JP3591060B2 - 熱交換器 - Google Patents

Description

【０００１】
【産業上の利用分野】
本発明は微細フィンを用いた熱交換器の性能向上に関するもので、自動車用空調装置、家庭用空調装置等に用いて好適なものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来、この種の微細フィンを用いた熱交換器は、例えば特開昭６０−１６２１９０号公報に記載されたものがあり、この従来技術では熱交換器を冷却器として使用した場合における結露水の排水性を改善する目的で、微細ピンの配置間隔を部分的に大きくすることが記載されている。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、この種の熱交換器では、ピンを微細化することにより、温度境界層を細かく分断して、その先端効果によりピン先端部の熱伝達率の向上を図ることが可能である。
しかし、その反面、ピンは微細化しているため、ピンの表面積が小さくなってしまい、必要性能（熱交換量）を確保できないという問題が生じる。そこで、この必要能力確保のためには、ピン相互の配置間隔を小さくしてピンを密に配置する必要が生じる。
【０００４】
しかし、ピン相互の配置間隔を小さくすると、流体（空気等）の流れ方向の上流側のピンの温度境界層の中に、下流側のピンの温度境界層が連続して形成されてしまうので、温度境界層の分断によるピン先端効果を発揮できず、熱伝達率の低下を招く。
また、流体流れ方向と平行に配列されたピン列に沿って、流体が流れてしまい、各ピン前後の間には流体がほとんど流入しないので、各ピン前後の面（流体流れ方向前後の面）は伝熱面として貢献せず、熱交換性能低下の原因となっている。
【０００５】
本発明は上記点に鑑みてなされたもので、微細フィンを用いた熱交換器において、ピン等の微細フィン部の前後の間にも流体が効果的に流れるようにして、熱交換性能の向上を図ることを目的とする。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
本発明は上記目的を達成するため、以下の技術的手段を採用する。
請求項１記載の発明では、断面偏平状に形成されたチューブ（１）と、
このチューブ（１）と、このチューブ（１）の外側を流れる流体との間の伝熱を促進する微細フィン（２）とを備え、
この微細フィン（２）には、
前記流体の流れ方向に沿って列状に配列された微細フィン部（２ａ）と、
この微細フィン部（２ａ）の列の間に屈曲形成され、前記チューブ（１）に接合される接合面（２ｂ）と、
この接合面（２ｂ）に設けられ、前記流体の流れを偏向して前記微細フィン部（２ａ）の間を横切る流れを形成する流れ偏向体（２ｃ）とを備え、
隣接する前記接合面（２ｂ）に形成された前記流れ偏向体（２ｃ）は、前記流体の流れに対して互いにずれた位置に配置されている熱交換器を特徴とする。
【０００７】
請求項２記載の発明では、請求項１に記載の熱交換器において、前記流れ偏向体（２ｃ）は前記接合面（２ｂ）から一体に切り起こし形成されていることを特徴とする。
請求項３記載の発明では、請求項１または２に記載の熱交換器において、前記流れ偏向体（２ｃ）は、前記流体の流れを局部的に絞って、前記微細フィン部（２ａ）設置部位における流体の静圧に差を発生させるように構成されていることを特徴とする。
【０００８】
請求項４記載の発明では、請求項１ないし３のいずれか１つに記載の熱交換器において、前記流れ偏向体（２ｃ）は、流体流れ方向の上流側に頂部を向けた三角形に形成されており、この三角形の底辺部を支点として前記接合面（２ｂ）から切り起こされていることを特徴とする。
請求項５記載の発明では、断面偏平状に形成されたチューブ（１）と、
このチューブ（１）と、このチューブ（１）の外側を流れる流体との間の伝熱を促進する微細フィン（２）とを備え、
この微細フィン（２）には、
前記流体の流れ方向に沿って列状に配列された微細フィン部（２ａ）と、
この微細フィン部（２ａ）の列の間に屈曲形成され、前記チューブ（１）に接合される接合面（２ｂ）と、
この接合面（２ｂ）に設けられ、前記流体の流れを偏向して前記微細フィン部（２ａ）の間を横切る流れを形成する流れ偏向体（２ｄ）とを備え、
この流れ偏向体（２ｄ）は前記流体の流れに渦流を発生する渦発生体により構成されていることを特徴とする。
【０００９】
請求項６記載の発明では、請求項５に記載の熱交換器において、前記渦発生体は前記接合面（２ｂ）から所定の切り起こし角（β）をもって一体に切り起こし形成された２枚の切り起こし片（２ｅ、２ｅ）により構成されており、
この２枚の切り起こし片（２ｅ、２ｅ）は、その間の流路が流体の下流側へ向かって次第に間隔が狭くなる方向に所定の偏向角（α）をもって互いに斜めに配置されていることを特徴とする。
【００１０】
なお、上記各手段の括弧内の符号は、後述する実施例記載の具体的手段との対応関係を示すものである。
【００１１】
【発明の作用効果】
請求項１〜４記載の発明によれば、流体の流れに対して互いにずれた位置に、流れ偏向体を設置することにより、ピン等の微細フィン部の列を横切る（微細フィン部の前後を通る）流体の流れを効果的に形成できるため、微細フィン部前後の温度境界層を分断できる。
【００１２】
すなわち、従来技術のように微細フィン部の列に沿った空気流れが形成されて、微細フィン部の列（ピン列）全体が１つの連続した温度境界層の中に埋もれてしまうという現象を解消して、各微細フィン部の先端効果を有効に発揮でき、熱伝達率を大幅に向上できるとともに、有効伝熱面積を増大できる。従って、微細フィンを用いた熱交換器において、熱交換性能を効果的に向上できる。
【００１３】
上記に加えて、請求項２記載の発明では、流れ偏向体を微細フィンの接合面から一体に切り起こし形成しているので、流れ偏向体を簡単に低コストで製作できる。
また、請求項５、６記載の発明では、流れ偏向体を流体の流れに渦流を発生する渦発生体により構成しているから、この渦流により流体流れと直角方向の速度成分を発生して、微細フィン部（ピン）の列を横切る流体の流れを効果的に形成できる。
【００１４】
【実施例】
以下、本発明を図に示す実施例について説明する。
（第１実施例）
図１は第１実施例による熱交換器の要部斜視図で、本例の熱交換器は自動車用空調装置の冷媒凝縮器に適用した場合について説明する。
【００１５】
熱交換器の熱交換部は、チューブ１と、微細フィン２とにより構成されている。チューブ１は、押し出し成形により製造されたアルミニュウム製の多穴偏平チューブにて構成されている。チューブ１内には、多数の並列形成された冷媒通路穴１ａが設けられている。
微細フィン２は、ろう材をクラッドしたアルミニュウムクラッド材（板厚は例えば、０．１ｍｍ程度）をローラ成形して多数の微細なピン（微細フィン部）２ａを一体成形した微細ピンフィンから構成されている。ここで、ピン２ａの断面形状は本例では図２に示すような矩形状に設定されており、ピン２ａの矩形状の大きさは例えば一辺が０．１ｍｍ程度の大きさである。また、ピン２ａは熱交換流体である空気の流れ方向Ａに対して平行となるピン列（図２参照）を構成している。ピン２ａ間の間隔（ピッチ）は例えば、０．２ｍｍ程度であり、ピン２ａの高さは例えば、８ｍｍ程度である。
【００１６】
微細フィン２は、チューブ１にろう付けするために、多数の微細なピン２ａの両端部において空気流れ方向Ａと直角方向（チューブ１の長手方向）に多数回屈曲されており、そしてこの屈曲部２ｂは所定の幅寸法（例えば、１６ｍｍ程度）を持った平面部として形成され、チューブ１の平坦面にろう付けされる接合面を構成する。
【００１７】
なお、本例では、図１に示すように空気流れ方向Ａからみて、微細フィン２は三角形状の屈曲断面を持つように屈曲形成されている。そのため、ろう付け用屈曲部２ｂに隣接した断面位置においては、図２に示すように２列のピン列と屈曲部２ｂとが交互に形成されることになる。
一方、屈曲部２ｂには、流れ偏向体２ｃが一体に切り起こし成形されている。この流れ偏向体２ｃは、本例では、空気流れ方向Ａの上流側に頂部を向けた２等辺三角形に形成してあり、この２等辺三角形の底辺部を支点として流れ偏向体２ｃが切り起こされている。そして、この流れ偏向体２ｃの形成位置は、図２に示すように、隣接する流路の流れ偏向体２ｃが互いにずれた位置（千鳥配列の位置）となるように設定されている。
【００１８】
図１では上下方向に２段のチューブ１を配設し、その間に微細フィン２を配設した状態を示しているが、実際の熱交換器構造は図１の上下方向に多数段のチューブ１を配設し、各チューブ１間にそれぞれ微細フィン２を配設している。そして、加熱炉中にて微細フィン２にクラッドされたろう材を溶融して、チューブ１と微細フィン２は一体ろう付けされるようになっている。
【００１９】
ここで、熱交換器構造としては、所定長さに切断したチューブ１を図１の上下方向に多数段並列配置して、その両端部をそれぞれヘッダータンクにて連通させるようにした、いわゆるマルチフロータイプが好ましいが、チューブ１を図１の上下方向に多数段にわたって蛇行状に屈曲形成した、いわゆるサーペンタイプ等の熱交換器構造を採用することもできる。
【００２０】
次に、上記構成において第１実施例による熱交換器の作用を説明する。図示しない送風機により空気が矢印Ａ方向に送風されると、送風空気の主流はピン２ａの列の間を流通しようとする。このとき、微細フィン２の屈曲部２ｂには流れ偏向体２ｃが設けられており、しかもこの流れ偏向体２ｃは隣接する流路のものと互いにずれた位置（千鳥配列の位置）となるように配設されているから、流れ偏向体２ｃの配設位置近傍では、この流れ偏向体２ｃの空気流路絞り作用によって空気流速が速くなり、静圧が低くなる。逆に、流れ偏向体２ｃの配設されていない位置（流れ偏向体２ｃから離れた部位）では、流れ偏向体２ｃの空気流路絞り作用がないので、空気流速が遅くなり、静圧が高くなる。
【００２１】
この結果、図２の矢印Ｂに示すように、流れ偏向体２ｃの配設されていない、静圧の高い位置から、流れ偏向体２ｃの配設されている、静圧の低い位置に向かって空気が流れる。この流れにより、ピン２ａの列を横切る（ピン２ａの前後を通る）空気の流れが生じるため、ピン２ａの前後の温度境界層を分断できる。
すなわち、従来技術では図３のようにピン列に沿った空気流れＣが形成され、ピン全体が１つの連続した温度境界層の中に埋もれてしまうが、第１実施例によれば、図３に示す流れ現象を解消して、各ピン２ａの先端効果を有効に発揮でき、熱伝達率を大幅に向上できるとともに、有効伝熱面積を増大できる。
【００２２】
特に、ピン２ａの根元部は、チューブ１内を流れる高温冷媒からの熱伝導により温度的に高温となる傾向にあるが、流れ偏向体２ｃは、微細フィン２の屈曲部２ｂに形成され、ピン２ａの根元部に近接しているので、流れ偏向体２ｃの空気流偏向による伝熱促進の効果は大である。
なお、図１、２に示した流れ偏向体２ｃは、三角形状に形成しているが、矩形状等の形状でも、空気流路絞り作用が発生して空気流路に静圧の差が発生し、ピン２ａの列を横切る空気流れを起こすことができる。従って、第１実施例において、流れ偏向体２ｃの形状は三角形状に限定されるものではない。
（第２実施例）
図４〜図７は第２実施例を示しており、以下第１実施例との相違点について述べると、本例では微細フィン２を図４に示すように矩形状に屈曲形成している。そして、本例の流れ偏向体２ｄは空気の流れを局部的に絞って、渦流を発生する渦発生体を構成するものであり、具体的には、渦発生体をなす流れ偏向体２ｄは屈曲部（接合面）２ｂから所定の切り起こし角β（図５、６参照）をもって一体に切り起こし形成された２枚の切り起こし片２ｅ、２ｅにより構成されている。この２枚の切り起こし片２ｅ、２ｅは、その両者の間の流路が空気の下流側へ向かって次第に間隔が狭くなる方向に向いた所定の偏向角αをもって互いに斜めに配置されている。図５、６には、２枚の切り起こし片２ｅ、２ｅのうち、図４の左側のもののみ図示している。
【００２３】
なお、第２実施例では図４、７に示すように、微細フィン２の空気入口側の１箇所のみに流れ偏向体２ｄを設けているが、微細フィン２の空気流れ方向Ａの流路長さが長い場合等には、空気流れ方向Ａの複数箇所に、偏向体２ｄを設けてもよい。
次に、上記構成において第２実施例による熱交換器の作用を説明すると、図示しない送風機により矢印Ａ方向に送風される空気は、微細フィン２の空気入口側に設けられた「２枚の切り起こし片２ｅ、２ｅから構成される流れ偏向体（渦発生体）２ｄ」を通過しようとする。このとき、２枚の切り起こし片２ｅ、２ｅは屈曲部（接合面）２ｂから所定の偏向角αおよび切り起こし角βをもって互いに斜めに切り起こし成形されているため、この斜めの切り起こし形状に沿った空気流れが発生して、流れ偏向体２ｄ直後の部位に図６に示す渦流（旋回流）が形成される。
【００２４】
ここで、流れ偏向体２ｄを構成する２枚の切り起こし片２ｅ、２ｅの偏向角αは、図４に図示するように、それぞれ反対方向に向いているため、渦流の旋回方向は逆方向となる。つまり、旋回方向が逆方向となる２つの渦流が２枚の切り起こし片２ｅ、２ｅ直後に形成される。この２つの渦流はそれぞれ空気流れ方向Ａに対して、横方向（Ａ方向と直角方向）の速度成分を持つため、ピン２ａの列を横切る（ピン２ａの前後を通る）空気の流れ（図７のＢ部参照）が生じ、ピン２ａの前後の温度境界層を分断できる。従って、第１実施例と同様に、各ピン２ａの先端効果を有効に発揮でき、熱伝達率を大幅に向上できるとともに、有効伝熱面積を増大できる。
【００２５】
なお、上述の第１、第２実施例では、本発明を冷媒凝縮器に適用した場合について説明したが、本発明は、冷媒凝縮器に限らず、冷媒蒸発器、さらにはチューブ１内に熱交換流体として水が流れる自動車用ラジエータ、暖房用ヒータコア等にも適用可能であり、熱交換器一般に広く適用である。
また、本発明の微細フィンは、図示したピン状のものに限定されるものではなく、例えばスリットを切り込むことにより形成されるスリットフィンであってもよく、さらにそのスリットフィンを交互に起こしたオフセットフィン等であってもよい。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１実施例を示す熱交換器の要部斜視図である。
【図２】第１実施例における空気流れの形態を説明する説明図である。
【図３】従来技術における空気流れの形態を説明する説明図である。
【図４】本発明の第２実施例を示す熱交換器の要部斜視図である。
【図５】第２実施例における渦発生体の拡大斜視図である。
【図６】第２実施例における渦発生体による渦の発生状況を示す拡大斜視図である。
【図７】第２実施例における空気流れの形態を説明する説明図である。
【符号の説明】
１…チューブ、２…微細フィン、２ａ…ピン（微細フィン部）、２ｂ…屈曲部（接合面）、２ｃ、２ｄ…流れ偏向体、２ｅ…切り起こし片。

Claims (6)

1. 断面偏平状に形成されたチューブと、
   このチューブと、このチューブの外側を流れる流体との間の伝熱を促進する微細フィンとを備え、
   この微細フィンには、
   前記流体の流れ方向に沿って列状に配列された微細フィン部と、
   この微細フィン部の列の間に屈曲形成され、前記チューブに接合される接合面と、
   この接合面に設けられ、前記流体の流れを偏向して前記微細フィン部の間を横切る流れを形成する流れ偏向体とを備え、
   隣接する前記接合面に形成された前記流れ偏向体は、前記流体の流れに対して互いにずれた位置に配置されていることを特徴とする熱交換器。
2. 前記流れ偏向体は前記接合面から一体に切り起こし形成されていることを特徴とする請求項１に記載の熱交換器。
3. 前記流れ偏向体は、前記流体の流れを局部的に絞って、前記微細フィン部設置部位における流体の静圧に差を発生させるように構成されていることを特徴とする請求項１または２に記載の熱交換器。
4. 前記流れ偏向体は、流体流れ方向の上流側に頂部を向けた三角形に形成されており、この三角形の底辺部を支点として前記接合面から切り起こされてい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. 断面偏平状に形成されたチューブと、
   このチューブと、このチューブの外側を流れる流体との間の伝熱を促進する微細フィンとを備え、
   この微細フィンには、
   前記流体の流れ方向に沿って列状に配列された微細フィン部と、
   この微細フィン部の列の間に屈曲形成され、前記チューブに接合される接合面と、
   この接合面に設けられ、前記流体の流れを偏向して前記微細フィン部の間を横切る流れを形成する流れ偏向体とを備え、
   この流れ偏向体は前記流体の流れに渦流を発生する渦発生体により構成されていることを特徴とする請求項１または２に記載の熱交換器。
6. 前記渦発生体は前記接合面から所定の切り起こし角をもって一体に切り起こし形成された２枚の切り起こし片により構成されており、
   この２枚の切り起こし片は、その間の流路が流体の下流側へ向かって次第に間隔が狭くなる方向に所定の偏向角をもって互いに斜めに配置されていることを特徴とする請求項５に記載の熱交換器。

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