JP3226015U - 熱交換器 - Google Patents

Abstract

【課題】伝熱部材の波状の凹凸の振幅を同一としたときには伝熱部材の歩留まりをより高くし、伝熱部材の歩留まりを同一としたときには伝熱部材の波状の振幅をより大きくする熱交換器を提供する。【解決手段】熱交換用チューブ３０の両扁平面３３、３５に、波状凹凸３４、３６を、頂部線３４ａ、３６ａと底部線３４ｂ、３６ｂとが交互に共にＶ字を水平方向に連ねた形状となるように且つＶ字の屈曲部が曲線となるように形成する。これにより、頂部線と底部線とが鋭角の屈曲部となるようにＶ字を水平方向に連ねたものに比して、プレス加工の際に屈曲部に生じる応力集中を小さくすることができる。この結果、波状凹凸３４、３６の振幅を同一としたときにはプレス加工の際の歩留まりを高くすることができ、プレス加工の際の歩留まりを同一としたときには波状凹凸３４、３６の振幅を大きくすることができる。【選択図】図１

Description

本考案は、熱交換器に関し、詳しくは、伝熱部材の表面に流体を流すことにより熱交換を行なう熱交換器に関する。

従来、この種の熱交換器としては、偏平な管状の熱交換用チューブの偏平面に空気の主要な流れに対してなす角が１０度から６０度の範囲のうちの所定角となるように、かつ、空気の主要な流れに沿った所定間隔の折り返し線で対称に折り返すよう山部と谷部とを有する波状の凹凸を有するものが提案されている（例えば、特許文献１参照）。この熱交換器の波状の凹凸は、波状の凹凸の山部（凸部）や谷部（凹部）はＶ字（或いはＷ字）を連ねた形状となっており、このように波状の凹凸を形成することにより、空気の主要な流れに対して波状の凹凸の表面に沿って流れる二次流れを生じさせ、熱交換器の熱交換効率を向上させている。

特開２００８−２３２５９２号公報

上述の熱交換器では、熱交換効率を向上させるために波状の凹凸の振幅（頂部と底部の高低差）を大きくすることが望まれるが、波状の凹凸の振幅を大きくすると、熱交換用チューブをプレス加工により形成する場合には、波状の凹凸の山部（凸部）や谷部（凹部）を連ねたＶ字（或いはＷ字）の屈曲部に応力集中による破損が生じ、熱交換用チューブの歩留まりが低くなってしまう。

本考案の熱交換器は、伝熱部材の波状の凹凸の振幅を同一としたときには伝熱部材の歩留まりをより高くし、伝熱部材の歩留まりを同一としたときには伝熱部材の波状の振幅をより大きくすることを主目的とする。

本考案の熱交換器は、上述の主目的を達成するために以下の手段を採った。

本考案の熱交換器は、
伝熱部材の表面に流体を流すことにより熱交換を行なう熱交換器であって、
前記伝熱部材には、前記流体側の表面に、滑らかな曲線による波状の凹凸が、波の頂部が連続する頂部線と波の底部が連続する底部線とがＶ字を水平方向に連ねて屈曲部が曲線となるように形成されていると共に前記流体の主要な流れがＶ字の垂直方向となるように形成されている、
ことを特徴とする。

この本考案の熱交換器では、伝熱部材の流体側の表面には、滑らかな曲線による波状の凹凸が、波の頂部が連続する頂部線と波の底部が連続する底部線とがＶ字を水平方向に連ねて屈曲部が曲線となるように、即ち、Ｖ字を水平方向に２つ連ねてＷ字となるように更に連続して連ねるように形成されている。そして、この波状の凹凸は、流体の主要な流れがＶ字の垂直方向（上下方向）となるように形成されている。頂部線と底部線とのＶ字の屈曲部（Ｗ字の屈曲部）を曲線となるようにすることにより、屈曲部の応力集中を小さくすることができる。この結果、伝熱部材の波状の凹凸の振幅を同一としたときには伝熱部材の歩留まりをより高くすることができ、伝熱部材の歩留まりを同一としたときには伝熱部材の波状の凹凸の振幅をより大きくすることができる。もとより、本考案の熱交換器では、伝熱部材の流体側の表面には、滑らかな曲線による波状の凹凸がＶ字を連ねた形状として形成されているから、流体の主要な流れに対して伝熱部材の波状の凹凸の表面に沿って滑らかに流れる二次流れを生じさせ、熱交換器の伝熱効率を向上させることができる。

こうした本考案の熱交換器において、前記頂部線および前記底部線は、直線部と円弧部とを交互に接続するように形成されているものとすることもできる。こうすれば、頂部線と底部線とを正弦曲線により形成する場合に比して、屈曲部の最小半径を大きくすることができる。この結果、頂部線と底部線とを正弦曲線により形成する場合に比して、伝熱部材の波状の凹凸の振幅を同一としたときには伝熱部材の歩留まりをより高くすることができ、伝熱部材の歩留まりを同一としたときには伝熱部材の波状の凹凸の振幅をより大きくすることができる。この場合、前記円弧部は、半径が前記直線部の長さの１／５以上となるよう形成されているものとすることもできる。

また、本考案の熱交換器において、前記波状の凹凸は、断面が直線と円弧とを交互に連続するように形成されているものとすることもできる。こうすれば、波状の凹凸の断面を正弦曲線により形成する場合に比して、波状の凹凸の振幅を大きくすることができ、熱交換器の伝熱効率を更に向上させることができる。

本考案の熱交換器において、前記伝熱部材は扁平な中空管として形成された熱交換用チューブであり、前記波状の凹凸は前記熱交換用チューブの扁平面に形成されているものとすることもできる。即ち、フィンレスの熱交換器に適用してもよいのである。また、本考案の熱交換器において、前記伝熱部材は、熱交換用チューブに連結されたフィンであるものとすることもできる。即ち、コルゲートフィン型の熱交換器などに適用してもよいのである。

本考案の一実施例としての熱交換器２０の構成の概略を示す説明図である。 実施例の熱交換器２０に用いる複数の熱交換用チューブ３０の外観を側面から示す側面図である。 図１中のＡ−Ａ断面を示す断面図である。 比較例の熱交換器９２０の構成の概略を示す説明図である。

次に、本考案を実施するための形態を実施例を用いて説明する。

図１は本考案の一実施例としての熱交換器２０の構成の概略を示す説明図であり、図２は実施例の熱交換器２０に用いる複数の熱交換用チューブ３０の外観を側面から示す側面図である。図３は、図１中のＡ−Ａ断面を示す断面図である。図４は、比較例の熱交換器９２０の構成の概略を示す説明図である。実施例の熱交換器２０は、図１に示すように、長手方向が鉛直方向となるように並列に配置した複数の熱交換用チューブ３０と、この複数の熱交換用チューブ３０を収納するシェル５０と、を備える。

各熱交換用チューブ３０は、金属材料（例えば、ステンレスやアルミニウムなど）による板材を用いて全体として略矩形形状の扁平な中空管となるようプレス加工により形成され、長手方向が鉛直方向となるように積層され、接触点がロウ付けにより接合されて構成されている。各熱交換用チューブ３０の鉛直下方の下端近傍に形成された流入口３１は、各熱交換用チューブ３０を積層することにより隣接する熱交換用チューブ３０の流入口３１と接合され、各流入口３１を連通する連絡管３１ａを形成する。また、各熱交換用チューブ３０の鉛直上方の上端近傍に形成された流出口３２も、流入口３１と同様に、各熱交換用チューブ３０を積層することにより隣接する熱交換用チューブ３０の流出口３２と接合され、各流出口３２を連通する連絡管３２ａを形成する。したがって、水やオイルなどの第１熱交換媒体は、各熱交換用チューブ３０の流入口３１から流入して鉛直上方に流れ、各熱交換用チューブ３０の流出口３２から流出する。

シェル５０は、各熱交換用チューブ３０と同様に、金属材料（例えば、ステンレスやアルミニウムなど）による板材により、連絡管３１ａ，３２ａにより連結された複数の熱交換用チューブ３０を収納する略直方体形状のケースとして形成されている。シェル５０の上方には流入口５１が形成されており、シェル５０の下方には流出口５２が形成されている。したがって、空気や排ガスなどの第２熱交換媒体は、シェル５０の上方に形成された流入口５１から流入し、複数の熱交換用チューブ３０の間を通り、シェル５０の下方に形成された流出口５２から流出する。

各熱交換用チューブ３０の両扁平面３３，３５には、滑らかな曲面により複数の波状凹凸３４，３６が形成されている。図１では、熱交換用チューブ３０の両扁平面３３，３５のうちの一方側の扁平面３３の波状凹凸３４を示しており、他方側の扁平面３５（図１中裏面側の扁平面）の波状凹凸３６については括弧書きとした。波状凹凸３４，３６は、複数の実線で示す波の頂部が連続する頂部線３４ａ，３６ａと、複数の破線で示す底部が連続する底部線３４ｂ，３６ｂと、が交互に共にＶ字（或いはＷ字）を水平方向に連ねた形状となるように且つＶ字（或いはＷ字）の屈曲部が曲線となるように形成されている。ここで、波の頂部は、波の凸部と凹部とが正弦波で示されたときの９０度の位置、即ち最大値の位置（凸部の頂）を意味しており、波の底部は、波の凸部と凹部とが正弦波で示されたときの２７０度の位置、即ち最小値の位置（凹部の底）を意味している。上述したように、複数の熱交換用チューブ３０の間を通る第２熱交換媒体は、シェル５０の上方に形成された流入口５１から流入し、シェル５０の下方に形成された流出口５２から流出するから、第２熱交換媒体の主流の流れは頂部線３４ａ，３６ａおよび底部線３４ｂ，３６ｂのＶ字（或いはＷ字）の斜線部ではその角度（３０度〜６０度の範囲の角度）で交差することになる。このように、各熱交換用チューブ３０の両扁平面３３，３５に頂部線３４ａ，３６ａおよび底部線３４ｂ，３６ｂがＶ字（或いはＷ字）を水平方向に連ねた形状となるように形成するのは、第２熱交換媒体を流したときに、第２熱交換媒体の主要な流れの他に熱交換に有効な二次流れを生じさせるためである。ここで、二次流れは、熱交換に有効な波状凹凸３４，３６の表面に沿って流れる流れを意味しており、渦流や攪拌流とは異なる。

実施例では、頂部線３４ａ，３６ａおよび底部線３４ｂ，３６ｂは、直線により形成された直線部３４ｃ，３６ｃと円弧により形成された円弧部３４ｄ、３６ｄとが交互に連続するように形成されている。実施例では、円弧部３４ｄ、３６ｄの半径としては直線部３４ｃ，３６ｃの長さの１／５以上とした。このように、Ｖ字（或いはＷ字）の屈曲部を円弧（曲線）となるように形成するのは、図４の比較例の熱交換器９２０に示すように、熱交換用チューブ９３０の両扁平面９３３，９３５に波状凹凸９３４，９３６を頂部線９３４ａ，９３６ａおよび底部線９３４ｂ，９３６ｂが屈曲部が鋭角のＶ字（或いはＷ字）を水平方向に連ねた形状となるように形成した場合に比して、プレス加工の際に屈曲部に生じる応力集中を小さくするためである。プレス加工の際に屈曲部に生じる応力集中は、屈曲部の最小半径が小さくなるほど大きくなり、波状凹凸３４，３６の振幅が大きくなるほど大きくなる。また、応力集中が大きいほど、クラックが生じやすくなる。この結果、実施例の熱交換用チューブ３０は、比較例の熱交換器９２０の熱交換用チューブ９３０に比して、波状凹凸３４，３６の振幅を同一としたときにはプレス加工の際の歩留まりを高くすることができ、プレス加工の際の歩留まりを同一としたときには波状凹凸３４，３６の振幅を大きくすることができる。

実施例の波状凹凸３４，３６は、その断面は、図３に示すように、直線と円弧とが交互に連続するように形成されており、円弧の頂部および底部が頂部線３４ａ，３６ａおよび底部線３４ｂ，３６ｂを形成する。このように、波状凹凸３４，３６を断面が直線と円弧とが交互に連続するように形成するのは、断面が正弦曲線となるように形成する場合に比して、波の頂部や底部の最小半径を大きくすることができ、これにより振幅を大きくすることができるからである。

なお、実施例の熱交換用チューブ３０では、一方側の扁平面３３の波状凹凸３４と他方側の扁平面３５の波状凹凸３６とが平行になるように、即ち、一方側の扁平面３３の波状凹凸３４の頂部線３４ａと他方側の扁平面３５の波状凹凸３６の底部線３６ｂとが整合すると共に一方側の扁平面３３の波状凹凸３４の底部線３４ｂと他方側の扁平面３５の波状凹凸３６の頂部線３６ａとが整合するように配置した。

以上説明した実施例の熱交換器２０では、熱交換用チューブ３０の両扁平面３３，３５に波状凹凸３４，３６として、頂部線３４ａ，３６ａおよび底部線３４ｂ，３６ｂが交互に共にＶ字（或いはＷ字）を水平方向に連ねた形状となるように且つＶ字（或いはＷ字）の屈曲部が曲線となるように形成することにより、頂部線９３４ａ，９３６ａおよび底部線９３４ｂ，９３６ｂが屈曲部が鋭角のＶ字（或いはＷ字）を水平方向に連ねた形状となるように形成した比較例の熱交換器９２０の熱交換用チューブ９３０に比して、波状凹凸３４，３６の振幅を同一としたときにはプレス加工の際の歩留まりを高くすることができ、プレス加工の際の歩留まりを同一としたときには波状凹凸３４，３６の振幅を大きくすることができる。しかも、頂部線３４ａ，３６ａおよび底部線３４ｂ，３６ｂを直線部３４ｃ，３６ｃと円弧部３４ｄ、３６ｄとが交互に連続するように形成したから、頂部線および底部線を正弦曲線として形成するものに比して、屈曲部の最小半径を大きくすることができ、プレス加工の際に屈曲部に生じる応力集中を小さくすることができる。これにより、波状凹凸３４，３６の振幅を同一としたときにはプレス加工の際の歩留まりを更に高くすることができ、プレス加工の際の歩留まりを同一としたときには波状凹凸３４，３６の振幅を更に大きくすることができる。

もとより、熱交換用チューブ３０の両扁平面３３，３５に頂部線３４ａ，３６ａおよび底部線３４ｂ，３６ｂがＶ字（或いはＷ字）を水平方向に連ねた形状となるように形成するから、波状凹凸３４，３６の表面に第２熱交換媒体の主要な流れの他に熱交換に有効な二次流れを生じさせることができ、高い熱交換効率の熱交換器とすることができる。さらに、波状凹凸３４，３６をその断面が直線と円弧とが交互に連続するように形成するから、断面が正弦曲線となるように形成する場合に比して、波の頂部や底部の最小半径を大きくすることができ、これにより振幅を大きくすることができる。これにより、更に熱交換効率の高い熱交換器とすることができる。

実施例の熱交換器２０では、波状凹凸３４，３６を頂部線３４ａ，３６ａおよび底部線３４ｂ，３６ｂを直線部３４ｃ，３６ｃと円弧部３４ｄ、３６ｄとが交互に連続するように形成したが、頂部線および底部線がＶ字（或いはＷ字）の屈曲部が曲線となるように形成すればよいから、頂部線および底部線をＳ字曲線部と円弧部とが交互に連続するように形成したり、頂部線および底部線を正弦曲線が連続するように形成したりしても構わない。

実施例の熱交換器２０では、波状凹凸３４，３６をその断面が直線と円弧とが交互に連続するように形成したが、その断面がＳ字曲線部と円弧部とが交互に連続するように形成したり、その断面が正弦曲線が連続するように形成したりしてもよい。

実施例の熱交換器２０では、第１熱交換媒体と第２熱交換媒体とを対向流とするものとしたが、第１熱交換媒体と第２熱交換媒体とを直交流とするものとしてもよいし、第１熱交換媒体や第２熱交換媒体の一方または双方が迂流するようにしても構わない。

実施例では、本考案をフィンレスの熱交換器２０の熱交換用チューブに適用した一例として説明したが、コルゲートフィン型熱交換器などのフィンに適用してもよい。この場合、フィンに、滑らかな曲線による波状の凹凸として、頂部線および底部線が交互に共にＶ字（或いはＷ字）を水平方向に連ねた形状となるように且つＶ字（或いはＷ字）の屈曲部が曲線となるように、更に、フィンに流れる流体の主要な流れがＶ字の垂直方向となるように形成すればよい。

以上、本考案を実施するための形態について実施例を用いて説明したが、本考案はこうした実施例に何等限定されるものではなく、本考案の要旨を逸脱しない範囲内において、種々なる形態で実施し得ることは勿論である。

本考案は、熱交換器の製造産業などに利用可能である。

２０，９２０ 熱交換器、３０，９３０ 熱交換用チューブ、３１ 流入口、３２ 流出口、３１ａ，３２ａ 連絡管、３３，３５，９３３，９３５ 扁平面、３４，３６，９３４，９３６ 波状凹凸、３４ａ，３６ａ，９３４ａ，９３６ａ 頂部線、３４ｂ，３６ｂ，９３４ｂ，９３６ｂ 底部線、３４ｃ，３６ｃ 直線部、３４ｄ，３６ｄ 円弧部、５０ シェル、５１ 流入口、５２ 流出口。

Claims (4)

1. 伝熱部材の表面に流体を流すことにより熱交換を行なう熱交換器であって、
   前記伝熱部材には、前記流体側の表面に、滑らかな曲線による波状の凹凸が、波の頂部が連続する頂部線と波の底部が連続する底部線とがＶ字を水平方向に連ねて屈曲部が曲線となるように形成されていると共に前記流体の主要な流れがＶ字の垂直方向となるように形成されており、
   前記頂部線および前記底部線は、直線部と半径が前記直線部の長さの１／５以上となる円弧部とを交互に接続するように形成されている、
   ことを特徴とする熱交換器。
2. 請求項１記載の熱交換器であって、
   前記波状の凹凸は、断面が直線と円弧とを交互に連続するように形成されている、
   熱交換器。
3. 請求項１または２記載の熱交換器であって、
   前記伝熱部材は、扁平な中空管として形成された熱交換用チューブであり、
   前記波状の凹凸は、前記熱交換用チューブの扁平面に形成されている、
   熱交換器。
4. 請求項１または２記載の熱交換器であって、
   前記伝熱部材は、熱交換用チューブに連結されたフィンである、
   熱交換器。

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