JP2010503818A - 熱交換器、およびこの熱交換器における熱交換用部材の製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】自動車のエンジン冷却用のラジエータ、車室の放熱器、および空調機のエバポレータに好適な、熱伝導係数が大きい熱交換器を提供する。
【解決手段】
ある方向Ｆ１へ流れる第１の冷却材が通過する、互いに平行に配置された複数のチューブ10,10'からなる束と、隣合うチューブの間に配置され、第１の冷却材が流れる方向Ｆ１と概ね直交しかつ第２の冷却材が流れる方向Ｆ２を定める母線を有し、波打つように延びる波型熱交換用部材20とを備える熱交換器において、熱交換用部材20に、網目状の複数の孔21を設ける。
【選択図】図３

Description

本発明は、熱交換器に関する。本発明に係る熱交換器は、特に、自動車の熱交換システム、特にエンジン冷却用のラジエータ、車室の放熱器、および空調機のエバポレータに適用すると有利である。

今日、自動車に搭載されている熱交換器は、第１の冷却材が循環するための互いに平行に配置された複数のチューブからなる束を備えている。これらのチューブは、同一平面内において、互いに向かい合うように配置されている。これらのチューブを、いわゆるフラットチューブとすることができる。

第１の冷却材は、熱交換器を介して、第２の冷却材との間で熱交換を行う。

第１の冷却材は、例えば、エンジン冷却用の場合には、水にグリコールを添加したものであり、第２の冷却材である外気によって冷却される。また、第１の冷却材が、空調システムの冷媒（例えば、フレオン）である場合には、第２の冷却材である車室内を循環する空気を冷却する。

第１の冷却材と第２の冷却材との間で熱交換を行う熱交換器は、インサートと呼ばれる複数の熱交換用部材を備えている。この熱交換用部材は、向かい合う２つのチューブの間に、１つ１つ配置されている。これらのインサートは、一般に、アルミニウムのような熱伝導性の高い材料からなるシートを波型加工したものである。また、波型インサートの各ピーク部には、母線が走っているが、このピーク部を、フラットチューブの幅広の面と接合させる。インサートとチューブの接合は、鑞接によって行う。

波型インサートは、各ピーク部の母線が、第１の冷却材が流れる方向と概ね直交するように、チューブに接合される。したがって、第２の冷却材が流れる方向は、波型インサートの各母線と概ね平行となる。

インサートにおける熱交換を容易にするため、インサートに、ルーバ状の複数のフィン（傾斜の角度は自由に変えられる）を、母線と直交する方向に設けることがある。この場合、一定の角度で傾斜するｎ個のフィンからなるグループと、それとは逆向きに傾斜するｎ個のフィンからなるグループとを形成すると、ルーバ状フィンの効果により、第２の冷却材は、波を打って進行する。

熱交換器がエバポレータである場合には、第２の冷却材である空気に含まれる水分が凝結するという問題がある。インサートの空隙に沿って進む空気は、自身よりも冷たい第１の冷却材に間接的に触れることにより、空気中の水分が凝結する温度まで冷却される。その後、凝結した水分は、インサートの表面から滴下する。しかし、上記のルーバ状フィンが設けられたインサートの場合、重力による水分の滴下は、効率的には進まない。すなわち、凝結した水分は、インサートの表面に保持され、第２の冷却材である空気の通過を制限し、熱交換効率を低下させる。また、インサートにおける空気の入口から出口にかけて、空気圧が大きく低下するため、高出力のブロワやファンを用いなければならない。湿った空気の場合、空気圧は、約４０％低下する。

本発明は、所定の方向へ流れる第１の冷却材が通過する、互いに平行に配置された複数のチューブからなる束と、隣合うチューブの間に配置され、前記第１の冷却材が流れる方向と概ね直交し、かつ第２の冷却材が流れる方向を定める母線を有し、波打つように延びる波型熱交換用部材とを備える熱交換器であって、第２の冷却材である空気に含まれる水分が凝結した際に、これを円滑に排出し、第２の冷却材を、熱交換に有利な速度で進行させうるようになっている熱交換器を提供することを目的としている。

本発明の上記目的は、前記波型熱交換用部材に、網目状の複数の孔を形成することによって解決される。

前記チューブは、第１の冷却材である流体を通過させるための導管である。

本発明に係る熱交換用部材は、網目状をなす非常に多くの孔を有しているため、第２の冷却材である空気中の水分は、凝結しても、孔を通って、重力により、熱交換用部材の外部へ落下しやすくなる。したがって、凝結した水分の排出量を増大させ、波型熱交換用部材によって仕切られる各空間に沿って流れる空気の圧力低下を抑えることができる。また、波型熱交換用部材によって仕切られる各空間を進行する空気は、網目状の多数の孔を介して、隣合う空間に移行しうるため、熱交換に適した乱流も発生しやすくなる。

熱交換用部材の形状や立体的な配置は、技術的効果を考慮に入れて決定する。

波型熱交換用部材におけるピークの数は、材料の柔軟性を考慮して、調整することができる。一方、排水用の網目状の孔が存在するにも拘らず、熱交換用部材と第２の冷却材との熱交換に係る表面積は、公知のそれと同等以上である。

網目状の孔の径は、０．２〜１．５mm、好ましくは０．２〜１mmまで小さくすることができる。このような乱流を形成しうる空気通路の小径化は、公知のルーバ状フィンによっては不可能である。

波型熱交換用部材の一方の側のピークから、他方の側のピークまでの熱交換用部材が延びる方向と直交する方向における距離（高さ）は、３〜７mmとするのが好ましい。この高さは、より好ましくは５mm以下、すなわち３〜５mmとするのがよい。

本発明に係る網目状の孔が形成された熱交換用部材とは対照的に、公知のルーバ状フィンが設けられたインサートにおいては、熱交換効率の向上が図れないとしても、加工上の理由により、ルーバ状のフィンは、熱交換用部材の全体ではなく、一部にしか設けることができない。

第１の冷却材が流れるチューブと波型熱交換用部材との間で、熱交換のための面積を十分に確保するため、波型熱交換用部材における母線を含み、かつチューブに接合される帯状の部分に、網目状の孔を設けないこともある。

上記熱交換器のための波型熱交換用部材は、次の工程を含む方法によって製造することができる。
−熱伝導性の材料からなるシートに、互いに平行に延びる複数のスロットを縦横に形成する工程、
−前記スロットが形成されたシートを、このスロットが延びる方向と直交する方向に引き延ばし、網目状の複数の孔を形成する工程、
−前記網目状の孔が形成されたシートに波型加工を施す工程。

前記スロットを、このスロットと平行に延び、かつ前記母線を含むシートの帯状の部分には形成せず、さらに、この帯状の部分には、波型加工を施さないこともある。

前記熱伝導性の材料は、アルミニウムとするのが好ましい。

本発明に係る熱交換器は、多くの長所を有している。

本発明に係る熱交換器によれば、熱交換用部材を通過する空気流の速度が遅い場合でも、公知の熱交換器に比べて、熱伝導係数を１８％増大させることができる。この熱伝導係数は、空気流の速度が速い場合には、４４％まで増大させることができる。

また、公知のエバポレータにおいては、外気が激しい勢いでインサートに流入した場合に、散水によって、車室に水滴が入り込むことがあったが、本発明においては、熱交換用部材からの排水性能が向上するため、このような現象は生じない。

さらに、本発明に係る熱交換用部材の製造方法は、公知のルーバ状フィンを有するインサートの製造方法に比べて、簡単で、しかも費用がかからない。

本発明の第１の実施形態に係る熱交換器の正面図である。 本発明の第２の実施形態に係る熱交換器の斜視図である。 図１と図２に示す熱交換器におけるインサートの斜視図である。 インサートを通過する空気の速度と、インサートに凝結した空気中の水分による空気圧低下との関係を示すグラフである。 インサートを通過する空気の速度と、熱伝導係数との関係を示すグラフである。 図６(a)〜図６(c)は、図３に示す熱交換器用インサートの製造方法における一工程を示す平面図である。 本発明の方法によって製造される熱交換用インサートの変形例を示す平面図である。 本発明に係る熱交換用インサートの一部を、種々のパラメータとともに示す拡大図である。

本発明の内容と例示的な実施形態については、以下の説明と添付の図面から、明瞭に理解しうると思う。

図１は、第１の冷却材が通過する複数のフラットチューブ10を備える熱交換器を示す。各フラットチューブ10は、図１の紙面と直交する方向に幅広となっている。第１の冷却材は、各フラットチューブ10の内部を、矢印Ｆ１で示す方向に流れる。

図２は、図１に示す熱交換器の変形例に係る熱交換器の斜視図である。この熱交換器におけるチューブ10'は、互いに平行に配置されたシート11'の形状を有している。

図１および図２に示すように、隣合うチューブ10と10、またはチューブ10'と10'の間に、矢印Ｆ２の方向に流れる第２の冷却材と第１の冷却材との間で熱交換を行う、熱交換用部材としてのインサート20が配置されている。

熱交換器が自動車のラジエータである場合、第１の冷却材は、水にグリコールを添加したものであり、第２の冷却材（外気）によって冷却される。一方、熱交換器が空調機のエバポレータである場合、第１の冷却材は、フレオンであり、第２の冷却材（車室内を循環する空気）から熱を奪う。

チューブの構成および熱交換器の使途がどのようなものであっても、インサート20は、図３に示すように波型であり、各ピーク部の母線の方向（第２の冷却材の進行方向でもある）は、第１の冷却材の進行方向と概ね直交している。換言すれば、インサート20は、チューブに鑞接されるピーク部22と、第２の冷却材の通路を区画する壁体部23とが交互に織りなす形状を有している。ピーク部22と壁体部23は、これらを越えて突出する部分のない中間領域24を介して連なっている。また、ピーク部22と壁体部23は、チューブ10または10'の幅広の方向（図1に示すチューブ10の場合は、紙面と直交する方向に、図２に示すチューブ10'の場合は、同図に示すＡＴ方向）と平行に延びている。

ピーク部22と壁体部23の延びる方向から、インサート20が全体として延びる方向が定まるが、このようなインサート全体の向きの設定により、公知のルーバ状フィンを有するインサートと同等の熱交換負荷を実現することができる。

図３に示すように、インサート20は、網目状の複数の孔21を有している。すなわち、公知のルーバ状フィンが設けられたインサートとは異なり、インサート20には、中間領域24よりも突出している部分は存在しない。一方、網目状の孔21は、少なくとも中間領域24には設けられている。この孔21によって、インサート20の構成が定まる。

すでに説明したように、本発明に係る熱交換用インサートは、第２の冷却材を、熱交換を有利に行えるように通過させることができる。

熱交換器が空調機のエバポレータである場合、本発明に係るインサートは、網状となっているため、孔の数が多く、空気がインサートを通過する間に凝結する水分を、効率的に排出させることができる。そのため、図４に示すように、本発明に係るインサートにおける空気の入口から出口にかけての空気圧の低下は、公知のルーバ状フィンが設けられたインサートにおけるそれよりも小さく、かつ概ね一定に保持される。

さらに、インサート20は、網状の構造であるため、柔軟性が大きい。よって、隣合うピーク部とピーク部の間隔が狭くなるように波型加工して、熱交換に係る表面積を増大させることができる。その結果、網目状の孔が存在することによる熱交換効率の低下を補償することができる。

図５は、本発明に係るインサートを用いると、公知のルーバ状フィンを有するインサートよりも、熱伝導係数が大きくなることを示している。

インサート20における網目状の孔21の大きさは、その技術的効果を検証した上で決定する。また、隣合う孔の間隔（すなわち、隣合う孔21,21を仕切る格子の太さ）は、０．５〜３mmとするのが好ましい。

インサート20の厚さは、好ましくは０．２〜１mm、より好ましくは０．４〜０．９mm、最も好ましくは０．５〜０．８mmである。

波型インサート20の高さ（一方の側のピークから他方の側のピークまでのインサートが延びる方向と直交する方向における距離）は、２．５〜８mm、好ましくは３〜７mmである。この高さは、５mm以下、より好ましくは３〜５mmである。

図６(ａ)〜図６(ｃ)は、波型インサート20の製造方法の各工程を示している。厚さ０．０４〜１mmのアルミニウムシートを、図６(ａ)に示すように裁断する。次いで、図６(ｂ)に示すように、一定の方向に延びるスロットが縦横に形成されるように穿孔する。最後に、図６(ｃ)に示すように、スロットが形成されたアルミニウムシートを、スロットの幅を拡大する方向に延伸する。その後、図３に示すようなインサート20が得られるように波型加工を施す。

図６(ａ)に示す裁断工程は、図６(ｂ)と図６(ｃ)に示す工程の後に行うこともできる。

図７は、ピーク部22に孔21を形成しない、図６(ｂ)に示す方法の変形例を示す。このようなピーク部22は、インサートとチューブの接触面積を拡大して鑞接を容易にするとともに、両者間の熱伝導を良好にする。最終的なインサート20を得るための波型加工は、孔21を有しないピーク部22を除外して施す。

図８は、インサート20のさらに他の実施形態を示す。この実施形態においては、インサート20は、複数の平行四辺形、例えば菱形の網目30を有している。網目30の大きさは、長径ａと短径ｂ（これらは互いに直交する）によって定義することができる。長径ａは、０．８〜３．３mm、好ましくは、１〜２．８mmである。また、短径ｂは、０．７〜２mm、好ましくは、１〜１．８mmである。

各網目30は、４つの仕切り部によって包囲されている。概ね方形をなす各仕切り部の幅ｃは、０．１１〜０．４５mm、好ましくは、０．１５〜０．３５mmである。

10,10' フラットチューブ
11' シート
20 インサート
21 孔
22 ピーク部
23 壁体部
24 中間領域
30 網目
ａ 長径
ｂ 短径
ｃ 網目の仕切り部の幅
Ｆ１ 第１の冷却材が流れる方向
Ｆ２ 第２の冷却材が流れる方向

Claims (9)

1. ある方向(Ｆ１)へ流れる第１の冷却材が通過する、互いに平行をなす複数のチューブ(10)(10')からなる束と、隣合うチューブの間に配置され、前記第１の冷却材が流れる方向(Ｆ１)と概ね直交し、かつ第２の冷却材が流れる方向(Ｆ２)を定める母線を有し、波打って延びる波型熱交換用部材(20)とを備える熱交換器であって、前記熱交換用部材(20)に、網目状の複数の孔(21)が設けられていることを特徴とする熱交換器。
2. 前記熱交換用部材(20)の厚さは、０．２〜１mmであることを特徴とする請求項１記載の熱交換器。
3. 前記波型熱交換用部材(20)の一方の側のピークから、他方の側のピークまでの熱交換用部材が延びる方向と直交する方向における距離は、３〜７mmであることを特徴とする請求項１記載の熱交換器。
4. 前記波型熱交換用部材(20)における隣合う孔と孔の間隔は、０．５〜３mmであることを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載の熱交換器。
5. チューブ(10)(10')に接合される波型熱交換用部材(20)の母線を含む帯状の部分(22)には、孔が設けられていないことを特徴とする請求項１〜４のいずれかに記載の熱交換器。
6. 前記波型熱交換用部材(20)は、アルミニウム製であることを特徴とする請求項１〜５のいずれかに記載の熱交換器。
7. 請求項１〜５のいずれかに記載の熱交換器のための波型熱交換用部材の製造方法であって、
   −熱伝導性の材料からなるシートに、互いに平行に延びる複数のスロットを縦横に形成する工程と、
   −前記スロットが形成されたシートを、このスロットが延びる方向と直交する方向に引き延ばし、網目状の複数の孔を形成する工程と
   −前記網目状の孔が形成されたシートに、波型加工を施す工程とを含むことを特徴とする方法。
8. 前記スロットを、このスロットと平行に延び、かつ前記母線を含むシートの帯状の部分(22)には形成せず、さらに、この帯状の部分(22)には、前記波型加工を施さないことを特徴とする請求項７記載の方法。
9. 前記熱伝導性の材料は、アルミニウムであることを特徴とする請求項７または８記載の方法。

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