(57)【要約】【課題】熱交換器を改良し、出力密度と圧力降下との間で最善状態が達成されるようにする。【解決手段】内面と外面とを有し入口横断面から出口横断面にかけて流れ媒体を流通させることのできる少なくとも１つの流れ通路を有し、この流れ通路が内面に、熱伝達を高めるための構造要素を有する熱交換器において、可変な熱伝達、特に流れ方向（Ｐ）で増加する熱伝達を流れ通路（６、８、１０、１２、１４、３０）が内面に有するように、構造要素（７、９、１１、１３、１５、１６、１７、１８、１９、２０、３１）が可変に配置および／または構成されている。【選択図】図３
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
内面と外面とを有し入口横断面から出口横断面にかけて流れ媒体を流通させることのできる少なくとも１つの流れ通路を有し、この流れ通路が内面に、熱伝達を高めるための構造要素を有する熱交換器において、可変な熱伝達、特に流れ方向（Ｐ）で増加する熱伝達を流れ通路（６、８、１０、１２、１４、３０）が内面に有するように、構造要素（７、９、１１、１３、１５、１６、１７、１８、１９、２０、３１）が可変に配置および／または構成されていることを特徴とする熱交換器。
【請求項２】
構造要素（１１；１５、１６；１９；３１）の密度が可変であり、特に流れ方向（Ｐ）で増加していることを特徴とする、請求項１記載の熱交換器。
【請求項３】
構造要素（９、１１、１３、１５、１６、１７、１８、１９、２０、３１）は流れ媒体に対して流れ抵抗を有し、かつ、流れ通路（８、１０、１２、１４）内で圧力降下が可変となり、特に入口領域（６ａ、８ａ、１０ａ、１２ａ、１４ａ、３０ａ）で最小となるように配置および／または構成されていることを特徴とする、請求項１または２記載の熱交換器。
【請求項４】
流れ通路（６、８、１０、１２、１４、３０）が、入口横断面から出発して、構造要素のない平滑壁区域（６ａ、８ａ、１０ａ、１２ａ、１４ａ、３０ａ）を有することを特徴とする、請求項１、２または３記載の熱交換器。
【請求項５】
平滑壁区域（６ａ、８ａ、１０ａ、１２ａ、１４ａ、３０ａ）が流れ方向（Ｐ）で長さＬを有し、Ｌ≦１００ｍｍであることを特徴とする、請求項４記載の熱交換器。
【請求項６】
構造要素が渦発生器、いわゆるウィングレット（７、９、１１、１３、３１）として構成されていることを特徴とする、請求項１〜５のいずれか１項記載の熱交換器。
【請求項７】
ウィングレット（１１、３１）が並べて配置されかつ流れ方向（Ｐ）とで角度βを成し、この角度βが隣接ウィングレットでは同じ前置符号または逆の前置符号を有することを特徴とする、請求項６記載の熱交換器。
【請求項８】
構造要素が内部リブ、内部フィン（１５、１６、２０）、ウェブフィン（１７、１８、１９）および／または乱流インサートとして構成され、特に流れ通路内に蝋付されていることを特徴とする、請求項１〜５のいずれか１項記載の熱交換器。
【請求項９】
ウィングレット（１３、３１）が流れ方向（Ｐ）とで角度βを成し、この角度が可変であり、特に流れ方向（Ｐ）で増加することを特徴とする、請求項６または７記載の熱交換器。
【請求項１０】
角度βが２０°＜β＜５０°の範囲を有することを特徴とする、請求項９記載の熱交換器。
【請求項１１】
ウィングレット（９）が流れ内に突出する高さ（ｈ）を有し、この高さが可変であり、特に流れ方向（Ｐ）で増加することを特徴とする、請求項６または７記載の熱交換器。
【請求項１２】
流れ通路（８）が高さＨを有し、ｈ／Ｈの比が０．０５≦ｈ／Ｈ≦０．４の範囲を有することを特徴とする、請求項１１記載の熱交換器。
【請求項１３】
ウィングレット（１１、３１）が流れ方向（Ｐ）を横切って列にして配置されており、これらの列が流れ方向で可変な距離、特に減少する距離（ａ１、ａ２、ａ３…ａＸ）を有することを特徴とする、請求項５、７または８記載の熱交換器。
【請求項１４】
最小距離ａＸが５＜ａＸ＜５０ｍｍの範囲、特に８＜ａＸ＜３０ｍｍの範囲を有することを特徴とする、請求項１３記載の熱交換器。
【請求項１５】
列の距離（ａ１、ａ２、ａ３…）が最小距離ａＸの（整数）倍数であることを特徴とする、請求項１３記載の熱交換器。
【請求項１６】
流れ通路の上流側末端と下流側末端とに（構造要素のない）平滑領域が分離個所として残してあることを特徴とする、請求項１〜１５のいずれか１項記載の熱交換器。
【請求項１７】
請求項１〜７または９〜１４のいずれか１項記載の熱交換器の排気熱交換器としての使用であって、流れ通路が排気を流通可能かつ周囲に冷却材を流すことのできる排気管（６、８、１０、１２、３０）として構成されている使用。
【請求項１８】
構造要素、特に内部フィン（１５、１６）が、流れ方向で可変なフィン密度、特に流れ方向（Ｐ）で増加するフィン密度を有することを特徴とする、請求項８記載の熱交換器。
【請求項１９】
フィン密度が段階（１４ｂ、１４ｃ）的に増加することを特徴とする、請求項１８記載の熱交換器。
【請求項２０】
ウェブフィン（１７）が可変な縦ピッチ（ｔ１、ｔ２、ｔ３、ｔ４、ｔ５…ｔＸ）を有することを特徴とする、請求項８記載の熱交換器。
【請求項２１】
最小縦ピッチｔＸが限界値ｔＸ＞０．３Ｈを有し、Ｈが通路高さであることを特徴とする、請求項２０記載の熱交換器。
【請求項２２】
ウェブフィン（１８）が可変な迎え角（α１、α２、α３…αＸ）を有し、迎え角が主に０＜α＜３０°の範囲内であることを特徴とする、請求項８記載の熱交換器。
【請求項２３】
ウェブフィン（１９）が可変な横ピッチ（ｑ１、ｑ２、ｑ３…ｑＸ）を有することを特徴とする、請求項８記載の熱交換器。
【請求項２４】
横ピッチｑが８＞ｑ＞１ｍｍ、主に５＞ｑ＞２ｍｍの範囲を有することを特徴とする、請求項２３記載の熱交換器。
【請求項２５】
内部フィン（２０）が、可変な縦ピッチ（ｔ１、ｔ２、ｔ３、ｔ４）の縦波を有することを特徴とする、請求項８記載の熱交換器。
【請求項２６】
内部フィン（２０）のピッチｔが１０＜ｔ＜５０ｍｍの範囲を有することを特徴とする、請求項２５記載の熱交換器。
【請求項２７】
流れ通路が管として、特に管束の管として構成されていることを特徴とする、先行請求項のいずれか１項記載の熱交換器。
【請求項２８】
流れ通路がディスクとして、特にディスク束のディスクとして構成されていることを特徴とする、請求項１〜２６のいずれか１項記載の熱交換器。
【請求項２９】
請求項１８〜２８のいずれか１項記載の熱交換器の、自動車内燃機関用燃焼用空気を冷却するための給気冷却器としての使用。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、内面と外面とを有し入口横断面から出口横断面にかけて流れ媒体を流通させることのできる少なくとも１つの流れ通路を有し、この流れ通路が内面に、熱伝達を高めるための構造要素を有する熱交換器に関する。
【背景技術】
【０００２】
熱伝達を高めるために熱交換器の流れ通路内に構造要素を配置し、これらの構造要素で渦および乱流を発生することが知られている。このような構造要素は多種多様な実施形態で知られており、例えば波形内部フィン、乱流インサート、ウェブフィンとして、または流れ通路の壁から成形されて流れ内に突出する渦発生器としても知られている。本出願人の特許文献１により公知の熱交換器は乱流インサートを備えており、乱流インサートは、対で配置されて流れ方向に対して角度を成した側板を有する。公知の熱交換器は特に排気を冷却するのに使用され、液体冷却または空気冷却が予定されている。流れ方向で開口したＶを有するＶ形に配置された側板は一方で乱流を発生し、その渦形成によって、排気中に含まれた煤の沈積を防止する。
【０００３】
Ｖ形に配置される構造要素の諸改良が本出願人の特許文献２、特許文献３および特許文献４により排気熱交換器に関して公知である。Ｖ形に配置される構造要素は排気管の壁体から非切削塑性加工によって成形されている。それとともに、いわゆるウィングレットとも称されるＶ形に配置される構造要素は経済的に、すなわち僅かな費用で排気管内に取付けることができる。
【０００４】
本出願人の特許文献５および特許文献６によって公知となったように、別の種類の熱交換器、例えば空冷式冷却材冷却器用にも類似の構造要素が使用される。公知のすべての構造要素に共通する点として、それらは排気管にしろ冷却材扁平管にしろ該当する流れ通路の全長にわたって実質均一に分布している。一方で構造要素によって所期の高い熱伝達が達成され、他方でこの利点は排気側もしくは冷却材側での高い圧力降下を代償に得られる。特に内燃エンジンの排気再循環路中に配置される排気熱交換器では、高まった圧力降下はそれに伴って排気背圧が高まるので望ましくない。他方で、特に自動車の排気熱交換器用には高められた出力密度が要請される。
【特許文献１】欧州特許出願公開第０６７７７１５号明細書
【特許文献２】独国特許出願公開第１９５４０６８３号明細書
【特許文献３】独国特許出願公開第１９６５４３６７号明細書
【特許文献４】独国特許出願公開第１９６５４３６８号明細書
【特許文献５】欧州特許出願公開第１０６１３１９号明細書
【特許文献６】独国特許出願公開第１０１２７０８４号明細書
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
本発明の課題は、冒頭に指摘した種類の熱交換器を改良し、出力密度と圧力降下との間で最善状態が達成されるようにすることである。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
この課題は、可変な熱伝達、特に流れ方向で増加する熱伝達を流れ通路が内面に有するように、構造要素が可変に配置および／または構成されていることによって解決される。
【発明の実施の形態】
【０００７】
本発明によれば、構造要素の密度が可変であり、特に流れ方向で増加するようになっている。この設計措置によって、流れ通路の内面で熱伝達率も可変であり、特に流れ方向で熱伝達が増加する一方、流れの入口領域では熱伝達が比較的僅かまたは最少である。本発明が出発点とするのは、流れ通路の入口領域における‐例えば流れ通路の周囲を流れる冷却媒体での‐排熱がそこで支配的な高い温度差のゆえに流れ通路の下流側領域におけるよりも大きく、流れ通路の内壁で生じて流れ方向で成長する温度境界層が入口領域ではなお比較的薄いとの知識である。
【０００８】
その限りで、入口領域では、流れ通路の内面で熱伝達を高めてこの領域で圧力降下を減らすための構造要素は省くことができる。構造要素の密度は、流れ通路内で局所的に支配的な温度差および温度境界層に関する諸条件に適合されている。構造要素を本発明により配置することで達成される利点として、高い出力密度において流れ通路内の圧力降下は減少する。
【０００９】
本発明の有利な諸構成は従属請求項から明らかとなる。主に流れ通路の入口領域はさしあたり平滑壁に、すなわち構造要素なしに構成しておくことができる。というのも、この領域では‐既に触れたように‐大きな温度差と僅かな境界層厚とのゆえに高い出力密度が既に達成されるからである。次に、温度差が低下し境界層厚が増すと、徐々に高まる密度もしくは熱伝達を徐々に高める作用を有する構造要素が下流側で流れ通路内に配置される。有利には、構造要素は渦を発生する凹凸として、つまり冒頭で指摘した先行技術による排気熱交換器用に知られているようないわゆるウィングレットとして、流れ通路の壁に構成されている。流れ通路内でのウィングレットの配置および構成が本発明によれば可変に形成することができ、流れ方向でウィングレットの距離は連続的または段階的に増加させることができ、流れ内に突出するウィングレットの高さも同様である。製造上の理由から、距離がそれぞれ最小距離の倍数であると有利である。さらに、Ｖ形に配置されるウィングレットが成す角度は流れ方向で連続的または段階的に増大させることができ、これによりやはり熱伝達が高まるが、しかし圧力降下も高まる。
【００１０】
本発明の他の有利な１構成によれば、構造要素を可変な密度で本発明により配置することは特に自動車内燃エンジンの排気熱交換器用に有利に使用可能である。排気熱交換器は一方で高い出力密度を要求し、他方で排出規制を達成するために所要のＡＧＲ率（総排気流中に占める再循環排気の割合）を達成できるように僅かな排気背圧を要求する。つまり、本発明から帰結する低減された圧力降下は排気熱交換器として使用するとき特別有利に作用する。さらに、有利な応用は内燃エンジン用給気冷却器内、また一般にガス流れ通路内にも与えられている。
【００１１】
本発明の他の有利な構成において流れ通路の内面にフィン、特にウェブフィンが、熱伝達を高める構造要素として配置されている。本発明によれば、フィン要素が有する密度は流れ方向で可変であり、すなわち流れ方向で主に段階的に増加しており、やはり入口領域では内部リブをまったく省くことができる。ウェブフィンの場合、密度の変化は有利には可変な縦ピッチまたは横ピッチによって、または流れに対する可変な迎え角によって達成することができる。そのことによっても、圧力降下低減という利点が達成される。フィン密度の変更を補足して、熱伝達を高めるための他の措置を講じ、例えばやはり流れ方向で熱伝達を可変にする目的で波形フィンの側面に鰓体または窓を配置することができよう。本発明に係る措置が有利であるのは、特に、各流れ通路の入口領域、すなわち温度差および境界層厚に関してなお非定常条件が支配的である流れ領域においてである。これらのパラメータは下流側でほぼ定常状態となり、そこでは構造要素の可変な密度がもはやさしたる利点をもたらさない。
【００１２】
本発明の実施例が図面に示してあり、以下で詳しく説明される。
【実施例】
【００１３】
図１が示す管１として構成された流れ通路２は入口横断面３を有し、流れ媒体を矢印Ｐに相応して流通させる。主に管１は図示しない内燃エンジンの高温の排気を流通させ、図示しない排気熱交換器の一部である。管１は平滑な内面もしくは内壁体１ａと主に液体冷却材によって冷却される外面もしくは外壁体１ｂとを有する。つまり高温の排気は管１を介してその熱を冷却材に放出する。流れ通路２を流通するとき内壁１ａに温度境界層１４が生じ、この温度境界層は入口横断面３から矢印Ｐの流れ方向でその厚さｄを増す。この境界層４内の温度推移は温度分布５によって表してある。つまり温度境界層内の温度は内壁１ａの温度Ｔａから、流れ通路内部（コア流れ）の、排気入口温度に一致した温度レベルＴｉまで上昇する。温度境界層４の増大によって管１の入口領域における熱伝達事情は悪化する。
【００１４】
図２が示す線図には熱伝達率αが相対変量として、平滑壁流れ通路の長さｌにわたって、すなわち入口横断面（図１の符号３）から流れ媒体の流れ方向にプロットされている。長さｌはミリメートルでプロットされている。熱伝達率αは入口横断面において、すなわちＩ＝０において１（１００％）と設定されている。長さが増すと、すなわち流れ通路２（図１）内の流れ方向で熱伝達率αは入口横断面での値の約０．８（８０％）にまで低下する。これはまずなによりも図１による温度境界層４の構成に帰すことができる。
【００１５】
図３ａ、図３ｂ、図３ｃ、図３ｄ、図３ｅは５種類の変更態様を有する本発明の第１実施例、つまり可変な密度を有する構造要素の配置を示す。図３ａは第１変更態様として略示した流れ通路、主に図示しない排気熱交換器の排気管を示しており、排気管６は矢印Ｐに相応して流通させる。排気管６の外面は‐図示されていないがしかし冒頭に指摘した先行技術から知られているように‐主に液体冷却材で周囲を洗われる。しかしながら空気冷却も可能である。排気管６は、互いに溶接される２つの半片からなる長方形横断面の特殊鋼管として構成されている。排気管６は、長さＬにわたって平滑壁に構成された入口領域６ａを有する。平滑壁領域６ａに下流側で続く領域６ｂに、Ｖ形に配置されて管壁からエンボス加工された構造要素７、いわゆるウィングレットが配置されている。ウィングレット対７は区域６ｂ内に同じ距離および同じ構成で配置されている。それとともに平滑壁領域６ａからウィングレット７を備えた領域６ｂへの移行は「段差」の態様で行われる。冒頭で触れたように、平滑壁領域６ａでは構造要素がないにもかかわらず十分に大きな熱伝達もしくは熱通過が達成される。というのも、温度差がなお十分に大きく、温度境界層が比較的僅かであるからである。これらの条件がもはや該当しない個所には熱伝達（熱伝達率α）の向上をもたらす構造要素７が配置されている。平滑壁領域６ａは１００ｍｍまでの長さを有することができる‐これは後続の変更態様３ｂ、３ｃ、３ｄ、３ｅにもあてはまる。
【００１６】
図３ｂによる第２変更態様において縦断面図で示してある長方形管８はやはり平滑壁入口領域８ａと通路高さＨとを有する。この平滑壁領域８ａの下流側に配置されるウィングレット対９は流れ方向で等距離ａを有し、但し異なる高さｈを有する。排気管８の流れ横断面内に突出するウィングレット対９の高さｈは流れ方向Ｐで連続的に増加している。こうしてこの管区域内で熱伝達は漸次上昇する。同時に圧力降下が増大する。従って、平滑領域から非平滑領域への移行は連続的である。好ましい実施形態においてｈ／Ｈの比は０．０５≦ｈ／Ｈ≦０．４の範囲が選択されている。
【００１７】
図３ｃによる第３変更態様において管１０内にウィングレット対１１は流れ方向Ｐで減少する距離ａ１、ａ２、ａ３を置いて配置されている。こうして熱伝達は、構造要素もしくはウィングレット１１の密度が大きくなるので、平滑な入口領域１０ａから出発して逐次高められる。製造簡素化の理由から、距離ａ１、ａ２、ａ３はそれぞれ最小距離ａＸの倍数とすることができる。最小距離は有利には５＜ａＸ＜５０ｍｍの範囲内、好ましくは８＜ａＸ＜３０ｍｍの範囲内である。
【００１８】
図３ｄは構造要素を異なる密度で排気管１２内に配置する第４変更態様を示しており、この排気管は矢印Ｐに相応して排気を流通させることができる。平滑壁入口領域１２ａは先行実施例と比較して短い。これに続くウィングレット対１３は流れ方向で等距離を有し、但し異なる角度β（流れ方向Ｐに対する角度）を有する。上流側に設けられるウィングレット対１２のウィングレットがほぼ平行に整列しているのに対して（β≒０）、下流側に設けられるウィングレット対１３のウィングレットによって形成される角度βは約４５度である。その間にあるウィングレット対１３は相応する中間値を有し、排気管１３の内壁の熱伝達率はウィングレットの広がりが増す結果流れ方向で増大し、しかも連続的にもしくは小さなステップで増大する。角度βは有利には２０°＜β＜５０°の範囲内である。
【００１９】
図３ｅが示す第５変更態様は排気管３０と平滑壁領域３０ａとこれに続いて互いに平行に配置されるウィングレット３１の列とを備えており、これらのウィングレットはそれぞれ流れ方向Ｐとで角度βを成す。列は流れ方向Ｐで減少する距離ａ１、ａ２、ａ３を有し、ウィングレット３１の角度βは列ごとに前置符号が切り替わる。
【００２０】
管の長さを短くするときにきれいな分離個所を実現できるように、すべての管において主に管初端と管終端とに、構造要素のない平滑な領域が残されている。
【００２１】
図４が示す本発明の他の実施例の流れ通路１４は矢印Ｐに相応して流れ媒体を流入させる‐流れ媒体は例えば液体冷却材とすることができ、または給気とすることもできる。流れ通路１４の外面は気体または液体冷却媒体によって冷却することができる。流れ通路１４は平滑壁入口領域１４ａを有し、この入口領域に、流れ方向Ｐで、内部フィン１５を備えた第１領域１４ｂが続き、他のフィン付き領域１４ｃがこれに続く。領域１４ｂ、１４ｃは異なるフィン密度を有する。図示実施例では、下流側に設けられる領域１４ｃにおけるフィン密度は、連続するフィン１５の間に他のフィン１６が配置されているので、上流側に設けられる領域１４ｂの倍である。こうしてやはり熱伝達の上昇が、しかも１４ａから１４ｂを介して１４ｃへと段階的に達成される。
【００２２】
図５が本発明の第３実施例として示すガス流れ通路内にはウェブフィン１７が可変な縦ピッチｔ１、ｔ２、ｔ３、ｔ４、ｔ５で配置されている。図においてｔ１＞ｔ２＞ｔ３＞ｔ４＞ｔ５であり、すなわち熱伝達はｔ１からｔ５へと、すなわち流れ方向Ｐで増加する。ウェブフィンは特に給気冷却器において利用され、主に列と蝋付されている。有利な１実施において最小ピッチｔＸと通路高さＨとの比は０．３＜ｔＸ／Ｈの限界値を有する。
【００２３】
図６が本発明の他の実施例として示すガス流れ通路内にはウェブフィン１８が可変な迎え角α１、α２、α３…αＸで配置されている。有利な迎え角は０＜α＜３０°の範囲内である。
【００２４】
図７が本発明の第５実施例として示すガス流れ通路内にはウェブフィン１９が可変な横ピッチｑ１、ｑ２、ｑ３…ｑ６で配置されており、熱伝達はｑ１からｑ６の方向で横ピッチが小さくなるにつれ、すなわち流れ方向Ｐで上昇する。横ピッチｑの有利な範囲は８＞ｑ＞１ｍｍ、好ましくは５＞ｑ＞２ｍｍである。
【００２５】
図８がガス流れ通路内に示す流れ方向Ｐで波形（深い波形）の内部フィン２０は可変なピッチｔ１、ｔ２、ｔ３、ｔ４を有する‐ここでは熱伝達はピッチｔが小さくなる方向で上昇する。ピッチｔの有利な範囲は１０＜ｔ＜５０ｍｍである。
【００２６】
図示実施例の変更態様において流れ通路内での熱伝達の変更は先行技術により公知の他の手段、例えばフィンに鰓体または窓を配置することによっても達成することができる。さらに、渦発生もしくは熱伝達向上のために構造要素の別の形状を選択することができる。本発明の応用は排気熱交換器に限定されているのでなく、その管が高温の給気を流通させる給気冷却器にも及び、管束熱交換器の管としてまたはディスク熱交換器のディスクとして構成しておくことのできるガス流れ通路一般に及ぶ。
【図面の簡単な説明】
【００２７】
【図１】流れ通路の入口領域内に温度分布を示す。
【図２】熱伝達率αと流れ通路の長さとの依存関係を示す。
【図３】図３ａ〜図３ｅは、流れ通路内で可変な密度を有する構造要素の、本発明に係る配置を示す。
【図４】異なるフィン密度の内部フィンを有する本発明の第２実施例を示す。
【図５】可変な縦ピッチを有するウェブフィンに関する本発明の第３実施例を示す。
【図６】可変な迎え角を有するウェブフィンに関する本発明の第４実施例を示す。
【図７】可変な横ピッチを有するウェブフィンに関する本発明の第５実施例を示す。
【図８】可変な波長（ピッチ）を有する波形内部フィンに関する本発明の第６実施例を示す。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【国際調査報告】
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