JP2007163122A - 熱交換器および熱交換器マニホールドの製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】マニホールドが安定かつ正確な態様で熱交換チューブの端部と接続される構造の剛性が高い熱交換器を提供する。
【解決手段】複数の平行な熱交換チューブ５と、スロット４が設けられた２つのマニホールド１とから成る冷却コアを有する熱交換器であって、熱交換チューブ５の端部が各マニホールドと流体接続された状態で挿入され、各スロット４がマニホールドの変形された壁部から形成された平行に延びるスロット壁とスロット開口部７とによって画定される熱交換器に関する。スロット４の外側は、マニホールド壁に対して内側に変形され、それによりマニホールド外面に凹部２を形成し、スロット４の内側は、マニホールド壁に対して内側に変形され、それによりマニホールド内面に凸部３を形成し、また、凸部３は、熱交換チューブ５の端部における長手方向に延びる縁部の少なくとも一部を受け入れるために、スロット壁を形成する溝６を備える。
【選択図】図３

Description

本発明は、複数の平行な熱交換チューブとスロットが設けられた２つのマニホールドとから成る冷却コアを有する熱交換器であって、上記熱交換チューブの端部が各マニホールドと流体接続された状態で挿入され、各スロットがマニホールドの変形された壁部から形成された平行に延びるスロット壁とスロット開口部とによって画定される熱交換器に関する。そのような熱交換器マニホールドを製造する方法も提供される。

一般的な熱交換器は、冷却コアチューブが挿入される開口を有するマニホールドを備える。そのような熱交換器において、冷却コアチューブは、タンクの所定の壁のみと接触した状態に保たれている。したがって、その結果としての接合部の表面は小さく、これにより構造の剛性が低下する。

この問題に対する解決策は、複数の対応する熱交換チューブを受けるための複数の開口が形成された平坦な底部を有するマニホールドと、平坦な底部の両側から延び且つチューブを案内するための開口に対応する複数の溝を有する一対の垂直壁とを備える熱交換器を開示する米国特許第５，８４２，５１５号明細書に示されている。中空の内側空間を形成し且つマニホールドの外面を画定するために、横方向に延びまたは垂直壁から外側に膨出する一対の接続部が設けられて互いに接合されている。

上記の問題に対する他の解決策は米国特許第５，７４３，３２９号明細書において提案されており、当該米国特許明細書は、外側ケーシングおよび内側ケーシングを備えるマニホールドを有し且つ上記マニホールドの長軸に対して略垂直な平面内に位置する少なくとも１つのスロットを備える熱交換器を開示している。上記スロットは、マニホールドの長軸を中心とする円の接線にほぼ沿って延びるマニホールドの平行延在スロット壁によって制限される狭い側面によって画定されている。スロット幅は少なくともマニホールド内径に等しく、したがって、スロットは平らな熱交換チューブを受け入れることができる。スロットの壁は、一定の壁厚を有するマニホールドの変形された壁部によって形成されており、また、スロット壁の外面はマニホールドの外側ケーシングの外側に位置している。上記スロット壁の内面は、マニホールドの内側ケーシングに対して径方向外側にオフセットされており、スロット壁とマニホールドの内側ケーシングとの間には段部が形成されている。
米国特許第５，８４２，５１５号明細書 米国特許第５，７４３，３２９号明細書

本発明の目的は、マニホールドが安定かつ正確な態様で熱交換チューブの端部と接続される構造の剛性が高い熱交換器を提供することである。本発明の他の目的は、その後に結果として得られる熱交換器内に熱交換マニホールドを組み込むことができるように、熱交換マニホールドの仮組み立ておよび製造を簡略化する熱交換マニホールドの単純で且つ確実な製造方法を提供することである。

本発明によれば、スロットの外側がマニホールドの壁部に対して内側に変形されることで、マニホールドの外面に凹部が設けられ、スロットの内側がマニホールドの壁部に対して内側に変形されることで、マニホールドの内面に凸部が設けられており、熱交換チューブの端部における長手方向縁部の少なくとも一部を受け入れるために、スロット壁を形成する溝を凸部が含んでいる熱交換器が提供される。

本発明によれば、本発明に係る熱交換器マニホールドの製造方法であって、
（ｉ） 管状の閉じられた形材を形作ってマニホールドとするステップと、
（ｉｉ） 両側から内側に向かって上記形材の壁を変形させることにより、マニホールドの外面および内面に一対の凹部および凸部をそれぞれ形成するステップと、
（ｉｉｉ） 一対の凸部の間においてマニホールドを切開することにより、内側に変形されて湾曲したマニホールド壁部によって取り囲まれるスロット開口部を形成するステップと、
（ｉｖ） 一対の凸部に溝を形成するステップと、
を備える方法が提供される。

ここで、単なる一例として、図面を参照しながら本発明について説明する。

本発明に係る熱交換器のマニホールド１は、図１に示されるような、壁厚（ｗ）を有する、出発材料たる閉環状のアルミニウム合金形材から製造される。この種の形材は、市販されており、また、例えば溶接または押出し成形プロセス等の当業者に知られた一般的な方法にしたがって製造されてもよい。

図２に示されるように、本発明に係る方法の次のステップにおいて、管状マニホールド１の形材の壁は、マニホールドの互いに対向する両側部において、マニホールドの長軸に対して垂直方向に内側に向けて変形され、それにより、マニホールド１の外面および内面のそれぞれに、凹部２と、それに対応する凸部３とを有する凹凸状の窪みの組が形成される。

この変形により、凹部２の底部同士の間の距離（Ｚ）がマニホールド外径（Ｄ）よりも小さくなり、また、凸部３の先端部同士の間の距離（Ｘ）がマニホールド内径（ｄ）よりも小さくなる。凹部２と凸部３との間のマニホールドの形材の壁厚（ｗ）は、他の部位におけるマニホールドの壁厚とほぼ同じである。

完成したマニホールド１の一部を図３に示す。凹凸状の窪みの各対は、熱交換チューブ５のスロット４のためのベース構造を構成している。これらのスロット４は、両凸部３の先端部においてマニホールド壁を下方に切開することによって形成され、また、各スロット４の形状は、スロット内に挿入される各熱交換チューブ５の端部断面形状に対応している。スロットの構造的詳細部およびスロットの切開プロセスについては、特に図４を参照して後述する。

図を明確にするため、内側への変形ステップ後におけるマニホールド（図２）は、スロットを形成するステップ後におけるマニホールド（図３）と別個に示されているが、マニホールド壁に凹凸状の窪みを設けるステップとスロットを切開するステップとを適当な工具を用いて単一の工程に組み合わせることが可能であり且つ有益であることは言うまでもない。

２つの略平坦な熱交換チューブ５は、マニホールド１の対応するスロット４内に挿入されて示されている。熱交換器全体は、複数の平行な熱交換チューブ５によって接続された２つのマニホールド１を備える。予備的な組み立て後、熱交換器は、炉の内部に置かれ、そこでワンショット（one shot）の蝋付けを受ける。

凸部３の先端部においてマニホールド壁を下方に切開するプロセスによって、丸みを帯びた溝６が凸部３に形成される。これらの溝６は、スロット開口部７の外縁に続く外端部を有している。溝６は、チューブ５とマニホールド１との間の接合部の表面積を増大させる。そのため、チューブ５とマニホールド１との間の接合がより強固になり、熱交換器の構成全体が構造的に更に強くなる。

更に、溝６は、熱交換器の仮組み立て中におけるマニホールド１内へのチューブ５の案内を容易にし、また、この目的のため、溝６はチューブ５の長手方向縁部と正確に嵌合される。加えて、溝６は、チューブの端部の更なる移動を阻止する内側段部８を備える。それぞれの熱交換チューブ５が、溝６の対応する段部８に当接するまで、同じ距離だけ、マニホールド１のスロット４に挿入されることが、段部８によって確実となる。

マニホールドのこの実施形態において、隣り合うスロット開口部７同士の間の壁は、マニホールドスロットを切開する最後の段階中に形成される平坦部９を備える。平坦部９は、砂時計形状に変形することによる切開された開口部７に対する影響を減らすとともに、マニホールド開口の均一な幅を確保する。

図４および図５は、スロット４の断面を、全てのその本質的な特徴および寸法と共に示している。スロット開口幅（Ｌ）、すなわちスロット溝同士の間の距離は、チューブ５の幅に対応しており、一方、スロット開口部７と溝６の内側段部８との間の距離は、チューブ５の挿入深さに相当するスロット深さ（ｈ）を決定する。スロットの深さ（ｈ）は、溝６が形成されている凸部の全長（Ｈ）よりも短い。管状マニホールドの場合、スロット溝６の最大許容深さ（ｈ）は、無論、凸部３の長さ（Ｈ）によって決まる。スロット壁１０の壁厚（Ｅ）は、出発材料であるマニホールド形材の壁厚ｗよりも薄い。

図５の平面図に示されるように、凹部２の幅（Ｂ）はスロット４の幅（Ｃ）よりも大きい。また、管状マニホールド形材の場合、凹部の深さ（Ａ）は、凸部の長さ（Ｈ）を決定し、したがってスロットの溝６の許容最大深さｈを決定する。

スロットの近傍のマニホールド壁の構造を示す図６を参照すると、スロット開口部７の長手方向側面が、切開工程によって形成される湾曲したマニホールド壁部１１によって取り囲まれているのが分かる。これは、切開工程によって引き起こされる切り欠き部と隆起部との組み合わせの結果であり、これにより熱交換チューブとマニホールド１との間の接触表面積が大きくなる。

スロットを製造するのに適した工具は、凹凸のスロット窪みを形成するステップと、スロット開口部を切開するステップと、溝を形成するステップとを単一のプロセスへと組み合わせる、一対の一体形成された切削部材および形削り部材を有している。

また、工具は、スロット４を切開する最中にマニホールド形材に平坦部９を形成するための打ち抜き部を備えてもよい。

無論、適当な工具を使用すると共に、スロットについて窪み形成／切開／切削をそれぞれ行った後に、２つのスロット間の所定距離だけマニホールド形材を移動させて、次々連続的にスロットを形成してもよいし、より好ましくは、２つのスロット間の所定距離だけ平行に配置され且つ離間されるように結合された一組の工具を同時に使用して、スロットを形成してもよい。

前述した工具以外のタイプの工具を使用してスロットが製造されてもよいことが理解されるであろう。本発明に係る方法は、例えば矩形、円形または楕円などの様々な形状のスロットを形成するために使用されうる。また、プロセスは、容易に実施され且つ自動化されうる。

図７の（ａ）〜（ｄ）は、スロットの典型的な形状をマニホールド壁に沿う断面で示している。図７の（ａ）は、凹部２および凸部３が略楕円を成すスロットを示している。略矩形の凹部２ｂおよび凸部３ｂを有するスロットが図７の（ｂ）に示されている。図７の（ｃ）は、二重凹部２ｃおよびそれに対応する二重凸部３ｃを有するスロットを示しており、これは、例えば、窪みの形状を反映するように適切に形成された押し潰し要素を有する工具を使用することにより形成されうる。図７の（ｄ）は、略矩形状の二重凹部２ｄおよび凸部３ｄを有するスロットを示している。

図８は、矩形断面を有する本発明に係るマニホールド１ａの他の典型的な実施形態を示している。図３のマニホールドとは異なり、この形材は、マニホールド形材の高さに沿って略一定の深さの凸部および凹部を有する窪みを備える。

本発明に係る熱交換器の上記の実施形態は単なる典型例である。図面は必ずしも一定の尺度で描かれておらず、また、一部の特徴は誇張され或いは最小限に抑えられている。また、当業者であれば分かるように、熱交換器は、自動車のエアコンシステムのラジエータまたはコンデンサ（凝縮装置）であってもよい。

出発材料としてのマニホールド形材の一部を断面図および不等角投影図で示している。 凹凸窪みを形成した後における出発材料としてのマニホールド形材の一部を断面図および不等角投影図で示している。 完成したマニホールドの一部を対応するスロット内に挿入された２つの熱交換チューブと共に示している。 図３の１つのスロットの断面図である。 図４のスロットの平面図である。 スロットの溝の近傍におけるスロットの構造の詳細を示す、図４のスロットの一部の不等角投影図である。 （ａ）〜（ｂ）は、スロットの４つの異なる実施形態として、マニホールド壁に沿うスロットの断面を熱交換チューブの一部と共にそれぞれ示している。 矩形断面を有するマニホールドの他の実施形態の一部を不等角投影図で示している。

符号の説明

１…マニホールド、２…凹部、３…凸部、４…スロット、５…熱交換チューブ、６…溝、７…スロット開口部、８…内側段部、９…平坦部、１０…スロット壁。

Claims (6)

1. 少なくとも１つの熱交換チューブとスロットが設けられた少なくとも１つのマニホールドとを備える冷却コアを有し、前記熱交換チューブの端部が前記マニホールドと流体接続された状態で挿入され、前記スロットが前記マニホールドの変形された壁部に形成されたスロット壁とスロット開口部とによって画定される熱交換器であって、
   前記スロット（４）の外側が前記マニホールドの壁部に対して内側に変形されることで、前記マニホールド（１）の外面に凹部（２）が設けられ、
   前記スロット（４）の内側が前記マニホールドの壁部に対して内側に変形されることで、前記マニホールド（１）の内面に凸部（３）が設けられており、
   前記熱交換チューブ（５）の端部における長手方向縁部の少なくとも一部を受け入れるために、前記凸部（３）には溝（６）が形成され、前記スロット壁（１０）を提供することを特徴とする熱交換器。
2. 前記溝（６）の内側の端部が、前記マニホールド（１）内への前記熱交換チューブ（５）の端部の挿入深さを制限する段部（８）によって規定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. 前記マニホールド（１）が、隣り合う前記スロット開口部（７）同士の間に平坦部（９）を備え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。
4. 前記マニホールド（１）が、管状であり、略矩形または略楕円の断面を有していることを特徴とする、請求項１〜３のいずれか１項に記載の熱交換器。
5. 熱交換チューブを受け入れるようになっている複数のスロットを備え、前記熱交換チューブの端部が流体接続された状態で挿入された熱交換器マニホールドであり、前記スロットが前記マニホールドの変形された壁部に形成されたスロット壁とスロット開口部とによって画定される前記熱交換器マニホールドの製造方法であって、
   （ｉ） 管状の閉じられた形材を形作ってマニホールドとするステップと、
   （ｉｉ） 両側から内側に向かって前記形材の壁を変形させることにより、前記マニホールドの外面および内面に一対の凹部および凸部をそれぞれ形成するステップと、
   （ｉｉｉ） 前記一対の凸部の間において前記マニホールドを切開することにより、内側に変形されて湾曲したマニホールド壁部によって取り囲まれるスロット開口部を形成するステップと、
   （ｉｖ） 前記一対の凸部に溝を形成するステップと、
   を備えることを特徴とする熱交換器マニホールドの製造方法。
6. 隣り合う前記スロット開口部同士の間に平坦部を形成するステップを更に備えることを特徴とする、請求項５に記載の熱交換器マニホールドの製造方法。

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