JP4638583B2 - 流体輸送チューブ、およびこのチューブを備える自動車用冷却器 - Google Patents
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Description
【発明の属する分野】
本発明は、広義では、自動車用冷却器に関し、より詳細には、かかる冷却器に設けられる流体輸送チューブの構造に関する。
【0002】
【従来の技術】
例えば欧州特許公開第0590945号に開示されているようなタイプの自動車用冷却器は、熱交換アセンブリを備え、このアセンブリは、第1流体、例えばエンジンブロックを通過するように循環する液体が通過するように並置された平らな流体輸送チューブと、これらのチューブの間に配置され、第2流体、たとえば冷却空気が通過するようになっている表面拡大手段とから構成されている。各チューブは、対向する広い面を有し、この広い面には、基本熱交換表面を形成する広い拡大手段が当接している。。
【0003】
このタイプの冷却器では、流体間の熱交換を高めるために、チューブの内側の基本表面に突起を設けることが、既に知られている。これらの突起は、絶縁効果のある、境界部の層流を解消する。このような層流は、突起がない場合に、少なくとも流体の流量が少ないときに、基本表面に沿ってチューブ内部に形成される傾向がある。
【0004】
これらの突起は、例えば米国特許第4,470,452号から公知のように、細長くしてもよいし、また、例えば米国特許第5,730,213号から公知のように、円筒形でもよい。しかし、これらの構造体は、熱交換容量を充分に大きくすることと、チューブの長手方向に沿った圧力低下を充分低くすることとを両立させることはできない。
【0005】
「コンパクトな熱交換器用に矩形チューブの改善された熱および流体性能」を題名とするチャルマーズ(chalmers)工科大学により1997年に発行された博士論文に、流体輸送チューブの別の例が開示されている。このチューブを、図1の平面図に示す。
【0006】
このチューブの対向する基本表面は、ジグザグ状の横方向リブ1、すなわち多数の細長いリブ要素2から成る表面構造体を有し、リブ要素は、先の尖った中間領域3において互いに接続されている。横方向リブ1は、チューブの対向する基本表面において、チューブの長手方向Lに交互に配置されており、上部基本表面に配置されたリブ1(図1では実線で示されている)は、下部基本表面に配置されたリブ1(図1では点線で示されている)に対して横方向にずれている。
【0007】
チューブの長手方向Lに見ると、対向する基本表面に連続するリブ要素2が交互に配置されており、これらリブ要素は、所定の相互の角度を有する。こうしてリブ要素2は、チューブを通過させるように、第1流体の流れの方向を定め、図2の端面図に略示するように、チューブの長手方向軸線を中心とする渦巻き運動を発生させる。
【0008】
より詳細に説明すれば、入力流は、多数の平行な部分的な流れ4に分割され、チューブを通過する際に、これら流れは螺旋運動を行う。各部分流4は、隣接する部分流4に対し反対方向に回転する。この部分流により、基本表面に隣接する境界の層流は解消され、チューブの中心部分と壁部分との間で、良好な流体の循環が行われる。
【0009】
以上のすべての事項の結果として、チューブの熱交換容量は潜在的に高くなる。しかし、今日の製造技術によって、ジグザグ形状の接続されたリブを設けることは困難であり、従って、現実には、リブ要素1の間の尖った領域3に、ギャップが生じるのは避けられない。
【0010】
このタイプの螺旋流チューブを備える自動車用冷却器は、チューブを通過する流量が比較的少ないときでも、熱交換容量が高いことが判っている。このことは、例えば空気を過給するトラック用エンジン用の自動車用冷却器で望ましいことである。その理由は、この自動車は、エンジン速度が低い時でも、多量の熱を発生し得るからである。
【0011】
しかし、上記構造体は未成熟であり、その容量をより良くするよう、更に改善する必要がある。
【0012】
本発明の目的は、改善された流体輸送チューブ、すなわち、特に比較的少ない流量の流体がチューブを通過する際に、一定の大きさでありながら、通常の構造体よりも熱交換容量がより大きいか、または圧力低下がより少ないチューブを提供することにある。
【0013】
本発明の別の目的は、詰まりが生じる恐れの少ない流体輸送チューブを提供することにある。
【0014】
本発明の更に別の目的は、製造が簡単である流体輸送チューブを提供することにある。
【0015】
次の説明から明らかとなる上記およびそれ以外の目的は、請求項1に記載された流体輸送チューブ、および請求項13に記載された自動車用冷却器によって、完全にまたは部分的に達成される。従属請求項には、好ましい実施態様が記載されている。
【0016】
本発明の構造体は、流入流体を多数の部分流に分割するようになっており、各部分流は、チューブの長手方向に延びるそれぞれの軸線を中心とする渦巻き運動を行う。中心にわたって横方向に延びる列状に、表面構造体内の細長い、流れの向きを定める要素が設けられており、それぞれの列内に含まれる流れの向きを定める要素が互いに平行となっていることにより、従来の構造体よりも、流れの向きを定める要素を互いに密に装入できるようになっている。そのため、チューブの基本表面の所定の幅で、チューブではより多数の部分流が得られる。従って、特にチューブを通過する流量が少ない時に、これまでの構造体よりも、熱交換容量が大きくなることが判った。
【0017】
例えば、ブランクをエンボス加工し、チューブの広い面に、細長いリセスまたはピットを形成することにより、本発明のチューブに、適当な流れの向きを定める要素を容易に設けることができる。
【0018】
以下、本発明の現在のところ好ましいと思われる実施例を示す添付の略図を参照して、本発明およびその利点について、より詳細に説明する。
【0019】
【実施例】
図3〜図8は、本発明に係わる流体輸送チューブ10の好ましい実施例を示す。このチューブ10は、金属材料、通常はアルミニウム材料から適当に製造される。図3から判るように、チューブ10は平らであり、ほぼ平面状の2つの対向する広い面11、12を有する。これら広い面11と12は、2つの対向す湾曲した短い側面13、14を介して接続されている。
【0020】
このチューブ10を自動車用冷却器に取り付ける際、これら広い面11、12に、表面拡大手段(図示せず)、例えば折りたたまれた薄板状体を当接させる。従って、チューブ10を通過して流れる媒体と、チューブ10の外側のまわりで、表面拡大手段を通過して流れる媒体との主な熱交換は、これら広い面11、12を介して行われる。これら広い面11と12とは、チューブ10の内部に2つの対向する基本熱交換表面11’、12’を形成する。
【0021】
図4〜図8から判るように、基本表面11’、12’には、多数の突出する流れの方向を定める要素15が設けられている。これらの要素は、チューブ10の広い面11、12の一方の側面に設けられた小さいピット状をしており、ディンプルと称される。これらピットは、反対側の面に対応する突起を形成している。これらディンプルは、例えばブランクをエンボス加工することによって形成できる。
【0022】
その後、このエンボス加工されたブランクは、平らなチューブ10に形成される。ディンプル15の高さF(図5参照)は、一般に約0.1〜0.3mmであり、この値は、チューブの厚さとほぼ対応している。
【0023】
ディンプル15は細長く、チューブ10の長手方向Lに対して、斜めになっている。またディンプル15は、それぞれの基本表面11’、12’上に多数の表面構造体として、すなわちグループ16として配置されている。図4は、上部基本表面11’上のディンプル15を実線で示し、下部基本表面12’上のディンプル15を点線で示している。
【0024】
次に、まずチューブ10の中心線C−Cの左側のディンプル15のグループ16について説明する。上部基本表面11’および下部基本表面12’上のディンプル15のグループ16は、長手方向Lに相対的にずれているので、チューブ10の断面では、ディンプル15が対抗しないことが、図4の平面図から明らかである(図6〜図8を参照)。これにより、チューブ10が詰まるのを回避できる。こうして、長手方向Lに見て、上部基本表面11’と下部基本表面12’に、交互にディンプル15のグループ16が配置されている。
【0025】
各グループ16は、傾斜したディンプル15の第1の横方向列17と、第2の横方向列18とから成っている。各列17、18内で、すべてのディンプル15は互いに平行となっている。第1列17内のディンプル15は、チューブ10の短い側面13に対して長手方向Lに角度αに斜めになっているが、第2列18内のディンプル15は、チューブ10の第2の対向する短い側面14に対して長手方向Lに角度βに斜めになっている。従って、第1列17内のディンプル15と第2列18内のディンプル15との相互角度は、γ=180°−α−βとなっている。
【0026】
更に、第2列18内のディンプル15は、適当に第1列17内のディンプル15に対して側方にずれているので、長手方向Lに見た第1列17内のディンプル15の端部19は、第2列18内のディンプル15の端部19と一致している。
【0027】
長手方向L、すなわちチューブ10を通過する流体の主な流れ方向に見ると、少なくともディンプル15の中心を通過する線(図4のVI−VI線と比較)に沿って、上部基本表面11’と下部基本表面12’とに交互に、連続するディンプル15が配置されている。この連続するディンプル15は、角度γにて互いに傾斜している。
【0028】
図3〜図8に示す流体輸送チューブでは、流入した流体は、多数の部分流に分割される。この部分流は、斜めになっているディンプル15によって向きを定められながら、チューブ10の長手方向Lに延びるそれぞれの軸線を中心とする渦巻き運動を行う。こうして、チューブ10の長手方向Lと平行なディンプル15の各組は、仮想チャンネルを形成し、このチャンネル内で、流体は渦巻き運動を行う。
【0029】
各列17、18内のディンプル15は、互いに平行であるため、これらのディンプルは、基本表面11’、12’にコンパクトなパターンに設置でき、入力流体に対する良好に構成された仮想チャンネルをも形成する。
【0030】
図3〜図8に示す実施例では、チューブ10は、中心線C−Cの両側に、ディンプル15のグループ16を有するが、製造上の理由から、実際の中心線C−Cのまわりの領域には、ディンプル15はない。その理由は、今日の製造技術では、ブランクをエンボス加工する間、ブランクの中心部に当接部材を置く必要があるからである。
【0031】
また図示の例では、中心線C−Cの各側のグループ16内のディンプル15は、互いに鏡状に反転されている。しかし、このグループ16は、中心線C−Cの両側で、同じ外観となっていることに留意すべきである。製造技術的に可能であれば、実際には、短い側面13と14との間で、基本表面11’、12’の横方向に連続してディンプル15を延長することが望ましい。しかし、ディンプル15の列17、18は、チューブ10の長手方向Lに直角に延長させる必要はなく、表面11’、12’上で斜めに延長させることもできる。
【0032】
チューブ10の基本表面11’、12’上のディンプル15の大きさ、および位置決めは、熱交換容量、および圧力低下に関係するチューブ10の性能に影響する。従来調査されたパラメータは、ディンプル15の傾斜角αおよびβ(図4参照)と、長手方向Lに沿う連続するディンプル15の間の距離D(図4参照)と、長手方向Lに沿う基本表面11’、12’上の連続するディンプル15間の距離C(図4参照)と、基本表面11’、12’からのディンプル15の高さF(図5参照)と、ディンプル15の長さA(図5参照)とである。
【0033】
角度αとβとは、等しいことが好ましい。また、角度αおよびβは、約40〜80°の範囲、好ましくは約45〜75°の範囲とするべきである。現在の所、αおよびβの最も好ましい値は約45°である。この値は、連続するディンプルが実質的に互いに直角であることを意味する。
【0034】
更に、距離Cは距離Bの2倍が適当である。すなわち、チューブ10の長手方向Lに連続するすべてのディンプル15は、相互の中心間の距離が一定であるのが適当である。
【0035】
チューブ10内を、液体状の流体、例えば水が通過する場合、次のような寸法が好ましいことが判っている。約0.8〜2.2m/sの平均流量で、チューブを液体が流れる場合、ディンプル15の距離Dと高さFとの関係は、約1対10〜40の範囲、好ましくは約1対15〜30の範囲とするべきである。最小限界値では、チューブに沿った圧力低下は、望ましくないほど高くなり、最大限界値では、基本表面による熱交換容量は満足できないほど低くなる。
【0036】
基本表面11’と12’との間の距離Gが0.8〜2.8mmのチューブ10では、ディンプル15の長さAとディンプル15の高さFとの関係は、約1対4〜14の範囲とするべきである。最小限界値では、チューブ10に沿った圧力低下は望ましくないほど高くなり、最大限界値では基本表面11’、12’を介した熱交換容量は満足できないほど低くなる。
【0037】
基本表面11’と12’との相対距離Gとディンプル15の高さFとの関係は、少なくとも約2.5とするべきである。約0.8〜2.2m/sの平均レートで、液体がチューブを通過して流れる際の詰まりを防止するために、基本表面11’と12’との間の相互距離が0.8〜2.8mmのチューブが好ましい。
【0038】
チューブ内をガス、例えば空気状をした流体が通過する場合、ディンプル15の距離Bと高さFとの関係は、約1対25〜65の範囲内、好ましくは、約1対35〜55の範囲内とするべきであることが判っている。最小限界値では、チューブに沿った圧力低下は、望ましくないほど大きくなり、最大限界値では、基本表面を介する熱交換容量は、満足できないほど小さくなる。
【0039】
図9〜図10は、流体輸送チューブの別の実施例を示す。図3〜図4の対応する部品を有する部品には、同じ符号を付け、これらの部品については、詳細に説明しない。
【0040】
チューブ100は、仕切り壁103によって分離された2つの別個の流体ダクト、すなわちチャンネル101と102とを有する。このチューブ100は、ディンプルが設けられたブランクを曲げることによって形成される。チューブ100の広い面11、12上のディンプル15のパターンは、図4におけるチューブ10上のパターンとほぼ同一であるので、それと同様の利点が得られる。
【0041】
本発明は、流体、例えば液体またはガスを冷却するよう、並列に配置されたチューブを有するすべてのタイプの自動車用冷却器、例えば液体冷却器、過給用空気冷却器、凝縮機およびオイル冷却器に適用可能である。
【図面の簡単な説明】
【図1】従来技術に従って製造された流体輸送チューブの平面図である。
【図2】従来技術に従って製造された流体輸送チューブの端面図である。
【図3】本発明に係わる流体輸送チューブの端面図である。
【図4】本発明に係わる流体輸送チューブの一部の平面図である。
【図5】図4におけるV−V線に沿った断面図である。
【図6】図4におけるVI−VI線に沿った長手方向断面図である。
【図7】図4におけるVII−VII線に沿った横方向断面図である。
【図8】図4におけるVIII−VIII線に沿った横方向断面図である。
【図9】デュアルチャンネルタイプの、本発明の流体輸送チューブの端面図である。
【図10】デュアルチャンネルタイプの、本発明の流体輸送チューブの平面図である。
【符号の説明】
10 流体輸送チューブ
11、12 広い面
13、14 短い側面
11’、12’ 基本熱交換表面
15 流れ向きを定める要素(ディンプル)
16 表面構造体またはグループ
17、18 横方向列
Claims (13)
- 自動車用冷却器のための流体輸送チューブであって、
内側に、対向する第1長手方向基本熱交換表面(11’)、第2長手方向基本熱交換表面(12’)と、前記第1および第2長手方向基本熱交換表面(11’)(12’)上に配置される表面構造体(16)を備え、
前記表面構造体(16)が、前記基本表面(11’)(12’)から突出する複数の細長い流れの向きを定める要素(15)をそれぞれ含み、
流れの向きを定める前記要素(15)が、前記基本表面(11’)(12’)の長手方向(L)に連なり、前記第1および第2長手方向基本熱交換表面(11’)(12’)上に交互に配置され、かつ互いに所定の角度(γ)をなすように、前記表面構造体(16)が、前記第1および第2長手方向基本熱交換表面(11’)(12’)上に交互に配置される流体輸送チューブであって、
各表面構造体(16)が、互いに平行な流れの向きを定める要素(15)から成る横方向に延びる第1の列(17)を有することを特徴とする、
流体輸送チューブ。 - 前記表面構造体(16)内の各流れの向きを定める要素(15)の少なくとも1つの端部(19)が、基本表面(11’、12’)の長手方向(L)に見て、前記表面構造体(16)の別の流れの向きを定める要素(15)の1つの端部(19)とほぼ一致している、請求項1記載の流体輸送チューブ。
- 各表面構造体(16)が、流れの向きを定める、互いに平行な要素(15)の横方向に延びる第2の列(18)を含み、この第2の列(18)の流れの向きを定める要素(15)が、第1の列(17)の流れの向きを定める要素(15)に対して、前記角度(γ)をもって配置されている、請求項1または2記載の流体輸送チューブ。
- 第1列(17)の各流れの向きを定める要素(15)の少なくとも1つの端部(19)が、基本表面(11’、12’)の長手方向(L)に見て、第2列(18)の関連する流れの向きを定める要素(15)の1つの端部(19)とほぼ一致している、請求項3記載の流体輸送チューブ。
- 流れの向きを定める要素(15)が、第1列(17)および第2列(18)において、横方向に相対的にずれている、請求項3または4記載の流体輸送チューブ。
- 前記角度(γ)が、約200〜100°、好ましくは約30〜90°、最も好ましくは約90度である、請求項1〜5のいずれかに記載の流体輸送チューブ。
- 前記列(17、18)が、基本表面(11’、12’)の長手方向(L)に対して直角に延びている、請求項1〜6のいずれかに記載の流体輸送チューブ。
- 液体が通過するようになっており、前記長手方向(L)に連続する、流れの向きを定める要素(15)の間の中心間距離(B)が、基本表面(11’、12’)に直角な、流れの向きを定める要素(15)の高さ(F)の約10〜40倍、好ましくは約15〜35倍である、請求項1〜7のいずれかに記載の流体輸送チューブ。
- ガスが通過するようになっており、前記長手方向(L)に連続する、流れの向きを定める要素(15)の間の中心間距離(B)が、基本表面(11’、12’)に直角な、流れの向きを定める要素(15)の高さ(F)の約25〜65倍、好ましくは約30〜55倍である、請求項1〜7のいずれかに記載の流体輸送チューブ。
- 細長い流れの向きを定める各要素(15)が、前記基本表面(11’、12’)に対して直角な高さ(F)の約4〜14倍である、請求項1〜9のいずれかに記載の流体輸送チューブ。
- 前記基本表面(11’)と(12’)との間の距離(G)が、前記基本表面(11’、12’)に対して直角な流れの向きを定める要素(15)の高さ(F)の少なくとも約2.5倍である、請求項1〜10のいずれかに記載の流体輸送チューブ。
- 前記表面構造体(16)が、チューブを貫通する多数の並列な流路を形成するようになっており、流体が、この流路の各々において、前記長手方向(L)に延びるそれぞれの軸を中心とする渦巻き運動をチューブを通って流れるようになっている、請求項1〜11のいずれかに記載の流体輸送チューブ。
- 熱交換アセンブリと、該熱交換アセンブリに接続された少なくとも1つのタンクとを含む自動車用冷却器であって、前記熱交換アセンブリが、請求項1〜12のいずれかに記載の流体輸送チューブと、該チューブの間に配置された表面拡大手段とを含むことを特徴とする、自動車用冷却器。
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