JP2012007778A

JP2012007778A - 熱交換器

Info

Publication number: JP2012007778A
Application number: JP2010142454A
Authority: JP
Inventors: Mitsuo Yabe; 充男矢部; Shunichi Sakuragi; 俊一桜木
Original assignee: Komatsu Ltd
Current assignee: Komatsu Ltd
Priority date: 2010-06-23
Filing date: 2010-06-23
Publication date: 2012-01-12
Also published as: US20130075071A1; WO2011162329A1; CN102812322A

Abstract

【課題】フィンの厚さを最適化することによって、加工性に優れながら、さらに優れた冷却効果を得ることができる熱交換器を提供する。
【解決手段】建設現場で用いられる機械に搭載され、高温となった冷却水を冷却する熱交換器１であって、内部に冷却水が流れるチューブ２１と、チューブ２１に接合されるとともに、無開口な面状の放熱面を有したフィン２５とを備え、フィン２５の厚さが、０．２ｍｍを超え、かつ０．４ｍｍ以下に設定されている。また、チューブ２１およびフィン２５の材料としてはアルミニウムが選択され、互いはアルミニウム鑞を用いることによって接合されて構成されている。
【選択図】図１

Description

本発明は、高温となった冷却水やオイルを冷却するラジエータ、オイルクーラ、燃焼用の給気を冷却するアフタークーラ等の熱交換器に関する。

従来、燃料を燃焼させることによって動力を発生するエンジンは、水等の冷却媒体（以下、単に冷却水）によって冷却されている。エンジン冷却後の冷却水は、高温となっているので、冷却することを必要とする。その冷却においては、熱交換器が用いられる（例えば、特許文献１，２参照）。

熱交換器は、冷却水を流す複数のチューブと、このチューブ同士間に架設されチューブの熱を放熱するフィンとを備える。フィンは、適宜に曲げられ、チューブ同士に接した状態で架設される。チューブ内を流れる冷却水は、架設されたフィンを介して外気との間で熱交換し、冷却される。

特開昭６０−１８７６５５号公報特開２００３−８３６９１号公報

ところで、上述の熱交換器にあっては、製造上の利点を鑑みて、フィンの厚さを薄くしたいという要請がある。しかし、フィンの厚さを薄くし過ぎると、チューブとフィンとの間の熱伝導が乏しいものとなってしまって、冷却効果を阻害するというおそれがある。
反面、チューブとフィンとの間の熱伝導を高めるために、フィンの厚さを厚くし過ぎると、折り曲げ加工が困難になるうえ、フィンの間を流れる外気の通風抵抗が大きくなってしまって、フィンの間の空気が滞留し易いものとなり、冷却効果を阻害するというおそれもある。

また、建設機械においては、フィン同士の間を流れる外気に含まれた砂利等の塵埃により、フィン同士の間に詰まりを発生させてしまう問題もある。特に特許文献２に記載された熱交換器用のコルゲートフィンには、切り起こし加工により多数のルーバが設けられているが、このルーバ部分に塵埃が容易に詰まってしまうため、外気の通風抵抗が大幅に大きくなり、熱交換作用に支障をきたすという問題がある。

本発明は、このような事情に鑑みなされたものであって、その目的は、フィンの厚さを最適化することによって、加工性に優れながら、さらに優れた冷却効果を得ることができる熱交換器を提供することにある。

上述した課題を解決するための手段として、本発明は、次のような熱交換器を提供する。
すなわち、請求項１に係る熱交換器は、高温となった冷却媒体を冷却する熱交換器であって、内部に前記冷却媒体が流れるチューブと、前記チューブに接合されるとともに、放熱面の全域が無開口な面状とされたフィンとを備え、前記フィンの厚さが、０．２ｍｍを超え、かつ０．４ｍｍ以下に設定されていることを特徴とする。
ここで、「放熱面の全域が無開口な面状」とは、特許文献２に記載のルーバ等による開口が設けられていないことをいうのであって、開口が存在しないのであればよいから、完全な平坦面状の放熱面だけではなく、図２に示すように、起伏のある凹凸面状に加工された放熱面をも含む。

請求項２に係る熱交換器は、請求項１に記載の熱交換器において、前記チューブ及び前記フィンの材料として、アルミニウムが選択されていることを特徴とする。
請求項３に係る熱交換器は、請求項１に記載の熱交換器において、前記チューブ及び前記フィンの材料として、銅が選択されており、前記フィンの厚さが、０．２ｍｍを越え、かつ０．３ｍｍ以下に設定されていることを特徴とする。

請求項４に係る熱交換器は、請求項１から請求項３のうち何れかに記載の熱交換器において、建設機械に搭載されることを特徴とする。

請求項１に係る熱交換器によれば、フィンの厚さが、０．２ｍｍを超え、かつ０．４ｍｍ以下に設定されているので、折り曲げ加工に好ましい厚さを保ちながら、チューブからフィンへの熱伝導を高めた状態で、フィンの間を流れる外気の通風抵抗を好ましい状態とすることができ、もって、冷却水を冷却するにあたって優れた冷却効果を得ることができる。

請求項２に係る熱交換器によれば、チューブ及びフィンの材料として、熱伝導性に非常に優れたアルミニウムが選択されているので、チューブとフィンとの間の熱伝導量を高めることができ、もって、冷却水を冷却するにあたって優れた冷却効果を得ることができる。なお、チューブとフィンとの接合には、同種金属のアルミニウム鑞を鑞材として用いて、接合部位の熱伝導性も確保するものであってよい。

請求項３に係る熱交換器によれば、チューブ及びフィンの材料として、熱伝導性に非常に優れた銅が選択されているので、チューブとフィンとの間の熱伝導量を高めることができ、もって、冷却水を冷却するにあたって優れた冷却効果を得ることができる。なお、チューブとフィンとの接合には、同種金属の銅系の鑞材を用いて、接合部位の熱伝導性も確保するものであってよい。

請求項４に係る熱交換器によれば、建設機械であっても、外気に含まれた多くの砂利等の塵埃によって、フィン同士の間を詰まらせてしまうことなく、好適に外気を流出入させることができる。

［第１実施形態］
以下、本発明に係る熱交換器の実施形態について、図面を参照しながら説明する。
図１は、本発明に係る熱交換器１の実施形態を示す全体図である。
熱交換器１は、建設現場で用いられる建設機械や輸送車両等の機械に搭載されるものである。熱交換器１は、これら機械に搭載されたエンジンを冷却するための冷却水（冷却媒体）を、外気と熱交換させることにより冷却するラジエータとして用いられる。

熱交換器１は、大まかに、枠状に構成された枠状部１０と、この枠状部１０内に設置された熱交換器本体２０とを備える。
枠状部１０は、図中の上下方向に配された流入側タンク１１および流出側タンク１２と、これら流入側タンク１１および流出側タンク１２の互いの側端部同士を連結する支持プレート１３，１４とを備えて構成される。

流入側タンク１１は、熱交換器本体２０の上方に位置して、熱交換器本体２０を構成するチューブ２１に冷却水を流入するタンクである。流入側タンク１１の側部には、エンジン側から送られてきた冷却水を流入する流入口１１Ａが配置されている。また、流入側タンク１１の上部には、冷却水を給水するための給水口１５が設けられている。なお、流入口１１Ａとエンジンのウォータジャケット（不図示）とはホースで繋がれている。

流出側タンク１２は、熱交換器本体２０の下方に位置して、熱交換器本体２０を構成するチューブ２１から冷却水を流出するタンクである。流出側タンク１２の側部には、エンジンに冷却水を送る流出口１２Ａが配置されている。なお、流出口１２Ａとウォータポンプ（不図示）とはホースで繋がれている。
支持プレート１３，１４は、互いに対向配置された流入側タンク１１および流出側タンク１２の側端部同士を連結して、これらのタンク１１，１２を支持している。

図２は、熱交換器１の一部を切り出して示す斜視図である。
熱交換器本体２０は、所定間隔で配設され内部に冷却水が流れる複数のチューブ２１と、この複数のチューブ２１間に位置しチューブ２１に接合された複数の波状のフィン２５とを備える。この熱交換器本体２０は、流入側タンク１１内から流出側タンク１２に至るチューブ２１内を通る過程において、フィン２５を介して冷却水と外気との間で熱交換をするものであり、この熱交換によって冷却水を冷却する。

チューブ２１は、図１および図２に示すように、内部が空洞化された扁平形状を有している。チューブ２１は、図示上下の両端部が流入側タンク１１および流出側タンク１２と連通した状態で設置されている。つまり、冷却水は、流入側タンク１１からチューブ２１に流入し、チューブ２１の内部を通りながら外気と熱交換し、チューブ２１から流出側タンク１２に流出するようになっている。

チューブ２１は、フィン２５に対して奥行き方向（外気の流通方向）に沿って４つずつ並べられている。このチューブ２１の１つの断面形状における長手寸法Ｌ１は、フィン２５の長手寸法１００ｍｍに対して２２ｍｍに設定されており、内幅寸法Ｌ２は、１．６ｍｍに設定されている。また、幅方向に隣接するチューブ２１同士の隙間Ｌ３（図３）としては、例えば、１０ｍｍ、８ｍｍ、５．６ｍｍ等の適宜の間隔を選択することができるが、図示例においては８ｍｍを選択している。

図３は、外気流通方向に沿ってフィン２５を視た場合の正面図である。
フィン２５は、図２および図３に示すように、チューブ２１同士の間を架け渡すように配置され、両側のチューブ２１と熱が伝導するように接合されている。
フィン２５は、一般的にコルゲートフィンと称され、アルミニウムの薄肉板状母材に、所定等間隔の波状加工を施して構成されている。つまり、フィン２５は、開口形状を側面視略三角形として外気を流出入できるようになっている。

そして、フィン２５の放熱面は、金型を用いた押圧加工等により、外気の流通方向に沿って山谷のある凹凸状に形成され、放熱面積の増加が図られている。なお、このような放熱面は、全域が無開口な面状とされており、切り起こし加工によるルーバ等は設けられていない。したがって、このようなフィン２５を有した熱交換器１が建設機械に搭載された場合でも、塵埃による目詰まりが生じる心配が無く、ラジエータとしての機能を確実に発揮できる。

また、フィン２５は、その厚さＬ４が、０．２ｍｍを超え、かつ０．４ｍｍ以下に設定されている。フィン２５の折り曲げ部２６同士の間隔Ｌ５としては、例えば、２ｍｍ、４ｍｍ、５．６ｍｍ等の適宜の間隔を選択することができる。ただし、Ｌ５＝Ｌ３×（０．５〜１．１）であることが好ましい。
上述したチューブ２１およびフィン２５は、材料としてアルミニウムが選択されている。フィン２５は、アルミニウム鑞を鑞材として用いて、その折り曲げ部２６がチューブ２１に接合されており、熱伝導性に優れた状態を確保している。

なお、チューブ２１およびフィン２５の互いの熱伝導性を、より優れたものとするために、フィン２５の両面に母材のアルミニウムよりも熱伝導率の大きい炭素繊維シート等の薄膜層が設けられるものであってもよい。また、チューブ２１とフィン２５との接合箇所に、このような薄膜層が設けられるものであってもよい。

このように構成された第１実施形態の熱交換器１について、次のようなシミュレーション結果が得られた。
図４〜６のグラフ１〜３は、チューブ２１およびフィン２５の材料としてアルミニウムが選択され、上述のフィン２５の厚さＬ４に対しての正味除熱効果の変化率を示している。この正味除熱効果の変化率とは、冷却水への冷却効果を期待する変化率であり、除熱量の変化率と、外気流動量のロスによる除熱量の変化率との差分による値によって導き出している。
なお、この正味除熱効果の変化率を導き出すにあたっては、フィン２５の厚さＬ４を０．１３ｍｍに設定した場合を基準として、フィン２５の厚さＬ４を０．２ｍｍ、０．４ｍｍ、０．６ｍｍ、０．８ｍｍ、１ｍｍに設定した場合について計測した。

図４のグラフ１は、チューブ２１同士の隙間Ｌ３を１０ｍｍに設定し、フィン２５の折り曲げ部２６の間隔Ｌ５を２ｍｍに設定した例である。図５のグラフ２は、チューブ２１同士の隙間Ｌ３を８ｍｍに設定し、フィン２５の折り曲げ部２６の間隔Ｌ５を４ｍｍに設定した例である。図６のグラフ３は、チューブ２１同士の隙間Ｌ３を５．６ｍｍに設定し、フィン２５の折り曲げ部２６の間隔Ｌ５を５．６ｍｍに設定した例である。
なお、これらの設定例は、建設現場において、砂利等の塵埃が多く含まれる外気にあっても、流出入し易く目詰まりし難くされた例である。

すなわち、図４〜６のグラフ１〜３に示すように、フィン２５の厚さＬ４を０．２ｍｍに設定した場合には、厚さＬ４が０．１３ｍｍに設定した場合に比して、正味除熱効果の変化率は格段に上昇したものとなっている。なお、フィン２５の厚さＬ４を０．４ｍｍ以上に設定した場合には、正味除熱効果の変化率は下落傾向にある。また、フィン２５の厚さＬ４を０．４ｍｍ以上に設定した場合には、折り曲げ加工が困難にもなり得る。

以上により、フィン２５の厚さＬ４が、０．２ｍｍを超え、かつ０．４ｍｍ以下に設定されていると、折り曲げ加工に好ましい厚さを保ちながら、チューブ２１からフィン２５への熱伝導を高めた状態で、フィン２５の間を流れる外気の通風抵抗を好ましい状態とすることができ、もって、冷却水を冷却するにあたって優れた冷却効果を得ることができる。
また、この熱交換器１によれば、チューブ２１及びフィン２５の材料として、熱伝導性に非常に優れたアルミニウムが選択され、チューブ２１とフィン２５との間の熱伝導量を高めることができ、もって、冷却水を冷却するにあたって優れた冷却効果を得ることができる。

［第２実施形態］
次に、上述した第１実施形態とは異なる第２実施形態の熱交換器について説明する。
第２実施形態の熱交換器は、第１実施形態の熱交換器１におけるチューブ２１およびフィン２５の材料として、銅が選択されている点について第１実施形態の熱交換器１と異なるものであり、その他の構成については第１実施形態の熱交換器１と同様に構成される。
したがって、以下においては、このチューブ２１およびフィン２５の材料として、銅が選択された例の評価試験について説明するものとする。
なお、フィン２５は、銅系の鑞材を用いて、その折り曲げ部２６がチューブ２１に接合されており、熱伝導性に優れた状態を確保している。

図７〜９のグラフ４〜６は、チューブ２１およびフィン２５の材料として銅が選択され、上述のフィン２５の厚さＬ４に対しての正味除熱効果の変化率を示している。
なお、この正味除熱効果の変化率の導き出し方、その他の基準に関しては、上述した第１実施形態のシミュレーションと同様に設定し、フィン２５の厚さＬ４を０．２ｍｍ、０．４ｍｍ、０．６ｍｍ、０．８ｍｍ、１ｍｍに設定した場合である。

図７のグラフ４は、チューブ２１同士の隙間Ｌ３を１０ｍｍに設定し、フィン２５の折り曲げ部２６の間隔Ｌ５を２ｍｍに設定した例である。図８のグラフ５は、チューブ２１同士の隙間Ｌ３を８ｍｍに設定し、フィン２５の折り曲げ部２６の間隔Ｌ５を４ｍｍに設定した例である。図９のグラフ６は、チューブ２１同士の隙間Ｌ３を５．６ｍｍに設定し、フィン２５の折り曲げ部２６の間隔Ｌ５を５．６ｍｍに設定した例である。

すなわち、図７〜９のグラフ４〜６に示すように、フィン２５の厚さＬ４を０．２ｍｍに設定した場合には、厚さＬ４が０．１３ｍｍに設定した場合に比して、正味除熱効果の変化率は格段に上昇したものとなっている。なお、フィン２５の厚さＬ４を０．４ｍｍ以上に設定した場合には、正味除熱効果の変化率は下落傾向にある。また、フィン２５の厚さＬ４を０．４ｍｍ以上に設定した場合には、折り曲げ加工が困難にもなり得る。

以上により、フィンの厚さＬ４が、０．２ｍｍを超え、かつ０．４ｍｍ以下、より好ましくは０．３ｍｍ以下に設定されていると、折り曲げ加工に好ましい厚さを保ちながら、チューブ２１からフィン２５への熱伝導を高めた状態で、フィン２５の間を流れる外気の通風抵抗を好ましい状態とすることができ、もって、冷却水を冷却するにあたって優れた冷却効果を得ることができる。
また、この熱交換器によれば、チューブ２１及びフィン２５の材料として、熱伝導性に非常に優れた銅が選択され、チューブ２１とフィン２５との間の熱伝導量を高めることができ、もって、冷却水を冷却するにあたって優れた冷却効果を得ることができる。

なお、本発明に係る熱交換器は、上述の実施形態に限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲において、適宜に選択変更して構成されるものであってもよい。
例えば、熱交換器本体２０を構成するフィン２５についての折り曲げ形状については、上述した図示例に限定されることなく、適宜の形状を選択することができる。

図１０は、図３のフィンの形状とは異なる他の例を示す正面図である。
すなわち、図３に示すフィン２５は、開口形状を側面視略三角形として外気を流出入できるようになっていたが、図１０に示す熱交換器本体２０Ａのフィン２５Ａは、側面視略矩形形状として外気を流出入できるようになっている。つまり、図１０に示すフィン２５Ａは、折り曲げ部２６Ａが所定幅を有するように設計されるとともに、チューブ２１の延びる方向と直交する方向でチューブ２１同士の間に架け渡されるようになっている。
このようにフィン２５Ａが構成されていたとしても、上述のシミュレーションのように、フィンの厚さＬ４が、０．２ｍｍを超え、かつ０．４ｍｍ以下に設定されていると、折り曲げ加工に好ましい厚さを保ちながら、チューブ２１からフィン２５Ａへの熱伝導を高めた状態で、フィン２５Ａの間を流れる外気の通風抵抗を好ましい状態とすることができ、もって、冷却水を冷却するにあたって優れた冷却効果を得ることができる。

また、前記実施形態では、フィン２５の放熱面は、山谷のある凹凸状に形成されていたが、図１１に示すように、放熱面をその全域にわたってフラットに形成してもよい。このような場合でも、要部の寸法を本発明の範囲内に設定することで、前述した目的を達成できる。また、放熱面にルーバのような開口が設けられていないので、砂塵等の塵埃が詰まって通風抵抗が増すといった心配もない。

前記実施形態では、本発明の熱交換器としてラジエータを例に説明したが、熱交換器としてはこれに限定されるものではなく、オイルを冷却するオイルクーラ、過給された空気（給気）を冷却するアフタークーラ等であってもよい。また、そのような熱交換器の具体的な構成も任意であり、例えば、流入側タンクおよび流出側タンクの位置などは、上下が逆であってもよく、その実施にあたって適宜変更可能である。

本発明に係る熱交換器は、フィンの厚さを最適化することによって、加工性に優れながら、さらに優れた冷却効果を得ることができる熱交換器として利用することができる。

本発明に係る熱交換器の実施形態を示す全体図。熱交換器の一部を切り出して示す斜視図。外気流通方向に沿ってフィンを視た場合の正面図。チューブ同士の間隔を１０ｍｍに設定し、フィンの折り曲げ部の間隔を２ｍｍに設定し、これらの材料としてアルミニウムが選択された例の、フィンの厚さに対しての熱交換特性を示すグラフ。チューブ同士の間隔を８ｍｍに設定し、フィンの折り曲げ部の間隔を４ｍｍに設定し、これらの材料としてアルミニウムが選択された例の、フィンの厚さに対しての除熱率の変化を示すグラフ。チューブ同士の間隔を５．６ｍｍに設定し、フィンの折り曲げ部の間隔を５．６ｍｍに設定し、これらの材料としてアルミニウムが選択された例の、フィンの厚さに対しての除熱率の変化を示すグラフ。チューブ同士の間隔を１０ｍｍに設定し、フィンの折り曲げ部の間隔を２ｍｍに設定し、これらの材料として銅が選択された例の、フィンの厚さに対しての除熱率の変化を示すグラフ。チューブ同士の間隔を８ｍｍに設定し、フィンの折り曲げ部の間隔を４ｍｍに設定し、これらの材料として銅が選択された例の、フィンの厚さに対しての除熱率の変化を示すグラフ。チューブ同士の間隔を５．６ｍｍに設定し、フィンの折り曲げ部の間隔を５．６ｍｍに設定し、これらの材料として銅が選択された例の、フィンの厚さに対しての除熱率の変化を示すグラフ。外気流通方向に沿ってフィンの変形例を視た場合の正面図。フィンの他の変形例を示す斜視図。

１…熱交換器、１０…枠状部、１１…流入側タンク、１１Ａ…流入口、１２…流出側タンク、１２Ａ…流出口、１３，１４…支持プレート、１５…給水口、２０…熱交換器本体、２１…チューブ、２５，２５Ａ…フィン、２６，２６Ａ…折り曲げ部、Ｌ４…厚さ。

Claims

高温となった冷却媒体を冷却する熱交換器であって、
内部に前記冷却媒体が流れるチューブと、
前記チューブに接合されるとともに、放熱面の全域が無開口な面状とされたフィンとを備え、
前記フィンの厚さが、０．２ｍｍを超え、かつ０．４ｍｍ以下に設定されている
ことを特徴とする熱交換器。
請求項１に記載の熱交換器において、
前記チューブ及び前記フィンの材料として、アルミニウムが選択されている
ことを特徴とする熱交換器。
請求項１に記載の熱交換器において、
前記チューブ及び前記フィンの材料として、銅が選択されており、
前記フィンの厚さが、０．２ｍｍを越え、かつ０．３ｍｍ以下に設定されている
ことを特徴とする熱交換器。
請求項１から請求項３のうち何れかに記載の熱交換器において、
建設機械に搭載される
ことを特徴とする熱交換器。