JP2006105519A - 樹脂製熱交換器およびその製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】 高価な設備を不要として、チューブとタンクとを熱硬化性接着剤により接合する場合に、チューブが収縮してもタンクの変形、チューブの外れを防止可能とする樹脂製熱交換器を提供する。
【解決手段】 押出し成形によって形成され、複数積層される樹脂製のチューブ１３１と、放熱用のフィン１３２と、チューブ孔１１２ａを介して、チューブ１３１に連通する樹脂製のタンク１１０、１２０とを有する樹脂製熱交換器において、チューブ孔１１２ａの全周にチューブ１３１側に突出する凸部１１２ｂを設け、凸部１１２ｂの外径がチューブ１３１の外径以上となるようにチューブ１３１を凸部１１２ｂに接続し、チューブ１３１、フィン１３２、凸部１１２ｂをチューブ１３１に設けた熱硬化性接着剤により互いに当接する部位で接着する。
【選択図】 図３

Description

本発明は、燃料電池の冷却用に用いて好適な樹脂製熱交換器およびその製造方法に関するものである。

従来の樹脂製熱交換器として、例えば特許文献１に示されるものが知られている。即ち、この樹脂製熱交換器は、各部材が文字通り樹脂材から構成されており、チューブ（冷媒管）の外周にフィンが設けられてコア部（フィン−管群）を形成している。そして、チューブの両先端に２重射出により形成されるプレート部（管群ヘッダ）が設けられ、このプレート部にヘッダタンクが接合されている。

そして、チューブとプレート部との接合に当っては、くさび形状の熱融着成形金型によって、チューブの先端部を加圧、拡管して、プレート部に熱融着するようにしている。
特開２００２−２２５１３８号公報

しかしながら、上記のようなチューブとプレート部との接合においては、各チューブに対する熱融着成形金型の位置を精度良く設定してやる必要があり、設備費が高額となる。また、チューブの接合部において、拡管の開始される部位でチューブが折り曲げられた形となり、この曲げ部に樹脂製熱交換器使用時における振動負荷、あるいは冷熱の繰返しによる応力が集中しやすくなり、強度面での信頼性に難点があると考えられた。

そこで、本発明者らは、設備費も踏まえ、チューブとプレート部との接合方法として熱硬化性樹脂の接着剤を用いた接着を考え、試作品による妥当性を検討した。尚、チューブは断面扁平状を成し押出し成形によって形成されるものとし、表面に予め接着剤を設けて、この接着剤によりプレート部との接着を行う（併せてフィンとの接着も行う）ものとした。しかし、この接着剤による接合方法では、以下に示す２つの問題があった。

１つめの問題は、図６に示すように、接着剤熱硬化のために昇温すると押出し成形のチューブ１３１が長さ方向、扁平状断面の周方向にそれぞれ縮み、コア部のチューブ積層方向の中央側において、接着剤の硬化と共にプレート部１１２を変形させてしまうというものであった。この変形が生じるとヘッダタンクとの接合ができなくなる。

２つめの問題は、コア部のチューブ積層方向の外方に配設されるサイドプレート（補強部材）１３３側においては、チューブ１３１が収縮してもサイドプレート１３３が支えとなってプレート部１１２の変形を防止するものの、収縮によってチューブ１３１がプレート部１１２から外れてしまうというものであった。

尚、昇温と共に、チューブ１３１が縮むのは、押出し成形時に高分子鎖が引き伸ばされていたものが、昇温時に熱収縮（安定化）するためである。また、プレート部１１２とヘッダタンクとを一体的に形成したタンクとした場合も同一の問題をはらむ。

本発明の目的は、上記問題に鑑み、高価な設備を不要として、チューブとタンクとを熱硬化性接着剤により接合する場合に、チューブが収縮してもタンクの変形、チューブの外れを防止可能とする樹脂製熱交換器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、押出し成形によって形成され、複数積層される樹脂製のチューブ（１３１）と、複数のチューブ（１３１）の各間に配設される放熱用のフィン（１３２）と、複数のチューブ（１３１）の両長手方向端部位置に対応して穿設されたチューブ孔（１１２ａ）を介して、チューブ（１３１）に連通する樹脂製のタンク（１１０、１２０）とを有する樹脂製熱交換器において、チューブ孔（１１２ａ）の全周にチューブ（１３１）側に突出する凸部（１１２ｂ）が設けられ、凸部（１１２ｂ）の外径が、チューブ（１３１）の外径以上となるように、チューブ（１３１）が凸部（１１２ｂ）に接続され、チューブ（１３１）とフィン（１３２）、チューブ（１３１）と凸部（１１２ｂ）は、チューブ（１３１）に設けられた熱硬化性接着剤により、互いに当接する部位で接着されたことを特徴としている。

これにより、接着剤の熱硬化時にチューブ（１３１）が収縮しても、凸部（１１２ｂ）によってチューブ（１３１）との接触寸法を稼ぐことができるので、チューブ（１３１）がタンク（１１０、１２０）から外れるのを防止できる。

また、熱硬化による接着を行う際に、タンク（１１０、１２０）の位置を拘束する固定治具（２００）を用いる場合に、凸部（１１２ｂ）を位置決めとして使用することで、固定治具（２００）がチューブ（１３１）に接着してしまうのを防止しつつ、タンク（１１０、１２０）の変形を防止可能とする樹脂製熱交換器（１００）とすることができる。

請求項２に記載の発明は、請求項１に記載の樹脂製熱交換器の製造方法であって、チューブ（１３１）、フィン（１３２）、タンク（１１０、１２０）を互いに組付けた後に、凸部（１１２ｂ）に当接してフィン（１３２）における外部流体流れ方向に位置決めされると共に、タンク（１１０、１２０）のチューブ（１３１）長さ方向の動きを拘束する固定治具（２００）を装着して、固定治具（２００）の装着された組立て体を高温部に投入して、接着を行うことを特徴としている。

これにより、請求項１に記載の発明と同様に、凸部（１１２ｂ）によってチューブ（１３１）の外れを防止でき、固定治具（２００）がチューブ（１３１）に接着する事無く、固定治具（２００）によってタンク（１１０、１２０）の変形を防止可能とする樹脂製熱交換器の製造方法とすることができる。

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）
本発明の樹脂製熱交換器の第１実施形態を図１〜図４に示す。本実施形態は、燃料電池１０内を通る冷却水を冷却するラジエータ１００に適用したものであり、例えば燃料電池１０を電源として駆動する走行用モータを備える燃料電池車両に搭載される。尚、図１は本発明における燃料電池の冷却システム全体を示す模式図、図２はラジエータ１００の全体構成を示す正面図、図３はチューブ１３１とプレート部１１２との接合部近傍を示す拡大断面図、図４は、固定治具２００を示す断面図である。

まず、燃料電池１０の冷却システムについて図１を用いて簡単に説明する。燃料電池１０は、周知のように水素と酸素とを化学反応させて発電を行うものであり、プラス極とマイナス極との間に高分子電解質膜が挟まれて成るセルを複数直列に接続した燃料電池スタックと、この燃料電池スタックを内部に収容する外部ケーシングとから形成されている。

燃料電池１０の外部ケーシングの２ヶ所には絶縁材から成る冷却水流路２０が接続されている。冷却水流路２０は、具体的にはゴム材あるいは樹脂材のホースあるいはパイプから成る流路としている。冷却水流路２０の途中にはラジエータ１００およびウォータポンプ２１が順に配設され、このウォータポンプ２１の作動によって燃料電池１０の外部ケーシング内の冷却水が、冷却水流路２０およびラジエータ１００を通って図１中の矢印の方向に循環するようにしている。尚、冷却水は、通常のガソリンエンジン車等に用いられるものと同様に、水にエチレングリコールを混入させた不凍液としている。

また、冷却水流路２０には、ラジエータ１００と並列となるようにバイパス流路２２が設けられている。バイパス流路２２は、上記冷却水流路２０と同様にゴム材あるいは樹脂材のホースあるいはパイプから成る。バイパス流路２２下流側の冷却水流路２０との接続部にはサーモスタット２３が設けられており、水温によってラジエータ１００とバイパス流路２２とを流れる冷却水の流量が調整される。

例えば図２、図３に示すラジエータ１００は、コア部１３０のチューブ１３１内を流れる冷却水が図中の上から下方向に向かういわゆるバーチカルフロータイプであり、基本構成としてアッパタンク（タンク）１１０、ロウアタンク（タンク）１２０、コア部１３０から成る。

アッパタンク１１０、ロウアタンク１２０は、それぞれタンク本体部１１１、１２１とプレート部１１２、１２２とから構成されており、これらのタンク本体部１１１、１２１、プレート部１１２、１２２は、共に樹脂材から形成されている。尚、樹脂材としては、ここでは成形性に優れ、ラジエータ１００の構成部材とすることから強度剛性が高く、耐熱性に優れる材料が適しており、例えばポリフェニレンスルフィド（ＰＰＳ）等が考えられる。

タンク本体部１１１、１２１は、断面形状が略Ｕ字状を成し、プレート部１１２、１２２に対向する側が開口する容器体を成している。アッパ側のタンク本体部１１１にはパイプ部（入口パイプ）１１１ａ、冷却水注入用の注水口１１１ｂ、車両取付け用の取付け部１１１ｃが一体で形成されており、また、ロウア側のタンク本体部１２１にはパイプ部（出口パイプ）１２１ａ、取付け部１２１ｂが一体で成形されている。

プレート部１１２、１２２は、外形が細長の板状部材であり、内側領域に複数のチューブ孔１１２ａが長手方向に並ぶように設けられている。各チューブ孔１１２ａの全周には、本発明の特徴部の１つとしてチューブ１３１側に突出する凸部１１２ｂが設けられている。凸部１１２ｂの突出寸法は、ここではプレート部１１２の厚み２ｍｍに対して３ｍｍとしている。また、凸部１１２ｂの先端内径側には後述するチューブ１３１の挿入性を向上させるための面取り部を設けるようにしている。尚、各チューブ孔１１２ａには、タンク本体部１１１、１２１側に突出する内側凸部１１１ｃ（１ｍｍ突出）も併せて設けられている。更に、プレート部１１２、１２２の外周には、タンク本体部１１１、１２１側に突出するタンク接合部１１２ｄが設けられている。

そして、各タンク本体部１１１、１２１の開口側外周部と各プレート部１１２、１２２のタンク接合部１１２ｄとが当接されて、接着剤により互いに接着され、各タンク１１０、１２０を形成している。尚、各タンク本体部１１１、１２１と各プレート部１１２、１２２との接合に当っては、上記接着に代えて溶着による接合、あるいは両者間にシール部材を介在させて、かしめ部材でかしめる機械的な接合としても良い。

コア部１３０は、断面扁平状を成して複数積層される（図２中の左右方向並べられる）チューブ１３１と、薄肉の帯板材から波形に成形され、チューブ１３１の積層方向の外方および各間に配設されるフィン１３２と、左右最外方のフィン１３２の更に外方に配設され、断面がコの字状に形成された補強部材としてのサイドプレート１３３とから構成されている。上記コア部１３０においては、チューブ１３１、サイドプレート１３３は樹脂材より形成され、また、フィン１３２は金属材より形成されるようにしている。

チューブ１３１、サイドプレート１３３を形成する樹脂材は、例えば上記プレート部１１２、１２２と同一のポリフェニレンスルフィド（ＰＰＳ）として良い。チューブ１３１は押出し成形あるいは射出成形により形成され、また、サイドプレート１３３は射出成形あるいは他の成形方法により形成されている。尚、各チューブ１３１の全長Ｌは、プレート部１１２、１２２間の距離（コア高さ）Ｈに、プレート部１１２、１２２での挿入分と、後述する接着剤硬化のための高温雰囲気でのチューブ１３１自身の収縮分（収縮率約１％分）とを加えた寸法としている。一方、フィン１３２を形成する金属材は、熱伝導性に優れるアルミニウム材としており、ローラ成形により形成されている。

そして、チューブ１３１の表面には、エポキシ系の熱硬化性樹脂材から成る接着剤を予め塗布（プレコート）しており、この接着剤によってフィン１３２はチューブ１３１に接着され、また、チューブ１３１の両長手方向両端部は、プレート部１１２、１２２のチューブ孔１１２ａ（凸部１１２ｂ、内側凸部１１２ｃ部を含む）に挿入されて、接着されるようにしている。チューブ１３１が凸部１１２ｂ内に挿入されることで、凸部１１２ｂの外径はチューブ１３１の外径より大きくなっている。尚、サイドプレート１３３のフィン１３２側の表面にも上記と同様の接着剤を設けており、サイドプレート１３３とフィン１３２との接着、サイドプレート１３３とプレート部１１２、１２２との接着が成されるようにしている。

このように形成されるラジエータ１００の各パイプ部１１１ａ、１２１ａは冷却水流路２０に接続される。燃料電池１０においては、両電極にそれぞれ供給される水素および酸素の化学反応により、電気がつくられる（発電される）。発電時に生ずる熱は、冷却水に伝達され、ウォータポンプ２１によって、この冷却水がラジエータ１００を流通する際に、チューブ１３１およびフィン１３２から外気に放出され、冷却水が冷却されることになる。尚、燃料電池１０の発電作用が少ない時は発熱も少なく、サーモスタット２３によって冷却水がバイパス流路２２側を流れるように制御され、ラジエータ１００での放熱が抑制される。このように冷却水は、ラジエータ１００によって所定の温度以下（略８０℃以下）に冷却され、燃料電池１０作動時の温度が適切に維持される。

尚、燃料電池１０の発電作用時には、内部の冷却水には高電圧がかかることになるが、本ラジエータ１００においては、冷却液を高価な電気絶縁性液体としなくても、樹脂材から成る両タンク１１０、１２０およびチューブ１３１によって外部に対して絶縁することができる。

次に、上記ラジエータ１００の製造方法について説明する。まず、押出し成形により形成された後のチューブ１３１の表面に上記で説明した接着剤を予め塗布する。また、射出成形により形成された後のサイドプレート１３３のフィン１３２側の面にも予め接着剤を塗布する。

そして、チューブ１３１とフィン１３２とを交互に積層して、最外方のフィン１３２の更に外方にサイドプレート１３３をセットする。その後、各チューブ１３１の両長手方向端部をプレート部１１２、１２２のチューブ孔１１２ａ（凸部１１２ｂ、内側凸部１１２ｃを含む）に挿入し、プレート部１１２、１２２の装着されたコア部組立て体とする。

そして、図４に示すように、固定治具２００を上記コア部組立て体に装着して、ワイヤ２１０で巻き付けて固定する。ここで、固定治具２００は、断面がコの字状を成し、本発明の２つめの特徴部として、コの字の先端部が凸部１１２ｂに当接することで、フィン１３２を流通する冷却空気（本発明における外部流体に対応）の流れ方向に位置決めされて、両プレート部１１２、１２２のチューブ１３１長手方向の位置を拘束するものとしている。

そして、上記固定治具２００を装着したコア部組立て体を高温槽（本発明における高温部に対応）に投入して、上記チューブ１３１、サイドプレート１３３に塗布した接着剤を熱硬化させて、チューブ１３１、フィン１３２、サイドプレート１３３、プレート部１１２、１２２の互いに当接する部位を接着する。

上記接着後、コア部組立て体を空冷して、ワイヤ２１０、固定治具２００を取り外し、プレート部１１２、１２２のタンク接合部１１２ｄにタンク本体部１１１、１２１をセットして、両者を接着、あるいは溶着、かしめ等で接合し、ラジエータ１００が完成する。

本発明においては、プレート部１１２、１２２のチューブ１３１側に凸部１１２ｂを設けるようにしているので、接着剤硬化のための高温雰囲気内でチューブ１３１が収縮しても、この凸部１１２ｂによってチューブ１３１との接触寸法を稼ぐことができ、チューブ１３１がプレート部１１２、１２２から外れるのを防止できる。

また、熱硬化による接着を行う際に、プレート部１１２、１２２の位置を拘束する固定治具２００を用いる際に、凸部１１２ｂを位置決めとして使用することで、固定治具２００が接着剤の塗布されたチューブ１３１の表面に当接しないようにできるので、固定治具２００がチューブ１３１に接着してしまうのを防止しつつ、プレート部１１２、１２２の変形を防止できる。

また、両タンク１１０、１２０内におけるチューブ１３１の突出量を低減できるので、冷却水流通時の抵抗を低減することができる。

尚、上記第１実施形態において、プレート部１１２、１２２の内側凸部１１２ｃは、凸部１１２ｂの設定長さに応じて、廃止しても良い。

（第２実施形態）
本発明の第２実施形態を図５に示す。第２実施形態は、上記第１実施形態に対してチューブ１３１を凸部１１２ｂの先端側部１１２ｂｂの外側から嵌合させたものとしている。

凸部１１２ｂは突出長さが上記第１実施形態よりも大きく取られ、付根側部１１２ｂａに対して先端側部１１２ｂｂがチューブ１３１の板厚分小さくなる寸法として設定されており、凸部１１２ｂの付根側部１１２ｂａの外径がチューブ１３１の外径以上となるようにしている。そして、チューブ１３１の内面に接着剤を塗布することで、チューブ１３１が先端側部１１２ｂｂに接着されるようにしている。尚、ここでは、上記第１実施形態で説明した、内側凸部１１２ｃは廃止している。

これにより、接着剤硬化のための高温雰囲気内でチューブ１３１が扁平状断面の周方向に収縮する際に、先端側部１１２ｂｂに対して圧接されることになるので、チューブ１３１とプレート部１１２との密着性を向上させることができる（内部冷却水の洩れ低減）。尚、固定治具２００を凸部１１２ｂの付根側部１１２ｂａに当接させることで、上記第１実施形態と同様に、固定治具２００のチューブ１３１への接着を防止できる。

（その他の実施形態）
上記第１、第２実施形態では、本発明の樹脂製熱交換器を燃料電池１０冷却用のラジエータ１００に適用したものとして説明したが、これに限らず、エンジン冷却用のラジエータとしたり、その他の流体を冷却する熱交換器（凝縮器、蒸発器、オイルクーラ、インタークーラ等）に広く適用可能である。

また、タンク１１０、１２０は、タンク本体部１１１、１２１とプレート部１１２、１２２とから形成されるものとしたが、一体的に形成されるものとしても良い。

また、フィン１３２はアルミニウム材から成るものとしたが、樹脂材としても良い。

本発明における燃料電池の冷却システム全体を示す模式図である。 ラジエータの全体構成を示す正面図である。 第１実施形態におけるチューブとプレート部との接合部近傍を示す拡大断面図である。 固定治具を示す断面図である。 第２実施形態におけるチューブとプレート部との接合部近傍を示す拡大断面図である。 試作検討段階におけるチューブとプレート部との接合状態を示す正面図である。

符号の説明

１００ ラジエータ（樹脂製熱交換器）
１１０ アッパタンク（タンク）
１１２ａ チューブ孔
１１２ｂ 凸部
１２０ ロウアタンク（タンク）
１３１ チューブ
１３２ フィン
２００ 固定治具

Claims (2)

1. 押出し成形によって形成され、複数積層される樹脂製のチューブ（１３１）と、
   複数の前記チューブ（１３１）の各間に配設される放熱用のフィン（１３２）と、
   複数の前記チューブ（１３１）の両長手方向端部位置に対応して穿設されたチューブ孔（１１２ａ）を介して、前記チューブ（１３１）に連通する樹脂製のタンク（１１０、１２０）とを有する樹脂製熱交換器において、
   前記チューブ孔（１１２ａ）の全周に前記チューブ（１３１）側に突出する凸部（１１２ｂ）が設けられ、
   前記凸部（１１２ｂ）の外径が、前記チューブ（１３１）の外径以上となるように、前記チューブ（１３１）が前記凸部（１１２ｂ）に接続され、
   前記チューブ（１３１）と前記フィン（１３２）、前記チューブ（１３１）と前記凸部（１１２ｂ）は、前記チューブ（１３１）に設けられた熱硬化性接着剤により、互いに当接する部位で接着されたことを特徴とする樹脂製熱交換器。
2. 請求項１に記載の樹脂製熱交換器の製造方法であって、
   前記チューブ（１３１）、前記フィン（１３２）、前記タンク（１１０、１２０）を互いに組付けた後に、
   前記凸部（１１２ｂ）に当接して前記フィン（１３２）における外部流体流れ方向に位置決めされると共に、前記タンク（１１０、１２０）の前記チューブ（１３１）長さ方向の動きを拘束する固定治具（２００）を装着して、
   前記固定治具（２００）の装着された組立て体を高温部に投入して、前記接着を行うことを特徴とする樹脂製熱交換器の製造方法。

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