JP5821795B2 - 熱交換器 - Google Patents

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Description

本発明は、熱交換器に関するものである。
従来の熱交換器は、複数のチューブと複数のコルゲートフィンとを交互に積層してコア部を構成している。そして、チューブのチューブ長手方向の端部にタンクが配置されている。このタンクは、複数のチューブが挿入されるコアプレートと、コアプレートに固定されてコアプレートとともにタンクの内部空間を形成するタンク本体部とによって構成されている。
コアプレートは、タンク内側に平坦面を有するとともに、複数のチューブが挿入される複数のチューブ挿入穴が設けられた平坦本体部と、平坦本体部の外縁に設けられ、タンク本体部の端部が挿入される溝部とを有している。コアプレートには、コアプレート巾方向の剛性を高めるために、平坦本体部からタンク外側に突出し、コアプレート巾方向に延びた形状のリブが設けられている。コアプレート巾方向は、チューブ積層方向に垂直な方向である。
そして、特許文献1に記載の熱交換器では、このリブを、チューブ積層方向から見たときに、チューブの端部をまたぐ(オーバーラップする)とともに、リブと溝部との間に、タンク内側に平坦本体部と同一の平面を有する平坦部が存在するように配置している。このリブはプレス成形により形成される。
これによれば、剛性の高いリブがチューブの端部をまたぐことによって、チューブの端部近傍でのコアプレート巾方向の剛性を高めることができる。一方、リブと溝部との間に設けた平坦部は、変形が容易であるため、コアプレートに対してチューブ長手方向に弓なりに変形させようとする熱応力が発生した場合、この平坦部が変形することによって熱歪みを吸収できる。この結果、特許文献1に記載の熱交換器と異なり、リブと溝部との間に平坦部がなく、リブが溝部につながっている熱交換器と比較して、チューブ間に温度差が発生した場合のチューブとコアプレートの接合箇所であるチューブ根付部での応力集中を低減できる。
特開2008−32384号公報
ところで、熱交換器の小型化が望まれており、その実現のためには、コアププレート巾を小さくすることが必要となる。
しかし、コアプレート巾を小さくすると、プレス成形により、上記特許文献1と同様に配置されたリブの形成が困難となる。
本発明は上記点に鑑みて、コアプレート巾が小さい場合であっても、チューブ積層方向から見たときに、リブがチューブの端部をまたいでいるとともに、リブと溝部との間に平坦部が存在するように配置されたリブを、プレス成形によって形成できるように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、
コアプレートは、タンク内側に平坦面(211)を有するとともに、複数のチューブが挿入される複数のチューブ挿入穴(23)が設けられた平坦本体部(21)と、平坦本体部の外縁に設けられ、タンク本体部の端部が挿入される溝部(22)と、平坦本体部からタンク外側に突出し、チューブ巾方向に延びた形状のリブ(25)とを有し、
リブは、チューブ積層方向(Y)から見て、チューブのチューブ巾方向の端部(10a)をまたぐとともに、チューブ巾方向でのリブと溝部との間に、タンク内側に平坦本体部の平坦面と同一の平坦面(261)を有する平坦部(26)が存在するように配置されており、
さらに、リブは、平坦本体部の平坦面に窪みを設けることで形成されており、チューブ巾方向に切断したときのリブの断面形状にて、平坦本体部の平坦面に平行な直線状の窪みの底辺(251a)をなすリブ底部(251)と、リブ底部と平坦部との間に位置するリブ傾斜部(252)とを有する形状であり、
リブ傾斜部が、チューブ積層方向から見て、チューブのチューブ巾方向の端部をまたぐように配置されていることを特徴としている。
従来では、リブが溝部につながっている熱交換器と比較して、熱応力が発生した場合のチューブ根付部での応力集中を低減するという上述の特許文献1に記載の熱交換器の効果を奏するためには、図10に示すように、コアプレート20の平坦本体部21において、リブ25のリブ底部251の端部がチューブ10の端部10aよりも外側に位置し、リブ底部251がチューブ10の端部10aをまたぐように位置する必要があると考えられていた。すなわち、リブ底部251と平坦部26とを繋ぐリブ傾斜部252がチューブ10の端部10aよりも外側に位置する必要があると考えられていた。なお、図10は、後述する図4に対応する図であり、図4と同一および均等である部分に、図4と同一の符号を付している。
この場合、リブ底部251の端部をチューブ10の端部10aよりも外側に配置しなければならないので、コアプレート20の巾を小さくするためには、リブ底部251と溝部22との間の距離を小さくすることが考えられる。そのためには、図10に示すように、平坦部26のコアプレート巾方向(図10の左右方向)の長さを短くし、さらに、リブ傾斜部252が平坦部26の垂線に対してなす傾斜角度θ1をできるだけ小さくすることが必要となる。
しかし、図10に示すようにリブ25を配置し、リブ傾斜部252の傾斜角度θ1を45°未満の小さな角度とすると、リブ底部25と、平坦部26と、溝部22を構成する壁部とからなる平坦部26を頂部とする曲げ形状が極小曲げ形状となり、プレス加工が困難となる。
ところが、本発明者らが鋭意検討した結果、リブ底部の端部がチューブの端部よりも内側に位置しても、リブ傾斜部がチューブの端部をまたぐように位置していれば、上述の特許文献1に記載の熱交換器と同様の効果を奏することがわかった。
この場合、リブ底部の端部がチューブの端部よりも外側に位置する場合と比較して、平坦部を頂部とする曲げ形状を緩やかな曲げ形状にできる。
したがって、請求項1に記載の発明によれば、平坦部を頂部とする曲げ形状を緩やかな曲げ形状にできるので、コアプレート巾が小さい場合であっても、チューブ積層方向から見たときに、リブがチューブの端部をまたいでいるとともに、リブと溝部との間に平坦部が存在するように配置されたリブを、プレス成形によって形成できる。
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一例である。
第1実施形態における熱交換器の正面図である。 図1の熱交換器におけるチューブおよびタンクの斜視断面図である。 図2中のコアプレート単体の側面図である。 図2中のコアプレート単体のタンク内側から見た平面図である。 図3BのIV−IV線断面図である。 図3BのV−V線断面図である。 図4中のリブ傾斜部の拡大図である。 第1実施形態の熱交換器におけるチューブ根付部に発生する応力の解析結果である。 第2実施形態における熱交換器のリブ傾斜部の拡大図である。 第2実施形態における熱交換器のコアプレート単体のタンク内側から見た平面図である。 本発明が解決しようとする課題を説明するための図であって、本発明者が検討した形状のコアプレートの断面図である。
以下、本発明の実施形態について図に基づいて説明する。なお、以下の各実施形態相互において、互いに同一もしくは均等である部分には、同一符号を付して説明を行う。
(第1実施形態)
本実施形態は、本発明に係る熱交換器を、自動車用エンジン等の水冷式内燃機関を冷却するラジエータに適用したものである。
図1、図2に示すように、熱交換器は直方体形状のコア部1を備えており、コア部1は、複数のチューブ10と複数のコルゲートフィン11が上下方向に沿って交互に積層されて構成されている。なお、チューブ10およびコルゲートフィン11の積層方向を、以下、チューブ積層方向Yという。
コルゲートフィン11は、アルミニウム合金製であり、コルゲート状に形成されて空気と冷却水との熱交換を促進するものである。
チューブ10は、車両に搭載された水冷式内燃機関(図示せず)の冷却水が流通する通路を内部に有し、横断面形状が扁平形状のものである。チューブ10は、アルミニウム合金製板材を所定の形状に折り曲げ後、溶接またはろう付けして形成される。
本実施形態では、図1に示すように、チューブ10の長手方向(以下、チューブ長手方向Xという)が水平方向と一致し、チューブ積層方向Yが重力方向に一致するように、熱交換器が配置される。このとき、図2に示すように、チューブ10の横断面形状の長軸方向がチューブ巾方向Zであり、チューブ巾方向Zは、空気の流通方向Cと一致している。また、チューブ巾方向Zに対して垂直な方向がチューブ積層方向Yと一致している。なお、チューブ巾方向Zは、チューブ積層方向Yとチューブ長手方向Xの両方に対して直交している。
図1に示すように、チューブ10のチューブ長手方向Xの両端部には、チューブ長手方向Xと略直交する方向に延びるとともに内部に空間が形成されたタンク2、3が配置されている。タンク2、3には、チューブ10のチューブ長手方向Xの端部がチューブ挿入穴に挿入して接合されており、多数のチューブ10の各内部通路とタンク2、3内の空間とが連通している。
一方のタンク2は、エンジンから流出した高温の冷却水を多数のチューブ10に分配供給するものである。この一方のタンク2には、ホース(図示せず)を介して内燃機関の冷却水出口側に接続される流入口パイプ2aが配置されている。
他方のタンク3は、空気との熱交換により冷却された冷却水を集合回収して内燃機関に向けて排水するものである。この他方のタンク3には、ホースを介して内燃機関の冷却水入口側に接続される流出口パイプ3aが配置されている。
コア部1におけるチューブ積層方向Yの両端部には、コア部1を補強するサイドプレート4が配置されている。サイドプレート4は、アルミニウム合金製であり、チューブ長手方向Xと平行な方向に延びてその両端がタンク2、3に接続されている。
図2に示すように、タンク2、3は、複数のチューブ10が挿入固定されるコアプレート20と、コアプレート20に固定され、コアプレート20とともにタンク2、3の内部空間2b、3bを形成するタンク本体部30とを有して構成されている。
本実施形態では、コアプレート20をアルミニウム合金製とし、タンク本体部30をガラス繊維強化ナイロン66等の樹脂製として、密閉性を保つためのゴム製のパッキン(図示せず)をコアプレート20とタンク本体部30との間に挟んだ状態で固定している。この固定は、図3A、3Bに示すコアプレート20の突起片224を、タンク本体部30に押し付けるように塑性変形させる(かしめる)ことにより行われている。
図3B、4に示すように、コアプレート20は、タンク内側に平坦面211を有する平坦本体部21と、平坦本体部21の外縁全周にわたって設けられた溝部22とを有している。
溝部22は、タンク本体部30の端部およびパッキンが挿入される部分である。溝部22は、図4に示すように、断面略矩形状であり、3つの壁部によって形成されている。すなわち、平坦本体部21の外周部から略垂直に折り曲げられてチューブ長手方向Xに延びる内側壁部221と、内側壁部221から略垂直に折り曲げられてチューブ長手方向Xに対して垂直に延びる底壁部222と、底壁部222から略垂直に折り曲げられてチューブ長手方向Xに延びる外側壁部223とによって、溝22が形成されている。
なお、内側壁部221は、タンク内側に位置し、平坦本体部21に対して略垂直に延びている。外側壁部223は、タンク外側に位置し、平坦本体部21に対して略垂直に延びている。底壁部222は、溝部22の底に位置し、内側壁部221と外側壁部223の両方に連なっている。また、図3A、3B、4に示すように、外側壁部223の端部には、突起片224が複数形成されている。
図3Bに示すように、平坦本体部21には、複数のチューブ10が挿入してろう付けされるチューブ挿入穴23がチューブ積層方向Yに沿って複数設けられている。また、サイドプレート4が挿入してろう付けされるサイドプレート挿入穴24が、平坦本体部21におけるチューブ積層方向Yの両端側に1つずつ設けられている。チューブ挿入穴23およびサイドプレート挿入穴24は、チューブ巾方向Zに細長い形状であり、打ち抜き加工によって形成される。
さらに、平坦本体部21には、隣接するチューブ挿入穴23の間およびチューブ挿入穴23とサイドプレート挿入穴24との間に、平坦本体部21からタンク外側に突出し、かつ、チューブ巾方向Zに延びた細長い形状のリブ25がプレス成形によって形成されている。また、平坦本体部21において隣接するチューブ挿入穴23間の部位を挿入穴間部位としたとき、全ての挿入穴間部位にリブ25が2つ設けられている。
図3Bに示すように、リブ25は、チューブ積層方向Yから見て、チューブ挿入穴23のチューブ巾方向Zの端部23aをまたぐように配置されている。言い換えると、図4に示すように、リブ25は、チューブ積層方向Yから見て、チューブ10のチューブ巾方向Zの端部10aをまたぐように配置されている。
また、図3Bに示すように、リブ25は、チューブ巾方向Zの端部が溝部22まで到達せず、平坦本体部21のうちチューブ巾方向Zでのリブ25と溝部22との間に平坦部26が存在するように配置されている。この平坦部26は、タンク内側にタンク本体部21の平坦面211と同一の平坦面261を有する部分である。すなわち、タンク本体部21の平坦面211と平坦部26の平坦面261とは面一となっている。平坦部26の平坦面261は、タンク本体部21の平坦面211にリブ25を形成したときの残部であると言える。
ここで、本実施形態のリブ25について、より詳細に説明する。
図4、5に示すように、リブ25は、平坦本体部21の平坦面211に窪みを設けることで形成されるものである。
リブ25は、図4に示すチューブ巾方向Zに切断したときのリブ25の断面形状にて、窪みの底辺251aをなすリブ底部251と、窪みの底辺以外の辺252aをなすリブ傾斜部252とを有する形状である。
図4に示すリブ25の断面形状において、リブ底部251がなす底辺251aは、タンク内側の面がなす辺であり、平坦本体部21の平坦面211に平行な直線状である。
リブ傾斜部252は、リブ底部251と平坦部26との間に位置する部分である。図4に示すリブ25の断面形状において、リブ傾斜部252がなす辺252aは、タンク内側の面がなす辺であり、平坦部26の平坦面261の垂線に対して、平行でなく、傾斜した直線状である。
そして、本実施形態では、図4に示すように、リブ底部251ではなく、リブ傾斜部252が、チューブ積層方向Yから見て、チューブ10のチューブ巾方向Zの端部10aをまたぐように配置されている。
ちなみに、リブ傾斜部252の内側端部252bの位置は、図4に示すリブ25の断面形状において、リブ傾斜部252がなす斜辺252aとリブ底部251がなす底辺251aとの境界部である。一方、リブ傾斜部252の外側端部252cの位置は、図4に示すリブ25の断面形状において、リブ傾斜部252がなす斜辺252aと平坦部26の平坦面261がなす辺との境界部である。
なお、図6に示すように、リブ傾斜部252がなす斜辺252aとリブ底部251がなす底辺251aとの境界部が湾曲している場合は、破線で示す斜辺252aの仮想延長線と破線で示す底辺251aの仮想延長線との交点の位置が、リブ傾斜部252の内側端部252bの位置である。同様に、リブ傾斜部252がなす斜辺252aと、平坦面261がなす辺との境界部が湾曲している場合、破線で示す斜辺252aの仮想延長線と、破線で示す平坦面261がなす辺の仮想延長線との交点の位置が、リブ傾斜部252の外側端部252cの位置である。
したがって、本実施形態では、リブ傾斜部252の内側端部252bと外側端部252cとの間に、チューブ10のチューブ巾方向Zの端部10aが位置している。
さらに、本実施形態では、図4に示すように、リブ傾斜部252が平坦部26の垂線に対してなす傾斜角度θ1が、45〜80°である。図4に示す例では、傾斜角度θ1=70°である。なお、傾斜角度θ1は、図4に示す断面において、リブ傾斜部252がなす辺252aと、平坦部26の平坦面261の垂線とがなす角度である。
また、本実施形態では、チューブ巾方向Zにおけるチューブ10の端部10aと内側壁部221の内壁との距離L1は、4.0〜6.3mmであり、コアプレート20のコアプレート巾が小さくなっている。
次に、本実施形態の効果について説明する。
上述の通り、本実施形態では、リブ傾斜部252を、チューブ積層方向Yから見て、チューブ10のチューブ巾方向Zの端部10aをまたぐように配置することで、リブ傾斜部25の傾斜角度θ1を45°以上80°以下とすることができ、溝部22の内側壁部221と平坦部26とリブ傾斜部252とからなる平坦部26を頂部とする曲げ形状を緩やかな曲げ形状にできる。
このため、本実施形態によれば、コアプレート巾が小さい場合であっても、チューブ積層方向Yから見たときに、リブ25がチューブ10の端部10aをまたいでいるとともに、リブ25と溝部22との間に平坦部26が存在するように配置されたリブ25を、プレス成形によって形成することが可能となる。
言い換えると、本実施形態のようにリブ25を形成することで、チューブ巾方向Zにおけるチューブ10の端部10aと内側壁部221の内壁との距離L1を4.0〜6.3mmとすることができ、コアプレート巾を小さくすることができる。
また、本実施形態によっても、図7のチューブ根付部に発生する応力の解析結果から明らかなように、リブが溝部につながっている比較例2の熱交換器と比較して、熱応力が発生した場合のチューブ根付部での応力集中を低減できる。
なお、図7中の比較例1は、本実施形態の熱交換器においてリブを省略した場合であり、比較例2は、本実施形態の熱交換器においてリブ25のチューブ巾方向Zの端部を溝部22まで到達させた場合である。図7では、チューブ間に温度差が発生した場合のチューブとコアプレートの接合部(チューブとろう材の境界部)における最大発生応力を、比較例1のときを100%とした応力比で示している。
(第2実施形態)
第1実施形態では、図4に示すリブ25の断面形状において、リブ傾斜部252がなす辺252aが直線状であったが、本実施形態では、図8に示すように、リブ傾斜部252がなす辺252aが円弧状である。その他の構成は第1実施形態と同様である。この場合においても、第1実施形態と同様の効果を奏する。
この場合、リブ傾斜部252の傾斜角度θ1は、リブ傾斜部252と平坦部26との境界部において、リブ傾斜部252が平坦部26の垂線に対してなす角度である。
具体的には、図8に示すように、リブ傾斜部252がなす辺252aと平坦面261がなす辺の境界位置252cにおいて、一点鎖線で示す円弧状の辺252aの接線と破線で示す平坦面261の垂線とがなす角度が傾斜角度θ1である。リブ傾斜部252と平坦部26との境界部が、リブ傾斜部252がなす辺252aとは逆向きに湾曲している場合、リブ傾斜部252と平坦部26の境界位置252cは、破線で示すリブ傾斜部252がなす辺252aの円弧状を維持しながら延長した仮想延長線と破線で示す平坦面261がなす辺の仮想延長線との交点の位置である。
(第3実施形態)
第1実施形態では、平坦本体部21の挿入穴間部位に、チューブ巾方向Zに2つのリブ25を設けていたが、本実施形態では、図9に示すように、これらを繋げて1つのリブ25としている。この場合、1つのリブ25は、チューブ積層方向Yから見て、チューブ挿入穴23のチューブ巾方向の一端部をまたがるとともに、チューブ挿入穴23のチューブ巾方向の他端部をまたがるように配置されている。
また、第1実施形態では、コアプレート20にサイドプレート挿入穴24が設けられていたが、本実施形態では、図9に示すように、サイドプレート挿入穴24の代わりに、チューブ挿入穴23が設けられている。
このように、第1実施形態に対して変更しても、第1実施形態と同様の効果を奏する。
(他の実施形態)
(1)第1実施形態では、平坦本体部21の各挿入穴間部位に、チューブ巾方向Zに2つのリブ25を設けていたが、2つのリブ25の一方を省略しても良い。このとき、チューブ挿入穴23のチューブ巾方向Zの一端側にのみリブ25が設けられた挿入穴間部位と、チューブ挿入穴23のチューブ巾方向Zの他端側にのみリブ25が設けられた挿入穴間部位とを、チューブ積層方向Yに沿って交互に配置しても良い。
(2)上述の各実施形態では、全ての挿入穴間部位にリブ25を設けたが、全ての挿入穴間部位のうち一部の挿入穴間部位にのみリブ25を設けても良い。具体的には、リブ25が2つ設けられた挿入穴間部位と、リブ25が設けられていない挿入穴間部位とを、チューブ積層方向Yに沿って交互に配置しても良い。
(3)上述の各実施形態では、本発明をラジエータに適用した例について説明したが、自動車暖房用のヒータコア等の他の用途の熱交換器においても本発明の適用が可能である。
(4)上述の各実施形態を実施可能な範囲で組み合わせても良い。
2、3 タンク
10 チューブ
10a チューブのチューブ巾方向の端部
20 コアプレート
21 平坦本体部
211 平坦本体部の平坦面
22 溝部
23 チューブ挿入穴
25 リブ
251 リブ底部
251a リブ断面形状でリブ底部がなす底辺
252 リブ傾斜部
26 平坦部
261 平坦部の平坦面
30 タンク本体部

Claims (3)

  1. 横断面が扁平形状であって、前記扁平形状の長軸方向をチューブ巾方向(Z)として、前記チューブ巾方向に対して略垂直な方向に積層された複数のチューブ(10)と、
    前記複数のチューブと連通するタンク(2、3)とを備える熱交換器において、
    前記タンクは、
    前記複数のチューブが挿入されるコアプレート(20)と、
    前記コアプレートに固定されて、前記コアプレートとともに前記タンクの内部空間を形成するタンク本体部(30)とを有し、
    前記コアプレートは、
    タンク内側に平坦面(211)を有するとともに、前記複数のチューブが挿入される複数のチューブ挿入穴(23)が設けられた平坦本体部(21)と、
    前記平坦本体部の外縁に設けられ、前記タンク本体部の端部が挿入される溝部(22)と、
    前記平坦本体部からタンク外側に突出し、チューブ巾方向に延びた形状のリブ(25)とを有し、
    前記リブは、チューブ積層方向(Y)から見て、前記チューブのチューブ巾方向の端部(10a)をまたぐとともに、チューブ巾方向での前記リブと前記溝部との間に、タンク内側に前記平坦本体部の平坦面と同一の平坦面(261)を有する平坦部(26)が存在するように配置されており、
    さらに、前記リブは、前記平坦本体部の平坦面に窪みを設けることで形成されており、チューブ巾方向に切断したときの前記リブの断面形状にて、前記平坦本体部の平坦面に平行な直線状の前記窪みの底辺(251a)をなすリブ底部(251)と、前記リブ底部と前記平坦部との間に位置し、前記平坦部の平坦面の垂線に対して傾斜しているリブ傾斜部(252)とを有する形状であり、
    前記リブ傾斜部が、チューブ積層方向から見て、前記チューブのチューブ巾方向の端部をまたぐように配置されていることを特徴とする熱交換器。
  2. 前記リブ傾斜部と前記平坦部との境界部において、前記リブ傾斜部が前記平坦部の垂線に対してなす角度(θ1)が45〜80°であることを特徴とする請求項1に記載の熱交換器。
  3. 前記溝部は、前記平坦本体部に対して略垂直に延び、タンク内側に位置する内側壁部(221)と、前記平坦本体部に対して略垂直に延び、タンク外側に位置する外側壁部(223)と、前記内側壁部と前記外側壁部の両方に連なり、前記溝部の底に位置する底壁部とによって構成されており、
    チューブ巾方向における前記チューブの端部と前記内側壁部の内壁との距離(L1)が4.0〜6.3mmであることを特徴とする請求項1または2に記載の熱交換器。
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