JP5030537B2 - 熱交換器 - Google Patents

Description

本発明は、車両用オイルクーラや過給機のインタークーラのような熱交換器に関し、特に、扁平チューブ内の扁平通路に介装されるインナーフィンの改良に関する。

車両用のオイルクーラや過給機のインタークーラのような熱交換器として、特許文献１〜３に記載されているように、内部と外部とで流体の熱交換を行う扁平形状の扁平チューブを多数積層した、いわゆる多板式の熱交換器が知られている。扁平チューブは、上下一対のプレートが高さ方向で所定の間隙を介して対向しており、その内部に流体が通流する扁平通路が形成され、この扁平通路内にインナーフィンが介装される。このインナーフィンは、伝熱面積の増加や流体撹拌効果の向上を図るために、矩形・台形の波形に屈曲形成されるとともに、適宜な開口部や切り起し片部が形成される。
特開平９−２９６９８９号公報 特開２００４−２０１０８号公報 特開平１０−３００３８１号公報

しかしながら、従来のインナーフィン形状では、扁平通路内の流体の流れに平行な横方向に関する流体の移動・撹拌は促進されるものの、上記横方向に直交する高さ方向に関する流体の移動・撹拌については、あまり考慮されておらず、十分なものではなかった。このために、扁平通路の中でも特に上下一対のプレートの壁面近傍における流体の移動・撹拌が十分になされず、これらプレートの壁面近傍における流体の速度が境界条件により低いものであるため、プレートを介した扁平チューブの内部と外部との熱伝達率・熱交換効率や放熱性能効率が低く、更なる改良が望まれていた。

本発明は、このような課題に鑑みてなされたものであり、インナーフィンによる扁平通路内の流体の移動・撹拌、特に、高さ方向に関する移動・撹拌を促進し、プレートの壁面近傍の流速を上昇させて、プレートを介した扁平チューブの内部と外部との熱伝達率・熱交換効率を有効に向上し得る新規な熱交換器を提供することを主たる目的としている。

本発明は、一対のプレートが高さ方向で所定の間隙をもって対向する扁平チューブの内部と外部とで熱交換が行われる熱交換器であって、上記扁平チューブの内部に形成される扁平形状の扁平通路内にインナーフィンが介装されている。このインナーフィンは、上記高さ方向に起立する縦壁部と、上記プレートに沿う横壁部と、が展開方向に沿って交互に折曲形成された矩形又は台形の波形形状をなし、上記縦壁部には、少なくとも上記高さ方向の位置が互いに異なる第１縦開口部と第２縦開口部とが貫通形成されている。

より好ましくは、上記インナーフィンは、上記一対のプレートの一方に近接する第１横壁部に第１横開口部が貫通形成されるとともに、上記一対のプレートの他方に近接する第２横壁部に第２横開口部が貫通形成されており、上記縦壁部と第１横壁部との第１コーナー部に、上記第１縦開口部と第１横開口部とがＬ字状に連なる第１開口部が形成されるとともに、上記縦壁部と第２横壁部との第２コーナー部に、上記第２縦開口部と第２横開口部とがＬ字状に連なる第２開口部が形成されており、これら第１開口部と第２開口部とは、上記展開方向及び高さ方向の双方に直交する尾根方向に沿って交互に形成されている。

本発明によれば、インナーフィンの縦壁部に、高さ方向の位置が互いに異なる第１縦開口部と第２縦開口部とが貫通形成されているために、これら第１，第２縦開口部を通過する扁平通路内の流体の流れに対し、一対のプレートの壁面へ向かう三次元的な流れを作り出し、プレートの壁面へ流体を誘導・衝突させることにより、プレートを介した扁平チューブの内部と外部との熱伝達率・熱交換効率、を有効に向上することができ、同一容積における放熱性能効率を向上することができる。

以下、図示実施例により本発明を詳細に説明する。図１は、本発明の一実施例に係る熱交換器としての車両用オイルクーラを示す分解斜視図である。このオイルクーラ１は、扁平形状をなす冷却エレメントとしての扁平チューブ１Ａを、所定の間隙をもって複数積層し、この扁平チューブ１Ａの内部を通流する流体であるオイルと外部を通流する流体である冷却水との間で熱交換を行う、いわゆる多板式のものであり、固定ボルト６及び取付フランジ７を用いて車体側へ取り付けられる。なお、図１では簡略的に単一の扁平チューブ１Ａのみを示している。このようなオイルクーラ１は、周知のように、後述するプレート２やインナーフィン１０等の各部材がクラッド材により形成され、これらの各部材を仮組みした状態で加熱炉内で加熱することにより、各部材が液密にろう（鑞）付け・接合される。

扁平チューブ１Ａは、楕円形状をなす上下一対の第１プレート２Ａと第２プレート２Ｂ
とを有し、高さ方向Ｚで所定の間隙を介して対向する両プレート２（２Ａ，２Ｂ）間に扁
平形状の扁平通路４が形成され、この扁平通路４内にインナーフィン１０が介装される。
各プレート２には複数の突起部８が形成されているとともに、両端にオイル通路３が貫通
形成されている。なお、閉鎖プレート５は、上端部に一する第１プレート２Ａのみに配置
され、オイル通路３を上端部までで閉鎖するものである。そして上記の取付フランジ７に
は、上記のオイル通路３に連通する孔３Ｂが貫通形成されている。オイルは、一方のオイ
ル通路３を通して各扁平チューブ１Ａ内の扁平通路４へ導入され、扁平通路４内を長手方
向（Ｘ）に沿って通流した後、他方のオイル通路３を通して外部へ排出される。

図２は上記のインナーフィン１０を単体で示す斜視図であり、図３は図２の矢視Ａに対応する正面図、図４は図２の矢視Ｂに対応する側面図である。このインナーフィン１０は、周知のプレス成形等により展開方向Ｘに沿う矩形の波形形状に折曲形成されており、扁平通路４の高さ方向Ｚに起立する縦壁部１１と、上記のプレート２（２Ａ，２Ｂ）に沿う横壁部１２，１３と、が交互に折曲形成されている。縦壁部１１は、上下一対のプレート２Ａ，２Ｂに架け渡されるように、扁平通路４の高さ方向Ｚに沿って立ち上がっている。横壁部１２，１３は、一方の第１プレート２Ａに実質的に隙間なく近接・接合される第１横壁部１２と、他方の第２プレート２Ｂに実質的に隙間なく近接・接合される第２横壁部１３と、により構成され、両者１２，１３が展開方向Ｘで交互に形成されている。なお、この実施例では流体の主通流方向である扁平通路４の長手方向が展開方向Ｘとなるように設定されている。

そして、縦壁部１１と第１横壁部１２との第１コーナー部１６に第１開口部１４が貫通形成されるとともに、縦壁部１１と第２横壁部１３との第２コーナー部１７に第２開口部１５が貫通形成されている。第１開口部１４は、縦壁部１１の上部に貫通形成された矩形の第１縦開口部１４Ａと、第１横壁部１２に貫通形成された矩形の第１横開口部１４Ｂと、が連なる略Ｌ字状をなしており、同じく第２開口部１５は、縦壁部１１の下部に貫通形成された矩形の第２縦開口部１５Ａと、第２横壁部１３に貫通形成された矩形の第２横開口部１５Ｂと、が連なる略Ｌ字状をなしている。

これら第１開口部１４と第２開口部１５とは、上記の高さ方向Ｚと展開方向Ｘの双方に直交する尾根方向Ｙで、互いに異なる位置に配置されており、より具体的には尾根方向Ｙで適宜間隔毎に交互に形成されている。従って、図４に示すように一つの縦壁部１１に形成される第１縦開口部１４Ａと第２縦開口部１５Ａとは、高さ方向Ｚで互いに異なる上端と下端とに形成され、かつ、尾根方向Ｙで互い違いに（交互に）形成されている。また、一つの横壁部１２，１３に形成される第１横開口部１４Ｂと第２横開口部１５Ｂとは、展開方向Ｘで異なる位置、つまり展開方向Ｘの両端にそれぞれ形成され、かつ、尾根方向Ｙで互い違いに（交互に）形成されている。

図５はインナーフィンの縦壁部を模式的に示している。図５（Ａ）に示す比較例では、縦壁部２１に貫通形成される開口部２２が、同一の尾根方向Ｙ寸法で、高さ方向Ｚの全長にわたって延長形成されている。このような比較例では、扁平通路４内の流れがＸＹ平面上の横方向に沿う二次元的な流れとなり、この横方向に沿う流体の移動・撹拌は促進されるものの、高さ方向Ｚに関する流体の移動・撹拌が不十分となる。このために、熱交換が行われる上下一対のプレート（２）の壁面近傍では境界条件により速度境界層や温度境界層における流速が低く、プレートを通した熱伝達率・熱交換効率を十分に向上することができない。

これに対して図５（Ｂ）に示す本実施例では、上述したように、縦壁部１１には、高さ方向Ｚの位置が互いに異なる第１縦開口部１４Ａと第２縦開口部１５Ａとが尾根方向Ｙに互い違いに形成されている。このために、流体の流れがＸＹ平面上の横方向及び高さ方向Ｚの双方に変化する三次元的な流れとなり、横方向での流体の移動・撹拌が促進されることに加え、高さ方向Ｚにおける流体の移動・撹拌も促進される。このために、扁平通路４内で上下一対のプレート２Ａ，２Ｂの壁面近傍に流体を誘導・衝突させて、これらプレート壁面近傍における流速を効果的に上昇させることができ、上下一対のプレート２Ａ，２Ｂを介した熱伝達率・熱交換効率を有効に向上させることができる。

特に本実施例では、縦壁部１１と第１横壁部１２との第１コーナー部１６に、第１縦開口部１４Ａと第１横開口部１４ＢとがＬ字状に連なる第１開口部１４が形成されるとともに、縦壁部１１と第２横壁部１３との第２コーナー部１７に、第２縦開口部１５Ａと第２横開口部１５ＢとがＬ字状に連なる第２開口部１５が形成されており、これら第１開口部１４と第２開口部１５とが尾根方向Ｙに沿って適宜間隔毎に交互に形成されているために、インナーフィン１０の剛性を確保しつつ、開口部１４，１５を比較的大きく確保して通路抵抗を抑制することができ、かつ、縦開口部１４Ａ，１５Ａや横開口部１４Ｂ，１５Ｂが良好に分散して配置されることから、高さ方向Ｚ及び尾根方向Ｙについて流れが変化する三次元流れを良好に生み出すことができる。しかも、インナーフィン１０の展開形状で各開口部１４，１５が矩形形状となり、これら開口部１４，１５を容易に成形することができ、生産性にも優れている。

図６は、上記の比較例と実施例との圧力損失と交換熱量との関係を示すスケールモデルでの実験データである。同図に示すように、本実施例では、比較例に比して、同一の圧力損失での交換熱量が高く、熱交換効率に優れていることが確認された。

以上のように本発明を具体的な実施例に基づいて説明してきたが、本発明は上記実施例に限定されるものではなく、その趣旨を逸脱しない範囲で、種々の変形・変更を含むものである。例えば、上記実施例では、インナーフィン１０の展開方向Ｘを扁平通路内の流体の主流れ方向と一致させているが、これに限らず、インナーフィン１０の尾根方向Ｙを流体の主流れ方向と一致させても良い。この場合、図３に示すように、第１，第２開口部１４，１５がそれぞれ流れ方向に対して同一ライン上に配置されることとなるので、上記実施例に比して、流れの三次元化による熱伝達率の向上効果は劣るものの、縦壁部１１と横壁部１２，１３とが流れ方向に沿う形となるので、これら縦壁部１１と横壁部１２，１３によって囲われる空間１８が流れ方向に沿う形となり、上記実施例のように縦壁部１１が流れ方向に対面するものに比して、通路抵抗を低く抑制することができる。

本発明の一実施例に係る燃焼器としてのオイルクーラを示す分解斜視図。 上記オイルクーラのインナーフィンを単体で示す斜視図。 図２の矢視Ａに対応する側面図。 図２の矢視Ｂに対応する正面図。 比較例（Ａ）と本実施例（Ｂ）とのフィン形状による流体流れの相違を示す説明図。 上記比較例と本実施例の圧力損失と交換熱量とを示す説明図。

符号の説明

１…オイルクーラ
１Ａ…扁平チューブ
２（２Ａ，２Ｂ）…プレート
１０…インナーフィン
１１…縦壁部
１２…第１横壁部
１３…第２横壁部
１４…第１開口部
１４Ａ…第１縦開口部
１４Ｂ…第１横開口部
１５…第２開口部
１５Ａ…第２縦開口部
１５Ｂ…第２横開口部
１６…第１コーナー部
１７…第２コーナー部

Claims (1)

1. 一対のプレートが高さ方向で所定の間隙をもって対向する扁平チューブの内部と外部とで熱交換が行われる熱交換器であって、
   上記扁平チューブの内部に形成される扁平形状の扁平通路内にインナーフィンが介装されており、
   このインナーフィンは、上記高さ方向に起立する縦壁部と、上記プレートに沿う横壁部と、が展開方向に沿って交互に折曲形成された矩形又は台形の波形形状をなし、
   上記縦壁部には、少なくとも上記高さ方向の位置が互いに異なる第１縦開口部と第２縦開口部とが貫通形成されており、
   上記インナーフィンは、上記一対のプレートの一方に近接する第１横壁部に第１横開口部が貫通形成されるとともに、上記一対のプレートの他方に近接する第２横壁部に第２横開口部が貫通形成されており、かつ、上記縦壁部と第１横壁部との第１コーナー部に、上記第１縦開口部と第１横開口部とがＬ字状に連なる第１開口部が形成されるとともに、上記縦壁部と第２横壁部との第２コーナー部に、上記第２縦開口部と第２横開口部とがＬ字状に連なる第２開口部が形成されており、これら第１開口部と第２開口部とは、上記展開方向及び高さ方向の双方に直交する尾根方向に沿って交互に形成されていることを特徴とする熱交換器。

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