JP2007024349A - 熱交換器 - Google Patents

Abstract

【課題】 コア部が細長い形状の熱交換器において、必要な耐久性を確保可能にする。
【解決手段】 コア部２におけるチューブ長手方向Ｘの長さＬ１が、コア部２におけるチューブ積層方向Ｙの長さＬ２の１．５倍を超える熱交換器において、フィン４は、空気流れ向きＺに沿って蛇行するように折り曲げられて、直線状の折り曲げ部４２がフィン高さＨｆ全域に渡って形成されている。折り曲げ部４２はチューブ積層方向Ｙの荷重に対して梁の機能を発揮するため、チューブ積層方向Ｙの剛性を向上させることができ、必要な耐久性を確保することができる。
【選択図】 図２

Description

本発明は、熱交換器に関するもので、ブルドーザやショベルカー等の建機およびトラクタ等の農業用機械のラジエータに好適である。

ブルドーザやショベルカー等の建設機械やトラクタ等の農業用機械に用いられる熱交換器は、耐目詰まり性が要求されるため、ルーバレスのフィンが使用されている。このフィンは、チューブ長手方向に沿って波状に形成されて、一部がチューブの外表面に接合されており、そのチューブに接合される側の面が円弧状になっている。

また、特に大型の建設機械においては、熱交換器も大きな容量のものが必要となり、その取り廻し性から、熱交換器を複数個並べて熱交換器モジュールの形態にして使用されている（例えば、特許文献１参照）。

ところで、積層配置されたチューブとチューブ間に配置されたフィンとによってコア部が構成され、このコア部におけるチューブ長手方向の長さをＬ１、コア部におけるチューブ積層方向の長さをＬ２としたとき、熱交換器を１つのみ用いる場合には、一般的には、Ｌ１／Ｌ２（以下、コア部長さ比という）が１〜１．５の熱交換器が用いられる。また、熱交換器モジュールにおいては、コア部長さ比が１．５を超えるような細長い熱交換器が用いられることが多い。
特開２００４−２０５１５９号公報

しかしながら、従来の熱交換器においては、特にコア部長さ比が１．５を超えるような細長い形状になった場合、チューブ積層方向の剛性が著しく低くなり、チューブ積層方向の振動を受けた際の変形が大きくなって、必要な耐久性が得難いという問題が発生する。

本発明は上記点に鑑みて、コア部長さ比が１．５を超える熱交換器において、必要な耐久性を確保可能にすることを目的とする。

本発明は、コア部（２）におけるチューブ長手方向（Ｘ）の長さ（Ｌ１）が、コア部（２）におけるチューブ積層方向（Ｙ）の長さ（Ｌ２）の１．５倍を超える熱交換器において、フィン（４）は、空気流れ向き（Ｚ）に沿って蛇行するように折り曲げられて、チューブ積層方向（Ｙ）に直線状に延びる折り曲げ部（４２）が形成され、折り曲げ部（４２）は、フィン高さ（Ｈｆ）全域に渡って延びていることを第１の特徴とする。

これによると、直線状の折り曲げ部がフィン高さ全域に渡って形成されているため、折り曲げ部はチューブ積層方向の荷重に対して梁の機能を発揮する。したがって、チューブ積層方向の剛性を向上させることができ、コア部におけるチューブ長手方向の長さが、コア部におけるチューブ積層方向の長さの１．５倍を超える熱交換器においても、必要な耐久性を確保することができる。

本発明は、フィン（４）における蛇行の振幅をａとし、フィン（４）における蛇行のピッチをｂとしたとき、０．０８＜ａ／ｂ＜０．１８であることを第２の特徴とする。これによると、チューブ積層方向の剛性を向上させつつ、高い熱交換性能を得ることができる。

本発明は、０．１２＜ａ／ｂ＜０．１４であることを第３の特徴とする。これによると、さらに高い熱交換性能を得ることができる。

本発明は、チューブ（３）は、フィン（４）が接合される部位が平坦面であり、フィン（４）は、チューブ（３）に接合される側の面（４１）が平坦面であることを第４の特徴とする。これによると、折り曲げ部の両端がチューブに接するため、折り曲げ部に確実に梁の機能を発揮させることができる。

なお、特許請求の範囲およびこの欄で記載した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。

本発明の一実施形態について説明する。図１は本実施形態に係る熱交換器を用いた熱交換器モジュールの斜視図である。本実施形態の熱交換器モジュールは、エンジンの冷却水と冷却風とを熱交換させて冷却水を冷却するものである。

図１に示すように、熱交換器モジュールは、複数個の熱交換器１を冷却風の流通方向に対して並列に並べることにより構成されている。

熱交換器１は、冷却水と冷却風との熱交換を行うコア部２と、ヘッダタンク５とを備えている。コア部２は、冷却水が流通する流路（図示せず）が内部に形成されるとともに積層配置された複数本のチューブ３と、チューブ３の長手方向（以下、チューブ長手方向という）Ｘに沿って波状に形成されるとともに、頂部がチューブ３の外表面にろう付けまたは溶接されて冷却水と冷却風との熱交換を促進するフィン４とによって構成されている。コア部２のチューブ長手方向Ｘ両端部に、複数本のチューブ３の流路と連通するヘッダタンク５が配設されている。

コア部２におけるチューブ長手方向Ｘの長さをＬ１、コア部２におけるチューブ３の積層方向（以下、チューブ積層方向という）Ｙの長さをＬ２としたとき、本実施形態の熱交換器１は、コア部長さ比（＝Ｌ１／Ｌ２）が１．５を超えており、例えば、コア部長さ比を３としている。

各熱交換器１のチューブ長手方向Ｘ両端側には、複数個の熱交換器１のヘッダタンク５と連通するベースヘッダタンク６が設けられており、紙面上側のベースヘッダタンク６から各熱交換器１に冷却水が分配供給され、紙面下側のベースヘッダタンク６にて各熱交換器１から流出した冷却水を集合回収する。熱交換器１は、シール材、つまりパッキンを兼ねるゴム製のグロメット（図示せず）を介してベースヘッダタンク６に挿入組み付けされている。

なお、チューブ３、フィン４、ヘッダタンク５、およびベースヘッダタンク６は、金属製であり、より詳細には、銅または黄銅よりなる。

次に、フィン４について、図２〜図４に基づいて説明する。図２はフィン４の斜視図、図３は空気流入側から見たチューブ３およびフィン４を示す図、図４は図３のＡ−Ａ線に沿う断面図である。

このフィン４は、チューブ３に接合される側の面４１が平坦面になっている。因みに、チューブ３は偏平チューブであり、チューブ３のうちフィン４が接合される部位は平坦面になっている。

フィン４は、空気流れ向きＺに沿って蛇行するように複数回折り曲げられ、より詳細には、空気流れ向きＺに沿って交互に山折りと谷折りがなされている。そして、山折りや谷折りの折り目に相当する折り曲げ部４２は、チューブ積層方向Ｙに直線状に延びており、フィン高さＨｆ全域に渡っている。ここで、フィン４におけるチューブ３に接合される側の面４１が平坦面であるため、折り曲げ部４２の両端はチューブ３に接している。

このように、本実施形態の熱交換器１は、直線状の折り曲げ部４２がフィン高さＨｆ全域に渡って形成されているため、折り曲げ部４２はチューブ積層方向Ｙの荷重に対して梁の機能を発揮する。したがって、チューブ積層方向Ｙの剛性を向上させることができ、コア部長さ比が１．５倍を超える細長い熱交換器１においても、必要な耐久性を確保することができる。

ここで、フィン４における蛇行の振幅ａとフィン４における蛇行のピッチｂとの比（ａ／ｂ、以下、ウェーブ比という）をパラメータとして、チューブ積層方向Ｙのフィン４の剛性、および熱交換器１の熱交換性能の解析を行った。その結果を図５に示す。

因みに、フィン４における蛇行の振幅ａは、換言すると、フィン４における空気流れ向きＺの蛇行部の、山折り頂部と谷折り底部間の、チューブ長手方向Ｘの寸法である。また、フィン４における蛇行のピッチｂは、換言すると、フィン４における蛇行部の、隣接する山折り頂部間または谷折り底部間の、空気流れ向きＺの寸法である。

この解析では、フィン４は、材質は銅（純銅）、板厚は０．０５ｍｍ、フィン高さＨｆは８．１ｍｍとした。また、チューブ３は、断面楕円形状の偏平チューブ、その楕円の寸法は長径が１９ｍｍで短径が１．８ｍｍ、材質は黄銅、板厚は０．２ｍｍとした。

また、比較例として、図６、図７に示す比較用フィン９を用いた熱交換器（以下、比較用熱交換器という）の解析も行った。

図６、図７に示すように、この比較用フィン９は、チューブ３に接合される側の面９１が円弧状になっている。また、比較用フィン９は、空気流れ向きＺに沿って蛇行するように複数回折り曲げられて、六角形状の折り曲げ部９２ａ、９２ｂが形成されている。具体的には、チューブ積層方向Ｙに沿って直線上に延びる折り曲げ部９２ａと、チューブ積層方向Ｙに対して斜めに延びる折り曲げ部９２ｂが形成されている。

そして、本実施形態熱交換器のフィン４は、チューブ積層方向Ｙに直線状に延びる折り曲げ部４２がフィン高さＨｆ全域に渡って形成されているのに対し、比較用熱交換器の比較用フィン９は、チューブ積層方向Ｙに沿って直線上に延びる折り曲げ部９２ａがフィン高さＨｆの一部にしか形成されていない。

なお、図５において、本実施形態熱交換器の熱交換性能（実線で示す）、および比較用熱交換器の熱交換性能（破線で示す）は、空気流れ向きＺに沿って蛇行していない（すなわち、ウェーブ比＝０）の熱交換器の熱交換性能を基準とした比率である。また、図５において、本実施形態熱交換器のフィン剛性（一点鎖線で示す）、および比較用熱交換器のフィン剛性（二点鎖線で示す）は、ウェーブ比＝０の熱交換器のフィン剛性（以下、基準剛性という）を基準とした比率である。

図５から明らかなように、比較用熱交換器および本実施形態熱交換器の熱交換性能は、ウェーブ比に拘わらずほぼ同等であり、ウェーブ比が約０．１３の場合にピークになる。一方、本実施形態熱交換器のフィン剛性は、比較用熱交換器のフィン剛性よりも高く、しかも、ウェーブ比が大きくなるほど高くなる。

因みに、比較用熱交換器は、比較用フィン９におけるチューブ積層方向Ｙに沿って直線上に延びる折り曲げ部９２ａがフィン高さＨｆの一部にしか形成されていないため、その折り曲げ部９２ａはチューブ積層方向Ｙの荷重に対して梁の機能を発揮せず、したがって、比較用熱交換器のフィン剛性はウェーブ比が大きくなっても高くならない。

ところで、フィン剛性が基準剛性の３倍以上であれば、建設機械や農業用機械に用いられる熱交換器のフィンとして、実用上十分といえる。そして、図５に基づけば、本実施形態熱交換器は、ウェーブ比が０．０８を超える領域でフィン剛性が基準剛性の３倍以上となる。また、本実施形態熱交換器の熱交換性能は、ウェーブ比が０．１８以上になると、ウェーブ比が０．０８のときの熱交換性能よりも低下する。したがって、０．０８＜ウェーブ比＜０．１８、とすることにより、実用上十分なフィン剛性を確保しつつ、高い熱交換性能を得ることができる。また、０．１２＜ウェーブ比＜０．１４、とすることにより、さらに高い熱交換性能を得ることができる。

（他の実施形態）
上記実施形態では、複数個の熱交換器１を結合して構成された熱交換器モジュールを示したが、１個の熱交換器１を単独で用いてもよい。

また、上記実施形態では、熱交換器モジュールを、エンジン冷却水を冷却するいわゆるラジエータとして用いる例を示したが、本発明は、冷凍サイクルにおける蒸発器や凝縮器等にも適用することができる。

また、上記実施形態の熱交換器１は、コア部長さ比（＝Ｌ１／Ｌ２）が１．５を超えるものであったが、本発明は、コア部長さ比が３を超えるようなさらに細長い形状の熱交換器に特に有効である。

また、上記実施形態では、チューブ３、フィン４、ヘッダタンク５、およびベースヘッダタンク６を、銅系材料としたが、それらを例えばアルミニウム合金製にしてもよい。

本発明の一実施形態に係る熱交換器を用いた熱交換器モジュールの斜視図である。 図１の熱交換器モジュールにおけるフィン４の斜視図である。 図１の熱交換器モジュールにおけるチューブ３およびフィン４を空気流入側から見たときの図である。 図３のＡ−Ａ線に沿う断面図である。 フィン剛性および熱交換性能の解析結果を示す図である。 比較用フィン９の斜視図である。 チューブ３および比較用フィン９を空気流入側から見たときの図である。

符号の説明

２…コア部、３…チューブ、４…フィン、４２…折り曲げ部、Ｈｆ…フィン高さ、Ｘ…チューブ長手方向、Ｙ…チューブ積層方向、Ｚ…空気流れ向き。

Claims (4)

1. 内部の流路を流通する流体と外部を通過する空気との熱交換を行うコア部（２）を備え、
   このコア部（２）が、前記流路を形成するとともに積層配置された複数本の金属製のチューブ（３）と、チューブ長手方向（Ｘ）に沿って波状に形成されるとともに、一部が前記チューブ（３）の外表面に接合されて流体と空気との熱交換を促進する金属製のフィン（４）とにより構成され、
   前記コア部（２）におけるチューブ長手方向（Ｘ）の長さ（Ｌ１）が、前記コア部（２）におけるチューブ積層方向（Ｙ）の長さ（Ｌ２）の１．５倍を超える熱交換器において、
   前記フィン（４）は、空気流れ向き（Ｚ）に沿って蛇行するように折り曲げられて、チューブ積層方向（Ｙ）に直線状に延びる折り曲げ部（４２）が形成され、
   前記折り曲げ部（４２）は、フィン高さ（Ｈｆ）全域に渡って延びていることを特徴とする熱交換器。
2. 前記フィン（４）における蛇行の振幅をａとし、前記フィン（４）における蛇行のピッチをｂとしたとき、０．０８＜ａ／ｂ＜０．１８であることを特徴とする請求項１に記載の熱交換器。
3. ０．１２＜ａ／ｂ＜０．１４であることを特徴とする請求項２に記載の熱交換器。
4. 前記チューブ（３）は、前記フィン（４）が接合される部位が平坦面であり、
   前記フィン（４）は、前記チューブ（３）に接合される側の面（４１）が平坦面であることを特徴とする請求項１ないし３のいずれか１つに記載の熱交換器。

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