(57)【要約】【課題】冷媒通路間にフィンが配置された熱交換器の通風抵抗の増大を抑制する。【解決手段】内部に冷却対象となる冷媒が流れる複数の冷媒通路２１と、隣り合う冷媒通路２１間に配置されたフィン２２と、を備え、冷媒通路２１を流れる冷媒と冷媒通路２１間を流れる流体との間で熱交換が行われる熱交換器１００であって、フィン２２は、冷媒通路２１間を流れる流体の流れ方向に沿って傾斜した状態で、隣り合う冷媒通路２１間に配置されている。【選択図】図２
2020139722.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
内部に冷却対象となる第１流体が流れる複数の流体通路と、
隣り合う前記冷媒通路間に配置されたフィンと、
を備え、
前記流体通路を流れる前記第１流体と、前記流体通路間を流れる第２流体と、の間で熱交換が行われる熱交換器であって、
前記フィンは、前記流体通路間を流れる前記第２流体の流れ方向に沿って傾斜した状態で、隣り合う前記流体通路間に配置される、
熱交換器。
【請求項２】
空間を隔てて配置された複数の被冷却体と、
前記被冷却体の間に配置されたフィンと、
を備え、
前記被冷却体を、前記被冷却体の間を流れる流体によって冷却する冷却構造であって、
前記フィンは、前記被冷却体の間を流れる前記流体の流れ方向に沿って傾斜した状態で、前記被冷却体の間に配置される、
冷却構造。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、熱交換器及び冷却構造に関する。
【背景技術】
【０００２】
特許文献１には、従来の熱交換器として、通風抵抗を増大させる要因となる放熱用のフィンを、冷媒が流れるチューブ等の通路間に設けないようしたものが開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２０１６−１０２６００号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかしながら、前述した従来の熱交換器の場合、通風抵抗の増大は抑制できるものの、放熱用のフィンが設けられていないため、逆に放熱効果が低下するおそれがある。
【０００５】
本発明はこのような問題点に着目してなされたものであり、冷却対象の間にフィンが配置された構造体の通風抵抗の増大を抑制することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
上記課題を解決するために、本発明のある態様によれば、内部に冷却対象となる第１流体が流れる複数の流体通路と、隣り合う流体通路間に配置されたフィンと、を備え、流体通路を流れる第１流体と流体通路間を流れる第２流体との間で熱交換が行われる熱交換器において、フィンが、流体通路間を流れる第２流体の流れ方向に沿って傾斜した状態で隣り合う流体通路間に配置されている。
【０００７】
また、本発明の別の態様によれば、空間を隔てて配置された複数の被冷却体と、被冷却体の間に配置されたフィンと、を備え、被冷却体を、被冷却体の間を流れる流体によって冷却する冷却構造において、フィンが、被冷却体の間を流れる流体の流れ方向に沿って傾斜した状態で、被冷却体の間に配置されている。
【発明の効果】
【０００８】
本発明のこれらの態様によれば、冷却対象の間にフィンが配置された構造体の通風抵抗の増大を抑制することができる。
【図面の簡単な説明】
【０００９】
【図１】図１は、本発明の一実施形態による熱交換器の概略斜視図である。
【図２】図２は、隣り合う冷媒通路間に形成された本発明の一実施形態によるフィンの拡大図である。
【図３】図３は、冷媒通路の側面側から見たときの、冷媒通路の側面に接続された各フィンの一端部の位置関係を示す模式図である。
【図４】図４は、フィンを横切る空気の実効速度の相違を、冷媒通路間を通過していく空気の流れ方向に沿ってフィンを傾斜させなかった場合と、冷媒通路間を通過していく空気の流れ方向に沿ってフィンを傾斜させた場合とで、比較して説明するための図である。
【図５】図５は、冷媒通路間を通過していく空気の全体的な流れを示した図である。
【図６】図６は、各フィンを冷媒通路間に千鳥状に配置することで得られる作用効果について説明するための図である。
【図７】図７は、ポンプ動力が一定の下で、フィンの傾斜角度などを変化させた場合の、伝熱面と空気間の熱伝達率の実験データを示した表である。
【図８】図８は、フィンの形状をＶ字形状とせずに、傾斜した直線形状とした本発明の変形例によるフィンを示した図である。
【発明を実施するための形態】
【００１０】
以下、図面を参照して本発明の実施形態について詳細に説明する。なお、以下の説明では、同様な構成要素には同一の参照番号を付す。
【００１１】
図１は、本発明の一実施形態による冷却構造を有する熱交換器１００の概略斜視図である。
【００１２】
熱交換器１００は、アッパタンク１と、コア部２と、ロアタンク３と、を備える。
【００１３】
アッパタンク１には、内燃機関や燃料電池スタックなどの部品の内部を循環して高温になった例えば冷却水や冷却ガスなどの流体の冷媒が、アッパタンク１に形成された導入口１１から導入される。なお本実施形態では、液冷媒である冷却水を冷媒として使用している。
【００１４】
コア部２は、高温の冷媒と低温の例えば空気などの気体との間で熱交換を行わせて冷媒を冷却する部分であって、アッパタンク１の内部とロアタンク３の内部とを連通する例えばチューブ等の複数本の冷媒通路２１と、隣り合う冷媒通路２１間に形成された放熱用のフィン２２と、を備える。冷媒通路２１は、熱交換器１００の幅方向に等間隔に複数本設けられており、また奥行き方向にも等間隔に複数本設けられている。アッパタンク１に導入された冷媒は、コア部２の各冷媒通路２１に略均一に分配され、各冷媒通路２１をロアタンク３に向かって流れていく過程で、図１に矢印Ａで示すようなコア部２の前面から背面に向かって隣り合う冷媒通路２１間を通過していく空気によって冷却される。
【００１５】
ロアタンク３には、コア部２の各冷媒通路２１を流れて冷却された冷媒が、各冷媒通路２１から排出されて導入される。ロアタンク３に導入された冷媒は、ロアタンク３に形成された排出口３１から排出されて、内燃機関や燃料電池スタックなどの部品の内部に供給される。
【００１６】
本実施形態による熱交換器１００のように、隣り合う冷媒通路２１間にフィン２２を設けることで、冷媒通路２１間を流れる空気と接する伝熱面（冷媒通路２１の側面及びフィン２２の表面）の面積を増大させることができるため、熱交換器１００の放熱性能（冷却性能）を向上させることができる。
【００１７】
その一方で、隣り合う冷媒通路２１間にフィン２２を設けると、フィン２２によって冷媒通路２１間を流れる空気の流れが阻害されることになる。そのため、空気が冷媒通路２１間を通過する際の通風抵抗、すなわち圧力損失Ｐ［Ｐａ］が増大する。この空気が冷媒通路２１間を通過する際の通風抵抗が増大するに従って、熱交換器１００の放熱性能は逆に低下する。
【００１８】
したがって、本実施形態のように隣り合う冷媒通路２１間に放熱用のフィン２２が設けられた熱交換器１００の場合、空気が冷媒通路２１間を通過する際の通風抵抗を低減することが重要となる。そこで本実施形態では、フィン２２の形状を、空気が冷媒通路２１間を通過する際の通風抵抗を低減させることが可能な形状とすることとした。以下、この本実施形態によるフィン２２の形状について説明する。
【００１９】
図２は、隣り合う冷媒通路２１間に形成された本実施形態によるフィン２２の拡大図である。なお図２において、冷媒通路２１間の距離は、約５［ｍｍ］とされ、冷媒通路２１の熱交換器１００の奥行き方向の距離は、約２５［ｍｍ］とされている。
【００２０】
本実施形態では、フィン２２の形状を、冷媒通路２１間を通過していく空気の流れ方向Ａに沿って傾斜させた形状としており、冷媒通路２１間を通過していく空気の流れ方向Ａに対してフィン２２が直交しないような形状としている。
【００２１】
具体的には本実施形態によるフィン２２は、図２に示すように、その一端部２２ａ及び他端部２２ｂが、それぞれ隣り合う冷媒通路２１の側面２１ａに接続されており、その中央部２２ｃが、一端部２２ａ及び他端部２２ｂよりも、冷媒通路２１間を通過していく空気の流れ方向Ａの下流側に位置するように屈曲したＶ字形状とされる。なお本実施形態では、フィン２２の一端部２２ａ、及び他端部２２ｂのそれぞれの熱交換器１００の奥行き方向の位置は同じであり、フィン２２の一端部２２ａ、他端部２２ｂ、及び中央部２２ｃのそれぞれの熱交換器１００の高さ方向の位置も同じであるが、これらの奥行き方向の位置や高さ方向の位置は、適宜変更してもよい。
【００２２】
また、フィン２２は、熱交換器１００の高さ方向の同じ位置に、奥行き方向に等間隔で複数本設けられており、熱交換器１００の高さ方向の同じ位置に形成された複数本のフィン２２のことを「フィン群」と称すると、熱交換器１００の高さ方向に等間隔に各フィン群が形成されている。
【００２３】
図３は、冷媒通路２１の側面側（図２の矢印Ｂの方向）から見たときの、冷媒通路２１の側面に接続された各フィン２２の一端部２２ａの位置関係を示す模式図である。
【００２４】
前述したように、本実施形態では、熱交換器１００の高さ方向に等間隔に各フィン群を形成している。このとき、図３に示すように、熱交換器１００の高さ方向に隣接する２つの各フィン群を、それぞれ第１フィン群、第２フィン群と称すると、本実施形態では、第１フィン群の各フィン２２の一端部２２ａの位置に対して、第２フィン群の各フィン２２の一端部２２ａの位置を、熱交換器１００の奥行方向に所定距離だけずらすようにしている。すなわち本実施形態では、各フィン２２を、冷媒通路２１間に千鳥状に配置させている。
【００２５】
具体的には本実施形態では、第１フィン群の隣り合うフィン２２の一端部２２ａ間の中間位置に、第２フィン群のフィン２２の一端部２２ａが位置するように、第１フィン群の各フィン２２の一端部２２ａの位置に対して、第２フィン群の各フィン２２の一端部２２ａの位置を熱交換器１００の奥行き方向に所定距離だけずらしている。
【００２６】
なお、図３に示すように、熱交換器１００の高さ方向に隣り合うフィン２２間の距離をＷ［ｍｍ］とし、奥行き方向に隣り合うフィン間の距離をＬ［ｍｍ］とすると、本実施形態では距離Ｗを２［ｍｍ］、距離Ｌを４．２［ｍｍ］としている。
【００２７】
このように本実施形態では、フィン２２の形状を、冷媒通路２１間を通過していく空気の流れ方向Ａに沿って傾斜させた形状にすると共に、各フィン２２を冷媒通路２１間に千鳥状に配置するようにしている。
【００２８】
以下ではまず、フィン２２の形状を、冷媒通路２１間を通過していく空気の流れ方向Ａに沿って傾斜させた形状とすることで得られる作用効果について説明する。
【００２９】
空気が或る管路（流路）を流れる際に生じる通風抵抗、すなわち圧力損失Ｐは、空気の密度をρ［ｋｇ／ｍ３］、管路を流れる空気の実効速度をｕ［ｍ／ｓ］、管路固有の摩擦損失係数をλ、管路の長さをＬ［ｍ］、管路の径をＨ［ｍ］とすると、下記の（１）式で表すことができる。
Ｐ＝（λ・ρ・ｕ２・Ｌ）／２Ｈ  …（１）
【００３０】
この（１）式から分かるように、圧力損失Ｐは、実効速度ｕの２乗に比例して大きくなる。したがって、フィン２２を横切る空気の実効速度（すなわち、冷媒通路２１の側面２１ａと平行に流れる空気の流速ｖのフィン２２に直交する成分）ｕを小さくすることで、冷媒通路２１間を空気が通過する際の通風抵抗を小さくすることができる。
【００３１】
図４は、フィン２２を横切る空気の実効速度ｕの相違を、冷媒通路２１間を通過していく空気の流れ方向Ａに沿ってフィン２２を傾斜させなかった比較例の場合（すなわち、冷媒通路２１間を通過していく空気の流れ方向Ａに対してフィン２２が直交している場合）と、冷媒通路２１間を通過していく空気の流れ方向Ａに沿ってフィン２２を傾斜させた本実施形態の場合とで、比較して説明するための図である。
【００３２】
図４（Ａ）に示す比較例のように、冷媒通路２１間を通過していく空気の流れ方向Ａに対して、フィン２２が直交するように設けられていた場合には、空気がフィン２２に当たっても、基本的に空気の流れ方向は変化しない。そのため空気は、フィン２２に当たった後も、基本的に冷媒通路２１の側面２１ａと平行に流れることになるため、フィン２２を横切る空気の実効速度ｕは、冷媒通路２１の側面２１ａと平行に流れる空気の流速ｖとほぼ同じとなる。
【００３３】
これに対して、図４（Ｂ）に示す本実施形態のように、冷媒通路２１間を通過していく空気の流れ方向Ａに沿ってフィン２２が傾斜するように設けられていた場合には、空気がフィン２２に当たると、フィン２２の傾斜角度θ（０度＜θ＜９０度）に応じて空気の流れ方向が変化する。具体的には、空気の流れ方向が、冷媒通路２１の側面２１ａと平行に流れる方向から冷媒通路２１の側面２１ａ側に向かう方向へと変化し、フィン２２を横切る空気の実効速度ｕ（すなわち冷媒通路２１の側面２１ａと平行に流れる空気の流速ｖのフィン２２に直交する成分）は、ｖ・ｃｏｓθとなる。
【００３４】
したがって、冷媒通路２１間を通過していく空気の流れ方向Ａに沿ってフィン２２を傾斜させることで、フィン２２の傾斜角度θに応じて、フィン２２を横切る空気の実効速度ｕを低下させることができる。そのため、冷媒通路２１間を空気が通過する際の通風抵抗を小さくすることができるので、フィン２２によって冷媒通路２１間を流れる空気の流れが阻害されることに起因する熱交換器１００の放熱性能の低下を抑制することができる。なお本実施形態では、フィン２２の一端部２２ａ側の傾斜角度θと、他端部２２ｂ側の傾斜角度θを、それぞれ同じ４５度としているが、それぞれの傾斜角度θを異ならせてもよい。
【００３５】
また、冷媒通路２１間を通過していく空気の流れ方向Ａに沿ってフィン２２を傾斜させることで、さらに以下のような効果も得ることができる。図５は、冷媒通路２１間を通過していく空気の全体的な流れを示した図である。
【００３６】
前述したように、冷媒通路２１間を通過していく空気の流れ方向Ａに沿ってフィン２２を傾斜させることで、空気全体の流れ方向を、冷媒通路２１の側面２１ａと平行に流れる方向から冷媒通路２１の側面２１ａ側に向かう方向へと変化させることができる。そのため、図５に示すように、冷媒通路２１間の中央付近を流れる空気の風量に対して、冷媒通路２１の側面２１ａ付近を流れる空気の風量を徐々に多くすることができる。これにより、冷媒通路２１の側面２１ａ（側壁）から空気への熱伝達を促進させることができるので、熱交換器１００の放熱性能の低下を一層抑制することができる。
【００３７】
続いて、各フィン２２を冷媒通路２１間に千鳥状に配置することで得られる作用効果について、図６を参照して説明する。
【００３８】
図６に示すように、各フィン２２を冷媒通路２１間に千鳥状に配置することで、例えば第１フィン群のフィン２２に当たって熱交換器１００の高さ方向に分流した空気を、すぐに第２フィン群のフィン２２に当てることができるため、空気を第１フィン群及び第２フィン群の各フィン２２に沿うように流すことができる。すなわち、空気が各フィン２２から剥離して熱交換器１００の高さ方向に分散してしまうのを抑制することができる。
【００３９】
図７は、フィン２２の一端部２２ａ側及び他端部２２ｂ側のそれぞれの傾斜角度θ（図４（Ｂ）参照）、熱交換器１００の高さ方向に隣り合うフィン２２間の距離Ｗ（図３参照）、及び熱交換器１００の奥行き方向に隣り合うフィン間の距離Ｌ（図３参照）を変化させた場合の、ポンプ動力（圧力損失と体積流量の積）が一定の下での伝熱面と空気間の熱伝達率ｈ［Ｗ／（ｍ２・Ｋ）］の実験データを示した表である。
【００４０】
なお、図７に示す本実施形態の変形例１は、本実施形態と同様に、フィン２２の形状を図４（Ｂ）に示したＶ字形状として、距離Ｗ及び距離Ｌのみを本実施形態から変更し、各フィン２２を冷媒通路２１間に千鳥状に配置した例である。
【００４１】
また、本実施形態の変形例２から変形例４は、本実施形態と同様に、フィン２２の形状を図４（Ｂ）に示したＶ字形状として、フィン２２の傾斜角度θを好ましい範囲と考えられる概ね３０度から７０度までの範囲で本実施形態から変化させると共に、さらに距離Ｗ及び距離Ｌをそれぞれ本実施形態から変更し、各フィン２２を冷媒通路２１間に千鳥状に配置した例である。
【００４２】
また、本実施形態の変形例５は、図８に示すように、フィン２２の形状をＶ字形状とせず、フィン２２の他端部２２ｂが、一端部２２ａよりも、冷媒通路２１間を通過していく空気の流れ方向Ａの下流側に位置するような傾斜した直線形状として、各フィン２２を冷媒通路２１間に千鳥状に配置した例である。
【００４３】
そして、比較例１は、フィン２２の形状を図４（Ａ）に示した空気の流れ方向Ａと直交する直線形状として、各フィン２２を冷媒通路２１間に千鳥状に配置した例であり、比較例２は、フィン形状を従来から存在するコルゲート形状とした例である。
【００４４】
図７の本実施形態、及びその変形例１から変形例５に示すように、冷媒通路２１間を通過していく空気の流れ方向Ａに沿ってフィン２２を傾斜させることで、フィン２２を横切る空気の実効速度ｕ（＝ｖ・ｃｏｓθ）を低下させることができるので、フィン２を傾斜させない比較例１及び比較例２と比較して、伝熱面と空気間の熱伝達率ｈが高くなっていることが分かる。
【００４５】
そして、本実施形態、及びその変形例１に示すように、フィン２２を横切る空気の実効速度ｕ（＝ｖ・ｃｏｓθ）が最小となる、フィン２２の一端部２２ａ側及び他端部２２ｂ側のそれぞれの傾斜角度θが４５度のときに、その他の変形例２〜５と比較して、伝熱面と空気間の熱伝達率ｈが高くなっていることが分かる。
【００４６】
また、本実施形態とその変形例１とを比較すると、フィン２２の一端部２２ａ側及び他端部２２ｂ側のそれぞれの傾斜角度θが同じ４５度であっても、距離Ｗ及び距離Ｌを短くした方が、各フィン２２を冷媒通路２１間に千鳥状に配置したことによる作用効果が大きくなり、伝熱面と空気間の熱伝達率ｈが一層高くなっていることわかる。
【００４７】
以上説明した本実施形態によれば、内部に冷却対象となる冷媒（第１流体）が流れる複数の冷媒通路２１（流体通路）と、隣り合う冷媒通路２１間に配置されたフィン２２と、を備え、冷媒通路２１を流れる冷媒と冷媒通路２１間を流れる空気（第２流体）との間で熱交換が行われる熱交換器１００において、フィン２２は、冷媒通路２１間を流れる空気の流れ方向Ａに沿って傾斜した状態で、隣り合う冷媒通路２１間に配置されている。
【００４８】
これにより、フィン２２の傾斜角度θに応じて、フィン２２を横切る空気の実効速度ｕを低下させることができる。そのため、冷媒通路２１間を空気が通過する際の通風抵抗を小さくすることができるので、フィン２２によって冷媒通路２１間を流れる空気の流れが阻害されることに起因する熱交換器１００の放熱性能の低下を抑制することができる。
【００４９】
以上、本発明の実施形態について説明したが、上記実施形態は本発明の適用例の一部を示したに過ぎず、本発明の技術的範囲を上記実施形態の具体的構成に限定する趣旨ではない。
【００５０】
例えば、上記の実施形態において、フィン２２の内部に、隣り合う冷媒通路２１の内部と連通して冷媒が流れる通路を形成するようにしても良い。またフィン２２の断面形状は、特に限られるものではないが、例えば楕円形（流線形）とすることで、空気がフィン２２に当たったときに、流れの剥離が生じるのを抑制することができる。また、上記の実施形態では、冷媒通路２１間に空気などの気体が流れるようにしていたが、これに限らず、液体が流れるようにしてもよい。
【００５１】
また、本発明の技術的思想を具現化した冷却構造の一例として、上記のような熱交換器１００を例示して説明したが、これに限らず、例えば、燃料電池やリチウムイオン電池の排熱性能（冷却性能）を向上させるために、積層された複数の単位セルのうちの例えば一部の隣り合う単位セル間に、空気などの気体が流れる空冷層を設け、その空気層に空気の流れ方向に沿って傾斜したフィン２２を配置することで、被冷却体としての単位セルを冷却するような冷却構造としてもよい。すなわち、空間を隔てて配置された複数の単位セル（被冷却体）と、単位セルの間に配置されたフィンと、を備え、単位セルを、単位セルの間を流れる流体によって冷却する冷却構造において、フィンを、単位セルの間を流れる流体の流れ方向に沿って傾斜した状態で単位セルの間に配置するようにしてもよい。
【符号の説明】
【００５２】
２１    冷媒通路（流体通路）
２２    フィン
１００    熱交換器
【図１】
2020139722.tif 000003
【図２】
2020139722.tif 000004
【図３】
2020139722.tif 000005
【図４】
2020139722.tif 000006
【図５】
2020139722.tif 000007
【図６】
2020139722.tif 000008
【図７】
2020139722.tif 000009
【図８】
2020139722.tif 000010