JPH11217019A - 暖房用熱交換器 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 温水の低温時に、電気発熱体から空気側への
伝熱量の増加を図る。 【解決手段】 温水が流通する偏平チューブ６とコルゲ
ートフィン７との組合せにより熱交換用コア部３を構成
し、この熱交換用コア部３の一部の部位に電気発熱体９
を設置する暖房用熱交換器において、コルゲートフィン
７のうち、電気発熱体９の両隣に位置するコルゲートフ
ィン７０の高さｆｈ₁ を、他の部位のコルゲートフィン
７の高さｆｈ₂ より高くした。これにより、両隣のコル
ゲートフィン７０における空気側への伝熱量を他の部位
のコルゲートフィン７より増大できる。そのため、電気
発熱体９の発熱量の空気側への伝熱割合を増大させ、電
気発熱体９の熱が低温の熱源流体に伝熱されるのを効果
的に抑制できる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は電気発熱体を一体化
した暖房用熱交換器に関するもので、車両エンジン（内
燃機関）にて加熱された温水（エンジン冷却水）を熱源
として空気を加熱する車両暖房用熱交換器に用いて好適
である。

【０００２】

【従来の技術】近年、車両エンジンの高効率化に伴い、
エンジン暖機後においても車両エンジンの冷却水（温
水）温度が従前に比して低めの温度となる傾向にある。
そのため、エンジン冷却水からの廃熱を利用して車室内
の暖房を行う温水式空調装置においては、暖房能力不足
が課題になっている。

【０００３】そこで、特開平５−６９７３２号公報等で
は、温水式の暖房用熱交換器に電気発熱体を一体化し、
温水温度が低いときには電気発熱体に通電して、電気発
熱体の発熱により暖房空気を加熱することにより、暖房
能力の不足を解消するものが提案されている。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】ところで、上記従来技
術では、車両エンジンの始動直後のように温水の低温時
には、暖房即効性の向上のために、電気発熱体の最大能
力を必要とするのであるが、暖房用熱交換器の熱交換用
コア部内に電気発熱体が一体化され、電気発熱体が隣接
するコルゲートフィンを介してチューブに伝熱可能に接
合されるので、電気発熱体の発熱量の一部がチューブ内
を流通する低温の温水に奪われてしまい、電気発熱体の
発熱量により暖房空気を効率良く加熱することができな
い。

【０００５】その結果、暖房空気の車室内への吹出空気
温度が十分上昇せず、電気発熱体による暖房即効性を効
果的に発揮できないという不具合がある。本発明は上記
点に鑑みてなされたもので、温水等の熱源流体の低温時
に、電気発熱体から空気側への伝熱量の増加を図ること
を目的とする。

【０００６】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するた
め、請求項１記載の発明では、熱源流体が流通するチュ
ーブ手段（６）と、このチューブ手段（６）に伝熱関係
に組付けられたフィン手段（７）とにより熱交換用コア
部（３）が構成され、この熱交換用コア部（３）の一部
の部位に電気発熱体（９）を設置する暖房用熱交換器に
おいて、フィン手段（７）のうち、電気発熱体（９）の
両隣に位置するフィン手段（７０）の少なくとも一方の
高さ（ｆｈ₁ ）を、他の部位のフィン手段（７）の高さ
（ｆｈ₂ ）より高くしたことを特徴としている。

【０００７】これによると、電気発熱体（９）の両隣の
フィン手段（７０）の高さ（ｆｈ₁）を高くすることに
より、このフィン手段（７０）における空気側への伝熱
量を他の部位のフィン手段（７）より増大できる。その
ため、電気発熱体（９）の発熱量の空気側への伝熱割合
を増大させ、電気発熱体（９）の熱が低温の熱源流体に
伝熱されるのを効果的に抑制できる。その結果、電気発
熱体（９）の熱で効率よく暖房空気を加熱でき、電気発
熱体による暖房即効性を効果的に発揮できる。

【０００８】請求項２記載の発明では、熱源流体が流通
する偏平チューブ（６）とコルゲートフィン（７）との
組合せにより熱交換用コア部（３）を構成し、この熱交
換用コア部（３）の一部の部位に電気発熱体（９）を設
置する暖房用熱交換器において、コルゲートフィン
（７）のうち、電気発熱体（９）の両隣に位置するコル
ゲートフィン（７０）の少なくとも一方の高さ（ｆ
ｈ₁ ）を、他の部位のコルゲートフィン（７）の高さ
（ｆｈ₂ ）より高くしたことを特徴としている。

【０００９】これによると、偏平チューブ（６）とコル
ゲートフィン（７）との組合せを持つ熱交換用コア部
（３）において、請求項１と同様の作用効果を発揮でき
る。なお、上記各手段の括弧内の符号は、後述する実施
形態記載の具体的手段との対応関係を示すものである。

【００１０】

【発明の実施の形態】以下、本発明の実施形態を図に基
づいて説明する。 （第１実施形態）図１〜図４は本発明を適用した車両暖
房用熱交換器の第１実施形態を示すもので、図１におい
て、暖房用熱交換器Ｈは、温水入口側タンク１と、温水
出口側タンク２と、この両タンク１、２の間に設けられ
た熱交換用コア部３とを有している。

【００１１】温水入口側タンク１には図示しない車両エ
ンジンからの温水（エンジン冷却水）が流入する入口パ
イプ４が設けられ、温水出口側タンク２には温水を外部
へ流出させ、エンジン側に還流させる出口パイプ５が設
けられている。なお、本例の熱交換器は図１に示すよう
に左右対称形であるので、温水入口側タンク１と温水出
口側タンク２とを左右逆転してもよい。

【００１２】各タンク１、２はそれぞれタンク本体部１
ａ、２ａと、このタンク本体部１ａ、２ａの開口端面を
閉じるシートメタル１ｂ、２ｂとからなり、図１の上下
方向が長手方向となる周知のタンク構造である。そし
て、シートメタル１ｂ、２ｂには偏平状のチューブ挿入
穴（図示せず）が多数個、図１の上下方向に１列または
複数列並んで形成されている。

【００１３】熱交換用コア部３は暖房用空気の流れ方向
Ａに対して平行な偏平状に形成された偏平チューブ（チ
ューブ手段）６を多数個図１の上下方向に並列配置して
いる。そして、この多数個の偏平チューブ６相互の間に
波形状に成形されたコルゲートフィン（フィン手段）
７、７０を配置し接合している。このコルゲートフィン
７、７０には周知のごとく暖房用空気の流れ方向Ａに対
して所定角度で斜めに多数のルーバ７ａ、７０ａ（図
４）が切り起こし成形されており、このルーバ７ａ、７
０ａの成形によりフィン熱伝達率を向上させている。

【００１４】偏平チューブ６の両端開口部はシートメタ
ル１ｂ、２ｂのチューブ挿入穴内にそれぞれ挿通され、
接合される。また、コア部３の最外側（図１の上下両端
部）のコルゲートフィン７のさらに外側にはサイドプレ
ート８ａ、８ｂが配設され、このサイドプレート８ａ、
８ｂは最外側のコルゲートフィン７およびシートメタル
１ｂ、２ｂに接合される。

【００１５】さらに、熱交換用コア部３の一部の部位
に、偏平チューブ６の代わりに、電気発熱体９を設置し
ている。図１の例では、熱交換用コア部３の４箇所（斜
線部）に電気発熱体９を等間隔で設置している。そし
て、熱交換用コア部３のうち、電気発熱体９が設置され
る部位では、隣接するコルゲートフィン７の折り曲げ頂
部の間に、偏平チューブ６の長手方向に延びる断面Ｕ字
状の保持板１０を配置している。図２、４に示すよう
に、この保持板１０のＵ字状曲げ形状からなる閉塞端部
１０ａが熱交換用コア部３の空気入口側に向き、他端側
の開口部１０ｂが熱交換用コア部３の空気出口側に向く
ように、保持板１０の配置方向が設定されている。

【００１６】また、保持板１０は、その対向する２つの
板面１０ｃ、１０ｄ相互の間に所定間隔を設定し、その
状態で、この２つの板面１０ｃ、１０ｄをそれぞれコル
ゲートフィン７の折り曲げ頂部に接合するようにしてあ
る。電気発熱体９は、開口部１０ｂから保持板１０の内
部に挿入されて保持される。ここで、電気発熱体９は保
持板１０に対して後述の構造により電気的に絶縁して保
持される。

【００１７】なお、保持板１０の全体の厚さｔ₁ は、偏
平チューブ６の厚さｔ₂ と同一に設定してあるので、偏
平チューブ６の代わりに保持板１０を隣接するコルゲー
トフィン７０、７０相互の間に設置できる。 ところで、
本例における熱交換器では、上記各構成部品１〜８ｂの
すべてがアルミニュウム（アルミニュウム合金も含む）
にて成形されており、また、断面Ｕ字状の保持板１０も
同様にアルミニュウムにて成形されている。

【００１８】電気発熱体９は図２、３に示す構造になっ
ており、板状の発熱体素子９ａと、この発熱体素子９ａ
の表裏両面に配置された細長の平板状の電極板９ｂ、９
ｃとからなる３層のサンドウイッチ構造になっている。
そして、この電極板９ｂ、９ｃの周囲を全周にわたって
電気的絶縁材料からなる被覆部材９ｄにより被覆してい
る。ここで、発熱体素子９ａは所定の設定温度（例え
ば、１６０°Ｃ付近）Ｔ ₀ にて抵抗値が急増する正の抵
抗温度特性を有する抵抗体材料（例えば、チタン酸バリ
ウム）からなるＰＴＣヒータ素子である。

【００１９】発熱体素子９ａの両電極板９ｂ、９ｃはア
ルミニュウム、銅、ステンレス等の導電金属材から成形
されており、発熱体素子９ａと両電極板９ｂ、９ｃは互
いに圧接することにより、両者間の電気的導通を得るよ
うにしてある。被覆部材９ｄが保持板１０の板面１０
ｃ、１０ｄの内側面に圧接するようにして、電気発熱体
９は保持板１０の内部に組み付けられる。ここで、被覆
部材９ｄは保持板１０と両電極板９ｂ、９ｃとの間の電
気的な絶縁作用を果たすものであるが、発熱体素子９ａ
の熱を保持板１０に伝導する役割を果たすため、被覆部
材９ｄの厚さは２５μ〜１００μ程度の薄膜状にしてい
る。被覆部材９ｄの具体的材質としては、高耐熱性の樹
脂（例えば、ポリイミド樹脂等）が好ましい。

【００２０】上記電極板９ｂは正極側電極板であり、ま
た、上記電極板９ｃは負極側電極板であり、それぞれ外
部回路との電気接続用の端子部９ｅ、９ｆ（図１）が一
体成形されている。なお、各電気発熱体９の電極板９
ｂ、９ｃに一体成形された端子部９ｅ、９ｆには、図示
しない外部制御回路が電気接続され、この外部制御回路
を介して車載電源から各電気発熱体９に通電されるよう
になっている。

【００２１】１２、１３はステンレスのような耐食性に
優れた金属材料からなる締結（バンド）部材であって、
熱交換用コア部３の空気入口側の面および空気出口側の
面の両方に配置される。締結部材１２、１３はその両端
に折り曲げ形状からなる引掛け部を有しており、この引
掛け部を上下のサイドプレート８ａ、８ｂの長手方向の
中央部に形成された係止溝部８ｃ、８ｄに引掛けて、上
下のサイドプレート８ａ、８ｂの間に装着する。

【００２２】この締結部材１２、１３の装着により、電
気発熱体９を保持板１０の板面１０ｃ、１０ｄ間に圧接
保持させる締付け力を熱交換用コア部３に対して作用さ
せる。なお、図１では、コア部３の幅方向（図１の左右
方向）の中央の１箇所のみに締結部材１２、１３を装着
しているが、コア部３の幅方向の複数箇所に締結部材１
２、１３を装着してもよいことはいうまでもない。ま
た、保持板１０はＵ字状曲げ形状からなる閉塞端部１０
ａを有しているから、開口部１０ｂ側にのみ締結部材１
２を設置するだけでも、電気発熱体９の保持固定が可能
となる。

【００２３】次に、熱交換用コア部３、特に、コルゲー
トフィン７、７０の具体的形態について説明すると、図
４に示すように、熱交換用コア部３は、本例では、暖房
用空気の流れ方向Ａに対して偏平チューブ６を１列のみ
配置した構成となっている。そして、熱交換用コア部３
内のコルゲートフィン７のうち、電気発熱体９の両隣に
位置するコルゲートフィン７０の高さｆｈ₁ を、他の部
位のコルゲートフィン７の高さｆｈ₂ より高くしてい
る。

【００２４】次に、上記した暖房用熱交換器Ｈの製造方
法を説明すると、まず、最初に図１に示す熱交換器構成
を組み付けるコア組付工程を行う。すなわち、熱交換用
コア部３のチューブ６とコルゲートフィン７を交互に積
層するとともに、熱交換用コア部３のうち、電気発熱体
９が設置される部位（図１の４箇所の斜線部）では、隣
接するコルゲートフィン７の折り曲げ頂部の間に、チュ
ーブ６の長手方向に延びる断面Ｕ字状の保持板１０を配
置する。ここで、この保持板１０の対向する２つの板面
１０ｃ、１０ｄの間隔を所定間隔に保持するために、こ
の保持板１０の内部に、この所定間隔の板厚を持ったダ
ミー板（図示せず）を挿入する。

【００２５】このダミー板は後述の一体ろう付けの工程
に対する耐熱性を有し、かつアルミニュウムろう付けさ
れない特性を持った材質（例えば、カーボン等）で形成
しておく。この組付工程で、タンク１、２、パイプ４、
５、およびサイドプレート８ａ、８ｂも組み付けること
はもちろんである。次に、上記のごとくして組み付けた
熱交換器組付体の組付状態を図示しない適宜の治具によ
り保持して、ろう付け炉内に搬入し、ろう付け工程を行
う。すなわち、ろう付け炉内で熱交換器組付体をろう付
け温度（６００°Ｃ程度）に加熱して、熱交換器各部材
のアルミニウムクラッド材のろう材を溶融し、熱交換器
組付体の各部材間を一体ろう付けする。

【００２６】ろう付け終了後に、熱交換器組付体をろう
付け炉から搬出し、常温まで熱交換器組付体の温度が低
下した後に、電気発熱体９の組付工程を行う。すなわ
ち、電気発熱体９はそれ単独で、熱交換器組付体とは別
に、板状の発熱体素子９ａの表裏両面を平板状の電極板
９ｂ、９ｃにより挟み込んで３層のサンドウイッチ構造
とし、電極板９ｂ、９ｃの周囲を全周にわたって被覆部
材９ｄにより被覆しておく。

【００２７】そして、熱交換器組付体の熱交換用コア部
３における４箇所の保持板１０の内側に挿入されている
ダミー板を取り出す。この後に、保持板１０の対向する
２つの板面１０ｃ、１０ｄの内側に形成される所定間隔
Ｌ₁ の空間に、開口部１０ｂから閉塞端部１０ａ側へ向
かって電気発熱体９を挿入する。このとき、被覆部材９
ｄが保持板１０に圧接するようにして、電気発熱体９を
保持板１０内に組み付ける。

【００２８】この電気発熱体９の組付の後に、締結部材
１２、１３の両端の引掛け部を上下のサイドプレート８
ａ、８ｂの係止溝部８ｃ、８ｄに引掛けて、上下のサイ
ドプレート８ａ、８ｂの間に締結部材１２、１３を熱交
換用コア部３が圧縮されるように装着する。これによ
り、電気発熱体９を保持板１０の内側に圧接保持させる
締付け力を熱交換用コア部３に対して作用させ、電気発
熱体９を保持板１０の内側に確実に保持固定できる。ま
た、同時に、電気発熱体９の内部において、発熱体素子
９ａの表裏両面が平板状の電極板９ｂ、９ｃに確実に圧
接するので、小さな接触抵抗で良好な電気導通状態が得
られる。

【００２９】次に、上記構成において作動を説明する。
車室の暖房を行うときには、図示しない空調用送風ファ
ンが作動して、暖房用熱交換器Ｈのコア部３の偏平チュ
ーブ６とコルゲートフィン７、７０との間の空隙部に矢
印Ａのように暖房用空気が通過する。一方、車両用エン
ジンのウォータポンプ（図示せず）の作動によりエンジ
ンからの温水（熱源流体）が入口パイプ４より温水入口
側タンク１内に流入する。

【００３０】そして、温水は、入口側タンク１にて多数
本の偏平チューブ６に分配され、この偏平チューブ６を
並列に流れる間にコルゲートフィン７、７０を介して暖
房用空気に放熱する。多数本の偏平チューブ６を通過し
た温水は、温水出口側タンク２に流入し、ここで集合さ
れ、出口パイプ５から温水は熱交換器外部へ流出し、エ
ンジン側に還流する。

【００３１】一方、暖房能力を最大に設定する最大暖房
時において、エンジンからの温水の温度が設定温度（例
えば、８０°Ｃ）より低いときは、外部制御回路から電
気発熱体９の両電極板９ｂ、９ｃの端子部９ｅ、９ｆ間
に車載電源の電圧を加える。これにより、発熱体素子９
ａが通電され発熱する。発熱体素子９ａの発熱は電極板
９ｂ、９ｃ、被覆部材９ｄ、保持板１０を経て、左右両
隣のコルゲートフィン７０、７０に伝導されて、このコ
ルゲートフィン７０、７０から暖房用空気に放熱され
る。

【００３２】この場合、電気発熱体９の両隣のコルゲー
トフィン７０、７０の高さｆｈ₁ を、他の部位のコルゲ
ートフィン７の高さｆｈ₂ より高くしているため、両隣
のコルゲートフィン７０、７０における伝熱面積が他の
部位のコルゲートフィン７よりも増大し、その分、両隣
のコルゲートフィン７０、７０から空気側への伝熱量を
他の部位のコルゲートフィン７よりも増大できる。

【００３３】その結果、車両用暖房装置の暖房始動時の
運転条件（ウォームアップ条件）が例えば、外気温：−
２０°Ｃ、温水温度：４０°Ｃであり、また、保持板１
０の表面温度が１２０°Ｃであるときに、両隣のコルゲ
ートフィン７０、７０のチューブ側端部Ｂ（図３）の温
度を図３に示すように、温水温度：４０°Ｃと略同等の
温度にして、電気発熱体９の発熱量のほぼ全部を空気側
に放熱することが可能となる。

【００３４】これにより、電気発熱体９の発熱量が偏平
チューブ６内の低温温水に奪われることを阻止して、電
気発熱体９の発熱量を暖房空気加熱のために有効利用で
きる。従って、温水の低温時でも、電気発熱体９の発熱
によって暖房空気を速やかに加熱して即効暖房を行うこ
とができる。なお、車両用暖房装置では、窓ガラスの曇
り止めのために、冬期暖房時には、通常、内外気吸入モ
ードを外気導入側に設定して暖房作動を行うため、暖房
用熱交換器Ｈへの流入空気温度は上記外気温度と同等温
度となる。

【００３５】図３において、線Ｃは両隣のコルゲートフ
ィン７０、７０の温度が発熱体側端部からチューブ側端
部Ｂに向かって徐々に低下していく状態を示している。
上記した条件下において、コルゲートフィン７０、７０
のチューブ側端部Ｂの温度が温水温度（４０°Ｃ）と略
同等になる高さｆｈ₁ を１次元フィン効率の式から算出
すると、ｆｈ₁ ＝６．５ｍｍとなる。

【００３６】一方、他の部位のコルゲートフィン７の高
さｆｈ₂ は、通常、４．５ｍｍであり、この高さｆｈ₂
＝４．５ｍｍをそのまま両隣のコルゲートフィン７０、
７０にも適用すると、チューブ側端部Ｂの温度は略６０
°Ｃとなり、温水温度より２０°Ｃも高くなってしま
う。そのため、この温度差により電気発熱体９の発熱量
が偏平チューブ６内の低温温水に奪われることになる
が、本実施形態によると、両隣のコルゲートフィン７
０、７０の高さｆｈ₁ の拡大により、この不具合を解消
できる。

【００３７】なお、電気発熱体９の発熱体素子９ａは所
定の設定温度Ｔ₀ にて抵抗値が急増する正の抵抗温度特
性を有するＰＴＣ素子であるから、周知のごとく、その
発熱温度を設定温度Ｔ₀ に自己制御する自己温度制御機
能を備えている。 （第２実施形態）上記の第１実施形態では、電気発熱体
９の両隣のコルゲートフィン７０、７０の高さｆｈ
₁ を、他の部位のコルゲートフィン７の高さｆｈ₂ より
高くしているが、図５の第２実施形態のように、電気発
熱体９の両隣のコルゲートフィンのうち、片側（図５で
は下側）のコルゲートフィン７０のみの高さｆｈ₁ を他
の部位のコルゲートフィン７の高さｆｈ₂ より高くする
ようにしてもよい。

【００３８】（他の実施形態）上記の第１、第２実施形
態では、熱交換用コア部３において、偏平チューブ６を
暖房用空気の流れ方向Ａに１列のみ配置しているが、暖
房用空気の流れ方向Ａに偏平チューブ６を２列配置する
タイプのものにも同様に本発明は適用できる。また、暖
房用熱交換器Ｈに電気発熱体９を一体化する場合に電気
発熱体９の設置形態を図１の形態に限らず、暖房用熱交
換器Ｈの仕様の変化等に対応して種々変更し得ることは
もちろんである。

【００３９】また、暖房用熱交換器Ｈに循環する熱源流
体としては、温水に限らず、エンジンオイル等の油類で
あってもよいことはもちろんである。また、チューブ手
段として、偏平チューブ以外の他の形状のチューブを用
いたり、フィン手段として、コルゲートフィン以外の他
の形状のフィン（プレートフィン等）を用いることもで
きる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明を適用する暖房用熱交換器全体の斜視図
である。

【図２】図１の電気発熱体設置部の拡大斜視図である。

【図３】図１の電気発熱体設置部の部分拡大縦断面図で
ある。

【図４】本発明の第１実施形態を示すもので、暖房用熱
交換器のコア部の電気発熱体設置部の横断面図である。

【図５】本発明の第２実施形態を示すもので、図４に対
応する横断面図である。

【符号の説明】

１、２…タンク、３…熱交換用コア部、６…偏平チュー
ブ、７、７０…コルゲートフィン、９…電気発熱体。

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 熱源流体が流通するチューブ手段（６）
   と、このチューブ手段（６）に伝熱関係に組付けられた
   フィン手段（７）とにより熱交換用コア部（３）が構成
   されており、 この熱交換用コア部（３）の一部の部位に電気発熱体
   （９）を設置する暖房用熱交換器において、 前記フィン手段（７）のうち、前記電気発熱体（９）の
   両隣に位置するフィン手段（７０）の少なくとも一方の
   高さ（ｆｈ₁ ）を、他の部位のフィン手段（７）の高さ
   （ｆｈ₂ ）より高くしたことを特徴とする暖房用熱交換
   器。
2. 【請求項２】 熱源流体が流通する偏平チューブ（６）
   を多数本並列配置するとともに、この多数本の偏平チュ
   ーブ（６）の間にコルゲートフィン（７）を接合するこ
   とにより熱交換用コア部（３）が構成されており、 この熱交換用コア部（３）の一部の部位に電気発熱体
   （９）を設置する暖房用熱交換器において、 前記コルゲートフィン（７）のうち、前記電気発熱体
   （９）の両隣に位置するコルゲートフィン（７０）の少
   なくとも一方の高さ（ｆｈ₁ ）を、他の部位のコルゲー
   トフィン（７）の高さ（ｆｈ₂ ）より高くしたことを特
   徴とする暖房用熱交換器。