JP2007198721A

JP2007198721A - 熱交換器

Info

Publication number: JP2007198721A
Application number: JP2006303840A
Authority: JP
Inventors: Maki Harada; 真樹原田; Sumio Susa; 澄男須佐; Haruhiko Watanabe; 晴彦渡邊
Original assignee: Denso Corp
Current assignee: Denso Corp
Priority date: 2005-12-26
Filing date: 2006-11-09
Publication date: 2007-08-09
Also published as: US20070144720A1; DE102006061049A1

Abstract

【課題】過給気圧が上昇しても強度的に十分耐えうるヘッダタンクを有する熱交換器を提供する。
【解決手段】この熱交換器は、内部を流体が流れる複数本のチューブ２３と、このチューブ２３の長手方向両端部に配置され複数本のチューブ２３に連通するヘッダタンク２１とを備え、前記ヘッダタンク２１は、前記複数本のチューブ２３が接合されたコアプレート２７と、このコアプレート２７の前記チューブ２３との接合部を挟むストレート部３３に接合され前記コアプレート２７とともにタンク内空間を形成するタンク本体３１とを有する熱交換器において、前記コアプレート２７と前記タンク本体２１とで構成されるヘッダタンク２１の断面形状が、楕円形状、もしくは楕円に近似した多角形であるとともに、前記ヘッダタンク２１の断面形状に内接する楕円３５の縦横比が０．９５以上１．０５以下である。
【選択図】図２

Description

本発明は、高圧の媒体であっても十分な強度を保持できるヘッダタンクを有する熱交換器に関する。

今日、大型トラックの排気ガス規制は年とともに厳しくなっているが、これに伴い大型トラック用インタークーラの過給気圧力及び温度も、図９に示すように大幅に上昇している。このインタークーラ等の熱交換器としては、従来、図１０に示すような断面矩形状で縦長のヘッダタンク１１が知られている。しかしながら、過給気圧力の上昇に伴い、このようなヘッダタンク１１では、タンクの変形量が増大するとともにチューブ根付に多大な負荷がかかり破断に至る可能性があった。このようなヘッダタンクの例としては、特許文献１に示すようなものがある。

特開平９−１９６５９４号公報

本発明は、上記問題点を解決することその課題とし、過給気圧が上昇しても十分耐えうるヘッダタンクを有する熱交換器を提供する。

上記課題を解決するため、前記ヘッダタンク（２１）の長手方向に略直交する断面のうち、前記タンク本体（３１）の断面を含む前記接合部の一方から他方に到る外側部分が、楕円形状、もしくは楕円に近似した多角形であるとともに、前記外側部分に内接する楕円（３５）の縦横比が０．９５以上１．０５以下である手段を採用することができる。
この手段によると、コアプレートとチューブとの接合部にかかる応力集中を防止することができるとともに、チューブ（２３）によって強度的に補強されている部分については断面形状を制限する必要がなく、設計上の自由度を向上させることができる。

また、上記課題を解決するため、前記ヘッダタンク（２１）の長手方向に略直交する断面は、楕円形状、もしくは楕円に近似した多角形であるとともに、前記ヘッダタンクに内接する楕円（３５）の縦横比が０．９５以上１．０５以下である手段を採用することができる。
この手段によると、コアプレートとチューブとの接合部にかかる応力集中を防止することができ、したがって過給気圧が上昇しても十分強度的に耐えうるヘッダタンクを提供することができる。

また、上記課題を解決するため、前記コアプレート（２７）と前記タンク本体（３１）との接合部には接合代となるストレート部（２９，３３）が形成されている手段を採用することができる。この手段によると、コアプレートとタンク本体との接合面積を確実に保持することができ、したがって、より信頼性の高いヘッダタンクを提供することができる。

また、上記課題を解決するため、前記筒状のヘッダタンク（２１）は、その両端開口部（８１）にキャップ（８３）を接合してなる手段を提供することができる。したがって、コアプレートとタンク本体とを接合する際、開口部から冶具を挿入して、ヘッダタンクの内側と外側から接合部を押圧することができ、確実な接合を行うことができる。

なお、上記各手段に付した括弧内の符号は、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一例である。

以下、本発明の実施の形態について、図１ないし図８を参照して説明する。

図１ないし図６は、本発明の第１の実施の形態を示す図である。図１において、符号２０は、熱交換器を示す。この熱交換器２０は、複数のチューブ２３の両端部に一対のヘッダタンク２１が並設されてなるものである。

このヘッダタンク２１は、銅もしくは鉄、ステンレスからなり高温強度を確保するとともに薄板加工を可能にしており、図２に示すように、チューブ２３がチューブ根付２５で接合されたコアプレート２７を有している。このコアプレート２７は、断面略半円状に形成されており、その両端部にはろう付けもしくは溶接代としてのストレート部２９が形成されている。このコアプレート２７には、断面略半円形のタンク本体３１が設けられている。このタンク本体３１も、コアプレート２７との接合部としてのストレート部３３を有している。そして、これらコアプレート２７とタンク本体３１とは、それぞれのストレート部２９，３３をろう付け、溶接で接合させて組み立てられている。そして、このようにして組み立てられたヘッダタンク２１は、その断面が楕円に接するように形成されている。

ここで、ヘッダタンク２１の断面に内接する内接楕円３５についてさらに詳述するが、この内接楕円３５は、ヘッダタンクのうちパイプやブラケット等が接続されていない一般の部分の断面について適用する。

ヘッダタンク２１のチューブ２３の幅方向の中心線Ｅとタンク本体３１の内壁面との交点をＡとし、コアプレート２７との交点をＢとし、線分ＡＢの中点をＯとする。また、点Ｏを通り中心線Ｅと直交する中心線Ｆとヘッドタンク２１の内壁面との交点をそれぞれＣ，Ｄとする。すると、点Ｏを中心とし、線分ＡＢ＝ａと線分ＣＤ＝ｂのどちらかを長軸とし他を短軸とする楕円が内接楕円３５となる。

そして、この内接楕円３５の長軸と短軸との比ａ/ｂは、０．９５以上１．０５以下とするのが好ましい。図３は、この理由を示すグラフであって、横軸は内接楕円の縦横比＝ａ/ｂを示し、縦軸は、チューブ根付部分に加わる最大応力を、ａ/ｂ＝１のときを１００としてその比を示したものである。この図からもわかるように、縦横比ａ/ｂが０．９５以下、１．０５以上になるとチューブ根付に加わる最大応力が大きくなり、このため板圧を厚くしなければならず、加工が難しくなるとともに高価となる。従って、縦横比ａ/ｂを０．９５以上１．０５以下とするのが好ましいのである。

このように、上記熱交換器にあっては、ヘッダタンク２１の断面形状を縦横比ａ/ｂ０．９５以上、１．０５以下とし、略円形状にしているから、チューブ根付への応力の集中を防止できる。また、コアプレート２７とタンク本体３１にストレート部２９，３３をそれぞれ形成し、この部分でろう付け、溶接を行っているから、十分な接合強度を得ることができる。したがって、高圧媒体に対しても板厚を厚くすることなく十分な強度を有することができ、重量、コストの増加を防止することができる。

なお、内接楕円３５の長軸と短軸との比ａ/ｂを、０．９５以上１．０５以下とし、円形に近い形状とすると、熱交換器の厚さが大きくなり、車両に搭載する際ラジエータとの干渉を考慮しなければならなくなり若干不利になる。しかしながら、断面縦長の形状だと、強度維持のため大幅な板厚増が必要になり重量も増加する。したがって、総合的には、断面を略円形状にした方が板厚を薄くでき、重量も軽減でき、コスト的にも有利となる。

図４及び図５は、第１の実施の形態の他の例を示す図である。

図４は、タンク本体を断面半円状とし、コアプレートの断面を八角形の半分の形状としたヘッダタンクの断面を示す図である。ここで、八角形の断面は、その角部が滑らかなＲで接続されている。図４（ａ）に示すヘッダタンク４１は、タンク本体４３のストレート部４５を半八角形状のコアプレート４７のストレート部４９より外側にして接合している。図４（ｂ）に示すヘッダタンク５１は、タンク本体５３のストレート部５５を半八角形状のコアプレート５７のストレート部５９より内側に配設して接合している。図４（ｃ）に示すヘッダタンク６１は、断面半円状のタンク本体６３のストレート部６５を半径方向外方に張り出して形成するとともに、半八角形状のコアプレート６７のストレート部６９を半径方向外方に張り出し、この部分で接合を行っている。

図５に示すヘッダタンク７１は、タンク本体とコアプレートからなるヘッダタンクを八角形状としたものであり、タンク本体７３のストレート部７５をコアプレート７７のストレート部７９より内側にして接合している。
なお、図４および図５に示すヘッダタンクは、その断面形状が楕円に近似した多角形、もしくは楕円形状と楕円に近似した多角形の組み合わせであるように形成されているが、この多角形状の部分については五角形以上とするのが望ましい。これは、多角形の角数が５より小さくなると、チューブに対する多角形の周方向の位置によっては、チューブ根付におけるチューブとコアプレートとのなす角が、例えば図１０に示すように直角に近くなることがあり根付応力が増大するからである。また、角数が５より小さくなると角部の内角が小さくなり応力集中が生ずるからである。
したがって、ヘッダタンクの断面形状が楕円に近似した多角形の部分については、上記実施の形態においては八角形状を採用しているが、これに限る必要はなく、５角形、６角形、９角形、１０角形等であってもよい。
また、チューブ根付よりチューブ側のヘッダタンクの断面形状については、内接円に必ずしも接していなくともよい。すなわち、図６に示すように、このヘッダタンク９１にあっては、チューブ根付Ａ，Ｂよりチューブ側の部分については、図４（ｂ）に示すヘッダタンク５１のコアプレート５７のように内接楕円３５に接するように突出する必要はなく、図６に示すコアプレート９３のように、チューブ根付Ａ，Ｂ間を内接円３５の内側で接続するようにしてもよい。これは、チューブ根付Ａ，Ｂ間の部分については、チューブ２３が補強の役割をしており、内接円３５に接していなくとも十分な強度を有しているからである。

図７は、本発明の第２の実施の形態を示す図であり、ヘッダタンク５１の端部に開口部８１を設け、キャップ８３でこの開口部８１を覆う構造としたものである。このようにすると、タンク本体５３とコアプレート５７を接合する際、開口部８１から冶具を挿入し、内側と外側からストレート部５５，５９を押圧して密着させることができる。

一般に、アルミ同士の溶接は少々隙間があっても可能である。これに対して、黄銅、ステンレス鋼を溶接する場合は、黄銅については組織中の亜鉛の影響、ステンレスの場合は表面の酸化膜の影響によって、溶接部にクリアランスがあると溶接が困難であることが知られている。

本実施の形態のキャップ８３を備えたヘッドタンク５１にあっては、このような、黄銅、ステンレス鋼の溶接においても、冶具を挿入して溶接部を密着させることができ、したがって信頼性の高い溶接を行うことができる。
図８の（ａ）は、本発明の第３の実施の形態のヘッダタンク１０１を示すものである。このヘッダタンク１０１は、図４（ｂ）に示すものと同様のコアプレート５７を有しており、このコアプレート５７にはタンク本体１０３が溶接固定されている。このタンク本体１０３は、図８の（ｂ）に示すような断面擬似真円形状（縦横比＝１．９５〜１．０５）になされた第１のタンク外周１５３と、図８の（ｃ）に示すような、この第１のタンク外周１５３より縦横比が大きい（例えば縦横比＝１．２）第２のタンク外周１０５とを有している。そして、これら第１のタンク外周１５３と第２のタンク外周１０５が交互に配設されてタンク本体１０３が形成されている。
このように、このヘッダタンク１０１は、そのタンク本体１０３が、断面擬似真円形状（縦横比＝１．９５〜１．０５）になされた第１のタンク外周１５３と、この第１のタンク外周１５３より縦横比が大きい（例えば縦横比＝１．２）第２のタンク外周１０５とを有しているから、全体としての剛性を向上させて変形を抑制することができ、したがって根付応力を低減することができる。
なお、これら第１のタンク外周１５３と第２のタンク外周１０５の形状は、パイプ、取り付け用のブラケット等が設置される箇所を除いた一般部に適用され、また、第２のタンク外周１０５の形状は、縦横比１．２に限定されることはなくどのようなものでもよい。

本発明の一実施の形態である熱交換器を示す概略正面図。図１中Ａ−Ａに沿う断面図。ヘッダタンクの内接楕円の縦横比とチューブ根付にかかる応力との関係を示す図。タンク本体が断面半円形状で、コアプレートの断面が八角形の半分になされているヘッダタンクを示す断面図であって、（ａ）はタンク本体のストレート部がコアプレートのストレート部より外側にある場合、（ｂ）はタンク本体のストレート部がコアプレートのストレート部より内側にある場合、（ｃ）はタンク本体、コアプレートのストレート部がともに半径方向外方に張り出している場合を示す。断面八角形状になされたヘッダタンクを示す断面図。チューブ根付よりチューブ側のヘッダタンクの形状を示した断面図。ヘッダタンク端部に開口部を設けこの開口部をキャップで覆うように構成されたヘッダタンクを示す斜視図。擬似真円状の外周と縦横比が大きい外周とを有するヘッダタンクを示す図であって、（ａ）はその斜視図、（ｂ）はヘッダタンクのうち擬似真円状の外周を有する部分の断面図、（ｃ）はヘッダタンクのうち縦横比が大きい外周を有する部分の断面図。近年の大型トラック用インタークーラの過給気圧力および温度の上昇を示す図。従来の縦長矩形状ヘッダタンクを示す断面図。

符号の説明

２０熱交換器
２１ヘッダタンク
２３チューブ
２７コアプレート
２９ストレート部
３１タンク本体
３３ストレート部
３５内接楕円
４１ヘッダタンク
４３タンク本体
４５ストレート部
４７コアプレート
４９ストレート部
５１ヘッダタンク
５３タンク本体
５５ストレート部
５７コアプレート
５９ストレート部
６１ヘッダタンク
６３タンク本体
６５ストレート部
６７コアプレート
６９ストレート部
７１ヘッダタンク
７３タンク本体
７５ストレート部
７７コアプレート
７９ストレート部
８１開口部
８３キャップ
９１ヘッダタンク

Claims

内部を流体が流れる複数本のチューブ（２３）と、このチューブ（２３）の長手方向両端部に配置され前記複数本のチューブ（２３）に連通するヘッダタンク（２１）とを備え、前記ヘッダタンク（２１）は、前記複数本のチューブ（２３）が接合されたコアプレート（２７）と、このコアプレート（２７）の前記チューブ（２３）との接合部を挟む両縁部に接合され前記コアプレート（２７）とともにタンク内空間を形成するタンク本体（３１）とを有する熱交換器（２０）において、
前記ヘッダタンク（２１）の長手方向に略直交する断面のうち、前記タンク本体（３１）の断面を含む前記接合部の一方から他方に到る外側部分が、楕円形状、もしくは楕円に近似した多角形であるとともに、前記外側部分に内接する楕円（３５）の縦横比が０．９５以上１．０５以下であることを特徴とする熱交換器（２０）。
内部を流体が流れる複数本のチューブ（２３）と、このチューブ（２３）の長手方向両端部に配置され前記複数本のチューブ（２３）に連通するヘッダタンク（２１）とを備え、前記ヘッダタンク（２１）は、前記複数本のチューブ（２３）が接合されたコアプレート（２７）と、このコアプレート（２７）の前記チューブ（２３）との接合部を挟む両縁部に接合され前記コアプレート（２７）とともにタンク内空間を形成するタンク本体（３１）とを有する熱交換器（２０）において、
前記ヘッダタンク（２１）の長手方向に略直交する断面は、楕円形状、もしくは楕円に近似した多角形であるとともに、前記ヘッダタンクに内接する楕円（３５）の縦横比が０．９５以上１．０５以下であることを特徴とする熱交換器（２０）。
前記コアプレート（２７）と前記タンク本体（３１）との接合部には接合代となるストレート部（２９，３３）が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（２０）。
前記ヘッダタンク（２１）は、その両端開口部（８１）にキャップ（８３）を接合してなることを特徴とする請求項１ないし請求項３のうちいずれか１項に記載の熱交換器（２０）。