JP2001201285A - 熱交換器 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 楕円管などの扁平状のチューブを用いた熱交
換器において、耐久性の高い熱交換器を提供する。 【解決手段】 扁平状のチューブ１とこれらを連絡する
フィン２０とで構成されたコア部１１を有する熱交換器
において、フィン２０のうち、チューブ１の扁平した部
分２を連絡する領域２１をウェブ状に加工して強度を高
め、内圧によりチューブが変形するのを防止し耐久性を
高める。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、プレートフィンア
ンドチューブ形式の熱交換器に関し、特に、扁平状のチ
ューブを採用した熱交換器に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】断面形状が真円のチューブを、プレート
式のフィンにバーリング加工により形成した貫通孔に通
し、さらに、チューブを拡管してフィンとチューブの間
を密着して熱伝導効率を高めた空気冷媒熱交換器が知ら
れている。さらに、熱交換効率の向上を目的として、円
形のチューブに変えて楕円管などの偏平状のチューブを
採用した熱交換器が知られている。図３に示した熱交換
器はその１つであり、扁平状のチューブ１およびプレー
トフィン５を組み合わせたコア部１１を有する熱交換器
１０である。この熱交換器１０は、冷媒、たとえば水を
入力および出力するためのディストリビュータあるいは
ヘッダ８を繋ぐように複数の扁平状のチューブ１がそれ
ぞれの扁平状の部分２が向かい合い並列になるように配
置される。さらに、それらのチューブ１を複数のプレー
ト状のフィン５で接続あるいは連絡している。プレート
フィン５は、主に空気との接触面積を増やし、チューブ
１の内部を流れる冷媒と、外部を流れる空気との熱交換
効率を改善するためのものである。さらに、扁平状のチ
ューブ１は、それらの長軸または長手方向を空気の流れ
方向Ａと平行に配置することにより、空気が熱交換器１
０を通過するときの抵抗を下げることができる。したが
って、空気の通過風量並びに風速を向上させて熱交換効
率をさらに向上することができる。

【０００３】さらに、図４に示すようにプレートフィン
５のチューブ１を連絡する領域６は、その一部が切り起
こされて空気の方向Ａに対しほぼ直交する方向に延びた
ルーバ状７となるように加工されている。これにより、
フィン５の表面に沿った温度境界層が切断されるためい
っそう熱交換効率を上げることができる。

【０００４】このような楕円管を用いた熱交換器の効率
改善の一例が特開平１０−１６０３７７に記載されてい
る。この資料は、扁平状のチューブの曲率の大きな部分
３の熱伝達効率が曲率の小さな部分、すなわち扁平な部
分２に対し熱交換効率が高いことを開示している。そし
て、熱交換器(自動車用ラジェーター)のフィンに空気側
の熱伝達率を向上するために設けられるルーバ状の切起
こしをチューブ同士の間に設けるのではなく扁平状のチ
ューブの曲率の大きな部位３の近傍に設け、さらに熱交
換効率を上げることを開示している。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】このように扁平状のチ
ューブを採用すると熱交換器の熱効率を向上できるが、
楕円管などの扁平状のチューブは真円管と異なり、内圧
を受けた場合の円周方向の応力が均一でないという問題
がある。すなわち、真円管の場合は内圧が作用したとき
円周方向の引張応力しか発生しないのに対し、楕円管の
場合は、曲率の差異によってその剛性に差異がある。こ
のため短軸方向(小曲率部)と長軸方向(大曲率部)とでは
内圧を受けた際の変形に差異ができ、小曲率部と大曲率
部の境界部位に曲げ応力が働く。これにより、図５に示
すように、小曲率部２が加圧によって繰り返し変形し、
その応力が大曲率部３に集中する。これは真円管には見
られないものであり、このため、熱交換器が冷凍回路に
組み込まれたとき、その作動時と停止時の圧力差によっ
て管が変形あるいは破裂し、耐久性を下げる要因とな
る。

【０００６】エアコンなどに採用される冷凍回路の運転
では作動・停止がかなりの頻度で行われる。特に、車両
に搭載されるエアコンはオンオフにより温度調整するこ
とが多い。冷凍回路のオンオフに伴いチューブの管内圧
力が変動するため、扁平状のチューブを採用した熱交換
器においては管内圧力の変動の繰り返しに対する耐久性
は不可欠である。しかしながら、従来の真円管と同等程
度の材厚の楕円管では、このような要因による変形に対
する耐久性を満足することは困難である。

【０００７】これに対し、チューブの材厚を上げて剛性
を高めることにより変形をなくし、耐久性を満足させる
ことも可能である。しかしながら、材料費が増加し、さ
らにチューブの厚みが増加するので熱伝達効率も低下す
る。したがって、扁平状のチューブを用いた熱交換器の
分野で低コストで熱伝達効率が高く、さらに耐久性も十
分な熱交換器を提供することができない。

【０００８】そこで、本発明においては、扁平状のチュ
ーブを用いた熱交換器であって、耐久性が高く、さらに
熱伝達効率も良好な熱交換器を提供することを目的とし
ている。

【０００９】

【課題を解決するための手段】このため、本発明におい
ては、チューブ自体の強度を上げるのではなく、これら
を連絡するように設置されるフィンの強度を上げること
により、圧力変動に伴うチューブの変形を抑制するよう
にしている。さらに、フィンの内、チューブが変形しや
すい扁平状の部分を連絡する領域の強度を上げ、チュー
ブの熱交換効率の高い大曲率部の近傍を加工して熱交換
効率も向上するようにしている。すなわち、本発明の熱
交換器は、複数の扁平状のチューブと、これらのチュー
ブの少なくとも１部が、それらの扁平した部分が向き合
うように並列した状態で貫通する少なくとも１枚のプレ
ートフィンとを有し、このプレートフィンは、チューブ
の扁平した部分を連絡する領域であって強度が高められ
た部分と、チューブの端の部分を連絡する領域であって
熱交換効率が高められた部分とを備えているものであ
る。

【００１０】チューブの強度を高める代わりに、フィン
の内、チューブの扁平状の部分を連絡する領域の強度を
高めることによりチューブの変形を抑えることができ
る。したがって、繰り返し変形に伴う材料疲労を防止す
ることができ、耐久性の高い熱交換器を提供できる。さ
らに、フィンの内、チューブの扁平状の部分を連絡する
領域の強度を上げることによりフィンとしての強度はそ
の部分あるいは領域でカバーすることができる。このた
め、チューブの端、すなわち、大曲率部を連絡する領域
から外側の部分の強度は低くても良い。したがって、熱
交換効率が良く、さらに凝結水の排水効率も良い穴あけ
状のフィンとなるようにその部分を加工したり、あるい
はスリットを形成することが可能となる。

【００１１】フィンの強度を高める方法として、扁平状
の部分を連絡するフィンの材厚を上げることができる。
具体的には、たとえば、フィンを折り返して重ねること
により強度を上げることもできる。フィンはアルミニウ
ムの薄板など素材で構成されているので、部分的に折り
返しを設けて厚みを上げてもそれほどコストの上昇にな
らない。さらに、熱交換効率を下げる要因にもならな
い。しかしながら、コストの上昇があることは確かであ
り、また、チューブとフィンの接触面のバーリング加工
もしにくくなる。このため、チューブの扁平した部分に
垂直な壁面であって、角度の異なる少なくとも２つの壁
面を形成することにより強度を高めることが望ましい。
たとえば、チューブの扁平状の部分、すなわち、楕円管
であればその短軸方向部の近傍のフィンを短軸方向と同
一方向の折り曲げ線に沿って折り曲げることにより、隣
接した角度の異なる２つの壁面を構成することができ、
このような形状にすると、扁平な部分に垂直な方向のフ
ィンの剛性を向上させることができる。したがって、こ
のようなフィンと組み合わせることにより、低コストで
フィンに当接する楕円管の短軸方向の剛性を向上させる
ことができる。そして、管の内圧が変動した際の短軸方
向の管の変形を極小化して発生応力を極小化し、チュー
ブひいては熱交換器の耐久性を向上させることができ
る。

【００１２】また、角度の異なる垂直な壁面を曲面で構
成したり、曲面と平面の組み合わせで構成することも可
能である。扁平な部分に垂直な壁面で、角度の異なる壁
面が組み合わされたフィンの強度は、２つあるいは３つ
程度の少数の角度の異なる壁面を組み合わせることによ
り、単一の壁面で構成されたフィンの強度に対し飛躍的
に向上する。したがって、壁面の数は少なくてよく、ま
た、それら相互の角度を大きくする必要もない。このた
め、空気抵抗をそれほど増加させることなく熱交換器の
耐久性を向上することができる。

【００１３】フィンとチューブの接触部はフィンにバー
リング加工をすることによって十分な接触面積が得られ
るようにしている。バーリング加工は、チューブの貫通
する部分が平面状である方が加工しやすい。このため、
フィンの剛性向上のための折り曲げはバーリングする部
分を避けて加工することが望ましい。したがって、チュ
ーブが貫通する周辺領域は単一の壁面で構成され、バー
リング加工によりチューブ用の貫通孔が形成されている
熱交換器とすることが望ましい。

【００１４】

【発明の実施の形態】以下に図面を参照して本発明の実
施の形態について説明する。図１に、本発明に係る熱交
換器のチューブおよびプレートフィンが連結したコア部
の１部を拡大して示してある。なお、以下で説明する熱
交換器は、先に図３に基づき説明した熱交換器と同様に
扁平状のチューブ１とプレートフィン５とを組み合わせ
たコア部１１を有するものであり、全体の構成などの共
通する部分の説明は省略する。

【００１５】図１に示すように、本例の熱交換器のコア
部１１も、複数の扁平状のチューブ１とプレート状のフ
ィン２０とにより構成されており、チューブ１の扁平状
の部分２が向かい合った状態で複数のチューブ１が並列
になるように配置されている。本例のプレート状のフィ
ン２０は、これら複数のチューブ１にわたり、扁平した
部分２と垂直な方向に延びている。フィン２０のうち、
隣り合ったチューブ１の扁平した部分２を連絡する領域
２１がウェーブ（ウェブ）を形成するように折り曲げら
れている。また、領域２１の両側のチューブ１の端とな
る大曲率の部分３を連絡する領域２２には、空気の流れ
Ａと直交する方向となるように複数のスリット２３が形
成されている。さらに、フィン２０のチューブ１が貫通
する部分に孔２４がバーリング加工により形成されてお
り、その孔２３にチューブ１を通した後、拡管すること
によりチューブ１とフィン２０が組み合わされている。

【００１６】フィン２０の扁平した部分２を連絡する領
域２１には、扁平した部分２に対しほぼ垂直に延び、隣
り合う壁面とは角度の異なる３つの壁面２５、２６およ
び２７が形成されている。このため、この領域２１に
は、扁平した部分２に対し垂直な方向（扁平状のチュー
ブ１が楕円管であるとしたときの短軸方向）に延び、扁
平した部分２に対し水平な方向（扁平状のチューブが楕
円管であるとしたときの長軸方向）に折れ曲がったウェ
ブ状の部分が形成されている。したがって、この扁平と
なった部分２を連絡するフィンの領域２１は、扁平とな
った部分２に対する垂直方向（短軸方向）の強度が高く
なり、扁平状のチューブ１が内部の流体の圧力により変
形しようとするときに機械的な抵抗となる。このため、
チューブ１が圧力差により変形するのを抑止することが
でき、本例のフィンと組み合わせることにより扁平状の
チューブ１の耐久性を高めることができる。

【００１７】さらに、特開平１０−１６０３７７では、
扁平チューブの扁平した部分２の熱伝達効率が低いこと
が報告されているが、その要因の１つは、扁平した部分
２が内圧により繰り返し変形することによりフィンとの
間に隙間が発生することが考えられる。本例のコア部１
１では、扁平した部分２を連絡するフィンの領域２１の
強度が上がっており、扁平した部分２の変形を抑えると
共にフィン２０が変形することも抑制できる。したがっ
て、チューブ１とフィン２０との間に熱伝達効率を下げ
るような隙間が発生することも防止できる。このため、
本発明を適用することにより、いっそう熱交換効率の良
い熱交換器１０およびそのコア部１１を提供することが
できる。

【００１８】また、フィン２０のうち、チューブ１の扁
平した部分２を連絡する領域２１の強度を上げることに
より、それ以外の部分の強度を逆に下げてもフィン２０
としての強度を十分に確保することができる。したがっ
て、領域２１の外側になる、チューブ１の大曲率部３を
連絡する領域２２あるいはさらにそれよりも外側の領域
を従来よりも自由に加工することができる。本例のコア
部１１においては、この領域２２に、水はけ性の良いス
リット２３を形成し、本発明を適用した熱交換器を密閉
冷凍サイクルの蒸発器として使用した場合に、そのフィ
ン表面に発生する凝縮水をすばやく排水可能としてい
る。凝縮水を排水することにより、チューブに直交して
流れる空気などの流体の抵抗を低減でき、また、接触率
を上げることができるので、さらに熱交換効率の高い熱
交換器を提供できる。

【００１９】従来では、スリットあるいは他の穴あけに
よりフィンの熱伝達効率を向上しようとするとフィンの
断面積が削減されるために強度あるいは剛性が低下して
しまうという問題があった。このため、排水効率は小さ
いが単一な平面よりも熱伝達あるいは熱交換効率を上げ
ることができるルーバ型に加工することが一般的であ
る。これに対し、本発明を適用することにより、最も熱
伝達効率が高いと考えられているチューブ１の大曲率部
２の周辺では、フィン２０の強度的な制限を緩和するこ
とができるので、強度が低下するが熱交換効率が最も良
好で排水性も良いスリットあるいは穴あけといった形状
あるいは加工を採用することができる。したがって、凝
縮水が発生するような条件下で使用されても熱交換効率
の高い熱交換器を提供することが可能となる。

【００２０】なお、チューブの扁平した部分２を連絡す
るフィンの領域２１の形状は本例に限定されるものでは
ない。本例では、３つの壁面２５、２６および２７を合
わせて稜線のあるウェブを形成しているが、これらの壁
面を曲面で接続しても十分な強度を得ることができる。
さらに、ウェブ全体を曲面で構成することによってもフ
ィン２０の剛性を高めることができる。すなわち、従
来、扁平した部分を連絡する領域を強度的に強化する配
慮はされておらず、逆に熱交換効率を高めるためにルー
バなどを形成して強度が低下する設計が主流であった。
これに対し、本発明においては、この領域２１の強度を
積極的に上げることを主目的としており、ルーバなどを
加工せず、さらには単純なプレートフィンではなくウェ
ブを構成することによって剛性を高めている。したがっ
て、従来の設計では強度が低下していたものをウェブを
構成することにより強度が向上するので、剛性をそれほ
ど上げなくてもチューブの耐久性を改善できる効果とし
ては顕著なものがある。したがって、フィンを流れる空
気などの抵抗が大幅に増えてしまうようなウェブの角度
あるいは形状にしなくても十分な効果を得ることが可能
である。このため、本発明により、扁平チューブを用い
て熱交換効率が高く、耐久性も高い熱交換器を提供する
ことができる。

【００２１】また、上記では、複数のチューブが一列に
並んだコア部を例に本発明を説明しているが、チューブ
が２次元的に配置された熱交換器であっても本発明を適
用できることはもちろんである。

【００２２】図２に示したコア部１１の例も本発明に含
まれる一例である。本例のコア部１１においては、チュ
ーブ１の扁平した部分２を連絡する領域２１のうち、チ
ューブ１の周囲、すなわち、バーリング加工する部分を
ウェブ状にせず、単一な面２８にしている。したがっ
て、バーリング加工がしやすく、チューブ１を貫通させ
るための孔２４の精度が向上する。このため、チューブ
１とフィン２０との接触面積をさらに向上することが可
能となり、熱伝達効率および熱交換効率がいっそう高い
熱交換器を提供することができる。

【００２３】

【発明の効果】以上に説明したように、本発明において
は扁平状のチューブを採用したチューブ・アンド・プレ
ートフィンタイプの熱交換器のおいて、フィン側の強度
を上げることにより、内圧によるチューブの変形を防止
し、チューブおよび熱交換器の耐久性を向上している。
このため、変形を防止するためにチューブ側の肉厚を上
げる必要がなく、材料コストのアップを抑制でき、ま
た、チューブ側の熱交換効率が低下するのを防止でき
る。特に、フィンのうち、チューブの扁平した部分を連
絡する領域をウェブ状に曲げて強度を上げることによ
り、フィン側のコストアップおよび加工性能の低下も抑
制することができ、低コストで耐久性および熱交換効率
の高い熱交換器を提供できる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の実施の形態に係る熱交換器のコア部の
構成を拡大して示す図である。

【図２】図１に示すコア部の変形例である。

【図３】扁平状のチューブを用いた熱交換器の概要を示
す図である。

【図４】従来のコア部の構成を拡大して示す図である。

【図５】扁平状のチューブが変形する様子を説明する図
である。

【符号の説明】

１ チューブ ２ チューブの扁平した部分(小曲率部) ３ チューブの端（大曲率部） ５、２０ フィン ７ ルーバ ８ ヘッダ １０ 熱交換器 １１ 熱交換器のコア部 ２１、６ フィンの内、チューブの扁平した部分を連
絡する領域 ２２ フィンの内、チューブの端を連絡する領域 ２３ スリット ２４ バーリング孔 ２５、２６、２７、２８ フィンの壁面

Claims (6)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 複数の扁平状のチューブと、 これらのチューブの少なくとも１部が、それらの扁平し
   た部分が向き合うように並列した状態で貫通する少なく
   とも１枚のプレートフィンとを有し、 このプレートフィンは、前記チューブの扁平した部分を
   連絡する領域であって強度が高められた部分と、前記チ
   ューブの端の部分を連絡する領域であって熱交換効率が
   高められた部分とを備えている熱交換器。
2. 【請求項２】 請求項１において、前記強度が高められ
   た部分は、前記チューブの扁平した部分に垂直な壁面で
   あって、角度の異なる少なくとも２つの壁面を備えてい
   る熱交換器。
3. 【請求項３】 請求項２において、前記角度の異なる少
   なくとも２つの壁面面が隣接している熱交換器。
4. 【請求項４】 請求項２において、前記チューブが貫通
   する周辺領域は単一の壁面で構成され、バーリング加工
   により前記チューブの貫通孔が形成されている熱交換
   器。
5. 【請求項５】 請求項１において、前記熱交換効率が高
   められた部分は、穴あき加工されている熱交換器。
6. 【請求項６】 請求項１において、前記熱交換効率が高
   められた部分には、スリットが形成されている熱交換
   器。