JP5324169B2 - 熱交換器用チューブ及び熱交換器 - Google Patents

Description

本発明は、熱交換器用チューブ及び熱交換器に関する。

従来、熱交換器用チューブ及び熱交換器として特許文献１の記載の技術が知られている（特許文献１参照）。
この発明によれば、チューブの幅方向両端に位置する最外側流通通路を角のない真円形や楕円形等の形状に形成している。
特開平１１−４４４９８号公報

しかしながら、従来の発明にあっては、最外側流通通路が角のない真円形や楕円形等の形状に形成されているため、チューブの大型化を招くという問題点があった。
加えて、飛び石等による衝撃力は必ずしもチューブの幅方向から水平に入力されるとは限らず、斜め下方や斜め上方から入力される場合があるため、飛び石等に対する破壊強度が不足する虞があった。

本発明は上記課題を解決するためになされたものであって、その目的とするところは、チューブの大型化を招くことなく、飛び石等に対する破壊強度を向上できる熱交換器用チューブ及び熱交換器を提供することである。

請求項１記載の発明では、偏平管状に形成され、その内部が、高さ方向で対向して平行配置された一対の平坦壁部と、該一対の平坦壁部の幅方向における両端同士を結合する結合壁部と、前記一対の平坦壁部間に跨る仕切り壁部とによって区画され、複数の流通通路が前記幅方向に並んで形成された熱交換器用チューブにおいて、前記複数の流通通路のうち前記チューブの前記幅方向における両端に位置する最外側流通通路を、前記高さ方向および前記幅方向に平行な平面で切った断面が、前記チューブの前記幅方向における端部側である外側へ向けて突出した頂点部分を有する略三角形状となるように形成し、該略三角形状は、前記最外側流通通路の前記幅方向における内側端を形成する前記仕切り壁部の壁面を底辺部分とし、前記最外側流通通路の前記幅方向における外側端を形成する前記結合壁部の内壁面を前記突出した頂点部分としており、前記三角形状における前記底辺部と前記突出した頂点部分とを結ぶ斜辺部分が前記平坦壁部の該壁面に対して平行となる面部分を有しないようにし、前記斜辺部分で前記最外側流通通路を形成する壁部の前記高さ方向における厚みを、前記幅方向における内側から外側に行くに連れて次第に大きくするとともに、前記結合壁部の前記幅方向における外側端の外壁面に、前記高さ方向に延びる平坦面を形成したことを特徴とする。

請求項１記載の発明では、チューブの幅方向両端に位置する最外側流通通路を、横断面がチューブの幅方向端部へ向けて突出した頂点部分を有する略三角形状に形成し、最外側流通通路におけるチューブの高さ方向の壁の厚みをチューブの幅方向端部側に行くに連れて大きくしている。
これにより、チューブ及び熱交換器の大型化を招くことなく、水平方向のみならず斜め方向から入力される飛び石等に対する破壊強度をも向上させることができる。

以下、この発明の実施例を図面に基づいて説明する。

以下、実施例１を説明する。
図１は実施例１の熱交換器用チューブが採用されたコンデンサを示す正面図、図２は実施例１の熱交換器用チューブの横断面図、図３は実施例１の熱交換器用チューブの要部拡大断面図、図４は実施例１の作用を説明する図、図５は設定値Ｘと破壊強度との関係を説明する図、図６は設定値Ｘと重量との関係を説明する図、図７は設定値Ｘと流通抵抗との関係を説明する図である。

先ず、全体構成を説明する。
図１に示すように、実施例１の熱交換器用チューブ１０（以下チューブ１０と称す）が採用されたコンデンサ１（請求項の熱交換器に相当）は、左右に所定間隔を置いて配置された一対のタンク2,3と、両タンク2,3の間に配置されたコア部４等が備えられている。
タンク２は、４枚の板状のディバイドプレートＤ１で３つの室R1,R3,R6に区分けされる他、室Ｒ１に連通した入力ポート５ａを備える入力コネクタ５が設けられる一方、室Ｒ６に連通した出力ポート６ａを備える出力コネクタ６が設けられている。
タンク３は、４枚のディバイドプレートＤ１で３つの室R2,R4,R5に区分けされる他、接続管7,8を介して室R4,R5に連通したレシーバタンク９が設けられている。

コア部４は、両端部がそれぞれ対応するタンク2,3に挿通し固定された複数の偏平管状のチューブ１０と、隣接するチューブ１０に波状の頂部が接合された波板状のフィン１１とから構成されている。
また、コア部４の積層方向両側は、両端部がそれぞれ対応するタンク2,3に挿通し固定された一対のレインフォース12,13で連結補強されている。

その他、実施例１のコンデンサ１の各構成部材は全てアルミ製であり、各構成部材の接合部のうちの少なくとも一方には、ろう材（ブレージングシート）が設けられ、これらは予め仮組みした状態で熱処理されることにより、一体的にろう付け接合されている。
なお、レシーバタンク９の内部構造によっては、コンデンサ１の熱処理後に装着する場合もあり得る。

次に、チューブ１０について詳述する。
図２に示すように、チューブ１０の外形は偏平管状に形成されている。
チューブ１０の内部は、上下に対向配置された一対の平坦壁部10a,10ａと、該平坦壁部10a,10ａの幅方向両端同士を結合する結合壁部10b,10bと、平坦壁部10a,10ａ間に跨る複数の直線状の仕切り壁部１０ｃによって区画されている。
これにより、チューブ１０の内部には、複数の流通通路１０ｄが、横並びに形成されている。

図３に示すように、チューブ１０の幅方向両端に配置された最外側流通通路１０ｅは、その横断面がチューブ１０の幅方向端部側へ向けて突出した頂点部分１０ｆを有する略三角形状に形成されている。
これにより、最外側流通通路１０ｅにおけるチューブ１０の高さ方向の壁の厚みはチューブ１０の幅方向端部側に行くに連れて大きくなっており、ここに、肉厚部分１０ｇが形成されている。
従って、チューブ１０の幅方向端部は外方からの衝撃力に対する破壊強度が高くなっている。

さらに、頂点部分１０ｆは、円弧状の第１円弧部１０ｈと、第１円弧部１０ｈよりも小さな曲率を有して第１円弧部１０ｈの両端に接続された円弧状の第２円弧部１０ｉで構成されている。
また、頂点部分１０ｆ以外の頂点部分10k,10mは第２円弧部１０ｉよりも小さな曲率で円弧状に形成されている。
なお、実施例１では、頂点部分10k,10mの曲率（曲率Ｒ＝０．１ｍｍ）<第２円弧部１０ｉの曲率（曲率Ｒ＝０．２ｍｍ）<第１円弧部１０ｈの曲率（曲率Ｒ＝０．７ｍｍ）となるように設定されているが、この限りではない。
このように、最外側流通通路１０ｅには鋭角な角部が形成されないので、外方からの衝撃力を分散させて特定部位への応力集中を回避できるようになっている。
一方、チューブ１０の最外側流通通路１０ｅ以外の流通通路１０ｄは仕切り壁部１０ｃによって略矩形状に形成されている。

次に、作用を説明する。
[コンデンサの作動について]
このように構成されたコンデンサ１では、入力コネクタ５の入力ポート５ａを介してエンジン側からタンク２の室Ｒ１に流入した６０℃前後の高温な流通媒体が、先ず、コア部４のそれぞれ対応するチューブ１０を介してタンク３の室Ｒ２、タンク２の室Ｒ３、タンク３の室Ｒ４の順番にターンしながら流通する間にコア部４を通過する車両走行風または図示しないファンの強制風と熱交換されて冷却される。

次に、タンク３の室Ｒ４の流通媒体は、接続管７を介してレシーバタンク９に流入して気液分離した後、接続管８を介してタンク３の室Ｒ５に流入する。

最後に、タンク３の室Ｒ５に流入した流通媒体は、コア部４の対応するチューブ１０を介してタンク２の室Ｒ６に流入する間にコア部４を通過する車両走行風または図示しないファンの強制風と熱交換されて４５℃前後まで過冷却された後、出力コネクタ６の出力ポート６ａを介してエバポレータ側へ送出され、熱交換器として機能する。

[飛び石について]
前述したように、コンデンサ１のコア部４は、車両走行風やファンの強制風を通過させるために車外に連通させておく必要があるため、通常、コンデンサ１は、エンジンルーム内の前部に搭載されている。
そのため、車両走行中に飛び石等がコア部４のチューブ１０の幅方向端部に衝突する虞がある。

この際、前述したように、チューブ１０の最外側流通通路１０ｅは幅方向端部側へ突出した頂点１０ｈを有して略三角形状に形成され、さらに、肉厚部分１０ｇが形成されているため、チューブ１０の幅方向端部における外方からの入力に対する破壊強度を向上でき、飛び石等の衝突によるチューブ１０の亀裂・変形等を防止できる。
加えて、最外側流通通路１０ｅには鋭角な角部がないため、外方からの入力を分散して特定部位への応力集中を回避できる。

次に、図４に基づいて、実施例１のチューブ１０（二点鎖線で図示）の横断面と円形状の最外側流通通路１４ａを有するチューブ１４の横断面とを重ねた状態で比較検討する。なお、両チューブ10,14のハッチングの図示は省略する。

[チューブのコンパクト化について]
チューブ１４では、最外側流通通路１４ａが円形状となっているため、チューブ１０の最外側流通通路１０ｅにおける幅方向の肉厚Ｄ１と同じ厚みの肉厚Ｃ１を確保するには幅方向への突出長さが大きくなる。
これにより、チューブの幅方向への大型化と重量増加、ひいてはコンデンサ１全体の幅方向への大型化と重量増加を招いてしまう。
加えて、最外側流通通路１４ａと隣接する仕切り壁部１４ｂに余分な肉厚部分１４ｃが形成されるため、重量増加に繋がる。

これに対して、実施例１のチューブ１０は、耐衝撃性に必要な肉厚Ｄ１を頂点部分１０ｆに確保しつつ、幅方向端部の突出長さ、即ち、チューブ１０の幅を小さくしてコンパクト化と重量軽減を実現できる。
これにより、コンデンサ１全体のコンパクト化と重量軽減を図ることができる。

また、最外側流通通路１０ｅと隣接する仕切り壁部１０ｎ（図３参照）を直線状に形成しているため、頂点部分10k,10mを流通通路の一部として有効利用できると同時に、軽量化を図ることができる。

[チューブの破壊強度について]
チューブ１４において、チューブ１０の最外側流通通路１０ａにおける幅方向の肉厚Ｄ１と同じ厚みの肉厚Ｃ１を確保すると、飛び石等の衝撃力が幅方向から水平（図４の矢印Ｎ１で図示）に入力された場合には、チューブ１４の変形・破損をある程度防止できると想定される。
しかしながら、実際上の飛び石等の衝撃力は斜め方向（図４の矢印Ｎ２で図示）から入力される場合がある。
この際、チューブ１４のように幅方向の肉厚Ｃ１が高さ方向の肉厚Ｃ２となるまでに急激に収束して肉薄になっている場合には、強度不足になる虞がある。

これに対して、実施例１のチューブ１０は、外側流通通路１０ａが略三角形状に形成されて肉厚部分１０ｇを有するため、幅方向の肉厚Ｄ１が高さ方向の肉厚Ｄ２となるまでに緩やかに収束する形状となる。
これにより、飛び石等の衝撃力が斜め方向から入力された場合においても強度不足になることなく、チューブ１０を良好に保護できる。

[チューブの寸法関係について]
ここで、チューブ１０の最適形状を設計するのに当たって、図２、３に示す各寸法において以下に記載する（ａ）〜（ｃ）の条件を満たし、且つ、所望のチッピング強度を確保するための次式（１）の設定値Ｘを求めた。
（ａ）仕切り壁部１０ｎの板厚をＴ、突出した頂点部分１０ｆのチューブ１０の幅方向端部側の板厚をＡ１とした場合に、２．２<Ａ１／Ｔ<６．０
（ｂ）チューブ１０の高さをＨ、平坦壁部10a,10ａの板厚をＳとした場合に、４．６<Ｈ／Ｓ<６．６
（ｃ）突出した頂点部分１０ｆの第１円弧部１０ｈと第２円弧部１０ｉを介して接続される斜辺１０ｐとが仮想交差する位置におけるチューブ１０の高さ方向端部側の板厚をＫとした場合に、１．４<Ｋ／Ｓ<２．４

Ｘ＝（１０００×Ａ１×Ｂ×Ｓ）／Ｗ・・・（１）

ただし、突出した頂点部分１０ｆを除く頂点部分10k,10mを形成する斜辺１０ｐと底辺１０ｑとの仮想交差位置におけるチューブ１０の高さ方向端部側の板厚をＢ、チューブ１０の幅をＷとする。

この結果、図５に示すように、設定値Ｘ＝２．４の場合において、所望のチッピング強度（ｋｍ/ｈ）＝１８０が得られた。
この際、Ａ１＝０．４５〜０．５５を想定している。この値は、鋭利な飛び石等が衝突した場合にチューブ１０の幅方向端部を突き破って貫通しないために必要な板厚である。
また、Ｂ＝０．２２〜０．２９を想定している。この値は、丸みを帯びた飛び石等が衝突した場合にチューブ１０の幅方向端部に掛かる応力を逃がすために必要な板厚である。
また、Ｓ＝０．２２〜０．３を想定している。この値は、チューブ１０の耐食性を確保するために必要な板厚である。

ここで、設定値Ｘ<１．８に設定した場合には、チッピング強度（ｋｍ/ｈ）<１５０となり、チューブ１０が強度不足になる虞があるため、実際上は１．８≦設定値Ｘに設定するのが最適である。

なお、図６、７に示すように、設定値Ｘ＝２．４としたときの重量及び流通抵抗を１００％として、設定値Ｘ＝１．８に設定した場合には、約３％の重量低減と約６％の流通抵抗の低減を図ることができる。
一方、チューブ１０の製造寸法誤差や、重量及び流通抵抗の増大を考慮すると、設定値Ｘ≦４．０に設定するのが最適である。

これにより、１．８≦設定値Ｘ≦４．０を満たすようにチューブ１０の各寸法を設定することにより、簡便に最適なチューブ１０を設計でき、設計コストを大幅に削減できる。

次に、効果を説明する。
以上説明したように、実施例１の発明では、偏平管状のチューブ１０の内部が該チューブ１０の周壁に対向配置された一対の平坦壁部間10a,10a間に跨る仕切り壁部１０ｃによって区画され、複数の流通通路１０ｄを横並びに有する熱交換器用チューブ１０において、チューブ１０の幅方向両端に位置する最外側流通通路１０ｅを、横断面がチューブ１０の幅方向端部へ向けて突出した頂点部分１０ｆを有する略三角形状に形成し、最外側流通通路１０ｅにおけるチューブ１０の高さ方向の壁（肉厚部分１０ｇ）の厚みをチューブ１０の幅方向端部側に行くに連れて大きくした。
これにより、チューブ１０及びコンデンサ１の大型化を招くことなく、飛び石等に対する破壊強度を向上できる。

また、少なくとも最外側流通通路１０ｅと隣接する流通通路１０ｄとの間に形成される仕切り壁部１０ｎをチューブ１０の高さ方向に沿って直線状に形成した。
これにより、流通通路の拡大化を図ることができ、チューブ１０が大型化するのを防止できる。

また、最外側流通通路１０ｅの略三角形状の各頂点部分10f,10m,10nを円弧状に形成し、突出した頂点部分１０ｆを円弧状の第１円弧部１０ｈと、該第１円弧部１０ｈよりも小さな曲率を有して第１円弧部１０ｈの両端に接続された第２円弧部１０ｉで構成し、仕切り壁部１０ｎの板厚をＴ、突出した頂点部分１０ｆのチューブ１０の幅方向端部側の板厚をＡ１とした場合に、２．２<Ａ１／Ｔ<６．０、チューブ１０の高さをＨ、平坦壁部10a,10ａの板厚をＳとした場合に、４．６<Ｈ／Ｓ<６．６、突出した頂点部分１０ｆの第１円弧部１０ｈと第２円弧部１０ｉを介して接続される斜辺１０ｐとが仮想交差する位置におけるチューブ１０の高さ方向端部側の板厚をＫとした場合に、１．４<Ｋ／Ｓ<２．４を満たし、突出した頂点部分１０ｆを除く頂点を形成する頂点部分10k,10mの斜辺１０ｐと底辺１０ｑの仮想交差位置におけるチューブ１０の高さ方向端部側の板厚をＢ、チューブ１０の幅をＷとした場合に、次式（１）において１．８≦Ｘ≦４．０とした。
Ｘ＝（１０００×Ａ１×Ｂ×Ｓ）／Ｗ・・・（１）
これにより、チューブ１０の最適形状を容易に設計可能となる。

以上、実施例を説明してきたが、本発明は上述の実施例に限られるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲の設計変更等があっても、本発明に含まれる。
例えば、この発明の熱交換器用チューブが採用される熱交換器はコンデンサに限らず、ラジエータ、オイルクーラ、インタークーラ等の熱交換器に適用することもできる。
また、仕切り壁部１０ｎ以外の仕切り壁の壁部の形状、及び流通通路１０ｃの形状は適宜設定できる。

実施例１の熱交換器用チューブが採用されたコンデンサを示す正面図である。 実施例１の熱交換器用チューブの横断面図である。 実施例１の熱交換器用チューブの要部拡大断面図である。 実施例１の作用を説明する図である。 設定値Ｘと破壊強度との関係を説明する図である。 設定値Ｘと重量との関係を説明する図である。 設定値Ｘと流通抵抗との関係を説明する図である。

符号の説明

１ コンデンサ
２、３ タンク
４ コア部
５ 入力コネクタ
５ａ 入力ポート
６ 出力コネクタ
６ａ 出力ポート
７、８ 接続管
９ レシーバタンク
１０ 熱交換器用チューブ
１０ａ 平坦壁部
１０ｂ 結合部
１０ｃ 仕切り壁部
１０ｄ 流通通路
１０ｅ 最外側流通通路
１０ｆ、１０ｋ、１０ｍ 頂点部分
１０ｇ 肉厚部分
１０ｈ 第１円弧部
１０ｉ 第２円弧部
１０ｎ 仕切り壁部
１０ｐ 斜辺
１０ｑ 底辺
１１ フィン
１２、１３ レインフォース
１４ チューブ
１４ａ 最外側流通通路
１４ｂ 仕切り壁部
１４ｃ 肉厚部分

Claims (4)

1. 偏平管状に形成され、その内部が、高さ方向で対向して平行配置された一対の平坦壁部と、該一対の平坦壁部の幅方向における両端同士を結合する結合壁部と、前記一対の平坦壁部間に跨る仕切り壁部とによって区画され、複数の流通通路が前記幅方向に並んで形成された熱交換器用チューブにおいて、
   前記複数の流通通路のうち前記チューブの前記幅方向における両端に位置する最外側流通通路を、前記高さ方向および前記幅方向に平行な平面で切った断面が、前記チューブの前記幅方向における端部側である外側へ向けて突出した頂点部分を有する略三角形状となるように形成し、
   該略三角形状は、前記最外側流通通路の前記幅方向における内側端を形成する前記仕切り壁部の壁面を底辺部分とし、前記最外側流通通路の前記幅方向における外側端を形成する前記結合壁部の内壁面を前記突出した頂点部分としており、
   前記三角形状における前記底辺部と前記突出した頂点部分とを結ぶ斜辺部分が前記平坦壁部の外壁面に対して平行となる面部分を有しないようにし、前記斜辺部分で前記最外側流通通路を形成する壁部の前記高さ方向における厚みを、前記幅方向における内側から外側に行くに連れて次第に大きくするとともに、
   前記結合壁部の前記幅方向における外側端の外壁面に、前記高さ方向に延びる平坦面を形成した
   ことを特徴とする熱交換器用チューブ。
2. 請求項１記載の熱交換器用チューブにおいて、
   少なくとも前記最外側流通通路と該最外側流通通路に隣接する前記流通通路との間に形成される前記仕切り壁部を前記高さ方向に沿って直線状に形成したことを特徴とする熱交換器用チューブ。
3. 請求項１または２記載の熱交換器用チューブにおいて、
   前記最外側流通通路の前記略三角形状の各頂点部分を円弧状に形成し、
   前記突出した頂点部分を、円弧状の第１円弧部と、該第１円弧部よりも小さな曲率を有して前記第１円弧部の両端に接続されるとともに前記斜辺部分に接続される第２円弧部とで構成し、
   前記仕切り壁部の前記幅方向の板厚をＴ、前記突出した頂点部分における前記結合壁部の前記幅方向端部側の前記高さ方向の板厚をＡ１とした場合に、２．２<Ａ１／Ｔ<６．０、
   前記チューブの前記高さ方向の寸法をＨ、前記平坦壁部の前記高さ方向の板厚をＳとした場合に、４．６<Ｈ／Ｓ<６．６、
   前記突出した頂点部分の前記第１円弧部と前記斜辺部分とが仮想交差する位置から、前記斜辺部分で前記最外側流通通路を形成する壁部の前記外壁面までの前記高さ方向の寸法をＫとした場合に、１．４<Ｋ／Ｓ<２．４を満たし、
   前記斜辺部分と前記底辺部分とが仮想交差する位置から、前記斜辺部分で前記最外側流通通路を形成する壁部の前記外壁面までの前記高さ方向の寸法をＢ、前記チューブの前記幅方向の寸法をＷとした場合に、次式（１）において１．８≦Ｘ≦４．０としたことを特徴とする熱交換器用チューブ。
   Ｘ＝（１０００×Ａ１×Ｂ×Ｓ）／Ｗ・・・（１）
4. 請求項１〜３のうちのいずれかに記載の熱交換器用チューブが該チューブの厚み方向に複数積層されたコア部と、
   前記各チューブの長手方向両端部が挿通し固定された一対のタンクを備えることを特徴とする熱交換器。

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