JP2017101842A - 熱交換器 - Google Patents

Abstract

【課題】必要な熱交換性能を確保しつつ、空気流れ下流側に供給される空気の風量を確保することが可能な熱交換器を提供する。【解決手段】内部に第１流体が流れる複数本積層されたチューブ１０と、チューブ１０に接合されてチューブ１０周りを流れる第２流体との熱交換面積を増大させるフィン１１とを備える熱交換器において、フィン１１は、第２流体の流れ方向に沿って設けられた平面部１１０を有しており、平面部１１０には、平面部１１０に対して予め定めた切り起こし角度で切り起こされた複数のルーバ１１２が、第２流体の流れ方向に沿って設けられており、複数のルーバ１１２は、平面部１１０における第２流体の流れ方向の最上流部に設けられた上流側ルーバ１１２ａを含んでいる。【選択図】図５

Description

本発明は、ルーバが形成されたフィンを備える熱交換器に関する。

近年、過給ダウンサイジング車やハイブリッド車の普及により、コンデンサおよびエンジン冷却水用ラジエータに加えて、過給気冷却やインバータ冷却を担う低水温ラジエータも必要となっており、エンジンクーリングモジュール（ＥＣＭ）での熱交換器の枚数は増加している（特許文献１参照）。

特開２０１５−０３１５０９号公報

しかしながら、熱交換器が増加すると、各々の熱交換器が空気流れの妨げとなる。このため、熱交換器を通過する風量が低下し、空気流れ下流側に配置される熱交換器の熱交換性能が悪化するおそれがある。

本発明は上記点に鑑み、必要な熱交換性能を確保しつつ、空気流れ下流側に供給される空気の風量を確保す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、内部に第１流体が流れる複数本積層されたチューブ（１０）と、チューブに接合されてチューブ周りを流れる第２流体との熱交換面積を増大させるフィン（１１）とを備え、フィンは、第２流体の流れ方向に沿って設けられた平面部（１１０）を有しており、平面部には、平面部に対して予め定めた切り起こし角度で切り起こされた複数のルーバ（１１２）が、第２流体の流れ方向に沿って設けられており、複数のルーバは、平面部における第２流体の流れ方向の最上流部に設けられた上流側ルーバ（１１２ａ）を含んでいる。

このように、平面部における第２流体の流れ方向の最上流部に設けられた上流側ルーバ（１１２ａ）を設けることで、第２流体が低速で供給される場合には、ルーバ間通路（１１３）を通過する風量を効果的に増加させることができ、第２流体が高速で供給される場合には、ルーバ間通路（１１３）を通過する風量の増加を抑制できる。これにより、第２流体が高速で供給される場合に、第２流体の流れ方向の下流側に供給される第２流体の風量を確保することができる。このため、第２流体の流れ方向に沿って配置された複数の熱交換器のうち、第２流体の流れ方向における最下流側を除く位置に配置される熱交換器に本発明の熱交換器を適用した場合には、第２流体の流れ方向の下流側の熱交換器に導入される第２流体の風量を確保することができる。

なお、上記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実施形態に係る冷媒放熱器が搭載される車両の前端構造を示す断面図である。 冷媒放熱器の正面図である。 図２のＩＩＩ−ＩＩＩ断面図である。 冷媒放熱器のフィンの正面図である。 図３のＶ−Ｖ断面図である。 ルーバでの空気流れを示す模式図であり、（ａ）は低速時の空気流れを示し、（ｂ）は高速時の空気流れを示している。 第２実施形態のルーバの断面図である。 第３実施形態のルーバの断面図である。 第３実施形態のルーバによる通風抵抗を示すグラフである。

以下、本発明の実施形態について図に基づいて説明する。なお、以下の各実施形態相互において、互いに同一もしくは均等である部分には、図中、同一符号を付してある。

（第１実施形態）
本発明の熱交換器を車両の前端部に搭載される冷媒放熱器に適用した第１実施形態について図面に基づいて説明する。

図１に示すように、車両の前端部のエンジンルーム３ａ内には、冷媒放熱器１（すなわちコンデンサ）およびラジエータ２が配置されている。エンジンルーム３ａ内には、車両前方側から空気が導入され、車両後方側に向かって空気が流れる。このため、車両の前方側から後方側に向かう方向が空気流れ方向となっている。

冷媒放熱器１およびラジエータ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、エンジン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。以下、冷媒放熱器１およびラジエータ２をまとめて熱交換器１、２ともいう。

冷媒放熱器１は、図示しない冷凍サイクル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。冷媒放熱器１およびラジエータ２は、並列して配置されている。なお、冷凍サイクルの冷媒が本発明の第１流体に相当し、空気が本発明の第２流体に相当している。

冷媒放熱器１は、エンジン３のアイドリング時や低速時が最も熱負荷が高く、高速時には冷却性能に余裕がある。一方、ラジエータ２は、エンジン３のアイドリング時や低速時には冷却性能に余裕があり、高速時が最も熱負荷が高い。

冷媒放熱器１が空気流れ上流側（すなわち車両前方側）に配置され、ラジエータ２が空気流れ下流側（すなわち車両後方側）に配置されている。このため、冷媒放熱器２を通過した空気がラジエータ２に流れる。

ラジエータ２の車両後方側には、シュラウド５が設けられている。シュラウド５は、熱交換器１、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熱交換器１、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、熱交換器１、２へ向けて空気（外気）を送風する。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、熱交換器１、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。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。

熱交換器１、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。

次に、冷媒放熱器１の構成について図２〜図５を用いて説明する。図２、図４では紙面垂直方向が空気流れ方向であり、図３、図５では左右方向が空気流れ方向である。

図２に示すように、冷媒放熱器１は、内部流体としての冷媒が水平方向に流れるクロスフロー型の熱交換器である。冷媒放熱器は、冷媒が流れる管であるチューブ１０を備えている。

チューブ１０は、外部流体としての空気流れ方向が長径方向と一致するように、長手方向垂直断面の形状が扁平な長円形状（すなわち扁平形状）に形成されている。チューブ１０は、その長手方向が鉛直方向に一致するように水平方向に複数本平行に配置されている。

また、チューブ１０の両側の扁平面には、波状に成形された伝熱部材としてのフィン１１が接合されている。このフィン１１により空気との伝熱面積を増大させて冷媒と空気との熱交換を促進している。なお、以下、チューブ１０およびフィン１１からなる略矩形状の熱交換部をコア部１２と呼ぶ。

ヘッダタンク１３は、チューブ１０の長手方向の端部（本実施形態では、上下端）にてチューブ長手方向と直交する方向（本実施形態では、水平方向）に延びて複数のチューブ１０と連通するものである。ヘッダタンク１３は、チューブ１０が挿入接合されたコアプレート１３ａと、コアプレート１３ａとともにタンク内空間を構成するタンク本体部１３ｂとを有して構成されている。本実施形態では、コアプレート１３ａおよびタンク本体部１３ｂは、金属製（例えば、アルミニウム合金）である。また、コア部１２の両端部には、チューブ長手方向と略平行に延びてコア部１２を補強するインサート１４が設けられている。

図３に示すように、チューブ１０の内部には、二つの扁平面同士を接続するように形成され、チューブ１０の耐圧強度を高める内柱部１０ａが設けられている。この内柱部１０ａにより、チューブ１０内部の流体通路が複数に仕切られている。

図４に示すように、フィン１１は波状に形成されたコルゲートフィンであり、板状の平面部１１０、および隣り合う平面部１１０を所定距離離して位置づける頂部１１１を有している。平面部１１０は、空気流れ方向に沿って広がる面を構成している。平面部１１０はチューブ長手方向に沿って複数形成されており、複数の平面部１１０が並列して配置されている。

頂部１１１は、狭い巾の平面を外側に面するように提供する平板状の頂板部を有する。頂部１１１は、チューブ１０に接合され、フィン１１とチューブ１０とが熱伝達可能に接合される。

この波状のフィン１１は、例えば薄板金属材料にローラ成形法を施すことにより成形することができる。フィン１１の頂部１１１はチューブ１０の扁平面にろう付けにより接合されている。

図４、図５に示すように、フィン１１の平面部１１０には、平面部１１０を切り起こすことにより鎧窓状のルーバ１１２が一体形成されている。図５に示すように、ルーバ１１２は、チューブ１０の積層方向から見たとき、平面部１１０に対して予め定められた角度で切り起こされており、空気流れ方向に沿って平面部１１０に複数設けられている。同一の平面部１１０に形成された隣り合うルーバ１１２間には、空気が流通可能なルーバ間通路１１３が形成されている。また、並列して配置された複数の平面部１１０には、ルーバ１１２が同じパターンで形成されている。

本実施形態では、図５に示すように、１つの平面部１１０に形成された複数のルーバ１１２は、空気流れ上流側に位置する複数のルーバ１１２を含む上流ルーバ群と、空気流れ下流側に位置する複数のルーバ１１２を含む下流ルーバ群に二分されている。上流側ルーバ群に属する複数のルーバ１１２は、それぞれ平行に設けられている。同様に、下流側ルーバ群に属する複数のルーバ１１２は、それぞれ平行に設けられている。

平面部１１０の空気流れ方向における略中央部、すなわち上流ルーバ群と下流ルーバ群との間は、ルーバ１１２が形成されておらず、空気流れ方向が反転する転向部１１４として構成されている。換言すると、上流ルーバ群と下流ルーバ群との間には、空気流れ方向と略平行に形成された転向部１１４が設けられている。

上流ルーバ群に属するルーバ１１２の切り起こし方向と、下流ルーバ群に属するルーバ１１２の切り起こし方向が異なっている。つまり、上流ルーバ群と下流ルーバ群とは、それぞれに属するルーバ１１２の切り起こし方向が逆に形成されている。具体的には、上流ルーバ群に属するルーバ１１２は、空気流れ方向に対して左上から右下に向かう方向に傾斜している。下流ルーバ群に属するルーバ１１２は、空気流れ方向に対して左下から右上に向かう方向に傾斜している。

平面部１１０の空気流れ上流側の端部は、上流側平面部１１０ａとなっている。同様に、平面部１１０の空気流れ下流側の端部は、下流側平面部１１０ｂとなっている。

上流側平面部１１０ａの空気流れ上流側には第１上流側ルーバ１１２ａが形成され、上流側平面部１１０ａの空気流れ下流側には第２上流側ルーバ１１２ｂが形成されている。第１上流側ルーバ１１２ａは、フィン１１における空気流れ上流の先端部（つまり最上流部）に位置している。

第１上流側ルーバ１１２ａおよび第２上流側ルーバ１１２ｂは、上流側平面部１１０ａに接続している。つまり、上流側平面部１１０ａの空気流れ上流側を折り曲げ加工することで第１上流側ルーバ１１２ａが形成され、上流側平面部１１０ａの空気流れ下流側を折り曲げ加工することで第２上流側ルーバ１１２ｂが形成されている。第１上流側ルーバ１１２ａおよび第２上流側ルーバ１１２ｂは、上流側平面部１１０ａの板面に対して反対方向に傾斜している。

下流側平坦部１１０ｂの空気流れ上流側には下流側ルーバ１１２ｃが設けられている。下流側ルーバ１１２ｃは、下流側平面部１１０ｂに接続している。つまり、下流側平面部１１０ｂの空気流れ上流側を折り曲げ加工することで下流側ルーバ１１２ｃが形成されている。

次に、冷媒放熱器１のフィン１１における空気流れについて図６を用いて説明する。フィン１１の空気流れ最上流部に設けられた第１上流側ルーバ１１２ａは、ルーバ間通路１１３への空気導入を促進するガイドの役割をする。このため、図６（ａ）、図６（ｂ）に示すように、第１上流側ルーバ１１２ａによってルーバ間通路１１３を通過する風量が増加する。

本実施形態では、第１上流側ルーバ１１２ａによってルーバ間通路１１３に導入される風量は、車速によって変化する。図６の破線は、第１上流側ルーバ１１２ａでの空気の剥離を示している。図６の斜線で示した部分は、第１上流側ルーバ１１２ａによって導入される空気が流れない領域を示している。

図６（ａ）に示す低速時に比較して、図６（ｂ）に示す高速時では、剥離が空気流れ下流側に延びており、第１上流側ルーバ１１２ａによるガイド効果が弱まっている。このため、高速時には、低速時よりも、第１上流側ルーバ１１２ａによってルーバ間通路１１３を通過する風量の増加が抑制される。つまり、高速時には、冷媒放熱器１における通風抵抗が抑えられる。

以上説明した本実施形態の冷媒放熱器１によれば、フィン１１の空気流れ最上流部に第１上流側ルーバ１１２ａを設けることで、低速時には、ルーバ間通路１１３を通過する風量を効果的に増加させ、高速時には、ルーバ間通路１１３を通過する風量の増加を抑制し、空気流れ下流側に供給される空気の風量を確保することができる。これにより、冷媒放熱器１にとって熱負荷が高い低速時には熱交換性能が向上させることができ、冷媒放熱器１にとって熱負荷が低い高速時には、空気流れ下流側のラジエータ２に導入される空気の風量を確保することができる。

（第２実施形態）
次に、本発明の第２実施形態を図７に基づいて説明する。上記第１実施形態と同様の部分については説明を省略し、異なる部分についてのみ説明する。

図７に示すように、本第２実施形態の冷媒放熱器１のフィン１１では、平面部１１０を中心として第１上流側ルーバ１１２ａが設けられている側において、第１上流側ルーバ１１２ａの先端部と平面部１１０との距離が、他のルーバ１１２の先端部と平面部１１０との距離よりも長くなっている。第１上流側ルーバ１１２ａの先端部と平面部１１０との距離は、少なくとも第１上流側ルーバ１１２ａの空気流れ方向における下流側に隣接する２番目のルーバ１１２ｄの先端部と平面部１１０との距離よりも長くなっていればよい。

本第２実施形態の構成によれば、高速時の第１上流側ルーバ１１２ａでの空気の剥離が起こりやすくなる。したがって、高速時において、ルーバ間通路１１３における風量増加の抑制をより効果的に行うことができる。

（第３実施形態）
次に、本発明の第３実施形態を図８、図９に基づいて説明する。上記各実施形態と同様の部分については説明を省略し、異なる部分についてのみ説明する。

図８では、破線で上記第２実施形態のルーバ１１２を示し、実線で本第３実施形態のルーバ１１２を示している。図８に示すように、本第３実施形態では、上記第２実施形態に比較して、ルーバ１１２と平面部１１０との間の角度を小さくしている。

図９は、本第３実施形態、上記第２実施形態および比較例のフィン１１の風速と通風抵抗との関係を示している。実線が本第３実施形態、一点破線が第２実施形態、破線が比較例を示している。比較例のフィン１１は、第１上流側ルーバ１１２ａが設けられておらず、上流平面部１１０ａがフィン１１における空気流れ方向の最上流部に位置している構成となっている。

図９に示すように、上記第２実施形態の構成では、第１上流側ルーバ１１２ａを設けたことで、比較例に対し、低速域ではルーバ間通路１１３の風量増加に伴う通風抵抗の増加割合が大きく、高速域ではルーバ間通路１１３の風量増加に伴う通風抵抗の増加割合が小さくなっている。

本第３実施形態の構成では、ルーバ１１２と平面部１１０との間の角度を小さくしたことで、上記第２実施形態の構成よりも、ルーバ間通路１１３の風量が減少し、通風抵抗が低くなる。このため、本第３実施形態の構成によれば、低速域では比較例と同等のルーバ間通路１１３の風量を確保しつつ、高速域では比較例よりも通風抵抗が低下することで、空気流れ下流側のラジエータ２に導入される空気の風量を確保することができる。

（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。また、上記各実施形態に開示された手段は、実施可能な範囲で適宜組み合わせてもよい。

例えば、上記各実施形態では、本発明の熱交換器を冷媒放熱器１に適用した例について説明したが、これに限らず、必要な熱交換性能を確保しつつ、空気流れ下流側に供給される空気の風量を確保することが要求される熱交換器であれば本発明を適用することができる。

また、上記各実施形態では、冷媒放熱器１とラジエータ２とからなる２つの熱交換器を空気流れ方向に沿って配置した例について説明したが、これに限らず、例えば過給気冷却やインバータ冷却を行う低水温ラジエータ等の熱交換器を含めた３以上の熱交換器が配置されていてもよい。３以上の熱交換器が配置される場合には、本発明に係る熱交換器を空気流れ方向の最下流側に配置される熱交換器以外の熱交換器に適用すればよい。

また、上記各実施形態では、フィン１１に並列して設けられれた複数の平面部１１０のすべてにおいて、空気流れの最上流部に第１上流側ルーバ１１２ａを設けたが、これに限らず、少なくとも１つの平面部１１０において、空気流れの最上流部に第１上流側ルーバ１１２ａが設けられていればよい。

また、上記各実施形態では、第１上流側ルーバ１１２ａの空気流れ方向の下流側に接続する上流側平面部１１０ａが設けられている例について説明したが、これに限らず、第１上流側ルーバ１１２ａの空気流れ方向の下流側に上流側平面部１１０ａが設けられていなくてもよい。

１ 冷媒放熱器
１０ チューブ
１１ フィン
１１０ 平面部
１１０ａ 上流側平面部
１１２ ルーバ
１１２ａ 第１上流側ルーバ
１１２ｂ 第２上流側ルーバ

Claims (5)

1. 内部に第１流体が流れる複数本積層されたチューブ（１０）と、
   前記チューブに接合されて前記チューブ周りを流れる第２流体との熱交換面積を増大させるフィン（１１）とを備え、
   前記フィンは、前記第２流体の流れ方向に沿って設けられた平面部（１１０）を有しており、
   前記平面部には、前記平面部に対して予め定めた切り起こし角度で切り起こされた複数のルーバ（１１２）が、前記第２流体の流れ方向に沿って設けられており、
   前記複数のルーバは、前記平面部における前記第２流体の流れ方向の最上流部に設けられた上流側ルーバ（１１２ａ）を含んでいる熱交換器。
2. 前記上流側ルーバを第１上流側ルーバとした場合に、前記平面部は、前記第１上流側ルーバにおける前記第２流体の流れ方向の下流側に接続された上流側平面部（１１０ａ）を含んでおり、
   前記複数のルーバは、前記上流側平面部における前記第２流体の流れ方向の下流側に接続された第２上流側ルーバ（１１２ｂ）を含んでおり、
   前記第１上流側ルーバおよび前記第２上流側ルーバは、前記上流側平面部に対して反対方向に傾斜している請求項１に記載の熱交換器。
3. 前記平面部を中心として前記上流側ルーバが設けられている側において、前記上流側ルーバの先端部と前記平面部との距離は、前記上流側ルーバの前記第２流体の流れ方向における下流側に隣接するルーバ（１１２ｄ）の先端部と前記平面部との距離よりも長くなっている請求項１または２に記載に熱交換器。
4. 前記第２流体の流れ方向に沿って配置される複数の熱交換器のうち、前記第２流体の流れ方向における最下流側を除く位置に配置される請求項１ないし３のいずれか１つに記載の熱交換器。
5. 前記第１流体は冷凍サイクルの圧縮機から吐出された高温高圧の冷媒であり、前記第２流体は空気である請求項１ないし４のいずれか１つに記載の熱交換器。

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