JP2015230159A - コルゲートフィン型熱交換器 - Google Patents

Abstract

【課題】 熱交換器における熱応力に対する変形を防止する。【解決手段】 偏平チューブ１とコルゲートフィン２からなるコア３の両側に、コアサポート４が配置され、各偏平チューブ１の両端が一対のチューブプレート５を介してタンク６に挿通されるコルゲートフィン型熱交換器において、一対のコアサポート４の外側に強度メンバー７が固定され、コアサポート４と強度メンバー７の間に弾性部材８を介装する。【選択図】 図２

Description

本発明は、自動車用ラジエータ等において、稼働中のコアの熱膨張による変形を防止する熱交換器に関する。

エンジン冷却水を冷却する熱交換器は、図７に示す如く、偏平チューブ１とコルゲートフィン２とを交互に並列してコア３を形成するとともに、コア３の両側にコアサポート４を配置（熱交換器の右側は省略する）し、各偏平チューブ１と一対のコアサポート４の長手方向両端を一対のチューブプレート５に挿通し、その各チューブプレート５にタンク６を被嵌して固定したものである。
そして、エンジンを冷却して高温となった冷却水を、一方のタンク６から各偏平チューブ１内に流通し、他方のタンク６に導き、偏平チューブ１の外面側及びコルゲートフィン２側に送風を行い高温冷却水との間で熱交換を行うものである。

偏平チューブ１内に高温の冷却水が流通すると、その偏平チューブ１及びコルゲートフィン２は、偏平チューブ１の長手方向に伸長するとともに、それに直交する方向にも膨張する。即ち、偏平チューブ１が膨張し、それがチューブの並列方向に蓄積されて、コアは全体に鼓形に膨らむ。すると、特に最側端に位置する偏平チューブ１に最も応力が加わり、その付根に亀裂が生じることがある。

これは、図７に示す如く、最外側に位置する偏平チューブ１とチューブプレート５との付根部に応力が集中し、その部分に亀裂が生じる。また、偏平チューブ１が膨張すると、それにともないコアサポート４の付根近傍が変形し、熱交換器全体の強度が損なわれる問題が生じていた。
そこで、本発明は、偏平チューブ１の付根の亀裂を防止すると共に、熱交換器に用いられるコアサポート４の熱応力耐性（剛性、伸び性等）を向上させることを課題とする。

請求項１に記載の本発明は、偏平チューブ(1)とコルゲートフィン(2)とを交互に並列してコア(3)が構成され、
そのコア(3)の両側にコルゲートフィン(2)を介してコアサポート(4)が配置され、
前記偏平チューブ(1)の長手方向の両端が一対のチューブプレート(5)に挿通固定され、
前記一対のチューブプレート(5)のそれぞれにタンク(6)が被嵌されるコルゲートフィン型熱交換器において、
前記一対のコアサポート(4)の外方に対向して強度メンバー(7)が配置され、強度メンバー(7)の長手方向の両端部が一対の前記タンク(6)に固定され、
前記コアサポート(4)と前記強度メンバー(7)の間に弾性部材(8)を介装することにより、偏平チューブ(1)とチューブプレート(5)の付根に生じる変形を軽減することを特徴とするコルゲートフィン型熱交換器である。

請求項２に記載の本発明は、請求項１に記載のコルゲートフィン型熱交換器において、
前記コアサポート(4)と前記強度メンバー(7)の間で、且つ前記チューブプレート(5)と偏平チューブ(1)の付根部の位置に弾性部材(8)が介装されることを特徴とするコルゲートフィン型熱交換器である。

請求項３に記載の本発明は、請求項１又は請求項２のいずれかに記載のコルゲートフィン型熱交換器において、
前記強度メンバー(7)が横断面コ字状に形成されて前記一対のコアサポート(4)の外周を被嵌するように配置され、前記強度メンバー(7)の長手方向の両端部が一対の前記タンク(6)の側面に固定されることを特徴とするコルゲートフィン型熱交換器である。

請求項４に記載の本発明は、請求項１〜請求項３のいずれかに記載のコルゲートフィン型熱交換器において、
前記一対のコアサポート(4)はその本体部(4a)が平板状に形成されることを特徴とするコルゲートフィン型熱交換器である。

請求項５に記載の本発明は、請求項１〜請求項３のいずれかに記載のコルゲートフィン型熱交換器において、
前記コアサポート(4)は、その本体部(4a)の長手方向の両端を除き、一対の側壁部(4b)と底部(4c)を有する横断面がコ字状に曲折形成され、
そのコアサポート(4)の一対の側壁部(4b)がコア(3)の外方に向けて配置されることを特徴とするコルゲートフィン型熱交換器である。

請求項６に記載の本発明は、請求項４又は請求項５のいずれかに記載のコルゲートフィン型熱交換器において、
前記コアサポート(4)が長手方向の中間位置で切断され、少なくとも２以上の切断コアサポート(18)からなることを特徴とするコルゲートフィン型熱交換器である。

請求項７に記載の本発明は、請求項５に記載のコルゲートフィン型熱交換器において、
前記チューブプレート(5)からコアサポート(4)の長手方向に充分離間した位置で、
その溝形のコアサポート(4)の本体部(4a)の底部(4c)が欠切された底無し部(9)を有すると共に、その底無し部(9)の位置で、その両側壁部(4b)が波形に曲折されて、
そのコアサポート(4)が長手方向に変形容易な応力吸収部(10)を形成したことを特徴とするコルゲートフィン型熱交換器である。

請求項８に記載の本発明は、請求項１〜請求項７のいずれかに記載のコルゲートフィン型熱交換器において、
前記偏平チューブ(1)及びコアサポート(4)の長手方向の両端部が前記一対のチューブプレート(5)に挿通固定されることを特徴とするコルゲートフィン型熱交換器である。

請求項９に記載の本発明は、請求項１〜請求項７のいずれかに記載のコルゲートフィン型熱交換器において、
前記一対のチューブプレート(5)が周縁に側壁部を有する浅い皿状に形成され、
前記一対のコアサポート(4)の長手方向の両端部が前記一対のチューブプレート(5)の側壁部の側面に固定されることを特徴とするコルゲートフィン型熱交換器である。

請求項１に記載の発明のように、コア３の両側に位置するコアサポート４とそのコアサポート４の外周を被嵌する強度メンバー７との間で弾性部材８が介装される構成をとる。
それ故、特にコアサポート４の端部における剛性が強化され、熱交換器の稼働中にそのコアが平面方向両側に膨出する応力が加わっても、コアサポート４に隣接する偏平チューブ１の変形を抑制し、その亀裂の発生を防止して信頼性の高い熱交換器を提供できる。
つまり、弾性部材８は厚み方向へ変形が可能であるため、偏平チューブ１の膨張、収縮に無理なく対応することができる。
また、製造誤差により、コアサポート４と強度メンバー７の隙間が変動しても対応できる。例えば、コアサポート４と強度メンバー７の隙間が弾性部材８の厚みよりも小さい場合でも、弾性部材８が厚み方向へ変形し、その隙間になじむことが可能である。

上記構成において、弾性部材８がチューブプレート５と偏平チューブ１の付根部の近傍の位置に介装される場合は、コアサポート４に隣接する偏平チューブ１の根元の亀裂の発生を効果的に抑制し、信頼性の高い熱交換器を提供できる。

上記構成において、強度メンバー７が横断面コ字状に形成され、一対のコアサポート４の外周を被嵌するように配置され、強度メンバー７の長手方向の両端部が一対のタンク６の側面に固定される構造となっている。
この場合は、強度メンバー７の強度が向上するとともに、側壁を有する構造となっているため、弾性部材８の脱落を防止することができる。

上記構成において、コアサポート４の形状については、請求項４〜請求項７に記載の構成をとることができる。
請求項４に記載の発明のように、コアサポート４は、その本体部4aが平板状に形成されるものである。
請求項５に記載の発明のように、コアサポート４は、その本体部4aの長手方向の両端を除き、一対の側壁部4bと底部4cを有する横断面コ字状に曲折形成され、そのコアサポート４の一対の側壁部4bがコア３の外方に向けて配置されている。
この場合、コアサポート４の強度が向上するとともに、側壁を有する構造となっているため、弾性部材８の脱落を防止することができる。

請求項６に記載の発明のように、コアサポート４はその長手方向の中間位置において、切断された２以上の切断コアサポート18により熱交換器を構成することもできる。

請求項７に記載の発明のように、チューブプレート５からコアサポート４の長手方向に充分離間した位置で、その溝形のコアサポート４の本体部4aの底部4cが欠切された底無し部９を有すると共に、その底無し部９の位置で、その両側壁部4bが波形に曲折されて、そのコアサポート４が長手方向に変形容易な応力吸収部10を形成したので、偏平チューブ１の長手方向への膨張、収縮に対応できる。
そして、サイドメンバー５の伸長方向にかかる応力に対しても、効果的にその応力を吸収することができる。

上記構成において、コアサポート４とチューブプレート５との固定構造は、以下のものを採用することができる。
請求項８に記載の発明のように、偏平チューブ１及びコアサポート４の長手方向の両端部が一対のチューブプレート５に挿通固定されるように構成することができる。
請求項９に記載の発明のように、一対のチューブプレート５が周縁に側壁部を有する浅い皿状に形成され、コアサポート４の長手方向の両端部が一対のチューブプレート５の側壁部の側面に固定されるように構成することができる。

本発明のコルゲートフィン型熱交換器の要部分解斜視図。 図３のII-II矢視縦断面図。 同組立て状態を示す斜視図。 応力吸収部１０の拡大図。 本発明の他の例を示すコルゲートフィン型熱交換器の縦断面図。 本発明のさらに他の例を示すコルゲートフィン型熱交換器の縦断面図。 従来型熱交換器のコアサポートの変形を説明する図。

次に、図面に基づいて本発明の実施の形態につき説明する。
図１及び図３は本熱交換器の左側の部分を示し、右側を省略して記載している。

本発明の熱交換器は、図１に示す如く、偏平チューブ１が多数並列され、その両端に一対のコアサポート４を配置し、それらの間にそれぞれコルゲートフィン２が介装されてコア３を形成する。
そして、その各偏平チューブ１および一対のコアサポート４の長手方向の両端部が、側壁部を有する浅い皿状に形成されたチューブプレート５のチューブ挿通孔に挿通される。

コアサポート４は、その本体部4aの長手方向の両端部を除き、その横断面がコ字状となるように、その溝底4cの幅方向両側に一対の側壁部4bが曲折形成されいる。このコアサポート４は、側壁部4bがコア３に対して外方に向くように配置される。

このタンク６は開口を有する箱型に形成され、その開口端縁がタンク６の側壁の外方に段付き状に膨出された段付き部を有する。タンク６の開口端縁が図示しないシール材を介してチューブプレート５に着座する。そして、チューブプレート５の側壁部の端縁に離間して突設された爪がタンク６の段付き部側に曲折されて、タンク６がカシメ固定される。
なお、タンク６は樹脂製でなくてもよく、アルミニウム材で製作してもよい。この場合、タンク６とチューブプレート５は、ろう付けや溶接により、一体的に取り付けられる。タンク６には、図示しない被冷却媒体の出入り口パイプがタンク内部と連通している。

この熱交換器には、コアサポート４を有するコア３の左右両側に、さらに剛性の高い一対の強度メンバー７が取付られる。この強度メンバー７は、底部7aの幅方向両端部に側壁部7bを有する溝型に形成され、その両側壁部7bの上下両端が斜め外方に突出し、そこにボルト挿通部14が設けられている。なお、この強度メンバー７の底部7aの外面には熱交換器を車体フレームに取付けるための図示しないブラケットが溶接等により取付けられる。

その強度メンバー７の長手方向の両端は、各タンク６の長手方向両端に、ボルト15を介して固定される。そのために、タンク６にはカバー取付部12が一体に形成され、それを貫通する貫通孔が設けられる。
この貫通孔内には、金属管が挿入されると共に、その両端部にゴム弾性を有するクッション材が配置される。そして、強度メンバー７のボルト挿通部14が、金属管の軸線に一致するように強度メンバー７の側壁部7bが各クッション材の端面に当接される。
次いで、ボルト15が金属管内に挿入され、金属管の端面に当接する一対のワッシャ16を介して、ナット17が螺着締結される。このような組立作業が左右一対の強度メンバー７の上下において行なわれ、左右一対の強度メンバー７によって、上下一対のタンク６間が連結される。

このようにして、強度メンバー７の側壁部7bがコアサポート４の側壁部4bを被嵌するとともに、強度メンバー７の底部7aがコアサポート４の溝底4cと向かい合う。この例では、コアサポート４の側壁部4bの先端面が強度メンバー７の底部7aに接触しないような間隔で取り付けられている。

本発明の熱交換器は、特に、そのコア３の幅方向への熱膨張を抑制するため、図２に示す如く、前記強度メンバー７とコアサポート４との間に設けられた空間に耐熱性のゴム材からなる弾性部材８を介装するものである。この弾性部材８は、好ましくはチューブプレート５と偏平チューブ１の付根の近傍の位置（この熱交換器では４か所）に配置する。
なお、前記強度メンバー７の底部7a又は側壁部7b、若しくはコアサポート４の溝底4cに弾性部材８を爪や突条などを用いて仮固定するできるようにしてもよい。

実施例において、熱交換器の内部に高温の被冷却媒体が流通すると、そのコア３の最外側に位置する偏平チューブ１とチューブプレート５との付根部に応力が集中する。
この弾性部材８を設けることにより、その応力を十分に吸収することができ、偏平チューブ１に生じる亀裂や歪みを抑制することができ、被冷却媒体の漏れを可及的に防止することができる。

また、この例では図１及び図４に示す如く、コアサポート４に伸縮方向にかかる応力を吸収する応力吸収部10を設けている。
このコアサポート４は、チューブプレート５から十分離間した位置に底部4cがＨ型に欠切された底無し部９を有する。また、その底無し部９の位置で側壁部4bが波形に湾曲されて、応力吸収部10を形成する。そして、この底無し部９および応力吸収部10は、上下一対のチューブプレート５から略等距離にそれぞれ一対形成されている。同様に図示しない右側のコアサポート４においても、それらが形成されている。
熱交換器の稼動に伴い、コア３の偏平チューブ１がその長手方向に膨張したとき、それに応じてこの応力吸収部10がコアサポート４を容易に変形させるものである。

熱交換器の内部に高温の被冷却体が流通すると、コア３は、その偏平チューブ１の長手方向およびそれに直行する方向に熱膨張する。偏平チューブ１の長手方向の熱膨張は、コアサポート４の応力吸収部10により吸収される。

上記実施例は下記のように構成を変更することもできるものである。
タンク６に設けたメンバー取付部12の構造については、一例を示したものであり、公知のメンバー取付構造を採用することができる。タンク６とチューブプレート５との固定構造は、上述した実施例以外の公知の方法を用いることができる。
また、コアサポート４の応力吸収部10及び底なし部９は設けなくともよい。そして、それらの形状は上記実施例に示したものに限られない。
さらに、応力吸収部10を設けない場合、コアサポート４は側壁部4bを有することが望ましいが、側壁部4bを設けなくともよい。
なお、弾性部材８のコアサポート４の配置位置は、コアサポートの長手方向のいずれにも配置することができる。応力吸収部10をコアサポート４に設ける場合は、実施例の如く、チューブプレート５の近傍に配置することが好ましい。

（他の実施例）
図５は、応力吸収部10を設けない場合のコアサポート４を使用した例であり、この例も強度メンバー７によりコアサポート４が被嵌されるものである。この例のコアサポート４はその長手方向の中間位置においてコアサポート４が完全に切断され、２以上に切断された切断コアサポート18により熱交換器が形成されている。
例えば、チューブプレート５からコアサポート４の長手方向に充分離間した位置で、その溝形のコアサポート４の両側壁部4bと底部4cがともに完全に切断され、一対の端部切断コアサポート18ａとその中間部をサポートする中間部切断コアサポート18ｂを有する切断コアサポート18を形成する。

このような切断コアサポート18により熱交換器を製造する場合、上記のような、応力吸収部10及び底なし部９を形成しなくとも、熱交換器の内部に高温の被冷却体が流通した場合、偏平チューブ１の長手方向の熱膨張は、切断コアサポート18の切断部分を有することにより、その応力の影響を受けることがない構造が簡単な熱交換器となる。
この例で、弾性部材８を設ける位置は、端部切断コアサポート18ａのチューブプレート５と偏平チューブ１の付根部分から切断部分の間に介装される。この例の切断コアサポート18は、コアサポートの中央位置で切断し、２つの切断コアサポートで構成してもよいし、前記中間部コアサポート18ｂをさらに切断することも可能である。
なお、この切断コアサポート18は、側壁部を有さなくともよい。

（さらに他の実施例）
図６は、さらに他の実施例であり、この例と上記それぞれの例との異なる部分は、コアサポート４の固定位置である。
上述の実施例では、コアサポート４（切断コアサポート18）は、その長手方向の両端部が偏平チューブ１とともにチューブプレート５に挿通されている構成をとっているが、それに替えて、コアサポート４の長手方向の両端部を皿状のチューブプレート５の側壁部の側面に固定することもできる。
この場合、図６に示す如く、コアサポート４の長手方向の両端部に段付き状の段部4dが形成され、その段部4dにチューブプレート５の底面を当接するとともに、コアサポート４の先端をチューブプレート５の側面に接触させて、固定することができる。
コアサポート４の先端部に段付きを設けない場合は、そのまま、チューブプレート５の側面に接触させて固定する。
コアサポート４の形状については、本願の実施例で示した種々のものが使用できることは言うまでもない。

１ 偏平チューブ
２ コルゲートフィン
３ コア
４ コアサポート
4a 本体部
4b 側壁部
4c 底部
4d 段部
５ チューブプレート
６ タンク
７ 強度メンバー
7a 底部
7b 側壁部

８ 弾性部材
９ 底無し部
10 応力吸収部
11 ブラケット
12 カバー取付部
13 締結部材
14 ボルト挿通部
15 ボルト
16 ワッシャ
17 ナット
18 切断コアサポート
18a 端部切断コアサポート
18b 中間部切断コアサポート

Claims (9)

1. 偏平チューブ(1)とコルゲートフィン(2)とを交互に並列してコア(3)が構成され、
   そのコア(3)の両側にコルゲートフィン(2)を介してコアサポート(4)が配置され、
   前記偏平チューブ(1)の長手方向の両端が一対のチューブプレート(5)に挿通固定され、
   前記一対のチューブプレート(5)のそれぞれにタンク(6)が被嵌されるコルゲートフィン型熱交換器において、
   前記一対のコアサポート(4)の外方に対向して強度メンバー(7)が配置され、強度メンバー(7)の長手方向の両端部が一対の前記タンク(6)に固定され、
   前記コアサポート(4)と前記強度メンバー(7)の間に弾性部材(8)を介装することにより、偏平チューブ(1)とチューブプレート(5)の付根に生じる変形を軽減することを特徴とするコルゲートフィン型熱交換器。
2. 請求項１に記載のコルゲートフィン型熱交換器において、
   前記コアサポート(4)と前記強度メンバー(7)の間で、且つ前記チューブプレート(5)と偏平チューブ(1)の付根部の位置に弾性部材(8)が介装されることを特徴とするコルゲートフィン型熱交換器。
3. 請求項１又は請求項２のいずれかに記載のコルゲートフィン型熱交換器において、
   前記強度メンバー(7)が横断面コ字状に形成されて前記一対のコアサポート(4)の外周を被嵌するように配置され、前記強度メンバー(7)の長手方向の両端部が一対の前記タンク(6)の側面に固定されることを特徴とするコルゲートフィン型熱交換器。
4. 請求項１〜請求項３のいずれかに記載のコルゲートフィン型熱交換器において、
   前記一対のコアサポート(4)はその本体部(4a)が平板状に形成されることを特徴とするコルゲートフィン型熱交換器。
5. 請求項１〜請求項３のいずれかに記載のコルゲートフィン型熱交換器において、
   前記コアサポート(4)は、その本体部(4a)の長手方向の両端を除き、一対の側壁部(4b)と底部(4c)を有する横断面がコ字状に曲折形成され、
   そのコアサポート(4)の一対の側壁部(4b)がコア(3)の外方に向けて配置されることを特徴とするコルゲートフィン型熱交換器。
6. 請求項４又は請求項５のいずれかに記載のコルゲートフィン型熱交換器において、
   前記コアサポート(4)が長手方向の中間位置で完全に切断され、少なくとも２以上の切断コアサポート(18)からなることを特徴とするコルゲートフィン型熱交換器。
7. 請求項５に記載のコルゲートフィン型熱交換器において、
   前記チューブプレート(5)からコアサポート(4)の長手方向に充分離間した位置で、
   その溝形のコアサポート(4)の本体部(4a)の底部(4c)が欠切された底無し部(9)を有すると共に、その底無し部(9)の位置で、その両側壁部(4b)が波形に曲折されて、
   そのコアサポート(4)が長手方向に変形容易な応力吸収部(10)を形成したことを特徴とするコルゲートフィン型熱交換器。
8. 請求項１〜請求項７のいずれかに記載のコルゲートフィン型熱交換器において、
   前記偏平チューブ(1)及びコアサポート(4)の長手方向の両端部が前記一対のチューブプレート(5)に挿通固定されることを特徴とするコルゲートフィン型熱交換器。
9. 請求項１〜請求項７のいずれかに記載のコルゲートフィン型熱交換器において、
   前記一対のチューブプレート(5)が周縁に側壁部を有する浅い皿状に形成され、
   前記一対のコアサポート(4)の長手方向の両端部が前記一対のチューブプレート(5)の側壁部の側面に固定されることを特徴とするコルゲートフィン型熱交換器。

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