JP5378782B2 - 熱交換器 - Google Patents

Description

本発明は、複数のチューブとフィンとを積層して形成した熱交換面を備えた熱交換器に関する。

従来、乱流熱伝達を促進する平滑熱交換領域を目的とし、熱交換用のチューブのうち熱交換媒体と接触する内面に、内側に向けて突出する複数の突部を形成するように構成し、チューブ内を流通する熱交換媒体が突部によって攪拌作用を受けて乱流し、流路面積が大きくなるように設定した熱交換器が知られている（例えば、特許文献１参照）。
特開２０００−２０５７８３号公報

しかしながら、上記特許文献１に記載されている従来の熱交換器にあっては、熱交換媒体とチューブの内面との接触面積が大きくなるように構成されているため、通水抵抗が大きくなる。これにより、熱交換媒体を流通させる循環ポンプの流体駆動力が一定である場合には、熱交換媒体の流量が減り、熱交換性能の向上の妨げとなる、という問題があった。

本発明は、上記問題に着目してなされたもので、熱交換性能の向上と通水抵抗の上昇抑制の両立を図ることができる熱交換器を提供することを目的とする。

上記目的を達成するため、本発明では、複数のチューブとフィンとを積層して形成した熱交換面と、熱交換媒体を流入する流入口と、前記熱交換媒体を流出する流出口と、を備えた熱交換器において、
前記熱交換面は、前記チューブのうち前記熱交換媒体と接触する内面を平滑に形成した領域である平滑熱交換領域と、前記チューブのうち前記熱交換媒体と接触する内面に伝熱促進部分を形成した領域である伝熱促進熱交換領域と、を備え、
前記熱交換面は、その全面を、前記熱交換媒体が流入する流入口側領域と、前記熱交換媒体が流出する流出口側領域との２つの領域に分け、前記流入口側領域を前記伝熱促進熱交換領域に設定し、前記流出口側領域を前記平滑熱交換領域に設定し、
前記熱交換器は、前記熱交換媒体を車載熱源からの高熱媒体とする車両用空調ユニットに内蔵されるヒータコアとし、 前記ヒータコアは、片側側面の中央部に前記流入口を、上部に前記流出口を設定し、下側領域を伝熱促進熱交換領域に、上側領域を平滑熱交換領域に設定したことを特徴とする。

本発明の熱交換器にあっては、熱交換面に伝熱促進熱交換領域と平滑熱交換領域とのいずれの領域も備えるように構成したため、熱伝達媒体が伝熱促進熱交換領域を流通する際には、熱伝達媒体が伝熱促進部分と接触してチューブの内面との接触面積が大きくなり、同時に乱流が起きることで、全面的に平滑熱交換領域とした場合に比べ、熱交換性能が向上する。
さらに、この効果に加え、平滑熱交換領域は通水抵抗が低いため、全面的に伝熱促進熱交換領域とした場合に比べ、熱交換面全体としての通水抵抗の上昇が抑えられる。この結果、熱交換性能の向上と通水抵抗の上昇抑制の両立を図ることができる。
前記熱交換面は、前記伝熱促進熱交換領域を前記エンジン冷却水が流入する流入口側に設定したため、熱交換性能をより一層高めることができる。
前記熱交換面は、その全面を流入口側領域と流出口側領域との２つの領域に分け、前記流入口側領域を前記伝熱促進熱交換領域に設定し、前記流出口側領域を前記平滑熱交換領域に設定した。このため、例えば、実装されている横列フィンタイプのヒータコアの基本構造を大きく変えることなく、伝熱促進部分付チューブを流入口側領域に、平滑チューブを流出口側領域に設定するという簡単な変更のみで、熱交換性能の向上と通水抵抗の上昇抑制の両立を図ることができる。
前記熱交換器は、前記エンジン冷却水を車載熱源からの高熱媒体とする車両用空調ユニットに内蔵されるヒータコアとし、前記ヒータコアは、片側側面の中央部に前記流入口を、上部に前記流出口を設定し、流入口側領域（下側領域）を熱交換領域に、流出口側領域（上側領域）を平滑熱交換領域に設定した。実装されている横列フィンタイプのヒータコアは、熱交換性能を高めるために上下の２層に分かれて構成されており、この構成に加えて、これら２層を伝熱促進熱交換領域と平滑熱交換領域とに設定することにより、熱交換性能をさらに高めることができる。

以下、本発明の熱交換器を実現する最良の形態を、図面に示す実施例１に基づいて説明する。

まず、構成を説明する。
図１は、実施例１のヒータコア１００（熱交換器の一例）を示す斜視図であり、図２（ａ）は、図１のヒータコア１００の側面図であり、図２（ｂ）は、図１のヒータコア１００の正面図である。以下、図１および図２に基づいて、ヒータコア１００の全体構成を説明する。

実施例１におけるヒータコア１００は、熱交換媒体を車載熱源からの高熱媒体とする車両用空調ユニットに内蔵されるものであり、図１および図２に示すように、熱交換面１と、流入口２と、流出口３と、入口側タンク部４ａと、出口側タンク部４ｂと、連通タンク部４ｃと、を備えている。

前記熱交換面１は、図２に示すように、その全面を流入口側領域Ａと流出口側領域Ｂとの２つの領域に分け、かつ、流入口側領域Ａを伝熱促進部分付チューブ５Ａとフィン６とを積層して形成し、流出口側領域Ｂを平滑チューブ５Ｂとフィン６とを積層して形成した。なお、伝熱促進部分付チューブ５Ａとフィン６とを積層して形成した領域を伝熱促進熱交換領域と呼び、平滑チューブ５Ｂとフィン６とを積層して形成した領域を平滑熱交換領域と呼ぶことにする。

前記入口側タンク部４ａおよび前記出口側タンク部４ｂは、熱交換面１の片側側面に備えられたタンクに隔壁９を設けることで分けられている。前記流入口２は、入口側タンク部４ａの上部（ヒータコア１００の片側側面の中央部）に設けられ、熱交換媒体を流入する。前記流出口３は、出口側タンク部４ｂの上部（ヒータコア１００の片側側面の上部）に設けられ、熱交換媒体を流出する。

図３は、図２（ｂ）の伝熱促進部分付チューブ５Ａの構成を説明するための拡大斜視図であり、図４は、図２（ｂ）の平滑チューブ５Ｂの構成を説明するための拡大斜視図であり、図５は、図３の伝熱促進部分付チューブ５Ａの上面図であり、図６は、図４の平滑チューブ５Ｂの上面図であり、図７は、図３の伝熱促進部分付チューブ５Ａの側面図であり、図８は、図４の平滑チューブ５Ｂの側面図である。以下、図３乃至図８に基づいて、伝熱促進部分付チューブ５Ａおよび平滑チューブ５Ｂの詳細な構成について説明する。

前記伝熱促進部分付チューブ５Ａは、エンジン冷却水２０（熱交換媒体の一例）と接触する内面に、例えば、ディンプル加工により内側に向けて突出するように設けられた伝熱促進部分７、７’を所定の間隔毎に形成した。ここで、伝熱促進部分７は、エンジン冷却水２０と接触する内面のうち上部に形成された凹みであり、伝熱促進部分７’は、エンジン冷却水２０と接触する内面のうち下部に形成された凹みである。
また、エンジン冷却水２０が流通する流路は、中央に設けられた仕切り８Ａにより区切られて、さらに、この仕切り８Ａには、図７に示すように、突出部８Ａ’が形成されている。

前記平滑チューブ５Ｂは、エンジン冷却水２０と接触する内面を平滑に形成した。また、エンジン冷却水２０が流通する流路は、図７に示すように、中央に設けられた仕切り８Ｂにより区切られている。

次に、作用を説明する。

［ヒータコアによる熱交換作用］
図９は、ヒータコア１００の内部を流通するエンジン冷却水２０の流れを示す説明図である。

実施例１に係るヒータコア１００にあっては、図９に示すように、流入口２から流入したエンジン冷却水２０は、入口側タンク部４ａに流れ、矢印で示すように流入口側領域Ａを流通する。そして、連通タンク部４ｃに流れたエンジン冷却水２０は、その後、流出口側領域Ｂを流通して出口側タンク部４ｂに流れ、流出口３から流出する。
この流入口側領域Ａおよび流出口側領域Ｂを高温のエンジン冷却水２０が流通する際に、熱交換面１を通過する風とエンジン冷却水２０との間で熱交換が行なわれることにより、風を暖めることができる。

［現行のヒータコアとの比較作用］
図１０は、熱交換面全面が平滑熱交換領域の場合、全面が平滑熱交換領域と伝熱促進熱交換領域とに分かれた場合、全面が伝熱促進熱交換領域の場合における、エンジン冷却水量と放熱量との関係を比較したグラフ図であり、図１１は、熱交換面全面が平滑熱交換領域の場合、全面が平滑熱交換領域と伝熱促進熱交換領域とに分かれた場合、全面が伝熱促進熱交換領域の場合における、エンジン冷却水量と通水抵抗との関係を比較したグラフ図である。

現行のヒータコアは、流入口側領域を形成するチューブと流出口側領域を形成するチューブとを同一のものに設定している。すなわち、熱交換面の全面が平滑熱交換領域、又は、伝熱促進熱交換領域として設定されている。

この現行のヒータコアのように、熱交換面の全面が平滑熱交換領域である場合には、図１１のグラフＤ１に示すように、通水抵抗を低くすることができるが、一方、図１０のグラフＣ１に示すように、放熱性能が低くなるため、熱交換性能を発揮することができない。
また、熱交換面の全面が伝熱促進熱交換領域である場合には、図１０のグラフＣ３に示すように、放熱性能を高くすることができるが、一方、図１１のグラフＤ３に示すように、通水抵抗が高くなるため、エンジン冷却水を流通させる循環ポンプの流体駆動力が一定である場合にはエンジン冷却水量が減り、熱交換性能の向上の妨げとなる。

これに対し、実施例１のヒータコア１００にあっては、熱交換面１のうち、流入口側領域Ａを伝熱促進熱交換領域に、流出口側領域Ｂを平滑熱交換領域に設定した。
このような構成により、伝熱促進熱交換領域においては、伝熱促進部分付チューブ５Ａの内面に形成された伝熱促進部分７、７’、エンジン冷却水２０の流路の中央に設けられた仕切り８Ａ、および、突出部８Ａ’が、伝熱促進部分付チューブ５Ａの内部を流通するエンジン冷却水２０と接触するため、これらの接触面積が大きくなると同時に乱流が起き、全面的に平滑熱交換領域とした場合に比べて熱交換性能を向上させることができる。

特に、流入口側領域Ａは、流出口側領域Ｂと比較し、流通するエンジン冷却水２０の温度が高く、通過する空気との温度差が大きい。このため、レイノルズ数が高くエンジン冷却水２０と空気との間で熱交換が行われ易い。
実施例１のヒータコア１００にあっては、このようなレイノルズ数の高い流入口側領域Ａを伝熱促進熱交換領域と設定したため、図１０のグラフＣ２に示すように、グラフＣ１とグラフＣ３との中間の値よりも多くの熱量を放熱し、熱交換性能をより一層高めることができる。

また、実施例１のヒータコア１００にあっては、熱交換面１の全体を伝熱促進熱交換領域に設定するのではなく、流出口側領域Ｂを平滑熱交換領域と設定したため、図１１のグラフＤ２に示すように、通水抵抗は、グラフＤ１とグラフＤ３との略中間の値を示すことになる。

次に、効果を説明する。
実施例１のヒータコアにあっては、下記に列挙する効果を得ることができる。

(1) 複数のチューブ（伝熱促進部分付チューブ５Ａ、平滑チューブ５Ｂ）とフィン６とを積層して形成した熱交換面１と、エンジン冷却水２０（熱交換媒体）を流入する流入口２と、前記エンジン冷却水２０を流出する流出口３と、を備えたヒータコア１００（熱交換器）において、前記熱交換面１は、平滑チューブ５Ｂの前記エンジン冷却水２０と接触する内面を平滑に形成した領域である平滑熱交換領域と、伝熱促進部分付チューブ５Ａの前記エンジン冷却水２０と接触する内面に伝熱促進部分７、７’を形成した領域である伝熱促進熱交換領域と、を備えた。このため、熱交換性能の向上と通水抵抗の上昇抑制の両立を図ることができる。

(2) 前記熱交換面１は、前記伝熱促進熱交換領域を前記エンジン冷却水２０が流入する流入口２側に設定したため、熱交換性能をより一層高めることができる。

(3) 前記熱交換面１は、その全面を流入口側領域Ａと流出口側領域Ｂとの２つの領域に分け、前記流入口側領域Ａを前記伝熱促進熱交換領域に設定し、前記流出口側領域Ｂを前記平滑熱交換領域に設定した。このため、例えば、実装されている横列フィンタイプのヒータコアの基本構造を大きく変えることなく、伝熱促進部分付チューブ５Ａを流入口側領域Ａに、平滑チューブ５Ｂを流出口側領域Ｂに設定するという簡単な変更のみで、熱交換性能の向上と通水抵抗の上昇抑制の両立を図ることができる。

(4) 前記熱交換器は、前記エンジン冷却水２０を車載熱源からの高熱媒体とする車両用空調ユニットに内蔵されるヒータコア１００とし、前記ヒータコア１００は、片側側面の中央部に前記流入口２を、上部に前記流出口３を設定し、流入口側領域Ａ（下側領域）を熱交換領域に、流出口側領域Ｂ（上側領域）を平滑熱交換領域に設定した。実装されている横列フィンタイプのヒータコアは、熱交換性能を高めるために上下の２層に分かれて構成されており、この構成に加えて、これら２層を伝熱促進熱交換領域と平滑熱交換領域とに設定することにより、熱交換性能をさらに高めることができる。

以上、本発明の熱交換器を実施例１に基づき説明してきたが、具体的な構成については、この実施例１に限られるものではなく、特許請求の範囲の各請求項に係る発明の要旨を逸脱しない限り、設計の変更や追加等は許容される。

例えば、実施例１では、エンジン冷却水２０を使用する例を示したが、エンジン冷却水に限らず、熱交換媒体であれば良い。つまり、エンジンを搭載していない車両用空調ユニットに内蔵される熱交換器についても適用することができる。

実施例１では、熱交換器はエンジン冷却水を車載熱源からの高熱媒体とする車両用空調ユニットに内蔵されるヒータコアとする適用例を示したが、本発明に係る熱交換器は、このようなヒータコアに限らず、例えば、エバポレータに適用することができる。

実施例１のヒータコア１００（熱交換器の一例）を示す斜視図である。 （ａ）は図１のヒータコア１００の側面図であり、（ｂ）は図１のヒータコア１００の正面図である。 図２（ｂ）の伝熱促進部分付チューブ５Ａの構成を説明するための拡大斜視図である。 図２（ｂ）の平滑チューブ５Ｂの構成を説明するための拡大斜視図である。 図３の伝熱促進部分付チューブ５Ａの上面図である。 図４の平滑チューブ５Ｂの上面図である。 図３の伝熱促進部分付チューブ５Ａの側面図である。 図４の平滑チューブ５Ｂの側面図である。 現行の空調ユニットにおいて、ヒータコアの内部を流通するエンジン冷却水の流れを示す説明図である。 熱交換面全面が平滑熱交換領域の場合、全面が平滑熱交換領域と伝熱促進熱交換領域とに分かれた場合、全面が伝熱促進熱交換領域の場合における、エンジン冷却水量と放熱量との関係を比較したグラフ図である。 熱交換面全面が平滑熱交換領域の場合、全面が平滑熱交換領域と伝熱促進熱交換領域とに分かれた場合、全面が伝熱促進熱交換領域の場合における、エンジン冷却水量と通水抵抗との関係を比較したグラフ図である。

符号の説明

１ 熱交換面
２ 流入口
３ 流出口
４ａ 入口側タンク部
４ｂ 出口側タンク部
４ｃ 連通タンク部
５Ａ 伝熱促進部分付チューブ
５Ｂ 平滑チューブ
６ フィン
９ 隔壁
１００ ヒータコア
Ａ 流入口側領域
Ｂ 流出口側領域

Claims (1)

1. 複数のチューブとフィンとを積層して形成した熱交換面と、熱交換媒体を流入する流入口と、前記熱交換媒体を流出する流出口と、を備えた熱交換器において、
   前記熱交換面は、前記チューブのうち前記熱交換媒体と接触する内面を平滑に形成した領域である平滑熱交換領域と、前記チューブのうち前記熱交換媒体と接触する内面に伝熱促進部分を形成した領域である伝熱促進熱交換領域と、を備え、
   前記熱交換面は、その全面を、前記熱交換媒体が流入する流入口側領域と、前記熱交換媒体が流出する流出口側領域との２つの領域に分け、前記流入口側領域を前記伝熱促進熱交換領域に設定し、前記流出口側領域を前記平滑熱交換領域に設定し、
   前記熱交換器は、前記熱交換媒体を車載熱源からの高熱媒体とする車両用空調ユニットに内蔵されるヒータコアとし、
   前記ヒータコアは、片側側面の中央部に前記流入口を、上部に前記流出口を設定し、下側領域を伝熱促進熱交換領域に、上側領域を平滑熱交換領域に設定したことを特徴とする熱交換器。

Images