JP7159975B2 - 熱交換器 - Google Patents

Description

本開示は、熱交換器に関する。

熱交換器の一つに、波形状のフィン、つまりコルゲートフィンを用いる熱交換器がある。コルゲートフィンを用いる熱交換器を気体の冷却器として用いる場合に、フィンの表面に凝縮水が発生する。コルゲートフィンを用いる熱交換器において凝縮水がコルゲートフィンに滞留すると、熱交換能力が低下する問題があるので、凝縮水の排水が適切に行われることが望ましい。特許文献１に記載の熱交換器では、コルゲートフィンのフィン本体部に、フィン本体部の一部が切り起こされた形状を成すルーバを有している。ルーバは、空気を案内するルーバ本体部と、ルーバ本体部から延設されたルーバ一端部とを有している。ルーバ一端部は、ルーバ一端部の表面の親水性を高めるように形成された凹凸形状を、ルーバ一端部の板厚方向の両側にそれぞれ有する。

特開２０１９－２５８９号公報

特許文献１に記載の熱交換器では、凹凸形状を設けることによって、フィンの親水性を向上させ、凝縮水を薄膜化させて排水性を向上させている。しかしながら、ルーバ一端部の表面に凹凸形状を形成するには、ルーバの加工と連動して凹凸形状を加工する必要があり、その加工難度は極めて高い。

本開示は、フィンの加工が容易であるにも関わらずフィンに発生する凝縮水の排水を促進することが可能な熱交換器を提供することを目的とする。

本開示に係る熱交換器は、積層方向に沿って並ぶように配置され熱交換媒体が流れる複数のチューブ（２０）と、積層方向に沿って隣り合うチューブの間に設けられ、チューブに接合される複数の折り曲げ部（３１）と、複数の折り曲げ部を接続するように伸びる複数の平板部（３２）と、を有する波形状のフィン（３０）と、を備えている。平板部は、平板部の一部が切り起こされることによって形成されるルーバ（３２１）を有している。ルーバは、熱交換媒体と熱交換するための空気を案内するルーバ本体部（３２１１）と、ルーバ本体部と平板部とを繋ぐルーバ端部（３２１２）と、を有している。ルーバ本体部の表面には、空気流に沿った幅方向における端部に第１誘導溝（４１ａ、４１ｂ、４１ｃ、４１ｄ）と、幅方向において第１誘導溝より内側に第２誘導溝（４２）と、が形成され、第１誘導溝は第２誘導溝よりも親水性が高い。

親水性の高い第１誘導溝をルーバの幅方向における端部に設けているので、親水性が比較的低い第２誘導溝が設けられている領域から、親水性が比較的高い第１誘導溝が設けられている端部に凝縮水が導かれる。幅方向における端部に導かれた凝縮水は、ルーバ本体部からルーバ端部に導かれ排水される。ルーバ本体部に親水性の異なる第１誘導溝及び第２誘導溝を形成することで、ルーバ本体部に溜まった凝縮水の排水を促進できるので、ルーバの加工を容易なものとしつつ、凝縮水の排水を促進することができる。

本開示によれば、フィンの加工が容易であるにも関わらずフィンに発生する凝縮水の排水を促進することが可能な熱交換器を提供することができる。

図１は、本実施形態に係る熱交換器の構成を示す図である。 図２は、本実施形態に係る熱交換器のフィンの構成及びルーバを流れる空気の流れを示す図である。 図３は、本実施形態に係る熱交換器のフィンをＩＩＩ－ＩＩＩ断面にて切断した部分断面図である。 図４は、本実施形態に係る熱交換器のルーバをＩＶ－ＩＶ断面にて切断した断面図である。 図５は、図３において矢印Ａから見たフィン及びチューブの図である。

以下、添付図面を参照しながら本実施形態について説明する。説明の理解を容易にするため、各図面において同一の構成要素に対しては可能な限り同一の符号を付して、重複する説明は省略する。

図１に示される、本実施形態に係る熱交換器１０は、例えば、車室内の空気調和を行う冷凍サイクルの一部を構成する蒸発器として使用されるものである。蒸発器は、冷凍サイクルを循環する第１流体としての冷媒と、熱交換器１０を通過する第２流体としての空気との熱交換を行い、冷媒の蒸発潜熱により空気を冷却する。

なお、熱交換器１０は、上記のような蒸発器としての動作以外の動作も行い得る熱交換器として構成されていてもよい。例えば、熱交換器１０は、内燃機関を通り高温となった冷却水を、空気との熱交換によって冷却するためのラジエータとして動作できるように構成されていてもよい。この場合は冷却水が第１流体に該当する。

熱交換器１０は、タンク１１、タンク１２、複数のチューブ２０、及び複数のフィン３０を備える。タンク１１とタンク１２とを繋ぐように、複数のチューブ２０が積層方向Ｄ１に沿って並べられる。それぞれのチューブ２０の間にフィン３０が配置される。

熱交換器１０では、タンク１１に送り込まれた冷媒が、チューブ２０を通り、タンク１２へと流れる。冷媒はチューブ２０及びフィン３０を介して、空気と熱交換を行うことによって空気を冷却する。

タンク１１は、熱交換器１０に送り込まれた冷媒をそれぞれのチューブ２０へと供給するための容器である。タンク１１は熱媒体入口１１１を有する。冷媒は熱媒体入口１１１から流入してタンク１１内部に広がる。タンク１１には、後述するチューブ２０のそれぞれの一端が接続される。

タンク１１の内部に広がった冷媒は、タンク１１に接続されるチューブ２０のそれぞれに供給される。チューブ２０に供給された冷媒は、冷媒流れ方向Ｄ２に沿って流れる。冷媒流れ方向Ｄ２は、鉛直方向に沿う方向であり、冷媒には重力が紙面上方から下方へとはたらく。

タンク１２は、タンク１１と同様の形状をした容器である。タンク１２はチューブ２０を通ってきた冷媒を集め、外部へと排出するために設けられる。タンク１２は、熱媒体出口１２１を有する。タンク１２には、チューブ２０のそれぞれの他端が接続される。チューブ２０からタンク１２に流入した冷媒は、熱媒体出口１２１を通じて、タンク１２から外部へと排出される。

チューブ２０は、チューブ２０の間を流れる空気と、チューブ内部を流れる冷媒との間で熱交換を行う。チューブ２０はそれぞれ、管状の部材であり、内部に冷媒が流通可能な空間が形成される。チューブ２０の長手方向は、冷媒流れ方向Ｄ２に沿っている。チューブ２０の両端は開口している。チューブ２０のそれぞれの一端はタンク１１に接続される。チューブ２０のそれぞれの他端はタンク１２に接続される。冷媒はタンク１１からチューブ２０を通り、タンク１２へと流通可能である。

フィン３０は、チューブ２０を通過する冷媒と、チューブ２０の間を流れる空気との間の熱交換を促進するために設けられる。フィン３０は板状の金属部材を波形状に折り曲げることによって形成される。

図２に示されるように、フィン３０は、複数の折り曲げ部３１と複数の平板部３２とを有する。フィン３０は折り曲げ部３１がチューブ２０と接合するように、チューブ２０の間に配置される。なお、フィン３０の両側にチューブ２０が配置されるが、図２では一方のチューブ２０については図示を省略している。

チューブ２０とフィン３０とは、折り曲げ部３１とチューブ２０とが、ろう付けされることにより接合される。チューブ２０とフィン３０は熱伝導によって熱交換が可能である。

熱交換器１０を通過する空気は、図１において、紙面に対して垂直な方向に沿って流れる。空気は冷媒と熱交換を行いながら熱交換器１０を通過する。空気はチューブ２０及びフィン３０を介して、チューブ２０を流れる冷媒と熱交換を行う。フィン３０は空気との接触面積を増加する拡大伝熱面として機能する。また、空気は、チューブ２０の壁面を介しても冷媒と熱交換を行う。

図２に示されるように、フィン３０の平板部３２には、ルーバ３２１が形成される。ルーバ３２１は、空気を蛇行させることによって、フィン３０と空気との熱交換を促進する。ルーバ３２１は、フィン３０の一部を切り起こすことにより形成される。

ルーバ３２１は具体的に以下の手順で形成される。まず、ルーバ３２１が設けられる前の部材に対して、空気流れ方向Ｄ３に垂直な方向に直線状の切り込みを、空気流れ方向Ｄ３に沿って並ぶように複数形成する。次に、それぞれの切り込みによって分けられた平板部３２の長方形の部分を、それぞれの長方形の部分の長手方向に沿った軸の周りに回転させることで、ルーバ３２１が形成される。

ルーバ３２１は空気流れ方向Ｄ３に対して傾いた姿勢をとる。空気流れの上流側のルーバ３２１の端部は、平板部３２から、冷媒流れの上流側へと切り起こされる場合と、冷媒流れの下流側へ切り起こされる場合がある。

いくつかのルーバ３２１は連続して冷媒流れの上流側へと切り起こされ、いくつかのルーバ３２１は冷媒流れの下流側へと切り起こされる。切り起こす方向を切り替えることにより、ルーバ３２１は、空気流れ方向Ｄ３に沿って熱交換器１０を流れる空気を、空気流れＡＦのように蛇行させることができる。

ルーバ３２１は、ルーバ本体部３２１１とルーバ端部３２１２を有する。ルーバ端部３２１２は、ルーバ本体部３２１１の両端に形成される。ルーバ端部３２１２は、ルーバ３２１の形成にあたり、平板部３２の一部が塑性変形するように形成される。

図３及び図４を参照して、ルーバ３２１について詳しく説明する。図３はフィン３０を冷媒流れ方向Ｄ２に沿う平面によって、半分に切ったときの断面図である。図３に示されるように、ルーバ本体部３２１１は、ルーバ３２１の幅方向Ｗに沿って短辺を有し、積層方向Ｄ１に沿って長辺を有する板状の部材である。ルーバ端部３２１２は、折り曲げ部３１とルーバ本体部３２１１とが連続して接続されるように、ルーバ本体部３２１１の両端に位置する。ここでは、片側のルーバ端部３２１２が示される。

ルーバ３２１には、第１誘導溝４１ａ、４１ｂ、４１ｃ、４１ｄ、及び複数の第２誘導溝４２が設けられる。第１誘導溝４１ａ、４１ｂ、４１ｃ、４１ｄ、及び第２誘導溝４２は、フィン３０を波形状に成形する前に設けられた溝によって形成される。

図３においては、第１誘導溝４１ａ、４１ｂ、及び第２誘導溝４２が図示される。第１誘導溝４１ｃ及び第１誘導溝４１ｄの位置は、図４に示される。図４は、ルーバ本体部３２１１とルーバ端部３２１２との接続部付近の断面図である。

図３に示される第１誘導溝４１ａ、４１ｂ及び第２誘導溝４２は、空気が冷媒と熱交換を行うことによって生じる凝縮水の排水のために設けられる微細な溝である。本実施形態においては、説明のために、第１誘導溝４１ａ、４１ｂ及び第２誘導溝４２の位置が、実線又は一点鎖線によって示される。また、第２誘導溝４２については、いくつかの第２誘導溝４２を代表させて図示している。

第１誘導溝４１ａ、４１ｂは、ルーバ３２１の表面に、ルーバ本体部３２１１からルーバ端部３２１２へと向かう方向に形成される。第１誘導溝４１ａ、４１ｂは、図３において実線で示される。第１誘導溝４１ａ、４１ｂは、それぞれのルーバ３２１の幅方向Ｗにおける端部に設けられる。空気流れ方向の上流側に第１誘導溝４１ａが設けられる。空気流れ方向の下流側に第１誘導溝４１ｂが設けられる。また、図４に示されるように、ルーバ３２１の板厚方向Ｔに関して両面に、第１誘導溝４１ｃ及び第１誘導溝４１ｄが設けられる。

第２誘導溝４２は、ルーバ３２１の幅方向Ｗにおいて第１誘導溝４１ａ、４１ｂ、４１ｃ、４１ｄよりも内側に設けられる。第２誘導溝４２は、図３において一点鎖線で示される。第１誘導溝４１ａ、４１ｂ、４１ｃ、４１ｄ、及び第２誘導溝４２は、ルーバ本体部３２１１からルーバ端部３２１２まで延びている。第２誘導溝４２も、ルーバ３２１の板厚方向Ｔに関して両側に設けられる。

第１誘導溝４１ａ、４１ｂ、４１ｃ、４１ｄ、及び第２誘導溝４２は、折り曲げ部３１に設けられる複数の第３誘導溝４３に接続する。第３誘導溝４３は、凝縮水の排水のために設けられる微細な溝である。図３では、第３誘導溝４３のうち、第１誘導溝４１ａ、４１ｂにそれぞれ接続するものが実線で、ルーバ端部３２１２の冷媒流れの上流側に面する面に設けられる第２誘導溝４２に接続するものが一点鎖線により示される。

熱交換器１０において、第１誘導溝４１ａ、４１ｂ、４１ｃ、４１ｄは、第２誘導溝４２よりも親水性が高くなるように設けられている。第１誘導溝４１ａ、４１ｂ、４１ｃ、４１ｄの親水性を高くすることにより、ルーバ３２１の幅方向端部により多くの凝縮水を集めることができる。

第１誘導溝４１ａ、４１ｂ、４１ｃ、４１ｄの親水性を、第２誘導溝４２より高くするためには、例えば、第１誘導溝４１ａ、４１ｂ、４１ｃ、４１ｄの溝の深さを第２誘導溝４２より深い形状とすることが考えられる。溝の深さを深くすることで、溝内部の凝縮水の液面によって周囲の凝縮水を取り込みやすくすることができる。

第１誘導溝４１ａ、４１ｂ、４１ｃ、４１ｄと第２誘導溝４２の親水性を異ならせるためには、フィン３０が波形状に成形される前に設けられる溝の形状を変更してもよい。

あるいは、フィン３０を波形状に成形する前には、共通の溝形状としておき、ルーバ３２１の成型時に溝の形状が変化するようにすることで、第１誘導溝４１ａ、４１ｂ、４１ｃ、４１ｄ及び第２誘導溝４２の親水性を異ならせてもよい。

ルーバ端部３２１２において、凝縮水は、第１誘導溝４１ａ、４１ｂ、４１ｃ、４１ｄの親水性が高いため、第１誘導溝４１ａ、４１ｂ、４１ｃ、４１ｄに多く集められる。第１誘導溝４１ａに集められた凝縮水は、冷媒流れの下流側の面にある第１誘導溝４１ｃによって集められた凝縮水と結合する。第１誘導溝４１ｂに集められた凝縮水は、冷媒流れの下流側の面にある第１誘導溝４１ｄによって集められた凝縮水と結合する。

凝縮水の結合によって、凝縮水がルーバ端部３２１２において、第１誘導溝４１ａから第１誘導溝４１ｃへと、冷媒流れの上流側を向く面から下流側を向く面へ向かうように、図３の矢印Ｆ１に示されるように回り込む。同様に、第１誘導溝４１ｂから第１誘導溝４１ｄへと、図３の矢印Ｆ２に示されるように凝縮水が回り込む。

熱交換器１０の動作時における、チューブ２０及びフィン３０による凝縮水の排水について、図５も参照しつつ詳しく説明する。図５は空気流れ方向Ｄ３に沿って図３の矢印Ａの方向から熱交換器１０を見たときの、チューブ２０及びフィン３０の模式図である。

空気流れ方向Ｄ３に沿って空気がチューブ２０同士の間を流れると、フィン３０上に凝縮水が生じる。凝縮水はチューブ２０の表面にも生じ得る。発生した凝縮水は、冷媒流れ方向Ｄ２つまり鉛直下方に向かって重力を受け、排水経路Ｐ１又はＰ２を主に流れる。排水経路Ｐ１又はＰ２は、折り曲げ部３１又はチューブ２０の壁面に沿って凝縮水が流れる経路である。

図５においては、説明のために、折り曲げ部３１、平板部３２、ルーバ端部３２１２を、折り曲げ部３１ａ、３１ｂのように区別する。凝縮水は、図５の紙面上方から紙面下方へと流れる。折り曲げ部３１ａから平板部３２ａに達した凝縮水は、ルーバ端部３２１２ａの冷媒流れ上流側の面から下流側の面へと回り込む。

回り込んだ凝縮水は、チューブ２０の壁面に沿って流れる。チューブ２０の壁面に沿って流れた凝縮水は、フィン３０の他の折り曲げ部３１ｂに達する。

折り曲げ部３１ｂに達した凝縮水は、ルーバ端部３２１２ｂを乗り越える。ルーバ端部３２１２ｂを乗り越えた凝縮水は、折り曲げ部３１ｂに沿って流れる。

凝縮水を、ルーバ端部３２１２を繰り返し乗り越えさせつつ、チューブ２０の壁面又は折り曲げ部３１に沿って鉛直下方へと流すことによって、凝縮水が排水される。

本実施形態に係る熱交換器１０では、ルーバ３２１は第１誘導溝４１ａ、４１ｂ、４１ｃ、４１ｄ及び第２誘導溝４２を有する。第１誘導溝４１ａ、４１ｂ、４１ｃ、４１ｄ及び第２誘導溝４２による凝縮水の排水について説明する。

図５に示されるように、ルーバ本体部３２１１の中央部に凝縮水Ｗｃが生じたとする。凝縮水Ｗｃは、ルーバ本体部３２１１に設けられた第１誘導溝４１ａ、４１ｂ及び第２誘導溝４２（図３，４参照。図５においては明示せず）により、ルーバ本体部３２１１上を排水経路Ｐ３又はＰ４に沿って濡れ広がる。

第１誘導溝４１ａ、４１ｂ、４１ｃ、４１ｄは第２誘導溝４２よりも親水性が高くなるように設けているため、凝縮水Ｗｃは、第２誘導溝４２よりも第１誘導溝４１ａ、４１ｂ、４１ｃ、４１ｄに主に集められる。凝縮水Ｗｃはルーバの幅方向Ｗにおける端部に集まりながら、ルーバ端部３２１２へと向かう。

第１誘導溝４１ａ、４１ｂ、４１ｃ、４１ｄに凝縮水を多く集めることによって、第１誘導溝４１ａ、４１ｂ、４１ｃ、４１ｄに集められた凝縮水が、周囲の凝縮水を第１誘導溝４１ａ、４１ｂ、４１ｃ、４１ｄの近くへと引き込むようにできる。

第１誘導溝４１ａ、４１ｂに主に集められた凝縮水は、凝縮水がルーバ端部３２１２を乗り越えるように回り込む。凝縮水をルーバ端部３２１２の幅方向Ｗの端部により多く集められるので、凝縮水の排水経路Ｐ１又はＰ２による排水を促進することができる。

本実施形態に係る熱交換器１０は、積層方向Ｄ１に沿って並ぶように配置され熱交換媒体が流れる複数のチューブ２０と、積層方向Ｄ１に沿って隣り合うチューブ２０の間に設けられ、チューブ２０に接合される複数の折り曲げ部３１と、複数の折り曲げ部３１を接続するように伸びる複数の平板部３２と、を有する波形状のフィン３０と、を備えている。平板部３２は、平板部３２の一部が切り起こされることによって形成されるルーバ３２１を有している。ルーバ３２１は、熱交換媒体と熱交換するための空気を案内するルーバ本体部３２１１と、ルーバ本体部３２１１と平板部３２とを繋ぐルーバ端部３２１２と、を有する。ルーバ本体部３２１１の表面には、空気流に沿った幅方向Ｗにおける端部に第１誘導溝４１ａ、４１ｂ、４１ｃ、４１ｄと、幅方向Ｗにおいて第１誘導溝４１ａ、４１ｂ、４１ｃ、４１ｄより内側に第２誘導溝４２と、が形成され、第１誘導溝４１ａ、４１ｂ、４１ｃ、４１ｄは第２誘導溝４２よりも親水性が高くなるように設けられている。

親水性の高い第１誘導溝４１ａ、４１ｂ、４１ｃ、４１ｄをルーバの幅方向Ｗにおける端部に設けているので、親水性が比較的低い第２誘導溝４２が設けられている領域から、親水性が比較的高い第１誘導溝４１ａ、４１ｂ、４１ｃ、４１ｄが設けられている端部に凝縮水が導かれる。幅方向Ｗにおける端部に導かれた凝縮水は、ルーバ本体部３２１１からルーバ端部３２１２に導かれ排水される。ルーバ本体部３２１１に親水性の異なる第１誘導溝４１ａ、４１ｂ、４１ｃ、４１ｄ及び第２誘導溝４２を形成することで、ルーバ本体部３２１１に溜まった凝縮水の排水を促進できるので、ルーバ３２１の加工を容易なものとしつつ、凝縮水の排水を促進することができる。

また、本実施形態に係る熱交換器１０では、第１誘導溝４１ａ、４１ｂ、４１ｃ、４１ｄはルーバ３２１の幅方向Ｗにおける両端に設けられる。この構成により、幅方向Ｗの端部により近い位置に凝縮水を集めることができる。ルーバ３２１の幅方向Ｗの端部に集めることで、凝縮水を冷媒流れの下流側の面に近い位置に集めることができる。凝縮水が冷媒流れの下流側の面に移動しやすくなるので、凝縮水の排水がより促進される。

また、本実施形態に係る熱交換器１０では、第１誘導溝４１ａ、４１ｂ、４１ｃ、４１ｄはルーバ３２１の板厚方向Ｔにおいて、ルーバ３２１の両面に設けられる。第１誘導溝４１ａ、４１ｂ、４１ｃ、４１ｄを、ルーバ３２１の両面に設けることで、冷媒流れの下流側の面においても、ルーバ３２１の幅方向Ｗにおける端部に凝縮水を集めることができる。凝縮水は、ルーバ３２１の両面において幅方向Ｗにおける端部に集められる。ルーバ３２１の幅方向Ｗにおける端部に集められた凝縮水が結合しやすくなるので、凝縮水の排水がより促進される。

また、本実施形態に係る熱交換器１０は、蒸発器として用いられる。蒸発器として熱交換器１０を用いる場合には、フィン３０に多くの凝縮水が発生するため、排水を促進することによって、熱交換器１０の効率向上効果がより大きくなる。

また、本実施形態に係る熱交換器１０では、第１誘導溝４１ａ、４１ｂ、４１ｃ、４１ｄは、第２誘導溝４２よりも溝の深さが深くなっている。第１誘導溝４１ａ、４１ｂ、４１ｃ、４１ｄの深さを深くすることによって、親水性を第２誘導溝４２よりも高くすることができる。

以上、具体例を参照しつつ本実施形態について説明した。しかし、本開示はこれらの具体例に限定されるものではない。これら具体例に、当業者が適宜設計変更を加えたものも、本開示の特徴を備えている限り、本開示の範囲に包含される。前述した各具体例が備える各要素及びその配置、条件、形状などは、例示したものに限定されるわけではなく適宜変更することができる。前述した各具体例が備える各要素は、技術的な矛盾が生じない限り、適宜組み合わせを変えることができる。

１０：熱交換器
２０：チューブ
３０：フィン
３１、３１ａ、３１ｂ：折り曲げ部
３２、３２ａ：平板部
３２１：ルーバ
３２１１：ルーバ本体部
３２１２、３２１２ａ、３２１２ｂ：ルーバ端部
４１ａ、４１ｂ、４１ｃ、４１ｄ：第１誘導溝
４２：第２誘導溝

Claims (5)

1. 熱交換器であって、
   積層方向に沿って並ぶように配置され熱交換媒体が流れる複数のチューブ（２０）と、
   前記積層方向に沿って隣り合うチューブの間に設けられ、前記チューブに接合される複数の折り曲げ部（３１）と、前記複数の折り曲げ部を接続するように伸びる複数の平板部（３２）と、を有する波形状のフィン（３０）と、を備え、
   前記平板部は、前記平板部の一部が切り起こされることによって形成されるルーバ（３２１）を有し、
   前記ルーバは、前記熱交換媒体と熱交換するための空気を案内するルーバ本体部（３２１１）と、前記ルーバ本体部と前記平板部とを繋ぐルーバ端部（３２１２）と、を有し、
   前記ルーバ本体部の表面には、空気流に沿った幅方向における端部に第１誘導溝（４１ａ、４１ｂ、４１ｃ、４１ｄ）と、前記幅方向において前記第１誘導溝より内側に第２誘導溝（４２）と、が形成され、前記第１誘導溝は前記第２誘導溝よりも親水性が高い、熱交換器。
2. 請求項１に記載の熱交換器であって、
   前記第１誘導溝は、前記幅方向における両端に設けられる。
3. 請求項１又は２に記載の熱交換器であって、
   前記第１誘導溝は、前記ルーバの板厚方向における両端に設けられる。
4. 請求項１又は２に記載の熱交換器であって、
   蒸発器として用いられる。
5. 請求項１又は２に記載の熱交換器であって、
   前記第１誘導溝は、前記第２誘導溝よりも溝の深さが深い。

Images