JP2018009731A - 熱交換器のコア部構造 - Google Patents

Abstract

【課題】 熱交換器のコア構造において、フィン端部の耐久力と偏平チューブ端部の耐久力が相互関係を有するコア構造の提供。【解決手段】 内部を液体が流通する複数の偏平チューブ３と周囲を冷却空気が流通する複数のフィン４を交互に積層して形成した熱交換器１のコア部構造において、コア部２の各フィン４は、その冷却空気の流通側の両端部４ａが縁折され、コア部２の空気流れの上流端の偏平チューブ３の上流側の端部３ａ及び空気流れの下流端の偏平チューブ３の下流側の端部３ａが重ね合わされ、フィン４の板厚Ｔ１は０．０８ｍｍ〜０．１３ｍｍに形成され、偏平チューブ３の板厚Ｔ２は０．２５ｍｍ〜０．３５ｍｍに形成されたことを特徴とする。【選択図】図２

Description

本発明は、自動車等に搭載される熱交換器のコア部構造であって、特に板厚低減化したフィン端部の耐久力と偏平チューブ端部の耐久力が相互関係を有するコア部構造に関する。

一般に、エンジン冷却水用のラジエータ等の熱交換器におけるコア部は、アルミニウム材や銅材からなる偏平チューブとコルゲート型等のフィンを備えている。通常、コア部は内部を液体が流通する複数の偏平チューブと、周囲を冷却空気が流通するフィンが交互に積層され、冷却空気はコア部に配置される積層体の一方の端部から導入され他方の端部から排出される。

近年、軽量化やコスト削減等からコア部の材料、特にフィンや偏平チューブの板厚の低減化が求められている。しかし、これらの部材の板厚低減化を進めると、それに応じて物理的な耐久力も低下する。例えば自動車のラジエータ等の熱交換器では、冷却空気として自動車の進行方向から外部空気が吸引されるが、そのような外部空気中には微細な石やゴミ等の固形物が混入していることも多い。微細な固形物を含む外部空気が熱交換器に導入されると、コア部を構成するフィンや偏平チューブ、特に冷却空気導入側に配置されたフィンや偏平チューブの各端部に繰り返し衝突するので、板厚低減化された該端部は特に変形や損傷が起こり易い。

このような問題を解決するため、従来からコア部の冷却空気導入側に位置するフィンや偏平チューブの端部を物理的に補強し、それら端部の耐久力を高める方法が提案されている。例えば特許文献１や特許文献２では、偏平チューブの端部を折重ねて２重にすることにより偏平チューブを補強している。特許文献３ではフィンの端部を縁折して２重にすることによりチューブを補強している。さらに特許文献４では偏平チューブの端部を折重ねて２重にして補強すると共に、フィンの端部を縁折して２重にすることにより両者を補強している。

特開平１１−１８３０７３号公報 ＷＯ ０３／０５２３３７ Ａ１公報 特許第４４６７５０号公報 実開昭５６−１２４７８１号公報

熱交換器の寿命時期、すなわち端部などの性能劣化や損傷などにより交換を必要とする時期は、フィンと偏平チューブの性能劣化の何れか一方が予め定められた基準を下回った時期である。通常、性能が基準を下回ったと判断する時点は、例えばフィンの場合は、固形物衝突によるフィン端部の座屈などによる放熱性能の低下が規定値の９０％程度になった時期、偏平チューブの場合は、固形物衝突による液漏れ現象などの不良が発生した時期などである。

長手方向の端部を補強して、固形物の衝突や摩擦等に対する耐久性向上を図ったフィンまたは偏平チューブの何れか一方だけをコア部に使用する場合、補強した部材側の耐久性は向上してその寿命の低下は避けられるが、補強した部材に最初に衝突した固形物が強く跳ね返ってさらに補強しない部材側に衝突する可能性が高まるので、コア部全体としては、逆に性能低下が早まって寿命が短くなり、その結果熱交換器の交換時期が早くなる可能性もある。

一方、フィンおよび偏平チューブの端部のいずれも補強して耐久性向上させ、それら部材を併用した場合、上記のような一方の寿命が逆に低下するような問題は避けられる。しかしフィンと偏平チューブの構造は互いに異なり、部材自体の補強特性も互いに相違するので、両者の間に寿命の差が生じやすい。そのためフィンまたは偏平チューブの何れか一方が寿命に達した時期に熱交換器の交換が必要となり、未だ寿命に達していない部材も一緒に破棄することになる。結果として部材の無駄が増え、コストアップになり易いという問題を抱えている。

本発明は、このような問題を解決することを課題とし、熱交換器の寿命向上と無駄なコストアップを回避できる熱交換器のコア部構造を提供するものである。

すなわち本発明の第１の発明は、内部を液体が流通する複数の偏平チューブ（３）と周囲を冷却空気が流通する複数のフィン（４）を交互に積層して形成した熱交換器（１）のコア部構造において、
コア部（２）の各フィン（４）は、その冷却空気の流通側の両端部（４ａ）が縁折され、コア部（２）の空気流れの上流端の偏平チューブ（３）の上流側の端部（３ａ）及び空気流れの下流端の偏平チューブ（３）の下流側の端部(３ａ)が重ね合わされ、フィン（４）の板厚Ｔ１は０．０８ｍｍ〜０．１３ｍｍに形成され、偏平チューブ（３）の板厚Ｔ２は０．２５ｍｍ〜０．３５ｍｍに形成されたことを特徴とする（請求項１）。

本発明の第２の発明は、上記第１の発明において、
前記フィン（４）の板厚Ｔ１＝０．０８ｍｍ〜０．０９５ｍｍに形成され、偏平チューブ（３）の板厚Ｔ２＝０．２５ｍｍ〜０．２８ｍｍに形成されることを特徴とする（請求項２）。

本発明の第３の発明は、上記第１の発明において、
前記フィン（４）の板厚Ｔ１＝０．０９５ｍｍ〜０．１１５ｍｍに形成され、偏平チューブ（３）の板厚Ｔ２は０．２８ｍｍ〜０．３２ｍｍに形成されることを特徴とする（請求項３）。

本発明の第４の発明は、上記第１の発明において、
前記フィン（４）の板厚Ｔ１＝０．１１５ｍｍ〜０．１３ｍｍに形成され、偏平チューブ（３）の板厚Ｔ２は０．３２ｍｍ〜０．３５ｍｍに形成されることを特徴とする（請求項４）。

本発明は上記のように、端部を重ね合わせたフィンと、端部を縁折した偏平チューブを併用する場合、それらフィンの板厚Ｔ１と偏平チューブの板厚Ｔ２の範囲、およびそれら板厚の比率が上記の範囲であれば、両者の寿命が実質的に重なるので、熱交換器の交換時期が最適となる。従って、未だ寿命に達せず使用可能な部材の廃棄による無駄やコストアップの問題が解決される。

本発明のコア部構造の第１実施形態を示す部分斜視図。 図１に示すコア部構造の平面図。 図１に示すコア部構造の部分拡大図。 図１に示すコア部構造におけるフィンの加工工程の説明図。 図１に示す偏平チューブと異なる構造の例を示す部分平面図。 図１に示す偏平チューブと更に異なる構造の例を示す部分平面図。 図１に示すフィン構造とは異なるフィン構造の例を示す図。 図１に示すフィン構造とは異なるフィン構造の例を示す図。 図１に示すフィン構造とは異なるフィン構造の例を示す図。 図１に示すフィン構造とは異なるフィン構造の例を示す図。 図１に示すフィン構造とは異なるフィン構造の例を示す図。 実験により得られたフィンの寿命測定値を示す図。 実験により得られた偏平チューブの寿命測定値を示す図。

次に、図面により本発明の熱交換器におけるコア部構造の実施形態を説明する。図１は本発明のコア部構造の第１実施形態を示す部分斜視図である。熱交換器１を構成するコア部２は、内部を液体が流通する偏平チューブ３と周囲を冷却空気が流通するフィン４を交互に積層して形成される。なお本実施形態のフィン４は矩形波縦波フィンである。コア部２を構成する偏平チューブ３およびフィン４の材質は、いずれも熱交換器において一般的に使用されているアルミ合金である。

図２（Ａ）は、図１に示すコア部２の部分拡大平面図で、図２（Ｂ）は図２（Ａ）のＢ部分の拡大図である。図３（Ａ）は図１に示すコア部２の部分拡大斜視図で、図３（Ｂ）は図３（Ａ）のＢ−Ｂ矢視断面図である。なお前記図２（Ａ）は図３（Ｂ）のII−II矢視図でもある。

次に、主として図２を基に詳しく説明する。 図２（Ａ）において、冷却用空気は矢印Ｈの方向、すなわち図２（Ａ）左側からコア部２に導入され、積層体を構成するフィン４の流通空間を通って図２（Ａ）右側の積層体の端部（図示せず）から排出する。本発明において、冷却空気の導入側に配置される各偏平チューブ３の端部３ａと各フィン４の端部４ａとは、それぞれ図２（Ａ）の左端に位置する各端部３ａ、４ａ、すなわち導入された冷却空気が積層体に最初に接する位置にある各端部３ａ，４ａを意味する

冷却空気の導入側に配置される各偏平チューブ３の端部３ａは、図２（Ｂ）に示すように、互いに平行に端部まで延長する一対の側壁端を互いに重ね合わせる（対向する一対の側壁端部を互い内側に折り返して面接触）ことにより、冷却空気が衝突する端部３ａの板厚が増加して補強される。

本実施形態では図２（Ｂ）に示すように、偏平チューブ３の端部３ａは、側壁端部の重ね合わせにより３層構造になっているが、一般的な２層構造とすることもできる。なお端部３ａの重ね合わせを３層とすることによりその部分の耐久力はより向上する。

一方、冷却空気の導入側に配置される各フィン４の端部４ａは、図２（Ｂ）に示すように、その端部４ａの板材を縁折（端部を外側に折り返し重ね合わせ）することにより、冷却空気が衝突する端部４ａの板厚が増加し補強される。なお、この例では各フィン４の空気流通方向の両側の端部４ａにそれぞれ縁折が形成されている。これは、送風ファンによる空気流の巻き上がり等により各フィン４の下流側端縁も、砂塵により損傷することがあるからである。

図４は、図１に示すコア部構造を構成するフィンの加工工程を説明する図であり、図４（Ａ）はフィン４用の板材５を示す部分斜視図であり、図４（Ｂ）は板材５を加工してフィン４を完成した状態を示す部分斜視図である。本実施形態において、例えばアルミニウム合金の平坦な板材５からフィン４に加工するには、先ず図４（Ａ）に示すように、フィン４の端部４ａを縁折して縁折部５ａを形成し、次いで図示しない成型加工機で図４（Ｂ）のようなコルゲートフィン形状に加工する。この方法により両辺に縁折された端部４ａを有するフィン４を製造することができる。

図５、図６は、図１に示す偏平チューブ３とはその内部構造が異なる偏平チューブの例を示す部分平面図である。図５の例は、偏平チューブ３の内部が軸方向に所定の間隔で補強されている。具体的には、偏平チューブ３の細長い側壁を形成する一対の板材を途中の複数個所で内側に折り曲げ加工を繰り返すことにより複数の補強ブリッジ３ｂが形成されている。さらに各補強ブリッジ３ｂの中間には内側に円弧状に突出する補強リブ３ｃが形成されている。これら補強ブリッジ３ｂと補強リブ３ｃにより、偏平チューブ３における端部以外の補強がなされる。

一方、図６の例は、図５のような補強ブリッジ３ｂや補強リブ３ｃを一切設けず、且つ、図１に示す偏平チューブ３のように比較的長さの短い構造のものを組み合わせるのではなく、比較的長さの長い単純な形状を有する。このような形態は、構造が簡単で製造コストが低いという利点がある。

図７〜図１１は、図１に示すフィン構造とはそれぞれ異なるフィン構造の例を示す図である。図１のフィンを含めてこれらのフィンは、主として砂塵の有る場所で使用される土木機械用熱交換器に利用されることが多いが、自動車等、粉塵の有る道路を走行する移動車両にも好適に使用される。なおこれらの図において図１、図２と同じ部分には同一符号を付し、重複する説明は省略する。

図７（Ａ）は偏平チューブ３とフィン４の部分斜視図で、図７（Ｂ）は図７（Ａ）のＢ−Ｂ断面図である。図７に示すフィン４はサイン波縦波フィンであり、折り返し形状がサイン波で、フィン表面が縦波構造である。

図８（Ａ）は偏平チューブ３とフィン４の部分斜視図で、図８（Ｂ）は図８（Ａ）のＢ−Ｂ断面図である。図８に示すフィン４は矩形波傾斜波フィンであり、折り返し形状が矩形波で、フィン表面が傾斜波構造である。図９のフィン４は図８のフィン４の変形で、折り返し形状がサイン波でフィン表面が傾斜波構造のサイン波傾斜波フィンと呼ばれるものである。

図１０（Ａ）は偏平チューブ３とフィン４の部分斜視図で、図１０（Ｂ）は図１０（Ａ）のＢ−Ｂ断面図である。図１０に示すフィン４は矩形波平坦面フィンであり、折り返し形状が矩形波で、フィン表面が平坦面である。図１１のフィン４は図１０のフィン４の変形で、折り返し形状がサイン波でフィン表面が平坦面のサイン波平坦面フィンと呼ばれるものである。

上記種々の構造を有する図７〜図１１の各フィン４は、図１のフィン４と同様にその端部を縁折することにより、本発明のコア構造に利用することができる。

図１２，図１３は、本発明のコア部構造を構成するフィン４と偏平チューブ３との寿命の相関関係、すなわち端部４ａを縁折したフィン４自体の板厚Ｔ１、および端部３ａを重ね合わせた偏平チューブ３自体の板厚Ｔ２をそれぞれ変化させたときの寿命の相互関係を実験した結果である。なおこれらの実験に使用したフィン４と偏平チューブ３は、いずれも熱交換器に一般的に使用されるアルミ合金であり、それら本体の形状は図１、図２に示すものと同一である。但し偏平チューブ３の端部３ａは２層に重ね合わせた構造（例えば図５に示す偏平チューブ３の端部３ａのような構造）である。

図１２はフィン４の板厚の変化と寿命の関係を示す図である。フィン４自体の板厚は、０．０８ｍｍ、０．１０ｍｍ、０．１３ｍｍの３種であり、それぞれの端部は縁折することにより、０．１６ｍｍ、０．２０ｍｍ、０．２６ｍｍとなる。フィン４の寿命、すなわち交換が必要となる時期は、放熱性能が規定値から９０％に低下した時期である。実験は短時間で結果が得られるサンドブラスト法で行った。なお参考までに、板厚０．１０ｍｍで端部４ａを縁折しないフィン４の寿命実験も併せて行った。

サンドブラストに使用したサンド（噴射により対象物に衝突する固形粒）の材質はポリプラスＰＰ８−１６、粒径は２．３６ｍｍ〜１．１８ｍｍの範囲である。フィン４の端部４ａの軸方向に対するサンドの噴射角度は４５度、噴射距離は３７２ｍｍである。そして図１２は縦軸が放熱性能（％）で、横軸がサンドブラスト耐久時間（サンドブラストした時間）（Ｈｒ）である。

図１３は偏平チューブ３の板厚の変化と寿命の関係を示す図である。偏平チューブ３の板厚は０．２５ｍｍ、０．３ｍｍ、０．３５ｍｍの３種であり、それぞれの端部は重ね合わされることにより０．５ｍｍ、０．６ｍｍ、０．７ｍｍとなる。偏平チューブ３の寿命、すなわち交換が必要となる時期は、偏平チューブ３の端部３ａの変形若しくは破損による液漏れの発生時期である。液漏れ実験は通常行われている液圧法による。なお参考までに、板厚０．３ｍｍで端部３ａを重ね合わせない偏平チューブ３の寿命実験も併せて行った。

図１３におけるサンドブラストに使用したサンドの材質と粒径は図１２の実験と同じものである。偏平チューブ３の端部３ａの軸方向に対するサンドの噴射角度は０度（軸方向と同一）、噴射距離は３００ｍｍである。そして図１３は縦軸がチューブ合わせ部（もしくは重ね合わせ部分）の板厚（ｍｍ）で、横軸がサンドブラストによる漏れ時間（サンドブラストした時間）（Ｈｒ）である。

図１２、図１３の実験から、フィン４の板厚Ｔ１が０．０８ｍｍ〜０．１３ｍｍの範囲、偏平チューブ３の板厚Ｔ２が０．２５ｍｍ〜０．３５ｍｍの範囲であれば、フィン４と偏平チューブ３の寿命が互いに重なることが明らかになった。

例えば、フィン４の板厚Ｔ１が０．０８ｍｍの場合のサンドブラスト耐久時間はおよそ２時間で、偏平チューブ３のＴ２が０．５ｍｍの場合のサンドブラストによる漏れ時間はおよそ２時間である。従って両者の寿命は実質的に互いに重なっており、これらの板厚Ｔ１とＴ２の組み合わせは望ましい例である。

さらに、フィンの板厚Ｔ１が０．１０ｍｍの場合のサンドブラスト耐久時間はおよそ２．５時間で、偏平チューブの板厚Ｔ２が０．６ｍｍの場合のサンドブラストによる漏れ時間はおよそ２．５時間である。従って両者の寿命は互いに重なっており、これらの板厚Ｔ１とＴ２の組み合わせも望ましい例である。

さらに、フィンの板厚Ｔ１が０．１３ｍｍの場合のサンドブラスト耐久時間はおよそ３時間で、偏平チューブの板厚Ｔ２が０．７ｍｍの場合のサンドブラストによる漏れ時間はおよそ３時間である。従って両者の寿命は互い重なっており、これらの板厚Ｔ１とＴ２の組み合わせもまた望ましい例である。

本発明のコア部構造は、自動車等に搭載される熱交換器のコア部構造として利用できる。

１ 熱交換器
２ コア部
３ 偏平チューブ
３ａ 端部
３ｂ 補強ブリッジ
３ｃ 補強リブ
４ フィン
４ａ 端部
５ 板材
５ａ 縁折部
Ｔ１ 板厚
Ｔ２ 板厚

Claims (4)

1. 内部を液体が流通する複数の偏平チューブ（３）と周囲を冷却空気が流通する複数のフィン（４）を交互に積層して形成した熱交換器（１）のコア部構造において、
   コア部（２）の各フィン（４）は、その冷却空気の流通側の両端部（４ａ）が縁折され、コア部（２）の空気流れの上流端の偏平チューブ（３）の上流側の端部（３ａ）及び空気流れの下流端の偏平チューブ（３）の下流側の端部(３ａ)が重ね合わされ、フィン（４）の板厚Ｔ１は０．０８ｍｍ〜０．１３ｍｍに形成され、偏平チューブ（３）の板厚Ｔ２は０．２５ｍｍ〜０．３５ｍｍに形成されたことを特徴とする熱交換器のコア部構造。
2. 前記フィン（４）の板厚Ｔ１＝０．０８ｍｍ〜０．０９５ｍｍに形成され、偏平チューブ（３）の板厚Ｔ２＝０．２５ｍｍ〜０．２８ｍｍに形成されることを特徴とする請求項１に記載の熱交換器のコア部構造。
3. 前記フィン（４）の板厚Ｔ１＝０．０９５ｍｍ〜０．１１５ｍｍに形成され、偏平チューブ（３）の板厚Ｔ２は０．２８ｍｍ〜０．３２ｍｍに形成されることを特徴とする請求項１に記載の熱交換器のコア部構造。
4. 前記フィン（４）の板厚Ｔ１＝０．１１５ｍｍ〜０．１３ｍｍに形成され、偏平チューブ（３）の板厚Ｔ２は０．３２ｍｍ〜０．３５ｍｍに形成されることを特徴とする請求項１に記載の熱交換器のコア部構造。

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