JP2017040446A - 熱交換器 - Google Patents

Abstract

【課題】空気抵抗を低減することが可能な熱交換器を提供する。【解決手段】本発明の一の態様によれば、冷却液が流通されるチューブ２と、チューブに取り付けられたフィン３と、フィンに一体に設けられたルーバ４とを備える熱交換器であって、少なくともルーバとフィンの接続部を、線膨張係数の異なる複数の金属１１，１２による多層構造としたことを特徴とする熱交換器が提供される。【選択図】図４

Description

本発明は、車両用ラジエータ等に使用される熱交換器に関する。

一般に車両用ラジエータは、上下または左右一対のヘッダを複数のチューブで連結し、これらヘッダおよびチューブ内に冷却液であるエンジン冷却水を流通させると共に、チューブに放熱用フィンを取り付け、チューブおよびフィンに供給される冷却風により冷却水を冷却するようになっている。またフィンにはルーバが一体形成され、フィンの放熱効率を高めている。

実開昭５９−１２０３７５号公報

ルーバは、フィン表面から突出するよう傾斜され、冷却風を受けてそれを案内すると共に、ラジエータ内での冷却風の通過距離を長くしてラジエータの熱交換効率を向上させる。しかし従来、ルーバの傾斜角は一定であり、ルーバはフィン表面から常に突出されている。このため、冷却水ひいてはエンジンの冷却要求度が低いときにはルーバが却って冷却風の通過を妨げ、空気抵抗を増加させる原因となる。

そこで本発明は、かかる事情に鑑みて創案され、その目的は、空気抵抗を低減することが可能な熱交換器を提供することにある。

本発明の一の態様によれば、
冷却液が流通されるチューブと、前記チューブに取り付けられたフィンと、前記フィンに一体に設けられたルーバとを備える熱交換器であって、
少なくとも前記ルーバと前記フィンの接続部を、線膨張係数の異なる複数の金属による多層構造としたことを特徴とする熱交換器が提供される。

好ましくは、前記ルーバと前記フィンの全体が多層構造とされる。

好ましくは、前記フィンがコ字状もしくはＵ字状の切り込みを有し、前記切り込みの内側部分が前記ルーバをなす。

本発明によれば、空気抵抗を低減できるという優れた効果が発揮される。

本発明の実施形態に係る熱交換器の部分平面断面図である。 図１のＩＩ部詳細を示す部分平面断面図である。 図１のＩＩ部詳細を示す側面断面図である。 傾斜位置にあるルーバを示す側面断面図である。 ルーバが初期位置にあるときのフィンを示す側面断面図である。 ルーバが傾斜位置にあるときのフィンを示す側面断面図である。

以下、添付図面を参照して本発明の実施形態を説明する。

図１は、本実施形態に係る熱交換器の部分平面断面図である。本実施形態の熱交換器は車両用であり、特にエンジン冷却水を冷却するための車両用ラジエータ１として構成されている。その前後左右上下方向は図示する通りであり、これら各方向は車両の各方向に対応する。符号Ｆは車両走行時にラジエータ１が受ける冷却風ないし走行風の向きを示す。ラジエータ１は車両の前端部、特にフロントグリルの裏側ないし直後の位置に設置される。但しラジエータ１の設置位置は任意である。

本実施形態のラジエータ１は、冷却液であるエンジン冷却水を概ね上から下に流す所謂ダウンフロー式のものである。しかしながら本発明は、冷却水を概ね水平に流す所謂クロスフロー式ラジエータにも適用可能である。ラジエータ１は、図示しないアッパタンク（上部ヘッダ）およびロアタンク（下部ヘッダ）と、これらを連結する複数（二つのみ図示）のチューブ２と、チューブ２に取り付けられた複数（一つのみ図示）のフィン３と、フィン３に一体に設けられた複数のルーバ４とを備える。

チューブ２は、上下方向に延びてアッパタンクおよびロアタンクに連通接続され、アッパタンクからロアタンクへと冷却水を流通させる。またチューブ２は、図示の如く前後方向に長い断面形状を有し、左右方向に複数整列して設けられる。隣り合う二つのチューブ２間にフィン３が配置され、フィン３の左右両端縁部が隣接する各チューブ２にろう付け等により固着される。本実施形態のフィン３は、チューブ２の全長に亘って上下方向に延びる波形のコルゲートフィンから形成されるが、フィン３の形状、構造等はこれに限定されず、例えばプレートフィンからなってもよい。プレートフィンを採用した場合、周知のように、上下方向に整列された複数のプレートフィンのチューブ穴に、複数のチューブが挿入固着される。なお、本実施形態において最も左右両側に位置するフィン３は、チューブ２とサイドプレート（図示せず）の間に配置されて両者に固着される。

フィン３は、図示の如きコ字状の複数の切り込み５を有する。そしてこれら切り込み５の内側部分によってルーバ４が形成される。ここでコ字状とは、四角形の四辺のうち一辺を取り除いた形状を意味する。切り込み５の形状はコ字状に限らず、Ｕ字状であってもよい。ここでＵ字状とは、実質的にＵ字状の意味であり、角張ったＵ字状を含む。それ故Ｕ字状にはコ字状が含まれる。切り込み５は、その形状に沿ってフィン３を厚さ方向に貫通する。

本実施形態では、切り込み５の向きがフィン３の前後中心を境に逆とされ、前側では後方に開いた形状、後側では前方に開いた形状を有する。詳しくは後述するが、フィン３に対するルーバ４の傾斜角は可変であり、ルーバ４は、切り込み５の両端を結ぶ折曲線６付近の位置から湾曲変形し、フィン３の表面７上に突出可能である。この折曲線６付近の位置が、ルーバ４とフィン３の接続部となる。

図２および図３は、図１のＩＩ部詳細を示す部分平面断面図および側面断面図である。但し図は明瞭化のため若干誇張して描かれている。

特に図３に示すように、少なくともルーバ４とフィン３の接続部、本実施形態においてはルーバ４とフィン３の全体が、線膨張係数の異なる複数の金属による多層構造とされている。本実施形態において、ルーバ４とフィン３は、上層１１と下層１２からなる２層構造とされる。但し後述する本発明の趣旨に従い、ルーバ４とフィン３は３層以上の構造とすることができる。上層１１をなす金属材料の線膨張係数は、下層１２をなす金属材料の線膨張係数より小さい。例えば好適には、下層１２の金属材料には、フィン３の通常材料であるアルミ材を用いる。また上層１１の金属材料には、下層１２のアルミ材よりもカーボン含有率の高いアルミ材を用いる。このようにカーボン含有率を増加させることにより線膨張係数を容易に減少させることができる。下層１２の材料にはカーボンが含有されていても、されていなくてもよい。なお上層１１と下層１２にはアルミ以外の金属材料を用いることもできる。

かかるルーバ付きフィン３の作製に関しては、例えば、上層１１をなすアルミ板と下層１２をなすアルミ板とを互いに貼り合わせて一体化し、切り込み５をプレス加工等により施してルーバ４を形成する。その後、かかる合板材をコルゲート状に折曲加工してルーバ付きフィン３を完成する。

切り込み５については、その形状に沿って合板材を切断するものであれば任意の態様が含まれる。切り込み５は単に合板材を切断するものであってもよいし、必要であれば、切り込み５の形状に沿って一定幅を有するスリットを穿孔してもよい。

図３は通常時の状態、すなわち、チューブ２内に冷却水が流通されていないか、またはチューブ２内に流通される冷却水の温度が予め設定された変形開始温度未満のときの状態を示す。このとき、ルーバ４は図示するようにフィン３と同一平面をなすように配置され、フィン完成時における初期形状を保っている。図３に示すルーバ４の位置を初期位置という。初期位置においてルーバ４はフィン３に対し傾斜されておらず、その傾斜角はゼロである。

他方、チューブ２内に冷却水が流通され、かつその冷却水の温度が変形開始温度以上になると、ルーバ４は図４に示すように、冷却水から受ける熱によりフィン３に対し傾斜され、フィン３の表面７上に突出するよう、折曲線６付近の位置から折曲もしくは湾曲変形される。フィン３に対するルーバ４の傾斜角をθで示す。このとき、冷却水から伝達される熱による上層１１の熱膨張は下層１２の熱膨張より小さく、その結果、ルーバ４は上層１１側に湾曲変形される。他方、ルーバ４以外のフィン３の部分は、チューブ２に強固に固定されているので、その変形が実質的に妨げられる。それ故ルーバ４はそれ以外のフィン３の部分に対し図示の如く感温変形する。図４に示すルーバ４の位置を傾斜位置という。フィン３の前後中心を境に、前側のルーバ４は前方に向かって開くよう傾斜され、後側のルーバ４は後方に向かって開くよう傾斜される。

次に、本実施形態の作用効果を説明する。

チューブ２内に冷却水が流通されていないか、またはチューブ２内に流通される冷却水の温度が変形開始温度未満であるとき、図５に示すように、全てのルーバ４は初期位置にある。すると、走行風Ｆの通過を妨げるフィン３からの突出物はなくなり、走行風Ｆがフィン３に沿って前方から後方にスムーズに流れる。これにより車両走行時における車両の空気抵抗を低減することが可能である。

なお、例えばラジエータ１の前方に一乃至複数の他の熱交換器（インタークーラ、オイルクーラ等）が前面視で重ねて配置されている場合、全てのルーバ４が初期位置にあると、ラジエータ１の通過風量が増えることから、他の熱交換器に対する背圧が低下し、他の熱交換器の通過風量を増加できる。よって他の熱交換器の熱交換効率を向上することができる。

他方、チューブ２内に冷却水が流通され、かつその冷却水の温度が変形開始温度以上であるとき、図６に示すように、全てのルーバ４は傾斜位置にある。すると一般的なラジエータと同様、フィン３から突出したルーバ４が走行風Ｆを受け、かつ走行風Ｆを図示のように蛇行状に案内してラジエータ１内での走行風Ｆの通過距離を長くすることにより、ラジエータ１の熱交換効率を向上させる。

このように、冷却水ひいてはエンジンの冷却要求度が高いとき、具体的には冷却水温度が変形開始温度以上のときには、通常通り、ルーバ４を傾斜位置に位置させて冷却水を高効率で冷却できる。他方、冷却水ひいてはエンジンの冷却要求度が低いとき、具体的には冷却水温度が変形開始温度未満のときには、ルーバ４を初期位置に位置させて冷却水の冷却効率を低減する一方、ラジエータ１内における走行風Ｆの通過抵抗を減少して車両の空気抵抗を低減できる。これによりエンジンの燃費を向上することが可能である。

上記の説明で分かるように、変形開始温度は、エンジンの冷却要求度が高くなるような冷却水温度、例えばエンジンの高負荷運転時における過熱を抑制ないし防止し得るような冷却水温度の最低温度に設定するのが好ましい。また通常、ラジエータ１を含む冷却水回路にはサーモスタットが設けられ、冷却水が所定の開弁温度以上になったときサーモスタットが開弁してラジエータ１に冷却水を流通させる。変形開始温度は、サーモスタットの開弁温度より高い温度に設定するのが好ましい。

また本実施形態では、ルーバ４とフィン３の全体を多層構造、特に上層１１と下層１２からなる２層構造としたので、ルーバ４とフィン３を上記の如き合板材で一体形成でき、ルーバ付きフィン３の作製を容易に行うことができる。また、フィン３にコ字状もしくはＵ字状の切り込み５を設け、切り込み５の内側部分をルーバ４としたので、切り込み５の加工のみでルーバ４を形成でき、これによってもルーバ付きフィン３の作製を容易に行うことができる。

なお、特許文献１にはフィンの少なくともルーバ部分を形状記憶合金で形成した熱交換器が開示されている。しかし形状記憶合金は、その素材や製造工程を考慮すると本実施形態の多層金属板（アルミ合板）より著しく高価である。従って本実施形態は、特許文献１に比べコストを大幅に低減できる点で有利である。

以上、本発明の実施形態を詳細に述べたが、本発明の実施形態は他にも様々なものが考えられる。例えば次のような実施形態が可能である。
（１）ルーバ４とフィン３は、必ずしもその全体を多層構造とする必要はなく、少なくともルーバ４とフィン３の接続部を多層構造とすればよい。こうすることによりフィン３に対するルーバ４の傾斜角を冷却水温度に応じて可変とできるからである。従って当該接続部のみを多層構造とする変形例が当然に可能である。但し作製の手間を考慮すると全体を多層構造とする方が有利である。
（２）本実施形態では、初期位置のルーバ４の傾斜角をゼロとしたが、必ずしもそうする必要はなく、ゼロより若干大きい傾斜角としてもよい。この場合、フィン作製時において切り込み５の加工後にルーバ４がフィン３に対し若干折り曲げられる。
（３）切り込み５は、必ずしもコ字状もしくはＵ字状でなくてもよく、例えば一般のラジエータに見られるようなＩ字状であってもよい。
（４）本発明はラジエータ以外、例えばインタークーラ、オイルクーラ等にも適用可能である。従って冷却液はエンジン冷却水以外、例えばオイル等であってもよい。

本発明の実施形態は前述の実施形態のみに限らず、特許請求の範囲によって規定される本発明の思想に包含されるあらゆる変形例や応用例、均等物が本発明に含まれる。従って本発明は、限定的に解釈されるべきではなく、本発明の思想の範囲内に帰属する他の任意の技術にも適用することが可能である。

１ ラジエータ
２ チューブ
３ フィン
４ ルーバ
５ 切り込み
１１ 上層
１２ 下層

Claims (3)

1. 冷却液が流通されるチューブと、前記チューブに取り付けられたフィンと、前記フィンに一体に設けられたルーバとを備える熱交換器であって、
   少なくとも前記ルーバと前記フィンの接続部を、線膨張係数の異なる複数の金属による多層構造としたことを特徴とする熱交換器。
2. 前記ルーバと前記フィンの全体が多層構造とされる請求項１に記載の熱交換器。
3. 前記フィンがコ字状もしくはＵ字状の切り込みを有し、前記切り込みの内側部分が前記ルーバをなす請求項１または２に記載の熱交換器。

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