JP2017003243A - 熱交換器 - Google Patents

Abstract

【課題】内部を流れる流体の圧力損失を低減しつつ、放熱性能を向上させることのできる熱交換器を提供する。
【解決手段】熱交換器は、積層配置されるチューブ１０１と、チューブ１０１の長手方向Ｂの上流側端部１０１ｂが接続される上流側ヘッダタンク１２０とを有し、チューブ１０１の内部を流れる流体と、チューブ１０１の外部を流れる流体との間で熱交換を行う。チューブ１０１の内部は、チューブ幅方向Ｃに隙間をおいて配置された複数の区画壁１０１ｃにより複数の流路に区画されている。チューブ１０１の長手方向Ｂに直交する区画壁１０１ｃの断面が、チューブ１０１の上流側端部１０１ｂにおいて直線形状を有するとともに、チューブ１０１の中間部１０１ａにおいて曲線形状を有することにより、チューブ１０１の上流側端部１０１ｂが中間部１０１ａよりも拡管されている。
【選択図】図５

Description

本発明は、チューブの内部を流れる流体と、チューブの外部を流れる流体との間で熱交換を行う熱交換器に関する。

この種の熱交換器としては、特許文献１に記載の熱交換器がある。特許文献１に記載の熱交換器は、垂直方向に沿う一対のヘッダと、一対のヘッダ間に配置される複数本のチューブとを備えている。チューブは、一対のヘッダに連通接続されている。チューブの内部には、複数の区画壁が所定の間隔を置いて形成されている。複数の区画壁により、チューブの内部が複数の冷媒通路に区画されている。この熱交換器では、一方のヘッダに流入される冷媒がチューブ内の冷媒通路を介して他方のヘッダへと流れる。その際、チューブ内の冷媒通路を流れる冷媒と、チューブの外部を流れる空気との間で熱交換が行われる。

特開２００６−３３６８７３号公報

ところで、特許文献１に記載の熱交換器のように、チューブ内に複数の区画壁が形成されている場合、区画壁のないチューブと比較すると、流路断面積が小さくなる。これが、冷媒の圧力損失を増加させる要因となっている。

本発明は、こうした実情に鑑みてなされたものであり、その目的は、内部を流れる流体の圧力損失を低減しつつ、放熱性能を向上させることのできる熱交換器を提供することにある。

上記課題を解決する熱交換器（１０）は、積層配置されるチューブ（１０１）と、チューブの長手方向の両端部（１０１ｂ，１０１ｆ）がそれぞれ接続される一対のヘッダタンク（１２０，１２１）と、を有し、チューブの内部を流れる流体と、チューブの外部を流れる流体との間で熱交換を行う。チューブの長手方向及び積層方向の両方に直交する方向をチューブの幅方向とし、チューブの長手方向において両端部の間に位置する部分を中間部（１０１ａ）とするとき、チューブの内部は、チューブの幅方向に隙間をおいて配置された複数の区画壁（１０１ｃ，１０１ｇ）により複数の流路（１０１ｅ）に区画されている。チューブの長手方向に直交する区画壁の断面が、チューブの上流側端部（１０１ｂ）において直線形状を有するとともに、チューブの中間部において曲線形状を有することにより、チューブの上流側端部が中間部よりも拡管されている。

この構成によれば、チューブの上流側端部が中間部よりも拡管されているため、ヘッダタンクからチューブの上流側端部に流入する流体の圧力損失を低減することができる。また、チューブの中間部において区画壁の断面が曲線形状を有しているため、当該区画壁が直線形状であるチューブと比較すると、チューブの伝熱面積を大きくすることができる。よって、熱交換器の放熱性能を向上させることができる。

なお、上記手段、及び特許請求の範囲に記載の括弧内の符号は、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。

本発明によれば、内部を流れる流体の圧力損失を低減しつつ、放熱性能を向上させることができる。

燃料電池の冷却システムの構成を示すブロック図である。 熱交換器の一実施形態についてその正面構造を示す正面図である。 図２のＩＩＩ−ＩＩＩ線に沿った断面構造を示す断面図である。 図２のＩＶ−ＩＶ線に沿った断面構造を示す断面図である。 図４のＶ−Ｖ線に沿った断面構造を示す断面図である。 実施形態の熱交換器について上流側ヘッダタンクとチューブとの接続方法を示す断面図である。 実施形態の熱交換器の変形例についてチューブの下流側端部周辺の断面構造を示す断面図である。 実施形態の熱交換器の他の変形例についてチューブの断面構造を示す断面図である。

以下、熱交換器の一実施形態について説明する。はじめに、図１を参照して、本実施形態の熱交換器が用いられる燃料電池の冷却システムについて説明する。

図１に示されるように、冷却システム１は、燃料電池自動車に搭載された燃料電池２を冷却するシステムである。冷却システム１は、ラジエータとして機能する熱交換器１０と、三方弁１１と、ポンプ１２とを備えている。熱交換器１０及び燃料電池２は供給管１４及び排出管１５を介して接続されている。熱交換器１０及び燃料電池２には供給管１４及び排出管１５を通じて冷媒が循環する。冷媒としては例えば水が用いられる。ポンプ１２は供給管１４の途中に設けられている。三方弁１１は排出管１５の途中に設けられている。三方弁１１にはバイパス管１６が接続されている。バイパス管１６は、熱交換器１０を迂回して供給管１４と排出管１５とを接続している。

熱交換器１０は、内部を流れる冷媒と、外部を流れる空気との間で熱交換を行うことにより冷媒を冷却する。熱交換器１０にはファン１３が設けられている。ファン１３は、熱交換器１０に空気を送ることにより熱交換器１０の放熱性能を高めている。熱交換器１０で冷却された冷媒は、ポンプ１２により供給管１４を通じて燃料電池２に供給される。燃料電池２に供給された冷媒は、燃料電池２の内部を循環することにより、燃料電池２の熱を吸収し、燃料電池２を冷却する。燃料電池２の内部を循環することで加熱された冷媒は排出管１５を通じて外部に排出される。燃料電池２から排出管１５に排出された冷媒は三方弁１１により熱交換器１０とバイパス管１６とに分配される。この際、熱交換器１０に分配された冷媒は冷却されるが、バイパス管１６に分配された冷媒は冷却されない。冷却システム１では、三方弁１１による熱交換器１０及びバイパス管１６への冷媒の分配割合、外気温、及びファン１３の風量により冷媒の温度が調整されることにより、燃料電池２の温度が制御される。

次に、図２を参照して、熱交換器１０の構造について説明する。
図２に示されるように、熱交換器１０は、コア部１００と、一対のサイドプレート１１０，１１１と、一対のヘッダタンク１２０，１２１とを備えている。

コア部１００は冷媒と空気との間で熱交換を行う部分である。コア部１００は、チューブ１０１と、フィン１０２とを有している。

チューブ１０１は、矢印Ａで示される方向に隙間をおいて積層配置されている。以下、矢印Ａで示される方向を「チューブ積層方向Ａ」と称する。チューブ１０１は、チューブ積層方向Ａに直交する方向Ｂに長手方向を有する細長い管である。チューブ１０１の長手方向Ｂに直交する断面は、チューブ積層方向Ａの長さよりも、チューブ積層方向Ａ及びチューブ長手方向Ｂの両方に直交する矢印Ｃで示される方向の長さの方が長い扁平状をなしている。以下、矢印Ｃで示される方向を「チューブ幅方向Ｃ」と称する。

チューブ１０１の内部には冷媒が流れている。チューブ１０１の長手方向の両端部は、一対のヘッダタンク１２０，１２１にそれぞれ接続されている。チューブ１０１の長手方向における両端部の間に位置する中間部１０１ａは外部に露出している。隣り合うチューブ１０１，１０１の中間部１０１ａ，１０１ａの隙間には、チューブ幅方向Ｃに沿って空気が流れる。

フィン１０２は、隣り合うチューブ１０１，１０１の中間部１０１ａ，１０１ａ間の隙間に配置されている。フィン１０２は、薄く長いアルミ板をつづら折りに加工した形状からなる、いわゆるコルゲートフィンである。フィン１０２の折り曲がり部分は、隣り合うチューブ１０１，１０１のそれぞれの外面にろう付けにより固定されている。フィン１０２は、チューブ１０１，１０１間を流れる空気との接触面積を増やすことにより、チューブ１０１の内部を流れる冷媒と空気との熱交換を促進させる。

一対のサイドプレート１１０，１１１は、チューブ積層方向Ａにおけるコア部１００の両端部に配置されている。サイドプレート１１０，１１１は、コア部１００の機械的な強度を補強している。

一対のヘッダタンク１２０，１２１は、チューブ長手方向Ｂにおけるコア部１００の両端部に配置されている。ヘッダタンク１２０，１２１は、チューブ積層方向Ａに延びる筒状の部材からなる。一方のヘッダタンク１２０には流入口１２２が形成されている。流入口１２２には排出管１５が接続される。他方のヘッダタンク１２１には排出口１２３が形成されている。排出口１２３には供給管１４が接続される。以下、ヘッダタンク１２０を「上流側ヘッダタンク」と称し、ヘッダタンク１２１を「下流側ヘッダタンク」と称する。また、チューブ１０１の長手方向Ｂの両端部のうち、上流側ヘッダタンク１２０に接続されている端部を「上流側端部」と称し、下流側ヘッダタンク１２１に接続されている端部を「下流側端部」と称する。

この熱交換器１０では、三方弁１１から排出管１５を通じて流入口１２２に流入した冷媒が上流側ヘッダタンク１２０の内部流路を通じてチューブ１０１の内部へと流れる。チューブ１０１の内部を流れる冷媒と、チューブ１０１の外部を流れる空気との間で熱交換が行われることにより、冷媒が冷却される。チューブ１０１の内部を通過することで冷却された冷媒は、下流側ヘッダタンク１２１の内部流路を通じて排出口１２３から供給管１４へと排出される。

次に、図３〜図５を参照して、チューブ１０１の構造、並びにチューブ１０１とヘッダタンク１２０，１２１との接続部分の構造について詳しく説明する。図３には、チューブ１０１の中間部１０１ａの断面構造のみが図示されている。図４には、チューブ１０１の上流側端部１０１ｂの断面構造のみが図示されている。図５には、チューブ１０１と上流側ヘッダタンク１２０との接続部分の断面構造が図示されている。

図３及び図４に示されるように、チューブ１０１の内部には、幅方向Ｃに隙間をおいて複数の区画壁１０１ｃが配置されている。区画壁１０１ｃは、チューブ１０１の外周壁１０１ｄに一体的に形成されている。より詳しくは、区画壁１０１ｃは、積層方向Ａに互いに対向するチューブ１０１の外周壁１０１ｄ，１０１ｄの間に架け渡されるように形成されている。区画壁１０１ｃにより、チューブ１０１の内部は複数の流路１０１ｅに区画されている。流路１０１ｅには冷媒が流れる。図３に拡大して示されるように、チューブ１０１の中間部１０１ａにおいて、区画壁１０１ｃのチューブ長手方向Ｂに直交する断面は、中央部が折り曲げられた屈曲形状を有している。これに対し、図４に示されるように、チューブ１０１の上流側端部１０１ｂにおいて、区画壁１０１ｃのチューブ長手方向Ｂに直交する断面は直線形状を有している。これにより、図３及び図４に示されるように、チューブ１０１の上流側端部１０１ｂにおける流路１０１ｅの幅Ｈ２は、チューブ１０１の中間部１０１ａにおける流路１０１ｅの幅Ｈ１よりも長くなっている。すなわち、図５に示されるように、チューブの上流側端部１０１ｂは中間部１０１ａよりも拡管されている。

次に、上流側ヘッダタンク１２０に対するチューブ１０１の接続方法について説明する。

まず、チューブ長手方向Ｂのすべての部分において図３に示される断面を有するチューブ１０１を押し出し成形する。その後、図６に示されるように、チューブ１０１の上流側端部１０１ｂを上流側ヘッダタンク１２０の内部に挿入する。そして、適宜の治具をチューブ１０１の上流側端部１０１ｂの内部に挿入することで、図中に破線で示されるように、チューブ１０１の中間部１０１ａの形状を維持したまま、チューブ１０１の上流側端部１０１ｂのみをチューブ積層方向Ａに延びるように変形させる。これにより、チューブ１０１の上流側端部１０１ｂにおける区画壁１０１ｃの断面が屈曲形状から直線形状に変形することで、チューブ１０１の上流側端部１０１ｂが中間部１０１ａよりも拡管し、チューブ１０１の上流側端部１０１ｂが上流側ヘッダタンク１２０に密着する。その後、ろう付けによりチューブ１０１の上流側端部１０１ｂを上流側ヘッダタンク１２０に固定することにより、上流側ヘッダタンク１２０に対するチューブ１０１の接続が完了する。

以上説明した本実施形態の熱交換器１０によれば、以下の（１）〜（５）に示される作用及び効果を得ることができる。

（１）チューブ１０１の上流側端部１０１ｂが中間部１０１ａよりも拡管されているため、上流側ヘッダタンク１２０からチューブ１０１に冷媒が流入する際の冷媒の圧力損失を低減することができる。また、上流側端部１０１ｂの区画壁１０１ｃの断面が直線形状であるため、当該区画壁１０１ｃの断面が屈曲形状である場合と比較すると、冷媒の圧力損失を低減することもできる。

（２）チューブ１０１の中間部１０１ａにおいて区画壁１０１ｃの断面が屈曲形状を有しているため、当該区画壁１０１ｃと同一の幅Ｈ１を有する直線形状の区画壁が用いられている構造と比較すると、伝熱面積を大きくすることができる。よって、熱交換器１０の熱交換性能（放熱性能）を向上させることができる。

（３）チューブ１０１の上流側端部１０１ｂを拡管することにより、チューブ１０１と上流側ヘッダタンク１２０とが密着するため、ろう付け性を向上させることができる。また、上流側ヘッダタンク１２０に対するチューブ１０１の位置ずれを抑制することができるため、熱交換器１０の寸法管理が容易になる。

（４）チューブ１０１の中間部１０１ａが拡管されていないため、隣り合うチューブ１０１，１０１間に配置されるフィン１０２の変形を抑制することができる。また、チューブ１０１の中間部１０１ａが拡管された構造と比較すると、隣り合うチューブ１０１，１０１間の隙間が広くなるため、空気の通風面積を大きくすることができる。結果的に、熱交換器１０の熱交換性能を向上させることができる。

（５）チューブ１０１が押出成形品であるため、チューブ１０１の成形の際に溶接や、ろう付けが不要となる。これにより、フラックス残渣や異物が冷媒に混入し難くなる。

なお、上記実施形態は、以下の形態にて実施することもできる。
・チューブ１０１の下流側端部１０１ｆにおいて、区画壁１０１ｃのチューブ長手方向Ｂに直交する断面が直線形状を有することにより、図７に示されるようにチューブ１０１の下流側端部１０１ｆが中間部１０１ａよりも拡管されていてもよい。これにより、チューブ１０１から下流側ヘッダタンク１２１に冷媒が流入する際の冷媒の圧力損失を低減することができる。また、上記の（２），（３）に記載の作用及び効果に準じた作用及び効果を得ることもできる。

・図８に示されるように、チューブ１０１の中間部１０１ａにおいて、区画壁１０１ｃのうちの一部の区画壁１０１ｇの断面が直線形状を有していてもよい。これにより、断面が直線形状の区画壁１０１ｇが配置されている部分では、断面が屈曲形状の区画壁１０１ｃが配置されている部分と比較すると、剛性が大きくなるため、チューブ１０１の耐圧性を高めることができる。また、この変形例では、断面が直線形状の区画壁１０１ｇをチューブ１０１の幅方向Ｃの中央部に配置することが有効である。これにより、特に変形し易いチューブ１０１の幅方向Ｃの中央部の剛性を高めることができるため、より効果的にチューブ１０１の耐圧性を高めることができる。なお、断面が直線形状の区画壁１０１ｇは、チューブ１０１の幅方向Ｃの中央部に限らず、任意の位置に配置することが可能である。

・チューブ１０１の中間部１０１ａにおけるチューブ長手方向Ｂに直交する区画壁１０１ｃの断面は屈曲形状に限らず、例えば湾曲形状（円弧形状）であってもよい。要は、チューブ１０１の中間部１０１ａにおけるチューブ長手方向Ｂに直交する区画壁１０１ｃの断面が曲線形状を有していればよい。

・実施形態の熱交換器１０の構成は、ラジエータに限らず、エバポレータやコンデンサ、ヒータコア等の各種熱交換器に適用することが可能である。その際、チューブ１０１の内部を流れる流体は冷媒に限らず、任意の流体を用いることができる。また、チューブ１０１の外部を流れる流体は空気に限らず、任意の流体を用いることができる。

・本発明は上記の具体例に限定されるものではない。すなわち、上記の具体例に、当業者が適宜設計変更を加えたものも、本発明の特徴を備えている限り、本発明の範囲に包含される。例えば、前述した各具体例が備える各要素及びその配置、材料、条件、形状、サイズ等は、例示したものに限定されるわけではなく適宜変更することができる。また、前述した実施形態が備える各要素は、技術的に可能な限りにおいて組み合わせることができ、これらを組み合わせたものも本発明の特徴を含む限り本発明の範囲に包含される。

１０：熱交換器
１０１：チューブ
１０１ａ：中間部
１０１ｂ：上流側端部
１０１ｃ，１０１ｇ：区画壁
１０１ｅ：流路
１０１ｆ：下流側端部
１０１ｇ：区画壁
１２０，１２１：ヘッダタンク

Claims (4)

1. 積層配置されるチューブ（１０１）と、前記チューブの長手方向の両端部（１０１ｂ，１０１ｆ）がそれぞれ接続される一対のヘッダタンク（１２０，１２１）と、を有し、前記チューブの内部を流れる流体と、前記チューブの外部を流れる流体との間で熱交換を行う熱交換器（１０）であって、
   前記チューブの内部は、複数の区画壁（１０１ｃ，１０１ｇ）により複数の流路（１０１ｅ）に区画され、
   前記チューブの長手方向に直交する前記区画壁の断面が、前記チューブの上流側端部（１０１ｂ）において直線形状を有するとともに、前記チューブの中間部において曲線形状を有することにより、前記チューブの上流側端部が前記中間部よりも拡管されていることを特徴とする熱交換器。
2. 請求項１に記載の熱交換器において、
   前記区画壁の前記断面が前記チューブの下流側端部（１０１ｆ）において直線形状を有することにより、前記チューブの下流側端部が前記チューブの前記中間部よりも拡管されていることを特徴とする熱交換器。
3. 請求項１又は２に記載の熱交換器において、
   前記複数の区画壁のうちの一部の区画壁（１０１ｇ）の前記断面が、前記チューブの前記中間部において直線形状を有していることを特徴とする熱交換器。
4. 請求項３に記載の熱交換器において、
   前記チューブの長手方向及び積層方向の両方に直交する方向を前記チューブの幅方向とするとき、
   前記断面が直線形状の前記区画壁は、前記チューブの幅方向の中央部に配置されていることを特徴とする熱交換器。

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