JP2009079795A - 熱交換器 - Google Patents

Abstract

【課題】第二の媒体の流れ方向の下流側における熱交換量の低下を防止することができる熱交換器を提供すること。
【解決手段】内部を流れる媒体（第一の媒体）Ｇと外表面を流れる空気（第二の媒体）Ｋとの間で熱交換を行う複数のチューブ１０，２０が、空気Ｋの流れ方向に沿って所定の間隔をおいて配列された熱交換器１であって、上流側に位置するチューブ１０は、下流側に隣接する他のチューブ２０に対向する端部１０ｃに、空気Ｋの流れ方向に対して傾斜した向き変更部３０が設けられている。
【選択図】図２

Description

本発明は、複数のチューブを有する熱交換器に関するものであり、詳細には、これらのチューブ間を流れる媒体の流れ方向の改良に関するものである。

従来から、内部を第一の媒体である冷媒が流れる複数の細長いチューブを、第二の媒体である空気が流れる方向に沿って配列すると共に、空気が流れる方向と直行する方向に配列し、各チューブの外表面に接する空気と冷媒との間で熱交換を行う熱交換器が知られている（例えば、特許文献１及び２参照）。
特開２００４−１２５３４６号公報 特開２０００−２０５７７９号公報

ところで、上述の熱交換器では、空気の流れの上流側に位置するチューブから順に熱交換を行っていた。

そのため、空気の流れの下流側では、すでに熱交換された空気が多く流れるようになり、下流側に向かうにつれて次第に熱交換量が低下するという問題が生じていた。

そこで、この発明は、第二の媒体の流れ方向の下流側における熱交換量の低下を防止することができる熱交換器を提供することを課題としている。

上記課題を解決するために、この発明に係る熱交換器は、内部を流れる第一の媒体と外表面を流れる第二の媒体との間で熱交換を行う複数のチューブが、前記第二の媒体の流れ方向に沿って所定の間隔をおいて配列された熱交換器であって、前記チューブは、隣接する他のチューブに対向する端部に、前記第二の媒体の流れ方向に対して傾斜した向き変更部が設けられていることを特徴としている。

また、前記向き変更部は、前記第二の媒体の流れの上流側又は下流側の少なくともいずれか一方に位置するチューブに設けられていてもよい。

また、前記向き変更部は、前記チューブの端部に形成された該チューブのフランジ部分であってもよい。

また、前記複数のチューブは、前記チューブ間同士が互いに隙間を持って隣接配置されていてもよい。

この発明によれば、第二の媒体の流れ方向に沿って並んだ２つのチューブの間に設けられた向き変更部により、この向き変更部よりも下流側を流れる第二の媒体の流れ方向を変えることができる。そのため、この向き変更部よりも下流側に位置するチューブに接触する第二の媒体の流れが乱れ、このチューブの外表面に形成される温度境界層を乱すこととなる。

これにより、第二の媒体の流れ方向の下流側であっても、熱交換性能を高めて、熱交換量の低下を防止することが可能となる。

また、向き変更部が第二の媒体の流れの上流側又は下流側の少なくともいずれか一方に位置するチューブに設けられていてもよいので、チューブの熱交換性能を確実に向上させることができる。

特に、向き変更部が第二の媒体の流れの上流側及び下流側に位置するチューブのそれぞれに形成された場合には、各チューブの形状を同じものとすることができ、部品点数の低減を図ることが可能となる。

また、向き変更部がチューブの端部に形成されたこのチューブのフランジ部分であってもよいので、向き変更部を容易に形成することができると共に、チューブと向き変更部との間が円滑に連続することとなり、第二の媒体の流れを阻害せず、通気抵抗の増加を防止することができる。

また、複数のチューブ間同士が互いに隙間を持って隣接配置されていてもよいので、複数のチューブ間にフィンが介在しないフィンレス熱交換器とすることができ、重量や部品点数の低減を図ることができる。さらに、このチューブ間の隙間は、熱交換器のチューブの外表面を流れる第二の媒体、例えば空気が流入する程度にチューブ間同士の微小隙間であってもよい。

本発明に係る熱交換器の最良の実施の形態について、図面に基づいて説明する。

図１に示す本発明に係る熱交換器１は、車両に搭載される空気調和システムの一部を構成するヒータコアであり、内部を流れるエンジン冷却水等の媒体（第一の媒体）Ｇと、外表面を流れる空気（第二の冷媒）Ｋとの間で熱交換を行う複数のチューブ１０，１１，１２，…（…は以下省略する）及び複数のチューブ２０，２１，２２，…（…は以下省略する）を有している。

ここで、空気Ｋは、図１中矢印で示す方向に沿って流れており、複数のチューブ１０，１１，１２及び２０，２１，２２は、それぞれこの流れ方向にほぼ直交する方向（図１では上下方向）に沿って所定の間隔をおいて配列されている。

一方、チューブ１０とチューブ２１、チューブ１１とチューブ２２は、それぞれ空気Ｋの流れ方向に沿って所定の間隔をおいて配列されており、チューブ１０，１１，１２が空気Ｋの流れの上流側に位置し、チューブ２０，２１，２２が空気Ｋの流れの下流側に位置している。

そして、各チューブ１０，１１，１２，２０，２１，２２は、それぞれ長手方向の一方の端部１０ａ，１１ａ，１２ａ（その他図示せず）が媒体導入管２に連通接続され、図示しない長手方向の他方の端部が媒体排出管３に連通接続されている。そして、図示しないポンプから媒体導入管２に送られた媒体Ｇは、各チューブ１０，１１，１２，２０，２１，２２の内部を長手方向に流れ、媒体排出管３を通って排出されるようになっている。

さらに、図２に示すように、各チューブ１０，１１，１２，２０，２１，２２の短手方向の断面は、それぞれ空気Ｋの流れ方向に沿った長軸を有する比較的扁平な楕円形状を呈している。

そして、チューブ１０は、平板状のアルミ板を折りたたむと共に両端部が対向した状態で重ねられて形成され、この重ねられた両端部は、空気Ｋの流れの下流側に向き、さらに下流側に位置するチューブ２１に対向する端部１０ｃに形成されたフランジ部分となっている。

さらに、このフランジ部分は、空気Ｋの流れ方向に対して傾斜した向き変更部３０となっている。

なお、チューブ１０とチューブ１１，１２及びこれらと同一の配列方向（ここでは上下方向）に沿った省略した他のチューブは、チューブ１０と同一形状であり、以下、チューブ１０について言及する構成及び作用はこのチューブ１１，１２及び同一配列方向に沿う他のチューブも同様である。

この向き変更部３０は、チューブ１０の長手方向に沿って延びており、チューブ１０の端部１０ｃから空気Ｋの流れの下流側に突出すると共に、先端部３１が上方に向くように傾斜している。

すなわち、この向き変更部３０は、熱交換器１に流入してチューブ１０の表面に沿って流れた空気Ｋの流れの向きを、上方に向けて変化させるように傾けて形成されている。

一方、チューブ２０は、平板状のアルミ板を折りたたむと共に、一方の端部が他方の端部の下側に入り込むように重ねられて形成され、フランジ部分を有さない断面ほぼ楕円状を呈している。

なお、チューブ２０とチューブ２１，２２及びこれらと同一の配列方向（ここでは上下方向）に沿った省略した他のチューブは、チューブ２０と同一形状であり、以下、チューブ２０について言及する構成及び作用はこのチューブ２１，２２及び同一配列方向に沿う他のチューブも同様である。

このように、チューブ１０の下流側を向いた端部１０ｃに向き変更部３０が設けられているので、この向き変更部３０は、空気Ｋの流れ方向に沿って並んだ二つのチューブ、ここではチューブ１０とチューブ２１との間に設けられることとなる。

次に、本発明に係る熱交換器１の作用を説明する。

この熱交換器１を成形するには、まず、チューブ１０，１１，１２及びチューブ２０，２１，２２をそれぞれ形成する。これらのチューブ１０，１１，１２，２０，２１，２２は、平板状のアルミ板を折りたたんで両端部を接合する、いわゆるロール成形によって形成される。

このとき、チューブ１０，１１，１２では、対向した状態で重ねられた両端部が向き変更部３０となり、空気Ｋの流れ方向に対して傾斜するように曲げられる。

また、チューブ２０，２１，２２では、一方の端部が他方の端部の下側に入り込むように重ねられる。

次に、所定数、ここでは８０本の向き変更部３０を有するチューブ１０，１１，１２が上下方向に並べられると共に、同数の向き変更部３０を有さないチューブ２０，２１，２２が上下方向に並べられる。また、上下方向に並べられたチューブ１０，１１，１２に隣接して上下方向に並べられたチューブ２０，２１，２２が配置される。

このとき、各チューブ１０，１１，１２，２０，２１，２２間には相互に所定の間隙があけられる。また、チューブ１０，１１，１２は、空気Ｋの流れ方向の上流側に位置し、チューブ２０，２１，２２は、空気Ｋの流れ方向の下流側に位置するように配置される。

さらに、チューブ１０，１１，１２は、空気Ｋの流れ方向に沿って隣接するチューブ２０，２１，２２に向き変更部３０が対向するように、端部１０ｃ（その他図示せず）が空気Ｋの流れの下流側に向くように配列される。

これにより、向き変更部３０は、空気Ｋの流れ方向に沿って並んだチューブ１０，１１，１２とチューブ２０，２１，２２との間に設けられることとなる。

そして、長手方向の一方の端部１０ａ，１１ａ，１２ａ（その他図示せず）が媒体導入管２に形成された図示しないスリットにそれぞれ挿入固定され、図示しない長手方向の他方の端部が媒体排出管３に形成された図示しないスリットにそれぞれ挿入固定される。

なお、ここで、向き変更部３０は、チューブ１０の長手方向の両端部１０ａ，（他方図示せず）ではあらかじめ除去されており、媒体導入管２及び媒体排出管３と干渉しないようになっている。

このように形成された熱交換器１に第二の冷媒である空気Ｋが流入すると、この空気Ｋは、まずチューブ１０の上側表面１０１及び下側表面１０２に沿って流れ、チューブ１０内に流れる媒体Ｇとの間で熱交換が行われる。

そして、図２に示すように、チューブ１０の上側表面１０１に沿って流れた空気Ｋは、向き変更部３０によって、流れ方向が上方に向かうように変化させられる。

この上方に向かうように流れた空気Ｋは、チューブ１０よりも下流側であって且つ上側に位置するチューブ２０の上流側の端部２０ｃにぶつかり、一部がチューブ２０の上側表面２０１に沿って流れ、一部がチューブ２０の下側表面２０２に沿って流れるように分流させられる。

また、チューブ１０の下側表面１０２に沿って流れた空気Ｋは、チューブ１１に設けられた向き変更部３０によって、流れ方向が上方に向かうように変化させられる。

そして、チューブ１０よりも下流側であって且つ同じ高さに位置するチューブ２１の上流側の端部２１ｃにぶつかり、一部がチューブ２１の上側表面２１１に沿って流れ、一部がチューブ２１の下側表面２１２に沿って流れるように分流させられる。

そのため、チューブ２０とチューブ２１との間では、チューブ１０の上側表面１０１に沿って流れた空気Ｋと、下側表面１０２に沿って流れた空気Ｋとが合流することとなる。

これにより、この向き変更部３０よりも空気Ｋの流れの下流側に位置するチューブ２０，２１に接触する空気Ｋの流れが乱れ、このチューブ２０，２１の外表面に形成される温度境界層が乱れる。

さらに、チューブ１０の上側表面１０１に沿って流れた空気Ｋと、下側表面１０２に沿って流れた空気Ｋとが合流することで、空気Ｋの温度が均一化される。

このように、温度境界層が乱れるので、空気Ｋの流れの下流側であってすでに熱交換された空気Ｋが流れても、下流側に位置するチューブ２０，２１の熱交換性能を高めて、熱交換量の低下を防止することが可能となる。

また、上述の実施の形態では、向き変更部３０は、空気Ｋの流れの上流側に位置するチューブ１０に形成されている。

そのため、この向き変更部３０よりも下流側に位置するチューブ２０，２１，２２の熱交換性能を確実に向上させることができる。

また、上述の実施の形態では、向き変更部３０が、上流側に位置するチューブ１０のフランジ部分であるので、このフランジ部分を傾斜させることで向き変更部３０を形成することができると共に、チューブ１０と向き変更部３０とが円滑に連続する。

これにより、向き変更部３０を容易に形成することができると共に、空気Ｋの流れが阻害されないので通気抵抗の増加を防止でき、チューブ１０の熱交換性能が低下することがない。

さらに、上述の実施の形態の熱交換器１は、空気Ｋの流れ方向に対して直交する方向に沿って配列されたチューブ１０，１１間、チューブ１１，１２間等にフィン（コールゲートフィン）が介在しないいわゆるフィンレス熱交換器である。

すなわち、この熱交換器１は、フィンに依存せずにチューブ単独での熱交換性能を向上させることができるので、フィンを備えないフィンレス熱交換器において有用性がより高く、熱交換器１全体の重量や部品点数の低減を図り、軽量で低コストの熱交換器１とすることが可能となる。

以上、この発明にかかる実施の形態を図面により詳述してきたが、具体的な構成は上述の実施の形態に限らない。この発明の要旨を逸脱しない範囲の設計の変更等はこの発明に含まれる。

例えば、上述の実施の形態では、向き変更部３０は空気Ｋの流れの上流側に位置するチューブ１０に形成されているが、これに限らない。

この向き変更部３０は、空気Ｋの流れ方向に沿って並んだ二つのチューブの間に設けられればよく、図３に示すように、空気Ｋの流れの下流側に位置するチューブ２０，２１，２２の上流側を向いた端部２０ｃ，２１ｃ，２２ｃに向き変更部４０，…が形成されてもよい。

この場合であっても、向き変更部４０により、この向き変更部４０よりも下流側の空気Ｋの流れは乱され、向き変更部４０よりも下流側に位置するチューブ２０，２１，２２の外表面に形成される温度境界層が乱れることとなる。

そのため、チューブ１０，１１，１２よりも下流側に位置するチューブ２０，２１，２１による熱交換性能を高めて、熱交換量の低下を防止することが可能となる。

なお、この図３における向き変更部４０は、先端部４１がそれぞれ上方を向くように傾斜しており、チューブ１０，１１，１２に沿って流れた空気Ｋは、各向き変更部４０によって一部の流れ方向が下方に向かうように変更させられる。

また、向き変更部は空気Ｋの流れに対して傾斜していればよいので、図４に示すように、空気の流れＫの上流側に位置するチューブ１０，１１，１２に形成された向き変更部４２，…のように、各先端部４３が下方を向くように傾斜していてもよい。

この場合、上流側に位置するチューブ１０，１１，１２に沿って流れた空気Ｋの流れ方向は、向き変更部４２によって下方に変更され、下流側に位置するチューブ２０，２１，２２の上流を向いた端部２０ｃ，２１ｃ，２２ｃにぶつかり分流させられる。そして、空気Ｋの流れが乱れて温度境界層が乱れ、熱交換量の低下を防止できる。

さらに、図５に示すように、向き変更部４４を上流側に位置するチューブ１０，１１，１２及び下流側に位置するチューブ２０，２１，２２のそれぞれに設けてもよい。なお、このとき、チューブ１０，１１，１２に設けられた向き変更部４４，…と、チューブ２０，２１，２２に設けられた向き変更部４４，…とは、互いにかみ合う向きに配置される。

これにより、各チューブ１０，１１，１２，２０，２１，２２間を流れる空気Ｋの流れ方向は大きく乱れ、さらに熱交換量の低下を防止することができる。

また、各チューブ１０，１１，１２，２０，２１，２２の形状を同じものとすることができ、部品点数の低減を図ることが可能となる。

さらに、上述の実施の形態では、向き変更部３０は、アルミ板の両端部を対向するように重ねて形成されたフランジ部分となっているが、本発明に係る熱交換器はこれに限定されるものではない。

すなわち、図６に示すチューブ１０´，１１´，１２´ように、平板状のアルミ板の一方の端部が他方の端部の下側に巻き込まれると共に、この他方の端部の先端が延在されて形成されたフランジ部分を向き変更部３０´にしてもよい。

このような一重の向き変更部３０´であっても、上述の実施の形態と同等の効果を奏することができる。

なお、上述の実施の形態に示した熱交換器１は、チューブ１０，１１間等にフィン（コールゲートフィン）を備えないフィンレス熱交換器であるが、フィンが設けられていてもよい。

また、向き変更部３０は長手方向に平坦に延びているが、これに限らず、例えば長手方向に延びる波形状を呈していてもよいし、湾曲していてもよい。

さらに、上述の実施の形態の熱交換器１はヒータコアであるが、冷えた冷媒をチューブの内部に流し、その外表面に接触する空気との間で熱交換を行って空気を冷やす蒸発器であってもよいし、自動車エンジン等の冷却液を冷やすためのラジエータや、オイルを冷やすためのオイルクーラであってもよい。

本発明に係る熱交換器の外観を示す一部を破断した斜視図である。 図１におけるＡ−Ａ断面図である。 実施形態の他の例の第一を示す、図２相当の断面図である。 実施形態の他の例の第二を示す、図２相当の断面図である。 実施形態の他の例の第三を示す、図２相当の断面図である。 ロール状のチューブを有する熱交換器において本発明を適用した実施形態を示す図２相当の断面図である。

符号の説明

１ 熱交換器
１０ 上流側に位置するチューブ
１０ｃ 端部
２０ 下流側に位置するチューブ
３０ 向き変更部
Ｇ 媒体（第一の媒体）
Ｋ 空気（第二の媒体）

Claims (4)

1. 内部を流れる第一の媒体と外表面を流れる第二の媒体との間で熱交換を行う複数のチューブが、前記第二の媒体の流れ方向に沿って所定の間隔をおいて配列された熱交換器であって、
   前記チューブは、隣接する他のチューブに対向する端部に、前記第二の媒体の流れ方向に対して傾斜した向き変更部が設けられていることを特徴とする熱交換器。
2. 前記向き変更部は、前記第二の媒体の流れの上流側又は下流側の少なくともいずれか一方に位置するチューブ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. 前記向き変更部は、前記チューブの端部に形成された該チューブのフランジ部分であることを特徴とする請求項１又は２に記載の熱交換器。
4. 前記複数のチューブは、前記チューブ間同士が互いに隙間を持って隣接配置されていることを特徴とする請求項１から３のいずれか一項に記載の熱交換器。
   
   
   

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