(57)【要約】【課題】  チューブ間にフィンが配置された熱交換器において、フィンのルーバピッチを短くすることなく、フィンの熱伝達率を向上させる。【解決手段】  フィン３の平面部３ａに対してルーバ３ｃが所定の角度θ１で捻られ、隣接するルーバ３ｃ間にルーバ間通路５が形成された熱交換器において、ルーバ間通路５側に突出した段差部３ｄをルーバ３ｃに設ける。これによると、冷却用空気がルーバ間通路５を流れる際に、冷却用空気の流れが段差部３ｄによって乱されて温度境界層が破壊されるため、段差部３ｄの部位で局所熱伝達率が再度向上する。【選択図】        図３
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
内部を内部流体が流通するとともに、積層配置された複数のチューブ（２）と、前記チューブ（２）間に配置されるとともに、前記チューブ（２）間を流れる外部流体の流通方向（Ｘ２）と略平行な平面部（３ａ）を有するフィン（３）とを備え、
前記平面部（３ａ）に対して所定の角度（θ１）で捻られたルーバ（３ｃ）が前記外部流体の流通方向（Ｘ２）に沿って前記平面部（３ａ）に複数設けられ、隣接する前記ルーバ（３ｃ）間にルーバ間通路（５）が形成された熱交換器において、
前記所定の角度（θ１）に沿った方向をルーバ巾方向（Ｘ４）としたとき、
前記ルーバ（３ｃ）における前記ルーバ巾方向（Ｘ４）の中間部に、前記ルーバ間通路（５）側に突出した段差部（３ｄ）が設けられていることを特徴とする熱交換器。
【請求項２】
前記ルーバ（３ｃ）の両側に位置する前記ルーバ間通路（５）のうち、前記外部流体の流通方向（Ｘ２）上流側に位置する前記ルーバ間通路（５）側に、前記段差部（３ｄ）が設けられていることを特徴とする請求項１に記載の熱交換器。
【請求項３】
内部を内部流体が流通するとともに、積層配置された複数のチューブ（２）と、前記チューブ（２）間に配置されるとともに、前記チューブ（２）間を流れる外部流体の流通方向（Ｘ２）と略平行な平面部（３ａ）を有するフィン（３）とを備え、
前記平面部（３ａ）に対して所定の角度（θ１）で捻られたルーバ（３ｃ）が前記外部流体の流通方向（Ｘ２）に沿って前記平面部（３ａ）に複数設けられ、隣接する前記ルーバ（３ｃ）間にルーバ間通路（５）が形成された熱交換器において、
前記所定の角度（θ１）に沿った方向をルーバ巾方向（Ｘ４）としたとき、
前記ルーバ（３ｃ）における前記ルーバ巾方向（Ｘ４）の中間部に、前記ルーバ（３ｃ）の両側に位置する前記ルーバ間通路（５）を連通させる連通路（３ｅ、３ｇ）が設けられていることを特徴とする熱交換器。
【請求項４】
前記連通路は、前記チューブの積層方向（Ｘ３）に沿って切り込みを入れた後に、前記切り込みの両側を変形させて形成した、前記チューブの積層方向（Ｘ３）に細長いスリット（３ｇ）であることを特徴とする請求項３に記載の熱交換器。
【請求項５】
前記フィン（３）は、前記内部流体の流通方向（Ｘ１）に沿って複数配置された前記平面部（３ａ）及び隣接する前記平面部（３ａ）間を繋ぐ湾曲部（３ｂ）を有するように波状に形成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。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は熱交換器に関するもので、内燃機関の冷却水と空気とを熱交換するラジエータ等に適用して有効である。
【背景技術】
【０００２】
従来の熱交換器におけるフィンは鎧窓状のルーバを有し、ルーバの先端効果によりフィンの熱伝達率を向上させている。また、平面部に対してルーバを所定の角度傾けることにより、冷却用空気の流れを変えて隣接するルーバ間のルーバ間通路に冷却用空気を導き、これによってもフィンの熱伝達率を向上させている（例えば、特許文献１参照）。
【特許文献１】特開２００３−８３６９０号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
しかしながら、上記の従来の熱交換器は、更なる性能向上にむけてルーバピッチを短くすると、冷却用空気をルーバ間通路に導けなくなってしまい、先端効果は向上するも結果としてフィンの熱伝達率を向上させることができないという問題があった。
【０００４】
本発明は上記点に鑑みて、ルーバピッチを短くすることなく、フィンの熱伝達率を向上させることを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
上記目的を達成するため、請求項１に記載の発明では、内部を内部流体が流通するとともに、積層配置された複数のチューブ（２）と、チューブ（２）間に配置されるとともに、チューブ（２）間を流れる外部流体の流通方向（Ｘ２）と略平行な平面部（３ａ）を有するフィン（３）とを備え、平面部（３ａ）に対して所定の角度（θ１）で捻られたルーバ（３ｃ）が外部流体の流通方向（Ｘ２）に沿って平面部（３ａ）に複数設けられ、隣接するルーバ（３ｃ）間にルーバ間通路（５）が形成された熱交換器において、所定の角度（θ１）に沿った方向をルーバ巾方向（Ｘ４）としたとき、ルーバ（３ｃ）におけるルーバ巾方向（Ｘ４）の中間部に、ルーバ間通路（５）側に突出した段差部（３ｄ）が設けられていることを特徴とする。
【０００６】
これによると、外部流体がルーバ間通路を流れる際に、外部流体の流れが段差部によって乱されて温度境界層が破壊されるため、段差部の部位で局所熱伝達率が再度向上する。したがって、ルーバピッチを短くすることなく、フィンの熱伝達率を向上させることができる。
【０００７】
請求項２に記載の発明では、請求項１に記載の熱交換器において、ルーバ（３ｃ）の両側に位置するルーバ間通路（５）のうち、外部流体の流通方向（Ｘ２）上流側に位置するルーバ間通路（５）側に、段差部（３ｄ）が設けられていることを特徴とする。
【０００８】
これによると、外部流体の流れがより強く乱されるため、フィンの熱伝達率をさらに向上させることができる。
【０００９】
請求項３に記載の発明では、内部を内部流体が流通するとともに、積層配置された複数のチューブ（２）と、チューブ（２）間に配置されるとともに、チューブ（２）間を流れる外部流体の流通方向（Ｘ２）と略平行な平面部（３ａ）を有するフィン（３）とを備、平面部（３ａ）に対して所定の角度（θ１）で捻られたルーバ（３ｃ）が外部流体の流通方向（Ｘ２）に沿って平面部（３ａ）に複数設けられ、隣接するルーバ（３ｃ）間にルーバ間通路（５）が形成された熱交換器において、所定の角度（θ１）に沿った方向をルーバ巾方向（Ｘ４）としたとき、ルーバ（３ｃ）におけるルーバ巾方向（Ｘ４）の中間部に、ルーバ（３ｃ）の両側に位置するルーバ間通路（５）を連通させる連通路（３ｅ、３ｇ）が設けられていることを特徴とする。
【００１０】
これによると、外部流体がルーバ間通路を流れる際に、外部流体が連通路を通過して温度境界層の発達が抑制されるため、ルーバピッチを短くすることなく、フィンの熱伝達率を向上させることができる。
【００１１】
請求項４に記載の発明では、請求項３に記載の熱交換器において、連通路は、チューブの積層方向（Ｘ３）に沿って切り込みを入れた後に、切り込みの両側を変形させて形成した、チューブの積層方向（Ｘ３）に細長いスリット（３ｇ）であることを特徴とする。
【００１２】
これによると、廃材を出さずに連通路を形成することができる。
【００１３】
請求項５に記載の発明のように、請求項１ないし４のいずれか１つに記載の熱交換器は、内部流体の流通方向（Ｘ１）に沿って複数配置された平面部（３ａ）及び隣接する平面部（３ａ）間を繋ぐ湾曲部（３ｂ）を有するように波状に形成されたフィン（３）を用いることができる。
【００１４】
なお、上記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。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１５】
（第１実施形態）
本実施形態は、本発明に係る熱交換器を走行用エンジン（内燃機関）の冷却水と空気とを熱交換して冷却水を冷却するラジエータ１に適用したもので、図１（ａ）はラジエータ１の正面図、図１（ｂ）は図１（ａ）のＡ部の拡大図、図２（ａ）は図１のフィン３を一部破断して示す斜視図、図２（ｂ）は図２（ａ）のＢ部の拡大図、図３（ａ）は図１のフィン３をチューブ積層方向Ｘ３から見た断面図、図３（ｂ）は図３（ａ）のＣ部の拡大図である。
【００１６】
図１に示すように、ラジエータ１は、内部をエンジン冷却水が流れるチューブ２、チューブ２の外表面に接合された波状のフィン３、並びにチューブ２内での冷却水の流通方向Ｘ１（以下、冷却水流通方向Ｘ１という）端部に設けられて各チューブ２と連通するヘッダタンク４等を有している。なお、エンジン冷却水は本発明の内部流体に相当する。
【００１７】
チューブ２は、金属製（本実施形態では、アルミニウム合金）であり、冷却水が流れる冷却水通路が内部に形成され、扁平状に形成されている。また、チューブ２は、多数積層配置されていて、隣接するチューブ２間にフィン３が配置されるとともに、隣接するチューブ２間を冷却用空気が流れるようになっている。なお、冷却用空気は本発明の外部流体に相当する。
【００１８】
フィン３は、冷却用空気と冷却水との熱交換を促進するものであり、金属（本実施形態では、アルミニウム合金）よりなり、プレス成型もしくはローラ成型にて製造される。
【００１９】
このフィン３は、図２、図３に示すように、チューブ２間を流れる冷却用空気の流通方向Ｘ２（以下、気流方向Ｘ２という）と略平行な面を有する平面部３ａ及び隣り合う平面部３ａ間を繋ぐ湾曲部３ｂを有しており、気流方向Ｘ２から見て波状に成形されている。この平面部３ａは、冷却水流通方向Ｘ１に沿って複数配置されている。
【００２０】
また、平面部３ａには、平面部３ａを切り起こすことにより鎧窓状のルーバ３ｃが一体形成されている。ルーバ３ｃは、チューブ２の積層方向Ｘ３（以下、チューブ積層方向Ｘ３という）から見たとき、平面部３ａに対して所定の角度θ１（以下、捻り角度θ１という）で捻られており、気流方向Ｘ２に沿って平面部３ａに複数設けられている。そして、隣接するルーバ３ｃ間にルーバ間通路５が形成されている。気流方向Ｘ２の上流側に位置するルーバ３ｃの捻り方向と、気流方向Ｘ２の下流側に位置するルーバ３ｃの捻り方向とは、異なっている。なお、捻り角度θ１は、本実施形態では２３°としている。
【００２１】
ここで、捻り角度θ１に沿った方向をルーバ巾方向Ｘ４としたとき、ルーバ３ｃにおけるルーバ巾方向Ｘ４の中間部に、チューブ積層方向Ｘ３に延びるとともに、ルーバ間通路５側に突出した段差部３ｄが設けられている。
【００２２】
段差部３ｄは、各ルーバ３ｃに１つ設けられ、各ルーバ３ｃの両側に位置するルーバ間通路５のうち、気流方向Ｘ２上流側に位置するルーバ間通路５側に、段差部３ｄが設けられている。また、段差部３ｄをチューブ積層方向Ｘ３から見たときの曲げ角度θ２は、本実施形態では９０°としている。
【００２３】
なお、本実施形態では、フィン３はアルミニウム合金製であり、フィン３の厚みｔは０．０５ｍｍ、ルーバ３ｃにおけるルーバ巾方向Ｘ４の長さＬ（以下、ルーバ巾Ｌという）は０．８ｍｍ、段差部３ｄの突出量Ｓは０．０５ｍｍ、としている。
【００２４】
そして、段差部３ｄの突出量Ｓは、フィン３の厚みｔ以上とするのが望ましい。また、波状に形成されたフィン３の１周期分の長さをフィンピッチＦＰとし、ルーバ３ｃにおける冷却水流通方向Ｘ１の寸法をルーバピッチ高さＨＬＰとしたとき、ＦＰ／ＨＬＰは、１０以下とするのが望ましい。
【００２５】
次に、本実施形態の作用効果を述べる。
【００２６】
図４（ａ）は本実施形態に係るフィン３の局所熱伝達率の変化を示すもので、図４（ｂ）は特許文献１に記載の発明と同様な構成を有するフィンの局所熱伝達率の変化を示すものである。
【００２７】
図４（ａ）に示すように、各ルーバ３ｃにおける気流方向Ｘ２の上流側端部は、先端効果により局所熱伝達率が高くなる。次いで、冷却用空気がルーバ間通路５を流れる際には、温度境界層が発達して局所熱伝達率が次第に低下する。
【００２８】
しかし、本実施形態のラジエータ１は、ルーバ間通路５側に突出した段差部３ｄを有していて、冷却用空気が段差部３ｄに当たることにより、冷却用空気の流れが段差部３ｄによって乱されて温度境界層が破壊されるため、段差部３ｄの部位で局所熱伝達率が再度向上し、平均熱伝達率が向上する。したがって、ルーバピッチを短くすることなく、フィン３の熱伝達率を向上させることができる。
【００２９】
また、段差部３ｄは、気流方向Ｘ２上流側に位置するルーバ間通路５側に設けられているため、気流方向Ｘ２下流側に位置するルーバ間通路５側に段差部３ｄを設ける場合よりも、冷却用空気の流れがより強く乱される。したがって、フィン３の熱伝達率をさらに向上させることができる。
【００３０】
なお、図５は、本実施形態のフィン３の変形例を示すものであり、段差部３ｄをチューブ積層方向Ｘ３から見たときの図である。
【００３１】
図５（ａ）は、段差部３ｄの曲げ角度θ２を鈍角にしたものである。図５（ｂ）は、段差部３ｄの一端側のルーバ巾Ｌ１と、段差部３ｄの他端側のルーバ巾Ｌ２とを、異ならせたものである。図５（ｃ）は、段差部３ｄを各ルーバ３ｃに複数設けたものである。
【００３２】
（第２実施形態）
本発明の第２実施形態について説明する。図６は第２実施形態に係る熱交換器におけるフィン３の斜視図である。
【００３３】
本実施形態は、第１実施形態における段差部３ｄの代わりに、ルーバ３ｃに穴３ｅを設けたものであり、その他の点は第１実施形態と共通している。
【００３４】
穴３ｅは、ルーバ３ｃの両側に位置するルーバ間通路５を連通させるように貫通しており、打ち抜きされている。また、穴３ｅは、楕円形状であり、ルーバ３ｃにおけるルーバ巾方向Ｘ４の中間部に設けられるとともに、チューブ積層方向Ｘ３に沿って各ルーバ３ｃに複数（本例では３個）設けられている。なお、穴３ｅは本発明の連通路に相当する。
【００３５】
これによると、冷却用空気がルーバ間通路５を流れる際に、冷却用空気の一部が穴３ｅを通過して隣のルーバ間通路５に流れることにより、温度境界層の発達が抑制されるため、平均熱伝達率が向上する。したがって、ルーバピッチを短くすることなく、フィン３の熱伝達率を向上させることができる。
【００３６】
（第３実施形態）
本発明の第３実施形態について説明する。図７は第３実施形態に係る熱交換器におけるフィン３の斜視図である。
【００３７】
第２実施形態では、穴３ｅを打ち抜きによって形成したが、本実施形態は、ルーバ３ｃの一部を切り起こして穴３ｅを形成したもので、これにより、廃材を出さずに穴３ｅを形成することができる。なお、３ｆは切り起こされた切り起こし片である。
【００３８】
（第４実施形態）
本発明の第４実施形態について説明する。図８（ａ）は第４実施形態に係る熱交換器におけるフィン３を一部破断して示す斜視図、図８（ｂ）は図８（ａ）のＤ部の拡大図、図９（ａ）は図８のフィン３をチューブ積層方向Ｘ３から見た断面図、図９（ｂ）は図９（ａ）のＥ部の拡大図である。
【００３９】
第２実施形態では、各ルーバ３ｃに複数の穴３ｅを設けて、ルーバ３ｃの両側に位置するルーバ間通路５を連通させるようにしたが、本実施形態は、チューブ積層方向Ｘ３に細長いスリット３ｇを各ルーバ３ｃに１つ設けて、ルーバ３ｃの両側に位置するルーバ間通路５を連通させるようにしている。なお、スリット３ｇは本発明の連通路に相当する。
【００４０】
スリット３ｇは、次のようにして形成される。すなわち、ルーバ３ｃにおけるルーバ巾方向Ｘ４の中間部に、チューブ積層方向Ｘ３に沿って切り込みを入れた後に、その切り込みの両側を変形させて形成する。これにより、廃材を出さずにスリット３ｇを形成することができる。
【００４１】
（他の実施形態）
上記各実施形態では、気流方向Ｘ２の上流側に位置するルーバ３ｃの捻り方向と、気流方向Ｘ２の下流側に位置するルーバ３ｃの捻り方向とを異ならせたが、全てのルーバ３の捻り方向を同じにしてもよい。
【図面の簡単な説明】
【００４２】
【図１】（ａ）は本発明の第１実施形態に係る熱交換器の正面図、（ｂ）は（ａ）のＡ部の拡大図である。
【図２】（ａ）は図１のフィン３を一部破断して示す斜視図、（ｂ）は（ａ）のＢ部の拡大図である。
【図３】（ａ）は図１のフィン３をチューブ積層方向Ｘ３から見た断面図、（ｂ）は（ａ）のＣ部の拡大図である。
【図４】（ａ）は第１実施形態に係る熱交換器におけるフィン３の局所熱伝達率及び平均熱伝達率を示す特性図、（ｂ）は従来の熱交換器におけるフィン３の局所熱伝達率及び平均熱伝達率を示す特性図である。
【図５】第１実施形態に係る熱交換器におけるフィン３の変形例を示す要部の断面図である。
【図６】本発明の第２実施形態に係る熱交換器におけるフィン３の斜視図である。
【図７】本発明の第３実施形態に係る熱交換器におけるフィン３の斜視図である。
【図８】（ａ）は本発明の第４実施形態に係る熱交換器におけるフィン３を一部破断して示す斜視図、（ｂ）は（ａ）のＤ部の拡大図である。
【図９】（ａ）は図８のフィン３をチューブ積層方向Ｘ３から見た断面図、（ｂ）は（ａ）のＥ部の拡大図である。
【符号の説明】
【００４３】
２…チューブ、３…フィン、３ａ…平面部、３ｃ…ルーバ、３ｄ…段差部、５…ルーバ間通路、Ｘ２…冷却用空気の流通方向、Ｘ４…ルーバ巾方向、θ１…所定の角度。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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