JP2007163124A

JP2007163124A - 熱交換器

Info

Publication number: JP2007163124A
Application number: JP2006331092A
Authority: JP
Inventors: Alastair Overbury; アラステアオーバーベリー; Martin Timmins; マーティンティミンズ; Adrian Mincher; エイドリアンミンシェール
Original assignee: Denso Corp
Current assignee: Denso Corp
Priority date: 2005-12-09
Filing date: 2006-12-07
Publication date: 2007-06-28
Anticipated expiration: 2026-12-07
Also published as: GB2433111A; CN100585318C; GB2433111B; JP4811258B2; US20070131404A1; DE102006057314A1; US7461685B2; DE102006057314B4; GB0525120D0; CN101042283A

Abstract

【課題】簡単に製造でき、熱交換器への組付けも容易な補強部材により、使用に際しての熱疲労に対しての耐性が向上された熱交換器を提供する。
【解決手段】熱交換器は、複数の開口部を有するヘッダプレート１８と、ヘッダプレートの複数の開口部に、それぞれ端部が挿入される複数のチューブ２０とを有する。複数のチューブ２０の各々は、ほぼ矩形の断面形状を有するとともに、長手方向の軸を有している。複数のチューブ２０の少なくとも一部のチューブ２０は、その端部が補強部材５により補強される。補強部材５は、チューブの内周面に当接し、相互に対向して配設される２つの補強部６を有しており、その各々の補強部６は、底面部８と、この底面部８から延びる２つの側面部１０とから成っている。２つの補強部６は、連結部１２によって連結されている。
【選択図】図３

Description

本発明は、熱交換器、特に給気クーラ（ＣＡＣ：ＣｈａｒｇｅＡｉｒＣｏｏｌｅｒｓ）に関するものである。

熱交換用の流体媒体が複数のチューブを流れる熱交換器が知られている。このチューブは、一般的に、その断面が矩形形状に形成されており、その端部はヘッダプレートに組み付けられている。実際の使用に際しては、熱ストレスが、ヘッダプレートに組み付けられているチューブの端部において疲労破壊を引き起こす可能性がある。このことは、熱交換器の製品寿命および信頼性を低下させることになる。

この問題を解決するために、チューブの端部、特に熱ストレスをより受け易い熱交換器の角部に向かって配設されるチューブを補強することが提案されている。図１に示されるように、公知の方法では、２つの別々の（分離された）補強部材がチューブ４の上端部に挿入されている。この補強部材は、製品の製造工程において、その正しい位置においてロー付けされる。しかしながら、この補強部材がチューブ４の内周面に当接し、かつ正確な深さになるように、補強部材を正確に位置決めすることは困難である。

熱交換器用チューブの補強部材は、特許文献１にも開示されている。この特許文献１は、連結部により連結された２つの堅固な挿入部から構成される挿入部材を用いることを開示する。
欧州特許出願公開第１５６２０１５号明細書

その挿入部は、冷媒が流れる空間を確保するために、連結部の面から外側に曲げられている。しかし、この挿入部は堅固であるので、補強部材はチューブ内周面の幅に対応した幅を有しなくてはならない。従って、寸法の異なるチューブが使用される場合は、補強部材を形成している材料の厚みを変更することが必要となり、製造における工具費を増大させることになる。更に、堅固な材料の使用は、流体が流れるチューブの利用可能な領域を制限することにもなる。

本発明の目的は、改良された構造を有する熱交換器を提供することにある。

本発明は、それぞれ、底面部と底面部から延びる側面部を有するＵ字形状をした、２つの補強部から構成される補強部材を提供する。この補強部材は、少なくとも１つの連結部が、２つの補強部の側面部を連結するものである。

このような補強部材は、熱交換器のチューブに容易に挿入されることができ、補強部のＵ字形状は、流体の流れに対してほとんど障害とならない。

本発明の一つの特徴によれば、熱交換器は、複数の開口部を有するヘッダプレートと、ヘッダプレートの複数の開口部に、それぞれ端部が挿入された複数のチューブと、を有している。各々のチューブは断面がほぼ矩形形状となっている。複数のチューブのうち、少なくともいくつかのチューブの端部は、補強部材により補強されている。その補強部材は、チューブの内周面に当接し、相互に反対側に配設された２つの補強部を有し、その補強部は底面部とその底面部から延びる２つの側面部を有している。補強部材は、更に、補強部の側面部同士を連結する少なくとも１つの連結部を有している。

このような補強部の構造は、２つの側面部の間を流体が流れることを可能にし、欧州特許出願公開第１５６２０１５号明細書の挿入部材よりも、小さな流体抵抗を実現している。更に、補強部材は、プレス加工により、１つの金属片から形成されることが可能である。単にプレス加工の工程を変更することにより、補強部材は、寸法の異なるチューブにも適用することができる。従って、欧州特許出願公開第１５６２０１５号明細書において必要としているような、異なる金属幅の材料を使用することは必要ない。更に、本発明の熱交換器は、欧州特許出願公開第１５６２０１５号明細書における熱交換器よりも、インタークーラーとしての使用に対し、より適している。インタークーラーのチューブ高さは、ラジエータよりも高い。従って、本発明の熱交換器とは異なり、欧州特許出願公開第１５６２０１５号明細書の挿入部材を使用して、角部およびチューブの両方を補強することは困難である。

好ましくは、２つの補強部の少なくとも１つの底面部は、チューブの長手方向の軸と平行な溝を有している。実際、チューブは、その内周面の長手方向に沿って内部溶接部を有している。この溝は、この内部溶接部にぶつかったりあるいは傷つけたりせずに、補強部材が熱交換器に挿入されることを可能にし、容易な挿入を達成するとともに、溶接部を傷つける可能性を排除するものである。

２つの補強部の側面部は、チューブの長手方向の軸と平行な方向においてテーパ形状となっている。即ち、側面部は、チューブ端部からの距離が大きくなるほど、底面部から延びる距離が小さくなるように形成されている。側面部をこのようにテーパ形状にすることにより、補強部は、チューブの中に形成される内部フィンを傷つける可能性を最小限に抑えることができる。側面部がテーパ形状になっていない場合は、補強部材が挿入される部分における内部フィンを取り除くことが必要となり、製造が一層複雑なものとなる。

更に、好ましくは、少なくとも１つの連結部が側面部の上面部を連結している。そして、その連結部は、連結部がチューブの端面に当接するように、側面部からオフセットされている。この場合、この連結部は、補強部材をチューブ端部の正しい位置に積極的に位置決めすることにより、補強部材が正確な挿入深さまで挿入されることを確実に実現する。より好ましくは、連結部は、チューブの内周面と平行になるように形成される（同一平面上に形成される）ことにより、チューブを流れる流体の流れの障害とならずに、隣合うチューブ間のスペース（間隔）を小さくすることを可能にする。

好ましくは、補強部材は、各補強部の１つの側面部を連結する１つの連結部を有する。連結部が１つであれば、補強部材は、プレス加工により簡単に製造される。

あるいは、２つの補強部の両側面部を、それぞれ対向する側面部同士で連結する２つの連結部を設けることも可能である。２つの連結部の場合は、補強部材の剛性は一層向上する。

２つの連結部が設けられる場合、補強部材に、２つの連結部間に延在する支柱部を設けることもできる。この支柱部により、補強部材の剛性が更に向上される。

また、補強部間の距離を調整することが可能となるように、少なくとも１つの連結部に、変形部を形成してもよい。この変形部は、弾性変形あるいは塑性変形可能であればよい。この変形部により、底面部がチューブの内周面にしっかりと当接されることになる。更に、補強部の底面部が内周面と良好な当接関係を維持しつつ、製造公差を小さな値とすることが可能となる、という効果を有する。

この変形部は、連結部の中央付近に形成され、チューブの長手方向と平行な軸の周りに円弧形状に形成される。変形部がこのような形状を有することにより、チューブの長手方向と直角方向の軸に対する補強部材のねじれ剛性を、一層向上することができるという効果が得られる。

１つの実施例では、補強部材は４つの補強部から成り、その中の２つの補強部は第１のチューブの内周面に当接するよう相互に対向する位置に保持され、他の２つの補強部は第１のチューブに隣り合う第２のチューブの内周面に当接するよう相互に対向する位置に保持されている。それぞれの補強部は、１つの底面部とその底面部から延びる２つの側面部とから構成されている。そして、１つの連結部が、４つの補強部を連結している。このような構成により、１つの補強部材で、隣り合う２つのチューブの端部を補強することができるとともに、組付け工程を簡略化することができる。

補強部の２つの側面部は、好ましくは、チューブの幅（内周面の幅）よりは大きな距離で、お互いに離れて形成される。それにより、側面部は、チューブの内周面（壁面）に積極的に当接することになり、その壁面をヘッダプレートの開口部の縁に向かって押し付ける作用を果たす。

また、補強部と少なくとも１つの連結部は、その外側表面において連続した平面を構成することも可能である。これにより、補強部材の挿入が一層容易となる。

以下、本発明の実施形態を、図面を参照して説明する。なお、以下の説明及び図面において、同一の符号は同一の部材を示すものとする。

（第１実施形態）
本発明の第１実施形態による熱交換器に用いられるチューブ補強部材５が、図２に示されている。この補強部材５は、２つの補強部６を有する。それぞれの補強部６は、底面部８と、この底面部８から延びる２つの側面部１０を有する。連結部１２は、チューブへの挿入に際し、２つの補強部６を位置決めするように、側面部１０相互を連結している。側面部１０は、テーパ状に加工され、連結部１２に近いほど、底面部８からより高く側面部１０が延びるほぼ三角形状となっている。底面部８、側面部１０および連結部１２の後ろ側端部（軸方向端部）は、同一平面上に配置されている。底面部８の先端側端部には、延長端部８ａが形成されている。延長端部８ａは、側面部１０よりも少し（軸方向に）突出している。また、この延長端部８ａは、チューブへの補強部材５の挿入が容易になるよう、その幅が側面部１０間の距離よりもやや小さめに、そして内側に折り曲げられている。

変形部１４が、連結部１２に形成されている。この実施形態では、変形部１４は、円弧形状に形成されている。この円弧形状は、補強部材５が挿入されるチューブの長手方向の軸に平行な軸を中心に（軸の周りに）、形成されている（図３参照）。また、この実施形態では、連結部１２は、この連結部１２により連結される側面部１０の平面よりは外側にオフセットされている（張出している）。

図３は、チューブ補強部材５が挿入される熱交換器１６の一部を示している。本実施形態では、熱交換器１６は給気クーラ（ＣＡＣ）である。熱交換器１６は、複数の開口部が形成されたヘッダプレート１８を有する。この開口部には、熱交換ための媒体が流れるチューブ２０が組み付けられる。ヘッダプレート１８は、流体（媒体）が複数のチューブ２０に分配され、あるいは複数のチューブ２０から回収されるヘッダタンクを構成する壁の一部となる。図３に示すように、チューブ２０は、２つの長辺部と２つの短辺部からなるほぼ矩形の断面形状を有しており、その軸方向端部がヘッダプレート１８に挿入されて（組み付けられて）いる。熱交換を促進するために、好ましくは、コルゲート状（波状）のフィン（図５における２１の部分）が、チューブ２０間に配設される。

補強部材５は、チューブ２０の端部に挿入され、補強部６の底面部８および側面部１０がチューブ２０の内周面に当接するような寸法形状を有する。変形部１４により、補強部６の底面部８間の距離を、チューブ２０の長辺部の内側寸法よりも、若干大きくすることができる。側面部１０も、チューブ２０の短辺部の内側寸法よりも若干大きな距離となるよう、離されている。連結部１２は、薄くかつ幅狭の帯状に形成されており、側面部１０の後ろ側端部間にのみ形成されている。変形部１４は、連結部１２の直線的な部分から、内側に向かってオフセットされている（折り曲げられている）。

補強部材５は、熱交換器１６の全てのチューブ２０に挿入される必要はない。しかしながら、補強部材５は、熱ストレスが最も大きな最外部あるいは外側領域にあるチューブに挿入されることが好ましい。本実施形態では、補強部材５は、最外部の２つのチューブ２０に挿入される。

図４は、補強部材５が挿入された熱交換器１６を示している。チューブ２０に挿入されるとき、変形部１４は、２つの補強部６が相互に近づくことができるように変形する。これにより、底面部８とチューブ２０の短辺部の内周面との良好な当接状態が確保される。同様に、側面部１０は、補強部材５が挿入されるときに、少し内側に変形する。このことが、側面部１０とチューブ２０の長辺部との良好な当接関係を実現する。更に、別の効果としては、チューブ２０そのものが外側に若干変形することにより、チューブ２０の外側表面がヘッダプレート１８の開口部に、確実に当接することである。

更に、変形部１４の円弧形状の効果として、この円弧形状は、連結部１２に平行な軸（チューブの軸に直角な軸）に対する、補強部材５のねじれ剛性を向上するように作用することが挙げられる。

給気クーラ（ＣＡＣ）において、チューブ２０は、好ましくは、内部フィン（図示せず）を有している。側面部１０の三角形状は、この内部フィンとの相互干渉を最小限に抑えて、チューブ補強部材５がチューブ２０に挿入されることを可能にしている。

補強部材５の挿入は、連結部１２の使用によりスムーズに行なわれる。２つの補強部６は、適切な距離を保って保持され、補強部６と連結部１２のエッジ（軸方向端部）は、作業者により容易に把持されるように、同一平面上に形成されている。連結部１２のオフセット部は、補強部材５がチューブ２０に充分に挿入されたとき、チューブ２０の端面に当接する。このため、補強部材５が適切な深さまでチューブ２０に挿入されることを保証することになる。図５は、チューブ２０に挿入された補強部材５の断面を示しており、チューブ２０の上端面に当接している、連結部１２のオフセット部が描かれている。図５は、また、連結部１２がチューブ２０の長辺部の内周面と平行になっている（同一平面を形成している）ことも示している。これにより、連結部１２がチューブ２０内の流体の流れに干渉しないようにすることができ、かつ連結部１２を収容する隣り合うチューブ２０間のスペースを最小限に抑えることができる。

補強部材５は、色々な方法で製造することが可能であるが、金属の板材からプレス加工により製造することが好ましい。この方法は、補強部材５の全ての特徴部分を形成することが可能な簡単かつ安価な方法である。

熱交換器１６の組付け工程において、チューブ２０がヘッダプレート１８に組み付けられた後、補強部材５がチューブ２０の端部に挿入される。その後、補強部材５およびチューブ２０は、ロー付けされる。

（第２実施形態）
本発明の第２実施形態による熱交換器用の補強部材２５が、図６に示されている。この実施形態は、下記の点を除き、第１実施形態と同じである。この実施形態では、２つの連結部２２が、各々の側面部１０を連結するために設けられている。第１実施形態における変形部１４は、２つの連結部２２間に延びる中央の支柱部２４に置換されている。支柱部２４は、補強部材２５の剛性を高める機能を有している。

（第３実施形態）
本発明の第３実施形態による熱交換器用の補強部材３５が、図７に示されている。この実施形態も、下記の点を除き、第１実施形態と同じである。本実施形態では、１個の補強部材３５が、熱交換器の隣り合う２つのチューブに挿入されるように構成されている。すなわち、４つの補強部（それぞれのチューブに対して２つの補強部）３６が、１つの連結部３２により相互に連結されている。この実施例によれば、隣り合う２つのチューブを補強することが望まれるとき、熱交換器の組付けの作業性が改善される。なお、１つの連結部３２も、第１実施形態の連結部１２と同様に、各補強部３６の側面部からオフセットされて設けられている。さらに、この１つの連結部３２に、第１実施形態の変形部１４と同様に、対向する補強部３６間の距離を調整する変形部を設けても良い。

（第４実施形態）
本発明の第４実施形態による熱交換器用の補強部材４５が、図８に示されている。この実施形態も、下記の点を除き、第２実施形態と同じである。本実施形態では、側面部４２がテーパ状に形成されてはおらず、連結部４４も側面部からオフセットされてはいないため、補強部材４５が、ほぼ立方体の形状に形成されている。この実施形態の補強部材４５は、内部フィンを有するチューブであって、チューブの端部から補強部材４５が挿入される所定の深さ位置まで内部フィンが取り除かれているチューブに使用されることが好ましい。このように、補強部材４５を、側面部４２及び連結部４４が、取り除かれていない内部フィンに当接するまで挿入することにより、適切な挿入深さが確保される。

この実施形態では、補強部の底面部の外側表面に溝４６が形成されている。熱交換器の各チューブは、内部溶接部を有している。この溝４６により、チューブの内周面と補強部材４５の底面部との良好な当接関係を維持する一方で、補強部材４５が、内部溶接部にぶつかったりあるいは傷つけたりせずに、チューブに挿入される。溝４６の断面形状が図９に示されている。この溝は、他の実施例においても、設けられることが可能である。また、この溝は、チューブの内部溶接部に対応して、一対の補強部の内、少なくとも一方の底面部に設けるようにしても良い。

以上のように、本発明によれば、補強部材が容易にかつ正確にチューブの端部に挿入され、熱ストレスを減少させることができる熱交換器が得られる。

従来技術によるチューブの補強部材を示す斜視図である。本発明の第１実施形態による熱交換器用のチューブ補強部材を示す斜視図である。図２のチューブ補強部材が、チューブに挿入されるための位置に置かれた、熱交換器の一部を示す斜視図である。挿入されたチューブ補強部材を有する図３の熱交換器の一部を示す斜視図である。第１実施形態のチューブ補強部材が挿入された熱交換器の断面を示す断面図である。本発明の第２実施形態による熱交換器用のチューブ補強部材を示す斜視図である。本発明の第３実施形態による熱交換器用のチューブ補強部材を示す斜視図である。本発明の第４実施形態による熱交換器用のチューブ補強部材を示す斜視図である。溶接部を受容する溝部を示す補強部材の断面図である。

符号の説明

５補強部材
６補強部
８底面部
１０側面部
１２連結部
１４変形部

Claims

複数の開口部を有するヘッダプレート（１８）と、
ほぼ矩形の断面形状を有し、前記ヘッダプレート（１８）の複数の開口部に、端部が挿入される複数のチューブ（２０）と、
前記複数のチューブ（２０）のうち少なくとも一部のチューブ（２０）の端部に配される補強部材（５、２５、３５、４５）とを有する熱交換器であって、
前記補強部材（５、２５、３５、４５）は、底面部（８）と、この底面部（８）から延びる２つの側面部（１０、４２）とを有し、前記チューブ（２０）の内周面に当接し、相互に対向して配設される２つの補強部（６、３６）と、
前記側面部（１０，４２）を連結する少なくとも１つの連結部（１２、２２、４４）とを有することを特徴とする熱交換器。
前記２つの補強部（６）のうち、少なくとも１つの補強部（６）の底面部（８）は、前記チューブ（２０）の長手方向の軸と平行な溝（４６）を有することを特徴とする請求項１に記載の熱交換器。
前記２つの補強部（６）の側面部（１０）は、前記長手方向の軸と平行な方向に沿って、前記チューブ（２０）の端部から離れるに従って前記底面部（８）から延びる長さが小さくなるように、テーパ形状に形成されていることを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の熱交換器。
前記少なくとも１つの連結部（１２）は、前記側面部（１０）の上面部を連結し、かつ当該連結部（１２）が前記チューブ（２０）の端面に当接するように、前記側面部（１０）からオフセットされていることを特徴とする請求項１乃至請求項３のいずれかに記載の熱交換器。
前記補強部材（５）は、前記補強部（６）の１つの側面部（１０）同士を連結する１つの連結部（１２）を有することを特徴とする請求項１乃至請求項４のいずれかに記載の熱交換器。
対向する位置にある側面部（１０、４２）同士を連結するものであって、前記２つの補強部（６）の両方の側面部（１０、４２）を連結する２つの連結部（２２、４４）が設けられることを特徴とする請求項１乃至請求項４のいずれかに記載の熱交換器。
２つの連結部（２２）間を延びる支柱部（２４）を有することを特徴とする請求項６に記載の熱交換器。
前記少なくとも１つの連結部（１２）は、前記補強部（６）間の距離を調整する変形部（１４）を有することを特徴とする請求項１乃至請求項５のいずれかに記載の熱交換器。
前記変形部（１４）は、前記連結部（１２）の中央部分に形成され、かつ前記長手方向の軸と平行な軸を中心とする円弧形状に形成されていることを特徴とする請求項８に記載の熱交換器。
前記補強部材（３５）は、４つの補強部（３６）を有し、その中の２つの補強部（３６）は第１のチューブの内周面に当接するよう相互に対向する位置に保持され、他の２つの補強部（３６）は第１のチューブに隣り合う第２のチューブの内周面に当接するよう相互に対向する位置に保持されており、それぞれの補強部（３６）は、１つの底面部とその底面部から延びる２つの側面部とから構成され、１つの連結部（３２）が、４つの補強部（３６）を連結することを特徴とする請求項１乃至請求項５、請求項８のいずれかに記載の熱交換器。
前記補強部（６）の側面部（１０、４２）は、前記チューブの幅よりも大きな距離をもって、相互に離れていることを特徴とする請求項１乃至請求項１０のいずれかに記載の熱交換器。
前記補強部（６）と前記連結部（１２）は、それらの端面において、連続する平面を構成していることを特徴とする請求項１乃至請求項９、請求項１１のいずれかに記載の熱交換器。