JP2005291643A - 熱交換器 - Google Patents

Abstract

【課題】圧力損失を低減させると共に伝熱チューブの入口が開口する流入ヘッダー内での流体の流れの均一性を向上させることが可能な熱交換器を提供する。
【解決手段】 熱交換器としてのラジエータ６の流入ヘッダーとしてのアッパータンク20は、冷却水の流れの下流に向かうにつれて連続的に拡大する拡開通路23を形成する拡開部21を有する。拡開通路23は、最上流通路断面23ａである流入口24と、最下流通路断面23ｂとの間で、ラジエータコア30のチューブ列Ｃにおける伝熱チューブ31の配列方向Ａ２において冷却水の流れの方向に連続的に拡大しており、配列方向Ａ２での最下流通路断面23ｂの幅は、配列方向Ａ２での流入口24の幅の２倍以上である。
【選択図】図２

Description

本発明は、ポンプで加圧された流体が流入する流入ヘッダーと、流入ヘッダー内の流体が流入する複数の伝熱チューブを有する伝熱コアとを備える熱交換器に関し、該熱交換器は、例えば内燃機関のラジエータである。

圧力損失の低減を図った熱交換器として、例えば特許文献１に開示されたラジエータがある。このラジエータは、タンクとヘッダプレートとを備える。タンクのタンク本体には、外方に突出するように出入口管が設けられ、タンク本体と出入口管の内面同士が交る角部に、面取りが形成される。また、ヘッダプレートには、列を構成する複数の偏平管が、それぞれ、端部をタンク本体内に突出させるように接続される。そして、偏平管の突出端部に設けられる拡管部は、平坦部が円弧状に膨出する一対の湾曲部を有する。このため、面取りが形成されていることにより、タンクと出入口管の流路抵抗が小さくなり、さらに拡管部が一対の湾曲部を有しているとにより、タンクと偏平管の流路抵抗が小さくなる。
特開平５−２８８０５２号公報

ところで、前記従来技術では、エンジンを冷却した後の水は、円筒状の入口管を経て、該入口管の通路面積に比べて急速に拡大する通路面積を有するタンク本体内に流入する。このとき、面取りが形成されているものの、面取りにより拡大される通路の拡がり幅は、入口管により形成される通路の幅よりも小さいため、面取りによる剥離防止機能が十分とはいえず、特に、入口管からタンク本体へ流入する水量が多い場合などには、タンク本体の壁での流れの剥離を防止することが困難になる。

また、剥離に起因するタンク本体内での水の流れの均一性の低下、すなわち水の流速や圧力の均一性の低下は、偏平管に流入する流量のバラツキを発生させて、ラジエータの放熱性能の低下を招来する。このようなタンク本体内での流れの不均一は、タンク本体の通路面積に比べて極めて小さい通路面積を有する偏平管の流路抵抗が大きいこと、すなわち偏平管での圧力損失が大きいことを利用することにより、多少改善される。しかしながら、ラジエータの圧力損失が大きくなると、水の圧送および吸引を行うポンプの作動能力を大きくする必要があることから、ポンプが大型化したり、ポンプの駆動動力が増加する。さらに、ポンプの作動能力を大きくしたとしても、通路面積が極めて小さい偏平管を流通する水の流量には限界があるため、入口管からの水の供給量を増加したとしても、偏平管を流れる流量が飽和して、偏平管での放熱量（伝熱量）も飽和する結果、ラジエータの所要の放熱性能が得られないことがある。

前記従来技術において、タンク本体内に突出している偏平管の入口では、入口に平行な方向である側方から水が流入して縮流が発生することにより、また偏平管の出口では、出口から流出した直後の水が拡散することにより、それぞれ圧力損失が生じる。

本発明は、このような事情に鑑みてなされたものであり、請求項１〜５記載の発明は、圧力損失を低減させると共に伝熱チューブの入口が開口する流入ヘッダー内での流体の流れの均一性を向上させることが可能な熱交換器を提供することを目的とする。そして、請求項２，３記載の発明は、圧力損失の一層の低減および流入ヘッダー内での流体の流れの均一性を一層向上させることを目的とし、請求項４，５記載の発明は、さらに、伝熱チューブによる圧力損失の一層の低減を図ることを目的とする。

請求項１記載の発明は、ポンプにより加圧された流体が流入する流入口が形成された流入ヘッダーと、前記流入ヘッダー内の流体が流入する複数の伝熱チューブがチューブ列を構成して配列される伝熱コアと、前記各伝熱チューブから流入した流体が流出する流出口が形成された流出ヘッダーとを備える熱交換器において、前記流入ヘッダーは、流体の流れの下流に向かうにつれて連続的に拡大する拡開通路を形成する拡開部を有し、前記拡開通路は、最上流部での通路面積を規定する最上流通路断面と、最下流部での通路面積を規定する最下流通路断面との間で、前記チューブ列における前記伝熱チューブの配列方向において流体の流れの方向に連続的に拡大しており、前記配列方向での前記最下流通路断面の幅は、前記配列方向での前記最上流通路断面の幅の２倍以上である熱交換器である。

これによれば、拡開通路は、最上流通路断面と、配列方向での幅が最上流通路断面の２倍以上となる最下流通路断面との間で、下流に向かうにつれて連続的に拡大するので、通路面積の増加による流れの剥離が広い範囲に渡って防止または抑制される。そして、最下流通路断面の配列方向での幅が最上流通路断面の２倍以上となるように形成されているので、流入ヘッダー内で比較的多くの伝熱チューブが存在する配列方向での流れの均一性が向上する。

請求項２記載の発明は、請求項１記載の熱交換器において、すべての前記伝熱チューブの入口は、前記最下流通路断面により覆われる領域内に配置されるものである。

これによれば、拡開通路により流れの剥離が防止または抑制される領域に、伝熱コアのすべての伝熱チューブの入口が配置されるので、すべての伝熱チューブの入口に流入する流体の流れの均一性が向上する。

請求項３記載の発明は、請求項２記載の熱交換器において、前記拡開通路は、拡がり角が、２３°よりも小さいものである。

これによれば、拡開通路における通路の拡がりの割合が抑制されて、拡開通路での流体の剥離が一層抑制され、流入ヘッダー内での流れが一層均一化される。

請求項４記載の発明は、請求項１ないし請求項３のいずれか１項記載の熱交換器において、前記各伝熱チューブの入口に隣接して、前記流入ヘッダー内の流体を前記入口に案内する入口案内部が設けられ、前記入口案内部は、前記入口に向かう流体を前記入口の形状に合うように徐々に収束させる案内面を有するものである。

これによれば、伝熱チューブの入口に向かう流体は、入口案内部の案内面に案内されて、入口の形状に合うように徐々に収束した後、入口から流入して伝熱チューブ内を流れるので、伝熱チューブの入口付近での縮流の発生が確実に防止される。

請求項５記載の発明は、請求項１ないし請求項４のいずれか１項記載の熱交換器において、前記各伝熱チューブの出口に隣接して、前記出口からの流体を前記流出ヘッダー内で案内する出口案内部が設けられ、前記出口案内部は、前記出口から流出した直後の流体を徐々に拡散させる案内面を有するものである。

これによれば、各伝熱チューブから流出した直後の流体は、出口案内部の案内面に案内されて、徐々に拡散した後、流出ヘッダー内で集合するので、出口から流出した流体の剥離が確実に防止される。

請求項１記載の発明によれば、次の効果が奏される。すなわち、最下流通路断面の配列方向での幅が最上流通路断面の２倍以上となる拡開通路により、流れの剥離が防止または抑制されるので、流入ヘッダー内での圧力損失が低減し、さらに流入ヘッダー内で比較的多くの伝熱チューブが存在する配列方向での流れの均一性が向上するので、伝熱チューブの入口が開口する流入ヘッダー内での流体の流れの均一性が向上し、熱交換器での伝熱性能が向上する。さらに、圧力損失が低減するため、ポンプを大型化することなく、熱交換器に供給する流体の流量を増加させることができるので、この点でも伝熱性能を向上させることができる。

請求項２記載の発明によれば、引用された請求項記載の発明の効果に加えて、次の効果が奏される。すなわち、伝熱コアのすべての伝熱チューブの入口に流入する流体の流れの均一性が向上するので、流入ヘッダーにおける圧力損失および流れの均一性に関する請求項１の効果が一層高められる。

請求項３記載の発明によれば、引用された請求項記載の発明の効果に加えて、次の効果が奏される。すなわち、拡開通路での流体の剥離が一層抑制され、流入ヘッダー内での流れが一層均一化されるので、流入ヘッダーにおける圧力損失および流れの均一性が一層向上する。

請求項４記載の発明によれば、引用された請求項記載の発明の効果に加えて、次の効果が奏される。すなわち、伝熱チューブの入口付近での縮流の発生が確実に防止されるので、伝熱チューブにおける圧力損失が低減する。

請求項５記載の発明によれば、引用された請求項記載の発明の効果に加えて、次の効果が奏される。すなわち、出口から流出した流体の剥離が確実に防止されるので、伝熱チューブにおける圧力損失が低減する。

以下、本発明の実施形態を図１〜図１４を参照して説明する。
図１を参照すると、本発明の熱交換器であるラジエータ６は、車両１に搭載される水冷式内燃機関２に備えられる。車両１の前部に配置される内燃機関２は、ピストンが往復動可能に嵌合するシリンダが形成されたシリンダブロック３とシリンダブロック３の上端部に結合されるシリンダヘッド４とを有する機関本体５を備える。内燃機関２の冷却装置を構成するラジエータ６は、車両１の前部において機関本体５の前方に配置される。前記冷却装置は、ラジエータ６と、ラジエータ６の後方に配置される冷却ファン７とを備える。

併せて図２，図３を参照すると、ラジエータ６は、機関本体５を冷却した後の高温の冷却水が機関本体５から流入する第１通路Ｐ１を形成する流入ヘッダーとしてのアッパータンク20と、アッパータンク20内の冷却水が流入する多数の第２通路Ｐ２をそれぞれ形成する多数の伝熱チューブ31からなるチューブ群を有する伝熱コアとしてのラジエータコア30と、各伝熱チューブ31からの冷却水が集合した後に機関本体５に向かって流出する第３通路を形成する流出ヘッダーとしてのロアタンク40とを備える。

電動モータ８により駆動される冷却ファン７は、ラジエータコア30の後面を覆うファンシュラウド９内に収容されて、前方からラジエータコア30の前面に向かう冷却風であるファン風を発生させて、車両１の走行時の冷却風である走行風と共に、ラジエータ６の周囲の外部流体である空気の強制対流によるラジエータコア30での伝熱を促進し、その放熱性能（冷却性能）を向上させる。

ラジエータコア30は、チューブ群と、各伝熱チューブ31を所定の配列状態に保持する保持部材としての第１，第２保持プレート32，33と、各伝熱チューブ31の外面に接触して設けられる薄板からなる波形の放熱フィン34とを備える。アッパータンク20とロアタンク40との間において上下方向に互いに平行に延びて配置される多数の伝熱チューブ31は、それぞれ、１対の対面する平板状で、互いに平行な管壁31ｗ（図１１〜図１４も参照）を有し、該１対の管壁31ｗにより偏平な通路断面が形成される。チューブ群は、２列のチューブ列Ｃから構成され、各チューブ列Ｃにおいては、該チューブ列Ｃを構成する複数の伝熱チューブ31が、それぞれの１対の管壁31ｗが対面する方向である偏平方向に、整列した状態で配列されている。第１，第２保持プレート32，33は、後述する基準方向Ａ１（各伝熱チューブ31の入口部31ａにおける冷却水の流れ方向に平行な方向）から見て、チューブ列Ｃにおける伝熱チューブ31の配列方向Ａ２（扁平方向でもある。）に長く、配列方向Ａ２に直交する方向Ａ３（以下、直交方向Ａ３という。）に短い、ほぼ長方形である。また、放熱フィン34は、各伝熱チューブ31にろう付けにより接合される。

そして、シリンダヘッド４に形成された冷却水通路11の冷却水は、シリンダヘッド４とラジエータ６と連通させるパイプ12を経た後、ラジエータ６において、第１通路Ｐ１に流入し、次いで多数の第２通路Ｐ２を流通する間に伝熱チューブ31および放熱フィン34を通じて放熱して低温になった後、第３通路Ｐ３に流入する。第３通路Ｐ３の冷却水は、ラジエータ６とシリンダヘッド４またはシリンダブロック３に取り付けられるサーモスタット（図示されず）とを連通させるパイプ13を経てウォータポンプ14に導かれる。内燃機関２のクランク軸の動力により駆動されるウォータポンプ14により圧送された冷却水は、シリンダブロック３に形成された冷却水通路10および冷却水通路11を流通して、燃焼熱により高温となるシリンダブロック３およびシリンダヘッド４を冷却した後、パイプ12を経てラジエータ６に帰還する。

それゆえ、ラジエータ６においては、ポンプとしてのウォータポンプ14により加圧された流体である冷却水が、流入口24からアッパータンク20に流入し、次いで複数の伝熱チューブ31を流通した後、ロアタンク40に達し、ウォータポンプ14に吸引されることにより、ロアタンク40の流出口41から機関本体５に向けて流出する。

図２，図４，図５を参照すると、アッパータンク20は、通路面積が冷却水の流れの下流に向かって連続的に増加する拡開通路23を形成する拡開部21と、拡開部21に連なって形成されてラジエータコア30に接続される接続部22とを有する。
なお、この明細書において、「上流」および「下流」は、それぞれ、冷却水の流れに関しての「上流」および「下流」を意味する。

拡開部21の上流端部は、この実施形態では、パイプ12（図１参照）に接続される流入部21ａを構成し、流入部21ａには、シリンダヘッド４からの冷却水がラジエータ６に流入する流入口24が形成される。それゆえ、拡開通路23の最上流部での通路面積を規定する最上流通路断面23ａが流入口24となる。また、拡開通路23の最下流部での通路面積を規定する最下流通路断面23ｂ（便宜上、図２，図４に二点鎖線で示される。）は、拡開部21と接続部22との境界位置にあり、第１保持プレート32にほぼ平行であると共に第１保持プレート32とほぼ同じ形状である。

接続部22の通路面積は、第１通路Ｐ１における最大の通路面積であると共にその大きさがほぼ一定であり、最下流通路断面23ｂの通路面積は、後述する流出口25の通路面積でもある接続部22の通路面積とほぼ等しい。そして、接続部22には、アッパータンク20の、ラジエータコア30への冷却水の流出口25が形成される。この実施形態では、拡開通路23は、流出口25またはラジエータコア30を、配列方向Ａ２で二等分する平面を対称面として形成される。

拡開通路23の通路壁面となる拡開部21の内面21ｃは、流入口24（最上流通路断面23ａ）と最下流通路断面23ｂとの間で実質的に流線形に形成される。ここで、流線形とは、内面21ｃから冷却水の流れの剥離または境界層の剥離が発生しにくい形状を意味する。また、実質的とは、内面21ｃにおいて、アッパータンク20に設けられる付属部、例えば冷却水の注入口やリザーブタンクとの接続口などのために、内面21ｃに形成される孔などが除かれ、かつ拡開通路23における冷却水全体の流れの状態に影響を殆ど及ぼさない局部的な凹凸や角部などが除かれることを意味する。

図３を併せて参照すると、拡開通路23は、流入口24と最下流通路断面23ｂとの間において、通路断面の周縁のすべての地点で、流入口24（最上流通路断面23ａ）付近の一部を除き、下流に向かうにつれて、すなわち冷却水の流れの方向に、連続的に拡大している。このため、拡開通路23は、配列方向Ａ２に長い第１保持プレート32または配列方向Ａ２に延びる各チューブ列Ｃに対応して、流入口24から最下流通路断面23ｂまで、配列方向Ａ２において冷却水の流れの方向に連続的に拡大しており、配列方向Ａ２での最下流通路断面23ｂの幅は、配列方向Ａ２での流入口24の幅の２倍以上で、かつ前記直交方向Ａ３での最下流通路断面23ｂの幅よりも大きい。

さらに、下流に向かっての拡開通路23の拡がりの程度を示す拡がり角θが、次式で定義されるとき、図６に示されるように、拡がり角θは、拡開部21の内面21ｃとの摩擦による冷却水の圧力損失が増加しない範囲で、拡開通路23の通路面積の増加による流れの剥離を抑制することにより圧力損失を低減する観点から、小さいほど好ましく、３６°以下、より好ましくは２３°よりも小さく設定される。
θ＝２・ｔａｎ^−１（ｄ２−ｄ１／（２・Ｌ））
なお、式中、
ｄ１：拡開通路23の流入口24の水力直径
ｄ２：拡開通路23の最下流通路断面23ｂの水力直径
Ｌ ：拡開通路23の中心線に沿った流入口24と最下流通路断面23ｂとの間の 距離（図４参照）
である。

併せて、アッパータンク20の概略の外形が示される図５，図７〜図１０を参照すると、配列方向Ａ２での最下流通路断面23ｂの幅が配列方向Ａ２での流入口24の幅の２倍よりも小さい拡開通路を有し、その拡がり角θが５２°のアッパータンクを備えるラジエータ（比較対象）に比べて、本発明の実施形態であって、拡がり角θが、それぞれ、３６°（図７参照）、２３°（図８参照）、１７°（図９参照）、１３°（図１０参照）および１１°（図２，図４，図５参照）に設定されたアッパータンク20を備えるラジエータ６では、圧力損失が大幅に低減する。そして、拡がり角θが２３°よりも小さいラジエータ６では、圧力損失は、一層低減し、しかも拡がり角θが小さくなるにつれて低減する。

図２，図３，図１１，図１２を参照すると、第１通路Ｐ１内には、各伝熱チューブ31の入口部31ａに形成される入口35に隣接して、アッパータンク20内の冷却水を入口35に案内する入口案内部を構成する案内部材50が、各伝熱チューブ31の上流端部31ｃを保持する第１保持プレート32に設けられる。案内部材50は、アッパータンク20内に開口する入口35よりも上流の冷却水を、入口35に向けて配列方向Ａ２で徐々に収束するように案内する案内面53を有する。

案内部材50は、上流端部31ｃにおいて第１保持プレート32から第１通路Ｐ１に突出する入口部31ａに隣接して第１保持プレート32に固定される。直交方向Ａ３での入口35の幅とほぼ等しい幅を有する案内部材50は、第１保持プレート32から入口35までの突出量を有する基部51と、基部51に連なると共に入口35よりも上流に向かって突出する突出部52とを有する。そして、１つの入口35毎に、配列方向Ａ２で入口35を挟むように１対の案内部材50が配置されることにより、案内部材50は、全体としては、配列方向Ａ２での両端の入口35を除いて、配列方向Ａ２で隣接する入口35の間に配置される。

各入口部31ａの１対の管壁31ｗの外面に接する基部51は、配列方向Ａ２で隣接する入口部31ａの間のスペースを埋めている。また、突出部52に形成される流線形の案内面53は、配列方向Ａ２および入口部31ａでの流れ方向に平行な平面での断面形状が隣接する入口35の間隔にほぼ等しい直径のほぼ円弧となるように形成され、直交方向Ａ３での入口35の幅とほぼ等しい幅を有する。

案内面53の最下流端部53ｂは、入口部31ａの内面に極力滑らかに連なるように形成される。それゆえ、図１２に二点鎖線で示されるように、案内面53と入口35との境界部に、伝熱チューブ31の厚みによる段差が生じることなく、案内面53と入口部31ａの内面とが同一面で連続するように、案内面53が形成されてもよい。

このため、案内面53よりも上流から入口35に向かう冷却水は、案内面53により入口35の形状に合うように徐々に収束する。そして、案内面53により案内された冷却水の流れは、各入口35において、少なくとも１対の管壁31ｗの、直交方向Ａ３での幅全体に渡って、さらには入口35の、直交方向Ａ３での幅のほぼ全体に渡って、案内面53の最下流端部53ｂ、すなわち入口35の直上流で、入口部31ａひいては伝熱チューブ31での流れの方向にほぼ一致する。

さらに、入口部31ａでの冷却水の流れ方向（この実施形態では、第２通路Ｐ２全体での冷却水の流れ方向に一致する。）に平行な方向を基準方向Ａ１とするとき、最下流通路断面23ｂは、基準方向Ａ１に直交する断面であり、しかも第１保持プレート32とほぼ同じ大きさであることから、基準方向Ａ１で見て、各伝熱チューブ31の入口35は最下流通路断面23ｂの範囲内に配置される。したがって、すべての伝熱チューブ31の入口35は、基準方向Ａ１において最下流通路断面23ｂにより覆われる領域内に配置される。

図２，図１３，図１４を参照すると、第３通路Ｐ３内には、各伝熱チューブ31の出口部31ｂに形成される出口36に隣接して、出口36から流入した冷却水をロアタンク40内で案内する出口案内部を構成する案内部材60が、各伝熱チューブ31の下流端部31ｄを保持する第２保持プレート33に設けられる。案内部材60は、ロアタンク40内に開口する出口36から流出した冷却水を配列方向Ａ２で徐々に拡散させるように案内する案内面63を有する。

案内部材60は、下流端部31ｄにおいて第２保持プレート33から第３通路Ｐ３に突出する出口部31ｂに隣接して第２保持プレート33に固定される。直交方向Ａ３での出口36の幅とほぼ等しい幅を有する案内部材60は、第２保持プレート33から出口36までの突出量を有する基部61と、基部61に連なると共に出口36よりも下流に向かって突出する突出部62とを有する。

案内部材60は、入口35に対する案内部材50の配置と同様に、出口36に対して配置される。すなわち、１つの出口36毎に、配列方向Ａ２で出口36を挟むように１対の案内部材60が配置されることにより、案内部材60は、全体としては、配列方向Ａ２での両端の出口36を除いて、配列方向Ａ２で隣接する出口36の間に配置される。

管壁31ｗの外面に接する基部61は、配列方向Ａ２で隣接する出口部31ｂの間のスペースを埋めている。また、突出部62に形成される流線形の案内面63は、配列方向Ａ２および出口部31ｂでの流れ方向（この実施形態では、第２通路Ｐ２全体での冷却水の流れ方向に一致する。）に平行な平面での断面形状が、最下流端部63ｂに向かうにつれて先細となるほぼ紡錘形を形成するように、最下流端部63ｂを通り基準方向Ａ１に平行な直線を対称線とする１対のほぼ円弧となるように形成され、直交方向Ａ３での出口36の幅とほぼ等しい幅を有する。

案内面63の最上流端部63ａは、出口部31ｂの内面に極力滑らかに連なるように形成される。それゆえ、図１４に二点鎖線で示されるように、案内面63と出口36との境界部に、伝熱チューブ31の厚みによる段差が生じることなく、案内面63と出口部31ｂの内面とが同一面で連続するように、案内面63が形成されてもよい。

このため、出口36から流出した直後の冷却水の流れは、各出口36において、少なくとも１対の管壁31ｗの、直交方向Ａ３での幅全体に渡って、さらには出口36の、直交方向Ａ３での幅のほぼ全体に渡って、剥離することなく配列方向Ａ２に拡散する。そして、下流端部では、冷却水の流れは、出口部31ｂでの流れ方向と同じ方向の速度成分を有することから、隣接する出口36からの冷却水と比較的滑らかに合流した後、ロアタンク40内で集合する。

次に、前述のように構成された実施形態の作用および効果について説明する。
ラジエータ６のアッパータンク20は、冷却水の流れの下流に向かうにつれて連続的に拡大する拡開通路23を形成する拡開部21を有し、拡開通路23は、流入口24（最上流通路断面23ａ）と最下流通路断面23ｂとの間で、配列方向Ａ２において流体の流れの方向に連続的に拡大しており、配列方向Ａ２での最下流通路断面23ｂの幅は、配列方向Ａ２での流入口24の幅の２倍以上であることにより、拡開通路23は、流入口24と、配列方向Ａ２での幅が流入口24の２倍以上となる最下流通路断面23ｂとの間で、下流に向かうにつれて連続的に拡大するので、通路面積の増加による冷却水の流れの剥離が広い範囲に渡って防止または抑制されて、アッパータンク20内での圧力損失が低減する。そのうえ、最下流通路断面23ｂの配列方向Ａ２での幅が流入口24の２倍以上となるように形成されているので、アッパータンク20内で比較的多くの伝熱チューブ31が存在する配列方向Ａ２での流れの均一性が向上して、伝熱チューブ31の入口35が開口するアッパータンク20内での流れの均一性が向上し、ラジエータ６での放熱性能（伝熱性能）が向上する。

さらに、圧力損失が低減するため、ウォータポンプ14を大型化することなく、またウォータポンプ14の駆動動力の増加による燃費性能の低下を招くことなく、ラジエータ６に供給する冷却水の流量を増加させることができるので、この点でも放熱性能を向上させることができる。

ラジエータコア30のすべての伝熱チューブ31の入口35は、最下流通路断面23ｂにより覆われる領域内に配置されることにより、拡開通路23により流れの剥離が防止または抑制される領域に、ラジエータコア30のすべての伝熱チューブ31の入口35が配置されるので、すべての伝熱チューブ31の入口35に流入する流体の流れの均一性が向上して、アッパータンク20における圧力損失および流れの均一性が一層向上する。

最下流通路断面23ｂの通路面積は、第１通路Ｐ１における最大の通路面積である接続部22または流出口25の通路面積とほぼ等しいことにより、アッパータンク20における最大の範囲で拡開通路23が形成されるので、アッパータンク20での冷却水の流れの剥離が最大限に防止または抑制されて、アッパータンク20内での圧力損失がさらに低減し、流れの均一性がさらに向上する。

拡開通路23は、アッパータンク20の流出口25またはラジエータコア30を、配列方向Ａ２で二等分する平面を対称面として形成されることにより、アッパータンク20内の流れの均一化が促進されるので、この点でもアッパータンク20内での流れの均一性が向上する。

拡開通路23の拡がり角θが、２３°よりも小さいことにより、拡開通路23における通路の拡がりの割合が抑制されて、拡開通路23での流体の剥離が一層抑制され、アッパータンク20内での流れが一層均一化されるので、アッパータンク20における圧力損失および流れの均一性が一層向上する。

各入口35に隣接して、アッパータンク20内の冷却水を入口35に案内する案内部材50が設けられ、案内部材50は、入口35に向かう冷却水を入口35の形状に合うように徐々に収束させる案内面53を有することにより、伝熱チューブ31の入口35に向かう流体は、案内部材50の案内面53に案内されて、入口35の形状に合うように配列方向Ａ２で徐々に収束した後、入口35から流入して伝熱チューブ31内を流れるので、伝熱チューブ31の入口35付近での縮流の発生が確実に防止されて、伝熱チューブ31における圧力損失が低減する。

案内面53は、直交方向Ａ３での入口35の幅とほぼ等しい幅を有することにより、案内面53により案内された冷却水の流れは、各入口35において、入口35の、直交方向Ａ３での幅のほぼ全体に渡って収束するので、直交方向Ａ３での幅の広い範囲に渡って縮流の発生が防止される。しかも、案内部材50は、配列方向Ａ２で各入口35を挟むよう配置され、その基部51は、各入口部31ａの１対の管壁31ｗの外面に接すると共に、配列方向Ａ２で隣接する入口部31ａの間のスペースを埋めていることにより、案内面53に案内された冷却水の流れの方向は、各入口35の直上流で、入口部31ａひいては伝熱チューブ31での流れの方向にほぼ一致するので、この点でも縮流の発生が防止され、圧力損失が低減する。

各伝熱チューブ31の出口36に隣接して、出口36からの流体をロアタンク40内で案内する案内部材60が設けられ、案内部材60は、出口36から流出した直後の流体を配列方向Ａ２で徐々に拡散させる案内面63を有することにより、各伝熱チューブ31から流出した直後の流体は、案内部材60の案内面63に案内されて、徐々に拡散した後、ロアタンク40内で集合するので、出口36から流出した流体の剥離が確実に防止されて、伝熱チューブ31における圧力損失が低減する。

案内面63は、直交方向Ａ３での出口36の幅とほぼ等しい幅を有することにより、案内面63により案内された冷却水の流れは、各出口36において、出口36の、直交方向Ａ３での幅のほぼ全体に渡って拡散するので、直交方向Ａ３での幅の広い範囲に渡って剥離の発生が防止される。しかも、案内部材60は、配列方向Ａ２で各出口36を挟むよう配置され、その基部61は、各出口部31ｂの１対の管壁31ｗの外面に接すると共に、配列方向Ａ２で隣接する出口部31ｂの間のスペースを埋めており、案内面63は、最下流端部63ｂでの冷却水の流れが出口部31ｂでの流れ方向と同じ方向の速度成分を有するように、最下流端部63ｂに向かうにつれて先細となるほぼ紡錘形を形成するように形成されていることにより、各出口36から流出する冷却水は、隣接する出口36からの冷却水と比較的滑らかに合流した後、ロアタンク40内で集合するので、この点でも圧力損失が低減する。

以下、前述した実施形態の一部の構成を変更した実施形態について、変更した構成に関して説明する。
アッパータンク20において、流入口24と最上流通路断面23ａとが別個に形成され、流入口24が、拡開通路23の最上流通路断面23ａよりも上流側に位置していてもよい。また、拡開通路23は、アッパータンク20の流出口25またはラジエータコア30に対して、配列方向Ａ２で面対称に配置されていなくてもよい。さらに、接続部22が拡開部21の一部により構成されてもよく、拡開部21は、複数の部材が接続されることにより形成されてもよい。チューブ群は、１列のチューブ列または３列以上のチューブ列により構成されてもよい。

前記実施形態では、最下流通路断面23ｂはラジエータコア30のすべての伝熱チューブ31の入口35を覆っていたが、最下流通路断面23ｂがラジエータコア30のチューブ群を構成する一部の伝熱チューブ31の入口35を基準方向Ａ１で覆うように、拡開通路23が形成されてもよい。

入口案内部または出口案内部は、第１保持プレート32または第２保持プレート33に一体成形されることにより設けられてもよい。ラジエータは、上下方向に直交する方向に、流入ヘッダーとしての流入タンクおよび流出ヘッダーとしての流出タンクを備える型式のものであってもよい。熱交換器は、水冷式内燃機関のラジエータであったが、ラジエータ以外の熱交換器であってもよい。

本発明の実施形態を示し、本発明の熱交換器であるラジエータを備える内燃機関が車両に搭載された状態を示す概略の側面図である。 図１のラジエータの、図１および図３のＩＩ−ＩＩ矢視での断面図である。 図２のＩＩＩ−ＩＩＩ矢視での断面図である。 図２のＩＶ−ＩＶ矢視でのアッパータンクの断面図である。 図１のラジエータの概略の部分斜視図であり、拡がり角が１１°の拡開通路を有するアッパータンクを備えるのときの図である。 本発明の実施形態における拡開通路の拡がり角とラジエータの圧力損失との関係を示すグラフである。 本発明の実施形態を示し、拡がり角が３６°の拡開通路を有するアッパータンクを備えるラジエータの図５と同様の図である。 本発明の実施形態を示し、拡がり角が２３°の拡開通路を有するアッパータンクを備えるラジエータの図５と同様の図である。 本発明の実施形態を示し、拡がり角が１７°の拡開通路を有するアッパータンクを備えるラジエータの図５と同様の図である。 本発明の実施形態を示し、拡がり角が１３°の拡開通路を有するアッパータンクを備えるラジエータの図５と同様の図である。 図１のラジエータにおける伝熱チューブの入口部付近の部分斜視図である。 図２における伝熱チューブの入口部付近の部分拡大図である。 図１のラジエータにおける伝熱チューブの出口部付近の部分斜視図である。 図２における伝熱チューブの出口部付近の部分拡大図である。

符号の説明

１…車両、２…内燃機関、３…シリンダブロック、４…シリンダヘッド、５…機関本体、６…ラジエータ、７…冷却ファン、８…電動モータ、９…ファンシュラウド、10，11…冷却水通路、12，13…パイプ、14…ウォータポンプ、
20…アッパータンク、21…拡開部、22…接続部、23…拡開通路、23ａ…最上流通路断面，23ｂ…最下流通路断面、24…流入口、25…流出口、
30…ラジエータコア、31…伝熱チューブ、32，33…保持プレート、34…放熱フィン、35…入口、36…出口、
40…ロアタンク、41…流出口、
50，60…案内部材、51，61…基部、52，62…突出部、53，63…案内面、
Ｐ１，Ｐ２，Ｐ３…通路、Ｃ…チューブ列、Ａ１…基準方向、Ａ２…配列方向、Ａ３…直交方向。

Claims (5)

1. ポンプにより加圧された流体が流入する流入口が形成された流入ヘッダーと、前記流入ヘッダー内の流体が流入する複数の伝熱チューブがチューブ列を構成して配列される伝熱コアと、前記各伝熱チューブから流入した流体が流出する流出口が形成された流出ヘッダーとを備える熱交換器において、
   前記流入ヘッダーは、流体の流れの下流に向かうにつれて連続的に拡大する拡開通路を形成する拡開部を有し、前記拡開通路は、最上流部での通路面積を規定する最上流通路断面と、最下流部での通路面積を規定する最下流通路断面との間で、前記チューブ列における前記伝熱チューブの配列方向において流体の流れの方向に連続的に拡大しており、前記配列方向での前記最下流通路断面の幅は、前記配列方向での前記最上流通路断面の幅の２倍以上であることを特徴とする熱交換器。
2. すべての前記伝熱チューブの入口は、前記最下流通路断面により覆われる領域内に配置されることを特徴とする請求項１記載の熱交換器。
3. 前記拡開通路は、次式で得られる拡がり角が、２３°よりも小さいことを特徴とする請求項２記載の熱交換器。
   θ＝２・ｔａｎ^−１（ｄ２−ｄ１／（２・Ｌ））
   ここで
   θ ：拡がり角
   ｄ１：拡開通路の最上流通路断面の水力直径
   ｄ２：拡開通路の最下流通路断面の水力直径
   Ｌ ：拡開通路の中心線に沿った最上流通路断面と最下流通路断面との間 の距離
4. 前記各伝熱チューブの入口に隣接して、前記流入ヘッダー内の流体を前記入口に案内する入口案内部が設けられ、前記入口案内部は、前記入口に向かう流体を前記入口の形状に合うように徐々に収束させる案内面を有することを特徴とする請求項１ないし請求項３のいずれか１項記載の熱交換器。
5. 前記各伝熱チューブの出口に隣接して、前記出口からの流体を前記流出ヘッダー内で案内する出口案内部が設けられ、前記出口案内部は、前記出口から流出した直後の流体を徐々に拡散させる案内面を有することを特徴とする請求項１ないし請求項４のいずれか１項記載の熱交換器。

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