JP2005009710A

JP2005009710A - 熱交換器

Info

Publication number: JP2005009710A
Application number: JP2003172074A
Authority: JP
Inventors: Tatsuo Ozaki; 竜雄尾崎
Original assignee: Denso Corp
Current assignee: Denso Corp
Priority date: 2003-06-17
Filing date: 2003-06-17
Publication date: 2005-01-13

Abstract

【課題】更なる熱交換能力の向上を図る。
【解決手段】断面が略Ｖ字状に形成されて冷却用空気の流通方向と略直交する方向に延びるＶルーバ３ｃを、平面部３ａの一部を切り起こすようにしてローラ成形機にて形成する。そして、Ｖルーバ３ｃは、冷却用空気の流通方向において、その頂部３ｄが交互に反転するように、平面部３ａ、つまりＶルーバ３ｃを形成する前の材料面Ｓを挟んで千鳥状に並んで設けられているとともに、頂部３ｄは、平面部３ａ側に位置し、かつ、冷却用空気の流通方向における平面部３ａの略中央部に対して略対称となるように設けられている。
【選択図】図２

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は熱交換器に関するもので、内燃機関の冷却水と空気とを熱交換するラジエータ等に適用して有効である。
【０００２】
【従来の技術】
従来の熱交換器では、フィンに鎧窓状のルーバを設けて熱伝達率を増大させることにより、熱交換性能の向上を図っている（例えば、特許文献１参照）。
【０００３】
【特許文献１】
特開２００３−５００９５号公報
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、特許文献１に記載の発明において、更に熱交換能力（熱伝達率）を増大させるべく、ルーバ間距離（ルーバピッチ）Ｌを小さくすると、図１２に示すように、ルーバに形成される空気通路、つまりルーバ間距離ｈが小さくなるため、ルーバが目詰まりし易くなり、却って、熱交換能力が低下してしまうおそれが高い。
【０００５】
また、ルーバ角αを大きくすると、通風抵抗が増大して冷却風量が低下するので、熱交換能力が低下してしまう。
【０００６】
本発明は、上記点に鑑み、第１には、従来と異なる新規な熱交換器を提供し、第２には、更なる熱交換能力の向上を図ることを目的とする。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
本発明は、上記目的を達成するために、請求項１に記載の発明では、内部に流体が流通する扁平状のチューブ（２）と、チューブ（２）の外表面に設けられ、チューブ（２）外を流れる外部流体の流通方向と略平行な平面部（３ａ）及び隣り合う平面部（３ａ）間を繋ぐ湾曲部（３ｂ）を有するように波状に形成されを有するフィン（３）とを備え、フィン（３）の平面部（３ａ）には、断面が略Ｖ字状に形成された複数のルーバ（３ｃ）が設けられており、さらに、外部流体の流通方向において、ルーバ（３ｃ）は、その頂部（３ｄ）が交互に反転するように並んでいることを特徴とする。
【０００８】
これにより、後述する図５から明らかなように、本発明では、フィン（３）の平均熱伝達率を特許文献１に記載の発明より向上させることができるので、ルーバピッチを小さくすることなく熱交換効率を向上させることができる。
【０００９】
延いては、ルーバ（３ｃ）における目詰まりや通風抵抗の増大といった不具合を招くことなく、更なる熱交換能力の向上を図ることができる。
【００１０】
また、ルーバ（３ｃ）の断面をＶ字状としているので、フィン（３）を薄くとしても、十分なフィンの強度（剛性）を得ることができるとともに、フィン（３）の座屈強度を高めることができる。
【００１１】
請求項２に記載の発明では、ルーバ（３ｃ）は、平面部（３ａ）を挟んで千鳥状に設けられていることを特徴とする。
【００１２】
これにより、曲げ応力が相殺されてフィン（３）に応力が残留し難いので、フィン（３）が捻れるように反る可能性が低く、フィン（３）の生産性を向上させることができる。
【００１３】
請求項３に記載の発明では、ルーバ（３ｃ）の頂部（３ｄ）は、平面部（３ａ）側に位置していることを特徴とするものである。
【００１４】
請求項４に記載の発明では、内部に流体が流通するチューブ（２）と、チューブ（２）の外表面に設けられ、チューブ（２）外を流れる外部流体の流通方向と略平行な平面部（３ａ）を有するアルミニウム合金製のフィン（３）とを備え、フィン（３）の平面部（３ａ）には、断面が略Ｖ字状に形成されたＶルーバ（３ｃ）、及びＶルーバ（３ｃ）と異なる断面形状を有するルーバ（３ｆ）が設けられており、さらに、Ｖルーバ（３ｃ）の個数はルーバ（３ｆ）の個数より多く、かつ、平面部（３ａ）の厚みは、０．０６ｍｍ以下であることを特徴とする。
【００１５】
これにより、請求項１に記載の発明と同様に、ルーバピッチを小さくすることなく熱交換効率を向上させることができるので、ルーバ（３ｃ）における目詰まりや通風抵抗の増大といった不具合を招くことなく、更なる熱交換能力の向上を図ることができる。
【００１６】
また、ルーバ（３ｃ）の断面をＶ字状としているので、フィン（３）の厚みを０．０６ｍｍ以下まで薄くしても、十分なフィンの強度（剛性）を得ることができるとともに、フィン（３）の座屈強度を高めることができる。
【００１７】
請求項５に記載の発明では、チューブ（２）内には、内燃機関を冷却する冷却水が流通することを特徴とするものである。
【００１８】
請求項６に記載の発明では、内部に流体が流通するチューブ（２）と、チューブ（２）の外表面に設けられ、チューブ（２）外を流れる外部流体の流通方向と略平行な平面部（３ａ）を有するアルミニウム合金製のフィン（３）とを備え、フィン（３）の平面部（３ａ）には、断面が略Ｖ字状に形成されて外部流体の流通方向と略直交する方向に延びるＶルーバ（３ｃ）、及びＶルーバ（３ｃ）と異なる断面形状を有して外部流体の流通方向と略直交する方向に延びるルーバ（３ｆ）が設けられており、さらに、Ｖルーバ（３ｃ）の長手方向端部（３ｅ）は、平面部（３ａ）と連続的に繋がっていることを特徴とする。
【００１９】
これにより、請求項１に記載の発明と同様に、ルーバピッチを小さくすることなく熱交換効率を向上させることができるので、Ｖルーバ（３ｃ）における目詰まりや通風抵抗の増大といった不具合を招くことなく、更なる熱交換能力の向上を図ることができる。
【００２０】
また、Ｖルーバ（３ｃ）の断面をＶ字状とし、かつ、Ｖルーバ（３ｃ）の長手方向端部（３ｅ）が、切れることなく連続的に平面部（３ａ）と繋がっているているので、フィン（３）の厚みを薄くしても、十分なフィンの強度（剛性）を得ることができるとともに、フィン（３）の座屈強度を高めることができる。
【００２１】
請求項７に記載の発明では、内部に流体が流通するチューブ（２）と、チューブ（２）の外表面に設けられ、チューブ（２）外を流れる外部流体の流通方向と略平行な平面部（３ａ）を有するフィン（３）とを備え、フィン（３）の平面部（３ａ）には、断面が略Ｖ字状に形成された複数のルーバ（３ｃ）が設けられており、複数のルーバ（３ｃ）は、外部流体の流通方向における平面部（３ａ）の略中央部に対して略対称となるように設けられていることを特徴とする。
【００２２】
これにより、請求項１に記載の発明と同様に、ルーバピッチを小さくすることなく熱交換効率を向上させることができるので、ルーバ（３ｃ）における目詰まりや通風抵抗の増大といった不具合を招くことなく、更なる熱交換能力の向上を図ることができる。
【００２３】
また、ルーバ（３ｃ）の断面をＶ字状としているので、フィン（３）の厚みを薄くしても、十分なフィンの強度（剛性）を得ることができるとともに、フィン（３）の座屈強度を高めることができる。
【００２４】
また、複数のルーバ（３ｃ）は、外部流体の流通方向における平面部（３ａ）の略中央部に対して略対称となるように設けられているので、曲げ応力が相殺されてフィン（３）に応力が残留し難いので、フィン（３）が捻れるように反る可能性が低く、フィン（３）の生産性を向上させることができる。
【００２５】
請求項８に記載の発明では、フィン（３）は、平面部（３ａ）間を繋ぐ湾曲部（３ｂ）を有するように波状に形成されていることを特徴とするものである。
【００２６】
因みに、上記各手段の括弧内の符号は、後述する実施形態に記載の具体的手段との対応関係を示す一例である。
【００２７】
【発明の実施の形態】
（第１実施形態）
本実施形態は、本発明に係る熱交換器を走行用エンジン（内燃機関）の冷却水と大気とを熱交換して冷却水（エンジン）を冷却するラジエータ１に適用したもので、図１（ａ）はラジエータ１の正面図であり、図１（ｂ）は図１（ａ）のＡ部拡大図であり、図２はチューブ２とフィン３との接合状態を示す図である。
【００２８】
図２中、チューブ２は、内部にエンジン冷却水が流れる金属（本実施形態では、アルミニウム合金製）の管であり、このチューブ２は、チューブ２外を流れる冷却用空気の流通方向と長径方向とが一致するように扁平状に形成されている。
【００２９】
フィン３は、チューブ２の外表面のうち扁平面２ａにろう接されてチューブ２外を流れる冷却用空気とエンジン冷却水との熱交換を促進する金属（本実施形態では、アルミニウム合金製）のもので、このフィン３は、冷却用空気の流通方向と略平行な面を有する平面部３ａ及び隣り合う平面部３ａ間を繋ぐ湾曲部３ｂを有して、冷却用空気の流通方向から見て波状に成形されている。
【００３０】
なお、「ろう接」とは、例えば「接続・接合技術」（東京電機大学出版局）に記載されているように、ろう材やはんだを用いて母材を溶融させないように接合する技術を言う。
【００３１】
因みに、融点が４５０℃以上の溶加材を用いて接合するときをろう付けと言い、その際の溶加材をろう材と呼び、融点が４５０℃以下の溶加材を用いて接合するときをはんだ付けと言い、その際の溶加材をはんだと呼ぶ。
【００３２】
なお、本実施形態では、チューブ２及びフィン３は共にアルミニウム合金製であり、平面部３ａの厚み、つまりフィン３の厚みは０．０６ｍｍ以下（本実施形態では、０．０５ｍｍ）としている。
【００３３】
また、平面部３ａには、図３に示すように、断面が略Ｖ字状に形成されて冷却用空気の流通方向と略直交する方向に延びるＶルーバ３ｃが、平面部３ａの一部を切り起こすようにしてローラ成形機等で形成されている。
【００３４】
そして、Ｖルーバ３ｃは、冷却用空気の流通方向において、その頂部３ｄが交互に反転するように、平面部３ａ、つまりＶルーバ３ｃを形成する前の材料面Ｓを挟んで千鳥状に並んで設けられているとともに、頂部３ｄは、平面部３ａ（材料面Ｓ）側に位置し、かつ、冷却用空気の流通方向における平面部３ａ（材料面Ｓ）の略中央部に対して略対称となるように設けられている。
【００３５】
なお、Ｖルーバ３ｃの個数が奇数個の場合には、図３（ａ）に示すように、中央部を通る仮想面に対して線対称となり、Ｖルーバ３ｃの個数が偶数個の場合には、図３（ｂ）に示すように、中央部に対して点対称となる。
【００３６】
このとき、Ｖルーバ３ｃの長手方向端部３ｅは、図４に示すように、平面部３ａ（材料面Ｓ）を延ばすように除変させることにより、平面部３ａ（材料面）に対して切断されることなく連続的に繋がっている。
【００３７】
次に、本実施形態の作用効果を述べる。
【００３８】
図５（ａ）は本実施形態に係るフィン３の局所熱伝達率の変化を示すもので、図５（ｂ）は特許文献１に記載の発明と同様な構成を有するフィンの局所熱伝達率の変化を示すものである。
【００３９】
そして、図５からも明らかなように、本実施形態に係るフィン３の平均熱伝達率を向上させることができるので、ルーバピッチを小さくすることなく熱交換効率を向上させることができる。延いては、Ｖルーバ３ｃにおける目詰まりや通風抵抗の増大といった不具合を招くことなく、更なる熱交換能力の向上を図ることができる。
【００４０】
また、Ｖルーバ３ｃの断面をＶ字状としているので、フィン３を薄く（０．０６ｍｍ以下）しても、十分なフィン３の強度（剛性）を得ることができる。
【００４１】
ところで、Ｖルーバ３ｃは平面部３ａの一部切り起こすことにより製造されるが、ルーバの断面形状が特許文献１（図１２参照）のごとく、一方向のみ切り起こすような鎧窓形状であると、切り起こし加工時に、同一方向の曲げ応力がフィンに残留するおそれが高く、フィンが捻れるように反る可能性が高い。
【００４２】
これに対して、本実施形態では、Ｖルーバ３ｃの断面はＶ字状といった線対称な形状であるので、切り起こし加工時に、異なる二方向の曲げ応力が作用するので、曲げ応力が相殺されてフィンに応力が残留し難い。したがって、フィンが捻れるように反る可能性が低く、特に、ローラ成形法において、生産性を向上させることができる。
【００４３】
また、特許文献１（図１２参照）のごとく、一方向のみ切り起こすような鎧窓形状のルーバを有する場合には、フィン全体として曲げ応力を相殺するために、図１３に示すように、冷却用空気の流通方向略中央部でルーバ３ｆの傾斜方向を反転させているが、このような構造では、ルーバ３ｆの枚数を偶数枚とせざるを得ないので、ルーバ３ｆの枚数は２枚単位で増減せざるを得ない。このため、ルーバを１枚単位で増やすことができないので、ラジエータ（フィン）の設計自由度が著しく制限される。
【００４４】
また、図１３に示すフィンにおいて、冷却用空気の流通方向略中央部より上流側では、紙面左上方側から右下方側に向けて空気が流れ、冷却用空気の流通方向略中央部より上流側では、紙面左下方側から右上方側に向けて空気が流れる。
【００４５】
このため、図１３に示すフィンでは、冷却用空気の流通方向略中央部より上流側におけるルーバ３ｆの枚数と冷却用空気の流通方向略中央部より下流側におけるルーバ３ｆの枚数とを同一として、冷却用空気流れが阻害されないようにする必要があるので、やはりルーバ３ｆの枚数を偶数枚とする必要がある。
【００４６】
これに対して、本実施形態ではＶルーバ３ｃ自体が対称な形状であるので、前述のごとく、Ｖルーバ３ｃは奇数枚であっても、偶数枚であってもよい。したがって、ラジエータ１（フィン３）の設計自由度を高めるつつ、冷却用空気流れが阻害されてしまうことを防止できる。
【００４７】
また、Ｖルーバ３ｃは、平面部３ａ（材料面Ｓ）を挟んで千鳥状に並んでいるので、平面部３ａに作用する加工力が平面部３ａに対して対称となる。したがって、加工力による応力が相殺されてフィンに応力が残留し難いので、フィン３の生産性を向上させながら、フィン３自体の強度（剛性）を高めることができる。
【００４８】
ところで、フィン３とチューブ２とは、図１（ｂ）に示すように、交互に積層された状態でろう接されるが、ろう接に当たっては、ワイヤー等の治具で積層状態を保持した状態で加熱される。
【００４９】
このため、治具の締め付け力により、フィン３は隣り合う平面部３ａが離れるような座屈力を治具から受けるが、Ｖルーバ３ｃの断面をＶ字状としているので、フィン３の座屈強度を高めることができ、治具の締め付け力によりフィン３が座屈してしまうことを抑制できる。
【００５０】
また、チューブ２内を流れるエンジン冷却水の温度が上昇してチューブ２内の圧力が上昇すると、チューブ２が膨らむように変形するので、フィン３はチューブ２から座屈力を受ける。
【００５１】
しかし、本実施形態に係るフィン３は、前述のごとく、高い座屈強度を有しているので、チューブ２の膨脹によるフィン３の座屈を未然に防止できる。
【００５２】
（第２実施形態）
第１実施形態では、全てのルーバをＶルーバ３ｃとしたが、本実施形態は、図６に示すように、冷却用空気の流通方向と略直交する方向に延びる帯板状のルーバ３ｆとＶルーバ３ｃとを混在させるとともに、Ｖルーバ３ｃの本数をルーバ３ｆの本数より多くしたものである。
【００５３】
なお、本実施形態では、Ｖルーバ３ｃとルーバ３ｆとを、冷却空気の流通方向に対して交互に配置するとともに、Ｖルーバ３ｃ及びルーバ３ｆそれそれを冷却空気の流通方向に千鳥状に設けている。
【００５４】
（第３実施形態）
上述の実施形態では、Ｖルーバ３ｃの断面形状を完全なＶ字状としたが、本実施形態は、図７〜９に示すように、Ｖルーバ３ｃの断面形状を変形Ｖ字状としたものである。
【００５５】
すなわち、図７は頂部３ｄに平面部を設けた例であり、図８は非対称なＶ字状とした例であり、図９は頂部３ｄに逆向きのＶ字部を設けた例である。
【００５６】
（その他の実施形態）
本発明のＶルーバ３ｃは、上述の実施形態に示されたものに限定されるものではなく、図１０に示すように、冷却用空気の流れ方向において、Ｖルーバ３ｃの大きさ、Ｖルーバ３ｃ間の距離、及びＶルーバ３ｃの形状を変化させてもよい。
【００５７】
また、図１１に示すようにＶルーバ３ｃを微細化することで、ピンフィンと同等な熱考案効率を得ることも可能である。
【図面の簡単な説明】
【図１】（ａ）は本発明の実施形態に係るラジエータ１の正面図であり、（ｂ）は（ａ）のＡ部拡大図である。
【図２】本発明の実施形態に係るチューブ２とフィン３との接合状態を示す図である。
【図３】本発明の第１実施形態に係る平面部３ａの断面図である。
【図４】図２のＡ部拡大図である。
【図５】局所熱伝達率及び平均熱伝達率を示すグラフである。
【図６】本発明の第２実施形態に係る平面部３ａの断面図である。
【図７】本発明の第３実施形態に係る平面部３ａの断面図である。
【図８】本発明の第３実施形態に係る平面部３ａの断面図である。
【図９】本発明の第３実施形態に係る平面部３ａの断面図である。
【図１０】本発明のその他の実施形態に係る平面部３ａの断面図である。
【図１１】本発明のその他の実施形態に係る平面部３ａの断面図である。
【図１２】従来の技術におけるフィンの断面図である。
【図１３】従来の技術におけるフィンの断面図である。
【符号の説明】
２…チューブ、３…フィン、３ａ…平面部、３ｂ…湾曲部、３ｃ…Ｖルーバ。

Claims

内部に流体が流通する扁平状のチューブ（２）と、
前記チューブ（２）の外表面に設けられ、前記チューブ（２）外を流れる外部流体の流通方向と略平行な平面部（３ａ）及び隣り合う前記平面部（３ａ）間を繋ぐ湾曲部（３ｂ）を有するように波状に形成されを有するフィン（３）とを備え、
前記フィン（３）の平面部（３ａ）には、断面が略Ｖ字状に形成された複数のルーバ（３ｃ）が設けられており、
さらに、前記外部流体の流通方向において、前記ルーバ（３ｃ）は、その頂部（３ｄ）が交互に反転するように並んでいることを特徴とする熱交換器。
前記ルーバ（３ｃ）は、前記平面部（３ａ）を挟んで千鳥状に設けられていることを特徴とする請求項１に記載の熱交換器。
前記ルーバ（３ｃ）の頂部（３ｄ）は、前記平面部（３ａ）側に位置していることを特徴とする請求項１又は２に記載の熱交換器。
内部に流体が流通するチューブ（２）と、
前記チューブ（２）の外表面に設けられ、前記チューブ（２）外を流れる外部流体の流通方向と略平行な平面部（３ａ）を有するアルミニウム合金製のフィン（３）とを備え、
前記フィン（３）の平面部（３ａ）には、断面が略Ｖ字状に形成されたＶルーバ（３ｃ）、及び前記Ｖルーバ（３ｃ）と異なる断面形状を有するルーバ（３ｆ）が設けられており、
さらに、前記Ｖルーバ（３ｃ）の個数は前記ルーバ（３ｆ）の個数より多く、かつ、前記平面部（３ａ）の厚みは、０．０６ｍｍ以下であることを特徴とする熱交換器。
前記チューブ（２）内には、内燃機関を冷却する冷却水が流通することを特徴とする請求項４に記載の熱交換器。
内部に流体が流通するチューブ（２）と、
前記チューブ（２）の外表面に設けられ、前記チューブ（２）外を流れる外部流体の流通方向と略平行な平面部（３ａ）を有するアルミニウム合金製のフィン（３）とを備え、
前記フィン（３）の平面部（３ａ）には、断面が略Ｖ字状に形成されて前記外部流体の流通方向と略直交する方向に延びるＶルーバ（３ｃ）、及び前記Ｖルーバ（３ｃ）と異なる断面形状を有して前記外部流体の流通方向と略直交する方向に延びるルーバ（３ｆ）が設けられており、
さらに、前記Ｖルーバ（３ｃ）の長手方向端部（３ｅ）は、前記平面部（３ａ）と連続的に繋がっていることを特徴とする熱交換器。
内部に流体が流通するチューブ（２）と、
前記チューブ（２）の外表面に設けられ、前記チューブ（２）外を流れる外部流体の流通方向と略平行な平面部（３ａ）を有するフィン（３）とを備え、
前記フィン（３）の平面部（３ａ）には、断面が略Ｖ字状に形成された複数のルーバ（３ｃ）が設けられており、
前記複数のルーバ（３ｃ）は、前記外部流体の流通方向における前記平面部（３ａ）の略中央部に対して略対称となるように設けられていることを特徴とする熱交換器。
前記フィン（３）は、前記平面部（３ａ）間を繋ぐ湾曲部（３ｂ）を有するように波状に形成されていることを特徴とする請求項４ないし７のいずれか１つに記載の記載の熱交換器。