JP2011163658A - 熱交換器 - Google Patents

Abstract

【課題】チューブ内の乱流状態の形成及び停滞流れ域の低減により、放熱性能の向上が図れる熱交換器を提供する。
【解決手段】ラジエータ１は、扁平状の断面形状を有する複数本のチューブ３の内部を流通する内部流体と複数本のチューブ３の外部を流通する外部流体との間で熱交換を行う。チューブ３の内壁には、表面に曲面部３０２を有してチューブ短径方向Ｙに突出する傾斜突起部３０がチューブ長手方向Ｚに並んで複数個形成されている。複数個の傾斜突起部３０は、それぞれ平面視で細長状であり、かつチューブ長手方向Ｚに直交するチューブ長径方向Ｘに対して同じ側に傾斜した状態で配置されている。
【選択図】図３

Description

本発明は、チューブ内部を流通する内部流体とチューブ外部を流通する外部流体との間で熱交換を行う熱交換器に関する。

従来の熱交換器として、チューブの内壁側に内方に突出するディンプルを設け、チューブ内の冷却液に対してディンプルによる攪乱作用を与え、乱流状態を形成する技術が知られている（例えば特許文献１参照）。特許文献１に記載の従来技術は、この冷却液の乱流状態の形成により、冷却液とチューブとの間の熱伝達率が低下することを防止して、熱交換器の部品点数の増加等を抑制しつつ、熱交換器の放熱能力を増大させることができる。

特開２００１−３１１５９３号公報

上記従来技術においては、各ディンプルにより、チューブ内の乱流状態の形成によって放熱性能の向上を図っているが、近年、熱交換器に要求される性能向上に伴い、さらなる乱流状態の促進による熱伝達率向上が求められている。また、乱流状態の形成が行き届きにくいディンプルの後流側等に、流れの滞る停滞流れ域である死水域が発生した場合には、通水抵抗の要因となり、熱伝達率向上の妨げになる。

そこで、本発明は上記課題に鑑みてなされたものであり、その目的は、チューブ内の乱流状態の形成及び停滞流れ域の低減により、放熱性能の向上が図れる熱交換器を提供することである。

本発明は上記目的を達成するために以下の技術的手段を採用する。なお、特許請求の範囲および下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。

請求項１は、扁平状の横断面形状を有する複数本のチューブ（３）の内部を流通する内部流体と複数本のチューブの外部を流通する外部流体との間で熱交換を行う熱交換器に係る発明であって、チューブの内壁には、表面に曲面部（３０２）を有してチューブ短径方向（Ｙ）に突出する突起部（３０）がチューブ長手方向（Ｚ）に並んで複数個形成されており、複数個の突起部は、それぞれ平面視で細長状であり、かつチューブ長手方向に直交するチューブ長径方向（Ｘ）に対して同じ側に傾斜した状態で配置されていることを特徴とする。

この発明によれば、平面視で、細長状でかつチューブ長径方向に対して同じ側に傾斜する複数個の突起部を、チューブの内壁面から突出させた状態で配置することにより、チューブ内に圧力の低い低圧領域を各突起部の頂面に対応するように形成するとともに、この低圧領域とはチューブ長径方向の反対側である突起部がない領域に低圧領域に比較して圧力の高い高圧領域を形成することができる。これにより、各突起部の頂面を通過しようとする流れは、各突起部の頂面を通過する前の上流側では全体的に低圧領域（突起部の頂面付近）に向かうチューブ短径方向の流速分布となり、当該突起部の頂面を過ぎた下流側では内壁面から離れた中央部に上流側の流速分布が継続されるものの、内壁面の近傍では低圧領域（突起部の頂面付近）に向かう流れが発生するため上流側とは逆向きの流速分布が発生するようになる。

したがって、突起部の頂面を過ぎた下流側では、内壁面近傍に中央部とは逆向きの流れが生じるため、内壁面近傍には縦渦が発生する。この縦渦の発生は、チューブ内流れの乱れを引き起こして、いわゆる乱流状態を促進する。さらに各突起部は表面に曲面部を有しているため、各突起部を乗り越える流れは滑らかに形成されて突起部近傍に流れの滞る停滞流れ域が発生することを低減できる。これにより、チューブ内の流通抵抗を低減して熱交換性能の向上が図れる。以上により、チューブ内の乱流状態の形成及び停滞流れ域の低減によって、放熱性能の向上が図れる熱交換器を提供できる。

請求項２に記載の発明は、請求項１に記載の熱交換器において、チューブ内壁面（３０４）から突起部の頂面（３０３）までの突起部の高さ寸法（Ｈ）は、チューブ内部の短径寸法（Ｂ）の３５パーセント以上６３パーセント以下であることを特徴とする。この発明によれば、突起部の高さ寸法（Ｈ）とチューブ内部の短径寸法（Ｂ）の比の値を０．３５以上０．６３以下に設定する突起部を設けることにより、縦渦がさらに確実に発生し得る内部流体流れを提供できる。

請求項３に記載の発明は、請求項２に記載の熱交換器において、細長状の突起部における幅寸法（Ｗ）は、チューブの内壁面から突起部の頂面（３０３）までの高さ寸法（Ｈ）の６．６７倍以上であることを特徴とする。この発明によれば、請求項２の特徴に加え、当該突起部の幅寸法（Ｗ）を突起部の高さ寸法（Ｈ）の６．６７倍以上に設定する突起部を設けることにより、さらに確実な縦渦の発生と停滞流れ域の低減効果とが得られる内部流体流れを提供できる。

請求項４に記載の発明は、請求項１ないし請求項３のいずれか一項に記載の熱交換器において、チューブ長径方向における突起部の長さ寸法（Ｌ１）は、チューブ内部の長径寸法（Ａ）の４０パーセント以上であることを特徴とする。この発明によれば、突起部のチューブ長径方向の長さ寸法（Ｌ１）とチューブ内部の長径寸法（Ａ）の比の値を０．４上に設定する突起部を設けることにより、縦渦がさらに確実に発生し得る内部流体流れを提供できる。

請求項５に記載の発明は、請求項１ないし請求項４のいずれか一項に記載の熱交換器において、突起部の中心軸線（３０１）がチューブ長径方向に対して傾く傾斜角度（θ）は、２０度以上６０度以下の範囲に含まれることを特徴とする。この発明によれば、当該傾斜角度（θ）を２０度以上６０度以下の範囲に設定する突起部を設けることにより、縦渦がさらに確実に発生し得る内部流体流れを提供できる。

請求項６に記載の発明は、請求項１ないし請求項４のいずれか一項に記載の熱交換器において、突起部の中心軸線（３０１）がチューブ長径方向に対して傾く傾斜角度（θ）は、４０度以上５０度以下の範囲に含まれることを特徴とする。この発明によれば、当該傾斜角度（θ）を４０度以上５０度以下の範囲に設定する突起部を設けることにより、さらに明瞭な縦渦を発生させて、乱流状態の促進による熱伝達の向上が図れる内部流体流れを提供できる。

請求項７に記載の発明は、請求項１ないし請求項６のいずれか一項に記載の熱交換器において、突起部における内部流体下流側の端部（３０６）は、さらに下流に位置する突起部における内部流体上流側の端部（３０５）に対して、チューブ長手方向に離間していることを特徴とする。この発明によれば、チューブ長手方向に隣り合う突起部がチューブ長径方向に見て重ならない関係であることにより、細長状の突起部の存在によって発生するチューブ長径方向における流路内の圧力差がチューブ長手方向に継続して発生するようになるため、継続的な縦渦の発生による乱流域をチューブ内に確実に形成できる。したがって、各チューブのチューブ長手方向における伝熱能力分布を良化でき、チューブ長手方向における各チューブの平均的伝熱能力の向上が図れる。

本発明の熱交換器の一例である第１実施形態におけるラジエータの概略構造を表した斜視図である。 第１実施形態におけるチューブの構成を示した図である。 第１実施形態のチューブ内部を平面視して傾斜突起部の構成を示した平面図である。 第１実施形態のチューブ内部を側面視して傾斜突起部の構成を示した側断面図である。 チューブ内の傾斜突起部上を流れる内部流体の流れのメカニズムを説明するための図である。 チューブ内の傾斜突起部上を流れる内部流体の流れのメカニズムを説明するための平面図である。 第１実施形態のチューブ内の可視化試験結果を示したグラフである。 第１実施形態のチューブを有するラジエータ実機を用いた放熱量の性能評価結果を示したグラフである。 第１実施形態のチューブを備えるラジエータ実機を用いた通水抵抗の性能評価結果を示したグラフである。 第１実施形態のチューブを備えるラジエータ実機を用いた熱伝達率の性能評価結果を示したグラフである。 第１実施形態のチューブを備えるラジエータ実機を用いた当該チューブの摩擦抵抗の性能評価結果を示したグラフである。 第１実施形態の第１の変形例を示した側断面図である。 第２の変形例を示した側断面図である。 第３の変形例を示した平面図である。 第４の変形例を示した平面図である。 第５の変形例を示した平面図である。 第６の変形例を示した平面図である。 第７の変形例を示した平面図である。

以下に、図面を参照しながら本発明を実施するための複数の形態を説明する。各形態において先行する形態で説明した事項に対応する部分には同一の参照符号を付して重複する説明を省略する場合がある。各形態において構成の一部のみを説明している場合は、構成の他の部分については先行して説明した他の形態を適用することができる。各実施形態で具体的に組み合わせが可能であることを明示している部分同士の組み合わせばかりではなく、特に組合せに支障が生じなければ、明示していなくても実施形態同士を部分的に組み合せることも可能である。

（第１実施形態）
本発明の第１実施形態に係る熱交換器について図１〜図１１を用いて説明する。第１実施形態の熱交換器は、扁平状の断面形状を有する複数本のチューブを備え、チューブの内壁面には特徴的な突起部が形成されているものである。このような熱交換器をラジエータに適用した例について以下に説明する。図１は、第１実施形態におけるラジエータ１の概略構造を表した斜視図である。

図１に示すように、ラジエータ１は、例えば車両のエンジンコンパートメント内に搭載され、車両の空調用冷凍サイクルに備えられる熱交換器であるコンデンサ（図示せず）とコア部同士を対向させた姿勢で隣接して配置される。ラジエータ１は、コンデンサよりも車両後方側または空気流れの下流側に配置されている。

コンデンサおよびラジエータ１は、両方のコア部で内部を流れる流体と熱交換を行う空気（外部流体）を強制的に送風する送風機としての電動ファン（図示せず）と一体的に組み付けられ、この状態で車両に搭載される。このようにコンデンサ、ラジエータ１及び電動ファンは、一体的に組み付けられてクーリングモジュールを構成する。コンデンサ及びラジエータ１には、電動ファンにより空気（外気）が矢印方向（車両後方）に送風され、両者はこの送風空気によって冷却される。ラジエータ１は、車両のエンジンの冷却水回路に接続される熱交換器であり、エンジンで吸熱されて温度上昇した高温の冷却水の冷却が行われる。

ラジエータ１は、内部を流れる水（内部流体）と外部を流れる空気（外部流体）との間で熱交換が行われるコア部２と、コア部２の上下方向の両端部に設けられるヘッダータンク５，６と、を含んで構成される。コア部２は、水通路をなす断面扁平状のチューブ３とフィン４とが交互に左右方向（車幅方向）に複数個積層されて配置され、これらがろう付け接合等により一体になって構成されている。フィン４は、伝熱面積を増大させる部材であり、たとえばコルゲート状のフィンである。

コア部２の上下方向の両側部には、複数本すべてのチューブ３の端部を接合支持するコアプレート（図示せず）が配置されている。このコアプレートには、ヘッダータンク５及びヘッダータンク６が一体に結合され、このヘッダータンク５，６の内部空間はすべてのチューブ３の内部と連通するようになっている。すなわち、ヘッダータンク５とヘッダータンク６はチューブ３によって連通する。また、ヘッダータンク５，６はチューブ長手方向Ｚと直交する方向（車幅方向）に細長く延びる略筒状であり、例えばナイロンのように耐熱性に優れた樹脂で成形されている。

コア部２の車幅方向（左右方向）の両側部、すなわち、車幅方向の最外側に位置するフィン４のさらに外側の両方それぞれには、サイドプレート７が設けられている。サイドプレート７は、コア部２を補強する補強部材であり、チューブ長手方向Ｚに延びる断面コの字形状の部材である。

上側のヘッダータンク５には、エンジン冷却水の入口パイプ８、車体側への取付け用ボス部等が一体に形成されている。下側のヘッダータンク６には、エンジン冷却水の出口パイプ９、車体側への取付け用ボス部等が一体に形成されている。また、ラジエータ１において、コア部２のチューブ３、フィン４、コアプレート、サイドプレート７等の各部材は、例えばアルミニウム合金等で形成され、ろう付けにより一体に接合されている。

ラジエータ１には例えばポリプロピレンのような樹脂材から成るシュラウド（図示せず）が設けられており、ラジエータ１の外形に沿うように矩形状に形成されたラジエータ側の外周部から反ラジエータ側（車両後方）に向けて滑らかに傾斜する形状によってファンの導風部を形成している。シュラウドは、全体として電動ファンを覆うように浅い椀状を呈しており、ラジエータ１にボルト締め等によって一体に固定される。シュラウドに形成されたモータ取付け部には、電動ファンのモータ（図示せず）が取り付けられている。シュラウドと、ラジエータ１およびコンデンサとが一体となってクーリングモジュールを構成することにより、電動ファンによって供給される空気は、車両前方からコンデンサ、ラジエータ１の順に各コア部を通過して内部流体を冷却し、シュラウドによって形成された導風部を通り、排出される。

次に、各チューブ３の詳細な構成について図２〜図４を参照して説明する。図２は、チューブ３の構成を示した図である。図３はチューブ３の内部を平面視して傾斜突起部３０の構成を示した平面図である。図４はチューブ３の内部を側面視して傾斜突起部３０の構成を示した側断面図である。

図２〜図４に示すように、チューブ３の内壁には、表面に曲面部３０２を有して滑らかな外表面を備える傾斜突起部３０がチューブ長手方向Ｚに並んで複数個形成されている。チューブ３は、横断面形状が扁平状であるため、横断面の辺の長い方向をチューブ長径方向Ｘとし、辺の短い方向をチューブ短径方向Ｙとする。チューブ３が延びる方向であって内部流体が進行する方向は、チューブ長手方向Ｚである。各傾斜突起部３０は、チューブ短径方向Ｙに突出する突起部であり、平面視で細長状を呈している。さらに各傾斜突起部３０は、チューブ長手方向Ｚに直交するチューブ長径方向Ｘに対して同じ側に傾斜した状態で配置されている。

傾斜突起部３０は、チューブ短径方向Ｙに延びる側から見た、いわゆる平面視で、細長状の中心軸線３０１がチューブ長径方向Ｘに対して傾斜角度θをなすように傾斜している。そして、各傾斜突起部３０の傾斜角度θは、同じ側に鋭角に開く角度となっている。つまり、傾斜突起部３０は、内部流体上流側の端部３０５と内部流体下流側の端部３０６とがそれぞれチューブ長径方向Ｘの一方側と他方側に配されるようになっている。さらにチューブ長手方向Ｚに並ぶ複数個の傾斜突起部３０について、内部流体上流側の端部３０５及び内部流体下流側の端部３０６がそれぞれチューブ長径方向Ｘの同じ側に位置するように形成されている。なお、この傾斜角度θは、本発明の奏する作用効果に鑑みれば、チューブ長手方向Ｚに並ぶ傾斜突起部３０のすべてについて等しい必要はなく、同じ側に傾斜していればよい。

図３に示すように、傾斜突起部３０は、チューブ内壁面３０４から頂面３０３までの高さ寸法がＨ、細長状の辺の短い幅寸法がＷ（中心軸線３０１に対して直角な方向の幅寸法Ｗ）、チューブ長径方向Ｘにおける長さ寸法がＬ１、チューブ短径方向Ｙにおける長さ寸法がＬ２である。また、チューブ内部の長径方向Ｘの寸法は、チューブ３の内壁面が形作る通路横断面の長径寸法であり、以下、チューブ内部の長径寸法Ａとする。チューブ内部の短径方向Ｙの寸法は、チューブ３の内壁面が形作る通路横断面の内径寸法であり、以下、チューブ内部の短径寸法Ｂとする。また、チューブ長手方向Ｚに隣り合う２個の傾斜突起部３０は、内部流体上流側に位置する方の突起部の下流側端部３０６が下流に位置する方の突起部の上流側端部３０５に対して、チューブ長手方向Ｚに離間するように、チューブ３内部に形成されている。したがって、チューブ長手方向Ｚに隣り合う傾斜突起部３０のピッチ寸法Ｐは、傾斜突起部３０のチューブ短径方向Ｙにおける長さ寸法Ｌ２よりも大きくなっている。

以上の構成の各傾斜突起部３０は、折り曲げられてチューブ３に成形される前の平板状のプレート材をプレス加工することにより形成される。このため、成形後のチューブ３の外壁のうち、各傾斜突起部３０が形成されている部位には、内部側に向かって陥没する凹部が形成される。チューブ３の製造工程は、ブランク抜き工程、傾斜突起部３０の成形工程、Ｕ字曲げ工程、接合工程（端部の重ね合わせ及び接合工程）の順に行われる。

次に、傾斜突起部３０がチューブ３内を流通する内部流体の流れに与える作用について図５及び図６を参照して説明する。図５は、チューブ３内の傾斜突起部３０上を流れる内部流体流れのメカニズムを説明するための図である。図６はチューブ３内の傾斜突起部３０上を流れる内部流体流れのメカニズムを説明するための平面図である。

図５において、Ｆｃの線は、チューブ短径方向Ｙにおけるチューブ３内の中央部での内部流体の流れを示し、Ｆｗ２の線は、座標Ｙａの正方向に位置するチューブ内壁面近傍での内部流体の流れを示し、Ｆｗ１の線は、座標Ｙａの負方向に位置するチューブ内壁面近傍での内部流体の流れを示している。また、Ｆｄｕは、傾斜突起部３０上を通過する前の内部流体の流速分布を示し、Ｆｄｄｃは、傾斜突起部３０上を通過した後の当該中央部での内部流体の流速分布を示している。さらに、Ｆｄｄｗ２は、傾斜突起部３０上を通過した後の座標Ｙａの正方向に位置するチューブ内壁面近傍での内部流体の流速分布を示し、Ｆｄｄｗ１は、傾斜突起部３０上を通過した後の座標Ｙａの負方向に位置するチューブ内壁面近傍での内部流体の流速分布を示している。Ｘａはチューブ長径方向Ｘに延びる仮想の座標軸であり、Ｙａはチューブ短径方向Ｙに延びる仮想の座標軸であり、Ｚａはチューブ長手方向Ｚに延びる仮想の座標軸である。

図５に示すように、チューブ３内の内部流体は、主流方向をチューブ長手方向Ｚにして進行し、傾斜突起部３０を通過する前の上流側で、座標Ｘａの正方向にＦｄｕに示す放物線状の流速分布を有するようになる。この放物線状の流速分布を示すのは、中央部のＦｃの流速が大きく、チューブ内壁面近傍のＦｗ１及びＦｗ２の流速がせん断力によって小さいからである。

傾斜突起部３０の頂面３０３の存在により、頂面３０３と頂面３０３に対向するチューブ内壁面との間には、周囲よりも圧力の低い低圧領域３０７が頂面３０３の形状に対応して形成される。つまり、チューブ３の内部において傾斜突起部３０が形成されている部位の流路、換言すれば傾斜突起部３０のチューブ短径方向Ｙにおける長さ（長さ寸法Ｌ２）の範囲の流路には、チューブ長径方向Ｘについて圧力差が生じるのである。このため、低圧領域３０７の周囲に存在する内部流体は、低圧領域３０７に向かって流れる流速ベクトルを有するようになる。したがって、傾斜突起部３０を通過する前の内部流体のチューブ長径方向Ｘにおける流速分布Ｆｄｕは、座標Ｘａの正方向に位置する低圧領域３０７に向かう流速ベクトルを示すのである。

すなわち、図６に示すように、内部流体は、傾斜突起部３０を通過する前（傾斜突起部３０の上流側）における、座標Ｙａの正方向に位置するチューブ内壁面近傍での流速Ｆｕｗ２と座標Ｙａの負方向に位置するチューブ内壁面近傍での流速Ｆｕｗ１とが座標Ｘａの正方向のベクトルをなす。そして、内部流体が流速分布Ｆｄｕを形成しながら傾斜突起部３０上を通過し、さらに傾斜突起部３０の下流に進むと、今度は低圧領域３０７が上流側とは反対の座標Ｘａの負方向に形成される。このため、傾斜突起部３０を通過後（傾斜突起部３０の下流側）における、チューブ内壁面近傍での流速Ｆｄｗ２及び流速Ｆｄｗ１は、上流側の流速Ｆｕｗ２及び流速Ｆｕｗ１とは反対方向である座標Ｘａの負方向のベクトルとなる。

このように、チューブ長手方向Ｚに対して傾斜する傾斜突起部３０の頂面３０３を境界にして上流側と下流側で、チューブ内壁面近傍における流速ベクトルが逆向きになる。このため、図５に示すように、当該下流側のチューブ内壁面近傍の流速分布Ｆｄｄｗ２及びＦｄｄｗ１は中央部の流速分布Ｆｄｄｃとは逆向きの分布になる。このチューブ内壁面近傍での流速分布が逆向きになる逆転現象により、傾斜突起部３０の下流側の流路には、ＸａＹａ平面上の流速分布に正負逆転する変曲点がチューブ内壁面側に発生して、チューブ内壁面側に細かな縦渦が発生する（図６参照）。

この縦渦の発生は、傾斜突起部３０側と傾斜突起部３０に対向する反対側の平滑面側との両方のチューブ内壁面近傍においてチューブ３内の流れを攪拌するため、内部流体の乱流状態を促進し、内部流体とチューブ３との熱伝達を強化し、熱交換性能を高める。さらに、曲面部３０２を有する傾斜突起部３０の形状及び当該縦渦の発生により、傾斜突起部３０周囲の円滑な流れの形成及び流れの活発化を引き起こし、チューブ３内において流れが滞る停滞流れ域（内部流体が水の場合は「死水域」ともいう）の発生を抑制できるため、流通抵抗の増加を抑制することができる。なお、チューブ短径方向Ｙの中央部は、傾斜突起部３０による低圧領域３０７の影響を受けにくいため、ＸａＹａ平面上に放物線状の流速分布Ｆｄｄｃができるので、上記の縦渦が発生し難く、流れの攪拌は起こりにくい。

さらに、同じ側に傾斜してチューブ長手方向Ｚに隣り合う傾斜突起部３０間のピッチ寸法Ｐは、傾斜突起部３０のチューブ短径方向Ｙの長さ寸法Ｌ２よりも大きいため、傾斜突起部３０における下流側端部３０６は、後続のさらに下流に位置する傾斜突起部３０における上流側端部３０５に対してチューブ長手方向Ｚに離間している。これによれば、傾斜突起部３０によるチューブ長径方向Ｘの圧力差が、チューブ長手方向Ｚに所定の周期で継続して発生するため、継続的な縦渦の発生による乱流域をチューブ３内に形成できる。したがって、各チューブ３のチューブ長手方向Ｚにおける伝熱能力分布を良化し、チューブ長手方向Ｚにおける各チューブ３の平均的伝熱能力の向上を図ることができる。

次に、傾斜突起部３０を備えたチューブ３内を流れる内部流体に対して、チューブ３内に注入した染料の動きから流れの可視化試験を行った結果について図７を参照して説明する。図７は本実施形態のチューブ３内の可視化試験結果をプロットしたグラフである。この可視化試験は、傾斜突起部３０について細長状の辺の短い幅寸法Ｗを４ｍｍ、傾斜角度θを４５度とし、内部流体の流速に関係するレイノルズ数を１０００とし、さらにその他の条件を固定とし、傾斜突起部３０の頂面３０３までの高さ寸法Ｈ（ｍｍ）とチューブ内部の短径寸法Ｂ（ｍｍ）とを可変させる条件にして行った。図７に示すグラフにおいて、「○」は、明瞭な縦渦が確認できた結果を示し、「△」は「○」よりも明確でない縦渦が確認できた結果を示し、「×」は縦渦が確認できないか、または死水域（停滞流れ域）が発生した結果を示している。

図７に示すグラフから明らかなように、傾斜突起部３０の高さ寸法Ｈ（ｍｍ）が、チューブ内部の短径寸法Ｂ（ｍｍ）の０．３５倍以上で０．６３倍以下とすることが望ましい。このように傾斜突起部の高さ寸法Ｈとチューブ内部の短径寸法Ｂの比の値（Ｈ／Ｂ）が０．３５以上０．６３以下であれば、グラフ中の３点の「×」プロットを除く熱交換性能上好ましい条件を得ることができる。

また、図７のグラフにおいて、傾斜突起部３０の高さ寸法Ｈが０．２９ｍｍの場合と、Ｈが０．４４ｍｍかつＢが１．３８ｍｍの場合とで縦渦が確認できない結果であり、Ｈが０．６ｍｍの場合に死水域の発生が確認できた結果であった。ここで、可視化試験条件での傾斜突起部３０の幅寸法Ｗは４ｍｍだから、Ｗ／Ｈ＝４／０．６＝６．６７である。これらによれば、細長状の傾斜突起部３０における幅寸法Ｗは、傾斜突起部３０の高さ寸法Ｈの少なくとも６．６７倍以上であることが望ましい。さらに傾斜突起部３０は、Ｗ／Ｈ≧６．６７かつ０．３５≦Ｈ／Ｂ≦０．６３とする数値限定を満たす突起部であることが望ましい。

また、発明者は、傾斜突起部３０の傾斜角度θについても、数値を変化させて可視化試験を行った。この可視化試験では、傾斜角度θを除く各条件は固定とし、傾斜角度θは１０度、２０度、３０度、４０度、４５度、５０度、６０度、７０度の各数値に設定する条件とした。この可視化試験によると、θが１０度及び７０度の場合は縦渦の発生を確認できなかったが、２０度、３０度、４０度、４５度、５０度及び６０度の場合は縦渦の発生を確認できた。特に、θが４０度、４５度及び５０度の場合に明瞭な縦渦の発生を確認できたが、２０度、３０度及び６０度の場合は４０度、４５度及び５０度の場合よりもやや不鮮明な縦渦の確認であった。これらの可視化試験結果によれば、傾斜突起部の中心軸線３０１がチューブ長径方向Ｘに対して傾く傾斜角度θは、２０度以上６０度以下の範囲であることが望ましく、傾斜角度θが４０度以上５０度以下の範囲であれば、一層望ましい内部流体流れを形成することが可能になる。

また、発明者は、傾斜突起部３０の傾斜角度θについても、数値を変化させて可視化試験を行った。この可視化試験では、傾斜突起部３０のチューブ長径方向Ｘにおける長さ寸法Ｌ１とチューブ内部の長径寸法Ａの比の値（Ｌ１／Ａ）についても、数値を変化させて可視化試験を行った。この可視化試験では、Ｌ１／Ａを除く各条件を固定とし、Ｌ１／Ａは０．３、０．４、０．５、０．６、０．７の各値に設定する条件とした。この可視化試験によると、Ｌ１／Ａが０．３の場合は縦渦の発生を確認できなかったが、０．４、０．５、０．６、０．７の場合は縦渦の発生を確認できた。この可視化試験結果によれば、チューブ長径方向Ｘにおける傾斜突起部３０の長さ寸法Ｌ１は、チューブ内部の長径寸法Ａの４０パーセント以上であることが望ましい。

図８は、ラジエータ実機を用いた流量（Ｌ／ｍｉｎ）に対する放熱量（ｋＷ）の性能評価結果を示したグラフである。図９はラジエータ実機を用いた流量（Ｌ／ｍｉｎ）に対する通水抵抗（ｋＰａ）の性能評価結果を示したグラフである。図８及び図９において、白抜き菱形のドットは傾斜突起部３０が形成されていないフラットな内壁面を有する従来のチューブで行った性能結果であり、白抜き正方形のドットは円形のディンプルが形成された内壁面を有する従来のチューブで行った性能結果であり、黒塗りの正方形のドットは傾斜突起部３０が形成されたチューブ３で行った性能結果である。

図８及び図９から明らかなように、本実施形態に係るチューブ３では、ディンプルを有する従来のチューブと比較して同等の放熱量であるものの、通水抵抗（流通抵抗）については低減し、フラットな内壁面を有する従来のチューブと同等の結果となった。このように本実施形態のチューブ３によれば、流通抵抗及び放熱性能の両面において従来品に対して向上する熱交換器を提供できる。なお、このラジエータ実機を用いた性能試験における諸条件は、チューブ内部の短径寸法Ｂは１．３ｍｍ、チューブ内部の長径寸法Ａは１３．５ｍｍ、傾斜突起部３０の高さ寸法Ｈは０．４５ｍｍ、傾斜突起部３０のチューブ長径方向Ｘの長さ寸法Ｌ１は９．５ｍｍ、傾斜突起部３０の短辺の幅寸法Ｗは４ｍｍ、傾斜角度４５度、傾斜突起部３０間のピッチ寸法Ｐは７５ｍｍである。

図１０はラジエータ実機を用いた熱伝達率の性能評価結果を示したグラフである。図１１はラジエータ実機を用いたチューブ３の摩擦抵抗の性能評価結果を示したグラフである。なお、図１０中のＮｕＰｒ^−０．４は水側熱伝達率を示し、図１０及び図１１中のＲｅは水側のレイノルズ数を示している。また、図１１に示す通水抵抗の性能評価結果はチューブ以外の抵抗を除外して摩擦係数Ｆを算出したものである。

図１０及び図１１から明らかなように、本実施形態に係るチューブ３では、ディンプルを有する従来のチューブと比較して同等の熱伝達率であるものの、通水抵抗（流通抵抗）については低減する結果となった。このように本実施形態のチューブ３によれば、流通抵抗及び熱伝達率の両面において従来品に対して向上する熱交換器を提供できる。

さらに、発明者が行った熱伝達率及びチューブ内の摩擦係数に関する性能試験結果から、隣り合う傾斜突起部３０のピッチ寸法Ｐは、チューブ内部の短径寸法Ｂの２５倍以上に設定することが望ましい。

本実施形態のラジエータ１がもたらす作用効果について述べる。ラジエータ１は、扁平状の断面形状を有する複数本のチューブ３の内部を流通する冷却水と複数本のチューブ３の外部を流通する空気との間で熱交換を行う。チューブ３の内壁には、表面に曲面部３０２を有してチューブ短径方向Ｙに突出する傾斜突起部３０がチューブ長手方向Ｚに並んで複数個形成されている。複数個の傾斜突起部３０は、それぞれ平面視で細長状であり、かつチューブ長手方向Ｚに直交するチューブ長径方向Ｘに対して同じ側に傾斜した状態で配置されている。また、複数個の傾斜突起部３０は、対向した内壁面であってチューブ長径方向Ｘに平行に延びる２つのチューブ内壁面３０４のうち、少なくとも一方の内壁面に形成されていればよい。

この構成によれば、平面視で、細長状でかつチューブ長径方向Ｘに対して同じ側に傾斜する複数個の傾斜突起部３０を、チューブ内壁面３０４から突出させた状態で配置することにより、チューブ３内に圧力の低い低圧領域３０７を各傾斜突起部３０の頂面３０３に対応するように形成するとともに、この低圧領域３０７とはチューブ長径方向Ｘの反対側である傾斜突起部３０が形成されていない領域に低圧領域３０７に比較して圧力の高い高圧領域を形成することができる。すなわち、チューブ３内の流路には、チューブ長径方向Ｘに圧力勾配を形成することが可能になる。これにより、各傾斜突起部３０の頂面３０３を通過しようとする流れは、各傾斜突起部３０の頂面３０３を通過する前の上流側では全体的に低圧領域３０７（頂面３０３付近）に向かうチューブ短径方向Ｙの流速分布となり、頂面３０３を過ぎた下流側ではチューブ内壁面３０４から離れた中央部に上流側の流速分布が継続されるものの、チューブ内壁面３０４の近傍では低圧領域３０７に向かう流れが発生するため上流側とは逆向きの流速分布が発生するようになる。

したがって、傾斜突起部３０の頂面３０３を過ぎた下流側では、チューブ内壁面３０４の近傍に中央部とは逆向きの流れが生じるため、チューブ内壁面３０４の近傍には縦渦が発生する。この縦渦は、チューブ長径方向Ｘに延びる仮想の座標軸とチューブ長手方向Ｚに延びる仮想の座標軸とで作られる座標平面に平行であって互いに対向する両方のチューブ内壁面３０４の近傍に発生し得る。この縦渦の発生は、チューブ３内流れの乱れを引き起こして、いわゆる乱流状態を促進する。

さらに各傾斜突起部３０は表面に曲面部３０２を有した滑らかな外形であるため、各傾斜突起部３０を乗り越える流れは滑らかに形成されて傾斜突起部３０の近傍に流れの滞る停滞流れ域（死水域）が発生することを低減できる。これにより、チューブ３内の流通抵抗が低減されて、熱交換器の熱交換性能の向上を図ることができる。以上により、チューブ３内の乱流状態の形成及び停滞流れ域の低減によって、放熱性能の向上が図れる熱交換器を提供できる。

また、複数個の傾斜突起部３０は、チューブ長径方向Ｘに平行に延びる対向関係にあるチューブ内壁面３０４のうち、一方の内壁面にすべて形成されてことに限定されず、例えば、チューブ長手方向Ｚに並ぶ複数個の傾斜突起部３０の一部が、一方の内壁面に形成され、残部が他方の内壁面に形成されている形態であってもよい。このような形態であっても、上記と同様に、縦渦の発生及び流通抵抗の低減という作用効果により、熱交換器の放熱性能の向上が図れるのである。

（他の実施形態）
上述の実施形態では、本発明の好ましい実施形態について説明したが、本発明は上述した実施形態に何ら制限されることなく、本発明の主旨を逸脱しない範囲において種々変形して実施することが可能である。

上記実施形態において、傾斜突起部３０は、平面視で細長い平行四辺形状を呈しているが、このような平面視形状に限定されるものではない。傾斜突起部３０は、頂面３０３に対応して形成される低圧領域３０７が下流側ではチューブ長径方向Ｘ（チューブ長手方向Ｚに直交する方向）の反対側に形成できる程度に、当該低圧領域３０７がチューブ長手方向Ｚに対して傾斜するように分布し得る長さを備えていればよい。このようなことから、傾斜突起部３０は、平面視で細長状であればよいから、例えば矩形状や、細長い卵形及び楕円形、流線形状等であってもよい。

上記実施形態における各チューブ３内の傾斜突起部３０は、チューブ長手方向Ｚに間隔を設けて複数個並ぶ形態であるが、各傾斜突起部による上記の縦渦発生や死水域の低減効果が得られる限り、同じ側に傾斜する傾斜突起部３０の間に、傾斜突起部３０とは異なる他の形状の凸部や逆側に傾斜する傾斜突起部等が存在する実施形態であっても本発明が含むものである。

上記実施形態に係る傾斜突起部３０は縦断面形状が流線形状であるが、図１２に示すように縦断面形状が半円形状である傾斜突起部３０Ａをであっても、上記した傾斜突起部３０と同様の作用効果を奏するものである。図１２は、第１の変形例である傾斜突起部３０を示した側断面図である。また、傾斜突起部３０の縦断面形状は、楕円状、翼形状、その他の曲面部を有する形状でもよい。

上記実施形態に係る傾斜突起部３０は、チューブ３にプレス加工等の成形工程により、一体に形成したものであるが、この形成方法に限定するものではない。例えば傾斜突起部３０は、チューブ３とは別個の部材をチューブ内壁面３０４に固定することによって形成してもよい。

上記実施形態のチューブ３は、傾斜突起部３０がチューブ短径方向Ｙの片側の内壁面に形成されたものであるが、図１３に示すようにチューブ短径方向Ｙの両側の内壁面に傾斜突起部３０を備えたチューブ３Ａとしてもよい。このようなチューブ３Ａにおいても、上記した傾斜突起部３０と同様の作用効果を奏するものである。図１３は、両側のチューブ内壁面に傾斜突起部３０を備えた第２の変形例を示した側断面図である。この場合、第１実施形態における傾斜突起部３０の高さ寸法Ｈは、両側の各傾斜突起部３０の高さ寸法ｈ１と高さ寸法ｈ２の和に相当するものである。したがって、両側の傾斜突起部の高さ寸法を加算した値（ｈ１＋ｈ２）は、チューブ内部の短径寸法Ｂの３５パーセント以上６３パーセント以下であることが望ましい。

図１４に示すように、チューブ３内には、チューブ長径方向Ｘに複数個の傾斜突起部３０を備えるようにしてもよい。図１４は第３の変形例を示した平面図である。この傾斜突起部３０の間には、平面部３１が形成されており、内部流体とともに異物が流れてきた場合でも平面部３１に相当する部分の流路が広くなっているため、傾斜突起部３０で異物がつまって流れが滞ることを抑制できるのである。また、図１５に示すように、第３の変形例における当該複数個の傾斜突起部３０は、チューブ長手方向Ｚについて平面部３２によって所定間隔あけて配置するようにしてもよい（第４の変形例）。図１５は第４の変形例を示した平面図である。

また、図１６に示すように、第４の変形例における当該複数個の傾斜突起部３０は、上流側の傾斜突起部３０における下流側端部３０６と下流側の傾斜突起部３０における上流側端部３０５とがチューブ長手方向Ｚについて重なりあうように形成されてもよい（第５の変形例）。図１６は第５の変形例を示した平面図である。

上記実施形態のチューブ３は、図１７に示すように、平面視で下流側端部３０６から上流側端部３０５に向けて先細り状を呈する傾斜突起部３０Ｂを備えたものであってもよい。このような傾斜突起部３０Ｂにおいても、上記した傾斜突起部３０と同様の作用効果を奏するものである。図１７は、第６の変形例を示した側断面図である。

また、第６の変形例としての傾斜突起部３０Ｂは、図１８に示すように、平面視で上流側端部３０５から下流側端部３０６に向けて先細り状を呈する傾斜突起部３０Ｃとしてもよい。このような傾斜突起部３０Ｃにおいても、上記した傾斜突起部３０と同様の作用効果を奏するものである。図１８は、第７の変形例を示した側断面図である。

１…ラジエータ（熱交換器）
３…チューブ
３０…傾斜突起部（突起部）
３０１…傾斜突起部の中心軸線（突起部の中心軸）
３０２…曲面部
３０３…頂面
３０４…チューブ内壁面
３０５…上流側端部（内部流体上流側の端部）
３０６…下流側端部（内部流体下流側の端部）
Ｂ…チューブ内部の短径寸法
Ｈ…傾斜突起部の高さ寸法（突起部の高さ寸法）
Ｌ１…傾斜突起部の長径方向寸法
Ｘ…チューブ長径方向
Ｙ…チューブ短径方向
Ｚ…チューブ長手方向
θ…傾斜角度

Claims (7)

1. 扁平状の横断面形状を有する複数本のチューブ（３）の内部を流通する内部流体と、前記複数本のチューブの外部を流通する外部流体との間で熱交換を行う熱交換器であって、
   前記チューブの内壁には、表面に曲面部（３０２）を有して前記チューブ短径方向（Ｙ）に突出する突起部（３０）が前記チューブ長手方向（Ｚ）に並んで複数個形成されており、
   前記複数個の突起部は、それぞれ平面視で細長状であり、かつ前記チューブ長手方向に直交する前記チューブ長径方向（Ｘ）に対して同じ側に傾斜した状態で配置されていることを特徴とする熱交換器。
2. チューブ内壁面（３０４）から前記突起部の頂面（３０３）までの前記突起部の高さ寸法（Ｈ）は、前記チューブ内部の短径寸法（Ｂ）の３５パーセント以上６３パーセント以下であることを特徴とする請求項１に記載の熱交換器。
3. 前記細長状の突起部における幅寸法（Ｗ）は、前記チューブの内壁面から前記突起部の頂面（３０３）までの高さ寸法（Ｈ）の６．６７倍以上であることを特徴とする請求項２に記載の熱交換器。
4. 前記チューブ長径方向における前記突起部の長さ寸法（Ｌ１）は、前記チューブ内部の長径寸法（Ａ）の４０パーセント以上であることを特徴とする請求項１ないし請求項３のいずれか一項に記載の熱交換器。
5. 前記突起部の中心軸線（３０１）が前記チューブ長径方向に対して傾く傾斜角度（θ）は、２０度以上６０度以下の範囲に含まれることを特徴とする請求項１ないし請求項４のいずれか一項に記載の熱交換器。
6. 前記突起部の中心軸線（３０１）が前記チューブ長径方向に対して傾く傾斜角度（θ）は、４０度以上５０度以下の範囲に含まれることを特徴とする請求項１ないし請求項４のいずれか一項に記載の熱交換器。
7. 前記突起部における前記内部流体下流側の端部（３０６）は、さらに下流に位置する前記突起部における前記内部流体上流側の端部（３０５）に対して、前記チューブ長手方向に離間していることを特徴とする請求項１ないし請求項６のいずれか一項に記載の熱交換器。

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