JP3998938B2 - 熱交換器及びその製造方法 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は熱交換器、詳細に述べると、熱交換器のための改善した側面部（side piece）及び、その製造方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
例えば、自動車のラジエーター、オイルクーラー、チャージエアクーラー（charge air cooler）等の、今日使用されている多くの熱交換器は互いに間隔の開いた平行で平らな管によって相互に連結された、互いに間隔の開いた、通常、平行なヘッダーを含む構成に基づいている。管の間には薄い、曲がりくねったフィンが配置されている。通常、最も側面に近い管は熱交換器の側板の直ぐ内側に配置され、曲がりくねったフィンはそれら最も側面の管と、その管に隣接する側板との間に配置される。
【０００３】
側板は構造上の保全性（または、構造上の強さ）を与えるために、必ずではないが、通常ヘッダーに結合される。それらは、特に熱交換器がアルミニウムから作製され、材料または部品がろう付け（鑞付け）されるときや、熱交換器が他の材料から作製され、組立工程において何らかの高温処理が行われるときは、製造工程において特に重要な役割を果たす。
【０００４】
詳細に述べると、慣例的な組立技術は互い違いにされた管と曲がりくねったフィンのサンドイッチ構造を維持する固定具の使用を必要とする。サンドイッチ構造の外側、すなわち、結果的に熱交換器の中核部の側面部となる外側の層は通常、その端部分が機械的にヘッダーに結合される側片によって与えられる。フィンを管に固く接合させ、それらの接点での熱伝導を最大にすることを確実にするため、ろう付け等の接合処理中、曲がりくねったフィンと管との間の良好な接続を確実にするために、側片に対して圧力が加えられる。これがなされないと、いくつかのフィンのクレスト（または、頂点部）と、それに隣接する管との間にエアギャップが生成する可能性があり、それは熱伝導の速度を悪化させ、金属疲労によって誘発される圧力や、加圧された状態に抵抗する能力等の、耐久性に悪影響を与える。
【０００５】
また、熱交換器の使用中、たとえ側板と管が同じ材質であっても、側板には管を通って流れる熱交換用流体が流れないため、少なくとも熱交換器の動作開始時には、管は側板より高温状態になる。
【０００６】
この現象は管とヘッダーに大きな熱応力（thermal stress）を生じさせる。相対的に低温の側板が中核部の側面部でヘッダーを一緒に保持しようとする傾向になるのに対し、相対的に高温であるために生ずる管の相対的な膨張はヘッダーを押して、引き離そうとする。多くの場合、この過酷な熱応力はヘッダー接合部への管の付近に破損や漏洩を起こす穴の形成を生じさせ、それらは熱交換器の修理や取り替えを必要とする。
【０００７】
熱交換器の組み立て終了後、側板の両端の間のいくつか場所に切り込みを入れることにより、この問題を避ける方法が提案されている。これにより、管の熱膨張は複数の部分に分割され、切り込みで互いに動くことが可能な側版によって吸収される。しかしながら、この解決方法は製造工程に付加的な処理を加えるので、経済的に望ましくない。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
熱交換器の管の熱膨張と側板の熱膨張との間の膨張の違いから生ずる、熱により誘引される応力による熱交換器の故障に対する問題を解決する、新規の改善した熱交換器及び、それの製造方法を提供することが本発明の基本的な目的である。このような熱交換器を作製する方法を与えることも本発明の目的である。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
本発明の１つの側面に従うと、互いに間隔の開いた、概略平行な一組のヘッダー、ヘッダーの内側の間に拡張し、ヘッダーの内部と流体の伝達が可能な、互いに間隔の開いた、概略平行な複数の管、熱交換器の各側部に１つずつ配置され、ヘッダーの間に拡張し、ヘッダーに結合し、熱交換器の対応する側部において隣接する管から間隔の開けられた、延長した（または、細長い）一組の側板を含む熱交換器が提供される。曲がりくねったフィンは隣接する管の間及び、側板と、それに隣接する管との間に配置される。熱交換器に改善を与える本発明において、各側板はその縁の間に、少なくともその一部が少なくとも１つの縁に隣接する周辺を備えた、少なくとも１つの開口と共に、その周辺から縁に拡張する各側板上の刻み線（score line）を含む。その結果、熱により誘引される応力は側片を開口及び刻み線の場所で切断し、それ以後に、ヘッダーの接合部またはその他の場所への管に加わる応力は半永久的に開放または軽減される。
【００１０】
本発明の１つの実施例に従うと、開口は延長しており（または、細長であり）、対応する側板の延長方向に対して鋭角を成すように配置される。
【００１１】
好まれる実施例において、側板はベース部分（以下、単にベースと呼ぶ）及び、そこから拡張し一方の縁で終端する、少なくとも１つの脚部を持ったチャネル（または、溝形）として形成される。開口はベース及び、脚部の１つに形成され、刻み線は脚部の１つに配置される。
【００１２】
非常に好まれる実施例において、熱交換器に改善を与える本発明と共に概略的に前述された熱交換器が与えられ、そこにおいて、各側板はベース及び、ベースから拡張し対向する（すなわち、両側）の縁で終端する、間隔の開いた２つの突出した脚部を持ったチャネル形状（または、溝形状）に形成される。第１及び第２の延長した（または、細長の）開口は側板の各々に並列関係で配置され、鋭角で交差するそれぞれの中心線を持つ（ここでの用語「鋭角」は９０°程度の角度も含む）。各開口は対応する縁の１つに近接する第１部分及び、他の開口に隣接する第２部分を含む周辺を持つ。第１部分及び第２部分は側片の延長する方向に互いに間隔を開けて配置され（または、側片の延長方向に対して互いにずらされて配置され）、脆弱化のための第１線は各第１部分に配置され、対応する開口の１つから隣接する縁の１つに拡張する。脆弱化のための第２線は第２部分において、開口の間に拡張する。
【００１３】
この構造の結果として、側板は前述したように、応力を開放するために脆弱化の線で切断されるだろう。さらに、側板のチャネル形（または、溝形）の形成及び、脆弱化のための第１線及び第２線の効果的な交互配置（または、互い違いにされた配置）は曲げ強さまたは、側板の曲げに対する抵抗力を実質的に（または、それ程）減少させないので、側板の中核部への組み立ての前に構造上の保全性（または、構造上の強さ）が維持される。これは以下の２つの目的を達成する。中核部への組み立ての前に、側片を扱わなければならない作業者が細心の注意を払うことを必要とせずに、側片を扱うことを可能にする。切断の場所に集中する可能性がある膨張の応力を分散する。
【００１４】
好まれる実施例において、鋭角は９０°程度である。好まれるものとして、脆弱化の第１線及び第２線はそれぞれ、チャネルの脚部上及びベース上のＶ型のノッチ（または、刻み目）である。非常に好まれる実施例において、脆弱化の線は約４．６ｍｍ以下の長さを持つ。
【００１５】
本発明はさらに、アルミニウム製の熱交換器の製造方法を与え、それは以下のステップを含む。（ａ）互いに間隔の開いたヘッダー、ヘッダーの間に拡張する、互いに間隔の開いた管、中核部の側部でヘッダーの間に拡張する側板並びに、隣接する管の間及び、中核部の両側部で側板と、それに隣接する管との間に配置された曲がりくねったフィンを持つために、固定具に熱交換器の中核部の部品を組み立てること。（ｂ）側板の各端を隣接するヘッダーに機械的に固定すること。（ｃ）ステップ（ａ）及び（ｂ）の前に、曲げに対して抵抗する能力に大きな影響を与えずに、張力に対して抵抗する能力を減少させるために、側板の端の中間の点を脆弱化させること（ここで、用語「中間の点」は側板の端の間の全ての点を意味し、真ん中の点を意味するものではない）。及び、（ｄ）（ｉ）部品を一緒にろう付けし、（ｉｉ）熱的に誘引される応力の結果として、各側片の前記点での切断を可能にするために、ステップ（ｂ）により出来上がった組立品をろう付け用の温度に置くこと。切断が実際に起こるかどうかは、一般に、ろう付けの後の、ろう付けされた部品の冷却の速度に依存する。
【００１６】
他の目的及び長所は以下の詳細な説明を付随する図面との関連と共に読むことにより明らかになるだろう。
【００１７】
【発明の実施の形態】
本発明はここで、例として、大型トラックのラジエーターのための、自動車用ラジエーターとして説明される。しかしながら、本発明が例えば、他の多様な自動車のラジエーターや、内燃機関駆動式の発電機等の静的な用途等の、他の状況で使用されるラジエーターに対して適用可能であることは理解されなければならない。本発明はまた、例えばオイルクーラーやチャージエアクーラー（charge air cooler）等の、互いに間隔の開いたヘッダーの間に拡張する平行な管に対して曲がりくねったフィンを保持するために側板を利用する、他の多様なタイプの熱交換器に対しても便利である。したがって、請求の範囲で表現される範囲を除いて、特定の使用に対するいかなる制限も意図されない。
【００１８】
図１を参照すると、本発明に関係するタイプの典型的な熱交換器は互いに間隔の開いた、平行なヘッダー板１０、１２を含み、それらの間には多数の平らな管１４が拡張している。管１４は互いに間隔が開けられ、それらの端はろう付け、溶接、または、はんだ付けされ、ヘッダー１０及び１２のスロット（図示せず）を通して拡張し、ヘッダー１０、１２の各々に取り付けられたタンク１６の内部と流体の伝達が可能にされている。ここで用語「ヘッダー」はヘッダー板１０、１２、固定されたタンク１６を備えるヘッダー１０、１２、または、例えば管や多様な積層処理によって作製される、この分野で周知のヘッダーとタンクの一体型の構造を一括して示すことに注意しなければならない。側片１８、２０は熱交換器構造のそれぞれの側部の側面に位置し、ヘッダー１０、１２の間に拡張し、通常、ヘッダーに機械的に結合されるか、冶金的に結合される。
【００１９】
互いに間隔の開いた管１４の間及び、最も外側の管１４と、それに隣接する側板１８、２０の１つとの間には通常の曲がりくねったフィン２２が配置されている。周知のように、フィン２２は多様な材料から形成することができる。典型的な例はアルミニウム、銅及び真鍮である。しかしながら、特定の用途の要求に応じた、所望の強度や熱交換効率に依存して、他の材料を使用することもできる。
【００２０】
本発明の非常に好まれる実施例において、プラスチックから形成されてもよいタンク１６を除いて（タンクを含んでもよいが）、上述された部品の全てはアルミニウムまたはアルミニウム合金から形成され、適当な場所がろう付け被膜または真鍮被膜されるので、図１に示されているような組立品全体をろう付け用の炉に置き、部品を全部一緒にろう付けしてもよい。通常、ろう付けの前に、曲がりくねったフィン２２と互い違いされ、側板１８及び２０によって両端が覆われた管１４のサンドイッチ構造を築き上げるために適当な固定具が利用される。ヘッダー１０、１２は管の端に取り付けられ、側板１８及び２０は通常、ヘッダー１０、１２の対応する端で、側板１８、２０の曲げタブ（bending tab）によって、ヘッダー１０、１２に機械的に結合される。
【００２１】
図２は側板１８、２０を作り上げるための、部分的に組み立てられた予備形成品を図示している。図示されているように、予備形成品は細長で、ヘッダー結合用の端２４、２６を持つ。側板に形成される曲げの位置を図示するために、（この段階では）存在しない曲げの線が２８及び３０で図示されている。図２に示されている片は、ベース３２の両側に位置し、それぞれの縁３８、４０で終端する、互いに間隔が開けられた、直立した脚部３４、３６を持ったチャネル（溝形）を形成するために、最終的に、線２８、３０に沿って折り曲げられる。チャネル状の断面が好まれるが、場合によっては、側板１８、２０は概略的に平面または平らな状態のままにされてもよい。
【００２２】
片は端２４、２６の間の１つまたは複数の場所に、少なくとも１つの開口４２を備えることによって、片の端の間で脆弱化される。好まれる実施例において、開口４２は開口４４と組にされる（または、対称的に形成される）。開口４２、４４は概略楕円であり、各々の楕円は対応する開口４２、４４の長軸と一致する中心線４６を持つ。開口４２、４４の中心線は互いに鋭角で交差し、Ｖ型を形成する（ここでの用語「鋭角」は９０°程度の角度も含む）。非常に好まれる実施例において、交差の角度は９０°であり、各中心線は側板の縦軸に対し４５°の角度を持つ。
【００２３】
開口４２は縁３８に隣接する部分５０を含む周辺４８を持つ。図５に示されているように、周辺４８の部分５０と縁３８との間の間隔は、非常に好まれる実施例において、１．６ｍｍである。しかしながら、当業者には明らかであると思うが、他の値が利用されてもよい。
【００２４】
開口４４も同様に、縁４０に隣接した部分５４を備える周辺５２を持つ。同様に、部分５４の（縁４０との）間隔は、非常に好まれる実施例において、１．６ｍｍである。
【００２５】
開口４２及び４４の周辺４８及び５２はさらに、他の開口４４及び４２の対応する部分に隣接する部分５６を持つ。図６に示されているように、開口４２及び４４の部分５６は互いに３．２ｍｍ離れているが、他の値が利用されてもよい。一般に、寸法は４．６ｍｍ以下であるだろう。
【００２６】
図示されている実施例には、側片の端２４、２６の間の異なった場所に２組の開口４２、４４が存在している。
【００２７】
側片にはその端２４、２６にノッチ（または、刻み目）６０、６２が備えられてもよく、それらはタブ６４を画定する。タブはろう付けの前の組み立てのため、側板１８、２０を機械的に固定するために、ヘッダー１０、１２の端の周りで折り曲げられてもよいし、またはヘッダーのスロットに受容されてもよい。
【００２８】
本発明の１つの重要な特徴は各側板に脆弱化の線を備えることである。すなわち、開口４２の周辺４８の部分５０で、脆弱化の線７０が側板の隣接する縁３８まで拡張する。同様な脆弱化の線７２が開口４４の周辺５２の部分５４に配置され、側板の縁４０まで拡張する。
【００２９】
さらに、脆弱化の線７４は開口４２、４４の周辺４８、５２の互いに隣接する部分５６で、開口４２、４４の間に拡張する。図から判るように、脆弱化の線７０、７２、７４は互いに側板１８、２０の縦方向に沿って互いに間隔が開けられている（または、側板の縦方向に沿って互いにずれている）。
【００３０】
好まれる実施例において、脆弱化の線は、図５の脆弱化の線７４によって示されているように、Ｖ型のノッチとして形成される。脆弱化の線を形成するＶ形のノッチの側面は約９０°で開いており、各ノッチの深さは側板の厚さの約半分である。図示されている実施例において、脆弱化の線７０、７２、７４を形成する各ノッチの深さは０．８ｍｍである。
【００３１】
もちろん、各ノッチの深さは材料の厚さや、部分５６の間の距離、または、それぞれの縁３８、４０の部分５０、５４の距離に依存して変化してもよい。脆弱化の線はコイニング（または、圧印加工）によってできる平らな（または、切れ目のない）線である。しかしながら、場合によっては、ミシン目（または、目打ち状）の線を使用することもできる。さらに、所望されれば、線に沿って金属を脆弱するために、いかなる方法が利用されてもよい。
【００３２】
本発明に従って作製される熱交換器は第１ステップとして以下のステップを含む斬新な方法によって製造される。ヘッダーの間でヘッダーのスロットの中に拡張する互いに間隔が開けられた管及び、中核部の側部でヘッダーの間に拡張する側板と共に、隣接する管の間及び、中核部の各側部で側板とそれに隣接する管との間に配置される曲がりくねったフィンを備えた、互いに間隔の開いたヘッダーを構成するために、熱交換器の構成要素（または、部品）、すなわち、ヘッダー１０、１２、管１４、側板１８、２０及び、曲がりくねったフィン２２を固定具に組み立てるステップ。
【００３３】
側板は必ずではないが、通常、その端で隣接するヘッダーに機械的に固定される。前述のステップを実施する前に、側板が端２４、２６の中間の点で脆弱化の線を持つように作製されることは理解されなければならない。好まれるものとしては、説明された実施例が利用されるが、他の実施例も同様に使用することができることは当業者にとって明らかであろう。側板の脆弱化の点は張力に対して抵抗する能力を減少させるためのものであるが、曲げに対して抵抗する能力にはそれ程（または、実質的に）影響を与えない。すなわち、刻み線（score line）７０、７２、７４は図示されているように互いにオフセットを持っている（すなわち、側板の縦軸方向にそって互いにずれている）。
【００３４】
結果として出来上がった組立品は次に、部品を一緒にろう付けし、熱的に誘引される応力の結果として各側片を脆弱化の点で切断するため、ろう付け処理で熱応力が発生することを可能にするために、ろう付け用の温度に置かれる。切断が実際に起こるかどうかはろう付けの後の冷却の速度に依存するだろう。
【００３５】
場合によっては、完全なろう付け処理が終わっても切断が発生しないこともあるだろう。しかし、側板は脆弱化の線で十分に脆弱化されているので、熱交換器が使用状況に置かれ、使用中、何回かの動作サイクルが繰り返された後、側板は熱交換器のヘッダー結合部や他の場所への管に損傷が発生する前に切断されるだろう。
【００３６】
【発明の効果】
本発明の構造により、側板は応力を開放するために脆弱化の線で切断され、それ以後に、ヘッダーの接合部またはその他の場所への管に加わる応力は半永久的に開放または軽減される。
【００３７】
また、側板はチャネル形（または、溝形）をしており、脆弱化のための第１線及び第２線は効果的に交互配置されているので、側板の曲げに対する抵抗力は実質的に減少せず、側板の中核部への組立の前に構造上の保全性が維持される。
【００３８】
さらに、脆弱化の点での切断にはろう付け用の熱処理を利用することができるので、付加的な熱処理を必要とせず、コスト面でも優れている。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に従って作製された熱交換器の側面の概略図である。
【図２】本発明に従って作製された、部分的に組み立てられた側板の分解平面図である。
【図３】完全に組み立てられた側板の平面図である。
【図４】完全に組み立てられた側板の遠近図である。
【図５】図３の線５−５に沿ってで切り取られた、拡大された断面図である。
【図６】側板の拡大された断片図である。
【符号の説明】
１０，１２ ヘッダー
１４ 管
１６ タンク
１８，２０ 側板
２２ 曲がりくねったフィン
２４，２６ 側板の端
２８，３０ 曲げの線
３２ ベース
３４，３６ 脚部
３８，４０ 側板の縁
４２，４４ 開口
４６ 開口の中心線
４８ 開口の周辺
５０ 縁に隣接する部分
５２ 開口の周辺
５４ 縁に隣接する部分
５６ 開口に隣接する部分
６０，６２ ノッチ
６４ タブ
７０，７２，７４ 脆弱化の線

Claims (14)

1. 間隔の開いた、概略平行な一組のヘッダー、前記ヘッダーの内部の間に拡張し、前記ヘッダーと流体の伝達が可能な、間隔の開いた、概略平行な複数の管、熱交換器の各側部に１つずつ配置され、前記ヘッダーの間に拡張し、前記ヘッダーに結合し、前記熱交換器の対応する側部で、隣接する管から間隔が開けられた一組の細長の側板、並びに、隣接する管及び前記側板の間の曲がりくねったフィンを含む熱交換器であって、各側板がそれの縁の間の、少なくとも１つの前記縁に隣接する部分を備えた周辺を持った少なくとも１つの開口、並びに、前記各側板の、前記部分から前記縁まで拡張する刻み線を含む熱交換器。
2. 前記開口が細長であり、対応する側板の縦軸方向に対して鋭角を持つ、請求項１に記載の熱交換器。
3. 前記側板がベース及び、そこから拡張し、前記縁の１つで終端する少なくとも１つの脚部を持ったチャネルとして形成され、前記開口が前記ベース及び前記脚部の１つに形成され、前記刻み線が前記脚部の１つにある、請求項２に記載の熱交換器。
4. 前記縁の他方に拡張する第２の刻み線をさらに含む、請求項３に記載の熱交換器。
5. 前記チャネルが前記第１の脚部と間隔の開いた関係で前記ベースから拡張する第２の脚部を含み、前記第２の刻み線が前記縦軸方向に対して鋭角を持ち、第１の前記開口と並列関係にある第２の細長の開口まで拡張し、前記開口がＶ型に交差する中心線を持つ、請求項４に記載の熱交換器。
6. 前記第１及び第２の開口の組が間隔を開けて２組存在し、前記各組が各々の前記刻み線を１つずつ含む、請求項５に記載の熱交換器。
7. 間隔の開いた、概略平行な一組のヘッダー、前記ヘッダーの内部の間に拡張し、前記ヘッダーと流体の伝達が可能な、間隔の開いた、概略平行な複数の管、熱交換器の各側部に１つずつ配置され、前記ヘッダーの間に拡張し、前記ヘッダーに結合し、前記熱交換器の対応する側部で、隣接する管から間隔が開けられた一組の細長の側板、並びに、隣接する管及び前記側板の間の曲がりくねったフィンを含む熱交換器であって、前記各側板がベース及び、前記ベースから拡張し、対向する縁で終端する、間隔が開けられた、２つの直立した脚部を持ち、前記各側板に並列関係で配置され、鋭角で交差するそれぞれの中心線を持つ第１及び第２の細長の開口を有し、前記開口の各々が前記縁の対応する１つに隣接する第１部分及び、他の開口に隣接する第２部分を含む周辺を持ち、前記第１及び第２部分が前記側片の縦軸方向に互いに間隔が開けられており、前記第１部分で前記開口の対応する１つとそれに隣接する前記縁との間に第１の脆弱化線が拡張し、前記第２部分で前記開口の間に第２の脆弱化線が拡張する熱交換器。
8. 前記鋭角が９０°程度である、請求項７に記載の熱交換器。
9. 前記脆弱化線が約４．６ｍｍ以下の長さを持つ、請求項７に記載の熱交換器。
10. 前記第１及び第２の脆弱化線が前記脚部及び前記ベースで、それぞれＶ型のノッチによって画定されている、請求項７に記載の熱交換器。
11. 前記熱交換器が実質的に、一緒にろう付けされたアルミニウムまたはアルミニウムの合金部品から成り、前記側板が前記脆弱化線で切断される、請求項１０に記載の熱交換器。
12. 前記開口が概略楕円形である、請求項７に記載の熱交換器。
13. アルミニウム製の熱交換器を製造するための方法であって：
    ａ）間隔の開いたヘッダー、ヘッダーの間に拡張する間隔の開いた管、中核部の側部で、ヘッダーの間に拡張する側板、並びに、隣接する管の間及び、中核部の各側部で側板とそれに隣接する管との間に配置された曲がりくねったフィンを持つために、固定具に熱交換器の中核部の構成要素を組み立てること；
    ｂ）ステップａ）の前に、前記側板の曲げに対して抵抗する能力に実質的に影響を与えずに、それの張力に対して抵抗する能力を減少させるように、前記側板の端の中間の点でそれを脆弱化させること；及び、
    ｃ）ｉ）構成要素を一緒にろう付けし、ｉｉ）熱的に誘引される応力の結果として前記中間の点での各側板の切断を可能にするために、ステップｂ）の結果として出来上がった組立品をろう付け用の温度に置くこと、
    のステップから成る、熱交換器の製造方法。
14. 各側板の各端を隣接するヘッダーに、機械的に固定するステップを含む、請求項１３に記載の方法。

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