JP2018105509A - 熱交換器 - Google Patents

Abstract

【課題】流体抵抗を増加させることなく、各チューブの流体流量を均一化する。
【解決手段】入口タンク２内の入口流体通路２５を、整流板６の仕切り板部６１により第１入口空間２５１と第２入口空間２５２とに二分する。整流板６のガイド板部６２により、第２入口空間２５２と流入口２４１との間を遮断して、流入口２４１から流入した流体を第１入口空間２５１に導く。第１入口空間２５１に流入した流体は、ガイド板部６２に設けた連通口を介して第２入口空間２５２に流れる。入口流体通路２５を二分しているため、第１入口空間２５１内の流速が高くなり、第１入口空間２５１における流入口２４１から離れた部位まで温水が到達しやすくなる。その結果、流入口２４１から離れた位置のチューブ１１にも温水が確実に供給され、第１入口空間２５１から各チューブ１１に流入する温水の流量が均一化される。
【選択図】図５

Description

本発明は、積層されたチューブの内部を流れる第１流体と隣接するチューブ間を流れる第２流体との熱交換を行う熱交換器に関するものである。

従来、この種の熱交換器として、チューブに対して第１流体を分配する入口タンクを、チューブのチューブ長手方向一端側に接合し、チューブから流出する第１流体を集合する出口タンクを、チューブのチューブ長手方向他端側に接合したものが知られている。

このような構成の熱交換器においては、入口タンク内の入口流体通路がチューブ積層方向に延びており、入口流体通路内において圧力損失が大きくなってしまう。このため、多数本のチューブのうち入口タンクの流入口から離れた位置のチューブに流入する第１流体の流量が、入口タンクの流入口に近い位置のチューブに流入する第１流体の流量よりも少なくなってしまい、各チューブの流体流量が不均一になってしまう。

そこで、特許文献１に記載された熱交換器では、入口タンクの流入口に近い位置のチューブにおける一端側開口部の一部を塞ぐことにより、入口タンクの流入口に近い位置のチューブの流体流量を減少させて、各チューブの流体流量を均一化するようにしている。

特許第４８３０９１８号明細書

しかしながら、従来の熱交換器は、チューブにおける一端側開口部の一部を塞いでいるため、流体抵抗が増加してしまうという問題があった。また、入口流体通路に流入する際の第１流体の流れ方向が、第２流体流れ方向に対して直交していない場合は、チューブ内流路における第２流体流れ方向上流側部位の第１流体の流量と、第２流体流れ方向下流側部位の第１流体の流量とで、流量差が発生するという問題があった。

本発明は上記点に鑑みて、流体抵抗を増加させることなく、各チューブの流体流量を均一化することを第１の目的とする。また、チューブ内流路における第２流体流れ方向上流側部位の第１流体の流量と、第２流体流れ方向下流側部位の第１流体の流量との、流量差を少なくすることを第２の目的とする。

上記目的を達成するため、請求項１に記載の発明では、内部を第１流体が流れる複数のチューブ（１１）が積層配置されるとともに、隣接するチューブ間を第２流体が流れる熱交換コア部（１）と、第１流体が流れる入口流体通路（２５）が内部に形成され、チューブにおけるチューブ長手方向（Ａ）の一端側が入口流体通路に連通するように接合されて、第１流体をチューブに対して分配する入口タンク（２）と、チューブにおけるチューブ長手方向の他端側が接合されて、チューブから流出する第１流体を集合する出口タンク（３）と、入口流体通路内を仕切る整流板（６）とを備え、入口タンクのうちチューブ積層方向（Ｂ）の一端部には、第１流体を流入させる流入口（２４１）が配置され、整流板は、入口流体通路を第２流体流れ方向に沿って第１入口空間（２５１）と第２入口空間（２５２）とに二分するとともに、第１入口空間と第２入口空間とを部分的に連通させる連通口（６３）が形成され、流入口から流入した第１流体を第１入口空間に導きつつ連通口を介して第２入口空間へ流入させる仕切り板部（６１）を備えることを特徴とする。

これによると、入口流体通路を第１入口空間と第２入口空間とに二分したことにより、第１入口空間内の流速が高くなり、入口タンクの流入口から離れた位置のチューブにも第１流体が確実に流れるため、第１入口空間から各チューブに流入する第１流体の流量を均一化することができる。

また、各連通口毎の開口面積や隣接する連通口間のピッチ、仕切り板部の第２流体流れ方向位置を適宜に設定することにより、第２入口空間に流入する第１流体の全体の流量を調整することができるとともに、第２入口空間の各部位に流入する第１流体の流量を略等しくすることができる。これにより、第２入口空間から各チューブに流入する第１流体の流量を均一化することができる。また、各チューブ毎の、チューブ内流路における第２流体流れ方向上流側部位の第１流体の流量と、第２流体流れ方向下流側部位の第１流体の流量との、流量差を少なくすることができる。その結果、熱交換性能が向上する。

なお、この欄および特許請求の範囲で記載した各手段の括弧内の符号は、後述する実施形態に記載の具体的手段との対応関係を示すものである。

第１実施形態に係る熱交換器の斜視図である。 第１実施形態に係る熱交換器の要部の正面断面図である。 図２の左側面図である。 図２のＩＶ−ＩＶ断面図である。 図２のＶ−Ｖ断面図である。 第１実施形態に係る熱交換器における整流板の正面図である。 図６の左側面図である。 図６の下面図である。 第１実施形態に係る熱交換器の変形例を示す要部の正面断面図である。 第２実施形態に係る熱交換器について図５と同形式で示した図である。 図１０のＸＩ−ＸＩ断面図である。 第２実施形態に係る熱交換器における入口タンクの曲げ加工前の展開図である。 第２実施形態に係る熱交換器における入口タンクの曲げ加工工程を示す断面図である。 第２実施形態に係る熱交換器における入口タンクの曲げ加工工程を示すもので、接続パイプ２４側から見た側面図である。 第３実施形態に係る熱交換器における整流板の正面図である。 図１５の左側面図である。 図１５の平面図である。 第３実施形態に係る熱交換器の要部の断面図である。

以下、本発明の実施形態について図面を参照して説明する。なお、以下の各実施形態において、先行する実施形態で説明した事項と同一もしくは均等である部分には、同一の参照符号を付し、その説明を省略する場合がある。また、各実施形態において、構成要素の一部だけを説明している場合、構成要素の他の部分に関しては、先行する実施形態において説明した構成要素を適用することができる。

（第１実施形態）
本発明の第１実施形態について説明する。本実施形態は、本発明を車両用空調装置の加熱用熱交換器（すなわち、ヒータコア）に適用したものであり、この熱交換器は第１流体としてのエンジン冷却水（以下、温水という）を熱源として、第２流体としての空気（すなわち、空調風）を加熱する。

図１〜図５に示すように、熱交換器は、チューブ１１とフィン１２を有して温水と空気との熱交換を行う直方体の熱交換コア部１、多数のチューブ１１に温水を分配する箱状の入口タンク２、多数のチューブ１１からの温水を集合させる箱状の出口タンク３等を備えている。

チューブ１１は、温水が流れる流路が内部に形成されている。チューブ１１は、扁平状であり、チューブ長手方向Ａの一端側が入口タンク２に接合され、チューブ長手方向Ａの他端側が出口タンク３に接合されている。チューブ１１は、入口タンク２と出口タンク３との間に多数積層配置され、隣接するチューブ１１間を空気が流れる。

そして、チューブ１１内を流れる温水と隣接するチューブ１１間を流れる空気との間で熱交換が行われるようになっている。隣接するチューブ１１間には、温水と空気との熱交換を促進するフィン１２が配置されている。なお、チューブ長手方向Ａ、チューブ積層方向Ｂ、および第２流体流れ方向Ｃは、それぞれ直交している。

入口タンク２は、熱交換コア部１の下方に配置されている。入口タンク２は、チューブ１１におけるチューブ長手方向端部が挿入されるチューブ挿入穴２１１が形成されたコアプレート２１、コアプレート２１に接合されてタンク内空間を構成するタンク本体部２２を有している。コアプレート２１とタンク本体部２２は、いずれも断面形状が略コの字状（または、略Ｕ字状）であり、コアプレート２１とタンク本体部２２は接合されてチューブ積層方向Ｂに延びる筒形状をなしている。

入口タンク２は、入口タンク２の長手方向一端側を閉塞するキャップ２３、および入口タンク２の長手方向他端側に配置された接続パイプ２４を有している。接続パイプ２４内には、温水を流入させる流入口２４１が形成されている。

コアプレート２１、タンク本体部２２、キャップ２３、チューブ１１、およびフィン１２は金属製（本実施形態では、アルミニウム製）であり、ろう付けにて一体接合されている。

出口タンク３は、熱交換コア部１の上方に配置されている。出口タンク３は、入口タンク２と同様に、コアプレート、タンク本体部、キャップ、および接続パイプを有している。

入口タンク２の接続パイプ２４には、温水を熱交換器に導く入口側冷却水パイプ４がかしめ固定されている。出口タンク３の接続パイプには、熱交換を終えた温水を熱交換器外に流出させる出口側冷却水パイプ５がかしめ固定されている。

入口タンク２の内部には、入口側冷却水パイプ４を介して供給された温水が流れる入口流体通路２５が形成されている。そして、チューブ１１におけるチューブ長手方向Ａの一端側が入口流体通路２５に連通している。

入口タンク２の内部には、仕切り板部６１とガイド板部６２とを有する整流板６（図６〜図８参照）が配置されている。

仕切り板部６１は、チューブ積層方向Ｂおよびチューブ長手方向Ａに延びる板状の部材であり、入口流体通路２５における第２流体流れ方向Ｃの中央部に配置されて、入口流体通路２５を第２流体流れ方向Ｃに沿って第１入口空間２５１と第２入口空間２５２とに二分している。なお、第１入口空間２５１および第２入口空間２５２は、第２流体流れ方向Ｃの上流側に位置する空間が第１入口空間２５１であり、第２流体流れ方向Ｃの下流側に位置する空間が第２入口空間２５２である。

ガイド板部６２は、仕切り板部６１における流入口２４１側の端部から第２流体流れ方向Ｃの下流側に向かって延びる板状の部材である。そして、ガイド板部６２により、流入口２４１と第２入口空間２５２との間が遮断され、流入口２４１に流入した温水が第１入口空間２５１に導かれるようになっている。

仕切り板部６１には、第１入口空間２５１と第２入口空間２５２とを部分的に連通させる連通口６３が複数個形成されている。そして、第１入口空間２５１に導かれた温水が、連通口６３を介して第２入口空間２５２に流入するようになっている。

連通口６３は、穴であり、チューブ積層方向Ｂに沿って複数個形成されている。複数個の連通口６３は、開口面積が異なるとともに、隣接する連通口６３間のピッチがそれぞれ異なっている。

タンク本体部２２におけるコアプレート２１に対向する部位（換言すると、タンク本体部２２の底部）には、突起挿入穴２２１が形成されている。突起挿入穴２２１は、チューブ積層方向Ｂに沿って複数個形成されている。

一方、整流板６には、仕切り板部６１におけるタンク本体部２２の底部に対向する部位に、タンク本体部２２の底部に向かって突出する突起部６４が形成されている。突起部６４は、チューブ積層方向Ｂに沿って複数個形成されている。

そして、突起部６４を突起挿入穴２２１に挿入した状態で、整流板６と入口タンク２がろう付けにて一体接合されている。

次に、本実施形態の熱交換器の作動について説明する。

入口側冷却水パイプ４を介して流入口２４１に導かれた温水は、ガイド板部６２に案内されて第１入口空間２５１に流入し、第１入口空間２５１内を流入口２４１から遠ざかる向きに（すなわち、キャップ２３側に向かって）流れる。

ここで、入口流体通路２５を第１入口空間２５１と第２入口空間２５２とに二分しているため、第１入口空間２５１内の流速が高くなり、第１入口空間２５１における流入口２４１から離れた部位まで温水が到達しやすくなる。その結果、流入口２４１から離れた位置のチューブ１１にも温水が確実に供給され、第１入口空間２５１から各チューブ１１に流入する温水の流量が均一化される。

第１入口空間２５１を流れる温水の一部は、第１入口空間２５１の最下流部に到達する前に、複数個の連通口６３を介して適宜第２入口空間２５２に流入する。また、第１入口空間２５１の最下流部に到達した温水は、Ｕターンして第２入口空間２５２に流入する。

ここで、仕切り板部６１の第２流体流れ方向Ｃの位置を適宜に設定することにより、第２入口空間２５２に流入する温水の全体の流量を調整することができる。例えば、仕切り板部６１を第２流体流れ方向Ｃのより下流側に位置させた場合には、第１入口空間２５１から各チューブ１１に流入する温水の流量が増加するため、第２入口空間２５２に流入する温水の全体の流量は減少する。

また、連通口６３の開口面積を適宜に設定することにより、第２入口空間２５２に流入する温水の全体の流量を調整することができる。

さらに、各連通口６３毎の開口面積や隣接する連通口６３間のピッチを適宜に設定することにより、第２入口空間２５２の各部位に流入する温水の流量を略等しくすることができる。その結果、第２入口空間２５２から各チューブ１１に流入する温水の流量が均一化される。

そして、第２入口空間２５２に流入する温水の全体の流量を調整することができることと、第２入口空間２５２から各チューブ１１に流入する温水の流量が均一化されることとが相俟って、各チューブ１１における、第１入口空間２５１から流入する温水の流量と第２入口空間２５２から流入する温水の流量との、流量差を少なくすることができる。

換言すると、各チューブ１１毎の、チューブ内流路における第２流体流れ方向Ｃ上流側部位（すなわち、風上側）の温水の流量と、第２流体流れ方向Ｃ下流側部位（すなわち、風下側）の温水の流量との、流量差を少なくすることができる。その結果、熱交換性能が向上する。

各チューブ１１に流入した温水は、隣接するチューブ１１間を流れる空気と熱交換してその空気を加熱する。この際、上述したように各チューブ１１に流入する温水の流量が均一化されているため、熱交換後の空気の温度分布のばらつきが小さくなる。そして、チューブ１１を通過した温水は、出口タンク３内で集合され、出口側冷却水パイプ５を介してエンジンに循環される。

本実施形態によると、チューブ１１における一端側開口部の一部を塞ぐことなく、すなわち、通水抵抗を増加させることなく、各チューブ１１に流入する温水の流量を均一化することができる。

なお、本実施形態では、仕切り板部６１を、入口流体通路２５における第２流体流れ方向Ｃの中央部に配置したが、仕切り板部６１は、入口流体通路２５における第２流体流れ方向Ｃの中央部以外の部位に配置してもよい。

例えば第１入口空間２５１に流入する際の温水の流れ方向が、第２流体流れ方向Ｃに対して直交していない場合は、仕切り板部６１を入口流体通路２５における第２流体流れ方向Ｃの中央部からずらして配置する。これにより、第１入口空間２５１内の流速を調整して、第１入口空間２５１から各チューブ１１に流入する温水の流量を均一化することができる。

また、本実施形態では、ガイド板部６２により流入口２４１と第２入口空間２５２との間を遮断したが、ガイド板部６２は流入口２４１と第２入口空間２５２との間を完全に遮断する必要はなく、流入口２４１に流入した温水の大部分が第１入口空間２５１に導かれ、流入口２４１に流入した温水の一部が直接第２入口空間２５２に導かれてもよい。

また、本実施形態では、仕切り板部６１は、チューブ積層方向Ｂおよびチューブ長手方向Ａに延びる板状の部材であったが、第１入口空間２５１の流路面積が、流入口２４１に近い部位から遠い部位に向かって漸減するように、仕切り板部６１をチューブ積層方向Ｂに対して傾斜させたり、あるいは仕切り板部６１を段付き状にしてもよい。この場合、仕切り板部６１における流入口２４１側の端部をタンク本体部２２に近接させて、ガイド板部６２を廃止してもよい。

また、本実施形態では、連通口６３は穴であるが、図９に示す変形例のように、連通口６３は切り欠きであってもよい。

（第２実施形態）
第２実施形態について、図１０〜１４を用いて説明する。本実施形態では、整流板を入口タンクに一体に形成した点が第１実施形態と相違している。本実施形態では、第１実施形態と同様または均等な部分についての説明を省略、または簡略化して説明する。

図１０、図１１に示すように、入口タンク２は、第１実施形態におけるコアプレート２１、タンク本体部２２、および整流板６が、１枚の金属板材を折り曲げて一体に形成されている。

この入口タンク２の成形方法を説明する。まず、図１２、図１３（ａ）、図１４（ａ）に示すように、金属板材を矩形に加工した素材１００を用意する。この素材１００には、後にガイド板部６２となるガイド板部予定部１０１に隣接して切り込み１０２が加工されている。また、図示しないが、後に仕切り板部６１となる部位には、第１実施形態の連通口に相当する開口が複数個形成されている。

続いて、図１３（ｂ）、図１４（ｂ）に示すように、素材１００の両端近傍を９０°折り曲げて、一端側に整流板６を形成し、他端側に端板２６を形成し、整流板６と端板２６との間にタンク板部２７を形成する。

続いて、図１３（ｃ）、図１４（ｃ）に示すように、タンク板部２７が断面Ｕ字状になるようにタンク板部２７の両端近傍を９０°折り曲げる。

続いて、図１０、図１４（ｄ）に示すように、整流板６のガイド板部予定部１０１を折り曲げて、ガイド板部６２を形成する。

続いて、図１３（ｅ）、図１４（ｅ）に示すように、タンク板部２７がチューブ積層方向Ｂに延びる筒形状になるように、タンク板部２７を２カ所で９０°折り曲げる。なお、タンク板部２７は、第１実施形態におけるコアプレート２１およびタンク本体部２２に相当する。

そして、以上の加工が施された入口タンク２は、タンク板部２７にて入口流体通路２５が形成され、整流板６の仕切り板部６１にて入口流体通路２５が第１入口空間２５１と第２入口空間２５２に二分される。

続いて、このようにして整流板６が一体に形成された入口タンク２は、キャップ２３やチューブ１１等とろう付けされる。その際、整流板６と端板２６もろう付けされる。

本実施形態によると、第１実施形態と同様の効果を得ることができる。また、本実施形態によると、３部品（すなわち、第１実施形態におけるコアプレート２１、タンク本体部２２、および整流板６）を１部品にして、部品点数を少なくすることができる。

（第３実施形態）
第３実施形態について、図１５〜図１８を用いて説明する。本実施形態では、樹脂製の整流板を用いる点が第１実施形態と相違している。本実施形態では、第１実施形態と同様または均等な部分についての説明を省略、または簡略化して説明する。

図１５〜図１７に示すように、整流板６は、仕切り板部６１、ガイド板部６２、および位置決め脚部６５を備え、樹脂にて一体成形されている。

仕切り板部６１の一端側には、ガイド板部６２と１本の位置決め脚部６５が形成されている。仕切り板部６１の他端側には、２本の位置決め脚部６５が形成されている。これらの位置決め脚部６５は、Ｊ字状になっている。

そして、図１８に示すように、整流板６を入口タンク２内に挿入すると、ガイド板部６２および位置決め脚部６５が入口タンク２の内周面に当接して、整流板６が位置決めされる。

本実施形態によると、第１実施形態と同様の効果を得ることができる。また、本実施形態によると、整流板６を樹脂にて成形するため、整流板６を容易に製造することができる。

（他の実施形態）
上記各実施形態では、本発明を車両用空調装置のヒータコアに適用したが、これに限定されることなく、車両エンジン冷却用のラジエータ、車両用空調装置の冷媒凝縮器等の熱交換器に本発明を適用することができ、さらには、車両用以外の種々の熱交換器にも広く本発明を適用することができる。

また、本発明は上記した実施形態に限定されるものではなく、特許請求の範囲に記載した範囲内において適宜変更が可能である。

また、上記各実施形態は、互いに無関係なものではなく、組み合わせが明らかに不可な場合を除き、適宜組み合わせが可能である。

また、上記各実施形態において、実施形態を構成する要素は、特に必須であると明示した場合および原理的に明らかに必須であると考えられる場合等を除き、必ずしも必須のものではないことは言うまでもない。

また、上記各実施形態において、実施形態の構成要素の個数、数値、量、範囲等の数値が言及されている場合、特に必須であると明示した場合および原理的に明らかに特定の数に限定される場合等を除き、その特定の数に限定されるものではない。

また、上記各実施形態において、構成要素等の形状、位置関係等に言及するときは、特に明示した場合および原理的に特定の形状、位置関係等に限定される場合等を除き、その形状、位置関係等に限定されるものではない。

１ 熱交換コア部
２ 入口タンク
３ 出口タンク
６ 整流板
１１ チューブ
２５ 入口流体通路
６１ 仕切り板部
６２ ガイド板部
６３ 連通口
２４１ 流入口
２５１ 第１入口空間
２５２ 第２入口空間

Claims (9)

1. 内部を第１流体が流れる複数のチューブ（１１）が積層配置されるとともに、隣接する前記チューブ間を第２流体が流れる熱交換コア部（１）と、
   前記第１流体が流れる入口流体通路（２５）が内部に形成され、前記チューブにおけるチューブ長手方向（Ａ）の一端側が前記入口流体通路に連通するように接合されて、前記第１流体を前記チューブに対して分配する入口タンク（２）と、
   前記チューブにおける前記チューブ長手方向の他端側が接合されて、前記チューブから流出する前記第１流体を集合する出口タンク（３）と、
   前記入口流体通路内を仕切る整流板（６）とを備え、
   前記入口タンクのうちチューブ積層方向（Ｂ）の一端部には、前記第１流体を流入させる流入口（２４１）が配置され、
   前記整流板は、前記入口流体通路を第２流体流れ方向に沿って第１入口空間（２５１）と第２入口空間（２５２）とに二分するとともに、前記第１入口空間と前記第２入口空間とを部分的に連通させる連通口（６３）が形成され、前記流入口から流入した前記第１流体を前記第１入口空間に導きつつ前記連通口を介して前記第２入口空間へ流入させる仕切り板部（６１）を備えることを特徴とする熱交換器。
2. 前記整流板は、前記第２入口空間と前記流入口との間を遮断して、前記流入口から流入した前記第１流体を前記第１入口空間に導くガイド板部（６２）を備えることを特徴とする請求項１に記載の熱交換器。
3. 前記入口タンクは、板材が折り曲げられて前記整流板が一体に形成されていることを特徴とする請求項１または２に記載の熱交換器。
4. 前記入口タンクは、前記板材のうち前記整流板が形成されていない部位が前記チューブ積層方向に延びる筒形状に折り曲げられて前記入口流体通路が形成されていることを特徴とする請求項３に記載の熱交換器。
5. 前記仕切り板部は、前記入口流体通路における前記第２流体流れ方向の中央位置からずらして配置されていることを特徴とする請求項１ないし４のいずれか１つに記載の熱交換器。
6. 前記連通口は、前記チューブ積層方向に沿って複数個形成されるとともに、複数個の前記連通口の開口面積が異なっていることを特徴とする請求項１ないし５のいずれか１つに記載の熱交換器。
7. 前記連通口は、前記チューブ積層方向に沿って複数個形成されるとともに、隣接する前記連通口間のピッチが異なっていることを特徴とする請求項１ないし６のいずれか１つに記載の熱交換器。
8. 前記連通口は、穴であることを特徴とする請求項１ないし７のいずれか１つに記載の熱交換器。
9. 前記連通口は、切り欠きであることを特徴とする請求項１ないし７のいずれか１つに記載の熱交換器。

Images