JP2007024334A - 熱交換器 - Google Patents

Abstract

【課題】 コア部の剛性を確保しながら、熱歪みを吸収することができる熱交換器を提供する。
【解決手段】 熱媒体が流れる複数のチューブ２と、チューブ２の外表面に接合されて熱媒体の熱交換を促進するフィン３とを有するコア部４と、チューブ２の長手方向両端部にてチューブ２の長手方向と直交する方向に延びてチューブ２と連通するヘッダタンク５と、コア部４の端部にてチューブ２の長手方向と略平行に配置され、コア部４から熱が伝わるとともに、両端部がヘッダタンク５に支持されたインサート６とを設け、ヘッダタンク５に、チューブ２が固定されるコアプレート５ａと、コアプレート５ａとともにタンク内空間を構成するタンク本体５ｂとを設け、インサート６の両端部をタンク内空間の外側に配置し、インサート６を、長手方向には可動に、長手方向と直交する方向には非可動にヘッダタンク５に嵌合させる。
【選択図】 図２

Description

本発明は、熱交換器に関するもので、車両用エンジン等の内燃機関の冷却水を冷却するいわゆるマルチフロー型のラジエータに適用して有効である。

従来より、マルチフロー型のラジエータは、図９に示すように、複数のチューブＪ２およびこれらのチューブＪ２の外表面に接合されたフィンＪ３を有するコア部Ｊ４と、複数のチューブＪ２と連通するヘッダタンクＪ５と、コア部Ｊ４の端部に配置されてコア部Ｊ４を補強するインサートＪ６とを備えている。

また、ヘッダタンクＪ５は、チューブＪ２が接合されたコアプレートＪ５ａおよびタンク内空間を構成するタンク本体Ｊ５ｂから構成されている。そして、チューブＪ２およびインサートＪ６は、ヘッダタンクＪ５に挿入された状態でろう接によりコアプレートＪ５ａ接合されている。

このようなラジエータにおいて、チューブＪ２に流れる冷却水の温度が変化したときに、冷却水の影響を直接受けるチューブＪ２と、間接的にしか影響を受けないインサートＪ６では熱膨張量が異なる。

したがって、温度差によるチューブＪ２とインサートＪ６との熱膨張量の違いにより、インサートＪ６に隣接するチューブＪ２とコアプレートＪ５ａとの根付部（接合部）に熱歪みに伴う熱応力が発生しやすい。このため、温度が繰り返し変化して熱応力が繰り返して変化すると、根付部近傍のチューブＪ２が破断するという問題があった。

これに対し、インサートの一部をＵ字状等のスプリング構造にして、チューブの熱歪みを低減させるとともにコア部の剛性低下を抑制する熱交換器の熱歪み防止構造が提案されている（例えば、特許文献１参照）。
特許第２９２７７１１号公報

しかしながら、上記特許文献１に記載の熱歪み防止構造では、熱歪みがスプリング構造部に集中してしまい、スプリング構造部が破損するという問題がある。

本発明は、上記点に鑑み、コア部の剛性を確保しながら、熱歪みを吸収することができる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、本発明は、熱媒体が流れる複数のチューブ（２）と、チューブ（２）の外表面に接合されて熱媒体の熱交換を促進するフィン（３）とを有するコア部（４）と、チューブ（２）の長手方向両端部にてチューブ（２）の長手方向と直交する方向に延びてチューブ（２）と連通するヘッダタンク（５）と、コア部（４）の端部にてチューブ（２）の長手方向と略平行に配置され、コア部（４）から熱が伝わるとともに、両端部がヘッダタンク（５）に支持されたインサート（６）とを備え、ヘッダタンク（５）は、チューブ（２）が固定されるコアプレート（５ａ）と、コアプレート（５ａ）とともにタンク内空間を構成するタンク本体（５ｂ）とを有しており、インサート（６）の両端部は、タンク内空間の外側に配置されており、インサート（６）は、長手方向には可動に、長手方向と直交する方向には非可動にヘッダタンク（５）に嵌合されていることを第１の特徴としている。

このように、インサート（６）を、熱歪みが発生する方向であるインサート（６）長手方向には可動にし、インサート（６）長手方向と直交する方向には非可動にすることで、熱歪みが発生する際に、インサート（６）が動いてチューブ（２）とコアプレート（５ａ）との接合部位（根付部）に熱応力が集中するのを防止することができる。一方、熱歪み発生方向に対して直交する方向には、インサート（６）が動かないように構成されているため、コア部（４）の強度を保つことができる。したがって、コア部（４）の剛性を確保しながら、熱歪みを吸収することが可能となる。

具体的には、ヘッダタンク（５）とインサート（６）との嵌合部を、ヘッダタンク（５）に設けられた貫通孔（５ｆ、１２ａ）にインサート（６）の端部を挿入する差込構造とする。このとき、ヘッダタンク（５）およびインサート（６）の嵌合部は、ろう付け防止構造とする。これにより、インサート（６）を、長手方向には可動に、長手方向と直交する方向には非可動にヘッダタンク（５）に嵌合させることができる。

このとき、貫通孔（５ｆ、１２）を、チューブ（２）の長手方向と垂直となる面に形成してもよい。これにより、チューブ（２）の伸長に伴って、インサート（６）に対してヘッダタンク（５）を稼動させることができ、インサート（６）に熱応力が集中することを抑制することができる。

また、貫通孔（５ｆ、１２）を、コアプレート（５ａ）におけるタンク本体（５ｂ）より外側の部位に設けてもよいし、タンク本体（５ｂ）の長手方向端部に設けられて外側に向かって突出する突起部（１２）に設けてもよい。

また、本発明は、フィン（３）およびインサート（６）は、ろう材が被覆されていないベア材からなることを第２の特徴としている。

これにより、フィン（３）とインサート（６）との接合部にはフィレットが形成されないため、インサート（６）に隣接するチューブ（２）の熱がインサート（６）に奪われにくくなる。このため、インサート（６）に隣接するチューブ（２）と、このチューブ（２）に隣接する他のチューブ（２）との温度差をより小さくすることができる。したがって、熱歪みをより小さくすることが可能となる。

なお、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ものである。

（第１実施形態）
以下、本発明の第１実施形態について図１および図２に基づいて説明する。本第１実施形態は、本発明に係る熱交換器を車両用エンジンを冷却したエンジン冷却水（熱媒体）と大気（空気）とを熱交換するラジエータ１に適用したものである。図１は本第１実施形態に係るラジエータ１の正面図で、図２（ａ）は本第１実施形態の要部を示す拡大図で、図２（ｂ）は図２（ａ）のＸ方向からみたコアプレート５ａとインサート６との嵌合部を示す拡大平面図である。

図１中、チューブ２はエンジン冷却水が流れる管であり、このチューブ２は、空気の流通方向（紙面垂直方向）が長径方向と一致するように扁平状に形成されているとともに、その長手方向が鉛直方向に一致するように水平方向に複数本平行に配置されている。

また、チューブ２の両側の扁平面２ａ（図２参照）には波状に成形されたフィン３が接合されており、このフィン３により空気との伝熱面積を増大させてエンジン冷却水と空気との熱交換を促進している。なお、以下、チューブ２およびフィン３からなる略矩形状の熱交換部をコア部４と呼ぶ。

ヘッダタンク５は、チューブ２の長手方向端部（本実施形態では、上下端）にてチューブ２の長手方向と直交する方向（本実施形態では、水平方向）に延びて複数のチューブ２と連通するもので、このヘッダタンク５は、チューブ２が挿入接合されたコアプレート５ａと、コアプレート５ａとともにタンク内空間を構成するタンク本体５ｂとを有して構成されている。なお、本第１実施形態では、コアプレート５ａは金属（例えば、アルミニウム合金）製であり、タンク本体５ｂは樹脂製である。

また、図２に示すように、コアプレート５ａの縁部全周に設けられた凹状の溝部５ｃにゴム等の弾性材からなるパッキン（図示せず）を配置し、このパッキンにてタンク本体５ｂとコアプレート５ａとの隙間を液密に密閉している。コアプレート５ａの周縁部には爪部５ｄが立設されており、この爪部５ｄをタンク本体５ｂの外周縁に形成されたフランジにカシメ固定することによって、タンク本体５ｂはヘッダプレート５ａに組み付けられている。

ちなみに、タンク本体５ｂは、コアプレート５ａの一部をタンク本体５ｂに押し付けるようにして塑性変形させることにより、コアプレート５ａにカシメ固定されている。

コア部４の両端部には、チューブ２の長手方向と略平行に延びてコア部４を補強するインサート６が設けられている。このインサート６は、チューブ２の扁平面２ａと略平行な面を有してチューブ２の長手方向と略平行に延びるベース部６ａと、ベース部６ａに対して略直交する方向（本実施形態では、水平方向）に突出してチューブ２の長手方向と略平行に延びるリブ６ｂとを有している。インサート６において、リブ６ｂは、ベース部６ａのうちベース部６ａの長手方向と直交する方向両端側にそれぞれに設けられているため、インサート６の断面形状は、コア部４と反対側が開いた略コの字状断面となっている。また、インサート６はコア部４と接触しており、コア部４から熱が伝わるようになっている。

ここで、コアプレート５ａとインサート６との支持構造について説明する。

本第１実施形態では、コアプレート５ａの端部は、タンク本体５ｂより外側に延びている、すなわち、コアプレート５ａとタンク本体５ｂとを組み付けた際に、コアプレート５ａの端部が露出するようになっている。コアプレート５ａの端部には、貫通孔５ｆが形成されている。この貫通孔５ｆは、ヘッダタンク５のチューブ２の長手方向とほぼ垂直となる面において、ヘッダタンク５の長手方向と直交する方向に向かって形成されている。

インサート６のベース部６ａは、コアプレート５ａの溝部５ｃと対向するように屈曲した後、コアプレート５ａの貫通孔５ｆに向けて端部（以下、インサート端部６ｃという）が延びており、インサート端部６ｃが貫通孔５ｆに挿入された状態で、コアプレート５ａと嵌合するようになっている。すなわち、コアプレート５ａとインサート６との嵌合部は、差込構造となっている。

また、コアプレート５ａとインサート６との嵌合部は、ろう付け防止構造になっている。具体的には、貫通孔５ｆの内壁部およびインサート端部６ｃの貫通孔５ｆに対応する部位は、それぞれろう材が削られている。これにより、コアプレート５ａとインサート６との嵌合部がろう付けされないようになっている。

なお、本第１実施形態では、母材であるチューブ２、フィン３、コアプレート５ａおよびインサート６は全てアルミニウム合金であり、ろう接時の溶加材としてＡ４０４５等のアルミニウムを用いているので、チューブ２、フィン３、コアプレート５ａおよびインサート６等の金属部品のうち、コアプレート５ａとインサート６との嵌合部以外は、全てろう接にて接合されていることとなる。

ちなみに、本第１実施形態では、チューブ２は、表面をろう材（溶加材）にクラッド（被覆）されたクラッド材であり、コアプレート５ａは、コア部４側の面をろう材にクラッドされたクラッド材である。また、フィン３は、ろう材にクラッドされていない裸のアルミニウム系材料（以下、ベア材という）である。

なお、図１中、冷却水流入口７ａはエンジンのエンジン冷却水出口側に接続され、冷却水流出口７ｂはエンジンのエンジン冷却水入口側に接続される。ピン８はラジエータ１を車両ボディ側、つまり、図示しないキャリア（ラジエータサポート又はフロントエンドパネル）に組み付けるための突起部材であり、キャップ９は、加圧式のラジエータキャップであり、プラグ１０はラジエータ１からエンジン冷却水を抜くためのドレン口を閉塞する栓である。

次に、本第１実施形態に係るラジエータ１の製造方法の概略を述べる。

フィン３、チューブ２およびインサート６を図２に示すように組み付け、インサート端部６ｃを貫通孔５ｆに挿入した後、ワイヤー等の治具によりその組み付けた状態を維持したまま、炉内で加熱してフィン３、チューブ２およびインサート６をろう接する。このとき、コアプレート５ａの貫通孔５ｆの内壁部およびインサート端部６ｃの貫通孔５ｆに対応する部位のろう材がそれぞれ削られているので、コアプレート５ａとインサート６との嵌合部がろう付けされることはない。

そして、フィン３、チューブ２およびインサート６を組み付ける際には、フィン３を押し潰すように弾性変形させて、ろう付けにフィン３の厚みが小さくなってもフィン３とチューブ２との接触状態を維持することができるようにする。

以上説明したように、コアプレート５ａとインサート６との嵌合部を差込構造とするとともに、嵌合部のろう付けを防止することにより、熱歪みが発生する方向（インサート６の長手方向）にはインサート６を可動にし、熱歪み発生方向に対して垂直な方向にはインサート６を拘束することができる。このため、熱歪みが発生する際に、インサート６が動くことによりチューブ２とコアプレート５ａとの根付部に熱応力が集中するのを防止することができる。一方、熱歪み発生方向に対して垂直方向には、インサート６が動かないように構成されているため、コア部４の強度を保つことができる。したがって、コア部４の剛性を確保しながら、熱歪みを吸収することが可能となる。

（第２実施形態）
次に、本発明の第２実施形態について図３に基づいて説明する。本第２実施形態は、上記第１実施形態に比較して、ろう付け防止構造が異なるものである。上記第１実施形態と同様の部分については同一の符号を付して説明を省略する。

図３（ａ）は本第２実施形態に係るラジエータ１の要部を示す拡大図で、図３（ｂ）は図３（ａ）のＸ方向からみたコアプレート５ａとインサート６との嵌合部を示す拡大平面図である。図３に示すように、本第２実施形態では、貫通孔５ｆとインサート端部６ｃとの間に、ベア材からなるカラー１１が設けられており、貫通孔５ｆの内壁とインサート端部６ｃとが直接接触しないようになっている。

これにより、コアプレート５ａとインサート６との嵌合部がろう付けされるのを防止することができるため、上記第１実施形態と同様の効果を得ることが可能となる。

（第３実施形態）
次に、本発明の第３実施形態について図４に基づいて説明する。本第３実施形態は、上記第１実施形態に比較して、ろう付け防止構造が異なるものである。上記第１実施形態と同様の部分については同一の符号を付して説明を省略する。

図４（ａ）は本第３実施形態に係るラジエータ１の要部を示す拡大図で、図４（ｂ）は図４（ａ）のＸ方向からみたコアプレート５ａとインサート６との嵌合部を示す拡大平面図である。図４に示すように、本第３実施形態の貫通孔５ｆは、ろう材がクラッドされた面（以下、ろう材面という）を外側にしたバーリング加工により形成されている。

これにより、コアプレート５ａのろう材面とインサート端部６ｃが接触しないようになっているとともに、インサート端部６ｃにおける貫通孔５ｆと対応する部位のろう材が削られているため、コアプレート５ａとインサート６との嵌合部がろう付けされるのを防止することができる。したがって、上記第１実施形態と同様の効果を得ることが可能となる。

（第４実施形態）
次に、本発明の第４実施形態について図５に基づいて説明する。本第４実施形態は、上記第１実施形態に比較して、ろう付け防止構造が異なるものである。上記第１実施形態と同様の部分については同一の符号を付して説明を省略する。

図５（ａ）は本第４実施形態に係るラジエータ１の要部を示す拡大図で、図５（ｂ）は図５（ａ）のＸ方向からみたコアプレート５ａとインサート６との嵌合部を示す拡大平面図である。図５に示すように、本第４実施形態のインサート端部６ｃは、ろう材面を内側にして折り曲げられた状態で貫通孔５ｆに挿入されている。

これにより、インサート６のろう材面と貫通孔５ｆの内壁面が接触しないようになっているとともに、貫通孔５ｆの内壁面のろう材が削られているため、コアプレート５ａとインサート６との嵌合部がろう付けされるのを防止することができる。したがって、上記第１実施形態と同様の効果を得ることが可能となる。

（第５実施形態）
次に、本発明の第５実施形態について図６に基づいて説明する。本第５実施形態は、上記第１実施形態に比較して、インサート６をタンク本体５に嵌合させる点が異なるものである。上記第１実施形態と同様の部分については同一の符号を付して説明を省略する。

図６（ａ）は本第５実施形態に係るラジエータ１の要部を示す拡大図で、図６（ｂ）は図６（ａ）のＸ方向からみたタンク本体５ｂとインサート６との嵌合部を示す拡大平面図である。図６に示すように、タンク本体５ｂの長手方向端部には、タンク本体５ｂの外側に向かって突出する突起部１２が設けられている。突起部１２は樹脂からなり、タンク本体５ｂと一体に成形されている。

突起部１２には、貫通孔１２ａが形成されている。貫通孔１２ａは、インサート端部６ｃが貫通孔５ｆに挿入された状態でコアプレート５ａと嵌合するように構成されている。

このように、インサート端部６ｃを樹脂製のタンク本体５ｂの突起部１２に嵌合させることにより、インサート６とタンク本体５ｂとの嵌合部がろう付けされるのを防止することができるため、上記第１実施形態と同様の効果を得ることが可能となる。

（第６実施形態）
次に、本発明の第６実施形態について図６に基づいて説明する。本第６実施形態は、上記第５実施形態に比較して、タンク本体５ｂを金属製とした点が異なるものである。上記第５実施形態と同様の部分については同一の符号を付して説明を省略する。

本第６実施形態では、タンク本体５ｂおよび突起部１２は金属（例えば、アルミニウム合金）からなり、突起部１２はタンク本体５ｂと一体に成形されている。また、タンク本体５ｂとインサート６との嵌合部、すなわち、貫通孔１２ａの内壁部およびインサート端部６ｃの貫通孔１２ａに対応する部位は、それぞれろう材が削られている。

このように、インサート６をタンク本体５ｂの突起部１２に嵌合させるとともに、タンク本体５ｂとインサート６との嵌合部のろう材を削り、ろう付けを防止することにより、上記第１実施形態と同様の効果を得ることが可能となる。

（第７実施形態）
次に、本発明の第７実施形態について図７および図８に基づいて説明する。本第７実施形態は、上記第１実施形態に比較して、フィン３およびインサート６の両方にベア材を用いた点が異なるものである。上記第１実施形態と同様の部分については同一の符号を付して説明を省略する。

図７はチューブおよびインサートの温度について従来技術と本第７実施形態とを比較した棒グラフで、図８は本第７実施形態に係るラジエータ１の要部を示す拡大図である。なお、図８において、インサート６と隣接するチューブを第１のチューブ２Ａといい、第１のチューブ２Ａに隣接するチューブを第２のチューブ２Ｂといい、第２のチューブ２Ｂに隣接するチューブを第３のチューブ２Ｃという。

ところで、従来、チューブＪ２もしくはインサートＪ６（ベース部Ｊ６ａ）とフィンＪ３との接合部には、図９の黒塗り部に示されるようなフィレット（溶加材の固まり）が形成され、強固にろう接されている。このため、図７に示すように、第１のチューブＪ２Ａの熱がインサートＪ６に奪われやすく、第１のチューブＪ２Ａと第２のチューブＪ２Ｂとの温度差が大きくなる。

これに対し、本第７実施形態では、上記第１実施形態と同様の構成を有し、インサート６にベア材を用いている。このため、図８に示すように、フィン３とインサート６との接合部にフィレットが形成されない。これにより、第１のチューブ２Ａの熱がインサート６に奪われにくくなるため、図７に示すように、第１のチューブ２Ａと第２のチューブ２Ｂとの温度差をより小さくすることができる。したがって、熱歪みをより小さくすることが可能となる。

（他の実施形態）
なお、ヘッダタンク５とインサート６との嵌合部のろう付けを防止するために、上記第１〜第３および第６実施形態ではインサート端部６ｃにおける貫通孔５ｆ、１２ａに対応する部位のろう材を削り、上記第４実施形態ではインサート端部６ｃをろう材面を内側にして折り曲げたが、これらに限らず、例えば、インサート端部６ｃの貫通孔５ｆ、１２ａに対応する部位にろう付け抑制剤を塗布してもよい。

また、フィン３にクラッド材を用い、インサート６にベア材を用いてもよい。これにより、フィン３とインサート６はろう付けされるが、ヘッダタンク５とインサート６との嵌合部がろう付けされることはないため、上記第１実施形態と同様の効果を得ることが可能となる。

同様に、ヘッダタンク５とインサート６との嵌合部のろう付けを防止するために、上記第１、第４および第６実施形態ではインサート端部６ｃにおける貫通孔５ｆ、１２ａに対応する部位のろう材を削り、上記第２実施形態では貫通孔５ｆとインサート端部６ｃとの間にベア材のカラー１１を設け、上記第３実施形態では貫通孔５ｆをバーリング加工により形成したが、これらに限らず、例えば、貫通孔５ｆ、１２ａの内壁にろう付け抑制剤を塗布してもよい。

第１実施形態に係るラジエータ１の正面図である。 （ａ）は第１実施形態に係るラジエータ１の要部を示す拡大図で、（ｂ）は（ａ）のＸ方向からみたタンク本体５ｂとインサート６との嵌合部を示す拡大平面図である。 （ａ）は第２実施形態に係るラジエータ１の要部を示す拡大図で、（ｂ）は（ａ）のＸ方向からみたタンク本体５ｂとインサート６との嵌合部を示す拡大平面図である。 （ａ）は第３実施形態に係るラジエータ１の要部を示す拡大図で、（ｂ）は（ａ）のＸ方向からみたタンク本体５ｂとインサート６との嵌合部を示す拡大平面図である。 （ａ）は第４実施形態に係るラジエータ１の要部を示す拡大図で、（ｂ）は（ａ）のＸ方向からみたタンク本体５ｂとインサート６との嵌合部を示す拡大平面図である。 （ａ）は第５および第６実施形態に係るラジエータ１の要部を示す拡大図で、（ｂ）は（ａ）のＸ方向からみたタンク本体５ｂとインサート６との嵌合部を示す拡大平面図である。 チューブおよびインサートの温度について従来技術と第７実施形態とを比較した棒グラフである。 第７実施形態に係るラジエータ１の要部を示す拡大図である。 従来のラジエータの要部を示す拡大図である。

符号の説明

１…ラジエータ（熱交換器）、２…チューブ、３…フィン、４…コア部、５…ヘッダタンク、５ａ…コアプレート、５ｂ…タンク本体、５ｆ、１２ａ…貫通孔、６…インサート、１２…突起部。

Claims (7)

1. 熱媒体が流れる複数のチューブ（２）と、前記チューブ（２）の外表面に接合されて前記熱媒体の熱交換を促進するフィン（３）とを有するコア部（４）と、
   前記チューブ（２）の長手方向両端部にて前記チューブ（２）の長手方向と直交する方向に延びて前記チューブ（２）と連通するヘッダタンク（５）と、
   前記コア部（４）の端部にて前記チューブ（２）の長手方向と略平行に配置され、前記コア部（４）から熱が伝わるとともに、両端部が前記ヘッダタンク（５）に支持されたインサート（６）とを備え、
   前記ヘッダタンク（５）は、前記チューブ（２）が固定されるコアプレート（５ａ）と、前記コアプレート（５ａ）とともにタンク内空間を構成するタンク本体（５ｂ）とを有しており、
   前記インサート（６）の両端部は、前記タンク内空間の外側に配置されており、
   前記インサート（６）は、長手方向には可動に、前記長手方向と直交する方向には非可動に前記ヘッダタンク（５）に嵌合されていることを特徴とする熱交換器。
2. 前記ヘッダタンク（５）と前記インサート（６）との嵌合部は、前記ヘッダタンク（５）に設けられた貫通孔（５ｆ、１２ａ）に前記インサート（６）の端部を挿入する差込構造になっていることを特徴とする請求項１に記載の熱交換器。
3. 前記貫通孔（５ｆ、１２ａ）は、前記チューブ（２）の長手方向に垂直な面に形成されていることを特徴とする請求項２に記載の熱交換器。
4. 前記ヘッダタンク（５）および前記インサート（６）の前記嵌合部は、ろう付け防止構造になっていることを特徴とする請求項１または２に記載の熱交換器。
5. 前記コアプレート（５ａ）の長手方向端部は、前記タンク本体（５ｂ）より外側に延びており、
   前記貫通孔（５ｆ）は、前記コアプレート（５ａ）における前記タンク本体（５ｂ）より外側の部位に設けられていることを特徴とする請求項２または３に記載の熱交換器。
6. 前記タンク本体（５ｂ）の長手方向端部には、外側に向かって突出する突起部（１２）が設けられており、
   前記貫通孔（１２）は、前記突起部（１２）に設けられていることを特徴とする請求項２または３に記載の熱交換器。
7. 前記フィン（３）および前記インサート（６）は、ろう材が被覆されていないベア材からなることを特徴とする請求項１ないし５のいずれか１つに記載の熱交換器。

Images