JP2005534888A - 扁平管形熱交換器 - Google Patents

Abstract

【課題】 平行フィンを有する熱交換器を改良し、平行フィンが長方形形状の諸利点を有し、この長方形形状が場合によっては大きな鰓体長を可能とし、但し比較的僅かな製造支出で製造可能となるようにする。
【解決手段】 自動車用熱交換器、特に冷媒冷却器または凝縮器が、扁平管（２、３）とコルゲートフィン（１）とからなるろう接熱交換網を有し、扁平管（２、３）が液体媒体および／または気体媒体を流通させることができ、コルゲートフィン（２）が周囲に空気を流すことができ、コルゲートフィン（１）がそれぞれ２つの互いに実質平行に配置されるフィン面（４、５）を有し、扁平管（２、３）にろう接された弧状部材（６）によってフィン面がそれぞれ結合されている。弧状部材（６）が中央区域（６ａ）では第１外側区域（６ｂ）および第２外側区域（６ｃ）におけるよりも小さな曲率を有する。

Description

本発明は、自動車用熱交換器、特に冷媒冷却器または凝縮器であって、扁平管とコルゲートフィンとからなるろう接熱交換網を有し、扁平管が液体媒体および／または気体媒体を流通させることができ、コルゲートフィンが周囲に空気を流すことができ、コルゲートフィンがそれぞれ２つの互いに実質平行に配置されるフィン面を有し、扁平管にろう接された弧状部材によってフィン面がそれぞれ結合されているものに関する。

このような熱交換器が特許文献１により公知である。冷媒冷却器、加熱体、凝縮器および蒸発器等の公知の自動車用熱交換器では扁平管が液体媒体および／または蒸気媒体、例えば冷媒または冷凍材を流通させ、媒体はその熱を周囲空気に排出しまたは周囲空気から熱を吸収する。その限りで、２つのきわめて異なる熱容量流が互いに熱交換している。両方の側の間に平衡を実現するために、空気側にそこでの熱交換を改善するための付加的措置を講じねばならない。これは扁平管の間にコルゲートフィンを配置することによって行われ、これにより空気側で熱交換面積が拡大される。さらに、コルゲートフィンの面に条溝が設けられ、すなわち鰓体が装備され、鰓体は生成する境界層流を壊し、１つの流れ通路から別の流れ通路への空気流の方向転換、従って空気流路の延長を引き起こす。

コルゲートフィンには基本的に２種類の形式があり、互いに斜めに配置されるフィン面を有するいわゆるＶ形式が特許文献２により公知である。コルゲートフィンの第２構成態様はいわゆるＵ形式であり、そこではフィン面が、従ってその上に配置される鰓体も、互いに平行に整列している‐このＵ形式は特許文献１により公知となった。熱力学的に見てＵ形式はＶ形式に比べて幾つかの利点を有し、つまりほぼ長方形のフィン通路の流通が比較的均一であり、鰓体による流れの方向転換が均一であり、空気流量が高く、従って熱交換性能が高い。製造技術的に見てＶ形式は、波櫛用に一定したフィン曲げ半径で波帯をヒダ状態としまたは引き伸ばすことによってさまざまなフィン密度を製造できるので一層有利である。それに対してＵ形式、すなわちいわゆる平行フィンでは、波櫛の曲げ半径によってフィン密度もしくはフィン間隔も確定されている。公知の平行フィンではさらに、鰓体長がフィン曲げ半径に依存しており、すなわち半径が大きければ大きいほど鰓体が一層短くなるのが欠点であり、これが性能を低下させるように作用する。

そこで、管壁と平行に延設されてこれとろう接された扁平部材によってフィン曲げ半径を補うことが提案された。このような長方形または蛇行状コルゲートフィンの製造は比較的手間である‐相応する製造法が特許文献３と特許文献４で提案された。この「長方形フィン」は確かに鰓体がフィン高さ（管と管との距離）のほぼ全体にわたって延びている利点を有するが、しかしながらこれは高い製造支出の犠牲を払って得られる。
米国特許第５２７１４５８号明細書 米国特許第３２５０３２５号明細書 欧州特許第０６４１６１５号明細書 欧州特許出願公開第１１０３３１６号明細書

本発明の課題は、特に平行フィンを有する熱交換器を改良し、平行フィンが長方形形状の諸利点を有し、この長方形形状が場合によっては大きな鰓体長を可能とし、但し比較的僅かな製造支出で製造可能となるようにすることである。

この課題の解決は、弧状部材が中央区域では第１外側区域および第２外側区域におけるよりも小さな曲率を有することから得られる。一定した曲率によって形成される公知の波櫛が本発明によれば、曲率の異なる３つの区域からなる弧状部材によって補われている。中央区域は比較的小さな曲率を有する。すなわち中央区域はほぼ平らに構成され、従って管壁の外面に十二分に当接する。弧状部材の曲率半径は中央区域では好ましくはコルゲートフィンのフィン高さＲＨよりも大きく、特別好ましくはフィン高さＲＨの５倍〜１５倍である。

この中央区域に、曲率の比較的大きい２つの外側区域が続き、両方の曲率は異なることができ、弧状部材全体は中央平面に対して非対称な推移を有する。好ましくは第１外側区域は曲率半径Ｒ２がコルゲートフィンのフィン高さＲＨの半分よりも小さく、特別好ましくはフィン高さＲＨの３〜２０％である。弧状部材の第２外側区域の曲率半径Ｒ３は好ましくは第１外側区域の曲率半径Ｒ２と少なくとも同じ大きさである。

このフィン幾何学、特に弧状部材のフィン幾何学は、従来のフィン成形ローラで比較的簡単に製造することができる。さらに、平行フィンもしくは長方形フィンの諸利点が維持され、すなわちろう接面が比較的幅広で熱交換が良好、また場合によっては鰓体長がフィン高さのほぼ全体にわたって延びて長い。フィン面が平行性から多少（約６度まで）外れるが、その場合本発明の範囲内でなお実質平行と見做すことができるとき、平行フィンの熱力学的諸利点はそのことによって殆ど損なわれない。本発明に係るフィン幾何学は特に、冷媒冷却器、加熱体、凝縮器、蒸発器等の自動車熱交換器において応用可能である。

本発明の有利な１構成によれば、フィン面が鰓体を備えており、鰓体は好ましくは０．５〜１．５ｍｍ範囲内、特別有利には０．７〜１．１ｍｍ範囲内の鰓体奥行ＬＰと２０°〜３５°、特別有利には２４°〜３０°の鰓体角度αとを有する。このような鰓体は性能を高めるように作用する。なぜならば、これにより１通路から隣接通路への空気の方向転換が改善され、そのためやはり空気流路が長くなるからである。

従属請求項４〜７による本発明の他の有利な諸構成はさらなる性能向上を、特に奥行１２〜２０ｍｍの管／フィン系、フィン密度５５〜７５フィン／ｄｍ（デシメートトル）においてもたらす。これは１．３３〜１．８２ｍｍのフィン間隔もしくはフィンピッチに相当する。この系のフィン高さは３〜１５ｍｍの範囲内、特別好ましくは６〜１０ｍｍの範囲内である。

本発明の有利な選択的１構成によれば、フィン密度４５〜６５フィン／ｄｍで奥行４０〜５２ｍｍの管／フィン系には鰓体角度２３〜３０°で０．９〜１．１ｍｍ範囲内の鰓体奥行が好ましく、これは１．５３８〜２．２２２ｍｍのフィン間隔に相当する。このような系のフィン高さは有利には７〜９ｍｍである。

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。

発明を実施するための形態

図１は、一部示しただけの２つの扁平管２、３の間に延設されるいわゆる平行フィン１を示す。平行フィンまたはコルゲートフィン１と扁平管２、３は熱交換器、例えば自動車内燃エンジンを冷却するための冷媒冷却器または自動車空調装置用凝縮器の図示しないろう接網を形成する。コルゲートフィン１は互いに平行に配置される各２つの平らなフィン面４、５を有し、フィン面が弧状部材６によって結合されている。弧状部材６はそれぞれ扁平管２、３に当接し、これとろう接されている。平らなフィン面４、５は縦長さＬＬの鰓体７を備えている。コルゲートフィン１はフィン高さＲＨが鰓体長ＬＬよりも大きい。フィン面４、５と弧状部材６と管壁２、３はそれぞれ１つのほぼ長方形のフィン通路８を形成する。コルゲートフィン１が有する特定のフィン密度はフィンピッチ、すなわち寸法ＦＰで表されている。ＦＰはフィン密度の逆数である。すなわち、５０フィン／ｄｍのフィン密度はＦＰ＝２ｍｍのフィンピッチに相当する。弧状部材６は３つの弧状区域、つまり１つの中央区域６ａと隣接する２つの外側区域６ｂ、６ｃからなる。３つの区域はすべて半径によって形成され、中央区域は約５０〜７０ｍｍの比較的大きな半径Ｒ１を有する。両方の外側半径Ｒ２、Ｒ３はかなり小さい。すなわち、半径Ｒ２が０．４〜０．６ｍｍの範囲内である一方、半径Ｒ３は半径Ｒ２よりも大きいかまたはそれに等しい。Ｒ３は０．６〜１．１もしくは１．３ｍｍの範囲内である。弧状部材６のこの構成によって一方で比較的幅広のろう接面Ｆ、他方で比較的長い鰓体長ＬＬが得られ、これは熱交換にとって好ましい。さらに、その弧状部材６が前記寸法を有するこのような平行フィンは従来のフィン成形ローラで簡単に製造することができる。

図２はＩＩ‐ＩＩ平面の縦断面、すなわちフィン通路８の断面を示す。フィン面５は多数の個々の鰓体７からなる鰓体区画９を有する。フィン５はフィン奥行ＲＴ、すなわち空気流れ方向Ｘにおける長さを有する。

図３は図２のＩＩＩ‐ＩＩＩ平面における断面、すなわちフィン密度５の鰓体区画９の断面を示す。鰓体区画は図面において右上がりの前側鰓体７ａと、中央の屋根状二重鰓体７ｂと、右下がりの後側鰓体７ｃからなる。鰓体７ａ、７ｂ、７ｃはそれぞれ鰓体角度αで傾いている。鰓体７ａ、７ｃは空気流れ方向Ｘで測定して寸法ＬＰを有し、これが鰓体奥行と称される。フィン通路内の空気流の境界層は鰓体７によって壊され、１つのフィン通路８から隣接フィン通路へと方向転換される。これにより空気流にとって流路が長くなり、これが熱交換を高める。空気流の方向転換は鰓体角度αと鰓体奥行ＬＰとに依存している。

本発明によれば、下記寸法を有する２つの好ましい実施例が上記平行フィンにとって最適である。

第１実施例は、自動車空調装置用凝縮器に関する。従って凝縮器の扁平管は冷媒、例えばＲ１３４ａが流通する。このような凝縮器用に下記寸法の扁平管と平行フィンとからなる熱交換器網が設けられた。

フィン奥行ＲＴ： １２≦ＲＴ≦２０ｍｍ、
フィンピッチＦＰ：１．３３ｍｍ≦ＦＰ≦１．８１８ｍｍ、
フィン密度５５〜７５フィン／ｄｍに相当、
鰓体角度α： ２４°≦α≦３０°、
鰓体長ＬＬ： ６．４ｍｍ≦ＬＬ≦７．２ｍｍ、
フィン高さＲＨ： ６ｍｍ≦ＲＨ≦１０ｍｍ、
鰓体奥行ＬＰ： ０．７ｍｍ≦ＬＰ≦１．１ｍｍ、
鰓体奥行ＬＰとフィンピッチＦＰとの比：０．３８５≦ＬＰ／ＦＰ≦０．８２５、
弧状部材中央区域の曲率半径Ｒ１： ５０ｍｍ≦Ｒ１≦７０ｍｍ、
弧状部材第１外側区域の曲率半径Ｒ２：０．４ｍｍ≦Ｒ２≦０．６ｍｍ、
弧状部材第２外側区域の曲率半径Ｒ３：０．６ｍｍ≦Ｒ３≦１．１ｍｍ。

前記寸法の平行フィン系は多くの点で、しかも空気流量、流れ方向転換、流れ速度分布および温度分布の均一化、従って熱交換性能に関して、Ｖ形式に配置されるフィンを有する従来のフィン系を凌駕している。

第２実施例は冷媒冷却器に関するものであり、これは自動車において内燃エンジンを冷却するための冷媒回路内に組み込まれ、冷媒、すなわち水／グリサンチン（登録商標）混合物を流通させる。主に１列に配置される扁平管の間に下記寸法の平行フィンが設けられている。

フィン奥行ＲＴ： ４０≦ＲＴ≦５２ｍｍ、
フィンピッチＦＰ１．５３８ｍｍ≦ＦＰ≦２．２２２ｍｍ、
フィン密度４５〜６５フィン／ｄｍに相当、
鰓体角度α： ２３°≦α≦３０°、
鰓体長ＬＬ： ６．５ｍｍ≦ＬＬ≦７．２ｍｍ、
フィン高さＲＨ： ７ｍｍ≦ＲＨ≦９ｍｍ、
鰓体奥行ＬＰ： ０．９ｍｍ≦ＬＰ≦１．１ｍｍ、
鰓体奥行ＬＰとフィンピッチＦＰとの比：０．４０５≦ＬＰ／ＦＰ≦０．７１５、
弧状部材中央区域の曲率半径Ｒ１： ５０ｍｍ≦Ｒ１≦７０ｍｍ、
弧状部材第１外側区域の曲率半径Ｒ２： ０．４ｍｍ≦Ｒ２≦０．６ｍｍ、
弧状部材第２外側区域の曲率半径Ｒ３： ０．６ｍｍ≦Ｒ３≦１．３ｍｍ。

第１実施例に比べてかなり深いこの系も、匹敵するＶ形フィンに比べて明確な性能向上をもたらす。

平行フィンの横断面図である。 図１のＩＩ‐ＩＩ平面における平行フィンの縦断面図である。 図２のＩＩＩ‐ＩＩＩ平面における他の縦断面図である。

符号の説明

１ 平行フィンまたはコルゲートフィン
２、３ 扁平管
４、５ フィン面
６ 弧状部材
６ａ 中央区域
６ｂ、６ｃ 外側区域
７ 鰓体
８ フィン通路
９ 鰓体区画

Claims (11)

1. 自動車用熱交換器、特に冷媒冷却器または凝縮器であって、扁平管（２、３）とコルゲートフィン（１）とからなるろう接熱交換網を有し、扁平管（２、３）が液体媒体および／または気体媒体を流通させることができ、コルゲートフィン（２）が周囲に空気を流すことができ、コルゲートフィン（１）がそれぞれ２つの互いに実質平行に配置されるフィン面（４、５）を有し、扁平管（２、３）にろう接された弧状部材（６）によってフィン面がそれぞれ結合されているものにおいて、弧状部材（６）が中央区域（６ａ）では第１外側区域（６ｂ）および第２外側区域（６ｃ）におけるよりも小さな曲率を有することを特徴とする熱交換器。
2. フィン面（４、５）が鰓体（７）を備えていることを特徴とする、請求項１記載の熱交換器。
3. 弧状部材（６）が中央区域（６ａ）ではコルゲートフィン（１）のフィン高さＲＨよりも大きな曲率半径Ｒ１を有することを特徴とする、請求項１または２記載の熱交換器。
4. 弧状部材（６）が第１外側区域（６ｂ）ではコルゲートフィン（１）のフィン高さＲＨの半分よりも小さな曲率半径Ｒ２を有することを特徴とする、請求項１〜３のいずれか１項記載の熱交換器。
5. 弧状部材（６）が第２外側区域（６ｃ）では第１外側区域（６ｂ）における曲率半径Ｒ２よりも大きいかまたはそれに等しい曲率半径Ｒ３を有することを特徴とする、請求項１〜４のいずれか１項記載の熱交換器。
6. 弧状部材（６）が第２外側区域（６ｃ）ではコルゲートフィン（１）のフィン高さＲＨよりも小さな曲率半径Ｒ３を有す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。
7. 鰓体（７、７ａ、７ｃ）が０．５〜１．５ｍｍ範囲内の鰓体奥行ＬＰと２０°〜３５°範囲内の鰓体角度αとを有することを特徴とする、請求項２〜６のいずれか１項記載の熱交換器。
8. コルゲートフィン（１）が１〜３ｍｍ範囲内のフィンピッチＦＰを有することを特徴とする、請求項１〜７のいずれか１項記載の熱交換器。
9. コルゲートフィン（１）が１０〜７０ｍｍ、主に１２〜２０ｍｍまたは４０〜６４ｍｍ範囲内のフィン奥行ＲＴを有することを特徴とする、請求項１〜８のいずれか１項記載の熱交換器。
10. 鰓体奥行ＬＰとフィンピッチＦＰとの比が０．３８５〜０．８２５の範囲内であることを特徴とする、請求項２〜９のいずれか１項記載の熱交換器。
11. コルゲートフィン（１）が３〜１５ｍｍ、主に６〜１０ｍｍ範囲内のフィン高さＲＨを有することを特徴とする、請求項１〜１０のいずれか１項記載の熱交換器。
    
    

Images