JP2014163526A - 熱交換器 - Google Patents
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Abstract
【課題】隣接する扁平パイプとケースとの間に、ろう材の接合金属が確実に充填される熱交換器を提供する。
【解決手段】積層状態の扁平パイプ12をケース11内に収容し、扁平パイプ12同士をろう付けにより互いに接合するとともに、扁平パイプ12をケース11の内面部にろう付けにより接合した熱交換器であって、扁平パイプ12は、互いに向き合う長辺部32bおよび短辺部32aからなる方形断面形状を有し、扁平パイプ12の断面角部は、上側に位置させた一方の長辺部32bから短辺部32aに連なる角部の半径が、下側に位置させた他方の長辺部32bから短辺部32aに連なる角部の半径よりも大きくなるよう形成されている。
【選択図】図3
【解決手段】積層状態の扁平パイプ12をケース11内に収容し、扁平パイプ12同士をろう付けにより互いに接合するとともに、扁平パイプ12をケース11の内面部にろう付けにより接合した熱交換器であって、扁平パイプ12は、互いに向き合う長辺部32bおよび短辺部32aからなる方形断面形状を有し、扁平パイプ12の断面角部は、上側に位置させた一方の長辺部32bから短辺部32aに連なる角部の半径が、下側に位置させた他方の長辺部32bから短辺部32aに連なる角部の半径よりも大きくなるよう形成されている。
【選択図】図3
Description
本発明は、熱交換器に関する。
従来、気体と液体との間で熱交換を行う熱交換器の構成部品として、扁平伝熱管(扁平パイプ)が知られている(例えば、特許文献1参照)。扁平パイプは、金属板材にプレス加工を施して、扁平な断面形状を有する筒状に成形したもので、パイプ周方向の1か所に、パイプ長手方向に延びる重ね継手部を有している。重ね継手部は、扁平パイプの材料である金属板材の部材幅方向の両端部が、部材厚み方向に重ね合わせるとともに、ろう付けにより相互に接合される構造になっている。
扁平パイプは、熱交換器の構成部品であるケースに積層状態で収容され、隣接する扁平パイプ同士、ならびに扁平パイプとケースとは、ろう付けにより相互に接合される。
しかしながら、金属板材にプレス加工を施して成形した扁平パイプは、折り曲げ部分の形状を高い精度で均一化することが難しい。このため、積層状態の扁平パイプをケースに収容するようにした熱交換器では、積層状態の扁平パイプのうち、特定のものとケースとの間隔が過大になり、上下に隣接する扁平パイプとケースとの間にろう材の接合金属が確実に充填されないことが懸念され、ろう埋め性が確保できない虞がある。
そこで、本発明は、従来のものと比較して、上下に隣接する扁平パイプとケースとの間に、ろう材の接合金属が確実に充填され、ろう埋め性を確保できる熱交換器を提供することを目的としている。
本発明に係る熱交換器は、上記目的を達成するため、(1)積層状態の扁平パイプをケース内に収容し、前記扁平パイプ同士をろう付けにより互いに接合するとともに、前記扁平パイプを前記ケースの内面部にろう付けにより接合した熱交換器であって、前記扁平パイプは、互いに向き合う長辺部および短辺部からなる方形断面形状を有し、前記扁平パイプの断面角部は、一方の前記長辺部から前記短辺部に連なる角部の半径が、他方の前記長辺部から前記短辺部に連なる角部の半径よりも大きくなるよう形成され、積層状態の前記扁平パイプは、隣接する前記扁平パイプにおいて、半径が大きい前記角部と半径が小さい前記角部とが向き合うよう配置されていることを特徴とする。
この構成により、本発明の熱交換器によれば、扁平パイプの断面角部を、一方の長辺部から短辺部に連なる角部の半径が、他方の長辺部から短辺部に連なる角部の半径よりも大きくなるよう形成し、積層状態の扁平パイプを、隣接する扁平パイプにおいて、半径が大きい角部と半径が小さい角部とが向き合うよう配置しているため、扁平パイプにおいて一方の長辺部を含む外面部とケースの内面部との間に、フィレットの半径が大きいろう付け部が形成される。したがって、隣接する扁平パイプとケースとの間に、ろう材の接合金属が確実に充填され、ろう埋め性を確保することができる。
また、本発明に係る熱交換器は、上記目的を達成するため、(2)積層状態の扁平パイプをケース内に収容し、前記扁平パイプ同士をろう付けにより互いに接合するとともに、前記扁平パイプを前記ケースの内面部にろう付けにより接合した熱交換器であって、前記扁平パイプは、互いに向き合う長辺部および短辺部からなる方形断面形状を有するとともに、一方の前記短辺部に、パイプ長手方向に延びる重ね継手部を有し、前記扁平パイプの断面角部は、一方の前記長辺部から他方の前記短辺部に連なる角部の半径が、他方の前記長辺部から他方の前記短辺部に連なる角部の半径よりも大きくなるよう形成され、積層状態の前記扁平パイプは、隣接する前記扁平パイプにおいて、半径が大きい前記角部と半径が小さい前記角部とが向き合うよう配置されていることを特徴とする。
この構成により、本発明の熱交換器によれば、扁平パイプの断面角部を、一方の長辺部から他方の短辺部に連なる角部の半径が、他方の長辺部から他方の短辺部に連なる角部の半径よりも大きくなるよう形成し、積層状態の扁平パイプを、隣接する扁平パイプにおいて、半径が大きい角部と半径が小さい角部とが向き合うよう配置しているため、扁平パイプにおいて一方の長辺部を含む外面部とケースの内面部との間に、フィレットの半径が大きいろう付け部が形成される。したがって、隣接する扁平パイプとケースとの間に、ろう材の接合金属が確実に充填され、ろう埋め性を確保することができる。
本発明によれば、従来のものと比較して、隣接する扁平パイプとケースとの間に、ろう材の接合金属が確実に充填され、ろう埋め性を確保できる熱交換器を提供することができる。
以下、本発明に係る熱交換器を、車両用内燃機関の排気再循環(EGR:Exhaust Gas Recirculation)装置を構成するEGRクーラに適用した実施の形態について、図面を参照して説明する。
図1ないし図4に示すように、本実施の形態に係るEGRクーラ1は、ケース11、扁平パイプ12、ガス流入側コーン13、ガス排出側コーン14、冷却水流入ガイド15および冷却水排出ガイド16を含んで構成されている。
このEGRクーラ1は、図示していないエンジン本体の排気経路から分流させた排気ガスと、ラジエータにより除熱された冷却水との間で、熱交換を行って排気ガスの温度を低下させたうえ、温度が低下した排気ガスを、エンジン本体の吸気経路へ還流させるよう構成されている。
ケース11は、ケース本体21と、ケースカバー22とを含んで構成されている。ケース本体21は、金属板材をプレス加工することにより形成されており、溝形材状の断面形状を有している。また、ケースカバー22も、金属板材をプレス加工することにより形成されている。
ケース本体21内には、複数の扁平パイプ12が収容されている。ケース本体21の溝形材状の断面の開口は、ケースカバー22によって閉じられており、ケース本体21とケースカバー22とは、ろう付けにより接合されている。すなわち、ケース11は、一端部にガス流入側開口部11aを有し、他端部にガス排出側開口部11bを有する四角筒体状に形成されている。
ケースカバー22の一端部には、部材厚み方向に貫通する貫通孔22aが形成されており、ケース11の外部から貫通孔22aを経てケース11の内部に冷却水が送給されるようになっている。
また、ケース本体21の他端部には、貫通孔22aと同方向に貫通する貫通孔21aが形成されており、ケース11の内部から貫通孔21aを経てケース11の外部に冷却水が送出されるようになっている。
扁平パイプ12は、金属板材をプレス加工により折り曲げて成形したものであり、中央部31と、中央部31のガス流通方向上流側に位置するガス流入側開口部32と、中央部31のガス流通方向下流側に位置するガス排出側開口部33とを有している。中央部31、ガス流入側開口部32およびガス排出側開口部33は、一体的に連なっている。
中央部31は、一対の短辺部31aおよび一対の長辺部31bからなる方形断面形状を有している。ガス流入側開口部32は、一対の短辺部32aおよび一対の長辺部32bからなる方形断面形状を有している。ガス排出側開口部33は、一対の短辺部33aおよび一対の長辺部33bからなる方形断面形状を有している。
中央部31の一方の短辺部31a、ガス流入側開口部32の一方の短辺部32aおよびガス排出側開口部33の一方の短辺部33aは、金属板材が部材厚み方向に重なり合った重ね継手部を形成している。この重ね継手部は、パイプ内側に位置する金属板材の端面部が下向きになるとともに、パイプ外側に位置する金属板材の端面部が上向きになっている。また、部材厚み方向に重なり合った金属板材の端部は、ろう付けにより接合されている。
これに対して、中央部31の他方の短辺部31a、ガス流入側開口部32の他方の短辺部32aおよびガス排出側開口部33の他方の短辺部33aは、重ね継手部を形成していない。
扁平パイプ12は、ケース11内に複数個(本実施の形態では7個)が積層状態で収容されている。隣接する扁平パイプ12のガス流入側開口部32において長辺部32bを含む外面部同士は、ろう付けにより接合され、同様に、隣接する扁平パイプ12のガス排出側開口部33において長辺部32bを含む外面部同士も、ろう付けにより接合されている。
また、ガス流入側開口部32において短辺部32aを含む外面部、およびガス排出側開口部33において短辺部33aを含む外面部は、ケース11の内面部にろう付けにより接合されている。
さらに、積層された扁平パイプ12のうち、最外方に位置している扁平パイプ12のガス流入側開口部32において長辺部31bを含む外面部、およびガス排出側開口部33において長辺部31bを含む外面部は、ケース11の内面部にろう付けにより接合されている。
したがって、ケース11の内部には、隣り合う扁平パイプ12の中央部31と、ケース11の内側部とで囲まれる第1の空間S1が形成されるとともに、積層された扁平パイプ12のうち、最外方に位置している扁平パイプ12の中央部31と、ケース11の内側部とで囲まれる第2の空間S2が形成されるようになっている。
ガス流入側コーン13は、流路断面積がガス流通方向上流側から下流側に向けて拡大するよう形成されている。ガス流入側コーン13において、流路断面積が小さい開口端部である連結部13aは、排気ガス流通管101のガス流通方向下流側の端部に連結されている。ガス流入側コーン13と排気ガス流通管101とは、ろう付けにより接合されている。
ガス流入側コーン13において、流路断面積が大きい開口端部である連結部13bは、ケース11のガス流入側開口部11aに、ガス流入側開口部11aの外面部に重なるよう嵌め合わされている。ガス流入側コーン13とケース11とは、ろう付けにより接合されている。このため、エンジン本体の排気経路から分流させた排気ガスは、排気ガス流通管101およびガス流入側コーン13を経て扁平パイプ12内に流入することになる。
ガス排出側コーン14は、流路断面積がガス流通方向上流側から下流側に向けて縮小するよう形成されている。ガス排出側コーン14において、流路断面積が大きい開口端部である連結部14aは、ケース11のガス排出側開口部11bに、ガス排出側開口部11bの外面部に重なるよう嵌め合わされている。ガス排出側コーン14とケース11とは、ろう付けにより接合されている。
ガス排出側コーン14において、流路断面積が小さい開口端部である連結部14bは、排気ガス流通管102のガス流通方向下流側の端部に連結されている。ガス排出側コーン14とケース11とは、ろう付けにより接合されている。このため、扁平パイプ12内を流通した排気ガスは、ガス排出側コーン14および排気ガス流通管102を経て、エンジン本体の吸気経路に還流することになる。
冷却水流入ガイド15は、一方の開口端部が、貫通孔22aに連通するようケースカバー22に連結されるとともに、他方の開口端部が、冷却水流通管103の冷却水流通方向下流側の端部に連結されている。
冷却水流入ガイド15とケースカバー22、ならびに冷却水流入ガイド15と冷却水流通管103とは、ろう付けにより接合されている。このため、図示していない冷却水循環ポンプから送出される冷却水は、冷却水流入ガイド15を経てケース11内の第1の空間S1および第2の空間S2に流入することになる。
冷却水排出ガイド16は、一方の開口端部が、貫通孔21aに連通するようケース本体21に連結されるとともに、他方の開口端部が、冷却水流通管104の冷却水流通方向上流側の端部に連結されている。
冷却水排出ガイド16とケース本体21、ならびに冷却水排出ガイド16と冷却水流通管104とは、ろう付けにより接合されている。このため、ケース11内の第1の空間S1および第2の空間S2を流通した冷却水は、冷却水排出ガイド16を経てケース11外へ送出されることになる。
したがって、冷却水流入ガイド15からケース11内に流入して、第1の空間S1および第2の空間S2を流通する冷却水と、扁平パイプ12内を通流する排気ガスとの間で熱交換が行われる。そして、熱交換により温度が低下した排気ガスは、エンジン本体の吸気経路に還流される。
本実施の形態に係るEGRクーラ1の特徴部分は、扁平パイプ12のガス流入側開口部32およびガス排出側開口部33における断面角部を、下記のような形状として、上下に隣接する扁平パイプ12とケース11との間に、ろう材の接合金属が確実に充填され、ろう埋め性を確保できるようにした点にある。
扁平パイプ12のガス流入側開口部32における断面角部は、図3において、上側に位置している一方の長辺部32bから他方(図3中の左側)の短辺部32aに連なる角部の半径RLが、下側に位置している他方の長辺部32bから他方の短辺部32aに連なる角部の半径RSよりも大きくなるよう形成されている。
扁平パイプ12のガス排出側開口部33における断面角部は、図4において、上側に位置している一方の長辺部33bから他方(図4中の左側)の短辺部33aに連なる角部の半径が、下側に位置している他方の長辺部33bから他方の短辺部33aに連なる角部の半径よりも大きくなるよう形成されている。
上側に位置している一方の長辺部33bから他方の短辺部33aに連なる角部の半径は、図3における半径RLに等しく形成され、下側に位置している他方の長辺部33bから他方の短辺部33aに連なる角部の半径は、図3における半径RSと等しく形成されている。
次に、図5(a)〜(e)を用いて、扁平パイプ12をケース11に組み付ける工程を説明する。
このとき、一方の長辺部31b,32b,33bが鉛直方向上側に位置し、かつ他方の長辺部31b,32b,33bが鉛直方向下側に位置するとともに、一方の短辺部31a,32a,33aの重ね継手部においてパイプ外側に位置する金属板材の端面部が、鉛直方向上側を向くよう、扁平パイプ12の姿勢を設定する。
これにより、一方の長辺部33bから他方の短辺部33aに連なる半径が大きい角部が、上側に位置するとともに、他方の長辺部33bから他方の短辺部33aに連なる半径が小さい角部が、下側に位置することになる。
各扁平パイプ12の中央部31において、上側に位置している長辺部31bから短辺部31aに連なる角部と、各扁平パイプ12のガス流入側開口部32において、上側に位置している長辺部32bから短辺部32aに連なる角部と、各扁平パイプ12のガス排出側開口部33において、上側に位置している長辺部33bから短辺部33aに連なる角部とのそれぞれに、図5(a)のごとく、ろう材Bをパイプ長手方向の全長にわたって塗布する。
ろう材Bは、溶剤等を材料とするバインダに、扁平パイプ12、ケース本体21およびケースカバー22を相互に接合するための金属粉末を混合したペースト状のものである。
これに加えて、ガス流入側開口部32において上側に位置している長辺部32bを含む外面部に、ろう材Bをパイプ幅方向(パイプ長手方向および上下方向に直交する方向)の全長にわたって上側から塗布するとともに、ガス排出側開口部33において上側に位置している長辺部33bを含む外面部に、ろう材Bをパイプ幅方向の全長にわたって上側から塗布する。
この後、図5(b)のごとく、複数の扁平パイプ12を積層し、必要に応じて、上下に隣接するガス流入側開口部32の端面部の隙間、および上下に隣接するガス排出側開口部33の端面部の隙間を覆うよう、図5(c)のごとく、ろう材Bを塗布する。
さらに、図5(d)のごとく、積層状態の扁平パイプ12を、ケース本体21内に挿入し、ガス流入側開口部32の端面部とケース本体21の内面部との隙間、およびガス排出側開口部33の端面部とケース本体21の内面部との隙間を覆うよう、ろう材Bを塗布し、ケース本体21の溝形材状断面の開口縁部に、図5(e)のごとく、ろう材Bを塗布する。
また、ケース本体21の溝形材状断面の開口をケースカバー22によって閉じたうえ、ガス流入側開口部32の端面部とケースカバー22の内面部との隙間、およびガス排出側開口部33の端面部とケースカバー22の内面部との隙間を覆うよう、ろう材Bを塗布する。
そして、ケース本体21にケースカバー22を治具等により仮止めし、扁平パイプ12、ケース本体21およびケースカバー22を加熱炉に入れて、所定時間、所定温度に昇温することにより、ろう材Bに含まれている接合金属(金属粉末)を溶融させる。
この後、扁平パイプ12、ケース本体21およびケースカバー22を加熱炉内で自然放冷させると、接合金属が凝固して、扁平パイプ12、ケース本体21およびケースカバー22が相互に接合される。これにより、四角筒体状のケース11内に、積層状態の扁平パイプ12が固定されることになる。
次に、図6(a),(b)、および図7を用いて、扁平パイプ12の角部の半径とろう付け部のフィレットの半径の関係を説明する。
ろう付けは、複数の母材を溶融金属で接合する手法であり、母材の表面部に溶融状態の接合金属が濡れ広がる「ぬれ」と、母材間に溶融状態の接合金属が入り込む「毛管流入」とからなる。そして、濡れ広がった溶融状態の接合金属が凝固すると、図6(a),(b)のごとく、ろう付け部Mが形成される。また、溶融状態の接合金属は、接合金属と母材の組み合わせにより定まる接触角θを保って濡れ広がる。
このため、ガス流入側開口部32およびガス排出側開口部33において上側に位置している一方の長辺部32b,33bを含む外面部と、ガス流入側開口部32およびガス排出側開口部33の他方の短辺部32a,33aに向き合うケース本体21の内面部との間に形成されるろう付け部Mのフィレットの半径FR1,FR2は、上側に位置している一方の長辺部32b,33bから他方の短辺部32a,33aに連なる角部の半径R1,R2の寸法に対応して変化する。
ここで、図6(a)は、ガス流入側開口部32およびガス排出側開口部33の角部が、所定の半径R1を有している例であり、図6(b)は、ガス流入側開口部32およびガス排出側開口部33の角部が、半径R1よりも小さい半径R2を有している例である。
溶融状態の接合金属は、角部を超えて上側に位置している一方の長辺部32b,33bを含む外面部まで濡れ広がるので、角部が半径R1である場合のろう付け部Mのフィレットの半径FR1およびパイプ幅方向の範囲L1は、角部が半径R2である場合のろう付け部Mのフィレットの半径FR2、およびフィレットのパイプ幅方向の範囲L2に比べて大きくなる。すなわち、図7のごとく、角部の半径が大きくなるのに追従して、フィレットの半径も大きくなる。
よって、ろう付け部Mが、その上側に配置されるガス流入側開口部32の外面部に密着することになり、上下に隣接する扁平パイプ12のガス流入側開口部32と、ガス流入側開口部32の他方の短辺部32aに向き合うケース本体21との間に、ろう材の接合金属が確実に充填され、ろう埋め性を確保できる。
同様に、ろう付け部Mが、その上側に配置されるガス排出側開口部33の外面部に密着することになり、上下に隣接する扁平パイプ12のガス排出側開口部33と、ガス排出側開口部33の他方の短辺部33aに向き合うケース本体21との間に、ろう材の接合金属が確実に充填され、ろう埋め性を確保できる。
なお、ガス流入側開口部32の一方の短辺部32aおよびガス排出側開口部33の一方の短辺部33aは、金属板材が部材厚み方向に重なり合った重ね継手部を形成しているので、他方の短辺部32a,33aに比べて折り曲げ部分の形状を高い精度で均一化し易い。このため、角部の半径を特に大きくしなくても、ろう埋め性を確保できる。
また、溶融した接合金属は、他方の短辺部31a,32a,33aの重ね継手部に濡れ広がるとともに、部材厚み方向に重なり合った金属板材の間に入り込むため、重ね継手部を確実に接合することができる。
本実施の形態に係るEGRクーラ1は、上述のように構成したので、次のような効果が得られる。
ガス流入側開口部32は、図3に示すように、上側に位置している一方の長辺部32bから他方の短辺部32aに連なる角部の半径RLを、下側に位置している他方の長辺部32bから他方の短辺部32aに連なる角部の半径RSよりも大きくなるよう形成している。
このため、ガス流入側開口部32において上側の長辺部32bを含む外面部と、ガス流入側開口部32の他方の短辺部32aに向き合うケース11の内面部との間に、フィレットの半径が大きいろう付け部が形成される。
したがって、上下に隣接する扁平パイプ12のガス流入側開口部32と、ガス流入側開口部32の他方の短辺部32aに向き合うケース11との間に、ろう材の接合金属が確実に充填され、ろう埋め性を確保することができる。これにより、ケース11内の第1の空間S1および第2の空間S2からガス流入側開口部32へ冷却水が漏れることを防止できる。
ガス排出側開口部33は、図4に示すように、上側に位置している一方の長辺部33bから他方の短辺部33aに連なる角部の半径を、下側に位置している他方の長辺部33bから他方の短辺部33aに連なる角部の半径よりも大きくなるよう形成している。
このため、ガス排出側開口部33において上側の長辺部33bを含む外面部と、ガス排出側開口部33の他方の短辺部33aに向き合うケース11の内面部との間に、フィレットの半径が大きいろう付け部が形成される。
したがって、上下に隣接する扁平パイプ12のガス排出側開口部33と、ガス排出側開口部33の他方の短辺部33aに向き合うケース11との間に、ろう材の接合金属が確実に充填され、ろう埋め性を確保することができる。これにより、ケース11内の第1の空間S1および第2の空間S2からガス排出側開口部33へ冷却水が漏れることを防止できる。
前述したように、一方の長辺部31b,32b,33bが鉛直方向上側に位置し、かつ他方の長辺部31b,32b,33bが鉛直方向下側に位置するとともに、他方の短辺部31a,32a,33aの重ね継手部においてパイプ外側に位置する金属板材の端面部が、鉛直方向上側を向くよう、扁平パイプ12の姿勢を設定するのは、接合金属が溶融したときの「ぬれ」や「毛管流入」を促進させるためである。
したがって、完成したEGRクーラ1を車両に搭載する場合、EGRクーラ1の姿勢は、他の機器や装備品に応じて適宜に設定することができる。
なお、本発明に係る熱交換器は、上述した実施の形態による例示だけに限定されるものではなく、特許請求の範囲に記載した事項に応じた変更は含まれる。
以上のように、本発明に係る熱交換器は、扁平パイプとケースとの間にろう材が確実に充填されるという効果を奏するもので、各種用途の熱交換器に有用である。
1…EGRクーラ(熱交換器)、11…ケース、12…扁平パイプ、32a,33a…短辺部、32b,33b…長辺部
Claims (2)
- 積層状態の扁平パイプをケース内に収容し、前記扁平パイプ同士をろう付けにより互いに接合するとともに、前記扁平パイプを前記ケースの内面部にろう付けにより接合した熱交換器であって、
前記扁平パイプは、互いに向き合う長辺部および短辺部からなる方形断面形状を有し、
前記扁平パイプの断面角部は、一方の前記長辺部から前記短辺部に連なる角部の半径が、他方の前記長辺部から前記短辺部に連なる角部の半径よりも大きくなるよう形成され、
積層状態の前記扁平パイプは、隣接する前記扁平パイプにおいて、半径が大きい前記角部と半径が小さい前記角部とが向き合うよう配置されていることを特徴とする熱交換器。 - 積層状態の扁平パイプをケース内に収容し、前記扁平パイプ同士をろう付けにより互いに接合するとともに、前記扁平パイプを前記ケースの内面部にろう付けにより接合した熱交換器であって、
前記扁平パイプは、互いに向き合う長辺部および短辺部からなる方形断面形状を有するとともに、一方の前記短辺部に、パイプ長手方向に延びる重ね継手部を有し、
前記扁平パイプの断面角部は、一方の前記長辺部から他方の前記短辺部に連なる角部の半径が、他方の前記長辺部から他方の前記短辺部に連なる角部の半径よりも大きくなるよう形成され、
積層状態の前記扁平パイプは、隣接する前記扁平パイプにおいて、半径が大きい前記角部と半径が小さい前記角部とが向き合うよう配置されていることを特徴とする熱交換器。
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2013
- 2013-02-21 JP JP2013031935A patent/JP2014163526A/ja not_active Withdrawn
Cited By (1)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
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JP2014202379A (ja) * | 2013-04-01 | 2014-10-27 | トヨタ自動車株式会社 | 熱交換器 |
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