JP2005313379A - チューブおよびその製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】 燃料電池冷却用の熱交換器に使用可能であり、熱交換効率に優れ、容易に成形可能とするチューブおよびその製造方法を提供する。
【解決手段】 燃料電池内を通る冷却液を冷却する熱交換器に適用されて、扁平状断面を有するチューブ１００において、その素材を樹脂材とし、扁平状断面の短径方向に対向する平面部１１０に、内側にへこむ複数の凹部１２０を形成する。このチューブ１００の製造方法としては、樹脂材を素材として押出し成形により、扁平状断面のチューブ１００を形成する工程と、外周部１２に複数の突起１３を有する一対のローラ１１の間を通過させて、平面部１１０に複数の凹部１２０を形成する工程とから成るようにする。
【選択図】 図３

Description

本発明は、燃料電池車両用の燃料電池を冷却する熱交換器に適用して好適なチューブおよびその製造方法に関するものである。

従来の熱交換器用のチューブ（扁平管）として、特許文献１に示されるように、アルミニウムを素材として押出し成形により形成されるものが知られている。チューブ内部は仕切り壁によって複数の流路に仕切られ、チューブの外側面には一対のローラによって、仕切り壁を外れた部位に多数の凹部が形成されている。そして、この凹部によって内部流体は撹乱され、境界層の形成が抑制され、熱交換が効率良く行えるようにしている。
特開昭６０−１０８１１３号公報

しかしながら、上記チューブにおいては、仕切り壁を避けるように凹部を形成する必要があることから、チューブとローラとの位置合わせが必要となり、そのための手段や工数が必要となる。

ところで、近年、環境問題より有害物質の発生が無くクリーンな燃料電池車両の開発が進められており、燃料電池には冷却用の熱交換器が必要とされている。燃料電池の発電時には冷却媒体（例えば冷却水）に高電圧がかかるため、熱交換器側としては、外部に対する絶縁性が要求されるが、上記特許文献１に示されるアルミニウムを素材とするチューブでは、導電性を有するために使用することができない。

本発明の目的は、上記問題に鑑み、燃料電池冷却用の熱交換器に使用可能であり、熱交換効率に優れ、容易に成形可能とするチューブおよびその製造方法を提供することにある。

本発明は上記目的を達成するために、以下の技術的手段を採用する。

請求項１に記載の発明では、燃料電池内を通る冷却液を冷却する熱交換器に適用されるものであって、扁平状断面を有するチューブにおいて、その素材は樹脂材であり、扁平状断面の短径方向に対向する平面部（１１０）には、内側にへこむ複数の凹部（１２０）が形成されたことを特徴としている。

これにより、燃料電池の発電によって冷却液に高電圧がかかっても、外部に対して絶縁可能なチューブ（１００）として熱交換器に使用することができる。そして、平面部（１１０）に形成された凹部（１２０）によって内部を流通する冷却液が撹乱されるので、熱交換効率に優れるチューブ（１００）とすることができる。

請求項２に記載の発明では、上記凹部（１２０）は、対向する側の凹部（１２０）あるいは平面部（１１０）に接合されたことを特徴としている。

これにより、チューブ（１００）の短径方向における平面部（１１０）の変形を抑制することができるので、冷却液流通時の内部圧力に対する強度（耐圧性）を向上することができる。

請求項３に記載の発明では、燃料電池内を通る冷却液を冷却する熱交換器に適用されるものであって、扁平状断面の短径方向に対向する平面部（１１０）に複数の凹部（１２０）を有するチューブの製造方法において、樹脂材を素材として押出し成形により、扁平状断面のチューブ（１００）を形成し、外周部（１２）に複数の突起（１３）を有する一対のローラ（１１）の間を通過させて、平面部（１１０）に複数の凹部（１２０）を形成することを特徴としている。

これにより、凹部（１２０）の設定位置の制約を受けることが無く、請求項１に記載のチューブ（１００）を容易に形成することができる。

請求項４に記載の発明では、ローラ（１１）によって複数の凹部（１２０）を形成する際に、チューブ（１００）内に内圧を負荷することを特徴としている。

これにより、平面部（１１０）を内圧によって受けることができるので、ローラ（１１）の突起（１３）によって平面部（１１０）がだれることが無く、凹部（１２０）を精度良く形成できる。

請求項５に記載の発明では、ローラ（１１）によって複数の凹部（１２０）を形成する際に、ローラ（１１）を加熱することを特徴としている。

これにより、押出し成形からローラ成形に移行する間で、チューブ（１００）が冷却される場合でも、ローラ（１１）によってチューブ（１００）を加熱して軟化さることができるので、無理なく凹部（１２０）を形成できる。

請求項６に記載の発明では、ローラ（１１）によって複数の凹部（１２０）を形成する際に、チューブ（１１０）あるいはローラ（１１）を加熱して、凹部（１２０）と、対向する側の凹部（１２０）あるいは平面部（１１０）とを溶着することを特徴としている。

これにより、専用の設備および加工工程を増やすこと無く、請求項２に記載のチューブ（１００）を形成することができる。

請求項７に記載の発明では、ローラ（１１）の外周部（１２）に予めチューブ（１００）の扁平状断面の短径側部（１３０）に沿う突状部（１４）を設けて、一対のローラ（１１）間にチューブ（１００）の外形に沿う閉空間（１５）が形成されるようにしておき、ローラ（１１）によって複数の凹部（１２０）を形成する際に、チューブ（１００）の外形寸法をサイジングすることを特徴としている。

これにより、専用の設備および加工工程を増やすこと無く、サイジングを行うことができ、寸法制度の高いチューブ（１００）を形成することができる。

尚、上記各手段の括弧内の符号は、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ものである。

（第１実施形態）
本発明の第１実施形態を図１〜図３に示す。本発明のチューブ１００は、燃料電池車両に搭載されるラジエータ（本発明における熱交換器に対応）に適用されるものである。尚、このラジエータは、燃料電池内を通る冷却水（本発明における冷却液に対応）を冷却するものである。

チューブ１００は、樹脂材から成り、図１に示すように、扁平状の断面を有している。樹脂材としては、ここでは成形性に優れ、ラジエータの構成部材とすることから高熱伝導性を有し、強度剛性が高く、耐熱性に優れ、且つ、燃料電池用に用いることから、電気絶縁性に優れるポリフェニレンスルフィド（ＰＰＳ）を選定している。

扁平状断面の短径方向に対向する平面部１１０には、内側にへこむディンプル（本発明における凹部に対応）１２０を複数設け、対向し合うディンプル１２０同士が互いに当接して、当接部で溶着（接合）されるようにしている。そして、図２に示すように、このディンプル１２０はチューブ１００の長手方向に千鳥状に配置されるようにしている。

尚、平面部１１０は冷却水の熱を放熱する主たる放熱部と捉え、放熱時の熱抵抗を下げるために極力薄肉化し、また、扁平状断面の短径側部１３０については、冷却水流通時の内部圧力、および外部からの衝撃（ラジエータとして車両に搭載された時の飛び石等による衝撃）に対する強度を確保するように、厚肉となるようにしている。

このチューブ１００は、複数積層され、積層された各チューブ１００の間に放熱フィンが介在されて、コア部（放熱部）を形成し、チューブ１００の長手方向の両端部がそれぞれ一対の樹脂製タンクに接続されて、ラジエータと成る。

次に、上記チューブ１００の製造方法について説明する。ここでは以下説明する押出し成形による１次チューブの形成と、ディンプル成形機１０によるディンプル１２０の形成を連続的に行うようにしている。まず、周知の押出し成形によって、基本と成る扁平状断面を有する１次チューブ（図１におけるディンプル１２０が形成されていない状態のチューブ）を形成していく。

ここで、押出し成形型には１次チューブの内部空間に連通するエア配管を設けており、上記１次チューブを形成しつつ、１次チューブの内部空間にエアを吹き込んで、所定圧力（内圧）が負荷されるようにしている。この内圧により平面部１１０が後述するローラ１１の外周部１２に当接するようにしている。

そして、この所定圧力が負荷された１次チューブを図３に示すディンプル成形機１０に投入する。ここで、ディンプル成形機１０は、一対のローラ１１から成り、各ローラ１１の外周部１２には、複数の突起１３が設けられたものとしている。両ローラ１１の外周部１２間には隙間部が形成され、その隙間寸法Ｌはチューブ１００の短径方向寸法に略等しく設定されている。また、突起１３は、隙間部で互いに対向する位置と成るように配置され、突起１３同士の隙間はチューブ１００の平面部１１０の板厚の略２倍となる寸法に設定されている。

１次チューブを上記一対のローラ１１間を通過させることで、ローラ１１の突起１３によってディンプル１２０を両平面部１１０に形成していく。両平面部１１０に形成されるディンプル１２０は、互いに当接して、押出し成形時の余熱をもって溶着される。

そして、その後に必要に応じてサイジング、アニーリングを行い、所定寸法に切断して、チューブ１００とする。

このように、本発明のチューブ１００においては、基本素材として樹脂材（ポリフェニレンスルフィド）を用いているので、燃料電池の発電によって冷却水に高電圧がかかっても、外部に対して絶縁可能なチューブ１００としてラジエータに使用することができる。そして、平面部１１０にディンプル１２０を設けるようにしているので、内部を流通する冷却水が撹乱され、熱交換効率に優れるチューブ１００とすることができる。また、このディンプル１２０は、対向する側のディンプル１２０と接合されるようにしているので、特許文献１における仕切り壁の役割を果たすことになり、チューブ１００の短径方向における平面部１１０の変形を抑制することができ、冷却水流通時の内部圧力に対する強度（耐圧性）を向上することができる。

本発明のチューブの製造方法によれば、チューブ１００内には、特許文献１で説明したような仕切り壁を設けないものとしているので、チューブ１００に対するディンプル１２０の設定位置の制約を受けることが無く、容易にディンプル１２０を形成することができる。

また、ディンプル１２０を形成する際に、１次チューブ内に所定圧力を負荷するようにしているので、平面部１１０を内圧によって受けることができ、ローラ１１の突起１３によって平面部１１０がだれることが無く、ディンプル１２０を精度良く形成できる。

また、ディンプル１２０の形成に併せて、押出し成形時の余熱をもって対向し合うディンプル１２０同士を溶着によって接合するようにしているので、専用の設備および加工工程を増やすことが無い。

（第２実施形態）
本発明の第２実施形態を図４に示す。第２実施形態は、上記第１実施形態に対して、ローラ１１の形状を変更したものである。

ここでは、ローラ１１の外周部１２にチューブ１００の扁平状断面の短径側部１３０に沿う突状部１４を設けて、一対のローラ１１間にチューブ１００の外形に沿う閉空間１５が形成されるようにしている。

これにより、１次チューブにディンプル１２０を形成する際に、両ローラ１１間の閉空間１５によって、サイジングを行うことができ、専用の設備および加工工程を増やすこと無く、寸法制度の高いチューブ１００を形成することができる。

（その他の実施形態）
ディンプル１２０の形状については、上記第１、第２実施形態で説明したものに限らず、例えば、図５（ａ）に示すように、一方の平面部１１０に形成したディンプル１２０が他方の平面部１１０に当接して、接合されるようにしても良い。

また、図５（ｂ）に示すように、必要とされる耐圧強度によっては、ディンプル１２０同士が接合されないものしても良い。更に、図５（ｃ）に示すように、ディンプル１２０は、両平面部１１０から互いに対向しない配置とするようにしても良い。

また、チューブ１００の長手方向におけるディンプル１２０の配置も千鳥状のものに限らず、冷却水の流速分布を考慮（例えば流速の遅い領域にディンプル１２０を配置）したものとしても良い。

また、１次チューブを成形した後に一旦サイジング等を行って、樹脂材料自体が冷却されるような場合は、ローラ１１を例えば電気ヒータ等で加熱して、ディンプル１２０を形成するようにすると良い。これにより、ローラ１１で１次チューブを加熱して軟化さることができるので、無理なくディンプル１２０を形成できる。更に、このローラ１１の加熱により、専用の設備および加工工程を増やすこと無く、ディンプル１２０同士を確実に溶着することができる。

本発明の第１実施形態におけるチューブを示す断面図である。 図１におけるＡ方向から見た矢視図である。 本発明の第１実施形態におけるディンプル成形機および成形要領を示す斜視図である。 本発明の第２実施形態におけるディンプル成形機を示す正面図である。 本発明のその他の実施形態におけるチューブを示す断面図である。

符号の説明

１１ ローラ
１２ 外周部
１３ 突起
１４ 突状部
１５ 閉空間
１００ チューブ
１１０ 平面部
１２０ ディンプル（凹部）
１３０ 短径側部

Claims (7)

1. 燃料電池内を通る冷却液を冷却する熱交換器に適用されるものであって、扁平状断面を有するチューブにおいて、
   その素材は樹脂材であり、
   前記扁平状断面の短径方向に対向する平面部（１１０）には、内側にへこむ複数の凹部（１２０）が形成されたことを特徴とするチューブ。
2. 前記凹部（１２０）は、対向する側の凹部（１２０）あるいは前記平面部（１１０）に接合されたことを特徴とする請求項１に記載のチューブ。
3. 燃料電池内を通る冷却液を冷却する熱交換器に適用されるものであって、扁平状断面の短径方向に対向する平面部（１１０）に複数の凹部（１２０）を有するチューブの製造方法において、
   樹脂材を素材として押出し成形により、前記扁平状断面のチューブ（１００）を形成し、
   外周部（１２）に複数の突起（１３）を有する一対のローラ（１１）の間を通過させて、前記平面部（１１０）に複数の前記凹部（１２０）を形成することを特徴とするチューブの製造方法。
4. 前記ローラ（１１）によって複数の前記凹部（１２０）を形成する際に、
   前記チューブ（１００）内に内圧を負荷することを特徴とする請求項３に記載のチューブの製造方法。
5. 前記ローラ（１１）によって複数の前記凹部（１２０）を形成する際に、
   前記ローラ（１１）を加熱することを特徴とする請求項３または請求項４に記載のチューブの製造方法。
6. 前記ローラ（１１）によって複数の前記凹部（１２０）を形成する際に、
   前記チューブ（１１０）あるいは前記ローラ（１１）を加熱して、
   前記凹部（１２０）と、対向する側の凹部（１２０）あるいは前記平面部（１１０）とを溶着することを特徴とする請求項３〜請求項５のいずれかに記載のチューブの製造方法。
7. 前記ローラ（１１）の前記外周部（１２）に予め前記チューブ（１００）の扁平状断面の短径側部（１３０）に沿う突状部（１４）を設けて、一対の前記ローラ（１１）間に前記チューブ（１００）の外形に沿う閉空間（１５）が形成されるようにしておき、
   前記ローラ（１１）によって複数の前記凹部（１２０）を形成する際に、
   前記チューブ（１００）の外形寸法をサイジングすることを特徴とする請求項３〜請求項６のいずれかに記載のチューブの製造方法。

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