JP2005233576A - 熱交換器 - Google Patents

Abstract

【課題】 複雑な製造により支柱を設けタンク本体部の膨張変形を抑制しなくとも、コアプレートとチューブとの接合部の応力を低減することが可能な熱交換器を提供すること。
【解決手段】 コアプレート１１１の両縁部１１１ｂ間は、タンク部１１２に一体的に形成された支柱部１１２ａにより連結支持されており、ヘッダタンク１１０のタンク内空間１１０ａに大きな圧力が印加されたとしても、コアプレート１１１の両縁部１１１ｂ間が開くように変形することを防止できる。したがって、コアプレート１１１とチューブ１２２との接合部１１１ａに大きな応力が発生することを防止できる。
【選択図】 図２

Description

本発明は、熱交換器に関するものであり、内燃機関の燃焼用空気を冷却するインタークーラに用いて有効である。

従来から、例えば、過給機により加圧された空気を内燃機関に吸入される前に冷却する熱交換器（インタークーラ）が知られている。このような熱交換器は、一般的に、複数のチューブを有する熱交換部としてのコア部と、コア部の複数のチューブに連通するヘッダタンクとを備えている。

図８は、上記熱交換器のヘッダタンク構造の一例を示す断面図である。図８に示すように、ヘッダタンク９１０は、コア部のチューブ９２２がろう付け接合されたコアプレート９１１と、このコアプレート９１１とともにタンク内空間９１０ａを形成するタンク本体部９１２とを溶接等により接合して成されている。

タンク本体部９１２の対向する壁面９１２ｂ間には、両壁面９１２ｂの略中央部を貫通して外面側に係止する支柱９１２ａが設けられ、外面側からタンク本体部９１２に溶接されている。

近年、排気ガス規制等に対応するため、過給気圧は上昇傾向にある。例えば支柱９１２ａを設けないヘッダタンク９１０であると、過給気圧の増大によりタンク本体部９１２が外方に膨張変形し易く、タンク本体部９１２の変形に伴ないコアプレート９１１も両縁部９１１ｂ間が開くように変形する。すると、コアプレート９１１とチューブ９２２との接合部９１１ａに大きな応力が生じ、亀裂等の不具合を発生する場合がある。

そこで、図８に示すように、タンク本体部９１２の対向する壁面９１２ｂ略中央間を連結する支柱９１２ａを設け、タンク本体部９１２の膨張変形を抑制している。

しかしながら、上記従来の熱交換器では、タンク本体部９１２に貫通孔を形成して支柱９１２ａを係止し、タンク内空間９１０ａの気密性を確保するように溶接する必要がある。したがって、熱交換器の製造が複雑になり、製造設備や製造工数が増加するという問題がある。

本発明者らは、コアプレートとチューブとの接合部における応力低減を鋭意検討し、上記複雑な製造によりタンク本体部の対向する壁面略中央間を連結する支柱を設けなくとも、コアプレートの変形さえ抑制すれば、チューブ接合部の応力低減が可能であることを見出した。

本発明は、上記点に鑑みてなされたものであり、タンク本体部の膨張変形を抑制しなくとも、コアプレートとチューブとの接合部の応力を低減することが可能な熱交換器を提供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、
内部を流体が流れる複数本のチューブ（１２２）と、
チューブ（１２２）の長手方向両端側に配置され、複数本のチューブ（１２２）に連通するヘッダタンク（１１０）とを備え、
ヘッダタンク（１１０）は、複数本のチューブ（１２２）が接合されたコアプレート（１１１）と、コアプレート（１１１）のチューブ（１２２）との接合部（１１１ａ）を挟む両縁部（１１１ｂ）に接合され前記コアプレート（１１１）とともにタンク内空間（１１０ａ）を形成するタンク本体部（１１２）とを有する熱交換器（１００）において、
コアプレート（１１１）は、接合部（１１１ａ）が、両縁部（１１１ｂ）よりチューブ（１２２）中心側となるように突出形成されるとともに、
コアプレート（１１１）の両縁部（１１１ｂ）間を連結する支柱部材（１１２ａ）が設けられていることを特徴としている。

これによると、コアプレート（１１１）の両縁部（１１１ｂ）間は支柱部材（１１２ａ）により支えられており、ヘッダタンク（１１０）のタンク内空間（１１０ａ）の圧力が増大したとしても、コアプレート（１１１）が両縁部（１１１ｂ）の間隔を変化するように変形することを防止できる。したがって、コアプレート（１１１）とチューブ（１２２）との接合部（１１１ａ）の応力を低減することができる。

また、請求項２に記載の発明では、支柱部材（１１２ａ）は、タンク本体部（１１２）に一体形成されていることを特徴としている。

これによると、コアプレート（１１１）とタンク本体部（１１２）とを接合することで、コアプレート（１１１）の両縁部（１１１ｂ）間を連結する支柱部材（１１２ａ）が設けられたヘッダタンク（１１０）を得ることができる。

また、請求項３に記載の発明では、
タンク本体部（１１２）は、ヘッダタンク（１１０）形状に応じて抜き加工された板状部材（２００）からなり、
板状部材（２００）のタンク本体部をなす部位（２０１）に隣接する部位（２０２）の一部（２０３）が除去され、この隣接する部位（２０２）の残部（１１２ａ）を支柱部材（１１２ａ）としていることを特徴としている。

これによると、板状部材（２００）から、支柱部材（１１２ａ）を一体的に設けたタンク本体部（１１２）を容易に形成することができる。

また、請求項４に記載の発明では、
板状部材（２００）のタンク本体部をなす部位（２０１）は、幅寸法がヘッダタンクの長手方向において異なるように形成され、
ヘッダタンク（１１０）は、長手方向に直交する断面におけるタンク内空間（１１０ａ）の面積が、タンク内空間（１１０ａ）への流体の導出入口（１１３、１１４）から遠のくほど漸減していることを特徴としている。

これによると、流体の導出入口（１１３、１１４）から遠のくにしたがって断面積が漸減する、複数のチューブ（１２２）に均一に流体を流し易いヘッダタンク（１１０）を、板状部材（２００）のタンク本体部をなす部位（２０１）の幅寸法を変動されることにより容易に形成することができる。

また、請求項５に記載の発明では、
タンク本体部（１１２）は、ヘッダタンク（１１０）形状に応じて成形された筒状部材（３００）からなり、
筒状部材（３００）のうち、コアプレート（１１１）の両縁部（１１１ｂ）間に位置する部位（３０２）の一部（３０３）が除去され、両縁部（１１１ｂ）間に位置する部位（３０２）の残部（１１２ａ）を支柱部材（１１２ａ）としていることを特徴としている。

これによると、筒状部材（３００）から、支柱部材（１１２ａ）を一体的に設けたタンク本体部（１１２）を容易に形成することができる。

また、請求項６に記載の発明では、コアプレート（１１１）およびタンク本体部（１１２）は、金属製であることを特徴としている。

これによると、高温耐圧強度が優れるヘッダタンク（１１０）を得ることができる。

また、請求項７に記載の発明では、コアプレート（１１１）およびタンク本体部（１１２）は、銅合金製であることを特徴としている。

これによると、コアプレート（１１１）とタンク本体部（１１２）との接合が容易であり、高温耐圧強度が特に優れるヘッダタンク（１１０）を得ることができる。

なお、上記各手段に付した括弧内の符号は、後述する実施形態記載の具体的手段との対応関係を示す一例である。

以下、本発明の実施の形態を図に基づいて説明する。

（第１の実施形態）
本第１の実施形態は、本発明を過給機により加圧された空気をエンジンに吸入される前に冷却する熱交換器であるインタークーラ１００に適用したものである。図１は、インタークーラ１００の全体構成を示す概略正面図であり、図２は、図１に示すインタークーラ１００のＡ−Ａ線断面を回転図示した図である。なお、図１では、後述するコア部１２０の一部のみを図示している。

図１に示すように、インタークーラ１００は、コア部１２０および図中左右の一対のヘッダタンク１１０から構成されている。

コア部１２０は、複数の放熱フィン１２１およびチューブ１２２が交互に積層され、図中上下の最外方の放熱フィン１２１の更に外方には、強度部材としてのサイドプレート１２４が組付けられ、一体でろう付けされている。

コア部１２０の図中左右部、すなわち、複数のチューブ１２２の長手方向両端部において、この長手方向に交差する方向に延びるヘッダタンク１１０がそれぞれチューブ１２２内部と連通するように配設されている。複数のチューブ１２２の両端部は、コアプレート１１１の図示を省略した貫通孔に嵌合し、ろう付けされている。

偏平状のチューブ１２２は、それぞれ断面が略コの字形状の一対のプレート部材を、開口側同士が対向するように組み合わせて嵌合し、ろう付け接合して構成されている。チューブ１２２内には、図示しないインナーフィンがろう付け接合され、チューブ１２２外面には放熱フィン１２１がろう付け接合されている。

放熱フィン１２１および図示しないインナーフィンは熱伝導特性等より銅材からなり、チューブ１２２およびサイドプレート１２４は強度特性や熱伝導特性等より銅合金材により形成されている。

図中左右の各ヘッダタンク１１０は、それぞれ厚さ約３ｍｍの銅合金板からなるコアプレート１１１、タンク部（タンク本体部）１１２、および図示を省略した底面部から構成され、コアプレート１１１とタンク部（タンク本体部）１１２との間等はろう付けもしくは溶接により接合され中空構造を形成している。ヘッダタンク１１０の構造については後で詳述する。

図中右方側のヘッダタンク１１０には、入口ジョイント１１３がヘッダタンク１１０内と連通するように設けられている。一方、図中左方側のヘッダタンク１１０には、出口ジョイント１１４がヘッダタンク１１０内と連通するように設けられている。そして、入口ジョイント１１３は、図示しない過給機の吐出側と接続され、また、出口ジョイント１１４は、図示しないエンジンの吸入側と連結される。

入口ジョイント１１３は、右方側のヘッダタンク１１０内へ空気を導入するための本実施形態における導入口であり、出口ジョイント１１４は、左方側のヘッダタンク１１０内から空気を導出するための本実施形態における導出口である。

両ヘッダタンク１１０は、両ジョイント１１３、１１４から遠い部位となるほど後述するタンク内空間１１０ａ断面積が徐々に小さくなっており、コア部１２０の複数のチューブ１２２に略均一に空気を流通できるようになっている。

また、両ヘッダタンク１１０の外面には、インタークーラ１００を車両構造部材に取り付けるためのステー１３０が接合されている。

そして、コア部１２０を構成する各部材は、コアプレート１１１とともに、嵌合、治具固定等により組付け仮固定された後、所望の位置に塗布されたペースト状のろう材により一体でろう付けされる。その後、コアプレート１１１にタンク部１１２等が溶接されてインタークーラ１００が形成されている。

本発明においては、ヘッダタンク１１０の構造に特徴を持たせており、以下その詳細について図２および図３を用いて説明する。ここで、図３は、タンク部１１２の形成過程を説明するための図である。

図２に示すように、ヘッダタンク１１０は、断面形状が略円弧状をなしチューブ１２２との接合部１１１ａが両縁部（接合部１１１ａを挟む両側の縁部）１１１ｂよりチューブ１２２中心側に突出形成されたコアプレート１１１と、断面形状が略Ｕ字状をなし略Ｕ字形状の両端部がコアプレート１１１の両縁部１１１ｂに接合されたタンク部１１２とからなり、内部にタンク内空間１１０ａを形成している。

そして、コアプレート１１１の両縁部１１１ｂ間は、タンク部１１２に対し一体的に設けられた支柱部１１２ａが接合されて連結されている。支柱部１１２ａは本実施形態における支柱部材である。

タンク部１１２および支柱部１１２ａは、図３（ａ）に概略形状を示す平板部材２００から製造される。平板部材２００は、タンク部１１２となる本体形成部２０１と、本体形成部２０１の図中上下側に隣接する支柱形成部２０２とを有する１枚の板状部材である。

支柱形成部２０２は、所定間隔を開けて一部が除去されて形成された複数の凹部２０３を有し、凹部２０３の両側および間には支柱部１１２ａとなる部位が残されている。

この凹部２０３の形成は、平板部材２００をプレス等により抜き加工するときに同時に形成するものであってもよいし、外形を略台形状に抜き加工した後に凹部２０３を除去加工するものであってもよい。

なお、本体形成部２０１は、略台形状をなし、図中右方側端部から左方側端部に向かって幅が漸減している。これにより、コアプレート１１１とヘッダタンク１１０を構成したときに、前述したように両ジョイント１１３、１１４から遠い部位となるほどタンク内空間１１０ａ断面積が徐々に小さくなっている。

図３（ａ）に示した平板部材２００を図３（ｂ）に示すように曲げ加工して、断面略Ｕ字状のタンク部１１２を形成するとともに、略Ｕ字形状両端部から延びる支柱部１１２ａ同士を突き合わせて溶接等により接合する。なお、図３（ｂ）では、タンク部１１２および支柱部１１２ａの概略形状を示しており、各部の厚さや細部の曲げ形状等の図示は省略している。

このように製造された支柱部１１２ａを一体的の備えるタンク部１１２を、コアプレート１１１の両縁部１１１ｂに接合してヘッダタンク１１０が形成される。このとき、支柱部１１２ａもコアプレート１１１の両縁部１１１ｂに接合され、両縁部１１１ｂは支柱部１１２ａにより連結支持される。

上述の構成および製造方法によれば、コアプレート１１１の両縁部１１１ｂ間は支柱部１１２ａにより支えられており、ヘッダタンク１１０のタンク内空間１１０ａに大きな圧力が印加されたとしても、コアプレート１１１の両縁部１１１ｂの間隔が拡大したり縮小したりするように変形することを防止できる。したがって、コアプレート１１１とチューブ１２２との接合部１１１ａに大きな応力が発生することを防止できる。

本発明者らは、本実施形態のインタークーラ１００の内部圧力を０ｋＰａと５００ｋＰａとの間で周期的に６０万回以上変化させる耐久試験を行ない、コアプレート１１１とチューブ１２２との接合部１１１ａに亀裂等の不具合が一切発生しないことを確認している。

本実施形態の支柱部１１２ａはコアプレート１１１の両縁部１１１ｂに接合されてコアプレート１１１の変形を防止するものであり、従来のようにタンク部１１２の壁面間を連結してタンク部１１２の膨張変形を防止するためのものではないので、例えば図８に示したように、タンク部に貫通孔を形成して支柱部を係止したり、タンク部と支柱部とを気密性を確保するように溶接したりする必要がない。

さらに、支柱部１１２ａはタンク部１１２と一体的に形成され、コアプレート１１１とタンク部１１２とを接合してヘッダタンク１１０を形成するときに、コアプレート１１１に接合されている。したがって、支柱部１１２ａ単体を製造し、支柱部１１２ａ単体をコアプレート１１１に接合する工程を設ける必要がない。

また、支柱部１１２ａを一体的に設けたタンク部１１２は、平板部材２００から容易に形成することができる。

（第２の実施形態）
次に、第２の実施形態について図４および図５にに基づいて説明する。

本第２の実施形態は、前述の第１の実施形態と比較して、タンク部１１２および支柱部１１２ａを平板部材から形成していない点が異なる。なお、第１の実施形態と同様の部分については、同一の符号をつけ、その説明を省略する。

本実施形態のタンク部１１２および支柱部１１２ａは、図５に概略形状を示す銅合金製の筒状部材３００からなる。筒状部材３００は、例えば円筒形状のパイプ材をハイドロフォーミング加工することにより、図４に示す断面形状となるように形成され、タンク部１１２となる本体形成部３０１と、本体形成部３０１の図５中下側に隣接する支柱形成部３０２とを一体的に備えるものである。

そして、支柱形成部３０２は、切削加工もしくはレーザ加工等により、所定間隔を開けて一部が除去されて形成された複数の開口部３０３を有し、開口部３０３の外方側および間には支柱部１１２ａとなる部位が残されている。

このように製造された支柱部１１２ａを一体的の備えるタンク部１１２を、図４に示すように、コアプレート１１１の両縁部１１１ｂに接合してヘッダタンク１１０が形成される。このとき、支柱部１１２ａもコアプレート１１１の両縁部１１１ｂに接合され、両縁部１１１ｂは支柱部１１２ａにより連結支持される。

なお、本実施形態のヘッダタンク１１０のタンク部１１２は、図５に示す筒状部材３００からなるので、インタークーラ１００の全体構成の図示は省略しているが、本実施形態ヘッダタンク１００は、長手方向には略同一形状で延設されている。

上述の構成および製造方法によれば、第１の実施形態と同様に、コアプレート１１１の両縁部１１１ｂ間は支柱部１１２ａにより支えられており、ヘッダタンク１１０のタンク内空間１１０ａに大きな圧力が印加されたとしても、コアプレート１１１の両縁部１１１ｂの間隔が拡大したり縮小したりするように変形することを防止できる。したがって、コアプレート１１１とチューブ１２２との接合部１１１ａに大きな応力が発生することを防止できる。

また、支柱部１１２ａはタンク部１１２と一体的に形成され、コアプレート１１１とタンク部１１２とを接合してヘッダタンク１１０を形成するときに、コアプレート１１１に接合されている。支柱部１１２ａ単体を製造し、支柱部１１２ａ単体をコアプレート１１１に接合する工程を設ける必要がない。

また、支柱部１１２ａを一体的に設けたタンク部１１２は、筒状部材３００から容易に形成することができる。

（他の実施形態）
上記第１の実施形態では、タンク部１１２となる本体形成部２０１の図３（ａ）中上下側に一体的に隣接する支柱形成部２０２に支柱部１１２ａを形成した平板部材２００を採用したが、タンク部１１２となる本体形成部２０１と支柱部１１２ａを有する支柱形成部２０２とが一体的に形成されていれば、これに限定されるものではない。

例えば、図６に示すように、本体形成部２０１の図中下側のみに支柱部１１２ａを有する支柱形成部２０２を設けた平板部材２００を採用してもよい。図６に示す平板部材２００においては、支柱形成部２０２は、所定間隔を開けて一部が除去されて形成された複数の開口部２０３ａを有し、開口部２０３ａの両側および間には支柱部１１２ａとなる部位が残されている。図６に示す平板部材２００を採用すれば、第１の実施形態のように支柱部１１２ａを突き合わせて接合する必要がない。

また、上記第２の実施形態では、長手方向に渡って断面形状が略同一形状となるようにフォーミング加工された後、開口部３０３が形成された筒状部材３００を採用していたが、これに限定されるものではない。例えば、図７（ａ）に示すように、フォーミング加工時に、開口部となる位置に対応する部位を膨出部３０４として成形し、この膨出部３０４を切断加工して、図７（ｂ）に示すような開口部３０３を形成した筒状部材３００を採用してもよい。

また、上記各実施形態では、支柱部１１２ａは、タンク部１１２と一体形成していたが、別体としてもかまわない。

また、上記各実施形態では、コアプレート１１１、タンク部１１２、支柱部１１２ａ、チューブ１２２等を銅合金製としたが、他の金属により形成してもかまわない。例えば、アルミニウム合金製としてもよい。ただし、アルミニウム合金は高温環境下では強度が低下し易いので、上記各実施形態のように銅合金を採用した方が、高温高圧の過給気の冷却に適している。

また、上記各実施形態では、熱交換器としてインタークーラ１００を用いて説明したが、これに限らず、本発明は、他の熱交換器としてオイルクーラなどに適用するものであってもよい。

本発明を適用した第１の実施形態における熱交換器であるインタークーラ１００の全体構成を示す概略正面図である。 図１におけるＡ−Ａ断面図である。 （ａ）、（ｂ）は、第１の実施形態におけるタンク部１１２の形成過程を説明するための図である。 第２の実施形態における要部断面図である。 第２の実施形態における筒状部材３００の概略構成を示す側面図である。 他の実施形態における平板部材２００の概略構成を示す平面図である。 （ａ）、（ｂ）は、他の実施形態における筒状部材３００の形成過程を説明するための側面図である。 従来のインタークーラの要部断面図である。

符号の説明

１００ インタークーラ（熱交換器）
１１０ ヘッダタンク
１１０ａ タンク内空間
１１１ コアプレート
１１１ａ 接合部
１１１ｂ 縁部
１１２ タンク部（タンク本体部）
１１２ａ 支柱部（支柱部材）
１１３ 入口ジョイント（導入口）
１１４ 出口ジョイント（導出口）
１２２ チューブ
２００ 平板部材（板状部材）
２０１ 本体形成部（タンク本体部をなす部位）
２０２ 支柱形成部（タンク本体部をなす部位に隣接する部位）
２０３ 凹部
３００ 筒状部材
３０１ 本体形成部
３０２ 支柱形成部（両縁部間に位置する部位）
３０３ 開口部

Claims (7)

1. 内部を流体が流れる複数本のチューブ（１２２）と、
   前記チューブ（１２２）の長手方向両端側に配置され、前記複数本のチューブ（１２２）に連通するヘッダタンク（１１０）とを備え、
   前記ヘッダタンク（１１０）は、前記複数本のチューブ（１２２）が接合されたコアプレート（１１１）と、前記コアプレート（１１１）の前記チューブ（１２２）との接合部（１１１ａ）を挟む両縁部（１１１ｂ）に接合され前記コアプレート（１１１）とともにタンク内空間（１１０ａ）を形成するタンク本体部（１１２）とを有する熱交換器（１００）において、
   前記コアプレート（１１１）は、前記接合部（１１１ａ）が、前記両縁部（１１１ｂ）より前記チューブ（１２２）中心側となるように突出形成されるとともに、
   前記両縁部（１１１ｂ）間を連結する支柱部材（１１２ａ）が設けられていることを特徴とする熱交換器。
2. 前記支柱部材（１１２ａ）は、前記タンク本体部（１１２）に一体形成さ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. 前記タンク本体部（１１２）は、前記ヘッダタンク（１１０）形状に応じて抜き加工された板状部材（２００）からなり、
   前記板状部材（２００）の前記タンク本体部をなす部位（２０１）に隣接する部位（２０２）の一部（２０３）が除去され、前記隣接する部位（２０２）の残部（１１２ａ）を前記支柱部材（１１２ａ）としていることを特徴とする請求項２に記載の熱交換器。
4. 前記板状部材（２００）の前記タンク本体部をなす部位（２０１）は、幅寸法が前記ヘッダタンクの長手方向において異なるように形成され、
   前記ヘッダタンク（１１０）は、前記長手方向に直交する断面の前記タンク内空間（１１０ａ）の面積が、前記タンク内空間（１１０ａ）への前記流体の導出入口（１１３、１１４）から遠のくほど漸減していることを特徴とする請求項３に記載の熱交換器。
5. 前記タンク本体部（１１２）は、前記ヘッダタンク（１１０）形状に応じて成形された筒状部材（３００）からなり、
   前記筒状部材（３００）のうち、前記両縁部（１１１ｂ）間に位置する部位（３０２）の一部（３０３）が除去され、前記両縁部（１１１ｂ）間に位置する部位（３０２）の残部（１１２ａ）を前記支柱部材（１１２ａ）としていることを特徴とする請求項２に記載の熱交換器。
6. 前記コアプレート（１１１）および前記タンク本体部（１１２）は、金属製であることを特徴とする請求項１ないし請求項５のいずれか１つに記載の熱交換器。
7. 前記コアプレート（１１１）および前記タンク本体部（１１２）は、銅合金製であることを特徴とする請求項６に記載の熱交換器。

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