JP2005061826A - 熱交換器のためのヘッダ - Google Patents

Abstract

【課題】 熱負荷が小さい改良された熱交換器ヘッダを提供すること。
【解決手段】 熱交換器のヘッダは、実質的に平坦なベース部分と１対の階段部分とを含む。階段部分は、ベース部分の平面から或る角度で傾いている。また、ヘッダは、このヘッダの長さに沿って互いに離間した複数の実質的に平行なスロットを備える。各スロットは、ベース部分の幅にわたって延びる細長区間と、この細長区間からヘッダの階段部分に延びる端区間とを有する。
【選択図】 図５

Description

本発明は、熱交換器に関し、より詳細には、熱交換器のヘッダに関する。

自動車は、典型的にはラジエータなどの熱交換器を有するエンジン冷却システムを備えている。エンジン作動時には、エンジンからエンジンを通って流れるクーラントに熱が伝達され、これによりエンジンが冷却される。次いでクーラントは、エンジンから一連の導管を通って熱交換器へ流れる。熱交換器では、クーラントから熱交換器の外側にわたって流れる冷却空気に熱が伝達される。このプロセスは、連続的なサイクルで繰り返される。

典型的な熱交換器は、２つのヘッダによって支持される一連の管体を含む。従来のヘッダの１つのタイプは平形ヘッダである。これらの平形ヘッダが、例えばろう付けによってそれぞれの管体に接合されている場合、ヘッダと管体との接合部は平らな平面内にある。これらのタイプのヘッダ／管組合せは、ヘッダ／管接合部に沿って発生する応力集中により故障し易い。これらの応力は、典型的にはエンジンの作動中にヘッダと管体とに加わる熱負荷（すなわち、熱交換器構成要素の温度の昇降によって引き起こされる応力）に起因する。

上述のことから、熱負荷が小さい改良された熱交換器ヘッダに対する必要性があることが分かる。

上記及びその他の欠点に対処するために、本発明は、管体と組み合わされた時に、ヘッダ／管接合部における最大応力集中を除去する熱交換器ヘッダを提供する。

一実施形態において、熱交換器のヘッダは、実質的に平坦なベース部分と１対の階段部分とを含む。階段部分は、ベース部分の平面から或る角度で傾いている。ベース部分は、直線又は湾曲部分で連結される。また、ヘッダは、該ヘッダの長さに沿って互いに離間した複数の実質的に平行なスロットを備える。各スロットは、ベース部分の幅にわたって延びる細長区間と、該細長区間からヘッダの階段部分に延びる端区間とを有する。

ヘッダの様々な実施形態は、以下の特徴の１つ又はそれ以上を有することができる。各端区間は、ベース部分の平面から離間した分離距離を定める終端部を有することができる。各スロットには、該スロットに挿入された管体を設けることができる。或る実施形態において、管体は、それぞれのスロットにろう付けされる。各管体とそれぞれのスロットの細長区間との接合部は、終端部と管体との間の接合部の位置又はその近傍におけるろう付け接合部において発生する最大応力集中部から隔てられた変形遷移線を定める。

以上は、本発明の説明のためだけに提供されているに過ぎない。これらは、本発明の範囲を定める添付の請求項を限定するものと見なすべきではない。

本明細書に組み込まれ且つその一部である添付図面は、本発明の幾つかの態様を示しており、以下の説明と共に本発明の原理を説明するのに役立つ。図中の構成要素は必ずしも縮尺通りではなく、本発明の原理の説明に応じて強調されている。更に、図中、各図にわたって同じ参照符号は対応する部材を表している。

図１は、熱交換器コア又はマトリックス３を備えた典型的な自動車用ラジエータ２を示す。コア３は、多数の平行なクーラント管４を含み、該クーラント管４の間に接触した状態で鉄条網形の熱交換器フィン５が配置されている。クーラント管４は、１対のヘッダ６に取り付けられる。１対の側壁７によってコア３に対して更なる構造的支持が得られる。ラジエータ２使用中、エンジンによって加熱されたクーラントは、入口８から入り、クーラント管４を通って循環すると共に、空気がフィン５を通過する。従って、クーラント管４内の熱は、フィンを通過する空気と熱交換される。冷却されたクーラントは、出口９を通ってラジエータ２から出てエンジンに戻り、エンジン冷却プロセスが繰り返される。

自動車の熱交換器は、寿命期間中に過度の温度変化に曝されることにより、通常はかなりの熱負荷を受け、これにより熱交換器の故障の原因となる。例えば図２Ａを参照すると、従来の熱交換器管１０においては、熱負荷により引き起こされる亀裂などの故障は、平形管１４とヘッダ１６間の交差部１２又はその近傍にあり、特に以下により詳細に述べるように、熱負荷による外部誘因応力（すなわち実働応力（ｓｅｒｖｉｃｅ ｓｔｒｅｓｓ））がヘッダ１６と管体１４との接合部の最大応力集中部に重なる位置２２にある管体で生じるのが普通である。

外部誘因の実働応力は、典型的には管体１４とヘッダ１６間の境界又はその近傍で生じる。この境界部の一方側（即ち、内側又はクーラント側）において、管体１４は、ヘッダ１６により拘束されることから変形しない。しかしながら、反対側では、管体１４は熱負荷により変形する。図解の便宜上、管体１４とヘッダ１６との交差部は平面を形成しており、この平面は、管体とヘッダとの組合せを図２Ａの線２Ｂ−２Ｂに沿って見た時に図２Ｂに示すように、「変形の遷移線（ｔｒａｎｓｉｓｉｔｏｎ ｌｉｎｅ ｏｆ ｄｅｆｏｒｍａｔｉｏｎ）」２０を定める。

管体１４及びヘッダ１６は、多くの場合、例えばろう付けなどの好適な方法によって互いに接合される。従って、管体１４とヘッダ１６間のろう付け部に沿って応力が生じる。応力集中は、管体とヘッダ接合部の幾何学形状に関係する物理的特性である点に留意されたい。一般に、最大応力集中は、ヘッダ１６と交差する管体１４の最も狭い領域又はその近傍、すなわち参照符号２２で示される位置において発生する。図２Ａ及び図２Ｂの管体／ヘッダ組合せの場合のように、「変形の遷移線」２０が「応力集中部」２２と重なる時、外部誘因応力が増大する結果、通常は熱交換器が早期に故障することになる。

次に図３Ａを参照すると、本発明による、平形管（ここで参照符号３２で表す）と、管体３２の間に配置された冷却フィン５と、ヘッダ３４とを備えた熱交換器３０が示されている。同様に図３Ｂ及び３Ｃを参照すると、ヘッダ３４は、管体３２とヘッダ３４との間の接合部の最も狭い領域３６において発生する最大応力集中から、前述の「変形の遷移線」２０に沿って外部誘因の実働応力を分離するように構成されている。この分離（ｄ）は、これらの領域３６における応力の増大を効果的に低減し、且つ管体とヘッダの接合部全体にわたって応力をより均一に分布させ、これにより管体とヘッダ接合部の寿命が延びることになる。図３Ｂに示すような台形状の断面を有するヘッダは、このような分離を達成することができる。

比較のために、図４に示す従来の平形ヘッダ４０と図５に示す台形ヘッダ５０とを熱サイクル試験で比較した。図４及び図５の比較で分かるように、従来のヘッダ４０は、一連の本質的に直線状の管スロット４２を有しており、一方、台形ヘッダ５０は非直線状の管スロット５２を有している。代わりに、各スロット５２は、ヘッダ５０の平坦部分５６にわたって延びる細長区間５４と、該細長区間５４からヘッダの２つの階段部分６０に延びる２つの端区間５８とを有する。スロット５２の階段部分６０、従って端区間５８は、直線部分（又は、図６及び図７に示すような湾曲部分）に続いて、平坦部分５６の平面から或る角度で立ち上がり、その結果、端区間５８の終端部６２が分離距離（ｄ）だけ平坦部分５６の平面から隔てられるようになる。ヘッダ５０の用途に応じて、分離距離（ｄ）は、約２ｍｍから約２０ｍｍまでの範囲とすることができる。***領域６４が各スロット５２を取り囲んでいる。これらの領域６４は、ヘッダ５０に剛性を与え、且つヘッダ５０に管体をろう付けする好都合なプラットフォームを提供する。

或る実施形態においては、ヘッダ５０は、アルミニウム又は鋼などの金属、又は他の何らかの好適な材料で作られる。車両に応じて、ヘッダ５０には、６つから２００までのスロットを設けることができる。スロット５２は、約４ｍｍから１５ｍｍだけ互いに離間しており、各スロット５２の幅は、約１ｍｍから１２ｍｍである。各スロットの細長区間５４の長さは、約３ｍｍから８５ｍｍであり、端区間５８の長さは、約２．５ｍｍから２８ｍｍである。上述のように、各スロット５２は、ろう付け、ハンダ付け、又は機械組立などの好適な方法によりそれぞれの管体に接合される。

熱サイクル試験結果の実施例を、下記の表１に示す。これらの試験において、ヘッダは、約１３０℃の高低温度差の周期的な熱負荷に曝された。
表１

表１において、亀裂開始サイクルは、管／ヘッダ接合部においてクーラントが確認されたサイクル数として定義される。亀裂伝播サイクルは、１サイクル当たりのクーラント漏れが数滴である時のサイクル数として定義される。ラジエータ故障サイクルは、熱交換器からかなりの量のクーラント漏れが生じたことにより試験が終了された時のサイクル数として定義される。表１から分かるように、平形ヘッダにおいては、亀裂開始は１１０サイクル近傍で起こり、亀裂伝播は１１９サイクル近傍で見られた。従って、平形ヘッダを有するラジエータは、１１９サイクルで故障したものと見なされた。この実施例では、各構成に対して２つの試料を使用した。

台形ヘッダに関しては、亀裂開始は８５４サイクル近傍で観察された。しかしながら亀裂伝播は全く観察されず、すなわち、試験中にラジエータは故障しなかった。台形ヘッダの試験は、最終的に１５７２サイクルで終了された。以上のことから、台形ヘッダを備えたラジエータは、平形ヘッダを備えたラジエータの寿命を大きく超える寿命期間を有することが分かる。

従って、以上の詳細な説明は、本発明を限定するものではなく、説明のためのものと見なすべきであり、全ての均等物を含む添付の請求項が本発明の精神及び範囲を定めることを理解すべきである。例えば、図６及び図７に示すように、ヘッダ３４には、図３に示す直線部分ではなく、凸状部分７０（図６）又は凹状部分７２（図７）を備えても良い。

自動車用ラジエータを示す。 平形管を備えた従来の熱交換器ヘッダの一部分を示す。 図２Ａの線２Ｂ−２Ｂに沿った、平形管の一部分と従来のヘッダの側面図である。 本発明による幾つかの平形管を備えた熱交換器ヘッダの一部分を示す。 本発明による平形管の１つを備えた図３Ａのヘッダを示す。 図３Ｂの線３Ｃ−３Ｃに沿ったヘッダの図である。 管体の無い状態の従来の平形ヘッダを示す。 管体が無い状態の本発明による台形ヘッダを示す。 本発明による別のヘッダの断面図である。 本発明による更に別のヘッダの断面図である。

符号の説明

４２ 管スロット
５０ 台形ヘッダ
５２ 管スロット
５４ 細長区間
５６ 平坦部分
５８ 端区間
６０ 階段部分
６２ 終端部
６４ ***領域
７０ 凸状区間
７２ 凹状区間

Claims (3)

1. 熱交換器のヘッダであって、
   実質的に平坦なベース部分と、このベース部分の平面から延びる直線又は湾曲の部分により或る角度で傾いた１対の階段部分とを有し、
   上記ヘッダは、このヘッダの長手方向に沿って互いに離間した複数の実質的に平行なスロットを備え、この各スロットが、ベース部分の幅方向に延びる細長区間と、この細長区間から上記階段部分に延びる端区間とを有することを特徴とするヘッダ。
2. 上記端区間の各々は、前記ベース部分の平面から離間した終端部を有し、これにより分離距離が定められる請求項１に記載のヘッダ。
3. 前記分離距離は、約２ｍｍから約２０ｍｍである請求項２記載のヘッダ。

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