JPH11223484A - 熱交換器 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 従来の突起付きのチューブを備えるヒータコ
アの場合、突起がチューブの幅方向対角位置に配設さ
れ、しかもチューブの長さ方向に直線状に配列されてい
るため、エンジン冷却水は突起周辺において局部的に乱
されるのみで熱伝達率を向上させるには不十分であっ
た。 【解決手段】 偏平した内部空間において対向する両内
壁面１１ａ、１１ｂに設けられる複数の突起１２ａ、１
２ｂのうち、一方の内壁面１１ａ側の突起１２ａは、そ
れぞれチューブ１１の幅方向に沿って離間して配列され
るとともにチューブ１１の長さ方向に沿って離間して配
列された状態に突出形成され、他方の内壁面１１ｂ側の
突起１２ｂは、一方の内壁面１１ａ側の各突起１２ａの
うちチューブ１１の幅方向に隣り合って配列されたふた
つの突起１２ａ、１２ａ間に向けて突出形成されている
チューブ１１を採用する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、例えばカーエアコ
ン等の空気調和機を構成する熱交換器に関するものであ
る。

【０００２】

【従来の技術】カーエアコン等の空気調和機を構成する
熱交換器のうち、ヒータコアはエンジンの発熱により暖
められたエンジン冷却水と車室内の冷たい空気との間で
熱交換を行わせることで車室内の空気を暖めるものであ
る。

【０００３】ヒータコアの一例を図７に示す。このヒー
タコアはチューブ１と空気側フィン２とを交互に積層し
て構成されるコア部３と、入口側タンク４、ロアタンク
５、出口側タンク６により構成されている。このヒータ
コアにおいては、エンジン冷却水が入口側パイプ７から
入口側タンク４に流入して直下に位置するチューブ１内
を下方に向けて流通し、コア部３において空気側フィン
２の間を流れる空気との間で熱交換を行う。そして、ロ
アタンク５に流入してターンした後、出口側タンク６の
直下に位置するチューブ１内を上方に向けて流通し、コ
ア部３において空気側フィン２の間を流れる空気との間
で再び熱交換を行う。その後は出口側タンク６に流入し
て出口側パイプ８から流出する。

【０００４】ところで、上記のようなヒータコア等の熱
交換器における問題として、チューブにおける熱抵抗の
低減が挙げられる。チューブの熱抵抗は管内側と管外側
とのふたつに分けて考えられるが、チューブの熱抵抗は
管内側よりも管外側の方が相対的に小さいため、従来は
管外側の熱抵抗の低減を図るために空気側フィンの性能
改善に力が注がれていた。そして近年では空気側フィン
においてルーバフィン等のフィン形状の適性化やフィン
ピッチの狭小化により管外側の熱伝達率が向上され、管
外側の熱抵抗の低減が図られてきた。これにより、管内
側の熱抵抗が管外側の熱抵抗に対して相対的に増大した
結果となり、管内側の熱抵抗の低減についてもなんらか
の手段を講じる必要が生じてきた。

【０００５】そこで、図８、図９に示すように内壁面が
平滑な偏平管が多く用いられていた従来のチューブ１に
替えて、近年では図１０、図１１に示すように管壁に内
側に向けて突出する突起９および外側に向けて突出する
突起１０を設けたチューブ１’が開発されている。詳し
くは、突起９、１０はそれぞれチューブ１’の幅方向に
離間して対角位置に配設されている。この突起付きのチ
ューブ１’を備えるヒータコアにおいては、チューブ
１’の内側を流れるエンジン冷却水およびチューブ１’
の外側を流れる空気が突起９、１０を設けることで生ま
れた凹凸によってそれぞれの流れを乱され、攪拌される
ことによって熱伝達率が向上されるようになっている。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上記の
突起付きチューブを備えるヒータコアの場合、突起がチ
ューブの幅方向対角位置に配設され、しかもチューブの
長さ方向に直線状に配列されているため、エンジン冷却
水は突起周辺において局部的に乱されるのみで熱伝達率
を向上させるには不十分であった。

【０００７】本発明は上記の事情に鑑みてなされたもの
であり、チューブ内を流れる流体の流れの攪拌を促進す
ることでチューブ内の熱伝達率を向上させるに加え、チ
ューブ内面の表面積を増大することで管内側の伝熱性能
を向上させてチューブの熱抵抗を低減し、これによって
ヒータコアを含めた熱交換器における熱交換能力の向上
を図ることを目的としている。

【０００８】

【課題を解決するための手段】上記の課題を解決するた
めの手段として、次に説明する各構成を有する熱交換器
を採用するのが望ましい。まず、第１の熱交換器とし
て、偏平した内部空間を有し該内部空間を流体が流通す
るチューブと、該チューブの一端に接続されて流体の入
口となる流入口と、チューブの他端に接続されて流体の
出口となる流出口と、チューブの外側面に接触して設け
られて流体とチューブの外側を流れる気体との間の熱交
換効率を高めるフィンとを備える熱交換器において、前
記内部空間において対向する前記チューブの両内壁面に
それぞれ複数の突起が設けられており、一方の内壁面に
設けられた各突起は、チューブの幅方向に離間して配列
されるとともにチューブの長さ方向に離間して配列され
た状態に突出形成され、他方の内壁面に設けられた各突
起は、前記一方の内壁面に設けられた各突起のうちチュ
ーブの幅方向に隣り合って配列されたふたつの突起間に
向けて突出形成されていることを特徴とするものが挙げ
られる。

【０００９】上記第１の熱交換器においては、チューブ
内を流れる流体が一方の内壁面に設けられた突起に流れ
を乱され、さらにこれら一方の内壁面に設けられた突起
どうしの間を流れる流体が他方の内壁面に設けられた突
起に流れを乱されることで流体の流れがチューブ内にお
いてほとんど乱流状態となり、チューブ内での流体の温
度の均一化が図られてチューブ内面の熱伝達率が向上す
る。これに加え、突起を複数設けることでチューブ内面
の表面積が増大してチューブの管内側の伝熱性能が向上
する。

【００１０】第２の熱交換器としては、偏平した内部空
間を有し該内部空間を流体が流通するチューブと、該チ
ューブの一端に接続されて流体の入口となる流入口と、
チューブの他端に接続されて流体の出口となる流出口
と、チューブの外側面に接触して設けられて流体とチュ
ーブの外側を流れる気体との間の熱交換効率を高めるフ
ィンとを備える熱交換器において、前記内部空間におい
て対向する前記チューブの両内壁面にそれぞれ複数の突
起が設けられており、一方の内壁面に設けられた各突起
は、チューブの幅方向に離間して配列されるとともにチ
ューブの長さ方向に離間して配列された状態に突出形成
され、他方の内壁面に設けられた各突起は、前記一方の
内壁面に設けられた各突起のうちチューブの長さ方向に
隣り合って配列されたふたつの突起間に向けて突出形成
されていることを特徴とするものが挙げられる。

【００１１】上記第２の熱交換器においては、チューブ
内を流れる流体が両内壁面に設けられた突起に流れを乱
されて蛇行するように流れることでチューブ内において
ほとんど乱流状態となり、チューブ内での流体の温度の
均一化が図られてチューブ内面の熱伝達率が向上する。
これに加え、突起を複数設けることでチューブ内面の表
面積が増大してチューブの管内側の伝熱性能が向上す
る。

【００１２】第３の熱交換器としては、偏平した単一の
内部空間を有し該内部空間を流体が流通するチューブ
と、該チューブの一端に接続されて流体の入口となる流
入口と、チューブの他端に接続されて流体の出口となる
流出口と、チューブの外側面に接触して設けられて流体
とチューブの外側を流れる気体との間の熱交換効率を高
めるフィンとを備える熱交換器において、前記チューブ
の内壁面に複数の突条が設けられていることを特徴とす
るものが挙げられる。

【００１３】上記第３の熱交換器においては、チューブ
内を流れる流体が、内壁面に設けられた突条に流れを乱
されることでチューブ内においてほとんど乱流状態とな
り、チューブ内での流体の温度の均一化が図られてチュ
ーブ内面の熱伝達率が向上する。これに加え、突条を複
数設けることでチューブ内面の表面積が増大してチュー
ブの管内側の伝熱性能が向上する。

【００１４】なお、上記第３の熱交換器においては、突
条がチューブの長さ方向に対して所定のねじれ角をもっ
て設けられることが望ましい。これにより、流体の攪拌
が促進されてチューブ内での流体の温度の均一化が効率
よく行われるので、チューブ内面の熱伝達率がさらに向
上する。

【００１５】

【発明の実施の形態】本発明に係る熱交換器の第１の実
施形態を図１および図２に示して説明する。カーエアコ
ンを構成するヒータコアは、従来と同様に、チューブと
空気側フィンとを交互に積層して構成されるコア部と、
入口側タンク、ロアタンク、出口側タンクにより構成さ
れている。このうち、チューブは偏平した内部空間を有
する偏平管に加工を施して構成されており、内部空間に
エンジン冷却水（流体）が流されるようになっている。
フィンは細かい波形に屈曲され、チューブの外側面に接
触させて設置されている。

【００１６】図１にコア部を形成するチューブ１１の断
面を示す。チューブ１１の内部空間において対向する両
内壁面１１ａ、１１ｂには、管壁を外側から内側に向け
て凹ませるようにして複数の突起１２が設けられてい
る。このうち、一方の内壁面１１ａに設けられた各突起
１２ａは、チューブ１１の幅方向に沿ってほぼ等間隔を
空けて離間して配列されるとともにチューブ１１の長さ
方向に沿ってやはりほぼ等間隔を空けて離間して格子の
交点状に配列されている。また、他方の内壁面１１ｂに
設けられた各突起１２ｂは、一方の内壁面１１ａ側の各
突起１２ａが隣接する他の突起１２ａどうしで形成する
四点の配列の略中央に向けて突出形成されており、チュ
ーブ１１を側方視したときにこれら各突起１２ａ、１２
ｂが図２に示すように千鳥状に配列されている。

【００１７】このとき、チューブ１１内を流通するエン
ジン冷却水は一方の内壁面１１ａ側の突起１２ａに流れ
を乱され、さらにこれら突起１２ａの間を流れるエンジ
ン冷却水は他方の内壁面１１ｂ側の突起１２ｂに流れを
乱される。これにより、エンジン冷却水の流れがチュー
ブ１１内においてほとんど乱流状態となってチューブ１
１内でのエンジン冷却水の温度の均一化が図られてチュ
ーブ１１内面の熱伝達率が向上する。これに加え、突起
１２ａ、１２ｂが複数設けられることでチューブ内面の
表面積が増大してチューブ１１の管内側の伝熱性能が向
上し、結果的に管内側の熱抵抗が低減される。

【００１８】したがって、上記のように構成されたヒー
タコアによれば、チューブ１１内を流れるエンジン冷却
水が乱流状態となって流れの攪拌が促進されてチューブ
１１内面の熱伝達率が向上することに加え、チューブ１
１内面の表面積が増大することで管内側の伝熱性能が向
上してチューブ１１の熱抵抗が低減されるので、ヒータ
コア自体の熱交換能力を向上させることができる。

【００１９】次に、本発明に係る熱交換器の第２の実施
形態を図３および図４に示して説明する。なお、前記第
１の実施形態で既に説明した構成要素には同一の符号を
付して説明を省略する。

【００２０】図３にはヒータコアのコア部を形成するチ
ューブ２１の断面を示す。チューブ２１の内部空間にお
いて対向する両内壁面２１ａ、２１ｂに設けられた複数
の突起２２ａ、２２ｂのうち、一方の内壁面２１ａに設
けられた各突起２２ａは、チューブ２１の幅方向に沿っ
てほぼ等間隔を空けて千鳥状に離間して配列されるとと
もにチューブ２１の長さ方向に沿って離間して配列され
ている。また、他方の内壁面２１ｂに設けられた各突起
２２ｂは同じく千鳥状に配置され、しかも一方の内壁面
２１ａ側の各突起２２ａのうちチューブ２１の長さ方向
に隣り合って配列されるふたつの突起の間に向けて突出
形成されており、チューブ２１を側方視したときには図
４に示すように千鳥状に配列されている。

【００２１】このヒータコアにおいて、チューブ２１内
を流れるエンジン冷却水は両内壁面２１ａ、２１ｂに設
けられた突起２２ａ、２２ｂに流れを乱されて蛇行する
ように流れる。これにより、エンジン冷却水の流れがチ
ューブ２１内においてほとんど乱流状態となってエンジ
ン冷却水の温度の均一化が図られてチューブ２１内面の
熱伝達率が向上する。これに加え、突起２２ａ、２２ｂ
が複数設けられることでチューブ２１内面の表面積が増
大して管内側の伝熱性能が向上し、結果的にチューブ２
１の管内側の熱抵抗が低減される。

【００２２】したがって、上記のように構成されたヒー
タコアによれば、チューブ２１内を流れるエンジン冷却
水が乱流状態となって流れの攪拌が促進されてチューブ
２１内面の熱伝達率が向上することに加え、チューブ２
１内面の表面積が増大することで管内側の伝熱性能が向
上してチューブ２１の熱抵抗が低減されるので、ヒータ
コア自体の熱交換能力を向上させることができる。

【００２３】次に、本発明に係る熱交換器の第３の実施
形態を図５および図６に示して説明する。なお、前記第
１、第２の実施形態で既に説明した構成要素には同一の
符号を付して説明を省略する。

【００２４】図５にはヒータコアのコア部を形成するチ
ューブ３１の断面を示す。単一の内部空間を形成するチ
ューブ３１の内壁面には、複数の突条３２が設けられて
いる。これら突条３２は、図６に示すように、隣り合う
ものどうし等間隔を空けて内壁面を隆起させたように形
成され、さらにチューブ３１の長さ方向に対して所定の
ねじれ角をもって設けられている。つまり、これら突条
３２はチューブ３１内で複数の螺旋を描くように形成さ
れている。

【００２５】このヒータコアにおいて、チューブ３１内
を流れる流体は、内壁面に設けられた複数の突条３２に
沿って流れようとする。ところが、一方の内壁面３１ａ
に設けられた突条３２の向きと、他方の内壁面３１ｂに
設けられた突条３２の向きとがねじれの関係を成して配
向されていることから、各突条３２に沿って流れる流体
はチューブ３１内でぶつかり合って攪拌されるので、チ
ューブ３１内での流体の温度の均一化が図られてチュー
ブ３１内面の熱伝達率が向上する。これに加え、チュー
ブ３１内での流体の温度の均一化が効率よく行われてチ
ューブ３１内面の熱伝達率がさらに向上する。これに加
え、突条３２が複数設けられることでチューブ３１内面
の表面積が増大して管内側の伝熱性能が向上し、結果的
にチューブ３１の管内側の熱抵抗が低減される。

【００２６】したがって、上記のように構成されたヒー
タコアによれば、チューブ３１内を流れるエンジン冷却
水が渦を巻くように流れて攪拌が促進されることでチュ
ーブ３１内面の熱伝達率が向上することに加え、チュー
ブ３１内面の表面積が増大することで管内側の伝熱性能
が向上してチューブ３１の熱抵抗が低減されるので、ヒ
ータコア自体の熱交換能力を向上させることができる。

【００２７】

【実施例】第３の実施形態に示した熱交換器について、
より具体的な実施例を以下に説明する。図６に示すよう
に、チューブ３１の内壁面からの突条３２の高さをｈ、
隣り合う突条３２間の間隔をｐ、チューブ３１の長さ方
向に対する突条３２のねじれ角をθとすると、チューブ
３１内面の高い熱伝達率が得られると予想される各パラ
メータの好適な範囲はそれぞれ以下の通りである。 ０．１０ｍｍ ≦ ｈ ≦ ０．１５ｍｍ ０．２ｍｍ ≦ ｐ ≦ ０．５ｍｍ ０° ≦ θ ≦ ０．１５°

【００２８】特に、ｈ＝０．１２ｍｍ、ｐ＝０．２６ｍ
ｍ、θ＝１０°と設定した場合には、計算上では熱伝達
率が２０〜３０％上昇することが解っている。なお、ｈ
の値を大きく、かつｐの値を小さくすれば熱伝達率は向
上するが、同時に圧力損失も大きくなるため、加工性を
考慮して上記の設定値が最適であると考えられる。

【００２９】ところで、上記の第１、第２、第３の実施
形態においてはいずれも熱交換器のひとつであるヒータ
コアを例に挙げて説明したが、本発明はカーエアコンに
関わらず、その他の空気調和機に具備される熱交換器に
対しても適用可能である。

【００３０】

【発明の効果】以上説明したように、本発明に係る熱交
換器によれば、偏平した内部空間において対向するチュ
ーブの両内壁面に設けられる複数の突起のうち、一方の
内壁面に設けられた各突起がチューブの幅方向に離間し
て配列されるとともにチューブの長さ方向に離間して配
列された状態に突出形成され、他方の内壁面に設けられ
た各突起が前記一方の内壁面に設けられた各突起のうち
チューブの幅方向に隣り合って配列されたふたつの突起
間に向けて突出形成されることにより、チューブ内を流
れる流体が一方の内壁面に設けられた突起に流れを乱さ
れ、さらにこれら一方の内壁面に設けられた突起どうし
の間を流れる流体が他方の内壁面に設けられた突起に流
れを乱されることで流体の流れがチューブ内においてほ
とんど乱流状態となり、チューブ内での流体の温度の均
一化が図られてチューブ内面の熱伝達率が向上する。こ
れに加え、突起を複数設けることでチューブ内面の表面
積が増大してチューブの管内側の伝熱性能が向上するの
で、これによって熱交換器自体の熱交換能力を向上させ
ることができる。

【００３１】また、本発明に係る熱交換器によれば、偏
平した内部空間において対向するチューブの両内壁面に
設けられる複数の突起のうち、一方の内壁面に設けられ
た各突起がチューブの幅方向に離間して配列されるとと
もにチューブの長さ方向に離間して配列された状態に突
出形成され、他方の内壁面に設けられた各突起が前記一
方の内壁面に設けられた各突起のうちチューブの長さ方
向に隣り合って配列されたふたつの突起間に向けて突出
形成されることにより、チューブ内を流れる流体が両内
壁面に設けられた突起に流れを乱されて蛇行するように
流れることでチューブ内においてほとんど乱流状態とな
り、チューブ内での流体の温度の均一化が図られてチュ
ーブ内面の熱伝達率が向上する。これに加え、突起を複
数設けることでチューブ内面の表面積が増大してチュー
ブの管内側の伝熱性能が向上するので、これによって熱
交換器自体の熱交換能力を向上させることができる。

【００３２】また、本発明に係る熱交換器によれば、偏
平した単一の内部空間を有し該内部空間を流体が流通す
るチューブの内壁面に複数の突条が設けられることによ
り、チューブ内を流れる流体が流れを乱されることでほ
とんど乱流状態となり、チューブ内での流体の温度の均
一化が図られてチューブ内面の熱伝達率が向上する。こ
れに加え、突条を複数設けることでチューブ内面の表面
積が増大してチューブの管内側の伝熱性能が向上するの
で、これによって熱交換器自体の熱交換能力を向上させ
ることができる。

【００３３】さらに、突条がチューブの長さ方向に対し
て所定のねじれ角をもって設けられることにより、流体
の攪拌が促進されてチューブ内での流体の温度の均一化
が効率よく行われるので、チューブ内面の熱伝達率をさ
らに向上させることができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】 本発明に係る熱交換器の第１の実施形態を示
す図であって、ヒータコアを構成するチューブの斜視断
面図である。

【図２】 図１のチューブを側方視した平面図である。

【図３】 本発明に係る熱交換器の第２の実施形態を示
す図であって、ヒータコアを構成するチューブの斜視断
面図である。

【図４】 図３のチューブを側方視した平面図である。

【図５】 本発明に係る熱交換器の第３の実施形態を示
す図であって、ヒータコアを構成するチューブの斜視断
面図である。

【図６】 (ａ)は図５におけるVI(ａ)部分の断面拡大
図、(ｂ)はチューブ内壁面に設けられた突条の拡大図で
ある。

【図７】 従来のヒータコアの一例を示す斜視図であ
る。

【図８】 従来のヒータコアを構成するチューブの一例
を示す斜視断面図である。

【図９】 図８のチューブを平面視した断面図である。

【図１０】 従来のヒータコアを構成するチューブの他
の例を示す斜視断面図である。

【図１１】 図１０のチューブを平面視した断面図であ
る。

【符号の説明】

２ 空気側フィン ７ 入口側パイプ ８ 出口側パイプ １１ チューブ １１ａ 一方の内壁面 １１ｂ 他方の内壁面 １２ａ、１２ｂ 突起

Claims (4)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 偏平した内部空間を有し該内部空間を流
   体が流通するチューブと、該チューブの一端に接続され
   て流体の入口となる流入口と、チューブの他端に接続さ
   れて流体の出口となる流出口と、チューブの外側面に接
   触して設けられて流体とチューブの外側を流れる気体と
   の間の熱交換効率を高めるフィンとを備える熱交換器に
   おいて、 前記内部空間において対向する前記チューブの両内壁面
   にそれぞれ複数の突起が設けられており、 一方の内壁面に設けられた各突起は、チューブの幅方向
   に離間して配列されるとともにチューブの長さ方向に離
   間して配列された状態に突出形成され、 他方の内壁面に設けられた各突起は、前記一方の内壁面
   に設けられた各突起のうちチューブの幅方向に隣り合っ
   て配列されたふたつの突起間に向けて突出形成されてい
   ることを特徴とする熱交換器。
2. 【請求項２】 偏平した内部空間を有し該内部空間を流
   体が流通するチューブと、該チューブの一端に接続され
   て流体の入口となる流入口と、チューブの他端に接続さ
   れて流体の出口となる流出口と、チューブの外側面に接
   触して設けられて流体とチューブの外側を流れる気体と
   の間の熱交換効率を高めるフィンとを備える熱交換器に
   おいて、 前記内部空間において対向する前記チューブの両内壁面
   にそれぞれ複数の突起が設けられており、 一方の内壁面に設けられた各突起は、チューブの幅方向
   に離間して配列されるとともにチューブの長さ方向に離
   間して配列された状態に突出形成され、 他方の内壁面に設けられた各突起は、前記一方の内壁面
   に設けられた各突起のうちチューブの長さ方向に隣り合
   って配列されたふたつの突起間に向けて突出形成されて
   いることを特徴とする熱交換器。
3. 【請求項３】 偏平した単一の内部空間を有し該内部空
   間を流体が流通するチューブと、該チューブの一端に接
   続されて流体の入口となる流入口と、チューブの他端に
   接続されて流体の出口となる流出口と、チューブの外側
   面に接触して設けられて流体とチューブの外側を流れる
   気体との間の熱交換効率を高めるフィンとを備える熱交
   換器において、 前記チューブの内壁面に複数の突条が設けられているこ
   とを特徴とする熱交換器。
4. 【請求項４】 前記突条が、前記チューブの長さ方向に
   対して所定のねじれ角をもって設けられていることを特
   徴とする請求項３記載の熱交換器。