JP6787301B2 - 熱交換器のチューブ及び熱交換器 - Google Patents

Description

本開示は、熱交換器のチューブ及び熱交換器に関する。

車両に搭載された熱交換器には、例えば車両の走行中に飛び石が衝突することがある。飛び石が熱交換器のチューブに衝突すると、チューブの外壁部が変形する可能性がある。これに起因してチューブが破断すると、チューブの内部を流れる熱媒体が外部に漏れるという問題が生じる。このようなチューブの破断を防ぐためにも、チューブの耐久性を向上させる必要がある。従来、耐久性を向上させることが可能なチューブとしては、例えば下記特許文献１に記載のチューブがある。特許文献１に記載のチューブは扁平状に形成されている。特許文献１に記載のチューブでは、その外壁部がチューブの内部に折り曲げられている。チューブの内部に折り曲げられた部分は、チューブの先端の内壁面に沿って折り曲げられて密着している。これにより、チューブの先端部が肉厚化されるため、チューブの耐久性を向上させることができる。

特開２０１４−１４９１３７号公報

ところで、特許文献１に記載のチューブでは、その製造の際に、外壁部を内部に折り曲げる加工が必要になる。また、チューブの内部に折り曲げられた部分を、チューブの先端の内壁面に密着するように更に折り曲げる加工が必要となる。このような折り曲げ加工が必要であることが、チューブの構造の複雑化を招き、ひいてはコストの悪化を招いていた。

本開示は、こうした実情に鑑みてなされたものであり、その目的は、簡易な構造で耐久性を向上させることの可能な熱交換器のチューブ及び熱交換器を提供することにある。

上記課題を解決する熱交換器（１）のチューブ（２０）は、熱媒体の流れる流路（２０５）が内部に形成され、熱媒体の流れ方向に直交する断面形状が扁平筒状に形成されたチューブ本体（２００）と、チューブ本体の内部に設けられ、熱媒体の流れ方向に直交する断面形状が波状に形成されたインナーフィン（２１０）と、を備え、熱媒体の流れ方向に直交する方向におけるインナーフィンの先端部（２１２）が、チューブ本体の先端部（２０３）の内面（２０３ａ）から離間するとともに、固定されていない自由端となっている。インナーフィンは、前記チューブ本体の先端部のみに設けられている。
また、上記課題を解決する他の熱交換器（１）のチューブ（２０）は、熱媒体の流れる流路（２０５）が内部に形成され、熱媒体の流れ方向に直交する断面形状が扁平筒状に形成されたチューブ本体（２００）と、チューブ本体の内部に設けられ、熱媒体の流れ方向に直交する断面形状が波状に形成されたインナーフィン（２１０）と、を備え、熱媒体の流れ方向に直交する方向におけるインナーフィンの先端部（２１２）が、チューブ本体の先端部（２０３）の内面（２０３ａ）から離間するとともに、固定されていない自由端となっている。チューブ本体は、その先端部にチューブ本体の一方の側壁部（２０１）から他方の側壁部（２０２）に向かってチューブ本体の内部を横断するように形成される内柱（２０６）を有する。インナーフィンの先端部は、内柱から離間するように配置されている。

一方、上記課題を解決する熱交換器（１）は、上記チューブを複数備え、インナーフィンの先端部とチューブ本体の先端部の内面との間の離間距離が、複数のチューブの間で異なっている。
また、上記課題を解決する他の熱交換器（１）は、複数のチューブ（２０）を備える熱交換器である。チューブは、熱媒体の流れる流路（２０５）が内部に形成され、熱媒体の流れ方向に直交する断面形状が扁平筒状に形成されたチューブ本体（２００）と、チューブ本体の内部に設けられ、熱媒体の流れ方向に直交する断面形状が波状に形成されたインナーフィン（２１０）と、を有する。熱媒体の流れ方向に直交する方向におけるインナーフィンの先端部（２１２）が、チューブ本体の先端部（２０３）の内面（２０３ａ）から離間するとともに、固定されていない自由端となっている。インナーフィンの先端部とチューブ本体の先端部の内面との間の離間距離が、複数のチューブの間で異なっている。
これらの構成によれば、チューブ本体の先端部が衝撃により変形した際に、チューブ本体の先端部の内面がインナーフィンの先端部に接触する。この際、インナーフィンが変形することにより、チューブ本体に加わる衝撃力をインナーフィンが吸収するため、チューブ本体の先端部の変形を抑制することができる。また、インナーフィンの先端部をチューブ本体の先端部の内面から離間させるとともに自由端とするだけでよいため、簡易な構造で耐久性を向上させることができる。

なお、上記手段、特許請求の範囲に記載の括弧内の符号は、後述する実施形態に記載の具体的手段との対応関係を示す一例である。

本開示によれば、簡易な構造で耐久性を向上させることの可能な熱交換器のチューブ及び熱交換器を提供できる。

図１は、第１実施形態の熱交換器の概略構成を示す正面図である。 図２は、図１のＩＩ−ＩＩ線に沿った断面構造を示す断面図である。 図３は、第１実施形態のチューブの先端部の拡大断面構造を示す断面図である。 図４は、第１実施形態のチューブの動作例を示す断面図である。 図５は、第１実施形態の第１変形例のチューブの断面構造を示す断面図である。 図６は、第１実施形態の第２変形例のチューブの断面構造を示す断面図である。 図７は、第１実施形態の第２変形例のチューブの断面構造を示す断面図である。 図８は、第２実施形態のチューブの先端部の断面構造を示す断面図である。 図９は、第３実施形態のチューブの先端部の断面構造を示す断面図である。 図１０は、第３実施形態の第１変形例のチューブの先端部の拡大断面構造を示す断面図である。 図１１は、第３実施形態の第２変形例のチューブの先端部の拡大断面構造を示す断面図である。 図１２は、第４実施形態の熱交換器の断面構造を示す断面図である。

以下、熱交換器のチューブ及び熱交換器の実施形態について図面を参照しながら説明する。説明の理解を容易にするため、各図面において同一の構成要素に対しては可能な限り 同一の符号を付して、重複する説明は省略する。
＜第１実施形態＞
はじめに、熱交換器の第１実施形態について説明する。図１に示される本実施形態の熱交換器１は、例えば内燃機関の冷却水を熱媒体として当該冷却水と空気との間で熱交換を行うことにより冷却水を冷却するラジエータとして用いられるものである。なお、熱交換器１は、ラジエータに限らず、例えば車両の空調装置の冷凍サイクルを構成するコンデンサ等として用いてもよい。

図１に示されるように、熱交換器１は、コア部２と、一対のタンク３，４とを備えている。
コア部２は、チューブ２０とアウターフィン２１とにより構成されている。チューブ２０は、図中の矢印Ｚで示される方向に隙間を有して複数積層されている。チューブ２０は、図中の矢印Ｘで示される方向、すなわち矢印Ｚで示される方向と直交する方向に長手方向を有している。チューブ２０の内部には、矢印Ｘで示される方向に熱媒体が流れる。隣接するチューブ２０，２０の間には、図中の矢印Ｙで示される方向に空気が流れる。

以下では、便宜上、矢印Ｘで示される方向を「チューブ長手方向Ｘ」又は「熱媒体の流れ方向Ｘ」とも称する。また、矢印Ｙで示される方向を「空気流れ方向Ｙ」とも称する。さらに、矢印Ｚで示される方向を「チューブ積層方向Ｚ」とも称する。なお、空気流れ方向Ｙの上流側に向かう方向は車両前方に相当し、空気流れ方向Ｙの下流側に向かう方向は車両後方に相当する。

アウターフィン２１は、チューブ積層方向Ｚに隣接するチューブ２０，２０の隙間に配置されている。アウターフィン２１は、薄い金属板を波状に屈曲させることにより形成される、いわゆるコルゲートフィンである。アウターフィン２１は、チューブ積層方向Ｚに隣接するチューブ２０，２０のそれぞれの側面にろう付けにより接合されている。アウターフィン２１は、チューブ２０，２０の間を流れる空気との接触面積を増やすことにより、チューブ２０の内部を流れる熱媒体と空気との間の熱交換を促進させる機能を有している。

一対のタンク３，４は、コア部２のチューブ長手方向Ｘの両端にそれぞれ設けられている。一対のタンク３，４は、チューブ積層方向Ｚに延びるように形成されており、各チューブ２０の両端部にそれぞれ接続されている。一方のタンク３には流入口３０が設けられている。流入口３０は、タンク３の内部流路に熱媒体を流入させる部分である。他方のタンク４には流出口４０が設けられている。流出口４０は、タンク４の内部流路から熱媒体を流出させる部分である。

熱交換器１では、タンク３の流入口３０から当該タンク３の内部流路に熱媒体が流入することにより、各チューブ２０に熱媒体が分配される。チューブ２０の内部を流れる熱媒体と、チューブ２０の外部を流れる空気との間で熱交換が行われることにより熱媒体が冷却される。チューブ２０の内部を通過することで冷却された熱媒体は、タンク４の内部流路に集められた後、流出口４０から排出される。

次に、チューブ２０の構造について詳しく説明する。
図２に示されるように、チューブ２０は、チューブ本体２００と、インナーフィン２１０とを備えている。なお、図２において、矢印Ｙ１で示される方向は車両前方を示し、矢印Ｙ２で示される方向は車両後方を示す。

チューブ本体２００は、チューブ長手方向Ｘに直交する断面形状が扁平筒状に形成されている。チューブ本体２００の内部には、熱媒体が流れる流路２０５が形成されている。チューブ本体２００の両側壁部２０１，２０２は、空気流れ方向Ｙに対して平行に配置されている。チューブ本体２００の一方の先端部２０３は車両前方Ｙ１を向いている。チューブ本体２００の他方の先端部２０４は車両後方Ｙ２を向いている。

インナーフィン２１０は、チューブ本体２００の内部に収容されている。インナーフィン２１０は、チューブ長手方向Ｘに直交する断面形状が波状に形成されている。インナーフィン２１０は、チューブ本体２００の内部を流れる熱媒体との接触面積を増やすことにより、チューブ２０の内部流路２０５を流れる熱媒体とチューブ２０の外部を流れる空気との熱交換を促進させる機能を有している。

図３に示されるように、インナーフィン２１０の湾曲部２１１は、チューブ本体２００の側壁部２０１，２０２の内面２０１ａ，２０２ａにろう付けされている。これにより、インナーフィン２１０はチューブ本体２００に固定されている。インナーフィン２１０の一方の先端部２１２は、チューブ本体２００の先端部２０３の内面２０３ａから離間するとともに、固定されていない自由端となっている。インナーフィン２１０の先端部２１２は、チューブ本体２００の側壁部２０２の内面２０２ａから、当該内面２０２ａに対して直交する方向に延びるように形成されている。

なお、図２に示されるように、インナーフィン２１０の他方の先端部２１３に関しても、一方の先端部２１２と同様に形成されている。
次に、本実施形態の熱交換器１のチューブ２０の動作例について説明する。

図４に示されるように、車両前方Ｙ１から車両後方Ｙ２に向かって熱交換器１に石Ｌが飛んできたような場合、この石Ｌがチューブ本体２００の先端部２０３に衝突する可能性がある。これによりチューブ本体２００の先端部２０３が図中に示されるように変形した際に、チューブ本体２００の先端部２０３の内面２０３ａがインナーフィン２１０の先端部２１２に接触する。この際、インナーフィン２１０が図中に示されるように変形することにより、チューブ本体２００に加わる衝撃力をインナーフィン２１０が吸収するため、チューブ本体２００の先端部２０３の変形が抑制される。

なお、チューブ本体２００の先端部２０３の内面２０３ａとインナーフィン２１０の先端部２１２との間の離間距離は、チューブ２０に要求される耐力によって最適設計を行う。耐力とは、どの程度の衝突エネルギに耐える必要があるかを示す。例えば、発明者らの実験やシミュレーション等によれば、図３に示されるように、チューブ本体の幅Ｈが「１．７５［ｍｍ］」であって、且つ衝突エネルギが「０．４２［Ｊ］」であるような場合、離間距離ＬＥは「０．３［ｍｍ］〜０．９［ｍｍ］」の範囲に設定されていることが好ましい。

以上説明した本実施形態の熱交換器１のチューブ２０によれば、以下の（１）及び（２）に示される作用及び効果を得ることができる。
（１）熱媒体の流れ方向Ｘに直交する方向Ｙにおけるインナーフィン２１０の先端部２１２が、チューブ本体２００の先端部２０３の内面２０３ａから離間するとともに、固定されていない自由端となっている。これにより、チューブ本体２００の先端部２０３が衝撃により変形した際に、その衝撃力をインナーフィン２１０により吸収することができるため、チューブ本体２００の先端部２０３の変形を抑制することができる。また、インナーフィン２１０の先端部２１２をチューブ本体２００の先端部２０３の内面２０３ａから離間させるとともに自由端とするだけでよいため、簡易な構造で耐久性を向上させることができる。

（２）インナーフィン２１０の先端部２１２は、チューブ本体２００の側壁部２０２の内面２０２ａから、当該内面２０２ａに対して直交する方向に延びるように形成されている。これにより、チューブ本体２００の先端部２０３の内面２０３ａがインナーフィン２１０の先端部２１２に接触した際に、その衝撃力をインナーフィン２１０がより効果的に吸収することができるため、チューブ本体２００の先端部２０３の変形を更に抑制することができる。

（第１変形例）
次に、第１実施形態の熱交換器１及びチューブ２０の第１変形例について説明する。
図５に示されるように、本変形例のチューブ２０では、インナーフィン２１０が、チューブ本体２００の先端部２０３のみに設けられている。

このような構成であっても、チューブ本体２００の先端部２０３が衝撃により変形した際に、その衝撃力をインナーフィン２１０により吸収することができるため、チューブ本体２００の先端部２０３の変形を抑制することができる。
（第２変形例）
次に、第１実施形態の熱交換器１及びチューブ２０の第２変形例について説明する。

図６に示されるように、本変形例のチューブ２０では、インナーフィン２１０のフィンピッチが、その先端部２１２に向かうほど短くなっている。具体的には、インナーフィン２１０の先端部２１２付近のフィンピッチが「Ｐ１」に設定されるとともに、それ以外の部分のフィンピッチが、「Ｐ１」よりも長い「Ｐ２」に設定されている。

このような構成によれば、インナーフィン２１０の先端部２１２付近が変形し難くなるため、インナーフィン２１０による衝撃吸収効果を高めることができる。よって、チューブ本体２００の先端部２０３の変形を更に抑制することができる。
なお、図７に示されるように、このようにフィンピッチの異なるインナーフィン２１０がチューブ本体２００の先端部２０３にのみ配置されていてもよい。

＜第２実施形態＞
次に、熱交換器１及びチューブ２０の第２実施形態について説明する。以下、第１実施形態との相違点を中心に説明する。
図８に示されるように、本実施形態のチューブ本体２００では、その側壁部２０１，２０２のそれぞれの端部が曲げられてかしめられる、いわゆる巻かしめにより接合されている。これにより、チューブ本体２００の先端部２０３の厚さが側壁部２０１，２０２の厚さよりも厚くなっている。

以上説明した本実施形態の熱交換器１のチューブ２０によれば、以下の（３）に示される作用及び効果を更に得ることができる。
（３）チューブ本体２００の先端部２０３の厚さを側壁部２０１，２０２の厚さよりも厚くすることにより、チューブ本体２００の先端部２０３の剛性を高めることができる。よって、チューブ本体２００の先端部２０３の変形を更に抑制することができる。

＜第３実施形態＞
次に、熱交換器１及びそのチューブ２０の第３実施形態について説明する。以下、第１実施形態との相違点を中心に説明する。
図９に示されるように、本実施形態のチューブ本体２００の先端部２０３の内部には、内柱２０６が形成されている。内柱２０６は、チューブ本体２００の一方の側壁部２０１から他方の側壁部２０２に向かってチューブ本体２００の内部を横断するように形成されている。インナーフィン２１０の先端部２１２は、内柱２０６から離間するように配置されている。

以上説明した本実施形態の熱交換器１のチューブ２０によれば、以下の（４）に示される作用及び効果を更に得ることができる。
（４）内柱２０６によりチューブ本体２００の先端部２０３の剛性を高めることができるため、チューブ本体２００の先端部２０３の変形を更に抑制することができる。

（第１変形例）
次に、第３実施形態の熱交換器１及びそのチューブ２０の第１変形例について説明する。
図１０に示されるように、本変形例のチューブ２０では、チューブ本体２００の先端部２０３のみにインナーフィン２１０が設けられている。また、チューブ本体２００においてインナーフィン２１０が配置されている部分を除く部分には、内柱２０６が形成されている。

このような構成であれば、第１実施形態の第１変形例のチューブ２０の構成と比較すると、すなわちチューブ本体２００の先端部２０３にインナーフィン２１０が設けられていて、且つ内柱２０６が設けられていない構成と比較すると、チューブ本体２００の剛性を高めることができる。よって、チューブ本体２００の先端部２０３の変形を更に抑制することができる。

（第２変形例）
次に、第３実施形態の熱交換器１及びそのチューブ２０の第２変形例について説明する。
図１１に示されるように、本変形例のチューブ２０には、その内柱２０６とチューブ本体２００の先端部２０３の内面２０３ａとにより仕切られる空間により収容室２０７が形成されている。収容室２０７は、熱媒体が流通しない閉空間となっている。収容室２０７には、衝撃吸収部材２２０が配置されている。衝撃吸収部材２２０は、金属よりも軽い材料、例えばエラストマを用いることができる。

このような構成であれば、チューブ本体２００の先端部２０３が衝撃により変形した際に、その衝撃力を衝撃吸収部材２２０により更に吸収することができるため、チューブ本体２００の先端部２０３の変形を更に抑制することができる。
＜第４実施形態＞
次に、熱交換器１及びそのチューブ２０の第４実施形態について説明する。以下、第１実施形態との相違点を中心に説明する。

図１２に示されるように、本実施形態の熱交換器１では、チューブ本体２００の先端部２０３の内面２０３ａとインナーフィン２１０の先端部２１２との間の離間距離がチューブ２０ａとチューブ２０ｂとで異なっている。
具体的には、チューブ２０ａでは、離間距離が「Ｌａ」に設定されている。これに対し、チューブ２０ｂでは、離間距離が、「Ｌａ」よりも長い「Ｌｂ」に設定されている。これにより、チューブ２０ａとチューブ２０ｂとでは、離間距離に「ΔＬ」だけの差がある。

離間距離が短いほど、チューブ本体２００の先端部２０３が変形した際に、チューブ本体２００の先端部２０３の内面２０３ａにインナーフィン２１０が接触し易くなるため、チューブ本体２００の先端部２０３の変形に対する衝撃吸収効果を高めることができる。そのため、熱交換器１において飛び石が当たり易い部分、例えば熱交換器１の中央部付近に配置されるチューブ２０では離間距離を「Ｌａ」に設定し、それ以外のチューブ２０では離間距離を「Ｌｂ」に設定すれば、飛び石に対するチューブ２０の変形を効果的に抑制することができる。

以上説明した本実施形態の熱交換器１のチューブ２０によれば、以下の（５）に示される作用及び効果を更に得ることができる。
（５）インナーフィン２１０の先端部２１２とチューブ本体２００の先端部２０３の内面２０３ａとの間の離間距離が、複数のチューブ２０ａ，２０ｂで異なっている。これにより、飛び石の大きさや各チューブ２０の搭載位置に応じた衝撃の加わり方に応じて、チューブ２０の耐久性を任意に変更することができる。

＜他の実施形態＞
なお、上記実施形態は、以下の形態にて実施することもできる。
・チューブ本体２００の先端部２０３の内面２０３ａとインナーフィン２１０の先端部２１２との間の離間距離は、全てのチューブ２０で同一の長さであってもよい。
・インナーフィン２１０の先端部２１２は、チューブ本体２００の側壁部２０２の内面２０２ａに対して直交以外の任意の角度で延びるように形成されていてもよい。

・本開示は上記の具体例に限定されるものではない。上記の具体例に、当業者が適宜設計変更を加えたものも、本開示の特徴を備えている限り、本開示の範囲に包含される。前述した各具体例が備える各要素、及びその配置、条件、形状等は、例示したものに限定されるわけではなく適宜変更することができる。前述した各具体例が備える各要素は、技術的な矛盾が生じない限り、適宜組み合わせを変えることができる。

１：熱交換器
２０：チューブ
２００：チューブ本体
２０１，２０２：側壁部
２０３：先端部
２０３ａ：内面
２０５：流路
２０６：内柱
２１０：インナーフィン
２１２：先端部
２２０：衝撃吸収部材

Claims (8)

1. 熱媒体の流れる流路（２０５）が内部に形成され、前記熱媒体の流れ方向に直交する断面形状が扁平筒状に形成されたチューブ本体（２００）と、
   前記チューブ本体の内部に設けられ、前記熱媒体の流れ方向に直交する断面形状が波状に形成されたインナーフィン（２１０）と、を備え、
   前記熱媒体の流れ方向に直交する方向における前記インナーフィンの先端部（２１２）が、前記チューブ本体の先端部（２０３）の内面（２０３ａ）から離間するとともに、固定されていない自由端となっており、
   前記インナーフィンは、前記チューブ本体の先端部のみに設けられている
   熱交換器のチューブ。
2. 熱媒体の流れる流路（２０５）が内部に形成され、前記熱媒体の流れ方向に直交する断面形状が扁平筒状に形成されたチューブ本体（２００）と、
   前記チューブ本体の内部に設けられ、前記熱媒体の流れ方向に直交する断面形状が波状に形成されたインナーフィン（２１０）と、を備え、
   前記熱媒体の流れ方向に直交する方向における前記インナーフィンの先端部（２１２）が、前記チューブ本体の先端部（２０３）の内面（２０３ａ）から離間するとともに、固定されていない自由端となっており、
   前記チューブ本体は、その先端部に前記チューブ本体の一方の側壁部（２０１）から他方の側壁部（２０２）に向かって前記チューブ本体の内部を横断するように形成される内柱（２０６）を有し、
   前記インナーフィンの先端部は、前記内柱から離間するように配置されている
   熱交換器のチューブ。
3. 前記内柱により仕切られる空間に配置される衝撃吸収部材（２２０）を更に備える
   請求項２に記載の熱交換器のチューブ。
4. 前記インナーフィンの先端部は、前記チューブ本体の側壁部の内面から、当該内面に対して直交する方向に延びるように形成されている
   請求項１〜３のいずれか一項に記載の熱交換器のチューブ。
5. 前記インナーフィンのフィンピッチは、前記先端部に向かうほど短くなっている
   請求項１〜４のいずれか一項に記載の熱交換器のチューブ。
6. 前記チューブ本体の先端部の厚さは、前記チューブ本体の側壁部の厚さよりも厚い
   請求項１〜５のいずれか一項に記載の熱交換器のチューブ。
7. 請求項１〜６のいずれか一項に記載の熱交換器（１）のチューブ（２０）を複数備え、
   前記インナーフィンの先端部と前記チューブ本体の先端部の内面との間の離間距離が、複数の前記チューブの間で異なっている
   熱交換器。
8. 複数のチューブ（２０）を備える熱交換器であって、
   前記チューブは、
   熱媒体の流れる流路（２０５）が内部に形成され、前記熱媒体の流れ方向に直交する断面形状が扁平筒状に形成されたチューブ本体（２００）と、
   前記チューブ本体の内部に設けられ、前記熱媒体の流れ方向に直交する断面形状が波状に形成されたインナーフィン（２１０）と、を有し、
   前記熱媒体の流れ方向に直交する方向における前記インナーフィンの先端部（２１２）が、前記チューブ本体の先端部（２０３）の内面（２０３ａ）から離間するとともに、固定されていない自由端となっており、
   前記インナーフィンの先端部と前記チューブ本体の先端部の内面との間の離間距離が、複数の前記チューブの間で異なっている
   熱交換器。
   

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