JP2012112562A - ドロンカップ型熱交換器 - Google Patents

Abstract

【課題】ドロンカップ型熱交換器の内圧変動に伴う積層方向の伸縮変形を抑制することによって、製品の信頼性の向上を目的とする。
【解決手段】ドロンカップ型熱交換器は、一対の連結孔が開口された第１のドロンカップと一対の連結孔が開口された第２のドロンカップと第１のドロンカップと第２のドロンカップをつなぐ流通路からなる複数のコアユニットと、多段に接合された複数のコアユニットの流通路の間に配設されたコルゲートフィンと、多段に接合されたコアユニットの初段側に設けられた第１のエンドプレートと、多段に接合されたコアユニットの終段側に設けられた第２のエンドプレートと、を備えている。ドロンカップの連結孔は隣接するコアユニットのドロンカップの連結孔と連通している。コアユニットはリンフリーの銅からなり、コルゲートフィンまたはエンドプレートはコバルト、ニッケル、スズ、亜鉛、リンを含む銅からなる。
【選択図】 図１

Description

この発明は、熱交換器に関し、特に多段に接合されたドロンカップ型のコアユニットを備えているドロンカップ型熱交換器に関するものである。

ドロンカップ型熱交換器は、ドロンカップタイプ（Drawn Cup ）構造と呼ばれる中空構造を有する。この種の熱交換器では、熱交換部に相当するコアユニットが多段に接合されている。コアユニットは銅やアルミニウム又は銅合金やアルミニウム合金を芯材としている。多段のドロンカップは、芯材の片面又は両面にろう材を皮材としてクラッドしたブレージングシートを用いて、真空中や雰囲気炉等でろう付け加熱を行う方法で製造されている。熱交換器は、オイルクーラー、エバポレーター、インタークーラー又はラジエーターなどに使われる。ドロンカップの中空部の内側を流れる流体は中空部流路の表面を流れる流体と熱交換を行う。

特許文献１には、車両空調用ラジエータを対象にする、ドロンカップ型熱交換器（Drawn Cup-type Heat Exchanger）の構造が開示されている。熱交換部は、２枚のドロンカッププレートを最中（もなか）状に接合して構成される断面偏平状のチューブからなる。チューブは、間にコルゲートフィンを介在させて積層されている。積層体は真空ろう付けまたは雰囲気炉にて一体ろう付けされる。特許文献２、特許文献３にも、同様の構成の熱交換器が、構造と製造法に関して、開示されている。

ドロンカップ型熱交換器では、流体回路は閉回路となっている。内部に注入された冷媒は長期間ドロンカップの内壁に接するため、ドロンカップの内壁では腐食が進行する。閉回路内を腐食によって生じたガスが循環すると、冷却性能が低下する。長期使用を目的とした熱交換器には、品質劣化を防ぐためにドロンカッププレートに耐食性の高い銅が用いられている。

一般に熱交換器のドロンカップの板厚は、０．３乃至１ｍｍ程度である。近年の軽量化設計に対応した板厚０．３ｍｍ以下の薄肉構造では、ドロンカップの伸縮変形に伴い、コルゲートフィンの座屈変形や、絞り成形された角部付近に繰返し応力が発生する。ドロンカップ同士の接合には、ろう付接合方式が用いられている。ろう付時の熱履歴により、銅または銅合金はＯ材（焼鈍材）相当の強度まで低下する。繰返し応力と熱履歴は熱交換器の寿命を低下させる。

特開平５−１０４２８６（特に段落番号０００４と図８） 特許第４０４８６２９（特に段落番号００１８と図１） 特開２００５−０３７０３１（特に段落番号００１０と図１）

本発明は、上記課題を解決すべくなされたものであり、ドロンカップ型熱交換器の内圧変動に伴う積層方向の伸縮変形を抑制することによって、製品の信頼性の向上が可能な熱交換器の構造を提供するものである。

本発明に関わるドロンカップ型熱交換器は、一対の連結孔が開口された第１のドロンカップと一対の連結孔が開口された第２のドロンカップと第１のドロンカップと第２のドロンカップをつなぐ流通路からなる複数のコアユニットと、多段に接合された複数のコアユニットの流通路の間に配設されたコルゲートフィンと、多段に接合されたコアユニットの初段側に設けられた第１のエンドプレートと、多段に接合されたコアユニットの終段側に設けられた第２のエンドプレートと、を備えている。第１のドロンカップの連結孔は隣接するコアユニットの第１のドロンカップの連結孔と連通している。第２のドロンカップの連結孔は隣接するコアユニットの第２のドロンカップの連結孔と連通している。コアユニットはリンフリーの銅からなり、コルゲートフィンまたはエンドプレートはコバルト、ニッケル、スズ、亜鉛、リンを含む銅からなる。

以上のように本発明によれば、コルゲートフィンまたはエンドプレートに、ろう付時の熱履歴による強度劣化の少ない耐熱銅合金を用いたので、ドロンカップの積層方向に対して伸縮変形は規制される。ドロンカップ内を流れる流体の温度変化による内圧変動に伴う、伸縮変形も抑制される。内圧変動に伴う繰り返し変形により発生する応力を低減できるので、熱交換器の疲労寿命の向上が期待でき、製品の信頼性を向上させることができる。

実施の形態１における熱交換器の全体構成を示す斜視図である。 熱交換器の全体構成を示す断面図である。 エンドプレートの全体形状を示す斜視図である。 エンドプレートの全体形状を示す別の斜視図である。 コアユニットの形態を説明する断面図である。 熱交換器の伸縮方向を説明する図である。 実施の形態２におけるエンドプレートの第１の構成を示す斜視図である。 実施の形態２におけるエンドプレートの第２の構成を示す斜視図である。 実施の形態３におけるエンドプレートの第１の構成を示す斜視図である。 実施の形態３におけるエンドプレートの第２の構成を示す斜視図である。 実施の形態３におけるエンドプレートの第３の構成を示す斜視図である。 実施の形態４における熱交換器の全体構成を示す斜視図である。 実施の形態４におけるエンドプレートの構成を示す斜視図である。

実施の形態１．
図１は、本発明に係る熱交換器の接合構造の一実施の形態として、水冷式のラジエータ（熱交換器）を示している。熱交換器１は、冷却装置の一部として密閉回路に組込まれる。熱交換器１は、複数段に積層されたコアユニット２と、コアユニット２に挟持されたコルゲートフィン３と、積層されたコアユニット２とコルゲートフィン３の両端に配置される一対のエンドプレート４、５と、エンドプレート４に設けられた流入配管２０と流出配管２１から構成されている。冷媒は流入配管２０から熱交換器１に流入し、コアユニット２の中を経由して上昇し、流入配管２１から流出する。熱交換器１は通常、流入配管２０を下側にして設置される。

図２に熱交換器の断面構造を示す。コアユニット２は中空状のドロンカップ７ａと、同じく中空状のドロンカップ７ｂと、両方のドロンカップ７ａ、７ｂを繋ぐ流通路８から構成されている。それぞれのドロンカップ７ａ、７ｂには冷却水流通路となるよう連結孔９が２箇所づつ開口されている。コルゲートフィン３は積層されたコアユニット２の流体通路８が形成する空間に配設される。ドロンカップ７ａ、７ｂは、芯材の片面又は両面にろう材を皮材としてクラッドしたブレージングシートを用いて、真空中や雰囲気炉等でろう付け加熱を行う方法で製造されている。

流入配管２０からドロンカップ７ａに流入した冷媒は、熱交換器１の下側に配設された連結孔９ａを拡散し、初段のドロンカップから終段のドロンカップまで行き渡る。ドロンカップ７ａに流入した冷媒は、流体流通路８を経由して、熱交換器１を上昇する。流体流通路８には、コルゲートフィン３が風路を形成している。風路を流通している空気と冷媒はコルゲートフィン３を介して熱交換を行うので、冷媒は冷却される。このあと、冷媒は、熱交換器１の上側に配設された連結孔９ｂを拡散し、流出配管２１から回路に戻って行く。

図３はエンドプレートの全体構成を示す斜視図である。エンドプレート４は端部４ａ、端部４ｂと平坦部４ｃから構成されている。端部４ａはドロンカップ７ａに対応する位置に配設される。同様に、端部４ｂはドロンカップ７ｂに対応する位置に配設される。端部４ａ、４ｂは、コルゲートフィン３を収容するために、平坦部４ｃに比べると高さが高くなっている。エンドプレート４は積層されたコアユニットの初段に設けられるもので、連結孔９ａと連結孔９ｂに対応する位置に、流入口２０ａ及び流出口２１ａがそれぞれ開口されている。エンドプレート４の流入口２０ａ及び流入口２１ａには流入配管２０と流出配管２１が取り付けられる。

図４もエンドプレートの全体構成を示す斜視図である。エンドプレート５は積層されたコアユニット２の終段に配設される。エンドプレート５はコアユニットの最終段の連結孔９ａ、９ｂを塞ぐ役割を果たす。エンドプレート５は冷媒の流れを封じ込めることが目的なので、流入口２０ａ及び流入口２１ａが開口されていない。ただし、流入配管２０と流出配管２１を熱交換器の異なる向きに設けることもあるので、流出口２１ａがエンドプレート５に設けられることもある。

図５にコアユニットの詳細構造を示す。コアユニット２はドロンカッププレート２ａとドロンカッププレート２ｂを一体化したものである。ドロンカッププレート２ａ、２ｂは同じ形態を有しているので、ドロンカッププレート２ａを裏返ししたものがドロンカッププレート２ｂになる。ドロンカッププレート２ａ、２ｂは母材（芯材）となる金属板の表面にろう材をクラッドしたものを最中の皮状にプレス成形することで得られる。ドロンカッププレート２ａ、２ｂは内部に中空部（ドロンカップ７ａ、７ｂ）が形成するように積層される。ドロンカッププレート２ａ、２ｂ、コルゲートフィン３、エンドプレート４、５、流入口２０と流出口２１は、真空ろう付または雰囲気炉にて一体ろう付して製造される。

密閉回路に封入された冷媒が密閉回路にある発熱部で加熱されると、冷媒は、温度上昇し、沸騰、蒸発するため、回路内の内圧は大気圧よりも上昇する。発熱部が冷えると内部の圧力は低下する。この内圧の変動に伴い、熱交換器１のドロンカッププレート２は、積層方向に伸縮を繰返す。図５に示した破線は、内圧の変動に伴い、ドロンカッププレート２が積層方向に伸縮を繰返すことを表している。同様に、熱交換器１は図６の破線で示すように積層方向に伸縮を繰返す。

熱交換器１では、ろう付時の熱履歴によって生じる銅または銅合金の強度劣化による伸縮変形を抑制せしめるために、コルゲートフィン３とエンドプレート４、５に、耐熱銅合金を用いる。特に、ＪＩＳ記号Ｃ１８６２０は、主成分の銅にコバルト、ニッケル、スズ、亜鉛、リンが微量添加されたもので、熱履歴による銅結晶粒の成長が抑制され、機械的強度の劣化が少ない材料であるため好ましい。Ｃ１８６２０材は、微量元素が含まれていることにより、強度の変化が熱履歴経験前後で無視できる。耐熱銅合金以外の他の材料は、８００℃程度以上の熱履歴により、Ｏ材化（焼き鈍る）され、強度が大幅に低下する。

これに対し、ドロンカッププレート２ａとドロンカッププレート２ｂには耐食性のある燐（Ｐ）を含まないリンフリーの銅合金を用いる。Ｃ１８６２０材は耐熱性に優れるが耐食性が低い。ドロンカッププレート２は冷媒に接するため、冷媒による腐食が顕著に進行する。長期信頼性を鑑みた場合、リンなどを含んだ合金は冷媒により腐食されやすいため用いないことが望ましい。

本願に関わる熱交換器では、コルゲートフィン３とエンドプレート４、５に、ろう付時の熱履歴による強度劣化の少ない耐熱銅合金を用いることとし、ドロンカッププレート２には冷媒の接触に対し耐食性のある銅合金を使用する。この結果、冷媒の接触による品質劣化を生じさせることなく、積層されたドロンカッププレート２の積層方向に対する伸縮変形が規制される。ドロンカッププレート内を流れる流体の温度変化による内圧変動に伴う、伸縮変形を抑制することができ、内圧変動に伴う繰り返し変形により発生する応力を低減できるので、熱交換器の疲労寿命の向上が期待でき、製品の信頼性を向上させることができる。

コルゲートフィン３とエンドプレート４は、冷媒に接触するものでないため、ろう付温度８００℃乃至８５０℃で機械的強度の劣化の少ない例えばＳＵＳ３０４材を用いることも考えられる。この場合、使用できるろう材がＢＡｇ−８などの銀ろうに限定されるためコスト高となる。また、上記実施の形態においては、ラジエータについて説明したが、これは単なる例示であり、本発明は、オイルクーラ等、他の熱交換器にも適用可能である。

実施の形態２．
実施の形態２を図７に基づいて説明する。エンドプレート５には補強構造として、平坦部４ｃの長辺端部に折り曲げ構造１１ａを設けている。エンドプレート４にも、同様に、長辺端部に折り曲げ構造１１ａを設けているものとする。ドロンカッププレートを流れる流体の温度変化は内圧変動を伴う。このように、エンドプレート４、５の長辺端部に折り曲げ構造１１を設けることによって、積層された、コアユニットの積層方向に対する伸縮変形が更に規制される。内圧変動に伴う繰り返し変形により発生する応力を低減できるので、熱交換器の疲労寿命の向上が期待でき、製品の信頼性を向上させることができる。

図８は補強構造を有するエンドプレート５の別の形態を示している。エンドプレート５には補強構造として、平坦部４ｃの長辺端部に折り曲げ構造１１ｂを設けている。エンドプレート４にも、同様に、長辺端部に折り曲げ構造１１ｂを設けているものとする。ドロンカッププレートを流れる流体の温度変化は内圧変動を伴う。このように、エンドプレート４、５の長辺端部に折り曲げ構造１１を設けることによって、積層された、コアユニットの積層方向に対する伸縮変形が更に規制される。内圧変動に伴う繰り返し変形により発生する応力を低減できるので、熱交換器の疲労寿命の向上が期待でき、製品の信頼性を向上させることができる。

実施の形態３．
実施の形態３を図９から１１に基づいて説明する。エンドプレート５には補強構造として、平坦部４ｃにビード１２ａ〜１２ｃを設けている。エンドプレート４にも、同様に、平坦部４ｃにビード１２ａ〜１２ｃを設けているものとする。図９に示したビード１２ａは平行な２本線であることを示している。図１０に示したビード１２ｂはＸ型であることを示している。図１１に示したビード１２ｃはＯ型であることを示している。どの形状のビードを用いても同様の効果を奏する。

実施の形態４．
実施の形態４に関わる熱交換器を図１２に基づいて説明する。熱交換器１は、実施の形態１の熱交換器のうち、コルゲートフイン３のみに、ろう付時の熱履歴による強度劣化の少ない耐熱銅合金を用い、エンドプレート４、５には添加物の無い無酸素胴を用いている。図１３はエンドプレートの補強対策を示している。エンドプレート５の長辺端部に折り曲げ構造１１を設け、且つ、エンドプレート５の平坦部にビード１２を設けている。エンドプレート４にも、同様に、長辺端部に折り曲げ構造１１を、平坦部にはビード１２を設けているものとする。

これにより実施の形態１から３と同様に、積層された、ドロンカップの積層方向に対する伸縮変形が更に規制される。ドロンカッププレートを流れる流体の温度変化は内圧変動を伴う。内圧変動に伴う繰り返し変形により発生する応力を低減できるので、熱交換器の疲労寿命の向上が期待でき、製品の信頼性を向上させることができる。

１ 熱交換器、２ ドロンカッププレート、３ コルゲートフィン、４ エンドプレート、５ エンドプレート、７ ドロンカップ、８ 流体流通路、９ 連結孔、２０ 流入配管、２１ 流出配管、

Claims (5)

1. 一対の連結孔が開口された第１のドロンカップと一対の連結孔が開口された第２のドロンカップと前記第１のドロンカップと前記第２のドロンカップをつなぐ流通路からなる複数のコアユニットと、多段に接合された前記複数のコアユニットの流通路の間に配設されたコルゲートフィンと、多段に接合された前記コアユニットの初段側に設けられた第１のエンドプレートと、多段に接合されたコアユニットの終段側に設けられた第２のエンドプレートと、を備えており、
   前記第１のドロンカップの連結孔は相互に連通しており、また前記第２のドロンカップの連結孔も相互に連通しており、
   前記コアユニットはリンフリーの銅からなり、前記コルゲートフィンと前記第１のエンドプレートと前記第２のエンドプレートのうち、いずれか一つはコバルト、ニッケル、スズ、亜鉛、リンを含む銅からなることを特徴とするドロンカップ型熱交換器。
2. 第１のエンドプレートと第２のエンドプレートは、無酸素銅からなることを特徴とする請求項１に記載のドロンカップ型熱交換器。
3. コバルト、ニッケル、スズ、亜鉛、リンを含む銅はＪＩＳ記号Ｃ１８６２０であることを特徴とする請求項１に記載のドロンカップ型熱交換器。
4. 第１のエンドプレートと第２のエンドプレートの長辺端部には折り曲げ部が形成されていることを特徴とする請求項１に記載のドロンカップ型熱交換器。
5. 第１のエンドプレートと第２のエンドプレートの平坦部にビード構造が設けられていることを特徴とする請求項１に記載のドロンカップ型熱交換器。

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