JP2007139392A

JP2007139392A - 熱交換器

Info

Publication number: JP2007139392A
Application number: JP2005337624A
Authority: JP
Inventors: Hirokazu Hirose; 弘和広瀬
Original assignee: Denso Corp
Current assignee: Denso Corp
Priority date: 2005-11-22
Filing date: 2005-11-22
Publication date: 2007-06-07

Abstract

【課題】チューブの伸び縮みの変形によって発生する応力集中を緩和することが可能な熱交換器を実現する。
【解決手段】タンク１１０、１２０には、チューブ１３２の長手方向Ｘに伸びる変形もしくは縮む変形を受けたときに、タンク１１０、１２０の外方がタンク１１０、１２０の長手方向Ｙに伸びるもしくは縮むことによってコア部１３０の変形に追従し、応力を緩和させる外周溝部１１５、１２５が形成されている。これにより、チューブ１３２の応力集中を緩和することができる。
【選択図】図１

Description

本発明は、流体を熱交換させる熱交換器に関するものであり、特に水冷エンジンの冷却水の熱を大気中に放熱するラジエータに適用して好適である。

従来、この種の熱交換器として、樹脂製のタンクと、コア部を構成するチューブを接合したコアプレートとを、パッキンなどのシール部材を関して固定したものが知られている（例えば、特許文献１参照）。
実開昭６１−１４１５９３号公報

しかしながら、上記特許文献１のような熱交換器では、極低温（例えば、−３０℃以下）時において、熱交換器にＬＬＣからなるエンジン冷却液を通水する際に、ＬＬＣの粘性が急激に増大することで、コア部全体に均等に流通せずに一部のチューブのみに流通する。その結果、積層されたチューブ間には温度差が発生し、チューブの伸び縮みにより熱ひずみが発生する。

例えば、図５に示すように、左右のタンク１１０、１２０には、それぞれ入口パイプ１１１、出口パイプ１２１が形成されており、左タンク１１０の上方からエンジン側からのエンジン冷却液を導入して、左タンク１１０から積層された複数のチューブからなるコア部１３０を介して右タンク１２０側に通水して、右タンク１１０の下方からエンジン側に導出するように構成すると、概して、コア部１３０の上方に高温部が形成され、その高温部の下方に低温部が形成される。

つまり、上方の高温部においては、タンク１１０、１２０側の剛性によりチューブの伸びが阻害されるためチューブが圧縮（図中に示す矢印ａ）を受ける。一方、下方の低温部においては、タンク１１０、１２０側の剛性によりチューブの縮みが阻害されるためチューブが引っ張り（図中に示す矢印ｂ）を受ける。これにより、チューブに応力が集中する。

そこで、本発明の目的は、上記点を鑑みたものであり、チューブの伸び縮みの変形によって発生する応力集中を緩和することが可能な熱交換器を提供することにある。

上記目的を達成するために、請求項１ないし請求項３に記載の技術的手段を採用する。すなわち、請求項１に記載の発明では、一対の樹脂製のタンク（１１０、１２０）と、このタンク（１１０、１２０）の開口端面にシール部材（１５０）を介して気密に固定されるコアプレート（１４０）と、このコアプレート（１４０）の挿入孔（１４２）に長手方向（Ｘ）端部を挿入して接合され、タンク（１１０、１２０）内と連通するチューブ（１３２）を複数積層してなるコア部（１３０）とを備える熱交換器において、
タンク（１１０、１２０）は、コア部（１３０）の温度差によってチューブ（１３２）の長手方向（Ｘ）に伸び縮みする変形に追従させて応力を緩和させる形状に形成されていることを特徴としている。

この発明によれば、チューブ（１３２）の長手方向（Ｘ）に伸び縮みする変形があってもその変形をタンク（１１０、１２０）側で追従できることでチューブ（１３２）に応力が集中することがない。

請求項２に記載の発明では、タンク（１１０、１２０）には、チューブ（１３２）の長手方向（Ｘ）に伸びる変形もしくは縮む変形を受けたときに、タンク（１１０、１２０）の外方がタンク（１１０、１２０）の長手方向（Ｙ）に伸びるもしくは縮むことによってコア部（１３０）の変形に追従し、応力を緩和させる応力緩和部（１１５、１２５）が形成されていることを特徴としている。

この発明によれば、タンク（１１０、１２０）の開口端面側に受けた伸び縮みする変形により、タンク（１１０、１２０）の長手方向（Ｙ）に伸びるもしくは縮む応力緩和部（１１５、１２５）でその変形を緩和させることができる。これにより、チューブ（１３２）に掛かる応力集中を低減できる。

請求項３に記載の発明では、応力緩和部（１１５、１２５）は、タンク（１１０、１２０）の長手方向（Ｙ）に複数個形成され、かつ溝部がタンク（１１０、１２０）の開口端面近傍から外方に向けて広がる外周溝部（１１５、１２５）を形成していることを特徴としている。

この発明によれば、より具体的には、溝部が外方に向けて広がる外周溝部（１１５、１２５）は、外方側の方が開口端面側よりも板厚が薄肉となって形成される。従って、タンク（１１０、１２０）の外方側が開口端側よりもタンク（１１０、１２０）の長手方向（Ｙ）に対する剛性が小さくなることで、その外方がタンク（１１０、１２０）の長手方向（Ｙ）に伸び易くなる。

これにより、タンク（１１０、１２０）の開口端面側でチューブ（１３２）の長手方向（Ｘ）に伸び縮みする変形を受けると、その変形によりタンク（１１０、１２０）の外方側がタンク（１１０、１２０）の長手方向（Ｙ）側に実質的に伸びることでチューブ（１３２）に掛かる応力を低減させることができる。

なお、上記各手段の括弧内の符号は、後述する実施形態の具体的手段との対応関係を示すものである。

以下、本発明の一実施形態における熱交換器を図１ないし図４に基づいて説明する。図１は本発明を適用した一実施形態における熱交換器であるラジエータ１００の概略構造を示す正面図であり、図２はラジエータ１００のタンクとチューブとの接合部構造を示す斜視図である。また、図３は図１に示すＡ部詳細図であり、図４はコア部１３０に温度差が発生したときにおける変形の作用形態を示す模式図である。

本実施形態のラジエータ１００はエンジンルーム内の前方に搭載される自動車用のラジエータである。ラジエータ１００は、図１に示すように、コア部１３０のチューブ１３２内を流れるエンジン冷却水（以下、冷却水と称する）が図中左から右方向に向かう所謂クロスフロータイプとしたものであり、基本構成としてコア部１３０、左タンク１１０、右タンク１２０からなる。

コア部１３０は、内部を流通する冷却水を冷却する熱交換部であり、フィン１３１、チューブ１３２、サイドプレート１３３、およびコアプレート１４０から構成されている。フィン１３１は薄肉の帯板材から波状に成形され、内側に図示しないスリット状のルーバーが設けられたものである。

また、チューブ１３２は、薄肉の帯板材から断面が偏平状になるように折り曲げられ、その端部同士が溶接されたものである。上記フィン１３１とチューブ１３２とが図１中、上下方向に交互に積層され、断面がコの字状に成形された補強部材としてサイドプレート１３３が上下最外部のフィン１３１のさらに外方に当接されるようにしている。

コアプレート１４０は、平板状の絞り加工などにより成形され、チューブ１３２の積層方向Ｙに延びるように配設され、チューブ１３２の長手方向Ｘの端部（以下、チューブ端部と称する）に対応する位置にチューブ挿入部としての挿入孔１４２が複数設けられている。この挿入孔１４２にチューブ１３２端部が挿入されてコア部１３０が形成されている。

そして、コア部１３０を構成する各部材は、強度特性、耐腐食性などの特性に優れるアルミニウム合金からなり、これらが一体でろう付けされることでコア部１３０が形成されている。

図中左側のコアプレート１４０には左タンク１１０が、図中右側のコアプレート１４０には右タンク１２０が、かしめ加工などにより機械的に接続されている。左タンク１１０、右タンク１２０は、樹脂（例えば、ポリアミド樹脂）により形成されている。

また、左タンク１１０には、上方一側面に入口パイプ１１１などが一体で成形されており、さらに、右タンク１２０には、下方一側面に出口パイプ１２１などが一体で成形されている。なお、左タンク１１０と右タンク１２０とは、ほぼ同一構造としているので、以下、本実施形態の要部構造については左タンク１１０側を用いて説明する。

樹脂製の左タンク１１０は、図２に示すように、断面形状が略Ｕ字状をなし、コアプレート１４０側に開口部を有する箱型の容器体をなしている。そして、左タンク１１０の開口側端面部には、コアプレート１４０の外周部に形成され、内部にシール部材であるパッキン１５０が装着された装着溝部１４３に挿入され、コアプレート１４０のかしめ爪１４４が左タンク１１０の外側段付き面１１２に係止してかしめ固定される。

すなわち、左タンク１１０とコアプレート１４０とにより、実質的なタンク空間を形成している。この実質的なタンク空間のコアプレート１４０にチューブ１３２の端部が接合されて、チューブ１３２内とタンク空間とが連通している。

また、コアプレート１４０の装着溝部１４３より内側の領域は、左タンク１１０とコアプレート１４０とにより構成される実質的なコア部１３０側の底面部１４１をなしている。そして、この底面部１４１は、コアプレート１４０の基準面部であり、その底面部１４１のタンク空間の側面は、タンク内底面１４１ａである。

装着溝部１４３は、この底面１４１ａの外周に設けられ、かしめ固定に伴いパッキン１５０を左タンク１１０側へ押圧する押圧面１４３ａは、底面１４１ａに対してコア部１３０中心側突出するように形成されている。

そして、左タンク１１０の外周には、応力緩和部である外周溝部１１５が左タンク１１０の長手方向Ｙに複数個形成されている。この外周溝部１１５は、図３（ｂ）に示すように、その溝部が開口端面近傍から外方に向けて順次広がるように、例えば、左タンク１１０の側面側に略扇状に形成している。

より具体的には、左タンク１１０の板厚を、図３（ａ）に示すように、開口端面近傍から外方に向けて順次薄くなるように変化させ、外方で最も薄くなるように形成している。これは、外方側の方が開口端面側よりも板厚を薄くする外周溝部１１５を複数個形成することにより、左タンク１１０の長手方向Ｙに対する剛性が開口端面側より外方側のほうが若干低下することになる。

従って、左タンク１１０の開口端面側にチューブの１３２の長手方向Ｘに伸び縮みする変形を受けると、その変形により左タンク１１０の外方側が左タンク１１０の長手方向Ｙ側に追従し、その外方側で実質的に伸び縮みさせることでチューブ１３２に掛かる応力を緩和させている。

なお、本実施形態では、外周溝部１１５の形状を略扇状に形成したが、開口端面近傍から外方に向けて順次左タンク１１０の板厚が薄くなるように変化させ、かつその外方で最も板厚が薄くなる形状の溝部であれば、略扇状と限らず、略三角状、略台形状であっても良い。また、これら複数の外周溝部１１５は、右タンク１２０側にも対向する位置の外周に外周溝部１２５が形成されている。

次に、複数の外周溝部１１５、１２５を有するラジエータ１００の作用について図４に基づいて説明する。まず、ラジエータ１００内には、冷却水としてＬＬＣなどの不凍液を用いて図示しないエンジンと冷却水回路を形成している。

そして、左タンク１１０の上方に形成された入口パイプ１１１に図示しないエンジンからの冷却水が導入される。左タンク１１０内に導入された冷却水は積層されたチューブ１３２に流通されて右タンク１２０内に通水される。そして、右タンク１２０内の冷却水が右タンク１２０の下方に形成された出口パイプ１２１から図示しないエンジンに導出される。

なお、左タンク１１０から右タンク１２０に向けてチューブ１３２内を流通した冷却水がコア部１３０で熱交換される。ところで、車両の雰囲気温度が極低温（例えば、−３０℃以下）のときにラジエータ１００に冷却水を流通させると、ＬＬＣの粘性が急激に増大することで、冷却水がコア部１３０全体に均等に流通せずに一部のチューブ１３２のみに流通する。その結果、コア部１３０の上方に高温部が形成され、コア部１３０の下方に低温部が形成される。

厳密には、上方のコア部１３０が高温となることで、上方のチューブ１３２が長手方向Ｘに伸びようとする変形が生ずるとともに、下方のコア部１３０が低温となることで、下方のチューブ１３２が長手方向Ｘに縮もうとする変形が生ずる。そして、タンク１１０、１２０側には、その上方側に伸びる変形を受けるとともに下方側に縮む変形を受けることになる。

つまり、タンク１１０、１２０の開口端面には、コア部１３０で発生する温度差によって上方と下方とで変位量Ｚが発生することになる。ここで、図中に示す変位量Ｚは、イメージが理解しやすいように図示されているが、実質的には微小な数値である。

ところが、これらの伸び縮みする変形により、タンク１１０、１２０側では、複数の外周溝部１１５、１２５の外方がタンク１１０、１２０の長手方向Ｙに伸びるもしくは縮むことで応力を吸収することができる。

これにより、チューブ１３２の長手方向Ｘに伸び縮みする変形が複数の外周溝部１１５、１２５に吸収されることで、チューブ１３２に掛かる応力集中の低減が図れる。ただし、タンク１１０、１２０の外方側の剛性は、タンク１１０、１２０の開口端面側よりも低下しているが、厳密的には必要以上に剛性を低下させているものではなく耐振性の低下やタンク割れなどの不具合に影響するものではない。

以上の一実施形態によるラジエータ１００によれば、タンク１１０、１２０には、チューブ１３２の長手方向Ｘに伸びる変形もしくは縮む変形を受けたときに、タンク１１０、１２０の外方がタンク１１０、１２０の長手方向Ｙに伸びるもしくは縮むことによって応力を緩和させる外周溝部１１５、１２５が形成されている。

これによれば、タンク１１０、１２０の開口端面側に受けたチューブ１３２の伸び縮みする変形によって外周溝部１１５、１２５でその変形を緩和させることができる。従って、チューブ１３２に掛かる応力集中を低減できる。

また、外周溝部１１５、１２５は、タンク１１０、１２０の長手方向Ｙに複数個形成され、かつタンク１１０、１２０の開口端面近傍から外方に向けて溝部が広がるように形成している。これにより、外方に向けて溝部が広がる外周溝部１１５、１２５は、外方側の板厚が開口端面側よりも薄肉となって形成される。

従って、タンク１１０、１２０の外方側が開口端面側よりもタンク１１０、１２０の長手方向Ｙに対する剛性が小さくなることで、その外方がタンク１１０、１２０の長手方向Ｙに伸び縮みし易くなる。

これにより、タンク１１０、１２０の開口端面でチューブ１３２の長手方向Ｘに伸び縮みする変形を受けると、その変形によりタンク１１０、１２０の外方がタンク１１０、１２０の長手方向Ｙ側に実質的に伸びるもしくは縮むことでチューブ１３２に掛かる応力を低減させることができる。

（他の実施形態）
以上の実施形態では、本発明をラジエータ１００に適用させたが、本発明はラジエータ１００以外の熱交換器、例えば、インタークーラ、オイルクーラ、ＥＧＲガスクーなどにも適用することができる。

本発明の一実施形態におけるラジエータ１００の概略構造を示す正面図である。本発明の一実施形態におけるラジエータ１００のタンクとチューブとの接合部構造を示す斜視図である。図１に示すＡ部詳細図であって、（ａ）は（ｂ）に示すＢ−Ｂ断面図、（ｂ）は外周溝部１１５の形状を示す部分正面図である。本発明の一実施形態におけるコア部１３０に温度差が発生したときにおける変形の作用形態を示す模式図である。従来技術におけるコア部１３０に温度差が発生したときにおける変形の作用形態を示す模式図である。

符号の説明

１１０…左タンク、タンク
１１５，１２５…外周溝部（応力緩和部）
１２０…右タンク、タンク
１３０…コア部
１３２…チューブ
１４０…コアプレート
１５０…シール部材
Ｘ…長手方向
Ｙ…積層方向、長手方向、

Claims

一対の樹脂製のタンク（１１０、１２０）と、
前記タンク（１１０、１２０）の開口端面にシール部材（１５０）を介して気密に固定されるコアプレート（１４０）と、
前記コアプレート（１４０）の挿入孔（１４２）に長手方向（Ｘ）端部を挿入して接合され、前記タンク（１１０、１２０）内と連通するチューブ（１３２）を複数積層してなるコア部（１３０）とを備える熱交換器において、
前記タンク（１１０、１２０）は、前記コア部（１３０）の温度差によって前記チューブ（１３２）の長手方向（Ｘ）に伸び縮みする変形に追従させて応力を緩和させる形状に形成されていることを特徴とする熱交換器。
前記タンク（１１０、１２０）には、前記チューブ（１３２）の長手方向（Ｘ）に伸びる変形もしくは縮む変形を受けたときに、前記タンク（１１０、１２０）の外方が前記タンク（１１０、１２０）の長手方向（Ｙ）に伸びるもしくは縮むことによって前記コア部（１３０）の変形に追従し、応力を緩和させる応力緩和部（１１５、１２５）が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。
前記応力緩和部（１１５、１２５）は、前記タンク（１１０、１２０）の長手方向（Ｙ）に複数個形成され、かつ溝部が前記タンク（１１０、１２０）の開口端面近傍から外方に向けて広がる外周溝部（１１５、１２５）を形成していることを特徴とする請求項１または請求項２に記載の熱交換器。