JPS63163785A - 熱交換器 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明は熱交換器に関し、例えば自動車走行用エンジン
の冷却水放熱用に用いて有効である。

〔従来技術及びその問題点〕

従来、自動車用ラジェータに用いられる熱交換器として
は、偏平チューブ及びそのチューブに熱的結合したコル
ゲートフィンを備えるものが知られている。これは第２
０図に示すように、コルゲートフィン１００の屈曲部１
０２が偏平チューブ２００の側面２０１にろう付等によ
って熱的結合するものである。そして、この種のラジェ
ータでは、コルゲートフィン１０２、ルーバー１０１が
切り起こし形成されている。また、このルーバーの切り
起こし角度及びルーバー幅等については、熱交換効率を
最も良好なものとするための研究が種々なされている。

また、従来よりプレートフィン等の他の形式の熱交換器
、及びフィン単体の検討としては、フィンをルーバーに
代え、スリットを形成するものが知られている。しかし
ながら、自動車用ラジェータのように偏平チューブ及び
コルゲートフィンとそのフィンに形成されたスリット等
を組み合わせてさらにその熱交換効率を最大まで高める
旨の検討をなされたものはなかった。

すなわち、従来知られている熱交換器では、単にフィン
の形状としてスリット形状が知られているのみであり、
それを自動車用ラジェータのような偏平チューブ及びコ
ルゲートフィンと組み合わせた状態で熱交換効率を最も
良くするべく検討がなされたものはなかった。

〔発明が解決しようとする技術的課題］本発明は上記点
に鑑みて案出されたもので、ラジェータのように偏平チ
ューブとコルゲートフィンとを組み合わせてなる熱交換
器において、コルゲートフィンにスリットを形成した際
、そのスリットの形状・大きさ等において、熱交換効率
を大幅に向上させることを目的とする。

〔構成及び作動〕

上記目的を達成するため、本発明者らはまず偏平チュー
ブ及びコルゲートフィンよりなる熱交換器において、コ
ルゲートフィン端部に流入する冷却風流れにつき検討を
行った。

この検討結果を第２２図に示すが、偏平チューブはその
端部が円弧状に屈曲形成されているため、コルゲートフ
ィン１００の端部１０４においては、偏平チューブ２０
０の先端円弧部２０３の影響を受けて内方向に曲がる風
流れαが認められた。特に、この内方向に曲がる風流れ
αは、偏平チューブ２００の先端円弧部２０３の配設さ
れる位置においてその影響が強（認められた。

そのため、第２２図に示すように、スリット１１０をコ
ルゲートフィン１００の先端部から切り起こし形成する
と、内方向に曲がる風αが、スリット１１０の側壁１１
１に当接してしまうことになる。このことは、内方向に
曲がる風αを熱交換に有効に活用することができないこ
とを意味する。

上述したように、コルゲートフィンにスリットを形成し
た熱交換器において、その熱交換効率の大幅向上を狙っ
たものであるため、このように偏平チューブ２００先端
円弧部２０３により発生する風αが有効に活用できない
ようでは、当初の目的が達成されないことになる。

そこで、本発明では、まずこの偏平チューブ先端円弧部
により発生する風αが円滑にスリット１１０内側に流れ
込むことができるように、第２３図に示すようにコルゲ
ートフィン１００の平板部１２０の風流れイ先端には、
スリットを形成しない平坦部１１３を形成する。そして
、チューブ２００の先端と空気流れ方向イの最先端に位
置するスリット１１０との間の距離Ｓをチューブ２００
の巾Ｂの半分以上とする。

ここでチューブの巾Ｂは、先端円弧部２０３の直立直径
に相当するため、上述した距離Ｓをチューブ巾Ｂの半分
以上とするということは、換言すれば距離Ｓをチューブ
先端円弧部２０３の直立半径以上とすることを意味する
。

そして、本発明者らが検討したところ、このようにチュ
ーブ２００先端と風流れ方向最先端に位置するスリット
１１０との間の距離Ｓをチューブ先端円弧部２０３の直
立半径以上とすれば、先端円弧部により起因する冷却風
の内側流れαの影響を低減させることができることが確
かめられた。

そこで、本発明者らは第２図に示すように冷却風流れイ
先端側に平坦部１１３を形成したコルゲートフィン型熱
交換器について、さらにそのスリットの形状が熱交換効
率に及ぼす影響を検討した。

第３図は第２図の■−■矢視断面図で、本発明者らの行
った冷却風の解析モデルを図示したものである。図に示
すように、コルゲートフィン平坦部１２０の先端及び後
端には、その幅が２．２５　ａｍの平坦部１１３を形成
する。その後、平坦部１１３より上方向側に切り起こさ
れたスリット１１４と下方側に切り起こされたスリット
１１５とが交互に形成されるようにする。さらに、フィ
ン１００の中央部には、切り起こしをされない平坦部１
１３が残されるようにする。

このように、スリット１１０を切り起こし形成したコル
ゲートフィン１００を用い、次いで流れ線図の検討を行
った。すなわち、第３図図示形状のフィン１００に実際
に冷却風を流した場合に、冷却風の流れ線図がどのよう
になるかを検討した。

この検討結果を第４図に示す。この第４図に示すように
、切り起こされたスリット１１０の間に境界層が成長、
消滅を繰り返し、この境界層の影響により冷却風イの流
れ線が蛇行している様子が観察される。

さらに本発明者らは、この流れ線の観察に基づき、スリ
ット１１０の切り起こし高さＭｓ　　（第５図図示）が
熱交換器の熱交換効率に大きな影響を及ぼすことに着目
した。

本発明者らは、このスリット１１０の切り起こし高さＭ
ｓを表す係数として、切り起こし高さＭｓとフィンピッ
チＰｆとの比を用いるようにした。

すなわち係数にとして に＝Ｍｓ／　（Ｐ　ｆ／４） 第５図より明らかなように、−吉例に切り起こされたス
リット１１４と他方側に切り起こされたスリット１１５
との間隔を全てのコルゲートフィン間において均一とす
るためには、１つの平板部１２０の両スリット１１４，
１１５間の間隔り。

と隣接する２つの平板部１２０間の近接するスリ９）１
１４．１１５間の間隔Ｌ！を等しくすれば良いことにな
る。これを上述の係数にで表せば、Ｋ　−０，５の状態
となる。

そこで本発明者らは、Ｋ　−０，５の形状となるように
第３図図示形状のコルゲートフィンにスリット１１４，
１１５を切り起こした。そしてそのコルゲートフィンを
用いて、熱交換効率の検討を行った。

第６図及び第７図は、このＫ　＝　０．５の状態におけ
る熱交換器の熱交換状態を示すもので、第６図はスリッ
ト１１４，１１５間の風速分布を示し、第７図はスリ９
）１１４．１１５間の熱分布を示す。

ここで熱交換率を向上させるためには、スリット１１４
．１１５間に大きな風速分布がないようにすることが望
ましい。同様に、特にフィンの出口側部分において温度
分布が均一となるようにすることが望ましい。そして、
第６図及び第７図に示すように、Ｋ　−０，５とした状
態では、依然速度分布及び温度分布が残っていることが
確かめられた。

そこで、次に本発明者らはＫ　＝　０．５の状態が本当
に熱交換効率を最も良くしているのがどぅがを確かめる
ため、Ｋ　＝　０．２とした熱交換器につき、同様の検
討を行った。

この状態を第８図及び第９図に示す。この第８図、第９
図に示すように、Ｋ　−０，２としたのでは、スリット
１１４．１１５’Ｈの風速分布のばらつきが極めて大き
なものとなる。同様に、温度分布も大きな温度差が依然
スリット近傍とスリット１１４．１１５中間位置との間
に残っていることになる。

この第８図、第９図と上述の第６図、第７図とを対向さ
せてみると、当初予測された通り、Ｋ＝０．５の状態が
望ましいことが確かめられた。

次に本発明者らは、熱交換器の形状を、逆にＫの値を大
きくなるように変更してみることとした。

そこで本発明者らは、Ｋ　−０，６の形状をした熱交換
器につき、上述と同様の検討を行った。その検討結果を
第１０図及び第１１図に示す。

本発明者らの当初の予測では、このようにに＝０．６と
してＫ　＝　０．５の状態から外せば、スリット１１４
．１１５間の速度分布及び温度分布が大きくなり、熱交
換効率が劣化するものと思われた。

しかしながら、第１０図及び第１１図に示されるように
、Ｋ　＝　０．６とした状態では、むしろに−０゜５の
状態よりスリット１１４，１１５間の速度分布及び温度
分布が均一化されていることが認められた。

これは、本発明者らが当初子測したものとは異なる結果
である。そこで、本発明者らは上述の係数にの値が熱交
換効率に特別な影響を及ぼしているものと考え、係数に
と熱交換効率との関係につき、さらに検討を進めた。

第１２図は、この検討結果を示したもので、横軸に係数
Ｋを取り、縦軸に平均熱伝達率としてタッセルト数ＮＵ
Ｍを取っである。また、この検討では、フィンピッチを
２閣の状態、３ｍｍの状態及び４燗の状態でそれぞれ変
えて検討を行っている。

そして、この第１２図より明らかなように、平均熱伝達
率は、当初子測されたＫ　＝　０．５の状態より０．６
５前後の方が向上していることが認められた。

第１２図に示されるように、平均熱伝達率が最大となる
点は、フィンピッチに応じ多少変動するが、０．６４を
ほぼピークとし、０．５５から０．８の範囲では、いず
れも良好な値が得られることが認められる。特に０．６
〜０．７の範囲が実用上望ましい範囲となる。

上述のように、平均熱伝達率はに＝０．６４近傍が最も
良いことが認められたので、本発明者らは、次に二〇に
−０，６４の状態において、フィンの極所の熱伝達率分
布の検討を行った。

第１３図がその極所熱伝達率分布について行った検討結
果を示すグラフであり、熱伝達率としては同様にタッセ
ルト数を用いている。

この第１３図より明らかなように、Ｋ＝０．６４とした
場合では、スリットの先端部で熱交換効率が急増してい
ることが認められる。このことは、換言すれば全てのス
リットにおいて良好な熱伝達が行われることを意味する
。

換言すれば、全体熱伝達率向上は全てのスリットにおけ
る熱伝達率が良好な値となることにより達成されたもの
であることが確認された。

なお、第１２図図示実施例は、レイノルズ数Ｒｅが２５
０の状態での検討結果である。ここで、レイノルズ数Ｒ
ｅが２５０であるというのは、実際にラジェータが自動
車に取り付けられた状態では、ラジェータに約４ｍ／ｓ
ｅｃの冷却風が流入した状態を示す。そして、この４ｍ
／ｓｅｃの冷却風が導入される状態というのは、自動車
の運転状態では登板時及び平地の低速運転に相当する。

そこで本発明者らは、次に上記と同様の形状をしたフィ
ンを用いた熱交換器において、レイノルズ数Ｒｅを５０
０と変えた条件下においての検討を行った。ここで、レ
イノルズ数Ｒｅが５００というのは、実際に自動車に取
り付けられた状態で、約８ｍ／ｓｅｃの冷却風がラジェ
ータに流入する状態を示す。そしてこの８ｍ／ｓｅｃの
冷却風が導入される状態というのは、自動車の走行状態
では高速走行時が該当する。

このレイノルズ数５００の状態についての検討結果を第
１４図に示す。この第１４図より明らかなように、レイ
ノルズ数に係わらず、Ｋ＝０．８の間では極めて良好な
熱伝達率が得られることが確かめられた。換言すれば、
ラジェータとして用いられた場合、その使用状態に係わ
らず、 Ｋ＝０．５５〜０．８の間になるように熱交換器を形成
すれば、その熱交換効率が向上することが確かめられた
。

また、上述の検討例では、第３図に示すようにフィン１
００の平坦部１２０の入口側に２．２５　ｍｍの平坦部
１１３を形成している。ここで、入口側平坦部１１３は
、上述したように偏平チューブ２００のチューブ幅の半
分以上あれば良いこととなる。そして、偏平チューブ２
００は、そのチューブ幅Ｂが１．６〜２．０　ｍｍ程度
のものが自動車用ラジェータとして用いられるため、入
口側の平坦部１１３は最小０．８　ｍｍあれば良いこと
になる。すなわち、入口側平坦部１１３の長さをチュー
ブ２００の幅Ｂの半分以上とした場合、上述の検討結果
は必ずしも的確であるとは言えないことになる。そこで
、本発明者らは、次にフィン先端の平坦部１１３の幅を
０．８　ｍｍ、１．４閣、及び１．８鵬と変更させて、
上述と同様の検討を行った。

この検討結果を第１５図に示す。この第１５図より明ら
かなように、フィン先端平坦部１１３の幅は、実用的範
囲である０、　８　ｆｆｌ１１〜２．２−の間において
は、係数Ｋに大きな影響を及ぼすものでないことが確か
められる。

したがって、フィン先端の平坦部１１３幅をチューブ２
００幅Ｂの半分以上とした条件においては、全ての場合
において、Ｋ＝０．５５〜０．８の優位性が確かめられ
た。

また、上述した検討結果は、第３図に示すようにフィン
１００の幅Ｃが１６ｍｍのものについて行っている。し
かしながら、自動車用ラジェータとしては、第１６図に
示すように偏平チューブ２００を２列並べたものも通常
用いられる。そこで、本発明者らは、上述の係数Ｋがフ
ィン１００の幅Ｃによってどのような影響を受けるかの
検討を行った。

この検討結果を第１７図に示す。第１７図ではフィン幅
Ｃを１６胴のほか、３２ｍｍとしたものについても、上
述と同様の検討を行ったものである。

そして、この第１７図より明らかなように、フィン幅Ｃ
を１６１１ＩＩ１１から３２ｍｍに変えた状態では、係
数にの持つ優位性は依然明らかとなっている。

従って、自動車用ラジェータとして通常使うフィン幅１
６〜３２ｍｍの範囲においては、係数Ｋを０．５５〜０
．８の値に設定すれば、熱交換器の熱交換効率が大幅に
上昇することが確かめられた。

さらに、本発明者らは、次に上側スリット１１４と下側
スリット１１５との配置関係を変更させた場合の係数Ｋ
に及ぼす影響につき検討を行った。

すなわち、上述のフィン形状では、第３図に示すように
上側スリット１１４と下側スリット１１５とが交互に配
置さ、懸るものとなっている。そこで本発明者らは第１
８′図に示すように、上側スリット１１４と下側スリッ
ト１１５との間にスリットを形成しない平坦部１１９を
配設したフィンを用いることとした。そして、この第１
８図図示形状のフィンに基づいて上述と同様の検討を行
った。

第１９図は第１８図図示形状のフィンを用いた場合の平
均熱伝達率を示す検討結果である。この第１９図より明
らかなように、上側スリット１１４と下側スリット１１
５との間に平坦部１１９を形成しても、基本的には係数
にの優位性が確かめられた。

さらにまた、第２４図に示すように、スリット１１４．
１１５に多少の傾斜をつけても、係数Ｋを０．５５〜０
．８とすれば、熱交換効率が向上すると考えられる。

〔発明の効果〕

以上説明したように、本発明熱交換器では、コルゲート
フィンと偏平チューブを用いたものにおいて、コルゲー
トフィンにスリットを形成し、かつそのスリットの配設
位置及び切り込み高さを所定値と設定することにより、
熱交換効率を大幅に向上させることができるという優れ
た効果を有する。

〔実施例〕

次に本発明熱交換器の一実施例を図に基づいて説明する
。第１図は本発明熱交換器を自動車エンジン冷却水放熱
用のラジェータに用いた例である。

図中１００は、銅合金もしくはアルミニウム合金製のコ
ルゲートフィンで、銅合金とした場合、その肉厚は５０
ミクロン程度となっている。また図中２００は、銅合金
もしくはアルミニウム合金により形成される偏平チュー
ブである。この偏平チューブ２００及びコルゲートフィ
ン１００によりラジェータコア３０１が形成される。ま
た、コルゲートフィン１００には、第３図に示したよう
なスリット１１４，１１５が切欠き形成されている。

ラジェータコア３０１の雨下上端には、ヘッダープレー
ト３０２，３０３が配設されている。そしてこのヘッダ
ーブレー）３０２，３０３と、偏平チューブ２００及び
コルゲートフィン１００は一体ろう付される。

３００及び３０４は、樹脂材料製のタンクで、ヘッダー
プレート３０２，３０３に絞め固定される。上部タンク
３００には、注水孔３０８が開口しており、図示しない
リザーブタンクにより円陣冷却水が導入される。また、
上部タンク３０２は流入孔３０６が開口しており、図示
しない自動車走行用エンジンよりエンジン冷却水が導入
される。

一方正部タンク３０４には出口バイブ３０７が配設され
ており、この出口バイブ３０７よりラジェータで冷却さ
れたエンジン冷却水が図示しない自動車走行用エンジン
側に戻される。なお、このラジェータは、自動車のエン
ジンルーム内前方の、車速風を受ける位置に配設される
。

最も、本発明の熱交換器は、上述の自動車用ラジェータ
の他に、例えば自動車用空調装置の冷媒凝縮器等にも使
用可能である。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明熱交換器の一実施例を示す正面図、第２
図は本発明に関わるチューブ及びフィンを示す斜視図、
第３図は第２図のｌ−１１１矢視断面図、第４図は第３
図図示フィン内の流れ線を示す説明図、第５図はフィン
のスリットの切り起こし高さを示す説明図、第６図、第
８図、第１０図はそれぞれスリット間の風速分布を示す
説明図で、第６図は係数Ｋ　＝　０．５、第８図は係数
Ｋ　＝　０．２、第１０図は係数Ｋ　＝　０．６の状態
を示す。第７図、第９図、第１１図はそれぞれスリット
間の熱分布を示す説明図で、第７図は係数Ｋ　＝　０．
５、第９図は係数Ｋ　−０，２、第１１図は係数Ｋ　＝
　０．６の状態をそれぞれ示す。第１２図は係数にと平
均熱伝達率との関係を示す説明図、第１３図はフィン各
部の極所熱伝達率を示す説明図、第１４図は係数にと平
均熱伝達率との関係を示す説明図、第１５図はフィン先
端平板部を変更した際における係数にと平均熱伝達率と
の関係を示す説明図、第１６図は本発明の他の例に関わ
るチューブ及びフィンを示す斜視図、第１７図はフィン
幅を変更した際における係数にと平均熱伝達率との関係
を示す説明図、第１８図は本発明の他の例に関わるフィ
ンのスリット形状を示す説明図、第１９図は第３図図示
フィン内 との関係を示す説明図、第２０図は従来のコルゲートフ
ィン及びチューブを示す説明図、第２１図は第２０図の
正面図、第２２図はスリットをフィンの先端から切り起
こし形成した熱交換器を示す断面図、第２３図はフィン
の先端に平坦部を形成したコルゲートフィン及びチュー
ブを示す断面図、第２４図は本発明に関わる他のスリッ
ト形状を示す説明図である。 １００・・・コルゲートフィン、１１ｏ・・・スリット
１１１・・・スリットと側壁、１１３・・・平坦部、１
１４・・・上側スリット　１１５・・・下側スリット、
２００・・・偏平チューブ。

Claims (4)

【特許請求の範囲】
1. （１）　内部に被熱交換流体を流す偏平チューブと、こ
   の偏平チューブにその屈曲部が熱的結合したコルゲート
   フィンとを備え、前記コルゲートフィンの平板部にはス
   リットをその一方向及び他方向の双方向に切り起こし成
   形し、このスリットのうちコルゲートフィン平板部の最
   外方部に位置するスリットと前記偏平チューブ端部との
   距離ＳはＳ≧１／２とし、ただし、Ｂはチューブ幅 さらに、前記スリットの前記コルゲートフィン平板部か
   らの切り起こし高さＭｓと前記コルゲートフィンフィン
   ピッチＰｆとの関係Ｋを Ｋ＝Ｍｓ／１／４Ｐｆ＝０．５５〜０．８としたことを
   特徴とする熱交換器。
2. （２）　前記スリットは、コルゲートフィン平板部より
   一方向側への切り起こしと、他方向側への切り起こしが
   交互に繰り返されるものであることを特徴とする特許請
   求の範囲第１項記載の熱交換器。
3. （３）　前記コルゲートフィンは、その平板部のうち最
   外方及び中央部に前記スリットが切り起こされない部位
   を有したものであることを特徴とする特許請求の範囲第
   １項記載の熱交換器。
4. （４）　前記コルゲートフィンは、その平板部に平板部
   より一方向側に切り起こされるスリット部位と、平板部
   より他方向側に切り起こされるスリット部位と、切り起
   こしがない平板部部位とを有するものであることを特徴
   とする特許請求の範囲第１項記載の熱交換器。