JP2006317117A - 熱交換器 - Google Patents

Abstract

【課題】 フィンに切り起こし部を設けた熱交換器の、更なる熱交換性能の向上を図る。
【解決手段】 フィン２の平板部２ａの一部を直角状に切り起こして切り起こし部２ｃを設け、切り起こし部２ｃによる乱流効果にて空気とフィン２との熱伝達率を高めて熱交換効率を高めるようにした熱交換器において、切り起こし部２ｃに切り込み２ｅを設けて空気が流通し易くすることにより、例えば空気とフィン２との熱伝達率をさらに高めるために切り起こし部２ｃの切り起こし高さをさらに高くした場合でも、圧損の増加を防止ないしは抑制することができる。
【選択図】 図２

Description

本発明は、空気流れを乱流化して性能向上を図る熱交換器に関するもので、例えば、車両用として好適なものである。

本出願人は、特願２００４−６２２３６号の出願（以下先願例という）にて、簡素なフィン形状にて熱交換性能の向上を図ることが可能な熱交換器の提案を行った。

この熱交換器は、図１４に示すように、フィン２の平板部２ａに、平板部２ａの一部を直角状に切り起こした切り起こし部２ｃを設け、切り起こし部２ｃによる乱流効果にて空気とフィン２との熱伝達率を高めて熱交換効率を高めるようにしたものである。

ところで、本発明者らの詳細な実験検討によると、上記先願例は、フィン２の空気流れ上流側の入口領域では層流域が形成され、この層流域の下流側に乱流域、すなわち、高熱伝達率の領域が形成されることが分かっている。

そこで、切り起こし部２ｃの切り起こし高さ（平板部からの突出高さ）をさらに高くすることにより、早期に乱れを発生させて乱流領域を空気流れ上流側へ移行させ、空気とフィンとの熱伝達率を高めることが考えられるが、その場合、圧損（通風抵抗）が増加してしまうという問題が発生する。

本発明は上記点に鑑みて、フィンに切り起こし部を設けた熱交換器の、更なる熱交換性能の向上を図ることを目的とする。

上記目的を達成するため、請求項１に記載の発明では、流体が流れるチューブ（１）、およびチューブ（１）の外表面に設けられてチューブ（１）周りを流れる空気との熱交換面積を増大させるフィン（２）を備える熱交換器であって、フィン（２）は、平板状の平板部（２ａ）および平板部（２ａ）の一部を直角状に切り起こすことにより形成された切り起こし部（２ｃ）を有しており、さらに、切り起こし部（２ｃ）には、切り込み（２ｅ）が設けられていることを特徴とする。

これによると、切り込みを設けたことにより空気が流通し易くなるため、例えば空気とフィンとの熱伝達率をさらに高めるために切り起こし部の切り起こし高さをさらに高くした場合でも、圧損の増加を防止ないしは抑制することができる。

請求項２に記載の発明では、請求項１に記載の熱交換器において、切り込み（２ｅ）は、切り起こし部（２ｃ）におけるフィン高さ方向（Ｚ）の中央部に設けられていることを特徴とする。

これによると、切り起こし部におけるフィン高さ方向の端部付近に切り込みを設ける場合と比較すると、フィン高さ方向の流速分布が均一化され、空気とフィンとの熱伝達率を高めることができる。

請求項３に記載の発明では、請求項１に記載の熱交換器において、切り起こし部（２ｃ）は、空気の流れ方向（Ｙ）に沿って複数個設けられ、切り込み（２ｅ）は、空気の流れ方向（Ｙ）に沿って千鳥状に配置されていることを特徴とする。

これによると、空気の流れがより複雑になって切り起こし部による乱流効果が増加し、空気とフィンとの熱伝達率を高めることができる。

請求項４に記載の発明では、流体が流れるチューブ（１）、およびチューブ（１）の外表面に設けられてチューブ（１）周りを流れる空気との熱交換面積を増大させるフィン（２）を備える熱交換器であって、フィン（２）は、平板状の平板部（２ａ）および平板部（２ａ）の一部を直角状に切り起こすことにより形成された切り起こし部（２ｃ）を有しており、さらに、切り起こし部（２ｃ）は、フィン高さ方向（Ｚ）に複数個に分割されていることを特徴とする。

これによると、切り起こし部の分割部位を空気が流通するため、例えば空気とフィンとの熱伝達率をさらに高めるために切り起こし部の切り起こし高さをさらに高くした場合でも、圧損の増加を防止ないしは抑制することができる。

なお、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ものである。

（第１実施形態）
本発明の第１実施形態について説明する。図１は本発明の第１実施形態に係る熱交換器の全体構成を示す図、図２は図１の熱交換器におけるチューブおよびフィンの斜視図、図３は図１の熱交換器におけるフィンの正面図、図４は図３のＡ−Ａ線に沿う断面図、図５は図３の右側面図である。

本実施形態の熱交換器は、蒸気圧縮式冷凍機における高温高圧の冷媒と冷却用空気とを熱交換させて冷媒を冷却する高圧側熱交換器として用いられるもので、図１に示すように、冷媒が流れる複数本のチューブ１、チューブ１の外表面に接合されて空気との伝熱面積を増大させて冷媒と空気との熱交換を促進するフィン２、チューブ１の長手方向Ｘ（以下、チューブ長手方向Ｘという）両端側にてチューブ１の長手方向と直交する方向に延びて各チューブ１と連通するヘッダタンク３、並びにチューブ１およびフィン２等からなるコア部の補強部材をなすサイドプレート４等からなるものである。

なお、本実施形態では、チューブ１、フィン２、ヘッダタンク３およびサイドプレート４を全て金属（例えば、アルミニウム合金）として、これらの部材１〜４をろう付けにて接合している。

チューブ１は、図２に示すように、金属材に押し出し加工又は引き抜き加工を施すことにより、内部に複数本の冷媒通路１ａが形成された扁平状の多穴チューブである。

フィン２は、図２〜図５に示すように、平板状の平板部２ａ、および隣り合う平板部２ａを繋ぐように湾曲した湾曲部２ｂを有するように波状に形成されたコルゲートフィンであり、この波状のフィン２は、本実施形態では、薄板金属材料にローラ成形法を施すことにより成形されている。また、フィン２の湾曲部２ｂはチューブ１の扁平部（平面部）にろう付けされている。

フィン２の平板部２ａには、平板部２ａの一部を直角状に切り起こした切り起こし部２ｃが、コア部内での巨視的な空気流れの方向Ｙ（以下、空気流れ方向Ｙという）に沿って多数列形成されている。切り起こし部２ｃは、より詳細には、平板部２ａからチューブ長手方向Ｘに突出するともに、フィン高さ方向Ｚに延びており、空気流れ方向Ｙに対して直交する面となっている。

ここで、直角状に切り起こすとは、具体的には、平板部２ａの一部を平板部２ａの面に対して９０°の角度で切り起こすことであるが、切り起こし部２ｃの切り起こし角度を９０°より微小量増減した９０°付近の角度にしてもよい。

また、フィン２の平板部２ａのうち、切り起こし部２ｃの根本部と連なる平板部をスリット片２ｄと称する。このスリット片２ｄと切り起こし部２ｃとによりＬ字状の断面形状が形成される。そして、このＬ字状の断面形状が、空気流れ上流側と空気流れ下流側とで、平板部２ａと直交する仮想の面Ｌｏに対して互いに対称の関係となるように形成されている。

具体的には、空気流れ方向Ｙにおいて、平板部２ａを上流側と下流側とを仮想面Ｌｏにて２等分したとき、上流側の切り起こし部２ｃの個数と下流側の切り起こし部２ｃの個数とを同一個数とするとともに、空気流れ上流側についてはスリット片２ｄの空気流れ下流側を直角状に切り起こし、一方、空気流れ下流側についてはスリット片２ｄの空気流れ上流側を直角状に切り起こしている。

前述したように、切り起こし部２ｃは空気流れ方向Ｙに沿って多数列形成されているが、各列の切り起こし部２ｃは、フィン高さ方向Ｚの中央部に１つの切り込み２ｅが設けられ、フィン高さ方向Ｚに２つに分割されている。また、切り込み２ｅは全てフィン高さ方向Ｚの中央部に設けられており、したがって各列の切り起こし部２ｃに形成された切り込み２ｅは、空気流れ方向Ｙに沿って一直線に並んでいる。

上記構成になる熱交換器は、平板部２ａの表面を流れる空気が切り起こし部２ｃに衝突することにより、平板部２ａの表面を流れる空気の流れが乱れて、フィン２と空気との熱伝達率が増大する。一方、一部の空気は切り込み２ｅを流通するため、流れがスムーズになって圧損が減少する。

したがって、例えば空気とフィン２との熱伝達率をさらに高めるために切り起こし部２ｃの切り起こし高さＨ（平板部２ａからの突出高さ）をさらに高くした場合、切り起こし高さＨの増加による圧損増加を、切り込み２ｅを設けたことによる圧損低減効果によって相殺して、圧損の増加を防止ないしは抑制することができる。

また、切り起こし部２ｃにおけるフィン高さ方向Ｚの中央部に切り込み２ｅを設けた場合、切り起こし部２ｃにおけるフィン高さ方向Ｚの端部付近に切り込み２ｅを設けた場合と比較すると、フィン高さ方向Ｚの流速分布が均一化され、空気とフィン２との熱伝達率を高めることができる。

ところで、図６は、図１４に示す先願例のように切り起こし部２ｃを有するが切り込み２ｅを持たない熱交換器（以下、ベース熱交換器という）と、ベース熱交換器よりも切り起こし高さＨを高くした熱交換器（以下、比較用熱交換器という）と、ベース熱交換器よりも切り起こし高さＨを高くするとともに、フィン高さ方向Ｚの中央部に切り込み２ｅを設けた熱交換器（以下、第１実施形態熱交換器という）の、各種性能の解析結果である。

この解析では、風速は２．５ｍ／秒、フィンピッチは２．５ｍｍ、チューブピッチは６．４ｍｍに設定した。また、切り起こし高さＨ、スリット片２ｄの空気流れ方向Ｙの長さＬ、隣り合う切り起こし部２ｃ間の空気流れ方向ＹのピッチＰ、切り起こし部２ｃの列数、切り込み２ｅのフィン高さ方向Ｚの巾Ｗは、図６中に示した通りである。なお、図６における解析は、ベース熱交換器における性能を基準とした比率である。

図６から明らかなように、比較用熱交換器および第１実施形態熱交換器は、ベース熱交換器よりも切り起こし高さＨを高くしたことにより、ベース熱交換器よりも温度効率が高くなっている。反面、圧損（通風抵抗）が増加しているが、第１実施形態熱交換器は、切り込み２ｅを設けたことにより、比較用熱交換器よりも圧損が小さくなっている。すなわち、第１実施形態熱交換器は、圧損の増加を抑制しつつ温度効率を高めることができる。

（第２実施形態）
本発明の第２実施形態について説明する。図７は本発明の第２実施形態に係る熱交換器におけるフィンの正面図、図８は図７のＢ−Ｂ線に沿う断面図、図９は図７のＣ−Ｃ線に沿う断面図、図１０は図７の右側面図、図１１は図７のＤ−Ｄ線に沿う断面図、図１２は図７のＥ−Ｅ線に沿う断面図である。なお、第１実施形態と同一もしくは均等部分には同一の符号を付し、その説明を省略する。

第１実施形態では、各列の切り起こし部２ｃに形成された切り込み２ｅを、空気流れ方向Ｙに沿って一直線に並ぶようにしたが、本実施形態は、切り込み２ｅを、空気流れ方向Ｙに沿って千鳥状に配置している。

具体的には、フィン高さ方向Ｚの中央部に１つの切り込み２ｅが設けられて２つに分割された切り起こし部２ｃと、フィン高さ方向Ｚの中央部からずれた位置に２つの切り込み２ｅが設けられて３つに分割された切り起こし部２ｃとが、空気流れ方向Ｙに沿って交互に配置されている。

これによると、切り込み２ｅが空気流れ方向Ｙに沿って千鳥状に配置されているため、空気の流れがより複雑になって、流れの乱れが増加するとともに早期に乱れが発生する。したがって、切り起こし部２ｃによる乱流効果が増加し、空気とフィン２との熱伝達率を高めることができる。

さらに、本実施形態によれば、通風方向において隣接する列に形成される切り込み２eはフィン高さ方向Ｚにおいて互いにずれた位置に形成されているので、熱交換器のろう付け時に熱交換器をワイヤなどで巻いた際にフィン２をつぶす方向に圧縮力が加わったとしても、フィン２が座屈してしまうことを防止することができる。

（第３実施形態）
本発明の第３実施形態について説明する。図１３は本発明の第３実施形態に係る熱交換器におけるフィンの正面図である。なお、第１実施形態と同一もしくは均等部分には同一の符号を付し、その説明を省略する。

第１実施形態では、全ての列の切り起こし部２ｃに切り込み２ｅを設けたフィン２を用いたが、本実施形態のフィン２は、切り込み２ｅを設けた切り起こし部２ｃと、切り込み２ｅを設けていない切り起こし部２ｃ’とを有している。

本実施形態によれば、熱交換器のろう付け時に熱交換器をワイヤなどで巻いた際にフィン２をつぶす方向に圧縮力が加わったとしても、切り込み２ｅを設けていない切り起こし部２ｃ’により剛性が確保されているため、フィン２が座屈してしまうことを防止することができる。

（他の実施形態）
上述の実施形態では、蒸気圧縮式冷凍機における高圧側熱交換器に本発明を適用したが、本発明の適用はこれに限定されるものではなく、例えば車両用空調装置の暖房用ヒータコア、蒸気圧縮式冷凍機の蒸発器、エンジン冷却水を冷却するラジエータ等の熱交換器にも本発明は適用することができる。

また、上述の実施形態では、ローラ成形法にてフィン２を製造したが、本発明はこれに限定されるものではなく、例えばプレス加工にてフィン２を製造してもよい。

本発明の第１実施形態に係る熱交換器の全体構成を示す図である。 図１の熱交換器におけるチューブおよびフィンの斜視図である。 図１の熱交換器におけるフィンの正面図である。 図３のＡ−Ａ線に沿う断面図である。 図３の右側面図である。 各種熱交換器の仕様および性能の解析結果を示す図表である。 本発明の第２実施形態に係る熱交換器におけるフィンの正面図である。 図７のＢ−Ｂ線に沿う断面図である。 図７のＣ−Ｃ線に沿う断面図である。 図７の右側面図である。 図７のＤ−Ｄ線に沿う断面図である。 図７のＥ−Ｅ線に沿う断面図である。 本発明の第３実施形態に係る熱交換器におけるフィンの正面図である。 先願例の熱交換器におけるチューブおよびフィンの斜視図である。

符号の説明

１…チューブ、２…フィン、２ａ…平板部、２ｃ…切り起こし部、２ｅ…切り込み。

Claims (4)

1. 流体が流れるチューブ（１）、および前記チューブ（１）の外表面に設けられて前記チューブ（１）周りを流れる空気との熱交換面積を増大させるフィン（２）を備える熱交換器であって、
   前記フィン（２）は、平板状の平板部（２ａ）および前記平板部（２ａ）の一部を直角状に切り起こすことにより形成された切り起こし部（２ｃ）を有しており、
   さらに、前記切り起こし部（２ｃ）には、切り込み（２ｅ）が設けられていることを特徴とする熱交換器。
2. 前記切り込み（２ｅ）は、前記切り起こし部（２ｃ）におけるフィン高さ方向（Ｚ）の中央部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。
3. 前記切り起こし部（２ｃ）は、前記空気の流れ方向（Ｙ）に沿って複数個設けられ、
   前記切り込み（２ｅ）は、前記空気の流れ方向（Ｙ）に沿って千鳥状に配置されていることを特徴とする請求項１に記載の熱交換器。
4. 流体が流れるチューブ（１）、および前記チューブ（１）の外表面に設けられて前記チューブ（１）周りを流れる空気との熱交換面積を増大させるフィン（２）を備える熱交換器であって、
   前記フィン（２）は、平板状の平板部（２ａ）および前記平板部（２ａ）の一部を直角状に切り起こすことにより形成された切り起こし部（２ｃ）を有しており、
   さらに、前記切り起こし部（２ｃ）は、フィン高さ方向（Ｚ）に複数個に分割されていることを特徴とする熱交換器。
   

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