(57)【要約】【課題】複数本の扁平なチューブと、それらの間を連結する多数のフィンとを有する熱交換器において、熱交換効率を従来のものよりも大幅に改善する。【解決手段】第１の流体が流れる扁平チューブ２の外側に波形の腹面１２を形成して、フィン５によって第２の流体のための蛇行する流路を形成する。第２の流体がフィン５に沿って流れる間に蛇行する流路によって扁平チューブ２の波形の腹面１２に衝突して乱流となる。乱流が扁平チューブ２の表面とフィン５の表裏面に接触するので、それらの面では厚い境界層が形成されないで伝熱が促進されることから、扁平チューブ２の内部を流れる温水のような第１の流体と、外部を流れる空気のような第２の流体との間の熱交換効率が著しく向上する。【選択図】　　　図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
内側に第１の流体のための流路を形成する複数本の扁平チューブの外側面が波形をなしていることによって、前記扁平チューブの外側を流れる第２の流体のための流路が波形に蛇行していると共に、第２の流体のための流路となる前記扁平チューブの外側に第２の流体を案内する板状のフィンが設けられていることを特徴とする熱交換器。
【請求項２】
請求項１において、前記扁平チューブが、波形をつけた板材を管状に曲げて、継ぎ目を接合することによって製作されていることを特徴とする熱交換器。
【請求項３】
請求項１において、前記扁平チューブが、対になった波板を接合することによって形成されていることを特徴とする熱交換器。
【請求項４】
請求項１ないし３のいずれかにおいて、前記扁平チューブの内部に補強用のプレートが装着されていることを特徴とする熱交換器。
【請求項５】
請求項１において、前記扁平チューブが、内部に第１の流体の流路が形成されるように、押し出し成形によって製作されていることを特徴とする熱交換器。
【請求項６】
請求項１ないし５のいずれかにおいて、前記板状のフィンの長手方向が、前記扁平チューブの長手方向に対して実質的に垂直になっていることを特徴とする熱交換器。
【請求項７】
請求項６において、前記板状のフィンが、それの長手方向の終端において折り返すように屈曲していることを特徴とする熱交換器。
【請求項８】
請求項６において、前記板状のフィンが複数個、多段の棚のように脚部を介して繋がってフィン組立体を構成していることを特徴とする熱交換器。
【請求項９】
請求項１ないし８のいずれかにおいて、前記フィンが、前記扁平チューブの外側面に形成される波形の腹面の頂部或いは底部に接合されていることを特徴とする熱交換器。
【請求項１０】
請求項８において、前記フィン組立体の前記脚部が、前記扁平チューブの外側面に形成される波形の腹面の頂部或いは底部に接合されていると共に、前記脚部によって第２の流体が通過する窓穴が形成されていることを特徴とする熱交換器。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、自動車に使用される内燃機関の冷却水のための放熱用ラジエータ、空調装置の暖房用ヒータコア（加熱器）、冷房用のコンデンサ（凝縮器）或いはエバポレータ（蒸発器）のような熱交換器に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来の自動車用空調装置において、高温となる内燃機関用の冷却水を利用して車室内の空気を加熱する熱交換器であるヒータコア４１の一例の要部構造が図４に示されている。このヒータコア４１の全体構成は、本発明の実施例として後に詳細に説明する図２と概ね同様な外観を呈する。従来のヒータコア４１においては、アルミニウムの材料を押し出し成形の方法によって扁平な管状に成形した複数本の扁平なチューブ４２を、所定の間隔をおいて縦に平行に配列させて、それらのチューブ４２の上端に共通の上部タンクを接合すると共に、下端に共通の下部タンクを接合して冷却水通路を形成し、隣接する扁平チューブ４２の間に挟み込むように、アルミニウムの薄い板材を波形に折り曲げたコルゲートフィン４３を取り付けて、蝋付けによって接合することにより空気通路を形成している。
【０００３】
このような構成の従来型ヒータコア４１においても、コルゲートフィン４３と空気流との間の熱交換を促進するために、コルゲートフィン４３に切り起こしを加えて例えば短冊形等の多数のルーバ４４を形成する場合があるが、扁平なチューブ４２の表面は平坦であり、コルゲートフィン４３でもルーバ４４を形成することができない部分４５は平坦であるから、コルゲートフィン４３の一部にルーバ４４を形成しただけでは、扁平チューブ４２の外表面と、チューブ４２の外部を流れる空気流との間の熱交換効率は殆ど改善されないという問題がある。
【０００４】
また、図５に示した別の従来型ヒータコア４８では、扁平チューブ４２の平坦な面に多数の窪みからなるディンプル４６を形成するとか、複数個の突条からなるリブを形成するというようなことも行われているが、ディンプル４６や突条の内部は空気の流れのない領域になるので必ずしも有効とは限らないし、扁平チューブ４２の表面でもコルゲートフィン４３の屈曲部４７と接合される部分では、接合のための蝋材がディンプル４６等を埋めるので、そのような部分ではディンプル４６等が空気と扁平チューブ４２の間の伝熱性能を向上させることはなく、扁平チューブ４２の壁面と、その内部を流れる冷却水（温水）との間の伝熱性能を高めるために役立つ程度である。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は、従来技術におけるこのような問題に着目して、ラジエータ、ヒータコア、コンデンサ或いはエバポレータのような熱交換器において、内部を冷却水（温水）のような第１の流体が流れる扁平チューブに取り付けられたフィンと、それに接触して流れる空気のような第２の流体との間の熱交換効率を高めるだけでなく、新規な手段を講じることによって、内部を第１の流体が流れる扁平なチューブそのものの外表面と、その外部を流れる第２の流体との間の直接的な熱交換効率をも高めて、第１の流体と第２の流体との間の熱交換効率を従来よりも大幅に改善することを目的としている。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
本発明は、この課題を解決するための手段として、特許請求の範囲の請求項１に記載された熱交換器を提供する。
【０００７】
本発明の熱交換器においては、内側に第１の流体のための流路を形成する複数本の扁平チューブの外表面が波形をなしていることによって、扁平チューブの外側を流れる第２の流体のための流路が波形に蛇行していると共に、蛇行する流路に板状のフィンが設けられているので、例えば空気のような第２の流体が扁平チューブの外側を流れる時に、扁平チューブの波形の外側面に激しく衝突し、撹乱されて乱流となり、蛇行する流路を板状のフィンに沿って流れる。そのために、扁平チューブの表面には、第２の流体の層流が流れる時のような厚い境界層が形成されないので、扁平チューブと第２の流体との間の直接的な熱交換の効率が著しく向上する。言うまでもなく、板状のフィンと第２の流体との間の熱交換効率も、第２の流体が乱流となっているために高くなるから、結果として、第１の流体と第２の流体との間の熱交換効率が改善される。
【０００８】
扁平チューブは、波形をつけた板材を管状に曲げることによって形成することができるし、対になった２枚の波板を組み合わせてそれらの間に形成することもできる。これらの場合には、内部に補強用のプレートを装着することができる。
また、扁平チューブは、内部に第１の流体の流路が形成されるように、押し出し成形によって製作してもよい。
【０００９】
板状のフィンは、その長手方向が、扁平チューブの長手方向に対して実質的に垂直になるように配置すると、扁平チューブの内部を流れる第１の流体と、扁平チューブの外側をフィンに沿って流れる第２の流体のそれぞれの方向が直交すると共に、扁平チューブの波形の腹面によって形成される第２の流体のための蛇行する流路の撹乱作用が最も強められるので、熱交換器としての効率を最も高くすることができる。
【００１０】
板状のフィンは、それの長手方向の終端において折り返すように、細長いリボン状の板材を屈曲して形成することができる。それによって、多段のフィンを一連のものとして製作し、一体的に支持することができる。
【００１１】
また、板状のフィンが複数個、多段の棚のように、脚部を介して繋がっているフィン組立体を構成することもできる。この場合には、隣接する脚部の間に第２の流体が通過する窓穴開口を形成するとよい。フィン組立体は、単に１枚の板材から、第２の流体のための窓穴を打ち抜くと共に、それによって形成される脚部とフィンとの間を折り曲げることによって、一体的に形成することができる。
【００１２】
板状のフィンは、蝋付け等の方法で、扁平チューブの外側面に形成される波形の腹面の頂部或いは底部に接合することができる。前述のフィン組立体を構成する場合に、その脚部と、扁平チューブの外側面に形成される波形の腹面の頂部或いは底部とを接合すると、接合が容易になるだけでなく、第２の流体を通過させる窓穴が塞がれないし、熱交換器全体の機械的強度も高くなる。
【００１３】
【発明の実施の形態】
次に、添付の図面を参照しながら、本発明の好適な実施例を詳細に説明する。
本発明の熱交換器の第１実施例として、図１から図３に自動車に搭載される空調装置用のヒータコア１の構成及び作動を例示する。ヒータコア１は、図示しない自動車用の空調装置において内燃機関の冷却水（温水）によって車室内の空気を加熱するために使用される。図１は第１実施例のヒータコア１の特徴部分である要部を切断して拡大して示したもので、その部分を含む全体構成が図２に例示されており、要部の作動状態が図３に示されている。
【００１４】
図１に示すように、第１実施例のヒータコア１においては、扁平なチューブ２を、薄いアルミニウムの板状材料をプレス加工によって所定の表面形状を有する管状に曲げて、図示しない長手方向の継ぎ目を蝋付けによって接合することにより製作する。このようにして製作された扁平なチューブ２を複数本、所定の間隔をおいて平行に縦に配列させて、それらのチューブ２の上端に共通の入口タンク３を接合すると共に、それらのチューブ２の下端に共通の出口タンク４を接合している。
【００１５】
そして、図示実施例の場合には、入口タンク（上部タンク）３に設けられた温水の入口へ入口パイプ６を取り付けると共に、出口タンク（下部タンク）４に設けられた温水の出口へ出口パイプ７を取り付けている。
【００１６】
一定の高さにおいて扁平チューブ２を切断して示す図１から明らかなように、扁平チューブ２の断面形状は、両端の円弧９を平行な２本の直線によって結ぶような形状ではなく、両端の円弧９を、実質的に同じ形で並行する２本の波線によって結ぶような形状となっている。従って、それぞれの扁平チューブ２は長手方向と直角な方向に波打つ腹面（波形の腹面１２という）を有する。波形の腹面１２は扁平チューブ２の長手方向に延びる波の頂部１０と底部１１を形成する。
【００１７】
そして、隣接する扁平チューブ２の間に挟み込むように、アルミニウムの薄い板材を幅の狭いリボン状に裁断して、幅に比べて振幅の大きい波形に折り曲げたフィン５を取り付けて、フィン５と扁平チューブ２との接触部分を蝋付けによって接合している。扁平チューブ２の腹面１２が波打っているので、図示実施例のようにフィン５が一定の幅を有するリボン状のものである場合には、扁平チューブ２とフィン５との接合部分は長い線状にはならず、扁平チューブ２の波形の腹面１２の頂部１０或いは底部１１における点或いは短い線状になる。
【００１８】
更に、必須のものではないが、第１実施例のヒータコア１においては、腹面１２が波打っている扁平チューブ２の内部へ補強のためのプレート８を挿入して固定している。プレート８としてはアルミニウム板等を使用することができる。プレート８がその両端縁において扁平チューブ２の端部の円弧面９の一部に内接すると共に、その表面及び裏面において扁平チューブ２の波形の腹面の頂部１０及び底部１１と接触するようにすれば、扁平チューブ２の内部に温水等の圧力が作用した時に、最も効果的に扁平チューブ２の変形を防止することができる。
【００１９】
なお、第１実施例のヒータコア１においては、扁平チューブ２と入口タンク３及び出口タンク４、フィン５、補強用のプレート８等は全て蝋付けによって接合される。そのために、これらの部品の材料には予め蝋材が被覆されていて、部品を組み立てた後に炉の中で加熱することにより、蝋材が溶融、固化して、各部品が一体的に接合される。
【００２０】
図示していないが、入口タンク３及び出口タンク４の一方或いは双方の長手方向の中間に隔壁を設けて、それらの内部を複数個の部分に区画してもよい。それによって、温水が入口タンク（上部タンク）３及び出口タンク（下部タンク）４の間を折り返して流れるようになる。隔壁の数とそれが設けられる位置によって温水の流れ方が変わるので、それに応じて入口パイプ６及び出口パイプ７を上部タンク３及び下部タンク４のいずれに設けるかということが決まる。従って、本発明においては、上部タンク３又は下部タンク４のいずれか一方に入口パイプ６及び出口パイプ７の双方を設ける場合もあり得る。
【００２１】
第１実施例のヒータコア１において入口タンク３及び４に隔壁が設けられない場合には、図示しない内燃機関から供給される高温の冷却水（温水）が入口パイプ６から入口タンク３内へ流入し、入口タンク３の全域において全ての扁平チューブ２へ分配され、それらの扁平チューブ２を通過して出口タンク４まで流下する。出口タンク４へ集められた放熱済みの温水は出口パイプ７から図示しない内燃機関の冷却水套へ戻る。このようにして入口タンク３へ供給された高温の温水は、扁平チューブ２を流れる間に扁平チューブ２やフィン５の隙間を通って流れる空気流へ熱を与える。本発明においては、扁平チューブ２の内部を流れる温水のような流体を一般的に「第１の流体」と呼ぶと共に、扁平チューブ２の外部を流れる空気のような流体を一般的に「第２の流体」と呼んでいる。
【００２２】
このように、第１実施例のヒータコア１においては、扁平チューブ２をプレス加工によって製造する際に、扁平チューブ２の外側の腹面１２に波形が形成されている点に特徴がある。従って、図２に示す入口パイプ６を通って入口タンク３内の空間へ流入した温水（第１の流体）が複数本の扁平チューブ２へ分岐して流入し、温水の有する熱が扁平チューブ２の表面と、その一部に取り付けられた板状のフィン５の表面から、それらの表面に接触して流れる空気（第２の流体）へ与えられることによって熱交換が行なわれる時に、板状のフィン５に沿って扁平チューブ２の間を流れる空気（第２の流体）は、図３に示したように、扁平チューブ２の波形の腹面１２によって案内されて蛇行する流れを形成すると共に流れが撹乱される。
【００２３】
空気が扁平チューブ２の波形の腹面１２に沿って蛇行して流れることにより、空気が扁平チューブ２の表面に繰り返して衝突するのと、空気の流れが扁平チューブ２の波形の腹面１２によって撹乱されて細かな渦を巻く乱流となるために、もし扁平チューブ２の表面が平坦な場合には空気の流れが層流となってチューブの表面に形成される筈の空気の厚い境界層が形成されなくなる（境界層がきわめて薄くなる）ので、伝熱作用が促進されて、温水と空気との間の熱交換効率が著しく向上する。
【００２４】
このように、第２の流体である空気が扁平チューブ２の波形の腹面１２に沿って蛇行するように流れるので、このような流れを阻害しないように、フィン５としては全体に細長くて、途中に折り返し部等がなく、空気の流れを扁平チューブ２の長手方向とは直角の方向に導くことができるものがよい。第１実施例のフィン５のように波形に屈曲しているものでも、扁平チューブ２の側縁部に近い位置において反対方向に折り返す形状のものを使用することが望ましい。
【００２５】
図６に本発明の熱交換器の第２実施例としてのヒータコア２１の要部を示す。
第２実施例において温水の流路となる扁平チューブ２２は、アルミニウム等からなる２枚の波板２３及び２４を組み合わせると共にそれらを接合することによって、それらの波板２３及び２４の間に断面形が三日月形に近い形状の流体通路を構成する扁平チューブ２２が複数本ずつ組になって形成される。このような波板２３，２４の対は必要な数だけ積層されるが、波板２３，２４の各対の間に多段の棚か、或いはフレームのような形状のフィン組立体２５が配置されて、隣接する波板２３，２４との接触部分において接合される。
【００２６】
第２実施例におけるフィン組立体２５は、上下方向に所定の間隔を置いて平行に配置される幅の狭い多数の平板からなる棚板状のフィン２６と、上下関係にある複数個のフィン２６を連結するために、それぞれのフィン２６の幅方向の前縁部又は後縁部から上下方向に垂直に立ち上がる（或いは垂下する）多数の脚部２７とからなっている。棚板状の多数のフィン２６とそれらを連結する多数の脚部２７からなるフィン組立体２５は、単に１枚のアルミニウム板材から多数の窓穴２８を打ち抜くと共に、段を形成するようにフィン２６に対して脚部２７を折り曲げることによって製作することができる。
【００２７】
この際に、前述の扁平チューブ２２を形成する波板２３及び２４の頂部又は底部が脚部２７に接触して蝋付けの際に蝋材によって接合されるように、波板２４の波長と、隣接する脚部２７の間隔寸法を一致させると、ヒータコア２１全体が強固なフレーム構造となる。なお、図示していないが、対になった波板２３及び２４の間に平板状のプレートを挟んで、それらを蝋材によって接合することにより扁平チューブ２２を形成することもできる。この場合に挟み込まれるプレートは扁平チューブ２２の機械的強度を高める作用をする。
【００２８】
第２実施例のヒータコア２１はこのような構造を有するから、第１の流体である温水を図示しない上部タンクから多数の扁平チューブ２２を通して図示しない下部タンクへ縦方向の矢印のように流下させると共に、第２の流体である空気を横方向の矢印のようにフィン２６に沿って流入させると、空気は波板２３及び２４の波形の腹面に案内されて、窓穴２８を通過するように波形を描いて流れる。
それによって、第１実施例の場合と同様に、空気流が波板２３及び２４の表面に激しく衝突して乱流となるので、波板２３及び２４の表面にできる筈の空気の厚い境界層が剥離して、波板２３，２４によって隔てられた温水と空気の間において高い効率で熱交換が行われる。
【００２９】
図７に本発明の熱交換器の第３実施例としてのヒータコア３１の要部を示す。
第３実施例のヒータコア３１は全体として第１実施例のヒータコア１に類似しているが、第１実施例に比べて第３実施例の特徴は、扁平チューブ３２がアルミニウムの押し出し成形によって製作されていることである。しかし、扁平チューブ３２が全体として波形になっていること、温水の流路３３が、断面形状が円形ではあるが複数本形成されていること、第１実施例におけるフィン５と同様な屈曲した板材からなるフィン３４が隣接する扁平チューブ３２の間に接合されること等は同じである。
【００３０】
第３実施例の扁平チューブ３２は押し出し成形によって製作されるために、機械的強度が高くなる代わりに、温水の流路３３から見た肉厚は第１実施例の扁平チューブ２のそれよりも若干厚くなる。それによって、僅かに熱交換効率が低くなるが、第３実施例のヒータコア３１は実質的に第１実施例のヒータコア１と同様な作用効果を奏する。
【００３１】
図１に示す第１実施例のヒータコア１の要部について、参考として、具体的な寸法を図８に例示する。車両用の空調装置におけるヒータコアの場合には、各部分の寸法がそれぞれ図示のように小さい値になる。
【００３２】
なお、図示実施例の熱交換器は全てヒータコアとなっているが、本発明はヒータコアに限らず、内燃機関の冷却水放熱用のラジエータや、空調装置の冷房用コンデンサ或いはエバポレータ等の熱交換器として実施することができることは明らかである。
【図面の簡単な説明】
【図１】第１実施例のヒータコアの要部を切断し拡大して示す斜視図である。
【図２】第１実施例によって代表される本発明の熱交換器の実施例としてのヒータコアの全体構成を例示する斜視図である。
【図３】第１実施例のヒータコアの要部における作動状態を示す斜視図である。
【図４】従来のヒータコアの要部を切断し拡大して示す斜視図である。
【図５】従来の他のヒータコアの要部を切断し拡大して示す斜視図である。
【図６】第２実施例のヒータコアの要部を切断し拡大して示す斜視図である。
【図７】第３実施例のヒータコアの要部を切断し拡大して示す斜視図である。
【図８】第１実施例のヒータコアの要部について具体的寸法を例示した斜視図である。
【符号の説明】
１…ヒータコア（第１実施例）
２…扁平チューブ
８…補強用のプレート
９…円弧部
１０…頂部
１１…底部
１２…波形の腹面
２１…ヒータコア（第２実施例）
２２…扁平チューブ
２３，２４…波板
２５…フィン組立体
２６…フィン
２７…脚部
２８…窓穴
３１…ヒータコア（第３実施例）
３２…扁平チューブ
３３…温水の流路
３４…フィン
４１…従来型のヒータコア
４８…別の従来型のヒータコア
４２…扁平チューブ
４３…フィン
４４…ルーバ
４６…ディンプル
４７…フィンの屈曲部
【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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