JP7181725B2

JP7181725B2 - 熱交換チューブ及び熱交換器

Info

Publication number: JP7181725B2
Application number: JP2018150598A
Authority: JP
Inventors: 栄一森
Original assignee: Marelli Corp
Current assignee: Marelli Corp
Priority date: 2018-08-09
Filing date: 2018-08-09
Publication date: 2022-12-01
Anticipated expiration: 2038-08-09
Also published as: JP2020026905A

Description

本発明は、熱交換チューブ及び熱交換器に関する。

特許文献１には、複数の管を備えるラジエータが開示されている。管には、内周を流通する冷却水の流れを乱すように構成される波形部が設けられている。

特表２０１５－５０５６０５号公報

しかしながら、特許文献１のラジエータでは、波形部が設けられることで、冷却水の流通方向において急激に断面積が変化する。そのため、管内の通水抵抗が大きくなる。

本発明は、上記の問題点に鑑みてなされたものであり、抵抗の上昇を抑制しながら熱交換性能を向上させることを目的とする。

本発明のある態様によれば、内周を流通する第１の流体と外周を流通する第２の流体との間で熱交換を行う熱交換チューブは、第１の流体が流通する内周流路を挟んで対向する一対の平面部と、前記平面部から前記内周流路に突出して形成されて突出端に突出端面を有し、第１の流体の流れと直交する方向に離間して複数設けられると共に、第１の流体の流れ方向に離間して複数設けられる突出部と、を備え、複数の前記突出部は、第１の流体の流れと直交する方向にて前記突出端面どうしが重複しないように形成され、前記突出部は、前記突出端面に向かって傾斜するように突出する傾斜部を有し、第１の流体の流れ方向にて隣り合う他の前記突出部と前記傾斜部の少なくとも一部が重複し、前記突出部は、隣り合う他の前記突出部と前記傾斜部が重複する部分の突出断面積の和が、前記突出端面における前記内周流路への突出断面積以下となるように形成される。

上記態様によれば、複数の突出部は、第１の流体の流れと直交する方向にて突出端部どうしが重複しないように形成される。そのため、第１の流体の流れ方向において流路断面積が急激に変化することはない。また、突出部が設けられることで、第１の流体が攪拌されるため、熱交換性能が向上する。したがって、抵抗の上昇を抑制しながら熱交換性能を向上させることができる。

図１は、本発明の実施形態に係る熱交換チューブを有する熱交換器の概略正面図である。図２は、図１のＩＩ部を断面で示す拡大図である。図３は、熱交換チューブの平面図である。図４Ａは、図３におけるＩＶＡ－ＩＶＡ断面図である。図４Ｂは、図３におけるＩＶＢ－ＩＶＢ断面図である。図４Ｃは、図３におけるＩＶＣ－ＩＶＣ断面図である。図４Ｄは、図３におけるＩＶＤ－ＩＶＤ断面図である。図５は、突出部の形状を説明するための断面図である。図６は、熱交換チューブの一部を拡大して示す平面図である。図７は、突出部傾斜角度とチューブ内断面積との関係を示すグラフである。図８Ａは、流路幅に対する突出部群のピッチと放熱性能との関係を示すグラフである。図８Ｂは、流路幅に対する突出部群のピッチと通水抵抗との関係を示すグラフである。図９は、流路幅に対する突出部群のピッチと、必要動力に対する放熱性能と、の関係を示すグラフである。

以下、図面を参照して、本発明の実施形態に係る熱交換チューブ（以下、単に「チューブ」と称する。）４、及びチューブ４を有する熱交換器１について説明する。

まず、図１及び図２を参照して、熱交換器１の全体構成について説明する。

図１に示すように、熱交換器１は、中央に設けられる熱交換コア（以下、単に「コア」と称する。）２と、コア２の両端に設けられる一対のタンク５と、を備える。熱交換器１は、車両に搭載されるラジエータ、ヒータコア、コンデンサ、オイルクーラ、若しくはインタクーラ等として使用される。また、車両以外に適用される熱交換器として使用することもできる。

コア２は、流体が流通する複数のチューブ４と、チューブ４と交互に並ぶように積層される複数のフィン３と、フィン３よりも積層方向外側に設けられる一対の補強材としてのレインフォース２０と、各々のチューブ４とレインフォース２０とがそれぞれ結合される一対のプレート１０と、を備える。コア２を構成するこれらの部材は、アルミニウムやアルミニウム合金等の金属によって形成される。コア２は、これらの各部材が互いに接合されて一体化したものである。

チューブ４は、扁平な筒状の流路部材である。チューブ４では、内周を流通する第１の流体としての冷却水と、外周を流通する第２の流体としての外気と、が熱交換を行う。チューブ４の詳細については、図３から図６を参照しながら、後で詳細に説明する。

フィン３は、コルゲート状の伝熱部材である。コア２は、フィン３を備えることで大きな伝熱面積を確保している。

図２に示すように、タンク５は、金属製のプレート１０と、樹脂製のタンク本体６と、を備える。タンク本体６とプレート１０との間には、各チューブ４に流体を導く流路９が形成される。タンク本体６には、流路９に流体を導く配管（図示省略）が接続される。

タンク本体６は、チューブ４に接続される側が開口した箱状に形成される。タンク本体６の開口端部には、枠状のフランジ部６ａが形成される。

プレート１０は、タンク５の底部を形成してチューブ４が接続される底板部１５と、タンク本体６が結合される膨出枠部１４と、を有する。

底板部１５には、複数の孔１１がチューブ４の積層方向に並んで開口する。チューブ４は、長手方向の先端が孔１１に挿入されることで、底板部１５に接続される。

膨出枠部１４には、底板部１５の周囲に延在する溝１２と、溝１２の周囲に間隔をもって突出する複数のかしめ爪１３と、が形成される。

溝１２には、環状のシールパッキン８と、タンク本体６のフランジ部６ａと、が収容される。シールパッキン８は、ゴム材などの弾性材によって形成される。シールパッキン８は、膨出枠部１４とフランジ部６ａとの間に挟持され、両者の間を密封する。

タンク５の組み立ての際には、かしめ爪１３が折り曲げられることで、かしめ爪１３がフランジ部６ａに押し付けられる。これにより、プレート１０とタンク本体６とは、互いに結合される。

一方、コア２では、一対のレインフォース２０が一対のプレート１０の間に架けわたされる。一対のレインフォース２０は、互いに略平行に延在するように配置され、両者の間に積層されたチューブ４及びフィン３を挟持する。

次に、図３から図６を参照して、チューブ４の構成について説明する。

図３に示すように、チューブ４は、一対の平面部４１と、複数の突出部５０と、を備える。

図４Ａから図４Ｄに示すように、一対の平面部４１は、内周流路４０を挟んで対向するように各々設けられる。一対の平面部４１は、互いに平行に設けられる。平面部４１の両端が各々連結されることで、内周流路４０が画成される。これにより、扁平な筒状のチューブ４が形成される。

チューブ４は、一枚の板部材から形成されている。チューブ４は、流路幅方向の断面が略Ｂ字状となるように板部材の両辺が屈曲し、板部材の内面側に当接することで一対の内周流路４０を形成する。そのため、対向する一対の平面部４１は、共に一枚の板部材の一部として形成されている。なお、チューブ４内の内周流路４０は、板部材の屈曲形状を変えることによって、３つ以上形成されてもよい。

突出部５０は、平面部４１から内周流路４０に突出して形成される。突出部５０は、平面部４１の外周から内周に向けて凹むディンプル状に形成される。突出部５０は、内周流路４０を流通する冷却水を攪拌する。突出部５０は、冷却水の流れと直交する方向に離間して複数設けられると共に、冷却水の流れ方向に離間して複数設けられる（図３参照）。

図３に示すように、同じ平面部４１で流路幅方向に隣り合う突出部５０どうしは、互いに冷却水の流れ方向にオフセットして設けられる。同様に、対向する平面部４１で流路幅方向に隣り合う突出部５０どうしは、互いに冷却水の流れ方向にオフセットして設けられる。

図５に示すように、突出部５０は、突出端面５１と、傾斜部５２と、を有する。突出部５０は、冷却水の流れ方向の長さがＤ［ｍｍ］であり、内周流路４０への突出高さがＨ［ｍｍ］である。ここでは、突出部５０の長さＤは３．０［ｍｍ］であり、突出高さＨは０．３［ｍｍ］である。

突出部５０の内周流路４０への突出断面積は、最大（突出端面５１が形成される位置）でも、突出部５０が形成されない位置における内周流路４０の流路断面積の１０％以下である。これにより、通水抵抗の上昇が抑制される。

図３に示すように、突出部５０は、冷却水の流れ方向の上流側に設けられて冷却水の流れと直交する直交部５３を有する。突出部５０は、直交部５３を有する矩形に形成され、対向する一対の平面部４１に各々設けられる。これに限らず、突出部５０は、直交部５３を有する三角形等の多角形に形成されてもよい。

図４Ａから図５に示すように、突出端面５１は、突出部５０の突出端に形成される。突出端面５１は、平面部４１から内周流路４０に最も大きく突出する平面である。突出端面５１は、平面部４１と略平行に形成される。図３及び図５に示すように、突出端面５１は、突出部５０の外形と同様に矩形に形成される。突出端面５１は、冷却水の流れと直交する方向にて互いに重複しないように形成される。

このように、複数の突出部５０は、冷却水の流れと直交する方向（内周流路４０の流路幅方向）にて突出端面５１どうしが重複しないように形成される。そのため、冷却水の流れ方向において流路断面積が急激に変化することはない。また、突出部５０が設けられることで、冷却水が攪拌されるため、熱交換性能が向上する。したがって、通水抵抗の上昇を抑制しながら熱交換性能を向上させることができる。

傾斜部５２は、突出端面５１に向かって傾斜するように突出する。傾斜部５２は、傾斜角度α［度］だけ傾斜する（図５参照）。上述したように、突出部５０の長さＤは３．０［ｍｍ］であり、突出高さＨは０．３［ｍｍ］であるので、傾斜部５２の傾斜角度αによって突出部５０の形状が決まる。

傾斜部５２は、突出端面５１の外周を囲むように全周に形成される。冷却水の流れ方向の上流側に位置する傾斜部５２は、直交部５３を構成する。

傾斜部５２は、冷却水の流れ方向にて隣り合う他の突出部５０の傾斜部５２と少なくとも一部が重複する。傾斜部５２は、隣り合う他の突出部５０の傾斜部５２と重複する部分の突出断面積の和が、突出端面５１における内周流路４０への突出断面積以下となるように形成される。

よって、チューブ４における冷却水の流れ方向のどの位置の断面であっても、単一の突出部５０の内周流路４０への突出断面積、若しくは複数の突出部５０の内周流路４０への突出断面積の和は、突出部５０が形成されない位置における内周流路４０の流路断面積の１０％以下である。これにより、通水抵抗の上昇が抑制される。

直交部５３は、内周流路４０を流通する冷却水が当たるように冷却水の流れに直交するように形成される。直交部５３が設けられることで、冷却水が突出部５０にしっかりと当たるので、熱伝達率が高くなり、熱交換性能が向上する。

図６に示すように、突出部５０は、冷却水の流れ方向の長さをＤとしたときに、同じ平面部４１で冷却水の流れ方向に隣り合う突出部５０どうしのオフセット量ＤＰ１が０．５Ｄ≦ＤＰ１≦Ｄの範囲となるように配置される。突出部５０は、対向する平面部４１で冷却水の流れ方向に隣り合う突出部５０どうしのオフセット量ＤＰ２が１．５Ｄ≦ＤＰ２≦２Ｄの範囲となるように配置される。

複数の突出部５０は、冷却水の流れ方向に間隔を開けて配置される突出部群６０を構成する。これにより、冷却水の流れ方向で連続的に冷却水攪拌効果が得られるので、高い熱伝達率を実現できる。突出部群６０は、同じ突出部群６０に含まれる突出部５０どうしのオフセット量ＤＰ１，ＤＰ２よりも大きなピッチＤＰＬとなるように形成される。

次に、図７を参照して、突出部５０における傾斜部５２の傾斜角度αについて説明する。

図７では、横軸は、突出部５０における傾斜部５２の傾斜角度α［度］であり、縦軸は、チューブ４内の内周流路４０の有効流路断面積Ａ［ｍｍ²］である。

図７にて、丸形のプロット（●）は、ＤＰ１及びＤＰ２が上限値である場合、即ちＤＰ１＝Ｄ，ＤＰ２＝２Ｄである場合を示す。三角形のプロット（▲）は、ＤＰ１及びＤＰ２が下限値である場合、即ちＤＰ１＝０．５Ｄ，ＤＰ２＝１．５Ｄである場合を示す。菱形のプロット（◆）は、比較例として示すもので、ＤＰ１＝Ｄ，ＤＰ２＝Ｄである場合を示す。四角形のプロット（■）も同様に、比較例として示すもので、ＤＰ１＝０．３Ｄ，ＤＰ２＝Ｄである場合を示す。

有効流路断面積Ａ_Lは、必要な有効流路断面積Ａの下限値である。チューブ４内の有効流路断面積ＡがＡ_Lを下回ると、通水抵抗が上昇して熱交換性能が悪化する。よって、チューブ４内の有効流路断面積ＡがＡ_L以上であることが望ましい。

図７より、０．５Ｄ≦ＤＰ１≦Ｄ、及び１．５Ｄ≦ＤＰ２≦２Ｄである場合に、突出部５０における傾斜部５２の傾斜角度αは、３５［度］以下であることが望ましい。この場合に、チューブ４内に必要な有効流路断面積Ａを確保することができるので、通水抵抗の上昇を抑制し、熱交換性能を向上させることができる。

次に、図８Ａから図９を参照して、内周流路４０の流路幅Ｔｗ、及び突出部群６０のピッチＤＰＬについて説明する。

図８Ａでは、横軸は、内周流路４０の流路幅Ｔｗに対する突出部群６０のピッチＤＰＬの大きさであり、縦軸は、チューブ４の放熱性能（熱交換性能）である。図８Ａに示すように、ＤＰＬ／Ｔｗが小さくなるほど、即ち流路幅Ｔｗに対して突出部群６０のピッチＤＰＬが小さくなるほど放熱性能は上昇する。

図８Ｂでは、横軸は、内周流路４０の流路幅Ｔｗに対する突出部群６０のピッチＤＰＬの大きさであり、縦軸は、チューブ４における内周流路４０の通水抵抗である。図８Ｂに示すように、ＤＰＬ／Ｔｗが大きくなるほど、即ち流路幅Ｔｗに対して突出部群６０のピッチＤＰＬが大きくなるほど通水抵抗が抑制される。

図９に示すグラフは、図８Ａ及び図８Ｂから導出されたものである。図９では、横軸は、内周流路４０の流路幅Ｔｗに対する突出部群６０のピッチＤＰＬの大きさであり、縦軸は、通水抵抗から導かれる必要動力に対する放熱性能（熱交換性能）である。

図９に示すように、内周流路４０の流路幅がＴｗであるときに、突出部群６０のピッチＤＰＬが、０．９≦ＤＰＬ／Ｔｗ≦３．７の範囲である場合に、通水抵抗が許容範囲内に抑制されると共に、要求される放熱性能が得られる。

以上の実施形態によれば、以下に示す効果を奏する。

内周を流通する冷却水と外周を流通する外気との間で熱交換を行うチューブ４は、冷却水が流通する内周流路４０を挟んで対向する一対の平面部４１と、平面部４１から内周流路４０に突出して形成されて突出端に突出端面５１を有し、冷却水の流れと直交する方向に離間して複数設けられると共に、冷却水の流れ方向に離間して複数設けられる突出部５０と、を備え、複数の突出部５０は、冷却水の流れと直交する方向にて突出端面５１どうしが重複しないように形成される。

この構成によれば、複数の突出部５０は、冷却水の流れと直交する方向にて突出端面５１どうしが重複しないように形成される。そのため、冷却水の流れ方向において流路断面積が急激に変化することはない。また、突出部５０が設けられることで、冷却水が攪拌されるため、熱交換性能が向上する。したがって、通水抵抗の上昇を抑制しながら熱交換性能を向上させることができる。

また、突出部５０は、突出端面５１に向かって傾斜するように突出する傾斜部５２を有し、冷却水の流れ方向にて隣り合う他の突出部５０と傾斜部５２の少なくとも一部が重複する。

また、突出部５０は、隣り合う他の突出部５０と傾斜部５２が重複する部分の突出断面積の和が、突出端面５１における内周流路４０への突出断面積以下となるように形成される。

これらの構成によれば、チューブ４における冷却水の流れ方向のどの位置の断面であっても、単一の突出部５０の内周流路４０への突出断面積、若しくは複数の突出部５０の内周流路４０への突出断面積の和は、突出部５０が形成されない位置における内周流路４０の流路断面積の１０％以下である。これにより、通水抵抗の上昇が抑制される。

また、突出部５０は、冷却水の流れ方向の上流側に設けられて冷却水の流れと直交する直交部５３を有する。

また、突出部５０は、直交部５３を有する矩形に形成され、対向する一対の平面部４１に各々設けられる。

これらの構成によれば、直交部５３が設けられることで、冷却水が突出部５０にしっかりと当たるので、熱伝達率が高くなり、熱交換性能が向上する。

また、突出部５０は、冷却水の流れ方向の長さをＤとしたときに、同じ平面部４１で冷却水の流れ方向に隣り合う突出部５０どうしのオフセット量ＤＰ１が０．５Ｄ≦ＤＰ１≦Ｄの範囲となるように配置される。

また、突出部５０は、冷却水の流れ方向の長さをＤとしたときに、対向する平面部４１で冷却水の流れ方向に隣り合う突出部５０どうしのオフセット量ＤＰ２が１．５Ｄ≦ＤＰ２≦２Ｄの範囲となるように配置される。

また、突出部５０は、突出端面５１に向かって傾斜するように突出する傾斜部５２を有し、傾斜部５２の傾斜角度αは、３５度以下である。

これらの構成によれば、チューブ４内に必要な有効流路断面積Ａを確保することができるので、通水抵抗の上昇を抑制し、熱交換性能を向上させることができる。

また、複数の突出部５０は、冷却水の流れ方向に間隔を開けて配置される突出部群６０を構成し、突出部群６０は、内周流路４０の流路幅をＴｗとしたときに、ピッチＤＰＬが０．９≦ＤＰＬ／Ｔｗ≦３．７の範囲となるように配置される。

この構成によれば、通水抵抗が許容範囲内に抑制されると共に、要求される放熱性能が得られる。

以上、本発明の実施形態について説明したが、上記実施形態は本発明の適用例の一部を示したものに過ぎず、本発明の技術的範囲を上記実施形態の具体的構成に限定する趣旨ではない。

１熱交換器
２コア（熱交換コア）
４チューブ（熱交換チューブ）
４０内周流路
４１平面部
５０突出部
５１突出端面
５２傾斜部
５３直交部
６０突出部群
ＤＰ１オフセット量
ＤＰ２オフセット量
ＤＰＬピッチ
Ｔｗ流路幅
α 傾斜角度

Claims

内周を流通する第１の流体と外周を流通する第２の流体との間で熱交換を行う熱交換チューブであって、
第１の流体が流通する内周流路を挟んで対向する一対の平面部と、
前記平面部から前記内周流路に突出して形成されて突出端に突出端面を有し、第１の流体の流れと直交する方向に離間して複数設けられると共に、第１の流体の流れ方向に離間して複数設けられる突出部と、を備え、
複数の前記突出部は、第１の流体の流れと直交する方向にて前記突出端面どうしが重複しないように形成され、
前記突出部は、前記突出端面に向かって傾斜するように突出する傾斜部を有し、第１の流体の流れ方向にて隣り合う他の前記突出部と前記傾斜部の少なくとも一部が重複し、
前記突出部は、隣り合う他の前記突出部と前記傾斜部が重複する部分の突出断面積の和が、前記突出端面における前記内周流路への突出断面積以下となるように形成される、
ことを特徴とする熱交換チューブ。
請求項１に記載の熱交換チューブであって、
前記突出部は、第１の流体の流れ方向の上流側に設けられて第１の流体の流れと直交する直交部を有する、
ことを特徴とする熱交換チューブ。
請求項２に記載の熱交換チューブであって、
前記突出部は、前記直交部を有する矩形に形成され、対向する一対の前記平面部に各々設けられる、
ことを特徴とする熱交換チューブ。
内周を流通する第１の流体と外周を流通する第２の流体との間で熱交換を行う熱交換チューブであって、
第１の流体が流通する内周流路を挟んで対向する一対の平面部と、
前記平面部から前記内周流路に突出して形成されて突出端に突出端面を有し、第１の流体の流れと直交する方向に離間して複数設けられると共に、第１の流体の流れ方向に離間して複数設けられる突出部と、を備え、
複数の前記突出部は、第１の流体の流れと直交する方向にて前記突出端面どうしが重複しないように形成され、
前記突出部は、第１の流体の流れ方向の上流側に設けられて第１の流体の流れと直交する直交部を有し、
前記突出部は、前記直交部を有する矩形に形成され、対向する一対の前記平面部に各々設けられ、
前記突出部は、第１の流体の流れ方向の長さをＤとしたときに、同じ前記平面部で第１の流体の流れ方向に隣り合う前記突出部どうしのオフセット量ＤＰ１が０．５Ｄ≦ＤＰ１≦Ｄの範囲となるように配置される、
ことを特徴とする熱交換チューブ。
内周を流通する第１の流体と外周を流通する第２の流体との間で熱交換を行う熱交換チューブであって、
第１の流体が流通する内周流路を挟んで対向する一対の平面部と、
前記平面部から前記内周流路に突出して形成されて突出端に突出端面を有し、第１の流体の流れと直交する方向に離間して複数設けられると共に、第１の流体の流れ方向に離間して複数設けられる突出部と、を備え、
複数の前記突出部は、第１の流体の流れと直交する方向にて前記突出端面どうしが重複しないように形成され、
前記突出部は、第１の流体の流れ方向の上流側に設けられて第１の流体の流れと直交する直交部を有し、
前記突出部は、前記直交部を有する矩形に形成され、対向する一対の前記平面部に各々設けられ、
前記突出部は、第１の流体の流れ方向の長さをＤとしたときに、対向する前記平面部で第１の流体の流れ方向に隣り合う前記突出部どうしのオフセット量ＤＰ２が１．５Ｄ≦ＤＰ２≦２Ｄの範囲となるように配置される、
ことを特徴とする熱交換チューブ。
請求項４又は５に記載の熱交換チューブであって、
前記突出部は、前記突出端面に向かって傾斜するように突出する傾斜部を有し、
前記傾斜部の傾斜角度は、３５度以下である、
ことを特徴とする熱交換チューブ。
内周を流通する第１の流体と外周を流通する第２の流体との間で熱交換を行う熱交換チューブであって、
第１の流体が流通する内周流路を挟んで対向する一対の平面部と、
前記平面部から前記内周流路に突出して形成されて突出端に突出端面を有し、第１の流体の流れと直交する方向に離間して複数設けられると共に、第１の流体の流れ方向に離間して複数設けられる突出部と、を備え、
複数の前記突出部は、第１の流体の流れと直交する方向にて前記突出端面どうしが重複しないように形成され、
前記突出部は、第１の流体の流れ方向の上流側に設けられて第１の流体の流れと直交する直交部を有し、
前記突出部は、前記直交部を有する矩形に形成され、対向する一対の前記平面部に各々設けられ、
複数の前記突出部は、第１の流体の流れ方向に間隔を開けて配置される突出部群を構成し、
前記突出部群は、前記内周流路の流路幅をＴｗとしたときに、ピッチＤＰＬが０．９≦ＤＰＬ／Ｔｗ≦３．７の範囲となるように配置される、
ことを特徴とする熱交換チューブ。
内周を流通する第１の流体と外周を流通する第２の流体との間で熱交換を行う熱交換チューブであって、
第１の流体が流通する内周流路を挟んで対向する一対の平面部と、
前記平面部から前記内周流路に突出して突出端に形成される突出端面と、前記突出端面に向かって傾斜するように突出する傾斜部と、を有し、第１の流体の流れと直交する方向に離間して複数設けられると共に、第１の流体の流れ方向に離間して複数設けられる突出部と、を備え、
複数の前記突出部は、第１の流体の流れ方向に間隔を開けて配置される突出部群を構成し、
前記突出部群にて、複数の前記突出部は、第１の流体の流れ方向にて前記突出端面どうしが重複しないように形成され、
前記突出部群内にて、前記突出部は、第１の流体の流れと直交する方向にて隣り合う他の前記突出部と前記傾斜部の少なくとも一部が第１の流体の流れ方向にて重複するように配置される、
ことを特徴とする熱交換チューブ。
請求項１から８のいずれか一つに記載の熱交換チューブを備える、
ことを特徴とする熱交換器。