JP2015200442A - 熱交換器 - Google Patents

Abstract

【課題】耐チッピング性を向上させることが可能な熱交換器を提供する。【解決手段】内部を流体が流通する扁平状の扁平部１０９ａを有するチューブ１０９と、チューブ１０９の扁平部１０９ａに接合されたフィン１１０とを備え、チューブ１０９は流体が上下方向に流通するように配置される熱交換器において、チューブ１０９を引っ張り強度５０ＭＰａ〜１２９ＭＰａの材料から構成し、チューブ１０９の扁平部１０９ａの板厚をＴｔとし、流体流れ方向から見た扁平部１０９ａの長手方向において、扁平部１０９ａの板厚が最小となる位置からフィン１１０の風上側端部に至るまでの長さをＸとした場合に、Ｘ≧−２７０４９?Ｔｔ3＋６５９２．１?Ｔｔ2−５６５．１４?Ｔｔ＋２１．６０２（Ｘ≧０）を満たすようにする。【選択図】図３

Description

本発明は、耐チッピング性を備える熱交換器に関するものである。

従来、車両用空調装置に用いられる冷媒放熱器（コンデンサ）では、コア面積を確保し易いクロスフロー型（チューブ横配列）が採用されてきたが、近年ではヒートポンプ用室外器への適用されるケースがあり、冷媒圧力損失の低減、冷媒分配及び排水性向上の観点から、ダウンフロー型（チューブ縦配列）を使用するニーズが高まっている。ところが、ダウンフロー型はクロスフロー型よりもフィンの被投影面積が大きくなるため、車両のグリル開口部を通って車両下方から飛んでくる飛来物がフィンの扁平部に衝突し易く、チューブの扁平部を破壊する新規のチッピング破壊モードが顕在化する事が近年分かってきた。

このようなチッピングに対する耐性を向上させるために、チューブ先端の板厚を確保して強度を向上させること（特許文献１）、チューブに先端に保護部材を配置し、さらにフィンをチューブから飛び出させることによりチューブを保護すること（特許文献２）が提案されている。

特開２００７−９３１４４４号公報 特開２００３−２７９２７８号公報

しかしながら、上記特許文献１はチューブ先端の破壊防止に注目した技術であり、チューブの扁平部でも強度向上のために板厚を確保する場合には、圧力損失の増加による性能低下及び材料費の増加を招いてしまう。また、特許文献２では単にフィンをチューブよりも飛び出させることが記載されているだけであり、耐チッピング性を確保するための仕様が明確でない。

本発明は上記点に鑑みて、耐チッピング性を向上させることが可能な熱交換器を提供することを目的とする。

上記目的を達成するため、請求項１に記載の発明では、内部を流体が流通する扁平部（１０９ａ）を有するチューブ（１０９）と、チューブ（１０９）の扁平部（１０９ａ）に接合されたフィン（１１０）とを備え、チューブ（１０９）は流体が上下方向に流通するように配置される熱交換器であって、
チューブ（１０９）は、引っ張り強度５０ＭＰａ〜１２９ＭＰａの材料から構成され、チューブ（１０９）の扁平部（１０９ａ）の板厚をＴｔとし、流体流れ方向から見た扁平部（１０９ａ）の長手方向において、扁平部（１０９ａ）の板厚が最小となる位置からフィン（１１０）の風上側端部に至るまでの長さをＸとした場合に、Ｘ≧−２７０４９×Ｔｔ³＋６５９２．１×Ｔｔ²−５６５．１４×Ｔｔ＋２１．６０２（Ｘ≧０）を満たすことを特徴としている。

これにより、飛来物の衝突速度が１５０ｋｍ／ｈであった場合に、耐チッピング性を確保することができ、飛来物の衝突によってチューブ（１０９）が破壊されることを防止できる。この結果、チューブ板厚を厚くすることなく、耐チッピング性を確保できるので、チューブ板厚を厚くした場合のように、圧力損失の増加による性能低下及び材料費の増加を招くことがない。

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実施形態の冷媒放熱器が搭載される車両前端構造を示す断面図である。 第１実施形態の冷媒放熱器を示す正面図である。 図２のＩＩＩ−ＩＩＩ断面図である。 １０００番台のアルミニウムからなるチューブを用いた場合の耐チッピング性を説明するためのグラフである。 ３０００番台のアルミニウムからなるチューブを用いた場合の耐チッピング性を説明するためのグラフである。 （ａ）〜（ｄ）は、本発明の変形例に係るチューブとフィンを示す断面図である。 （ａ）〜（ｄ）は、本発明の変形例に係るチューブとフィンを示す断面図である。

本発明の実施形態について図面に基づいて説明する。本実施形態は、本発明に係る熱交換器を車両の前端部に搭載される冷媒放熱器１に適用したものである。

図１に示すように、本実施形態の冷媒放熱器１とラジエータ２は、共通のフロントエンドパネル（図示せず）内に組み込まれて、送風機４とともに一体の組立構造体、すなわち、クーリングモジュールを構成している。なお、フロントエンドパネルは、冷媒放熱器１およびラジエータ２の周囲を支持するとともに冷媒放熱器１およびラジエータ２を通過する空気流をガイドするものである。

冷媒放熱器１は、冷凍サイクル（図示せず）内を循環する冷媒と空気とを熱交換して冷媒を冷却する熱交換器である。また、ラジエータ２は、エンジン３の冷却水と空気とを熱交換して冷却水を冷却する熱交換器である。ラジエータ２は、冷媒放熱器１の空気流れ下流側、すなわち車両後方側に配置されている。

ラジエータ２の車両後方側には、樹脂製のシュラウド５が設けられている。シュラウド５は、冷媒放熱器１およびラジエータ２に空気を送風する送風機４とラジエータ２との隙間を閉塞して送風機４にて誘起された空気流が冷媒放熱器１およびラジエータ２を迂回して流れることを防止する機能と、送風機４を支持する機能とを有している。

送風機４は、冷媒放熱器１およびラジエータ２に向けて空気（外気）を送風する送風手段である。送風機４は、軸流ファンを電動モータにて駆動する電動送風機である。

また、冷媒放熱器１およびラジエータ２は、車両の前端部、換言すると、エンジン３あるいはトランスミッションが搭載されるエンジンルーム３ａの前端部においてバンパーリーンフォース６の車両後方側に搭載されている。

ここで、バンパーリーンフォース６とは、車両の前端部にて車両幅方向に延びて車両前面側からの衝突力を吸収する梁状のものである。バンパーリーンフォース６の車両幅方向の左右両端部は応力吸収部（図示せず）を介して車両ボディのサイドメンバー（図示せず）に連結される。この応力吸収部は、一般にクラッシュボックスと称され、衝突力により容易に変形可能な部材である。

このバンパーリーンフォース６の前面側には、樹脂製の意匠部品としてのバンパーカバー６ａが配置されている。このバンパーカバー６ａにより、バンパーリーンフォース６の前面側が覆われている。

冷媒放熱器１、ラジエータ２およびエンジン３等が搭載されるエンジンルーム３ａの上方側開口部は、蓋部材をなすエンジンフード（ボンネット）７によって閉塞されている。エンジンルーム３ａの下方側は、アンダーカバー８により概略覆われている。

バンパーリーンフォース６の上方側および下方側には、それぞれ車両前方開口部９、１０が設けられている。上方側の第１車両前方開口部９および下方側の第２車両前方開口部１０は、冷媒放熱器１およびラジエータ２を冷却する空気を導入するために設けられている。

次に、本実施形態の冷媒放熱器１について説明する。図２に示すように、本実施形態の冷媒放熱器１は、冷媒が上方から下方に向かって流れるダウンフロー型の熱交換器として構成されている。冷媒放熱器１は、冷媒と空気とを熱交換する略矩形状のコア部１００が設けられており、コア部１００の鉛直方向上側には上側タンク１０１が設けられ、コア部１００の鉛直方向下側には下側タンク１０２が設けられている。

コア部１００の水平方向両端部には、コア部１００を補強するためのサイドプレート１０３、１０４が設けられている。上側タンク１０１の両端には、冷媒放熱器１を車両前端部の支持部材（図示せず）に取り付けるための取付ブラケット１０５、１０６が設けられている。下側タンク１０２の冷媒入口と冷媒出口には、それぞれ冷媒配管（図示せず）と接続するためのコネクタ１０７、１０８が設けられている。

コア部１００は、冷媒が流れる配管であるチューブ１０９を有している。本実施形態の冷媒放熱器１はダウンフロー型の熱交換器であるので、チューブ１０９は長手方向が鉛直方向となるように配置される。チューブ１０９の両端部は、上側タンク１０１と下側タンク１０２に連通している。そして、複数のチューブ１０９が水平方向に並んで配置されている。

チューブ１０９は、扁平状に形成された扁平チューブとして構成され、長径方向が送風空気の流通方向（図３の紙面垂直方向）と一致するようになっている。チューブ１０９の両側の扁平面には、伝熱面積を増大させて冷媒と空気との熱交換を促進するためのフィン１１０が接合されている。フィン１１０は、波状に成形されたコルゲートフィンとして構成されており、所定のフィンピッチＦｐを有している。

本実施形態では、チューブ１０９として、引っ張り強度５０ＭＰａ〜１２９ＭＰａの材料である１０００番台のアルミニウム、または引っ張り強度１３０ＭＰａ〜２５０ＭＰａの材料である３０００番台のアルミニウムを用いている。

図３に示すように、チューブ１０９は、扁平面を構成する２枚の対向配置された扁平部１０９ａと、２枚の平板部１０９ａに跨るように配置された仕切り部１０９ｂと、仕切り部１０９ｂによって区画され、内部を冷媒が流れる冷媒流通部１０９ｃと、２枚の扁平部１０９ａの両端を繋ぐように湾曲した端部１０９ｄ、１０９ｅとを備えている。冷媒流通部１０９ｃでは、図３の紙面垂直方向に冷媒が流れるようになっている。

フィン１１０は、チューブ１０９の扁平部１０９ａに接合されている。フィン１１０の表面には、熱交換性能を向上させるために、複数のルーバが切り起こし形成されている。

チューブ１０９は、押し出し成形または板材料を折り曲げる板曲げ成形によって製造することができる。チューブ１０９の扁平部１０９ａの板厚Ｔｔは、耐食性および耐圧性の点から０．１ｍｍ以上であることが望ましい。

ここで、フィン１１０の車両前方側端部（風上側端部）の長さＸ（以下、「フィン前端長さＸ」という。）と耐チッピング性の関係について説明する。フィン前端長さＸは、冷媒流れ方向（図３の紙面垂直方向）から見た扁平部１０９ａの長手方向（図３の紙面上下方向）において、チューブ１０９の扁平部１０９ａの板厚Ｔｔ（以下、「チューブ板厚Ｔｔ」という。）が最小となる位置Ａからフィン風上側端部Ｂに至るまでの長さとして定義される。チューブ板厚Ｔｔが最小となる箇所が複数存在する場合には、フィン風上側端部Ｂの最も近くでチューブ板厚Ｔｔが最小となる位置をＡとする。

本実施形態では、車両走行時に１グラム相当の小石が冷媒放熱器１に衝突した際の耐ピッチング性を確保するために必要なチューブ板厚Ｔｔとフィン前端長さＸを設定している。

図４、図５は、１６０、１７０、１８０、１９０、２００ｋｍ／ｈの各衝突速度において、チッピングによる破壊に基づくチューブ１０９から冷媒の漏れを防止可能なチューブ板厚Ｔｔとフィン前端長さＸとの関係を示している。衝突速度は、車両前方からの飛来物が冷媒放熱器１に衝突する際の速度であり、例えば車速が１００ｋｍで、飛来物が５０ｋｍ／ｈで飛来する場合には、衝突速度が１５０ｋｍ／ｈとなる。図４はチューブ１０９に１０００番台のアルミニウムを用いた場合を示し、図５はチューブ１０９に３０００番台のアルミニウムを用いた場合を示している。

図４、図５のグラフは、耐チッピングを確保可能なチューブ板厚Ｔｔとフィン前端長さＸとの組合わせを実験によって数点取得し、これらの点に基づいて算出した近似曲線を示している。図４、図５では、グラフの左側領域がチッピングによる破壊でチューブ１０９から冷媒漏れが発生する領域を示し、グラフの右側領域がチッピングによる破壊でチューブ１０９からの冷媒漏れが発生しない領域を示している。

図４、図５に示すように、チューブ板厚Ｔｔが薄いほど、耐チッピング性を確保するために必要なフィン前端長さＸが長くなり、チューブ板厚Ｔｔが厚いほど、耐チッピング性を確保するために必要なフィン前端長さＸが短くなる。

次に、図４、図５に示す近似曲線を数式化することで、所定の衝突速度において耐チッピング性を確保可能なチューブ板厚Ｔｔとフィン前端長さＸとの関係を説明する。

チューブ１０９に１０００番台のアルミニウムを用いた場合において、１５０ｋｍ／ｈの衝突速度で耐チッピング性を確保するためには、チューブ板厚Ｔｔとフィン前端長さＸとの関係が以下の数式１の関係を満たせばよい。
（数１）
Ｘ≧−２７０４９×Ｔｔ³＋６５９２．１×Ｔｔ²−５６５．１４×Ｔｔ＋２１．６０２（Ｘ≧０）
また、チューブ１０９に１０００番台のアルミニウムを用いた場合において、１８０ｋｍ／ｈの衝突速度で耐チッピング性を確保するためには、チューブ板厚Ｔｔとフィン前端長さＸとの関係が以下の数式２の関係を満たせばよい。
（数２）
Ｘ≧−２０６６９５×Ｔｔ⁴＋７３２７２×Ｔｔ³−９９２７．５×Ｔｔ²＋５８１．３２×Ｔｔ−６．３７７２（Ｘ≧０）
また、チューブ１０９に１０００番台のアルミニウムを用いた場合において、２００ｋｍ／ｈの衝突速度で耐チッピング性を確保するためには、チューブ板厚Ｔｔとフィン前端長さＸとの関係が以下の数式３の関係を満たせばよい。
（数３）
Ｘ≧−１４１０５６×Ｔｔ⁴＋４７５３８×Ｔｔ³−５２６５．６×Ｔｔ²＋１４４．６６×Ｔｔ−１０．５７７（Ｘ≧０）
また、チューブ１０９に３０００番台のアルミニウムを用いた場合において、１５０ｋｍ／ｈの衝突速度で耐チッピング性を確保するためには、チューブ板厚Ｔｔとフィン前端長さＸとの関係が以下の数式４の関係を満たせばよい。
（数４）
Ｘ≧−８０１４．６×Ｔｔ³＋２９２９．８×Ｔｔ²−３７６．７６×Ｔｔ＋２１．６０２（Ｘ≧０）
以上説明した本実施形態の冷媒放熱器１では、チューブ板厚Ｔｔとフィン前端長さＸが上述した各数式の関係を満たすことで、熱交換器のダウンフロー化に伴って顕在化する新規なチッピング破壊モードに対して、チューブ１０９の破壊を防止して冷媒漏れを防ぐことができる。本実施形態の構成によれば、チューブ板厚Ｔｔを厚くすることなく、耐チッピング性を確保できるので、チューブ板厚Ｔｔを厚くした場合のように、圧力損失の増加による性能低下及び材料費の増加を招くことがない。

（他の実施形態）
本発明は上述の実施形態に限定されることなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲内で、以下のように種々変形可能である。

例えば、冷媒放熱器１のチューブ１０９の断面形状は、上記実施形態の構成に限定されることなく異なる態様とすることができる。図６、図７は、冷媒放熱器１のチューブ１０９の断面形状を異ならせた本発明の変形例を示している。

図６（ａ）、図６（ｂ）は、チューブ１０９の冷媒流通部１０９ｃを円形断面とした例を示している。図６（ａ）、図６（ｂ）の構成においても、チューブ板厚Ｔｔとフィン前端長さＸとの関係を上述した数式１〜４の関係を満たすようにすることで、耐チッピング性を確保することができる。また、図６（ｂ）に示すように、チューブ板厚Ｔｔが最小となる位置Ａとチューブ前端部１０９ｄとの間の距離が長くなっている構成では、チューブ前端部１０９ｄによって車両下方から飛んでくる飛来物に対する強度を確保できるので、フィン風上側端部Ｂをチューブ前端部１０９ｄから突出させる必要がない。

図６（ｃ）、図６（ｄ）に示す例では、チューブ板厚Ｔｔが最小となる位置Ａとチューブ前端部１０９ｄとの間の距離が短くなっている。図６（ｃ）、図６（ｄ）の構成においても、チューブ板厚Ｔｔとフィン前端長さＸとの関係を上述した数式１〜４の関係を満たすようにすることで、耐チッピング性を確保することができる。図６（ｃ）、図６（ｄ）に示す例では、チューブ前端部１０９ｄによって車両下方から飛んでくる飛来物に対する強度を充分に確保できないので、フィン風上側端部Ｂのチューブ前端部１０９ｄからの突出量を大きくする必要がある。

図７（ａ）は、チューブ１０９の内部に仕切り部１０９ｂが設けられておらず、冷媒流通部１０９ｃが１つだけ設けられている例を示している。また、図７（ｂ）は、チューブ１０９の内部にインナーフィン１０９ｆが設けられている例を示している。図７（ｂ）のインナーフィン１０９ｆを設ける構成は、板成形によって得ることができる。図７（ａ）、図７（ｂ）の構成においても、チューブ板厚Ｔｔとフィン前端長さＸとの関係を上述した数式１〜４の関係を満たすようにすることで、耐チッピング性を確保することができる。

図７（ｃ）は、フィン１１０の車両後方側（風下側）の端部を短くした例を示している。図７（ｃ）の構成においても、チューブ板厚Ｔｔとフィン前端長さＸとの関係を上述した数式１〜４の関係を満たすようにすることで、耐チッピング性を確保することができる。また、図７（ｃ）のように、フィン１１０の車両後方側（風下側）の端部を短くすることで、チューブ１０９やフィン１１０の表面に水滴が付着した場合に、排水性を向上させることができる。

図７（ｄ）は、チューブ１０９の表面を凹凸形状にしたディンプルチューブを用いた例を示している。図７（ｄ）の構成においても、チューブ板厚Ｔｔとフィン前端長さＸとの関係を上述した数式１〜４の関係を満たすようにすることで、耐チッピング性を確保することができる。

また、上記実施形態では、フィン１１０の全面にルーバを設けたが、これに限らず、フィン１１０のおけるチューブ板厚Ｔｔが最小となる位置Ａからフィン風上側端部Ｂまでの領域（フィン１１０の長さＸに対応する領域）には、ルーバを設けないようにしてもよい。これにより、フィン１１０におけるチューブ１０９の扁平部１０９ａに対応する部位で熱交換性能を確保しつつ、フィン１１０の風上側にルーバを設けないことで、車両下方から飛んでくる飛来物に対する強度を向上させ、耐チッピング性を高めることができる。

また、上記実施形態の冷媒放熱器１をヒートポンプ用室外器として適用する場合には、夏季の冷媒凝縮性能を低下させることなく、冬季の着霜による蒸発器としての性能低下を効果的に抑制することができる。

１ 冷媒放熱器（熱交換器）
１００ コア部
１０９ チューブ
１０９ａ 平板部
１１０ フィン

Claims (7)

1. 内部を流体が流通する扁平部（１０９ａ）を有するチューブ（１０９）と、前記チューブ（１０９）の扁平部（１０９ａ）に接合されたフィン（１１０）とを備え、前記チューブ（１０９）は流体が上下方向に流通するように配置される熱交換器であって、
   前記チューブ（１０９）は、引っ張り強度５０ＭＰａ〜１２９ＭＰａの材料から構成され、
   前記チューブ（１０９）の扁平部（１０９ａ）の板厚をＴｔとし、流体流れ方向から見た前記扁平部（１０９ａ）の長手方向において、前記扁平部（１０９ａ）の板厚が最小となる位置から前記フィン（１１０）の風上側端部に至るまでの長さをＸとした場合に、
   Ｘ≧−２７０４９×Ｔｔ³＋６５９２．１×Ｔｔ²−５６５．１４×Ｔｔ＋２１．６０２（Ｘ≧０）
   を満たすことを特徴とする熱交換器。
2. 前記扁平部（１０９ａ）の板厚Ｔｔと、前記フィン（１１０）の長さＸとの関係が、
   Ｘ≧−２０６６９５×Ｔｔ⁴＋７３２７２×Ｔｔ³−９９２７．５×Ｔｔ²＋５８１．３２×Ｔｔ−６．３７７２（Ｘ≧０）
   を満たすことを特徴とする請求項１に記載の熱交換器。
3. 前記扁平部（１０９ａ）の板厚Ｔｔと、前記フィン（１１０）の長さＸとの関係が、
   Ｘ≧−１４１０５６×Ｔｔ⁴＋４７５３８×Ｔｔ³−５２６５．６×Ｔｔ²＋１４４．６６×Ｔｔ−１０．５７７（Ｘ≧０）
   を満たすことを特徴とする請求項１に記載の熱交換器。
4. 前記チューブ（１０９）は押出成形によって製造されることを特徴とする請求項１ないし３のいずれか１つに記載の熱交換器。
5. 内部を流体が流通する扁平部（１０９ａ）を有するチューブ（１０９）と、前記チューブ（１０９）の扁平部（１０９ａ）に接合されたフィン（１１０）とを備え、前記チューブ（１０９）は流体が上下方向に流通するように配置される熱交換器であって、
   前記チューブ（１０９）は、引っ張り強度１３０ＭＰａ〜２５０ＭＰａの材料から構成され、
   前記チューブ（１０９）の扁平部（１０９ａ）の板厚をＴｔとし、流体流れ方向から見た前記扁平部（１０９ａ）の長手方向において、前記扁平部（１０９ａ）の板厚が最小となる位置から前記フィン（１１０）の風上側端部に至るまでの長さをＸとした場合に、
   Ｘ≧−８０１４．６×Ｔｔ³＋２９２９．８×Ｔｔ²−３７６．７６×Ｔｔ＋２１．６０２（Ｘ≧０）
   を満たすことを特徴とする熱交換器。
6. 前記チューブ（１０９）は板材料を折り曲げて成形されることを特徴とする請求項５に記載の熱交換器。
7. 前記フィン（１１０）には、複数のルーバが切り起こし形成されており、
   前記フィン（１１０）における風上側端部から長さＸまでの部分には、前記ルーバが設けられていない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。

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