JP2014142086A - 熱交換器 - Google Patents

Abstract

【課題】加工時間を短くすることができる熱交換器を提供する。
【解決手段】チューブ１０の表面には複数の突起１２が一体に形成されている。このような突起１２は、切り起こし方向に切り起こされ、チューブ１０と一体に形成されている。また切り起こし方向に隣接する突起１２の間には、隣接する２つの突起１２のうち切り起こし方向に位置する突起１２の切り起こし始めの部位が位置している。
【選択図】図６

Description

本発明は、表面積を拡大するための突起を有する熱交換器に関する。

従来、ヒートシンクの放熱性能向上のため、ヒートシンクにフィンを形成する技術が開示されている（たとえば特許文献１参照）。特許文献１では、部材に予め溝成形を行うなどして凸部を形成し、凸部を１枚（山）ずつ切起こしてフィンを形成している。

特開２００１−１０２７８２号公報

前述の特許文献１に記載の技術では、部材に予め溝を成形しておく必要がある。したがって溝を形成する加工時間が必要になり、加工時間が長くなるという問題がある。また１枚ずつ切起こしてフィンを形成するので、切り起こしのための加工時間も多く必要であり、加工時間が長くなるという問題がある。このように特許文献１に記載の技術では、生産性が低くなるという問題がある。

そこで、本発明は前述の問題点を鑑みてなされたものであり、加工時間を短くすることができる熱交換器を提供することを目的とする。

本発明は前述の目的を達成するために以下の技術的手段を採用する。

請求項１に記載の発明では、基体（１０）と、
基体の表面を、基体の表面に沿った切り起こし方向に切り起こして、基体と一体に形成されている複数の突起（１２）と、を含み、
基体における切り起こし方向に隣接する突起の根本部（１２ａ）の間には、隣接する２つの突起のうち切り起こし方向に位置する突起の切り起こし始めの部位（１２ｂ）が位置していることを特徴とする熱交換器である。

請求項１に記載の発明に従えば、基体には複数の突起が一体に形成されている。複数の突起を有するので、基体の表面積を突起がない場合よりも多くすることができる。したがって熱交換性能を向上することができる。このような突起は、基体の表面に沿った切り起こし方向に切り起こして、基体と一体に形成されている。したがって従来技術のように溝加工などの前加工を必要とせず、基体の表面を直接切り起こして形成することができる。基体における切り起こし方向に隣接する突起の間は、隣接する２つの突起のうち切り起こし方向に位置する突起の切り起こし始めの部位が位置している。したがって各突起は、切り起こされる部分が重複してなく独立している。このように本発明では、前加工が必要なく、複数の突起を同時に加工することができる。これによって加工時間を短くすることができる。

また請求項２に記載の発明では、複数の突起は、切り起こし方向に１列に配列された複数の突起が、複数列にわたって形成されていることを特徴とする。

請求項２に記載の発明に従えば、複数の突起は、切り起こし方向に１列に配列された複数の突起が、複数列にわたって形成されている。複数列にわたって形成しているので、切り起こし方向がばらばらに加工するよりも、加工を容易にすることができる。

さらに請求項３に記載の発明では、複数の突起は、複数の切削部（２２）を有する加工手段（２０）によって形成されており、
各突起は、それぞれ１つの切削部によって切り起こされていることを特徴とする。

請求項３に記載の発明に従えば、各突起は前述のように重複してないので、突起を１つの切削部によって切り起こすことによって形成することができる。また複数の切削部を有する加工手段によって形成されているので、加工時間が短い熱交換器を実現することができる。

さらに請求項４に記載の発明では、複数の突起は、切り起こし方向に１列に配列された複数の突起が、複数列にわたって形成されており、
切り起こし方向に直交する配列方向に隣接する列の突起は、切り起こし方向にずれて配置されて、隣接する列の突起が配列方向に重ならないように設けられていることを特徴とする。

請求項４に記載の発明に従えば、切り起こし方向に直交する配列方向に隣接する列の突起は、切り起こし方向にずれて配置されて、隣接する列の突起が配列方向に重ならないように設けられている。したがって突起を切り起こされた部位に、突起を隣接することができる。これによって基体の表面において切り起こされる部位を多くとることができる。したがってより多くの突起を形成することができ、熱交換性能を向上することができる。

さらに請求項５に記載の発明では、基体（１０）は内部を熱交換媒体が流れる流路が形成されたチューブ（１０）であり、切り起こし方向は、チューブの外側を通過する空気の流れ方向に沿って形成されていることを特徴とする。

請求項５に記載の発明に従えば、切り起こし方向は、基体の表面を熱交換のために流れる流体の流れ方向に沿っているので、沿っていない場合に比べて、突起に衝突する流体を多くすることができる。これによって熱交換性能をさらに向上することができる。

なお、前述の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一例である。

第１実施形態の熱交換器１０を示す斜視図である。 突起１２の配列の一例を示す平面図である。 突起１２の配列の他の例を示す平面図である。 積層刃具２０を示す斜視図である。 加工する際の積層刃具２０を示す斜視図である。 加工時の積層刃具２０を示す側面図である。 熱交換器１０の一例示す図である。 熱交換器１０の他の例を示す図である。 風速と熱伝達率との関係の一例を示すグラフである。 風速と通風抵抗との関係の一例を示すグラフである。

（第１実施形態）
本発明の第１実施形態に関して、図１〜図１０を用いて説明する。図１は、第１実施形態のチューブ１０（基体）を示す斜視図である。チューブ１０は、たとえば冷媒と外気とを熱交換させる自動車用の熱交換器（図示しない）に用いられるものであり、外部を空気が流れ、内部を熱交換媒体が流れる管状部材である。熱交換器は、積層された複数本のチューブ１０と、各チューブ１０の両端部に接続されたタンク（図示しない）を有し、送風手段の下流側の空間、および車両の走行風が発生する車両の前方側の空間などに配される。チューブ１０は断面扁平形状を有しており、その内部には冷媒が流れる冷媒流路１１が形成される。チューブ１０の扁平面には複数の突起１２が形成される。空気は、チューブ断面の長辺方向に流れる。図１では、理解を容易にするため突起１２を簡略化して示している。

チューブ１０は伝熱性に優れる材料、たとえばアルミニウムおよびアルミニウム合金から成る。突起１２は、チューブ１０の扁平面の板厚方向の一部が切り起こされることによって形成されたものであり、チューブ１０に一体に設けられている。突起１２は、冷媒流路１１を流れる冷媒と外気との熱交換を促進させる手段として機能する。複数の突起１２は、チューブ１０の表面を、チューブ１０の幅方向の一方側（図１の紙面奥側）からチューブ１０の幅方向の他方側（図１の紙面手前側）へと切り起こすことによって形成され、その切り起こし方向において湾曲した、舌状またはピン状を有する。なお、本実施形態において、切り起こすとは、切削部などの加工手段によって、チューブ１０の表面を直接加工し、表面の一部を切削して突起１２を形成することである。

次に、突起１２の配列に関して説明する。図２は、突起１２の配列の一例を示す平面図である。図３は、突起１２の配列の他の例を示す平面図である。図２および図３では、紙面の左右方向が空気の流れ方向であり、切り起こし方向でもある。また図２および図３では、理解を容易にするため突起１２がある位置を矩形（実線）によって示している。また切り起こされている部分は、仮想線を用いて示している。複数の突起１２は、切り起こし方向に１列に配列された複数の突起１２が、切り起こし方向に直交する上下の配列方向に複数列にわたって形成されている。

図２に示す配列では、空気流れ方向と交差する向き（図２中上下方向）に隣接する列に形成される突起１２は、空気流れ方向において同じ位置となるように形成される。そのため、隣接する列同士の間には外気を通過させるために所定の間隔が必要となる。

図３に示す配列では、空気流れ方向と交差する向き（図３中上下方向）に隣接する列に形成される突起１２は、空気流れ方向にずれて形成されており、いわゆる千鳥状に配置されている。そのため、図３に示す例では、空気流れ方向と交差する向きに隣接する列に形成された突起１２の間に、空気流れ方向においても間隔をあけることができ、この間を外気が通過できるので、空気流れ方向と交差する向きに隣接する列同士の間隔を小さくすることができる。そのため、図２に図示した配列に比べて、突起１２を密に形成することができる。また、突起１２を通過する際に、外気流れを乱すことができ、熱伝達率を向上させることができる。また格子配列（碁盤目状）の加工した場合、未加工部に余肉が残るが、千鳥配列とすることで余肉が残らず、チューブ１０を平滑にできる。したがって抵抗（圧損）の上昇に対して有利である。

次に、突起１２の形成方法に関して説明する。図４は、積層刃具２０を示す斜視図である。図４に示す積層刃具２０は、図３に示す千鳥状の配列の突起１２を形成するための加工手段である。積層刃具２０は、複数の刃具２１を、複数積層して構成される。１つの刃具２１には、複数の切削部２２（本実施形態では４つの切削部）を有する。切削部２２は、チューブ１０の表面を切り起こして１つの突起１２を形成するためのものである。したがって１つの切削部２２の幅は、形成された突起１２の幅となる。隣接する刃具２１の切削部２２の位置が切り起こし方向においてずれ、千鳥状となるように、刃具２１を複数積層する（本実施形態では１２枚）ことによって積層刃具２０は構成される。したがって４８個（４つ×１２枚）の突起１２を同時に形成することができる。また１枚の刃具２１の中に複数の切削部２２を設けることで、多列を同時に加工することができる。

図５は、チューブ１０の扁平面を加工する際の積層刃具２０を示す斜視図である。図５に示すように、チューブ１０の扁平面上において、積層刃具２０チューブ１０の幅方向（図５中矢印方向）に変位させることによって、チューブ１０の表面の一部が切り起こされ、突起１２が形成される。図５に示す例では、積層刃具２０の長さが、チューブ１０の幅よりも大きい。したがって積層刃具２０を順次、チューブ１０の長さ方向に変位させて、加工することにより効率良く加工面の全域に突起１２を形成することができる。

図６は、加工時の積層刃具２０を示す側面図である。図６では、２枚の刃具２１の一部を示している。図６に示すように、積層刃具２０の端部をチューブ１０の表面に対して斜め下方に一旦押し付けて、その後、切り起こし方向に変位させることによって、突起１２は切り起こされる。切り起こし方向において、積層刃具２０には複数個の切削部２２が形成されており、これによって複数の突起１２を一度に形成することができる。

またチューブ１０の切り起こし方向に隣接する突起１２の根本部１２ａの間には、隣接する２つの突起１２のうち、切り起こし方向前方に位置する突起１２（図６の左方側に位置する突起１２）の切り起こし始めの部位１２ｂが位置している。切り起こし始めの部位１２ｂは、切り起こされた突起１２の先端部１２ｃに対応している。また突起１２の高さは、積層刃具２０の加工方向への移動距離と略同等である。切削部２２の先端の角度などは、チューブ１０の材質、突起１２の形状などによって適宜選択される。

次に、切り起こし方向と流れ方向との関係に関して説明する。図７は、空気流れ方向と同一の方向に複数の突起１２を切り起こしたチューブ１０を示す図であり、図８は空気流れ方向と交差する方向（図８中右から左）に複数の突起１２を切り起こしたチューブ１０を示す図である。なお、図７および図８では、突起１２を簡略化して示す。また、図７および図８で示す矢印は、空気の流れ方向であり、紙面の手前から奥に向かって空気が流れていることを示している。そのため、図７に図示された突起１２は、紙面手前から奥側に向けて切り起こされているため、紙面手前から奥側にむけて湾曲した形状を有している。また図７および図８では、図５で示した管部材の上面および下面に複数の突起１２が形成されている。

図９は、風速と熱伝達率との関係の一例を示すグラフである。図１０は、風速と通風抵抗との関係の一例を示すグラフである。図９および図１０にて、直立ピンとは、図７に示す状態であり、カールピンとは図８に示す状態である。図９に示すように、直立ピンの方が、同一の風速の場合に熱伝達率が高いことがわかる。また図１０に示すように、直立ピンとカールピンとでは、通風抵抗が略同等ということがわかる。したがって切り起こし方向と流れ方向とが同一の場合、通風抵抗が略同等であり、熱伝達率が高いことがわかる。

以上説明したように本実施形態のチューブ１０には、複数の突起１２が形成されているので、伝熱面積を突起１２がない場合よりも多くすることができる。したがって熱交換性能を向上することができる。突起１２はチューブ１０の表面の一部を、切り起こし方向に切り起こして形成されているため、従来技術のように溝加工などの前加工を必要とせず、突起１２を形成することができる。前加工を必要としないため、任意の方向に突起１２を切起こすことができる。またチューブ１０における切り起こし方向に隣接する突起１２の間は、隣接する２つの突起１２のうち切り起こし方向に位置する突起１２が切り起こされている部位を含む。したがって各突起１２は、それぞれチューブ１０の表面を独立して切り起こしていることになる。換言すると、各突起１２は、切り起こされる部分が重複してなく独立している。このように複数の突起１２は、同時に加工して形成することができるので、加工時間を短くすることができる。また各突起１２は、独立しているので、形状の管理が容易となる。これによって所望の強度を確保することができる。

また本実施形態では、複数の突起１２は、切り起こし方向に１列に配列された複数の突起１２が、複数列にわたって形成されている。複数列にわたって形成しているので、切り起こし方向をばらばらに加工するよりも、加工を容易にすることができる。

さらに本実施形態では、各突起１２は前述のように重複してないので、突起１２を１つの切削部２２によって切り起こすことによって形成することができる。また複数の切削部２２を有する加工手段によって形成されているので、突起１２の加工時間を短くすることができる。

また本実施形態の図３に示す例では、隣接する列の突起１２は、切り起こし方向においてずれた位置に形成されており、これによって突起１２を通過する空気流れを乱すことができ、熱交換性能を向上することができる。

さらに本実施形態の図７に示すように、突起１２を外気の流れる方向と同じ方向に突起１２を切り起こすことによって、外気の流れる方向と交差する方向に切り起こした場合に比べて、突起１２に衝突する流体を多くすることができる。これによって熱交換性能をさらに向上することができる。

（その他の実施形態）
以上、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。

前述の第１実施形態では、チューブ１０の表面に複数の突起１２を一体形成した熱交換器に本発明を適用した実施形態について述べたが、自動車用に限るものではなく、冷媒流路１１がない電子部品のヒートシンクなどの熱交換器にも適用できる。また、複数の突起が形成される基体はチューブ１０のような管部材に限るものではなく、円柱の表面であってもよく、形状を限定するものでない。

１０…チューブ（基体）
１１…冷媒流路
１２…突起
１２ａ…根本部
１２ｂ…切り起こし始めの部位
２０…積層刃具（加工手段）
２１…刃具
２２…切削部

Claims (5)

1. 基体（１０）と、
   前記基体の表面を、前記基体の表面に沿った切り起こし方向に切り起こして、前記基体と一体に形成されている複数の突起（１２）と、を含み、
   前記基体における前記切り起こし方向に隣接する前記突起の根本部（１２ａ）の間には、前記隣接する２つの突起のうち前記切り起こし方向に位置する突起の切り起こし始めの部位（１２ｂ）が位置していることを特徴とする熱交換器。
2. 前記複数の突起は、前記切り起こし方向に１列に配列された複数の突起が、複数列にわたって形成さ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. 前記複数の突起は、複数の切削部（２２）を有する加工手段（２０）によって形成されており、
   前記各突起は、それぞれ１つの前記切削部によって切り起こ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. 前記複数の突起は、前記切り起こし方向に１列に配列された複数の突起が、複数列にわたって形成されており、
   前記切り起こし方向に直交する配列方向に隣接する列の突起は、前記切り起こし方向にずれて配置されて、前記隣接する列の突起が前記配列方向に重ならないように設けられていることを特徴とする請求項１〜３のいずれか１つに記載の熱交換器。
5. 内部を熱交換媒体が流れる流路が形成されたチューブ（１０）を有し、
   前記切り起こし方向は、前記チューブの外側を通過する空気の流れ方向に沿って形成されていることを特徴とする請求項１〜４のいずれか１つに記載の熱交換器。

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