもあり、十分な安定性を有している。乱流を形成する付加的な構造を省くことができる。

上記構成により冷却能力を失うことなく又は圧力損失を高めることなく、熱伝達ユニットにおける煤付着は明らかに減じられる。これにより公知の構成と比べて、長時間の運転後の良好な冷却能力がもたらされる。

本発明に係る熱伝達ユニットの概略的な平面図である。

本発明の実施の形態を図示し、以下に説明する。

図示の熱伝達ユニットは、冷却したい流体が通流する通路４と、冷却流体が通流する通路６とが配置されているケーシング２から成っている。特に排ガス冷却装置として上記熱伝達ユニットを使用した場合に、熱伝達ユニット内に存在する煤に基づく重大な煤付着に関する問題が発生するので、以下、冷却したい流体が通流する通路４は、簡単に理解するために、排ガスが通流する通路と称呼する。

ケーシング２は１つの部材又は複数の部材から成る内部シェル８と、この内部シェル８を取り囲む、内部シェル８から実質的に離間されて配置されている外部シェル１０とから成っている。

本実施の形態において冷却流体が通流する通路６は、内部シェル８と外部シェル１０との間に配置されており、ひいては冷却したい流体が通流する通路４を取り囲む。この通路４は内部シェル８の周壁により画成されている。したがって内部シェル８の周壁は、熱交換している２つの流体の間の隔壁１２を形成する。隔壁１２からリブ１４，１６が、熱伝達の改善のために２つの相対する面から排ガスが通流する通路４内へ延びている。これらのリブ１４，１６を断面して示す。

内部シェル８は排ガスのための入口１８と、この入口１８に相対している出口２０とを有している。冷却媒体が通流する通路６の入口及び出口は図示されておらず、例えば外部シェルの領域において管片により形成することができる。当然ながら、排ガスが通流する上記通路をＵ字形に形成することも可能であり、入口１８と出口２０とは相並んで配置されている。

熱伝達ユニット内に流入する排気ガスは入口１８から、リブ１４が配置されている第１の区分に２２に最初に到達する。リブ１４は１つの前縁２４と、この前縁２４から線形に延在する２つの側壁２６，２８を有しており、これらの側壁２６，２８の接線は、排ガスの主流方向に見て、連続して互いに小さくなる角度を形成してゆき、側壁２６，２８は互いに平行に延在することになる。この平行性は流出領域３０においてもリブ１４の端部まで保持されたままである。したがって、側壁２６，２８は端部壁３２に対して夫々約９０°の角度を成す。したがって、リブ１４の端部には２つの後縁３４が設けられている。通路４においてこれらの後縁３４から排ガスはさらに流れることができる。

本実施の形態において２列のリブ１４によって形成される第１の区分２２を通流した後に、排ガス流は第２の区分３６に到達する。この第２の区分３６には別様に構成されたリブ１６が配置されている。第２の区分３６は、連続して配置されている５列のリブ１６から成っている。第１の区分２２においても、第２の区分３６においてもリブ１４，１６は夫々、後続の列のリブ１４，１６に対してずらされて配置されている。

第２の区分３６のリブ１６は、リブ１４のように１つの前縁３８と、この前縁３８から線形に延在している２つの側壁４０，４２を有している。これらの側壁４０，４２の接線は、排ガスの主流方向に連続して互いに小さくなる角度を形成しており、側壁４０，４２は互いに平行に延在している。リブ１４とは異なり、側壁４０，４２の接線の間の角度は流れ方向において流出領域４４において再び増加する。つまり、リブ１４とは異なり、本発明において、リブ１６の横断面は流れ方向において流出領域４４で増大する。これに対してリブ１４の横断面は流出領域３０においても一定のままである。したがってリブ１６においても、側壁４０，４２の端部と、主流方向に対して垂直に延在する端部壁４８との間に２つの後縁４６がもたらされる。流出領域４４における側壁４０，４２のうちの一方に沿った接線と端部壁４８との間に形成される角度は９０°よりも小さい。

上述のように形成された流出領域４４により、排ガス流はこの領域において変向し、かつ、減じられた横断面により速度は上昇する。この変向及び速度上昇は、第２の区分３６における強力な渦流ひいては乱流に繋がる。この乱流はリブ１６の煤付着を明らかに減じる。煤付着は公知の熱交換器、特に公知の熱交換器では第２の区分３６において特に高くなっている。付加的に図面から、第１の区分２２においてリブ１４を通って主流方向に延在する軸線の間隔は、第２の区分３６においてリブ１６を通って主流方向に延在する軸線の間隔よりも小さい。これにより第１の区分２２における排ガスの流速は高まり、比較的小さな境界層がもたらされ、冷却効率は向上する。第２の区分３６におけるリブ軸線の間の比較的大きな間隔は、確かに、流速を減じ、ひいては絶縁境界層を拡大するが、このことは流出領域４４に沿った付加的な渦流により十分に補償される。上流側の領域における狭幅なギャップによる比較的高い圧力損失は、第２の区分３６における比較的小さな圧力損失により十分に補償することができる。

各区分におけるほぼ一定の開放通流横断面を実現するための各リブ形状は、２列目のリブ列において互いにずらされたリブ配列に基づき、１列毎のリブ列においては半分のリブとして側壁に形成されている。

このように、十分に同じ圧力損失及び同じ冷却能力のままで、煤付着若しくは煤堆積を明らかに減じることができる本発明に係る熱伝達ユニットの実施の形態が提案される。また、これにより冷却能力は熱伝達ユニットの全寿命にわたって不変に十分に保持することができる。

熱伝達ユニットの構造は種々異なって選択することができ、本願の請求の範囲は、ダイカスト法において製造された冷却装置に限定されるものではないことは明らかである。ダイカスト法において製造された冷却装置にとって、例えば熱伝達ユニットの延在方向において流れの方向を変更することもできる。連続する２つの区分の長さは、使用態様に応じて最適化可能である。実際に使用するリブ軸線の間隔は、熱伝達ユニットの大きさ及び構成に応じて最適化する必要もある。種々異なる他の変化形も考慮可能である。

Claims (3)

1. 特に排ガスを冷却する、内燃機関のための熱伝達ユニットであって、
   入口と出口とを有する、冷却したい流体が通流する通路を備え、
   冷却流体が通流する通路を備え、
   前記冷却したい流体が通流する通路を、前記冷却流体が通流する通路から分離する少なくとも１つの隔壁を備え、
   該隔壁から前記冷却したい流体が通流する通路内に延び、かつ、前記冷却したい流体の主流方向へ延在する複数のリブを備える、内燃機関のための熱伝達ユニットにおいて、
   前記冷却したい流体が通流する通路（４）は、前記主流方向に連続している２つの区分（２２，３６）を有し、前記リブ（１４，１６）の流出領域（３０，４４）は、第１の区分（２２）において前記主流方向に一定の横断面を有しており、第２の区分（３６）において前記主流方向に拡幅している横断面を有していることを特徴とする、内燃機関のための熱伝達ユニット。
2. 前記第１の区分（２２）における前記リブ（１４，１６）の長手方向軸線は、前記第２の区分（３６）における前記リブ（１４，１６）の長手方向軸線よりも互いに小さな間隔を置いて配置されていることを特徴とする、請求項１記載の熱伝達ユニット。
3. 前記第２の区分（３６）に配置されているリブ（１６）は線形の前縁（３８）を有しており、該前縁（３８）から２つの側壁（４０，４２）が延在しており、該２つの側壁（４０，４２）に接する接線の間の角度が前記主流方向においてまず連続的に減少し、前記両側壁（４０，４２）は互いに平行に延び、流出領域（４４）において前記側壁（４０，４２）に接する接線の間の角度が再び増加することを特徴とする、請求項１又は２記載の熱伝達ユニット。

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