特開 2024-51571 インナーフィン

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】公開特許公報(A)

(11)【公開番号】P2024051571

(43)【公開日】2024-04-11

(54)【発明の名称】インナーフィン

(51)【国際特許分類】

   F28F 1/40 20060101AFI20240404BHJP

   F28F 1/02 20060101ALI20240404BHJP

   F28D 1/053 20060101ALI20240404BHJP

   F02M 26/29 20160101ALI20240404BHJP

【ＦＩ】

F28F1/40 N

F28F1/02 A

F28D1/053 A

F02M26/29 311

【審査請求】未請求

【請求項の数】5

【出願形態】ＯＬ

(21)【出願番号】P 2022157808

(22)【出願日】2022-09-30

(71)【出願人】

【識別番号】000220217

【氏名又は名称】東京ラヂエーター製造株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】110001416

【氏名又は名称】弁理士法人信栄事務所

(72)【発明者】

【氏名】諏訪下 大輔

【テーマコード（参考）】

3G062

3L103

【Ｆターム（参考）】

3G062ED08

3L103AA37

3L103BB17

3L103CC02

3L103CC27

3L103DD08

3L103DD32

3L103DD97

(57)【要約】

【課題】熱交換効率が向上されたインナーフィンを提供する。
【解決手段】インナーフィンは、流路方向に延びる複数条の突起が幅方向に連続して構成されている。突起は、流路方向に沿って直線状に延びる、二つの板部の一方との接触部を有する。突起は、流路方向と幅方向に直交する面方向から見て流路方向に沿って周期Ｔで規則的に変化する波形状である。突起の流路方向に直交する断面の形状が、二つの板部の他方から二つの板部の一方へと立ち上がり接触部に至る第一部と、接触部から二つの板部の他方に向かって立ち下がる第二部とを有する。基準断面と基準断面から周期Ｔ／２の部位の断面を除いた部分の突起の断面の形状は、第一部の接触部に至る曲線で構成される部位の曲率と、第二部の接触部から延びる曲線で構成される部位の曲率が異なる。
【選択図】図３

【特許請求の範囲】

【請求項1】

熱交換器に組み込まれる対向する二つの板部の間に配置されるインナーフィンであって、
前記インナーフィンは、流路方向に延びる複数条の突起が幅方向に連続して構成されており、
前記突起は、前記流路方向に沿って直線状に延びる、前記二つの板部の一方との接触部を有し、
前記突起は、前記流路方向と前記幅方向に直交する面方向から見て前記流路方向に沿って周期Ｔで規則的に変化する波形状であり、
前記突起の前記流路方向に直交する断面の形状が、前記二つの板部の他方から前記二つの板部の前記一方へと立ち上がり前記接触部に至る第一部と、前記接触部から前記二つの板部の前記他方に向かって立ち下がる第二部とを有し、
前記第一部と前記第二部の形状が線対称となる前記断面を基準断面と呼ぶとき、
前記基準断面と前記基準断面から周期Ｔ／２の部位の断面を除いた部分の前記突起の前記断面の形状は、前記第一部の前記接触部に至る曲線で構成される部位の曲率と、前記第二部の前記接触部から延びる曲線で構成される部位の曲率が異なる、インナーフィン。

【請求項2】

前記基準断面の部位から前記基準断面から周期Ｔ／４の部位までの間において、
前記第一部の前記接触部に至る曲線で構成される部位の曲率は、前記流路方向に沿って増大し、
前記第二部の前記接触部から延びる曲線で構成される部位の曲率は、前記流路方向に沿って減少する、請求項１に記載のインナーフィン。

【請求項3】

前記接触部は、前記二つの板部の一方と線接触する、請求項１に記載のインナーフィン。

【請求項4】

前記流路方向からみて隣り合う前記突起と前記突起の間には隙間が設けられている、請求項１に記載のインナーフィン。

【請求項5】

前記突起の前記流路方向および前記幅方向に直交する断面は、曲線により形成された波形状を有している、請求項１に記載のインナーフィン。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本開示は、熱交換器に組み込まれる対向する二つの板部の間に配置されるインナーフィンに関する。

【背景技術】

【0002】

特許文献１は、排気ガスの流れに直交する断面形状が矩形である流路が、長手方向へ進むに従い蛇行するように形成されている、熱交換器に組み込まれる扁平なチューブに内挿されるインナーフィンを開示している。

【0003】

特許文献２は、排気ガスの流れに直交する断面形状が波形である流路が、長手方向へ進むに従い横方向に凹凸状に起伏する蛇腹構造の壁面を有する、熱交換器に組み込まれる扁平なチューブに内挿されるインナーフィンを開示している。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0004】

【特許文献1】特開２００４－２６３６１６号公報

【特許文献2】特開２００８－９６０４８号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0005】

特許文献１のインナーフィンにおいては、断面形状が矩形の端面がチューブの内壁面に当接する接触部となるので、チューブの内壁面に対する接触部の接触面積が大きく、インナーフィンをチューブの内壁面にろう付けする範囲が広かった。これに対して、特許文献２では、断面形状が波形の屈曲部がチューブの内壁面に当接する接触部となるので、チューブの内壁面に対する接触部の接触面積をろう付けできる程度の接触面積とし、ろう付け範囲を極めて狭い範囲に限定している。しかしながら、特許文献２では、各流路の接触部に近い部分では、排気ガスの流れに直交する断面積が他の部分の断面積よりも小さくなり、他の部分に比べて、排気ガスが流れにくく熱交換率が低くなる。

【0006】

本開示の目的は、熱交換効率が向上されたインナーフィンを提供することである。

【課題を解決するための手段】

【0007】

上記の目的を達成するための一態様は、熱交換器に組み込まれる対向する二つの板部の間に配置されるインナーフィンであって、
前記インナーフィンは、流路方向に延びる複数条の突起が幅方向に連続して構成されており、
前記突起は、前記流路方向に沿って直線状に延びる、前記二つの板部の一方との接触部を有し、
前記突起は、前記流路方向と前記幅方向に直交する面方向から見て前記流路方向に沿って周期Ｔで規則的に変化する波形状であり、
前記突起の前記流路方向に直交する断面の形状が、前記二つの板部の他方から前記二つの板部の前記一方へと立ち上がり前記接触部に至る第一部と、前記接触部から前記二つの板部の前記他方に向かって立ち下がる第二部とを有し、
前記第一部と前記第二部の形状が線対称となる前記断面を基準断面と呼ぶとき、
前記基準断面と前記基準断面から周期Ｔ／２の部位の断面を除いた部分の前記突起の前記断面の形状は、前記第一部の前記接触部に至る曲線で構成される部位の曲率と、前記第二部の前記接触部から延びる曲線で構成される部位の曲率が異なる。

【発明の効果】

【0008】

本開示によれば、熱交換効率が向上されたインナーフィンが提供される。

【図面の簡単な説明】

【0009】

【図1】本実施形態に係るインナーフィンを用いた熱交換器の構成を例示する斜視図である。

【図2】チューブとインナーフィンの構成を例示する正面図である。

【図3】インナーフィンの構成例を示す斜視図である。

【図4】インナーフィンの構成例を示す平面図である。

【図5】図４のＶ部の拡大図である。

【図6】図５の位置Ａ、Ｉにおける突起の断面図である。

【図7】図５の位置Ｂ、Ｈにおける突起の断面図である。

【図8】図５の位置Ｃ、Ｇにおける突起の断面図である。

【図9】図５の位置Ｄ、Ｆにおける突起の断面図である。

【図10】図５の位置Ｅにおける突起の断面図である。

【図11】図２のインナーフィンの一部を示す図である。

【図12】図２における線ＸＩＩＩ－ＸＩＩＩに沿う断面を矢印方向から見た構成を示す切断部端面図である。

【図13】図５の位置Ａにおけるインナーフィンの部分断面図である。

【発明を実施するための形態】

【0010】

添付の図面を参照しつつ、実施形態例について以下詳細に説明する。以下の説明に用いられる各図面においては、各要素を認識可能な大きさとするために縮尺が適宜変更されている。図面において、矢印Ｕは、図示された構造の上方向を示している。矢印Ｄは、図示された構造の下方向を示している。矢印Ｆは、図示された構造の前方向を示している。矢印Ｂは、図示された構造の後方向を示している。矢印Ｒは、図示された構造の右方向を示している。矢印Ｌは、図示された構造の左方向を示している。これらの方向は、図３に示されたインナーフィン１０について設定された相対的な方向であり、排気ガスが流れる方向を前方向とする。

【0011】

図１は、本実施形態に係るインナーフィン１０を用いたＥＧＲ（Ｅｘｈａｕｓｔ Ｇａｓ Ｒｅｃｉｒｃｕｌａｔｉｏｎ）システム用の熱交換器２０を例示している。図１に例示されるように、熱交換器２０のシェル２１には、複数の扁平なチューブ２２が組み込まれている。各チューブ２２内には、インナーフィン１０が挿入されている。

【0012】

シェル２１の両端には、チューブ２２に排気ガスを供給する入口ヘッダー２３と、チューブ２２を通過した排気ガスを導出する出口ヘッダー２４とがそれぞれ取り付けられている。シェル２１の入口側には、冷却水を供給する入ロパイプ２５が接続されている。シェル２１の出口側には、冷却水を導出する出ロパイプ２６が接続されている。チューブ２２に供給された排気ガスが複数のチューブ２２に分岐してチューブ２２の内部を通過するとともに、冷却水がチューブ２２の外側とシェル２１との間を流れることにより、排気ガスが冷却水と熱交換によって冷却される。

【0013】

図２に例示されるように、チューブ２２は、平板状の上板部２２１、平板状の下板部２２２、および上板部２２１とした下板部２２２を連結する側板部２２３を有する。チューブ２２の内部にインナーフィン１０が設けられている。すなわち、インナーフィン１０は、対向する上板部２２１と下板部２２２の間に配置されている。チューブ２２の内部には、インナーフィン１０により、複数の排気ガスが通過する流路２２４が、チューブ２２の長手方向（本例においては、前後方向）に沿って形成されている。

【0014】

図３に例示されるように、インナーフィン１０は、流路２２４が形成される方向（以下、流路方向Ａ１と称する）に延びた、複数条の突起１１を有している。複数条の突起１１は、幅方向Ａ２（本例においては、左右方向）に連続するように形成されている。図３においては、流路方向Ａ１に延びた５つの突起１１が、上方に突出した状態で、幅方向Ａ２に並んで形成された様子を示している。インナーフィン１０は、一枚のＳＵＳ（ステンレス鋼）製などの板材をプレス成形などにより加工することにより形成される。

【0015】

各突起１１は、上端において、チューブ２２と接触する接触部１１１を有する。接触部１１１は、流路方向Ａ１に沿って直線状に延びている。接触部１１１は、図２に例示されるように、チューブ２２の上板部２２１にろう付けされる。また、各突起１１は、下端において、チューブ２２と接触する接触部１１２を有する。接触部１１２は、流路方向Ａ１に沿って直線状に延びている。接触部１１２は、図２に例示されるように、チューブ２２の下板部２２２にろう付けされる。このように突起１１の接触部１１１および接触部１１２がチューブ２２にろう付けされることにより、チューブ２２の長手方向に沿って延びて、チューブ２２の幅方向（本例においては、左右方向）に連続して並んだ複数の流路２２４が形成される。

【0016】

図４に例示されるように、各突起１１は、流路方向Ａ１と幅方向Ａ２に直交する面方向（本例においては、上方）から見て流路方向に沿って周期Ｔで規則的に変化する波形状を有する。

【0017】

以下、図５～図１０を用いて、突起１１の波形状について詳細に説明する。図５は図４のＶ部の拡大図である。図６～図１０は、図５に示される周期Ｔ内の各位置Ａ～Ｉにおける突起１１の流路方向Ａ１に直交する断面の形状を例示している。具体的には、図６は、位置Ａ，Ｉにおける突起１１の断面の形状を例示している。図７は、位置Ｂ，Ｈにおける突起１１の断面の形状を例示している。図８は、位置Ｃ，Ｇにおける突起１１の断面の形状を例示している。図９は、位置Ｄ，Ｆにおける突起１１の断面の形状を例示している。図１０は、位置Ｅにおける突起１１の断面の形状を例示している。なお、位置Ａ～Ｉは、Ｔ／８ずつ異なった位置を示している。

【0018】

図６に例示されるように、突起１１の断面形状は、第一部１１３と第二部１１４とを有する。第一部１１３は、チューブ２２の下板部２２２の内壁面２２２Ａから上板部２２１の内壁面２２１Ａへと立ち上がり接触部１１１に至る。第二部１１４は、接触部１１１からチューブ２２の下板部２２２の内壁面２２２Ａに向かって立ち下がる。

【0019】

第一部１１３は、接触部１１１に至る曲線で構成される部位１１３１を有する。部位１１３１は、第一曲率半径Ｒ１を有する。部位１１３１の第一曲率半径Ｒ１、すなわち部位１１３１の曲率は、流路方向Ａ１に沿って、周期Ｔで規則的に変化する。

【0020】

具体的には、図６から図１０に示されるように、位置Ａから位置Ｅまでの間では、部位１１３１は、第一曲率半径Ｒ１が流路方向Ａ１に沿って減少する、すなわち、曲率が流路方向Ａ１に沿って増大するように形成される。一方、位置Ｅから位置Ｉまでの間では、図１０から図６に示されるように、部位１１３１は、第一曲率半径Ｒ１が流路方向Ａ１に沿って増大する、すなわち、曲率が流路方向Ａ１に沿って減少するように形成される。

【0021】

第二部１１４は、接触部１１１から延びる曲線で構成される部位１１４１を有する。部位１１４１は、第二曲率半径Ｒ２を有する。部位１１４１の第二曲率半径Ｒ２、すなわち部位１１３１の曲率は、流路方向Ａ１に沿って、周期Ｔで規則的に変化する。

【0022】

具体的には、部位１１４１は、図６から図１０に示されるように、位置Ａから位置Ｅまでの間では、第二曲率半径Ｒ２が流路方向Ａ１に沿って増大する、すなわち、曲率が流路方向Ａ１に沿って減少するように形成される。一方、位置Ｅから位置Ｉまでの間では、図１０から図６に示されるように、第二曲率半径Ｒ２が流路方向Ａ１に沿って減少する、すなわち、曲率が流路方向Ａ１に沿って増大するように形成される。

【0023】

第一部１１３と第二部１１４の形状は、図８に例示されるように、位置Ｃ，Ｇにおいて、線対称となり、第一曲率半径Ｒ１と第二曲率半径Ｒ２は、同じ値を有する。位置Ｃにおける突起１１の断面を基準断面と呼ぶとき、基準断面と位置Ｇにおける突起１１の断面を除いた部分の突起１１の断面の形状は、図６，７，９，１０に例示されるように、第一部１１３の部位１１３１の曲率と、第二部１１４の部位１１４１の曲率が異なる。

【0024】

例えば、位置Ａと位置Ｂでは、第一曲率半径Ｒ１は、第二曲率半径Ｒ２より大きくなる。位置Ｃにおいて、第一曲率半径Ｒ１が第二曲率半径Ｒ２と同じになると、位置Ｄ、位置Ｅおよび位置Ｆでは、第一曲率半径Ｒ１は、第二曲率半径Ｒ２より小さくなる。そして、位置Ｇにおいて、第一曲率半径Ｒ１が第二曲率半径Ｒ２と同じになると、位置Ｈと位置Ｉでは、第一曲率半径Ｒ１は、第二曲率半径Ｒ２より大きくなる。

【0025】

第一曲率半径Ｒ１と第二曲率半径Ｒ２は、例えば、０．２ｍｍ以上に設定される。また、第一曲率半径Ｒ１と第二曲率半径Ｒ２は、例えば、同一断面において大きい側の曲率半径が小さい側の曲率半径の２倍以下となるように、設定される。例えば、第一曲率半径Ｒ１と第二曲率半径Ｒ２は、フィンピッチＰ（図６）が６ｍｍの場合、一方の曲率半径が０．４ｍｍであり、他方の曲率半径が２．４ｍｍとなるように設定される。なお、フィンピッチＰは、隣り合う突起１１間の距離である。

【0026】

ここで、チューブ２２に対する接触部１１１のろう付け範囲を狭くするためには、例えば特許文献２のインナーフィンのように、接触部である屈曲部の曲率半径を小さくすることが考えられる。しかしながら、屈曲部付近では、流路方向に直交する断面積が他の部分の断面積よりも小さくなり熱交換率が低くなる。

【0027】

これに対して、本実施形態に係るインナーフィン１０によれば、位置Ｃ，Ｇ以外の位置では、第一部１１３の部位１１３１の曲率と、第二部１１４の部位１１４１の曲率が異なる。換言すれば、接触部１１１を含む曲面は単一の曲率半径ではなく、接触部１１１を挟んで異なる曲率半径を有するように形成されている。したがって、接触部１１１付近の断面積が他の部分よりも小さくなることを抑制できる。これにより、突起１１の断面の全領域において排気ガスが流れやすくなり、インナーフィン１０全体としての熱交換効率が向上する。

【0028】

また、接触部１１１は流路方向Ａ１に沿って直線状に延びているので、例えば板材に複数のインナーフィン１０を形成した後に接触部１１１を切断して各インナーフィン１０に切り分ける場合に、接触部１１１を切断しやすい。また、切り分けられたインナーフィン１０の端部は直線状であるので、蛇行する端部を有するインナーフィンと比べて、チューブ２２に内挿しやすい。

【0029】

また、本実施形態においては、図２に例示されるように、接触部１１１、１１２は、チューブ２２と線接触するように構成されている。具体的には、接触部１１１は、チューブ２２の上板部２２１の内壁面と線接触する。接触部１１２は、チューブ２２の下板部２２２の内壁面と線接触する。このような構成によれば、接触部１１１がチューブ２２と面接触する場合に比べて、ろう材の使用量を少なくできる。

【0030】

また、本実施形態においては、図１１に例示されるように、インナーフィン１０は、流路方向Ａ１からみて隣り合う突起１１と突起１１の間には隙間Ｇが設けられるように構成されている。具体的には、幅方向Ａ２における接触部１１１から第一部１１３の最大距離Ｌ１がＰ／２よりも小さくなるように形成される。また、幅方向における接触部１１１から第二部１１４の最大距離Ｌ２がＰ／２よりも小さくなるように形成される。このような構成によれば、突起１１によってふさがれてない流路方向Ａ１に貫通する流路が設けられるので、熱交換率を高められる。

【0031】

また、本実施形態においては、図１３に例示されるように、突起１１の流路方向Ａ１および幅方向Ａ２に直交する断面（本例においては、平面断面）は、曲線により形成された波形状を有するように構成されている。具体的には、突起１１の平面断面の形状は、波形状を有する第三部１１５と波形状を有する第四部１１６とを有する。第三部１１５は、突起１１の内側（本例においては、左側）に突出する湾曲部１１５Ｒ１と、突起１１の外側（本例においては、右側）に突出する湾曲部１１５Ｒ２とを有する。第四部１１６は、突起１１の内側（本例においては、右側）に突出する湾曲部１１６Ｒ１と、突起１１の外側（本例においては、左側）に突出する湾曲部１１６Ｒ２とを有する。第三部１１５の湾曲部１１５Ｒ１，１１５Ｒ２の曲率半径と第四部１１６の湾曲部１１６Ｒ１，１１６Ｒ２の曲率半径はそれぞれ、例えば１ｍｍ以上に設定される。

【0032】

ここで、突起１１を流路方向Ａ１に沿って左右に蛇行させることにより、突起１１の表面積が増加し、熱交換効率が向上する。しかしながら、突起１１内の流路２２４を流れる排気ガスが、流路２２４の内側に突出した凸部を越えることで、凹部には戻り方向の渦が発生し、この戻り渦により排気ガスに含まれる煤等が滞留し、壁面に堆積する問題がある。

【0033】

この問題に対して、例えば平面断面の形状を先端が尖った三角波形である蛇腹構造に形成することにより意図的に渦を発生させることが考えられる。しかしながら、本発明者は、このように意図的に渦を発生させるよりも、平面断面の形状を緩やかに曲線からなる波形状とすることにより、煤の滞留が抑制され、煤が流れやすくなることを発見した。

【0034】

すなわち、本実施形態に係るインナーフィン１０によれば、突起１１の平面断面の形状が湾曲部１１５Ｒ１，１１５Ｒ２，１１６Ｒ１，１１６Ｒ２からなる曲線により形成された波形状であるので、煤の滞留が抑制され、煤が流れやすくなり、煤の付着を防ぐことができる。

【0035】

また、本実施形態においては、図１３に例示されるように、突起１１の第一部１１３は、接触部１１２に至る曲線で構成される部位１１３２を有する。部位１１３２は、第三曲率半径Ｒ３を有する。第三曲率半径Ｒ３は、第二曲率半径Ｒ２と同じ値を有しながら、流路方向Ａ１に沿って、周期Ｔで規則的に変化する。突起１１の第二部１１４は、接触部１１２に至る曲線で構成される部位１１４２を有する。部位１１４２は、第四曲率半径Ｒ４を有する。第四曲率半径Ｒ４は、第一曲率半径Ｒ１と同じ値を有しながら、流路方向Ａ１に沿って、周期Ｔで規則的に変化する。このような構成によれば、隣り合う突起１１に挟まれた下部空間が広がるので、隣り合う突起１１に挟まれた空間の断面の全領域において排気ガスが流れやすくなり、インナーフィン１０全体としての熱交換効率が向上する。

【0036】

上記の実施形態は、本発明の理解を容易にするための例示にすぎない。上記の実施形態に係る構成は、本発明の趣旨を逸脱しなければ、適宜に変更・改良されうる。

【0037】

上記の実施形態においては、熱交換器２０は、排気ガスを冷却水で冷却するＥＧＲ（Ｅｘｈａｕｓｔ Ｇａｓ Ｒｅｃｉｒｃｕｌａｔｉｏｎ）システム用の熱交換器である。しかしながら、熱交換器２０は、例えば、排気ガスとは異なる流体を冷却する熱交換器として使用されうる。

【0038】

上記の実施形態においては、複数のインナーフィン１０は、熱交換器２０に組み込まれた複数のチューブ２２内にそれぞれ挿入されている。しかしながら、熱交換器２０は、例えば、仕切り板とインナーフィン１０が交互に積み重ねられた構成を有してもよい。すなわち、熱交換器２０は、インナーフィン１０が対向する二つの仕切り板（二つの板部の一例）の間に配置された構成も採用しうる。この場合、インナーフィン１０の左右方向の両端側には、二つの仕切り板を連結する連結板が形成されうる。

【符号の説明】

【0039】

１０：インナーフィン
１１：突起
２０：熱交換器
２１：シェル
２２：チューブ
２２１：上板部
２２１Ａ：内壁面
２２２：下板部
２２２Ａ：内壁面
２２３：側板部
２２４：流路
２３：入口ヘッダー
２４：出口ヘッダー
２５：入ロパイプ
２６：出ロパイプ
１１１：接触部
１１２：接触部
１１３：第一部
１１３１：部位
１１３２：部位
１１４：第二部
１１４１：部位
１１４２：部位
１１５：第三部
１１５Ｒ１：湾曲部
１１５Ｒ２：湾曲部
１１６：第四部
１１６Ｒ１：湾曲部
１１６Ｒ２：湾曲部

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】

【図9】

【図10】

【図11】

【図12】

【図13】