JP2008020085A - 熱交換器 - Google Patents

Abstract

【課題】チューブとサイドプレートにおけるコアプレートとの接合部の破損を防止可能な、製造容易な熱交換器であって、チューブとフィンとサイドプレートとのろう付けを安定して実施可能なサイドプレートを有する熱交換器を提供する。
【解決手段】内部を熱交換媒体が通過する複数本のチューブ２と、チューブ２と交互に積層されて熱交換媒体の熱伝達を増大させる複数のフィン３と、チューブ２の両端部が接続されるコアプレート５ａと、フィン３の積層方向において最も外側に配置される端部フィン３ａよりも積層方向外側に配設されてコアプレート５ａに接続される細長いサイドプレート７と、を備えた熱交換器であって、サイドプレート７の少なくとも一つは、長手方向の中間箇所において複数の架橋部７ｃ、７ｄを有しており、架橋部の少なくとも１箇所７ｄは、チューブとフィンのろう付け後に切断されて設けられたスリット７ｅを有している熱交換器。
【選択図】図１

Description

本発明は熱交換器に関し、特に、車両用エンジンの冷却水を冷却するラジエータ、車両用トランスミッションのオイルクーラ、および一つの熱交換器の別経路内を複数の熱交換媒体が各々通過する熱交換器に適用すると有効である。

従来、内部を熱交換媒体が通過する複数本のチューブ２と、該チューブと交互に積層されて前記熱交換媒体の熱伝達を増大させる複数のフィン３と、チューブの両端部が接続されるコアプレート５ａと、フィンの積層方向において最も外側に配置される端部フィン３ａよりも積層方向外側に配設されてコアプレート５ａに接続されるサイドプレート７と、により構成される熱交換器のコア部構造（図１参照）が周知である。

この種の熱交換器のコア部構造では、所定間隔をおいて対向配置される二つのコアプレート５ａの間にチューブ２とコルゲートフィン３が交互に配置され、二つのコアプレート５ａの両端部がサイドプレート７により架橋されている。そして、チューブ２及びサイドプレート７の両端部が、コアプレート５ａに配設されるチューブ穴及びサイドプレート穴にそれぞれ挿入されて、その挿入部がろう付けされている（図２参照）。

しかし、上記熱交換器において、チューブ２内に熱交換媒体が通過し始めると、熱交換媒体の影響を直接受けるチューブ２およびコアプレート５ａの熱膨張量と、熱交換媒体の影響を直接受けないサイドプレート７の熱膨張量との差により、チューブ２とサイドプレート７には熱歪みにともなう熱応力が発生する。そして、熱応力が繰り返し発生すると、チューブ２とサイドプレート７におけるコアプレート５ａとの接合部（挿入部）近傍７ｚが疲労破壊するという問題がある。

この対策として特許文献１に記載された技術がある。これは、サイドプレートの一部を屈曲させてサイドプレートがその長手方向に容易に伸縮可能にし、チューブとサイドプレートとの熱膨張量差を吸収することにより、チューブおよびサイドプレートが接合された部位が疲労破壊することを未然に防止するようにしたものである。また、特許文献２に記載された技術では、サイドプレートに千鳥状のスリットを設け、その長手方向に直角に容易に伸縮可能にしている。しかし、これらの技術では、サイドプレートの構造が複雑であるため、製造が容易ではなくコストの高いものとなっていた。

また、チューブとフィンとサイドプレートとのろう付け時には、例えばワイヤー等の治具によりサイドプレートをチューブとフィン組立体の両外側に配置して、これらを複数のワイヤーにより同時に加圧してろう付けを実施する。（このワイヤーの設置位置を図１において仮想線Ｊで示す。）この加圧時に、特許文献１、２に記載された技術のサイドプレートを使用した場合、サイドプレートの剛性が低いため、チューブとフィンとサイドプレートを均一に圧縮できず安定したろう付けができない恐れがある。

欧州特許公開第１００１２４１号公報 特開２００５−１５６０６８号公報

本発明は、上記問題点に着目してなされたもので、その目的とするところは、チューブおよびサイドプレートにおけるコアプレートとの接合部の破損を防止可能な、製造容易でコストを低減した熱交換器であって、チューブとフィンとサイドプレートとのろう付けを安定して実施可能なサイドプレートを有する熱交換器を提供することである。

請求項１に記載の発明によれば、熱交換器は、サイドプレート７の少なくとも一つは、長手方向の中間箇所において複数の架橋部７ｃ、７ｄを有しており、架橋部の少なくとも１箇所７ｄは、チューブ２とフィン３のろう付け後に切断されて設けられたスリット７ｅを有していることを特徴としている。

これにより、チューブとフィンとサイドプレートとのろう付け時には、サイドプレートの剛性が確保され（たわみにくく）、チューブとフィンとサイドプレートを均一に圧縮できる。このため、チューブとフィンとサイドプレートとのろう付けを安定して実施可能となる。そして、ろう付け後は、架橋部の少なくとも１箇所が切断される。これにより、熱交換器を使用中にサイドプレートが熱膨張をしても、その剛性が低いためその長手方向に容易に伸縮可能となり、熱応力を低減可能となる。

請求項２に記載の発明によれば、熱交換器は、スリット７ｅが、前記熱交換器に組み付けられた前記サイドプレート７の外周に設けられていることを特徴としている。これにより、切断が容易になる。

請求項３に記載の発明によれば、熱交換器は、切断されていない架橋部の少なくとも１箇所７ｃは、前記サイドプレート７長手方向に対して斜めに架橋していることを特徴としている。これにより、チューブとフィンとサイドプレートとのろう付け時には、サイドプレートの剛性が確保され、熱膨張時には、その剛性がより低いためその長手方向により容易に伸縮可能となり、熱応力を一層低減可能となる。

請求項４に記載の発明によれば、熱交換器は、サイドプレート７の断面が略コの字形をしており、前記断面内側に配管６が伸びて配設され、該配管は、架橋部７ｃ、７ｄ近傍で前記断面内側から外部へ突出していることを特徴としている。これにより、切断箇所近傍の空間が確保されて切断が容易になる。

請求項５に記載の発明によれば、熱交換器は、一つの熱交換器２００内に複数の別経路が構成され、該別経路内を複数の熱交換媒体が各々通過することを特徴としている。これにより、複数の熱交換媒体用の熱交換器を小型化することができる。

請求項６に記載の発明によれば、熱交換器は、複数の熱交換媒体の一方が高温媒体であり、他方が低温媒体であって、サイドプレートは、高温媒体が通過するチューブ近傍側に配設されたもの７と、低温媒体が通過するチューブ近傍側に配設されたもの７１とから構成され、高温媒体が通過するチューブ近傍側に配設されたサイドプレート７は、スリット７ｅを有する架橋部７ｄを有しており、低温媒体が通過するチューブ近傍側に配設されたサイドプレート７１は、架橋部７ｃ、７ｄを全く有していないことを特徴としている。熱膨張の影響を受けにくいサイドプレートには架橋部を具備する必要がないため、これにより、必要の無い加工を省略可能となる。
なお、上記各部位の符号は、後述する実施形態に記載の具体的部位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１〜４に基づいて説明する。第１実施形態は、車両用トランスミッション用オイルと大気（空気）とを熱交換する本発明に係る熱交換器（オイルクーラ）１００である。図１は第１実施形態に係るオイルクーラ１００の全体図であり、図２は図１のＸ部の拡大断面図である。図３は図１のＹ部の拡大斜視図であって、ろう付け前の本発明に係るサイドプレート（架橋部切断なし）である。図４はろう付け後の本発明に係るサイドプレート（架橋部切断あり）である。なお、図５は、従来例のサイドプレートである。

図１に示すように、本発明の熱交換器は、車両用トランスミッション（図示せず）のオイルを空冷するオイルクーラ１００である。本発明の熱交換器１００は、従来形の熱交換器とは、サイドプレート７のみが異なり、他の部分は全く同一である。

オイルクーラ１００は、内部をトランスミッションオイルが通過する複数本のチューブ２と、該チューブと交互に積層されてオイルの熱伝達を増大させる複数のフィン３と、チューブ２の両端部が接続されるコアプレート５ａと、チューブの積層方向において最も外側に配置されるチューブよりもさらに外側に配置される端部フィン３ａよりも積層方向外側に配設されてコアプレート５ａに接続されるサイドプレート７と、により構成されている。そして、図２に示すように、チューブ２及びサイドプレート７の両端部が、コアプレート５ａに配設されるチューブ穴及びサイドプレート穴にそれぞれ挿入されて、その挿入部がろう付けされている。

図１において、チューブ２はオイルが流れる管であり、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、その軸方向が水平方向に一致するように、複数本が、上下方向（チューブの積層方向）に互いに平行に配置されている。
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コルゲートフィン３がろう付け接合されており、このフィン３により空気との伝熱面積を増大させてトランスミッションオイル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の軸方向端部（本実施形態では、左右端）にてチューブ２の軸方向と直交する方向（本実施形態では、上下方向）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。

また、タンク５には、トランスミッションに設けられたオイル通路（図示せず）とオイルクーラ１００とを繋ぐオイル配管（図示せず）が接続される配管接続部５ｄが設けられている。配管接続部５ｄは、オイルがトランスミッション側から流入するオイル入口である。そして、戻り配管６の一部である配管接続部６ａは、オイルがオイルクーラ１００からトランスミッション側へ流出するオイル出口である。ただし、オイルの出入り口は逆になることもありえる。

図１に示すように、配管接続部５ｄから熱交換器１００内へ流入するオイルは、まず右側ヘッダタンク５ｂ内へ流入する。そして、右側ヘッダタンク５ｂ内へ流入したオイルは、チューブ２内を通過して大気と熱交換しながら左方向へ進み、左側ヘッダタンク５ｂ内へ流入する。左側ヘッダタンク５ｂ内で貯留されたオイルは、左側ヘッダタンク５ｂの戻り配管６との接続口６ｂを経由して、戻り配管６内へ流入する。オイルは、さらに戻り配管６内を右方向へ通過して、配管接続部６ａからトランスミッション側へ流出する。

一方、コア部４の両端部（本実施形態では、上下端）には、チューブ２の軸方向と略平行に延びてコア部４を補強するサイドプレート７が設けられている。図３に示すように、このサイドプレート７は、チューブ２の扁平面２ａ（図２参照）と略平行な面を有してチューブ２の軸方向と略平行に延びるベース部７ａと、ベース部７ａに対して略直角な方向に突出してチューブ２の軸方向と略平行に（本実施形態では、水平方向）延びる立壁部７ｂとを有している。

サイドプレート７において、立壁部７ｂは、ベース部７ａのうちベース部７ａの幅方向の両端にそれぞれに設けられているため、サイドプレート７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。サイドプレート７の断面形状を略コの字状断面とする理由は、サイドプレート７の剛性を確保することにある。前記断面の内側に戻り配管６が伸びて配設され、配管６は、架橋部７ｃ、７ｄ近傍で前記断面内側から外部へ湾曲しながら突出している。これにより架橋部７ｄ近傍に空間が確保されるため、ろう付け完了後に架橋部７ｄを切断する作業が容易になる。また、サイドプレート７は、フィン３ａとろう付けされることによりコア部４と当接しており、コア部４との間で熱伝導が行われるようになっている。

図１、図３に示すように、サイドプレート７の長手方向の略中央部には、架橋部７ｃ、７ｄが設けられている。ちなみに、これらの架橋部は、サイドプレート７の長手方向の中間部であればどの位置に設けられても良い。架橋部７ｃは、サイドプレート７の長手方向に対して斜めに架橋している。図３は、チューブ２とフィン３とサイドプレート７とのろう付け前およびろう付け時の状態を示したものである。このろう付けが完了したとき、両側の架橋部７ｄは、図４に示すように、切断されてスリット７ｅが設けられる。なお、架橋部７ｄをサイドプレート７（組立後の）の外周側に配置することにより、架橋部７ｄの切断が容易になる。

上記架橋部７ｃ、７ｄやスリット７ｅが設けられる理由を、図６、図７に基づいて説明する。図６、図７はサイドプレート７に架橋部７ｃ、７ｄおよび架橋部スリット７ｅを設けた場合の梁変形に関するシミュレーション計算を説明するための図である。詳細には、図６は、計算条件を模式図で表した図であり、（ａ）は計算対象となるサイドプレート７の３面図、（ｂ）はたわみ量を計算する計算条件を表した図、（ｃ）はサイドプレート７に強制変位させるときの力を表した図である。図７は、図６の計算条件の下での各型式のシミュレーション計算結果である。

計算対象となるサイドプレートは、三つの型式とした。第１型式は本発明の第１実施形態（斜め架橋部付き）、第２型式は第１実施形態の変形例（真直架橋部付き）、第３型式は架橋部の無い従来形である。これらの型式のサイドプレートに関して、まず、図６（ｂ）に示すように、サイドプレートに０.０６５ＭＰａの等分布荷重を掛けたときのたわみδを求めた。このとき、サイドプレートは両端固定梁とした。０.０６５ＭＰａの等分布荷重は、チューブとフィンとサイドプレートとのろう付け時のワイヤー加圧を想定したものである。たわみδが小さい方が、ろう付け時のフィン変形量に関してフィン位置の相違によるバラツキが少ないため、安定してろう付けが実施できることとなる。

次に、図６（ｃ）に示すように、サイドプレートを長手方向に強制的に０.２ｍｍ変位させるのに必要な力（以下、「強制変位力」と言う）を求めた。このとき、サイドプレートは片側を固定した梁とした。これは、サイドプレートが熱膨張したときに掛かる力を想定したものである。この力が小さいほうが、熱応力が小さいこととなり好ましい。この計算に関しては、架橋部７ｄの切断の有無の各場合について行った。

以上の計算条件でシミュレーション計算をした結果が図７に表されている。本発明に係る第１実施形態である型式１が、ろう付け時の安定性および熱膨張時の熱応力を総合的に考慮した場合、最も適したものであることがこの図７の計算結果より判明した。すなわち、型式１と従来形である型式３を比較すると、型式１は、たわみ量δが型式３に対し２６％しか大きくないのに対し、強制変位力（架橋部切断における）は型式３に対し２１％しか必要ではない。また型式１と型式２を比較すると、型式１は、たわみ量δが型式３に対し９％弱しか大きくないのに対し、強制変位力（架橋部切断における）は型式２に対し６０％弱しか必要ではない。

すなわち、型式１のサイドプレートは、型式２、３に比し、たわみ量はそれほど増加しないが、強制変位力（架橋部切断における）は大幅に低減している。ということは、型式１は、ろう付け時の安定性は従来形よりそれほどは阻害されずに熱応力が大幅に低減可能となることが分かる。

（第２実施形態）
次に、本発明の第２実施形態について図８に基づいて説明する。なお、第１実施形態と実質的に同じ機能を有する部分は同一参照符号を付することにより、その説明を省略する。第２実施形態は、一つの熱交換器の別経路内を複数の熱交換媒体が各々通過する熱交換器２００である。複数の熱交換媒体とは、例えば、車両用トランスミッション用オイル（以下、単に「オイル」と言う）と空調用冷媒である。オイルの熱交換器入口温度は約１４０℃であり、冷媒の熱交換器入口温度は約７０℃である。

図８は、第２実施形態に係る熱交換器２００の全体図である。８は空調用冷媒を貯留するモジュレータであり、７１は架橋部の全く無い従来形のサイドプレートである。５ｄはオイル入口であり、５ｅはオイル出口である。５ｆは冷媒入口であり、５ｇは冷媒出口である。なお、オイルおよび冷媒の出入り口は、各々逆になることがあり得る。５ｘは、熱交換媒体は存在せず空気のみ存在する小室であり、オイルと冷媒が混じり合う不具合を防止するため、オイルおよび冷媒の漏れを検出するためのものである。５ｚは、ヘッダタンク５内を複数の小室に仕切る仕切板（セパレータ）である。

サイドプレート７は、高温熱交換媒体であるオイルが通過するチューブ２の近傍に配設されており熱膨張の影響を受けやすいため、架橋部７ｃ、７ｄを有するが、サイドプレート７１は、低温熱交換媒体である冷媒が通過するチューブ２の近傍に配設されており熱膨張の影響を受けにくいため、架橋部を有する必要はない。

まず、高温熱交換媒体であるオイルの流通経路を説明する。トランスミッション（図示せず）からオイル入口５ｄを介して熱交換器２００へ流入したオイルは、ヘッダタンク小室５ｈからチューブ２内を左方向へ通過し、ヘッダタンク小室５ｉに至り、そして今度は上部のチューブ２内を逆に右方向へ通過して、ヘッダタンク小室５ｊに至り、さらにオイル出口５ｅを介してトランスミッション（図示せず）へと流出する。

次に、低温熱交換媒体である冷媒の流通経路を説明する。冷媒ポンプ（図示せず）により圧縮された冷媒は、冷媒入口５ｆから熱交換器２００へ流入し、ヘッダタンク小室５ｋからチューブ２内を左方向へ通過し、ヘッダタンク小室５ｌに至り、さらにモジュレータ入口８ｂを介してモジュレータ８内へ流入する。モジュレータ８内へ流入した冷媒は、モジュレータ出口８ｃからヘッダタンク小室５ｍへ流入し、そして今度は上部のチューブ２内を逆に右方向へ通過して、ヘッダタンク小室５ｎに至り、さらに上部のチューブ２内を左方向へ通過してヘッダタンク小室５ｐに至る。ヘッダタンク小室５ｐへ流入した冷媒は、上部のチューブ２内を逆に右方向へ通過して、ヘッダタンク小室５ｑに至り、冷媒出口５ｇから膨張弁（図示せず）へと流出する。

第２実施形態は熱交換器が一つのため、複数の熱交換媒体用の熱交換器を小型化することができる。また、熱膨張の影響を受けにくいサイドプレートには架橋部を具備する必要がないため、これに架橋部の全く無い従来形のサイドプレート７１を採用することにより、必要の無い加工を省略することが可能となる。

（第３実施形態）
複数の熱交換媒体として、オイルとエンジン冷却水を使用することもできる。エンジン冷却水の熱交換器入口温度は約１００℃と高温である。このため、図８において、下側のサイドプレート７１（架橋部なし）を上側のサイドプレート７（架橋部あり）と同一にしたほうが好ましい。すなわち、両側のサイドプレートは、いずれも架橋部を有するものとなる。

（他の実施形態）
本発明に係る熱交換器として、ハイブリッド車両における電動モータの制御を行うインバータ等の電子部品冷却用のラジエータ等を対象とすることもできる。

以上のように、本発明に係る実施形態により、チューブおよびサイドプレートにおけるコアプレートとの接合部の破損を防止可能な、製造容易でコストを低減した熱交換器であって、チューブとフィンとサイドプレートとのろう付けを安定して実施可能なサイドプレートを有する熱交換器を提供することが可能となる。

本発明の第１実施形態に係る熱交換器の全体図である。 図１のＸ部の拡大断面図である。 図１のＹ部を拡大した図であって、ろう付け前の本発明に係るサイドプレート（架橋部切断なし）を示す斜視図である。 ろう付け後の本発明に係るサイドプレート（架橋部切断あり）である。 従来例のサイドプレートである。 シミュレーション計算の計算条件を表した図であり、（ａ）は計算対象となるサイドプレートの３面図、（ｂ）はたわみ量を計算する計算条件を表した図、（ｃ）はサイドプレートに強制変位させるときの力を表した図である。 図６の計算条件の下での各型式のシミュレーション計算結果である。 本発明の第２実施形態に係る熱交換器の全体図である。

符号の説明

１００ オイルクーラ
２ チューブ
３ フィン
４ コア

Claims (6)

1. 内部を熱交換媒体が通過する複数本のチューブ（２）と、
   該チューブ（２）と交互に積層されて前記熱交換媒体の熱伝達を増大させる複数のフィン（３）と、
   前記チューブ（２）の両端部が接続されるコアプレート（５ａ）と、
   前記フィン（３）の積層方向において最も外側に配置される端部フィン（３ａ）よりも積層方向外側に配設されて前記コアプレート（５ａ）に接続される細長いサイドプレート（７）と、を備えた熱交換器であって、
   前記サイドプレート（７）の少なくとも一つは、長手方向の中間箇所において複数の架橋部（７ｃ、７ｄ）を有しており、
   前記架橋部（７ｃ、７ｄ）の少なくとも１箇所（７ｄ）は、前記チューブ（２）と前記フィン（３）のろう付け後に切断されて設けられたスリット（７ｅ）を有していることを特徴とする熱交換器（１００、２００）。
2. 前記スリット（７ｅ）は、前記熱交換器に組み付けられた前記サイドプレート（７）の外周に設けられていることを特徴とする請求項１に記載の熱交換器（１００、２００）。
3. 切断されていない前記架橋部の少なくとも１箇所（７ｃ）は、前記サイドプレート（７）長手方向に対して斜めに架橋し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（１００）。
4. 前記サイドプレート（７）の断面は略コの字形をしており、前記断面内側に配管（６）が伸びて配設され、該配管（６）は、前記架橋部（７ｃ、７ｄ）近傍で前記断面内側から外部へ突出していることを特徴とする請求項１から３のいずれか１項に記載の熱交換器（１００）。
5. 一つの前記熱交換器（２００）内に複数の別経路が構成され、該別経路内を複数の前記熱交換媒体が各々通過することを特徴とする請求項１から４のいずれか１項に記載の熱交換器（２００）。
6. 複数の前記熱交換媒体の一方は高温媒体であり、他方は低温媒体であって、
   前記サイドプレートは、前記高温媒体が通過するチューブ近傍側に配設されたもの（７）と、前記低温媒体が通過するチューブ近傍側に配設されたもの（７１）とから構成され、
   前記高温媒体が通過するチューブ近傍側に配設された前記サイドプレート（７）は、前記スリット（７ｅ）を有する架橋部（７ｄ）を有しており、
   前記低温媒体が通過するチューブ近傍側に配設された前記サイドプレート（７１）は、前記架橋部（７ｃ、７ｄ）を全く有していないことを特徴とする請求項５に記載の熱交換器（２００）。

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