JP2004219044A - 熱交換器およびコアプレートの製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】 チューブ間のピッチ寸法を小さくしても十分な機械的強度を確保することができるコアプレートを備えるラジエータを提供する。
【解決手段】 コアプレート５に波形状に形成された波状部５ｂを設け、かつ、チューブは屈曲部５ａに形成された穴部５ｃに挿入された状態でチューブをコアプレート５にろう付けする。これにより、コアプレート５のチューブ間ピッチ寸法を小さくしても十分な機械的強度を確保することができる。したがって、コアプレート５とチューブとの機械的強度差が大きく相違してしまうことを抑制できるので、コアプレート５とチューブとの接合箇所に応力が集中してしまうことを防止でき、ラジエータの機械的強度、およびコアプレート５とチューブとの接合箇所の信頼性（耐久性）を高めることができる。
【選択図】 図４

Description

本発明は、熱交換器に関するもので、水冷式内燃機関の冷却水と空気とを熱交換して冷却水を冷却するラジエータに適用して有効である。

一般的なラジエータは、冷却水が流れる複数本のチューブ、およびチューブの長手方向両端側にてチューブの長手方向と略直交する方向に延びて複数本のチューブと連通するヘッダタンク等からなるもので、ヘッダタンクは、チューブが挿入固定されたコアプレート、およびコアプレートと共に前記ヘッダタンク内の空間を構成するタンク部を有して構成されている。

そして、従来は、コアプレートのうちチューブが挿入される穴と穴との間に、凹状または凸状の打ち出し部を設けてコアプレートの機械的強度、つまり曲げや捩りに対する変形強度を高めていた（例えば、特許文献１参照）。
特開平１２−２８３６８９号公報

ところで、特許文献１に記載のラジエータにおいて、ラジエータの小型化を図るべく、チューブ間のピッチ寸法を小さくすると、チューブが挿入される穴と穴との間に打ち出し部を設けることができない、または打ち出し部の打ち出し寸法を小さくせざるを得ないので、十分な機械的強度を確保することができないおそれがある。

本発明は、上記点に鑑み、第１には、従来と異なる新規な熱交換器を提供し、第２には、チューブ間のピッチ寸法を小さくしても十分な機械的強度を確保することができるコアプレートを備える熱交換器を提供することを目的とする。

本発明は、上記目的を達成するために、請求項１に記載の発明では、流体が流れる複数本のチューブ（２）と、チューブ（２）の長手方向両端側に設けられ、チューブ（２）の長手方向と略直交する方向に延びて複数本のチューブ（２）と連通するヘッダタンク（４）とを備え、ヘッダタンク（４）は、チューブ（２）が固定されたコアプレート（５）、およびコアプレート（５）と共にヘッダタンク（４）内の空間を構成するタンク部（６）を有して構成され、コアプレート（５）には、多数個の屈曲部（５ａ）を有してヘッダタンク（４）の長手方向と平行な方向に進行する波のような形状に形成された波状部（５ｂ）が設けられており、さらに、チューブ（２）は、屈曲部（５ａ）に形成された穴部（５ｃ）に挿入されてコアプレート（５）に固定されていることを特徴とする。

これにより、コアプレート（５）のチューブ間ピッチ寸法を小さくしても十分な機械的強度を確保することができる。

したがって、コアプレート（５）とチューブ（２）との機械的強度差が大きく相違してしまうことを抑制できるので、コアプレート（５）とチューブ（２）との接合箇所に応力が集中してしまうことを防止でき、熱交換器の機械的強度、およびコアプレート（５）とチューブ（２）との接合箇所の信頼性（耐久性）を高めることができる。

請求項２に記載の発明では、穴部（５ｃ）は、多数個の屈曲部（５ａ）のうちヘッダタンク（４）内側に向けて陥没している屈曲部（５ａ）の頂部に設けられていることを特徴とする。

これにより、屈曲部（５ａ）の頂部に連なる傾斜面を、チューブ（２）を穴部（５ｃ）に挿入する際の案内面として機能させることができるので、チューブ（２）をコアプレート（５）に挿入組み付けする際の作業性を向上させることができる。

請求項３に記載の発明では、穴部（５ｃ）の周囲全周が、ヘッダタンク（４）内側に向けて陥没するようにチューブ（２）の挿入方向に対して傾斜していることを請求項２に記載の熱交換器。

これにより、チューブ（２）をコアプレート（５）に挿入組み付けする際の作業性をさらに向上させることができる。

請求項４に記載の発明では、波状部（５ｂ）は、板厚方向一端側に配置されて板厚方向他端側に突出した突起部を有して波状に形成された第１のプレス型（１００）、および板厚方向他端側に配置されて板厚方向一端側に突出した突起部を有して波状に形成された第２のプレス型（１１０）にてプレス成形されたものであることを特徴とする。

これにより、成形前の板面（基準面）に対して略対称に凹凸が形成されるので、プレス成形時に発生した残留応力の向きも略対称となり、残留応力が相殺されるようになる。

したがって、波状部（５ｂ）の成形に伴ってコアプレート（５）が変形してしまうことを抑制できるので、コアプレート（５）の製造歩留まりが悪化してしまうことを防止できる。

請求項５に記載の発明では、波状部（５ｂ）の波長寸法（Ｌｐ）は、チューブ（２）の外形寸法のうちヘッダタンク（４）の長手方向と平行な部位の寸法の３倍以上、５倍以下であることを特徴とするものである。

請求項６に記載の発明では、波状部（５ｂ）の高低差（Ｈ）に対する波状部（５ｂ）の波長寸法（Ｌｐ）の比（Ｌｐ／Ｈ）は、０．４５９以上、０．５１３以下であることを特徴とするものである。

請求項７に記載の発明では、コアプレート（５）の厚み寸法（ｔ）は、約１．５ｍｍであることを特徴とするものである。

請求項８に記載の発明では、請求項１ないし７のいずれか１つに記載の熱交換器（１）に用いられるコアプレート（５）の製造方法であって、板状の部材の厚み方向一端側に配置されて厚み方向他端側に突出した突起部を有する第１のプレス型（１００）、および厚み方向他端側に配置されて厚み方向一端側に突出した突起部を有する第２のプレス型（１１０）にてプレス成形することを特徴とする。

これにより、成形前の板面（基準面）に対して略対称に凹凸が形成されるので、プレス成形時に発生した残留応力の向きも略対称となり、残留応力が相殺されるようになる。

したがって、波状部（５ｂ）の成形に伴ってコアプレート（５）が変形してしまうことを抑制できるので、コアプレート（５）の製造歩留まりが悪化してしまうことを防止できる。

因みに、上記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）
本実施形態は、本発明に係る熱交換器を車両用走行用駆動源をなすエンジン（内燃機関）を冷却するラジエータに適用したものであって、図１は本実施形態に係るラジエータ１の斜視図であり、図２はヘッダタンクの断面図であり、図３はコアプレートの二面図であり、図４はコアプレートの斜視図であり、図５はコアプレートの斜視断面図であり、図６はコアプレートの断面図である。

図１中、チューブ２は冷却水が流れる扁平状の管であり、本実施形態では、その長手方向が上下方向と一致し、かつ、その断面形状は長径方向が空気の流通方向と一致するような扁平形状に形成されている。なお、チューブ２の短径方向は、空気の流通方向と略直交する方向であって、後述するヘッダタンク４の長手方向と一致している。

また、チューブ２の外表面には、空気との伝熱面積を増大させて冷却水と空気との熱交換を促進する波状のフィン３が設けられている。なお、チューブ２およびフィン３は共に金属（本実施形態では、アルミニウム合金）製であり、両者３、３はろう接にて接合されて一体化され、熱交換コア部を構成している。

なお、「ろう接」とは、例えば「接続・接合技術」（東京電機大学出版局）に記載されているように、ろう材やはんだを用いて母材を溶融させないように接合する技術を言う。そして、融点が４５０℃以上の溶加材を用いて接合するときをろう付けと言い、その際の溶加材をろう材と呼び、融点が４５０℃以下の溶加材を用いて接合するときをはんだ付けと言い、その際の溶加材をはんだと呼ぶ。

また、ヘッダタンク４は、チューブ２の長手方向両端側に設けられてチューブ２の長手方向と略直交する方向に延び、複数本のチューブ２と連通するタンク手段であり、紙面上方側のヘッダタンク４は、複数本のチューブ２に冷却水を分配供給するもので、紙面下方側のヘッダタンク４は、熱交換を終えて各チューブ２から流出した冷却水を集合回収するものである。

そして、ヘッダタンク４は、図２に示すように、チューブ２が挿入固定されたコアプレート５、およびコアプレート５と共にヘッダタンク４内の空間４ａを構成するタンク部６を有して構成されている。

そして、本実施形態では、コアプレート５を金属（本実施形態では、アルミニウム合金）製とし、タンク部６を樹脂（本実施形態では、ガラス繊維強化ナイロン６６）製として、コアプレート５とタンク部６との間に密閉性を保つパッキンを挟んだ状態で、コアプレート５の一部をタンク部６に押し付けるように塑性変形させてタンク部６をコアプレート５にカシメ固定している。

また、コアプレート５には、図４、５に示すように、多数個の屈曲部５ａを有してヘッダタンク４の長手方向と平行な方向に進行する波のような形状に形成された波状部５ｂが設けられており、チューブ２は、多数個の屈曲部５ａのうち、ヘッダタンク４内の空間４ａ側（紙面上方側）に陥没した屈曲部５ａの頂部に形成された扁平状の穴部５ｃに挿入されてコアプレート５にろう接固定されている。

なお、多数個の穴部５ｃのうちヘッダタンク４の長手方向端部側に位置する穴部５ｃには、チューブ２では、熱交換コア部を補強するインサートプレート７（図１参照）が挿入された状態でろう接固定されている。

次に、本実施形態に係るコアプレート５の製造方法を述べる。

図７はコアプレート５を製造するためのプレス装置の模式図である。このプレス装置は、板状の部材Ｗの厚み方向一端側に配置されて前記厚み方向他端側に突出した突起部を有してプレス面が波状に形成された上型１００、および部材Ｗの厚み方向他端側に配置されて厚み方向一端側に突出した突起部を有してプレス面が波状に形成された下型１１０等からなるもので、下型１１０に対して上型１００を移動して両プレス型１００、１１０にて部材Ｗを上下方向から挟み込んで部材Ｗを波状に成形する。なお、本実施形態では、波状部５ｂの成形と同時に穴部５ｃを成形している。

次に、本実施形態の作用効果を述べる。

本実施形態では、コアプレート５に波形状に形成された波状部５ｂを設け、かつ、チューブ２は屈曲部５ａに形成された穴部５ｃに挿入されてコアプレート５にろう接されているので、コアプレート５のチューブ間ピッチ寸法、つまり波状部５ｂの波長Ｌｐ、つまり穴部５ｃ間のピッチ寸法（図６（ｂ）参照）を小さくしても十分な機械的強度を確保することができる。

したがって、コアプレート５とチューブ２、つまりコアプレート５と熱交換コア部との機械的強度差が大きく相違してしまうことを抑制できるので、コアプレート５とチューブ２との接合箇所に応力が集中してしまうことを防止でき、ラジエータ１の機械的強度、およびコアプレート５とチューブ２との接合箇所の信頼性（耐久性）を高めることができる。

また、本実施形態では、両プレス型１００、１１０にて部材Ｗを上下方向から挟み込んで部材Ｗを波状に成形するので、成形前の板面（基準面）に対して略対称に凹凸が形成されるので、プレス成形時に発生した残留応力の向きも略対称となり、残留応力が相殺されるようになる。

したがって、波状部５ｂの成形に伴ってコアプレート５が変形してしまうことを抑制できるので、コアプレート５の製造歩留まりが悪化してしまうことを防止できる。

なお、本実施形態では、ラジエータ１の小型化、および製造歩留まり等を考慮して、波状部５ｂの波長寸法Ｌｐをチューブ２の厚み寸法（短径方向寸法）、つまりチューブ２の外形寸法のうちヘッダタンク４の長手方向と平行な部位の寸法の３倍以上、５倍以下としている。

因みに、本実施形態では、波長寸法Ｌｐは７．５ｍｍであり、チューブ２の厚み寸法は２ｍｍであり、コアプレート５の厚みは１．５ｍｍであり、屈曲部５ａの内側曲率半径は０．５ｍｍである。

（第２実施形態）
第１実施形態に係るコアプレート５では、扁平状に形成された穴部５ｃの周囲のうち、穴部５ｃの短径方向側のみチューブ２の挿入方向に対して傾斜していたが、本実施形態は、図８に示すように、穴部５ｃの周囲全周をチューブ２の挿入方向に対して傾斜させたものである。

これにより、穴部５ｃの周囲全周の傾斜面、つまり穴部５ｃの短径方向側の傾斜面５ｄおよび穴部５ｃの長径方向側の傾斜面５ｅがチューブ２を穴部５ｃに挿入する際の案内面として機能する。

したがって、チューブ２をコアプレート５に挿入組み付けする際の作業性を向上させることができる。

（第３実施形態）
本実施形態は、コアプレート５を波状とする場合の加工限界と必要な機械的強度を得る場合の寸法に関するものである。

具体的には、波状部５ｂの高低差Ｈに対する波状部５ｂの波長寸法Ｌｐの比（＝Ｌｐ／Ｈ）を０．４５９以上、０．５１３以下としたものである。

なお、本実施形態では、コアプレート５をアルミニウム合金（Ａ３０１７）とし、厚み寸法ｔは約１．５ｍｍとしている。

因みに、本実施形態では、図９中、Ｌｐを８．２ｍｍとし、Ｈ１を３．９ｍｍとし、Ｈ２を６．１ｍｍとしている。

（第４実施形態）
本実施形態は、図１０に示すように、屈曲部５ａの頂部のうち穴部５ｃが設けられていない部位を平面状として、平面部５ｆを設けたものである。

（その他の実施形態）
上述の実施形態では、本発明に係る熱交換器の水冷式内燃機関用のラジエータに用いたが、本発明はこれに限定されるものではなく、例えば燃料電池用のラジエータに用いてもよい。

また、上述の実施形態では、タンク部６を樹製としたが、本発明はこれに限定されるものではなく、例えば金属製としてもよい。

本発明の第１実施形態に係るラジエータの斜視図である。 本発明の第１実施形態に係るヘッダタンクの断面図である。 本発明の第１実施形態に係るコアプレートの二面図である。 本発明の第１実施形態に係るコアプレートの斜視図である。 本発明の第１実施形態に係るコアプレートの断面斜視図である。 （ａ）は図２のＢ−Ｂ断面図である。 本発明の第１実施形態に係るプレス装置の模式図である。 （ａ）は本発明の第２実施形態に係るコアプレートの正面図であり、（ｂ）は（ａ）のＡ−Ａ断面図である。 本発明の第３実施形態に係るコアプレートの断面図である。 本発明の第３実施形態に係るコアプレートの断面図である。

符号の説明

５…コアプレート、５ａ…屈曲部、５ｂ…波状部。

Claims (8)

1. 流体が流れる複数本のチューブ（２）と、
   前記チューブ（２）の長手方向両端側に設けられ、前記チューブ（２）の長手方向と略直交する方向に延びて前記複数本のチューブ（２）と連通するヘッダタンク（４）とを備え、
   前記ヘッダタンク（４）は、前記チューブ（２）が固定されたコアプレート（５）、および前記コアプレート（５）と共に前記ヘッダタンク（４）内の空間を構成するタンク部（６）を有して構成され、
   前記コアプレート（５）には、多数個の屈曲部（５ａ）を有して前記ヘッダタンク（４）の長手方向と平行な方向に進行する波のような形状に形成された波状部（５ｂ）が設けられており、
   さらに、前記チューブ（２）は、前記屈曲部（５ａ）に形成された穴部（５ｃ）に挿入されて前記コアプレート（５）に固定されていることを特徴とする熱交換器。
2. 前記穴部（５ｃ）は、前記多数個の屈曲部（５ａ）のうち前記ヘッダタンク（４）内側に向けて陥没している屈曲部（５ａ）の頂部に設けられていることを特徴とする請求項１に記載の熱交換器。
3. 前記穴部（５ｃ）の周囲全周が、前記ヘッダタンク（４）内側に向けて陥没するように前記チューブ（２）の挿入方向に対して傾斜していることを請求項２に記載の熱交換器。
4. 前記波状部（５ｂ）は、板厚方向一端側に配置されて前記板厚方向他端側に突出した突起部を有して波状に形成された第１のプレス型（１００）、および前記板厚方向他端側に配置されて前記板厚方向一端側に突出した突起部を有して波状に形成された第２のプレス型（１１０）にてプレス成形されたものであることを特徴とする請求項１ないし３のいずれか１つに記載の熱交換器。
5. 前記波状部（５ｂ）の波長寸法（Ｌｐ）は、前記チューブ（２）の外形寸法のうち前記ヘッダタンク（４）の長手方向と平行な部位の寸法の３倍以上、５倍以下であることを特徴とする請求項１ないし４のいずれか１つに記載の熱交換器。
6. 前記波状部（５ｂ）の高低差（Ｈ）に対する前記波状部（５ｂ）の波長寸法（Ｌｐ）の比（Ｌｐ／Ｈ）は、０．４５９以上、０．５１３以下であることを特徴とする請求項１ないし４のいずれか１つに記載の熱交換器。
7. 前記コアプレート（５）の厚み寸法（ｔ）は、約１．５ｍｍであることを特徴とする請求項６に記載の熱交換器。
8. 請求項１ないし７のいずれか１つに記載の熱交換器（１）に用いられる前記コアプレート（５）の製造方法であって、
   板状の部材の厚み方向一端側に配置されて前記厚み方向他端側に突出した突起部を有する第１のプレス型（１００）、および前記厚み方向他端側に配置されて前記厚み方向一端側に突出した突起部を有する第２のプレス型（１１０）にてプレス成形することを特徴とするコアプレートの製造方法。

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