JP2015200442A - 熱交換器 - Google Patents

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遼平 杉村
Ryohei Sugimura
遼平 杉村
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充晴 稲垣
充克 斉藤
Mitsukatsu Saito
充克 斉藤
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【課題】耐チッピング性を向上させることが可能な熱交換器を提供する。【解決手段】内部を流体が流通する扁平状の扁平部109aを有するチューブ109と、チューブ109の扁平部109aに接合されたフィン110とを備え、チューブ109は流体が上下方向に流通するように配置される熱交換器において、チューブ109を引っ張り強度50MPa〜129MPaの材料から構成し、チューブ109の扁平部109aの板厚をTtとし、流体流れ方向から見た扁平部109aの長手方向において、扁平部109aの板厚が最小となる位置からフィン110の風上側端部に至るまでの長さをXとした場合に、X≧−27049?Tt3+6592.1?Tt2−565.14?Tt+21.602(X≧0)を満たすようにする。【選択図】図3

Description

本発明は、耐チッピング性を備える熱交換器に関するものである。
従来、車両用空調装置に用いられる冷媒放熱器(コンデンサ)では、コア面積を確保し易いクロスフロー型(チューブ横配列)が採用されてきたが、近年ではヒートポンプ用室外器への適用されるケースがあり、冷媒圧力損失の低減、冷媒分配及び排水性向上の観点から、ダウンフロー型(チューブ縦配列)を使用するニーズが高まっている。ところが、ダウンフロー型はクロスフロー型よりもフィンの被投影面積が大きくなるため、車両のグリル開口部を通って車両下方から飛んでくる飛来物がフィンの扁平部に衝突し易く、チューブの扁平部を破壊する新規のチッピング破壊モードが顕在化する事が近年分かってきた。
このようなチッピングに対する耐性を向上させるために、チューブ先端の板厚を確保して強度を向上させること(特許文献1)、チューブに先端に保護部材を配置し、さらにフィンをチューブから飛び出させることによりチューブを保護すること(特許文献2)が提案されている。
特開2007−931444号公報 特開2003−279278号公報
しかしながら、上記特許文献1はチューブ先端の破壊防止に注目した技術であり、チューブの扁平部でも強度向上のために板厚を確保する場合には、圧力損失の増加による性能低下及び材料費の増加を招いてしまう。また、特許文献2では単にフィンをチューブよりも飛び出させることが記載されているだけであり、耐チッピング性を確保するための仕様が明確でない。
本発明は上記点に鑑みて、耐チッピング性を向上させることが可能な熱交換器を提供することを目的とする。
上記目的を達成するため、請求項1に記載の発明では、内部を流体が流通する扁平部(109a)を有するチューブ(109)と、チューブ(109)の扁平部(109a)に接合されたフィン(110)とを備え、チューブ(109)は流体が上下方向に流通するように配置される熱交換器であって、
チューブ(109)は、引っ張り強度50MPa〜129MPaの材料から構成され、チューブ(109)の扁平部(109a)の板厚をTtとし、流体流れ方向から見た扁平部(109a)の長手方向において、扁平部(109a)の板厚が最小となる位置からフィン(110)の風上側端部に至るまでの長さをXとした場合に、X≧−27049×Tt3+6592.1×Tt2−565.14×Tt+21.602(X≧0)を満たすことを特徴としている。
これにより、飛来物の衝突速度が150km/hであった場合に、耐チッピング性を確保することができ、飛来物の衝突によってチューブ(109)が破壊されることを防止できる。この結果、チューブ板厚を厚くすることなく、耐チッピング性を確保できるので、チューブ板厚を厚くした場合のように、圧力損失の増加による性能低下及び材料費の増加を招くことがない。
なお、この欄および特許請求の範囲で記載した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ものである。
第1実施形態の冷媒放熱器が搭載される車両前端構造を示す断面図である。 第1実施形態の冷媒放熱器を示す正面図である。 図2のIII−III断面図である。 1000番台のアルミニウムからなるチューブを用いた場合の耐チッピング性を説明するためのグラフである。 3000番台のアルミニウムからなるチューブを用いた場合の耐チッピング性を説明するためのグラフである。 (a)〜(d)は、本発明の変形例に係るチューブとフィンを示す断面図である。 (a)〜(d)は、本発明の変形例に係るチューブとフィンを示す断面図である。
本発明の実施形態について図面に基づいて説明する。本実施形態は、本発明に係る熱交換器を車両の前端部に搭載される冷媒放熱器1に適用したものである。
図1に示すように、本実施形態の冷媒放熱器1とラジエータ2は、共通のフロントエンドパネル(図示せず)内に組み込まれて、送風機4とともに一体の組立構造体、すなわち、クーリングモジュールを構成している。なお、フロントエンドパネルは、冷媒放熱器1およびラジエータ2の周囲を支持するとともに冷媒放熱器1およびラジエータ2を通過する空気流をガイドするものである。
冷媒放熱器1は、冷凍サイクル(図示せず)内を循環する冷媒と空気とを熱交換して冷媒を冷却する熱交換器である。また、ラジエータ2は、エンジン3の冷却水と空気とを熱交換して冷却水を冷却する熱交換器である。ラジエータ2は、冷媒放熱器1の空気流れ下流側、すなわち車両後方側に配置されている。
ラジエータ2の車両後方側には、樹脂製のシュラウド5が設けられている。シュラウド5は、冷媒放熱器1およびラジエータ2に空気を送風する送風機4とラジエータ2との隙間を閉塞して送風機4にて誘起された空気流が冷媒放熱器1およびラジエータ2を迂回して流れることを防止する機能と、送風機4を支持する機能とを有している。
送風機4は、冷媒放熱器1およびラジエータ2に向けて空気(外気)を送風する送風手段である。送風機4は、軸流ファンを電動モータにて駆動する電動送風機である。
また、冷媒放熱器1およびラジエータ2は、車両の前端部、換言すると、エンジン3あるいはトランスミッションが搭載されるエンジンルーム3aの前端部においてバンパーリーンフォース6の車両後方側に搭載されている。
ここで、バンパーリーンフォース6とは、車両の前端部にて車両幅方向に延びて車両前面側からの衝突力を吸収する梁状のものである。バンパーリーンフォース6の車両幅方向の左右両端部は応力吸収部(図示せず)を介して車両ボディのサイドメンバー(図示せず)に連結される。この応力吸収部は、一般にクラッシュボックスと称され、衝突力により容易に変形可能な部材である。
このバンパーリーンフォース6の前面側には、樹脂製の意匠部品としてのバンパーカバー6aが配置されている。このバンパーカバー6aにより、バンパーリーンフォース6の前面側が覆われている。
冷媒放熱器1、ラジエータ2およびエンジン3等が搭載されるエンジンルーム3aの上方側開口部は、蓋部材をなすエンジンフード(ボンネット)7によって閉塞されている。エンジンルーム3aの下方側は、アンダーカバー8により概略覆われている。
バンパーリーンフォース6の上方側および下方側には、それぞれ車両前方開口部9、10が設けられている。上方側の第1車両前方開口部9および下方側の第2車両前方開口部10は、冷媒放熱器1およびラジエータ2を冷却する空気を導入するために設けられている。
次に、本実施形態の冷媒放熱器1について説明する。図2に示すように、本実施形態の冷媒放熱器1は、冷媒が上方から下方に向かって流れるダウンフロー型の熱交換器として構成されている。冷媒放熱器1は、冷媒と空気とを熱交換する略矩形状のコア部100が設けられており、コア部100の鉛直方向上側には上側タンク101が設けられ、コア部100の鉛直方向下側には下側タンク102が設けられている。
コア部100の水平方向両端部には、コア部100を補強するためのサイドプレート103、104が設けられている。上側タンク101の両端には、冷媒放熱器1を車両前端部の支持部材(図示せず)に取り付けるための取付ブラケット105、106が設けられている。下側タンク102の冷媒入口と冷媒出口には、それぞれ冷媒配管(図示せず)と接続するためのコネクタ107、108が設けられている。
コア部100は、冷媒が流れる配管であるチューブ109を有している。本実施形態の冷媒放熱器1はダウンフロー型の熱交換器であるので、チューブ109は長手方向が鉛直方向となるように配置される。チューブ109の両端部は、上側タンク101と下側タンク102に連通している。そして、複数のチューブ109が水平方向に並んで配置されている。
チューブ109は、扁平状に形成された扁平チューブとして構成され、長径方向が送風空気の流通方向(図3の紙面垂直方向)と一致するようになっている。チューブ109の両側の扁平面には、伝熱面積を増大させて冷媒と空気との熱交換を促進するためのフィン110が接合されている。フィン110は、波状に成形されたコルゲートフィンとして構成されており、所定のフィンピッチFpを有している。
本実施形態では、チューブ109として、引っ張り強度50MPa〜129MPaの材料である1000番台のアルミニウム、または引っ張り強度130MPa〜250MPaの材料である3000番台のアルミニウムを用いている。
図3に示すように、チューブ109は、扁平面を構成する2枚の対向配置された扁平部109aと、2枚の平板部109aに跨るように配置された仕切り部109bと、仕切り部109bによって区画され、内部を冷媒が流れる冷媒流通部109cと、2枚の扁平部109aの両端を繋ぐように湾曲した端部109d、109eとを備えている。冷媒流通部109cでは、図3の紙面垂直方向に冷媒が流れるようになっている。
フィン110は、チューブ109の扁平部109aに接合されている。フィン110の表面には、熱交換性能を向上させるために、複数のルーバが切り起こし形成されている。
チューブ109は、押し出し成形または板材料を折り曲げる板曲げ成形によって製造することができる。チューブ109の扁平部109aの板厚Ttは、耐食性および耐圧性の点から0.1mm以上であることが望ましい。
ここで、フィン110の車両前方側端部(風上側端部)の長さX(以下、「フィン前端長さX」という。)と耐チッピング性の関係について説明する。フィン前端長さXは、冷媒流れ方向(図3の紙面垂直方向)から見た扁平部109aの長手方向(図3の紙面上下方向)において、チューブ109の扁平部109aの板厚Tt(以下、「チューブ板厚Tt」という。)が最小となる位置Aからフィン風上側端部Bに至るまでの長さとして定義される。チューブ板厚Ttが最小となる箇所が複数存在する場合には、フィン風上側端部Bの最も近くでチューブ板厚Ttが最小となる位置をAとする。
本実施形態では、車両走行時に1グラム相当の小石が冷媒放熱器1に衝突した際の耐ピッチング性を確保するために必要なチューブ板厚Ttとフィン前端長さXを設定している。
図4、図5は、160、170、180、190、200km/hの各衝突速度において、チッピングによる破壊に基づくチューブ109から冷媒の漏れを防止可能なチューブ板厚Ttとフィン前端長さXとの関係を示している。衝突速度は、車両前方からの飛来物が冷媒放熱器1に衝突する際の速度であり、例えば車速が100kmで、飛来物が50km/hで飛来する場合には、衝突速度が150km/hとなる。図4はチューブ109に1000番台のアルミニウムを用いた場合を示し、図5はチューブ109に3000番台のアルミニウムを用いた場合を示している。
図4、図5のグラフは、耐チッピングを確保可能なチューブ板厚Ttとフィン前端長さXとの組合わせを実験によって数点取得し、これらの点に基づいて算出した近似曲線を示している。図4、図5では、グラフの左側領域がチッピングによる破壊でチューブ109から冷媒漏れが発生する領域を示し、グラフの右側領域がチッピングによる破壊でチューブ109からの冷媒漏れが発生しない領域を示している。
図4、図5に示すように、チューブ板厚Ttが薄いほど、耐チッピング性を確保するために必要なフィン前端長さXが長くなり、チューブ板厚Ttが厚いほど、耐チッピング性を確保するために必要なフィン前端長さXが短くなる。
次に、図4、図5に示す近似曲線を数式化することで、所定の衝突速度において耐チッピング性を確保可能なチューブ板厚Ttとフィン前端長さXとの関係を説明する。
チューブ109に1000番台のアルミニウムを用いた場合において、150km/hの衝突速度で耐チッピング性を確保するためには、チューブ板厚Ttとフィン前端長さXとの関係が以下の数式1の関係を満たせばよい。
(数1)
X≧−27049×Tt3+6592.1×Tt2−565.14×Tt+21.602(X≧0)
また、チューブ109に1000番台のアルミニウムを用いた場合において、180km/hの衝突速度で耐チッピング性を確保するためには、チューブ板厚Ttとフィン前端長さXとの関係が以下の数式2の関係を満たせばよい。
(数2)
X≧−206695×Tt4+73272×Tt3−9927.5×Tt2+581.32×Tt−6.3772(X≧0)
また、チューブ109に1000番台のアルミニウムを用いた場合において、200km/hの衝突速度で耐チッピング性を確保するためには、チューブ板厚Ttとフィン前端長さXとの関係が以下の数式3の関係を満たせばよい。
(数3)
X≧−141056×Tt4+47538×Tt3−5265.6×Tt2+144.66×Tt−10.577(X≧0)
また、チューブ109に3000番台のアルミニウムを用いた場合において、150km/hの衝突速度で耐チッピング性を確保するためには、チューブ板厚Ttとフィン前端長さXとの関係が以下の数式4の関係を満たせばよい。
(数4)
X≧−8014.6×Tt3+2929.8×Tt2−376.76×Tt+21.602(X≧0)
以上説明した本実施形態の冷媒放熱器1では、チューブ板厚Ttとフィン前端長さXが上述した各数式の関係を満たすことで、熱交換器のダウンフロー化に伴って顕在化する新規なチッピング破壊モードに対して、チューブ109の破壊を防止して冷媒漏れを防ぐことができる。本実施形態の構成によれば、チューブ板厚Ttを厚くすることなく、耐チッピング性を確保できるので、チューブ板厚Ttを厚くした場合のように、圧力損失の増加による性能低下及び材料費の増加を招くことがない。
(他の実施形態)
本発明は上述の実施形態に限定されることなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲内で、以下のように種々変形可能である。
例えば、冷媒放熱器1のチューブ109の断面形状は、上記実施形態の構成に限定されることなく異なる態様とすることができる。図6、図7は、冷媒放熱器1のチューブ109の断面形状を異ならせた本発明の変形例を示している。
図6(a)、図6(b)は、チューブ109の冷媒流通部109cを円形断面とした例を示している。図6(a)、図6(b)の構成においても、チューブ板厚Ttとフィン前端長さXとの関係を上述した数式1〜4の関係を満たすようにすることで、耐チッピング性を確保することができる。また、図6(b)に示すように、チューブ板厚Ttが最小となる位置Aとチューブ前端部109dとの間の距離が長くなっている構成では、チューブ前端部109dによって車両下方から飛んでくる飛来物に対する強度を確保できるので、フィン風上側端部Bをチューブ前端部109dから突出させる必要がない。
図6(c)、図6(d)に示す例では、チューブ板厚Ttが最小となる位置Aとチューブ前端部109dとの間の距離が短くなっている。図6(c)、図6(d)の構成においても、チューブ板厚Ttとフィン前端長さXとの関係を上述した数式1〜4の関係を満たすようにすることで、耐チッピング性を確保することができる。図6(c)、図6(d)に示す例では、チューブ前端部109dによって車両下方から飛んでくる飛来物に対する強度を充分に確保できないので、フィン風上側端部Bのチューブ前端部109dからの突出量を大きくする必要がある。
図7(a)は、チューブ109の内部に仕切り部109bが設けられておらず、冷媒流通部109cが1つだけ設けられている例を示している。また、図7(b)は、チューブ109の内部にインナーフィン109fが設けられている例を示している。図7(b)のインナーフィン109fを設ける構成は、板成形によって得ることができる。図7(a)、図7(b)の構成においても、チューブ板厚Ttとフィン前端長さXとの関係を上述した数式1〜4の関係を満たすようにすることで、耐チッピング性を確保することができる。
図7(c)は、フィン110の車両後方側(風下側)の端部を短くした例を示している。図7(c)の構成においても、チューブ板厚Ttとフィン前端長さXとの関係を上述した数式1〜4の関係を満たすようにすることで、耐チッピング性を確保することができる。また、図7(c)のように、フィン110の車両後方側(風下側)の端部を短くすることで、チューブ109やフィン110の表面に水滴が付着した場合に、排水性を向上させることができる。
図7(d)は、チューブ109の表面を凹凸形状にしたディンプルチューブを用いた例を示している。図7(d)の構成においても、チューブ板厚Ttとフィン前端長さXとの関係を上述した数式1〜4の関係を満たすようにすることで、耐チッピング性を確保することができる。
また、上記実施形態では、フィン110の全面にルーバを設けたが、これに限らず、フィン110のおけるチューブ板厚Ttが最小となる位置Aからフィン風上側端部Bまでの領域(フィン110の長さXに対応する領域)には、ルーバを設けないようにしてもよい。これにより、フィン110におけるチューブ109の扁平部109aに対応する部位で熱交換性能を確保しつつ、フィン110の風上側にルーバを設けないことで、車両下方から飛んでくる飛来物に対する強度を向上させ、耐チッピング性を高めることができる。
また、上記実施形態の冷媒放熱器1をヒートポンプ用室外器として適用する場合には、夏季の冷媒凝縮性能を低下させることなく、冬季の着霜による蒸発器としての性能低下を効果的に抑制することができる。
1 冷媒放熱器(熱交換器)
100 コア部
109 チューブ
109a 平板部
110 フィン

Claims (7)

  1. 内部を流体が流通する扁平部(109a)を有するチューブ(109)と、前記チューブ(109)の扁平部(109a)に接合されたフィン(110)とを備え、前記チューブ(109)は流体が上下方向に流通するように配置される熱交換器であって、
    前記チューブ(109)は、引っ張り強度50MPa〜129MPaの材料から構成され、
    前記チューブ(109)の扁平部(109a)の板厚をTtとし、流体流れ方向から見た前記扁平部(109a)の長手方向において、前記扁平部(109a)の板厚が最小となる位置から前記フィン(110)の風上側端部に至るまでの長さをXとした場合に、
    X≧−27049×Tt3+6592.1×Tt2−565.14×Tt+21.602(X≧0)
    を満たすことを特徴とする熱交換器。
  2. 前記扁平部(109a)の板厚Ttと、前記フィン(110)の長さXとの関係が、
    X≧−206695×Tt4+73272×Tt3−9927.5×Tt2+581.32×Tt−6.3772(X≧0)
    を満たすことを特徴とする請求項1に記載の熱交換器。
  3. 前記扁平部(109a)の板厚Ttと、前記フィン(110)の長さXとの関係が、
    X≧−141056×Tt4+47538×Tt3−5265.6×Tt2+144.66×Tt−10.577(X≧0)
    を満たすことを特徴とする請求項1に記載の熱交換器。
  4. 前記チューブ(109)は押出成形によって製造されることを特徴とする請求項1ないし3のいずれか1つに記載の熱交換器。
  5. 内部を流体が流通する扁平部(109a)を有するチューブ(109)と、前記チューブ(109)の扁平部(109a)に接合されたフィン(110)とを備え、前記チューブ(109)は流体が上下方向に流通するように配置される熱交換器であって、
    前記チューブ(109)は、引っ張り強度130MPa〜250MPaの材料から構成され、
    前記チューブ(109)の扁平部(109a)の板厚をTtとし、流体流れ方向から見た前記扁平部(109a)の長手方向において、前記扁平部(109a)の板厚が最小となる位置から前記フィン(110)の風上側端部に至るまでの長さをXとした場合に、
    X≧−8014.6×Tt3+2929.8×Tt2−376.76×Tt+21.602(X≧0)
    を満たすことを特徴とする熱交換器。
  6. 前記チューブ(109)は板材料を折り曲げて成形されることを特徴とする請求項5に記載の熱交換器。
  7. 前記フィン(110)には、複数のルーバが切り起こし形成されており、
    前記フィン(110)における風上側端部から長さXまでの部分には、前記ルーバが設けられていないことを特徴とする請求項1ないし6のいずれか1つに記載の熱交換器。
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