JP2009162477A - 熱交換器 - Google Patents

Abstract

【課題】熱交換器を通過する外部流体の圧力損失を抑える。
【解決手段】熱交換器１０は、一対のヘッダタンク１４、１４と、それら一対のヘッダタンクの間に延在する複数のチューブ２０と、複数のコルゲートフィン２２とを有する。それぞれのコルゲートフィン２２は、一対のヘッダタンク間の方向に一致する長さ（Ｌ）方向に連らなる複数の波状体４０を形成している。それぞれの波状体４０は、幅方向（Ｗ）に延び、コルゲートフィン２２の長さ方向に互いにずれた複数のＶ型区分片５０を形成している。それぞれのＶ型区分片５０は、隣り合うＶ型区分片５０からスリット５２、５４によって分離されている。
【選択図】図３

Description

本開示は、隣接するチューブの間に配置されたフィンを有する熱交換器に関するものである。より具体的には、本開示は、隣接するチューブの間に配置されたフィンに関するものである。

この欄の記載は、本開示に関連する背景情報を提供するものであって、従来技術を構成しない場合がある。

例えば、特許文献１が知られている。

一般に、熱交換器は、内部通路を流れる内部流体と外部通路を流れる外部流体との間で熱交換するために、自動車分野の製品に搭載されている。放熱器（ラジエータ）においては、エンジン冷却液と空気との間で熱交換がなされる。暖房用熱交換器（ヒータコア）においては、エンジン冷却液と空気との間で熱交換がなされる。蒸発器（エバポレータ）においては、冷媒と空気との間で熱交換がなされる。凝縮器（コンデンサ）においては、冷媒と空気との間で熱交換がなされる。
特開平５−５５９７号公報

典型的なひとつの熱交換器は、内部流体が複数のチューブ内を流れ、外部流体がそれらチューブの外側を流れるフィン−チューブ型熱交換器である。フィンは、典型的な態様では、外部流体に対して多数の上流側端面を露出させることにより、熱交換器の熱放出を向上するために、隣接するチューブの間に配置される。フィンは、フィン中央部分の捻り操作によって形成されたルーバーを備えることができる。ルーバーの成形に用いられた捻り操作は、ルーバーの長さをフィンの高さのおよそ８０％から９０％に制限する。熱交換器の性能は、フィンにおけるルーバーの長さに依存し、できるだけ長いルーバーを設けることが有利である。

加えて、ルーバーの捻り成形は、外部流体がルーバー上を流れるときに、外部流体の方向の変更を引き起こす。この外部流体の方向変更は、熱交換器を通過する外部流体の全流量を低下させる圧力損失を生じ、その性能に不利に作用する。

本開示は、複数のチューブと、隣接するチューブの間に配置されたフィンとを有する熱交換器を含む。それぞれのフィンは、少なくともひとつのルーバーを形成し、それぞれのルーバーの長さはフィンの全長にわたって延びている。加えて、それぞれのルーバーは、ルーバー上を流れる外部流体の方向を変更させない。この開示のフィンとルーバーの構成は、熱交換器を通過する外部流体の圧力損失を著しく低減させながら外部流体に多数の上流側端面を露出させることにより熱交換器の性能を向上させる。

他の適用可能な領域は全体の説明によって明らかにされる。また、全体の説明と具体的な実施形態は、例示のためだけのものと理解されるべきであり、かつ、本開示の範囲を制限する意図はないものと理解されるべきである。添付の図面は、例示のためだけのものと理解されるべきであり、かつ、いかなる解釈であっても本開示の範囲を制限する意図はないものと理解されるべきである。

なお、特許請求の範囲および上記各手段に記載の括弧内の符号は、ひとつの態様として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。

以下の説明は、本質的に単なる例示であって、この開示、応用例、または使用例を限定することは意図されていない。

図１には、本開示に係るフィンが組み込まれている熱交換器が図示されており、それは参照番号１０で示されている。図２には、図１のＩＩ部分が拡大して図示されている。熱交換器１０は、コア部分１２と、コア部分１２の両終端部に位置づけられた一対のヘッダタンク１４とを備える。図１に図示されるように、熱交換器を通過する空気の流れは、図１の面に垂直な方向である。

コア部分１２は、内部に内部流体が流れる複数のチューブ２０と、波形に成形された複数のコルゲートフィン２２とを備える。それぞれのコルゲートフィン２２は、隣り合って位置するチューブ２０の間に配置され、ろう付けまたは当技術分野で知られた他の手段によってチューブ２０に固定されている。一対のサイドプレート２４が、コア部分１２の支持と補強とを提供するために、複数のチューブと複数のフィンの両外側端部に位置づけられている。それぞれのサイドプレート２４は、ろう付けまたは当技術分野で知られた他の手段によってそれぞれのコルゲートフィン２２に固定されている。

複数のチューブ２０のそれぞれの終端部は、ろう付けまたは当技術分野で知られた他の手段によって、それぞれのヘッダタンク１４に固定されている。各チューブ２０内の内部通路は、ヘッダタンク１４によって形成された内室に連通している。図１に図示されるように、左右のヘッダタンク１４のそれぞれは、左右のヘッダタンク１４によって形成された内室を区画する区画部材２８を有する。

入口ジョイント３２は、ろう付けまたは当分野で知られた他の手段によって、左ヘッダタンク１４の下側に固定されている。出口ジョイント３４は、ろう付けまたは当分野で知られた他の手段によって、左ヘッダタンク１４の上側に固定されている。内部流体は入口ジョイント３２から熱交換器１０内に導入される。内部流体は、入口ジョイント３２を通り、左ヘッダタンク１４の下部内室に流入し、下部の複数のチューブ２０を通り、右ヘッダタンク１４の下部内室に流入する。右ヘッダタンク１４の下部内室から、内部流体は、中間の複数のチューブ２０を通り、左ヘッダタンク１４の上部内室に流入する。左ヘッダタンク１４の上部内室から、内部流体は、上部の複数のチューブ２０を通り、右ヘッダタンク１４の上部内室に流入し、出口ジョイント３４を通って流出する。上述のように内部流体が熱交換器１０内を流れる間に、内部流体と外部流体との間で熱交換するために、外部流体が複数のチューブ２０の間と、複数のコルゲートフィン２２のまわりを流れる。ラジエータかヒータコアにおいては、内部流体は冷却液であり、外部流体は空気である。エバポレータかコンデンサにおいては、内部流体は冷媒であり、外部流体は空気である。

熱交換器１０は３部分（上部、中部、下部）熱交換器として図示されたが、単一部分熱交換器、またはヘッダタンク１４の間の多数のパスに流体が流れる多部分熱交換器として熱交換器１０を設計することは本開示の範囲内である。

図３および図４において、コルゲートフィン２２が詳細に図示されている。コルゲートフィン２２は、コルゲートフィン２２の長さ（Ｌ）全体にわたって延びるほぼＶ型の複数の波状体４０を備える。それぞれのＶ型波状体４０は、第１谷部４２、峰部４４、第２谷部４６を備える。コルゲートフィン２２は、複数のほぼＶ型波状体４０を備えるものとして図示されているが、本開示は、Ｖ型波状体に限定されるものではなく、Ｕ型、Ｓ型、長方形型あるいは他の形状を含むが、それらに限定されない、いかなる形状の波状体でも用いることができる。コルゲートフィン２２のそれぞれは、帯状材料によって形成されている。帯状材料は、複数のローラによって、長さ方向に谷と峰とを交互に繰り返す波形状に成形される。

それぞれのＶ型波状体４０は、Ｖ型波状体４０の幅（Ｗ）全体にわたって延びており、複数のＶ型区分片５０を形成している。それぞれのＶ型区分片５０は、第１谷部４２から峰部４４まで延びる第１スリット５２と、第２谷部４６から峰部４４まで延びる第２スリット５４とによって、隣り合うＶ型区分片５０から分離されている。第１および第２スリット５２、５４の両方は、Ｖ型波状体４０の材料を貫通して延びており、第１および第２谷部４２、４６と峰部４４に入り込んでいるが、谷部４２，４６と峰部４４とを横切って延びることはない。この構成は、第１谷部４２に細長部材５６、峰部４４に細長部材５８、そして第２谷部４６に細長部材６０を形成し、それらは複数のＶ型区分片５０を連結する。それぞれのＶ型波状体４０の両側の斜面は、複数のＶ型区分片５０によって階段状であるが、幅（Ｗ）方向に沿ってほぼ直線的に真っ直ぐに延びている。

図３および図４に図示されるように、それぞれのＶ型区分片５０は、コルゲートフィン２２にルーバー効果を与えるために、コルゲートフィン２２の長さ（Ｌ）方向に規定の寸法だけずれている。よって、Ｖ型区分片５０の両側の斜面が、ルーバーを提供する。図３に図示されるように、複数のＶ型区分片５０は、コルゲートフィン２２の幅（Ｗ）に沿って直線状の段階的な列をなす。上述のように、それぞれのＶ型区分片５０は、コルゲートフィン２２の長さ（Ｌ）方向にずれている。このずれ（オフセット）は、隣り合う複数のＶ型区分片５０に対して同じ方向とすることができ、隣り合う複数のＶ型区分片５０に対して反対方向とすることができる。複数のＶ型区分片５０のうち、一群に属する複数のＶ型区分片５０が同じ方向にずれ、他の一群に属する複数のＶ型区分片５０が反対方向にずれることができる。複数のＶ型区分片５０のうちの前方の半分のずれ方向がひとつの方向であることができ、そして、複数のＶ型区分片５０のうちの後方の半分のずれ方向が反対方向であることができる。複数のＶ型区分片５０は、隣り合う各群に属する複数のＶ型区分片５０のずれ方向が反対方向であり、各群に同数かまたは異なる数のＶ型区分片５０が含まれる複数の群に分割することができる。

例えば、ひとつのＶ型波状体４０に複数のＶ型区分片５０が含まれており、それら複数のＶ型区分片５０が風上側に位置する先行群と先行群の風下に位置する後続群とをなしており、先行群に含まれる複数のＶ型区分片５０がずれる方向と後続群に含まれる複数のＶ型区分片５０がずれる方向とが逆であって、先行群に含まれる複数のＶ型区分片５０の数と後続群に含まれる複数のＶ型区分片５０の数とが同一または異なるという構成が提供される。

Ｖ型区分片５０を形成する板は、幅方向Ｗとほぼ平行な面を提供している。複数のＶ型区分片５０における、互いに対応する部分の板は、ほぼ平行に位置づけられている。例えば、ひとつのＶ型区分片５０の両側斜面と、隣り合うＶ型区分片の両側斜面とは、平行に位置づけられている。第１および第２スリット５２、５４は、隣り合う２つのＶ型区分片５０が長さ方向Ｌに沿ってずれることによって、開口を提供している。第１および第２スリット５２、５４が提供する開口は、主として幅方向Ｗの方向を指向しており、幅方向Ｗに沿って流れる外部流体としての空気に対して、対抗面と、エッジとを提供する。空気は、第１および第２スリット５２、５４を通して、出入りする。第１および第２スリット５２、５４が提供する開口は、長さ方向Ｌを指向する成分を含んでいてもよい。例えば、第１および第２スリット５２、５４は、Ｖ型波状体４０の材料を貫通する薄い切り目を形成し、その両側に位置する板部分を隣り合うＶ型区分片５０としてずらすことによって形成することができる。あるいは、第１および第２スリット５２、５４は、Ｖ型波状体４０の材料を貫通する細長いスリット開口を形成し、その両側に位置する板部分を隣り合うＶ型区分片５０としてずらすことによって形成することができる。

上記実施形態によると、それぞれのＶ型区分片５０が提供するルーバーの長さはフィンの高さ方向の全長にわたって延びている。加えて、それぞれのルーバーは、熱交換器１０の厚さ方向、すなわち外部流体の流れ方向と平行な面を有しているため、ルーバー上を流れる外部流体の方向を変更させない。このコルゲートフィン２２とルーバーすなわちＶ型区分片５０の構成は、熱交換器１０を通過する外部流体の圧力損失を著しく低減させながら外部流体に多数の上流側端面を露出させることにより熱交換器１０の性能を向上させる。

また、図３および図４に図示されるように、それぞれのＶ型区分片５０の幅は、同一である。図５において、複数のＶ型波状体１４０を有するコルゲートフィン１２２が図示されている。Ｖ型波状体１４０は、それぞれのＶ型区分片５０が異なる幅である複数のＶ型区分片５０を備えている。図５は、それぞれのＶ型区分片５０が異なる幅であるものとして図示されているが、複数のＶ型区分片５０は、ひとつの群に属するそれぞれのＶ型区分片５０は同じ幅であるが、それぞれの群は異なる幅をもつ複数の群に分割することができる。複数のＶ型区分片５０のひとつは、Ｖ型区分片５０の他のひとつとは異なる幅方向の大きさを有することができる。

例えば、ひとつのＶ型波状体１４０に複数のＶ型区分片５０が含まれており、それら複数のＶ型区分片５０が風上側に位置する先行群と先行群の風下に位置する後続群とをなしており、先行群に含まれるそれぞれのＶ型区分片５０の幅と後続群に含まれるそれぞれのＶ型区分片５０の幅とが異なるという構成が提供される。図５において、ひとつのＶ型波状体１４０の幅方向の半部領域に位置するＶ型区分片５０の幅と、残部領域に位置するＶ型区分片５０の幅とは、異なっている。ひとつのＶ型波状体１４０に属する複数のＶ型区分片５０の幅は、Ｖ型波状体１４０の幅に沿って徐々に変化している。風上に大きい幅のＶ型区分片５０を多く配置し、風下に小さい幅のＶ型区分片５０を多く配置してもよい。逆に、風上に小さい幅のＶ型区分片５０を多く配置し、風下に大きい幅のＶ型区分片５０を多く配置してもよい。また、Ｖ型波状体１４０の幅に沿った中央領域に大きい幅のＶ型区分片５０を多く配置し、両側領域に小さい幅のＶ型区分片５０を多く配置してもよい。逆に、Ｖ型波状体１４０の幅に沿った中央領域に小さい幅のＶ型区分片５０を多く配置し、両側領域に大きい幅のＶ型区分片５０を多く配置してもよい。

図５に図示された実施形態は、Ｖ型区分片５０の幅を除いて図３および図４に関して説明したものと同じであって、コルゲートフィン２２のＶ型区分片５０に関する上述の説明は、コルゲートフィン１２２にも適用される。

図６Ａにおいて、この開示における他の実施形態に関するコルゲートフィン２２２が図示されている。コルゲートフィン２２２は、複数のＶ型波状体２４０を備えている。複数のＶ型波状体２４０は、Ｖ型波状体２４０の幅方向に沿って曲がった形状またはＶ型の形状に成形されている。曲がった形状またはＶ型の形状のＶ型波状体２４０は、同じ幅のＶ型区分片５０を有するものとして図示されているが、図６Ｂに図示されるように、そして図５について上述したように、Ｖ型波状体２４０の幅に沿って異なる幅のＶ型区分片５０を設けることは、この開示の範囲内である。

図６Ａにおいて、ひとつのＶ型波状体２４０の幅方向の半部領域に位置する複数のＶ型区分片５０は一方向へずれて配列され、残部領域に位置する複数のＶ型区分片５０は反対の他方向へずれて配列されることができる。複数のＶ型区分片５０は、両方の領域にわたって、同じ方向へずれて配列されることもできる。図６Ｂにおいて、それぞれの複数のＶ型区分片５０の幅は、Ｖ型波状体２４０の幅方向に沿って、図中手前側の端部に位置するＶ型区分片５０から徐々に大きく変化している。図６Ｂにおいて、複数のＶ型区分片５０は、両方の領域にわたって、同じ方向へずれて配列されている。図６Ｂにおいて、ひとつのＶ型波状体２４０の幅方向の半部領域に位置する複数のＶ型区分片５０は一方向へずれて配列され、残部領域に位置する複数のＶ型区分片５０は反対の他方向へずれて配列されることができる。

図６Ａ、および図６Ｂに図示された実施形態において、Ｖ型波状体２４０は、幅方向にＶ型の形状に代えて、幅方向に円弧状に曲がった形状に成形されてもよい。図６Ａおよび図６Ｂに図示された実施形態は、Ｖ型波状体２４０の幅に関して曲がった形状またはＶ型の形状であることを除いて、図３、図４および図５に関して説明したものと同じである。コルゲートフィン２２のＶ型区分片５０に関する上述の説明と、コルゲートフィン１２２のＶ型区分片５０に関する上述の説明とは、この実施形態にも適用される。

図７において、この開示の他の実施形態に係るコルゲートフィン３２２が図示されている。コルゲートフィン３２２は、複数のＶ型波状体３４０を備えている。複数のＶ型波状体３４０のそれぞれは、Ｖ型波状体３４０の幅に沿って、複数の曲がった形状またはＶ型の形状に成形されている。曲がった形状またはＶ型の形状のＶ型波状体３４０は、同じ幅の複数のＶ型区分片５０を有するものとして図示されているが、図５について上述したように、Ｖ型波状体２４０の幅に沿って異なる幅のＶ型区分片５０を設けることは、この開示の範囲内である。

図７に図示された実施形態において、Ｖ型波状体３４０は、幅方向にＶ型の形状に代えて、幅方向に円弧状に曲がった形状に成形されてもよい。図７に図示された実施形態は、曲がった形状またはＶ型の形状の数と幅とを除いて、図３、図４および図５に関して説明したものと同じである。コルゲートフィン２２のＶ型区分片５０に関する上述の説明と、コルゲートフィン１２２のＶ型区分片５０に関する上述の説明とは、この実施形態にも適用される。

本発明の技術的範囲は、上述した実施形態にのみ限定されるものではない。上述した実施形態は、本発明の技術的範囲内で、多様な変形、改良、または拡張を伴うことができる。

図１は、この開示に係る熱交換器の全体構成を示す正面図である。 図２は、図１に示した熱交換器のコア部分の拡大図である。 図３は、図１および図２に示したコルゲートフィンの斜視図である。 図４は、図３に占め最多コルゲートフィンの拡大斜視図である。 図５は、この開示の他の実施形態に係るコルゲートフィンの斜視図である。 図６Ａは、この開示の他の実施形態に係るコルゲートフィンの斜視図である。 図６Ｂは、この開示の他の実施形態に係るコルゲートフィンの斜視図である。 図７は、この開示の他の実施形態に係るコルゲートフィンの斜視図である。

符号の説明

１０ 熱交換器
１４ ヘッダタンク
２０ チューブ
２２、１２２、２２２、３２２ コルゲートフィン
４０、１４０、２４０、３４０ Ｖ型波状体
４２、４６ 谷部
４４ 峰部
５０ Ｖ型区分片
５２、５４ スリット
５６、５８、６０ 細長部材

Claims (11)

1. 一対のヘッダタンク（１４、１４）と、一対の前記ヘッダタンクの間に延びる複数のチューブ（２０）と、一対の前記ヘッダタンクの間の長さ方向（Ｌ）に延びる複数のフィン（２２、１２２、２２２、３２２）とを備え、
   複数の前記フィンのそれぞれは、前記長さ方向（Ｌ）に延びる波形状であって、複数の波状体（４０、１４０、２４０、３４０）を有する帯状材料によって形成されており、
   それぞれの波状体は、前記熱交換器を通過する外部流体の流れ方向に延びる幅方向（Ｗ）を規定しており、さらに、
   それぞれの波状体（４０、１４０、２４０、３４０）は、前記幅方向に延びる複数の区分片（５０）を形成しており、
   それぞれの区分片（５０）は、隣り合う区分片（５０）から前記フィンの長さ方向に離れて（５２、５４）位置づけられていることを特徴とする熱交換器。
2. 前記区分片（５０）のそれぞれは、隣り合う前記区分片（５０）から、前記帯状材料を貫通して延びるスリット（５２、５４）によって離れて位置づ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. 複数の前記フィンの（２２、１２２、２２２、３２２）それぞれは、隣り合うチューブの間に配置されていることを特徴とする請求項１または２に記載の熱交換器。
4. 複数の前記区分片（５０）のそれぞれは、等しい幅方向の大きさを有していることを特徴とする請求項１から３のいずれかに記載の熱交換器。
5. 複数の前記区分片（５０）のひとつは、前記区分片の他のひとつとは異なる幅方向の大きさを有していることを特徴とする請求項１から３のいずれかに記載の熱交換器。
6. 複数の前記区分片（５０）のそれぞれは、異なる幅方向の大きさを有していることを特徴とする請求項１から３、および５のいずれかに記載の熱交換器。
7. 前記波状体のそれぞれは、Ｖ型波状体（４０、１４０、２４０、３４０）であることを特徴とする請求項１から６のいずれかに記載の熱交換器。
8. 前記区分片（５０）のそれぞれは、隣り合う前記区分片（５０）から、前記帯状材料を貫通して延びるスリット（５２、５４）によって離れて位置づけられており、
   前記スリットは、前記Ｖ型波状体（４０、１４０、２４０、３４０）の谷部（４２、４６）と峰部（４４）との間にわたって延びているが、前記谷部（４２、４６）と前記峰部（４４）とを横切って延びることはないことを特徴とする請求項７に記載の熱交換器。
9. 前記波状体（４０、１４０）のそれぞれは、前記幅方向にほぼ直線的に延びていることを特徴とする請求項１から８のいずれかに記載の熱交換器。
10. 前記波状体（２４０、３４０）のそれぞれは、前記幅方向にＶ型の形状であることを特徴とする請求項１から８のいずれかに記載の熱交換器。
11. 前記波状体（２４０、３４０）のそれぞれは、前記幅方向に曲がった形状であることを特徴とする請求項１から８のいずれかに記載の熱交換器。

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