JP2005134049A - 熱交換器用チューブおよびそれを用いた熱交換器 - Google Patents

Abstract

【課題】 小型・軽量化を図りつつ、熱衝撃による破損を回避し得る熱交換器用チューブおよびそれを用いた熱交換器を提供する。
【解決手段】 平面状部材２１の両側部２１ａ、２１ａを、同一方向に折り曲げて管状にし、これら両側部２１ａ、２１ａを当接させた状態で内部へと突出させ、これら当接させた両側部２１ａ、２１ａ同士をろう材によりろう付けしてなる熱交換器用チューブ２０において、両側部２１ａ、２１ａが、それぞれ端部２１ｃ、２１ｃに向かうに従って二股に分岐し、これら端部２１ｃ、２１ｃを平面状部材２１における対向する内面２１ｄに結合するようにした。また、このような構造でなる熱交換器用チューブ２０を用いて熱交換器を構成するようにした。
【選択図】 図１

Description

本発明は、熱交換器用チューブおよびそれを用いた熱交換器に関し、例えば自動車用ヒータコアやラジエータ等のアルミニウム製熱交換器に用いるチューブおよびそれを用いた熱交換器に適して好適なものである。

従来、この種の熱交換器としては、例えば図４および図５において、１で示すようなものがある。この熱交換器１は、積層された複数のチューブ２と、これら隣接するチューブ２、２間に配置された複数の波形フィン３と、複数のチューブ２の上端部および下端部がそれぞれ接続された上方ヘッダタンク部４および下方ヘッダタンク部５と、上方ヘッダタンク部４に接続された入口パイプ６および出口パイプ７とを備えている。

上方および下方ヘッダタンク部４、５は、それぞれヘッダ座板８と、このヘッダ座板８に接合されたタンクカバー部材９とから構成され、内部にタンク室１０（図５参照）が形成されている。そして、各チューブ２の端部がヘッダ座板８の嵌合孔８ａに挿入され、タンク室１０内に突出された状態で結合されている。

ところで、近年、自動車用熱交換器（例えばヒータコアや、ラジエータ等）は小型・軽量化の要望から、チューブなどの構成部品にアルミニウム材が用いられ、中でも図６に示すように、チューブ１１には薄肉化の傾向が見受けられる。

かかるチューブ１１は、例えば表面にろう材（図示省略する）をクラッドした平面状部材であるアルミニウム製板材１２の両側部１２ａ、１２ａを、ロールホーミング法等の手法によって、同一方向に略９０〔°〕に折り曲げた後、図示しない曲げ加工機を用いて偏平チューブ状に折り曲げ、前記両側部１２ａ、１２ａを当接せしめてなる中柱１３を内側に立設させた状態で治具によって固定することにより形成される。

そして、この後、フィン３（図４参照）とチューブ１１を交互に組み付け、ヘッダ座板８（図４参照）の嵌合孔８ａ（図４参照）に嵌合した状態で治具によって固定することにより熱交換器コアが形成される。

このように、かかるチューブ１１では、小型・軽量化のために薄肉化した状態においても従来のチューブ２と同等の強度を保つため、中柱１３を内側に立設させた断面Ｂ型の形状としている（例えば、特許文献１参照）。因みに、図中符号１２ｂはチューブ１１におけるアルミニウム製板材１２の両側部１２ａ、１２ａが中柱１３へ至る曲げ部、１４は前記両側部１２ａ、１２ａを中柱１３として溶接した溶接部、１５は前記両側部１２ａ、１２ａの端部とアルミニウム製板材１２との間に形成されるデルタ部を示す。
特開平９−１２２８０４号公報

しかしながら、一般的に熱交換器１の使用環境では、常温、高温、常温の順に変化するサイクルで熱負荷が発生することから、チューブ１１に対して熱衝撃的な応力が加わり、特に、かかるチューブ１１では中柱１３によって厚み方向の伸縮作用が規制されるため、曲げ部１２ｂにて過大な応力が発生し易く、このように応力が発生した場合、破損に繋がるおそれがある。

これは、以下のようなメカニズムからなる。すなわち、チューブ１１は温まった熱交換媒体と冷えた熱交換媒体とを交互に流通する際、縮小、拡大を繰り返す。このような流通する熱交換媒体の温度の急冷時、図７（ａ）、（ｂ）に示すように、ヘッダ座板８の温度が急激に下がることによってヘッダ座板８は縮もうとするが、上方および下方ヘッダタンク部４、５の温度が下がり難く、ヘッダ座板８の収縮が拘束されるため、ヘッダ座板８の嵌合孔８ａが拡がる変形モードとなる。

一方、流通する熱交換媒体の温度の急加熱時、図８（ａ）、（ｂ）に示すように、ヘッダ座板８の温度が急激に上がることによってヘッダ座板８は伸びようとするが、上方および下方ヘッダタンク部４、５の温度が上がり難く、ヘッダ座板８の膨張が拘束されるため、ヘッダ座板８の嵌合孔８ａが潰れる変形モードとなる。

このように、上方および下方ヘッダタンク部４、５は昇降温度特性が悪く、当該上方および下方ヘッダタンク部４、５がヘッダ座板８の急激な温度変化に伴う膨張、収縮を拘束するため、前記嵌合孔８ａの中央部、つまりチューブ１１の中柱１３に圧縮、引張り応力が交互に加わる。この結果、チューブ１１におけるアルミニウム製板材１２の曲げ部１２ｂに前記応力が集中して疲労亀裂を生じさせるおそれがある。

自動車用熱交換器の小型・軽量化は今後も益々求められる傾向にあり、それに伴いチューブの薄肉化もさらに進み、破損の危険性も増大すると推定され、使用環境での熱衝撃的な応力に対応する方策は必須であると考えられる。

また、上述したチューブ１１においては、中柱１３における溶接部１４の距離が長い場合、ろう付け時にアルミニウム製板材１２の表面にクラッドしたろう材が毛細管現象によりデルタ部１５に流れ込み、このデルタ部１５にてエロージョンを発生させることが懸念される。

そこで、本発明は上述した問題点に鑑みてなされたもので、小型・軽量化を図りつつ、熱衝撃による破損を回避し得る熱交換器用チューブおよびそれを用いた熱交換器を提供することを目的とするものである。

請求項１にあっては、平面状部材の両側部を、同一方向に折り曲げて管状にし、これら両側部を当接させた状態で内部へと突出させ、これら当接させた両側部同士をろう材によりろう付けしてなる熱交換器用チューブにおいて、上記両側部が、それぞれ端部に向かうに従って二股に分岐し、これら端部を上記平面状部材における対向する内面に結合することを特徴としている。

請求項２にあっては、請求項１に記載の平面状部材が、アルミニウム材でなることを特徴としている。

請求項３にあっては、積層された複数のチューブと、これら複数のチューブの上端部および下端部がそれぞれ接続され、ヘッダ座板と当該ヘッダ座板に接合されたタンクカバー部材とを有する上方ヘッダタンク部および下方ヘッダタンク部とを備え、上記各チューブの上端部および下端部が、それぞれ上記ヘッダ座板に穿設された嵌合孔に挿入された状態で結合されてなる熱交換器において、上記各チューブが、平面状部材の両側部を、同一方向に折り曲げて管状にし、これら両側部を当接させた状態で内部へと突出させ、これら当接させた両側部同士をろう材によりろう付けしてなる熱交換器用チューブでなり、上記両側部が、それぞれ端部に向かうに従って二股に分岐し、これら端部を平面状部材における対向する内面に結合することを特徴としている。

請求項４にあっては、請求項３に記載のチューブが、アルミニウム材でなることを特徴としている。

請求項１の発明によれば、平面状部材の両側部が、それぞれ端部に向かうに従って二股に分岐し、これら端部を平面状部材の対向する内面に結合することにより、平面状部材を管状にした際の内部へと突出する両側部の当接部分の剛性を低下させ、これら内部へと突出する両側部の曲げ部に加わる応力を管状の平面状部材全体で吸収して分散させることができるため、この曲げ部に応力が集中するのを抑制することができる。かくして、小型・軽量化を図りつつ、熱衝撃による破損を回避し得る熱交換器用チューブを提供することができる。

しかも、この場合、平面状部材の両側部が、それぞれ端部に向かうに従って二股に分岐することから、これら両側部における当接部分が縮小されるため、ろう付時に毛細管現象によってろう材がデルタ部へ流れ込むのを防止することができ、エロージョンの発生を未然に回避することができる。

さらに、これらに加えて、この場合、平面状部材の両側部が、それぞれ端部に向かうに従って二股に分岐することから、熱交換器用チューブにおける内部領域を３分割するため、放熱特性を向上させることができる。

請求項２の発明によれば、請求項１の発明の効果に加えて、平面状部材がアルミニウム材でなることにより、さらに小型・軽量化に優れ、熱交換性能を向上させることができる。

請求項３の発明によれば、平面状部材の両側部が、それぞれ端部に向かうに従って二股に分岐し、これら端部を平面状部材における対向する内面に結合するようにしてチューブを形成するようにしたことにより、チューブの内部へと突出する両側部の当接部分の剛性を低下させることから、上方および下方ヘッダタンク部がヘッダ座板の急激な温度変化に伴う膨張、収縮を拘束し、ヘッダ座板の嵌合孔、つまりチューブに圧縮、引張り応力が交互に加わる際においても、チューブ内部へと突出する両側部の曲げ部に加わる応力をチューブ全体で吸収して分散させることができるため、この曲げ部に応力が集中するのを抑制することができる。かくして、小型・軽量化を図りつつ、熱衝撃による破損を回避し得る熱交換器を提供することができる。

請求項４の発明によれば、請求項３の発明の効果に加えて、チューブがアルミニウム材でなることにより、さらに小型・軽量化に優れ、熱交換性能を向上し得る熱交換器を提供することができる。

以下、本発明の一実施形態について図面に基づき詳述する。

図１〜図３は、本発明における熱交換器用チューブおよびそれを用いた熱交換器の一実施形態を示し、図１は本発明を適用した熱交換器における要部（熱交換器用チューブ）を拡大して示す断面図、図２は一般的なチューブ材料（平面状部材）の材料構成を示す表、図３は図１のチューブにおけるデルタ部形状に対する耐エロージョン性、接合性、耐久強度を示す表である。

本実施形態において熱交換器は、後述するチューブ２０(図１参照)の形状が上述した図４におけるチューブ２の形状と異なる点を除いて、上述した従来の形態とほぼ同様の構成を有しており、図１に示す熱交換器用チューブとしてのチューブ２０と、図４に示す波形フィン３、上方ヘッダタンク部４、下方ヘッダタンク部５、入口パイプ６および出口パイプ７とが、それぞれ軽量化に優れたアルミニウム材を用いて形成されている。

本実施形態の場合、チューブ２０は図１に示すように、例えば表面にろう材（図示省略する）をクラッドした平面状部材であるアルミニウム製板材２１の両側部２１ａ、２１ａを、ロールホーミング法等の手法によって、同一方向に略９０〔°〕に折り曲げた後、図示しない曲げ加工機を用いて偏平チューブ状に折り曲げ、前記両側部２１ａ、２１ａを曲げ部２１ｂにて内部に略９０〔°〕折り曲げて当接せしめてなる中柱２２を、当該内部に立設させた状態で治具により固定する。一方、前記両側部２１ａ、２１ａは、中柱２２よりも内側、つまり、中柱２２から当該両側部２１ａ、２１ａの各端部２１ｃ、２１ｃに向かって二股に分岐されるとともに、当該各端部２１ｃ、２１ｃがアルミニウム製板材２１における対向する内面２１ｄに結合されることにより、デルタ部２４を有するチューブ２０が形成される。

そして、この後、フィン３（図４参照）とチューブ２０を交互に組み付け、ヘッダ座板８（図４参照）の嵌合孔８ａ（図４参照）に嵌合した状態で治具によって固定することにより熱交換器コアが形成される。

因みに、現行のラジエータを元にチューブ２０の寸法を想定してみた。まず、チューブ２０の内径幅Ｌは約１〔mm〕とし、構成材料は図２に示す通りであるとすると、このときのチューブ２０におけるデルタ部２４の形状に対する耐エロージョン性、接合性および耐久強度は、図３に示すような結果となった。

これにより、チューブ２０はデルタ部２４が二等辺三角形をなす場合、その高さＬ１を約0.4〔mm〕以上、0.5〔mm〕以下とし、底辺の半分の長さＬ２を約0.3〔mm〕以上、1.0〔mm〕以下とするのが好ましいことがわかった。

このように、かかるチューブ２０では、中柱２２を内部へ突出し、この中柱２２から各端部２１ｃ、２１ｃに向けて二股に分岐しながら当該各端部２１ｃ、２１ｃを対向する内面２１ｄに結合することにより、中柱２２の剛性を低下させ、これら内側へと突出する両側部２１ａ、２１ａの曲げ部２１ｂに加わる応力をチューブ２０全体で吸収して分散させることができるため、この曲げ部２１ｂに応力が集中するのを抑制することができる。かくして、小型・軽量化を図りつつ、熱衝撃による破損を回避することができる。

以上、説明したように、本実施形態によれば、中柱２２を内部へ突出し、この中柱２２から各端部２１ｃ、２１ｃに向けて二股に分岐しながら当該各端部２１ｃ、２１ｃを対向する内面２１ｄに結合させてチューブ２０を形成することにより、中柱２２の剛性を低下させ、これら内側へと突出する両側部２１ａ、２１ａの曲げ部２１ｂに加わる応力をチューブ２０全体で吸収して分散させることができるため、この曲げ部２１ｂに応力が集中するのを抑制することができる。かくして、小型・軽量化を図りつつ、熱衝撃による破損を回避することができる。

しかも、本実施形態によれば、アルミニウム製板材２１の両側部２１ａ、２１ａが、それぞれ端部２１ｃ、２１ｃに向かうに従って二股に分岐していることから、これら両側部２１ａ、２１ａにおける当接部分が縮小されるため、ろう付時に毛細管現象によってろう材がデルタ部２４へ流れ込むのを防止することができ、エロージョンの発生を未然に回避することができる。

さらに、本実施形態によれば、アルミニウム製板材２１の両側部２１ａ、２１ａが、それぞれ端部２１ｃ、２１ｃに向かうに従って二股に分岐していることから、チューブ２０における内部領域を第１の内部領域２０ａと、第２の内部領域２０ｂおよび第３の内部領域２０ｃとに３分割するため、放熱特性を向上させることができる。

また、本実施形態の場合、チューブ２０（図１）、波形フィン３（図４）、上方タンク部４、下方タンク部５、入口パイプ６および出口パイプ７とが、それぞれアルミニウム材を用いて形成されていることにより、さらに小型・軽量化に優れ、熱交換性能を向上させることもできる。

なお、本発明の熱交換器を上述した実施形態を例に取って説明したが、本発明はこれに限ることなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲で各種実施形態を採用することができる。

例えば、上述した実施形態では、熱交換器を流通する熱交換媒体として冷却水を用いるようにした場合について述べたが、本発明はこれに限らず、熱交換に供される熱交換媒体であれば、冷却水以外の熱交換媒体も広く適用することができる。

本発明の一実施形態における熱交換器の要部（チューブ）を拡大して示す断面図である。 一般的なチューブ材料（平面状部材）の材料構成を示す表である。 図１のチューブにおけるデルタ部形状に対する耐エロージョン性、接合性、耐久強度を示す表である。 熱交換器を正面から見て示す概略構成図である。 図４の熱交換器におけるヘッダ座板にチューブが挿入された状態を示す斜視図である。 従来の熱交換器におけるチューブを拡大して示す断面図である。 （ａ）は従来の熱交換器における急冷時のヘッダ座板を示す上面図、（ｂ）は（ａ）におけるチューブを拡大して示す断面図である。 （ａ）は従来の熱交換器における急加熱時のヘッダ座板を示す上面図、（ｂ）は（ａ）におけるチューブを拡大して示す断面図である。

符号の説明

２０ チューブ
２０ａ、２０ｂ、２０ｃ 内部領域
２１ アルミニウム製板材（平面状部材）
２１ａ 両側部
２１ｂ 曲げ部
２１ｃ 端部
２１ｄ 内面
２２ 中柱
２３ 溶接部
２４ デルタ部

Claims (4)

1. 平面状部材（２１）の両側部（２１ａ、２１ａ）を、同一方向に折り曲げて管状にし、これら両側部（２１ａ、２１ａ）を当接させた状態で内部へと突出させ、これら当接させた両側部（２１ａ、２１ａ）同士をろう材によりろう付けしてなる熱交換器用チューブにおいて、
   上記両側部（２１ａ、２１ａ）が、それぞれ端部（２１ｃ、２１ｃ）に向かうに従って二股に分岐し、これら端部（２１ｃ、２１ｃ）を平面状部材（２１）における対向する内面（２１ｄ）に結合することを特徴とする熱交換器用チューブ。
2. 上記平面状部材（２１）が、アルミニウム材でなることを特徴とする請求項１に記載の熱交換器用チューブ。
3. 積層された複数のチューブ（１１）と、これら複数のチューブ（１１）の上端部および下端部がそれぞれ接続され、ヘッダ座板（８）と当該ヘッダ座板（８）に接合されたタンクカバー部材（９）とを有する上方ヘッダタンク部（４）および下方ヘッダタンク部（５）とを備え、上記各チューブ（１１）の上端部および下端部が、それぞれ上記ヘッダ座板（８）に穿設された嵌合孔（８ａ）に挿入された状態で結合されてなる熱交換器において、
   上記各チューブ（１１）が、平面状部材（２１）の両側部（２１ａ、２１ａ）を、同一方向に折り曲げて管状にし、これら両側部（２１ａ、２１ａ）を当接させた状態で内部へと突出させ、これら当接させた両側部（２１ａ、２１ａ）同士をろう材によりろう付けしてなる熱交換器用チューブでなり、
   上記両側部（２１ａ、２１ａ）が、それぞれ端部（２１ｃ、２１ｃ）に向かうに従って二股に分岐し、これら端部（２１ｃ、２１ｃ）を平面状部材（２１）における対向する内面（２１ｄ）に結合することを特徴とする熱交換器。
4. 上記各チューブ（１１）が、アルミニウム材でなることを特徴とする請求項３に記載の熱交換器。
   

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